KR102576372B1

KR102576372B1 - 흡입기용 증발기유닛 및 증발기유닛을 제어하는 방법

Info

Publication number: KR102576372B1
Application number: KR1020197014217A
Authority: KR
Inventors: 르네 슈미트; 마크 케슬러; 스벤 본느; 혹 키엠 찌에우; 카렌 칼레이드자얀
Original assignee: 쾨르버 테크놀로지스 게엠베하
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2023-09-08
Also published as: JP2019533462A; US11272739B2; CN109862795A; JP6875520B2; DE102016120803A1; EP3534734A1; KR20190069512A; US20190246696A1; CN109862795B; WO2018083007A1

Abstract

본 발명은 유입측부(61), 유출측부(64) 및 각각 기판을 통해 상기 유입측부로부터 상기 유출측부까지 연장 형성되는 복수의 마이크로채널(62)을 갖는 전기 전도성 기판(63) 및 상기 마이크로채널(62)을 통해 이송되는 액체를 증발시키기 위한 저항가열요소(65)로 구성된 증발기몸체(60)를 포함하는, 흡입기용 증발기유닛(20)에 관한 것이다. 상기 저항가열요소(65)는 상기 기판(63)에 의해 형성된다.

Description

흡입기용 증발기유닛 및 증발기유닛을 제어하는 방법

본 발명은 유입측부, 유출측부, 복수의 마이크로채널, 기판, 및 상기 마이크로채널을 통해 이송되는 유체를 증발시키기 위한 저항가열요소를 포함하는 증발부재를 포함하는, 흡입기용 증발기유닛에 관한 것이다.

US 2016/0021930 A1에서 예로서 설명된 바와 같은, 심지 및 코일 원리(wick and coil principle)에 기초한 현재의 전자 담배는 여러 단점을 가지고 있다. 첫째, 액체 증발 및 계량이 서로 분리되어 있지 않다. 둘째, 증기량 및 가열기 온도가 서로 직접 관련되어 있다. 즉, 다량의 증기가 높은 열 출력 또는 증발기 온도와 관련되어 있다. 셋째, 증발기의 영역에서/영역 내에서 온도 범위가 일정하지 않게 형성되며, 이는 국부적인 액체 과열 및 유해 물질 형성의 위험과 관련되어 있다. 넷째, 심지-코일 표면(wick-coil surface)에서 증발기 영역의 주된 온도는 심지의 코어 온도와 상이하며, 이에 따라 각각의 개별적인 증발 공정 및/또는 흡기(puff) 또는 흡인(draw) 동안 액체 성분의 농도 변화가 일어난다. 또한, 상기 농도 변화는 유체저장조에 여전히 존재하는 액체의 조성을 점진적으로 변화시킨다. 즉, 방출되는 활성 물질의 양도 일정하지 않게 되며, 흡인시 마다 변화하게 된다.

US 2016/0262454 A1에 공지된 증발기유닛은, 기판, 및 상기 기판에 부분적으로 형성되고, 미세천공부를 포함하는 뚜껑에 의해 추가적으로 부분적으로 덮이는 모세관 마이크로채널들로 형성되는 증발부재를 포함하며, 상기 기판에 구비되는 유체저장조, 및 상기 기판에 구비되며, 편평한 평면 방식으로 연장되는 MEMS 기반 가열기가 배치되는 증발기챔버를 포함한다. 박막층 기술을 사용하여 구성되고 유체저장조 및 증발기챔버 사이에 연장 형성되는 모세관 마이크로채널들에는 수송 요소로서 밸브가 구비되며, 상기 모세관 마이크로채널들은 박막층과 평행하게 또는 상기 기판의 종방향과 평행하게 배치된다. 사용시, 액체는 모세관력의 작용에 의해 유체저장조로부터 모세관 마이크로채널을 통해 증발기챔버의 유입측부로 이송되고, MEMS 기반 가열기의 증발기챔버에서 증발되며, 미세천공부를 포함하는 뚜껑을 통해 증발기챔버의 유출측부에서 방출된다. 편평한 평면 방식으로 연장되는 상기 MEMS 기반 가열기는 액체를 한정된 범위 내에서만 증발시킬 수 있으므로, 이로 인해 달성 가능한 증발 성능은 상대적으로 낮다. 유체저장조 및 증발기챔버를 기판 내에 구비하는 설계는 복잡하며 비교적 많은 양의 설치 공간을 필요로 한다. 기판에 부분적으로 형성된 모세관 마이크로채널들을 덮기 위해 뚜껑을 사용하는 것은 상기 모세관 마이크로채널들 사이의 밀봉 문제뿐만 아니라 생산 비용의 증가와 관련이 있다.

US 2016/0007653 A1에 공지된 증발기유닛은, 인쇄 회로를 포함하는 회로기판, 상기 회로기판 상에 배치되고 MEMS 증발기칩으로서 설계되는 증발부재, 및 상기 MEMS 증발기칩을 구비하는 상기 회로기판이 삽입되며, 일단이 하우징 에지에 형성되고, 액체용 저장챔버를 제공하는 하우징부로 구성된다. 상기 MEMS 증발기칩은 박막층 기술에 따라 실리콘기판으로부터 시작하는 다층으로 구성되며, 멤브레인에 의해 덮인 모세관 마이크로채널 조립체, 및 상기 마이크로채널 조립체로부터 이격된 상기 멤브레인의 측부에 배치되고 상기 마이크로채널 조립체의 일부에 걸쳐 연장되는 저항가열기 및 저항온도센서를 포함한다. 상기 마이크로채널 조립체의 마이크로채널들은 그 종축이 박막층과 평행하도록 배열되며, 상기 실리콘기판 내에 부분적으로 형성되고, 멤브레인 형태의 뚜껑에 의해 추가적으로 부분적으로 형성된다. 상기 마이크로채널 조립체의 2 개의 단부에는 각각 캐비티가 형성되고, 상기 캐비티 중 하나는 증발유출챔버로서 기능하며, 상기 캐비티 중 다른 하나는 상기 하우징부의 내벽과 협력하여 저장챔버 또는 액체용 유체저장조로서 기능한다. 사용시, 액체는 모세관력의 작용에 의해 상기 마이크로채널 조립체 내로 연속적으로 이송되어 상기 저항가열기에 의해 증발되며, 이에 따라 액체 이송 및 액체 증발은 서로 개별적으로 영향을 받을 수 없고 오히려 상호 의존적이며, 이는 액체의 증발이 보다 정밀하게 제어 또는 조절되는 것을 방해한다. 상기 채널의 내부 및 액체로부터 이격되고 상기 멤브레인의 외부에 배치되는 광범위한 저항가열기는, 액체를 한정된 범위 내에서만 증발시킬 수 있으므로, 이로 인해 달성 가능한 증발 성능은 상대적으로 낮다. 구조는 열적으로 불활성이며 복수의 층으로 인해 복잡하다. 기판에 부분적으로 형성되고 초기에 상부가 개방되며 홈 형태로 제조되는 마이크로채널들을 덮기 위해 멤브레인을 사용하는 것은 상기 마이크로채널들 사이의 밀봉 문제뿐만 아니라 생산 비용의 증가와 관련이 있다.

