СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПИТАНИЕМ И СИСТЕМА ДЛЯ УСТРОЙСТВА, ГЕНЕРИРУЮЩЕГО АЭРОЗОЛЬ, С ПИТАНИЕМ ОТ БАТАРЕИ
METHOD OF CONTROLLING A POWER SUPPLY AND A SYSTEM FOR AN AEROSOL-GENERATING DEVICE POWERED BY A BATTERY

Настоящее изобретение относится к устройствам, генерирующим аэрозоль, с питанием от батареи и, в частности, к способу и блоку управления подачей питания на элемент, генерирующий аэрозоль, который повышает надежность устройства в различных условиях работы.
Как правило, устройство, генерирующее аэрозоль, с питанием от батареи содержит элемент, генерирующий аэрозоль, такой как резистивный нагревательный элемент, который соединен с батареей.
При первой активации устройства, генерирующего аэрозоль, целесообразно свести к минимуму время, затрачиваемое устройством для доставки аэрозоля. В частности, для устройств, генерирующих аэрозоль для вдыхания, если время, затраченное на выполнение первой затяжки, является слишком длительным, то пользователи будут разочарованы. В устройстве, в котором используется резистивный нагреватель, это означает по возможности быстрое повышение температуры нагревателя.
Однако существуют потенциальные трудности, связанные всего лишь с подачей максимального питания на элемент, генерирующий аэрозоль, в самом начале. Устройства, генерирующие аэрозоль, как правило, содержат микроконтроллер (MCU) и различные электронные компоненты, которые требуют минимального напряжения для правильной работы. Ниже этого напряжения правильная работа не может быть гарантирована. Это особенно справедливо в отношении MCU. Но подача максимального питания от батареи, особенно когда батарея является холодной, может привести к недостаточному напряжению на MCU.
Хорошо известно, что потребление высокого тока от батареи снижает его напряжение на выходе. Это обусловлено внутренним сопротивлением батареи. Также известно, что при низкой температуре внутреннее сопротивление батареи является более высоким, тем самым ограничивая максимальный ток разряда. Кроме того, напряжение батареи на выходе является более низким при низкой температуре для любого заданного тока батареи на выходе. А в тех случаях, когда элемент, генерирующий аэрозоль, представляет собой резистивный нагреватель с положительным температурным коэффициентом, сопротивление нагревателя будет находиться на самом низком уровне до активации и будет увеличиваться вместе с температурой, что приведет к большему падению напряжения по всему внутреннему сопротивлению батареи.
В силу описанных причин возможно, что применение максимального питания в самом начале может привести к остановке работы устройства, поскольку напряжение на выходе из батареи падает ниже минимального напряжения, необходимого для MCU.
Целесообразно иметь возможность извлечения максимального питания от батареи для обеспечения полной работоспособности устройства в пределах кратчайшего промежутка времени, при этом обеспечивая поддерживание напряжения батареи на выходе выше минимального порогового напряжения, которое обеспечивает правильную работу MCU.
Для регулирования работы устройства, генерирующего аэрозоль, батарея может быть динамически соединена с элементом, генерирующим аэрозоль, чтобы коэффициент заполнения тока и напряжения, подаваемого на элемент, генерирующий аэрозоль, можно было изменять.
В соответствии с изобретением предлагается способ управления питанием, подаваемым на элемент, генерирующий аэрозоль, устройства, генерирующего аэрозоль, при этом устройство, генерирующее аэрозоль, содержит блок управления и батарею для подачи питания на элемент, генерирующий аэрозоль, и на блок управления, при этом способ включает этапы:
измерения с помощью измерительного блока по меньшей мере одной первой характеристики батареи, причем упомянутая первая характеристика представляет собой температуру или внутреннее сопротивление батареи; и
деактивации или отключения устройства, если измеренная температура меньше, чем минимальная температура или измеренное внутреннее сопротивление батареи больше, чем максимальное внутреннее сопротивление.
Блок управления может быть выполнен с возможностью регулирования коэффициента заполнения тока, подаваемого от батареи на элемент, генерирующий аэрозоль, а способ может включать в себя измерение с помощью измерительного блока по меньшей мере одной первой характеристики батареи; и регулирование с помощью блока управления значения коэффициента заполнения на основе заданного правила, которое выдает значение коэффициента заполнения на основе измеренной по меньшей мере одной характеристики батареи.
За счет управления коэффициентом заполнения тока, подаваемого от батареи таким образом, можно использовать максимально высокий коэффициент заполнения, при этом поддерживая напряжение на блоке управления на уровне минимального рабочего напряжения или выше. Заданное правило может быть выбрано таким образом, чтобы гарантировать, что напряжение на блоке управления превышает пороговое напряжение.
По меньшей мере одна первая характеристика батареи может включать температуру батареи. На напряжение батареи на выходе влияет температура, поскольку на ее внутреннее сопротивление влияет температура. Термистор или другой специализированный датчик температуры может использоваться для получения результата измерения температуры батареи. Альтернативно по меньшей мере одна характеристика батареи может включать измерение возраста батареи, такое как число циклов зарядки и разрядки, которые батарея завершила. Число циклов зарядки и разрядки может быть записано и сохранено в запоминающем устройстве внутри устройства, генерирующего аэрозоль. Альтернативно по меньшей мере одна характеристика батареи может включать внутреннее сопротивление батареи или импеданс батареи. Внутреннее сопротивление батареи может быть измерено с помощью хорошо известных методов, таких как способ, описанный в WO2014/029880, измерение импеданса батареи может быть выполнено посредством ввода слабого переменного тока в батарею и измерения связанного напряжения переменного тока.
