Настоящее изобретение относится к электрически нагреваемым курительным системам и к способу направления потока воздуха внутри электрически нагреваемой курительной системы.
Некоторые системы, генерирующие аэрозоль, такие как электрически управляемые курительные устройства, могут содержать батарею и управляющие электронные схемы, картридж, содержащий источник подачи субстрата, образующего аэрозоль, и электрически управляемый испаритель. Вещество испаряется из субстрата, образующего аэрозоль, например, при помощи нагревателя. Когда пользователь делает затяжку на конце, подносимом ко рту, мундштука, поток воздуха вынужден проходить нагревательный элемент, увлекая испаренную жидкость и направляя ее через мундштук к концу, подносимому ко рту, мундштука.
Поток воздуха, проходящий нагреватель, может оказывать на нагреватель охлаждающее действие. Это может приводить к меньшему количеству испаренной жидкости или может требовать большего количества энергии для поддержания нагревателя при температуре, достаточной для испарения такого количества жидкости, чтобы достигалось требуемое количество аэрозоля.
Таким образом, имеется потребность в электрически нагреваемых курительных системах и в способе направления потока воздуха внутри электрически нагреваемой курительной системы, которые повысят эффективность электрически нагреваемой курительной системы.
Согласно первому аспекту, предусматривается раздельная система подачи потока воздуха для генерирования аэрозоля для электрически нагреваемой курительной системы. Эта система раздельной подачи потока воздуха имеет расположенный ниже по потоку конец и содержит первый канал, определяющий первый маршрут потока, и второй канал, определяющий второй маршрут потока. Первый канал и второй канал представляют собой по меньшей мере частично отдельные каналы. Первый маршрут потока направляет окружающий воздух извне системы к расположенному ниже по потоку концу системы. Второй маршрут потока направляет окружающий воздух извне системы к нагревательному элементу, предпочтительно, к по существу плоскому, проницаемому для текучей среды нагревательному элементу перед передачей этого окружающего воздуха к расположенному ниже по потоку концу. Первый канал и второй канал определяют общий объем окружающего воздуха, проходящего через систему, и первый канал обеспечивает по меньшей мере 50 процентов общего объема окружающего воздуха, проходящего через систему.
Жидкость, испаренная при помощи нагревательного элемента, собирается окружающим воздухом, текущим по второму каналу, и транспортируется к расположенному ниже по потоку концу системы раздельной подачи потока воздуха. Окружающий воздух направляется в систему раздельной подачи потока воздуха и проходит нагревательный элемент для поглощения жидкости, испаренной этим нагревательным элементом. Этот окружающий воздух охлаждает нагревательный элемент. Охлаждающие действие зависит не только от температуры окружающего воздуха, но также и от количества окружающего воздуха, входящего в контакт с нагревательным элементом. Теперь в системе раздельной подачи потока воздуха согласно настоящему изобретению предусматривается первый канал для направления окружающего воздуха по первому маршруту потока, не проходящему нагревательный элемент. Первый канал также заканчивается на ближнем конце системы, предпочтительно, на конце, подносимом ко рту, мундштука электрически управляемой курительной системы. Однако окружающий воздух, попадающий в систему раздельной подачи потока воздуха, разделяется на первый маршрут потока и второй маршрут потока, соответственно, в первом канале и втором канале. Предпочтительно, первый канал обходит по меньшей мере те части второго канала, которые расположены выше по потоку относительно положения нагревательного элемента. За счет этого лишь часть общего объема окружающего воздуха, попадающего в систему, проходит нагревательный элемент. Другая часть общего объема окружающего воздуха направляется к расположенному ниже по потоку концу системы раздельной подачи потока воздуха непосредственно, т.е. без прохождения нагревательного элемента.
За счет этой меры, обходящим нагревательный элемент может быть переменный объем окружающего воздуха. Окружающий воздух, который проходит нагревательный элемент и который может оказывать охлаждающее действие на нагревательный элемент, может быть изменяемым и может быть управляемым. Поскольку нагревательный элемент проходит лишь половину или, предпочтительно, менее половины общего объема окружающего воздуха, нагревательный элемент охлаждается не столь сильно, как если бы нагревательный элемент проходил общий объем окружающего воздуха. Таким образом, нагревательный элемент может приводиться в действие с меньшей энергией. Это экономит энергию и может приводить к тому, что батарея курительной системы, содержащей систему раздельной подачи потока воздуха, будет иметь более длительное время работы, или может приводить к уменьшению размеров этой батареи. В дополнение, если нагревательный элемент можно приводить в действие с меньшими энергиями, можно уменьшить или исключить риск сбоев в работе нагревательного элемента, например, по причине коротких замыканий или резких скачков до высоких температур.
Кроме того, поскольку окружающий воздух в первом канале не проходит нагревательный элемент, этот окружающий воздух является более холодным, чем окружающий воздух, переносящий аэрозоль, во втором канале. Таким образом, окружающий воздух в первом канале может оказывать охлаждающее действие на окружающий воздух, переносящий аэрозоль. Это действие является особенно выраженным тогда, когда первый маршрут потока объединяется со вторым маршрутом потока до достижения расположенного ниже по потоку конца системы. Тогда первый поток воздуха смешивается со вторым потоком воздуха внутри, например, внутри мундштука, и быстрее охлаждается. Это может приводить к перенасыщению воздуха испаренной жидкостью. А это, в свою очередь, может приводить к образованию аэрозольных капель меньшего размера.
Предпочтительно, первый канал обеспечивает от приблизительно 50 процентов до приблизительно 95 процентов общего объема окружающего воздуха, проходящего через систему раздельной подачи потока воздуха. Более предпочтительно, первый канал обеспечивает от приблизительно 65 процентов до приблизительно 95 процентов общего объема окружающего воздуха, проходящего через систему раздельной подачи потока воздуха, и еще более предпочтительно, от приблизительно 85 процентов до приблизительно 89 процентов.
Было обнаружено, что небольшой поток воздуха, проходящий нагревательный элемент, является достаточным для увлечения испаренной жидкости и ее направления к расположенному ниже по потоку концу системы. Чем меньше поток окружающего воздуха, проходящего нагревательный элемент, тем меньше потери из-за охлаждения нагревательного элемента проходящим потоком воздуха. Приведенные выше объемы потока во втором канале показали особенно благоприятное увлечение испаренной жидкости и, в то же время, слабое охлаждение нагревательного элемента. Предпочтительно, вышеупомянутые процентные объемные доли общего объема окружающего воздуха, применяемые в курительной системе, генерирующей аэрозоль, предпочтительно, содержащей по существу плоский нагревательный элемент, более предпочтительно, по существу плоский, проницаемый для текучей среды нагревательный элемент, например, нагревательный элемент, содержащий несколько электрически проводящих нитей, такой как сетчатый нагревательный элемент.
Объем окружающего воздуха, проходящего через второй канал и проходящего нагревательный элемент, можно изменять и приспосабливать, например, к виду применяемого нагревательного элемента или доступному количеству испаренной жидкости. Например, объем окружающего воздуха, проходящего нагревательный элемент, может быть приспособлен к общей площади, эффективно нагреваемой нагревательным элементом.
В качестве общего правила, где бы термин «приблизительно» ни применялся в связи с конкретной величиной повсюду в данной заявке, следует понимать, что величина, следующая за термином «приблизительно», не обязательно должна точно равняться этой конкретной величине по техническим соображениям. Однако термин «приблизительно», используемый в связи с конкретной величиной, всегда следует понимать как включающий в себя и явным образом выражающий конкретную величину, следующую за термином «приблизительно».
Термины «расположенный выше по потоку» и «расположенный ниже по потоку» используются в контексте данного описания в связи с направлением потока воздуха в системе. Расположенные выше по потоку и расположенный ниже по потоку концы системы определяются относительно потока воздуха, когда пользователь осуществляет затяжку на ближнем конце, или конце, подносимом ко рту, курительного изделия, генерирующего аэрозоль. Воздух втягивается в систему на расположенном выше по потоку конце, проходит через систему ниже по потоку и выходит из системы на ближнем, или расположенном ниже по потоку, конце. В контексте данного описания термины «ближний» и «дальний» относятся к положению элемента относительно его ориентации к пользователю или от пользователя. Таким образом, ближний конец мундштука системы, генерирующей аэрозоль, соответствует концу, подносимому ко рту, мундштука. Соответственно, дальнее отверстие корпуса картриджа относится к положению отверстия, расположенного в корпусе картриджа и обращенного в направлении от потребителя.
Термин «по существу плоский» используется повсюду в настоящем описании для обозначения нагревательного элемента, имеющего форму по существу двумерного топологического коллектора. Таким образом, по существу плоский нагревательный элемент проходит в двух направлениях по поверхности в значительно большей мере, чем в третьем направлении. В частности, размеры по существу плоского нагревательного элемента в двух измерениях в пределах поверхности по меньшей мере в 5 раз больше, чем в третьем направлении, перпендикулярном этой поверхности. Примером по существу плоского нагревательного элемента является структура между двумя по существу параллельными воображаемыми поверхностями, в которой расстояние между этими двумя воображаемыми поверхностями существенно меньше, чем протяженность в пределах этих поверхностей. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления по существу плоский нагревательный элемент является планарным. В других вариантах реализации по существу плоский нагревательный элемент является изогнутым вдоль одного или нескольких измерений, например, образуя куполообразную форму или мостовую форму. Плоский нагревательный элемент может легко подвергаться обработке при изготовлении и предусмотрен для надежной конструкции.
