ЭЛЕКТРОННАЯ АЭРОЗОЛЬНАЯ СИСТЕМА
ELECTRONIC AEROSOL SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электронным аэрозольным системам, таким как системы доставки никотина (например, электронные сигареты и тому подобное).
Уровень техники
Электронные аэрозольные системы, такие как электронные сигареты, обычно содержат резервуар исходной жидкости, содержащий препарат, как правило, включающий в себя никотин, из которого генерируется аэрозоль, например, посредством теплового испарения. Аэрозольный источник для аэрозольной системы может, таким образом, содержать нагреватель, имеющий нагревательный элемент, примыкающий к фитилю, выполненный с возможностью извлекать исходную жидкость из резервуара, в непосредственной близости от нагревательного элемента. Когда пользователь вдыхает, используя устройство, то электрическая энергия подается на нагревательный элемент для испарения исходной жидкости из фитиля для образования аэрозоля для ингаляции пользователем. Такие устройства, как правило, снабжены одним или несколькими впускными отверстиями для воздуха, расположенные на удалении от мундштука системы. Когда пользователь всасывает воздух посредством мундштука, воздух втягивается через впускные отверстия и пропускается через аэрозольный источник. Формируется тракт потока, соединяющий аэрозольный источник и отверстие в мундштуке, так что всасываемый воздух, проходящий через аэрозольный источник, поступает по тракту потока к отверстию мундштука, несущий часть аэрозоля из аэрозольного источника. Воздух, переносящий аэрозоль, выходит из аэрозольной системы через отверстие мундштука для вдыхания пользователем.
Известно, что в электронных аэрозольных системах осуществляется управление мощностью, подаваемой на нагревательный элемент нагревателя, для обеспечения желаемой производительности с точки зрения образования аэрозоля. Например, WO 2012/109371 [1] описывает устройство, в котором выбор режима работы может зависеть от показаний датчиков температуры внутри устройства. Патент США 2014/0014126 [2] описывает устройство, в котором температура нагревательного элемента определяется в зависимости от его сопротивления при нагреве и охлаждении для установки временной тепловой постоянной устройства. Мощность, подводимая к нагревательному элементу, может быть отрегулирована на основании постоянной времени. Патент ЕР 2 316 286 [3] описывает систему с электрическим подогревом для курения, в котором температура нагревательного элемента определяется в зависимости его сопротивления, и мощность подается на нагревательный элемент в зависимости от его температуры. Аэрозольные системы могут также содержать иные нагреватели, например патент США 2004/0149737 [4] описывает устройство, имеющее индуктивную нагревательную систему для удаления конденсата из электронных систем для курения, в котором значения температур блоков нагревателей определяются в зависимости от соответствующих электрических сопротивлений.
2
Автор настоящего изобретения обратил внимание на недостаток существующих аэрозольных систем, которые описаны выше, заключающийся в том, что часть фитиля, примыкающая к нагревательному элементу, становится сухой. Это может произойти, например, вследствие нестабильной подачи исходной жидкости к фитилю, когда резервуар становится пустым. Изобретатель признал, в частности, что это условие может привести к быстрому нагреву нагревательного элемента в непосредственной близости от сухой части фитиля. Перегрев может быть локализован, что также может влиять на более крупные и более расширенные секции нагревательного элемента. Принимая во внимание типичные условия эксплуатации, перегретая секция/горячая точка, как можно было бы ожидать, быстро достигает температуры в диапазоне от 500 до 900°C. Мало того, что быстрый нагрев потенциально может привести к возгоранию и ожогу пользователя, тепловое излучение от горячей точки может привести к повреждению компонентов внутри аэрозольной системы и может отрицательно повлиять на процесс испарения. Например, тепло от горячей точки может вызвать декомпозицию исходной жидкости и/или генерируемого аэрозоля, например, путем пиролиза, который потенциально может высвобождать неприятный запах субстанций в воздушном потоке, вдыхаемый пользователем. Тепло от горячей точки также может воспламенить горючие смеси пара/воздуха, которые, в свою очередь, могут привести к существенному увеличению температуры потока воздуха, вдыхаемого пользователем. Нестабильная подача жидкости на фитиль может вызвать перегрев и возникновении горячей точки. Перегревать также может быть результатом подачи повышенной электрической мощности на нагревательный элемент. Если величина теплового потока превышает определенное верхнее предельное значение (как правило, около 1 Вт/мм), то пузырьковое кипение может преобразоваться в пленочное кипение, последний механизм кипения является гораздо менее эффективным, что приводит к внезапному повышению температуры нагревательного элемента. Принимая во внимание описанные выше недостатки, существует потребность в способах и устройствах, которые способны идентифицировать момент быстрого перегревания нагревательного элемента в аэрозольной системе, тем самым, позволяя предпринять соответствующие корректирующие действия, например, понизить величину мощности, подаваемую на нагревательный элемент, например, прекратить подачу энергии и/или предупредить пользователя.
Сущность изобретения
В соответствии с аспектом некоторых вариантов осуществления, предусмотрена электронная аэрозольная система, содержащая: нагревательный элемент для генерирования аэрозоля из исходной жидкости; и схему управления для управления подачи электроэнергии от источника питания к нагревательному элементу и, в котором схема управления дополнительно выполнена с возможностью определять индикацию производной электрической характеристики нагревательного элемента по времени; и определять наличие или отсутствие неисправного состояния для электронной аэрозольной системы, на основании определенной индикации производной электрической характеристики нагревательного элемента по времени.
