TWI316861B - Fluid vaporizing device having controlled temperature profile heater/capillary tube - Google Patents

Description

1316861 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於液體汽化裝置、製造此液體汽化裝置之方 法及汽化液體的方法。 【先前技術】 氣溶膠（aerosol)被廣泛地應用於各種場合。舉例來說， 通常期望以分成很細的液體及/或固體粒子之氣溶膠噴霧或 以此爲投藥的手段來治療呼吸疾病，例如被患者吸入肺部的 φ 粉末、藥劑等。氣溶膠更被使用於如提供所需之香味至空間、 噴灑殺蟲劑、以及傳送顏料和潤滑劑等場合。 共同擁有的美國專利No. 5,743，2 51號及6，234,167號揭 露了 一種氣溶膠產生器、使用於氣溶膠產生器的特定運作原 則及材料、產生氣溶膠的方法、以及氣溶膠，該等美國專利 之全部內容藉由參照的方式合倂於此。 【發明內容】 本案提供一種液體汽化裝置，可運作以產生一氣溶膠。 φ 在一較佳實施例中，該液體汽化裝置包括：一毛細管，具有 一入口及一出口，該毛細管係由具有第一電阻係數之一第一 材質所構成：一第一電極’連接於該毛細管；以及一第二電 極，連接於該毛細管並較該第一電極更爲接近該毛細管之該 出口。該第二電極較佳地係由具有下列特性之電阻係數的材 質所構成：（i)處於環境溫度下時高於該毛細管之材質的該第 —電阻係數；以及（Π)於環境溫度和至少約100°C之間時保持 實質恆定。該第二電極之一較佳材質係爲包括1 9~2 1 %重量比 1316861 之鉻的鎳基合金。 本案液體汽化裝置之另一較佳實施例中，該液體汽化裝 . 置包括：一毛細管，具有電阻Rc;連接於該毛細管的一第一 電極；以及連接於該毛細管並較該第一電極更爲接近該毛細 管之該出口的一第二電極，該第二電極具有電阻Re。RC與 Re之間的關係使得該液體汽化裝置具有電阻比Rr = Re/RC，其 中Rr具有一預設値，對應於通過該毛細管之一液體的一預設 流率，當該預設流率增加時電阻比Rr會減少。 φ 本案液體汽化裝置之另一較佳實施例中，該液體汽化裝 置包括：一電阻性加熱毛細管，包括一出口及一入口，該毛 細管之材質具有電阻Rc，當該毛細管被加熱時該電阻RC會 增加；一第一電極，連接於該毛細管；以及一第二電極，連 接於該毛細管並較該第一電極更爲接近該毛細管之該出口， 該第二電極（包括任何將該第二電極連接至該毛細管的接觸 材質）具有電阻Re，當該第二電極被加熱時該電阻Re會增 加。該汽化液體係藉由使電流通過位於該第一電極與該第二 # 電極之間的該毛細管之一部份，同時提供液體進入該毛細管 之該入口而產生，該液體係於該毛細管內被加熱並形成在液 面下游的該汽化液體，在此處通過該毛細管之液體係被轉變 爲蒸汽，該液體汽化裝置於傳導該汽化液體之期間具有總熱 電阻Rt = Rc + Re，其中Rt具有一預設値，使得該毛細管之一 部份中的液面與該出口隔開一預定距離。 本案製造液體汽化裝置的較佳方法包括：（a)以冶金方式 將一第一電極與一具有電阻Rcl的不銹鋼毛細管結合，以冶 1316861 金方式將一第二電極與該不銹鋼毛細管結合，並較該第一電 極更爲接近該毛細管之出口，該第二電極具有電阻Re 1 (包括 任何將該第二電極連接至該毛細管的接觸材質），以製作一第 * 一液體汽化裝置，藉由提供一液體通過該入口進入該毛細管 入口，並施加一電壓於該第一電極與該第二電極之間，以加 熱該毛細管內的該液體至一足夠溫度，形成經由該出口離開 該毛細管的一氣體，使得該第一液體汽化裝置運作以產生汽 化液體；以及（b)以冶金方式將一第一電極與一具有有電阻 φ Rc2的不銹鋼毛細管結合，以冶金方式將一第二電極與該不 銹鋼毛細管結合，並較該第一電極更爲接近該毛細管之該出 口，該第二電極具有電阻Re2(包括任何將該第二電極連接至 •t 該毛細管的接觸材質），以製作一第二液體汽化裝置，藉由提 供一液體通過該入口進入該毛細管入口，並施加一電壓於該 第一電極與該第二電極之間，以加熱該毛細管內的該液體至 一足夠溫度，形成經由該出口離開該毛細管的一氣體，使得 該第二液體汽化裝置運作以產生汽化液體；及（c)其中該第一 # 液體汽化裝置於傳導該汽化液體之期間具有一總熱電阻 Rtl = Rcl+Rel，該第一液體汽化裝置亦具有一調諧範圍 TRlglOmQ，該調諧範圍等於一最大熱電阻値Rlmax與一最 小熱電阻値Rlmin的差値，在此範圍內該毛細管係被加熱以 產生一所需品質的氣溶膠；該第二液體汽化裝置於傳導該汽 化液體之期間具有一總熱電阻Rt2 = Rc2 + Re2 ’該第二液體汽 化裝置亦具有一調諧範圍TR2 210mQ，該調諧範圍等於一最 大熱電阻値R2max與一最小熱電阻値R2min的差値’在此範 1316861 圍內該毛細管係被加熱以產生一所需品質的氣溶膠；該第二 液體汽化裝置之調諧範圍至少局部與該第一液體汽化裝置之 調諧範圍重疊，且該第一及該第二液體汽化裝置具有尺寸不 同的毛細管及/或第二電極，該第一及該第二液體汽化裝置於 其運作時具有相同之目標電阻，且該目標電阻處於該第一及 該第二液體汽化裝置之調諧範圍之內。 