ES2963533T3 - Calentamiento de material fumable - Google Patents

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Abstract

Un aparato configurado para calentar material fumable con el fin de volatilizar al menos uno de sus componentes para inhalación comprende al menos un elemento calefactor (3b) sobre o dentro de un material sustrato (3a). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Calentamiento de material fumable
Campo
La invención se refiere al calentamiento de material fumable.
Antecedentes
Los artículos para fumar, como los cigarrillos y los cigarros, queman tabaco durante su uso para crear humo de tabaco. Se han realizado intentos para proporcionar alternativas a estos artículos para fumar mediante la creación de productos que liberan compuestos sin generar humo de tabaco. Ejemplos de tales productos son los llamados productos de calentamiento sin combustión, que liberan compuestos mediante el calentamiento, pero no la combustión, del tabaco.
El documento EP2316286 A1 describe un sistema de fumar calentado eléctricamente con un calentador mejorado. El documento WO2012/134117 A2 describe un dispositivo de succión, un dispositivo de detección de contaminación aplicado al dispositivo de succión, un sensor de succión, un miembro de selección, un miembro de evaporación, una carcasa externa para el dispositivo de succión y una unidad para suministrar electricidad al dispositivo de succión. El documento WO2013/034460 A1 describe el calentamiento de material fumable.
Resumen
Según la invención, se proporciona un aparato de calentamiento de material fumable de acuerdo con la reivindicación 1. Otras características opcionales de la invención se establecen en las reivindicaciones dependientes.
La invención se extiende además al uso de un aparato para calentar material fumable para volatilizar al menos un componente del material fumable para inhalación, de acuerdo con la reivindicación 21.
Solo con fines ejemplares, a continuación, se describen modalidades de la invención con referencia a las figuras adjuntas en las que:
Breve descripción de las figuras
La figura 1 es una ilustración esquemática de las capas de un calentador de material fumable que comprende un sustrato y elementos calefactores interconectados por vías entre las capas;
La figura 2 es una ilustración esquemática y transversal de un aparato configurado para calentar material fumable para liberar compuestos aromáticos y/o nicotina del material fumable;
La figura 3 es una ilustración en perspectiva, parcialmente cortada, de un aparato configurado para calentar material fumable para liberar compuestos aromáticos y/o nicotina del material fumable;
La figura 4 es una ilustración en perspectiva, parcialmente cortada, de un aparato configurado para calentar material fumable, en el cual el material fumable se proporciona alrededor de un calentador alargado dividido en secciones de calentamiento radial;
La figura 5 es una vista explotada, parcialmente cortada de un aparato configurado para calentar material fumable, en el cual el material fumable se proporciona alrededor de un calentador alargado dividido en secciones de calentamiento radial;
La figura 6 es un diagrama de flujo que muestra un método para activar las regiones de calentamiento y abrir y cerrar las válvulas de la cámara de calentamiento durante la inhalación;
La figura 7 es una ilustración esquemática de un flujo gaseoso a través de un aparato configurado para calentar material fumable;
La figura 8 es una ilustración gráfica de un patrón de calentamiento que se puede utilizar para calentar material fumable utilizando un calentador;
La figura 9 es una ilustración esquemática de un compresor de material fumable configurado para comprimir material fumable durante el calentamiento;
La figura 10 es una ilustración esquemática de un expansor de material fumable configurado para expandir el material fumable durante la inhalación;
La figura 11 es un diagrama de flujo que muestra un método de compresión de material fumable durante el calentamiento y la expansión del material fumable para soplar;
La figura 12 es una ilustración esquemática y transversal de una sección de aislamiento al vacío configurada para aislar material fumable calentado de la pérdida de calor;
la figura 13 es otra ilustración esquemática en sección transversal de una sección de aislamiento al vacío configurada para aislar material fumable calentado de la pérdida de calor;
La figura 14 es una ilustración esquemática y transversal de un puente térmico resistente al calor que sigue una ruta indirecta desde una pared de aislamiento de temperatura más alta hasta una pared de aislamiento de temperatura más baja;
La figura 15 es una ilustración esquemática y transversal de un protector térmico y una ventana térmicamente transparente que son móviles con respecto a un cuerpo de material fumable para permitir selectivamente que la energía térmica se transmita a diferentes secciones del material fumable a través de la ventana;
La figura 16 es una ilustración esquemática y transversal de parte de un aparato configurado para calentar material fumable, en el cual una cámara de calentamiento puede ser sellada herméticamente por válvulas de retención; y
La figura 17 es una ilustración esquemática y transversal de una sección parcial de un aislamiento de vacío profundo configurado para aislar térmicamente un aparato configurado para calentar material fumable.
Descripción detallada
Como se utiliza aquí, el término 'material fumable' incluye cualquier material que proporciona componentes volatilizados al calentarse e incluye cualquier material que contenga tabaco y puede, por ejemplo, incluir uno o más de tabaco, derivados de tabaco, tabaco expandido, tabaco reconstituido o sustitutos de tabaco.
Un aparato 1 para calentar material fumable comprende una fuente de energía 2, un calentador 3 y una cámara de calentamiento 4. La fuente de energía 2 puede incluir una batería como una batería de Li-ion, batería de Ni, batería alcalina y/o similares, y está conectada eléctricamente al calentador 3 para suministrar energía eléctrica al calentador 3 cuando sea necesario. Se apreciará que, adicional o alternativamente a la batería, la fuente de energía 2 podría comprender otros tipos de fuentes 2, como una o más celdas de combustible y/o otras fuentes de electricidad que no sean baterías. La cámara de calentamiento 4 está configurada para recibir material fumable 5 de manera que el material fumable 5 pueda ser calentado en la cámara de calentamiento 4. Por ejemplo, la cámara de calentamiento 4 puede estar ubicada junto al calentador 3 de manera que la energía térmica del calentador 3 caliente el material fumable 5 en su interior. El calor proveniente del calentador 3 calienta el material fumable 5 para volatilizar los compuestos aromáticos y la nicotina en el material fumable 5 sin quemar el material fumable 5. El material fumable 5 puede comprender una mezcla de tabaco. Se proporciona una boquilla 6 a través de la cual un usuario del aparato 1 puede inhalar los compuestos volatilizados durante el uso del aparato 1.
Una carcasa 7 puede contener componentes del aparato 1, como la fuente de energía 2 y el calentador 3. Como se muestra esquemáticamente en la figura 2, la carcasa 7 puede comprender un tubo aproximadamente cilíndrico con la fuente de energía 2 ubicada hacia su primer extremo 8 y el calentador 3 y la cámara de calentamiento 4 ubicados hacia su opuesto, segundo extremo 9. La fuente de energía 2 y el calentador 3 pueden extenderse a lo largo del eje longitudinal de la carcasa 7. Por ejemplo, como se muestra en la figura 2, la fuente de energía 2 y el calentador 3 pueden alinearse a lo largo del eje longitudinal central de la carcasa 7 en un arreglo sustancialmente de extremo a extremo, de modo que una cara final de la fuente de energía 2 se enfrente sustancialmente a una cara final del calentador 3. La boquilla 6 puede estar ubicada en el segundo extremo 9 de la carcasa 7, adyacente a la cámara de calentamiento 4 y al material fumable 5.
La longitud de la carcasa 7 puede ser aproximadamente de 130 mm. Un ejemplo de longitud de la fuente de energía 2 es aproximadamente 59 mm. La longitud del calentador 3 y la región de calentamiento 4 puede ser aproximadamente de 50 mm. La profundidad, por ejemplo, el diámetro, de la cámara de calentamiento 4 puede estar entre aproximadamente 5 mm y aproximadamente 15 mm, como entre aproximadamente 8 mm y aproximadamente 10 mm. El diámetro de la fuente de energía 2 puede estar entre aproximadamente 10,0 mm y aproximadamente 15,0 mm, como por ejemplo 14,6 mm. El diámetro de la carcasa 7 puede estar entre aproximadamente 11 mm y aproximadamente 18 mm. Por ejemplo, el diámetro del primer extremo 8 de la carcasa puede ser de 18 mm, mientras que el diámetro de la boquilla 6 en el segundo extremo 9 de la carcasa puede ser de 15 mm. Se podrían utilizar dimensiones diferentes a las indicadas anteriormente de manera alternativa.
La carcasa 7 es adecuada para ser agarrada por un usuario durante el uso del aparato 1, de modo que el usuario pueda inhalar compuestos de material fumable volatilizados desde la boquilla 6 del aparato 1.
Se puede proporcionar aislamiento térmico entre la fuente de energía 2 y el calentador 3 para evitar la transferencia directa de calor de uno a otro.
El calentador 3 comprende un calentador impreso 3. El calentador 3 comprende un sustrato 3a y uno o más elementos calefactores 3b impresos sobre o en el sustrato 3a. Como se describe a continuación, los elementos calefactores 3b pueden configurarse para calentar el sustrato 3a a una velocidad rápida de manera que la temperatura del sustrato 3a coincida sustancialmente con la temperatura de los elementos calefactores 3b durante el calentamiento del material fumable 5.
