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KR20160119765A - 히터 조립체를 포함하고 있는 에어로졸 발생 시스템용 카트리지 - Google Patents

히터 조립체를 포함하고 있는 에어로졸 발생 시스템용 카트리지 Download PDF

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KR20160119765A
KR20160119765A KR1020167019364A KR20167019364A KR20160119765A KR 20160119765 A KR20160119765 A KR 20160119765A KR 1020167019364 A KR1020167019364 A KR 1020167019364A KR 20167019364 A KR20167019364 A KR 20167019364A KR 20160119765 A KR20160119765 A KR 20160119765A
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KR
South Korea
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heater
cartridge
heater assembly
housing
opening
Prior art date
Application number
KR1020167019364A
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English (en)
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KR102402245B1 (ko
Inventor
아이하르 지노빅
올레그 미로노프
케에단 다스나비스 페르난도
Original Assignee
필립모리스 프로덕츠 에스.에이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 필립모리스 프로덕츠 에스.에이. filed Critical 필립모리스 프로덕츠 에스.에이.
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Publication of KR20160119765A publication Critical patent/KR20160119765A/ko
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Abstract

에어로졸 발생 시스템은, 개구부를 가지고, 액체 에어로졸 형성 기재를 보유하기 위한 하우징(24)을 포함하는 액체 저장부; 및 하우징에 고정되어 있고 하우징의 개구부를 가로질러서 연장되어 있는 적어도 하나의 히터 요소(36)를 포함하는 히터 조립체(30)를 포함하고, 여기서 히터 조립체의 적어도 하나의 히터 요소의 폭은 하우징의 개구부의 폭보다 작은, 카트리지(20)를 포함하고 있다. 실시예들에서, 히터 요소는 개구부의 주변으로부터 이격되어 있어서, 더욱 효율적인 가열과 에어로졸 생산을 유도한다.

Description

히터 조립체를 포함하고 있는 에어로졸 발생 시스템용 카트리지{CARTRIDGE WITH A HEATER ASSEMBLY FOR AN AEROSOL-GENERATING SYSTEM}
본 발명은 에어로졸 발생 시스템 및 액체를 증발시키기에 적합한 히터 조립체를 포함하고 있는 에어로졸 발생 시스템용 카트리지에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 휴대형 에어로졸 발생 시스템, 예를 들어 전기 작동식 흡연 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 측면들은 에어로졸 발생 시스템용 히터 요소에 관한 것이다.
에어로졸 발생 시스템의 하나의 유형은 전기 작동식 흡연 시스템이다. 배터리 및 제어 전자장치를 포함하는 장치부, 및 에어로졸 형성 기재의 공급부 및 전기 작동식 증발기를 포함하는 카트리지부로 이루어지는 휴대형 전기 작동식 흡연 시스템이 공지되어 있다. 에어로졸 형성 기재의 공급부와 증발기 모두를 포함하는 카트리지는 때로는 “카토마이저(cartomizer)”라고 지칭된다. 증발기는 통상적으로 액체 에어로졸 형성 기재 내에 적셔진 세장형의 심지(elongate wick) 주위에 감겨진 히터 와이어의 코일을 포함하고 있다. 카트리지부는 통상적으로 에어로졸 형성 기재의 공급부 및 전기 작동식 증발기뿐만 아니라, 마우스피스를 포함하고 있으며, 사용자가 사용시 마우스피스를 흡인해서 에어로졸을 입 안으로 흡인한다.
따라서, 가열에 의해 액체를 증발시켜 에어로졸을 형성하는 전기 작동식 흡연 시스템은 통상적으로 액체를 보유하는 모세관 물질 주위에 포장되는 와이어의 코일을 포함한다. 와이어를 통과하는 전류는 모세관 물질 내의 액체를 증발시키는 와이어의 저항 가열을 일으킨다. 모세관 물질은 통상적으로 기류 경로 내부에 보유되어 공기가 심지를 지나서 흡인되고 증기를 연행한다. 증기가 그 후에 냉각되어 에어로졸을 형성한다.
이러한 유형의 시스템은 에어로졸 생성에 효과적일 수 있지만, 저 비용 및 반복 가능한 방식으로 제조하는 것이 도전과제일 수도 있다. 또한, 관련된 전기 연결부와 함께 심지 및 코일 조립체는 쉽게 파손될 수 있어 취급하기가 어려울 수 있다.
대안적으로, 일체로 형성된 심지 및 가열 요소를 포함하는 시트류 합성물을 갖는 직사각형 카트리지를 사용하는, US 204/020454에서 제안된 것과 같은 시스템이 제안되어 있다. 이러한 시스템은 구멍을 통한 카트리지의 충진을 필요로 한다. 심지 및 가열 요소를 일체로 형성하는 것은 제조 공정에 추가적인 복잡성을 도입한다. 또한, 이것이 완성된 카트리지의 제조에 추가적인 복잡성을 도입하기 때문에 구멍을 통해 직사각형 형상의 카트리지를 채울 필요성을 극복하는 것이 바람직하다.
더욱 저가로 생산되고 강고한 에어로졸 발생 시스템, 예를 들어 휴대형 전기 작동식 흡연 시스템에 적합한 히터 조립체를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 에어로졸 발생 시스템에서의 종래의 히터 조립체보다도 효율적이거나 더욱 효율적인 히터 조립체를 제공하는 것이 더욱 바람직할 것이다.
일 측면에서는, 전기 작동식 에어로졸 발생 시스템에서 사용하기 위한 카트리지가 제공되며, 상기 카트리지는, 개구부를 가지며, 액체 에어로졸 형성 기재를 보유하기 위한 하우징을 포함하는 액체 저장부; 및 하우징에 고정되고 하우징의 개구부를 가로질러서 연장되는 적어도 하나의 히터 요소를 포함하는 히터 조립체를 포함하고, 여기서 히터 조립체의 적어도 하나의 히터 요소는 하우징의 개구부의 폭보다 작은 폭을 갖는다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 한 구현예에 따른 카트리지를 포함하는 시스템의 개략도이고;
도 2는 도 1에 도시된 시스템의 카트리지의 실시예에 대한 분해도이고;
도 3은 세 개의 히터 요소를 가진 히터 조립체를 도시하고;
도 4는 네 개의 히터 요소를 가진 히터 조립체를 도시하고; 그리고
도 5는 상이한 히터 형상의 TPM 수율을 보여주는 도면이다.
카트리지의 개구부는 폭 및 길이 치수를 갖는다. 적어도 하나의 히터 요소는 하우징의 개구부의 전체 길이 치수를 가로질러서 연장된다. 폭 치수는 개구부의 평면에서 길이 치수에 수직인 치수이다. 바람직하게는, 히터 조립체의 적어도 하나의 히터 요소는 하우징의 개구부의 폭보다도 작은 폭을 갖는다.
바람직하게는, 히터 요소의 일부는 개구부의 주변부로부터 이격되어 있다. 히터 요소가 각 말단에서 하우징에 부착된 스트립을 포함하는 경우, 바람직하게는 스트립의 측면이 하우징과 접촉하지 않는다. 바람직하게는, 스트립의 측면과 개구부의 주변부 사이에 공간이 존재한다.
히터 요소의 폭은 개구부의 적어도 일부 영역에서 개구부의 폭보다도 작을 수 있다. 히터 요소의 폭은 개구부 전체에서 개구부의 폭보다도 작을 수 있다.
히터 조립체의 적어도 하나의 히터 요소의 폭은 하우징의 개구부의 폭의 90% 미만, 예를 들면 50% 미만, 예를 들면 30% 미만, 예를 들면 25% 미만일 수 있다.
히터 요소의 면적은 하우징의 개구부의 면적의 90% 미만, 예를 들면 50% 미만, 예를 들면 30% 미만, 예를 들면 25% 미만일 수 있다. 히터 조립체의 히터 요소의 면적은 예를 들면 개구부의 면적의 10%와 50% 사이, 바람직하게는 개구부의 면적의 15%와 25% 사이일 수 있다.
히터 요소는 바람직하게는 전기 절연 기재 상에서 지지된다. 절연 기재는 바람직하게는 하우징의 개구부를 정의하는 천공을 갖는다. 개구부는 임의의 적절한 형상의 것일 수 있다. 예를 들면, 개구부는 원형, 정사각형 또는 직사각형 형상을 가질 수 있다. 개구부의 면적은 작을 수 있고, 바람직하게는 약 25mm2 이하일 수 있다.