본 발명의 목적은 다양한 관점에서 공지된 증발기유닛을 개선하는 것이며, 특히 증발기 성능을 향상시키고, 설계의 복잡성을 감소시키며, 또한 설치 공간을 감소시키고 그리고/또는 밀봉 문제를 감소시키는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 상술한 단점들을 극복하고, 양 및 조성과 같은 원하는 특성을 갖는 증기의 양을 제공할 수 있으며, 상응하는 제어방법을 특정할 수 있고, 단순하고 신뢰성 있으며 재생 가능하게 기능하는, 흡입기용 증발기유닛을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 본 발명의 독립항들의 특징들에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 저항가열요소는 가열기 전류가 기판 자체를 통해 직접 흐르도록 기판에 의해 형성된다. 종래 기술과 대조적으로, 가열기 전압은 상기 기판 자체에 인가된다. 가열된 기판은 마이크로채널에 들어있는 유체를 직접 증발시킬 수 있다. 유체에 대한 열의 직접 전달은 별도의 금속 가열기 요소를 통해 수행되는 공지된 가열보다 현저하게 효과적이고 신속하다.

상기 마이크로채널은 바람직하게는 각각 외주방향으로 상기 기판에 의해 둘러싸인다. 이러한 방식으로, 컴팩트한 디자인에서 효과적인 증발이 보장될 수 있다. 상기 마이크로채널들은 간단한 방식으로 최적 작동 가능한 전측면 가열 구조를 구비할 수 있으며, 공지된 증발부재들에서와 같이 밀봉 문제를 일으키는 커버를 피할 수 있다.

상기 기판의 유입측부에는 바람직하게는 상기 마이크로채널을 통해 유체의 흐름을 제어하는 유량제어기가 구비된다. 이에 따라, 증발될 유체가 증발기의 마이크로채널 내로 정밀하게 계량된다. 또한, 각각의 흡인(draw)에 대해 일정한 에어로졸 품질, 특히 증기 조성 및 액적 스펙트럼을 보장할 수 있으며, 불균일한 성분 증발로 인한 유체저장조에 대한 피드백 효과가 대체로 방지될 수 있다. 상기 마이크로채널은 유체의 정확히 측정된 일부분으로 충전될 수 있다. 상기 일부분은 역류가 방지될 수 있도록 마이크로채널 내에 유지될 수 있으며, 정밀하게 부분화된 완전 증발을 위해 제공될 수 있다. 유량제어기는, 예컨대, 하나 이상의 펌프 및/또는 하나 이상의 밸브의 형태로 설계될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 유량제어기는 관통홀들이 관통 형성된 유량제어층이다. 이 경우, 상기 유체 및 하나 또는 각각의 관통홀의 내벽 사이의 접촉각은 전압원에 의해 생성될 수 있는 전압 또는 상기 전압에 의해 생성된 전기장을 인가함으로써 변화될 수 있는 것이 특히 바람직하다. 결과적으로, 특히 전압을 감소시키거나 차단함으로써, 관통홀을 통한 유동이 바람직하게 변경될 수 있고, 특히 정지 및/또는 방출될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 마이크로채널 내에 존재하는 유체의 일부를 정확하게 이송하고 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 역류를 방지하고 정밀하게 부분화된 완전 증발을 달성할 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 전기습윤(electrowetting)의 효과가 사용된다.

바람직하게는, 유량제어층 및 기판 사이에는 관통개구부들이 관통 형성된 절연층이 구비된다. 이에 따라, 증발시 유체저장조 및/또는 유량제어층 및 상기 유량제어층 내부의 유동홀에서 바람직하지 않은 유체의 증발을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 상기 유체저장조 내로 바람직하지 않은 열 전달이 일어나는 것이 방지된다. 즉, 상기 기판으로의 열 입력은 최적화될 수 있고, 상기 기판의 상류에 존재하며 유체가 들어있는 부분에서 바람직하지 않은 가열 또는 증발이 신뢰성 있게 방지될 수 있다.

특히 바람직하게는, 사용되는 유체 혼합물에 적합하게 형성되는 전압곡선(Uh(t))가 메모리에 저장된다. 가열기 전압특성(Uh(t))은 사용되는 유체 혼합물에 적합하게 지정되며, 상기 기판의 가열 온도가 관련 유체 혼합물의 정밀한 공지된 증발 역학에 따라 증발 공정에서 시간적으로 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 유체의 성분에 적합한 유체의 최적화된 증발을 보장할 수 있고, 바람직하지 않은 분해 산물의 형성을 신뢰성 있게 방지할 수 있다.

상기 가열 온도는 고주파수로 증발 공정에서 시간적으로 제어되거나 조절될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 증발기를 제어하는 방법이 제공된다. 이 경우, 가열기 전압특성(Uh(t))은 사용되는 유체 혼합물에 적합하게 지정되는 것이 바람직하며, 이에 따라 상기 기판의 가열 온도가 관련 유체 혼합물의 증발 역학에 따라 증발 공정에서 시간적으로 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 유체의 성분에 적합한 유체의 최적화된 증발을 보장할 수 있고, 바람직하지 않은 분해 산물의 형성을 신뢰성 있게 방지할 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 증발은 기판으로부터 유체로의 열 입력을 최적화할 수 있게 한다. 열 전달을 방해하거나 국부적인 과열의 위험을 초래할 수 있으며 증발 기포의 형태로 이루어지는 유체 및 마이크로채널 벽 사이의 경계층의 발달은 신뢰성 있게 감소될 수 있다.

