CN105188426B - 电子吸烟器具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电子吸烟器具，其包括具有液体材料的液体供应区域以及加热芯元件，该加热芯元件操作用于吸取液体材料并且将该液体材料加热至足以使该液体材料蒸发并形成气溶胶的温度。加热芯元件由碳泡沫或石墨泡沫形成。
Description
相关申请的交叉引用
本申请依据美国法典第35卷第119条(e)要求于2013年2月22日提交的美国临时申请No.61/768,100的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
所选特征的概要
本发明提供一种包括加热芯元件的电子吸烟器具，该加热芯元件吸取液体并且加热液体材料以制造气溶胶或“蒸气”。加热芯元件由石墨泡沫或碳泡沫形成。加热芯元件包括一体形成的芯吸部分和可加热部分。
附图说明
图1是根据第一实施例的电子吸烟器具的俯视图；
图2是图1中所示的、包括本文所述的加热芯元件的电子吸烟器具的侧剖面图；
图3是图2中的加热芯元件的放大图；
图4是用于如本文所述的加热芯元件的电连接的放大图；并且
图5是棒体的形式的加热芯元件的放大图。
具体实施方式
如图1和图2所示，提供了一种电子吸烟器具(器具)60，并且其包括可更换的烟弹(或第一部分)70、可重复使用的夹持件(或第二部分)72，在该优选实施例中，这两部分在螺纹连接部205处连接在一起，或通过例如适贴配合、棘爪、夹钳和/或钩子等其他方便的手段连接。通常，第二部分72包含抽吸传感器16、电池1和控制电路，其中该抽吸传感器16响应于经由相邻于吸烟器具60的自由端或末端的空气进入端口45而吸入第二部分72中的空气。一次性的第一部分70包括装有液体的液体供应区22以及加热芯元件14，该加热芯元件14从液体供应区22中吸取液体并且加热液体以在中心空气通道21中形成气溶胶。当连接好螺纹连接部205时，电池1基于抽吸传感器的启动而与第一部分70的加热芯元件14进行电连接。空气主要通过一个或多个进气口44而被吸入到第一部分70中。
在该优选实施例中，当烟弹中的液体用光时，仅需更换第一部分70。一个备选构造包括那种一旦液体供应区域耗尽就弃用整个器具60的布置。在这种情况下，电池类型和其他特征可以以简单且成本高效的方式来进行设计，但其通常具有和该优选实施例相同的理念，即第二部分是可重复使用的和/或可充电的。
在一优选实施例中，电子吸烟器具60和普通香烟的尺寸大致相同。在某些实施例中，电子吸烟器具60的长度约为80mm至110mm，优选地长度约为80mm至100mm，而直径约为7mm至8mm。例如，在一优选实施例中，电子吸烟器具的长度是约84mm，并具有约7.8mm的直径。
优选地，在外管6上施加有至少一个背面粘贴的标签。该标签完全地包围电子吸烟器具60，且可以通过上色或者制造纹理来提供普通吸烟器具的外表和/或触感。在该标签中可包括大小和位置设置成能防止进气口44阻塞的孔洞。
第一部分70包括沿纵向方向延伸的外管(或壳体)6和同轴地设置在外管6内的内管(或烟筒)62。优选地，上游垫圈(或密封件)15的鼻形部61配合到内管62的上游端部65中，与此同时，垫圈15的外沿部67联合外管6的内表面提供了液密密封。该上游垫圈15还包含中心纵向空气通道20，其通向限定了中心通道21的内管62内部。位于垫圈15后侧部的横向通道33(如图2所示)和垫圈15的中心纵向空气通道20相交且连通。该通道33确保了中心纵向空气通道20和限定在垫圈15与阴极连接件37之间的空间35(如图2所示)之间的连通。在这个优选实施例中，阴极连接件37包括用于与螺纹连接部205作用的螺纹部分。
外管6和/或内管62可以由任何适当的材料或材料的组合构成。适用材料的例子包括金属、合金、塑料，或者含有一种或多种上述材料的复合材料，或者可用于食品应用或医药应用的热塑性塑料，例如聚丙烯、聚醚醚酮(PEEK)、陶瓷和聚乙烯。优选地，材料轻且非脆性的。