적어도 하나의 히터 요소는 기재와의 물리 접촉 면적이 히터 조립체의 히터 요소가 개구부의 주변 전체 주위에서 접촉하는 경우에 비해서 감소되는 이러한 방식으로 배열되는 것이 바람직하다. 적어도 하나의 히터 요소는 바람직하게는 개구부의 주변부 창 측벽면과 직접 접촉하지 않는다. 이와 같이, 기재에 대한 열 접촉이 감소되고, 에어로졸 발생 시스템의 기재 및 추가 인접 요소에 대한 열 손실이 감소된다.
임의의 특정 이론에 얽매이지 않으면서, 히터 요소를 하우징 개구부로부터 멀리 이격시킴으로써, 보다 적은 열이 하우징에 전달되어, 가열 효율성 및 이에 따라 에어로졸 발생을 증가시키는 것으로 여겨진다. 또한, 가열 요소가 개구부의 주변에 근접하거나 또는 그와 접촉하는 경우, 개구부로부터 멀리 위치하는 액체의 가열이 존재하는 것으로 생각된다. 개구부로부터 멀리 있는 이러한 가열된 액체가 에어로졸의 형성에서 활용될 수 없기 때문에, 이러한 가열은 비효율성으로 이어지는 것으로 생각된다. 가열 요소를 하우징 내의 개구부의 주변으로부터 멀리 이격시킴으로써, 액체의 더욱 효율적인 가열, 또는 에어로졸의 생성이 얻어질 수 있다.
히터 요소와 개구부 주변 사이의 공간은 열 접촉이 상당히 감소되도록 치수화되는 것이 바람직하다. 히터 요소와 개구부 주변 사이의 공간은 25㎛와 40㎛ 사이일 수 있다.
에어로졸 발생 시스템은 전기 작동식 흡연 시스템일 수 있다.
기재는 바람직하게는 적어도 하나의 히터 요소와 접촉하기 위한 적어도 제1 및 제2 전기 전도성 접촉부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 전기 전도성 접촉부는 서로에 대하여 개구부의 대향 측면 상에 위치하며, 여기서 제1 및 제2 전기 전도성 접촉부는 외부 전원과의 접촉을 허용하도록 구성된다.
히터 조립체는 직렬로 전기 연결되는 복수의 히터 요소를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전기 전도성 접촉부는 제1 접촉부가 제1 히터 요소와 접촉하고 제2 접촉부가 직렬로 연결된 히터 요소 중 마지막 히터 요소와 접촉하도록 배열될 수 있다. 추가 접촉부가 히터 조립체에 제공되어 모든 히터 요소의 직렬 연결을 허용한다. 바람직하게는, 이들 추가 접촉부는 기재의 개구부의 각 측면에 제공된다.
바람직하게는, 히터 조립체가 복수의 히터 요소를 포함하는 경우, 히터 요소는 실질적으로 서로 평행하게 공간적으로 배열된다. 바람직하게는, 히터 요소는 서로로부터 이격된다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않으면서, 히터 요소를 서로로부터 이격시키는 것은 더욱 효율적인 가열을 제공할 수 있는 것으로 생각된다. 예를 들면 히터 요소의 적절한 이격에 의해, 예를 들면 동일한 면적을 갖는 단일의 가열 요소가 사용되는 경우에 비해서 개구부의 면적을 가로질러서 더욱 균일한 가열이 얻어질 수 있다.
특정의 바람직한 실시예에서, 히터 조립체는 홀수의 히터 요소, 바람직하게는 3개 또는 5개의 히터 요소를 포함하고, 제1 및 제2 접촉부는 기재의 천공의 대향 측면 상에 위치한다. 이러한 배열은 제1 및 제2 접촉부가 천공의 대향 측면 상에 배열되는 이점을 갖는다.
히터 조립체는 대안적으로 짝수의 히터 요소, 바람직하게는 2개 또는 4개의 히터 요소를 포함한다. 이 구현예에서, 접촉부는 카트리지의 동일 측면 상에 위치하는 것이 바람직하다. 이러한 배열에 따라, 전원에 대한 히터 조립체의 전기 연결의 다소 간결한 디자인이 달성될 수 있다.
적어도 하나의 히터 요소는, 필라멘트들의 메쉬 또는 어레이를 형성할 수 있거나, 또는 직포 또는 부직포를 포함할 수 있는 복수의 전기 전도성 필라멘트로부터 각각 형성될 수 있다. 히터 요소는 유체 투과성일 수 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 히터 요소는 전기 절연 기재에 고정되는 제1 면을 갖고, 제1 및 제2 전기 전도성 접촉부는 제1 면에 대향하는 히터 요소의 제2 면 상에서 외부 전원과의 접촉을 허용하도록 구성된다.
상기 시스템은 액체 에어로졸 형성 기재를 수용하는 하우징을 포함하는 액체 저장부를 더 포함할 수 있고, 여기서 히터 조립체는 액체 저장부의 하우징에 고정된다. 하우징은 강성 하우징이고 유체에 불투과성일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 “강성 하우징”은 자립형 하우징을 의미한다. 액체 저장부의 강성 하우징은 바람직하게는 히터 조립체에 기계적인 지지부를 제공한다.
액체 저장부는 액체 에어로졸 형성 기재를 히터 조립체에 전달하도록 구성된 모세관 물질을 포함할 수 있다.
에어로졸 발생 시스템에 대한 이러한 유형의 히터 조립체의 제공은 통상의 심지 및 코일 배열 이상의 수 가지 이점을 갖는다. 필라멘트들의 메쉬 또는 어레이를 포함하는 히터 요소는 히터의 보다 큰 면적이 증발되는 액체와 접촉할 수 있게 한다. 히터 어셈블리는, 용이하게 입수 가능한 물질 및 대량 생산 기술을 사용하여 저가로 생산될 수 있다. 히터 조립체는 강고해서, 제조 동안에 에어로졸 발생 시스템의 다른 부분에 취급되고 고정될 수 있게 하고, 특히 제거 가능한 카트리지의 일부를 형성할 수 있게 한다. 히터 요소의 일부를 형성하는 전기 전도성 접촉부의 제공은 전원에 대한 히터 조립체의 확실하고 간단한 연결을 허용한다.
전기 전도성 필라멘트는 실질적으로 평평할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, “실질적으로 평평한”은 바람직하게는 단일 평면으로 형성된 것을 의미하고, 예를 들면 만곡되거나 다른 비평면 형상과 끼워맞추도록 주위에 말리거나 달리 순응되지 않는 것을 의미한다. 평평한 히터 조립체는 제조 동안에 용이하게 취급되고 강고한 구성을 제공한다.
히터 요소 또는 히터 조립체는 실질적으로 평평할 수 있다.
적어도 하나의 히터 요소는 전기 전도성 필라멘트들 사이에 간극을 갖는 메쉬를 포함할 수 있다.
이러한 배열에서, 바람직하게는 히터 요소의 적어도 일부분은 히터 요소의 해당 부분의 간극의 치수보다도 큰 거리만큼 개구부의 주변으로부터 이격된다.
전기 전도성 필라멘트들은 이 필라멘트들 사이의 간극들을 정의할 수도 있고, 간극들은 10㎛와 100㎛ 사이의 폭을 가지고 있을 수도 있다. 바람직하게는 필라멘트들은 간극들 내에서 모세관 작용을 일어나게 해서, 사용시 증발될 액체가 간극들 내로 흡인되어, 서셉터 요소와 액체 간의 접촉 면적을 증가시킨다.
전기 전도성 필라멘트들은 160 내지 600 Mesh US (+/- 10%) 사이의 크기(즉, 160 내지 600 필라멘트/인치(+/- 10%))의 메쉬를 형성할 수도 있다. 간극들의 폭은 바람직하게는 75㎛와 25㎛ 사이이다. 메쉬의 총 면적에 대한 간극들의 면적의 비인 메쉬의 개방 면적의 백분율은 바람직하게는 25와 56% 사이이다. 메쉬는 다양한 유형의 직조(weave) 또는 격자(lattice) 구조체들을 사용하여 형성될 수도 있다. 대안적으로, 전기 전도성 필라멘트들은 서로 평행하게 배열된 필라멘트들의 어레이로 이루어져 있다.
전기 전도성 필라멘트들의 메쉬, 어레이 또는 직물은 또한 당 기술분야에서 잘 이해되고 있는 바와 같은, 액체를 보유하는 그의 능력에 의해 특징지어질 수도 있다.
