Электрически управляемое устройство, генерирующее аэрозоль, с непрерывным регулированием подачи мощности
Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в упрощении конструкции и снижении потребления электроэнергии. Представлена система, генерирующая аэрозоль, содержащая: источник (60) электропитания; электрический нагреватель (40); и схему (100) управления мощностью, присоединенную между источником (60) электропитания и нагревателем (40), причем схема (100) управления мощностью содержит: блок (30) измерения мощности, выполненный с возможностью определения мощности, подаваемой на нагреватель (40) из источника (60) электропитания, и вывода напряжения, соответствующего измеренной мощности, пропорционально мощности, поданной на нагреватель (40); компаратор (10) напряжения, соединенный с блоком (30) измерения мощности и выполненный с возможностью вывода сигнала разности напряжений на основании разности между напряжением, соответствующим измеренной мощности, и эталонным напряжением (V эталонное); и регулятор (12) мощности, присоединенный между источником (60) электропитания и нагревателем (40) и реагирующий на сигнал разности напряжений, причем регулятор (12) мощности выполнен с возможностью регулирования тока или напряжения, подаваемого на нагреватель (40), для возвращения сигнала разности напряжений в пределы заданного диапазона или для сведения к минимуму сигнала разности напряжений. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к электрически нагреваемым системам, генерирующим аэрозоль, и, в частности, к резистивно нагреваемым системам, генерирующим аэрозоль.
Электрически нагреваемая система, генерирующая аэрозоль, нагревает субстрат, образующий аэрозоль, для генерирования аэрозоля. Один пример электрически нагреваемой системы, генерирующей аэрозоль, представляет собой электрически нагреваемую курительную систему. В электрически нагреваемой курительной системе субстрат, образующий аэрозоль, такой как табачный штранг или сигарета, нагревают до температуры, при которой высвобождаются летучие соединения для образования аэрозоля, который может вдыхать пользователь.
В подобной системе температурой субстрата, образующего аэрозоль, должны управлять таким образом, чтобы она была ниже температуры, при которой может произойти сгорание табачного продукта. Таким образом, необходимо управлять температурой нагревателя в электрически нагреваемых устройствах, генерирующих аэрозоль. Это преимущественно выполняется для обеспечения генерирования аэрозоля с требуемыми свойствами. Однако для удовлетворения запросов потребителя также важно, чтобы присутствовало постоянное количество аэрозоля, образуемое от одного вдыхания до следующего.
Температурой нагревателя могут управлять за счет ограничения величины напряжения или тока, подаваемого на нагреватель. Альтернативно, если ток подается импульсно, коэффициент заполнения или ширина импульсов тока может изменяться для управления температурой нагревателя.
Однако одна проблема резистивных нагревателей заключается в том, что электрическое сопротивление нагревателя, как правило, будет увеличиваться со временем и обычно изменяется в зависимости от температуры. В продукте массового производства электрическое сопротивление также может отличаться от одного нагревателя к другому. Это означает, что управление температурой, которое достигается за счет использования простого управления напряжением или током, не обеспечит надежных результатов с течением времени или от одного нагревателя к другому.
В связи с этим, как правило, электрически нагреваемые системы, генерирующие аэрозоль, содержат датчик температуры любого типа для обеспечения надежного регулирования температуры. Для управления подачей мощности на основе измеренной температуры также необходим микропроцессор. Однако эти компоненты являются относительно сложными и потребляют энергию. В удерживаемых рукой системах, управляемых от батареи, желательно как можно сильнее сводить к минимуму энергопотребление.
Было бы желательно предоставить систему для регулирования температуры, которая является простой и сама не потребляет значительное количество энергии. В частности, было бы желательно не требовать датчика температуры или использования микропроцессора для осуществления вычислений относительно температуры.
В первом аспекте настоящего изобретения предоставлено устройство, генерирующее аэрозоль, содержащее:
источник электропитания;
электрический нагреватель; и
схему управления мощностью, присоединенную между источником электропитания и электрическим нагревателем, причем схема управления мощностью содержит:
блок измерения мощности, выполненный с возможностью определения мощности, подаваемой на электрический нагреватель из источника электропитания, и вывода напряжения, соответствующего измеренной мощности, пропорционально мощности, поданной на электрический нагреватель;
компаратор напряжения, соединенный с блоком измерения мощности и выполненный с возможностью вывода сигнала разности напряжений на основании разности между напряжением, соответствующим измеренной мощности, и эталонным напряжением; и
регулятор мощности, присоединенный между источником электропитания и электрическим нагревателем и реагирующий на сигнал разности напряжений, причем регулятор мощности выполнен с возможностью регулирования тока или напряжения, подаваемого на электрический нагреватель, для возвращения сигнала разности напряжений в пределы заданного диапазона или для сведения к минимуму сигнала разности напряжений.
Устройство может работать за счет нагрева субстрата, образующего аэрозоль, для испарения летучих соединений в субстрате, образующем аэрозоль. Затем испаренные соединения охлаждаются в потоке воздуха с образованием аэрозоля. Устройство, генерирующее аэрозоль, предпочтительно выполнено с возможностью генерирования аэрозоля для вдыхания пользователем. В контексте настоящего документа термин «субстрат, образующий аэрозоль» означает субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Такие летучие соединения могут высвобождаться путем нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, для удобства может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, или курительного изделия. В контексте настоящего документа термин «устройство, генерирующее аэрозоль» относится к устройству, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, с генерированием аэрозоля.