El sustrato 3a puede estar compuesto por un material cerámico, como cerámica de nitruro de aluminio, y los elementos calefactores 3b pueden estar compuestos por elementos de trazado eléctricamente resistivos 3b que se calientan mediante corrientes eléctricas que fluyen en los elementos 3b. Por ejemplo, los elementos calefactores 3b pueden estar compuestos por un metal eléctricamente resistivo como el tungsteno. Las corrientes en los elementos calefactores 3b pueden ser causadas por una fuerza electromotriz suministrada por la fuente de energía 2, que está acoplada eléctricamente al calentador 3.
Los elementos calefactores 3b están dispuestos en o sobre el material del sustrato 3a para calentar el sustrato 3a. Como se mencionó anteriormente, la disposición de los elementos calefactores 3b en o sobre el sustrato 3a puede ser de manera que caliente el sustrato 3a a aproximadamente la misma temperatura que los elementos calefactores 3b.
El sustrato 3a puede ser calentado por los elementos calefactores 3b a una temperatura de volatilización del material fumable 5, de manera que el calor del sustrato calentado 3a provoque la volatilización de los componentes del material fumable 5 para su inhalación a través de la boquilla 6. Por lo tanto, el material fumable 5 en la región de calentamiento 4 puede ser calentado tanto por los elementos calefactores 3b como por el sustrato calentado 3a. La velocidad a la que aumenta la temperatura del sustrato 3a durante el calentamiento puede ser sustancialmente la misma que la velocidad a la que aumenta la temperatura de los elementos calefactores 3b. Por lo tanto, la temperatura de los elementos calefactores 3b y el sustrato 3a pueden ser aproximadamente iguales durante el calentamiento del material fumable 5.
La disposición del calentador 3 es tal que las superficies periféricas del calentador 3 principalmente comprenden las del sustrato calentado 3a y, como tal, el material fumable 5 se calienta principalmente por el calor emitido desde el sustrato calentado 3a en lugar de ser calentado directamente por los elementos calefactores 3b. Por ejemplo, como se describe a continuación y se muestra esquemáticamente en la figura 1, los elementos calefactores 3b pueden estar ubicados principalmente o completamente dentro del sustrato 3a y pueden comprender una pluralidad de capas de calefacción distintas de elementos calefactores 3b separadas por capas de sustrato 3a.
El coeficiente de expansión térmica de los elementos calefactores 3b puede ser igualado al coeficiente de expansión térmica del sustrato 3a. En particular, el valor del coeficiente de expansión térmica de los elementos calefactores 3b puede ser sustancialmente igual al valor del coeficiente de expansión térmica del sustrato 3a. Los elementos calefactores 3b y el sustrato 3a pueden, por lo tanto, formar juntos una estructura de calentador de coincidencia de expansión 3.
Los coeficientes de expansión térmica coincidentes del sustrato 3a y los elementos calefactores 3b significan que la expansión térmica de los elementos calefactores 3b se corresponde con una expansión correspondiente en el sustrato 3a. De manera similar, la contracción térmica de los elementos calefactores 3b se corresponde con una contracción correspondiente en el sustrato 3a. La naturaleza de coincidencia de expansión de la estructura significa que el calentador 3 en su conjunto se expande/contrae a una tasa sustancialmente igual y en la misma cantidad en toda la estructura del calentador durante el calentamiento/enfriamiento. Las tensiones de expansión y contracción en la estructura del calentador 3 son pequeñas y el calentador puede experimentar transiciones de temperatura rápidas, significativas y frecuentes sin ejercer tensiones significativas en el material de la estructura del calentador 3.
El sustrato 3a y los elementos calefactores 3b pueden estar unidos químicamente en la estructura del calentador 3. Por ejemplo, los enlaces químicos entre el sustrato 3a y los elementos calefactores 3b pueden formarse durante un proceso de sinterización, en el cual el sustrato 3a y los elementos calefactores 3b se fusionan juntos bajo la aplicación de calor para crear una estructura de calentador sólida 3.
Más específicamente, la estructura de calentador químicamente unido 3 puede ser fabricada inicialmente aplicando material líquido de elemento de calentamiento 3b a una o más superficies del material de sustrato 3a, apilando el material de sustrato 3a con el material de elemento de calentamiento 3b y sinterizando el conjunto apilado para formar la estructura de calentador unido 3. Esto se ilustra esquemáticamente en la figura 1.
La aplicación del material del elemento de calentamiento líquido 3b puede, por ejemplo, llevarse a cabo mediante la impresión del material líquido 3b sobre el material del sustrato 3a. La aplicación del elemento de calentamiento líquido 3b sobre el sustrato 3a puede ser extremadamente precisa para lograr tolerancias muy bajas, por ejemplo, del orden de micrómetros o nanómetros, en la ubicación del material del elemento de calentamiento 3b en el sustrato 3a y, de esta manera, hacer que los elementos calefactores 3b se formen en regiones muy específicas deseadas del sustrato 3a. Un proceso de impresión adecuado es utilizar una impresora de pantalla para imprimir el líquido 3b, que puede estar en forma de tinta, sobre el material del sustrato 3a.
El material del sustrato 3a puede comprender aglutinantes y/o plastificantes adecuados que ayuden con la formación de la estructura calentadora en capas 3 antes de la formación de enlaces químicos durante la sinterización. Además, o alternativamente, el material del elemento de calentamiento líquido 3b puede incluir aglutinantes y/o plastificantes adecuados. Estos pueden tener la misma composición que los aglutinantes y/o plastificantes incluidos en el material de sustrato 3a.
El material de sustrato 3a sobre el cual se aplica el material del elemento de calentamiento 3b puede comprender capas presinterizadas del sustrato 3a, como secciones presinterizadas de cinta cerámica, que se construyen una encima de la otra para formar una estructura en capas que comprende tanto el sustrato 3a como el material del elemento de calentamiento 3b. Una o más vías pueden formarse en las capas del material de sustrato 3a para que el material de calentamiento líquido 3b llene las vías y, en última instancia, forme interconexiones entre las capas de elementos calefactores 3b en el calentador 3. En particular, cada capa de elementos calefactores 3b puede estar interconectada con una o más capas distintas de elementos calefactores 3b mediante secciones de elemento de calentamiento 3b que atraviesan las vías en el sustrato 3a.
Las vías pueden ser formadas por cualquier proceso adecuado. Por ejemplo, las vías pueden formarse mediante la perforación de agujeros en las capas individuales del sustrato 3a antes de que las capas del sustrato 3a se apilen una encima de la otra en la estructura del calentador 3. Los agujeros en las capas del sustrato 3a pueden estar alineados en la estructura en capas de manera que se creen interconexiones entre una pluralidad de capas de elementos calefactores 3b durante el sinterizado. Las vías formadas entre las capas 3b pueden tener cualquier forma adecuada, incluyendo formas tridimensionales.
Si se desea, se pueden imprimir una pluralidad de circuitos eléctricos en el sustrato 3a para proporcionar señales de control o señales de medición a/desde un controlador 12 del aparato 1. Por ejemplo, los circuitos de medición de temperatura, que pueden incorporar uno o más detectores de temperatura de resistencia (RTD), pueden ser impresos sobre, adyacentes o debajo de los elementos calefactores 3b, o en otro lugar del sustrato 3a, de manera que la temperatura del calentador 3 pueda ser monitoreada y ajustada por el controlador 12 para obtener las temperaturas de volatilización o prevolatilización deseadas en el material fumable 5.
Antes de que se ensamble las capas de sustrato 3a y el material del elemento de calentamiento 3b se sinterice para crear los enlaces químicos y la naturaleza cohesiva del calentador 3 mencionado anteriormente, es posible desligar los aglutinantes y/o plastificantes mencionados previamente. Los enlaces químicos y los coeficientes de expansión térmica coincidentes crean una estructura de calentador robusta 3, que puede ser reutilizada repetidamente para calentar y volatilizar material fumable recién cargado 5 en la región de calentamiento 4.
El calentador 3 se puede fabricar en cualquier forma adecuada utilizando la técnica de capas descrita anteriormente. Por ejemplo, el calentador 3 puede comprender un cilindro sustancialmente hueco ubicado alrededor de la región de calentamiento del material fumable 4, de modo que el calor sea emitido por el calentador 3 en dirección radial hacia el interior. Un ejemplo de esto se describe a continuación en relación a la figura 2, la cual no está de acuerdo con las reivindicaciones. Sin embargo, de acuerdo con las reivindicaciones, la región de calentamiento del material fumable 4 se encuentra alrededor del calentador 3. Un ejemplo es una disposición coaxial en la que el calentador 3 emite calor en dirección radial hacia fuera en la región de calentamiento 4, aunque también son posibles otras formas como se desprenderá de la discusión a continuación.
