ES2609029T5 - Un sistema generador de aerosol que comprende un susceptor de malla - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Un sistema generador de aerosol que comprende un susceptor de malla

La descripción se refiere a sistemas generadores de aerosol que funcionan mediante el calentamiento de un sustrato formador de aerosol. En particular la invención se refiere a sistemas generadores de aerosol que comprenden una porción de un dispositivo que contiene un suministro de energía y una porción de un cartucho reemplazable que comprende el sustrato consumible formador de aerosol.

Un tipo de sistema generador de aerosol es un cigarrillo electrónico. Los cigarrillos electrónicos por lo general usan un sustrato líquido formador de aerosol que se vaporiza para formar un aerosol. Un cigarrillo electrónico por lo general comprende un suministro de energía, una porción de almacenamiento de líquido para contener un suministro del sustrato líquido formador de aerosol y un atomizador.

El sustrato líquido formador de aerosol se agota durante el uso y así debe reabastecerse. La manera más común de suministrar rellenos del sustrato líquido formador de aerosol es con un cartucho tipo cartomizador. Un cartomizador comprende tanto un suministro de sustrato líquido como el atomizador, comúnmente en forma de un calentador de resistencia operado eléctricamente enrollado alrededor de un material capilar embebido en el sustrato formador de aerosol. Reemplazar un cartomizador como una unidad única tiene el beneficio de ser conveniente para el usuario y evita la necesidad del usuario de tener que limpiar o mantener de cualquier otra manera el atomizador.

Sin embargo, sería conveniente poder proporcionar un sistema que permita los rellenos de sustrato formador de aerosol que son menos costosos de producir y más robustos que los cartomizadores disponibles actualmente, a la vez que aún son fáciles y convenientes de usar por los consumidores. Además, sería conveniente proporcionar un sistema que elimine la necesidad de uniones soldadas y que permita un dispositivo sellado que sea fácil de limpiar.

El documento WO 95/27411 describe un sistema para fumar calentado eléctricamente que comprende una fuente de calentamiento por inducción para calentar un artículo para fumar que contiene un medio saborizante de tabaco.

En un primer aspecto, se proporciona un cartucho para su uso en un sistema generador de aerosol, el sistema generador de aerosol que comprende un dispositivo generador de aerosol, el cartucho configurado para usarse con el dispositivo, en donde el dispositivo comprende un alojamiento del dispositivo; una bobina inductora posicionada sobre o dentro del alojamiento; y un suministro de energía conectado a la bobina inductora y configurado para proporcionar una corriente oscilante de alta frecuencia a la bobina inductora; el cartucho que comprende un alojamiento del cartucho que contiene un sustrato formador de aerosol y un elemento susceptor de malla posicionado para calentar el sustrato formador de aerosol, en donde el sustrato formador de aerosol es un líquido a temperatura ambiente y puede formar un menisco en intersticios del elemento susceptor de malla.

Durante el funcionamiento, una corriente oscilante de alta frecuencia se hace pasar por la bobina inductora en espiral plana para generar un campo magnético alterno que induce una tensión en el elemento susceptor. La tensión inducida provoca que fluya una corriente en el elemento susceptor y esta corriente provoca el efecto Joule en el susceptor que a su vez calienta el sustrato formador de aerosol. Debido a que el elemento susceptor es ferromagnético, las pérdidas por histéresis en el elemento susceptor también generan una cantidad significativa de calor. El sustrato formador de aerosol vaporizado puede pasar por el elemento susceptor y subsiguientemente enfriarse para formar un aerosol que se suministra a un usuario.

Esta disposición que usa calentamiento inductivo tiene la ventaja de que no necesitan formarse contactos eléctricos entre el cartucho y el dispositivo. Y el elemento de calentamiento, en este caso el elemento susceptor, no necesita unirse eléctricamente a ningún otro componente, que elimina la necesidad de un soldador u otros elementos de unión. Además, la bobina se proporciona como parte del dispositivo lo que hace posible construir un cartucho que es simple, económico y robusto. Los cartuchos por lo general son artículos desechables producidos en mucha más cantidad que los dispositivos con los cuales funcionan. En consecuencia, disminuir el coste de los cartuchos, incluso si estos requieren un dispositivo más caro, puede conducir a significativos ahorros de costos tanto para los fabricantes como para los consumidores.

Como se usa en la presente descripción, una corriente oscilante de alta frecuencia se refiere a una corriente oscilante que tiene una frecuencia de entre 500 kHz y 30 MHz. La corriente oscilante de alta frecuencia puede tener una frecuencia de entre 1 y 30 MHz, preferentemente, entre 1 y 10 MHz y con mayor preferencia, entre 5 y 7 MHz.

Como se usa en la presente descripción, un “elemento susceptor” se refiere a un elemento conductor que se calienta cuando se somete a un campo magnético variable. Esto puede ser el resultado de las corrientes parásitas inducidas en el elemento susceptor y/o las pérdidas por histéresis. Ventajosamente, el elemento susceptor es un elemento de ferrita. El material y la geometría para el elemento susceptor pueden seleccionarse para proporcionar una resistencia eléctrica y generación de calor deseadas.

El sustrato formador de aerosol que es un líquido a temperatura ambiente y que forma un menisco en intersticios del elemento susceptor de malla, proporciona un calentamiento eficiente del sustrato formador de aerosol.

El elemento susceptor de malla puede ser un elemento susceptor de malla de ferrita. Alternativamente, el elemento susceptor de malla puede ser un elemento susceptor de malla ferroso.

Como se usa en la presente descripción, el término "malla" abarca rejillas y conjuntos de filamentos que tienen espacios entre ellos, y puede incluir telas tejidas y no tejidas.

La malla puede comprender una pluralidad de filamentos de ferrita o ferrosos. Los filamentos pueden definir intersticios entre los filamentos y los intersticios pueden tener una anchura de entre 10 pm y 100 pm. Preferentemente, los filamentos dan lugar a una acción capilar en los intersticios, de modo que durante el uso, el líquido a vaporizar es aspirado hacia los intersticios, aumentando el área de contacto entre el elemento susceptor y el líquido.

