ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА СНАБЖЕНИЯ ПАРАМИ
ELECTRONIC STEAM SUPPLY SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электронным системам снабжения парами, таким как электронные системы подачи никотина (например, электронным сигаретам).
Уровень техники
Электронные системы снабжения парами, такие как электронные сигареты, обычно содержит резервуар с жидкостью, которая должна испаряться, обычно никотин. Когда пользователь делает вдох на устройстве, происходит включение нагревателя для испарения небольшого количества жидкости, пары которой, таким образом, вдыхаются пользователем.
Использование электронных сигарет в Великобритании к настоящему моменту резко выросло, так что по ряду оценок на сегодня в Великобритании такими сигаретами пользуются свыше миллиона человек.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение определено в прилагаемой формуле изобретения.
Согласно одному из аспектов предложена электронная система снабжения парами, содержащая:
датчик перепада давлений или датчик воздушного потока для мониторинга вдохов, совершаемых пользователем через электронную систему снабжения парами; и
модуль управления для обнаружения моментов начала и окончания вдоха на основе показаний датчика;
при этом модуль управления, конфигурирован для:
мониторинга суммарного (кумулятивного) периода вдыхания в пределах заданного окна; и
перевода электронной системы снабжения парами в «спящий» режим, если продолжительность такого суммарного периода превосходит заданную пороговую величину.
В одном из вариантов заданное окно представляет собой «катящееся» окно. Другими словами заданное окно представляет последние 20, 25, 30, 45 секунд и т.п., в зависимости от периода окна.
В одном из вариантов после перехода в спящий режим один или несколько компонентов системы должны быть «отсоединены» или вновь «присоединены» для перевода системы из спящего режима в режим использования (в котором можно вдыхать пары). В одном из вариантов электронная система снабжения парами содержит испаритель и источник питания, так что испаритель необходимо отсоединить и затем вновь присоединить к источнику питания для перехода вновь в режим использования. Такое отсоединение и повторное соединение можно рассматривать как своего рода форму сброса устройства (перевода его в начальное состояние).
Согласно еще одному аспекту предложена электронная система снабжения парами, содержащая:
датчик перепада давлений или датчик воздушного потока для мониторинга вдохов, совершаемых пользователем через электронную систему снабжения парами; и
модуль управления для обнаружения моментов начала и окончания вдоха на основе показаний датчика, при этом модуль управления, конфигурирован для:
мониторинга периода вдоха;
если продолжительность периода вдыхания превышает первый порог:
перевода электронной системы снабжения парами в неактивное состояние на заданный период времени;
перевода электронной системы снабжения парами в активное состояние по истечении указанного заданного периода времени;
мониторинга периода следующего вдоха; и
если период следующего вдоха превышает второй порог, перевод электронной системы снабжения парами в спящий режим.
В одном из вариантов система содержит испаритель, предназначенный для испарения жидкости с целью вдыхания пользователем электронной системы снабжения парами, и источник питания, содержащий батарейку или аккумулятор, для подачи питания испарителю. После перехода в спящий режим система может быть переведена назад в режим использования (в котором можно вдыхать пары), так что испаритель может получать питание, посредством отсоединения и повторного соединения испарителя с источником питания. Такое отсоединение и повторное соединение можно рассматривать как своего рода форму сброса устройства (перевода его в начальное состояние).
Первый порог может представлять собой такую же продолжительность периода, как и второй порог. В качестве альтернативы первый порог может быть выше второго порога. В качестве альтернативы, первый порог может быть ниже второго порога.
Продолжительность периода, равная первому и/или второму порогу, может составлять 3, 3,5, 4, 4,5 или 5 секунд. Продолжительность периода, равная первому и/или второму порогу, может быть в диапазоне 3–5 секунд, 3,5–5 секунд или 4–5 секунд. Продолжительность периода, равная первому и/или вторые порогу, может быть больше 3 с. Другие варианты могут использовать другие первые и/или вторые пороговые величины (которые могут быть одинаковыми, либо могут отличаться один от другого).
В одном из вариантов продолжительность периода неактивности может составлять 3–5 секунд. Другие варианты могут использовать другие величины продолжительности периода неактивности, например, в зависимости от желаемой конфигурации системы.
Согласно еще одному аспекту предложена электронная система снабжения парами, содержащая:
испаритель для осуществления испарения жидкости для вдыхания паров пользователем электронной системы снабжения парами;
источник питания, имеющий в составе батарейку или аккумулятор, для подачи питания испарителю;
систему регулирования питания для компенсации вариаций уровня напряжения питания, поступающего к испарителю от источника питания, с использованием широтно-импульсной модуляции и получения тем самым более согласованного постоянного выходного уровня испаренной жидкости для вдыхания пользователем.
В одном из вариантов система регулирования питания содержит генератор опорного напряжения, а уровень напряжения питания, поступающего к испарителю, определяют на основе сравнения с выходным напряжением от генератора опорного напряжения.
В одном из вариантов система регулирования питания содержит делитель напряжения для деления напряжения от источника питания перед сравнением с выходным напряжением от генератора опорного напряжения. Этот делитель напряжения может содержать пару резисторов, соединенных последовательно.
В одном из вариантов система регулирования питания может подавать испарителю приблизительно постоянный уровень энергии.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложена электронная система снабжения парами, содержащая:
датчик перепада давлений или датчик воздушного потока для мониторинга вдохов, совершаемых пользователем через электронную систему снабжения парами; и
модуль управления для обнаружения моментов начала и окончания вдоха на основе показаний датчика;
при этом модуль управления, конфигурирован для:
обнаружения начала вдоха, когда текущее показание датчика отличается от предшествующего показания датчика более чем на первую пороговую величину; и
обнаружения окончания вдоха, когда текущее показание датчика отличается от предшествующего показания датчика менее чем на вторую пороговую величину;
при этом первая пороговая величина больше второй пороговой величины.