Un ejemplo específico de una estructura de calentador 3 de expansión coincidente y químicamente unida es aquel en el que el sustrato de calentamiento 3a comprende una cinta cerámica de nitruro de aluminio presinterizada y el material del elemento de calentamiento 3b comprende tinta que contiene tungsteno, la cual se imprime mediante serigrafía sobre la cinta cerámica 3a. Una vez que la cinta cerámica 3a ha sido impresa con el material del elemento de calentamiento 3b y se han creado agujeros para formar las vías mencionadas anteriormente, la cinta cerámica 3a se apila de manera que forme una estructura que contiene capas internas de material del elemento de calentamiento 3b conectadas entre sí por las vías en la cinta 3a. La asamblea se sinteriza luego para formar un calentador 3 cohesivo y químicamente unido. Durante la activación del calentador 3, el sustrato de Nitruro de Aluminio 3a y los elementos calefactores de Tungsteno 3b se expanden y contraen a una tasa de aproximadamente 4,5 partes por millón por grado centígrado, por lo que la estructura del calentador 3 en su conjunto se expande y contrae sin ejercer tensión en ninguna parte particular de la estructura 3.
El grosor del calentador 3 puede ser pequeño, como menos de 2 mm o menos de 1 mm, lo cual puede contribuir a reducir las dimensiones generales del aparato 1 en comparación con el uso de otros tipos de calentadores. Por ejemplo, el calentador 3 puede tener un grosor de entre aproximadamente 0,1 mm y 2,0 mm, como entre aproximadamente 0,3 mm y aproximadamente 1,0 mm, aunque también son posibles calentadores 3 con grosores mayores, como aquellos de hasta 6,5 mm.
El calentador 3 puede funcionar en un amplio rango de potencias para calentar y mantener el material fumable 5 en un rango de temperatura deseado. Por ejemplo, la potencia de salida del calentador 3 puede estar en el rango de cero a aproximadamente 3.100.006,2 vatios/metro cuadrado (2.000 vatios/pulgada cuadrada) y puede ser controlada por el controlador 12 del aparato 1 para que la temperatura del material fumable 5 se mantenga o se ajuste dentro del rango de temperatura deseado. El controlador 12 puede ajustar la potencia de salida del calentador 3 en función de las mediciones de temperatura dentro del calentador 3, en las superficies periféricas del calentador 3 y/o dentro del material fumable 5, utilizando los circuitos de medición de temperatura mencionados anteriormente.
El controlador 12 puede hacer que el calentador 3, o regiones distintas 10 del calentador 3, funcionen en ciclos entre temperaturas preestablecidas durante períodos de tiempo predefinidos o puede variar la temperatura del calentador 3 y/o regiones separadas 10 del calentador 3 de acuerdo con un régimen de calentamiento. El controlador 12 y ejemplos de regímenes de calentamiento adecuados se describen con más detalle a continuación. El calentador 3 tiene una masa baja y, por lo tanto, su uso puede ayudar a reducir la masa total del aparato 1.
Como se muestra en la figura 2 y se mencionó brevemente anteriormente, el calentador 3 puede comprender una pluralidad de regiones de calentamiento individuales 10. Las regiones de calentamiento 10 pueden funcionar independientemente entre sí, de modo que diferentes regiones 10 pueden activarse en momentos diferentes para calentar el material fumable 5. Esto se puede lograr activando los elementos calefactores 3b ubicados en regiones particulares 10 del calentador 3 en diferentes momentos. Las regiones de calentamiento 10 pueden ser dispuestas en el calentador 3 en cualquier disposición geométrica. Sin embargo, en el ejemplo mostrado en la figura 2, las regiones de calentamiento 10 están dispuestas geométricamente en el calentador 3 de manera que diferentes regiones de calentamiento 10 están dispuestas para calentar predominante e independientemente diferentes regiones del material fumable 5.
Por ejemplo, haciendo referencia a la figura 2, el calentador 3 puede comprender una pluralidad de regiones de calentamiento 10 alineadas axialmente en una disposición sustancialmente alargada. Las regiones 10 pueden cada una comprender una sección individual del calentador 3, como una sección independiente de temperatura controlable del sustrato unido 3a y la estructura 3 de elementos calefactores 3b descrita anteriormente. Las regiones de calentamiento 10 pueden, por ejemplo, estar todas alineadas entre sí a lo largo de un eje longitudinal del calentador 3, proporcionando así una pluralidad de zonas de calentamiento independientes a lo largo de la longitud del calentador 3.
Haciendo referencia a la figura 2, cada región de calentamiento 10 puede comprender un cilindro de calentamiento hueco 10, que puede ser un anillo 10, con una longitud finita que es significativamente menor que la longitud del calentador 3 en su totalidad. La disposición de regiones de calentamiento alineadas axialmente 10 define el exterior de la cámara de calentamiento 4 y está configurada para calentar material fumable 5 ubicado en la cámara de calentamiento 4. Como se mencionó anteriormente, el calor se aplica hacia adentro, predominantemente hacia el eje longitudinal central de la cámara de calentamiento 4. Las regiones de calentamiento 10 están dispuestas con sus superficies radiales, o de otra manera transversales, enfrentadas entre sí a lo largo de la longitud del calentador 3. Las superficies transversales de cada región de calentamiento 10 pueden opcionalmente estar separadas de las superficies transversales de su(s) región(ones) de calentamiento vecina(s) 10 por aislamiento térmico 18, como se muestra en la figura 2 y se describe a continuación, o pueden estar conectadas y/o contiguas con su(s) región(ones) de calentamiento vecina(s) 10.
Como se muestra en las figuras 2 y 3, el calentador 3 puede estar ubicado alternativamente en una región central de la carcasa 7 y la cámara de calentamiento 4, y el material fumable 5 puede estar ubicado alrededor de la superficie longitudinal del calentador 3. En este arreglo, la energía térmica emitida por el calentador 3 se desplaza hacia fuera desde la superficie longitudinal del calentador 3 hacia la cámara de calentamiento 4 y el material fumable 5. En modalidades de acuerdo con las reivindicaciones de la presente invención, la cámara de calentamiento se encuentra alrededor del calentador.
Las regiones de calentamiento 10 pueden cada una comprender una sección individual del calentador 3. Como se muestra en las figuras 1 a 4, cada región de calentamiento 10 puede comprender un cilindro de calentamiento 10 con una longitud finita que es significativamente menor que la longitud del calentador 3 en su totalidad. Sin embargo, se podrían utilizar otras configuraciones del calentador 3 de manera alternativa, por lo que no es necesario el uso de secciones cilíndricas del calentador 3. Las regiones de calentamiento 10 pueden estar dispuestas con sus superficies transversales enfrentadas entre sí a lo largo de la longitud del calentador 3. Las superficies transversales de cada región 10 pueden tocar las superficies transversales de sus regiones vecinas 10. Alternativamente, puede estar presente una capa aislante térmica o reflectante de calor entre las superficies transversales de las regiones 10, de modo que la energía térmica emitida desde cada una de las regiones 10 no caliente sustancialmente las regiones vecinas 10 y en su lugar se dirija predominantemente hacia la cámara de calentamiento 4 y el material fumable 5. Cada región de calentamiento 10 puede tener dimensiones sustancialmente iguales a las otras regiones 10.
De esta manera, cuando se activa una región de calentamiento particular 10, suministra energía térmica al material fumable 5 ubicado adyacente, por ejemplo, radialmente adyacente, a la región de calentamiento 10 sin calentar sustancialmente el resto del material fumable 5. Haciendo referencia a la figura 3, la región calentada de material fumable 5 puede comprender un anillo de material fumable 5 ubicado alrededor de la región de calentamiento 10 que ha sido activada. El material fumable 5 puede ser calentado en secciones independientes, por ejemplo, anillos o cilindros sustancialmente sólidos, donde cada sección corresponde al material fumable 5 ubicado directamente adyacente a una región de calentamiento 10 particular y tiene una masa y volumen significativamente menor que el cuerpo de material fumable 5 en su totalidad.
Además, o alternativamente, el calentador 3 puede comprender una pluralidad de regiones de calentamiento alargadas y que se extienden longitudinalmente 10 posicionadas en diferentes ubicaciones alrededor del eje longitudinal central del calentador 3. Las regiones de calentamiento 10 pueden tener diferentes longitudes, o pueden tener una longitud sustancialmente igual de manera que cada una se extienda a lo largo de prácticamente toda la longitud del calentador 3.
Las secciones calentadas del material fumable 5 pueden comprender secciones longitudinales del material fumable 5 que se encuentran paralelas y directamente adyacentes a las regiones de calentamiento longitudinales 10. Por lo tanto, como se explicó anteriormente, el material fumable 5 puede ser calentado en secciones independientes.
Como se describirá más adelante, las regiones de calentamiento 10 pueden ser activadas individualmente y de forma selectiva.
