Образующие аэрозоль системы и способы направления воздушного потока внутри образующей аэрозоль системы с электрическим нагревом Российский патент 2018 года по МПК A24F47/00 

Настоящее изобретение относится к образующим аэрозоль системам с электрическим нагревом, таким как курительные системы с электрическим нагревом, и к способу направления воздушного потока внутри таких систем.

Некоторые образующие аэрозоль системы могут содержать батарею, управляющие электронные схемы, картридж, содержащий источник подачи образующего аэрозоль субстрата, и электрически управляемый испаритель. Вещество испаряют из образующего аэрозоль субстрата, например, с помощью нагревателя. Воздушный поток заставляют проходить через нагреватель с захватом испарившейся жидкости и направлением через мундштук к подносимому ко рту концу мундштука, в то время как пользователь осуществляет вдыхание (т.н. «затяжку») на подносимом ко рту конце.

Было бы желательно осуществлять управление воздушным потоком таким образом, чтобы как можно больше жидкости, испаряемой посредством нагревателя, выносилось из зоны нагрева для вдыхания во время каждой затяжки. Было бы также желательно осуществлять управление потоком таким образом, чтобы минимизировать образование капель вне желаемого диапазона возможности вдыхания.

Согласно первому аспекту, предложена курительная система с электрическим нагревом для образования аэрозоля. Указанная нагреваемая курительная система использует нагреватель, размещаемый относительно системы прохождения воздушного потока, имеющей дальний по ходу потока конец и один или более каналов для втягивания окружающего воздуха. Каждый из указанных одного или более каналов образует соответствующий тракт воздушного потока. Первый тракт воздушного потока, образованный первым каналом, направляет воздух извне системы таким образом, чтобы он натекал на один или более электрических нагревательных элементов нагревателя перед тем, как окружающий воздух будет перемещен к дальнему по ходу потока концу. Воздух, переносимый по каждому из первых трактов потока, может направляться в нагреватель в качестве окружающего воздуха, без предварительного нагрева, или он может быть подвергнут предварительному нагреву перед натеканием на нагреватель и вдоль него.

В некоторых вариантах осуществления воздух посредством первого тракта потока подается для первоначального натекания вдоль траектории, которая является по существу ортогональной плоскости, в которой расположен электрический нагревательный элемент (элементы) нагревателя. Такая компоновка обеспечивает преимущество, поскольку было обнаружено, что натекание под прямым углом в направлении геометрического центра нагревателя способствует эффективному захвату пара. В случае использования нескольких каналов соответствующие потоки могут быть объединены до или где-либо по ходу общего ортогонального тракта. В качестве альтернативы, указанные один или более потоков могут подаваться для натекания на нагревательный узел по любым углом, так что поток натекает на и вдоль общей плоскости, которая проходит через один или более нагревательных элементов.

Пар в зоне нагревателя собирается воздухом, протекающим в указанных одном или более каналах, и перемещается к расположенному дальше по ходу потока концу системы подачи воздушного потока. По мере конденсации пара внутри протекающего воздуха образуются капли и в результате образуется аэрозоль. Было обнаружено, что поток окружающего воздуха, натекающий на нагревательный элемент под углом 90 градусов, успешно и эффективно захватывает пар, так что он может быть направлен к расположенному дальше по ходу потока «подносимому ко рту» концу системы. Чем мощнее поток окружающего воздуха, сталкивающегося с нагревательным элементом, тем выше эффективность захвата и эвакуации пара. В частности, если окружающий воздух натекает на поверхность нагревательного узла в ее геометрическом центре под прямым углом, обеспечивается возможность создания однородного воздушного потока в радиальном направлении наружу над нагревательным элементом.

Объем окружающего воздуха, проходящего через первый и любые дополнительные каналы и натекающего в перпендикулярном направлении на нагревательный элемент (элементы), можно изменять и адаптировать, например, к типу применяемого нагревательного элемента или к имеющемуся в наличии количеству испаряемой жидкости. Например, объем окружающего воздуха, натекающего на нагревательный элемент, может быть адаптирован к общей площади, которая эффективно нагревается этим нагревательным элементом.

В вариантах осуществления выходящий из зоны нагревателя нагретый воздух, содержащий пар, проходит вдоль зоны охлаждения, в непосредственной близости от которой внутри картриджа хранится образующий аэрозоль субстрат. Поскольку поверхность картриджа в этой зоне имеет более низкую температуру, чем содержащий пар воздух, такая близость обеспечивает значительный охлаждающий эффект. Этот эффект особенно выражен, когда воздух проходит через тонкие каналы, выполненные с такими размерами и расположением, чтобы максимизировать взаимодействие потоков в пределах поверхности картриджа. Происходящее в результате этого быстрое охлаждение приводит к перенасыщению воздуха испаренной жидкостью, что, в свою очередь, способствует образованию более мелких капель аэрозоля. В некоторых вариантах осуществления предпочтительным является поддержание размера капель в диапазоне возможности вдыхания, составляющем от 0,5 до 1 микрона во время конденсации пара.

В некоторых вариантах осуществления резкий поворот (например, на угол порядка 90 градусов) потока аэрозоля вокруг части корпуса картриджа, заключающей в себе жидкий субстрат, выполняет дополнительную функцию фильтрации капель, состоящую в том, что капли, превышающие по размеру диапазон возможности вдыхания, конденсируются в углу (углах) тракта потока и таким образом они не доставляются к расположенному дальше по ходу потока концу.

