Многослойный сусцептор в сборе для индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль
Группа изобретений относится к многослойному сусцептору в сборе для индукционного нагрева субстрата, а также к изделию, генерирующему аэрозоль. Многослойный сусцептор в сборе для индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, содержит по меньшей мере первый слой, содержащий первый материал сусцептора, второй слой, плотно присоединенный к первому слою, содержащий второй материал сусцептора, имеющий температуру Кюри ниже 500°С, и третий слой, плотно присоединенный ко второму слою, содержащий конкретный материал, компенсирующий напряжение, и имеющий конкретную толщину слоя, так что после плотного присоединения слоев друг к другу и/или после термообработки многослойного сусцептора в сборе третий слой прилагает растягивающее или сжимающее напряжение ко второму слою по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации для противодействия сжимающему или растягивающему напряжению, прилагаемому первым слоем ко второму слою. Диапазон температуры компенсации проходит по меньшей мере от температуры, которая на 20°С ниже температуры Кюри второго материала сусцептора, до температуры Кюри второго материала сусцептора. Технический результат – усовершенствование многослойного токоприемника для сохранения свойств и эффектов слоев при его сборке и обработке. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к многослойному токоприемнику (многослойному сусцептору) в сборе для индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, а также к изделию, генерирующему аэрозоль, содержащему такой многослойный токоприемник (сусцептор) в сборе и подлежащий нагреву субстрат, образующий аэрозоль.
Изделия, генерирующие аэрозоль, которые содержат субстрат, образующий аэрозоль, для образования вдыхаемого аэрозоля при нагреве, общеизвестны из уровня техники. Для нагрева субстрата изделие, генерирующее аэрозоль, может быть размещено в устройстве, генерирующем аэрозоль, содержащем электрический нагреватель. Нагреватель может представлять собой индукционный нагреватель, содержащий индукционный источник. Индукционный источник генерирует переменное электромагнитное поле, которое вызывает вихревые токи, генерирующие тепло, и/или потери на гистерезис в токоприемнике (в сусцепторе). Сам токоприемник (сусцептор) находится в тепловой близости к подлежащему нагреву субстрату, образующему аэрозоль. В частности, токоприемник (сусцептор) может быть включен в изделие в непосредственном физическом контакте с субстратом, образующим аэрозоль.
Для регулирования температуры субстрата предложены двухслойные токоприемники (сусцепторы) в сборе, содержащие первый и второй слои, выполненные из первого и второго материала токоприемника (материала сусцептора), соответственно. Первый материал токоприемника (материал сусцептора) оптимизирован в отношении потери тепла и, таким образом, эффективности нагрева. В отличие от этого второй материал токоприемника (материал сусцептора) используют в качестве температурного маркера. Для этого второй материал токоприемника (материал сусцептора) выбран таким образом, чтобы иметь температуру Кюри ниже, чем температура Кюри первого материала токоприемника (материала сусцептора), но соответствующую заданной температуре нагрева токоприемника (сусцептора) в сборе. Магнитная проницаемость второго токоприемника (второго сусцептора) при его температуре Кюри падает до единицы, приводя к изменению его магнитных свойств из ферромагнитных в парамагнитные, что сопровождается временным изменением его электрического сопротивления. Таким образом, путем наблюдения за соответствующим изменением электрического тока, поглощаемого индукционным источником, можно выявить, когда второй материал токоприемника (материал сусцептора) достиг своей температуры Кюри и, таким образом, когда достигнута заданная температура нагрева.
Необходимые свойства материалов токоприемника обычно выбирают в отношении отдельных материалов в разобранном виде. Однако при сборке первого и второго материалов токоприемника друг с другом с образованием двухслойного токоприемника в сборе конкретные свойства слоев, в частности, магнитные свойства могут изменяться по сравнению с разобранным состоянием. Во многих случаях было обнаружено, что соединение слоев и дальнейшая обработка токоприемника в сборе могут даже ухудшить изначально необходимые свойства и эффекты материалов слоя.
Следовательно, было бы желательно получить многослойный токоприемник в сборе для индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, с преимуществами решений из известного уровня техники, но без их ограничений. В частности, было бы желательно получить многослойный токоприемник в сборе, обеспечивающий конкретные свойства слоя и эффекты, которые адаптированы с учетом объединенной природы токоприемника в сборе и его обработки.
Согласно настоящему изобретению предложен многослойный токоприемник в сборе для индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, который содержит по меньшей мере первый слой и второй слой, плотно присоединенный к первому слою. Первый слой содержит первый материал токоприемника. Второй слой содержит второй материал токоприемника, имеющий температуру Кюри ниже 500°С (градусов Цельсия).
Предпочтительно первый материал токоприемника выполнен с возможностью индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, и второй материал токоприемника выполнен с возможностью отслеживания температуры токоприемника в сборе. Для этого температура Кюри второго материала токоприемника предпочтительно соответствует заданной температуре нагрева токоприемника в сборе.
В контексте данного документа термин «плотно присоединенный» относится к механическому соединению между двумя слоями в многослойном токоприемнике в сборе таким образом, что механическая сила может передаваться между двумя слоями, в частности, в направлении, параллельном структуре слоя. Соединение может быть слоистым, двухмерным, секторным или полным соединением, то есть соединением по соответствующим противоположным поверхностям двух слоев. Соединение может быть непосредственным. В частности, два слоя, которые плотно присоединены друг к другу, могут находиться в непосредственном контакте друг с другом. Альтернативно соединение может быть опосредованным. В частности, два слоя могут быть опосредованно соединены посредством по меньшей мере одного промежуточного слоя.
Предпочтительно второй слой размещен на первом слое и плотно присоединен к нему, в частности, непосредственно соединен с первым слоем.
