JP2022530598A - 電磁駆動式液体霧化装置 - Google Patents
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Abstract
Description
霧化コア2は、リザーバ21及び電気加熱素子22を備え、リザーバ21が駆動室211及び押出室212を有し、駆動室211と押出室212とが液体連通し、駆動室211の上壁に弾性ダイヤフラム2111及び永久磁石片2112を有し、押出室212の上端に液滴吐出孔2121である開口を有し、電気加熱素子表面221と液滴吐出孔2121とが所定の距離離間して対向するように、電気加熱素子22が液滴吐出孔2121の上部に配置され、リザーバ21内にエアロゾル化のための液体200がある。
電磁駆動ユニット31は、霧化コア2の底部に配置される。電磁駆動ユニット31の通電により発生する磁場が、リザーバ21及び内部の液体200を透過して永久磁石片2112に印加される。
電磁駆動ユニット31が電磁駆動ロッド3のキャビティ内に位置し、霧化コア2が基部23を介して電磁駆動ロッド3の外壁に配置される。
1、液体が定量供給される。本発明は、電磁駆動により液体を供給する方法を用いるため、1回当たりの給液量が制御可能であり、従来技術で導液綿などの媒体を介して発熱部品に受動的に毛管作用により液体を導く方法とは異なり、そして、従来技術でポンプ機構を用いて液体を供給する方法に比べて、本発明の液体供給装置(液体押出装置)自体がリザーバの一部であり、集積度を向上させるとともに、ポンプの外付けによる装置全体の大型化及びリザーバとポンプとの接続構造の複雑化を防止することができる。
2、液漏れ問題が解消される。本発明では、液滴吐出孔から押し出された液膜又は液滴の体積が小さく、液滴吐出孔と電気加熱素子表面との間隔が小さく(2mm未満、さらに数百ミクロンのみ)、押出室内の液体の駆動ストロークが短く(例えば5mm未満)、電気加熱素子の昇温速度が速く(通常数百ミリ秒以下)、液滴吐出孔から押し出された液滴又は液膜の凸面が電気加熱素子表面に接触する瞬間に、蒸発霧化が発生し、液膜又は液滴の霧化効率が高くなり、また、電気加熱素子の表面処理により、液滴の電気加熱素子表面における濡れ性及び広がり速度が向上されて、霧化が加速される。したがって、液膜又は液滴の霧化の際に、電気加熱素子表面に液体の残留が生じることはなく、液膜又は液滴の接触霧化と同時に、液滴吐出孔の外縁に残留した液体が迅速に押出室内に戻り、緩和時間が通常数百ミリ秒以下であるので、霧化後に液滴吐出孔外に液体が残留しないことを確保することができる。装置の電源が切れたとき又は装置が使用されないときに、液面形態が平面である液柱は、通常、液滴吐出孔外に流れて溢れることなく押出室の内壁に付着するようになっている。したがって、本発明の装置は、従来技術の漏れ防止構造及び漏れ防止技術が液漏れ問題を根本的に解決することができないという欠点を克服した。
3、本発明の電磁駆動は、従来技術の圧電駆動と比べて、装置が小型化されたときに、圧電素子の変形困難により、駆動力が大幅に減少されるという欠点を解決した。
4、本発明の電磁駆動される液体は、小体積の液滴又は液膜であり、従来技術の大体積の液体に比べて、以下の利点を有する。従来技術の受動導液式電子霧化は、多孔質セラミックコア、金属グリッド片、極薄金属ブレード、通常の電熱線などの電気加熱素子のどちらを用いて加熱しても、霧化液体と電気加熱素子との全体接触霧化及び大体積の液体の霧化であり、電気加熱素子の電熱変換効率が低下するとともに、電気加熱素子の発熱ムラが生じてしまう。また、従来の液滴式霧化に比べて、本発明の液滴又は液膜の生成過程が高速で制御可能であり、従来の給液量が制御できない大体積の液体の接触式霧化とは異なる。そして、本発明の液滴又は液膜の小体積霧化は、表面接触霧化及び小体積霧化の特徴を有し、電気加熱素子表面に液膜又は液滴が素早く濡れ広がって薄層液膜が生成され、加熱がより均一になり、大量の液体の付着により電気加熱素子表面の一部の温度が低下して表面温度の分布が不均一になるため、液体がバチバチと跳ねたり液滴が飛散したりすることはない。
