CN111989005B - 雾化器及用于雾化器的网格 - Google Patents
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Abstract
一种用于雾化器组件(50)的网格(1)，所述网格具有第一表面(3)和第二表面(4)，以及在所述第一表面(3)与所述第二表面(4)之间延伸的多个喷嘴(2)。第一表面(3)至少部分地涂覆有亲水涂层或者第二表面(4)至少部分地涂覆有疏水涂层。喷嘴(2)限定内表面(5)，并且其中内表面(5)至少部分地涂覆有亲水涂层。
Description
本发明涉及具有振动网格的机械雾化器。更具体地，本发明涉及具有无源网格的雾化器。
具有雾化器和无源网格的气溶胶生成装置包括液体源(例如液体筒)、电源(例如电池)和雾化器。雾化器包括振动器系统(例如压电式的)、振动元件、带多个喷嘴的网格、以及由网格和振动元件围绕的液体腔。
在无源网格系统中，网格是不被致动振动且不设计成振动的元件。振动元件由振动器系统致动，使得振动元件在基本上横向于由振动元件限定的平面的方向上振动。来自液体腔的液体与振动元件和网格两者接触。振动元件的振动周期性地推动液体，使液体朝向和远离网格移动。通过使液体朝向网格移动，液体被推动通过设置在网格中的喷嘴。通过随后使液体移离网格，形成液滴。网格因此产生气溶胶。
当前可用的雾化器不允许产生直径3μm以下的液滴。如果液体的粘度基本上高于水的粘度(例如，高于水粘度的10倍)，则不可能产生直径5μm以下的液滴。
为了改善尼古丁递送，液滴尺寸应在3μm以下。仅通过将喷嘴的直径降低到3μm以下不能实现液滴尺寸的降低，因为减小喷嘴直径通常不会导致所需的液滴直径。
提供了一种用于雾化器组件的网格。所述网格可以包括第一表面和第二表面。多个喷嘴可在所述第一表面与所述第二表面之间延伸。所述第一表面可以至少部分地涂覆有亲水涂层，或者所述第二表面可以至少部分地涂覆有疏水涂层。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于雾化器组件的网格。所述网格包括第一表面和第二表面，以及在所述第一表面与所述第二表面之间延伸的多个喷嘴。所述第一表面至少部分地涂覆有亲水涂层，或者所述第二表面至少部分地涂覆有疏水涂层。喷嘴限定内表面，并且所述内表面至少部分地涂覆有亲水涂层。
如本文所使用，术语‘液滴直径’表示被确定为质量中值空气动力学直径(MMAD)的直径。‘质量中值空气动力学直径(MMAD)’用以表示单位密度的球体的直径，所述球体具有与来自气溶胶的中值质量的液滴相同的空气动力性质。
使用根据本发明的第一方面的网格生成的液滴的质量中值空气动力学直径(MMAD)可以小于3μm，例如在约0.1μm与约3μm之间。使用根据本发明的第一方面的网格生成的液滴的MMAD可以在约0.1μm与2.8μm之间，例如，在0.1μm与2.5μm之间或者在0.1μm与2μm之间。使用根据本发明的第一方面的网格生成的液滴的MMAD可以在约0.6μm与1μm之间，例如，等于或约为0.8μm。使用根据本发明的第一方面的网格生成的液滴的期望液滴尺寸可以是上文所描述的任一MMAD。
用于包含根据本发明的第一方面的网格的雾化器中的气溶胶生成的气溶胶形成液体的粘度可以在1mPas(毫帕斯卡秒、mPa·s)与100mPas之间的范围内。液体的粘度可以在15mPas与90mPas之间，例如在17mPas与86mPas之间。具有如上所述的粘度的液体允许使用更广泛的口味和液体组成。
如本文所使用，“网格”描述适于在雾化器组件中使用的元件。网格是限定两个表面和多个喷嘴的扁平元件，流体(例如，液体)通过所述喷嘴可从一个表面传送到另一个表面。扁平元件意味着网格的尺寸之一(厚度)基本上小于其他两个尺寸。网格因此限定两个表面。
网格可以是方形的。方形的边可以约为3mm长。方形的边可以约为2mm长。网格可以是圆形。圆的直径可以约为2mm。网格的厚度可在10μm到0.5mm之间。必须关于装置内部的压力、所需的网格耐久性和所需的喷嘴长度选择网格的厚度。较厚的网格更加耐久，即更能够承受机械应力。但是，网格越厚，装置中的压力增大越多，施加在网格上的压力也增大越多。
第一表面可以至少部分地涂覆有亲水涂层。第二表面可以至少部分地涂覆有疏水涂层。在此上下文中，“至少部分地”表示表面积的特定百分比涂覆有涂层，该百分比小于100％。例如，表面的至少20％被涂覆，表面的至少50％被涂覆，表面的至少80％被涂覆或表面的至少95％被涂覆。在实施例中，整个表面被涂覆。
