KR20180128853A - 흡입기용 증발기유닛 및 증발기유닛 제어 방법 - Google Patents

흡입기용 증발기유닛 및 증발기유닛 제어 방법 Download PDF

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하우니 마쉬넨바우 게엠베하
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Abstract

흡입기용 증발기유닛(20)은 가열요소(36)를 포함하며, 액체를 증발시키도록 설계되어 상기 증발된 액체가 상기 증발기유닛(20)을 통해 유동하는 기류에 의해 흡입된다. 상기 증발기유닛(20)은 상기 액체를 예열하기 위해 가열 가능하고 액체에 의해 적어도 부분적으로 습윤될 수 있는 표면(41)을 가지며 모세관 작용에 의해 액체가 공급되는 적어도 하나의 통기성 모세관구조체(40)를 포함하고, 상기 가열요소(36)는 상기 증발기유닛(20)을 통해 유동하는 상기 기류를 가열하도록 설계되고, 상기 모세관구조체(40)는 상기 가열된 기류가 상기 예열된 액체의 증발을 유도하도록 상기 가열요소(36)의 하류에 배치된다.

Description

흡입기용 증발기유닛 및 증발기유닛 제어 방법{EVAPORATOR UNIT FOR AN INHALER AND METHOD FOR CONTROLLING AN EVAPORATOR UNIT}
본 발명은 가열요소를 포함하며, 액체를 증발시키도록 설계되어 상기 증발된 액체가 증발기유닛을 통해 유동하는 기류에 의해 흡입되는, 흡입기용 증발기유닛에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 증발기유닛을 제어하는 방법에 관한 것이다.
종래의 전자담배는, 예컨대, 유리 섬유 또는 면으로 형성된 심지 및 상기 심지 주위에 권선된 열선 또는 상기 심지 위에 배치되거나 상기 심지를 둘러싸는 가열 그리드로 구성된다. 액체가 상기 심지 내로 흡입되고, 상기 열선 또는 상기 가열 그리드에 전압을 인가하여 증발된다. 이러한 방법은 심각한 단점이 있다. 첫째, 상기 심지 및 히터의 배열이 제조사에 따라 다양하다. 이것은 생산 모델에 따라 한 모금 흡입에 대해 각기 다른 양의 액체, 즉, 니코틴이 증발된다는 것을 의미한다. 둘째, 상기 히터에 핫 스폿(hot spot)으로 알려진 것이 발생한다. 상기 히터의 액체가 없는 영역, 상기 열선의 취약점 또는 상기 가열 그리드의 구조적 결함, 또는 특히 상기 열선이 치밀하게 권선된 영역은 상기 히터의 다른 영역들보다 현저히 뜨거워진다. 상기 영역들에서는 비저항이 증가하고, 이는 가열력을 더욱 증가시켜, 전체적으로 현저히 과열된 지점을 발생시킨다. 이는 "드라이 퍼프(dry puff)"로 알려진 유해한 분해생성물을 유발할 수 있다. 셋째, 저비점 액체성분이 증발하면 상기 히터에 근접한 액체에서 고비점 성분이 형성된다. 극단적인 경우, 이로 인해 액체가 이 층에서 떨어져야만 끓어오르며, 비증발 고비점 액체는 상기 히터에 근접한 층으로부터 멀리 운반될 수 있다. 이는 부주의한 폭발과 같은 액체 분무를 유발한다.
미국 특허 제2016/0021930 A1호에 기재된 바와 같은 심지-코일 원리를 기초로 하는 현재의 전자담배는 여러 가지 단점이 있다. 첫째, 액체 증발과 투입 사이에 구분이 없다. 둘째, 증기의 양과 히터의 온도가 직접적으로 연결되어있다. 즉, 다량의 증기는 높은 증발 온도를 필요로 한다. 셋째로, 증발기의 영역 중/내에 온도가 균일하지 않은 영역이 있을 수 있으며, 이는 국부적인 액체 과열 및 유해 물질의 생성 위험을 유발한다. 넷째, 심지/코일 표면상의 증발기 영역의 온도는 상기 심지의 심부 온도(core temperature)와 다르며, 이에 따라 임의의 주어진 증발 프로세스, 또는 흡연 또는 흡입행위 동안 액체 성분의 농도가 변할 수 있다. 또한, 이러한 농도 변화는 액체저장소에 남아있는 액체의 조성을 점진적으로 변화시킨다. 즉, 방출되는 활성성분의 양은 불균일하며, 한 모금씩 흡입할 때 마다 변한다.
전자담배의 주요 기능은 전자담배 액상으로 알려진 액상을 기반으로 흡입 가능한 에어로졸을 생성하는 기능이다. 이는 투여된 전자담배 액상이 증발되는 것과, 혼입된 기류와 혼합될 때 부분적 또는 완전한 재응결에 의해 에어로졸이 생성되는 것을 포함한다. 이 경우, 액적 크기는 특히 공기 중의 응결핵 및 냉각속도라는 요인들에 좌우되며, 이 요인들은 제어될 수 없거나 제한된 범위에서만 제어될 수 있고, 사용시 전통적인 담배에 비해 니코틴 흡입량을 증가시켜 만족도가 떨어질 수 있다. 증발 프로세스 중에 액적 크기 및 조성에 영향을 줄 수 있는 능력이 바람직할 것이다.
전자담배의 종래 심지-코일 증발기에서 전자담배 액상을 증발시키는 경우, 글리세롤이 풍부한 조성물이 심지에서 발견되며, 이 조성물에서 기체상 조성은 후속하는 액체 유동의 기체상 조성과 일치한다. 또한, 상기 조성물은 상응하는 끓는점을 갖는다. 상기 글리세롤이 풍부한 조성물은 가열 코일에 가까운 심지에서 발견되며, 심지를 따라 일정하게 분포되지 않는다. 이 경우, 액체가 증기형성영역에서 일정한 조성을 가질 때, 즉, 상기 액체가 잘 혼합된 경우보다 히터를 둘러싸는 심지의 부분에서 끓는점이 높아야 한다고 볼 수 있다. 또한, 심지의 단면에서 조성구배(composition gradient)에 의해 심지의 중심에서 액체의 자발적 증발이 일어날 수 있는데, 이는 제어하기 어려우며 대형 액적의 방출로 이어진다. 이러한 상태는, 액체의 열분해를 방지하기 위해, 가능한 한 낮은 온도에서의 가능한 한 균일한 증발을 위하여 피해야 한다.
또한, 열이 가열된 표면 또는 고체 벽에 의해 액체 내로 유입되는 다른 증발 방법들은 핵비등(nucleate boiling) 또는 막비등(film boiling)을 유발하고, 따라서 대형 액적의 자발적 방출 및 국부적인 과열의 위험이 있는 국부적으로 현저하게 불안정한 증발 프로세스(locally significantly non-stationary evaporation process)로 이어지며, 이는 열의 공급과 기체상의 형성이 서로 상충하기 때문이다.
US2016/0007653 A는 MEMS 기술에서의 증발 구조를 개시한다. 이 경우, 히터는 증기 배출구 영역 및 가열 영역이 분리되도록 폐쇄막 상에 위치된다. 이와 같이, 전술한 액체의 폭발성 분무가 여기서도 발생할 수 있다. 또한, 이 경우 히터 및 온도센서가 상기 막 상의 별도의 지점에 장착되므로, 국부적인 히터 온도가 직접 측정될 수 없다. 작동 모드와 관련된 세부 사항은 제공되지 않으므로 연속적인 비-펄스 작동(continuous non-pulsed operation)을 가정해야 한다. 따라서, 히터에서 완전한 증발의 위험이 있어, 온도의 현저한 증가를 초래하게 된다. 경제적인 제조 및 조립은 물론 온도센서 및 유량센서와의 결합은 사용시 장점이 될 수 있다. 그러므로, 종래의 전자담배가 가지는 전술한 단점들은 이에 의해 명백하게 해결될 수 없다.