Тепло, генерируемое электрическим нагревателем в результате джоулева нагрева, пропорционально мощности, подаваемой на нагреватель, умноженной на время, в течение которого эта мощность подается. Для данной теплоемкости изменение температуры емкости пропорционально теплу, подаваемому для нее. Таким образом, изменение температуры субстрата, образующего аэрозоль, расположенного вблизи электрического нагревателя, будет пропорционально мощности, подаваемой на нагреватель, умноженной на время, в течение которого эта мощность подается.
Система согласно настоящему изобретению обеспечивает простое регулирование мощности для управления температурой. Схема управления мощностью может быть реализована с использованием компонентов, которые не потребляют очень много энергии. В частности, не требуется отдельный датчик температуры.
В дополнение, отсутствует необходимость в калибровке каждого электрического нагревателя, поскольку соотношение энергии/температуры для системы не зависит от сопротивления нагревателя. Это является особенно целесообразным, если система выполнена с возможностью использования взаимозаменяемых или заменяемых нагревателей. В системе согласно настоящему изобретению также устраняется проблема дрейфа сопротивления нагревателя.
Система согласно настоящему изобретению также решает проблему уменьшения напряжения батареи, так как батарея разряжается и стареет.
Преимущественно схема управления мощностью представляет собой аналоговую схему. Иными словами, блок измерения мощности, компаратор напряжения и регулятор мощности реализованы с использованием компонентов аналоговой схемы. Преимущество этого заключается в том, что управление мощностью выполняется непрерывно, а не периодически или с перерывами. Отсутствует необходимость в расчете на этапах обработки необходимого напряжения или коэффициента заполнения или хранении таблицы соответствия заданных значений.
Использование стабилизированного, но непрерывного постоянного тока, является более оптимальным для электронных компонентов в устройстве, чем использование импульсов тока, стабилизируемого за счет использования модуляции коэффициента заполнения. В частности, за счет использования непрерывного постоянного тока меньшей мощности уменьшается электромиграция во времени и, следовательно, повышается надежность устройства.
В устройстве согласно настоящему изобретению отсутствует необходимость в батарее для обеспечения максимально возможного тока разряда в том смысле, в котором нужна в устройстве с модуляцией коэффициента заполнения. Это увеличивает срок службы батареи.
Устройство согласно настоящему изобретению обеспечивает изготовление небольших недорогих устройств с низкой мощностью, которые также являются надежными.
В одном варианте осуществления регулятор мощности выполнен с возможностью регулирования тока, подаваемого на электрический нагреватель, только когда сигнал разности напряжений выходит за пределы заданного диапазона.
В другом варианте осуществления регулятор мощности выполнен с возможностью регулирования тока, подаваемого на электрический нагреватель таким образом, что подаваемая мощность регулируется в направлении диапазона заданной подаваемой мощности.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может быть выполнено с возможностью подачи электропитания на нагреватель в течение заданного периода времени после активации. Заданный период времени может соответствовать одной затяжке или вдоху пользователя или может соответствовать сеансу использования устройства, охватывающему временной период больше одной затяжки. Например, на нагреватель могут подавать мощность в течение двух секунд после активации. В таком случае нагреватель может быть активирован только при обнаружении затяжки пользователем или при приведении пользователем в действие кнопки непосредственно перед затяжкой. Альтернативно в другом примере на нагреватель может подаваться мощность в течение шести минут после активации, что соответствует обычному количеству времени, затрачиваемому на выкуривание обычной сигареты. В течение этих шести минут пользователь может сделать несколько затяжек на устройстве. Не зависимо от периода активации нагревателя при активации может быть предусмотрена постоянная мощность, или мощность, соответствующая заданному профилю мощности. Использование аналоговых компонентов для схемы управления мощностью обеспечивает выполнение непрерывного регулирования мощности во время активации.
Регулятор мощности может содержать биполярный плоскостной транзистор, имеющий базу, соединенную с выводом компаратора напряжения. Альтернативно регулятор мощности может представлять собой регулятор с падением напряжения, такой как одиночный регулятор сопротивления с падением слабого тока. Одним примером такого регулятора является LT3083 от компании Linear Technology Corporation по адресу 2085 E Technology Cir, Tempe, AZ 85284, США.
Блок измерения мощности может содержать блок умножения, выполненный с возможностью умножения напряжения, подаваемого на электрический нагреватель, на напряжение, отражающее ток, подаваемый на электрический нагреватель, для предоставления напряжения, соответствующего измеренной мощности.
Блок измерения мощности может содержать блок измерения тока, выполненный с возможностью предоставления выходного напряжения, отражающего ток, подаваемый на электрический нагреватель. Блок измерения тока может содержать операционный усилитель. Операционный усилитель может быть соединен параллельно сенсорному резистору с известным электрическим сопротивлением. Альтернативно блок измерения тока может представлять собой датчик на эффекте Холла, например датчик LTC1966 от компании Linear Technology Corporation.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может дополнительно содержать микроконтроллер. Микроконтроллер может быть выполнен с возможностью предоставления эталонного напряжения. Микроконтроллер может быть выполнен с возможностью изменения эталонного напряжения во время работы устройства. Это может быть полезным для образования однородного аэрозоля в течение работы устройства. Например, при нагреве твердого субстрата, образующего аэрозоль, такого как сигарета, количество летучих соединений в субстрате, образующем аэрозоль, расходуется при нагреве, и может потребоваться подача большей мощности на израсходованный субстрат для генерирования однородного аэрозоля. Изменения эталонного напряжения могут быть периодическими или скачкообразными на основе времени после активации или другой измеренной переменной, такой как количество затяжек пользователем на устройстве, или могут быть непрерывными. Например, эталонное напряжение изменяется после каждой затяжки пользователем на устройстве или может изменяться после каждых n-ых затяжек, где n составляет целое число больше единицы. В одном примере эталонное напряжение увеличивается для каждой последующей затяжки пользователем после первоначальной активации устройства. Микроконтроллер может быть выполнен с возможностью изменения эталонного напряжения на основе обнаруженного количества вдохов пользователя. В качестве альтернативы или дополнения, микроконтроллер может быть выполнен с возможностью изменения эталонного напряжения на основе времени после активации устройства.
