CN113194761A - 红外加热的气溶胶生成元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在水烟装置中生成气溶胶的气溶胶生成元件，所述气溶胶生成元件包括用于接纳气溶胶形成基材的容纳器和被构造成生成IR辐射束的光子装置，其中所述气溶胶生成元件被布置成通过将所述IR辐射束引导到所述气溶胶形成基材上来加热所述气溶胶形成基材。本发明还涉及一种包括所述气溶胶生成元件的水烟装置、一种包括所述水烟装置和气溶胶生成制品两者的气溶胶生成系统，以及一种用于在水烟装置中形成气溶胶的方法。

Description

红外加热的气溶胶生成元件

技术领域

本发明涉及一种用于在水烟装置中生成气溶胶的气溶胶生成元件。更具体地，本公开涉及一种气溶胶生成元件，其中经由借助于红外(IR)辐射加热气溶胶形成基材来生成气溶胶。本发明还涉及一种包括气溶胶生成元件的水烟装置，一种包括水烟装置和气溶胶生成制品两者的气溶胶生成系统，以及一种用于在水烟装置中形成气溶胶的方法。

背景技术

传统水烟装置用于抽吸烟草基材并且被构造成使得蒸气和烟雾在被使用者吸入之前穿过水池。水烟装置可以包括一个出口或多于一个出口，使得装置一次可被多于一个使用者使用。使用水烟装置被许多人视为休闲活动和社交体验。

传统的水烟装置使用木炭加热或燃烧烟草基材，以生成气溶胶供使用者吸入。在使用传统水烟装置期间，可能会产生高水平的一氧化碳和不期望的燃烧副产物，如多环芳烃以及其他有害和潜在有害成分。一氧化碳可以由木炭以及烟草基材的燃烧生成。

减少一氧化碳和燃烧副产物产生的一种方法是使用电加热器代替木炭，例如电阻加热器，其将烟草基材加热到足以从基材产生气溶胶而不燃烧基材的温度。

然而，与传统木炭操作的水烟装置相比，电加热装置可能遭受更低的总气溶胶质量、更低的可见气溶胶、更低的气溶胶体积或它们的任何组合。由于基材与加热表面之间的接触较差，在第一次抽吸期间，这些气溶胶性质中的一种或多种的降低可能特别明显。因此，与常规木炭加热的水烟装置相比，加热基材直到第一次抽吸可用于消耗(TT1P)所花费的时间可能相对较长。

在传统水烟中，木炭提供了独特的加热特性，因为它不能同时均匀地加热整个气溶胶形成基材。以所需速度将木炭移动到不同点是传统水烟的仪式和吸烟体验的重要组成部分。

希望提供一种与传统木炭水烟装置相比减少一氧化碳和不希望的燃烧副产物产生的水烟装置。

希望提供一种具有加热特性的水烟装置，以匹配、类似或模仿传统水烟的仪式和吸烟体验。

发明内容

在本发明的各种方面中，提供了一种用于在水烟装置中生成气溶胶的气溶胶生成元件。气溶胶生成元件包括用于接纳气溶胶形成基材的容纳器和被构造成生成IR辐射束的光子装置。所述气溶胶生成元件被布置成通过将所述IR辐射束引导到所述气溶胶形成基材上来加热所述气溶胶形成基材。

因此，光子装置充当IR发射器。通常，本发明的气溶胶生成元件使用IR辐射来加热气溶胶形成基材的一种或多种组分。在一些实施方案中，气溶胶形成基材可以包括烟草，这将在后面描述。

本发明的气溶胶生成元件因此提供替代加热系统，其中气溶胶形成基材通过IR辐射的吸收来加热。用IR辐射加热带来高速、灵活和高效加热的益处。

与传导或对流相比，辐射通过电磁波传递能量。因此，无需存在介质或“热载体”。这可以有助于缩短使气溶胶形成基材达到所需温度所需的时间。这在预热气溶胶形成基材的期间可以是特别有益的。此外，不需要气溶胶生成元件与气溶胶形成基材之间的物理接触。本发明的气溶胶生成元件允许对气溶胶形成基材的无接触加热。

气溶胶生成元件可以与气溶胶形成基材一起使用以产生气溶胶。特别地，气溶胶生成元件可以接纳并加热气溶胶形成基材以生成气溶胶。气溶胶形成基材可以被气溶胶生成元件加热，但不燃烧。气溶胶生成元件可以包括加热元件。加热元件可以包括电加热元件。

在一些实施方案中，气溶胶生成元件可以包括常规水烟装置的特征，诸如以下各项中的任一者：用于接纳气溶胶形成基材的容纳器、用于覆盖容纳器的盖板、包含气溶胶形成基材的筒、用于覆盖筒的箔以及用于加热气溶胶形成基材的至少一个木炭颗粒。

不同材料以不同频率吸收IR辐射。仔细选择波长可以促进某些物质被有效地加热，而其他物质保持在基本较低的温度下。因此，本发明的气溶胶生成元件允许根据气溶胶形成基材的一种或多种组分进行针对性加热。目标IR辐射不一定加热周围空气。这意味着可以实现更有效的加热。此外，可获得更大的设计自由度，因为空气间隙不像常规的电加热的水烟系统那样造成较大的热损失。因此，可能需要更少的绝缘材料。

可以操纵IR束以仅照射气溶胶形成基材的特定部分。此外，已知IR吸收具有低透射率。IR束允许仅加热气溶胶形成基材的照射部分。因此，本发明的气溶胶生成元件允许根据空间的针对性加热。

本发明的IR加热部件的另一个优点是快速热响应。气溶胶形成基材可仅在照射期间基本加热。

此外，IR加热为IR发射器和基材的空间布置提供高度的灵活性。这为气溶胶生成元件和水烟装置的几何设计打开了广泛的选择范围。

在一些实施方案中，IR束可以在光子装置与气溶胶形成基材之间经历操纵。在一些实施方案中，优选地借助于光学元件促进IR束的操纵。

在一些实施方案中，气溶胶生成元件还包括光学元件，该光学元件位于光子装置与容纳器之间并且被构造成操纵IR辐射束。

术语“IR辐射束的操纵”可以包括IR辐射束的光路中的任何改变。示例包括反射IR束、偏转IR束、会聚IR束以及发散IR束中的任一者。

术语“光学元件”包括能够操纵IR辐射束的任何元件。示例包括镜、曲面镜、透镜、凸透镜和凹透镜。凹透镜可以发散IR束，并且因此可以降低IR束的能量密度。这种构造对于将基材在预定的较低温度下维持较长的时间间隔特别有用，在该时间间隔内，例如在预热阶段或在抽吸之间，没有抽吸发生。凸透镜可以会聚IR束，并且因此可以增加IR束的能量密度。会聚或聚焦的束可以允许基材的特定区域的快速耗尽。

根据一个或多个实施方案，本发明的气溶胶生成元件的光学元件可以布置在光学安装件上。光学安装件可以是活动式的。光学安装件的移动可以机械、电气或机电方式执行。移动可以通过任何合适的方法来实现。示例可包括步进电机、偏心螺钉或步进电机和偏心螺钉两者。移动可以由使用者手动执行。优选地，移动借助于电子控制组件自动执行。

光学元件的位置可以在使用期间由光学安装件调节。布置在光学安装件上的光学元件允许操纵IR辐射束。布置在光学安装件上的光学元件允许动态地操纵IR辐射束。

术语“活动式光学安装件”包括允许将光学元件移动到相对于入射IR束的不同位置或方向上的任何类型的光学元件安装件。因此，可以通过经由活动式光学安装件移动光学元件来改变由光学元件引起的IR束的操纵。

术语“动态地操纵IR辐射束”意指在使用水沙装置中的气溶胶生成元件期间可以操纵IR辐射束。

术语“在使用期间”可以指当使用者操作水烟装置时的任何时刻。“在使用期间”可以指当水烟装置打开时的任何时刻。“在使用期间”可以指向光子装置供电的任何时刻。“在使用期间”可以指在一次抽吸期间或两次抽吸之间的时刻。

IR束的操纵可以经由活动式光学安装件执行。机械地、电子地或机电地，移动可以通过任何合适的方法来实现。示例可包括步进电机、偏心螺钉、压电螺钉或它们的组合。移动可以由使用者手动执行。优选地，移动借助于电子控制组件自动执行。