【實施方式】 本案提供一種液體汽化裝置，可使用於產生氣溶膠之應 • 用場合中。該裝置包括：具有一流動通道的加熱器/毛細管， 該流動通道具有一入口及一出口；以及至少兩電極，該等電 極沿著該流動通道在該入口及出口之間在分開的位置連結至 ·) 以導電材質製成的該毛細管。該流動通道係由該毛細管之內 部所形成，該毛細管較佳由例如不銹鋼的導電性材質所構 成。該毛細管位於該入口與一第一電極之間的部份構成一投 入區，而該毛細管位於該第一與該第二電極之間的一部份構 成一加熱區。施加於該第一與該第二電極之間的電壓係基於 # 不銹鋼或其他形成該毛細管的導電材質的電阻係數、以及截 面積和該加熱區的長度，而於該加熱區中產生熱。 使用被加熱的毛細管，藉由於壓力下供應液體至位於該 毛細管之一入口的該流動通道之一上游端，並使該液體流動 通過該毛細管之該投入區而至該加熱區，可以從液體形成氣 溶膠。當該液體流過該毛細管時，隨著其進入該加熱區，剛 開始該液體會被加熱，而從被加熱的該毛細管至該液體的熱 傳極高。隨著被加熱的該液體持續朝向該出口或該毛細管的 1316861 頂端沿著該加熱區移動，該液體會被轉換成蒸汽。從被加熱 之該毛細管之側壁到該蒸汽的熱傳係數極低。因此’該毛細 . 管於該加熱區中朝向該出口或該毛細管之頂端的該側壁溫度 會相對於該毛細管之該上游部份而增加。然而’如果位於該 毛細管之頂端的電極被用作爲一散熱器（heat sink) ’那麼想 要在最適宜溫度下將從該毛細管之頂端引出之該氣體的溫度 保持住，以產生具有所需液滴大小的氣溶膠或許更困難。 爲了改善該毛細管的溫度分佈，根據本案之實施例位於 φ 下游或該加熱區域之出口端的電極具有預定之電阻’當施加 電壓時可使得該電極加熱，並藉此最小化位於該加熱區之該 下游端的該毛細管之側壁以及該下游電極之間的溫度梯度。 可選擇位於該加熱區之該下游端的該電極之電阻、截面積、 以及長度，以最小化或消除上述的溫度梯度’並防止該下游 電極用作爲散熱器，藉此最小化該加熱區之該下游端的熱散 失。可選擇達成沿該毛細管之熱傳導之最佳平衡的該下游電 極的電阻，以順應熱分佈隨著通過該毛細管之液體及/或蒸汽 Φ 的所需流率的改變。 藉由最小化該加熱區域之該下游端的熱散失，該氣體離 開該加熱區域之一所需引出溫度便可被保持住，而無須將流 經該加熱區域之中段部份的液體加熱至如同該下游電極將熱 從該毛細管之頂端傳導而離開一樣的高溫。這種特性對於被 加熱的一毛細管提供了一個重要的優點，亦即該下游電極具 有一極爲低的電阻。在一具有極低電阻之下游電極的被加熱 毛細管之中，該電極將會具有相較於該毛細管之該加熱區域 -10- 1316861 之該下游端之側壁溫度低得多的一溫度，且其亦可作爲一散 熱器。如果該下游電極用作爲一散熱器，將有更多的熱會被 • 輸入至通過該毛細管的該液體中，以確保引出該毛細管之該 氣體具有一所需溫度。通過該毛細管之該液體的最後高溫可 能會導致該液體的熱降解，特別是在汽化摻藥液體的情形下。 第1圖以氣溶膠產生器10的形式顯示根據本案實施例之 液體汽化裝置。如圖所示，氣溶膠產生器1010包括一液體源 12、一閥14、一加熱毛細通道20、一 口啣部18、一選配的 # 偵測器1 5、以及一控制器1 6。控制器1 6包括適用的電子連 結和附屬設備，例如和該控制器同時運作以操作閥1 4、偵測 ，器1 5並供應電力以加熱毛細通道2 0的電池。在運作中，在 偵測器1 5偵測到由試圖自氣溶膠產生器1 〇吸入氣溶膠的使 用者施加於口啣部18之真空壓力之前或之後，閥14會開啓 以允許所需體積的液體自液體源12進入通道20。當液體被 供應至通道20時，控制器1 6即控制被供應以加熱該液體至 一適合溫度的功率量藉以使該液體於其中揮發。該揮發的液 • 體離該通道20的該出口，該揮發之液體會形成氣溶膠，其可 由在口啣部18吸氣的使用者而吸入。 第1圖所示之氣溶膠產生器可被修改成使用不同的液體 供應配置。舉例來說，該液體源可包括可傳導液體之一預定 體積至通道20的傳導閥，並且/或是通道20可包括預定尺寸 的一腔室以容納一預定體積之在吸入週期期間待汽化的液 體。在該通道包括一腔室以容納液體體積的情形之下，該裝 置可包括於該腔室之下游的一閥或數個閥，以防止該液體流 -11 - 1316861 於充塡該腔室之期間內引出。如果需要時，該腔室亦可包括 一預熱器，該預熱器配置成加熱該腔室內的液體，使得一蒸 ^ 汽泡膨漲並驅使剩餘的該液體從該腔室進入通道20。這種預 熱器的詳細說明可見於共同擁有之美國專利No. 6，491，23 3號 中，其揭示內容以參照的方式合倂於此。如果需要，該（等） 閥亦可被省略，而液體源12可以包括一傳導配置，例如一注 射幫浦，其可供應一預定體積之液體至該腔室或直接進入通 道20。