СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ В СИСТЕМЕ, ГЕНЕРИРУЮЩЕЙ АЭРОЗОЛЬ
METHOD FOR CONTROL OF HEATING IN AEROSOL GENERATING SYSTEM

Настоящее изобретение относится к способу управления нагревом в системе, генерирующей аэрозоль, содержащей нагреватель, а также к такой системе, генерирующей аэрозоль. В частности, изобретение относится к удерживаемым рукой электрическим системам, генерирующим аэрозоль, которые испаряют субстрат, образующий аэрозоль, путем нагрева для генерирования аэрозоля.
Известны электрические системы, генерирующие аэрозоль. Подобные системы, как правило, состоят из части в виде устройства, имеющей батарею и управляющую электронику, субстрата, образующего аэрозоль, электрического нагревателя, содержащего по меньшей мере один резистивный нагревательный элемент, выполненный с возможностью нагрева субстрата, образующего аэрозоль, и мундштука. В некоторых системах субстрат, образующий аэрозоль, содержит жидкость, и удлиненный фитиль используется для транспортировки жидкого субстрата, образующего аэрозоль, к нагревателю. Нагреватель, как правило, содержит катушку резистивной нагревательной проволоки, намотанной вокруг удлиненного фитиля. Нагреватель, фитиль и жидкий субстрат, образующий аэрозоль, часто содержатся в картридже, который может быть прикреплен к части в виде устройства или вмещен в нее. Когда пользователь активирует устройство, электрический ток проходит через нагреватель, вызывая резистивный нагрев, за счет которого жидкость в фитиле испаряется. Посредством вдоха через мундштук или выполнения затяжки через него воздух втягивается через систему и захватывает пар, который затем охлаждается с образованием аэрозоля. Воздух, содержащий аэрозоль, покидает систему через мундштук и входит в рот пользователя.
В контексте настоящего документа термин «субстрат, генерирующий аэрозоль» означает субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Такие летучие соединения могут высвобождаться в результате нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может в целях удобства быть частью изделия или системы, генерирующей аэрозоль.
В целом желательно, чтобы системы, генерирующие аэрозоль, могли вырабатывать аэрозоль, который оставался бы однородным в течение некоторого времени. Это является особенно важным, если аэрозоль предназначен для потребления человеком, поскольку вариации в аэрозоле могут ухудшать восприятие пользователя, а значительные вариации могут быть потенциально опасными. Также в целом желательно, чтобы системы, генерирующие аэрозоль, максимально эффективно вырабатывали аэрозоль в рамках количества энергии, необходимой для генерирования аэрозоля. Однако этого сложно достичь вследствие вариаций в процессе изготовления систем, вариаций в свойствах субстратов, образующих аэрозоль, используемых в таких системах, и разных рабочих условий, в которых используются системы.
В системах, генерирующих аэрозоль, в которых используется жидкий субстрат, образующий аэрозоль, также желательно, чтобы можно было обнаружить и избежать ситуации «сухого нагрева», т. е. ситуации, при которой нагреватель нагревается в присутствии недостаточного количества жидкого субстрата, образующего аэрозоль. Эта ситуация также известна как «сухая затяжка» и может привести к перегреву и потенциально к термическому разложению жидкого субстрата, образующего аэрозоль, вследствие чего могут образовываться нежелательные побочные продукты, такие как формальдегид.
Для выработки однородного аэрозоля может быть необходимым управление или регулирование температуры нагревателя, используемого для нагрева субстрата, образующего аэрозоль.
