ES2839126T3 - Sistemas generadores de aerosol y métodos para dirigir un flujo de aire hacia dentro de un sistema generador de aerosol calentado eléctricamente - Google Patents
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Abstract
Un sistema generador de aerosol (8) que comprende: una porción de almacenamiento de líquido que comprende un recipiente (4) para contener un sustrato generador de aerosol líquido y que define una abertura; una unidad de calentamiento (30), en donde la unidad de calentamiento (30) comprende al menos un elemento de calentamiento que se hace funcionar eléctricamente y, en donde el elemento de calentamiento se extiende a través de la abertura a lo largo de un plano transversal; y un primer canal (10) que define una primera ruta de flujo, en donde una porción del primer canal (10) está dispuesta con respecto al plano transversal, de manera que la al menos una porción del primer canal (10) dirige el aire que se origina desde el exterior del sistema (8) para que choque contra una porción central del al menos un elemento de calentamiento y a través de una porción de la superficie del al menos un elemento de calentamiento para proporcionar un flujo de aire sobre el elemento de calentamiento en una dirección radialmente hacia fuera, en donde la porción del primer canal (10) que dirige el aire al impacto contra y a través de la porción de la superficie del al menos un elemento de calentamiento es ortogonal al plano transversal, caracterizado porque la porción del primer canal (10) y la porción de almacenamiento de líquido están ubicadas en lados opuestos del elemento de calentamiento.
Description
DESCRIPCIÓN
Sistemas generadores de aerosol y métodos para dirigir un flujo de aire hacia dentro de un sistema generador de aerosol calentado eléctricamente
La invención se refiere a sistemas generadores de aerosol calentados eléctricamente, tales como sistemas para fumar calentados eléctricamente, y un método para dirigir un flujo de aire hacia dentro de tales sistemas.
Algunos sistemas generadores de aerosol pueden comprender una batería y circuitos electrónicos de control, un cartucho que comprende un suministro de sustrato formador de aerosol y un vaporizador que se hace funcionar eléctricamente. Una sustancia se vaporiza desde el sustrato formador de aerosol, por ejemplo por un calentador. Un flujo de aire se hace pasar por el calentador para arrastrar el líquido vaporizado y dirigirlo a través de una boquilla hacia a un extremo del lado de la boca de la boquilla, mientras un usuario está inhalando (por ejemplo "tomando una bocanada") en el extremo del lado de la boca.
El documento EP 2574247 A1 describe un dispositivo de vaporización. El dispositivo de vaporización comprende una cápsula de retención llena de una sustancia que contiene aroma, un dispositivo de calentamiento y un canal de flujo de aire. El dispositivo de calentamiento comprende un calentador de resistencia que se extiende en una dirección transversal.
El documento WO 2011/137453 A2 describe un dispositivo para fumar electrónico que incluye un primer sensor para detectar la acción de un usuario para fumar, una entrada de aire, una trayectoria de flujo de aire que se extiende desde la entrada de aire, un compartimento de líquido que almacena un líquido para fumar, un dispositivo de control de dispensación configurado para dispensar selectivamente el líquido para fumar desde el compartimento de líquido, un compartimento de vaporización conectado al compartimento de líquido y la trayectoria de flujo de aire, un calentador ubicado en el compartimento de vaporización, un controlador configurado para activar el calentador para vaporizar el líquido para fumar dispensado desde el compartimento de líquido cuando la acción del usuario para fumar es detectada por el primer sensor, y una salida de humo conectada al compartimiento de vaporización, en donde una cantidad del líquido de fumar que se dispensa por el dispositivo de control de dispensación responde a una cantidad de aire que fluye en el compartimiento de vaporización.
Sería conveniente manejar el aire del flujo de manera que gran cantidad del líquido vaporizado por el calentador como sea posible se transporte hacia fuera de la zona de calentamiento para la inhalación durante cada bocanada. Sería conveniente además manejar el flujo para minimizar la formación de gotas fuera de un intervalo inhalable deseado.
La invención se refiere a un sistema generador de aerosol. El sistema generador de aerosol comprende una porción de almacenamiento de líquido. La porción de almacenamiento de líquido comprende un recipiente para contener un sustrato generador de aerosol líquido y que define una abertura. El sistema generador de aerosol comprende una unidad de calentamiento. Cada unidad de calentamiento comprende al menos un elemento de calentamiento que se hace funcionar eléctricamente. El elemento de calentamiento se extiende a través de la abertura a lo largo de un plano transversal y comprende al menos un elemento de calentamiento que se hace funcionar eléctricamente. El sistema generador de aerosol comprende un primer canal que define una primera ruta de flujo. Una porción del primer canal se dispone con respecto al plano transversal de manera que la al menos una porción del primer canal dirige el aire procedente de fuera del sistema para incidir contra el centro geométrico del al menos un elemento de calentamiento y a través de una porción de la superficie del al menos un elemento de calentamiento para proporcionar un flujo de aire sobre el elemento de calentamiento en una dirección radialmente hacia fuera. La porción del primer canal que dirige el aire al impacto contra y a través de la porción de la superficie del al menos un elemento de calentamiento es ortogonal al plano transversal. El primer canal y la porción de almacenamiento de líquido están ubicados en lados opuestos del elemento de calentamiento.
De conformidad con un primer aspecto, se proporciona un sistema para fumar calentado eléctricamente para generar aerosol. El sistema para fumar calentado utiliza un calentador posicionado con relación a un sistema de flujo de aire que tiene un extremo aguas abajo y uno o más canales para la aspiración de aire ambiente. Cada uno de los uno o más canales define una ruta de flujo respectivo. Una primera ruta de flujo definida por un primer canal dirige el aire desde fuera del sistema de modo que incide contra uno o más elementos de calentamiento eléctricos del calentador antes de transportar el aire ambiente al extremo aguas abajo. El aire llevado a lo largo de cada primera ruta de flujo puede dirigirse en el calentador como el aire ambiente sin precalentamiento, o puede someterse a una etapa de precalentamiento antes de introducirse en el impacto contra y a lo largo del calentador.