Предпочтительно этапы измерения и регулирования осуществляют периодически. По мере разрядки батареи она рассеивает некоторое количество тепла в результате ее внутреннего сопротивления. Это может привести к снижению внутреннего сопротивления. Коэффициент заполнения можно периодически регулировать, например, каждые 0,5 секунд для учета снижения внутреннего сопротивления батареи. Таким образом, коэффициент заполнения может начинаться на низком уровне и может быть постепенно увеличен, при этом обеспечивая получение блоком управления достаточного напряжения.
Предпочтительно заданное правило определяет множество интервалов значений, относящихся к по меньшей мере одной характеристике батареи, при этом каждый интервал связан с соответствующим значением коэффициента заполнения, при этом этап регулирования значения коэффициента заполнения включает выдачу значения коэффициента заполнения, связанного с интервалом, который включает значение измеренной по меньшей мере одной характеристики батареи. Интервалы значений, относящихся к по меньшей мере одной характеристике батареи, могут быть последовательными. Интервалы значений, относящихся к по меньшей мере одной характеристике батареи, могут быть не перекрывающимися.
Например, в одном варианте осуществления по меньшей мере одной характеристикой батареи является температура и заданное правило включает следующие интервалы и связанные значения коэффициента заполнения:
1/ Если температура батареи составляет от –10°C до –5°C, используйте значение коэффициента заполнения 10%.
2/ Если температура батареи составляет от –5°C до 0°C, используйте значение коэффициента заполнения 20%.
3/ Если температура батареи составляет от 0°C до 5°C, используйте значение коэффициента заполнения 30%.
4/ Если температура батареи составляет от 5°C до 10°C, используйте значение коэффициента заполнения 40%.
5/ Если температура батареи составляет от 10°C до 15°C, используйте значение коэффициента заполнения 50%.
6/ Если температура батареи составляет от 15°C до 20°C, используйте значение коэффициента заполнения 60%.
7/ Если температура батареи превышает 20 °C, используйте любой необходимый коэффициент заполнения.
С помощью удерживаемого рукой устройства можно ожидать повышения температуры батареи во время использования за счет тепла, генерируемого внутри батареи, и тепла, генерируемого одним или более нагревателями в устройстве, а также от пользователя, удерживающего устройство и передающего тепло тела на батарею.
Способ может дополнительно включать этап измерения по меньшей мере одной второй характеристики устройства, генерирующего аэрозоль, и выбора значения коэффициента заполнения на основе заданного подправила и измеренного значения по меньшей мере одной второй характеристики устройства, генерирующего аэрозоль, при этом заданное подправило выбрано из группы заданных подправил на основе измеренной по меньшей мере одной первой характеристики батареи.
Этапы измерения по меньшей мере одной второй характеристики и выбора значения коэффициента заполнения осуществляют периодически. Коэффициент заполнения можно регулировать периодически, например, каждые 0,5 секунд для учета изменяющего значения второй характеристики элемента, генерирующего аэрозоль. Таким образом, коэффициент заполнения может начинаться на низком уровне и может быть постепенно увеличен, при этом обеспечивая получение блоком управления достаточного напряжения.
По меньшей мере одна вторая характеристика устройства, генерирующего аэрозоль, может включать электрическое сопротивление элемента, генерирующего аэрозоль. Электрическое сопротивление элемента, генерирующего аэрозоль, может изменяться во время использования, поскольку оно может быть зависимым от температуры. Элемент, генерирующий аэрозоль, может представлять собой резистивный нагреватель. По меньшей мере одна вторая характеристика устройства, генерирующего аэрозоль, может включать температуру резистивного нагревателя. Электрическое сопротивление резистивного нагревателя может быть зависимым от температуры резистивного нагревателя. В зависимости от состава резистивного нагревателя, поскольку резистивный нагреватель нагревается, электрическое сопротивление может увеличиваться, например, приводя к более низкому падению напряжения по всему внутреннему сопротивлению батареи и тем самым позволяя использовать больший коэффициент заполнения.
По меньшей мере одна вторая характеристика отличается от первой характеристики батареи. По меньшей мере одна вторая характеристика может включать измерение возраста батареи, такое как число циклов зарядки и разрядки, которые батарея завершила. Число циклов зарядки и разрядки может быть записано и сохранено в запоминающем устройстве внутри устройства, генерирующего аэрозоль. Альтернативно по меньшей мере одна вторая характеристика может включать внутреннее сопротивление батареи или импеданс батареи. Альтернативно если температура батареи не используется в качестве первой характеристики батареи, температура батареи может использоваться в качестве по меньшей мере одной второй характеристики.
Этапы измерения по меньшей мере одной второй характеристики и выбора значения коэффициента заполнения могут осуществляться периодически до тех пор, пока по меньшей мере одна вторая характеристика не достигнет целевого значения. В примере резистивного нагревателя может быть целесообразно, чтобы нагреватель достигал целевой температуры или целевого диапазона температур для производства необходимого аэрозоля, но не превышал это целевое значение. При достижении целевой температуры, целесообразно поддерживать температуру, нежели доводить до максимума коэффициент заполнения тока, подаваемого на нагреватель. Изменяющийся коэффициент заполнения может использоваться с целью регулирования температуры нагревателя. Чем выше коэффициент заполнения, тем выше средний ток, доставляемый батареей на нагревательный элемент, и, следовательно, выше температура нагревательного элемента. Разумеется, уменьшение коэффициента заполнения позволяет выполнять обратное, например, снижать температуру нагревателя.