通常，IR束的动态操作的进度可以由在电子电路上操作的计算机程序控制。例如，可以根据计算机程序自动地控制动态操纵的一部分或整个动态操纵。计算机程序可储存在非暂时性计算机可读介质上。动态操纵的一个或多个方面可以部分地或完全地由使用者控制。例如，使用者可以控制动态操纵的速度。使用者可以控制IR束被引导到的基材的位置。例如，可以包括允许使用者输入命令并由此根据他或她的偏好动态地操纵IR束的方法。此类方法可以是本领域技术人员已知的任何合适的方法。示例是包括使用者界面的控制单元。在一些实施方案中，使用者界面可包括电子或机械或机电使用者界面部件。

动态地操纵IR辐射束可以允许动态地操纵束的轨迹。因此，IR束的动态操纵允许照射气溶胶形成基材的不同部分。从而，IR束的动态操纵允许选择性地照射气溶胶形成基材，这可以允许选择性气溶胶生成。IR束的动态操纵可以允许气溶胶形成基材的连续照射。利用本发明的气溶胶生成元件，可以顺序加热气溶胶形成基材的不同部分。顺序加热可以部分地或完全地由使用者控制。本发明的气溶胶生成元件可类似于木炭在基材上的移动，并且可进一步保存吸烟体验的传统仪式。

气溶胶生成元件的光子装置充当IR发射器。为了选择合适的IR发射器，应考虑气溶胶形成基材的组成。可根据一种或多种IR发射器性质来选择IR发射器。可取决于气溶胶形成基材的一种或多种组分来选择一个或多个IR发射器性质。例如，所述一个或多个IR发射器性质可以包括以下中的任何一者或组合：波长、频率、光斑大小、扫掠源、脉冲与连续波、能量和功率。可以根据气溶胶形成基材的一种或多种组分对IR光的吸收来选择IR发射器的波长。可以根据气溶胶形成基材的一种或多种组分对IR光的透射来选择IR发射器的波长。

IR发射器的波长可对应于气溶胶形成基材的组分的IR吸收带。IR发射器的波长可对应于气溶胶形成基材的两个或更多个组分的IR吸收带。

例如，IR发射器的波长可对应于甘油、糖蜜、糖、倒糖、烟草、烟草衍生物或气溶胶形成基材的任何其他组分中的一种或多种的IR吸收带，如稍后将描述的。

术语“波长”可以指单个波长、多个单个波长、波长范围、多个波长范围或它们的任何组合。

例如，在气溶胶形成基材中可能存在相对大量的甘油，并且波长要求可以适于甘油的强吸收带。甘油的强IR吸收带发现于1300纳米至2000纳米之间的IR波长处。因此，IR发射器可以发射800纳米至2300纳米，优选1300纳米至2000纳米的范围内的IR光。

在一些实施方案中，IR发射器可以以0.1瓦至30瓦、优选地以0.5瓦至25瓦、更优选地以1瓦至20瓦、并且更优选地以1瓦至3瓦范围内的功率发射IR光。在一些实施方案中，相对高的功率用于预热气溶胶形成基材。在一些实施方案中，相对较低的功率用于按需抽吸。

在“按需抽吸”操作中，IR发射器必须能够在5秒内，优选地在2秒内，优选地在1秒内，将生成一次抽吸所需的气溶胶形成基材的最小量带到250摄氏度。一次抽吸生成气溶胶所需的气溶胶形成基材的最小量可高达1.2立方厘米。

在一些实施方案中，IR辐射束的能量密度可在0.010瓦/平方厘米至30瓦/平方厘米、优选地在0.050瓦/平方厘米至6瓦/平方厘米、并且更优选在0.100瓦/平方厘米至3瓦/平方厘米的范围内。

在一些实施方案中，IR辐射束的直径可在1毫米至110毫米、优选地在2毫米至100毫米、并且更优选地在5毫米至80毫米的范围内。通常，相对较大的直径用于预热气溶胶形成基材。在一些实施方案中，相对小的直径用于按需抽吸。

术语“IR束的直径”可以指由IR辐射束直接照射的气溶胶形成基材的区域的直径。

IR发射器与气溶胶形成基材之间的距离可高达30厘米、优选地高达20厘米、并且更优选地高达10厘米。

通过将加热波长从已经选择的谐振波长稍微移开，可以实现由IR发射器对气溶胶形成基材的加热强度的控制。这可以有利地使气溶胶形成基材的所需化合物(例如甘油)的吸收最大化。在一些实施方案中，可以通过改变供应给IR发射器的功率来实现对气溶胶形成基材的加热强度的控制。

在一些实施方案中，IR发射器可以包括激光。在一些实施方案中，IR发射器可以包括激光二极管。本发明的气溶胶生成元件的光子装置可以包括IR激光二极管。

本发明的光子装置可用作用于加热气溶胶形成基材的唯一加热部件。在一些实施方案中，本发明的光子装置可以与一个或多个额外加热部件组合使用。任何加热部件都可以用作附加加热部件。示例包括电加热部件，例如电阻加热部件、电感加热部件或电阻加热部件和电感加热部件两者的组合。

在一个或多个实施方案中，气溶胶生成元件可另外包括附加加热部件，例如电加热部件，其被构造成用于加热接纳在容纳器中的气溶胶形成基材。附加电加热部件可与容纳器热接触。在一个或多个实施方案中，容纳器的至少一部分可通过附加电加热部件形成。

优选地，附加加热部件包括电阻加热部件。例如，附加加热部件可以包括一根或多根电阻丝或其他电阻元件。电阻丝可与导热材料接触以将产生的热量分布在更宽的区域上。合适的导电材料的示例包括铝、铜、锌、镍、银及它们的组合。出于本公开的目的，如果电阻丝与导热材料接触，则电阻丝和导热材料两者均为加热部件的一部分，该加热部件形成容纳器的表面的至少一部分。

在一些实施方案中，附加加热部件包括感应加热部件。例如，附加加热部件可以包括形成容纳器的表面的感受器材料。如本文所用，术语“感受器”是指能够将电磁能量转换成热量的材料。当位于交变电磁场中时，通常感生涡电流并且可能在感受器中发生磁滞损耗，从而引起感受器的加热。在感受器定位成与气溶胶形成基材处于热接触或紧密热邻近时，基材由感受器加热，使得形成气溶胶。优选地，感受器被设置为至少部分地与气溶胶形成基材或包含气溶胶形成基材的筒直接物理接触。

感受器可以由任何可以感应加热的材料形成。优选地，感受器可以由能够经感应加热到足以从气溶胶形成基材生成气溶胶的温度的任何材料形成。优选的感受器包括金属或碳。优选的感受器可以包括铁磁性材料或由铁磁性材料组成，例如铁磁体铁、铁磁性合金(如铁磁性钢或不锈钢)和铁氧体。合适的感受器可以是铝或包括铝。

优选的感受器是金属感受器，例如不锈钢。但是，感受器材料还可包括以下各种或由以下各种制成：石墨；钼；碳化硅；铝；铌；因康镍合金(基于奥氏体(austenite)镍-铬的超合金)；金属化膜；如氧化锆等陶瓷；如Fe、Co、Ni等过渡金属或如B、C、Si、P、Al等类金属组分。

感受器优选包括大于5％、优选大于20％、优选大于50％或90％的铁磁性或顺磁性材料。优选的感受器可以被加热到超过250摄氏度的温度。合适的感受器可以包括非金属芯体，其具有安置在非金属芯体上的金属层，例如形成于陶瓷芯体的表面上的金属迹线。

该水烟装置还可包括一个或多个感应线圈，所述一个或多个感应线圈被配置成在感受器材料中感应出导致感受器材料加热的涡电流和/或滞后损耗。感受器材料也可被定位在包含气溶胶生成基材的筒中。包括感受器材料的感受器元件可包括任何合适的材料，诸如在例如PCT公开专利申请WO 2014/102092和WO 2015/177255中描述的那些。

附加加热部件，无论是感应加热部件还是感受器，都可以与加热块热耦合。附加加热部件可以与加热块直接接触。加热块可以包括任何合适的导热材料。在一些实施方案中，加热块包括铝、氧化铝或氧化铝陶瓷。加热块可以形成附加加热部件的外表面。

气溶胶生成元件可以通过上述加热部件加热气溶胶形成基材以产生气溶胶。在一些实施方案中，将气溶胶形成基材优选地加热至约150℃至约250℃、更优选地约180℃至约230℃、或约200℃至约230℃范围内的温度。