Los filamentos pueden formar una malla de tamaño entre US de 160 y 600 Mesh (+/- 10 %) (es decir, entre 160 y 600 filamentos por pulgada (+/- 10 %)). El ancho de los intersticios está preferentemente entre 75 pm y 25 pm. El porcentaje del área abierta de la malla, que es la relación del área de intersticios con respecto al área total de la malla está preferentemente entre 25 y 56 %. La malla puede formarse mediante el uso de diferentes tipos de estructuras de rejilla o entramado. Alternativamente, los filamentos consisten en un arreglo de filamentos dispuestos paralelos entre sí.

La malla puede caracterizarse también por su capacidad de retener líquido, tal como se entiende bien en la técnica.

Los filamentos del elemento susceptor de malla del cartucho de conformidad con la invención tienen un diámetro de entre 8 pm y 100 pm, preferentemente 8 pm y 50 pm, y con mayor preferencia entre 8 pm y 39 pm.

El área del susceptor de malla puede ser pequeña, preferentemente menor o igual a 25 mm2, que permite que se incorpore en un sistema portátil. La malla, por ejemplo, puede ser rectangular y tener dimensiones de 5 mm por 2 mm.

Ventajosamente, el elemento susceptor tiene una permeabilidad relativa entre 1 y 40000. Cuando para la mayoría del calentamiento es deseable una dependencia de las corrientes parásitas, puede usarse un material de menor permeabilidad, y cuando se desean los efectos de la histéresis entonces puede usarse un material de mayor permeabilidad. Preferentemente, el material tiene una permeabilidad relativa entre 500 y 40 000. Esto proporciona el calentamiento eficiente.

El material del elemento susceptor puede seleccionarse por su temperatura de Curie. Por encima de su temperatura de Curie un material deja de ser ferromagnético y así el calentamiento debido a las pérdidas por histéresis no se produce más. En el caso de que el elemento susceptor se fabrique a partir de un único material, la temperatura de Curie puede corresponder a una temperatura máxima que debe tener el elemento susceptor (es decir, la temperatura de Curie es idéntica a la temperatura máxima a la cual debe calentarse el elemento susceptor o se desvía de esta temperatura máxima en aproximadamente el 1-3 %). Esto disminuye la posibilidad del rápido sobrecalentamiento.

Si el elemento susceptor se fabrica a partir de más de un material, los materiales del elemento susceptor pueden optimizarse con respecto a aspectos adicionales. Por ejemplo, los materiales pueden seleccionarse de tal manera que un primer material del elemento susceptor puede tener una temperatura de Curie que está por encima de la temperatura máxima a la cual debe calentarse el elemento susceptor. Este primer material del elemento susceptor puede optimizarse entonces, por ejemplo, con respecto a la máxima generación y transferencia de calor hacia el sustrato formador de aerosol para proporcionar un calentamiento eficiente del susceptor de una parte. Sin embargo, el elemento susceptor puede comprender entonces adicionalmente un segundo material con una temperatura de Curie que corresponde a la temperatura máxima a la cual debe calentarse el susceptor, y una vez que el elemento susceptor alcanza esta temperatura de Curie cambian las propiedades magnéticas del elemento susceptor como un todo. Este cambio puede detectarse y comunicarse a un microcontrolador que interrumpe después la generación de energía de AC hasta que la temperatura se ha enfriado por debajo de la temperatura de Curie nuevamente, después de lo cual puede reanudarse la generación de energía de AC.

El elemento susceptor puede tener la forma de una lámina que se extiende a través de una abertura en el alojamiento del cartucho. El elemento susceptor puede extenderse alrededor de un perímetro del alojamiento del cartucho. El elemento susceptor de malla puede soldarse al alojamiento del cartucho.

El cartucho puede tener un diseño simple. El cartucho tiene un alojamiento dentro del cual se contiene un sustrato formador de aerosol. El alojamiento del cartucho, preferentemente, es un alojamiento rígido que comprende un material que es impermeable al líquido. Como se usa en la presente descripción "alojamiento rígido" se refiere a un alojamiento que se soporta él mismo. El sustrato formador de aerosol es un sustrato capaz de liberar compuestos volátiles que pueden formar un aerosol. Los compuestos volátiles pueden liberarse mediante el calentamiento del sustrato formador de aerosol. El sustrato formador de aerosol puede ser sólido o líquido, o puede comprender componentes tanto sólidos como líquidos.

El sustrato formador de aerosol puede comprender material de origen vegetal. El sustrato formador de aerosol puede comprender tabaco. El sustrato formador de aerosol puede comprender un material que contiene tabaco que contiene compuestos volátiles con sabor a tabaco, que se liberen del sustrato formador de aerosol al calentarse. Alternativamente, el sustrato formador de aerosol puede comprender un material que no contiene tabaco. El sustrato formador de aerosol puede comprender material de origen vegetal homogeneizado. El sustrato formador de aerosol puede comprender un material de tabaco homogeneizado. El sustrato formador de aerosol puede comprender al menos un formador de aerosol. Un formador de aerosol es cualquier compuesto conocido adecuado o mezcla de compuestos que, durante el uso, facilita la formación de un aerosol denso y estable y que es esencialmente resistente a la degradación térmica a la temperatura de operación del sistema. Los formadores de aerosol adecuados se conocen bien en la técnica e incluyen, pero no se limitan a: los alcoholes polihídricos, tales como el trietilenglicol, 1,3-butanoidol y la glicerina; los ésteres de alcoholes polihídricos, tales como el mono-, di- o triacetato de glicerol; y los ésteres alifáticos de ácidos mono-, di- o policarboxílicos, tales como el dodecanodioato de dimetilo y el tetradecanodioato de dimetilo. Los formadores de aerosol preferidos son los alcoholes polihídricos o sus mezclas, tales como el trietilenglicol, 1,3-butanodiol y, la más preferida, la glicerina. El sustrato formador de aerosol puede comprender otros aditivos e ingredientes, tales como saborizantes.

