JP2018088918A - 発熱素子、気化装置、および吐出ヘッドによって吐出された流体を気化させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気化装置（１０）の発熱素子（２４）、発熱素子（２４）を含む気化装置（１０）、および吐出ヘッド（２２）によって吐出された流体を気化させる方法を提供する。【解決手段】発熱素子（２４）は、基板（４０）の上に配置されるよう構成された導電層（４２）を含み、発熱素子（２４）は、発熱素子（２４）の大きさによって定義される平面表面面積よりも大きい流体気化の実効表面積を有するよう構成される。【選択図】図３

Description

本発明は、発熱素子（heating element）、気化装置（vaporization device）、および吐出ヘッドによって吐出された流体を気化させる方法に関するものであり、特に、発熱素子、気化装置、および気化効率を向上させた吐出ヘッドによって吐出された流体を気化させる方法に関するものである。

気化ヒーターの加熱面に流体を噴射する時、気化装置の気化ヒーターから液体が排出されないよう、１００％の流体を気化することが非常に望ましい。気化ヒーターは、迅速に加熱できる程十分に小さくなくてはならないが、発熱素子に吐出される全ての流体および流体滴を受け止められる表面面積を持たなければならないという問題が存在する。一般的な金属箔の発熱素子は、発熱素子表面の表面粗度が低いため、微小液体／ヒーター界面を備えた平滑面を有する。したがって、発熱素子の表面にぶつかる一部の流体滴が散乱したり、発熱素子の表面にかなりの層の流体が既に存在する場合は、発熱素子から流体滴が吐出されたりする。そのため、気化装置から蒸気のみが排出される代わりに、蒸気中に液滴が混入して、気化装置から排出される可能性がある。ある用途において、液体の排出は、望ましくない。また、気化されなかった流体が、気化装置の内側で蓄積するため、気化装置の動作を低下させる可能性がある。

気化装置から液滴が排出されるのを防ぐため、発熱素子の表面に吐出された流体の流れを発熱素子で効果的に受け止めて、発熱素子の表面に広げるとともに、流体が発熱素子の表面に到達する速度とおよそ同じ速度で完全に気化させて、発熱素子の表面に液体が堆積するのを回避しなければならない。

以上の観点から、本発明の実施形態は、気化装置に用いる発熱素子、発熱素子を含む気化装置、および吐出ヘッドによって吐出された流体を気化させる方法を提供する。発熱素子は、基板の上に配置されるよう構成された導電層を含み、発熱素子は、発熱素子の大きさによって定義される平面表面面積よりも大きい流体気化の実効表面積（effective surface area, ESA）を有するよう構成される。

１つの実施形態において、発熱素子は、さらに、導電層の上に配置されるよう構成された保護層と；保護層の上に配置されるよう構成され、少なくとも約５０％の多孔率を有する多孔層とを含む。

１つの実施形態において、発熱素子は、矩形形状を有するよう構成され、式ＥＳＡ＞Ｌ×Ｗで定義される流体気化の実効表面積を有する。式中、ＥＳＡは、実効表面積であり、Ｌは、発熱素子の長さであり、Ｗは、発熱素子の幅である。

１つの実施形態において、多孔層は、グリットブラスト（grit blast）加工された表面組織を有する。

１つの実施形態において、多孔層は、約０．５ｍｍ〜約３．０ｍｍの範囲の厚さを有する。

１つの実施形態において、基板、導電層、保護層、および多孔層は、合わせて約４．０ｍｍ〜約１．０ｃｍの範囲の厚さを有する。

１つの実施形態において、多孔層は、約５０％〜約９５％の範囲の多孔率を有する。

１つの実施形態において、導電層は、セラミック基板の上に堆積されるよう構成されたスクリーン印刷された導電層である。

１つの実施形態において、多孔層は、レーザーエッチングされたセラミック層である。

１つの実施形態において、多孔層は、焼結され、粗いグリットが堆積したセラミック層である。

本発明の別の実施形態において、気化装置は、筐体と；筐体に取り付けられたマウスピースと；マウスピースに隣接して配置され、吐出ヘッドから吐出された流体を気化する前記実施形態のいずれか１つに基づく発熱素子とを含む。