Согласно настоящему изобретению признано, что обработка токоприемника в сборе, содержащего несколько слоев, плотно присоединенных друг к другу, может вызывать приложение одним слоем сжимающего или растягивающего напряжения к другому слою. Это может быть обусловлено конкретными различиями между тепловым расширением материалов различных слоев. Например, обработка двухслойного токоприемника в сборе, как описано выше, может включать непосредственное соединение обоих материалов слоя друг с другом при заданной температуре. За соединением слоев возможно может следовать термообработка собранного токоприемника, такая как отжиг. Во время последующего изменения температуры, например, во время охлаждения токоприемника в сборе отдельные слои не могут свободно деформироваться из-за объединенной природы токоприемника в сборе. Следовательно, в случае, если второй слой имеет коэффициент теплового расширения больше, чем у первого слоя, при охлаждении во втором слое может развиться состояние растягивающего напряжения. Это состояние растягивающего напряжения, в свою очередь, может влиять на магнитную восприимчивость второго материала токоприемника из-за магнитострикции. В случае если второй материал токоприемника имеет отрицательный коэффициент магнитострикции, как, например, Ni (никель), магнитная восприимчивость, таким образом, может быть снижена. В частности, в соответствующем диапазоне температуры вокруг температуры Кюри второго материала токоприемника пониженная магнитная восприимчивость может вызвать изменение глубины поверхностного слоя и, таким образом, приведет к тому, что временное изменение сопротивления второго материала токоприемника будет менее выраженным. Это, в свою очередь, может нежелательным образом ухудшить функциональность второго слоя в качестве температурного маркера. Аналогично в случае, если второй слой имеет коэффициент теплового расширения меньше, чем у первого слоя, и положительный коэффициент магнитострикции, такой как у множества сплавов, в которых Ni (никель) и Fe (железо) являются основными компонентами, наблюдается аналогичный неблагоприятный эффект пониженной восприимчивости.
Для противодействия этому токоприемник в сборе согласно настоящему изобретению дополнительно содержит третий слой, который плотно присоединен ко второму слою. Третий слой содержит конкретный материал, компенсирующий напряжение, и имеет конкретную толщину слоя, так что после обработки многослойного токоприемника в сборе, в частности, после плотного присоединения слоев друг к другу и/или после термообработки многослойного токоприемника (многослойного сусцептора) в сборе, например, после термообработки, третий слой прилагает растягивающее или сжимающее напряжение ко второму слою по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации. Диапазон температуры компенсации проходит по меньшей мере от температуры, которая на 20 К ниже температуры Кюри второго материала токоприемника, до температуры Кюри второго материала токоприемника.
Таким образом, растягивающее или сжимающее напряжение, прилагаемое третьим слоем ко второму слою, преимущественно противодействует сжимающему или растягивающему напряжению, прилагаемому первым слоем ко второму слою после обработки. Соответственно, третий слой преимущественно позволяет сохранять изначально необходимые свойства и функциональности второго слоя, например, функцию температурного маркера. В частности, третий слой преимущественно позволяет поддерживать магнитную восприимчивость второго материала токоприемника (материала сусцептора), как если бы он не был включен в токоприемник в сборе. Это, в свою очередь, является особенно преимущественным для поддержания временного изменения сопротивления второго материала токоприемника в токоприемнике в сборе таким же выраженным, как и в разобранном виде.
В контексте данного документа обработка многослойного токоприемника в сборе может включать по меньшей мере одно из плотного присоединения материалов слоя друг к другу при заданной температуре или термообработки многослойного токоприемника в сборе, такой как отжиг. В частности, токоприемник в сборе может быть термообработанным токоприемником в сборе. В любом случае во время обработки, как изложено в данном документе, температура слоев или токоприемника в сборе соответственно отличается от рабочей температуры токоприемника в сборе при использовании для индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль. В большинстве случаев температуры во время плотного соединения материалов слоя друг с другом и во время термообработки многослойного токоприемника в сборе выше, чем рабочие температуры токоприемника в сборе для индукционного нагрева.
В качестве примера, первый слой может содержать ферритную нержавеющую сталь для индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, а второй слой может содержать Ni (никель) в качестве температурного маркера, имеющего температуру Кюри в диапазоне от приблизительно 354°С до 360°С, или от 627 К до 633 К, соответственно в зависимости от природы примесей. Эта температура Кюри хорошо подходит для большинства применений в отношении нагрева субстрата, образующего аэрозоль. В целях обработки токоприемник (сусцептор) в сборе можно подвергать отжигу. Во время последующего охлаждения первый слой может прилагать нежелательное растягивающее напряжение к никелю по причине того, что коэффициент теплового расширения у ферритной нержавеющей стали ниже, чем у никеля. Для противодействия нежелательному растягивающему напряжению поверх второго слоя обеспечивают третий слой - противоположно первому слою - имеющий материал, компенсирующий напряжение, и толщину слоя, конкретно выбранную таким образом, что при охлаждении токоприемника в сборе после термообработки третий слой прилагает противодействующее сжимающее напряжение к слою никеля по меньшей мере в диапазоне температуры, от температуры, которая на 20 К ниже температуры Кюри слоя никеля, до температуры Кюри слоя никеля. Предпочтительно третий слой содержит аустенитную нержавеющую сталь, которая имеет больший коэффициент теплового расширения, чем никель.
Диапазон температуры компенсации от температуры, которая на 20 К ниже температуры Кюри второго материала токоприемника (материала сусцептора), до температуры Кюри второго материала токоприемника соответствует обычному диапазону рабочих температур токоприемника (сусцептора) в сборе, используемого для генерирования аэрозоля.
