ГЕНЕРАТОР АЭРОЗОЛЯ Российский патент 2023 года по МПК A24F47/00 A24F40/00 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННОЕ ЗАЯВЛЕНИЕ

Настоящая заявка выделена из первоначальной заявки №2020138696 с сохранением даты подачи 05.06.2019 и права конвенционного приоритета, возникшего с подачей 12.06.2018 первой заявки №62/683,991 в патентное ведомство США.

ОБЛАСТь ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к вапоризационным устройствам с подогревом и, в частности, к электрически резистивным нагревателям для аэрозолизации и распыления жидкостей с целью получения вдыхаемых аэрозолей. МПК A24F 47/00, A24F 40/00, A24F 40/10, A24F 40/40, A24F 40/42, A24F 40/46, A24F 40/48, A24F 40/485, A24F 40/50, A24F 40/51, A24F 40/57, А61М 11/00, А61М 15/00, В05В 1/08, В05В 1/14, В05В 7/16, В05В 7/24, Н05В 1/02, Н05В 3/06, Н05В 3/14, Н05В 3/24, Н05В 3/34 Н05В 3/42, Н05В 3/54.

УРОВЕНь ТЕХНИКИ

Типичные мощные устройства для вапоризации и электронные сигареты, предназначенные для генерирования большого количества аэрозоля во время затяжки, обычно используют нагревательные блоки с громоздкими нагревательными проводниками, что приводит к интенсивному нагреву устройств из-за рассеивания тепла вокруг нагревательных блоков. Из-за громоздкости нагревательные блоки медленно охлаждаются. Эта особенность делает устройства горячими и некомфортными в использовании. Кроме того, остаточное тепло «после использования» из-за длительного времени охлаждения может вызвать длительные химические реакции с образованием токсичных растворов, таких как акролеиновые, особенно в аэрозольной жидкости, находящейся в непосредственной близости от нагревательных блоков. Это токсичное вещество затем испаряется и вдыхается потребителем при первых затяжках следующего сеанса затяжки.

Из документов заявок US 2016/0138795 А1, US 2017/0360100 А1, известны устройства для генерации аэрозоля, содержащие плоские нагревающие жидкость элементы, в которых нагревательный проводник выполнен в виде электропроводящего покрытия или пленки, нанесенной на непроводящую подложку, имеющую множество проемов (портов, апертур). Также известны описанные в заявке US 2017/360100 A1 нагревающие жидкость элементы, в которых нагревательный проводник выполнен в виде электропроводящей сетки. Во время нагревания жидкость затягивается благодаря капиллярным силам в проемы (порты, апертуры) подложки и ячейки сетки нагревательных элементов с одной их стороны и вапоризуется с выходом пара с противоположной стороны. При этом пар свободно расширяется беспорядочно во всевозможных направлениях в окружающий воздух из-за разности температур, что сопровождается резким падением плотности пара и, соответственно, аэрозоля. Чтобы увеличить плотности пара увеличивают электрическую мощность, что ассоциируется либо с перегревом нагревателя, либо с увеличением его размеров и, вследствие этого, тепловых потерь. В обоих случаях, избыток тепла повышает риски здоровью, по причинам упомянутым выше. Настоящее изобретение решает задачу интенсификации аэрозоля при уменьшении размеров нагревательного проводника и снижении рисков здоровью.

СУЩНОСТь ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления настоящего изобретения, которые описаны ниже, обеспечивают улучшенные устройства для нагрева и вапоризации, а также способы их использования, в частности, для производства аэрозолей.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения таким образом предлагается устройство для аэрозолизации, включающее резервуар, сконфигурированный для содержания жидкой среды. Нагревательный элемент включает в себя лист из электропроводящего материала, имеющий первую поверхность, физически контактирующую с жидкой средой, и вторую поверхность, противоположную первой поверхности, и массив микросопел, расположенных в области листа и проходящих через лист от первой поверхности до второй поверхности. Блок электропитания предназначен для подачи импульсов электрического тока через область листа, с энергией импульсов выбранных таким образом, чтобы нагреть проводящий материал достаточно для вапоризации жидкой среды и посредством этого обусловить выброс пара жидкой среды через микросопла в виде соответствующих струй пара со второй поверхности.

Под термином „микросопло" во всем описании понимается цилиндрическое или конусообразное устройство в виде канала, т.е. узкого, длинного или вытянутого полого объекта, которое может обладать внутренней, возможно сложной, структурой и которое выполнено с возможностью, управления, в частности придавания направления, ускорения пара жидкой среды, направляемого этим устройством во время вапоризации. Благодаря отрицательному давлению, созданному высокоскоростными горячими парами, в области отверстия выброса микросопла формируются узконаправленне потоки, или другими словами, струи пара, а холодный окружающий воздух втягивается с боковых сторон в струю горячих паров, вызывая генерацию аэрозоля при резком охлаждении горячих паров в струе. Уменьшение давления в ускоренных парах может также сопровождаться вызванным ускорением паров уменьшением температуры в области отверстия выброса микросопла, что может благоприятно влиять на генерацию аэрозоля в области отверстий выброса микросопла в дополнение к охлаждению окружающим воздухом. Формирование высокоскоростных струй пара, которые благодаря падению давления значительно способствуют генерации аэрозоля, является характерной и существенной особенностью, вносимой микросоплами. Способность микросопел генерировать плотный аэрозоль делает возможным миниатюризацию и более стандартное серийное производство нагревательных элементов, например, с использованием технологий микромеханической обработки.

В некоторых вариантах осуществления устройство включает воздуховод, содержащий, по меньшей мере, вторую поверхность нагревательного элемента и включающий воздухозаборник для воздуха, через которое окружающий воздух проходит в воздуховод и по второй поверхности, образуя таким образом аэрозоль, содержащий вапоризованную жидкую среду, и выходное отверстие, через которое аэрозоль выходит из воздуховода. В одном варианте осуществления воздуховод включает в себя, по меньшей мере, одно воздушное сопло, предназначенное для формирования и направления турбулентного воздушного потока на вторую поверхность листа, чтобы способствовать образованию аэрозоля.

Микросопла, как правило, идентичны и равномерно распределены по площади листа проводящего материала.

Лист электропроводящего материала может быть плоским или иметь изогнутую форму. Лист электропроводящего материала может включать один или несколько материалов из металла, легированного полупроводника и электропроводящую фольгу.

В раскрытых вариантах осуществления лист проводящего материала имеет толщину между первой и второй поверхностями менее 1 мм, а микросопла имеют диаметр менее 0,2 мм.

В одном варианте осуществления микросопла имеют усеченную конусообразную форму. В другом варианте осуществления микросопла представляют собой сопла Лаваля. Микросопла могут быть пробиты через лист электропроводящего материала и выступать наружу из второй поверхности. Альтернативно, микросопла могут протравливаться через лист электропроводящего материала и располагаться заподлицо со второй поверхностью.

В некоторых вариантах реализации резервуар включает пористую среду, которая насыщена жидкой средой. В раскрытом варианте осуществления пористая среда прилегает к первой поверхности листа и имеет пропуска тельную способность для жидкости, превышающую 3 мкл/мм²с. Дополнительно или альтернативно пористая среда включает гидрофильный волокнистый материал, который может быть включен в слой, имеющий толщину в диапазоне от 0,1 мм до 1 мм.

В некоторых вариантах реализации нагревательный элемент включает в себя множество электрических контактов, расположенных на листе электропроводящего материала на противоположных сторонах массива микросопел, а блок электропитания включает в себя пружинящие электрические выводы, подключенные к электрическим контактам для подачи через них электрического тока. В одном варианте осуществления электрические контакты включают в себя микроформы, сформированные, по меньшей мере, на одной из поверхностей электропроводящего материала, а электрические выводы прижаты к микроформам. В качестве альтернативы электрические контакты включают в себя один или несколько вырезов, сформированных по меньшей мере на одной из поверхностей электропроводящего материала, а пружинящие электрические выводы имеют цилиндрическую форму, которая сопряжена с одним или несколькими вырезами.

