СПОСОБ, УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА, ГЕНЕРИРУЮЩИЕ АЭРОЗОЛЬ, С ДАТЧИКОМ НАГРЕТОГО ГАЗА
AEROSOL-GENERATING METHOD, DEVICE AND SYSTEM WITH HEATED GAS SENSOR

Изобретение относится к устройствам и системам, генерирующим аэрозоль, работающим на основании нагревания субстрата, образующего аэрозоль. В частности, изобретение относится к устройствам и системам, генерирующим аэрозоль, в которых желательно поддерживать температуру субстрата, образующего аэрозоль, в пределах определенного температурного диапазона, чтобы обеспечить выработку желаемого аэрозоля. Электрически нагреваемые курительные устройства являются примерами этого типа устройства.
Одна возможная проблема электрически нагреваемых курительных устройств, независимо от того, выполнены ли они с возможностью нагревания жидкого субстрата, образующего аэрозоль, или твердого субстрата, образующего аэрозоль, такого как сигарета, состоит в том, что если температура субстрата, образующего аэрозоль, становится слишком высокой, то может произойти сгорание субстрата, образующего аэрозоль. Это может привести к образованию в генерируемом аэрозоле соединений, которые имеют неприятный вкус и в целом нежелательны.
Эта проблема особенно остро стоит в случае систем, в которых пользователь может вставлять в устройство собственный субстрат, образующий аэрозоль. Разные субстраты, образующие аэрозоль, по-разному ведут себя при нагревании. В частности, температура, при которой происходит сгорание, будет варьироваться в зависимости от состава субстрата и содержания в нем влаги. Соответственно, устройство, которое просто поддерживает температуру нагревателя в пределах заданного температурного диапазона, может не вырабатывать желаемого аэрозоля для всех разных субстратов, которые могут с ним использоваться.
Цель настоящего изобретения заключается в предоставлении устройства и системы, генерирующих аэрозоль, способных обнаруживать условия эксплуатации, связанные с нежелательным субстратом или с горением субстрата, и которые являются эффективными, компактными и недорогими.
Первый аспект предусматривает устройство, генерирующее аэрозоль, выполненное с возможностью нагревания субстрата, образующего аэрозоль, и содержащее:
блок питания;
нагреватель, расположенный таким образом, чтобы нагревать субстрат, образующий аэрозоль, с образованием аэрозоля;
контроллер, выполненный с возможностью управления подачей питания от блока питания на нагреватель; и
датчик газа, чувствительный к определенному газу или газам, причем срабатывание датчика газа зависит от температуры датчика газа, и
причем контроллер соединен с датчиком газа и выполнен с возможностью отслеживания сигналов от датчика газа.
Благодаря использованию датчика газа, чувствительного к определенному газу или газам, таким как окисляющие и восстановительные газы, и срабатывание которого зависит от температуры, можно обнаружить различные условия эксплуатации.
Датчик газа преимущественным образом выполнен с возможностью эксплуатации в диапазоне рабочих температур, превышающем температуру окружающей среды. Датчик газа может быть расположен таким образом, чтобы нагреватель нагревал датчик газа до диапазона его рабочих температур во время нагревания субстрата, образующего аэрозоль, с образованием аэрозоля.
2
Датчик газа может представлять собой полупроводниковый датчик газа. В частности, датчик газа может представлять собой металлооксидный датчик газа. В одном примере датчик газа представляет собой датчик газа на основе полупроводника N-типа, и в частности, датчик газа на основе оксида олова. Электрическое сопротивление датчиков газа на основе полупроводника N-типа уменьшается в присутствии восстановительного газа, такого как угарный газ (CO) или аммиак, и увеличивается в присутствии окисляющего газа, такого как кислород, оксид азота (NO) или диоксид азота (NO). Также может использоваться датчик газа на основе полупроводника P-типа. Датчики газа на основе полупроводника P-типа ведут себя противоположным образом, их электрическое сопротивление увеличивается в присутствии восстановительного газа и уменьшается в присутствии окисляющего газа.
o
Датчики газа могут быть выполнены с возможностью работы в диапазоне от 200°C до 400C. Это обычный рабочий диапазон датчиков газа на основе полупроводника N-типа или P-типа. Полупроводниковые датчики газа работают благодаря химической реакции, происходящей при непосредственном контакте газа с датчиком. При температурах от 200°C до 400°C датчик является более чувствительным, поскольку скорость химической реакции увеличивается и является более эффективной.
Контроллер может быть выполнен с возможностью отслеживания электрического сопротивления или изменения электрического сопротивления датчика. Электрическое сопротивление или изменение электрического сопротивления датчика являются показателями присутствия восстановительного или окисляющего газа.
Датчик газа может быть оснащен встроенным нагревателем датчика газа. Это признак некоторых доступных в продаже полупроводниковых датчиков газа. Нагреватель датчика газа может применяться в устройстве, генерирующем аэрозоль, для нагревания датчика газа в качестве дополнения или альтернативы нагревателю, размещенному для нагревания субстрата, образующего аэрозоль.
2
Устройство может содержать несколько датчиков газа, по меньшей мере два датчика газа, выполненных с возможностью чувствительности к разным газам. Таким образом, один датчик может быть выполнен с возможностью обнаружения восстановительных газов, и другой датчик может быть выполнен с возможностью обнаружения окисляющих газов. В качестве альтернативы, оба датчика газа могут быть чувствительны к восстановительным газам, но могут быть настроены другим образом (путем изменения композиции, изготовления или легирования газочувствительного слоя) для придания особенной чувствительности к разным газам. Например, один датчик газа может быть настроен для чувствительности к CO, в то время как другой датчик может быть настроен для чувствительности к NO.