В качестве общего правила, всякий раз, когда термин «примерно» используется в сочетании с конкретной величиной по всей данной заявке, следует понимать, что величина, следующая за термином «примерно», не обязательно должна точно равняться конкретной величине по техническим соображениям. Тем не менее, термин «примерно», используемый в сочетании с конкретной величиной, всегда следует понимать как включающий в себя и явным образом выражающий конкретную величину, следующую за термином «примерно».

В отношении ориентации и местонахождения нагревателя относительно отверстия в контейнере, заключающем в себя образующую аэрозоль жидкость, термин «поперек» предназначен для описания компоновки, при которой один или более нагревательных элементов, через которые проходит общая плоскость (например, плоскость, лежащая поперек отверстия контейнера), расположены поверх или поперек по меньшей мере части этого отверстия. Например, в некоторых вариантах осуществления нагреватель может полностью покрывать отверстие контейнера, в то время как в других вариантах осуществления нагреватель может лишь частично покрывать отверстие контейнера. В других вариантах осуществления нагреватель может быть расположен внутри отверстия таким образом, чтобы он проходил поперек всего отверстия со всех сторон, и в других вариантах осуществления нагреватель может быть расположен таким образом, чтобы он проходил поперек первой пары противоположных боковых частей указанного отверстия не проходил поперек второй пары противоположных боковых частей этого отверстия.

Термины «раньше по ходу потока» и «дальше по ходу потока» используются в данном документе относительно направления воздушного потока в системе. Расположенные раньше по ходу потока и дальше по ходу потока концы системы определены относительно воздушного потока, когда пользователь осуществляет затяжку на ближнем или подносимом ко рту конце курительного изделия, образующего аэрозоль. Воздух втягивается в систему на расположенном раньше по ходу потока конце, проходит дальше по ходу потока через систему и выходит из системы на ближнем или расположенном дальше по ходу потока конце. Термины «ближний и дальний» используются в данном документе для ссылки на местоположение элемента относительно его ориентации по направлению к потребителю или от потребителя. Таким образом, ближний конец мундштука образующей аэрозоль системы соответствует подносимому ко рту концу мундштука. Соответственно, дальнее отверстие корпуса картриджа соответствует местоположению отверстия, расположенного в корпусе картриджа со стороны, обращенной от потребителя.

Нагреватель, используемый в курительной системе согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, может представлять собой, например, проницаемый для текучей среды нагревательный узел, содержащий один или более электропроводных нагревательных элементов. Указанные один или более электропроводных нагревательных элементов выполнены по размерам и расположению таким образом, чтобы генерировать тепло при подаче на них тока. Проницаемые для текучей среды нагревательные узлы пригодны для испарения жидкостей различных видов из картриджей. Например, в качестве образующего аэрозоль субстрата картридж может заключать в себе жидкость или содержащий жидкость транспортный материал, например такой, как капиллярный материал. Такой транспортный материал, например капиллярный материал, активно перемещает жидкость и предпочтительно ориентирован в картридже таким образом, чтобы перемещать жидкость к нагревательному узлу. В вариантах осуществления указанные один или более электропроводных нагревательных элементов представляют собой тепловыделяющие нити, расположенные вплотную к жидкости или к капиллярному материалу, заключающему в себе жидкость, так что под действием тепла, генерируемого нагревательным элементом, происходит испарение жидкости. Предпочтительно, указанные нити и образующий аэрозоль субстрат расположены таким образом, чтобы обеспечивать возможность втекания жидкости в промежутки ниточной структуры за счет капиллярного действия. Ниточная структура может также физически контактировать с капиллярным материалом.

В вариантах осуществления проницаемый для текучей среды нагревательный узел содержит один или более нагревательных элементов, через которые проходит общая плоскость, так что нагреватель имеет по существу плоскую форму. Такой нагревательный элемент может представлять собой, например, плоскую катушку, встроенную в пористую керамику, или сеточный нагреватель, причем сетка или другая ниточная структура размещена поверх отверстия в нагревателе. Проницаемый для текучей среды нагревательный узел может содержать, например, электропроводную сетку или схемный рисунок в виде катушки, напечатанный на жаропрочной основе. Основа может представлять собой, например, керамику, полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) или другую жаропрочную керамику и полимеры, которые не подвержены термическому разложению и высвобождают летучие элементы при температуре ниже 200ºС и предпочтительно ― при температуре ниже 150ºС.

Нагреватель испаряет жидкость из картриджа или корпуса картриджа, содержащего образующий аэрозоль субстрат. Образующий аэрозоль субстрат представляет собой субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Летучие соединения могут высвобождаться в результате нагрева образующего аэрозоль субстрата. Образующий аэрозоль субстрат может содержать материал растительного происхождения. Образующий аэрозоль субстрат может содержать табак. Образующий аэрозоль субстрат может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие ароматные соединения табака, которые высвобождаются из образующего аэрозоль субстрата при нагревании. Образующий аэрозоль субстрат в качестве альтернативы может содержать материал, не содержащий табака. Образующий аэрозоль субстрат может содержать гомогенизированный материал растительного происхождения. Образующий аэрозоль субстрат может содержать гомогенизированный табачный материал. Образующий аэрозоль субстрат может содержать по меньшей мере один образователь аэрозоля. Образователь аэрозоля представляет собой любое подходящее известное соединение или смесь соединений, которые при использовании способствует образованию плотного и устойчивого аэрозоля и по существу устойчивы к термической деградации при рабочей температуре системы. Подходящие образователи аэрозоля хорошо известны из уровня техники и включают в себя, но без ограничения: многоатомные спирты, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и глицерин; сложные эфиры многоатомных спиртов, такие как глицерол моно-, ди- или триацетат; и алифатические сложные эфиры моно-, ди- или поликарбоновых кислот, такие как диметилдодекандиоат и диметилтетрадекандиоат. Предпочтительными образователями аэрозоля являются многоатомные спирты или их смеси, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и, наиболее предпочтительно, глицерин. Образующий аэрозоль субстрат может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как ароматизаторы.

