使用文丘里效应向加热元件传递基质的气溶胶生成系统的制作方法

本发明涉及气溶胶生成系统，其中气溶胶通过使用加热器使液体基质汽化而产生。

背景技术：

一种类型的气溶胶生成系统为电子香烟。电子香烟通常通过加热液体气溶胶形成基质以产生蒸汽而操作。蒸汽接着冷却以形成气溶胶。大部分电子香烟系统使用某一形式的液体保留材料，如海绵或浸润材料来保持液体气溶胶形成基质且将其传递至加热器。在此类系统中，存在若干与液体保留材料相关的问题。随着液体保留材料变干，较少液体传递至加热器，导致传递较小量的气溶胶。另外，随着液体保留材料变干，其更易受炭化或燃烧。这可导致所产生气溶胶中的非所需化合物。液体保留材料也增加制造方法的成本和复杂度。

已提出且不需要液体保留材料的用于向加热器传递液体的一种解决方案将使用压电阀传递液滴以直接形成气溶胶或向加热器传递液体。但是，压电阀具有显著缺点。相比于液体保留材料，压电阀对于系统增加甚至更多成本和复杂度，且需要向系统添加额外控制电子元件。阀消耗额外功率，其对于电池操作系统来说是重要考虑因素。阀易于断裂和阻塞。且对于电子香烟系统可能最重要的，阀导致经调节的系统，其中传递以产生气溶胶的液体的量为预定的，导致用户受挫。更深地吸气的用户可能需要较大量的气溶胶。理想地，用户的吸入或抽吸范围应决定传递的气溶胶的量，如在常规香烟中。

将需要提供在不使用液体保留材料的情况下将液体传递至加热器，但不遭受与压电阀相关的描述问题的气溶胶生成系统。

技术实现要素：

在第一方面中，提供了一种气溶胶生成系统，其包含：

空气入口和空气出口；

保持液体气溶胶形成基质的液体储存部分，所述液体储存部分具有液体出口；

从空气入口经过液体出口向空气出口的气流通道，其中气流通道经成形以使得当空气从空气入口经过气流通道流向空气出口时，液体出口处的气流通道内存在压降；和

流动路径内的加热元件，其位于液体出口与空气出口之间。

系统经有利地配置以使得当空气从空气入口经过气流通道流向空气出口时，液体出口处的压力低于液体储存部分内的压力。可允许液体储存部分内的压力与大气压均衡。系统可经配置以在空气从空气入口经过气流通道流向空气出口时在液体出口处提供低于大气压的压力。为了在液体出口处提供压降，气流通道可在液体出口处具有相对于空气入口受限的截面。气流通道的限制造成空气速度的增加和空气压力的降低。这称作文丘里效应(venturieffect)。压力的减小在液体出口处产生吸离，将液体抽吸出液体出口，进入气流中。抽吸至气流中的液体接着在气流中运送至加热元件，在其中经汽化。液体出口处的气流通道的截面也可相比于空气出口受限。此布置相比于液体出口升高出口处的空气压力。

系统可在气流通道中，在加热元件与空气出口之间包含气溶胶形成腔室。气溶胶形成腔室为允许经汽化的气溶胶形成基质冷却和冷凝以在通过空气出口离开系统之前形成气溶胶的空间。

液体储存部分为气溶胶形成基质提供密封壳体，使得流体除了通过液体出口无法进入或离开壳体。密封壳体确保液体气溶胶形成基质不泄漏出液体储存部分，除非其在空气流经气流通道时通过液体出口处的减压抽出。随着液体被抽出液体，其在液体储存部分内部产生低压。液体储存部分外部的空气的较高压力将其余的液体保持于液体储存部分中。

气流通道中的压降的大小不仅取决于气流通道的几何形状，而且也取决于通过气流通道的气流速度。较快气流导致较大压降。较大压降导致较大体积的液体气溶胶形成基质被抽出到气流中。因此，通过系统的气流速度越快，产生的气溶胶的总颗粒质量(tpm)越大。在抽吸致动系统中，这意味着较深地抽吸的用户将比较浅抽吸的用户接收更大量的气溶胶。