該加熱器可以是形成通道20之該毛細管的該側壁， φ 配置成汽化位於通道20中的該液體。形成通道20之該毛細 管所有的側壁可以使用導電性材質（例如不銹鋼）來製作，使 得當一電壓被施加於該毛細管時，該毛細管會被通過的電流 所加熱。作爲另一種方法則是，該毛細管可以使用一非導電 性或一半導體材質（例如玻璃或矽）來製作，該毛細管包括由 電阻加熱材質（例如白金（Pt))形成的加熱器。 在手動運作的情形之下，偵測器1 5可以被省略，例如在 氣溶膠產生器10藉由由一機械開關、電子開關、或其他適用 • 技術以進行手動運作的情形之下。雖然第1圖中之氣溶膠產 生器10係可應用於醫療應用之下，該裝置的原理亦可應用於 汽化液體的應用場合。 根據本案之一個樣態，毛細氣溶膠產生器能以全由不銹 鋼或其他導電性材質製成之管來形成，或以結合例如由導 電性材質（如鈾）所形成的加熱器之非導電性或半導電性之管 來形成。兩個電極係沿著該管的長度以間隔位置的方式連 結，而一充塡區係形成於該管之該入口與該上游電極之間， -12- 1316861 加熱區係形成於該兩個電極之間，頂端區域係形成於該下游 電極與該管之該出口端之間。例如，該電極可以爲金屬線段。 . 被施加於該兩個電極之間的電壓會基於製成該管或加熱器的 不銹鋼或是其他材料之電阻係數以及例如加熱區域之截面積 或長度的其他參數，而於該加熱區中產生熱。液體可以較佳 在一實質恆定的壓力下及/或是以預定體積之液體從位於該 管上游的液體源供應至該氣溶膠產生器。該液體通過該毛細 管之該入口及該第一電極之間的該充塡區域。當該液體經由 φ 該毛細管流入該第一及該第二之間的該加熱區域時，該液體 會被加熱並被轉換成蒸汽。該氣體從該毛細管的該加熱區域 通往該毛細管的該頂端，並由該毛細管的該出口端引出。如 果該揮發的流體自該毛細管之該頂端進入周遭空氣，該揮發 流體會凝結成小液滴，藉此形成氣溶膠，其尺寸係小於 ΙΟμιη’較佳者是0.01至Ιμιη或1至2μιη。然而，該液體可 以包括液體燃料’該液體燃料係於該管中汽化並通往一熱腔 室，於該熱腔室中該蒸汽不會凝結成氣溶膠。在一較佳實施 鲁 例中’該毛細管具有〇·1至〇.5mm的內徑，較佳者係0.2至 0.4mm，而該力卩熱區具有5至40mm的長度，較佳者係1〇至 2 5mm。 當液體剛開始進入該毛細管的該加熱區域時，至該液體 的熱傳是很高的，這是因爲在該液體與該管之該側壁之間具 有一相當高的熱傳係數’當被加熱之該液體持續沿著該加熱 區域向下游移動時’該液體會被轉換成蒸汽。於該側壁及該 蒸汽之間的熱傳係數是很低的。隨著較少的熱從該毛細管之 -13- 1316861 該側壁被傳導至該蒸汽時，該毛細管之該側壁溫度在包含蒸 汽的區域內會增加。 . 藉由提供最小化熱散失的下游電極，位於該加熱區域之 該下游端的該側壁溫度較佳地保持於所需溫度。舉例來說， 在該下游電極具有夠高之電阻以產生足夠的熱以保持該毛細 管之該下游端於所需溫度的情形下，熱可以被防止從該管被 該下游電極傳導開，藉此最小化溫度梯度並因此最小化熱傳 導之驅動力。 φ 根據本案第一實施例，如第2圖所示，毛細氣溶膠產生 器20包括一具有入口端21及出口端29的毛細管25、至少 一上游電阻32及一下游電極34,上游電極32及下游電極34 係藉由所謂的如銅鋅焊接或熔接而分別於點23和26連接至 該毛細管。電極32和34將該毛細管分成位於入口 21和第一 電極32之間的一上游充塡區域22、位於第一電極32和第二 電極34之間的一中段加熱區域24、以及位於第二電極34和 該毛細管之出口端29之間的一下游頂端28。 # 來自於液體源5 0的液體係經由入口端2 1而被提供給該 加熱毛細管’例如液體可以一加壓液體的形式被供應。當該 液體從充塡區域22經由該毛細管通往加熱區域24時’藉由 使電流通過電極32和34之間所產生的熱會被傳導至通過該 加熱區域的該液體°當該液體持續通過該加熱區域往下游 時，該液體會因爲熱的輸入而被轉換成蒸汽。該側壁與該蒸 汽之間的熱傳係數低於該側壁與該液體之間的熱傳係數。因 此，該毛細管接近下游電極34的下游部份相較於該毛細管接 -14- 1316861 近上游電極32的部份會被加熱至一較高的溫度。爲了防止下 游電極3 4的質量用作爲可將熱從該毛細管傳導開的散熱 . 器，下游電極3 4可以使用電阻性材質來製作，其可於電流通 過電極32、34的期間提供所需下游電極溫度。可選擇電極 3 4之電阻係數以及包括其截面積和長度的其他參數以最小 化電極34可能產生於該毛細管之任何熱散失效應。這些參數 的選取可以是與通過該毛細管之液體/蒸汽的所需流率有 關。在較高的流率時，更多的熱必須被輸入該加熱區域以保 φ 持該蒸汽之該所需引出溫度。當該流率增加時會需要較高的 功率輸入以保持較佳之溫度分佈。根據功率等於I2R的關 係，較高的功率需要較高的電流。由於較高的流率具有較高 的熱散失率，因此該液體通道中需要較高的電流。