Устройство и способ управления электрическим нагревателем для ограничения температуры согласно требуемому температурному профилю во времени
Предложены способ и система для управления нагревом в образующей аэрозоль системе (100), содержащей нагреватель (14). Способ включает в себя этапы, на которых: измеряют параметр (R), характеризующий температуру нагревателя (14), с целевым значением (Rtarget) для этого параметра; в случае если измеренный параметр (R) выше целевого значения (Rtarget) не менее чем на первую величину, блокируют подачу мощности на нагреватель (14) в течение первого периода времени; и в случае если измеренный параметр выше целевого значения, но на величину, которая меньше первой величины, то блокируют подачу мощности на нагреватель в течение второго периода времени, более короткого, чем первый период времени. Таким образом обеспечивают быстрое охлаждение нагревателя в случае необходимости. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.
Настоящее описание относится к электрическому нагревателю, а также к способу и устройству для управления нагревателем с целью предотвращения скачков температуры выше заданного температурного профиля. Более конкретно, настоящее изобретение относится к электрическому нагревателю, выполненному с возможностью нагрева образующего аэрозоль субстрата, и к способу и устройству для предотвращения нежелательного перегрева образующего аэрозоль субстрата. Описанные устройство и способ применимы, в частности, в курительных устройствах с электрическим нагревом.
Традиционные сигареты образуют дым в результате горения табака и обертки, которое происходит при температурах, которые могут превышать 800 градусов по Цельсию во время затяжки. При таких температурах табак термически разрушается в результате пиролиза и горения. Под действием теплоты сгорания происходит высвобождение и образование различных газообразных продуктов сгорания и дистиллятов из табака. Указанные продукты втягиваются через сигарету, охлаждаются и конденсируются с образованием дыма, имеющего вкусовые и ароматические компоненты, связанные с курением. При температурах горения образуются не только вкусовые и ароматические компоненты, но также и некоторое количество нежелательных соединений.
Известны курительные устройства с электрическим нагревом, которые работают при более низких температурах. В результате более низкотемпературного нагрева образующий аэрозоль субстрат (который в случае курительного устройства основан на табаке) не сгорает, и образуется намного меньше нежелательных соединений.
В таких курительных устройствах с электрическим нагревом и в других образующих аэрозоль системах с электрическим нагревом желательно обеспечить как можно в большей степени, чтобы горение субстрата не происходило даже в экстремальных условиях окружающей среды и в экстремальных режимах использования. Следовательно, желательно регулирование температуры нагревательного элемента или элементов в устройстве для снижения риска возгорания с одновременным нагревом до температуры, достаточной для обеспечения требуемого аэрозоля.
Желательно также, чтобы образующие аэрозоль системы с электрическим нагревом были способны вырабатывать аэрозоль, который является стабильным во времени. В частности, это относится к случаю, когда аэрозоль предназначен для потребления человеком, как это имеет место в нагреваемом курительном устройстве. В устройствах, в которых обедняемый субстрат нагревается непрерывно или многократно во времени, это может быть затруднительно, поскольку свойства образующего аэрозоль субстрата могут значительно изменяться при непрерывном или многократном нагреве, как в отношении количества и распределения образующих аэрозоль компонентов, остающихся в субстрате, так и в отношении температуры субстрата. В частности, пользователь непрерывно или многократно нагреваемого устройства может ощущать постепенное исчезновение аромата, вкуса и осязательного воздействия аэрозоля по мере того, как субстрат обедняется образователем аэрозоля, переносящим никотин и, в некоторых случаях, аромат. Таким образом, стабильная доставка аэрозоля во времени предусматривает, что во время использования аэрозоль, доставляемый в начале, по существу сопоставим с аэрозолем, доставляемым в конце.
С целью выработки стабильного аэрозоля, может быть желательно регулирование температуры субстрата в соответствии с конкретным временным температурным профилем. Система и способ для достижения этого раскрыты в WO2014/102091. Однако профиль, в котором целевая температура для образующего аэрозоль субстрата резко изменяется и, в частности, резко снижается, требует быстрого регулировочного процесса для регулирования температуры нагревателя, используемого для нагрева субстрата.
Задача настоящего изобретения состоит в создании системы и способа образования аэрозоля, которые обеспечивали бы быстрое регулирование электрического нагревателя с целью обеспечения возможности следования требуемому температурному профилю без перегрева.
В первом аспекте настоящего изобретения предложен способ управления нагревом в образующей аэрозоль системе с нагревателем, включающий в себя этапы, на которых:
сравнивают измеренный параметр, характеризующий температуру нагревателя, с целевым значением для этого параметра;
в случае, если измеренный параметр выше целевого значения не менее чем на первую величину, блокируют подачу мощности на нагреватель в течение первого периода времени; и
если измеренный параметр выше целевого значения, но на величину, которая меньше первой величины, то блокируют подачу мощности на нагреватель в течение второго периода времени, более короткого, чем первый период времени.
Способ может включать в себя этап, на котором изменяют целевое значение с течением времени. Способ может включать в себя этап, на котором прерывисто изменяют целевое значение c течением времени. Резкие ступенчатые изменения целевого значения, задающие ступенчатое изменение целевой температуры, требуют резких изменений подачи мощности на нагреватель. Путем задания различных периодов блокировки подачи мощности в зависимости от величины, на которую измеренный параметр выше целевого значения, обеспечивают возможность быстрого снижения температуры нагревателя в случае резкого снижения целевого значения, и возможность более плавного снижения температуры в случае, если целевое значение является постоянным или изменяется лишь плавным образом.