В одном из вариантов предшествующее показание датчика содержит параметр окружающей среды, обновляемый на периодической основе. В одном из вариантов после обнаружения начала вдоха модуль управления увеличивает частоту считывания показаний датчиков. В одном из вариантов после обнаружения начала вдоха модуль управления запускает один или несколько таймеров для отслеживания продолжительности этого конкретного вдоха.
В одном из вариантов первая пороговая величина может представлять собой абсолютную или относительную разность относительно предшествующего показания. Например, если первая пороговая величина представляет собой абсолютную разность относительно предшествующего показания, тогда эта разность может быть больше 150, 200, 250, 300, 350, 400 или 450 Паскалей. В качестве альтернативы эта разность может быть в диапазоне от 150 до 450, от 200 до 400, от 250 до 350 или 300 до 350 Паскалей. Если первая пороговая величина представляет собой разность, выраженную в процентах, относительно предшествующего показания, эта процентная разность может составлять 0,2%, 0,3% или 0,4% по сравнению с предшествующим показанием. Другие варианты могут использовать отличные от указанных выше величин абсолютной и/или относительной разности, либо могут применять другую стратегию для задания первой пороговой величины.
В одном из вариантов вторая пороговая величина может представлять собой абсолютную или относительную разность относительно предшествующего показания. Например, если вторая пороговая величина представляет собой абсолютную разность относительно предшествующего показания, эта разность может быть больше 80, 100 или 120 Паскалей. В качестве альтернативы эта разность может находиться в диапазоне от 20 до 250, от 50 до 200 или от 75 до 150 Паскалей. Если вторая пороговая величина представляет собой разность, выраженную в процентах, относительно предшествующего показания, эта процентная разность может составлять 0,08%, 0,1% или 0,12% по сравнению с предшествующим показанием. Другие варианты могут использовать отличные от указанных выше величин абсолютной и/или относительной разности, либо могут применять другую стратегию для задания второй пороговой величины.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложена электронная система снабжения парами, содержащая:
испаритель для осуществления испарения жидкости для вдыхания паров пользователем электронной системы снабжения парами;
источник питания, имеющий в составе батарейку или аккумулятор, для подачи питания испарителю; и модуль управления для осуществления управления подачей питания от источника питания к испарителю, этот модуль управления имеет спящий режим, в котором питание к испарителю не поступает, и режим использования, в котором испаритель получает питание, при этом модуль управления переходит из режима использования в спящий режим по истечении заданного промежутка времени неактивности при нахождении в режиме использования и/или после того, как испаритель был отсоединен от источника питания.
Продолжительность этого периода неактивности может варьироваться в зависимости от желаемой конфигурации системы. Например, продолжительность такого периода неактивности может превышать 4, 5 или 6 минут. Другие варианты могут использовать период неактивности другой продолжительности, например, в зависимости от нужной конфигурации системы.
Если система перешла в спящий режим, она может быть переведена назад, в режим использования, либо путем отсоединения и последующего повторного соединения испарителя с источником питания, либо посредством нового соединения испарителя с источником питания (если он был ранее отсоединен).
Эти и другие аспекты настоящего изобретения очевидны из настоящего описания после прочтения его целиком. Поэтому настоящее изобретение не ограничивается конкретными параграфами, но расширяется до сочетаний разного рода описаний, представленных во всем документе. Например, согласно настоящему изобретению может быть создана электронная система снабжения парами, содержащая какой-либо один или несколько различных описываемых здесь аспектов (или признаков).
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематичное (разобранное) изображение электронной сигареты согласно некоторым вариантам настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схема основных функциональных компонентов корпуса электронной сигареты, показанной на фиг. 1, согласно некоторым вариантам настоящего изобретения.
Фиг. 3 - схема, показывающая разнообразные режимы или состояния электронной сигареты, изображенной на фиг. 1 и 2, согласно некоторым вариантам настоящего изобретения.
Фиг. 4 - схема, иллюстрирующая способ защиты от потенциального неправильного использования устройства, показанного на фиг. 1 и 2, согласно некоторым вариантам настоящего изобретения.
Фиг. 5 - схема, иллюстрирующая способ обнаружения начала и конца вдоха в устройстве, показанном на фиг. 1 и 2, согласно некоторым вариантам настоящего изобретения.
Фиг. 6 - схема системы регулирования питания в электронной сигарете, показанной на фиг. 1 и 2, согласно некоторым вариантам настоящего изобретения.
Фиг. 7A иллюстрирует, как система регулирования питания, показанная на фиг. 6, изменяет коэффициент заполнения импульсов для поддержания постоянного уровня средней мощности согласно некоторым вариантам настоящего изобретения.
Фиг. 7B - упрощенный график, показывающий изменение коэффициента заполнения в зависимости от измеренного или отслеживаемого напряжения батарейки согласно некоторым вариантам настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Как описано выше, настоящее изобретение относится к электронной системе для обеспечения пара, такой как электронная сигарета. По всему последующему описанию используется термин “электронная сигарета”; однако этот термин может быть использован взаимозаменяемо с термином электронная система для обеспечения пара.
На фиг. 1 представлена схема (в разобранном виде) электронной сигареты 10 согласно некоторым вариантам настоящего изобретения (не в масштабе). Эта электронная сигарета содержит корпус 20, картридж 30 и испаритель 40. Картридж имеет внутреннюю камеру, содержащую резервуар с никотином, и мундштук 35. Резервуар картриджа может представлять собой пенистую матрицу или какую-либо другую структуру для удержания никотина до момента, когда потребуется передать этот никотин в испаритель. Корпус 20 содержит перезаряжаемую батарейку или аккумулятор для обеспечения питания электронной сигареты 10 и схемную плату для общего управления электронной сигаретой. Испаритель 40 содержит нагреватель для испарения никотина и также содержит фитиль или аналогичное устройство для передачи небольшого количества никотина из резервуара в картридже в место нагрева на или рядом с нагревателем. Когда нагреватель получает энергию от аккумулятора под управлением схемной платы, нагреватель испаряет никотин с фитиля, и эти пары затем пользователь вдыхает через мундштук.
