KR20230151036A - 가열 요소로 기재를 전달하기 위하여 벤츄리 효과를 이용하는 에어로졸-발생 시스템 - Google Patents

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KR20230151036A
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케에단 다스나비스 페르난도
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필립모리스 프로덕츠 에스.에이.
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Abstract

에어로졸-발생 시스템은 공기 유입구(18)와 공기 유출구(24); 액체 에어로졸-형성 기재를 유지하는 액체 저장부(30), 액체 유출구를 갖는 액체 저장부(30); 공기 유입구(18)에서 액체 유출구를 지나는 공기 유출구(24)까지의 공기 흐름 통로(22); 및 액체 유출구와 공기 유출구(24) 사이에 위치된, 흐름 경로 내의 가열 요소(26)를 포함하며, 공기 흐름 통로(22)는 공기가 공기 흐름 통로(22)를 통하여 공기 유입구(18)에서 공기 유출구(24)로 흐를 때 액체 유출구에 있는 공기 흐름 통로(22) 내부에서 압력 강하가 일어나도록 형성된다. 이 시스템은 유리하게, 공기가 공기 유입구(18)에서 공기 흐름 통로를 통해 공기 유출구(24)로 흐를 때, 액체 유출구에서의 압력이 액체 저장부(30) 내부의 압력보다 낮도록 구성된다. 이는 액체를 액체 저장부(30)로부터 공기 흐름 내부로 끌어당기며, 이는 기화를 위해 액체를 가열 요소(26)로 전달한다.

Description

가열 요소로 기재를 전달하기 위하여 벤츄리 효과를 이용하는 에어로졸-발생 시스템{AN AEROSOL-GENERATING SYSTEM SUING THE VENTURI EFFECT TO DELIVER SUBSTRATE TO A HEATING ELEMENT}
본 발명은 히터를 이용하여 액체 기재를 기화시킴으로써 에어로졸이 발생되는 에어로졸-발생 시스템에 관한 것이다.
일 유형의 에어로졸 발생 시스템이 전자 담배이다. 전자 담배는 통상적으로 액체 에어로졸-형성 기재를 가열함으로써 작동되어 증기를 생성한다. 그 다음에, 증기가 냉각되어 에어로졸을 형성한다. 대부분의 전자 담배 시스템은 스폰지 또는 심지 재료와 같은 액체 보유 물질의 일부 형태를 사용하여 액체 에어로졸-형성 기재를 유지하고 이를 히터에 전달한다. 이러한 시스템에는 액체 보유 물질과 관련된 여러가지 문제가 있다. 액체 보유 물질이 건조됨에 따라 더 적은 액체가 히터로 전달되며, 그 결과로 더 적은 양의 에어로졸이 전달된다. 또한, 액체 보유 물질이 건조됨에 따라, 탄화 또는 연소되기가 더 쉽다. 이는 발생된 에어로졸 내에서 바람직하지 않은 화합물을 초래할 수 있다. 액체 보유 물질은 또한 제조 공정에 비용 및 복잡성을 추가한다.
제안된 그리고 액체 보유 물질을 필요로 하지 않는, 히터에 액체를 전달하기 위한 한 가지 해결책은 액체 방울을 전달하도록 압전 밸브를 사용하여 에어로졸을 직접적으로 형성하거나 히터에 액체를 전달하는 것이다. 그러나, 압전 밸브는 상당한 단점을 갖고 있다. 압전 밸브는 액체 보유 물질보다 시스템에 훨씬 더 많은 비용과 복잡성을 추가하며, 시스템에 추가될 추가의 제어 전자 장치를 필요로 한다. 밸브는 추가 전력을 소비하는데, 이는 배터리 작동 시스템의 경우 상당한 고려 사항이다. 밸브는 파손되거나 막히기 쉽다. 그리고 아마도 전자 담배 시스템에서 가장 중요한 것은, 밸브가 에어로졸 발생을 위해 전달된 액체의 양이 미리 결정되어 있는 조절된 시스템을 야기한다는 것이며, 이는 사용자 불만을 초래한다. 더 깊게 흡입하는 사용자는 더 많은 양의 에어로졸을 원할 수 있다. 이상적으로는, 사용자의 흡입 또는 빨아들임(puffing) 방식은 종래의 담배에서와 같이 전달된 에어로졸의 양을 결정해야 한다.
미국특허출원공개번호 US 2011/0094523 A1 (2011.04.28.)
액체 보유 물질을 사용하지 않고 히터로 액체를 전달하지만 압전 밸브와 관련된 상술한 문제점을 겪지 않는 에어로졸-발생 시스템을 제공하는 것이 바람직 할 것이다.
일 양태에서 에어로졸-발생 시스템이 제공되며, 상기 시스템은:
공기 유입구 및 공기 유출구;
액체 에어로졸-형성 기재를 유지하며 액체 유출구를 갖는 액체 저장부;
상기 공기 유입구에서 상기 액체 유출구를 지나는 공기 유출구까지의 공기 흐름 통로를 포함하고, 상기 공기 흐름 통로는 공기가 상기 공기 흐름 통로를 통하여 상기 공기 유입구에서 공기 유출구로 흐를 때 상기 액체 유출구에 있는 상기 공기 흐름 통로 내부에서 압력 강하가 일어나도록 형성되었으며; 및
상기 액체 유출구와 상기 공기 유출구 사이에 위치된, 상기 흐름 경로 내의 가열 요소를 포함한다.
