RU2792826C2 - Aerosol generator - Google Patents

Aerosol generator Download PDF

Info

Publication number
RU2792826C2
RU2792826C2 RU2021122227A RU2021122227A RU2792826C2 RU 2792826 C2 RU2792826 C2 RU 2792826C2 RU 2021122227 A RU2021122227 A RU 2021122227A RU 2021122227 A RU2021122227 A RU 2021122227A RU 2792826 C2 RU2792826 C2 RU 2792826C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sheet
heating element
micronozzles
liquid medium
heating
Prior art date
Application number
RU2021122227A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021122227A3 (en
RU2021122227A (en
Inventor
Карен Ишханович Калайджян
Original Assignee
Карен Ишханович Калайджян
Filing date
Publication date
Application filed by Карен Ишханович Калайджян filed Critical Карен Ишханович Калайджян
Publication of RU2021122227A publication Critical patent/RU2021122227A/en
Publication of RU2021122227A3 publication Critical patent/RU2021122227A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2792826C2 publication Critical patent/RU2792826C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: tobacco industry.
SUBSTANCE: group of inventions relates to vaporization devices with heating and, in particular, to electrically resistive heaters for vaporizing liquids to obtain inhaled aerosols. An aerosol generation device contains a heating element containing a sheet of electrically conductive material, having the first surface and the second surface opposite to the first surface, and containing a set of channels located in the sheet area and passing through the sheet from the first surface to the second surface, while channels are made in the form of micro-nozzles for the formation of directed accelerated flows of liquid medium vapor, with the formation of vapor jets. Micro-nozzles are decorated micro-cavities or structures made in sheet material. Sheet material includes highly alloyed silicon having specific electrical resistance of no more than 0.01 Ohm·cm. Micro-nozzles have a truncated cone shape characterized by a cone opening angle constant or changing along the axis, or a shape of a nozzle containing a narrowing turning into an expansion. A temperature sensor is located in at least the heating element, or a replaceable unit, or a power supply unit. In response to an output signal of the temperature sensor, at least one parameter of a pulse sequence of the power supply unit is controlled. The heating element is made with the possibility of uniform resistive heating in a pulse mode. Parameters of the pulse sequence of the power supply unit are consistent with time of thermal relaxation of the heating element in a time range from 0.1 to 100 ms for pulsed heating with the heating element of a liquid medium with the initiation of vapor jets increasing an aerosol concentration. The liquid medium is heated to a temperature not higher than the Leidenfrost point. The heating element is enclosed in a case containing an air duct, through which heat is removed by directing an airflow. The replaceable unit containing the heating element, a porous medium, as well as a filled or disposable container is replaced. Micro-nozzles are made by micro-processing of sheet material with a laser or using photolithography, followed by deep etching. In a sheet of foil, micro-nozzles are made by micro-molding or micro-punching.
EFFECT: high-density aerosol generation is provided with significantly reduced levels of health risk, as well as more standardized, less costly production.
42 cl, 18 dwg, 4 tbl

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННОЕ ЗАЯВЛЕНИЕCROSS-REFERENCE TO RELATED STATEMENT

Настоящая заявка выделена из первоначальной заявки №2020138696 с сохранением даты подачи 05.06.2019 и права конвенционного приоритета, возникшего с подачей 12.06.2018 первой заявки №62/683,991 в патентное ведомство США.This application has been separated from the original application No. 2020138696, retaining the filing date of 06/05/2019 and the conventional priority right that arose with the filing of the first application No. 62/683,991 with the US Patent Office on 06/12/2018.

ОБЛАСТь ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Настоящее изобретение в целом относится к вапоризационным устройствам с подогревом и, в частности, к электрически резистивным нагревателям для аэрозолизации и распыления жидкостей с целью получения вдыхаемых аэрозолей. МПК A24F 47/00, A24F 40/00, A24F 40/10, A24F 40/40, A24F 40/42, A24F 40/46, A24F 40/48, A24F 40/485, A24F 40/50, A24F 40/51, A24F 40/57, А61М 11/00, А61М 15/00, В05В 1/08, В05В 1/14, В05В 7/16, В05В 7/24, Н05В 1/02, Н05В 3/06, Н05В 3/14, Н05В 3/24, Н05В 3/34 Н05В 3/42, Н05В 3/54.The present invention relates generally to heated vaporization devices, and in particular to electrically resistive heaters for aerosolizing and spraying liquids to produce respirable aerosols. IPC A24F 47/00, A24F 40/00, A24F 40/10, A24F 40/40, A24F 40/42, A24F 40/46, A24F 40/48, A24F 40/485, A24F 40/50, A24F 40/51 , A24F 40/57, А61М 11/00, А61М 15/00, В05В 1/08, В05В 1/14, В05В 7/16, В05В 7/24, Н05В 1/02, Н05В 3/06, Н05В 3/14 , H05V 3/24, H05V 3/34 H05V 3/42, H05V 3/54.

УРОВЕНь ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE ART

Типичные мощные устройства для вапоризации и электронные сигареты, предназначенные для генерирования большого количества аэрозоля во время затяжки, обычно используют нагревательные блоки с громоздкими нагревательными проводниками, что приводит к интенсивному нагреву устройств из-за рассеивания тепла вокруг нагревательных блоков. Из-за громоздкости нагревательные блоки медленно охлаждаются. Эта особенность делает устройства горячими и некомфортными в использовании. Кроме того, остаточное тепло «после использования» из-за длительного времени охлаждения может вызвать длительные химические реакции с образованием токсичных растворов, таких как акролеиновые, особенно в аэрозольной жидкости, находящейся в непосредственной близости от нагревательных блоков. Это токсичное вещество затем испаряется и вдыхается потребителем при первых затяжках следующего сеанса затяжки.Typical high-powered vaporizers and e-cigarettes designed to generate large amounts of aerosol during puffs typically use heater blocks with bulky heating conductors, resulting in intense heating of the devices due to heat dissipation around the heater blocks. Because of the bulkiness, the heating blocks cool slowly. This feature makes the devices hot and uncomfortable to use. In addition, "after-use" residual heat due to long cooling times can cause long-term chemical reactions to form toxic solutions such as acrolein, especially in the aerosol liquid in close proximity to the heating blocks. This toxic substance is then vaporized and inhaled by the user during the first puffs of the next puff session.

Из документов заявок US 2016/0138795 А1, US 2017/0360100 А1, известны устройства для генерации аэрозоля, содержащие плоские нагревающие жидкость элементы, в которых нагревательный проводник выполнен в виде электропроводящего покрытия или пленки, нанесенной на непроводящую подложку, имеющую множество проемов (портов, апертур). Также известны описанные в заявке US 2017/360100 A1 нагревающие жидкость элементы, в которых нагревательный проводник выполнен в виде электропроводящей сетки. Во время нагревания жидкость затягивается благодаря капиллярным силам в проемы (порты, апертуры) подложки и ячейки сетки нагревательных элементов с одной их стороны и вапоризуется с выходом пара с противоположной стороны. При этом пар свободно расширяется беспорядочно во всевозможных направлениях в окружающий воздух из-за разности температур, что сопровождается резким падением плотности пара и, соответственно, аэрозоля. Чтобы увеличить плотности пара увеличивают электрическую мощность, что ассоциируется либо с перегревом нагревателя, либо с увеличением его размеров и, вследствие этого, тепловых потерь. В обоих случаях, избыток тепла повышает риски здоровью, по причинам упомянутым выше. Настоящее изобретение решает задачу интенсификации аэрозоля при уменьшении размеров нагревательного проводника и снижении рисков здоровью.From the application documents US 2016/0138795 A1, US 2017/0360100 A1, devices for generating aerosols are known, containing flat liquid heating elements, in which the heating conductor is made in the form of an electrically conductive coating or film deposited on a non-conductive substrate having a plurality of openings (ports, apertures). Also known are the fluid heating elements described in US 2017/360100 A1, in which the heating conductor is made in the form of an electrically conductive mesh. During heating, the liquid is drawn due to capillary forces into the openings (ports, apertures) of the substrate and cells of the grid of heating elements on one side and is vaporized with the release of steam from the opposite side. In this case, the vapor freely expands randomly in all possible directions into the surrounding air due to the temperature difference, which is accompanied by a sharp drop in the density of the vapor and, accordingly, the aerosol. To increase the vapor density, the electric power is increased, which is associated either with overheating of the heater, or with an increase in its size and, as a result, heat losses. In both cases, excess heat increases health risks, for the reasons mentioned above. The present invention solves the problem of aerosol intensification while reducing the size of the heating conductor and reducing health risks.

СУЩНОСТь ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Варианты осуществления настоящего изобретения, которые описаны ниже, обеспечивают улучшенные устройства для нагрева и вапоризации, а также способы их использования, в частности, для производства аэрозолей.Embodiments of the present invention, which are described below, provide improved heating and vaporization devices, as well as methods for their use, in particular for the production of aerosols.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения таким образом предлагается устройство для аэрозолизации, включающее резервуар, сконфигурированный для содержания жидкой среды. Нагревательный элемент включает в себя лист из электропроводящего материала, имеющий первую поверхность, физически контактирующую с жидкой средой, и вторую поверхность, противоположную первой поверхности, и массив микросопел, расположенных в области листа и проходящих через лист от первой поверхности до второй поверхности. Блок электропитания предназначен для подачи импульсов электрического тока через область листа, с энергией импульсов выбранных таким образом, чтобы нагреть проводящий материал достаточно для вапоризации жидкой среды и посредством этого обусловить выброс пара жидкой среды через микросопла в виде соответствующих струй пара со второй поверхности.In accordance with an embodiment of the invention, an aerosolization device is thus provided, comprising a reservoir configured to contain a liquid medium. The heating element includes a sheet of electrically conductive material having a first surface in physical contact with the liquid medium and a second surface opposite the first surface, and an array of micronozzles located in the area of the sheet and passing through the sheet from the first surface to the second surface. The power supply unit is designed to supply electric current pulses through the sheet area, with the pulse energy selected in such a way as to heat the conductive material enough to vaporize the liquid medium and thereby cause the liquid medium vapor to be ejected through the micronozzles in the form of corresponding steam jets from the second surface.

Под термином „микросопло" во всем описании понимается цилиндрическое или конусообразное устройство в виде канала, т.е. узкого, длинного или вытянутого полого объекта, которое может обладать внутренней, возможно сложной, структурой и которое выполнено с возможностью, управления, в частности придавания направления, ускорения пара жидкой среды, направляемого этим устройством во время вапоризации. Благодаря отрицательному давлению, созданному высокоскоростными горячими парами, в области отверстия выброса микросопла формируются узконаправленне потоки, или другими словами, струи пара, а холодный окружающий воздух втягивается с боковых сторон в струю горячих паров, вызывая генерацию аэрозоля при резком охлаждении горячих паров в струе. Уменьшение давления в ускоренных парах может также сопровождаться вызванным ускорением паров уменьшением температуры в области отверстия выброса микросопла, что может благоприятно влиять на генерацию аэрозоля в области отверстий выброса микросопла в дополнение к охлаждению окружающим воздухом. Формирование высокоскоростных струй пара, которые благодаря падению давления значительно способствуют генерации аэрозоля, является характерной и существенной особенностью, вносимой микросоплами. Способность микросопел генерировать плотный аэрозоль делает возможным миниатюризацию и более стандартное серийное производство нагревательных элементов, например, с использованием технологий микромеханической обработки.The term "micronozzle" throughout the description refers to a cylindrical or cone-shaped device in the form of a channel, i.e. a narrow, long or elongated hollow object, which may have an internal, possibly complex, structure and which is made with the possibility of control, in particular giving direction , acceleration of the vapor of the liquid medium directed by this device during vaporization Due to the negative pressure created by high-velocity hot vapors, narrow streams, or in other words, vapor jets, are formed in the region of the micronozzle ejection hole, and cold ambient air is drawn from the sides into the jet of hot vapors , causing the generation of aerosol when the hot vapors in the jet are rapidly cooled.A decrease in pressure in accelerated vapors can also be accompanied by a decrease in temperature caused by vapor acceleration in the area of the micronozzle ejection opening, which can favorably influence the generation of aerosol in the area of the micronozzle ejection holes in addition to cooling with ambient air. The formation of high-velocity steam jets, which, due to the pressure drop, significantly contribute to the generation of aerosol, is a characteristic and essential feature introduced by micronozzles. The ability of micronozzles to generate a dense aerosol enables miniaturization and more standard mass production of heating elements, for example using micromachining technologies.

В некоторых вариантах осуществления устройство включает воздуховод, содержащий, по меньшей мере, вторую поверхность нагревательного элемента и включающий воздухозаборник для воздуха, через которое окружающий воздух проходит в воздуховод и по второй поверхности, образуя таким образом аэрозоль, содержащий вапоризованную жидкую среду, и выходное отверстие, через которое аэрозоль выходит из воздуховода. В одном варианте осуществления воздуховод включает в себя, по меньшей мере, одно воздушное сопло, предназначенное для формирования и направления турбулентного воздушного потока на вторую поверхность листа, чтобы способствовать образованию аэрозоля.In some embodiments, the device includes an air duct comprising at least a second surface of the heating element and including an air intake through which ambient air passes into the duct and over the second surface, thereby forming an aerosol containing a vaporized liquid medium, and an outlet, through which the aerosol leaves the duct. In one embodiment, the duct includes at least one air nozzle for generating and directing turbulent airflow onto the second surface of the sheet to promote aerosol generation.

Микросопла, как правило, идентичны и равномерно распределены по площади листа проводящего материала.The micronozzles are generally identical and evenly distributed over the area of the sheet of conductive material.

Лист электропроводящего материала может быть плоским или иметь изогнутую форму. Лист электропроводящего материала может включать один или несколько материалов из металла, легированного полупроводника и электропроводящую фольгу.The sheet of electrically conductive material may be flat or curved. The electrically conductive material sheet may include one or more of a metal, a doped semiconductor, and an electrically conductive foil.

В раскрытых вариантах осуществления лист проводящего материала имеет толщину между первой и второй поверхностями менее 1 мм, а микросопла имеют диаметр менее 0,2 мм.In the disclosed embodiments, the sheet of conductive material has a thickness between the first and second surfaces of less than 1 mm, and the micronozzles have a diameter of less than 0.2 mm.

В одном варианте осуществления микросопла имеют усеченную конусообразную форму. В другом варианте осуществления микросопла представляют собой сопла Лаваля. Микросопла могут быть пробиты через лист электропроводящего материала и выступать наружу из второй поверхности. Альтернативно, микросопла могут протравливаться через лист электропроводящего материала и располагаться заподлицо со второй поверхностью.In one embodiment, the micronozzles have a truncated conical shape. In another embodiment, the micronozzles are Laval nozzles. The micronozzles may be pierced through the sheet of electrically conductive material and protrude outward from the second surface. Alternatively, the micronozzles may be etched through a sheet of electrically conductive material and positioned flush with the second surface.

