УСТРОЙСТВО, ГЕНЕРИРУЮЩЕЕ АЭРОЗОЛЬ, С УПРАВЛЕНИЕМ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
AEROSOL-GENERATING APPARATUS WITH FEEDBACK CONTROL

Настоящее изобретение относится к устройству, генерирующему аэрозоль, с управлением с обратной связью.
Ручные электроуправляемые системы, генерирующие аэрозоль, обычно генерируют аэрозоль путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль, посредством резистивного нагревательного элемента для высвобождения летучих соединений в паре, который затем охлаждается с образованием аэрозоля. Регулирование максимальной температуры нагревательного элемента предотвращает высвобождение нежелательных химических соединений, таких как те, что обычно присутствуют в дыме традиционных сигарет, которые образуются при высоких температурах. Таким образом, температура нагревательного элемента обычно является единственной контрольной переменной для регулирования качества генерируемого аэрозоля. Температура нагревательного элемента часто определяется путем обнаружения электрического сопротивления нагревательного элемента. Однако измеренное сопротивление указывает на температуру по всему нагревательному элементу, и поэтому не может обнаружить локальный перегрев.
Кроме того, качество генерируемого аэрозоля может отличаться от одного устройства к другому, а также от одного типа субстрата, образующего аэрозоль, к другому. Рабочие характеристики системы, генерирующей аэрозоль, также могут зависеть от других факторов, таких как интенсивность затяжки, продолжительность затяжки и техническое обслуживание устройства. Доступные в настоящее время устройства обычно не учитывают эти факторы для обеспечения соответствующего качества аэрозоля, и они также не способны реагировать на неправильное использование или неисправность компонентов в устройстве.
Кроме того, поскольку в этих известных из уровня техники устройствах управление нагревателем обычно осуществляется на основании предварительно определенных корреляций и установленных профилей управления, то имеется ограниченная возможность обеспечения настройки управления нагревателем для генерирования аэрозоля, который лучше всего соответствует индивидуальным предпочтениям пользователя.
Поэтому необходимо предоставить такую систему, генерирующую аэрозоль, которая способна обеспечить улучшенный механизм управления нагревателем.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено устройство, генерирующее аэрозоль, которое содержит: нагревательный элемент, выполненный с возможностью нагревания субстрата, образующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля; датчик температуры для измерения температуры нагревательного элемента; средство мониторинга аэрозоля для измерения свойства аэрозоля, включающего по меньшей мере одно из физического свойства и химического состава генерируемого аэрозоля; и контроллер, выполненный с возможностью регулирования питания, подаваемого на нагревательный элемент, на основании i) измеренной температуры нагревательного элемента в первом контуре управления с обратной связью; и ii) измеренного свойства аэрозоля во втором контуре управления с обратной связью.
Измеренное свойство аэрозоля может включать одно или более свойств аэрозоля. Средство мониторинга аэрозоля может содержать датчик для отслеживания по меньшей мере одного физического свойства или химического состава генерируемого аэрозоля. Датчик может быть расположен в канале для потока или вдоль него ниже по ходу потока от нагревательного элемента. Физическое свойство генерируемого аэрозоля может включать любое одно или более из плотности капель, размера капель, скорости капель и объемной скорости потока генерируемого аэрозоля. Химический состав может включать любое одно или более из уровня нежелательного химического соединения, уровня газа продуктов сгорания и уровня никотина.
Датчик температуры может представлять собой специальный датчик температуры, такой как термопара. Предпочтительно нагревательный элемент может быть использован как датчик температуры. Например, нагреватель может быть использован как резистивный датчик температуры (RTD). Измеренное электрическое сопротивление можно соотносить с температурой.
При отслеживании свойств аэрозоля генерируемого аэрозоля контроллер может применять более сложные механизмы управления с обратной связью. Например, если температура генерируемого аэрозоля используется в качестве входного сигнала, в дополнение к измеренной температуре нагревателя, это может позволять контроллеру точно регулировать качество генерируемого аэрозоля, а также реагировать на отклоняющееся от нормы состояние.
Первый контур управления с обратной связью и второй контур управления с обратной связью могут работать вместе для регулирования температуры нагревательного элемента. Например, регулирование питания, подаваемого на нагревательный элемент, может основываться на измеренных свойствах аэрозоля во втором контуре управления с обратной связью, тогда как первый контур с обратной связью используется для обеспечения того, чтобы температура нагревателя не превышала предварительно определенную максимальную температуру.
Контроллер может быть выполнен с возможностью сопоставления измеренного свойства аэрозоля с ожидаемым свойством аэрозоля для определения того, имеется ли отклоняющееся от нормы состояние. Может быть определено, что отклоняющееся от нормы состояние имеет место, если измеренное свойство аэрозоля отличается от ожидаемого или требуемого значения или диапазона значений для такого свойства. Если измеренное свойство аэрозоля находится в пределах ожидаемого или требуемого диапазона, то это можно считать нормальным состоянием для такого свойства аэрозоля. Ожидаемый или требуемый диапазон или целевое значение для каждого измеренного свойства аэрозоля могут регулироваться пользователем. Ожидаемый или требуемый диапазон или целевое значение для каждого измеренного свойства аэрозоля могут быть разными для разных субстратов, образующих аэрозоль. Ожидаемый или требуемый диапазон или целевое значение для каждого измеренного свойства аэрозоля могут зависеть от других измеренных параметров. Например, ожидаемый или требуемый диапазон температуры аэрозоля может зависеть от температуры или влажности окружающей среды. Ожидаемая или требуемая плотность аэрозоля может зависеть от настроек устройства, выбранных пользователем. Ожидаемые или требуемые свойство или свойства аэрозоля могут быть сохранены в памяти в контроллере.
Контроллер может быть приспособлен регулировать питание по первому контуру с обратной связью, если нет отклоняющегося от нормы состояния, и регулировать питание по второму контуру управления с обратной связью, если есть отклоняющееся от нормы состояние. Активирование второго контура управления с обратной связью только после обнаружения по меньшей мере одного отклоняющегося от нормы состояния аэрозоля делает возможным использование простого контроллера, поскольку он не требует перекрестного сопоставления измеренного свойства аэрозоля с температурой нагревательного элемента.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать вспомогательное средство контроля аэрозоля для изменения свойств аэрозоля генерируемого аэрозоля; и контроллер выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одной контрольной переменной для вспомогательного средства контроля аэрозоля на основании измеренных свойств аэрозоля во втором контуре управления с обратной связью. Вспомогательное средство контроля аэрозоля может преимущественно обеспечивать дополнительное регулирование и контроль свойств аэрозоля после образования аэрозоля или во время образования аэрозоля. Вспомогательное средство контроля аэрозоля может содержать любой механизм, который воздействует на образование аэрозоля, физические свойства и химические составы аэрозоля и известен специалисту в данной области техники, например средства контроля температуры и давления, механические фильтры и химические поглотители.