有利地，液体储存部分在比大气压低的压力下含有气袋。仅当液体出口处的压力低于液体储存部分内的空气的压力时，液体将抽出到气流通道中。液体储存部分可经配置以使得当空气不从空气入口向空气出口流经气流通道时，空气可通过液体出口进入液体储存部分以使液体储存部分内部和外部的气压均衡。这确保随着液体储存部分中的液体气溶胶形成基质的量减少，其不会在气流周期之间，例如用户吸入之间存在中断的情况下逐渐变硬以将液体抽出到气流中。

或者或另外，液体储存部分可包含低压释放阀，其允许空气在处于打开位置时进入液体储存部分，但在处于闭合位置时不允许。阀可经配置以在跨越阀的压力差超过压力阈值时移动至打开位置。系统可经配置以使得阀经控制以在预定流动速率的空气流经气流通道时，例如当用户在空气出口抽吸时处于闭合位置。系统可经配置以使得阀在用户抽吸之间处于打开位置以均衡液体储存部分内部和外部的气压。

液体储存部分可包含环状壳体，且气流通道可延伸穿过环状壳体。这允许提供对称且紧凑的系统。

可选择气流通道的截面积和其在液体出口处减小的量以符合系统的特定要求。在优选实施例中，空气入口的横截面积在1mm²与3.5mm²之间且液体出口处的气流通道的截面积在0.1mm²与0.9mm²之间。气流通道可具有任何所需截面形状，如环状或椭圆形。气流通道可经成形以促进层状气流。或者或另外，气流通道可包括冲击表面以帮助液体或气溶胶的扩散。气流通道可经配置以对于典型用户抽吸提供至少250pa的压降。

液体出口可为环状且可围绕气流通道。或者，气流通道可为环状且可围绕液体出口。液体出口的大小对传递至气流通道中的液体的量具有直接影响。

加热元件安置于气流通道中。加热元件可跨越气流通道且为流体可渗透的以使得气流必须穿过加热元件以到达空气出口。加热元件可包含加热器丝的网格、阵列或织物。

或者，加热元件或多个加热器可围绕气流通道或部分延伸跨越气流通道。

加热元件可通过电阻加热来操作，其中电流穿过加热元件以产生热。或者，加热元件可经感应加热。或者，加热元件可通过来自另一热源，如化学热源的热传导而加热。加热元件可为包含例如电接触垫和电绝缘基质的加热器组合件的一部分。

选择用于加热元件的一种或多种材料可取决于其操作模式。在优选实施例中，加热元件被配置成电阻式加热且包含导电丝的网格、阵列或织物。导电丝可界定丝之间的间隙且间隙的宽度可在10μm与100μm之间。

导电丝可形成大小在160到600meshus(+/-10％)之间(即，在每英寸160与600个丝之间(+/-10％))的网格。间隔的宽度优选地在75μm与25μm之间。作为间隙的面积与网的总面积的比率的网的开口面积的百分比优选地在25％到56％之间。网格可以使用不同类型的编织或格子结构形成。替代地，导电丝由彼此平行布置的丝阵列组成。

导电丝可具有在10μm与100μm之间、优选地在8μm与50μm之间且更优选地在8μm与39μm之间的直径。所述丝可具有圆形横截面或可具有平坦的横截面。

导电丝的网格、阵列或织物的面积可较小，优选地小于或等于25mm²，允许其合并到手持系统中。导电丝的网格、阵列或织物可例如为矩形的且具有5mm乘2mm的尺寸。优选的是，导电丝的网格或阵列覆盖加热器组件面积的10％与50％之间的面积。更优选的是，导电丝的网格或阵列覆盖加热器组件面积的15％与25％之间的面积。

