FR3141041A1

FR3141041A1 - Cigarette électronique à nébulisation

Info

Publication number: FR3141041A1
Application number: FR2211043A
Authority: FR
Inventors: Julien BOILOT
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-10-25
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2024-04-26
Also published as: WO2024089113A1

Abstract

L’invention concerne une cigarette électronique configurée pour nébuliser au travers d’une membrane (20) vibrante un liquide contenu un réservoir (18). La cigarette électronique comprend une chambre (42) disposée entre le réservoir (18) et la membrane (20), la chambre (42) s’étendant entre deux parois (20a, 44) parallèles dont l’une est formée par une face (20a) de la membrane (20), le liquide (50) mouillant les deux parois (20a, 44) de la chambre (42), une épaisseur de la chambre (42), formant une distance séparant les deux parois (20a, 44), étant définie pour que le liquide se diffuse dans la chambre (42) par capillarité de façon à ce que le liquide soit maintenu en contact avec la membrane (20). Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Cigarette électronique à nébulisation

L'invention concerne une cigarette électronique permettant de simuler une cigarette classique dans laquelle du tabac est consumé.

La plupart des cigarettes électroniques actuelles vaporisent un liquide contenu dans une cartouche afin de générer de la vapeur inhalée par un utilisateur ce qui lui permet de simuler le fait de fumer. La vaporisation est obtenue par chauffage du liquide au moyen d'une résistance électrique immergée dans le liquide. Par effet Joule, la résistance dissipe de la chaleur dans le liquide qui se vaporise. La vapeur ainsi obtenue peut être aspirée par l'utilisateur.

Le chauffage par résistance présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord, la vaporisation élève fortement la température du liquide devant être aspiré par l'utilisateur. Le liquide, une fois vaporisé, peut atteindre des températures bien supérieures à 100°C. Certains fabricants proposent des cigarettes électroniques dans lesquelles les produits aspirés atteignent des températures de l'ordre de 350°C. A ces températures, les additifs présents dans le liquide vaporisé peuvent être dénaturés. Leur composition chimique peut notamment être modifiée ce qui peut entrainer une modification du goût ressenti par l'utilisateur.

Par ailleurs, atteindre la vaporisation entraine une consommation d'énergie importante pour élever le liquide en température et pour lui apporter sa quantité de chaleur latente de transformation de l'état liquide à l'état gazeux. Les cigarettes électroniques sont équipées de batterie alimentant la résistance chauffante vaporisant le liquide. La batterie doit être dimensionnée de façon suffisante pour obtenir une autonomie acceptable par l'utilisateur. La dépense énergétique importante de la résistance impose un encombrement et une masse importante de la batterie.

Pour éviter de vaporiser le liquide aspiré par l’utilisateur, l’inventeur a développé un premier modèle de cigarette électronique dont une description a été publiée dans le document WO 2021/094602 A1. Dans ce document, il est précisé que du liquide présent dans un réservoir est disposé au contact d’une membrane poreuse pouvant vibrer afin de nébuliser le liquide. En évitant la vaporisation, la consommation énergétique de la cigarette électronique est réduite puisqu’il n’est pas nécessaire de chauffer le liquide pour le faire passer de sa phase liquide à sa phase gazeuse. Dans ce document, il est décrit la présence d’un élément capillaire permettant de drainer le liquide contenu dans le réservoir vers la membrane. Cet élément capillaire occupe en partie le volume du réservoir, ce qui réduit d’autant le volume utile du réservoir.

L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant une cigarette électronique à nébulisation dans laquelle le liquide est maintenu en contact avec la membrane sans faire appel à un élément capillaire.

A cet effet, l’invention a pour objet une cigarette électronique comprenant :
- un réservoir contenant un liquide apte à être nébulisé,
- une membrane poreuse configurée pour nébuliser le liquide, la membrane ayant la forme d'un film possédant deux faces opposées distantes de l'épaisseur de la membrane, le liquide présent dans le réservoir venant au contact avec une première des deux faces pour traverser la membrane dans son épaisseur,
- un actionneur configuré pour faire vibrer la membrane de façon à nébuliser le liquide lors de son passage au travers de la membrane,
- une chambre disposée entre le réservoir et la membrane, la chambre étant en communication avec le réservoir pour y admettre le liquide, la chambre s'étendant entre deux parois parallèles dont une première est formée par la première face, le liquide mouillant les deux parois de la chambre, une épaisseur de la chambre, formant une distance séparant les deux parois, étant définie pour que le liquide se diffuse dans la chambre par capillarité de façon à ce que le liquide soit maintenu en contact avec la membrane.

