KR20220125314A - 공기 예열 요소를 구비하는 기화기 장치용 히터 및 그 제조방법 - Google Patents

공기 예열 요소를 구비하는 기화기 장치용 히터 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20220125314A
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조셉 엠. 푸이즈
리차드 씨. 푸이즈
아나톨리 고르도브스키
유리 립스키
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푸이즈 에이치앤비 테크놀로지즈 엘엘씨
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Abstract

공기 예열 요소를 구비하는 기화기용 히터는 케이싱, 담배를 위치시키기 위한 원통형 가열 챔버로서 천공된 바닥을 갖는 터널, 저항형의 가열 요소, 열교환기를 포함하고, 열교환기는 히터에 의한 공기를 순환 및 예열하기 위한 공기 채널, 상단부 및 하단부, 상단부에 만들어진 공기 흡입구를 포함한다. 유출구는 터널의 히터에 의해 예열된 공기의 흡입을 위한 열교환기의 공기 채널의 출구와 연통한다. 케이싱은 박막 유전체 내열 재료의 테이프 형태로 만들어지며, 일측의 단부에는 접점이 있는 저항 물질의 얇은 레이어가 배치되어 가열 요소를 형성하고, 타측에는 고정되고 중간을 향해 기울어진 상부 및 하부 스페이서와 유연한 내열 재료로 만들어진 에지가 있다. 위에서 언급한 가열 요소가 있는 테이프는 외부에 위치하여 원통으로 감겨 터널을 형성하고, 추가적으로 여러 개의 상호 연결된 나선형 코일로 감겨지며 상단부와 하단부가 나선형 케이싱을 형성하여 상단부가 내부에 위치한 하부 스페이서와 에지는 나선형 열교환기를 형성하고, 나선형 열교환기는 나선형 및 미로 순환과 공기의 예열을 위한 상단 및 하단 그리고 중간 나선형 공기 덕트를 포함하고, 바닥에 공기 흡입을 위한 추가 유입구를 포함한다.

Description

공기 예열 요소를 구비하는 기화기 장치용 히터 및 그 제조방법
본 출원은 2020년 1월 10일에 출원된 미국 가출원 번호 62/959,544 및 2020년 10월 2일에 출원된 미국 가출원 번호 17/061,767의 이익을 주장하며, 그 전체 내용이 여기에 참조로 포함된다.
본 발명은 흡연 또는 전자담배 제품에 관한 것으로, 특히 훈제 또는 기화 가능한 스틱 가열 장치를 위한 휴대용 또는 고정식 전자 제품의 일부로 사용되는 열분해(연소(burning), 연기(smoldering))가 없는 궐련(cigarette) 또는 흡연할 수 있는(smokable) 또는 기화 가능한 담배(tobacco) 스틱을 베이핑(vaping)하기 위한 전자 기화기 장치의 일부로 사용하기 위한 가열 시스템 및 그 제조방법에 관한 것이다.
담배 스틱 가열용 휴대용 및 고정식 전자 장치의 일부로 사용할 수 있는 열분해(연소, 연기) 없는 궐련/담배 스틱을 베이핑하기 위한 전자 기화기 장치의 일부로 사용하기 위한 가열 시스템과 같은 흡연 물품이 종래 기술로 알려져 있다. 종래의 실시예에서, 담배 스틱은 일반적으로 종이로 만들어지고 종종 필터를 포함하는 원통형 튜브에 담배(종종 증기제가 첨가된 재생 담배)를 포함한다. 예를 들면 Philip Morris Products SA의 IQOS® 장치에 사용되는 HEATSTICKS® 또는 British American Tobacco의 GLO®(즉, NeostiksTM)에서 사용하는 담배 스틱이 있다. 일부 히터에서는 담배 스틱에서 활성 물질(니코틴)이 증발될 때 담배의 외부 전기 가열만 사용된다(즉, 히터가 담배를 관통하지 않고, 담배 기재(substrate)를 포함하는 종이 원통의 외부 부분과 접촉하게 됨). 담배 스틱이 담배 기재를 관통하지 않고 가열되는 상업용 장치의 예는 British American Tobacco에서 판매하는 GlO® 장치이다. Philip Morris International에서 가장 두드러지게 판매되는 IQOS®와 같은 다른 히터에서 가열은 담배 스틱 내부에 있으며, 즉, 담배 스틱은 담배 기재와 접촉하는 가열된 블레이드에 의해 관통된다.
담배 스틱 장치의 폼 팩터는 장치 개발자가 완전히 인식하지 못한 고유한 문제를 나타낸다. 전통적인 가연성 담배의 경우 흡연자는 일반적으로 필터에서 손가락으로 담배를 잡고 담배의 "타는" 부분에서 달성된 상당한 온도에도 불구하고, 담배 재료의 거리 및 약한 열전달 특성은 사용자가 열과 관련된 불리한 문제를 인식하지 못하기에 충분하다.
또한 열원은 열분해로 담배와 티핑 페이퍼(tipping paper)를 태울 목적으로 충분한 열을 제공한다.
담배 스틱을 위한 궐련형 장치의 구조는 가연성 궐련과 상당히 다르다. 담배 스틱은 상대적으로 높은 열 요구사항(180-400℃)을 가지며 히터는 담배 스틱의 담배 부분을 둘러싸거나 밀접하게 접촉하거나 근접하거나 직접 접촉해야 한다. 배터리와 장치 무게로 인해 사용자가 담배처럼 뜨거운 부분에서 두 손가락으로 장치를 가볍게 잡고 있을 가능성이 낮고(손이 담배를 타는 끝에서 멀리 잡는 경향이 있음), 이는 오늘날의 배터리 장치로는 불가능하다. 장치는 단순히 너무 무겁고 사용자가 필터 부분으로 담배 스틱을 잡고 싶어도 필요한 강도가 부족한 경향이 있다. 따라서 사용자는 가열되는 영역 위 또는 주변에서 장치를 잡을 가능성이 높다.
이 폼 팩터의 현실은 갈등을 야기한다. 담배 스틱은 니코틴, 증기제(예를 들어 식물성 글리세린, 프로필렌 글리콜 등)를 방출할 수 있도록 충분히 가열되어야 한다. 맛과 향, 그러나 장치의 외부는 담을 수 있을 만큼 충분히 시원해야 한다. 이 갈등에는 세 번째 역학, 즉 히터 성능과 에너지 사용 문제가 있다. 궐련형 장치에 대한 열 요구사항은 상대적으로 높고 작동 온도에 도달할 때까지 시동 시간 문제가 있으며. 소비자는 종종 재충전 전에 여러 담배 스틱 "흡연" 또는 "베이핑" 세션을 허용하는 배터리를 원한다.
이러한 기술적 문제 외에도 공중 보건 문제와 같은 중요한 고려 사항이 있다. 특히, 전통적인 전자 담배(즉, 담배 스틱과 반대되는 액체 기반)와 전자 담배의 청소년 채택에 대한 우려가 증가하고 있다. 이는 원하는 인구 통계학적인 기존 흡연자에게 보다 구체적으로 어필할 수 있는 한, 담배 스틱 기반 장치의 가능한 이점이다. 그러나 IQOS® 및 GLO®와 같은 담배 스틱 장치의 비용은 많은 소비자, 특히 담배가 저렴하게 유지되는 특정 시장에서 손이 닿지 않는 곳에 있다. 예를 들어, 아르헨티나와 같은 국가에서는 담배 한 갑이 약 1달러에 판매되므로 가연성 담배에 대한 대안이 필요한 많은 흡연자들에게 60달러짜리 장치를 판매하기 어렵다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 기존 장치보다 제조가 더 빠르고 제조 비용이 저렴한 효과적인 궐련형 장치(heat not burn device)를 제공하는 것이다.
본 발명은 외부, 주변 공기를 사용하여 장치를 적절하게 냉각시키는 역할을 하고, 공기가 담배 스틱이 가열되고 에어로졸화 가능한 성분이 기화되는 가열 터널로 들어가기 전에 공기를 예열하는 열교환기를 교시한다.
특정 실시예에서, 담배 스틱의 원통형 가열 및 열교환기를 포함하는 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 목적은 특정 실시예에서 열교환기를 포함하는 장치를 제공하는 것이며, 가열 시스템은 담배 스틱의 담배 기재 구성요소를 관통하지 않는 비원통형 가열 시스템을 제공한다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 열교환기, 원통형 가열(또는 비원통형 비관통형 가열) 및 선택적인 포함 또는 배제 또는 열 블레이드 또는 스틱의 담배 성분에 삽입된다.
본 발명의 목적은 외부 케이싱으로의 열전달을 감소시키기 위해 진공 챔버를 필요로 하지 않거나 포함하지 않는 비교적 소형의 궐련형 장치(즉, 담배 스틱과 케이스 외부 사이의 비교적 짧은 거리)를 허용하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 원통형 가열만을 사용(그리고 스틱의 담배 성분에 삽입되는 관통형 히터는 사용하지 않음)하여 표준 담배 직경의 담배 스틱(즉, 7.5mm 내지 8.5mm 범위)을 가열할 수 있는 장치를 허용하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 증기 생성, 증기 조성(퍼프(puff)당 니코틴 및 유해하거나 잠재적으로 유해한 성분 포함) 및 장치의 품질에 대한 주변 온도의 차이(즉, 다양한 주변 온도)의 영향을 감소 또는 최소화하는 것이다. 스틱의 총 배출량을 측정하거나 퍼프 기준으로 차이를 고려할 수 있다. 이것은 열교환기를 사용하여 달성된다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 담배 스틱의 담배 부분의 균일한 기화를 가능하게 하는 것이다. 균일한 기화를 통해 "사용된" 담배는 수분 함량, 잔류 니코틴 및/또는 열분해 부족 측면에서 더 일관성이 있다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 사용된 담배 스틱의 서로 다른 지리적 부분으로부터의 샘플이 25% 이내, 바람직하게는 15% 이내, 더욱 바람직하게는 10% 이내가 되도록 담배 스틱의 담배가 사용된 후 잔류 니코틴을 분석하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 사용된 담배 스틱의 서로 다른 지리적 부위로부터의 샘플이 25% 이내, 바람직하게는 15% 이내, 더욱 바람직하게는 10% 이내가 되도록 담배 스틱의 담배가 사용된 후 증기제(예를 들어 식물성 글리세린 또는 프로필렌 글리콜)를 분석하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 사용된 담배 스틱의 서로 다른 지리적 부분의 샘플이 25% 이내, 바람직하게는 15% 이내, 더욱 바람직하게는 10% 이내가 되도록 담배 스틱의 담배가 사용된 후 수분 함량을 분석하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 중합체 필름이 폴리액타이드를 포함하는 경우를 포함하지만 이에 제한되지 않는 담배 스틱의 중합체 필름 필터를 용융시키지 않고(또는 실질적으로 용융하지 않고) 담배 스틱의 기화를 가능하게 하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 퍼프당 냉각 효과, 즉 사용자가 퍼프할 때 터널로 공기가 유입되어 발생하는 온도 강하를 최소화하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 연소 기반 발열 반응의 부재 또는 실질적인 부재에도 불구하고, 열이 열교환기로부터 담배 스틱으로 끌어당김에 따라 퍼프당 가열 효과를 갖는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 장치에 대한 세척 요구를 감소 또는 제거하는 것이다. 열분해를 줄이거나 제거하면 터널에 잔류물이 거의 남지 않는다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 담배 스틱이 금속 포일 열 반사기를 포함하지 않는 담배 스틱의 사용을 허용하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 장치를 잡고 있는 동안 사용자에게 영향을 미치는 온도를 최소화하면서도 적절한 작동 온도에서 효율적으로 작동하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 사용 중 열교환기의 외부 온도를 35℃ 내지 100℃, 바람직하게는 60℃ 내지 85℃, 보다 바람직하게는 60℃ 내지 80℃, 가장 바람직하게는 75℃ 내지 80℃로 유지하는 것이다.
특정 실시예의 목적은 사용 동안 케이스의 외부 온도가 50℃를 초과하지 않고, 바람직하게는 45℃를 초과하지 않으며, 더 바람직하게는 40°를 초과하지 않는 외부 케이스 내부에 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 내부 담배 기재와 기화 장치의 외부 사이의 온도 차이를 최대화하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 담배 기재가 기재 기반 담배 플러그와 대조되는 종래의 담배와 유사한 절단 래그(rag)인 담배 스틱과 함께 기능하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은 작동 장치를 잡고 있는 사용자가 수용할 수 있는 외부 온도를 위해 장치를 냉각하고, 공기를 담배 스틱 터널과 담배 내부로 전달하기 전에 이 동일한 공기를 효과적으로 예열하는, 개선된 공기 흡입 시스템을 달성하는 것이다.
본 발명은 흡연 또는 전자담배 제품, 특히 열분해(연소, 연기)가 없거나 실질적으로 없는 담배 또는 전자담배 스틱을 베이핑하기 위한 전자 기화기 장치의 일부로 사용하도록 의도된 히터에 관한 것이며, 담배 스틱 가열용 휴대용 및 고정식 전자 장치의 일부로 사용될 수 있다.