В некоторых вариантах реализации резервуар включает пористую среду, которая насыщена жидкой средой. В раскрытом варианте осуществления пористая среда прилегает к первой поверхности листа и имеет пропуска тельную способность для жидкости, превышающую 3 мкл/мм2с. Дополнительно или альтернативно пористая среда включает гидрофильный волокнистый материал, который может быть включен в слой, имеющий толщину в диапазоне от 0,1 мм до 1 мм.In some embodiments, the reservoir includes a porous medium that is saturated with a liquid medium. In the disclosed embodiment, the porous medium is adjacent to the first surface of the sheet and has a liquid transmissivity greater than 3 µl/mm 2 s. Additionally or alternatively, the porous medium includes a hydrophilic fibrous material that may be included in a layer having a thickness in the range of 0.1 mm to 1 mm.

В некоторых вариантах реализации нагревательный элемент включает в себя множество электрических контактов, расположенных на листе электропроводящего материала на противоположных сторонах массива микросопел, а блок электропитания включает в себя пружинящие электрические выводы, подключенные к электрическим контактам для подачи через них электрического тока. В одном варианте осуществления электрические контакты включают в себя микроформы, сформированные, по меньшей мере, на одной из поверхностей электропроводящего материала, а электрические выводы прижаты к микроформам. В качестве альтернативы электрические контакты включают в себя один или несколько вырезов, сформированных по меньшей мере на одной из поверхностей электропроводящего материала, а пружинящие электрические выводы имеют цилиндрическую форму, которая сопряжена с одним или несколькими вырезами.In some embodiments, the heating element includes a plurality of electrical contacts located on a sheet of electrically conductive material on opposite sides of the array of micronozzles, and the power supply includes springy electrical leads connected to the electrical contacts to supply an electric current through them. In one embodiment, the electrical contacts include micro molds formed on at least one of the surfaces of the electrically conductive material, and the electrical leads are pressed against the micro molds. Alternatively, the electrical contacts include one or more cutouts formed on at least one of the surfaces of the electrically conductive material, and the resilient electrical leads are cylindrical in shape that mates with the one or more cutouts.

В раскрытом варианте осуществления по меньшей мере нагревательный элемент является заменяемым.In the disclosed embodiment, at least the heating element is replaceable.

В некоторых вариантах реализации нагревательный элемент выполнен, а блок электропитания сконфигурирован так, что температура жидкой среды, которая находится в контакте с первой поверхностью листа электропроводящего материала в нагревательном элементе, поднимается выше точки кипения жидкой среды во время импульсов и падает ниже точки кипения во время задержки между импульсами в последовательности импульсов, подаваемых блоком электропитания на нагревательный элемент. В одном варианте осуществления блок электропитания включает в себя датчик температуры и сконфигурирован для управления по меньшей мере одним параметром последовательности импульсов в ответ на выходной сигнал датчика температуры.In some embodiments, the heating element is configured and the power supply is configured such that the temperature of the liquid medium that is in contact with the first surface of the sheet of electrically conductive material in the heating element rises above the boiling point of the liquid medium during pulses and falls below the boiling point during delay. between pulses in a sequence of pulses supplied by the power supply to the heating element. In one embodiment, the power supply includes a temperature sensor and is configured to control at least one pulse train parameter in response to an output of the temperature sensor.

В раскрытом варианте осуществления блок электропитания включает в себя схему генератора импульсов и изолирующий трансформатор, который связывает схему генератора импульсов с нагревательным элементом.In the disclosed embodiment, the power supply includes a pulse generator circuit and an isolation transformer that couples the pulse generator circuit to the heating element.

Также предоставляется, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, способ генерации аэрозоля, который включает обеспечение нагревательным элементом, включающим в себя лист электропроводящего материала с противоположными первой и второй поверхностями, и включающий в себя массив микросопел, расположенных в области листа и проходящих через лист от первой поверхности ко второй поверхности. Жидкая среда входит в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента. Импульсы электрического тока подаются через область листа, при этом энергия импульса выбирается таким образом, чтобы нагреть проводящий материал достаточно для вапоризации жидкой среды и посредством этого обусловить выброс пара жидкой среды через микросопла в виде соответствующих струй пара жидкой среды со второй поверхности.Also provided, in accordance with an embodiment of the invention, is an aerosol generation method that includes providing a heating element including a sheet of electrically conductive material with opposite first and second surfaces, and including an array of micronozzles positioned in a region of the sheet and extending through the sheet from the first surface to a second surface. The liquid medium comes into contact with the first surface of the heating element. Pulses of electric current are applied through the area of the sheet, the energy of the pulse is chosen so as to heat the conductive material enough to vaporize the liquid medium and thereby cause the vapor of the liquid medium to be ejected through the micronozzles in the form of corresponding jets of vapor of the liquid medium from the second surface.

В раскрытом варианте обеспечение жидкой средой включает заполнение резервуара жидкой средой и доставку жидкой среды из резервуара к первой поверхности нагревательного элемента. Настоящее изобретение будет более полно понятно из следующего подробного описания его вариантов осуществления вместе с чертежами, на которых:In the disclosed embodiment, providing the liquid medium includes filling a reservoir with the liquid medium and delivering the liquid medium from the reservoir to the first surface of the heating element. The present invention will be more fully understood from the following detailed description of its embodiments, together with the drawings, in which:

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Фиг. 1 - схематический вид в перспективе нагревательного элемента с массивом микросопел в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 1 is a schematic perspective view of a heating element with an array of micronozzles in accordance with an embodiment of the invention;

Фиг. 2А, 2В и 2С - схематические виды сбоку микросопел и среды, насыщенной жидкостью, в соответствии с вариантами осуществления изобретения;Fig. 2A, 2B and 2C are schematic side views of micronozzles and liquid-saturated media in accordance with embodiments of the invention;

Фиг. 3А - схематический вид в перспективе цилиндрического нагревательного элемента с цилиндрическими электроконтактными площадками в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 3A is a schematic perspective view of a cylindrical heating element with cylindrical contact pads in accordance with an embodiment of the invention;

Фиг. 3В - схематический вид в перспективе изогнутого нагревательного элемента с плоскими электроконтактными площадками в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 3B is a schematic perspective view of a curved paddle heating element in accordance with an embodiment of the invention;

Фиг. 3С - схематический вид в перспективе плоского нагревательного элемента с вытравленными микросоплами в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 3C is a schematic perspective view of a flat micronozzle etched heating element in accordance with an embodiment of the invention;

Фиг. 3D - схематический вид в перспективе плоского нагревательного элемента с продольными микросоплами в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 3D is a schematic perspective view of a flat heating element with longitudinal micronozzles according to an embodiment of the invention;

Фиг. 4А - схематический вид сбоку шероховатого сопряжения импульсного контакта в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 4A is a schematic side view of a rough impulse contact interface according to an embodiment of the invention;

Фиг. 4В - схематический вид сбоку структурированного сопряжения импульсного контакта в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 4B is a schematic side view of a structured impulse contact interface in accordance with an embodiment of the invention;

Фиг. 5А - схематический вид в перспективе полоскового сопряжения зажимного электрического контакта в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 5A is a schematic perspective view of a strip interface of a clamp-on electrical contact according to an embodiment of the invention;

Фиг. 5В - схематический вид в перспективе полоскового сопряжения зажимного электрического контакта в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;Fig. 5B is a schematic perspective view of a strip interface of a clamp-on electrical contact according to another embodiment of the invention;

Фиг. 5С - схематический вид в перспективе полоскового сопряжения зажимного электрического контакта в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения;Fig. 5C is a schematic perspective view of a strip interface of a clamp-on electrical contact in accordance with another embodiment of the invention;

Фиг. 6 - схематический вид в перспективе устройства электронной сигареты с соплами воздуховодов в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 6 is a schematic perspective view of an electronic cigarette device with airway nozzles according to an embodiment of the invention;

Фиг. 7 - принципиальная электрическая схема генератора аэрозолей с источником питания с гальванически изолированным выходом в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 7 is a circuit diagram of an aerosol generator with a galvanically isolated output power supply in accordance with an embodiment of the invention;

Фиг. 8А - схематический вид в перспективе плоского сменного нагревательного элемента в соответствии с вариантом осуществления изобретения;Fig. 8A is a schematic perspective view of a flat replaceable heating element in accordance with an embodiment of the invention;

Фиг. 8В - схематический вид в перспективе цилиндрического сменного нагревательного элемента в соответствии с вариантом осуществления изобретения; а такжеFig. 8B is a schematic perspective view of a cylindrical replaceable heating element in accordance with an embodiment of the invention; and

Фиг. 9 - схематический график импульсов, применяемых в устройстве для аэрозолизации, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.Fig. 9 is a schematic diagram of pulses used in an aerosolization device according to an embodiment of the invention.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Для безопасных и удобных электронных сигарет и аналогичных вапоризационных устройств было бы полезно иметь альтернативную систему и способ, позволяющие генерировать аэрозоль высокой плотности при значительно сниженных уровнях риска, в то же время делая возможным более стандартизированное менее затратное производство.For safe and convenient electronic cigarettes and similar vaporization devices, it would be beneficial to have an alternative system and method to generate high density aerosol at significantly reduced levels of risk while allowing more standardized, lower cost production.

В ответ на эту потребность варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают систему нагрева для генерации аэрозоля, которая содержит тонкий проводящий нагревательный элемент, множество узких микросопел для вапоризации жидкости и ускорения направляемого пара в нагревательном элементе, и неадиабатические электрические контакты на этом элементе для электропитания. Нагревательный элемент и микросопла выполнены для быстрой термической релаксации. Компоненты системы имеют устройство, форму и конфигурацию, обеспечивающую вапоризационное устройство, способное к быстрому, повторяющемуся нагреву и быстрой термической релаксации.In response to this need, embodiments of the present invention provide a heating system for generating an aerosol that includes a thin conductive heating element, a plurality of narrow micronozzles for vaporizing liquid and accelerating the directed vapor in the heating element, and non-adiabatic electrical contacts on the element for power supply. The heating element and micronozzles are designed for fast thermal relaxation. The components of the system are designed, shaped and configured to provide a vaporization device capable of rapid, repetitive heating and rapid thermal relaxation.

В некоторых вариантах реализации жидкая среда (например, жидкость для электронных сигарет), расположенная на входе в микросопла горячего нагревательного тела, сначала быстро испаряется там с образованием насыщенных паров в каждом цикле нагрева. Затем пары ускоряются микросоплами и выходят в виде высокоскоростных горячих газовых струй в окружающий воздух. Струи резко охлаждаются при смешивании с окружающим воздухом, обеспечивая последовательность порций аэрозоля, которые аккумулируются в затяжку. Чем выше скорость струи пара и степень пересыщения, тем более концентрированным является аэрозоль.In some embodiments, the liquid medium (eg, e-liquid) located at the inlet of the hot heating body micronozzles first quickly evaporates there to form saturated vapors in each heating cycle. The vapors are then accelerated by micronozzles and exit as high-velocity hot gas jets into the surrounding air. The jets are rapidly cooled when mixed with ambient air, providing a succession of aerosol shots that accumulate in a puff. The higher the steam jet velocity and the degree of supersaturation, the more concentrated the aerosol is.

После каждого импульса вапоризации нагревательный элемент быстро охлаждается, позволяя новой порции жидкости заполнять область у входа в микросопла, пока цикл не повторится. Таким образом, устройство может создавать последовательности дискретных порций интенсивного аэрозоля в ответ на серии коротких мощных электрических импульсов. Такая импульсная работа нагревательного элемента вызывает лишь небольшое рассеивание тепла в окружение, в отличие от непрерывного нагрева, таким образом защищая окружение от перегрева.After each vaporization pulse, the heating element is rapidly cooled, allowing a new portion of the liquid to fill the area at the entrance to the micronozzles until the cycle repeats. Thus, the device can create a sequence of discrete portions of intense aerosol in response to a series of short powerful electrical pulses. Such pulse operation of the heating element causes only little heat dissipation to the surroundings, as opposed to continuous heating, thus protecting the surroundings from overheating.

Раскрытая система включает в себя, но не ограничивается этим, систему нагрева для вапоризации жидкости, имеющую по меньшей мере один электрический нагревательный проводник, специально приспособленный для работы в импульсном режиме. Проводник выполнен в виде двустороннего элемента, сконфигурированного для быстрой термической релаксации, с областями электрического контакта на элементе и с множеством сквозных микросопел в элементе, также сконфигурированных для быстрой термической релаксации, имеющими отверстия впрыска на одной стороне и отверстия выброса на другой стороне элемента для вапоризации жидкости и образования паровых струй.The disclosed system includes, but is not limited to, a liquid vaporization heating system having at least one electrical heating conductor specially adapted for pulsed operation. The conductor is made in the form of a double-sided element configured for fast thermal relaxation, with areas of electrical contact on the element and with a plurality of through micronozzles in the element, also configured for fast thermal relaxation, having injection holes on one side and ejection holes on the other side of the element for liquid vaporization and formation of steam jets.

В некоторых вариантах осуществления изобретения устройство для аэрозолизации содержит резервуар, который может включать контейнер для хранения жидкости, фитили для транспортировки жидкости и/или другие компоненты, содержащие жидкую среду и являющиеся источником ее, и двусторонний нагревательный элемент, содержащий тонкий лист электропроводящий материал, способный к быстрому повторяющемуся нагреву. Нагревательный элемент имеет первую поверхность на первой стороне элемента, которая находится в физическом контакте с жидкой средой, и вторую поверхность на второй стороне элемента, противоположную первой поверхности. Массив узких микросопел, которые также способны к быстрому повторяющемуся нагреву, размещены по площади листа и проходят через лист от первой поверхности ко второй поверхности. Блок электропитания генерирует и подает через область листа импульсы электрического тока, с энергией импульсов выбранных таким образом, чтобы нагреть проводящий материал достаточно для вапоризации жидкой среды и посредством этого обусловить выброс пара жидкой среды через микросопла в виде соответствующих струй пара жидкогой среды со второй поверхности.In some embodiments of the invention, the aerosolization device includes a reservoir, which may include a container for storing liquid, wicks for transporting liquid and/or other components containing and source liquid medium, and a double-sided heating element containing a thin sheet of electrically conductive material capable of rapid repetitive heating. The heating element has a first surface on the first side of the element, which is in physical contact with the liquid medium, and a second surface on the second side of the element, opposite the first surface. An array of narrow micronozzles, which are also capable of rapid repetitive heating, are placed over the area of the sheet and extend through the sheet from the first surface to the second surface. The power supply unit generates and delivers electric current pulses through the sheet area, with the pulse energy selected in such a way as to heat the conductive material enough to vaporize the liquid medium and thereby cause the liquid medium vapor to be ejected through the micronozzles in the form of corresponding liquid medium vapor jets from the second surface.