Вспомогательное средство контроля аэрозоля может быть выполнено с возможностью охлаждения генерируемого аэрозоля. Например, вспомогательное средство контроля аэрозоля может содержать по меньшей мере одно из термоэлектрического устройства, теплообменника, теплового насоса или теплоприемника. Температура генерируемого аэрозоля существенно влияет на образование и рост капель аэрозоля, а значит и на плотность и размер капель. Предпочтительно вспомогательное средство контроля аэрозоля содержит термоэлектрическое устройство, которое может преимущественно обеспечивать нагревание/охлаждение на его поверхности, когда к термоэлектрическому устройству приложен электрический ток. Преимущественно термоэлектрическое устройство представляет собой устройство Пельтье. Устройство Пельтье обычно имеет простую конструкцию, не содержит никаких подвижных частей и поэтому является надежным. Кроме того, устройство Пельтье является относительно компактным и легким, что делает его идеальным выбором для использования в ручных устройствах, генерирующих аэрозоль.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать камеру, генерирующую аэрозоль, для генерирования аэрозоля. Вспомогательное средство контроля аэрозоля может содержать исполнительное устройство для изменения объема камеры, генерирующей аэрозоль. Это может быть достигнуто путем регулирования длины камеры или формы камеры, генерирующей аэрозоль. Это может быть достигнуто с помощью пьезоэлектрического элемента, например. Изменение объема камеры, генерирующей аэрозоль, может изменять время пребывания генерируемого аэрозоля до того, как он вытягивается через мундштук. Это может значительно влиять на количество и размер капель аэрозоля.
Вспомогательное средство контроля аэрозоля может содержать регулируемый фильтр, такой как микроимпактор или регулируемое сито. Регулируемый фильтр может преимущественно отфильтровывать слишком большие капли, так что прошедшие через фильтр капли аэрозоля находятся в диапазоне допустимых размеров. Более конкретно, в регулируемом фильтре можно изменять размер отверстий сита в зависимости от разных свойств аэрозоля. Например, в регулируемом фильтре можно уменьшать размер отверстий сита, если плотность капель оказывается аномально высокой. Усиленная фильтрация уменьшает концентрацию аэрозоля.
Средство мониторинга аэрозоля может содержать по меньшей мере один из спектрометра, электрохимического датчика и датчика со структурой «металл-оксид-полупроводник» (МОП). Использование таких химических датчиков позволяет обнаруживать нежелательные химические составы. При обнаружении наличия нежелательного химического состава контроллер может прекращать подачу питания на нагревательный элемент, или он может уменьшать подачу питания на нагревательный элемент для уменьшения температуры нагревательного элемента. Уменьшение температуры нагревательного элемента обычно будет останавливать создание нежелательного состава или снижать уровень нежелательного химического состава в генерируемом аэрозоле.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать приемник данных, связанный с контроллером. Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать передатчик данных, связанный с контроллером. Передатчик данных и приемник данных могут делать возможной беспроводную связь с внешним устройством. Передатчик и приемник данных могут содержать приемопередатчик Bluetooth с низким энергопотреблением. Контроллер может быть выполнен с возможностью обновления ожидаемых, или требуемых, или целевых свойств аэрозоля или параметров нагревательного элемента на основании данных, полученных посредством приемника данных.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может дополнительно содержать память, в которой сохранен алгоритм управления с прогнозированием или алгоритм пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования. Контроллер может быть выполнен с возможностью применения первого контура управления с обратной связью, или второго контура управления с обратной связью, или как первого контура управления с обратной связью, так и второго контура управления с обратной связью с использованием или алгоритма управления с прогнозированием, или алгоритма пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования. Посредством алгоритма управления с прогнозированием можно регулировать переменные как перед изменением измеренной температуры, или измеренного свойства аэрозоля, или как измеренной температуры, так и измеренного свойства аэрозоля, так и после него.
Система, генерирующая аэрозоль, может содержать ручное устройство, генерирующее аэрозоль. Ручное устройство, генерирующее аэрозоль, может быть выполнено с возможностью генерирования аэрозоля для вдыхания пользователем. Ручное устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать мундштук, через который пользователь может делать затяжку, чтобы вытягивать аэрозоль, генерируемый устройством, из устройства. Система, генерирующая аэрозоль, может представлять собой устройство, работающее от батареи. Система, генерирующая аэрозоль, может содержать корпус, предназначенный для содержания датчика температуры, средства мониторинга аэрозоля и нагревательного элемента. Корпус также может частично или полностью вмещать субстрат. Устройство предпочтительно представляет собой портативное устройство, которое удобно держать между пальцами одной руки. Устройство может иметь по существу цилиндрическую форму и иметь длину от 70 до 200 мм. Максимальный диаметр устройства предпочтительно составляет от 10 до 30 мм.
Система, генерирующая аэрозоль, обеспечивает возможность непосредственного получения измерения типа и/или количества по меньшей мере одного химического состава и его использования во втором контуре управления с обратной связью. В этом отношении система может измерять спектр поглощения генерируемого аэрозоля. Спектр поглощения генерируемого аэрозоля может предоставлять указание составов, присутствующих в генерируемом аэрозоле.
Нагревательный элемент может быть выполнен с возможностью непрерывного нагревания субстрата, образующего аэрозоль, во время работы устройства. «Непрерывное» в этом контексте означает, что нагревание не зависит от потока воздуха, проходящего через устройство, так что питание может подаваться на нагревательный элемент, даже когда нет потока воздуха, проходящего через устройство. Охлаждение корпуса устройства особенно необходимо в непрерывно нагреваемых устройствах, поскольку температура корпуса может повышаться в периоды, когда питание подается на нагревательный элемент, но воздух через устройство не втягивается. Альтернативно устройство может содержать средства для обнаружения потока воздуха, и нагревательный элемент может быть выполнен с возможностью нагревания субстрата, образующего аэрозоль, только когда поток воздуха превышает пороговый уровень, указывающий на то, что пользователь делает затяжку с помощью устройства.
В контексте этого документа «устройство, генерирующее аэрозоль» относится к устройству, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, для генерирования аэрозоля. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть частью изделия, образующего аэрозоль, например частью курительного изделия. Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой курительное устройство, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, изделия, образующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля, который пользователь может непосредственно вдыхать в свои легкие через рот. Устройство, генерирующее аэрозоль, может удерживать изделие, образующее аэрозоль. Изделие, образующее аэрозоль, может полностью или частично содержаться в устройстве, генерирующем аэрозоль. Изделие, образующее аэрозоль, может содержать мундштук, через который пользователь может делать затяжку во время использования.
В контексте этого документа термин «субстрат, образующий аэрозоль» означает субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Такие летучие соединения могут высвобождаться в результате нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, в целях удобства может быть частью изделия, образующего аэрозоль.
В контексте этого документа термин «изделие, образующее аэрозоль» относится к изделию, содержащему субстрат, образующий аэрозоль, который способен высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Например, изделие, образующее аэрозоль, может генерировать аэрозоль, который пользователь может непосредственно вдыхать в свои легкие через рот. Однако в отличие от традиционной сигареты изделие, образующее аэрозоль, не требует горения для генерирования аэрозоля. Изделие, образующее аэрозоль, может быть одноразовым и может представлять собой, или может содержать, табачную палочку.
В контексте этого документа термин «система, генерирующая аэрозоль» относится к комбинации из устройства, генерирующего аэрозоль, и одного или более изделий, образующих аэрозоль, для использования с устройством. Система, генерирующая аэрозоль, может содержать дополнительные компоненты, такие как зарядное устройство для перезарядки встроенного блока электропитания в электроуправляемом или электрическом устройстве, генерирующем аэрозоль.