이 시스템은 유리하게 공기가 공기 유입구에서 공기 흐름 통로를 통해 공기 유출구로 흐를 때 액체 유출구에서의 압력이 액체 저장부 내의 압력보다 낮도록 구성된다. 액체 저장부 내의 압력은 대기압과 동일해지도록 허용될 수 있다. 시스템은 공기가 공기 흐름 통로를 통해 공기 유입구에서 공기 유출구로 흐를 때 액체 유출구에서 대기압보다 낮은 압력을 제공하도록 구성될 수있다. 액체 유출구에서의 압력 강하를 제공하기 위해, 공기 흐름 통로는 공기 유입구에 대해 액체 유출구에서 제한된 횡단면을 가질 수 있다. 공기 흐름 통로의 제한은 공기 속도 증가 및 공기 압력 강하를 유발한다. 이는 벤츄리 효과로 불린다. 압력의 감소는 액체 유출구에서 흡입을 생성하여 액체를 액체 유출구로부터 공기 흐름 내부로 끌어당긴다. 공기 흐름 내로 흡인된 액체는 그 후 공기 흐름 내에서 가열 요소로 운반되고, 가열 요소에서 기화된다. 액체 유출구에서의 공기 흐름 통로의 횡단면은 또한 공기 유출구와 비교하여 제한될 수 있다. 이러한 배열은 액체 유출구에서와 비교하여 유출구에서 공기의 압력을 상승시킨다.
도 1은 제1 실시예에 따른 시스템의 개략적인 횡단면도이며;
도 2는 도 1의 카트리지의 횡단면도이고;
도 3은 도 2의 카트리지의 분해도이며; 그리고
도 4는 도 2의 카트리지의 측단면도이다.
본 시스템은 가열 요소와 공기 유출구 사이에, 공기 흐름 통로 내의 에어로졸-형성 챔버를 포함할 수 있다. 에어로졸-형성 챔버는 공기 유출구를 통해 시스템을 빠져나가기 전에 기화된 에어로졸-형성 기재가 냉각되고 응축되어 에어로졸을 형성하게 하는 공간이다.
액체 저장부가 에어로졸-형성 기재를 위한 밀봉된 인클로저(enclosure)를 제공함으로써, 액체는 액체 유출구를 통과하는 것을 제외하고는 인클로저로 들어가거나 인클로저로부터 빠져나갈 수 없다. 밀봉된 인클로저는 공기가 공기 흐름 통로를 통해 흐름에 따라 액체 유출구에서 감소된 압력에 의해 빠져나오지 않는 한 액체 에어로졸-형성 기재가 액체 저장부로부터 누설되지 않도록 보장해준다. 액체가 액체 저장부에서 빠져나옴에 따라 이는 액체 저장부 내에 보다 낮은 압력을 생성한다. 액체 저장부 외부의 공기의 더 높은 압력은 액체 저장부 내의 나머지 액체를 보유한다.
공기 흐름 통로 내의 압력 강하의 크기는 공기 흐름 통로의 기하학적 형상뿐만 아니라 공기 흐름 통로를 통과하는 공기 흐름 속도에 의존한다. 더 빠른 공기 흐름은 더 큰 압력 강하를 야기한다. 더 큰 압력 강하는 공기 흐름 내부로 빠져나가는 액체 에어로졸-형성 기재의 더 큰 용적을 야기한다. 따라서, 시스템을 통과하는 공기 흐름 속도가 더 빠를수록 발생되는 에어러졸의 총 미립자 질량(TPM)은 더 커진다. 빨아들임 작동 시스템에서, 이는, 더 깊게 빨아들이는 사용자가 덜 깊게 빨아들이는 사용자보다 더 큰 양의 에어로졸을 흡수할 것이라는 것을 의미한다.
유리하게, 액체 저장부는 대기압보다 낮은 것압력의 공기 포켓을 함유한다. 액체 유출구에서의 압력이 액체 저장부 내의 공기의 압력보다 낮을 때에만 액체가 공기 흐름 통로 내부로 빠져나올 것이다. 액체 저장부는 공기가 공기 흐름 통로를 통하여 공기 유입구로부터 공기 유출구로 흐르지 않을 때 공기가 액체 유출구를 통하여 액체 저장부로 진입하여 액체 저장부의 내부의 공기압과 액체 저장부 외부의 공기압이 동일해지도록 구성될 수 있다. 이는 액체 저장부 내의 액체 에어로졸-형성 기재의 양이 감소함에 따라, 공기 흐름 주기 사이, 예를 들어 사용자 흡입 사이에 파손이 존재하는 경우, 액체를 공기 흐름으로 흡인하는 것이 계속해서 더 어려워지지 않는 것을 보장한다.
대안적으로 또는 부가적으로, 액체 저장부는 저압 방출 밸브를 더 포함할 수 있으며, 이 방출 밸브는 개방 위치에 있을 때 공기가 액체 저장부로 진입하도록 허용하지만, 폐쇄 위치에 있을 때는 허용하지 않는다. 이 밸브는 밸브를 가로지르는 압력 차가 압력 임계값을 초과할 때 개방 위치로 이동하도록 구성될 수 있다. 본 시스템은 미리 결정된 공기의 유속이 공기 흐름 통로를 통하여 흐를 때, 예를 들어 사용자가 공기 유출구에서 빨아들일 때, 밸브가 폐쇄 위치에 있게 제어되도록 구성될 수 있다. 본 시스템은, 사용자가 빨아들이는 사이에 액체 저장부 내부의 공기 압력과 외부의 공기 압력이 동일하게 되는 개방 위치에 밸브가 있도록 구성될 수 있다.
액체 저장부는 환형 하우징을 포함할 수 있으며, 공기 흐름 통로는 환형 하우징을 통해 연장될 수 있다. 이는 대칭적이고 콤팩트한 시스템이 제공되는 것을 허용한다.
공기 흐름 통로의 횡단면적 및 액체 유출구에서 감소되는 양은 시스템의 특정 요구에 적합하도록 선택될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 공기 유입구의 횡단면적은 1 mm2 내지 3.5 mm2이며, 액체 유출구에서의 공기 흐름 통로의 횡단면적은 0.1 mm2 내지 0.9 mm2이다. 공기 흐름 통로는 원형 또는 타원형과 같은 임의의 바람직한 횡단면 형상을 가질 수 있다. 공기 흐름 통로는 층류 공기 흐름을 촉진하도록 형상을 가질 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 공기 흐름 통로는 액체 또는 에어로졸의 확산을 돕기 위해 충돌 표면을 포함할 수 있다. 공기 흐름 통로는 통상적인 사용자 빨아들임에 대하여 적어도 250 Pa의 압력 강하를 제공하도록 구성될 수 있다.