Нагреватель может содержать нагревательный элемент, выполненный из электрически резистивного материала. Подходящие электрически резистивные материалы включают, но без ограничения: полупроводники, например легированную керамику, электрически «проводящую» керамику (например такую, как дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, сплавы металлов и композиционные материалы, изготовленные из керамического материала и металлического материала. Такие композитные материалы могут содержать легированную или нелегированную керамику. Примеры подходящей легированной керамики включают в себя легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают в себя титан, цирконий, тантал, платину, золото и серебро. Примеры подходящих сплавов металлов включают в себя нержавеющую сталь; никель-, кобальт-, хром-, алюминий-, титан-, цирконий-, гафний-, ниобий-, молибден-, тантал-, вольфрам-, олово-, галлий-, марганец-, золото- и железосодержащие сплавы; суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали и Timetal; и сплавы на основе железа-марганца-алюминия. В композиционных материалах электрически резистивный материал может быть при необходимости встроен в изолирующий материал, инкапсулирован в него или покрыт им, или наоборот, в зависимости от кинетики переноса энергии и требуемых внешних физико-химических свойств.
Нагреватель может содержать внутренний нагревательный элемент или внешний нагревательный элемент или как внутренний, так и внешний нагревательные элементы, где термины «внутренний» и «внешний» относятся к субстрату, образующему аэрозоль. Внутренний нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, внутренний нагревательный элемент может иметь форму нагревательного лезвия. В других примерах внутренний нагреватель может иметь форму корпуса или подложки, имеющих различные электропроводные участки, или форму электрорезистивной металлической трубки. Другие примеры включают в себя нагревательную проволоку или нить, например Ni-Cr (хромоникелевую), платиновую, вольфрамовую проволоку, или проволоку из сплава, или нагревательную пластину.
Внешний нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, внешний нагревательный элемент может иметь форму одного или нескольких листов гибкой нагревательной фольги на диэлектрическом субстрате, таком как полиимид. Листам гибкой нагревательной фольги может быть придана форма, соответствующая периметру полости для размещения субстрата. Альтернативно, внешний нагревательный элемент может иметь форму металлической сетки или сеток, гибкой печатной платы, литого соединительного устройства (MID), керамического нагревателя, гибкого нагревателя из углеродного волокна, или он может быть образован с использованием технологии нанесения покрытий, такой как плазменное осаждение из газовой фазы, на субстрате подходящей формы. Внешний нагревательный элемент может также быть образован с использованием металла, имеющего определенную зависимость между температурой и удельным сопротивлением. В таком иллюстративном устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки между двумя слоями подходящих изоляционных материалов. Образованный таким образом внешний нагревательный элемент может использоваться как для нагрева, так и для контроля температуры внешнего нагревательного элемента во время работы.
Нагреватель предпочтительно нагревает субстрат, образующий аэрозоль, за счет проводимости. Нагреватель может по меньшей мере частично контактировать с субстратом или носителем, на который нанесен субстрат. В других примерах тепло от внутреннего или от внешнего нагревательного элемента может передаваться на субстрат посредством теплопроводного элемента.
Нагреватель может быть расположен в или на поддерживающем субстрате. В одном таком варианте осуществления нагреватель представляет собой электрорезистивный нагревательный элемент, образованный с использованием металла, такого как платина, имеющего определенную зависимость между температурой и удельным сопротивлением. В таком представленном в качестве примера устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки на подходящем изолирующем материале субстрата, таком как керамический материал, а затем уложен между слоями другого изолирующего материала, такого как стекло. Образованные таким образом нагреватели могут быть использованы как для нагрева, так и для контроля температуры нагревательных элементов во время работы.
Когда нагреватель установлен на поддерживающем субстрате, датчик газа также преимущественно может быть установлен на поддерживающем субстрате, вблизи нагревателя. Таким образом нагреватель может использоваться для нагревания датчика газа до его оптимальной рабочей температуры, не требуя отдельного нагревания датчика газа, или по меньшей мере требуя меньшего выделенного нагревания датчика газа. Это представляет собой эффективное использование энергии, что является существенным преимуществом в удерживаемом рукой устройстве, работающем от батареи.
Поддерживающий субстрат может быть выполнен с возможностью введения в субстрат, образующий аэрозоль. Например, поддерживающий субстрат может иметь форму пластины с нагревателем, расположенным на одной или обеих сторонах пластины.
Датчик газа может быть расположен на поддерживающем субстрате, лежащем поверх нагревателя. Это обеспечивает получение датчиком газа достаточного количества тепла от нагревателя. В качестве альтернативы или дополнения, датчик газа может быть расположен на поверхности субстрата, противоположной нагревателю. Это обеспечивает более низкую, но равномерную температуру датчика газа. В качестве альтернативы, датчик газа и нагреватель могут быть расположены в одном слое на одной поверхности субстрата. Это может уменьшить количество этапов производства и, таким образом, может снизить затраты.
Во втором аспекте настоящего изобретения предоставлено устройство, генерирующее аэрозоль, выполненное с возможностью нагревания субстрата, образующего аэрозоль, и содержащее:
блок питания;
поддерживающий субстрат;
нагреватель, расположенный на поддерживающем субстрате таким образом, чтобы нагревать субстрат, образующий аэрозоль, с образованием аэрозоля;
полупроводниковый датчик газа, расположенный на поддерживающем субстрате; и
контроллер, выполненный с возможностью управления подачей питания от блока питания на нагреватель;
причем контроллер соединен с датчиком газа и выполнен с возможностью отслеживания сигналов от датчика газа.
