KR20230027148A - 직접 증착된 이송 재료가 있는 유체 투과성 히터를 갖는 히터 어셈블리 - Google Patents
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Abstract
에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리(10)로서, 히터 어셈블리는, 액체 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 형성하기 위한 유체 투과성 가열 요소(12)로서, 유체를 가열 요소(12)를 통해 투과시키는 복수의 애퍼처(16)를 포함하는 유체 투과성 가열 요소; 및 액체 에어로졸 형성 기재를 유체 투과성 가열 요소(12)의 복수의 애퍼처(16)에 전달하기 위한 복수의 채널(18)을 포함하는 이송 재료(14)를 포함하되, 이송 재료(14)는 유체 투과성 가열 요소(12)의 유체 투과성 표면 상에 직접 증착되는 세라믹을 포함하고, 유체 투과성 가열 요소(12)의 애퍼처(16)의 50% 초과에 대해, 이송 재료(14)는 액체 에어로졸 형성 기재를 각각의 애퍼처(16)에 운반하기 위한 대응 채널(18)을 포함한다.
Description
본 발명은 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리에 관한 것이다. 특히, 그러나 배타적이지 않게, 본 발명은 액체 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 발생시키고 에어로졸을 사용자의 입 안으로 전달하기 위한 소형 전기 작동식 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 히터 어셈블리를 포함한 에어로졸 발생 시스템용 카트리지, 에어로졸 발생 시스템, 및 히터 어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
배터리 및 제어 전자기기를 포함한 장치부, 에어로졸 형성 기재를 함유하거나 수용하기 위한 부분, 및 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 발생시키기 위한 전기 작동식 히터로 이루어진, 소형 전기 작동식 에어로졸 발생 장치 및 시스템이 공지되어 있다. 히터는 전형적으로 액체 에어로졸 형성 기재를 액체 저장 부분으로부터 히터로 전달하는 세장형 심지 주위에 감긴 와이어의 코일을 포함한다. 전류는 와이어의 코일을 통해 통과하여 히터를 가열함으로써 에어로졸 형성 기재로부터 에어로졸을 발생시킬 수 있다. 사용자가 자신의 입 안으로 에어로졸을 흡인하기 위해 퍼프할 수 있는 마우스피스 부분이 또한 포함된다.
심지 이외에, 액체 저장 부분은 액체 에어로졸 형성 기재를 유지하기 위한 흡수체 재료를 포함할 수 있다. 따라서, 공지된 에어로졸 발생 장치용 히터 어셈블리를 제조하고, 액체 에어로졸 형성 기재를 가열 와이어로 이송하는 수단을 제공하는 것은, 적어도 세 개의 구성 요소의 조립을 포함할 수 있다. 이는, 조립 라인의 복잡성 및 관련된 제조 단계의 수를 증가시킨다.
액체 에어로졸 형성 기재가 고갈된 후에 사용자가 에어로졸 발생 장치를 계속 사용하는 경우, 공지된 에어로졸 발생 장치에 대한 다른 문제가 발생한다. 이러한 상황에서, 심지 재료를 형성하기 위해 사용되는 일부 재료는, 건조 상태에서 가열될 경우에 분해되고 잠재적으로 유해할 수 있는 원치 않는 부산물을 방출하는 것으로 알려져 있다. 또한, 일부 섬유 심지 재료는 건조 상태에서 가열될 경우에 섬유를 방출하는 것으로 알려져 있다.
조립될 필요가 있는 부품이 거의 없는 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 제조하기 더 쉬운, 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 원치 않는 부산물이 생성될 위험을 감소시키는 히터 어셈블리를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 개시의 실시예에 따르면, 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리가 제공된다. 히터 어셈블리는, 액체 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 형성하기 위한 유체 투과성 가열 요소를 포함할 수 있다. 히터 어셈블리는 액체 에어로졸 형성 기재를 유체 투과성 가열 요소로 운반하기 위한 이송 재료를 포함할 수 있다. 이송 재료는 세라믹을 포함할 수 있다. 세라믹은 유체 투과성 가열 요소의 유체 투과성 표면 상에 증착될 수 있다. 세라믹은 유체 투과성 가열 요소의 유체 투과성 표면 상에 직접 증착될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리가 제공되며, 상기 히터 어셈블리는, 액체 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 형성하기 위한 유체 투과성 가열 요소; 액체 에어로졸 형성 기재를 상기 유체 투과성 가열 요소에 전달하기 위한 이송 재료를 포함하되, 상기 이송 재료는 상기 유체 투과성 가열 요소의 유체 투과성 표면 상에 직접 증착되는 세라믹을 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "증착된"은 유체 투과성 가열 요소의 표면 상에 물리적, 화학적 또는 전기 증착 공정의 일부 형태에 의해 이송 재료가 형성되는 것을 의미하도록 의도된다. 용어 "증착된"은 유체 투과성 가열 요소에 단순히 부착되거나 이와 접촉하여 배치되는 별도의 별개 부분으로서 이송 재료를 형성하는 것을 포함하도록 의도되지 않는다. 의심의 여지를 없애기 위해, 용어 "증착된"은 전기영동 증착을 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "직접 증착된"은, 이송 재료와 유체 투과성 가열 요소 사이에 배열된 개재 구성 요소를 갖지 않고서, 유체 투과성 가열 요소와 직접 접촉하는 이송 재료가 유체 투과성 가열 요소의 표면 상에 증착되는 것을 의미한다.
유리하게는, 유체 투과성 가열 요소 상에 직접 이송 재료를 증착함으로써, 이송 재료는 유체 투과성 가열 요소와 일체식으로 형성된다. 즉, 이송 재료 및 유체 투과성 가열 요소는 단일 조각 또는 부분으로서 형성된다. 두 개의 구성 요소, 즉 별도의 이송 재료 및 가열 요소 대신에, 히터 어셈블리는 단일 구성 요소만을 포함한다. 이는, 조립되어야 하는 히터 어셈블리의 별개 부품의 수를 감소시키고, 조립을 더욱 간단하게 한다. 이는 또한, 히터 어셈블리를 조립하기 위한 추가 구성 요소, 예를 들어 구성 요소를 함께 유지하기 위한 프레임 또는 홀더에 대한 필요성을 배제한다. 또한, 히터 어셈블리의 다른 구성 요소는 히터 어셈블리에 직접 연결될 수 있다. 예를 들어, 전기 접촉부는 유체 투과성 가열 요소에 직접 연결될 수 있다. 또한, 유체 투과성 가열 요소 및 이송 재료를 단일 일체형 구성요소로서 형성하는 것은, 유체 투과성 가열 요소가 이송 재료와 유체 연통하는 것을 보장하고 액체 에어로졸 형성 기재를 가열 요소에 공급하는 것을 돕는다.
세라믹으로부터 이송 재료를 형성하는 것의 장점은, 건식 가열 상황에 의해 야기된 원치 않는 부산물의 생성과 같이, 섬유 심지 재료를 사용함으로써 발생할 수 있는 일부 문제를 완화시킨다는 것이다. 일부 중합체 계열 섬유와 비교하면, 세라믹은 비교적 불활성이고 더 넓은 온도 범위에 걸쳐 열적 및 구조적으로 안정적이다. 세라믹 이송 재료를 사용하면 또한, 섬유 세그먼트가 장치 내로 방출될 위험을 감소시킨다.
유체 투과성 가열 요소는, 가열 요소의 제1 측면으로부터 제2 측면으로 연장되는 복수의 공극 또는 애퍼처를 포함할 수 있다. 복수의 공극 또는 애퍼처는 유체를 가열 요소를 통해 유리하게 투과시킬 수 있다.
이송 재료는, 액체 에어로졸 형성 기재를 유체 투과성 가열 요소의 복수의 애퍼처로 운반하기 위한 복수의 채널을 포함할 수 있다. 복수의 채널 중 각각의 채널은 모세관 작용에 의해 이송 재료의 일 단부로부터 다른 단부로 액체를 전달하는 모세관 채널일 수 있다. 이송 재료는 임의의 적절한 세라믹을 포함할 수 있다. 이송 재료는 임의의 적절한 불활성 세라믹 또는 바이오 호환 세라믹을 포함할 수 있다. 적절한 세라믹의 예는 Al2O3, ZrO2 및 수산화인회석을 포함하는 인산칼슘 세라믹이다.