Преимущественно интервал диапазона температуры компенсации может также быть больше, чем 20 К. Соответственно, диапазон температуры компенсации может проходить по меньшей мере от температуры, которая на 50 К, в частности, 100 К, предпочтительно 150 К ниже температуры Кюри второго материала токоприемника, до температуры Кюри второго материала токоприемника. Наиболее предпочтительно диапазон температуры компенсации может проходить по меньшей мере от комнатной температуры окружающей среды до второй температуры Кюри. Аналогично диапазон температуры компенсации может соответствовать диапазону температуры от 150°С до температуры Кюри второго материала токоприемника, в частности, от 100°С до температуры Кюри второго материала токоприемника, предпочтительно от 50°С до температуры Кюри второго материала токоприемника, наиболее предпочтительно от комнатной температуры окружающей среды до температуры Кюри второго материала токоприемника.
При приближении ко второй температуре Кюри снизу намагничивание и, следовательно, любой эффект магнитострикции во втором материале токоприемника исчезают. Следовательно, верхний предел диапазона температуры компенсации предпочтительно соответствует температуре Кюри второго материала токоприемника. Однако верхний предел диапазона температуры компенсации также может быть выше, чем температура Кюри второго материала токоприемника. Например, верхний предел диапазона температуры компенсации может быть на по меньшей мере 5 К, в частности, по меньшей мере 10 К, предпочтительно по меньшей мере 20 К выше температуры Кюри второго материала токоприемника.
Коэффициент теплового расширения второго материала токоприемника может быть больше, чем коэффициент теплового расширения первого материала токоприемника, и меньше, чем коэффициент теплового расширения материала, компенсирующего напряжение. Эта конфигурация может обеспечить преимущества, особенно в случае, если первый, второй и третий слои являются смежными слоями или по меньшей мере размещены в указанном порядке.
В частности, в этой конфигурации, но также и в других конфигурациях второй материал токоприемника предпочтительно может предпочтительно иметь отрицательный коэффициент магнитострикции и конкретный материал, компенсирующий напряжение. В этом случае конкретная толщина слоя третьего слоя предпочтительно может быть такой, что после обработки многослойного токоприемника в сборе третий слой прилагает сжимающее напряжение ко второму слою, вследствие чего второй слой находится в состоянии суммарного сжимающего напряжения по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации.
Альтернативно коэффициент теплового расширения второго материала токоприемника может быть меньше, чем коэффициент теплового расширения первого материала токоприемника, и больше, чем коэффициент теплового расширения материала, компенсирующего напряжение.
В частности, в этой конфигурации, но также и в других конфигурациях второй материал токоприемника предпочтительно может предпочтительно иметь положительный коэффициент магнитострикции. В этом случае конкретный материал, компенсирующий напряжение, и конкретная толщина слоя третьего слоя предпочтительно могут быть такими, что после обработки многослойного токоприемника в сборе третий слой прилагает растягивающее напряжение ко второму слою, вследствие чего второй слой находится в состоянии суммарного растягивающего напряжения по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации.
Предпочтительно третий слой выполнен с возможностью не только противодействия, но и по существу компенсации растягивающего или сжимающего напряжения, прилагаемого первым слоем ко второму слою. Соответственно, конкретный материал, компенсирующий напряжение, и конкретная толщина слоя третьего слоя могут быть такими, что после обработки многослойного токоприемника в сборе третий слой прилагает растягивающее или сжимающее напряжение ко второму слою по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации по существу для компенсации сжимающего или растягивающего напряжения, прилагаемого первым слоем ко второму слою.
Как описано выше, когда токоприемник в сборе достигает температуры Кюри второго материала токоприемника, магнитные свойства второго материала токоприемника изменяются из ферромагнитных в парамагнитные. Это изменение магнитных свойств сопровождается временным изменением его электрического сопротивления, что, в свою очередь, может быть использовано для обнаружения того, когда была достигнута заданная температура нагрева токоприемника в сборе. Согласно предпочтительному аспекту настоящего изобретения третий слой может быть выполнен с возможностью обеспечения не только сохранения временного изменения сопротивления второго материала токоприемника, но и для улучшения соответствующего изменения сопротивления. В этом контексте улучшение изменения электрического сопротивления второго материала токоприемника следует рассматривать в сравнении с разобранным видом, то есть в сравнении со вторым слоем, не присоединенным к какому-либо другому слою. Согласно этому предпочтительному аспекту настоящего изобретения конкретный материал, компенсирующий напряжение, и конкретная толщина слоя третьего слоя могут быть такими, что третий слой прилагает растягивающее или сжимающее напряжение ко второму слою после обработки многослойного токоприемника в сборе для улучшения изменения электрического сопротивления второго материала токоприемника по меньшей мере, когда температура токоприемника достигает температуры Кюри второго материала токоприемника. В частности, изменение сопротивления второго материала токоприемника может быть улучшено по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации. Альтернативно изменение сопротивления второго материала токоприемника может быть улучшено по меньшей мере в диапазоне температуры по меньшей мере ±5 К, предпочтительно по меньшей мере ±10 К, еще более предпочтительно по меньшей мере ±20 К относительно температуры Кюри второго материала токоприемника.
Как описано выше, изменение сопротивления второго материала токоприемника тесно связано с эффектом поверхностного слоя и, таким образом, с изменением глубины поверхностного слоя во втором материале токоприемника при достижении своей температуры Кюри. Следовательно, согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения конкретный материал, компенсирующий напряжение, и конкретная толщина слоя третьего слоя могут быть такими, что третий слой прилагает растягивающее или сжимающее напряжение ко второму слою после обработки многослойного токоприемника в сборе для улучшения изменения глубины поверхностного слоя второго материала токоприемника по меньшей мере, когда температура токоприемника достигает температуры Кюри второго материала токоприемника. В этом контексте улучшение изменения глубины поверхностного слоя второго материала токоприемника следует рассматривать в сравнении с разобранным видом, то есть в сравнении со вторым слоем, не присоединенным к какому-либо другому слою. В частности, изменение глубины поверхностного слоя второго материала токоприемника может быть улучшено по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации. Альтернативно изменение глубины поверхностного слоя второго материала токоприемника может быть улучшено по меньшей мере в диапазоне температуры по меньшей мере ±5 К, предпочтительно по меньшей мере ±10 К, еще более предпочтительно по меньшей мере ±20 К вокруг температуры Кюри второго материала токоприемника.