공기 예열 요소가 있는 기화기용 히터는 선택적으로 특정예에서 케이싱, (선택적으로) 천공된 바닥이 있으며 담배를 배치하기 위한 원통형 가열 챔버인 터널, 저항 가열 요소, 열교환기, 히터에 의한 공기의 순환 및 예열을 위한 공기 채널, 상단부 및 하단부, 상단부에 만들어진 공기 흡입구, 하단부에 만들어진 공기 흡입구, 열교환기의 공기 채널의 출구와 연통하며 히터에 의해 예열된 공기의 터널로의 전달을 위한 유출구를 포함한다.
특정 실시예에서, 열교환기의 공기 채널의 출구는 터널의 하부(바닥과 반대)로 들어간다.
본 발명의 특정 실시예에서, 터널은 박막 내열 재료의 테이프(또는 리본)의 형태로 만들어지며, 그 위에 접점이 있는 저항 물질의 얇은 레이어가 일측의 일단에 배치되어 가열 요소, 일측의 타단을 향해, 고정되고 중간을 향해 기울어진 상단 및 타단 스페이서 및 에지를 형성하고, 이들은 유연하며 선택적으로 내열 재료로 만들어진다. "중간을 향해 기울어짐"은 도 4와 같이 공기 덕트를 형성하는 스페이서가 V자 모양으로 표시된다는 것을 의미한다. 다른 모양이 스페이서로 사용될 수 있다.
특정 실시예에서, 가열 요소는 스페이서 및 에지의 반대쪽에 배치될 수 있어, 조립될 때 가열 요소가 터널의 내부에 있도록 한다. 특정 실시예에서, 박막 재료의 양면에 가열 요소가 있어서, 조립될 때 터널 내부에 가열 요소가 있고 터널 외부에 가열 요소가 있다.
선택적으로 박막 내열 재료는 유전체이다. 선택적으로, 열교환기 및/또는 박막 재료는 에어로젤을 포함한다.
선택적으로, 필름 내열 재료는 거울 코팅을 포함하거나, 그렇지 않으면 거울 표면을 갖는다. 이러한 거울 표면은 공기 덕트의 내부 표면에서 반사되는 열을 감소시킬 수 있다. 특정 실시예에서, 거울층 및 비거울층과 함께 라미네이트 필름이 사용된다. 넓은 온도 범위에서 안정적으로 유지되는 폴리이미드 필름인 Kapton을 사용할 수 있다.
테이프 상에 가열 요소를 형성하기 위해 사용되는 저항성 재료는 특히 3d 프린팅을 포함하는 임의의 공지된 방법을 사용하여 증착되거나 프린팅될 수 있다.
스페이서는 특히 3d 프린팅을 포함하는 임의의 공지된 방법을 사용하여 테이프 상에 증착 또는 프린팅될 수 있다.
박막 유전체 내열 재료는 공지된 어떠한 내열성 재료로도 대체될 수 있다. 다른 실시예에서, 비내열성 재료가 박막 재료로 사용될 수 있다.
특정 실시예에서, 테이프는 일관된 재료가 아니라 다양한 특성을 갖는 하나 이상의 재료를 나타낸다. 테이프는 또한 선택적으로 두께가 다를 수 있다. 테이프는 내열성이 다를 수 있다. 테이프는 서로 다른 지리적 영역이나 위치에 집중된 서로 다른 자료의 융합을 구성할 수 있다.
특정 실시예는 +/- 25%, 바람직하게는 +/- 15%, 더 바람직하게는 +/- 10%의 온도 대역으로 담배 스틱의 담배 부분의 다른 지리적 영역에서 측정 가능한 온도를 감소시킬 것이다. 해당 온도는 워밍업 사이클이 완료된 후 측정된다. 대안적으로, 이러한 온도는 퍼프 중 측정될 수 있다. 이러한 퍼프 측정은 알려진 연기 테스트 체제, 즉 ISO 표준, HCI 표준, 매사추세츠 평균, 캐나다 강도 및 이하에 설명된 낮은 공기 흐름율 2초 및 낮은 공기 흐름율 4초 프로토콜을 사용하여 수행할 수 있다. https://escholarship.org/content/qt32x2z2z5/qt32x2z2z5_noSplash_9951cbbd575bddea177adfa64ca2a1a7.pdf
특정 실시예에서, 열교환기는 열교환기가 형성된 후에 열교환기에 남아 있는 기존의 터널 블랭크 주위에 형성된다. 이 터널 블랭크는 두 가지 잠재적인 목적을 수행할 수 있다. 첫째, 열교환기가 형성되는 구조를 생성한다. 둘째, 장치를 장기간 사용하는 동안 변형에 저항하는 구조를 제공한다. 일반적으로 반드시 그런 것은 아니지만 터널 블랭크는 형성된 터널의 길이보다 짧다. 이 길이 차이는 히터가 담배 스틱에 직접 접촉하거나 접근할 수 있도록 하고 터널 블랭크 외부에 위치하지 않는 데 필요하다. 플라스틱, 세라믹, 금속 및 기타 재료를 포함한 모든 내열성 재료를 터널 블랭크에 사용할 수 있다. 스틸, 특히 스테인리스 스틸은 터널 블랭크용으로 선호되는 재료이다.
강철 또는 기타 금속 재료 베이(bay)는 반복적인 사용 주기를 통해 시간이 지남에 따라 열교환기의 변형을 방지하는 데 특히 중요하다. 제조 시 스페이서가 있는 박막 재료를 금속(또는 기타 재료) 튜브 주위에 감아 열교환기를 형성한다. 이것은 열사이클 후에 열교환기가 뒤틀리거나 변형되는 것을 방지하는 일종의 단단한 지지 구조를 제공할 것이다. 단단한 내부 튜브(금속 또는 기타 재료)는 또한 시간이 지남에 따라 터널에 쌓일 수 있는 침전물을 쉽게 털어낼 수 있도록 한다.
세라믹 재료는 가열 요소와 가깝거나 바로 근접한 구조의 일부에 특히 유용할 수 있다. 예를 들어, 얇은 벽의 세라믹 튜브가 가열 챔버로 사용될 수 있으며 나머지 열교환기는 박막 내열성 재료로 만들어진다. 특정 실시예에서, 저항성 가열 요소는 세라믹 튜브에 내장되거나 세라믹 튜브 위에 배치된다. 에어 덕트 및 기타 요소는 스페이서가 있는 얇은 내열성 필름으로 본 명세서에 달리 개시된 바와 같이 형성된다. 세라믹 가열 챔버는 충분한 강성을 가지며 가열 주기로 인해 형상이 변경될 수 있고, 가열 요소 자체는 반복 사용 후에 미세 균열이 잘 발생하지 않으며 이러한 균열을 이해하는 것은 무결성을 위협하고 저항 히터를 방해할 수 있다.
세라믹 및 금속 튜브가 사용될 수 있으며 튜브는 두 재료를 모두 포함한다.
특정 실시예에서, 터널은 812mm3의 부피를 갖고 열교환기는 3,572mm3의 부피를 갖는다. 터널 부피는 담배 스틱의 경우 500mm3 내지 1000mm3, 바람직하게는 750mm3 내지 850mm3의 범위일 수 있다. 느슨한 담배, 허브 및 마리화나 용도로 더 큰 부피, 즉 1000mm3보다 큰 터널 부피가 고려된다.
대부분의 실시예에서, 열교환기 부피(내부에 연결된 공기 흐름 채널의 부피)은 터널 부피보다 300% 내지 600% 더 크고, 바람직하게는 350% 내지 550% 더 크고 가장 바람직하게는 400% 내지 500% 더 클 것이다.
특정 실시예에서, 열교환기는 2500 내지 6000mm3, 바람직하게는 2750 내지 4750mm3, 가장 바람직하게는 3000 내지 4000mm3의 부피를 갖는다.
특정 실시예에서, 본 발명은 연속식 또는 반연속식 제조 공정으로 이루어지며, 여기서 테이프 재료는 출발 재료이고, 가열 요소, 스페이서 및 에지의 전부 또는 일부는 테이프에 적용되고, 테이프는 터널 및 열교환기를 형성하기 위해 여기에 설명된 대로 롤링된 후 터널 및 열교환기는 임의의 최종 외부 케이싱에 배치된다. 외부 케이싱은 휴대용 장치 또는 고정 장치용일 수 있다. 일반적으로 반연속(semi continuous) 제조에서는 터널과 히터 교환기가 한 단계로 형성되고 터널과 열교환기는 추가 단계의 일부로 케이싱에 배치된다.
터널 및 열교환기의 롤링 제조 방법은 여기에 설명된 본 발명의 다양한 실시예 및 순열(permutation)에 적용될 수 있다.
비원통형 블랭크 주위에 재료를 롤링함으로써 롤링 방법이 여전히 수행될 수 있는 경우에 비원통형 터널이 명시적으로 고려된다. 이러한 디자인은 비원통형 담배 스틱을 수용할 수 있다. 이것은 독특한 담배 스틱 디자인(즉, 비원통형 담배 스틱)을 사용하여 신규 장치와 함께 일반 담배 스틱의 사용을 방지하거나 억제하는 데 특히 유용할 수 있다. 비원통형 터널은 또한 예를 들어 제한 없이 마리화나, 느슨한 담배 및 기타 허브와 같은 느슨한 기화 물질에 유용할 수 있다.
롤링(또는 기타 적절한 방법)으로 제조한 후 미로(labyrinth) 순환이 있는 터널 및 열교환기는 미리 형성된 외부 케이싱 또는 쉘에 배치할 수 있다.
터널은 담배 스틱이 놓일 좌석 아래에 배터리를 수용하기 위해 세로로 연장될 수 있다. 이러한 실시예를 만들기 위해 더 넓은 테이프가 사용될 수 있다.
일반적으로 터널의 모양은 기존의 원통이다. 그러나 특정 실시예에서 터널벽은 담배 스틱에 꼭 맞으면서도 더 쉽게 삽입할 수 있도록 바깥쪽 경사(즉, 바닥 평면으로부터 90°보다 큰 각도)를 가질 수 있다. 터널벽은 터널 바닥면에서 90°에서 95°까지 경사질 수 있다. 특정 실시예에서, 터널벽의 일부만이 바깥쪽으로 기울어지는 비전통적인 원통이 사용된다. 선택적으로, 그러한 실시예는 미리 형성된 터널 주위에 테이프를 감아서 만들 수 있다.
가열 요소는 일반적으로 터널 외부로 배향되지만 특정 실시예에서 가열 요소는 터널 내부로 배향될 수 있거나, 또 다른 실시예에서 가열 요소는 테이프의 양면에 배치되어 터널은 터널의 양측에 가열 요소를 갖는다. 더욱이, 또 다른 실시예는 열교환기 자체에 하나 이상의 가열 요소를 가질 것이다.
특정 실시예에서, 상부 나선형 공기 덕트 입구는 상단부에 위치한 유입구와 연통되고, 그 출구는 중간 나선형 공기 덕트의 입구와 연통된다. 하단 나선형 공기 덕트의 입구는 하단에 위치한 유입구와 연통되고 출구는 중간 나선형 공기 덕트의 입구와 연통된다. 중간 나선형 덕트의 출구는 히터 영역과 접촉하고 히터에 의해 예열된 공기를 터널로 흡입하기 위한 유출구와 연통된다.
본 발명에 의해 해결된 하나의 기술적 문제는 히터의 설계 및 그 구성요소의 조립을 단순화하는 것이다. 그 결과, 공기 예열, 개선된 단열 특성 및 장치의 기화 성능을 개선하는 더 큰 가열 효율로 기화 가능한 담배 스틱을 가열하기 위한 전자 요소의 기화기용 청구된 히터의 제조 가능성이 증가한다.
특정 실시예에서, 본 발명의 열교환기 시스템은 케이싱과 임의의 외부 하우징 사이에 단열 재료, 또는 단열 특성을 위한 진공 구역 또는 구역의 필요성을 실질적으로 감소시키거나 제거한다. 진공 구역 또는 구역들은 열교환기에 없는 것을 포함하여 장치 자체에 없을 수 있다.
외부 하우징이 사용되는 경우 케이싱의 공기 흡입구는 해당 지리적 위치의 공기 흡입구와 케이싱의 공기 흡입구와 짝을 이룬다.
특정 실시예에서, 열교환기는 외부 하우징과 케이싱 사이에 공간이 필요 없이 외부 하우징과 직접 접촉한다.
주된 실시예에서, 열교환기의 덕트는 비어 있을 것이다. 그러나, 특정 실시예에서, 덕트는 단열 목적을 위해 또는 사용자에 의한 흡기(흡입) 하에서 공기 흐름 속도 및/또는 기압을 수정하기 위해 선택된 하나 이상의 재료로 채워질 수 있다. 선택적으로, 이러한 재료는 터널 및 열교환기를 형성하기 위해 롤링되는 재료에 증착되거나 인쇄된다.
특정 실시예에서, 유입구(들)는 밸브를 더 포함할 수 있다. 추가로, 열교환기의 덕트에 하나 이상의 밸브가 사용될 수 있다. 이러한 밸브는 열이 부족하지 않을 때 열교환기에서 열이 증가하도록 하는 것을 포함하여 다양한 목적을 수행할 수 있다. 일반적으로 밸브는 압력에 의해 작동되지만 밸브는 장치 자체, 즉 비압력 작동에 의해 작동될 수 있다.
