JP6924156B2 - エアロゾル発生システムのためのカートリッジ - Google Patents

Description

本発明はエアロゾル発生システムのためのカートリッジに関する。カートリッジは、液体貯蔵部分および液体を気化する発熱体を持つ電子たばこ製品のために特に有用である。

エアロゾル発生システムの一実施例は、電気的に作動する喫煙システムである。１つのタイプの手持ち式の電気的に作動する喫煙システムは、電池および制御電子回路を備える第一の部分と、エアロゾル形成基体の供給を備えるカートリッジ部分と、電気的に動作する気化器と、から成る。カートリッジ部分は、一般にエアロゾル形成基体の供給および電気的に動作する気化器だけでなく、ユーザーが使用時にエアロゾルを自分の口の中へと引き出すために吸うマウスピースも含む。通常、液体溶液をエアロゾルミストへと気化または霧化するために熱、超音波エネルギー、または他の手段が使用される。

一部の実施形態では、気化は芯および発熱体を備える組立品に電流を適用することによって実現される。通常、芯は液体貯蔵部と連通する、すなわちその一方の端部が液体と接触するように液体貯蔵部分の中へと延びる。通常、発熱体が、芯のもう一方の端部を完全にまたは部分的に取り巻く。一般に、液体は毛細管力または毛細管作用を使用することによって発熱体へと搬送される。上述の通り、芯は多くの場合は円筒形状であり、すなわち、芯の全長にわたって程度の差はあるが一定の断面積を持つ。

発熱体は多くの場合、毛細管芯の一方の端部を囲む電線のコイルを備える。この場合には、電線は主に金属電線または金属合金電線である。発熱体は通常、毛細管芯のこの端部において伝導によって液体を加熱する。発熱体は、芯のこの端部と少なくとも部分的に接触してもよい。

こうした事例では、コイルと直接接触する芯の外側部分の温度は、芯の内側部分の温度より高い場合がある。これは結果として芯の断面にわたり不均一な熱分布をもたらす場合があり、これが発熱体に対する最適な温度の制御を困難にする可能性がある。これは毛細管繊維に伝達される熱に関連する、芯の毛細管作用にも影響を与える場合がある。不均一な熱分布は、結果として不均一に分布している毛細管作用をもたらす可能性があり、芯の内部の毛細管効率をより低くする。

毛細管本体（例えば、芯）を均一に加熱することができ、発熱体に送られる電流を通した芯の毛細管作用だけでなく、使用される電力に対する液体気化の効率にもはるかにより良好な制御を与えるカートリッジを持つことが望ましいことになる。

電気的に動作する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は、液体を貯蔵するための液体貯蔵部分と、流体透過性発熱体と、毛細管本体と、を備える。流体透過性発熱体は、第一の表面および第二の表面を備え、第一の表面は液体貯蔵部分から液体を受け取るように上流位置に配置され、また第二の表面は液体を気化された形態で放出するように下流位置に配置される。毛細管本体は第一の細長い端部と第二の端部とを持ち、第一の細長い端部は液体と接触するように液体貯蔵部分の中へと延び、また第二の端部は発熱体の第一の表面と接触する。毛細管本体は、第二の端部における断面積が細長い第一の端部における断面積より大きいことによって特徴付けられる。

カートリッジは、液体貯蔵部分および発熱体を収容するハウジングを備えてもよい。発熱体は液体貯蔵部分のハウジングに固定されていてもよい。ハウジングは剛直なハウジングであり、かつ流体に対して不透過性であってもよい。本明細書で使用される場合、「剛直なハウジング」とは、自立型のハウジングを意味する。液体貯蔵部分の剛直なハウジングは、カートリッジに対する機械的な支持を提供することが好ましい。

液体貯蔵部分は、長さおよび幅寸法を持ち、また長軸方向の一方の端部に開口部を持つ。液体貯蔵部分は、エアロゾル形成基体として使用される液体を備える貯蔵部を形成する。開口部は、液体貯蔵部分の幅の少なくとも一部を横切って延びる。好ましい一実施形態では、発熱体は液体貯蔵部分の開口部を横切って延びる。これは、液体貯蔵部分からの液体の環境への漏れを避けるために、液体貯蔵部分の漏れ防止用の密封を可能にし、かつ製造が比較的単純で堅牢な構造を提供する。液体貯蔵部分は膜によって密封されてもよく、この膜は、毛細管本体と液体との間に液体接触を提供するために組立の間に破壊されてもよい。

