ЭЛЕКТРИЧЕСКИ НАГРЕВАЕМАЯ ВЫРАБАТЫВАЮЩАЯ АЭРОЗОЛЬ СИСТЕМА И СПОСОБ
ELECTRICALLY HEATED AEROSOL DEVELOPING SYSTEM AND METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системе для размещения образующего аэрозоль носителя и способу для электрического нагревания образующего аэрозоль носителя. Изобретение находит практическое применение в качестве электрически нагреваемой системы для курения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Несколько документов предшествующего уровня техники, например US 5060671, US 5388594, US 5505214, US 5591368, WO 2004/043175, EP 0358002, EP 0295122, EP 1618803, EP 1736065 и WO 2007/131449, раскрывают электрические системы для курения, имеющие несколько преимуществ. Одно преимущество заключается в том, что они значительно уменьшают побочный поток дыма, при этом позволяя курильщику выборочно временно прекращать и повторно инициировать курение.
US 5388594 описывает электрическую систему для курения. Система для курения включает в себя сигарету и прикуриватель многократного использования. Сигарета адаптирована для вставки в и удаления из отверстия на переднем конце прикуривателя. Прикуриватель включает в себя корпус и имеет переднюю часть и заднюю часть. Источник питания для подачи энергии на нагревательные элементы для нагревания сигареты расположен в задней части прикуривателя. Источник питания имеет размеры, чтобы обеспечить достаточно энергии для нагревательных элементов, которые нагревают сигарету. Источник энергии предпочтительно является заменяемым и подзаряжаемым и в одном предпочтительном варианте осуществления является аккумуляторной батарей. В передней части предпочтительно размещены нагревательные элементы и схема, электрически соединенная с источником энергии. Система для курения используется почти таким же образом, как традиционная сигарета.
WO 2004/043175 также описывает электрическую систему для курения. В этом документе электрически нагреваемое устройство для курения сигареты включает в себя верхнюю крышку отсека нагревателя, передний корпус и левую и правую части отсека аккумуляторной батареи. Блок нагревателя расположен под крышкой отсека нагревателя, при этом блок нагревателя расположен внутри отделения, которое обеспечивает установку блока нагревателя относительно переднего корпуса устройства. Отверстие в верхней части крышки отсека нагревателя обеспечивает возможность вставки сигареты в верхнее отверстие узла нагревателя. Когда сигарета вставлена в отверстие крышки отсека нагревателя и в отверстие блока нагревателя, она устанавливается рядом с множеством лопастей нагревателя, размещенных по окружности сигареты. Щели в крышке отсека нагревателя обеспечивают проходные каналы для прохождения окружающего воздуха в устройство, когда сигарета установлена в отверстие. Печатная плата расположена между отделением и передним корпусом. Соединитель блока нагревателя расположен ниже блока нагревателя во внутренних элементах корпуса. Это обеспечивает электрическое соединение между лопастями нагревателя и источником питания, таким как аккумуляторная батарея, помещенным в частях отсека аккумуляторной батареи.
US 5060671 описывает вырабатывающее аромат устройство с одноразовой частью, образованной нагревателем и вырабатывающим аромат средством, и многоразовой частью, образованной источником питания.
Другие документы предшествующего уровня техники, такие как EP 0295122, EP 1618803 и EP 1736065, раскрывают электрические системы для курения, которые используют жидкость в качестве образующей аэрозоль носителя. Жидкость может содержаться в картридже, который способен размещаться в корпусе. Предусмотрен источник электропитания, такой как, аккумуляторная батарея, соединенный с нагревателем для нагревания жидкого носителя во время затяжки, для образования аэрозоля, который предусмотрен для курильщика.
Электрически нагреваемые вырабатывающие аэрозоль системы предшествующего уровня техники, включая описанные выше, обычно обеспечивают импульс большой мощности для нагревателя для обеспечения высокой температуры и для освобождения летучих соединений для каждой затяжки.
Электрически нагреваемые вырабатывающие аэрозоль системы предшествующего уровня техники, включая описанные выше, имеют некоторые преимущества, но по-прежнему существует возможность для усовершенствования конструкции. Было бы предпочтительным, если устройства могли бы быть выполнены более маленькими, таким образом, чтобы размер был ближе к размерам традиционной сигареты и более удобным для пользователя.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание усовершенствованной электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы.
В соответствии с первым аспектом изобретения предложена электрически нагреваемая вырабатывающая аэрозоль система для получения образующего аэрозоль носителя, при этом система содержит: по меньшей мере один нагревательный элемент для нагревания носителя для образования аэрозоля; и источник электропитания для подачи электроэнергии на по меньшей мере один нагревательный элемент, при этом источник электропитания содержит: источник напряжения, два или более конденсаторов большой емкости, и переключатели между источником напряжения и двумя или более конденсаторами большой емкости, при этом переключатели размещены так, что во время режима зарядки два или более конденсаторов большой емкости соединяются по меньшей мере частично параллельно друг с другом для зарядки посредством источника напряжения, а во время режима нагревания два или более конденсаторов большой емкости соединяются последовательно друг с другом для разрядки через по меньшей мере один нагревательный элемент.