所述丝可通过蚀刻例如箔的片材而形成。当加热器组件包括平行丝阵列时，此可为特别有利的。如果加热元件包含丝的网格或织物，那么丝可单独地形成且针织在一起。

加热元件的丝可由具有合适的电特性的任何材料形成。合适的材料包括但不限于：例如掺杂陶瓷的半导体、“导”电陶瓷(例如，二硅化钼)、碳、石墨、金属、金属合金以及由陶瓷材料和金属材料制造的复合材料。这类复合材料可以包括掺杂或无掺杂的陶瓷。合适的掺杂陶瓷的实例包含掺杂碳化硅。合适的金属的例子包括钛、锆、钽和铂族金属。合适的金属合金的实例包含不锈钢；康铜；含镍合金、含钴合金、含铬合金、含铝合金、含钛合金、含锆合金、含铪合金、含铌合金、含钼合金、含钽合金、含钨合金、含锡合金、含镓合金、含锰合金和含铁合金；以及基于镍、铁、钴的超级合金，不锈钢，基于铁铝的合金以及基于铁锰铝的合金。是titaniummetalscorporation的注册商标。丝可涂覆有一种或多种绝缘体。导电丝的优选材料为304、316、304l、316l不锈钢，以及石墨。

加热组件可包括上面支承丝的电绝缘基质。电绝缘基质可包括任何合适的材料，且优选的是一种能够耐高温(超过300℃)和温度急速变化的材料。合适的材料的实例为聚酰亚胺薄膜，例如电绝缘基质可具有形成于其中的开孔，其中导电丝跨越所述开孔延伸。加热器组件可包括连接到导电丝的电接触部分。

加热器元件的导电丝的网格、阵列或织物的电阻优选地在0.3欧姆到4欧姆之间。更优选的是，导电丝的网格、阵列或织物的电阻在0.5欧姆到3欧姆之间，且更优选地约1欧姆。导电丝的网格、阵列或织物的电阻优选地比接触部分的电阻大至少一个数量级，且更优选地大至少两个数量级。这确保通过使电流通过加热元件而产生的热集中到导电丝的网格或阵列。如果系统由电池提供电力，那么对于加热器元件具有较低的总电阻是有利的。低电阻高电流系统允许高功率递送到加热器元件。这允许加热元件快速地将导电丝加热到所要温度。

第一和第二导电接触部分可直接固定到导电丝。接触部分可定位于导电丝与电绝缘基质之间。举例来说，接触部分可由电镀到绝缘基质上的铜箔形成。与绝缘基质相比，接触部分还可更容易地与丝结合。

或者，第一和第二导电接触部分可与导电丝成一体。举例来说，可通过蚀刻导电薄片以在两个接触部分之间提供多个丝来形成加热器元件。

系统可在加热元件下游包括过滤器垫，如cambridge过滤器垫。过滤器垫可与加热器元件接触。这可帮助预防液体通过空气出口的泄漏且可从气溶胶移除任何非所需颗粒物质。

加热元件可包括至少一种由第一材料制成的丝和至少一种由不同于第一材料的第二材料制成的丝。这可有益于电或机械原因。举例来说，丝中的一个或多个可由具有随温度显著变化的电阻的材料(例如，铁铝合金)形成。这允许丝的电阻的测量值用于确定温度或温度的变化。这可用于抽吸检测系统中且可用于控制加热元件温度以使其保持在所需温度范围内。温度的突然变化也可用作检测由于使用者抽吸系统而经过加热元件的气流的变化的手段。

系统可包含一次性筒部分和装置部分，其中筒包含液体储存部分。一旦液体储存部分中的液体气溶胶形成基质耗尽，将筒扔掉且用新筒替换。

筒可包含加热元件。或者，加热元件可提供为装置的一部分。

系统可包含经配置以在用户口中接纳的烟嘴部分。空气出口可在烟嘴部分中。烟嘴部分可为筒部分或装置部分的一部分，或可包含分离部分。一次性烟嘴可提供为烟嘴部分的一部分。一次性烟嘴可为柔韧的且可模拟常规香烟滤嘴的感觉。

系统可进一步包含连接到加热元件且连接到电源的电路，所述电路经配置以监测加热元件或加热元件的一个或多个丝的电阻，且取决于加热元件或一个或多个丝的电阻来控制向加热元件的电力供应。

电路可包括微处理器，所述微处理器可为可编程微处理器。电路还可包括电子组件。电路可经配置以调节到达加热元件的电力供应。在激活系统之后电力可连续地供应到加热元件或可例如在逐抽吸的基础上间歇地供给。电力可以电流脉冲的形式供应到加热元件。