El sustrato formador de aerosol puede adsorberse, recubrirse, impregnarse o de cualquier otra manera cargarse en un portador o soporte. En un ejemplo, el sustrato formador de aerosol es un sustrato líquido mantenido en material capilar. El material capilar puede tener una estructura fibrosa o esponjosa. El material capilar, preferentemente, comprende un conjunto de capilares. Por ejemplo, el material capilar puede comprender una pluralidad de fibras o hilos u otros tubos de calibre fino. Las fibras o hebras pueden alinearse generalmente para llevar el líquido hacia el calentador. Alternativamente, el material capilar puede comprender un material similar a la esponja o similar a la espuma. La estructura del material capilar forma una pluralidad de pequeños orificios o tubos, a través de los cuales el líquido puede transportarse mediante la acción capilar. El material capilar puede comprender cualquier material o combinación de materiales adecuados. Los ejemplos de materiales adecuados son un material de esponja o de espuma, materiales basados en cerámica o grafito en forma de fibras o polvos sinterizados, materiales metálicos o plásticos en espuma, un material fibroso, por ejemplo, fabricado de fibras hiladas o extrudidas, tales como acetato de celulosa, poliéster, o fibras unidas de poliolefina, polietileno, terileno o polipropileno, fibras de nailon o cerámica. El material capilar puede tener cualquier capilaridad y porosidad adecuadas a fin de usarse con diferentes propiedades físicas del líquido. El líquido tiene propiedades físicas, que incluyen pero sin limitarse a viscosidad, tensión superficial, densidad, conductividad térmica, punto de ebullición y presión de vapor, las cuales permiten que el líquido se transporte a través del material capilar por acción capilar. El material capilar puede configurarse para transportar el sustrato formador de aerosol hacia el elemento susceptor. El material capilar puede extenderse en los intersticios en el elemento susceptor.

El elemento susceptor puede proporcionarse sobre una pared del alojamiento del cartucho que se configura para posicionarse adyacente a la bobina inductora cuando el alojamiento del cartucho se acopla con el alojamiento del dispositivo. Durante el uso, es ventajoso tener el elemento susceptor cerca de la bobina inductora con el objetivo de maximizar la tensión de puerta inducido en el elemento susceptor.

En un segundo aspecto, se proporciona un sistema generador de aerosol, que comprende un dispositivo generador de aerosol y un cartucho de conformidad con la reivindicación 1, el cartucho configurado para usarse con el dispositivo, en donde el dispositivo comprende un alojamiento del dispositivo; una bobina inductora posicionada sobre o dentro del alojamiento; y un suministro de energía conectado a la bobina inductora y configurado para proporcionar una corriente oscilante de alta frecuencia a la bobina inductora.

El elemento susceptor de malla puede ser un elemento susceptor de malla de ferrita. Alternativamente, el elemento susceptor de malla puede ser un elemento susceptor de malla ferroso.

El alojamiento del dispositivo puede comprender una cavidad para recibir al menos una porción del cartucho, la cavidad que tiene una superficie interna. La bobina inductora puede posicionarse sobre o adyacente a una superficie de la cavidad más próxima al suministro de energía. La bobina inductora puede conformarse para amoldarse a la superficie interna de la cavidad.

Alternativamente, la bobina inductora puede estar dentro de la cavidad cuando el cartucho se recibe en la cavidad. En algunas modalidades, la bobina inductora está dentro de un paso interno del cartucho cuando el cartucho se acopla con el dispositivo.

El alojamiento del dispositivo puede comprender un cuerpo principal y una porción de boquilla. La cavidad puede estar en el cuerpo principal y la porción de boquilla puede tener una salida a través de la cual el aerosol generado por el sistema puede aspirarse hacia la boca de un usuario. La bobina inductora puede estar en la porción de boquilla o en el cuerpo principal.

Alternativamente una porción de boquilla puede proporcionarse como parte del cartucho. Como se usa en la presente descripción, el término “porción de boquilla” se refiere a una porción del dispositivo o cartucho que se coloca en la boca del usuario con el objetivo de inhalar directamente un aerosol generado por el sistema generador de aerosol. El aerosol se transporta hacia la boca del usuario a través de la porción de boquilla.

El sistema puede comprender una trayectoria de aire que se extiende desde una entrada de aire hasta una salida de aire, en donde la trayectoria de aire pasa por la bobina inductora. Al permitir que el flujo de aire a través del sistema pase por la bobina puede lograrse un sistema compacto.

La bobina inductora puede posicionarse adyacente al susceptor durante el uso. Un paso de flujo de aire puede proporcionarse entre la bobina inductora y el elemento susceptor cuando el cartucho se recibe en o se acopla con el alojamiento del dispositivo. El sustrato formador de aerosol vaporizado puede arrastrarse en el aire que fluye en el paso de flujo de aire, que subsiguientemente se enfría para formar un aerosol.

El dispositivo puede comprender una única bobina inductora o una pluralidad de bobinas inductoras. La bobina o bobinas inductoras pueden ser bobinas helicoidales de bobinas espirales planas. La bobina inductora puede enrollarse alrededor de un núcleo de ferrita. Como se usa en la presente una “bobina espiral plana” se refiere a una bobina que generalmente es una bobina plana en donde el eje de enrollado de la bobina es normal a la superficie en la cual yace la bobina. Sin embargo, el término “bobina espiral plana” como se usa en la presente cubre las bobinas que se conforman para amoldarse a una superficie curva. El uso de una bobina espiral plana permite el diseño de un dispositivo compacto, con un diseño simple que es robusto y económico de fabricar. La bobina puede mantenerse dentro del alojamiento del dispositivo y no necesita exponerse al aerosol generado de manera que pueden impedirse los depósitos sobre la bobina y la posible corrosión. El uso de una bobina espiral plana permite una interfaz simple entre el dispositivo y un cartucho, que permite un diseño simple y económico del cartucho.

El inductor espiral plano puede tener cualquier forma deseada en el plano de la bobina. Por ejemplo, la bobina espiral plana puede tener una forma circular o puede tener una forma generalmente oblonga.

La bobina inductora puede tener una forma que coincide con la forma del elemento susceptor. La bobina inductora puede posicionarse sobre o adyacente a una superficie de la cavidad más próxima al suministro de energía. Esto disminuye la cantidad y complejidad de las conexiones eléctricas dentro del dispositivo. El sistema puede comprender una pluralidad de bobinas inductoras y puede comprender una pluralidad de elementos susceptores.

La bobina inductora puede tener un diámetro de entre 5 mm y 10 mm.