В раскрытом варианте осуществления по меньшей мере нагревательный элемент является заменяемым.

В некоторых вариантах реализации нагревательный элемент выполнен, а блок электропитания сконфигурирован так, что температура жидкой среды, которая находится в контакте с первой поверхностью листа электропроводящего материала в нагревательном элементе, поднимается выше точки кипения жидкой среды во время импульсов и падает ниже точки кипения во время задержки между импульсами в последовательности импульсов, подаваемых блоком электропитания на нагревательный элемент. В одном варианте осуществления блок электропитания включает в себя датчик температуры и сконфигурирован для управления по меньшей мере одним параметром последовательности импульсов в ответ на выходной сигнал датчика температуры.

В раскрытом варианте осуществления блок электропитания включает в себя схему генератора импульсов и изолирующий трансформатор, который связывает схему генератора импульсов с нагревательным элементом.

Также предоставляется, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, способ генерации аэрозоля, который включает обеспечение нагревательным элементом, включающим в себя лист электропроводящего материала с противоположными первой и второй поверхностями, и включающий в себя массив микросопел, расположенных в области листа и проходящих через лист от первой поверхности ко второй поверхности. Жидкая среда входит в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента. Импульсы электрического тока подаются через область листа, при этом энергия импульса выбирается таким образом, чтобы нагреть проводящий материал достаточно для вапоризации жидкой среды и посредством этого обусловить выброс пара жидкой среды через микросопла в виде соответствующих струй пара жидкой среды со второй поверхности.

В раскрытом варианте обеспечение жидкой средой включает заполнение резервуара жидкой средой и доставку жидкой среды из резервуара к первой поверхности нагревательного элемента. Настоящее изобретение будет более полно понятно из следующего подробного описания его вариантов осуществления вместе с чертежами, на которых:

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Фиг. 1 - схематический вид в перспективе нагревательного элемента с массивом микросопел в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 2А, 2В и 2С - схематические виды сбоку микросопел и среды, насыщенной жидкостью, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;

Фиг. 3А - схематический вид в перспективе цилиндрического нагревательного элемента с цилиндрическими электроконтактными площадками в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 3В - схематический вид в перспективе изогнутого нагревательного элемента с плоскими электроконтактными площадками в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 3С - схематический вид в перспективе плоского нагревательного элемента с вытравленными микросоплами в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 3D - схематический вид в перспективе плоского нагревательного элемента с продольными микросоплами в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 4А - схематический вид сбоку шероховатого сопряжения импульсного контакта в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 4В - схематический вид сбоку структурированного сопряжения импульсного контакта в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 5А - схематический вид в перспективе полоскового сопряжения зажимного электрического контакта в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 5В - схематический вид в перспективе полоскового сопряжения зажимного электрического контакта в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 5С - схематический вид в перспективе полоскового сопряжения зажимного электрического контакта в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 6 - схематический вид в перспективе устройства электронной сигареты с соплами воздуховодов в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 7 - принципиальная электрическая схема генератора аэрозолей с источником питания с гальванически изолированным выходом в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 8А - схематический вид в перспективе плоского сменного нагревательного элемента в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 8В - схематический вид в перспективе цилиндрического сменного нагревательного элемента в соответствии с вариантом осуществления изобретения; а также

Фиг. 9 - схематический график импульсов, применяемых в устройстве для аэрозолизации, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Для безопасных и удобных электронных сигарет и аналогичных вапоризационных устройств было бы полезно иметь альтернативную систему и способ, позволяющие генерировать аэрозоль высокой плотности при значительно сниженных уровнях риска, в то же время делая возможным более стандартизированное менее затратное производство.

В ответ на эту потребность варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают систему нагрева для генерации аэрозоля, которая содержит тонкий проводящий нагревательный элемент, множество узких микросопел для вапоризации жидкости и ускорения направляемого пара в нагревательном элементе, и неадиабатические электрические контакты на этом элементе для электропитания. Нагревательный элемент и микросопла выполнены для быстрой термической релаксации. Компоненты системы имеют устройство, форму и конфигурацию, обеспечивающую вапоризационное устройство, способное к быстрому, повторяющемуся нагреву и быстрой термической релаксации.

В некоторых вариантах реализации жидкая среда (например, жидкость для электронных сигарет), расположенная на входе в микросопла горячего нагревательного тела, сначала быстро испаряется там с образованием насыщенных паров в каждом цикле нагрева. Затем пары ускоряются микросоплами и выходят в виде высокоскоростных горячих газовых струй в окружающий воздух. Струи резко охлаждаются при смешивании с окружающим воздухом, обеспечивая последовательность порций аэрозоля, которые аккумулируются в затяжку. Чем выше скорость струи пара и степень пересыщения, тем более концентрированным является аэрозоль.

После каждого импульса вапоризации нагревательный элемент быстро охлаждается, позволяя новой порции жидкости заполнять область у входа в микросопла, пока цикл не повторится. Таким образом, устройство может создавать последовательности дискретных порций интенсивного аэрозоля в ответ на серии коротких мощных электрических импульсов. Такая импульсная работа нагревательного элемента вызывает лишь небольшое рассеивание тепла в окружение, в отличие от непрерывного нагрева, таким образом защищая окружение от перегрева.

Раскрытая система включает в себя, но не ограничивается этим, систему нагрева для вапоризации жидкости, имеющую по меньшей мере один электрический нагревательный проводник, специально приспособленный для работы в импульсном режиме. Проводник выполнен в виде двустороннего элемента, сконфигурированного для быстрой термической релаксации, с областями электрического контакта на элементе и с множеством сквозных микросопел в элементе, также сконфигурированных для быстрой термической релаксации, имеющими отверстия впрыска на одной стороне и отверстия выброса на другой стороне элемента для вапоризации жидкости и образования паровых струй.

В некоторых вариантах осуществления изобретения устройство для аэрозолизации содержит резервуар, который может включать контейнер для хранения жидкости, фитили для транспортировки жидкости и/или другие компоненты, содержащие жидкую среду и являющиеся источником ее, и двусторонний нагревательный элемент, содержащий тонкий лист электропроводящий материал, способный к быстрому повторяющемуся нагреву. Нагревательный элемент имеет первую поверхность на первой стороне элемента, которая находится в физическом контакте с жидкой средой, и вторую поверхность на второй стороне элемента, противоположную первой поверхности. Массив узких микросопел, которые также способны к быстрому повторяющемуся нагреву, размещены по площади листа и проходят через лист от первой поверхности ко второй поверхности. Блок электропитания генерирует и подает через область листа импульсы электрического тока, с энергией импульсов выбранных таким образом, чтобы нагреть проводящий материал достаточно для вапоризации жидкой среды и посредством этого обусловить выброс пара жидкой среды через микросопла в виде соответствующих струй пара жидкогой среды со второй поверхности.

В раскрытом варианте осуществления резервуар содержит пористую среду, такую как среда из стекловолокна, которая насыщена жидкой средой и которая, например, подает жидкую среду из котейнера и находится в физическом контакте с первой поверхностью листа электропроводящего материала.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, вторая сторона нагревательного элемента содержится в воздуховоде, содержащем воздухозаборник, через который окружающий воздух проходит в воздуховод и по второй стороне, образуя таким образом аэрозоль, содержащий вапоризованную жидкую среду. Аэрозоль выходит из воздуховода через выходное отверстие. Воздушный поток в воздуховоде может быть инициирован перепадом давления между воздухозаборником и выходом отверстием, создаваемым, например, затяжкой вейпа. Чем интенсивнее воздух смешивается с насыщенными парами, тем плотнее аэрозоль. В другом варианте осуществления воздуховод содержит воздушные сопла специальной формы для создания турбулентности воздуха над нагревательным элементом для улучшенного перемешивания пара и стимулирования образования аэрозоля.