在一些实施方案中，IR束可以设想为耗尽剂，意味着气溶胶形成基本上仅在IR束照射气溶胶形成基材的地方才发生。在附加提供电加热部件的情况下，在一些实施方案中，电加热部件可将基材维持在低于气溶胶形成基材的挥发温度的恒定温度。IR加热部件可提供附加能量，以加热高于气溶胶形成基材的挥发温度的化合物，从而生成气溶胶。

在一些实施方案中，IR束可有助于提供气溶胶形成基材的一部分的快速初始挥发，而附加电加热部件在较长周期内加热大部分气溶胶形成基材。在一些常规的电加热布置中，在打开电水烟装置以将能量供应到电加热部件与使用者可以采取第一次抽吸的时间之间可能存在相对较大的延迟。该时间段在本领域中称为“第一次抽吸的时间”(TT1P)。因此，将IR束和附加电加热部件相结合可有助于通过仅经由IR加热为第一次、两次或几次抽吸提供气溶胶来减少TT1P，直到附加电加热部件能够使相对较大体积的气溶胶形成基材达到挥发温度为止。

在一个或多个实施方案中，气溶胶生成元件包括窗。窗可以位于光子装置与容纳器之间。在一个或多个实施方案中，窗可以对IR辐射束基本透明。窗可以位于光学元件与容纳器之间的位置处。在这些实施方案中，IR光可以通过窗透射到容纳器中。因此，窗可防止残留物在IR发射器或光学元件的表面上累积。窗用于防止IR发射器和光学元件被污染。否则，加热气溶胶形成基材所产生的诸如污垢和碎屑之类的残留物可能会累积在光学元件或IR发射器处或两者处。窗对此类污染不太敏感，并且可能更容易清洁。为此，窗可以是可移除组件，其可以从装置拆卸以进行清洁。

在一个或多个实施方案中，光学元件包括用于反射IR辐射束的镜。镜可充当光学元件，其借助于反射镜中的束来操纵IR辐射束。气溶胶形成基材的照射部分的尺寸可以通过将IR辐射束反射在镜中来操纵。镜可以是曲面镜。

优选地，曲面镜的半径或有效半径不是固定的，但可以动态地操纵。用于操纵曲面镜的半径的合适部件包括但不限于水或气压。合适的可变半径镜是可商购获得的，并且允许在操作期间动态地改变束特性。为此，镜表面由柔性材料形成。通过改变施加的水或气压，柔性镜表面变形。这种变形改变了镜的曲率，并且允许动态地操纵IR辐射束。

替代地或另外，可以通过活动式光学安装件动态地操纵IR束在气溶胶形成基材上的位置，镜可以布置在该光学安装件上。例如，可以使用步进电机的微结构组合件动态地操纵镜的反射角。

在一个或多个实施方案中，IR辐射束包括从光子装置朝向曲面镜传播的IR辐入射束和从曲面镜向容纳器传播的IR辐射反射束，其中该IR辐射入射束与该IR辐射反射束之间存在角度，优选地其中角度为约90度。因此，束借助于曲面镜偏转一定角度，优选地偏转约90度的角度。将IR辐射束沿其从光子装置到容纳器的路径以预定角度偏转可允许气溶胶生成元件被设计成不同的几何形状。例如，如果束以预定角度偏转，那么光子装置不必与包括在容纳器中的气溶胶形成基材的照射表面成线性关系放置。这可以允许更紧凑设计的水烟装置。

在一个或多个实施方案中，光学元件可包括透镜。光学元件可包括用于在朝向容纳器的方向上发散IR辐射束的凹透镜和用于在朝向容纳器的方向上会聚IR辐射束的凸透镜中的一者或多者。

凹透镜可以发散IR束，并且因此可以降低IR束的能量密度。这种构造对于将基材在预定的较低温度下维持较长的时间间隔特别有用，在该时间间隔内，例如在预热阶段或在抽吸之间，没有抽吸发生。

凸透镜可以会聚IR束，并且因此可以增加IR束的能量密度。会聚或聚焦的束可以允许基材的特定区域的快速耗尽。

在一个或多个实施方案中，光学元件可包括可变透镜，该可变透镜可在凸形与凹形之间切换。类似于上述可变镜，这些可变透镜可由柔性材料制成，并且可以通过改变施加的水或气压来切换。再次，压力诱导变形可以改变透镜的曲率。

在其中曲面镜的半径不是固定的而是可以动态操纵的实施方案中，类似于透镜，曲面镜可以用作光学元件来选择性地会聚或发散或者会聚和发散IR束。通过增加曲面镜的曲率半径，束在朝向容纳器的方向上发散。通过减小曲面镜的曲率半径，束在朝向容器的方向上会聚。

在一个或多个实施方案中，光学元件可以连接到控制单元。控制单元可以被布置成供使用者选择接纳在容器中的气溶胶形成基材的特定部分，以通过IR辐射加热。控制单元包括使用者界面，其允许使用者输入命令并且由此根据他或她的偏好操纵IR束。使用者界面可包括触摸屏，其中使用者可以发出应加热基材的哪个区域的信号。可以例如通过步进电机移动的光学安装件接着可以被激活以将IR束引导到基材中的信号点。另外，显示器可显示基材的哪些部分已被消耗，或至少被照射。可以包括控制单元以最大化非木炭操作的水烟中的仪式保存。通常，根据本发明，可以使用任何合适的气溶胶形成基材。气溶胶形成基材优选的是能够释放可以形成气溶胶的挥发性化合物的基材。可以通过加热气溶胶形成基材来释放挥发性化合物。气溶胶形成基材可以是固体或液体，或包括固体和液体组分。优选地，气溶胶形成基材包括固体。

气溶胶形成基材可包括尼古丁。含尼古丁的气溶胶形成基材可以包括尼古丁盐基质。气溶胶形成基材可以包括植物基材料。气溶胶形成基材优选地包括烟草，并且优选地，含烟草材料包含挥发性烟草香味化合物，该挥发性烟草香味化合物在被加热时从气溶胶形成基材释放。气溶胶形成基材可以包括均质化的烟草材料。均质烟草材料可以通过凝结颗粒烟草形成。替代地或另外，气溶胶形成基材可以包括不含烟草的材料。气溶胶形成基材可以包括均化的植物基材料。

气溶胶形成基材可以包括例如以下项中的一种或多种：粉末、细粒、球粒、碎片、细条、条带或片材，该条带或片材包含以下项中的一种或多种：草本植物叶、烟草叶、烟草叶脉片段、复原烟草、均质化烟草、挤出烟草，以及膨胀烟草。

气溶胶形成基材可以包括至少一种气溶胶形成剂。气溶胶形成剂可为任何合适的已知化合物或化合物的混合物，在使用中，所述化合物或化合物的混合物有利于致密和稳定气溶胶的形成，并且对在水烟装置的操作温度下的热降解有基本抵抗力。合适的气溶胶形成剂是本领域众所周知的，并且包括但不限于：多元醇，诸如三甘醇、1,3-丁二醇和甘油；多元醇的酯，诸如甘油单乙酸酯、甘油二乙酸酯或甘油三乙酸酯；以及一元羧酸、二元羧酸或多元羧酸的脂肪酸酯，诸如十二烷二酸二甲酯和十四烷二酸二甲酯。特别优选的气溶胶形成剂是多元醇或其混合物，例如三甘醇，1,3-丁二醇和最优选的甘油。气溶胶形成基材可以包括其他添加剂和成分，例如香料。气溶胶形成基材优选包含尼古丁和至少一种气溶胶形成剂。在一个特别优选的实施方案中，气溶胶形成剂是甘油。

气溶胶形成基材可包括任何合适量的气溶胶形成剂。例如，气溶胶形成剂的含量以干重计可等于或大于5％，并且优选地以干重计大于30重量％。以干重计，气溶胶形成剂含量可小于约95％。优选地，气溶胶形成剂的含量高达约55％。

气溶胶形成基材可提供于热稳定载体上或嵌入其中。载体可包括薄层，在其上基材沉积于第一主表面、第二主外表面或第一主表面和第二主表面两者上。载体可以由例如纸或纸样材料、非织造碳纤维垫、低质量开网金属丝网(low mass open mesh metallicscreen)或穿孔金属箔或任何其他热稳定聚合物基质形成。替代地，载体可呈粉末、细粒、球粒、碎片、细条、条带或片材形式。载体可以是其中已并有烟草组分的非织造织物或纤维束。非织造织物或纤维束可包括例如碳纤维、天然纤维素纤维或纤维素衍生型纤维。