종래의 전자담배의 가열요소는, 예컨대, 크롬-니켈 와이어, 스테인리스 스틸 또는 다른 금속 합금으로 구성된다. 상기 합금은 그 비저항이 온도에 따라 증가하므로, 불충분하게 냉각된 영역의 저항이 증가하여 증가된 가열력을 필요로 한다는 단점이 있다. 이러한 자가보강 프로세스(self-reinforcing process)는 불균일한 온도분포를 유발하여, 결국 유해물질의 증가 및 통제되지 않는 방출의 원인이 된다. 또한, 금속의 촉매효과는 유해물질의 생성 증가로 이어질 수 있다.
본 발명은 액체가 신뢰성 있고 재현성 있게 기체상으로 전이될 수 있는 간단하고, 신뢰성 있고, 재현성 있게 작동하는 증발유닛을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 독립항의 특징에 의해 이러한 목적을 달성한다. 본 발명에 따르면, 가열요소는 기류를 가열하도록 설계되고, 증발기는 상기 가열요소의 하류에 배치되며, 상기 증발기는 액체저장소로부터 공급된 액체에 의해 적어도 부분적으로 습윤될 수 있는 표면을 가지며 모세관 작용에 의해 액체가 공급되는 적어도 하나의 통기성 모세관구조물을 포함된다. 증발된 액체를 보상하기 위한 모세관구조물의 모세관 작용의 결과로 액체가 자동 후속유동하며, 이에 따라 별도의 능동공급기구가 생략될 수 있는데, 이는 비용을 감소시키고 전체 필요 치수를 감소시킨다.
상기 가열요소의 하류에 배치되는 통기성 모세관구조물을 포함하는 증발기에 의해, 가열력 및 증기의 증발 및 투입을 매우 정밀하게 순간적으로 제어할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 모세관구조물은 적어도 부분적으로 전기 전도성 재료로 형성된다. 이 실시예에서, 모세관구조물은 전류를 전도할 수 있으며, 따라서 에너지 및/또는 신호를 전달할 수 있다.
바람직하게, 모세관구조물은 가열 가능하다. 가열 가능한 모세관구조물은 액체를 증발시키는데 필요한 가열력이 상기 가열요소 및 상기 모세관구조체 사이에서 분산되도록 한다. 바람직하게, 상기 모세관구조물을 가열함으로써, 끓는점에 가까운 온도, 바람직하게는 끓는점 이하의 온도로 액체의 후속유동을 가열하는데 요구되는 힘과 대략적으로 상응하는 전반적인 가열이 이루어진다. 끓는점 이하에서, 상기 액체는 증발되지 않고 모세관 작용에 의해 상기 모세관구조체 및/또는 상기 모세관구조물의 표면으로 이송될 수 있다. 상기 가열요소는 공기를 설정된 온도, 바람직하게는 상기 액체의 끓는점에 가까운 온도, 특히 바람직하게는 끓는점 이상으로 가열할 수 있고, 상기 모세관구조물의 표면 상에 위치한 액체를 증발시킬 수 있다. 즉, 바람직하게, 상기 액체는 상기 모세관구조물의 끓는점 바로 아래까지 통제된 방식으로 예열된다. 이때, 상기 가열요소에 의해 생성된 가열된 공기는 실질적으로 증발 임계값을 초과하기 위해 액체로 열을 가하는 데 필요한 증발 엔탈피의 차이만을 제공한다.
이 실시예는 상기 모세관구조물이 전기 전도성일 때 특히 바람직하다. 상기 모세관구조물이 전기 전도성인 경우, 상기 모세관구조물에 내재된 전기 저항을 사용하여 전기에너지를 열에너지로 변환할 수 있으며, 이에 따라 상기 모세관구조물의 표면 상의 액체를 증발시키기 위해 상기 모세관구조물을 가열할 수 있다. 표면 상에서 가능한 열유속 밀도는 핵비등의 경우보다 작지만, 이는 공간적으로 구조화된 상기 모세관구조물에 대응하는 넓은 표면적에 의해 보상된다. 이는, 상기 모세관구조물의 넓은 표면적 및 그 집적된 히터의 조합을 이용하여, 과열 또는 바람직하지 않은 정도의 핵비등을 유발하는 일 없이 바람직한 양의 액체가 증발될 수 있음을 보장한다.
기류가 상기 액체 혼합물의 끓는점 이상의 온도로 가열되고, 그리고/또는 상기 모세관구조체를 상기 액체 혼합물의 끓는점 이하의 온도 및/또는 적어도 100 ℃, 바람직하게는 적어도 150 ℃, 더욱 바람직하게는 적어도 200 ℃ 및 더욱 더 바람직하게는 적어도 250 ℃의 온도로 가열하는 것이 유리하다. 상기 기류의 온도를 끓는점 이상으로 가열하고, 그리고/또는 상기 모세관구조체를 끓는점 이상의 온도 및/또는 특정된 값들 중 하나보다 높은 온도로 가열하여, 상기 모세관구조체의 무핵증발(non-nucleated evaporation) 및 상기 모세관구조체 내/상에서의 신뢰성 있는 액체 공급을 달성한다.
상기 모세관구조체는 제1 전기/전자 유닛에 의해 가열 가능한 것이 바람직하며, 상기 제1 전기/전자 유닛은 상기 가열요소를 제어하도록 설계된다. 이 실시예는 상기 가열요소 및 상기 모세관구조체에 전력을 공동으로 공급하는 단 하나의 전력전자 유닛만을 포함한다. 바람직하게, 전력은 상기 가열요소와 상기 모세관구조체의 전기저항의 비율을 조정함으로써 분배된다. 서미스터, 즉, 다양한 저항-온도 거동을 갖는 가열물질의 적절한 선택에 의해 온도 의존적 전력소비가 가능하다. 상기 가열요소 및 상기 모세관구조체의 저항은 특정 전압강하를 측정하여 감지될 수 있다. 상기 전력전자 유닛은 일반적으로 펄스폭변조에 의해 제어되고, 전류원에 의해 전력이 공급된다.
제1 전기/전자 유닛은 상기 가열요소를 제어하도록 설계되고, 상기 모세관구조체는 제2 전기/전자 유닛에 의해 가열 가능한 것이 바람직하다. 상기 가열요소는 일반적으로 펄스폭변조를 이용하여 전력전자 유닛에 의해 제어되며, 여기서 전력전자 유닛은 결국 전류원에 의해 전력이 공급된다. 이상적으로, 상기 모세관구조체는 제2 전력전자 유닛에 의해 제어되는 방식으로 고유의 전기가열, 즉, 오믹 저항에 의해 가열된다. 제1 및 제2 전기/전자 유닛 각각에 2개의 개별적인 전류원을 제공하는 것도 고려될 수 있다.
상기 모세관구조체는 유리하게는 5~95% 사이의 다공성을 가지며, 바람직하게는 10~90%, 15~85% 또는 20~80%, 특히 바람직하게는 30~70% 또는 35~65%의 다공성이 기류의 유동방향으로 및/또는 바람직하게 평면인 연장부를 가로질러 형성된다. 이 경우, 다공성은 재료표면에 대한 자유표면의 비율을 의미하는 것으로 이해되며, 예컨대, 기류를 통과시키기 위한 모세관구조체의 천공된 영역의 비율에 관한 것이다.
상기 모세관구조체는 바람직하게는 부직조 구조 또는 직조 구조이며, 특히 절첩식 또는 롤링식으로 직조된 금속 직물로 형성된다. 이 실시예는 액체에 의해 습윤될 수 있는 내부 표면을 고려하며, 공간적 구조화로 인해 가능한 한 큰 것이 이상적이고, 상기 표면에 의해 상기 모세관구조체와 상기 액체 사이에서 가능한 한 효과적으로 목표한 열전달이 달성될 수 있다. 이 실시예는 모세관 작용에 의해 상기 모세관구조체의 내부 및/또는 표면 상에 액체를 이송하는데 적합하다.
