JP2019504269A - 気化装置および流体を気化させる方法 - Google Patents

気化装置および流体を気化させる方法 Download PDF

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Abstract

流体気化装置(10)であって、気化可能な流体を有する流体供給部(12)と、流体供給部(12)から気泡ポンプ(14)の出口(36)へと流体を圧送するように作動する気泡ポンプ(14)と、気泡ポンプ(14)の出口(36)の隣に位置して気泡ポンプ(14)からの流体を受け取る気化装置(16)とを備える、流体気化装置。

Description

本開示は、総じて、流体を計量して気化させるための方法および装置に関する。より詳しくは、本開示は、気泡ポンプを利用して流体を気化構造体へ輸送する流体気化構造体に関する。
貯蔵供給部から溶液を二次的機能が実施され得る別の装置へと分注するために使用されるタイプの微小流体構造体の分野では、改良が望まれている。1つの二次的機能の例は、溶液の内容物を送達して気相状態でのその機能を完結させることができるようなヒーターを使用する、溶液の気化である。そのような微小流体構造体には、蒸気療法、風味付き電子タバコ、化学気相反応などを提供するためなどの多くの用途がある。
米国特許第8891949号明細書
流体供給部から気化ヒーター構造体へと流体を分注するための一般的な構造体は、改良が望まれている。例えば、一般的な装置は、所望の一貫した量の流体を気化ヒーター構造体に供給する信頼性が欠けていることが多い。この一部として、流動路の詰まりや、流体の不完全な走行の原因となることはよくあり、結果として、気化素子に到達する流体の量が不確実になる。
本開示は、有益なことに、流体を計量して気化させるための改良された装置および方法を提供する。
本開示は、流体を計量して気化させるための方法および装置に関する。
一態様では、気化装置であって、気化可能な流体を有する流体供給部と、流体供給部から気泡ポンプの出口へと流体を圧送するように作動する気泡ポンプと、気泡ポンプの出口の隣に位置して気泡ポンプからの流体を受け取る流体気化ヒーターとを備える、気化装置を開示する。気化ヒーターは、受け取った流体を加熱しかつそれにより気化させるように作動する。
別の態様では、気化装置であって、気化可能な流体を有する流体供給部を備え、流体供給部からの流体を受け取るための流体供給部に流体連通している入口と、流体流路と、流体流路内に位置する流れ配列ヒーターと、出口とを有する気泡ポンプを備える、気化装置を開示する。気泡ポンプは、流体供給部から気泡ポンプの出口へと流体を圧送するように作動する。流体気化ヒーターは、気泡ポンプの出口の隣に位置する。流体気化ヒーターは、気泡ポンプの出口からの流体を受け取るため、および受け取った流体を加熱しかつそれにより気化させるための、被加熱流体接触面を有する。
さらなる態様では、流体を気化させる方法を開示する。方法は、気化可能な流体を有する流体供給部を提供するステップと、流体供給部に流体連通している気泡ポンプを提供し、流体供給部から気泡ポンプの出口へと流体を圧送するように気泡ポンプを作動させるステップと、気泡ポンプからの流体を受け取るために気泡ポンプの出口の隣に流体気化ヒーターを提供し、気化ヒーターを作動させて、受け取った流体を加熱しかつそれにより気化させるステップとを含む。
本発明に係る気化装置は、所望の一貫した量の流体を気化ヒーター構造体に供給するのに信頼性がある。
本開示のさらなる利点は、図面と合わせて詳細な記載を参照することによって明らかになるが、図面では細部をより明確に示すために要素が縮尺どおりになっておらず、また、いくつかの図を通して類似の参照番号は類似の要素を指し示す。