Изобретение обеспечивает возможность создания более маленькой электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы посредством использования конденсаторов большой емкости, которые заряжаются, а затем разряжаются через по меньшей мере один нагревательный элемент. Изобретение является предпочтительным, так как не требуется, чтобы напряжение, подаваемое источником напряжения, составляло общее напряжение, требующееся на нагревательном элементе. Это так благодаря тому, что конденсаторы большой емкости заряжаются параллельно, а разряжаются последовательно. Дополнительно увеличивается эффективность всей системы.
В одном варианте осуществления система дополнительно содержит схему, повышающую или понижающую напряжение, между источником напряжения и двумя или более конденсаторами большой емкости. Это является полезным, если напряжение, подаваемое источником напряжения, не соответствует максимальному напряжению на двух или более конденсаторах большой емкости.
В одном варианте осуществления система содержит: часть, предназначенную для удержания пользователем, и внешнюю заряжающую часть, при этом часть, предназначенная для удержания пользователем, содержит по меньшей мере один нагревательный элемент, два или более конденсаторов большой емкости и по меньшей мере некоторые из переключателей, требуемых для соединения двух или более конденсаторов большой емкости во время режима нагревания, при этом внешняя заряжающая часть содержит источник напряжения и по меньшей мере некоторые из переключателей, требуемых для соединения двух или более конденсаторов большой емкости во время режима зарядки. Этот вариант осуществления является предпочтительным, так как схема, требуемая только во время зарядки, а не во время нагревания, может быть перенесена во внешнюю заряжающую часть. Это обеспечивает возможность дополнительного уменьшения размера части, предназначенной для удержания пользователем в руке.
Предпочтительно часть, предназначенную для удержания пользователем, и внешняя заряжающая часть электрически соединены друг с другом во время режима зарядки и электрически разъединены друг от друга во время режима нагревания.
Образующего аэрозоль носитель предпочтительно содержит табакосодержащий материал, содержащий летучие соединения табачного аромата, которые освобождаются от носителя при нагревании. В качестве альтернативы образующий аэрозоль носитель может содержать нетабачный материал, такой как использующееся в устройствах по EP 1750788 и EP 1439876.
Предпочтительно образующего аэрозоль носитель дополнительно содержит формирователь аэрозоля. Примерами подходящих формирователей аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль. Дополнительные примеры потенциально подходящих формирователей аэрозоля описаны в EP 0277519 и US 5396911.
Образующий аэрозоль носитель может представлять собой твердый носитель. Твердый носитель может содержать, например, одно или более из: порошка, гранул, зерен, крупиц, трубок, полосок или листов, содержащих одно или более из: травяного листа, табачного листа, кусочков жилок табака, восстановленного табака, гомогенизированного табака, прессованного табака и молотого табака. Твердый носитель может иметь свободную форму или может быть обеспечен в подходящем контейнере или картридже. Дополнительно твердый носитель может содержать дополнительные табачные или нетабачные летучие соединения ароматического вещества, подлежащие освобождению при нагревании носителя.
Дополнительно твердый носитель может быть обеспечен на или заделана в теплоустойчивый носитель. Носитель может принимать форму порошка, гранул, зерен, крупиц, трубок, полосок или листов. В качестве альтернативы носитель может представлять собой трубчатый носитель, имеющий тонкий слой твердого носителя, расположенного на его внутренней поверхности, такой как раскрытые в US 5505214, US 5591368 и US 5388594, или на его внешней поверхности, или и на его внутренней, и на внешней поверхностях. Такой трубчатый носитель может быть образован, например, из бумаги, или бумагоподобного материала, нетканой плетенки из углеродного волокна, легковесной металлической открытой сетки, или перфорированной металлической фольги, или любой другой теплоустойчивой полимерной матрицы.
Твердый носитель может быть распределен на поверхности носителя в виде, например, листа, пены, геля или суспензии. Твердый носитель может быть распределен на всей поверхности носителя или в качестве альтернативы может быть распределен в шаблон для обеспечения неоднородной подачи аромата во время использования.
В качестве альтернативы носитель может представлять собой нетканый материал или пучок волокон, в который были включены табачные компоненты, такие как описанные в EP 0857431. Нетканый материал или пучок волокон может содержать, например, углеродные волокна, натуральные целлюлозные волокна или производные волокна целлюлозы.
В качестве альтернативы носитель может быть по меньшей мере частью нагревательного элемента электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы. В таких случаях нагревательный элемент обычно является одноразовым. Например, твердый носитель может быть распределен в виде тонкого слоя на металлическую фольгу или на электрически устойчивую опору, как описано в US 5060671.