바람직하게, 상기 모세관구조체는 기판 및 상기 기판에 형성된 채널들 및/또는 홈들을 포함하는 미시역학적으로 제조된 구조체(미소 전자기계 구조 또는 MEMS 구조)이다. 이 실시예는 상기 모세관구조체가 특히 넓은 표면적을 갖게 되며, 이는 목표한 증발을 가능하게 한다. 채널들 및/또는 홈들의 목적한 삽입 또는 목적하지 않은 삽입은 모세관 작용에 의해 상기 모세관구조체의 내부 및/또는 표면 상에 액체를 이송 가능하게 한다.
상기 모세관구조체의 구조요소들 및/또는 상기 가열요소의 가열구조의 형태 및 지오메트리는 생체구조(bionic structures), 예컨대, 미세섬유(microfibril)와 유사한 생체구조(bionic structures)를 갖는다. 생체구조(bionic structures)는 특히 넓은 표면적을 가지므로 이 경우에 사용될 수 있으며, 공기의 가열 및/또는 증발될 액체의 제공을 위해 목표한 방식으로 사용될 수 있다. 또한, 생체구조(bionic structures)는 적절하고 자가 조직화된 프로세스(suitable self-organized process)에 의해 특히 효율적이고 비용 효과적으로 생산될 수 있다.
바람직하게, 상기 모세관구조체의 작동 조건은 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 바람직하게, 이 실시예는 온도센서에 의한 온도 모니터링을 가능하게 하며, 이는 모세관증발기의 전기저항을 검출하거나 또는 상기 증발기가 적절한 온도 계수를 갖는 경우 선택적인 전용 온도센서를 사용함으로써 수행될 수 있다. 바람직하게, NTC 및/또는 PTC 서미스터가 이 목적으로 사용될 수 있다. 바람직하게, 작동 상태를 특정하는 압력 및/또는 유속 및/또는 농도가 측정될 수 있으며, 상기 상태는 측정의 결과로서 제어될 수 있다.
상기 모세관구조체 및 액체저장소는 연결수단에 의해 연결되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 모세관구조체 및 상기 액체저장소가 공간적으로 분리되며, 이는 상기 액체저장소에서 액체의 바람직하지 않은 가열을 효과적으로 나타낼 수 있다.
상기 연결수단은 모세관 작용에 의해 액체를 공급하도록 설계되는 것이 바람직하다. 모세관 작용에 의한 상기 연결수단에서의 액체의 공급은 매회 공급되는 양이 기본적인 연결수단을 구성함으로써 조정될 수 있다는 점에서 유리하며, 바람직하게는 작동 중에 정확히 한정된 양의 증발될 액체가 공급되도록, 그리고 상기 연결수단과 상기 모세관구조체 사이에 직접적이고 연속적인 결합이 생성되도록 할 수 있다. 또한, 별도의 능동공급기구를 여기에서 생략할 수도 있다.
상기 연결수단은 부직포인 것이 바람직하다. 상기 부직포를 형성하는 섬유는 상기 연결수단이 바람직한 양의 액체를 취할 수 있고, 그리고/또는 상기 액체를 상기 모세관구조체에 공급할 수 있도록 배열될 수 있다. 상기 부직포를 형성하는 섬유는 면, 탈지면 또는 유리 섬유일 수 있다. 다른 섬유 및 조합도 고려될 수 있다.
특히 바람직하게, 상기 연결수단은 전기절연재료로 형성된다. 상기 모세관구조체가 전기적으로 가열 가능하다면, 이 실시예는 상기 연결수단도 능동적으로 가열되는 것을 방지한다. 이것은 결국 상기 연결수단이 결합되는 상기 액체저장소에 위치하는 액체가 가열되는 것을 방지한다.
상기 연결수단은 밀봉되는 것이 바람직하다. 상기 연결수단이 밀봉됨에 따라 액체가 상기 연결수단의 내부 및/또는 표면 상에서 증발되는 것을 방지할 수 있다. 밀봉으로 인해, 상기 액체는 2차 유동의 대상이 되지 않는다. 이것은 증발이 일어나기로 예정된 상기 모세관구조체의 신뢰성 있는 작동에 기여한다.
상기 액체저장소는 증발기 주변에 환형으로 배치되는 것이 바람직하다. 상기 액체저장소 및/또는 상기 연결수단의 환형, 바람직하게는 원환형 배열에 의해, 상기 액체가 상기 모세관구조체 내로 등방성으로 공급되며, 이에 따라 상기 액체저장소로부터 액체가 상기 모세관구조체에 균일하게 공급되고, 특히 상기 모세관구조체의 표면 상에서 상기 액체가 균일하게 증발된다.
또한, 바람직하게, 적어도 1차 공기채널을 통해 유동하는 공기를 필터링하기 위한 필터가 상기 증발기의 하류에 제공될 수 있다. 상기 필터는 증발기튜브 뒤에 배치되어 이격되는 것이 바람직하다.
바람직한 일실시예에서, 상기 가열요소 및 상기 증발기는 공기가 유동하는 1차 공기채널에 배치되고, 상기 1차 공기채널은 양단부가 개방된 증발기튜브의 내부공간에 의해 형성되는 것이 바람직하며, 바람직하게는 그 유입구 및/또는 배출구에서 유동을 자유롭게 할 수 있는 증발기튜브에 의해 형성된다. 또한, 상기 증발기유닛은, 상기 증발기유닛으로 흡입된 공기가 상기 가열요소 및 상기 증발기를 바이패싱하면서 유동하는 2차 공기채널을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게, 상기 2차 공기채널의 적어도 일부는 상기 1차 공기채널과 평행하게, 바람직하게는 동심형으로 연장된다. 상기 증발기유닛으로 유동하는 기류를 1차 기류 및 2차 기류로 분할하는 것은, 유입된 기류 모두가 액적 증발에 필요한 온도로 가열되어야 하는 것은 아니라는 점에서 바람직하며, 이는 가열력이 절약되고 너무 높은 배출구 온도가 방지된다는 것을 의미한다. 상기 증발기의 하류에 재혼합구역이 제공되는 것이 바람직하며, 상기 재혼합구역에서는 가열된 1차 기류가 2차 기류와 다시 혼합된다. 액체의 증발 및 후속하는 재응결은 공기를 가열하는 힘인 상기 모세관구조체의 가열력 및 잠재적인 2차 공기 공급에 의해 영향을 받을 수 있다. 이에 따라, 액적 크기가 목표한 방식으로 설정되고 영향을 받는다.
바람직하게, 체적유량은 상기 1차 기류 및 상기 2차 기류에 의해 설정될 수 있다. 1차 기류 채널 및 2차 기류 채널을 통해 체적유량을 설정할 수 있는 능력은, 증발기유닛의 작동에 긍정적인 영향을 줄 수 있으며, 이는 유속과 열수송이 체적유량에 의존하기 때문이다. 설정능력은 바람직하게는 능동적 및/또는 수동적으로 구현될 수 있다. 능동적 설정능력이란 전기/전자 유닛을 통한 제어에 의해 구현될 수 있는 설정능력을 의미한다. 수동적 설정능력이란 온-오프 설정, 예컨대, 조정기구 또는 교번요소에 의해 구현될 수 있는 설정능력을 의미한다.
2차 공기채널이 없는 실시예가 고려될 수 있으며, 이 경우 상기 증발기유닛을 통해 유동하는 모든 공기가 상기 1차 공기채널을 통해 흐른다.
상기 1차 공기채널은 특히 상기 2차 공기채널 내부에 배치되는 것이 바람직하다. 이는 상기 2차 공기채널이 상기 1차 공기채널을 외부측으로 열적 절연시키기 때문에 에너지 측면에서 바람직하다. 특히, 상기 1차 공기채널 및 상기 2차 공기채널은 서로 동심원 상으로 배치될 수 있다.
상기 2차 공기채널은 상기 1차 공기채널에 인접하는 것이 유리하며, 바람직하게는 상기 1차 공기채널로부터 이격되도록 배치된다. 이 실시예는 본 발명의 광범위한 지오메트리 배치를 가능하게 한다.