특정 실시예에서, 장치는 물 또는 수분 저장 시스템을 포함할 수 있으며, 여기서 수분은 열교환기를 통과하는 공기 또는 터널 내의 공기의 습도를 증가시키는 데 사용할 수 있다.
상기 기술적 문제가 해결되었고, 기화 담배를 가열하기 위한 전자 장치의 기화기 히터에서 공기 예열 요소로 스틱이 부착된다는 사실로 인해 기술적 결과가 달성된다. 이러한 히터의 개량은 유전체 박막 내열 재료의 나선형 테이프를 사용하여 가열 요소, 터널, 나선형 케이싱 등 히터의 주요 구성요소의 성형이 용이하고 효율적인 구성을 가능하게 하며, 이것은 계획에서 아르키메데스 나선일 수 있다. 본 발명자들은 특히 열교환기에 대한 대안적 공기 흐름 설계(즉, 비아르키메데스 나선형)를 고려한다.
특정 실시예에서, 공기는 입구 채널 또는 장치 바닥의 채널로부터 위쪽으로 흐른 다음, 아르키메데스 나선을 통해 아래쪽으로 흐른다. 나선형의 공기는 아래쪽으로 지나가면서 따뜻해진다. 나선형의 공기는 사용자가 흡입하고 퍼프를 들이마실 때 담배 플러그 영역에 집중된다. 따뜻한 공기의 이러한 농도는 사용자가 퍼프를 마실 때 퍼프가 실제로 담배 플러그의 공기를 냉각시키는 IQOS® 장치 아키텍처와 현저하게 다르다. 아르키메데스 나선의 따뜻한 공기 농도는 IQOS®에서 알려진 퍼프 냉각 현상과 대조된다. IQOS®의 퍼프 구동 냉각은 아키텍처에서 분명하며 2017년 11월 17일자 뉴질랜드 보건부 보고서 17/11019에 설명되어 있으며, 이하에서 사용할 수 있다(여기에서 완전히 설명된 것처럼 참조로 통합됨). https://www.pmiscience.com/resources/docs/default-source/NCDC-vs-Morris/nz_crl-energy-ltd---investigation-into-iqos-device-heets-tobacco-sticks-and-evidence-of-combustion_november-2017.pdf. 열교환기는 특정 실시예에서 스네일(snail) 디자인과 유사하다.
본 발명은 더 일관된 풍미(flavor) 프로파일 및 더 큰 퍼프-투-퍼프(puff-to-puff) 일관성을 허용한다. 퍼프 간 일관성이 향상되어 퍼프당 니코틴 전달과 퍼프당 대량 증발로 확장된다. 아래의 실시예에서 입증된 바와 같이, 퍼프당 질량 증발은 본 발명의 실시예를 사용하는 IQOS 3 장치보다 더 낮은 온도를 사용하는 동안 더 높다.
본 발명은 또한 상이한 온도 조건에서 보다 일관된 니코틴 전달 및 퍼프 질량당 증발을 허용할 수 있다.
퍼프당 냉각을 제거(또는 실질적으로 감소)하는 것의 중요성과 이점은 다음과 같다. 퍼프당 냉각 역학은 이러한 냉각을 설명하기 위해 더 높은 히터 온도를 필요로 한다. 더 높은 온도는 우발적인 연소와 관련이 있으며 그렇지 않으면 HPHC의 생산 증가와 관련이 있다. 아르키메데스 나선과 같은 본 발명의 실시예는 퍼프당 담배 마개의 냉각을 방지하는 데 도움이 된다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 히터(들)를 사용한 포세이지(forsage)는 퍼프 구동 냉각 역학을 보상하기 위해 다양한 실시예에서 채용될 수 있다.
상단 및 하단 공기 입구, 중간을 향해 기울어진 상단 및 하부 스페이서의 사용과 에지("에지"는 둘레 주변의 스페이서, 즉, 도면의 항목 13을 의미함)의 사용의 결과로, 나선형 열교환기 및 나선형 및 미로 순환을 위한 상단, 하단 및 중간 나선형 공기 덕트의 형성과 공기의 효과적인 예열이 단순화된다. 이 경우 나선형 열교환기의 상단 및 하단 나선형 공기 덕트는 상단 및 하단의 유입구과 연통되어 두 개의 나선형 공기 흐름의 최적 형성을 보장하며, 이 공기 흐름은 중간 나선형 공기 덕트로 들어갈 때 하나의 수렴 나선형 공기 흐름으로 변환된다. 대부분의 실시예에서, 2개의 나선형 공기 흐름은 반대 방향, 즉 하나는 위에서 아래로, 다른 하나는 바닥에서 위로 갈 것이다. 다른 실시예에서, 단일 나선형 공기 흐름이 사용될 수 있다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 공기 흐름은 선택적으로 열교환기에서 나선형이 아닐 수 있다.
순환 과정 동안 공기의 흐름이 이동하는 구조적 요소를 냉각할 수 있는 이러한 나선형 열교환기는 히터의 추가 단열 사용을 피하거나 최종 제품에서의 사용을 최소화하거나, 사용자가 들고 있는 곳을 포함하여 장치의 외부 온도를 낮추는 데 도움이 된다. 히터가 설치된 영역에 도달하면 공기가 히터의 열에 의해 가열된 다음 유출구를 통해 터널로 흐르므로 히터 설계가 덜 복잡해지고 공기 예열 과정이 더 효율적이다. 이것은 공기 예열을 갖는 기화기 장치용으로 제공된 개선된 히터의 제조 가능성을 상당히 증가시키는 것을 허용한다.
특정 실시예에서, 나선형 열교환기는 그 자체로 하나 이상의 가열 요소를 포함할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에서, 히터 내의 테이프의 나선형 코일은 상부 및 하부 스페이서 및 에지에 적용된 접착 물질에 의해 함께 접착되며, 여기서 접착 물질은 Dow Corning 736 실리콘 내열 실란트 접착제 또는 이와 동등한 것, 또는 기타 내열성 실란트 접착제 또는 접착 기술이다. 이것은 열과 히터 케이싱을 형성하는 테이프의 나선형 코일의 간단하고 제조하기 쉬운 연결을 보장한다.
히터의 가열 요소의 저항 물질로서, 특정 실시예는 니크롬 또는 FeCrAl 합금 중에서 선택되는 고저항 금속, 또는 스테인리스 스틸, 니켈 또는 티타늄 중에서 선택되는 저저항 금속을 사용한다. 가열 요소의 저항성 재료로 이러한 금속을 사용하면 히터에서 공기를 효율적으로 가열할 수 있다. 이러한 예시 자료는 비제한적이다.
특정 실시예에서, 히터 터널의 바닥에 시트가 제공되며, 터널 내로 예열된 공기를 흡입하기 위한 벽 구멍 및 상부 축 구멍이 있다. 터널에 이러한 시트를 설치하면 첫째로 히터의 담배 스틱을 안정적으로 지지하고, 둘째로 열교환기에서 벽과 축 구멍을 통해 터널의 담배 스틱으로 예열된 공기를 공급할 수 있다.
본 발명의 목적은 담배 스틱을 위한 다른 가열 시스템보다 더 효율적이고/효율적이거나 더 빠른 가열을 제공하는 것이다. 개선되고 더 빠른 가열로 인해 예열 주기가 단축될 수 있다.
효율성이란 대류 및/또는 전도를 통해 담배 스틱에 적절한 가열(또는 주어진 가열 온도)을 전달하는 것과 관련하여 배터리에서 사용되는 전력을 의미한다.
본 발명의 특정 실시예는 본 발명의 개선된 대류 가열을 담배 기재를 관통하는 전도성 가열 시스템(즉, 장치가 담배 기재와 직접 접촉하는 히터를 포함하는 경우), 또는 티핑 페이퍼(담배 스틱의 외부 포장)와 접촉하는 전도성 시스템과 결합할 수 있다. 그러한 실시예에서, 장치는 협력하여 작용하는 2개의 개별 가열 시스템, 또는 관통 및 비관통 특징을 모두 포함하는 통합 가열 시스템을 가질 것이다. 이러한 실시예에서, 본 발명의 전도성 및 대류 가열 시스템과 관통형 전도성 가열 시스템의 조합은 기존의 관통형 가열 요소에 비해 담배 스틱에서 담배 기재의 폭 및/또는 길이에 걸쳐 보다 일관된 가열을 야기할 것이다.
전형적으로, 실시예는 단지 원주 방향 가열 요소, 즉 터널의 내부에 위치한(즉, 담배 스틱과 접촉하는), 선택적으로는 터널의 외부에 위치한, 또는 둘 다에 위치한 담배 스틱을 수용하는 터널의 원주 주위의 가열 요소를 채용할 것이다.
열교환기의 개선된 온도 역학은 관통형 가열 요소를 사용하는 경우에도 보완적이다.
본 발명의 목적은 속도(시간) 대 작동 온도(예열 시간 최소화) 및 주어진 사용 주기에 대한 총 에너지 사용 측면에서 하이브리드 시스템(대류 및 전도성 가열 시스템)의 성능을 개선하는 것이다.
본 발명의 목적은 담배 스틱이 소정의 가열 범위 내에서 가열될 때 담배 스틱에서 기화되는 니코틴을 최대화하는 것이다.
본 발명의 목적은 담배 스틱이 소정의 가열 범위 내에서 가열될 때 담배 스틱으로부터 기화되는 비니코틴 휘발성 물질을 최대화하는 것이다.
본 발명의 목적은 주어진 작동 온도 범위에서 사용 후 담배 스틱의 질량 손실을 최대화하는 것이다.
본 발명의 구현예에 대한 주요 용도는 담배 스틱에 관한 것이지만, 본 발명은 마리화나 농축물 및 유도체를 포함하는 마리화나 및 특히 합성 니코틴을 포함하는 기화용으로 적절한 합성 재료를 제한 없이 포함하는 비담배 식물과 함께 사용될 수 있음이 명시적으로 고려된다.
또한, 본 발명의 실시예는 비담배 스틱 담배 재료, 담배 잎, 담배 왁스, 담배 오일, 전자 액체, 및 기화에 적합한 기타 재료와 함께 사용하기 위해 적절한 적응으로 채용될 수 있음이 고려된다.
본 발명의 실시예는 느슨한 재료, 또는 카트리지, 팟(pod) 또는 기타 용기에 포함된 재료를 기화시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 목적은 개선된 대류 가열을 통해 담배 기재 내의 상이한 기하학적 위치에서 측정될 때 가열될 때 담배 기재의 온도 변동성을 감소시키는 것이다.
본 발명의 목적은 담배 스틱에 필요한 전도열을 줄이는 것이다. 낮은 전도성 온도는 전도성 가열 요소가 티핑 페이퍼와 접촉하는 티핑 페이퍼의 탄화를 감소시키고 담배 기재의 "탄화(charring)"도 감소시킨다.
본 발명의 다른 이점은 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 다음의 상세한 설명을 참조하여 동일하게 더 잘 이해되기 때문에 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 공기 예열 요소를 갖는 기화기 장치용 열교환기의 상부 및 측면 사시도를 도시한다.
도 2는 공기 예열 요소를 갖는 기화기 장치용 열교환기의 저면 및 측면 사시도를 도시한다.
도 3은 담배 스틱을 구비한 공기 예열 요소를 구비한 기화기 장치용 열교환기의 다른 상부 및 측면 사시도를 도시한다.
도 4는 담배 스틱을 구비한 공기 예열 요소를 구비한 기화기 장치용 열교환기의 다른 저면 및 측면 사시도이다.
도 5는 박막 유전체 내열 재료의 테이프 형태로 만들어진 공기 예열 요소를 구비한 기화기 장치용 열교환기의 공기 흐름을 나타내는 개념도이다.
도 6은 공기 예열 요소를 갖는 기화기 장치용 히터의 단면도를 도시한다.
도 7은 투명 케이싱 테이프의 공기 예열 요소가 있는 기화기 장치용 히터와 열교환기의 중간 나선형 공기 채널로의 상단 및 하단 나선형 공기 채널의 전환 다이어그램을 도시한다.
도 8은 공기 예열 요소가 있는 기화기 장치용 히터를 포함하는 담배 스틱을 가열하기 위한 전자 장치를 도시하고, 여기서 전자 장치와 가열 장치는 일반적으로 다른 축척으로 표시된다.
도 9는 열교환기로 롤링하기에 적합한 에지와 스페이서가 있는 내열성 테이프를 도시한다.
도 10은 스페이서뿐만 아니라 열교환기가 롤링되는 내열 테이프를 도시한다.
도 11은 롤링된 열교환기에 추가 스페이서의 형성과 함께 추가로 롤링되는 내열성 테이프를 도시한다.
도 12는 박막 유전체 내열 재료의 테이프 형태로 만들어진, 공기 예열 요소를 갖는 기화기 장치용 히터 케이싱의 저면 전개도를 도시한다.
도 13은 비나선형 열교환기를 형성하도록 설계된 스페이서와 가열 요소가 있는 내열성 테이프를 도시한다.