液体貯蔵部分は、液体エアロゾル形成基体をヒーター要素に運ぶように構成された毛細管本体を備える。毛細管本体は、液体と接触するために液体貯蔵部分の中へと延びる、第一の細長い端部を持つ。毛細管本体の第二の端部は、発熱体の第一の表面と接触する。

毛細管本体の細長い第一の端部は、液体貯蔵部分の長さ方向と平行な方向となるように配置されることが好ましい。発熱体の平面は、毛細管本体の細長い第一の端部と直角をなす方向であってもよい。代替的な実施形態では、発熱体の平面は、毛細管本体の細長い第一の端部と平行な方向であってもよい。

発熱体は任意の適切な形状を持つことができる。例えば、発熱体は平面型であってもよい。「平面型」という用語は、実質的に単一平面内で延びる形状を指すために使用される。平面型の発熱体は、製造中の取り扱いが簡単であり、かつ堅牢な構造が提供されるため、好ましい。発熱体は、円形、楕円形、正方形、三角形、長方形、または多角形の形状を持ってもよく、正方形または長方形の形状であることが好ましい。その他の実施形態では、発熱体は１つ以上の寸法に沿って湾曲していてもよく、例えばドーム型またはブリッジ型を形成してもよい。

発熱体は、複数の導電性フィラメントから形成されてもよく、これはフィラメントのメッシュもしくはアレイを形成してもよく、または織布もしくは不織布を含んでもよい。ヒーター要素は、流体透過性である。本明細書で使用される場合、「流体透過性」とは、ヒーター組立品と関連して、液体またはエアロゾル形成基体（気相であるが、液相である可能性もある）が、容易にヒーター組立品またはヒーター要素を通過できることを意味する。

「フィラメント」という用語は、２つの電気接点の間に配置された電気的な経路を指すために使用されることが好ましい。フィラメントは、任意にいくつかの経路またはフィラメントにそれぞれ枝分かれ・分岐させてもよく、またはいくつかの電気的な経路から１つの経路に合流させてもよい。フィラメントは、丸型、正方形、平型、またはその他の任意の断面形態を有してもよい。フィラメントは、真っ直ぐな様式または曲がった様式で配置されてもよい。

「フィラメント配置」という用語は、１つの、または好ましくは複数のフィラメントの配置を指すために使用されることが好ましい。フィラメント配置は、例えば相互に並列に配列された、フィラメントのアレイであってもよい。フィラメントは、メッシュまたは織布もしくは不織布を形成しうることが好ましい。

ヒーター要素は、ヒーター要素の第一の面とは反対側の第二の面上の外部電源と接触できるように構成された、導電性接点部分を持ってもよい。

導電性フィラメントは、適切な任意の導電性材料を含んでもよい。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んでもよい。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、１つ以上の絶縁体で被覆されていてもよい。導電性フィラメント用の好ましい材料は、３０４、３１６、３０４Ｌ、および３１６Ｌステンレス鋼、ならびに黒鉛である。

毛細管本体は、発熱体の導電性フィラメントと接触していてもよい。毛細管本体の材料は、フィラメント間の隙間の中へと延びてもよい。発熱体は、毛細管作用によって液体エアロゾル形成基体を隙間の中へと引き込んでもよい。毛細管材料は、発熱体の第一の表面の少なくとも５０％を覆ってもよく、少なくとも７０％を覆うことが好ましく、少なくとも９０％を覆うことがより好ましく、実質的に１００％を覆うことが最も好ましい。

毛細管本体の第一の端部における断面積は、毛細管本体の第二の端部における断面積より大きい。それゆえ、毛細管本体の断面積は、液体との接触のために液体貯蔵部分の中へと延びる端部から、発熱体に接触する毛細管本体の第二の端部に向かって増える。好ましい一実施形態では、毛細管本体の第二の端部における断面積は、毛細管本体の第一の細長い端部における断面積より、１．１〜２０の係数大きく、２〜１５の係数大きいことが好ましく、３〜１０の係数大きいことがより好ましい。

毛細管本体の第一の端部および第二の端部は円形、楕円形、正方形、三角形、長方形、または多角形の形状を持つことが好ましく、円形または楕円形の形状を持つことが好ましい。例えば、毛細管本体は、先細り状の円筒もしくはロッドの形状、または漏斗の形状を持ってもよい。毛細管本体の第一の細長い端部が円形形状を持ち、かつ毛細管本体の第二の端部を発熱体の形状に適合するよう適応させることも可能である。

毛細管本体は、毛細管繊維の大半を備えてもよい。毛細管繊維は、毛細管本体の第一の端部においては発熱体の平面に直角をなす方向であり、また毛細管本体の第二の端部においては、発熱体の平面に平行な方向であることが好ましい。発熱体は複数の導電性フィラメントを備え、かつ毛細管本体の第二の端部における毛細管繊維の一部は、実質的に発熱体の導電性フィラメントと整列することが好ましい。