상기 2차 공기채널의 유동 단면은 바람직하게는 상기 1차 공기채널의 유동 단면, 특히 상기 2차 공기채널의 유입구 및/또는 배출구에서의 유동 단면보다 크거나 작다. 상기 증발기 하류의 증발된 액체가 풍부한 기류는 일정하거나 감소된 온도를 갖는 증발기유닛 내에서 안내되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 상기 2차 공기채널은 유입구 및 배출구를 포함하며, 상기 유입구는 상기 가열요소의 상류 및/또는 상기 증발기의 상류에 배치되는 것이 바람직하고, 그리고/또는 상기 배출구는 상기 가열요소의 하류 및/또는 상기 증발기의 하류에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 2차 공기채널을 제공함으로써, 상기 증발기유닛 및 상기 증발기유닛에 제공된 흡입기의 외부 온도를 낮게 유지하는 것이 가능하고, "고온 증발구역"을 내측에 집중 형성되도록 하며, 그 결과 상기 흡입기를 잡을 때 화상의 위험이 최소화된다. 상기 2차 공기채널은 바람직한 드롭 스펙트럼(drop spectrum)을 최적으로 선택 가능하게 하여, 상기 1차 기류로부터 나오는 배기열을 이용하고 최적의 혼합 조건을 갖는 효율적인 혼합구역을 구현한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술한 바와 같은 증발기유닛을 제어하기 위한 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 모세관구조체 및/또는 상기 가열요소는 불연속 방식, 특히 순환 및/또는 펄스 방식으로 가열된다. 이것은 상기 가열요소 및 선택적으로 상기 모세관구조체로의 에너지 입력을 최적화할 수 있고, 가열력의 제어는 물론 증발시키려고 할 때 필요에 근거하여 가열할 수 있게 하며, 상기 액체의 후속 공급에 유용할 수 있다. 순간가열전압 프로파일(temporal heating voltage profile)(Uhk(t)) 또는 상기 가열요소에 대한 순간가열전압 프로파일들(Uh(t)) 및 상기 모세관구조체에 대한 Uhk(t)가 액체의 후속유동이 온도에 기초하여 보장되도록 특정되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 가열력은 공급속도 및/또는 공급요건에 근거하여 설정될 수 있다. 후속하여 공급되는 액체의 양은 증발된 액체의 양에 대응하는 것이 바람직하다. 따라서, 증발된 양만큼의 후속유동만이 존재한다. 온도를 설정하는 것은 모든 경우에 고려될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 가열요소 및/또는 상기 모세관구조체의 가열력은 온도 상한선에서 유지된다. 이는 과열이 없고, 증발될 액체 및/또는 증기에서 유해한 열분해가 발생하지 않는다는 조건하의 신뢰성 있는 증발을 가능하게 한다. 임의의 특정된 방법을 사용하여 상기 액체의 성분들에 적합한 상기 액체의 최적 증발이 보장될 수 있으며, 바람직하지 않은 분해 생성물의 생성은 신뢰성 있게 방지될 수 있다.
이하에서 본 발명은 바람직한 실시예에 기초해서 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전자담배제품의 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제1 전기/전자 유닛 및 증발기유닛의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제1 및 제2 전기/전자 유닛 및 증발기유닛의 개략도이다.
도 4는 증발기유닛의 주변에 동심원 상으로 배치된 액체저장소 및 증발기유닛을 통과하는 개략적인 단면도이다.
도 5는 생체구조(bionic structure)용 미세섬유의 개략적인 횡단면도이다.
도 6은 도 5에 따른 미세섬유로 형성된 생체가열구조(bionic heating structure)를 도시한다.
전자담배제품(10)은 실질적으로 막대형 또는 원통형인 하우징(11)을 포함한다. 상기 하우징(11)에는 공기채널(30)이 적어도 하나의 공기유입구(31)와 상기 담배제품(10)의 마우스단부(32) 사이에 제공된다. 상기 담배제품(10)의 상기 마우스단부(32)는 소비자가 흡입 목적으로 빨아들이는 단부를 말하며, 이에 따라 상기 담배제품(10)에 음압이 공급되어 기류(34)가 상기 공기채널(30)에 생성된다. 적어도 하나의 공기유입구(31)가 상기 하우징(11)의 쉘측에 배치될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 적어도 하나의 공기유입구(31A)가 상기 담배제품(10)의 원격단부(33)에 배치될 수 있다. 상기 원격단부(33)는 상기 마우스단부(32)에 대향하는 상기 담배제품(10)의 단부를 지칭한다.
유입공기를 가열 또는 예열하기 위한 공기가열수단(37)이 상기 기류(34)의 유로 내에 있는 하나 또는 두 개의 공기유입구(31, 31A)의 하류에 배치된다. 이는 에어로졸 형성을 최적화할 수 있다. 상기 공기가열수단(37)은, 예컨대, 에너지공급유닛(14)에 인접하여 배치될 수 있고, 상기 하우징(11)의 쉘의 내측 둘레에서 원주방향으로 연장될 수 있으며, 히터를 포함할 수 있고, 그리고/또는 동심원 상으로 배치되는 것이 바람직하다.
상기 유입구(31)를 통해 흡입된 공기는 선택적으로 계면 또는 분리면(57)을 통해 상기 공기채널(30)에서 증발기유닛(20)으로 안내된다. 상기 증발기유닛(20)은 액체저장소(18)로부터 액체(50)를 미스트/에어로졸 및/또는 기체 형태의 증기로서 작은 액적의 형태로 상기 기류(34)에 첨가한다. 상기 액체저장소(18)의 바람직한 부피는 0.1 ml 내지 5 ml이며, 바람직하게는 0.5 ml 내지 3 ml, 보다 바람직하게는 0.7 ml 내지 2 ml 또는 1.5 ml이다. 상기 액체저장소(18)는 바람직하게는 폐쇄된 표면을 가지고, 상기 액체가 누출되는 것을 방지하기 위해 유연성 주머니인 것이 바람직하며, 따라서 액체탱크를 포함한다. 액체의 공급은 액체가 증발된 양에 따라 바람직하게 결정되며, 즉, 이것은 모세관구조체(40)의 설계변수가 된다.
도 1에 따른 흡입기(10) 또는 소비유닛(17)에서의 증발기유닛(20)의 기하학적 치수 및 배치는 개략적이며, 실척을 나타내는 것은 아니다. 특히, 상기 증발기유닛(20)은 도 1에 도시된 것보다 실질적으로 더 길 수 있으며, 예컨대, 상기 흡입기(10)의 길이의 적어도 절반에 걸쳐 연장될 수 있다.
상기 담배제품(10)은, 바람직하게는 상기 담배제품(10)의 원격단부에 전기에너지저장소(14) 및 전기/전자 유닛(15), 예컨대, 배터리 및 제어기를 포함하는 전자에너지공급유닛(12)을 포함한다. 상기 에너지저장소(14)는 특히 전기화학적 일회용 배터리 또는 충전식 전기화학적 배터리, 예컨대, 리튬-이온 배터리일 수 있다. 상기 담배제품(10)은 상기 액체저장소(18) 및 상기 증발기유닛(20)을 포함하는 소비유닛(17)을 더 포함한다. 또한, 전기/전자 유닛(19) (미도시)이 상기 소비유닛(17)에 배치될 수 있다.
별도의 전기/전자 유닛들(15, 19) 대신에, 상기 에너지공급유닛(12) 또는 상기 소비유닛(17) 중 하나에 배치될 수 있는 단일 전기/전자 유닛이 제공될 수 있다. 이하에서, 상기 담배제품(10)의 전기/전자 유닛(들)은 전체로서 제어 어레인지먼트(29)로 지칭하도록 한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 센서(7), 예컨대, 온도 센서가 상기 하우징(11) 내에 배치되며, 이 센서의 기능은 이하에서 설명될 것이다(도 2 및 도 3 참조). 추가적으로 또는 대안적으로, 압력센서, 압력스위치 또는 유량스위치가 제공될 수 있으며, 상기 제어 어레인지먼트(29)는 상기 센서에 의해 출력되는 센서신호에 기초하여, 소비자가 흡입하기 위해 상기 담배제품(10)의 상기 마우스단부(32)를 빨아들이는 상기 담배제품(10)의 작동상태를 결정할 수 있다. 상기 작동상태에서, 상기 제어 어레인지먼트(29)는 상기 액체저장소(18)로부터 상기 기류(34)로 상기 액체(50)를 미스트/에어로졸 및/또는 기체 형태의 증기로서 작은 액적의 형태로 첨가하기 위해 상기 증발기유닛(20)을 작동시킨다. 상기 액체는 바람직하게는 비능동적인 방식으로 첨가된다.