Avantageusement, la chambre est en communication avec le réservoir au moyen d'un orifice situé en regard d'une zone centrale de la membrane.

Une orientation verticale de la cigarette électronique est définie par rapport à un utilisateur en position debout aspirant du liquide nébulisé par la membrane et, avantageusement, dans l'orientation verticale, la chambre est en communication avec le réservoir au moyen d'un orifice s'ouvrant sur une partie la plus basse du réservoir.

Avantageusement, la chambre possède une forme de rondelle s'étendant autour de l'orifice.

Avantageusement, la chambre possède un contour circulaire et l'orifice possède une section circulaire concentrique du contour circulaire de la chambre.

L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :

la représente en coupe et en perspective un exemple de cigarette électronique selon l’invention ;

la représente en coupe et en perspective une vue partielle de la cigarette de la au niveau d’un réservoir de liquide ;

Les figures 3a et 3b représentent, dans une première orientation, par rapport à une direction verticale, la partie de la cigarette électronique représentée sur la ;

Les figures 4a et 4b représentent, dans une seconde orientation, par rapport à une direction verticale, la partie de la cigarette électronique représentée sur la .

Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.

La représente un exemple de cigarette électronique 10 de forme allongée en s’étendant principalement selon un axe longitudinal 12. La cigarette électronique 10 possède, dans l’exemple représenté, une enveloppe 14 de section sensiblement rectangulaire perpendiculairement à l’axe longitudinal 12 hormis un embout 16 proéminent qu’un utilisateur peut porter à la bouche pour aspirer un liquide nébulisé par la cigarette électronique 10. Toute autre forme d’enveloppe 14 est, bien entendu, possible dans le cadre de l’invention.

La cigarette 10 comprend un réservoir 18 contenant un produit sous forme liquide destiné à être nébulisé pour être aspiré par un utilisateur au travers de l’embout 16. Le réservoir 18 est fermé par un bouchon amovible 19 permettant de remplir le réservoir 18. La cigarette 10 comprend également une membrane 20 et un actionneur 22 configuré pour faire vibrer la membrane 20. La membrane 20 est poreuse afin de laisser passer le liquide sous forme d'un brouillard. Le liquide reste en phase liquide lorsqu'il traverse la membrane 20. En sortie de la membrane 20, le liquide est sous forme de gouttelettes de liquides dont la dimension caractéristique est de l'ordre de 1 à 10 µm. La membrane 20 est perforée d'orifices ayant une section de la dimension des gouttelettes. Plus précisément, la membrane 20 a la forme d'un film plat possédant deux faces opposées 20a et 20b distantes de l'épaisseur de la membrane 20. Dans l’exemple représenté, la membrane 20 s'étend principalement parallèlement à l'axe 12. Il est possible de disposer la membrane dans d’autres orientations, notamment perpendiculairement à l’axe 12. Le liquide présent dans le réservoir 18 vient au contact de la face 20a pour traverser la membrane 20 dans son épaisseur. La vibration de la membrane 20 opérée par l'actionneur 22 entraine le passage du liquide au travers de la membrane 20. La vibration de la membrane 20 entraine sa déformation, principalement perpendiculairement à son épaisseur. Dans l’exemple représenté, la membrane 20 possède un contour circulaire. D’autres formes de membrane sont possibles dans le cadre de l’invention. Pour une membrane 20 de l'ordre de 20mm de diamètre, une vibration à une fréquence ultrasonore permet d'obtenir la nébulisation souhaitée. Des essais en interne ont montré qu'une fréquence de 30kHz permet de nébuliser correctement le liquide. Pour le liquide, le fait de traverser la membrane 20 dans son épaisseur permet de limiter l'énergie nécessaire à la nébulisation. La faible épaisseur de la membrane n'offre que peu de résistance à la traversée du liquide. Une fois la membrane 20 traversée, le liquide nébulisé se disperse à l’intérieur de l’embout 16 pour être aspiré par l’utilisateur.