如图1和图2所示，在该优选实施例中，电子吸烟器具60包括形成在外管6上的至少一个进气口44，其优选地与螺纹连接部205相邻，以最小化吸烟者的手指挡住其中任一进气口的可能性以及控制吸烟时的吸气阻力(RTD)。在该优选实施例中，将进气口44,44’的尺寸设置为并将其构造成能使电子吸烟器具60的RTD的范围为约60mm水柱至约150mm水柱，更优选地为约90mm水柱至约110mm水柱，最优选地为约100mm水柱至约130mm水柱。
在该优选实施例中，第二部分72包括位于吸烟器具60的上游端5处的空气进入端口45，其大小可以设置成刚好足以确保位于附近的抽吸传感器16的适当运作。作用于吸嘴端插入件8上的吸入动作通过位于第一部分70的阳极柱47c中的中心通道、位于第二部分72的阳极连接柱47b中的中心通道以及沿着电池1和第二部分72的壳体之间的空间13而传递给空气进入端口45。空气进入端口45的尺寸设置成使得通过其中的气流速率远小于通过进气口44,44’的气流速率，而最小化对RTD的影响并维持RTD的一致性。例如，每个进气口44,44’的宽度可以小于约2.0mm，深度可以小于约1.5mm。
优选地，下游垫圈10的鼻形部93配合到内管62的下游端部81内。垫圈10的外沿部82联合外管6的内表面97提供了充分的液密密封。下游端垫圈10包括位于内管62的中心空气通道21与吸嘴端插入件8的内部之间的中心通道93，并且该中心通道将气溶胶从中心空气通道21传递到吸嘴端插入件8。
在该优选实例中，液体供应区域22包含在处于位于内管62和外管6之间且处于垫圈10和垫圈15之间的外环形区中。因此，液体供应区域22至少部分地包围着中心空气通道21。液体供应区域22包括液体材料并且可选地包括操作用于在其中存储液体材料的液体存储介质。
优选地，液体存储介质是包括棉、聚乙烯、聚酯、人造丝及其组合的纤维材料。优选地，纤维的直径的尺寸范围为约6微米至约15微米(例如，约8微米至约12微米，或约9微米至约11微米)。液体存储介质可以是烧结材料、多孔材料、海绵材料或泡沫材料。还优选地，纤维的大小设置成不透气，且可以具有Y形、十字形、三叶草形或者其他合适的形状的横截面。在一个实施例中，液体存储介质可包括围绕着内管62的、棉纱布或其他纤维材料的缠绕部。备选地，液体供应区域22可以包括不包含纤维状存储介质而只包含液体材料的填充罐。
还优选地，液体材料具有适用于电子吸烟器具60的沸点。如果沸点过高，则加热芯元件14不能够使液体蒸发。然而如果沸点太低，则液体甚至在加热芯元件14尚未启动的时候就蒸发。
优选地，液体材料包括含烟草的材料，该材料中包含有在加热时从液体中释放出的可挥发烟草香料混合物。液体也可以是含有烟草香料的材料或者含有尼古丁的材料。作为替代或附加，液体可以包括非烟草材料和/或不含尼古丁材料。例如，液体可以包括水、溶剂、乙醇、植物提取物以及天然或人造香料。优选地，液体还包括气溶胶形成剂。合适的气溶胶形成剂例如有丙二醇和丙三醇。
在使用中，从液体供应区域22和/或液体存储介质处通过加热芯元件14来传递液体材料，该加热芯元件14包括至少一个芯吸部分140和可加热部分141。在该优选的实施例中，加热芯元件14包括两个芯吸部分140和在这两者之间的可加热部分141。还优选地，芯吸部分140和可加热部分141由单一材料来一体地形成。优选地，加热芯元件14由石墨泡沫或碳泡沫(统称为“泡沫碳”)形成，例如美国德克萨斯州迪凯特的Poco Graphite公司出售的优选地，加热芯元件14是非陶瓷的。
优选地，泡沫是纯石墨泡沫，或者是具有低于约100ppm(更优选地低于约10ppm)的少量杂质的石墨泡沫。优选地，泡沫在氧气环境中可在高达至少约400℃下抵抗氧化。泡沫的密度优选地为约0.1g/cc至约1.0g/cc，优选地约0.5g/cc。优选地，泡沫的热容量为约0.5J/g-K至约1.0J/g-K，优选地约0.7J/g-K。此外，泡沫优选地具有至少约90％的高的开孔孔隙率，更优选地为至少95％。开孔孔隙率是发生液体流动的总体积中的由于各孔互连而导致的分数。泡沫优选地具有至少70％的总孔隙率，更优选地地约75％。高的开孔孔隙率允许加热芯元件14容纳较大体量的液体，并且使得液体可以通过孔而穿过并沿着泡沫移动。泡沫具有高的热传导率、低密度，并且质量轻。