En algunas modalidades, el aire se lleva por la primera ruta de flujo dentro del impacto inicial a lo largo de una ruta que es esencialmente ortogonal a un plano en el que se dispone del elemento de calentamiento eléctrico del calentador. Tal disposición es ventajosa ya que se ha encontrado un ángulo perpendicular de impacto dirigido en el centro geométrico de un calentador para promover el arrastre eficiente del vapor. Cuando se usan múltiples canales, los respectivos flujos pueden combinarse antes de o en algún lugar a lo largo de una ruta ortogonal común.
Se recoge vapor en la zona del calentador por el aire que fluye en uno o más canales y se transporta al extremo aguas
abajo del sistema de flujo de aire. A medida que el vapor se condensa en el aire que fluye, las gotas se forman para generar con ello el aerosol. Se ha encontrado que un flujo de aire ambiente que incide sobre el elemento de calentamiento en un ángulo de 90 grados de forma eficiente y efectiva arrastra el vapor de manera que pueda dirigirse a un extremo de la "boca" aguas abajo del sistema. Cuanto mayor sea el flujo de aire ambiente golpear el elemento de calentamiento, mayor será la eficiencia de arrastre y la evacuación de vapor. En particular, si el aire ambiente incide sobre la superficie de una unidad de calentamiento en un ángulo ortogonal con respecto a su centro geométrico, puede proporcionarse un flujo de aire homogéneo sobre el elemento de calentamiento en una dirección radialmente hacia fuera.
El volumen de aire ambiente que pasa a través del primero y de cualquiera de los canales adicionales y se lleva hasta el impacto perpendicular contra el(los) elemento de calentamiento puede variarse y adaptarse, por ejemplo, el tipo de elemento de calentamiento aplicado o la cantidad de líquido vaporizado disponible. Por ejemplo, el volumen de aire ambiente impactado con el elemento de calentamiento puede adaptarse a un área total, que se calienta de manera efectiva por el elemento de calentamiento.
En modalidades, el aire que contiene vapor calentado que sale de la zona del calentador se pasa a lo largo de una zona de enfriamiento en la proximidad transversal hacia donde el sustrato formador de aerosol se almacena dentro del cartucho. Debido a que la superficie del cartucho en esta zona tiene una temperatura más baja que el aire que contiene vapor, tal proximidad tiene un efecto de enfriamiento considerable. Este efecto se pronuncia especialmente cuando el aire pasa a través de canales delgados dimensionados y dispuestos para maximizar la interacción del flujo dentro de la superficie del cartucho. El enfriamiento rápido que da como resultado una sobresaturación del aire con el líquido vaporizado, a su vez, promueve la formación de gotas de aerosol más pequeñas. En algunas modalidades, se prefiere mantener el tamaño de las gotas durante la condensación de vapor de un intervalo inhalable de entre 0,5 a 1 micras.
En algunas modalidades, en una curva cerrada (por ejemplo, del orden de 90 grados) en el flujo de aerosol alrededor de la porción del alojamiento del cartucho, el sustrato líquido realiza una función de filtrado de gota complementaria, en donde las gotas en exceso del intervalo inhalable se condensan en la esquina de la ruta del flujo de manera que no se suministran al extremo aguas abajo.
Como regla general, siempre que se utilice el término "aproximadamente" en relación con un valor particular durante toda esta solicitud, debe entenderse que el valor tras el término "aproximadamente" no tiene que ser exactamente el valor particular debido a consideraciones técnicas. Sin embargo, el término "aproximadamente" utilizado en relación con un valor particular siempre debe entenderse que incluye y también describe explícitamente el valor particular tras el término "aproximadamente".
Con respecto a la orientación y a la posición del calentador con relación a una abertura en un recipiente que contiene un líquido generador aerosol, el término "a través de" pretende referirse a una disposición en la que uno o más elementos de calentamiento a través de los cuales pasa un plano común (por ejemplo, un plano transversal a la abertura del recipiente") se coloca sobre o a través de al menos una parte de la abertura. En algunas modalidades, por ejemplo, el calentador puede cubrir completamente la abertura del recipiente, mientras que en otras modalidades, el calentador puede cubrir sólo parcialmente la abertura del recipiente. Aún en otras modalidades, el calentador puede posicionarse dentro de la abertura de manera que se extiende a través de toda la abertura en todos los lados, mientras que en otros aún, el calentador puede posicionarse de manera que se extiende a través de un primer par de porciones del lado opuesto de la abertura y no a través de un segundo par de porciones del lado opuesto de la abertura.
Los términos "aguas arriba" y "aguas abajo" se usan aquí en vista de la dirección de un flujo de aire en el sistema. Los extremos aguas arriba y aguas abajo del sistema se definen con respecto al flujo de aire cuando un usuario aspira sobre el extremo del lado de la boca o proximal del artículo para fumar generador de aerosol. El aire se aspira en el sistema en un extremo aguas arriba, aguas abajo pasa a través del sistema y sale del sistema en el extremo proximal o aguas abajo. Los términos "proximal" y "distal" como se usa en la presente descripción se refieren a la posición de un elemento con respecto a su orientación a un consumidor o lejos de un consumidor. Por lo tanto, un extremo proximal de una boquilla del sistema generador de aerosol corresponde al extremo del lado de la boca de la boquilla. Una abertura distal de un alojamiento de cartucho corresponde a una posición de una abertura dispuesta en el alojamiento de cartucho orientado en sentido contrario a un consumidor, en consecuencia.
