Отслеживание неисправности переключателя в электрически нагреваемой курительной системе
Изобретение относится к способу и системе для отслеживания работы переключателя в электрической нагревательной системе. Способ управления электрическим нагревателем в электрически нагреваемой курительной системе включает этапы предоставления электропитания на нагреватель импульсами, так что во время активных периодов питание подают на нагреватель, а во время неактивных периодов питание не подают на нагреватель; зарядки конденсатора в RC-цепи во время неактивных периодов и предоставления конденсатору возможности разряда во время активных периодов; и отслеживания напряжения разряда конденсатора и, если напряжение разряда конденсатора падает ниже порогового уровня напряжения, остановки дальнейшей подачи электропитания на нагреватель. Техническим результатом изобретения является предотвращение образования чрезмерной температуры нагревателя в случае неисправности переключателя подачи тока, применяемого для включения и отключения подачи тока. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к способу и системе для отслеживания работы переключателя в электрической нагревательной системе. В частности, настоящее изобретение относится к способу и системе, в которых питание подают на нагреватель импульсами путем регулярного применения переключателя, в которых работу переключателя отслеживают и в которых, в случае неисправности переключателя, подачу питания на нагреватель отключают.
Одним примером электрической нагревательной системы является электрически нагреваемая курительная система. В электрически нагреваемой курительной системе электрический нагреватель применяют для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, который может быть твердым субстратом, таким как формованный листовой табак, или жидким субстратом. Нагревание субстрата испаряет желаемые ароматические соединения, как правило, вместе с одним или несколькими соединениями вещества для образования аэрозоля, такого как глицерин. Для генерирования аэрозоля, который содержит желаемые ароматические соединения и обладает желаемыми физическими свойствами, требуется нагревание субстрата до соответствующей температуры. Однако также желательно, чтобы система была управляемой, для предотвращения достижения чрезмерных температур, которые могли бы привести к генерированию в аэрозоле нежелательных соединений или даже воспламенению субстрата.
Температуру электрического нагревателя, как правило, регулируют путем регулирования подачи на нагреватель электропитания. Электропитание может быть подано на нагреватель в виде импульсов электрического тока, и путем изменения коэффициента заполнения электрического тока (представляющего собой отношение времени, в течение которого ток подают на нагреватель, ко времени, в течение которого ток не подают на нагреватель) температуру нагревательного элемента можно изменять или поддерживать.
Один сценарий, при котором может возникнуть чрезмерная температура нагревателя, происходит, когда переключатель управления током, выполненный с возможностью включения и отключения подачи тока на нагреватель, выходит из строя и заклинивает в состоянии включения. Было бы желательно иметь возможность предотвращения образования чрезмерной температуры нагревателя в случае неисправности переключателя подачи тока, применяемого для включения и отключения подачи тока. Было бы желательно, чтобы механизм, применяемый для предотвращения образования чрезмерной температуры нагревателя, был маленьким и потреблял минимальное питание.
В первом аспекте предусмотрен способ управления электрическим нагревателем в электрически нагреваемой курительной системе, включающий: подачу электропитания на нагреватель импульсами, так что во время активных периодов питание подают на нагреватель, а во время неактивных периодов питание не подают на нагреватель; зарядку конденсатора в RC-цепи во время неактивных периодов и предоставление конденсатору возможности разряда во время активных периодов; и отслеживание напряжения разряда конденсатора и, если напряжение разряда конденсатора падает ниже порогового уровня напряжения, - остановку дальнейшей подачи электропитания на нагреватель.
Этот способ обеспечивает последовательное и надежное обнаружение неисправности переключателя с помощью компактных компонентов с низким энергопотреблением.
Питание может быть подано на нагреватель путем регулярного переключения первого переключателя, и этап остановки дальнейшей подачи электропитания на нагреватель может включать переключение второго переключателя.
Постоянная времени RC-цепи может быть больше удвоенной длительности импульсов электропитания, подаваемых на нагреватель. Это гарантирует, что обычная работа переключателя не может привести к остановке дальнейшей подачи электропитания на нагреватель.