Корпус 20 и испаритель 40 могут быть отделяемыми один от другого, однако они соединены один с другим, когда устройство 10 используется, например, посредством резьбового или байонетного соединения (обозначены в схеме на фиг. 1 как позиции 41A и 21A). Это соединение между корпусом и испарителем обеспечивает механическую и электрическую связь между этими двумя компонентами. Когда корпус отделен от испарителя, электрический соединитель 21A на корпусе, используемый для соединения с испарителем, служит также гнездом разъема для соединения с зарядным устройством (не показано). Другой конец зарядного устройства может быть вставлен в USB-разъем для подзарядки аккумулятора в корпусе электронной сигареты. В других вариантах реализации электронная сигарета может быть оснащена кабелем для прямого соединения между электрическим соединителем 21A и USB-разъемом.
Корпус имеет одно или несколько отверстий (не показаны на фиг. 1) для входа воздуха. Эти отверстия сообщаются с воздушным каналом, проходящим сквозь корпус к выходному отверстию для воздуха, выполненному как часть соединителя 21A. Далее этот канал соединяется с воздушным трактом, проходящим сквозь испаритель 40 и картридж 30 к мундштуку 35. Во время использования картридж 30 и испаритель 40 прикреплены один к другому посредством соединителей 41B и 31B (также показаны упрощенно на фиг. 1). Как поясняется выше, картридж имеет камеру, содержащую резервуар с никотином, и мундштук. Когда пользователь делает вдох через мундштук 35, воздух всасывается внутрь корпуса 20 через одно или несколько входных отверстий для воздуха. Этот воздушный поток (или вызванное им изменение давления) определяет датчик давления, который в свою очередь активизирует нагреватель для испарения никотина из картриджа. Поток воздуха проходит из корпуса через испаритель, где он смешивается с парами никотина, после чего эта смесь потока воздуха с парами никотина проходит сквозь картридж и выходит наружу через мундштук 35 для вдыхания пользователем. Картридж 30 может быть отсоединен от испарителя 40 и выброшен, когда будет исчерпан источник никотина (и затем заменен другим картриджем).
Должно быть понятно, что электронная сигарета 10, показанная на фиг. 1, представлена здесь посредством примера, так что могут быть реализованы разнообразные другие варианты. Например, в некоторых вариантах картридж 30 и испаритель 40 могут быть выполнены в виде единого блока (обычно называемого картомайзером), а зарядное устройство может быть соединено с дополнительным или альтернативным источником питания, таким как прикуриватель для сигарет в автомобиле.
На фиг. 2 представлена упрощенная схема основных функциональных компонентов корпуса 20 электронной сигареты 10, показанной на фиг. 1, согласно некоторым вариантам настоящего изобретения. Эти компоненты могут быть смонтированы на схемной плате, установленной внутри корпуса 20, хотя в зависимости от конкретной конфигурации, в некоторых вариантах, один или несколько компонентов могут быть вместо этого размещены в корпусе для работы во взаимодействии со схемной платой, не будучи сами физически установлены на схемной плате.
Корпус 20 содержит модуль 60 датчиков, расположенный внутри или рядом с воздушным трактом, проходящим от входа для воздуха к выходному отверстию для воздуха (в испаритель). Модуль датчиков содержит датчик 62 давления и датчик 63 температуры (также внутри или рядом с воздушным трактом). Внутри корпуса расположены также датчик 52 на эффекте Холла, генератор 56 опорного напряжения, небольшой громкоговоритель 58 и электрический разъем или соединитель 21A для осуществления соединения с испарителем 40 или с имеющим USB-разъем зарядным устройством.
Микроконтроллер 55 содержит центральный процессор CPU 50. Операциями процессора CPU 50 и других электронных компонентов, таких как датчик 62 давления, в общем управляют по меньшей мере частично посредством программного обеспечения, работающего в процессоре CPU (или в другом компоненте). Такое программное обеспечение может быть сохранено в энергонезависимом запоминающем устройстве, таком как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ (ROM)), которое может быть интегрировано в самом микроконтроллере 55 или реализовано в виде отдельного компонента. Процессор CPU может обращаться к ПЗУ (ROM) для загрузки и исполнения индивидуальных программ из состава программного обеспечения по мере необходимости. Микроконтроллер 55 содержит также подходящие интерфейсы связи (и управляющее программное обеспечение) для связи по мере необходимости с другими устройствами в корпусе 10, такими как датчик 62 давления.
Процессор CPU управляет громкоговорителем 18 для генерации звукового выходного сигнала с целью отражения условий или состояний электронной сигареты, такого как предупреждение о низком запасе энергии в аккумуляторе. Различные сигналы для извещения о различных состояниях или условиях могут быть реализованы с использованием тональных сигналов или «гудков» с различным шагом и/или различной продолжительностью и/или путем генерации нескольких таких гудков или тональных сигналов.
Как отмечено выше, электронная сигарета 10 создает воздушный тракт от входного отверстия для воздуха сквозь эту электронную сигарету мимо датчика 62 давления и нагревателя (в составе испарителя) к мундштуку 35. Когда пользователь делает вдох через мундштук электронной сигареты, процессор CPU 50 обнаруживает такой вдох на основе информации от датчика давления. В ответ на это обнаружение процессор CPU подает энергию от аккумулятора или батарейки 54 к нагревателю, обеспечивая тем самым нагрев и испарение никотина из фитиля для вдыхания пользователем.