有利地，加热芯元件14可以既用作芯吸介质又用作加热元件。因此，加热芯元件14优选地是一整块(一体形成)的结构，并且不需要分离的芯部和加热器。因此，与包括分离的加热器和芯部的电子吸烟器具相比，加热芯元件14易于制作并且成本低。而且，惰性碳或惰性石墨泡沫可以防止液体在高温度下催化以及得到不期望的反应产物，例如醛类。
如图2和图3所示，加热芯元件14由石墨泡沫或碳泡沫形成。泡沫具有高的热传导性，以便可以在较低的施加功率下使液体蒸发，这与利用了由不同材料形成的、分离的加热器和芯部的电子香烟相比，节省了电池功率并且延长了电子香烟的寿命。
加热芯元件14具有任意所需的形状，例如棒状(如图5所示)、螺旋状、块状、圆柱体或带状的形状。优选地，加热芯元件14是大致刚性的。而且，棒体或者带体可以是直的、弯曲的，或者适于配合到电子香烟内的其他任意形状。
例如，如图3所示，加热芯元件14可以是U形的，使得可加热部分141大致是直的，并且芯吸部分140穿过内管62的壁上的相对的槽而向上或向下地延伸进入液体存储区域22中。该槽足够大，以便加热芯元件14可以延伸穿过其中。但是，为了设置形状不规则的加热芯元件14，可以在内管62的每一侧面切割出狭缝，并且该狭缝从内管的边缘延伸至每一个槽。加热芯元件14可以滑动穿过狭缝并且进入槽中，以便加热芯元件14延伸穿过中心空气通道21并且进入液体供应区域22中。
优选地，加热芯元件14在至少沿着加热芯元件14的可加热部分141上的剖面是大致均匀的。该均匀性促进了均匀加热。备选地，加热芯元件14在沿着其长度上的剖面可以变化，以便改变加热芯元件14的加热分布。
如图所示，加热芯元件14可延伸穿过位于液体供应区域22的相对部分之间的中心空气通道21，并延伸进入液体供应区域22中。因此，加热芯元件14的每一端部上的芯吸部分140都会延伸穿过内管62中的槽并进入液体供应区域22内，以便将液体吸入到加热芯元件14的设置在中心空气通道21内的可加热部分141中。如2013年1月14日提交的美国专利申请公告No.2013/0192619所记载的，闭合环可以在内管的外表面上滑动，以便大致封闭设于加热芯元件和槽之间的开放空间的剩余部分，该申请的全部内容通过引入并入本文。
如图3和图4所示，将电引线26直接连接到沿着加热芯元件14的选定位置处。由于泡沫也具有低的热膨胀系数，因此泡沫的尺寸稳定，由此允许直接将电引线26插入在泡沫中，而不需要焊接或钎焊。备选地，电引线26可以被钎焊或软钎焊在加热芯元件14上。通过将电引线26连接在加热芯元件上，使得在加热周期过程中电流流动(被引导)通过可加热区域141。因此，通过电源将电压施加给可加热部分141，以便将可加热部分141中的液体材料加热到足以至少部分地使液体蒸发并且形成气溶胶的温度。
在一个优选的实施例中，加热芯元件14具有带形，其长度的范围为约10mm至约15mm，优选地约12mm或更小，并且宽度的范围为约0.5mm至约2.0mm，优选地约1.5mm或更小。备选地，加热芯元件14具有棒形或者圆柱体的形状，其所具有的长度的范围为约10mm至约15mm，优选地约12mm或更小，并且直径的范围为约0.5mm至约2.0mm，优选地约1.5mm或更小。优选地，加热芯元件14设置在电子吸烟器具内的横向方向上。在其他的实施例中，也可以有其他定向。
还优选地，加热芯元件14达到的电阻的范围为约0.3欧姆至约10欧姆，优选地为约0.8欧姆至约5.0欧姆，更优选地为约4.0欧姆或更小。
此外，液体可被吸入到形成了加热芯元件14的石墨泡沫的孔中。因此，液体通过孔沿着加热芯元件从芯吸部分140向可加热部分141移动。
有利地，液体供应区域22中的液体材料可免于氧气(因为氧气通常不会通过加热芯元件14而进入液体供应区域22)。液体材料还免于光照，从而大大降低了液体材料降解的风险。因此，可以维持高水平的保质期以及清洁度。
