УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ НАГРЕВАТЕЛЕМ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING ELECTRIC HEATER FOR TEMPERATURE LIMITATION

Изобретение относится к электрическому нагревателю, а также к способу и устройству для управления нагревателем для предотвращения пиков температуры. Изобретение относится, в частности, к электрическому нагревателю, выполненному для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, и к способу и устройству для предотвращения нежелательного сгорания субстрата, образующего аэрозоль. Описанные устройство и способ особенно применимы к электрически нагреваемым курительным устройствам.
Традиционные сигареты вырабатывают дым в результате сгорания табака и обертки, которое возникает при температурах, которые могут превышать 800 градусов по Цельсию во время затяжки. При таких температурах табак термически разрушается посредством пиролиза и сгорания. Теплота сгорания высвобождает и генерирует из табака различные газообразные продукты сгорания и дистилляты. Продукты проходят через сигарету и охлаждаются, а также конденсируются для образования дыма, имеющего вкусовые качества и ароматы, связанные с курением. При температурах сгорания генерируются не только вкусовые качества и ароматы, но также некоторое количество нежелательных соединений.
Известны электрически нагреваемые курительные устройства, которые работают при более низких температурах. Посредством нагрева при более низкой температуре субстрат, образующий аэрозоль (который в случае курительного устройства основан на табаке), не сгорает, и генерируется гораздо меньшее количество нежелательных соединений.
В таких электрически нагреваемых курительных устройствах, а также в других электрически нагреваемых устройствах, генерируемых аэрозоль, желательным является обеспечение по мере возможности того, чтобы субстрат не сгорал, даже при чрезвычайных внешних условиях и чрезвычайных особенностях использования. Следовательно, является желательным управление температурой нагревательного элемента или элементов в устройстве для снижения риска сгорания с одновременным нагревом до достаточной температуры для обеспечения необходимого аэрозоля. Также желательным является предоставление возможности обнаружения или предсказания сгорания субстрата и управления нагревательным элементов, соответственно.
В одном аспекте настоящего изобретения предоставлен способ управления электрическим нагревательным элементом, включающий:
поддержание температуры нагревательного элемента при целевой температуре посредством подачи импульсов электрического тока на нагревательный элемент;
отслеживание коэффициента заполнения импульсов электрического тока; и
определение того, отличается ли коэффициент заполнения от предполагаемого коэффициента заполнения или диапазона коэффициентов заполнения, и если да, то снижение целевой температуры, или прекращение подачи тока на нагревательный элемент, или ограничение коэффициента заполнения импульсов электрического тока, подаваемого на нагревательный элемент.
Нагревательный элемент может быть частью устройства, генерирующего аэрозоль, такого как электрически нагреваемое курительное устройство. Нагревательный элемент может быть выполнен для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, непрерывно во время работы устройства. Субстрат, образующий аэрозоль, в данном контексте является субстратом, способным к высвобождению при нагреве летучих соединений, которые могут образовать аэрозоль. «Непрерывно» в данном контексте означает, что нагрев не зависит от потока воздуха через устройство. По мере того как составляющие, образующие аэрозоль, субстрата, образующего аэрозоль, расходуются во время нагрева, питание, необходимое для поддержания заданной целевой температуры, снижается. В зависимости от постепенного изменения целевой температуры во время работы нагревательного элемента коэффициент заполнения может быть ограничен для снижения возникающего риска сгорания субстрата.
Поскольку температура поддерживается при известной целевой температуре, любое изменение в коэффициенте заполнения или диапазоне коэффициентов заполнения, предполагаемом для поддержания целевой температуры, указывает на ненормальные условия. Например, если при поддержании температуры коэффициент заполнения находится намного ниже, чем предполагалось, то это может являться следствием внешнего источника тепла, такого как сгорающий субстрат. Если коэффициент заполнения остается выше, чем предполагалось, то это может являться следствием ненормального охлаждения нагревательного элемента в результате чрезмерного потока воздуха, проходящего через нагреватель, что в случае курительного устройства означает интенсивные затяжки со стороны пользователя. Интенсивные затяжки могут привести к более высокой концентрации кислорода, которая увеличивает вероятность нежелательного сгорания субстрата, образующего аэрозоль.
Нагревательный элемент может являться электрически резистивным нагревательным элементом, и этап поддержания температуры нагревательного элемента при целевой температуре может содержать определение электрического сопротивления нагревательного элемента и регулировку электрического тока, подаваемого на нагревательный элемент, в зависимости от определенного электрического сопротивления. Этап поддержания температуры нагревательного элемента при целевой температуре может содержать использование контура ПИД-управления. В качестве альтернативы могут быть использованы другие механизмы для поддержания температуры, например механизм управления включением/выключением термостата простого типа, который дешевле контура ПИД-управления. Кроме того, могут быть использованы механизмы для восприятия температуры, отличные от обнаружения электрического сопротивления нагревательного элемента, например биметаллические пластинки, термопары или специально предназначенный термистор или электрически резистивный элемент, который электрически отделен от нагревательного элемента. Эти альтернативные механизмы восприятия температуры могут быть использованы в дополнение к или вместо определения температуры посредством отслеживания электрического сопротивления нагревательного элемента. Например, отдельный механизм восприятия температуры может быть использован в механизме управления для снижения питания, подаваемого на нагревательный элемент, если температура нагревательного элемента превышает целевую температуру.
Этап определения того, отличается ли коэффициент заполнения от предполагаемого коэффициента заполнения, может содержать периодическое сравнение коэффициента заполнения с первым пороговым коэффициентом заполнения и использование контура гистерезисного управления для определения точки срабатывания, в которой следует снижать целевую температуру или ограничивать коэффициент заполнения импульсов электрического тока. Использование контура гистерезисного управления гарантирует, что очень кратковременные флуктуации в коэффициенте заполнения не вызовут снижение температуры или подаваемого питания. Точка срабатывания достигается только после продолжительного периода режима с ненормальным коэффициентом заполнения.
