СПОСОБ НАГРЕВА КУРИТЕЛЬНОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК A24F1/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам нагрева курительной смеси, как табакосодержащих, так и других органических смесей, а также к устройствам его осуществления. Способ и устройство могут быть реализованы, в частности, при нагреве курительной смеси в традиционных кальянных системах.

Уровень техники

С точки зрения физики курение ароматической смеси (в т.ч. табакосодержащей) при использовании кальяна является сложным многофазным процессом, включающим в себя множество этапов.

В течение фазы прогрева курительной смеси, а также в процессе курения, в кальяне имеют место следующие процессы:

• кондуктивная передача тепла от устройства нагрева к стенке чаши с курительной смесью;

• кондуктивная передача тепла от чаши к непосредственно курительной смеси;

• теплопередача (как излучением, так и конвекцией) от нижней части устройства нагрева к поверхности курительной смеси;

• сброс тепла во внешнюю среду от поверхности устройства нагрева за счет конвекции (в большей степени) и излучения (в меньшей степени);

• сброс тепла от чаши во внешнюю среду за счет конвекции (в большей степени) и излучения (в меньшей степени).

Непосредственно в процессе курения добавляются следующие процессы:

• создание разряжения в колбе за счет силы легких пользователя при затяжке;

• течение воздуха через аэродинамический канал кальяна, обусловленное созданием разрежения при затяжке;

• нагрев поступающего из внешнего пространства воздуха при прохождении через устройство нагрева;

• нагрев воздухом курительной смеси и внутренней поверхности чаши кальяна;

• испарение компонентов курительной смеси и их унос в направленном потоке воздуха через аэродинамический канал кальяна;

• конденсация паров компонентов курительной смеси в процессе смешения и охлаждения потоков воздуха (как по мере продвижения в шахте кальяна, так и в процессе барботирования через жидкость);

• поступление порции воздуха, содержащей смесь парообразных и конденсированных (в виде тумана) частиц в легкие курильщика;

• выдыхание смеси парообразных и конденсированных частиц.

Для успешного качественного курения устройство нагрева курительной смеси должно обеспечивать процесс курения всеми ресурсами, необходимыми для протекания процесса курения в каждой его фазе.

При курении традиционного кальяна в качестве источника тепла (нагретого тела) в системе, выступает, как правило, один или несколько тлеющих брикетов плотного кокосового угля, размещаемых в специализированном устройстве нагрева (калауде) или на слое фольги с перфорацией, непосредственно устанавливаемых на чаше с курительной смесью. Поскольку в процессе затяжки скорость протекания воздушных потоков вокруг углей увеличивается, это приводит к повышению скорости их горения, что сопровождается интенсивным выделением тепла и, тем самым, к нагреву проходящего рядом с углями воздуха. Причём скорость окисления будет зависеть как от организации каналов протекания воздуха между углями, так и от скорости протекания воздуха (что обусловлено интенсивностью затяжки). При этом, сторона угля, которая непосредственно контактирует с поверхностью калауда (дном) практически не имеет притока воздуха, и, соответственно, окисляется (сгорает) значительно медленнее, сохраняясь в течение всего процесса курения и образуя, своего рода, естественный термобарьер между зоной горения/тления (боковой поверхностью угля) и поверхностью калауда.

Кроме того, традиционные конструкции калауда выполнены таким образом, что их дно и боковые стенки имеют значительную площадь контакта в местах соединения, и как следствие, высокую кондуктивную теплопроводность. Такое решение позволяет обеспечить определенный баланс между теплом, поступающим ко дну калауда от лежащих на нем углей и сбрасываемым в окружающее пространство теплом от стенок калауда, которые в данном случае выполняют функцию радиатора. Данный баланс, как правило, достигается при температурах дна калауда в диапазоне от 230°С до 290°С (в зависимости от количества размещенных в калауде углей и конструкции калауда). Оптимальная температура определяется пользователем в процессе курения на основании вкусового восприятия и может зависеть от предпочтений пользователя и от свойств курительной смеси.

В процессе курения, когда интенсивность выделения тепла от углей увеличивается, дополнительное охлаждение дна калауда осуществляется за счет обтекания холодным воздухом участков поверхности дна через специально выполненные зазоры между стенкой калауда и дном. Таким образом, конструкция калауда и особенности протекания процесса окисления углей на калауде позволяют осуществлять курение смеси, управляемо нагревая ее и не допуская ее горения вследствие перегрева.