상기 액체저장소(18)에 저장된 투입용 액체(즉, 액체성분혼합물)는, 예컨대, 1,2-프로필렌 글리콜, 글리세롤 및/또는 물의 혼합물로서, 하나 이상의 향미제 및/또는 활성성분, 예컨대, 니코틴이 첨가될 수 있다.
상기 소비유닛(17)은 소비자에 의해 대체될 수 있는 카트리지(21)로 설계되는 것이 바람직하며, 즉, 일회용 부품으로 설계된다. 특히, 상기 에너지저장소(14)를 포함하는 담배제품(10)의 나머지 부분은 소비자에 의해 재사용 가능한 베이스부(56)로 설계되는 것이 바람직하며, 즉, 다중용도 부품으로 설계된다. 상기 카트리지(21)는 상기 베이스부(56)에 연결될 수 있고 소비자에 의해 상기 베이스부(56)로부터 분리될 수 있다. 따라서, 상기 카트리지(21)와 상기 재사용 가능한 베이스부(56) 사이에는 분리면 또는 계면(57)가 형성된다. 카트리지 하우징(58)은 상기 담배제품(10)의 하우징(11)의 일부를 형성할 수 있다.
다른 실시예(미도시)에서, 상기 소비유닛(17)은 소비자에 의해 상기 담배제품(10)의 상기 베이스부(56) 내로 삽입 및 제거될 수 있는 카트리지(21)로서 설계된다. 이 경우, 상기 카트리지 하우징은 상기 담배제품(10)의 하우징(11)과는 분리된 하우징이다.
상기 카트리지(21)는 적어도 상기 액체저장소(18)를 포함한다. 상기 카트리지(21)는 전기/전자 유닛(19)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 전기/전자 유닛(19)은 전체적으로 또는 부분적으로 상기 베이스부(56)의 고정된 구성요소이다. 또한, 상기 증발기유닛(20)은 상기 카트리지(21)의 일부일 수 있거나, 상기 베이스부(56)에 배치될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 상기 카트리지(21)는 실질적으로 상기 액체저장소(18) 및 선택적으로 카트리지 하우징으로만 구성될 수 있다. 또는, 상기 카트리지 하우징은 상기 액체저장소(18)의 하우징에 의해 형성될 수 있으며, 따라서 별도의 카트리지 하우징이 생략될 수 있다.
막대형 담배제품(10)에서 사용되는 것 외에, 상기 카트리지(21)는 다른 흡입기들, 예컨대, 전자파이프, 시샤(shisha), 다른 가열-불연소 제품들(heat-not-burn product) 또는 의료용 흡입기에도 사용될 수 있다. 상기 에너지저장소(14)는 일반적으로 상기 카트리지(21)의 일부가 아니지만, 재사용 가능한 베이스부(56)의 일부이다.
바람직하게, 상기 소비유닛(17) 또는 상기 카트리지(21)는, 상기 소비유닛(17)(ID 칩) 또는 상기 카트리지(21)에 관한 정보 또는 파라미터를 저장하는 비휘발성 정보저장소(53)(도 1 참조)를 포함하며, 이는 예컨대, EEPROM 또는 RFID의 형태로, 또는 다른 적절한 형태로 구현될 수 있다. 상기 정보저장소(53)는 상기 전기/전자 유닛(19)의 일부일 수 있거나, 또는 그와 별개로 설계될 수 있다. 바람직하게, 하기의 정보가 상기 정보저장소(53)에 저장되는 것이 유리하다: 성분들, 즉, 상기 액체저장소(18)에 저장된 액체의 조성에 관한 정보; 프로세스 프로파일, 특히 전력/온도 제어에 관한 정보; 상태 모니터링 또는 시스템 검사, 예컨대, 누출 테스트와 관련된 데이터; 특히 상기 소비유닛(17) 또는 상기 카트리지(21)의 고유한 라벨링을 위한 ID를 포함하는 복제방지 및 위조방지에 관한 데이터; 일련번호, 제조일 및/또는 만료일; 및/또는 흡입의 횟수(소비자가 흡입한 횟수) 또는 사용시간. 바람직하게, 상기 데이터저장소(53)는 접촉부 및/또는 전선에 의해 상기 베이스부(56)의 제어수단(15)에 연결되거나 연결 가능하다.
본 발명에 따른 증발기유닛(20)의 바람직한 일실시예가 도 2에 도시되어있다.
상기 증발기유닛(20)은 자체 하우징(1)을 포함할 수 있다; 그러나, 상기 하우징(1)은 상기 담배제품의 하우징(11)에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 형성될 수 있다. 상기 증발기유닛은 상기 증발기유닛(20)을 통해 유동하는 공기의 유입(F1)을 위한 적어도 하나의 공기유입구(9) 및 적어도 하나의 공기배출구(6)를 포함하며, 도 2의 F1 내지 F4로 표시된 기류(34)는 상기 공기유입구(9)로부터 상기 증발기유닛(20)를 통해 상기 공기배출구(6)로 유동한다.
상기 증발기유닛(20) 내부에서, 상기 공기채널(30)은 서로 평행하게 배열된 2개의 채널, 즉, 가열요소(36)가 배치된 1차 공기채널 또는 가열채널(3) 및 2차 기류(F3)가 상기 가열요소(36)를 바이패싱하면서 유동할 수 있는 2차 공기채널 또는 바이패스 채널(5)로 분리된다. 이에 따라, 상기 증발기유닛으로 유동하는 임의로 예열된 기류(F1)는 1차 기류(F2a) 및 2차 기류(F3)로 분리된다. 즉, 상기 기류(F1)의 일부는 상기 2차 기류(F3)로서 증발기(22) 주변으로 안내되고, 상기 기류(F1)의 다른 부분은 상기 1차 기류(F2)로서 상기 증발기(22)를 통해 안내되고 증발기튜브(2)에 의해 2차 유동으로부터 분리된다.
상기 2차 공기채널(5)은 유입구(60) 및 배출구(61)를 포함한다. 상기 유입구(60)는 상기 가열요소(36)의 상류 및/또는 상기 증발기(22)의 상류에 배치된다. 상기 배출구(61)는 상기 가열요소(36)의 하류 및/또는 상기 증발기(22)의 하류에 배치된다. 바람직하게, 상기 1차 공기채널(3)은 1차 공기유입구(62)에 연결되고, 상기 1차 공기유입구(62)는 상기 가열요소(36)의 상류에 배치된다. 바람직하게, 상기 2차 공기채널(5)은 상기 1차 공기유입구(62)의 상류 또는 하류에 배치된 2차 공기유입구(60)에 연결된다. 상기 2차 공기유입구(62)는 상기 증발기(22)의 상류 또는 하류에 배치된다.
상기 증발기유닛(20)으로 유입되는 기류(F1)를 상기 1차 기류(F2) 및 상기 2차 기류(F3)로 분할하는 경우, 흡입된 기류(F1) 모두를 액적을 증발시키는데 필요한 온도로 가열시킬 필요는 없다는 장점이 있어, 가열력 및 과도하게 높은 배출구 온도를 방지할 수 있다.
바람직하게, 상기 1차 공기채널(3)은 상기 증발기유닛(20)의 내부에 반경방향으로 배치되고, 상기 2차 공기채널(5)은 상기 유닛의 외부에 반경방향으로 배치되며, 즉, 바람직하게는 상기 2차 공기채널(5)이 상기 1차 공기채널(3)의 주위에서 상기 1차 공기채널(3)을 원주방향으로 둘러쌀 수 있도록 동심원 상으로 배치된다. 이는 상기 2차 공기채널(5)이 상기 1차 공기채널(3)을 외부측으로 열적 절연시키기 때문에 에너지 측면에서 바람직하다. 상기 1차 채널(5)은 증발기튜브(2)의 내부공간에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 상기 2차 공기채널(5)은 특히 유동튜브(2)과 상기 하우징(1) 사이에 형성된 환형 채널이다. 상기 2차 공기채널(5) 및 상기 1차 공기채널(3)은 서로 동심원 상으로 배치되는 것이 바람직하다. 상기 하우징(1)은 상기 2차 유동채널(5)의 외측 유동안내 기능을 대신할 수 있다.