В качестве альтернативы образующий аэрозоль носитель может представлять собой жидкий носитель. Если предусмотрен жидкий носитель, электрически нагреваемая вырабатывающая аэрозоль система предпочтительно содержит средства для хранения жидкости. Например, жидкий носитель может храниться в контейнере, таком как описанный в EP 0893071. В качестве альтернативы или дополнения жидкий носитель может впитываться в пористый материал носителя, как описанный в WO 2007/024130, WO 2007/066374, EP 1736062, WO 2007/131449 и WO 2007/131450. Пористый материал носителя может быть выполнен из любой подходящей впитывающей затычки или тела, например вспененного металла или пластикового материала, полипропилена, терилена, нейлоновых волокон или керамики. Жидкий носитель может храниться в пористом материале носителя до использования электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы или в качестве альтернативы материал жидкого носителя может выделяться в пористый материал носителя во время или непосредственно до использования. Например, жидкий носитель может быть предусмотрен в капсуле, как описано в WO 2007/077167. Оболочка капсулы предпочтительно расплавляется при нагревании и выделяет жидкий носитель в пористый материал носителя. Капсула дополнительно может содержать твердое вещество в комбинации с жидкостью.
Если образующий аэрозоль носитель представляет собой жидкий носитель, электрически нагреваемая вырабатывающая аэрозоль система может дополнительно содержать средства для нагревания небольшого количества жидкости за раз. Средства для нагревания небольшого количества жидкости за раз могут включать в себя, например, проходное отверстие для жидкости во взаимодействии с жидким носителем, как описано в EP 0893071. Жидкий носитель обычно принудительно перемещается в проходное отверстие для жидкости под действием капиллярных сил. Предпочтительно нагревательный элемент размещен так, что во время использования только малое количество жидкого носителя в проходном отверстии для жидкости, а не жидкости в контейнере, нагревается и испаряется.
В качестве альтернативы или дополнения, если образующий аэрозоль носитель является жидким носителем, электрически нагреваемая вырабатывающая аэрозоль система может дополнительно содержать распылитель, контактирующий с источником жидкого носителя и включающий в себя по меньшей мере один нагревательный элемент. Дополнительно к нагревательному элементу распылитель может включать в себя один или более электромеханических элементов, таких как пьезоэлектрические элементы. Дополнительно или в качестве альтернативы распылитель также может включать в себя элементы, которые используют электростатические, электромагнитные или пневматические воздействия. Электрически нагреваемая вырабатывающая аэрозоль система может еще дополнительно содержать конденсационную камеру.
В качестве альтернативы образующий аэрозоль носитель может представлять собой любой другой вид носителя, например газовый носитель, или либо комбинацию из различных типов носителей. Во время работы носитель может полностью содержаться в электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системе. В этом случае пользователь может затягиваться через мундштук электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы. В качестве альтернативы во время работы носитель может частично содержаться в электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системе. В этом случае носитель может образовывать часть отдельного изделия, и пользователь может затягиваться непосредственно через отдельное изделие.
По меньшей мере один нагревательный элемент может содержать одиночный нагревательный элемент. В качестве альтернативы по меньшей мере один нагревательный элемент может содержать более чем один нагревательный элемент. Нагревательный элемент или нагревательные элементы могут быть размещены надлежащим образом так, чтобы наиболее эффективно нагревать образующий аэрозоль носитель.
По меньшей мере один нагревательный элемент предпочтительно содержит электрически устойчивый материал. Подходящие электрически устойчивые материалы включают в себя, но не ограничиваются этим: полупроводники, например легированную керамику, электропроводную керамику (такую как, например, дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, металлические сплавы и композитные материалы, выполненные из керамического материала и материала с металлическими свойствами. 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 и металлы из платиновой группы. Примеры подходящих металлических сплавов включают в себя нержавеющую сталь, сплавы, содержащие никель, кобальт, хром, алюминий, титан, цирконий, гафний, ниобий, молибден, тантал, вольфрам, олово, галлий, марганец и железо и сверхпрочные сплавы, основанные на никеле, железе, кобальте, нержавеющей стали, Timetal и сплавы, основанные на железе–марганце–алюминии. В композитных материалах электрически устойчивый материал может быть дополнительно встроен в, инкапсулирован или покрыт изолирующим материалом или наоборот, в зависимости от требуемой кинетики передачи энергии и внешних химико-физических свойств. Примеры подходящих композитных нагревательных элементов раскрыты в US 5498855, WO 03/095688 и US 5514630.
В качестве альтернативы по меньшей мере один нагревательный элемент может содержать инфракрасный нагревательный элемент, фотонный источник, такой как, например, описанные в US 5934289, или индукционный нагревательный элемент, такой как, например, описанные в US 5613505.