Согласно настоящему изобретению третий слой плотно присоединен ко второму слою. В данном контексте термин «плотно присоединенный» используют так же, как определено выше применительно к первому и второму слоям.
В контексте данного документа термины «первый слой», «второй слой» и «третий слой» являются лишь номинальными без указания в обязательном порядке на конкретный порядок или последовательность соответствующих слоев.
Предпочтительно третий слой размещен на втором слое и плотно присоединен к нему, второй слой, в свою очередь, может быть размещен на первом слое и плотно присоединен к нему.
Альтернативно третий слой может быть плотно присоединен ко второму слою посредством первого слоя. В этом случае первый слой может быть промежуточным слоем между третьим слоем и вторым слоем. В частности, второй слой может быть размещен на первом слое и плотно присоединен к нему, первый слой, в свою очередь, может быть размещен и плотно присоединен к первому слою.
Предпочтительно первый слой, второй слой и третий слой являются смежными слоями многослойного токоприемника в сборе. В этом случае первый слой, второй слой и третий слой могут находиться в непосредственном плотном физическом контакте друг с другом. В частности, второй слой может находиться между первым слоем и третьим слоем.
Альтернативно токоприемник в сборе может содержать по меньшей мере один дополнительный слой, в частности, по меньшей мере один промежуточный слой, который расположен между двумя из соответствующего первого слоя, второго слоя и третьего слоя.
По меньшей мере один из первого слоя или третьего слоя может быть граничным слоем многослойного токоприемника в сборе.
Что касается обработки токоприемника в сборе, в частности, в отношении сборки различных слоев каждый из слоев может быть гальванически нанесен, осажден, нанесен в виде покрытия, нанесен посредством плакирования или приварен к соответствующему смежному слою. В частности, каждый из этих слоев может быть нанесен на соответствующий смежный слой путем распыления, нанесения покрытия погружением, нанесения покрытия валиком, электролитического осаждения или плакирования. Это в особенности верно для первого слоя, второго слоя и третьего слоя и, при наличии, по меньшей мере одного промежуточного слоя.
В любом случае любая из конфигураций или конструкций слоя, описанных выше, относится к термину «плотно присоединенный» в контексте данного документа и как также описано выше.
В контексте данного документа термин «токоприемник» означает элемент, который способен преобразовывать электромагнитную энергию в тепло при подвергании воздействию изменяющегося электромагнитного поля. Это может быть результатом потерь на гистерезис и/или вихревых токов, вызванных в материале токоприемника в зависимости от его электрических и магнитных свойств. Материал и геометрическая форма токоприемника в сборе могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечивать требуемое генерирование тепла.
Предпочтительно первый материал токоприемника может также иметь температуру Кюри. Температура Кюри первого материала токоприемника преимущественно отличается от температуры Кюри второго материала токоприемника, в частности, выше нее. Соответственно, первый материал токоприемника может иметь первую температуру Кюри, а второй материал токоприемника может иметь вторую температуру Кюри. Температура Кюри представляет собой температуру, выше которой ферримагнитный или ферромагнитный материал теряет свой ферримагнитизм или ферромагнитизм соответственно и становится парамагнитным.
Благодаря наличию по меньшей мере первого и второго материала токоприемника, когда либо второй материал токоприемника имеет температуру Кюри, а первый материал токоприемника не имеет температуры Кюри, либо каждый из первого и второго материалов токоприемника имеет температуры Кюри, отличающиеся друг от друга, токоприемник в сборе может обеспечивать множество функциональностей, таких как индукционный нагрев и регулирование температуры нагрева. В частности, эти функциональности могут быть разделены в связи с наличием по меньшей мере двух разных токоприемников.
Предпочтительно первый материал токоприемника выполнен с возможностью нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Для этого первый материал токоприемника может быть оптимизирован в отношении потери тепла и, таким образом, эффективности нагрева. Первый материал токоприемника может иметь температуру Кюри выше 400°С.
Предпочтительно первый материал токоприемника выполнен из антикоррозионного материала. Таким образом, первый материал токоприемника преимущественно обладает стойкостью к любым коррозионным воздействиям, в частности, в случае, если токоприемник в сборе встроен в изделие, генерирующее аэрозоль, в непосредственном физическом контакте с субстратом, образующим аэрозоль.
Первый материал токоприемника может содержать ферромагнитный металл. В этом случае тепло может быть сгенерировано не только вихревыми токами, но и потерями на гистерезис. Предпочтительно первый материал токоприемника содержит железо (Fe) или железный сплав, такой как сталь или железо-никелевый сплав. В частности, первый материал токоприемника может содержать нержавеющую сталь, например, ферритную нержавеющую сталь. Может быть особенно предпочтительным, чтобы первый материал токоприемника содержал нержавеющую сталь серии 400, такую как нержавеющая сталь марки 410, или нержавеющая сталь марки 420, или нержавеющая сталь марки 430, или нержавеющая сталь подобных марок.
Первый материал токоприемника альтернативно может содержать подходящий немагнитный материал, в частности, парамагнитный проводящий материал, такой как алюминий (А1). В парамагнитном проводящем материале индукционный нагрев происходит исключительно посредством резистивного нагрева вследствие вихревых токов.
Альтернативно первый материал токоприемника (первый материал сусцептора) может содержать непроводящий ферримагнитный материал, такой как непроводящая ферримагнитная керамика. В этом случае тепло генерируется только за счет потерь на гистерезис.