Способ может содержать прекращение подачи электрического тока на нагревательный элемент, если коэффициент заполнения ниже второго порогового коэффициента заполнения, при температуре, равной или превышающей целевую температуру. Как было описано, очень низкий коэффициент заполнения с сохраняемой температурой указывает на внешний источник тепла и может являться результатом сгорания субстрата, прилегающего к или окружающего нагревательный элемент. В таком случае питание, подаваемое на нагревательный элемент, может быть отсечено для обеспечения того, чтобы пользователь устройства не подвергался влиянию большего количества нежелательных соединений.
Способ может содержать ограничение коэффициента заполнения импульсов электрического тока до максимального предела коэффициента заполнения. Максимальный предел коэффициента заполнения может изменяться на основании предварительно запрограммированной стратегии управления. Например, максимальный коэффициент заполнения может быть снижен с увеличением времени, либо пошагово, либо непрерывно, за которое испаряется субстрат. Первое или второе пороговое значение или как первое, так и второе пороговое значение могут быть пропорциональны максимальному пределу коэффициента заполнения. Например, первое пороговое значение может являться максимальным пределом коэффициента заполнения. Второе пороговое значение может являться фиксированной пропорциональной частью от максимального предела коэффициента заполнения или может являться фиксированным коэффициентом заполнения. В качестве альтернативы как первое, так и второе пороговое значение могут являться абсолютными пределами.
В другом аспекте настоящего раскрытия предоставлено устройство для управления электрическим нагревательным элементом, содержащее:
схему управления, соединенную с нагревательным элементом, выполненную для поддержания температуры нагревательного элемента при целевой температуре посредством подачи импульсов электрического тока на нагревательный элемент; и
схему обнаружения, выполненную для отслеживания коэффициента заполнения импульсов электрического тока и, если коэффициент заполнения импульсов электрического тока отличается от предполагаемого коэффициента заполнения или диапазона коэффициентов заполнения, выдачи команды схеме управления на снижение целевой температуры, или прекращение подачи тока на нагревательный элемент, или ограничение коэффициента заполнения или импульсов электрического тока.
Нагревательный элемент может являться электрически резистивным нагревательным элементом, и схема управления выполнена для поддержания температуры нагревательного элемента при целевой температуре посредством определения электрического сопротивления нагревательного элемента и регулировки электрического тока, подаваемого на нагревательный элемент, в зависимости от определенного электрического сопротивления. Схема управления может содержать контур ПИД-управления.
Схема обнаружения может быть выполнена с возможностью периодического сравнения коэффициента заполнения с первым пороговым коэффициентом заполнения и может содержать контур гистерезисного управления, выполненный для определения точки срабатывания, в которой следует снижать целевую температуру или ограничивать коэффициент заполнения импульсов электрического тока.
Схема обнаружения может быть выполнена такой, чтобы, если коэффициент заполнения ниже второго порогового коэффициента заполнения, в то время как температура равна или выше целевой температуры, схема обнаружения выдавала команду схеме управления на отсечение подачи электрического тока на нагревательный элемент.
Целевая температура может быть постоянной или может изменяться со временем.
Схема управления может быть выполнена для ограничения коэффициента заполнения импульсов электрического тока до максимального предела коэффициента заполнения, причем для заданной целевой температуры максимальный предел коэффициента заполнения постепенно снижается с увеличением времени после активации нагревательного элемента. Если предусмотрено увеличение целевой температуры со временем в любой момент после активации нагревательного элемента, то максимальный коэффициент заполнения может также увеличиться. В одном варианте осуществления переменная A, где A равняется максимальному коэффициенту заполнения, разделенному на целевую температуру, постепенно снижается с увеличением времени после активации нагревательного элемента.
Схема управления может быть выполнена для отсечения подачи электрического тока на нагревательный элемент, если температура нагревательного элемента превышает пороговое значение температуры. Например, если обнаруженная температура нагревательного элемента на 7°C или более выше целевой температуры, то подача питания может быть прекращена, поскольку в противном случае риск сгорания будет слишком велик.
Устройство может являться устройством, генерирующим аэрозоль, содержащим нагревательный элемент, таким как электрически нагреваемое курительное устройство. Нагревательный элемент может быть выполнен для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, непрерывно во время работы устройства.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может быть выполнено для вмещения субстрата, образующего аэрозоль, и при этом предполагаемый коэффициент заполнения или диапазон коэффициентов заполнения является настраиваемым в зависимости от свойства субстрата, образующего аэрозоль.
В еще одном аспекте настоящего раскрытия предоставлена система, генерирующая аэрозоль, содержащая:
устройство, генерирующее аэрозоль, содержащее нагревательный элемент, и изделие, генерирующее аэрозоль, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, при этом нагреватель выполнен для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля, и при этом устройство, генерирующее аэрозоль, содержит:
схему управления, соединенную с нагревательным элементом, выполненную для поддержания температуры нагревательного элемента при целевой температуре посредством подачи импульсов электрического тока на нагревательный элемент;
схему обнаружения, выполненную для отслеживания коэффициента заполнения импульсов электрического тока и, если коэффициент заполнения импульсов электрического тока отличается от предполагаемого коэффициента заполнения или диапазона коэффициентов заполнения, выдачи команды схеме управления на снижение целевой температуры, или прекращение подачи тока на нагревательный элемент, или ограничение коэффициента заполнения или импульсов электрического тока.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может быть выполнено так, чтобы предполагаемый коэффициент заполнения или диапазон коэффициентов заполнения зависел от характеристик субстрата, образующего аэрозоль. Изделие, генерирующее аэрозоль, может содержать средство для определения характеристики посредством устройства, генерирующего аэрозоль, такого как электрически резистивный компонент, оптически обнаруживаемое устройство индикации или характерные форма или размер. Различные субстраты могут сгорать при различных условиях и могут содержать различные количества формирователя аэрозоля или жидкости, а значит, могут быть подвержены риску сгорания при различных температурах и в разное время.