По меньшей мере один нагревательный элемент может принимать любую подходящую форму. Например, по меньшей мере один нагревательный элемент может принимать форму нагревательной лопасти, такой как описанные в US 5388594, US 5591368 и US 5505214. В качестве альтернативы по меньшей мере один нагревательный элемент может принимать форму корпуса или основания, имеющего разные электропроводящие участки, как описано в EP 1128741, или электрически устойчивую металлическую трубку, как описано в WO 2007/066374, где образующий аэрозоль носитель является жидкостью, предусмотренной в контейнере, причем контейнер может включать одноразовый нагревательный элемент. В качестве альтернативы одна или более нагревательных иголок или стержней, которые проходят через центр образующего аэрозоль носителя, как описано в KR100636287 и JP -2006320286, могут также быть подходящими. В качестве альтернативы по меньшей мере один нагревательный элемент может быть дисковым (концевым) нагревателем или комбинацией из дискового нагревателя с нагревательными иголками или стержнями. Другие альтернативы включают в себя нагревательную проволоку или нить накаливания, например Ni-Cr, платиновую, вольфрамовую или проволоку из сплава, такую как описанные в EP 1736065, или нагревательную пластину. Дополнительно нагревательный элемент может быть уложен в или на жесткий материал носителя.
По меньшей мере один нагревательный элемент может содержать теплоотвод или тепловой резервуар, содержащий материал, способный поглощать и хранить тепло, а впоследствии выпускать тепло по прошествии некоторого времени на образующего аэрозоль носителя. Подходящие теплоотводы описаны в EP 0857431, US 2006/118128 и WO 2008/015441. Теплоотвод может быть образован из любого подходящего материала, такого как подходящий металл или керамический материал. Предпочтительно материал имеет большую теплоемкость (чувствительный материал, сохраняющий тепло) или является материалом, способным поглощать, а впоследствии выпускать тепло посредством обратимого процесса, такого как высокотемпературное фазовое превращение. Подходящие чувствительные материалы, сохраняющие тепло, включают в себя силикатный гель, окись алюминия, углерод, стеклянный мат, стекловолокно, минералы, метал или сплав, такой как алюминий, серебро или свинец, и целлюлозный материал, такой как бумага. Другие подходящие материалы, которые выпускают тепло посредством обратимого изменения фазы, включают в себя парафин, ацетат натрия, нафталин, воск, оксид полиэтилена, металл, соль металла, смесь из эвтектических солей или сплав.
Теплоотвод или тепловой резервуар может быть размещен так, чтобы он находился непосредственно в контакте с образующим аэрозоль носителем и мог передавать хранящееся тепло непосредственно на носитель, как описано в EP 0857431. В качестве альтернативы тепло, хранящееся в теплоотводе или тепловом резервуаре, может быть передано на образующий аэрозоль носитель посредством проводника тепла, такого как металлическая трубка, как описана в WO 2008/015441.
По меньшей мере один нагревательный элемент может нагревать образующий аэрозоль носитель посредством проводимости. Нагревательный элемент может находиться по меньшей мере частично в контакте с основой или носителем, на который уложен носитель. В качестве альтернативы тепло от нагревательного элемента может проводиться на носитель посредством теплопроводного элемента.
В качестве альтернативы по меньшей мере один нагревательный элемент может передавать тепло поступающему окружающему воздуху, который втягивается через электрически нагреваемую вырабатывающую аэрозоль систему во время использования, который в свою очередь нагревает образующий аэрозоль носитель путем конвекции. Окружающий воздух может быть нагрет до прохождения через образующий аэрозоль носитель, как описано в WO 2007/066374. В качестве альтернативы, если образующий аэрозоль носитель представляет собой жидкий носитель, окружающий воздух может сначала втягиваться через носитель, а затем нагреваться, как описано в WO 2007/078273.
Предпочтительно два или более конденсаторов большой емкости источника питания размещены в двух или более группах конденсаторов большой емкости, при этом каждая группа содержащая один конденсатор большой емкости или два или более последовательно расположенных конденсаторов большой емкости, при этом во время режима зарядки две или более группы конденсаторов большой емкости соединены параллельно друг с другом, и во время режима нагревания две или более группы конденсаторов большой емкости соединены последовательно друг с другом. Два или более конденсаторов большой емкости могут содержать два, три, четыре, пять, шесть или больше конденсаторов большой емкости, или любое другое подходящее число конденсаторов большой емкости. Две или более групп конденсаторов большой емкости могут содержать две, три, четыре, пять, шесть или больше групп или любое другое подходящее число групп. Подходящее число конденсаторов большой емкости может использоваться в каждой группе в соответствии с требующимся напряжением.