Признаки устройства согласно первому аспекту могут применяться к устройству согласно второму аспекту настоящего изобретения. В частности, должно быть очевидно, что датчик газа может представлять собой полупроводниковый датчик газа, такой как металлооксидный датчик газа. Нагреватель может быть идентичен нагревателю, описанному со ссылкой на первый аспект настоящего изобретения, и преимущественным образом представлять собой электрорезистивный нагревательный элемент, образованный с использованием металла, такого как платина.
В контексте данного документа термин «устройство, генерирующее аэрозоль» относится к устройству, которое для образования аэрозоля взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, например частью курительного изделия. Устройство, генерирующее аэрозоль, может быть курительным устройством, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, изделия, генерирующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля, непосредственно вдыхаемого в легкие пользователя через рот пользователя.
В контексте данного документа термин «субстрат, образующий аэрозоль» относится к субстрату, способному высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Такие летучие соединения могут быть высвобождены путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, для удобства может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, или курительного изделия.
В контексте данного документа термины «изделие, генерирующее аэрозоль» и «курительное изделие» относятся к изделию, содержащему субстрат, образующий аэрозоль, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Например, изделие, генерирующее аэрозоль, может представлять собой курительное изделие, которое генерирует аэрозоль, непосредственно вдыхаемый в легкие пользователя через рот пользователя. Изделие, генерирующее аэрозоль, может быть одноразовым. Курительное изделие может представлять собой или может содержать табачную палочку.
Устройство согласно первому аспекту или второму аспекту настоящего изобретения может представлять собой электрически управляемое устройство и, в частности, может представлять собой электрически нагреваемое курительное устройство.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения, контроллер может быть выполнен с возможностью прекращения или уменьшения подачи питания нагревателю на основании сигналов от датчика газа. Сигналы от датчика газа могут указывать на состояние неисправности, такое как нагревание субстрата, который уже использовался или который не подходит для устройства. В этих обстоятельствах подача питания на нагреватель может быть прекращена. Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения контроллер может быть выполнен с возможностью сравнения сигналов от датчика газа с данными, сохраненными в запоминающем устройстве, для определения состояния неисправности.
x
x
x
Благодаря отслеживанию уровня конкретных генерируемых газов на основании сигналов от датчика газа контроллер обладает информацией о составе генерируемого аэрозоля, и для этого нет необходимости в какой-либо информации об используемом субстрате, образующем аэрозоль. Датчик газа может быть настроен, например, на обнаружение угарного газа (CO) или оксида азота (NO). Угарный газ является признанным показателем сгорания и, в частности, неполного сгорания. Например, в горящей сигарете летучие соединения с большим молекулярным весом «разбиваются» на более мелкие молекулы, такие как углеводороды с низким молекулярным весом, угарный газ и углекислый газ. Неполное сгорание может происходить потому, что в ходе использования, в частности между затяжками пользователя, кислорода в горящую сигарету поступает недостаточно для полного сгорания. Оксид азота тоже часто образуется во время сгорания. Оксид азота включает как оксид азота (NO), так и двуокись азота (NO2), но часто сокращенно обозначается NO. При горении биомасса NO, как правило, получается из связанного топливного азота. Например, субстраты растительного происхождения, такие как субстраты на основе табака, содержат значительное количество нитратов. Датчик газа также может выполнен с возможностью выявления других газов, таких как газы, содержащие карбоксильную группу или карбоксильные группы, или альдегиды, которые могут нежелательно генерироваться в электронных сигаретах с жидким субстратом в результате сгорания составляющих жидкого субстрата.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения контроллер может быть выполнен с возможностью уменьшения подачи питания на нагреватель, когда уровень восстановительного или окисляющего газа превышает первый пороговый уровень газа. В контексте данного документа термин «уровень газов» может относиться к концентрации газов в потоке воздуха или к абсолютному количеству выявленных газов. Уровень газов можно определить по отклонению электрического сопротивления датчика газа от ожидаемого электрического сопротивления. Предпочтительно, контроллер выполнен с возможностью уменьшения подачи питания на нагреватель до уровня, при котором температура нагревателя или субстрата, образующего аэрозоль, уменьшается.
В качестве альтернативы или дополнения устройство может содержать средство сигнализации, и контроллер может быть выполнен с возможностью активации средства сигнализации при определении неисправности. Контроллер может активировать средство сигнализации, когда уровень окисляющего или восстановительного газа превышает второй пороговый уровень. Средством сигнализации может быть средство визуальной сигнализации на устройстве, такое как светоизлучающий диод (LED), или средство звуковой сигнализации, такое как динамик. В таком случае пользователь может решить прервать использование устройства до тех пор, пока средство сигнализации не отключится. Первый пороговый уровень может быть таким же, как и второй пороговый уровень, или отличным от него.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения, контроллер может быть выполнен с возможностью прекращения подачи питания на нагреватель от источника питания при достижении уровнем восстановительного газа или окисляющего газа уровня прекращения подачи питания. Контроллер может быть выполнен с возможностью отслеживания уровня восстановительного или окисляющего газа после прекращения контроллером подачи питания на нагреватель и может быть выполнен с возможностью активации средства сигнализации, если уровень восстановительного или окисляющего газа по-прежнему выше уровня прекращения подачи питания. Это средство сигнализации может быть звуковым или визуальным. За счет этого возможно выявление в субстрате самовозобновляющегося сгорания. Если тепла, вырабатываемого при сгорании, достаточно, чтобы вызвать дальнейшее образование восстановительного или окисляющего газа без дополнительного нагревания со стороны нагревателя, то пользователь получает предупреждение и может решить удалить субстрат из устройства.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения контроллер может быть выполнен с возможностью регулирования подачи питания на нагреватель от блока питания, чтобы поддерживать уровень обнаруженного газа ниже первого порогового уровня. Для того чтобы контроллер непрерывно корректировал питание, подаваемое на нагреватель, в зависимости от выявленного уровня газа может использоваться контур обратной связи. За счет уменьшения питания нагревателя можно уменьшить уровень определенного генерируемого газа. Величина уменьшения питания может быть заданной величиной или может быть уменьшением, которым управляют на основании определяемой температуры.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения устройство может содержать впускное отверстие для воздуха и выпускное отверстие для воздуха, и, в ходе использования, субстрат, образующий аэрозоль, может быть расположен на пути потока воздуха между впускным отверстием для воздуха и выпускным отверстием для воздуха. Воздух втягивается через впускное отверстие для воздуха и проходит мимо или через субстрат, образующий аэрозоль, к выпускному отверстию для воздуха. В курительной системе пользователь осуществляет затяжку через выпускное отверстие для воздуха, чтобы втягивать в рот воздух и генерируемый аэрозоль (дым).