전기 전도성 필라멘트들은 8㎛와 100㎛ 사이, 바람직하게는 8㎛와 50㎛ 사이, 보다 바람직하게는 8㎛와 39㎛ 사이의 직경을 가지고 있을 수도 있다. 필라멘트들은 원형 단면을 가질 수 있거나 예를 들면 편평한 단면을 가지고 있을 수도 있다.
단일의 히터 요소의 전기 전도성 필라멘트들의 메쉬, 어레이 또는 직물의 면적은 작을 수 있고, 바람직하게는 25mm2 이하일 수 있어, 휴대형 시스템 내에 포함될 수 있게 한다. 히터 요소는, 예를 들면 직사각형일 수 있고, 약 5mm의 길이 및 약 2mm의 폭을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 폭은 2mm 이하이고, 예를 들면 폭은 약 1mm이다. 히터 요소의 폭이 작을수록, 더 많은 히터 요소가 본 발명의 히터 조립체에서 직렬로 연결될 수 있다. 직렬로 연결되는 폭이 작은 히터 요소를 사용하는 이점은 히터 요소들의 조합의 전기 저항이 증가된다는 점이다.
히터 요소는 히터 조립체의 면적의 약 10%와 50% 사이의 면적을 덮을 수 있다. 전기 전도성 필라멘트들의 메쉬 또는 어레이는 히터 조립체의 면적의 약 15와 25% 사이의 면적을 덮는다.
전기 전도성 필라멘트는 임의의 적절한 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 적절한 물질은, 이들에만 한정되지는 않지만, 도핑된 세라믹, 전기 "전도성" 세라믹(예컨대, 이규화 몰리브덴), 카본, 흑연, 금속, 금속 합금, 세라믹 물질과 금속 물질의 복합 물질 같은 반도체를 포함하고 있다. 이러한 복합 물질은 도핑된 또는 비도핑된 세라믹을 포함하고 있을 수도 있다. 적절한 도핑 세라믹의 예로는 도핑된 탄화규소를 포함하고 있다. 적절한 금속의 예로는 티타늄, 지르코늄, 탄탈륨, 및 백금족으로부터의 금속이 있다. 적절한 금속 합금의 예로는 스테인리스 스틸, 콘스탄탄(constantan), 니켈-, 코발트-, 크롬-, 알루미늄-, 티타늄-, 지르코늄-, 하프늄-, 니오븀-, 몰리브덴-, 탄탈륨-, 텅스텐-, 주석-, 갈륨-, 망간-, 및 철-함유 합금들, 및 니켈, 철, 코발트, 스테인리스 스틸에 기초한 초합금, Timetal®, 철-알루미늄계 합금, 및 철-망간-알루미늄계 합금을 포함하고 있다. Timetal®은 Titanium Metals Corporation의 등록 상표이다. 필라멘트는 하나 이상의 절연체로 코팅되어 있을 수도 있다. 전기 전도성 필라멘트용으로 바람직한 재료는 304, 316, 304L 및 316L 스테인리스 스틸, 및 흑연이다.
상기 히터 요소의 전기 전도성 필라멘트의 메쉬, 어레이 또는 직물의 전기 저항은 바람직하게는 0.3 내지 4 옴이다. 더욱 바람직하게는, 전기 전도성 필라멘트의 메쉬, 어레이 또는 직물의 전기 저항은 0.5 내지 3 옴이고, 더욱 바람직하게는 약 1 옴이다. 전기 전도성 필라멘트의 메쉬, 어레이 또는 직물의 전기 저항은 바람직하게는 접촉부의 전기 저항보다 큰 적어도 세기의 순이며, 더욱 바람직하게는 적어도 두 가지 세기의 순이다. 이는 히터 요소를 통해 전류를 통과시켜서 발생되는 열이 전기 전도성 필라멘트의 메쉬 또는 어레이에 국소화되는 것을 보장한다. 만약 시스템이 배터리에 의해 구동되는 경우에 히터 요소에 대해 낮은 전체 저항을 갖는 것이 일반적으로 유리하다. 전기 접촉부들과 메쉬 또는 필라멘트 간에 기생 손실을 최소화하는 것은 또한 기생 전력 손실을 최소화하는 데에 바람직하다. 저 저항, 고 전류 시스템은 히터 요소에 높은 전력의 전달을 허용한다. 이는 히터 요소가 빠르게 원하는 온도로 전기 전도성 필라멘트를 가열할 수 있다.
전기 전도성 접촉부는 전기 전도성 필라멘트에 직접 고정될 수도 있다. 접촉부는 전기 전도성 필라멘트 및 전기 절연 기재 사이에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 상기 접촉부는 상기 절연 기재 상에 도금된 구리 호일로부터 형성될 수도 있다. 접촉부는 절연 기재보다 필라멘트와 보다 쉽게 결합할 수도 있다.
대안적으로, 전기 전도성 접촉부는 상기 히터 요소의 전기 전도성 필라멘트와 일체형일 수도 있다. 예를 들어, 상기 히터 요소는 전도성 시트를 에칭해서 두 개의 접촉부 사이에 복수의 필라멘트를 제공하여 형성될 수도 있다.
히터 조립체의 적어도 하나의 히터 요소는 제1 물질로 이루어진 적어도 하나의 필라멘트 및 제1 물질과는 다른 제2 물질로 이루어진 적어도 하나의 필라멘트를 포함하고 있을 수도 있다. 이는 전기적이거나 기계적인 이유로 도움이 될 수도 있다. 예를 들면, 상기 필라멘트들 중 하나 이상은 철 알루미늄 합금과 같이, 온도에 따라 크게 변하는 저항을 갖는 재료로 형성될 수도 있다. 이는 필라멘트의 저항의 측정이 온도 또는 온도 변화를 결정하는데 사용될 수도 있다. 이는 퍼프 검출 시스템 및 원하는 온도 범위 내에 유지하도록 히터 온도를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
전기 절연 기재는 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있고, 바람직하게는 높은 온도(300℃ 초과) 및 급속 온도 변화를 견딜 수 있는 물질이다. 적절한 물질의 예는 폴리이미드 필름, 예를 들어 Kapton®이다.
에어로졸 형성 기재는 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 화합물들을 방출할 수 있는 기재이다. 휘발성 화합물들은 에어로졸 형성 기재를 가열하여 방출될 수도 있다.
에어로졸 형성 기재는 식물계 물질을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 담배를 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 가열시에 에어로졸 형성 기재로부터 방출되는, 휘발성 담배 향미 화합물들을 함유하는 담배 함유 물질을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는, 대안으로, 비-담배 함유 물질을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 균질화된 식물계 물질을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 균질화된 담배 물질을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 적어도 하나의 에어로졸 형성제를 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성제는, 사용시 치밀하고 안정적인 에어로졸의 형성을 용이하게 하고 시스템의 작동 온도에서 열 감성에 대하여 실질적으로 견디는 임의의 적절한 공지된 화합물 또는 화합물들의 혼합물이다. 적합한 에어로졸 형성제는 당 기술분야에 잘 공지되어 있고, 이에 한정되지 않지만, 트리에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올 및 글리세린과 같은 다가 알코올; 글리세롤 모노-, 디- 또는 트리아세테이트와 같은 다가 알코올의 에스테르; 및 디메틸 도데칸디오에이트(dimethyl dodecanedioate) 및 디메틸 테트라데칸디오에이트(dimethyl tetradecanedioate)와 같은, 모노-, 디- 또는 폴리카르복실산의 지방족 에스테르를 포함하고 있다. 바람직한 에어로졸 형성제는 다가 알코올 또는 그의 혼합물, 예를 들면 트리에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올이고, 가장 바람직하게는 글리세린이다. 에어로졸 형성 기재는 다른 첨가제 및 향미제와 같은 재료를 포함할 수도 있다.
액체 저장부의 하우징은 모세관 물질을 함유하고 있을 수도 있고 모세관 물질은 필라멘트들 사이의 간극으로 연장되어 있다.
