Трубчатый элемент для нагревания аэрозольобразующего материала
Предлагается трубчатый нагревательный элемент (1) для использования в устройстве нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала. Трубчатый нагревательный элемент (2) содержит нанесенный на трубчатое основание (2a) слой нагреваемого материала (1b, 2b), способного нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля. Толщина стенки (T) трубчатого нагревательного элемента (1, 2) составляет не более 1 мм. Кроме того, трубчатый нагревательный элемент (2) может содержать защитный слой (2c). Нагреваемый слой выполнен из ферромагнитного материала на основе кобальта или никеля. Нагревательные элементы согласно различным вариантам осуществления изобретения обеспечивают эффективную передачу энергии изменяющегося магнитного поля в нагревательный элемент, сохраняя при этом преимущества относительно низкой стоимости, легкости получения материала и простоты формования в процессе изготовления. 4 н. и 27 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Изобретение относится к трубчатым нагревательным элементам для использования в устройстве для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, а также к устройству для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, и к системе, содержащей такое устройство и курительный элемент, содержащий аэрозольобразующий материал.
Уровень техники
В курительных изделиях, таких как сигареты, сигары и т.п., сжигается табак для создания табачного дыма. Предпринимались попытки создания альтернативных средств, в которых генерирование вдыхаемой среды осуществляется без использования процесса сжигания. Примерами таких продуктов являются так называемые устройства для нагрева без горения, или устройства для нагрева табака или табаконагревательные устройства, процесс генерирования дыма в которых осуществляется путем нагрева исходного материала, а не сжигания. В качестве материала могут использоваться, например, табачные или другие нетабачные продукты, которые могут содержать, а могут и не содержать никотин.
Раскрытие изобретения
Первым объектом изобретения является трубчатый нагревательный элемент для использования в устройстве для нагрева аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, содержащий нагреваемый материал, способный нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля, причем толщина стенки трубчатого нагревательного элемента составляет не более 1 мм.
Толщина стенки может составлять не более 0,5 или 0,3 мм и не менее 0,05 мм.
Внешний диаметр или размер трубчатого нагревательного элемента может составлять не более 5 или 2,4 мм и не менее 0,3 мм.
Внутренний диаметр или размер трубчатого нагревательного элемента может составлять не менее 0,1 или 0,19 мм и не более 2,1 мм.
Трубчатый нагревательный элемент может содержать термостойкое основание с нанесенным на него покрытием, содержащим нагреваемый материал. Покрытие может быть расположено радиально снаружи основания.
Вторым объектом изобретения является трубчатый нагревательный элемент для использования в устройстве для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, содержащий термостойкое основание и покрытие на этом основании, причем покрытие выполнено из нагреваемого материала, способного нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля, и расположено радиально снаружи основания.
Толщина покрытия трубчатого нагревательного элемента согласно первому и второму объектам может составлять не более 50 или 20 мкм.
Покрытие трубчатого нагревательного элемента согласно первому и второму объектам может иметь кольцевую форму.
Нагреваемый материал покрытия трубчатого нагревательного элемента согласно первому и второму объектам является ферромагнитным материалом. Ферромагнитный материал может содержать никель или кобальт.
Трубчатый нагревательный элемент согласно первому и второму объектам может не содержать расположенного радиально внутри термостойкого основания покрытия с нагреваемым материалом.
Основание трубчатого нагревательного элемента согласно первому и второму объектам может содержать один или несколько таких материалов, как металлы, металлические сплавы, керамические материалы и пластик.
Трубчатый нагревательный элемент согласно первому и второму объектам может содержать термостойкое защитное покрытие с нагреваемым материалом, которое расположено между основанием и термостойким защитным покрытием.
В одном из возможных вариантов выполнения содержащее нагреваемый материал покрытие заключено в оболочку. Такая оболочка может быть образована термостойким защитным покрытием и основанием. В одном из возможных вариантов реализации термостойкое защитное покрытие образует оболочку для основания и содержащего нагреваемый материал покрытия.
Термостойкое защитное покрытие трубчатого нагревательного элемента согласно первому и второму объектам может содержать один или несколько таких материалов, как керамические материалы, нитриды металлов, нитрид титана и алмаз.
Толщина термостойкого защитного покрытия трубчатого нагревательного элемента согласно первому и второму объектам может составлять не более 50 или 20 мкм.
Трубчатый нагревательный элемент согласно первому и второму объектам может представлять собой иглу.
Третьим объектом изобретения является устройство для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, содержащее область нагрева для приема одного или нескольких курительных элементов, содержащих аэрозольобразующий материал; нагревательный элемент содержащий нагреваемый материал, способный нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля с целью нагревания зоны нагрева, причем нагревательный элемент окружен зоной нагрева; и генератор магнитного поля для генерирования изменяющегося магнитного поля, проникающего в соответствующие продольные участки нагревательного элемента во время работы, причем магнитный генератор содержит множество плоских спиральных катушек электропроводного материала, расположенных последовательно и в соответствующих плоскостях вдоль продольной оси зоны нагрева.
Нагревательный элемент может быть расположен соосно с продольной осью области нагрева или параллельно ей.
Нагревательный элемент может иметь трубчатую форму.
Нагревательный элемент может иметь форму иглы.
В одном из возможных вариантов выполнения нагревательный элемент содержит термостойкое основание с нанесенным на него покрытием, содержащим нагреваемый материал. Нагреваемый материал покрытия может представлять собой ферромагнитный материал. Ферромагнитный материал может содержать никель или кобальт. Покрытие может быть расположено радиально снаружи основания.
В одном из возможных вариантов выполнения нагревательный элемент устройства содержит трубчатый нагревательный элемент согласно первому объекту или трубчатый нагревательный элемент согласно второму объекту настоящего изобретения.
В одном из возможных вариантов выполнения устройство содержит корпус для удержания нагревательного элемента в требуемом положении относительно области нагрева и ограничивающий по меньшей мере один воздушный вход, через который воздух может поступать в область нагрева во время работы.
Нагревательный элемент может быть выполнен с возможностью извлечения из устройства. В одном из возможных вариантов выполнения нагревательный элемент может извлекаться из устройства вместе с корпусом.
В одном из возможных вариантов выполнения плоскости, в которых расположены плоские спиральные катушки, практически параллельны друг другу.
В одном из возможных вариантов выполнения зона нагрева проходит сквозь отверстие каждого из множества плоских спиральных катушек.
В одном из возможных вариантов выполнения устройство содержит удлиненную опору для удержания курительного элемента, содержащего аэрозольобразующий материал, в отверстиях плоских спиральных катушек. В одном из возможных вариантов выполнения удлиненная опора имеет трубчатую форму и окружает область нагрева. Удлиненная опора может быть магнитонепроницаемой и/или электрически непроводящей.
Устройство может содержать контроллер для управления работой по меньшей мере одной из плоских спиральных катушек независимо по меньшей мере от одной из других плоских спиральных катушек.
В одном из возможных вариантов выполнения устройство является устройством для нагревания табака.
Нагреваемый материал трубчатого нагревательного элемента согласно первому и второму объектам или устройства согласно третьему объекту может содержать один или несколько таких материалов, как электропроводный материал, магнитный материал и магнитно и электропроводный материал. Нагревательный элемент может представлять собой металл или металлический сплав. Нагревательный элемент может содержать один или несколько таких материалов, как алюминий, золото, железо, никель, кобальт, электропроводный углерод, графит, сталь, нелегированная углеродистая сталь, низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь, ферритная нержавеющая сталь, медь и бронза.
Четвертым объектом изобретения является система для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, содержащая устройство согласно третьему объекту настоящего изобретения и курительный элемент, содержащий аэрозольобразующий материал, выполненный с возможностью установки в области нагрева устройства.
Аэрозольобразующий материал может содержать табак и/или одно или несколько увлажняющих веществ.
Далее в качестве примера описаны варианты осуществления изобретения со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показан пример выполнения трубчатого нагревательного элемента для использования в устройстве для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, вид в продольном разрезе;
на фиг. 2 – другой пример выполнения трубчатого нагревательного элемента для использования в устройстве для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, вид в продольном разрезе;
на фиг. 3 – еще один пример выполнения трубчатого нагревательного элемента для использования в устройстве для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, вид в продольном разрезе;
на фиг. 4 схематично показан пример выполнения системы, содержащей устройство для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, и курительный элемент, содержащий аэрозольобразующий материал и выполненный с возможностью установки в зоне нагрева устройства, вид в продольном разрезе;
на фиг. 5 схематично показана индукционная обмотка устройства по фиг. 4, вид в перспективе.