Во втором аспекте предусмотрена электрически нагреваемая курительная система, содержащая:
блок питания;
электрический нагреватель;
первый переключатель, подключенный между электрическим нагревателем и электрическим заземлением;
второй переключатель, подключенный между блоком питания и электрическим нагревателем;
RC-цепь, содержащую конденсатор и соединенную с блоком питания, так что конденсатор заряжается, когда первый переключатель открыт, и разряжается, когда первый переключатель закрыт; и
схему управления, соединенную с RC-цепью и выполненную с возможностью отслеживания напряжения разряда RC-цепи и открытия второго переключателя при падении напряжения разряда RC-цепи ниже пороговой величины.
Первый переключатель может быть приведен в действие схемой управления для подачи питания на нагревательный элемент в виде импульсов электрического тока. Тогда питание, подаваемое на нагревательный элемент, можно регулировать посредством регулирования коэффициента заполнения электрического тока. Коэффициент заполнения можно регулировать посредством изменения ширины импульса или частоты импульсов, или обеих.
RC-цепь и схема управления могут быть реализованы в малогабаритном варианте, который потребляет очень мало питания. Схема управления может содержать триггер Шмитта, подключенный между RC-цепью и вторым переключателем, триггер Шмитта выполнен с возможностью открытия второго переключателя при падении напряжения разряда RC-цепи ниже пороговой величины.
Система может дополнительно содержать диод, выполненный с возможностью предотвращения разряда RC-цепи через первый переключатель, когда первый переключатель закрыт. «Открыт» в этом контексте означает предоставление возможности протекания тока. Термин «включен» в отношении первого и второго переключателей также используется для обозначения предоставления возможности протекания тока. «Закрыт» в этом контексте означает не предоставление возможности протекания тока, и термин «выключен» также используется для обозначения того же.
RC-цепь может иметь постоянную времени, превышающую удвоенный самый длинный период, в течение которого первый переключатель закрыт во время обычной работы системы.
Система может дополнительно содержать контроллер, выполненный с возможностью управления работой первого переключателя для поддержания целевой температуры электрического нагревателя.
Система может дополнительно содержать инвертор, подключенный между RC-цепью и вторым переключателем. Применение инвертора обеспечивает безопасную работу системы даже в случае неисправности контроллера.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения первый переключатель может представлять собой MOSFET, и преимущественно представляет собой n-канальный MOSFET.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения второй переключатель может представлять собой MOSFET, и преимущественно представляет собой p-канальный MOSFET.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения система может дополнительно содержать блок питания для подачи питания на нагревательный элемент. Блок питания может являться любым подходящим блоком питания, например, источником напряжения постоянного тока, таким как батарея. В одном варианте осуществления блок питания представляет собой литий-ионную батарею. В качестве альтернативы блок питания может представлять собой никель-металлогидридную батарею, никель-кадмиевую батарею или батарею на основе лития, например литий-кобальтовую, литий-железо-фосфатную, литий-титановую или литий-полимерную батарею.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения электрический нагреватель может содержать нагревательный элемент, который может содержать электрически резистивный материал. Подходящие электрически резистивные материалы включают, но без ограничения: полупроводники, такие как легированная керамика, электрически «проводящую» керамику (как, например, дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, сплавы металлов и композиционные материалы, изготовленные из керамического материала и металлического материала. Такие композиционные материалы могут содержать легированную или нелегированную керамику. Примеры подходящей легированной керамики включают легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают титан, цирконий, тантал, платину, золото и серебро. Примеры подходящих металлических сплавов включают нержавеющую сталь, сплавы, содержащие никель, кобальт, хром, алюминий, титан, цирконий, гафний, ниобий, молибден, тантал, вольфрам, олово, галлий, марганец, золото и железо, и суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали, Timetal® и сплавы на основе железа, марганца и алюминия. В композиционных материалах электрически резистивный материал может быть необязательно встроен в изолирующий материал, инкапсулирован в него или покрыт им, или наоборот, в зависимости от кинетики переноса энергии и требуемых внешних физико-химических свойств.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения система может содержать электрически нагреваемое устройство, генерирующее аэрозоль. Как используется в данном документе, термин «устройство, генерирующее аэрозоль» относится к устройству, которое для генерирования аэрозоля взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, например, частью курительного изделия. Устройство, генерирующее аэрозоль, может быть курительным устройством, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, изделия, генерирующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля, непосредственно вдыхаемого в легкие пользователя через рот пользователя. Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой держатель.
