СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЕМ КОМПОНЕНТОВ ДЫМА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ГЕНЕРИРОВАНИЯ АЭРОЗОЛЯ
METHOD OF CONTROLLING FORMATION OF SMOKE COMPONENTS IN ELECTRICAL AEROSOL GENERATING SYSTEM

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЕМ КОМПОНЕНТОВ ДЫМА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ГЕНЕРИРОВАНИЯ АЭРОЗОЛЯ
Это изобретение относится к электрически нагреваемым системам генерирования аэрозолей и, в частности, к управлению компонентами дыма, высвобождаемыми электрически нагреваемой системой генерирования аэрозоля при нагревании.
Традиционные сигареты выпускают дым в результате горения табака и обертки, которое происходит при температурах, которые могут превышать 800 градусов Цельсия во время затяжки. При таких температурах табак термически разлагается путем пиролиза и горения. Тепло горения высвобождает и генерирует различные газообразные продукты горения и продукты перегонки табака. Данные продукты втягиваются через сигарету и охлаждаются и конденсируются, образуя дым со вкусами и запахами, связанными с курением. При температурах горения генерируются не только вкусы и запахи, но и ряд нежелательных соединений.
Известны электрически нагреваемые системы курения, которые работают при более низких температурах. Пример такой электрической системы курения раскрыт в международной заявке на патент WO 03/070031. Эта электрическая система курения использует контроллер для управления количеством электроэнергии, выдаваемой в нагревающие элементы в ответ на цикл разрядки батареи.
Кроме того, принадлежащие тому же заявителю патенты США №№ US-A-5060671; US-A-5144962; US-A-5372148; US-A-5388594; US-A-5498855; US-A-5499636; US-A-5505214; US-A-5530225; US-A-5591368; US-A-5665262; US-A-5666976; US-A-5666978; US-A-5692291; US-A-5692525; US-A-5708258; US-A-5750964; US-A-5902501; US-A-5915387; US-A-5934289; US-A-5954979; US-A-5967148; US-A-5988176; US-A-6026820 и US-A-6040560 раскрывают электрические системы курения и способы изготовления такой электрически нагреваемой системы курения, причем эти патенты включены сюда посредством ссылки.
Согласно изобретению предусмотрен способ управления высвобождением летучих соединений из электрически нагреваемой системы генерирования аэрозоля. Электрически нагреваемая система генерирования аэрозоля содержит источник электрической энергии, по меньшей мере один нагревательный элемент, соединенный с источником электрической энергии, и образующую аэрозоль основу. При нагревании образующая аэрозоль основа высвобождает множество летучих соединений, причем каждое из множества летучих соединений имеет минимальную температуру высвобождения, выше которой это летучее соединение высвобождается. Способ согласно изобретению включает в себя этап выбора заданной максимальной рабочей температуры. Эта заданная максимальная рабочая температуры ниже минимальной температуры высвобождения по меньшей мере одного из множества летучих соединений, чтобы предотвратить его высвобождение из образующей аэрозоль основы. Способ согласно изобретению дополнительно включает в себя этап управления температурой упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента так, что высвобождается по меньшей мере одно из летучих соединений. Этот этап управления включает в себя измерение удельного сопротивления упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента и выведение величины реальной рабочей температуры упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента из измерения удельного сопротивления. Кроме того, этап управления включает в себя сравнение величины реальной рабочей температуры упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента с заданной максимальной рабочей температурой. Кроме того, этап управления включает в себя регулирование электрической энергии, подаваемой в упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент, чтобы поддерживать реальную рабочую температуру упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента на уровне или ниже заданной максимальной рабочей температуры.
Предпочтительно, этап управления включает в себя регулирование электрической энергии, подаваемой в упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент, чтобы поддерживать реальную рабочую температуру упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента в температурном диапазоне ниже заданной максимальной рабочей температуры. Заданный температурный диапазон может составлять вплоть до заданной максимальной рабочей температуры.