El material fumable 5 puede estar contenido en un cartucho 11 que puede insertarse en la cámara de calentamiento 4. Por ejemplo, como se muestra en la figura 2, el cartucho 11 puede comprender un cuerpo sustancialmente sólido de material fumable 5, como un cilindro que se ajusta en un hueco del calentador 3. En esta configuración, la superficie externa del cuerpo de material fumable se enfrenta al calentador 3. Alternativamente, como se muestra en la figura 3, el cartucho 11 puede comprender un tubo de material fumable 11 que puede insertarse alrededor del calentador 3 de manera que la superficie interna del tubo de material fumable 11 se enfrente a la superficie longitudinal del calentador 3. El tubo de material fumable 11 puede ser hueco. El diámetro del centro hueco del tubo 11 puede ser sustancialmente igual o ligeramente mayor que el diámetro o dimensión transversal del calentador 3, de modo que el tubo 11 se ajuste estrechamente alrededor del calentador 3. La longitud del cartucho 11 puede ser aproximadamente igual a la longitud del calentador 3 para que el calentador 3 pueda calentar el cartucho 11 a lo largo de toda su longitud.
La carcasa 7 del aparato 1 puede comprender una abertura a través de la cual se puede insertar el cartucho 11 en la cámara de calentamiento 4. La abertura puede, por ejemplo, comprender una abertura ubicada en el segundo extremo 9 de la carcasa para que el cartucho 11 pueda deslizarse en la abertura y empujarse directamente hacia la cámara de calentamiento 4. La abertura se cierra preferiblemente durante el uso del aparato 1 para calentar el material fumable 5. Alternativamente, una sección de la carcasa 7 en el segundo extremo 9 es removible del aparato 1 para que el material fumable 5 pueda insertarse en la cámara de calentamiento 4. El aparato 1 puede estar equipado opcionalmente con una unidad de eyección de material fumable operada por el usuario, como un mecanismo interno configurado para deslizar el material fumable usado 5 fuera y/o lejos del calentador 3. El material fumable usado 5 puede, por ejemplo, ser empujado de vuelta a través de la abertura en la carcasa 7. Se puede insertar un nuevo cartucho 11 según sea necesario.
Como se mencionó anteriormente, el aparato 1 puede comprender un controlador 12, como un microcontrolador 12, que está configurado para controlar la operación del aparato 1. El controlador 12 está conectado electrónicamente a los demás componentes del aparato 1, como la fuente de energía 2 y el calentador 3, de manera que puede controlar su funcionamiento enviando y recibiendo señales. El controlador 12 está configurado, en particular, para controlar la activación del calentador 3 para calentar el material fumable 5. Por ejemplo, el controlador 12 puede estar configurado para activar el calentador 3, que puede comprender la activación selectiva de una o más regiones de calentamiento 10, en respuesta a un usuario dibujando en la boquilla 6 del aparato 1. En este sentido, el controlador 12 puede estar en comunicación con un sensor de soplido 13 a través de un acoplamiento comunicativo adecuado. El sensor de inhalación 13 está configurado para detectar cuando se produce una inhalación en la boquilla 6 y, en respuesta, está configurado para enviar una señal al controlador 12 que indica la inhalación. Se puede utilizar una señal electrónica. El controlador 12 puede responder a la señal del sensor de inhalación 13 activando el calentador 3 y, de esta manera, calentando el material fumable 5. El uso de un sensor de soplido 13 para activar el calentador 3 no es, sin embargo, esencial y se pueden utilizar alternativamente otros medios para proporcionar un estímulo para activar el calentador 3. Por ejemplo, el controlador 12 puede activar el calentador 3 en respuesta a otro tipo de estímulo de activación, como la actuación de un actuador operable por el usuario. Los compuestos volatilizados liberados durante el calentamiento pueden ser inhalados por el usuario a través de la boquilla 6. El controlador 12 puede ubicarse en cualquier posición adecuada dentro de la carcasa 7. Una posición de ejemplo se encuentra entre la fuente de energía 2 y el calentador 3/cámara de calentamiento 4, como se ilustra en la figura 5.
Si el calentador 3 comprende dos o más regiones de calentamiento 10 como se describe anteriormente, el controlador 12 puede estar configurado para activar las regiones de calentamiento 10 en un orden o patrón predeterminado. Por ejemplo, el controlador 12 puede estar configurado para activar las regiones de calentamiento 10 de forma secuencial a lo largo o alrededor de la cámara de calentamiento 4. Cada activación de una región de calentamiento 10 puede ser en respuesta a la detección de una bocanada por el sensor de bocanadas 13 o puede ser desencadenada de una manera alternativa, como se describe más adelante.
Haciendo referencia a la figura 6, un ejemplo de método de calentamiento puede comprender un primer paso S1 en el que se detecta un estímulo de activación, como una primera inhalación, seguido de un segundo paso S2 en el que se calienta una primera sección de material fumable 5 en respuesta a la primera inhalación u otro estímulo de activación. En un tercer paso S3, las válvulas de entrada y salida herméticamente sellables 24 pueden abrirse para permitir que el aire sea aspirado a través de la cámara de calentamiento 4 y salga del aparato 1 a través de la boquilla 6. En un cuarto paso S4, las válvulas 24 se cierran. Estas válvulas 24 se describen con más detalle a continuación con respecto a la figura 30. En los pasos quinto S5, sexto S6, séptimo S7 y octavo S8, se puede calentar una segunda sección de material fumable 5 en respuesta a un segundo estímulo de activación, como una segunda inhalación, con una correspondiente apertura y cierre de las válvulas de entrada y salida de la cámara de calentamiento 24. En los pasos noveno S9, décimo S10, undécimo S11 y duodécimo S12, se puede calentar una tercera sección del material fumable 5 en respuesta a un tercer estímulo de activación, como una tercera inhalación, con una correspondiente apertura y cierre de las válvulas de entrada y salida de la cámara de calentamiento 24, y así sucesivamente. Como se mencionó anteriormente, se podrían utilizar otros medios además de un sensor de soplido 13 de manera alternativa. Por ejemplo, un usuario del aparato 1 puede accionar un interruptor de control para indicar que está tomando una nueva bocanada. De esta manera, una sección fresca de material fumable 5 puede ser calentada para volatilizar la nicotina y los compuestos aromáticos en cada nueva calada. El número de regiones de calentamiento 10 y/o secciones de material fumable 5 que se pueden calentar independientemente puede corresponder al número de inhalaciones para las cuales se pretende utilizar el cartucho 11. Alternativamente, cada sección de material fumable 5 calentable independientemente puede ser calentada por su(s) región(ones) de calentamiento correspondiente(s) 10 durante una pluralidad de inhalaciones, como dos, tres o cuatro inhalaciones, de modo que una sección fresca de material fumable 5 sea calentada solo después de que se hayan realizado una pluralidad de inhalaciones mientras se calienta la sección anterior de material fumable.
En lugar de activar cada región de calentamiento 10 en respuesta a una bocanada individual, las regiones de calentamiento 10 pueden ser activadas de manera secuencial, una tras otra, en respuesta a una única bocanada inicial en la boquilla 6. Por ejemplo, las regiones de calentamiento 10 pueden activarse en intervalos regulares y predeterminados durante el período de inhalación esperado para un cartucho de material fumable 11 en particular. El período de inhalación puede ser, por ejemplo, entre aproximadamente uno y aproximadamente cuatro minutos. Por lo tanto, al menos los pasos quinto y noveno S5, S9 mostrados en la figura 6 son opcionales. Cada región de calentamiento 10 puede activarse durante un período predeterminado que corresponde a la duración de la única o pluralidad de inhalaciones para las cuales se pretende calentar la sección correspondiente de material fumable independientemente calentable 5. Una vez que todas las regiones de calentamiento 10 se han activado para un cartucho en particular 11, el controlador 12 puede configurarse para indicar al usuario que el cartucho 11 debe ser cambiado. El controlador 12 puede, por ejemplo, activar una luz indicadora en la superficie externa de la carcasa 7.
Se apreciará que activar las regiones de calentamiento individuales 10 en orden en lugar de activar el calentador completo 3 significa que la energía requerida para calentar el material fumable 5 se reduce en comparación con lo que se requeriría si el calentador 3 se activara completamente durante todo el período de inhalación de un cartucho 11. Por lo tanto, también se reduce la potencia máxima requerida de la fuente de energía 2. Esto significa que se puede instalar una fuente de energía 2 más pequeña y/o más ligera en el aparato 1.