В одном варианте осуществления система дополнительно содержит датчик для обнаружения потока воздуха, указывающего на то, что пользователь сделал затяжку. Предпочтительно датчик соединен с по меньшей мере одним из переключателей для переключения между режимом зарядки и режимом нагревания, когда обнаружена затяжка.
Датчик может представлять собой электромеханическим устройством. В качестве альтернативы датчик может представлять собой любое из: механического устройства, оптического устройства, оптомеханического устройства и датчика, основанного на микроэлектромеханических системах (МЭМС). В этом варианте осуществления предпочтительно датчик соединен с источником питания, а система выполнена с возможностью переключения переключателей в режим нагревания, когда датчик распознает, что пользователь сделал затяжку. Когда затяжка обнаружена, для нагревательного элемента требуется импульс большой энергии. Конденсаторы большой емкости будут разряжаться через нагревательный элемент в это время, таким образом, создавая требующийся импульс сильного тока.
В альтернативном варианте осуществления система дополнительно содержит приводимый в действие вручную переключатель для инициирования пользователем затяжки.
В одном варианте осуществления система выполнена с возможностью для пользователя делать более чем одну затяжку во время режима нагревания, и при этом переключатели размещены таким образом, что два или более конденсаторов большой емкости только частично разряжаются через по меньшей мере один нагревательный элемент во время каждой затяжки.
Предпочтительно один или более переключателей представляют собой твердотельные ключи. Предпочтительно один или более твердотельных переключателей представляют собой переключатель на полевом МОП-транзисторе (полевом транзисторе со структурой металл-оксид-полупроводник). В качестве альтернативы один или более твердотельных переключателей могут представлять собой любой другой тип переключателя ПТ (полевого транзистора). Особенно предпочтительными являются переключатели, имеющие очень низкое сопротивление, когда замкнуты, если сравнивать с сопротивлением нагревательного элемента.
Предпочтительно система дополнительно содержит корпус для размещения образующего аэрозоль носителя и выполненный с возможностью захвата пользователем.
В одном предпочтительном варианте осуществления источник напряжения представляет собой источник напряжения постоянного тока. В одном варианте осуществления источник напряжения представляет собой ионно-литиевую батарею. В качестве альтернативы источник напряжения может представлять собой гибридную никелевую батарею или никель-кадмиевую батарею. В одном предпочтительном варианте осуществления два или более конденсаторов большой емкости представляют собой электрохимические двухслойные конденсаторы большой емкости. В другом предпочтительном варианте осуществления два или более конденсаторов большой емкости представляют собой конденсаторы большой емкости, содержащие нанопористый материал. В альтернативном варианте осуществления, два или более конденсаторов большой емкости могут включать в себя комбинацию электрохимических двухслойных конденсаторов большой емкости и конденсаторов большой емкости, содержащих нанопористый материал.
Признаки, описанные в отношении системы US 5388594 или системы WO 2004/043175, могут быть включены в систему изобретения.
В соответствии со вторым вариантом изобретения предложен способ электрического нагревания образующего аэрозоль носителя, причем способ содержит этапы: обеспечения по меньшей мере одного нагревательного элемента для нагревания носителя, чтобы образовать аэрозоль; обеспечения источника питания для подачи питания на по меньшей мере один нагревательный элемент, при этом источник питания, содержащий источник напряжения, два или более конденсаторов большой емкости, и переключатели между источником напряжения и двумя или более конденсаторами большой емкости; во время режима зарядки переключение переключателей так, что два или более конденсаторов большой емкости соединены по меньшей мере частично параллельно друг с другом для зарядки с помощью источника напряжения; и во время режима нагревания переключение переключателей так, что два или более конденсаторов большой емкости соединены последовательно друг с другом для разрядки через по меньшей мере один нагревательный элемент.
Предпочтительно два или более конденсаторов большой емкости размещены в двух или более группах конденсаторов большой емкости, причем каждая группа, содержащая один конденсатор большой емкости или два или более последовательно расположенных конденсаторов большой емкости, при этом во время режима зарядки две или более группы конденсаторов большой емкости соединены параллельно друг с другом, а во время режима нагревания две или более группы конденсаторов большой емкости соединены последовательно друг с другом. Подходящее число конденсаторов большой емкости может быть использовано в каждой группе в соответствии с требующимся напряжением.
Предпочтительно один или более переключателей представляют собой твердотельные переключатели. Предпочтительно каждый твердотельный переключатель представляет собой переключатель на полевом МОП-транзисторе (полевом транзисторе со структурой металл-оксид-полупроводник).
