KR102626542B1 - 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1 층 및 제1 층에 밀접하게 결합된 제2 층을 포함하는 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체에 관한 것이다. 제1 층은 제1 서셉터 재료를 포함한다. 제2 층은 500℃보다 더 낮은 퀴리 온도를 갖는 제2 서셉터 재료를 포함한다. 서셉터 조립체는 제2 층에 밀접하게 결합된 제3 층을 더 포함한다. 제3 층은 적어도 보상 온도 범위에서 서셉터 조립체의 전체 열 변형이 본질적으로 면내 변형으로 제한되도록 조립체의 처리 후에 다층 서셉터 조립체에서 발생하는 열팽창 차이를 보상하기 위한 특정 응력 보상 재료 및 특정 층 두께를 포함한다. 보상 온도 범위는 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도의 적어도 20 K아래에서부터 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도까지 연장된다.
Description
본 발명은 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체뿐만 아니라 이러한 다층 서셉터 조립체 및 가열될 에어로졸 형성 기재를 포함한 에어로졸 발생 물품에 관한 것이다.
가열 시 흡입 가능한 에어로졸을 형성하기 위해 에어로졸 형성 기재를 포함하는, 에어로졸 발생 물품은 일반적으로 종래 기술로부터 공지되어 있다. 기재를 가열하기 위해, 에어로졸 발생 물품은 전기 히터를 포함하는 에어로졸 발생 장치 내에 수용될 수 있다. 히터는 유도원을 포함하는 유도성 히터일 수 있다. 유도원은 서셉터에 발열 와전류 및/또는 이력 손실을 유도하는 교류 전자기장을 생성한다. 서셉터 자체는 가열될 에어로졸 형성 기재와 열적으로 근접한다. 특히, 서셉터는 에어로졸 형성 기재와 직접 물리적으로 접촉하여 물품에 통합될 수 있다.
기재의 온도를 제어하기 위해서, 각각 제1 및 제2 서셉터 재료로 만들어지는 제1 및 제2 층을 포함하는 이중층 서셉터 조립체가 제안되었다. 제1 서셉터 재료는 열 손실과 이에 따른 가열 효율에 관하여 최적화된다. 대조적으로, 제2 서셉터 재료는 온도 마커로서 사용된다. 이를 위해, 제2 서셉터 재료는, 예컨대 제1 서셉터 재료의 퀴리(Curie) 온도보다 더 낮지만 서셉터 조립체의 미리 정해진 가열 온도에 대응하는 퀴리 온도를 갖도록 선택된다. 그의 퀴리 온도에서, 제2 서셉터의 투자율은 1로 떨어져서 강자성으로부터 상자성으로 그의 자기 특성의 변화를 유래하고 그의 전기 저항의 일시적인 변화를 수반한다. 따라서, 유도원에 의해 흡수된 전류의 대응하는 변화를 감시하여, 제2 서셉터 재료가 자신의 퀴리 온도에 도달한 경우에, 이에 따라 미리 정의된 가열 온도에 도달했을 때 검출될 수 있다.
이러한 이중층 서셉터 조립체가 가열 온도의 양호한 제어성을 제공하지만, 조립체의 처리 동안 또는 처리 후에 층상 구조의 원하지 않는 변형이 관찰된다. 마찬가지로, 층상 구조의 원하지 않는 변형은 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 조립체의 사용 중에 또한 관찰된다.
따라서, 제한 없이 종래 기술 해결책의 장점을 갖는 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체를 갖는 것이 바람직할 것이다. 특히, 개선된 치수 안정성을 갖는 다층 서셉터 조립체를 갖는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에 따라서, 적어도 제1 층 및 제1 층에 밀접하게 결합된 제2 층을 포함하는 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체가 제공된다. 제1 층은 제1 서셉터 재료를 포함한다. 제2 층은 500℃ (섭씨온도)보다 더 낮은 퀴리 온도를 갖는 제2 서셉터 재료를 포함한다.
바람직하게, 제1 서셉터 재료는 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하도록 구성되며, 제2 서셉터 재료는 서셉터 조립체의 온도를 감시하도록 구성된다. 이를 위해, 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도는 바람직하게 서셉터 조립체의 미리 정해진 가열 온도에 대응한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 ‘밀접하게 결합된(intimately coupled)’은 기계적 힘이 2개의 층 사이로, 특히 층 구조에 평행한 방향으로 전달될 수 있도록 다층 조립체 내부의 2개의 층 사이의 기계적 결합을 지칭한다. 결합은 박층, 2차원, 영역 또는 전체 영역의 결합, 즉 2개의 층의 각각의 대향하는 표면을 가로지르는 결합일 수 있다. 결합은 직접적일 수 있다. 특히, 서로 밀접하게 결합되는 2개의 층은 서로 직접 접촉할 수 있다. 대안적으로, 결합은 간접적일 수 있다. 특히, 2개의 층은 적어도 하나의 중간 층을 통해 간접적으로 결합될 수 있다.
바람직하게, 제2 층은 제1 층에 배열되고 제1 층에 밀접하게 결합되고, 특히 제1 층에 직접적으로 연결된다.