Эталонное напряжение может подаваться разными источниками постоянного напряжения, такими как регулятор напряжения или делитель напряжения.
В одном варианте осуществления компаратор напряжения содержит операционный усилитель. Входными сигналами на операционный усилитель могут быть эталонное напряжение и напряжение, соответствующее измеренной мощности. Резистор ограничения тока может быть соединен с выводом операционного усилителя.
Электрический нагреватель может быть соединен с возможностью съема со схемой управления мощностью для обеспечения замены электрического нагревателя. Например, нагреватель может быть предоставлен вместе с субстратом, образующим аэрозоль, в расходуемом картридже, который заменяется при израсходовании субстрата, образующего аэрозоль. Схема управления мощностью согласно настоящему изобретению работает таким образом, что отсутствует необходимость калибровки каждого заменяемого электрического нагревателя до использования.
Электрический нагреватель может представлять собой резистивный нагреватель. Нагреватель может содержать электрически резистивный материал. Подходящие электрорезистивные материалы включают, но без ограничения: полупроводники, такие как легированная керамика, электрически «проводящую» керамику (такую как, например, дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, сплавы металлов и композиционные материалы, изготовленные из керамического материала и металлического материала. Такие композитные 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 сплавов металлов включают нержавеющую сталь, никель-, кобальт-, хром-, алюминий-, титан-, цирконий-, гафний-, ниобий-, молибден-, тантал-, вольфрам-, олово-, галлий-, марганец-, золото- и железосодержащие сплавы, а также суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали, Timetal® и сплавы на основе железа-марганца-алюминия. В композиционных материалах электрически резистивный материал может быть необязательно встроен в изоляционный материал, инкапсулирован в него или покрыт им, или наоборот, в зависимости от кинетики переноса энергии и требуемых внешних физико-химических свойств.
Электрический 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 субстрату, образующему аэрозоль. Внутренний нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, внутренний нагревательный элемент может иметь форму нагревательной пластинки. Нагревательная пластинка может быть выполнена из керамической подложки с одной или более резистивными нагревательными дорожками, выполненными из платины или другого подходящего материала и расположенными по одной или обеим сторонам пластинки. Альтернативно внутренний нагреватель может иметь форму гильзы или субстрата, имеющего различные электропроводящие части, или форму электрически резистивной металлической трубки. Альтернативно внутренний нагревательный элемент может представлять собой одну или более нагревательных игл или стержней, которые проходят через центр субстрата, образующего аэрозоль. Другие альтернативные варианты включают нагревательную проволоку или нить, например Ni-Cr (хромоникелевую), платиновую, вольфрамовую или проволоку из сплавов или нагревательную пластину. Необязательно внутренний нагревательный элемент может быть нанесен внутри или снаружи на жесткий материал носителя. В одном таком варианте осуществления электрически резистивный нагревательный элемент может быть выполнен с использованием металла, имеющего определенное соотношение между температурой и удельным сопротивлением. В таком приведенном в качестве примера устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки на подходящем изолирующем материале, таком как керамический материал, а затем уложен между слоями другого изолирующего материала, такого как стекло. Образованные 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 иметь форму одного или более листов гибкой нагревательной фольги на диэлектрической подложке, такой как полиимидная. Листам гибкой нагревательной фольги может быть придана форма, соответствующая периметру полости для размещения субстрата. Альтернативно внешний нагревательный элемент может иметь форму металлической решетки или решеток, гибкой печатной платы, литого соединительного устройства (MID), керамического нагревателя, гибкого нагревателя из углеродного волокна, или он может быть образован с использованием технологии нанесения покрытия, такой как плазменное осаждение из паровой фазы на субстрате подходящей формы. Внешний нагревательный элемент может также быть образован с использованием металла, имеющего определенную зависимость между температурой и удельным сопротивлением. В таком приведенном в качестве примера устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки между двумя слоями подходящих изоляционных материалов. Образованный таким образом внешний нагревательный элемент может использоваться как для нагрева, так и для отслеживания температуры внешнего нагревательного элемента во время работы.
В одном варианте осуществления электрический нагреватель содержит сетку, матрицу или тканый материал из электрически проводящих нитей. Электрически проводящие нити могут образовывать промежутки между нитями, и промежутки могут иметь ширину от 10 мкм до 100 мкм.
Электрически проводящие нити могут образовывать сетку размером от 160 до 600 меш по стандарту США (+/- 10%) (т.е. от 160 до 600 нитей на дюйм (+/- 10%)). Ширина промежутков предпочтительно составляет от 75 мкм до 25 мкм. Процентное соотношение открытой площади сетки, которое является отношением площади промежутков к общей площади сетки, предпочтительно составляет от 25 до 56%. Сетка может быть образована с использованием разных типов плетеных или решетчатых структур. В качестве альтернативы, электрически проводящие нити состоят из матрицы нитей, расположенных параллельно друг другу.
Электрически проводящие нити могут иметь диаметр от 8 мкм до 100 мкм, предпочтительно от 8 мкм до 50 мкм и более предпочтительно от 8 мкм до 39 мкм. Нити могут иметь круглое поперечное сечение или могут иметь сплющенное поперечное сечение.