网格设置有多个喷嘴。如本文所使用，“喷嘴”描述通孔，其允许第一表面与第二表面流体连通。喷嘴延伸穿过制成网格的材料的厚度，并且在第一表面中具有第一开口，在第二表面中具有第二开口。
喷嘴可以是管状的。喷嘴的开口可以是圆形、椭圆形或任何其他合适的形状。每个喷嘴的第一开口可以比喷嘴的第二开口宽。喷嘴可以朝第二开口呈锥形。喷嘴的横截面可以为三角形。喷嘴可以是柱形、抛物形或双曲形。喷嘴可以是旋转对称的。
喷嘴的第二开口可以具有0.1μm到10μm的直径。喷嘴的第二开口可以具有1μm到10μm的直径。喷嘴的第二开口可以具有2.5μm到4μm的直径。直径范围为2.5μm到4μm是优选的，因为它可以产生3μm以下的液滴。
可以提供以周期或准周期图案均匀地分布在网格上的喷嘴。喷嘴可以设置在以周期或准周期方式分布在网格上的单独区域中，每个单独区域具有一个或多个周期或准周期网格图案。喷嘴可以随机分布在网格上。在喷嘴随机分布的情况下，可以保证网格的每单位面积有最少的喷嘴。
在喷嘴设置在单独区域中的情况下，则只有具有喷嘴的区域可以用亲水和/或疏水涂层涂覆。无喷嘴区域可以不涂覆。
喷嘴限定第一开口与第二开口之间的内表面。内表面可以用亲水性材料涂覆。喷嘴内表面的亲水性材料可与涂覆第一表面的材料为相同材料。涂覆喷嘴的内表面的亲水性材料可以是与涂覆第一表面的材料不同的材料。
疏水性表面具有大于90度的接触角θ。疏水性表面的接触角θ通常在90度和120度之间(液滴成珠状)。与疏水性相反，在亲水性表面上，水滴分散开来，且接触角θ极小。在这些表面上，水滴不会滚动，但是会滑动。
考虑到涂层的稳定性而选择疏水和/或亲水涂层，以确保不会由于温度升高或机械应力而发生涂层降解。考虑到涂层的稳定性而选择疏水和/或亲水涂层，以便确保不会与例如烟草、基于尼古丁的液体以及在装置中生成的气溶胶发生化学反应。
涂层可以通过化学表面改性或物理沉积(例如真空沉积和等离子体表面处理)施加。可以通过本领域中已知的用于沉积薄膜的方法将涂层涂覆到下面的基底材料。可使用化学或物理沉积方法。例如，涂层材料可以直接喷涂在待涂覆材料的表面上，或者可执行待涂覆材料的浸涂。更持久的表面处理是例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、自组装单层膜(SAM)、溶胶-凝胶过程和适用于薄膜涂层的其它沉积过程。
疏水涂层可以包括聚氨酯(PU)或超疏水金属，诸如微孔金属或金属网格。微孔金属或金属网格可以用碳链功能化以使得微孔金属或金属网格超疏水。示例性超疏水金属包括铜和铝。
疏水涂层可以至少部分地由聚氨酯(PU)或超疏水金属层(诸如微孔金属或网格金属)形成。微孔金属或网格金属可以是例如用碳链功能化以使其超疏水的铜或铝。换句话说，超疏水金属层可以是用碳链功能化以使其超疏水的微孔金属，或用碳链功能化以使其超疏水的网格金属。
亲水涂层可以至少部分地由三聚酰胺、聚醋酸乙烯酯(PVA)、醋酸纤维素或棉形成。亲水涂层可以至少部分地由亲水氧化物形成，例如以下一个或多个基团：SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5。
网格可以由硅制成。在网格制造中，可以使用绝缘体上硅晶片。在网格的一个示例性制造过程中，使用基于酸的清洁剂，例如RCA清洁剂清洁硅。该表面因此被氧化并因此成为亲水的。在另一个示例性制造过程中，硅可以热氧化，涂覆薄氧化物层，例如，以下的一个或多个：SiO2、Al2O3、TiO2、HfO2或其他金属或非金属氧化物。硅也可以通过溅射涂覆、原子层沉积(ALD)或分子层沉积(MVD)涂覆。
使用根据本发明的网格的雾化器包括网格、弹性元件、致动器和所述网格与所述弹性元件之间的腔。腔包含待雾化的液体。当位于雾化器内部时，网格设置在雾化器中，使得第一表面面向腔，并且第二表面面向腔的外部。
然后可以致动雾化器组件。雾化器可以以共振频率被致动。共振频率是以下一者或多者的函数：电子液体粘度(可以通过将温度升高到室温以上和100摄氏度以下来降低)；电子液体表面张力；喷嘴直径和几何形状；网格厚度或刚度；液滴喷射速度；致动幅度；雾化器组件机械特性。共振频率可以基于上述因素的组合而计算。