Осуществление изобретения
Используемый в настоящем описании термин «аэрозольобразующий материал» относится к материалам, которые при нагреве выделяют летучие компоненты, обычно в виде пара или аэрозоля. «Аэрозольобразующий материал» может представлять собой не содержащий табака материал или материал, содержащий табак. «Аэрозольобразующий материал» может, например, включать в себя один или несколько видов табака как такового, производные табака, взорванный табак, восстановленный табак, экстракт табака, гомогенизированный табак, либо заменители табака. Аэрозольобразующий материал может представлять собой молотый табак, измельченный табак, нарезанные листья табака, экструдированный табак, восстановленный табак, восстановленный аэрозольобразующий материал, жидкость, гель, гелеобразный лист, порошок или агломераты или т.п. Аэрозольобразующий материал также может включать в себя и другие нетабачные вещества, которые в зависимости от состава могут содержать или не содержать никотин. «Аэрозольобразующий материал» может содержать один или несколько увлажнителей, например, глицерин или пропиленгликоль.
Используемый в настоящем описании термин «нагреваемый материал» служит для обозначения материала, который может нагреваться под действием переменного магнитного поля.
Индукционный нагрев является процессом, обеспечивающим нагрев электропроводящего объекта под действием переменного магнитного поля. В основе процесса лежит закон электромагнитной индукции Фарадея и закон Ома. Индукционный нагреватель может содержать электромагнит и преобразователь, обеспечивающий подачу в электромагнит изменяющегося электрического тока, например, переменного тока. При соответствующем расположении электромагнита и объекта, подлежащего нагреву, в объект проникает создаваемое электромагнитом переменное магнитное поле, и внутри объекта возникает один или несколько вихревых токов. Объект обладает сопротивлением электрическому току, поэтому, когда вихревые токи возникают в объекте, они, преодолевая электрическое сопротивление объекта, вызывают нагрев объекта. Указанный процесс называется джоулевым, омическим или резистивным нагревом. Объект, способный нагреваться посредством индукции, известен как токоприемник.
Установлено, что если токоприемник образует замкнутый контур, магнитное взаимодействие между токоприемником и используемым электромагнитом усиливается, в результате чего происходит усиление джоулева нагрева.
Нагрев, вызванный магнитным гистерезисом, является процессом, при котором объект, изготовленный из магнитного материала, нагревается в результате проникновения в объект переменного магнитного поля. Магнитный материал можно рассматривать как состоящий из множества магнитов атомного масштаба или магнитных диполей. Когда магнитное поле проникает в указанный материал, магнитные диполи выравниваются в направлении магнитного поля. Таким образом, когда изменяющееся магнитное поле, созданное, например, электромагнитом, т.е. переменное магнитное поле, проникает в магнитный материал, ориентация магнитных диполей меняется с изменением прикладываемого магнитного поля. Такая переориентация магнитных диполей вызывает нагрев магнитного материала.
Если объект является как электропроводным, так и магнитным, проникающее в объект переменное магнитное поле может вызвать одновременно джоулев нагрев объекта и нагрев, связанный с магнитным гистерезисом. Более того, при использовании магнитного материала усиливается магнитное поле, и, следовательно, усиливается джоулев нагрев и нагрев, связанный с магнитным гистерезисом.
В каждом из вышеуказанных процессов, поскольку тепло генерируется внутри самого объекта, а не внешним источником тепла посредством теплопроводности, может быть достигнуто быстрое повышение температуры в объекте и более равномерное распределение тепла, в частности, путем выбора подходящего материала и геометрии объекта, а также подходящей переменной величины магнитного поля и его ориентации относительно объекта. Поскольку индукционный нагрев и нагрев, вызванный магнитным гистерезисом, не требуют физического контакта между источником переменного магнитного поля и объектом, увеличивается свобода в проектировании и контроле профиля нагрева, что позволяет снизить производственные затраты.
На фиг. 1 показан трубчатый нагревательный элемент 1, предназначенный для использования в устройстве для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, таком как устройство 100, показанное на фиг. 4 и описанное ниже.
Трубчатый нагревательный элемент 1 содержит нагреваемый материал 1b, который может нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля. В некоторых вариантах выполнения, таких как рассматриваемый вариант, трубчатый нагревательный элемент 1 состоит из нагреваемого материала 1b. Нагреваемый материал 1b может быть любым из материалов, указанных в настоящем описании, например, нержавеющей сталью.
В данном варианте выполнения нагревательный элемент 1 имеет практически цилиндрическую форму с по существу круглым поперечным сечением, но в других вариантах выполнения нагревательный элемент 1 может иметь поперечное сечение овальной или эллиптической формы. В некоторых вариантах выполнения нагревательный элемент 1 может иметь в поперечном сечении форму, например, многоугольника, четырехугольника, прямоугольника, квадрата, треугольника, а также звездообразную или неправильную форму.
В данном варианте выполнения нагревательный элемент 1 имеет удлиненную форму с продольной осью A-A. Однако в других вариантах выполнения нагревательный элемент 1 может быть не удлиненным. В некоторых таких вариантах выполнения нагревательный элемент 1 все равно имеет осевое направление A-A, перпендикулярное плоскости поперечного сечения нагревательного элемента 1.
Нагревательный элемент 1 содержит внутреннюю полость 1i и стенку толщиной T, равной разности между внутренним и внешним диаметрами ID и OD (или размерами в направлении, перпендикулярном осевому направлению A-A) нагревательного элемента 1. Толщина стенки T трубчатого нагревательного элемента 1 в рассматриваемом варианте составляет приблизительно 0,13 мм. В других вариантах выполнения толщина стенки T может быть другой. В некоторых вариантах выполнения толщина стенки T не превышает 1, предпочтительно 0,5, а более предпочтительно – 0,3 мм. В некоторых вариантах выполнения толщина стенки T может составлять не менее 0,05 мм. Наиболее предпочтительной является толщина стенки T от 0,05 до 0,3 мм.
Трубчатый нагревательный элемент 1 согласно данному варианту выполнения имеет внешний диаметр или размер OD, приблизительно равный 1,65 мм. В других вариантах выполнения внешний диаметр или размер OD может быть другим, например, он может составлять не более 5 мм, а предпочтительно не более 2,4 мм. В некоторых вариантах выполнения внешний диаметр или размер OD составляет не менее 0,3 мм. Наиболее предпочтительным является внешний диаметр или размер OD от 0,3 до 5 мм.
Внутренний диаметр или размер ID трубчатого нагревательного элемента 1 согласно данному варианту выполнения составляет около 1,39 мм. В других вариантах выполнения внутренний диаметр или размер ID может быть другим, например, он может составлять не менее 0,1 мм, предпочтительно не менее 0,19 мм. В некоторых вариантах реализации внутренний диаметр или размер ID составляет не более 2,1 мм. Наиболее предпочтительным является внутренний диаметр или размер ID от 0,1 до 2,1 мм.
На фиг. 2 показан другой трубчатый нагревательный элемент согласно одному из возможных вариантов осуществления изобретения. Трубчатый нагревательный элемент 2, как и рассмотренный выше, также предназначен для использования в устройстве для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, таком как устройство 100, показанное на фиг. 4 и описанное ниже.
Нагревательный элемент 2 содержит термостойкое основание 2a, расположенное на нем покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал, и термостойкое защитное покрытие 2c, расположенное так, чтобы покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал, находилось между основанием 2a и термостойким защитным покрытием 2c. Этот нагреваемый материал также может нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля.
В данном варианте выполнения нагревательный элемент 2 имеет практически цилиндрическую форму с по существу круглым поперечным сечением, но в других вариантах выполнения нагревательный элемент 2 может иметь поперечное сечение овальной или эллиптической формы. В некоторых вариантах выполнения нагревательный элемент 2 может иметь в поперечном сечении форму, например, многоугольника, четырехугольника, прямоугольника, квадрата, треугольника, а также звездообразную или неправильную форму.
В данном варианте выполнения нагревательный элемент 2 имеет удлиненную форму с продольной осью A-A. Однако в других вариантах выполнения нагревательный элемент 2 может быть не удлиненным. В некоторых таких вариантах выполнения нагревательный элемент 1 все равно имеет осевое направление A-A, перпендикулярное плоскости поперечного сечения нагревательного элемента 2.
Нагревательный элемент 2 содержит внутреннюю полость 2i и стенку толщиной T, равной разности между внутренним и внешним диаметрами ID и OD (или размерами в направлении, перпендикулярном осевому направлению A-A) нагревательного элемента 2. В некоторых вариантах выполнения толщина стенки T составляет не более 1 мм, например, не более 0,5 мм или не более 0,3 мм. В некоторых вариантах выполнения внешний диаметр или размер OD составляет от 0,3 мм до 5 мм. В некоторых вариантах выполнения внутренний диаметр или размер ID составляет от 0,1 мм до 2,1 мм.