然而，除 非該下游電極的電阻係數改變，否則該較高的功率輸入會產 生太多的熱於該下游電極。因此，當以較高的流率通過該毛 細管時，該下游電極的電阻事實上會減少，而達成所需之溫 度，以避免該下游電極與該毛細管之該下游端之間的任何溫 • 度梯度。於是，該毛細管沿著該加熱區域的該溫度分佈便可 被控制，且亦可避免過度加熱通過該加熱區域之該液體/蒸 汽。 第3圖係爲本案具有同樣高之傳導材質之氣溶膠的側壁 溫度分佈、以及受控之溫度分佈（CTP)氣溶膠產生器的比較 圖。該毛細管沿著該加熱區域之該受控溫度分佈使引出該管 之該頂端的蒸汽保持所需引出溫度而不會過度加熱在其上游 的液體/蒸汽。 -15- 1316861 由在醫療應用中沿該毛細管溫度分佈所引起的另一個優 點爲’該管之該頂端可以被輕易地被保持於一足夠高的溫度 . 以最佳化具有粒子的氣溶膠的形成，粒子之直徑較佳範圍低 於10微米（micron)，最好低於5微米（micron)，在此範圍， 呈液滴形式的粒子或是固體粒子在藥劑傳導過程中可以更有 效率地通往使用者的肺。 由上述可知，很明顯該下游電極的該電阻、截面積、以 及長度可以變化以達成沿著該毛細管之該加熱區域之所需的 # 溫度分佈，而所產生的該下游電極的運作溫度平衡該毛細管 頂端附近的溫度，可以藉由該下游電極實質地消除任何熱散 失效應。舉例來說，該下游電極可以包括連接於該毛細管和 完成該電路至該功率供應之一低電阻金屬線之間的5至7mm 的不銹鋼管部份，該電極可以使用傳統方法（例如以冶金方法 進行連結）而連接至該毛細管，該傳統方法包括但不限於銅鋅 焊接（brazing)、熔接（welding)以及焊接（soldering)，或是該 電極可以與該毛細管形成一體。在製作該毛細加熱器於一吸 ® 入器時，該毛細管最好是絕緣及/或與周遭空氣以及自該毛細 管所引出之蒸汽隔絕。舉例來說，絕緣材質或是金屬箔片（例 如不銹鋼箔片）可以被用以支持一口啣部中的該毛細頂端，使 得引出該毛細管的該不會接觸到位在該金屬箔片上游之該毛 細管的外側表面。 如上所述，該毛細管及該液體汽化裝置之該下游電極皆 具有電阻。對於通過該毛細管的已知液體流率來說，該下游 電極的電阻 Re對於該毛細管之電阻 Rc的電阻比 -16- 1316861

Rr(Rr = Re/Rc)可以被調整以提供沿著該毛細管所需之溫度分 佈並以液體汽化裝置提供所需品質的氣溶膠。該上游電極最 . 好係相較於該下游電極與該毛細管每一者具有低得多的電 阻。因此，該上游電極之電阻並不會被用於決定該電阻比 Rr。該上游電極最好係由銅製作以提供較低的電阻。其他具 有低電阻的材料亦可用以替換。 氣溶膠品質能以數種不同方式而特徵化。特別是，氣溶 膠品質能以氣溶膠之粒子的尺寸分佈及/或氣溶膠一種以上 • 成分的百分比回復。關於該粒子尺寸分佈，具有低於某些所 選取之尺寸之氣溶膠粒子的質量可被用以表示該氣溶膠品 。質。舉例來說，所選取之粒子尺寸可以促進滲入肺部深處。 氣溶膠回復能以氣溶膠之一種以上成分的「排放劑量」 及/或「可呼吸劑量」特徵化。該（等）成分可以爲——種 以上的藥劑。此處的 「排放劑量」係定義爲該液體汽化裝 置所排出之該（等）成分的質量相對於供應給該毛細管之該 (等）成分的計量劑量的比率（亦即，排放劑量=[排出成分之 ® 質量/計量劑量]xl 〇〇)。此處的「可呼吸劑量」係定義爲小 於選取之尺寸X之氣溶膠粒子之質量相對於排放劑量的比率 (亦即’可呼吸劑量=[氣溶膠粒子之質量< X/排放劑量]xl 〇〇)。 根據本案一實施例，該液體汽化裝置具有該下游電極之 電阻相對於該毛細管之電阻的一預定電阻比Rr。該下游電極 及/或該毛細管之電阻在該液體汽化裝置之運作期間，可以相 對於彼此而被調整，以達到該毛細管之所需的溫度分佈。舉 例來說，可基於沿著該毛細管之長度的每個位置的溫度的一 -17- 1316861 致性而在運作之穩定狀態下’及/或基於該液體汽化裝置之啓 動時間到達運作溫度的時間（例如該頂端之一所需溫度）而監 . 控溫度分佈。藉由控制該溫度分佈’能增進氣溶膠的形成以 及避免氣溶之藥劑的熱降解。 根據本案液體汽化裝置之一實施例，提供高品質氣溶膠 的電阻比Rr會隨著通過該毛細管之該液體的流率而變化。特 別是，對應於高品質氣溶膠的電阻比Rr會隨著通過該毛細管 之該液體的該流率的增加而減少。舉例來說’對於不銹鋼毛 φ 細管和不銹鋼下游電極來說，若液體流率約爲5pL/sec，則 Rr較佳約10%至15%，而較高之液體流率若約爲lOpL/sec， 貝[J Rr較佳約7%至1 0%。 該電阻比Rr係藉由選擇該下游電極和該毛細管之電阻 値而變化。舉例來說，藉由基於其成份和尺寸提供具有選取 電阻的毛細管以及提供具有相對於該毛細管之電阻的特定電 阻的下游電極，可達成電阻比Rr的預定値。金屬材料之元件 的電阻R係由R = P，L/A而定，其中P爲該材料的電阻係數， Φ 而L和A分別爲該元件的長度和截面積。是故，可改變該下 游電阻的長度及/或截面積，以提供該下游電極的所需電阻， 並因此所產生之所需的電阻比Rr。