Образующий аэрозоль субстрат может быть перемещен к нагревательному элементу (элементам) через капиллярный материал, контактирующий с нагревательным элементом (элементами) или расположенный вблизи них. Капиллярный материал может иметь волокнистую или губчатую структуру. Капиллярный материал предпочтительно содержит пучок капилляров. Например, капиллярный материал может содержать множество волокон или нитей или других трубок с тонкими каналами. Волокна или нити могут быть в целом выровнены для перемещения жидкости к нагревательному элементу. В качестве альтернативы, капиллярный материал может содержать губкообразный или пенообразный материал. Структура капиллярного материала образует множество небольших каналов или трубок, через которые жидкость может быть перемещена за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может содержать любой подходящий материал или комбинацию материалов. Примеры подходящих материалов представляют собой губчатый или вспененный материал, материалы на основе керамики или графита в виде волокон или спеченных порошков, вспененный металлический или пластиковый материал, волокнистый материал, например, выполненный из крученых или экструдированных волокон, таких как ацетилцеллюлозные, полиэфирные, или связанные полиолефиновые, полиэтиленовые, териленовые или полипропиленовые волокна, нейлоновые волокна или керамика. Капиллярный материал может иметь любые подходящие капиллярность и пористость с тем, чтобы использовать его с жидкостями, имеющими различные физические свойства. Указанная жидкость имеет такие физические свойства, включая, но без ограничения, вязкость, поверхностное натяжение, плотность, теплопроводность, температуру кипения и давление пара, которые обеспечивают возможность перемещения этой жидкости через капиллярное устройство за счет капиллярного действия.

Капиллярный материал может контактировать с электропроводными нитями нагревателя. Капиллярный материал может проходить внутрь промежутков между нитями. Нагревательный элемент может втягивать жидкий образующий аэрозоль субстрат внутрь указанных промежутков за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может контактировать с электропроводными нитями по существу на всем протяжении отверстия в нагревательном элементе.

Нагревательный элемент (элементы) могут быть включены в нагревательный узел, содержащий опорные элементы. Нагревательный узел может заключать в себе два или более различных капиллярных материалов, причем первый капиллярный материал, контактирующий с нагревательным элементом, имеет более высокую температуру термического разложения, а второй капиллярный материал, контактирующий с первым капиллярным материалом, но не контактирующий с нагревательным элементом, имеет более низкую температуру термического разложения. Первый капиллярный материал эффективно действует как разделитель, отделяющий нагревательный элемент от второго капиллярного материала, так что второй капиллярный материал не подвергается воздействию температур, превышающих его температуру термического разложения. В контексте данного документа термин «температура термического разложения» означает температуру, при которой материал начинает разлагаться и терять массу в результате образования газообразных продуктов. Второй капиллярный материал предпочтительно может занимать больший объем, чем первый капиллярный материал, и может удерживать большее количество образующего аэрозоль субстрата, чем первый капиллярный материал. Второй капиллярный материал может иметь лучшие капиллярные свойства, чем первый капиллярный материал. Второй капиллярный материал может быть менее дорогостоящим или иметь более высокую заполняющую способность, чем первый капиллярный материал. Второй капиллярный материал может представлять собой полипропилен.

Тракт (тракты) потока могут выбираться для достижения желаемого результата, например предварительно заданного объема воздуха, проходящего через указанные один или более каналов и натекающего на поверхность (поверхности) нагревателя. Можно изменять, например, длину или диаметр канала, например, также и с целью достижения предварительно заданного сопротивления затяжке (RTD). Тракт (тракты) потока выбирают также согласно структуре курительной системы, образующей аэрозоль, и расположению и характеристикам отдельных компонентов курительной системы. Например, аэрозоль может образовываться на ближнем конце или на дальнем конце корпуса картриджа, заключающего в себе образующий аэрозоль субстрат. В зависимости от ориентации картриджа в курительной системе, образующей аэрозоль, открытый конец корпуса картриджа располагают со стороны, обращенной к мундштуку, или его располагают со стороны, обращенной от мундштука. Соответственно, нагревательный элемент для нагрева образующего аэрозоль субстрата располагают на ближнем или дальнем конце корпуса. Предпочтительно, жидкость испаряют на открытом дальнем конце мундштука, а нагревательный элемент размещают между картриджем и мундштуком.

В некоторых вариантах осуществления один или более нагревательных элементов расположены на открытом ближнем конце корпуса картриджа, например, для закрытия ближнего конца картриджа (вариант с верхним расположением). В таких вариантах осуществления первый тракт потока и первый канал могут быть полностью расположены в мундштуке курительной системы, первое впускное воздушное отверстие расположено в боковой стенке мундштука, и одно или более выпускных отверстий первого канала расположены на ближнем или подносимом ко рту конце мундштука. При необходимости, в мундштуке образуют дополнительные тракты и каналы потока. Первый и любые дополнительные каналы расположены согласно местоположению нагревательного элемента (элементов) курительной системы. В вариантах, в которых, например, нагревательный элемент расположен на открытом ближнем конце корпуса картриджа, например, для закрытия ближнего конца картриджа (вариант с верхним расположением), канал (каналы) могут быть полностью расположены в мундштуке.