모세관 물질은 섬유상 또는 스폰지 구조체를 가질 수도 있다. 모세관 물질은 바람직하게는 모세관들의 다발을 포함하고 있다. 예를 들면, 모세관 물질은 복수의 섬유 또는 실 또는 기타 미세 구멍 관들을 포함할 수도 있다. 섬유들 또는 실들은 일반적으로 액체를 히터에 전달하도록 정렬되어 있을 수도 있다. 대안적으로, 모세관 물질은 스폰지류 또는 발포체류 물질을 포함할 수도 있다. 모세관 물질의 구조는 액체가 모세관 작용에 의해 운반될 수 있는 복수의 작은 구멍 또는 관을 형성한다. 모세관 물질은 임의의 적절한 물질 또는 물질들의 조합을 포함할 수도 있다. 적절한 물질의 예로는 스폰지 또는 발포체 물질, 섬유 또는 소성된 분말 형태의 세라믹계 또는 그라파이트계 물질, 발포된 금속 또는 플라스틱 물질, 예를 들면 초산 셀룰로오스, 폴리에스테르, 또는 결합된 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 테릴렌 또는 폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유 또는 세라믹과 같은 방사 또는 압출된 섬유로 이루어진 섬유상 물질이다. 모세관 물질은 상이한 액체 물성과 함께 사용되도록 임의의 적절한 모세관 현상 및 기공도를 가지고 있을 수도 있다. 액체는 이에 한정되지는 않지만 점도, 표면 장력, 밀도, 열 전도성, 비등점 및 증기압을 포함하는 물성을 가지고 있으며, 모세관 작용에 의해 액체가 모세관 장치를 통해 운반될 수 있게 한다.
모세관 물질은 전기 전도성 필라멘트들과 접촉하고 있을 수도 있다. 모세관 물질은 상기 필라멘트들 사이의 간극들 내로 연장되어 있을 수도 있다. 히터 조립체는 액체 에어로졸 형성 기재를 모세관 작용에 의해서 상기 간극들 내로 흡인할 수도 있다. 모세관 물질은 천공의 사실상 전 범위에 걸쳐서 전기 전도성 필라멘트들과 접촉하고 있을 수도 있다.
하우징은 2개 이상의 상이한 모세관 물질을 함유하고 있을 수도 있으며, 여기서 히터 요소와 접촉하고 있는 제1 모세관 물질은 더 높은 열 분해 온도를 가지며, 제1 모세관 물질과 접촉하고 있지만 히터 요소와 접촉하고 있지 않은 제2 모세관 물질은 더 낮은 열 분해 온도를 가진다. 제1 모세관 물질은 히터 요소를 제2 모세관 물질로부터 분리하는 스페이서로서 효과적으로 작용해서, 제2 모세관 물질이 그의 열 분해 온도 위의 온도에 노출되지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, “열 분해 온도”는 물질이 분해하기 시작하여 제품들에 의한 가스 발생에 의해 질량을 소실하는 온도를 의미한다. 제2 모세관 물질은 유리하게는 제1 모세관 물질보다 큰 부피를 점유할 수 있고, 제1 모세관 물질보다 더 많은 에어로졸 형성 기재를 보유할 수도 있다. 제2 모세관 물질은 제1 모세관 물질 보다 우수한 심지 성능을 가지고 있을 수도 있다. 제2 모세관 물질은 제1 모세관 물질보다 저가일 수도 있고 높은 충전 능력을 가지고 있을 수도 있다. 제2 모세관 물질은 폴리프로필렌일 수도 있다.
제1 모세관 물질은 적어도 1.5mm, 바람직하게는 1.5mm와 2mm 사이의 거리만큼 제2 모세관 물질로부터 히터 조립체를 분리시켜서 제1 모세관 물질을 가로질러서 충분한 온도 강하를 제공할 수도 있다.
액체 저장부가 전기 전도성 필라멘트들의 제1 면 상에 위치할 수 있고, 기류 채널이 액체 저장부에 대하여 전기 전도성 필라멘트들의 대향면 상에 위치해서, 전기 전도성 필라멘트들을 통과하는 기류가 증발된 액체 에어로졸 형성 기재를 연행한다.
상기 시스템은 히터 요소 및 전기 전원에 연결되는 전기 회로를 더 포함할 수 있고, 상기 전기 회로는 히터 요소 또는 이 히터 요소 하나 이상의 필라멘트의 전기 저항을 모니터링하고, 히터 요소의 전기 저항 또는 특히 하나 이상의 필라멘트의 전기 저항에 따라 전력 공급원으로부터의 히터 요소로의 전력 공급을 제어하도록 구성되어 있다.
전기 회로는 프로그래밍가능한 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 또는 ASIC(주문형 반도체)이나 제어를 제공할 수 있는 다른 전기 회로일 수 있는 마이크로프로세서를 포함할 수도 있다. 전기 회로는 전기 구성요소들을 더 포함할 수도 있다. 전기 회로는 히터에 대한 전력 공급부를 조절하도록 구성되어 있을 수도 있다. 전력은 히터 요소에 공급되어서 시스템의 활성화를 연속적으로 수반할 수도 있거나, 또는 예를 들면 퍼프마다를 기준으로 간헐적으로 공급될 수도 있다. 전력은 전류 펄스 형태로 히터 요소에 공급될 수도 있다.
상기 시스템은 유리하게는 하우징의 본체 내부에 전원, 통상적으로 리튬 철 인산염 배터리와 같은 배터리를 포함하고 있다. 대안으로서, 전원은 콘덴서와 같은 다른 형태의 전하 저장 장치일 수도 있다. 전원은 재충전을 필요로 할 수도 있고 하나 이상의 흡연 체험을 위해 충분한 에너지의 저장을 허용하는 용량을 가질 수도 있다. 예를 들면, 전원은 통상의 궐련을 흡연하는 데에 걸리는 통상적인 시간에 대응하여, 약 6분의 기간 동안, 또는 6분의 2배인 기간 동안 에어로졸의 연속적인 발생을 허용하기에 충분한 용량을 가질 수도 있다. 다른 실시예에서, 전원은 미리 정해진 수의 퍼프 또는 인덕터 코일의 개별 활성화를 허용하기에 충분한 용량을 가질 수도 있다.
시스템은 메인 유닛 및 메인 유닛에 제거 가능하게 결합되어 있는 카트리지를 포함하고 있을 수도 있으며, 여기서 액체 저장부와 히터 조립체가 카트리지에 제공되어 있고, 메인 유닛은 전원을 포함하고 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 카트리지가 장치에 "제거 가능하게 결합되어 있다”는 것은 카트리지와 장치가 장치 또는 카트리지를 상당히 손상시키지 않고 서로 결합되고 결합 해제될 수 있는 것을 의미한다.
상기 시스템은 전기 작동식 흡연 시스템일 수도 있다. 상기 시스템은 휴대형 에어로졸 발생 시스템일 수도 있다. 에어로졸 발생 시스템은 통상의 엽궐련 또는 궐련에 필적한 크기를 가질 수도 있다. 흡연 시스템은 대략 30mm와 대략 150mm 사이의 총 길이를 가질 수도 있다. 흡연 시스템은 대략 5mm와 대략 30mm 사이의 외부 직경을 가질 수도 있다.
전기 절연 기재는 가요성 시트 물질일 수 있다. 전기 전도성 접촉부 및 전기 전도성 필라멘트는 서로 일체로 형성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, “전기 전도성”은 1x10-4Ωm 이하의 저항을 갖는 물질로부터 형성된 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, “전기 절연”은 1x104Ωm 이상의 저항을 갖는 물질로부터 형성된 것을 의미한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 카트리지를 포함하는 에어로졸 발생 시스템, 바람직하게는 전기 작동식 흡연 시스템에 관한 것이다.
에어로졸 발생 시스템은 카트리지가 제거 가능하게 결합되는 메인 유닛을 더 포함한다. 액체 저장부 및 히터 조립체는 카트리지 내에 제공되고, 메인 유닛은 전원을 포함한다. 다른 배열도 가능하다.
카트리지는 소비 후에 교환될 수 있다. 카트리지가 액체 및 히터 조립체를 보유하므로, 히터 조립체는 또한 메인 유닛의 보다 긴 사용 후에도 최적의 증발 조건이 유지되도록 정기적으로 교환된다.
에어로졸 발생 시스템은 바람직하게는 히터 조립체 및 전원에 연결된 전기 회로를 더 포함한다. 전기 회로는 히터 조립체, 또는 히터 조립체의 히터 요소의 하나 이상의 필라멘트의 전기 저항을 모니터링하여, 히터 조립체 또는 하나 이상의 필라멘트의 전기 저항에 따라 전원으로부터 히터 조립체로의 전력 공급을 제어하도록 구성된다. 히터 요소의 온도를 모니터링함으로써, 상기 시스템은 히터 조립체의 과열 또는 가열 부족을 방지할 수 있고 최적의 증발 조건이 제공되는 것을 보장할 수 있다.