액체 유출구는 환형일 수 있으며 공기 흐름 통로를 둘러쌀 수 있다. 대안적으로는, 공기 흐름 통로가 환형일 수 있으며 액체 유출구를 둘러쌀 수 있다. 액체 유출구의 치수는 공기 흐름 통로로 전달된 액체의 양에 직접적인 영향을 미친다.
가열 요소는 공기 흐름 통로 내에 위치된다. 가열 요소가 공기 흐름 채널에 걸칠 수 있고, 액체를 투과시킬 수 있음으로써, 공기 흐름은 가열 요소를 통과하여 공기 유출구에 도달할 수밖에 없다. 가열 요소는 히터 필라멘트의 메쉬, 어레이 또는 직물을 포함할 수 있다.
대안적으로, 가열 요소 또는 복수의 가열 요소는 공기 흐름 통로를 둘러싸거나 공기 흐름 통로를 부분적으로 가로질러 연장될 수 있다.
가열 요소는 저항 가열에 의해 작동할 수 있으며, 전류는 가열 요소를 통과하여 열을 발생시킨다. 대안적으로, 가열 요소는 유도 가열될 수 있다. 대안적으로, 가열 요소는 화학적 열원과 같은 다른 열원으로부터의 열전도에 의해 가열될 수 있다. 가열 요소는, 예를 들어 전기 접촉 패드 및 전기적 절연 기재를 포함하는 히터 조립체의 부분일 수 있다.
가열 요소를 위하여 선택된 물질 또는 물질들은 그의 작동 모드에 의존할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 가열 요소는 저항적으로 가열되도록 구성되며, 전기 전도성 필라멘트의 메쉬, 어레이 또는 직물을 포함한다. 전기 전도성 필라멘트들은 필라멘트들 사이의 간극을 정의할 수 있고, 이 간극은 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 폭을 가질 수 있다.
전기 전도성 필라멘트들은 160 내지 600 Mesh US (+/- 10%) 크기(즉, 인치당 160 내지 600 필라멘트(+/- 10%))의 메쉬를 형성할 수 있다. 간극들의 폭은 바람직하게 75 ㎛ 내지 25 ㎛이다. 메쉬의 총 면적에 대한 간극들의 면적의 비율인 메쉬의 개방 면적의 백분율은 바람직하게 25 내지 56%이다. 메쉬는 상이한 유형의 직조(weave) 또는 격자(lattice) 구조를 사용하여 형성될 수 있다. 대안적으로, 전기 전도성 필라멘트들은 서로 평행하게 배열된 필라멘트의 어레이로 이루어진다.
전기 전도성 필라멘트들은 10 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 8 ㎛ 내지 50 ㎛, 보다 바람직하게는 8 ㎛ 내지 39 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 필라멘트는 둥근 단면을 가질 수 있거나 평탄해진 단면을 가질 수 있다.
전기 전도성 필라멘트들의 메쉬, 어레이 또는 직물의 면적이 작을 수 있고, 바람직하게는 25 mm2 이하일 수 있어서, 핸드헬드 시스템에 포함될 수 있다. 전도성 필라멘트의 메쉬, 어레이 또는 직물은 예를 들어 직사각형일 수 있고, 5 mm x 2 mm의 치수를 가질 수 있다. 바람직하게, 전기 전도성 필라멘트들의 메쉬 또는 어레이는 히터 조립체의 면적의 10% 내지 50%의 면적을 커버한다. 더욱 바람직하게, 전기 전도성 필라멘트들의 메쉬 또는 어레이는 히터 조립체의 면적의 15% 내지 25%의 면적을 커버한다.
필라멘트는 호일과 같은 시트 물질을 에칭함으로써 형성될 수 있다. 이는, 히터 조립체가 평행한 필라멘트들의 어레이를 포함하는 경우에 특히 유리할 수 있다. 가열 요소가 필라멘트의 메쉬 또는 직물을 포함하는 경우, 필라멘트는 개별적으로 형성되거나 함께 짤 수 있다.
가열 요소의 필라멘트는 적합한 전기적 특성을 갖는 임의의 물질로 형성될 수 있다. 적합한 물질은: 도핑된 세라믹, 전기 "전도성" 세라믹(예컨대, 이규화 몰리브덴), 탄소, 흑연, 금속, 금속 합금, 세라믹 물질과 금속 물질의 복합 물질 같은 반도체를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 이와 같은 복합 물질은 도핑된 세라믹 또는 도핑되지 않은 세라믹을 포함할 수 있다. 적합한 도핑된 은세라믹의 예는 도핑된 실리콘 카바이드를 포함한다. 적합한 금속의 예는 티타늄, 지르코늄, 탄탈륨 및 백금족 금속을 포함한다. 적합한 금속 합금의 예는 스테인리스 스틸, 콘스탄탄(Constantan), 니켈-, 코발트-, 크롬-, 알루미늄-, 티타늄-, 지르코늄-, 하프늄-, 니오븀-, 몰리브데넘-, 탄탈륨-, 텅스텐-, 주석-, 갈륨-, 망간- 및 철-함유 합금, 및 니켈, 철, 코발트, 스테인리스 스틸을 기본으로 하는 초합금, Timetal®, 철-알루미늄 기재 합금, 및 철-망간-알루미늄 기재 합금을 포함한다. Timetal®은 티타늄 메탈 코포레이션(Titanium Metals Corporation)의 등록 상표이다. 필라멘트들은 하나 이상의 절연체로 코팅된 것일 수도 있다. 전기 전도성 필라멘트를 위한 바람직한 물질은 304, 316, 304L, 316L 스테인리스 스틸 및 흑연이다.
가열 조립체는, 필라멘트들이 지지되는 전기 절연성 기재를 포함할 수 있다. 전기 절연성 기재는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게, (300℃를 초과하는) 고온과 급속한 온도 변화를 견딜 수 있는 물질이다. 적합한 물질의 일 예는 Kapton®과 같은 폴리이미드 필름이다. 전기 절연성 기재는 기재에 형성된 애퍼처(aperture)를 가질 수 있으며, 전기 전도성 필라멘트는 애퍼처를 가로질러 연장된다. 히터 조립체는 전도성 필라멘트에 연결된 전기 접촉부를 포함할 수 있다.