Предпочтительно, этап управления повторяют столь часто, насколько это необходимо, во время нагревания упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента.
Варианты осуществления изобретения имеют преимущество в том, что реальной рабочей температурой упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента можно управлять таким образом, что предотвращается пиролиз или горение образующей аэрозоль основы. Это позволяет уменьшить число летучих компонентов, высвобождаемых или образуемых во время нагревания. Поскольку образование вредных веществ обычно происходит при повышенных температурах во время пиролиза и горения, посредством способа согласно изобретению образование этих вредных компонентов, например, формальдегида, значительно уменьшается.
Кроме того, устраняется необходимость в термисторах или других датчиках, которые занимают часть ограниченного пространства в электрически нагреваемой системе генерирования аэрозоля. Это делает варианты осуществления изобретения особенно пригодными для использования в электрически нагреваемых системах генерирования аэрозолей того типа, которые имеют несколько нагревательных элементов, в которых осуществляется управление температурой каждого нагревательного элемента. Варианты осуществления изобретения имеют дополнительное преимущество в том, что вычисление температуры по удельному сопротивлению может быть выполнено в уже имеющихся контроллерах. Это делает данные варианты осуществления простыми и экономически эффективными в реализации. Кроме того, изобретение устраняет сложности в прикреплении датчика температуры, что обеспечивает хороший и надежный термический контакт с упомянутым по меньшей мере одним нагревательным элементом.
Образующая аэрозоль основа предпочтительно содержит табакосодержащий материал, содержащий летучие соединения, которые высвобождаются из основы при нагревании. Альтернативно, образующая аэрозоль основа может содержать нетабачный материал, такой как материалы, используемые в устройствах по ЕР-А-1750788 и EP-А-1439876.
Предпочтительно, образующая аэрозоль основа дополнительно содержит аэрозолеобразователь. Примерами пригодных аэрозолеобразователей являются глицерин и пропиленгликоль. Дополнительные примеры потенциально пригодных аэрозолеобразователей описаны в ЕР-А-0277519 и US-A-5396911.
Образующей аэрозоль основой может быть твердая основа. Твердая основа может содержать, например, одно или более из: порошка, гранул, шариков, стружки, тонких трубок, полосок или листов, содержащих одно или более из: листьев растений, листьев табака, фрагментов прожилок табака, восстановленного табака, гомогенизированного табака, спрессованного табака и разрыхленного табака. Твердая основа может быть в рыхлом виде или может находиться в пригодном контейнере или картридже. Необязательно, твердая основа может содержать дополнительные табачные или нетабачные летучие ароматические соединения, высвобождаемые при нагревании основы.
Необязательно, твердая основа может быть предусмотрена на термически устойчивом носителе или заделана в термически устойчивый носитель. Носитель может принимать вид порошка, гранул, шариков, стружки, тонких трубок, полосок или листов. Альтернативно, носителем может быть трубчатый носитель с нанесенным на его внутреннюю поверхность тонким слоем твердой основы, такой как носители, раскрытые в US-A-5505214, US-A-5591368 и US-A-5388594, или на его наружную поверхность, или как на внутреннюю, так и на наружную поверхности. Такой трубчатый носитель может быть выполнен, например, из бумаги или бумагоподобного материала, нетканого мата из углеродного волокна, металлической сетки малой массы с открытыми ячейками или перфорированной металлической фольги, или любой другой термически устойчивой полимерной матрицы.
Твердая основа может быть нанесена на поверхность носителя в виде, например, листа, пены, геля или суспензии. Твердая основа может быть нанесена на всю поверхность носителя или, альтернативно, может быть нанесена в виде рисунка, чтобы обеспечить неравномерный выпуск аромата во время использования.
Альтернативно, носителем может быть нетканое полотно или пучок волокон, в которые были включены компоненты табака, такой как носитель, описанный в ЕР-А-0857431. Нетканое полотно или пучок волокон может содержать, например, углеродные волокна, волокна натуральной целлюлозы или волокна производных целлюлозы.