В другом аспекте настоящего раскрытия предоставлен способ управления электрическим нагревательным элементом, содержащий:
поддержание температуры нагревательного элемента при целевой температуре во время множества фаз нагрева посредством подачи электропитания на нагревательный элемент;
ограничение питания, подаваемого на нагревательный элемент во время каждой фазы нагрева, до порогового уровня питания, так что с увеличением времени после активации нагревательного элемента постепенно снижают переменную B, где B равно пороговому уровню питания, разделенному на целевую температуру.
Нагревательный элемент может быть частью устройства, генерирующего аэрозоль, такого как электрически нагреваемое курительное устройство. Нагревательный элемент может быть выполнен для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, непрерывно во время работы устройства. «Непрерывно» в данном контексте означает, что нагрев не зависит от потока воздуха через устройство. По мере того как составляющие, образующие аэрозоль, субстрата, образующего аэрозоль, расходуются во время нагрева, питание, необходимое для поддержания заданной целевой температуры, снижается. Целевая температура нагревательного элемента может изменяться во время работы нагревательного элемента, и коэффициент заполнения может быть соответственно ограничен для снижения возникающего риска сгорания субстрата. Если предусмотрено увеличение целевой температуры со временем в любой момент после активации нагревательного элемента, то максимальный коэффициент заполнения может также увеличиться.
Этап поддержания может содержать подачу питания в виде импульсов электрического тока, а этап ограничения подаваемого питания может содержать ограничение коэффициента заполнения импульсов электрического тока до уровня ниже порогового коэффициента заполнения, где пороговый коэффициент заполнения, разделенный на целевую температуру, постепенно снижается для каждой последующей фазы нагрева после активации нагревательного элемента.
В качестве альтернативы или дополнения этап ограничения подаваемого питания может содержать ограничение напряжения, подводимого к нагревательному элементу, до уровня ниже порогового напряжения.
В дополнительном аспекте изобретения предоставлено устройство для управления электрическим элементом, содержащее:
схему управления, соединенную с нагревательным элементом, при этом схема управления выполнена для поддержания температуры нагревательного элемента при целевой температуре во время множества фаз нагрева посредством подачи электрического питания на нагревательный элемент и для ограничения питания, подаваемого на нагревательный элемент во время каждой фазы нагрева, до порогового уровня питания, так что с увеличением времени после активации нагревательного элемента происходит постепенное снижение переменной B, где B равно пороговому уровню питания, разделенному на целевую температуру.
Схема управления может быть выполнена для подачи питания в виде импульсов электрического тока и ограничения питания, подаваемого на нагревательный элемент, посредством ограничения коэффициента заполнения импульсов электрического тока до уровня ниже порогового коэффициента заполнения, где пороговый коэффициент заполнения, разделенный на целевую температуру, постепенно снижается для каждой последующей фазы нагрева после активации нагревательного элемента.
Устройство может являться устройством, генерирующим аэрозоль, содержащим нагревательный элемент, таким как электрически нагреваемое курительное устройство.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может быть выполнено для вмещения субстрата, образующего аэрозоль, и длительность фаз нагрева и порогового коэффициента заполнения для каждой фазы нагрева может быть настраиваемой в зависимости от введенных пользователем данных в схему управления, или в зависимости от воспринятой характеристики субстрата, образующего аэрозоль, или в зависимости от воспринятого параметра внешней среды. Следовательно, для конкретного субстрата может быть необходим отличный профиль нагрева для предоставления необходимых результатов и различные пользователи могут предпочитать различные профили нагрева.
В еще одном аспекте изобретения предоставлена система, генерирующая аэрозоль, содержащая:
устройство, генерирующее аэрозоль, содержащее нагревательный элемент, и изделие, генерирующее аэрозоль, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, при этом нагреватель выполнен для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля, и при этом устройство, генерирующее аэрозоль, содержит:
схему управления, соединенную с нагревательным элементом, при этом схема управления выполнена для поддержания температуры нагревательного элемента при целевой температуре во время множества фаз нагрева посредством подачи электрического питания на нагревательный элемент и для ограничения упомянутого питания, подаваемого на нагревательный элемент во время каждой фазы нагрева, до порогового уровня питания, так что с увеличением времени после активации нагревательного элемента происходит постепенное снижение переменной B, где B равно пороговому уровню питания, разделенному на целевую температуру.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может быть выполнено таким образом, чтобы пороговый уровень питания зависел от характеристики субстрата, образующего аэрозоль. Изделие, генерирующее аэрозоль, может содержать средство для определения характеристики посредством устройства, генерирующего аэрозоль, такого как электрически резистивный компонент, оптически обнаруживаемое устройство индикации или характерные форма или размер. Различные субстраты могут сгорать при различных условиях и могут содержать различные количества вещества для образования аэрозоля или жидкость, а значит, могут быть подвержены риску сгорания при различных температурах и в разное время.
Управление нагревательным элементом, как описано в любом из предыдущих аспектов настоящего раскрытия, может быть реализовано в компьютерной программе, которая при запуске на программируемой электрической цепи для электроуправляемого устройства, генерирующего аэрозоль, вызывает выполнение способа управления программируемой электрической схемой. Компьютерная программа может быть предоставлена на машиночитаемом носителе данных.
В еще одном дополнительном аспекте настоящего раскрытия предоставлено устройство, генерирующее аэрозоль, содержащее:
электрический нагревательный элемент;
схему обнаружения, выполненную для обнаружения температуры нагревательного элемента; и
схему управления, соединенную с нагревательным элементом и схемой обнаружения, при этом схема управления выполнена для управления подачей питания на нагревательный элемент от источника питания, и при этом схема управления выполнена для прекращения подачи питания на нагревательный элемент от источника питания при обнаружении схемой обнаружения превышения температурой нагревательного элемента пороговой температуры.
Пороговая температура может изменяться со временем после активации нагревательного элемента. Устройство, генерирующее аэрозоль, может являться электрически нагреваемым курительным устройством.