Цель настоящего изобретения заключается в предоставлении системы, генерирующей аэрозоль, посредством которой вырабатывается аэрозоль с более однородными свойствами во время нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Дополнительной целью настоящего изобретения является предоставление системы, генерирующей аэрозоль, которая более эффективно нагревает субстрат, образующий аэрозоль, и уменьшает вероятность сухой затяжки.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения представлен способ управления нагревом в системе, генерирующей аэрозоль, содержащей нагреватель, причем способ включает: первый этап управления, на котором на нагреватель подают заданную мощность и определяют сопротивление нагревателя, причем определенное сопротивление указывает на температуру нагревателя; отслеживание заданного условия и при обнаружении заданного условия регистрирование сопротивления нагревателя; определение целевого сопротивления, соответствующего целевой температуре нагревателя, на основании зарегистрированного сопротивления; и второй этап управления, на котором мощность, подаваемую на нагреватель, управляемым образом приспосабливают для приведения сопротивления нагревателя к целевому сопротивлению, таким образом, нагреватель приводят к целевой температуре, соответствующей целевому сопротивлению.
Одной возможностью управления или регулирования температуры нагревателя является регулирование мощности. В системе с регулируемой мощностью на нагреватель подают заданную или постоянную мощность и отслеживают сопротивления нагревателя. Поскольку соотношение между электрическим сопротивлением нагревателя и температурой нагревателя обычно известно или может быть определено, сопротивление нагревателя может предоставлять показатель температуры нагревателя. Например, электрическое сопротивление нагревателя может, как известно, быть пропорциональным температуре нагревателя, в этом случае между сопротивлением и температурой будет по существу линейное соотношение.
При подаче заданной или постоянной мощности температура нагревателя сначала будет быстро увеличиваться, например в течение приблизительно 0,3 секунды, в направлении целевой температуры. Обычно мощность выбирают таким образом, что температура нагревателя начинает стабилизироваться в области целевой температуры. Однако при меньшей мощности обычно необходимо поддерживать температуру нагревателя на уровне целевой температуры, чем на том уровне, который нужен для его разогрева. Следовательно, если продолжают подачу постоянной мощности на нагреватель, температура нагревателя продолжит повышаться в течение некоторого времени сверх целевой температуры, но с меньшей скоростью. За счет отслеживания сопротивления можно снижать или прекращать подачу мощности на нагреватель, если сопротивление становится слишком высоким, т. е. если температура нагревателя увеличивается сверх целевой температуры. Однако в системах с регулируемой мощностью температура нагревателя склонна превышать целевую температуру. Это может являться нежелательным, поскольку может привести к увеличенному генерированию аэрозоля и, следовательно, изменчивости доставки аэрозоля при вдохе пользователя. Кроме того, превышение целевой температуры означает расход энергии, что негативно влияет на эффективность устройства.
Другой возможностью управления или регулирования температуры нагревателя является регулирование сопротивления. В системах с регулируемым сопротивлением устанавливают целевое сопротивление, указывающее на целевую температуру, и мощность, подаваемую на нагреватель, приспосабливают так, чтобы сопротивление нагревателя двигалось к области целевого сопротивления или удерживалось в ней. Однако регулирование температуры посредством использования регулирования сопротивления может являться проблематичным, поскольку существуют трудности в расчете целевого сопротивления вследствие различных факторов, которые негативно влияют на сопротивление нагревателя, например вариации при изготовлении, изменчивость контактного сопротивления, варьирующиеся свойства субстрата, генерирующего аэрозоль, разные температуры окружающей среды и различающиеся геометрические формы, материалы и значения сопротивления различных нагревателей.
В способе согласно первому аспекту настоящего изобретения используют два этапа управления для управления нагревом в системе, генерирующей аэрозоль: первый этап управления, который основан на регулировании мощности, и второй этап, который основан на регулировании сопротивления. Вследствие этого получают гибридный способ регулирования, что означает, что можно использовать преимущества обоих типов регулирования, и в то же время можно уменьшить ряд недостатков каждого типа. Такой гибридный способ обеспечивает ряд полезных эффектов, как, например, следующие.
На первом этапе управления, основанном только на регулировании мощности, необходима подача постоянной мощности на нагреватель и определение сопротивления нагревателя. Отсутствует необходимость в приспосабливании мощности во время этого этапа управления и, следовательно, ею относительно проще управлять, и используют меньшее количество ресурсов управления по сравнению с регулированием сопротивления. Это является преимущественным во время начальных этапов цикла нагрева, т. е. пока нагреватель просто разогревается, поскольку в это время существует меньшая необходимость в регулировании температуры.