Нагревательные элементы, используемые в системе раздельной подачи потока воздуха или в курительной системе, могут, например, представлять собой фитильно-спиральные нагреватели, известные в данной области техники. Здесь спираль намотана вокруг фитиля, и этот фитиль погружен в жидкость, подлежащую испарению. За счет капиллярного действия жидкость транспортируется наружу из ее картриджа к части фитиля, где вокруг фитиля намотана спираль, нагревающая эту часть фитиля.
Предпочтительно используются нагревательные элементы, проницаемые для жидкости. Проницаемые для текучей среды нагревательные элементы пригодны для испарения жидкостей из картриджей различных видов. Например, в качестве жидкого субстрата, образующего аэрозоль, картридж может содержать жидкость или содержащий жидкость транспортный материал, такой как, например, капиллярный материал. Такой транспортный материал и капиллярный материал активно передает жидкость, и он предпочтительно ориентирован в картридже таким образом, чтобы передавать жидкость к нагревательному элементу. Ниточная структура нагревательного элемента расположена вплотную к жидкости или к содержащему жидкость капиллярному материалу таким образом, чтобы тепло, вырабатываемое нагревательным элементом, могло испарять эту жидкость. Предпочтительно, ниточная структура и субстрат, образующий аэрозоль, расположены таким образом, чтобы обеспечивать возможность втекания жидкости в промежутки ниточной структуры за счет капиллярного действия. Ниточная структура может также находиться в физическом контакте с капиллярным материалом.
Предпочтительно, проницаемый для жидкости нагревательный элемент представляет собой по существу плоский нагревательный элемент. Такой нагревательный элемент может представлять собой, например, плоскую спираль, встроенную в пористую керамику, или сетчатый нагреватель, в котором вокруг отверстия нагревателя расположена сетка или другая ниточная структура. Нагревательный элемент может, например, содержать электрически проводящую сетку или спиральный контур, нанесенный посредством печати на термостойкую опорную деталь. Эта опорная деталь может, например, быть керамической, полиэфирэфиркетонной (PEEK) или выполненной из другой термостойкой керамики и полимеров, не подвергающихся термическому разложению и не высвобождающих летучие элементы при температурах ниже 200°С, и предпочтительно, при температурах ниже 150°С.
Термин «нить» используется повсюду в настоящем описании для обозначения электрического тракта, расположенного между двумя электрическими контактами. Нить может произвольно разветвляться и разделяться на несколько трактов или нитей, соответственно, или несколько электрических трактов могут сходиться в один тракт. Нить может иметь круглое, квадратное, плоское или любое другое поперечное сечение. Нить может быть расположена в прямой или изогнутой форме.
Термин «ниточная структура» используется повсюду в настоящем описании для обозначения компоновки одной или, предпочтительно, нескольких нитей. Компоновка нитей может представлять собой матрицу нитей, например, расположенных параллельно друг другу. Предпочтительно, нити могут образовывать сетку. Сетка может являться тканой или нетканой. Предпочтительно, ниточная структура имеет толщину от примерно 0,5 микрон до примерно 500 микрон. Ниточная структура может, например, иметь форму матрицы из параллельных или поперечных электрически проводящих нитей. Нить может образовывать одно целое с электрическими контактами, например, она может быть образована из электрически проводящей фольги, например, фольги из нержавеющей стали, вытравленной для определения нитей.
Нагревательный элемент испаряет жидкость из картриджа или корпуса картриджа, содержащего субстрат, образующий аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Летучие соединения могут быть высвобождены путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль.
Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табак. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие ароматные соединения табака, которые высвобождаются из субстрата, образующего аэрозоль, при нагревании. Субстрат, образующий аэрозоль, в качестве альтернативы может содержать материал, не содержащий табака. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный табачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать по меньшей мере одно вещество для образования аэрозоля. Вещество для образования аэрозоля представляет собой любое подходящее известное соединение или смесь соединений, которая при использовании способствует образованию плотного и устойчивого аэрозоля и при рабочей температуре системы по существу устойчива к термической деградации. Подходящие вещества для образования аэрозоля хорошо известны из уровня техники и включают, помимо всего прочего: 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 веществами для образования аэрозоля являются многоатомные спирты или их смеси, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и, наиболее предпочтительно, глицерин. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как ароматизаторы.
Субстрат, образующий аэрозоль, может быть передан к нагревательному элементу через капиллярный материал, находящийся в контакте с нагревательным элементом или смежный с ним. Капиллярный материал может иметь волокнистую или губчатую структуру. Капиллярный материал предпочтительно содержит пучок капилляров. Например, капиллярный материал может содержать несколько волокон или нитей или других трубок с тонкими каналами. Волокна или нити могут быть, в целом, выровнены для передачи жидкости к нагревательному элементу. В качестве альтернативы, капиллярный материал может содержать губкообразный или пенообразный материал. Структура капиллярного материала образует несколько небольших каналов или трубок, через которые может транспортироваться жидкость за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может содержать любой подходящий материал или сочетание материалов. Примеры подходящих материалов представляют собой губчатый или вспененный материал, материалы на основе керамики или графита в виде волокон или спекшихся порошков, вспененный металлический или пластиковый материал, волокнистый материал, например, выполненный из крученых или экструдированных волокон, таких как ацетатцеллюлозные, 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 с разными физическими свойствами. Жидкость имеет физические свойства, включая, помимо всего прочего, вязкость, поверхностное натяжение, плотность, теплопроводность, температуру кипения и давление пара, которые обеспечивают возможность транспортировки жидкости через капиллярное устройство за счет капиллярного действия.
Капиллярный материал может находиться в контакте с электрически проводящими нитями нагревательного элемента. Капиллярный материал может проходить внутри промежутков между нитями. Нагревательный элемент может втягивать жидкий субстрат, образующий аэрозоль, в промежутки за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может находиться в контакте с электрически проводящими нитями по существу на всем протяжении отверстия в нагревательном элементе.
Нагревательный элемент может быть предусмотрен в нагревательном узле, содержащем опорные элементы. Нагревательный узел может содержать два или большее количество различных капиллярных материалов, при этом первый капиллярный материал, находящийся в контакте с нагревательным элементом, имеет более высокую температуру термического разложения, а второй капиллярный материал, находящийся в контакте с первым капиллярным материалом, но не находящийся в контакте с нагревательным элементом, имеет менее высокую 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 температуру его термического разложения. В контексте данного описания термин «температура термического разложения» означает температуру, при которой материал начинает разлагаться и терять массу за счет генерирования газообразных побочных продуктов. Второй капиллярный материал может преимущественно занимать больший объем, чем первый капиллярный материал, и может удерживать большее количество субстрата, образующего аэрозоль, чем первый капиллярный материал. Второй капиллярный материал может иметь лучшие капиллярные свойства, чем первый капиллярный материал. Второй капиллярный материал может являться менее дорогостоящим или иметь более высокую заполняемость, чем первый капиллярный материал. Второй капиллярный материал может представлять собой полипропилен.
Согласно одной из особенностей системы раздельной подачи потока воздуха согласно настоящему изобретению, первый канал сходится с оконечной частью второго канала таким образом, что первый маршрут потока соединяется со вторым маршрутом потока после того, как второй маршрут потока направил окружающий воздух за нагревательный элемент, т.е. первый маршрут потока соединяется со вторым маршрутом потока ниже по потоку относительно нагревательного элемента.
В таких вариантах осуществления окружающий воздух может покидать расположенный ниже по потоку конец системы раздельной подачи потока воздуха или, например, мундштук курительной системы через одно или несколько общих выпускных отверстий. Предпочтительно, расположенная ниже всего по потоку часть второго канала идентична первому каналу. Это может упрощать изготовление курительной системы. Например, в мундштуке может быть предусмотрен единый дополнительный канал в стенке мундштука, проходящий внутрь мундштука ко второму каналу для образования первого канала. За счет этого уже существующие мундштуки также могут быть приспособлены к системе раздельной подачи потока воздуха без необходимости преобразования всего мундштука. Окружающий воздух, содержащий аэрозоль, смешивается со «свежим» окружающим воздухом, направляемым в систему по первому маршруту потока. Таким образом, окружающий воздух, содержащий аэрозоль, охлаждается. Холодный воздух поддерживает образование аэрозольных капель меньших размеров по сравнению с таким же воздухом при более высоких температурах. Холодный воздух, как представляется, поддерживает перенасыщение воздуха испаренной жидкостью. Перенасыщение оказывает влияние на размеры капель, образующихся в перенасыщенном воздухе.