Признаки, описанные в отношении первого варианта изобретения, могут также быть применены к другому варианту изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет дополнительно описано, только в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает первый вариант осуществления источника питания для электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы;
Фиг.2 - второй вариант осуществления источника питания для электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы;
Фиг.3 - третий вариант осуществления источника питания для электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы; и
Фиг.4 - четвертый вариант осуществления источника питания для электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как уже упоминалось, известные электрические системы для курения обычно используют аккумуляторные батареи в качестве источника питания. Они питают как управляющую электронику, так и нагреватель для нагревания носителя. В электрических системах для курения, описанных в WO 2004/043175, три ионно-литиевых (Li-ion) гальванических элемента (приблизительно по 3,7 В каждый) могут быть соединены последовательно для обеспечения батарейного питания в 11,1 В. Это высокое напряжение требуется для того, чтобы обеспечить необходимую мощность для нагревателя, в частности для импульса большой мощности, требующегося для каждой затяжки.
Хотя ионно-литиевые гальванические элементы в действительности имеют высокую плотность энергии, они не являются особенно эффективными для применений большой мощности, таких как электрически нагреваемые вырабатывающие аэрозоль системы, в которых высокая токовая диссипация требуется в кратковременных вспышках. Внутреннее сопротивление трех гальванических элементов вызывает значительное падение напряжения с высокими токовыми нагрузками. В дополнение, так как три гальванических элемента расположены последовательно, требуется некоторая дополнительная электрическая схема для обеспечения того, чтобы гальванические элементы не превышали максимального номинального значения напряжения. В дополнение три требующихся ионно-литиевых гальванических элемента означает, что электрически нагреваемая вырабатывающая аэрозоль система может быть больше, чем необходимо.
Как уже описано, изобретение обеспечивает новый источник питания для электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы, который использует конденсаторы большой емкости. Конденсаторы большой емкости также могут называться ультракондесаторами.
Конденсаторы большой емкости представляют собой особый тип конденсаторов, имеющих большую емкость в маленьком объеме. Они имеют чрезвычайно высокую плотность энергии, когда сравниваются со стандартными конденсаторами. Самый распространенный тип конденсатора большой емкости представляет собой электрохимический двухслойный конденсатор большой емкости (называемый как «ЭДС конденсатор большой емкости»). Вместо использования диэлектрика как такового, ЭДС конденсатор большой емкости содержит двойной слой проводящего материала, при этом два слоя находятся в контакте. Хотя каждый слой является проводящим, поверхность раздела между двумя слоями является изолирующей. Такой ЭДС конденсатор большой емкости обычно обеспечивает приблизительно 2,5 В на гальванический элемент. Однако ЭДС конденсаторы большой емкости в действительности склонны иметь относительно высокое внутреннее сопротивление. С другой стороны, конденсатор большой емкости, использующий нанопористый материал вместо традиционного изоляционного барьера (называемого как «нанопористый конденсатор большой емкости»), например, изготовленный Nanotecture Limited, может иметь напряжение приблизительно 1,4 В на гальванический элемент, но имеют потенциал для небольшого внутреннего сопротивления. Конденсаторы большой емкости имеют такие же разрядные характеристики, как и стандартные конденсаторы. Однако нанопористые конденсаторы большой емкости стремятся поддерживать напряжение в течение большей части фазы разрядки.
На фиг.1 показан первый вариант осуществления источника 101 питания для электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы. Источник 101 включает в себя одиночный ионно-литиевый гальванический элемент 103, обеспечивающий напряжение в 3,7 В и группу из четырех последовательно расположенных ЭДС конденсаторов 105 большой емкости (каждый 2,5 В), образующих блок. Так как напряжение на конденсаторах 105 большой емкости (10 В в общем) выше, чем напряжение на гальваническом элементе 103, также требуется повышающая напряжение схема 107. Также на фиг.1 показан, хотя сам фактически не является частью источника питания, резистор 109, который образует нагревательный элемент для нагревания носителя. В этом варианте осуществления четыре ЭДС конденсатора большой емкости, каждый по 2,5 В, используются в блоке. Однако они могут быть заменены семью или восемью нанопористыми конденсаторами большой емкости каждый по 1,4 В.
Во время зарядки переключатель S1 замкнут и конденсаторы 105 большой емкости заряжаются. После зарядки S1 может быть разомкнут. Когда для затяжки требуется импульс большой мощности, переключатель S2 замыкается, а переключатель S1 остается разомкнутым. Затем конденсаторы большой емкости разряжаются через резистор 109, таким образом, обеспечивая требующийся ток высокого напряжения на резисторе 109. Если требуется последовательность импульсов большой мощности, переключатель S2 может неоднократно замыкаться и размыкаться, обеспечивая возможность частичного разряда для каждого импульса.
На фиг.1 переключатели S1 и S2 находятся под управлением системы 111 обнаружения и управления затяжкой. S1 (для зарядки конденсаторов большой емкости) управляется посредством контроллера 113 зарядки конденсатора, а S2 (для разрядки конденсаторов большой емкости через резистор) регулируется посредством протокола 115 подачи энергии. Переключатель S3 представляет собой переключатель, использующийся для инициирования затяжки. Это может представлять собой датчик для определения затяжки или переключатель, приводимый в действие вручную.