В отличие от этого второй материал токоприемника (второй материал сусцептора) может быть оптимизирован и выполнен с возможностью отслеживания температуры токоприемника (сусцептора) в сборе. Второй материал токоприемника может быть выбран таким образом, чтобы иметь температуру Кюри, которая по существу соответствует заданной максимальной температуре нагрева первого материала токоприемника. Максимальная необходимая температура нагрева может быть установлена приблизительно такой же, что и температура, до которой должен быть нагрет токоприемник в сборе с целью генерирования аэрозоля из субстрата, образующего аэрозоль. Однако максимальная необходимая температура нагрева должна быть достаточно низкой для предотвращения локального перегрева или горения субстрата, образующего аэрозоль. Предпочтительно температура Кюри второго материала токоприемника должна быть ниже точки воспламенения субстрата, образующего аэрозоль. Второй материал токоприемника выбран с обнаруживаемой температурой Кюри ниже 500°С, предпочтительно равной или ниже 400°С, в частности, равной или ниже 370°С. Например, второй токоприемник может иметь определенную температуру Кюри от 150°С до 400°С, в частности, от 200°С до 400°С. Хотя температура Кюри и функция температурного маркера являются основной характеристикой второго материала токоприемника, он также может способствовать нагреву токоприемника в сборе.
Предпочтительно, чтобы второй токоприемник присутствовал в качестве плотного слоя. Плотный слой имеет более высокую магнитную проницаемость, чем пористый слой, что облегчает обнаружение малых изменений температуры Кюри.
Предпочтительно второй материал токоприемника содержит ферромагнитный металл, такой как никель (Ni). Никель имеет температуру Кюри в диапазоне от приблизительно 354°С до 360°С, или от 627 К до 633 К, соответственно в зависимости от природы примесей. Температура Кюри в этом диапазоне идеальна, поскольку она является приблизительно такой же, что и температура, до которой должен быть нагрет токоприемник для генерирования аэрозоля из субстрата, образующего аэрозоль, но все еще достаточно низкой, чтобы избежать локального перегрева или горения субстрата, образующего аэрозоль.
Альтернативно, второй материал токоприемника может содержать никелевый сплав, в частности, сплав Fe-Ni-Cr. Преимущественно сплавы Fe-Ni-Cr являются антикоррозионными. В качестве примера, второй токоприемник может содержать промышленный сплав, такой как Phytherm 230 или Phytherm 2 60. Температура Кюри этих сплавов Fe-Ni-Cr может быть индивидуализирована. Phytherm 230 имеет состав (в % по весу = вес. %) с 50 вес. % Ni, 10 вес. % Cr и с остальной частью, представленной Fe. Температура Кюри Phytherm 230 составляет 230°С. Phytherm 260 имеет состав с 50 вес. % Ni, 9 вес. % Cr и с остальной частью, представленной Fe. Температура Кюри Phytherm 260 составляет 260°С.
Аналогично второй материал токоприемника может содержать сплав Fe-Ni-Cu-X, где X представляет собой один или несколько элементов, выбранных из Cr, Mo, Mn, Si, Al, W, Nb, V и Ti.
Что касается третьего слоя, материал, компенсирующий напряжение, может содержать аустенитную нержавеющую сталь. Например, третий слой может содержать X5CrNi18-10 (согласно номенклатуре EN (Европейские стандарты) номер материала 1.4301, также известен как сталь V2A) или X2CrNiMo17-12-2 (согласно номенклатуре EN (Европейские стандарты), номер материала 1.4571 или 1.4404, также известен как сталь V4A). Аустенитную нержавеющую сталь предпочтительно используют в случае, если первый материал токоприемника содержит ферритную нержавеющую сталь, а второй материал токоприемника содержит никель, потому что аустенитная нержавеющая сталь имеет больший коэффициент теплового расширения, чем никель, который, в свою очередь, имеет больший коэффициент теплового расширения, чем ферритная нержавеющая сталь. Кроме того, в связи с ее парамагнитными характеристиками и высоким электрическим сопротивлением аустенитная нержавеющая сталь только слабо защищает второй материал токоприемника от электромагнитного поля, применяемого в отношении первого и второго токоприемников.
Толщина слоя третьего слоя может быть кратна толщине слоя первого слоя на величину, находящуюся в диапазоне от 0,5 до 1,5, в частности, от 0,75 до 1,25. Толщина слоя третьего слоя в этих диапазонах может оказаться преимущественной для противодействия или даже компенсации сжимающего или растягивающего напряжения, прилагаемого первым слоем ко второму слою. Предпочтительно толщина слоя третьего слоя равна толщине слоя первого слоя.
В контексте данного документа термин «толщина» означает размеры, проходящие между верхней и нижней сторонами, например, между верхней стороной и нижней стороной слоя или верхней стороной и нижней стороной многослойного токоприемника в сборе. Термин «ширина» используют в данном документе для обозначения размеров, проходящих между двумя противоположными боковыми сторонами. Термин «длина» используют в данном документе для обозначения размеров, проходящих между передней и задней или между другими двумя противоположными сторонами,
перпендикулярными двум противоположным боковым сторонам, образующим ширину. Толщина, ширина и длина могут быть перпендикулярны друг другу.
Многослойный токоприемник в сборе может представлять собой продолговатый токоприемник в сборе, имеющий длину от 5 мм до 15 мм, ширину от 3 мм до 6 мм и толщину от 10 мкм до 500 мкм. В качестве примера, многослойный токоприемник в сборе может представлять собой продолговатую полоску, имеющую первый слой, которая представляет собой полоску из нержавеющей стали марки 4 30, имеющую длину 12 мм, ширину от 4 мм до 5 мм, например, 4 мм и толщину от 10 мкм до 50 мкм, такую как, например, 2 5 мкм. Нержавеющая сталь марки 4 30 может быть покрыта вторым слоем никеля в качестве второго материала токоприемника, имеющего толщину от 5 мкм до 30 мкм, например, 10 мкм. Поверх второго слоя, противоположного первому слою, может быть нанесен третий слой, который выполнен из аустенитной нержавеющей стали.