在一些示例中，气溶胶形成基材包括任何合适量的一种或多种糖。优选地，气溶胶形成基材包括转化糖，其为通过分裂蔗糖获得的葡萄糖和果糖的混合物。优选地，气溶胶形成基材包括以重量计约1％至约40％的糖，诸如转化糖。在一些示例中，可将一种或多种糖与合适的载体诸如玉米淀粉或麦芽糖糊精混合。

在一些示例中，气溶胶形成基材包括一种或多种感官增强剂。合适的感觉增强剂包括调味剂和感觉剂，诸如凉味剂。合适的调味剂包括天然或合成薄荷醇、薄荷、留兰香、咖啡、茶、香料(诸如肉桂、丁香和/或姜)、可可、香草、水果香料、巧克力、桉树、天竺葵、丁香酚、龙舌兰、杜松、茴香脑、芳樟醇及它们的任何组合。

在一些示例中，气溶胶形成基材呈悬浮液的形式。例如，气溶胶形成基材可以呈糖蜜的形式。如本文所用，“糖蜜”是指包含约25％或更多的糖的气溶胶形成基材组合物。例如，糖蜜可包含至少约30重量％的糖，诸如至少约40重量％的糖。通常，糖蜜将包含小于约60重量％的糖，诸如小于约50重量％的糖。

术语“烟草材料”是指包括烟草的材料或物质，该材料或物质例如包括烟草混合物或带香料的烟草。

如本文中所使用，在讨论气溶胶流量时使用的术语“气溶胶”可以指气溶胶、包含气溶胶或蒸气的空气或气溶胶夹带的空气。例如，在冷却之后或在加速之后，含蒸气的空气可以是含气溶胶的空气的前体。

IR发射器可适于气溶胶形成基材的任何组分的IR吸收带。IR发射器可适于气溶胶形成基材的任何组分的IR透射。

根据本发明的另一方面，提供一种包括如上所描述的气溶胶生成元件的水烟装置。在一个或多个实施方案中，水烟装置还可包括空气导管和液体容器。

在使用中，所生成的气溶胶可以流过气溶胶导管。气溶胶导管在本文中还可称为杆管。气溶胶导管包括近侧端部部分，该近侧端部部分限定定位成从气溶胶生成元件接纳气流的近侧开口。导管包括限定位于容器的内部的远侧开口的远侧端部部分。容器被构造成用于在其中接纳液体，直到液体填充水平。气溶胶导管与容器流体连通。在气溶胶生成元件与容器的内部之间限定气流通道。特别地，气溶胶生成元件借助于导管与容器流体连通。容器的内部包括用于接纳液体的下部容积和用于顶部空间的上部容积。容器包括顶部空间出口，该顶部空间出口在液体填充水平之上与容器的上部容积流体连通。在一些实施方案中，软管可以连接到顶部空间出口。烟嘴可以联接到软管，以便由水烟装置的使用者抽吸。

容器可以包括光学透明或光学不透明壳体，以允许消费者观察容器中包含的内容物。容器可以包括液体填充界限，诸如液体填充线。容器壳体可由任何合适的材料形成。例如，容器壳体可以包括玻璃或合适的刚性塑料材料。优选地，容器可以从水烟装置的具有气溶胶生成元件的部分移除，以允许消费者填充或清洁容器。

可将容器填充至液体填充水平。液体优选地包括水，水可以任选地与一种或多种着色剂、香料或着色剂和香料一起注入。例如，水可与植物冲剂或草本冲剂中的一种或两种一起注入。在一些实施方案中，可以通过拉动穿过液体来改变气溶胶。

空气可以流动通过气溶胶生成元件，以通过气溶胶导管从气溶胶生成元件抽吸气溶胶。气溶胶导管可以限定气流通道。气流可以通过容器的顶部空间出口离开水烟装置。通过在顶部空间出口处施加负压，空气可以流动通过气溶胶导管。负压源可以是使用者的吸入或抽吸。作为响应，气溶胶可以被抽吸通过气溶胶导管，通过包含在容器的内部中的液体。使用者可以抽吸与顶部空间出口流体连通的烟嘴，以在顶部空间出口或烟嘴处生成或提供负压。在一些实施方案中，气流可进入水烟装置的气溶胶形成基材容纳器，沿着气溶胶形成基材流动或流过气溶胶形成基材，并且可变得夹带有气溶胶。夹带气溶胶的空气然后可以从容纳器的出口通过导管流到容器。

如本文中所使用，术语“下游”是指从气溶胶生成元件沿着气溶胶导管朝向容器的内部的方向。术语“上游”是指与下游方向相反的方向，或者是从容器的内部沿着气溶胶导管朝向气溶胶生成元件的方向。

气溶胶导管位于气溶胶生成元件与容器的内部之间。气溶胶导管可以包括沿着气溶胶导管的一个或多个组件。气溶胶导管包括近侧端部部分，该近侧端部部分限定定位成从气溶胶生成元件接纳气流的近侧开口。气溶胶导管包括限定位于容器的内部的远侧开口的远侧端部部分。在使用水烟装置期间，气溶胶导管的远端部分可以延伸到容器的内部的一定体积的液体中。

气溶胶导管可描述为限定延伸通过近侧端部部分和远侧端部部分的纵向轴线。侧向方向可以定义为与纵向轴线正交。例如，气溶胶导管的横截面、周长、宽度或直径可以在侧向方向上或与纵向轴线正交的平面中限定。

根据本发明的又一方面，提供了一种气溶胶生成系统，其包括本发明的水烟装置和气溶胶生成制品。通常，气溶胶生成制品是可移除地安装在气溶胶生成元件的容纳器中的消耗品。气溶胶生成制品包括气溶胶形成基材。

在一个或多个实施方案中，气溶胶生成制品由气溶胶形成基材组成。例如，气溶胶生成制品可以是松散的水烟糖蜜。在一个或多个实施方案中，气溶胶生成制品筒，该筒包括包围气溶胶形成基材的外壳。

通常，容纳器被构造成接纳气溶胶形成基材或气溶胶生成制品。因此，容纳器被构造成接纳气溶胶形成基材或含有气溶胶形成基材的筒。

容纳器可包括与一个或多个空气入口通道连通的任何合适数量的孔。在一些实施方案中，容纳器可包括1至1000个孔，诸如1至500个孔。孔可具有均匀的大小或不均匀的大小。孔可具有均匀或不均匀的形状。孔可均匀分布或不均匀分布。孔可以在容纳器中的任何合适位置形成。例如，孔可形成在容纳器的顶部或底部中的一者或两者中。优选地，孔形成在容纳器的底部中。

容纳器的形状和大小优选地被设计成当基材或筒被容纳器接纳时允许容纳器的一个或多个壁或顶板与气溶胶形成基材或包含气溶胶形成基材的筒之间的接触。有利地，这有助于通过加热元件对气溶胶形成基材的导电加热。

优选地，容纳器的内部和包含气溶胶形成基材的筒的外部具有类似的大小、形状和尺寸。优选地，容纳器的内部的高度与基部宽度(或直径)之比大于约1.5比1。优选地，筒的外部的高度与基部宽度(或直径)之比大于约1.5比1。此类比例可以通过允许来自加热元件的热量渗透到筒的中间而允许在使用期间筒内的气溶胶形成基材更有效的消耗。例如，容纳器和筒的底部直径(或宽度)可为高度的约1.5倍至约5倍、或高度的约1.5倍至约4倍、或高度的约1.5倍至约3倍。类似地，容纳器和筒的高度可为底部直径(或宽度)的约1.5倍至约5倍、或底部直径(或宽度)的约1.5倍至约4倍、或底部直径(或宽度)的约1.5倍至约3倍。优选地，容纳器和筒的高度与底部直径比或底部直径与高度比为约1.5比1至约2.5比1。