Как используется в данном документе, термин «субстрат, образующий аэрозоль» относится к субстрату, способному высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Такие летучие соединения могут быть высвобождены путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, для удобства может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, или курительного изделия.
Как используются в данном документе, термины «изделие, генерирующее аэрозоль» и «курительное изделие» относятся к изделию, содержащему субстрат, образующий аэрозоль, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Например, изделие, генерирующее аэрозоль, может представлять собой курительное изделие, которое генерирует аэрозоль, непосредственно вдыхаемый в легкие пользователя через рот пользователя. Изделие, генерирующее аэрозоль, может быть одноразовым. Здесь и далее в общем используется термин «курительное изделие». Курительное изделие может представлять собой или содержать табачную палочку.
Как в первой, так и во второй особенностях настоящего изобретения устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать внутренний нагревательный элемент или внешний нагревательный элемент, или как внутренний, так и внешний нагревательные элементы, где термины «внутренний» и «внешний» относятся к субстрату, образующему аэрозоль. Внутренний нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, внутренний нагревательный элемент может принимать форму нагревательного клинка. В качестве альтернативы внутренний нагреватель может принимать форму кожуха или субстрата, имеющих разные электропроводные части, или форму электрорезистивной металлической трубки. В качестве альтернативы внутренний нагревательный элемент может представлять собой одну или несколько нагревательных игл или стержней, которые проходят через центр субстрата, образующего аэрозоль. Другие альтернативы включают нагревательную проволоку или нить, например Ni-Cr (хромоникелевую), платиновую, вольфрамовую проволоку или проволоку из сплава или нагревательную пластину. Необязательно внутренний нагревательный элемент может быть нанесен внутри или снаружи на жесткий несущий материал. В одном таком варианте осуществления электрически резистивный нагревательный элемент может быть выполнен с использованием металла, обладающего определенным соотношением между температурой и удельным сопротивлением. В таком иллюстративном устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки на подходящем изоляционном материале, таком как керамический материал, а затем уложен между слоями другого изолирующего материала, такого как стекло. Выполненные таким образом нагреватели могут быть использованы как для нагрева, так и для отслеживания температуры нагревательных элементов во время работы.
Внешний нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, внешний нагревательный элемент может принимать форму одного или нескольких листов гибкой нагревательной фольги на диэлектрическом субстрате, таком как полиимид. Листам гибкой нагревательной фольги может быть придана форма, соответствующая периметру полости, вмещающей субстрат. В качестве альтернативы внешний нагревательный элемент может принимать форму металлической сетки или сеток, гибкой печатной платы, литого соединительного устройства (MID), керамического нагревателя, гибкого нагревателя из углеродного волокна или может быть выполнен с использованием технологии нанесения покрытий, такой как плазменное осаждение из газовой фазы, на субстрате подходящей формы. Внешний нагревательный элемент может также быть выполнен с использованием металла, обладающего определенным соотношением между температурой и удельным сопротивлением. В таком иллюстративном устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки между двумя слоями подходящих изолирующих материалов. Выполненный таким образом внешний нагревательный элемент может быть использован как для нагрева, так и для отслеживания температуры внешнего нагревательного элемента во время работы.
Внутренний или внешний нагревательный элемент может содержать радиатор или тепловой резервуар, содержащий материал, способный поглощать и сохранять тепло и впоследствии высвобождать тепло с течением времени в субстрат, образующий аэрозоль. Радиатор может быть выполнен из любого подходящего материала, такого как подходящий металлический или керамический материал. В одном варианте осуществления материал имеет высокую теплоемкость (чувствительный теплоаккумулирующий материал) или представляет собой материал, способный поглощать и впоследствии высвобождать тепло посредством обратимого процесса, такого как высокотемпературный фазовый переход. Подходящие чувствительные теплоаккумулирующие материалы включают силикагель, оксид алюминия, углерод, стекломат, стекловолокно, минеральные вещества, металл или сплав металлов, таких как алюминий, серебро или свинец, и целлюлозный материал, такой как бумага. Другие подходящие материалы, которые высвобождают тепло в результате обратимого фазового перехода, включают парафин, ацетат натрия, нафталин, воск, оксид полиэтилена, металл, металлическую соль, эвтектическую смесь солей или сплав. Радиатор или тепловой резервуар может быть расположен таким образом, что он непосредственно контактирует с субстратом, образующим аэрозоль, и может передавать сохраненное тепло непосредственно на субстрат. В качестве альтернативы тепло, сохраненное в радиаторе или тепловом резервуаре, может быть передано на субстрат, образующий аэрозоль, посредством проводника тепла, такого как металлическая трубка.