В еще одном дополнительном аспекте настоящего раскрытия предоставлена система, генерирующая аэрозоль, содержащая:
устройство, генерирующее аэрозоль, содержащее нагревательный элемент, и изделие, генерирующее аэрозоль, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, при этом нагреватель выполнен для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля, и при этом устройство, генерирующее аэрозоль, содержит:
схему обнаружения, выполненную для обнаружения температуры нагревательного элемента; и схему управления, соединенную с нагревательным элементом и схемой обнаружения, при этом схема управления выполнена для управления подачей питания на нагревательный элемент от источника питания, и при этом схема управления выполнена для прекращения подачи питания на нагревательный элемент от источника питания при обнаружении схемой обнаружения превышения температурой нагревательного элемента пороговой температуры.
Во всех аспектах настоящего раскрытия нагревательный элемент может содержать электрически резистивный материал. Подходящие электрически резистивные материалы включают, но не ограничиваются ими: полупроводники, такие как легированная керамика, электрически «проводящая» керамика (такая как, например, дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, металлические сплавы и композиционные материалы, изготовленные из керамического материала и металлического материала. Такие композиционные материалы могут содержать легированную или нелегированную керамику. Примеры подходящей легированной керамики включают легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают титан, цирконий, тантал, платину, золото и серебро. Примеры подходящих металлических сплавов включают нержавеющую сталь, сплавы, содержащие никель, кобальт, хром, алюминий, титан, цирконий, гафний, ниобий, молибден, тантал, вольфрам, олово, галлий, марганец, золото и железо, и суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали, Timetal и сплавы на основе железа, марганца и алюминия. В композиционных материалах электрически резистивный материал может быть факультативно встроен в, инкапсулирован или покрыт изолирующим материалом или наоборот в зависимости от кинетики передачи энергии и необходимых внешних физико-химических свойств.
Как было описано, в любом из аспектов настоящего раскрытия нагревательный элемент может быть частью устройства, генерирующего аэрозоль. Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать внутренний нагревательный элемент или внешний нагревательный элемент или как внутренний, так внешний нагревательные элементы, где «внутренний» и «внешний» относятся к субстрату, образующему аэрозоль. Внутренний нагревательный элемент может принимать любую подходящую форму. Например, внутренний нагревательный элемент может принимать форму нагревательной пластины. В качестве альтернативы внутренний нагреватель может принимать форму оболочки или субстрата, имеющих различные электропроводящие части, или электрически резистивной металлической трубки. В качестве альтернативы внутренний нагреватель может являться одной или более нагревательными иглами или стержнями, которые проходят через центр субстрата, образующего аэрозоль. Другие альтернативы включают нагревательную проволоку или нить накаливания, например Ni-Cr (хромоникелевую), проволоку из платины, вольфрама или из сплавов или нагревательную пластину. Факультативно внутренний нагревательный элемент может быть размещен в или нанесен на жесткий материал носителя. В одном таком варианте осуществления электрически резистивный нагревательный элемент может быть сформирован с использованием металла, имеющего определенное отношение между температурой и сопротивлением. В таком приведенном в качестве примера устройстве металл может быть сформирован в виде дорожки на подходящем изолирующем материале, таком как керамический материал, а затем уложен между слоями другого изолирующего материала, таким как стекло. Нагреватели, сформированные таким образом, могут быть использованы как для нагрева, так и для отслеживания температуры нагревательных элементов во время работы.
Внешний нагревательный элемент может принимать любую подходящую форму. Например, внешний нагревательный элемент может принимать форму одного или более видов гибкой нагревательной фольги на диэлектрическом субстрате, таком как полиимид. Гибкая нагревательная фольга может иметь такую форму, чтобы соответствовать периметру полости, вмещающей субстрат. В качестве альтернативы внешний нагревательный элемент может принимать форму металлической решетки или решеток, гибкой печатной платы, литого соединительного устройства (MID), керамического нагревателя, гибкого нагревателя из углеродного волокна или может быть сформирован с использованием метода покрытия, такого как плазменное осаждение из газовой фазы, на субстрате, имеющем подходящую форму. Внешний нагревательный элемент может быть также сформирован с использованием металла, имеющего определенное отношение между температурой и сопротивлением. В таком приведенном в качестве примера устройстве металл может быть сформирован в виде дорожки между двумя слоями подходящих изолирующих материалов. Внешний нагревательный элемент, сформированный таким образом, может быть использован как для нагрева, так и для отслеживания температуры внешнего нагревательного элемента во время работы.
Внутренний или внешний нагревательный элемент может содержать радиатор или тепловой резервуар, содержащий материал, способный поглощать и сохранять тепло и затем со временем высвобождать тепло субстрату, образующему аэрозоль. Радиатор может быть сформирован из любого подходящего материала, такого как подходящий металлический или керамический материал. В одном варианте осуществления материал имеет высокую теплоемкость (чувствительный аккумулирующий тепло материал) или является материалом, способным поглощать и затем высвобождать тепло посредством обратимого процесса, такого как изменение высокотемпературной фазы. Подходящие чувствительные материалы, аккумулирующие теплоту нагрева, включают силикагель, глинозем, углерод, стекломат, стекловолокно, минеральные вещества, металл или сплав, такой как алюминий, серебро или свинец, и целлюлозный материал, такой как бумага. Другие подходящие материалы, которые высвобождают тепло через изменение обратимой фазы, включают парафин, ацетат натрия, нафталин, воск, полиэтиленоксид, металл, металлическую соль, смесь эвтектических солей или сплав. Радиатор или тепловой резервуар может быть расположен таким образом, чтобы находиться в непосредственном контакте с субстратом, образующим аэрозоль, и может передавать сохраненное тепло непосредственно на субстрат. В качестве альтернативы тепло, сохраненное в радиаторе или тепловом резервуаре, может быть передано на субстрат, образующий аэрозоль, посредством проводника тепла, такого как металлическая трубка.
Нагревательный элемент преимущественно нагревает субстрат, образующий аэрозоль, посредством проводимости. Нагревательный элемент может по меньшей мере частично соприкасаться с субстратом или носителем, на который нанесен субстрат. В качестве альтернативы тепло либо от внутреннего, либо от внешнего нагревательного элемента может быть передано на субстрат посредством теплопроводящего элемента.