在一些实施方案中，容纳器的内部和筒的外部各自具有在约15毫米至约30毫米范围内的底部直径和在约40毫米至约60毫米范围内的高度。

容纳器可由一个或多个部分形成。优选地，容纳器由两个或更多个部分形成。优选地，容纳器的至少一个部分可相对于另一部分移动，以允许进入容纳器的内部以将筒插入到容纳器中。例如，一个部分可以可移除地附接到另一个部分，以允许在这些部分被分开时插入气溶胶形成基材或包含气溶胶形成基材的筒。这些部分可以任何合适的方式附接，诸如通过螺纹接合、过盈配合、卡扣配合等。在一些实施方案中，这些部分经由铰链彼此附接。当这些部分经由铰链附接时，这些部分还可包括锁定机构以在容纳器处于关闭位置时将这些部分相对于彼此固定。在一些实施方案中，容纳器包括抽屉，该抽屉可以滑动打开以允许将气溶胶形成基材或筒放置到抽屉中并且可以滑动闭合以允许使用水烟装置。

用于至少部分地容纳气溶胶形成基材的任何合适的气溶胶生成制品可与如本文所述的水烟装置一起使用。气溶胶生成制品可包括筒。筒、筒的内容物或筒和筒的内容物两者可布置成由加热元件加热。替代地，可将未提供在筒中的气溶胶形成基材放置在容纳器中。

优选地，筒包括导热主体。例如，主体可包含以下中的任何一种：铝、铜、锌、镍、银、它们的一种或多种的组合。优选地，主体包含铝。在一些实施方案中，筒包含导热性低于铝的一种或多种材料。例如，主体可包含任何合适的热稳定聚合材料。如果材料足够薄，则尽管主体由不是特别相对导热的材料形成，但足够的热量仍然可通过主体传递到接纳在其中的气溶胶形成基材。

筒可以包括一个或多个孔。在一些实施方案中，一个或多个孔可形成在主体的顶部和底部中，以在使用时允许空气流经筒。如果容纳器的顶部包括一个或多个孔，则筒顶部中的至少一些孔可与容纳器顶部中的孔对准。筒可包括对准特征结构，该对准特征结构被构造成与容纳器的互补对准特征结构匹配，以在将筒插入到容纳器中时将筒的孔与容纳器的孔对准。在储存期间，筒主体中的孔可以被覆盖以防止储存在筒中的气溶胶形成基材从筒中溢出。另外或替代地，筒主体中的孔的尺寸可以足够小以防止或抑制气溶胶形成基材离开筒。如果孔被覆盖，则消费者可在将筒插入容纳器之前移除盖。在一些实施方案中，水烟装置被构造成刺穿筒以在筒中形成孔。在一些实施方案中，水烟装置的容纳器被构造成刺穿筒以在筒中形成孔。

筒可以是任何合适的形状。优选地，筒具有截头圆锥形或圆柱形的形状。

筒可具有盖。盖可以是可移除的。在使用气溶胶生成元件照射筒中的气溶胶形成基材之前，可以移除可移除盖。这可以通过吸收界面材料来使能量损失最小化，并且可以使气溶胶形成基材的直接照射最大化。筒可以是可重复使用的，使得使用者单独购买基材并且手动地装载基材，而不是购买预制备的水烟筒。这可以提供更类似于传统水烟仪式的益处。

在一个或多个实施方案中，气溶胶生成制品包括筒，该筒包括包封气溶胶形成基材的外壳，并且气溶胶生成元件被构造成直接加热该筒内的该气溶胶形成基材，或直接加热该筒的外壳，并且经由该筒的该外壳间接加热该筒内的该气溶胶形成基材。

水烟装置可包括可操作地联接到电阻加热元件、感应线圈、光子装置、光学元件和/或活动式光学安装件的控制电子器件。控制电子器件被构造成控制加热元件的加热。

控制电子器件可以以任何合适的形式提供。控制电子器件可以包括控制器。控制电子器件可以包括存储器。存储器可以包括指令，该指令使得水烟装置的一个或多个组件执行控制电子器件的功能或方面。可归因于本公开中的控制电子器件的功能可被体现为软件、固件和硬件中的一个或多个。存储器可以是非暂时性计算机可读存储介质。

特别地，本文所描述的组件(诸如控制器)中的一者或多者可包括处理器，诸如中央处理单元(CPU)、计算机、逻辑阵列或能够将数据导入或导出控制电子器件的其他装置。控制器可以包括一个或多个具有存储器、处理部件和通信硬件的计算装置。控制器可以包括用于将控制器的各种组件联接在一起或与可操作地联接到控制器的其他组件联接的电路。控制器的功能可以由硬件执行。控制器的功能可以由储存在非暂时性计算机可读存储介质上的指令来执行。控制器的功能可以由硬件和储存在非暂时性计算机可读存储介质上的指令来执行。

在控制器包括处理器的情况下，在一些实施方案中，处理器可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和等效分立或集成逻辑电路系统中的任何一者或多者。在一些实施方案中，处理器可以包括多个组件，例如一个或多个微处理器、一个或多个控制器、一个或多个DSP、一个或多个ASIC和一个或多个FPGA、以及其他分立或集成逻辑电路系统的任意组合。本文中归因于控制器或处理器的功能可以体现为软件、固件、硬件或它们的任何组合。虽然在本文中被描述为基于处理器的系统，但是替代控制器可以单独或与基于微处理器的系统结合使用其他部件(例如继电器和计时器)来实现所需的结果。

在一个或多个实施方案中，示例性系统、方法和接口可以通过使用可以包括一个或多个处理器、存储器或存储器和一个或多个处理器两者的计算设备，使用一个或多个计算机程序来实现。本文所描述的程序代码、逻辑或代码和逻辑两者可以应用于输入数据或信息以执行本文所描述的功能并生成期望的输出数据/信息。可以将输出数据或信息作为输入应用到一个或多个其他装置或方法，如本文所描述或将以已知方式应用。鉴于以上内容，将显而易见的是，可以以本领域技术人员已知的任何方式来实现本文所述的控制器功能。

在一些实施方案中，控制电子器件可以包括微处理器，该微处理器可以是可编程微处理器。电子电路可被配置成调节电力供应。电力可以电流脉冲的形式供应给加热器元件或感应线圈。

如果加热元件包括电阻加热元件，则在一些实施方案中控制电子器件可以被构造成测量或监控加热元件的电阻。在一些实施方案中，控制电子器件可以被构造成取决于加热元件的电阻来控制对加热元件的电力供应。以这种方式，控制电子器件可调节电阻元件的温度。

如果加热部件包括感应线圈，并且加热元件包括感受器材料，则在一些实施方案中控制电子器件可以被构造成监控感应线圈的方面。在一些实施方案中，控制电子器件可以被构造成取决于例如在WO2015/177255中描述的线圈的方面来控制对感应线圈的电力供应。以这种方式，控制电子器件可调节感受器材料的温度。

水烟装置可以包括温度传感器。温度传感器可以包括热电偶。温度传感器可以可操作地联接到控制电子器件以控制加热元件的温度。温度传感器可被定位在任何合适的位置。例如，温度传感器可以被构造成插入接纳在容纳器内的气溶胶生成基材或筒中，以监测正在被加热的气溶胶形成基材的温度。另外或替代地，温度传感器可以与加热元件接触。另外或替代地，温度传感器可以被定位成检测水烟装置的气溶胶出口，诸如气溶胶生成元件的气溶胶出口处的温度。另外或替代地，温度传感器可以与冷却元件诸如热泵的加热侧接触。传感器可将与感测到的温度有关的信号传输到控制电子器件，该控制电子器件可调节加热元件的加热以在传感器处实现合适的温度。

可以使用任何合适的热电偶，诸如K型热电偶。可以将热电偶放在温度最低的筒中。例如，热电偶可以被放置在筒的中心或中间。在一些水烟装置中，例如通过将热电偶放置在基材容纳器与加热元件(诸如木炭)之间，然后将基材放置在顶部，可以将热电偶放置在气溶胶形成基材(诸如糖蜜)下方。