Датчик газа может быть расположен таким образом, чтобы выявлять газы, втягиваемые в устройство через впускное отверстие для воздуха и называемые в данном документе газом в побочном потоке. В курительной системе это позволяет выявлять газообразные продукты сгорания в дыме «побочного потока», который не вдыхается пользователем непосредственно.
В качестве альтернативы, датчик газа может быть расположен таким образом, чтобы выявлять газы рядом с субстратом, образующим аэрозоль, или ниже по потоку относительно него, называемых в данном документе газообразными продуктами сгорания в основном потоке. В курительной системе это позволяет выявлять газы в дыме «основного потока», который вдыхается пользователем непосредственно.
Пороговые уровни газа, используемые для определения, следует ли уменьшать или прекращать подачу питания на нагреватель, и для определения, активировать ли средство сигнализации, зависят от того, расположен ли датчик газа для выявления газообразного продукта сгорания в побочном потоке или газообразного продукта сгорания в основном потоке.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения блок питания может представлять собой любой подходящий блок питания, например источник постоянного тока. В одном варианте осуществления блок питания представляет собой литий-ионную батарею. В качестве альтернативы блок питания может представлять собой никель-металлогидридную батарею, никель-кадмиевую батарею или батарею на основе лития, например литий-кобальтовую, литий-железо-фосфатную, литий-титановую или литий-полимерную батарею.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения контроллер может содержать микроконтроллер. Микроконтроллер может содержать ПИД-регулятор для управления подачей питания на нагреватель. Контроллер может быть выполнен с возможностью подачи питания на нагреватель в виде импульсов электропитания. Контроллер может быть выполнен с возможностью изменения подачи питания на нагреватель путем изменения коэффициента заполнения импульсов питания.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать корпус. Предпочтительно корпус является удлиненным. Конструкция корпуса, включая площадь поверхности, доступную для образования конденсата, будет влиять на свойства аэрозоля и на наличие или отсутствие утечек жидкости из устройства. Корпус может содержать оболочку и мундштук. В этом случае все компоненты могут быть заключены внутри либо оболочки, либо мундштука. Корпус может содержать любой подходящий материал или комбинацию материалов. Примеры подходящих материалов включают металлы, сплавы, пластмассы или композиционные материалы, содержащие один или несколько из таких материалов, или термопластмассы, подходящие для применения в пищевой или фармацевтической промышленности, например полипропилен, полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиэтилен. Предпочтительно материал является легким и нехрупким.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения устройство, генерирующее аэрозоль, предпочтительно является портативным. Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой курительное устройство, и оно может иметь размер, сопоставимый с размером обычной сигары или сигареты. Курительное устройство может иметь общую длину от приблизительно 30 мм до приблизительно 150 мм. Курительное устройство может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 30 мм.
В третьем аспекте предоставлена система, генерирующая аэрозоль, содержащая устройство, генерирующее аэрозоль, согласно первому или второму аспекту и субстрат, образующий аэрозоль, размещаемый в устройстве или соединяемый с ним.
В первом, втором и третьем аспектах настоящего изобретения во время работы субстрат, образующий аэрозоль, может полностью размещаться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В таком случае пользователь может делать затяжку через мундштук устройства, генерирующего аэрозоль.
В качестве альтернативы, во время работы курительное изделие, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, может частично размещаться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В этом случае пользователь может осуществлять затяжку непосредственно на курительном изделии. Нагревательный элемент может быть расположен внутри полости в устройстве, при этом полость выполнена с возможностью размещения субстрата, образующего аэрозоль, так, чтобы при использовании нагревательный элемент находился внутри субстрата, образующего аэрозоль.
Курительное изделие может иметь по существу цилиндрическую форму. Курительное изделие может быть по существу удлиненным. Курительное изделие может иметь длину и окружность, по существу перпендикулярную длине. Субстрат, образующий аэрозоль, может иметь по существу цилиндрическую форму. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть по существу удлиненным. Субстрат, образующий аэрозоль, может также иметь длину и окружность, по существу перпендикулярную длине.
Курительное изделие может иметь общую длину от приблизительно 30 мм до приблизительно 100 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 12 мм. Курительное изделие может содержать штранг фильтра. Штранг фильтра может быть размещен на расположенном ниже по потоку конце курительного изделия. Штранг фильтра может представлять собой ацетилцеллюлозный штранг фильтра. Штранг фильтра в одном варианте осуществления имеет длину приблизительно 7 мм, но может иметь длину от приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм.