Во время работы субстрат, образующий аэрозоль, может полностью содержаться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В таком случае пользователь может сделать затяжку через мундштук устройства, генерирующего аэрозоль. В качестве альтернативы во время работы курительное изделие, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, может частично находиться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В таком случае пользователь может сделать затяжку непосредственно через курительное изделие.
Курительное изделие может в основном иметь цилиндрическую форму. Курительное изделие может быть в основном вытянутым. Курительное изделие может иметь длину и окружность, в основном перпендикулярную длине. Субстрат, образующий аэрозоль, может в основном иметь цилиндрическую форму. Субстрат, образующий аэрозоль, может иметь в основном вытянутую форму. Субстрат, образующий аэрозоль, может также иметь длину и окружность, в основном перпендикулярную длине.
Курительное изделие может иметь общую длину между приблизительно 30 мм и приблизительно 100 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр между приблизительно 5 мм и приблизительно 12 мм. Курительное изделие может содержать штранг фильтра. Штранг фильтра может быть размещен на нижнем конце курительного изделия. Штранг фильтра может являться штрангом фильтра из ацетата целлюлозы. Штранг фильтра в одном варианте осуществления имеет длину приблизительно 7 мм, но может иметь длину между приблизительно 5 мм и приблизительно 10 мм.
В одном варианте осуществления курительное изделие имеет общую длину приблизительно 45 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр приблизительно 7,2 мм. Кроме того, субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 10 мм. В качестве альтернативы субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 12 мм. Кроме того, диаметр субстрата, образующего аэрозоль, дополнительно может быть между приблизительно 5 мм и приблизительно 12 мм. Курительное изделие может содержать внешнюю бумажную обертку. Кроме того, курительное изделие может содержать разделительный элемент между субстратом, образующим аэрозоль, и штрангом фильтра. Разделительный элемент может быть приблизительно 18 мм, но может находиться в диапазоне от приблизительно 5 мм до приблизительно 25 мм.
Субстрат, образующий аэрозоль, может являться твердым субстратом, образующим аэрозоль. В качестве альтернативы субстрат, образующий аэрозоль, может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать содержащий табак материал, содержащий летучие вкусоароматические соединения табака, которые высвобождаются из субстрата при нагреве. В качестве альтернативы субстрат, образующий аэрозоль, может содержать материал, не содержащий табак. Субстрат, образующий аэрозоль, может дополнительно содержать вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль.
Если субстрат, образующий аэрозоль, является твердым субстратом, образующим аэрозоль, то твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать, например, одно или несколько из: порошка, гранул, шариков, крупиц, тонких трубок, полосок или листов, содержащих одно или несколько из травяного листа, табачного листа, кусочков табачных жилок, восстановленного табака, гомогенизированного табака, экструдированного табака, формованного листового табака и развернутого табака. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может иметь свободную форму или может быть предоставлен в подходящей емкости или картридже. Факультативно твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать дополнительные летучие вкусоароматические соединения, содержащие или не содержащие табак, которые подлежат высвобождению при нагреве субстрата. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может также содержать капсулы, которые, например, включают дополнительные летучие вкусоароматические соединения, содержащие или не содержащие табак, и такие капсулы могут таять во время нагрева твердого субстрата, образующего аэрозоль.
Факультативно твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть также предоставлен на или встроен в термоустойчивый носитель. Носитель может принимать форму порошка, гранул, шариков, крупиц, тонких трубок, полосок или листов. В качестве альтернативы носитель может являться трубчатым носителем, имеющим тонкий слой твердого субстрата, нанесенный на его внутреннюю поверхность, или на его внешнюю поверхность, или как на внутреннюю, так и на внешнюю поверхность. Такой трубчатый носитель может быть сформирован, например, из бумаги или бумагоподобного материала, нетканого углеродного фибролита, легкого сетчатого металлического экрана, или перфорированной металлической фольги, или любой другой термоустойчивой полимерной матрицы.
Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на поверхность носителя в форме, например, листа, пены, геля или суспензии. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на всю поверхность носителя или в качестве альтернативы может быть нанесен в виде узора для предоставления неоднородной вкусоароматической подачи во время использования.
Несмотря на то что ранее приводилась ссылка на твердые субстраты, образующие аэрозоль, специалисту в данной области техники будет понятно, что другие формы субстрата, образующего аэрозоль, могут быть использованы с другими вариантами осуществления. Например, субстрат, образующий аэрозоль, может являться жидким субстратом, образующим аэрозоль. Если предоставлен жидкий субстрат, образующий аэрозоль, то устройство, генерирующее аэрозоль, предпочтительно содержит средство для удержания жидкости. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может содержаться в емкости. В качестве альтернативы или дополнения жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть поглощен пористым материалом носителя. Пористый материал носителя может быть изготовлен из любой абсорбирующей заглушки или тела, например пенометаллического или пластмассового материала, полипропилена, терилена, нейлоновых волокон или керамики. Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может содержаться в пористом материале носителя перед использованием устройства, генерирующего аэрозоль, или в качестве альтернативы материал жидкого субстрата, образующего аэрозоль, может быть высвобожден в пористый материал носителя во время или непосредственно перед использованием. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть представлен в капсуле. Оболочка капсулы предпочтительно тает при нагреве и высвобождает жидкий субстрат, образующий аэрозоль, в пористый материал носителя. Капсула может факультативно содержать твердое тело в сочетании с жидкостью.
В качестве альтернативы носитель может являться нетканым полотном или пучком волокон, в который включены табачные компоненты. Нетканое полотно или пучок волокон могут содержать, например, углеродные волокна, природные целлюлозные волокна или волокна из производных целлюлозы.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может дополнительно содержать источник питания для подачи питания на нагревательный элемент. Источник питания может являться любым подходящим источником питания, например источником напряжения постоянного тока. В одном варианте осуществления источник питания является литий-ионной батареей. В качестве альтернативы источник питания может являться никель-металл-гидридной батареей, никель-кадмиевой батареей или литиевой батареей, например литий-кобальтовой, литий-железо-фосфатной, литий-титановой или литий-полимерной батареей.