使用如上所述的网格，可以实现使得形成的液滴的直径通常在3μm以下。为了减小形成的液滴的直径，可以通过增加其温度降低电子液体的粘度。为了减小形成的液滴的直径，可以使用适当的致动频率，例如如上所述的共振频率。
涂层有助于按照以下方式形成液滴。第一表面上的亲水涂层和喷嘴的内表面使液体更容易通过喷嘴传送。亲水涂层有助于液体传送到喷嘴中并通过喷嘴。一旦液体到达第二表面，疏水涂层有助于液体与喷嘴的第二开口分离(即从喷嘴出口分离)。
使用如上所述的网格，可以实现3μm以下的液滴直径。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于气溶胶生成装置的雾化器组件。雾化器组件包括上面关于第一方面描述的网格。
所述组件还可包括弹性可变形元件；位于网格元件和弹性可变形元件之间的腔；用于提供待雾化液体供应到腔的液体入口；以及被布置成振动弹性可变形元件的致动器。
根据本发明的第三方面，提供了一种气溶胶生成装置。气溶胶生成装置包括如关于本发明的第二方面描述的雾化器组件。
现将参考附图仅通过举例描述本发明的具体实施例，在附图中：
图1a和1b为根据本发明的网格的两个实施例的示意性总览；
图2为网格的示意性横截面图；
图3为使用网格的雾化器组件的示意图；
图4为使用网格的气溶胶生成装置的示意图。
图1a、1b和2示出了根据本发明的网格1的示例。图1a的网格为圆形，中心部分带喷嘴2，边缘不带喷嘴。图1b示出了具有喷嘴2的方形网格1。网格的形状以及是否设置边缘取决于雾化器以及取决于网格保留在雾化器中的方式。
网格包括多个喷嘴2。喷嘴2为三角形，其第一开口6大于其第二开口7，如图2中示意性示出的。网格1具有：第一表面3，当定位在雾化器组件50内时，朝向含有液体的腔62定位；以及第二表面4，当定位在雾化器组件内时，远离含有液体的腔62定位。
每个喷嘴2包括：液体进入喷嘴2通过的第一开口6、液体离开喷嘴2通过的第二开口7、以及内表面5，所述内表面将第一开口6与第二开口7连接。
第一表面3涂覆有亲水涂层(未示出)。亲水涂层为三聚酰胺、聚醋酸乙烯酯、醋酸纤维素或棉中的任何一种。
第二表面4涂覆有疏水涂层。疏水涂层包括聚氨酯(PU)或超疏水金属层(诸如微孔金属或金属网格)中的任何一种。微孔金属或金属网格包括用碳链功能化的铜或铝。
每个喷嘴的内表面5还涂覆有亲水涂层。亲水涂层与第一表面的涂层相同。
图3示出了包括图1和图2的网格1的雾化器组件50的透视横截面图。网格1接收在网格壳体52内。雾化器组件50还包括弹性可变形元件54和布置成振动弹性可变形元件54的致动器56。致动器56为压电致动器。
雾化器组件50还包括预加载(pre-loading)元件58，该预加载元件被布置成在预加载元件58与弹性可变形元件54之间压缩致动器56。预加载元件58、致动器56和弹性可变形元件54布置在致动器壳体60内。致动器壳体60附接到网格壳体52，以在网格1与弹性可变形元件54之间限定腔62。致动器壳体60限定液体入口64，该液体入口用于提供待雾化的液体到腔62的供应。
在使用期间，待雾化液体通过液体入口64供应到腔62。致动器56振动弹性可变形元件54以使腔62内的至少一些液体通过通道14和网格1的喷嘴2。迫使通过网格1的喷嘴18的液体形成液滴。迫使通过喷嘴18形成液滴的液体的动量携带液滴远离网格1。因此，在使用期间，雾化器组件50生成包含通过网格1喷射的液滴的气溶胶。
雾化器可以以共振频率被致动。共振频率是以下一者或多者的函数：电子液体粘度(可以通过将温度升高到室温以上和100摄氏度以下来降低)；电子液体表面张力；喷嘴直径和几何形状；网格厚度或刚度；液滴喷射速度；致动幅度；雾化器组件机械特性。共振频率可以基于上述因素的组合而计算。
图4示出了根据本发明的实施例的气溶胶生成系统70的横截面图。气溶胶生成系统70包括气溶胶生成装置72和液体储存器74。
气溶胶生成装置72包括壳体76，该壳体包括第一壳体部分78和第二壳体部分80。控制器82和包括电池的电源84设置在第一壳体部分78内。限定衔嘴通道87的衔嘴85可连接到第二部壳体部分80。
第二壳体部分80限定用于接收液体储存器74的液体储存室86。第一壳体部分78可从第二壳体部分80拆卸，以允许更换液体储存器74。
气溶胶生成装置72还包括装置连接器88，该装置连接器位于液体储存室86内以与形成液体储存器74的一部分的储存器连接器90接合。