В одном варианте осуществления курительное изделие имеет общую длину приблизительно 45 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр приблизительно 7,2 мм. Кроме того, субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 10 мм. В качестве альтернативы, 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. Курительное изделие может содержать наружную бумажную обертку. Кроме того, между субстратом, образующим аэрозоль, и штрангом фильтра курительное изделие может содержать разделительный участок. Разделительный участок может иметь размер приблизительно 18 мм, но может иметь размер в диапазоне от приблизительно 5 мм до приблизительно 25 мм. Разделительный участок в курительном изделии предпочтительно заполнен теплообменником, охлаждающим аэрозоль по мере его прохождения через курительное изделие от субстрата к штрангу фильтра. Теплообменник может представлять собой, например, фильтр на полимерной основе, например гофрированный материал из полимолочной кислоты.
В первом, втором и третьем аспектах настоящего изобретения субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый субстрат, образующий аэрозоль. В качестве альтернативы, субстрат, образующий аэрозоль, может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие табачные ароматические соединения, которые выделяются из субстрата при нагревании. В качестве альтернативы, 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 несколько из следующего: порошок, гранулы, шарики, крупицы, тонкие трубки, полоски или листы, содержащие одно или несколько из следующего: травяные листья, табачные листья, фрагменты табачных жилок, восстановленный табак, гомогенизированный табак, экструдированный табак, формованный листовой табак и взорванный табак. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может иметь рассыпную форму или может быть предоставлен в подходящей таре или картридже. При необходимости твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать дополнительные табачные или нетабачные летучие ароматные соединения, предназначенные для высвобождения при нагревании субстрата. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может также содержать капсулы, которые включают, например, дополнительные табачные или нетабачные летучие ароматные соединения, и такие капсулы могут плавиться во время нагревания твердого субстрата, образующего аэрозоль.
В контексте данного документа термин «гомогенизированный табак» относится к материалу, образованному путем агломерации сыпучего табака. Гомогенизированный табак может иметь форму листа. Содержание вещества для образования аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять более 5% по сухому весу. В качестве альтернативы содержание вещества для образования аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять от 5% до 30% по сухому весу. Листы гомогенизированного табачного материала можно формировать путем агломерирования сыпучего табака, полученного размалыванием или иным измельчением слоев табачного листа или жилок табачного листа, или того и другого. В качестве альтернативы или дополнительно листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или несколько из табачной пыли, табачной мелочи и других сыпучих табачных побочных продуктов, образующихся, например, при обработке, обращении и доставке табака. Листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или несколько собственных связующих, т. е. табачных эндогенных связующих, одно или несколько внешних связующих, т. е. табачных экзогенных связующих, или их сочетание, что способствует агломерированию сыпучего табака; в качестве альтернативы или дополнительно листы гомогенизированного табачного материала могут содержать другие добавки, включая, но без ограничения, табачные и нетабачные волокна, вещества для образования аэрозоля, увлажнители, пластификаторы, ароматизаторы, наполнители, водные и неводные растворители и их сочетания.
Необязательно твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть предусмотрен на термостабильном носителе или встроен в него. Носитель может иметь форму порошка, гранул, шариков, крупиц, тонких трубочек, полосок или листов. В качестве альтернативы носитель может представлять собой трубчатый носитель, содержащий тонкий слой твердого субстрата, нанесенный на его внутреннюю поверхность или на его наружную поверхность, или как на его внутреннюю, так и на наружную поверхности. Такой трубчатый носитель может быть выполнен, например, из бумаги или подобного бумаге материала, нетканого мата из углеродных волокон, легкой металлической сетки с открытыми ячейками, или перфорированной металлической фольги, или любой другой термостабильной полимерной матрицы.
Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на поверхность носителя в виде, например, листа, пеноматериала, геля или суспензии. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на всю поверхность носителя или, в качестве альтернативы, может быть нанесен узором с целью обеспечения неоднородной доставки ароматического вещества во время использования.
Несмотря на то, что выше приведена ссылка на 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. Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может содержать вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль. Если предусмотрен жидкий субстрат, образующий аэрозоль, то устройство, генерирующее аэрозоль, предпочтительно содержит средство для удержания жидкости. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может содержаться в таре. В качестве альтернативы или дополнительно, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть абсорбирован в пористый материал носителя. Пористый материал носителя может быть изготовлен из любой подходящей поглощающей заглушки или элемента, например, из пенометаллического 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, в качестве альтернативы, материал в виде жидкого субстрата, образующего аэрозоль, может быть высвобожден в пористый материал носителя во время или непосредственно перед использованием. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть представлен в капсуле. Оболочка капсулы предпочтительно тает при нагревании и высвобождает жидкий субстрат, образующий аэрозоль, в пористый материал носителя. Капсула может при необходимости содержать твердое вещество в комбинации с жидкостью.
В качестве альтернативы, носитель может представлять собой нетканое полотно или пучок волокон, в которые включены табачные компоненты. Нетканое полотно или пучок волокон могут содержать, например, углеродные волокна, натуральные целлюлозные волокна или волокна из производных целлюлозы.
Нагреватель и датчик газа могут быть предусмотрены в виде нагревателя в сборе, расположенного отдельно от блока питания и/или контроллера. Причина может заключаться в том, что нагреватель и датчик газа обычно имеют срок службы, отличающийся от срока службы блока питания или контроллера, и поэтому требуют замены с разными интервалами. Таким образом, может быть желательно продавать нагреватель в сборе в качестве предмета, отдельного от остальной части устройства. Соответственно, в четвертом аспекте предоставлен нагревательный узел для системы, генерирующей аэрозоль, выполненный с возможностью нагревания субстрата, образующего аэрозоль, причем нагревательный узел содержит:
нагреватель, расположенный таким образом, чтобы нагревать субстрат, образующий аэрозоль, с образованием аэрозоля; и
датчик газа, чувствительный к определенному газу или газам, причем срабатывание датчика газа зависит от температуры датчика газа.