히터 요소의 전기 전도성 필라멘트들의 메쉬, 어레이 또는 직물의 전기 저항은 바람직하게 0.3 내지 4 옴(Ohms)이다. 더욱 바람직하게, 전도성 필라멘트들의 메쉬, 어레이 또는 직물의 전기 저항은 0.5 내지 3 옴, 더욱 바람직하게는 약 1 옴이다. 전기 전도성 필라멘트들의 메쉬, 어레이 또는 직물의 전기 저항은 바람직하게, 접촉부들의 전기 저항보다 적어도 10의 1승, 더욱 바람직하게는 10의 2승만큼 더 크다. 이는, 전류를 가열 요소를 통해 통과시킴으로써 발생된 열이 전기 전도성 필라멘트들의 메쉬 또는 어레이에 국한되는 것을 보장한다. 시스템이 배터리에 의해 전력 공급되는 경우 히터 요소에서 낮은 전체 저항을 갖는 것이 유리하다. 저저항 고전류 시스템은 고전력이 히터 요소에 전달되게 한다. 이는, 가열 요소가 전기 전도성 필라멘트들을 원하는 온도로 빠르게 가열하게 한다.
제1 및 제2 전기 전도성 접촉부는 전도성 필라멘트에 직접 고정될 수 있다. 접촉부는 전도성 필라멘트와 전기 절연성 기재 사이에 위치될 수 있다. 예를 들어, 접촉부는 절연 기재 상에 도금된 구리 호일로 형성될 수 있다. 또한 접촉부는 절연성 기재의 경우보다 필라멘트와 더욱 용이하게 결합할 수도 있다.
대안적으로, 제1 및 제2 전도성 접촉부는 전기 전도성 필라멘트와 일체형일 수 있다. 예를 들어, 히터 요소는 전도성 시트를 에칭함으로써 형성되어 2개의 접촉부 사이에 복수의 필라멘트를 제공할 수 있다.
시스템은 가열 요소의 하류에 캠브리지 필터 패드와 같은 필터 패드를 포함할 수 있다. 필터 패드는 히터 요소와 접촉할 수 있다. 이는 공기 유출구를 통한 액체의 누출 방지를 도울 수 있으며 에어로졸에서 임의의 바람직하지 않은 미립자 물질을 제거할 수 있다.
가열 요소는 제1 물질로 제조된 적어도 하나의 필라멘트 및 제1 물질와 상이한 제2 물질로 제조된 적어도 하나의 필라멘트를 포함할 수 있다. 이는 전기적 또는 기계적 이유로 유리할 수도 있다. 예를 들어, 필라멘트들 중 하나 이상은, 철 알루미늄 합금과 같은, 온도에 따라 상당히 변화하는 저항을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 이는 온도 또는 온도 변화를 결정하기 위하여 사용될 필라멘트의 저항 측정을 허용한다. 이는 빨아들임 검출 시스템에서 사용될 수 있으며 가열 요소 온도를 원하는 온도 범위 내에서 유지하도록 가열 요소 온도를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 갑작스런 온도 변화는 또한 시스템 상에서 빨아들이는 사용자로부터 발생하는 가열 요소를 지나는 공기 흐름 내의 변화를 검출하는 수단으로서 사용될 수도 있다.
시스템은 일회용 카트리지부 및 장치부을 포함할 수 있으며, 카트리지는 액체 저장부를 포함한다. 액체 저장부 내의 액체 에어로졸- 형성 기재가 고갈되면, 카트리지는 폐기되고 새로운 카트리지로 교체된다.
카트리지는 가열 요소를 포함할 수 있다. 대안적으로, 가열 요소는 장치의 부품으로써 제공될 수 있다.
시스템은 사용자의 마우스에 받아들이도록 구성된 마우스피스부를 포함할 수 있다. 공기 유출구는 마우스피스부에 있을 수 있다. 마우스피스부는 카트리지부 또는 장치부의 일부일 수 있거나, 또는 별도의 부분을 포함할 수 있다. 일회용 마우스피스는 마우스피스부의 부품으로서 제공될 수 있다. 일회용 마우스피스는 유연할 수 있고 종래의 궐련 필터의 느낌을 모방할 수 있다.
시스템은 가열 요소 조립체와 전기 전원에 연결된 전기 회로를 더 포함할 수 있으며, 전기 회로는 가열 요소의 또는 가열 요소의 하나 이상의 필라멘트의 전기 저항을 모니터링하도록 그리고 가열 요소 또는 하나 이상의 필라멘트의 전기 저항에 따라 가열 요소로의 전력 공급을 제어하도록 구성되어 있다.
전기 회로는, 프로그래밍 가능한 마이크로프로세서일 수 있는 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 전기 회로는 다른 전자 구성 요소들을 더 포함할 수 있다. 전기 회로는 히터 요소에 대한 전력 공급을 조절하도록 구성될 수 있다. 전력은 시스템의 작동에 이어서 가열 요소에 연속적으로 공급될 수 있거나 또는 개개의 빨아들임을 토대로 하는 것 같이 간헐적으로 공급될 수 있다. 전력은 전류 펄스의 형태로 가열 요소에 공급될 수도 있다.
상기 시스템은 유리하게 하우징의 본체 내부에 전력 공급부, 통상적으로는 배터리를 포함하고 있다. 대안으로서, 전력 공급부는 콘덴서와 같은 다른 형태의 전하 저장 장치일 수 있다. 전력 공급부는 재충전이 필요할 수도 있으며, 한 번 이상의 흡연 경험을 위한 충분한 에너지의 저장을 허용하는 용량을 가질 수 있다; 예를 들어, 전력 공급부는 일반적인 궐련을 피우는 데 걸리는 통상적인 시간에 대응하여 약 6분의 기간 동안, 또는 6분의 배수인 기간 동안 에어로졸의 연속적인 발생을 허용하기에 충분한 용량을 가질 수 있다. 다른 예에서, 전력 공급부는 미리 결정된 수의 빨아들임 또는 가열 요소의 별개의 작동들을 허용하기에 충분한 용량을 가질 수 있다.