5、本発明の喫味及び官能品質における利点。本発明の装置は、液漏れがなく、霧化が高速で均一であるといった利点に加え、電気加熱素子表面において小体積の液体が瞬時に霧化され、膜沸騰温度域を避けるように表面温度が調整されることにより、液体と電気加熱素子表面との間の蒸気膜による阻害を解消するだけでなく、未霧化液体の電気加熱素子表面への残留がない。従来技術の電子タバコの霧化に比べて、本発明では、空気導入通路から導入された空気が、電気加熱素子表面と素早く熱交換し、吸入負圧状態で、電気加熱素子表面で生成された熱を帯びた蒸気が空気によって運ばれて電気加熱素子表面から離れる。また、電気加熱素子表面の面積や粗さを調整し、電気加熱素子表面の温度を核沸騰域にすることにより、液滴の霧化後に電気加熱素子表面が急速に降温することができる。したがって、液滴が霧化されてエアロゾルが生成されて空気に運ばれた瞬間に、電気加熱素子表面が急速に降温し、液滴の霧化後に新たに接触する液体がないので電気加熱素子表面が空加熱されるという問題を効果的に防止するとともに、液滴吐出孔外に残留した液体が高温付着によって押出室内に正常に戻れないので液滴吐出孔が詰まるというリスクを防止することができる。したがって、本発明の装置は、焦げ臭などの望ましくない臭いの発生を防止することができる。
6、他の利点。本発明のリザーバ内の液体の体積が小さく(1~2mL)、永久磁石片と電磁駆動ユニットとの距離が短い(5mm以下)ため、低電力の電磁駆動装置だけで小体積の液体を駆動するのに十分な磁力を生成することができ、電磁駆動ユニットの消費電力が小さく、磁力駆動により安定した小体積の液滴又は液膜を生成することを満たす前提では、リザーバ内の液体の霧化による体積の減少や、装置を手で持つときの傾斜角度、吸引力の大きさなどは、液滴又は液膜の生成挙動、押し出された液滴又は液膜のサイズ、及び液滴又は液膜の霧化特性に顕著な影響を及ぼすことはない。また、本発明のリザーバは、集積度が高く、構造が簡単で、材料が安価で入手しやすく、使い捨ての交換可能な霧化器及び携帯使用に適し、即ち霧化器が使い捨てのものである。さらに、本発明の装置は、電子霧化タバコの使用に限定されるものではなく、小体積の液滴又は液膜の霧化によって使用量が制御可能な蒸気又はエアロゾルを生成する他の用途にも使用することができる。
永久磁石片2112は、環状ネオジム磁石、フェライト磁石、アルニコ永久磁石片又はサマリウムコバルト永久磁石片などを用いてもよい。弾性ダイヤフラム2111は、ジメチルポリシロキサン(PDMS)などのポリシロキサン弾性材、ポリウレタン(PU)などのポリエステル系弾性材などを用いてもよい。上部封止ガスケット2114及び下部封止ガスケット2117は、ポリイミドシリコーン材料又は類似の封止材料を用いてもよい。押出室枠2115は、ポリカーボネート(PC)、ポリカーボネートとABSとの複合材料などの耐高温材料を用いてもよい。駆動室本体2116は、ポリカーボネート(PC)、ポリカーボネートとABSとの複合材料、ABS、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリアミド(PA)、ポリメチルメタクリレート(アクリル又はPMMA)などの材料を用いてもよい。ベース2118は、硬質ガラス、透明プラスチック(例えばPC、PMMA)などの磁場透過可能な材料を用いてもよい。
(1)リザーバ21の組み立て及び液体の注入:
両面に接着剤付きの下部封止ガスケット2117を用いてベース2118及び駆動室本体2116を接着した後、押出室枠2115とベース2118とを接着する。押出室枠2115の側面には、駆動室211及び押出室212内の液体200が流れるための通路2110が設けられる。駆動室211内の液面が弾性ダイヤフラム2111の内面と完全に接触可能な高さになり、押出室212内の液体が液滴吐出孔2121から溢れないままに室内の適切な高さになるまで液体200を駆動室211内に注入した後、両面に接着剤付きの上部封止ガスケット2114を用いて弾性ダイヤフラム2111と駆動室本体2116とを接着する。
上述した部材の接着が終了すると、永久磁石片2112を弾性ダイヤフラム2111の上方に押し当てて、永久磁石片2112の上方に押圧片2113を押し当てる。これにより、リザーバ21の組み立てが終了する。
(2)霧化コア2の組立:
組み立てられたリザーバ21を基部23に固定し、電気加熱素子22の導線222を駆動室本体2116の外壁の配線溝内に挿入する。
(3)電磁駆動式液体霧化装置の組立:
マウスピース1で霧化コア2の外部を取り囲み、マウスピース1の底部を基部23に取り付けて霧化器4を構成する。霧化器4を基部23を介して電磁駆動ロッド3の外壁と連結して本発明の電磁駆動式液体霧化装置を構成する。
液膜又は液滴の生成周期の時間、1回当たりの吸引持続時間及びそれらの相互関係を設定することにより、一方では、液体の押出室内における駆動、押出室外における液膜又は液滴の生成、液膜又は液滴と電気加熱素子表面との接触霧化の過程を1回当たりの吸引動作の持続過程と同期させることができる。他方では、1回当たりの吸引動作の持続時間が液膜又は液滴の生成周期の時間を超えたり、吸引動作の持続時間が短すぎたり、吸引動作が急に中止したり又は電源が電力不足になったりする場合に、装置は電気的接続を自動的に切断し、駆動電圧及び駆動電流が直ちにゼロになり、電磁駆動ユニット31の動作が停止し、磁場及び磁力が瞬時に失われるため、押出室212内の液体の液面の位置及び形態が、切断前の液膜又は液滴の生成周期の初期位置及び平面状態に直ちに復帰する。
図7に示すように、液滴生成周期(サイクル)の電流-時間曲線及び液面位置-時間曲線は5つの段階(段階I~V)に分けられ、対応する液面の形態及び位置は図8に示されている。
段階I:液体駆動準備段階。電磁駆動ユニット31に駆動電流を印加すると、電流が0から負の値i1となってその値で安定し、永久磁石片2112の受ける磁力が反発力であり、弾性ダイヤフラム2111が駆動室211外に湾曲して、押出室212内の液体が液面位置Aに位置して曲率が最大となる凹面状態(図8-a)を保ち、対応時間が0~t1である。
段階II:液体駆動及び液滴生成段階。駆動電圧が増大するとともに、電気加熱素子22が急速に昇温し、駆動電流の方向が負の電流から正の電流に徐々に変化し、永久磁石片2112の受ける磁力が反発力から吸引力に急速に変化し、永久磁石片の押圧作用により、弾性ダイヤフラム2111が駆動室211内に急速に湾曲し、押出室212内の液体が圧力の駆動により液滴吐出孔2121に向けて移動し、押出室212内の液面の移動ストロークは、駆動電流が負の値i1から0となり、液面が位置Aから液滴吐出孔の内縁(位置0)まで移動し、対応時間がt1~t2であり、液面形態が位置Aの凹面から位置0の平面(図8-b)に変化するステップ1と、駆動電流が0から正の値i2にさらに増大し、液面が液滴吐出孔の内縁(位置0)から液滴吐出孔の外縁の位置Bまで移動し、対応時間がt2~t3であり、液面形態が位置0の平面から位置Bの凸面に変化するステップ2とを含み、このとき液滴吐出孔2121の外縁に凸面液滴が生成されて電気加熱素子表面221と直接接触する。
段階III:液滴霧化段階。駆動電圧が一定に保持され、電流が最大値i2に維持され、永久磁石片2112の受ける磁力が吸引力であって最大であり、弾性ダイヤフラム2111の駆動室211内への湾曲曲率が最大であり、液滴吐出孔2121から押し出された液滴が電気加熱素子表面221に濡れ広がり、押出室内の液体から分離(遮断)されて急速に霧化され、対応時間がt3~t4(図8-c)である。
段階IV:液体の逆方向駆動及び後退段階。駆動電流がi2から0となり、液面が位置Bから液滴吐出孔の内縁(位置0)まで移動し、対応時間がt4~t5であり、液面形態が位置Bの凸面から位置0の平面(図8-d)に変化するステップ1と、駆動電流が0から負の値i1にさらに減少し、液面形態が凹面となるステップ2とを含み、駆動電流がi1で所定の時間安定し、液面形態が凹面(図8-e)を保ち、対応時間がt6~t7である。
(ただし:電磁駆動力が十分に大きくて押出室の長さが十分に短いという理想的な場合に、1サイクルの液面の押出室内の開始位置A及び復帰位置A’における変化は、液滴生成過程及び液滴状態に影響を与えないと考えられる。)
段階V:液体安定化及び駆動停止段階。電磁駆動装置の電気的接続を切断すると、駆動電流が0となり、永久磁石片2112及び弾性ダイヤフラム2111の状態が変わらず、押出室212内の液面が位置0の平面(図8-b又は図8-d)に変化する。吸引が終了する。
10:空気導入通路
101:凹面
103:凸面
11:観察窓
12:エアロゾル吐出孔
2:霧化コア
200:液体
21:リザーバ
211:駆動室
2110:液体通路
2111:弾性ダイヤフラム
2112:永久磁石片
2113:押圧片