Способ обеспечивает возможность простого и высокочувствительного регулирования температуры нагревателя. Образующие аэрозоль системы уровня техники имели тенденцию к использованию пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования для нагревателя. Однако ПИД-регулирование является сравнительно затратным в вычислительном отношении, вследствие чего оно имеет большее время реакции и иногда страдает от проблем с перерегулированием, в частности, в системах, активируемых в соответствии с затяжками. ПИД-регулирование требует также оптимизации ПИД-коэффициентов для их приведения в соответствие с конкретной конструкцией системы, что требует значительной аналитической работы в лаборатории.
Предпочтительно, в случае, если измеренный параметр не превышает целевого значения, способ включает в себя этап, на котором подают мощность на нагреватель.
В дополнение к регулированию мощности, подаваемой на нагреватель на основе измеренного параметра, мощность, подаваемая на нагреватель, может регулироваться путем ограничения величины мощности, которая может быть подана на нагреватель за заданный период времени. Таким образом предотвращают подачу слишком большой энергии на образующий аэрозоль субстрат даже в том случае, если температура нагревателя остается на целевом уровне или ниже его. Способ может включать в себя этап, на котором подают мощность на нагреватель в виде импульсов электрического тока, при этом в случае, если измеренное значение параметра не выше целевого значения, определяют, приведет ли подача мощности к тому, что коэффициент заполнения импульсов электрического тока превысит максимальный коэффициент заполнения в течение первого периода времени, и подают мощность на нагреватель лишь в том случае, если подача мощности не приведет к тому, что коэффициент заполнения импульсов электрического тока превысит максимальный коэффициент заполнения.
Измеряемый параметр представляет собой электрическое сопротивление нагревателя. Таким образом обеспечивают преимущество, состоящее в исключении необходимости в отдельном датчике. Тем не менее, это также означает, что с целью обеспечения измерения температуры нагревателя, должна быть подана мощность на нагреватель и, вследствие этого, нагрет образующий аэрозоль субстрат. Соответственно, с целью обеспечения быстрого охлаждения нагревателя, желательно не осуществлять измерение сопротивления нагревателя во время первого или второго периода времени.
Образующая аэрозоль система может представлять собой курительную систему с электрическим нагревом. Курительная система с электрическим нагревом может быть выполнена с возможностью нагрева образующего аэрозоль субстрата¸ такого как табачный субстрат.
Во втором аспекте настоящего изобретения предложено образующее аэрозоль устройство с электрическим нагревом, содержащее:
нагреватель;
источник электропитания; и
контроллер, выполненный с возможностью: сравнения измеренного параметра, характеризующего температуру нагревателя, с целевым значением для этого параметра;
блокировки подачи мощности на нагреватель в течение первого периода времени в случае, если измеренный параметр выше целевого значения не менее чем на первую величину; и
блокировки подачи мощности на нагреватель в течение второго периода времени, более короткого, чем первый период времени. в случае, если измеренный параметр выше целевого значения менее чем на первую величину.
Устройство может быть выполнено с возможностью размещения и нагрева образующего аэрозоль субстрата при использовании.
Контроллер может быть выполнен с возможностью изменения целевого значения с течением времени согласно требуемому целевому профилю, сохраненному в памяти. Целевой профиль, сохраненный в памяти, может быть модифицирован на основе измеренных параметров, таких как тип образующего аэрозоль субстрата в устройстве или манера осуществления затяжек пользователем или идентичность пользователя.
Контроллер может быть выполнен с возможностью прерывистого изменения целевого значения с течением времени.
Контроллер может быть выполнен с возможностью подачи мощности на нагреватель от источника питания, если измеренный параметр не выше целевого значения.
Контроллер может быть выполнен с возможностью подачи мощности на нагреватель в виде импульсов электрического тока, причем в случае, если измеренный параметр не выше целевого значения, контроллер определяет, приведет ли подача мощности к тому, что коэффициент заполнения импульсов электрического тока превысит максимальный коэффициент заполнения в течение первого периода времени, и подает мощность на нагреватель лишь в том случае, если подача мощности не приведет к тому, что коэффициент заполнения импульсов электрического тока превысит максимальный коэффициент заполнения.
Измеренный параметр может представлять собой электрическое сопротивление нагревателя. Контроллер может быть выполнен с возможностью измерения сопротивления нагревателя в течение периодов, когда мощность подается на нагреватель.
Система может представлять собой курительную систему с электрическим нагревом.
Если контроллер выполнен с возможностью подачи мощности на нагревательный элемент в виде импульсов электрического тока, подаваемая на нагревательный элемент мощность может регулироваться путем регулирования коэффициента заполнения электрического тока. Коэффициент заполнения может регулироваться путем изменения длительности импульса и/или частоты импульсов. В других примерах контроллер может быть выполнен с возможностью подачи мощности на нагревательный элемент в виде непрерывного сигнала постоянного тока.
Контроллер может содержать средства измерения температуры, выполненные с возможностью измерения температуры нагревательного элемента или температуры вблизи нагревательного элемента и выдачи измеренной температуры.