El sistema puede comprender, además, el circuito eléctrico conectado a la bobina inductora y a una fuente de energía eléctrica. Los circuitos eléctricos pueden comprender un microprocesador, que puede ser un microprocesador programable, un microcontrolador, o un chip integrado de aplicación específica (ASIC) u otros circuitos electrónicos capaces de proporcionar control. Los circuitos electrónicos pueden comprender componentes electrónicos adicionales. El circuito eléctrico puede configurarse para regular un suministro de corriente a la bobina espiral plana. La corriente puede suministrarse a la bobina inductora continuamente después de la activación del sistema o puede suministrarse intermitentemente, tal como sobre una base de bocanada en bocanada. El circuito eléctrico puede comprender ventajosamente un inversor DC/AC, el cual puede comprender un amplificador de potencia Clase D o Clase E.

El sistema comprende ventajosamente un suministro de energía, por lo general una batería tal como una batería de litio ferrofosfato, dentro del cuerpo principal del alojamiento. Como una alternativa, el suministro de energía puede ser otra forma de dispositivo de almacenamiento de carga tal como un condensador. El suministro de energía puede requerir recargarlo y puede tener una capacidad que permita el almacenamiento de suficiente energía para una o más experiencias de fumar. Por ejemplo, el suministro de energía puede tener suficiente capacidad para permitir la generación continua de aerosol durante un periodo de alrededor de seis minutos, que corresponde al tiempo típico que lleva fumar un cigarrillo convencional, o durante un periodo que sea múltiplo de seis minutos. En otro ejemplo, el suministro de energía puede tener suficiente capacidad para permitir un número predeterminado de bocanadas o activaciones distintas de la bobina inductora.

El sistema puede ser un sistema para fumar operado eléctricamente. El sistema puede ser un sistema generador de aerosol portátil. El sistema generador de aerosol puede tener un tamaño comparable con un tabaco o cigarrillo convencional. El sistema para fumar puede tener una longitud total entre aproximadamente 30 mm y aproximadamente 150 mm. El sistema para fumar puede tener un diámetro externo entre aproximadamente 5 mm y aproximadamente 30 mm.

Las características descritas en relación con un aspecto pueden aplicarse a otros aspectos de la descripción. En particular las características ventajosas u opcionales descritas en relación con el primer aspecto de la descripción pueden aplicarse al segundo aspecto de la invención.

Las modalidades de un sistema de acuerdo con la descripción ahora se describirán en detalle, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos que la acompañan, en los cuales:

la Figura 1 es una ilustración esquemática de una primera modalidad de un sistema generador de aerosol, que usa una bobina inductora en espiral plana;

la Figura 2 muestra el cartucho de la Figura 1;

la Figura 3 muestra la bobina inductora de la Figura 1;

la Figura 4 muestra un elemento susceptor alternativo para el cartucho de la Figura 2;

la Figura 5 es una ilustración esquemática de una segunda modalidad, que usa una bobina inductora en espiral plana;

la Figura 6 es una ilustración esquemática de una tercera modalidad;

la Figura 7 es una ilustración esquemática de una cuarta modalidad, que usa bobinas inductoras en espiral planas; la Figura 8 muestra el cartucho de la Figura 7;

la Figura 9 muestra la bobina inductora de la Figura 7;

la Figura 10 es una ilustración esquemática de una quinta modalidad;

la Figura 11 muestra el cartucho de la Figura 10;

la Figura 12 muestra la bobina de la Figura 10;

la Figura 13 es una ilustración esquemática de una sexta modalidad;

la Figura 14 es una ilustración esquemática de una séptima modalidad;

la Figura 15A es un primer ejemplo de un circuito de accionamiento para generar la señal de alta frecuencia para una bobina inductora; y

la Figura 15B es un segundo ejemplo de un circuito de accionamiento para generar la señal de alta frecuencia para una bobina inductora.

Las modalidades mostradas en las figuras todas dependen de calentamiento inductivo. El calentamiento inductivo funciona mediante la colocación de un artículo conductor eléctrico que se va a calentar en un campo magnético variable en el tiempo. Las corrientes parásitas se inducen en el artículo conductor. Si el artículo conductor se aísla eléctricamente las corrientes parásitas se disipan por el efecto Joule en el artículo conductor. En un sistema generador de aerosol que funciona mediante el calentamiento de un sustrato formador de aerosol, el sustrato formador de aerosol por lo general no es en sí mismo lo suficientemente eléctricamente conductor para calentarse inductivamente de esta manera. De manera que en las modalidades mostradas en las figuras se usa un elemento susceptor como el artículo conductor que se calienta y el sustrato formador de aerosol se calienta después mediante el elemento susceptor por conducción, convección y/o radiación térmicas. Debido a que se usa un elemento susceptor ferromagnético, el calor también se genera por las pérdidas por histéresis ya que los dominios magnéticos se conmutan dentro del elemento susceptor.

Cada modalidad descrita usa una bobina inductora para generar un campo magnético variable en el tiempo. La bobina inductora se diseña de manera que no se somete significativamente al efecto Joule. Por el contrario el elemento susceptor se diseña de manera que es significativo el efecto Joule en el susceptor.

La Figura 1 es una ilustración esquemática de un sistema generador de aerosol de acuerdo con una primera modalidad. El sistema comprende el dispositivo 100 y un cartucho 200. El dispositivo comprende el alojamiento principal 101 que contiene una batería de litio ferrofosfato 102 y los circuitos electrónicos de control 104. El alojamiento principal 101 también define una cavidad 112 dentro de la cual se recibe el cartucho 200. El dispositivo incluye, además, una porción de boquilla 120 que incluye una salida 124. La porción de boquilla se conecta al alojamiento principal 101 mediante una conexión tipo bisagra en este ejemplo pero puede usarse cualquier tipo de conexión, tal como un adaptador a presión o un adaptador roscado. Las entradas de aire 122 se definen entre la porción de boquilla 120 y el cuerpo principal 101 cuando la porción de boquilla está en una posición cerrada, como se muestra en la Figura 1.

Dentro de la porción de boquilla hay una bobina inductora en espiral plana 110. La bobina 110 se forma mediante el troquelado o corte de una bobina espiral a partir de una lámina de cobre. La bobina 110 se ilustra más claramente en la Figura 3. La bobina 110 se posiciona entre las entradas de aire 122 y la salida de aire 124 de manera que el aire que entra a través de las entradas 122 hacia la salida 124 pase por la bobina.