При обнаружении заданного условия сопротивление регистрируют, и зарегистрированное сопротивление могут использовать для определения целевого сопротивления на основании зарегистрированного сопротивления. Поскольку целевое сопротивление основано просто на сопротивлении нагревателя, зарегистрированном во время обнаружения заданного условия, целевое сопротивление могут определять вне зависимости от различных факторов, которые в ином случае могли бы негативно воздействовать на сопротивление нагревателя, таких как вариации при изготовлении, изменчивость контактного сопротивления, варьирующиеся свойства субстрата, генерирующего аэрозоль, разные температуры окружающей среды и различающиеся геометрические формы, материалы и значения сопротивления различных нагревателей.
После определения целевого сопротивления могут выполнять второй этап управления, основанный на регулировании сопротивления, на котором мощность, подаваемую на нагреватель, управляемым образом приспосабливают для приведения сопротивления нагревателя к целевому сопротивлению, таким образом нагреватель приводят к целевой температуре, соответствующей целевому сопротивлению. Это снижает вероятность превышения температурой нагревателя целевой температуры. Следовательно, стабильность или однородность свойств сгенерированного аэрозоля являются улучшенными как во время одного вдоха, так и в течение последующих вдохов. Например, можно стабилизировать объем доставленного аэрозоля, а также составляющих, содержащихся в аэрозоле. Это обеспечивает общее улучшенное ощущение пользователя. Кроме того, за счет снижения количества превышений температуры расходуется меньшее количество энергии и улучшается эффективность системы.
В контексте настоящего документа термин «целевое сопротивление» относится к электрическому сопротивлению нагревателя, которое определяют на основе сопротивления нагревателя, зарегистрированного при обнаружении заданного условия. Как обсуждалось выше, поскольку соотношение между электрическим сопротивлением нагревателя и температурой нагревателя обычно известно или может быть определено, сопротивление нагревателя может предоставлять показатель температуры нагревателя. Следовательно, целевое сопротивление имеет соответствующую целевую температуру, и наоборот.
В контексте настоящего документа термин «целевая температура» относится к температуре или температурному диапазону, соответствующему целевому сопротивлению. Целевой температуры достаточно для генерирования аэрозоля из субстрата, образующего аэрозоль, но она ниже температуры, при которой возникает термическое разложение субстрата, образующего аэрозоль, или образуются нежелательные побочные продукты.
Способ может переходить с первого этапа управления на второй этап управления при обнаружении заданного условия. Это обеспечивает быстрый ответ на заданное условие.
В контексте настоящего документа термин «заданное условие» относится к условию или критерию, который указывает, что сопротивление нагревателя представляет собой целевое сопротивление или находится рядом с этим значением. Условие может быть известно или определено перед выполнением способа. Как описано выше, когда мощность подают на нагреватель, температура и, следовательно, сопротивление нагревателя вначале быстро возрастает перед тем, как стабилизироваться приблизительно при целевой температуре. Точку, при которой сопротивление начинается стабилизироваться, можно отслеживать, и различные точки в рамках стабилизации устанавливают в качестве заданного условия.
Заданное условие может быть выбрано из одного или более разных условий, как, например, следующие.
В качестве одного примера, заданное условие может представлять собой время, истекшее от начала вдоха пользователя. Время, затраченное на стабилизацию сопротивления для значения целевой температуры или близко к нему, может быть известно или может быть определено, и это время можно использовать в качестве заданного условия.