本発明のさらなる実施形態は、吐出ヘッドから吐出された実質的に全ての流体を気化させることができるように、吐出ヘッドから吐出された流体を気化させる方法を提供する。この方法は、吐出ヘッドを有するよう構成された気化装置および吐出ヘッドに隣接する発熱素子を提供することと；発熱素子に流体を吐出することと；流体の吐出中に発熱素子を起動することと；発熱素子を使用して実質的に全ての流体を気化させることとを含む。発熱素子は、基板の上に配置されるよう構成された導電層を有し、発熱素子は、発熱素子の大きさによって定義される平面表面面積よりも大きい流体気化の実効表面積（ＥＳＡ）を有するよう構成される。

１つの実施形態において、発熱素子は、さらに、導電層の上に配置されるよう構成された保護層と；保護層の上に配置されるよう構成され、少なくとも約５０％の多孔率を有する多孔層とを含む。

１つの実施形態において、この方法は、さらに、発熱素子の多孔層によって流体を吸収することを含み、発熱素子の多孔率は、式ＥＳＡ＞Ｌ×Ｗで定義される。式中、ＥＳＡは、発熱素子の実効表面積であり、Ｌは、発熱素子の長さであり、Ｗは、発熱素子の幅であり、発熱素子は、矩形形状を有するよう構成され、発熱素子は、流体に露出される。

１つの実施形態において、多孔層は、発熱素子の保護層に焼結された粗いガラスフリット（glass frit）として堆積される。

１つの実施形態において、多孔層は、保護層または発熱素子の保護層の上に配置されるよう構成されたセラミック層をグリットブラスト加工することによって形成される。

１つの実施形態において、多孔層は、保護層または発熱素子の保護層の上に配置されるよう構成されたセラミック層をレーザーエッチングすることによって形成される。

本発明において、改良された発熱素子および気化装置の発熱素子の気化効率を向上させる方法を得ることができる。

開示した実施形態の他の特徴および利点は、下記の詳細説明、図面、および請求項を参照することによって証明される。
本発明の１つの実施形態に係る気化装置のノンスケールの断面図である。 図１の気化装置の一部のノンスケールの拡大図である。 本発明の１つの実施形態に係る発熱素子のノンスケールの断面図である。 本発明の別の実施形態に係る発熱素子のノンスケールの断面図である。 本発明の１つの実施形態に係る発熱素子の作成過程のノンスケールの概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る発熱素子の作成過程のノンスケールの概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る発熱素子の作成過程のノンスケールの概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る上部多孔面に吸収された流体を有する発熱素子のノンスケールの断面図である。

流体吐出装置の用途のうちの１つは、二次機能が実行される別の装置に溶液を噴射することである。一般的な二次機能は、溶液の中身を気化させて溶液をガス状物質として搬送できるように、ヒーターを使用して溶液を気化させることである。このような技術の応用は、電子タバコ、蒸気療法、気体状薬剤送達、マイクロラボ（micro-lab）の気相反応等に用いる計量および気化装置を含むが、本発明はこれに限定されない。このような装置に関わる問題は、流体の効率の良い気化である。本発明は、改良された発熱素子、および気化装置の発熱素子の気化効率を向上させる方法について説明する。

本発明は、図１および図２に示した気化装置１０、および図３〜図８に示した発熱素子に関するものである。気化装置１０は、幅広い用途に使用することができ、下記に詳述するように、発熱素子に液体を吐出して、蒸気流を提供する。気化装置１０は、一般的に、気化装置１０によって生成された蒸気を吸引するためのマウスピース１２を有する電子タバコ等の携帯用デバイスである。マウスピース１２は、蒸気の流れを気化装置１０から出すための導管１４を含む。気化装置１０の主な構成要素は、筐体１６、取り外し可能なカートリッジカバー１８、取り外し可能な流体供給カートリッジ２０、流体供給カートリッジ２０と関連する吐出ヘッド２２、発熱素子２４、および吐出ヘッド２２から吐出された流体を気化するためのホルダー２６を含む。気化装置１０に関する他の構成要素は、充電式電源２８、主回路基板３０、および気化ドライバーカード３２を含む。気化装置１０の拡大部分を図２に示す。