Способ может включать отслеживание времени с момента активации устройства и, если целевая температура не будет достигнута в течение заданного времени, деактивацию или отключение устройства.
Заданное подправило может определять множество интервалов значений, относящихся к по меньшей мере второй характеристике устройства, генерирующего аэрозоль, при этом каждый интервал связан с соответствующим значением коэффициента заполнения. Этап регулирования значения коэффициента заполнения с помощью блока управления может включать выбор интервала, включающего измеренное значение по меньшей мере одной второй характеристики устройства, генерирующего аэрозоль. Интервалы значений, относящихся к по меньшей мере второй характеристике устройства, генерирующего аэрозоль, могут быть последовательными. Интервалы значений, относящихся к по меньшей мере второй характеристике устройства, генерирующего аэрозоль, могут быть не перекрывающимися.
Например, если первой характеристикой батареи является температура батареи, а второй характеристикой устройства, генерирующего аэрозоль, является сопротивление нагревательного элемента, и определено, что температура батареи составляет – 2 °C, что находится во втором диапазоне в примере, приведенном выше, то подправило для такого диапазона температур может быть:
2.1/ Если сопротивление нагревательного элемента составляет от 0,8 до 1 Ом, используйте коэффициент заполнения 20%.
2.2/ Если сопротивление нагревательного элемента составляет от 1 до 1,2 Ом, используйте коэффициент заполнения 30%.
2.3/ Если сопротивление нагревательного элемента составляет от 1,2 до 1,4 Ом, используйте коэффициент заполнения 40%.
2.4/ Если сопротивление нагревательного элемента составляет от 1,4 до 1,6 Ом, используйте коэффициент заполнения 50%.
2.5/ Если сопротивление нагревательного элемента составляет от 1,6 до 1,8 Ом, используйте коэффициент заполнения 60%.
2.6/ Если сопротивление нагревательного элемента превышает 1,8 Ом, используйте любой необходимый коэффициент заполнения.
Для каждого интервала значений, относящихся к по меньшей мере одной характеристике батареи в заданном правиле, может быть другое подправило.
В способе могут использоваться дополнительные уровни подправил на основе дополнительных измеренных характеристик. В частности, способ может включать этап измерения третьей характеристики батареи или устройства, генерирующего аэрозоль, и выбора значения коэффициента заполнения на основе заданного подподправила и измеренного значения по меньшей мере одной третьей характеристики устройства, генерирующего аэрозоль, или батареи, при этом заданное подподправило выбрано из группы заданных подподправил на основе заданного подправила, измеренной второй характеристики и измеренной по меньшей мере одной первой характеристики батареи. Для каждого интервала значений второй характеристики в подправиле может быть группа подподправил, устанавливающих коэффициент заполнения, связанный с разными диапазонами третьей характеристики. В иерархии правил на основе множества измеренных характеристик могут быть использованы дополнительные уровни правил.
Способ может дополнительно включать периодическое измерение напряжения батареи на выходе батареи, расчет скорости падения напряжения батареи на выходе на основе измеренных напряжений батареи на выходе и уменьшение коэффициента заполнения, если скорость падения напряжения батареи на выходе превышает пороговый уровень. Это является преимущественным, поскольку оно блокирует или замедляет падение напряжения батареи на выходе до уровня, на котором все еще возможно гарантировать то, что блок управления принимает минимальное пороговое напряжение. Например, если после того, как коэффициент заполнения тока увеличивается в соответствии с заданным правилом, скорость падения напряжения батареи на выходе определяется таким образом, что напряжение батареи на выходе будет падать ниже минимального рабочего напряжения лишь за несколько секунд, прежде чем резистивный нагреватель сможет достичь целевой температуры, то коэффициент заполнения может быть снижен на 5%. Для каждого интервала в заданном правиле или подправилах может быть различный пороговый уровень скорости падения напряжения батареи на выходе. Скорость падения напряжения батареи на выходе могут периодически рассчитывать чаще, чем измеряется первая характеристика. Скорость падения напряжения батареи на выходе могут периодически рассчитывать чаще, чем измеряется вторая характеристика.
Пороговый уровень скорости падения напряжения батареи на выходе может быть установлен на основе начального напряжения батареи на выходе. В одном примере пороговый уровень скорости падения напряжения батареи на выходе может быть определен минимальным временем, которое требуется для того, чтобы сопротивление нагревателя увеличилось до конкретного значения, такого как 1,6 Ом для батареи 3,2 В, потребляя, таким образом, 2А тока. В этом случае до этого минимального времени напряжение батареи не должно упасть ниже его минимального значения (например, 2,5 В). В качестве минимального времени может быть установлено, например, 5 секунд. Если начальное значение напряжения батареи составляет 3,2 В, то максимальная скорость падения напряжения батареи составит: (3,2 В–2,5 В) /5=0,14 В/с. Альтернативно пороговый уровень скорости падения напряжения батареи на выходе может быть установлен на заданное значение независимо от начального напряжения батареи на выходе, допустим 0,5 В/с.
Способ может дополнительно включать последующее увеличение коэффициента заполнения, если скорость падения напряжения батареи на выходе превысит порог для заданного множества циклов измерения напряжения батареи на выходе.
Способ может включать деактивацию или отключение устройства, если коэффициент заполнения необходимо снизить ниже минимального коэффициента заполнения.
Изобретением также предлагается устройство, генерирующее аэрозоль, которое может содержать:
элемент, генерирующий аэрозоль;
блок управления;
батарею для подачи тока на элемент, генерирующий аэрозоль, и на блок управления; и
измерительный блок, соединенный с блоком управления, для измерения по меньшей мере одной первой характеристики батареи, причем эта первая характеристика представляет собой температуру или внутреннее сопротивление батареи.