Площадь сетки, матрицы или тканого материала из электрически проводящих нитей может быть небольшой, предпочтительно менее или равной 25 мм2, позволяя встраивать его в удерживаемую рукой систему. Сетка, матрица или тканый материал из электрически проводящих нитей могут иметь, например, прямоугольную форму и размеры 5 мм на 2 мм. Предпочтительно сетка, матрица или тканый материал из электрически проводящих нитей занимает площадь от 10% до 50% площади нагревателя в сборе. Более предпочтительно сетка или матрица электрически проводящих нитей занимает площадь от 15 до 25% площади нагревателя в сборе.
Нити могут быть образованы путем травления листового материала, такого как фольга. Это может быть особенно преимущественным в том случае, если нагреватель в сборе содержит матрицу из параллельных нитей. Если нагревательный элемент содержит сетку или тканый материал из нитей, нити могут быть получены по отдельности и связаны вместе.
Предпочтительными материалами для электрически проводящих нитей являются нержавеющие стали марок 304, 316, 304L и 316L.
При работе нагреватель преимущественно нагревает субстрат, образующий аэрозоль, за счет проводимости. Нагреватель может по меньшей мере частично контактировать с субстратом или носителем, на который нанесен субстрат. Альтернативно тепло от внутреннего или внешнего нагревательного элемента может быть проведено к субстрату посредством теплопроводного элемента.
Во время работы субстрат, образующий аэрозоль, может полностью содержаться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В этом случае пользователь может осуществлять затяжку на мундштуке устройства, генерирующего аэрозоль. Альтернативно во время работы курительное изделие, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, может частично размещаться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В этом случае пользователь может осуществлять затяжку непосредственно на курительном изделии. Нагревательный элемент может быть расположен внутри полости в устройстве, при этом полость выполнена с возможностью вмещения субстрата, образующего аэрозоль, 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, также может иметь длину и окружность, по существу перпендикулярную длине.
Субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый субстрат, образующий аэрозоль. Альтернативно субстрат, образующий аэрозоль, может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие вкусоароматические соединения табака, которые высвобождаются из субстрата при нагреве. Альтернативно 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 твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать, например, одно или более из: порошка, гранул, шариков, кусочков, тонких трубок, полосок или листов, содержащих одно или более из: травяных листьев, табачных листьев, фрагментов табачных жилок, восстановленного табака, гомогенизированного табака, экструдированного табака, табачного формованного листа и расширенного табака. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может иметь рассыпную форму или может быть предусмотрен в подходящей емкости или картридже. Необязательно твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать дополнительные табачные или нетабачные летучие вкусоароматические соединения, предназначенные для высвобождения при нагреве субстрата. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может также содержать капсулы, которые содержат, например, дополнительные табачные или нетабачные летучие вкусоароматические соединения, и такие капсулы могут плавиться во время нагрева твердого субстрата, образующего аэрозоль.
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 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 могут быть образованы путем агломерирования табака в виде частиц, полученного путем помола или иного измельчения одного из или обоих слоев табачного листа и стеблей табачного листа. В качестве альтернативы или дополнения, листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или более из табачной пыли, табачной мелочи и других табачных отходов 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 качестве альтернативы или дополнения, 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 иметь форму порошка, гранул, шариков, кусочков, тонких трубок, полосок или листов. Альтернативно носитель может представлять собой трубчатый носитель, имеющий тонкий слой твердого субстрата, нанесенного на его внутреннюю поверхность, или на его внешнюю поверхность, или на обе из его внутренней и внешней поверхностей. Такой трубчатый носитель может быть выполнен, например, из бумаги или материала, подобного бумаге, нетканого мата из углеродных волокон, легкого сетчатого металлического экрана 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 альтернативно может быть нанесен в виде узора с целью обеспечения неоднородной доставки вкусоароматической добавки во время применения.
Несмотря на то, что выше упоминаются твердые субстраты, образующие аэрозоль, специалисту в данной области техники будет понятно, что с другими вариантами осуществления могут быть применены другие формы субстрата, образующего аэрозоль. Например, субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой жидкий субстрат, образующий аэрозоль. Если предусмотрен жидкий субстрат, образующий аэрозоль, то устройство, генерирующее аэрозоль, предпочтительно содержит средства для удержания жидкости. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может удерживаться в емкости. Альтернативно или дополнительно жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть поглощен пористым материалом носителя. Пористый материал носителя может быть изготовлен из любой подходящей поглощающей заглушки или детали, например из вспененного металлического или пластикового материала, полипропилена, терилена, нейлоновых волокон или керамики. Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может удерживаться в пористом материале носителя перед применением устройства, генерирующего аэрозоль, или альтернативно материал жидкого субстрата, образующего аэрозоль, может высвобождаться в пористый материал носителя во время применения или непосредственно перед ним. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть предусмотрен в капсуле. Оболочка капсулы предпочтительно плавится при нагреве и высвобождает жидкий субстрат, образующий аэрозоль, внутрь пористого материала носителя. Капсула может необязательно содержать твердое вещество в сочетании с жидкостью.
Альтернативно носитель может представлять собой нетканое полотно или пучок волокон, в которые были включены табачные компоненты. Нетканое полотно или пучок волокон могут содержать, например, углеродные волокна, натуральные целлюлозные волокна или волокна из производных целлюлозы.
Источник электропитания может являться любым подходящим источником питания, например источником напряжения постоянного тока. В одном варианте осуществления источник электропитания представляет собой литий-ионную батарею. Альтернативно 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. Источник питания может требовать перезарядки и может обладать емкостью, которая позволяет накапливать достаточно энергии для одного или более сеансов курения; например, источник питания может обладать достаточной емкостью для обеспечения возможности непрерывного генерирования аэрозоля в течение приблизительно шести минут, что соответствует обычному времени, затрачиваемому на выкуривание обычной сигареты, или в течение периода, кратного шести минутам. В другом примере источник питания может обладать достаточной емкостью для обеспечения возможности осуществления заданного количества затяжек или отдельных активаций нагревателя.