マウスピース１２、および気化装置１０の筐体１６は、気化装置１０によって吐出および気化される流体と適合性（compatible）があるという条件で、プラスチック、金属、ガラス、セラミック等の幅広い材料で作られる。特に適切な材料は、ポリ塩化ビニル、高密度ポリエチレン、ポリカーボネート、ステンレス鋼、サージカルスチール（surgical steel）、ニッケルめっき鋼等から選択される。マウスピース１２や、流体および蒸気と接触する筐体１６を含む全ての部品は、プラスチックで作られてもよい。導管１４は、ステンレス鋼等の金属または気化装置１０によって生成された熱および蒸気に対して耐性のある他の材料で作られてもよい。

図１に示すように、筐体１６は、発熱素子２４（下記に詳述する）および吐出ヘッド２２に論理回路を提供する主回路基板３０および気化ドライバーカード３２を含んでもよい。充電式電源２８は、筐体１６内に収納されてもよい。別の実施形態において、取り外し可能な非充電式電池を筐体１６内に収納してもよい。ＵＳＢ（Universal-Serial-Bus、図示せず）等の電気接続を使用して充電式電源２８を再充電し、吐出ヘッド２２および発熱素子２４のプログラム設定を変更してもよい。微小流体吐出ヘッド２２は、吐出ヘッド２２によって吐出された流体を提供する流体供給カートリッジ２０と流体連通する。

吐出ヘッド２２に背圧コントロールを提供するため、入口空気流制御装置を含んでもよい。入口空気流制御装置は、吐出ヘッド２２に負圧がかかり過ぎないよう、ダンパースライド（damper slide）３４と、発熱素子２４および吐出ヘッド２２に隣接する導管１４に空気を出す空気導入孔３６とを含んでもよい。

気化装置１０の重要な構成要素は、図３に示した発熱素子２４である。発熱素子２４は、一般的に、高温固体セラミックベース（基板）４０で作られ、その上に印刷された、または堆積した、あるいはセラミックベース４０の中に埋め込まれた抵抗または導電層４２を有する。抵抗または導電層４２の材料は、銀および／またはカーボンスクリーン印刷された材料、タングステン、モリブデン、モリブデン−マンガン等を含む発熱素子に通常使用される幅広い材料から選択されるが、本発明はこれに限定されない。

上述したように、マウスピース１２の導管１４から蒸気のみが排出されるよう、吐出ヘッド２２から吐出された実質的に全ての流体を気化させるのが望ましい。したがって、発熱素子２４は、保護層４６の上に形成された流体吸収または捕獲層４４を含むのが望ましい。保護層４６は、流体吸収または捕獲層４４と抵抗または導電層４２の間に配置され、セラミックベース４０と同じ材料、または実質的に非多孔質の他の適切な高温材料で作られてもよい。保護層４６の他の適切な材料は、アルミナ、窒化アルミニウム、シリカ、または窒化ケイ素を含むが、本発明はこれに限定されない。

発熱素子２４の全体の厚さＴ１は、約４．０ｍｍ〜約１．０ｃｍまでの範囲であってもよい。言い換えると、１つの実施形態において、基板４０、抵抗または導電層４２、保護層４６、および流体吸収または捕獲層４４（すなわち、多孔層４４、詳細は下記を参照）は、合わせて約４．０ｍｍ〜約１．０ｃｍの範囲の厚さを有する。流体吸収または捕獲層４４の厚さＴ２は、約０．５ｍｍ〜約３ｍｍ（例えば、約１ｍｍ〜約２ｍｍ）の範囲であってもよい。抵抗または導電層４２および保護層４６の厚さは、本発明の実施形態では重要ではない。抵抗または導電層４２が埋め込まれる場合、保護層４６は必要としない。