Электропроводящий нагревательный элемент может быть плоским или иметь изогнутую форму и может содержать, например, лист металла подходящей формы или легированный полупроводниковый материал. Обычно нагревательный элемент формируется из листа проводящего материала, имеющего размер между первой и второй сторонами менее примерно 1 мм. Микросопла имеют соответствующую длину, равную размеру элемента, и диаметры менее примерно 0,2 мм. Эти размеры позволяют им мгновенно реагировать на повторяющиеся импульсы нагрева, имеющие длительность и время задержки между импульсами менее 100 мс. Лист может быть тоньше, чем размер элемента между первой и второй сторонами, например, менее 0,5 мм, менее 0,3 мм или даже менее 0,05 мм. В этом случае микросопла сформированы так, чтобы выступать из поверхности листа на второй стороне нагревательного элемента. Диаметр микросопла определяется термодинамикой процессов нагрева и охлаждения жидкости внутри и поэтому может быть шире или уже, чем толщина листа.

В некоторых вариантах реализации микросопла имеют усеченную конусообразную форму. В качестве альтернативы микросопла могут быть соплами Лаваля. В обоих случаях микросопла могут быть пробиты через лист электропроводящего материала (и, таким образом, выступать наружу от второй поверхности) или могут быть протравлены через лист электропроводящего материала (так, чтобы они находились заподлицо с второй поверхностью). Травление и пробивание также могут выполняться с помощью лазерной перфорации.

Каждое из микросопел преимущественно включает в себя отверстие впрыска и сегмент ускорения пара для создания дискретных суб- или, возможно, даже сверхзвуковых струй горячего насыщенного пара, когерентно с каждым импульсом последовательности импульсов электрического тока. Отверстие впрыска микросопла имеет конфигурацию, способствующую улавливанию, движению и ускорению паров жидкости по направлению к отверстию выброса. Кроме того, предпочтительно, чтобы множество микросопел было расположено в виде массива равномерно распределенных идентичных микросопел, что способствует равномерному нагреву.

Кроме того, предпочтительно, чтобы токопроводящее нагревательный элемент с его микросоплами и электроконтактными площадками был выполнен в форме с быстрым тепловым откликом, что позволяет его температуре циклически повышаться и понижаться от точки кипения жидкой среды когерентно с каждым импульсом и задержкой между импульсами последовательности электрических импульсов, применяемых во время каждой затяжки. Обычно тело проводника изготавливается из термомеханически стабильного материала, устойчивого к тепловым ударам, термомеханической усталости и микротрещинам.

В одном возможном варианте нагревательный элемент является плоским, сформированным в виде тонкого листа или пластины из электропроводящего материала с микросоплами, лежащими в плоскости пластины, причем первая и вторая стороны образованы одной парой краев пластины, и электроконтактными площадками, расположенные на другой паре краев пластины.

В других возможных вариантах осуществления нагревательный элемент является трубчатым и сформирован в виде электропроводящей тонкостенной трубки или тонкого листа, изогнутого в цилиндрическую форму, с микросоплами, направленными радиально внутрь или из цилиндра. Электроконтактные площадки сформированы на краях цилиндра.

В дополнительном варианте осуществления нагревательный элемент выполнен в виде тонкой пластины с микросоплами, расположенными поперек или перпендикулярно плоскости пластины.

В некоторых вариантах осуществления нагревательный элемент содержит электрические контакты, расположенные на листе электропроводящего материала на противоположных сторонах массива микросопел, а блок электропитания содержит электрические выводы, подключенные для подачи электрического тока через электрические контакты. В одном варианте осуществления электрические контакты содержат неадиабатические микроформы, сформированные для рассеивания тепла, выделяемого контактным сопротивлением во время каждого импульса, по меньшей мере, на одной из поверхностей электропроводящего материала, а электрические выводы прижаты к микроформам. В другом варианте осуществления электрические контакты содержат один или несколько вырезов, образованных по меньшей мере на одной из поверхностей электропроводящего материала, а электрические выводы имеют цилиндрическую форму, которая сопряжена с одним или несколькими вырезами. Электрические выводы образуют узкое полосообразное сопряжение с электроконтактными площадками и могут также иметь неадиабатические микроформы. Сопряжение может быть сформировано путем соединения или зажима выводов с равномерным давлением на контактную поверхность.

Как отмечалось ранее, блок электропитания обычно подает импульсы на нагревательный элемент в последовательности с длительностью импульса и задержкой между импульсами, выбранными так, чтобы температура жидкой среды, которая контактирует с первой поверхностью листа проводящего материала поднимается выше точки кипения жидкой среды во время импульсов и опускается ниже точки кипения во время задержки между импульсами. В одном варианте осуществления блок электропитания содержит датчик температуры, который имеет быстрый отклик и сконфигурирован для мгновенного измерения изменений температуры. Блок электропитания регулирует параметры последовательности импульсов, такие как величина мощности импульса, продолжительность и интервал между импульсами, в ответ на выходной сигнал датчика температуры. В другом варианте осуществления простой датчик температуры, имеющий долгий отклик может быть использован для контроля средней мощности во время затяжки.

В некоторых вариантах осуществления блок электропитания содержит батарею, например литиевую батарею. В других вариантах осуществления схема генератора импульсов в блоке электропитания может быть соединена изолирующим трансформатором с нагревательным элементом для защиты пользователя от возможного поражения электрическим током, например, в случае сетевого питания.

В некоторых вариантах осуществления слой пористой среды, который насыщен жидкой средой, находится в физическом контакте с первой стороной нагревательного элемента, при этом пористая среда частично заполняет отверстия впрыска микросопел. В других вариантах реализации в слой пористой среды непрерывно подается жидкая среда из контейнера для хранения жидкости посредством средств гидравлического соединения, например, стекловолоконные жгуты. Таким образом, все компоненты, содержащие жидкую среду, составляют резервуар для жидкости. Слой пористой среды на границе с нагревательным элементом подает жидкую среду в нагревательный элемент во время каждого импульса нагрева. В дополнительных вариантах осуществления слой пористой среды также может быть погружен в контейнер для хранения жидкости. Чтобы подавить гидравлическое сообщение между соседними микросоплами, размер пор пористой среды намного меньше, чем отверстия впрыска микросопла. Толщина пористой среды обычно намного больше, чем длина термодиффузии в жидкой среде, так что достаточное количество жидкости может быть предоставлено слоем пористой среды для вапоризации во время импульса нагрева.

Некоторые варианты осуществления могут включать сменный блок, содержащий, по меньшей мере, нагревательный элемент и/или контейнер для хранения жидкости. Сменный блок также может быть выполнен в виде одноразового картриджа, содержащего контейнер для хранения жидкости, пористую среду, электрические выводы и электрический интерфейс, например, для одноразового использования.

В некоторых показательных вариантах осуществления нагревательный элемент с микросоплами и электроконтактными площадками может быть изготовлен с использованием микрообработки кремния.

В других вариантах осуществления нагревательный элемент сформирован из фольги электропроводящего термостойкого материала, такого как, например, металлов, сплавов или сильнолегированных полупроводников, например кремния. Фольга может быть зажата, например, пружинящими выводами и растянута по области пористой среды, насыщенной жидкостью.

В некоторых вариантах осуществления резервуар и нагревательный элемент заключены в корпус, который включает по меньшей мере один воздуховод (также называемый воздухопроводом) для подачи воздуха к нагревательному элементу, отвода паров и аэрозолей от нагревательного элемента и удаления тепла от устройства. Как отмечалось выше, нагревательный элемент, включая микросопла и электроконтактные площадки, имеет быстрый тепловой отклик, что позволяет ему циклически работать выше и ниже точки кипения жидкости согласованно с электрическими импульсами и задержкой между импульсами применяемых последовательностей импульсов во время каждой затяжки. Устройство может включать в себя блок электропитания, подключенный к проводнику через электроконтактные площадки, с блоком электрического управления для управления параметрами выходного импульса.

Фиг. 1 представляет собой схематический вид в перспективе нагревательного элемента 100 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Нагревательный элемент 100 содержит лист 102 из проводящего материала, имеющий первую поверхность 104 для взаимодействия с жидкой средой для аэрозолизации и вторую поверхность 106 для взаимодействия с окружающим воздухом. Пара электроконтактных площадок 108 электрического контакта на листе 102 пропускает электрический ток через область листа, в которой сформирован массив микросопел 110.