Нагревательный элемент преимущественно нагревает образующий аэрозоль субстрат за счет проводимости. Нагревательный элемент может по меньшей мере частично контактировать с субстратом или носителем, на который нанесен субстрат. В качестве альтернативы тепло от внутреннего или от внешнего нагревательного элемента может быть передано на субстрат посредством теплопроводного элемента.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения во время работы субстрат, образующий аэрозоль, может полностью содержаться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В таком случае пользователь может делать затяжку через мундштук устройства, генерирующего аэрозоль. В качестве альтернативы во время работы курительное изделие, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, может частично находиться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В таком случае пользователь может делать затяжку непосредственно через курительное изделие. Нагревательный элемент может быть расположен внутри полости в устройстве, при этом полость выполнена с возможностью размещения субстрата, образующего аэрозоль, так, чтобы при использовании нагревательный элемент находился внутри субстрата, образующего аэрозоль.
Курительное изделие может иметь по существу цилиндрическую форму. Курительное изделие может быть по существу удлиненным. Курительное изделие может иметь длину и окружность, по существу перпендикулярную длине. Субстрат, образующий аэрозоль, может иметь по существу цилиндрическую форму. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть по существу удлиненным. Субстрат, образующий аэрозоль, может также иметь длину и окружность, по существу перпендикулярную длине.
Курительное изделие может иметь общую длину от приблизительно 30 мм до приблизительно 100 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 12 мм. Курительное изделие может содержать штранг фильтра. Штранг фильтра может быть размещен на расположенном ниже по потоку конце курительного изделия. Штранг фильтра может представлять собой ацетилцеллюлозный штранг фильтра. Штранг фильтра в одном варианте осуществления имеет длину приблизительно 7 мм, но может иметь длину от приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм.
В одном варианте реализации курительное изделие имеет общую длину приблизительно 45 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр приблизительно 7,2 мм. Кроме того, субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 10 мм. В качестве альтернативы субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 12 мм. Кроме того, диаметр субстрата, образующего аэрозоль, может составлять от приблизительно 5 мм до приблизительно 12 мм. Курительное изделие может содержать внешнюю бумажную обертку. Кроме того, курительное изделие может содержать перегородку между субстратом, образующим аэрозоль, и штрангом фильтра. Перегородка может иметь размер приблизительно 18 мм, но может иметь размер в диапазоне от приблизительно 5 мм до приблизительно 25 мм. Перегородка в курительном изделии предпочтительно заполнена теплообменником, охлаждающим аэрозоль по мере его прохождения через курительное изделие от субстрата к штрангу фильтра. Теплообменник может представлять собой, например, фильтр на полимерной основе, например, гофрированный PLA материал.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый субстрат, образующий аэрозоль. В качестве альтернативы субстрат, образующий аэрозоль, может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие табачные ароматные соединения, которые высвобождаются из субстрата при нагревании. В качестве альтернативы субстрат, образующий аэрозоль, может содержать нетабачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может дополнительно содержать вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль.
Если субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой твердый субстрат, образующий аэрозоль, то этот твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать, например, одно или несколько из следующего: порошок, гранулы, шарики, крупицы, тонкие трубки, полосы или листы, содержащие одно или несколько из следующего: листья трав, табачные листья, фрагменты табачных жилок, восстановленный табак, гомогенизированный табак, экструдированный табак, восстановленный листовой табак и взорванный табак. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может иметь рассыпную форму или может быть предоставлен в подходящем контейнере или картридже. Необязательно твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать дополнительные табачные или нетабачные летучие ароматные соединения, предназначенные для высвобождения при нагревании субстрата. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может также содержать капсулы, которые включают, например, дополнительные табачные или нетабачные летучие ароматные соединения, и такие капсулы могут плавиться во время нагревания твердого субстрата, образующего аэрозоль.