毛細管本体は繊維質または海綿状の構造を持っていてもよい。例えば、毛細管本体は、概して長軸方向に整列した複数の繊維または撚糸を備える毛細管芯であってもよい。あるいは、毛細管本体は海綿体様材料であってもよい。毛細管本体の構造は複数の小さな穴またはチューブを形成し、それを通して液体を毛細管作用によって液体貯蔵部分から発熱体へと搬送することができる。毛細管本体は、適切な任意の材料または材料の組み合わせを含んでもよい。適切な材料の例には、繊維または焼結粉末の形態のセラミックまたはグラファイトをベースにした材料がある。毛細管本体は、異なる液体物理特性（密度、粘性、表面張力、および蒸気圧など）で使用されるように、適切な任意の毛細管現象および多孔性を持っていてもよい。適切な材料の例としては、海綿体または発泡体材料、繊維または焼結粉末の形態のセラミック系またはグラファイト系の材料、発泡性の金属またはプラスチックの材料、例えば紡がれたかまたは押し出された繊維（酢酸セルロース、ポリエステル、または結合されたポリオレフィン、ポリエチレン、テリレンまたはポリプロピレン繊維、ナイロン繊維またはセラミックなど）でできた繊維性材料がある。毛細管材料は、異なる液体物理特性で使用されるように、適切な任意の毛細管現象および空隙率を持っていてもよい。液体は、毛細管作用により毛細管装置を通過して搬送できるようにする粘性、表面張力、密度、熱伝導率、沸点および蒸気圧を含むがこれに限定されない物理的特性を持つ。

毛細管本体は、毛細管作用によって液体を液体貯蔵部分から発熱体へと搬送することができる、単一の穴を持つ剛直な管状本体であってもよい。剛直な管状本体は漏斗型であってもよく、またはラッパ様の形状にされていてもよい。

毛細管本体は、毛細管繊維または海綿体様の毛細管材料の大半を受け取るように構成された穴を持つ、剛直な管状本体の構造を持っていてもよい。剛直な管状本体は、毛細管繊維または海綿体様の毛細管材料のための外筒または殻を形成する。

エアロゾル発生システムにこのタイプのカートリッジを提供することは、従来の芯およびコイルの配置に優るいくつかの利点を持つ。上述の通り、発熱体および毛細管本体を備えるカートリッジは、発熱体と接触する毛細管本体のより大きい面積を可能にし、それによって液体が気化する接触面積が増える。カートリッジは、容易に入手可能な材料を使用し、かつ大量生産技法を使用して安価に製造することができる。カートリッジは堅牢で、製造中に取り扱うことおよびエアロゾル発生システムの他の部品へ固定することができ、特に取り外し可能なカートリッジを形成することができる。ヒーター要素の一部を形成する導電性接点部分の提供により、信頼性がありかつ単純なヒーター組立品の電源への接続が可能になる。

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の製造方法も提供され、この方法は
開口部を持つハウジングを備える液体貯蔵部分を提供することと、
液体貯蔵部分を液体エアロゾル形成基体で充填することと、
ハウジングの開口部を横切って延びる、少なくとも１つの流体透過性の発熱体を備えるヒーター組立品を提供することと、
毛細管本体の第二の端部における断面積が毛細管本体の第一の細長い端部における断面積より大きい毛細管本体を提供することと、毛細管本体の第二の端部を発熱体の少なくとも１つの表面と接触することと、を含む。

液体貯蔵部分を充填する工程は、ヒーター組立品を液体貯蔵部分に固定する工程の前に実施されてもよく、または後に実施されてもよい。

接触の工程は、例えば、発熱体を液体貯蔵部分にヒートシールすること、接着すること、または溶接することを含んでもよい。液体貯蔵部分は毛細管繊維の大半を収容してもよい。好ましい一実施形態では、毛細管本体は毛細管繊維の大半を備える芯であり、これは第二の端部において扇形に広がり、それによって毛細管本体の第二の端部における断面積が毛細管本体の第一の細長い端部における断面積より大きい毛細管本体を実現する。