１つの実施形態において、図３に示すように、流体吸収または捕獲層４４は、保護層４６の上に堆積した少なくとも約５０％の多孔率を有する多孔層である。別の実施形態において、流体吸収または捕獲層４４の多孔率は、約６０％〜約８５％の範囲であってよい。少なくとも約５０％の多孔率とは、流体吸収または捕獲層４４が多孔質であるか、または流体吸収または捕獲層４４の全体の体積に対して少なくとも５０％の空所（void space）体積を提供する凹みまたは空洞を有することを意味する。多孔率の範囲は、多孔層の実用限界である工学的判断に基づく。流体吸収または捕獲層４４の質量をできるだけ小さくして、昇温速度を最適化し、流体吸収または捕獲層４４を加熱する電力消費を最小化する。低質量は、９５％の高多孔率を現実的な上限として選択する必要がある。９５％以上の多孔率になると、構造が弱くなり過ぎて製造が困難になる。流体吸収または捕獲層４４の最小多孔率として５０％の多孔率が選択される。５０％以下の多孔率になると、構造内の閉鎖された／隔絶された細孔により流体吸収または捕獲層４４のウィッキング（wicking）特性が悪くなる。

上述したように、幅Ｗ、長さＬ、および厚さＴを有する矩形の発熱素子については、発熱素子２４が式ＥＳＡ＞Ｌ×Ｗで定義される流体気化の実効表面積（ＥＳＡ）を有するようにさらに定義される。円形の発熱素子については、発熱素子の実効表面積（ＥＳＡ）がＥＳＡ＞II×Ｒ^２で定義され、Ｒは、気化流体に露出される発熱素子の半径である。発熱素子２４は、矩形または円形に限定されず、三角形、複雑形状等を含む任意の形状を使用してもよい。したがって、発熱素子２４の実効表面積（ＥＳＡ）は、保護層４６の正規寸法よりも大きい。

別の実施形態において、図４に示すように、グリットブラスト加工されたセラミック層またはレーザーエッチングされたセラミック層４８を使用して、吐出ヘッド２２から吐出された流体を捕獲することができる。したがって、図のように、セラミック層４８を保護層４６に塗布してから、グリットブラスト加工またはレーザーエッチングを行って、セラミック層４８に凹み（indentation）５０を形成し、発熱素子２４の実効表面積を大幅に増やすことができる。別の実施形態において、セラミック層４８を追加してブラスト加工またはエッチングを行うのに対し、保護層４６自体をグリットブラスト加工またはレーザーエッチングしてもよい。グリットブラスト加工またはレーザーエッチングされたセラミック層４８または保護層４６の表面は、多孔層４４のように、その表面に液体のたまりを作るのを防ぐのに効果的であり、発熱素子２４に吐出された流体のより迅速な気化を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に基づき、発熱素子２４を作成する１つの方法を図５〜図７において概略的に示す。発熱素子２４は、９２重量％〜９６重量％のアルミナセラミックベース４０に埋め込まれたタングステン、モリブデン、またはモリブデン−マンガン等の高沸点の金属発熱材料（metal heating material）を含有し、導電層４２を形成するセラミックベース４０を含む。例えば、１つまたはそれ以上の上記金属の金属発熱抵抗スラリー（metal heating resistance slurry）をセラミックグリーン体のテープ成形に印刷してもよい。そして、複数層のセラミックグリーン体を４重量％〜８重量％の焼結助剤を用いて高温で一体に積層して、セラミックベース４０のアルミナセラミック発熱基板を形成する。セラミックベース４０の材料は、窒化アルミナおよび立方窒化ホウ素を含むが、本発明はこれに限定されない。

プロセスの次のステップにおいて、図６に示すように、導電層４２に塗布された保護層４６にガラスフリットの層５４を塗布して、層５４を提供する。ガラスフリットは、スクリーン印刷されたペーストまたはスラリーとして発熱素子２４の表面に塗布することができる。

プロセスの最後のステップにおいて、図７に示すように、ガラスフリットを発熱素子２４に焼結して、約０．５ｍｍ〜約３ｍｍ（例えば、約１ｍｍ〜約２ｍｍ）の範囲の厚さを有する多孔表面５６を提供する。吐出ヘッド２２から発熱素子２４に流体を吐出すると、流体は、焼結されたガラスフリット層に吸収され、流体含有多孔層５８（図８）を形成する。流体含有多孔層５８は、実効発熱素子表面面積の増加を提供するため、液体のより効果的な気化を行うことができる。