한 번 설정되어 전체 증발 공정에 걸쳐 일정한 온도를 갖는 공지된 증발부재에 대한 공지된 작동의 경우, 온도는 유체의 완전한 증발을 보장하도록 최고비등 성분(highest-boiling component)의 증발을 위해 일정한 방식으로 지정되고 설정되는데, 이는 최대 온도가 적용될 때 저비등 성분(lower-boiling component)은 어느 경우든 증발된다고 가정하기 때문이다. 공지된 작동 원리는 복수의 성분으로 구성된 유체의 저비등 성분 각각이 증발 기포를 형성할 수 있으며, 이에 따라 유체와 마이크로채널 벽 사이의 경계층을 형성하여 열 입력을 방해할 수 있는 위험을 수반한다. 증발기유닛의 온도를 제어하는 이러한 공지된 방식으로부터 벗어나서, 제안된 방법, 특히 그 추가적인 실시예는 경계층 형성을 최소화하고 최적의 열 입력을 달성할 수 있다.

이 경우, 상이한 온도에서의 개별 증발 단계의 지속 시간 및 유체의 개별 부분들의 개별 성분들의 증발은 충분히 짧게 유지될 수 있으며, 그리고/또는 단계적인 증발이 소비자에게 감지될 수 없으나 대체로 균질하고 향을 가지고 있으며 반복적으로 정밀한 에어로졸 형성을 보장할 수 있도록 작동 주파수에서 클럭 방식(clocked manner)으로 수행될 수 있다. 특히, 바람직하게는, 초기에 유체의 저비등 성분(lower-boiling component)은 제1 온도(A)에서 제1 증발간격으로 증발되고, 이어서 유체의 고비등 성분(higher-boiling component)은 상기 온도(A)를 초과하는 제2 온도(B)에서 제2 증발간격으로 증발된다.

증발부재(60) 내로 이송되는 유체의 일부는, 1 Hz 내지 50 kHz, 바람직하게는 30 Hz 내지 30 kHz, 특히 바람직하게는 100 Hz 내지 25 kHz의 작동 주파수에서 기판(63)을 가열하기 위해 계단식으로 증발되는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자담배제품의 횡단면도이다.
도 2는 전자담배제품용 카트리지의 횡단면도이다.
도 3은 증발기유닛의 사시단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 증발 공정의 상이한 상태에서의 도 3에 따른 증발기유닛을 도시한 도면들이다.

전자담배제품(10)은 대체로 막대형 또는 원통형으로 형성된 하우징(11)을 포함한다. 상기 하우징(11)에는 적어도 하나의 공기유입개구부(31) 및 상기 담배제품(10)의 구강단부(mouth end)(32) 사이에 공기채널(30)이 구비된다. 이 경우, 상기 담배제품(10)의 구강단부(32)는 소비자가 흡입 목적으로 흡인(draw)하여 담배제품(10)에 음압을 가하고 공기채널(30) 내에 기류(34)를 생성시키는 단부를 지칭한다. 상기 하우징(11)의 측면에는 적어도 하나의 공기유입개구부(31)가 배치될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 담배제품(10)의 원단부(remote end)(33)에는 적어도 하나의 공기유입개구부(31A)가 배치될 수 있다. 상기 담배제품(10)의 원단부(33)는 구강단부(32)에 대향하는 담배제품(10)의 단부를 지칭한다.

유입 공기를 가열 또는 예열하기 위한 공기가열수단(37)은 기류(34)의 유동 경로 내에서 공기유입개구부들(31, 31A) 중 하나 또는 둘 모두 이후에 배치되는 것이 바람직하다. 이로 인해 에어로졸 형성이 최적화될 수 있다. 상기 공기가열수단(37)은, 예컨대, 에너지공급유닛(14)에 인접하게 배치될 수 있고, 그리고/또는 하우징(11)의 내측면 주위에 외주방향으로 연장될 수 있다.

공기유입개구부(31)를 통해 흡입된 공기는 선택적으로 계면 또는 분리면(57)을 통해 공기채널(30)에서 증발기유닛(20)으로 이송된다. 상기 증발기유닛(20)은 첨가물(40)로서 유체(50)를 미스트/에어로졸과 같은 유체의 작은 액적의 형태 및/또는 증기와 같은 기체 형태로 유체저장조(18)로부터 기류(34) 내로 공급한다. 상기 유체저장조(18)의 바람직한 부피는, 0.1 ml 내지 5 ml, 바람직하게는 0.5 ml 내지 3 ml, 보다 바람직하게는 0.7 ml 내지 2 ml 또는 1.5 ml이다.

상기 담배제품(10)은 바람직하게는 담배제품(10)의 원단부(33)에 존재하는 전자에너지공급유닛(12)을 포함하며, 상기 에너지공급유닛은 전기에너지저장부(14) 및 전기/전자유닛(15)을 포함한다. 상기 에너지저장부(14)는 특히 전기화학적 1차 전지 또는 재충전용 전기화학적 전지, 예컨대, 리튬-이온 전지일 수 있다. 상기 담배제품(10)은 바람직하게는 담배제품(10)의 구강단부(32)에 소비성유닛(17)을 더 포함하며, 상기 소비성유닛은 유체저장조(18), 전기유닛(19) 및 증발기유닛(20)을 포함한다.

또한, 별도의 전기/전자유닛들(15, 19) 대신에, 에너지공급유닛(12) 또는 소비성유닛(17) 중 어느 하나에 배치될 수 있는 공통 전기/전자유닛이 구비될 수 있다. 담배제품(10)의 전기/전자유닛 전체는 이하에서 제어조립체(29)로 지칭된다.