Предпочтительно устройство, генерирующее аэрозоль, содержит корпус. Предпочтительно корпус является удлиненным. Корпус может содержать любой подходящий материал или сочетание материалов. Примеры подходящих материалов включают металлы, сплавы, пластмассы или композитные материалы, содержащие один или более из таких материалов, или термопластичные материалы, подходящие для применения в пищевой или фармацевтической промышленности, например, полипропилен, полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиэтилен. Предпочтительно материал является легким и нехрупким.
Предпочтительно устройство, генерирующее аэрозоль, является портативным. Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой электрически нагреваемую курительную систему и может иметь размер, сопоставимый с размером обычной сигары или сигареты. Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой курительную систему. Курительная система может иметь общую длину от приблизительно 30 мм до приблизительно 150 мм. Курительная система может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 30 мм.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой цельное устройство. Альтернативно устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать две или более частей, выполненных с возможностью отделения друг от друга, но соединяемые во время работы. Например, устройство, генерирующее аэрозоль, может иметь основной корпус, содержащий источник питания и что-то или все из схемы управления мощностью, части картриджа, содержащей субстрат, образующий аэрозоль, и мундштука. Электрический нагреватель может располагаться в основном корпусе, в части картриджа или в отдельной части нагревателя.
Электрический нагреватель может быть активирован в ответ на нажатие пользовательской кнопки активации на устройстве или может быть активирован в ответ на измеренную скорость потока воздуха, проходящего через устройство, которая превышает пороговое значение. С этой целью устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать датчик потока воздуха. В качестве альтернативы или дополнения, поток воздуха может определяться за счет обнаружения изменений температуры электрического нагревателя. Значительный поток воздуха, проходящий через нагреватель, будет оказывать охлаждающее действие на нагреватель.
Устройство может быть выполнено с возможностью генерирования аэрозоля для вдыхания пользователем, и при использовании при вдохе пользователь может втягивать воздух мимо электрического нагревателя. Устройство может содержать запоминающее устройство и может быть выполнено с возможностью занесения изменений тока или напряжения, подаваемого на электрический нагреватель, в качестве индикации вдыхания пользователем. Поток воздуха, проходящий через электрический нагреватель, как правило, будет охлаждать нагреватель, что будет изменять электрическое сопротивление электрического нагревателя. Отклонение в электрическом сопротивлении нагревателя приведет к отклонению в токе или напряжении, необходимом для сохранения конкретной мощности, подаваемой на нагреватель. Индикация вдыхания пользователем может быть использована микроконтроллером для изменения эталонного напряжения согласно заданному профилю эталонного напряжения.
Во втором аспекте настоящего изобретения представлен способ регулирования подачи мощности на электрический нагреватель в электрически нагреваемой системе, генерирующей аэрозоль, причем система, генерирующая аэрозоль, содержит источник электропитания, электрический нагреватель и схему управления мощностью, присоединенную между источником электропитания и электрическим нагревателем, при этом способ включает:
определение мощности, подаваемой на электрический нагреватель от источника электропитания, и генерирование напряжения, соответствующего измеренной мощности, пропорционально мощности, поданной на электрический нагреватель;
генерирование сигнала разности напряжений на основании разности между напряжением, соответствующим измеренной мощности, и эталонным напряжением; и
регулирование тока или напряжения, подаваемого на электрический нагреватель, для поддержания сигнала разности напряжений в пределах заданного диапазона или для сведения к минимуму сигнала разности напряжений.
Способ предпочтительно осуществляют за счет использования аналоговой электронной схемы. Таким образом, мощность в электрическом нагревателе регулируют непрерывно во время подачи мощности.
Теперь будут подробно описаны примеры согласно настоящему изобретению со ссылками на сопровождающие графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показана схематическая иллюстрация электрически нагреваемой системы, генерирующей аэрозоль;
на фиг. 2 показана схематическая иллюстрация компонентов системы управления мощностью для электрически нагреваемой системы, генерирующей аэрозоль, согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 представлена принципиальная схема системы управления мощностью типа, как показано на фиг. 2; и
на фиг. 4 показан пример профиля подачи мощности для электрически нагреваемой системы, генерирующей аэрозоль, типа, как показано на фиг. 1.
На фиг. 1 компоненты варианта осуществления электрически нагреваемого устройства 1, генерирующего аэрозоль, показаны в упрощенном виде. В частности, элементы электрически нагреваемого устройства 1, генерирующего аэрозоль, на фиг. 1 показаны не в масштабе. Элементы, которые не являются существенными для понимания данного варианта осуществления, для упрощения фиг. 1 были опущены.
Электрически нагреваемая система, генерирующая аэрозоль, содержит устройство 1, генерирующее аэрозоль, и субстрат 2, образующий аэрозоль, например сигарету. Субстрат 2, образующий аэрозоль, проталкивают внутрь корпуса устройства 1 для достижения тепловой близости с электрическим нагревателем 40. Субстрат 2, образующий аэрозоль, будет высвобождать ряд летучих соединений при разных температурах. За счет управления мощностью, подаваемой на электрический нагреватель, высвобождением или образованием таких летучих соединений можно управлять.
В устройстве 1 предусмотрен источник 60 электроэнергии, например перезаряжаемая литий-ионная батарея. Схема 100 управления мощностью соединена с нагревательным элементом 40 и источником 60 электроэнергии. Микроконтроллер 70 соединен со схемой 100 управления мощностью и источником электроэнергии.