Контроллер может также содержать средства для идентификации характеристики образующего аэрозоль субстрата в устройстве; и память, хранящую справочную таблицу команд регулирования мощности и соответствующих характеристик образующего аэрозоль субстрата.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения нагреватель может содержать электрорезистивный материал. Подходящие электрорезистивные материалы включают в себя, но без ограничения: полупроводники, такие как легированная керамика, электрически «проводящая» керамика (например такая, как дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, сплавы металлов и композитные материалы, изготовленные из керамического материала и металлического материала. Такие композитные материалы могут содержать легированную или нелегированную керамику. Примеры подходящей легированной керамики включают в себя легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают в себя титан, цирконий, тантал, платину, золото и серебро. Примеры подходящих сплавов металлов включают в себя нержавеющую сталь; никель-, кобальт-, хром-, алюминий-, титан-, цирконий-, гафний-, ниобий-, молибден-, тантал-, вольфрам-, олово-, галлий-, марганец-, золото- и железосодержащие сплавы; суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали и Timetal®; и сплавы на основе железа-марганца-алюминия. В композитных материалах указанный электрорезистивный материал может быть при необходимости встроен в изоляционный 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 нагреватель может содержать внутренний нагревательный элемент или внешний нагревательный элемент или как внутренний, так и внешний нагревательные элементы, где термины «внутренний» и «внешний» относятся к образующему аэрозоль субстрату. Внутренний нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, внутренний нагревательный элемент может иметь форму нагревательного лезвия. Нагревательное лезвие может быть образовано из керамической подложки с одной или более резистивными нагревательными дорожками, образованными из платины иди другого подходящего материала, нанесенного на одну или обе стороны лезвия. В других примерах внутренний нагреватель может иметь форму корпуса или подложки, имеющих различные электропроводные участки, или форму электрорезистивной металлической трубки. В других примерах внутренний нагревательный элемент может представлять собой одну или более нагревательных игл или стержней, которые проходят через центр образующего аэрозоль субстрата. Другие примеры включают в себя нагревательную проволоку или нить, например Ni-Cr (хромоникелевую), платиновую, вольфрамовую проволоку, или проволоку из сплава, или нагревательную пластину. При необходимости, внутренний нагревательный элемент может быть нанесен внутри или снаружи на жесткий несущий материал. В одном таком варианте осуществления электрорезистивный нагревательный элемент может быть образован с использованием металла, имеющего определенную зависимость между температурой и удельным сопротивлением. В таком иллюстративном устройстве металл может быть образован в виде дорожки на подходящем изоляционном материале, таком как керамический материал, и затем помещен между слоями другого изоляционного материала, такого как стекло. Образованные таким образом нагреватели могут быть использованы как для нагрева, так и для контроля температуры нагревательных элементов во время работы.
Внешний нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, внешний нагревательный элемент может иметь форму одного или нескольких листов гибкой нагревательной фольги на диэлектрической положке, такой как полиимидная. Листам гибкой нагревательной фольги может быть придана форма, соответствующая периметру полости для размещения субстрата. В других примерах внешний нагревательный элемент может иметь форму металлической сетки или сеток, гибкой печатной платы, литого соединительного устройства (MID), керамического нагревателя, гибкого нагревателя из углеродного волокна, или он может быть образован с использованием технологии нанесения покрытий, такой как плазменное осаждение из газовой фазы, на подложке подходящей формы. Внешний нагревательный элемент может также быть образован с использованием металла, имеющего определенную зависимость между температурой и удельным сопротивлением. В таком иллюстративном устройстве металл может быть образован в виде дорожки между двумя слоями подходящих изоляционных материалов. Образованный таким образом внешний нагревательный элемент может использоваться как для нагрева, так и для контроля температуры внешнего нагревательного элемента во время работы.
Нагреватель предпочтительно нагревает образующий аэрозоль субстрат за счет проводимости. Нагреватель может по меньшей мере частично контактировать с субстратом или носителем, на который нанесен субстрат. В других примерах тепло от внутреннего или от внешнего нагревательного элемента может передаваться на субстрат посредством теплопроводного элемента.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения образующий аэрозоль субстрат во время работы может полностью размещаться внутри образующего аэрозоль устройства. В этом случае пользователь может осуществлять затяжку на мундштуке образующего аэрозоль устройства. В других примерах во время работы курительное изделие, содержащее образующий аэрозоль субстрат, может частично находиться внутри образующего аэрозоль устройства. В этом случае пользователь может осуществлять затяжку непосредственно на курительном изделии. Нагревательный элемент может быть расположен внутри полости в устройстве, при этом указанная полость выполнена с возможностью размещения образующего аэрозоль субстрата таким образом, чтобы при использовании нагревательный элемент находился внутри образующего аэрозоль субстрата.
Курительное изделие может иметь по существу цилиндрическую форму. Курительное изделие может быть по существу удлиненным. Курительное изделие может иметь направление длины и окружное направление, по существу перпендикулярное направлению длины. Образующий аэрозоль субстрат может иметь по существу цилиндрическую форму. Образующий аэрозоль субстрат может быть по существу удлиненным. Образующий аэрозоль субстрат также может иметь направление длины и окружное направление, по существу перпендикулярное направлению длины.
Курительное изделие может иметь общую длину от примерно 30 мм до примерно 100 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр от примерно 5 мм до примерно 12 мм. Курительное изделие может содержать фильтрующую заглушку. Фильтрующая заглушка может быть расположена на дальнем по ходу потока конце курительного изделия. Фильтрующая заглушка может представлять собой ацетилцеллюлозную фильтрующую заглушку. Фильтрующая заглушка в одном варианте осуществления имеет длину примерно 7 мм, однако она может иметь длину от примерно 5 мм до примерно 10 мм.