센서, 예컨대, 압력센서 또는 압력 또는 유량 스위치는 하우징(11) 내에 배치되는 것이 바람직하며, 상기 제어조립체는 센서에 의해 출력된 센서 신호에 기초하여 소비자가 흡입 목적으로 담배제품(10)의 구강단부(32)를 흡인하는 담배제품(10)의 작동 상태를 식별할 수 있다. 상기 작동 상태에서, 상기 제어조립체(29)는 증발기유닛(20)을 작동시켜 첨가물(40)로서 유체(50)를 미스트/에어로졸과 같은 유체의 작은 액적의 형태 및/또는 증기와 같은 기체 형태로 유체저장조(18)로부터 기류(34) 내로 공급하도록 한다.

유체저장조(18)에 저장되는 계량될 유체(즉, 유체 성분 혼합물)는, 예컨대, 1,2-프로필렌 글리콜, 글리세롤 및/또는 물의 혼합물이며, 여기에 하나 이상의 아로마(향료) 및/또는 니코틴과 같은 활성 성분이 혼합될 수 있다.

상기 소비성유닛(17)은 소비자에 의해 교체될 수 있는 카트리지(21), 즉, 일회용 부품으로서 설계되는 것이 바람직하다. 특히 에너지저장부(14)를 포함하는 담배제품(10)의 나머지 부분은 소비자에 의해 재사용될 수 있는 베이스부(56), 즉, 재사용 가능한 부품으로서 설계되는 것이 바람직하다. 상기 카트리지(21)는 소비자에 의해 베이스부(56)에 연결될 수 있고 베이스부(56)로부터 분리될 수 있도록 설계된다. 따라서, 카트리지(21) 및 재사용 가능한 베이스부(56) 사이에는 분리면 또는 계면(57)이 형성된다. 카트리지하우징(58)은 담배제품(10)의 하우징(11)의 일부를 구성할 수 있다.

다른 실시예(도 2 참조)에서, 소비성유닛(17)은 소비자가 담배제품(10)의 재사용 가능한 베이스부(56)에 삽입 및 제거할 수 있는 카트리지(21)로 설계된다. 이 경우, 상기 카트리지하우징(58)은 담배제품(10)의 하우징(11)과는 별도로 형성된다.

상기 카트리지(21)는 적어도 유체저장조(18)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 카트리지(21)는 전기/전자유닛(19)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 전기/전자유닛(19)은 베이스부(56)의 완전히 또는 부분적으로 고정된 구성 요소이다. 마찬가지로, 증발기유닛(20)은 카트리지(21)의 일부이거나 베이스부(56)에 배치될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 카트리지(21)는 실질적으로 유체저장조(18)만으로 구성되고 선택적으로 카트리지하우징(58)을 가질 수 있으며, 또는 별도의 카트리지하우징(58)이 생략될 수 있도록 카트리지하우징(58)이 유체저장조(18)의 하우징에 의해 형성될 수 있다.

막대형 담배제품(10)에 사용되는 것 이외에, 카트리지(21)는 다른 흡입기, 예컨대, 전자 파이프, 시샤 파이프(shisha pipe), 다른 태우지 않고 가열하는 제품(heat-not-burn product), 또는 의료용 흡입기에도 사용될 수 있다. 상기 에너지저장부(14)는 일반적으로 카트리지(21)의 일부가 아니며, 재사용 가능한 베이스부(56)의 일부이다.

상기 소비성유닛(17) 또는 카트리지(21)는 바람직하게는 소비성유닛(17) 또는 카트리지(21)에 관한 정보 또는 파라미터를 저장하는 비휘발성 정보메모리(53)(도 1 참조)를 포함하며, 예컨대, EEPROM, RFID 또는 다른 적절한 형태로 설계된다. 상기 정보메모리(53)는 전기/전자유닛(19)의 일부이거나 전기/전자유닛(19)과 별도로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 정보메모리(53)는, 상기 유체저장조(18)에 저장된 유체의 성분, 즉, 조성에 관한 정보; 공정 프로파일, 특히 성능/온도 제어에 관한 정보; 상태 모니터링 또는 시스템 테스트, 예컨대, 누출 테스트에 관한 데이터; 복제 방지 및 위조 방지, 특히 소비성유닛(17) 또는 카트리지(21)를 명확하게 지정하기 위한 ID를 포함하는 데이터; 일련 번호, 제조 일자 및/또는 만료일; 및/또는 흡인 횟수(소비자의 흡입 횟수) 또는 사용 시간을 저장한다. 바람직하게는, 상기 메모리(53)는 접촉부 및/또는 와이어에 의해 베이스부(56)의 제어기(15)에 연결되어 있거나, 또는 연결될 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증발기유닛(20)을 도시한 도면이다. 상기 증발기유닛(20)은, 전기전도성 재료, 바람직하게는 실리콘, 도핑된 세라믹, 금속-세라믹, 필터-세라믹, 반도체, 특히 게르마늄, 흑연, 준금속(metalloid) 및/또는 금속으로 형성되는 블록형 기판(63)을 갖는 증발부재(60)를 포함한다. 상기 기판(63)에는 기판(63)의 유입측부(61) 및 유출측부(64)를 유체적으로 연결하는 복수의 마이크로채널(62)이 제공된다. 상기 유입측부(61)는 유체저장조(18)에 유체적으로 연결된다. 이에 대해서는 이하에서 더 상세하게 설명한다.

마이크로채널(62)의 평균 직경은, 바람직하게는 5 μm 내지 100 μm, 보다 바람직하게는 10 μm 내지 50 μm, 보다 더 바람직하게는 20 μm 내지 40 μm이며, 예컨대, 30 μm에 해당한다. 이러한 치수로 인해, 모세관 효과가 바람직하게 달성되어, 유입측부(61)에서 마이크로채널(62)로 침투하는 유체는 마이크로채널(62)에 유체가 충전될 때까지 마이크로채널(62)을 통해 상방으로 상승한다.

상기 마이크로채널(62)의 개수는 바람직하게는 4 내지 100이다. 이러한 방식으로, 기판으로부터 마이크로채널(62)로의 열 입력은 최적화될 수 있으며, 높은 증발 성능이 확보되고 증기 배출 표면이 충분히 크게 형성될 수 있다.