Нагреватель в сборе может быть обеспечен или не обеспечен субстратом, генерирующим аэрозоль.
Несмотря на то, что изобретение было описано со ссылкой на разные аспекты, следует понимать, что признаки, описанные относительно одного аспекта изобретения, могут быть применены к другим аспектам изобретения. В частности, признаки нагревателя, расположенного таким образом, чтобы нагревать субстрат, образующий аэрозоль, признаки датчика газа и признаки субстрата, образующего аэрозоль, описанные со ссылкой на первый, второй и третьи аспекты настоящего изобретения, могут применяться к нагревателю в сборе согласно четвертому аспекту настоящего изобретения.
Изобретение будет дополнительно описано исключительно на примере со ссылками на сопроводительные графические материалы, в которых:
фиг. 1 представляет собой схематическое изображение первого электрически нагреваемого курительного устройства в соответствии с изобретением;
фиг. 2a представляет собой схематический вид в поперечном сечении нагревателя в сборе, подходящего для использования в устройстве, как показано на фиг. 1;
фиг. 2b представляет собой схематический вид сбоку нагревателя в сборе по фиг. 2a;
фиг. 3 представляет собой схематический вид в поперечном сечении альтернативного нагревателя в сборе, подходящего для использования в устройстве, как показано на фиг. 1;
фиг. 4 представляет собой схематический вид в поперечном сечении дополнительного альтернативного нагревателя в сборе, подходящего для использования в устройстве, как показано на фиг. 1;
фиг. 5 представляет собой схематический вид в поперечном сечении еще одного дополнительного альтернативного нагревателя в сборе, подходящего для использования в устройстве, как показано на фиг. 1;
на фиг. 6a изображено срабатывание датчика газа при обычных условиях эксплуатации;
на фиг. 6b изображено срабатывание датчика газа при воздействии газообразных продуктов сгорания;
на фиг. 6c изображено срабатывание датчика газа в присутствии субстрата, образующего аэрозоль, который уже был использован;
на фиг. 6d изображено срабатывание датчика газа при отсутствии субстрата, образующего аэрозоль
на фиг. 6e изображено срабатывание датчика газа в присутствии неподходящего субстрата, образующего аэрозоль; и
фиг. 7 представляет собой схематическое изображение второго электрически нагреваемого курительного устройства согласно настоящему изобретению;
На фиг. 1 в упрощенном виде представлены компоненты одного варианта осуществления электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль. В частности, элементы электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль, на фиг. 1 показаны не в масштабе. Элементы, которые не являются существенными для понимания данного варианта осуществления, в целях упрощения фиг. 1 были опущены.
Электрически нагреваемое устройство 100, генерирующее аэрозоль, содержит корпус 10 и субстрат 12, образующий аэрозоль, например сигарету. Субстрат 12, образующий аэрозоль, проталкивают внутрь корпуса 10 для термического соприкосновения с нагревателем 14. Субстрат 12, образующий аэрозоль, будет высвобождать ряд летучих соединений при разных температурах. Управляя рабочей температурой электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль, так, чтобы она была ниже температуры высвобождения некоторых из летучих соединений, можно избежать высвобождения или образования этих составляющих дыма.
Внутри корпуса 10 имеется электрический блок 16 питания, например перезаряжаемая литий-ионная батарея. Контроллер 18 соединен с нагревателем 14, расположенным на опоре 15 нагревателя, и электрическим блоком 16 питания. Контроллер 18 управляет подачей питания на нагреватель 14 с целью регулирования его температуры. Как правило, субстрат, образующий аэрозоль, нагревают до температуры от 250 до 450 градусов по Цельсию.
Корпус 10 содержит впускные отверстия 11 для воздуха в основании полости в корпусе, в которой размещен субстрат 12, образующий аэрозоль. При использовании пользователь делает затяжку сигаретой и втягивает воздух через впускные отверстия 11 для воздуха, через субстрат 12 мимо нагревателя 14 и себе в рот.
В описанном варианте осуществления нагреватель 14 представляет собой электрорезистивную дорожку или дорожки, нанесенные на опору 15 нагревателя, которая представляет собой керамический субстрат. Этот керамический субстрат имеет форму пластинки, и при использовании его вставляют в субстрат 12, образующий аэрозоль.
Контроллер 18 также соединен с датчиком 20 газа, в этом примере - датчиком газа на основе оксида олова, прикрепленным к керамическому субстрату. Контроллер также соединен со средством 22 визуальной сигнализации, которое в этом примере представляет собой LED, и средством 24 звуковой сигнализации, которое в этом примере представляет собой динамик, выполненный с возможностью издавать предупреждающий звук, как будет описано.
В примере, изображенном на фиг. 1, датчик газа расположен на опоре 15 нагревателя для обнаружения газов внутри субстрата, образующего аэрозоль
Фиг. 2a представляет собой схематический вид в поперечном сечении нагревателя и датчика газа в сборе, подходящих для использования в устройстве, как описано со ссылкой на фиг. 1. Опора нагревателя содержит керамический слой 30 на который нанесены два стеклянных слоя 32, 33. Нагреватель представляет собой платиновую дорожку 34, расположенную поверх одного из стеклянных слоев 32. Поверх нагревателя образован еще один стеклянный слой 36. Датчик 38 газа представляет собой датчик газа на основе оксида олова. Электроды 39 для подачи тока к датчику 38 газа и от него сформированы на еще одном стеклянном слое 36, и датчик на основе оксида олова расположен поверх электродов 39.