В одном варианте осуществления курительное изделие имеет общую длину примерно 45 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр примерно 7,2 мм. Кроме того, образующий аэрозоль субстрат может иметь длину примерно 10 мм. В других примерах образующий аэрозоль субстрат может иметь длину примерно 12 мм. Кроме того, диаметр образующего аэрозоль субстрата может составлять от примерно 5 мм до примерно 12 мм. Курительное изделие может содержать внешнюю бумажную обертку. Кроме того, курительное изделие может содержать разделитель между образующим аэрозоль субстратом и фильтрующей заглушкой. Указанный разделитель может иметь размер примерно 18 мм, однако он может иметь размер в диапазоне от примерно 5 мм до примерно 25 мм. Разделитель в курительном изделии предпочтительно заполнен теплообменником, охлаждающим аэрозоль по мере его прохождения через курительное изделие от субстрата к фильтрующей заглушке. Теплообменник может представлять собой, например, фильтр на полимерной основе, например гофрированный материал из полимолочной кислоты.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения образующий аэрозоль субстрат может представлять собой твердый образующий аэрозоль субстрат. В других примерах образующий аэрозоль субстрат может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Образующий аэрозоль субстрат может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие ароматические соединения табака, которые высвобождаются из субстрата при нагреве. В других примерах образующий аэрозоль субстрат может содержать нетабачный материал. Образующий аэрозоль субстрат может дополнительно содержать образователь аэрозоля. Примерами подходящих образователей аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль.
Если образующий аэрозоль субстрат представляет собой твердый образующий аэрозоль субстрат, то этот твердый образующий аэрозоль субстрат может содержать, например, одно или более из следующего: порошок, гранулы, шарики, крупицы, тонкие трубки, полоски или листы, содержащие одно или более из следующего: травяные листья, табачные листья, фрагменты табачных жилок, восстановленный табак, гомогенизированный табак, экструдированный табак, литой листовой табак и расширенный табак. Твердый образующий аэрозоль субстрат, может иметь рассыпную форму или он может быть обеспечен в подходящей таре или картридже. При необходимости, твердый образующий аэрозоль субстрат может содержать дополнительные табачные или нетабачные летучие ароматические соединения, высвобождаемые при нагреве субстрата. Твердый образующий аэрозоль субстрат может также содержать капсулы, которые содержат, например, дополнительные табачные или нетабачные летучие ароматические соединения, и такие капсулы могут плавиться во время нагрева твердого образующего аэрозоль субстрата.
В контексте данного документа термин «гомогенизированный табак» относится к материалу, образованному в результате агломерирования табака в виде частиц. Гомогенизированный табак может иметь форму листа. Содержание образователя аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять более 5% в пересчете на сухой вес. В других примерах содержание образователя аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять от 5% до 30% в пересчете на сухой вес. Листы гомогенизированного табачного материала могут быть образованы путем агломерирования табака в виде частиц, полученного путем помола или иного измельчения слоев табачного листа и/или жилок табачного листа. В других примерах или дополнительно листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или более из следующего: табачная пыль, табачная мелочь и другие табачные отходы в виде частиц, образующиеся, например, при обработке, перемещении и отгрузке табака. Листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или более внутренних связующих, т.е. табачных эндогенных связующих, одно или более внешних связующих, т.е. табачных экзогенных связующих, или их сочетание, что способствует агломерированию табака в виде частиц; в других примерах или дополнительно листы гомогенизированного табачного материала могут содержать другие добавки, включая, но без ограничения, табачные и нетабачные волокна, образователи аэрозоля, увлажнители, пластификаторы, ароматизаторы, наполнители, водные и неводные растворители и их сочетания.
При необходимости, твердый образующий аэрозоль субстрат может быть обеспечен на термостабильном носителе или встроен в него. Носитель может иметь форму порошка, гранул, шариков, крупиц, тонких трубочек, полосок или листов. В других примерах носитель может представлять собой трубчатый носитель, имеющий тонкий слой твердого субстрата, нанесенный на его внутреннюю поверхность и/или на его внешнюю поверхность. Такой трубчатый носитель может быть образован, например, из бумаги или бумагообразного материала, нетканого мата из углеродных волокон, легкой металлической сетки с открытыми ячейками, или перфорированной металлической фольги, или любой другой термостабильной полимерной матрицы.
Твердый образующий аэрозоль субстрат может быть нанесен на поверхность носителя в виде, например, листа, пены, геля или суспензии. Твердый образующий аэрозоль субстрат может быть нанесен на всю поверхность носителя или, в других примерах, он может быть нанесен в виде рисунка с целью обеспечения неоднородной доставки аромата во время использования.