상기 액체저장소(18)로부터 나오는 액체를 첨가하고 상기 액체를 상기 가열요소(36)에 의해 가열된 상기 1차 기류(F2b)와 혼합하기 위한 증발기(22)가 상기 1차 채널(3) 내의 상기 가열요소(36)의 하류에 배치된다. 이를 위해, 상술한 증발기(22)는 모세관구조체(40)를 포함한다. 바람직하게, 상기 모세관구조체(40)는 도전요소(conducting element)(43)에 의해 전기적으로 상호 연결되는 적어도 하나의 구조요소(structural element)(44), 바람직하게는 복수의 구조요소들(44)을 포함한다. 바람직하게, 복수의 구조요소들(44)이 상기 기류(F2b)의 유동방향으로 잇달아 배치된다. 도 2 및 도 3의 실시예에는 복수, 예컨대, 6개의 구조요소들(44)이 배열된다. 상기 구조요소들(44)은 상기 도전요소(43)에 의해 직렬로 연결되는 것이 바람직하다. 상기 구조요소들(44)은 그리드, 미앤더(meander), 나선형(helix), 와선형(spiral), 메쉬의 형태로 형성될 수 있으며, 부직조 구조 또는 직조 구조일 수 있고, 특히 절첩식 또는 롤링식으로 직조된 금속 직물 또는 채널들 및 홈들로 포함하는 미시역학적으로 제조된 구조체로 형성될 수 있으며, 그리고/또는 상기 구조요소들(44)의 형태 및 구조는 미세섬유(85)와 같은 생체구조(bionic structure) 상에서 모델링된다. 촉매효과 및/또는 상기 모세관구조체(40)의 영역에서 증기/에어로졸 내로 방출되는 금속에 기인하여 발생하는 유해물질을 방지하기 위해, 상기 모세관구조체(40)는 선택적으로 실리콘 또는 중합체 실리콘과 같이 비금속으로 설계될 수도 있으며, 또는 상기 구조체는 세라믹, 금속 또는 반금속(semi-metallic)으로 형성되거나, 흑연으로 형성될 수 있다.
상기 모세관구조체(40)는 모세관 작용을 발생시킨다. 즉, 증발된 액체는 상기 모세관구조체(40)에 자동적으로 후속 공급된다. 이 경우, 상기 모세관구조체는 세장형 모세관에 한정되지 않고, 모세관 효과를 제공하는 포어(pore) 또는 다른 캐비티를 포함할 수 있다. 특히, 상기 미세섬유(85)와 같은 생체구조(bionic structures)가 또한 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 적어도 하나의 구조요소(44) 및 그에 따른 상기 증발기(22)의 상기 모세관구조체(40)는 다공성, 바람직하게는 높은 다공성을 가지며, 이는 상기 모세관구조체 내의 메쉬 크기 및/또는 포어, 채널 또는 다른 캐비티의 크기에 의해 결정된다. 높은 다공성은, 액체에 의해 습윤될 수 있고 증발될 수 있는 넓은 표면적(41)을 필요로 한다. 또한, 상기 다공성은 구조요소들(44)이 요구하는 통기성 및 이에 따른 상기 모세관구조체(40)의 통기성을 보장할 뿐만 아니라, 액체를 공급하기 위한 의도된 모세관 작용을 보장한다. 복수의 구조요소들(44)은 서로 평행하게 또는 서로에 대해 소정 각도를 가지며 배열될 수 있다. 상기 모세관구조체(40)의 적어도 하나의 구조요소(44)는 공간주기적, 비주기적, 등방성 및/또는 이방성 구조를 가질 수 있다.
상기 기류(34)가 소비자의 흡입에 의해 상기 공기채널(30)을 통해 검출될 때, 상기 제어수단(29)이 상기 증발유닛을 작동시키기 위해 상기 가열요소(36) 및 가열 가능한 상기 모세관구조체(40)를 작동시킨다. 자세한 내용은 아래에서 설명하도록 한다.
초기에, 상기 1차 기류(F2a)는 공기를 적절한 온도까지 가열하는 전기가열요소(36)를 통해 유동한다. 상기 가열요소(36)는 바람직하게는 전력전자 유닛을 포함하는 제1 전기/전자 유닛(70)에 의해, 예컨대, 펄스폭변조를 이용하여 제어된다. 가열전압원(14)에 의해 생성된 전압(Uh)은 상기 가열요소(36)에 인가되고, 상기 가열요소(36)를 통과하는 전류의 흐름을 유도한다. 이는 상기 요소의 오믹 저항으로 인해 상기 가열요소(36)가 가열되게 하고, 이는 상기 가열요소(36)를 거쳐 유동하는 공기(F2a)가 가열되게 한다. 상기 가열요소(36)는 바람직하게는 적어도 하나의 가열구조(26)를 포함하며, 예컨대, 이 경우 직렬로 상호 연결된 복수의 4개의 가열구조(26)를 포함한다. 그리드 구조도 고려될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 모세관구조체(40) 또한 가열 가능하다. 도 2에 도시된 실시예에서, 상기 모세관구조체(40)는 바람직하게 전력전자 유닛을 포함하는 제1 전기/전자 유닛(70)에 의해, 예컨대, 펄스폭변조를 이용하여 제어된다. 가열전압원(14)에 의해 생성된 전압(UhK)이 인가되어 상기 가열요소(36) 및 상기 모세관구조체(40)를 통과하는 전류의 흐름을 유도한다. 이는 상기 가열요소(36) 및 상기 모세관구조체(40)의 오믹 저항으로 인해 상기 가열요소(36) 및 상기 모세관구조체(40)가 가열되게 하고, 이에 따라 상기 가열요소(36)를 거쳐 유동하는 공기(F2a)가 가열되며, 상기 가열된 공기는 상기 가열된 모세관구조체(40)에 충돌하여 상기 모세관구조체(40)의 주변으로 그리고/또는 관통하여 유동하고 증발에 기여한다.
구조요소들(44) 및 전도요소들(43)의 오믹 저항을 적절하게 설정하여 상이한 구조요소들(44)을 동일하거나 상이한 온도로 가열하는데 사용할 수 있다. 예를 들어, 증발열 및 확산에 의한 상기 증발기에서의 냉각에 대응하기 위하여 상기 구조요소(44)는 하류에서 더욱 많이 가열될 수 있다. 이에 따라 특히 균일한 증발이 달성되며, 이미 증발된 액체의 바람직하지 않은 응결이 방지될 수 있다. 바람직하게, 온도와 같은 상기 모세관구조체(40)의 동작 조건을 측정하기 위해 상기 모세관구조체(40) 상에 또는 내부에 배치되는 센서(7)가 상기 제1 전기/전자 제어 유닛(70) 및/또는 상기 모세관구조체(40)의 가열을 제어하는 다른 제어요소들과 접촉한다. 예를 들어, 상기 모세관구조체(40) 및/또는 상기 가열요소(36)의 가열력은 주어진 온도에서 온 또는 오프로 스위칭될 수 있다. 또한, 상기 센서(7)에 의해 검출된 데이터에 기초한 다른 제어 형태, 특히 온도 제어가 가능하다. 예컨대, 온도, 압력 또는 농도구배(concentration gradient)를 결정하고 상응하는 제어수단을 구현하기 위해 복수의 센서(7)가 각각의 구조요소들(44) 또는 상기 증발기(22)의 다른 지점에 제공될 수 있다. 센서는 상기 가열요소(36) 상에/내부에 제공될 수 있거나 또는 상기 가열요소(36)에 의해 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 모세관구조체에 대한 순간가열전압 프로파일(Uhk(t))은 액체의 후속유동이 보장되도록 특정될 수 있다.