유체 투과성 가열 요소의 각각의 애퍼처에 대해, 또는 유체 투과성 가열 요소의 각각의 애퍼처의 적어도 대부분(예컨대 50% 초과)에 대해, 이송 재료는 액체 에어로졸 형성 기재를 각각의 애퍼처로 운반하기 위한 대응 채널을 포함할 수 있다. 유체 투과성 가열 요소의 애퍼처의 60%를 초과, 바람직하게는 70%를 초과, 및 더 바람직하게는 80%를 초과하는 경우, 이송 재료는 액체 에어로졸 형성 기재를 각각의 애퍼처로 운반하기 위한 대응 채널을 포함할 수 있다. 유체 투과성 가열 요소의 애퍼처의 50% 내지 85%, 바람직하게는 60% 내지 85%, 더 바람직하게는 70% 내지 85%에 대해, 이송 재료는 액체 에어로졸 형성 기재를 각각의 애퍼처로 운반하기 위한 대응 채널을 포함할 수 있다. 이는 각각의 애퍼처, 또는 적어도 대부분의 애퍼처의 각각은 액체 에어로졸 형성 기재를 유체 투과성 가열 요소에 공급하는 것을 돕는 자체 전용 채널을 갖는다는 것을 의미한다. 이는 또한, 액체 에어로졸 형성 기재가 모든 애퍼처에, 또는 적어도 대부분의 애퍼처에 공급될 수 있음을 의미한다. 이는, 애퍼처를 갖는 유체 투과성 가열 요소의 모든 부분, 또는 애퍼처를 갖는 유체 투과성 가열 요소의 모든 부분의 적어도 대부분이 액체 에어로졸 형성 기재의 공급을 수용하고, 공급이 유체 투과성 가열 요소 위로 균일하게 분포되는 것을 보장하는 것을 돕는다.
이송 재료는, 이송 재료의 제1 표면과 이송 재료의 대향하는 제2 표면 사이에 정의된 두께를 가질 수 있다. 유체 투과성 가열 요소는 제1 표면에 배열될 수 있고, 제2 표면은 액체 에어로졸 형성 기재를 수용하도록 배열될 수 있다. 복수의 채널은 이송 재료의 제1 및 제2 표면 사이에서 이송 재료의 두께를 통해 연장될 수 있다. 이송 재료의 두께를 통해 연장된 복수의 채널은, 액체 에어로졸 형성 기재를 액체 저장 부분으로부터 유체 투과성 가열 요소로 공급하는 것을 도울 수 있다. 이송 재료의 두께는 0.5 내지 6 mm일 수 있다.
복수의 채널은 이송 재료의 제1 및 제2 표면 사이에서 단일 방향으로 액체 에어로졸 형성 기재의 흐름을 허용하도록 배열될 수 있다. 유리하게는, 이는 액체 에어로졸 형성 기재를 유체 투과성 가열 요소로 더 효율적으로 전달시킬 수 있다. 표준 다공성 세라믹 재료에서, 기공은 등방성 방식으로 상호 연결되고, 액체는 세라믹을 통해 임의의 방향으로 투과할 수 있고, 반드시 가열 요소를 향하지는 않는다. 세라믹을 통해 채널을 제공함으로써, 액체는 이송 재료를 통해 단일 방향으로, 즉 액체 에어로졸 형성 기재가 수용되는 제2 표면으로부터 유체 투과성 가열 요소로 흐르도록 장려된다.
복수의 채널은 이송 재료의 제1 표면에 실질적으로 직교하는 방향에 실질적으로 선형으로 연장될 수 있다. 유리하게는, 이는, 액체가 유체 투과성 가열 요소로 가는 최단 경로, 즉 직선을 취하고 있기 때문에 액체 에어로졸 형성 기재는 유체 투과성 가열 요소로 더 효율적으로 전달될 수 있다.
유체 투과성 가열 요소의 복수의 애퍼처 각각은 20 μm 내지 300 μm의 단면 치수를 가질 수 있다. 이는, 액체 에어로졸 형성 기재를 유체 투과성 가열 요소의 애퍼처 내로 침투시킬 수 있고, 특히 유체 투과성 가열 요소에 의한 가열 시 효과적인 에어로졸 발생을 가능하게 하기 위해, 특히 효과적인 크기 범위인 것으로 밝혀졌다.
바람직하게는, 유체 투과성 가열 요소의 복수의 애퍼처 각각은 20 μm 내지 200 μm, 보다 바람직하게는 20 μm 내지 100 μm, 보다 바람직하게는 50 μm 내지 80 μm, 보다 더 바람직하게는 약 70 μm의 단면 치수를 가질 수 있다.
채널의 길이를 따라 복수의 채널 각각의 가로 방향(transverse) 단면 치수는, 유체 투과성 가열 요소의 애퍼처의 단면 치수와 실질적으로 동일할 수 있다. 이는 채널을 통해 액체 에어로졸 형성 기재의 방해받지 않는 흐름을 허용한다.
채널의 길이를 따라 복수의 채널 각각의 가로 방향 단면 치수는, 유체 투과성 가열 요소의 대응 애퍼처의 단면 치수와 실질적으로 동일할 수 있다. 이는 채널을 통해 액체 에어로졸 형성 기재의 방해받지 않는 흐름을 허용한다.
히터 어셈블리는 유체 투과성 가열 요소에 전력을 공급하기 위한 전기 접촉부를 추가로 포함할 수 있다. 전기 접촉부는 유체 투과성 가열 요소에 직접 연결될 수 있다. 유리하게는, 전기 접촉부를 유체 투과성 가열 요소에 직접 연결함으로써, 조립 라인에 조립되고 연결되어야 하는 구성 요소의 수가 더 감소된다.
전기 접촉부는 유체 투과성 가열 요소의 대향 단부 상에 위치할 수 있다. 전기 접촉부는 두 개의 전기 전도성 접촉 패드를 포함할 수 있다. 전기 전도성 접촉 패드는 유체 투과성 가열 요소의 에지 영역에 위치할 수 있다. 바람직하게는, 적어도 두 개의 전기 전도성 접촉 패드는 가열 요소의 극단에 위치할 수 있다. 전기 전도성 접촉 패드는 유체 투과성 가열 요소의 전기 전도성 필라멘트에 직접 고정될 수 있다. 전기 전도성 접촉 패드는 주석 패치를 포함할 수 있다. 대안적으로, 전기 전도성 접촉 패드는 유체 투과성 가열 요소와 일체형일 수 있다.
이송 재료는, 유체 투과성 가열 요소의 제1 측면 상에 배열된 제1 이송 재료를 포함할 수 있다. 히터 어셈블리는 유체 투과성 가열 요소의 제2 측면 상에 배열된 제2 이송 재료를 추가로 포함할 수 있다. 이는, 제1 및 제2 이송 재료 사이에 유체 투과성 가열을 효과적으로 개재화시키며, 이는 히터 어셈블리의 견고성을 개선하는 것을 도울 수 있다.
유체 투과성 가열 요소는 전기 저항 가열 요소를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 가열 요소는 임의의 적절한 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다. 적절한 재료는, 도핑된 세라믹, 전기 "전도성" 세라믹(예, 몰리브덴 디실리사이드), 탄소, 그래파이트, 금속, 금속 합금, 및 세라믹 재료와 금속 재료로 만든 복합 재료와 같은 반도체를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 이러한 복합 재료는 도핑된 세라믹 또는 도핑되지 않은 세라믹을 포함할 수 있다. 도핑된 세라믹의 적절한 예는 도핑된 실리콘 카바이드를 포함한다. 적절한 금속의 예는 티타늄, 지르코늄, 탄탈륨, 및 백금족으로부터의 금속을 포함한다. 적절한 금속 합금의 예는 스테인리스 강, 콘스탄탄, 니켈-, 코발트-, 크롬-, 알루미늄-, 티타늄-, 지르코늄-, 하프늄-, 니오븀-, 몰리브덴-, 탄탈륨-, 텅스텐-, 주석-, 갈륨-, 망간- 및 철-함유 합금, 및 니켈, 철, 코발트, 스테인리스 강을 기본으로 하는 초합금, Timetal®, 철-알루미늄계 합금, 및 철-망간-알루미늄계 합금을 포함한다. Timetal®은 티타늄 메탈사의 등록 상표이다. 바람직하게는, 유체 투과성 가열 요소는 스테인리스 강, 보다 바람직하게는 AISI 304, 316, 304L, 316L과 같은 300 시리즈 스테인리스 강으로 만들어진다.
추가적으로, 유체 투과성 가열 요소는 상기 재료의 조합을 포함할 수 있다. 재료의 조합은 실질적으로 평평한 가열 요소의 저항 제어를 개선하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 높은 고유 저항을 갖는 재료가 낮은 고유 저항을 갖는 재료와 조합될 수 있다. 재료 중 하나가, 예를 들어, 가격, 가공성, 또는 기타 물리적 및 화학적 파라미터와 같은 다른 관점에서 더 유익한 경우, 이는 유리할 수 있다. 유리하게는, 고 저항성 히터는 배터리 에너지를 더욱 효율적으로 사용할 수 있게 한다.