В качестве другого примера заданное условие может представлять собой производную сопротивления, которая меньше заданного порогового значения. В контексте настоящего изобретения термин «производная сопротивления» относится к измерению чувствительности для изменения сопротивления относительно изменения другой переменной. Например, производная может представлять собой скорость изменения сопротивления во времени, например, кривую зависимости градиента сопротивления от времени, или производная может представлять собой абсолютное изменение сопротивления во времени выборки. Когда сопротивление начинает стабилизироваться приблизительно при целевой температуре, скорость изменения сопротивления со временем начинает снижаться. Заданное условие может представлять собой конкретное значение скорости изменения сопротивления, и посредством способа можно отслеживать, когда скорость изменения сопротивления падает ниже этого значения.
В еще одном примере заданное условие может представлять собой производную сопротивления, равную нулю. Когда температура нагревателя достигла наивысшей температуры, он достигнет заданной мощности, скорость изменения температуры и, таким образом, скорость изменения сопротивления станет нулевой. Эту нулевую скорость изменения сопротивления можно использовать в качестве заданного условия.
В дополнение, заданное условие может представлять собой любой подходящий критерий, основанный на сопротивлении и/или времени.
Первый этап управления и второй этап управления могут выполнять во время вдоха пользователя и необязательно во время каждого вдоха пользователя или затяжки. Это обеспечивает установку целевого сопротивления и эффективную оптимизацию для каждого вдоха. Это является особенно целесообразным, если целевое сопротивление, как правило, изменяется между затяжками, например, если субстрат, образующий аэрозоль, израсходуется или рабочие условия окружающей среды быстро изменяются.
В контексте настоящего документа термины «вдох» и «затяжка» используют взаимозаменяемо и они предназначены для обозначения действия пользователя, затягивающегося через конец системы для втягивания аэрозоля из системы.
Первый этап управления и второй этап управления могут выполнять во время первого вдоха пользователя, и при втором и последующих вдохах пользователя могут выполнять только второй этап управления. Это обеспечивает установку целевого сопротивления при первом вдохе пользователя и использования для всех последующих вдохов, таким образом будут получать однородный аэрозоль при всех последующих вдохах в конкретном сеансе пользователя. При необходимости температуру нагревателя можно увеличивать до целевой температуры быстрее, чем на первом этапе управления, который основан на регулировании мощности, поскольку второй этап управления не ограничен необходимостью подачи постоянной мощности. Иными словами, мощность можно увеличивать сверх постоянной мощности согласно первому этапу управления, если система того требует, для более быстрого приведения температуры нагревателя к целевой температуре.
Целевое сопротивление могут определять после нескольких начальных вдохов пользователя. Необязательно во время осуществления нескольких начальных вдохов пользователя могут выполнять только первый этап управления и этап отслеживания и обнаружения заданного условия и регистрирования сопротивления. Для этого переключение на второй режим управления будет происходить между вдохами, а не во время вдоха.
Целевое сопротивление могут определять на основании среднего значения зарегистрированных сопротивлений из нескольких начальных вдохов пользователя. Целевое сопротивление, основанное на среднем значении зарегистрированных сопротивлений из нескольких начальных вдохов пользователя, может обеспечивать приведение в соответствие или корректировку вариации первоначально зарегистрированных сопротивлений, например при первоначальной активации системы, генерирующей аэрозоль, до того, как система термически стабилизируется, или если рабочие условия окружающей среды резко изменяются при активации, например, когда пользователь перемещается с улицы в помещение.
При вдохах пользователя после нескольких начальных вдохов пользователя могут выполнять только второй этап управления, и целевое сопротивление может быть основано на среднем значении зарегистрированных сопротивлений из нескольких начальных вдохов пользователя. Это может обеспечить получение однородного аэрозоля при последующих вдохах в конкретном сеансе пользователя. При необходимости температуру нагревателя можно увеличивать до целевой температуры быстрее, чем на первом этапе управления, который основан на регулировании мощности, поскольку второй этап управления не ограничен необходимостью подачи постоянной мощности.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения представлена система, генерирующая аэрозоль, содержащая: нагреватель; блок питания; и контроллер; причем контроллер выполнен с возможностью: подачи заданной мощности на нагреватель и определения сопротивления нагревателя в первом режиме управления, при этом определенное сопротивление указывает на температуру нагревателя; отслеживания заданного условия и при обнаружении заданного условия регистрирования сопротивления нагревателя; определения целевого сопротивления, соответствующего целевой температуре нагревателя, на основании зарегистрированного сопротивления; и управляемым образом приспосабливания мощности, подаваемой на нагреватель, для приведения сопротивления нагревателя к целевому сопротивлению во втором режиме управления, таким образом, нагреватель приводят к целевой температуре, соответствующей целевому сопротивлению.