El calentador utilizado en sistemas para fumar consistentes con las modalidades de la presente descripción puede ser por ejemplo una unidad de calentamiento permeable a los fluidos que comprende uno o más elementos de calentamiento conductores eléctricos. Los uno o más elementos de calentamiento conductores eléctricos se dimensionan y disponen para generar calor cuando se aplica una corriente a ellos. Las unidades de calentamiento permeables a los fluidos son adecuadas para vaporizar líquidos de diferentes tipos de cartuchos. Por ejemplo, como un sustrato líquido formador de aerosol, un cartucho puede contener un líquido o un material de transporte que contiene líquido, como por ejemplo un material capilar. Tal material de transporte y el material capilar transmiten activamente líquido y se orienta preferentemente en el cartucho para transportar líquido al elemento de calentamiento. En modalidades, uno o más elementos de calentamiento conductores son filamentos conductores de calor se disponen cerca del líquido o del material capilar recipiente de líquido de manera que el calor producido por un elemento de
calentamiento vaporiza el líquido. Preferentemente, los filamentos y el sustrato formador de aerosol se disponen de manera que el líquido puede fluir en los intersticios de la disposición de filamentos por la acción capilar. La disposición de filamentos también puede estar en contacto físico con un material capilar.
En modalidades, una unidad de calentamiento permeable a los fluidos comprende uno o más elementos de calentamiento por los que pasa un plano común, de manera que el calentador tiene una orientación sustancialmente plana. Tal elemento de calentamiento puede ser por ejemplo una bobina plana incrustada en una cerámica porosa o un calentador de malla, en donde una malla u otra disposición de filamento se dispone sobre una abertura en el calentador. La unidad de calentamiento permeable a los fluidos puede, por ejemplo, comprender un patrón de malla o bobina conductor eléctrico impreso sobre una pieza de soporte de resistencia al calor. La pieza de soporte puede ser por ejemplo de cerámica, poliéter éter cetona (PEEK), u otras cerámicas térmicamente resistentes y polímeros que no se descomponen térmicamente y liberan elementos volátiles a temperaturas por debajo de a 200C y preferentemente a temperaturas por debajo de a 150C.
El calentador vaporiza líquido de un cartucho o alojamiento de cartucho que comprende un sustrato formador de aerosol. 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 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 o mezcla de compuestos conocidos adecuados que, durante el uso, facilitan la formación de un aerosol denso y estable y que es sustancialmente resistente a la degradación térmica en la temperatura de operación del sistema. Los formadores de aerosol adecuados son bien conocidos en la técnica e incluyen, pero no se limitan a: alcoholes polihídricos, tales como trietilenglicol, 1,3-butanodiol y glicerina; ésteres de alcoholes polihídricos, tales como mono-, di- o triacetato de glicerol; y ésteres alifáticos de ácidos mono-, di- o policarboxílicos, tales como dodecanodioato de dimetilo y 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 transmitirse al elemento de calentamiento a través de un material capilar en contacto con o adyacente al(los) elemento de calentamiento. 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 hilos pueden generalmente alinearse para transportar líquido al elemento de calentamiento. 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. Ejemplos de materiales adecuados son un material de esponja o espuma, materiales a base de cerámica o de grafito en forma de fibras o polvos sinterizados, material de metal espumado o plástico, un material fibroso, por ejemplo de fibras hiladas o extruidas, tales como acetato de celulosa, poliéster, o poliolefina unida, polietileno, fibras terileno o polipropileno, fibras de nilón 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 no limitan a la viscosidad, tensión superficial, densidad, conductividad térmica, punto de ebullición y presión de vapor, que permita que el líquido se transporte a través del dispositivo capilar por acción capilar.
El material capilar puede estar en contacto con los filamentos conductores de la electricidad del calentador. El material capilar puede extenderse dentro de intersticios entre los filamentos. El elemento de calentamiento puede aspirar sustrato líquido formador de aerosol en los intersticios por acción capilar. La material capilar puede estar en contacto con los filamentos eléctricamente conductores sobre esencialmente toda la extensión de una abertura en el elemento de calentamiento.
El elemento de calentamiento puede proporcionarse en una unidad de calentamiento que incluye elementos de soporte. Las unidades de calentamiento pueden contener dos o más materiales capilares diferentes, en donde un primer material capilar, en contacto con el elemento de calentamiento, tiene una temperatura de descomposición térmica más alta y un segundo material capilar, en contacto con el primer material capilar, pero no en contacto con el elemento de calentamiento tiene una temperatura de descomposición térmica más baja. El primer material capilar actúa de forma efectiva como un separador que separa el elemento de calentamiento del segundo material capilar de modo que el segundo material capilar no se expone a temperaturas por encima de su temperatura de descomposición térmica. Como se usa en la presente descripción, "temperatura de descomposición térmica" significa la temperatura a la cual un material comienza a descomponerse y perder masa por la generación de gaseosa por productos. El segundo material capilar puede ocupar ventajosamente un volumen mayor que el primer material capilar y puede contener más sustrato formador de aerosol que el primer material capilar. El segundo material capilar puede tener un rendimiento
de la mecha superior al del primer material capilar. El segundo material capilar puede ser menos costoso o tener una capacidad de llenado más alta que el primer material capilar. El segundo material capilar puede ser polipropileno.
La ruta de flujo puede seleccionarse para lograr un resultado deseado, por ejemplo un volumen de aire predefinido que pasa a través de uno o más canales y que incide sobre la superficie del calentador. Por ejemplo, una longitud o diámetro de un canal pueden variar, por ejemplo también para lograr una resistencia a la extracción (RTD) predefinida. La ruta de flujo también se seleccionan de conformidad con una disposición de un aerosol que genera el sistema para fumar y la disposición y características de los componentes individuales del sistema para fumar. Por ejemplo, el aerosol puede generarse en un extremo proximal o en un extremo distal de un alojamiento de cartucho que contiene el sustrato formador de aerosol. En dependencia de la orientación del cartucho en el sistema para fumar generador de aerosol, el extremo abierto del alojamiento de cartucho se dispone orientado hacia una boquilla o se dispone opuesto a la boquilla. En consecuencia, un elemento de calentamiento para calentar el sustrato formador de aerosol se dispone en un extremo proximal o distal del alojamiento. Preferentemente, el líquido se vaporiza en el extremo distal abierto de la boquilla y un elemento de calentamiento se dispone entre el cartucho y la boquilla.