Другим важным аспектом процесса курения является распределение молекул поступающего в чашу с курительной смесью воздуха по энергиям, которое обеспечивается продуманной геометрией каналов для смешения потоков нагретого от углей и холодного (поступающего в зазор между дном и стенками калауда) воздуха. Из физики известно, что процесс испарения вещества имеет вероятностную природу и определяется вероятностью сообщения молекуле испаряемого вещества энергии, превышающей величину энергии активации испарения (или энергии активации десорбции в случае десорбции с поверхности иного материала).

В силу того, что основным компонентом курительной смеси, определяющей ее дымность является, как правило, глицерин (температура кипения 290°С, удельная теплота испарения 1,26*10^-19 Дж/молекулу), но при этом смеси содержат сахара (патоку), интенсивное окисление которых начинается при температуре 234°С (глюкоза), особенностью поступающего в чашу с курительной смесью потока воздуха должна являться существенная неоднородность температуры воздуха для отдельный составляющих потока.

В поступающей смеси воздуха должны присутствовать «горячие» молекулы (присутствие которых маловероятно для гомогенизированного относительно температуры потоку воздуха), способные передать молекулам глицерина достаточное количество энергии для их испарения, при этом средняя температура смеси потоков воздуха должна быть на уровне 200°С – 230°С, чтобы препятствовать процессу окисления компонентов смеси. В традиционном калауде такое сочетание температур отдельных составляющих потока воздуха, поступающего в чашу с курительной смесью, реализуется за счет контакта потоков горячего воздуха, нагретого от поверхности углей, и холодного, поступающего через боковые щели между стенкой калауда и дном, непосредственно в отверстии входа воздуха в чашу с курительной смесью. Вследствие такой реализации потоки воздуха не успевают перемешаться и обладают требуемой температурной неоднородностью. Такая неоднородность позволяет обеспечить эффективное испарение глицерина и ароматических компонентов курительной смеси, а в результате дальнейшего перемешивания и гомогенизации температуры потока в процессе движения воздуха по шахте кальяна обеспечить конденсацию паров глицерина в туман (дым).

Таким образом, традиционный калауд и кокосовый уголь являются примером саморегулирующейся системы поддержания требуемой температуры нагрева курительной смеси и обеспечения требуемой температурной неоднородности потоков подводимого к курительной смеси воздуха. Главным недостатком курения кальяна с использованием угля является значительное выделение CO₂ и CO в процессе курения, что может оказывать негативное влияние на курильщика. Данных недостатков лишены известные системы электрического нагрева курительной смеси.

Например, известно устройство, описанное в патенте № 187422 «Устройство для нагрева табакосодержащей курительной смеси в чаше кальяна». Устройство для нагрева табакосодержащей курительной смеси в чаше кальяна содержит корпус, который выполнен в виде пустотелого цилиндрического или призматического тела, на боковой поверхности которого по периметру с внешней стороны размещены цилиндрические отсеки-ячейки для автономных источников питания, продольная ось которых параллельна продольной оси корпуса, и снабжен ромашкообразной крышкой, по периметру которой расположены лепестковые выступы - крышечки для соответствующих отсеков-ячеек, а нагревательный элемент выполнен в виде пластины из материала с высокой теплопроводностью со сквозными отверстиями, прикрепленной снизу к нижней части корпуса посредством стержневых держателей с образованием воздушного зазора, в теле которой выполнены внутренние радиальные полости, в которых установлен, по меньшей мере, один электрический нагреватель. В верхней части корпуса расположен блок питания и управления, к которому подключены электрические контакты отсеков-ячеек для автономных источников питания и электрический нагреватель.

Ближайшим аналогом заявленного технического устройства и способа, реализуемого при его использовании, является изобретение по патенту RU № 2 767 010 «Устройство для нагрева курительной смеси в чаше кальяна». Изобретение относится к нагревательному устройству и может быть использовано для нагрева курительных смесей, в частности содержащих табак, в традиционных кальянах. Устройство для нагрева курительной смеси в чаше кальяна содержит корпус, состоящий из верхней части, имеющей, по крайней мере, одно впускное отверстие и нижней части, имеющей, по крайней мере, одно выпускное отверстие. Между частями корпуса имеется, по крайней мере, одно продувочное отверстие. В верхней части корпуса имеется нагреватель, обеспечивающий нагрев, поступающего в чашу воздуха, имеющий, по крайней мере, одно, продувочное отверстие. В нижней части корпуса имеется нагреватель, располагающийся над чашею с курительной смесью и обеспечивающий ее нагрев. Нагреватель имеет блок управления нагревателями, связанный с источником питания. Достигается эффективный нагрев курительной смеси в чаше кальяна и соответственно эффективное формирование газовой смеси в кальяне, что позволяет оптимизировать процесс курения кальяна.