На фиг. 3 представлена упрощенная схема, показывающая различные режимы или состояния электронной сигареты 10, изображенной на фиг. 1 и 2, согласно некоторым вариантам настоящего изобретения. Устройство имеет три режима, а именно режим 301 хранения, спящий режим 302 и режим 303 использования. Одна из причин применения нескольких различных режимов состоит в необходимости продлить срок службы батарейки – в режиме хранения устройство использует меньше энергии от аккумулятора, чем в спящем режиме, в котором, в свою очередь, устройство использует меньше энергии от батарейки, чем в режиме использования. Датчик 52 на эффекте Холла отвечает за переключение из режима хранения в спящий режим, тогда как процессор CPU 50 в общем случае отвечает за переключение устройства между спящим режимом и режимом использования (и обратно) в соответствии с заданными пусковыми событиями. Эти изменения состояния могут быть подтверждены соответствующими гудками или тональными сигналами от громкоговорителя 58.
Устройство пребывает в режиме хранения, когда оно находится в своей первоначальной упаковке (не показана) – следовательно, оно пребывает в режиме хранения до того, как его приобретет потребитель (конечный пользователь). В режиме хранения устройство преимущественно неактивно за исключением датчика 52 на эффекте Холла, который потребляет очень маленький ток (приблизительно 3 мкА в некоторых вариантах). Поскольку батарейка 54 обычно имеет емкость свыше 100 миллиампер-час, устройство может иметь запас энергии в режиме хранения до четырех лет или более.
Упаковка содержит магнит, расположенный рядом с датчиком 52 на эффекте Холла. Когда устройство извлекают из упаковки, датчик на эффекте Холла обнаруживает изменение (уменьшение) магнитного поля, вызванное удалением устройства от магнита. В одном из вариантов датчик 52 на эффекте Холла реагирует на это изменение посредством подачи питания микроконтроллеру 55, который в результате переходит в рабочее состояние. Это вызывает переключение устройства из режима 301 хранения в спящий режим 302. Отметим, что после переключения устройства из режима хранения оно может быть снова возвращено в режим хранения, если его поместить назад в упаковку, содержащую магнит, в зависимости от конкретной реализации.
Корпус содержит также конденсатор (не показан на фиг. 2), электрически соединенный с гнездом электрического разъема или соединителем. В первоначальной упаковке испаритель 40 отсоединен от корпуса 20. В такой конфигурации, когда корпус 20 не присоединен к испарителю (или к зарядному устройству с USB-разъемом) гнездо 21A электрического разъема представляет для конденсатора разомкнутую цепь (режим «холостого хода»), что позволяет сохранять заряд на конденсаторе в течение относительно продолжительного периода времени. Однако если испаритель 40 соединен с гнездом 21A электрического разъема, он образует электрическую цепь, позволяющую конденсатору очень быстро разрядиться.
Когда пользователь хочет использовать устройство, испаритель присоединяют к корпусу. В спящем режиме процессор CPU каждые две секунды осуществляет заряд конденсатора. Если конденсатор разряжается быстро (в течение лишь небольшой доли секунды), процессор CPU определяет, что корпус сейчас соединен с испарителем. Это побуждает процессор CPU переключить устройство из спящего режима 302 в режим 303 использования. Напротив, если конденсатор не разряжается в течение заданного промежутка времени (много меньше двух секунд), это означает, что корпус по-прежнему не соединен с испарителем, вследствие чего пользователь не может работать с устройством (использовать его). Соответственно, в этом последнем случае процессор CPU поддерживает устройство в спящем режиме и ожидает в течение другого двухсекундного интервала, прежде чем вновь зарядить конденсатор для проверки, не произошло ли за это время соединение с испарителем.
Следует понимать, что эта двухсекундная продолжительность интервала представляет некий баланс между (i) необходимостью не заряжать конденсатор слишком часто, что сократило бы срок службы аккумулятора, и (ii) обеспечением того, что если пользователь подготовил устройство к использованию (путем присоединения испарителя к корпусу), устройство будет гарантированно активно к моменту, когда пользователь сделает вдох, с целью предоставления пользователю испаренного никотина. В других вариантах может быть принят интервал другой продолжительности в зависимости от характеристик и предполагаемой схемы использования рассматриваемого устройства.
Имеются различные способы или пусковые события, в ответ на которые процессор CPU 50 будет переключать устройство назад, из режима 303 использования в спящий режим 302. Одним из таких пусковых событий является факт отсоединения пользователем испарителя 40 от корпуса 20, – это должно обычно означать, что пользователь перестал использовать электронную сигарету 10 на какое-то время. Другим таким пусковым событием является ситуация, когда пользователь не делает вдохов (не затягивается) через электронную сигарету в течение заданного промежутка времени, такого, как пять минут (см. ниже описание того, каким обнаруживается такой вдох). Это помогает обеспечить, чтобы устройство не оставалось в активном состоянии слишком долго, например, в ситуации, когда пользователя что-то отвлекло или ему что-то помешало во время использования устройства, так что он вынужден уйти, чтобы сделать еще что-то, и при этом не отделяет корпус от испарителя. Если процессор CPU переведет устройство в спящий режим 302, когда испаритель все еще соединен с корпусом, тогда для возвращения в режим 303 использования пользователь должен сначала отсоединить испаритель от корпуса, а затем снова присоединить испаритель к корпусу. (Это можно рассматривать в качестве некой формы установки (сброса) устройства в начальное состояние). Перевод устройства в спящий режим, если оно не было активным в течение заданного промежутка времени, также помогает снизить потребление энергии, равно как и воспрепятствовать использованию устройства тем, для кого это устройство не предназначено.