Микросопла 110 служат для увеличения скорости расширяющихся паров, образующихся при вапоризации жидкой среды, которая находится в контакте с первой поверхностью 104. Поскольку микросопла 110 расположены внутри листа 102, тепло передающееся от листа 102 за счет теплопроводности, излучение и конвекция может нагревать жидкую среду на первой поверхности 104 и испарять ее в микросоплах 110 с образованием перенасыщенных паров, которые ускоряются микросоплами 110 и выпускаются в окружающий воздух на второй стороне 106 в виде высокоскоростных направленных струй пара. Аэрозоль образуется из-за резкого охлаждения горячих насыщенных паров жидкой среды за счет столкновения с холодным воздухом над нагревательным элементом 100 при каждой затяжке. Частицы и молекулы пара теряют свою кинетическую энергию и коагулируют в более крупные капли, которые, таким образом, представляют собой аэрозоль. Чем выше степень перенасыщения и чем быстрее охлаждение пара, тем плотнее будет аэрозоль и тем меньше будут частицы аэрозоля.

Лист 102 может быть изготовлен из термомеханически стабильного электропроводящего материала, такого как металлы, сплавы, сильнолегированные полупроводники с низким удельным сопротивлением, например, n-типа или р-типа монокристаллический, поликристаллический или аморфный кремний или проводящие стекла, керамика, композиты или другие материалы, имеющие удельное электрическое сопротивление не более 0,01 Ом⋅см и устойчивость к тепловому удару.

Фиг. 2А, 2В и 2С представляют собой схематические виды сбоку микросопел 110, 114 и 116 соответственно и насыщенной жидкостью волокнистой пористой среды 210 в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Каждое микросопло имеет отверстие впрыска 200 для жидкости на первой поверхности 104 и отверстие 202 для выброса пара на второй поверхности 106 листа 102. Поперечные сечения микросопел 110, 114 и 116 могут быть круглыми, прямоугольными или квадратными. Первая поверхность 104 с отверстием впрыска для жидкости 200 находится в физическом контакте с жидкой средой, которая связана капиллярными силами волокнистой пористой среды 210, препятствующими утечке в окружающую среду.

Лист 102 нагревает жидкость за счет теплопередачи до температуры выше точки кипения в области отверстия впрыска 200, обеспечивая прохождение жидко-паровой фазы в микросопло 110, 114, 116 и ее полную вапоризацию в перенасыщенные пары за счет тепла переданного от листа 102. Отверстие выброса 202 для пара способствует выбросу расширяющихся паров в виде струи в окружающий воздух. Чтобы способствовать ускорению естественно расширяющихся горячих паров в направлении от заполненного жидкостью отверстия впрыска 200 к свободному отверстию выброса 202, микросопла 110 и 114 выполнены в виде полых усеченных конусов 204, в которых отверстие впрыска 200 сформировано в основании усеченного конуса 204 и отверстие выброса 202 сформировано усеченной частью конуса 204. В микросопле 116 может создаваться сверхзвуковая струя в результате сильного ускорения микросоплом 116, имеющем форму сопла Лаваля 206.

Независимо от формы сопла множество микросопел расположено в виде массива идентичных микросопел 110, равномерно распределенных в проводящем листе 102, например, в прямоугольной форме между электроконтактными площадками 108, как показано на Фиг. 1, так что плотность тока в области массива проводящего листа также распределяется равномерно.

В варианте осуществления, показанном на Фиг. 2В, для образования большего количества паров микросопло 114 сформировано у его отверстия впрыска 200 таким образом, чтобы образовать короткую секцию 208 усеченного конусообразного участка поверхности раздела, которая увеличивает площадь вапоризации жидкости и способствует сбору паров с первой поверхности 104 и наклонного участка поверхности раздела 208 в микросопло 114. В другом варианте осуществления этого типа апертура и угол при вершине конуса могут постепенно изменяться вдоль его оси от 90° у отверстия 200 до 0° у отверстия 202.

Проводящий лист 102, электроконтактные площадки 108 и микросопла 110 (или 114, или 116) нагревательного элемента 100 выполнены таким образом, чтобы позволить нагревательному элементу 100 образовывать аэрозоль дискретными порция. Лист 102 имеет быстрый термический отклик и низкую индуктивность и изготовлен из материала с высокой температуропроводностью α_м. Таким образом, температура нагревательного элемента 100 способна мгновенно реагировать на последовательность коротких импульсов электрического тока длительностью τ и задержкой между импульсами δ, в сумме составляющую длительность затяжки Т, резко повышаясь выше температуры кипения жидкости Т_в во время каждого из импульсов электрического тока и падения ниже температуры кипения жидкости Т_в во время задержки между импульсами.

В некоторых вариантах осуществления материал листа 102 имеет достаточно высокий коэффициент температуропроводности α_м, так что для толщины Н_в листа 102 выполняется условие В таблице 1 ниже перечислены примеры вариантов осуществления с вычисленным верхним пределом толщины Н_в листа 102 для различных материалов и значений длительности τ импульса.

Для длительности импульса τ примерно от 1 мс до 10 мс лист 102 может быть изготовлен из кремниевых пластин или металлической фольги, которые достаточно тонкие, чтобы реагировать на импульсы мощности большим перепадом температур. Для более короткой длительности импульса τ примерно от 0,1 мс до 1 мс подходящими могут быть как кремниевые, так и металлические фольги. В этих вариантах осуществления расстояние или толщина стенки между микросоплами 110 предпочтительно не слишком мала, например не меньше предела Н_в чтобы избежать узких путей с высоким сопротивлением не только току, но также и быстрому тепловому перераспределению и релаксации в нагревательном элементе 100 за время длительности импульса τ.

На Фиг. 3А показан нагревательный элемент 300, который имеет цилиндрическую геометрию листа 102 и радиальные микросопла 110. Электроконтактные площадки 108 расположены на паре круглых краев листа 102. Этот вариант осуществления может иметь две версии: в одном варианте первая поверхность 104 является внешней стороной, а вторая поверхность 106 является внутренней стороной цилиндрического листа 102. В другом варианте первая поверхность 104 является внутренней стороной, а вторая поверхность 106 является внешней стороной цилиндрического листа 102.

На Фиг. 3В показан другой нагревательный элемент 302, который имеет изогнутую геометрию листа 102 и радиальные микросопла 110, в котором электроконтактные площадки 108 расположены на паре плоских краев листа 102.

Как и на Фиг. 1, на Фиг. 3С показан нагревательный элемент, имеющий плоскую геометрию листа 102 и сквозные микросопла 110, перпендикулярные плоскости листа 102, в котором электроконтактные площадки 108 расположены на паре плоских краев листа 102. Однако в этом варианте осуществления микросопла 110 протравлены через лист 102, а не пробиты, например, как это может быть сделано в предыдущих вариантах осуществления.

Для изготовления нагревательного элемента лист 102 может быть сформирован различными способами, в зависимости от материала. Например, лист 102 в нагревательных элементах 100, 300 и 302 может быть изготовлен путем микроформования или микропробоя тонких полос металлической фольги. Из-за естественной пластичности металлов микросопла 110 будут формироваться при каждом пробое. Лист 102 в нагревательных элементах 300 и 302 затем может быть свернут в изогнутую форму и разрезан до желаемого размера. В нагревательном элементе 304 лист 102 может быть изготовлен из пластины или другой подложки из металлического или полупроводникового материала, такого как кремний, с использованием технологий микрообработки, например фототравления или фотолитографии с последующим травлением материалов, в частности, глубоким реактивно-ионным травлением полупроводниковых материалов с образованием микрополостей в листе 102. Эти микрополости могут быть сформированы в виде микросопел 110 посредством контроля параметров процесса, относящихся к анизотропии и скорости травления.