В соответствии с другим аспектом некоторых вариантов осуществления, предложен способ функционирования электронной аэрозольной системы, содержащей нагревательный элемент для генерирования аэрозоля из исходной жидкости и схему управления для управления подачей электроэнергии от источника питания к нагревательному элементу, причем способ содержит определение индикации производной электрической характеристики нагревательного элемента по времени; и определение наличия или отсутствия неисправного состояния электронной аэрозольной системы на основании определенной индикации производной электрической характеристики нагревательного элемента по времени.
Подходы, описанные здесь, не ограничены конкретными вариантами осуществления, такие как, представлены ниже, но включают в себя и предполагают любые соответствующие комбинации признаков, представленные в настоящем документе. Например, может быть обеспечена электронная аэрозольная система в соответствии с подходом, описанным в настоящем документе, которая включает в себя одну или несколько различных признаков, описанных ниже, в зависимости от обстоятельств.
Краткое описание чертежей
Различные варианты осуществления будут теперь описаны подробно только в качестве примера со ссылкой на следующие чертежи:
Фиг. 1 представляет собой схему (в разобранном виде) электронной аэрозольной системы, например, электронной сигареты, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления;
Фиг.2 представляет собой схему части основного корпуса электронной сигареты, показанной на фиг.1, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления;
Фиг.3 представляет собой принципиальную схему части аэрозольного источника электронной сигареты, показанной на фиг. 1, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления;
Фиг. 4 представляет собой схематическую диаграмму, показывающую некоторые аспекты одного конца части основного корпуса электронной сигареты, показанной на фиг.1, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления; и
Фиг. 5 представляет собой блок-схему алгоритма, представляющую режим работы электронной аэрозольной системы, такой как электронная сигарета, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Подробное описание
Далее приводится описание аспектов и признаков некоторых примеров и вариантов осуществления. Некоторые аспекты и признаки некоторых примеров и вариантов осуществления могут быть реализованы условно, и они не обсуждаются/подробно не описываются, для краткости. Таким образом, должно быть понятно, что аспекты и признаки устройства и способов, описанных в данном документе, которые не описаны подробно, могут быть осуществлены в соответствии с любыми традиционными способами реализации таких аспектов и признаков.
Как было описано выше, настоящее изобретение относится к аэрозольной системе, такой как электронная сигарета. На протяжении последующего описания термин «электронная сигарета» иногда используется, но этот термин может быть использован взаимозаменяемо с аэрозольной (испарительной) системой.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема аэрозольная/испарительная системы, такой как электронная сигарета 10, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления (не в масштабе). Электронная сигарета имеет, в общем, цилиндрическую форму, простирающуюся вдоль продольной оси, показанной пунктирной линией LA, и содержащая два основных компонента, а именно, корпус 20 и картомайзер 30. Картомайзер включает в себя внутреннюю камеру, содержащую резервуар исходной жидкости, содержащий жидкий препарат, из которой должен быть сгенерирован аэрозоль, например, содержащий никотин, нагревательный элемент и элемент доставки жидкости (в данном примере впитывающий элемент) для подачи исходной жидкости непосредственно на нагревательный элемент. Впитывающий элемент и нагревательный элемент могут иногда обобщенно называться аэрозольным генератором/аэрозольным источником/элементом образования аэрозоля/испарителем/атомайзером. Картомайзер 30 дополнительно включает в себя мундштук 35, имеющий отверстие, через которое пользователь может вдыхать аэрозоль из аэрозольного генератора. Исходная жидкость может быть обычной жидкостью, используемой в электронных сигаретах, например, содержащая 0-5% никотина, растворенного в растворителе, содержащая глицерин, воду и/или пропилен гликоль. Исходная жидкость может также содержать вкусовые добавки. Резервуар для исходной жидкости может содержать пористую матрицу или любую другую структуру внутри корпуса для удержания исходной жидкости до момента, когда требуется ее доставка в аэрозольный генератор/испаритель.
Как будет обсуждаться далее, корпус 20 включает в себя перезаряжаемый элемент или батарею для обеспечения питания электронной сигареты 10 и монтажную плату, содержащую схему управления для управления функционированием электронной сигареты. При использовании, когда нагревательный элемент получает питание от батареи, под управлением монтажной платы, нагревательный элемент испаряет исходную жидкость из впитывающего элемента на месте нагрева в непосредственной близости от нагревательного элемента для образования аэрозоля. Аэрозоль вдыхается пользователем через отверстие в мундштуке. Во время ингаляции пользователя аэрозоль доставляется от источника аэрозоля в отверстие мундштука по соединяющему воздушному каналу.
В этом конкретном примере, корпус 20 и картомайзер 30 являются съемными по отношению друг к другу, путем разделения в направлении, параллельном продольной оси LA, как показано на фиг. 1, но соединены друг с другом, когда устройство 10 используется, посредством соединения, как схематически показано на фиг. 1, как 25А и 25В, для обеспечения механического и электрического соединения между корпусом 20 и картомайзером 30. Электрический разъем на корпусе 20, который используется для подключения к картомайзеру, также служит гнездом для подключения устройства зарядки (не показано), когда корпус отделяется от картомайзера 30. Другой конец зарядного устройства может быть подключен к внешнему источнику питания, например, USB разъему, чтобы зарядить или перезарядить батарею/элемент питания в корпусе 20 электронной сигареты. В других вариантах реализаций может быть предусмотрен кабель для обеспечения непосредственного соединения между электрическим разъемом на корпусе и внешним источником питания.
Электронная сигарета 10 имеет одно или несколько отверстий (не показаны на фиг. 1) для впуска воздуха. Эти отверстия соединены с воздушным проходом, простирающимся через электронную сигарету 10 к мундштуку 35. Воздушный проход включает в себя область вокруг источника аэрозоля и секцией, содержащей воздушный канал, соединяющий источник аэрозоля и отверстие в мундштуке.