В контексте этого документа термин «мундштучная часть» относится к части изделия, образующего аэрозоль, или устройства, генерирующего аэрозоль, которую пользователь помещает себе в рот для непосредственного вдыхания аэрозоля, генерируемого изделием, образующим аэрозоль, или устройством, генерирующим аэрозоль. Аэрозоль доставляется в рот пользователя через мундштук.
Нагревательный элемент может содержать электрически резистивный материал. Подходящие электрически резистивные 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 композиционные материалы могут содержать легированную или нелегированную керамику. Примеры подходящей легированной керамики включают легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают титан, цирконий, тантал, платину, золото и серебро. Примеры подходящих 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 жаропрочные сплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали, Timetal и сплавы на основе железа-марганца-алюминия. В композиционных материалах электрически резистивный материал может быть встроен, инкапсулирован в изоляционный материал или нанесен на него, или наоборот, в зависимости от кинетики переноса энергии и требуемых внешних физико-химических свойств. Альтернативно электрические нагреватели могут содержать элемент для нагревания инфракрасным излучением, источник фотонов или элемент для индукционного нагревания.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать внутренний нагревательный элемент, или внешний нагревательный элемент, или как внутренний, так и внешний нагревательные элементы, при этом слова «внутренний» и «внешний» используются относительно субстрата, образующего аэрозоль. Внутренний нагреватель может иметь любую подходящую форму. Например, внутренний нагреватель может быть принимать форму нагревательной пластины. Альтернативно внутренний нагреватель может иметь форму кожуха или подложки с разными электропроводящими частями или электрически резистивной металлической трубки. Альтернативно внутренний нагреватель может быть одним или более из нагревательных игл или стержней, которые проходят через центр субстрата, образующего аэрозоль. Другие альтернативы включают нагревательную проволоку или нить, например проволоку из Ni-Cr (никель-хрома), платины, вольфрама или сплавов, или нагревательную пластину. Внутренний нагревательный элемент может быть нанесен внутри жесткого материала носителя или на нем. В одном таком варианте осуществления электрически резистивный нагреватель может быть образован с использованием металла, имеющего определенное соотношение между температурой и удельным сопротивлением. В таком приведенном в качестве примера устройстве металл может быть сформован в виде дорожки на подходящем изолирующем материале, таком как керамический материал, например диоксид циркония, а затем размещен внутри другого изолирующего материала, такого как стекло. Нагреватели, полученные таким способом, могут быть использованы как для нагревания, так и для отслеживания температуры нагревателей во время работы.
Внешний нагреватель может иметь любую подходящую форму. Например, внешний нагреватель может иметь форму одной или более гибких листов нагревательной фольги на диэлектрической подложке, например из полиимида. Листам гибкой нагревательной фольги может быть придана форма, соответствующая периметру полости для размещения субстрата. Альтернативно внешний нагреватель может иметь форму металлических решетки или решеток, гибкой печатной платы, литого соединительного устройства (MID), керамического нагревателя, гибкого нагревателя из углеродного волокна или может быть образован с использованием технологии нанесения покрытия, такой как плазменное осаждение из паровой фазы, на субстрате подходящей формы. Внешний нагреватель может быть также образован с использованием металла, имеющего определенное соотношение между температурой и удельным сопротивлением. В таком приведенном в качестве примера устройстве металл может быть сформован в виде дорожки между двумя слоями подходящих изоляционных материалов. Внешний нагреватель, образованный таким способом, может быть использован как для нагревания, так и для отслеживания температуры внешнего нагревателя во время работы.
Внутренний или внешний нагреватель может содержать теплоприемник, или тепловой резервуар, содержащий материал, способный поглощать и сохранять тепло, а затем со временем высвобождать тепло в субстрат, образующий аэрозоль. Теплоприемник может быть выполнен из любого подходящего материала, такого как подходящий металлический или керамический материал. В одном варианте осуществления материал имеет высокую теплоемкость (чувствительный теплоаккумулирующий материал) или представляет собой материал, способный поглощать и впоследствии высвобождать тепло посредством обратимого процесса, такого как высокотемпературный фазовый переход. Подходящие чувствительные теплоаккумулирующие материалы включают силикагель, оксид алюминия, углерод, стекломат, стекловолокно, минеральные вещества, металл или сплав металлов, таких как алюминий, серебро или свинец, и целлюлозный материал, такой как бумага. Другие подходящие материалы, которые высвобождают тепло в результате обратимого фазового перехода, включают парафин, ацетат натрия, нафталин, воск, оксид полиэтилена, металл, металлическую соль, эвтектическую смесь солей или сплав. Теплоприемник или тепловой резервуар может быть расположен таким образом, что он непосредственно контактирует с субстратом, образующим аэрозоль, и может передавать сохраненное тепло непосредственно на субстрат. Альтернативно тепло, сохраненное в теплоприемнике или тепловом резервуаре, может быть передано на субстрат, образующий аэрозоль, посредством проводника тепла, такого как металлическая трубка.
Изделие, образующее аэрозоль, может иметь по существу цилиндрическую форму. Изделие, образующее аэрозоль, может быть по существу продолговатым. Изделие, образующее аэрозоль, 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 продолговатым. Субстрат, образующий аэрозоль, также может иметь длину и окружность, по существу перпендикулярную длине.
Изделие, образующее аэрозоль, может иметь общую длину от приблизительно 30 мм до приблизительно 100 мм. Изделие, образующее аэрозоль, может иметь наружный диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 12 мм. Изделие, образующее аэрозоль, может содержать заглушку фильтра. Заглушка фильтра может быть расположена на находящемся дальше по ходу потока конце курительного изделия. Заглушка фильтра может представлять собой ацетилцеллюлозную заглушку фильтра. Заглушка фильтра в одном варианте осуществления имеет длину приблизительно 7 мм, однако может иметь длину от приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм.
В одном варианте осуществления изделие, образующее аэрозоль, имеет общую длину приблизительно 45 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр примерно 7,2 мм. Кроме того, субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 10 мм. Альтернативно субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 12 мм. Кроме того, диаметр субстрата, образующего аэрозоль, может составлять от приблизительно 5 мм до приблизительно 12 мм. Изделие, образующее аэрозоль, может содержать внешнюю бумажную обертку. Кроме того, изделие, образующее аэрозоль, может содержать перегородку между субстратом, образующим аэрозоль, и заглушкой фильтра. Перегородка может иметь размер приблизительно 18 мм, но может иметь размер в диапазоне от приблизительно 5 мм до приблизительно 25 мм.
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, которое способствует образованию плотного и стабильного 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 предоставлен в подходящей таре или картридже. 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 путем агломерирования сыпучего табака. Гомогенизированный табак может иметь форму листа. Содержание вещества для образования аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять более 5% по сухому весу. Альтернативно содержание вещества для образования аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять от 5% до 30% по сухому весу. Листы гомогенизированного табачного материала могут быть образованы путем агломерирования сыпучего табака, полученного путем помола или иного измельчения одного или обоих из пластинки табачного листа и стеблей табачного листа. Альтернативно или дополнительно листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или более из табачной пыли, табачной мелочи и других сыпучих табачных побочных продуктов, образующихся, 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, чтобы способствовать агломерированию сыпучего табака; альтернативно или дополнительно листы гомогенизированного табачного материала могут содержать другие добавки, включая, но без ограничения, табачные и нетабачные волокна, вещества для образования аэрозоля, увлажнители, пластификаторы, ароматизаторы, наполнители, водные и неводные растворители и их сочетания.
Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть предоставлен 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 как на его внутреннюю, так и внешнюю поверхности. 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 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 по схеме с целью обеспечения неравномерной доставки вкусоароматической добавки во время использования.
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 таре. 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 пластмассового 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 предоставлен в капсуле. Оболочка капсулы предпочтительно плавится при нагреве и высвобождает жидкий субстрат, образующий аэрозоль, в пористый материал носителя. Капсула может вмещать 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.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может дополнительно содержать блок питания для подачи питания на внутренний и внешний нагреватели. Блок питания может являться любым подходящим блоком питания, например, источником напряжения постоянного тока, таким как батарея. В одном варианте осуществления блок питания представляет собой литий-ионную батарею. Альтернативно блок питания может представлять собой никель-металл-гидридную батарею, никель-кадмиевую батарею или батарею на основе лития, например литий-кобальтовую, литий-железо-фосфатную, литий-титановую или литий-полимерную батарею.
В другом аспекте настоящего изобретения предложена система, генерирующая аэрозоль, которая содержит устройство согласно первому аспекту настоящего изобретения, при этом устройство содержит корпус и субстрат, образующий аэрозоль, который частично или полностью размещен в корпусе.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложена система, генерирующая аэрозоль, которая содержит: субстрат, образующий аэрозоль; нагревательный элемент, выполненный с возможностью нагревания субстрата, образующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля; датчик температуры для измерения температуры нагревательного элемента; средство мониторинга аэрозоля для измерения свойства аэрозоля, включающего по меньшей мере одно из физического свойства и химического состава генерируемого аэрозоля; и контроллер, выполненный для регулирования питания, подаваемого на нагревательный элемент, на основании: i) измеренной температуры нагревательного элемента в первом контуре управления с обратной связью; и ii) отслеживаемого свойства аэрозоля во втором контуре управления с обратной связью.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложен субстрат, образующий аэрозоль, для использования в системе, генерирующей аэрозоль, которая содержит средство мониторинга аэрозоля, выполненное для отслеживания свойств аэрозоля генерируемого аэрозоля и осуществления связи с контроллером в устройстве, генерирующем аэрозоль.
Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предложен способ регулирования генерирования аэрозоля, включающий:
i) генерирование аэрозоля из субстрата, образующего аэрозоль, посредством нагревательного элемента;
ii) измерение температуры нагревательного элемента на нагревательном элементе;
iii) регулирование питания, подаваемого на нагревательный элемент, на основании измеренной температуры в первом контуре управления с обратной связью;
iv) измерение свойства аэрозоля генерируемого аэрозоля, при этом указанное свойство аэрозоля включает по меньшей мере одно физическое свойство или химический состав генерируемого аэрозоля;
v) сопоставление одного или более измеренных свойств аэрозоля с ожидаемым свойством аэрозоля для определения того, имеется ли отклоняющееся от нормы состояние;
vi) регулирование питания, подаваемого на нагревательный элемент, на основании первого контура управления с обратной связью, если отклоняющегося от нормы состояния нет; и
vii) регулирование питания, подаваемого на нагревательный элемент, на основании второго контура управления с обратной связью, если отклоняющееся от нормы состояние есть.
Признаки, описанные в отношении одного аспекта, могут быть в равной степени применимы к другим аспектам настоящего изобретения.
Варианты осуществления настоящего изобретения далее будут описаны исключительно в качестве примеров со ссылками на прилагаемые графические материалы, в которых:
на фиг. 1a представлено схематическое изображение системы, генерирующей аэрозоль, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 1b представлено схематическое изображение системы, генерирующей аэрозоль, по фиг. 1, когда она приведена в действие;
на фиг. 1c представлено схематическое изображение альтернативной системы, генерирующей аэрозоль;
на фиг. 2 представлено схематическое изображение системы, генерирующей аэрозоль, выполненной с возможностью испарения жидкого субстрата, образующего аэрозоль, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3a и 3b представлены структурные схемы, на которых показаны соответственно контроллер, содержащий ПИД-контроллеры, и логическое управление с прогнозированием;
на фиг. 4 представлено схематическое изображение, на котором показан датчик аэрозоля, выполненный за одно целое с изделием, образующим аэрозоль, согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 5 представлено схематическое изображение, на котором показана система, генерирующая аэрозоль, с элементом для индукционного нагревания согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 6 представлено схематическое изображение, на котором показан датчик аэрозоля, выполненный в мундштуке, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 1a показана система 10, генерирующая аэрозоль, которая содержит устройство 20, генерирующее аэрозоль, и изделие 100, образующее аэрозоль, которое предназначено для использования с устройством 20, генерирующим аэрозоль. Изделие 100, образующее аэрозоль, в этом приведенном примере представляет собой заглушку из табака, имеющую расходную часть 102, содержащую субстрат, образующий аэрозоль, мундштук 104 для втягивания генерируемого аэрозоля через изделие и промежуточную часть 106 между субстратом 102, образующим аэрозоль, и мундштуком 104.
Устройство 20, генерирующее аэрозоль, содержит трубчатый корпус 22 с полостью 24, выполненной для приема изделия 100, образующего аэрозоль, сквозь отверстие в ближнем конце корпуса 22. Как показано на фиг. 1b, когда изделие 100, образующее аэрозоль, вставлено в полость 24, нагревательный элемент 26 в полости 24 проникает и полностью заходит в расходную часть 102 изделия 100, образующего аэрозоль, чтобы обеспечивать нагревание субстрата 102, образующего аэрозоль. Нагревательный элемент 26 представляет собой резистивный нагревательный элемент, который генерирует тепло, когда через него пропускается ток. При использовании нагревательный элемент 26 нагревается до рабочей температуры от 200 до 350 градусов Цельсия для генерирования аэрозоля. Нагревательный элемент 26 выполнен в виде пластины, чтобы облегчать его проникновение в субстрат 102, образующий аэрозоль, когда тот вставляют в полость. Размеры и положение нагревательного элемента 26 являются такими, чтобы он соответствовал расходной части 102 изделия 100, образующего аэрозоль, вставляемой в полость 24, так что при использовании вся расходная часть 102 или ее части могут быть нагреты в первом участке 24a полости.
Устройство 10 содержит в корпусе 22 источник 30 электроэнергии, например перезаряжаемую литий-ионную батарею. Устройство дополнительно содержит контроллер 32, связанный с нагревательным элементом 26, источником 30 электроэнергии и пользовательским интерфейсом 34. В этом случае пользовательский интерфейс 34 представляет собой механическую кнопку. При задействовании пользовательского интерфейса 34 контроллер 32 контролирует питание, подаваемое посредством электрических контактов 27 на нагревательный элемент 26, с целью регулирования температуры субстрата 102, образующего аэрозоль. Контроллер 32 дополнительно содержит процессор 38 для анализа измеренных данных с по меньшей мере одного датчика. Например, контроллер может быть выполнен с возможностью преобразования обнаруженного электрического сопротивления на нагревательном элементе 26 в температуру нагревателя на основании правила преобразования, сохраненного в памяти 36. Память 36 также может быть выполнена с возможностью хранения данных об изменении во времени измеренной температуры, чтобы при необходимости направлять данные от датчика в процессор 32.