В раскрытом варианте осуществления резервуар содержит пористую среду, такую как среда из стекловолокна, которая насыщена жидкой средой и которая, например, подает жидкую среду из котейнера и находится в физическом контакте с первой поверхностью листа электропроводящего материала.In the disclosed embodiment, the reservoir contains a porous medium, such as a glass fiber medium, which is saturated with liquid medium and which, for example, supplies liquid medium from a container and is in physical contact with the first surface of the sheet of electrically conductive material.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, вторая сторона нагревательного элемента содержится в воздуховоде, содержащем воздухозаборник, через который окружающий воздух проходит в воздуховод и по второй стороне, образуя таким образом аэрозоль, содержащий вапоризованную жидкую среду. Аэрозоль выходит из воздуховода через выходное отверстие. Воздушный поток в воздуховоде может быть инициирован перепадом давления между воздухозаборником и выходом отверстием, создаваемым, например, затяжкой вейпа. Чем интенсивнее воздух смешивается с насыщенными парами, тем плотнее аэрозоль. В другом варианте осуществления воздуховод содержит воздушные сопла специальной формы для создания турбулентности воздуха над нагревательным элементом для улучшенного перемешивания пара и стимулирования образования аэрозоля.In one embodiment, at least the second side of the heating element is contained in an air duct containing an air intake through which ambient air passes into the air duct and along the second side, thereby forming an aerosol containing a vaporized liquid medium. The aerosol leaves the duct through the outlet. The airflow in the duct can be initiated by a pressure difference between the air inlet and the outlet, created, for example, by inhaling a vape. The more intense the air is mixed with saturated vapors, the denser the aerosol. In another embodiment, the air duct contains specially shaped air nozzles to create air turbulence over the heating element to improve steam mixing and promote aerosol formation.

Электропроводящий нагревательный элемент может быть плоским или иметь изогнутую форму и может содержать, например, лист металла подходящей формы или легированный полупроводниковый материал. Обычно нагревательный элемент формируется из листа проводящего материала, имеющего размер между первой и второй сторонами менее примерно 1 мм. Микросопла имеют соответствующую длину, равную размеру элемента, и диаметры менее примерно 0,2 мм. Эти размеры позволяют им мгновенно реагировать на повторяющиеся импульсы нагрева, имеющие длительность и время задержки между импульсами менее 100 мс. Лист может быть тоньше, чем размер элемента между первой и второй сторонами, например, менее 0,5 мм, менее 0,3 мм или даже менее 0,05 мм. В этом случае микросопла сформированы так, чтобы выступать из поверхности листа на второй стороне нагревательного элемента. Диаметр микросопла определяется термодинамикой процессов нагрева и охлаждения жидкости внутри и поэтому может быть шире или уже, чем толщина листа.The electrically conductive heating element may be flat or curved, and may comprise, for example, a suitably shaped metal sheet or doped semiconductor material. Typically, the heating element is formed from a sheet of conductive material having a dimension between the first and second sides of less than about 1 mm. The micronozzles have an appropriate length equal to the element size and diameters less than about 0.2 mm. These dimensions allow them to instantly respond to repetitive heating pulses that have a duration and a delay time between pulses of less than 100 ms. The sheet may be thinner than the feature dimension between the first and second sides, such as less than 0.5 mm, less than 0.3 mm, or even less than 0.05 mm. In this case, the micronozzles are formed to protrude from the surface of the sheet on the second side of the heating element. The diameter of the micronozzle is determined by the thermodynamics of the processes of heating and cooling of the liquid inside and therefore can be wider or narrower than the thickness of the sheet.

В некоторых вариантах реализации микросопла имеют усеченную конусообразную форму. В качестве альтернативы микросопла могут быть соплами Лаваля. В обоих случаях микросопла могут быть пробиты через лист электропроводящего материала (и, таким образом, выступать наружу от второй поверхности) или могут быть протравлены через лист электропроводящего материала (так, чтобы они находились заподлицо с второй поверхностью). Травление и пробивание также могут выполняться с помощью лазерной перфорации.In some embodiments, the micronozzles have a truncated conical shape. Alternatively, the micronozzles may be Laval nozzles. In both cases, the micronozzles may be pierced through a sheet of electrically conductive material (and thus protrude outward from the second surface) or may be etched through a sheet of electrically conductive material (so that they are flush with the second surface). Etching and punching can also be done with laser perforation.

Каждое из микросопел преимущественно включает в себя отверстие впрыска и сегмент ускорения пара для создания дискретных суб- или, возможно, даже сверхзвуковых струй горячего насыщенного пара, когерентно с каждым импульсом последовательности импульсов электрического тока. Отверстие впрыска микросопла имеет конфигурацию, способствующую улавливанию, движению и ускорению паров жидкости по направлению к отверстию выброса. Кроме того, предпочтительно, чтобы множество микросопел было расположено в виде массива равномерно распределенных идентичных микросопел, что способствует равномерному нагреву.Each of the micronozzles advantageously includes an injection port and a steam boost segment to create discrete sub- or possibly even supersonic jets of hot saturated steam coherently with each pulse of the electric current pulse train. The injection port of the micronozzle is configured to trap, move, and accelerate liquid vapor towards the ejection port. Further, it is preferable that the plurality of micronozzles be arranged in an array of evenly spaced identical micronozzles, which promotes uniform heating.

Кроме того, предпочтительно, чтобы токопроводящее нагревательный элемент с его микросоплами и электроконтактными площадками был выполнен в форме с быстрым тепловым откликом, что позволяет его температуре циклически повышаться и понижаться от точки кипения жидкой среды когерентно с каждым импульсом и задержкой между импульсами последовательности электрических импульсов, применяемых во время каждой затяжки. Обычно тело проводника изготавливается из термомеханически стабильного материала, устойчивого к тепловым ударам, термомеханической усталости и микротрещинам.Furthermore, it is preferable that the conductive heating element with its micronozzles and electrical contact pads be in a form with a fast thermal response, which allows its temperature to cycle up and down from the boiling point of the liquid medium coherently with each pulse and the delay between pulses of the train of electrical pulses applied. during every puff. Typically, the conductor body is made of a thermomechanically stable material that is resistant to thermal shock, thermomechanical fatigue and microcracks.

В одном возможном варианте нагревательный элемент является плоским, сформированным в виде тонкого листа или пластины из электропроводящего материала с микросоплами, лежащими в плоскости пластины, причем первая и вторая стороны образованы одной парой краев пластины, и электроконтактными площадками, расположенные на другой паре краев пластины.In one possible embodiment, the heating element is flat, formed in the form of a thin sheet or plate of electrically conductive material with micronozzles lying in the plane of the plate, with the first and second sides formed by one pair of plate edges, and electrical contact pads located on the other pair of plate edges.

В других возможных вариантах осуществления нагревательный элемент является трубчатым и сформирован в виде электропроводящей тонкостенной трубки или тонкого листа, изогнутого в цилиндрическую форму, с микросоплами, направленными радиально внутрь или из цилиндра. Электроконтактные площадки сформированы на краях цилиндра.In other possible embodiments, the heating element is tubular and formed as an electrically conductive thin-walled tube or thin sheet bent into a cylindrical shape with micronozzles directed radially in or out of the cylinder. Electrocontact pads are formed on the edges of the cylinder.

В дополнительном варианте осуществления нагревательный элемент выполнен в виде тонкой пластины с микросоплами, расположенными поперек или перпендикулярно плоскости пластины.In an additional embodiment, the heating element is made in the form of a thin plate with micronozzles located across or perpendicular to the plane of the plate.

В некоторых вариантах осуществления нагревательный элемент содержит электрические контакты, расположенные на листе электропроводящего материала на противоположных сторонах массива микросопел, а блок электропитания содержит электрические выводы, подключенные для подачи электрического тока через электрические контакты. В одном варианте осуществления электрические контакты содержат неадиабатические микроформы, сформированные для рассеивания тепла, выделяемого контактным сопротивлением во время каждого импульса, по меньшей мере, на одной из поверхностей электропроводящего материала, а электрические выводы прижаты к микроформам. В другом варианте осуществления электрические контакты содержат один или несколько вырезов, образованных по меньшей мере на одной из поверхностей электропроводящего материала, а электрические выводы имеют цилиндрическую форму, которая сопряжена с одним или несколькими вырезами. Электрические выводы образуют узкое полосообразное сопряжение с электроконтактными площадками и могут также иметь неадиабатические микроформы. Сопряжение может быть сформировано путем соединения или зажима выводов с равномерным давлением на контактную поверхность.In some embodiments, the heating element includes electrical contacts located on a sheet of electrically conductive material on opposite sides of the micronozzle array, and the power supply includes electrical leads connected to supply electrical current through the electrical contacts. In one embodiment, the electrical contacts comprise non-adiabatic micro molds formed to dissipate the heat generated by the contact resistance during each pulse on at least one of the surfaces of the electrically conductive material, and the electrical leads are pressed against the micro molds. In another embodiment, the electrical contacts comprise one or more cutouts formed on at least one of the surfaces of the electrically conductive material, and the electrical leads are cylindrical in shape that mates with the one or more cutouts. The electrical terminals form a narrow strip-like interface with the electrical pads and may also have non-adiabatic micro-shapes. Mating can be formed by connecting or clamping the leads with uniform pressure on the contact surface.

Как отмечалось ранее, блок электропитания обычно подает импульсы на нагревательный элемент в последовательности с длительностью импульса и задержкой между импульсами, выбранными так, чтобы температура жидкой среды, которая контактирует с первой поверхностью листа проводящего материала поднимается выше точки кипения жидкой среды во время импульсов и опускается ниже точки кипения во время задержки между импульсами. В одном варианте осуществления блок электропитания содержит датчик температуры, который имеет быстрый отклик и сконфигурирован для мгновенного измерения изменений температуры. Блок электропитания регулирует параметры последовательности импульсов, такие как величина мощности импульса, продолжительность и интервал между импульсами, в ответ на выходной сигнал датчика температуры. В другом варианте осуществления простой датчик температуры, имеющий долгий отклик может быть использован для контроля средней мощности во время затяжки.As noted earlier, the power supply typically pulses the heating element in sequence with a pulse duration and a delay between pulses chosen such that the temperature of the liquid medium that contacts the first surface of the sheet of conductive material rises above the boiling point of the liquid medium during the pulses and falls below boiling point during the delay between pulses. In one embodiment, the power supply includes a temperature sensor that has a fast response and is configured to sense changes in temperature instantly. The power supply unit regulates the parameters of the pulse train, such as the magnitude of the pulse power, duration and interval between pulses, in response to the output signal of the temperature sensor. In another embodiment, a simple temperature sensor having a long response time can be used to monitor the average power during a puff.

В некоторых вариантах осуществления блок электропитания содержит батарею, например литиевую батарею. В других вариантах осуществления схема генератора импульсов в блоке электропитания может быть соединена изолирующим трансформатором с нагревательным элементом для защиты пользователя от возможного поражения электрическим током, например, в случае сетевого питания.In some embodiments, the implementation of the power supply contains a battery, such as a lithium battery. In other embodiments, the pulse generator circuit in the power supply may be connected by an isolation transformer to a heating element to protect the user from possible electric shock, such as in the case of mains power.

В некоторых вариантах осуществления слой пористой среды, который насыщен жидкой средой, находится в физическом контакте с первой стороной нагревательного элемента, при этом пористая среда частично заполняет отверстия впрыска микросопел. В других вариантах реализации в слой пористой среды непрерывно подается жидкая среда из контейнера для хранения жидкости посредством средств гидравлического соединения, например, стекловолоконные жгуты. Таким образом, все компоненты, содержащие жидкую среду, составляют резервуар для жидкости. Слой пористой среды на границе с нагревательным элементом подает жидкую среду в нагревательный элемент во время каждого импульса нагрева. В дополнительных вариантах осуществления слой пористой среды также может быть погружен в контейнер для хранения жидкости. Чтобы подавить гидравлическое сообщение между соседними микросоплами, размер пор пористой среды намного меньше, чем отверстия впрыска микросопла. Толщина пористой среды обычно намного больше, чем длина термодиффузии в жидкой среде, так что достаточное количество жидкости может быть предоставлено слоем пористой среды для вапоризации во время импульса нагрева.In some embodiments, a layer of porous media that is saturated with liquid media is in physical contact with the first side of the heating element, with the porous media partially filling the injection holes of the micronozzles. In other embodiments, liquid medium is continuously supplied to the porous media layer from a liquid storage container via hydraulic connection means, such as fiberglass tows. Thus, all components containing a liquid medium constitute a liquid reservoir. The layer of porous medium at the boundary with the heating element supplies the liquid medium to the heating element during each heating pulse. In additional embodiments, the implementation of the layer of porous media can also be immersed in a container for storing liquid. To suppress hydraulic communication between adjacent micronozzles, the pore size of the porous medium is much smaller than the injection holes of the micronozzle. The thickness of the porous medium is usually much greater than the thermal diffusion length in the liquid medium, so that sufficient liquid can be provided by the porous medium layer for vaporization during the heating pulse.

Некоторые варианты осуществления могут включать сменный блок, содержащий, по меньшей мере, нагревательный элемент и/или контейнер для хранения жидкости. Сменный блок также может быть выполнен в виде одноразового картриджа, содержащего контейнер для хранения жидкости, пористую среду, электрические выводы и электрический интерфейс, например, для одноразового использования.Some embodiments may include a replaceable unit containing at least a heating element and/or a fluid storage container. The refill may also be in the form of a disposable cartridge containing a liquid storage container, a porous medium, electrical leads, and an electrical interface, eg for disposable use.

В некоторых показательных вариантах осуществления нагревательный элемент с микросоплами и электроконтактными площадками может быть изготовлен с использованием микрообработки кремния.In some exemplary embodiments, the micronozzle and electrical pad heating element may be fabricated using silicon micromachining.

В других вариантах осуществления нагревательный элемент сформирован из фольги электропроводящего термостойкого материала, такого как, например, металлов, сплавов или сильнолегированных полупроводников, например кремния. Фольга может быть зажата, например, пружинящими выводами и растянута по области пористой среды, насыщенной жидкостью.In other embodiments, the implementation of the heating element is formed from a foil of electrically conductive heat-resistant material, such as, for example, metals, alloys or heavily doped semiconductors, such as silicon. The foil can be clamped, for example, by springy leads and stretched over a region of a porous medium saturated with liquid.