El controlador 12 puede estar configurado para desactivar el calentador 3, o reducir la potencia suministrada al calentador 3, entre inhalaciones. Esto ahorra energía y prolonga la vida de la fuente de energía 2. Por ejemplo, al encender el aparato 1 por parte del usuario o en respuesta a algún otro estímulo, como la detección de que el usuario coloca su boca contra la boquilla 6, el controlador 12 puede estar configurado para hacer que el calentador 3, o la siguiente región de calentamiento 10, se utilice para calentar el material fumable 5, de manera parcialmente activada para que se caliente en preparación para volatilizar los componentes del material fumable 5. La activación parcial no calienta el material fumable 5 a una temperatura suficiente para volatilizar la nicotina. Una temperatura adecuada podría ser inferior a 120 °C, como aproximadamente 100 °C. En respuesta a la detección de una bocanada por el sensor de bocanadas 13, el controlador 12 puede hacer que el calentador 3 o la región de calentamiento 10 en cuestión caliente aún más el material fumable 5 para volatilizar rápidamente la nicotina y otros compuestos aromáticos para su inhalación por parte del usuario. Si el material fumable 5 comprende tabaco, una temperatura adecuada para volatilizar la nicotina y otros compuestos aromáticos puede ser superior a 120 °C, como entre 150 °C y 250 °C o entre 130 °C y 180 °C. Por lo tanto, ejemplos de temperaturas de activación completa incluyen 180 °C y 250 °C. Opcionalmente, se puede utilizar un supercondensador para proporcionar la corriente máxima utilizada para calentar el material fumable 5 a la temperatura de volatilización. Un ejemplo de un patrón de calentamiento adecuado se muestra en la figura 8, en la cual los picos pueden representar respectivamente la activación completa de diferentes regiones de calentamiento 10. Como se puede observar, el material fumable 5 se mantiene a la temperatura de volatilización durante el período aproximado de la calada, que en este ejemplo es de dos segundos.
Se describen a continuación tres ejemplos de modos operativos del calentador 3.
En un primer modo operativo, durante la activación completa de una región de calentamiento particular 10, todas las demás regiones de calentamiento 10 del calentador se desactivan. Por lo tanto, cuando se activa una nueva región de calentamiento 10, la región de calentamiento anterior se desactiva. Se suministra energía solo a la región activada 10.
Alternativamente, en un segundo modo operativo, durante la activación completa de una región de calentamiento particular 10, una o más de las otras regiones de calentamiento 10 pueden ser activadas parcialmente. La activación parcial de una o más regiones de calentamiento adicionales 10 puede implicar calentar la(s) otra(s) región(ones) de calentamiento 10 a una temperatura que sea suficiente para prevenir sustancialmente la condensación de componentes como la nicotina volatilizada del material fumable 5 en la cámara de calentamiento 4. La temperatura de las regiones de calentamiento 10 que están parcialmente activadas es menor que la temperatura de la región de calentamiento 10 que está completamente activada. El material fumable 10 ubicado adyacente a las regiones parcialmente activadas 10 no se calienta a una temperatura suficiente para volatilizar los componentes del material fumable 5.
Alternativamente, en un tercer modo operativo, una vez que una región de calentamiento particular 10 ha sido activada, permanece completamente activada hasta que el calentador 3 se apague. Por lo tanto, la potencia suministrada al calentador 3 aumenta de forma incremental a medida que se activan más regiones de calentamiento 10 durante la inhalación desde el cartucho 11. Al igual que en el segundo modo descrito anteriormente, la activación continua de las regiones de calentamiento 10 evita sustancialmente la condensación de componentes como la nicotina volatilizada del material fumable 5 en la cámara de calentamiento 4.
El aparato 1 puede comprender un protector térmico 100, que se encuentra entre el calentador 3 y la cámara de calentamiento 4/material fumable 5. El protector térmico 100 está configurado para evitar sustancialmente que la energía térmica fluya a través del protector térmico 100 y, por lo tanto, puede usarse para prevenir selectivamente que el material fumable 5 se caliente incluso cuando el calentador 3 está activado y emitiendo energía térmica. Haciendo referencia a la figura 15, el protector térmico 100 puede, por ejemplo, comprender una capa cilíndrica de material reflectante al calor que se encuentra de manera co-axial alrededor del calentador 3. Alternativamente, si el calentador 3 está ubicado alrededor de la cámara de calentamiento 4 y el material fumable 5 como se describió anteriormente con referencia a la figura 2, el protector térmico 100 puede comprender una capa cilíndrica de material reflectante al calor que está ubicada de manera coaxial alrededor de la cámara de calentamiento 4 y de manera coaxial dentro del calentador 3. El protector térmico 100 puede adicional o alternativamente comprender una capa aislante térmica configurada para aislar el calentador 3 del material fumable 5.
El protector térmico 100 comprende una ventana 101 sustancialmente transparente al calor que permite que la energía térmica se propague a través de la ventana 101 y hacia la cámara de calentamiento 4 y el material fumable 5. Por lo tanto, la sección de material fumable 5 que está alineada con la ventana 101 se calienta mientras que el resto del material fumable 5 no lo hace. El protector térmico 100 y la ventana 101 pueden ser giratorios o móviles con respecto al material fumable 5, de modo que diferentes secciones del material fumable 5 puedan ser calentadas selectiva e individualmente al girar o mover el protector térmico 100 y la ventana 101. El efecto es similar al efecto proporcionado al activar selectiva e individualmente las regiones de calentamiento 10 mencionadas anteriormente. Por ejemplo, el protector térmico 100 y la ventana 101 pueden girar o moverse de forma incremental en respuesta a una señal del detector de bocanadas 13. Además, o alternativamente, el protector térmico 100 y la ventana 101 pueden girar o moverse de otra manera de forma incremental en respuesta a un período de calentamiento predeterminado que ha transcurrido. El movimiento o rotación del protector térmico 100 y la ventana 101 pueden ser controlados por señales electrónicas provenientes del controlador 12. La rotación relativa u otro movimiento del protector térmico 100/ventana 101 y el material fumable 5 puede ser impulsado por un motor paso a paso 3c bajo el control del controlador 12. Esto se ilustra en la figura 15. Alternativamente, el protector térmico 100 y la ventana 101 pueden ser girados manualmente utilizando un control de usuario como un actuador en la carcasa 7. El protector térmico 100 no necesita ser cilíndrico y opcionalmente puede comprender uno o más elementos y/o placas longitudinalmente extendidos adecuadamente posicionados.
Se apreciará que un resultado similar se puede obtener al girar o mover el material fumable 5 con respecto al calentador 3, el protector térmico 100 y la ventana 101. Por ejemplo, la cámara de calentamiento 4 puede ser giratoria alrededor del calentador 3. Si este es el caso, la descripción anterior relacionada con el movimiento del protector térmico 100 se puede aplicar en su lugar al movimiento de la cámara de calentamiento 4 con respecto al protector térmico 100.
El protector térmico 100 puede comprender un revestimiento en la superficie longitudinal del calentador 3. En este caso, se deja sin recubrir un área de la superficie del calentador para formar la ventana transparente al calor 101. El calentador 3 puede ser girado o movido de otra manera, por ejemplo, bajo el control del controlador 12 o de los controles del usuario, para hacer que se caliente diferentes secciones del material fumable 5. Alternativamente, el protector térmico 100 y la ventana 101 pueden comprender un protector separado 3a que es giratorio o móvil de otra manera con respecto tanto al calentador 3 como al material fumable 5 bajo el control del controlador 12 u otros controles del usuario.
El aparato 1 puede comprender entradas de aire 14 que permiten que el aire externo sea aspirado hacia el alojamiento 7 y a través del material fumable calentado 5 durante la inhalación. Las entradas de aire 14 pueden comprender aberturas 14 en la carcasa 7 y pueden estar ubicadas aguas arriba del material fumable 5 y de la cámara de calentamiento 4 hacia el primer extremo 8 de la carcasa 7. Esto se muestra en la figura 2. Otro ejemplo se muestra en la figura 7. El aire aspirado a través de las entradas 14 viaja a través del material fumable calentado 5 y en él se enriquece con vapores de material fumable, como vapores de aroma, antes de ser inhalado por el usuario en la boquilla 6. Opcionalmente, como se muestra en la figura 7, el aparato 1 puede comprender un intercambiador de calor 15 configurado para calentar el aire antes de que ingrese al material fumable 5 y/o para enfriar el aire antes de que sea aspirado a través de la boquilla 6. Por ejemplo, el intercambiador de calor 15 puede estar configurado para utilizar el calor extraído del aire que ingresa a la boquilla 6 para calentar el nuevo aire antes de que ingrese al material fumable 5.
El aparato 1 puede comprender un compresor de material fumable 16 configurado para hacer que el material fumable 5 se comprima al activar el compresor 16. El aparato 1 también puede comprender un expansor de material fumable 17 configurado para hacer que el material fumable 5 se expanda al activar el expansor 17. El compresor 16 y el expansor 17 pueden, en la práctica, ser implementados como la misma unidad, como se explicará a continuación. El compresor 16 y el expansor 17 de material fumable pueden operar opcionalmente bajo el control del controlador 12. En este caso, el controlador 12 está configurado para enviar una señal, como una señal eléctrica, al compresor 16 o al expansor 17, lo que provoca que el compresor 16 o el expansor 17 compriman o expandan respectivamente el material fumable 5. Alternativamente, el compresor 16 y el expansor 17 pueden ser accionados por un usuario del aparato 1 utilizando un control manual en la carcasa 7 para comprimir o expandir el material fumable 5 según sea necesario.