Блок управления может быть выполнен с возможностью регулирования коэффициента заполнения тока, подаваемого на элемент, генерирующий аэрозоль, от батареи на основе заданного правила, которое выдает значение коэффициента заполнения на основе по меньшей мере одной характеристики батареи, измеренной измерительным блоком.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать энергонезависимое запоминающее устройство. Энергонезависимое запоминающее устройство может быть частью блока управления. В энергонезависимом запоминающем устройстве можно хранить заданное правило.
Блок управления предназначен для упомянутого выше генерирующего аэрозоль устройства, содержащего: батарею для подачи тока на элемент, генерирующий аэрозоль, и на блок управления; и измерительный блок для измерения по меньшей мере одной первой характеристики батареи, причем эта первая характеристика представляет собой температуру или внутреннее сопротивление батареи, а также может быть выполнен с возможностью осуществления соответствующего изобретению способа.
При этом, соответствующий изобретению блок управления выполнен с возможностью деактивации или отключения упомянутого устройства, если измеренная температура батареи меньше, чем минимальная температура или измеренное внутреннее сопротивление батареи больше, чем максимальное внутреннее сопротивление.
В частности, блок управления может быть выполнен с возможностью использования подправил, как описано в отношении соответствующего изобретению способа. Блок управления может быть выполнен с возможностью измерения скорости падения напряжения батареи на выходе, как описано в отношении соответствующего изобретению способа.
Блок управления может содержать переключатель. Блок управления может быть выполнен с возможностью регулирования коэффициента заполнения путем управления переключателем для включения и выключения подачи тока на элемент, генерирующий аэрозоль. Переключатель может представлять собой транзистор, такой как полевой транзистор со структурой металл–оксид–полупроводник (MOSFET).
По меньшей мере одной характеристикой батареи может являться температура батареи. Измерительный блок может содержать датчик температуры. Альтернативно по меньшей мере одна характеристика батареи может включать измерение возраста батареи, такое как число циклов зарядки и разрядки, которые батарея завершила. Число циклов зарядки и разрядки может быть записано и сохранено в запоминающем устройстве внутри устройства, генерирующего аэрозоль. Альтернативно по меньшей мере одна характеристика батареи может включать внутреннее сопротивление батареи или импеданс батареи. Внутреннее сопротивление и импеданс батареи могут быть измерены с помощью хорошо известных методов, таких как способ, описанный в WO2014/029880.
В контексте настоящего документа термин «устройство, генерирующее аэрозоль» относится к устройству, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, с генерированием аэрозоля. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль. Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой устройство, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, изделия, генерирующего аэрозоль, с генерированием аэрозоля, который может непосредственно вдыхаться в легкие пользователя через рот пользователя. Элемент, генерирующий аэрозоль, может быть выполнен с возможностью нагревания, или в ином случае распыления, субстрата, образующего аэрозоль, с образованием аэрозоля. Субстрат, образующий аэрозоль, может полностью или частично содержаться в устройстве.
Субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый субстрат, образующий аэрозоль. Альтернативно субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой жидкость или может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие табачные вкусоароматические соединения, которые высвобождаются из субстрата при нагреве. Альтернативно субстрат, образующий аэрозоль, может содержать нетабачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может дополнительно содержать вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль.
Если субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой твердый субстрат, образующий аэрозоль, то твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать, например, одно или более из: порошка, гранул, шариков, кусочков, тонких трубок, полосок или листов, содержащих одно или более из: травяных листьев, табачных листьев, фрагментов табачных жилок, восстановленного табака, гомогенизированного табака, экструдированного табака, табачного формованного листа и расширенного табака. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может иметь рассыпную форму или может быть предусмотрен в подходящих таре или картридже. Необязательно твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать дополнительные табачные или нетабачные летучие вкусоароматические соединения, предназначенные для высвобождения при нагреве субстрата. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может также содержать капсулы, которые содержат, например, дополнительные табачные или нетабачные летучие вкусоароматические соединения, и такие капсулы могут плавиться во время нагрева твердого субстрата, образующего аэрозоль.
Необязательно твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть предусмотрен на термостабильном носителе или встроен в него. Носитель может иметь форму порошка, гранул, шариков, кусочков, тонких трубок, полосок или листов. Альтернативно носитель может представлять собой трубчатый носитель, имеющий тонкий слой твердого субстрата, нанесенного на его внутреннюю поверхность, или на его наружную поверхность, или как на внутреннюю, так и на внешнюю поверхности. Такой трубчатый носитель может быть выполнен, например, из бумаги или материала, подобного бумаге, нетканого мата из углеродных волокон, легкого сетчатого металлического экрана или перфорированной металлической фольги, или любой другой термоустойчивой 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, он может быть нанесен в виде узора 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 использованы 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 тела, например, из вспененного металлического или пластмассового материала, полипропилена, терилена, нейлоновых волокон или керамики. Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может удерживаться в пористом материале носителя перед использованием устройства, генерирующего аэрозоль или, альтернативно, материал жидкого субстрата, образующего аэрозоль, может высвобождаться в пористый материал носителя во время использования или непосредственно перед использованием. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть предусмотрен в капсуле. Оболочка капсулы предпочтительно плавится при нагревании и высвобождает жидкий субстрат, образующий аэрозоль, внутрь пористого материала носителя. Капсула может необязательно содержать твердое вещество в сочетании с жидкостью. Альтернативно носитель может представлять собой нетканое полотно или пучок волокон, в которые были включены табачные компоненты. Нетканое полотно или пучок волокон может содержать, например, углеродные волокна, натуральные целлюлозные волокна или волокна из производных целлюлозы.