図1は、気泡ポンプによって定義される面に略平行な面に気化装置が位置している、本開示による流体気化装置を示す。 図2は、気泡ポンプによって定義される面に略平行な面に気化装置が位置している、本開示による流体気化装置を示す。 図3は、気泡ポンプによって定義される面に略平行な面に気化装置が位置している、本開示による流体気化装置を示す。 図4は、気泡ポンプによって定義される面に実質的に直角な面内に気化装置が位置している、流体気化装置の代替実施形態を示す。 図5は、気化装置によって定義される面と気泡ポンプによって定義される面との間の角度を変えた、流体気化装置の他の代替実施形態を示す。 図6は、気化装置によって定義される面と気泡ポンプによって定義される面との間の角度を変えた、流体気化装置の他の代替実施形態を示す。 図7は、装置の縁に位置する流体供給入口を有する流体気化装置の他の実施形態を示す。 図8は、気化装置によって定義される面と装置の気泡ポンプによって定義される面との間の角度を変えた、装置の縁に位置する流体供給入口を有する流体気化装置の他の実施形態を示す。 図9は、気泡ポンプと気化装置とを同じ基板上に作製した、流体気化装置の別の実施形態を示す。 図10は、気泡ポンプと気化装置とを同じ基板上に作製した、流体気化装置の別の実施形態を示す。 図11は、複数の気泡ポンプによって定義される面に略平行な面に気化装置が位置している本開示による流体気化装置を示す。 図12は、複数の気泡ポンプによって定義される面に略平行な面に気化装置が位置している本開示による流体気化装置を示す。 図13は、気泡ポンプによって定義される面に実質的に直角な面内に気化装置が位置している、流体気化装置の代替実施形態を示す。 図14は、気化装置によって定義される面と複数の気泡ポンプによって定義される面との間の角度を変えた、流体気化装置の他の代替実施形態を示す。 図15は、気化装置によって定義される面と複数の気泡ポンプによって定義される面との間の角度を変えた、流体気化装置の他の代替実施形態を示す。 図16は、装置の縁に位置する流体供給入口を有する流体気化装置の他の実施形態を示す。 図17は、気化装置によって定義される面と装置の複数の気泡ポンプによって定義される面との間の角度を変えた、装置の縁に位置する流体供給入口を有する流体気化装置の他の実施形態を示す。 図18は、複数の気泡ポンプと複数の流体供給部とを有する流体気化装置の別の代替実施形態を示す。 図19は、各気泡ポンプがそれ自体の流体供給部を有する、複数の気泡ポンプを有する流体気化装置の他の代替実施形態を示す。 図20は、気泡ポンプと気化装置とを同じ基板上に作製した、流体気化装置の別の実施形態を示す。 図21は、気泡ポンプと気化装置とを同じ基板上に作製した、流体気化装置の別の実施形態を示す。
(実施の形態1)
本開示は、1つ以上の気泡ポンプを利用して流体を1つ以上の流体供給部から別個の気化構造体へ輸送する流体気化構造体に関する。
図1〜3を参照して、流体供給部12、気泡ポンプ14および気化装置16(流体気化ヒーター)を有する流体気化装置10が示されている。装置10は、気泡ポンプ14が流体を所望どおりに流体供給部12から直接に気化装置16上へと輸送するように構成されている。
装置10は、プリント配線基板18上に組み込まれて、流体供給部12と気泡ポンプ14と気化装置16とを有する単一の組立体を形成している。気泡ポンプ14は、略平面を定義している長手軸を有し、気化装置16は、略平面を定義している基板上に形成されている。図から分かるように、図1〜図3の実施形態では、気泡ポンプ14によって定義される面と気化装置16によって定義される面とが互いに略平行である。
流体供給部12は、気泡ポンプ14のカバー基板20上に位置する流体貯蔵容器として構成される。流体供給部12は、所望の気化可能な流体が充填され、通常は大気へと通気しており、所望の体積の流体、典型的には液体を周囲条件で収容している。一例を挙げると、流体は、電子気化器または電子タバコのためにそのような使用法に適した体積量で利用される類の液体であってもよい。供給入口22は、流体供給部12とカバー基板20との間で画定されて、流体供給部12から気泡ポンプ14への流体の所望の走行のための流路を提供する。
気泡ポンプ14は、流体供給部12から気化装置16へと流体を圧送するように構成される。気泡ポンプ14はカバー基板20の他に、入口30、底部基板32、流れ配列抵抗ヒーター34および出口36を含む。製造中、流れ特徴層が最初に底部基板32上に堆積される。流れ特徴層はその後、ヒーター34を提供するとともに流路38の輪郭を定めるように、選択的にエッチングされる。