En algunas modalidades, uno o más elementos de calentamiento se disponen en un extremo proximal abierto del alojamiento del cartucho, por ejemplo para cubrir el extremo proximal del cartucho(versión superior). En tales modalidades, la primera ruta de flujo y el primer canal pueden disponerse en su totalidad en una boquilla del sistema para fumar, una primera entrada de aire se dispone en una pared lateral de la boquilla, y una o varias salidas del primer canal se disponen en el extremo proximal o del lado de la boca de la boquilla. Opcionalmente, las rutas y los canales de flujo adicionales se definen en la boquilla. El primer canal y cualquier canal adicional se disponen de conformidad con la ubicación del elemento de calentamiento del sistema para fumar. En modalidades donde por ejemplo, si un elemento de calentamiento se dispone en un extremo proximal abierto del alojamiento del cartucho, por ejemplo para cubrir el extremo proximal del cartucho (versión superior), el canal puede también disponerse en su totalidad en una boquilla.
En modalidades alternativas en donde uno o más elementos de calentamiento se disponen en un extremo distal abierto del alojamiento del cartucho, la ruta de flujo se inicia de forma rutinaria en una ubicación distal adicional en el sistema para fumar, por ejemplo en la región de un extremo distal del alojamiento del cartucho. Con este fin, la entrada de aire y una primera porción de cada canal puede disponerse en una sección principal del sistema para fumar para definir una primera porción de canal en comunicación continua con las porciones de canal correspondientes definidas en la boquilla. El aire ambiente se dirige entonces hacia dentro del sistema, pasa el elemento de calentamiento en el extremo distal del cartucho y arrastra el vapor generado por el calentamiento del sustrato formador de aerosol en el cartucho. El aire que contiene aerosol puede entonces dirigirse a lo largo del cartucho entre un alojamiento de cartucho y un alojamiento principal al extremo aguas abajo del sistema, donde se mezcla con el aire ambiente de la primera ruta de flujo (ya sea antes o en el momento de alcanzar el extremo aguas abajo).
Un solo canal puede diferir en varias porciones de canal aguas abajo del elemento de calentamiento, y varias porciones de canal aguas arriba del elemento de calentamiento pueden converger en un solo canal antes de llevarse en impacto ortogonal contra un centro geométrico del calentador. Además, un primer canal puede constar de varios primeros canales parciales y un segundo canal puede consistir en varios segundos canales parciales.
Las rutas de flujo pueden proporcionar muchas variantes para suministrar aire ambiente al elemento de calentamiento y transportar aerosol fuera del elemento de calentamiento y a un extremo aguas abajo del sistema. Por ejemplo, un suministro radial de aire ambiente se combina preferentemente con una gran extracción central. Un suministro central de aire ambiente se combina preferentemente con una distribución radial del aire sobre toda la superficie del elemento de calentamiento con un transporte circunferencial del aerosol que contiene aire al extremo aguas abajo. En tales modalidades, las rutas de flujo se combinan para dirigir el aire ambiente para que incida sobre el elemento de calentamiento, por ejemplo perpendicular al elemento de calentamiento, preferentemente en el centro del elemento de calentamiento.
El flujo de aire dirigido perpendicularmente a una porción central del elemento de calentamiento demuestra la aerosolización mejorada en términos de tamaños de partícula más pequeños y mayores cantidades de materia de partículas total presentes en la corriente de aerosol en comparación al flujo de aire que incide en la superficie en un ángulo mayor que 0 y menor que 90 grados. Esto puede ser debido a un nivel inferior de los vórtices creados en el elemento calentador y la interfaz de flujo de aire, la producción de aerosol mejorado mediante la maximización de la totalidad del calentador (por ejemplo, las porciones exteriores de la porción central del elemento calentador contribuyen a cantidades adicionales o mayores de aerosol), o debido a un efecto de mecha superior basado en un mayor volumen de aire que cruza el elemento de calentamiento.
Un método para dirigir un flujo de aire en un sistema para fumar calentado eléctricamente para la generación de aerosol comprende dirigir el aire ambiente desde afuera del sistema perpendicularmente contra un elemento de calentamiento y el aire que contiene vapor de transportación calentado, para promover la sobresaturación del vapor generado por el calentamiento del líquido.
La invención se describe adicionalmente con respecto a modalidades, que se ilustran por medio de las siguientes
figuras, en donde:
La Figura 1 muestra un sistema generador de aerosol que emplea un flujo de aire de conformidad con modalidades compatibles con la presente descripción;
La Figura 2 muestra un sistema generador de aerosol que emplea un flujo de aire ambiente y un aire arrastrado con vapor de conformidad con otras modalidades compatibles con la presente descripción
La Figura 3A muestra la forma ensamblada, en sección transversal, de un sistema generador de aerosol que emplea un flujo de aire ambiente y un aire arrastrado con vapor de conformidad con otra modalidad consistente con la presente descripción;
La Figura 3B muestra una forma separada o no ensamblada, en sección transversal, de la modalidad de la Figura 3A;
La Figura 4 muestra el efecto de enfriamiento de los diferentes flujos de aire en diferente elemento de calentamiento; La Figura 5 muestra una curva de temperatura basada en un patrón de impacto de flujo ilustrativo y una disposición esencialmente plana de filamentos de calentamiento energizados para formar un calentador de malla;
La Figura 6 muestra las curvas de temperatura en la salida de la boquilla;
La Figura 7 muestra las curvas promedio de saturación de vapor a la salida de la boquilla;
La Figura 8 muestra la relación de diámetros de las gotas en la salida de la boquilla para las geometrías de flujo de aire del aire de la Figura 1 y 2 con la misma configuración del calentador y potencia aplicada;
Las Figura 9a, 9b muestran los elementos de calentamiento cuando pueden usarse en el sistema para fumar de conformidad con la invención.
