JP2023134809A - ベンチュリ効果を用いて基体をヒーター要素に送達するエアロゾル発生システム - Google Patents

ベンチュリ効果を用いて基体をヒーター要素に送達するエアロゾル発生システム Download PDF

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Abstract

【課題】ヒーターを用いて液体基体を気化させることによってエアロゾルを発生させる、エアロゾル発生システムを提供する。【解決手段】空気入口と、空気出口24と、液体エアロゾル形成基体を保持する液体貯蔵部分であって、液体出口を有する液体貯蔵部分と、空気入口から空気出口24までの、液体出口を通る空気流通路22であって、空気が空気入口から空気出口24まで空気流通路22を通って流れる際に、液体出口で空気流通路22内に圧力降下が存するように成形された、空気流通路22と、液体出口と空気出口24との間に配置された、流通路内のヒーター要素26と、を含む、エアロゾル発生システム。空気が空気入口から空気出口24まで空気流通路を通って流れる際に、液体出口での圧力が、液体貯蔵部分内の圧力よりも低くなるように有利に構成される。液体が、液体貯蔵部分から空気流に引き出され、気化のためにヒーター要素26に送達される。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒーターを用いて液体基体を気化させることによってエアロゾルを発生させる、エアロゾル発生システムに関する。
一つのタイプのエアロゾル発生システムは、電子たばこである。電子たばこは、一般的に、液体エアロゾル形成基体を加熱して蒸気を生成することによって作動する。その後、蒸気は冷却されエアロゾルを形成する。電子たばこシステムの多くは、スポンジ材またはウィッキング材などの液体保持材の形態を用いて、液体エアロゾル形成基体を保持し、それをヒーターに送達する。このようなシステムでは、液体保持材に関連したいくつかの問題がある。液体保持材が乾燥するにつれて、ヒーターに送達される液体の量が減少し、その結果、送達されるエアロゾルの量が少なくなる。また、液体保持材が乾燥するにつれて、より炭化または燃焼しやすくなる。これは、発生したエアロゾル中に望ましくない化合物をもたらす可能性がある。さらに、液体保持材は、コストおよび製造プロセスの複雑性を増す。
提案されている、液体保持材を要することなく液体をヒーターに送達するための1つの解決策は、直接エアロゾルを形成するか、または液体をヒーターに送達するために、圧電バルブを使用して液体の液滴を送達することである。しかしながら、圧電バルブには、大きな欠点がある。圧電バルブは、液体保持材に比べて、コストおよびシステムの複雑性がより増大し、システムにさらに制御電子回路を追加することが必要になる。バルブはさらなる電力を消費するが、これは、電池で作動するシステムにとって重要な問題点である。バルブは、壊れやすく、また詰まりやすい。また、電子たばこシステムにとっておそらく最も重要なことには、バルブによって、エアロゾルを発生させるために送達される液体の量が予め定められる規制されたシステムとなり、ユーザーのフラストレーションをもたらすことである。より深く吸い込むユーザーは、より多い量のエアロゾルを望む可能性がある。理想的には、従来のたばこのように、ユーザーの吸い込みまたは吸煙様式によって、送達されるエアロゾルの量が決められるべきである。
液体保持材を使用することなく液体をヒーターに送達するが、圧電バルブに付随する上述の問題を有することのないエアロゾル発生システムを提供することが望ましいであろう。
第一の態様では、エアロゾル発生システムが提供されているが、これは、
空気入口と、空気出口と；
液体エアロゾル形成基体を保持する液体貯蔵部分であって、液体出口を有する該液体貯蔵部分と；
空気入口から空気出口までの、液体出口を通る空気流通路であって、空気が空気入口から空気出口まで該空気流通路を通って流れる際に、液体出口で該空気流通路内に圧力降下が存するように成形された、該空気流通路と；
液体出口と空気出口との間に配置された、流通路内のヒーター要素と、を含む。
システムは、空気が空気入口から空気出口まで空気流通路を通って流れる際に、液体出口での圧力が、液体貯蔵部分内の圧力よりも低くなるように有利に構成される。液体貯蔵部分内の圧力は、大気圧と等しくなってもよい。システムは、空気が空気入口から空気出口まで空気流通路を通って流れる際に、液体出口で、大気圧よりも低い圧力を提供するように構成されうる。圧力降下を液体出口でもたらすために、空気流通路は、空気入口と比較して液体出口で縮小された断面を有しうる。空気流通路を制限することで、空気の速度が増加し、空気圧が低下する。これをベンチュリ効果と呼ぶ。圧力の低下によって、液体出口で吸引力が生じ、液体が液体出口から空気流に引き出される。空気流に引き出された液体は、次いで、空気流でヒーター要素まで運ばれ、そこで気化される。また、液体出口での空気流通路の断面が、空気出口に比べて縮小されていてもよい。この配置により、空気出口での空気の圧力が、液体出口に比べて上昇する。