底部基板32は、その上に気泡ポンプおよび論理回路を設けるのに適した半導体シリコン基板であり得る。カバー基板20は、シリコンまたは、ポリイミドなどの高分子材料で作られ得る。抵抗ヒーター34および気化装置16は、TaAlN、TaAlまたはその他の薄膜抵抗器材料で作られ得る。抵抗ヒーター34を提供するための流れ特徴層として好ましい材料は、スパッタリングなどで底部基板32上に堆積させたTaAlNである。気化装置16は同様の方法で形成され得る。
電気接続部および論理回路は装置10上に集積されており、気泡ポンプ14のヒーター34および気化装置16を制御しかつ作動させ、あるいは流体供給部12から気化装置16への流体の移動を制御する。例えば、送達する流体の気化のための気化装置16へ流体を所望どおりに送達するために、ヒーター34に電圧パルスを所望の様式で印加して流体の熱気泡を流路38に沿って形成および輸送してもよい。好ましい気泡ポンプの例は、Micro−fluidic pumpと題して2014年11月18日に公表された米国特許第8891949号明細書に示されており、それは参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。
気泡ポンプ14の基本動作において、電圧パルスは各々のヒーター34に順々に印加されて熱気泡を所定の様式で生成させる。例えば、各ヒーター34は流路38の入口30から出口36へと順々に気泡を形成して流体を所望どおりに供給部12から気化ヒーター16へと輸送することができる。各ヒーター34はまた、気泡ポンプ14内での液体の過熱および沸騰を防止するために次の発射シーケンスの前に所望どおりに冷やされることができる。
気化装置16は、流体供給部12から受け取った流体を特異的に気化させるように設計された微小流体電熱素子として構成される。気化装置16は、気泡ポンプ14の出口36の下に隣接して位置している。気泡ポンプ14の出口36から気化装置16へと流体が走行するためのスロットまたはその他の流動路が配線基板18を貫いて形成されている。気化装置16は、大気またはその他の局所環境へと開放されかつ露出している被加熱流体接触面を有する。被加熱流体接触面は、受け取った流体を加熱して、受け取った流体を大気中またはその他の局所環境中へと気化させる。
次に図4を見て、流体気化装置50の代替実施形態が示されている。装置50は、流体供給部52、気泡ポンプ54および気化装置56を有する。流体供給部52および気泡ポンプ54はプリント配線基板58上に組み込まれている。流体供給部52、気泡ポンプ54および気化装置56は、実質的に流体供給部12、気泡ポンプ14および気化装置16に対応している。しかしながら、気化装置56は、気泡ポンプ54によって定義される流体流動面に対して実質的に直角な面内にあるように配線基板58の端部から間隔を空けて配置されている。
次に図5および6を見て、流体気化装置60の別の代替実施形態が示されている。装置60は、気泡ポンプ54を載せた配線基板58を気化装置56によって定義される面に対して角度Aもしくは角度A’またはその両方の方向に向けていることを別とすれば、実質的に装置50に対応し、流体供給部52、気泡ポンプ54および気化装置56を備える。角度AおよびA’の各々は約0度〜約90度に変化させてもよい。これに関して、描写されている角度が、気泡ポンプ54と気化装置56との間の角度方向を3つの次元のいずれかにおいて変化させてもよいことを示すために提供されていることは理解されよう。
次に図7を見て、流体気化装置70の他の実施形態が示されている。装置70は、実質的に装置50に対応し、気泡ポンプ54、気化装置56および配線基板58を備える。しかしながら、流体供給部72は、気泡ポンプ54と配線基板58との組立体の気化装置56とは反対側の遠位端に位置する入口74を有して提供されている。
次に図8を見て、流体気化装置80の別の代替実施形態が示されている。装置60は、気泡ポンプ54を載せた配線基板58を気化装置56によって定義される面に対して角度Bの方向に向けていることを別とすれば、実質的に装置70に対応し、流体供給部72、気泡ポンプ54および気化装置56を備える。角度Bは、約0度〜約90度に変化させてもよい。装置60の場合と同様に、角度Bは、図5または図6の角度AおよびA’との関連において説明したように1つ以上の次元にあり得る。
次に図9および10を見て、流体気化装置90の別の代替実施形態が示されている。装置90は、実質的に装置10に対応し、流体供給部12、気泡ポンプ14、気化装置16および配線基板18を備える。しかしながら、装置90は、気泡ポンプ14と気化装置16とを同じ基板上に作製した構成になっている。
