烟弹的双对流传导加热器

相关申请的交叉引用

本申请要求享有先前提交的美国申请63/059,894的优先权，该申请名称为"用于烟弹的双对流和传导加热器"，于2020年7月31日提交，其中的全部内容在此通过引用纳入。

背景技术

本发明涉及一种加热一次性烟弹或烟筒的加热装置，该加热装置有助于无烟输送从烟弹中预填充的一定量的天然消耗品中释放的活性成分和挥发性化合物，该加热装置通过空气的对流加热，以及通过表面积接触对烟弹的传导加热来蒸发烟弹中的天然消耗品，从而在指定的温度曲线上释放出挥发性化合物。

烟弹(也被称为烟筒)配置稳定数量的天然消耗品，这些消耗品包括研磨的花和植物物质。这种烟弹可以准确配置天然消耗品的剂量，以便用户可以预测和计量使用。含有碎花或植物物质形式的天然消耗品的烟弹可以提取和输送活性成分和挥发性化合物。

传统上，吸烟者依靠香烟或其他辅助装置形式的天然消耗品的燃烧来吸入活性成分。本发明依靠的是"加热不燃烧”技术，即不是燃烧，而仅仅是加热，从而使天然消耗品的温度提高到活性成分的汽化温度以上，但低于燃烧温度。预先装入天然消耗品的烟弹使用户不需要将天然消耗品单独装入加热或燃烧装置，也不需要依赖点火源。

在加热设备的正常操作范围内，或者在活性成分的汽化温度下，烟弹的制造材料是不可燃的，这样，烟弹和天然消耗品可以被加热到各种温度，通过加热空气的对流传递和与加热器壁的传导来提取所需的化学物质，而非通过燃烧。烟弹的"无烟"特性有助于减轻由吸烟造成的对健康的负面影响。

与烟弹的结构和填充有关的专利公开可以在2019年7月11日提交的名为"用于草药输送的弹盒压制及填充"的美国专利申请(申请号：16/509,469)，以及2019年7月11日提交的名为"用于草药输送的弹盒"的国际专利申请(申请号：PCT/US2019/41499)中找到，其中的全部内容在此通过引用纳入本专利说明。

因此，本领域需要一种改进的加热器，作为一种新型的便携式加热装置的组成部分，用于输送汽化的天然消耗品，它通过加热空气的对流和烟弹与加热器壁的接触传导两种方式运行。

发明内容

本发明利用了双对流传导加热器。举例来说，当用户吸烟时，纯对流式蒸发器将冷空气吸入加热器内，冷却内容物，在大量吸烟时，输出量减少，给用户带来令人失望的“冷”体验，另一方面，纯对流式蒸发器需要在每次吸烟时大幅提高温度，以至于在离热源最远的自然消耗品被激活之前，烟弹的某些部分可能达到或超过了焦化温度。而同时使用对流和传导，可以使蒸发器在用户吸烟时将内容物保持在最佳温度，并在空气主动循环时保持灵活性。

此外，诸如使用具有高表面积，高热质，高导热性等特性的编织丝过滤器，以及编织丝过滤器本身的特殊结构优势，可以实现对烟弹的控制性加热。

作为本发明的特色，加热器被置于便携式加热设备内，当与含有天然消耗品的烟弹结合时，便能够以预设的温度曲线按照所需剂量提供汽化物质。

加热器可通过电信号进行操作，当电流被施加到位于加热器底部附近的加热线圈时，加热器就会打开。电信号是通过触发位于加热器顶附近的一个或多个烟弹开关来实现的。当用户插入烟弹开始加热时，烟弹在插入加热器时通过烟弹导轨被机械性传导，嵌入各开关座中的两个烟弹开关，反过来又嵌入导向器中，当烟弹推到它们时被触发，从而启动了加热循环并打开了加热器线圈。

烟弹作为一个口器，用户从其中吸入汽化的消耗品。当用户从烟弹上吸气时，产生了负压，空气从烟弹和烟弹导轨之间的空间进入加热器，并通过预制的通道流出导轨，这些通道通向一个或多个位于保温垫附近的纵向空气管。