システムは、空気流通路において、ヒーター要素と空気出口との間にエアロゾル形成チャンバを含みうる。エアロゾル形成チャンバは、気化したエアロゾル形成基体を冷却および凝縮させてエアロゾルを形成し、続いて空気出口を介して該システムから流出させることを可能にする空間である。
液体貯蔵部分は、エアロゾル形成基体用の密閉容器を提供し、流体が液体出口を介する以外に、該容器に流入、または該容器から流出できないようにする。密閉容器によって、空気が空気流通路を通って流れる際に、液体エアロゾル形成基体が、液体出口で圧力減少によって引き出されない限り、液体貯蔵部分から漏出しないことが保証される。液体が液体出口から引き出される際に、液体貯蔵部分内に圧力低下が生じる。液体貯蔵部分の外側で空気の圧力がより高くなることによって、残りの液体が液体貯蔵部分に留まる。
空気流通路における圧力降下の大きさは、空気流通路の形状だけでなく、空気流通路を通る空気流の速度にも依存する。より速い空気流は、より大きい圧力降下をもたらす。より大きい圧力降下によって、より多い量の液体エアロゾル形成基体が空気流に引き出されることになる。したがって、システムを通過する空気流の速度が速いほど、発生するエアロゾルの総粒子質量（TPM）が高くなる。吸煙作動型システムでは、このことは、より深く吸煙するユーザーは、より浅く吸煙するユーザーよりも多い量のエアロゾルを得ることを意味する。
有利なことには、液体貯蔵部分は、大気圧よりも低い圧力の空気ポケットを含む。液体出口での圧力が液体貯蔵部分内の空気の圧力よりも低い場合にのみ、液体が空気流通路に引き出されるであろう。液体貯蔵部分は、空気が空気流通路を介して空気入口から空気出口まで流れていない時に、液体貯蔵部分の内側の空気圧と、液体貯蔵部分の外側の空気圧とを等しくするために、空気が液体出口を介して液体貯蔵部分に流入することができるように構成されうる。これにより、例えば、ユーザーの吸い込みの合間など、気流が生じる周期の間に中断がある場合、液体貯蔵部分における液体エアロゾル形成基体の量が減少するにつれて、液体を空気流に引き出すことが次第に困難になることはないことが保証される。
あるいは、または加えて、液体貯蔵部分は、低圧放出バルブを含んでもよく、該バルブが開位置の際には空気が液体貯蔵部分に流入できるようにし、閉位置の際には流入できないようにする。該バルブは、バルブ両側の圧力差が圧力しきい値を超えた場合に、開位置まで動くように構成されうる。システムは、例えばユーザーが空気出口から吸煙している時など、空気の所定の流量が空気流通路を介して流れる場合には、バルブが閉位置になるよう制御されるように構成されうる。システムは、ユーザーの吸煙と吸煙の合間に、液体貯蔵部分の内側の空気圧と、液体貯蔵部分の外側の空気圧とを等しくするために、バルブが開位置になるように構成されうる。
液体貯蔵部分は、環状ハウジングを含んでもよく、空気流通路は、該環状ハウジングを貫通して延在しうる。これにより、左右対称で、小型のシステムが提供できるようになる。
空気流通路の断面積と、液体出口でその面積が縮小される量は、システムの特定の要件に適合するように選択されうる。好ましい実施形態では、空気入口の断面積は、1 mm2～3.5 mm2であり、液体出口での空気流通路の断面積は0.1 mm2～0.9 mm2である。空気流通路は、円形または楕円形などの、任意の望ましい断面形状を有してもよい。空気流通路は、層流空気流を促進するように成形されうる。あるいは、または加えて、空気流通路は、液体またはエアロゾルの拡散を促す衝突面を含んでもよい。空気流通路は、典型的なユーザーの吸煙に対して、少なくとも250 Paの圧力降下を提供するように構成されうる。
液体出口は環状でもよく、空気流通路を囲ってもよい。あるいは、空気流通路は環状でもよく、液体出口を囲ってもよい。液体出口の大きさは、空気流通路内に送達される液体の量に直接的な影響を有する。
ヒーター要素が、空気流通路内に配置される。ヒーター要素は、空気流が必ずヒーター要素を通って空気出口まで達するように、空気流通路にまたがり、および流体透過性でありうる。ヒーター要素は、ヒーターフィラメントのメッシュ、アレイ、または繊維を含みうる。
代わりに、ヒーター要素または複数のヒーター要素は、空気流通路を囲うか、または空気流通路に部分的にまたがって延在してもよい。