Несмотря на то, что выше упоминаются твердые образующие аэрозоль субстраты, специалистам в данной области техники будет понятно, что с другими вариантами осуществления могут быть использованы другие формы образующего аэрозоль субстрата. Например, образующий аэрозоль субстрат может представлять собой жидкий образующий аэрозоль субстрат. Если используется жидкий образующий аэрозоль субстрат, то образующее аэрозоль устройство предпочтительно содержит средства для удержания жидкости. Например, жидкий образующий аэрозоль субстрат может удерживаться в емкости. В других примерах или дополнительно жидкий образующий аэрозоль субстрат может быть абсорбирован внутри пористого несущего материала. Пористый несущий материал может быть изготовлен из любой подходящей абсорбционной заглушки или тела, например из вспененного материала или пластмассового материала, полипропилена, терилена, нейлоновых волокон или керамики. Жидкий образующий аэрозоль субстрат может удерживаться в пористом несущем материале перед использованием образующего аэрозоль устройства или, в других примерах, материал жидкого образующего аэрозоль субстрата может высвобождаться в пористый несущий материал во время использования или непосредственно перед использованием. Например, жидкий образующий аэрозоль субстрат может быть обеспечен в капсуле. Оболочка указанной капсулы предпочтительно плавится при нагреве и высвобождает жидкий образующий аэрозоль субстрат внутрь пористого несущего материала. Указанная капсула может, при необходимости, содержать твердое вещество в сочетании с жидкостью.
В других примерах носитель может представлять собой нетканое полотно или пучок волокон, в которые включены табачные компоненты. Указанное нетканое полотно или пучок волокон может содержать, например, углеродные волокна, натуральные целлюлозные волокна или волокна из производных целлюлозы.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения образующее аэрозоль устройство может дополнительно содержать источник питания для подачи мощности на нагревательный элемент. Источник питания может представлять собой любой подходящий источник питания, например источник напряжения постоянного тока. В одном варианте осуществления источник питания представляет собой литий-ионную батарею. В других примерах источник 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.
Контроллер может содержать микропроцессор, и предпочтительно он содержит программируемый микропроцессор. Контроллер может содержать энергонезависимую память. Устройство может содержать интерфейс, выполненный с возможностью передачи данных от контроллера на внешние устройства и приема данных, поступающих на контроллер от внешних устройств. Интерфейс может обеспечивать возможность загрузки в контроллер программного обеспечения для его запуска в программируемом микропроцессоре. Интерфейс может представлять собой проводной интерфейс, такой как порт Micro-USB, либо он может представлять собой беспроводной интерфейс.
В третьем аспекте настоящего изобретения предложена электрическая схема для образующего аэрозоль устройства с электрическим управлением, и эта электрическая схема предназначена для осуществления способа согласно первому аспекту настоящего изобретения.
В четвертом аспекте настоящего изобретения предложена компьютерная программа, которая при ее запуске в программируемой электрической схеме для образующего аэрозоль устройства с электрическим управлением инициирует выполнение этой программируемой электрической схемой способа согласно первому аспекту настоящего изобретения. В пятом аспекте настоящего изобретения предложен машиночитаемый носитель данных, в котором сохранена компьютерная программа согласно четвертому аспекту настоящего изобретения.
Примеры осуществления настоящего изобретения будут далее подробно описаны со ссылками на сопроводительные графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показано схематичное изображение образующего аэрозоль устройства;
на фиг. 2 показано изменение предельного значения максимального коэффициента заполнения во время сеанса курения с использованием устройства того типа, который показан на фиг. 1;
на фиг. 3 показано схематичное изображение температурного профиля для нагревательного элемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 показано схематичное изображение стабильной доставки аэрозоля в соответствии с температурным профилем по фиг. 3;
на фиг. 5 показан целевой температурный профиль согласно настоящему изобретению;
на фиг. 6 показан схематичный чертеж схемы регулирования температуры для устройства того типа, который показан на фиг. 1; и
на фиг. 7 показана блок-схема, иллюстрирующая способ регулирования согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 1 в упрощенном виде показаны компоненты варианта осуществления образующего аэрозоль устройства 100 с электрическим нагревом. В частности, элементы образующего аэрозоль устройства 100 с электрическим нагревом на фиг. 1 изображены не в масштабе. Элементы, которые не являются существенными для понимания данного варианта осуществления, в целях упрощения фиг. 1 были опущены.
Образующее аэрозоль устройство 100 с электрическим нагревом содержит корпус 10 и образующий аэрозоль субстрат 12, например сигарету. Образующий аэрозоль субстрат 12 вдавливают внутрь корпуса 10 до достижения тепловой близости с нагревательным элементом 14. Образующий аэрозоль субстрат 12 будет высвобождать ряд летучих соединений при различных температурах. Путем регулирования максимальной рабочей температуры образующего аэрозоль устройства 100 с электрическим нагревом таким образом, чтобы она была ниже температуры высвобождения некоторых из летучих соединений, обеспечивают возможность предотвращения высвобождения или образования этих компонентов дыма.
Внутри корпуса 10 размещен источник 16 электроэнергии, например перезаряжаемая литий-ионная батарея. Микроконтроллер 18 соединен с нагревательным элементом 14, источником 16 электроэнергии и интерфейсом 20 пользователя, например кнопкой или дисплеем. Микроконтроллер 18 имеет встроенное программное обеспечение для управления подачей мощности на нагревательный элемент 14 с целью регулирования его температуры. Образующий аэрозоль субстрат обычно нагревают до температуры от 250 до 450 градусов по Цельсию.