空气沿着管道向下流向加热器底部，直到进入底座组件，然后进入加热器线圈正下方的空腔。负压将空气向上吸入盘管，在盘管中发生对流传热。当空气向上流入第一个编织线过滤器和第二个编织线过滤器时发生额外的热传递。这些过滤器由压缩成圆柱形的细线制成，当放置在空气路径中时，它们的高表面积适用于在空气进入第二个编织线过滤器正上方的烟弹时将空气调节到适当的温度。

在示例性实施例中，加热器被用于根据理想的温度曲线升高和降低烟弹和其中内容物的温度。这样的温度曲线需要加热器将烟弹的温度升高并保持在大约195℃，该温度高于大多数活性成分的蒸发温度，但低于会导致炭化或燃烧的温度。在该环节结束时，温度曲线会将棒温度升高到大约220℃，释放出第二组挥发性化合物。

基于环境和用户条件，很难始终保持理想的温度曲线。在另一个实施例中，所需的温度曲线要求加热元件将加热器温度升高到200-300℃之间，然后逐渐降低输入功率以解决自然消耗品随着使用环节进行而发生的变化。最后，温度曲线要求加热器将温度升高到200℃以上，以促进第二组挥发性化合物的释放。

在实际使用中，施加到加热器的功率仅大致对应于加热器温度曲线。许多因素会影响加热器的实际温度，从而影响烟弹的实际温度。例如，当用户从设备中抽出并在短时间内将大量环境空气循环到加热器中时，加热必须显著增加。加热器温度传感器检测到这些波动，能够根据条件改变设备的功率量。在又一个实施例中，加热器的温度升温至特定值并随着每次吸烟而增加，这使烟弹温度超过200℃的时间最小化。

附图说明

参照以下描述和附图，将更好地理解本专利的各种实施例，以及其他特征和优点，其中相同的数字始终指代相同的部件，并且：

图1A是便携式加热装置的透视图。

图1B是烟弹的透视图。

图1C是烟弹的剖视图。

图2A是加热器和烟弹的透视图。

图2B是加热器旋转90度的立体图。

图2C是加热器的剖视图。

图2D是插有烟弹的加热器的剖视图。

图2E是空气管可见的加热器的主视图。

图2F是加热器内的空气管的剖视图。

图2G是主要加热器部件的分解图。

图2H是第二个编织线过滤器的详细视图。

图2J是第一个编织线过滤器的详细视图。

图3A是显示烟弹的理想温度曲线的图表。

图3B是显示加热器和烟弹的温度曲线的图表。

图3C是显示温度曲线的附加实施例的图表。

具体实施方式

这里提到的附图是为了说明本发明的优选实施例，而不是为了限制这些方案。

图1A说明了适合与烟弹250一起使用的便携式加热装置的一个实施例，通过靠近装置顶部的孔插入，如图1B所示。图1C是烟弹的剖面图，插入端朝下。插入端装满了天然消耗品251，而口器端是空的。该烟弹在名为"用于草药输送的弹盒压制和填充”的美国申请(申请号16/509，469)中有详细说明。

图2A说明了带有烟弹250的加热器200的一个实施例。烟弹导轨203对烟弹进行物理定位，以便在加热器内正确定位，PCB条223需要正确的电气连接，有助于创造一个气密性密封环境。保温垫214形成一个外壳，以帮助保持热量，在该图中可以看到加热器的外壁。

图2B是加热器的旋转视图，显示了其他元件，其中有加热器顶垫圏217，空气管218和底座组件219。

图2C是没有烟弹的加热器的剖面图，显示了烟弹导轨203的定位和位于导轨内腔部分的脊柱221。在有烟弹的情况下，脊柱在烟弹和烟弹导向器之间形成间隔，使空气得以循环。图中还有加热器顶部的垫圈217和底座组件219。此外，一个或多个烟弹开关202被嵌入其各自的开关座204中。图中的开关处于"关闭"状态，在没有烟弹的情况下，机械开关会突出在空腔中。