系统有利地包括在壳体的主体内的电源，典型地是电池。作为替代，电源可以是另一形式的电荷存储装置，例如电容器。电源可需要充电并可具有允许一个或多个吸烟过程的足够能量的存储的容量；例如，电源可以具有足够的容量以允许连续生成气溶胶持续大约六分钟的时间，对应于抽一支常规卷烟所耗费的典型时间，或者持续多个六分钟的时间。在另一实例中，电源可具有足够的容量以允许预定数量次抽吸或加热元件的不连续启动。

优选的是，气溶胶生成系统包括壳体。优选地，壳体为伸长的。壳体可以包括任何合适的材料或材料的组合。合适材料的示例包含金属、合金、塑料或含有那些材料中的一种或多种的复合材料、或适于食品或制药应用的热塑性塑料，例如聚丙烯、聚醚醚酮(peek)和聚乙烯。优选地，所述材料是且轻型的且是不易破碎的。

优选的是，气溶胶生成系统为便携式的。气溶胶生成系统可以具有相当于常规雪茄或卷烟的尺寸。吸烟系统可以具有大约30mm与大约150mm之间的总长度。吸烟系统可以具有大约5mm与大约30mm之间的外径。

气溶胶形成基质为能够释放可形成气溶胶的挥发性化合物的基质。可以通过加热气溶胶形成基质释放挥发性化合物。气溶胶形成基质可包括基于植物的材料。气溶胶形成基质可以包括烟草。气溶胶形成基质可以包括包含挥发性烟草风味化合物的含烟草材料，当加热时所述挥发性烟草风味化合物从气溶胶形成基质释放。气溶胶形成基质可替代地包括不含烟草的材料。气溶胶形成基质可包括均质植物性材料。气溶胶形成基质可包括均质烟草材料。气溶胶形成基质可包括至少一种气溶胶形成剂。气溶胶形成剂是任何适合的已知化合物或化合物的混合物，其在使用中有助于形成浓密且稳定的气溶胶，并且在系统的操作温度下对热降解基本上具抗性。合适的气溶胶形成剂是本领域众所周知的，并且包括但不限于：多元醇，例如三甘醇，1,3-丁二醇和甘油；多元醇的酯，例如甘油单、二或三乙酸酯；和一元、二元或多元羧酸的脂肪酸酯，例如二甲基十二烷二酸酯和二甲基十四烷二酸酯。优选的气溶胶形成剂是多元醇或其混合物，如三乙二醇、1,3-丁二醇，并且最优选地甘油，如甘油或丙二醇。气溶胶形成基质可包括其它添加剂和成分，例如香料。在一个实例中，气溶胶形成基质包含甘油、丙二醇(pg)、水和调味剂以及尼古丁的混合物。在优选实施例中，气溶胶形成基质包含大致40体积％pg、40体积％甘油、18体积％水和2体积％尼古丁。此基质具有20pa.s的粘度。

在第二方面中，提供用于气溶胶生成系统的筒，所述筒包含：

空气入口和空气出口；

保持液体气溶胶形成基质的液体储存部分，所述液体储存部分具有液体出口；和

从空气入口经过液体出口向空气出口的气流通道，其中气流通道经成形以使得当空气从空气入口经过气流通道流向空气出口时，液体出口处的气流通道内存在压降。

筒可包含液体出口与空气出口之间的气流通道中的加热器元件。加热器元件可为如参考本发明的第一方面所描述的加热器元件。

筒可包含电接触部分，其经配置以与筒啮合的装置上的对应特征接触以允许将电流从装置中的电源供应至加热元件。

在本发明的第三方面中，提供一种从液体气溶胶形成基质产生气溶胶的方法，其包含：

提供具有液体出口的液体储存部分；

提供经过液体出口的气流通道；

通过在液体出口处的气流中产生压降而将液体气溶胶形成基质抽出液体出口，进入气流通道中的气流中且将气流中的液体输送至气流通道中的加热器元件，所述加热器元件使液体汽化以得到蒸汽；

冷却蒸汽以得到气溶胶。

关于一个方面所描述的特征可以同样应用于本发明的其它方面。在液体储存部分的特定特征中，关于第一方面描述的气流通道、加热元件和气溶胶形成基质可同样适用于第二方面和第三方面。