Фиг. 2b представляет собой вид сбоку нагревателя и датчик газа в сборе по фиг. 2a. Как видно, электроды 39 образованы под датчиком на основе оксида олова, так что ток должен проходить сквозь слой оксида олова для того, чтобы пройти от одного электрода к другому. Нагреватель в виде платиновой дорожки проходит вокруг датчика газа. Любая подходящая схема расположения может использоваться для дорожки нагревателя. Пример, изображенный на фиг. 2b, демонстрирует лишь один из примеров.
При эксплуатации нагреватель 34 нагревает керамический субстрат 30 и стеклянные слои 32, 33, 36, а также датчик газа. В свою очередь, они нагревают субстрат 12, образующий аэрозоль, расположенный в устройстве. Оптимальная температура для работы датчика газа совпадает с температурой, необходимой для образования желаемого аэрозоля из субстрата, образующего аэрозоль, поэтому дополнительное нагревание датчика газа не требуется.
Возможны альтернативные конфигурации нагревателя и датчика газа в сборе согласно настоящему изобретению. На фиг. 3 изображен первый альтернативный вариант, в котором датчик 38 газа и электроды 39 для датчика газа размещены на поверхности керамического слоя, противоположной нагревателю. Размещение датчика газа на поверхности керамического слоя, противоположной нагревателю, может быть преимущественным, поскольку в этом положении датчик газа нагревается до чуть меньшей температуры и нагревается более равномерно, чем в положении, изображенном на фиг. 2.
На фиг. 4 изображен еще один альтернативный вариант, содержащий два датчика газа. Первый датчик 38 газа расположен поверх нагревателя, как в варианте осуществления по фиг. 2a. Второй датчик 48 газа, с соответствующими электродами 49, размещен на стороне керамического слоя, противоположной нагревателю, как в варианте осуществления по фиг. 3. Оба датчика газа соединены с контроллером 18. Первый датчик 38 газа может быть настроен на чувствительность к другому газу, чем второй датчик 48 газа.
На фиг. 5 изображено поперечное сечение еще одного альтернативного варианта, в котором датчик 38 газа расположен на том же стеклянном слое 32, что и нагреватель 34. Нагреватель 34 проходит вокруг датчика 38 газа, так что нагреватель и датчик 38 газа (и электроды 39 датчика газа) электрически изолированы друг от друга. Еще один стеклянный слой 36, закрывающий и защищающий нагреватель 34, содержит отверстие, благодаря которому датчик газа остается открытым и может обнаруживать определенные газы. Поскольку эта конфигурация требует меньше этапов размещения, чем конфигурация, изображенная на фиг. 2a, ее производство является менее затратным.
При эксплуатации, когда пользователь активирует устройство путем нажатия на кнопку (не изображена) на устройстве, контроллер подает питание на нагреватель. Температура нагревателя повышается в результате нагрева нагревателя джоулевым теплом. Электрическое сопротивление нагревателя 14, 34 изменяется в зависимости от температуры. Контроллер 18 выполнен с возможностью отслеживания электрического сопротивления нагревателя 14 и регулировки питания, подаваемого на нагреватель, с целью поддержания температуры нагревателя на целевом уровне. Контроллер также может обеспечить более совершенное управление для реагирования на изменения рассеивания тепла от нагревателя и для изменения целевой температуры на протяжении сеанса курения в ответ на другие обнаруженные параметры.
В то же время, контроллер 18 выполнен с возможностью отслеживания электрического сопротивления датчика 38 газа или датчиков 38, 48 газа.
На фиг. 6a показано изменение электрического сопротивления датчика газа на основе оксида олова, как изображено на фиг. 2, при обычной эксплуатации устройства с подходящим субстратом, образующим аэрозоль, вставленным в него. По мере нагревания датчика 20 газа в течение первых 20-30 секунд после активации нагревателя, его электрическое сопротивление уменьшается. Затем температура датчика газа поддерживается на приблизительно постоянном уровне во время использования. Имеется небольшое увеличение электрического сопротивления в ходе сеанса курения, возможно вызванное повышенными уровнями окисляющих газов на протяжении сеанса курения по мере высыхания субстрата, образующего аэрозоль. Небольшие всплески электрического сопротивления происходят во время осуществления затяжек пользователем, поскольку поток воздуха, проходящий мимо датчика газа, временно охлаждает датчик газа. Если устройство выполнено с возможностью предоставления изменяемого температурного профиля на протяжении сеанса курения, контроллер 18 может нормализовать электрическое сопротивление датчика газа с учетом этой изменяемой температуры.
Контроллер 18 включает в себя энергонезависимое запоминающее устройство, которое хранит профиль нормального электрического сопротивления для датчика газа, как изображено на фиг. 6a. Этот профиль можно сравнить с фактическими измерениями для определения наличия состояния неисправности.
На фиг. 6b изображено изменение электрического сопротивления датчика газа на основе оксида олова, как показано на фиг. 2, в котором датчик 20 газа подвергается воздействию восстановительных газов в результате горения субстрата 12, образующего аэрозоль. Датчик 20 газа подвергается воздействию восстановительного газа, такого как CO, в диапазоне от 110 секунд до 175 секунд после активации. Как видно, электрическое сопротивление датчика газа уменьшается при воздействии на него восстановительного газа. Посредством сравнения сохраненного профиля электрического сопротивления для нормальной эксплуатации, как изображено на фиг. 6(a), с измеренным сопротивлением датчика газа, контроллер может определить «аномальную» ситуацию и затем прервать сеанс курения путем прекращения подачи питания к нагревателю. Контроллер может быть выполнен с возможностью диагностики конкретного типа аномального поведения или неисправности на основании типа отклонения от ожидаемого профиля электрического сопротивления, и затем может осуществлять различные действия или подавать различные сигналы пользователю в зависимости от типа диагностированной неисправности. Например, контроллер может быть выполнен с возможностью уменьшения температуры нагревателя при обнаружении низких уровней восстановительного газа, но может быть выполнен с возможностью прерывания сеанса курения, если выявлено, что уровень восстановительного газа выше порогового значения. Контроллер также может быть выполнен с возможностью подачи различных сигналов индикации или предупреждений в зависимости от характера диагностированной неисправности.