본 발명은 또한 에어로졸 발생 시스템, 예를 들면 전기 작동식 에어로졸 발생 시스템에서 사용하기 위한 카트리지를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 개구부를 갖는 하우징을 가진 액체 저장부를 제공하는 단계, 상기 액체 저장부를 액체 에어로졸 형성 기재로 충전하는 단계, 그리고 상기 하우징의 개구부를 가로질러 연장되는 적어도 하나의 히터 요소를 포함하는 히터 조립체를 제공하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 히터 요소는 상기 개구부보다 작다. 히터 조립체의 적어도 하나의 히터 요소의 폭은 상기 하우징의 개구부의 폭의 90 % 미만, 바람직하게는 50 미만, 더욱 바람직하게는 30% 미만, 가장 바람직하게는 25% 미만일 수도 있다.
히터 조립체와 히터 요소 또는 요소들은 바람직하게는 유체 투과성이다. 히터 조립체와 관련하여 본 명세서에서 사용 된 바와 같이, "유체 투과성"이란 기체상 및 가능하게는 액체상인, 에어로졸 형성 기재가, 히터 조립체 또는 히터 요소를 용이하게 통과할 수 있다는 것을 의미한다.
용어 “실질적으로 평평한”필라멘트 배열은 바람직하게는 실질적으로 2차원 표면형태 매니폴드(substantially two dimensional topological manifold) 형태인 필라멘트 배열을 지칭하는 데 사용된다. 따라서, 실질적으로 평평한 필라멘트 배열은 실질적으로 제3 차원보다는 표면을 따라 2차원으로 연장되어 있다. 특히, 표면 내부에 2차원으로 있는 실질적으로 평평한 필라멘트 배열의 치수는 표면에 법선인 제3 치수보다 적어도 5배 더 크다. 실질적으로 평평한 필라멘트 배열의 일례는 2개의 실질적으로 평행한 표면 사이의 구조체이고, 여기서 이들 2개의 표면 사이의 거리는 표면들 내부의 연장부보다 실질적으로 짧다. 일부 구현예에서, 실질적으로 평평한 필라멘트 배열은 평면형이다. 다른 구현예들에서, 실질적으로 평평한 필라멘트 배열은 하나 이상의 치수를 따라 만곡되어 있고, 예를 들면 돔 형상 또는 브릿지 형상을 형성하고 있다.
용어 “필라멘트”는 바람직하게는 2개의 전기 접촉부 사이에 배열되어 있는 전기 경로를 지칭하는 데 사용된다. 필라멘트는 수개의 경로 또는 필라멘트로 각각 임의로 분기되거나 갈라져 있을 수도 있고, 또는 수개의 전기 경로로부터 하나의 경로로 수렴되어 있을 수도 있다. 필라멘트는 원형, 정사각형, 평면 또는 임의의 다른 단면 형상을 가지고 있을 수도 있다. 필라멘트는 직선 또는 만곡 방식으로 배열되어 있을 수도 있다.
용어”필라멘트 배열”은 바람직하게는 하나 또는 바람직하게는 복수의 필라멘트의 배열을 지칭하는 데 사용된다. 필라멘트 배열은, 예를 들면 서로 평행하게 배열되어 있는 필라멘트들의 어레이일 수 있다. 바람직하게는, 필라멘트는 메쉬를 형성할 수도 있다. 메쉬는 직물 또는 부직포일 수도 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시하기 위한 목적으로 더욱 설명될 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 한 구현예에 따른 카트리지를 포함하는 에어로졸 발생 시스템의 개략도이다. 도 1a는 에어로졸 발생 장치(10) 및 분리형 카트리지(20)의 개략도로, 이들은 에어로졸 발생 시스템을 함께 형성한다. 이 예에서, 에어로졸 발생 시스템은 전기 작동식 흡연 시스템이다.
카트리지(20)는 에어로졸 형성 기재를 함유하고, 장치 내부의 공동(18) 내에 수용되도록 구성되어 있다. 카트리지(20)는 이 카트리지 내에 제공된 에어로졸 형성 기재가 고갈된 때에 사용자에 의해 교체 가능해야 한다. 도 1a은 장치 내로 삽입 직전의 카트리지(20)를 나타내고, 도 1a에서의 화살표 1은 카트리지의 삽입 방향을 보여주고 있다.
에어로졸 발생 장치(10)는 휴대용이고, 종래의 엽궐련 또는 궐련에 필적할 만한 크기를 가지는이다. 상기 장치(10)는 본체(11) 및 마우스피스부(12)를 포함하고 있다. 본체(11)는 배터리(14), 예를 들어 리튬 철 인산염 배터리, 제어 전자장치(16) 및 공동(18)을 포함하고 있다. 마우스피스부(12)는 경첩식 접속부(21)에 의해 본체(11)에 연결되어 있으며, 도 1에 도시된 바와 같은 개방 위치와 도 1d에 나타낸 바와 같은 밀폐 위치 사이로 움직일 수 있다. 마우스피스부(12)는 개방 위치에 배치되어 카트리지(20)의 삽입 및 제거를 허용하고, 후술하는 바와 같이, 시스템이 에어로졸을 발생시키는 데에 사용될 경우에는 밀폐 위치에 배치된다. 마우스피스부는 복수의 공기 유입부(13) 및 유출부(15)를 포함하고 있다. 사용 시, 사용자는 유출부 위를 빨거나 퍼프하여, 공기를 공기 유입부(13)로부터 마우스피스부를 통해 유출부(15)로 흡인하고, 그 후에 사용자의 입 또는 폐 안으로 흡인한다. 내부 배플들(17)이, 후술하는 바와 같이, 카트리지를 지나서 마우스피스부(12)를 통해 흐르는 공기를 강제하도록 제공되어 있다.
공동(18)은 원형 단면을 가지고, 카트리지(20)의 하우징(24)을 수용하도록 하는 크기로 되어 있다. 전기 접속부들(19)이 공동(18)의 측면들에 제공되어 제어 전자장치(16)와 배터리(14) 및 카트리지(20) 상의 대응하는 전기 접촉부들 사이에 전기 접속을 제공한다.
도 1b는 카트리지가 공동(18) 내에 삽입되어 있고 커버(26)는 제거되어 있는 도 1a의 시스템을 보여주고 있다. 이 위치에서, 전기 접속부들은, 후술하는 바와 같이, 카트리지 상의 전기 접촉부들에 대하여 유지되어 있다.
도 1c는 커버(26)가 완전히 제거되어 있고 마우스피스부(12)가 밀폐 위치로 옮겨져 있는 도 1b의 시스템을 보여주고 있다.
도 1d는 마우스피스부(12)가 밀폐 위치에 있는 도 1c의 시스템을 보여주고 있다. 마우스피스부(12)는 도 2에서 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 걸쇠 기구(clasp mechanism)에 의해 밀폐 위치에 보유된다. 도 2는 경첩식 접속부(21)에 의해 연결된 본체(11)와 마우스피스부(12)를 도시하고 있다. 마우스피스부(12)는 내측으로 연장되어 있는 치형부(8)를 포함하고 있다. 마우스피스부가 폐쇄 위치에 있을 때, 치형부(8)는 장치의 본체에 걸쇠(6)를 체결시킨다. 걸쇠(6)는 스프링(5)을 편향시켜서 치형부(8)를 체결하여 편향된다. 버튼(4)은 걸쇠(6)에 고정된다. 버튼(4)은 편향 스프링(5)의 작용에 대해 사용자에 의해 눌려져서 걸쇠(6)로부터 치형부(8)를 해제해서, 마우스피스부가 개방 위치로 이동할 수 있도록 할 수 있다. 이제 이러한 스냅 끼움 또는 자석 잠금장치 같은 폐쇄 위치에서 마우스피스를 보유하기 위한 다른 적절한 기구들이 사용될 수도 있다는 것이 본 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 자명할 것이다.
밀폐 위치에 있는 마우스피스부(12)가 전기 접속부들(19)과 전기 접촉하여 카트리지를 보유해서, 시스템의 배향이 어떠하든지 간에, 사용 시에 양호한 전기 접속이 유지된다. 마우스피스부(12)는, 카트리지의 표면과 체결되고 마우스피스부(12)가 밀폐 위치에 있을 때에 강성의 마우스피스 하우징 요소와 카트리지 사이에서 압축되는 환형의 탄성중합체 요소를 포함하고 있을 수도 있다. 이는 제조 허용오차에도 불구하고 양호한 전기 접속이 유지되는 것을 보장한다.