В альтернативных вариантах, в которых указанные один или более нагревательных элементов расположены на открытом дальнем конце корпуса картриджа, тракт (тракты) потока, согласно обычной практике, начинаются в еще более дальнем месте курительной системы, например в области дальнего конца корпуса картриджа. В связи с этим, впускное воздушное отверстие (отверстия) и первая часть каждого канала могут быть расположены в основной части курительной системы, образуя первую часть канала, соединенную по текучей среде с соответствующими частями канала, образованными в мундштуке. Окружающий воздух затем направляется внутрь системы, проходит через нагревательный элемент на дальнем конце картриджа и захватывает пар, образующийся в результате нагрева образующего аэрозоль субстрата в картридже. Воздух, содержащий аэрозоль, затем может быть направлен вдоль картриджа между корпусом картриджа и главным корпусом к расположенному дальше по ходу потока концу системы, где он смешивается с окружающим воздухом из первого тракта потока (до или после достижения конца, расположенного дальше по ходу потока).

Единый канал дальше по ходу потока относительно нагревательного элемента (элементов) может быть разветвлен на несколько канальных частей, и эти несколько канальных частей раньше по ходу потока относительно нагревательного элемента (элементов) могут быть объединены в единый канал перед ортогональным натеканием воздуха на геометрический центр нагревателя. Кроме того, первый канал может состоять из нескольких первых составляющих каналов, а второй канал может состоять из нескольких вторых составляющих каналов.

Тракты потока могут обеспечивать множество вариантов подачи окружающего воздуха к нагревательному элементу и перемещения аэрозоля от нагревательного элемента к расположенному дальше по ходу потока концу системы. Например, радиальную подачу окружающего воздуха предпочтительно сочетают с сильной центральной экстракцией. Центральную подачу окружающего воздуха предпочтительно сочетают с радиальным распределением воздуха по всей поверхности нагревательного элемента и окружного перемещения содержащего аэрозоль воздуха к расположенному дальше по ходу потока концу. В таких вариантах осуществления тракты потока объединены, чтобы направлять окружающий воздух для натекания на нагревательный элемент, например, перпендикулярно этому нагревательному элементу, предпочтительно ― на центр нагревательного элемента.

Воздушный поток, направляемый перпендикулярно на центральную часть нагревательного элемента, показывает улучшенную аэрозолизацию, что выражается в меньшем размере частиц и большем общем количестве материала в виде частиц в потоке аэрозоля по сравнению с воздушным потоком, который натекает на поверхность под углом, большим 0 и меньшим 90 градусов. Это может быть обусловлено более низким уровнем вихрей, создаваемых на границе нагревательного элемента и воздушного потока, улучшенному образованию аэрозоля благодаря увеличению нагревателя в целом (например, частей с внешней стороны от центральной части нагревательного элемента, способствующих образованию дополнительных или более значительных количеств аэрозоля), или благодаря более высокому капиллярному эффекту, основанному на большем объеме воздуха, пересекающего нагревательный элемент.

Способ направления воздушного потока в курительной системе с электрическим нагревом для образования аэрозоля включает в себя этап, на котором направляют окружающий воздух извне системы перпендикулярно на нагревательный элемент и перемещают нагретый, содержащий пар воздух для содействия перенасыщению пара, образующегося в результате нагрева жидкости.

Далее настоящее изобретение будет описано в отношении вариантов его реализации, которые проиллюстрированы приведенными ниже чертежами, где:

на фиг. 1 показана образующая аэрозоль система, использующая поток воздуха согласно вариантам осуществления, соответствующим настоящему изобретению;

на фиг. 2 показана образующая аэрозоль система, использующая поток окружающего воздуха и воздуха с захваченным паром согласно другим вариантам осуществления, соответствующим настоящему изобретению;

на фиг. 3А показана в собранном виде, в поперечном сечении, образующая аэрозоль система, использующая поток окружающего воздуха и воздух с захваченным паром согласно еще одному варианту осуществления, соответствующему настоящему изобретению;

на фиг. 3В показан в разделенном или разобранном виде, в поперечном сечении, вариант осуществления по фиг. 3А;

на фиг. 4 показано охлаждающее действие различных воздушных потоков на различные нагревательные элементы;

на фиг. 5 показана температурная кривая, основанная на иллюстративной диаграмме натекания потока и по существу плоской компоновке нагревательных нитей с электропитанием, образующих сеточный нагреватель;

на фиг. 6 показана температурная кривая в выпускном отверстии мундштука;

на фиг. 7 показаны усредненные кривые насыщения пара в выпускном отверстии мундштука;

на фиг. 8 показан относительный диаметр капель в выпускном отверстии мундштука для геометрий воздушного потока по фиг. 1 и 2 с той же самой конфигурацией нагревателя и питающей мощностью;

на фиг. 9а, 9b показаны нагревательные элементы, которые могут использоваться в курительной системе согласно настоящему изобретению.

На фиг. 1 показан вариант осуществления картриджа 4 и мундштука 1для образующей аэрозоль системы. Удлиненный основной корпус 5 вмещает в себя картридж с контейнером 4 трубчатой формы, заключающим в себе образующий аэрозоль субстрат, например капиллярный материал 41, заключающий в себе жидкость. Контейнер 4 имеет открытый ближний конец 42. Нагреватель 30 выполнен с возможностью закрытия открытого ближнего конца контейнера 4. В некоторых вариантах осуществления нагреватель 30 представляет собой проницаемый для текучей среды нагреватель, имеющий по существу плоский профиль. В варианте осуществления нагреватель 30 представляет собой по существу плоскую сеточную компоновку нитей с электрическим нагревом. Нити или другой нагревательный элемент (элементы) нагревателя 30 могут находиться, а могут и не находиться в непосредственном физическом контакте с образующим аэрозоль субстратом 41. Мундштук 1, имеющий по существу трубчатый удлиненный корпус 15, выровнен с основным корпусом, контейнером 4 и нагревателем 30. Удлиненный корпус 15 имеет открытый дальний конец, обращенный к нагревателю 30.

