KR102571925B1 - 가열 조립체, 에어로졸 발생 장치, 및 에어로졸 형성 기재를 가열하는 방법 - Google Patents

가열 조립체, 에어로졸 발생 장치, 및 에어로졸 형성 기재를 가열하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 에어로졸 발생 장치의 가열 조립체(10)에 관한 것이다. 가열 조립체는 기재를 가열하기 위해 발열 화학 반응에 의해 일차 열을 발생시키고 일차 열을 에어로졸 형성 기재에 공급하도록 구성되어 있는 화학 가열 장치(200)를 포함하고 있다. 가열 조립체는 기재를 가열하기 위해 이차 열을 전기적으로 발생시키고 에어로졸 형성 기재에 공급하도록 구성되어 있는 전기 가열 장치(100)를 더 포함하고 있다. 또한, 본 발명은 이러한 가열 조립체를 포함하고 있는 에어로졸 발생 장치에 관한 것이다. 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 발생시키기 위한 방법은 다음 단계들의 순차적 또는 병렬적 수행 중 적어도 하나를 포함하고 있다: 기재를 가열하기 위해 발열 화학 반응에 의해 일차 열을 발생시키고 일차 열을 에어로졸 형성 기재에 공급하는 단계; 및 기재를 더 가열하기 위해 이차 열을 전기적으로 발생시키고 이차 열을 에어로졸 형성 기재에 공급하는 단계.

Description

가열 조립체, 에어로졸 발생 장치, 및 에어로졸 형성 기재를 가열하는 방법
본 발명은 가열 조립체, 에어로졸 발생 장치, 및 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 발생시키는 방법에 관한 것이다.
에어로졸 형성 기재가 장치 내부의 가열 조립체에 의해 가열되어 가열시 기재로부터 증발된 물질의 흡입 가능한 에어로졸을 형성하는 에어로졸 발생 장치가 있다. 많은 에어로졸 발생 장치는 기재를 가열하기 위한 열 에너지를 발생시키기 위한 저항성 전기 히터를 포함하고 있다. 그러나, 저항 가열은 높은 에너지 소비를 동반할 수 있고, 이에 따라 배터리 구동 히터를 사용하는 장치의 작동 시간을 제한할 수 있다. 다른 에어로졸 발생 장치는 기재를 가열하기 위한 발열 화학 반응의 열 방출을 이용하는 화학적 히터를 포함하고 있다. 예를 들어, 이러한 화학적 히터는 고체 연료 히터 또는 촉매 히터일 수 있다. 전형적으로 고 에너지 밀도를 제공하지만, 화학 반응과 이에 따라 화학적 히터의 열 방출이 제어하기가 어려울 수 있다.
따라서, 종래 기술의 해결책의 장점을 갖지만 그 한계는 갖지 않은 가열 조립체, 에어로졸 발생 장치, 및 대응하는 방법을 갖는 것이 바람직할 것이다. 특히, 에어로졸 형성 기재의 제어가능하고 에너지 효율적인 가열을 제공하면서, 이러한 제품과 이러한 방법을 갖는 것이 바람직할 것이다.
(특허문헌) 미국 특허출원공개공보 US2015/0053219호(2015.02.26.)
본 발명에 따르면, 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 에어로졸 발생 장치의 가열 조립체가 제공되어 있다. 가열 조립체는 기재를 가열하기 위해 발열 화학 반응에 의해 일차 열을 발생시키고 에어로졸 형성 기재에 일차 열을 공급하도록 구성되어 있는 화학 가열 장치를 포함하고 있다. 가열 조립체는 기재를 가열하기 위해 이차 열을 전기적으로 발생시키고 공급하도록 구성되어 있는 전기 가열 장치를 더 포함하고 있다.
2개의 상이한 가열 장치를 포함하는 바와 같이, 본 발명에 따른 가열 조립체는 두 가열 장치 모두의 이점을 취하면서, 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 하이브리드 솔루션을 제공하는 하이브리드 가열 장치인 것으로 이해될 수 있다. 화학 가열 장치는 높은 에너지 밀도를 갖는 열원을 제공하며, 이에 따라, 예를 들어 에어로졸 형성 기재의 초기 가열 또는 대략적인 가열에 사용될 수 있는 일차 열의 효율적인 발생을 허용한다. 전기 가열 장치는 잘 제어가능한 방식으로 이차 열을 제공하며, 특히 기재의 목표 온도로의 정확한 가열을 허용한다. 목표 온도는 바람직하게는 에어로졸을 발생시키기 위한 에어로졸 형성 기재의 원하는 온도에 대응한다.
일반적으로, 가열 조립체는 에어로졸 형성 기재의 병렬 또는 조합 가열을 위한 화학 가열 장치 및 전기 가열 장치의 병렬 사용을 위해 구성될 수 있다. 바람직하게는, 화학 가열 장치는 기재를 예비-목표 온도로 가열하기 위해 에어로졸 형성 기재에 일차 열을 발생시키고 공급하도록 구성될 수 있고, 전기 가열 장치는 에어로졸 형성 기재를 예비-목표 온도 위의 목표 온도로 추가로 가열하기 위해 일차 열에 더하여 이차 열을 발생시키고 공급하도록 구성될 수 있다. 따라서, 가열 조립체는 목표 온도에 도달하기 위해 화학 가열 장치 및 전기 가열 장치를 조합하여 사용하도록 구성될 수 있다. 특히, 전기 가열 장치의 양호한 제어가능성 때문에, 화학 가열 장치 및 전기 가열 장치의 병렬 사용은 일차 열에 더하여 이차 열의 제어된 공급에 의해 에어로졸 형성 기재의 온도를 정확하게 제어할 수 있게 한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 가열 조립체는, 특히 에어로졸을 발생시키는 상이한 단계 동안, 에어로졸 형성 기재를 순차적으로 가열하기 위한, 화학 가열 장치 및 전기 가열 장치의 순차적 사용을 위해 구성될 수 있다. 이에 따라, 가열 조립체는, 에어로졸을 발생시키는 한 단계 동안 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위해 화학 가열 장치를 사용하고, 그리고 에어로졸을 발생시키는 다른 단계 동안 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위해 전기 가열 장치를 사용하도록 구성될 수 있다. 특히, 가열 조립체는 화학 가열 장치 및 전기 가열 장치 중 하나를 사용하여 상이한 단계 동안에 상이한 온도로 에어로졸 형성 기재를 가열하도록 구성되어 있어서, 시간 경과에 따라 에어로졸의 발생을 제어할 수 있게 할 수도 있다. 예로서, 가열 조립체는 에어로졸 발생의 제1 단계 동안 화학 가열 장치를 사용하여 제1 온도 프로파일에 따라 에어로졸 형성 기재를 가열하고, 에어로졸 발생의 제2 단계 동안 전기 가열 장치를 사용하여 제2 온도 프로파일에 따라 에어로졸 형성 기재를 가열하도록 구성될 수 있다. 제1 온도 및 제2 온도 프로파일은 온도가 제1 단계 동안 초기 온도에서 제1 온도로 증가하고, 제2 단계 동안 제1 온도 아래로 강하된 다음 다시 증가하도록 하는 것일 수 있다.
일반적으로, 가열 조립체는 임의의 순서로 화학 가열 장치 및 전기 가열 장치의 순차적 사용을 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 가열 조립체는, 화학 가열 장치를 처음 사용하고 이어서 전기 가열 장치를 사용하도록, 또는 그 반대로 구성될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "일차 열(primary heat)" 및 "이차 열(secondary heat)"은, 화학 가열 장치로부터 기원하는 열과 전기 가열 장치로부터 기원하는 열을 구별할 수 있게 하는 공칭 용어인 것을 의미한다. 용어는 임의의 정량적 관계를 구현할 필요가 없다. 일차 열 및 이차 열은 각각 조합되거나 순차적으로 사용될 수 있는 제1 양 및 제2 양의 열 에너지를 각각 구성한다.
바람직하게는, 화학 가열 장치 및 전기 가열 장치를 조합하여 사용하는 경우, 화학 가열 장치에 의해 제공되거나 또는 제공가능한 일차 열은 전기 가열 장치에 의해 제공되거나 제공가능한 이차 열보다 클 수 있다.