Когда пользователь вдыхает через мундштук 35, то воздух втягивается в этот воздушный канал через одно или более впускных воздушных отверстий, которые соответствующим образом расположены на внешней стороне электронной сигареты. Этот воздушный поток (или в результате изменения давления) определяется с помощью датчика давления, что в свою очередь, активирует подачу электрической энергии от батареи к нагревательному элементу для обеспечения испарения части исходной жидкости на впитывающем элементе, прилегающий к нагревательному элементу. Инициирование работы электронной сигареты в ответ на вдыхание пользователем, может быть осуществлено в соответствии с обычными способами. Воздушный поток проходит через воздушный проход и объединяется/смешивается с паром в области вокруг источника аэрозоля для генерирования аэрозоля. Полученная комбинация воздуха и паров проходит по воздушному проходу, соединяющий источник аэрозоля и мундштук, для ингаляции пользователем. Картомайзер 30 может быть разъединен от корпуса 20 и утилизирован при истощении подачи исходной жидкости (и заменен другим картомайзером, при желании). В качестве альтернативы, может применяться многоразовый картомайзер.
Как правило, изготовление и эксплуатация электронной сигареты может осуществляться посредством существующих технологий в области аэрозольных систем, за исключением использования модифицированных технологий обеспечения функциональных возможностей в соответствии с устройствами и способами, описанными в настоящем документе. Поэтому, принимается во внимание тот факт, что электронная сигарета 10, показанная на фиг. 1, представлена как один из примеров вариантов реализации аэрозольной системы, в соответствии с настоящим изобретением, и различные другие варианты осуществления могут быть реализованы в контексте других конфигураций аэрозольной системы. Например, в некоторых вариантах осуществления картомайзер 30 может быть предусмотрен в виде двух отделяемых компонентов, а именно, картриджа, содержащий резервуар для исходной жидкости, и мундштук (который может быть заменен при израсходовании исходной жидкости из резервуара), а также испаритель/аэрозольный генератор, содержащий нагревательный элемент (который, как правило, сохраняется). В качестве другого примера, зарядное устройство и/или нагревательный элемент сам может соединяться с дополнительным или альтернативным источником питания, например, прикуриватель транспортного средства. В более общем смысле, следует принять во внимание, что варианты осуществления изобретения, описанные здесь, могут быть реализованы с использованием любой конструкции электронно аэрозольной системы, которая основана на использовании электронного нагревательного элемента для испарения/формирования аэрозоля исходной жидкости, и основные принципы работы и конструкции других аспектов аэрозольной системы не являются существенными для принципов работы, в соответствии с вариантами осуществления, описанными в данном документе.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема корпуса 20 электронной сигареты, показанной на фиг. 1. Фиг. 2, в целом, можно рассматривать как поперечное сечение в плоскости по продольной оси LA электронной сигареты. Обратите внимание, что различные компоненты и детали корпуса, например, такие, как соединительные провода и более сложные детали, не были проиллюстрированы на фиг. 2, для простоты объяснения.
Как показано на фиг. 2, корпус 20 включает в себя батарею или источник питания 210 для питания электронной сигареты 10, а также монтажную плату 555, содержащую схему 550 управления, в данном примере в виде микросхемы, например, специализированная интегральная схема (ASIC) или микроконтроллер, для управления работой электронной сигареты 10. Схема 550 управления может быть выполнена с рядом или на одном конце с батареей 210. Схема 550 управления может быть выполнена в виде одного элемента или нескольких дискретных элементов. Схема 550 управления соединена с блоком 215 датчика для обнаружения ингаляции на мундштуке 35 (или в качестве альтернативы, блок 215 датчика может иметь свою схему управления). В ответ на такое обнаружение, схема 550 управления активирует подачу питания от батареи или источника питания 210 на нагревательный элемент в картомайзере для испарения исходной жидкости и введения аэрозоля в поток воздуха, который вдыхается пользователем. Как было отмечено выше, этот аспект работы может быть типовым.
Тем не менее, в дополнение к сконфигурированным для поддержки традиционных операционных аспектов электронной сигареты, в соответствии с установленными способами, схема 550 управления дополнительно выполнена в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия с возможностью определять наличие или отсутствие неисправного состояния (что соответствует появлению горячих точек/накаливанию/быстрому перегреву нагревательного элемента), как описано ниже. В связи с этим, корпус 20 аэрозольной системы 10 в соответствии с этим примером реализации дополнительно содержит индикатор 560 для предоставления индикации пользователю (предупреждения) о возникновении неисправного состояния. Индикатор 560 в этом примере включает в себя световой источник, например, светоизлучающий диод, который соединен со схемой 550 управления, которая управляет его работой. Другие формы индикатора, например, громкоговоритель, предназначенный для воспроизведения предупреждающего сигнала при возникновении отказа, в ответ на определение состояния неисправности.
Корпус 20 дополнительно включает в себя крышку 225 для герметизации и защиты дальнего (дистального) конца электронной сигареты. Впускное воздушное отверстие предусмотрено в или рядом с крышкой 225, чтобы позволить воздуху проникать в корпус и течь мимо блока 215 датчика, когда пользователь вдыхает воздух через мундштук 35. Таким образом, этот поток воздуха позволяет блоку 215 датчика реагировать на ингаляцию пользователя, чтобы вызвать электрическую схему 550 управления активировать элемент аэрозольного генератора электронной сигареты (т.е. для подачи электроэнергии к нагревательному элементу).