В некоторых вариантах осуществления резервуар и нагревательный элемент заключены в корпус, который включает по меньшей мере один воздуховод (также называемый воздухопроводом) для подачи воздуха к нагревательному элементу, отвода паров и аэрозолей от нагревательного элемента и удаления тепла от устройства. Как отмечалось выше, нагревательный элемент, включая микросопла и электроконтактные площадки, имеет быстрый тепловой отклик, что позволяет ему циклически работать выше и ниже точки кипения жидкости согласованно с электрическими импульсами и задержкой между импульсами применяемых последовательностей импульсов во время каждой затяжки. Устройство может включать в себя блок электропитания, подключенный к проводнику через электроконтактные площадки, с блоком электрического управления для управления параметрами выходного импульса.In some embodiments, the reservoir and heating element are enclosed in a housing that includes at least one duct (also referred to as an air duct) to supply air to the heating element, remove vapors and aerosols from the heating element, and remove heat from the device. As noted above, the heating element, including micronozzles and electrical pads, has a fast thermal response, allowing it to cycle above and below the boiling point of the liquid in concert with the electrical pulses and inter-pulse delay of the applied pulse trains during each puff. The device may include a power supply unit connected to the conductor through electrical contact pads, with an electrical control unit for controlling the parameters of the output pulse.

Фиг. 1 представляет собой схематический вид в перспективе нагревательного элемента 100 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Нагревательный элемент 100 содержит лист 102 из проводящего материала, имеющий первую поверхность 104 для взаимодействия с жидкой средой для аэрозолизации и вторую поверхность 106 для взаимодействия с окружающим воздухом. Пара электроконтактных площадок 108 электрического контакта на листе 102 пропускает электрический ток через область листа, в которой сформирован массив микросопел 110.Fig. 1 is a schematic perspective view of a heating element 100 in accordance with an embodiment of the invention. The heating element 100 includes a sheet 102 of conductive material having a first surface 104 for interaction with the liquid aerosolization medium and a second surface 106 for interaction with ambient air. A pair of electrical contact pads 108 on sheet 102 conduct electrical current through the area of the sheet in which the array of micronozzles 110 is formed.

Микросопла 110 служат для увеличения скорости расширяющихся паров, образующихся при вапоризации жидкой среды, которая находится в контакте с первой поверхностью 104. Поскольку микросопла 110 расположены внутри листа 102, тепло передающееся от листа 102 за счет теплопроводности, излучение и конвекция может нагревать жидкую среду на первой поверхности 104 и испарять ее в микросоплах 110 с образованием перенасыщенных паров, которые ускоряются микросоплами 110 и выпускаются в окружающий воздух на второй стороне 106 в виде высокоскоростных направленных струй пара. Аэрозоль образуется из-за резкого охлаждения горячих насыщенных паров жидкой среды за счет столкновения с холодным воздухом над нагревательным элементом 100 при каждой затяжке. Частицы и молекулы пара теряют свою кинетическую энергию и коагулируют в более крупные капли, которые, таким образом, представляют собой аэрозоль. Чем выше степень перенасыщения и чем быстрее охлаждение пара, тем плотнее будет аэрозоль и тем меньше будут частицы аэрозоля.The micronozzles 110 serve to increase the rate of expanding vapors generated by the vaporization of the liquid medium that is in contact with the first surface 104. surface 104 and evaporate it in the micronozzles 110 to form supersaturated vapors, which are accelerated by the micronozzles 110 and released into the ambient air on the second side 106 in the form of high-velocity directional steam jets. The aerosol is formed due to the rapid cooling of the hot saturated vapors of the liquid medium by collision with the cold air above the heating element 100 with each puff. The particles and molecules of the vapor lose their kinetic energy and coagulate into larger droplets, which are thus an aerosol. The higher the degree of supersaturation and the faster the cooling of the vapor, the denser the aerosol will be and the smaller the aerosol particles will be.

Лист 102 может быть изготовлен из термомеханически стабильного электропроводящего материала, такого как металлы, сплавы, сильнолегированные полупроводники с низким удельным сопротивлением, например, n-типа или р-типа монокристаллический, поликристаллический или аморфный кремний или проводящие стекла, керамика, композиты или другие материалы, имеющие удельное электрическое сопротивление не более 0,01 Ом⋅см и устойчивость к тепловому удару.Sheet 102 may be made of a thermomechanically stable electrically conductive material such as metals, alloys, heavily doped low resistivity semiconductors, such as n-type or p-type monocrystalline, polycrystalline, or amorphous silicon, or conductive glasses, ceramics, composites, or other materials, having a specific electrical resistance of not more than 0.01 Ohm⋅cm and resistance to thermal shock.

Фиг. 2А, 2В и 2С представляют собой схематические виды сбоку микросопел 110, 114 и 116 соответственно и насыщенной жидкостью волокнистой пористой среды 210 в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Каждое микросопло имеет отверстие впрыска 200 для жидкости на первой поверхности 104 и отверстие 202 для выброса пара на второй поверхности 106 листа 102. Поперечные сечения микросопел 110, 114 и 116 могут быть круглыми, прямоугольными или квадратными. Первая поверхность 104 с отверстием впрыска для жидкости 200 находится в физическом контакте с жидкой средой, которая связана капиллярными силами волокнистой пористой среды 210, препятствующими утечке в окружающую среду.Fig. 2A, 2B, and 2C are schematic side views of micronozzles 110, 114, and 116, respectively, and liquid-saturated fibrous porous media 210, in accordance with embodiments of the invention. Each micronozzle has a liquid injection port 200 on the first surface 104 and a steam ejection port 202 on the second surface 106 of the sheet 102. The cross sections of the micronozzles 110, 114, and 116 may be circular, rectangular, or square. The first surface 104 with the liquid injection port 200 is in physical contact with the liquid medium, which is bound by the capillary forces of the fibrous porous medium 210 to prevent leakage to the environment.

Лист 102 нагревает жидкость за счет теплопередачи до температуры выше точки кипения в области отверстия впрыска 200, обеспечивая прохождение жидко-паровой фазы в микросопло 110, 114, 116 и ее полную вапоризацию в перенасыщенные пары за счет тепла переданного от листа 102. Отверстие выброса 202 для пара способствует выбросу расширяющихся паров в виде струи в окружающий воздух. Чтобы способствовать ускорению естественно расширяющихся горячих паров в направлении от заполненного жидкостью отверстия впрыска 200 к свободному отверстию выброса 202, микросопла 110 и 114 выполнены в виде полых усеченных конусов 204, в которых отверстие впрыска 200 сформировано в основании усеченного конуса 204 и отверстие выброса 202 сформировано усеченной частью конуса 204. В микросопле 116 может создаваться сверхзвуковая струя в результате сильного ускорения микросоплом 116, имеющем форму сопла Лаваля 206.The sheet 102 heats the liquid by heat transfer to a temperature above the boiling point in the region of the injection port 200, allowing the liquid-vapour phase to pass into the micronozzle 110, 114, 116 and completely vaporize it into supersaturated vapors due to the heat transferred from the sheet 102. The ejection port 202 for steam contributes to the release of expanding vapors in the form of a jet into the surrounding air. To help accelerate the naturally expanding hot vapors from the liquid-filled injection port 200 to the free ejection port 202, the micronozzles 110 and 114 are formed as hollow frustocones 204, in which the injection port 200 is formed at the base of the frustocone 204 and the ejection port 202 is formed by a frustocone. part of the cone 204. A supersonic jet can be created in the micronozzle 116 as a result of strong acceleration by the micronozzle 116 having the shape of a Laval nozzle 206.

Независимо от формы сопла множество микросопел расположено в виде массива идентичных микросопел 110, равномерно распределенных в проводящем листе 102, например, в прямоугольной форме между электроконтактными площадками 108, как показано на Фиг. 1, так что плотность тока в области массива проводящего листа также распределяется равномерно.Regardless of the shape of the nozzle, a plurality of micronozzles are arranged as an array of identical micronozzles 110 evenly distributed in the conductive sheet 102, for example in a rectangular shape between the electrical contact pads 108, as shown in FIG. 1, so that the current density in the region of the conductive sheet array is also uniformly distributed.

В варианте осуществления, показанном на Фиг. 2В, для образования большего количества паров микросопло 114 сформировано у его отверстия впрыска 200 таким образом, чтобы образовать короткую секцию 208 усеченного конусообразного участка поверхности раздела, которая увеличивает площадь вапоризации жидкости и способствует сбору паров с первой поверхности 104 и наклонного участка поверхности раздела 208 в микросопло 114. В другом варианте осуществления этого типа апертура и угол при вершине конуса могут постепенно изменяться вдоль его оси от 90° у отверстия 200 до 0° у отверстия 202.In the embodiment shown in FIG. 2B, in order to generate more vapor, the micronozzle 114 is shaped at its injection port 200 so as to form a short section 208 of a truncated cone-shaped interface portion that increases the liquid vaporization area and assists in collecting vapors from the first surface 104 and the sloping interface portion 208 into the micronozzle. 114. In another embodiment of this type, the aperture and apex angle of the cone may gradually change along its axis from 90° at opening 200 to 0° at opening 202.

Проводящий лист 102, электроконтактные площадки 108 и микросопла 110 (или 114, или 116) нагревательного элемента 100 выполнены таким образом, чтобы позволить нагревательному элементу 100 образовывать аэрозоль дискретными порция. Лист 102 имеет быстрый термический отклик и низкую индуктивность и изготовлен из материала с высокой температуропроводностью αм. Таким образом, температура нагревательного элемента 100 способна мгновенно реагировать на последовательность коротких импульсов электрического тока длительностью τ и задержкой между импульсами δ, в сумме составляющую длительность затяжки Т, резко повышаясь выше температуры кипения жидкости Тв во время каждого из импульсов электрического тока и падения ниже температуры кипения жидкости Тв во время задержки между импульсами.The conductive sheet 102, the electrical pads 108, and the micronozzles 110 (or 114 or 116) of the heating element 100 are configured to allow the heating element 100 to produce an aerosol in discrete portions. Sheet 102 has a fast thermal response and low inductance and is made of a material with high thermal diffusivity αm . Thus, the temperature of the heating element 100 is able to instantly respond to a sequence of short electrical current pulses of duration τ and a delay between pulses δ, totaling the puff duration T, rising sharply above the boiling temperature of the liquid Tb during each of the electrical current pulses and falling below the temperature boiling liquid T in during the delay between pulses.

В некоторых вариантах осуществления материал листа 102 имеет достаточно высокий коэффициент температуропроводности αм, так что для толщины Нв листа 102 выполняется условие

Figure 00000001
В таблице 1 ниже перечислены примеры вариантов осуществления с вычисленным верхним пределом толщины Нв листа 102 для различных материалов и значений длительности τ импульса.In some embodiments, the sheet 102 material has a sufficiently high coefficient of thermal diffusivity α m so that the thickness H in sheet 102 satisfies the condition
Figure 00000001
Table 1 below lists exemplary embodiments with a calculated upper limit of thickness H in sheet 102 for various materials and pulse durations τ.

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Для длительности импульса τ примерно от 1 мс до 10 мс лист 102 может быть изготовлен из кремниевых пластин или металлической фольги, которые достаточно тонкие, чтобы реагировать на импульсы мощности большим перепадом температур. Для более короткой длительности импульса τ примерно от 0,1 мс до 1 мс подходящими могут быть как кремниевые, так и металлические фольги. В этих вариантах осуществления расстояние или толщина стенки между микросоплами 110 предпочтительно не слишком мала, например не меньше предела Нв чтобы избежать узких путей с высоким сопротивлением не только току, но также и быстрому тепловому перераспределению и релаксации в нагревательном элементе 100 за время длительности импульса τ.For a pulse duration τ of about 1 ms to 10 ms, sheet 102 can be made from silicon wafers or metal foils that are thin enough to respond to power pulses with a large temperature difference. For shorter pulse durations τ of about 0.1 ms to 1 ms, both silicon and metal foils may be suitable. In these embodiments, the distance or wall thickness between the micronozzles 110 is preferably not too small, such as not less than the limit H in order to avoid narrow paths with high resistance not only to current, but also to rapid thermal redistribution and relaxation in the heating element 100 during the pulse duration τ .

На Фиг. 3А показан нагревательный элемент 300, который имеет цилиндрическую геометрию листа 102 и радиальные микросопла 110. Электроконтактные площадки 108 расположены на паре круглых краев листа 102. Этот вариант осуществления может иметь две версии: в одном варианте первая поверхность 104 является внешней стороной, а вторая поверхность 106 является внутренней стороной цилиндрического листа 102. В другом варианте первая поверхность 104 является внутренней стороной, а вторая поверхность 106 является внешней стороной цилиндрического листа 102.On FIG. 3A shows a heating element 300 that has a cylindrical sheet geometry 102 and radial micronozzles 110. Electrical contact pads 108 are located on a pair of circular edges of the sheet 102. This embodiment can have two versions: in one embodiment, the first surface 104 is the outside, and the second surface 106 is the inner side of the cylindrical sheet 102. In another embodiment, the first surface 104 is the inner side and the second surface 106 is the outer side of the cylindrical sheet 102.

На Фиг. 3В показан другой нагревательный элемент 302, который имеет изогнутую геометрию листа 102 и радиальные микросопла 110, в котором электроконтактные площадки 108 расположены на паре плоских краев листа 102.On FIG. 3B shows another heating element 302 that has a curved sheet geometry 102 and radial micronozzles 110, in which contact pads 108 are located on a pair of flat edges of sheet 102.

Как и на Фиг. 1, на Фиг. 3С показан нагревательный элемент, имеющий плоскую геометрию листа 102 и сквозные микросопла 110, перпендикулярные плоскости листа 102, в котором электроконтактные площадки 108 расположены на паре плоских краев листа 102. Однако в этом варианте осуществления микросопла 110 протравлены через лист 102, а не пробиты, например, как это может быть сделано в предыдущих вариантах осуществления.As in Fig. 1 in FIG. 3C shows a heating element having a flat sheet geometry 102 and through micronozzles 110 perpendicular to the plane of the sheet 102, in which electrical pads 108 are located on a pair of flat edges of the sheet 102. However, in this embodiment, the micronozzles 110 are etched through the sheet 102 rather than pierced, for example , as can be done in previous embodiments.