Термостойкое основание 2a в данном варианте выполнения имеет трубчатую форму и выполнено из стали, в частности, из нержавеющей стали. Однако в других вариантах выполнения термостойкое основание 2a может быть выполнено из одного или нескольких материалов, таких как металл, металлический сплав, керамические материалы и пластик. Например, термостойкое основание 2a может быть выполнено из стали, низкоуглеродистой стали, алюминия, меди или высокотемпературного полимера, такого как полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) или каптон.
Покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал, представляет собой слой или покрытие 2b, нанесенное на основание 2a. В данном варианте выполнения покрытие 2b содержит кобальт. Однако в других вариантах выполнения покрытие 2b может содержать нагреваемые материалы, отличные от кобальта, например, никель. Предпочтительно, чтобы нагреваемый материал покрытия 2b являлся ферромагнитным материалом.
В данном варианте выполнения покрытие 2b расположено радиально снаружи основания 2a. Иными словами, покрытие 2b расположено на внешней стороне термостойкого основания 2a. Кроме того, в данном варианте выполнения радиально-внутренняя сторона термостойкого основания 2a не имеет покрытия, содержащего нагреваемый материал. В других вариантах выполнения покрытие, содержащее нагреваемый материал (такой как ферромагнитный материал, например, кобальт или никель), может быть расположено радиально внутри термостойкого основания 2a, дополнительно или альтернативно расположенному радиально снаружи термостойкому основанию 2a. Однако если такое покрытие расположено радиально внутри дополнительно к расположенному радиально снаружи покрытию, теплоемкость нагревательного элемента 2 может быть повышена, что может привести к снижению скорости нагрева нагревательного элемента 2 заданным изменяющимся магнитным полем во время работы.
В данном варианте выполнения покрытие 2b имеет кольцевую форму и окружает основание 2a. В других вариантах выполнения покрытие 2b может быть не кольцевым или частично кольцевым и, таким образом, не полностью окружать основание 2a.
В данном варианте выполнения толщина покрытия 2b составляет приблизительно 10 мкм. Однако в других вариантах выполнения покрытие 2b может иметь другую толщину, например, не более 50 мкм или не более 20 мкм. Например, если в качестве ферромагнитного материала покрытия используется никель, толщина покрытия 2b может составлять около 15 мкм. Покрытие 2b может быть выполнено в виде пленки или гальванического покрытия.
На покрытии 2b, содержащем нагреваемый материал, расположено термостойкое защитное покрытие 2c, т.е. покрытие 2b расположено между основанием 2a и термостойким защитным покрытием 2c. В рассматриваемом варианте выполнения термостойкое защитное покрытие 2c содержит нитрид титана. Однако термостойкое защитное покрытие 2c может быть выполнено, например, из одного или нескольких материалов, таких как керамические материалы, нитриды металлов, нитрид титана, и алмаз. В данном варианте выполнения толщина термостойкого защитного покрытия 2c составляет приблизительно 10 мкм, однако в других случаях термостойкое защитное покрытие 2c может иметь другую толщину, например, не более 50 мкм или не более 20 мкм.
В данном варианте выполнения термостойкое защитное покрытие 2c расположено радиально снаружи термостойкого основания 2a и покрытия 2b, содержащего нагреваемый материал. Иными словами, термостойкое защитное покрытие 2c расположено на внешней стороне покрытия 2b. Кроме того, в данном варианте выполнения радиально-внутренняя сторона термостойкого основания 2a не имеет термостойкого защитного покрытия 2c. Однако в других вариантах выполнения термостойкое защитное покрытие 2c может быть расположено радиально внутри термостойкого основания 2a, дополнительно или альтернативно расположенному радиально снаружи термостойкому основанию 2a. Однако если термостойкое защитное покрытие 2c расположено радиально внутри дополнительно к расположенному радиально снаружи термостойкому основанию 2a, теплоемкость нагревательного элемента 2 может повыситься.
В данном варианте выполнения термостойкое защитное покрытие 2c имеет кольцевую форму и окружает основание 2a и покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал. В других вариантах выполнения термостойкое защитное покрытие 2c может быть не кольцевым или частично кольцевым и, таким образом, не полностью окружать основание 2a и покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал.
Покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал, может становиться все более восприимчивым к окислению по мере повышения температуры. Это может привести к увеличению тепловых потерь вследствие излучения за счет повышения относительной излучательной способности (ɛr) по сравнению с излучательной способностью неокислившейся поверхности, увеличивая скорость потери энергии за счет излучения. Если излучаемая энергия в конечном итоге теряется в окружающей среде, то такое излучение может снизить энергетическую эффективность системы. Окисление может также уменьшать сопротивляемость покрытия 2b химической коррозии, что может привести к сокращению срока службы нагревательного элемента 2. В связи с этим в некоторых вариантах выполнения, таких как показанный на фиг. 2, покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал, закрывают термостойким защитным покрытием 2c, таким как одно из описанных выше. Нанесение покрытия из нитрида титана может производиться, например путем физического осаждения из паровой фазы. Другими примерами термостойкого защитного покрытия являются покрытия из керамических материалов, нитридов металлов и алмаза. В некоторых вариантах выполнения термостойкое защитное покрытие 2c может быть нанесено другим способом, например, посредством химической обработки покрытия 2c, содержащего нагреваемый материал, для стимулирования роста защитной пленки на покрытии 2b, содержащем нагреваемый материал, или посредством образования защитного оксидного слоя с помощью такого процесса, как анодирование. Помимо защиты нижележащего покрытия 2b от окисления, термостойкое защитное покрытие 2c может также помочь физически защитить покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал, от механического износа.
В некоторых вариантах выполнения, отличных от показанного варианта, покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал, заключено в оболочку. В некоторых вариантах выполнения термостойкое защитное покрытие 2c и основание 2a вместе герметизируют покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал. В некоторых других вариантах основание 2a и покрытие 2b, содержащее нагреваемый материал заключено в оболочку, образованную термостойким защитным покрытием 2c.
В некоторых вариантах выполнения термостойкое защитное покрытие 2c может иметь низкую электропроводность или быть неэлектропроводным, чтобы предотвращать или допускать лишь незначительное индуцирование электрических токов в термостойком защитном покрытии 2c, а не в покрытии 2b, содержащем нагреваемый материал.
В некоторых вариантах выполнения термостойкое защитное покрытие 2c может отсутствовать. На фиг. 3 показан трубчатый нагревательный элемент 3, который идентичен показанному на фиг. 2 (и, таким образом, их одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями), за исключением того, что в нем отсутствует термостойкое защитное покрытие 2c. Любые из вышеописанных возможных изменений трубчатого нагревательного элемента 2, показанного на фиг. 2, могут быть сделаны также для трубчатого нагревательного элемента 3 на фиг. 3 с целью создания дополнительных вариантов выполнения. Толщина стенки T трубчатого нагревательного элемента 3 составляет не более 1 мм, например, не более 0,5 мм или не более 0,3 мм. Внешний диаметр или размер OD трубчатого нагревательного элемента 3 составляет от 0,3 до 5 мм. В некоторых вариантах выполнения внутренний диаметр или размер ID трубчатого нагревательного элемента 3 составляет от 0,1 до 2,1 мм.
В некоторых вариантах выполнения трубчатый нагревательный элемент 1, 2, 3 имеет форму иглы.
Размеры трубчатого нагревательного элемента для некоторых возможных вариантов осуществления изобретения приведены в таблице:
| OD (мм) | ID (мм) | T (мм) |
| 0,305 | 0,190 | 0,058 |
| 0,457 | 0,305 | 0,076 |
| 0,510 | 0,305 | 0,103 |
| 0,560 | 0,381 | 0,090 |
| 0,635 | 0,406 | 0,115 |
| 0,710 | 0,510 | 0,100 |
| 0,810 | 0,63,5 | 0,088 |
| 0,890 | 0,660 | 0,115 |
| 10,67 | 0,810 | 0,129 |
| 1,240 | 0,910 | 0,165 |
| 1,470 | 1,140 | 0,165 |
| 1,650 | 1,390 | 0,130 |
| 1,828 | 1,473 | 0,178 |
| 2,108 | 1,828 | 0,140 |
| 2,388 | 2,058 | 0,165 |
В некоторых вариантах выполнения величина OD может отличаться на ±0,13 мм от соответствующего значения, приведенного в таблице. В некоторых вариантах выполнения величина толщины стенки T может отличаться на ±15% от соответствующего значения, приведенного в таблице. В некоторых вариантах выполнения трубчатый нагревательный элемент с размерами, приведенными в одном из рядов вышеприведенной таблицы, может содержать нержавеющую сталь или быть выполнен полностью из нержавеющей стали.