따라서, 화학 가열 장치는 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 기본 양의 또는 주요 양의 열을 발생시키도록 구성될 수 있는 반면, 전기 가열 장치는, 화학 가열 장치에 의해 제공되거나 제공가능한 기본/메인/주요 양보다 적지만 이에 더하여 보조 또는 소량의 열을 발생시키도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 화학 가열 장치는 대략적인 가열을 위해 또는 에어로졸 형성 기재의 온도의 대략적인 조정(coarse adjustment)을 위해 구성되어 있는 반면, 전기 가열 장치는 미세 가열을 위해 또는 에어로졸 형성 기재의 온도의 미세 조정을 위해 구성될 수 있다.
예비-목표 온도와 목표 온도 사이의 온도 차이는 가열 전의 에어로졸 형성 기재의 예비-목표 온도와 초기 온도 사이의 온도보다 작을 수 있다. 에어로졸 형성 기재의 초기 온도는, 예를 들어 실온일 수 있다. 유리하게는, 예비-목표 온도는 200°C 내지 280°C, 특히 240°C 내지 260°C, 바람직하게는 약 250°C의 임의의 온도일 수 있다. 목표 온도는 일반적으로 300°C 내지 350°C의 임의의 온도일 수 있다.
일차 열의 발생은 목표 온도 아래의 예비-목표 온도로 제한될 수 있어서, 이차 열의 완전한 차단은 과열의 경우에 실제 온도를 합리적인 온도로 쉽게 감소시킬 만큼 충분히 낮을 것이다. 화학 가열 장치는, 특히 일차 열의 발생을 미리 설정된 한계로 제한하기 위해, 일차 열의 발생을 미리 설정할 수 있도록 구성될 수 있다.
물론, 화학 가열 장치에 의해 제공되거나 제공가능한 일차 열은, 또한, 전기 가열 장치에 의해 제공되거나 제공가능한 이차 열보다 작거나 같을 수도 있다. 따라서, 예비-목표 온도와 목표 온도 사이의 온도 차이는 에어로졸 형성 기재의 예비-목표 온도와 초기 온도 사이의 온도 차이보다 크거나 같을 수 있다.
가열 조립체는 에어로졸 형성 기재의 온도를 제어하기 위해 적어도 전기 가열 장치에 작동 가능하게 연결되어 있는 제어기를 포함할 수 있다. 높은 제어가능성 정도로 인해, 전기 가열 장치는 에어로졸 형성 기재의 온도를 제어하는 데 사용되는 바람직한 작동 요소이다. 특히, 전기 가열 장치는 에어로졸 형성 기재의 온도를 목표 온도로 조정하기 위해 사용될 수 있다.
화학 가열 장치는 에어로졸 형성 기재의 온도를 제어하는 데 사용될 수도 있다. 이를 위해, 제어기는 또한 화학 가열 장치에 작동적으로 연결될 수 있다. 그러나, 화학 가열 장치가 전형적으로 전기 가열 장치보다 덜 제어가능하기 때문에, 화학 가열 장치는 바람직하게는 에어로졸 형성 기재의 온도의 대략적인 제어를 위해서만 사용되거나 느린 제어를 위해서만 사용되거나 에어로졸 형성 기재의 온도의 대략적인 조절과 느린 제어를 위해 사용된다. 느린 제어는, 예를 들어, 10초보다 긴 시간 동안의 제어를 포함할 수 있다. 이와 대조적으로, 전기 가열 장치는 바람직하게, 특히 짧은 시간 만에, 에어로졸 형성 기재의 온도의 미세한 제어 또는 빠른 제어 또는 에어로졸 형성 기재의 온도의 미세한 제어와 빠른 제어를 위해 사용된다.
적어도 이차 열의 제어와 관련하여, 제어기는 바람직하게는 에어로졸 형성 기재의 실제 온도를 표시하는 온도의 측정에 의존하는 폐쇄 루프 제어기이다. 이를 위해, 가열 조립체는 제어기에 작동적으로 연결된 적어도 하나의 온도 센서를 포함할 수 있다. 온도 센서는 - 에어로졸 발생 장치 내의 가열 조립체의 사용 시 - 바람직하게는 에어로졸 형성 기재와 열적으로 근접하거나 열적으로 접촉하도록 배열되어 있는 별도의 온도 센서일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 전기 가열 장치 자체는 또한 온도 센서로서 작용하도록 구성될 수도 있다. 이것은 이하에서 보다 상세하게 설명한다.
에어로졸 형성 기재의 온도를 제어하기 위해, 제어기는 전기 가열 장치의 전력 공급부를 제어할 수도 있다. 마찬가지로, 제어기는 또한 일차 열의 발생을 제어하기 위한 수단, 예를 들어 적어도 하나의 반응물을 발열 화학물질에 공급하기 위한 제어가능한 공급 시스템을 제어하거나 이에 작용할 수도 있다. 이러한 수단은 또한 이하에서 더욱 상세히 설명될 것이다. 일차 열의 발생을 제어하는 것은 바람직하게는 개방 루프 또는 연속적이거나, 바람직하게는 개방 루프 및 연속적이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "에어로졸 형성 기재"는 에어로졸 형성 기재를 가열할 때 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 화합물을 방출할 수 있는 기재에 관한 것이다. 에어로졸 형성 기재는 편리하게는 에어로졸 발생 물품의 일부일 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 고체 또는 액체 에어로졸 형성 기재일 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 가열 시에 기재로부터 방출되는 휘발성 담배 향미 화합물을 함유하는 담배 함유 재료를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 에어로졸 형성 기재는 비담배 재료를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 형성제를 더 포함할 수 있다. 적절한 에어로졸 형성제의 예는 글리세린 및 프로필렌 글리콜이다. 에어로졸 형성 기재는 또한 니코틴이나 향미제와 같은 다른 첨가제 및 성분을 포함할 수 있다. 특히, 액체 에어로졸 형성 기재는 물, 용매, 에탄올, 식물 추출물 및 천연 또는 인공 향미제를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 또한 페이스트 상 물질, 에어로졸 형성 기재를 포함하고 있는 다공성 물질의 향낭, 또는 예를 들어, 글리세린과 같은 일반적인 에어로졸 형성제를 포함할 수 있는, 겔화제 또는 점착제와 혼합된, 이후 플러그로 압축 또는 성형되는 느슨한 담배(loose tobacco)일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "화학 가열 장치는 발열 화학 반응에 의해 열을 발생시키도록 구성되어 있다"란, 바람직하게는 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 발열 화학 반응에 의해 직접 방출되는 열을 사용하거나 제공하는, 발열 화학 반응에 의해 열을 직접 발생시키고 제공하는 것을 포함한다. 따라서, 화학 가열 장치는 화학 에너지를 열 에너지로 직접 변환하도록 구성되어 있다.
특히, 화학 가열 장치는 연료와 산화제, 예컨대 산소 사이의 발열 산화환원 화학 반응에서 연료를 연소시키기 위한 연료 히터일 수 있다. 바람직하게는, 연소는 촉매작용될 수 있다. 따라서, 화학 가열 장치는 연료 또는 촉매 히터일 수 있다.
바람직하게는, 일차 열을 발생시키기 위한 발열 화학 반응은 다음 반응 중 적어도 하나를 포함할 수 있다:
(a) 귀금속 촉매와 관련된 연료의 산화;
(b) 귀금속 및 전이 산화물 촉매와 관련된 연료의 산화;
(c) 활성탄 촉매와 관련된 철 또는 철 화합물의 산화-환원 반응;
(d) 금속 환원제 및 금속 함유 산화제와 관련된 금속 산화-환원 반응;
(e) 물로 개시된(water initiated) 발열 반응;
(f) 과포화 용액의 발열 결정화.
유형 (a)의 반응에 관하여, 귀금속 촉매는 통상적으로 연료의 무화염 산화를 야기한다. 촉매 물질은, 일반적으로, 촉매 물질이 접촉시 연료를 촉매하는 다공성 물품 위로 분산되거나 코팅될 수 있다. 연소 온도 증가를 위해, 특히 연료의 완전 연소를 위해서와 일산화탄소의 상당한 감소를 위해, 연료 산화는, 귀금속 촉매와 같은, 종래의 연소 촉매와 함께 전이 산화물을 포함할 수 있다(유형 (b)의 반응을 참조).