Другим типом неисправности является использование субстрата, который уже использовался в сеансе курения и поэтому является истощенным. На фиг. 6c изображено срабатывание датчика газа в присутствии субстрата, образующего аэрозоль, который уже был использован. График 60 представляет собой электрическое сопротивление датчика газа при первом использовании субстрата, образующего аэрозоль. График 62 представляет собой электрическое сопротивление датчика газа при втором использовании того же субстрата, и график 64 представляет собой электрическое сопротивление датчика газа при третьем использовании того же субстрата. Видно, что при повторном использовании одного и того же субстрата электрическое сопротивление датчика газа на порядок выше в первые 30 секунд, чем при первом использовании. Субстрат, образующий аэрозоль, высыхает после первого использования так как вещество для образования аэрозоля израсходовано. Это изначально приводит к увеличению объема окисляющих газов. Контроллер также может быть выполнен с возможностью регулировки температуры нагревателя таким образом, чтобы при уменьшении рассеивания тепла от нагревателя, что происходит по мере высыхания субстрата, образующего аэрозоль, он уменьшал температуру нагревателя. Это уменьшает риск сгорания субстрата, образующего аэрозоль, но может способствовать повышению сопротивления датчика газа. Контроллер может легко обнаружить исходное повышенное электрическое сопротивление датчика газа и прервать сеанс курения. В дальнейшем сопротивление датчика газа склонно уменьшаться на протяжении сеанса курения с ранее использованным субстратом, по мере увеличения объема образуемых восстановительных газов.
На фиг. 6d изображено срабатывание датчика газа при отсутствии субстрата, образующего аэрозоль. Электрическое сопротивление датчика газа на порядок выше после первых 30 секунд, чем в присутствии подходящего субстрата, образующего аэрозоль. Это является результатом сниженной температуры нагревателя, в результате уменьшения подачи питания контроллером на нагреватель с целью снижения температуры нагревателя, когда рассеивание тепла от нагревателя уменьшено. Во время затяжек, осуществляемых пользователем, также уменьшается охлаждение.
На фиг. 6e изображено срабатывание датчика газа в присутствии неподходящего субстрата, образующего аэрозоль, в этом примере - субстрата, который содержит недостаточно вещества для образования аэрозоля и, таким образом, является слишком сухим. Электрическое сопротивление датчика газа на один или два порядка выше, чем в присутствии подходящего субстрата, образующего аэрозоль. Также видно, что в диапазоне между 260 и 310 секунд после активации присутствует значительное количество восстановительного газа, что указывает на горение субстрата, образующего аэрозоль.
Контроллер 18 может сохранять в запоминающем устройстве профили сопротивления, соответствующие каждому из этих условий, и может коррелировать измеренное электрическое сопротивление датчика газа с сохраненными профилями для диагностирования конкретной неисправности. Затем контроллер может отреагировать путем прекращения сеанса курения или регулировки подачи питания на нагреватель, а также подать сигнал о неисправности пользователю.
На фиг. 7 показан альтернативный тип курительной системы в соответствии с изобретением, который позволяет пользователям использовать в устройстве рассыпной табак или другие субстраты. Устройство 400 содержит камеру 415 нагревания, в которую заправляется рассыпной табак 412. Камера нагревается гибким нагревателем 414, выстилающим камеру 414 нагревания. Контроллер 418 управляет подачей электропитания от батареи 410 на нагреватель 414. Контроллер также соединен с датчиком 420 газа, средством сигнализации 422 в виде LED и средством 424 звуковой сигнализации, как описано в устройстве, показанном на фиг. 1. Рассыпной табак может быть заправлен в камеру путем снятия крышки 413, заправки некоторого количества табака в камеру нагревания и затем возвращения крышки на место.
Устройство 400 содержит мундштук 432, с помощью которого пользователь делает затяжки, чтобы втягивать через устройство воздух и генерируемый аэрозоль. Воздух втягивается в устройство через впускное отверстие 411 для воздуха в камеру нагревания, мимо датчика 420 газа, и затем воздух проходит по каналу 430 в мундштук 432, а затем в рот пользователя. Во впускном отверстии 411 и на входе в канал 430 могут быть предусмотрены фильтрующие элементы (не показаны), чтобы табак не блокировал путь потока воздуха.
Пары нагреваемого субстрата, генерирующего аэрозоль, захватываются потоком воздуха и втягиваются через канал. Пары конденсируются в потоке воздуха, образуя аэрозоль.
Датчик 420 газа представляет собой металлооксидный датчик газа и установлен поверх гибкого нагревателя 414, внутри камеры 414 нагревания, так что он непосредственно нагревается нагревателем до своей рабочей температуры.
Следует понимать, что приведенные в качестве примера варианты осуществления, описанные выше, являются иллюстративными, а не ограничивающими. В свете описанных выше приведенных в качестве примера вариантов осуществления специалисту в данной области техники будут теперь понятны и другие варианты осуществления, соответствующие вышеописанным приведенным в качестве примера вариантам осуществления.