En la Figura 1 se muestra una modalidad del cartucho 4 y la boquilla 1 para un sistema para fumar generador de aerosol. Un alojamiento principal alargado 5 acomoda un cartucho con un recipiente en forma tubular 4 que contiene un sustrato formador de aerosol, por ejemplo un material capilar que contiene líquido 41. El recipiente 4 tiene un extremo proximal abierto 42. Un calentador 30, se dispone para cubrir el extremo proximal abierto del recipiente 4. En algunas modalidades, el calentador 30 es un calentador permeable a los fluidos que tiene un perfil sustancialmente plano. En una modalidad, el calentador 30 es una disposición de malla sustancialmente plana de filamentos calentados eléctricamente. Los filamentos u otro elemento de calentamiento del calentador 30 pueden o no estar en contacto físico directo con el sustrato formador de aerosol 41. Una boquilla 1 que tiene un cuerpo alargado de forma esencialmente tubular 15 está alineada con el alojamiento principal, el recipiente 4 y el calentador 30. El cuerpo alargado 15 tiene un extremo distal abierto orientado hacia el calentador 30.
La modalidad mostrada en la Figura 1 comprende un primer canal 10 que define una primera ruta de flujo en la boquilla 1. El aire ambiente entrante 20 entra en la primera ruta de flujo a través de la entrada 100 y sigue la ruta de flujo definida por el primer canal 10. Esta ruta de flujo lleva el aire ambiente al impacto contra el centro del calentador 30. Preferentemente, el impacto se produce en el centro geométrico del calentador y en ángulo de o cerca de noventa grados (es decir, el flujo es esencialmente ortogonal a un plano que contiene la superficie calentada del calentador 30. El líquido vaporizado producido por el calentador 30 se arrastra en forma de aerosol por el flujo de aire 20, y desde allí el aire se suministra a la salida 12 en un extremo proximal o extremo del lado de la boca de la boquilla 1, para inhalarse cuando un consumidor toma una bocanada. En algunas modalidades, un único canal como primer canal 10 puede estar solo suficiente para la aspiración de una cantidad deseada de aire ambiente, con cada bocanada. En otras modalidades, puede ser conveniente incluir dos o más entradas y canales asociados. Por ejemplo, un segundo canal (no mostrado) puede proporcionarse para aspirar aire adicional, de manera que los flujos de aire ambiente se combinan antes de incidir sobre el calentador 30.
En la modalidad de la Figura 1, la entrada 100 en la primera ruta de flujo es una abertura o agujero en la boquilla 1 situado en una mitad distal del cuerpo alargado 15 de la boquilla 1. La primera ruta de flujo en una porción del segundo canal aguas arriba 101 corre en el cuerpo alargado paralelo a la circunferencia del cuerpo alargado hasta el extremo proximal de la boquilla. En una porción de dirección radialmente hacia dentro 102 del primer canal 10, el primer flujo de aire 20 se dirige al centro del cuerpo alargado y en una porción dispuesta centralmente 103 del primer canal del primer flujo de aire 20 se dirige al calentador 30 para incidir al centro 31 del calentador 30. El primer flujo de aire 20 pasa sobre el calentador 30 y se extiende radialmente hacia, fuera hacia varias porciones de extremo longitudinales 104 del primer canal 10. Las porciones de extremo longitudinales 104 se disponen regularmente a lo largo de la circunferencia dentro del cuerpo alargado.
En esta modalidad, la ruta de flujo y el canal correspondiente se disponen completamente dentro de la boquilla 1 del sistema generador de aerosol. Una o más rutas de flujo adicionales definidas, por ejemplo, por canales simétricamente dispuestos, pueden definirse en la boquilla de manera que los flujos se combinan en el momento en que el aire ambiente alcanza la porción dispuesta centralmente 103.
En la Figura 2 se ilustra una modalidad de un cartucho 4 con el calentador 30 dispuesto en el fondo del cartucho que cubre un extremo distal abierto 43 del recipiente 41. En esta modalidad, la primera entrada 100A se dispone en el alojamiento principal 5 y el aire ambiente 20A se dirige directamente hacia dentro de una porción de dirección radialmente hacia dentro 102A del primer canal al centro del alojamiento principal. Además, una segunda entrada 100B se dispone en el alojamiento principal 5 y el aire ambiente 20B se dirige directamente hacia un segundo canal 102B de dirección radialmente hacia dentro hacia el centro del alojamiento principal 5. Los primer y segundo canales se unen para formar un único flujo dentro de la porción dispuesta centralmente 103 del primer canal, y el flujo de aire
combinado se dirige para incidir perpendicularmente sobre el calentador 30. El aire recorre entonces el calentador 30, arrastra aerosol provocado por el calentamiento del líquido en el sustrato formador de aerosol 41 a través del calentador 30. El aire que contiene aerosol se lleva hasta el extremo proximal del cartucho 4 después de entrar en una curva de noventa grados en una de varias porciones alargadas, longitudinales 105 del primer canal 10 dispuesto entre y a lo largo del cartucho 4 y una superficie interior del alojamiento principal 5.
Allí, el flujo de aire que contiene aerosol se dirige hacia y fuera de una sola abertura dispuesta centralmente 52 en el alojamiento principal 5. Una boquilla (no mostrada) puede disponerse adyacente y alineada con el alojamiento principal. Preferentemente, la boquilla entonces también tiene una abertura dispuesta centralmente y una porción de extremo 104 del primer canal 10 para recibir el flujo de aire que contiene aerosol y dirigirlo a una sola abertura de salida 12 en el extremo proximal de la boquilla 1.