본 발명에 따라서, 상이한 온도에서 다층 서셉터 조립체를 처리하고 작동시키는 것은 다양한 층 재료의 열팽창 사이의 특정한 차이로 인한 변형을 야기할 수 있음을 인식하였다. 예를 들어, 전술한 바와 같은 이중층 서셉터 조립체의 처리는 주어진 온도에서 두 층 재료를 서로 밀접하게 연결하는 것을 포함할 수 있다. 층을 연결하는 것은 가능하다면, 어닐링(annealing)과 같은 조립된 서셉터의 열처리가 뒤따를 수 있다. 서셉터 조립체의 냉각 동안과 같은 온도의 후속 변화 동안, 개별 층은 조립체의 결합 성질로 인해 자유롭게 변형될 수 없다. 결과적으로, 상이한 열 팽창 특성으로 인해, 하나의 층은 다른 층, 특히 인접한 층에 압축 또는 인장 응력을 가할 수 있다. 이러한 압축 또는 인장 응력은 관찰된 기계적 응력 및 변형, 특히 서셉터 조립체의 면외 굽힘(out-of-plane bend)을 야기할 수 있다.
이를 상쇄하기 위해서, 본 발명에 따른 서셉터 조립체는 제2 층에 밀접하게 결합되는 제3 층을 더 포함한다. 제3 층은 조립체의 처리 후에, 특히 층을 서로 밀접하게 결합시킨 후에 및/또는 다층 서셉터 조립체의 열처리 후에 다층 서셉터 조립체에서 발생하는 열팽창 차이를 보상하기 위한 특정 응력 보상 재료 및 특정 층 두께를 포함함으로써, 적어도 온도 보상 범위에서 서셉터 조립체의 전체 열 변형이 본질적으로 면내 변형으로 제한되며, 여기서 보상 온도 범위는 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도의 적어도 20 K아래에서부터 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도까지 연장된다(extend).
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 ‘변형’은 초기 또는 변형되지 않은 구성으로부터 변형된 구성으로 서셉터 조립체의 형상 및/또는 크기의 변화를 의미한다. 본 명세서에서 지칭되는 바와 같이 ‘면내 변형(in-plane strain)’으로 또한 불리는 '면내 변형(in-plane deformation)'은 변형이 다층 서셉터 조립체의 층 구조에 평행한 평면으로 제한되는 변형이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 ‘면내 변형으로 제한되는’은 다층 서셉터 조립체의 층 구조에 직교하는 방향으로 여전히 작지만 사소한 면외 변형이 있을 수 있음을 의미한다. 그러나, 임의의 면외 변형은 서셉터 조립체 표면 상의 임의의 지점에서의 곡률이 서셉터 조립체 두께의 5% 미만, 특히 1% 미만, 바람직하게 0.5% 미만이도록 제한된다. 바람직하게, 서셉터 조립체의 전체 열 변형은 적어도 보상 온도 범위에서 면내 변형으로 제한된다.
따라서, 제3 층은 유리하게, 다층 서셉터 조립체의 층 구조에 직교하는 방향으로 서셉터 조립체의 원래 원하는 형상 및 바람직하게 원래 원하는 크기를 또한 보존하게 한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 ‘층 두께’는 한 층의 상단 측과 하단 측 사이에서 연장되는 치수를 지칭한다. 마찬가지로, 용어 '서셉터 조립체의 두께'는 층 구조에 직교하는 방향으로 서셉터 조립체의 최대 연장부를 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 ‘특정 응력 보상 재료’ 및 ‘특정 층 두께’는 적어도 보상 온도 범위에서 서셉터 조립체의 전체 열 변형이 본질적으로 면내 변형으로 제한되도록 조립체의 처리 후에 다층 서셉터 조립체에서 발생하는 열 팽창의 차이를 보상하기 위해 특별히 선택되는 응력 보상 재료 및 층 두께를 지칭한다. 본 명세서에서 지칭되는 바와 같이 용어 ‘특별히 선택되는’은 응력-보상 재료 및 제3 층의 층 두께가 제1 및 제2 서셉터 재료 및 제1 및 제2 층의 두께의 당연한 고려뿐만 아니라 조립체의 결합 성질 및 그의 처리, 즉 처리 이력의 당연한 고려로 선택됨을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 다층 서셉터 조립체의 처리는 주어진 온도에서 층 재료를 서로 밀접하게 결합하는 것, 또는 어닐링과 같은 다층 서셉터 조립체의 열처리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 서셉터 조립체는 열처리된 서셉터 조립체일 수 있다. 임의의 경우에, 본 명세서에서 지칭되는 바와 같은 처리 동안, 층 또는 조립체의 온도는 각각, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하는 데 사용될 때 서셉터 조립체의 작동 온도와 상이하다. 전형적으로, 층 재료를 서로 밀접하게 연결하는 동안 그리고 다층 서셉터 조립체의 열 처리 동안 온도는 유도 가열을 위한 서셉터 조립체의 작동 온도보다 더 높다.
제2 서셉터 재료의 퀴리 온도의 20 K아래에서부터 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도까지의 보상 온도 범위는 에어로졸을 발생시키는 데 사용된 서셉터 조립체의 작동 온도의 전형적인 범위에 대응한다.
유리하게, 보상 온도 범위의 구간은 또한, 20 K보다 더 높을 수 있다. 따라서, 보상 온도 범위는 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도의 적어도 50 K, 특히 100 K, 바람직하게 150 K아래에서부터 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도까지 연장될 수 있다. 가장 바람직하게, 보상 온도 범위는 적어도 주위 실온으로부터 제2 퀴리 온도까지 연장될 수 있다. 마찬가지로, 보상 온도 범위는 150℃ 내지 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도, 특히 100℃ 내지 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도, 바람직하게 50℃ 내지 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도, 가장 바람직하게 주위 실온 내지 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도의 온도 범위에 대응할 수 있다.