Еще одна группа таких пусковых событий для переключения из режима 303 использования в спящий режим 302 имеет целью предотвратить потенциальное неправильное использование устройства. Одним из таких пусковых событий является результат мониторинга суммарной продолжительности вдохов (обозначена Ti) в пределах заданного временного окна (продолжительность обозначена Tw). Если величина Ti оказалась необычно большой, процессор CPU переводит устройство в спящий режим. В некоторых вариантах величина Tw фиксирована, например, на уровне 30 секунд, 40 или 50 секунд. Если при этом общая накопленная продолжительность (Ti) в пределах рассматриваемого окна превысила заданный порог (Th) (например, 10 или 20 секунд), запускается процедура перехода в спящий режим. Например, устройство может перейти в спящий режим, если суммарная продолжительность (Ti) за последние 40 с (представляющих окно, Tw) превысила пороговую продолжительность (Th), равную 15 с.
Один из способов мониторинга этого пускового события заключается в контроле среднего уровня использования устройства (Ti/Tw) путем оценки накопленного уровня использования за период, соответствующий нескольким вдохам через устройство и подачи сигнала о потенциальном неправильном использовании устройства, если контролируемый средний уровень использования превышает заданный порог (Th/Tw). Следует понимать, что в других вариантах могут быть применены другие подходы для определения, представляет ли средний или накопленный уровень использования потенциальное неправильное использования, и для запуска процедуры переключения соответствующим образом.
Другое пусковое событие, которое должно помочь защититься от потенциального неправильного использования устройства в некоторых вариантах, иллюстрирует логическая схема, представленная на фиг. 4. Эта процедура, управляемая в общем случае процессором CPU 50, начинается с обнаружения момента начала вдоха (405), что запускает таймер, начинающий отсчет от нуля (410). После этого процессор CPU ожидает поступления какого-либо одного из двух потенциально возможных входных сигналов: (a) обнаружения окончания вдоха (420); или (b) момента, когда таймер «досчитает» до первого заданного порога (410) (например, 3, 3.5 или 4 с). Если момент окончания вдоха наступит раньше, чем таймер досчитает до указанного порога, выполнение процедуры завершается без каких-либо дополнительных действий (439), за исключением обновления информации о накопленной продолжительности использования (430). В таком случае процедура для следующего вдоха снова начнется в момент (401), обозначенный на логической схеме, показанной на фиг. 4.
Однако если таймер достигнет первого заданного порога прежде обнаружения конца вдоха, процессор CPU автоматически отключает подачу паров никотина путем прерывания питания нагревателя. Это предотвращает дальнейшее вдыхание пользователем паров никотина из устройства. Процессор CPU также перезапускает таймер для ожидания, пока истечет второй заданный интервал времени или заданное время задержки (которое может быть таким же, как продолжительность первого заданного порога), например, 3, 3,5 или 4 с. В течение всего этого времени процессор CPU удерживает устройство эффективно в неактивном состоянии (450), так что даже если пользователь делает вдох, это не приводит к запуску снабжения парами никотина (в отличие от обычной работы устройства). По истечении периода времени, соответствующего заданному интервалу, процессор CPU фактически вновь активизирует устройство (455), восстанавливая обычный режим работы устройства в том, что если пользователь делает вдох, это дает запускающую команду процессору CPU для включения нагревателя с целью снабжения парами никотина. Однако в ответ на обнаружение (460) этого дальнейшего вдоха процессор вновь запускает таймер (465) и определяет (470), превысила ли продолжительность этого дальнейшего вдоха второй заданный порог (который может быть таким же, как и первый заданный порог), например, 3, 3,5 или 4 с. Это определение аналогично ситуации с первым вдохом в том, что процессор CPU ожидает, чтобы «посмотреть», что произойдет раньше, – завершится вдох (480) или таймер достигнет второго заданного порога (470). Если сначала произойдет первое, продолжительность дальнейшего вдоха остается в пределах второго заданного порога. В этом случае процедура завершается без выполнения каких-либо дальнейших действий за исключением обновления информации о накопленной продолжительности использования (430), а процедура для следующего вдоха начнется снова с самого начала (старта) логической схемы, показанной на фиг. 4.
Однако если таймер достигнет второго заданного порога прежде окончания вдоха, такое состояние расценивается как дополнительное указание на неправильное использование, поскольку теперь уже было два последовательных вдоха, которые превысили соответствующие пороги. В этой ситуации процессор CPU возвращает устройство в спящий режим (475). Следует понимать, что в этой ситуации дальнейшая работа с устройством заблокирована до тех пор, пока устройство не будет возвращено в режим использования путем отсоединения испарителя 40 от корпуса 20 и затем повторного присоединения испарителя к корпусу.
Процедура, представленная на фиг. 4, помогает защититься от потенциального неправильного использования с применением двухуровневого подхода, состоящего в том, что одна санкция вводится против чрезмерной продолжительности одного вдоха (принудительный период неактивности, соответствующий продолжительности второго заданного интервала, прежде чем устройством можно будет пользоваться снова), и еще одна санкция вводится, если за первым вдохом слишком большой продолжительности сразу же следует второй вдох также слишком большой продолжительности (а именно, принудительно вводится требование разъединить и затем вновь соединить испаритель с корпусом прежде, чем устройством можно будет пользоваться снова).
В некоторых вариантах операции, показанные на фиг. 4, не только могут помочь предотвратить потенциальное неправильное использование устройства, но также могут помочь защититься от перегрева посредством общего ограничения продолжительности периода, в течение которого процессор CPU 50 подает непрерывное питание нагревателю, не более заданной первой пороговой величины. Такой перегрев может в противном случае потенциально произойти, например, если устройство не смогло обнаружить окончание вдоха пользователем, или если устройство было помещено в среду, которая каким-либо образом имитирует продолжительный вдох.