При индукционном нагреве энергия изменяющегося магнитного поля передается нагреваемому материалу трубчатого нагревательного элемента 1, 2, 3, что приводит к повышению температуры нагреваемого материала. Для того, чтобы нагревание нагреваемого материала было как можно более эффективным, потери при передаче энергии к нагреваемому материалу должны быть как можно более низкими, чтобы передаваемая энергия быстро преобразовывалась в тепло. Уменьшение теплоемкости трубчатого нагревательного элемента 1, 2, 3 приводит к увеличению изменения температуры при заданной подводимой энергии. Использование трубчатого нагревательного элемента 1, 2, 3 с толщиной стенки не более 1 мм дает возможность сохранять низкую теплоемкость трубчатого нагревательного элемента 1, 2, 3.
Для проводящих (и намагничиваемых) сред существует характерная глубина («глубина проникновения поля»), на которую электромагнитное поле может проникать в вещество. Было обнаружено, что если поверхность трубчатого нагревательного элемента 2, 3, обращенная к генератору магнитного поля, покрыта тонким слоем (величиной в несколько мкм) покрытия 2b, содержащего нагреваемый материал (такой как никель, кобальт или другой ферромагнитный материал), то необходима лишь очень небольшая толщина покрытия 2b для обеспечения такого же поглощения, какое обеспечивается более толстой пластиной из низкоуглеродистой стали. Покрытие 2b может наноситься, например, химическим способом, электрохимическим способом или методом вакуумного напыления. При использовании никеля покрытие 2b может иметь очень малую толщину порядка всего 15 мкм. При использовании кобальта толщина покрытия 2b может быть уменьшена приблизительно до 10 мкм. Толщина порядка одой или нескольких величин глубины проникновения поля способствует тому, что большая часть энергии направлена в нагревательный элемент 2, 3. Для некоторых вариантов выполнения толщина порядка двух глубин проникновения поля может быть оптимальной.
В некоторых вариантах выполнения покрытие 2b из нагреваемого материала содержит кобальт. Точка Кюри кобальта (приблизительно от 1120 до 1127°C) значительно выше нормальных рабочих температур нагревательных элементов, соответствующих вариантам осуществле6ния настоящего изобретения. Точка Кюри или температура Кюри является температурой, при которой происходит резкое изменение магнитных свойств некоторых магнитных материалов. Подразумевается, что точка Кюри – это температура, ниже которой возможно спонтанное намагничивание при отсутствии прилагаемого извне магнитного поля, а выше которой материал становится парамагнитным. Например, точка Кюри – это точка магнитного перехода ферромагнитного материала между его ферромагнитной и парамагнитной фазами. Когда такой магнитный материал достигает своей точки Кюри, его магнитная проницаемость уменьшается или исчезает, и способность этого материала нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля также уменьшается или исчезает. Таким образом, нагревание материала выше его точки Кюри за счет магнитогистерезисного нагрева может оказаться невозможным. Поскольку кобальт имеет точку Кюри, значительно превышающую нормальные рабочие температуры нагревательных элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, влияние температуры точки Кюри будет гораздо менее выраженным (или даже неразличимым в некоторых случаях) во время нормальной работы, чем при использовании, скажем, никеля.
Основание 2a, на которое нанесено покрытие или слой 2b, содержащий нагреваемый материал, не должно взаимодействовать с приложенным переменным магнитным полем для генерирования тепла в основании 2a. Иными словами, само основание 2a не должно нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля. Все, что должно делать основание 2a – это быть опорой для покрытия 2b из нагреваемого материала, при этом не нагреваясь. Соответственно, основание 2a может быть выполнено из любого подходящего термостойкого материала.
Таким образом, нагревательные элементы согласно различным вариантам осуществления изобретения обеспечивают эффективную передачу энергии изменяющегося магнитного поля в нагревательный элемент, сохраняя при этом преимущества относительно низкой стоимости, легкости получения материала и простоты формования в процессе изготовления.
На фиг. 4 схематично показано система согласно одному из возможных вариантов осуществления изобретения. Система 1000 содержит курительный элемент 10, содержащий аэрозольобразующий материал 12, и устройство 100 для нагрева аэрозольобразующего материала 12 с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала 12. В данном варианте выполнения аэрозольобразующим материалом 12 является табак, а устройство 100 представляет собой устройство для нагревания табака (известное также под названием «табаконагревательное устройство» или «устройство для нагрева без горения»).
В данном варианте выполнения аэрозольобразующий материал 12 имеет форму полой трубки, а курительный элемент 10 представляет собой оболочку 14, расположенную вокруг аэрозольобразующего материала 12. Курительный элемент 10 в целом представляет собой полую трубку с внутренней полостью 10i. В данном случае внутренняя полость 10i образована аэрозольобразующим материалом 12, но в других вариантах выполнения курительный элемент 10 может содержать другой компонент, такой как внутренняя обертка, которая образует внутреннюю полость 10i. В некоторых вариантах выполнения курительный элемент 10 может быть выполнен в форме сплошного стержня.
Оболочка 14 окружает аэрозольобразующий материал 12 и помогает защитить его от повреждения при транспортировке и использовании курительного элемента 10. Во время использования оболочка 14 может также направлять поток воздуха внутрь аэрозольобразующего материала 12 и обеспечивать прохождение потока воздуха сквозь него и выхода из него. В данном варианте выполнения оболочка 14 представляет собой обертку, обернутую вокруг аэрозольобразующего материала 12 так, чтобы свободные края обертки накладывались друг на друга. Таким образом, обертка образует всю или большую часть боковой внешней поверхности курительного элемента 10. Обертка может быть выполнена из бумаги, восстановленного табака, алюминия и т.п. Оболочка 14 содержит также клей (не показан), который соединяет друг с другом наложенные друг на друга свободные края обертки. В качестве клея может быть использованы такие средства, как например, гуммиарабик, натуральная или синтетическая смола, крахмалы и лак. Клей предотвращает возможность расхождения наложенных друг на друга свободных краев обертки. В других вариантах выполнения клей и/или оболочка 14 могут отсутствовать. В других вариантах выполнения курительный элемент может иметь форму, отличающуюся от любой из вышеописанных. Например, в некоторых вариантах выполнения курительный элемент 10 может содержать фильтр для фильтрации аэрозоля, генерируемого в курительном элементе 10 во время работы.
Устройство 100 содержит область 110 нагрева, нагревательный элемент 2, содержащий нагреваемый материал, способный нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля с целью повышения температуры в области нагрева 110, и генератор 130 магнитного поля для генерирования изменяющегося магнитного поля, проходящего сквозь соответствующие продольные участки 21, 22, 23, 24, 25, 26 нагревательного элемента 2 во время работы. В данном варианте выполнения нагревательный элемент 2 соответствует описанному выше нагревательному элементу 2 по фиг. 2. Однако в других вариантах выполнения нагревательный элемент устройства 100 может иметь другую форму, например, такую, как показано на фиг. 1 или 3, или такую, как у любой из возможных модификаций описанных здесь нагревательных элементов 1, 2, 3. Однако предпочтительно, чтобы нагревательный элемент имел трубчатую форму.
Область 110 нагрева окружает нагревательный элемент 2. В данном варианте выполнения нагревательный элемент 2 расположен коаксиально продольной оси H-H области нагрева 110. В некоторых других вариантах выполнения нагревательный элемент 2 расположен параллельно продольной оси H-H области нагрева 110, перпендикулярно продольной оси H-H области нагрева 110, или под углом к продольной оси H-H области нагрева 110.
Область 110 нагрева выполнена с возможностью приема одного или нескольких курительных элементов, содержащих аэрозольобразующий материал, например, таких как описанный выше курительный элемент 10. Таким образом, курительный элемент 10 предназначен для установки в области 110 нагрева. В данном варианте выполнения область 110 нагрева представляет собой углубление, предназначенное для приема курительного элемента 10. Более конкретно, полый курительный элемент 10 может быть перемещен относительно зоны нагрева 110 и нагревательного элемента 2 так, чтобы после введения курительного элемента 10 нагревательный элемент 2 располагался во внутренней полости 10i курительного элемента 10. Внутренняя полость 10i курительного элемента 10 имеет размеры, позволяющие вставить в нее нагревательный элемент 2 устройства 100. Если курительный элемент 10 выполнен в форме сплошного стержня, нагревательный элемент 2 может с усилием вдавливаться внутрь курительного элемента 10 (например, в аэрозольобразующий материал 12 курительного элемента 10) при введении курительного элемента 10, чтобы создать в курительном элементе 10 пространство для нагревательного элемента 2.