(実施の形態2)
図11〜図12を参照して、流体供給部12、複数の気泡ポンプ14および気化装置16を有する流体気化装置10Aが示されている。装置10Aは、気泡ポンプ14が流体を所望どおりに流体供給部12から直接に気化装置16上へと輸送するように構成されている。
装置10Aは、プリント配線基板18上に組み込まれて、流体供給部12と気泡ポンプ14と気化装置16とを有する単一の組立体を形成している。各気泡ポンプ14は、略平面を定義している長手軸を有し、気化装置16は、略平面を定義している基板上に形成されている。図から分かるように、図11〜図12の実施形態では、気泡ポンプ14によって定義される共通面と気化装置16によって定義される面とが互いに略平行である。
流体供給部12は、各々の気泡ポンプ14のカバー基板20上に位置する流体貯蔵容器として構成される。流体供給部12は、所望の気化可能な流体が充填され、通常は大気へと通気しており、所望の体積の流体、典型的には液体を周囲条件で収容している。一例を挙げると、流体は、電子気化器または電子タバコのためにそのような使用法に適した体積量で利用される類の液体であってもよい。供給入口22は、流体供給部12とカバー基板20との間で画定されて、流体供給部12から各気泡ポンプ14への流体の所望の走行のための流路を提供する。
各気泡ポンプ14は、流体供給部12から気化装置16へと流体を圧送するように構成される。各気泡ポンプ14はカバー基板20の他に、入口30、底部基板32、流れ配列抵抗ヒーター34および出口36を含む。製造中、流れ特徴層が最初に底部基板32上に堆積される。流れ特徴層はその後、ヒーター34を提供するとともに流路38の輪郭を定めるように、選択的にエッチングされる。底部基板32は、その上に気泡ポンプおよび論理回路を設けるのに適した半導体シリコン基板であり得る。カバー基板20は、シリコンまたは、ポリイミドなどの高分子材料で作られ得る。抵抗ヒーター34および気化装置16は、TaAlN、TaAlまたはその他の薄膜抵抗器材料で作られ得る。抵抗ヒーター34を提供するための流れ特徴層として好ましい材料は、スパッタリングなどで底部基板32上に堆積させたTaAlNである。気化装置16は同様の方法で形成され得る。
電気接続部および論理回路は装置10A上に集積されており、気泡ポンプ14のヒーター34および気化装置16を制御しかつ作動させ、あるいは流体供給部12から気化装置16への流体の移動を制御する。例えば、送達する流体の気化のための気化装置16へ流体を所望どおりに送達するために、ヒーター34に電圧パルスを所望の様式で印加して流体の熱気泡を流路38に沿って形成および輸送してもよい。好ましい気泡ポンプの例は、Micro−fluidic pumpと題して2014年11月18日に公表された米国特許第8891949号明細書に示されており、それは参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。
気泡ポンプ14の基本動作において、電圧パルスは各々のヒーター34に順々に印加されて熱気泡を所定の様式で生成させる。例えば、各ヒーター34は流路38の入口30から出口36へと順々に気泡を形成して流体を所望どおりに供給部12から気化ヒーター16へと輸送することができる。各ヒーター34はまた、気泡ポンプ14内での液体の過熱および沸騰を防止するために次の発射シーケンスの前に所望どおりに冷やされることができる。気泡ポンプ14は、気化装置16への流体の輸送を提供すべく共同で作動し得る。
気化装置16は、流体供給部12から受け取った流体を特異的に気化させるように設計された微小流体電熱素子として構成される。気化装置16は、気泡ポンプ14の出口36の下に隣接して位置している。気泡ポンプ14の出口36から気化装置16へと流体が走行するためのスロットまたはその他の流動路が配線基板18を貫いて形成されている。気化装置16は、大気またはその他の局所環境へと開放されかつ露出している被加熱流体接触面を有する。被加熱流体接触面は、受け取った流体を加熱して、受け取った流体を大気中またはその他の局所環境中へと気化させる。気化装置16が単一または複数の気化装置構造体によって提供されてもよいことは理解されよう。