ヒーター要素は、抵抗加熱によって作動してもよく、その場合、電流がヒーター要素を通過して熱を発生させる。あるいは、ヒーター要素は、誘導加熱されてもよい。代わりに、ヒーター要素は、化学熱源などの他の熱源からの熱伝導によって加熱されてもよい。ヒーター要素は、例えば、電気接点パッドと、電気的に絶縁された基体とを含むヒーター組立品の一部でありうる。
ヒーター要素として選択される材料（複数可）は、その作動モードに依存しうる。好ましい実施形態では、ヒーター要素は、抵抗加熱されるように構成され、導電性フィラメントのメッシュ、アレイ、または繊維を含む。導電性フィラメントはフィラメント間の隙間を画定でき、隙間の幅は10μm～100μmとしうる。
導電性フィラメントは160～600メッシュUS（±10%）（すなわち、1インチ当たりのフィラメント数が160～600個（±10%））のサイズのメッシュを形成しうる。隙間の幅は25μm～75μmが好ましい。メッシュの合計面積に対する間隙の面積の比であるメッシュの開口部分の面積率は25～56%が好ましい。メッシュは異なるタイプの織物または格子の構造を使用して形成してもよい。別の方法として、導電性フィラメントは互いに平行に並べられたフィラメントのアレイで構成される。
導電性フィラメントの直径は10μm～100μmとすることができ、8μm～50μmであることが好ましく、8μm～39μmであることがより好ましい。フィラメントは、丸い断面を有してもよく、または平坦な断面を有してもよい。
導電性フィラメントのメッシュ、アレイまたは繊維の面積は小さくすることができ、25 mm2未満であり、手持ち式システムへの組み込みが許容されることが好ましい。導電性フィラメントのメッシュ、アレイまたは繊維は、例えば長方形で5 mm×2 mmの寸法を持つものでもよい。導電性フィラメントのメッシュまたはアレイは、ヒーター組立品の面積の10%～50%の面積を覆うことが好ましい。導電性フィラメントのメッシュまたはアレイは、ヒーター組立品の面積の15～25%の面積を覆うことがより好ましい。
フィラメントは、シート材料（箔など）のエッチングによって形成されうる。これは、ヒーター組立品が平行のフィラメントのアレイを含む時、特に有利でありうる。ヒーター要素がフィラメントのメッシュまたは繊維を含む場合、フィラメントは個別に形成され、まとめて編まれうる。
ヒーター要素のフィラメントは、適切な電気的特性を有する任意の材料から形成されうる。適切な材料としては、ドープされたセラミックなどの半導体、「導電性」のセラミック（例えば、二ケイ化モリブデンなど）、炭素、黒鉛、金属、合金およびセラミック材料および金属材料でできた複合材料が挙げられるが、これに限定されない。こうした複合材料は、ドープされたセラミックまたはドープされていないセラミックを含む場合がある。適切なドープされたセラミックの例としては、ドープシリコン炭化物が挙げられる。適切な金属の例としては、チタン、ジルコニウム、タンタル、および白金族の金属が挙げられる。適切な合金の例としては、ステンレス鋼、コンスタンタン、ニッケル-、コバルト-、クロミウム-、アルミニウム-チタン-ジルコニウム-、ハフニウム-、ニオビウム-、モリブデン-、タンタル-、タングステン-、スズ-、ガリウム-、マンガン-および鉄を含有する合金、およびニッケル、鉄、コバルト、ステンレス鋼系の超合金、Timetal（登録商標）、鉄-アルミニウム系合金および鉄-マンガン-アルミニウム系合金が挙げられる。Timetal（登録商標）は、Titanium Metals Corporationの登録商標である。フィラメントは、一つ以上の絶縁体で被覆されうる。導電性フィラメント用の好ましい材料は、304、316、304L、316Lステンレス鋼、および黒鉛である。
ヒーター組立品は、フィラメントがその上に支持される電気的に絶縁された基体を備えうる。電気的に絶縁された基体は、適切な任意の材料を備えうるが、高温（300℃を超える）および急激な温度変化に耐えることができる材料であることが好ましい。適切な材料の一例は、Kapton（登録商標）などのポリイミド膜である。電気的に絶縁された基体は、その中に形成された開口部を持つことができ、導電性フィラメントは開口部を横切って延びる。ヒーター組立品は、導電性フィラメントに接続された電気接点を備えうる。
ヒーター要素の導電性フィラメントのメッシュ、アレイまたは繊維の電気抵抗は、0.3～4オームであることが好ましい。導電性フィラメントのメッシュ、アレイまたは繊維の電気抵抗は、0.5～3オームであることがより好ましく、約1オームであることがより好ましい。導電性フィラメントのメッシュ、アレイまたは繊維の電気抵抗は、接点部分の電気抵抗よりも少なくとも1桁大きいことが好ましく、また少なくとも2桁大きいことがより好ましい。これにより、ヒーター要素に電流を通過させることにより発生した熱が、確実に導電性フィラメントのメッシュまたはアレイに局在化される。システムの電源が電池である場合、ヒーター要素は全体的に低い抵抗を持つことが有利である。低抵抗で大電流のシステムにより、ヒーター要素に高電力を供給できる。これにより、ヒーター要素が導電性フィラメントを素早く望ましい温度に加熱できる。