В качестве альтернативы, для создания микросопел 110 в полупроводниковых подложках, металлической фольге, стекле или керамических материалах можно использовать лазерную микропробой, микроперфорацию или микротравление, например, с помощью лазеров с ультракороткими импульсами. Б качестве альтернативы для металлов можно использовать микроэрозию или другие технологии электрохимической и микрообработки. В качестве альтернативы, некоторые материалы могут быть экструдированы и сплавлены в поликапиллярный стержень, с последующим поперечным разрезанием на пластины с множеством микрополостей.

На Фиг. 3D показан нагревательный элемент 306, который имеет продольные микросопла 110 в плоскости плоского листа 102 и электроконтактные площадки 108, расположенные на паре краев пластины, не имеющих отверстий микросопел 110. Нагревательный элемент 306 может быть изготовлен из двух металлических или полупроводниковых, например кремниевых, пластин или подложек, которые сначала подвергаются микрообработке, а затем зажимаются и сращиваются вместе.

В некоторых вариантах реализации каждое из микросопел 110 имеет максимальный диаметр D_N определяемый условиями и где α_L - коэффициент температуропроводности жидкости или пара. В таблице 2 перечислены примеры вариантов осуществления с расчетным верхним пределом диаметра D_N микросопел 110 для типичного примера глицерина в качестве жидкости и различных значений длительности импульса τ:

Для длительностей импульса τ, например, примерно от 1 мс до 10 мс, микросопла 110 могут иметь диаметр примерно от 0,05 до 0,1 мм.

В некоторых вариантах реализации система нагрева может иметь чувствительный элемент 112, например датчик температуры, расположенный на листе 102 или внутри него, например, в одном из микросопел 110, как показано на Фиг. 1. Датчик 112 может использоваться для управления параметрами процесса, например, температурой листа 102. Для обеспечения определения пиковых значений датчик 112 может быть сформирован для быстрого теплового отклика, чтобы обеспечить адекватное разрешение измерения в течение длительности импульса τ и временной задержки δ. В зависимости от материала и размеров листа 102, в некоторых вариантах осуществления датчик 112 может содержать термопару, возможно, с использованием термоэлектрического эффекта в стыке с материалом листа 102. В других вариантах осуществления датчик 112 может содержать стеклянную герметизированный термистор. В другом варианте осуществления датчик 112 может содержать тонкопленочное сопротивление и/или кремниевый датчик температуры на основе запрещенной зоны, нанесенный на лист 102 в виде тонкого покрытия. В качестве альтернативы для температуных датчиков могут быть использованы термоэлементы на основе термоэлектрического эффекта на стыке между полупроводником и металлическими выводами.

В некоторых вариантах осуществления электрический контакт обеспечивается электромеханическими пружинными зажимами. Например, на Фиг. 4А показан электрический контакт 400, в котором контактная поверхность 402 находится на распределенных микроформах, таких как микропятнах 408 неровностей поверхности из-за естественной или искусственной шероховатости на границе раздела между электроконтактной площадкой 108 листа 102 и выводов 404. Электроконтактная площадка 108 имеет низкий электрический импеданс, быстрый тепловой отклик и высокую стойкость к тепловому удару, так что при прохождении коротких мощных электрических импульсов контактная поверхность 402 быстро достигает теплового равновесия за счет быстрого рассеивания переходного тепла от микропятен 408 контактной поверхности 402. Для защиты электроконтактной площадки 108 от локального искрения и перегрева, микропятна 408 контактной поверхности 402 распределяются равномерно по электроконтактной площадке 108. В одном варианте осуществления микропятна 408 контактной поверхности 402 имеют диаметр D₁ удовлетворяющий условиям и и распределены таким образом, что расстояние Δ между соседними микропятнами контактной поверхности 402 удовлетворяет условию Δ>>D₁.

В другом варианте осуществления электрического контакта 406, показанном на Фиг. 4В, контактная поверхность 402 между выводами 404 и электроконтактной площадки 108 может содержать множество, например массив, микропятен 408 заранее установленного диаметра D₁ и расстоянием Δ между соседними микропятнами. Эти микропятна образованы искусственно созданными микроформами, например сферическими или конусообразными микроформами, вытравленными на поверхности листа 102, удовлетворяющими условиям и Δ>D₁. Количество микропятен 408 на контактной поверхности 402 электрических контактов 400 и 406 может быть настолько большим, насколько это необходимо для перераспределения вклада контактного сопротивления в пиковое повышение температуры в каждом микропятне при каждом импульсе.

В таблице 3 ниже перечислены примеры вариантов осуществления с вычисленным верхним пределом диаметра микропятен D₁ для типичного примера покрытых золотом поверхностей из меди и кремния и различных значений длительности импульса τ.

Для длительностей τ импульса, например, от около 1 мс до 10 мс, диаметры D1 микропятен 408 могут находиться в диапазоне от около 0,01 мм до 0,1 мм.

На Фиг. 5А показан электрический контакт 500, в котором контактная поверхность 402 между выводом 404 и листом 102 на электроконтактной площадке 108 выполнен в виде по меньшей мере одной узкой полосы, образованной цилиндрическим выводом 404 и плоской поверхностью электроконтактной площадки 108.

В другом варианте осуществления, показанном на Фиг. 5В, контактная поверхность 402 в контакте 502 содержит две узкие полоски, образованные цилиндрическим выводом 404 и ступенчатым вырезом 504 на контактной площадке 108.

В следующем варианте осуществления, показанном на Фиг. 5С, контактная поверхность 402 в контакте 506 содержит две узкие полосы, образованные цилиндрическим выводом 404 и ступенчатым вырезом 508 на контактной площадке 108.

В контактах 500, 502 и 506 узкие полоски контактной поверхности 402 обеспечивают путь электрического соединения для электрического тока от выводов 404 через контактную поверхность 402 к проводящему листу 102, уменьшая при этом передачу тепла от горячего листа 102 через контактную поверхность 402 в электрические выводы 404. Уменьшение утечки тепла из листа 102 через контактную поверхность 402 способствует равномерному распределению температуры по листу 102 в течение каждого импульса с длительностью τ. Узкие границы раздела полос контактов 500, 502 и 506 могут преимущественно иметь ширину узкой полосы D₃, удовлетворяющую условиям

Когда на контактной поверхности 402 имеются две или более узких полоски, как в контактах 502 и 506, расстояние Δ между соседними узкими полосками может преимущественно удовлетворять условию Δ>D_s.

Предпочтительно соединять электрические выводы 404 и контактную площадку 108, прикладывая достаточное усилие к контактной поверхности 402, чтобы гарантировать, что контакт не нагревается из-за контактного сопротивления и не зажигается дуга во время импульсов (что может вызвать окисление и/или разрыв цепь после импульсов). Для контактных поверхностей между металлическими частями и между металлами и сильно легированными полупроводниками контактное сопротивление зависит от контактного давления. По этой причине желательно, чтобы контактное давление превышало 1 Н/мм². Такие контакты могут быть сформированы из микроизогнутого пружинящего металла, например из латуни, проволоки или микроштампованных металлических деталей, таких как контактные пружины SMD, сформированные как зажимы для механического закрепления листа 102, обеспечивая при этом надежный гальванический контакт в контактной поверхности 402.

В вариантах осуществления, в которых контактная поверхность 402 образована металлическими выводами 404, а лист 102 изготовлен из полупроводника, например сильнолегированного кремния n-типа, желательно, чтобы контактное сопротивление на границе раздела 402 было ниже, чем объемное сопротивление листа 102. Этому условию удовлетворяет скорее не Шоттки-, а омический контакт, который, таким образом, обеспечивает беспрепятственный перенос основных носителей заряда между выводами 404 и полупроводниковым листом 102 и не ограничивает электрический ток. Сильное легирование полупроводника снижает возможный барьер Шоттки, превращая его в омический контакт.