Курительный элемент 10 может вставляться пользователем в область 110 нагрева любым подходящим способом, например, через отверстие в стенке устройства 100 или путем перемещения части устройства 100, например, мундштука, для достижения области 110 нагрева. В других вариантах выполнения область 110 нагрева может быть выполнена не в форме углубления, а, например, в форме полки, поверхности или выступа, и может требовать механического соединения с курительным элементом 10 для обеспечения взаимодействия с ним или для его введения. В данном варианте выполнения форма и размеры области 110 нагрева рассчитаны на введение в нее всего курительного элемента 10. В других вариантах выполнения размеры области 110 нагрева могут быть такими, что в нее можно вставлять только часть используемого курительного элемента 10.
Устройство 100 содержит множество воздушных входов 101, соединяющих область 110 нагрева с пространством снаружи устройства 100, и выходной канал 102 для выхода испаренного материала из области 110 нагрева в пространство снаружи устройства 100 во время работы. Пользователь может вдыхать испаренный компонент/компоненты аэрозольобразующего материала 12 путем втягивания испаренного компонента/компонентов через выходной канал 102. По мере удаления испаренного компонента/компонентов из области 11 0нагрева, в эту область может поступать воздух через воздушные входы устройства 100. Первый торец 111 области 110 нагрева расположен рядом с выходным каналом 102, а второй ее торец 112 расположен рядом с воздушными входами 101. В других вариантах выполнения может быть выполнен только один воздушный вход 101.
Генератор 130 магнитного поля содержит множество плоских спиральных катушек 31, 32 электропроводного материала, расположенных последовательно друг за другом в соответствующих плоскостях вдоль продольной оси H-H области 110 нагрева. Более конкретно, генератор 130 содержит держатель 131 и множество прикрепленных к нему индукционных катушек. Держатель 131 удерживает индукционные катушки в фиксированном положении относительно друг друга, относительно держателя 131, а также относительно области 110 нагрева и нагревательного элемента 2. На фиг. 5 отдельно показана одна из индукционных катушек.
Индукционное устройство 132 содержит планку, панель или пластину 33 и пару плоских спиральных катушек 31, 32 из электропроводного материала, такого как медь. Во время работы, изменяющийся (например, переменный) электрический ток проходит по каждой катушке 31, 32, создавая изменяющееся (например, переменное) магнитное поле, которое может проходить сквозь нагревательный элемент 2, вызывая его нагрев.
Пластина 33 имеет первую сторону 331 и противоположную вторую сторону 332. Первая и вторая стороны 331, 332 пластины 33 обращены в противоположные друг от друга стороны. В данном варианте выполнения пластина 33 является практически плоской, и первая и вторая стороны 331, 332 являются основными сторонами пластины 33. Пластина 33 должна быть выполнена из неэлектропроводного материала, такого как пластик, чтобы обеспечивать электрическую изоляцию катушек 31, 32 друг от друга. В данном варианте выполнения пластина 33 выполнена из огнестойкого материала FR-4, который является композиционным материалом, состоящим из стекловолоконной ткани и эпоксидного связующего, но в других вариантах выполнения могут использоваться и другие материалы. Первая катушка 31 из электропроводного материала расположена на первой стороне 331 пластины 33, а вторая катушка 32 из электропроводного материала расположена на второй стороне 332 пластины 33. Таким образом, пластина 33 расположена между катушками 31, 32.
Катушки 31, 32 могут быть прикреплены к пластине 33 любым подходящим для этого способом. В данном варианте выполнения индукционное устройство 132 было сформировано из печатной платы (ПП), и, таким образом, первая и вторая плоские спиральные катушки 31, 32 были сформированы путем печати электропроводного материала на соответствующих первой и второй сторонах 331, 322 планки или пластины 33 в процессе производства печатной платы с последующим удалением (например, вытравливанием) соответствующей части электропроводного материала, чтобы структуры электропроводного материала в форме первой и второй плоских спиральных катушек 31, 32 остались на пластине 33. Таким образом, первая и вторая плоские спиральные катушки 31, 32 представляют собой тонкие пленки или покрытия из электропроводного материала на пластине 33.
Таким образом, индукционное устройство 132 в данном варианте выполнения представляет собой слоистую структуру, содержащую первый слой (первую плоскую спиральную катушку 31), второй слой (вторую плоскую спиральную катушку 32) и промежуточный третий слой (пластину 33) между первым и вторым слоями. Таким образом, пластина 33 разделяет первый и второй слои. Поскольку пластина 33 выполнена из неэлектропроводного материала, катушки 31, 32 электрически изолированы друг от друга (за исключением электрического соединителя, который будет описан ниже). Таким образом, катушки 31, 32 не контактируют друг с другом. В других вариантах выполнения катушки 31, 32 могут быть электрически изолированы друг от друга каким-либо другим способом, например, посредством воздушного зазора между ними. В некоторых вариантах выполнения катушки 31, 32 могут устанавливаться на пластину 33 также любым другим подходящим способом, например, путем предварительного формования с последующим прикреплением к пластине 33. В некоторых вариантах выполнения пластина 33 может быть не слоем ПП, а другой. Например, ее функцию может выполнять слой или лист материала, такого как смола или клей, который может быть высушен, вулканизирован или отвержден.
Использование витков в форме тонкого печатного электропроводного материала, описанного выше, устраняет необходимость применения многожильного обмоточного провода (литцентрата). Литцентрат состоит из множества нитей чрезвычайно тонкой проволоки, собранных в оплетку, для преодоления эффекта уменьшения глубины проникновения поля на более высоких частотах возбуждения. Поскольку дорожки на печатной плате тонкие (обычно около 38 мкм толщиной для 1 унции меди и около 76 мкм для 2 унций меди), их характеристики на высоких частотах могут быть сравнимы с характеристиками литцентрата эквивалентной площади поперечного сечения, но без проблем, возникающих в связи с хрупкостью, сложностью формования литцентрата или соединением его с другими компонентами.
Первый и второй плоские спиральные катушки 31, 32 расположены на поверхностях пластины 33, чем обеспечивается рассеяние любого количества тепла, выделяемого в катушках 31, 32 во время работы. Однако, в других вариантах выполнения первая и вторая плоские спиральные катушки 31, 32 могут быть расположены не на поверхности, а заделаны в толще материала пластины 33, чем обеспечивается защита катушек 31, 32 от повреждения при транспортировке, хранении и использовании.
В данном варианте выполнения индукционное устройство 132 содержит электрический соединитель (не показан), электрически соединяющий первую плоскую спиральную катушку 31 со второй плоской спиральной катушкой 32. Более конкретно, электрический соединитель проходит от радиально-внутреннего конца 31a первой плоской спиральной катушки 31 к радиально-внутреннему концу второй плоской спиральной катушки 32, последовательно соединяя катушки 31, 32. В данном варианте выполнения электрический соединитель выполнен в виде проводника, проходящего через пластину 33 печатной платы, способом, который будет понятен любому специалисту в данной области.
В других вариантах выполнения электрический соединитель может быть выполнен в другой форме, например, проводника или проволоки, проходящей внутри или снаружи пластины 33.
В данном варианте выполнения плоские спиральные катушки 31, 32 расположены в соответствующих практически параллельных плоскостях. Таким образом, каждая из плоских спиральных катушек 31, 32 имеет изменяющийся радиус, перпендикулярный плоскости, в которой расположена катушка 31, 32. Кроме того, плоские спиральные катушки 31, 32 расположены соосно друг другу. Иными словами, виртуальная точка, из которой выходит траектория одной из катушек 31, 32, лежит на той же самой оси, что и виртуальная точка, из которой выходит траектория другой из катушек 31, 32, и эта ось перпендикулярна каждой из соответствующих плоскостей, в которых лежат катушки 31, 32. Кроме того, в данном варианте выполнения если смотреть с одной стороны индукционного устройства 132, первая плоская спиральная катушка 31 проходит в направлении по часовой стрелке от своего радиально-внутреннего конца 3la, а вторая плоская спиральная катушка 32 проходит в направлении против часовой стрелки от своего радиально-внутреннего конца. При такой конфигурации магнитные поля, генерируемые катушками 31, 32 во время работы, усиливают друг друга, эффективно удваивая индуктивность катушек 31, 32 и удваивая магнитное поле в направлении по осям витков.
Как показано на фиг. 5, в конструкции выполнено отверстие 333, проходящее полностью сквозь пластину 33 от первой стороны 331 пластины 33 до второй ее стороны 332. Кроме того, каждая из плоских спиральных катушек 31, 32 проходит вокруг отверстия 333 практически соосно ему. Иными словами, в центре каждого из плоских спиральных витков 31, 32 имеется отверстие. Как отверстие 333, так и вышеупомянутые отверстия являются сквозными. Как будет более подробно описано ниже, область 110 нагрева и нагревательный элемент 2 проходят сквозь отверстие 333, и изменяющееся магнитное поле, генерируемое катушками 31, 32 во время работы, проникает сквозь нагревательный элемент 2.