유형 (c)의 반응에 관하여, 활성탄의 촉매 효과가 철 또는 철 화합물의 산화-환원 반응을 개시하기 위해 사용될 수 있다.
유형 (d)에 따른 금속 산화-환원 반응과 관련하여, 반응물 물질은 금속 환원제 및 산화제, 예컨대 금속 함유 산화제를 포함할 수 있다. 발열 반응 동안, 산소 분자는 산화되는 화합물에 의해 환원된다. 금속 환원제는 몰리브덴, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 붕소, 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 텅스텐, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 카드뮴, 주석, 알루미늄 중 하나를 포함할 수 있다.
물로 개시된 발열 반응에서, 물은 화학 반응물을 위한 반응 개시제로서 사용되며, 후자는 산화 칼슘, 수산화 나트륨, 염화 칼슘, 황산 마그네슘, 철 분말, 초산 나트륨 3수화물, 수산화 바륨 8수화물, 질산 마그네슘 6수화물, 염화 마그네슘 6수화물, 무수 무기 염 등 중 하나를 포함할 수 있다.
과포화 용액의 발열 결정화에 관하여, 과포화 용액은 결정화 개시제를 받아 신속한 결정화를 유발한다. 결정화 중에 열이 방출된다. 사용된 화합물은 초산 나트륨 3수화물, 황산 나트륨, 글라우버 염(Glauber's salt) 또는 질산 마그네슘 6수화물과 같은 화합물로부터 선택될 수 있다.
발열 화학 반응 공정이 일어나기 위해, 화학 가열 장치는 반응 챔버를 포함할 수 있다. 유리하게, 발열 화학 반응의 반응 위치 또는 부피는 에어로졸 형성 기재로부터 반응면에서 단열된다. 따라서, 상기 화학 가열 장치는 상기 반응 챔버 밖으로 상기 반응 챔버에 발생되어 열이 상기 반응 챔버 외부의 에어로졸 형성 기재에 공급될 수 있는 일차 열을 전달하기 위한 열 전달 요소를 더 포함할 수 있다.
열 전달 요소는 반응 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되거나 반응 챔버의 내부에 노출되는 제1 부분을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 부분은 상기 발열 화학 반응이 상기 제1 부분에서 또는 상기 제1 부분 상에 직접 발생하거나 상기 발열 화학 반응이 상기 제1 부분에 직접 영향을 미치도록 상기 반응 챔버 내에 적어도 부분적으로 배치되어 있다.
열 전달 요소는 제1 부분에 열적으로 연결되고 반응 챔버의 외부에 적어도 부분적으로 배열되거나 제공되는 제2 부분을 더 포함할 수 있다. 제2 부분은 바람직하게는 에어로졸 형성 기재와 적어도 부분적으로 열적으로 근접하거나 열적으로 접촉하게 되도록 구성되어 있다. 이를 위해, 제2 부분은 가능한 한 많은 열을 에어로졸 형성 기재에 전달하기 위해 가능한 한 큰 표면을 갖도록 최적화될 수 있다.
제2 부분은 에어로졸 형성 기재를 수용하고 바람직하게는 유지하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제2 부분은 공동 또는 꼬챙이 부재를 포함할 수 있거나, 공동 및 꼬챙이 부재를 포함할 수 있다. 예로서, 제2 부분은 블레이드, 꼬챙이(skewer), 갈래(prong), 틴, 로드, 튜브, 공동, 포트, 컵 또는 중공 실린더 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 부분은 모세관 활성 메쉬 또는 심지 부재와 같은, 액체 컨베이어에 적어도 부분적으로 열적으로 근접하거나 열적으로 접촉하게 되도록 구성되어 있을 수도 있다. 액체 컨베이어는 액체 에어로졸 형성 기재와 접촉하게 되거나 접촉하고 있을 수 있다. 일반적으로, 액체 컨베이어는 가열 조립체의 일부가 아닌 전체 에어로졸 발생 장치의 일부이다. 물론, 액체 컨베이어가 가열 조립체의 일부인 것도 가능하다. 열 전달 요소, 바람직하게는 제2 부분은 액체 에어로졸 형성 기재와 접촉하게 되도록 구성되어 있는 적어도 하나의 액체 컨베이어를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 열 전달 요소는 열 전도성 물질을 포함하고 있는 열 전도체이다. 열 전달 요소는 열을 저장할 수 있다. 바람직하게는, 열 전달 요소는 높은 비열 용량 및 바람직하게는 양호한 열 전도성을 갖는 물질을 포함하고 있다. 예를 들어, 열 전달 요소는 금속, 특히 구리, 스테인리스 강, 또는 알루미늄, 또는 금속들의 조합을 포함할 수 있다.
열 전달 요소는 반응 챔버의 벽면을 통해 공급될 수 있어서, 제1 부분이 반응 챔버에 적어도 부분적으로 배치되거나 반응 챔버의 내부에 노출되고, 제2 부분이 적어도 부분적으로 반응 챔버의 외부에 배치되거나 제공되게 된다.
열 전달 요소는 반응 챔버의 내부에 노출된 내부 표면을 갖는, 반응 챔버의 벽면의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 외부 표면은 전술한 제2 부분에 대응하는, 에어로졸 형성 기재와 적어도 부분적으로 열적으로 근접하거나 열적으로 접촉하게 되도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 열 전달 요소의 제1 및 제2 부분은 일체로 형성되어 있다. 대안적으로, 외부 표면은 에어로졸 형성 기재와 적어도 부분적으로 열적으로 근접하거나 열적으로 접촉하게 되도록 구성되어 있는 열 전달 요소의 별도의 부분에 열적으로 연결될 수 있다. 이 다른 부분은 전술한 제2 부분에 대응할 수 있다.
열 전달 요소, 제1 부분 및 제2 부분은 각각 여러 가지 구성, 형상 및 재료를 포함할 수 있다. 특히, 열 전달 요소, 제1 부분 및 제2 부분은 임의의 단면 형상, 예를 들어 원형, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 또는 다면체를 가질 수 있다. 열 전달 요소, 제1 부분 및 제2 부분 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 중공형이거나 적어도 부분적으로 괴상일 수 있다. 제1 부분 및 제2 부분은 다음의 특징 중 적어도 하나에서 서로 상이할 수 있다: 구성, 형상 및 재료.
일 실시예로서, 열 전달 요소는 블레이드 형상일 수 있거나, 특히 금속으로 만들어진 블레이드(blade)를 포함할 수 있다. 블레이드의 제1 부분은 반응 챔버에 적어도 부분적으로 배치될 수 있거나 반응 챔버의 내부에 노출될 수 있는 반면, 블레이드의 제2 부분은 적어도 부분적으로 반응 챔버의 외부에 배열되거나 제공될 수 있다. 특히, 블레이드는 반응 챔버의 벽면을 통해 공급하거나 통과할 수 있다. 바람직하게는, 블레이드의 제2 부분은 에어로졸 형성 기재를 수용하고 바람직하게는 보유하도록 구성되어 있다. 이를 위해, 블레이드의 제2 부분의 자유 말단이, 특히 고체 에어로졸 형성 기재의 경우에 점점 좁아질 수 있다.
다른 실시예로서, 열 전달 요소는 예를 들어 금속으로 만들어진 중공 실린더를 포함할 수 있다. 특히, 실린더의 제1 축방향 부분은 적어도 부분적으로 반응 챔버에 배열되거나 반응 챔버의 내부에 노출될 수 있다. 실린더의 제1 축방향 부분은 반응 챔버의 벽면의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 실린더의 제2 축방향 부분은 적어도 부분적으로 반응 챔버 외부에 배열되거나 제공될 수 있다. 또한, 제1 부분에 의해 둘러싸인 내부를 제2 부분에 의해 둘러싸인 내부로부터 분리하도록 분할 부재가 제공될 수 있다. 분할 부재는 반응 챔버의 일부 또는 열 전달 요소의 일부 또는 반응 챔버와 열 전달 요소 둘 모두의 일부일 수 있다. 실린더의 제2 축방향 부분의 내부는 에어로졸 형성 기재를 수용하고 바람직하게는 보유하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 실린더의 제2 축방향 부분의 전방 말단이 개방될 수 있다.