舉例來說，爲了減少電阻 比Rr，該下游電極的長度L可被減少，或者其截面積a可被 增加。因此，視通過該毛細管之所需之該流率，提供理想化 氣溶膠傳導的電阻比便可藉由選取該毛細管及該下游電極之 適當材料及/或尺寸而達到。 根據本案另一實施例，該下游電極係由一材料所製作， -18 - 1316861 該材料相較於該毛細管之該電阻係數具有在周遭溫度下較高 的一電阻係數，該材料具有在該毛細管之運作溫度範圍時的 . 電阻係數實質恆定之溫度係數。舉例來說，該下游電極材質 . 之電阻係數在溫度提升至至少約爲100。(：時保持實質恆定。材 質的電阻係數p係與溫度有關且ρ = ρ0(1+αΔΤ)，其中PQ是在 參考溫度（例如20。〇下的電阻係數，α是電阻係數的溫度係 數’而ΔΤ是該參考溫度和一參與的溫度之間的溫度差。 製作該毛細管的較佳材料是不銹鋼。製作該下游電極的

• 較佳材料是以NICHROME商標販售的鎳基合金，即鎳鉻合 金。一種商業上可取得且以ΝΙ CHROME V商標販賣的合金在 重量百分比上包含 1 9 %至2 1 %的鉻、$ 〇 · 1 5 %的碳、S 1 %的 鐵、S 2.5 %的錳、0 · 7 5 %至1.6 %的矽、$ 0 · 0 1 %的硫、以及用 以平衡的鎳。一種商業上可取得且以NICHROME 80/20A商 標販售的合金具有1 9.5 %的鉻、0.4 0 %的錳、1.2 5 %的矽、0 · 5 0 % 的鐵以及用以平衡的鎳之額定組成。NICHROME合金相較於 不銹鋼具有一較高之周遭溫度電阻係數。此外，NICHROME # 合金的電阻係數相對於溫度保持實質恆定；特別是 NICHROME合金具有一報導的電阻之溫度係數（TCR)a ’其約 爲0.4\1〇-3/。(：。由於NICHROME合金具有一較高的電阻係 數，因此NICHROME合金在周遭溫度下的加熱會比不錄鋼 快。是故，使用NICHROME合金下游電極相對於一不錄鋼下 游電極可以較快地達到一穩定狀態的溫度。藉由較快地在一 下游電極達到一穩定狀態的溫度，該毛細管之該頂端便可被 快速地被加熱至一所需溫度’其可避免過度加熱通過該頂端 -19- 1316861 之該汽化液體。 根據本案另一實施例，因將毛細管加熱器設計成具有預 . 定的「調諧範圍」（如此用語於此處所定義），有助於毛細管 加熱器的大量製造。由於元件材質及/或尺寸的變化，對於大 量製造具有所需特徵的液體汽化裝置係非常具有挑戰性的。 爲了對付該挑戰，已經決定出藉由製造具有可於預定調諧範 圍內運作之毛細管和下游電極的液體汽化裝置，可以達到所 需的性能特徵。 • 在液體汽化裝置的運作期間，該液體汽化裝置的該毛細 管及該下游電極的熱電阻提供總電阻Rt。對於具有不銹鋼毛 細管和不銹鋼下游電極的液體汽化裝置來說，由於該液體汽 ·> 化裝置之毛細管及/或下游電極之電阻係數的改變，該總電阻 會自周遭溫度値（此處稱爲「冷電阻」）隨著溫度而增加。已 經決定出當這種液體汽化裝置被加熱以產生汽化液體時，該 液體汽化裝置的調諧範圍係爲Rmin以及Rmax之間的差値， 在此範圍內可產生品質優良的氣溶膠。在液體汽化裝置的生 • 產中，期望該毛細管和下游電極被設計成使得目標電阻（該液 體汽化裝置據以運作之熱電阻）落於調諧範圍之內，亦即，該 液體汽化裝置的「目標電阻」。 對於不同之液體汽化裝置形成該調諧範圍的Rmin和 Rmax之値會因爲例如該下游電極之尺寸的變化及/或該下游 電極與該毛細管之間連接的接觸電阻的變化而變化。爲了生 產目的，該液體汽化裝置的調諧範圍最好係至少爲1 OmQ。舉 例來說，以預定流率供應液體的第一液體汽化裝置可以具有 -20- 1316861 8 00 ιηΩ的Rmin値、810 ιηΩ的Rmax値以及10 ιηΩ的調諧範 圍。這種液體汽化裝置所需的目標電阻可設定在800ιηΩ和 . 8 10ιηΩ之間的選取値，例如805ιηΩ。該選取之目標電阻可被 用以作爲製造和運作額外之液體汽化裝置的製造和運作規 格。由於製造上的公差，第二液體汽化裝置亦可以具有例如 795ιηΩ的Rmin値、805 ιηΩ的Rmax値以及10 ιηΩ的調諧範 圍。如果該第二液體汽化裝置運作於該第一液體汽化裝置的 該目標電阻（亦即805 ιηΩ)，則由於該目標電阻係落於該調諧 φ 範圍中，便可以製造高品質的氣溶膠。也就是說，該第二液 體汽化裝置和該第一液體汽化裝置的調諧範圍彼此與該目標 電阻重疊。 |> 爲了製造上的目的，該液體汽化裝置需要具有寬調諧範 圍。藉由提供可用以生產高品質之氣溶膠的寬調諧範圍，該 液體汽化裝置的製造公差便較不嚴苛，其可接著減少製造成 本。在一較佳實施例中，該調諧範圍至少須爲10 mQ，但最 好至少20 πιΩ。藉由增加該調諧範圍，所製造的液體汽化裝 • 置便可具有較大的製造公差以及能夠以目標電阻運作的能 力，而目標電阻可預設於所需範圍內。 第4圖係爲所施加功率和液體汽化裝置之目標電阻之間 關係的示意圖，該液體汽化裝置具有長度35mm、內徑 0.18mm、側壁厚度0.0015英吋的不銹鋼毛細管以及熔接至毛 細管的不銹鋼下游電極。