Токоприемник в сборе согласно настоящему изобретению предпочтительно может быть выполнен с возможностью приведения в действие переменным, в частности, высокочастотным электромагнитным полем. Как упоминалось в данном документе, высокочастотное электромагнитное поле может находиться в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц, в частности, от 5 МГц до 15 МГц, предпочтительно от 5 МГц до 10 МГц.
Токоприемник в сборе предпочтительно представляет собой токоприемник в сборе изделия, генерирующего аэрозоль, для индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, который является частью изделия, генерирующего аэрозоль.
Согласно настоящему изобретению также предложено изделие, генерирующее аэрозоль, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, и токоприемник в сборе согласно настоящему изобретению, и, как описано в данном документе, выполненное с возможностью индукционного нагрева субстрата.
Токоприемник в сборе предпочтительно расположен в субстрате, образующем аэрозоль, или встроен в него.
В контексте данного документа термин «субстрат, образующий аэрозоль» означает субстрат, способный выделять летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль при нагреве субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может в целях удобства представлять собой часть изделия, генерирующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый или жидкий субстрат, образующий аэрозоль. В обоих случаях субстрат, образующий аэрозоль, может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие табачные ароматические соединения, которые субстрат выделяет при нагреве. Альтернативно или дополнительно субстрат, образующий аэрозоль, может содержать нетабачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может также содержать вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может также содержать другие добавки и ингредиенты, такие как никотин или ароматизаторы. Субстрат, образующий аэрозоль, может также представлять собой пастообразный материал, пакетик из пористого материала, содержащий субстрат, образующий аэрозоль, или, например, рассыпной табак, смешанный с гелеобразующим средством или клейким веществом, который может содержать обычное вещество для образования аэрозоля, такое как глицерин, и который спрессован или сформован в виде штранга.
Изделие, генерирующее аэрозоль, предпочтительно выполнено с возможностью зацепления с электрическим устройством, генерирующим аэрозоль, содержащим индукционный источник. Индукционный источник, или индуктор, генерирует флуктуационное электромагнитное поле для нагрева токоприемника в сборе изделия, генерирующего аэрозоль, при размещении во флуктуационном электромагнитном поле. При использовании изделие, генерирующее аэрозоль, зацепляется с устройством, генерирующим аэрозоль, таким образом, что токоприемник в сборе размещен во флуктуационном электромагнитном поле, генерируемом индуктором.
Дополнительные признаки и преимущества изделия, генерирующего аэрозоль, согласно настоящему изобретению были описаны применительно к токоприемнику в сборе и не будут описаны повторно.
Настоящее изобретение будет далее описано исключительно на примерах со ссылкой на сопроводительные графические материалы, на которых:
на фиг. 1 представлено схематическое изображение в перспективе иллюстративного варианта осуществления многослойного токоприемника в сборе согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 представлено схематическое изображение сбоку токоприемника в сборе по фиг. 1; и
на фиг. 3 представлено схематическое изображение в поперечном разрезе иллюстративного варианта осуществления изделия, генерирующего аэрозоль, согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1 и фиг. 2 схематически показан иллюстративный вариант осуществления токоприемника в сборе 1 согласно настоящему изобретению, который выполнен с возможностью индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Как будет пояснено более подробно ниже в отношении фиг. 3, токоприемник в сборе 1 предпочтительно выполнен с возможностью быть встроенным в изделие, генерирующее аэрозоль, в непосредственном контакте с субстратом, образующим аэрозоль, подлежащим нагреву. Само изделие выполнено с возможностью размещения в устройстве, генерирующем аэрозоль, которое содержит индукционный источник, выполненный с возможностью генерирования переменного, в частности, высокочастотного электромагнитного поля.
Флуктуационное электромагнитное поле генерирует вихревые токи и/или потери на гистерезис в токоприемнике в сборе 1, вызывая его нагрев. Размещение токоприемника (сусцептора) в сборе 1 в изделии, генерирующем аэрозоль, и размещение изделия, генерирующего аэрозоль, в устройстве, генерирующем аэрозоль, таковы, что токоприемник (сусцептор) в сборе 1 точно расположен во флуктуационном электромагнитном поле, генерируемом индукционным источником.
Токоприемник (сусцептор) в сборе 1 согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 1 и фиг. 2, представляет собой трехслойный токоприемник (сусцептор) в сборе 1. Токоприемник в сборе содержит первый слой 10 в качестве базового слоя, содержащего первый материал токоприемника (первый материал сусцептора). Первый слой 10, то есть первый материал токоприемника (первый материал сусцептора) оптимизирован в отношении потери тепла и, таким образом, эффективности нагрева. В настоящем варианте осуществления первый слой 10 содержит ферромагнитную нержавеющую сталь, имеющую температуру Кюри свыше 400°С. Для регулирования температуры нагрева токоприемник (сусцептор) в сборе 1 содержит второй слой 20 в качестве промежуточного или функционального слоя, расположенного на первом слое и плотно присоединенного к нему. Второй слой 20 содержит второй материал токоприемника (второй материал сусцептора). В настоящем варианте осуществления второй материал токоприемника (второй материал сусцептора) представляет собой никель, имеющий температуру Кюри в диапазоне от приблизительно 354°С до 360°С, или от 627 К до 633 К, соответственно (в зависимости от природы примесей). Эта температура Кюри является преимущественной в отношении как управления температурой, так и регулируемого нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Как только во время нагрева токоприемник (сусцептор) в сборе 1 достигает температуры Кюри никеля, магнитные свойства второго материала токоприемника изменяются из ферромагнитных в парамагнитные, что сопровождается временным изменением его электрического сопротивления. Таким образом, путем наблюдения за соответствующим изменением электрического тока, поглощаемого индукционным источником, можно выявить, когда второй материал токоприемника достиг своей температуры Кюри и, таким образом, когда достигнута заданная температура нагрева.