El cartucho 200 comprende un alojamiento del cartucho 204 que contiene un material capilar y se llena con el sustrato líquido formador de aerosol. El alojamiento del cartucho 204 es impermeable al fluido pero tiene un extremo abierto cubierto por un elemento susceptor permeable 210. El cartucho 200 se ilustra más claramente en la Figura 2. El elemento susceptor en esta modalidad comprende una malla de ferrita, que comprende un acero de ferrita. El sustrato formador de aerosol puede formar un menisco en los intersticios de la malla.

Cuando el cartucho 200 se acopla con el dispositivo y se recibe en la cavidad 112, el elemento susceptor 210 se posiciona adyacente a la bobina espiral plana 110. El cartucho 200 puede incluir características de manipulación para asegurar que no pueda insertarse al revés en el dispositivo.

Durante el uso, un usuario toma bocanadas en la porción de boquilla 120 para aspirar aire a través de las entradas de aire 122 hacia dentro de la porción de boquilla 120 y fuera de la salida 124 hacia la boca del usuario. El dispositivo incluye un sensor de bocanadas 106 en forma de un micrófono, como parte de los circuitos electrónicos de control 104. Un pequeño flujo de aire se atrae a través de la entrada del sensor 121 más allá del micrófono 106 y hacia adentro de la porción de boquilla 120 cuando un usuario toma bocanadas en la porción de boquilla. Cuando se detecta una bocanada, los circuitos electrónicos de control proporcionan una corriente oscilante de alta frecuencia a la bobina 110. Esto genera un campo magnético oscilante como se muestra en líneas punteadas en la Figura 1. Un led 108 también se activa para indicar que se activa el dispositivo. El campo magnético oscilante pasa por el elemento susceptor, e induce corrientes parásitas en el elemento susceptor. El elemento susceptor se calienta como resultado del efecto Joule y como resultado de las pérdidas por histéresis, alcanzando una temperatura suficiente para vaporizar el sustrato formador de aerosol cerca del elemento susceptor. El sustrato formador de aerosol vaporizado se arrastra en el aire que fluye desde las entradas de aire hacia la salida de aire y se enfría para formar un aerosol dentro de la porción de boquilla antes de entrar en la boca del usuario. Los circuitos electrónicos de control suministran la corriente oscilante a la bobina durante una determinada duración, en este ejemplo cinco segundos, después de la detección de una bocanada y después apaga la corriente hasta que se detecte una nueva bocanada.

Puede observarse que el cartucho tiene un diseño simple y robusto, que puede fabricarse de manera económica si se compara con los cartomizadores disponibles en el mercado. En esta modalidad, el cartucho tiene una forma cilíndrica circular y el elemento susceptor abarca un extremo circular abierto del alojamiento del cartucho. Sin embargo son posibles otras configuraciones. La Figura 4 es una vista posterior de un diseño alternativo del cartucho en el cual el elemento susceptor es una tira de malla de acero 220 que abarca una abertura rectangular en el alojamiento del cartucho 204.

La Figura 5 ilustra una segunda modalidad. Solo el extremo delantero del sistema se muestra en la Figura 5 dado que pueden usarse la misma batería y circuitos electrónicos de control como se muestra en la Figura 1, que incluye el mecanismo de detección de bocanada. En la Figura 5 una bobina espiral plana 136 se posiciona en el cuerpo principal 101 del dispositivo en el extremo opuesto de la cavidad a la porción de boquilla 120, pero el sistema funciona esencialmente de la misma manera. Los separadores 134 aseguran que haya un espacio de flujo de aire entre la bobina 136 y el elemento susceptor 210. El sustrato formador de aerosol vaporizado se arrastra en el aire que fluye más allá del susceptor desde la entrada 132 a la salida 124. En la modalidad mostrada en la Figura 5, cierto aire puede fluir desde la entrada 132 a la salida 124 sin pasar el elemento susceptor. Este flujo de aire directo se mezcla con el vapor en la porción de boquilla que acelera el enfriamiento y asegura el tamaño óptimo de las gotitas en el aerosol.

En la modalidad mostrada en la Figura 5, el cartucho es de los mismos tamaño y forma que el cartucho de la Figura 1 y tiene los mismos alojamiento y elemento susceptor. Sin embargo, el material capilar dentro del cartucho de la Figura 5 es diferente al de la Figura 1. Hay dos materiales capilares separados 202, 206 en el cartucho de la Figura 5. Un disco de un primer material capilar 206 se proporciona para contactar con el elemento susceptor 210 durante el uso. Un cuerpo más grande de un segundo material capilar 202 se proporciona en un lado opuesto del primer material capilar 206 hacia el elemento susceptor. Tanto el primer material capilar como el segundo material capilar retienen el sustrato líquido formador de aerosol. El primer material capilar 206, que contacta con el elemento susceptor, tiene una temperatura de descomposición térmica más alta (al menos 160 oC o más alta, tal como aproximadamente 250 oC) que el segundo material capilar 202. El primer material capilar 206 actúa de manera efectiva como un separador que separa el elemento susceptor calentador, el cual se calienta mucho durante el uso, del segundo material capilar 202 de manera que el segundo material capilar no se expone a temperaturas por encima de su temperatura de descomposición térmica. El gradiente térmico por el primer material capilar de manera que el segundo material capilar se expone a temperaturas por debajo de su temperatura de descomposición térmica. El segundo material capilar 202 puede seleccionarse para que tenga un rendimiento de absorción por capilaridad superior al primer material capilar 206, puede retener más líquido por unidad de volumen que el primer material capilar y puede ser menos caro que el primer material capilar. En este ejemplo el primer material capilar es un elemento resistente al calor, tal como un elemento de fibra de vidrio o que contiene fibra de vidrio y el segundo material capilar es un polímero tal como polietileno de alta densidad (HDPE), o tereftalato de polietileno (PET).

La Figura 6 ilustra una tercera modalidad. Solo el extremo delantero del sistema se muestra en la Figura 6 dado que pueden usarse la misma batería y circuitos electrónicos de control como se muestra en la Figura 1, que incluye el mecanismo de detección de bocanada. La tercera modalidad es similar a la segunda modalidad, excepto que se usa una bobina helicoidal, que rodea el cartucho. En la Figura 6 una bobina helicoidal 138 se posiciona en el cuerpo principal 101 del dispositivo en el extremo opuesto de la cavidad a la porción de boquilla 120, alrededor del susceptor cuando el cartucho está en una posición de uso. El sistema funciona esencialmente de la misma manera que en la segunda modalidad. Los separadores 134 aseguran que haya un espacio de flujo de aire entre el dispositivo y el elemento susceptor 210. El sustrato formador de aerosol vaporizado se arrastra en el aire que fluye más allá del susceptor desde la entrada 137 hacia la salida 124 a través del canal de flujo de aire 135. Como en la modalidad mostrada en la Figura 5, puede fluir un poco de aire desde la entrada 137 hacia la salida 124 sin pasar por el elemento susceptor.