아래로부터 제2 퀴리 온도에 접근할 때, 자화 및 따라서 제2 서셉터 재료의 임의의 자기변형 효과가 사라진다. 따라서, 보상 온도 범위의 상한은 바람직하게 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도에 대응한다. 그러나, 보상 온도 범위의 상한은 또한, 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도보다 더 높을 수 있다. 예를 들어, 보상 온도 범위의 상한은 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도보다 적어도 5 K, 특히 적어도 10 K, 바람직하게 적어도 20 K 더 높을 수 있다.
바람직하게, 응력-보상 재료의 열 팽창 계수는 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수와 본질적으로 동일하다. 본 명세서에서 사용되는 용어 ‘동일한’은 제1 및 제3 층 재료의 열팽창 계수 사이의 작지만 사소한 차이가 있을 수 있음을 의미한다. 그러나, 임의의 가능한 차이는 응력-보상 재료의 열 팽창 계수가 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수로부터 ±5% 미만, 특히 ±1% 미만, 바람직하게 ±0.5% 미만만큼 벗어나도록 제한된다. 가장 바람직하게, 응력 보상 재료의 열 팽창 계수는 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수와 동일하다.
특히, 제3 층의 응력-보상 재료는 심지어 제1 층의 제1 서셉터 재료와 동일할 수 있다.
또한, 제3 층의 층 두께는 제1 층의 층 두께와 본질적으로 동일할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 용어 ‘동일한’은 제1 층과 제3 층의 층 두께 사이에 작지만 사소한 차이가 있을 수 있음을 의미한다. 그러나, 임의의 가능한 차이는 제3 층의 층 두께가 제1 서셉터 재료의 층 두께로부터 ±5% 미만, 특히 ±1% 미만, 바람직하게 ±0.5% 미만만큼 벗어나도록 제한된다. 가장 바람직하게, 제3 층의 층 두께는 제1 층의 층 두께와 동일하다.
서셉터 조립체의 바람직한 구성에서, 제3 층의 층 두께는 제1 층의 층 두께와 동일하며, 응력-보상 재료의 열 팽창 계수는 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수와 본질적으로 동일하며, 특히 제3 층의 응력-보상 재료는 제1 층의 제1 서셉터 재료와 동일하다. 유리하게, 이러한 바람직한 구성은 열팽창과 관련하여 대칭 층 구조를 제공한다.
대안적으로, 응력 보상 재료의 열 팽창 계수는 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수와 상이할 수 있으며, 바람직하게 제2 서셉터 재료의 열 팽창 계수와 또한 상이할 수 있다. 따라서, 제2 서셉터 재료의 열 팽창 계수는 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수보다 더 크고 응력-보상 재료의 열 팽창 계수보다 더 작을 수 있다. 반대로, 제2 서셉터 재료의 열 팽창 계수는 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수보다 더 작고 응력-보상 재료의 열 팽창 계수보다 더 클 수 있다. 이러한 경우, 열팽창 차이를 보상하는 것은 주로 제3 층의 적절한 층 두께를 선택함으로써 달성될 수 있다.
제3 층의 응력-보상 재료는 제1 층의 제1 서셉터 재료와 상이할 수 있다. 이는 응력-보상 재료의 열 팽창 계수가 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수와 본질적으로 동일하다는 것을 배제하지 않는다.
본 발명에 따라서, 제3 층은 제2 층에 밀접하게 결합된다. 이러한 맥락에서, 용어 ‘밀접하게 결합된’은 제1 및 제2 층과 관련하여 위에서 정해진 것과 동일한 방식으로 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 ‘제1 층’, ‘제2 층’ 및 ‘제3 층’은 각각의 층의 특정 순서 또는 서열을 반드시 명시하지 않으며 단지 명목에 불과하다.
바람직하게, 제3 층은 제2 층 상에 배열되고 제2 층에 밀접하게 결합되고, 차례로 제1 층 상에 배열되고 제1 층에 밀접하게 결합될 수 있다.
대안적으로, 제3 층은 제1 층을 통해 제2 층에 밀접하게 결합될 수 있다. 이 경우에, 제1 층은 제3 층과 제2 층 사이의 중간층일 수 있다. 특히, 제2 층은 제1 층 상에 배열되고 제1 층에 밀접하게 결합될 수 있으며, 차례로 제1 층에 배열되고 제1 층에 밀접하게 결합될 수 있다.
바람직하게, 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 다층 서셉터 조립체의 인접한 층이다. 이 경우에, 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 서로 물리적으로 밀접하게 직접 접촉될 수 있다. 특히, 제2 층은 제1 층과 제3 층 사이에 끼워질 수 있다.
대안적으로, 서셉터 조립체는 적어도 하나의 추가 층, 특히 제1 층, 제2 층 및 제3 층 중 2개의 각각 층 사이에 배열되는 적어도 하나의 중간 층을 포함할 수 있다.
제1 층 또는 제3 층 중 적어도 하나는 다층 서셉터 조립체의 에지 층일 수 있다.
서셉터 조립체의 처리와 관련하여, 특히 다양한 층을 조립하는 것과 관련하여, 각각의 층은 각각의 인접한 층에 도금, 증착, 코팅, 피복 또는 용접될 수 있다. 특히, 이들 층들 중 임의의 층은 분무, 침지 코팅, 롤 코팅, 전기도금 또는 피복에 의해 각각의 인접한 층에 도포될 수 있다. 이는 특히 제1 층, 제2 층 및 제3 층 그리고 - 있다면 적어도 하나의 중간 층에 대해 유지된다.