本発明の主要ユニットおよびカートリッジを備えるエアロゾル発生システムも提供され、液体貯蔵部分およびヒーター組立品はカートリッジ内に提供され、また主要ユニットは電源を備える。カートリッジが主要ユニットに取り外し可能に取り付けられることが好ましい。好ましい一実施形態では、エアロゾル発生システムは細長い本体を備え、流体透過性発熱体は細長い本体に対して横断方向に配置される。エアロゾル発生システムは、ヒーター組立品および電源に接続された電気回路をさらに含み、電気回路が、ヒーター組立品またはヒーター組立品の１つ以上のフィラメントの電気抵抗をモニタリングするように、およびヒーター組立品または１つ以上のフィラメントの電気抵抗に応じて電源からヒーター組立品への電力供給を制御するように構成されていることがより好ましい。好ましい一実施形態では、本発明によるカートリッジを備えるエアロゾル発生システムは、電気的に作動する喫煙システムである。

本発明は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さらに説明する。

図１は、エアロゾル発生システムの一部としての本発明のカートリッジの断面図を示す。 図２は、長方形の平坦なメッシュの形態の発熱体の平面図を示す。 図３は、本発明の実施形態による毛細管本体および発熱体の近接断面図を示す。 図４は、本発明のさらなる実施形態による発熱体と毛細管本体との間の連鎖の拡大断面図である。 図５は、本発明のさらなる実施形態によるカートリッジの分解組立図を示す。

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を側面図で示す。エアロゾル発生システムは、液体（７）を収容する液体貯蔵部分（８）と、平面型発熱体（１）と、毛細管本体（５）と、を備える。発熱体（１）は、第一の表面（１ａ）および第二の（１ｂ）表面を備え、第一の表面（１ａ）は液体（７）を受け取るように上流位置に配置され、第二の表面（１ｂ）は液体（７）を気化された形態で放出するように下流位置に配置される。図１では、毛細管本体（５）は、底部において第一の細長い端部（６）を持ち、これは液体（７）の中へと浸漬される。毛細管本体（５）の第二の端部（９）は、発熱体（１）の第一の表面（１ａ）において接触して広がる。ユーザーがマウスピース（図示せず）を介して空気を吸い込む時、外側の空気（１０）は電子たばこの発熱体の近くに提供された空気吸込み口（１１）を介して電子たばこの中へと吸い込まれる。空気は、発熱体の近くの部品（１２）に到着し、ここで空気は気化されたｅリキッド（１３）と組み合わせられ、この空気は続いてマウスピースへと案内される。

図２は、発熱体（１）の実施形態を示し、これは複数の導電性フィラメント備える平坦な長方形メッシュの形態にある。発熱体は相反する端部における電線（３）および（４）を介して電池（２）に電気的に接続される。

図３は、本発明の一実施形態によるヒーター要素（１）および漏斗型の毛細管本体の配置の近接図を示す。この図は、発熱体（１）および複数の毛細管繊維（１４）を備える毛細管本体の頂部（９）を示す。この実施形態では、毛細管本体（５）の第二の端部（９）において、毛細管繊維（１４）は平坦な発熱体（１）の平面と平行な方向に曲げられるか湾曲され、それによって発熱体（１）と直接接触する毛細管繊維の表面を最大化する。

図４は、本発明の一実施形態による毛細管本体（５）と実質的に平面型の発熱体（１）との間の接続の拡大断面図である。この実施形態では毛細管本体（５）は漏斗型であり、毛細管本体（５）の第二の端部（９）は、平坦な発熱体（１）の平面に対して平行な方向に外向きに曲げられる。毛細管本体（５）は穴を持ち、かつその第一の細長い端部（６）は斜角がつけられている。発熱体（１）と毛細管本体（５）の第二の端部（９）は、環状の密封部材（１５）によって一緒に保持される。

図５は、本発明の一実施形態によるカートリッジの分解組立図である。液体（図示せず）を貯蔵するための液体貯蔵部分（８）は円筒形状である。液体貯蔵部分（８）内の液体は、組立以前に膜（１６）によって密封される。図５では、上部は、斜角がついている下端を有する図４の漏斗型の毛細管本体（５）を示す。毛細管本体（５）は、環状の密封部材（１５）によって平坦な発熱体（１）と連鎖している。カートリッジの組立中に、漏斗型の毛細管本体（５）の斜角のついた下端によって膜（１６）が貫通され、それによって孔（１７）が作り出される。使用時、毛細管本体（５）の斜角がついた下端は、孔（１７）を通って液体貯蔵部分（８）内の液体の中へと延び、そして毛細管力の使用によって液体を漏斗型の毛細管本体（５）の穴を通して発熱体（１）へと搬送できるようにする。環状の密封部材（１５）は、円筒形状の液体貯蔵部分（８）のリム（１８）内に適合するように構成され、かつ液体貯蔵部分（８）と、接続された毛細管本体（５）と、発熱体（１）との間に実質的に漏れのない接続を確立する。