Одно из преимуществ конструкции на фиг.1 заключается в том, что требуется только один ионно-литиевый гальванический элемент 103. Это позволяет значительно уменьшить размер электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы. Однако в повышающей напряжение схеме 107 требуется большая индукционная катушка для согласования нагрузки высокого тока, требующейся во время зарядки конденсаторов большой емкости. Это компенсирует какое-либо уменьшение в размерах благодаря наличию только одного ионно-литиевого гальванического элемента. Дополнительно эффективность повышающей напряжение схемы едва ли составляет больше чем 80%.
На Фиг.2 показан второй вариант осуществления источника питания для электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы. Источник 201 питания включает в себя схему 203, включенную в часть, предназначенную для удерживания пользователем, плюс внешний источник 205 напряжения постоянного тока. Схема 203 и источник 205 напряжения соединены посредством соединителей 207 и 209. В этом варианте осуществления источник 205 напряжения обеспечивает напряжение в 5 В. Схема включает в себя группу из двух последовательно расположенных ЭДС конденсаторов 211 большой емкости (каждый по 2,5 В) (до 5 В в общем), образующих блок, и переключатели S1 и S2. Также на фиг.2 показан, хотя сам фактически не является частью источника питания, резистор 213, который образует нагревательный элемент. Подобно тому, как на фиг.1, переключатели S1 и S2 находятся под управлением системы 215 обнаружения и управления затяжкой. S1 (для зарядки конденсаторов большой емкости) управляется посредством контроллера 217 зарядки конденсатора, а S2 (для разрядки конденсаторов большой емкости через резистор) регулируется посредством протокола 219 подачи энергии. Переключатель S3 используется, чтобы инициировать затяжку и может представлять собой датчик или приводимый в действие вручную переключатель.
Во время зарядки соединители 207 и 209 находятся в электрическом контакте, при этом переключатель S1 замкнут и конденсаторы 211 большой емкости заряжаются. Когда требуется затяжка, соединители 207 и 209 разъединяются. Когда пользователь делает затяжку, переключатель S2 замыкается, а переключатель S1 размыкается. Затем конденсаторы большой емкости разряжаются через нагревательный элемент.
На фиг.2 не требуется повышающая напряжение схема 107. Это благодаря тому, что напряжение конденсаторов большой емкости совпадает с напряжением источника 205 напряжения постоянного тока. Одно из преимуществ конструкции на фиг.2 заключается в том, что размер электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы может быть уменьшен, так как ни множество гальванических элементов, ни повышающая напряжение схема не требуются. Хотя на фиг.2 показана схема 203 и внешний источник 205 напряжения, возможно включить источник напряжения в часть, предназначенную для удержания пользователем в руке.
На фиг.3 показан третий вариант осуществления источника питания для электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы. Источник 301 питания включает в себя источник напряжения постоянного тока в виде одного ионно-литиевого гальванического элемента 303, обеспечивающего напряжение в 3,7 В, и два или более конденсаторов большой емкости, образованных в первой группе из трех последовательно расположенных нанопористых конденсаторов 305 большой емкости (до 4,2 В в общем), образующих первый блок, и второй группе из трех последовательно расположенных нанопористых конденсаторов 307 большой емкости (также до 4,2 В в общем), образующих второй блок. Схема также включает в себя переключатели S1-S5. На фиг.3 также показан, хотя сам фактически не является частью источника питания, резистор 309, который образует нагревательный элемент для нагревания носителя. В этом варианте осуществления три нанопористых конденсатора большой емкости, каждый по 1,4 В, используются в каждом блоке. Однако они могут быть заменены двумя ЭДС конденсаторами большой емкости каждый по 2,5 В. На фиг.3 переключатели S1-S5 находятся под управлением цифрового контроллера 311. Переключатель S6 представляет собой переключатель, использующийся для инициирования затяжки, и может представлять собой датчик или приводимый в действие вручную переключатель.
Во время зарядки переключатели S4 и S5 разомкнуты, а переключатели S1, S2 и S3 замкнуты. Следовательно, два блока 305 и 307 конденсаторов большой емкости являются параллельно включенными. После зарядки S1 и S2 могут быть разомкнуты. Когда для затяжки требуется импульс большой мощности, переключатель S3 размыкается, а переключатели S4 и S5 замыкаются, тогда как переключатели S1 и S2 остаются разомкнутыми. Затем блоки 305 и 307 конденсаторов большой емкости располагаются последовательно, таким образом, разряжаются последовательно через резистор 309, посредством чего обеспечивая требующийся ток высокого напряжения через резистор 309. Если требуется последовательность импульсов большой мощности, переключатель S5 может многократно замыкаться и размыкаться, обеспечивая возможность частичного разряда для каждого импульса. Конденсаторы большой емкости могут подзаряжаться между затяжками. В качестве альтернативы конденсаторы большой емкости только частично могут разряжаться во время каждого импульса, таким образом, некоторое количество затяжек может быть сделано до того, как потребуется подзарядка.