Микроконтроллер подает мощность на нагревательный элемент в виде импульсов электрического тока. Микроконтроллер может быть запрограммирован на ограничение максимально допустимого коэффициента заполнения импульсов тока. Может иметь место абсолютный максимум коэффициента заполнения, в данном примере - 95%, и переменный максимум коэффициента заполнения, основанный на сохраненном временном профиле, так что максимально возможный коэффициент заполнения изменяется с течением времени вслед за активацией нагревательного элемента. На фиг. 2 показан ход сеанса курения с использованием устройства того типа, который показан на фиг. 1, в примере, в котором для простоты пояснения целевая температура является постоянной. Целевая температура нагревательного элемента показана линией 30 и, как можно видеть, она поддерживается на уровне 375°C на протяжении всего сеанса курения, который в целом длится шесть минут. С помощью микроконтроллера сеанс курения разделяется на фазы с различными максимальными пределами коэффициента заполнения в различных фазах. Коэффициент заполнения в данном контексте означает относительное время в процентах, в течение которого осуществляется подача мощности. В примере, показанном на фиг. 2, в первой фазе коэффициент заполнения ограничен 95% в течение 30 секунд. В течение этого периода нагревательный элемент нагревается до целевой температуры. Во второй фазе, тоже длящейся 30 секунд, коэффициент заполнения ограничен 65%. Для поддержания температуры нагревательного элемента требуется меньшая мощность, чем для его нагрева. В третьей фазе, длящейся 30 секунд, коэффициент заполнения ограничен 60%. В четвертой фазе, длящейся 90 секунд, коэффициент заполнения ограничен 55% ; в пятой фазе, длящейся 60 секунд, коэффициент заполнения ограничен 50%; и в шестой фазе, длящейся 120 секунд, коэффициент заполнения ограничен 45%.
По мере обеднения субстрата удаляется меньше тепла в результате испарения, так что требуется меньше мощности для поддержания температуры нагревательного элемента на уровне целевой температуры. Кроме того, температура окружающих частей устройства повышается с течением времени, и, следовательно, поглощается меньше энергии с течением времени. Соответственно, для снижения вероятности возгорания максимально допустимая мощность снижается с течением времени для заданной целевой температуры. Как правило, максимально допустимая мощность или максимальный коэффициент заполнения, деленный на целевую температуру, постепенно снижается с течением времени вслед за активацией нагревательного элемента в процессе одного сеанса курения.
Тем не менее, обычно желательно иметь изменяющуюся температуру в течение сеанса курения. На фиг. 3 схематично показан температурный профиль для нагревательного элемента. Линия 60 показывает температуру нагревательного элемента во времени.
В первой фазе 70 температура нагревательного элемента повышается от температуры окружающей среды до первой температуры 62. Температура 62 находится в пределах допустимого температурного диапазона от минимальной температуры 66 до максимальной температуры 68. Изменение допустимой температуры задают таким образом, чтобы требуемые летучие соединения испарялись из субстрата, а нежелательные соединения, испаряющиеся при более высоких температурах, не испарялись. Допустимый температурный диапазон лежит также ниже температуры, при которой возможно горение субстрата в нормальных рабочих условиях, т. е. при нормальных температуре, давлении, влажности, манере осуществления затяжек пользователем и составе воздуха.
Во второй фазе 72 температура нагревательного элемента снижается до второй температуры 64. Вторая температура 64 находится в пределах допустимого температурного диапазона, но она ниже, чем первая температура.
В третьей фазе 74 температура нагревательного элемента постепенно повышается до момента времени 76 деактивации. На всем протяжении третьей фазы температура нагревательного элемента остается в пределах допустимого температурного диапазона.
На фиг. 4 схематично показан профиль величины доставки ключевого аэрозольного компонента при температурном профиле нагревательного элемента, показанном на фиг. 3. После первоначального увеличения величины доставки вслед за активацией нагревательного элемента, величина доставки остается постоянной до тех пор, пока нагревательный элемент не будет деактивирован. В результате повышения температуры в третьей фазе компенсируется израсходование образователя аэрозоля, содержащегося в субстрате.
На фиг. 5 показан пример целевого температурного профиля, который основан на реальном температурном профиле, показанном на фиг. 3, и на котором хорошо видны три фазы работы. В первой фазе 70 задают целевую температуру T0. Подают мощность на нагревательный элемент для того, чтобы температура нагревательного элемента как можно быстрее повысилась до T0. В момент времени t1 целевую температуру изменяют на T1, и это означает, что первая фаза 70 завершена и начинается вторая фаза. Поддерживают целевую температуру T1 до момента времени t2. В момент времени t2 завершают вторую фазу и начинают третью фазу 74. Во время третьей фазы 74 целевую температуру линейно повышают с течением времени до момента времени t3, когда целевая температура достигает T2, и больше не подают мощность на нагревательный элемент.
На фиг. 6 показана схема управления, используемая для обеспечения описанного регулирования температуры согласно одному варианту осуществления изобретения.
Нагреватель 14 соединен с батареей через соединение 22. От батареи 16 подается напряжение V2. Последовательно с нагревательным элементом 14 включен дополнительный резистор 24 с известным сопротивлением r, соединенный с напряжением V1, средним между напряжением земли и напряжением V2. Управление частотной модуляцией тока осуществляется микроконтроллером 18, и сигнал с его аналогового выхода 30 подается на транзистор 26, который действует в качестве простого переключателя.
Регулирование представляет собой часть программного обеспечения, встроенного в микроконтроллер 18, как будет описано ниже. Показатель температуры нагревательного элемента (в данном примере - электрическое сопротивление нагревательного элемента) определяют путем измерения электрического сопротивления нагревательного элемента. Указанный показатель температуры используют для регулирования тока, подаваемого на нагревательный элемент с целью поддержания нагревательного элемента при температуре, близкой к целевой температуре. Показатель температуры определяют при частоте, выбранной для соответствия таймированию, необходимому для процесса регулирования, и этот показатель может определяться с частотой один раз в 1 мс.