在该优选实施例中，将液体供应区域22的尺寸设置为并将其构造成能容纳足够的液体材料，以便电子吸烟器具60可执行长达至少约200秒的吸烟，优选为至少约250秒，更优选为至少300秒，且最优选为至少约350秒。因此，液体供应区域22相当于大约一包的传统吸烟器具。而且，可以把电子吸烟器具60设置成允许每一口抽吸最长持续约为5秒。
如图2所示，第一部分70可以包括至少有两个分散的出口通道24(例如3、4、5个出口通道或更多，优选地为2至10个出口通道或更多，更优选为6至8个出口通道，再更优选地为2至6个出口通道或4个出口通道)的吸嘴端插入件8。优选地，出口通道24偏离轴线设置，且相对于内管62的中心通道21角度向外地设置(即分散开地)。还优选地，吸嘴端插入件8(或引流件)包括围绕吸嘴端插入件8的外沿均匀分布的出口通道24，以便在使用过程中将气溶胶大致充分地、均匀地分散在吸烟者口腔内，并且在口腔内制造更佳的饱满口感。因此，当气溶胶传递至吸烟者的嘴内时，气溶胶会进入口腔且沿着不同的方向移动，以提供饱满的口感。与此相反，具有单个的轴向孔的电子吸烟器具则倾向于以较高速率将其气溶胶朝向吸烟者的嘴内的较为有限的位置处引导。
此外，设置分散的出口通道24并且使之包括内表面83，从而使可能夹带在气溶胶中的液体材料的未雾化液滴(如果有的话)撞击吸嘴端插入件8的内表面83，和/或撞击限定了分散的出口通道24的壁305的各部分。结果，这些液滴能够被大体上被去除或者被分解，从而增强气溶胶。
在该优选实施例中，分散的出口通道24相对于外管6的纵向轴线所成角度约5°至约60°，以便在使用中更加充分地将气溶胶分散于吸烟者口腔中，并去除液滴。在一优选实施例中，设有四个分散的出口通道24，其中每个出口通道相对于外管6的纵轴形成约40°至约50°的角度，更优选为约40°至约45°，最优选地为约42°。
优选地，分散的出口通道24的每一者的直径范围均为约0.015英寸至约0.090英寸(例如，约0.020英寸至约0.040英寸，或约0.028英寸至约0.038英寸)。若需要，可以对分散的出口通道24的尺寸和数量进行选择，以便调整电子吸烟器具60的吸气阻力(RTD)。
吸嘴端插入件8可以整体附着于烟弹70的外管6内部。而且，嘴端插件8可以由选自含有低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚醚醚酮(PEEK)以及它们的组合物的群组中的聚合物来构成。如果需要，可以给吸嘴端插入件8上色。
在该优选实施例中，电源1包括电池，该电池在电子吸烟器具60中设置为使得阳极47a处在阴极49a的下游。第二部分72上的电池阳极柱47b优选地与电池阳极47a接触。
更具体地，电池1的阳极47a和第一部分70中的加热芯元件14之间的电连接是通过电子吸烟器具60的第二部分72中的电池阳极连接柱47b、烟弹70的阳极柱47c以及将阳极柱47c的边缘部分和加热芯元件14相连的电引线47d来建立的。同样地，电池1的阴极49a和加热芯元件14的另一引线之间的电连接是通过第二部分72的阴极连接夹持件49b和第一部分70的阴极连接件37之间的螺纹连接部205以及从那里通过将阴极连接件37与加热芯元件14上的相对引线进行电连接的电引线49c来建立的。
电池可以是锂离子电池或者其变体中的一种，例如是锂离子聚合物电池。备选地，电池可以是镍基金属氢化物电池、镍镉电池、锂锰电池、锂钴电池或燃料电池。在这种情况下，优选地，电子吸烟器具60可被吸烟者使用到直至电源中的能量耗尽为止，或者对于锂聚合物电池来说达到最小电压截止电平为止。
备选地，电源1可重复充电，且包括允许通过外接充电设备来给电池充电的电路。在这种情况下，此电路优选地在充好电时可以给预定次数的抽吸动作提供能量，之后此电路必须再次连接到外接充电设备上。为了给电子吸烟器具60再次充电，可以使用USB充电器或者其他合适的充电组件。