На противоположном конце корпуса 20 от колпачка 225 находится разъем 25В для присоединения корпуса 20 к картомайзеру 30. Разъем 25В обеспечивает механическое и электрическое соединение между корпусом 20 и картомайзером 30. Разъем 25В включает в себя разъем 240 корпуса, который изготовлен из металла (посеребренный в некоторых вариантах осуществления), чтобы служить в качестве одного терминала для электрического соединения (положительного или отрицательного) к картомайзеру 30. Разъем 25В дополнительно включает в себя электрический контакт 250 для обеспечения второго терминала для электрического соединения с картомайзером 30 противоположной полярности первому терминалу, а именно, разъем 240 корпуса. Электрический контакт 250 установлен на спиральной пружине 255. Когда корпус 20 прикреплен к картомайзеру 30, то разъем 25А на картомайзере надавливает на электрический контакт 250 таким образом, чтобы сжать пружину в осевом направлении, то есть, в направлении, параллельном (совместно выровненном) продольной оси LA. С учетом упругой природы пружины 255, это сжатие разжимает пружину 255, что имеет эффект выталкивания электрического контакта 250 для плотного прилегания к разъему 25А, тем самым, помогая обеспечить хорошее электрическое соединение между корпусом 20 и картомайзером 30. Разъем 240 корпуса и электрический контакт 250 разделены спейсером 260, который изготовлен из непроводящего материала (например, пластмассы), для обеспечения надежной изоляции между двумя электрическими терминалами. Спейсер 260 имеет форму, которая способствует взаимному механическому зацеплению разъемов 25А и 25В.
Фиг. 3 представляет собой схему картомайзера 30 электронной сигареты, показанной на фиг.1, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Фиг. 3, в целом, можно рассматривать как поперечное сечение в плоскости, проходящей по продольной оси LA электронной сигареты. Обратите внимание, что различные компоненты и детали корпуса, например, такие, как проволочные соединения и более сложные детали, были не показаны на фиг. 3 для простоты иллюстрации.
Картомайзер 30 включает в себя аэрозольный источник 368, расположенный в воздушном проходе 355, проходящем вдоль центральной (продольной) оси картомайзера 30 от мундштука 35 к разъему 25А для присоединения картомайзера к корпусу 20. Аэрозольный источник содержит резистивный нагревательный элемент 365 в непосредственной близости с впитывающим элементом (элемент доставки жидкости) 368, который выполнен с возможностью подавать исходную жидкость из резервуара исходной жидкости 360 в непосредственной близости от нагревательного элемента 365 для нагрева. Резервуар исходной жидкости 360 в этом примере, расположен вокруг воздушного прохода 335 и может быть реализован, например, посредством использования хлопка или пены, пропитанного исходной жидкостью. Концы впитывающего элемента 365 находятся в контакте с исходной жидкостью в резервуаре 360, так что жидкость втягивается по впитывающему элементу в местах, прилегающих к нагревательному элементу 365.
Общая конфигурация впитывающего элемента 368 и нагревательного элемента 365 соответствует обычным технологиям. Например, в некоторых вариантах реализации впитывающий элемент и нагревательный элемент могут содержать отдельные элементы, например, металлический нагревательный провод, намотанный вокруг/обвернутый вокруг цилиндрического фитиля, причем фитиль, например, состоит из пучка пряжи или нити стекловолокна. В других вариантах осуществления функциональные возможности впитывающего элемента и нагревательного элемента могут быть обеспечены одним элементом. То есть, сам нагревательный элемент может обеспечить функцию впитывания. Таким образом, в различных примерах реализации, нагревательный элемент/впитывающий элемент может включать в себя один или несколько из: металлическая композиционная структура, такая как пористое металлокерамическое волокно (Bekipor ST) производителя Bakaert; металлопенная структура, например, изготовленная Mitsubishi Materials; многослойная металлокерамическая сетка или сложенная однослойная сетка из металлического провода, например, изготовленная Bopp; металлическая оплетка; или стекловолоконные или углеродные ткани, переплетенные с металлическими проводами. «Металл» может представлять собой любой металлический материал, имеющий соответствующее удельное электрическое сопротивление, чтобы использовать для соединения/объединения с батареей. Результирующее электрическое сопротивление нагревательного элемента обычно будет находиться в диапазоне от 0,5 - 5 Ом. Так можно использовать материал со значением ниже 0,5 Ом, но это может потенциально перегрузить батарею. «Металл» может, например, быть сплавом NiCr (например NiCr8020) или FeCrAl сплавом (например, «Kanthal») или нержавеющей сталью (например, AISI 304 или AISI 316).
-1
Как будет описано ниже, варианты осуществления изобретения могут рассматривать случай изменения сопротивления нагревательного элемента при изменении температуры для определения момента возникновения условий неисправности. Таким образом, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, резистивный нагревательный элемент 365 изготовлен из материала с относительно высоким температурным коэффициентом сопротивления. Температурный коэффициент некоторых из указанных выше металлов является относительно низким (например, <0,0001 К для NiCr8020 и Kanthal). Нержавеющая сталь, однако, имеет более высокий температурный коэффициент. Таким образом, в некоторых реализациях из нержавеющей стали может быть предпочтительным использовать материал для нагревательного элемента в контексте настоящего изобретения, но, конечно, будет понятно, что другие материалы могут быть использованы. Термин «нержавеющая сталь», как здесь использован, может быть интерпретирован в соответствии с обычной терминологией металлургии и содержит, по меньшей мере, нержавеющую сталь марок SAE/AISI 100, 200, 300 и 400.
Нагревательный элемент 365 питается по линиям 366 и 367, которые в свою очередь, подключаются к терминалам противоположных полярностей (положительному и отрицательному или наоборот) батареи 210 через разъем 25А под управлением схемы 355 управления (детали проводных соединений между линиями 366 и 367 питания и разъемом 25А опущены на фиг. 3).