Недостатком представленного изобретения является отсутствие обусловленного конструкцией механизма обеспечения стабилизации температуры дна устройства для нагрева курительной смеси, которое может быть реализовано либо за счет ограничения подводимой к источнику нагрева дна устройства энергии, при использовании сигнала обратной связи, например за счет передачи сигнала от термочувствительного элемента к блоку управления, либо посредством сброса избыточно подводимого тепла в окружающую среду за счет балансировки подводимой энергии с величиной сбрасываемого тепла в окружающее пространство. Другим недостатком представленной конструкции является схема подачи в чашу с курительной смесью потока воздуха через единый канал нагрева (впускное отверстие) и последующее прохождение потока через серию отверстий между секциями корпуса. Такое решение позволяет обеспечить эффективный нагрев поступающего в чашу потока воздуха и, как следствие, интенсификацию выпаривания ароматизатора курительной смеси, однако приводит к гомогенизации потоков воздуха по температуре, в связи с чем не обеспечиваются условия для последующей эффективной конденсации паров глицерина в туман, что приводит к снижению плотности тумана (низкой концентрации конденсированных частиц в объеме вдыхаемого в процессе затяжки воздуха).

Раскрытие изобретения

Технический результат заключается в повышении стабильности нагрева курительной смеси в чаше, и как следствие, в увеличении длительности курения, улучшению вкусовых характеристик за счет более качественной отдачи вкуса от курительной смеси при указанном способе нагрева, в повышении дымности процесса курения.

Технический результат достигается обеспечением требуемой температурной стабилизации поверхности курительной смеси и подачи потоков воздуха с требуемой средней температурой и температурной неоднородностью, а также конструкцией устройства, а именно тем, что устройство состоит из трех основных элементов: термостабилизируемого дна устройства, нагревательного элемента для нагрева подводимого воздуха, (представляющего собой открытую спираль или радиатор с присоединенным к нему нагревательным элементом, нагревающего подводимый воздух в процессе затяжки), кожуха, содержащего каналы подвода холодного воздуха и – что позволяет разделить процесс нагревания на два этапа и сделать его более устойчивым.

Конструкция устройства представлена на Фиг.1. Заявленное устройство состоит из термостабилизируемого дна (1), кожуха (2) и нагревательного элемента (3) для нагрева подводимого воздуха. Дно (1) представляет собой плоскую деталь, непосредственно устанавливаемую на чашу (4) с курительной смесью (5), к которой присоединен нагревательный элемент – ТЭН или плоский нагревательный элемент (6) и датчик температуры (7). В качестве датчика температуры (7) может быть использована термопара (реализация датчика путем измерения термоЭДС термочувствительного элемента), терморезистор (реализация датчика путем измерения электросопротивления термочувствительного элемента), а также сам нагреватель донышка (реализация датчика путем измерения электросопротивления материала встроенного нагревательного элемента), если изменение его сопротивления в процессе нагрева позволяет судить о температуре с погрешностью не более 10°С. В дне выполнены отверстия (8), предназначенные для пропуска нагретого воздуха во внутренний объем чаши, содержащей курительную смесь, в процессе затяжки. Кожух (2) представляет собой цилиндрическую деталь, функцией которой является удержание нагревательного элемента для нагрева воздуха на заданном расстоянии от поверхности донышка, которое функционально обусловлено необходимостью термической развязки между собой нагревательного элемента и донышка, и составляет не менее 0,5 мм над поверхностью дна. Кожух может иметь отверстия на боковой стороне (9) или быть установлен на донышко с некоторым, обусловленным конструкцией, зазором, чтобы обеспечивать смешение горячего воздуха, прошедшего через нагревательный элемент для нагрева подводимого воздуха и холодного воздуха, поступающих через боковые отверстия или через зазор между донышком и кожухом. Нагревательный элемент (3) для нагрева подводимого воздуха представляет собой открытую спираль из термостойкого металла или сплава, удельное электрическое сопротивление которого составляет не менее 0,1*10-6 Ом*м, (например, из нихрома) или радиатор, теплопроводность которого составляет не менее 30 Вт/(м*°С), с присоединенным к нему нагревательным элементом – ТЭНом или плоским нагревательным элементом. Время, необходимое для достижения нагревательным элементом рабочего режима не превышает 30 секунд. Функцией нагревательного элемента для нагрева подводимого воздуха является интенсивный нагрев части воздуха поступающего через отверстия донышка в чашу с курительной смесью в процессе затяжки до температуры, способной инициировать интенсивное испарение глицерина с поверхности предварительно прогретой курительной смеси. Также в устройстве имеется блок управления нагревателями, связанный с датчиком температуры дна устройства нагрева курительной смеси и источником питания, который обеспечивает подачу электрической энергии от источника питания нагревательным элементам устройства нагрева курительной смеси.