优选地，电子吸烟器具60还包括具有抽吸传感器16的控制电路。抽吸传感器16可操作用于感应空气压力降，且开始从电源1向加热芯元件14施加电压。如图2所示，控制电路还可以包括当加热芯元件14的可加热部分141启动时用于发光的加热器启动灯48。优选地，这个加热器启动灯48包括LED且处在电子吸烟器具60的上游端，以便加热器启动灯48在抽吸过程出现燃煤一样的外观。而且，可以将加热器启动灯48设置成对吸烟者可见。另外，加热器启动灯48可用于电子吸烟器具系统诊断，或指示正在进行再次充电。灯48还可以设置成使得吸烟者可以激活和/或熄灭该灯48以保护隐私，以便有必要时可以在吸烟过程中不激活该灯48。
优选地，该至少一个空气进入端口45(图1)邻近抽吸传感器16布置，以便抽吸传感器16可感应到表征吸烟者吸入了一口烟时的空气流，并激活电源1和加热器启动灯48以表明加热芯元件14的可加热部分141正在工作。
控制电路优选地与抽吸传感器16集成在一起，并且响应于抽吸传感器16而给加热芯元件14供电，该控制电路优选地具有最大的时间段限值。
备选地，控制电路包括用于吸烟者开始吸烟动作的手动操作开关。供给加热芯元件的电流的时间段可以根据预计要蒸发的液体的量来预先设置。备选地，只要抽吸传感器16检测到压降，该电路就会给加热芯元件14供电。
优选地，当启动后，加热芯元件14加热并且蒸发与加热芯元件14接触的液体的时长少于约10秒，更优选地少于约7秒。因此，供电周期(或最大抽吸时长)的范围为约2秒至约10秒(例如，约3秒至约9秒，约4秒至约8秒，或者约5秒至约7秒)的时长。
在本文中，当用语“约”与一个数值连用时，其意指相关的数值包括有在该既定数值的周围的±10％的公差。而且，当在本说明书中提及到百分比时，其意指这些百分数是基于重量的，即重量百分比。
而且，当用语“大致”和“基本上”和几何形状连用时，其意指并不要求几何形状的精密度，但其形状的界限是在所披露的范围之内。当使用几何术语时，“大致”和“基本上”意欲不仅包括符合严格规定的特征，还包括相当地接近此严格规定的特征。
现在可以清楚的是，在本说明书中描述了一种新型的、改进的、非显而易见的电子吸烟器具，其中披露了足够的细节以能够被本领域的普通技术人员所理解。而且，对于本领域的技术人员来说显然的是，对于电子吸烟器具的特征来说存在有未实质性偏离本发明的精神和范围的许多修改、变化、替代物和等效物。因此，可以明确地表示，所有这些落入所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的修改、变化、替代物和等效物都包含在所附权利要求书内。
Claims (20)
1.一种电子吸烟器具，包括：
液体供应区域，所述液体供应区域构造成能存储液体材料；以及
与所述液体供应区域流体连通的一体式加热芯元件，所述一体式加热芯元件包括加热部分和至少一个芯吸部分，所述一体式加热芯元件由泡沫碳形成，所述泡沫碳具有低于100ppm的杂质，并具有从0.5J/g-K至1.0J/g-K的热容量，
所述至少一个芯吸部分延伸进入所述液体供应区域，
所述一体式加热芯元件构造成能借由所述泡沫碳中的孔将所述液体材料从所述液体供应区域处通过所述至少一个芯吸部分传递到所述加热部分处。
2.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述一体式加热芯元件具有带状或棒状的形状，所述一体式加热芯元件的长度的范围为10mm至15mm，并且其宽度的范围为0.5mm至2.0mm。
3.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，还包括：
两个电引线，所述两个电引线与所述一体式加热芯元件相连，所述加热部分位于所述两个电引线之间。
4.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，还包括：
中心空气通道，所述加热部分设置在所述中心空气通道内。
5.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，还包括：