第一および第二の導電性接点部分は、導電性フィラメントに直接固定されうる。接点部分は導電性フィラメントと電気的に絶縁された基体の間に配置されうる。例えば、接点部分は、絶縁基体上にメッキされた銅箔から形成されうる。接点部分はまた、絶縁基体よりもフィラメントと簡単に結合しうる。
別の方法として、第一および第二の導電性接点部分は、導電性フィラメントと一体型としうる。例えば、ヒーター要素は、導電性シートにエッチングを施して、二つの接点部分間に複数のフィラメントを提供することにより形成されうる。
システムは、ヒーター要素の下流にケンブリッジフィルタパッドなどのフィルタパッドを含みうる。フィルタパッドは、ヒーター要素と接触しうる。これは、液体が空気出口を通過して漏出するのを防ぐのに役立ち、またエアロゾルから任意の望ましくない粒子状物質を除去するのに役立つ。
ヒーター要素は、第一の材料から作製された少なくとも1つのフィラメントと、第一の材料とは異なる第二の材料から作製された少なくとも1つのフィラメントとを備えうる。これは、電気的なまたは機械的な理由から有益でありうる。例えば、一つ以上のフィラメントは、鉄アルミニウム合金など、温度に伴い著しく変動する抵抗を持つ材料から形成されうる。これにより、温度または温度変化を決定するために使用されるフィラメントの抵抗の測定ができる。これは、吸煙検出システム内で使用され、またヒーター要素を望ましい温度範囲内に保つための、ヒーター要素の温度制御用に使用することができる。急激な温度の変化も、システムのユーザーの吸煙に起因するヒーター要素を通過する空気流の変化を検出する手段として使用されうる。
システムは、使い捨てのカートリッジ部分と、装置部分とを含むことができ、該カートリッジは、液体貯蔵部分を含む。液体貯蔵部分において液体エアロゾル形成基体が涸渇すると、カートリッジは廃棄され、新しいカートリッジに交換される。
カートリッジは、ヒーター要素を含みうる。あるいは、ヒーター要素は、装置の一部として提供されてもよい。
システムは、ユーザーの口で受けられるように構成されたマウスピース部分を含みうる。空気出口は、マウスピース部分にあってもよい。マウスピース部分は、カートリッジ部分の一部であるか、もしくは装置部分の一部であってもよく、または独立した部分を含んでもよい。使い捨てのマウスピースが、マウスピース部分の一部として設けられてもよい。使い捨てのマウスピースは、柔軟性があってもよく、また従来のたばこフィルタの感触を模倣してもよい。
システムは、ヒーター要素組立品と、電力電源とに接続された電気回路をさらに備えうるが、電気回路は、ヒーター要素の、またはヒーター要素の一つ以上のフィラメントの電気抵抗をモニターし、ヒーター要素の電気抵抗または一つ以上のフィラメントの電気抵抗に依存して、ヒーター要素への電力供給を制御するよう構成される。
電気回路はマイクロプロセッサを備えうるが、これはプログラム可能マイクロプロセッサでもよい。電気回路はさらなる電子構成要素を備えうる。電気回路はヒーター要素への電力供給を調節するよう構成しうる。電力はシステムの起動後にヒーター要素に連続的に供給することも、毎回の吸煙ごとなど断続的に供給することもできる。電力は、電流パルスの形態でヒーター要素に供給されうる。
システムはハウジングの本体内に、典型的には電池の電源を有利にも備える。別の方法として、電源はコンデンサーなど別の形態の電荷蓄積装置としうる。電源は、再充電を必要とすることがあり、また1回以上の喫煙の体験のための十分なエネルギーの貯蔵が許容される容量を持ちうる。例えば、電源は従来型の紙巻たばこ1本を喫煙するのにかかる一般的な時間に対応する約6分間、または6分の倍数の時間にわたるエアロゾルの連続的な生成を許容するのに十分な容量を持ちうる。別の例では、電源は所定の回数の吸煙、またはヒーター要素の不連続的な起動を許容する十分な容量を持ちうる。
エアロゾル発生システムはハウジングを含むことが好ましい。ハウジングは細長いことが好ましい。ハウジングは適切な任意の材料または材料の組み合わせを含む場合がある。適切な材料の例としては、金属、合金、プラスチックもしくはそれらの1つ以上の材料を含有する複合材料、または、例えば、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）およびポリエチレンなど、食品または医薬品の用途に適した熱可塑性物質が挙げられる。材料は軽量であり、脆くないことが好ましい。