В данном примере нагревательный элемент 40 расположен на жестком субстрате в форме пластинки внутри корпуса устройства. Субстрат в форме пластинки может проникать в субстрат, образующий аэрозоль, который в данном примере представляет собой сигарету. Однако следует понимать, что могут быть использованы другие формы нагревательного элемента. В частности, нагревательный элемент может быть расположен снаружи субстрата, образующего аэрозоль.
При использовании мощность подается на нагреватель для нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Пользователь осуществляет затяжку на конце мундштука субстрата, образующего аэрозоль, для втягивания воздуха мимо нагревателя и субстрата, образующего аэрозоль. Соединения в субстрате, образующем аэрозоль, испаренные нагревателем и втянутые в поток воздуха, охлаждаются с образованием аэрозоля до вхождения в рот пользователя.
Основные элементы схемы 100 управления мощностью схематически показаны на фиг. 2 вместе с батареей 60 и нагревателем 40. Схема 100 управления мощностью содержит блок 20 измерения тока, блок 30 измерения мощности, компаратор 10 напряжения и регулятор 12 мощности. Регулятор мощности выполнен с возможностью регулирования тока или напряжения, подаваемого на нагреватель 40, на основании выходного сигнала от компаратора 10 напряжения. Компаратор напряжения выполнен с возможностью сравнения эталонного напряжения Vэталонное c выходным сигналом блока 30 измерения мощности и предоставления в качестве выходного сигнала напряжения, демонстрирующего разницу между Vэталонное и выходным сигналом блока 30 измерения мощности. Блок измерения мощности выполнен с возможностью измерения мощности, подаваемой на нагреватель. Блок измерения мощности принимает в качестве входных сигналов напряжение, отражающее ток, подаваемый на нагреватель 40, из блока 20 измерения тока и напряжение, подаваемое на нагреватель 40 регулятором мощности. Блок измерения мощности предоставляет в качестве выходного сигнала напряжение, отражающее составляющее входных сигналов. Регулятор 12 мощности выполнен с возможностью работы для сведения к минимуму выходного сигнала от компаратора напряжения или регулирования мощности, подаваемой на нагреватель 40, если выходной сигнал от компаратора напряжения выходит за пределы заданного диапазона.
На фиг. 3 показан один вариант осуществления схемы управления мощностью по фиг. 2. Литий-ионная батарея 60 соединена с электрическим нагревателем 40 через схему 100 управления мощностью. Батарея 60 генерирует напряжение Vdc, которое возбуждает ток, проходящий через нагреватель 40. Нагреватель нагревается из-за эффекта Джоуля. Схема 100 управления мощностью измеряет мощность, подаваемую на нагреватель, и регулирует поданную мощность на основании измерения. Схема управления мощностью содержит такие же функциональные компоненты, как показано на фиг. 2.
Мощность, подаваемая на нагреватель, определяется за счет измерения тока с использованием блока 20 измерения тока и умножения измеренного тока на напряжение, подаваемое на нагреватель. Блок измерения тока содержит резистор 201 с известным электрическим сопротивлением, последовательно соединенный с электрическим нагревателем 40, и операционный усилитель 202. Ток, проходящий через резистор 201, равен току, проходящему через электрический нагреватель 40. Ток, проходящий через резистор 201, равен напряжению на резисторе 201, разделенному на его электрическое сопротивление. Операционный усилитель 202 соединен с резистором 201 таким образом, что один ввод на операционный усилитель соединен со стороной высокого напряжения резистора 201, а другой ввод на операционный усилитель соединен со стороной низкого напряжения резистора 201. Следовательно, выходной сигнал операционного усилителя представляет собой напряжение VI, которое пропорционально току, проходящему через электрический нагреватель 40. Вывод операционного усилителя соединен с блоком 30 умножения, который представляет собой блок измерения мощности. Другой входной сигнал, подаваемый на блок 30 умножения, представляет собой напряжение Vнагрузки на всем нагревателе 40.
Выходной сигнал блока 30 умножения представляет собой напряжение Vизмеренное, которое пропорционально мощности, подаваемой на нагреватель. Это напряжение подается на компаратор 10 напряжения. Компаратор 10 напряжения содержит операционный усилитель 101. Отрицательный входной сигнал на операционный усилитель 101 представляет собой Vизмеренное. Положительный входной сигнал на операционный усилитель представляет собой эталонное напряжение Vэталонное. Микропроцессор 70 предоставляет эталонное напряжение Vэталонное на схему управления мощностью. Микропроцессор получает питание от батареи 60.
Выходной сигнал операционного усилителя 101 представляет собой разницу между Vизмеренное и Vэталонное, которая представляет собой ΔV. Токоограничивающий резистор 102 предусмотрен между выводом операционного усилителя 101 и регулятором 12 мощности для ограничения тока, протекающего в регулятор мощности. Подобным образом, токоограничивающий резистор 50 последовательно соединен с нагревателем 40 для ограничения тока, проходящего через нагреватель 40.
Регулятор мощности представляет собой транзистор 12 типа n-p-n. Вывод компаратора напряжения соединен с базой транзистора 12. Если ΔV находится в пределах конкретного диапазона, ток, проходящий через транзистор 12, остается неизменным. Однако если ΔV является положительным (когда Vизмеренное меньше, чем Vэталонное) и превышает пороговое значение, ток, проходящий через транзистор 12, увеличивается для увеличения мощности, доставляемой на нагреватель 40. Если ΔV является отрицательным (когда Vизмеренное больше, чем Vэталонное) и превышает пороговое значение, ток, проходящий через транзистор 12, уменьшается для уменьшения мощности, доставляемой на нагреватель 40. Таким образом, значение поданной мощности регулируется и, в частности, удерживается в пределах конкретного диапазона, который зависит от значения Vэталонное.