Контроллер 32 дополнительно содержит модуль 39 связи для осуществления связи с внешними устройствами. Таким образом, обрабатываемые параметры, такие как ожидаемые значения свойств аэрозоля и рабочая температура нагревателя, могут быть изменениями от внешнего устройства, соединенного посредством модуля связи. Могут обеспечиваться обновления встроенного программного обеспечения. С устройства на внешнее устройство можно загружать данные, касающиеся использования устройства и состояния устройства. В приведенном примере модуль связи представляет собой устройство Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE), выполненное с возможностью обеспечения беспроводной связи с внешними устройствами. В некоторых случаях модуль беспроводной связи предусмотрен не в контроллере 32, а на вспомогательном устройстве, таком как зарядное устройство. В этом случае контроллер посредством вспомогательного устройства может отправлять данные на внешние устройства или получать данные с них.
Корпус дополнительно содержит теплоизоляционный элемент 28, такой как изоляционный материал, примыкающий к нагревательному элементу 26, для отделения и экранирования электрических компонентов от вырабатываемого тепла в полости 24. Теплоизоляционный элемент также обеспечивает уплотнение между полостью 24 и электронными компонентами. Теплоизоляционный элемент предотвращает вхождение любых жидкостей в полости в контакт с электрическими компонентами. Теплоизоляционный элемент 28 в этом примере также закрепляет основание нагревательного элемента 26 в корпусе. Теплоизоляционный элемент обеспечивает опору нагревательному элементу 26, когда тот проникает в субстрат 102, образующий аэрозоль, во время вставки изделия 100, образующего аэрозоль, в устройство.
При использовании нагревательный элемент 26 нагревается до рабочей температуры и заставляет субстрат, образующий аэрозоль, генерировать аэрозоль в полости 24. Пользователь тогда может делать затяжку через мундштук 104 изделия 100, образующего аэрозоль, чтобы втягивать генерируемый аэрозоль из полости 24. Как показано на фиг. 1b, часть генерируемого аэрозоля может перетекать в зазор 60, образованный между субстратом 102 и внутренними стенками полости 24. Такой перетекающий аэрозоль является показателем того, что происходит генерирование аэрозоля. На внутренней стенке полости 24 предоставлен датчик 40 аэрозоля для определения одного или более свойств перетекающего аэрозоля. Выходной сигнал датчика аэрозоля, который представляет измеренное свойство аэрозоля, затем передается на контроллер 32 для использования в контуре управления с обратной связью.
В приведенном примере датчик 40 аэрозоля, такой как миниатюрный датчик со структурой «металл-оксид-полупроводник» (МОП) или миниатюрный спектрометр, для определения одного или более химических составов в генерируемом аэрозоле. Дополнительно или в качестве альтернативы датчик 40 аэрозоля может содержать один или более из оптических датчиков частиц и датчиков температуры для обнаружения физических свойств, таких как количество, плотность и размеры частиц капель аэрозоля, а также температуры генерируемого аэрозоля. Таким образом, датчик 40 аэрозоля выполнен с возможностью обеспечения данных, касающихся одного или более химических составов и физических свойств генерируемого аэрозоля.
В качестве примера датчик 40 аэрозоля может содержать химический датчик для отслеживания состава в генерируемом аэрозоле и, в частности, для обнаружения уровня монооксида углерода (CO), который указывает на нежелательное горение или перегрев в субстрате, образующем аэрозоль. Контроллер 32 выполнен с возможностью сопоставления измеренного уровня CO с ожидаемым значением, указывающим ожидаемый уровень CO в аэрозоле, генерируемом во время нормальной работы. Если имеется большее количество CO, чем ожидаемый уровень, то контроллер может определить наличие отклоняющегося от нормы состояния.
Химический датчик обычно содержит распознающий элемент, связанный с анализирующим элементом. Распознающий элемент содержит чувствительные участки, которые выборочно взаимодействуют с молекулами целевого химического вещества в генерируемом аэрозоле. Анализирующий элемент содержит электронный компонент для обработки сигналов, отправляемых распознающим элементом.
На фиг. 1c представлен другой вариант осуществления настоящего изобретения. Датчик 40 аэрозоля, показанный на фиг. 1b, заменен электрохимическим покрытием 40b. Электрохимическое покрытие 40b нанесено на существенной части стенки полости 24. В этом варианте осуществления электрохимическое покрытие 40b представляет собой распознающий элемент, тогда как анализирующий элемент интегрирован в контроллер. Электрохимическое покрытие расположено так, чтобы находиться в электрическом соединении с контроллером. Покрытие возвращает электрический сигнал на контроллер при контакте с конкретным целевым химическим веществом в перетекающем аэрозоле. Электрический сигнал, возвращенный электрохимическим покрытием, является пропорциональным концентрации целевого химического вещества в генерируемом аэрозоле. Если сигнал от электрохимического покрытия выходит за пределы нормального или ожидаемого диапазона, то контроллер определяет наличие отклоняющегося от нормы состояния. Такое устройство обеспечивает тонкий химический датчик. Если отклоняющегося от нормы состояния нет, контроллер 32 может регулировать питание, подаваемое на нагревательный элемент 26, на основании определенной температуры в нагревательном элементе 26 в первом контуре управления с обратной связью. Температура нагревательного элемента может быть измерена посредством отдельной термопары на нагревателе или на основании мгновенного электрического сопротивления, обнаруженного на резистивном нагревательном элементе 26.
Контроллер выполнен с возможностью замещения первого контура управления с обратной связью в ответ на обнаруженное отклоняющееся от нормы состояние, такое как чрезмерный уровень CO, и использования второго контура управления с обратной связью, в котором питание, подаваемое на нагревательный элемент, регулируется на основании измеренного качества аэрозоля. Например, в рассмотренном выше случае контроллер после обнаружения отклоняющегося от нормы количества CO прерывает или уменьшает подачу питания на нагревательный элемент 26 независимо от температуры нагревательного элемента, пока измеренный уровень CO не упадет ниже ожидаемого значения.
В некоторых вариантах осуществления контроллер выполнен с возможностью непрерывного использования второго контура управления с обратной связью, так что питание, подаваемое на нагревательный элемент, непрерывно регулируется на основании измеренного качества аэрозоля даже в нормальных условиях. Измеренное свойство аэрозоля может быть использовано для настройки целевой температуры нагревательного элемента, например.
В некоторых вариантах осуществления одно или более ожидаемых свойств аэрозоля могут быть изменены вручную или изменены при выполнении определенных условий запуска. Второй контур управления с обратной связью может активироваться на разных пороговых уровнях. Например, ожидаемый уровень CO для использования на улице может быть снижен, если устройство 20, генерирующее аэрозоль, используется в ограниченном пространстве. Поэтому устройство 20, генерирующее аэрозоль, работает с более низкой рабочей температурой, когда оно используется в помещении. Устройство может обнаруживать, что оно находится в помещении, с помощью устройства 39 BLE.
В некоторых вариантах осуществления устройство 39 BLE осуществляет связь с внешним устройством, таким как мобильный телефон, для изменения ожидаемого значения одного или более свойств аэрозоля вручную. В некоторых других вариантах осуществления устройство 39 BLE определяет, что оно находится рядом с другими внешними устройствами, например домашними развлекательными системами, и снижает ожидаемое значение CO, подходящее для использования в помещении.