На фиг. 5 представлена логическая схема, иллюстрирующая способ, применяемый устройством, показанным на фиг. 1 и 2, для обнаружения начала и окончания вдоха согласно некоторым вариантам настоящего изобретения. Осуществление этого способа начинается (501), когда устройство входит в режим использования. Процессор CPU получает показания давления (510) от датчика давления несколько (например, 5, 8, 9, 10 или 12) раз в секунду. В некоторых вариантах датчик давления и датчик температуры выполнены в виде единого комбинированного блока (интегральной схемы) – это позволяет датчику давления пересчитывать показания давления, приводя их к некой постоянной величине температуры, для исключения (по меньшей мере – уменьшения) вариаций давления, вызванных флуктуациями температуры, из показаний давления, поступающих в процессор CPU. В других вариантах показания давления и температуры могут быть по отдельности переданы процессору CPU, который осуществляет свою собственную подстройку или коррекцию показаний давления, чтобы учесть любые изменения температуры. Другие варианты могут не иметь в составе датчика температуры, так что в этом случае показания давления следует использовать непосредственно, без компенсации каких-либо вариаций температуры.
После того, как было получено первое показание давления, его сохраняют в памяти в качестве величины давления окружающей среды (515). Процессор CPU также запускает таймер T1 (520), подсчет которого завершается по истечении заданного периода времени, например, 2, 3 или 4 с. Теперь процессор CPU ожидает одного из двух событий. Первое событие заключается в завершении подсчета заданного промежутка времени таймером (535). В этом случае процессор CPU обновляет величину давления окружающей среды (530) для приведения ее в соответствие с самым последним показанием давления, сбрасывает таймер в исходное состояние (520) и повторяет процесс. Таким образом, в отсутствие какой-либо другой активности процессор CPU обновляет величину давления окружающей среды на регулярной основе в соответствии с указанным заданным периодом времени, отсчитываемым таймером T1. Кроме того, процессор CPU также сравнивает каждое вновь измеренное показание давления (получение которых продолжается (540)) с текущей величиной, сохраненной в качестве величины давления окружающей среды (545). Если новое показание давления меньше сохраненной величины давления окружающей среды более чем на первую заданную величину (порог TH1), этот факт запускает второе событие, а именно обнаружение начала вдоха (550). Отметим, что указанная первая величина (порог TH1) может быть задана в виде абсолютной или относительной разности по сравнению с величиной давления окружающей среды. Например, в зависимости от конкретного устройства, эта первая заданная величина может представлять собой падение давления на (одно из значений) 200, 300 или 400 Паскалей, или процентное падение давления на 0,2%, 0,3% или 0,4% по сравнению с (сохраненной) величиной давления окружающей среды.
В одном из вариантов, каждый раз, когда на операции 530 происходит обновление величины давления окружающей среды, система определяет первую пусковую величину давления на основе величины давления окружающей среды минус первая заданная величина (порог TH1). Тест на операции 545 с целью обнаружения начала вдоха может затем проверить, является ли давление, измеренное на операции 540, ниже первой пусковой величины давления. Если измеренное давление ниже пусковой величины, тогда это давление представляет падение давления, превосходящее порог TH1, что ведет к положительному результату операции 545, соответствующему началу вдоха. Одно из преимуществ такого подхода состоит в том, что прямое сравнение между измеренным давлением и первым пусковым давлением с целью обнаружения начала вдоха может быть выполнено быстро и легко. Другие варианты могут использовать другой подход для такого обнаружения, хотя конечный результат будет тот же самый. Например, каждая вновь измеренная величина давления может быть сначала вычтена из текущей величины давления окружающей среды, а начало вдоха может быть затем обнаружено, если результат такого вычитания будет больше порога T1.
Если предположить, что на операции 545 величина падения давления относительно текущей величины давления окружающей среды превысила первую заданную величину (TH1), процессор CPU определит, что вдох начался. Тогда процессор CPU подаст питание к испарителю с целью осуществления испарения никотина из фитиля в поток воздуха, созданный вдохом. Кроме того, процессор CPU увеличит частоту считывания показаний датчика давления (575), например до 20–30 раз в секунду, и запустит один или несколько таймеров для осуществления описанного выше мониторинга (см. фиг. 4) с целью отслеживания продолжительность этого конкретного вдоха, а также обновления накопленного уровня использования в пределах заданного окна (Tw). Процессор CPU продолжает также обновлять сохраняемую величину 565 давления окружающей среды, каждый раз, когда истечет заданный промежуток времени в таймере T1, и сбрасывать этот таймер в начальное состояние по мере необходимости (570).
Процессор CPU определяет, что вдох завершен, (580) когда показания датчика давления вернутся в пределы не далее второй заданной величины (порог TH2) от сохраняемой в текущий момент величины давления окружающей среды. Аналогично первой заданной величине (TH1), вторая заданная величина (TH2) может быть задана в виде абсолютной или относительной разности по сравнению с величиной давления окружающей среды. Например, в зависимости от конкретного устройства вторая заданная величина может представлять собой падение давление на (одна из величин) 80, 100 или 120 Паскалей или процентное падение на 0,08%, 0,1% или 0,12%. Аналогично первой заданной величине (TH1) в некоторых вариантах каждый раз, когда производится обновление величины давления окружающей среды на операции 530, система может определить вторую пусковую величину давления на основе величины давления окружающей среды минус вторая заданная величина (порог TH2). Тест на операции 580 с целью обнаружения начала вдоха может затем проверить, выросло ли давление, измеренное на операции 575, настолько, чтобы стать выше, чем эта вторая пусковая величина давления. Если давление выросло настолько, измеренное давление представляет падение давления, которое теперь стало меньше порога TH2, что ведет к положительному результату операции 580, представляющему окончание вдоха. Когда определено, что вдох завершился (585), процессор CPU может выключить питание нагревателя и сбросить в начальное состояние какие-либо таймеры, использовавшиеся для мониторинга описываемых выше процессов.