エアロゾル発生システムは携帯型であることが好ましい。エアロゾル発生システムは従来型の葉巻たばこや紙巻たばこと匹敵するサイズを持ちうる。喫煙システムの全長は、およそ30 mm～およそ150 mmとしうる。喫煙システムの外径は、およそ5 mm～およそ30 mmとしうる。
エアロゾル形成基体はエアロゾルを形成できる揮発性化合物を放出する能力を持つ基体である。揮発性化合物はエアロゾル形成基体の加熱により放出されうる。エアロゾル形成基体は植物由来材料を含んでもよい。エアロゾル形成基体はたばこを含みうる。エアロゾル形成基体は加熱に伴いエアロゾル形成基体から放出される揮発性のたばこ風味化合物を含む、たばこ含有材料を含みうる。別の方法として、エアロゾル形成基体は非たばこ含有材料を含んでもよい。エアロゾル形成基体は均質化した植物由来材料を含んでもよい。エアロゾル形成基体は均質化したたばこ材料を含んでもよい。エアロゾル形成基体は少なくとも一つのエアロゾル形成体を含んでもよい。エアロゾル形成体は、使用において、密度の高い安定したエアロゾルの形成を容易にする、およびシステムの操作温度で熱分解に対して実質的に抵抗性のある任意の適切な公知の化合物または化合物の混合物である。好適なエアロゾル形成体は当業界で周知であり、多価アルコール（トリエチレングリコール、１，３－ブタンジオール、およびグリセリンなど）、多価アルコールのエステル（グリセロールモノアセテート、ジアセテート、またはトリアセテートなど）、およびモノカルボン酸、ジカルボン酸、またはポリカルボン酸の脂肪族エステル（ドデカン二酸ジメチルおよびテトラデカン二酸ジメチルなど）を含むが、これに限定されない。好ましいエアロゾル形成体は、多価アルコールまたはその混合物（例えば、トリエチレングリコール、１，３－ブタンジオールおよび最も好ましくはグリセリンなどのグリセリンまたはプロピレングリコール）である。エアロゾル形成基体は、その他の添加物および成分（風味剤など）を含みうる。一例として、エアロゾル形成基体は、グリセリン、プロピレングリコール（PG）、水、および風味剤、ならびにニコチンの混合物を含む。好ましい実施形態では、エアロゾル形成基体は、約40体積%のPG、約40体積%のグリセリン、約18体積%の水、および約2体積%のニコチンを含む。この基体の粘度は、20 Pa・sである。
第二の態様において、エアロゾル発生システムで使用するためのカートリッジが提供されており、該カードリッジが、
空気入口と、空気出口と；
液体エアロゾル形成基体を保持する液体貯蔵部分であって、液体出口を有する該液体貯蔵部分と；
空気入口から空気出口までの、液体出口を通る空気流通路であって、空気が空気入口から空気出口まで該空気流通路を通って流れる際に、液体出口で該空気流通路内に圧力降下が存するように成形された、該空気流通路と、を含む。
カートリッジは、空気流通路において、液体出口と空気出口との間にヒーター要素を含みうる。ヒーター要素は、本発明の第一の態様を参照して説明したヒーター要素でありうる。
カートリッジは、装置の電源からヒーター要素に電流を供給できるように係合する、装置の対応するフィーチャに接触するように構成された電気接点を含みうる。
本発明の第三の態様では、液体エアロゾル形成基体からエアロゾルを発生させる方法が提供されており、該方法が、
液体出口を有する液体貯蔵部分を提供することと；
液体出口を通る空気流通路を提供することと；
液体出口で空気流に圧力降下をもたらすことによって、液体エアロゾル形成基体を液体出口から空気流通路の空気流に引き出すことと、空気流中の液体を空気流通路内のヒーター要素に運ぶことであって、該ヒーター要素が液体を気化させて蒸気を供給する該運ぶことと；
蒸気を冷却してエアロゾルを供給することと、を含む。
一つの態様に関連して説明した特徴は、本発明の他の態様に同様に適用されうる。特に、第一の態様に関連して説明した液体貯蔵部分、空気流通路、ヒーター要素、およびエアロゾル形成基体の特徴は、第二の態様および第三の態様に同様に適用されうる。
ここで本発明の好ましい実施形態を、以下の添付図面を参照しながら、例証としてのみであるが説明する。
図1は、第一の実施形態によるシステムの概略的な断面図である。 図2は、図1のカートリッジの断面図である。 図3は、図2のカートリッジの分解図である。 図4は、図2のカートリッジの横断面図である。
図1は、本発明の一実施形態によるエアロゾル発生システムの概略的な断面図である。図1に示すシステムは、電気作動型の手持ち式喫煙システムであり、電子たばこと称されることが多い。システムは、装置10およびカートリッジ20を含むが、これらは使い捨てのマウスピース50と合わせて喫煙システムを形成する。