Согласно одному из альтернативных аспектов системы раздельной подачи потока воздуха согласно настоящему изобретению, первый канал и второй канал образуют отдельные каналы так, что первый маршрут потока и второй маршрут потока отдельно друг от друга направляют окружающий воздух извне системы к расположенному ниже по потоку концу системы. Таким образом, окружающий воздух втягивается в систему раздельной подачи потока воздуха, направляется в систему, через систему и из системы по полностью отдельным маршрутам потока. За счет этого окружающий воздух, проходящий нагревательный элемент, и окружающий воздух, обходящий нагревательный элемент, не конкурируют и не влияют друг на друга. Наличие отдельного первого канала обеспечивает множество конструктивных возможностей для направления окружающего воздуха через систему или через мундштук независимо от окружающего воздуха, переносящего аэрозоль, во втором канале.
Согласно еще одному аспекту системы раздельной подачи потока воздуха согласно настоящему изобретению по меньшей мере часть второго канала и нагревательный элемент расположены перпендикулярно друг другу так, что по меньшей мере часть второго канала направляет окружающий воздух для перпендикулярного столкновения с нагревательным элементом.
Предоставление окружающему воздуху возможности столкновения с нагревательным элементом представляет собой эффективный способ направления окружающего воздуха к нагревательному элементу и переноса аэрозоля от нагревательного элемента. В частности, если окружающий воздух сталкивается с центральной частью нагревательного элемента, в направлении радиально наружу может создаваться однородный поток воздуха над нагревательным элементом. Окружающий воздух может сталкиваться только с центральной частью нагревательного элемента.
В системе раздельной подачи потока воздуха согласно настоящему изобретению по меньшей мере часть второго канала, расположенная ниже по потоку относительно нагревательного элемента, может быть расположена на окружности нагревательного элемента, предпочтительно, только на окружности. Предпочтительно, на окружности нагревательного элемента расположено несколько частей второго канала. За счет этого содержащий пар окружающий воздух направляется в направлении от нагревательного элемента по окружности нагревательного элемента, например, в продольном направлении вдоль окружности, например, корпуса или мундштука электрически нагреваемой курительной системы. Большая площадь, вдоль которой направляется содержащий пар окружающий воздух, а также близость к окружающей среде могут как поддерживать охлаждение воздуха, содержащего пар, так и поддерживать образование аэрозоля. Если по меньшей мере часть первого канала расположена параллельно по меньшей мере одной части расположенного по окружности второго канала, расположенной ниже по потоку относительно нагревательного элемента, посредством свежего окружающего воздуха, текущего через эту часть первого канала, и теплового контакта между соответствующими частями первого канала и частями второго канала может обеспечиваться дополнительное охлаждение. Предпочтительно, несколько частей первого канала расположено в продольном направлении по окружности мундштука. Расположение частей канала только на окружности оставляет возможности для наличия других каналов, расположенных, например, только в центральной части, или наличия радиально расположенных частей канала, соединяющих центральные и периферийные части канала, или центральные части канала - с окружающей средой.
Первый маршрут потока и второй маршрут потока могут быть выбраны так, чтобы достигался желаемый результат, например, предпочтительное разделение потока воздуха с предварительно определенными объемами воздуха, проходящими через соответствующие каналы. Например, можно изменять длину или диаметр канала, например, также для достижения предварительно определенного сопротивления затяжке (RTD). Кроме того, первый и второй маршруты потока выбирают в соответствии с устройством курительной системы, генерирующей аэрозоль, а также с компоновкой и свойствами отдельных компонентов курительной системы. Например, аэрозоль может генерироваться на ближнем конце или на дальнем конце корпуса картриджа, содержащего субстрат, образующий аэрозоль. В зависимости от ориентации картриджа в курительной системе, генерирующей аэрозоль, открытый конец корпуса картриджа расположен так, чтобы он был обращен к мундштуку, или расположен так, чтобы он был обращен в направлении от мундштука. Соответственно, нагревательный элемент для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, расположен на ближнем или дальнем конце корпуса. Предпочтительно, жидкость испаряется на открытом дальнем конце мундштука, а нагревательный элемент расположен между картриджем и мундштуком.
Предпочтительно, первый маршрут потока и первый канал, соответственно, полностью расположены в мундштуке курительной системы. Предпочтительно, первое впускное отверстие для воздуха расположено в боковой стенке мундштука, тогда как одно или несколько выпускных отверстий первого канала расположены на ближнем конце, или конце, подносимом ко рту, мундштука. Второй маршрут потока зависит от местоположения нагревательного элемента в курительной системе. Например, если нагревательный элемент расположен на открытом ближнем конце корпуса картриджа, например, закрывая ближний конец картриджа (верхняя версия), второй канал также может быть полностью расположен в мундштуке.
Первый канал и второй канал могут расходиться на несколько частей канала, и несколько частей первого канала или второго канала могут сходиться, соответственно, в единый первый канал или второй канал. В дополнение, первый канал может состоять из нескольких первых частичных каналов, и второй канал может состоять из нескольких вторых частичных каналов. Здесь совокупность первых частичных каналов обеспечивает объем окружающего воздуха первого канала, а совокупность вторых частичных каналов обеспечивает объем окружающего воздуха второго канала. Общее количество впускных отверстий для воздуха как для первых, так и для вторых частичных каналов может предпочтительно составлять от 2 до 10, более предпочтительно, от 6 до 10, и наиболее предпочтительно, от 8 до 10. Например, совокупность первых частичных каналов, обеспечивающая объем окружающего воздуха первого канала, может содержать 7 или 9 впускных отверстий в гидравлическом сообщении с первым каналом, а совокупность вторых частичных каналов, обеспечивающая объем окружающего воздуха второго канала, - от 1 до 2 впускных отверстий в гидравлическом сообщении со вторым каналом.
В вариантах реализации, где нагревательный элемент расположен на открытом дальнем конце корпуса картриджа, например, для закрывания открытого дальнего конца картриджа (нижняя версия), второй маршрут потока обычно начинается в курительной системе в еще более удаленном местоположении, например, в области дальнего конца корпуса картриджа. Второе впускное отверстие для воздуха второго канала может быть, например, расположено в главном корпусе системы. Тогда окружающий воздух, направляемый в систему, проходит нагревательный элемент на дальнем конце картриджа и увлекает пар, генерируемый в картридже путем нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Воздух, содержащий аэрозоль, может быть затем направлен вдоль картриджа между корпусом картриджа и главным корпусом к расположенному ниже по потоку концу системы, где он смешивается с окружающим воздухом из первого маршрута потока (либо до, либо после достижения расположенного ниже по потоку конца).
Впускное отверстие второго канала, расположенное в области дальнего конца корпуса картриджа, может быть также предусмотрено в верхней версии, т.е. в вариантах реализации, где нагревательный элемент расположен на ближнем конце картриджа. Второй маршрут потока может не только проходить наружу картриджа, но также через картридж. Затем окружающий воздух попадает в картридж через полуоткрытую стенку картриджа, проходит через картридж и выходит из картриджа посредством прохождения через нагревательный элемент, расположенный на ближнем конце картриджа. Следовательно, окружающий воздух может проходить через субстрат, образующий аэрозоль, или через один или несколько каналов, расположенных в твердом субстрате, образующем аэрозоль, так что окружающий воздух не проходит через сам субстрат, но проходит через каналы рядом с субстратом.
Для того чтобы сделать возможным попадание окружающего воздуха в картридж, боковая стенка корпуса картриджа, предпочтительно, стенка, противоположная нагревательному элементу, предпочтительно, нижняя стенка, снабжена по меньшей мере одним полуоткрытым впускным отверстием. Полуоткрытое впускное отверстие обеспечивает попадание воздуха в картридж, но ни воздух, ни жидкость не выходит из картриджа через полуоткрытое впускное отверстие.
Полуоткрытое впускное отверстие может, например, представлять собой полупроницаемую мембрану, проницаемой в одном направлении только для воздуха, но непроницаемую для воздуха и жидкости в противоположном направлении. Полуоткрытое впускное отверстие может также являться, например, одноходовым клапаном. Предпочтительно, полуоткрытые впускные отверстия обеспечивают прохождение воздуха через впускное отверстие только при соблюдении конкретных условий, например, минимального понижения давления в картридже или объема воздуха, проходящего через клапан или мембрану.
Такие одноходовые клапаны могут являться, например, коммерчески доступными клапанами, такими как, например, используюемые в медицинских устройствах, например, LMS Mediflow One-Way, LMS SureFlow One-Way или LMS Check Valves (перекрестные мембраны). Подходящими мембранами для применения совместно с картриджем при наличии потока воздуха, проходящего через картридж, являются, например, вентилируемые мембраны, используемые в медицинских устройствах, например, Qosina, образец 11066, вентилируемый колпачок с гидрофобным фильтром или клапаны, используемые в детских бутылочках.
Данные клапаны и мембраны могут быть изготовлены из любого материала, подходящего для применений в электрически нагреваемых курительных системах. Могут быть использованы материалы, подходящие для медицинских устройств, и FDA одобренные материалы; например, графен, имеющий очень высокое механическое сопротивление и термостойкость в пределах широкого диапазона температур. Предпочтительно, клапаны изготовлены из мягкого упругого материала для содействия встраиванию одного или нескольких клапанов в стенку корпуса картриджа непроницаемым для жидкости образом.