附图说明

现将参考附图仅通过举例描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1为根据第一实施例的系统的示意性截面；

图2为图1的筒的截面；

图3为图2的筒的分解图；且

图4为图2的筒的横截面。

具体实施方式

图1是根据本发明的一种实施例的成烟系统的截面示意图。图1中示出的系统为通常称为电子香烟的电操作、手持型吸烟系统。系统包含装置10和筒20，其连同一次性烟嘴50形成吸烟系统。

装置包含壳体12，其含有电池14(如磷酸铁锂电池)、控制电子元件16、用于收纳筒20的一部分的空腔15和进气口18。装置具有环状截面且包含多个安置在装置壳体12的圆周周围的空气入口18。空腔15具有用于将对应螺纹啮合于筒20上的螺纹(未示出)。然而，应明晰的是可在筒与装置之间使用许多其它类型的连接件。电池14和控制电子元件16经由电连接件(未示出)向筒提供电功率(如将描述)。同样，任何类型的连接件可用于在筒与装置之间提供电接触的连接件，如搭扣配合、推理配合或卡口型连接件。

显示筒20与图1中的装置10啮合，但分开显示且更详述于图2、图3和图4中。

筒20具有外筒壳体21。具有液体储存壳体34的液体储存部分30提供于外筒壳体21内部。液体储存部分壳体为环状的且通过其中心形成气流通道22。气流通道具有入口端，其具有窄化部分40以使得液体储存壳体内的气流通道相对于通过入口端的气流收缩。入口板41中的孔具有1mm的半径，而液体储存壳体内的气流通道具有0.375mm的半径。

液体气溶胶形成基质的储集器保持于液体储存壳体34的内部与外壁之间。塞子32延伸至储集器中以界定从储集器向气流通道中的液体出口38收缩的液体用液流路径36。液体出口38为基本上环状的，如最佳见于图4中。液体储存部分的基底处的液体出口的内径为约1.5mm，液体出口的外径为约1.75mm。小槽或开口(未示出)提供于储集器的基底中以恰当地定位塞子且确保塞子相对于储集器居中。

紧靠着液体出口下游的气流通道由塞子界定，且在发散部分42中变宽。

加热元件26负载于液体出口下游的塞子32上。加热元件为由304l不锈钢形成的网格，其中网格大小为约400meshus(每英寸约400个丝)。网格的丝具有约16μm的直径。网格连接至由铜形成的电接触部分46。电接触部分32提供于聚酰亚胺基质44上。形成网格的丝限定丝之间的空隙。此实例中的空隙具有约37μm的宽度，但可使用更大或更小的空隙。网格的开口面积，即空隙的面积与网格的总面积的比率有利地在25％到56％之间。加热器组件的总电阻为大约1欧姆。网格提供此电阻的绝大部分使得大部分的热由网格产生。在此实例中，网格具有比电接触部分46高100倍以上的电阻。

气溶胶形成室28提供于加热器下游。气溶胶形成室28为其中来自加热器的蒸汽可在离开空气出口24进入用户口中之前冷却和冷凝以形成气溶胶的区。

如最明显地可见于图3中，外筒壳体以两部分形式形成以准许组装。下筒壳体21a支承液体储存部分、塞子和加热器组件。上筒壳体21b界定筒的烟嘴部分且固持气溶胶形成室和空气出口24。一次性烟嘴50安置于上筒壳体周围，如图1所示。上筒壳体和下筒壳体通过一对螺纹螺栓23和对应螺帽(未示出)彼此固定。

筒壳体和装置壳体可包含任何适合的材料或材料组合。在此实例中，使用聚丙烯，聚醚醚酮(peek)。

可移除的烟嘴50可在外观和感觉方面模拟常规香烟的滤嘴。举例来说，可移除的烟嘴50可由乙酸纤维素、橡胶或塑料(如聚乙烯或聚丙烯或两者的混合物)形成并且可用纸层覆盖住。

在操作中，当用户在烟嘴部分上抽吸时，空气从空气入口18通过气流通道抽吸到空气出口24。空气抽吸通过气流通道，经过液体出口，通过加热器到达气溶胶形成室。液体出口处的气流的压力低于大气压且临界地低于液体储存部分内的空气35的压力。此压力差使得液体气溶胶形成基质抽吸出液体出口，进入气流通道中。