Для изготовления нагревательного элемента лист 102 может быть сформирован различными способами, в зависимости от материала. Например, лист 102 в нагревательных элементах 100, 300 и 302 может быть изготовлен путем микроформования или микропробоя тонких полос металлической фольги. Из-за естественной пластичности металлов микросопла 110 будут формироваться при каждом пробое. Лист 102 в нагревательных элементах 300 и 302 затем может быть свернут в изогнутую форму и разрезан до желаемого размера. В нагревательном элементе 304 лист 102 может быть изготовлен из пластины или другой подложки из металлического или полупроводникового материала, такого как кремний, с использованием технологий микрообработки, например фототравления или фотолитографии с последующим травлением материалов, в частности, глубоким реактивно-ионным травлением полупроводниковых материалов с образованием микрополостей в листе 102. Эти микрополости могут быть сформированы в виде микросопел 110 посредством контроля параметров процесса, относящихся к анизотропии и скорости травления.For the manufacture of the heating element, the sheet 102 may be formed in various ways, depending on the material. For example, the sheet 102 in the heating elements 100, 300, and 302 may be made by microforming or micropunching thin strips of metal foil. Due to the natural ductility of metals, micronozzles 110 will form with each puncture. The sheet 102 in the heating elements 300 and 302 can then be folded into a curved shape and cut to the desired size. In the heating element 304, the sheet 102 may be fabricated from a wafer or other substrate of a metallic or semiconductor material such as silicon using micromachining techniques such as photoetching or photolithography followed by etching of the materials, such as deep reactive ion etching of semiconductor materials to form microcavities in sheet 102. These microcavities can be formed as micronozzles 110 by controlling process parameters relating to anisotropy and etch rate.

В качестве альтернативы, для создания микросопел 110 в полупроводниковых подложках, металлической фольге, стекле или керамических материалах можно использовать лазерную микропробой, микроперфорацию или микротравление, например, с помощью лазеров с ультракороткими импульсами. Б качестве альтернативы для металлов можно использовать микроэрозию или другие технологии электрохимической и микрообработки. В качестве альтернативы, некоторые материалы могут быть экструдированы и сплавлены в поликапиллярный стержень, с последующим поперечным разрезанием на пластины с множеством микрополостей.Alternatively, laser micropunch, microperforation, or microetching, such as with ultrashort pulse lasers, can be used to create micronozzles 110 in semiconductor substrates, metal foils, glass, or ceramic materials. As an alternative for metals, microerosion or other electrochemical and micromachining technologies can be used. Alternatively, some materials can be extruded and fused into a polycapillary rod, followed by cross-cutting into plates with multiple microcavities.

На Фиг. 3D показан нагревательный элемент 306, который имеет продольные микросопла 110 в плоскости плоского листа 102 и электроконтактные площадки 108, расположенные на паре краев пластины, не имеющих отверстий микросопел 110. Нагревательный элемент 306 может быть изготовлен из двух металлических или полупроводниковых, например кремниевых, пластин или подложек, которые сначала подвергаются микрообработке, а затем зажимаются и сращиваются вместе.On FIG. 3D shows a heating element 306 which has longitudinal micronozzles 110 in the plane of the flat sheet 102 and electrical contact pads 108 located on a pair of plate edges that do not have micronozzle openings 110. substrates that are first micromachined and then clamped and spliced together.

В некоторых вариантах реализации каждое из микросопел 110 имеет максимальный диаметр DN определяемый условиями

Figure 00000004
и
Figure 00000005
где αL - коэффициент температуропроводности жидкости или пара. В таблице 2 перечислены примеры вариантов осуществления с расчетным верхним пределом диаметра DN микросопел 110 для типичного примера глицерина в качестве жидкости и различных значений длительности импульса τ:In some embodiments, each of the micronozzles 110 has a maximum diameter D N determined by the conditions
Figure 00000004
And
Figure 00000005
where α L is the thermal diffusivity of the liquid or vapor. Table 2 lists exemplary embodiments with a calculated upper limit of micronozzle diameter D N 110 for a typical example of glycerol as a liquid and various pulse widths τ:

Figure 00000006
Figure 00000006

Для длительностей импульса τ, например, примерно от 1 мс до 10 мс, микросопла 110 могут иметь диаметр примерно от 0,05 до 0,1 мм.For pulse durations τ, for example, from about 1 ms to 10 ms, the micronozzles 110 may have a diameter of from about 0.05 to 0.1 mm.

В некоторых вариантах реализации система нагрева может иметь чувствительный элемент 112, например датчик температуры, расположенный на листе 102 или внутри него, например, в одном из микросопел 110, как показано на Фиг. 1. Датчик 112 может использоваться для управления параметрами процесса, например, температурой листа 102. Для обеспечения определения пиковых значений датчик 112 может быть сформирован для быстрого теплового отклика, чтобы обеспечить адекватное разрешение измерения в течение длительности импульса τ и временной задержки δ. В зависимости от материала и размеров листа 102, в некоторых вариантах осуществления датчик 112 может содержать термопару, возможно, с использованием термоэлектрического эффекта в стыке с материалом листа 102. В других вариантах осуществления датчик 112 может содержать стеклянную герметизированный термистор. В другом варианте осуществления датчик 112 может содержать тонкопленочное сопротивление и/или кремниевый датчик температуры на основе запрещенной зоны, нанесенный на лист 102 в виде тонкого покрытия. В качестве альтернативы для температуных датчиков могут быть использованы термоэлементы на основе термоэлектрического эффекта на стыке между полупроводником и металлическими выводами.In some embodiments, the heating system may have a sensing element 112, such as a temperature sensor, located on or within the sheet 102, such as in one of the micronozzles 110, as shown in FIG. 1. Sensor 112 can be used to control process parameters such as the temperature of sheet 102. To provide peak detection, sensor 112 can be configured for fast thermal response to provide adequate measurement resolution over pulse width τ and time delay δ. Depending on the material and dimensions of the sheet 102, in some embodiments, the sensor 112 may comprise a thermocouple, possibly using a thermoelectric effect in contact with the material of the sheet 102. In other embodiments, the sensor 112 may comprise a glass hermetically sealed thermistor. In another embodiment, the sensor 112 may comprise a thin film resistance and/or a silicon bandgap temperature sensor deposited on the sheet 102 in the form of a thin coating. As an alternative for temperature sensors, thermoelements based on the thermoelectric effect at the junction between the semiconductor and metal leads can be used.

В некоторых вариантах осуществления электрический контакт обеспечивается электромеханическими пружинными зажимами. Например, на Фиг. 4А показан электрический контакт 400, в котором контактная поверхность 402 находится на распределенных микроформах, таких как микропятнах 408 неровностей поверхности из-за естественной или искусственной шероховатости на границе раздела между электроконтактной площадкой 108 листа 102 и выводов 404. Электроконтактная площадка 108 имеет низкий электрический импеданс, быстрый тепловой отклик и высокую стойкость к тепловому удару, так что при прохождении коротких мощных электрических импульсов контактная поверхность 402 быстро достигает теплового равновесия за счет быстрого рассеивания переходного тепла от микропятен 408 контактной поверхности 402. Для защиты электроконтактной площадки 108 от локального искрения и перегрева, микропятна 408 контактной поверхности 402 распределяются равномерно по электроконтактной площадке 108. В одном варианте осуществления микропятна 408 контактной поверхности 402 имеют диаметр D1 удовлетворяющий условиям

Figure 00000007
и
Figure 00000008
и распределены таким образом, что расстояние Δ между соседними микропятнами контактной поверхности 402 удовлетворяет условию Δ>>D1.In some embodiments, electrical contact is provided by electromechanical spring clips. For example, in FIG. 4A shows an electrical contact 400 in which the contact surface 402 is on distributed microforms, such as microspots 408 of surface irregularities due to natural or artificial roughness at the interface between the electrical contact pad 108 of the sheet 102 and the leads 404. The electrical contact pad 108 has a low electrical impedance, fast thermal response and high resistance to thermal shock, so that when passing short powerful electrical pulses, the contact surface 402 quickly reaches thermal equilibrium due to the rapid dissipation of transient heat from the micro-spots 408 of the contact surface 402. To protect the electrical pad 108 from local sparking and overheating, micro-spots 408 of the contact surface 402 are evenly distributed over the electrical pad 108. In one embodiment, the microspots 408 of the contact surface 402 have a diameter D 1 satisfying the conditions
Figure 00000007
And
Figure 00000008
and distributed in such a way that the distance Δ between adjacent microspots of the contact surface 402 satisfies the condition Δ>>D 1 .

В другом варианте осуществления электрического контакта 406, показанном на Фиг. 4В, контактная поверхность 402 между выводами 404 и электроконтактной площадки 108 может содержать множество, например массив, микропятен 408 заранее установленного диаметра D1 и расстоянием Δ между соседними микропятнами. Эти микропятна образованы искусственно созданными микроформами, например сферическими или конусообразными микроформами, вытравленными на поверхности листа 102, удовлетворяющими условиям

Figure 00000009
и Δ>D1. Количество микропятен 408 на контактной поверхности 402 электрических контактов 400 и 406 может быть настолько большим, насколько это необходимо для перераспределения вклада контактного сопротивления в пиковое повышение температуры в каждом микропятне при каждом импульсе.In another embodiment of electrical contact 406 shown in FIG. 4B, contact surface 402 between terminals 404 and electrical pad 108 may comprise a plurality, such as an array, of microspots 408 of a predetermined diameter D 1 and distance Δ between adjacent microspots. These micro-spots are formed by artificially created micro-shapes, such as spherical or cone-shaped micro-shapes, etched into the surface of the sheet 102, satisfying the conditions
Figure 00000009
and Δ>D 1 . The number of microspots 408 on contact surface 402 of electrical contacts 400 and 406 may be as large as necessary to redistribute the contribution of contact resistance to the peak temperature rise in each microspot on each pulse.

В таблице 3 ниже перечислены примеры вариантов осуществления с вычисленным верхним пределом диаметра микропятен D1 для типичного примера покрытых золотом поверхностей из меди и кремния и различных значений длительности импульса τ.Table 3 below lists exemplary embodiments with a calculated upper limit of microspot diameter D 1 for a typical example of gold-plated copper and silicon surfaces and various pulse widths τ.

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Для длительностей τ импульса, например, от около 1 мс до 10 мс, диаметры D1 микропятен 408 могут находиться в диапазоне от около 0,01 мм до 0,1 мм.For pulse durations τ, for example, from about 1 ms to 10 ms, the diameters D1 of microspots 408 may range from about 0.01 mm to 0.1 mm.

На Фиг. 5А показан электрический контакт 500, в котором контактная поверхность 402 между выводом 404 и листом 102 на электроконтактной площадке 108 выполнен в виде по меньшей мере одной узкой полосы, образованной цилиндрическим выводом 404 и плоской поверхностью электроконтактной площадки 108.On FIG. 5A shows an electrical contact 500 in which the contact surface 402 between the terminal 404 and the sheet 102 on the electrical contact pad 108 is formed as at least one narrow strip formed by the cylindrical terminal 404 and the flat surface of the electrical pad 108.

В другом варианте осуществления, показанном на Фиг. 5В, контактная поверхность 402 в контакте 502 содержит две узкие полоски, образованные цилиндрическим выводом 404 и ступенчатым вырезом 504 на контактной площадке 108.In another embodiment shown in FIG. 5B, the contact surface 402 in contact 502 includes two narrow strips formed by a cylindrical tab 404 and a stepped notch 504 in the contact area 108.

В следующем варианте осуществления, показанном на Фиг. 5С, контактная поверхность 402 в контакте 506 содержит две узкие полосы, образованные цилиндрическим выводом 404 и ступенчатым вырезом 508 на контактной площадке 108.In the next embodiment shown in FIG. 5C, contact surface 402 in contact 506 includes two narrow strips formed by a cylindrical tab 404 and a stepped notch 508 on contact pad 108.

В контактах 500, 502 и 506 узкие полоски контактной поверхности 402 обеспечивают путь электрического соединения для электрического тока от выводов 404 через контактную поверхность 402 к проводящему листу 102, уменьшая при этом передачу тепла от горячего листа 102 через контактную поверхность 402 в электрические выводы 404. Уменьшение утечки тепла из листа 102 через контактную поверхность 402 способствует равномерному распределению температуры по листу 102 в течение каждого импульса с длительностью τ. Узкие границы раздела полос контактов 500, 502 и 506 могут преимущественно иметь ширину узкой полосы D3, удовлетворяющую условиям

Figure 00000012
At contacts 500, 502, and 506, narrow strips of contact surface 402 provide an electrical connection path for electrical current from terminals 404 through contact surface 402 to conductive sheet 102, while reducing heat transfer from hot sheet 102 through contact surface 402 to electrical terminals 404. heat leakage from the sheet 102 through the contact surface 402 contributes to uniform temperature distribution over the sheet 102 during each pulse with a duration τ. The narrow interfaces of the contact strips 500, 502 and 506 may advantageously have a narrow strip width D 3 satisfying the conditions
Figure 00000012

Когда на контактной поверхности 402 имеются две или более узких полоски, как в контактах 502 и 506, расстояние Δ между соседними узкими полосками может преимущественно удовлетворять условию Δ>Ds.When there are two or more narrow strips on the contact surface 402, as in contacts 502 and 506, the distance Δ between adjacent narrow strips may advantageously satisfy the condition Δ>D s .

Предпочтительно соединять электрические выводы 404 и контактную площадку 108, прикладывая достаточное усилие к контактной поверхности 402, чтобы гарантировать, что контакт не нагревается из-за контактного сопротивления и не зажигается дуга во время импульсов (что может вызвать окисление и/или разрыв цепь после импульсов). Для контактных поверхностей между металлическими частями и между металлами и сильно легированными полупроводниками контактное сопротивление зависит от контактного давления. По этой причине желательно, чтобы контактное давление превышало 1 Н/мм2. Такие контакты могут быть сформированы из микроизогнутого пружинящего металла, например из латуни, проволоки или микроштампованных металлических деталей, таких как контактные пружины SMD, сформированные как зажимы для механического закрепления листа 102, обеспечивая при этом надежный гальванический контакт в контактной поверхности 402.It is preferable to connect the electrical leads 404 and pad 108 by applying sufficient force to the contact surface 402 to ensure that the contact does not heat up due to contact resistance and arc is not ignited during the pulses (which can cause oxidation and/or breakage of the circuit after the pulses) . For contact surfaces between metal parts and between metals and heavily doped semiconductors, the contact resistance depends on the contact pressure. For this reason, it is desirable that the contact pressure exceeds 1 N/mm 2 . Such contacts may be formed from micro-bent spring metal, such as brass, wire, or micro-stamped metal pieces such as SMD contact springs, formed as clamps to mechanically secure the sheet 102 while providing reliable galvanic contact at the contact surface 402.