도 14는 Philip Morris International IQOS 3 장치의 공기 흐름을 도시한다.
도 15는 흡연 세션이 시작될 때 열교환기의 공기 온도를 도시한다. 가까운 점은 따뜻한 영역을 나타낸다.
도 16은 퍼프 직전 열교환기의 공기 온도를 도시한다. 가까운 점은 따뜻한 영역을 나타내며 열은 담배 스틱이 있는 터널에 집중되기 시작한다.
도 17은 퍼프 동안 열교환기의 공기 온도를 도시한다. 가까운 점은 따뜻한 지역을 나타내고 열은 담배 스틱이 들어 있는 터널에 거의 완전히 집중되어 있다.
도 18은 나선형이 아닌 공기 흐름이 있는 조립된 열교환기를 나타낸다. 도 18의 열교환기는 도 13에 도시된 것과 유사한 테이프로 조립될 수 있다.
도 19는 선택적으로 느슨한 허브와 함께 사용할 수 있는 열교환기와 함께 비원통형 터널을 도시한다.
도 20은 느슨한 허브와 함께 사용할 수 있는 열교환기 및 천공된 바닥과 함께 비원통형 터널을 도시한다.
도 21은 BAT의 GLO® 장치의 공기 흐름을 도시한다.
도 22는 나선형 열교환기에서의 공기 흐름을 보여주는 개략도이다.
도 23은 퍼프에 따른 마초 전압 및 가열 요소온도 증가를 도시한다.
도 24는 일련의 격벽으로 들어가기 전에 열교환기의 상단에서 실행되는 상부 공기 덕트가 있는 열교환기를 보여주는 개략도이다.
본 발명의 열교환기는 특정 실시예에서 담배 스틱이 삽입되는 원통이다. 저항 히터는 선택적으로 얇은 내열성 재료로 만들어진 원통에 적용된다. 원통 주변에는 사용자가 퍼프를 마실 때 공기가 흐르는 다중 채널 또는 단일 채널 덕트가 있다. 공기가 담배 스틱 내부로 들어가기 전에 공기 채널을 통해 한 번 이상 또는 여러 번 회전한다. 이것은 외부 구조로의 열전달을 최소화하고 동시에 경로를 따라 공기를 가열한다.
열교환기의 공기는 3회 이상, 바람직하게는 5회 이상, 더욱 바람직하게는 8회 이상, 더욱 더 바람직하게는 10회 이상 이동할 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 공기 예열 요소가 있는 기화기 장치용 히터(5)는 열교환기(1)의 외부 부분, 원통형 담배 가열 챔버인 선택적으로 천공된 바닥(3)이 있는 터널(2), 저항 가열 요소(에어 히터: 4)를 포함하고,
열교환기(1)는 공기 순환 및 공기 히터(4)에 의한 예열을 위한 공기 채널, 상단부(6) 및 하단부(7), 공기 흡입을 위해 상단부(6)에 형성된 유입구(8), 공기 흡입을 위해 하단부(7)에 만들어진 유입구(17), 공기 히터에 의해 예열된 공기의 터널(2)로의 흡입을 위한 열교환기 공기 흐름 채널(16)과 연통하는 유출구(9)(도 5, 도 6 및 도 8)를 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 열교환기(1)는 박막 유전체 내열 재료의 테이프로 만들어지며, 예를 들어 접점(4')이 있는 저항 물질(10)의 얇은 층 형태의 히터(4)가 일단에 배치되어 발열 요소(4), 중간을 향해 경사진 상부 스페이서(11), 하부 스페이서(12) 및 에지(13)를 형성하고, 이들은 유연한 내열성 재료로 만들어지며 타단에 고정된다. 간단하게 하기 위해 유출구(9)는 도 5에 도시되어 있지 않다. 열교환기를 만드는 데 사용되는 테이프 또는 얇은 재료는 도 9, 도 10 및 도 11에서 부분적으로 롤링된 형태로, 도 13에서 대체 형식으로 볼 수도 있다.
도 13은 나선형이 아닌 공기 흐름 패턴을 형성하는 테이프를 나타낸다. 비나선형 열교환기는 도 18에 나와 있다.
나선형 열교환기로 돌아가서, 가열 요소(4)가 외측에 위치한 상기 테이프는 원통으로 말려 터널(2)을 형성하고 추가적으로 여러 개의 상호 연결된 나선형 코일로 감겨지고, 상부 및 하부가 있는 나선형 케이싱(1)을 형성하여, 내측에 위치한 상부 스페이서(11), 하부 스페이서(12) 에지(13)가 나선형 열교환기(5)를 형성한다. 도 9 내지 도 11 및 도 13과, 도 6 및 도 7에 나타낸 열교환기의 내부를 참조한다.
열교환기(5)는 나선형 및 미로 순환 및 공기의 예열을 위한 상부(14), 하부(15) 및 중간(16) 나선형 공기 덕트를 포함한다. 하단부(7)에는 공기 공기 흡입을 위한 추가적인 유입구(17)가 형성되어 있다. 상부 나선형 공기 덕트 입구(14)는 상단부(6)에 위치한 유입구(8)와 연통되고, 그 출구는 중간 나선형 공기 덕트(16)의 입구와 연통된다.
하부 나선 공기 덕트(15)의 입구는 하단에 위치한 유입구(17)와 연통되고, 그 출구는 중간 나선 공기 덕트(16)의 입구와 연통된다. 중간 나선 덕트(16)의 출구는 히터(4) 영역과 접촉하고 히터(4)에 의해 예열된 공기를 터널(2)로 흡입하기 위한 유출구(9)와 연통한다.
제공되는 히터의 추가적인 차이점은 다음과 같은 디자인 개선 사항이다. 테이프의 나선형 코일은 상부 스페이서(11), 하부 스페이서(12) 및 에지(13)에 적용된 접착 물질에 의해 함께 접착되며, 여기서 접착 물질은 오직 예시로서 Dow Corning 736 실리콘 내열 실란트 또는 그와 동등한 것이다.
발열 요소(4)의 저항 물질(10)은 니크롬 또는 FeCrAl 합금 중에서 선택되는 고저항 금속 또는 스테인리스 스틸, 니켈 또는 티타늄 중에서 선택되는 저저항 금속을 사용하였다. 도 6에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 터널(2)의 바닥(3)에 시트(18)가 제공되며, 히터(4)에 의해 예열된 공기를 터널(2)로 흡입하기 위한 벽 구멍(19) 및 상부 축 구멍이 있다. 공기 예열이 있는 기화기 장치용으로 제공된 히터는 담배 또는 담배 스틱(24)(도 8)을 가열 및 기화하도록 설계된 휴대용 또는 고정식 전자 장치의 일부로 사용되며, 이는 담배 및 가열 요소(4)(온도 센서)가 있는 히터, 전자 조정 및 제어 모듈(21), 파워 서플라이(22) 및 가열 활성화 센서 버튼(23)을 포함할 수 있다. 가열 요소(4)는 동시에 히터 및 온도 센서일 수 있다. 가열 또는 냉각할 때 가열 요소(4)의 저항 물질(10)은 저항을 변경하고 이러한 특성은 온도 센서로 사용될 수 있다.
전자 조정 및 제어 모듈(21)은 선택적으로 히터에 전원을 공급하고, PWM 매개변수를 조정하고, 히터 온도 센서로부터의 피드백 신호를 처리하고, 히터 전원 공급 전압을 전환하고, 활성화 센서로부터 신호를 처리한다. 파워 서플라이(22)은 장치에 전력을 제공한다. 장치의 휴대용 버전에서 전원 공급 장치는 리튬 이온, 리튬 폴리머, 리튬 철 인산염, 니켈 카드뮴 축전지 또는 이러한 유형의 전지로 구성된 축전지 또는 특히 전기 소스 및 연소 기반 난방 시스템을 포함하는 기타 알려진 전원일 수 있다.
장치의 고정 버전에서 전원 공급 장치는 AC 주전원에 연결된 전원일 수 있다. 가열 활성화 센서(23)는 가열 프로세스를 시작하기 위한 것이다. 사용자가 편리한 위치에 있는 장치의 케이스에 위치한 버튼을 수동 가열 활성화 센서(23)로 사용할 수 있다. 히터(4)의 온도 센서는 히터(4)의 온도를 모니터링하도록 설계되었으며, 히터는 개별적으로 또는 가열 영역에 직접 배치된 여러 요소로 사용될 수 있다. 히터 온도 센서의 기능은 저항 가열 요소(4) 자체에 의해 수행될 수 있다.
특히 다중 히터가 있는 실시예에서 다중 온도 센서가 사용될 수 있다.
공기 예열 기능이 있는 기화기에 제공된 히터는 다음과 같이 담배 또는 담배 스틱을 가열 및 기화하기 위한 휴대용 또는 고정식 전자 장치의 일부로 사용된다. 베이핑 세션의 경우, 사용자는 히터의 챔버(2)에 담배 또는 담배 스틱(24)을 놓는다. 또한, 사용자는 가열 활성화 센서 버튼(23)을 누른다. 버튼(23)으로부터의 신호는 전자 조정 및 제어 모듈(21)에 의해 수신된다. 전자 조정 및 제어 모듈에서 PWM 발생기는 특정 주파수 및 기간의 펄스 생성을 시작한다. 또한, 펄스는 가열 요소(4)에 공급 전압의 인가를 전환하는 키 전원 요소에 의해 수신된다. 가열 요소(4)가 가열되기 시작한다. 사용자가 흡입한다. 공기는 각각 상단부 및 하단부(6, 7)에 위치한 구멍(8, 17)으로 들어간다. 또한 공기는 채널(14 및 15)를 따라 중간 채널(16)로 들어간다.
또한, 공기는 채널(16)을 따라 가열 요소(4)가 위치한 열교환기로 들어간다. 또한, 구멍(9)을 통해 공기는 터널(2)에 설치된 담배 스틱(24)과 터널(3)의 바닥 사이에 형성된 공간으로 들어간다. 또한, 가열된 공기는 시트(18)의 구멍을 따라 궐련(24)의 기재로 들어간다. 가열된 기판을 통과하는 공기는 기판에서 증발하는 활성 물질(및 기타 물질)로 풍부해진다. 또한, 농축된 공기는 담배 스틱 필터를 통해 사용자의 입으로 흐른다. 히터의 설정 온도를 유지하기 위해 온도 센서 -가열 요소(4), 전자 조정 및 제어 모듈로 오는 신호가 사용된다
도 9는 롤링 공정 초기에 열교환기가 만들어지는 테이프의 외부를 나타내며, 에지(13)와 스페이서(11, 12)를 나타내고, 도 10은 에지(13)와 구멍(9)이 있는 도 9의 것에서 진행되는 롤링을 나타낸다. 도 11은 에지(13) 및 스페이서(11, 12)의 추가 롤링과 함께 도 10의 롤링이 진행됨에 따른 롤링을 도시한다.
도 12는 터널(2)의 천공된 바닥(3)이 있는 열교환기(5)의 저면 사시도이다.
도 13은 격벽이 있는 단일 채널 열교환기를 형성하는 데 사용되는 펼쳐진 테이프이다(예시 C에서 논의됨). 여기서 29는 유입구, 30은 격벽, 31은 공기 흐름, 32는 히터로, 관통형 히터와 결합될 수 있으며, 9'는 유출구다.
도 14는 IQOS® 3 장치를 나타낸 것으로, 여기서 33은 IQOS® 3 장치의 공기 흐름을 나타낸다.
도 15 내지 도 17은 다양한 베이핑 단계에서 열교환기 및 담배 스틱(24) 내의 온도 분포의 하나의 비제한적인 예를 도시한다. 도 15 내지 도 17에서 대략적인 온도 범위는 설명 목적으로만 다음과 같이 점선 및 해칭으로 표시된다.
Figure pct00001
173℃ 내지 200℃.
Figure pct00002
147℃ 내지 172℃.
Figure pct00003
91℃ 내지 146℃.
Figure pct00004
55℃ 내지 90℃.
Figure pct00005
15℃ 내지 54℃.
이들 온도 범위는 단지 단일 실시예에서 예시 목적을 위한 것이며 이 실시예의 변형에서 달성될 수 있는 온도 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 15는 흡연 세션 시작 시(퍼프 전) 열교환기의 공기 온도를 도시한다. 밀접하게 이격된 점(34)은 히터(미도시) 주변의 따뜻한 영역을 나타낸다. 더 멀리 이격된 점(35)는 더 시원한 영역을 나타낸다.
도 16은 퍼프 직전의 열교환기(1)의 공기 온도를 도시한다. 밀접하게 이격된 점(34)은 따뜻한 지역을 나타내며 열은 담배 스틱(24)을 포함하는 터널에 집중되기 시작한다. 더 멀리 이격된 점(35)는 더 시원한 영역을 나타낸다.
도 17은 퍼프 동안 열교환기(1)의 공기 온도를 도시한다. 밀접하게 이격된 점(34)은 따뜻한 영역을 나타내며 열은 담배 스틱(24)을 포함하는 터널에 거의 완전히 집중된다. 가까운 점(34)은 따뜻한 영역을 나타낸다. 더 먼 점(35)은 더 시원한 영역을 나타낸다.