어느 방식이든, 전술한 임의의 구성 또는 층 구조는 본 명세서에서 사용되고 추가로 위에서 정의되는 바와 같이 용어 ‘밀접하게 결합된’내에 속한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 ‘서셉터’는 변하는 전자기장을 겪을 때 전자기 에너지를 열로 변환할 수 있는 요소를 지칭한다. 이는 전기 및 자기 특성에 따라서, 서셉터 재료에 유도되는 이력 손실 및/또는 와전류의 결과일 수 있다. 서셉터 조립체를 위한 재료 및 기하학적 구조는 원하는 열 발생을 제공하도록 선택될 수 있다.
바람직하게, 제1 서셉터는 또한 퀴리 온도를 가질 수 있다. 유리하게, 제1 서셉터 재료의 퀴리 온도는 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도와 별개이고, 특히 그보다 더 높다. 따라서, 제1 서셉터 재료는 제1 퀴리 온도를 가질 수 있고, 제2 서셉터 재료는 제2 퀴리 온도를 가질 수 있다. 퀴리 온도는 페리자성(ferrimagnetic) 또는 강자성(ferromagnetic) 재료가 그 페리자성 또는 강자성을 각각 상실하고, 상자성(paramagnetic)이 되는 온도이다.
퀴리 온도를 갖는 제2 서셉터 재료 및 퀴리 온도를 갖지 않는 제1 서셉터 재료, 또는 서로 별개인 각각의 퀴리 온도를 갖는 제1 및 제2 서셉터 재료를 갖는, 적어도 제1 및 제2 서셉터 재료를 가짐으로써, 서셉터 조립체는 유도 가열 및 가열 온도의 제어와 같은 다중 기능성을 제공할 수 있다. 특히, 이들 기능성은 적어도 2개의 상이한 서셉터의 존재로 인해 분리될 수 있다.
바람직하게, 제1 서셉터 재료는 에어로졸 형성 기재를 가열하도록 구성된다. 이를 위해, 제1 서셉터 재료는 열 손실 및 따라서 가열 효율에 관하여 최적화될 수 있다. 제1 서셉터 재료는 400℃ 초과의 퀴리 온도를 가질 수 있다.
바람직하게, 제1 서셉터 재료는 내식성 재료로 만들어진다. 따라서, 제1 서셉터 재료는 특히, 서셉터 조립체가 에어로졸 형성 기재와 직접 물리적으로 접촉하여 에어로졸 발생 물품에 내장되는 경우에, 유리하게 임의의 부식 영향에 대해 내성을 가진다.
제1 서셉터 재료는 강자성 금속을 포함할 수 있다. 이 경우에, 열은 단지, 와전류뿐만 아니라 이력 손실에 의해 발생되지 않는다. 바람직하게, 제1 서셉터 재료는 철(Fe) 또는 철 합금, 예컨대 스틸 또는 철 니켈 합금을 포함한다. 특히, 제1 서셉터 재료는 스테인리스 스틸, 예를 들어 페라이트 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다. 제1 서셉터 재료는 400 시리즈 스테인리스 스틸, 예컨대 410 등급 스테인리스 스틸, 또는 420 등급 스테인리스 스틸, 또는 430 등급 스테인리스 스틸, 또는 유사한 등급의 스테인리스 스틸을 포함하는 것이 특히 바람직할 수 있다.
제1 서셉터 재료는 대안적으로 적합한 비자성 재료, 특히 상자성 재료, 전도성 재료, 예컨대 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 상자성 전도성 재료에서, 유도 가열은 오직 와전류로 인한 저항 가열에 의해 발생한다.
대안적으로, 제1 서셉터 재료는 비-전도성 페리자성 세라믹과 같은 비-전도성 페리자성 재료를 포함할 수 있다. 그 경우, 열은 이력 손실에 의해서만 발생된다.
대조적으로, 제2 서셉터 재료는 서셉터 조립체의 온도를 감시하도록 최적화되고 구성될 수 있다. 제2 서셉터 재료는 본질적으로 제1 서셉터 재료의 미리 정해진 최대 가열 온도에 대응하는 퀴리 온도를 갖도록 선택될 수 있다. 최대 원하는 가열 온도는 에어로졸 형성 기재로부터 에어로졸을 발생시키기 위해 대략, 서셉터 조립체가 가열되어야 하는 온도로 정해질 수 있다. 그러나, 최대 원하는 가열 온도는 에어로졸 형성 기재가 국부적으로 과열되거나 타는 것을 회피하도록 충분히 낮아야 한다. 바람직하게, 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도는 에어로졸 형성 기재의 발화점 미만이어야 한다. 제2 서셉터 재료는 500℃ 미만, 바람직하게 400℃ 이하, 특히 370℃ 이하의 검출 가능한 퀴리 온도를 갖도록 선택된다. 예를 들어, 제2 서셉터는 150℃ 내지 400℃, 특히 200℃ 내지 400℃의 특정의 퀴리 온도를 가질 수 있다. 퀴리 온도 및 온도 마커 기능이 제2 서셉터 재료의 주된 특성이지만, 서셉터 조립체의 가열에 또한 기여할 수 있다.