次に図13を見て、流体気化装置50Aの代替実施形態が示されている。装置50Aは、流体供給部52、気泡ポンプ54および気化装置56を有する。流体供給部52および気泡ポンプ54はプリント配線基板58上に組み込まれている。流体供給部52、気泡ポンプ54および気化装置56は、実質的に流体供給部12、気泡ポンプ14および気化装置16に対応している。しかしながら、気化装置56は、気泡ポンプ54によって定義される流体流動面に対して実質的に直角な面内にあるように配線基板58の端部から間隔を空けて配置されている。
次に図14および図15を見て、流体気化装置60Aの別の代替実施形態が示されている。装置60Aは、気泡ポンプ54を載せた配線基板58を気化装置56によって定義される面に対して角度Cもしくは角度C’またはその両方の方向に向けていることを別とすれば、実質的に装置50Aに対応し、流体供給部52、気泡ポンプ54および気化装置56を備える。角度CおよびC’の各々は約0度〜約90度に変化させてもよい。これに関して、描写されている角度が、気泡ポンプ54と気化装置56との間の角度方向を3つの次元のいずれかにおいて変化させてもよいことを示すために提供されていることは理解されよう。
次に図16を見て、流体気化装置70Aの他の実施形態が示されている。装置70Aは、実質的に装置50Aに対応し、気泡ポンプ54、気化装置56および配線基板58を備える。しかしながら、流体供給部72は、気泡ポンプ54と配線基板58との組立体の気化装置56とは反対側の遠位端に位置する入口74を有して提供されている。
次に図17を見て、流体気化装置80Aの別の代替実施形態が示されている。装置60Aは、気泡ポンプ54を載せた配線基板58を気化装置56によって定義される面に対して角度Dの方向に向けていることを別とすれば、実質的に装置70Aに対応し、流体供給部72、気泡ポンプ54および気化装置56を備える。角度Dは約0度〜約90度に変化させてもよい。装置60Aの場合と同様に、角度Dは、図14または図15の角度CおよびC’との関連において説明したように1つ以上の次元にあり得る。
次に図18を見て、流体気化装置90Aの別の代替実施形態が示されている。装置90Aは、複数の流体供給部12に流体連結している複数の気泡ポンプ14が装置90Aに備わっていることを別とすれば、実質的に装置10Aに対応する。流体供給部12の各々が、異なる特性を有する1つ以上の異なる気化可能な流体、または流体の混合物を含んでいてもよいことは理解されよう。
次に図19を見て、流体気化装置100の別の代替実施形態が示されている。装置100は、装置110が複数の気泡ポンプ14を同数の流体供給部12と共に備えていることを別とすれば、実質的に装置90Aに対応する。各気泡ポンプ14は、流体供給部12のうちの対応する1つに流体連通している。流体供給部12の各々が、異なる特性を有する1つ以上の異なる流体、または流体の混合物を含んでいてもよいことは理解されよう。
次に図20および図21を見て、流体気化装置110の別の代替実施形態が示されている。装置110は、実質的に装置10Aに対応し、流体供給部12、気泡ポンプ14、気化装置16および配線基板18を備える。しかしながら、装置110は、気泡ポンプ14と気化装置16とを同じ基板上に作製した構成になっている。
本開示の好ましい実施形態についての上記記載は、例示および説明のために示した。説明および実施形態は、網羅的であること、または開示されているまさにその形態に本開示を限定することが意図されてはいない。上記の教示内容を考慮すれば、明らかな改変または変更が可能である。実施形態は、本開示の原理およびその実用的用途の最良の例示を提供するため、およびそれによって当業者が本開示を様々な実施形態で特定の企図される用途に適した様々な改変と共に利用するのを有効にするために、選択および記載されている。あらゆるそのような改変および変更は、公正、合法的かつ公平に与えられる広さに合致して解釈される場合に添付の特許請求の範囲によって決まる本開示の範囲の中に入る。
10,10A,50,50A,60,60A,70,70A,80,80A,90,90A,100,110 流体気化装置
12,52,72 流体供給部
14,54 気泡ポンプ
16,56 気化装置