Las Figuras 3A y 3B representan una modalidad adicional de un sistema 8, que incluye un cartucho 4 con el calentador 30 dispuesto en el fondo del cartucho que cubre un extremo distal abierto 43 del alojamiento del cartucho 41. En esta modalidad, la primera entrada 100A se dispone en el alojamiento principal 5 y el aire ambiente 20A se dirige directamente hacia dentro de una porción de dirección radialmente hacia dentro 102A del primer canal al centro del alojamiento principal. Además, una segunda entrada 100B se dispone en el alojamiento principal 5 y el aire ambiente 20B se dirige directamente hacia un segundo canal 102B de dirección radialmente hacia dentro hacia el centro del alojamiento principal 5. Los primer y segundo canales se unen para formar un único flujo dentro de la porción dispuesta centralmente 103 del primer canal, y el flujo de aire combinado se dirige para incidir perpendicularmente sobre el calentador 30. Los contactos conductores 60, que están acoplados eléctricamente a una fuente de energía (no mostrada) situada dentro del alojamiento principal 5 están en contacto eléctrico con los contactos correspondientes del calentador 30, y suministran al calentador con la corriente eléctrica.
El aire que llega por la primera porción del canal 103 pasa por el calentador 30 y arrastra el vapor y las gotas condensadas provocadas por el calentamiento del líquido en el sustrato formador de aerosol 41 a través del calentador 30. El aerosol así generado se dirige al extremo proximal del cartucho 4 después de que entra en una curva de noventa grados 45a, 45b en una de varias porciones longitudinales alargadas 105 del primer canal 10 dispuesto entre y a lo largo de cartucho 4. A continuación, el aerosol se guía hacia y fuera de una abertura de salida dispuesta centralmente 12 en el extremo proximal de la boquilla 1.
La Figura 3B se descompone para mostrar el sistema 8 en mayor detalle. Puede observarse que el alojamiento del cartucho 4, que comprende las secciones 4A y 4B, recibe un material de alta retención que contiene líquido o material de liberación elevada (HRM) 41 que sirve como un depósito de líquido y para dirigir líquido hacia el calentador 30 para la evaporación en el calentador. Un disco capilar 44, por ejemplo un disco de fibra, se dispone entre HRM 41 y el calentador 30. El material del disco capilar 44 puede ser más resistente al calor que e1HRM 41 debido a su cercanía al calentador 30 para proporcionar aislamiento térmico y proteger la propia HRM de la descomposición. El disco capilar 44 se mantiene mojado con el líquido formador de aerosol del HRM para asegurar el suministro de líquido para la vaporización si se activa el calentador.
Los datos mostrados en la Figura 4 demuestran la relación entre la velocidad del flujo de aire y el enfriamiento del calentador de malla. Las velocidades de enfriamiento se midieron mediante el uso de diferentes calentadores de malla: Reking (45 micrómetros/180 por pulgada), Haver (25 micrómetros/200 por pulgada) y 3 tiras Warrington (25 micrómetros/250 por pulgada). Los datos de medición para el calentador Reking se indican con cruces, los datos de medición para el calentador Haver se indican con círculos y los datos de medición para el calentador 3 tiras Warrington se indican con triángulos. Todos los calentadores se operaron a tres watts. La temperatura se midió con un termopar acoplado a los calentadores. El aumento de la velocidad de flujo como se indica en el eje x en litros por minuto [l/min] resulta en una temperatura medida inferior en el calentador de malla. Los tamaños típicos de los flujos de aire en los sistemas generadores de aerosol pueden ser aproximados por regímenes de fumado estándar, por ejemplo, el régimen de fumado de Health Canada, lo que conduce a un enfriamiento significativo del calentador. Los regímenes de fumado ilustrativos tales como el de Health Canada aspira 55 ml de una mezcla de aire y vapor por más de 2 segundos. Un régimen alternativo es 55 ml por más de 3 segundos. Ningún régimen de fumado ilustrativo imita el comportamiento preciso sino que actúa como un nominador a lo que un usuario promedio podría aspirar. Para compensar la velocidad de enfriamiento máxima asociada con una alta velocidad de flujo de aire y de impacto perpendicular de aire sobre la superficie del calentador 30, puede ser necesario suministrar niveles elevados de corriente al elemento de calentamiento del mismo.
En la gráfica de la Figura 5, se muestran las temperaturas promedio en el calentador contra del tiempo durante una bocanada. La curva 60 representa los datos de la temperatura de referencia para el calentador, donde el flujo de aire total se dirige al calentador. Para los datos de referencia del calentador se habían calentado con 5 watts.
La Figura 6 muestra el efecto, en la temperatura del aerosol que lleva el flujo de aire a la salida de la boquilla durante una bocanada, de dirigir el flujo de aire arrastrado con vapor a lo largo de la porción de alojamiento del cartucho 4 que contiene la porción de almacenamiento de líquido 41. Los datos se refieren a modalidades donde el flujo de aire ambiente se lleva hacia la salida en un alojamiento principal, que incide perpendicularmente contra la superficie de un calentador esencialmente plano dispuesto en un plano transversal a través de una abertura del cartucho distal hasta
el extremo de inhalación de la boquilla, y doblada alrededor de una canal de flujo de aguas abajo para llevar el flujo de aire hacia el extremo de inhalación de la boquilla, como se muestra en las Figuras 2 y 3A. La curva de temperatura 61 representa las temperaturas del aire de salida para un calentador energizado con 5 watts con el flujo de aire total que incide sobre el calentador y que sale de conformidad con la disposición mostrada en la Figura 1. La curva de temperatura 71 representa las temperaturas del aire de salida para un calentador energizado también con 5 watts, pero por donde pasa el flujo de aire en proximidad cercana a la porción de almacenamiento de líquido para promover el enfriamiento como se muestra en las Figuras 2 y 3A. Hay temperaturas inferiores significativas del aerosol que llevan el flujo de aire a la salida proximal del alojamiento principal 5 y la boquilla 1 en las disposiciones de las Figuras 2 y 3A debido a la transferencia de calor a la zona del alojamiento del cartucho próxima a la porción de almacenamiento de líquido. Típicamente el aire "fresco" mezclado con el aerosol que lleva el flujo de aire está a temperatura ambiente.