L’actionneur 22 peut être alimenté électriquement. L'alimentation peut être extérieure à la cigarette 10. Cependant, pour que l'utilisateur puisse utiliser la cigarette 10 de façon autonome, la cigarette 10 est équipée d'une batterie 26 permettant d'alimenter l’actionneur 22. Des fils de câblage 28 et 30 relient la batterie 26 et l’actionneur 22. Dans l'exemple de la , l’actionneur 22 est un actionneur piézo-électrique. Ce type d'actionneur est bien adapté aux fréquences ultrasonores. L’actionneur 22 possède ici la forme d'une rondelle percée en son centre pour laisser la membrane 20 vibrer librement. D’autres types d’actionneurs permettant de faire vibrer la membrane peuvent être utilisés dans le cadre de l’invention.

L'alimentation de l’actionneur 22 par la batterie 26 peut être commandée au moyen d'un interrupteur 32 manœuvré par l'utilisateur lorsqu'il souhaite utiliser la cigarette 10. Alternativement ou en complément de l'interrupteur 32, l'alimentation de l’actionneur 22 peut être commandé lorsque l'utilisateur aspire sur la cigarette 10. Une telle aspiration peut être détectée au moyen d'un capteur de pression 34 configuré pour détecter l'aspiration de l'utilisateur. Plus précisément, le capteur de pression 34 est disposé dans une chambre 36 de la cigarette 10 dont la pression baisse lorsque l'utilisateur aspire sur la cigarette 10 par l’embout 16. En complément du capteur de pression 34, la cigarette 10 comprend un circuit électronique 37 recevant une information du capteur de pression 24 et pilotant l’actionneur 22 en fonction de l'information reçue du capteur de pression 34. Le circuit électronique 37 peut comprendre un comparateur raccordé au capteur de pression 34 à l'une de ses entrées et à une tension de référence à l'autre de ses entrées. La tension de référence est représentative de la pression en dessous de laquelle l’actionneur 22 doit être mis en œuvre. La sortie du comparateur délivre un signal binaire fonction du signe de l'écart entre le signal reçu du capteur de pression 34 et la tension de référence. Alternativement, le circuit électronique 37 peut comprendre un processeur par exemple inclus dans un microcontrôleur et réalisant l'opération de comparaison décrite au moyen du comparateur. L'intérêt de la mise en œuvre d'un processeur est qu'il peut également remplir d'autres tâches comme la surveillance de l’état de charge de la batterie 26, la surveillance du niveau de liquide dans le réservoir 18… Le circuit électronique 37 peut être réalisé sur un circuit imprimé. Le capteur de pression 34 peut être soudé sur le circuit imprimé.

La cigarette 10 peut comprendre un connecteur 38 par exemple fixé au circuit électronique 37 et permettant de recharger la batterie 26 et de communiquer avec le circuit électronique 37.

La cigarette 10 comprend un orifice 40 permettant à de l'air extérieur d'atteindre la chambre 36 où le capteur de pression 34 est situé. Il est possible d'utiliser le jeu fonctionnel entre le connecteur 38 et l’enveloppe 14 comme orifice 40. Une fois à l'intérieur de l’enveloppe 14, l'air contourne le circuit électronique 37 et la batterie 26 pour atteindre l’intérieur de l’embout 16 formant une chambre dans laquelle l’air est mélangé avec le liquide nébulisé.

La représente en vue partielle et agrandie, la cigarette électronique 10 au niveau du réservoir 18, de la membrane 20 et de l’embout 16.

Entre le réservoir 18 et la membrane 20, la cigarette 10 comprend une chambre 42 en communication avec le réservoir 18. La chambre 42 est dimensionnée pour maintenir le liquide présent dans le réservoir 18 en contact avec la membrane 20 en se passant d’élément capillaire comme décrit dans le document WO 2021/094602 A1.