В некоторых случаях при работе с применением второго контура управления по-прежнему может учитываться температура нагревательного элемента, используемая первым контуром управления с обратной связью. Например, при обнаружении аномально низкого количества никотина в аэрозоле второй контур управления с обратной связью замещает контроль температуры в первом контуре управления и увеличивает подачу питания на нагревательный элемент 26. Это увеличивает испарение и способствует высвобождению никотина. В этом случае в качестве меры безопасности контроллер непрерывно обращается к температуре нагревательного элемента в первом контуре с обратной связью. Контроллер выполнен с возможностью прекращения увеличения подачи питания, если температура нагревательного элемента достигает предварительно определенного предельного значения предохранительного выключения. Обычное предварительно определенное предельное значение предохранительного выключения может составлять от 300 до 400 градусов Цельсия, но оно может варьироваться в зависимости от типа нагреваемого субстрата, образующего аэрозоль.
В некоторых случаях измеряется множество свойств аэрозоля, и вторичный контур управления может регулировать питание, подаваемое на нагревательный элемент 26, на основании иерархии измеренных параметров. Например, предохранительные выключения, такие как при обнаружении нежелательных химических составов, могут замещать контроль на основании уровня никотина. Так, при обнаружении аномально высокого уровня нежелательного химического соединения и аномально низкого уровня никотина контроллер прекращает подачу питания на нагревательный элемент, чтобы уменьшать уровень состава нежелательного химического соединения, вместо увеличения температуры нагревателя с целью увеличения высвобождения никотина.
Как показано на фиг. 1a и 1b, устройство, генерирующее аэрозоль, дополнительно содержит вспомогательное средство 50 контроля аэрозоля для регулирования качества аэрозоля после его генерирования на нагревательном элементе. Вспомогательное средство 50 контроля аэрозоля в приведенном примере представляет собой устройство Пельтье, которое поглощает тепло из второго участка 24b полости, чтобы охлаждать генерируемый аэрозоль, протекающий через промежуточную часть 106 изделия 100, образующего аэрозоль. Как показано на фиг. 2, второй участок 24b полости предпочтительно расположен дальше по ходу потока от первого участка 24a полости, так что генерируемый аэрозоль охлаждается перед втягиванием через мундштук. Это обеспечивает более резкое охлаждение генерируемого аэрозоля в промежуточной части 106 и, таким образом, увеличивает количество возникающих и образующихся капель аэрозоля. В некоторых вариантах осуществления промежуточная часть 106 может содержать теплопроводный материал, который способствует охлаждению аэрозоля, проходящего через нее.
В некоторых вариантах осуществления может использоваться другое вспомогательное средство 50 контроля аэрозоля. Например, вспомогательное средство 50 контроля аэрозоля может представлять собой исполнительные микроэлементы, выполненные с возможностью регулирования объема расширения полости, а также длины пути потока аэрозоля, чтобы изменять степень образования капель аэрозоля из пара. Вспомогательное средство 50 контроля аэрозоля может представлять собой регулируемый механический фильтр, такой как микроимпактор, для отфильтровывания капель генерируемого аэрозоля, выходящих за пределы допустимого диапазона.
Вспомогательное средство 50 контроля аэрозоля, такое как термоэлектрическое устройство, потребляет дополнительную энергию от источника 30 электропитания. В этом приведенном примере вспомогательное средство 50 контроля аэрозоля применяется только во втором контуре управления для регулирования свойств аэрозоля при обнаружении отклоняющегося от нормы аэрозоля. Вспомогательное средство 50 контроля аэрозоля не активируется, если определено, что свойства аэрозоля генерируемого аэрозоля находятся в пределах нормального рабочего диапазона. Вместо этого активация вспомогательного средства контроля аэрозоля осуществляется в качестве корректирующей меры, чтобы улучшить качество аэрозоля, если генерируемый аэрозоль находится вне требуемых пределов.
Оптический измеритель 40 частиц представляет собой пример датчика 40 аэрозоля, при этом измеряемые свойства аэрозоля представляют собой количество капель и размер капель. Если обнаружено, что количество капель и размер капель находятся в пределах нормального рабочего диапазона, контроллер 27 применяет первый контур управления с обратной связью, в котором питание, подаваемое на нагревательный элемент 26, основано на измеренной температуре нагревателя. Однако при обнаружении аномально низкой плотности капель и/или уменьшенного размера капель контроллер 27 может применять второй контур управления с обратной связью, посредством которого он не только снижает подачу питания на нагревательный элемент на основании свойств аэрозоля, но и активирует термоэлектрическое устройство 50 для стимулирования образования капель.
В некоторых вариантах осуществления могут быть предусмотрены дополнительные датчики аэрозоля (не показаны) для отслеживания свойств аэрозоля, вытягиваемого через мундштук. Например, дополнительные датчики аэрозоля могут отслеживать эффективность вспомогательного средства 50 контроля аэрозоля в отношении устранения недостатков в генерируемом аэрозоле. Контроллер 27 может быть выполнен с возможностью управления вспомогательным средством 50 контроля аэрозоля на основании измеренных свойств аэрозоля, полученных с датчика 40 аэрозоля или с дополнительного датчика аэрозоля, или как с датчика 40 аэрозоля, так и с дополнительного датчика аэрозоля, во втором контуре управления.
Дополнительные датчики аэрозоля могут отслеживать те же свойства аэрозоля, что и датчик 40 аэрозоля, или могут отслеживать другие свойства аэрозоля. Например, датчик 40 аэрозоля может представлять собой спектрометр для обнаружения уровня CO, а дополнительные датчики аэрозоля могут представлять собой оптический измеритель частиц для измерения количества частиц или размера частиц, или как количества частиц, так и размера частиц. Контроллер может регулировать подачу питания на нагревательный элемент на основании иерархии свойств аэрозоля и нагревательного элемента, так что отклоняющееся от нормы состояние по одному свойству замещает управление на основании отклоняющегося от нормы состояния по другому свойству.
На фиг. 2 показана альтернативная система 10b, генерирующая аэрозоль, содержащая устройство 20b, генерирующее аэрозоль, для использования с картриджем 100b, образующим аэрозоль, содержащим жидкий субстрат 102b, образующий аэрозоль. Система 10b, генерирующая аэрозоль, содержит такие же компоненты, что и вариант осуществления 10, показанный на фиг. 1, за исключением того, что она не выполнена с возможностью нагревания табачного стержня. Система 10b, генерирующая аэрозоль, выполнена с возможностью испарения жидкого субстрата 102b, общеизвестного как жидкость для электронных сигарет.
Мундштук 104b с возможностью отсоединения прикреплен к отверстию полости 124b путем резьбового крепления или зажимного крепления. Картридж 100b, образующий аэрозоль, может быть вставлен в полость 124b путем отсоединения и повторного прикрепления мундштука 104b. При применении картридж 100b, образующий аэрозоль, вставлен в полость 124b. Жидкий субстрат 102b подается на нагревательный элемент 26b и нагревается им, в процессе чего генерируется аэрозоль. Генерируемый аэрозоль образуется в полости 124b перед тем, как вытягивается из полости, когда пользователь делает затяжку через мундштук 104b.