La diferencia significativa también puede observarse en la relación de presión de vapor a la presión de saturación (Pvapor/Psaturación) de una solución de glicerol en la salida de la boquilla durante una bocanada. Esta relación se muestra en la Figura 7. La curva 72 se refiere a los datos de presión en la salida para el calentador energizado con 5 watts, con el flujo de aire total dirigido hacia el calentador de conformidad con las disposiciones de las Figuras 2 y 3A. La curva 62 se refiere a los datos de presión en la salida para el calentador energizado con 5 watts con el flujo de aire total que incide sobre el calentador de conformidad con la disposición de la Figura 1. Esto representa un mayor grado de sobresaturación de la solución de glicerol, lo que favorece la aerosolización con las gotas más pequeñas. La simulación predice claramente un menor tamaño de gota para el vapor más fresco de la modalidad del flujo de aire dividido comparada con el vapor de las modalidades del flujo de aire total o no dividido. Estos datos de simulación 67 se muestran en la Figura 8 para una bocanada a la salida de la boquilla. El eje Y representa la relación de diámetros de gotas para el flujo de aire dividido para los sistemas de flujo de aire totales. Las relaciones se calculan y se muestran como d_división/d_ref = T * Ln(S) ref/T * Ln(S) dividida por el tiempo (en segundos) durante una bocanada en el sistema generador de aerosol donde T es la temperatura expresada en grados Kelvin y S es la relación de saturación que es una función de Pv y P~(T).
La Figura 9a es una ilustración de un primer calentador 30. El calentador 30 es una unidad permeable de fluido de los elementos de calentamiento y comprende una malla de 36 formada de acero inoxidable 304L, con un tamaño de malla de aproximadamente malla de Estados Unidos 400 (aproximadamente 400 filamentos por pulgada). Los filamentos tienen un diámetro de aproximadamente 16 micrómetros. La malla se conecta a contactos eléctricos 32 que están separados entre sí por un intersticio 33 y se forman a partir de una lámina de cobre o estaño que tiene un grosor de aproximadamente 30 micrómetros. Los contactos eléctricos 32 se proporcionan sobre un sustrato de poliimida 34 que tienen un grosor de aproximadamente 120 micrómetros. Los filamentos que forman la malla definen intersticios entre los filamentos. Los intersticios en este ejemplo tienen una anchura de aproximadamente 37 micrómetros, aunque pueden usarse intersticios más grandes o más pequeños. El uso de una malla de estas dimensiones aproximadas permite que se forme un menisco de sustrato formador de aerosol en los intersticios, y por la malla del elemento de calentamiento para aspirar sustrato formador de aerosol por acción capilar. El área abierta de la malla, es decir, la relación del área de intersticios a la superficie total de la malla es ventajosamente entre 25 por ciento y 56 por ciento. La resistencia total del elemento de calentamiento es de aproximadamente 1 Ohm. La malla proporciona la enorme mayoría de esta resistencia de modo que la mayoría del calor sea producida por la malla. En este ejemplo la malla tiene una resistencia eléctrica de más de 100 veces mayor que los contactos eléctricos 32.
El sustrato 34 es eléctricamente aislante y, en este ejemplo, se forma a partir de una lámina de poliimida que tiene un grosor de aproximadamente 120 micrómetros. El sustrato es circular y tiene un diámetro de 8 milímetros. La malla es rectangular y tiene longitudes laterales de 5 milímetros y 2 milímetros. Estas dimensiones permiten un sistema completo que tiene un tamaño y forma similar a un cigarrillo o tabaco convencional para su elaboración. Otro ejemplo de las dimensiones que se han encontrado para que sea efectivo es un sustrato circular de diámetro de 5 milímetros y una malla rectangular de 1 milímetro por 4 milímetros.
La Figura 9b es una ilustración de una unidad de calentamiento alternativa. En el elemento de calentamiento de la Figura 8b, los filamentos conductores eléctricos, conductores de calor 37 se unen directamente al sustrato 34 y los contactos 32 están entonces unidos sobre los filamentos. Los contactos 32 están separados entre sí mediante el espacio de aislamiento 33 como antes, y se forman a partir de lámina de cobre de un grosor de aproximadamente 30 micrómetros. La misma disposición de filamentos y contactos de sustrato puede utilizarse para un calentador de tipo malla como se muestra en la Figura 8a. Tener los contactos como una capa más externa puede ser beneficioso para proporcionar contacto eléctrico fiable con un suministro de energía.
De vuelta a las Figuras 1 a 3B, el material capilar 41 se orienta ventajosamente en el alojamiento 4 para transmitir líquido al calentador 30. Cuando se ensambla el cartucho, los filamentos del calentador 36, 37, 38 pueden estar en contacto con el material capilar 41 y el sustrato formador de aerosol puede transportarse directamente al calentador de malla.
Durante el uso los elementos de calentamiento funcionan por calentamiento resistivo. La corriente pasa a través de los filamentos 36, 37, 38, bajo el control de la circuitos electrónicos de control (no se muestra), para calentar los filamentos dentro de un intervalo de temperatura deseada. La malla o arreglo de filamentos tiene una resistencia eléctrica significativamente más alta que los contactos eléctricos 32, 35 y conectores eléctricos (no mostrados) de
manera que las altas temperaturas se localicen en los filamentos. El sistema puede configurarse para generar calor mediante la suministración de corriente eléctrica al elemento de calentamiento en respuesta a una bocanada de usuario o puede configurarse para generar calor continuamente mientras el dispositivo está en un estado "encendido".