유체 투과성 가열 요소는 간단하게 제조할 수 있도록 실질적으로 평평한 가열 요소를 포함할 수 있다. 기하학적으로, "실질적으로 평평한" 가열 요소라는 용어는, 실질적으로 2차원 표면형태 매니폴드의 형태로 된 가열 요소를 가리키도록 사용되고 있다. 일부 예에서, 실질적으로 평평한 가열 요소는 실질적으로 제3 차원보다는 표면을 따라 2차원으로 연장될 수 있다. 일부 예에서, 표면 내의 두 개의 치수에서 실질적으로 평평한 가열 요소의 치수는, 표면에 법선 방향인 제3 치수보다 적어도 다섯 배 크다. 일부 예에서, 실질적으로 평평한 유체 투과성 가열 요소는 두 개의 실질적인 가상 평행의 평평한 표면을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 실질적으로 평평한 가열 요소는 두 개의 실질적인 가상 평행의 평평한 표면 사이의 구조일 수 있고, 이들 두 개의 가상 표면 간의 거리는 표면 내의 연장부보다 실질적으로 작다. 일부 예에서, 두 개의 실질적인 가상 평행의 표면 중 하나만이 평평할 수 있다. 일부 예에서, 실질적으로 평평한 가열 요소는 평면형이다. 다른 예에서, 실질적으로 펴평한 가열 요소는, 예를 들어 돔 형상 또는 브리지 형상을 형성하는 하나 이상의 치수를 따라 만곡될 수 있다.
유체 투과성 가열 요소는 하나 또는 복수의 전기 전도성 필라멘트를 포함할 수 있다. 용어 "필라멘트"는 두 개의 전기 접촉부 사이에 배열된 전기 경로를 지칭하는 데 사용된다. 필라멘트는, 임의로 분기되어 여러 개의 경로 또는 필라멘트로 각각 분기되거나, 여러 전기적 경로로부터 하나의 경로로 수렴될 수 있다. 필라멘트는 원형, 정사각형, 평평한 형상, 또는 임의의 다른 형태의 단면을 가질 수 있다. 필라멘트는 직선형 또는 곡선형 방식으로 배열될 수 있다.
유체 투과성 가열 요소는, 예를 들어 서로 평행하게 배열된 필라멘트의 어레이일 수 있다. 바람직하게는, 필라멘트는 메시를 형성할 수 있다. 메시는 직물 또는 부직포일 수 있다. 메시는 상이한 유형의 직조 또는 격자 구조를 사용하여 형성될 수 있다. 대안적으로, 전기 전도성 가열 요소는 필라멘트 어레이 또는 필라멘트 직물을 포함한다. 전기 전도성 필라멘트의 메시, 어레이 또는 직물은 당업계에서 주지하는 바와 같이, 액체를 유지하는 능력을 특징으로 할 수 있다.
바람직한 예에서, 실질적으로 평평한 가열 요소는 와이어 메시로 형성된 와이어로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 메시는 평직 디자인을 갖는다. 바람직하게는, 가열 요소는 메시 스트립으로 만든 와이어 그릴이다.
전기 전도성 필라멘트는 필라멘트 사이의 공극을 정의할 수 있고, 간격은 10 μm 내지 100 μm의 폭을 가질 수 있다. 바람직하게는, 필라멘트는 공극 내에서 모세관 작용을 일으키므로, 사용 시에 증발될 액체가 공극 내로 흡인되어, 가열 요소와 액체 에어로졸 형성 기재 사이의 접촉 면적을 증가시킨다.
전기 전도성 필라멘트는 센티미터 당 60 내지 240 필라멘트(± 10%) 크기의 메시를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 메시 밀도는 센티미터 당 100 내지 140 필라멘트(± 10%)이다. 더 바람직하게는, 메시 밀도는 센티미터 당 대략 115 필라멘트이다. 공극의 폭은 20 μm 내지 300 μm, 바람직하게는 50 μm 내지 100 μm, 더 바람직하게는 대략 70 μm일 수 있다. 메시의 개방 면적의 백분율(메시의 전체 면적에 대한 간격 면적의 비율)은, 40% 내지 90%, 바람직하게는 85% 내지 80%, 더 바람직하게는 대략 82%일 수 있다.
전기 전도성 필라멘트는, 10 μm 내지 100 μm, 바람직하게는, 10 μm 내지 50 μm, 더 바람직하게는 12 μm 내지 25 μm, 가장 바람직하게는 대략 16 μm의 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 필라멘트는 둥근 단면을 가질 수 있거나 평탄화된 단면을 가질 수 있다.
전기 전도성 필라멘트의 메시, 어레이, 또는 직물의 면적은, 예를 들어 50 mm² 이하, 바람직하게는 25 mm² 이하, 더 바람직하게는 대략 15 mm²일 수 있다. 크기는 가열 요소가 소형 시스템 내에 포함되도록 선택된다. 전기 전도성 필라멘트의 메시, 어레이 또는 직물의 크기가 상기 면적의 50 mm² 이하이면, 액체 에어로졸 형성 기재에 대한 전기 전도성 필라멘트의 메시, 어레이 또는 직물의 충분한 접촉을 계속해서 보장하면서 전기 전도성 필라멘트의 메시, 어레이 또는 직물을 가열하는 데 필요한 총 전력량을 감소시킨다. 전기 전도성 필라멘트의 메시, 어레이 또는 직물은 예를 들어 직사각형일 수 있고 길이는 2 mm 내지 10 mm이고, 폭은 2 mm 내지 10 mm일 수 있다. 바람직하게는, 메시는 대략 5 mm Х 3 mm의 치수를 가진다.
바람직하게는, 필라멘트는 와이어로 만들어진다. 더 바람직하게는, 와이어는 금속으로 만들어지고, 가장 바람직하게는 스테인리스 강으로 만들어진다.
가열 요소의 전기 전도성 필라멘트의 메시, 어레이 또는 직물의 전기 저항은 0.3 Ω내지 4 Ω일 수 있다. 바람직하게는, 전기 저항은 0.5 Ω이상이다. 더 바람직하게는, 전기 전도성 필라멘트의 메시, 어레이 또는 직물의 전기 저항은 0.6 Ω내지 0.8 Ω 가장 바람직하게는 약 0.68 Ω이다. 전기 전도성 필라멘트의 메시, 어레이 또는 직물의 전기 저항은 바람직하게는 전도성 접촉부의 전기 저항보다 적어도 수십 배, 더 바람직하게는 수백 배 더 크다. 이는, 전류를 가열 요소를 통해 통과시킴으로써 발생된 열이 전기 전도성 필라멘트의 메시 또는 어레이에 국한되는 것을 보장한다. 시스템이 배터리에 의해 전력을 공급받는 경우 가열 요소에 대해 낮은 전체 저항을 갖는 것이 유리하다. 저저항 고전류 시스템은 고전력이 가열 요소에 전달되게 한다. 이는, 가열 요소가 전기 전도성 필라멘트를 원하는 온도로 빠르게 가열하게 한다.
대안적으로, 유체 투과성 가열 요소는 애퍼처의 어레이가 형성된 가열 플레이트 또는 멤브레인을 포함할 수 있다. 애퍼처는, 예를 들어 에칭 또는 기계 가공에 의해 형성될 수 있다. 플레이트 또는 멤브레인은 유체 투과성 가열 요소에 대하여 전술한 재료와 같이, 적절한 전기적 특성을 갖는 임의의 재료로 형성될 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 따라, 에어로졸 발생 시스템용 카트리지가 제공되어 있다. 카트리지는 전술한 히터 어셈블리 예시 중 어느 하나에 따른 히터 어셈블리를 포함할 수 있다. 카트리지는 액체 에어로졸 형성 기재를 유지하기 위한 액체 저장 부분 또는 구획부를 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 에어로졸 발생 시스템용 카트리지가 제공되어 있으며, 카트리지는 전술한 히터 어셈블리 예시 중 어느 하나에 따른 히터 어셈블리 및 액체 에어로졸 형성 기재를 유지하기 위한 액체 저장 부분 또는 구획부를 포함한다.
용어 "액체 저장 부분" 및 "액체 저장 구획부"는 본원에서 상호 교환적으로 사용된다. 액체 저장 부분 또는 구획부는 서로 연통하고 있는 제1 및 제2 저장 부분을 가질 수 있다. 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분은 액체 저장 구획부의 제2 저장 부분에 대한 히터 어셈블리의 대향 측면 상에 있을 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 액체 저장 구획부의 제1 및 제2 저장 부분 둘 모두에 유지되어 있다.