В вариантах осуществления, в которых контактная поверхность 402 образована металлическими выводами 404, а лист 102 изготовлен из полупроводника, например сильнолегированного кремния n-типа, желательно, чтобы контактное сопротивление на границе раздела 402 было ниже, чем объемное сопротивление листа 102. Этому условию удовлетворяет скорее не Шоттки-, а омический контакт, который, таким образом, обеспечивает беспрепятственный перенос основных носителей заряда между выводами 404 и полупроводниковым листом 102 и не ограничивает электрический ток. Сильное легирование полупроводника снижает возможный барьер Шоттки, превращая его в омический контакт.In embodiments where contact surface 402 is formed by metal leads 404 and sheet 102 is made of a semiconductor, such as heavily doped n-type silicon, it is desirable that the contact resistance at interface 402 be lower than the volume resistance of sheet 102. This condition is satisfied rather not a Schottky, but an ohmic contact, which thus allows the free transfer of majority charge carriers between the terminals 404 and the semiconductor sheet 102 and does not limit the electric current. Heavy doping of the semiconductor reduces the possible Schottky barrier, turning it into an ohmic contact.

В других вариантах осуществления, в которых лист 102 изготовлен из полупроводника с низким удельным сопротивлением, контактная площадка 108 может подвергаться дополнительной обработке для уменьшения контактного сопротивления типа Шоттки. Одним из видов такой обработки может быть металлизация с учетом удельной электропроводности золотом (Au) или медью (Cu) или подходящим многослойным материалом. Для этой цели можно использовать пластины из металлизированного кремния, которые широко доступны в продаже. Соответствующий этап фотолитографии, за которым следует этап травления металла для формирования металлизированных контактов, добавляется к процессу изготовления листа 102. Другой возможный способ уменьшить контактное сопротивление в области контактной площадки 108, например, для полупроводника n-типа, является увеличение подповерхностного содержания фосфора в полупроводнике посредством диффузии фосфора в полупроводник из специальных паст, содержащих допирующий агент для легирования n-типа, наносимых через маски или трафареты, как в случае нанесения паст для поверхностного монтажа.In other embodiments where sheet 102 is made from a low resistivity semiconductor, pad 108 may be further processed to reduce Schottky type contact resistance. One such treatment may be electrical conductivity plating with gold (Au) or copper (Cu) or a suitable laminate. For this purpose, metallized silicon wafers, which are widely available commercially, can be used. An appropriate photolithography step, followed by a metal etching step to form metalized contacts, is added to the sheet 102 fabrication process. diffusion of phosphorus into the semiconductor from special pastes containing an n-type doping agent, applied through masks or stencils, as in the case of surface mounting pastes.

В некоторых вариантах реализации, как показано на Фиг. 2А-С, насыщенная жидкостью высокопористая волокнистая среда 210 гидравлически соединена с источником жидкости для аэрозолизации и прилегает к первой поверхности 104 листа 102. На границе с первой поверхностью 104 среда 210 частично заполняет микросопла 110 (или 114, или 116) для увеличения площади контакта с листом 102, тем самым увеличивая количество жидкости, которая может быть вапоризована. Преимущественно среда 210 частично заполняет микросопла 110 на наклонной поверхности раздела 208, чтобы производить больше пара.In some implementations, as shown in FIG. 2A-C, fluid-saturated, highly porous fibrous media 210 is fluidly coupled to a source of aerosolization fluid and abuts first surface 104 of sheet 102. At its interface with first surface 104, media 210 partially fills micronozzles 110 (or 114 or 116) to increase contact area with sheet 102, thereby increasing the amount of liquid that can be vaporized. Preferably, the medium 210 partially fills the micronozzles 110 at the sloped interface 208 to produce more steam.

Среда 210 имеет малый размер пор, например менее 20 мкм, по сравнению с расстоянием между соседними микросоплами 110. Малый размер пор препятствует свободному сообщению жидкости между микросоплами и снижает разбрызгивание жидкости из одного из микросопла 110 из-за давления, создаваемого пузырьками, образованными в отверстии впрыска 200 соседнего микросопла 110. Уменьшенный размер пор среды 210 создает дополнительное сопротивление потоку жидкости, даже при высокой пористости.The medium 210 has a small pore size, such as less than 20 microns, compared to the distance between adjacent micronozzles 110. The small pore size prevents free fluid communication between the micronozzles and reduces splashing of liquid from one of the micronozzles 110 due to the pressure created by the bubbles formed in the hole injection 200 of adjacent micronozzle 110. The reduced pore size of medium 210 creates additional resistance to fluid flow, even at high porosity.

Желательно, особенно если среда 210 имеет ограниченную толщину, гарантировать, что эта среда способна подавать необходимое количество жидкости для вапоризации в течение длительности импульса τ, и, с другой стороны, пополнять вапоризованное количество жидкости в течение межимпульсного периода τ+δ. Минимальная толщина Dм этой среды также ограничена длиной диффузии тепла в жидкую среду 210, определяемой как

Figure 00000013
. В таблице 4 ниже перечислены примеры вариантов осуществления с расчетным значением толщины Dм для типичного примера глицерина в среде 210, такой как сетка из стекловолокна, с пористостью, близкой к 100%, и различными значениями длительности импульса τ.It is desirable, especially if the medium 210 has a limited thickness, to ensure that this medium is able to supply the required amount of liquid for vaporization during the pulse duration τ, and, on the other hand, to replenish the vaporized amount of liquid during the interpulse period τ+δ. The minimum thickness Dm of this medium is also limited by the length of heat diffusion into the liquid medium 210, defined as
Figure 00000013
. Table 4 below lists exemplary embodiments with a calculated thickness Dm for a typical example of glycerol in a medium 210 such as a glass fiber mesh with a porosity close to 100% and various pulse widths τ.

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Для длительностей импульса τ, например, от примерно 1 мс до 10 мс, пористая среда 210 желательно имеет толщину, превышающую 0,1 мм.For pulse durations τ, for example, from about 1 ms to 10 ms, the porous medium 210 desirably has a thickness greater than 0.1 mm.

Преимущественно пористая среда 210 имеет достаточную гидрофильность по отношению к жидкой среде и пористость, чтобы гарантировать высокую скорость повторного заполнения жидкостью при толщине Dм в течение времени задержки δ после каждого импульса серии импульсов. Эта характеристика полезна для предотвращения образования слоя Лейденфроста.Advantageously, the porous media 210 has sufficient fluid hydrophilicity and porosity to ensure a high liquid refill rate at a thickness Dm for a delay time δ after each pulse of the pulse train. This characteristic is useful in preventing the formation of a Leidenfrost layer.

Пористая гидрофильная среда 210 желательно имеет пористость или долю пустот, по меньшей мере, 70-90% с диаметром пор в диапазоне от примерно 1 мкм до 10 мкм, чтобы способствовать капиллярному потоку и быстрой скорости заправки. Среда 210 должна быть стабильной при высокой температуре и обеспечивать скорость прохождения жидкости нпо крайней мере 3 мкл/мм2с, выдерживая давление не менее 0,3 г/мм2 для сохранения целостности в присутствии горячих газов из микросопел 110. Пористая среда 210 удерживает жидкость из-за капиллярных сил, но высвобождает жидкость при нагревании листом 102 из-за результирующего падения вязкости жидкости и капиллярных сил. Для этих целей пористая среда 210 может быть сформирована, например, в виде микроволоконной матрицы состоящей из устойчивых к высоким температурам волокон боросиликата или кварцевого стекла толщиной 0,5-1 микрон, имеющей вес порядка 100 г/м2. Матрица из микроволокна имеет толщину, превышающую 0,3 мм и механическую стабильность при давлении 0,5 пси, подобно фильтрам из стеклянного или кварцевого волокна, которые известны в данной области техники. Такие фильтры обычно имеют более высокую скорость потока жидкости, чем хлопок. Чтобы избежать чрезмерного противодавления при высоких скоростях прохождения жидкости, толщина пористой среды 210 обычно не превышает примерно 1 мм.The porous hydrophilic medium 210 desirably has a porosity or void fraction of at least 70-90% with a pore diameter in the range of about 1 micron to 10 microns to promote capillary flow and fast filling rates. The media 210 must be stable at high temperature and provide a fluid flow rate of at least 3 μl/mm 2 s, withstanding a pressure of at least 0.3 g/mm 2 to maintain integrity in the presence of hot gases from the micronozzles 110. The porous media 210 retains fluid due to capillary forces, but releases liquid when sheet 102 is heated due to the resulting drop in liquid viscosity and capillary forces. For this purpose, the porous medium 210 can be formed, for example, in the form of a microfiber matrix consisting of high temperature resistant fibers of borosilicate or quartz glass with a thickness of 0.5-1 microns, having a weight of about 100 g/m 2 . The microfiber matrix has a thickness greater than 0.3 mm and mechanical stability at 0.5 psi, similar to glass or quartz fiber filters known in the art. Such filters usually have a higher liquid flow rate than cotton. To avoid excessive back pressure at high fluid flow rates, the thickness of the porous medium 210 is typically no greater than about 1 mm.

В другом варианте осуществления пористая среда 210 может активно управлять подачей жидкости, используя электрически активируемые изменения вязкости жидкости и поверхностного натяжения, например, путем предварительного нагрева или электросмачивания, таким образом изменяя капиллярные силы, удерживая жидкость в среде 210. При этом пористая среда может быть изготовлена из электропроводящего стекловолокна.In another embodiment, the porous media 210 may actively control fluid delivery using electrically actuated changes in the fluid's viscosity and surface tension, such as by preheating or electrowetting, thereby changing the capillary forces to retain the fluid in the media 210. In this case, the porous media can be made electrically conductive fiberglass.

На Фиг. 6 показано устройство 600 для генерации аэрозоля, например, используемое в качестве электронной сигареты или аналогичный по функциям тип устройства для вейпинга, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.On FIG. 6 shows an aerosol generating device 600, such as that used as an electronic cigarette or a similar type of vaping device, in accordance with an embodiment of the invention.

Устройство 600 для генерации аэрозоля может содержать по меньшей мере один нагревательный элемент, например, в форме проводящего листа 102, как в описанных выше нагревательных элементах 100, 300, 302, 304 или 306. Лист 102 заключен в корпус 602, содержащий, по меньшей мере, один воздуховод 604, содержащий нагревательный элемент. Воздуховод содержит, по меньшей мере, один воздухозаборник 606 и одно выходное отверстие 608 для воздуха из корпуса, обеспечивающее поступление окружающего воздуха от воздухозаборника 606 к проводящей пластине 102. Окружающий воздух течет по второй поверхности 106, способствуя образованию там аэрозоля и доставляя аэрозоль к выходному отверстию 608. Воздуховод 604 не обязательно является отдельным элементом, а скорее может быть ограничен одной или несколькими воздухопроницаемыми частями внутри корпуса, позволяющими воздуху течь от воздухозаборника 606 к выходному отверстию 608.The aerosol generating device 600 may comprise at least one heating element, for example in the form of a conductive sheet 102 as in heating elements 100, 300, 302, 304, or 306 described above. , one duct 604 containing the heating element. The air duct includes at least one air inlet 606 and one air outlet 608 for air from the housing, allowing the flow of ambient air from the air inlet 606 to the conductive plate 102. Ambient air flows over the second surface 106, promoting the formation of aerosol there and delivering the aerosol to the outlet 608. The duct 604 is not necessarily a separate element, but rather may be limited to one or more air-permeable portions within the housing allowing air to flow from the air inlet 606 to the outlet 608.

Устройство 600 может дополнительно содержать импульсный блок электропитания 612, который может содержать батарею, подключенную электрическими выводами 404 к проводящему листу 102. Устройство 600 также содержит резервуар с контейнером 614 для хранения жидкой смеси для аеролизации, гидравлически связанным с нагревательным элементом. В варианте осуществления, показанном на фиг. 6, источник жидкости в виде блока 614 хранения со средством транспортировки жидкости расположен под листом 102. В других возможных вариантах осуществления блок хранения жидкости может быть интегрирован в корпус 602 в форма коаксиального резервуара вокруг листа 102, в то время как доступная область под листом 102 может использоваться для батареи блока электропитания 612.The device 600 may further comprise a switching power supply 612 which may include a battery connected by electrical leads 404 to the conductive sheet 102. The device 600 also includes a reservoir with a container 614 for storing aerolization liquid mixture hydraulically connected to the heating element. In the embodiment shown in FIG. 6, a fluid source in the form of a storage unit 614 with a fluid transport means is located below the sheet 102. In other possible embodiments, the liquid storage unit may be integrated into the housing 602 in the form of a coaxial reservoir around the sheet 102 while the accessible area under the sheet 102 may be used for the 612 power supply battery.

В одном варианте осуществления воздуховод 604 включает в себя по меньшей мере одно воздушное сопло 616 для создания турбулентности на выходе из воздушного сопла 616 и направления турбулентного воздушного потока на и/или над второй поверхностью 106 листа 102. Этот турбулентный поток способствует интенсивному перемешиванию воздуха над нагревательным элементом и, следовательно, интенсивному образованию аэрозолей. Скорость воздушного потока из сопла 616 предпочтительно может превышать 1 м/с. Например, сопло 616 может быть выполнено вместе с пластмассовым корпусом 602, например, с использованием литья под давлением. Желательно, чтобы участок воздуховода 604 от листа 102 до выходное отверстия 608 поддерживал ламинарный поток воздуха для предотвращения повторной конденсации аэрозоля в жидкость на стенках воздуховода 604.In one embodiment, the duct 604 includes at least one air nozzle 616 to create turbulence at the outlet of the air nozzle 616 and direct the turbulent air flow onto and/or over the second surface 106 of the sheet 102. This turbulent flow promotes vigorous mixing of the air above the heating element. element and, consequently, the intensive formation of aerosols. The speed of the air flow from the nozzle 616 may preferably exceed 1 m/s. For example, the nozzle 616 may be formed together with the plastic housing 602, for example, using injection molding. Desirably, the portion of duct 604 from sheet 102 to outlet 608 maintains laminar airflow to prevent recondensation of aerosol to liquid on the walls of duct 604.

В некоторых вариантах реализации для уменьшения остаточного теплового потока от нагревательного элемента воздуховод 604 может включать в себя по меньшей мере один теплоотводящий элемент 618, например, в виде закрепленного на штифтах радиатора или извилистой секции воздуховода 604. Теплоотводящий элемент может содержать керамическое основание с высокой теплопроводностью, соединенное с листом 102. Время теплового отклика теплоотводящего элемента может быть преимущественно намного больше, чем длительность импульса τ, чтобы отводить остаточное тепло без влияния на пиковую температуру нагрева.In some embodiments, to reduce residual heat flow from the heating element, duct 604 may include at least one heat sink element 618, such as a pinned heat sink or winding section of duct 604. The heat sink element may comprise a high thermal conductivity ceramic base, connected to the sheet 102. The thermal response time of the heat sink element can advantageously be much longer than the pulse duration τ in order to remove residual heat without affecting the peak heating temperature.