가열된 기류(F2b)의 온도는, 상기 액체를 소정의 양만큼 증발되도록 하는 끓는점인 40 ℃ 바로 위 또는 아래일 수 있다. 이는 이 상태까지 액적이 빨리 증발할 수 있고, 증발이 너무 느리게 진행되지 않음을 보장한다. 바람직하게, 상기 공기(F2b)는 성분들이 열분해되는 것을 피할 수 있는 온도보다 높은 온도로 가열되어서는 안 된다.
상기 가열된 기류는, 예컨대, 그리드 또는 선회요소들 형태의 유동균질화요소(미도시)에 의해 유동 및 온도 프로파일 측면에서 임의로 균질화될 수 있다. 상기 유동균질화요소는 바람직하게는 상기 1차 공기채널(3)에, 보다 바람직하게는 상기 가열요소(36)와 상기 증발기(22) 사이에 배치된다.
가열된 기류(F2b)는 상기 모세관구조체(40)에서 예열된 액체와 충돌하고, 상기 모세관구조체(40)의 공기온도, 체적유량 및 (공급) 특성을 이용하여 설정 될 수 있는 소정의 양만큼 액체를 증발시킨다. 증발된 액체는 증기 또는 에어로졸로서 상기 기류(F2c)를 따라 계속 유동한다. 상기 모세관구조체(40)는 목표한 증발이 상기 기류(F2c)의 상류 또는 상기 기류(F2c) 내에서 보장되는 한, 상기 기류(F2b)에 대해 종방향으로 또는 횡방향으로 배열 및 배향 될 수 있다.
상기 증발기(22)로부터 첨가된 후에, 상기 모세관구조체(40)의 표면(41) 상에 위치한 바람직하게 예열된 액체, 즉, 액체 필름은 고온 기류(F2b)와 접촉하여 실질적으로 순간적으로 증발된다. 이러한 방식으로, 증발기(22)가 상기 증발기유닛(20) 내에 형성되거나 상기 증발기튜브(2) 또는 상기 1차 채널(3) 내에 형성된다. 공기/에어로졸 유동(F2c)의 형성 또한 상기 증발기(22)의 하류에 위치된 구역(13)에서 발생된다.
증기를 함유하는 1차 기류(F2c)는 재혼합구역 또는 혼합구역(25)에서 상기 2차 기류(F3)와 혼합된다. 바람직하게, 농축된 심부의 유동은 배출구에서 차가운 벽으로부터 멀리 유지되어 벽에 응결되는 것이 방지된다. 결합된 증기함유 기류(F4)는 바람직하게 냉각영역(51) 및 배출구(6)를 통해 최종적으로 상기 증발기유닛(20)을 떠난다.
상기 증발기(22)와 상기 액체저장소(18)를 연결하는 상기 연결수단(42)은 전기적으로 비전도성인 부직포로 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 상기 부직포는 기계식 또는 액체 전도식으로 상기 모세관구조체(40)에 결합될 수 있으며, 이에 따라 상기 액체가 모세관 작용에 의해 상기 액체저장소(18)에서 나와 상기 연결수단(42)을 통해 상기 모세관구조체(40) 내로 수송될 수 있다. 특히, 상기 부직포는 상기 모세관구조체(40)의 상기 구조요소들(44)과 동일한 재료특성 및 제조단계를 가질 수 있다. 그러나, 다른 연결수단(42) 또한 고려될 수 있으며, 별도의 유동제어수단, 예컨대 마이크로 펌프 또는 밸브에 의해 상기 액체저장소(18)로부터 필요한 액체 체적유량을 공급받을 수 있다. 하나 이상의 밸브를 갖는 밸브구조를 사용할 때, 상기 액체저장소(18)는 바람직하게 가압될 수 있다.
상기 액체저장소(18), 상기 연결수단(42), 상기 제1 전기/전자 유닛(70) 및 선택적인 제2 전기/전자 유닛(70), 및 상기 전류원(14)은 다양한 공간 구성으로 구현될 수 있다. 또한, 증발될 액체의 추가적이고 제어된 전기적 예열도 구현될 수 있으며, 이로 인해 증발에 필요한 열의 대부분이 도입될 수 있고, 그리고/또는 액체 특성들(표면장력/점도)이 영향을 받을 수 있는데, 이는 액적 형성 프로세스 및 공급 프로세스에 관련되어 있다. 상기 예열은 상기 증발기(22) 또는 상기 연결수단(42)에 포함될 수 있다.
상기 1차 기류(F2b)의 온도는 상기 가열요소의 전기저항이 온도 의존적인 경우 상기 저항의 측정 변수에 의해 제어되거나, 균질한 1차 기류(F2b)에 임의의 센서(7)를 사용하여 직접 제어될 수 있다.
사용된 액체 혼합물에 적합한 전압 곡선(Uh(t))은 상기 카트리지(21)의 상기 데이터저장소(53) 또는 상기 베이스부(56)의 데이터저장소(59)에 저장되는 것이 바람직하다. 이는 사용된 액체에 적합한 방식으로 전압 프로파일(UH(t))을 특정할 수 있게 하여, 정확하게 알려진 특정 액체의 증발역학에 따라, 상기 가열요소(36)의 가열온도가 증발 프로세스 전체에 걸쳐 순간적으로 제어될 수 있도록 하며, 이에 따라 최적의 증발 결과를 얻을 수 있다. 증발온도는 바람직하게는 100 ℃ 내지 400 ℃이며, 보다 바람직하게는 150 ℃ 내지 350 ℃, 더욱 바람직하게는 190 ℃ 내지 240 ℃이다.
상기 증발기유닛(20)은 바람직한 양의 액체가 투입되도록 설정되며, 그 양은 1 μl 내지 20 μl, 보다 바람직하게는 2 μl 내지 10 μl, 보다 더 바람직하게는 3 μl 내지 5 μl, 일반적으로 소비자의 한 모금당 4 μl이다. 바람직하게, 상기 증발유닛(20)은 한 모금당 흡입되는 액체의 양에 대응하게 설정될 수 있다.
바람직하게, 상기 증발기(22)는 1차적으로 0.05 μm 내지 5 μm, 바람직하게는 0.1 μm 내지 3 μm의 직경을 갖는 액적이 에어로졸에 발생하도록 설정될 수 있다. 액적 크기는 0.05 내지 5 MMAD(mass median aerodynamic diameter; 질량중앙 공기역학적 직경), 바람직하게는 0.1 내지 3 MMAD, 보다 바람직하게는 0.3 내지 2 MMAD, 보다 더 바람직하게는 0.4 내지 1.5 MMAD, 예컨대, 약 0.5 MMAD 또는 1 MMAD가 최적일 수 있다. MMAD는 EU 표준에 해당하며 μm 단위로 지정된다.
바람직하게, 상기 가열요소(36) 및/또는 상기 증발기(22)는 적절한 작동 주파수에서 전기적으로 작동되며, 상기 작동 주파수는 통상적으로 Hz 또는 kHz 범위, 예컨대, 1 Hz 내지 50 kHz, 바람직하게는 30 Hz 내지 30 kHz, 특히 바람직하게는 100 Hz 내지 25 kHz이다. 다른 실시예에서, 작동 주파수는 5 Hz 내지 50 Hz, 바람직하게는 10 Hz 내지 40Hz일 수 있다.