图2D是插入了烟弹250的加热器的剖面图。天然消耗品251安放在烟弹中，其填充水平线大约与加热器顶部的垫圏平齐。当烟弹靠在第二个编织线过滤器213上时，即达到合适位置。填充水平线的配置，使烟弹部分，及填充天然消耗品的部分与主加热管210形成紧密搭配，实现了通过传导的消耗品的加热最优方式。加热器顶垫圏217可由硅胶制成，并在主加热管上方与烟弹形成过盈配合，防止烟弹插入时空气从垫圈上流过。

加热器可通过电信号进行操作，当电流施加到加热线圏201上时，开始加热。电信号通过烟弹开关202的触发发生。当用户插入烟弹开始加热时，如图2D所示，当烟弹被插入加热器时，通过烟弹导轨203进行机械引导。嵌入各自开关座204中的烟弹开关在烟弹推到它们时被触发，并发出信号让加热器线圈通电。图中显示的是开关处于缩回或"开"的状态。信号通过PCB条传输到控制电路，PCB条缠绕在烟弹导板上并焊接在烟弹开关上。PCB条的作用还包括减少烟弹导轨周围的空气泄漏。

加热器线圏的作用是通过对流将热量传递给经过它的气流，同时也通过传导对主加热管210，第二加热管211，第一个编织线过滤器212和第二个编织线过滤器213进行加热。主加热管包括两段，一段直径较大，适合装入烟弹，另一段直径较小，略大于加热器线圏，集中放置在靠近线圏的地方。因此主加热管适于吸收来自线圏的大量热能，并将其传导至加热管的其余部分和编织线过滤器，这反过来又加热了烟弹和天然消耗品。

热量也可以通过这些部件中的任何一个之间的热空气对流来传递，以帮助分配热能。保温垫214被同心放置在加热管外，以帮助保持热量。第一个温度传感器215被放置在第一个编织线过滤器的预制槽口中，检测靠近加热元件的温度。第二个温度传感器216连接到主加热管上，检测靠近烟弹的温度。温度传感器的额定温度应至少达到300℃。

在其他实施例中，加热器可以在没有第二个温度传感器的情况下运行，并且加热线圏可以用任何合适的加热元件代替。

图2E和2F显示了空气管面向观众的加热器，以及显示空气通过该设备时的路径的截面图。烟弹作为一个口器，用户从其中吸入汽化的消耗物。当用户从烟弹上吸气时，产生了负压，空气在烟弹和烟弹导轨203之间的空间进入加热器。空气从烟弹导轨向下流入加热器顶部垫圈217内的预制通道222，该通道通向空气管218，空气沿着管道向加热器底部流动，直到进入底座组件219内的空腔220，该空腔直接位于加热器线圏下方。

回到图2D，负压将积聚在空腔220中的空气向上引向线圏，在那里发生对流传热。在这个环节中编织线过滤器已经被传导性地预热，热量直接沿着粘合的部件传递。当热空气向上流入第一个编织线过滤器和第二个编织线过滤器并达到适当的温度时，会发生额外的热传递，因为其流入烟弹并加热了其中的天然消耗品。

图2G和2H中显示了编织线过滤器。它们是由金属线制成的，被压缩成圆柱形，用于加热管的内部。这些特性使过滤器具有较高的表面积，热质量和传导性。它们是极好的热导体，也可作为散热器/热缓冲器，帮助平衡由于用户从烟弹中吸烟形成的间歇性移动大量空气而引起的温度波动。在主要涉及对流加热的组件的构造中，材料的选择意味着它们的温度可以保持在比导电组件更高的温度。

在示例性的实施例中，第一个编织线过滤器212可包含一个合适的槽，压痕或凹口，以方便第一个温度传感器215的定位。这个过滤器的位置离加热器线圏最近，由铝制成，它的导热性能比钢高，热质量比钢低，这意味着它很容易向循环空气释放出热量，加热和冷却速度快，而且在热传递方面反应更快。