Во время работы субстрат, образующий аэрозоль, может полностью содержаться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В этом случае пользователь может осуществлять затяжку через мундштук устройства, генерирующего аэрозоль. Альтернативно во время работы изделие, образующее аэрозоль, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, может частично содержаться в устройстве, генерирующем аэрозоль. В этом случае пользователь может осуществлять затяжку непосредственно через изделие, образующее аэрозоль.
Изделие, образующее аэрозоль, может иметь по существу цилиндрическую форму. Изделие, образующее аэрозоль, может быть по существу удлиненным. 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 удлиненным. 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 расположенном дальше по ходу потока конце изделия, образующего аэрозоль. 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. Изделие, образующее аэрозоль, может иметь наружный диаметр приблизительно 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 наружную 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.
Элемент, генерирующий аэрозоль, может представлять собой резистивный нагреватель. По меньшей мере одна вторая характеристика элемента, генерирующего аэрозоль, может представлять собой температуру или электрическое сопротивление резистивного нагревателя.
Резистивный нагреватель 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 суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали, Timetal и сплавы на основе железа–марганца–алюминия. В композиционных материалах электрически резистивный материал может быть необязательно встроен в изолирующий материал, инкапсулирован в него или покрыт им, или наоборот в зависимости от кинетики переноса энергии и требуемых внешних физико–химических свойств.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать внутренний резистивный нагреватель или внешний резистивный нагреватель или как внутренний, так и внешний резистивные нагреватели, где «внутренний» и «внешний» относятся к субстрату, образующему аэрозоль. Внутренний резистивный нагреватель может иметь любую подходящую форму. Например, внутренний резистивный нагреватель может иметь форму нагревательного лезвия. Альтернативно внутренний резистивный нагреватель может иметь форму оболочки или субстрата, имеющего различные электропроводящие части, или форму электрически резистивной металлической трубки. Альтернативно внутренний резистивный нагреватель может представлять собой одну или более нагревательных игл или стержней, которые проходят через центр субстрата, образующего аэрозоль. Другие альтернативы включают нагревательную проволоку или нить накала, например Ni–Cr (хромоникелевую), платиновую, вольфрамовую или проволоку из сплавов, или нагревательную пластину. Необязательно внутренний резистивный нагреватель может быть размещен внутри или снаружи на жестком материале носителя. В одном таком варианте осуществления электрически резистивный нагреватель может быть выполнен с помощью металла, обладающего определенным соотношением между температурой и удельным сопротивлением. В таком иллюстративном устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки на подходящем изолирующем материале, таком как керамический материал, а затем уложен между слоями другого изолирующего материала, такого как стекло. Образованные таким образом нагреватели могут быть использованы как для нагревания, так и для отслеживания температуры нагревательных элементов во время работы.
Внешний резистивный нагреватель может иметь любую подходящую форму. Например, внешний резистивный нагреватель может иметь форму одного или более листов гибкой нагревательной фольги на диэлектрической подложке, такой как полиимидная. Листам гибкой нагревательной фольги может быть придана форма, соответствующая периметру полости для размещения субстрата. Альтернативно внешний нагревательный элемент может иметь форму металлической решетки или решеток, гибкой печатной платы, литого соединительного устройства (MID), керамического нагревателя, гибкого нагревателя из углеродного волокна, или он может быть образован с помощью технологии нанесения покрытий, такой как плазменное осаждение из газовой фазы на субстрате подходящей формы. Внешний резистивный нагреватель может быть также образован с помощью металла, обладающего определенным соотношением между температурой и удельным сопротивлением. В таком иллюстративном устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки между двумя слоями подходящих изоляционных материалов. Образованный таким образом внешний резистивный нагреватель может использоваться как для нагревания, так и для отслеживания температуры внешнего нагревательного элемента во время работы.
Резистивный нагреватель предпочтительно нагревает субстрат, образующий аэрозоль, за счет проводимости. Нагревательный элемент может по меньшей мере частично контактировать с субстратом или носителем, на который нанесен субстрат. Альтернативно тепло от внутреннего или от внешнего нагревателя может передаваться на субстрат посредством теплопроводного элемента.
Батарея может представлять собой перезаряжаемую батарею. Батарея может представлять собой литий–ионную батарею, например, литий–кобальтовую, литий–железо–фосфатную, литий–титанатную или литий–полимерную батарею. Альтернативно батарея может иметь другую форму перезаряжаемой батареи, такую как никель–металлогидридная батарея или никель–кадмиевая батарея.
Измерительный блок может представлять собой единое целое с батареей или может быть расположен на корпусе батареи или в нем.
Блок управления может содержать микроконтроллер (MCU). Блок управления может быть программируемым. Блок управления может содержать переключатель, соединенный с батареей последовательно с элементом, генерирующим аэрозоль.