유리하게, 상기 저장 구획부의 제1 저장 부분은 상기 액체 저장 구획부의 제2 저장 부분보다 크다. 카트리지는 사용자가 카트리지에 발생된 에어로졸을 흡입하기 위해 카트리지를 흡인하거나 빨아들일 수 있도록 구성될 수 있다. 사용 시, 카트리지의 마우스 단부 개구는 전형적으로 히터 어셈블리 위에 위치하며, 저장 구획부의 제1 부분은 마우스 단부 개구와 히터 어셈블리 사이에 위치한다. 액체 저장 구획부의 제2 저장 부분보다 큰 액체 저장 구획부의 제1 부분을 갖는 것은, 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분으로부터 액체 저장 구획부의 제2 저장 부분까지, 그리하여 사용 동안, 중력의 영향 하에서 히터 어셈블리까지, 액체가 전달되는 것을 보장한다.
카트리지는, 발생된 에어로졸이 사용자에 의해 흡인될 수 있는 마우스 단부 및 에어로졸 발생 장치에 연결되도록 구성된 연결 단부를 가질 수 있고, 여기서 히터 어셈블리의 제1 측면이 마우스 단부와 대면하고 히터 어셈블리의 제2 측면이 연결 단부와 대면한다.
카트리지는 공기 유입구로부터 히터 어셈블리의 제1 측면을 지나서 카트리지의 마우스 단부 개구까지 밀폐된 기류 경로 또는 통로를 정의할 수 있다. 밀폐된 기류 통로는 액체 저장 구획부의 제1 또는 제2 저장 부분을 통과할 수 있다. 한 구현예에서, 기류 경로는 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분과 제2 저장 부분 사이에서 연장되어 있다. 추가적으로, 기류 통로는 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분을 통해 연장될 수 있다. 예를 들어, 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분은 환형 단면을 가질 수 있으며, 기류 통로는 히터 어셈블리로부터 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분을 통해 마우스 단부 부분으로 연장되어 있다. 대안적으로, 기류 통로는 히터 어셈블리로부터 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분에 인접한 마우스 단부 개구로 연장될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 카트리지는 액체 에어로졸 형성 기재를 유지하기 위한 보유 재료를 함유할 수 있다. 보유 재료는 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분, 액체 저장 구획부의 제2 저장 부분, 또는 액체 저장 구획부의 제1 및 제2 저장 부분 둘 모두에 있을 수 있다. 보유 재료는 발포체, 스펀지 및 섬유 집합체일 수 있다. 보유 재료는 중합체 또는 공중합체로 형성될 수 있다. 일 구현예에서, 보유 재료는 방사된 중합체이다. 액체 에어로졸 형성 기재는 사용하는 동안 보유 재료 내에 방출될 수 있다. 예를 들어, 액체 에어로졸 형성 기재는 캡슐 내에 제공될 수 있다.
카트리지는 유리하게는 액체 에어로졸 형성 기재를 함유한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "에어로졸 형성 기재"는 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 화합물을 방출할 수 있는 기재를 지칭한다. 휘발성 화합물은 에어로졸 형성 기재를 가열하여 방출될 수 있다.
에어로졸 형성 기재는 실온에서 액체일 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 액체 및 고체 성분 모두를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 니코틴을 포함할 수 있다. 니코틴 함유 액체 에어로졸 형성 기재는 니코틴 염 매트릭스일 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 식물계 재료를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 담배를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 가열시에 에어로졸 형성 기재로부터 방출되는, 휘발성 담배 향미 화합물을 함유하는 담배 함유 재료를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 균질화 담배 재료를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 비-담배 함유 재료를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 균질화 식물계 재료를 포함할 수 있다.
액체 에어로졸 형성 기재는 하나 이상의 에어로졸 형성제를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성제는, 사용 시, 조밀하고 안정적인 에어로졸의 형성을 용이하게 하고 시스템의 작동 온도에서 열적 열화에 대하여 실질적으로 저항하는 임의의 적합한 공지된 화합물 또는 화합물의 혼합물이다. 적합한 에어로졸 형성제의 예는 글리세린 및 프로필렌 글리콜을 포함한다. 적합한 에어로졸 형성제는 당업계에 잘 공지되어 있으며, 이에 한정되지 않지만, 트리에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올 및 글리세린과 같은 다가 알코올; 글리세롤 모노-, 디- 또는 트리아세테이트와 같은 다가 알코올의 에스테르; 및 디메틸 도데칸디오에이트 및 디메틸 테트라데칸디오에이트와 같은, 모노-, 디- 또는 폴리카르복실산의 지방족 에스테르를 포함한다. 액체 에어로졸 형성 기재는 물, 용매, 에탄올, 식물 추출물, 및 천연 또는 인공 향미제를 포함할 수 있다.
액체 에어로졸 형성 기재는 니코틴 및 적어도 하나의 에어로졸 형성제를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성제는 글리세린 또는 프로필렌 글리콜일 수 있다. 에어로졸 형성제는 글리세린 및 프로필렌 글리콜 둘 모두를 포함할 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 약 0.5% 내지 약 10%, 예를 들어 약 2%의 니코틴 농도를 가질 수 있다.
카트리지는 하우징을 포함할 수 있다. 하우징은 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은, 성형 가능한 플라스틱 재료로 형성된 것일 수 있다. 하우징은 액체 저장 구획부의 한쪽 또는 양쪽 부분의 벽면의 일부 또는 전부를 형성할 수 있다. 하우징 및 액체 저장 구획부는 일체로 형성될 수 있다. 대안적으로, 액체 저장 구획부는 하우징과 별도로 형성되어 하우징에 조립될 수 있다.
본 개시의 다른 예에 따라, 에어로졸 발생 시스템이 제공된다. 에어로졸 발생 시스템은 전술한 카트리지 예시 중 어느 하나에 따른 카트리지를 포함할 수 있다. 에어로졸 발생 시스템은 에어로졸 발생 장치를 포함할 수 있다. 카트리지는 에어로졸 발생 장치에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 에어로졸 발생 장치는 히터 어셈블리용 전력 공급부를 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 에어로졸 발생 시스템이 제공되며, 상기 시스템은, 전술한 카트리지 예시 중 어느 하나에 따른 카트리지; 및 에어로졸 발생 장치를 포함하되, 카트리지는 에어로졸 발생 장치에 제거 가능하게 결합되고, 에어로졸 발생 장치는 히터 어셈블리용 전력 공급부를 포함한다.
에어로졸 발생 장치는 히터 어셈블리용 전력 공급부를 제어하도록 구성된 제어 회로를 추가로 포함할 수 있다.
제어 회로는 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서는 프로그래밍 가능한 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 또는 주문형 반도체(ASIC) 또는 제어를 제공할 수 있는 다른 전자 회로일 수 있다. 제어 회로는 전자 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 제어 회로는 센서, 스위치, 디스플레이 요소 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 전력은 장치가 활성화된 후 연속적으로 히터 어셈블리에 공급될 수 있거나 간헐적으로, 예컨대 퍼핑할 때마다 공급될 수 있다. 전력은, 예를 들어 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 전류의 펄스 형태로 히터 어셈블리에 공급될 수 있다.
전력 공급부는 DC 전력 공급부일 수 있다. 전력 공급부는 배터리일 수 있다. 배터리는 리튬계 배터리, 예를 들어 리튬-코발트, 리튬-철-인산염, 리튬 티탄산염 또는 리튬-폴리머 배터리일 수 있다. 배터리는 니켈-수소 합금 배터리 또는 니켈 카드뮴 배터리일 수 있다. 전력 공급부는 커패시터와 같은 다른 형태의 전하 저장 장치일 수 있다. 전력 공급부는 재충전 가능할 수 있고, 다수의 충전 및 방전 사이클에 대해 구성될 수 있다. 전력 공급부는 한 번 이상의 사용자 경험에 충분한 에너지를 저장할 수 있는 용량을 가질 수 있으며; 예를 들어 전력 공급부는 종래의 궐련을 흡연하는 데 걸리는 통상적인 시간에 대응하는 약 6분, 또는 6분의 여러 배의 기간 동안 연속적으로 에어로졸을 발생시키기에 충분한 용량을 가질 수 있다. 다른 예에서, 전력 공급부는 소정의 퍼핑 횟수 또는 히터 어셈블리의 별개 활성화를 가능하게 하는 충분한 용량을 가질 수 있다.