열 전달 요소는 반응 챔버와 열 접촉하고 있는 포트를 포함할 수 있다. 특히, 포트의 최하부는 반응 챔버의 벽면의 일부일 수 있으며, 여기서 최하부의 외부 표면은 반응 챔버의 내부와 노출되어 있다. 상기 포트의 내부는 에어로졸 형성 기재를 수용하고 바람직하게는 보유하도록 구성될 수 있다.
화학 가열 장치는 발열 화학 반응의 적어도 하나의 반응물을 저장하고 적어도 하나의 반응물을 반응 챔버에 공급하기 위한 적어도 하나의 반응물 저장부를 포함할 수 있다. 반응물 저장부는, 예를 들어 충진 노즐 또는 유입구를 통해 충전가능할 수 있다. 반응물 저장부는 적어도 하나의 공급 파이프, 관 또는 채널을 통해 반응 챔버에 연결될 수 있다.
화학 가열 장치는 반응물 저장부 내의 반응물을 가압하여 반응 챔버로의 반응물의 공급을 용이하게 하기 위한 압력 수단을 포함할 수 있다. 이러한 압력 수단은 반응물 저장부 내의 반응물에 압력을 가하는 마이크로-펌프 또는 가압 가스 또는 로딩된 스프링을 포함할 수 있다.
공급 파이프, 관 또는 채널은 모세관 채널의 복수 또는 어레이를 포함할 수 있어서, 반응물이 모세관 힘에 의해 자동으로 분배되게 한다. 모세관 채널의 개수는 유속을 제어하거나 미리 결정하는데 사용될 수 있다. 유리하게는, 모세관 채널은 반응 챔버로의 반응물의 공급을 용이하게 하기 위한 임의의 압력 수단이 필요하지 않다. 이는 화학 가열 장치를 단순화시킨다.
반응 챔버는 유입구, 오리피스 또는 개구부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응 챔버는 발열 화학 반응의 적어도 하나의 반응물을 수용하기 위해 반응물 저장부에 연결된 유입구를 포함할 수 있다. 특히, 반응물 저장부를 반응 챔버에 연결하는 공급 파이프, 관 또는 채널은 반응 챔버의 유입구에 결합될 수 있다.
반응 챔버는 공기 공급부, 특히 산소를 위한 유입구를 포함할 수 있다. 또한, 반응 챔버는 적어도 하나의 유출구, 특히 반응 챔버로부터의 발열 화학 반응의 반응 생성물을 배출하기 위한 적어도 하나의 유출구를 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 반응 챔버는 적어도 하나의 배기 유출구를 포함할 수 있다.
화학 가열 장치는 열 차폐를 위해 반응 챔버와 반응물 저장부 사이의 열 배리어를 포함할 수 있다. 특히, 반응물 저장부를 반응 챔버에 연결하는 공급 파이프, 관 또는 채널은 열 배리어를 통해 공급될 수 있다.
예를 들어, 액체 또는 기체 연료 히터의 경우, 히터는 반응 챔버에 연료를 공급하기 위한 연료 저장부를 포함할 수 있다. 이를 위해, 반응 챔버는 공급 파이프를 통해 연료 저장부와 유체 연통할 수 있다. 저장부 내의 연료는 충전 노즐을 통해 리필될 수 있다. 또한, 화학 가열 장치는 연료 저장부 내의 연료를 가압하기 위한 압력 수단을 제공할 수 있어서, 예를 들어 연료 저장부와 반응 챔버 사이의 유체 연통을 제어하기 위해 연료 밸브를 개방할 때, 연료가 반응 챔버 내로 쉽게 분배될 수 있게 된다.
가열 조립체는, 특히 일차 열의 발생을 조정하거나 제한하기 위해, 일차 열의 발생을 제어하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 이러한 수단은 적어도 하나의 반응물을 발열 화학 반응에 공급하고 일차 열의 발생을 제어하기 위한 제어가능한 공급 시스템을 포함할 수 있다. 공급 시스템의 제어가능성은, 특히 일차 열의 발생을 미리 설정된 한계로 제한하기 위해 일차 열의 발생을 미리 설정하게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제어가능한 공급 시스템은 가열 조립체 또는 에어로졸 발생 장치 각각의 사용 동안 일차 열의 발생을 조정하게 할 수 있다. 제어가능한 공급 시스템은 적어도 하나의 유입구 또는 유출구 각각을 통한 유속을 제어하기 위한 유입구 밸브 및 유출구 밸브 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 제어가능한 공급 시스템은 반응물 저장부로부터 반응 챔버로의 반응물의 공급을 제어하기 위한 적어도 하나의 유입구 밸브 또는 반응 챔버 내로의 공기 공급을 제어하기 위한 공기 유입구 밸브를 포함할 수 있다. 반응물 저장부 내의 반응물을 가압하기 위한 압력 수단은, 일차 열의 발생 또는 제어가능한 공급 시스템을 각각 제어하기 위한 수단의 일부일 수 있거나, 그 수단의 영향을 받을 수 있다.
가열 조립체는 에어로졸 형성 기재로의 일차 열의 공급을 제어하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 이러한 수단은, 예를 들어, 열 전달 요소를 가역적으로 변위시켜 에어로졸 형성 기재와 열적으로 근접하거나 열적으로 접촉하게 되고 그 반대로 되도록 하기 위한 변위 장치 또는 변위 기구를 포함할 수 있다. 이러한 수단은 또한, 에어로졸 형성 기재를 가역적으로 변위시켜 열 전달 요소와 열적으로 근접하거나 열 전달 요소에 열적으로 접촉하게 되고 그 반대로 되도록 하기 위한 변위 장치 또는 변위 기구를 포함할 수 있다. 이러한 수단은 또한 열 전달 요소, 특히 열 전달 요소의 제1 부분을 가역적으로 변위시켜 반응 챔버와 열적으로 근접하거나 열 접촉하게 되고 그 반대로 되도록 하기 위한 변위 장치 또는 변위 기구를 포함할 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 전기 가열 장치는 전기 에너지를 열로 변환하도록 구성되어 있는 임의의 장치일 수 있다.
예를 들어, 전기 가열 장치는 교류 자기장을 생성하기 위한 발생기, 및 교류 자기장에 의해 유도 가열되고 교류 자기장에 의해 가열될 수 있도록 발생기에 대해 위치되는 서셉터 물질을 포함하고 있는 유도성 히터일 수 있다. 이를 위해, 에어로졸 형성 기재는 서셉터 물질에 열적으로 근접하게 되어야 한다. 따라서, 본 발명의 가열 조립체는 에어로졸 발생 장치 내에서 가열 조립체의 사용시 서셉터 물질이 유리하게는 에어로졸 형성 기재와 열적으로 근접하거나 열 접촉하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 유도성 히터는 교류 자기장을 생성하기 위한 발생기만을 포함할 수 있는 반면에, 서셉터 물질은 가열될 에어로졸 형성 기재에 통합되어 있다.
바람직하게는, 전기 가열 장치는 저항 가열 요소를 포함하고 있는 저항 가열 장치이다. 저항 가열 요소는 전류가 그의 영구성 옴 저항 또는 저항성 부하로 인해 통과될 때 가열된다. 이를 위해, 저항 가열 요소는 전력 공급부에 연결될 수 있다. 전력 공급부는 DC 전압원, 예를 들어 배터리, 바람직하게는 충전식 배터리, 예컨대 리튬-이온 배터리일 수 있다.
전력 공급부는 일반적으로 전기 가열 장치 또는 가열 조립체의 일부일 수 있다. 대안적으로, 전기 가열 장치는 본 발명의 가열 조립체가 제공되는 에어로졸 발생 장치의 일부일 수 있다. 전력 공급부가 에어로졸 발생 장치 또는 가열 조립체의 일부인지 여부에 관계없이, 전력 공급부는, 예를 들어, 가열 조립체의 제어기 또는 에어로졸 발생 장치의 전체 제어기를 실행하기 위해, 다른 목적을 위해 사용될 수도 있다.
저항 가열 요소는 저항 가열 와이어, 저항 가열 트랙, 저항 가열 그리드 또는 저항 가열 메쉬 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
저항 가열 요소는 에어로졸 형성 기재와 적어도 부분적으로 열적으로 근접하거나 열적으로 접촉하게 되도록 구성될 수 있다. 저항 가열 요소는 액체 에어로졸 형성 기재와 접촉하게 되거나 이와 접촉하고 있을 수 있는 액체 컨베이어와 적어도 부분적으로 열적으로 근접하거나 열적으로 접촉하게 되도록 구성될 수 있다.