Разъем 25А включает в себя внутренний электрод 375, который может быть посеребренным или изготовлен какого-либо другого подходящего металла. Когда картомайзер 30 соединен с корпусом 20, то внутренний электрод 375 контактирует с электрическим контактом 250 корпуса 20, чтобы обеспечить первый электрический тракт между картомайзером и корпусом. В частности, так как разъемы 25А и 25В находятся в зацеплении, то внутренний электрод 375 надавливает на электрический контакт 250 с тем, чтобы сжать пружину 255, что способствует обеспечению надежного электрического контакта между внутренним электродом 375 и электрическим контактом 250.
Внутренний электрод 375 окружен изолирующим кольцом 372, которое может быть изготовлено из пластмассы, резины, силикона или любого другого подходящего материала. Изолирующее кольцо окружено разъемом 370 картомайзера, который может быть посеребрен или сделан из какого-либо другого подходящего металла или проводящего материала. Когда картомайзер 30 соединен с корпусом 20, то разъем 370 картомайзера входит в контакт с разъемом 240 корпуса 20 для обеспечения второго электрического тракта между картомайзером и корпусом. Другими словами, внутренний электрод 375 и разъем 370 картомайзера служат в качестве положительного и отрицательного терминалов (или наоборот) для подачи питания от батареи 210 в корпусе на нагревательный элемент 365 в картомайзере через линии 366 и 367 питания под управлением схемы 550 управления.
Разъем 370 картомайзера снабжен двумя наконечниками или вкладками 380A, 380B, которые простираются в противоположных направлениях от продольной оси электронной сигареты. Эти вкладки используются для обеспечения байонетного соединения с разъемом 240 корпуса для подключения картомайзера 30 к корпусу 20. Это байонетное соединение обеспечивает безопасное и надежное соединение между картомайзером 30 и корпусом 20 так, чтобы картомайзер и корпус удерживались в фиксированном положении по отношению друг к другу без раскачивания или сгибания, с исключением вероятности какого-либо случайного отсоединения. В то же время, байонетное соединение обеспечивает простое и быстрое соединение и разъединение путем вставки с последующим поворотом для зацепления, и посредством вращения (в обратном направлении) с последующим извлечением для разъединения. Следует понимать, что другие варианты осуществления могут использовать другую форму соединения между корпусом 20 и картомайзером 30, например, защелки или винтовое соединение.
Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение отдельных деталей разъема 25В на конце корпуса 20 в соответствии с некоторыми вариантами осуществления (но опуская большую часть внутренней структуры разъема для простоты иллюстрации, как показано на фиг.2, например, спейсер 260). В частности, на фиг. 4 показан наружный кожух 201 корпуса 20, который, в целом, имеет форму цилиндрической трубки. Этот внешний кожух 201 может включать в себя, например, внутреннюю трубку из металла с наружным покрытием из бумаги или подобного.
Разъем 240 корпуса простирается от этого внешнего кожуха 201 корпуса 20. Разъем корпуса, как показано на фиг. 4, состоит из двух основных частей, стержневой части 241 по форме полой цилиндрической трубки, которая имеет размер, соответствующий только внутреннему размеру внешнего кожуха 201 корпуса 20, и выступом 242, который направлен в радиальном направлении наружу, в сторону от основной продольной оси (LA) электронной сигареты. Вокруг стержневой части 241 разъема 240 корпуса, где стержневая часть не перекрывается внешним кожухом 201, находится манжета или муфта 290, которая также имеет форму цилиндрической трубки. Манжета 290 удерживается между выступом 242 разъема 240 корпуса и внешним кожухом 201 корпуса, которые вместе предотвращают перемещение манжеты 290 в осевом направлении (то есть, параллельно оси LA). Тем не менее, манжета 290 может свободно вращаться вокруг стержневой части 241 (следовательно, также вокруг оси LA).
Как уже упоминалось выше, крышка 225 снабжена отверстием для впуска воздуха для прохода потока воздуха мимо датчика 215, при вдыхании воздуха через мундштук 35 пользователем. Тем не менее, в этом конкретном примере аэрозольной системы, значительный объем воздуха, который поступает в устройство, когда пользователь вдыхает воздух, протекает через манжету 290 и разъем 240 корпуса, как показано двумя стрелками на фиг. 4.
2
Как уже отмечалось выше, существует потребность в схемах для определения возникновения сбоя в работе аэрозольной системы и, в частности, возникновения быстрого чрезмерного нагрева нагревательного элемента, включающий в себя локальной перегрев (т.е. горячие точки). Такое перегревание может, например, быть вызвано (возможно, временно) отсутствием исходной жидкости для нагрева вблизи определенных частей нагревательного элемента. Точно так же это может быть вызвано термической перегрузкой нагревательного элемента, когда величина теплового потока превышает определенное предельное значение (например, около 1 Вт/мм). Ранее был предложен, в контексте устройств типа электронной сигареты, способ определения температуры нагревательного элемента в зависимости от его сопротивления, например в патентах США 2014/0014126 [2] и ЕР 2 316 286 [3]. Тем не менее, изобретатель признал такой подход, как относительно нечувствительным к способу идентификации возникновения быстрого, возможно, локального перегрева, особенно если используются материалы с относительно низким температурным коэффициентом сопротивления (например, NiCr-сплавы или Kanthal) для изготовления нагревательного элемента. Но даже материал, такой как нержавеющая сталь, имеющий высокий температурный коэффициент, не может обеспечить требуемый уровень чувствительности для определения момента локального перегрева (горячей точки), используя существующие способы. Это происходит потому, что измерение температуры нагревательного элемента в зависимости от его сопротивления обеспечивает индикацию средней температуры нагревательного элемента по всей его длине. Например, в случае, когда нагревательный элемент имеет длину 30 мм и, предполагается наличие ничтожно малых нелинейных эффектов, невозможно определить различие между равномерным увеличением температуры 20°C по всей длине нагревательного элемента и локализованного увеличения температуры на 200°С на участке длинной 3 мм нагревательного элемента по результатам измерения величины сопротивления нагревательного элемента. Это означает, что приемлемое повышение величины температуры на большей части нагревательного элемента может быть неотличимо от локального перегрева, что может рассматриваться, как небезопасное явление.