装置は、リン酸鉄リチウム電池などの電池14を備えたハウジング12と、制御電子回路16と、カートリッジ20の一部を収容するキャビティ15と、空気入口18とを含む。装置は、円形断面を有し、装置ハウジング12の外周回りに配置された複数の空気入口18を含む。キャビティ15は、ねじ山（図示せず）を有し、これがカートリッジ20の対応するねじ山と係合する。しかしながら、カートリッジと装置との間の接続に、多くの他の様式が用いられうることは明らかであろう。電池14および制御電子回路16は、以下に説明するように、電気的接続（図示せず）を介してカートリッジに電力を供給する。また、スナップフィット接続、締まり嵌め式接続、または差し込み式接続などの任意の様式の接続が、カートリッジと装置との間の電気接点を提供するために使用されうる。
カートリッジ20は、図1では装置10と係合して示されるが、図2、図3、および図4では別々に、ならびにより詳細に示される。
カートリッジ20は、外側カートリッジハウジング21を有する。液体貯蔵ハウジング34を備えた液体貯蔵部分30が、外側カートリッジハウジング21の内側に設けられる。液体貯蔵部分のハウジングは環状であり、空気流通路22がその中心を貫通して形成される。空気流通路は、狭幅部分40を備えた入口端を有し、液体貯蔵ハウジング内の空気流通路が、入口端を通る空気流に対して窄められている。入口プレート41のオリフィスの半径は1 mmであり、液体貯蔵ハウジング内の空気流通路の半径は0.375 mmである。
液体エアロゾル形成基体の貯槽が、液体貯蔵ハウジング34の内壁と外壁との間に収容される。栓32が貯槽内に延在して、空気流通路における貯槽から液体出口38までの液体用の窄められた液体流路36を画定する。液体出口38は、図4に極めて明確に示されるように、実質的に環状である。液体貯蔵部分の基部における液体出口の内側直径は約1.5 mmであり、液体出口の外側直径は約1.75 mmである。小スロットまたは開口部（図示せず）が貯槽の基部に設けられ、栓を適切に配置し、栓が貯槽に対して確実に中心に置かれるようにする。
液体出口の直下流の空気流通路は、栓によって画定され、放散部42で幅広になる。
ヒーター要素26は、液体出口の下流で栓32上に支持される。ヒーター要素は、304Lステンレス鋼から形成されたメッシュで、メッシュサイズが約400メッシュUS（1インチ当たり約400フィラメント）を持つものを備える。メッシュのフィラメントは、約16μmの直径を持つ。メッシュは、銅で形成された電気接点46に接続している。電気接点32は、ポリイミド基体44上に提供される。メッシュを形成するフィラメントは、フィラメント間の隙間を画定する。この例において、隙間は約37μmの幅を持つが、より大きいまたはより小さい隙間が使用されてもよい。メッシュの開いた部分の面積、すなわち、隙間の面積のメッシュの総面積に対する比は、25～56%が有利である。ヒーター組立品の全抵抗は約1オームである。大半の熱がメッシュによって生成されるように、メッシュがこの抵抗の大部分を提供する。この例において、メッシュは、電気接点46の100倍を超える高い電気抵抗を持つ。
エアロゾル形成チャンバ28が、ヒーターの下流に設けられる。エアロゾル形成チャンバ28は、ヒーターからの蒸気を冷却および凝縮させてエアロゾルを形成し、続いて空気出口24からユーザーの口に流出させることができる領域である。
図3に極めて明確に示すように、外側カートリッジハウジングは組み立て可能な2つの部分から形成される。下側カートリッジハウジング21aは、液体貯蔵部分と、栓と、ヒーター組立品とを支持する。上側カートリッジハウジング21bは、カートリッジのマウスピース部分を画定し、およびエアロゾル形成チャンバと、空気出口24とを保持する。使い捨てのマウスピース50は、図1に示すように、上側カートリッジハウジングの周囲に配置される。上側および下側カートリッジハウジングは、一対のねじ付きボルト23および対応するナット（図示せず）によって互いに固定される。
カートリッジハウジングおよび装置ハウジングは、適切な任意の材料または材料の組み合わせを含みうる。この例においては、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）が使用される。
取り外し可能なマウスピース50は、従来型の紙巻たばこのフィルタの見た目や感触を模倣しうる。例えば、取り外し可能なマウスピース50を、酢酸セルロース、ゴム、またはプラスチック（ポリエチレンもしくはポリプロピレン、または両方の混合物など）で形成してもよく、紙の層で覆ってもよい。