18,58 プリント配線基板
20 カバー基板
22 供給入口
30,74 入口
32 底部基板
34 流れ配列抵抗ヒーター
36 出口
38 流路

Claims (19)

  1. 気化装置であって、
    気化可能な流体を有する流体供給部と、
    前記流体供給部からの流体を受け取るための前記流体供給部に流体連通している入口と、流体流路と、前記流体流路内に位置する流れ配列ヒーターと、出口と、を有する気泡ポンプであって、前記流体供給部から前記気泡ポンプの前記出口へと流体を圧送するように作動する気泡ポンプと、
    前記気泡ポンプの前記出口の隣に位置する流体気化ヒーターであって、前記気泡ポンプの前記出口からの流体を受け取るため、および受け取った流体を加熱しかつ前記加熱により気化させるための、被加熱流体接触面を有する流体気化ヒーターと、を備える
    気化装置。
  2. 前記気泡ポンプと前記気化ヒーターとは、平行な面上に位置している
    請求項1に記載の気化装置。
  3. 前記気泡ポンプおよび前記気化ヒーターは、直角な面上に位置している
    請求項1に記載の気化装置。
  4. 前記気化ヒーターに対する前記気泡ポンプの角度位置は可変である
    請求項1に記載の気化装置。
  5. 前記気泡ポンプと前記気化ヒーターとは、共通の基板上に作製されている
    請求項1に記載の気化装置。
  6. 前記気泡ポンプと前記気化ヒーターとは、異なる基板上に作製されている
    請求項1に記載の気化装置。
  7. 前記流体供給部は、前記気泡ポンプの上に鉛直に位置している
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の気化装置。
  8. 前記流体供給部、前記気泡ポンプおよび前記気化ヒーターは、プリント配線基板上に組み込まれている
    請求項1に記載の気化装置。
  9. 前記流体供給部は、前記プリント配線基板の前記気化ヒーターとは反対側の端部に位置する入口を有する
    請求項8に記載の気化装置。
  10. 気化装置であって、
    気化可能な流体を有する流体供給部と、
    前記流体供給部から出口へと流体を圧送するように作動する気泡ポンプと、
    前記気泡ポンプの前記出口の隣に位置して前記気泡ポンプからの流体を受け取る流体気化ヒーターと、を備え、
    前記気化ヒーターは、受け取った流体を加熱しかつ前記加熱により気化させるように作動する
    気化装置。
  11. 前記気泡ポンプと前記気化ヒーターとは、平行な面上に位置している
    請求項10に記載の気化装置。
  12. 前記気泡ポンプおよび前記気化ヒーターは、直角な面上に位置している
    請求項10に記載の気化装置。
  13. 前記気化ヒーターに対する前記気泡ポンプの角度位置は可変である
    請求項10に記載の気化装置。
  14. 前記気泡ポンプと前記気化ヒーターとは、同じ基板上に作製されている
    請求項10に記載の気化装置。
  15. 前記気泡ポンプと前記気化ヒーターとが異なる基板上に作製されている
    請求項10に記載の気化装置。
  16. 前記流体供給部は、前記気泡ポンプの上に鉛直に位置している
    請求項10〜15のいずれか1項に記載の気化装置。
  17. 前記流体供給部、前記気泡ポンプおよび前記気化ヒーターは、プリント配線基板上に組み込まれている
    請求項10に記載の気化装置。
  18. 前記流体供給部は、前記プリント配線基板の前記気化ヒーターとは反対側の端部に位置する入口を有する
    請求項17に記載の気化装置。
  19. 流体を気化させる方法であって、
    気化可能な流体を有する流体供給部を提供するステップと、
    前記流体供給部に流体連通している気泡ポンプを提供し、前記流体供給部から前記気泡ポンプの出口へと流体を圧送するように前記気泡ポンプを作動させるステップと、
    前記気泡ポンプからの流体を受け取るために前記気泡ポンプの前記出口の隣に流体気化ヒーターを提供し、前記気化ヒーターを作動させて、受け取った流体を加熱しかつ前記加熱により気化させるステップと、を含む
    方法。
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