Устройство предпочтительно представляет собой портативное или удерживаемое рукой устройство, которое удобно держать между пальцами одной руки. Устройство может иметь по существу цилиндрическую форму и иметь длину от 70 до 120 мм. Максимальный диаметр устройства предпочтительно составляет от 10 до 20 мм. В одном варианте осуществления устройство имеет многоугольное поперечное сечение и содержит выступающую кнопку, образованную на одной поверхности. В этом варианте осуществления диаметр устройства составляет от 12,7 до 13,65 мм при измерении от плоской поверхности до противоположной плоской поверхности; от 13,4 до 14,2 мм при измерении от кромки до противоположной кромки (т. е. от линии пересечения двух поверхностей на одной стороне устройства до соответствующей линии пересечения на другой стороне); и от 14,2 до 15 мм при измерении от вершины кнопки до противоположной нижней плоской поверхности.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой электрически нагреваемое устройство, образующее аэрозоль. В настоящем изобретении предлагается компьютерная программа, которая, при работе в программируемой электрической схеме в блоке управления электрически управляемого устройства, генерирующего аэрозоль, при этом устройство, генерирующее аэрозоль, содержит элемент, генерирующий аэрозоль, и батарею для подачи питания на элемент, генерирующий аэрозоль, и на блок управления, заставляет программируемую электрическую схему осуществлять соответствующий изобретению способ.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на разные аспекты, следует понимать, что признаки, описанные в отношении одного аспекта настоящего изобретения, могут быть применены к другим аспектам настоящего изобретения.
Примеры настоящего изобретения будут далее подробно описаны со ссылками на сопроводительные графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показано схематическое изображение устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 показано соединение компонентов устройства, используемое в способе в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 3 показан набор подправил в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 показана блок–схема, на которой проиллюстрирован процесс управления, согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 5 показан дополнительный процесс управления, используемый в варианте осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 1 в упрощенном виде показаны компоненты варианта осуществления электрически нагреваемого устройства 1, генерирующего аэрозоль. Элементы электрически нагреваемого устройства 1, генерирующего аэрозоль, на фиг. 1 показаны не в масштабе. Элементы, которые не являются существенными для понимания этого варианта осуществления, для упрощения фиг. 1 были опущены.
Электрически нагреваемое устройство 1, генерирующее аэрозоль, содержит корпус 10 и субстрат 12, образующий аэрозоль, например, изделие, образующее аэрозоль, такое как сигарета. Субстрат 12, образующий аэрозоль, проталкивают внутрь корпуса 10 для достижения тепловой близости с нагревателем 4. В этом примере нагреватель представляет собой лезвие, которое проходит в субстрат, образующий аэрозоль. Субстрат 12, образующий аэрозоль, будет высвобождать ряд летучих соединений при разных температурах. Посредством управления максимальной рабочей температурой нагревателя таким образом, чтобы она была ниже температуры высвобождения некоторых из летучих соединений, можно избежать высвобождения или образования этих компонентов дыма. Как правило, субстрат, образующий аэрозоль, нагревают до температуры от 250 до 450 градусов по Цельсию. Внутри корпуса 10 имеется электрическая батарея 2, например, перезаряжаемая литий–ионная батарея. Блок 3 управления соединен с нагревательным элементом 2, электрической батареей 2 и интерфейсом 6 пользователя, например, кнопкой или дисплеем. Этот тип системы описан, например, в EP2800486.
Блок 3 управления управляет питанием, подаваемым на нагревательный элемент 4, с целью регулирования его температуры, посредством изменения коэффициента заполнения тока. На фиг. 2 показано соединение батареи, блока управления и резистивного нагревателя в устройстве по фиг. 1.
Батарея 2 показана в качестве идеальной батареи 21 вместе с внутренним сопротивлением 22. Батарея соединена с резистивным нагревателем 4 посредством блока управления. Блок управления содержит микропроцессорный блок (MCU) 20 и переключатель 23. MCU управляет работой переключателя для управления коэффициентом заполнения тока, подаваемого на нагреватель 4. MCU 20 содержит энергонезависимое запоминающее устройство 27.
Устройство также содержит датчик 25 температуры, расположенный с возможностью измерения температуры батареи 2. Например, датчик температуры может представлять собой термистор для обеспечения аналогового измерения температуры или цифровой датчик температуры, такой как LM75ADP от NXP. Выход датчика 25 температуры соединен с MCU 20. Температуру батареи, измеряемую с помощью датчика 25 температуры, используют для управления работой переключателя 23 на основе по меньшей мере одного правила, хранящегося в энергонезависимом запоминающем устройстве 27, как будет описано.
Устройство может быть активировано пользователем с помощью интерфейса 6 пользователя. Когда устройство активировано, электрический ток подается от батареи на нагреватель посредством переключателя 23.
В идеале температуру нагревателя повышают до целевой как можно быстрее после активации, при этом гарантируя, что MCU получает достаточное напряжение для надлежащего функционирования. В самом начале, когда батарея холодная, она будет иметь относительно высокое внутреннее сопротивление, что означает, что большая часть напряжения батареи будет падать по внутреннему сопротивлению, чем после того, как батарея нагрелась. Это означает, что когда батарея более холодная, требуется более низкий коэффициент заполнения для тока, чтобы гарантировать, что MCU принимает по меньшей мере минимальное рабочее напряжение.
На напряжение, принимаемое MCU, также влияет сопротивление нагревателя 4. Сопротивление нагревателя 4, как правило, будет изменяться во время работы устройства по мере его нагревания. Нагреватель может быть выполнен из материала, который имеет значительное изменение сопротивления в зависимости от температуры, так что сопротивление нагревателя может быть использовано в качестве меры температуры нагревателя для управления температурой нагревателя. Нагреватель в этом примере имеет положительный температурный коэффициент, так что сопротивление нагревателя увеличивается по мере повышения температуры нагревателя.