Прохождение окружающего воздуха через субстрат способствует образованию аэрозоля субстратом, образующим аэрозоль. Во время затяжки возникает понижение давления в картридже, которое может активировать полуоткрытые впускные отверстия. Затем окружающий воздух проходит через картридж, предпочтительно материал (HRM) с высокой удерживающей способностью или с высокой высвобождающей способностью, или жидкость, и пересекает нагревательный элемент, следовательно, создавая и поддерживая образование аэрозоля из жидкости, когда нагревательный элемент достаточным образом нагревает жидкость. Кроме того, вследствие понижения давления, возникающего во время затяжки, подача жидкости в транспортном материале, таком как капиллярный материал, на нагревательный элемент может быть ограничена. Поток окружающего воздуха через картридж может выровнять перепады давления внутри картриджа и, следовательно, способствовать свободному капиллярному действию в направлении нагревательного элемента.
В качестве дополнения или альтернативы, полуоткрытое впускное отверстие может быть также предоставлено в одной или нескольких боковых стенках корпуса картриджа. Полуоткрытые впускные отверстия в боковых стенках предоставляют боковой поток воздуха в картридж в направлении открытого верхнего конца корпуса картриджа, где расположен нагревательный элемент. Предпочтительно, боковые потоки воздуха проходят через субстрат, образующий аэрозоль.
Если впускное отверстие для воздуха второго канала расположено в мундштуке, то путь от впускного отверстия до нагревательного элемента можно сделать коротким, что, таким образом, возможно, уменьшит сопротивление втягиванию. Воздух также может быть направлен в радиальном направлении от одной стороны нагревательного элемента к другой стороне нагревательного элемента, например, от периферийной стороны нагревательного элемента к центральной части нагревательного элемента.
Второй маршрут потока может предусматривать множество вариантов подачи окружающего воздуха к нагревательному элементу и транспортировки аэрозоля от нагревательного элемента к расположенному ниже по потоку концу системы. Например, радиальную подачу окружающего воздуха предпочтительно комбинируют с большим извлечением в центральной части. Центральную подачу окружающего воздуха предпочтительно комбинируют с радиальным распределением воздуха по всей поверхности нагревательного элемента с передачей по окружности воздуха, содержащего аэрозоль, к расположенному ниже по потоку концу. Второй маршрут потока может направлять окружающий воздух для столкновенияс нагревательным элементом, например, перпендикулярно нагревательному элементу, предпочтительно, с центральной частью нагревательного элемента.
Поток воздуха, направленный перпендикулярно или параллельно центральной части нагревательного элемента, проявляет улучшенное образование аэрозоля с точки зрения меньшего размера частиц и больших общих количеств вещества в виде частиц, присутствующего в потоке аэрозоля, по сравнению с потоком воздуха, сталкивающимся с поверхностью под углом больше 0 и меньше 90 градусов. Это может быть вызвано меньшим уровнем турбулентностей, создаваемых на границе раздела нагревательного элемента и потока воздуха, улучшенной выработкой аэрозоля за счет максимального увеличения всего нагревателя (например, части за пределами центральной части нагревательного элемента вносят дополнительные или большие количества аэрозоля) или по причине большего фитильного эффекта на основании большего объема воздуха, пересекающего нагревательный элемент.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предусматривается способ направления потока воздуха в электрически нагреваемой курительной системе для генерирования аэрозоля. Этот способ включает этапы направления окружающего воздуха извне системы к расположенному ниже по потоку концу системы по первому маршруту потока и направления окружающего воздуха извне системы к нагревательному элементу, предпочтительно, по существу плоскому, проницаемому для текучей среды нагревательному элементу, перед передачей окружающего воздуха к расположенному ниже по потоку концу системы по второму маршруту потока. Здесь общий объем окружающего воздуха проходит через систему по первому маршруту потока и по второму маршруту потока, и по меньшей мере 50 процентов общего объема окружающего воздуха проходит через систему по первому маршруту потока.
Согласно одному из аспектов способа согласно настоящему изобретению, способ также включает этап соединения окружающего воздуха из первого маршрута потока и окружающего воздуха из второго маршрута потока перед тем, как окружающий воздух из первого маршрута потока и второго маршрута потока достигнет расположенного ниже по потоку конца системы.
Согласно еще одному аспекту способа согласно настоящему изобретению, способ дополнительно включает этап удерживания первого маршрута потока отдельно от второго маршрута потока.
Согласно еще одному аспекту способа согласно настоящему изобретению, способ включает этап направления окружающего воздуха по второму маршруту потока со столкновением, таким образом, окружающего воздуха во втором маршруте потока с нагревательным элементом по существу перпендикулярно.
Дальнейшие аспекты и преимущества способа согласно настоящему изобретению упомянуты в отношении системы раздельной подачи потока воздуха и курительной системы согласно настоящему изобретению, и они не будут повторяться.
Согласно дополнительному аспекту способа согласно изобретению, способ также включает этапы обеспечения жидкого субстрата, образующего аэрозоль, нагревания нагревательного элемента, посредством чего испаряется жидкость из субстрата, образующего аэрозоль, с образованием аэрозоля, и обеспечения окружающему воздуху, направленному к нагревательному элементу по второму маршруту потока, возможности захвата образовавшегося аэрозоля перед передачей окружающего воздуха, содержащего аэрозоль, к расположенному ниже по потоку концу системы.
Согласно еще одному аспекту способа согласно настоящему изобретению, способ также включает этапы создания по меньшей мере части первого канала и по меньшей мере части второго канала внутри мундштука системы, при этом расположенным ниже по потоку концом системы является ближний конец мундштука. Способ дополнительно включает этапы направления окружающего воздуха в по меньшей мере часть второго канала вдоль длины мундштука в направлении ближнего конца мундштука, выполнения изменения направления окружающего воздуха во втором канале не обратное и направления окружающего воздуха в направлении нагревательного элемента для столкновения этого окружающего воздуха с нагревательным элементом.
Согласно некоторым вариантам реализации способа согласно настоящему изобретению, окружающий воздух направляется в по меньшей мере часть второго канала вдоль центральной оси мундштука, и обеспечивается его столкновение с по существу по центром нагревательного элемента.
Способ может также включать этапы направления окружающего воздуха, содержащего аэрозоль, из центральной части нагревательного элемента, где окружающий воздух предпочтительно сталкивается с нагревательным элементом перпендикулярно, радиально наружу к окружности нагревательного элемента и по окружности - ниже по потоку в направлении выпускного отверстия. Этап направления окружающего воздуха, содержащего аэрозоль, по окружности ниже по потоку может, например, выполняться в нескольких частях каналов, расположенных по окружности.
Способ может включать этап расположения в электрически нагреваемой курительной системе по существу плоского, проницаемого для текучей среды нагревательного элемента. Предпочтительно, нагревательный элемент располагают таким образом, чтобы он бы обращен к открытому дальнему концу мундштука курительной системы. Предпочтительно, проницаемый для текучей среды нагревательный элемент содержит несколько электрически проводящих нитей. Несколько нитей, например, матрица из параллельно расположенных нитей или сетка, обеспечивают хорошее испарение жидкости и хорошее проникновение испаренной жидкости через промежутки между нитями. Такие нити или сетчатые нагревательные элементы являются недорогими в производстве и надежными, в особенности по сравнению с фитильными и спиральными нагревателями. Сетчатые нагревательные элементы могут быть изготовлены по существу плоским образом что является экономным с точки зрения занимаемого пространства. Сетчатыми нагревательными элементами также легко манипулировать, в особенности при установке нагревательного элемента или картриджа, содержащего нагревательный элемент.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, также предусматривается электрически нагреваемая курительная система для генерирования аэрозоля, содержащая систему раздельной подачи потока воздуха, описываемую в контексте данного описания. Эта курительная система содержит контейнерную часть, содержащую корпус для содержания жидкого субстрата, образующего аэрозоль, при этом корпус имеет открытый конец. Курительная система также содержит нагревательный элемент, предпочтительно по существу плоский, проницаемый для текучей среды нагревательный элемент, проходящий над открытым концом корпуса, и мундштук, расположенный смежно с корпусом. Мундштук содержит удлиненную основную часть, имеющую открытый дальний конец, при этом открытый дальний конец обращен к корпусу. Мундштук также содержит первый канал, расположенный в мундштуке, при этом первый канал содержит первое впускное отверстие, расположенное в боковой стенке удлиненной основной части, и выпускное отверстие, расположенное на ближнем конце удлиненной основной части, для определения первого маршрута потока, направляющего окружающий воздух извне системы через мундштук к выпускному отверстию. Мундштук также содержит оконечную часть второго канала, проходящую между открытым дальним концом удлиненной основной части и ближним концом удлиненной основной части. Второй канал расположен в курительной системе и определяет второй маршрут потока. Второй маршрут потока направляет окружающий воздух, попадающий в курительную систему, к нагревательному элементу, где окружающий воздух способен увлекать аэрозоль, генерируемый за счет испарения жидкости посредством нагревания нагревательного элемента, перед передачей окружающего воздуха, содержащего аэрозоль, к ближнему концу удлиненной основной части мундштука. Первый канал и второй канал определяют общий объем окружающего воздуха, проходящего через курительную систему, и первый канал обеспечивает по меньшей мере 50 процентов общего объема окружающего воздуха, проходящего через курительную систему. Окружающий воздух извне системы разделяется для прохождения по первому маршруту потока в первом канале и для прохождения по второму маршруту во втором канале.