１０ 気化装置
１２ マウスピース
１４ 導管
１６ 筐体
１８ カートリッジカバー
２０ 流体供給カートリッジ
２２ 吐出ヘッド／微小流体吐出ヘッド
２４ 発熱素子
２６ ホルダー
２８ 充電式電源
３０ 主回路基板
３２ 気化ドライバーカード
３４ ダンパースライド
３６ 空気導入孔
４０ セラミックベース
４２ 導電層／抵抗または導電層
４４ 流体吸収または捕獲層／多孔層
４６ 保護層
４８ セラミック層
５０ 凹み
５４ 層
５６ 多孔表面
５８ 流体含有多孔層
Ｌ 長さ
Ｔ１ 全体の厚さ
Ｔ２ 厚さ
Ｗ 幅

Claims (10)

1. 気化装置に用いる発熱素子であって、
   前記発熱素子が、基板の上に配置されるよう構成された導電層を含み、
   前記発熱素子が、前記発熱素子の大きさによって定義される平面表面面積よりも大きい流体気化の実効表面積を有するよう構成された
   発熱素子。
2. 前記導電層の上に配置されるよう構成された保護層と、
   前記保護層の上に配置されるよう構成され、少なくとも約５０％の多孔率を有する多孔層と、をさらに含む
   請求項１に記載の発熱素子。
3. 前記発熱素子が、矩形形状を有するよう構成され、式ＥＳＡ＞Ｌ×Ｗで定義される流体気化の前記実効表面積を有し、
   式中、ＥＳＡが、前記実効表面積であり、
   Ｌが、前記発熱素子の長さであり、
   Ｗが、前記発熱素子の幅である
   請求項１または２に記載の発熱素子。
4. 前記多孔層が、約０．５ｍｍ〜約３．０ｍｍの範囲の厚さを有する
   請求項２または３に記載の発熱素子。
5. 前記基板、前記導電層、前記保護層、および前記多孔層が、合わせて約４．０ｍｍ〜約１．０ｃｍの範囲の厚さを有する
   請求項２〜４のいずれか１項に記載の発熱素子。
6. 前記多孔層が、約５０％〜約９５％の範囲の多孔率を有する
   請求項２〜５のいずれか１項に記載の発熱素子。
7. 筐体と、
   前記筐体に取り付けられたマウスピースと、
   前記マウスピースに隣接して配置され、吐出ヘッドから吐出された流体を気化する請求項１〜６のいずれか１項に記載の発熱素子と、を含む
   気化装置。
8. 吐出ヘッドから吐出された流体を気化させる方法であって、
   前記吐出ヘッドを有するよう構成された気化装置および前記吐出ヘッドに隣接する発熱素子を提供することと、
   前記発熱素子に前記流体を吐出することと、
   流体の吐出中に前記発熱素子を起動することと、
   前記発熱素子を使用して実質的に全ての前記流体を気化させることと、を含み、
   前記発熱素子が、基板の上に配置されるよう構成された導電層を有し、
   前記発熱素子が、前記発熱素子の大きさによって定義される平面表面面積よりも大きい流体気化の実効表面積を有するよう構成された
   方法。
9. 前記発熱素子が、さらに、
   前記導電層の上に配置されるよう構成された保護層と、
   前記保護層の上に配置されるよう構成され、少なくとも約５０％の多孔率を有する多孔層と、を含む
   請求項８に記載の方法。
10. 前記発熱素子の前記多孔層によって前記流体を吸収することをさらに含み、
    前記発熱素子の前記多孔率が、式ＥＳＡ＞Ｌ×Ｗで定義され、
    式中、ＥＳＡが、前記発熱素子の前記実効表面積であり、
    Ｌが、前記発熱素子の長さであり、
    Ｗが、前記発熱素子の幅であり、
    前記発熱素子が、矩形形状を有するよう構成され、前記発熱素子が、前記流体に露出される
    請求項９に記載の方法。

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