Наличие двух раздельных порогов (TH1, TH2) для определения (i) начала вдоха и (ii) окончания вдоха предоставляет более высокие гибкость и надежность по сравнению с ситуацией, когда используется только один порог для определения, имеет ли место вдох в текущий момент. В частности, порог для обнаружения начала вдоха может быть несколько повышен (соответственно более высокому падению давления относительно давления окружающей среды). Это помогает обеспечить повышенную надежность и устойчивость при обнаружении вдоха (в отличие, например, от нежелательного запуска при изменении условий окружающей среды, что ведет к ненужному нагреву и, следовательно, расходованию энергии батарейки и никотина из резервуара). Аналогично, наличие более низкого порога для обнаружения окончания вдоха (меньшее падение давления относительно окружающей среды) помогает лучше измерить реальную продолжительность вдоха, что полезно для мониторинга с целью предотвращения потенциального неправильного использования устройства, как описано выше. Например, было обнаружено, что более поздняя (завершающая) часть вдоха имеет тенденцию создавать более низкое падение давления относительно окружающей среды, следовательно, если не уменьшить второй порог (TH2) по сравнению с первым порогом (TH1) (соответственно меньшему падению давления относительно окружающей среды), устройство будет склонно определять, что вдох завершен, когда пользователь, на деле, еще продолжает вдох устройством, хотя и на более низком уровне, для создания меньшего падения давления.
2
Как представлено на фиг. 2, электронная сигарета 10, изображенная на фиг. 1 и 2, получает энергию от перезаряжаемого аккумулятора 54. На практике, выходное напряжение таких аккумуляторов имеет тенденцию к уменьшению по мере разряда аккумулятора, например, от 4,2 В для полностью заряженного аккумулятора до примерно 3.6 В непосредственно перед тем, как аккумулятор полностью разрядится. Поскольку выходная мощность, выделяющаяся в виде тепла на нагревательном резисторе с сопротивлением R, равна V/R, это означает, что по мере разряда аккумулятора должно (и будет) происходить соответствующее снижение выходной мощности, так как рабочая выходная мощность в момент окончательного разряда аккумулятора (при напряжении 3,6 В) составит только 73% от первоначальной выходной мощности (при напряжении 4,2 В). Это изменение мощности, поступающей от аккумулятора 54 к нагревателю в составе испарителя 40, может повлиять на количество испаренного никотина (который, соответственно, вдохнул пользователь).
На фиг. 6 представлена упрощенная схема части системы регулирования питания для электронной сигареты, показанной на фиг. 1 и 2, согласно некоторым вариантам настоящего изобретения. Система регулирования питания содержит генератор 56 опорного напряжения, формирующий согласованный (известный) уровень выходного напряжения (Vr), независимо от вариаций выходного напряжения (Vc) перезаряжаемого аккумулятора 54. Система регулирования питания дополнительно содержит делитель напряжения, составленный из двух резисторов R1, R2, так что этот делитель принимает и делит выходное напряжение (Vc) в известной пропорции в соответствии с относительными величинами (сопротивлениями) этих резисторов R1 и R2. Выходное напряжение (Vdiv) снимают со средней точки делителя 610 напряжения.
Процессор CPU 50 получает напряжение Vdiv от делителя напряжения и опорное напряжение (Vr) от генератора 56 опорного напряжения. Процессор CPU сравнивает эти два напряжения и может на основе напряжения Vr определить напряжение Vdiv. Более того, в предположении, что (относительные) сопротивления R1 и R2 известны, процессор CPU может также определить выходное напряжение аккумулятора (Vc) на основе напряжения Vdiv. Таким образом, это позволяет процессору CPU измерять (отслеживать) изменения выходного напряжения (Vc) от аккумулятора 54 по мере разряда этого аккумулятора.
Фиг. 7 иллюстрирует, как в некоторых вариантах настоящего изобретения система регулирования питания в электронной сигарете 10 использует широтно-импульсную модуляцию для компенсации вариаций напряжения. Таким образом, вместо того, чтобы процессор CPU 50 подавал непрерывно электрическую энергию к нагревателю в испарителе 40, эту электрическую энергию подают в виде последовательности импульсов прямоугольной или квадратной формы, следующих один за другим через регулярные интервалы. Предположим, что каждый импульс имеет продолжительность Dp, когда он «включен» (т.е. имеет ненулевую величину напряжения), и эти импульсы поступают в каждом периоде продолжительностью Di (именуемом интервалом следования импульсов или продолжительностью интервала), тогда отношение продолжительности импульса к продолжительности интервала, Dp/Di, известно как коэффициент заполнения. Если Dp=Di, тогда коэффициент заполнения равен единице (или 100%), а процессор CPU фактически подает нагревателю непрерывное напряжение. Однако если коэффициент заполнения меньше 1, процессор CPU чередует периоды, когда он подает электрическую энергию нагревателю, с периодами, когда он электрическую энергию не подает. Например, если коэффициент заполнения равен 65%, тогда каждый импульс напряжения имеет продолжительность, составляющую 65% продолжительности интервала, а в оставшиеся 35% продолжительности интервала напряжение (или энергия) к нагревателю не поступает.
Если мы примем уровень сигнала, при котором к нагревателю поступает мощность P при коэффициенте заполнения, равном 1, (т.е. при непрерывной подаче питания), тогда средняя величина мощности, подаваемой нагревателю, когда коэффициент заполнения становится меньше 1, будет равна произведению мощности P на коэффициент заполнения. Соответственно, если коэффициент заполнения равен 65% (например), тогда эффективная мощность становится равной 65% от величины P.
Фиг. 7A иллюстрирует два разных сигнала прямоугольной формы – один показан сплошной линией, а другой – штриховой линией. Интервал или период (Di) следования импульсов одинаков для обоих сигналов. Выходной сигнал, показанный сплошной линией, имеет продолжительность импульса (ширину), равную T1, и мощность в импульсе, т.е. мгновенный уровень мощности, равную P1. Коэффициент заполнения для этого сигнала, обозначенного сплошной линией, равен T1/Di, что дает среднюю выходную мощность, равную P1xT1/Di. Аналогично, выходной сигнал, показанный штриховой линией, имеет продолжительность импульса (ширину), равную T2, и мгновенную выходную мощность в импульсе, равную P2. Коэффициент заполнения сигнала, обозначенного штриховой линией, равен T2/Di, что дает среднюю выходную мощность, равную P2xT1/Di.