Вариант осуществления, показанный на фиг. 1, содержит первый канал 10, который образует первый тракт потока в мундштуке 1. Впускной окружающий воздух 20 поступает в первый тракт потока через впускное отверстие 100 и следует по тракту потока, образованному каналом 10. Этот тракт потока обеспечивает натекание окружающего воздуха на центр нагревателя 30. Предпочтительно, натекание происходит на геометрический центр нагревателя под углом, равным или близким к девяноста градусам (т.е. поток является по существу ортогональным плоскости, содержащей нагреваемую поверхность (поверхности) нагревателя 30). Испарившаяся жидкость, образуемая нагревателем 30, захватывается в виде аэрозоля воздушным потоком 20, и после этого воздух доставляется к выпускным отверстиям 12 на дальнем конце или подносимом ко рту конце мундштука 1 для вдыхания во время осуществления затяжки потребителем. В некоторых вариантах осуществления, единственного канала, такого как первый канал 10, может быть достаточно для втягивания нужного количества окружающего воздуха при каждой затяжке. В других вариантах осуществления может потребоваться включение двух или более впускных отверстий и связанных с ними каналов. Например, может быть обеспечен второй канал (не показан) для втягивания дополнительного воздуха, так что потоки окружающего воздуха объединяются перед натеканием на нагреватель 30.

В варианте осуществления по фиг. 1 впускное отверстие 100 первого тракта потока представляет собой обычное или расточенное отверстие в мундштуке 1, расположенное на дальней половине удлиненного корпуса 15 мундштука 1. Первый тракт потока на расположенной раньше по ходу потока части 101 канала проходит в удлиненном корпусе параллельно окружности этого удлиненного корпуса к ближнему концу мундштука. На направленном радиальном внутрь части 102 первого канала 10 первый воздушный поток 20 направляется к центру удлиненного корпуса, и на расположенном по центру части 103 первого канала воздушный поток 20 направляется к нагревателю 30 для натекания на центр 31 нагревателя 30. Первый воздушный поток 20 проходит поверх нагревателя 30 и расширяется радиально наружу по несколькими продольным концевым частям 104 первого канала 10. Продольные концевые части 104 расположены регулярным образом по окружности внутри удлиненного корпуса.

В данном варианте осуществления тракт потока и соответствующий канал расположены полностью внутри мундштука 1 системы образования аэрозоля. В мундштуке могут быть образованы один или более дополнительных трактов потока, например, посредством симметрично расположенных каналов, так что потоки сливаются к тому моменту, когда окружающий воздух достигает расположенного по центру части 103.

На фиг. 2 показан вариант осуществления картриджа 4 с нагревателем 30, расположенным внизу картриджа и закрывающим открытый дальний конец 43 контейнера 41. В данном варианте осуществления, в основном корпусе 5 расположено первое впускное отверстие 100А, и окружающий воздух 20А поступает непосредственно в проходящий радиально внутрь части 102А первого канала и далее ― к центру основного корпуса. В дополнение, в основном корпусе 5 расположено второе впускное отверстие 100В, и окружающий воздух 20В поступает непосредственно в проходящий радиально внутрь второй канал 102В и далее ― к центру основного корпуса 5. Первый и второй каналы сливаются с образованием единого потока внутри расположенного по центру части 103 первого канала, и этот единый воздушный поток направляется для натекания в перпендикулярном направлении на нагреватель 30. Затем воздух проходит через нагреватель 30 и захватывает аэрозоль, образующийся в результате нагрева жидкости в образующем аэрозоль субстрате 41 посредством нагревателя 30. Воздух, содержащий аэрозоль, направляется к ближнему концу картриджа 4 после того, как он достигнет 90-градусного изгиба в пределах одного из нескольких удлиненных продольных частей 105 первого канала 10, расположенных в промежутках и вдоль картриджа 4 и внутренней поверхности основного корпуса 5.

Далее, содержащий аэрозоль воздух направляется к единому расположенному по центру отверстию 52 в основном корпусе 5 и выводится через это отверстие. Мундштук (не показан) может быть расположен рядом с основным корпусом и выровнен с ним. Предпочтительно, мундштук имеет также расположенное по центру отверстие и концевую часть 104 первого канала 10 для приема содержащего аэрозоль воздушного потока и его направления к единому выпускному отверстию 12 на ближнем конце мундштука 1.

На фиг. 3А и 3В показан еще один вариант осуществления системы 8, который содержит картридж 4 с нагревателем 30, расположенным внизу картриджа и закрывающим открытый дальний конец 43 корпуса 41 картриджа. В данном варианте осуществления, в основном корпусе 5 расположено первое впускное отверстие 100А, и окружающий воздух 20А поступает непосредственно в проходящий радиально внутрь части 102А первого канала и далее ― к центру основного корпуса. В дополнение, в основном корпусе 5 расположено второе впускное отверстие 100В, и окружающий воздух 20В непосредственно поступает в проходящий радиально внутрь второй канал 102В и далее ― к центру основного корпуса 5. Первый и второй каналы сливаются с образованием единого потока внутри расположенного по центру части 103 первого канала, и этот единый воздушный поток направляется для натекания в перпендикулярном направлении на нагреватель 30. Электропроводные контакты 60, которые электрически соединены с источником питания (не показан), расположенным внутри основного корпуса 5, электрически контактируют с соответствующими контактами нагревателя 30 и подают электрический ток на нагреватель.