El compresor 16 está principalmente configurado para comprimir el material fumable 5 y así aumentar su densidad durante el calentamiento. La compresión del material fumable aumenta la conductividad térmica del cuerpo del material fumable 5 y, por lo tanto, proporciona un calentamiento más rápido y una consiguiente volatilización rápida de la nicotina y otros compuestos aromáticos. Esto permite que la nicotina y los aromáticos sean inhalados por el usuario sin un retraso sustancial en respuesta a la detección de una calada. Por lo tanto, el controlador 12 puede activar el compresor 16 para comprimir el material fumable 5 durante un período de calentamiento predeterminado, por ejemplo, un segundo, en respuesta a la detección de una calada. El compresor 16 puede configurarse para reducir su compresión del material fumable 5, por ejemplo, bajo el control del controlador 12, después del período de calentamiento predeterminado. Alternativamente, la compresión puede reducirse o finalizarse automáticamente en respuesta a que el material fumable 5 alcance una temperatura umbral predeterminada. Una temperatura umbral adecuada puede estar en el rango de aproximadamente 120 °C a 250 °C, o uno de los otros rangos discutidos previamente, y puede ser seleccionada por el usuario. Un sensor de temperatura puede ser utilizado para detectar la temperatura del material fumable 5.
El expansor 17 está principalmente configurado para expandir el material fumable 5 y, de esta manera, disminuir su densidad durante la inhalación. La disposición del material fumable 5 en la cámara de calentamiento 4 se vuelve más suelta cuando el material fumable 5 se ha expandido y esto ayuda al flujo gaseoso, por ejemplo, el aire de las entradas 14, a través del material fumable 5. El aire, por lo tanto, es más capaz de transportar la nicotina volatilizada y los aromáticos hasta la boquilla 6 para su inhalación. El controlador 12 puede activar el expansor 17 para expandir el material fumable 5 inmediatamente después del período de compresión mencionado anteriormente, de modo que el aire pueda pasar más libremente a través del material fumable 5. La activación del expansor 17 puede ir acompañada de un sonido audible para el usuario u otra indicación para señalar al usuario que el material fumable 5 ha sido calentado y que se puede comenzar a inhalar.
Haciendo referencia a las figuras 8 y 9, el compresor 16 y el expansor 17 pueden comprender una varilla de accionamiento accionada por resorte que está configurada para comprimir el material fumable 5 en la cámara de calentamiento 4 cuando el resorte se libera de la compresión. Esto se ilustra esquemáticamente en las figuras 8 y 9, aunque se apreciará que podrían utilizarse otras implementaciones. Por ejemplo, el compresor 16 puede comprender un anillo, con un grosor aproximadamente igual al de la cámara de calentamiento en forma de tubo 4 descrita anteriormente, que es impulsado por un resorte u otros medios hacia la cámara de calentamiento 4 para comprimir el material fumable 5. Alternativamente, el compresor 16 puede estar incluido como parte del calentador 3 de manera que el propio calentador 3 esté configurado para comprimir y expandir el material fumable 5 bajo el control del controlador 12. Se muestra un método de comprimir y expandir el material fumable 5 en la figura 11. El método comprende un primer paso P1 de comprimir el material fumable 5 en su cámara de calentamiento 4, un segundo paso P2 de calentar el material fumable comprimido 5, un tercer paso P3 de detectar una temperatura umbral en el material fumable 5, un cuarto paso S4 de expandir el material fumable 5, por ejemplo, liberando la fuerza de compresión, y un quinto paso S5 de permitir que el aire externo entre a la cámara de calentamiento del material fumable 4, por ejemplo, abriendo válvulas de entrada y salida herméticamente sellables 24.
El calentador 3 puede integrarse con el aislamiento térmico 18 mencionado anteriormente. Por ejemplo, haciendo referencia a la figura 2, el aislamiento térmico 18 puede comprender un cuerpo sustancialmente alargado y hueco, como un tubo sustancialmente cilíndrico de aislamiento 18, que se encuentra ubicado de manera coaxial alrededor de la cámara de calentamiento 4 y en el cual se encuentran ubicadas de forma integral las regiones de calentamiento 10. El aislamiento térmico 18 puede comprender una capa en la que se proporcionan rebajes en el perfil de la superficie orientada hacia el interior 21. Las regiones de calentamiento 10 se encuentran en estas cavidades de manera que las regiones de calentamiento 10 se enfrenten al material fumable 5 en la cámara de calentamiento 4. Las superficies de las regiones de calentamiento \10 que se enfrentan a la cámara de calentamiento 4 pueden estar al ras con la superficie interna 21 del aislamiento térmico 18 en las regiones del aislamiento 18 que no están empotradas.
La integración del calentador 3 con el aislamiento térmico 18 significa que las regiones de calentamiento 10 están sustancialmente rodeadas por el aislamiento 18 en todos los lados de las regiones de calentamiento 10, excepto aquellas que se enfrentan hacia adentro hacia la cámara de calentamiento de material fumable 4. Como tal, el calor emitido por el calentador 3 se concentra en el material fumable 5 y no se disipa en otras partes del aparato 1 ni en la atmósfera fuera de la carcasa 7.
La integración del calentador 3 con el aislamiento térmico 18 también puede reducir el grosor de la combinación de calentador 3 y aislamiento térmico 18. Esto puede permitir reducir aún más el diámetro del aparato 1, en particular el diámetro externo de la carcasa 7. Alternativamente, la reducción en el grosor proporcionada por la integración del calentador 3 con el aislamiento térmico 18 puede permitir que se acomode una cámara de calentamiento de material fumable 4 más amplia en el aparato 1, o la introducción de componentes adicionales, sin ningún aumento en el ancho total de la carcasa 7.
Alternativamente, el calentador 3 puede estar ubicado junto al aislamiento 18 en lugar de estar integrado en él. Por ejemplo, si el calentador 3 se encuentra externamente a la cámara de calentamiento 4 como se muestra en la figura 2, el aislamiento 18 puede ubicarse alrededor del exterior del calentador 3 de manera que la superficie orientada hacia adentro 21 del aislamiento esté frente al calentador 3. Si el calentador 3 se encuentra internamente en la cámara de calentamiento 4, el calentador 3 puede estar ubicado alrededor de la superficie orientada hacia fuera 22 del aislamiento 18.
Opcionalmente, puede haber una barrera entre el calentador 3 y el aislamiento 18. Por ejemplo, puede haber una capa de acero inoxidable entre el calentador 3 y el aislamiento 18. La barrera puede comprender un tubo de acero inoxidable que se ajusta entre el calentador 3 y el aislamiento 18. El grosor de la barrera puede ser pequeño para no aumentar sustancialmente las dimensiones del aparato. Un ejemplo de grosor está entre aproximadamente 0,1 mm y 1,0 mm.
Además, puede estar presente una capa reflectante de calor entre las superficies transversales de las regiones de calentamiento 10. La disposición de las regiones de calentamiento 10 entre sí puede ser tal que la energía térmica emitida por cada una de las regiones de calentamiento 10 no caliente sustancialmente las regiones de calentamiento vecinas 10 y en su lugar se desplace predominantemente hacia el interior desde la superficie circunferencial de la región de calentamiento 10 hacia la cámara de calentamiento 4 y el material fumable 5. Cada región de calentamiento 10 puede tener dimensiones sustancialmente iguales a las otras regiones 10.
El calentador 3 puede ser adherido o asegurado de otra manera en el aparato 1 utilizando adhesivo sensible a la presión. Por ejemplo, el calentador 3 puede adherirse al aislamiento 18 o barrera mencionada anteriormente utilizando adhesivo sensible a la presión. El calentador 3 puede adherirse alternativamente al cartucho 11 o a una superficie exterior de la cámara de calentamiento de material fumable 4.
Como alternativa al uso de adhesivo sensible a la presión, el calentador 3 puede ser asegurado en posición en el aparato 1 utilizando cinta autoadherente o mediante abrazaderas que sujeten el calentador 3 en su lugar. Todos estos métodos proporcionan una fijación segura para el calentador 3 y permiten una transferencia de calor efectiva desde el calentador 3 al material fumable 5. Otros tipos de fijación también son posibles.
El aislamiento térmico 18, que se proporciona entre el material fumable 5 y una superficie externa 19 de la carcasa 7, como se describe anteriormente, reduce la pérdida de calor del aparato 1 y, por lo tanto, mejora la eficiencia con la que se calienta el material fumable 5. Por ejemplo, haciendo referencia a la figura 2, una pared de la carcasa 7 puede comprender una capa de aislamiento 18 que se extiende alrededor del exterior de la cámara de calentamiento 4. La capa de aislamiento 18 puede comprender una longitud sustancialmente tubular de aislamiento 18 ubicada de manera coaxial alrededor de la cámara de calentamiento 4 y el material fumable 5. Esto se muestra en la figura 2. Se apreciará que el aislamiento 18 también podría estar comprendido como parte de la cápsula de material fumable 11, en la cual estaría ubicado de manera coaxial alrededor del exterior del material fumable 5.