제2 서셉터가 치밀 층(dense layer)으로서 존재하는 것이 바람직하다. 치밀 층은 다공성 층보다 높은 자기 투과성을 가지고, 퀴리 온도에서의 미세 변화를 검출하기 쉽게 한다.
바람직하게, 제2 서셉터 재료는 강자성 금속, 예컨대 니켈(Ni)을 포함한다. 니켈은 불순물의 성질에 따라, 각각 약 354℃ 내지 360℃ 또는 627 K 내지 633 K의 범위의 퀴리 온도를 가진다. 이 범위의 퀴리 온도는 에어로졸 형성 기재로부터 에어로졸을 발생시키기 위해 서셉터가 가열되어야 하는 온도와 대략 동일하기 때문에 이상적이지만, 에어로졸 형성 기재가 국부적으로 과열되거나 타는 것을 회피하도록 충분히 낮다.
대안적으로, 제2 서셉터 재료는 니켈 합금, 특히 Fe-Ni-Cr 합금을 포함할 수 있다. 유리하게, Fe-Ni-Cr 합금은 내식성이 있다. 예로서, 제2 서셉터는 Phytherm 230 또는 Phytherm 260과 같은 상업용 합금을 포함할 수 있다. 이들 Fe-Ni-Cr 합금의 퀴리 온도는 맞춤화될 수 있다. Phytherm 230은 50 중량% Ni, 10 중량% Cr 및 나머지 Fe를 갖는 조성(중량% = wt %)을 가진다. Phytherm 230의 퀴리 온도는 230℃이다. Phytherm 260은 50 중량% Ni, 9 중량% Cr 및 나머지 Fe를 갖는 조성을 가진다. Phytherm 260의 퀴리 온도는 260℃이다.
마찬가지로, 제2 서셉터 재료는 Fe-Ni-Cu-X 합금을 포함할 수 있으며, 여기서 X는 Cr, Mo, Mn, Si, Al, W, Nb, V 및 Ti로부터 취해진 하나 이상의 원소이다.
제3 층에 관하여, 응력-보상 재료는 바람직하게 제1 층의 제1 서셉터 재료와 동일한 재료일 수 있다. 따라서, 응력-보상 재료는 강자성 금속, 바람직하게 철(Fe) 또는 스틸과 같은 철 합금, 또는 철 니켈 합금을 포함할 수 있다. 특히, 응력 보상 재료는 스테인리스 스틸, 예를 들어 페라이트 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다. 응력 보상 재료는 400 시리즈 스테인리스 스틸, 예컨대 410 등급 스테인리스 스틸, 또는 420 등급 스테인리스 스틸, 또는 430 등급 스테인리스 스틸, 또는 유사한 등급의 스테인리스 스틸을 포함하는 것이 특히 바람직할 수 있다. 응력 보상 재료는 적합한 비자성 재료, 특히 상자성 재료, 전도성 재료, 예컨대 알루미늄(Al)을 또한 포함할 수 있다. 대안적으로, 응력 보상 재료는 오스테나이트 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제3 층은 X5CrNi18-10(EN(유럽 표준) 명명법에 따름, V2A 스틸로 또한 공지된 재료 번호 1.4301) 또는 X2CrNiMo17-12-2(EN(유럽 표준) 명명법에 따름, V4A 스틸로 또한 공지된 재료 번호 1.4571 또는 1.4404)를 포함할 수 있다. 유리하게, 그의 상자성 특성 및 고 전기 저항으로 인해, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 제1 및 제2 서셉터에 인가될 전자기장으로부터 제2 서셉터 재료를 단지 약하게 차폐한다.
제3 층의 층 두께는 제1 층의 층 두께의 0.5배 내지 1.5배, 특히 0.75배 내지 1.25배의 범위일 수 있다. 이들 범위 내의 제3 층의 층 두께는 처리 동안 또는 처리 후에 다층 서셉터 조립체에서 발생하는 열팽창 차이를 상쇄 또는 심지어 보상하는 데 유리함이 입증될 수 있다. 바람직하게, 제3 층의 층 두께는 제1 층의 층 두께와 동일하다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 “두께”는 상단 측과 하단 측 사이에서, 예를 들어 한 층의 상단 측과 하단 측 사이 또는 다층 서셉터 조립체의 상단 측과 하단 측 사이에서 연장되는 치수를 지칭한다. 용어 ‘폭’은 두 개의 대향하는 측면 방향 측 사이에서 연장하는 치수를 지칭하도록 본 명세서에서 사용된다. 용어 ‘길이’는 전방과 후방 사이, 또는 폭을 형성하는 2개의 대향하는 측면 방향 측에 직교하는 다른 2개의 대향하는 측 사이로 연장되는 치수를 지칭하도록 본 명세서에서 사용된다. 두께, 폭 및 길이는 서로 직교할 수 있다.
다층 서셉터 조립체는 5 mm 내지 15 mm의 길이, 3 mm 내지 6 mm의 폭 및 10 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 세장형 서셉터 조립체일 수 있다. 예로서, 다층 서셉터 조립체는, 12 mm의 길이, 4 mm 내지 5 mm, 예를 들어 4 mm의 폭, 및 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 예를 들어 25 ㎛의 두께를 갖는 430 등급 스테인리스 스틸의 스트립인 제1 층을 갖는 세장형 스트립일 수 있다. 430 등급 스테인리스 스틸은 5 ㎛ 내지 30 ㎛, 예를 들어 10 ㎛의 두께를 갖는 제2 서셉터 재료로서 니켈의 제2 층으로 코팅될 수 있다. 제1 층에 대향하는 제2 층의 최상부에서, 제1 층과 동일한 층 두께를 갖는, 430 등급 스테인리스 스틸로 또한 만들어지는 제3 층이 코팅될 수 있다. 유리하게, 이러한 구성은 본질적으로 면외 변형을 나타내지 않는, 열팽창과 관련하여 높은 대칭의 층 구조를 제공한다.