如第4圖所示，該液體汽化裝置之 調諧範圍係約爲20 ιηΩ。 改變毛細管長度會改變該毛細管之電阻，藉由改變該毛 -21 - 1316861 細管之長度可以改變調諧範圍。第5圖係爲用於具有 0.10mm、〇.15mm、0.18mm以及〇.20mm之內徑的毛細管之該 調諧範圍和該長度之間關係的示意圖。使用5%重量/重量比 的十八烯醇（〇ley1 alcohol ’ OA)於丙二醇（propylene glycol ’ PG)的液體溶液之中而形成氣溶膠。資料顯示藉由增加該毛細 管之長度可以增加該調諧範圍。舉例來說’長度35mm的毛 細管具有20 πιΩ的調諧範圍’而長度44mm的毛細管具有大 於30πιΩ的一調諧範圍。第5圖亦顯示使用該OA/PG液體溶 φ 液以提供高品質氣溶膠之該毛細管的最小長度約爲2〇mm。 第5圖更顯示了該毛細管流動通道之內徑在改定的毛細 管長度內徑範圍在〇.1〇11101至0.2〇111111不會對調諧範圍產生重 大影響。 第 6 圖顯示在 0.10mm、0.15mm、0.18mm 以及 0.20mm 之內徑以5pL/sec的液體流率和在〇.20mm之毛細管內徑以 10pL/sec的液體流率之條件下調諧範圍和毛細管長度之間的 關係。使用5%重量/重量比的OA於PG液體配方中而形成氣 Φ 溶膠。資料顯示於5pL/sec的流率’能以具有不同內徑之2〇mm 長的毛細管產生高品質的氣溶膠。對於oa/pg液體配方來 說，以lOpL/sec之液體流率之下可產生高品質之氣溶膠的毛 細管長度約爲40mm，而在較低的5pL/sec之液體流率之下的 毛細管長度只有約爲20mm。 根據本案另一實施例，將液體汽化裝置設計成將毛細管 內的液體液面定位於沿著該毛細管之長度的所需位置上。在 該液體汽化裝置的運作期間，通過該毛細管之液體會被加 -22- 1316861 熱，使得液體於該液面附近被轉換成蒸汽’而氣體會由該毛 細管之該出口引出。該毛細管內的液體液面的位置可以藉由 . 改變液體汽化裝置之電阻目標而控制。液面之位置此處係定 義爲液體與該毛細管之內部表面接觸的最下游位置。由於該 毛細管側壁和蒸汽之間的熱傳係數很低，在液面位置下游的 該毛細管便能到達高溫，造成該毛細管頂端之過熱。該液面 最好係位於接近該毛細管之頂端的位置，以避免該毛細管頂 端之過熱。該液面最好是位於該出口之上游，以最大化氣體 # 形成並最小化非汽化液體自該出口之噴出。 第7圖顯示在使用5%重量/重量比之0A於PG配方溶液 而。產生氣溶膠的期間，相對於具有35 mm長度之毛細管之出 口的液面位置和電阻目標之間的關係。資料顯示當該目標電 阻增加時液面往上游移動（亦即，遠離該頂端）。範圍在1.655Ω 至1.675Ω之間的目標電阻提供該毛細管以20ιηΩ的調諧範 圍，在此範圍產生高品質之氣溶膠。在該調諧範圍內，該液 面位置距離該出口之範圍約爲2mm至5 mm。在一較佳實施例 • 之中，該液面位置距離該出口低於5mm，較佳者係距離該出 口之範圍約爲2mm至3mm。該液面位置距離該出口 2mm至 5mm相對於該毛細管之長度的比率係爲3 5mm長度之毛細管 的約5%至15%。 第8圖顯示在使用5%重量/重量比之OAPG配方溶液而 形成氣溶膠的期間，相對於具有44mm長度之毛細管之出口 的液面位置和電阻目標之間的關係。範圍在0.6685Ω至 0.6985Ω之間的目標電阻代表毛細管30ιηΩ的調諧範圍。在該 -23- 1316861 調諧範圍內，液面位置距離出口之範圍約爲4mm至14mm。 在一較佳實施例之中，該液面位置距離該出口低於14mm。 - 該液面位置距離該出口約4mm至14mm相對於該毛細管之長 ， 度的比率係爲44mm長度之毛細管的約10%至30%。 比較第7圖及第8圖，該液面位置距離該出口相對於該 毛細管之長度的比率爲5%至3 0%，或是液面位置距離該出口 約爲2mm至14mm，對於35mm至44mm的毛細管長度而言， 提供高品質氣溶膠予》 • 增加該毛細管之頂端溫度會使得該液面往上游移動，第 9圖顯示隨著增加電阻目標該頂端溫度會線性增加。藉由調 整該目標溫度可以控制該頂端溫度以達成該液面的最佳位 置，藉以產生高品質的氣溶膠並防止蒸汽過熱。如上所述， 藉由改變該毛細管及/或該下游電極之電阻可以調整該電阻 目標。 待汽化之材料可以爲溶液、懸浮液、乳狀液以及凝膠。 對於溶液和懸浮液來說，該液面距離出口之位置在氣溶膠之 • 質量氣動中位粒徑（mass median aerodynamic diameter， MM AD)的效應係根據該液體配方之載體是否爲凝結載體（例 如PG)或非凝結載體（例如酒精）而定。最特別的是，對於凝結 載體來說，當該液面於該毛細管中向上游移動時，MMAD會 增加。相反地，對於非凝結載體來說，當該液面向上游移動 時MMAD會減少。 儘管本案發明係根據較佳實施例來作示範說明，應瞭解 的是在不背離所附申請專利範圍所提出的本發明之意旨及範 -24- 1316861 圍，得在其中作變化及修飾。