La chambre 42 s’étend le long de la membrane 20. La chambre 42 comprend deux parois parallèles. La face 20a de la membrane 20 forme une des parois de la chambre 42. L’autre paroi de la chambre 42, parallèle à la face 20a, porte le repère 44 et est par exemple réalisée dans un corps 43 de la cigarette 10 dont une partie sépare la chambre 42 du réservoir 18. Le liquide ainsi que les parois 20a et 44 sont définis de façon que le liquide mouille les parois. Autrement dit, en présence d’air à la pression atmosphérique, l’angle de contact d’une goutte de liquide posée sur une surface horizontale formée par la paroi considérée présente un angle de contact inférieur à 90°. Cet angle de contact dépend de la tension superficielle du liquide à l’interface avec l’air et de la nature des parois 20a et 44. L’épaisseur E de la chambre 42 est définie par rapport à la face 20a. L’épaisseur E est donc la distance séparant la face 20a et la paroi 44. L’épaisseur E est définie pour que le liquide diffuse dans la chambre par capillarité. La chambre 42 possède une forme essentiellement plane selon un plan 45 passant entre les deux parois 20a et 44. L’épaisseur E est définie perpendiculairement au plan 45.

Le liquide peut par exemple être à base aqueuse et contenir des additifs, notamment de la nicotine et des parfums. Des essais en interne ont montré qu’un liquide à base aqueuse donne de bons résultats de nébulisation avec une membrane 20 percée d'orifices ayant une section de l’ordre de quelques μm. D’autres bases de liquide sont également possibles, par exemple à base de glycérine. La section des orifices de la membrane 20 est alors adaptée au liquide pour permettre sa nébulisation. Il est possible de réaliser une membrane 20 en acier inoxydable. Ce type de membrane possède une bonne durée de vie. D’autres matériaux sont possibles pour réaliser la membrane. Un liquide à base aqueuse mouille correctement une paroi 20a en acier inoxydable.

Dans l’exemple représenté, l’autre paroi 44 de la chambre 42 est réalisée dans le corps 43 de la cigarette 10. Le corps 43 peut être en matériau plastique. Plusieurs matériaux ont été testés avec succès pour leur mouillabilité correcte en contact avec un liquide à base aqueuse, notamment l’acrylonitrile butadiène styrène connu par son acronyme ABS, le polyéthylène (PE), le polyoxyméthylène (POM)… Des matériaux métalliques, notamment des alliages à base d’aluminium, peuvent également être mis en œuvre. En pratique, il est possible de réaliser le corps 43 de la cigarette 10 dans un matériau permettant de faciliter sa réalisation et de le recouvrir d’un revêtement assurant une bonne mouillabilité avec le liquide retenu. De plus, parmi les additifs ajoutés à la base du liquide, il est possible d’en choisir certains permettant d’améliorer la mouillabilité du liquide par rapport aux parois 20a et 44. Par exemple pour un liquide à base aqueuse, il est possible y d’ajouter un solvant à base de carbonates organiques dont certains sont connus pour améliorer la mouillabilité de l’eau.

La figure 3a représente la partie de la cigarette électronique représentée sur la en coupe dans un plan perpendiculaire au plan dans lequel la membrane 20 s’étend. La chambre 42 est en communication avec le réservoir 18 au moyen d’un orifice 46 par exemple situé en regard d’une zone centrale 20c de la membrane 20. La chambre 42 possède par exemple un contour 48 circulaire ici formé par un joint d’étanchéité disposé entre la membrane 20 et le corps 43 de la cigarette 50. Le contour 48 s’étend dans le plan 45. L’orifice 46 possède alors une section également circulaire et concentrique du contour 48 de la chambre 42. La chambre 42 s’étend en forme de rondelle entre les parois 20a et 44 autour de la zone centrale 20c. L’utilisateur peut manipuler la cigarette 10 de façon à ce que l’axe longitudinal 12 soit orienté dans n’importe quelle direction par rapport à une direction verticale. Lorsqu’un utilisateur en position debout aspire du liquide nébulisé par l’embout 16, l’axe longitudinal 12 est en position sensiblement verticale. Par la suite, cette orientation de la cigarette 10 est appelée verticale. Dans cette position, du fait de la gravité, le liquide 50 est en position basse dans le réservoir 18 et communique avec la chambre 42 dans sa partie située sous le niveau 52 du liquide 50. Par capillarité, le liquide diffuse dans toute la chambre 42 et notamment en remontant contre la gravité tout autour de la zone centrale 20c de la membrane 20.