본 발명에 따른 서셉터 조립체는 바람직하게 교류, 특히 고주파 전자기장에 의해 구동되도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 지칭되는 바와 같이, 고주파 전자기장은 500 kHz 내지 30 Mhz, 특히 5 Mhz 내지 15 Mhz, 바람직하게 5 Mhz 내지 10 Mhz의 범위 내에 있을 수 있다.
서셉터 조립체는 바람직하게 에어로졸 발생 물품의 일부인 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 에어로졸 발생 물품의 서셉터 조립체이다.
본 발명에 따르면, 에어로졸 형성 기재 및 본 발명에 따른, 기재를 유도 가열하기 위해 본원에 기술된 서셉터 조립체를 포함하는 에어로졸 발생 물품이 또한 제공되어 있다.
서셉터 조립체는 에어로졸 형성 기재 내부에 위치하거나 내장되어 있는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 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. 둘 모두의 경우에, 에어로졸 형성 기재는 고체 및 액체 성분 모두를 포함할 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 비-담배 재료를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 형성제를 더 포함할 수 있다. 적합한 에어로졸 형성제의 예는 글리세린 및 프로필렌 글리콜이다. 에어로졸 형성 기재는 또한 니코틴이나 향미제와 같은 다른 첨가제 및 성분을 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 또한 페이스트 상 재료, 에어로졸 형성 기재를 포함하는 다공성 재료의 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.
에어로졸 발생 물품은 유도원을 포함하는 전기 작동식 에어로졸 발생 장치와 체결되도록 디자인되어 있는 것이 바람직하다. 유도원 또는 인덕터는, 에어로졸 발생 물품이 변동 전자기장 내에 위치될 때 서셉터 조립체를 가열하기 위해 변동 전자기장을 발생시킨다. 사용 시, 에어로졸 발생 물품은 서셉터 조립체가 인덕터에 의해 발생된 변동 전자기장 내에 위치되도록 에어로졸 발생 장치와 체결되어 있다.
본 발명에 따른 에어로졸 발생 물품의 추가 특징 및 장점은 서셉터 조립체에 관해서 설명되었으며 반복되지 않을 것이다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 단지 예시로서 추가로 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명에 따른 다층 서셉터 조립체의 예시적인 구현예의 개략적인 사시도를 도시하며;
도 2는 도 1에 따른 서셉터 조립체의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 3은 본 발명에 따른 에어로졸 발생 물품의 예시적인 구현예의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 다층 서셉터 조립체의 예시적인 구현예의 개략적인 사시도를 도시하며;
도 2는 도 1에 따른 서셉터 조립체의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 3은 본 발명에 따른 에어로졸 발생 물품의 예시적인 구현예의 개략적인 횡단면도를 도시한다.
도 1 및 도 2는 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하도록 구성되는 본 발명에 따른 서셉터 조립체(1)의 예시적인 구현예를 개략적으로 예시한다. 도 3과 관련하여 더 상세히 후술되는 바와 같이, 서셉터 조립체(1)는 바람직하게, 가열될 에어로졸 형성 기재와 직접 접촉하게, 에어로졸 발생 물품에 내장되도록 구성된다. 교류, 특히 고주파 전자기장을 발생시키도록 구성되어 있는 유도원을 포함하는 에어로졸 발생 장치 내에 물품 자체가 수용되도록 구성되어 있다. 변동 장(fluctuating field)은 서셉터 조립체(1) 내부에 와전류 및/또는 이력 손실을 발생시켜 조립체의 가열을 야기한다. 에어로졸 발생 물품 내의 서셉터 조립체(1)의 배열 및 에어로졸 발생 장치 내의 에어로졸 발생 물품의 배열은 서셉터 조립체(1)가 유도원에 의해 발생된 변동 전자기장 내부에 정확히 위치되도록 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 구현예에 따른 서셉터 조립체(1)는 3층 서셉터 조립체(1)이다. 조립체는 제1 서셉터 재료를 포함한 기저부 층으로서 제1 층(10)을 포함한다. 제1 층(10), 즉 제1 서셉터 재료는 열 손실 및 따라서 가열 효율에 관하여 최적화된다. 본 구현예에서, 제1 층(10)은 400℃를 초과하는 퀴리 온도를 갖는 강자성 스테인리스 스틸을 포함한다. 가열 온도를 제어하기 위해서, 서셉터 조립체(1)는 제1 층에 배열되고 그에 밀접하게 결합되는 중간층 또는 기능성 층으로서 제2 층(20)을 포함한다. 제2 층(20)은 제2 서셉터 재료를 포함한다. 본 구현예에서, 제2 서셉터 재료는 (불순물 성질에 따라)각각 약 354℃ 내지 360℃ 또는 627 K 내지 633 K 범위의 퀴리 온도를 갖는 니켈이다. 이러한 퀴리 온도는 에어로졸 형성 기재의 온도 제어 및 제어된 가열에 관한 장점을 입증한다. 일단 가열 동안에 서셉터 조립체(1)가 니켈의 퀴리 온도에 도달하면, 제2 서셉터 재료의 자기 특성은 그의 전기 저항의 일시적 변화에 의해 수반되는, 강자성으로부터 상자성으로 변한다. 따라서, 유도원에 의해 흡수된 전류의 대응하는 변화를 감시하여, 제2 서셉터 재료가 자신의 퀴리 온도에 도달한 경우에, 이에 따라 미리 정의된 가열 온도에 도달했을 때 검출될 수 있다.