Толщина первой и второй плоских спиральных катушек 31, 32, измеренная от первой и второй сторон 331, 332 пластины 33, может составлять, например, от 50 до 200 мкм, приблизительно от 70 до приблизительно 100 мкм, или приблизительно 140 мкм. В других вариантах выполнения одна или каждая из катушек 31, 32 может иметь толщину менее 50 мкм или менее 200 мкм. Выбранная толщина определяет сопротивление витков 31, 32 и степень их нагревания во время работы. Толщина пластины 33, измеренная между первой и второй сторонами 331, 332 пластины 33, может составлять менее 2 мм, например, менее 1 мм.
Хотя в принципе, в соответствующих слоях печатной платы может быть выполнено более двух плоских спиральных катушек, благодаря теплопроводности внешние слои печатной платы имеют в 2-3 раза более высокую допустимую токовую нагрузку, чем внутренние слои печатной платы. Таким образом, вышеописанная конфигурация с двумя спиральными катушками обеспечивает оптимальное решение по характеристикам и сложности. В данном варианте выполнения каждая из плоских спиральных катушек 31, 32 имеет форму окружности. В других вариантах выполнения одна или каждая из плоских спиральных катушек 31, 32 может иметь не круглую, а прямоугольную форму, например, квадратную. Хотя катушки прямоугольной формы имеют несколько более высокую индуктивность для данного профиля, катушки круглой формы легче расположить последовательно друг за другом, и/или вставить компоненты между ними, что, в целом, повышает эффективность использования площади печатной платы. Прямоугольный профиль требует также большей длины дорожки для заданной напряженности магнитного поля вдоль оси витка, что увеличивает сопротивление и уменьшает величину Q по сравнению с круглой катушкой аналогичной ширины.
Генератор 130 магнитного поля в данном варианте выполнения содержит шесть индукционных устройств 132, каждое из которых идентично индукционному устройству 132, показанному на фиг. 5, и прикреплено или соединено с держателем 131. В данном варианте выполнения держатель 131 изготовлен по технологии трехмерной печати из нейлона методом селективного лазерного спекания. В других вариантах выполнения держатель 131 может быть сформирован любым другим подходящим способом, например, из ПП или любого другого подходящего материала. В некоторых вариантах выполнения держатель 131 содержит основу 131, от которой отходят индукционные устройства 132 в направлении, перпендикулярном поверхности этой основы 131.
В данном варианте выполнения индукционные устройства 132 являются отдельными от держателя 131 компонентами и собраны вместе с ним. Каждое из индукционных устройств 132 содержит электрические соединительные элементы, объединяющие катушки 31, 32 в единую электрическую схему и крепящие индукционные устройства 132 к держателю 131. В других вариантах выполнения каждое из индукционных устройств 132 может содержать электрические соединительные элементы для объединения катушек 31, 32 в единую электрическую схему и один или несколько конструктивных соединительных элементов для крепления индукционных устройств 132 к держателю 131. В других вариантах выполнения держатель 131 может быть выполнен в виде единого элемента с пластинами 33 (а в некоторых случаях, и с катушками 31, 32) индукционных обмоток 132.
Как показано на фиг. 4, держатель 131 удерживает индукционные устройства 132 в фиксированном положении относительно друг друга, так что плоские спиральные катушки 31, 32 индукционных устройств 132 расположены последовательно в соответствующих плоскостях вдоль продольной оси H-H области 110 нагрева. В данном варианте в связи с этим плоские спиральные катушки 31, 32 индукционных устройств 132 расположены в практически параллельных плоскостях, каждая из которых перпендикулярна оси H-H. Кроме того, плоские спиральные катушки 31, 32 расположены соосно друг другу, так как все соответствующие виртуальные точки, из которых выходят траектории катушек 31, 32, лежат на одной оси, в данной случае, на продольной оси H-H области 110 нагрева. Кроме того, все сквозные отверстия 333 в соответствующих пластинах 33 также расположены соосно друг другу и расположены на той же самой оси H-H, что и соответствующие виртуальные точки, из которых выходят траектории катушек 31, 32.
В данном варианте в связи с этим генератор 130 магнитного поля содержит контроллер 133 для управления работой плоских спиральных катушек 31, 32. Контроллер 133 размещен в держателе 131 и представляет собой интегральную схему (ИС), но в других вариантах выполнения контроллер может быть выполнен в другом исполнении. В некоторых вариантах выполнения контроллер управляет работой по меньшей мере одной из плоских спиральных катушек 31, 32 независимо по меньшей мере от одного из других плоских спиральных катушек 31, 32. Например, контроллер 133 может подавать электрическую энергию на катушки 31, 32 каждого из индукционных устройств 132 независимо от катушек 31, 32 других индукционных устройств 132. В некоторых вариантах выполнения контроллер 133 может подавать электрическую энергию на катушки 31, 32 каждого из индукционных устройств 132 последовательно. Как вариант, по меньшей мере в одном из режимов работы контроллер может управлять работой индукционных устройств 132 одновременно.
Держатель 131 содержит также два кронштейна 134, 135, выступающих из основы 131 в направлении перпендикулярно поверхности основы 131 и практически параллельно индукционным устройствам 132. В данном варианте выполнения кронштейны 134, 135 изготовлены по технологии трехмерной печати из нейлона методом селективного лазерного спекания и выполнены в виде единого элемента с основой 131. В других вариантах выполнения кронштейны 134, 135 могут иметь другую форму и могут быть выполнены в виде отдельных компонентов от основы 131, соединяемых с основой 131 в процессе сборки. Каждый из кронштейнов 134, 135 содержит проходящее сквозь него отверстие 134a, 135a, и все отверстия 134a, 135a соосны и расположены на той же оси H-H, на которой расположены соответствующие виртуальные точки, из которых выходят траектории витков 31, 32. В других вариантах выполнения один или все кронштейны 134, 135 могут отсутствовать, или в конструкции может быть предусмотрено более двух таких кронштейнов.
Устройство 100 согласно данному варианту выполнения содержит корпус 150, который удерживает нагревательный элемент 2 в требуемом положении относительно области 110 нагрева. Часть нагревательного элемента 2 расположена вне области 110 нагрева и встроена в корпус 150. В данном варианте выполнения корпус 150 представляет собой втулку, вставленную в отверстие 135a одного из кронштейнов, а именно, кронштейна 135, но в других вариантах выполнения корпус 150 может иметь другую форму. Корпус 150 должен быть выполнен из термостойкого материала. Например, корпус 150 может быть выполнен из стекла, керамики или пластика (такого как ПЭЭК). Однако поскольку часть нагревательного элемента 2, встроенная в корпус 150, находится вне области 110 нагрева, часть нагревательного элемента 2, и, следовательно, корпус 150 не будут значительно нагреваться во время работы. Корпус 150 в данном варианте выполнения образует вышеупомянутые воздушные входы 101, через которые воздух может поступать в область 110 нагрева во время работы. В других вариантах выполнения корпус 150 может содержать только один воздушный вход 101 или не содержать воздушных входов. В данном варианте выполнения нагревательный элемент 2 может быть извлечен из устройства 100, например, для очистки или замены. Более конкретно, в данном варианте выполнения узел нагревательного элемента 2 с корпусом 150 может выниматься из устройства 100, например, посредством извлечения корпуса 150 из отверстия 135a в кронштейне 135. В других вариантах выполнения нагревательный элемент 2 может быть выполнен в виде неизвлекаемого элемента или в виде элемента, извлекаемого из устройства 100 каким-либо иным способом, например, без корпуса 150.
В одном из возможных вариантов выполнения устройство 100 дополнительно содержит удлиненную опору 140 для удержания курительного элемента 10, содержащего аэрозольобразующий материал, в отверстиях плоских спиральных катушек 31, 32. В данном варианте выполнения опора 140 имеет трубчатую форму, окружая область 110 нагрева, и продольную ось, совпадающую с осью H-H. В некоторых вариантах выполнения продольная ось опоры 140 может не совпадать с продольной осью H-H зоны нагрева 110, а располагаться параллельно ей. В некоторых вариантах выполнения опора 140 может иметь не трубчатую форму, а, например, форму стержня или булавки, или может содержать проходящий в продольном направлении кольцевой зазор, и, таким образом, иметь частично трубчатую или практически трубчатую форму.