상기 마이크로채널들(62)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 정사각형, 직사각형, 다각형, 원형, 타원형 또는 다른 모양의 어레이 형태로 배열된다. 상기 어레이는 s 열과 z 행을 구비하는 매트릭스 형태로 설계될 수 있으며, 여기서 s는 바람직하게는 2 내지 50, 보다 바람직하게는 3 내지 20이고, 그리고/또는 z는 바람직하게는 2 내지 50, 보다 바람직하게는 3 내지 20이다. 이러한 방식으로, 마이크로채널들(62)은 효과적으로 배열되고 용이하게 제조될 수 있으며, 높은 증발 성능이 확보된다.

상기 마이크로채널(62)의 횡단면은 정사각형, 직사각형, 다각형, 원형, 타원형 또는 다른 형상일 수 있고, 그리고/또는 종방향으로 부분적으로 가변될 수 있으며, 특히 확대, 축소 또는 일정하게 유지될 수 있다.

하나 또는 각각의 마이크로채널(62)의 길이는, 바람직하게는 100 μm 내지 500 μm, 보다 바람직하게는 150 μm 내지 400 μm, 보다 더 바람직하게는 180 μm 내지 370 μm이며, 예컨대, 300 μm에 해당한다. 이러한 방식으로, 기판(63)으로부터 마이크로채널(62)로의 충분히 양호한 열 입력을 가지면서도, 최적의 유체 흡입 및 부분화를 달성할 수 있다.

2 개의 마이크로채널(62) 사이의 간격은, 바람직하게는 하나의 마이크로채널(62)의 수력 직경(hydraulic diameter)의 적어도 1.3 배에 해당하며, 상기 간격은 2 개의 마이크로채널(62)의 중심축을 기준으로 한다. 상기 간격은, 바람직하게는 하나의 마이크로채널(62)의 수력 직경의 1.5 배 내지 5 배, 보다 바람직하게는 2 배 내지 4 배에 해당할 수 있다. 이러한 방식으로, 기판으로부터 마이크로채널로의 열 입력이 최적화될 수 있고, 마이크로채널들의 배열 및 벽 두께가 충분히 안정화될 수 있다.

증발기유닛(20)은, 바람직하게는 제어유닛(19)에 의해 제어될 수 있고 전극들(72)의 대향측부들에 의해 기판(63)에 연결되는 가열기전압원(71)을 포함하여, 상기 가열기전압원(71)에 의해 생성되는 전압(Uh)이 상기 기판(63)를 통하는 전류의 흐름을 발생시키도록 한다. 상기 기판(63)의 오믹 저항(ohmic resistance)으로 인해, 상기 전류 흐름은 상기 기판(63)이 가열되게 하여 마이크로채널(62)에 들어있는 액체가 증발되도록 한다. 이러한 방식으로 생성된 증기/에어로졸은 마이크로채널(62)로부터 유출측부(64)을 향해 유출되어 증기첨가물(40)로서 기류(34)와 혼합된다(도 1 참조). 보다 정확하게는, 소비자의 흡인 동작에 의해 공기채널(30)을 통해 기류(34)가 식별될 때, 제어조립체(29)는 가열기전압원(71)을 작동시키며, 여기서 마이크로채널(62) 내의 유체는 자발적인 가열로 인하여 증기 및/또는 에어로졸(40)의 형태로 마이크로채널(62) 밖으로 배출된다. 생성된 증기 또는 에어로졸(40)은, 상기 기류가 증발부재(60)의 유출개구부(76)를 통과하여 유출개구부(76)의 외부로 유동한다는 점에서, 임의로 예열된 기류(34)에 공급된다(도 1 및 도 3 참조).

사용되는 유체 혼합물에 적합하게 형성되는 전압곡선(Uh(t))은 카트리지(21)의 메모리(53) 또는 베이스부(56)의 메모리(59)에 저장되는 것이 바람직하다. 이는 전압특성(Uh(t))이 사용되는 액체에 적합하게 지정될 수 있도록 하여, 블록 또는 기판(63)의 가열 온도 및 이에 따른 모세관 마이크로채널(62)의 온도가 관련 유체 혼합물의 정확한 공지된 증발 역학에 따라 증발 공정에서 시간적으로 제어될 수 있도록 하고, 이에 따라 최적의 증발 결과를 얻을 수 있다. 증발 온도는, 바람직하게는 100 ℃ 내지 400 ℃, 보다 바람직하게는 150 ℃ 내지 350 ℃, 보다 더 바람직하게는 190 ℃ 내지 290 ℃이다.

상기 기판(60)의 유입측부(61)에는 마이크로채널(62)을 통해 유체의 흐름을 제어하는 유량제어기(66)가 구비된다. 바람직한 실시예에서, 상기 유량제어기(66)는 관통홀들(68)이 관통 형성된 유량제어층(69)이다.

특히 바람직하게는, 유체 및 관통홀(68)의 내벽 사이의 접촉각에 영향을 주기 위해 상기 유량제어층(66)에서 유체에 전기장을 인가할 수 있으며, 바람직하게는 전기습윤(electrowetting)의 효과가 사용된다. 이러한 목적을 위해, 증발기유닛(20)은, 바람직하게는 제어유닛(19)에 의해 제어될 수 있고 전극들(75)의 대향측부들에 의해 유량제어층(69)에 연결되는 전기습윤전압원(74)을 포함하여, 상기 전기습윤전압원(74)에 의해 생성되는 전압(Uew)이 상기 관통홀(68) 내의 유체에 존재하는 전하 운반자(charge carrier)의 변위를 일으키도록 한다. 이러한 방식으로, 상기 유체 및 관통홀(68)의 내벽 사이의 접촉각은 친수성(적절한 전압 인가시) 및 소수성(전압 없음) 사이에서 변화시킬 수 있다. 관통홀(68) 내의 접촉각을 친수성으로 설정하면, 유체는 모세관 방식으로 유체저장조(18)로부터 외부로 나와 관통홀(68) 내로 이송되며, 모세관 이송 효과로 인해 관통개구부(67) 내로 상승하고, 나아가 마이크로채널(62) 내로 상승할 수 있다. 관통홀(68) 내의 접촉각을 소수성으로 설정하면, 유체는 유체저장조(18)로부터 외부로 나와 관통홀(68)을 통해 관통개구부(67) 및 마이크로채널(62) 내로 상승하는 것이 방지된다. 모세관 이송 효과가 일어나지 않으므로, 유체는 유체저장조(18)에 남아있게 된다. 따라서, 유량제어층(69)은 관통홀(68)을 통한 유체의 자유 통과를 가능하게 하거나 관통홀(68)을 통해 유체가 통과하는 것을 차단하는 스위칭 기능을 가진다. 따라서, 유량제어층(69)은 스위칭층으로도 지칭될 수 있다. 상술한 바에 따르면, 유량제어층(69)은 증발부재(60)의 마이크로채널(62)의 충전 공정을 제어하는데 사용된다.