추가적인 실시예에서, 상기 가열요소(36) 및/또는 상기 증발기(22)는 특히 흡입 또는 흡연의 일부분 및/또는 일련의 연속적인 흡입 또는 흡연에 걸쳐 작동 및/또는 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예가 도 3에 도시되어있다. 이 실시예는 도 2에 도시된 실시예의 특징을 가지지만, 상기 모세관구조체(40)의 가열을 제어하기 위한 별도의 제2 전기/전자 유닛(71)이 존재한다는 점이 상이하다. 이 실시예는 상기 가열요소(36) 및 상기 모세관구조체(40)를 더욱 목표하는 만큼 제어할 수 있게 한다. 상기 제1 전기/전자 유닛(70)과 유사하게, 상기 제2 유닛은 예컨대, 펄스폭변조에 의해 시간가변 방식으로 제어되는 것이 바람직하다. 상기 가열전압원(14)에 의해 생성된 전압(Uhk)이 인가되어 상기 모세관구조체(40)를 통해 전류가 흐르게 된다. 이는 상기 모세관구조체의 오믹 저항으로 인해 상기 모세관구조체(40)가 가열되게 한다. 제2 에너지공급 유닛이 고려될 수 있다. 다른 프로세스 및 구성요소는 도 2에 도시된 실시예와 유사하다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단면을 도시한다. 상기 소비유닛(17)은 상기 액체저장소(18)를 포함한다. 상기 액체저장소(18)는 상기 2차 공기채널(5)이 바람직하게 위치되는 상기 하우징(1) 주위에 환형으로 배치되는 것이 바람직하다. 상기 2차 공기채널(5)은 상기 모세관구조체(40)가 위치된 상기 1차 공기채널(3)을 환형으로 둘러싸는 것이 바람직하다. 상기 연결수단(42)은 상기 액체저장소(18)를 상기 모세관구조체(40)에 연결하는 복수의 요소들(도 4에 도시된 3개의 요소)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 연결수단(42)의 상기 요소들이 균일하게 배열되면 상기 모세관구조체에 액체가 등방성으로 공급될 수 있다. 이 실시예에서, 상기 연결수단(42)의 상기 요소들은 상기 2차 공기채널(5)을 통해 연장되고, 바람직하게는 밀봉된다.
상기 가열구조(26)의 다른 실시예들이 도 5 및 도 6에 도시되어있다. 열전도체(85)를 갖는 상기 구조의 형태는 특히 목재 섬유셀 또는 기관(trachea)에서 미세섬유의 형태로 발견될 수 있는 생체구조(bionic structures)를 따른다(도 5 참조). 또한, 바람직하게, 상기 구조요소(44) 및/또는 상기 연결수단(42)을 갖는 상기 모세관구조체(40)는 형태상 미세섬유의 형상을 따를 수 있다. 상기 열전도체들(85) 사이의 채널들(86)의 바람직한 치수, 즉, 인접한 가열구조들(85) 사이의 자유공간은 10 μm 내지 0.5 ㎜, 보다 바람직하게는 15 μm 내지 150 μm이다.
도전부(87)에 의해 직렬로 상호 연결될 수 있는 상응하는 형상의 이격된 열전도체들(85)을 갖는 생체가열구조(bionic heating structure)(26)가 도 6에 도시된다. 도 6에 6A로 표시된 부분은 상기 가열구조(26)의 영역의 확대 상세도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 열전도체(85)의 바람직한 망상(net-like) 연결 또는 상기 가열요소 지오메트리로 인해 넓은 면적 커버리지를 갖는 조밀한 표면 구조가 형성되며, 이러한 구조는 특히 액체가 신속하고 효율적으로 증발되게 한다. 전극들(84)이 상기 가열요소(36)에 상기 가열전압(Uh)을 인가하기 위해 상기 가열요소(36)에 연결될 수 있다.

Claims (29)

  1. 가열요소(36)를 포함하며, 액체를 증발시키도록 설계되어 상기 증발된 액체가 증발기유닛(20)을 통해 유동하는 기류에 의해 흡입되는, 흡입기용 증발기유닛(20)에 있어서, 상기 증발기유닛(20)은 상기 액체를 예열하기 위해 가열 가능하고 액체에 의해 적어도 부분적으로 습윤될 수 있는 표면(41)을 가지며 모세관 작용에 의해 액체가 공급되는 적어도 하나의 통기성 모세관구조체(40)를 포함하고, 상기 가열요소(36)는 상기 증발기유닛(20)을 통해 유동하는 상기 기류를 가열하도록 설계되고, 상기 모세관구조체(40)는 상기 가열된 기류가 상기 예열된 액체의 증발을 유도하도록 상기 가열요소(36)의 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모세관구조체(40)는 전기 전도성 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가열요소(36)는 상기 기류를 상기 액체 혼합물의 끓는점 이상의 온도로 가열하도록 설계되고, 그리고/또는 상기 모세관구조체(40)는 상기 액체를 상기 액체 혼합물의 끓는점 이하의 온도 및/또는 적어도 100 ℃, 바람직하게는 적어도 150 ℃, 더욱 바람직하게는 적어도 200 ℃ 및 더욱 더 바람직하게는 적어도 250 ℃의 온도로 가열하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모세관구조체(40)는 제1 전기/전자 유닛(70)에 의해 가열 가능하고, 상기 제1 전기/전자 유닛(70)은 상기 가열요소(36)를 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 전기/전자 유닛(70)은 상기 가열요소(36)를 제어하도록 설계되고, 상기 모세관구조체(40)는 제2 전기/전자 유닛(71)에 의해 가열 가능한 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모세관구조체(40)는 부직조 구조 또는 직조 구조이며, 특히 절첩식 또는 롤링식으로 직조된 금속 직물로 형성되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모세관구조체(40)는 기판 및 상기 기판에 형성된 채널들 및/또는 홈들을 포함하는 미시역학적으로 제조된 구조체인 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모세관구조체(40)의 구조요소들(44) 및/또는 상기 가열요소(36)의 가열구조(26)의 형태 및 지오메트리는 생체구조(bionic structures), 예컨대, 미세섬유(microfibril)(85)와 유사한 생체구조(bionic structures)를 갖는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모세관구조체(40)의 적어도 하나의 작동 조건, 예컨대, 온도는 센서(7)를 사용하여 측정될 수 있는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모세관구조체(40)는 연결수단(42)에 의해 액체저장소(18)에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연결수단(42)은 모세관 작용에 의해 액체를 공급하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 연결수단(42)은 부직포인 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결수단(42)은 전기절연재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결수단(42)은 밀봉되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체저장소(18)를 추가로 포함하며, 상기 액체저장소(18)는 증발기(22) 주변에 환형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기(22)의 하류에 혼합구역(25)이 제공되고, 상기 혼합구역(25)에서는 특히 증발된 액체가 풍부한 1차 기류(F2)가 2차 기류(F3)와 혼합되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  17. 제16항에 있어서,
    체적유량이 상기 1차 기류(F2) 및 상기 2차 기류(F3)에 의해 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열요소(36) 및 상기 증발기(22)는 통기성 1차 공기채널(3)에 배치되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  19. 제18항에 있어서,
    상기 1차 공기채널(3)은 양단부가 개방된 증발기튜브(2)의 내부공간에 의해 형성되며, 바람직하게는 그 유입구 및/또는 배출구에서 유동을 자유롭게 할 수 있는 증발기튜브에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기유닛(20)은, 상기 증발기유닛(20)으로 흡입된 공기가 상기 가열요소(36) 및 상기 증발기(22)를 바이패싱하면서 유동하는 2차 공기채널(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  21. 제20항에 있어서,
    상기 2차 공기채널(5)은 유입구(60) 및 배출구(61)를 포함하며, 상기 유입구(60)는 상기 가열요소(36)의 상류 및/또는 상기 증발기(22)의 상류에 배치되는 것이 바람직하고, 그리고/또는 상기 배출구(61)는 상기 가열요소(36)의 하류 및/또는 상기 증발기(22)의 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  22. 제18항 및 제20항에 있어서,
    상기 1차 공기채널(3)은 상기 2차 공기채널(5) 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 흡입기용 증발기유닛(20).
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 증발기유닛(20) 및 액체저장소(18)를 포함하는 카트리지(21).
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 증발기유닛(20)을 포함하는 흡입기(10).
  25. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 증발기유닛(20)을 제어하기 위한 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 모세관구조체(40) 및/또는 상기 가열요소(36)는 불연속 방식, 특히 펄스 방식으로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    상기 모세관구조체(40)에 대한 순간가열전압 프로파일(temporal heating voltage profile)(Uhk(t))은 액체의 후속유동이 보장되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열요소(36) 및/또는 상기 모세관구조체(40)의 가열력은 온도 상한선에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열요소(36) 및/또는 상기 모세관구조체(40)의 가열력은 온도 사양에 따라 증발이 보장되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
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