Процесс курения кальяна можно условно разделить на две фазы: подготовительная фаза, заключающаяся в прогреве чаши и курительной смеси, и основная фаза – непосредственно процесс курения. Конструкция устройства, при использовании заявленного способа нагрева, с учетом временных и мощностных характеристик, позволяет осуществить эффективный нагрев во время протекания обеих фаз. В процессе курения имеется возможность регулировки температуры дна устройства нагрева курительной смеси и мощности, подводимой к нагревательному элементу для нагрева подводимого воздуха в зависимости от предпочтительной температуры курения конкретной курительной смеси, а также предпочтений пользователя по интенсивности курения.

За счет предложенной конструкции нагревателя курительной смеси в чаше кальяна, благодаря наличию нагревательного элемента для нагрева подводимого в чашу воздуха, каналов подвода холодного воздуха минуя верхний нагреватель, термостабилизируемого дна с нагревателем и датчиком температуры, достигается повышение точности стабилизации температуры курительной смеси до погрешности не более 15°С в чаше кальяна и подвод термически неоднородной смеси воздуха в чашу, содержащую курительную смесь, что позволяет эффективно осуществлять формирование газовой смеси для испарения компонентов курительной смеси с последующим интенсивным туманообразованием (дымом), и обеспечить высокую продолжительность курения с оптимальными органолептическими характеристиками процесса.

Осуществление изобретения

В предпочтительном варианте осуществления заявленное устройство состоит из термостабилизируемого дна (1) со встроенным плоским нагревательным элементом (6) и датчик температуры (7), при этом в дне есть сквозные отверстия (8) для прохода воздуха в чашу (4) с курительной смесью (5), из кожуха (2), обеспечивающего удержание нагревательного элемента для нагрева подводимого воздуха на заданном расстоянии от термостабилизированного дна (1), содержащего обусловленные конструкцией отверстия (8), которые обеспечивают поступление воздуха в отверстия дна для прохода воздуха в чашу с курительной смесью минуя нагревательный элемент (3) для нагрева подводимого воздуха (3), и из нагревательного элемента (3) для нагрева подводимого воздуха, представляющего собой открытую спираль из нихрома.

Способ нагрева курительной смеси при использовании заявленного устройства выглядит следующим образом.

На первой фазе реализуются следующие действия:

1) Пользователь устанавливает устройство для нагрева на чашу (4) с курительной смесью (5) и включает его на нагрев, используя блок управления, связанный с источником питания.

2) Устройство выходит на установленный пользователем посредством использования блока управления рабочий температурный режим для дна – от 200℃ до 300℃ в зависимости от типа чаши и типа курительной смеси.

3) После выхода дна устройства на рабочий температурный режим устройство прогревает чашку (4) с курительной смесью (5) в течение не менее чем 1 минуты.

4) По завершению прогрева чаши включается нагревательный элемент (3) для нагрева подводимого воздуха и вывода элемента на рабочий режим.

5) После выхода нагревательного элемента (3) для нагрева подводимого воздуха на рабочий режим система готова к процессу курения. В апробированном варианте выход нагревательного элемента на рабочий режим достигается через 15 секунд после включения.

Вторая фаза курения заключается в поддержании устройством для нагрева курительной смеси условий, необходимых для стабильного курения смеси пользователем. При этом устройство обеспечивает подачу установленной мощности к нагревательному элементу (3) для нагрева подводимого воздуха и поддерживает квазистационарный температурный режим дна (1) устройства нагрева курительной смеси или отрабатывает изменения температурного режима дна устройства для нагрева курительной смеси или мощности, подводимой к нагревательному элемент для нагрева подводимого воздуха, инициированные пользователем за счет применения блока управления. На данной фазе пользователь имеет возможность применения классического способа курения кальяна, при этом заявленный технический эффект будет достигнут за счет конструкции устройства и способа его применения с учетом временных и мощностных характеристик.

По завершению курения пользователь отключает устройство используя блок управления, выполнение каких-либо специальных действий для завершения процедуры курения не требуется.