유량제어층(69)은 바람직하게 또는 추가적으로 유전체상-전기습윤층(electrowetting-on-dielectric layer; EWOD layer)으로 형성될 수 있으며, 관통홀(68)의 내벽의 표면은 적절한 유전체로 코팅될 수 있다. 이러한 종류의 유전체는 바람직하게는 자기조립 단분자층(self-assembled monolayer; SAM)으로 형성될 수 있으며, 이를 통해 유체와 관통홀(68)의 내벽 사이의 접촉각이 더욱 또는 추가적으로 영향 받을 수 있다.

유량제어층(69) 및 기판(63) 사이에는 절연 재료, 예컨대, 유리 또는 세라믹으로 형성되며 관통개구부들(67)이 관통 형성된 절연층(70)이 구비되는 것이 바람직하다. 상기 절연층(70)은, 특히 증발시 유체저장조(18)에서 유체의 바람직하지 않은 현저한 가열 및/또는 증기 형성을 방지하기 위해, 증발부재(60)를 유체저장조(18)로부터 열적으로 절연시키는데 사용된다. 또한, 절연층(70)은 유량제어층(69)으로부터 기판(63)을 전기적으로 절연시키는데 사용될 수 있으며, 이에 따라 증발 및/또는 가열이 유량 제어로부터 분리될 수 있다. 관통개구부들(67)은 연속적인 마이크로채널들이 유체저장조(18)로부터 기판(63)의 유출측부(64)의 유출개구부(76)까지 생성될 수 있도록, 마이크로채널들(62) 및/또는 관통홀들(68)에 대응하는 것이 바람직하다.

마이크로채널(62), 관통개구부(67) 및/또는 관통홀(68)은 상기 마이크로채널(62), 관통개구부(67) 및/또는 관통홀(68)의 종축이 층들(69, 70)을 가로지르도록 배열되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 기판(63) 및 유량제어층(69) 및/또는 절연층(70) 및/또는 적어도 하나의 다른 층에 의해 적층체가 형성될 때, 마이크로채널(62)은 마이크로채널(62)의 종축이 바람직하게는 상기 적층체를 가로지르도록 배열된다. 이러한 방식으로, 기판(63)으로부터 마이크로채널(62)로의 열 입력이 최적화될 수 있고, 마이크로채널(62)이 대체로 밀봉 문제가 없도록 유지될 수 있다. 또한, 상기 적층체의 복수 또는 모든 층은 바람직하게는 상이한 층 두께 또는 동일한 층 두께를 가지며, 특히 바람직하게는 각각 500 μm 이하의 층 두께를 갖는다. 이러한 방식으로, 기판(63)으로부터 마이크로채널(62)로의 열 입력이 최적화될 수 있고, 마이크로채널(62)이 대체로 밀봉 문제가 없도록 유지될 수 있다. 이 경우, 증발부재(60)는 바람직하게는 박막층 기술에 의해 종래의 층 두께를 갖는 웨이퍼의 세그먼트로부터 제조될 수 있다.

마이크로채널(62), 관통개구부(67) 및/또는 관통홀(68)은 동일하거나 상이한 통로 횡단면을 가질 수 있다. 마이크로채널(62)의 개수(K1), 관통개구부(67)의 개수(K2) 및/또는 관통홀(68)의 개수(K3)는 상이할 수 있다. 특히, K1은 K2를 초과할 수 있고, 그리고/또는 K3을 초과할 수 있다. K2는 K3를 초과할 수 있다. 특히 K1 이하의 그룹개수(G1)를 갖는 마이크로채널들(62)의 그룹은 하나의 관통개구부(67) 및/또는 하나의 관통홀(68)과 연동될 수 있으며, 상기 하나의 관통개구부(67) 및/또는 하나의 관통홀(68)의 횡단면은 마이크로채널들(62)의 그룹의 횡단면에 적합하게 형성되고, 특히 상응하거나 초과하도록 형성된다. 이러한 방식으로, 보다 적은 수의 관통개구부(67)를 갖는 복수의 마이크로채널(62)의 그룹이 선택적으로 차단 및/또는 차단 해제될 수 있으며, 보다 간단하게 제조될 수 있다. 이러한 방식으로, 보다 적은 수의 관통개구부(67)를 갖는 복수의 마이크로채널(62)의 그룹이 유체를 공급할 수 있으며, 보다 간단하게 제조될 수 있다. 도 3에 도시된 실시예와는 다른 방식으로, 예컨대, 3 내지 10 개의 마이크로채널(62)의 그룹개수(G1)를 갖는 그룹이 공통 관통개구부(67) 및/또는 공통 관통홀(68)과 연동될 수 있다. 이 경우, 상기 관통개구부(67) 및/또는 관통홀(68)은 3 내지 10 개의 마이크로채널(62)에 걸쳐 연장된다.

또한, 전기습윤 효과를 사용하는 대신, 다른 유량 제어 요소가 유량제어층(69) 또는 보다 일반적으로 유량제어기(66), 예컨대, 하나 이상의 스로틀(throttle) 및/또는 하나 이상의 제어 가능한 (마이크로) 밸브에 제공될 수 있다. 관통개구부(67) 및/또는 관통홀(68)을 통한 마이크로채널(62)의 모세관 작용이 충분한 양의 유체를 유체저장조(18)로부터 증발부재(60) 내로 이송하기에 불충분하다면, 예컨대, 가압장치 또는 하나 이상의 (마이크로) 펌프 등에 의해 추가적인 또는 대안적인 이송기구가 제공될 수 있다.