第二个编织线过滤器213位于离烟弹最近的地方，由不锈钢制成，它的导热性能比铝低，热质量比铝高，它的作用是保留热量并调节气流和上面的加热管的温度。

在另一示例性的实施例中，可使用任何其他具有合适的热性能，低毒性和非腐蚀性的金属，如黄铜或铜。第一个编织线过滤器的密度约为1.11克/立方厘米，第二个编织线过滤器的密度约为2.5克/立方厘米。示范性的金属丝厚度在0.05-0.1毫米之间，金属丝厚度将决定用于热交换的金属的有效表面积。

第一个编织线过滤器能够传递大量的热量，在空气通过时有效地提高大量空气的温度。相比之下，第二个编织丝过滤器需要更多的能量来改变其温度，帮助调节波动，还可作为包含烟弹的加热管的温度屏障。这些过滤器适用于在空气进入位于第二个编织线过滤器上方烟弹时，将空气调节到适当的温度。

图2J显示了加热器的主要部件的排列方式的剖视图。特别是，至少有两个不同直径的加热管210以及温度传感器215和216的位置被更好地显示出来。

图3A是一张显示烟弹理想温度曲线的图表。理想的烟弹温度曲线300根据使用环节时间的不同而变化。由于天然消耗品内的不同挥发性化合物会在不同的温度下蒸发，这种变化可以使不同类别的挥发性化合物在会话中得到最佳释放。

第一类化合物310，或“1区”，可包括以b-香叶烯，b-谷笛醇，a-藻烯，b-茉莉酮，柠檬碱，康乃馨或芳樟醇形式的萜，其蒸发温度范围为120-185℃。第二类化合物320，或“2区”，可包括以松饼醇-4-醇、-松饼醇或普勒酮形式存在的萜，其蒸发温度在200-220℃之间。

然而，众所周知，加热烟弹超过200℃会导致烟弹和内容物冒烟烧焦，将烟弹加热到300℃以上会引起燃烧。因此，加热器最好被配置成能够迅速将烟弹的温度从环境温度提高到185-200℃之间并保持不变，这可以通过将加热器从室温快速加热到200-300℃来实现。这种方式可使1区化合物快速释放，并使天然消耗品内的水分蒸发，而不会出现令人不快的吸烟效应。这种理想的加热曲线也避免了现有技术中加热不燃烧装置存在的问题，即加热器逐渐达到温度，导致升温缓慢，口感冰冷，用户体验感不佳。

在该环节接近尾声时，加热器迅速将烟杆的温度提高到220℃以上。这段较短的时间会释放出2区化合物，给人以"热完成"的体验，而相对较短的高热持续时间产生的焦化和冒烟有限。在这个过程结束时，关闭加热线圏的电源，加热器冷却到环境温度。

图3B显示了加热器温度曲线302，因为它与烟弹温度曲线301有关。最初，加热器迅速达到200-300℃之间的温度，使烟弹迅速升温。随着烟弹接近汽化1区化合物的目标温度，水分被蒸发，加热器温度被降低，以保持烟弹在目标温度。在试验结束时，再次提高加热器温度，以将烟弹提高到最终温度。

在加热过程中，传感器在任何时候测得的温度，由加热器温度曲线302表示，只与加热过程中任何给定时间的所需烟弹温度曲线301大致对应。在测试过程中测量了烟弹的温度，从中推导出了将加热器温度与烟弹温度联系起来的算法，但在实验室外的实际用户使用过程中，无法精确确定烟弹的实际温度。上述联系关系受许多因素影响，如水分含量，活性和挥发性成分含量，以及天然消耗品的包装密度。例如，在加热阶段开始时，当内容物更潮湿，大多数挥发性成分和活性成分仍然存在时，需要更多的能量来提高温度，而在加热阶段后期，当内容物更干燥，更多的活性成分和挥发性化合物已经沸腾掉。当用户从设备中吸烟并在短时间内使大量冷空气在加热器内循环时，加热必须显著增加。加热器温度传感器检测到这些波动后，能够根据情况改变进入设备的功率，进行突发性的加热。