沿纵轴方向延伸的外管；以及
位于所述外管内的内管，在所述外管和所述内管之间限定有外环形区，所述液体供应区域位于所述外环形区内，所述内管限定了中心空气通道和一对供所述一体式加热芯元件延伸穿过的相对的槽，所述一体式加热芯元件的所述加热部分延伸穿过所述中心空气通道。
6.根据权利要求5所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述一体式加热芯元件包括位于所述一体式加热芯元件的相对端部处的两个芯吸部分，所述两个芯吸部分延伸进入所述液体供应区域，所述加热部分沿横穿过纵向方向的方向延伸。
7.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述一体式加热芯元件是棒状体、螺旋体、块体、圆柱体或带状体的形式。
8.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述一体式加热芯元件是刚性的。
9.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述一体式加热芯元件是U形的。
10.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述一体式加热芯元件的沿着所述加热部分的长度的剖面是均匀的。
11.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述一体式加热芯元件的沿着其长度的剖面能发生变化。
12.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述泡沫碳具有低于10ppm的杂质。
13.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述泡沫碳在氧气环境中在高达至少400℃下抗氧化。
14.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述泡沫碳具有0.1g/cc至1.0g/cc的密度。
15.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述泡沫碳具有至少95％的开孔孔隙率，以及至少75％的总孔隙率。
16.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述泡沫碳为石墨泡沫或碳泡沫。
17.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，还包括：
控制电路，所述控制电路与所述一体式加热芯元件相连，所述控制电路包括抽吸传感器，并构造成能在所述抽吸传感器检测到压降时，或响应于手动操作开关，来开始向所述一体式加热芯元件施加电压。
18.根据权利要求1所述的电子吸烟器具，其特征在于，所述泡沫碳的电阻的范围为从0.3欧姆至10欧姆。
19.一种在电子吸烟器具中制造气溶胶的方法，包括：
用一体式加热芯元件将液体材料从液体供应区域传递到中心空气通道处，所述一体式加热芯元件包括加热部分和至少一个芯吸部分，所述一体式加热芯元件由泡沫碳形成，所述泡沫碳具有低于100ppm的杂质，并具有从0.5J/g-K至1.0J/g-K的热容量，所述至少一个芯吸部分延伸进入所述液体供应区域，所述加热部分位于所述液体供应区域之外，并位于所述中心空气通道内，以及
引导电流穿过由泡沫碳形成的所述一体式加热芯元件的加热部分，以使所述液体材料蒸发。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，引导包括用控制电路来进行以下控制：当所述控制电路中的抽吸传感器检测到压降时，或响应于手动操作开关，来向所述一体式加热芯元件施加电压。
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