Предпочтительно, нагревательный элемент расположен между мундштуком и субстратом, генерирующим аэрозоль.
Согласно одному аспекту курительной системы согласно настоящему изобретению, первый канал сходится с оконечной частью второго канала ниже по потоку относительно открытого дальнего конца удлиненной основной части. За счет этого окружающий воздух первого канала не проходит нагревательный элемент. Первое впускное отверстие первого канала гидравлически соединено с выпускным отверстием на расположенном ниже по потоку конце системы, т.е. в ближнем конце мундштука.
Согласно еще одному аспекту курительной системы согласно настоящему изобретению, второй канал содержит второе выпускное отверстие, расположенное на ближнем конце удлиненной основной части. Это второе выпускное отверстие является отдельным от выпускного отверстия первого канала.
Согласно дополнительному аспекту курительной системы согласно изобретению, второе впускное отверстие второго канала расположено в боковой стенке удлиненной основной части.
В курительной системе согласно настоящему изобретению второй канал может содержать по меньшей мере одну часть второго канала, расположенную ниже по потоку относительно нагревательного элемента и переносящую окружающий воздух, содержащий аэрозоль. Эта по меньшей мере одна часть второго канала расположена в продольном направлении по окружности корпуса или мундштука.
Аспекты и преимущества электрически нагреваемой курительной системы были описаны в отношении системы раздельной подачи потока воздуха и способа направления потока воздуха в электрически нагреваемой курительной системе и не будут повторяться.
Согласно некоторым вариантам осуществления курительной системы согласно изобретению, расположенная выше по потоку часть второго канала расположена параллельно боковой стенке удлиненной основной части мундштука или корпуса перед тем, как промежуточная часть второго канала направляется в радиальном направлении удлиненной основной части. Такой маршрут потока может, например, использоваться для направления окружающего воздуха по существу параллельно частям окружающего воздуха, уже переносящим аэрозоль. За счет этого может достигаться дополнительное охлаждение аэрозоля окружающим воздухом.
Согласно еще одному аспекту курительной системы согласно изобретению, нагревательный элемент представляет собой проницаемый для текучей среды нагревательный элемент, содержащий несколько электрически проводящих нитей.
Согласно одному из дальнейших аспектов курительной системы согласно настоящему изобретению, второй канал содержит несколько оконечных частей второго канала, расположенных в продольном направлении по окружности удлиненной основной части. Предпочтительно, окружающий воздух направляется к центральной части нагревательного элемента. Можно обеспечить однородное извлечение аэрозоля из нагревательного элемента окружающим воздухом: сталкивающийся по центру окружающий воздух может вытекать по поверхности нагревательного элемента радиально наружу. В дополнение, окружающий воздух, содержащий аэрозоль, может охлаждаться на большой общей площади поверхности, что может дополнительно поддерживать образование аэрозольных частиц меньшего размера.
Далее настоящее изобретение будет описано в отношении вариантов осуществления, которые проиллюстрированы следующими графическими материалами, где:
на фиг. 1 показан один из вариантов осуществления системы раздельной подачи потока воздуха;
на фиг. 2 показан другой вариант осуществления второго маршрута потока в системе раздельной подачи потока воздуха;
на фиг. 3 показано охлаждающее действие различных потоков воздуха на разных нагревательных элементах;
на фиг. 4 показаны температурные кривые нагревательных элементов с разным электропитанием;
на фиг. 5 показаны температурные кривые на выпускном отверстии мундштука;
на фиг. 6 показаны кривые среднего насыщения паром на выпускном отверстии мундштука;
на фиг. 7 показано отношение диаметров капель на выпускном отверстии мундштука для общей и раздельной геометрий подачи потока воздуха;
на фиг. 8a-8f показаны нагревательные элементы, пригодные для использования в курительной системе согласно настоящему изобретению;
фиг. 9a, 9b - подробные изображения нитей нагревательных элементов, на которых показан мениск жидкого субстрата, образующего аэрозоль, между нитями (фиг. 9а) и капиллярный материал, проходящий между нитями (фиг. 9b);
на фиг. 10 показано поперечное сечение системы картриджа с материалом (HRM) с высокой удерживающей/высвобождающей способностью и прохождение воздуха через HRM;
на фиг. 11 показано поперечное сечение еще одной системы картриджа с материалом (HRM) с высокой удерживающей/высвобождающей способностью и прохождение воздуха через картридж;
на фиг. 12 показан покомпонентный вид системы картриджа, показанной на фиг. 11;
на фиг. 13 показано поперечное сечение системы картриджа с жидкостью и прохождение воздуха через жидкость.
На фиг. 1 показан вариант осуществления картриджа 4 и мундштука 1 курительной системы, генерирующей аэрозоль. Удлиненный основной корпус 5 вмещает картридж с корпусом 4 картриджа трубчатой формы, содержащим субстрат, образующий аэрозоль, например, капиллярный материал 41, содержащий жидкость. Корпус картриджа имеет открытый ближний конец 42. Нагреватель 30, предпочтительно, по существу плоский сетчатый нагреватель, расположен так, чтобы закрывать открытый ближний конец корпуса 4 картриджа. Нагревательный элемент может находиться или может не находиться в непосредственном физическом контакте с субстратом 41, образующим аэрозоль. Мундштук 1, содержащий удлиненную основную часть 15 по существу трубчатой формы совмещен с основным корпусом, корпусом 4 картриджа и нагревательным элементом 30. Удлиненная основная часть 15 имеет открытый дальний конец, обращенный к нагревателю 30.
Вариант осуществления, показанный на фиг. 1, содержит второй канал 10, определяющий в мундштуке 1 второй маршрут потока, ведущий поступающий второй окружающий воздух 20 по нагревателю 30 и к выпускным отверстиям 12 для воздуха на ближнем конце, или конце, подносимом ко рту, мундштука 1, через который потребитель делает затяжку. Также в мундштуке 1 расположен первый канал 11, определяющий первый маршрут потока. Первый окружающий воздух 21 попадает в первый канал 11 через первое впускное отверстие 110 и направляется непосредственно к выпускным отверстиям 12 без прохождения нагревателя 30. Первый поток 21 воздуха соединяется со вторым потоком 20 воздуха во втором канале 10 в местоположении 111, расположенном ниже по потоку относительно нагревателя 30 и выше по потоку относительно выпускных отверстий 12. Расположенная ниже всего по потоку часть второго канала 10 идентична первому каналу 11. Второй поток 20 воздуха проходит нагреватель 30, где за счет нагревания нагревателя и испарения жидкости из субстрата 41, образующего аэрозоль, образуется аэрозоль, и увлекает этот аэрозоль во втором потоке 21 воздуха. Переносящий аэрозоль второй поток воздуха объединяется с первым потоком воздуха 21 в местоположении 111. Первый поток 21 воздуха смешивается с переносящим аэрозоль вторым потоком воздуха и охлаждает его.
Второе впускное отверстие 100 и первое впускное отверстие 110 оба представляют собой отверстия или просверленные отверстия в мундштуке 1, в дальней половине удлиненной основной части 15 мундштука 1. Второй маршрут потока в расположенной выше по потоку части 101 второго канала проходит к ближнему концу мундштука в удлиненной основной части параллельно окружности удлиненной основной части. В направляющей радиально внутрь части 102 второго канала 10 второй поток 20 воздуха направляется к центру удлиненной основной части, а в расположенной по центру части 103 второго канала второй поток 20 воздуха направляется к нагревателю 30 для столкновения с центральной частью 31 нагревателя 30. Второй поток 20 воздуха проходит по нагревателю 30 и растекается радиально наружу к нескольким продольным оконечным частям 104 второго канала 10. Продольные оконечные части 104 равномерно расположены по окружности внутри удлиненной основной части.
В данном варианте осуществления первый маршрут потока и второй маршрут потока, и, соответственно, первый канал и второй канал полностью расположены внутри мундштука 1 системы, генерирующей аэрозоль.
На фиг. 2 проиллюстрирован один из вариантов осуществления картриджа 4 с нагревателем 30, расположенным в нижней части картриджа, закрывающим открытый дальний конец 43 корпуса 41 картриджа. Второе впускное отверстие 100 расположено в основном корпусе 5, и окружающий воздух подводится по направляющей радиально внутрь части 102 второго канала непосредственно к центральной части основного корпуса. В расположенной по центру части 103 второго канала воздух направляется так, чтобы он сталкивался с нагревателем 30 перпендикулярно. Затем воздух проходит нагреватель 30, увлекает аэрозоль, образованный нагреванием жидкости при помощи нагревателя 30 в субстрате 40, образующем аэрозоль. Воздух, содержащий аэрозоль, подводится к ближнему концу картриджа 4 в нескольких продольных частях 105 второго канала 10, расположенных между корпусом 41 картриджа и основным корпусом 5 и вдоль них. Здесь второй поток воздуха, содержащий аэрозоль, направляется к единому расположенному по центру отверстию 52 в основном корпусе 5. Мундштук (не показан) может быть расположен смежно с основным корпусом. Предпочтительно, мундштук также содержит расположенное по центру отверстие и оконечную часть 104 второго канала 10 для приема второго потока воздуха, содержащего аэрозоль, и его направления к единому выпускному отверстию 12 в ближнем конце мундштука 1. В таком варианте осуществления первый канал 11 может являться в основном подобным варианту осуществления, показанному на фиг. 1. Первый канал может представлять собой отдельный канал в мундштуке или он может содержать радиальное отверстие, проходящее ко второму каналу в мундштуке так, чтобы первый поток 21 воздуха можно было соединить в мундштуке со вторым потоком воздуха.