화학 가열 장치와 유사하게, 전기 가열 장치는 열 전달 요소를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 열 전달 요소는 저항 가열 요소와 열적 접촉하고 있거나 저항 가열 요소가 배치되어 있는 제1 부분을 포함할 수도 있다. 열 전달 요소는 또한 에어로졸 형성 기재에 적어도 부분적으로 열적으로 근접하거나 열적으로 접촉하게 되도록 구성되어 있는 제2 부분을 포함할 수 있다. 열 전달 요소의 추가 특징 및 이점은 화학 가열 장치의 열 전달 요소에 관하여 설명되었으며 반복되지 않을 것이다.
일반적으로, 화학 가열 장치 및 전기 가열 장치는, 특히 각각의 가열 장치로부터 에어로졸 형성 기재로의 열 공급에 관하여 분리되어 독립적일 수 있다. 예로서, 상기 가열 조립체는 상기 화학 가열 장치 및 상기 전기 가열 장치가 상이한 위치에서 또는 상이한 방향으로부터 상기 에어로졸 형성 기재에 열을 공급할 수 있도록 구성될 수 있다.
그러나, 가열 조립체는 바람직하게는 화학 가열 장치 및 전기 가열 장치가 동일한 위치 또는 동일한 위치들에서 에어로졸 형성 기재에 열을 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 따라서, 가열 조립체는 바람직하게는 화학 가열 장치 및 전기 가열 장치가 에어로졸 형성 기재에 결합 또는 병합되거나 합쳐진 열 입력을 제공하도록 구성될 수 있다. 이는 에어로졸 형성 기재의 훨씬 더 균질한 가열을 제공한다. 더욱 더, 조합하여 사용될 때 일차 열 및 이차 열의 축적에 따라 에어로졸 형성 기재의 온도가 달라짐에 따라, 결합 또는 병합되거나 합쳐진 열 입력은 에어로졸 형성 기재의 온도를 제어하는 것을 용이하게 하고, 특히 에어로졸 형성 기재의 온도를 목표 온도로 조정하는 것을 돕는다.
유리하게, 저항 가열 요소는 적어도 부분적으로 화학 가열 장치의 열 전달 요소 내에 또는 그 위에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 저항 가열 요소는 열 전달 요소의 제2 부분 내에 또는 그 위에 배열될 수 있다. 전기 단락 회로를 피하기 위해, 열 전달 요소는 저항 가열 요소를 수용하거나 지지하는 전기 절연 코팅층 또는 기재를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 저항 가열 요소 자체가 전기 절연 코팅층 또는 기재를 포함할 수 있다. 두 경우 모두, 코팅층 또는 기재는 바람직하게 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 화학 히터의 열 전달 요소는 제1 및 제2 부분을 따라 연장되어 있는 금속 코어 부재를 갖는 블레이드를 포함할 수 있다. 제2 부분을 따라, 금속 코어 부재는 2개의 세라믹 커버 부재 사이에 추가적으로 끼워질 수 있다. 적어도 하나의 커버 부재의 외부 표면은 저항 가열 요소로서, 예를 들어 백금으로 만들어진 금속 트랙으로 코팅될 수 있다. 가열 용량을 최대화하기 위해, 금속 트랙은 곡류형 또는 나선형 형상일 수 있다.
유리하게, 저항 가열 요소는 온도 센서로서 작용하도록 구성될 수 있다. 이러한 가능성은 저항 가열 요소를 구성하는 데 사용되는 저항성 재료의 온도 의존 저항 특성에 의존한다. 가열 장치는 저항 가열 요소의 저항을 측정하기 위한 판독 장치를 더 포함할 수 있다. 판독 장치는 가열 조립체의 제어기 또는 에어로졸 발생 장치의 제어기의 일부일 수 있다. 측정된 온도는 가열 요소의 실제 온도에 직접 대응한다. 측정된 온도는 가열될 에어로졸 형성 기재에 대한 가열 요소의 위치 및 전기 가열 장치로부터 에어로졸 형성 기재로의 열 공급의 소정의 특징에 따라, 에어로졸 형성 기재의 실제 온도를 나타낼 수도 있다. 따라서, 저항 가열 요소는 에어로졸 형성 기재의 온도를 제어하기 위한, 특히 에어로졸 형성 기재의 실제 온도를 목표 온도로 조정하기 위한 온도 센서로서 사용될 수 있다.
가열 조립체는 화학 가열 장치에 의해 발생된 열을 전력으로 변환하기 위한 에너지 변환 장치를 포함할 수 있다. 유리하게는, 이러한 장치는 열 회수를 위해 사용될 수 있다. 특히, 에너지 변환 장치는 에어로졸 형성 기재에 제공될 수 없는 화학 가열 장치에 의해 발생된 과량의 열 또는 폐열을 변환하도록 구성될 수 있다. 에너지 변환 장치는 바람직하게는 적어도 하나의 열전기 발생기를 포함하고 있다. 열전기 발생기는 일반적으로 Seebeck 원칙에 기초하고 있다. 열 엔진에 비해, 열전기 발생기에는 움직이는 부품이 없고 부피가 덜 크다.
바람직하게는, 에너지 변환 장치는 변환된 전력으로 전기 가열 장치를 공급하기 위해 전기 가열 장치에 작동적으로 연결되어 있다. 특히, 변환된 전력은 전기 가열 장치를 실행하는 데 사용되는 전력 공급부에 공급될 수 있다. 일 실시예로서, 에너지 변환 장치는 재충전을 위해 변환된 전력으로 공급하기 위해 배터리에 작동적으로 연결될 수 있다. 물론, 에너지 변환 장치는 또한 가열 조립체 또는 에어로졸 발생 장치의 다른 전기 구성요소에 작동적으로 연결될 수도 있다. 예를 들어, 이러한 구성요소는, 글로벌 배터리와 같은, 에어로졸 발생 장치의 글로벌 전력 공급부, 또는 가열 조립체의 제어기 또는 에어로졸 발생 장치의 제어기일 수 있다.
에너지 변환 장치는 에어로졸 발생 장치에 또는 가열 조립체 자체에 할당할 수 있다.
에너지 변환 장치는 유리하게는 반응 챔버와 열적으로 근접하거나 열 접촉하게 배치될 수 있다. 열 전달 요소의 제1 부분과 유사하게, 에너지 변환 장치는 반응 챔버에 적어도 부분적으로 배열되거나 반응 챔버의 내부에 노출될 수 있다. 예를 들어, 에너지 변환 장치는 반응 챔버의 벽면의 적어도 일부분일 수 있다. 에너지 변환 장치 및 화학 가열 장치의 열 전달 요소는 상이한 위치 또는 영역에서 반응 챔버를 탭할 수 있다.
본 발명에 따르면, 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 발생시키기 위한 에어로졸 발생 장치가 또한 제공되어 있다. 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위해, 에어로졸 발생 장치는 본 발명에 따르고 본원에 기술된 바와 같은 가열 조립체를 포함하고 있다.
본 발명에 따른 에어로졸 발생 장치의 추가 특징 및 이점은 가열 조립체에 관해서 설명되었으며 반복하지 않을 것이다.
에어로졸 발생 장치는 전체 제어기일 수도 있는 제어기를 포함할 수도 있다. 제어기는 에어로졸 형성 기재의 온도를 제어하기 위해, 특히 에어로졸 형성 기재의 온도를 목표 온도로 조정하기 위해 사용될 수도 있다. 에어로졸 발생 장치의 제어기는 가열 조립체의 제어기를 포함하고 있거나 제어기일 수 있다. 에어로졸 발생 장치의 제어기는, 일차 열의 발생을 제어하기 위한 수단을 제어하거나 그 위에 작용하기 위해, 특히 제어가능한 공급 시스템을 제어하거나 그 위에 작용하기 위해 사용될 수 있다. 에어로졸 발생 장치의 제어기는 또한 일차 열의 공급을 제어하기 위한 수단을 제어하거나 그 위에 작용하는데 사용될 수도 있다.