作動中に、ユーザーがマウスピース部分から吸煙する際に、空気が空気流通路を通って空気入口18から空気出口24まで引き出される。空気は、液体出口を通る空気流通路を介して、ヒーターを通過してエアロゾル形成チャンバまで引き出される。液体出口での空気流の圧力は、大気圧よりも低く、また、重要なことに、液体貯蔵部分内の空気35の圧力よりも低い。圧力差によって、液体エアロゾル形成基体が液体出口から空気流通路内に引き出されるようになる。
液体出口から空気流に引き出される液体のおおよその体積は、ポアズイユの式を用いて計算することができる。計算のために、1秒40 mlの吸煙について検討する。
空気流通路の窄められていないセクションおよび窄められたセクションを介して流れる空気の速度は、以下のように計算される。
速度(2)：(40 mm3 * 103) / [3.14 * (1 mm)2] = 12.7 * 103 mm/s
速度(1)：(40 mm3 * 103) / [3.14 * (0.375 mm)2] = 90 * 103 mm/s
これらの速度から圧力差を計算することができる。
P2-P1 = ρ/2 (ν2 2 - ν1 2) = 1/2 (902 - 12.72) = 約4000 kg mm-1 s-2
この例では、液体の液滴が、幅0.25mmを有する環状管から生じ、カートリッジに対するその「面積相当量」を、管の外周(2*π*r = 2 * π * 1mm)に幅0.25mmを掛け合わせることによって、概算することができる。
概算面積（液体吐出量） = 2πr * 幅 = 2 * 3.14 * 1 * 0.25mm = 1.57 mm2
したがって、液体吐出量を概算するためのおおよその「半径相当量」は以下のようになる。
(1.57/π)0.5 = 0.75 mm
液体エアロゾル形成基体の液体粘度は、液体の組成から概算することができ、この例では、
PG（52%）、グリセリン（20%）、水（15%）、およびニコチン（5%）である。
概算すると下記のようになる。0.6 * 52 + 0.2 * 1.4 + 0.15*1.0022 + 0.05 * 1.004 = 32 Pa s
最終的に、液体吐出量を、圧力差（ΔP）、半径相当量（r）、液体粘度（μ） 、および液体流路長（L）を用いて計算することができる。
Q = (ΔP* πr4) / (8μ L) = [4000* π*(0.75 * 10-3)4] / (8 * 32 * 14) = 0.8 mm3 s-1～1 mm3 s-1
液滴吐出量の体積を算出するための主要なパラメータは、カートリッジの液体出口の表面積、液体出口での圧力降下量、および液体流路長であることが示唆されうる。液体流路は、カートリッジの全長によってある程度制限されるが、手持ち式システムとして望ましいのは10 mm～30 mmであるだろう。また、この式から、液体エアロゾル形成基体の粘度も重要な因子であり、液体粘度を増加させて同じ液体吐出量を得る場合には、液体出口の寸法および／または液体流路の寸法を変更することが必要になる。
空気流内の液体エアロゾル形成基体は、メッシュのヒーター要素まで運ばれる。ユーザーの吸煙を感知して作動しうるメッシュのヒーター要素によって、液体エアロゾル形成基体は、ヒーター要素に接触するか、またはヒーター要素を通過する際に気化する。次いで、気化した基体および加熱された空気は、エアロゾル形成チャンバ内を通り、そこで冷却されてエアロゾルを形成する。続いて、エアロゾルは空気出口24から引き出され、ユーザーの口に入る。
ユーザーがシステムを吸煙し、液体が液体貯蔵部分から引き出される際に、液体貯蔵部分内の圧力が低下する。吸煙ごとに一定の液体吐出量を供給するために、液体貯蔵部分内の圧力を、吸煙と吸煙の合間に、その初期の圧力、典型的には大気圧に戻すようにすることが有利である。液体出口は、吸煙と吸煙の合間に、気泡が液体出口を通って液体貯蔵部分に流入できるように十分大きくてもよい。あるいは、圧力安全弁48が、液体貯蔵部分に含まれてもよく、液体貯蔵部分の内側と液体貯蔵部分の外側との間の圧力差がしきい値圧力差を超えた場合に開放される。圧力安全弁48を図2および図3に図示する。圧力安全弁48は、ユーザーが毎回吸煙する間には閉じたままになるように制御されうる。
説明したシステムは、従来のシステムに優るいくつかの利点を有する。本システムは、フレキシブルなウィッキング材の周囲にヒーターを巻きつけることを必要としない機械的にロバストなシステムである。本システムは、ヒーター要素と接触した毛管材が炭化または燃焼する可能性を排除する。本システムは、液体保持材の必要性を排除することで、製造コストおよび製造ステップを減じる。また、液体が涸渇すると、ヒーター要素に送達される液体の量が減少するという、フェルトペンの漸減と同様な、毛管式システムで見出されるエアロゾルの漸減可能性という問題を排除する。