无论水烟装置是否包括温度传感器，该装置均优选地被构造成将接纳在容纳器中的气溶胶形成基材加热到足以生成气溶胶而不会使气溶胶形成基材燃烧的程度。

控制电子器件可以可操作地联接到水烟装置的电源。水烟装置可以包括任何合适的电源。例如，水烟装置的电源可以是电池或电池组(诸如，蓄电池组)。在一些实施方案中，电池的一个或一个以上的部件，诸如阴极元件和阳极元件，或者甚至整个电池，可以适于匹配将其设置在其中的水烟装置的一部分的几何形状。在一些情况下，电池或电池部件可以通过滚动或组装来适配为匹配几何形状。电源单元的电池可以是可再充电池。电源的电池可以是可移除的和可更换的。可以使用任何合适的电池。例如，市场上存在重载型或标准电池，例如用于工业重载电动工具的电池。替代地，电源单元可以是任何类型的电源，包括超级(super/hyper)电容器。在一些实施方案中，水烟装置可以连接至外部电源，并且出于此类目的进行电气和电子设计。无论所采用的电源类型如何，在被再充电或需要连接到外部电源之前，电源优选地提供足够的能量来使水烟装置正常起作用，以供装置进行至少约30分钟、优选地至少约50分钟、更优选地至少约70分钟的连续操作。

水烟装置可以包括加速元件。夹带气溶胶的空气可在穿过一个或多个加速元件时减压。夹带气溶胶的空气接着继续通过杆管进入容器中，然后可由使用者吸入。加速元件可沿着气溶胶导管定位，例如沿气溶胶导管的气流通道定位。特别地，加速元件可沿着气溶胶导管定位。加速元件可以一体地形成气流通道或气溶胶导管的一部分。加速元件可被构造成使流过加速元件的气溶胶加速。

水烟装置可以包括冷却元件。冷却元件可以沿着气流通道或气溶胶导管设置。冷却元件可以一体地形成气流通道或气溶胶导管的一部分。冷却元件被构造成冷却气流通道中的气溶胶，特别是流动通过或经过冷却元件的空气。冷却元件可以沿着空气流动通道设置在气溶胶生成元件的下游。特别地，冷却元件可以被设置在气溶胶生成元件和空气流动通道的端部之间，或者至少在气溶胶生成元件与容器之间。此外，冷却元件可以邻近或尽可能靠近减速室或杆管的减速部分定位，这可促进快速冷却，以用于气溶胶产生。冷却元件可以利用被动冷却、主动冷却或两者。冷却元件可以包括导热材料的导管。

根据本发明的另一方面，提供一种用于在水烟装置中形成气溶胶的方法。根据该方法，借助于光子装置生成IR辐射束。此外，IR辐射束从光电装置引导到接纳在水烟装置的容纳器中的气溶胶形成基材。最后，接纳在容纳器中的气溶胶形成基材借助于IR辐射束加热。因此，气溶胶形成基材的温度在吸收IR光时升高。气溶胶形成基材的温度可在吸收IR光时升高，直到其达到形成气溶胶时的蒸发温度。

在该方法的一个或多个实施方案中，选择IR辐射束的波长以对应于气溶胶形成基材的至少一个组分吸收IR辐射的波长。

在该方法的一个或多个实施方案中，该方法包括在借助于IR辐射束加热接纳在水烟装置容纳器中的气溶胶形成基材之前操纵IR辐射束。在该方法的一些实施方案中，操纵IR辐射束包括使用一个或多个光学元件来操纵IR辐射束。在一些实施方案中，一个或多个光学元件可以设置在活动式安装件上。因此，可以例如以顺序方式选择性地加热气溶胶形成基材的不同部分。

在该方法的一些实施方案中，该方法包括动态地操纵IR辐射束。在一些实施方案中，所述动态操纵可借助于光学元件的活动式安装件来实现，使得例如以顺序方式选择性地加热气溶胶形成基材的不同部分。

在该方法的一个或多个实施方案中，该方法包括通过附加电加热部件加热气溶胶形成基材。因此，气溶胶形成基材可通过IR辐射束附加电加热部件两者同时加热。

出于示例的目的，在下文按时间顺序提供一种使用如本文中所描述的水烟装置的方法。可将容器与水烟装置的其他组件分离，并用水填充。可以将天然水果果汁、植物性药材和草本冲剂中的一种或多种添加到水中以用于调味。所添加的液体量应覆盖主导管的一部分但不应超过可任选地存在于容器上的液位标记。接着将容器再组装到水烟装置。气溶胶生成元件的一部分可以被移除或打开，以允许气溶胶形成基材或筒被插入到容纳器中。然后再组装或闭合气溶胶生成元件。然后可接通装置。使用者可以从烟嘴抽吸，直到产生期望体积的气溶胶以填充具有空气加速入口的腔室。使用者可视需要抽吸烟嘴。使用者可继续使用所述装置直到腔室中不可见较多气溶胶。优选地，当筒或基材中的可用气溶胶形成基材被耗尽时，该装置将自动关闭。替代地或另外，在例如从装置接收到耗材被耗尽或几乎被耗尽的提示之后，消费者可以用新鲜的气溶胶形成基材或新鲜的筒再填充装置。如果用新鲜基材或新鲜筒再填充，那么可继续使用装置。优选地，使用者可在任何时间通过例如切断装置来关断水烟装置。

在一些实例中，使用者可通过在例如烟嘴上使用启动元件来启动一个或多个加热元件。启动元件可例如与控制电子器件无线通信且可向控制电子器件发信号以将加热元件从待用模式启动至完全加热模式。优选地，仅在使用者抽吸烟嘴时才启用此类手动启动，以防止筒中的气溶胶形成基材过热或不必要的加热。

在一些实例中，烟嘴包括与控制电子器件无线通信的抽吸传感器，并且消费者在烟嘴上的抽吸引起加热元件从待用模式启动成充分加热。

本发明的水烟装置可具有任何合适的空气管理。在一个实例中，使用者的抽吸动作将产生吸入效应，从而引起装置内部的低压，这将导致外部空气流动通过装置的空气入口、进入空气入口通道并且进入气溶胶生成元件的容纳器中。空气然后可以流动通过气溶胶形成基材或在容纳器中含有基材的筒，以携带气溶胶通过容纳器的气溶胶出口。然后，气溶胶可以流入腔室的空气加速入口的第一孔中(除非气溶胶生成元件的出口也用作腔室的空气加速入口)。当空气流动通过腔室的入口时，空气被加速。加速的空气通过第二孔离开入口进入腔室的主腔室，在主腔室中空气被减速。主腔室中的减速可以改善成核，从而导致腔室内增强的可见气溶胶。然后，雾化的空气可以离开腔室并且流动通过主导管(除非主导管是腔室的主腔室)至容器内部的液体。然后，气溶胶将涌出液体并进入容器中的液体水位上方的顶部空间，从顶部空间出口流出并通过软管和烟嘴递送至消费者。水烟装置内部的外部空气的流动和气溶胶的流动可由使用者的抽吸动作来驱动。

优选地，本发明的水烟装置的所有主要部分的组装确保装置起密闭式作用。密闭式功能应确保进行恰当的气流管理。可以任何合适方式实现密闭式作用。例如，可能使用密封件诸如密封环和垫圈来确保密闭式密封。

密封环和密封垫圈或其他密封元件可由一种或多种任何合适的材料制成。例如，密封件可以包括石墨烯化合物和硅化合物中的一种或多种。优选地，所述材料被美国食品和药物管理局批准用于人类。

主要部分，诸如腔室、腔室的主导管、容纳器的盖壳体以及容器，可以由任何合适的一种或多种材料制成。例如，这些部分可以各自由玻璃、玻璃基化合物、聚砜(PSU)、聚醚砜(PES)或聚苯砜(PPSU)制成。优选地，所述部分由适用于标准洗碗机的材料形成。

在一些实例中，本发明的烟嘴并有快速联接凸(male)/凹(female)特征，以连接到软管单元。

电子IR加热的水烟装置可以如下操作。填充有气溶胶形成基材的筒可以通过IR辐射加热。为此，气溶胶生成元件将IR辐射引导到气溶胶形成基材上。气溶胶生成元件可以被构造成使得所提供的温度足以生成气溶胶而不燃烧(burning/combusting)气溶胶形成基材。使用者可以从电动水烟中抽吸空气，空气可以经由空气入口通道进入，经过冷却元件，沿筒行进，然后朝向筒的底部，再到达容纳器的底部。所生成的气溶胶可以在穿过加速元件时被加速。在加速之前或在加速期间，所生成的气溶胶可以由冷却元件冷却以增加气溶胶中的冷凝。气溶胶在进入腔室时可以经历压力变化，并且在腔室内部膨胀，这可以使气溶胶在穿过主导管或杆管之前减速，该主导管或杆管部分浸没在容器的下部容积中的水中。所生成的气溶胶在由软管抽出之前，穿过水并且在容器的上部容积中膨胀。