Несмотря на то что изобретение было описано со ссылкой на различные аспекты, следует понимать, что особенности, описанные относительно одного аспекта настоящего раскрытия, могут быть применены к другим аспектам настоящего раскрытия.
Примеры настоящего раскрытия будут далее подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 показана схематическая диаграмма устройства, генерирующего аэрозоль;
на фиг.2 показана схематическая диаграмма схемы управления температурой для устройства типа, показанного на фиг.1;
на фиг.3 проиллюстрировано изменение максимального предела коэффициента заполнения во время сеанса курения с использованием устройства типа, показанного на фиг.1;
на фиг.4 показана блок-схема, иллюстрирующая один процесс для обнаружения картины ненормального коэффициента заполнения;
на фиг.5 проиллюстрирован пример снижения температуры нагревательного элемента после обнаружения чрезмерной затяжки со стороны пользователя;
на фиг.6 показана блок-схема, иллюстрирующая один процесс для обнаружения сгорания субстрата;
на фиг.7 проиллюстрирован пример обнаружения сгорания с использованием процесса, проиллюстрированного на фиг.6;
на фиг.8 показана блок-схема, иллюстрирующая процесс для отсечения питания, подаваемого на нагревательный элемент, после обнаружения нежелательно высокой температуры.
На фиг.1 в упрощенном виде показаны компоненты варианта осуществления электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль. В частности, элементы электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль, на фиг.1 изображены не в масштабе. Элементы, которые не релевантны для понимания этого варианта осуществления, были опущены для упрощения фиг.1.
Электрически нагреваемое устройство 100, генерирующее аэрозоль, содержит корпус 10 и субстрат 12, образующий аэрозоль, например сигарету. Субстрат 12, образующий аэрозоль, проталкивается внутрь корпуса 10 для вхождения в термическую близость с нагревательным элементом 14. Субстрат 12, образующий аэрозоль, высвободит ряд летучих соединений при различных температурах. Посредством управления максимальной рабочей температурой электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль, таким образом, чтобы она была ниже температуры высвобождения некоторых летучих соединений, может быть предотвращено высвобождение или образование этих дымовых составляющих.
Внутри корпуса 10 находится источник 16 электроэнергии, например перезаряжаемая литий-ионная батарея. С нагревательным элементом 14, источником 16 электроэнергии и интерфейсом 20 пользователя, например кнопкой или дисплеем, соединен контроллер 18. Контроллер 18 управляет питанием, подаваемым на нагревательный элемент 14, для регулировки его температуры. Субстрат, образующий аэрозоль, как правило, нагревается до температуры от 250 до 450 градусов по Цельсию.
На фиг.2 проиллюстрирована схема управления, использованная для обеспечения описанной регулировки температуры, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего раскрытия.
Нагреватель 14 соединен с батареей через соединение 22. От батареи 16 поступает напряжение V2 . Последовательно с нагревательным элементом 14 подключен и соединен с напряжением V1 в промежутке между землей и напряжением V2 дополнительный резистор 24 с известным сопротивлением r. Управление частотной модуляцией тока осуществляется посредством микроконтроллера 18, и подача осуществляется через его аналоговый выход 30 на транзистор 26, который выполняет функцию простого переключателя.
Регулировка основана на ПИД-регуляторе, который является частью программного обеспечения, включенного в микроконтроллер 18. Температуру (или индикацию температуры) нагревательного элемента определяют посредством изменения электрического сопротивления нагревательного элемента. Температура используется для регулировки коэффициента заполнения, в этом случае частотной модуляции, импульсов тока, подаваемого на нагревательный элемент, для поддержания нагревательного элемента при целевой температуре. Температуру определяют при частоте, выбранной для соответствия управлению коэффициентом заполнения, она и может быть определена не чаще одного раза в 100 мс.
Аналоговый вход 28 на микроконтроллере 18 используется для получения напряжения на сопротивлении 24 и предоставляет изображение электрического тока, протекающего в нагревательном элементе. Напряжение V+ батареи и напряжение на резисторе 24 используются для вычисления изменения сопротивления нагревательного элемента и/или его температуры.
нагревателя
нагревателя
Сопротивление нагревателя, которое должно быть измерено при конкретной температуре, представляет собой R. Для измерения микропроцессором 18 сопротивления R нагревателя 14 может быть определен как ток, протекающий через нагреватель 14, так и напряжение на нагревателе 14. Затем может быть использована следующая хорошо известная формула для определения сопротивления:
На фиг.2 напряжение на нагревателе представляет собой V2-V1, а ток, протекающий через нагреватель, представляет собой I. Таким образом:
Дополнительный резистор 24, сопротивление r которого известно, используется для определения тока I с повторным использованием вышеуказанной формулы (1). Ток, протекающий через резистор 24, представляет собой I, а напряжение на резисторе 24 представляет собой V1. Таким образом:
Следовательно, объединение формул (2) и (3) дает:
нагревателя
Таким образом, микропроцессор 18 может измерить V2 и V1 во время использования системы, генерирующей аэрозоль, и при известном значении r может определить сопротивление нагревателя при конкретной температуре R.
нагревателя
Сопротивление нагревателя коррелируется с температурой. Для установки отношения температуры T к измеренному сопротивлению R при температуре T в соответствии со следующей формулой может быть использована линейная аппроксимация:
0
0
где A - коэффициент термического сопротивления материала нагревательного элемента и R - сопротивление нагревательного элемента при комнатной температуре T.
Для аппроксимации соотношения между сопротивлением и температурой могут быть использованы другие более сложные способы, если простая линейная аппроксимация не является достаточно точной в диапазоне рабочих температур. Например, в другом варианте осуществления соотношение может быть получено на основании сочетания двух или более линейных аппроксимаций, каждое из которых охватывает различный диапазон температур. Эта схема основана на трех или более точках калибровки температуры, в которых измеряется сопротивление нагревателя. Для температур между точками калибровки значения сопротивления интерполируются из значений в точках калибровки. Температуры точек калибровки выбираются для охвата предполагаемого диапазона температур нагревателя во время работы.