바람직하게, 에어로졸 발생 시스템은 하우징을 포함한다. 바람직하게, 하우징은 세장형이다. 하우징은 임의의 적합한 물질 또는 물질들의 조합을 포함할 수 있다. 적합한 물질의 예는 금속, 합금, 플라스틱 또는 그와 같은 물질들 중 하나 이상을 포함하는 복합 물질, 또는 음식이나 제약 적용에 적합한 열가소성 수지, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리에틸렌을 포함한다. 바람직하게, 이 물질은 가볍고 비취성(non-brittle)을 갖는다.
바람직하게, 에어로졸 발생 시스템은 휴대 가능하다. 에어로졸 발생 시스템은 일반적인 엽궐련 또는 궐련과 비슷한 치수를 가질 수 있다. 흡연 시스템은 약 30 mm 내지 약 150 mm의 총 길이를 가질 수 있다. 흡연 시스템은 약 5 mm 내지 약 30 mm의 외부 직경을 가질 수 있다.
에어로졸 형성 기재는 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 화합물들을 방출할 수 있는 기재이다. 휘발성 화합물은 에어로졸-형성 기재를 가열함으로써 방출될 수 있다. 에어로졸-형성 기재는 식물-기반 물질을 포함할 수 있다. 에어로졸-형성 기재는 담배를 포함할 수 있다. 에어로졸-형성 기재는 가열시에 에어로졸 형성 기재로부터 방출되는, 휘발성 담배 향미 화합물들을 함유하는 담배 함유 물질를 포함할 수 있다. 에어로졸-형성 기재는 대안적으로 비담배 함유 물질을 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 균질화된 식물-기반 물질을 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 균질화된 담배 물질을 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 적어도 하나의 에어로졸 형성제를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성제는, 사용시 조밀하고 안정적인 에어로졸의 형성을 용이하게 하고 시스템의 작동 온도에서 열 열화에 대하여 실질적으로 견디는 임의의 적합한 공지된 화합물 또는 화합물들의 혼합물이다. 적합한 에어로졸 형성제는 해당 기술분야에 잘 공지되어 있지만, 이에 한정되지 않는다: 트리에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올 및 글리세린과 같은 다가 알코올; 글리세롤 모노-, 디- 또는 트리아세테이트와 같은 다가 알코올의 에스테르; 및 디메틸 도데칸디오에이트(dimethyl dodecanedioate) 및 디메틸 테트라데칸디오에이트(dimethyl tetradecanedioate)와 같은, 모노-, 디- 또는 폴리카르복실산의 지방족 에스테르를 포함한다. 바람직한 에어로졸 형성제는, 트리에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올 같은 다가 알코올 또는 그들의 혼합물이며, 가장 바람직하게는 글리세린 또는 프로필렌 글리콜과 같은 글리세린이다. 에어로졸-형성 기재는 풍미제와 같은 다른 첨가제 및 성분을 포함할 수 있다. 일 예에서, 에어로졸-형성 기재는 글리세린, 프로필렌 글리콜(PG), 물과 향미료의 혼합물 및 니코틴을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 에어로졸-형성 기재는 약 40용적%의 PG, 40용적%의 글리세린, 18용적%의 물 그리고 2용적%의 니코틴을 포함한다. 이 기재는 20 Pa.s 의 점도를 갖는다.
제2 양태에서는, 에어로졸-발생 시스템 내에서 사용하기 위한 카트리지가 제공되어 있으며, 상기 카트리지는 포함한다:
공기 유입구 및 공기 유출구;
액체 에어로졸-형성 기재를 유지하고 액체 유출구를 갖는 액체 저장부; 및
상기 공기 유입구에서 상기 액체 유출구를 지나는 상기 공기 유출구까지의 공기 흐름 통로를 포함하고, 상기 공기 흐름 통로는 공기가 상기 공기 흐름 통로를 통하여 상기 공기 유입구에서 공기 유출구로 흐를 때 상기 액체 유출구에 있는 상기 공기 흐름 통로 내부에서 압력 강하가 일어나도록 형성되었다.
카트리지는 액체 유출구와 공기 유출구 사이의 공기 흐름 통로 내에 히터 요소를 포함할 수 있다. 히터 요소는 본 발명의 제1 양태를 참조하여 기술된 바와 같은 히터 요소일 수 있다.
카트리지는 카트리지가 맞물리는 장치 상의 대응 특징부에 접촉하도록 구성된 전기 접촉부를 포함하여 장치 내의 전원으로부터 가열 요소로의 전류 공급을 허용할 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에서는, 액체 에어로졸-형성 기재로부터 에어로졸을 발생시키는 방법이 제공되어 있으며, 이 방법은 포함한다:
액체 유출구를 갖는 액체 저장부를 제공하는 단계;
상기 액체 유출구를 지나는 공기 흐름 통로를 제공하는 단계;
액체 유출구에서의 공기 흐름 내에서 압력 강하를 생성함으로써, 액체 에어로졸-형성 기재를 액체 유출구로부터 공기 흐름 통로 내의 공기 흐름 내부로 끌어당기고, 공기 흐름 내의 액체를 공기 흐름 통로 내의 히터 요소로 운반하는 단계로서, 상기 히터 요소가 액체를 기화시켜 증기를 제공하는 단계;
에어로졸을 제공하도록 증기를 냉각시키는 단계를 포함한다.
일 양태와 관련하여 기술된 특징은 본 발명의 다른 양태들에 동일하게 적용될 수 있다. 제1 양태와 관련하여 기술된 액체 저장부, 공기 흐름 통로, 가열 요소 및 에어로졸-형성 기재의 특징은 제2 양태 및 제3 양태에 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들 단지 예시적으로만 첨부된 도면들을 참조하여 기술될 것이며, 이 경우:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸-발생 시스템의 개략적인 횡단면도이다. 도 1에 도시된 시스템은 전기적으로 작동되는 핸드헬드 흡연 시스템이며, 흔히 전자 담배로서 언급된다. 이 시스템은 일회용 마우스피스(50)와 함께 흡연 시스템을 형성하는 장치(10) 및 카트리지(20)를 포함한다.