MCU может быть выполнен с возможностью измерения электрического сопротивления нагревателя 4. Это может быть достигнуто за счет использования шунтирующего резистора (с очень малым сопротивлением) последовательно с нагревателем 4. Ток, проходящий через шунтирующий резистор, который также представляет собой ток, проходящий через нагреватель, может быть измерен посредством усилителя, подсоединенного параллельно к шунтирующему резистору. Напряжение на нагревателе может быть измерено непосредственно, а сопротивление нагревателя затем вычисляют с помощью закона Ома. Это хорошо известный метод измерения.
bat
h
h5
h6
MCU управляет работой переключателя согласно правилу, хранящемуся в запоминающем устройстве MCU. На фиг. 3 показан один пример правила 30, которое может использовать MCU. Правило соотносит измеренную температуру T батареи и измеренное электрическое сопротивление нагревателя R с выходным коэффициентом заполнения. Правило содержит множество подправил, каждое из которых связано с диапазоном температур батареи. Диапазоны температур батареи являются последовательными, но не перекрываются друг с другом. В каждом подправиле имеется множество коэффициентов заполнения, каждый из которых связан с отдельным диапазоном сопротивлений нагревателя. Диапазоны сопротивлений нагревателя являются последовательными, но не перекрываются друг с другом. Чтобы определить, какой коэффициент заполнения использовать, MCU сначала выбирает подправило, связанное с диапазоном температур батареи, к которому относится измеренная температура 31 батареи. В примере, показанном на фиг. 3, это диапазон 2, который охватывает температуры от T2 до T3, как показано с помощью рамки 32 с пунктирной линией. Затем MCU выбирает коэффициент заполнения из подправила, связанного с диапазоном 2. Выбранный коэффициент заполнения представляет собой коэффициент заполнения, связанный с диапазоном сопротивлений нагревателя, к которому относится измеренное сопротивление 33 нагревателя. В примере, показанном на фиг. 3, это коэффициент заполнения DC8, связанный с диапазоном сопротивления от R до R, как показано в рамке 34 с пунктирной линией. Поэтому результатом, исходя из правила 30, является DC8, как показано посредством рамки 36.
Вместо использования сопротивления нагревателя, в правиле может быть использован другой параметр, такой как температура нагревателя. Устройство может содержать датчик температуры, расположенный вблизи нагревателя. Выход датчика температуры будет соединен с MCU.
Количество диапазонов и поддиапазонов может быть выбрано в соответствии с конкретными требованиями к структуре и в соответствии с конструкцией нагревателя 4. Пример, показанный на фиг. 4, включает четыре диапазона температуры батареи и четыре диапазона сопротивления нагревателя. В другом варианте осуществления предусмотрено семь следующих диапазонов температуры батареи:
1/ от –10°C до –5°C
2/ от –5°C до 0°C
3/ от 0°C до 5°C.
4/ от 5°C до 10°C.
5/ от 10°C до 15°C.
6/ от 15°C до 20°C.
7/ выше 20°C.
И предусмотрено шесть следующих диапазонов сопротивления нагревателя, используемых в каждом подправиле:
1/ от 0,8 до 1 ом
2/ от 1 до 1,2 ом
3/ от 1,2 до 1,4 ом
4/ от 1,4 до 1,6 ом
5/ от 1,6 до 1,8 ом
6/ более 1,8 ом.
Значение коэффициента заполнения, связанное с каждым диапазоном в каждом подправиле, должно быть выбрано таким образом, чтобы гарантировать, что MCU всегда будет принимать по меньшей мере минимальное рабочее напряжение, требующееся для надлежащего функционирования MCU. Если температура батареи ниже –10°C, устройство отключается.
Процесс регулирования коэффициента заполнения тока, подаваемого на нагреватель, осуществляют периодически, например, каждые 0,5 секунд после активации устройства до тех пор, пока нагреватель не достигнет целевой температуры или целевого сопротивления. Поэтому каждые 0,5 секунд можно применять новое подправило в зависимости от изменений температуры батареи и сопротивления нагревателя.
Если нагреватель не достигнет целевой температуры, например, 350°C, с течением установленного времени, например, 30 секунд, процесс нагревания останавливают. В этой ситуации батарея не может подавать достаточно питания на нагреватель. Это может быть связано с тем, что батарея является старой.
На фиг. 4 представлена блок–схема, на которой показан иллюстративный процесс управления с помощью правила вышеописанного типа. Устройство активируют на этапе 40. На первом этапе 41 после активации измеряют температуру батареи. Затем на этапе 42 выбирают коэффициент заполнения для тока на основе температуры батареи. На этом этапе до подачи какого–либо тока на нагреватель предполагается, что сопротивление нагревателя имеет максимальное значение. На этапе 43 MCU управляет переключателем в соответствии с выбранным коэффициентом заполнения для подачи тока на нагреватель. Этот коэффициент заполнения поддерживают в течение заданного периода, такого как 0,5 секунд. В течение этого периода на этапе 44 измеряют электрическое сопротивление нагревателя. На этапе 45 измеренное электрическое сопротивление сравнивают с целевым сопротивлением, соответствующим целевой температуре нагревателя. Если сопротивление нагревателя равно или больше целевого сопротивления, то процесс завершается на этапе 46. Если сопротивление нагревателя меньше, чем целевое сопротивление, что указывает на то, что нагреватель не достиг целевой температуры, то процесс возвращается на этап 41, когда снова измеряют температуру батареи. На этапе 42 коэффициент заполнения снова выбирают с помощью заданного правила, на этот раз на основе как температуры батареи, так и сопротивления нагревателя. Процесс повторяют до тех пор, пока не будет достигнуто целевое сопротивление или пока не истечет 30 секунд после активации, в зависимости от того, что произойдет раньше.