도 18은 나선형이 아닌 공기 흐름이 있는 조립된 단일 챔버 열교환기(1')를 나타낸다. 도 18의 열교환기(1')는 도 13에 도시된 것과 유사한 테이프로 조립될 수 있다. 도 18의 열교환기(1')에서 29는 유입구, 30은 격벽, 31은 공기 흐름이다.
도 19 및 20은 담배 스틱 대신에 느슨한 허브와 함께 선택적으로 사용될 수 있는 열교환기와 함께 비원통형 터널(2')을 도시한다. 34는 비원통형 열교환기이다.
도 20은 비원통형 열교환기(34) 및 느슨한 허브와 함께 사용될 수 있는 터널(2')의 천공된 바닥(35)과 함께 비원통형 터널(2')을 도시한다.
도 21은 BAT의 GLO® 장치의 공기 흐름을 나타낸다. 36은 바닥 입구로부터의 공기 흐름이다.
도 22는 나선형 열교환기에서의 공기 흐름을 보여주는 개략도이다. 37은 담배 스틱으로의 공기 흐름이다. 38은 공기 입구이다. 39는 히터에서 외부로의 열전달이다.
도 23은 도 8에 예시된 장치로 퍼프에 상응하는 포세이지 전압 및 가열 요소온도 증가를 나타낸다.
온도 센서(4)로부터의 신호에 따라, 전자 조정 및 제어 모듈(21)에 설치된 컨트롤러는 PWM 주파수를 감소 또는 증가시킨다. 이렇게 하면 설정 온도가 일정한 수준으로 유지된다. 베이핑 주기의 지속 시간은 일반적으로 3~4분이다. 베이핑 주기 기간은 더 짧게 설정될 수 있다(즉, 3분, 2분 또는 1분 또는 각 경우에 대략 그 정도).
워밍업 주기의 지속 시간 또는 장치를 켠 후 작동 모드에 도달할 때까지의 시간은 본 발명의 특정 실시예에서 최소화된다. 작동 모드(즉, 작동 온도)는 30초 미만, 바람직하게는 15초 미만, 더 바람직하게는 10초 미만, 가장 바람직하게는 7초 미만의 기간 내에 도달한다. 본 발명의 목적은 여기에 설명된 제조를 위한 롤링 기술을 사용하여 제조된 가열 장치에 대한 이러한 짧은 기간의 워밍업 사이클을 제공하는 것이다.
도 24는 일련의 격벽으로 들어가기 전에 열교환기의 상단에서 실행되는 상부 공기 덕트가 있는 열교환기를 보여주는 개략도이다. 특정 다른 실시예에서와 같이, 주요 구조 요소는 선택적으로 실리콘 배플이 적용되는 얇은 내열성 필름(43)이며, 이는 41 및 42 공기 덕트를 형성한다. 가열 요소(47)는 내열성 필름(44)의 표면에 배치되고 접점(45)이 제공된다. 구멍(46)은 가열 요소(47)를 위한 것이다. 도 24의 디자인은 열교환기의 상부에 위치한 추가 공기 덕트(41)를 제공한다. 사용할 때 공기는 처음에 덕트 시스템의 이 부분을 통과한다. 주변 공기가 아직 구조 요소의 열로 가열될 시간이 없기 때문에 열교환기 상부의 온도를 낮출 수 있다.
도 24에 계속하여, 공기 덕트(41)는 격벽의 미로로 설계된 공기 덕트(42)와 연통한다. 공기 덕트(42)로부터의 공기 출구는 구멍(46)을 통해 가열 챔버(48)와 연통한다. 저항성 가열 요소(47)는 선택적으로 얇은 금속 포일로 만들어지고 선택적으로 가열 챔버의 외부에 위치되며, 이 경우 가열 요소는 가열 챔버(48)에 배치된 담배 스틱과 직접 접촉하지 않는다.
도 24의 열교환기의 실시예에 대한 공기 흐름의 전체 사이클을 자세히 설명하기 위해, 사용자가 담배 스틱을 퍼프할 때 주변 공기의 신선한 부분이 유입구(40)으로 들어가고 상부 공기 덕트(41)를 따른다. 상부 공기 덕트(41)를 통과하는 공기는 히터 구성의 이 부분으로부터 열을 취한다. 41에는 미로 형태가 없다는 점에 유의해야 한다. 공기는 미로 공기 덕트(42)로 들어간다. 미로 공기 덕트를 통과하는 공기는 히터 구조의 파티션과 벽에서 열을 흡수하기 때문에 가열된다. 열교환기의 중간 부분에 도달하면 공기는 구성에서 가장 뜨거운 지점인 가열 요소(47) 근처에서 흐른다. 그 다음 예열된 공기는 구멍(46)을 통해 담배 스틱이 위치하는 가열 챔버(48) 내로 통과한다. 공기는 담배를 통과하고 담배 기재의 에어로졸화 가능한 성분이 풍부하여 사용자에 의해 흡입된다.
공기 예열이 있는 기화기 장치용 청구된 히터는 제조 가능성을 크게 향상시키는 단순한 디자인을 가지며 담배 스틱의 가열 및 기화를 위한 휴대용 또는 고정식 전자 장치의 일부로 사용되는 경우, 케이싱의 외벽이 실질적으로 가열되거나 실질적으로 가열되지 않도록 개선된 단열 특성을 특징으로 한다. 본 발명의 목적이다.
열교환기는 담배 스틱의 담배 부분 주위를 돌고 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 이 아키텍처는 공기를 예열하고 장치 외부를 단열하는 방법으로서 열교환기의 기능에 매우 중요하다.
열교환기의 효과적인 냉각 기능으로 인해 케이싱 외부의 온도가 낮아진다. 열교환기의 외부 표면은 베이핑 세션 동안 가열 요소 자체의 최대 온도보다 적어도 35% 낮거나, 바람직하게는 가열 요소 자체의 최대 온도보다 적어도 45% 낮거나, 보다 바람직하게는 가열 요소 자체의 최대 온도보다 적어도 55% 낮은 최대 온도에 도달할 수 있다. 실시예에서 알 수 있듯이 더 큰 차이가 가능하다. 대략 67%의 온도 감소에 대해 표 3의 결과를 참조하고, 여기서 열교환기 외부의 온도는 가열 요소의 온도의 약 33%이다. 따라서, 본 발명의 실시예는 열교환기의 외부와 히터의 온도를 비교하여 65%보다 큰 열 차이를 허용할 수 있다.
위의 정보는 모든 전문 기업에서 산업적 방식으로 공기 예열이 있는 기화기 장치용 히터의 대규모 제조 가능성을 확인하고, 증기 제품, 특히 열분해(연소, 연기)가 없거나 실질적으로 없는 궐련(담배 스틱)의 베이핑을 위한 기화기 장치의 일부로 사용되기 위한 히터에서의 넓은 응용을 확인할 수 있다.
장치의 외부 케이스는 알려진 모양을 포함할 수 있다. 케이스는 하나 이상의 진공 챔버를 제한 없이 포함하는 단열 재료를 선택적으로 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 케이스는 열교환기 주위에서 바깥쪽으로 연장된 다음 장치의 용이한 유지를 위해 아래로 좁아지며, 즉, 장치의 바닥은 케이스가 열교환기 주위에 있는 것보다 더 좁다. 다른 케이스 디자인이 고려된다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있고 균등물이 그 요소를 대체할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적용하기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예로 제한되지 않고, 본 발명이 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 모든 실시예를 포함할 것으로 의도된다.
실시예 A 다중 테스트
테스트의 일반적인 목적은 특정 온도 조건에서 작동하는 나선형 열교환기의 능력을 평가하고 성능 특성을 결정하는 것이었다. 테스트는 또한 나선형 열교환기의 효율성과 단열 품질을 결정하기 위한 것이었다.
6가지 유형의 테스트가 수행되었다. (1) "퍼프 중에만 전력 공급"(열교환기를 플라스틱 케이스에 설치하지 않음) (2) "퍼프 중에만 전력 공급"(플라스틱 케이스에 열교환기를 설치함) (3) "세션 중 예열 및 전력 공급"(플라스틱 케이스에 열교환기를 설치하지 않음) (4) "세션 중 예열 및 전력 공급"(플라스틱 케이스에 열교환기를 설치함) (5) "퍼프 중 예열 및 전력 포세이지"(플라스틱 케이스에 열교환기를 설치하지 않음) 및 (6) "퍼프 중 예열 및 전력 포세이지"(플라스틱 케이스에 열교환기를 설치함).
다중 채널 덕트의 열효율을 결정하려면 열교환기가 없는 히터(즉, 다중 채널 덕트)를 테스트해야 한다. 이 테스트는 위에서 언급한 테스트 1 내지 6의 결과와 비교하기 위한 것이다. 열교환기가 없는 히터의 테스트는 7 내지 12로 번호가 매겨져 있다. (7) “퍼프 중에만 전력 공급”(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음);(8) "퍼프 중에만 전력 공급"(플라스틱 케이스에 히터를 설치함); (9) "퍼프 중에만 전력 공급"(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음); (10) "세션 중 예열 및 전력 공급"(플라스틱 케이스에 히터를 설치함); (11) "퍼프 중 예열 및 전력 포세이지"(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음); 및 (12) "퍼프 중 예열 및 전력 포세이지"(플라스틱 케이스에 히터를 설치함).
"스네일" 히터 교환기의 가능한 고장 및 변형을 식별하려면 100개비의 담배를 피우는 스트레스 테스트도 수행해야 한다.
테스트 조건 및 테스트 목표
"퍼프 중에만 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음)에서 히터 테스트. 이 작동 모드에서는 퍼프 동안에만 히터에 전압이 인가된다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 바람직하다. (a) 히터가 필요한 온도에 빠르게 도달하는 능력 (b) 최적의 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 흡연 세션 중 베이프(vape) 출력 볼륨(기존 단위) (e) 관능적 연기 테스트(증기)를 수행 (f) 이 시험을 위한 이 작동 모드의 적합성에 대한 결론에 도달.
"퍼프 중에만 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치함)에서 히터 테스트. 이 작동 모드에서는 퍼프 중에만 히터에 전압이 인가된다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 히터가 필요한 온도에 빠르게 도달하는 능력 (b) 최적 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 플라스틱 케이스 외부 표면의 온도 측정값 (e) 흡연 세션 중 베이프 출력 볼륨(기존 단위) (f) 히터의 온도 영역에 대한 플라스틱 케이스의 영향 (g) 관능적 연기 테스트(증기)를 수행 (8) 이 작동 모드의 적합성에 대한 결론에 도달.
"세션 중 예열 및 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음)에서 히터 테스트. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 가하여 예열하고 전체 흡연 세션 동안 미리 설정된 가열 온도를 유지한다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 흡연 세션을 시작하는 데 필요한 예열 시간 (b) 최적의 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 흡연 세션 중 베이프 출력 볼륨(기존 단위) (e) 관능적 연기 테스트(증기)를 수행 (f) 이 작동 모드의 적합성에 대한 결론에 도달.
"세션 중 예열 및 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치함)에서 히터 테스트. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 가하여 예열하고 전체 흡연 세션 동안 미리 설정된 가열 온도를 유지한다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 흡연 세션을 시작하는 데 필요한 예열 시간 (b) 최적의 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 플라스틱 케이스의 외부 표면에 있는 온도 측정값 (e) 흡연 세션 중 베이프 출력 볼륨(기존 단위) (f) 히터의 온도 영역에 대한 플라스틱 케이스의 영향 (g) 관능적 연기 테스트(증기) 수행 (8) 이 작동 모드의 적합성에 대한 결론에 도달.
"퍼프 중 예열 및 전력 포세이지" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음)에서 히터 테스트. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 인가하여 예열하고 세션 내내 대기 온도를 유지한다. 조일(tightening) 때 히터에 증가된 전압이 인가되고, 따라서 조일 때 온도가 상승한다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 흡연 세션을 시작하는 데 필요한 예열 시간 (b) 최적의 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 흡연 세션 중 베이프 출력 볼륨(기존 단위) (e) 관능적 연기 테스트(증기)를 수행 (f) 이 작동 모드의 적합성에 대한 결론에 도달.
"퍼프 중 예열 및 전력 포세이지" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치함)에서 히터 테스트. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 인가하여 예열하고 세션 내내 대기 온도를 유지한다. 조일 때 히터에 증가된 전압이 인가되어 조일 때 온도가 상승한다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 흡연 세션을 시작하는 데 필요한 예열 시간 (b) 최적의 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 플라스틱 케이스의 외부 표면에 있는 온도 측정값(e) 흡연 세션 중 베이프 출력 볼륨(기존 단위) (f) 플라스틱 케이스가 히터의 온도 영역에 미치는 영향 (g) 관능적 연기 테스트(증기)를 수행 (h) 이 작동 모드의 적합성에 대한 결론에 도달.
"퍼프 중에만 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음)에서 다중 채널 공기 덕트 없는 히터 테스트. 이 작동 모드에서는 퍼프 동안에만 히터에 전압이 인가된다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 히터가 필요한 온도에 빠르게 도달하는 능력 (b) 최적의 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 흡연 세션 중 베이프 출력 볼륨(기존 단위) (e) 관능적 연기 테스트(증기)를 수행 (f) 시험 번호 (1)에서 얻은 매개변수와의 차이를 기록.