Данные, показанные на фиг. 3, демонстрируют, что влияние охлаждения сетчатого нагревателя тем больше, чем больше скорость потока воздуха, проходящего сетчатый нагреватель. Скорости охлаждения измеряли с использованием различных сетчатых нагревателей: Reking (45 микрометров/180 на дюйм), Haver (25 микрометров /200 на дюйм) и трехленточного Warrington (25 микрометров/250 на дюйм). Данные измерений для нагревателя Reking указаны крестами, данные измерений для нагревателя Haver указаны кругами, а данные измерений для трехленточного нагревателя Warrington указаны треугольниками. Все нагреватели действовали с мощностью 3 Ватт. Температуру измеряли термопарой, соединенной с нагревателями. Увеличение скорости потока, указанное на оси х в литрах в минуту [л/мин], приводит к более низкой температуре, измеренной на сетчатом нагревателе. Типичные размеры потоков воздуха в системах, генерирующих аэрозоль, могут быть приблизительно выражены при помощи стандартных курительных режимов, например, курительного режима Health Canada, приводящего к значительному охлаждению нагревателя. В примерных курительных режимах, таких как Health Canada, в течение 2 секунд втягивается 55 мл смеси воздуха и пара. В альтернативном режиме - 55 мл за 3 секунд. Ни один из курительных режимов не имитирует поведение точно, но вместо этого играет роль заменителя того, что мог бы втягивать средний пользователь.
Эксперименты с системами раздельной подачи потока воздуха предпочтительно осуществляли с первым потоком воздуха, содержащим от 6/7 до 8/9 общего объема окружающего воздуха. Соответственно, объем окружающего воздуха, направляемого к нагревателю, имел объем от 1/7 до 1/9 общего объема окружающего воздуха. Таким образом, приблизительно от 85 процентов до 89 процентов объема окружающего воздуха передавалось непосредственно через выпускное отверстие мундштука, тогда как только через нагреватель проходило приблизительно от 11 процентов до 15 процентов общего объема потока воздуха.
Примерные значения для каналов, например, показанных в варианте осуществления, показанном на фиг. 1, составляют:
Впускное отверстие для воздуха второго канала: диаметр - 0,75 миллиметров, общая площадь поперечного сечения канала - 0,44 квадратных миллиметров.
Впускное отверстие для воздуха первого канала: диаметр - 1 миллиметр на 4, и 3,14 квадратных миллиметров - общая площадь поперечного сечения канала.
На графике, показанном на Фиг. 4, показаны средние температуры на нагревателе в зависимости от времени в течение одной затяжки. Кривая 60 представляет сравнительные данные температуры для нагревателя, когда к нагревателю направляется весь поток воздуха. Кривая 70 представляет данные температуры для нагревателя в системе раздельной подачи потока воздуха, где на нагреватель направляется только одна седьмая часть всего потока воздуха. Для сравнительных данных нагреватель был нагрет с мощностью 5 Ватт, тогда как нагреватель, принимающий уменьшенный поток воздуха был нагрет с мощностью 4 Ватт. Как видно, при разделении потока воздуха в течение длительности одной затяжки можно сэкономить энергию мощности в 1 Ватт.
На фиг. 5 показано влияние раздельного потока воздуха на температуру потока воздуха, переносящего аэрозоль, на выпускном отверстии мундштука в течение одной затяжки. Эти данные относятся к вариантам осуществления мундштуков, в которых первый поток воздуха соединяется со вторым потоком воздуха, переносящим аэрозоль, внутри мундштука, как показано на фиг. 1. Кривая 61 температуры представляет температуры воздуха на выпускном отверстии для нагревателя, питаемого мощностью 5 Ватт при столкновении с нагревателем всего потока воздуха. Кривая 71 температуры представляет температуры воздуха на выпускном отверстии для нагревателя, питаемого мощностью 4 Ватт, в котором на нагреватель направляется лишь одна седьмая часть всего потока воздуха. По причине того, что с потоком аэрозоля соединяются шесть седьмых частей «свежего» воздуха, имеют место значительно менее высокие температуры потока воздуха, переносящего аэрозоль, на выпускном отверстии мундштука. Как правило, «свежий» воздух, смешивающийся с потоком воздуха, переносящим аэрозоль, находится при комнатной температуре.
Значительную разницу также можно видеть в отношении давления пара к давлению насыщения (Pпара/Pнасыщения) глицеринового раствора на выпускном отверстии мундштука в течение одной затяжки. Это отношение показано на фиг. 6. Кривая 72 относится к данным давления на выпускном отверстии для нагревателя, питаемого мощностью 4 Ватт, в системе раздельной подачи потока воздуха при направлении к нагревателю одной седьмой части всего потока воздуха. Кривая 62 относится к данным давления на выпускном отверстии для нагревателя, питаемого мощностью 5 Ватт, при столкновении с нагревателем всего потока воздуха. Из-за влияния охлаждения указанное отношение давлений выше для варианта осуществления с раздельной подачей потока воздуха. Это представляет большую степень перенасыщения глицериновым раствором, что способствует образованию аэрозоля с каплями меньшего размера. Моделирование явно предсказывает меньше размеры капель для более холодного пара из варианта осуществления с раздельной подачей потока воздуха по сравнению с вариантами осуществления с нераздельной подачей потока воздуха, или подачей всего потока воздуха. Эти данные 67 моделирования показаны на Фиг. 7 для одной затяжки на выпускном отверстии мундштука. Ось y представляет отношение диаметров капель для системы раздельной подачи потока воздуха относительно системы подачи всего потока воздуха. Эти отношения вычислены и показаны на системе, генерирующей аэрозоль, как d_раздельный/d_сравн=T*Ln(S) сравн/T*Ln(S) раздельный в зависимости от времени в течение одной затяжки, где Т - температура, выраженная в градусах Кельвина, и S - коэффициент насыщения, представляющий собой функцию Pпара и P͚(T).
Фиг. 8a представляет собой иллюстрацию первого нагревательного элемента 30. Нагревательный элемент содержит сетку 36, образованную из нержавеющей стали марки 304L, с размером сетки приблизительно 400 меш по стандарту США (приблизительно 400 нитей на дюйм). Нити имеют диаметр приблизительно 16 микрометров. Сетка соединена с электрическими контактами 32, которые отделены друг от друга зазором 33 и образованы из медной фольги, имеющей толщину приблизительно 30 микрометров. Электрические контакты 32 предусмотрены на полиимидном субстрате 34, имеющем толщину приблизительно 120 микрометров. Нити, образующие сетку, образуют промежутки между нитями. Промежутки в данном примере имеют ширину приблизительно 37 микрометров, хотя могут быть использованы большие или меньшие промежутки. Использование сетки с данными приблизительными размерами обеспечивает возможность образования в промежутках мениска субстрата, образующего аэрозоль, и втягивания сеткой нагревательного элемента субстрата, образующего аэрозоль, за счет капиллярного действия. Живое сечение сетки, т.е. отношение площади промежутков к общей площади сетки, преимущественно составляет от 25 процентов до 56 процентов. Полное сопротивление нагревательного элемента составляет приблизительно 1 Ом. Сетка обеспечивает значительную часть данного сопротивления, так что большая часть тепла производится сеткой. В данном примере сетка имеет электрическое сопротивление, которое более чем в 100 раз превышает электрическое сопротивление электрических контактов 32.
Субстрат 34 является электрически изолирующим, и в данном примере он образован из полиимидного листа, имеющего толщину приблизительно 120 микрометров. Субстрат имеет круглую форму и диаметр 8 миллиметров. Сетка имеет прямоугольную форму и длины сторон 5 миллиметров и 2 миллиметра. Данные размеры предоставляют возможность выполнения полной системы, имеющей размер и форму, подобные традиционной сигарете или сигаре. Другим примером размеров, которые были найдены эффективными, является круглый субстрат диаметром 5 миллиметров и прямоугольная сетка размером 1 миллиметр на 4 миллиметра.
Фиг. 8b и фиг. 8c представляют собой иллюстрации других, альтернативных нагревательных элементов. В нагревательном элементе, показанном на фиг. 8b, нити 37 связаны непосредственно с субстратом 34, а контакты 32 затем приклеены на нити. Как и раньше, контакты 32 отделены друг от друга изолирующим зазором 33 и образованы из медной фольги толщиной приблизительно 30 микрометров. Такая же компоновка нитей субстрата и контактов может быть использована для нагревателя сетчатого типа, показанного на фиг. 8а. Наличие контактов в качестве крайнего слоя может являться благоприятным для обеспечения надежного электрического контакта с блоком питания.