에어로졸 발생 장치는 바람직하게는 전력, 특히 전기 가열 장치로 가열 조립체를 공급하기 위해 사용되는 글로벌 전력 공급부를 포함할 수 있다.
또한, 에어로졸 발생 장치는 에어로졸 형성 기재를 수신하고, 수용하고, 바람직하게는 보유하기 위한 구성요소를 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 에어로졸 발생 장치는 고체 에어로졸 형성 기재를 수용하기 위한 공동을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 에어로졸 발생 장치는 액체 에어로졸 형성 기재용 저장부를 포함할 수도 있다. 그 경우, 에어로졸 발생 장치는 액체 에어로졸 형성 기재, 예를 들어 모세관 활성 메쉬 또는 심지 부재를 운반하기 위한 액체 컨베이어를 또한 포함할 수 있다. 바람직하게는, 액체 컨베이어는 일차 및 이차 열을 공급받기 위해 가열 조립체와 접촉하게 될 수 있거나 접촉하고 있다.
본 발명에 따르면, 에어로졸 형성 기재를 가열하여, 특히 본 발명에 따르고 본원에 기술된 바와 같이 가열 조립체 또는 에어로졸 발생 장치를 사용하여 에어로졸을 발생시키는 방법이 제공되어 있다. 상기 방법은 다음 단계들의 순차적 또는 병렬적 수행 중 적어도 하나를 포함하고 있다:
에어로졸 형성 기재를 가열하기 위해 발열 화학 반응에 의해 일차 열을 생성하고 상기 일차 열을 상기 에어로졸 형성 기재에 공급하는 단계;
상기 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위해 이차 열을 전기적으로 발생시키고 상기 이차 열을 상기 에어로졸 형성 기재에 공급하는 단계.
특히, 본 발명에 따른 방법은 상기 단계들의 순차적 및 병렬적 수행의 조합, 즉 일차 열과 이차 열의 순차적 및 병렬적 사용 조합을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 이점은 본 발명에 따른 가열 조립체 및 에어로졸 발생 장치에 관해서 설명되어 있고 반복하지 않을 것이다.
가열 조립체에 관하여 이미 설명한 바와 같이, 에어로졸 형성 기재를 순차적으로 가열하기 위해 일차 열 및 이차 열이 사용될 수도 있다. 특히, 에어로졸을 발생시키는 상이한 단계 동안 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위해 일차 열 및 이차 열이 각각 사용될 수 있다. 일차 열은 이차 열을 사용하기 전에 사용될 수도 있고, 또는 그 반대일 수도 있다. 일반적으로, 상기 방법은 일차 열 및 이차 열을 사용하는 임의의 순서, 예를 들어 일차 열 및 이차 열의 교번 사용을 포함하는 순서를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상이한 단계 동안 에어로졸 형성 기재를 상이한 온도로 가열하기 위해 일차 열 및 이차 열은 각각 사용될 수 있으며, 이는 시간에 따른 에어로졸의 발생을 제어할 수 있게 한다. 일 실시예로서, 일차 열은 제1 온도 프로파일에 따라 에어로졸 발생의 제1 단계 동안 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위해 사용될 수 있고, 이차 열은 제2 온도 프로파일에 따라 에어로졸 발생 물품의 제2 단계 동안 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 제1 온도 및 제2 온도 프로파일은 온도가 제1 단계 동안 초기 온도에서 제1 온도로 증가하고, 제2 단계 동안 제1 온도 아래로 강하된 다음 다시 증가하도록 하는 것일 수 있다.
대안적으로, 일차 열 및 이차 열은 에어로졸 형성 기재의 조합된 가열에 대해 병렬로 사용될 수도 있다. 특히, 일차 열은 에어로졸 형성 기재를 예비-목표 온도로 가열하기 위해 사용될 수 있고, 이차 열은 에어로졸 형성 기재를 예비-목표 온도 위의 목표 온도로 추가 가열하기 위해 일차 열에 더하여 사용될 수 있다.
가열 조립체와 유사하게, 상기 방법은 적어도 이차 열의 발생을 제어하여 에어로졸 형성 기재의 온도를 목표 온도로 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 마찬가지로, 상기 방법은 발열 화학 반응으로부터 열을 전력으로 변환하고 이차 열을 전기적으로 발생시키기 위해 변환된 전력을 제공하거나 사용하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
상기 방법은 일차 열의 발생 또는 공급 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 일차 열의 발생은 예를 들어, 발열 화학 반응의 적어도 하나의 반응물의 공급을 제어하는 것에 의하여 제어될 수 있다. 일차 열의 공급은 가열 조립체에 관하여 전술한 바와 같은 수단을 사용하는 것에 의하여 제어될 수 있다.
상기 방법은 에어로졸 형성 기재에 대한 일차 열 및 이차 열 중 적어도 하나의 공급을 제어하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
본 발명이 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 더 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 하이브리드 가열 조립체를 포함하고 있는 에어로졸 발생 장치의 개략도이고;
도 2는 본 발명의 제2 구현예에 따른 하이브리드 가열 조립체를 포함하고 있는 에어로졸 발생 장치의 개략도이고;
도 3은 도 1 및 도 2에 따른 하이브리드 가열 조립체의 일부분을 통한 단면을 보여주고 있으며,
도 4는 본 발명의 제3 구현예에 따른 하이브리드 가열 조립체를 포함하고 있는 에어로졸 발생 장치의 개략도이고; 및
도 5 내지 도 8은 도 4에 따른 하이브리드 가열 조립체의 상세를 보여주고 있다.
도 1은 제1 구현예에 따른 가열 조립체(10)를 포함하고 있는 에어로졸 발생 장치(1)를 개략적으로 보여주고 있다. 가열 조립체(10)는 에어로졸 형성 기재의 조합된 가열을 위한, 2개의 가열 장치, 화학 가열 장치(200) 및 전기 가열 장치(100)를 포함하고 있다. 화학 가열 장치(200)는 에어로졸 형성 기재의 원하는 목표 온도 아래인 예비-목표 온도로 에어로졸 형성 기재를 예비-가열하기 위한 발열 화학 반응에 의해 일차 열을 제공하여 에어로졸을 형성한다. 목표 온도에 도달하기 위해, 전기 가열 장치(100)는 일차 열에 더하여 이차 열을 제공한다. 발열 화학 반응의 고 에너지 밀도로 인해, 화학 가열 장치는 바람직하게는 온도의 대략적인 조정(coarse adjustment)을 위해 주요 양의 열을 제공하지만, 전기 가열 장치는 바람직하게는 온도의 미세 조정을 위해 사용되는 소량의 열을 제공한다.
도 1에 따른 구현예와 관련하여, 화학 가열 장치(200)는 반응 챔버(201)에서 촉매된 연료 연소에 의해 일차 열을 발생시키도록 구성되어 있는 촉매 히터이다. 이를 위해, 분배 관(204)을 통해 반응 챔버(201)와 유체 연통하고 있는 반응물 저장부 또는 연료 저장부(202)에 연료가 제공되어 있다. 연료 저장부(202)는 충진 유입구(미도시함)를 통해 리필될 수 있다. 화학 가열 장치(200)는 또한 연료 저장부(208)에 있는 연료를 가압하기 위한 압력 수단(208)을 포함하고 있으며, 연료 저장부(202) 내의 압력이 반응 챔버(201)에서보다 높게 하고, 후자는 통상적으로 대기압에 있다. 이로 인해, 연료 흐름을 저장부(202)로부터 반응 챔버(201) 내로 제어하도록 구성되어 있는 밸브(203)를 개방할 때 분배 관(204)을 통해 반응 챔버(201) 내로 연료 공급이 자동적으로 분배된다.
분배기 관(204) 용 유입구와 이격되어, 반응 챔버(201)는 촉매 반응을 위한 산소를 제공하기 위한 공기 유입구(207)를 포함하고 있다. 또한, 반응 챔버(201)는 물 및 촉매 반응의 배기 가스를 환경에 방출하기 위한 유출구(206)를 포함하고 있다.
열 배리어(205)가 열 차폐를 위해 반응 챔버(201)와 연료 저장부(202) 사이에 제공되어서, 연료 저장부 및 열 배리어(205) 너머 다른 구성요소들이 합리적인 온도로 유지된다.