에어로졸 발생 장치는 하우징을 포함할 수 있다. 하우징은 세장형일 수 있다. 하우징은 임의의 적합한 재료 또는 재료의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 재료의 예는 금속, 합금, 플라스틱 또는 이들 재료 중 하나 이상을 포함하는 복합 재료, 또는 식품이나 약제학적 적용에 적합한 열가소성 수지, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리에틸렌을 포함한다. 재료는 경량이며 비-취성이다.
에어로졸 발생 시스템은 소형 에어로졸 발생 시스템일 수 있다. 에어로졸 발생 시스템은 사용자가 마우스피스를 퍼핑하여 마우스 단부 개구를 통해 에어로졸을 흡인할 수 있도록 구성되어 있는 핸드헬드 에어로졸 발생 시스템일 수 있다. 에어로졸 발생 시스템은 종래의 엽궐련 또는 궐련에 상응하는 크기를 가질 수 있다. 에어로졸 발생 시스템은 약 30 mm 내지 약 150 mm의 총 길이를 가질 수 있다. 에어로졸 발생 시스템은 약 5 mm 내지 약 30 mm의 외경을 가질 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 유체 투과성 가열 요소를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 액체 에어로졸 형성 기재를 유체 투과성 가열 요소로 이송하기 위한 이송 재료를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이송 재료는 유체 투과성 가열 요소 상에 세라믹을 증착함으로써 제공될 수 있다. 이송 재료는 유체 투과성 가열 요소 상에 직접 세라믹을 증착함으로써 제공될 수 있다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 유체 투과성 가열 요소를 제공하는 단계, 액체 에어로졸 형성 기재를 유체 투과성 가열 요소로 이송하기 위한 이송 재료를 제공하는 단계를 포함하되, 유체 투과성 가열 요소 상에 직접 세라믹을 증착함으로써 이송 재료가 제공된다.
유리하게는, 유체 투과성 가열 요소 상에 직접 이송 재료를 증착함으로써, 이송 재료는 유체 투과성 가열 요소와 일체식으로 형성된다. 즉, 이송 재료 및 유체 투과성 가열 요소는 단일 조각 또는 부분으로서 형성된다. 즉, 이송 재료 및 유체 투과성 가열 요소는 단일 조각 또는 부분으로서 단일 제조 단계에서 형성된다. 두 개의 구성 요소, 즉 별도의 이송 재료 및 가열 요소 대신에, 히터 어셈블리는 단일 구성 요소만을 포함한다. 이는, 조립되어야 하는 히터 어셈블리의 별개 부품의 수를 감소시키고, 조립을 더욱 간단하게 한다. 이는 또한, 히터 어셈블리를 조립하기 위한 추가 구성 요소, 예를 들어 구성 요소를 함께 유지하기 위한 프레임 또는 홀더에 대한 필요성을 배제한다. 또한, 히터 어셈블리의 다른 구성 요소는 히터 어셈블리에 직접 연결될 수 있다. 예를 들어, 전기 접촉부는 유체 투과성 가열 요소에 직접 연결될 수 있다.
이송 재료는 전기영동 증착에 의해 유체 투과성 가열 요소 상에 직접 증착될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전기영동 증착"은, 액체 매질에 현탁된 콜로이드 입자가 전기장의 영향(전기영동) 하에 이동하여, 전극으로서 작용하는 유체 투과성 가열 요소와 같은 전도성 기판 상에 증착되는 공정을 지칭한다.
전기영동 증착은 히터 어셈블리에 다수의 특성을 부여하는 것을 도울 수 있다. 유리하게는, 세라믹 이송 재료는 유체 투과성 가열 요소에 결합하여, 유체 투과성 가열 요소 및 일체형 이송 재료를 포함한 단일 조각 히터 어셈블리를 생성한다. 세라믹 이송 재료는, 전기영동 증착 공정에서 전극으로서 작용하는 하부의 유체 투과성 가열 요소의 형상으로 증착될 것이다. 또한, 증착된 세라믹 이송 재료는, 증착 공정 동안에 증착된 세라믹 층의 두께가 증가함에 따라, 이러한 형상을 유지할 것이다. 결과적으로, 세라믹 이송 재료는 유체 투과성 가열 요소로부터 멀리 연장되는 실질적인 선형 채널을 가질 것이다. 채널은 유체 투과성 가열 요소의 하부 애퍼처와 실질적으로 동일한 형상 및 치수를 가질 것이다. 따라서, 채널은 모세관 작용에 의해 유체 투과성 가열 요소를 향해서 이송 재료를 통한 일방향 액체 흐름을 허용할 것이다.
이송 재료는 유체 투과성 가열 요소에 세라믹 입자를 증착함으로써 증착될 수 있되, 세라믹 입자의 평균 입자 크기는 0.05 μm 내지 0.7 μm이다. 세라믹 입자에 대한 이러한 범위의 입자 크기는 적절한 특성을 갖는 이송 재료를 제조하는 데 특히 효과적인 것으로 밝혀졌다.
세라믹 입자의 입자 크기는 사용되는 세라믹의 유형에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, Al2O3 및 ZrO2와 같은 불활성 세라믹의 경우, 입자 크기는 0.2 내지 0.7 μm일 수 있다. 수산화인회석과 같은 바이오 호환 세라믹의 경우, 입자 크기는 50 내지 600 nm일 수 있다.
상기 방법은 상이한 유형의 세라믹의 입자를 사용하여 증착된 이송 재료 내에 상이한 세라믹 층을 구축할 수 있다. 상이한 유형의 세라믹이, 이송 재료에 상이한 특성을 부여하기 위해 사용될 수 있다.
상기 방법은 이송 재료가 증착된 후에 히터 어셈블리를 어닐링하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은 이송 재료가 증착된 후에 히터 어셈블리를 소결하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 소결은 세라믹 입자를 합치게 하고 세라믹 입자 사이의 기공 또는 공간을 감소시킨다. 이는 액체 에어로졸 형성 기재가 세라믹 몸체를 통해 채널 밖으로 측방향으로 흐르는 것을 감소시키는 것을 도울 수 있고, 대신에 액체가 채널에서 유체 투과성 가열 요소의 애퍼처로 효율적으로 흐르도록 액체 에어로졸 형성 기재를 채널 내에 유지한다.
본 발명은 청구범위에 정의된다. 그러나, 하기에 비제한적 예의 비포괄적 목록이 제공된다. 이들 예의 임의의 하나 이상의 특성은 본원에 기재된 다른 실시예, 구현예, 또는 양태의 임의의 하나 이상의 특성과 조합될 수 있다.
실시예 Ex 1: 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리로서, 상기 히터 어셈블리는, 액체 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 형성하기 위한 유체 투과성 가열 요소; 및 액체 에어로졸 형성 기재를 유체 투과성 가열 요소에 전달하기 위한 이송 재료를 포함하는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex2: 실시예 Ex1에 있어서, 상기 이송 재료는 상기 유체 투과성 가열 요소의 유체 투과성 표면 상에 직접 증착된 세라믹을 포함하는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex3: 실시예 Ex1 또는 실시예 Ex2에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소는, 유체를 상기 가열 요소를 통해 투과시키는 복수의 애퍼처를 포함하는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex4: 실시예 Ex3에 있어서, 상기 이송 재료는, 액체 에어로졸 형성 기재를 상기 유체 투과성 가열 요소의 복수의 애퍼처에 운반하기 위한 복수의 채널을 포함하는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex5: 실시예 Ex4에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소의 애퍼처 각각에 대해, 상기 이송 재료는 액체 에어로졸 형성 기재를 각각의 애퍼처로 운반하기 위한 대응 채널을 포함하는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex6: 실시예 Ex1 내지 실시예 Ex5 중 하나에 있어서, 상기 이송 재료는 상기 이송 재료의 제1 표면과 상기 이송 재료의 대향하는 제2 표면 사이에 정의된 두께를 갖고, 상기 유체 투과성 가열 요소는 상기 제1 표면에 배열되고, 상기 제2 표면은 액체 에어로졸 형성 기재를 수용하도록 배열되고, 상기 복수의 채널은 상기 이송 재료의 제1 및 제2 표면 사이에서 상기 이송 재료의 두께를 통해 연장되는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex7: 실시예 Ex6에 있어서, 상기 복수의 채널은 상기 이송 재료의 제1 및 제2 표면 사이에서 단일 방향으로 액체 에어로졸 형성 기재의 흐름을 허용하도록 배열되는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex8: 실시예 Ex6 또는 실시예 Ex7에 있어서, 상기 복수의 채널은 상기 이송 재료의 제1 표면에 실질적으로 직교하는 방향에 실질적으로 선형으로 연장되는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex9: 실시예 Ex1 내지 실시예 Ex8 중 하나에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소의 복수의 애퍼처 각각은 20 μm 내지 300 μm의 단면 치수를 갖는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex10: 실시예 Ex5 내지 실시예 Ex9 중 어느 하나에 있어서, 상기 채널의 길이를 따라 상기 복수의 채널 각각의 가로 방향 단면 치수는, 상기 유체 투과성 가열 요소의 애퍼처의 가로 방향 단면 치수와 실질적으로 동일한, 히터 어셈블리.