2
2
Таким образом, один из аспектов аэрозольной системы в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения использует факт изменения сопротивления нагревательного элемента в зависимости от температуры для определения наличия или отсутствия сбоя в работе, вместо определения наличия или отсутствия неисправного состояния на основании величины сопротивления нагревательного элемента, варианты реализации, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, вместо рассмотрения способа определения наличия или отсутствия неисправного состояния, на основании производной величины наблюдаемого времени (T) сопротивления (R) нагревательного элемента (или соответственное относящиеся к электрической характеристике, например, проводимость, потребление тока, мощности или падение напряжения). Например, производная по времени в некоторых случаях может быть первой производной (т.е. dR/dT) и в других случаях может быть второй производной (dR/dt).
На фиг.5 представлена блок-схема алгоритма, схематично представляющая этапы способа управления функционированием электронной испарительной системы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего раскрытия. Таким образом, в контексте примера электронной сигареты, представленной на чертежах с 1 до 4, схема 550 управления выполнена с возможностью реализовывать функциональные возможности в соответствии со способом, представленным на фиг. 5.
Процесс обработки начинается на этапе S1, где, как предполагается, пользователь использует электронную аэрозольную систему 10, предоставленную чертежах с 1 до 4.
На этапе S2 схема 550 управления определяет, что пользователь осуществляет вдох (т.е. пользователь начал всасывание воздуха посредством мундштука через электронную аэрозольную систему). Операция обнаружения основана на сигналах, принятых от датчика 215, и, как правило, может быть выполнена в соответствии с любыми общепринятыми способами.
На этапе S3 схема 550 управления инициирует подачу электроэнергии на нагревательный элемент 365, чтобы начать процесс испарения исходной жидкости из впитывающего элемента 368 для образования аэрозоля для ингаляции пользователем. Опять же, этот процесс может быть выполнен в соответствии с обычными способами. В частности, конкретный способ, при котором электрическая энергия подается в нормальном режиме работы (т.е. в отсутствии сбоя в работе), может быть выбран в соответствии с желаемой производительностью с точки зрения времени и степени генерации аэрозоля в соответствии с обычными способами. Например, электроэнергия может подаваться на нагревательный элемент в течение периода времени, соответствующий длительности затяжки пользователя с изменениями величины мощности, подаваемой (например, с использованием широтно-импульсной модуляции) на протяжении курения пользователя, чтобы обеспечить желаемый уровень генерации аэрозоля в соответствии с установленными технологиями. Этапы S4-S6, показанные на фиг.5, которые обсуждаются ниже, выполняются повторяющимся образом в течение периода, в котором питание подается на нагревательный элемент и генерируется аэрозоль.
На этапе S4 схема 550 управления контролирует величину сопротивления R нагревательного элемента. Это может быть достигнуто путем измерения величины сопротивления (или соответствующего электрического параметра, например, проводимость, потребляемый ток, энергопотребление или падение напряжения) нагревательного элемента последовательно или в течение дискретных периодов времени, например, один раз каждые 10 мс. Процесс измерения сопротивления нагревательного элемента может быть выполнен в соответствии с обычными способами измерения величины сопротивления. То есть, схема 550 управления может включать в себя компонент для измерения сопротивления, который применяет установленные способы для измерения величины сопротивления (или соответствующего электрического параметра). В связи с этим, компонент для измерения сопротивления схемы 550 управления может быть соединен с нагревательным элементом посредством линий 366, 367 и различными элементами компонентов разъема 25А, 25В. В связи с этим следует понимать, что схема 550 управления может измерить величину суммарного сопротивления нагревательного элемента и различных компонентов, которые соединяют схему 550 управления с нагревательным элементом 365. Однако, поскольку сопротивление других компонентов в тракте, как ожидается, существенно не изменяется по времени, то это мало влияет на измерения производной сопротивления нагревательного элемента по времени в соответствии с вариантами осуществления раскрытия, описанного здесь. Далее будет понятно, что значения тока, мощности или падения напряжения, ассоциированные с нагревательным элементом (и, следовательно, с его сопротивлением), также могут быть определены по результатам измерений электрических характеристик (например, величины потребляемого напряжения или тока/мощности) другого резистивного элемента, электрически соединенного с нагревательным элементом, например, МОП-транзистор, шунтирующий резистор или даже сама батарея с учетом закона напряжения Кирхгофа.
На этапе S5 производная сопротивления R по времени t определяется из ряда величин сопротивления, установленных на этапе S4, в разное время. То есть, схема управления выполнена с возможностью вести учет предшествующих значений R, установленных в соответствии с периодом выборки, и определять производную по времени установленных значений. Например, производная может быть первой производной по времени или второй производной по времени. Производная может быть определена из установленных значений R в соответствии с обычными способами вычислений для определения градиентов из дискретных результатов измерений. Например, если предположить серию измерений величин сопротивления R0, R1, R2, R3 ... .Rn-1, Rn, Rn+1 ..., установленных в соответствии с регулярным периодом Р выборки, то первоначально определенная индикация первой производной в момент времени tn (что соответствует времени выборки Rn) может просто быть определена в соответствии с:
dR/dt = (Rn +1 - Rn-1)/2P.
Подобным же образом, первоначально определяемая индикация второй производной по времени tn (что соответствует времени выборки Rn) может просто быть определена в соответствии с:
2
2
2
dR/dt = (Rn + 1 + Rn-1 - 2Rn)/P.