"퍼프 중에만 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터 설치)에서 다중 채널 공기 덕트 없는 히터를 테스트. 이 작동 모드에서는 퍼프 동안에만 히터에 전압이 인가된다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 히터가 필요한 온도에 빠르게 도달하는 능력 (b) 최적의 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 플라스틱 케이스의 외부 표면에 있는 온도 측정값 (e) 흡연 세션 중 베이프 출력 볼륨(기존 단위) (f) 히터의 온도 영역에 대한 플라스틱 케이스의 영향 (g) 관능적 연기 테스트(증기)를 수행 (h) 시험 번호 (2)에서 얻은 매개변수와의 차이를 기록.
"세션 중 예열 및 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음)에서 다중 채널 공기 덕트가 없는 히터 테스트. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 가하여 예열하고 전체 흡연 세션 동안 미리 설정된 가열 온도를 유지한다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 흡연 세션을 시작하는 데 필요한 예열 시간 (b) 최적의 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 흡연 세션 중 베이프 출력 볼륨(기존 단위) (e) 관능적 연기 테스트(증기)를 수행 (f) 시험 번호 (3)에서 얻은 매개변수와의 차이를 기록.
"세션 중 예열 및 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터 설치)에서 다중 채널 공기 덕트가 없는 히터의 테스트. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 가하여 예열하고 전체 흡연 세션 동안 미리 설정된 가열 온도를 유지한다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 흡연 세션을 시작하는 데 필요한 예열 시간 (b) 최적의 히터 온도(히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 플라스틱 케이스 외부 표면의 온도 측정값 (e) 흡연 기간 동안의 베이프 출력량(기존 단위) (f) 히터의 온도 영역에 대한 플라스틱 케이스 (g) 관능적 연기 테스트(증기) 수행 (h) 테스트 번호(4)에서 얻은 매개변수와의 차이를 기록.
"퍼프 중 예열 및 전력 포세이지" 모드(플라스틱 케이스에 히터 설치하지 않음)에서 다중 채널 공기 덕트가 없는 히터 테스트. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 인가하여 예열하고 세션 내내 대기 온도를 유지한다. 조일 때 히터에 증가된 전압이 인가되어 조일 때 온도가 상승한다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 흡연 세션을 시작하는 데 필요한 예열 시간 (b) 최적의 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 플라스틱 케이스의 외부 표면에 있는 온도 측정값 (e) 흡연 세션 중 베이프 출력량(기존 단위) (f) 관능적 연기 테스트(증기)를 수행 (g) 시험 번호 (5)에서 얻은 매개변수와의 차이를 기록.
"퍼프 중 예열 및 전력 포세이지" 모드(플라스틱 케이스에 히터 설치 포함)에서 다중 채널 공기 덕트가 없는 히터 테스트. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 인가하여 예열하고 세션 내내 대기 온도를 유지한다. 조일 때 히터에 증가된 전압이 인가되어 조일 때 온도가 상승한다. 시험 중에 다음을 결정하는 것이 필요하다. (a) 흡연 세션을 시작하는 데 필요한 예열 시간 (b) 최적의 히터 온도 (c) 히터 외부 표면의 온도 측정값 (d) 플라스틱 케이스의 외부 표면에 있는 온도 측정값 (e) 흡연 세션 중 베이프 출력 볼륨(기존 단위) (f) 히터의 온도 영역에 대한 플라스틱 케이스의 영향 (g) 관능적 연기 테스트(증기)를 수행 (h) 시험 번호 (6)에서 얻은 매개변수와의 차이를 기록.
스트레스 테스트
"세션 중 예열 및 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터 설치)에서 다중 채널 덕트로 히터를 테스트해야 한다. 테스트 모드 및 조건: (a) 흡연 기계에서 50 내지 100개의 담배 스틱을 피울 필요가 있다. (b) 퍼프 부피: 55ml (c) 퍼프 시간: 3초 (d) 휴식 시간: 30초 (e) 히터 내부 온도: 섭씨 235도.
포세이지는 일반적으로 예열이 발생/개시된 후 퍼프 동안 전압이 증가하여 히터의 온도를 증가시키는 것을 의미한다. 따라서, 포세이지는 일반적으로 예열에 추가된 전압(및/또는 퍼프 동안 상승된 가열 온도를 더한 것)을 나타낸다. 보다 구체적으로, 포세이지는 하나의 히터에 대한 증가된 전압을 의미할 수 있지만, 적용 가능한 경우 퍼프 중에 추가 히터를 사용하는 것을 의미할 수도 있다. 도 23을 참조한다. 바람직하게는, 포세이지는 가열 요소를 25℃에서 85℃로(기준 열과 비교하여), 더 바람직하게는 35℃ 내지 65℃, 가장 바람직하게는 45℃에서 55℃로 증가시킨다. 특정 실시예에서 전압은 2볼트 내지 6볼트의 범위일 수 있다.
테스트에는 특히 다음 재료 및/또는 장비가 포함되었다. 흡연 기계 MC VAC 1.3; 디지털 멀티미터 Rigol DM3058(2개), 전원 공급 장치 DP 811, 적외선 레이저 고온계 LTCF1-CB3, 센서 PT 100(2개), 온도 조절 기능이 있는 PCB(인쇄 회로 기판), 및 소프트웨어 Mathlab 및 PID 조정기용 소프트웨어가 설치된 컴퓨터.
다양한 작동 모드에서 스네일 히터를 테스트하려면 테스트 벤치가 필요하다. 테스트 벤치는 Coresta(담배 관련 과학 연구 협력 센터)에서 권장하는 대로 담배 스틱을 피우는 과정을 시뮬레이션할 수 있는 방식으로 조립된다. 따라서 각 특정 작업에 설명된 모든 매개변수가 기록된다. 당면한 작업에 따라 테스트 벤치의 구성이 약간 변경된다. MC VAC 1.3 흡연 기계는 흡연자가 담배를 피우는 것을 시뮬레이션하는 조건을 생성하기 위해 테스트 벤치에서 사용된다. 훈제 기계는 퍼프 용량이 55ml, 퍼프 시간이 3초, 퍼프 사이의 일시 정지가 30초가 되도록 설정된다. 흡연 기계의 센서는 퍼프에 있는 증기의 양을 기록하고, 이 기록된 매개변수는 직렬 기화기의 성능과 비교하는 데 사용할 수 있다. 현재 테스트에서는 IQOS® 3 기화기와 비교되었다. 가열 영역에서 직접 온도를 측정하기 위해 PT100 온도 센서를 사용했다.
적외선 레이저 고온계 LTCF1-CB를 사용하여 스네일 히터 외부의 온도를 측정했다. 플라스틱 케이스에 히터를 넣었을 때 "스네일" 히터 외부의 온도를 측정해야 하는 테스트에서는 플라스틱 케이스와 "스네일" 히터 사이에 PT100 온도 센서를 배치했다. 플라스틱 케이스 외부의 온도는 적외선 레이저 고온계 LTCF1-CB3을 사용하여 이 테스트에서 측정된다.
온도 센서의 신호 변화를 측정하고 등록하기 위해 Rigol DM3058 디지털 멀티미터가 사용되었으며 컴퓨터로 데이터를 전송했다. 전원 공급을 위해 DP 811이 사용된다.
여기에 설명된 테스트를 위해 사용된 "스네일" 히터 샘플 유형은 공기 덕트가 있는 열교환기 "스네일" 또는 공기 덕트가 없는 히터 열교환기 "스네일" 중에서 선택되었다. 설명된 샘플 중 하나를 사용하여 히터 "스네일"은 적절한 유형의 플라스틱 케이스에 설치되거나 설치되지 않는다. 테스트 방법은 일반적으로 다음과 같다. "스네일" 히터 챔버에 담배 스틱이 설치되어 있다. 증기 파이프는 담배 스틱의 필터에 연결되어 있으며 흡연 기계에 의해 진공이 생성된다. 테스트 시작 시 "스네일" 히터에 전원이 공급된다. 담배 스틱의 담배 기질이 가열되고 활성 물질이 증기와 함께 방출된다. 흡연 기계는 열 번 퍼프를 마신다. 흡연기 퍼프 세션 동안 온도 센서는 히터 내부의 온도와 열교환기 외부의 온도를 측정한다. 흡연 기계에 설치된 베이프 센서는 퍼프의 베이프 양을 기록한다. 데이터는 센서에서 컴퓨터(PC)로 수신된다. Mathlab 소프트웨어는 수신된 데이터를 기반으로 그래픽을 플로팅한다. 이러한 메트릭을 사용하여 각 테스트의 결과를 표로 만들었다. 그 후 얻은 데이터를 분석하여 각 테스트 결과에 대해 결론을 내렸다.
"퍼프 중에만 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음) 에서 히터의 테스트 결과는 아래 표 1에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 퍼프 동안에만 히터에 전압이 인가된다.
Figure pct00006
"퍼프 중에만 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치함)에서 히터의 테스트 결과가 아래 표 2에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 퍼프 증에만 히터에 전압이 인가된다.
Figure pct00007
"세션 중 예열 및 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 열교환기를 설치하지 않음)에서 히터의 테스트 결과가 아래 표 3에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 가하여 예열하고 전체 흡연 세션 동안 미리 설정된 가열 온도를 유지한다. (플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음)
Figure pct00008
"세션 중 예열 및 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치함)에서 히터의 테스트 결과가 아래 표 4에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 가하여 예열하고 전체 흡연 세션 동안 미리 설정된 가열 온도를 유지한다.
Figure pct00009
"퍼프 중 예열 및 전력 포세이지" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음)에서 히터의 테스트 결과가 아래 표 5에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 인가하여 예열하고 세션 내내 대기 온도를 유지한다. 조일 때 히터에 증가된 전압이 인가되어 조일 때 온도가 상승한다. 포세이지에서 전자 장치는 다음과 같이 구성되었다. 대기 모드(사용자가 퍼프하지 않을 때)의 가열 요소의 온도가 특정 레벨로 설정되었다. 이 온도는 PID 조절기에 의해 제어되었고 필요한 수준으로 유지되었다. 주어진 레벨에서 온도를 안정화해야 하므로 이 순간의 전압이 변경되었다. 이 전압은 3 ~ 10V의 값을 가질 수 있으며 펄스 지속 시간이 다르다. 따라서 이 값을 표시하는 것이 아니라 설정 온도를 표시한다. 동시에, 조일 때 가열 요소에 가해지는 피크 전압 값에 대한 한계가 설정되었다. 이러한 테스트와 관련된 표에 있는 값이다.
Figure pct00010
"퍼프 중 예열 및 전력 포세이지" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치함)에서 히터의 테스트 결과가 아래 표 6에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 가하여 예열하고 세션 내내 대기 온도를 유지한다. 조일 때 히터에 증가된 전압이 인가되어 조일 때 온도가 상승한다.
Figure pct00011
"퍼프 중에만 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음)에서 다중 채널 덕트가 없는 히터의 테스트 결과는 아래 표 7에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 퍼프 중에만 히터에 전압이 인가된다.
Figure pct00012
"퍼프 중에만 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치함)에서 다중 채널 덕트가 없는 히터의 테스트 결과는 아래 표 8에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 퍼프 동안에만 히터에 전압이 인가된다.
Figure pct00013
"세션 중 예열 및 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음)에서 다중 채널 덕트가 없는 히터의 테스트 결과가 아래 표 9에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 가하여 예열하고 전체 흡연 세션 동안 미리 설정된 가열 온도를 유지한다.
Figure pct00014
"세션 중 예열 및 전력 공급" 모드(플라스틱 케이스에 히터 설치)에서 다중 채널 덕트가 없는 히터의 테스트 결과는 아래 표 10에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 가하여 예열하고 전체 흡연 세션 동안 미리 설정된 가열 온도를 유지한다.
Figure pct00015
"세션 중 예열 및 전력 포세이지" 모드(플라스틱 케이스에 히터를 설치하지 않음)에서 다중 채널 덕트가 없는 히터의 테스트 결과는 아래 표 11에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 인가하여 예열하고 세션 내내 대기 온도를 유지한다. 조일 때 히터에 증가된 전압이 인가되어 조일 때 온도가 상승한다.
Figure pct00016
"세션 중 예열 및 전력 포세이지" 모드(플라스틱 케이스에 히터 설치)에서 다중 채널 덕트가 없는 히터의 테스트 결과는 아래 표 12에 나와 있다. 이 작동 모드에서는 히터에 전압을 인가하여 예열하고 세션 내내 대기 온도를 유지한다. 조일 때 히터에 증가된 전압이 인가되어 조일 때 온도가 상승한다.
Figure pct00017
테스트 결과에 대한 토론
작동 모드 "퍼프 중에만 전력 공급"
이 작동 모드와 관련된 테스트 결과는 표 1, 표 2, 표 7 및 표 8에 나와 있다. 일반적으로, 위에서 언급한 표에 표시된 결과는 테스트 조건을 사용하여 "퍼프 중에만 전력 공급" 모드에서 히터의 작동이 담배 기재의 급속 가열을 달성하지 못한다는 것을 나타낸다. 이것은 담배 스틱 본체를 가열하는 관성과 가열 요소에 전압을 인가하는 비교적 짧은 시간에 의해 영향을 받는다. 상당한 전압 증가, 더 큰 가열 요소효율, 또는 관통형 가열 요소의 사용은 다른 결과를 줄 수 있다.