Однако тот факт, что первый и второй слои 10, 20 плотно присоединены друг к другу, может влиять на изменение электрического сопротивления второго материала токоприемника. Это главным образом обусловлено конкретными различиями между тепловым расширением первого и второго материалов токоприемника, как поясняется ниже. Во время обработки токоприемника в сборе 1 первый и второй слои 10, 20 соединяют друг с другом при заданной температуре, после чего обычно выполняют термообработку, такую как отжиг. Во время последующего изменения температуры, например, во время охлаждения токоприемника в сборе 1 отдельные слои 10, 20 не могут свободно деформироваться из-за объединенной природы токоприемника в сборе 1. Следовательно, так как никелевый материал во втором слое 20 имеет коэффициент теплового расширения больше, чем у нержавеющей стали в первом слое 10, при охлаждении во втором слое 20 может развиться состояние растягивающего напряжения. Это состояние растягивающего напряжения, в свою очередь, может снизить магнитную восприимчивость никелевого материала в связи с магнитострикцией, потому что никель имеет отрицательный коэффициент магнитострикции. В частности, в соответствующем диапазоне температуры относительно температуры Кюри никелевого материала пониженная магнитная восприимчивость может вызвать изменение глубины поверхностного слоя и, таким образом, приведет к тому, что временное изменение электрического сопротивления никелевого материала будет менее выраженным. Это, в свою очередь, может нежелательным образом ухудшить функциональность второго слоя в качестве температурного маркера.
С целью противодействия нежелательному растягивающему напряжению, прилагаемому первым слоем 10 ко второму слою 20, токоприемник в сборе 1 согласно настоящему изобретению дополнительно содержит третий слой 30, который плотно присоединен ко второму слою 20. Третий слой содержит конкретный материал, компенсирующий напряжение, и имеет конкретную толщину Т30 слоя, которая конкретно выбрана таким образом, что после обработки многослойного токоприемника в сборе 1, например, после термообработки третий слой 30 прилагает конкретное сжимающее напряжение ко второму слою 20 по меньшей мере в определенном диапазоне температуры компенсации. Диапазон температуры компенсации проходит по меньшей мере от температуры, которая на 20 К ниже температуры Кюри никеля, до температуры Кюри никеля. Соответственно, третий слой 30 преимущественно позволяет сохранять изначально необходимые свойства и функциональности второго слоя 20.
В настоящем варианте осуществления третий слой содержит аустенитную нержавеющую сталь в качестве материала, компенсирующего напряжение, например, сталь V2a или V24. Преимущественно аустенитная нержавеющая сталь имеет больший коэффициент теплового расширения, чем никелевый материал второго слоя 20 и ферромагнитная нержавеющая сталь первого слоя 10. Кроме того, в связи с ее парамагнитными характеристиками и высоким электрическим сопротивлением аустенитная нержавеющая сталь только слабо защищает никелевый материал второго слоя 20 от электромагнитного поля, применяемого в его отношении.
Что касается варианта осуществления, показанного на фиг. 1 и фиг. 2, токоприемник (сусцептор) в сборе 1 имеет форму продолговатой полоски, имеющей длину L 12 мм и ширину W 4 мм. Все слои имеют длину L 12 мм и ширину W 4 мм. Первый слой 10 представляет собой полоску из нержавеющей стали марки 430, имеющую толщину Т10, составляющую 35 мкм. Второй слой 20 представляет собой полоску из никеля, имеющую толщину Т20, составляющую 10 мкм. Слой 30 представляет собой полоску из аустенитной нержавеющей стали, имеющую толщину Т30, составляющую 35 мкм. Общая толщина Т токоприемника (сусцептора) в сборе 1 составляет 80 мкм. Токоприемник в сборе 1 образован посредством нанесения полоски 20 из никеля на полоску 10 из нержавеющей стали. После этого поверх никелевой полоски 20 наносят полоску 30 из аустенитной нержавеющей стали.
Так как первый и третий слои 10, 30 изготовлены из нержавеющей стали, они преимущественно обеспечивают антикоррозионное покрытие для никелевого материала во втором слое 20.
На фиг. 3 схематически изображен иллюстративный вариант осуществления изделия 100, генерирующего аэрозоль, согласно настоящему изобретению. Изделие 100, генерирующее аэрозоль, содержит четыре элемента в осевом выравнивании: субстрат 102, образующий аэрозоль, опорный элемент 103, элемент 104, охлаждающий аэрозоль, и мундштук 105. Каждый из этих четырех элементов представляет собой по существу цилиндрический элемент, при этом каждый из них имеет по существу одинаковый диаметр. Эти четыре элемента расположены последовательно и окружены наружной оберткой 106 с образованием цилиндрического стержня. Дополнительные подробности об этом конкретном изделии, генерирующем аэрозоль, в частности, о четырех элементах, раскрыты в документе WO 2015/176898 А1.
Продолговатый токоприемник (сусцептор) в сборе 1 расположен в субстрате 102, образующем аэрозоль, в контакте с субстратом 102, образующим аэрозоль. Токоприемник в сборе 1, показанный на фиг. 3, соответствует токоприемнику в сборе 1, согласно фиг. 1 и фиг. 2. Структура слоя токоприемника в сборе, как показано на фиг. 3, изображена в увеличенном размере, но не в масштабе, относительно других элементов изделия, генерирующего аэрозоль. Токоприемник в сборе 1 имеет длину, которая приблизительно такая же, как и длина субстрата 102, образующего аэрозоль, и расположен вдоль центральной в радиальном направлении оси субстрата 102, образующего аэрозоль. Субстрат 102, образующий аэрозоль, содержит собранный лист гофрированного гомогенизированного табачного материала, окруженного оберткой. Гофрированный лист гомогенизированного табачного материала содержит глицерин в качестве вещества для образования аэрозоля.