Haciendo referencia a la figura 12, el aislamiento 18 puede comprender aislamiento al vacío 18. Por ejemplo, el aislamiento 18 puede comprender una capa que está delimitada por un material de pared 19, como un material metálico. Una región interna o núcleo 20 del aislamiento 18 puede comprender un material poroso de células abiertas, por ejemplo, que comprende polímeros, aerogeles u otro material adecuado, que se evacua a baja presión. La presión en la región interna 20 puede estar en el rango de 0,1 a 0,001 mbar. La pared 19 del aislamiento 18 es lo suficientemente resistente como para soportar la fuerza ejercida contra ella debido a la diferencia de presión entre el núcleo 20 y las superficies externas de la pared 19, evitando así que el aislamiento 18 se colapse. La pared 19 puede, por ejemplo, comprender una pared de acero inoxidable 19 con un espesor de aproximadamente 100 pm. La conductividad térmica del aislamiento 18 puede estar en el rango de 0,004 a 0,005 W/mK. El coeficiente de transferencia de calor del aislamiento 18 puede estar entre aproximadamente 1,10 W/(m2K) y aproximadamente 1,40 W/(m2K) dentro de un rango de temperatura entre aproximadamente 150 grados Celsius y aproximadamente 250 grados Celsius. La conductividad gaseosa del aislamiento 18 es despreciable. Se puede aplicar un recubrimiento reflectante a las superficies internas del material de la pared 19 para minimizar las pérdidas de calor debido a la radiación que se propaga a través del aislamiento 18. El recubrimiento puede, por ejemplo, comprender un recubrimiento reflectante de infrarrojos de aluminio con un espesor de entre aproximadamente 0,3 pm y 1,0 pm. El estado evacuado de la región interna del núcleo 20 significa que el aislamiento 18 funciona incluso cuando el grosor de la región del núcleo 20 es muy pequeño. Las propiedades aislantes no se ven sustancialmente afectadas por su grosor. Esto ayuda a reducir el tamaño total del aparato 1.
Como se muestra en la figura 12, la pared 19 puede comprender una sección orientada hacia adentro 21 y una sección orientada hacia fuera 22. La sección orientada hacia el interior 21 se enfrenta sustancialmente al material fumable 5 y a la cámara de calentamiento 4. La sección orientada hacia el exterior 22 se enfrenta sustancialmente al exterior de la carcasa 7. Durante la operación del aparato 1, la sección orientada hacia adentro 21 puede estar más caliente debido a la energía térmica que proviene del calentador 3, mientras que la sección orientada hacia fuera 22 está más fría debido al efecto del aislamiento 18. La sección orientada hacia el interior 21 y la sección orientada hacia el exterior 22 pueden, por ejemplo, comprender paredes longitudinales sustancialmente paralelas 19 que se extienden longitudinalmente y que son al menos tan largas como el calentador 3. La superficie interna de la sección de pared orientada hacia el exterior 22, es decir, la superficie que enfrenta a la región central evacuada 20, puede incluir un revestimiento para absorber gas en el núcleo 20. Un recubrimiento adecuado es una película de óxido de titanio.
El aislamiento térmico 18 puede comprender un aislamiento de vacío hiperprofundo, como una Barrera Térmica formada al Vacío Insulon® descrita en el documento US 7,374,063. El grosor total de dicho aislamiento 18 puede ser extremadamente pequeño. Un ejemplo de grosor está entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 1 pm, como aproximadamente 0,1 mm, aunque también son posibles otros grosores más grandes o más pequeños. Las propiedades de aislamiento térmico del aislamiento 18 no se ven afectadas de manera significativa por su grosor, por lo que se puede utilizar un aislamiento delgado 18 sin ninguna pérdida de calor adicional sustancial del aparato 1. El grosor muy pequeño del aislamiento térmico 18 puede permitir reducir el tamaño de la carcasa 7 y del aparato 1 en su conjunto más allá de los tamaños previamente discutidos y puede permitir que el grosor, por ejemplo, el diámetro, del aparato 1 sea aproximadamente igual a los artículos para fumar como cigarrillos, puros y cigarritos. El peso del aparato 1 también puede reducirse, proporcionando beneficios similares a las reducciones de tamaño discutidas anteriormente.
Aunque el aislamiento térmico 18 descrito anteriormente puede incluir un material absorbente de gas para mantener o ayudar a crear el vacío en la región central 20, no se utiliza un material absorbente de gas en el aislamiento de vacío profundo 18. La ausencia del material absorbente de gas ayuda a mantener el grosor del aislamiento 18 muy bajo y, por lo tanto, ayuda a reducir el tamaño general del aparato 1.
La geometría del aislamiento hiperprofundo 18 permite que el vacío en el aislamiento sea más profundo que el vacío utilizado para extraer moléculas de la región central 20 del aislamiento 18 durante la fabricación. Por ejemplo, el vacío profundo dentro del aislamiento 18 puede ser más profundo que el de la cámara del horno de vacío en el que se crea. El vacío dentro del aislamiento 18 puede ser, por ejemplo, del orden de 10-7 Torr. Haciendo referencia a la figura 17, un extremo de la región central 20 del aislamiento de vacío profundo 18 puede estrecharse a medida que la sección orientada hacia fuera 22 y la sección orientada hacia adentro 21 convergen hacia una salida 25 a través de la cual el gas en la región central 20 puede ser evacuado para crear un vacío profundo durante la fabricación del aislamiento 18. La Figura 17 ilustra la sección 22 orientada hacia fuera convergiendo hacia la sección 21 orientada hacia adentro, pero también se podría utilizar una disposición inversa, en la cual la sección 21 orientada hacia adentro converge hacia la sección 22 orientada hacia fuera. El extremo convergente de la pared aislante 19 está configurado para guiar las moléculas de gas en la región central 20 hacia la salida 25 y así crear un vacío profundo en el núcleo 20. La salida 25 es sellable para mantener un vacío profundo en la región central 20 después de que la región 20 ha sido evacuada. La salida 25 puede ser sellada, por ejemplo, creando un sellado por soldadura en la salida 25 mediante el calentamiento de material de soldadura en la salida 25 después de que el gas haya sido evacuado del núcleo 20. Se podrían utilizar técnicas de sellado alternativas.
Para evacuar la región del núcleo 20, el aislamiento 18 puede ser colocado en un entorno de baja presión, sustancialmente evacuado, como una cámara de horno al vacío, de manera que las moléculas de gas en la región del núcleo 20 fluyan hacia el entorno de baja presión fuera del aislamiento 18. Cuando la presión dentro de la región central 20 se vuelve baja, la geometría cónica de la región central 20, y en particular las secciones convergentes 21, 22 mencionadas anteriormente, se vuelven influyentes para guiar las moléculas de gas restantes fuera del núcleo 20 a través de la salida 25. Específicamente, cuando la presión del gas en la región central 20 es baja, el efecto guía de las secciones convergentes hacia adentro y hacia fuera 21, 22 es efectivo para dirigir las moléculas de gas restantes dentro del núcleo 20 hacia la salida 25 y aumentar la probabilidad de que el gas salga del núcleo 20 en comparación con la probabilidad de que el gas entre al núcleo 20 desde el entorno externo de baja presión. De esta manera, la geometría del núcleo 20 permite reducir la presión dentro del núcleo 20 por debajo de la presión del entorno fuera del aislamiento 18.
Opcionalmente, como se describió anteriormente, puede haber una o más capas de baja emisividad presentes en las superficies internas de las secciones 21 y 22 de la pared 19, tanto en la cara interna como en la externa, con el fin de prevenir sustancialmente las pérdidas de calor por radiación.
Aunque la forma del aislamiento 18 se describe generalmente aquí como sustancialmente cilíndrica o similar, el aislamiento térmico 18 podría tener otra forma, por ejemplo, para adaptarse e aislar una configuración diferente del aparato 1, como diferentes formas y tamaños de la cámara de calentamiento 4, el calentador 3, la carcasa 7 o la fuente de energía 2. Por ejemplo, el tamaño y la forma del aislamiento de vacío profundo 18, como una barrera térmica de vacío en forma de Insulon® mencionada anteriormente, está sustancialmente ilimitado por su proceso de fabricación. Materiales adecuados para formar la estructura convergente descrita anteriormente incluyen cerámicas, metales, metaloides y combinaciones de estos.
Haciendo referencia a la ilustración esquemática en la figura 13, un puente térmico 23 puede conectar la sección de pared hacia el interior 21 con la sección de pared hacia el exterior 22 en uno o más bordes del aislamiento 18 con el fin de abarcar y contener completamente el núcleo de baja presión 20. El puente térmico 23 puede comprender una pared 19 formada del mismo material que las secciones orientadas hacia adentro y hacia fuera 21, 22. Un material adecuado es acero inoxidable, como se discutió anteriormente. El puente térmico 23 tiene una conductividad térmica mayor que el núcleo aislante 20 y, por lo tanto, puede conducir calor indeseablemente fuera del aparato 1 y, al hacerlo, reducir la eficiencia con la que se calienta el material fumable 5.