물론, 카트리지와 장치 사이에 양호한 전기 접속을 유지하기 위한 다른 기구들이 대안적으로 또는 추가적으로 사용될 수도 있다. 예를 들면, 카트리지(20)의 하우징(24)은 공동(18)의 벽면에 형성된 대응하는 홈 또는 나사산(미도시함)과 체결되는 나사산 또는 홈(미도시함)을 구비할 수도 있다. 카트리지와 장치 간의 나사식 체결은 정확한 회전 정렬을 보장할 뿐만 아니라 공동 내에 공동을 보유하며 양호한 전기 접속을 보장하는 데에 사용될 수 있다. 나사식 연결은 단지 카트리지의 절반 이하의 회전 동안만 연장될 수 있거나, 또는 수회의 회전 동안 연장될 수도 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 전기 접속부들(19)은 카트리지 상의 접촉부들과 접촉하여 편향되어 있을 수도 있다.
도 2는 에어로졸 발생 시스템, 예를 들어 도 1의 유형의 에어로졸 발생 시스템에 사용하기에 적합한 카트리지(20)의 분해도이다. 카트리지(20)는 에어로졸 발생 시스템의 다른 요소들과 적절한 방식으로 대응하는 공동, 예를 들면 도 1의 시스템의 공동(18) 내에 수용되거나 장착되도록, 선택된 크기와 형상을 갖는 대략 원형 원통형 하우징(24)을 포함하고 있다. 하우징(22)은 액체 에어로졸 발생 기재에 적셔진 모세관 물질(22)을 포함하고 있다. 이 예에서 에어로졸 형성 기재는 39중량% 글리세린, 39중량% 프로필렌 글리콜, 20중량% 물 및 향료, 및 2중량% 니코틴을 포함하고 있다. 모세관 물질은 일 말단으로부터 타 말단으로 액체를 능동적으로 전달하는 물질이며, 임의의 적절한 물질로 만든 것일 수도 있다. 이 예에서 폴리에스테르로 형성된 것이다.
하우징(22)은 히터 조립체(30)가 고정되는 개방 말단을 가지고 있다. 히터 조립체(30)는 안에 형성된 천공(35)을 가지는 기재(34), 기재에 고정되어 있고 간극(33)에 의해 서로 이격되어 있는 한 쌍의 전기 접촉부(32), 전기 전도성 히터 필라멘트의 메쉬로 형성되거 있고 천공(35)에 걸쳐 있고 천공(35)의 대향 측면들 상의 전기 접촉부(32)에 고정되어 있는 히터 요소(36)를 포함하고 있다.
히터 조립체(30)는 제거가능한 커버(26)에 의해 덮여 있다. 커버(26)는 히터 조립체에 접착되어 있지만 쉽게 벗겨낼 수 있는 액체 불투과성 플라스틱 시트를 포함하고 있다. 탭이 상기 커버(26)의 측면 상에 구비되어 있어서 커버를 벗겨낼 때 사용자가 그것을 잡을 수 있게 한다. 접착은 불투과성 플라스틱 시트를 히터 조립체(30)에 고정하기 위한 방법으로 설명되고 있지만, 커버(26)가 쉽게 소비자에 의해 제거될 수 있는한, 열 밀봉 또는 초음파 용접을 포함하여 당 기술분야의 숙련자들에게 친숙한 다른 방법 또한 사용될 수도 있다는 것이 당 기술분야의 숙련자에게 이제 명백할 것이다.
다른 카트리지 디자인도 가능함이 이해될 것이다. 예를 들면, 모세관 물질을 갖는 카트리지는 2개 이상의 분리된 모세관 물질을 포함할 수 있거나, 또는 카트리지는 자유 액체 저장부를 보유하기 위한 탱크를 포함할 수 있다.
히터 필라멘트(36)는 기재(34) 내의 천공을 통해 노출되어, 증발된 에어로졸 형성 기재가 히터 조립체를 지나서 기류 내로 빠져 들어갈 수 있다.
사용 시, 카트리지(20)는 에어로졸 발생 시스템 내에 배치되고, 히터 조립체(30)는 에어로졸 발생 시스템 내에 포함된 전원에 연결된다. 히터 요소(36)에 전력 공급하고 에어로졸 발생 기재를 휘발시키는 전자 회로가 제공된다.
도 3에는, 본 발명의 히터 조립체(30)의 실시예가 도시되어 있고, 여기서 3개의 실질적으로 평행한 히터 요소(36a, 36b, 36c)가 직렬로 전기 연결되어 있다. 히터 조립체(30)는 내부에 형성된 정사각형 천공(35)을 갖는 전기 절연 기재(34)를 포함한다. 천공의 크기는 이 실시예에서 5mm x 5mm이지만, 다른 형상 및 크기의 천공이 히터의 특정 적용예를 위해 적절하게 사용될 수 있음이 인정될 것이다. 제1 및 제2 전기 접촉부(32a, 32b)가 천공(35)의 대향 측면에 제공되고, 천공(35)의 측면 에지(35a, 35b)에 실질적으로 평행하게 연장된다. 2개의 추가 접촉부(32c, 32d)가 천공(35)의 대향하는 측면 에지(35c, 35d)의 일부에 인접하게 제공된다. 제1 히터 요소는 제1 접촉부(32a)와 추가 접촉부(32c) 사이에 연결된다. 제2 히터 요소(36b)는 추가 접촉부(32c)와 추가 접촉부(32d) 사이에 연결된다. 제3 히터 요소(36c)는 추가 접촉부(32c)와 제2 접촉부(32b) 사이에 연결된다. 이 구현예에서, 히터 조립체(30)는 홀수의 히터 요소(36), 즉 3개의 히터 요소를 포함하고, 제1 및 제2 접촉부(32a, 32b)는 기재(34)의 천공(35)의 대향 측면 상에 위치한다. 히터 요소(36a, 36c)는 천공의 측면 에지(35a, 35c)로부터 이격되어 이들 히터 요소(36a, 36c)와 절연 기재(34) 사이에 직접적인 물리 접촉이 없게 된다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않으면서, 이 배열은 절연 기재(34)로의 열 전달을 감소시킬 수 있고, 액체 에어로졸 발생 기재의 효과적인 증발을 허용할 수 있는 것으로 생각된다.
도 4에는, 4개의 히터 요소(36a, 36b, 36c, 36d)가 직렬로 전기 연결되어 있는 본 발명의 히터 조립체(20)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 히터 조립체(30)는 내부에 형성된 정사각형 천공(35)을 갖는 전기 절연 기재(34)를 포함한다. 천공의 크기는 5mm x 5mm이다. 제1 및 제2 접촉부(32a, 32b)는 천공(35)의 동일한 측면 에지(35b)의 상부 및 하부 부분에 각각 인접하게 제공된다. 3개의 추가 접촉부(32c, 32d, 32e)가 제공되고, 여기서 2개의 접촉부는 대향하는 측면 에지(35a)의 일부에 인접하게 제공되며, 하나의 접촉부는 제1 및 제2 접촉부(32a, 32b) 사이에서 측면 에지(35b)에 평행하게 제공된다. 4개의 히터 요소(36a, 36b, 36c, 36d)는 도 4에 도시된 바와 같이 이들 5개의 접촉부(32a, 32c, 32d, 32e, 32b) 사이에 직렬로 연결된다. 재차, 히터 요소의 긴 측면 에지가 천공의 임의의 측면 에지와 직접 물리 접촉하는 것이 전혀 없어서 재차 절연 기재로의 열 전달이 감소된다.
이 구현예에서, 히터 조립체(30)는 짝수의 히터 요소(36), 즉 4개의 히터 요소(36a, 36b, 36c, 36d)를 포함하고, 제1 및 제2 접촉부(32a, 32b)가 기재(34)의 천공(35)의 동일한 측면 상에 위치한다.
도 3 및 도 4에 나타낸 것과 같은 배열에서, 히터 요소의 배열은 인접하는 히터 요소들 사이의 갭이 실질적으로 동일하게 되도록 할 수 있다. 예를 들면, 히터 요소는 천공(35)의 폭을 가로질러서 규칙적으로 이격될 수 있다. 다른 배열에서, 히터 요소들 사이의 상이한 공간이, 예를 들면 원하는 가열 프로파일을 얻는 데에 사용될 수 있다. 다른 형상의 천공 또는 히터 요소가 사용될 수 있다.