Альтернативно, носителем может быть по меньшей мере часть нагревательного элемента электрически нагреваемой системы генерирования аэрозоля. В таких случаях нагревательный элемент является обычно одноразовым. Например, твердая основа может быть нанесена тонким слоем на металлическую фольгу или на электрически резистивную подложку, как описано в US-A-5060671.
Образующей аэрозоль основой может альтернативно быть жидкая основа. Если предусмотрена жидкая основа, то электрически нагреваемая система генерирования аэрозоля предпочтительно содержит средства для удерживания жидкости. Например, жидкая основа может удерживаться в контейнере, таком как описанный в ЕР-А-0893071. Альтернативно или в дополнение, жидкая основа может быть абсорбирована в пористый материал-носитель, как описано в WO-A-2007/024130, WO-A-2007/066374, ЕР-А-1736062, WO-A-2007/131449 и WO-A-2007/131450. Пористый материал-носитель может быть выполнен из любой пригодной абсорбирующей пробки или тела, например, вспененного металла или пластмассы, полипропилена, терилена, нейлоновых волокон или керамики. Жидкая основа может содержаться в пористом материале-носителе перед использованием электрически нагреваемой системы генерирования аэрозоля или, альтернативно, материал жидкой основы может быть выпущен в пористый материал-носитель во время использования или непосредственно перед использованием. Например, жидкая основа может находиться в капсуле, как описано в WO-A-2007/077167. Оболочка капсулы, предпочтительно, расплавляется при нагревании и выпускает жидкую основу в пористый материал-носитель. Капсула может необязательно содержать твердое вещество в комбинации с жидкостью.
Если образующей аэрозоль основой является жидкая основа, то электрически нагреваемая система генерирования аэрозоля может дополнительно содержать средства для нагревания за раз малого количества жидкости. Средства для нагревания за раз малого количества жидкости могут включать в себя, например, жидкостной канал в сообщении с жидкой основой, как описано в ЕР-А-0893071. Жидкая основа обычно вытесняется в жидкостной канал капиллярной силой. Нагревательный элемент предпочтительно выполнен так, что во время использования нагревается и улетучивается только малое количество жидкой основы внутри этого жидкостного канала, а не вся жидкость в контейнере.
Альтернативно или в дополнение, если образующей аэрозоль основой является жидкая основа, то электрически нагреваемая система генерирования аэрозоля может дополнительно содержать распылитель, находящийся в контакте с источником жидкой основы и включающий в себя упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент. Помимо нагревательного элемента, распылитель может включать в себя один или более электромеханических элементов, таких как пьезоэлектрические элементы. Дополнительно или альтернативно, распылитель может также включать в себя элементы, которые используют электростатические, электромагнитные или пневматические эффекты. Электрически нагреваемая система генерирования аэрозоля может также дополнительно содержать конденсационную камеру.
Образующей аэрозоль основой может альтернативно быть любой другой вид основы, например, газовая основа, или любая комбинация различных типов основы. Во время работы, основа может полностью содержаться внутри электрически нагреваемой системы генерирования аэрозоля. В этом случае пользователь может затягиваться через мундштук электрически нагреваемой системы генерирования аэрозоля. Альтернативно, во время работы, основа может частично содержаться внутри электрически нагреваемой системы генерирования аэрозоля. В этом случае основа может образовывать часть отдельного изделия, и пользователь может затягиваться непосредственно через отдельное изделие.
Упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может составлять один единственный нагревательный элемент. Альтернативно, упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может составлять больше чем один нагревательный элемент. Предпочтительно, электрически нагреваемая система генерирования аэрозоля содержит два или более нагревательных элемента, например, от двух до двадцати нагревательных элементов. Нагревательный элемент или нагревательные элементы могут быть расположены надлежащим образом так, чтобы максимально эффективно нагревать образующую аэрозоль основу.
Упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент предпочтительно содержит электрически резистивный материал. Пригодные электрически резистивные материалы включают в себя, но не ограничиваются ими: полупроводники, такие как легированная керамика, "электропроводную" керамику (такую, например, как дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, сплавы металлов и композиционные материалы, изготовленные из керамического материала и металлического материала. Такие композиционные материалы могут содержать легированную или нелегированную керамику. Примеры пригодной легированной керамики включают в себя легированные карбиды кремния. Примеры пригодных металлов включают в себя титан, цирконий, тантал и металлы из платиновой группы. Примеры пригодных сплавов металлов включают в себя нержавеющую сталь, никель-, кобальт-, хром-, алюминий- титан- цирконий-, гафний-, ниобий-, молибден-, тантал-, вольфрам-, олово-, галлий-, марганец- и железо-содержащие сплавы и суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали, Timetal и сплавы на основе железа-марганца-алюминия. В композиционных материалах электрически резистивный материал может необязательно быть заделан в изолирующий материал, инкапсулирован или покрыт изолирующим материалом, или наоборот, в зависимости от кинетики передачи энергии и требуемых внешних физико-химических свойств. Примеры пригодных композиционных нагревательных элементов раскрыты в US-A-5498555, WO-A-03/095688 и US-A-5514630.
Упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может принимать любую пригодную форму. Например, упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может принимать форму нагревательного лезвия, такого как описанные в US-A-5388594, US-A-5591368 и US-A-5505241. В тех случаях, когда образующей аэрозоль основой является жидкость, находящаяся внутри контейнера, контейнер может включать в себя одноразовый нагревательный элемент. Альтернативно, может быть также пригодной одна или один или более нагревательных игл или стержней, которые проходят через центр образующей аэрозоль основы, как описано в KR-A-100636287 и JP-A-2006320286. Другие альтернативы включают в себя нагревательную проволоку или нить, например, проволоку из нихрома (Ni-Cr), платины, вольфрама или сплава, такую как проволоки, описанные в ЕР-А-1736065, или нагревательную пластину. Необязательно, нагревательный элемент может быть осажден в или на твердый материал-носитель.
Упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может нагревать образующую аэрозоль основу посредством проводимости. Нагревательный элемент может по меньшей мере частично находится в контакте с основой или носителем, на который нанесена основа. Альтернативно, тепло от нагревательного элемента может передаваться основе посредством теплопроводящего элемента.
Альтернативно, упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может передавать тепло набегающему окружающему воздуху, который втягивается через электрически нагреваемую систему генерирования аэрозоля во время использования, который в свою очередь нагревает образующую аэрозоль основу за счет конвекции. Окружающий воздух может нагреваться перед прохождением через образующую аэрозоль основу, как описано в WO-A-2007/066374. Альтернативно, если образующей аэрозоль основой является жидкая основа, то окружающий воздух может сначала втягиваться через основу, а затем нагреваться, как описано в WO-A-2007/078273.
о
1
2
о
1
2
2
В одном предпочтительном варианте осуществления реальную рабочую температуру извлекают из справочной таблицы, которая хранит соотношения удельного сопротивления и температуры для упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента. В альтернативном варианте осуществления удельное сопротивление определяют путем оценки многочлена (полинома) вида ρ(T)=ρ∗(1+αТ+αТ), где ρ(T) - измеренное удельное сопротивление упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента или множества нагревательных элементов, ρ - контрольное удельное сопротивление, и α+α - коэффициенты многочлена. Такая оценка может выполняться контроллером. Альтернативно, для описания изменения удельного сопротивления упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента в зависимости от температуры могут быть использованы полиномиальные функции более высоких степеней или другие математические функции.
Альтернативно, может быть использована кусочно-линейная аппроксимация. Данная альтернатива упрощает и ускоряет вычисление.
Предпочтительно, система содержит более чем один нагревательный элемент, и образующая аэрозоль основа расположена так, что образующая аэрозоль основа находится в термической близости с каждым из нагревательных элементов.
Система предпочтительно снабжена детектором образующей аэрозоль основы и детектором затяжки, так что электрическая энергия выдается в упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент только тогда, когда образующая аэрозоль основа обнаружена на месте, а также обнаружена затяжка в системе.