Как используется в данном документе, термин «гомогенизированный табак» относится к материалу, образованному путем агломерации дисперсного табака. Гомогенизированный табак может иметь форму листа. Содержание вещества для образования аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять более 5% в пересчете на сухой вес. В качестве альтернативы содержание вещества для образования аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять от 5% до 30% в пересчете на сухой вес. Листы гомогенизированного табачного материала можно сформировать посредством агломерирования дисперсного табака, полученного размалыванием или иным измельчением слоев табачного листа или жилок табачного листа, или того и другого. Альтернативно или дополнительно листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или несколько из табачной пыли, табачной мелочи и других дисперсных табачных побочных продуктов, образующихся, например, при обработке, обращении и доставке табака. Листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или несколько собственных связующих, т.е. табачных эндогенных связующих, одно или несколько внешних связующих, т.е. табачных экзогенных связующих, или их сочетание, что способствует агломерированию дисперсного табака; альтернативно или дополнительно листы гомогенизированного табачного материала могут содержать другие добавки, включая, но без ограничения, табачные и нетабачные волокна, вещества для образования аэрозоля, увлажнители, пластификаторы, ароматизаторы, наполнители, водные и неводные растворители и их сочетания.
Необязательно твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть предусмотрен на термостабильном носителе или встроен в него. Носитель может принимать форму порошка, гранул, шариков, крупиц, тонких трубочек, полосок или листов. Альтернативно носитель может представлять собой трубчатый носитель, обладающий тонким слоем твердого субстрата, нанесенного на его внутреннюю поверхность или на его внешнюю поверхность, или как на его внутреннюю, так и на внешнюю поверхности. Такой трубчатый носитель может быть выполнен, например, из бумаги или подобного бумаге материала, нетканого мата из углеродных волокон, легкой металлической сетки с открытыми ячейками или перфорированной металлической фольги или любой другой термостабильной полимерной матрицы.
Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на поверхность носителя в форме, например, листа, пеноматериала, геля или суспензии. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на всю поверхность носителя или, в качестве альтернативы, может быть нанесен по схеме с целью обеспечения неоднородной доставки ароматного вещества во время использования.
Несмотря на то, что выше приведена ссылка на твердые субстраты, образующие аэрозоль, специалисту обыкновенной квалификации в данной области техники будет понятно, что другие формы субстрата, образующего аэрозоль, могут быть использованы с другими вариантами осуществления. Например, субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой жидкий субстрат, образующий аэрозоль. Если предоставлен жидкий субстрат, образующий аэрозоль, то устройство, генерирующее аэрозоль, предпочтительно содержит средство для удержания жидкости. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может содержаться в емкости. Альтернативно или дополнительно жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть абсорбирован в пористый материал носителя. Пористый материал носителя может быть изготовлен из любой подходящей поглощающей заглушки или тела, например, пенометаллического или пластмассового материала, полипропилена, терилена, нейлоновых волокон или керамики. Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может содержаться в пористом материале носителя перед использованием устройства, генерирующего аэрозоль, или в качестве альтернативы материал жидкого субстрата, образующего аэрозоль, может быть высвобожден в пористый материал носителя во время или непосредственно перед использованием. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть представлен в капсуле. Оболочка капсулы предпочтительно тает при нагревании и высвобождает жидкий субстрат, образующий аэрозоль, в пористый материал носителя. Капсула может необязательно содержать твердое вещество в комбинации с жидкостью.
Альтернативно носитель может представлять собой нетканое полотно или пучок волокон, в которые включены табачные компоненты. Нетканое полотно или пучок волокон могут содержать, например, углеродные волокна, натуральные целлюлозные волокна или волокна из производных целлюлозы.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения система может представлять собой удерживаемую рукой электрически нагреваемую курительную систему.
Несмотря на то, что изобретение было описано со ссылкой на различные аспекты, следует понимать, что признаки, описанные относительно одного аспекта изобретения, могут быть применены к другим аспектам изобретения.
Варианты осуществления настоящего изобретения будут далее описаны подробно, лишь в качестве примера, со ссылками на сопутствующие графические материалы, на которых:
фиг. 1 - схематическое представление электрически нагреваемой курительной системы;
фиг. 2 - схематическое представление в поперечном сечении переднего конца первого варианта осуществления устройства, относящегося к типу, представленному на фиг. 1;
фиг. 3 - схематическое представление цепи отслеживания неисправности переключателя согласно настоящему изобретению; и
фиг. 4 - схема одного варианта осуществления цепи, относящейся к типу, представленному на фиг. 2, представляющая компоненты цепи более подробно.