Тем не менее, следует понимать, что существуют различные другие хорошо зарекомендовавшие статистические способы для установления первой производной или второй производной из серии выборок. Следует также иметь в виду, что нет необходимости в определении фактической производной в Омах на секунду, но скорее достаточно индикации производной. Например, с помощью типового периода выборки нет необходимости учитывать фактическое время между выборками, как будет просто изменены эффективные единицы определенной производной (производных). В данном конкретном примере предполагается, что обработка на этапе S5 основана на определении первой производной сопротивления по времени (т.е. dR/dt).
На этапе S6, производная, установленная на этапе S5, сравнивается с пороговым значением V. В результате, пороговое значение является показателем максимальной скорости изменения величины сопротивления, которое можно было бы ожидать, без какого-либо быстрого перегревания, как рассмотрено выше. Если определено на этапе S6, что производная, установленная на S5, не превышает заранее заданное пороговое значение, то процесс обработки следует по линии, обозначенной как «НЕТ», обратно на этап S4, где обработка продолжается, как описано выше. Тем не менее, если определено на этапе S6, что производная, установленное на этапе S5, превышает заданное пороговое значение, то процесс обработки следует по линии с пометкой «ДА» на этапе S7.
На этапе S7 определено, благодаря установленной временной производной на этапе S5, превышение заранее определенного порогового значения в сравнении с этапом S6, что предполагается возникновения сбоя в работе. Этот вывод основан на варианте реализации изобретения о том, что сопротивление нагревательного элемента само по себе является относительно неэффективным показателем быстрого перегрева, в частности, для определения наличия локального перегрева (точек перегрева) на нагревательном элементе, в то время как величина скорости изменения значения сопротивления по времени является наилучшим показателем. Даже несмотря на то, что общее изменение величины сопротивления может быть одинаково как для умеренного повышения величины температуры всего нагревательного элемента, так и более значимым событием локального перегрева, причем значение скорости, с которой изменяется температура в этих двух случаях, отличается. В частности, в случае локального перегрева (тепловой пробой) можно ожидать, что повышение температуры происходит быстрее, чем при равномерном нагреве всего нагревательного элемента.
Может быть использовано соответствующее пороговое значение на этапе S6, установленное с помощью расчета, моделирования или эксперимента. Например, аэрозольная система может управляться таким образом, чтобы преднамеренно переводить систему в состояние, которое способствует развитию возникновения горячей точки, и производная сопротивления по времени может быть измерена. Аналогично, может быть установлено максимальное значение производной сопротивления по времени во время нормальной работы (т.е. без перегрева). Пороговое значение V может затем быть принято как значение, где-то между величиной максимальной производной сопротивления, наблюдаемой в процессе нормальной работы, и минимальной производной сопротивления, наблюдаемой в результате локального перегрева/возрастания температуры, например, точки перегрева, как среднее значение между этими величинами. Аэрозольные системы различных конструкций, как правило, используют различные пороговые значения.
После определения условия возникновения сбоя в работе на этапе S7, процесс обработки в этом примере, переходит к этапу S8, на котором значение электропитания нагревательного элемента уменьшается, например, и может быть отключено полностью. В этом примере, процесс обработки представлен на фиг. 5, где процесс переходит к этапу S9, в котором индикация возникновения состояния отказа осуществляется путем приведения в действие индикатора 560 для уведомления пользователя, что произош сбой в работе.
Последующие операции могут варьироваться в зависимости от имеющихся в наличии возможностей. Например, в некоторых ситуациях аэрозольная система может фактически перейти в «заблокированный» режим работы и может не функционировать до тех пор, пока пользователь не перезагрузит систему, например, путем отсоединения и присоединения корпуса к картомайзеру (как ожидается, это может быть сделано для наполнения резервуара 360 или замены картомайзера на новый). В некоторых ситуациях аэрозольная система может перейти в «заблокированный» режим (т.е. прекратить дальнейшее функционирование), если имеет место обнаружение последовательности сбоев в работе, обнаруженных в течение заданного периода времени.
Для достижения оптимальной производительности, производная сопротивления по времени может быть наиболее чувствительной к развитию события локального перегрева (горячей точки) нагревательного элемента, когда температура нагревательного элемента считается устойчивой во времени. В связи с этим, процесс обработки, представленный на фиг. 5, может в некоторых случаях быть реализован только тогда, когда температура нагревательного элемента, как ожидается, останется в неизменном состоянии при нормальной работе аэрозольной системы. Например, процесс обработки может не выполняться во время этапа предварительного нагрева, когда нагревательный элемент нагревается от температуры окружающей среды до температуры испарения/закипания. Такой процесс нагревания может также вызвать быстрый нагрев нагревательного элемента, который мог бы рассматриваться, как случай наличия неисправного состояния. Однако, в других ситуациях процесс обработки может выполняться независимо от того, стабилизировалась или нет температура нагревательного элемента. В более общем плане, этот способ может быть применен в течение временных периодов, в которых аэрозоль генерируется и/или в течение периода, в котором электроэнергия подается на нагревательный элемент.
Следует принять во внимание, что различные изменения в устройствах и способах, описанных выше, могут быть реализованы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего раскрытия. Например, в дополнение к определению производной сопротивления по времени с целью установления наличия или отсутствия неисправного состояния, контроллер может также быть выполнен с возможностью устанавливать эффективную среднюю температуру нагревательного элемента по результатам измерения сопротивления, например, для использования в управлении источником питания нагревательного элемента, чтобы обеспечить требуемую степень и время аэрозольной генерации, в соответствии с обычными способами.