На Фиг. 7 представлена принципиальная электрическая схема блока 612 электропитания устройства 600 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Блок электропитания 612 может включать в себя выходную цепь с гальванической развязкой, аналогично применяемой в медицинских устройствах. В изображенном варианте осуществления блок 612 электропитания содержит обратноходовой преобразователь 702, использующий изолирующий трансформатор 700 для отделения электрического выхода 706, который подключен через электрические выводы 708 к проводящему листу, от входа 704, который питается от основного источника питания, например, преобразователя переменного тока в постоянный или аккумуляторной батареи. Гальванически изолированный интерфейс позволяет безопасно использовать большую мощность для получения интенсивного аэрозольного выхода при сохранении емкости аккумулятора. Чтобы запитать нагревательный элемент 102, используя импульсы с длительностью τ и задержкой δ, контроллер 710 частоты обратноходового преобразователя 702 обеспечивает модуляцию частоты переключения и рабочего цикла.On FIG. 7 is a circuit diagram of a power supply unit 612 of a device 600 in accordance with an embodiment of the invention. The power supply 612 may include an isolated output circuit similar to that used in medical devices. In the depicted embodiment, the power supply unit 612 includes a flyback converter 702 using an isolation transformer 700 to separate an electrical output 706, which is connected via electrical leads 708 to a conductive sheet, from an input 704, which is powered by a main power source, such as an AC/DC converter. or battery. The galvanically isolated interface allows the safe use of more power to produce intense aerosol output while maintaining battery capacity. To power the heating element 102 using pulses with a duration τ and a delay δ, the frequency controller 710 of the flyback converter 702 modulates the switching frequency and duty cycle.

На Фиг. 8А показан плоский сменный нагревательный элемент 800, содержащий плоский проводящий лист 102, который может быть аналогичен листу, показанному на Фиг. 1 и Фиг. 3С, вместе с насыщенной жидкостью пористой средой 210. Эти элементы зажаты в подложке 802 с электрическими выводами 404. Сменный нагревательный элемент 800 может включать в себя контейнер 614 для хранения жидкости, который может быть заполняемым или одноразовым.On FIG. 8A shows a flat replaceable heating element 800 comprising a flat conductive sheet 102, which may be similar to the sheet shown in FIG. 1 and FIG. 3C, along with liquid-saturated porous media 210. These elements are sandwiched in substrate 802 with electrical leads 404. Replaceable heating element 800 may include a liquid storage container 614, which may be refillable or disposable.

Если пористая среда 210 мягкая, как например среда из стеклянных микроволокон, она может поддерживаться дополнительным поддерживающим сетчатым слоем 804, изготовленным из механически стабильного гидрофильного (по отношению к составу жидкой среды) материала, например, поликарбоната, полиэтилентерефталата (ПЭТ) или полиэфирэфиркетона (ПЭЭК), или из керамики, стекла или композитного материала. Фиксация пористой среды 210 сетчатым слоем 804 предотвращает отслоение среды 210 от листа 102 из-за резкого повышения давления газа внутри микросопел 110 при каждом нагреве импульсным нагревом.If the porous media 210 is soft, such as a glass microfiber media, it may be supported by an additional support mesh layer 804 made of a mechanically stable hydrophilic (relative to the composition of the liquid media) material, such as polycarbonate, polyethylene terephthalate (PET), or polyetheretherketone (PEEK) , or ceramic, glass or composite material. Fixing the porous medium 210 with the mesh layer 804 prevents the medium 210 from delamination from the sheet 102 due to the sudden increase in gas pressure inside the micronozzles 110 with each pulse heating.

Для управления рабочими параметрами сменный блок 800 может включать в себя датчик, например датчик 806 температуры. Подложка 8 02 может быть подложкой DBC (медь с прямым соединением) с выводами 808, как на печатной плате. Контейнер 614 для хранения жидкости может быть отлит под давлением из подходящего пластика.To control operating parameters, plug-in 800 may include a sensor, such as a temperature sensor 806. Substrate 802 may be a DBC (Direct Connected Copper) substrate with 808 pins as on a PCB. The liquid storage container 614 may be injection molded from a suitable plastic.

На Фиг. 8В показан цилиндрический сменный нагревательный элемент 810, в котором проводящий лист 102 изогнут в цилиндрическую форму, например, как в нагревательном элементе 300, показанном на Фиг. 3А. В этом варианте осуществления жидкая среда подается из коаксиального цилиндрического конейнера 614 для хранения жидкости, расположенного за пределами цилиндрического листа 102, через коаксиальную насыщенную жидкостью пористую среду 210, а также коаксиальный поддерживающий слой 804. Микросопла 110 расположены так, чтобы создают струи пара во внутреннем радиальном направлении к оси цилиндрического листа 102.On FIG. 8B shows a cylindrical replaceable heating element 810 in which the conductive sheet 102 is bent into a cylindrical shape, such as in the heating element 300 shown in FIG. 3A. In this embodiment, the liquid medium is supplied from a coaxial cylindrical liquid storage container 614 located outside the cylindrical sheet 102, through the coaxial liquid-saturated porous medium 210, as well as the coaxial support layer 804. The micronozzles 110 are positioned to create jets of vapor in the inner radial direction to the axis of the cylindrical sheet 102.

В другом варианте осуществления (не показан на фигурах) блок хранения жидкости, пористая среда и поддерживающий слой могут быть расположены внутри цилиндрического проводящего листа, таким образом подавая жидкость изнутри нагревательного тела. В этом случае микросопла создают струи пара в радиальном направлении наружу, от оси цилиндрического нагревательного тела.In another embodiment (not shown in the figures), the fluid storage unit, the porous media, and the support layer may be located within the cylindrical conductive sheet, thereby supplying the fluid from within the heating body. In this case, the micronozzles create jets of steam in a radial direction outward from the axis of the cylindrical heating body.

Фиг. 9 представляет собой схематический график импульсов, применяемых в устройстве для аэрозолизации, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Для получения аэрозоля величина Iм тока, обеспечиваемого блоком электропитания 612 в каждом импульсе 652, имеющем длительность τ, достаточно высока, так что температура 654 жидкости на границе с проводящим листом 102 преимущественно циклирует вместе с импульсами мощности 652 в диапазоне температур ниже точки кипения Тв и точки Лейденфроста TL. В этом диапазоне температур жидкая среда закипает в зародышевых и переходных областях кривой 656 кипения жидкости, обеспечивая, таким образом, наивысший критический поток мощности Fм от нагревательного элемента в жидкость и наиболее интенсивную вапоризацию Vм 658 до состояния насыщенных паров. Например поток мощности, определяемый электрическим током, составляет 1-10 Вт/мм2 для вапоризации слоя композиции на основе глицерина, имеющей толщину от 0,01 мм до 0,1 мм, за время меньше или примерно 10 мс. Длительность импульса τ выбирается достаточно большой для вапоризации нагретой жидкой смеси. Длительность импульса мощности τ предварительно устанавливается не больше времени, необходимого для нагрева и вапоризации жидкого слоя, прилегающего к проводящему листу, до толщины порядка длины термодиффузии Dм в жидкой среде или пористой среде 210 определяемой как

Figure 00000016
Fig. 9 is a schematic diagram of pulses applied in an aerosolizer according to an embodiment of the invention. To produce an aerosol, the amount of current I m provided by the power supply 612 in each pulse 652 having a duration τ is high enough so that the liquid temperature 654 at the interface with the conductive sheet 102 preferentially cycles with the power pulses 652 in the temperature range below the boiling point T in and Leidenfrost points T L . In this temperature range, the liquid medium boils in the embryonic and transition regions of the liquid boiling curve 656, thus providing the highest critical power flow F m from the heating element into the liquid and the most intense vaporization V m 658 to a state of saturated vapor. For example, an electric current driven power flow is 1-10 W/mm 2 to vaporize a layer of 0.01 mm to 0.1 mm thick glycerol composition in less than or about 10 ms. The pulse duration τ is chosen to be large enough to vaporize the heated liquid mixture. The duration of the power pulse τ is pre-set no more than the time required for heating and vaporization of the liquid layer adjacent to the conductive sheet to a thickness of the order of the thermal diffusion length D m in a liquid medium or a porous medium 210 defined as
Figure 00000016

Желательно, чтобы временная задержка δ между последовательными импульсами 652 мощности была не меньше времени, необходимого для пополнения вапоризованной жидкости в области пористой среды 210, насыщенной жидкостью, прилегающей к границе раздела с первой поверхностью проводящего листа 102, у отверстия впрыска 200. Кроме того, предпочтительно, чтобы задержка по времени δ коррелировала с размером DN микросопел 110 через условие

Figure 00000017
чтобы избежать переохлаждения жидкости в микросоплах 110. Например, временная задержка δ может быть порядка длительности τ импульса.Desirably, the time delay δ between successive power pulses 652 is not less than the time required to replenish the vaporized liquid in the region of the liquid-saturated porous medium 210 adjacent to the interface with the first surface of the conductive sheet 102 at the injection port 200. It is further preferred so that the time delay δ correlates with the size D N of the micronozzles 110 through the condition
Figure 00000017
to avoid supercooling of the liquid in the micronozzles 110. For example, the time delay δ may be on the order of the pulse duration τ.

Следует понимать, что варианты осуществления, описанные выше, приведены в качестве примера, и что настоящее изобретение не ограничивается тем, что конкретно было показано и описано выше. Скорее, объем настоящего изобретения включает как комбинации, так и субкомбинации различных признаков, описанных выше, а также их вариации и модификации, которые могут возникнуть у специалистов в данной области после прочтения предшествующего описания и которые не раскрыты в предшествующем уровне техники.It should be understood that the embodiments described above are by way of example and that the present invention is not limited to what has been specifically shown and described above. Rather, the scope of the present invention includes both combinations and subcombinations of the various features described above, as well as variations and modifications thereof, which may occur to those skilled in the art upon reading the foregoing description and which are not disclosed in the prior art.

Claims (42)