Опора 140 удерживается в заданном положении кронштейнами 134, 135 и проходит сквозь отверстия 134a, 135a в кронштейнах 134, 135, отверстия во множестве плоских спиральных катушек 31, 32 и отверстия 333 в пластинах 33. В данном варианте выполнения удлиненная опора 140 является магнитонепроницаемой и неэлектропроводной, чтобы не взаимодействовать с изменяющимися магнитными полями, генерируемыми катушками 31, 32 во время работы. Удлиненная опора 140 может быть выполнена, например, из стекла, керамики или пластика (такого как ПЭЭК). Однако в некоторых вариантах выполнения удлиненная опора 140 может быть выполнена из магнитопроницаемого и/или электропроводного материала и может нагреваться при прохождении сквозь нее изменяющихся магнитных полей во время работы, чтобы помогать нагреванию области 110 нагрева и курительного элемента 10 во время работы. В других вариантах выполнения удлиненная опора 140 может отсутствовать.
Генератор 130 магнитного поля содержит также источник электроэнергии (не показан) и пользовательский интерфейс (не показан) для управления пользователем работой контроллера 133. В данном варианте выполнения источник электроэнергии представляет собой перезаряжаемый аккумулятор. В других вариантах выполнения может использоваться не перезаряжаемый аккумулятор, а другой источник электроэнергии, например, в виде неперезаряжаемой батарейки, конденсатора или подключения к сети электроснабжения.
Контроллер 133 электрически соединен с источником электроэнергии и катушками 31, 32 индукционных устройств 132, и коммуникативно соединен с пользовательским интерфейсом, который может быть расположен снаружи устройства 100. Управление контроллером в данном варианте выполнения осуществляется пользователем с помощью пользовательского интерфейса. Пользовательский интерфейс может представлять собой нажимную кнопку, триггерный переключатель, наборный диск, сенсорный экран и т.п.
В данном варианте выполнения приведение в действие пользовательского интерфейса пользователем приводит к тому, что контроллер 133 включает подачу переменного электрического тока, проходящего через одну или несколько катушек 31, 32 индукционных устройств 132, чтобы одна или все катушки 31, 32 начали генерировать переменное магнитное поле. Катушки 31, 32 и нагревательный элемент 2 расположены относительно друг друга соответствующим образом, так что переменное магнитное поле, создаваемое катушкой или катушками 31, 32, проходило сквозь нагреваемый материал нагревательного элемента 2. Если нагреваемый материал нагревательного элемента 2 является электропроводным, то это приводит к генерированию одного или нескольких вихревых токов в нагреваемом материале. Поток вихревых токов в нагреваемом материале, преодолевающих электрическое сопротивление этого материала, заставляет этот материал нагреваться за счет джоулева нагрева. Если нагреваемый материал нагревательного элемента 2 выполнен из магнитного материала, ориентация магнитных диполей в нагреваемом материале изменяется при воздействии переменного магнитного поля, что также приводит к нагреву нагреваемого материала.
В данном варианте выполнения курительный элемент 10 имеет удлиненную форму с продольной осью C-C. Когда курительный элемент 10 во время работы расположен в области 110 нагрева, ось C-C совпадает или параллельна продольной оси H-H области 110 нагрева. Соответственно, нагрев одной или нескольких частей 21, 22, 23, 24, 25, 26 нагревательного элемента 2 приводит к нагреванию одной или нескольких соответствующих участков области 110 нагрева и нагреванию одной или нескольких соответствующих секций 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f аэрозольобразующего материала 12 курительного элемента 10, если курительный элемент 10 расположен в области нагрева.
В некоторых вариантах выполнения контроллер 133 может включать нагрев первой секции аэрозольобразующего материала 12 перед нагревом второй секции аэрозольобразующего материала 12. Таким образом, контроллер 133 может функционировать таким образом, чтобы изменяющийся электрический ток проходил по одной или обеим катушкам 31, 32 первого из индукционных устройств 132, чтобы начать испарение по меньшей мере одного компонента первой секции 12a аэрозольобразующего материала 12, расположенной рядом с первым индукционным устройством 132, и формирования в ней аэрозоля, перед подачей изменяющегося электрического тока на одну или обе катушки 31, 32 второго из индуктивных устройств 132, чтобы начать испарение по меньшей мере одного компонента второй секции 12b аэрозольобразующего материала 12, расположенной рядом со вторым индукционным устройством 132 , и выработки в ней аэрозоля. Таким образом, со временем может производиться последовательный нагрев аэрозольобразующего материала 12 курительного элемента 10.
В некоторых вариантах выполнения первое индукционное устройство 132 и соответствующая первая секция 12a аэрозольобразующего материала 12 могут быть обмоткой и секцией, которые расположены рядом с первым торцом 111 области 110 нагрева, а второе индукционное устройство 132 и соответствующая вторая секция 12b аэрозольобразующего материала 12 могут быть расположены ближе ко второму торцу 112 области 110 нагрева. Это позволяет обеспечить выработку аэрозоля и его сравнительно быстрый выход из курительного элемента 10 в первой секции 12a аэрозольобразующего материала 12, расположенной относительно близко к выходному каналу 102, чтобы пользователь мог его вдохнуть, одновременно обеспечивая зависящий от времени выпуск аэрозоля так, чтобы выработка и выпуск аэрозоля продолжались даже после того, как генерирование аэрозоля в первой секции 12a аэрозольобразующего материала 12 прекратилось. Такое прекращение генерирования аэрозоля может происходить в случае заканчивания испаряемых компонентов в первой секции 12a аэрозольобразующего материала 12.
Устройство 100 может содержать датчик температуры (не показан) для измерения температуры в области 110 нагрева, или температуры курительного элемента 10, или температуры нагревательного элемента 2. Датчик температуры может быть коммуникативно соединен с контроллером 133, так что контроллер 133 может контролировать температуру. На основании одного или нескольких сигналов, получаемых от датчика температуры, контроллер 133 может соответствующим образом изменить характеристику изменяющегося или переменного электрического тока, проходящего по катушкам 31, 32, чтобы температура аэрозольобразующего материала 12 находилась в заданном температурном диапазоне. Вышеупомянутой характеристикой может быть, например, амплитуда, частота или коэффициент заполнения. В заданном температурном диапазоне во время работы аэрозольобразующий материал 12 подвергается достаточному нагреву для испарения по меньшей мере одного компонента этого материала 12 без его горения. Соответственно, контроллер 133 и устройство 100 в целом обеспечивают нагревание аэрозольобразующего материала 12 с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала 12 без его горения.
В некоторых вариантах выполнения температурный диапазон нагрева составляет приблизительно от 150 до 300°C. Например, температура нагрева может быть больше 150, 200, или 250°C. Температура нагрева, например, может быть ниже 300, 290 или 250°C. В некоторых вариантах выполнения верхняя граница температурного диапазона может быть выше 300°C. В некоторых вариантах выполнения устройство может не содержать датчика температуры.
В некоторых модификациях рассматриваемого варианта выполнения нагревательный элемент 2 во время работы может быть не полностью проницаемым для изменяющихся магнитных полей. В некоторых таких модификациях непроницаемая часть/части нагревательного элемента 2 могут нагреваться во время работы за счет теплопроводности от проницаемой части/частей нагревательного элемента 2.
В некоторых вариантах выполнения курительный элемент 10 может содержать по меньшей мере один нагревательный элемент, содержащий нагреваемый материал, который во время работы может нагреваться за счет прохождения сквозь него одного или нескольких изменяющихся магнитных полей, чтобы нагревать аэрозольобразующий материал 12 курительного элемента 10. Нагревательный элемент/элементы курительного элемента 10 должен находиться в тепловом контакте, а в некоторых случаях в поверхностном контакте с аэрозольобразующим материалом 12 курительного элемента 10. Например, нагревательный элемент такого курительного элемента 10 может иметь удлиненную форму и проходить от первого торца курительного элемента 10 к противоположному второму торцу курительного элемента 10. Нагревательный элемент курительного элемента 10 может иметь трубчатую или, например, игловидную форму. В некоторых вариантах выполнения аэрозольобразующий материал может быть расположен радиально внутри или радиально снаружи трубчатого нагревательного элемента курительного элемента 10. В некоторых вариантах выполнения курительный элемент 10 может содержать нагреваемый материал, распределенный по объему аэрозольобразующего материала 12 курительного элемента 10. Например, курительный элемент 10 может включать в себя материал, представляющий собой смесь аэрозольобразующего материала 12 и определенных элементов, каждый из которых содержит нагреваемый материал, способный нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля. Каждый из элементов может представлять собой замкнутую цепь нагреваемого материала. Некоторые из элементов или все элементы могут иметь форму кольца, форму сферы, или, например, быть сформированными из множества дискретных нитей нагреваемого материала.