Предпочтительно, упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент содержит сплав железа-алюминия. Данный сплав демонстрирует сильную зависимость между сопротивлением и температурой, которая может быть использована для определения температуры нагревательного элемента путем измерения его сопротивления. Альтернативно, нагревательный элемент содержит вышеупомянутые электрически резистивные материалы, другие пригодные материалы, которые демонстрируют сравнимую характеристику термического удельного сопротивления с сильной зависимостью удельного сопротивления от температуры.
Предпочтительно, этап управления согласно изобретению выполняют с частотой от примерно 100 Гц до примерно 10 кГц во время затяжки, предпочтительно, с частотой примерно 1 кГц.
Изобретение будет описано далее, только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематичный чертеж электрически нагреваемой системы генерирования аэрозоля с образующей аэрозоль основой, вставленной в систему;
Фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий изменения удельного сопротивления нагревательных лезвий с температурой.
На фиг.1 в упрощенном виде показана внутренность варианта осуществления электрически нагреваемой системы 100 генерирования аэрозоля. В частности, элементы электрически нагреваемой системы 100 генерирования аэрозоля показаны не в масштабе. Элементы, которые не важны для понимания изобретения, не показаны для упрощения фиг.1.
Электрически нагреваемая система 100 генерирования аэрозоля содержит корпус 10 и образующую аэрозоль основу 2, например, сигарету. Образующая аэрозоль основа 2 задвинута внутрь корпуса 10, чтобы приходить в термическую близость с нагревательным элементом 20. Образующая аэрозоль основа 2 будет высвобождать ряд летучих соединений при разных температурах. Некоторые из летучих соединений, высвобождаемых из образующей аэрозоль основы 2, образуются только в результате процесса нагревания. Каждое летучее соединение будет высвобождаться выше характеристической температуры высвобождения. Управляя максимальной рабочей температурой электрически нагреваемой системы 100 генерирования аэрозоля так, чтобы она была ниже температуры высвобождения некоторых из летучих соединений, можно исключить высвобождение или образование этих компонентов дыма.
Кроме того, корпус 10 содержит источник 40 электрической энергии, например, перезаряжаемую литий-ионную батарею. Контроллер 30 соединен с нагревательным элементом 20, источником 40 электрической энергии, детектором 32 образующей аэрозоль основы, детектором 34 затяжки и графическим интерфейсом 36 пользователя, например, дисплеем.
Детектор 32 образующей аэрозоль основы обнаруживает наличие образующей аэрозоль основы 2 в термической близости с нагревательным элементом 20 и сигнализирует контроллеру 30 о наличии образующей аэрозоль основы 2.
Детектор 34 затяжки обнаруживает воздушный поток в системе, указывающий на затяжку, принятую через электрически нагреваемую систему 100 генерирования аэрозоля. Детектор 34 затяжки сигнализирует контроллеру 30 о такой затяжке.
Контроллер 30 управляет интерфейсом 36 пользователя, чтобы отображать информацию о системе, например, мощность батареи, температуру, состояние образующей аэрозоль основы 2, другие сообщения или их комбинации.
Контроллер 30 также управляет максимальной рабочей температурой нагревательного элемента 20.
Фиг.2 показывает график зависимости удельного сопротивления ρ (ро) от температуры для обычного сплава железа-алюминия (FeAl), используемого в качестве нагревательного элемента 20 в варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг.1. Характеристика реального удельного сопротивления ρ будет меняться в зависимости от точного состава сплава и геометрической конфигурации нагревательного элемента 20. График на фиг.2 является только примерным.
Фиг.2 показывает, что удельное сопротивление ρ увеличивается с увеличением температуры. Таким образом, знание удельного сопротивления ρ в любой данный момент времени может быть использовано для того, чтобы вывести реальную рабочую температуру нагревательного элемента 20.