В других вариантах осуществления, в которых лист 102 изготовлен из полупроводника с низким удельным сопротивлением, контактная площадка 108 может подвергаться дополнительной обработке для уменьшения контактного сопротивления типа Шоттки. Одним из видов такой обработки может быть металлизация с учетом удельной электропроводности золотом (Au) или медью (Cu) или подходящим многослойным материалом. Для этой цели можно использовать пластины из металлизированного кремния, которые широко доступны в продаже. Соответствующий этап фотолитографии, за которым следует этап травления металла для формирования металлизированных контактов, добавляется к процессу изготовления листа 102. Другой возможный способ уменьшить контактное сопротивление в области контактной площадки 108, например, для полупроводника n-типа, является увеличение подповерхностного содержания фосфора в полупроводнике посредством диффузии фосфора в полупроводник из специальных паст, содержащих допирующий агент для легирования n-типа, наносимых через маски или трафареты, как в случае нанесения паст для поверхностного монтажа.

В некоторых вариантах реализации, как показано на Фиг. 2А-С, насыщенная жидкостью высокопористая волокнистая среда 210 гидравлически соединена с источником жидкости для аэрозолизации и прилегает к первой поверхности 104 листа 102. На границе с первой поверхностью 104 среда 210 частично заполняет микросопла 110 (или 114, или 116) для увеличения площади контакта с листом 102, тем самым увеличивая количество жидкости, которая может быть вапоризована. Преимущественно среда 210 частично заполняет микросопла 110 на наклонной поверхности раздела 208, чтобы производить больше пара.

Среда 210 имеет малый размер пор, например менее 20 мкм, по сравнению с расстоянием между соседними микросоплами 110. Малый размер пор препятствует свободному сообщению жидкости между микросоплами и снижает разбрызгивание жидкости из одного из микросопла 110 из-за давления, создаваемого пузырьками, образованными в отверстии впрыска 200 соседнего микросопла 110. Уменьшенный размер пор среды 210 создает дополнительное сопротивление потоку жидкости, даже при высокой пористости.

Желательно, особенно если среда 210 имеет ограниченную толщину, гарантировать, что эта среда способна подавать необходимое количество жидкости для вапоризации в течение длительности импульса τ, и, с другой стороны, пополнять вапоризованное количество жидкости в течение межимпульсного периода τ+δ. Минимальная толщина D_м этой среды также ограничена длиной диффузии тепла в жидкую среду 210, определяемой как . В таблице 4 ниже перечислены примеры вариантов осуществления с расчетным значением толщины D_м для типичного примера глицерина в среде 210, такой как сетка из стекловолокна, с пористостью, близкой к 100%, и различными значениями длительности импульса τ.

Для длительностей импульса τ, например, от примерно 1 мс до 10 мс, пористая среда 210 желательно имеет толщину, превышающую 0,1 мм.

Преимущественно пористая среда 210 имеет достаточную гидрофильность по отношению к жидкой среде и пористость, чтобы гарантировать высокую скорость повторного заполнения жидкостью при толщине D_м в течение времени задержки δ после каждого импульса серии импульсов. Эта характеристика полезна для предотвращения образования слоя Лейденфроста.

Пористая гидрофильная среда 210 желательно имеет пористость или долю пустот, по меньшей мере, 70-90% с диаметром пор в диапазоне от примерно 1 мкм до 10 мкм, чтобы способствовать капиллярному потоку и быстрой скорости заправки. Среда 210 должна быть стабильной при высокой температуре и обеспечивать скорость прохождения жидкости нпо крайней мере 3 мкл/мм²с, выдерживая давление не менее 0,3 г/мм² для сохранения целостности в присутствии горячих газов из микросопел 110. Пористая среда 210 удерживает жидкость из-за капиллярных сил, но высвобождает жидкость при нагревании листом 102 из-за результирующего падения вязкости жидкости и капиллярных сил. Для этих целей пористая среда 210 может быть сформирована, например, в виде микроволоконной матрицы состоящей из устойчивых к высоким температурам волокон боросиликата или кварцевого стекла толщиной 0,5-1 микрон, имеющей вес порядка 100 г/м². Матрица из микроволокна имеет толщину, превышающую 0,3 мм и механическую стабильность при давлении 0,5 пси, подобно фильтрам из стеклянного или кварцевого волокна, которые известны в данной области техники. Такие фильтры обычно имеют более высокую скорость потока жидкости, чем хлопок. Чтобы избежать чрезмерного противодавления при высоких скоростях прохождения жидкости, толщина пористой среды 210 обычно не превышает примерно 1 мм.

В другом варианте осуществления пористая среда 210 может активно управлять подачей жидкости, используя электрически активируемые изменения вязкости жидкости и поверхностного натяжения, например, путем предварительного нагрева или электросмачивания, таким образом изменяя капиллярные силы, удерживая жидкость в среде 210. При этом пористая среда может быть изготовлена из электропроводящего стекловолокна.

На Фиг. 6 показано устройство 600 для генерации аэрозоля, например, используемое в качестве электронной сигареты или аналогичный по функциям тип устройства для вейпинга, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Устройство 600 для генерации аэрозоля может содержать по меньшей мере один нагревательный элемент, например, в форме проводящего листа 102, как в описанных выше нагревательных элементах 100, 300, 302, 304 или 306. Лист 102 заключен в корпус 602, содержащий, по меньшей мере, один воздуховод 604, содержащий нагревательный элемент. Воздуховод содержит, по меньшей мере, один воздухозаборник 606 и одно выходное отверстие 608 для воздуха из корпуса, обеспечивающее поступление окружающего воздуха от воздухозаборника 606 к проводящей пластине 102. Окружающий воздух течет по второй поверхности 106, способствуя образованию там аэрозоля и доставляя аэрозоль к выходному отверстию 608. Воздуховод 604 не обязательно является отдельным элементом, а скорее может быть ограничен одной или несколькими воздухопроницаемыми частями внутри корпуса, позволяющими воздуху течь от воздухозаборника 606 к выходному отверстию 608.

Устройство 600 может дополнительно содержать импульсный блок электропитания 612, который может содержать батарею, подключенную электрическими выводами 404 к проводящему листу 102. Устройство 600 также содержит резервуар с контейнером 614 для хранения жидкой смеси для аеролизации, гидравлически связанным с нагревательным элементом. В варианте осуществления, показанном на фиг. 6, источник жидкости в виде блока 614 хранения со средством транспортировки жидкости расположен под листом 102. В других возможных вариантах осуществления блок хранения жидкости может быть интегрирован в корпус 602 в форма коаксиального резервуара вокруг листа 102, в то время как доступная область под листом 102 может использоваться для батареи блока электропитания 612.

В одном варианте осуществления воздуховод 604 включает в себя по меньшей мере одно воздушное сопло 616 для создания турбулентности на выходе из воздушного сопла 616 и направления турбулентного воздушного потока на и/или над второй поверхностью 106 листа 102. Этот турбулентный поток способствует интенсивному перемешиванию воздуха над нагревательным элементом и, следовательно, интенсивному образованию аэрозолей. Скорость воздушного потока из сопла 616 предпочтительно может превышать 1 м/с. Например, сопло 616 может быть выполнено вместе с пластмассовым корпусом 602, например, с использованием литья под давлением. Желательно, чтобы участок воздуховода 604 от листа 102 до выходное отверстия 608 поддерживал ламинарный поток воздуха для предотвращения повторной конденсации аэрозоля в жидкость на стенках воздуховода 604.

В некоторых вариантах реализации для уменьшения остаточного теплового потока от нагревательного элемента воздуховод 604 может включать в себя по меньшей мере один теплоотводящий элемент 618, например, в виде закрепленного на штифтах радиатора или извилистой секции воздуховода 604. Теплоотводящий элемент может содержать керамическое основание с высокой теплопроводностью, соединенное с листом 102. Время теплового отклика теплоотводящего элемента может быть преимущественно намного больше, чем длительность импульса τ, чтобы отводить остаточное тепло без влияния на пиковую температуру нагрева.