Воздух, поступающий через часть 103 первого канала, проходит через нагреватель 30 и захватывает пар и конденсированные капли, образующиеся в результате нагрева жидкости в образующем аэрозоль субстрате 41 посредством нагревателя 30. Образованный таким образом аэрозоль направляется к ближнему концу картриджа 4 после достижения 90-градусного изгиба 45а, 45b в одном из нескольких удлиненных продольных частей 105 первого канала 10, расположенных в промежутках и вдоль картриджа 4. Далее, аэрозоль направляется к расположенному по центру выпускному отверстию 12 на проксимальном конце мундштука 1 и выводится через это отверстие.

На фиг. 3В система 8 показана более подробно в разделенном виде. Можно видеть, что в корпусе 4 картриджа, содержащем части 4А и 4В, размещается содержащий жидкость материал с высокой удерживающей способностью или материал с высокой высвобождающей способностью (high release material, HRM) 41, который служит в качестве жидкостного резервуара и для подачи жидкости в направлении нагревателя 30 с целью испарения на нагревателе. Между HRM 41 и нагревателем 30 расположен капиллярный диск 44, например волокнистый диск. Материал капиллярного диска 44, ввиду его близости к нагревателю 30, может быть более жаропрочным, чем HRM 41, с целью обеспечения теплоизоляции и защиты самого HMR от разложения. Капиллярный диск 44 поддерживается во влажном состоянии посредством образующей аэрозоль жидкости в HRM с целью гарантированного обеспечения жидкости для испарения в случае активации нагревателя.

Данные, представленные на фиг. 4, показывают связь между скоростью воздушного потока и степенью охлаждения сеточного нагревателя. Измерения степени охлаждения были проведены с использованием различных сеточных нагревателей: Reking (45 микрон/180 на дюйм), Haver (25 микрон/ 200 на дюйм) и 3 полоски Warrington (25 микрон/250 на дюйм). Результаты измерения для нагревателя Reking показаны крестиками, результаты измерения для нагревателя Haver показаны кружочками, и результаты измерения для 3 полосок нагревателя Warrington показаны треугольниками. Все нагреватели работали при 3 Ваттах. Температура измерялась с помощью термопары, присоединенной к нагревателям. Повышение скорости потока, как показано по оси х в литрах в минуту (L/min) приводит к снижению измеряемой температуры на сеточном нагревателе. Типовые величины воздушных потоков в образующих аэрозоль системах могут быть аппроксимированы стандартными режимами курения, например курительным режимом Health Canada, который приводит к значительному охлаждению нагревателя. Стандартные режимы курения, такие как Health Canada, характеризуются втягиванием смеси воздуха и пара объемом 55 мл в течение 2 секунд. Альтернативный режим характеризуется втягиванием 55 мл в течение 3 секунд. Никакой стандартный режим курения не обеспечивает точную имитацию поведения; вместо этого обеспечивается лишь приблизительная имитация осуществления затяжек средним пользователем. Для компенсации более высокой степени охлаждения, связанной с высокой скоростью воздушного потока и перпендикулярным натеканием воздуха на поверхность (поверхности) нагревателя 30, может потребоваться подача повышенных уровней тока на его нагревательный элемент (элементы).

На графике на фиг. 5 показаны средние температуры на нагревателе в зависимости от времени в процессе одной затяжки. Кривая 60 показывает эталонные температурные данные для нагревателя в случае, когда на нагреватель направлен общий воздушный поток. Для получения эталонных данных нагреватель был нагрет при 5 Ваттах.

На фиг. 6 показано влияние, которое оказывает подача воздушного потока с захваченным аэрозолем вдоль части корпуса 4 картриджа, заключающей в себе часть 41 для хранения жидкости, на температуру воздушного потока, несущего аэрозоль, в выпускном отверстии мундштука в процессе одной затяжки. Приведенные здесь данные относятся к вариантам осуществления, в которых воздушный поток, поступающий через выпускные отверстия в основном корпусе, перпендикулярно натекает на поверхность по существу плоского нагревателя, расположенного в поперечной плоскости поперек отверстия картриджа, дальнего по отношению к вдыхательному концу мундштука, и поворачивает вокруг канала потока, лежащего дальше по ходу потока, для того, чтобы перемещать этот воздушный поток в направлении вдыхательного конца мундштука, как показано на фиг. 2 и 3А. Температурная кривая 61показывает температуру воздуха в выпускном отверстии для нагревателя, питаемого электрической мощностью 5 Ватт, в случае, когда общий воздушный поток натекает на нагреватель и выходит согласно компоновке, показанной на фиг. 1. Температурная кривая 71 показывает температуру в выпускном отверстии для нагревателя, также питаемого электрической мощность 5 Ватт, но в данном случае воздушный поток проходит в непосредственной близости от части для хранения жидкости с целью содействия охлаждению, как показано на фиг. 2 и 3А. В компоновках по фиг. 2 и 3А имеют место намного более низкие температуры воздуха, переносящего аэрозоль, в ближнем выпускном отверстии основного корпуса 5 и мундштука 1 благодаря теплопереносу в зону корпуса картриджа, близкую к части для хранения жидкости. Обычно «свежий» воздух, смешиваемый с воздухом, переносящим аэрозоль, находится при комнатной температуре.