그러나, 제1 및 제2 서셉터 재료가 상이한 열 팽창 계수를 가진다는 사실은 제1 및 제2 층(10, 20)이 서로 밀접하게 결합될 때 서셉터 조립체의 원하지 않는 변형을 야기할 수 있다. 이는 다음에서 설명될 것이다. 서셉터 조립체(1)의 처리의 몇몇 단계 동안, 제1 및 제2 층(10, 20)은 주어진 온도에서 서로 연결되고, 통상적으로 어닐링(annealing)과 같은 열 처리가 뒤따른다. 서셉터 조립체(1)의 냉각과 동안과 같은 온도의 후속 변화 동안, 개별 층(10, 20)은 조립체(1)의 결합 성질로 인해 자유롭게 변형될 수 없다. 결과적으로, 제2 층(20) 내부의 니켈 재료가 제1 층(10) 내부의 스테인리스 스틸 중 하나의 열팽창 계수보다 더 큰 열 팽창 계수를 가지므로, 서셉터 조립체(1)는 냉각시 기계적 응력과 변형을 겪을 수 있다. 이들 변형은 서셉터 조립체의 사용시, 즉 서셉터 조립체가 에어로졸을 발생시키는 데 사용된 전형적인 작동 온도 범위 내의 온도에서 구동될 때 특히 존재할 수 있다. 전형적인 작동 온도는 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도의 가까운 부근일 수 있다.
원하지 않는 기계적 응력 및 변형, 특히 서셉터 조립체(1)의 면외 굽힘을 상쇄하기 위해서, 본 발명에 따른 서셉터 조립체(1)는 제2 층(20)에 밀접하게 결합되는 제3 층(30)을 더 포함한다. 제3 층(30)은 적어도 보상 온도 범위에서 서셉터 조립체(1)의 전체 열 변형이 본질적으로 면내 변형으로 제한되도록 조립체의 처리 후에 다층 서셉터 조립체에서 발생하는 열팽창 차이를 보상하기 위한 특정 응력 보상 재료 및 특정 층 두께(T30)을 포함한다. 보상 온도 범위는 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도의 적어도 20 K아래에서부터 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도까지 연장된다. 따라서, 제3 층은 유리하게, 다층 서셉터 조립체의 층 구조에 직교하는 방향으로 서셉터 조립체의 원래 원하는 형상 및 바람직하게 원래 원하는 크기를 또한 보존하게 한다.
본 구현예에서, 제3 층은 바람직하게, 제1 층과 동일한 재료, 즉 강자성 스테인리스 스틸을 포함한다. 또한, 제3 층(30)의 층 두께(T30)는 바람직하게, 제1 층(10)의 층 두께(T10)와 동일하다. 이는 본질적으로 면외 변형을 나타내지 않는 높은 대칭 층 구조를 제공하는 데 특히 유리함을 입증할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 구현예와 관련하여, 서셉터 조립체(1)는 12 mm의 길이(L)와 4 mm의 폭(W)을 갖는 세장형 스트립 형태이다. 모든 층은 12 mm의 길이(L) 및 4 mm의 폭(W)을 가진다. 제1 층(10)은 35 ㎛의 두께(T10)를 갖는 430 등급 스테인리스 스틸의 스트립이다. 제2 층(20)은 10 ㎛의 두께(T20)를 갖는 니켈의 스트립이다. 층(30)은 또한 430 등급 스테인리스 스틸로 만들어지고 또한 35 ㎛ 의 두께(T30)를 가지는 스트립이다. 서셉터 조립체(1)의 총 두께(T)는 80 ㎛이다. 서셉터 조립체(1)는 니켈 스트립(20)을 스테인리스 스틸 스트립(10)에 피복함으로써 형성된다. 그 후, 제3 스테인리스 스틸 스트립(30)은 니켈 스트립(20)의 상부에 피복된다.
제1 층(10) 및 제3 층(30)이 스테인리스 스틸로 만들어지므로, 이들은 유리하게, 제2 층(20) 내의 니켈 재료에 대한 내부식성 커버링을 제공한다.
대안적으로, 제3 층(30)은 제1 층(10)에 비해 상이한 재료 및/또는 두께를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제3 층(30)은 V2a 또는 V24 스틸과 같은 응력 보상 재료로서 오스테나이트 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다. 유리하게, 그의 상자성 특성 및 높은 전기 저항으로 인해, 오스테나이트 스테인리스 스틸은 그에 인가될 전자기장으로부터 제2 층(20)의 니켈 재료를 단지 약하게 차폐한다.