На фиг. 1 в упрощенном виде представлены компоненты одного варианта осуществления электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль. В частности, элементы электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль, на фиг. 1 показаны не в масштабе. Элементы, которые несущественны для понимания данного варианта осуществления, для упрощения фиг. 1 были опущены.
Электрически нагреваемое устройство 100, генерирующее аэрозоль, содержит корпус 10 и субстрат 12, образующий аэрозоль, например, сигарету. Субстрат 12, образующий аэрозоль, проталкивают внутрь корпуса 10 для термического соприкосновения с нагревательным элементом 14. Субстрат 12, образующий аэрозоль, будет высвобождать ряд летучих соединений при разных температурах. Управляя рабочей температурой электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль, так, чтобы она была ниже температуры высвобождения некоторых из летучих соединений, можно избежать высвобождения или образования этих составляющих дыма.
Внутри корпуса 10 находится источник 16 электроэнергии, например, перезаряжаемая литий-ионная батарея. Контроллер 18 соединен с нагревательным элементом 14, источником 16 электроэнергии и интерфейсом 20 пользователя, например, кнопкой или дисплеем. Контроллер 18 управляет питанием, подаваемым на нагревательный элемент 14, для регулирования его температуры. Как правило, субстрат, образующий аэрозоль, нагревают до температуры от 250 до 450 градусов по Цельсию.
В описываемом варианте осуществления нагревательный элемент 14 представляет собой электрически резистивную дорожку или дорожки, нанесенные на керамический субстрат. Этот керамический субстрат имеет форму клинка, и при использовании его вставляют в субстрат 12, образующий аэрозоль. На фиг. 2 представлено схематическое изображение переднего конца устройства, иллюстрирующее поток воздуха через устройство. Следует отметить, что фиг. 2 неточно изображает относительный масштаб элементов устройства. Курительное изделие 102, содержащее субстрат 12, образующий аэрозоль, помещают внутрь полости 22 устройства 100. Воздух втягивается в устройство за счет всасывающего действия, осуществляемого пользователем через мундштук 24 курительного изделия 102. Воздух втягивается через впускные отверстия 26, образующие ближнюю внешнюю поверхность корпуса 10. Воздух, втянутый в устройство, проходит через воздушный канал 28 вокруг наружной части полости 22. Втянутый воздух входит в субстрат 12, образующий аэрозоль, на дальнем конце курительного изделия 102, смежном с ближним концом нагревательного элемента 14, имеющего форму клинка, предусмотренного в полости 22. Увлекая аэрозоль, втянутый воздух проходит через субстрат 12, образующий аэрозоль, а затем - к подносимому ко рту концу курительного изделия 102. Субстрат 12, образующий аэрозоль, представляет собой цилиндрический штранг из материала на основе табака.
Фиг. 3 представляет собой схематическое представление цепи отслеживания неисправности переключателя согласно настоящему изобретению. Как представлено на фиг. 3, нагреватель 14 подключен к электрическому заземлению через переключатель 32 нижнего плеча, также называемый в данном документе первым переключателем. Нагреватель 14 подключен к напряжению батареи через переключатель 34 верхнего плеча, в данном документе называемый вторым переключателем.
Первый переключатель 32 представляет собой n-канальный MOSFET. Второй переключатель представляет собой p-канальный MOSFET. Во время обычной работы системы второй MOSFET 34 поддерживают во включенном состоянии, соответствующем нахождению второго переключателя в закрытом положении, позволяющем току протекать от батареи к нагревателю. Первый MOSFET 32 включают и выключают с помощью контроллера 18 в соответствии с конкретным коэффициентом заполнения для управления температурой нагревателя 14. Когда первый MOSFET 32 находится во включенном состоянии, соответствующем закрытому переключателю, току позволено протекать от нагревателя к заземлению, и MOSFET 32 имеет очень низкое электрическое сопротивление. Тогда почти все напряжение батареи падает на нагревателе, и нагреватель нагревается в результате эффекта Джоуля. Когда первый MOSFET находится в выключенном состоянии, он обеспечивает очень высокое электрическое сопротивление. В этом случае на нагревателе падает очень маленькое напряжение, и нагревания нагревателя в результате эффекта Джоуля практически не происходит.