En la modalidad mostrada en la Figura 6, el cartucho es de los mismos tamaño y forma que el cartucho de la Figura 1 y tiene los mismos alojamiento y elemento susceptor. Sin embargo, como en la segunda modalidad, mostrada en la Figura 5, el cartucho se inserta de manera que el susceptor está en la base de la cavidad en el dispositivo, más cercano a la batería.

La Figura 7 ilustra una cuarta modalidad. Solo el extremo delantero del sistema se muestra en la Figura 7 dado que pueden usarse la misma batería y circuitos electrónicos de control como se muestra en la Figura 1, que incluye el mecanismo de detección de bocanada. En la Figura 7 el cartucho 240 es cúbico y se forma con dos tiras del elemento susceptor 242 en caras laterales opuestas del cartucho. El cartucho se muestra solo en la Figura 8. El dispositivo comprende dos bobinas espirales planas 142 posicionadas sobre los lados opuestos de la cavidad de manera que las tiras del elemento susceptor 242 son adyacentes a las bobinas 142 cuando se recibe el cartucho en la cavidad. Las bobinas 142 son rectangulares para corresponder a la forma de las tiras del susceptor, como se muestra en la Figura 9. Los pasos de flujo de aire se proporcionan entre las bobinas 142 y las tiras del susceptor 242 de manera que el aire desde las entradas 144 fluye más allá de las tiras del susceptor hacia la salida 124 cuando un usuario toma bocanadas en la porción de boquilla 120.

Como en la modalidad de la Figura 1, el cartucho contiene un material capilar y un sustrato líquido formador de aerosol. El material capilar se dispone para transportar el sustrato líquido hacia las tiras del elemento susceptor 242.

La Figura 10 es una ilustración esquemática de una quinta modalidad. Solo el extremo delantero del sistema se muestra en la Figura 10 dado que pueden usarse la misma batería y circuitos electrónicos de control como se muestra en la Figura 1, que incluye el mecanismo de detección de bocanada.

En la Figura 10, el cartucho 250 es cilíndrico y se forma con un elemento susceptor en forma de banda 252 que se extiende alrededor de una porción central del cartucho. El elemento susceptor en forma de banda cubre una abertura formada en el alojamiento rígido del cartucho. El cartucho se muestra solo en la Figura 11. El dispositivo comprende una bobina helicoidal 152 posicionada alrededor de la cavidad de manera que el elemento susceptor 252 está dentro de la bobina 152 cuando el cartucho se recibe en la cavidad. La bobina 152 se muestra sola en la Figura 12. Los pasos de flujo de aire se proporcionan entre la bobina 152 y el susceptor 252 de manera que el aire desde las entradas 154 fluye más allá de las tiras del susceptor hacia la salida 124 cuando un usuario toma bocanadas en la porción de boquilla 120.

Durante el uso, un usuario toma bocanadas en la porción de boquilla 120 para aspirar aire a través de las entradas de aire 154 más allá del elemento susceptor 262, hacia dentro de la porción de boquilla 120 y fuera de la salida 124 hacia la boca del usuario. Cuando se detecta una bocanada, los circuitos electrónicos de control proporcionan una corriente oscilante de alta frecuencia a la bobina 152. Esto genera un campo magnético oscilante. El campo magnético oscilante pasa por el elemento susceptor, e induce corrientes parásitas en el elemento susceptor. El elemento susceptor se calienta como resultado del efecto Joule y las pérdidas por histéresis, y alcanza una temperatura suficiente para vaporizar el sustrato formador de aerosol cerca del elemento susceptor. El sustrato formador de aerosol vaporizado pasa por el elemento susceptor y se arrastra en el aire que fluye desde las entradas de aire hacia la salida de aire y se enfría para formar un aerosol dentro del pasaje y la porción de boquilla antes de entrar en la boca del usuario.

La Figura 13 ilustra una sexta modalidad. Solo el extremo delantero del sistema se muestra en la Figura 13 dado que pueden usarse la misma batería y circuitos electrónicos de control como se muestra en la Figura 1, que incluye el mecanismo de detección de bocanada. El dispositivo de la Figura 13 tiene una construcción similar al dispositivo de la Figura 7, con bobinas espirales planas posicionadas en una pared lateral del alojamiento que rodea la cavidad en la cual se recibe el cartucho. Pero el cartucho tiene una construcción diferente. El cartucho 260 de la Figura 13 tiene una forma cilíndrica hueca similar a la del cartucho mostrado en la Figura 10. El cartucho contiene un material capilar y se llena con el sustrato líquido formador de aerosol. Una superficie interior del cartucho 260, es decir, una superficie que rodea el pasaje interno 166, comprende un elemento susceptor permeable a los fluidos, en este ejemplo es una malla de ferrita. La malla de ferrita puede revestir toda la superficie interior del cartucho o solamente una porción de la superficie interior del cartucho.

Durante el uso, un usuario toma bocanadas en la porción de boquilla 120 para aspirar aire a través de las entradas de aire 164 a través del pasaje central del cartucho, más allá del elemento susceptor 262, hacia dentro de la porción de boquilla 120 y fuera de la salida 124 hacia la boca del usuario. Cuando se detecta una bocanada, los circuitos electrónicos de control proporcionan una corriente oscilante de alta frecuencia a las bobinas 162. Esto genera un campo magnético oscilante. El campo magnético oscilante pasa por el elemento susceptor, e induce corrientes parásitas en el elemento susceptor. El elemento susceptor se calienta como resultado del efecto Joule y las pérdidas por histéresis, y alcanza una temperatura suficiente para vaporizar el sustrato formador de aerosol cerca del elemento susceptor. El sustrato formador de aerosol vaporizado pasa por el elemento susceptor y se arrastra en el aire que fluye desde las entradas de aire hacia la salida de aire y se enfría para formar un aerosol dentro del pasaje y la porción de boquilla antes de entrar en la boca del usuario.