증발기유닛(29)은, 소비자의 흡인 동작당 유체의 양이 바람직하게는 1 μl 내지 20 μl, 보다 바람직하게는 2 μl 내지 10 μl, 보다 더 바람직하게는 3 μl 내지 5 μl, 일반적으로는 4 μl로 계량되도록 설정된다. 상기 증발기유닛(29)은 흡인 동작당 유체의 양에 대하여 조절될 수 있는 것이 바람직하다.

계량 장치/증발기 조합은, 0.05 μm 내지 5 μm, 바람직하게는 0.1 μm 내지 3 μm의 직경을 갖는 유체 액적이 주로 생성되도록 설정되는 것이 바람직하다. 최적 액적 크기는, 0.05 내지 5 MMAD(mass median aerodynamic diameter; 질량중앙 공기역학적 직경), 바람직하게는 0.1 내지 3 MMAD, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2 MMAD, 보다 더 바람직하게는 0.7 내지 1.5 MMAD, 예컨대, 약 1 MMAD에 해당할 수 있다. MMAD는 유럽 표준에 해당하며, μm 단위로 지정된다.

유량제어기(66)의 전압원(74) 및 증발부재(60)의 전압원(71)이 제어조립체(29)에 별도로 전기적으로 연결되어 개별적으로 작동된다는 사실은, 이송/계량 및 증발 간에 바람직한 기능 분리가 이루어진다는 것을 의미한다.

이하에서는 증발 공정의 진행을 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 설명한다.

도 4a에 도시된 초기 상태에서, 충전 공정을 위한 전압원(74)의 전원이 차단되고, 유체 및 관통홀(68)의 내벽 사이의 접촉각은 소수성이므로, 유체가 관통홀(68)을 통해 도달할 수 없다.

도 4b는 충전 공정을 도시한 도면이다. 충전 공정을 위한 전압원(74)이 작동되고, 유체 및 관통홀(68)의 내벽 사이의 접촉각은 친수성이 되어, 유체는 모세관 효과에 의해 관통홀(68) 및 관통개구부를 통해 증발기(60)의 마이크로채널(62) 내로 유동한다.

충전 공정은 모든 마이크로채널(62)이 증발기(60)의 유출측부(64)까지 충전될 때 완료된다(도 4c). 충전된 상태에서, 유출측부(64)에 도달하면 모세관 이송력이 더 이상 인가되지 않기 때문에 이송 효과는 중단된다. 또한, 마이크로채널(62)은 유량제어층(69)의 의도적인 작동에 의해 일부분만 충전될 수 있다.

따라서, 각각의 경우에 증발되는 양은 마이크로채널(62)의 지오메트리, 특히 길이, 또는 기판(63)의 두께에 의해, 그리고/또는 유량제어층(69)을 작동시킴으로써 특정될 수 있다. 일반적으로, 마이크로채널(62)의 길이는 마이크로채널(62)의 평균 직경에 비해 크게 형성되며, 특히 적어도 3 배, 예컨대, 3 배 내지 30 배, 바람직하게는 5 배 내지 20 배, 예컨대, 10 배만큼 크게 형성된다. 결과적으로, 본 발명은 공지된 격자 또는 그리드(메쉬라고 함)와 구별될 수 있다.

증발 공정/흡인 동작당 보다 많거나 적은 증기를 생성하기 위해, 하나 이상의 흡입기에서 상이한 두께의 기판(63)을 갖는 증발부재들(60)을 사용하거나 작동시키는 것이 고려될 수 있다.

충전 공정 후에, 증발부재(60)의 전압원(71)이 작동된다(가열 공정, 도 4d). 이 경우, 전압(Uh)은 기판(63) 상부의, 즉, 마이크로채널(62)에서의 증발 온도가 사용되는 유체 혼합물의 개별 증발 거동에 적합하게 설정될 수 있도록 유도된다. 또한, 액체에 대해 상대적으로 넓은 채널 내벽의 표면으로 인하여, 국부적인 과열의 위험을 방지하고, 이에 따라 유해 물질의 형성을 방지한다.

모든 유체가 증발되면, 가열기전압원(71)은 작동 정지된다. 액체 성질 및 양이 바람직하게 정확하게 공지되어 있기 때문에, 이 시점은 매우 정확하게 제어될 수 있다. 따라서, 필요한 증발 에너지가 한층 더 계량되어 보다 정확하게 도입될 수 있으므로, 이러한 종류의 증발기유닛(20)의 에너지 소비는 공지된 방법에 비해 감소될 수 있다.

유량제어층(69)은 증발 공정 중에 작동 정지되기 때문에, 유체저장조(18) 내의 액체의 잔량에 대한 피드백 효과는 존재하지 않으며, 즉, 유체저장조(18)에서 어떠한 농도 변화도 일어나지 않는다. 따라서, 활성 성분의 증발 또는 계량은, 액체가 항상 동일한 조성으로 증발되기 때문에 모든 흡인 동작에 대해 대체로 동일하다.

가열 공정이 완료된 후에(도 4e), 마이크로채널(62)은 비워진다. 절연층(70)의 관통개구부(67) 내에 잔류할 수 있는 액체 잔량은 층들(63, 69, 70)의 두께비에 의해 구조적으로 감소될 수 있거나, 흡인 동작당 증발된 액체의 양에 비해 무시할 수 있는 양이다. 따라서, 정의된 일정한 액체 조성을 사용하여 도 4a의 다음 증발 공정을 다시 시작할 수 있다.

전압원들(71, 74)은, 통상적으로 Hz 또는 kHz 단위, 예컨대, 1 Hz 내지 50 kHz, 바람직하게는 30 Hz 내지 30 kHz, 특히 바람직하게는 100 Hz 내지 25 kHz의 적절한 작동 주파수에서 전기적으로 작동되는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 전압원(74)의 작동 주파수는 5 Hz 내지 50 Hz, 바람직하게는 10 Hz 내지 40 Hz일 수 있다.

증발기유닛(20)은 MEMS 기술에 기초하여 제조되는 것이 바람직하며, 따라서, 바람직하게는 미세 전자 기계 시스템(micro-electro-mechanical system)이다.