Схема 100 управления мощностью выполняет функцию контура управления, и в ней используются аналоговые компоненты таким образом, что регулирование мощности является непрерывным и не требует дискретизации. Если Vэталонное является постоянным, мощность, подаваемая на нагреватель, останется в пределах заданного диапазона.
Существует возможность регулирования мощности, подаваемой на нагреватель 40 во время работы устройства, за счет регулирования значения Vэталонное. На фиг. 4 показан один пример метода, согласно которому Vэталонное может изменяться во время работы устройства типа, как показано на фиг. 1. На временном промежутке t0 устройство активируется пользователем за счет нажатия кнопки включения на устройстве. Изначально Vэталонное установлено на сравнительно высокое значение для быстрого доведения нагревателя 40 и субстрата 2, образующего аэрозоль, до рабочей температуры. Это выполнено для обеспечения пользователю возможности выполнить первую затяжку как можно быстрее. По истечении установленного периода времени или на основании измерения температуры на временном промежутке t1 Vэталонное снижается до меньшего значения. Это выполняется для поддержания рабочей температуры нагревателя 40, при которой может генерироваться требуемый аэрозоль.
Может быть целесообразным увеличение мощности, подаваемой на нагреватель, по мере расходования субстрата, генерирующего аэрозоль, для обеспечения образования достаточного количества аэрозоля для каждой затяжки. Мощность может увеличиваться после каждой затяжки пользователя или после заданного количества затяжек пользователя. Например, как показано на фиг. 4, на временном промежутке P1 после завершения трех затяжек пользователя Vэталонное увеличивается. На временных промежутках P2 и P3, соответствующих завершению четвертой и шестой затяжек соответственно, Vэталонное также увеличивается. Альтернативно увеличения Vэталонное могут выполняться просто на определенных временных промежутках после активации устройства.
Затяжки пользователя могут обнаруживаться за счет использования специального датчика потока воздуха в устройстве. Альтернативно затяжки пользователя могут обнаруживаться за счет отслеживания изменений электрического сопротивления нагревателя 40. Поток воздуха, проходящий мимо нагревателя в результате выполнения затяжки пользователем, будет оказывать охлаждающее действие на нагреватель, что приведет к изменению электрического сопротивления нагревателя. Изменение электрического сопротивления нагревателя приведет к изменению Vнагрузки и, соответственно, увеличению VI. За счет отслеживания Vнагрузки или VI можно определить начало и конец выполнения затяжек пользователем. Эту информацию можно использовать для инициирования изменений в эталонном напряжении Vэталонное.
Несмотря на то, что схема управления описана со ссылкой на устройство, показанное на фиг. 1, следует понимать, что она применима для других типов устройства, генерирующего аэрозоль. В частности, она может быть использована в устройствах, содержащих нагреватель, расположенный снаружи субстрата, генерирующего аэрозоль. Например, нагреватель 40 может быть выполнен в качестве гибкого нагревателя, который окружает полость в устройстве, генерирующем аэрозоль, причем полость выполнена с возможностью вмещения субстрата, образующего аэрозоль. В другом примере устройство, генерирующее аэрозоль, может быть выполнено в качестве одного целого с субстратом, образующим аэрозоль, и выполнено с возможностью утилизации при израсходовании субстрата, образующего аэрозоль. В дополнительном примере нагреватель 40 может быть предоставлен с субстратом, образующим аэрозоль, в одноразовом картридже, при этом источник питания и схема управления мощностью предусмотрены в многоразовом главном блоке.
Кроме того, несмотря на то, что схема управления описана со ссылкой на устройство, которое непрерывно подает мощность на нагреватель во время работы устройства, она применяется в устройствах, выполненных с возможностью подачи мощности на нагреватель только во время затяжек или вдохов пользователя. Например, микропроцессор может быть выполнен с возможностью предоставления значения Vэталонное, равного нулю, до определения датчиком затяжки в устройстве выполнения затяжки пользователем, а затем предоставления положительного значения Vэталонное для заданного периода времени, например две секунды, после определения выполнения затяжки пользователем, до того, как возвращать значение Vэталонное, равное нулю, до определения выполнения следующей затяжки пользователем. Значение Vэталонное может изменяться от затяжки к затяжке.
1. Устройство, генерирующее аэрозоль и содержащее:
источник электропитания;
электрический нагреватель; и
схему управления мощностью, присоединенную между источником электропитания и электрическим нагревателем, причем схема управления мощностью представляет собой аналоговую схему, при этом схема управления мощностью содержит:
блок измерения мощности, выполненный с возможностью определения мощности, подаваемой на электрический нагреватель из источника электропитания, и вывода напряжения, соответствующего измеренной мощности, пропорционально мощности, поданной на электрический нагреватель;
компаратор напряжения, соединенный с блоком измерения мощности и выполненный с возможностью вывода сигнала разности напряжений на основе разности между напряжением, соответствующим измеренной мощности, и эталонным напряжением; и
регулятор мощности, присоединенный между источником электропитания и электрическим нагревателем и реагирующий на сигнал разности напряжений, причем регулятор мощности выполнен с возможностью регулирования тока или напряжения, подаваемого на электрический нагреватель, для возвращения сигнала разности напряжений в пределы заданного диапазона или для сведения к минимуму сигнала разности напряжений;
при этом блок измерения мощности, компаратор напряжения и регулятор мощности реализованы с использованием компонентов аналоговой схемы.