실시예 Ex11: 실시예 Ex1 내지 실시예 Ex10 중 하나에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소에 전력을 공급하기 위한 전기 접촉부를 추가로 포함하되, 상기 전기 접촉부는 상기 유체 투과성 가열 요소에 직접 연결되는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex12: 실시예 Ex1 내지 실시예 Ex11 중 하나에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소는 실질적으로 평평한, 히터 어셈블리.
실시예 Ex13: 실시예 Ex1 내지 실시예 Ex12 중 하나에 있어서, 상기 이송 재료는 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물 및 수산화인회석 중 하나 이상으로부터 선택된 세라믹을 포함하는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex14: 실시예 Ex5 내지 실시예 Ex13 중 하나에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소의 각각의 애퍼처는 대응 채널과 실질적으로 정렬되는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex15: 실시예 Ex4 내지 실시예 Ex 14 중 어느 하나에 있어서, 상기 채널의 가로 방향 단면 형상은 애퍼처의 가로 방향 단면 형상과 실질적으로 동일한, 히터 어셈블리.
실시예 Ex16: 실시예 Ex11 내지 Ex 15 중 어느 하나에 있어서,
상기 전기 접촉부는 상기 유체 투과성 가열 요소의 대향 측면 상에 배열되는, 전기 어셈블리.
실시예 Ex17: 실시예 Ex1 내지 실시예 Ex16 중 하나에 있어서, 상기 이송 재료는 상기 유체 투과성 가열 요소의 제1 측면 상에 배열된 제1 이송 재료를 포함하고, 상기 히터 어셈블리는 상기 유체 투과성 가열 요소의 제2 측면 상에 배열된 제2 이송 재료를 포함하는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex18: 실시예 Ex1 내지 실시예 Ex17 중 하나에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소는 복수의 교차 가열 필라멘트를 포함한 메시 히터를 포함하는, 히터 어셈블리.
실시예 Ex19: 실시예 Ex18에 있어서, 상기 가열 필라멘트의 폭 또는 직경은 10 내지 100 μm인, 히터 어셈블리.
실시예 Ex20: 에어로졸 발생 시스템용 카트리지로서, 실시예 Ex1 내지 Ex19 중 어느 하나에 따른 히터 어셈블리 및 액체 에어로졸 형성 기재를 유지하기 위한 액체 저장 부분을 포함하는 카트리지.
실시예 Ex21: 실시예 Ex 20에 따른 카트리지; 및 에어로졸 발생 장치를 포함하는 에어로졸 발생 시스템으로서, 상기 카트리지는 상기 에어로졸 발생 장치에 탈착식으로 결합되고, 상기 에어로졸 발생 장치는 상기 히터 어셈블리를 위한 전력 공급부를 포함하는, 에어로졸 발생 시스템.
실시예 Ex22: 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은, 유체 투과성 가열 요소를 제공하는 단계; 액체 에어로졸 형성 기재를 상기 유체 투과성 가열 요소로 이송하기 위한 이송 재료를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 Ex23: 실시예 Ex22에 있어서, 상기 이송 재료는 상기 유체 투과성 가열 요소 상에 직접 세라믹을 증착함으로써 제공되는, 방법.
실시예 Ex24: 실시예 Ex23에 있어서, 상기 이송 재료는 전기영동 증착에 의해 상기 유체 투과성 가열 요소 상에 직접 증착되는, 방법.
실시예 Ex25: 실시예 Ex23 또는 실시예 Ex24에 있어서, 상기 이송 재료는 상기 유체 투과성 가열 요소에 세라믹 입자를 증착함으로써 증착되되, 상기 세라믹 입자의 평균 입자 크기는 0.05 μm 내지 0.7 μm인, 방법.
실시예 Ex26: 실시예 Ex23 내지 실시예 Ex25 중 어느 하나에 있어서, 상기 이송 재료가 증착된 후에 상기 히터 어셈블리를 소결시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
이제, 실시예가 도면을 참조하여 추가로 설명될 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 히터 어셈블리의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 라인 A-A를 따라 취한 도 1의 히터 어셈블리의 개략적인 측단면도이다.
도 3은 카트리지 및 에어로졸 발생 장치를 포함하는 예시적인 에어로졸 발생 시스템의 개략도이다.
도 4는 전기영동 증착에 사용되는 장치의 개략도이다.
도 5a는 본 개시의 실시예에 따른 메시 히터의 일부 상에 세라믹 입자의 전기영동 증착 개략도이다.
도 5b는 소결 공정 후 도 4a의 세라믹 입자를 나타낸 개략도이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 히터 어셈블리의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 라인 A-A를 따라 취한 도 1의 히터 어셈블리의 개략적인 측단면도이다.
도 3은 카트리지 및 에어로졸 발생 장치를 포함하는 예시적인 에어로졸 발생 시스템의 개략도이다.
도 4는 전기영동 증착에 사용되는 장치의 개략도이다.
도 5a는 본 개시의 실시예에 따른 메시 히터의 일부 상에 세라믹 입자의 전기영동 증착 개략도이다.
도 5b는 소결 공정 후 도 4a의 세라믹 입자를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 메시 가열 요소(12) 및 세라믹 이송 재료(14)를 포함한 히터 어셈블리(10)가 나타나 있다. 메시 가열 요소(12)는 스테인리스 강으로 만들어진 전기 전도성 필라멘트(13)의 어레이를 포함하고 유체 투과성이다. 세라믹 이송 재료(14)는 전기영동 증착에 의해 메시 가열 요소(12)의 유체 투과성 바닥 표면(도 1에 나타내지 않음) 상에 직접 증착되었다. 임의의 적절한 세라믹이 이송 재료(14)를 형성하는 데 사용될 수 있고, 적절한 세라믹의 예가 이하에서 논의된다.
세라믹 이송 재료(14)는 메시 가열 요소(12)의 바닥 표면에 고정식으로 부착되어 단일체 히터 어셈블리(10)를 형성한다. 세라믹 이송 재료(14)는 액체 에어로졸 형성 기재(미도시)를 메시 가열 요소(12)에 운반하도록 배열된다. 복수의 공극 또는 애퍼처(16)가 메시 가열 요소(12)의 필라멘트(13) 사이에 정의된다. 가열 동안, 기화된 에어로졸 형성 기재는 애퍼처(16)를 통해 히터 어셈블리(10)로부터 방출되어 에어로졸을 발생시킬 수 있다.
히터 어셈블리(10)는 메시 가열 요소(12)에 전력을 공급하기 위한 한 쌍의 전기 접촉부(15)를 추가로 포함한다. 전기 접촉부(15)는, 메시 가열 요소에 직접 결합되고 메시의 대향 측면 상에 배열되는 한 쌍의 주석 패드를 포함한다. 전기 접촉부가 메시 가열 요소(12)의 애퍼처의 일부를 덮는 동안, 이는 메시 가열 요소의 애퍼처의 총 수의 작은 비율에만 해당되며, 에어로졸 발생에 상당한 영향을 미치지 않는다.
도 2는 도 1의 라인 A-A를 따라 취한 히터 어셈블리(10)의 개략적인 단면도를 나타낸다. 메시 가열 요소(12)는 세라믹 이송 재료(14)의 제1 표면(14a)에 배열된다. 세라믹 이송 재료(14)의 대향하는 제2 표면(14b)은 액체 에어로졸 형성 기재를 수용하거나 이와 접촉하도록 배열된다. 세라믹 이송 재료(14)는, 메시 가열 요소(12)의 필라멘트(13) 사이에 배열된 복수의 애퍼처(16)에 액체 에어로졸 형성 기재를 운반하기 위한 복수의 채널(18)을 포함한다. 복수의 채널(18)은 세라믹 이송 재료(14)의 제1 표면(14a)과 제2 표면(14b) 사이에서 세라믹 이송 재료(14)의 두께(T)를 통해 연장된다. 메시 가열 요소(12)의 애퍼처(16)의 각각에 대해, 세라믹 이송 재료(14)는 액체 에어로졸 형성 기재를 각각의 애퍼처(16)로 운반하기 위한 대응 채널(18)을 포함한다. 도 2는 축척에 비례하지 않음을 유의해야 한다. 명확성을 위해, 채널(18), 필라멘트(13) 및 애퍼처(16)가 확대되었고, 실제 히터 어셈블리에 존재하는 것보다 더 적은 채널(18), 필라멘트(13) 및 애퍼처(16)가 나타나 있다.