도 3은 본 발명에 따른 에어로졸 발생 물품(100)의 예시적인 구현예를 개략적으로 예시한다. 에어로졸 발생 물품(100)은 동축 정렬로 배열된 4개의 요소, 즉 에어로졸 형성 기재(102), 지지 요소(103), 에어로졸 냉각 요소(104), 및 마우스피스(105)를 포함한다. 이들 4개의 요소 각각은 실질적으로 원통형 요소이고, 각각이 실질적으로 동일한 직경을 가진다. 이들 4개의 요소는 순차적으로 배치되고 외부 래퍼(106)에 의해 둘러싸여서 원통형 로드를 형성한다. 이러한 특정 에어로졸 발생 물품, 특히 4개의 요소의 추가 상세는 WO 2015/176898 A1에 개시되어 있다.
세장형 서셉터 조립체(1)는 에어로졸 형성 기재(102)와 접촉하면서, 에어로졸 형성 기재(102) 내부에 위치한다. 도 3에 도시된 바와 같은 서셉터 조립체(1)는 도 1 및 도 2에 따른 서셉터 조립체(1)에 대응한다. 도 3에 도시된 바와 같은 서셉터 조립체의 층 구조는 에어로졸 발생 물품의 다른 요소에 대하여 축척에 맞지 않게 과장되게 예시된다. 서셉터 조립체(1)는 에어로졸 형성 기재(102)의 길이와 대략 동일한 길이를 가지고, 에어로졸 형성 기재(102)의 방사상 중심축을 따라 위치된다. 에어로졸 형성 기재(102)는 래퍼에 의해 둘러싸인 권축된 균질화 담배 재료의 밀집된 시트를 포함한다. 균질화 담배 재료의 권축된 시트는 에어로졸 형성제로서 글리세린을 포함한다.
서셉터 조립체(1)는 복수의 요소의 조립 전에, 에어로졸 형성 기재를 형성하는 데 사용되는 공정 동안에 에어로졸 형성 기재(102) 내에 삽입되어서 에어로졸 발생 물품을 형성할 수도 있다.
도 3에 예시된 에어로졸 발생 물품(100)은 전기 작동식 에어로졸 발생 장치와 맞물리도록 설계된다. 에어로졸 발생 장치는, 에어로졸 발생 물품을 에어로졸 발생 장치와 체결할 때 에어로졸 발생 물품의 서셉터 조립체가 위치되는 교류, 특히 고주파 전자기장을 발생시키기 위한 유도 코일 또는 인덕터를 갖는 유도원을 포함할 수 있다.
Claims (16)
- 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체로서, 상기 서셉터 조립체는 적어도:
- 제1 서셉터 재료를 포함한 제1 층;
- 500℃보다 더 낮은 퀴리 온도를 갖는 제2 서셉터 재료를 포함한, 제1 층에 밀접하게 결합된 제2 층;
- 적어도 보상 온도 범위에서 서셉터 조립체의 전체 열 변형이 면내 변형으로 제한되도록 하기 위하여, 상기 제1 및 제2 층들을 서로 밀접하게 결합한 후에 또는 다층 서셉터 조립체의 열 처리 후에, 또는 상기 제1 및 제2 층들을 서로 밀접하게 결합한 후 및 상기 다층 서셉터 조립체의 열처리 후에 다층 서셉터 조립체에서 발생하는 열 팽창에서의 차이를 보상하기 위한 특정 응력 보상 재료 및 특정 층 두께를 포함하는, 제2 층에 밀접하게 결합되는 제3 층;을 포함하며, 상기 보상 온도 범위는 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도의 적어도 20 K아래에서부터 제2 서셉터 재료의 퀴리 온도까지 연장되는(extend), 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체. - 제1항에 있어서, 상기 응력-보상 재료의 열 팽창 계수는 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수와 동일한, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3 층의 응력-보상 재료는 제1 층의 제1 서셉터 재료와 동일한, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 서셉터 재료의 열 팽창 계수는 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수보다 더 크고 상기 응력-보상 재료의 열 팽창 계수보다 더 작은, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 서셉터 재료의 열 팽창 계수는 제1 서셉터 재료의 열 팽창 계수보다 더 작고 상기 응력-보상 재료의 열 팽창 계수보다 더 큰, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 층의 응력-보상 재료는 제1 층의 제1 서셉터 재료와 상이한, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 서셉터 재료는 알루미늄, 철 또는 철 합금, 또는 410 등급 스테인리스 스틸, 또는 420 등급 스테인리스 스틸, 또는 430 등급 스테인리스 스틸을 포함하는, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 서셉터 재료는 니켈 또는 니켈 합금을 포함하는, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 서셉터 재료는 연질 Fe-Ni-Cr 합금 또는 Fe-Ni-Cu-X 합금을 포함하며, X는 Cr, Mo, Mn, Si, Al, W, Nb, V 및 Ti로부터 취해진 하나 이상의 원소인, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 층의 응력-보상 재료는 오스테나이트 스테인리스 스틸을 포함하는, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 층의 층 두께는 제1 층의 층 두께의 0.5배 내지 1.5배의 범위인, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 층의 층 두께는 제1층의 층 두께와 동일한, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 다층 서셉터 조립체의 인접한 층인, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 층은 제2 층 상에 배열되고 제2 층에 밀접하게 결합되며, 상기 제2 층은 제1 층 상에 배열되고 제1 층에 밀접하게 결합되는, 에어로졸 형성 기재를 유도 가열하기 위한 다층 서셉터 조립체.
- 에어로졸 형성 기재 및 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 따른 서셉터 조립체를 포함하는, 에어로졸 발생 물품.
- 제15항에 있어서, 상기 서셉터 조립체는 에어로졸 형성 기재에 위치되는, 에어로졸 발생 물품.
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