히터 조립체는, 약 400 Mesh US(인치당 약 400 필라멘트)의 메쉬 크기를 갖는, 304L 스테인리스 스틸로부터 형성된 메쉬를 포함할 수 있다. 필라멘트는 약 16㎛의 직경을 갖는다. 메쉬는 갭에 의해 서로로부터 분리되는 전기 접촉부(32)에 연결되고, 약 30㎛의 두께를 갖는 구리 호일로부터 형성된다. 전기 접촉부(32)는 약 120㎛의 두께를 갖는 폴리이미드 기재(34) 상에 제공된다. 메쉬를 형성하는 필라멘트는 필라멘트들 사이의 간극을 정의한다. 이 실시예에서의 간극은 약 37㎛의 폭을 갖지만, 더 길거나 짧은 간극이 사용될 수도 있다. 이들 근사 치수의 메쉬를 사용하는 것은 에어로졸 형성 기재의 메니스커스가 간극 내에 형성될 수 있게 하고, 히터 조립체의 메쉬가 모세관 작용에 의해 에어로졸 형성 기재를 흡인할 수 있게 한다. 메쉬의 개방 면적, 즉 메쉬의 총 면적에 대한 간극들의 면적의 비는 유리하게는 25%와 56% 사이이다. 히터 조립체의 총 저항은 약 1 옴이다. 메쉬가 이러한 저항의 상당 부분을 제공하여 대부분의 열이 메쉬에 의해 생성된다. 이 실시예에서, 메쉬는 전기 접촉부(32)보다도 100배 이상 높은 전기 저항을 갖는다.
기재(34)는 전기 절연성이고, 이 실시예에서는, 약 120㎛의 두께를 갖는 폴리이미드 시트로부터 형성된다. 기재는 원형이고 8mm의 직경을 갖는다. 메쉬는 직사각형이고, 일부 실시예에서는 5mm와 2mm의 측면 길이를 갖는다. 이들 치수는 제조될 통상의 궐련 또는 엽궐련과 유사한 크기 및 형상을 갖는 완전한 시스템을 허용한다. 효과적이라고 알려진 치수의 다른 실시예는 5mm 직경의 원형 기재 및 1mm x 4mm의 직사각형 메쉬이다.
본 발명에 따른 대안적인 히터 조립체에서, 메쉬(36)는 병렬의 전기 전도성 필라멘트들의 어레이로 대체될 수 있다. 필라멘트들의 어레이는 304L 스테인리스 스틸로부터 형성되고 약 16㎛의 직경을 갖는다.
필라멘트들은 기재(34)에 직접 접합될 수 있고, 그런 다음 접촉부(32)가 필라멘트들 위에 접합된다. 접촉부(32)는 절연 갭에 의해 서로로부터 분리되고, 약 30㎛의 두께의 구리 호일로부터 형성된다. 기재 필라멘트 및 접촉부의 동일한 배열이 메쉬 유형의 히터를 위해 사용될 수 있다. 최외층으로서 접촉부를 갖는 것은 전원과 확실한 전기 접촉을 제공하기 위해 유용할 수 있다.
히터 조립체는 전기 접촉부와 일체로 형성되는 복수의 히터 필라멘트를 포함할 수 있다. 필라멘트 및 전기 접촉부 모두는 필라멘트를 정의하도록 에칭되는 스테인리스 스틸 호일로부터 형성된다. 접촉부는 필라멘트에 의해 결합된 경우를 제외하고는 갭에 의해 분리된다. 스테인리스 스틸 호일이 폴리이미드 기재(34) 상에 제공된다. 재차, 필라멘트가 이러한 저항의 상당 부분을 제공하여, 열의 대부분이 필라멘트에 의해 생성된다. 이 실시예에서, 필라멘트는 전기 접촉부보다도 100배 이상 높은 전기 저항을 갖는다.
도 3에 나타낸 카트리지에서, 접촉부(32) 및 필라멘트(36, 38)는 기재층(34)과 하우징(24) 사이에 위치한다. 그러나, 폴리이미드 기재가 하우징(24)에 직접 인접하도록, 다른 방식으로 히터 조립체를 카트리지 하우징에 설치할 수 있다.
설명된 구현예는 하우징이 실질적으로 원형 단면을 갖는 카트리지를 갖지만, 물론 다른 형상, 예를 들어 직사각형 단면 또는 삼각형 단면을 갖는 카트리지 하우징을 형성할 수도 있다. 이들 하우징 형상은 대응하는 형상의 공동 내부에 원하는 배향을 보장하여, 장치와 카트리지 사이의 전기 연결을 보장할 것이다.
모세관 물질(22)은 유리하게는 하우징(24) 내에 배향되어 액체를 히터 조립체(30)로 전달한다. 카트리지가 조립된 경우, 히터 필라멘트(36)는 모세관 물질(22)과 접촉할 수 있고, 따라서 에어로졸 형성 기재가 히터에 직접 전달될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 에어로졸 형성 기재는 각 필라멘트의 표면의 대부분과 접촉해서 히터 조립체에 의해 발생된 열의 대부분이 에어로졸 형성 기재 내로 직접 전달된다. 대조적으로, 통상의 심지 및 코일 히터 조립체에서는, 히터 와이어의 작은 부분만이 에어로졸 형성 기재와 접촉하고 있다. 모세관 물질(27)은 필라멘트들(36) 사이의 간극 내로 연장될 수 있다.
사용 시, 히터 조립체는 저항 가열에 의해 작동한다. 전류가 제어 전자장치(16)의 제어 하에 필라멘트(36)를 통과해서, 필라멘트를 원하는 온도 범위 이내로 가열한다. 필라멘트들의 메쉬 또는 어레이는 전기 접촉부(32) 및 전기 커넥터(19)보다도 상당히 높은 전기 저항을 가져서 높은 온도가 필라멘트에 국부화된다. 시스템은 사용자 퍼프에 응답하여 히터 조립체에 전류를 제공함으로써 열을 발생하도록 구성될 수 있거나, 또는 장치가 “온(on)” 상태에 있는 동안에 연속적으로 열을 발생하도록 구성될 수 있다. 필라멘트를 위한 다른 물질이 다른 시스템에 적합할 수도 있다. 예를 들면, 연속 가열식 시스템에서는, 그라파이트 필라멘트가 적합할 수 있고, 이는 비교적 낮은 특정 열 용량을 가지며 낮은 전류 가열과 양립할 수 있기 때문이다. 높은 전류 펄스를 사용하여 짧은 폭발로 열이 발생되는 퍼프 작동식 시스템에서는, 높은 특정 열 용량을 갖는 스테인리스 스틸 필라멘트가 더욱 적합할 수 있다.
퍼프 작동식 시스템에서, 상기 장치는 사용자가 마우스피스부를 통해 공기를 흡인하고 있을 때를 검출하도록 구성되는 퍼프 센서를 포함할 수 있다. 퍼프 센서(미도시함)는 제어 전자장치(16)에 연결되고, 제어 전자장치(16)는 사용자가 장치를 퍼프하고 있는 것으로 결정된 경우에만 히터 조립체(30)에 전류를 공급하도록 구성된다. 임의의 적절한 기류 센서, 예를 들어 마이크로폰이 퍼프 센서로서 사용될 수도 있다.
가능한 구현예에서는, 필라멘트들(36) 중 하나 이상 또는 전체로서의 히터 요소의 저항 변화가 히터 요소의 온도 변화를 검출하는 데에 사용될 수 있다. 이는 히터 요소에 공급된 전력을 조정하여 히터 요소가 원하는 온도 범위 이내로 잔류하는 것을 보장하는 데에 사용될 수 있다. 온도의 갑작스런 변화는 시스템에 대한 사용자 퍼핑으로부터 나오는 히터 요소를 지나는 기류의 변화를 검출하는 수단으로서도 사용될 수 있다. 필라멘트들 중 하나 이상은 전용 온도 센서일 수 있고, 그 목적을 위해 저항의 적절한 온도 계수를 갖는 물질, 예를 들어 철 알루미늄 합금, Ni-Cr, 백금, 텅스텐 또는 합금 와이어로부터 형성될 수 있다.
시스템이 사용될 때에 마우스피스부를 통과하는 기류가 도 1d에 도시되어 있다. 마우스피스부는 내부 배플(17)을 포함하고, 이 내부 배플(17)은 마우스피스부의 외부 벽면과 일체로 성형되며, 공기가 유입부(13)로부터 유출부(15)로 흡인될 때에, 공기가 에어로졸 형성 기재가 증발되는 카트리지 상의 히터 조립체(30) 위로 흐르는 것을 보장한다. 공기가 히터 조립체를 통과함에 따라, 증발된 기재가 기류에 연행되고 냉각되어 유출부(15)를 빠져나가기 전에 에어로졸을 형성한다. 따라서, 사용 시, 에어로졸 형성 기재는 증발됨에 따라 필라멘트들(36, 37, 38) 사이의 간극을 통과함으로써 히터 조립체를 통과한다.