이하에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 세라믹 이송 재료(14)는 메시 가열 요소(12) 상에 세라믹 입자의 전기영동 증착에 의해 형성되었다. 세라믹 이송 재료(14)가 증착됨에 따라, 세라믹 입자가 메시 가열 요소(12)의 전기 전도성 필라멘트(13) 상에만 증착되고 애퍼처(16)의 공간에는 증착되지 않기 때문에, 세라믹 이송 재료는 메시 가열 요소(12)와 동일한 형상 및 치수라고 가정한다. 따라서, 증착된 세라믹 이송 재료(14)의 두께(T)가 전기영동 증착 공정 동안 증가함에 따라, 복수의 채널(18)이 세라믹 이송 재료의 두께(T)를 통해 형성되며, 각각의 채널(18)은 각각의 애퍼처(16)에 대응한다. 전기영동 증착 공정에서의 제조 공차로 인해, 이송 재료(14)의 두께(T)를 통한 투명 채널(18)이 가열 요소(12)의 모든 단일 애퍼처(16)에 대해 형성되지 않을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 채널(18)은 대부분의 애퍼처(16), 즉, 50% 초과의 애퍼처(16)에 대해 형성되고, 일반적으로 채널(18)이 형성되는 애퍼처(16)의 비율은 훨씬 더 높으며, 예를 들어, 80 또는 90% 초과의 애퍼처(16)에 대해 형성된다.
복수의 채널(18)은 세라믹 이송 재료의 제1 표면(14a)에 실질적으로 직교하는 방향에 실질적으로 선형으로 연장된다. 세라믹 이송 재료(14)의 전기영동 증착 후, 히터 어셈블리는 통상적으로 소결되며, 이는 세라믹 입자를 합치고 입자 사이의 임의의 기공의 크기를 감소시킨다. 이는, 세라믹 몸체를 통해 채널 밖으로 액체 에어로졸 형성 기재의 측방향 흐름을 감소시키는 것을 돕고, 대신에 채널(18) 내에 액체 에어로졸 형성 기재를 유지한다. 따라서, 복수의 채널(18)은, 액체 에어로졸 형성 기재를 수용하거나 이와 접촉하는 세라믹 이송 재료(14)의 제2 표면(14b)으로부터, 메시 가열 요소(12)가 배열되는 세라믹 이송 재료(14)의 제1 표면(14a)으로의 단일 방향으로, 액체 에어로졸 형성 기재의 흐름을 허용한다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 채널의 길이를 따라 복수의 채널(18) 각각의 가로 방향 단면 치수는 메시 가열 요소(12)에서 채널의 대응하는 애퍼처(16)의 가로 방향 단면 치수와 실질적으로 동일하다. 메시 가열 요소(12)의 필라멘트(13)의 간격에 따라, 애퍼처(16)는 20 μm 내지 300 μm의 단면 치수를 가질 수 있다. 이러한 크기 범위에서, 복수의 채널(18)은 모세관 또는 모세관 채널로서 작용하고, 모세관 작용에 의해 액체 에어로졸 형성 기재를 메시 가열 요소(12)에 운반한다.
도 3은 예시적인 에어로졸 발생 시스템의 개략도이다. 에어로졸 발생 시스템은 두 개의 주 구성 요소, 카트리지(100) 및 주 몸체부 또는 에어로졸 발생 장치(200)를 포함한다. 카트리지(100)의 연결 단부(115)는 에어로졸 발생 장치(200)의 대응 연결 단부(205)에 제거 가능하게 연결된다. 카트리지(100)의 연결 단부(115) 및 에어로졸 발생 장치(200)의 연결 단부(205)는 카트리지(100)와 에어로졸 발생 장치(200) 사이에 전기적 연결을 제공하기 위해 협력하도록 배열되는 전기 접촉부 또는 연결부(나타내지 않음)를 각각 갖는다. 에어로졸 발생 장치(200)는 이러한 실시예에서 재충전 가능한 리튬 이온 배터리인, 배터리(210) 형태의 전원, 및 제어 회로(220)를 포함한다. 에어로졸 발생 시스템은 휴대용이며, 종래의 엽궐련 또는 궐련에 필적하는 크기를 가지고 있다. 마우스피스(125)는 연결 단부(115)에 대향하는 카트리지(100)의 단부에 배열된다.
카트리지(100)는 도 1 및 도 2의 히터 어셈블리(10) 및 제1 저장 부분(130) 및 제2 저장 부분(135)을 갖는 액체 저장 구획부 또는 부분을 함유하고 있는 하우징(105)을 포함한다. 액체 에어로졸 형성 기재는 액체 저장 구획부에 보유된다. 도 1에 나타내지 않았지만, 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분(130)은 액체 저장 구획부의 제2 저장 부분(135)에 연결되어 있어서, 제1 저장 부분(130) 내의 액체가 제2 저장 부분(135)으로 지나갈 수 있다. 히터 어셈블리(10)는 액체 저장 구획부의 제2 저장 부분(135)으로부터 액체를 수용한다. 히터 어셈블리(10)의 세라믹 이송 재료의 적어도 일부분은 액체 저장 구획부의 제2 저장 부분(135) 내로 연장되어 그 안의 액체 에어로졸 형성 기재와 접촉한다.
기류 통로(140, 145)는 카트리지(100)를 통해 하우징(105)의 측면에 형성된 공기 유입구(150)로부터 히터 어셈블리(10)의 메시 가열 요소를 지나서 그리고 히터 어셈블리(10)로부터 연결 단부(115)에 대향하는 카트리지(100)의 단부에서 하우징(105)에 형성된 마우스피스 개구(110)로 연장된다.
카트리지(100)의 구성 요소는, 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분(130)이 히터 어셈블리(10)와 마우스피스 개구(110) 사이에 있고, 액체 저장 구획부의 제2 저장 부분(135)이 마우스피스 개구(110)에 대한 히터 어셈블리(10)의 대향 측면 상에 위치하도록 배열된다. 즉, 히터 어셈블리(10)는 액체 저장 구획부의 두 부분(130, 135) 사이에 놓여 있고 제2 저장 부분(135)으로부터 액체를 수용한다. 액체 저장 구획부의 제1 저장 부분(130)은 액체 저장 구획부의 제2 저장 부분(135)보다 마우스피스 개구(110)에 더 가깝다. 기류 통로(140, 145)는 히터 어셈블리(10)의 메시 가열 요소를 지나 액체 저장 구획부의 제1 부분(130)과 제2 부분(135) 사이에 연장된다.
에어로졸 발생 시스템은 사용자가 카트리지의 마우스피스(125)를 퍼핑하거나 흡인하여 에어로졸을 마우스피스 개구(110)를 통해 자신의 입 안으로 흡인할 수 있도록 구성된다. 작동 시, 사용자가 마우스피스(125)를 퍼핑할 때, 공기는 공기 유입구(150)로부터, 히터 어셈블리(10)를 지나, 마우스피스 개구(110)로, 기류 통로(140, 145)를 통해 흡인된다. 제어 회로(220)는 시스템이 활성화될 때 배터리(210)로부터 카트리지(100)로의 전력 공급을 제어한다. 이는 결국 히터 어셈블리(10)에 의해 생성된 증기의 양 및 특성을 제어한다. 제어 회로(220)는 기류 센서(미도시)를 포함할 수 있고, 제어 회로(220)는 사용자의 퍼프가 기류 센서에 의해 검출될 때 히터 어셈블리(10)에 전력을 공급할 수 있다. 이러한 유형의 제어 구성은 흡입기와 전자 담배와 같은 에어로졸 발생 시스템에 잘 확립된다. 따라서, 사용자가 카트리지(100)의 마우스피스 개구(110)를 퍼핑할 때, 히터 어셈블리(10)가 활성화되어 기류 통로(140)를 통과하는 기류에 연행되는 증기를 발생시킨다. 증기는 통로(145) 내의 기류 내에서 냉각되어 에어로졸을 형성하며, 이는 이어서 마우스피스 개구(110)를 통해 사용자의 입 안으로 흡인된다.
작동 시, 마우스피스 개구(110)는 통상적으로 시스템의 가장 높은 지점이다. 카트리지(100)의 구성, 특히 액체 저장 구획부의 제1 및 제2 저장 부분(130, 135) 사이의 히터 어셈블리(10)의 배열은, 심지어 액체 저장 구획부가 비워짐에 따라 액체 기재가 히터 어셈블리(10)로 전달되는 것을 보장하도록 중력을 이용하지만 기류 통로(140) 내로의 액체의 누출을 야기할 수 있는 히터 어셈블리(10)로의 액체의 과공급을 방지하기 때문에 유리하다.