이 장치는 인산 철 리튬 배터리와 같은 배터리(14)를 포함하는 하우징(12), 제어 전자 장치(16), 카트리지(20)의 일 부분을 수용하기 위한 공동(15) 및 공기 유입구(18)를 포함한다. 이 장치는 원형의 횡단면을 가지며, 장치 하우징(12)의 원주 둘레에 배치된 복수의 공기 유입구(18)를 포함한다. 공동(15)은 카트리지(20) 상의 대응 나사부와 맞물리기 위한 나사부(도시되지 않음)를 갖는다. 그러나 카트리지와 장치 사이에 다른 많은 유형의 연결부가 사용될 수 있음은 분명하다. 배터리(14) 및 제어 전자 장치(16)는 후술되는 바와 같이 전기 연결부(도시되지 않음)를 통해서 카트리지에 전력을 공급한다. 다시 말하자면, 카트리지와 장치 간에 전기적 연결을 제공하기 위하여 스냅-끼워맞춤, 억지쇠 끼워맞춤 또는 바요넷(bayonet)형 연결과 같은 임의의 형태의 연결부가 사용될 수 있다.
카트리지(20)는 도 1에서 장치(10)와 맞물린 것으로 도시되어 있지만, 도 2, 도 3 및 도 4에 별도로 그리고 보다 상세하게 도시되어 있다.
카트리지(20)는 외부 카트리지 하우징(21)을 갖는다. 액체 저장 하우징(34)을 갖는 액체 저장부(30)는 외부 카트리지 하우징(21) 내부에 제공된다. 액체 저장부 하우징은 환형이며 그 중심부를 통하여 공기 흐름 통로(22)가 형성된다. 공기 흐름 통로가 협착부(40)를 갖는 유입구 단부를 가짐으로써, 액체 저장 하우징 내부의 공기 흐름 통로는 유입구 단부를 통한 공기 흐름에 대하여 수축된다. 유입구 플레이트(41)의 오리피스는 1 mm의 반경을 갖는 반면, 액체 저장 하우징 내부의 공기 흐름 채널은 0.375 mm의 반경을 갖는다.
액체 에어로졸-형성 기재의 저장조는 액체 저장 하우징(34)의 내벽과 외벽 사이에 고정된다. 마개(spigot; 32)는 저장조 내로 연장되어 저장조로부터 공기 흐름 통로 내의 액체 유출구(38)로의 액체를 위한 수축된 액체 흐름 경로(36)를 한정한다. 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 액체 유출구(38)는 실질적으로 환형이다. 액체 저장부의 베이스에서의 액체 유출구의 내부 직경은 약 1.5 mm이고, 액체 유출구의 외부 직경은 약 1.75 mm이다. 작은 슬롯 또는 개구(도시되지 않음)가 저장조의 베이스에 제공되어 마개를 적절하게 위치시키고 마개가 저장조에 대하여 중심에 위치되는 것을 보장한다.
액체 유출구의 바로 하류에 있는 공기 흐름 통로는 마개에 의하여 한정되고, 발산부(42)에서 넓어진다.
가열 요소(26)는 액체 유출구의 하류의 마개(32) 상에서 지지된다. 가열 조립체는 304L 스테인리스 스틸로 형성된 메쉬(mesh)이며 약 400 Mesh US(약 400필라멘트/인치)의 메쉬 치수를 갖는다. 메쉬의 필라멘트는 약 16 ㎛의 지경을 갖는다. 메쉬는 구리로 형성된 전기 콘택트(46)에 연결된다. 전기 콘택트(32)는 폴리이미드 기재(44) 상에 제공된다. 메쉬를 형성하는 필라멘트는 필라멘트들 사이의 간극을 한정한다. 더 크거나 작은 간극이 이용될 수 있을지라도, 이 실시예에서의 간극은 약 37 ㎛의 폭을 갖는다. 메쉬의 개방 면적, 즉 메쉬의 전체 면적에 대한 간극 면적의 비율은 유리하게는 25 내지 56%이다. 히터 조립체의 총 저항은 약 1 옴이다. 열의 대부분이 메쉬에 의해 생성되도록 메쉬는 이 저항의 대부분을 제공한다. 이 예에서, 메쉬는 전기 콘택트(46)보다 100배 이상의 전기 저항을 갖는다.
에어로졸-형성 챔버(28)는 히터의 하류에 제공된다. 에어로졸-형성 챔버(28)는 공기 출구(24)로부터 사용자의 입으로 나가기 전에 히터로부터의 증기가 냉각되고 응축되어 에어로졸을 형성할 수 있는 영역이다.
도 3에서 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 외부 카트리지 하우징은 2개의 부분으로 형성되어 조립을 허용한다. 하부 카트리지 하우징(21a)은 액체 저장부, 마개 그리고 히터 조립체를 지지한다. 상부 카트리지 하우징(21b)은 카트리지의 마우스피스부를 정의하고, 에어로졸 형성 챔버 및 공기 유출구(24)를 유지한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일회용 마우스피스(50)는 상부 카트리지 하우징 둘레에 위치된다. 상부 및 하부 카트리지 하우징은 한 쌍의 나사형 볼트(23) 및 대응 너트(도시되지 않음)에 의해 서로 고정된다.
상기 카트리지 하우징과 장치 하우징은 임의의 적합한 물질 또는 물질들의 조합을 포함할 수 있다. 본 예에서는, 폴리프로필렌, 폴리에테르에테르 케톤(PEEK)이 사용된다.
제거 가능한 마우스피스(50)는 외관과 느낌 면에서 종래 담배의 필터를 모방할 수 있다. 예를 들어, 제거 가능한 마우스피스(50)는 초산 셀룰로오스, 고무, 또는 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌 혹은 이들의 혼합물과 같은 플라스틱으로 형성될 수 있으며, 종이 층으로 덮일 수 있다.