在该方法的一个或多个实施方案中，气溶胶形成基材包括水烟糖蜜。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种非暂时性计算机可读介质，其包括用于执行如上所描述的方法的软件。

根据本发明的一方面，提供一种被构造成用于实现如上所描述的方法的控制器。在一些实施方案中，所述控制器包括用于执行如上所描述的方法的软件。在一些实施方案中，软件作为控制器的一部分被提供在如上所描述的非暂时性计算机可读介质中。

本文中用到的所有科学和技术术语均具有本领域中常用的含义，另有另外指出。本文提供的定义是为了便于理解本文经常使用的某些术语。

关于一个方面描述的特征可以等同地应用于本发明的其他方面。

附图说明

将参考附图仅通过举例方式进一步描述本发明，在附图中：

图1显示包括本发明的气溶胶生成元件的水烟装置；

图2显示根据实施方案的本发明的气溶胶生成元件；

图3A和图3B显示根据另一实施方案的本发明的气溶胶生成元件；

图4A显示根据另一实施方案的本发明的气溶胶生成元件；

图4B显示根据另一实施方案的本发明的气溶胶生成元件；

图5A显示根据实施方案的本发明的水烟装置，该水烟装置包括本发明的气溶胶生成元件；

图5B显示与本发明的气溶胶生成元件一起使用的控制单元，并且

图6显示甘油的IR光谱。

具体实施方式

水烟装置100包括被构造成接纳气溶胶形成基材20(未示出)的气溶胶生成元件10。气溶胶生成元件10可以例如借助于如以下参考图2描述的IR辐射来加热气溶胶形成基材20以生成气溶胶。在使用中，所生成的气溶胶流过气溶胶导管。气溶胶导管可以提供作为杆管34的一部分。气溶胶导管包括：近侧端部部分，该近侧端部部分限定定位成从气溶胶生成元件10接纳气流的近侧开口42；以及远侧端部部分，该远侧端部部分限定定位在容器46的内部中的远侧开口44。

杆管34与容器46流体连通。在气溶胶生成元件10与容器46的内部之间限定气流通道。特别地，气溶胶生成元件10借助于至少部分地限定气流通道的杆管34与容器46流体连通。容器46的内部包括用于顶部空间的上部容积48和用于液体的下部容积50。软管52通过顶部空间出口54与上部容积48流体连通，该顶部空间出口在容器46的一侧的液体线上方形成。烟嘴56联接到软管52，以供装置100的使用者使用。

所生成的气溶胶可以流动通过气溶胶生成元件10，经由杆管34通过气流通道进入到下部容积49中。气溶胶可以穿过下部容积49中的液体，然后升入上部容积48中。使用者在软管52的烟嘴56上抽吸可以通过顶部空间出口54将上部容积48中的气溶胶吸入到软管20中以供吸入。特别地，烟嘴56处的负压可以转换成顶部空间出口54处的负压，从而导致气流通过气溶胶生成元件10和杆管34。

图2显示本发明的用于生成气溶胶的气溶胶生成元件10的实施方案，该气溶胶生成元件为图1的水烟装置100的一部分。气溶胶生成元件10包括被构造成生成和发射IR辐射束16的光子装置14。在图2的实施方案中，IR辐射束16由IR激光二极管以1瓦至20瓦的功率发射波长在1300纳米至2000纳米之间的辐射生成。气溶胶生成元件10还包括用于接纳气溶胶形成基材20的容纳器18。气溶胶生成元件10被布置成通过将IR辐射束16从光子装置14引导到接纳在容纳器18中的气溶胶形成基材20上来加热气溶胶形成基材20。光学元件22位于在光子装置14与容纳器18之间的IR辐射束16的路径中。光学元件22被构造成操纵IR辐射束16。在图2的实施方案中，光学元件22包括曲面镜，其用于通过反射束16来操纵IR辐射束16，使得束16改变方向。优选地，曲面镜的半径不是固定的，而是可以借助于例如水或气压来动态地操纵。

光学元件22借助于光学安装件24安装在气溶胶生成元件10中。在图2所显示的实施方案中，IR辐射束16包括从光子装置14朝向曲面镜传播的IR辐射入射束和从曲面镜向容纳器18传播的IR辐射反射束。曲面镜反射IR辐射束16，将束的方向改变为新方向，该方向相对于束的原始方向成大约90度的角度。因此，IR辐射入射束与IR辐射反射束之间存在大约90度的角度。然而，如果需要，可以调整其他反射角度。

光学安装件24可以是活动式的以便调整不同的反射角度。气溶胶形成基材20上IR辐射束16照射基材的位置可由活动式光学安装件24动态地操纵。例如，可以使用活动式光学安装件24操纵曲面镜相对于入射IR束的旋转角。例如，活动式光学安装件24可以包括步进电机的微结构化组合件。因此，可以实现气溶胶形成基材20的离散部分的选择性加热。因此，选择性加热可以实现气溶胶形成基材20的不同部分的顺序加热。

图2的实施方案还包括窗26，该窗位于光学元件22与容纳器18之间的位置，并且对IR辐射束16基本透明。IR辐射反射束16通过窗26透射到容纳器18中。窗26防止在激光二极管的表面上和曲面镜上的残留物累积。

图2还指出水烟装置12中的气溶胶生成元件10的工作示例的若干细节。

为了允许气流进入装置，容纳器18包括至少一个空气入口28。在容纳器18内，可接纳气溶胶形成基材20。气溶胶形成基材20可以作为提供在胶囊30内的气溶胶生成制品的一部分提供。在一些实施方案中，可以在加热之前打开或移除胶囊30的盖。在一些实施方案中，例如所示出的实施方案，胶囊30放置在距IR激光二极管至多5厘米的距离处。在一些实施方案中，例如所示出的实施方案，胶囊30没有盖。这可以有助于防止或至少减少通过吸收界面材料的能量损失。这还可有助于使气溶胶形成基材20的直接照射最大化。

在吸收IR辐射束16时，气溶胶形成基材20的温度升高，直到在容纳器18中生成蒸气并形成气溶胶的温度。胶囊30的底侧设置有气流出口，例如一个或多个孔32，以用于使气流能够穿过胶囊30。

通常，空气通过空气入口28进入容纳器18，穿过气溶胶形成基材20，并且通过放置在胶囊30的底侧上的孔32离开胶囊30。随后，所生成的气溶胶穿过杆管34进入水中，并且在水池的顶部空间(图2中未显示)上累积。然后，气溶胶穿过顶部空间出口，通过软管到达烟嘴(图1中未显示特征)，在烟嘴处气溶胶可由使用者吸入。

图3A和图3B显示本发明的气溶胶生成元件10的部分的另一实施方案。容纳器未显示于图3A和图3B中。与图2的实施方案相比，图3A和图3B的实施方案的光学元件22包括凸透镜。如从图3A和图3B可以看出，光学元件22的凸透镜操纵IR辐射束16以在穿过光学元件22之后会聚。IR辐射束16的会聚且因此聚焦增加IR辐射束16的能量密度。聚焦束允许气溶胶形成基材20的特定区域的快速耗尽。

此外，光学元件22包括用于动态地操纵IR辐射束16的轨迹的活动式光学安装件24。这通过图3A和图3B中的光学元件22的凸透镜的轴线的不同取向来可视化。因此，图3A和图3B显示可经由活动式光学安装件24调整的光学元件的多个不同构型中的两种。活动式光学安装件24的移动可通过步进电机来实现。如从图3A和图3B可以看出，光学安装件24的移动操纵聚焦束16的轨迹。操纵IR辐射聚焦束16的轨迹操纵IR辐射束16将落在入射到气溶胶形成基材20上的确切位置。因此，可以选择性方式照射气溶胶形成基材20。因此，可以顺序方式照射气溶胶形成基材20。操纵束轨迹的速度可以由制造商或由使用者根据其自身的偏好来设定。这种构造对于按需抽吸水烟系统可能特别有用。

图4A显示本发明的气溶胶生成元件10的部分的另一实施方案。再次，容纳器未显示于图4A中。气溶胶形成基材20设置在开盖胶囊30内。除了先前描述的实施方案中，在图4A的实施方案中，光学元件22包括凹透镜。如从图4A可以看出，光学元件22的凹透镜操纵IR辐射束16以在穿过光学元件22之后会聚IR辐射束16。这种构造对于在不出现抽吸的长时间间隔(例如预热时间段或在抽吸之间)保持基材处于正确的温度下是特别有用的。