Группа изобретений относится к способу нагрева курительной смеси и способу ее осуществления. Способ нагрева курительной смеси заключается в установке на чашу кальяна устройства нагрева курительной смеси с возможностью обеспечения термостабилизации чаши и курительной смеси и подачи термически неоднородной смеси, состоящего из дна со встроенным нагревательным элементом и датчиком температуры, содержащего по меньшей мере одно отверстие для пропускания потоков воздуха в чашу с курительной смесью, нагревательного элемента, с теплоотдачей, способной обеспечить нагрев поступающего воздуха, расположенного на заданном расстоянии от дна, кожуха, являющегося корпусом цилиндрической формы, содержащего по меньшей мере одно отверстие для пропуска воздуха к нагревательному элементу и по меньшей мере одно отверстие для пропуска воздуха, минуя нагревательный элемент, а также блока управления, связанного с источником электропитания; установке рабочего температурного режима в диапазоне от 200°С до 300°С на чашу кальяна, с последующим включением его на нагрев путем использования блока управления; прогреве чаши с курительной смесью в течение не менее чем 1 минуты, по истечении которой происходит включение нагревательного элемента и достижение им рабочего режима не более чем через 30 секунд; поддержании квазистационарного температурного режима либо изменении режима на основе команды, инициированной пользователем. Технический результат заключается в повышении стабильности нагрева курительной смеси в чаше и, как следствие, в увеличении длительности курения, улучшении вкусовых характеристик за счет более качественной отдачи вкуса от курительной смеси при указанном способе нагрева, в повышении дымности процесса курения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ нагрева курительной смеси, заключающийся в:

- установке на чашу кальяна устройства нагрева курительной смеси с возможностью обеспечения термостабилизации чаши и курительной смеси и подачи термически неоднородной смеси, состоящего из дна со встроенным нагревательным элементом и датчиком температуры, содержащего по меньшей мере одно отверстие для пропускания потоков воздуха в чашу с курительной смесью, нагревательного элемента, с теплоотдачей, способной обеспечить нагрев поступающего воздуха, расположенного на заданном расстоянии от дна, кожуха, являющегося корпусом цилиндрической формы, содержащего по меньшей мере одно отверстие для пропуска воздуха к нагревательному элементу и по меньшей мере одно отверстие для пропуска воздуха, минуя нагревательный элемент, а также блока управления, связанного с источником электропитания;

- установке рабочего температурного режима в диапазоне от 200 до 300°С на чашу кальяна, с последующим включением его на нагрев путем использования блока управления;

- прогреве чаши с курительной смесью в течение не менее чем 1 минуты, по истечении которой происходит включение нагревательного элемента и достижение им рабочего режима не более чем через 30 секунд;

- поддержании квазистационарного температурного режима либо изменении режима на основе команды, инициированной пользователем.

2. Устройство нагрева курительной смеси с возможностью обеспечения термостабилизации чаши и курительной смеси и подачи термически неоднородной смеси, состоящее из дна со встроенным нагревательным элементом и датчиком температуры, содержащего по меньшей мере одно отверстие для пропускания потоков воздуха в чашу с курительной смесью, нагревательного элемента, с теплоотдачей, способной обеспечить нагрев поступающего воздуха, расположенного на заданном расстоянии от дна, кожуха, являющегося корпусом цилиндрической формы, содержащего по меньшей мере одно отверстие для пропуска воздуха к нагревательному элементу и по меньшей мере одно отверстие для пропуска воздуха, минуя нагревательный элемент, а также блока управления, связанного с источником электропитания.

3. Устройство по п.2, в котором нагревательный элемент представляет собой открытую спираль из металла или сплава с удельным электрическим сопротивлением не менее 0,1⋅10^-6 Ом⋅м.

4. Устройство по п.2, в котором нагревательный элемент представляет собой радиатор, выполненный из металла с теплопроводностью не менее 30 Вт/(м⋅°С), с присоединенным к нему нагревательным элементом.

5. Устройство по п.2, имеющее на поверхности корпуса отверстия, обеспечивающие возможность поступления холодного воздуха в чашу с курительной смесью через отверстие дна, минуя нагреватель для нагрева поступающего воздуха.

6. Устройство по п.2, имеющее обусловленный конструкцией зазор между дном и боковой поверхностью кожуха, обеспечивающий возможность поступления холодного воздуха в чашу с курительной смесью через боковые отверстия или через зазор между дном и кожухом, минуя нагреватель для нагрева поступающего воздуха.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что функция датчика температуры реализуется путем измерения термоЭДС термочувствительного элемента.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что функция датчика температуры реализуется путем измерения электросопротивления термочувствительного элемента.

9. Устройство по п.2, отличающееся тем, что функция датчика температуры реализуется путем измерения электросопротивления материала встроенного нагревательного элемента.