Так как блоки 305 и 307 заряжаются параллельно, каждый блок только требует зарядки приблизительно до того же напряжения, что у ионно-литиевый гальванический элемент 303, т.е. приблизительно 3,7 В. Однако, когда блоки соединяются последовательно для разрядки, напряжение на двух блоках в два раза больше напряжения ионно-литиевого гальванического элемента, т.е. приблизительно 7,4 В. Таким образом, требующееся высокое напряжение может быть обеспечено для импульса большой мощности без необходимости повышающей напряжение схемы. Каждый блок может заряжаться до напряжения меньшего, чем общее напряжение гальванического элемента, если требуется, а переключатели S1 и S2 используются для прекращения зарядки на требующемся напряжении. Конечно, если требуется, могут быть обеспечены дополнительные блоки или могут использоваться отдельные конденсаторы большой емкости вместо блоков, если это требуется.
В варианте осуществления, показанном на фиг.3, все переключатели S1-S5 представляют собой переключатели на полевых МОП-транзисторах. Эти типы переключателей и фактически другие типы твердотельных переключателей являются предпочтительными, так как они имеют ничтожное сопротивление, когда замкнуты.
На фиг.4 показан четвертый вариант осуществления источника питания для электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы, в которой источник 401 питания содержит схему 403, включенную в часть, предназначенную для удержания пользователем, и внешнее зарядное устройство 405. Схема 403 содержит соединитель 407 для присоединения к зарядному устройству 405, два или более конденсаторов большой емкости, образованных в первой группе из трех последовательно расположенных нанопористых конденсаторов 409 большой емкости (до 4,2 В в общем), образующих первый блок, и второй группе из трех последовательно расположенных нанопористых конденсаторов 411 большой емкости (также до 4,2 В в общем), образующих второй блок. Схема 403 также включает в себя переключатели S4 и S5, каждый из которых регулируется цифровым контроллером 413. Переключатель S6 представляет собой переключатель, использующийся для инициирования затяжки, и может представлять собой датчик или приводимый в действие вручную переключатель. На фиг.4 также показан, хотя сам фактически не является частью источника питания, резистор 421, который образует нагревательный элемент для нагревания носителя. Зарядное устройство 405 содержит соединитель 415 для присоединения к схеме 403, контроллер 417 зарядки, источник 419 напряжения (в этом случае 5 В) и переключатели S1, S2 и S3, находящиеся под управлением контроллера 417 зарядки. Зарядное устройство 405 также включает в себя светоизлучающий диод D1, который включается, когда работает зарядное устройство.
Между затяжками электрически нагреваемая вырабатывающая аэрозоль система может заряжаться. Таким образом, система может быть присоединена к зарядному устройству, и в таком случае соединители 407 и 415 находятся в электрическом контакте. В это время переключатели S1, S2 и S3 замкнуты, а конденсаторы 409 и 411 большой емкости заряжаются параллельно. Когда требуется затяжка, электрически нагреваемая вырабатывающая аэрозоль система снимается с зарядного устройства, таким образом, соединители 407 и 415 разъединяются. Когда пользователь втягивает воздух через систему, или в другом случае признаке, контроллер 413 замыкает переключатели S4 и S5, обеспечивая возможность конденсаторам 409 и 411 большой емкости последовательно разряжаться через нагревающий элемент 421.
Таким образом, конструкция на фиг.4 использует конструкцию конденсатора большой емкости на фиг.3, но обеспечивает возможность еще большего уменьшения системы в размерах посредством переноса большой части необходимых схем во внешнее зарядное устройство.
Конечно, изобретение может использоваться для разных напряжений просто посредством изменения одного или более из: общего количества использующихся конденсаторов большой емкости, конструкции конденсаторов большой емкости (либо по отдельности, либо в блоках); типа конденсаторов большой емкости; и источника напряжения. Дополнительно переключатели S1 и S2 могут использоваться для мониторинга напряжения для обеспечения того, что зарядное напряжение не превышает максимальное номинальное значение отдельных конденсаторов большой емкости. S1 и S2 также могут использоваться для зарядки блоков до более низкого напряжения, чем источник напряжения.
Как описано, изобретение обеспечивает эффективный источник питания для электрически нагреваемой вырабатывающей аэрозоль системы. Конденсаторы большой емкости обеспечивают некоторое количество преимуществ по сравнению с батареями, например их небольшое внутреннее сопротивление, их высокую эффективность, их высокую выходную мощность и их низкие степени нагревания и являющуюся следствием безопасность.