Diferentes materiales para los filamentos pueden ser adecuados para diferentes sistemas. Por ejemplo, en un sistema que calienta continuamente, los filamentos de grafito son adecuados ya que tienen una capacidad de calor específico relativamente baja y son compatibles con bajo calentamiento de corriente. En un sistema accionado por bocanadas, en el que se genera calor en ráfagas cortas mediante el uso de pulsos de corriente alta, los filamentos de acero inoxidable, que tienen una alta capacidad de calor específico pueden ser más adecuados.
En los sistemas de cartucho anteriores como se describen en las Figuras 1 a la Figura 3B, el alojamiento del cartucho 4 también puede ser un recipiente de cartucho separado además del alojamiento del cartucho, como se describe por ejemplo en la Figura 1. Especialmente, un cartucho que contiene líquido es un producto prefabricado, que puede insertarse en un alojamiento de cartucho proporcionado en el sistema generador de aerosol para recibir el cartucho prefabricado.
Claims (13)
1. Un sistema generador de aerosol (8) que comprende:
una porción de almacenamiento de líquido que comprende un recipiente (4) para contener un sustrato generador de aerosol líquido y que define una abertura;
una unidad de calentamiento (30), en donde la unidad de calentamiento (30) comprende al menos un elemento de calentamiento que se hace funcionar eléctricamente y, en donde el elemento de calentamiento se extiende a través de la abertura a lo largo de un plano transversal; y
un primer canal (10) que define una primera ruta de flujo, en donde una porción del primer canal (10) está dispuesta con respecto al plano transversal, de manera que la al menos una porción del primer canal (10) dirige el aire que se origina desde el exterior del sistema (8) para que choque contra una porción central del al menos un elemento de calentamiento y a través de una porción de la superficie del al menos un elemento de calentamiento para proporcionar un flujo de aire sobre el elemento de calentamiento en una dirección radialmente hacia fuera, en donde la porción del primer canal (10) que dirige el aire al impacto contra y a través de la porción de la superficie del al menos un elemento de calentamiento es ortogonal al plano transversal, caracterizado porque la porción del primer canal (10) y la porción de almacenamiento de líquido están ubicadas en lados opuestos del elemento de calentamiento.
2. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con la reivindicación 1, que incluye además un segundo canal que define una segunda ruta de flujo, en donde la primera ruta de flujo y la segunda ruta de flujo se combinan antes o a lo largo de la porción del primer canal (10) que dirige el aire al impacto contra y a través de la porción de la superficie del al menos un elemento de calentamiento.
3. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con la reivindicación 1 o 2, en donde la unidad de calentamiento (30) comprende una pluralidad de elementos de calentamiento por los que pasa un plano común.
4. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un medio capilar alineado con la abertura y en contacto con la unidad de calentamiento (30), y en donde el sustrato generador de aerosol líquido se aspira a través del medio capilar para al menos un elemento de calentamiento que se hace funcionar eléctricamente.
5. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con la reivindicación 4, en donde el al menos un elemento de calentamiento que se hace funcionar eléctricamente comprende una pluralidad de filamentos conductores de la electricidad (36, 37).
6. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el sistema (8) comprende una unidad principal y un cartucho que se acopla de manera desmontable a la unidad principal, en donde la porción de almacenamiento de líquido y la unidad de calentamiento (30) se proporcionan en el cartucho y la unidad principal comprende un suministro de energía.
7. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con la reivindicación 6, en donde la unidad principal define además al menos una entrada (100) para aspirar aire ambiente desde fuera del sistema (8) y al menos una primera porción del primer canal (10) correspondiente a una ruta de flujo con relación a la unidad de calentamiento (30).
8. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con la reivindicación 6, en donde el cartucho define además al menos una entrada (100) para aspirar aire ambiente desde fuera del sistema (8) y al menos una primera porción del primer canal (10) correspondiente a una ruta de flujo con relación a la unidad de calentamiento (30).
9. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con la reivindicación 7 u 8, en donde el cartucho define una segunda porción del primer canal (10) en comunicación continua con la primera porción.
10. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones de la 7 a la 9, en donde la unidad principal define una segunda porción del primer canal (10) en comunicación continua con la primera porción.
11. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde una porción del primer canal (10) se dimensiona y dispone para transportar aire fuera de la unidad de calentamiento (30) a lo largo de un canal alargado entre la porción de almacenamiento de líquido y una porción de la superficie interior del cartucho.
12. El sistema generador de aerosol (8) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde una porción del primer canal (10) se dimensiona y dispone para transportar aire fuera de la unidad de calentamiento (30) a lo largo de una curva.
13. Un método para dirigir un flujo de aire en un sistema generador de aerosol que se hace funcionar eléctricamente (8), el método que comprende las etapas de:
suministrar un sustrato generador de aerosol;
dirigir el aire que se origina desde el exterior del sistema (8) contra una porción central de un elemento de calentamiento y a lo largo del elemento de calentamiento alineado con una abertura en un recipiente (4) que contiene el sustrato generador de aerosol para proporcionar un flujo de aire sobre el elemento de calentamiento en una dirección radialmente hacia fuera, en donde el elemento de calentamiento se extiende a través de la abertura a lo largo de un plano transversal, y en donde la porción del primer canal (10) que dirige el aire al impacto contra y a través de la porción de la superficie del elemento de calentamiento es ortogonal al plano transversal, caracterizado porque la porción del primer canal (10) y la porción de almacenamiento de líquido están ubicadas en lados opuestos del elemento de calentamiento; y
transmitir un aerosol generado al extremo aguas abajo del sistema (8).
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