히터가 플라스틱 케이스에 있지 않을 때 변형에서 5회 퍼프 후에 증기가 얻어질 수 있음이 관찰되었다(표 1). 그러나 테스트 번호 2(2)에서 히터는 플라스틱 케이스에 보관되어 있으며 7개의 퍼프에서 증기를 얻을 수 있다. 본체가 히터 본체와 직접 접촉하는 면적이 작음에도 불구하고 에너지의 일부는 플라스틱 본체에 의해 제거될 수 있다. 위의 숫자(표 1 및 2의 테스트 4)는 이 두 가지 작동 모드의 최상의 결과를 나타낸다. "퍼프 중에만 전력 공급" 모드에서 작동하는 히터의 단열 품질은 각각 표 1 내지 표 7 및 표 2 내지 표 8의 데이터를 비교하여 평가할 수 있다.
표 1(테스트 4)에서 알 수 있듯이 히터 내부와 열교환기 외부의 온도차는 약 239℃로 엄청난 차이를 보인다. 특정 실시예에서는 150℃, 바람직하게는 175℃, 가장 바람직하게는 200℃의 온도차가 바람직하다.
표 2(테스트 4)에서 알 수 있듯이 히터 내부와 외부 표면의 온도차는 240℃이고, 플라스틱 케이스의 외부 표면 온도는 49℃이다. 이것은 훌륭하고 인상적인 단열 결과이다. 특정 실시예에서는 100℃, 바람직하게는 175℃, 가장 바람직하게는 200℃보다 큰 온도차가 바람직하다.
아래 표는 비교를 위한 각 테스트의 매개변수를 나타낸다.
표 1("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄)
Figure pct00018
표 7("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄)
Figure pct00019
표 2("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄):
Figure pct00020
표 8("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄):
Figure pct00021
단시간에 주어진 온도로 가열해야 하는 물체의 관성으로 인해 "퍼프 중에만 전력 공급"의 작동 모드는 실제로 사용에 적용되지 않을 수 있다고 주장할 수 있다. 따라서 증기는 다섯 번째 퍼프에서만 얻을 수 있다.
작동 모드 "세션 중 예열 및 전력 공급"
이 작동 모드와 관련된 테스트 결과는 표 3, 표 4, 표 9 및 표 10에 나와 있다. 이 표에 제시된 결과는 히터를 "세션 중 예열 및 전력 공급" 모드로 작동하면 흡연 세션이 시작되기 전에 기판이 워밍업될 수 있음을 나타낸다. 세션 전체에 걸쳐 주어진 수준에서 히터 온도의 안정화는 상대적으로 빠른 베이프 생산을 가능하게 했다.
결과적으로, 다중 채널 공기 덕트가 없는 히터를 사용할 때 히터가 플라스틱 케이스에 배치되지 않은 경우, 변형예에서 이미 2개의 퍼프에서 증기를 얻을 수 있다(표 3). 테스트 번호 4(4)에서 히터를 플라스틱 케이스(표 3)에 넣었을 때 2개의 퍼프에서도 증기를 얻을 수 있다.
"세션 중 예열 및 전력 공급" 모드에서 작동하는 히터의 단열 품질은 각각 표 3 내지 표 9 및 표 4 내지 표 10의 데이터를 비교하여 판단할 수 있다.
표 3(테스트 4)에서 알 수 있듯이 히터 내부와 열교환기 외부 표면의 온도차는 169~184도 정도이다. 표 4(테스트 4)에서 알 수 있는 바와 같이 히터 내부와 외부 표면의 온도차는 열교환기의 160~170℃, 플라스틱 케이스 외부 표면의 온도는 51℃이다.
이것은 훌륭하고 인상적인 단열 결과이다. 아래는 비교를 위해 해당 테스트의 온도 측정값 매개변수가 강조 표시된 표이다.
표 3("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄)
Figure pct00022
표 4
Figure pct00023
표 9("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄)
Figure pct00024
표 10("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄)
Figure pct00025
이 "세션 중 예열 및 전력 공급" 작동 모드가 히터 사용에 가장 적합하다고 주장할 수 있다. 다중 채널 공기 덕트가 있는 히터를 사용할 때 베이프는 두 번째 및 세 번째 퍼프에서 얻을 수 있지만 맛이 약간 과열된다. 따라서 히터 작동에 가장 적합한 온도는 섭씨 230~235도라고 생각한다. 그러나 이 온도에서 다중 채널 공기 덕트가 없는 히터는 세 번째 및 네 번째 퍼프에서 베이프를 생성한다(표 9 및 표 10).
이로부터 다중 채널 덕트가 있는 히터는 증기를 더 빨리 생성하고 단열 및 에너지 절약 특성이 우수하다는 결론을 내릴 수 있다.
작동 모드 "세션 중 예열 및 전력 포세이지"
이 작동 모드와 관련된 테스트 결과는 표 5, 표 6, 표 11 및 표 12에 나와 있다.
이 표의 결과 "세션 중 예열 및 전력 포세이지" 모드에서 히터를 작동하면 흡연 세션이 시작되기 전에 기판이 워밍업될 수 있음을 나타낸다. 세션 전체에 걸쳐 주어진 수준에서 히터 온도의 안정화는 180 내지 200도에서 유지된다. 조일 때 공급 전압이 상승하고 이에 따라 조임 중에 담배 기재의 가열 온도가 상승한다. "세션 중 예열 및 전력 포세이지"의 작동 모드에서 테스트에서 입증된 바와 같이 베이프는 다섯 번째 퍼프에서만 얻어지며 만족스러운 결과가 아니다.
이 모드에서 작동하는 히터의 단열 품질은 각각 표 5 내지 표 11 및 표 6 내지 표 12의 데이터를 비교하여 평가할 수 있다.
표 5(테스트 4)에서 알 수 있는 바와 같이 히터 내부와 외부 표면(열교환기 외부 표면)의 온도차는 약 197도이다. 표 6(테스트 4)에서 알 수 있는 바와 같이 히터 내부와 외부 표면(열교환기 외부 표면)의 온도차는 204도이며, 플라스틱 케이스 외부 표면의 온도는 45도이다.
아래는 비교를 위해 해당 테스트의 온도 측정값 매개변수가 강조 표시된 표이다.
표 5("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄)
Figure pct00026
표 6("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄)
Figure pct00027
표 11("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄):
Figure pct00028
표 12("히터 외부 온도"는 열교환기 외부 온도를 나타냄):
Figure pct00029
스트레스 테스트 결과
스트레스 테스트는 "세션 중 예열 및 전력 공급" 작동 모드에서 수행되었다. 이 경우 히터는 플라스틱 케이스에 설치되었다. HEETS(필립모리스 히트스틱) 담배 70개를 훈제했다. 테스트 중에 "스네일" 히터가 정상적으로 작동했다. HEET는 열교환기와 함께 사용하기에 최적의 담배 스틱이 아니다. 열교환기는 원주형(비관통형 히터)을 사용하는 반면 HEET는 IQOS 시스템의 관통형 블레이드와 함께 사용하도록 설계되었기 때문이다. 결과적으로 HEET는 칼날에서 방출되는 열을 유지하기 위해 티핑 페이퍼 내부에 열반사 물질을 포함한다. 그러나 그러한 재료는 실제로 원주형 히터에 도움이 되지 않는다.
결론
"스네일" 히터는 효과적인 단열 특성을 가지며 열이 아닌 장치의 히터로 사용할 수 있다. "스네일" 히터는 특히 "세션 중 예열 및 전력 공급" 작동 모드에서 좋은 결과를 보인다. "퍼프 중에만 전력 공급" 및 "세션 중 예열 및 전력 공급" 작동 모드에서, 스팀 생성의 지연이 너무 길어질 수 있다.
실시예 B: IQOS와 "스네일" 증발 질량의 비교.
이 테스트는 IQOS 3와 본 발명의 스네일 히터를 비교한 것이다. 다음 퍼프 조건이 사용되었다: 퍼프 12개, 퍼프 용량 55ml, 퍼프 시간 3초, 퍼프 빈도 30초마다. 두 장치 모두 Philip Morris, Marlboro 히트스틱을 사용했다.
IQOS 3 장치의 평균 히터 온도는 290℃이고 평균 증발 질량은 6.4mg이다. 본 발명의 "스네일" 장치의 평균 히터 온도는 230℃이고 평균 증발 질량은 7.6mg이다. 이는 생산된 스네일 장치가 IQOS 3보다 18% 더 크고 평균 히터 온도가 60도 더 낮거나 평균 히터 온도가 20.6% 더 낮다는 것을 의미한다.
위의 결과는 최첨단 IQOS 3보다 우수하며 관통형 히터 없이 달성된다는 점에 유의했다. 특정 실시예에서, 본 발명은 (상기 조건에서 측정할 때) 5 mg 이상, 바람직하게는 6 mg 이상, 보다 바람직하게는 7 mg 이상, 더욱 더 바람직하게는 8 mg 이상의 평균 증발 질량을 생성한다. 이러한 평균 증발 질량수는 260℃ 이하, 바람직하게는 250℃ 이하, 보다 바람직하게는 240℃ 이하, 및 그 이상에서 히터 온도로 달성된다.
실시예 C: 단일 채널 공기 덕트로 구성된 스네일 히터의 설계
본 실시예는 일반적으로 상기 실시예가 단일 채널 공기 덕트(또한 여기에서 "채널" 또는 "덕트"로 지칭됨)를 포함하는 스네일 히터의 다른 실시예에 관한 것이다. 스네일 형상이 단일 채널 공기 덕트 시스템과 함께 사용될 수 있지만, 이 실시예는 열교환기의 거의 길이에 이르는 일련의 채널에 관한 것이다.
배경
다중 채널 덕트를 포함하는 스네일 히터의 실시예가 여기에서 논의된다(실시예 A 참조). 일반적으로 다중 채널 덕트가 있는 스네일 히터는 에너지 절약 특성이 좋다. 이것은 적어도 부분적으로는 스네일 히터 본체가 내열 필름 재료로 만들어졌기 때문이다. 다중 채널 덕트는 공기가 외부에서 가열 챔버로 들어가는 두 개의 공기 덕트로 구성된다. 따라서 원하는 온도는 가열된 구조 요소에서 파생되고 가열된 공기는 담배의 기재(예: 식물 물질의 기재)로 들어간다. 다중 채널 덕트 스네일 히터의 열전달은 도 1에 개략적으로 설명되어 있다.
단일 채널 에어 덕트 히터 교환기
바람직한 실시예에서, 단일 채널 히터는 공기 흐름의 통과를 위한 하나의 채널을 갖는다. 채널은 열교환기의 전체(또는 상당 부분) 길이를 따라, 공기 흡입구에서 가열 챔버로 들어가는 입구까지 이어진다. 일부 실시예에서, 채널은 흡입 시 충분한 공기 통로를 제공하는 동시에 구조적 요소로부터의 효율적인 열 흡수를 허용하는 단면을 가지고 있다. 일부 실시예에서, 이것은 공기가 외부 표면에서 중간으로 덕트를 따라 이동하는 동시에 내부 격벽 또는 격벽에 의해 형성된 미로를 따라 이동함으로써 달성된다. 특정 실시예에서, 미로는 열교환기의 거의 길이로 이어지는 일련의 연결된 수직 채널(또는 거의 수직 채널)로 구성되며, 제1수직 채널은 제2수직 채널로 이어지며, 반대 방향으로 흐르는 공기 흐름과 함께 제2수직 채널로 이어지는 "턴(turn)"으로 이어진다. 예를 들어, 수직으로 아래로 공기 흐름이 이어지며 수직으로 위로 공기 흐름이 흐르고 수직으로 아래로 공기 흐름이 오는 식이다. 열교환기는 3개보다 많은 턴, 바람직하게는 4개보다 많은 턴, 보다 바람직하게는 5개보다 많은 턴, 더욱 더 바람직하게는 6개보다 많은 턴, 가장 바람직하게는 7개보다 많은 턴을 포함할 수 있다. 각 턴은 격벽에 해당하며, 앞의 내용은 3개 이상의 격벽 등으로 생각할 수 있다.
다른 실시예에서, 2개의 공기 채널이 격벽 설계와 함께 사용될 수 있으며, 여기서 2개의 공기 채널은 두께 방향으로 또는 공기 채널이 교대로 겹쳐진다. 공기 채널 수에는 특별한 제한이 없다. 2개, 3개, 4개 또는 그 이상이 채용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 단일 채널 격벽 디자인은 격벽이 자신 위로 롤링하는 경우에 사용될 수 있으며, 이는 그 자체로 나선형으로 되는 단일 채널 디자인을 갖는다.