Если имеется неисправность первого переключателя, и он остается включенным, позволяя току протекать через нагреватель непрерывно, температура нагревателя будет возрастать неконтролируемым образом. Для обнаружения неисправности первого переключателя предусмотрена система отслеживания. Система отслеживания содержит RC-цепь 36, присоединенную к нагревателю через диод 40, и триггерный компонент 38, подключенный между RC-цепью и входом управления второго переключателя 34.
Когда первый переключатель 32 выключен и поэтому имеет очень высокое сопротивление, RC-цепь 36 имеет возможность быстро заряжаться в результате напряжения батареи. Когда первый переключатель 32 включен, напряжение на переключателе нижнего плеча является очень близким к заземлению, и RC-цепь разряжается. Диод 40 предотвращает разряд RC-цепи через нагреватель. Триггерный компонент 38 принимает напряжение разряда RC-цепи и выполнен с возможностью выключения второго переключателя, когда напряжение разряда падает ниже предопределенного порога.
Во время обычной работы первый переключатель включен в течение подходящего периода времени (активная фаза), например, 1 миллисекунду, и выключен (неактивная фаза) в периоды между ними. Можно заряжать RC-цепь быстро во время неактивной фазы и позволять ей разряжаться только медленно во время активной фазы, делая так, чтобы путь разряда обладал большим сопротивлением, чем путь заряда. Поэтому даже при максимальном коэффициенте заполнения, при котором первый переключатель может быть включен 99% времени и выключен только 1% времени для увеличения температуры нагревателя, можно гарантировать, что триггер управляет вторым переключателем только если активная фаза длится значительно дольше, чем ожидаемая 1 миллисекунда.
Если напряжение разряда RC-цепи падает ниже порога срабатывания триггерного компонента, второй переключатель переключается в выключенное состояние, и тогда питание на нагреватель не подается. В то же время триггерный компонент выполнен с возможностью подачи сигнала сброса на контроллер 18, так что контроллер может затем переустановить первый переключатель в выключенное состояние, позволяя RC-цепи перезаряжаться, что, в свою очередь, выключает триггерный компонент 38, позволяя переустановку второго переключателя 34 во включенное состояние.
С помощью предсказуемой синхронизации времени разряда RC-цепи и тщательного выбора величин сопротивления и емкости компонентов, можно применять эту схему можно применять для обеспечения постоянного выключения второго переключателя до того, как нагреватель получит возможность достижения опасной или даже нежелательной температуры. Система отслеживания может быть реализована в малогабаритном варианте, который потребляет очень мало питания.
На фиг. 4 представлена схема одного варианта осуществления цепи, относящейся к типу, представленному на фиг. 2, представляющая компоненты цепи более подробно. Как можно увидеть на фиг. 4, первый переключатель 32 представляет собой n-канальный MOSFET с истоком, соединенным с заземлением, и стоком, соединенным с нагревателем. Затвор соединен с контроллером через соединение G1. Последовательный резистор 62 затвора применяют для ограничения тока в затвор, когда контроллер переключает затвор. Резистор 64 понижения уровня предусмотрен для удерживания затвора возле напряжения питания, когда контроллер осуществляет переустановку, а вход G1 не запитывают.
Диод 40 представляет собой диод Шоттки, который дает возможность RC-цепи заряжаться во время неактивной фазы, при этом не давая ей возможности разряжаться через первый переключатель в активной фазе. Последовательный резистор 42 диода предусмотрен для ограничения пикового тока через диод 40 при зарядке RC-цепи, особенно на старте.
RC-цепь 36 содержит резистор 54 синхронизирующей цепи и конденсатор 52 синхронизирующей цепи, каждый подключен к заземлению.
Триггерный компонент 38 представляет собой триггер Шмитта, который обладает порогом убывания для входного напряжения от RC-цепи, ниже которого он подает выходной сигнал переключения на инвертор 56. Инвертор 56, питаемый напряжением батареи, затем используют для подтягивания входного сигнала на затвор второго переключателя, который представляет собой p-канальный MOSFET, к напряжению питания, блокируя второй переключатель. При обычной работе инвертор обеспечивает снабжение затвора обратным напряжением батареи (-Vбатареи), так что второй переключатель включен.