Кроме того, в то время как вышеописанные примеры были сосредоточены на вариантах реализации, в которых индикация производной по времени сопротивления получается из результатов дискретных измерений величин сопротивлений (то есть, по сути, используя цифровую схему управления), следует принять во внимание, что индикация производной сопротивления нагревательного элемента может в равной степени быть установлена в аналоговой области с использованием установленных способов аналоговых схем, например, с использованием одного или более соответствующим образом сконфигурированных фильтров. Кроме того, следует принять во внимание, что другие этапы, представленные на фиг. 5, также могут быть выполнены с использованием аналоговых схем, а не цифровых. Например, функциональные возможности, соответствующие этапам S5 и S6, могут быть реализованы путем передачи сигнала, указывающего на величину сопротивления нагревательного элемента, через фильтр высоких частот и посредством сравнения выходного сигнала из фильтра верхних частот с пороговым значением с использованием компаратора.
Как уже было отмечено выше, нет необходимости определять фактическую производную, например, в Омах на секунду, но достаточно иметь информацию о индикации производной, например, превышает ли значение производной конкретное пороговое значение, что рассматривается как условие, соответствующее неисправному состоянию, например основанное на результатах эмпирического тестирования или моделирования. Например, в одном варианте реализации сопротивление нагревательного элемента может контролироваться в течение заданного периода времени во время первоначальной активации нагревателя, например, в течение периода времени в начале курения пользователя. Этот период времени может рассматриваться, как период обнаружения и устройство может быть выполнено с возможностью определять, изменяется ли значение сопротивления нагревателя более чем на пороговую величину над значением сопротивления базовой линии в течение периода обнаружения. Величина сопротивления базовой линии для нормализации последующих измерений может соответствовать значению сопротивления нагревателя, измеренного, когда нагреватель является холодным, например, когда картомайзер сначала соединяется с корпусом устройства, или в периоды времени между активацией нагревателя. Ради обеспечения конкретного примера, в одном варианте выполнения период обнаружения может иметь длительность 400 мс после первого включения нагревателя, и пороговое значение скорости изменения сопротивления, как полагают, указывающее на состояние неисправности, может быть на 14% выше базового измерения сопротивления в течение этого периода обнаружения 400 мс (т.е. увеличение на 0,14 от нормального значения сопротивления). Таким образом, если измерение сопротивления в течение периода обнаружения указывает на наличие увеличения значения сопротивления, которое больше, чем 14% от исходного значения сопротивления в течение периода обнаружения 400 мс, то это указывает на то, что скорость изменения сопротивления больше, чем пороговое значение для индикации неисправности, и устройство может реагировать соответствующим образом.
Таким образом, была описана аэрозольная система, такая как электронная сигарета, которая содержит нагревательный элемент для генерирования аэрозоля из исходной жидкости, и схему управления для управления подачи электроэнергии от источника питания, например, батареи/аккумулятора на нагревательный элемент. Схема управления выполнена с возможностью измерять величину индикации производной электрической характеристики нагревательного элемента по времени, например, первую производную по времени или вторую производную по времени сопротивления нагревательного элемента (или родственный параметр, такой как, проводимость, потребляемый ток, мощность или падение напряжения). На основании измеренного значения производной по времени, схема управления выполнена с возможностью определять наличие или отсутствие состояния неисправности, например, локализованный нагрев нагревательного элемента, электронной аэрозольной системы. Общая величина изменения электрической характеристики нагревательного элемента, вызванная локализованным нагревом, может быть незначительной, и поэтому трудно надежно ее идентифицировать, но значение скорости, при которой происходит изменение, как ожидается, будет относительно высоким, что может означать, что временная производная локальной характеристики является более надежным индикатором возникновения неисправного состояния.
Несмотря на то, что описанные выше варианты осуществления, в некотором отношении, сконцентрировалась на некоторых конкретных примерах аэрозольных систем, следует принимать во внимание, что те же самые принципы могут быть применены к аэрозольным системам с использованием других технологий. То есть, конкретный способ, в котором различные аспекты аэрозольной системы не имеют непосредственное отношение к определению наличия или отсутствия неисправного состояния нагревательного элемента, в соответствии с описанными в настоящем документе вариантах осуществления, не является существенным для принципов, лежащих в основе некоторых вариантах осуществления. Например, конфигурации, основанные на системах, описанные в патенте США 2011/0226236 [1], могут быть использованы в других вариантах осуществления.
Для решения различных технических задач и усовершенствования предшествующего уровня техники, настоящее изобретение показывает посредством иллюстрации различных вариантов осуществления, в которых заявленное изобретение (я) могут быть осуществлены на практике. Преимущества и признаки изобретения представляют собой только репрезентативную выборку вариантов осуществления и не являются исчерпывающими и/или исключительными. Они представлены только для оказания помощи в понимании и описании заявленного изобретения (й). Следует понимать, что преимущества, варианты осуществления, примеры, функции, признаки, структуры и/или другие аспекты изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение, которые определены в формуле изобретения или ограничений эквивалентов формулы изобретения, и что другие варианты осуществления могут быть использованы и модификации могут быть сделаны без отступления от объема формулы изобретения. Различные варианты осуществления могут, соответственно, содержать, состоять из или, по существу, состоять из различных комбинаций описанных элементов, компонентов, признаков, частей, этапов, средств и т.д., кроме тех, которые конкретно описаны в настоящем документе и, таким образом, следует понимать, что признаки зависимых пунктов формулы изобретения могут быть объединены с признаками независимых пунктов формулы изобретения, за исключением тех, которые явно изложены в формуле изобретения. Раскрытие может включать в себя другие изобретения, которые в настоящее время не заявлены, но которые могут быть заявлены в будущем.
Источники информации
[1] WO 2012/109371.
[2] US 2014/0014126.
[3] EP 2 316286.
[4] US 2004/0149737.