2. Устройство, генерирующее аэрозоль, по п. 1, в котором регулятор мощности выполнен с возможностью регулирования тока, подаваемого на электрический нагреватель, только когда сигнал разности напряжений выходит за пределы заданного диапазона.
3. Устройство, генерирующее аэрозоль, по п. 1 или 2, в котором регулятор мощности выполнен с возможностью регулирования тока, подаваемого на электрический нагреватель, таким образом, что подаваемая мощность регулируется в направлении диапазона заданной подаваемой мощности.
4. Устройство, генерирующее аэрозоль, по любому из предшествующих пунктов, выполненное с возможностью подачи электропитания на нагреватель в течение заданного периода времени после активации.
5. Устройство, генерирующее аэрозоль, по любому из предшествующих пунктов, в котором регулятор мощности содержит биполярный плоскостной транзистор, имеющий базу, соединенную с выводом компаратора напряжения.
6. Устройство, генерирующее аэрозоль, по любому из пп. 1-4, в котором регулятор мощности представляет собой регулятор с падением напряжения.
7. Устройство, генерирующее аэрозоль, по любому из предшествующих пунктов, в котором блок измерения мощности содержит блок умножения, выполненный с возможностью умножения напряжения, подаваемого на электрический нагреватель, на напряжение, отражающее ток, подаваемый на электрический нагреватель, для предоставления напряжения, соответствующего измеренной мощности.
8. Устройство, генерирующее аэрозоль, по любому из предыдущих пунктов, в котором блок измерения мощности содержит блок измерения тока, выполненный с возможностью предоставления выходного напряжения, отражающего ток, подаваемый на электрический нагреватель.
9. Устройство, генерирующее аэрозоль, по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий микроконтроллер, выполненный с возможностью предоставления эталонного напряжения.
10. Устройство, генерирующее аэрозоль, по п. 9, в котором микроконтроллер выполнен с возможностью изменения эталонного напряжения во время работы устройства.
11. Устройство, генерирующее аэрозоль, по п. 10, в котором микроконтроллер выполнен с возможностью изменения эталонного напряжения на основе обнаруженного количества вдохов пользователя.
12. Устройство, генерирующее аэрозоль, по п. 10, в котором микроконтроллер выполнен с возможностью изменения эталонного напряжения на основе времени после активации устройства.
13. Устройство, генерирующее аэрозоль, по любому из предыдущих пунктов, представляющее собой удерживаемое рукой устройство.
14. Устройство, генерирующее аэрозоль, по любому из предыдущих пунктов, в котором электрический нагреватель соединен с возможностью съема со схемой управления мощностью для обеспечения замены электрического нагревателя.
15. Устройство, генерирующее аэрозоль, по п. 14, в котором электрический нагреватель предусмотрен в съемном картридже, который также содержит субстрат, образующий аэрозоль.
16. Устройство, генерирующее аэрозоль, по любому из предыдущих пунктов, выполненное с возможностью генерирования аэрозоля для вдыхания пользователем, при этом при использовании при вдохе пользователь втягивает воздух мимо электрического нагревателя, причем устройство содержит запоминающее устройство и выполнено с возможностью занесения изменений тока или напряжения, подаваемого на электрический нагреватель, в качестве индикации вдыхания пользователем.
17. Устройство, генерирующее аэрозоль, по п. 16, содержащее микроконтроллер, выполненный с возможностью использования индикации вдыхания пользователем для изменения эталонного напряжения согласно заданному профилю эталонного напряжения.
18. Способ регулирования подачи мощности на электрический нагреватель в электрически нагреваемой системе, генерирующей аэрозоль, при этом система, генерирующая аэрозоль, содержит источник электропитания, электрический нагреватель и схему управления мощностью, присоединенную между источником электропитания и электрическим нагревателем, причем схема управления мощностью представляет собой аналоговую схему, при этом блок измерения мощности, компаратор напряжения и регулятор мощности реализованы с использованием компонентов аналоговой схемы, при этом способ включает:
определение мощности, подаваемой на электрический нагреватель от источника электропитания, и генерирование напряжения, соответствующего измеренной мощности, пропорционально мощности, поданной на электрический нагреватель;
генерирование сигнала разности напряжений на основании разности между напряжением, соответствующим измеренной мощности, и эталонным напряжением; и
регулирование тока или напряжения, подаваемого на электрический нагреватель, для поддержания сигнала разности напряжений в пределах заданного диапазона или для сведения к минимуму сигнала разности напряжений.
19. Способ по п. 18, при котором ток, подаваемый на электрический нагреватель, регулируют, только если сигнал разности напряжений выходит за пределы заданного диапазона.
20. Способ по п. 18 или 19, при котором блок измерения мощности содержит блок умножения, при этом способ дополнительно включает умножение напряжения, приложенного к электрическому нагревателю, на напряжение, указывающее ток, приложенный к электрическому нагревателю, для обеспечения напряжения, соответствующего измеренной мощности.
21. Способ по любому из пп. 18-20, при котором блок измерения мощности содержит блок измерения тока, причем способ дополнительно включает обеспечение выходного напряжения, указывающего ток, приложенный к электрическому нагревателю.
22. Способ по любому из пп. 18-21, при котором дополнительно используют микроконтроллер, причем способ дополнительно включает обеспечение опорного напряжения с использованием микроконтроллера.
23. Способ по п. 22, при котором дополнительно изменяют эталонное напряжение во время работы устройства с использованием микроконтроллера.
24. Способ по п. 23, при котором изменение эталонного напряжения основано на обнаруженном количестве вдохов пользователя.
25. Способ по п. 23, при котором дополнительно изменяют эталонное напряжение на основе времени после активации устройства.