본 발명에 따른 히터 조립체를 포함하고 있는 다른 카트리지 디자인들이 이제 당업자에게 이해될 수 있다. 예를 들면, 카트리지는 마우스피스부를 포함하고 있을 수도 있고 임의의 원하는 형상을 가질 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 히터 조립체는 이미 설명된 것과 다른 유형의 시스템, 예를 들면 가습기, 공기 청정기, 및 다른 에어로졸 발생 시스템에서 사용될 수 있다.
도 5는 예시적인 가열 요소에 의해 제공된 총 미립자 물질(TPM) 전달을 측정하도록 하는 시험에서 3개의 다른 구성의 히터 요소의 성능을 표시하는 도면을 나타내고 있다.
시험한 가열 요소는 다음과 같았다.
히터 A - 천공 5mm x 5mm 천공. 도 3에서와 같이 배열된 3개의 히터 요소 - 각각이 1mm의 폭을 가짐. 근사 히터 면적 15mm2.
저항 대략 1.2 옴. 소비 전력 6W.
히터 B - 천공 대략 3mm x 3mm. 전체 천공을 덮는 하나의 히터. 근사 히터 면적 10mm2 저항 대략 0.5 옴. 소비 전력 6W
히터 C - 천공 5mm x 5mm. 도 2에서와 같이 배열되고 2mm의 폭을 갖는 하나의 히터 요소. 근사 히터 면적 10mm2. 저항 대략 0.8 옴. 소비 전력 4W.
액체 함유 모세관 물질을 히터에 인접하게 설치하였다. 액체는 39 중량%의 프로필렌 글리콜, 39 중량%의 글리세린, 20 중량%의 물, 2 중량%의 니코틴을 포함하였다.
3초당 55ml의 기류를 포함하는 퍼프가 가열 동안에 히터 위를 통과하였고, 공기에 연행된 결과적인 에어로졸을 유리섬유 필터 디스크(Cambridge Pad) 상에 포획한다. 45 퍼프의 시험 진행 후, 공지된 방식으로 알코올 용액을 사용하여 유리섬유 필터 디스크로부터 에어로졸 성분을 추출하여 그 시험 동안의 총 미립자 물질(TPM)을 결정한다. 퍼프당 TPM을 계산하였고 이를 도 5에 나타낸다.
전체 천공을 덮는 히터 요소를 포함하는 히터 B가 퍼프당 1.1mg만의 최저 TPM 산출량(총 미립자 물질)을 갖는 것으로 입증되었다. 히터 조립체는 6 와트의 소비 전력을 가졌다.
하나의 10mm2 히터 요소만을 포함하는 히터 C에서 더 높은 TPM이 관찰되었다. 이 히터 조립체에 따르면, 퍼프당 약 2.2mg의 TPM 산출량을 달성하는 반면에, 동시에 4 와트에만 이르는 소비 전력을 달성하였다. 따라서, 전력이 더 낮더라도, 히터 B의 것과 유사한 크기의 히터 요소에서 더 높은 TPM이 보였다.
임의의 특정 이론에 얽매이지 않으면서, 히터 C에서, 히터의 에지가 천공 에지로부터 이격되어 있는 경우에는, 기재 요소로의 열 전달이 적은 것으로 생각된다. 또한, 히터 B에서, 열의 일부가 기재 요소 아래의 액체를 가열하고, 액체가 천공을 통해 방출되는 것이 불가능해서, 히터 요소로부터 열의 덜 효율적인 사용으로 이어진다.
3개의 히터 스트립을 포함하는 히터 A에서, TPM은 또한 히터 B보다도 크다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않으면서, 히터 A에 대한 TPM은 히터 C에 대한 것보다도 낮을 수 있는데, 이는 3개의 1mm 스트립이 기재로의 더욱 많은 열 전달 또는 기재 아래의 액체의 더욱 비효과적인 가열로 이어질 수 있는 히터 C의 단일의 2mm 스트립에 비해서 천공의 에지와 더욱 긴 접촉 길이를 갖기 때문이다.
전술한 예시적인 구현예들은 예시일 뿐이며 한정적인 것이 아니다. 상기한 예시적인 구현예들의 관점에서, 이제 상기 예시적인 구현예와 일치하는 다른 구현예들이 당업자에게 명백할 것이다.
4: 버튼
5: 스프링
6: 걸쇠
8: 치형부
10: 에어로졸 발생 장치
11: 본체
12: 마우스피스부
13: 유입부
14: 배터리
15: 유출부
16: 전자장치
17: 배플
18: 공동
19: 접속부, 커넥터
20: 카트리지, 조립체
21: 접속부
22: 하우징, 모세관 물질
24: 하우징
26: 커버
27: 모세관 물질
30: 조립체
32: 접촉부
34: 기재
35: 천공
36: 히터, 필라멘트
38: 필라멘트

Claims (15)

  1. 에어로졸 발생 시스템에 사용하기 위한 카트리지로,
    개구부를 가지고, 액체 에어로졸 형성 기재를 보유하기 위한 하우징을 포함하는 액체 저장부; 및
    상기 하우징에 고정되어 있고 상기 하우징의 개구부를 가로질러서 연장되어 있는 적어도 하나의 히터 요소를 포함하는 히터 조립체를 포함하고,
    여기서 상기 히터 조립체의 적어도 하나의 히터 요소는 상기 하우징의 개구부의 폭보다 작은 폭을 갖는, 카트리지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 히터 요소의 폭은 상기 하우징의 상기 개구부의 폭의 90% 미만, 바람직하게는 50% 미만, 바람직하게는 30% 미만, 바람직하게는 25% 미만인, 카트리지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 히터 조립체의 상기 히터 요소의 면적은 상기 하우징의 개구부의 면적의 90% 미만, 바람직하게는 상기 개구부의 면적의 10% 내지 50%, 바람직하게는 상기 개구부의 면적의 15 내지 25%인, 카트리지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 조립체는 1 옴보다 위, 바람직하게는 1 내지 4 옴, 및 가장 바람직하게는 약 1.5 옴의 총 저항을 갖는, 카트리지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 조립체는 직렬로 연결된 복수의 히터 요소를 포함하는, 카트리지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 히터 조립체의 히터 요소는 실질적으로 서로 평행하게 배열되어 있는, 카트리지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 조립체는 실질적으로 평평한, 카트리지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터 요소는 유체 투과성이고 복수의 전기 전도성 필라멘트들을 포함하는, 카트리지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 히터 요소는 상기 전기 전도성 필라멘트들 사이에 간극을 갖는 메쉬를 포함하는, 카트리지.
  10. 제9항에 있어서, 상기 히터 요소의 적어도 일부분은 상기 히터 요소의 해당 부분의 간극의 치수보다도 큰 거리만큼 상기 개구부의 주변으로부터 이격되어 있는, 카트리지.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 액체 저장부의 하우징은 모세관 물질을 함유하고 여기서 상기 모세관 물질은 상기 필라멘트들 사이의 간극으로 연장되어 있는, 카트리지.
  12. 에어로졸 발생 시스템에서 사용하기 위한 카트리지를 제조하는 방법으로,
    개구부를 갖는 하우징을 포함하는 액체 저장부를 제공하는 단계;
    상기 액체 저장부를 액체 에어로졸 형성 기재로 충전하는 단계; 그리고
    상기 하우징의 개구부를 가로질러 연장되어 있는 적어도 하나의 히터 요소를 포함하는 히터 조립체를 제공하는 단계를 포함하고,
    여기서 상기 히터 조립체의 적어도 하나의 히터 요소는 상기 하우징의 개구부보다 작은, 방법.
  13. 에어로졸 발생 시스템으로,
    메인 유닛, 및
    상기 메인 유닛에 제거 가능하게 결합된 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 카트리지를 포함하고,
    여기서 상기 액체 저장부 및 히터 조립체는 상기 카트리지 내에 제공되어 있고, 상기 메인 유닛은 전원을 포함하는, 에어로졸 발생 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 히터 조립체 및 전원에 연결된 전기 회로를 더 포함하되, 상기 전기 회로는 상기 히터 조립체, 또는 상기 히터 조립체의 하나 이상의 필라멘트의 전기 저항을 모니터링하고, 상기 히터 조립체 또는 상기 하나 이상의 필라멘트의 전기 저항에 따라 상기 전원으로부터 상기 히터 조립체로의 전력 공급을 제어하도록 구성되어 있는, 에어로졸 발생 시스템.
  15. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 카트리지를 포함하는 에어로졸 발생 시스템으로, 여기서 상기 시스템은 전기 작동식 흡연 시스템인, 에어로졸 발생 시스템.
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