Сопротивление нагревательного элемента R=V/I, где V - напряжение на нагревательном элементе, а I - ток, проходящий через нагревательный элемент 20. Сопротивление R зависит от конфигурации нагревательного элемента 20, а также от температуры и выражается следующей зависимостью:
<b>R=ρ(T)∗L/S</b>
уравнение 1
где ρ(T) - зависящее от температуры удельное сопротивление, L - длина, а S - площадь поперечного сечения нагревательного элемента 20. L и S являются фиксированными для данной конфигурации нагревательного элемента 20 и могут быть измерены. Таким образом, для данного исполнения нагревательного элемента R пропорционально ρ(T).
Удельное сопротивление ρ(T) нагревательного элемента может быть выражено в виде многочлена следующим образом:
<b>ρ(T)=ρ</b><sub>о</sub><b>∗(1+α</b><sub>1</sub><b>Т+α</b><sub>2</sub><b>Т</b><sup>2</sup><b>)</b>
уравнение 2
о
о
1
2
где ρ- удельное сопротивление при контрольной температуре Т, а α и α - коэффициенты многочлена.
Таким образом, зная длину и поперечное сечение нагревательного элемента 20, можно определить сопротивление R и, следовательно, удельное сопротивление ρ при данной температуре посредством измерения напряжения V и тока I на/в нагревательном элементе. Температура может быть получена просто из справочной таблицы характеристической зависимости удельного сопротивления от температуры для используемого нагревательного элемента или посредством оценки многочлена приведенного выше уравнения (2). Предпочтительно, этот процесс может быть упрощен путем представления кривой зависимости удельного сопротивления ρ от температуры в одной или более, предпочтительно двух, линейных аппроксимациях в температурном диапазоне, применимом к табаку. Это упрощает оценку температуры, что желательно в контроллере 30 с ограниченными вычислительными ресурсами.
В процессе подготовки к управлению максимальной рабочей температурой выбирают величину максимальной рабочей температуры электрически нагреваемой системы 100 генерирования аэрозоля. Этот выбор основан на температурах высвобождения тех летучих соединений, которые должны или не должны высвобождаться. Затем эту заданную величину сохраняют в контроллере 30 вместе с допустимым диапазоном, например, минус 5% от заданной максимальной рабочей температуры.
Контроллер 30 нагревает нагревательный элемент 20 посредством подачи электрической энергии в нагревательный элемент 20. Предпочтительно, для экономии энергии, контроллер нагревает нагревательный элемент 20 только в том случае, если детектор 32 образующей аэрозоль основы обнаружил образующую аэрозоль основу 20, а детектор 34 затяжки обнаружил наличие затяжки.
При использовании, контроллер 30 измеряет удельное сопротивление ρ нагревательного элемента 20. Затем контроллер 30 преобразует удельное сопротивление нагревательного элемента 20 в величину реальной рабочей температуры нагревательного элемента, сравнивая измеренное удельное сопротивление ρ со справочной таблицей. На следующем этапе контроллер 30 сравнивает полученную реальную рабочую температуру с заданной максимальной рабочей температурой. Если реальная рабочая температура ниже нижнего диапазона заданной максимальной рабочей температуры, то контроллер 30 снабжает нагревательный элемент 20 дополнительной электрической энергией, чтобы повысить реальную рабочую температуру нагревательного элемента 20. Если же реальная рабочая температура выше верхнего диапазона заданной максимальной рабочей температуры, то контроллер 30 уменьшает электрическую энергию, подаваемую в нагревательный элемент 20, чтобы снизить реальную рабочую температуру обратно к допустимому диапазону заданной максимальной рабочей температуры.
Управление температурой нагревательного элемента на основе удельного сопротивления ρ нагревательного элемента не ограничено электрически нагреваемой системой генерирования аэрозоля, описанной со ссылкой на фигуру 1, а применимо к любой электрически нагреваемой системе генерирования аэрозоля, в которой нагревательный элемент 20 отдает тепловую энергию табаку или другой образующей аэрозоль основе, высвобождая летучие соединения.
Различные другие модификации возможны в пределах объема изобретения и будут очевидны для специалистов в данной области техники.