1. Устройство генерации аэрозоля, содержащее нагревательный элемент, содержащий лист электропроводящего материала, имеющий первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности, и содержащий множество каналов, расположенных в области листа и проходящих через лист от первой поверхности к второй поверхности, при этом каналы выполнены в виде микросопел для формирования направленных ускоренных потоков пара жидкой среды с образованием струй пара.1. An aerosol generating device comprising a heating element containing a sheet of electrically conductive material having a first surface and a second surface opposite the first surface, and containing a plurality of channels located in the area of the sheet and passing through the sheet from the first surface to the second surface, while the channels are made in the form of micronozzles for the formation of directed accelerated steam flows of a liquid medium with the formation of steam jets. 2. Устройство по п. 1, при этом микросопла имеют усеченную конусообразную форму, характеризующуюся постоянным или изменяющимся вдоль оси углом раскрыва конуса, или форму сопла, содержащего сужение, переходящее в расширение.2. The device according to claim 1, wherein the micronozzles have a truncated conical shape, characterized by a constant or variable cone opening angle along the axis, or a nozzle shape containing a narrowing that turns into an expansion. 3. Устройство по п. 1, при этом микросопла представляют собой оформленные микрополости или структуры, выполненные в материале листа.3. The device according to claim 1, wherein the micronozzles are formed microcavities or structures made in the sheet material. 4. Устройство по п. 1, при этом нагревательный элемент выполнен с возможностью импульсного нагревания.4. The device according to claim 1, wherein the heating element is configured to pulse heating. 5. Устройство по п. 1, при этом диаметр микросопел не превышает 0,2 мм при длине микросопел менее 1 мм.5. The device according to claim 1, wherein the diameter of the micronozzles does not exceed 0.2 mm and the length of the micronozzles is less than 1 mm. 6. Устройство по п. 1, при этом лист выполнен из такого материала, как металл, сплав, проводящее стекло, композит, керамика или полупроводник, предпочтительно сильнолегированный монокристаллический, поликристаллический или аморфный кремний n- или p-типа, предпочтительно легированный фосфором, имеющего, при этом, удельное электрическое сопротивление не более 0,01 Ом⋅см и температуропроводность не менее 4,2 мм2/c.6. Device according to claim 1, wherein the sheet is made of a material such as metal, alloy, conductive glass, composite, ceramic or semiconductor, preferably heavily doped n- or p-type monocrystalline, polycrystalline or amorphous silicon, preferably doped with phosphorus, having , while the electrical resistivity is not more than 0.01 Ohm⋅cm and the thermal diffusivity is not less than 4.2 mm 2 /s. 7. Устройство по п. 1, при этом толщина листа не превышает 1 мм, а толщина нагревательного элемента равна или превышает толщину листа.7. The device according to claim 1, wherein the thickness of the sheet does not exceed 1 mm, and the thickness of the heating element is equal to or greater than the thickness of the sheet. 8. Устройство по п. 1, при этом длина микросопел превышает толщину листа.8. The device according to claim 1, wherein the length of the micronozzles exceeds the thickness of the sheet. 9. Устройство по п. 1, при этом лист выполнен в виде фольги.9. The device according to claim. 1, while the sheet is made in the form of a foil. 10. Устройство по п. 1, при этом множество микросопел выполнено в виде массива равномерно распределенных идентичных микросопел.10. The device according to claim 1, wherein the plurality of micronozzles are made in the form of an array of uniformly distributed identical micronozzles. 11. Устройство по п. 1, при этом область листа, в которой расположено множество микросопел, имеет плоскую или изогнутую форму.11. The device according to claim 1, wherein the area of the sheet in which the plurality of micronozzles is located has a flat or curved shape. 12. Устройство по п. 1, при этом микросопла проходят перпендикулярно листу или вдоль листа.12. The device according to claim 1, wherein the micronozzles run perpendicular to the sheet or along the sheet. 13. Устройство по п. 1, при этом лист выполнен с возможностью размещения датчика температуры или образования датчика температуры.13. The apparatus of claim. 1, wherein the sheet is configured to receive a temperature sensor or form a temperature sensor. 14. Устройство по п. 1, при этом лист содержит содержащие металл или допант электроконтактные площадки, в которых контактное сопротивление меньше, чем вне электроконтактных площадок на листе.14. The apparatus of claim 1, wherein the sheet comprises contact pads containing a metal or dopant in which the contact resistance is less than outside the pads on the sheet. 15. Устройство по п. 14, при этом в электрических контактах выполнены сферические или конусообразные микроформы, образующие массив микропятен диаметром от 0,01 до 0,1 мм, отстоящие друг от друга на расстоянии, превышающем диаметр микропятен.15. The device according to claim 14, wherein the electrical contacts are spherical or cone-shaped microforms forming an array of microspots with a diameter of 0.01 to 0.1 mm, spaced from each other at a distance exceeding the diameter of the microspots. 16. Устройство по п. 14, при этом в электрических контактах выполнены вырезы на поверхности листа для сопряжения с электрическими выводами, тело которых ограничено цилиндрической поверхностью в месте сопряжения, имеющего вид по крайней мере одной полосы, шириной не более 0,1 мм, отстоящих друг от друга на расстоянии, превышающем ширину полос.16. The device according to claim 14, while in the electrical contacts there are cutouts on the surface of the sheet for mating with electrical leads, the body of which is limited by a cylindrical surface at the mating point, having the form of at least one strip, not more than 0.1 mm wide, spaced from each other at a distance greater than the width of the strips. 17. Устройство по п. 14, при этом область листа, в которой расположены электроконтактные площадки, имеет плоскую или изогнутую форму.17. The device according to claim 14, wherein the area of the sheet in which the electrical contact pads are located has a flat or curved shape. 18. Устройство по п. 1, также содержащее резервуар для содержания жидкой среды, содержащий контейнер для хранения жидкой среды.18. The device of claim. 1, also containing a reservoir for holding a liquid medium containing a container for storing a liquid medium. 19. Устройство по п. 18, при этом резервуар содержит гидрофильную пористую среду, содержащую сопряженный с первой поверхностью листа слой гидрофильного волокнистого пористого материала, частично заполняющего отверстие впрыска микросопел, выполненный в одном узле с листом с возможностью подавления роста пузырей во время вапоризации в области сопряжения.19. The device according to claim 18, wherein the reservoir contains a hydrophilic porous medium containing a layer of hydrophilic fibrous porous material associated with the first surface of the sheet, partially filling the injection hole of the micronozzles, made in one node with the sheet with the ability to suppress the growth of bubbles during vaporization in the area conjugation. 20. Устройство по п. 19, в котором толщина слоя гидрофильного волокнистого пористого материала составляет от 0,1 до 1 мм, а размер пор меньше размера отверстия впрыска микросопел и толщины стенки между микросоплами.20. The device according to claim 19, in which the thickness of the layer of hydrophilic fibrous porous material is from 0.1 to 1 mm, and the pore size is less than the size of the injection hole of the micronozzles and the wall thickness between the micronozzles. 21. Устройство по п. 19, при этом резервуар содержит сетчатый слой из механически стабильного материала, поддерживающий пористую среду, выполненный с возможностью предотвращения отслоения пористой среды от листа.21. The apparatus of claim 19, wherein the reservoir comprises a mesh layer of a mechanically stable material supporting the porous medium, configured to prevent the porous medium from delaminating from the sheet. 22. Устройство по п. 19, при этом узел выполнен в виде сменного блока плоской или цилиндрической формы, также содержащего заполняемый или одноразовый контейнер.22. The device according to claim 19, wherein the assembly is made in the form of a replaceable block of a flat or cylindrical shape, also containing a fillable or disposable container. 23. Устройство по п. 19, при этом пористая среда выполнена с возможностью регулирования проходящего через пористую среду потока жидкой среды.23. The device according to claim 19, wherein the porous medium is configured to control the flow of liquid medium passing through the porous medium. 24. Устройство по одному из пп. 18-23, также содержащее блок питания, выполненный для подачи электрического тока через область листа в форме импульсов, и согласования по крайней мере одного параметра последовательности импульсов с временем термической релаксации нагревательного элемента для импульсного нагревания нагревательного элемента.24. The device according to one of paragraphs. 18-23, also comprising a power supply configured to apply electric current through the sheet region in the form of pulses and match at least one pulse train parameter with the thermal relaxation time of the heating element for pulsed heating of the heating element. 25. Устройство по п. 24, при этом блок электропитания содержит электрические выводы, выполненные с возможностью прижатия к электропроводящему листу давлением, превышающим 1 Н/мм2, тело которых ограничено цилиндрической поверхностью в месте прижатия к листу.25. The device according to claim 24, wherein the power supply unit contains electrical outlets, made with the possibility of pressing against the electrically conductive sheet with a pressure exceeding 1 N/mm 2 , the body of which is limited by a cylindrical surface at the place of pressing against the sheet. 26. Устройство по п. 25, при этом электрические выводы выполнены пружинящими с возможностью зажатия и растягивания электропроводящего листа, выполненного в виде фольги.26. The device according to claim 25, wherein the electrical terminals are made springy with the possibility of clamping and stretching the electrically conductive sheet made in the form of a foil. 27. Устройство по п. 24, при этом по крайней мере один параметр последовательности импульсов блока питания и время термической релаксации нагревательного элемента взаимно согласованы в диапазоне длительности импульсов и задержки импульсов от 0,1 до 100 мс для импульсного нагревания нагревательного элемента.27. The device according to claim 24, wherein at least one parameter of the pulse sequence of the power supply and the thermal relaxation time of the heating element are mutually consistent in the range of pulse duration and pulse delay from 0.1 to 100 ms for pulsed heating of the heating element. 28. Устройство по п. 24, также содержащее датчики температуры, расположенные по крайней мере в нагревательном элементе или сменном узле или блоке питания, при этом блок питания выполнен с возможностью управления по меньшей мере одним параметром последовательности импульсов в ответ на выходной сигнал датчика температуры.28. The apparatus of claim 24, further comprising temperature sensors located in at least a heating element or replaceable assembly or power supply, the power supply being configured to control at least one pulse train parameter in response to a temperature sensor output. 29. Устройство по п. 24, в котором нагревательный элемент заключен в корпус, содержащий воздуховод, содержащий по меньшей мере один теплоотводящий элемент, выполненный в виде извилистой секции воздуховода.29. The device according to claim 24, wherein the heating element is enclosed in a housing containing an air duct containing at least one heat sink element made in the form of a winding section of the duct. 30. Устройство по п. 29, в котором воздуховод содержит по меньшей мере одно воздушное сопло для разгона потока воздуха и придания потоку воздуха направления на и/или над второй поверхностью листа.30. The apparatus of claim 29, wherein the duct comprises at least one air nozzle for accelerating the air flow and directing the air flow onto and/or over the second surface of the sheet. 31. Устройство по п. 29, в котором воздуховод содержит участок, выполненный с возможностью поддержания ламинарного воздушного потока.31. The apparatus of claim 29, wherein the duct comprises a portion configured to maintain laminar airflow. 32. Устройство по п. 24, при этом выход блока электропитания гальванически изолирован.32. The device according to claim 24, while the output of the power supply is galvanically isolated. 33. Способ генерации аэрозоля, содержащий: обеспечение устройством по п. 24; приведение жидкой среды в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента; введение импульсов электрического тока в нагревательный элемент для инициирования струй пара жидкой среды; а также установление параметров импульсов в диапазоне длительности импульсов и задержки импульсов от 0,1 до 100 мс для импульсного нагревания нагревательного элемента.33. A method for generating an aerosol, comprising: providing the device according to claim 24; bringing the liquid medium into contact with the first surface of the heating element; introducing electric current pulses into the heating element to initiate vapor jets of the liquid medium; as well as setting the pulse parameters in the range of pulse duration and pulse delay from 0.1 to 100 ms for pulsed heating of the heating element. 34. Способ генерации аэрозоля, содержащий: обеспечение устройством по п. 24, содержащим сменный блок по п. 22; приведение жидкой среды в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента; введение импульсов электрического тока в нагревательный элемент для инициирования струй пара жидкой среды; а также замену сменного блока.34. A method for generating an aerosol, comprising: providing a device according to claim 24, containing a replaceable block according to claim 22; bringing the liquid medium into contact with the first surface of the heating element; introducing electric current pulses into the heating element to initiate vapor jets of the liquid medium; as well as replacement of the replaceable block. 35. Способ генерации аэрозоля, содержащий: обеспечение устройством по п. 27; приведение жидкой среды в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента; введение импульсов электрического тока в нагревательный элемент для инициирования струй пара жидкой среды.35. A method for generating an aerosol, comprising: providing the device according to claim 27; bringing the liquid medium into contact with the first surface of the heating element; introduction of electric current pulses into the heating element to initiate vapor jets of the liquid medium. 36. Способ по п. 35 при этом длительность импульсов не превышает время нагрева жидкой среды, прилегающей к первой поверхности листа, до точки Лейденфроста жидкой среды, а длительность задержки превышает время пополнения вапоризованной жидкой среды.36. The method according to claim 35, wherein the pulse duration does not exceed the heating time of the liquid medium adjacent to the first surface of the sheet to the Leidenfrost point of the liquid medium, and the delay duration exceeds the replenishment time of the vaporized liquid medium. 37. Способ генерации аэрозоля, содержащий: обеспечение устройством по п. 28; приведение жидкой среды в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента; введение импульсов электрического тока в нагревательный элемент для инициирования струй пара жидкой среды; а также управление импульсной энергией в ответ на выход датчика температуры.37. A method for generating an aerosol, comprising: providing the device according to claim 28; bringing the liquid medium into contact with the first surface of the heating element; introducing electric current pulses into the heating element to initiate vapor jets of the liquid medium; and control of pulsed energy in response to the output of the temperature sensor. 38. Способ генерации аэрозоля, содержащий: обеспечение устройством по одному из пп. 29-31; приведение жидкой среды в контакт с первой поверхностью нагревательного элемента; введение импульсов электрического тока в нагревательный элемент для инициирования струй пара жидкой среды; а также направление воздушного потока через воздуховод.38. A method for generating an aerosol, comprising: providing a device according to one of paragraphs. 29-31; bringing the liquid medium into contact with the first surface of the heating element; introducing electric current pulses into the heating element to initiate vapor jets of the liquid medium; as well as the direction of the air flow through the duct. 39. Способ по одному из пп. 34, 37, 38, также содержащий установление по крайней мере одного параметра последовательности импульсов в диапазоне длительности импульсов и задержки импульсов от 0,1 до 100 мс для импульсного нагревания нагревательного элемента.39. The method according to one of paragraphs. 34, 37, 38, also comprising setting at least one pulse sequence parameter in the range of pulse duration and pulse delay from 0.1 to 100 ms for pulsed heating of the heating element. 40. Способ изготовления нагревательного элемента устройства генерации аэрозоля по п. 6, содержащий: обеспечение листом из материала по п. 6; выполнение микросопел микрообработкой материала листа лазером или с использованием фотолитографии с последующим глубоким травлением материала листа.40. A method of manufacturing a heating element of an aerosol generation device according to claim 6, comprising: providing a sheet of material according to claim 6; making micronozzles by micromachining the sheet material with a laser or using photolithography followed by deep etching of the sheet material. 41. Способ по п. 40, в котором лист скомпонован из двух пластин или подложек.41. The method of claim 40 wherein the sheet is composed of two plates or substrates. 42. Способ изготовления нагревательного элемента устройства генерации аэрозоля по п. 9, содержащий: обеспечение металлическим листом по п. 9; выполнение микросопел в листе микроформованием или микропробоем.42. A method for manufacturing a heating element of an aerosol generation device according to claim 9, comprising: providing a metal sheet according to claim 9; making micronozzles in a sheet by microforming or micropunching.
RU2021122227A 2019-06-05 Aerosol generator RU2792826C2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862683991P 2018-06-12 2018-06-12
US62/683,991 2018-06-12

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020138696A Division RU2789673C2 (en) 2019-06-05 Aerosol generator

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2021122227A RU2021122227A (en) 2021-12-02
RU2021122227A3 RU2021122227A3 (en) 2022-04-18
RU2792826C2 true RU2792826C2 (en) 2023-03-24

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2344882C1 (en) * 2007-05-21 2009-01-27 Алексей Михайлович Володин Device for inactivation and fine filtration of viruses and microorganisms in air flow
WO2016005601A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-14 Philip Morris Products S.A. Aerosol-generating system comprising a removable heater
CN106263037A (en) * 2016-08-12 2017-01-04 深圳瀚星翔科技有限公司 Oil storage type atomizer for electric can be rebuild
US20170106113A1 (en) * 2014-11-18 2017-04-20 Numerical Design, Inc. Microfluidic-based apparatus and method for vaporization of liquids
US20170360100A1 (en) * 2016-06-20 2017-12-21 Fabien DUC Heater assembly for an aerosol-generating system
WO2018153732A1 (en) * 2017-02-24 2018-08-30 Philip Morris Products S.A. Moulded mounting for an aerosol-generating element in an aerosol-generating system
RU2666666C1 (en) * 2014-12-15 2018-09-11 Филип Моррис Продактс С.А. Aerosol-forming systems and methods of air flow direction inside the aerosol-forming system with electric heating

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2344882C1 (en) * 2007-05-21 2009-01-27 Алексей Михайлович Володин Device for inactivation and fine filtration of viruses and microorganisms in air flow
WO2016005601A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-14 Philip Morris Products S.A. Aerosol-generating system comprising a removable heater
US20170106113A1 (en) * 2014-11-18 2017-04-20 Numerical Design, Inc. Microfluidic-based apparatus and method for vaporization of liquids
RU2666666C1 (en) * 2014-12-15 2018-09-11 Филип Моррис Продактс С.А. Aerosol-forming systems and methods of air flow direction inside the aerosol-forming system with electric heating
US20170360100A1 (en) * 2016-06-20 2017-12-21 Fabien DUC Heater assembly for an aerosol-generating system
CN106263037A (en) * 2016-08-12 2017-01-04 深圳瀚星翔科技有限公司 Oil storage type atomizer for electric can be rebuild
WO2018153732A1 (en) * 2017-02-24 2018-08-30 Philip Morris Products S.A. Moulded mounting for an aerosol-generating element in an aerosol-generating system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210112871A1 (en) Aerosol generator
ES2911336T3 (en) aerosol generator
US11596176B2 (en) Microfluidic-based apparatus and method for vaporization of liquids
US11565060B2 (en) Evaporator unit for an inhaler having a wick structure with microchannels
CN111182804B (en) Evaporator unit for an inhaler, in particular for an electronic cigarette product
JP7359776B2 (en) Method for manufacturing an electrically operable inhaler heater
BR112017021050B1 (en) CARTRIDGE FOR AN AEROSOL GENERATOR SYSTEM, ITS MANUFACTURING METHOD AND AEROSOL GENERATOR SYSTEM
CN111163656A (en) Reservoir for an inhaler, in particular for electronic cigarette products
US11883762B2 (en) Microfluidic-based apparatus and method for vaporization of liquids
JP2019522965A (en) Vaporizer assembly for aerosol generation system
JP2019512257A (en) Electronic baping equipment
JP2021521862A (en) Heater assembly with multiple recesses
RU2792826C2 (en) Aerosol generator
RU2789673C2 (en) Aerosol generator
CN114794566A (en) Preparation method of liquid-guiding glass substrate and heating element
US20220151295A1 (en) Evaporator device for an inhaler, consumption unit, inhaler, and production method
CN114794565A (en) Heating element, atomization component and electronic atomization device
CN114794567A (en) Heating element, atomization component and electronic atomization device
CN114794568A (en) Heating element, atomization component and electronic atomization device
DE102019103988A1 (en) Vaporizer device for an inhaler, consumable unit, inhaler and manufacturing method