Преимуществом настоящих вариантов осуществления является то, что не требуется датчик температуры, который может быть громоздким и дорогостоящим. Также значение сопротивления может быть непосредственно использовано ПИД-регулятором вместо температуры. Если значение сопротивления находится в необходимом диапазоне, то же будет для температуры нагревательного элемента. Соответственно, нет необходимости вычислять действительную температуру нагревательного элемента. Однако можно использовать отдельный датчик температуры и подключить его к микроконтроллеру для предоставления необходимой информации о температуре.
Микроконтроллер может быть запрограммирован на ограничение максимального разрешенного коэффициента заполнения. Максимальный разрешенный коэффициент заполнения может изменяться со временем после активации нагревательного элемента. На фиг.3 проиллюстрировано изменение сеанса курения с использованием устройства типа, показанного на фиг.1. Целевая температура нагревательного элемента указывается посредством линии 30 и, как можно видеть, поддерживается на уровне 375°C на протяжении сеанса курения, который в целом длится шесть минут. Посредством микроконтроллера сеанс курения разделен на фазы с различными максимальными пределами коэффициента заполнения в различных фазах. Коэффициент заполнения в данном контексте означает процент времени, когда осуществляется подача питания, при замкнутом переключателе 26. В примере, проиллюстрированном на фиг.3, в первой фазе коэффициент заполнения ограничен 95% в течение 30 секунд. Во время этого периода нагревательный элемент нагревается до целевой температуры. Во второй фазе, тоже длящейся 30 секунд, коэффициент заполнения ограничен 65%. Для поддержания температуры нагревательного элемента необходимо меньшее количество питания, чем необходимо для его нагрева. В третьей фазе, длящейся 30 секунд, коэффициент заполнения ограничен 60%. В четвертой фазе, длящейся 90 секунд, коэффициент заполнения ограничен 55%; в пятой фазе, длящейся 60 секунд, коэффициент заполнения ограничен 50%; и в шестой фазе, длящейся 120 секунд, коэффициент заполнения ограничен 45%.
По мере расходования субстрата посредством испарения отводится меньшее количество тепла, и, следовательно, необходимо меньшее количество питания для поддержания температуры нагревательного элемента при целевой температуре. Кроме того, температура окружающих частей устройства увеличивается со временем и, следовательно, поглощается меньше энергии со временем. Соответственно, для снижения вероятности сгорания максимально допустимое питание снижается со временем для заданной целевой температуры. Как правило, максимально допустимое питание или максимальный коэффициент заполнения, разделенный на целевую температуру, со временем постепенно снижаются после активации нагревательного элемента во время отдельного сеанса курения.
Также может быть определена манера делать чрезмерные затяжки. Каждый раз, когда пользовать делает затяжку через устройство, вытягивая воздух через нагревательный элемент, количество кислорода, соприкасающегося с субстратом, увеличивается, увеличивая вероятность сгорания при заданной температуре. С каждой затяжкой нагревательный элемент охлаждается. Контур управления температурой компенсирует это охлаждение посредством временного повышения коэффициента заполнения импульсов тока. Длительные периоды на уровне или рядом с предельным значением коэффициента заполнения могут указывать на чрезмерные затяжки и вызвать снижение предельного значения коэффициента заполнения.
Посредством ограничения максимального коэффициента заполнения до уровня, который предполагается в рамках «нормальной» манеры пользователя и внешних условий, могут быть предотвращены температурные пики. Очевидно, что предельное значение коэффициента заполнения и характер его изменения во времени могут быть экспериментально определены для соответствия конкретным конструкциям устройства, субстратам и сценариям использования.
Коэффициент заполнения импульсов тока может быть отслежен посредством микроконтроллера, и если коэффициент заполнения отличается от предполагаемого коэффициента заполнения в течение продолжительного периода, то микроконтроллер может предпринять корректирующее действие или может прекратить подачу питания на нагревательный элемент.
Максимальный предел коэффициента заполнения может быть установлен таким образом, чтобы являться верхним предельным значением предполагаемого уровня коэффициента заполнения для нормальной манеры пользователя, или установлен таким образом, чтобы соответствовать конкретному пользователю в соответствии с его или ее предпочтением. Если действительный коэффициент заполнения затем находится на максимальном пределе коэффициента заполнения на протяжении большей части времени, то это указывает на то, что система охлаждается сильнее, чем предполагалось чрезмерными затяжками со стороны пользователя. Согласно вышеописанному при чрезмерных затяжках существует повышенный риск сгорания в результате увеличенного количества кислорода, соприкасающегося с субстратом. На фиг.4 проиллюстрирован контур гистерезисного управления, в котором применяется метод устранения дребезга посредством триггера Шмидта, для обнаружения такой ненормальной манеры затяжек и снижения целевой температуры или предельного значения коэффициента заполнения, если такие ненормальные затяжки обнаружены. Однако следует понимать, что существуют альтернативы контуру управления посредством триггера Шмидта, такие как управление со скользящим окном, фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (IIR) и фильтры с конечной импульсной характеристикой (FIR).