2114:上部封止ガスケット
2115:押出室枠
2116:駆動室本体
2117:下部封止ガスケット
2118:ベース
212:押出室
2121:液滴吐出孔
22:電気加熱素子
221:電気加熱素子表面
222:導線
23:基部
3:電磁駆動ロッド
31:電磁駆動ユニット
4:霧化器
Claims (10)
- 電磁駆動式液体霧化装置であって、
霧化コア(2)及び電磁駆動ユニット(31)を備え、
前記霧化コア(2)は、リザーバ(21)及び電気加熱素子(22)を備え、前記リザーバ(21)が駆動室(211)及び押出室(212)を有し、前記駆動室(211)と前記押出室(212)とが液体連通し、前記駆動室(211)の上壁に弾性ダイヤフラム(2111)及び永久磁石片(2112)が設けられ、前記押出室(212)の上端に液滴吐出孔(2121)である開口が設けられ、電気加熱素子表面(221)と前記液滴吐出孔(2121)とが所定の距離離間して対向するように、前記電気加熱素子(22)が前記液滴吐出孔(2121)の上部に配置され、
前記電磁駆動ユニット(31)は、前記霧化コア(2)の底部に配置される、
ことを特徴とする、電磁駆動式液体霧化装置。 - 前記電気加熱素子表面(221)と前記液滴吐出孔(2121)が位置する平面とは平行であり、両者間の距離が100μm~2mmである、ことを特徴とする、請求項1に記載の電磁駆動式液体霧化装置。
- 前記液滴吐出孔(2121)の面積が3mm×3mm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の電磁駆動式液体霧化装置。
- 前記電気加熱素子表面(221)の見かけの水接触角が90°未満であることを特徴とする、請求項1に記載の電磁駆動式液体霧化装置。
- 前記リザーバ(21)の容積が1~2mlであることを特徴とする、請求項1に記載の電磁駆動式液体霧化装置。
- 前記霧化コア(2)は、押圧片(2113)、上部封止ガスケット(2114)、押出室枠(2115)、駆動室本体(2116)、下部封止ガスケット(2117)、ベース(2118)及び基部(23)をさらに有し、前記駆動室本体(2116)、前記弾性ダイヤフラム(2111)、前記上部封止ガスケット(2114)、前記下部封止ガスケット(2117)及び前記ベース(2118)が前記リザーバ(21)を構成し、前記押圧片(2113)が前記弾性ダイヤフラム(2111)の外壁に配置され、前記永久磁石片(2112)が、前記押圧片(2113)と前記弾性ダイヤフラム(2111)との間に配置されて前記弾性ダイヤフラム(2111)の壁に当接し、前記押出室枠(2115)の内部が前記押出室(212)であり、前記押出室(212)の開口が前記液滴吐出孔(2121)であり、前記押圧片(2113)、前記永久磁石片(2112)及び前記弾性ダイヤフラム(2111)の中央部には、前記液滴吐出孔(2121)に対応する孔が設けられ、前記基部(23)が前記リザーバ(21)の底部に配置され、
前記電磁駆動ユニット(31)が電磁駆動ロッド(3)のキャビティ内に位置し、前記霧化コア(2)が基部(23)を介して前記電磁駆動ロッド(3)の外壁に配置される、ことを特徴とする、請求項1に記載の電磁駆動式液体霧化装置。 - 前記電磁駆動ロッド(3)のキャビティ内に電源及び制御チップがさらに設けられ、前記電気加熱素子(22)が導線(222)を介して制御チップ及び電源に電気的に接続される、ことを特徴とする、請求項6に記載の電磁駆動式液体霧化装置。
- 前記霧化コア(2)の外周を取り囲んで霧化器(4)を形成するマウスピース(1)をさらに備え、前記マウスピース(1)の中央部の底面と前記電気加熱素子(22)との間には、外部と連通する空気導入通路(10)が設けられる、ことを特徴とする、請求項1に記載の電磁駆動式液体霧化装置。
- 前記駆動室(211)と前記押出室(212)との間が液体通路(2110)であることを特徴とする、請求項1に記載の電磁駆動式液体霧化装置。
- 前記マウスピース(1)の内部には前記空気導入通路(10)と連通するエアロゾル吐出孔(12)が設けられ、前記マウスピース(1)の側壁に観察窓(11)が設けられる、ことを特徴とする、請求項8に記載の電磁駆動式液体霧化装置。
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