气溶胶生成装置72包括位于第二壳体部分80内的图3的雾化器组件50。雾化器组件50的液体入口64与装置连接器88流体连通。雾化器组件50的网格1定位在由第二壳体部分80限定的气溶胶室92内。
液体储存器74包括容器94和定位在容器94内的液体气溶胶形成基质96。当储存器连接器90与装置连接器88接合时，液体气溶胶形成基质96从液体储存器74通过储存器连接器90、装置连接器88和雾化器组件50的液体入口64供应到雾化器组件50的腔62。
当第一壳体部分78连接到第二壳体部分80时，控制器82控制从电源84到致动器56的电力供应，以将液体气溶胶形成基质96的液滴从网格1喷射到气溶胶室92中。
第二壳体部分80限定各自与气溶胶室92流体连通的空气入口98和空气出口100。在使用期间，使用者在烟嘴85上吸气，以通过空气入口98将空气吸入到气溶胶室92中。空气流过气溶胶室92，在此从网格1喷射的液体气溶胶形成基质96的液滴被夹在气流内以形成气溶胶。气溶胶通过空气出口100流出气溶胶室92，并且通过衔嘴通道87递送到使用者。
气溶胶生成装置72还包括定位在气溶胶室92内的气流传感器102。气流传感器102被布置成向控制器82提供指示烟嘴85上的用户吸气的信号。控制器82被布置成仅当控制器从气流传感器102接收指示使用者在烟嘴85上吸气的信号时才将电力从电源84供应到雾化器组件50的致动器56。
Claims (13)
1.一种用于雾化器组件的网格，所述网格包括第一表面、第二表面和在所述第一表面与所述第二表面之间延伸的多个喷嘴，其中所述第一表面至少部分地涂覆有亲水涂层，或者所述第二表面至少部分地涂覆有疏水涂层，其中所述喷嘴限定内表面，并且其中所述内表面至少部分地涂覆有亲水涂层。
2.根据权利要求1所述的用于雾化器组件的网格，其中所述第一表面至少部分地涂覆有亲水涂层，并且所述第二表面至少部分地涂覆有疏水涂层。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的用于雾化器组件的网格，其中所述第一表面、所述第二表面或所述第一表面和所述第二表面两者的整个表面被涂覆。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的用于雾化器组件的网格，其中所述疏水涂层包括聚氨酯(PU)或超疏水金属层或两者的组合。
5.根据权利要求4所述的用于雾化器组件的网格，其中所述超疏水金属层包括用碳链功能化的微孔金属或用碳链功能化的金属网格。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的用于雾化器组件的网格，其中所述亲水涂层包括以下中的至少一种：
-氧化物，
-三聚酰胺，
-聚醋酸乙烯酯，
-醋酸纤维素，
-棉。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的用于雾化器组件的网格，其中所述亲水涂层包括以下中的至少一种：SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5、HfO2。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的用于雾化器组件的网格，其中所述网格由硅制成。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的用于雾化器组件的网格，其中每个喷嘴限定所述第一表面中的第一开口和所述第二表面中的第二开口，并且其中所述第二开口具有2.5μm到4μm的直径。
10.一种用于气溶胶生成装置的雾化器组件，所述雾化器组件包括根据权利要求1至9中任一项所述的网格。
11.根据权利要求10所述的雾化器组件，其中所述组件还包括：
弹性可变形元件；
位于所述网格与所述弹性可变形元件之间的腔；
液体入口，所述液体入口用于提供待雾化的液体到所述腔的供应；以及
致动器，所述致动器被布置成振动所述弹性可变形元件。
12.根据权利要求11所述的雾化器组件，其中所述网格定位成使得所述网格的第一表面面向所述腔，并且所述网格的第二表面面向所述雾化器组件的外部。
13.一种气溶胶生成装置，其包括根据权利要求10到12中任一项所述的雾化器组件。
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