반응 챔버(201)에서, 연료는 촉매된 발열 반응에 의해 연소되어, 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 일차 열을 생성한다.
연료는 그의 산화를 통해 에너지를 공급할 수 있는 임의의 유기 화합물일 수 있다. 예를 들어, 연료는, 쉽게 산화되는 단쇄 알코올(메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 이소프로판올 및 부탄올 및 이성질체), 케톤, 알데히드 또는 카르복실산 중 하나를 포함할 수 있다. 촉매 식으로 연소가능한 기체는, 예를 들어 수소, 메탄, 프로판, 펜탄, 에테르, 에탄, 부탄 및 그들의 이성질체 중 하나를 포함할 수 있다.
연료 연소를 촉매하기 위해 사용되는 촉매는 높은 산소 환원 반응성을 갖는 촉매일 수 있다. 촉매는 예를 들어, Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn 및 Cd를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 하나 이상의 금속의 합금을 포함할 수 있다. 특히, 촉매는 적어도 하나의 귀금속, 적어도 하나의 전이 금속 또는 적어도 하나의 금속과 적어도 하나의 전이 금속, 예를 들어 Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Ni,Os,Re,Co,Fe, Mn, Ag, Cu의 조합을 포함할 수 있다. 촉매는 예를 들어 반응 챔버(201) 내의 기재 물품의 표면 상에 지지될 수 있다.
연료-산소 혼합물의 촉매된 발열 반응에 의해 발생된 일차 열은 열 전달 요소(210)를 통해 반응 챔버(201)로부터 에어로졸 발생 장치(1)의 하우징(3) 내에 정의된 공동(2)으로 전달된다. 공동(2)은 가열될 에어로졸 형성 기재를 포함하고 있는 에어로졸 발생 물품을 수용하기 위해 에어로졸 발생 장치(1)의 근위 말단에서 개방되어 있다. 예를 들어, 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 발생 물품(미도시함)을 형성하는 플러그 내로 압축되거나 성형될 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 구현예 내에서 사용된 열 전달 요소(210)의 추가 세부사항을 보여주고 있다. 열 전달 요소(210)는 공동(2) 옆에 있는 반응 챔버(201)의 벽면을 통해 공급된 금속성 블레이드(214)를 포함하고 있다. 열 전달 요소(210)는 반응 챔버(201) 내에 배열되어 있으며, 바람직하게는 열 전달을 최적화하기 위해 촉매 반응이 직접 수행되는 제1 부분(212)을 포함하고 있다. 열 전달 요소(210)의 제2 부분(211)은 반응 챔버(201)로부터 분리된 공동(2) 내에 배열되어 있다. 제2 부분(211)의 근접 말단은 점점 좁아지고, 따라서 그것이 하우징(3)의 공동(2) 내로 밀릴 때 에어로졸 발생 물품을 플러그 온 및 보유하는 것을 용이하게 한다. 이에 의해, 에어로졸 형성 기재는, 그러나, 반응 자체에 직접 접촉하지 않고, 촉매된 발열 반응과 직접 열 접촉하게 될 수 있다.
또한 도 1 및 도 3을 참조하면, 열 전달 요소(210)는 제2 부분(211)을 따라 블레이드(214)의 금속 코어를 사이에 끼우는 세라믹 커버 부재(213)를 포함하고 있다. 세라믹 커버 부재(214)는 저항 가열 장치(100)의 일부인 전기 전도성 가열 요소(103)를 지지하도록 전기 비전도성 기재를 제공한다. 본 구현예에서, 가열 요소는 블레이드-형 열 전달 요소(210)의 양 측면에 금속 트랙(103)을 포함하고 있다. 에어로졸 형성 기재로의 열 전달을 최적화하기 위해, 금속 트랙(103)은 곡류형 구성으로 배열되어 있다. 대안적으로, 트랙은 나선형 구성으로 배열될 수 있다. 열을 전기적으로 발생시키기 위해, 가열 요소(103)는 저항성 재료로 이루어진다. 바람직하게는, 금속 트랙은 백금으로 만들어진 것이다.
트랙은 전류를 흐르게 해서 원하는 목표 온도로 가열될 수 있다. 이를 위해, 열 전달 요소(210)의 양 측면 상의 트랙은 전기 연결부(102)를 통해 전력 공급부(104)에 병렬로 연결되어 있다. 본 구현예에서, 전력 공급부는 재충전가능 배터리, 예를 들어 리튬-이온 배터리이다.
유리하게는, 가열 트랙(103)은 부착된 에어로졸 형성 기재의 실제 온도를 나타내는 열 전달 요소(210)의 표면 상의 온도를 측정하는 데 동시에 사용될 수 있다. 가열 요소(103)의 물질이 저항 특성의 적절한 온도 계수를 갖는다고 가정하면, 가열 요소(103)의 저항을 측정하여, 예를 들어 전기 전도성 가열 요소(103)를 통한 전압과 전류를 측정하여 온도가 결정될 수 있다. 온도 센서로서 가열 요소를 사용하면, 별도의 온도 센서가 필요하지 않으므로 가열 조립체(10) 내의 구성요소의 수를 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 그러나, 추가적으로 또는 대안적으로, 가열 조립체(10)는 물론, 별도의 온도 센서를 포함할 수도 있다.
전자 회로 기판 상에 구현된 마이크로 컨트롤러 유닛과 같은 제어기(101)가 에어로졸 형성 기재의 온도를 제어하기 위해 사용될 수도 있다. 본 발명에 따르면, 이는 화학 가열 장치(200)에 의해 제공된 일차 열의 상단에 전기 가열 장치(100)에 의해 제공되는 적어도 이차 열을 제어하여 실현된다. 따라서, 제어기(101)는 적어도 전기 가열 장치(100)에 작동적으로 연결되어 있다. 특히, 제어기(101)는 전술한 바와 같이 가열 요소(103)의 온도 의존 저항을 결정하여 열 전달 요소(210)의 표면 상의 실제 온도를 결정하도록 구성될 수 있다. 열 전달 요소(210)의 표면 상의 온도는 에어로졸 형성 기재의 실제 온도를 나타낸다. 에어로졸 형성 기재의 실제 온도와 원하는 목표 온도 또는 열 전달 요소 상의 대응하는 온도의 각각의 비교에 기초하여, 제어기(101)는 전력 공급부(104)로부터 전기 가열 요소(103)로의 전력을 제어하도록 추가로 구성되어 있다. 열 전력은 바람직하게는 가열 요소(103)에 간헐적으로 공급된다. 유리하게, 에어로졸 형성 기재의 온도의 미세 조정을 위한 이차 열의 제어는 폐쇄-루프이다.
제어기(101)는 전력 공급부(104)의 재충전을 제어하기 위해, 예를 들어 외부 전력 공급부로부터 배터리의 재충전을 제어하기 위해 사용될 수도 있다. 제어기는, 예를 들어 연료 밸브(203)를 제어하여, 그에 의해 연료 저장부(202)로부터 반응 챔버(201)로 분배될 연료 양을 제어하여, 일차 열의 발생을 제어하는 데 사용될 수도 있다. 이를 위해, 제어기(101)는 반응 챔버(201)에서 미리 보정된 연료 유속 대 발생된 일차 열을 포함하는 테이블(예를 들어, 제어기(101)의 저장 유닛에 저장됨)에 접근할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제어기(101)는 또한 반응 챔버(201) 내로 산소 공급을 조절하기 위해 공기 유입구(207)에 작용할 수 있다. 일차 열의 생성은 실제 목표 온도 보다 낮은 예비-목표 온도로 제한되어서, 과열의 경우에 실제 온도를 합리적인 온도로 쉽게 감소시킬 만큼 이차 열의 완전한 차단이 충분할 것이다. 바람직하게는, 예비-목표 온도는 약 250°C인 반면, 목표 온도는 전형적으로 300°C 내지 350°C이다.
일반적으로, 제어기(101) 및/또는 전력 공급부(104)는 가열 조립체(10) 또는 전체 에어로졸 발생 장치(1)의 일부일 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 구현예에 따른 가열 조립체(10)를 포함하고 있는 에어로졸 발생 장치(1)를 개략적으로 보여주고 있다. 에어로졸 형성 기재에 제1 및 제2 열을 발생시키고 공급하는 기본 개념은 도 1에 따른 제1 구현예와 유사하다. 따라서, 동일한 특징부들은 달리 명시하지 않는 한 동일한 참조 부호로 나타난다.