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示本案一實施例之一液體汽化裝置； .第2圖係爲本案一實施例之一加熱毛細管的示意圖； 第3圖顯示本案用於一加熱毛細管及一對照用之加熱毛 細管的側壁溫度分佈圖； 第4圖顯示施加於液體汽化裝置之功率和電阻目標之間 的關係； 第5圖顯示具有不同內部直徑之毛細管之調諧範圍和長 度之間的關係； 第6圖顯示以不同液體流率通過毛細管的情況下具有不 同內部直徑之毛細管之調諧範圍和長度之間的關係； 第7圖顯示具有35mm長度之毛細管之液面位置和電阻 目標之間的關係； 第8圖顯示具有44mm長度之毛細管之液面位置和電阻 目標之間的關係；以及 第9圖顯示毛細管之頂端溫度和電阻目標之間的關係。 元件符號說明 10 氣溶膠產生器 12 液體源 14 閥 15 偵測器 16 控制器 18 口啣部 -25- 加熱毛細通道 氣溶膠產生器 入口端 上游充塡區域 點 中段加熱區域 毛細管 點 下游頂端 出口端 上游電阻 下游電極 液體源 -26-

Claims (1)

1316861 第93 1 25 446號「具有受控溫度分佈加熱器/毛細管之液體汽 化裝置」專利案 • (2009年2月修正） 十、申請專利範圍： 1 . 一種液體汽化裝置，包括： 一毛細管’具有一入口及一出口，該毛細管係由具有 第一電阻係數之第一材質所構成； 一第一電極’連接於該毛細管；以及 # 一第二電極，連接於該毛細管並較該第一電極更爲接 近該毛細管之該出口，該第二電極係由具有第二電阻係數 之鎳-鉻合金所構成’該第二電阻係數係⑴在環境溫度下時 高於該第一電阻係數’且（ii)處於環境溫度和至少約1〇〇。〇 之間時保持實質恆定。 2.如申請專利範圍第1項之液體汽化裝置，其中該第一材質 係爲不銹鋼，且該鎳-鉻合金包括重量百分比19〜21 %的鉻 及至少77%重量百分比的鎳。 • 3.如申請專利範圍第1項之液體汽化裝置，更包括一口啣部， 該毛細管之出口將汽化之液體導入該口啣部。 4.如申請專利範圍第1項之液體汽化裝置，更包括： 一控制器：以及 一偵測器； 其中該偵測器係偵測對應於一預定量的氣溶膠之傳導 的一傳導狀況，該控制器係可運作成當該偵測器偵測到該 傳導狀況時傳導一預定量之液體進入該毛細管，且使電流 1316861 通過該毛細管以使該毛細管內的液體揮發。 5. —種汽化液體的方法，包括： - 提供一液體進入如申請專利範圍第1項之液體汽化裝 置之該毛細管入口；以及 施加一電壓於該第一電極與該第二電極之間，藉以加 熱該毛細管內的該液體至一足夠溫度，以形成經由該出口 離開該毛細管的蒸汽。 6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該液體包括一藥劑。 φ 7.—種製造如申請專利範圍第1項之液體汽化裝置的方法， 包括以冶金方式將該第二電極與該毛細管結合，該第二電 極包括一鎳基合金的一金屬線段，該毛細管包括一不銹鋼 管部份。 8.—種液體汽化裝置，包括一毛細管’該毛細管包括一入口 及一出口，該毛細管具有電阻Rc;連接於該毛細管的一第 一電極；以及連接於該毛細管並較該第一電極更爲接近該 毛細管之該出口的一第二電極’該第二電極具有電阻Re， φ 其改良在於： RC與Re之間的關係使得該液體汽化裝置具有電阻比 P_r = Re/Rc，其中Rr具有一對應於通過該毛細管之液體的— 預設流率之預設値’當該預設流率爲較高値時該預設値爲 較低値。 ‘ 9如申請專利範圍第8項之液體汽化裝置’其中當該預設流率 約爲7_5 μί/sec以下時’ Rr係爲從約0.1至約〇. 1 5。 ! 0.如申請專利範圍第8項之液體汽化裝置，其中該毛細管係 1316861 爲一不銹鋼管’且該第二電極係爲一不銹鋼金屬線段。 1 1 ·如申請專利範圍第8項之液體汽化裝置，其中當該預設流 率高於7.5HL/sec時，Rr係爲從約〇.07至約01。 12.如申請專利範圍第8項之液體汽化裝置，更包括一口啣部， 該毛細管之出口將汽化液體導入該口啣部。 1 3 ·如申請專利範圍第8項之液體汽化裝置，更包括： 一控制器；以及 一偵測器； 其中該偵測器係偵測對應於一預定量的氣溶膠之傳導 的一傳導狀況，該控制器係可運作成當該偵測器偵測到該 傳導狀況時傳導一預定量之液體進入該毛細管，且使電流 通過該毛細管以使該毛細管內的液體揮發。 1 4 · 一種汽化液體的方法，包括： 提供一液體通過申請專利範圍第8項之液體汽化裝置 之入口進入該毛細管；以及 施加一電壓於該第一電極與該第二電極之間，藉以加 熱該毛細管內的該液體至一足夠溫度，以形成經由該出口 離開該毛細管的蒸汽。 15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該液體包括一藥劑。 