На Фиг. 7 представлена принципиальная электрическая схема блока 612 электропитания устройства 600 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Блок электропитания 612 может включать в себя выходную цепь с гальванической развязкой, аналогично применяемой в медицинских устройствах. В изображенном варианте осуществления блок 612 электропитания содержит обратноходовой преобразователь 702, использующий изолирующий трансформатор 700 для отделения электрического выхода 706, который подключен через электрические выводы 708 к проводящему листу, от входа 704, который питается от основного источника питания, например, преобразователя переменного тока в постоянный или аккумуляторной батареи. Гальванически изолированный интерфейс позволяет безопасно использовать большую мощность для получения интенсивного аэрозольного выхода при сохранении емкости аккумулятора. Чтобы запитать нагревательный элемент 102, используя импульсы с длительностью τ и задержкой δ, контроллер 710 частоты обратноходового преобразователя 702 обеспечивает модуляцию частоты переключения и рабочего цикла.

На Фиг. 8А показан плоский сменный нагревательный элемент 800, содержащий плоский проводящий лист 102, который может быть аналогичен листу, показанному на Фиг. 1 и Фиг. 3С, вместе с насыщенной жидкостью пористой средой 210. Эти элементы зажаты в подложке 802 с электрическими выводами 404. Сменный нагревательный элемент 800 может включать в себя контейнер 614 для хранения жидкости, который может быть заполняемым или одноразовым.

Если пористая среда 210 мягкая, как например среда из стеклянных микроволокон, она может поддерживаться дополнительным поддерживающим сетчатым слоем 804, изготовленным из механически стабильного гидрофильного (по отношению к составу жидкой среды) материала, например, поликарбоната, полиэтилентерефталата (ПЭТ) или полиэфирэфиркетона (ПЭЭК), или из керамики, стекла или композитного материала. Фиксация пористой среды 210 сетчатым слоем 804 предотвращает отслоение среды 210 от листа 102 из-за резкого повышения давления газа внутри микросопел 110 при каждом нагреве импульсным нагревом.

Для управления рабочими параметрами сменный блок 800 может включать в себя датчик, например датчик 806 температуры. Подложка 8 02 может быть подложкой DBC (медь с прямым соединением) с выводами 808, как на печатной плате. Контейнер 614 для хранения жидкости может быть отлит под давлением из подходящего пластика.

На Фиг. 8В показан цилиндрический сменный нагревательный элемент 810, в котором проводящий лист 102 изогнут в цилиндрическую форму, например, как в нагревательном элементе 300, показанном на Фиг. 3А. В этом варианте осуществления жидкая среда подается из коаксиального цилиндрического конейнера 614 для хранения жидкости, расположенного за пределами цилиндрического листа 102, через коаксиальную насыщенную жидкостью пористую среду 210, а также коаксиальный поддерживающий слой 804. Микросопла 110 расположены так, чтобы создают струи пара во внутреннем радиальном направлении к оси цилиндрического листа 102.

В другом варианте осуществления (не показан на фигурах) блок хранения жидкости, пористая среда и поддерживающий слой могут быть расположены внутри цилиндрического проводящего листа, таким образом подавая жидкость изнутри нагревательного тела. В этом случае микросопла создают струи пара в радиальном направлении наружу, от оси цилиндрического нагревательного тела.

Фиг. 9 представляет собой схематический график импульсов, применяемых в устройстве для аэрозолизации, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Для получения аэрозоля величина I_м тока, обеспечиваемого блоком электропитания 612 в каждом импульсе 652, имеющем длительность τ, достаточно высока, так что температура 654 жидкости на границе с проводящим листом 102 преимущественно циклирует вместе с импульсами мощности 652 в диапазоне температур ниже точки кипения Т_в и точки Лейденфроста T_L. В этом диапазоне температур жидкая среда закипает в зародышевых и переходных областях кривой 656 кипения жидкости, обеспечивая, таким образом, наивысший критический поток мощности F_м от нагревательного элемента в жидкость и наиболее интенсивную вапоризацию V_м 658 до состояния насыщенных паров. Например поток мощности, определяемый электрическим током, составляет 1-10 Вт/мм² для вапоризации слоя композиции на основе глицерина, имеющей толщину от 0,01 мм до 0,1 мм, за время меньше или примерно 10 мс. Длительность импульса τ выбирается достаточно большой для вапоризации нагретой жидкой смеси. Длительность импульса мощности τ предварительно устанавливается не больше времени, необходимого для нагрева и вапоризации жидкого слоя, прилегающего к проводящему листу, до толщины порядка длины термодиффузии D_м в жидкой среде или пористой среде 210 определяемой как

Желательно, чтобы временная задержка δ между последовательными импульсами 652 мощности была не меньше времени, необходимого для пополнения вапоризованной жидкости в области пористой среды 210, насыщенной жидкостью, прилегающей к границе раздела с первой поверхностью проводящего листа 102, у отверстия впрыска 200. Кроме того, предпочтительно, чтобы задержка по времени δ коррелировала с размером D_N микросопел 110 через условие чтобы избежать переохлаждения жидкости в микросоплах 110. Например, временная задержка δ может быть порядка длительности τ импульса.

Следует понимать, что варианты осуществления, описанные выше, приведены в качестве примера, и что настоящее изобретение не ограничивается тем, что конкретно было показано и описано выше. Скорее, объем настоящего изобретения включает как комбинации, так и субкомбинации различных признаков, описанных выше, а также их вариации и модификации, которые могут возникнуть у специалистов в данной области после прочтения предшествующего описания и которые не раскрыты в предшествующем уровне техники.

Группа изобретений относится к вапоризационным устройствам с подогревом и, в частности, к электрически резистивным нагревателям для вапоризации жидкостей с целью получения вдыхаемых аэрозолей. Устройство генерации аэрозоля содержит нагревательный элемент, содержащий лист электропроводящего материала, имеющий первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности, и содержащий множество каналов, расположенных в области листа и проходящих через лист от первой поверхности к второй поверхности, при этом каналы выполнены в виде микросопел для формирования направленных ускоренных потоков пара жидкой среды с образованием струй пара. Микросопла представляют собой оформленные микрополости или структуры, выполненные в материале листа. Материал листа включает сильнолегированный кремний, имеющий удельное электрическое сопротивление не более 0,01 Ом⋅см. Микросопла имеют усеченную конусообразную форму, характеризующуюся постоянным или изменяющимся вдоль оси углом раскрыва конуса, или форму сопла, содержащего сужение, переходящее в расширение. По крайней мере в нагревательном элементе, или сменном блоке, или блоке питания расположен датчик температуры. В ответ на выходной сигнал датчика температуры управляют по меньшей мере одним параметром последовательности импульсов блока питания. Нагревательный элемент выполнен с возможностью равномерного резистивного нагревания в импульсном режиме. Параметры последовательности импульсов блока питания согласуют с временем тепловой релаксации нагревательного элемента во временном диапазоне от 0,1 до 100 мс для импульсного нагревания нагревательным элементом жидкой среды с инициированием струй пара, способствующих увеличению концентрации аэрозоля. Жидкую среду нагревают до температуры не выше точки Лейденфроста. Нагревательный элемент заключен в корпус, содержащий воздуховод, через который отводят тепло путем направления воздушного потока. Сменный блок, содержащий нагревательный элемент, пористую среду, а также заполняемый или одноразовый контейнер заменяют. Микросопла выполняют путем микрообработки материала листа лазером или с использованием фотолитографии с последующим глубоким травлением. В листе из фольги микросопла выполняют микроформованием или микропробоем. Обеспечивается формирование аэрозоля высокой плотности при значительно сниженных уровнях риска здоровью, а также более стандартизованное менее затратное производство. 8 н. и 34 з.п. ф-лы, 18 ил., 4 табл.

1. Устройство генерации аэрозоля, содержащее нагревательный элемент, содержащий лист электропроводящего материала, имеющий первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности, и содержащий множество каналов, расположенных в области листа и проходящих через лист от первой поверхности к второй поверхности, при этом каналы выполнены в виде микросопел для формирования направленных ускоренных потоков пара жидкой среды с образованием струй пара.