В целом, когда применяется второй контур управления с обратной связью, можно говорить о режиме полной обратной связи. В режиме полной обратной связи по меньшей мере одно свойство аэрозоля, измеренное датчиком аэрозоля, используется в непрерывном контуре управления с обратной связью для регулирования нагревательного элемента 26 согласно логике управления, сохраненной в памяти 38. Логика управления может быть задана при изготовлении, или она может обновляться за счет машинного обучения либо программироваться пользователем устройства.
При работе в режиме полной обратной связи по меньшей мере одно свойство аэрозоля, измеренное датчиком 40 аэрозоля, применяется для изменения температуры нагревателя или других переменных для управления вспомогательным средством 50 контроля аэрозоля. Могут быть использованы интеллектуальные алгоритм или логика управления, в которых могут учитываться возможные ложно положительные результаты.
Работа в режиме полной обратной связи требует использования относительно чувствительных датчиков 40 аэрозоля, а также специализированной логики управления. В некоторых случаях, в которых такие требования не удовлетворяются, второй контур управления с обратной связью может работать намного проще, при этом датчик 40 аэрозоля работает просто как предохранительный переключатель. Например, при обнаружении наличия нежелательного химического соединения второй контур управления замещает контроль температуры на нагревательном элементе и выключает устройство в целом. Более конкретно, второй контур управления с обратной связью может прекращать работу устройства, а не осуществлять управление с обратной связью.
На фиг. 3a и 3b представлены две альтернативные структурные схемы, на которых показано пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) управление и логическое управление с прогнозированием соответственно, обеспечивающие первый контур 210 управления с обратной связью и второй контур 220 управления с обратной связью в устройстве 10, генерирующем аэрозоль. Применение ПИД-управления позволяет регулировать параметры после измерения изменения, тогда как логическое управление с прогнозированием позволяет регулировать параметры перед измерением изменения и после него.
Как показано на фиг. 3a, первый контур 210 управления с обратной связью предусмотрен для регулирования температуры нагревателя (на основании обнаруженного электрического сопротивления нагревательного элемента, когда датчиком 40 аэрозоля не обнаружено отклоняющееся от нормы свойства аэрозоля. На первом этапе 212 получают измерения тока, проходящего через нагревательный элемент, и напряжения на нагревательном элементе. На втором этапе 224 измерения используют для вычисления электрического сопротивления нагревательного элемента. Вычисленное сопротивление нагревательного элемента сопоставляют с целевым сопротивлением на этапе 216 и разницу отправляют в пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) контроллер на этапе 218. Выходной сигнал ПИД-контроллера представляет собой необходимое значение напряжения, при котором электрическое сопротивление нагревательного элемента достигает целевого сопротивления. Использование ПИД-контроллера является хорошо известным методом для управления с замкнутым контуром. ПИД-контроллер имеет фиксированные параметры, не зависящие от температуры или сопротивления нагревателя. На этапе 220 выходной сигнал ПИД-контроллера сопоставляют с максимальными предельными значениями напряжения и тока. Если значение выходного напряжения меньше, чем максимальное предельное значение, то его отправляют в блок 230 управления нагревателем, в противном случае в блок 230 управления напряжением отправляют значение максимального напряжения.
На этапе 242 второй контур 240 управления получает значение обнаруженного химического или физического свойства аэрозоля. Обнаруженное свойство сопоставляют с ожидаемым значением для обнаруживаемого свойства на этапе 244 с выведением разницы. Разницу отправляют в пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) контроллер на этапе 246. Выходной сигнал ПИД-контроллер представляет собой значение напряжения, при котором обнаруживаемое свойство аэрозоля возвращается к целевому значению. На этапе 248 выходной сигнал ПИД-контроллера сопоставляют с максимальными предельными значениями напряжения и тока. Если значение выходного напряжения меньше, чем максимальное предельное значение, то его отправляют в блок 230 управления нагревателем, в противном случае в блок 230 управления напряжением отправляют значение максимального напряжения. Выходной сигнал второго контура 240 управления также может быть применен к дополнительным устройствам контроля аэрозоля, таким как устройство Пельтье, как показано посредством вывода Контроль_охлаждения.
Блок 230 управления нагревателем может быть выполнен с возможностью использования входного сигнала с первого контура 210 управления, если не обнаружено отклоняющееся от нормы свойство аэрозоля. Об отклоняющемся от нормы свойстве аэрозоля сообщают в блок 230 управления нагревателем посредством сигнала перезаписи со второго контура управления.
Однако второй контур управления можно использовать непрерывно для точного регулирования первого контура управления. Выходной сигнал второго контура управления может быть подан на ПИД-контроллер первого контура управления, как показано стрелкой 232. С другой стороны, разница между целевым сопротивлением и измеренным сопротивлением с первого контура 210 управления может быть подана на ПИД-контроллер второго контура 240 управления, как показано стрелкой 234. Это может служить предохранительным механизмом. Например, разница в сопротивлении, указывающая на значительный перегрев нагревательного элемента, которая потенциально могла бы привести к горению или повреждению нагревательного элемента 26, могла бы вызвать выдачу сигнала перезаписи вторым контуром 240 управления с обратной связью и прекращению или значительному уменьшению подачи питания на нагревательный элемент 26.
На фиг. 3b показаны подобные первый контур 260 управления и второй контур 270 управления, в которых применяется логика управления с прогнозированием, при которой контроллер на основании предыдущего опыта и оценок прогнозирует поведение системы перед тем, как событие действительно происходит.
На первом этапе 262 первого контура 260 управления получают измерение тока, проходящего через нагреватель, и измерение напряжения, которые затем на втором этапе 264 используют для вычисления электрического сопротивления нагревательного элемента. Вычисленное сопротивление нагревательного элемента сопоставляют с целевым сопротивлением на этапе 266 и сигнал разницы или ошибки отправляют на логический контроллер с функцией прогнозирования на этапе 268. Логический контроллер с функцией прогнозирования может основываться на поведении модели или идеального нагревательного элемента, основанном на множестве параметров, таких как температура, напряжение, время, ток и погрешность между целевым сопротивлением и вычисленным сопротивлением. Как и в контуре управления по фиг. 3a, перед тем как выходной сигнал логического контроллера с функцией прогнозирования используют для управления преобразователем постоянного тока в постоянный, сначала проверяют, превышает ли ток, проходящий через нагреватель, или требуемое выходное напряжение предварительно определенные максимальные предельные значения. Если ток, проходящий через нагреватель, больше, чем максимальный ток, который батарея может обеспечить, то на этапе 269 необходимое значение напряжения устанавливают равным произведению максимально допустимого тока и вычисленного сопротивления нагревателя. Выходной сигнал отправляют в блок 280 управления нагревателем.
На этапе 272 второй контур 270 управления получает значение обнаруженного химического или физического свойства аэрозоля. Обнаруженное свойство сопоставляют с ожидаемым значением для обнаруживаемого свойства на этапе 274 с выведением разницы. Разницу отправляют в логический контроллер с функцией прогнозирования на этапе 276. Выходной сигнал логического контроллера с функцией прогнозирования представляет собой значение напряжения, при котором обнаруживаемое свойство аэрозоля возвращается к целевому значению. На этапе 278 выходной сигнал ПИД-контроллера сопоставляют с максимальными предельными значениями напряжения и тока. Если выходное напряжение меньше, чем максимальное предельное значение, то его отправляют в блок 280 управления нагревателем, в противном случае в блок 280 управления напряжением отправляют значение максимального напряжения. Выходной сигнал второго контура управления также может быть применен к дополнительным устройствам контроля аэрозоля, таким как устройство Пельтье, как показано посредством вывода Контроль_охлаждения.