La Figura 14 ilustra una séptima modalidad. Solo el extremo delantero del sistema se muestra en la Figura 14 dado que pueden usarse la misma batería y circuitos electrónicos de control como se muestra en la Figura 1, que incluye el mecanismo de detección de bocanada. El cartucho 270 mostrado en la Figura 14 es idéntico a ese mostrado en la Figura 13. Sin embargo el dispositivo de la Figura 14 tiene una configuración diferente que incluye una bobina inductora 172 sobre una hoja de soporte 176 que se extiende dentro del pasaje central del cartucho para generar un campo magnético oscilante cerca del elemento susceptor 272.

Todas las modalidades descritas pueden conducirse esencialmente por el mismo circuito electrónico 104. La Figura 15A ilustra un primer ejemplo de un circuito usado para proporcionar una corriente oscilante de alta frecuencia a la bobina inductora, mediante el uso de un amplificador de potencia Clase E. Como puede verse de la Figura 15A, el circuito incluye un amplificador de potencia Clase E que incluye un conmutador de transistor 1100 que comprende un transistor de efecto de campo (FET) 1110, por ejemplo, un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET), un circuito de suministro del conmutador de transistor indicado por la flecha 1120 para suministrar la señal de conmutación (tensión de puerta-fuente) al FET 1110, y una red de carga LC 1130 que comprende un condensador de derivación C1 y una conexión en serie de un condensador C2 y la bobina inductora L2. La fuente de energía de CD, que comprende la batería 101, incluye una bobina de reactancia L1, y suministra una tensión de alimentación de DC. En la Figura 16A también se muestra la resistencia óhmica R que representa la carga óhmica total 1140, la cual es la suma de la resistencia óhmica RBobina de la bobina inductora, marcada como L2, y la resistencia óhmica RCarga del elemento susceptor.

Debido al muy bajo número de componentes el volumen de los circuitos electrónicos de suministro de energía puede mantenerse extremadamente pequeño. Este volumen extremadamente pequeño de los circuitos electrónicos de suministro de energía es posible debido a que el inductor L2 de la red de carga LC 1130 se usa directamente como el inductor para el acoplamiento inductivo al elemento susceptor, y este pequeño volumen permite que las dimensiones globales de todo el dispositivo de calentamiento inductivo se mantenga pequeño.

Aunque el principio de operación general de los amplificadores de potencia de clase E se conoce y se describe en detalle en el artículo antes mencionado “Class-E RF Power Amplifiers”, Nathan O. Sokal, publicado en la revista bimensual QEX, edición de enero/febrero de 2001, páginas 9-20, de la American Radio Relay League (ARRL), Newington, CT, Estados Unidos de América, algunos principios generales se explicarán a continuación.

Sea que el circuito de alimentación por conmutación de transistores 1120 suministra al FET 1110 una tensión de conmutación (tensión de puerta-fuente del FET) que tiene un perfil rectangular. Siempre y cuando el FET 1321 está en conducción (en un estado “encendido”), esto constituye esencialmente un cortocircuito (baja resistencia) y toda la corriente fluye a través de la bobina de reactancia L1 y el FET 1110. Cuando el FET 1110 no está en conducción (en un estado “apagado”), toda la corriente fluye en la red de carga LC, dado que el FET 1110 representa esencialmente un circuito abierto (alta resistencia). Al conmutar el transistor entre estos dos estados se invierte la tensión de puerta de CD y la corriente de CD suministrados en una tensión de CA y corriente de CA.

Para calentar eficientemente el elemento susceptor, tanto como sea posible de la energía de DC suministrada debe transferirse en forma de energía de AC al inductor L2 y subsiguientemente hacia el elemento susceptor el cual se acopla inductivamente al inductor L2. La energía disipada en el elemento susceptor (pérdidas por corrientes parásitas, pérdidas por histéresis) genera calor en el elemento susceptor, como se describió adicionalmente antes. En otras palabras, la disipación de energía en el FET 1110 debe minimizarse a la vez que se maximiza la disipación de energía en el elemento susceptor.

La disipación de energía en el FET 1110 durante un periodo de la tensión de puerta/corriente de AC es el producto de la tensión de puerta y la corriente del transistor en cada instante de tiempo durante ese periodo de la tensión de puerta/corriente alterna, integrado sobre ese periodo, y promediado sobre ese periodo. Dado que el FET 1110 debe sostener la alta tensión durante una parte de ese periodo y conducir alta corriente durante una parte de ese periodo, debe evitarse que la alta tensión y la alta corriente existan en el mismo instante, dado que esto conduciría a la disipación sustancial de energía en el FET 1110. En el estado “encendido” del FET 1110, la tensión de puerta del transistor es casi cero cuando la alta corriente fluye a través del FET. En el estado “apagado” del FET 1110, la tensión de puerta del transistor es alto pero la corriente a través del FET 1110 es casi cero.

Las transiciones de conmutación irremediablemente se extienden además sobre algunas fracciones del período. Sin embargo, un alto producto de tensión y corriente que representa una alta pérdida de energía en el FET 1110 puede evitarse mediante las siguientes medidas adicionales. Primeramente, el aumento de la tensión de puerta del transistor se retrasa hasta después que la corriente a través del transistor se reduce a cero. En segundo lugar, la tensión de puerta del transistor regresa a cero antes que la corriente a través del transistor comience a aumentar. Esto se logra mediante la red de carga 1130 que comprende el condensador de derivación C1 y la conexión en serie del condensador C2 y el inductor L2, esta red de carga se encuentra en la red entre el FET 1110 y la carga 1140. En tercer lugar, la tensión de puerta del transistor en el momento de encenderse es prácticamente cero (para un transistor de unión bipolar “BJT” es la tensión de puerta de equilibrio de saturación Vo). El encendido del transistor no descarga el condensador cargado de derivación C1, lo cual de esta manera evita la disipación de energía almacenada del condensador de derivación. En cuarto lugar, la pendiente de la tensión del transistor es cero en el momento del encendido. Entonces, la corriente inyectada en el transistor encendido por el circuito de carga aumenta gradualmente desde cero hasta una velocidad moderada controlada que resulta en una baja disipación de energía mientras que la conductancia del transistor se eleva desde cero durante la transición de encendido. Como resultado, la tensión de puerta y la corriente del transistor nunca son altos de manera simultánea. Las transiciones de conmutación de tensión y corriente se desplazan en el tiempo entre sí. Los valores para L1, C1 y C2 pueden seleccionarse para maximizar la disipación eficiente de la energía en el elemento susceptor.