圧電式送達システムと比較すると、本システムはエネルギー効率が高いが、これは吸煙中に生じる圧抜きを用いて、液体の液滴をヒーターに送達するからである。また、送達される液体の量が圧電バルブによって調整される代わりに、液体の量がユーザーの吸煙動作によって制御できるようになる。
上述の例示的な実施形態は例証するが限定はしない。上記で考察した例示的な実施形態に照らすことにより、上記の例示的な実施形態と一貫したその他の実施形態は今や当業者には明らかとなろう。例えば、説明した実施形態は、電気作動型の喫煙システムであるが、本発明は、いかなるタイプのエアロゾル発生システムにも適用することができ、異なる液体および気流の配置が用いられうる。

Claims (15)

  1. エアロゾル発生システムであって、
    空気入口及び空気出口と；
    液体エアロゾル形成基体を保持する液体貯蔵部分であって、液体出口を有する前記液体貯蔵部分と；
    前記空気入口から前記空気出口までの、前記液体出口を通る空気流通路であって、空気が前記空気入口から前記空気出口まで前記空気流通路を通って流れる際に、前記液体出口で前記空気流通路内に圧力降下が存するように成形された、前記空気流通路と；
    前記液体出口と前記空気出口との間に配置された、前記流通路内のヒーター要素と、を含む、前記エアロゾル発生システム。
  2. 前記空気流通路が、前記空気入口と比較して前記液体出口で縮小された断面を有する、請求項1に記載のエアロゾル発生システム。
  3. 前記液体貯蔵部分が、前記エアロゾル形成基体用の密閉容器を提供し、流体が、前記液体出口を介する以外に、前記容器に流入または前記容器から流出できないようにする、請求項1または請求項2に記載のエアロゾル発生システム。
  4. 前記液体貯蔵部分が、空気入口バルブを含み、前記バルブが開位置の際には空気が前記液体貯蔵部分に流入できるようにし、閉位置の際には流入できないようにする、請求項1ないし３のいずれか1項に記載のエアロゾル発生システム。
  5. 前記システムが、空気の所定の流量が前記空気流通路を介して流れる際に、前記バルブが閉位置になるよう制御されるように構成される、請求項4に記載のエアロゾル発生システム。
  6. 前記液体貯蔵部分が環状ハウジングを含み、および前記空気流通路が前記環状ハウジングを貫通して延在する、請求項1ないし5のいずれか1項に記載のエアロゾル発生システム。
  7. 前記液体出口が環状である、請求項1ないし6のいずれか1項に記載のエアロゾル発生システム。
  8. 前記ヒーター要素が前記空気流通路にまたがり、および流体透過性である、請求項1ないし7のいずれか1項に記載のエアロゾル発生システム。
  9. 前記ヒーター要素が、ヒーターフィラメントのメッシュ、アレイ、または繊維を含む、請求項8に記載のエアロゾル発生システム。
  10. 前記ヒーター要素に接続した電力電源を含み、作動中に前記ヒーター要素が抵抗加熱される、請求項1ないし9のいずれか1項に記載のエアロゾル発生システム。
  11. 使い捨てのカートリッジと、装置とを含み、前記カートリッジが前記液体貯蔵部分を含む、請求項1ないし10のいずれか1項に記載のエアロゾル発生システム。
  12. 前記カートリッジが前記ヒーター要素を含む、請求項11に記載のエアロゾル発生システム。
  13. エアロゾル発生システムで使用するためのカートリッジであって、
    空気入口及び空気出口と；
    液体エアロゾル形成基体を保持する液体貯蔵部分であって、液体出口を有する前記液体貯蔵部分と；
    前記空気入口から前記空気出口までの、前記液体出口を通る空気流通路であって、空気が前記空気入口から前記空気出口まで前記空気流通路を通って流れる際に、前記液体出口で前記空気流通路内に圧力降下が存するように成形された、前記空気流通路と、を含む、前記カートリッジ。
  14. 前記空気流通路において、前記液体出口と前記空気出口との間にヒーター要素をさらに含む、請求項13に記載のカートリッジ。
  15. 液体エアロゾル形成基体からエアロゾルを発生させる方法であって、
    液体出口を有する液体貯蔵部分を提供することと；
    前記液体出口を通る空気流通路を提供することと；
    前記液体出口で空気流に圧力降下をもたらすことによって、液体エアロゾル形成基体を前記液体出口から前記空気流通路の前記空気流に引き出すことと、前記空気流中の液体を前記空気流通路内のヒーター要素に運ぶことであって、前記ヒーター要素が前記液体を気化させて蒸気を供給する、前記運ぶことと；
    前記蒸気を冷却してエアロゾルを供給することと、を含む、前記方法。
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