La figure 3b représente la chambre 42 dans le plan 45 parallèlement aux parois 20a et 44. On y distingue l’orifice 46 au centre et le niveau 52 du liquide au-dessus du plus bas niveau de l’orifice 46 dans l’orientation verticale de la cigarette 10 représentée sur la figure 3a. Des flèches 54 représentent la remontée du liquide dans la chambre 42 contre la gravité par capillarité.

Sur les figures 3a et 3b, le niveau 52 du liquide 50 a été représenté en bas du réservoir 18. Autrement dit, le réservoir 18 est presque vide. Même avec ce niveau très bas de liquide 50, celui-ci est en contact avec la chambre 42 et peut diffuser dans toute la chambre 42 par capillarité. Des mouvements de l’utilisateur faisant osciller la cigarette 10 autour de son orientation verticale représentée figures 3a et 3b, permettent à du liquide 50 de se déplacer dans le réservoir 18 et pénétrer périodiquement dans l’orifice 46 mettant en contact le liquide 50 et la chambre 42. Cette mise en contact, même temporaire, permet au liquide de diffuser dans la chambre 42. La capillarité permet au liquide 50 de se maintenir dans la chambre 42 même lorsque la cigarette 10 est inclinée de telle sorte que le liquide 50 ne baigne pas l’orifice 46.

Les figures 4a et 4b représentent la cigarette 10 dans une orientation dite horizontale par opposition à l’orientation verticale de la cigarette 10 représentée sur les figures 3a et 3b. En orientation horizontale, l’axe 12 et le plan 45 sont horizontaux. Le niveau 52 du liquide 50 est parallèle au plan 45 du fait de la gravité. L’orientation horizontale de la cigarette 10 ne permet pas au liquide 50 contenu dans le réservoir 18 d’atteindre la chambre 42 par l’orifice 46. Cependant même dans cette orientation, du liquide 50 se maintient à l’intérieur de la chambre 42.

Lors de vibrations de la membrane 20 mises en œuvre pour nébuliser le liquide 50, la zone centrale 20c de la membrane 20 est alimentée en liquide par du liquide présent dans toute la chambre 42, c’est-à-dire par toute la périphérie de la membrane 20. Cette alimentation de la membrane 20 en liquide 50 est homogène et assure une nébulisation par la totalité de la zone centrale 20c. Cette alimentation radiale de la membrane 20 depuis la chambre 42 vers la zone centrale 20c est représentée par des flèches 56 sur les figures 3b et 4b. Ainsi, quel que soit le niveau de liquide 50 dans le réservoir 18 et surtout quelle que soit l’orientation de la cigarette 10, la membrane 20 est alimentée en liquide de façon homogène. On réduit ainsi les variations de quantité de liquide nébulisé au fur et à mesure que le réservoir 18 se vide.

Dans l’orientation verticale de la cigarette 10, la partie la plus basse du réservoir 18 peut être située plus bas que le point le plus bas de l’orifice 46. Cependant dans cette configuration, du liquide 50 peut rester dans le réservoir 18 sans que des mouvements habituels de l’utilisateur ne permettent à du liquide 50 situé au plus bas du réservoir 18 de venir remplir la chambre 42. Il est alors avantageux que l’orifice 46 s’ouvre sur la partie la plus basse du réservoir 18 dans l’orientation verticale de la cigarette 10. Ainsi, même lorsque le réservoir 18 est peu rempli, la communication du liquide 50 avec la chambre 42 est assurée.