На фиг. 7A обозначена также пунктирной линией средняя выходная мощность (P(ave)), являющаяся одинаковой для обоих выходных сигналов (обозначены сплошной линией и штриховой линией). Это требует, чтобы (P1xT1/Di)=(P2xT1/Di). Другими словами, в предположении постоянства интервала (Di) следования импульсов, условие постоянства средней выходной мощности влечет за собой требование, чтобы продолжительность импульсов (T) изменялась обратно пропорционально (мгновенной) выходной мощности (P), так что произведение PxT также является постоянным.
Согласно некоторым вариантам настоящего изобретения система регулирования питания в составе электронной сигареты 10 применяет широтно-импульсную модуляцию, как показано на фиг. 7A, для подачи нагревателю в испарителе приблизительно постоянного уровня мощности. Таким образом, система регулирования питания, показанная на фиг. 6, позволяет процессору CPU 50 отслеживать текущий уровень выходного напряжения аккумулятора 54. На основе этого измеренного уровня выходного напряжения процессор CPU затем задает подходящий коэффициент заполнения для управления питанием нагревателя в испарителе с целью компенсации вариаций уровня выходного напряжения аккумулятора 54, чтобы обеспечить приблизительно постоянный (средний) уровень мощности питания нагревателя. Отметим, что продолжительность интервала следования импульсов выбирают таким образом, чтобы она была достаточно короткой (обычно <<1 секунды), так что эта продолжительность интервала много меньше тепловой постоянной времени нагревателя. Другими словами, промежуток между импульсами является достаточно коротким, чтобы нагреватель не успевал сколько-нибудь заметно остывать за это время. Поэтому нагреватель оказывается постоянным источником тепла для испарения никотина на основе получаемого среднего уровня мощности питания, так что здесь нет заметной модуляции теплоотдачи в масштабах времени индивидуальных интервалов следования импульсов.
2
Фиг. 7B иллюстрирует в упрощенном виде отображение (измеренного) уровня выходного напряжения в коэффициент заполнения. Когда аккумулятор 54 отдает свое наименьшее выходное напряжение (3,6 В), коэффициент заполнения устанавливают равным 1 (максимально возможная величина). Когда аккумулятор 54 отдает свое наивысшее выходное напряжение (4,2 В), коэффициент заполнения устанавливают равным ~0,73. Фиг. 7B иллюстрирует также в упрощенном виде значения коэффициента заполнения для промежуточных напряжений, так что коэффициент заполнения (эквивалентный продолжительности импульса при фиксированной продолжительности интервала следования импульсов) изменяется обратно пропорционально выходной мощности (которая пропорциональна квадрату напряжения V при фиксированной величине сопротивления нагревателя). Следует понимать, что точный закон изменения коэффициента заполнения в функции напряжения, показанный на фиг. 7B, служит только примером и может изменяться в соответствии с подробностями любого конкретного варианта реализации.
Использование описываемой выше широтно-импульсной модуляции позволяет процессору CPU 50 поддерживать среднюю выходную мощность, поступающую от аккумулятора 54 к нагревателю испарителя, на приблизительно постоянном уровне независимо от изменений уровня выходного напряжения аккумулятора 54. Это позволяет обеспечить более постоянный нагрев и, следовательно, более постоянный уровень испарения никотина и, соответственно, вдыхания никотина пользователем.
Хотя описываемая здесь электронная сигарета содержит три отделяемые секции, а именно корпус, картридж и испаритель, следует понимать, что другие электронные сигареты могут содержать другое число секций. Например, некоторые электронные сигареты поставляются в виде одного (унитарного) полностью готового устройства и вовсе не могут быть разделены на разные секции, тогда как другие электронные сигареты могут содержать две секции, фактически соединив описываемый здесь испаритель и резервуар с жидкостью в виде картомайзера. Кроме того, описываемая здесь электронная сигарета имеет несколько признаков, таких как широтно-импульсная модуляция для обеспечения более постоянного уровня мощности, задание пороговых величин для надежного мониторинга продолжительности вдоха, мониторинга накопленной продолжительности и/или проверки для предотвращения неправильного использования и перехода в спящий режим по истечении некоторого периода неактивности, чтобы способствовать защите устройства. Однако следует понимать, что некоторые электронные системы снабжения парами могут иметь только некоторые (или какой-либо один) из этих признаков, которые могут быть использованы в произвольных сочетаниях.
Для рассмотрения различных проблем и достижений в этой области техники настоящее изобретение показывает в качестве иллюстрации различные варианты практической реализации заявляемого изобретения. Преимущества и признаки настоящего изобретения показаны только в виде репрезентативных примеров вариантов и не являются исчерпывающими и/или исключительными. Они представлены здесь только в качестве помощи в понимании и для пояснения заявляемого изобретения. Следует понимать, что преимущества, варианты, примеры, функции, признаки, структуры и/или другие аспекты настоящего изобретения не следует рассматривать в качестве ограничений настоящего изобретения, как оно определено Формулой изобретения, или ограничений на эквиваленты этой Формулы изобретения, так что могут быть использованы другие варианты и могут быть внесены модификации, не отклоняясь от объема Формулы изобретения. Различные варианты могут подходящим образом содержать, состоять или состоять в основном из различных сочетаний рассматриваемых здесь элементов, компонентов, признаков, частей, этапов, средств и т.п., отличных от конкретно описываемых здесь. Настоящее описание может содержать и другие изобретения, которые не заявляются сейчас, но могут быть заявлены в будущем.