유리하게는, 단일 채널 공기 덕트 열교환기의 현재 개시된 디자인은 궐련 스틱의 담배 기재로 들어가는 공기를 여전히 효율적으로 예열하면서 열교환기의 외부 본체의 덜 가열을 초래할 수 있다. 따라서 단일 채널 에어 덕트 스네일 히터는 가열된 스네일 히터 본체의 열회수 수준을 높이고 스네일 히터 본체 외부 표면의 온도를 낮추어 효율적인 열 관리를 제공한다.
단일 채널 에어 덕트 열교환기에 대한 자세한 설명
단일 채널 공기 덕트 열교환기의 실시예가 도 18에 개략적으로 도시되어 있다. 일반적으로 단일 채널 공기 덕트 열교환기는 가열 챔버, 필름 내열 재료, 격벽(30), 미로 덕트(32), 입구(29), 히터와 같은 구조적 요소로 구성된다. 단일 채널 공기 덕트 열교환기의 실시예에서 공기 흐름의 패턴은 도 18에 개략적으로 도시되어 있다. 단일 채널 공기 덕트 열교환기의 실시예에서 공기 흐름의 패턴이 도 13에 추가로 개략적으로 도시되어 있고, 여기서 열교환기의 공기 덕트가 펼쳐진 전개도로 도시되어 있다. 화살표는 유입구에서 나오는 공기 방향을 나타낸다.
일반적으로 단일 채널 공기 덕트 열교환기는 롤링에 의해 형성된 원통이다(도 3 참조). 가열 챔버는 원통의 중간에 있으며 담배 스틱을 설치할 수 있다. 단일 채널 공기 덕트 열교환기는 필름 내열 재료로 구성된다. 필름 내열 재료는 적어도 하나의 격벽(30)을 포함하고, 적어도 하나의 격벽(30)은 미로 덕트(31)를 형성한다. 미로 덕트(4)는 외부 공기가 덕트로 들어가는 입구(29)를 포함한다. 일부 실시예에서, 입구는 일반적으로 단일 채널 공기 덕트 열교환기의 상부 측에 위치한다. 일부 다른 실시예에서, 입구는 단일 채널 공기 덕트 열교환기의 바닥에 위치한다. 양 실시예는 동일한 효율을 가지며 서로에 대해 이점이 없는 것으로 고려된다. 바람직한 실시예에서, 입구(5)는 가열 챔버로부터 가능한 한 멀리 위치한다.
저항 히터는 가열 챔버 외부에 있다. 일반적으로 가열 챔버는 담배를 포함하는 담배 스틱의 전체 부분 또는 흡연을 위한 기타 기재를 감싼다. 히터는 반드시 궐련 스틱과 직접 접촉하는 것은 아니지만, 담배 기재를 가열하는 데 필요한 열은 원통형 가열 챔버의 벽을 통해 전달된다. 가열 챔버의 하부에는 예열된 공기가 덕트에서 가열 챔버로 흐르는 구멍이 있다.
일부 실시예에서, 단일 채널 공기 덕트 열교환기는 가열 챔버 내부의 담배 스틱의 정확한 위치를 보장하는 역할을 하는 일반적으로 그 하부에 위치하는 리미터를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 리미터는 예열된 공기가 궐련 스틱의 기재로 통과하는 것을 방해하지 않는 방식으로 위치한다.
결론적으로 단일 채널 공기 덕트 열교환기의 작동 원리는 다중 채널 덕트 나선형 열교환기와 유사하다. 퍼핑할 때 공기가 스네일 히터의 공기 덕트로 들어가고 공기 덕트를 통과할 때 고체 요소에서 열을 추출하여 가열된다. 가열된 공기는 담배 스틱의 기재 챔버로 들어간다. 그 후 가열된 기재에서 파생된 활성 물질이 풍부한 증기가 담배 스틱의 응축기로 들어간다. 그런 다음 증기는 필터를 통과하여 흡연자의 입으로 들어간다.
열교환기는 디자인이 대칭이거나 원통형일 필요가 없다. 격벽은 일반적으로 열교환기의 바닥면에 수직이다. 그러나, 다른 실시예에서 격벽은 열교환기의 바닥에 대해 각을 이룰 수 있다. 턴은 선택적으로 직각이다. 또한 턴은 굴곡된다.
다양한 에어 덕트 구성의 영향 비교 연구(단일 채널 설계 사용)
열교환기 내부의 공기 덕트 구성은 최적의 터널로 전달되는 공기 온도 분포에 영향을 줄 수 있다. 우리의 모델링은 공기 덕트 구성을 최적화하여 작동 중 열 손실을 줄이고 수반되는 에너지 효율성 향상과 함께 담배 스틱으로 들어가는 터널 입구에서 더 나은 열 회수 및 더 높은 공기 온도를 얻을 수 있음을 보여주었다.
이 연구의 목적은 내부 열역학 및 회복 과정의 흐름에 대한 다양한 공기 덕트 구성(단일 채널 설계 사용)의 영향을 비교하는 것이었다.
4개의 디자인이 모델링되었다. 첫째, 균일한 크기의 공기 채널이 있는 단일 채널 열교환기(디자인 2.5), 둘째, 외부에서 중간으로 공기 채널 너비가 주기적으로 감소하는 단일 채널 열교환기(디자인 2.6), 셋째, 외부에서 중간으로 공기 채널 너비가 증가하는 단일 채널 열교환기(디자인 2.7), 넷째, 나선형 열교환기(디자인 1).
계산을 위해 다음 작동 조건을 가정했다. 히터 온도 240℃, 퍼프 중 공기 속도 0.5m/s, 주변 공기 온도 25℃, 퍼프 타임 3초, 퍼프 사이에 27초 동안 일시 중지, 퍼프 수 6개의 퍼프.
온도 모델링은 디자인 2.7(외부에서 중간으로 공기 채널 폭이 증가하는 단일 채널 열교환기)이 터널의 온도를 최대화하면서 열교환기 외부의 평균 온도가 가장 낮음을 보여주었다. 디자인 2.7 공기 채널 디자인은 중간에서 외부로 공기가 제거되는 것을 방지한다. 내부의 공기는 공기 채널 폭의 증가로 인해 속도가 점차 감소하면서 중간으로 이동한다. 그 결과 공기가 공기 흡입구에서 히터로 통과하는 데 필요한 시간이 증가하여 히터와 직접 접촉하기 전에 공기가 가열될 수 있었다. 증가하는 채널 폭은 또한 다중 채널 설계에서 유리하게 사용될 수 있다는 점에 주목했다.
디자인 2.6은 그 반대의 이유로 덜 최적이었다. 공기는 채널 면적의 감소로 인해 지속적으로 속도를 증가시켰다. 결과적으로 온도 성능이 저하되었다.
또한 특정 공기 덕트가 있는 단일 채널 열교환기를 설계할 때, 이러한 격벽의 배치(일렬로)가 열교환기의 중심에서 외벽으로 추가적인 열전달을 야기할 수 있어, 격벽을 일렬로 배치하는 것을 피하는(또는 실질적으로 이러한 구성을 피하는) 것이 좋다.

Claims (22)

  1. 담배 스틱을 가열하고 공기가 담배 스틱을 통과하기 전에 공기를 예열하기 위한 열교환기로서,
    롤링 또는 와인딩된 박막 재료의 복수 개의 레이어를 포함하는 롤 또는 와인딩으로서, 상기 롤 또는 와인딩은 담배 스틱을 수용하기 위한 상기 롤 또는 와인딩의 길이 방향의 롤링 또는 와인딩 축을 통해 적어도 부분적으로 연장되는 터널을 형성하는 중공 코어를 갖고, 상기 롤링 또는 와인딩된 박막 재료의 레이어는 롤링 또는 와인딩된 박막 재료의 인접한 레이어 사이의 상호 연결된 공기 흐름 채널을 형성하는 스페이서에 의해 이격되는 롤 또는 와인딩;
    상기 터널에 인접한 상기 박막 재료의 내측 레이어 상에 구비된 저항 가열 요소;
    상기 공기 흐름 채널 중 적어도 하나로 공기를 흡입하는 적어도 하나의 유입구; 및
    상기 공기 흐름 채널 중 적어도 다른 하나와 상기 터널을 연통시키는 적어도 하나의 유출구;를 포함하는, 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 유입구는 상기 터널에 인접한 적어도 제1공기 흐름 채널과 연통하고, 상기 제1공기 흐름 채널은 상기 유입구에서 상기 박막 재료의 외측 레이어를 향해 나선형으로 외측으로 연장되고, 상기 제1공기 흐름 채널은 상기 박막 재료의 외측 레이어에서 상기 터널과 연통하는 상기 유출구를 향해 나선형으로 내측으로 연장되는 제2공기 흐름 채널과 연통하는, 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 롤링 또는 와인딩된 박막 재료의 인접한 레이어 사이의 적어도 하나의 공기 흐름 채널은 롤 또는 와인딩의 길이 방향의 롤링 또는 와인딩 축과 평행한 제1방향으로 연장되는 제1부분, 상기 제1방향과 반대이며 상기 롤 또는 와인딩의 길이 방향의 롤링 또는 와인딩 축과 평행한 제2방향으로 연장되는 제2부분 및 상기 제1부분 및 상기 제2부분을 연결하는 제3부분을 포함하고,
    적어도 하나의 상기 유입구는 상기 롤링 또는 와인딩된 박막 재료의 인접한 외측 레이어 사이의 적어도 하나의 공기 흐름 채널과 연통하고, 적어도 하나의 상기 공기 흐름 채널은 외측 레이어에서 상기 터널과 연통하는 상기 유출구를 향해 나선형으로 내측으로 연장되는, 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상호 연결된 상기 공기 흐름 채널의 부피는 500 mm3 내지 1000 mm3인, 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상호 연결된 상기 공기 흐름 채널의 부피는 상기 터널의 부피보다 300% 내지 600% 더 큰, 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상호 연결된 상기 공기 흐름 채널의 부피는 2500 내지 6000 mm3인, 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    작동 중 상기 저항 가열 요소의 작동 온도와 상기 열교환기의 외측 표면은 150℃보다 큰 온도 차이를 갖는, 열교환기.
  8. 제1항에 있어서,
    작동 중 상기 저항 가열 요소의 작동 온도와 상기 열교환기의 외측 표면은 190℃보다 큰 온도 차이를 갖고, 상기 열교환기는 진공 단열을 포함하지 않는, 열교환기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 각각의 퍼프(puff) 중 포세이지(forsage)를 사용하는, 열교환기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 터널에 삽입되는 담배 스틱의 일부를 관통하는 관통형 히터를 더 포함하는, 열교환기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 담배 스틱과 함께 사용되는 경우 230℃ 이하의 히터 온도에서 세션당 평균 7 mg의 퍼프 당 증발 질량을 달성하고, 퍼프 부피 55 ml, 퍼프 시간 3초 및 총 12번의 퍼프에 걸쳐 30초마다의 퍼프 빈도를 사용하여 측정되는, 열교환기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 터널의 벽은 상기 터널 내의 베이스 부분에서 개방 단부를 향해 상향 경사를 갖는, 열교환기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 2개의 나선형 공기 흐름을 포함하는, 열교환기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 비나선형 공기 흐름 및 적어도 4개의 격벽을 갖는 단일 채널 덕트를 포함하는, 열교환기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 저항 가열 요소는 니크롬 및 FeCrAl 합금 중 적어도 하나를 포함하는 고저항 금속 및 스테인리스 스틸, 니켈 또는 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 저저항 금속을 포함하는, 열교환기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 터널의 바닥에 구비되는 시트를 더 포함하고, 상기 시트는 상기 열교환기에 의해 예열된 공기의 상기 터널로 흡입을 위한 벽 구멍 및 상부 축 구멍을 갖는, 열교환기.
  17. 제1항에 따른 열교환기를 외부 하우징에 포함하고, 배터리를 더 포함하는 담배 스틱 가열 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 열교환기의 외부 표면은 베이핑 세션 중에 50℃보다 높은 온도에 도달하지 않는, 담배 스틱 가열 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 열교환기의 외부 표면은 베이핑 세션 중에 상기 가열 요소의 작동 온도의 45%를 초과하는 작동 온도에 도달하지 않는, 담배 스틱 가열 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    외측에서 중간으로 증가하는 공기 채널 폭을 갖는 단일 채널 열교환기를 포함하는, 담배 스틱 가열 장치.
  21. 담배 스틱을 가열하고 공기가 담배 스틱을 통과하기 전에 공기를 예열하기 위한 열교환기를 형성하기 위한 테이프 형태의 박막 재료로서,
    테이프 형태의 박막 재료;
    상기 테이프 형태의 박막 재료의 일단에 구비된 저항 가열 요소;
    상기 테이프 형태의 박막 재료의 표면에서 융기되어 주변에 구비되는 적어도 하나의 제1스페이서; 및
    상기 테이프 형태의 박막 재료의 표면에서 융기되어 상기 테이프 형태의 박막 재료를 적어도 2개의 부분으로 분할하는 제2스페이서;를 포함하는, 테이프 형태의 박막 재료.
  22. 담배 스틱을 가열하고 공기가 담배 스틱을 통과하기 전에 공기를 예열하기 위한 열교환기의 제조방법으로서,
    일단이 코어에 인접하게 코어 주변에 제21항에 따른 테이프 형태의 박막 필름을 와인딩하는 단계를 포함하는, 방법.
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