Контроллер соединен с линией 70 «Питание в норме». Это позволяет контроллеру отслеживать выходной сигнал триггера 38 Шмитта, а также позволяет контроллеру отключать второй переключатель, подтягивая входной сигнал к низкому уровню инвертора через диод 72. Для этой цели предусмотрен резистор 60. Резистор 58 представляет собой резистор понижения уровня, обеспечивающий низкий входной сигнал на инвертор 56 в случае логической ошибки блока питания.
Резистор 68 представляет собой резистор повышения уровня, обеспечивающий подтягивание затвора второго переключателя к напряжению питания и удержание переключателя блокированным в случае отказа инвертора 56. Резистор 66 представляет собой последовательный резистор затвора, который ограничивает выходной ток от инвертора 56.
Следует понимать, что приведенные в качестве примера варианты осуществления, описанные выше, являются иллюстративными, но не ограничивающими. Учитывая рассмотренные выше приведенные в качестве примера варианты осуществления, специалисту в данной области техники будут понятны другие варианты осуществления, соответствующие вышеописанным приведенным в качестве примера вариантам осуществления.
1. Способ управления электрическим нагревателем в электрически нагреваемой курительной системе, способ при этом включает этапы:
предоставления электропитания на нагреватель импульсами, так что во время активных периодов питание подают на нагреватель, а во время неактивных периодов питание не подают на нагреватель;
зарядки конденсатора в RC-цепи во время неактивных периодов и предоставления конденсатору возможности разряда во время активных периодов; и
отслеживания напряжения разряда конденсатора и, если напряжение разряда конденсатора падает ниже порогового уровня напряжения, остановки дальнейшей подачи электропитания на нагреватель.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что питание подают на нагреватель путем регулярного переключения первого переключателя, причем этап остановки дальнейшей подачи электропитания на нагреватель включает переключение второго переключателя.
3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что постоянная времени RC-цепи больше удвоенной временной ширины импульсов электропитания, подаваемых на нагреватель.
4. Электрически нагреваемая курительная система, содержащая:
блок питания;
электрический нагреватель;
первый переключатель, подключенный между электрическим нагревателем и электрическим заземлением;
второй переключатель, подключенный между блоком питания и электрическим нагревателем;
RC-цепь, содержащую конденсатор и соединенную с блоком питания, так что конденсатор заряжается, когда первый переключатель открыт, и разряжается, когда первый переключатель закрыт; и
схему управления, соединенную с RC-цепью и выполненную с возможностью отслеживания напряжения разряда RC-цепи и открытия второго переключателя при падении напряжения разряда RC-цепи ниже пороговой величины.
5. Электрически нагреваемая курительная система по п. 4, отличающаяся тем, что схема управления содержит триггер Шмитта, подключенный между RC-цепью и вторым переключателем, при этом триггер Шмитта выполнен с возможностью открытия второго переключателя при падении напряжения разряда RC-цепи ниже пороговой величины.
6. Электрически нагреваемая курительная система по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что первый переключатель представляет собой MOSFET.
7. Электрически нагреваемая курительная система по п. 4, 5 или 6, отличающаяся тем, что второй переключатель представляет собой MOSFET.
8. Электрически нагреваемая курительная система по любому из пп. 4-7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит диод, выполненный с возможностью предотвращения разряда RC-цепи через первый переключатель, когда первый переключатель закрыт.
9. Электрически нагреваемая курительная система по любому из пп. 4-8, отличающаяся тем, что RC-цепь имеет постоянную времени, превышающую удвоенный самый длинный период, в течение которого первый переключатель закрыт во время обычной работы системы.
10. Электрически нагреваемая курительная система по любому из пп. 4-9, отличающаяся тем, что дополнительно содержит инвертор, подключенный между RC-цепью и вторым переключателем.
11. Электрически нагреваемая курительная система по любому из пп. 4-10, отличающаяся тем, что содержит контроллер, выполненный с возможностью управления работой первого переключателя для поддержания целевой температуры электрического нагревателя.
12. Электрически нагреваемая курительная система по любому из пп. 4-11, отличающаяся тем, что блок питания представляет собой батарею.
13. Электрически нагреваемая курительная система по любому из пп. 4-12, отличающаяся тем, что указанная система представляет собой удерживаемую рукой электрически нагреваемую курительную систему.
14. Электрически нагреваемая курительная система по любому из пп. 4-13, отличающаяся тем, что указанная система представляет собой нагреваемую табачную курительную систему.