Аналоговый вход 21 микроконтроллера 18 используется для приема напряжения V2 на нагревателе 14 со стороны батареи. Аналоговый вход 23 микроконтроллера используется для приема напряжения V1 на нагревателе со стороны земли. Аналоговый выход 25 микроконтроллера выдает картину электрического тока I, протекающего в дополнительном резисторе 24 и в нагревательном элементе 14.
Сопротивление нагревателя, которое должно быть измерено при конкретной температуре, обозначено через Rheater. С целью измерения микропроцессором 18 сопротивления Rheater нагревателя 14, могут быть определены как ток через нагреватель 14, так и напряжение на нагревателе 14. Тогда для определения сопротивления может быть применен закон Ома:
На фиг. 6 напряжение на нагревателе обозначено через V2-V1, а ток через нагреватель обозначен через I. Таким образом:
Дополнительный резистор 24, сопротивление r которого известно, используется для определения тока I вновь с помощью формулы (1), приведенной выше. Ток через резистор 24 обозначен через I, и напряжение на резисторе 24 обозначено через V1. Таким образом:
Таким образом, микропроцессор 18 может измерять V2 и V1 во время использования образующей аэрозоль системы, и, зная r, он может определять сопротивление Rheater нагревателя при конкретной температуре.
Сопротивление нагревателя коррелирует с температурой. Для соотнесения температуры T с измеренным сопротивлением Rheater при температуре T согласно нижеследующей формуле, может использоваться линейная аппроксимация:
где A - коэффициент удельного теплового сопротивления материала нагревательного элемента и R0 - сопротивление нагревательного элемента при комнатной температуре T0.
Таким образом, обеспечивается возможность сравнения температуры нагревательного элемента с целевой температурой, сохраненной в памяти, и в результате обеспечивается возможность определения того, превышает ли фактическая температура целевую температуру и, если да, то насколько.
Тем не менее, в процессе регулирования нет необходимости в вычислении температуры. Фактически, нет необходимости даже в вычислении Rheater. Вместо этого микроконтроллер 18 определяет, выполняется ли условие, согласно которому V2-V1 не больше I*Rtarget, где Rtarget представляет собой целевой профиль сопротивления. Таким образом исключается необходимость в выполнении каких-либо операций деления и, следовательно, сокращается требуемое число вычислительных циклов. Rtarget может быть вычислено в начале каждой фазы профиля нагрева на основе целевого температурного профиля, сохраненного в памяти, и калибровочных значений нагревателя.
Для аппроксимации взаимосвязи между сопротивлением и температурой могут использоваться другие, более сложные, способы, если простая линейная аппроксимация является недостаточно точной в диапазоне рабочих температур. Например, еще в одном варианте осуществления взаимосвязь может быть получена на основе комбинации из двух или более линейных аппроксимаций, каждая из которых охватывает отличный от других температурный диапазон. Эта схема основана на трех или более точках калибровки по температуре, в которых измеряется сопротивление нагревателя. Для температур между точками калибровки значения сопротивления интерполируются на основе значений в точках калибровки. Температуры точек калибровки выбираются для охвата предполагаемого температурного диапазона нагревателя во время работы.
Преимущество этих вариантов осуществления состоит в отсутствии датчика температуры, который может быть громоздким и дорогостоящим. Также значение сопротивления может быть использовано непосредственно микроконтроллером вместо температуры. Если значение сопротивления удерживается в требуемом диапазоне, то температура нагревательного элемента также будет удерживаться в требуемом диапазоне. Соответственно, нет необходимости в вычислении фактической температуры нагревательного элемента. Тем не менее, можно использовать отдельный датчик температуры, подключив его к микроконтроллеру для обеспечения необходимой температурной информации.
На фиг. 7 показан способ регулирования, который может использоваться для регулирования температуры нагревателя с целью обеспечения того, чтобы она следовала целевому температурному профилю, такому как профиль, показанный на фиг. 5, и оставалась ниже уровня, соответствующего максимуму коэффициента заполнения, как показано на фиг. 2, в течение всего процесса нагрева.
Способ регулирования представляет собой циклическое регулирование с периодом 1 мс. Способ начинают на этапе 100 путем подачи тока на нагревательный элемент в течение 500 мкс. Активация нагревателя в течение этого периода необходима в целях регистрации результатов контроля температуры. Затем на этапе 110 сравнивают сопротивление нагревательного элемента R с целевым сопротивлением (или, как пояснено выше, напряжение на нагревательном элементе сравнивают с I* Rtarget). Если R не больше Rtarget, то переходят к этапу 120 способа, на котором проверяют, приведет ли подача следующего импульса тока к тому, что коэффициент заполнения подаваемой мощности превысит максимально допустимый коэффициент заполнения в течение предыдущих 50 мс. Если подача нового импульса тока не приведет к превышению максимально допустимого коэффициента заполнения, то подают новый импульс длительностью 500 мкс на нагревательный элемент на этапе 130 перед тем, как вернуться к этапу 100 способа. Если подача нового импульса тока приведет к превышению максимально допустимого коэффициента заполнения, то переходят к этапу 140 способа, на котором не подают ток на нагреватель в течение 1 мс, что соответствует одному циклу циклического регулирования, перед возвратом к этапу 100 способа.