Процесс, показанный на фиг.4, начинается и переходит к этапу 400, на котором произвольная переменная состояния «состояние», которая первоначально установлена в качестве 0, модифицируется посредством коэффициента f, который меньше единицы, например 0,75. На этапе 410 коэффициент заполнения сравнивается с пороговым значением DC1 коэффициента заполнения. Если коэффициент заполнения превышает или равняется пороговому значению коэффициента заполнения, то переменная состояния увеличивается на величину c, например 0,25, на этапе 420 перед переходом на этап 430. Пороговое значение DC1 коэффициента заполнения может являться максимальным пределом коэффициента заполнения некоторой пропорциональной части максимального предела коэффициента заполнения. Если коэффициент заполнения ниже порогового коэффициента заполнения, то переменная состояния остается неизменной и процесс переходит на этап 430. Переменная состояния затем сравнивается с пороговым значением ST состояния на этапе 430. Пороговое значение состояния может быть установлено, например, в качестве 0,8. Если переменная состояния меньше или равна пороговому значению состояния, то процесс возвращается на этап 400. Если переменная состояния превышает пороговое значение состояния, то обнаруживается условие перед сгоранием и либо целевая температура нагревательного элемента, либо максимальный предел коэффициента заполнения снижаются на этапе 440. Переменная состояния затем восстанавливается на этапе 450 перед возвращением процесса на этап 400.
Процесс, показанный на фиг.4, гарантирует, что кратковременные флуктуации не вызовут обнаружение условия перед сгоранием. Условие перед сгоранием будет обнаружено, только если коэффициент заполнения превышает пороговый коэффициент заполнения в течение нескольких циклов процесса управления. Контур управления, показанный на фиг.4, периодически запускается повторно, например каждые 100 мс, в соответствии с частотой контура управления ПИД-регулятором.
На фиг.5 проиллюстрировано снижение целевой температуры в результате процесса управления, проиллюстрированного на фиг.4. Верхняя линия 50 указывает температуру нагревательного элемента. Нижняя линия 55 является коэффициентом заполнения токового сигнала. На фиг.5 показано, что на примерно 275 секунде после начала сеанса курения сработал механизм обнаружения перед сгоранием, поскольку, начиная с примерно 240 секунды, нижнее предельное значение коэффициента заполнения вызвало большее падение температуры во время затяжек и система скомпенсировала это посредством поддержания коэффициента заполнения на уровне его верхнего предельного значения в течение более длительного времени. Целевая температура затем была снижена до 350°C.
На фиг.6 проиллюстрирован контур гистерезисного управления, в котором снова используется метод устранения дребезга посредством триггера Шмидта, для обнаружения сгорания субстрата. На этапе 600 произвольная переменная состояния «состояние», которая первоначально установлена в качестве 0, модифицируется посредством коэффициента f, который меньше единицы, например 0,9. На этапе 610 коэффициент заполнения сравнивается со вторым пороговым значением DC2 коэффициента заполнения. Второе пороговое значение коэффициента заполнения устанавливается на уровне 75% от порогового значения максимального коэффициента заполнения. Если коэффициент заполнения ниже второго порогового значения коэффициента заполнения, то переменная состояния увеличивается на b, в этом примере на 0,3, на этапе 620 перед переходом на этап 630. Если коэффициент заполнения превышает или равен второму пороговому значению коэффициента заполнения, то переменная состояния остается неизменной и процесс переходит непосредственно на этап 630. На этапе 630 переменная состояния сравнивается с пороговым значением ST переменной состояния, которое в этом примере равно единице. Если переменная состояния превышает ST, то прекращается подача питания на нагревательный элемент. Микропроцессор просто удерживает переключатель 26 в открытом состоянии. Затем процесс завершается. Если переменная состояния меньше или равна ST, то процесс возвращается на этап 600.
На фиг.7 проиллюстрировано обнаружение сгорания с использованием процесса типа, показанного на фиг.6. На фиг.7 показано значительное падение коэффициента заполнения на примерно 140 секунде, но этого было недостаточно для срабатывания механизма обнаружения сгорания. Однако на примерно 155 секунде коэффициент заполнения упал ниже минимального предельного значения фильтра обнаружения сгорания и оставался низким в течение некоторого времени, пока температура оставалась на уровне или выше заданной целевой температуры. Сравнение действительной температуры с заданной целевой температурой может быть включено в контур управления, показанный на фиг.6, или может быть реализовано в качестве отдельного процесса. Это вызывает немедленное прекращение подачи питания на нагревательный элемент. На практике механизм обнаружения сгорания обнаружил энергию, которая начинает исходить от субстрата, нежели от его источника электропитания, и прекратил сеанс курения до того, как субстрат входит в автоматическое сгорание.
действительная
целевая
В дополнение к процессам обнаружения перед сгоранием и сгорания, описанным со ссылкой на фиг.4 и 6, питание, подаваемое на нагревательный элемент, может быть прекращено только на основании обнаруженной температуры. На фиг.8 проиллюстрирован пример контура управления для снижения питания на основании обнаружения чрезмерной температуры. Контур управления, показанный на фиг.8, может быть включен в контур управления, показанный на фиг.4 или фиг.6. Например, в процессе, показанном на фиг.4, этап 800, показанный на фиг.8, может быть выполнен непосредственно перед этапом 400 в каждом контуре. В качестве альтернативы контур управления, показанный на фиг.8, может быть реализован в качестве отдельного контура управления. На этапе 800 действительная обнаруженная температура T (как определено посредством сопротивления нагревательного элемента или отдельного датчика температуры) сравнивается с целевой температурой T. Если действительная температура меньше целевой температуры, то процесс повторяется или, если он включен в другой процесс управления, выполняется оставшийся этап процесса управления. Если действительная температура равна или превышает целевую температуру, то процесс переходит на этап 810, на котором прекращается питание, подаваемое на нагревательный элемент. Питание, подаваемое на нагревательный элемент, может быть прекращено посредством микроконтроллера, управляющего переключателем, таким как переключатель 26, показанный на фиг.2. Затем работа устройства может быть прекращена в течение заданного периода времени, во время которого нагревательный элемент охлаждается до приемлемой температуры. Использование простого порогового значения температуры для прекращения питания, подаваемого на нагревательный элемент, предоставляет непосредственный способ для предотвращения или снижения вероятности сгорания субстрата.
Приведенные в качестве примера варианты осуществления, описанные выше, представлены для иллюстрации, а не ограничения. Ввиду вышеописанных приведенных в качестве примера вариантов осуществления, другие варианты осуществления, соответствующие вышеуказанным приведенным в качестве примера вариантам осуществления, будут понятны специалисту в данной области техники.