Para reducir las pérdidas de calor debido al puente térmico 23, el puente térmico 23 puede ser extendido para aumentar su resistencia al flujo de calor desde la sección orientada hacia adentro 21 hasta la sección orientada hacia fuera 22. Esto se ilustra esquemáticamente en la figura 14. Por ejemplo, el puente térmico 23 puede seguir una ruta indirecta entre la sección orientada hacia el interior 21 de la pared 19 y la sección orientada hacia el exterior 22 de la pared 19. Esto puede facilitarse proporcionando el aislamiento 18 sobre una distancia longitudinal que sea más larga que las longitudes del calentador 3, la cámara de calentamiento 4 y el material fumable 5, de modo que el puente térmico 23 pueda extenderse gradualmente desde la sección orientada hacia el interior 21 hasta la sección orientada hacia el exterior 22 a lo largo de la ruta indirecta, reduciendo así el grosor del núcleo 20 a cero, en una ubicación longitudinal en la carcasa 7 donde el calentador 3, la cámara de calentamiento 4 y el material fumable 5 no están presentes.
Haciendo referencia a la figura 16, como se discutió anteriormente, la cámara de calentamiento 4 aislada por el aislamiento 18 puede comprender válvulas de entrada y salida 24 que sellan herméticamente la cámara de calentamiento 4 cuando están cerradas. Las válvulas 24 pueden evitar de esta manera que el aire entre y salga indeseablemente de la cámara 4 y pueden evitar que los sabores del material fumable salgan de la cámara 4. Las válvulas de entrada y salida 24 pueden, por ejemplo, estar ubicadas en el aislamiento 18. Por ejemplo, entre inhalaciones, las válvulas 24 pueden ser cerradas por el controlador 12 para que todas las sustancias volatilizadas permanezcan contenidas dentro de la cámara 4 entre inhalaciones. La presión parcial de las sustancias volatilizadas entre las bocanadas alcanza la presión de vapor saturado y la cantidad de sustancias evaporadas depende únicamente de la temperatura en la cámara de calentamiento 4. Esto ayuda a asegurar que la entrega de nicotina volatilizada y compuestos aromáticos se mantenga constante de calada en calada. Durante el soplado, el controlador 12 está configurado para abrir las válvulas 24 para que el aire pueda fluir a través de la cámara 4 y llevar los componentes volatilizados del material fumable hasta la boquilla 6. Una membrana puede ubicarse en las válvulas 24 para asegurar que no entre oxígeno en la cámara 4. Las válvulas 24 pueden ser activadas por la respiración, de modo que las válvulas 24 se abren en respuesta a la detección de una bocanada en la boquilla 6. Las válvulas 24 pueden cerrarse en respuesta a una detección de que una bocanada ha terminado. Alternativamente, las válvulas 24 pueden cerrarse después de transcurrido un período predeterminado después de su apertura. El período predeterminado puede ser cronometrado por el controlador 12. Opcionalmente, puede estar presente un medio de apertura/cierre mecánico u otro adecuado para que las válvulas 24 se abran y cierren automáticamente. Por ejemplo, el movimiento gaseoso causado por el usuario al soplar en la boquilla 6 puede ser utilizado para abrir y cerrar las válvulas 24. Por lo tanto, no es necesariamente requerido el uso del controlador 12 para accionar las válvulas 24.
La masa del material fumable 5 que es calentado por el calentador 3, por ejemplo, por cada región de calentamiento 10, puede estar en el rango de 0,2 a 1,0 g. La temperatura a la que se calienta el material fumable 5 puede ser controlada por el usuario, por ejemplo, a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de 120 °C a 250 °C como se describió anteriormente. La masa del aparato 1 en su conjunto puede estar en el rango de 70 a 125 g, aunque la masa del aparato 1 puede ser menor al incorporar el tipo de calentador 3 descrito anteriormente y/o aislamiento de vacío profundo 18. Se puede utilizar una batería 2 con una capacidad de 1.000 a 3.000 mAh y un voltaje de 3,7 V. Las regiones de calentamiento 10 pueden configurarse para calentar individualmente y selectivamente entre aproximadamente 10 y 40 secciones de material fumable 5 para un solo cartucho 11.
Se apreciará que cualquiera de las alternativas descritas anteriormente puede ser utilizada individualmente o en combinación.
Con el fin de abordar diversas cuestiones y avanzar en el arte, la totalidad de esta descripción muestra a modo de ilustración diversas modalidades en las que la(s) invención(ones) reivindicada(s) pueden ser practicadas y proporcionar un aparato superior. Las ventajas y características de la descripción son solo una muestra representativa de las modalidades, y no son exhaustivas y/o exclusivas. Se presentan únicamente para ayudar a comprender y enseñar las características reivindicadas. Se entiende que las ventajas, modalidades, ejemplos, funciones, características, estructuras y/o otros aspectos de la descripción no deben considerarse limitaciones de la descripción tal como se define en las reivindicaciones.
La presente invención solo pretende estar limitada por las reivindicaciones.

Claims (21)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato de calentamiento de material fumable (1) que comprende:
una cámara de calentamiento de material fumable (4) configurada para contener un cuerpo de material fumable (5) durante el calentamiento; y
un calentador (3) configurado para calentar el material fumable para volatilizar al menos un componente del material fumable, el calentador que comprende un sustrato (3a) y al menos un elemento de calentamiento impreso (3b) en el sustrato;
en donde la cámara de calentamiento del material fumable (4) está ubicada alrededor del calentador (3) de manera que el calentador (3) emite calor en dirección radial hacia fuera en la cámara de calentamiento del material fumable (4);
en donde el calentador (3) tiene superficies periféricas, y en donde el calentador (3) está dispuesto de manera que las superficies periféricas del calentador (3) principalmente comprenden las del sustrato (3a) de manera que el material fumable (5) se calienta principalmente por el calor emitido desde el sustrato calentado (3a).
2. Un aparato según la reivindicación 1, en donde el elemento de calentamiento (3b) está dispuesto para calentar el sustrato (3a) a una temperatura suficiente para que el sustrato (3a) volatilice al menos un componente del material fumable (5).
3. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, en donde la velocidad a la que aumenta la temperatura del sustrato (3a) durante el calentamiento es sustancialmente la misma que la velocidad a la que aumenta la temperatura del al menos un elemento de calentamiento impreso (3b).
4. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, en donde el sustrato (3a) y el elemento de calentamiento (3b) tienen coeficientes de expansión térmica sustancialmente iguales.
5. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, en donde el elemento de calentamiento (3b) está químicamente unido al sustrato (3a).
6. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el elemento de calentamiento (3b) y el sustrato (3a) comprenden un único sustrato sinterizado.
7. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, en donde el calentador (3) comprende una pluralidad de regiones de calentamiento individuales (10).
8. Un aparato según la reivindicación 7, en donde las regiones de calentamiento (10) son operables independientemente entre sí.
9. Un aparato según la reivindicación 7 o 8, en donde las regiones de calentamiento (10) están dispuestas geométricamente en el calentador (3) de manera que diferentes regiones de calentamiento (10) están dispuestas para calentar predominante e independientemente diferentes regiones del material fumable (5).
10. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde las regiones de calentamiento (10) están alineadas en una disposición sustancialmente alargada, cada una que comprende una sección del calentador (3) controlable independientemente de la temperatura.
11. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el calentador (3) comprende una pluralidad de regiones de calentamiento (10) que se extienden longitudinalmente y están posicionadas en diferentes ubicaciones alrededor del eje longitudinal central del calentador (3).
12. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en donde el aparato además comprende un controlador (12), en donde el controlador (12) está configurado para activar las regiones de calentamiento (10) en un orden o patrón predeterminado.
13. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, en donde el material fumable está contenido en un cartucho (11) que puede insertarse en la cámara de calentamiento (4), opcionalmente en donde el cartucho (11) comprende un tubo de material fumable que puede insertarse alrededor del calentador (3).
14. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, en donde el sustrato (3a) comprende un material cerámico.
15. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, configurado para calentar el material fumable (5) a una temperatura de volatilización del material fumable de al menos 120 grados Celsius.
16. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, configurado para calentar el material fumable (5) a una temperatura de volatilización del material fumable entre 120 grados Celsius y 250 grados Celsius.
17. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el material fumable (5) comprende una mezcla de tabaco, en donde el calor proveniente del calentador calienta el material fumable (5) para volatilizar los compuestos aromáticos y la nicotina en el material fumable (5) sin quemar el material fumable (5).
18. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aparato además comprende un controlador (12), en donde el controlador (12) hace que el calentador (3), o regiones distintas (10) del calentador (3), funcionen en ciclos entre temperaturas establecidas predeterminadas durante períodos de tiempo predeterminados, o varía la temperatura del calentador (3) y/o regiones separadas (10) del calentador (3) de acuerdo con un régimen de calentamiento.
19. Un aparato según cualquier reivindicación anterior, en donde el aparato además comprende un controlador (12), y una pluralidad de circuitos eléctricos se imprimen en el sustrato para proporcionar señales de control o mediciones al o desde el controlador (12).
20. Un aparato según la reivindicación 19, en donde los circuitos eléctricos comprenden circuitos de medición de temperatura.
21. El uso de un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación anterior para calentar el material fumable (5) y volatilizar al menos un componente del material fumable (5).
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