도 4는 메시 가열 요소 상에 세라믹 이송 재료의 전기영동 증착을 위해 사용되는 장치(300)의 개략도이다. 장치(300)는 저 pH의 용매에 세라믹 입자(306)의 현탁액(304)을 보유하는 용기(302)를 포함한다. 세라믹 입자(306)는 전기장의 인가에 따라 이동하도록 하전된다. 본 실시예에서, 세라믹 입자(306)는 음으로 하전된다. 세라믹 입자(306)는 자기 교반(308)에 의해 용매 전체에 걸쳐 잘 분산되어 유지된다. 또한, 분산제 또는 안정화제와 같은 첨가제(나타내지 않음)가 일반적으로 응집 또는 뭉침을 방지하기 위해 첨가된다.
전기 전도성 스테인리스 강 메시 가열 요소(310)는 세라믹 현탁액(304)에 침지되고 전력 공급부(312)의 양극 단자에 연결된다. 메시 가열 요소는 작동 전극을 형성하고 세라믹 입자(306)가 위에 증착될 수 있는 타겟 기판을 제공한다. 메시 가열 요소(310)에 대향하여 배치된 상대 전극(314)은 또한, 세라믹 현탁액(304)에 침지되고 전력 공급부(312)의 음극 단자에 연결되어 메시 가열 요소(310)에 대향하는 극성을 갖도록 한다. 또한, 기준 전극(316)이 세라믹 현탁액(304) 내에 삽입된다. 기준 전극(316)은 안정적이고 잘 정의된 전위를 가지며, 인가된 전압이 정확하게 제어될 수 있도록 메시 가열 요소(310) 및 상대 전극의 상대 전위를 측정하기 위한 기준으로서 사용될 수 있다.
음으로 하전된 세라믹 입자(306)가 인가된 전기장의 작용 하에 양으로 하전된 메시 가열 요소(310)를 향해 이동하도록, 전력 공급부(312)에 의해 메시 가열 요소(310)와 상대 전극(314) 사이에 전압이 인가된다. 세라믹 입자(306)는 메시 가열 요소(310)의 표면에 충돌하여 증착된 세라믹의 층을 형성한다. 전기영동 증착이 계속됨에 따라, 세라믹 층의 두께가 증가하고, 일방향 채널을 갖는 이송 재료 메시 가열 요소(310) 내의 애퍼처의 크기가 형성된다. 증착 후, 획득된 세라믹 층은 아래에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이 고온에서 어닐링되고 소결된다.
도 5a는 메시 가열 요소(310)의 일부 상에 전기영동 증착에 의해 증착된 세라믹 입자(306)의 층을 나타내는 개략도이다. 세라믹 입자(306)는 메시 가열 요소(310)의 필라멘트(310a) 상에만 증착된다. 세라믹 입자의 층(306)은 필라멘트(310a)의 측면으로 공극 또는 애퍼처(310b) 내로 연장되지 않으며, 이는 비어 있고 궁극적으로 세라믹 이송 재료 내에 채널을 형성한다.
도 5b는 소결 공정 후 도 5a의 세라믹 입자(306)를 나타낸 개략도이다. 도 5b에서 알 수 있는 바와 같이, 소결은 세라믹 입자(306)를 합치게 하고, 세라믹 입자 사이의 기공 또는 공간을 감소시켰다. 이는, 세라믹 몸체를 통해 채널 밖으로 액체 에어로졸 형성 기재의 측방향 흐름을 감소시키는 것을 돕고, 대신에 액체가 채널 내에 액체 에어로졸 형성 기재를 유지하여 액체가 채널 내에서 메시 가열 요소(310)의 각각의 애퍼처(310b)로 효율적으로 흐르게 한다.
임의의 적절한 세라믹이 이송 재료를 증착하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, Al2O3 및 ZrO2와 같은 불활성 세라믹이 사용될 수 있다. 대안적으로, 수산화인회석과 같은 바이오 호환 세라믹이 사용될 수 있다. 이들 유형의 두 세라믹의 장점은 이들이 독성 화합물 또는 원하지 않는 부산물이 생산되는 위험을 감소시킨다는 것이다.
전기영동에 의해 메시 가열 요소 상에 세라믹을 증착하는 데 필요한 재료 및 공정 조건을 보여주는 실시예가 아래에 제공된다.
실시예 1
실시예 2
Claims (15)
- 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리로서, 상기 히터 어셈블리는,
액체 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 형성하기 위한 유체 투과성 가열 요소로서, 유체를 상기 가열 요소를 통해 투과시킬 수 있는 복수의 애퍼처를 포함하는, 유체 투과성 가열 요소; 및
액체 에어로졸 형성 기재를 상기 유체 투과성 가열 요소의 복수의 애퍼처로 운반하기 위한 복수의 채널을 포함한 이송 재료를 포함하되,
상기 이송 재료는 상기 유체 투과성 가열 요소의 유체 투과성 표면 상에 직접 증착된 세라믹을 포함하고,
상기 유체 투과성 가열 요소의 애퍼처의 50% 초과에 대해, 상기 이송 재료는 액체 에어로졸 형성 기재를 각각의 애퍼처로 운반하기 위한 대응 채널을 포함하는, 어셈블리. - 제1항에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소의 애퍼처 각각에 대해, 상기 이송 재료는 액체 에어로졸 형성 기재를 각각의 애퍼처로 운반하기 위한 대응 채널을 포함하는, 히터 어셈블리.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이송 재료는 상기 이송 재료의 제1 표면과 상기 이송 재료의 대향하는 제2 표면 사이에 정의된 두께를 갖고, 상기 유체 투과성 가열 요소는 상기 제1 표면에 배열되고, 상기 제2 표면은 액체 에어로졸 형성 기재를 수용하도록 배열되고, 상기 복수의 채널은 상기 이송 재료의 제1 및 제2 표면들 사이에서 상기 이송 재료의 두께를 통해 연장되는, 히터 어셈블리.
- 제3항에 있어서, 상기 복수의 채널은 상기 이송 재료의 제1 및 제2 표면들 사이에서 단일 방향으로 액체 에어로졸 형성 기재의 흐름을 허용하도록 배열되는, 히터 어셈블리.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 복수의 채널은 상기 이송 재료의 제1 표면에 실질적으로 직교하는 방향에 실질적으로 선형으로 연장되는, 히터 어셈블리.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소의 복수의 애퍼처 각각은 20 μm 내지 300 μm의 단면 치수를 갖는, 히터 어셈블리.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널의 길이를 따라 상기 복수의 채널 각각의 가로 방향(transverse) 단면 치수는, 상기 유체 투과성 가열 요소의 애퍼처의 단면 치수와 실질적으로 동일한, 히터 어셈블리.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소에 전력을 공급하기 위한 전기 접촉부를 더 포함하되, 상기 전기 접촉부는 상기 유체 투과성 가열 요소에 직접 연결되는, 히터 어셈블리.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소는 실질적으로 평평한, 히터 어셈블리.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 투과성 가열 요소는 복수의 교차 가열 필라멘트를 포함한 메시 히터를 포함하는, 히터 어셈블리.
- 에어로졸 발생 시스템용 카트리지로서, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 히터 어셈블리, 및 액체 에어로졸 형성 기재를 유지하기 위한 액체 저장 부분을 포함하는 카트리지.
- 에어로졸 발생 시스템으로서,
제11항에 따른 카트리지; 및
에어로졸 발생 장치를 포함하되,
상기 카트리지는 상기 에어로졸 발생 장치에 착탈식으로 결합되고, 상기 에어로졸 발생 장치는 히터 어셈블리용 전력 공급부를 포함하는, 시스템. - 에어로졸 발생 시스템용 히터 어셈블리를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
유체 투과성 가열 요소를 제공하는 단계;
액체 에어로졸 형성 기재를 상기 유체 투과성 가열 요소로 이송하기 위한 이송 재료를 제공하는 단계를 포함하되,
상기 이송 재료는 상기 유체 투과성 가열 요소 상에 직접 세라믹을 증착함으로써 제공되고,
상기 이송 재료는 전기영동 증착에 의해 상기 유체 투과성 가열 요소 상에 직접 증착되는, 방법. - 제13항에 있어서, 상기 이송 재료는 상기 유체 투과성 가열 요소 상으로 세라믹 입자를 증착함으로써 증착되되, 상기 세라믹 입자의 평균 입자 크기는 0.05 μm 내지 0.7 μm인, 방법.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 이송 재료가 증착된 후에 상기 히터 어셈블리를 소결시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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