Aunque un amplificador de potencia Clase E se prefiere para la mayoría de los sistemas de acuerdo con la descripción, también es posible usar otras arquitecturas de circuito. La Figura 15B ilustra un segundo ejemplo de un circuito usado para proporcionar una corriente oscilante de alta frecuencia a la bobina inductora, mediante el uso de un amplificador de potencia Clase D. El circuito de la Figura 15B comprende la batería 101 conectada a dos transistores 1210, 1212. Los dos elementos de conmutación 1220, 1222 se proporcionan para conmutar dos transistores 1210, 1212 a encendido y apagado. Los conmutadores se controlan a alta frecuencia de una manera a fin de asegurarse que uno de los dos transistores 1210, 1212 se ha conmutado a apagado al tiempo que el otro de los dos transistores se conmuta a encendido. La bobina inductora se indica nuevamente por L2 y la resistencia óhmica combinada de la bobina y el elemento susceptor se indica por R. Los valores de C1 y C2 pueden seleccionarse para maximizar la disipación eficiente de la energía en el elemento susceptor.

El elemento susceptor puede fabricarse de un material o de una combinación de materiales con una temperatura de Curie que está cerca de la temperatura deseada a la cual debe calentarse el elemento susceptor. Una vez que la temperatura del elemento susceptor excede esta temperatura de Curie, el material cambia sus propiedades ferromagnéticas a propiedades paramagnéticas. En consecuencia, la disipación de energía en el elemento susceptor se reduce significativamente dado que las pérdidas por histéresis del material que tiene propiedades paramagnéticas son mucho más bajas que esas del material que tiene propiedades ferromagnéticas. Esta disipación reducida de energía en el elemento susceptor puede detectarse y, por ejemplo, la generación de energía de AC por el inversor DC/AC puede interrumpirse después hasta que el elemento susceptor se ha enfriado por debajo de la temperatura de Curie nuevamente y ha recuperado sus propiedades ferromagnéticas. La generación de energía de CA por el inversor CD/CA puede reanudarse nuevamente después.

Otros diseños de cartucho que incorporan un elemento susceptor de acuerdo con esta descripción pueden concebirse ahora por una persona con conocimientos básicos en la materia. Por ejemplo, el cartucho puede incluir una porción de boquilla y puede tener cualquier forma deseada. Además, una disposición de la bobina y el susceptor de acuerdo con la descripción puede usarse en sistemas de otros tipos a los ya descritos, tales como humidificadores, refrescadores de aire, y otros sistemas generadores de aerosol.

Las modalidades ilustrativas descritas anteriormente ilustran pero no son limitantes. En función de las modalidades ilustrativas descritas anteriormente, otras modalidades consistentes con las modalidades ilustrativas anteriores ahora serán evidentes para un experto en la técnica.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un cartucho (200) para su uso en un sistema generador de aerosol, el sistema generador de aerosol que comprende un dispositivo generador de aerosol (100), el cartucho configurado para usarse con el dispositivo, en donde el dispositivo comprende un alojamiento del dispositivo (101); una bobina inductora (110) posicionada sobre o dentro del alojamiento; y un suministro de energía (102) conectado a la bobina inductora y configurado para proporcionar una corriente oscilante de alta frecuencia a la bobina inductora; el cartucho (200) que comprende un alojamiento del cartucho (204) que contiene un sustrato formador de aerosol y un elemento susceptor de malla (210) posicionado para calentar el sustrato formador de aerosol, en donde el sustrato formador de aerosol es un líquido a temperatura ambiente y puede formar un menisco en intersticios del elemento susceptor de malla (210), y en donde el elemento susceptor de malla (210) comprende una pluralidad de filamentos, cada filamento que tiene un diámetro entre 8 gm y 100 gm, preferentemente entre 8 gm y 50 gm, y con mayor preferencia entre 8 gm y 39 gm.

2. Un cartucho de conformidad con la reivindicación 1, en donde el elemento susceptor de malla (210) es un elemento susceptor de malla de ferrita o ferroso.

3. Un cartucho de conformidad con la reivindicación 1 o 2, en donde el elemento susceptor de malla (210) tiene un tamaño de malla de entre 160 y 600 Mesh US.

4. Un cartucho de conformidad con cualquier reivindicación anterior, en donde el elemento susceptor de malla (210) tiene una permeabilidad relativa entre 500 y 40000.

5. Un cartucho de conformidad con cualquier reivindicación anterior, en donde el elemento susceptor de malla (210) se extiende a través de una abertura en el alojamiento del cartucho (204).

6. Un cartucho de conformidad con cualquier reivindicación anterior, en donde el elemento susceptor de malla (210) se suelda al alojamiento del cartucho (204).

7. Un cartucho de conformidad con cualquier reivindicación anterior, que comprende además un material capilar (202, 206) dentro del alojamiento del cartucho, el material capilar que contiene el sustrato formador de aerosol.

8. Un cartucho de conformidad con la reivindicación 7, en donde el material capilar (206) se extiende hacia intersticios del elemento susceptor de malla.

9. Un sistema generador de aerosol, que comprende un dispositivo generador de aerosol (100) y un cartucho (200) de conformidad con la reivindicación 1, el cartucho configurado para usarse con el dispositivo, en donde el dispositivo comprende un alojamiento del dispositivo (101); una bobina inductora (110) posicionada sobre o dentro del alojamiento; y un suministro de energía (102) conectado a la bobina inductora y configurado para proporcionar una corriente oscilante de alta frecuencia a la bobina inductora.

10. Un sistema generador de aerosol de conformidad con la reivindicación 9, en donde la bobina inductora (110) es una bobina inductora en espiral plana.

11. Un sistema generador de aerosol de conformidad con la reivindicación 10, en donde la bobina (110) tiene un diámetro de menos de 10 mm.

12. Un sistema generador de aerosol de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en donde la bobina inductora (110) se posiciona adyacente al elemento susceptor durante el uso.

13. Un sistema generador de aerosol de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en donde hay un canal de flujo de aire entre la bobina inductora y el elemento susceptor durante el uso.

14. Un sistema generador de aerosol de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en donde el sistema es un sistema para fumar portátil.