图4A的实施方案的气溶胶生成元件10还包括附加电加热部件。附加电加热部件包括电阻加热部件36。在此实施方案中，IR辐射束16被设想为耗尽剂，意味着气溶胶形成基本上仅在IR辐射束16照射气溶胶形成基材20的地方发生。电阻加热部件36将基材维持在低于气溶胶形成基材的蒸发温度的恒定温度。IR加热部件提供将气溶胶形成基材20的一种或多种化合物带到处于或高于蒸发温度的温度以生成气溶胶所需的附加能量。

图4B显示本发明的气溶胶生成元件10的部分的另一实施方案。同样，容纳器未在图3B中示出。图4B的实施方案类似于图4A的实施方案。IR辐射聚焦束16被设想为耗尽剂，并且气溶胶形成基本上仅在气溶胶形成基材20的不同部分处发生，在该部分处聚焦的IR辐射16束照射气溶胶形成基材20。

图3B的实施方案与图4A的实施方案不同之处在于，图4B的光学元件22包括凸透镜而不是凹透镜。

图4B的光学元件22包括用于动态地操纵IR辐射束16的轨迹的活动式光学安装件24。此构造类似于图3A和图3B实施方案的光学元件22和活动式光学安装件24的构造。

因此，气溶胶形成基材20可以顺序方式由IR辐射束16照射。

图5A和图5B显示本发明的与气溶胶生成元件10一起使用的控制单元38。控制单元38可使本发明的非木炭操作的水烟装置12中的仪式保存最大化。

图5A以侧视图显示位于气溶胶生成元件10顶部的控制单元38。此外，指出了水烟装置12的杆管34。图5B以俯视图显示包括使用者界面40的控制单元38。使用者界面40包括显示器。显示器借助于等高线图可视化气溶胶形成基材的加热区域。另外，显示器可显示气溶胶形成基材20的哪些部分已被消耗。显示器还具有呈触摸屏形式的使用者输入部件的功能。因此，当控制单元38用于例如其中气溶胶生成元件10包括用于操纵IR辐射束16的部件的实施方案时，例如图3A和图3B所显示的实施方案，使用者可以输入气溶胶形成基材20的哪个区域应该被加热。例如，使用者可以轻触或按住显示器触摸屏上的区域以控制IR辐射束16所引导的位置。通过该动作，活动式光学安装件24的步进电机主动地将IR辐射束16引导至气溶胶形成基材20中的信号点。

与水烟装置一起使用的典型基材，例如Al-Fakher双苹果糖蜜，可具有例如15％至30％的烟草、45％至55％的甘油和15％至30％的糖的组成。如图6中所描绘的甘油IR光谱(来自Xu,M.,Wang,X.,Jin,B.和Ren,H.Micromachines 2014,6(2),186-195)可以看出，甘油具有在1300纳米至2000纳米范围内的强吸收带。因此，与本发明的水烟装置一起使用的合适的IR发射器可以是例如能够发射波长在1300纳米至2000纳米的光的激光二极管。

在一些实施方案中，为了允许适当地使用水烟装置，IR激光二极管应能够在约4分钟内将基材的暴露部分从室温预热到约200摄氏度的目标温度。在此预热阶段之后，IR发射器的加热功率应促进在通常使用期约40分钟内的恒定蒸发。

假设总基材材料中的约三分之一，即基材表面处的材料暴露于光并且经由IR辐射加热，可以得出结论，IR激光二极管应提供7瓦至20瓦的预热功率。

在达到200摄氏度的目标温度之后，通常使用水烟约40分钟，并且在目标温度下的此使用期间，操作温度需要保持恒定。在此使用期间，通常蒸发总共2.8克的糖蜜基材。考虑到Al-Fakher双苹果糖蜜的上述组成，对于此类蒸发，需要连续减小的1瓦至3瓦的辐射功率。

在给定示例中，在4分钟内将Al-Fakher双苹果糖蜜预热到200摄氏度的目标温度的功率密度要求为约1至1.5瓦/平方厘米。在使用水烟装置期间，IR激光二极管的功率密度可减小到约0.3至0.7瓦/平方厘米。

Claims (20)

1.一种用于在水烟装置中生成气溶胶的气溶胶生成元件，所述气溶胶生成元件包括：

容纳器，所述容纳器用于接纳气溶胶形成基材；以及

光子装置，所述光子装置被构造成生成IR辐射束；其中

所述气溶胶生成元件被布置成通过将所述IR辐射束引导到所述气溶胶形成基材上来加热所述气溶胶形成基材。

2.根据权利要求1所述的气溶胶生成元件，其中所述IR辐射束的波长对应于所述气溶胶形成基材的至少一种组分吸收IR辐射的波长。

3.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成元件，其中所述IR辐射束的波长范围为800纳米至2300纳米，优选地为1300纳米至2000纳米。

4.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成元件，其中所述IR辐射束的直径在1毫米至110毫米、优选地在2毫米至100毫米、并且更优选地在5毫米至80毫米的范围内。

5.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成元件，其中所述IR辐射束的功率在0.1瓦至30瓦、优选地在0.5瓦至25瓦、更优选地在1瓦至20瓦、并且更优选地在1瓦至3瓦的范围内。

6.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成元件，其中所述IR辐射束的能量密度能够在0.010瓦/平方厘米至30瓦/平方厘米、优选地在0.050瓦/平方厘米至6瓦/平方厘米、并且更优选地在0.100瓦/平方厘米至3瓦/平方厘米的范围内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成元件，其中所述光子装置包括IR激光二极管。

8.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成元件，还包括光学元件，所述光学元件位于所述光子装置与所述容纳器之间并且被构造成操纵所述IR辐射束。

9.根据权利要求8所述的气溶胶生成元件，其中所述光学元件被布置在活动式光学安装件上，用于动态地操纵所述IR辐射束。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的气溶胶生成元件，还包括窗，所述窗位于所述光子装置与所述容纳器之间并且对于所述IR辐射束是基本透明的。

11.根据权利要求10所述的气溶胶生成元件，其中所述气溶胶生成元件包括光学元件，并且其中所述窗位于所述光学元件与所述容纳器之间的位置处。

12.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成元件，其中所述IR辐射束包括从所述光子装置朝向所述光学元件传播的IR辐射入射束和从所述光学元件向所述容纳器传播的IR辐射反射束，并且其中在所述IR辐射入射束与所述IR辐射反射束之间存在角度，优选地，其中所述角度为约90度，优选地，其中所述光学元件包括用于反射所述IR辐射束的曲面镜，优选地，其中所述曲面镜能够被动态地操纵。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的气溶胶生成元件，其中所述光学元件包括以下中的一者或两者：

凹透镜，所述凹透镜用于在朝向所述容纳器的方向上发散所述IR辐射束；以及

凸透镜，所述凸透镜用于在朝向所述容纳器的方向上会聚所述IR辐射束。

14.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成元件，还包括电加热部件，所述电加热部件被布置成用于加热接纳在所述容纳器中的所述气溶胶形成基材，优选地，所述电加热部件是电阻加热部件和感应加热部件中的一者或多者。

15.根据前述权利要求中任一项所述的气溶胶生成元件，还包括供使用者选择待加热的所述容纳器的特定部分的控制单元。

16.一种水烟装置，其包括根据前述权利要求中的一项所述的气溶胶生成元件。

17.一种气溶胶生成系统，其包括根据权利要求16所述的水烟装置和气溶胶形成基材，

其中所述气溶胶形成基材被布置成接纳在所述水烟装置的所述气溶胶生成元件的所述容纳器中，并且

其中所述气溶胶形成基材被布置成由所述水烟装置的所述气溶胶生成元件加热。

18.根据权利要求17所述的气溶胶生成系统，其包括筒，所述筒包括包封所述气溶胶形成基材的外壳。

19.根据权利要求17或权利要求18所述的气溶胶生成系统，其中所述气溶胶形成基材包括水烟糖蜜。

20.一种用于在水烟装置中形成气溶胶的方法，所述方法包括：

(a)借助于光子装置生成IR辐射束，

(b)将所述IR辐射束从所述光子装置引导到接纳在所述水烟装置的容纳器中的气溶胶形成基材，

(c)借助于所述IR辐射束加热接纳在所述水烟装置的所述容纳器中的所述气溶胶形成基材。

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