Нагревательный элемент, показанный на фиг. 8с, содержит несколько нитей 38 нагревателя, образующих одно целое с электрическими контактами 39. Как нити, так и электрические контакты образованы из фольги из нержавеющей стали, которая протравливается для образования нитей 38. Контакты 39 отделены зазором 33 за исключением тех случаев, когда соединены нитями 38. Фольга из нержавеющей стали предоставлена на полиимидном субстрате 34. И снова, нити 38 обеспечивают большую часть сопротивления, и поэтому большая часть тепла вырабатывается нитями. В данном примере нити 38 имеют электрическое сопротивление, которое более чем в 100 раз превышает электрическое сопротивление электрических контактов 39.
На фиг. 8d―8e показано несколько нагревательных элементов, содержащих сетку 36, неподвижно закрепленную на двух контактных частях 35 и между ними. Сетка неподвижно прикреплена на обеих сторонах к контактным частям 35. Каждая контактная часть имеет круглую наружную окружность и содержит два отверстия 351. Посредством этих отверстий 351, например, путем свинчивания, нагревательные элементы 30 могут быть прикреплены к корпусу картриджа или к поддерживающему субстрату.
Капиллярный материал 41 преимущественно ориентирован в корпусе 4 так, чтобы он передавал жидкость к нагревательному элементу 30. После сборки картриджа нити 36, 37, 38 нагревателя могут находиться в контакте с капиллярным материалом 41, и субстрат, образующий аэрозоль, может передаваться непосредственно к сетчатому нагревателю. Фиг. 9a представляет собой подробный вид нитей 36 нагревательного элемента, на котором показан мениск 46 жидкого субстрата, образующего аэрозоль, между нитями 36 нагревателя. Видно, что субстрат, образующий аэрозоль, находится в контакте с большей частью поверхности каждой нити, так что большая часть тепла, сгенерированного нагревательным элементом, проходит непосредственно в субстрат, образующий аэрозоль.
Фиг. 9b представляет собой подробный вид, аналогичный показанному на фиг. 9a, на котором показан пример капиллярного материала 41, проходящего внутрь промежутков между нитями 36. Капиллярный материал 41 может представлять собой капиллярный материал, расположенный рядом с нагревательным элементом или в контакте с ним, предпочтительно имеющий высокую термостойкость. Как показано, транспортировка жидкости на нити может быть обеспечена посредством предоставления капиллярного материала, содержащего тонкие нити волокон, которые проходят внутрь промежутков между нитями 36.
При использовании эти нагревательные элементы работают путем резистивного нагрева. Для нагрева нитей до необходимого температурного диапазона, ток проходит через нити 36, 37, 38 под управлением управляющих электронных схем (не показаны). Сетка или матрица нитей имеет значительно более высокое электрическое сопротивление, чем электрические контакты 32, 35 и электрические соединители (не показаны), и поэтому высокие температуры локализуются на нитях. Система может быть выполнена с возможностью генерирования тепла посредством доставки электрического тока к нагревательному элементу в ответ на затяжку пользователя, или она может быть выполнена с возможностью непрерывного генерирования тепла до тех пор, 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 с нагревом с использованием низкого тока. В системе, активируемой при затяжке, в которой тепло генерируется кратковременными вспышками с использованием импульсов высокого тока, нити из нержавеющей стали, имеющие высокую удельную теплоемкость, могут являться более подходящими.
На фиг. 10 проиллюстрировано поперечное сечение системы картриджа, в которой второй маршрут потока содержит поток воздуха, направленный через картридж. Проницаемый для текучей среды нагреватель, например, сетчатый нагреватель 30, предусмотрен для закрывания открытой верхней части корпуса 4. Для уплотнения верхней части корпуса 4 уплотнительный слой 48, например, полимерный слой, предусмотрен между верхним краем корпуса 4 и нагревателем 30. Кроме того, уплотнительный диск 47, например, полимерный диск, предусмотрен на верхней стороне нагревателя 30. С использованием уплотнительного диска 47 может осуществляться управление потоком воздуха через нагреватель, в частности, могут быть предоставлены ограничения потока воздуха. Уплотнительный диск может быть также расположен на нижней стороне нагревателя 30.
Корпус 4 картриджа содержит содержащий жидкость материал (HRM) 41 с высокой удерживающей способностью или с высокой высвобождающей способностью, служащий в качестве резервуара для жидкости и направляющий жидкость в направлении нагревателя 30 для испарения на нагревателе. Между HRM 41 и нагревателем 30 расположен капиллярный диск 44, например, волокнистый диск. Материал капиллярного диска 44 может являться более теплостойким, чем HRM 41, вследствие его близкого расположения относительно нагревателя 30. Капиллярный диск поддерживается во влажном состоянии с использованием жидкости, образующей аэрозоль, HRM для безопасного предоставления жидкости для испарения при активации нагревателя.
Корпус 4 оснащен воздухопроницаемым днищем 45. Воздухопроницаемое дно оснащено впускным отверстием 450 для потока воздуха. Впускное отверстие 450 для потока воздуха обеспечивает поток воздуха через дно 45 в корпус в одном и только этом направлении. Ни воздух, ни жидкость не может выходить из корпуса через воздухопроницаемое дно 45. Воздухопроницаемое дно 45 может, например, содержать полупроницаемую мембрану в качестве впускного отверстия 450 для потока воздуха, или может являться нижним покрытием, содержащим один или несколько одноходовых клапанов, как будет показано далее.
Если незначительное понижение давления преобладает на стороне нагревателя, как это бывает во время затяжки, воздух может проходить через впускное отверстие 450 для потока воздуха в картридж. Поток 20 воздуха будет проходить через HRM 41 и через нагреватель 30. Затем поток 20 воздуха, содержащего аэрозоль, будет течь к расположенному ниже по потоку концу устройства, генерирующего аэрозоль, предпочтительно, в расположенном по центру канале в мундштуке.
Боковые стенки корпуса 4 могут быть также оснащены боковыми воздухопроницаемыми секциями 46 для доставки в корпус боковых потоков воздуха. Боковые воздухопроницаемые секции 46 могут быть выполнены в качестве впускных отверстий 450 для потока воздуха в воздухопроницаемом дне 45.
Компоновка и функции системы картриджа, показанной на фиг. 11, являются в основном такими же, как показанные на фиг. 10. Тем не менее, центральное отверстие 412 предоставлено в HRM 41. Воздух, попадающий во впускное отверстие 450 для потока воздуха в дне 45 корпуса, проходит через центральное отверстие 412. Поток воздуха проходит рядом с HRM в картридже. Боковой поток воздуха может быть доставлен через HRM 41 с использованием необязательных боковых воздухопроницаемых секций 46 в боковой стенке корпуса 4.
На фиг. 12 показан покомпонентный вид системы картриджа, показанной на фиг 11. Кольцеобразный трубчатый HRM 41 предоставлен в корпусе 4. Днище 45 корпуса представляет собой диск, содержащий одноходовой клапан 49, расположенный в центре диска и совпадающий с центральным отверстием 412 в HRM 41. Такой одноходовой клапан может, например, являться коммерчески доступным клапаном, таким как, например, использующийся в медицинских устройствах или детских бутылочках.
Фиг. 13 представляет собой поперечное сечение еще одного варианта осуществления системы картриджа. Для одинаковых или подобных элементов используются одинаковые номера позиций. В данном варианте осуществления корпус 4 заполнен жидкостью 411, образующей аэрозоль. Корпус может быть изготовлен из металлического материала, пластикового материала, например, полимерного материала, или стекла. Клапан 49 может быть непосредственно сформован в днище 45 корпуса. Дно 45 может быть также оснащено полостью для непроницаемого для воздуха узла с клапаном. Вследствие того, что клапаны предпочтительно изготовлены из гибкого материала, может быть достигнут непроницаемый узел с использованием материала дна.
В вышеизложенных системах картриджа, описанных в отношении фиг. 10-13, корпус 4 картриджа может также представлять собой отдельную емкость картриджа в дополнение к корпусу картриджа, описанному, например, в отношении фиг. 1. В частности, картридж, содержащий жидкость 411, является предварительно изготовленным продуктом, который может быть вставлен в корпус картриджа, предоставленный в системе, генерирующей аэрозоль, для вмещения предварительно изготовленного картриджа.
Изобретение относится к электрически нагреваемым курительным системам и к способу направления потока воздуха внутри электрически нагреваемой курительной системы. Предлагается система раздельной подачи потока воздуха для электрически нагреваемой курительной системы для генерирования аэрозоля, при этом система раздельной подачи потока воздуха содержит расположенный ниже по потоку конец, при этом система подачи потока воздуха содержит первый канал, определяющий первый маршрут потока; второй канал, определяющий второй маршрут потока; при этом первый маршрут потока направляет окружающий воздух извне системы к расположенному ниже по потоку концу системы; при этом второй маршрут потока направляет окружающий воздух извне системы к по существу плоскому, проницаемому для текучей среды нагревательному элементу перед передачей окружающего воздуха к расположенному ниже по потоку концу системы, при этом первый канал и второй канал определяют общий объем окружающего воздуха, проходящего через систему, и первый канал обеспечивает по меньшей мере 50 процентов общего объема окружающего воздуха, проходящего через систему, при этом по меньшей мере часть второго канала и нагревательный элемент расположены перпендикулярно друг другу так, что по меньшей мере часть второго канала направляет окружающий воздух для перпендикулярного столкновения с нагревательным элементом, и при этом по меньшей мере часть второго канала, расположенная ниже по потоку относительно по существу плоского проницаемого для текучей среды нагревательного элемента, расположена на окружности по существу плоского проницаемого для текучей среды нагревательного элемента для направления, таким образом, окружающего воздуха, содержащего аэрозоль, из центральной части по существу плоского проницаемого для текучей среды нагревательного элемента радиально наружу к окружности по существу плоского проницаемого для текучей среды нагревательного элемента к по меньшей мере части второго канала, расположенной на окружности по существу плоского проницаемого для текучей среды нагревательного элемента. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности электрически нагреваемой курительной системы. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 13 ил.