可使用泊松方程(poiseuille'sequation)计算从液体出口抽吸至气流中的液体的大致体积。出于计算起见，考虑40ml的1秒抽吸量。

穿过气流通道的不定型区段和收缩区段的空气的速度计算如下：

速度(2)：(40mm³*10³)/[3.14*(1mm)²]＝12.7*10³mm/s

速度(1)：(40mm³*10³)/[3.14*(0.375mm)²]＝90*10³mm/s

可从这些速度计算压差：

p2-p1＝ρ/2(ν2²-ν1²)＝1/2(90²-12.7²)＝约4000kgmm^-1s^-2

在此实例中，液滴来源于宽度为0.25mm的环状管，我们可通过环的周长(2*π*r＝2*π*1mm)乘以其0.25mm的宽度估算其关于筒的“面积当量”：

(液体传递的)大致面积＝2πr*宽度＝2*3.14*1*0.25mm＝1.57mm²

因此，出于估计液体传递起见的大致“径向当量”为：

(1.57/π)^0.5＝0.75mm

可从液体的组成估算液体气溶胶形成基质的液体粘度，所述组成在此实例中为：

pg(52％)、甘油(20％)、水(15％)和尼古丁(5％)

大致：0.6*52+0.2*1.4+0.15*1.0022+0.05*1.004＝32pas

最后，液体传递可使用压差(δp)、径向当量(r)、液体粘度(μ)和液体流动路径的长度(l)计算：

q＝(δp*πr⁴)/(8μl)＝[4000*π*(0.75*10^-3)⁴]/(8*32*14)＝在0.8mm³s^-1与1mm³s^-1之间。

可以看出用于测定液滴传递体积的关键参数为筒中的液体出口的表面积、液体出口处的压降和液体流动路径的长度。液体流动路径在一定程度上受筒的总长度限制且对于手持型系统，将合意地在10mm与30mm之间。还可由此方程式看出液体气溶胶形成基质的粘度也是重要因素，使得如果液体粘度增加，那么为了实现相同液体传递，液体出口和/或液体路径的尺寸将需要改变。

气流中的液体气溶胶形成基质输送至网格加热元件。可回应于感测的用户抽吸而激活的网格加热元件在液体气溶胶形成基质接触或穿过加热元件时将其汽化。经汽化基质和经加热空气接着传递至气溶胶形成室中，在其中冷却以形成气溶胶。气溶胶接着抽吸出空气出口24且进入用户口中。

随着用户在系统上抽吸且液体抽吸出液体储存部分，液体储存部分内部的压力下降。为了在抽吸之间提供一致液体传递，有利地允许液体储存部分内部的压力在抽吸之间返回到其初始压力，通常大气压。液体出口可足够大以允许气泡在抽吸之间通过液体出口进入液体储存部分。或者，减压阀48可包含于液体储存部分中，其在液体储存部分内部与液体储存部分外部之间的压力差超过阈值压力差时打开。这说明于图2和图3中。可控制减压阀48以在每一用户抽吸期间保持密闭。

如所描述的系统具有若干优于先前系统的优点。其为机械稳固系统，不需要在柔性浸润材料周围卷绕加热器。其消除与加热元件接触的毛细管材料的燃烧或炭化的可能。其消除对于液体保留材料的需要并且因此减少制造成本和制造步骤。其还消除在基于毛细管的系统的情况下发现的潜在气溶胶褪色问题，而液体耗尽，传递至加热元件的液体的量减少，与标签笔的褪色类似。

当相比于基于压电的传递系统时，其为高效节能的，因为其使用在抽吸期间出现的减压来将液滴传递至加热器。其也允许用户的抽吸行为控制传递的液体的量，而不是通过压电阀定量液体的量。

上文描述的示例性实施例是举例说明而不是限制性的。考虑到上述的示例性实施例，现在所述领域的普通技术人员将理解到与以上示例性实施例一致的其它实施例。举例来说，描述的实施例为电操作吸烟系统，但本发明可应用于任何类型的气溶胶生成系统，且可使用不同液体和气流几何布置。