작동시, 사용자가 마우스피스 부분을 빨면, 공기는가 공기 흐름 통로를 통하여 공기 유입구(18)에서 공기 유출구(24)로 끌어당겨진다. 공기는 액체 유출구를 지나는 공기 흐름 통로를 통과하고, 히터를 통해서 에어로졸-형성 챔버로 끌어당겨진다. 액체 유출구에서의 공기 흐름의 압력은 대기압보다 낮고 액체 저장부 내부의 공기(35)의 압력보다 상당히 낮다. 이와 같은 압력 차는 액체 에어로졸-형성 기재가 액체 유출구로부터 공기 흐름 통로 내부로 끌어당겨지게 한다.
액체 유출구에서 공기 흐름 내부로 끌어당겨진 액체의 대략적인 용적은 푸아즈이유의 식을 이용해서 계산될 수 있다. 계산을 위하여, 1초에 40 ml의 빨아들임을 고려한다.
공기 흐름 채널의 구조화되지 않은 구역과 수축된 구역을 통과하는 공기 이동의 속도는 다음과 같이 계산된다:
속도(2): (40 mm3 * 103) / [3.14 * (1 mm)2] = 12.7 * 103 mm/s
속도(1): (40 mm3 * 103) / [3.14 * (0.375 mm)2] = 90 * 103 mm/s
이들 속도로부터 압력 차가 계산될 수 있다:
P2-P1 = ρ/2 (n2 2 - n1 2) = 1/2 (902 - 12.72) = 약 4000 kg mm-1 s-2
본 예에서, 액체 방울은 0.25 mm의 폭을 갖는 환형 튜브로부터 유래하며, 카트리지를 위한 그의 "면적 동치(area equivalence)"는 링의 원주(2*π*r=2*π*1 mm)에 그의 0.25 mm의 폭을 곱함으로써 추정될 수 있다:
(액체 전달의) 대략적인 면적 = 2πr * 폭 = 2 * 3.14 * 1 * 0.25 mm = 1.57 mm2
따라서, 액체 전달을 추정하기 위한 "방사상 동치(radial equivalence)”는:
(1.57/π)0.5 = 0.75 mm이다.
액체 에어로졸-형성 기재에 대한 액체 점도는 액체의 조성물로부터 추정될 수 있으며, 본 예에서는
PG(52%), 글리세린(20%), 물 (15%) 및 니코틴(5%)
대략적으로: 0.6 * 52 + 0.2 * 1.4 + 0.15*1.0022 + 0.05 * 1.004 = 32 Pa s
마지막으로, 압력 차(ΔP), 방사상 동치(r), 액체 점도(μ) 및 액체 흐름 경로의 길이(L)를 사용하여 액체 전달이 계산될 수 있다:
Q = (ΔP* πr4) / (8 μ L) = [4000* π*(0.75 * 10-3)4] / (8 * 32 * 14) = 0.8 mm3 s-1과 1 mm3 s-1 사이이다.
액적 전달 용적을 결정하기 위한 주요 매개 변수는 카트리지 내의 액체 유출구의 표면적, 액체 유출구에서의 압력 강하 및 액체 흐름 경로의 길이라는 것을 알 수 있다. 액체 흐름 경로는 카트리지의 전체 길이에 의해서 어느 정도까지 제한되며, 핸드헬드 시스템을 위해서는 바람직하게 10 mm 내지 30 mm일 것이다. 상기 방정식으로부터 액체 에어로졸-형성 기재의 점도 또한 중요한 요인이며, 따라서 액체 점도가 증가하면 동일한 액체 전달을 달성하기 위해 액체 유출구 및/또는 액체 경로의 치수가 변경될 필요가 있다는 것을 알 수 있다.
공기 흐름 내의 액체 에어로졸-형성 기재는 메쉬 가열 요소로 운반된다. 감지된 사용자 빨아들임에 반응하여 작동될 수 있는 메쉬 가열 요소는, 액체 에어로졸-형성 기재가 가열 요소에 접촉하거나 가열 요소를 통과할 때 액체 에어로졸-형성 기재를 기화시킨다. 그 다음에, 기화된 기재와 가열된 공기가 에어로졸-형성 챔버 내부로 통과하며, 여기에서 냉각되어 에어로졸을 형성한다. 그 다음에, 에어로졸이 공기 유출구(24)로부터 사용자의 입속으로 끌어당겨진다.
사용자가 시스템을 빨고 액체가 액체 저장부로부터 끌어당겨질 때에는, 액체 저장부 내부의 압력이 떨어진다. 빨 때마다 일정한 액체 전달을 제공하기 위하여, 빨림 사이에 액체 저장부 내부의 압력이 유리하게 그의 초기 압력으로, 전형적으로는 대기압으로 복귀하는 것이 허용된다. 액체 유출구는 빨림 사이에 기포가 액체 유출구를 통해 액체 저장부로 들어갈 수 있도록 충분히 클 수 있다. 대안적으로, 압력 릴리프 밸브(48)가 액체 저장부 내에 포함될 수 있으며, 이 밸브는 액체 저장부의 내부와 액체 저장부의 외부 사이의 압력 차가 임계 압력 차를 초과할 때 개방된다. 이와 같은 구조는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 압력 릴리프 밸브(48)는 각 사용자가 빠는 동안 폐쇄된 상태로 유지되도록 제어될 수 있다.
기술된 바와 같은 시스템은 이전 시스템을 능가하는 몇 가지 장점을 갖는다. 이는 유연한 심지 재료 둘레에 히터를 감을 필요가 없는 기계적으로 견고한 시스템이다. 이는 가열 요소와 접촉하고 있는 모세관 재료의 연소 또는 탄화 가능성을 제거한다. 이는 액체 보유 물질에 대한 필요성을 제거하며 따라서 제조 비용 및 제조 단계를 줄인다. 이는 또한 모세관 기반 시스템에서 발견되는 잠재적인 에어로졸 페이딩(fading) 문제를 제거하는 반면, 액체가 고갈되어 펠트 팁 펜(felt-tipped pen)의 페이딩과 유사하게 가열 요소에 전달되는 액체의 양이 감소된다.