Как и в примере, приведенном на фиг. 3a, блок 230 управления нагревателем может быть выполнен с возможностью использования входного сигнала с первого контура 210 управления, если не обнаружено отклоняющееся от нормы свойство аэрозоля. Об отклоняющемся от нормы свойстве аэрозоля сообщают в блок 230 управления нагревателем посредством сигнала перезаписи со второго контура 240 управления.
Однако второй контур 240 управления можно использовать непрерывно для точного регулирования первого контура управления. Выходной сигнал второго контура 240 управления может быть подан на ПИД-контроллер первого контура управления, как показано стрелкой 232. С другой стороны, разница между целевым сопротивлением и измеренным сопротивлением с первого контура 210 управления может быть подана на ПИД-контроллер второго контура 240 управления, как показано стрелкой 234. Это может служить предохранительным механизмом. Например, разница в сопротивлении, указывающая на значительный перегрев нагревательного элемента 26, которая потенциально могла бы привести к горению или повреждению нагревательного элемента, могла бы вызвать выдачу сигнала перезаписи вторым контуром 240 управления с обратной связью и прекращению или значительному уменьшению подачи питания на нагревательный элемент 26.
Логика управления с прогнозированием сохранена в памяти 38 и может часто обновляться пользователем или обновляться автоматически при каждом использовании, чтобы изучать привычки пользователя или определять наилучший режим использования. Например, контроллер 32 может определять, что конкретный пользователь склонен предпочитать более холодный генерируемый аэрозоль, поскольку сведения об изменении во времени в памяти 38 показывают, что пользователь всегда делает более короткие затяжки или сразу перестает делать затяжки после того, как температура генерируемого аэрозоля превышает конкретную температуру. В результате первый контур управления с обратной связью, или второй контур управления с обратной связью, или первый контур управления с обратной связью и второй контур управления с обратной связью могут тогда применять логику с прогнозированием, при которой значение ожидаемого свойства аэрозоля снижается до более низкого значения.
На фиг. 4 показано изделие 300, образующее аэрозоль, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Как и изделие 100, образующее аэрозоль, показанное на фиг. 1, изделие 300, образующее аэрозоль, также содержит расходную часть 302, содержащую субстрат, образующий аэрозоль, мундштук 304 и промежуточную часть 306 между субстратом 302, образующим аэрозоль, и мундштуком 304. В этом варианте осуществления датчик 340 аэрозоля выполнен за одно целое с промежуточной частью 306 изделия 300, образующего аэрозоль. Датчик 340 аэрозоля может представлять собой заменяемый датчик с изделием 300, образующим аэрозоль.
Датчик 340 аэрозоля выполнен с возможностью обнаружения по меньшей мере одного свойства в основном потоке аэрозоля, вытягиваемом через мундштук, что позволяет выполнять точные измерения. В приведенном примере датчик 340 аэрозоля с помощью беспроводной связи связан с различными компонентами в устройстве 10, генерирующем аэрозоль. Например, датчик 340 аэрозоля осуществляет связь с контроллером 32 с применением бесконтактной связи ближнего радиуса действия (NFC) и при этом получает питание от источника 30 электропитания с помощью беспроводной зарядки, такой как индуктивная зарядка. Альтернативно датчик 340 аэрозоля может быть снабжен электрическими соединителями на внешней поверхности изделия 300, образующего аэрозоль, для установки физических электрических соединений с контроллером 32 и источником 30 электропитания.
На фиг. 5 показано альтернативное устройство 420, генерирующее аэрозоль, содержащее контроллер 432, соединенный с источником 430 электропитания, датчик 440 аэрозоля, вспомогательное средство 450 контроля аэрозоля и индукционную катушку 470 в корпусе 422, но расположенную вокруг внешней поверхности субстрата 402, образующего аэрозоль, в изделии 400, образующем аэрозоль, вставленном в полость 424. Изделие, образующее аэрозоль, содержит мундштук 404, через который пользователь делает затяжки. Устройство 420, генерирующее аэрозоль, задействует первый контур управления с обратной связью, или второй контур управления с обратной связью, или как первый контур управления с обратной связью, так и второй контур управления с обратной связью для регулирования генерирования аэрозоля таким же способом, как и устройство 20, генерирующее аэрозоль, показанное на фиг. 1 и 2.
Индукционная катушка 470 вырабатывает переменное электромагнитное поле, которое индуцирует вырабатывающий тепло вихревой ток в токоприемнике 472. Тепло также может вырабатываться за счет потерь на гистерезис в токоприемнике. Токоприемник 472 в этом примере выполнен из нержавеющей стали. Токоприемник 472 вставлен в субстрат 402, образующий аэрозоль, для нагревания субстрата 402, образующего аэрозоль, изнутри. В некоторых вариантах осуществления токоприемник также может быть нанесен на внешнюю поверхность субстрата 402, образующего аэрозоль, для обеспечения нагревания снаружи субстрата 402, образующего аэрозоль. Альтернативно токоприемник может представлять собой токоприемную трубку, окружающую полость 424.
Токоприемник 472, возбуждаемый индукционной катушкой 470, образует нагревательный элемент в этом варианте осуществления. В отличие от традиционного резистивного нагревательного элемента, температуру в токоприемнике 472 нельзя измерить непосредственно. Вместо этого контроллер выполнен с возможностью определения температуры в токоприемнике 472 на основании кажущегося омического сопротивления на индукционной катушке. Такое кажущееся омическое сопротивление может быть вычислено на основании напряжения и тока, идущих от источника электропитания. Температура в токоприемнике 472 может быть взята как температура нагревателя для обеспечения управления с обратной связью в первом контуре управления с обратной связью.
На фиг. 6 показан мундштук 504, который с возможностью отсоединения закрывает полость устройства, генерирующего аэрозоль, в еще одном варианте осуществления настоящего изобретения. Мундштук содержит канал для потока и проницаемую сетку 506, проходящую поперек канала для потока. Мундштук 504 дополнительно содержит датчик 540 аэрозоля, установленный на проницаемой сетке 506. Датчик аэрозоля расположен на пути генерируемого аэрозоля для определения по меньшей мере одного свойства аэрозоля, генерируемого из субстрата, образующего аэрозоль. Мундштук дополнительно содержит электрические соединители, расположенные вдоль его боковых стенок, для установки физических электрических соединений с контроллером 32 и источником 30 электропитания, когда он прикреплен к отверстию полости. Однако такое физическое электрическое соединение может быть заменено беспроводной связью, такой как NFC, и индукционной зарядкой.
Устройство, показанное на фиг. 6, позволяет обнаруживать по меньшей мере одно свойство аэрозоля в основном потоке аэрозоля посредством незаменяемого датчика 540 аэрозоля. Таким образом, в отношении использования это является более дешевой системой по сравнению с заменяемым датчиком 340 аэрозоля, показанным на фиг. 4.
Представленные в качестве примера варианты осуществления, описанные выше, предназначены для описания, а не для ограничения. После ознакомления с представленными в качестве примера вариантами осуществления, рассмотренными выше, специалисту в данной области техники будут очевидны другие варианты осуществления, соответствующие вышеописанным представленным в качестве примера вариантам осуществления.