В некоторых вариантах выполнения устройство 100 продается, поставляется или каким-либо иным способом обеспечивается отдельно от курительного элемента 10, вместе с которым устройство 100 используется. Однако в некоторых других вариантах выполнения устройство 100 и один или несколько курительных элементов 10 могут поставляться совместно в виде системы, например, в форме комплекта или блока, возможно, с дополнительными компонентами, такими как аксессуары для очистки.
В каждом из вышеописанных вариантов выполнения курительный элемент 10 является расходным элементом. Когда весь или практически весь испаряемый компонент/компоненты аэрозольобразующего материала 12 в курительном элементе 10 будет/будут израсходован (израсходованы), пользователь может извлечь курительный элемент 10 из области 110 нагрева устройства 100 и утилизировать его. Впоследствии пользователь может повторно воспользоваться устройством 100, используя для этого другой курительный элемент 10. Однако в некоторых других соответствующих вариантах выполнения курительный элемент может быть не расходным элементом, и в таких случаях после израсходования испаряемого компонента/компонентов аэрозольобразующего материала устройство и курительный элемент можно выбрасывать.
В каждом из вышеописанных вариантов выполнения в качестве нагреваемого материала используется нержавеющая сталь. Однако в других вариантах выполнения в качестве нагреваемого материала может использоваться один или несколько таких материалов, как электропроводный материал, магнитный материал и магнитно и электропроводный материал. В некоторых вариантах выполнения в качестве нагреваемого материала могут использоваться металлы или сплавы металлов. В некоторых вариантах реализации в качестве нагреваемого материала может использоваться один или несколько таких материалов, как алюминий, золото, железо, никель, кобальт, электропроводный углерод, графит, сталь, нелегированная углеродистая сталь, низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь, ферритная нержавеющая сталь, медь и бронза. В других вариантах реализации могут использоваться и другой/другие нагреваемый материал/материалы.
В каждом из вышеописанных вариантов выполнения аэрозольобразующий материал содержит табак. Однако в возможных модификациях этих вариантов выполнения аэрозольобразующий материал может состоять из табака, состоять практически полностью из табака, может содержать табак и аэрозольобразующий материал, отличный от табака, может представлять собой аэрозольобразующий материал, отличный от табака, или может не содержать табак. В некоторых вариантах выполнения аэрозольобразующий материал может содержать парообразующий или аэрозольобразующий агент или увлажняющее вещество, такое как глицерин, пропиленгликоль, триацетин или диэтиленгиколь.
Изобретение направлено на устранение существующих проблем и усовершенствование известных устройств и в полной мере раскрывается в описании вариантов его осуществления, проиллюстрированных в качестве примера и практического использования изобретения, в котором предлагаются усовершенствованные трубчатые нагревательные элементы, устройство для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, и системы, включающие в себя такое устройство и курительный элемент, содержащий аэрозольобразующий материал. Преимущества и особенности изобретения представляют собой исключительно репрезентативную выборку из вариантов осуществления изобретения и не являются исчерпывающими и/или исключительными. Варианты осуществления изобретения описаны лишь для облегчения его понимания. Следует понимать, что преимущества, варианты осуществления, примеры, функции, особенности конструкции и/или другие аспекты изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение, которое определено его формулой, и что возможны другие варианты осуществления изобретения и допускаются изменения, не выходящие за рамки объема и/или сущности изобретения. Различные варианты осуществления изобретения, разумеется, могут содержать, состоять или в основном состоять из различных комбинаций раскрытых элементов, компонентов, особенностей, частей, этапов, средств и т.д.
1. Трубчатый нагревательный элемент для использования в устройстве для нагрева аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, содержащий нагреваемый материал, способный нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля, причем толщина стенки трубчатого нагревательного элемента составляет не более 1 мм.
2. Трубчатый нагревательный элемент по п. 1, толщина стенки которого составляет не более 0,3 мм.
3. Трубчатый нагревательный элемент по любому из пп. 1 или 2, толщина стенки которого составляет по меньшей мере 0,05 мм.
4. Трубчатый нагревательный элемент по любому из пп. 1-3, внешний диаметр или размер которого составляет от 0,3 до 5 мм.
5. Трубчатый нагревательный элемент по любому из пп. 1-4, внутренний диаметр или размер которого составляет от 0,1 до 2,1 мм.
6. Трубчатый нагревательный элемент по любому из пп. 1-5, содержащий термостойкое основание с нанесенным на него покрытием, содержащим нагреваемый материал.
7. Трубчатый нагревательный элемент по п. 6, в котором покрытие расположено радиально снаружи основания.
8. Трубчатый нагревательный элемент для использования в устройстве для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, содержащий термостойкое основание и покрытие на этом основании, причем покрытие выполнено из нагреваемого материала, способного нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля, и расположено радиально снаружи основания.
9. Трубчатый нагревательный элемент по любому из пп. 6-8, в котором нагреваемый материал покрытия является ферромагнитным материалом.
10. Трубчатый нагревательный элемент по п. 9, в котором ферромагнитный материал содержит никель или кобальт.
11. Трубчатый нагревательный элемент по любому из пп. 6-10, содержащий термостойкое защитное покрытие, при этом покрытие, содержащее нагреваемый материал, расположено между основанием и термостойким защитным покрытием.
12. Устройство для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, содержащее
область нагрева для приема одного или нескольких курительных элементов, содержащих аэрозольобразующий материал;
нагревательный элемент, содержащий нагреваемый материал, способный нагреваться при прохождении сквозь него изменяющегося магнитного поля с целью нагревания зоны нагрева, причем нагревательный элемент окружен зоной нагрева; и
генератор магнитного поля для генерирования изменяющегося магнитного поля, проникающего в соответствующие продольные участки нагревательного элемента во время работы, причем магнитный генератор содержит множество плоских спиральных катушек электропроводного материала, расположенных последовательно и в соответствующих плоскостях вдоль продольной оси зоны нагрева.
13. Устройство по п. 12, в котором нагревательный элемент расположен соосно с продольной осью области нагрева или параллельно ей.
14. Устройство по любому из пп. 12 или 13, в котором нагревательный элемент имеет трубчатую форму.
15. Устройство по любому из пп. 12-14, в котором нагревательный элемент содержит термостойкое основание с нанесенным на него покрытием, содержащим нагреваемый материал.
16. Устройство по п. 15, в котором нагреваемый материал покрытия представляет собой ферромагнитный материал.
17. Устройство по п. 16, в котором ферромагнитный материал содержит никель или кобальт.
18. Устройство по любому из пп. 12-17, в котором нагревательный элемент представляет собой трубчатый нагревательный элемент по любому из пп. 1-11.
19. Устройство по любому из пп. 12-18, содержащее корпус для удержания нагревательного элемента в требуемом положении относительно области нагрева и ограничивающий по меньшей мере один воздушный вход, через который воздух может поступать в область нагрева во время работы.
20. Устройство по любому из пп. 12-19, в котором нагревательный элемент выполнен с возможностью извлечения из устройства.
21. Устройство по п. 19, в котором нагревательный элемент выполнен с возможностью извлечения из устройства вместе с корпусом.
22. Устройство по любому из пп. 12-21, в котором плоскости практически параллельны друг другу.
23. Устройство по любому из пп. 12-22, в котором область нагрева проходит сквозь отверстие каждой из множества плоских спиральных катушек.
24. Устройство по п. 23, содержащее удлиненную опору для удержания курительного элемента, содержащего аэрозольобразующий материал, в отверстиях плоских спиральных катушек.
25. Устройство по п. 24, в котором удлиненная опора имеет трубчатую форму и окружает область нагрева.
26. Устройство по любому из пп. 24 или 25, в котором удлиненная опора является магнитонепроницаемой и/или неэлектропроводной.
27. Устройство по любому из пп. 12-26, представляющее собой устройство для нагревания табака.
28. Трубчатый нагревательный элемент по любому из пп. 1-11 или устройство по любому из пп. 12-27, в которых нагреваемый материал содержит один или несколько таких материалов, как электропроводный материал, магнитный материал и магнитно- и электропроводный материал.
29. Трубчатый нагревательный элемент по любому из пп. 1-11 или 28 или устройство по любому из пп. 12-28, в которых нагреваемый материал представляет собой металл или металлический сплав.
30. Трубчатый нагревательный элемент по любому из пп. 1-11, 28 или 29 или устройство по любому из пп. 12-29, в которых нагреваемый материал включает в себя один или несколько таких материалов, как алюминий, золото, железо, никель, кобальт, электропроводный углерод, графит, сталь, нелегированная углеродистая сталь, низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь, ферритная нержавеющая сталь, медь и бронза.
31. Система для нагревания аэрозольобразующего материала с целью испарения по меньшей мере одного компонента этого материала, содержащая
устройство по любому из пп. 12-30 и
курительный элемент, содержащий аэрозольобразующий материал, устанавливаемый в области нагрева устройства.