Claims (15)

1. 電気的に動作する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、
   液体（７）を貯蔵するための液体貯蔵部分（８）と、
   第一の表面（１ａ）および第二の表面（１ｂ）を備える流体透過性発熱体（１）であって、前記第一の表面（１ａ）が液体（７）を受け取るように上流位置に配置され、前記第二の表面（１ｂ）が液体（７）を気化された形態で放出するように下流位置に配置される、流体透過性発熱体（１）と、
   第一の細長い端部（６）および第二の端部（９）を持つ毛細管本体（５）であって、前記第一の細長い端部（６）が前記液体（７）と接触するように前記液体貯蔵部分（８）の中へと延び、前記第二の端部（９）が前記発熱体（１）の前記第一の表面（１ａ）と接触する、毛細管本体（５）と、を備え、
   前記毛細管本体（５）の前記第二の端部（９）における断面積が前記毛細管本体（５）の前記第一の細長い端部（６）における断面積より大きいことによって特徴付けられる、カートリッジ。
2. 前記流体透過性発熱体（１）が平面型、ブリッジ型、またはドーム型である、請求項１に記載のカートリッジ。
3. 前記毛細管本体の前記第一の細長い端部および前記第二の端部がそれぞれ独立的に、円形、楕円形、正方形、三角形、長方形または多角形から選択される形状を持つ、請求項１または２に記載のカートリッジ。
4. 前記毛細管本体（５）の前記第二の端部（９）における前記断面積が、前記毛細管本体（５）の前記第一の細長い端部（６）における前記断面積より、１．１〜２０の係数大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載のカートリッジ。
5. 前記発熱体が円形、楕円形、正方形、三角形、長方形、または多角形の形状を持つ、請求項１〜４のいずれか１項に記載のカートリッジ。
6. 前記毛細管本体の前記第二の端部が、前記発熱体（１）の前記第一の表面（１ａ）の少なくとも５０％を覆う、請求項１〜５のいずれか１項に記載のカートリッジ。
7. 前記発熱体が、複数の導電性フィラメントを備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のカートリッジ。
8. 前記発熱体が導電性フィラメントのメッシュもしくはアレイを備える、または導電性フィラメントの織布または不織布を備える、請求項５に記載のカートリッジ。
9. 前記毛細管本体が毛細管繊維（１４）の大半を備え、前記毛細管繊維（１４）が、前記毛細管本体（５）の前記第一の端部（６）において、前記発熱体（１）の平面と直角をなす方向であり、また前記毛細管本体（５）の前記第二の端部（９）において、前記発熱体（１）の前記平面と平行な方向である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のカートリッジ。
10. 前記発熱体が複数の導電性フィラメントを備え、また前記毛細管繊維（１４）の一部が前記毛細管本体（５）の前記第二の端部（９）において前記発熱体（１）の前記導電性フィラメントと整列する、請求項９に記載のカートリッジ。
11. 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の製造方法であって、
    開口部を持つハウジングを備える液体貯蔵部分を提供することと、
    前記液体貯蔵部分を液体エアロゾル形成基体で充填することと、
    前記ハウジングの前記開口部を横切って延びる少なくとも１つの実質的に平面型の流体透過性発熱体を備えるヒーター組立品を提供することと、
    第二の端部における断面積が第一の細長い端部における断面積より大きい毛細管本体を提供することと、前記毛細管本体の前記第二の端部を前記発熱体の少なくとも１つの表面と接触させることと、を含む、方法。
12. エアロゾル発生システムであって、
    主要ユニットと、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載のカートリッジと、を備え、
    前記液体貯蔵部分およびヒーター組立品が前記カートリッジ内に提供され、前記主要ユニットが電源を備え、また前記カートリッジが前記主要ユニットに取り外し可能に取り付けられている、エアロゾル発生システム。
13. 細長い本体を備え、前記流体透過性発熱体（１）が前記細長い本体に対して横断方向に配置される、請求項１２に記載のエアロゾル発生システム。
14. 前記ヒーター組立品および電源に接続された電気回路をさらに備え、前記電気回路が、前記ヒーター組立品または前記ヒーター組立品の１つ以上のフィラメントの電気抵抗をモニタリングするように、および前記ヒーター組立品または前記１つ以上のフィラメントの前記電気抵抗に応じて、前記電源から前記ヒーター組立品への電力供給を制御するように構成される、請求項１２または１３のいずれか１項に記載のエアロゾル発生システム。
15. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のカートリッジを備えるエアロゾル発生システムであって、前記システムが電気的に作動する喫煙システムである、エアロゾル発生システム。

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