16. —種製造如申請專利範圍第8項之液體汽化裝置的方法， 包括以冶金方式將該第二電極與該毛細管結合，該第二電 極包括不銹鋼的一金屬線段，該毛細管包括一不銹鋼管部 份，該金屬線段之尺寸係設定成依待供應至該毛細管之液 體之預設流率而提供一熱電阻。 1316861 17. —種用以傳導汽化液體的液體汽化裝置，包括： 一電阻性加熱毛細管，包括一出口及一入口，該毛細 管係由具有電阻Rc之材料所構成，當該毛細管被加熱時該 電阻Rc會增加； —第一電極，連接於該毛細管；以及 一第二電極，連接於該毛細管並較該第一電極更爲接 近該毛細管之該出口，該第二電極具有電阻Re，當該第二 電極被加熱時該電阻Re會增加； 其中，該汽化液體係藉由提供液體進入該毛細管之該 入口同時使電流通過位於該第一電極與該第二電極之間的 該毛細管之一部份而產生，該液體係於該毛細管內被加熱 並在液面之下游形成汽化液體，於該液面處通過該毛細管 之液體被轉變爲蒸汽，該液體汽化裝置於傳導該汽化液體 之期間具有總熱電阻Rt = Rc + Re，其中Rt具有一預設値， 有效提供與該出口隔開一預定距離之該液面。 18. 如申請專利範圍第17項之液體汽化裝置，其中該預定距離 短於約5mm。 19. 如申請專利範圍第17項之液體汽化裝置，其中當該毛細管 具有至少40mm之長度時，該預定距離係爲從約4mm至約 14mm，且當該毛細管具有短於40mm之長度時，該預定距 離係爲從約2mm至約5mm。 2 0 .如申請專利範圍第1 7項之液體汽化裝置，更包括一口啣 部，該毛細管之該出口將汽化液體導入該口啣部。 2 1 .如申請專利範圍第1 7項之液體汽化裝置，更包括： 1316861 一控制器；以及 一偵測器； 其中該偵測器係偵測對應於一預定量之氣溶膠之傳導 的一傳導狀況，該控制器係可運作成當該偵測器偵測到該 傳導狀況時傳導包括藥劑之液體進入該毛細管，且使電流 通過該毛細管以使該毛細管內的該液體揮發。 2 2 · —種製造如申請專利範圍第1 7項之液體汽化裝置的方法， 包括以冶金方式將該第二電極與該毛細管結合，該第二電 極包括不銹鋼的一金屬線段，該毛細管包括一段不銹鋼 管，該毛細管及/或該第二電極之尺寸係被設定成以該預設 値提供Rt，Rt係對應於被提供於該毛細管之液體流率。 23.—種製造液體汽化裝置的方法，包括： (a)藉由： (i) 以冶金方式將一第一電極與一不銹鋼毛細管結合， 該毛細管具有一長度L1、一入口、一出口、以及電阻Rcl; 以及 (ii) 以冶金方式將一第二電極與該不銹鋼毛細管結 合’並較該第一電極更爲接近該毛細管之該出口，該第二 電極具有一電阻Re 1 ; 而製作一第一液體汽化裝置： 藉由提供一液體通過該入口進入該毛細管，並施加一 電壓於該第一電極與該第二電極之間，以加熱該毛細管內 的該液體至一足夠溫度’形成經由該出口離開該毛細管的 蒸汽，使得該第一液體汽化裝置運作以產生汽化液體；以 1316861 及 (b)藉由： (i) 以冶金方式將一第一電極與一不銹鋼毛細管結合， 該毛細管具有一長度L2、一入口、一出口、以及電阻Rc2; 以及 (ii) 以冶金方式將一第二電極與該不銹鋼毛細管結 合，並較該第一電極更爲接近該毛細管之該出口，該第二 電極具有電阻Re2 ; 而製作一第二液體汽化裝置； 藉由提供一液體通過該入口進入該毛細管，並施加一 電壓於該第一電極與該第二電極之間，以加熱該毛細管內 的該液體至一足夠溫度，形成經由該出口離開該毛細管的 蒸汽，使得該第二液體汽化裝置運作以產生汽化液體； 其中該第一液體汽化裝置於傳送該汽化液體之期間具 有總熱電阻Rtl=Rcl+Rel及調諧範圍TR1 2 ΙΟιηΩ，該調諧 範圍等於最大熱電阻値Rlmax與最小熱電阻値R1 min的差 値，於此範圍內該毛細管係被加熱以產生所需品質的氣溶 膠；該第二液體汽化裝置於傳送該汽化液體之期間具有總 熱電阻Rt2 = Rc2 + Re2及調諧範圍ΤΙ12210ιηΩ，該調諧範圍 等於最大熱電阻値R2max與最小熱電阻値R2min的差値， 於此範圍內該毛細管係被加熱以產生所需品質的氣溶膠； 該第一及該第二液體汽化裝置具有尺寸不同的毛細管及/ 或第二電極，Rlmin和R2min不相等、且/或Rlmax和R2max 不相等，該第一及該第二液體汽化裝置於其運作時具有相 1316861 同之目標電阻，且該目標電阻處於R1 min至R1 max的範圍 以及R2min至R2max的範圍之內。 . 24.如申請專利範圍第23項之方法，其中TR1及/或TR2係爲 至少約20ιηΩ。 2 5.如申請專利範圍第23項之方法，其中該第一液體汽化裝置 及該第二液體汽化裝置的該毛細管具有至少20mm的長度。 2 6.如申請專利範圍第23項之方法，其中該第一液體汽化裝置 及該第二液體汽化裝置的該毛細管具有至少40mm的長度。 • 27.如申請專利範圍第23項之方法，其中該第一液體汽化裝置 及該第二液體汽化裝置之該第二電極爲不銹鋼所製成。

1316861

Ο 0.6650 0.6700 0.6750 0.6800 0.6850 0.6900 0.6950 0.7000 電阻目標(歐姆） 第8圖