Claims

유입측부(61), 유출측부(64), 복수의 마이크로채널(62), 기판(63), 및 상기 마이크로채널(62)을 통해 이송되는 유체를 증발시키기 위한 저항가열요소(65)를 포함하는 증발부재(60)를 포함하는, 흡입기용 증발기유닛(20)에 있어서,
상기 마이크로채널(62)은 각각 상기 기판(63)을 통해 상기 유입측부(61)로부터 상기 유출측부(64)까지 연장 형성되고,
상기 기판(63)은 전기 전도성이며,
상기 저항가열요소(65)는 가열기 전류가 상기 기판(63) 자체를 통해 직접 흐르도록 상기 기판(63)에 의해 형성되고,
가열기 전압은 가열된 상기 기판(63)이 상기 마이크로채널(62)에 들어있는 유체를 직접 증발시키도록, 상기 기판(63) 자체에 인가되며,
상기 마이크로채널(62)은 각각 외주방향으로 상기 기판(63)에 의해 둘러싸이고,
하나 또는 각각의 마이크로채널(62)의 길이는 100 μm 내지 500 μm인, 흡입기용 증발기유닛(20).
삭제
제1항에 있어서,
상기 기판(63)의 상기 유입측부(61)에는 상기 마이크로채널(62)을 통해 상기 유체의 흐름을 제어하는 유량제어기(66)가 구비되는, 흡입기용 증발기유닛(20).
제3항에 있어서,
상기 유량제어기(66)는 관통홀들(68)이 관통 형성된 유량제어층(69)인, 흡입기용 증발기유닛(20).
제4항에 있어서,
상기 유체 및 하나 또는 각각의 관통홀(68)의 내벽 사이의 접촉각은 전압원에 의해 생성될 수 있는 전압을 인가함으로써 변화될 수 있는, 흡입기용 증발기유닛(20).
제4항에 있어서,
상기 유량제어층(69) 및 상기 기판(63) 사이에는 관통개구부들(67)이 관통 형성된 절연층(70)이 구비되는, 흡입기용 증발기유닛(20).
제1항에 있어서,
하나 또는 각각의 마이크로채널(62)의 평균 직경은 5 μm 내지 100 μm인, 흡입기용 증발기유닛(20).
제1항에 있어서,
상기 마이크로채널(62)의 개수는 4 내지 100인, 흡입기용 증발기유닛(20).
제1항에 있어서,
상기 마이크로채널(62)은 어레이의 형태로 배열되는, 흡입기용 증발기유닛(20).
제9항에 있어서,
상기 어레이의 열의 개수(s)는 2 내지 50이고, 그리고/또는 상기 어레이의 행의 개수(z)는 2 내지 50인, 흡입기용 증발기유닛(20).
삭제
제1항에 있어서,
하나 또는 각각의 마이크로채널(62)의 길이는 상기 기판(63)의 두께에 상응하는, 흡입기용 증발기유닛(20).
제1항에 있어서,
상호 인접한 마이크로채널들(62)의 중심축에 기초한 상기 상호 인접한 마이크로채널들(62) 사이의 간격은 하나의 마이크로채널(62)의 직경의 1.3 배 내지 5 배인, 흡입기용 증발기유닛(20).
제6항에 있어서,
상기 기판(63), 유량제어층(69), 절연층(70) 및 적어도 하나의 다른 층에 의해 적층체가 형성되는, 흡입기용 증발기유닛(20).
제14항에 있어서,
상기 마이크로채널(62)은 상기 마이크로채널(62)의 종축이 상기 적층체를 가로지르도록 배열되는, 흡입기용 증발기유닛(20).
제14항에 있어서,
상기 적층체의 복수 또는 모든 층은 상이한 층 두께 또는 동일한 층 두께를 갖는, 흡입기용 증발기유닛(20).
제1항에 있어서,
상기 증발기유닛(20)은 사용되는 유체 혼합물에 적합하게 형성되는 전압곡선(Uh(t))이 저장되는 메모리(53; 59)를 포함하는, 흡입기용 증발기유닛(20).
제1항에 있어서,
상기 증발기유닛(20)은 일반적인 미세 전자 기계 시스템(micro-electro-mechanical system)인, 흡입기용 증발기유닛(20).
제1항에 있어서,
상기 마이크로채널(62)의 개수(K1), 관통개구부(67)의 개수(K2) 및 관통홀(68)의 개수(K3)는 상이하며, K1 이하의 그룹개수(G1)를 갖는 마이크로채널들(62)의 그룹은 하나의 관통개구부(67) 및 하나의 관통홀(68)과 연동되는, 흡입기용 증발기유닛(20).
제1항, 제3항 내지 제10항 및 제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 증발기유닛(20)을 포함하는 흡입기(10).
제1항, 제3항 내지 제10항 및 제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 증발기유닛(20)을 제어하는 방법.
제21항에 있어서,
가열기 전압특성(Uh(t))은 사용되는 유체 혼합물에 적합하게 지정되며, 이에 따라 상기 기판(63)의 가열 온도가 관련 유체 혼합물의 증발 역학에 따라 증발 공정에서 시간적으로 제어되는 방법.
제21항에 있어서,
유체의 일부는 증발부재(60) 내로 이송되며, 상기 마이크로채널(62)은 상기 마이크로채널(62)의 개수에 따라 상기 유입측부(61)로부터 상기 유출측부(64)까지 연장 형성된 상기 마이크로채널(62)의 전장에 걸쳐 상기 유체의 일부 중 서브부분들에 의해 유체로 충전되고, 상기 마이크로채널(62)은 상기 유입측부(61)에서 주되게 폐쇄되며, 상기 유체의 일부는 상기 기판(63)에 인가되는 전압에 의해 증발되고, 증기는 상기 유출측부(64)에서 방출되며, 증발은 시간에 따라 계단식으로 일어나고 상이한 설정 온도를 갖는 방법.
제23항에 있어서,
초기에 유체의 저비등 성분(lower-boiling component)은 제1 온도(A)에서 제1 증발간격으로 증발되고, 이어서 유체의 고비등 성분(higher-boiling component)은 상기 온도(A)를 초과하는 제2 온도(B)에서 제2 증발간격으로 증발되는 방법.
제21항에 있어서,
상기 증발부재(60) 내로 이송되는 유체의 일부는, 1 Hz 내지 50 kHz의 작동 주파수에서 상기 기판(63)을 가열하기 위해 계단식으로 증발되는 방법.