압전기 기반의 전달 시스템과 비교할 때, 본 시스템은 액체 방울을 히터에 전달하기 위해 빨아들임 동안에 발생하는 감압을 이용하기 때문에 에너지 효율적이다. 이는 또한 사용자의 빨아들이는 행위가 압전 밸브에 의하여 계측된 액체의 양보다는 차라리 전달된 액체의 양을 제어하는 것을 가능하게 한다.
전술된 예시적인 실시예들은 설명을 위한 것이지만 한정적인 것은 아니다. 위에서 논의된 예시적인 실시예들을 고려하면, 상기 예시적인 실시예와 일치하는 다른 실시예들은 이제 당업자에게 명백해질 것이다. 예를 들어, 기술된 실시예는 전기적으로 작동되는 흡연 시스템이지만, 본 발명은 임의의 유형의 에어로졸-발생 시스템에 적용될 수 있으며, 상이한 액체 및 공기 흐름 기하학적 구조가 사용될 수 있다.
10: 장치
12: 하우징
14: 배터리
15: 공동
16: 전자 제어 장치
18: 공기 유입구
20: 카트리지
21: 외부 카트리지 하우징
22: 공기 흐름 통로
23: 나사형 볼트
24: 공기 출구
26: 가열 요소
28: 에어로졸-형성 챔버
30: 액체 저장부
32: 마개
34: 액체 저장 하우징
35: 공기
36: 액채 흐름 경로
38: 액체 유출구
40: 협착부
41: 플레이트
42: 발산부
44: 폴리이미드 기재
46: 전기 콘택트
48: 밸브
50: 마우스피스

Claims (15)

  1. 에어로졸 발생 시스템으로서:
    공기 유입구 및 공기 유출구;
    액체 에어로졸-형성 기재를 유지하며 액체 유출구를 갖는 액체 저장부;
    상기 공기 유입구에서 상기 액체 유출구를 지나는 상기 공기 유출구까지의 공기 흐름 통로를 포함하고, 상기 공기 흐름 통로는 공기가 상기 공기 흐름 통로를 통하여 상기 공기 유입구에서 공기 유출구로 흐를 때 상기 액체 유출구에 있는 상기 공기 흐름 통로 내부에서 압력 강하가 일어나도록 형성되었으며;
    상기 액체 유출구와 상기 공기 유출구 사이에 위치된, 상기 흐름 경로 내의 가열 요소를 포함하는, 에어로졸-발생 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 흐름 통로는 상기 공기 유입구에 대하여 상기 액체 유출구에서 제한된 횡단면을 갖는, 에어로졸-발생 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액체 저장부가 상기 에어로졸-형성 기재를 위한 밀봉된 인클로저를 제공함으로써, 액체는 상기 액체 유출구를 통과하는 것을 제외하고는 상기 인클로저로 들어가거나 상기 인클로저로부터 빠져나갈 수 없는, 에어로졸-발생 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 저장부는 개방 위치에 있을 때에 공기가 상기 액체 저장부로 들어가는 것을 허용하지만 폐쇄 위치에 있을 때에는 허용하지 않는 공기 유입구 밸브를 포함하는, 에어로졸-발생 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 시스템은, 미리 결정된 공기 유량이 상기 공기 흐름 통로를 통하여 흐를 때에는 상기 밸브가 폐쇄 위치에 있게끔 제어되도록 구성된, 에어로졸-발생 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 저장부가 환형 하우징을 포함하며, 상기 공기 흐름 통로는 상기 환형 하우징을 통하여 연장되는, 에어로졸-발생 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 유출구가 환형인, 에어로졸-발생 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 요소가 상기 공기 흐름 채널에 걸쳐 있고 액체 투과성인, 에어로졸-발생 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가열 요소가 히터 필라멘트의 메쉬, 어레이 또는 직물을 포함하는, 에어로졸-발생 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 요소에 연결된 전력 공급부를 포함하며, 작동시 가열 요소가 저항적으로 가열되는, 에어로졸-발생 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 일회용 카트리지 및 장치를 포함하며, 상기 카트리지가 상기 액체 저장부를 포함하는, 에어로졸-발생 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 카트리지가 상기 가열 요소를 포함하는, 에어로졸-발생 시스템.
  13. 에어로졸-발생 시스템 내에서 사용하기 위한 카트리지로서:
    공기 유입구 및 공기 유출구;
    액체 에어로졸-형성 기재를 유지하고 액체 유출구를 갖는 액체 저장부; 및
    상기 공기 유입구에서 상기 액체 유출구를 지나는 상기 공기 유출구까지의 공기 흐름 통로를 포함하고, 상기 공기 흐름 통로는 공기가 상기 공기 흐름 통로를 통하여 상기 공기 유입구에서 공기 유출구로 흐를 때 상기 액체 유출구에 있는 상기 공기 흐름 통로 내부에서 압력 강하가 일어나도록 형성된, 카트리지.
  14. 제13항에 있어서, 상기 액체 유출구와 상기 공기 유출구 사이에 있는 상기 공기 흐름 통로 내의 가열 요소를 더 포함하는, 카트리지.
  15. 액체 에어로졸-형성 기재로부터 에어로졸을 발생시키는 방법으로서:
    액체 유출구를 갖는 액체 저장부를 제공하는 단계;
    상기 액체 유출구를 지나는 공기 흐름 통로를 제공하는 단계;
    상기 액체 유출구에서의 공기 흐름 내에서 압력 강하를 생성함으로써, 액체 에어로졸-형성 기재를 상기 액체 유출구로부터 상기 공기 흐름 통로 내의 공기 흐름 내부로 끌어당기고, 공기 흐름 내의 액체를 상기 공기 흐름 통로 내의 가열 요소로 운반하는 단계로서, 상기 를히터 요소가 액체를 기화시켜 증기를 제공하는 단계;
    에어로졸을 제공하도록 증기를 냉각시키는 단계를 포함하는, 에어로졸-발생 방법.
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