Можно также наблюдать значительное различие в соотношении давления пара к давлению насыщения (Pvapor/Psaturation) раствора глицерина в выпускном отверстии мундштука во время затяжки. Это соотношение показано на фиг. 7. Кривая 72 относится к данным о давлении в выпускном отверстии для нагревателя, питаемого электрической мощностью 5 Ватт, в случае, когда общий воздушный поток направляется на нагреватель согласно компоновкам по фиг. 2 и 3А. Кривая 62 относится к данным о давлении в выпускном отверстии для нагревателя, питаемого электрической мощностью 5 Ватт, в случае, когда общий воздушный поток натекает на нагреватель согласно компоновке по фиг. 1. Это соответствует большей степени перенасыщения раствора глицерина, что способствует аэрозолизации с более мелкими каплями. Моделирование определенно предсказывает меньшие размеры капель охлаждающего пара в варианте осуществления с разделенным воздушным потоком по сравнению с вариантами осуществления с неразделенным или общим воздушным потоком. Эти моделированные данные 67 показаны на фиг. 8 для одной затяжки в выпускном отверстии мундштука. По оси y отложены соотношения диаметра капель в системе с разделенным воздушным потоком к диаметру капель в системе с общим воздушным потоком. Указанные соотношения вычислены и представлены согласно формуле d_split/d_ref=T*Ln(S) ref/T*Ln(S) split в зависимости от времени (в секундах) в процессе одной затяжки на образующей аэрозоль системе, где Т - температура, выраженная в градусах по Кельвину, и S - степень насыщения, которая является функцией Pv и P͚(T).

На фиг. 9а показан первый нагреватель 30. Нагреватель 30 представляет собой проницаемый для текучей среды узел нагревательных элементов и содержит сетку 36, выполненную из нержавеющей стали марки 304L, с размером сетки, составляющим примерно 400 меш по стандарту США (примерно 400 нитей на дюйм). Указанные нити имеют диаметр примерно 16 микрон. Сетка соединена с электрическими контактами 32, которые отделены друг от друга зазором 33 и выполнены из медной или жестяной фольги, имеющей толщину примерно 30 микрон. Электрические контакты 32 обеспечены на полиимидном субстрате 34, имеющем толщину примерно 120 микрон. Нити, образующие сетку, образуют промежутки между собой. Указанные промежутки в данном примере имеют ширину примерно 37 микрон, хотя могут использоваться и промежутки большего или меньшего размера. Благодаря применению сетки с указанными примерными размерами, обеспечена возможность формирования мениска образующего аэрозоль субстрата в указанных промежутках и возможность втягивания образующего аэрозоль субстрата сеткой нагревательного элемента за счет капиллярного действия. Открытая площадь сетки, т.е. соотношение площади указанных промежутков к общей площади сетки, предпочтительно составляет от 25 процентов до 56 процентов. Общее сопротивление нагревательного элемента составляет примерно 1 Ом. Сетка обеспечивает основную часть указанного сопротивления, так что основная часть тепла генерируется сеткой. В данном примере сетка имеет электрическое сопротивление, которое более чем в 100 раз выше, чем у электрических контактов 32.

Субстрат 34 является электроизолирующим и в данном примере он образован из полиимидного листа, имеющего толщину примерно 120 микрон. Субстрат является круглым и его диаметр составляет 8 миллиметров. Сетка является прямоугольной и длина ее сторон составляет 5 миллиметров и 2 миллиметра. Благодаря таким размерам обеспечена возможность изготовления полной системы с размерами и формой, сходными с обычной сигаретой или сигарой. Другой пример размеров, которые, как было обнаружено, являются эффективными, представляет собой круглый субстрат диаметром 5 миллиметров и прямоугольную сетку размером 1 миллиметр на 4 миллиметра.

На фиг. 9b приведена иллюстрация альтернативного нагревательного узла. В нагревательном элементе на фиг. 8b электропроводные тепловыделяющие нити 37 прикреплены непосредственно к субстрату 34 и затем на нитях закреплены контакты 32. Как и в предыдущих примерах, контакты 32 отделены друг от друга изолирующим зазором 33 и выполнены из медной фольги толщиной примерно 30 микрон. Такая же самая компоновка нитей субстрата и контактов может быть использована для нагревателя сеточного типа, как показано на фиг. 8а. Использование контактов в качестве самого внешнего слоя может быть полезно для обеспечения надежного электрического соединения с источником питания.

Если вернуться к фиг. 1-3В, то капиллярный материал 41 предпочтительно ориентирован в корпусе 4 таким образом, чтобы перемещать жидкость к нагревателю 30. Когда картридж собран, нити 36, 37, 38 нагревателя могут контактировать с капиллярным материалом 41, и образующий аэрозоль субстрат может быть перемещен непосредственно на сеточный нагреватель.

При использовании нагревательный элемент функционирует за счет резистивного нагрева. Ток пропускается через нити 36, 37, 38 под управлением от электронной управляющей схемы (не показана) для нагрева нитей до нужного температурного диапазона. Сетка или матрица нитей имеет значительно более высокое электрическое сопротивление, чем электрические контакты 32, 35 и электрические соединители (не показаны), так что высокие температуры локализуются на нитях. Система может быть выполнена с возможностью генерирования тепла в результате подачи электрического тока на нагревательный элемент в ответ на затяжку, осуществляемую пользователем, или она может быть выполнена с возможностью непрерывного генерирования тепла, пока устройство находится во «включенном» состоянии.

Различные материалы для нитей могут подходить для различных систем. Например, в непрерывно нагреваемой системе подходящими являются графитовые нити, поскольку они имеют относительно низкую удельную теплоемкость и совместимы со слаботочным нагревом. В системе, активируемой при затяжке, в которой тепло генерируется в виде коротких всплесков с использованием импульсов высокого тока, более подходящими могут быть нити из нержавеющей стали, имеющие высокую удельную теплоемкость.