2. Устройство по п. 1, при этом микросопла имеют усеченную конусообразную форму, характеризующуюся постоянным или изменяющимся вдоль оси углом раскрыва конуса, или форму сопла, содержащего сужение, переходящее в расширение.

3. Устройство по п. 1, при этом микросопла представляют собой оформленные микрополости или структуры, выполненные в материале листа.

4. Устройство по п. 1, при этом нагревательный элемент выполнен с возможностью импульсного нагревания.

5. Устройство по п. 1, при этом диаметр микросопел не превышает 0,2 мм при длине микросопел менее 1 мм.

6. Устройство по п. 1, при этом лист выполнен из такого материала, как металл, сплав, проводящее стекло, композит, керамика или полупроводник, предпочтительно сильнолегированный монокристаллический, поликристаллический или аморфный кремний n- или p-типа, предпочтительно легированный фосфором, имеющего, при этом, удельное электрическое сопротивление не более 0,01 Ом⋅см и температуропроводность не менее 4,2 мм²/c.

7. Устройство по п. 1, при этом толщина листа не превышает 1 мм, а толщина нагревательного элемента равна или превышает толщину листа.

8. Устройство по п. 1, при этом длина микросопел превышает толщину листа.

9. Устройство по п. 1, при этом лист выполнен в виде фольги.

10. Устройство по п. 1, при этом множество микросопел выполнено в виде массива равномерно распределенных идентичных микросопел.

11. Устройство по п. 1, при этом область листа, в которой расположено множество микросопел, имеет плоскую или изогнутую форму.

12. Устройство по п. 1, при этом микросопла проходят перпендикулярно листу или вдоль листа.

13. Устройство по п. 1, при этом лист выполнен с возможностью размещения датчика температуры или образования датчика температуры.

14. Устройство по п. 1, при этом лист содержит содержащие металл или допант электроконтактные площадки, в которых контактное сопротивление меньше, чем вне электроконтактных площадок на листе.

15. Устройство по п. 14, при этом в электрических контактах выполнены сферические или конусообразные микроформы, образующие массив микропятен диаметром от 0,01 до 0,1 мм, отстоящие друг от друга на расстоянии, превышающем диаметр микропятен.

16. Устройство по п. 14, при этом в электрических контактах выполнены вырезы на поверхности листа для сопряжения с электрическими выводами, тело которых ограничено цилиндрической поверхностью в месте сопряжения, имеющего вид по крайней мере одной полосы, шириной не более 0,1 мм, отстоящих друг от друга на расстоянии, превышающем ширину полос.

17. Устройство по п. 14, при этом область листа, в которой расположены электроконтактные площадки, имеет плоскую или изогнутую форму.

18. Устройство по п. 1, также содержащее резервуар для содержания жидкой среды, содержащий контейнер для хранения жидкой среды.

19. Устройство по п. 18, при этом резервуар содержит гидрофильную пористую среду, содержащую сопряженный с первой поверхностью листа слой гидрофильного волокнистого пористого материала, частично заполняющего отверстие впрыска микросопел, выполненный в одном узле с листом с возможностью подавления роста пузырей во время вапоризации в области сопряжения.

20. Устройство по п. 19, в котором толщина слоя гидрофильного волокнистого пористого материала составляет от 0,1 до 1 мм, а размер пор меньше размера отверстия впрыска микросопел и толщины стенки между микросоплами.

21. Устройство по п. 19, при этом резервуар содержит сетчатый слой из механически стабильного материала, поддерживающий пористую среду, выполненный с возможностью предотвращения отслоения пористой среды от листа.

22. Устройство по п. 19, при этом узел выполнен в виде сменного блока плоской или цилиндрической формы, также содержащего заполняемый или одноразовый контейнер.

23. Устройство по п. 19, при этом пористая среда выполнена с возможностью регулирования проходящего через пористую среду потока жидкой среды.

24. Устройство по одному из пп. 18-23, также содержащее блок питания, выполненный для подачи электрического тока через область листа в форме импульсов, и согласования по крайней мере одного параметра последовательности импульсов с временем термической релаксации нагревательного элемента для импульсного нагревания нагревательного элемента.

25. Устройство по п. 24, при этом блок электропитания содержит электрические выводы, выполненные с возможностью прижатия к электропроводящему листу давлением, превышающим 1 Н/мм², тело которых ограничено цилиндрической поверхностью в месте прижатия к листу.

26. Устройство по п. 25, при этом электрические выводы выполнены пружинящими с возможностью зажатия и растягивания электропроводящего листа, выполненного в виде фольги.

27. Устройство по п. 24, при этом по крайней мере один параметр последовательности импульсов блока питания и время термической релаксации нагревательного элемента взаимно согласованы в диапазоне длительности импульсов и задержки импульсов от 0,1 до 100 мс для импульсного нагревания нагревательного элемента.

28. Устройство по п. 24, также содержащее датчики температуры, расположенные по крайней мере в нагревательном элементе или сменном узле или блоке питания, при этом блок питания выполнен с возможностью управления по меньшей мере одним параметром последовательности импульсов в ответ на выходной сигнал датчика температуры.

29. Устройство по п. 24, в котором нагревательный элемент заключен в корпус, содержащий воздуховод, содержащий по меньшей мере один теплоотводящий элемент, выполненный в виде извилистой секции воздуховода.

30. Устройство по п. 29, в котором воздуховод содержит по меньшей мере одно воздушное сопло для разгона потока воздуха и придания потоку воздуха направления на и/или над второй поверхностью листа.

31. Устройство по п. 29, в котором воздуховод содержит участок, выполненный с возможностью поддержания ламинарного воздушного потока.

32. Устройство по п. 24, при этом выход блока электропитания гальванически изолирован.

33. Способ генерации аэрозоля, содержащий: обеспечение устройством по п. 24; приведение жидкой среды в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента; введение импульсов электрического тока в нагревательный элемент для инициирования струй пара жидкой среды; а также установление параметров импульсов в диапазоне длительности импульсов и задержки импульсов от 0,1 до 100 мс для импульсного нагревания нагревательного элемента.

34. Способ генерации аэрозоля, содержащий: обеспечение устройством по п. 24, содержащим сменный блок по п. 22; приведение жидкой среды в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента; введение импульсов электрического тока в нагревательный элемент для инициирования струй пара жидкой среды; а также замену сменного блока.

35. Способ генерации аэрозоля, содержащий: обеспечение устройством по п. 27; приведение жидкой среды в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента; введение импульсов электрического тока в нагревательный элемент для инициирования струй пара жидкой среды.

36. Способ по п. 35 при этом длительность импульсов не превышает время нагрева жидкой среды, прилегающей к первой поверхности листа, до точки Лейденфроста жидкой среды, а длительность задержки превышает время пополнения вапоризованной жидкой среды.

37. Способ генерации аэрозоля, содержащий: обеспечение устройством по п. 28; приведение жидкой среды в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента; введение импульсов электрического тока в нагревательный элемент для инициирования струй пара жидкой среды; а также управление импульсной энергией в ответ на выход датчика температуры.

38. Способ генерации аэрозоля, содержащий: обеспечение устройством по одному из пп. 29-31; приведение жидкой среды в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента; введение импульсов электрического тока в нагревательный элемент для инициирования струй пара жидкой среды; а также направление воздушного потока через воздуховод.

39. Способ по одному из пп. 34, 37, 38, также содержащий установление по крайней мере одного параметра последовательности импульсов в диапазоне длительности импульсов и задержки импульсов от 0,1 до 100 мс для импульсного нагревания нагревательного элемента.

40. Способ изготовления нагревательного элемента устройства генерации аэрозоля по п. 6, содержащий: обеспечение листом из материала по п. 6; выполнение микросопел микрообработкой материала листа лазером или с использованием фотолитографии с последующим глубоким травлением материала листа.

41. Способ по п. 40, в котором лист скомпонован из двух пластин или подложек.

42. Способ изготовления нагревательного элемента устройства генерации аэрозоля по п. 9, содержащий: обеспечение металлическим листом по п. 9; выполнение микросопел в листе микроформованием или микропробоем.