En pratique, le réservoir 18 doit alimenter périodiquement la chambre 42 pour que celle-ci puisse, à son tour, maintenir un film liquide sur la zone centrale 20c de la membrane 20. On a constaté qu’en moyenne une aspiration d’un utilisateur dure de l’ordre de quelques secondes, typiquement 3 secondes. La chambre 42 est dimensionnée, notamment son diamètre extérieur, pour contenir un volume équivalent à 30 à 50 secondes d’aspiration ce qui représente plus d’une dizaine d’aspirations. Durant la période pendant laquelle un utilisateur va réaliser cette dizaine d’aspirations, la probabilité qu’il modifie l’orientation de la cigarette 10 est très forte et notamment qu’il oriente la cigarette 10 dans une position où le niveau 52 du liquide atteint la chambre 42 au moins le temps nécessaire au remplissage de la chambre 42. Les orientations de la cigarette 10 représentées sur les figures 3a et 4a ne sont que des exemples permettant de comprendre comment la chambre 42 peut se remplir ou ne pas se remplir au moyen du liquide 50 contenu dans le réservoir 18. En pratique, lors de l’utilisation de la cigarette 10, l’utilisateur modifie régulièrement l’orientation de la cigarette 10 dans toute orientation intermédiaire entre celles représentées. De façon générale, il faut comprendre que le remplissage de la chambre 42 peut se faire lorsque le niveau 52 du liquide 50 atteint la chambre 42 et s’interrompt lorsque le niveau 52 ne l’atteint pas.

Lors de la nébulisation, il a été constaté que quelques bulles d’air tendent à se former sur la face 20a de la membrane 20 au niveau de la zone centrale 20c dans le film de liquide présent sur la membrane 20 du côté du réservoir 18, c’est-à-dire sur la face 20a de la membrane 20. Il a été constaté que les bulles d’air ne se forment pas dans la chambre 42, c’est-à-dire sur la partie périphérique de la membrane 20 mais uniquement au niveau de la zone centrale 20c. Si ces bulles d’air restent en contact avec la membrane 20, la nébulisation est dégradée. La présence de l’orifice 46 faisant face à la zone centrale 20c permet l’évacuation de ces bulles d’air vers le réservoir 18 au-dessus du niveau 52 de liquide. Le fait que les bulles d’air puissent être évacuées par l’orifice 46 permet de ne pas gêner la nébulisation. Ainsi afin d’améliorer la nébulisation, il est avantageux que l’orifice 46 soit situé en regard de la zone centrale 20c de la membrane 20.

Claims

Cigarette électronique (10 ; 100) comprenant :
- un réservoir (18) contenant un liquide (50) apte à être nébulisé,
- une membrane (20) poreuse configurée pour nébuliser le liquide (50), la membrane (20) ayant la forme d’un film possédant deux faces opposées (20a, 20b) distantes de l’épaisseur de la membrane (20), le liquide (50) présent dans le réservoir (18) venant au contact avec une première (20a) des deux faces pour traverser la membrane (20) dans son épaisseur,
- un actionneur (22) configuré pour faire vibrer la membrane (20) de façon à nébuliser le liquide (50) lors de son passage au travers de la membrane (20),
- une chambre (42) disposée entre le réservoir (18) et la membrane (20), la chambre (42) étant en communication avec le réservoir (18) pour y admettre le liquide (50), la chambre (42) s’étendant entre deux parois (20a, 44) parallèles dont une première est formée par la première face (20a), le liquide (50) mouillant les deux parois (20a, 44) de la chambre (42), une épaisseur (E) de la chambre (42), formant une distance séparant les deux parois (20a, 44), étant définie pour que le liquide (50) se diffuse dans la chambre (42) par capillarité de façon à ce que le liquide (50) soit maintenu en contact avec la membrane (20).
Cigarette électronique selon la revendication 1, dans laquelle la chambre (42) est en communication avec le réservoir (18) au moyen d’un orifice (46) situé en regard d’une zone centrale (20c) de la membrane (20).
Cigarette électronique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle une orientation verticale (12) de la cigarette électronique (10) est définie par rapport à un utilisateur en position debout aspirant du liquide nébulisé par la membrane (18), et dans l’orientation verticale, la chambre (42) est en communication avec le réservoir (18) au moyen d’un orifice (46) s’ouvrant sur une partie la plus basse du réservoir (18).
Cigarette électronique selon l’une des revendications 2 ou 3, dans laquelle la chambre (42) possède une forme de rondelle s’étendant autour de l’orifice (46).
Cigarette électronique selon l’une des revendications 2 à 4 dans laquelle la chambre (42) possède un contour (48) circulaire et dans laquelle l’orifice (46) possède une section circulaire concentrique du contour (48) circulaire de la chambre (42).