В вышеуказанных системах картриджа, показанных на фиг. 1-3В, корпус 4 картриджа может также иметь отдельный контейнер картриджа, в дополнение к корпусу картриджа, показанному, например, на фиг. 1. В частности, картридж, заключающий в себе жидкость, представляет собой предварительно изготовленный продукт, который может быть вставлен в корпус картриджа, имеющийся в образующей аэрозоль системе и предназначенный для размещения этого предварительно изготовленного картриджа.

Изобретение относится к образующим аэрозоль системам с электрическим нагревом, таким как курительные системы с электрическим нагревом, и к способу направления воздушного потока внутри таких систем. Образующая аэрозоль система содержит часть для хранения жидкости, содержащую контейнер для хранения жидкого образующего аэрозоль субстрата и образующую отверстие; нагревательный узел, который проходит поперек указанного отверстия вдоль поперечной плоскости и содержит по меньшей мере один электрически управляемый элемент; и первый канал, образующий первый тракт потока, причем часть первого канала расположена относительно указанной поперечной плоскости таким образом, что указанная по меньшей мере часть первого канала направляет воздух, поступающий извне системы, для натекания на и поперек части поверхности указанного по меньшей мере одного нагревательного элемента, при этом та часть первого канала, которая направляет воздух для натекания на и поперек части поверхности указанного по меньшей мере одного нагревательного элемента, является ортогональной указанной поперечной плоскости. Техническими результатами группы изобретений являются эффективный захват пара и возможность создания однородного воздушного потока в радиальном направлении наружу над нагревательным элементом. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Образующая аэрозоль система, содержащая:

часть для хранения жидкости, содержащую контейнер для хранения жидкого образующего аэрозоль субстрата и образующую отверстие;

нагревательный узел, который проходит поперек указанного отверстия вдоль поперечной плоскости и содержит по меньшей мере один электрически управляемый элемент; и

первый канал, образующий первый тракт потока, причем часть первого канала расположена относительно указанной поперечной плоскости таким образом, что указанная по меньшей мере часть первого канала направляет воздух, поступающий извне системы, для натекания на и поперек части поверхности указанного по меньшей мере одного нагревательного элемента,

при этом та часть первого канала, которая направляет воздух для натекания на и поперек части поверхности указанного по меньшей мере одного нагревательного элемента, является ортогональной указанной поперечной плоскости.

2. Образующая аэрозоль система по п.1, дополнительно содержащая второй канал, образующий второй тракт потока, причем первый тракт потока и второй тракт потока сливаются до или по ходу той части первого канала, которая направляет воздух для натекания на и поперек части поверхности указанного по меньшей мере одного нагревательного элемента.

3. Образующая аэрозоль система по любому из пп.1, 2, в которой нагревательный узел содержит множество нагревательных элементов, через которые проходит общая плоскость.

4. Образующая аэрозоль система по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащая капиллярный носитель, выровненный с указанным отверстием и контактирующий с нагревательным узлом, причем жидкий образующий аэрозоль субстрат втягивается через указанный капиллярный носитель в указанный по меньшей мере один электрически управляемый нагревательный элемент.

5. Образующая аэрозоль система по п.4, в которой указанный по меньшей мере один электрически управляемый нагревательный элемент содержит множество электропроводных нитей.

6. Образующая аэрозоль система по любому из предыдущих пунктов, содержащая основной модуль и картридж, который съемно присоединен к основному модулю, причем указанные часть для хранения жидкости и нагревательный узел размещены в картридже и основной модуль содержит источник питания.

7. Образующая аэрозоль система по п.6, в которой основной модуль дополнительно образует по меньшей мере одно впускное отверстие для втягивания окружающего воздуха извне системы и по меньшей мере первую часть первого канала, соответствующую тракту потока, относящемуся к нагревательному узлу.

8. Образующая аэрозоль система по п.6, в которой картридж дополнительно образует по меньшей мере одно впускное отверстие для втягивания окружающего воздуха извне системы и по меньшей мере первую часть первого канала, соответствующую тракту потока, относящемуся к нагревательному узлу.

9. Образующая аэрозоль система по п.7 или 8, в которой картридж образует вторую часть первого канала, соединенную по текучей среде с первой частью.

10. Образующая аэрозоль система по любому из пп.7-9, в которой основной модуль образует вторую часть первого канала, соединенную по текучей среде с первой частью.

11. Образующая аэрозоль система по любому из предыдущих пунктов, в которой часть первого канала выполнена по размерам и расположению таким образом, чтобы перемещать воздух из нагревательного узла вдоль удлиненного канала между указанной частью для хранения жидкости и частью внутренней поверхности картриджа.

12. Образующая аэрозоль система по любому из предыдущих пунктов, в которой часть первого канала выполнена по размерам и расположению таким образом, чтобы перемещать воздух из нагревательного узла вдоль изгиба.

13. Способ направления воздушного потока в образующей аэрозоль системе с электрическим управлением, включающий в себя этапы, на которых:

подают образующий аэрозоль субстрат;

направляют воздух, поступающий извне системы через первый канал, для натекания на и вдоль части поверхности нагревательного элемента, выровненного с отверстием в контейнере, заключающем в себе образующий аэрозоль субстрат, при этом нагревательный элемент проходит поперек указанного отверстия вдоль поперечной плоскости и та часть первого канала, которая направляет воздух для натекания на и поперек части поверхности указанного нагревательного элемента, является ортогональной указанной поперечной плоскости; и

перемещают образующийся аэрозоль к расположенному дальше по ходу потока концу системы.