Токоприемник в сборе 1 может быть вставлен в субстрат 102, образующий аэрозоль, во время процесса, используемого для образования субстрата, образующего аэрозоль, до сборки нескольких элементов для образования изделия, генерирующего аэрозоль.
Изделие 100, генерирующее аэрозоль, изображенное на фиг. 3, выполнено с возможностью зацепления с электрическим устройством, генерирующим аэрозоль. Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать индукционный источник, имеющий катушку индуктивности или индуктор для генерирования переменного, в частности, высокочастотного электромагнитного поля, в котором расположен токоприемник в сборе изделия, генерирующего аэрозоль, при зацеплении изделия, генерирующего аэрозоль, с устройством, генерирующим аэрозоль.
1. Многослойный сусцептор в сборе для индукционного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, при этом сусцептор в сборе содержит по меньшей мере:
- первый слой, содержащий первый материал сусцептора;
- второй слой, плотно присоединенный к первому слою, содержащий второй материал сусцептора, имеющий температуру Кюри ниже 500°С;
- третий слой, плотно присоединенный ко второму слою, содержащий конкретный материал, компенсирующий напряжение, и имеющий конкретную толщину слоя, так что после плотного присоединения слоев друг к другу и/или после термообработки многослойного сусцептора в сборе третий слой прилагает растягивающее или сжимающее напряжение ко второму слою по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации для противодействия сжимающему или растягивающему напряжению, прилагаемому первым слоем ко второму слою, при этом диапазон температуры компенсации проходит по меньшей мере от температуры, которая на 20°С ниже температуры Кюри второго материала сусцептора, до температуры Кюри второго материала сусцептора.
2. Сусцептор в сборе по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент теплового расширения второго материала сусцептора больше, чем коэффициент теплового расширения первого материала сусцептора, и меньше, чем коэффициент теплового расширения материала, компенсирующего напряжение.
3. Сусцептор в сборе по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что второй материал сусцептора имеет отрицательный коэффициент магнитострикции, и при этом конкретный материал, компенсирующий напряжение, и конкретная толщина слоя третьего слоя таковы, что после плотного присоединения слоев друг к другу и/или после тепловой обработки многослойного сусцептора в сборе третий слой прилагает сжимающее напряжение ко второму слою, вследствие чего второй слой находится в состоянии суммарного сжимающего напряжения по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации.
4. Сусцептор в сборе по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент теплового расширения второго материала сусцептора меньше, чем коэффициент теплового расширения первого материала сусцептора, и больше, чем коэффициент теплового расширения материала, компенсирующего напряжение.
5. Сусцептор в сборе по любому из пп. 1 или 4, отличающийся тем, что второй материал сусцептора имеет положительный коэффициент магнитострикции, и при этом конкретный материал, компенсирующий напряжение, и конкретная толщина слоя третьего слоя таковы, что после плотного присоединения слоев друг к другу и/или после тепловой обработки многослойного сусцептора в сборе третий слой прилагает растягивающее напряжение ко второму слою, вследствие чего второй слой находится в состоянии суммарного растягивающего напряжения по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации.
6. Сусцептор в сборе по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что конкретный материал, компенсирующий напряжение, и конкретная толщина слоя третьего слоя таковы, что третий слой прилагает растягивающее или сжимающее напряжение ко второму слою после плотного присоединения слоев друг к другу и/или после тепловой обработки многослойного сусцептора в сборе для улучшения изменения электрического сопротивления второго материала сусцептора, по меньшей мере, когда температура сусцептора достигает температуры Кюри второго материала сусцептора.
7. Сусцептор в сборе по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что конкретный материал, компенсирующий напряжение, и конкретная толщина слоя третьего слоя таковы, что третий слой прилагает растягивающее или сжимающее напряжение ко второму слою после плотного присоединения слоев друг к другу и/или после тепловой обработки многослойного сусцептора в сборе для улучшения изменения глубины поверхностного слоя второго материала сусцептора, по меньшей мере, когда температура сусцептора достигает температуры Кюри второго материала сусцептора.
8. Сусцептор в сборе по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающийся тем, что конкретный материал, компенсирующий напряжение, и конкретная толщина слоя третьего слоя таковы, что после плотного присоединения слоев друг к другу и/или после тепловой обработки многослойного сусцептора в сборе третий слой прилагает растягивающее или сжимающее напряжение ко второму слою по меньшей мере в диапазоне температуры компенсации по существу для компенсации сжимающего или растягивающего напряжения, прилагаемого первым слоем ко второму слою.
9. Сусцептор в сборе по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первый материал сусцептора содержит алюминий, железо или сплав железа, в частности, нержавеющую сталь марки 410, марки 420 или марки 430.
10. Сусцептор в сборе по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что второй материал сусцептора содержит никель или сплав никеля, в частности, мягкий сплав Fe-Ni-Cr или сплав Fe-Ni-Cu-X, где X представляет собой один или более элементов, выбранных из Cr, Mo, Mn, Si, Al, W, Nb, V и Ti.
11. Сусцептор в сборе по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что материал, компенсирующий напряжение, содержит аустенитную нержавеющую сталь.
12. Сусцептор в сборе по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что толщина слоя третьего слоя кратна толщине слоя первого слоя на величину, находящуюся в диапазоне от 0,5 до 1,5, в частности, от 0,75 до 1,25.
13. Сусцептор в сборе по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что толщина слоя третьего слоя равна толщине слоя первого слоя.
14. Сусцептор в сборе по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первый слой, второй слой и третий слой являются смежными слоями многослойного сусцептора в сборе.
15. Изделие, генерирующее аэрозоль, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, и сусцептор в сборе по любому из предыдущих пунктов.
16. Изделие, генерирующее аэрозоль, по п. 15, отличающееся тем, что сусцептор в сборе расположен в субстрате, образующем аэрозоль.