1. Система раздельной подачи потока воздуха для электрически нагреваемой курительной системы для генерирования аэрозоля, при этом система раздельной подачи потока воздуха содержит расположенный ниже по потоку конец, при этом система подачи потока воздуха содержит:
первый канал, определяющий первый маршрут потока;
второй канал, определяющий второй маршрут потока;
при этом первый маршрут потока направляет окружающий воздух извне системы к расположенному ниже по потоку концу системы;
при этом второй маршрут потока направляет окружающий воздух извне системы к по существу плоскому проницаемому для текучей среды нагревательному элементу перед передачей окружающего воздуха к расположенному ниже по потоку концу системы,
при этом первый канал и второй канал определяют общий объем окружающего воздуха, проходящего через систему, и первый канал обеспечивает по меньшей мере 50 процентов общего объема окружающего воздуха, проходящего через систему,
при этом по меньшей мере часть второго канала и нагревательный элемент расположены перпендикулярно друг другу так, что по меньшей мере часть второго канала направляет окружающий воздух для перпендикулярного столкновения с нагревательным элементом,
и при этом по меньшей мере часть второго канала, расположенная ниже по потоку относительно по существу плоского проницаемого для текучей среды нагревательного элемента, расположена на окружности по существу плоского проницаемого для текучей среды нагревательного элемента для направления, таким образом, окружающего воздуха, содержащего аэрозоль, из центральной части по существу плоского проницаемого для текучей среды нагревательного элемента радиально наружу к окружности по существу плоского проницаемого для текучей среды нагревательного элемента к по меньшей мере части второго канала, расположенной на окружности по существу плоского проницаемого для текучей среды нагревательного элемента.
2. Система раздельной подачи потока воздуха по п. 1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент представляет собой нагревательный элемент, содержащий несколько электрически проводящих нитей, такой как сетчатый нагревательный элемент.
3. Система раздельной подачи потока воздуха по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что первый канал обеспечивает от приблизительно 65 процентов до приблизительно 95 процентов, предпочтительно от приблизительно 85 процентов до приблизительно 89 процентов, общего объема окружающего воздуха, проходящего через систему.
4. Система раздельной подачи потока воздуха по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что первый канал сходится с оконечной частью второго канала так, что первый маршрут потока соединяется со вторым маршрутом потока после того, как второй маршрут потока направляет окружающий воздух за нагревательный элемент.
5. Система раздельной подачи потока воздуха по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что первый канал и второй канал образуют отдельные каналы так, что первый маршрут потока и второй маршрут потока направляют окружающий воздух извне системы к расположенному ниже по потоку концу системы отдельно друг от друга.
6. Способ направления потока воздуха в электрически нагреваемой курительной системе для генерирования аэрозоля, включающий этапы:
- направления окружающего воздуха извне системы к расположенному ниже по потоку концу системы по первому маршруту потока;
- направления окружающего воздуха извне системы к по существу плоскому проницаемому для текучей среды нагревательному элементу перед передачей этого окружающего воздуха к расположенному ниже по потоку концу системы по второму маршруту потока;
при этом общий объем окружающего воздуха проходит через систему по первому маршруту потока и второму маршруту потока, и по меньшей мере 50 процентов общего объема окружающего воздуха проходит через систему по первому маршруту потока,
- направления окружающего воздуха по второму маршруту потока таким образом, что окружающий воздух во втором маршруте потока сталкивается по существу перпендикулярно с по существу плоским проницаемым для текучей среды нагревательным элементом; и
- направления окружающего воздуха, содержащего аэрозоль, из центральной части нагревательного элемента радиально наружу к окружности нагревательного элемента и по окружности ниже по потоку в направлении выпускного отверстия.
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что дополнительно включает этап соединения окружающего воздуха из первого маршрута потока и окружающего воздуха из второго маршрута потока перед достижением окружающим воздухом из первого маршрута потока и из второго маршрута потока расположенного ниже по потоку конца системы.
8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что дополнительно включает этап удержания первого маршрута потока отдельно от второго маршрута потока.
9. Способ по любому из пп. 6-8, отличающийся тем, что дополнительно включает этапы:
обеспечения жидкого субстрата, образующего аэрозоль;
нагревания нагревательного элемента с испарением, таким образом, жидкости из субстрата, образующего аэрозоль, и образованием аэрозоля;
обеспечения окружающему воздуху, направленному к нагревательному элементу по второму маршруту потока, возможности захвата образованного аэрозоля перед передачей окружающего воздуха, содержащего аэрозоль, к расположенному ниже по потоку концу системы.
10. Способ по любому из пп. 6-9, отличающийся тем, что дополнительно включает этапы:
обеспечения по меньшей мере части первого канала и по меньшей мере части второго канала внутри мундштука системы, при этом расположенный ниже по потоку конец системы представляет собой ближний конец мундштука;
направления окружающего воздуха в по меньшей мере часть второго канала вдоль длины мундштука в направлении ближнего конца мундштука;
выполнения изменения направления окружающего воздуха во втором канале на обратное; и
направления окружающего воздуха в направлении нагревательного элемента со столкновением окружающего воздуха с нагревательным элементом.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что дополнительно включает этап направления окружающего воздуха в по меньшей мере части второго канала вдоль центральной оси мундштука со столкновением окружающего воздуха с нагревательным элементом по существу по центру.
12. Электрически нагреваемая курительная система для генерирования аэрозоля, содержащая систему раздельной подачи потока воздуха по любому из пп. 1-5, при этом курительная система содержит:
часть для хранения, содержащую корпус для хранения жидкого субстрата, образующего аэрозоль, при этом корпус имеет открытый конец,
по существу плоский проницаемый для текучей среды нагревательный элемент, проходящий над открытым концом корпуса,
мундштук, расположенный смежно с корпусом, при этом мундштук содержит удлиненную основную часть, имеющую открытый дальний конец, при этом открытый дальний конец обращен к корпусу, при этом
мундштук содержит:
первый канал, при этом первый канал содержит первое впускное отверстие, расположенное в боковой стенке удлиненной основной части, и выпускное отверстие, расположенное на ближнем конце удлиненной основной части для определения первого маршрута потока, направляющего окружающий воздух извне системы через мундштук к выпускному отверстию,
оконечную часть второго канала, проходящего между открытым дальним концом удлиненной основной части и ближним концом удлиненной основной части,
при этом второй канал расположен в курительной системе и определяет второй маршрут потока,
при этом второй маршрут потока направляет окружающий воздух, попадающий в курительную систему, к нагревательному элементу, где окружающий воздух способен захватывать аэрозоль, генерируемый посредством испарения жидкости за счет нагревания нагревательного элемента, перед передачей окружающего воздуха, содержащего аэрозоль, к ближнему концу удлиненной основной части мундштука,
при этом первый канал и второй канал определяют общий объем окружающего воздуха, проходящего через курительную систему, и первый канал обеспечивает по меньшей мере 50 процентов общего объема окружающего воздуха, проходящего через курительную систему, и
при этом второй канал содержит по меньшей мере одну часть второго канала, расположенную ниже по потоку относительно нагревательного элемента, переносящую окружающий воздух, содержащий аэрозоль, при этом по меньшей мере одна часть второго канала расположена в продольном направлении по окружности корпуса или мундштука.
13. Курительная система по п. 12, отличающаяся тем, что первый канал сходится с оконечной частью второго канала ниже по потоку относительно открытого дальнего конца удлиненной основной части.
14. Курительная система по п. 12, отличающаяся тем, что второй канал содержит второе выпускное отверстие, расположенное на ближнем конце удлиненной основной части, при этом второе выпускное отверстие является отдельным от выпускного отверстия первого канала.
15. Курительная система по любому из пп. 12-14, отличающаяся тем, что впускное отверстие второго канала расположено в боковой стенке удлиненной основной части.
16. Курительная система по любому из пп. 12-15, отличающаяся тем, что второй канал содержит несколько оконечных частей второго канала, расположенных в продольном направлении по окружности удлиненной основной части.
17. Курительная система по любому из пп. 12-16, отличающаяся тем, что по существу плоский проницаемый для текучей среды нагревательный элемент содержит несколько электрически проводящих нитей.
| Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
| CN 203243945 U, 23.10.2013 | |||
| US 2005199236 A1, 15.09.2005 | |||
| Многоступенчатая активно-реактивная турбина | 1924 |
|
SU2013A1 |