图3C说明了两种独立的操作模式和所需方法，以实现烟弹和天然消耗品的额外温度变化。不同类型的天然消耗品可能需要更合适的温度曲线，以提供满意的用户体验。该图显示了两种操作模式产生的烟弹温度，第一个模式303的操作温度低于第二个模式304。

在本实施例中，当通过汽化从植物物质中提取活性成分时，最好确保在使用者不在烟弹上吸气时，尽量减少活性和挥发性成分的蒸发，以便尽可能多的成分仅在使用者通过烟弹吸气的时刻被汽化。这就减少了活性成分的损失以及植物物质的过早干燥和潜在的焦化。因此，最好是将烟弹的内容物保持在低于所需活性成分汽化温度的设定温度，并在使用者在设备上吸气的期间迅速将温度提高到高于所需成分汽化温度的第二预定温度。

最初，两种模式都经历了一个预热期305，因为用户应该还没有吸气，烟弹温度只通过传导从环境温度迅速上升到最初的目标温度，当内容物达到100℃时，两种模式都会经历一个轻微的加热暂停，以考虑到水分蒸发的潜热。当第一种模式达到167℃的温度，第二种模式达到170-175℃的静止温度时，预热期就结束了，烟弹已经做好用户吸烟前的准备。

当用户吸烟时306，加热器必须迅速将第一种模式的温度提高到190℃左右，第二种模式的温度提高到220℃。以释放全部所需化合物。这是在吸烟过程中，通过对流和传导两种方式完成的。当用户吸完后，功率会降低，并使烟弹的温度回落到目标休眠温度。因为要进行多次吸烟动作，这种情况在整个过程中持续进行，如曲线所考量，每次吸烟的时间和烟速度都不同，加热器试图尽量减少用户在不吸烟时其处于"热"区的时间。

在这些短暂的回合里，烟弹的温度被迅速提高，然后降低，最大限度地减少了烟弹超过200℃的部分，导致产生以微粒排放形式燃烧和"吸烟"的不愉快体验。我们还考虑到，还考虑到，两种模式都可能逐渐提高目标温度，这取决于图3A和3B所示的“热加工”的所用时间。

在本发明中，双对流传导加热器的优势是显而易见的。当用户吸烟时，只利用传导的蒸发器将冷空气吸入加热器内，冷却内容物，使输出量减少，在大量吸烟时出现令人失望的"冷"体验。另一方面，只利用对流的蒸发器需要在每次吸烟时大幅提高温度，以至于在离热源最远的自然消耗品被激活之前，烟杆的某些部分可能达到或超过烧焦的温度。同时使用对流和传导，可以使蒸发器在用户吸烟时将内容物保持在最佳温度，并在空气主动循环时保持灵活性。

其他特性，特别是使用具有高表面积，高热质，高导热性等特性的编织线过滤器，以及编织线过滤器本身的特殊结构优势，可以实现对烟弹的控制性加热。

加热器的温度调节可通过温度传感器收集的信号来实现。加热器线圏的可变功率是通过频率调制信号施加的，范围在0至44瓦之间。脉宽调制(PWM)的应用频率不低于10,000赫兹，以避免因线圏的快速膨胀和收缩而产生嗡嗡声。根据控制电路的能力，预计在使用期间的任何时候，温度与理想温度曲线的变化都不超过20℃。

线圏的电阻约为0.4欧姆，电池提供的标称电压为3.7-4.2伏，给加热器带来的潜在电流为10.5安培，最大功率为约44瓦。在实际使用中，线圏的功率是脉宽调制(PWM)的，这样输送到线圏的功率与传感器测量的实际温度和加热时段内所需的最佳温度之间的差异成正比。

本规范中引用的所有出版物和专利申请在此都是通过引用纳入的，每一份单独的出版物或专利申请都是具体地、单独地明确通过引用纳入的。

虽然本发明已经参照示范性实施例进行了描述，但本领域的技术人员理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出各种改变，并且可以用等同物替代其元素。此外，在不偏离其基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适用本发明的教导。因此，本发明并不局限于所公开的作为使用本发明的最佳方式的特定实施例，本发明将包括属于所附权利要求范围的所有实施例。