Преимущество процесса, описанного со ссылкой на фиг. 4, заключается в том, что он обеспечивает возможность получения максимального питания от батареи с целью быстрого нагрева нагревателя, при этом поддерживая напряжение батареи выше заранее установленного порогового значения с достаточным запасом по надежности. Коэффициент заполнения начинают с низкого значения и постепенно повышают настолько быстро, насколько это допустимо по мере того, как повышается сопротивление нагревателя и повышается температура батареи. Это означает, что нагреватель быстро, но надежно нагревается до его целевой температуры.
На фиг. 5 показан дополнительный процесс управления, который можно использовать, чтобы дополнительно гарантировать то, что MCU всегда получает достаточное напряжение во время работы устройства.
Для процесса, показанного на фиг. 5, устанавливают максимальный предел скорости падения напряжения батареи на выходе, который в настоящем документе называют пределом скорости падения напряжения. Предел скорости падения напряжения может быть разным для разных подправил или разных измеренных напряжений батареи.
Если скорость падения напряжения превышает предел скорости падения напряжения, то коэффициент заполнения тока понижают с целью замедления скорости падения напряжения.
Процесс, показанный на фиг. 5, начинается с этапа 50, на котором измеряют напряжение батареи. На этапе 51 вычисляют скорость падения напряжения батареи, на основании измеренного напряжения батареи и на основании измерений напряжения батареи, выполненных в предыдущих циклах процесса. На этапе 52 MCU определяет, превышает ли скорость падения напряжения батареи пороговое значение (или является ли скорость изменения напряжения батареи ниже порогового значения). Если скорость падения напряжения батареи превышает предел, то на этапе 53 коэффициент заполнения уменьшают на заданное количество. Затем процесс возвращается на этап 50. Например, если текущий коэффициент заполнения составляет 20%, то можно определить максимальную скорость падения напряжения батареи как 0,5 В/с. Скорость падения напряжения батареи будет измеряться, например, через каждый интервал в 200 мс. Если на этапе 52 скорость падения напряжения батареи больше порогового значения, коэффициент заполнения будет уменьшен с 20% до 15%, а затем дополнительно уменьшен с 15% до 10%, если скорость падения батареи все еще больше, чем 0,5 В/с в следующем цикле, после дополнительных 200 мс. Может быть установлен нижний предел 5% для коэффициента заполнения. Если процесс требует снижения коэффициента заполнения с 5%, то устройство может быть деактивировано.
Этот процесс является предпочтительным, поскольку он предотвращает падение напряжения на MCU ниже минимального рабочего напряжения в результате быстрого падения напряжения после изменения коэффициента заполнения. Например, если напряжение батареи на выходе начинается с 3,4 В, и напряжение батареи падает со скоростью 0,5 В/с, напряжение 2,4 В будет достигнуто менее чем за 2 секунды. Это напряжение ниже минимального рабочего напряжения 2,5 В и будет достигнуто всего лишь за 2 секунды, что не является достаточным временем для значительного нагрева нагревателя.
Процесс, показанный на фиг. 5, также позволяет увеличивать коэффициент заполнения после снижения, если скорость падения напряжения батареи возрастет. Однако процесс требует, чтобы скорость падения напряжения была ниже порогового значения в течение двух циклов прежде, чем коэффициент заполнения будет повышен. Для этого число увеличивают для каждого цикла после начального падения коэффициента заполнения, в котором скорость падения напряжения батареи ниже, чем предел. Если скорость падения напряжения ниже, чем предел, то число увеличивают на единицу на этапе 54. Если скорость падения напряжения выше, чем предел, то число обнуляют на этапе 53. Коэффициент заполнения на этапе 56 увеличивают только, если определяют, что число равняется двум на этапе 55. В противном случае коэффициент заполнения не изменяют. В описанном примере это означает, что скорость падения напряжения батареи должна составлять менее 0,5 В/с в течение 400 мс перед обратным увеличением на 5% за этап (вместо 200 мс при снижении на 5% за этап). Этот гистерезис обеспечивает стабильность системы.
Могут быть другие переменные, которые влияют на идеальный коэффициент заполнения для использования, такой как возраст батареи (который может быть измерен как число количества циклов зарядки и разрядки, которые она осуществила), внутреннее сопротивление батареи или внутренний импеданс батареи. Одна или более из этих переменных могут быть использованы в качестве первой или второй характеристики. Альтернативно для обеспечения более точного управления коэффициентом заполнения можно использовать дополнительный уровень или уровни правил в иерархии правил и подправил на основе одной или более из этих переменных. Например, третья характеристика может представлять собой число циклов зарядки и разрядки, которые испытала батарея. Число циклов зарядки и разрядки, которые испытала батарея, может быть записано и сохранено в запоминающем устройстве внутри блока управления. Изменение варианта осуществления, показанного на фиг. 3, каждого подправила на основе сопротивления нагревателя вместо установления коэффициента заполнения для использования в отношении каждого измеренного сопротивления нагревателя может устанавливать множество подподправил для использования в отношении каждого значения сопротивления нагревателя. Каждое подподправило может устанавливать коэффициент заполнения для использования в диапазоне значений для числа циклов зарядки и разрядки, которые испытала батарея. Используемое подподправило выбирают на основе сохраненного числа циклов зарядки и разрядки в запоминающем устройстве блока управления. Таким образом, коэффициент заполнения выбирают на основе температуры батареи, сопротивления нагревателя и количества циклов зарядки и разрядки, которые завершила батарея. Порядок, в котором измеренные характеристики закрепляют за правилами, подправилами и подподправилами может быть изменен.