Если на этапе 110 определено, что R больше, чем Rtarget, то переходят к этапу 150 способа, на котором проверяют, выполняется ли условие, согласно которому R больше, чем Rtarget, на величину, соответствующую температуре, не меньшей 100C. Если нет, то переходят к этапу 160 способа, на котором блокируют подачу мощности на нагревательный элемент в течение 7 мс. Если R больше, чем Rtarget, на величину, соответствующую температуре, не меньшей 100C, то переходят к этапу 170 способа, на котором блокируют подачу мощности на нагревательный элемент в течение 100 мс. Этот намного более длительный период блокировки подачи мощности на нагревательный элемент перед повторной проверкой результатов измерения температуры приводит к более быстрому охлаждению, что необходимо в случае быстрого снижения целевой температуры. Поскольку процесс проверки температуры нагревательного элемента изначально включает в себя подачу мощности на нагревательный элемент, нежелательна более частая проверка температуры, когда требуется быстрое охлаждение.
Очевидно, что при выполнении способа, показанного на фиг. 7, с целью подачи импульса тока на нагреватель должны быть проведены два теста. Первый тест должен подтвердить, что температура нагревателя не выше целевого значения, и второй тест должен подтвердить, что подача импульса тока не приведет к превышению максимально допустимого коэффициента заполнения. Этот второй тест обеспечивает проверку образующего аэрозоль субстрата на предмет отсутствия перегрева.
Следует понимать, что приведенные в качестве примера варианты осуществления, описанные выше, являются иллюстративными, а не ограничивающими. В свете вышеописанных иллюстративных вариантов осуществления, специалистам с обычной квалификацией в данной области техники будут теперь понятны и другие варианты осуществления, соответствующие вышеописанным примерам вариантов осуществления.
1. Способ управления нагревом в образующей аэрозоль системе с нагревателем, включающий в себя этапы, на которых:
сравнивают измеренный параметр, характеризующий температуру нагревателя, с целевым значением для этого параметра;
в случае если измеренный параметр выше целевого значения не менее чем на первую величину, блокируют подачу мощности на нагреватель в течение первого периода времени; и
в случае если измеренный параметр выше целевого значения, но менее чем на первую величину, блокируют подачу мощности на нагреватель в течение второго периода времени, более короткого, чем первый период времени.
2. Способ по п. 1, согласно которому изменяют целевое значение с течением времени.
3. Способ по п. 2, согласно которому прерывисто изменяют целевое значение с течением времени.
4. Способ по любому из предыдущих пунктов, согласно которому, в случае если измеренный параметр не выше целевого значения, подают мощность на нагреватель.
5. Способ по любому из предыдущих пунктов, согласно которому подают мощность на нагреватель в виде импульсов электрического тока, причем, в случае если измеренный параметр не выше целевого значения, определяют, не приведет ли подача мощности к тому, что коэффициент заполнения импульсов электрического тока превысит максимальный коэффициент заполнения в течение первого периода времени, и подают мощность на нагреватель лишь в том случае, если подача мощности не приведет к тому, что коэффициент заполнения импульсов электрического тока превысит максимальный коэффициент заполнения.
6. Способ по любому из предыдущих пунктов, согласно которому измеряемый параметр представляет собой электрическое сопротивление нагревателя.
7. Способ по любому из предыдущих пунктов, согласно которому образующая аэрозоль система представляет собой курительную систему с электрическим нагревом.
8. Способ по п. 7, согласно которому курительная система с электрическим нагревом выполнена с возможностью нагрева табачного субстрата.
9. Образующая аэрозоль система с электрическим нагревом, содержащая:
нагреватель;
источник электропитания и
контроллер, выполненный с возможностью: сравнения измеренного параметра, характеризующего температуру нагревателя, с целевым значением для этого параметра;
блокировки подачи мощности на нагреватель в течение первого периода времени, в случае если измеренный параметр выше целевого значения не менее чем на первую величину; и
блокировки подачи мощности на нагреватель в течение второго периода времени, более короткого, чем первый период времени, в случае если измеренный параметр выше целевого значения, но менее чем на первую величину.
10. Система по п. 9, в которой контроллер выполнен с возможностью изменения целевого значения с течением времени в соответствии с требуемым целевым профилем, сохраненным в памяти.
11. Система по п. 10, в которой контроллер выполнен с возможностью прерывистого изменения целевого значения с течением времени.
12. Система по любому из пп. 9-11, в которой контроллер выполнен с возможностью подачи мощности на нагреватель от источника питания, в случае если измеренный параметр не выше целевого значения.
13. Система по любому из пп. 9-12, в которой контроллер выполнен с возможностью подачи мощности на нагреватель в виде импульсов электрического тока, причем, в случае если измеренный параметр не выше целевого значения, контроллер определяет, не приведет ли подача мощности к тому, что коэффициент заполнения импульсов электрического тока превысит максимальный коэффициент заполнения в течение первого периода времени, и подает мощность на нагреватель лишь в том случае, если подача мощности не приведет к тому, что коэффициент заполнения импульсов тока превысит максимальный коэффициент заполнения.
14. Система по любому из пп. 9-13, в которой измеряемый параметр представляет собой электрическое сопротивление нагревателя, причем контроллер выполнен с возможностью измерения электрического сопротивления нагревателя в течение периодов, когда мощность подается на нагреватель.
15. Система по любому из пп. 9-14, представляющая собой курительную систему с электрическим нагревом.