도 1에 따른 제1 구현예와 대조적으로, 제2 구현예에 따른 가열 조립체는 화학 가열(200) 장치에 의해 발생된 열을 전력으로 변환하기 위한 에너지 변환 장치(107)를 포함하고 있다. 본 구현예에서, 에너지 변환 장치(107)는 Seebeck 원리에 기초하여 온도 구배로부터 전기를 발생시킬 수 있는 적어도 하나의 열전기 발생기를 포함할 수 있다. 이러한 열전기 발생기는 일반적으로 종래 기술로부터 공지되어 있다. 이를 위해, 열전기 발생기는 도 1에 따른 제1 구현예에서의 열 배리어(205) 대신에 연료 저장부와 반응 챔버 사이에 배열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 열전기 발생기는 반응 챔버(201)로부터 외측으로 향하여는 "저온" 측면을 갖는 반응 챔버에 측방향으로 부착되어 배열될 수 있다.
바람직하게는, 에너지 변환 장치(107)에 의해 발생된 전력은 전체 에어로졸 발생 장치(1)의 가열 조립체(10)의 전력 공급부(104) 내로 공급된다. 본 구현예에서, 가열 조립체(10)는 배터리(104)를 적어도 부분적으로 재충전하기 위해 에너지 변환 장치(107)에 의해 제공되는 전력을 사용하는 배터리 충전기(105)를 포함하고 있다. 이를 위해, 배터리 충전기(105)는 전기 연결부(106)를 통해 에너지 변환 장치(107) 및 전력 공급부(104)에 작동적으로 연결되어 있다.
도 4, 5, 6, 7 및 8은 본 발명의 제3 구현예에 따른 가열 조립체(10)를 포함하고 있는 에어로졸 발생 장치(1)를 보여주고 있다. 에어로졸 형성 기재에 제1 및 제2 열을 발생시키고 공급하는 기본 개념은 도 1 및 도 2에 따른 제1 및 제2 구현예와 유사하다. 따라서, 동일한 특징부들은 달리 명시하지 않는 한 동일한 참조 부호로 나타난다.
도 1 및 도 2에 따른 구현예와 대조적으로, 제3 구현예에 따른 가열 조립체(10)는 컵-형 열 전달 요소(210)를 포함하고 있다.
열 전달 요소(210)는 판-형의 제1 부분(212)(도 6의 평면도 및 도 8의 사시도에는 도시되지 않음) 및 중공-원통형 제2 부분(211)을 포함하고 있다. 제1 부분(212)은 제2 부분(211)의 하단에 부착되거나 이를 형성할 수 있다(도 5의 단면도 참조).
제1 부분(212)은 발열 화학 반응이 제1 부분(212)의 노출된 표면 상에서 직접 일어나도록 반응 챔버(201) 내에 적어도 부분적으로 배치되거나 노출되어 있다. 제1 부분(212)은 중공-원통형 제2 부분(211) 내에 수용될 수 있는 에어로졸 형성 기재로 일차 열을 효율적으로 전달할 수 있게 하는 금속으로 만들어진 것이다.
제2 부분(211)은 또한 일차 열의 전달에 관여하고 있다. 이를 위해, 중공-원통형 제2 부분(211)은 세라믹 물질로 제조되어, 양호한 열 전도성과 높은 내열성을 제공한다.
특히 도 7의 측면도 및 도 8의 사시도로부터 볼 수 있는 바와 같이, 비전도성 제2 부분(211)의 외부 표면은 저항 가열 장치(100)의 일부인 전기 전도성 가열 요소(103)를 지지한다. 본 구현예에서, 가열 요소는 제2 부분(211)의 외부 표면 상에 곡류형 구성으로 원주 상에 배열되어 있는 금속 트랙(103)(도 4와 도 5의 점선)을 포함하고 있다. 상기 곡류형 구성은 유리하게는 가열 요소(103)로부터 상기 제2 부분(211)을 통해 상기 에어로졸 형성 기재로의 열 전달을 최적화한다. 도 1 및 도 2에 도시된 가열 조립체와 동일한 방식으로, 트랙(103)은 전류를 흐르게 하여 가열될 수 있다. 이를 위해, 트랙은 전기 연결부(102)를 통해 전력 공급부(104)에 연결되어 있다.
장치의 사용자가 접촉 화상을 입는 것을 피하기 위해, 열 배리어(108)가 제2 부분(211)의 외부 표면과 에어로졸 발생 장치(1)의 하우징(3)의 원위 말단에서 정의된 공동(2)의 내부 표면 사이의 간극에 배열되어 있다.

Claims (13)

  1. 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 에어로졸 발생 장치의 가열 조립체로서, 상기 가열 조립체는,
    상기 기재를 가열하기 위해 발열 화학 반응에 의해 일차 열을 발생시키고 상기 일차 열을 에어로졸 형성 기재에 공급하도록 구성되어 있는 화학 가열 장치,
    상기 기재를 가열하기 위해 이차 열을 전기적으로 발생시키고 상기 에어로졸 형성 기재에 공급하도록 구성되어 있는 전기 가열 장치, 및
    상기 에어로졸 형성 기재의 온도를 제어하기 위해 적어도 상기 전기 가열 장치에 작동적으로 연결되어 있는 제어기를 포함하는, 가열 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열 조립체는,
    상기 화학 가열 장치 및 상기 전기 가열 장치를 조합해서 사용하는 것에 의한 상기 에어로졸 형성 기재의 병렬 가열;
    상기 화학 가열 장치 및 상기 전기 가열 장치를 순차적으로 사용한 상기 에어로졸 형성 기재의 순차 가열; 중 적어도 하나를 위해 구성되어 있는 것인, 가열 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 화학 가열 장치는 상기 기재를 예비-목표 온도로 가열하도록 구성되어 있고, 상기 전기 가열 장치는 상기 화학 가열 장치에 더하여 상기 기재를 상기 예비-목표 온도 위의 목표 온도로 추가로 가열하도록 구성되어 있는 것인, 가열 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 화학 가열 장치는 상기 발열 화학 반응을 실행하기 위한 반응 챔버 및 상기 반응 챔버로부터 일차 열을 전달하기 위한 열 전달 요소를 포함하는 것인, 가열 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가열 조립체는 상기 발열 화학 반응에 적어도 하나의 반응물을 공급하고 상기 일차 열의 발생을 제어하기 위한 제어 가능한 공급 시스템을 포함하는 것인, 가열 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전기 가열 장치는 저항 가열 요소를 포함하는 것인, 가열 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 화학 가열 장치에 의해 발생된 열을 전력으로 변환하기 위한 에너지 변환 장치를 더 포함하는 것인, 가열 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 에너지 변환 장치는 상기 전기 가열 장치에 변환된 전력을 공급하기 위해 상기 전기 가열 장치에 작동가능하게 연결되어 있는 것인, 가열 조립체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 가열 조립체를 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
  10. 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 발생시키는 방법으로서, 상기 방법은 다음 단계들:
    - 상기 기재를 가열하기 위해 발열 화학 반응에 의해 일차 열을 발생시키고 상기 일차 열을 상기 에어로졸 형성 기재에 공급하는 단계;
    - 상기 기재를 가열하기 위해 이차 열을 전기적으로 발생시키고 상기 이차 열을 상기 에어로졸 형성 기재에 공급하는 단계; 및
    - 적어도 상기 이차 열의 발생을 제어하여 상기 에어로졸 형성 기재의 온도를 목표 온도로 조정하는 단계;의 순차적 또는 병렬적 수행 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 일차 열 및 상기 이차 열은 에어로졸을 발생시키는 상이한 단계 동안 상기 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위해 사용되는 것인, 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 일차 열은 상기 에어로졸 형성 기재를 예비-목표 온도로 가열하기 위해 사용되고, 상기 이차 열은 상기 에어로졸 형성 기재를 상기 예비-목표 온도 위의 목표 온도로 추가로 가열하기 위해 상기 일차 열에 더하여 사용되는 것인, 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 발열 화학 반응으로부터 열을 전력으로 변환하고 이차 열을 전기적으로 발생시키기 위해 상기 변환된 전력을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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