В системе согласно второму аспекту настоящего изобретения используют два режима управления для управления нагревом в системе, генерирующей аэрозоль: первый режим управления, основанный на регулировании мощности, и второй режим управления, основанный на регулировании сопротивления. Первый и второй режимы управления соответствуют первому и второму этапам способа согласно первому аспекту настоящего изобретения. Следовательно, система выполнена с возможностью гибридного регулирования температуры, что означает, что можно использовать преимущества обоих типов регулирования, и в то же время можно уменьшить ряд недостатков каждого типа. Подобное гибридное регулирование обеспечивает ряд полезных эффектов, которые описаны выше в первом аспекте настоящего изобретения и для краткости здесь не повторяются.
Контроллер может быть выполнен с возможностью переключения с первого режима управления на второй режим управления при обнаружении заданного условия. Это обеспечивает быстрый ответ на заданное условие.
Заданное условие может быть выбрано из одного или более из следующего: i) время, истекшее от начала вдоха пользователя; ii) производная сопротивления меньше заданного порогового значения; и iii) производная сопротивления равна нулю. Каждое из заданных условий является таким же, как заданные условия для первого аспекта настоящего изобретения, и описаны выше. Для краткости это описание здесь не повторяется. В дополнение, заданное условие может представлять собой любой подходящий критерий, основанный на сопротивлении и/или времени.
Первый режим управления и второй режим управления могут использовать во время вдоха пользователя и необязательно во время каждого вдоха пользователя. Это обеспечивает установку целевого сопротивления и эффективную оптимизацию для каждого вдоха. Это является особенно целесообразным, если целевое сопротивление, как правило, изменяется между затяжками, например, если субстрат, образующий аэрозоль, израсходуется или рабочие условия окружающей среды быстро изменяются.
Первый режим управления и второй режим управления могут использовать во время первого вдоха пользователя, и при втором и последующих вдохах пользователя могут использовать только второй режим управления. Это обеспечивает установку целевого сопротивления при первом вдохе пользователя и использования для всех последующих вдохов, таким образом будут получать однородный аэрозоль при всех последующих вдохах в конкретном сеансе пользователя. При необходимости температуру нагревателя можно увеличивать до целевой температуры быстрее, чем в первом режиме управления, который основан на регулировании мощности, поскольку второй режим управления не ограничен необходимостью подачи постоянной мощности. Иными словами, мощность можно увеличивать сверх постоянной мощности согласно первому режиму управления, если система того требует, для более быстрого приведения температуры нагревателя к целевой температуре.
Целевое сопротивление могут определять после нескольких начальных вдохов пользователя. Необязательно во время осуществления нескольких начальных вдохов пользователя может быть использован только первый режим, а также отслеживание и обнаружение заданного условия и регистрирование сопротивления. Для этого переключение на второй режим управления будет происходить между вдохами, а не во время вдоха.
Целевое сопротивление могут определять на основании среднего значения зарегистрированных сопротивлений из нескольких начальных вдохов пользователя. Целевое сопротивление, основанное на среднем значении зарегистрированных сопротивлений из нескольких начальных вдохов пользователя, может обеспечивать приведение в соответствие или корректировку вариации определенного целевого сопротивления, например при первоначальной активации системы, генерирующей аэрозоль, до того, как система термически стабилизируется, или если рабочие условия окружающей среды резко изменяются при активации, например, когда пользователь перемещается с улицы в помещение.
При вдохах пользователя после нескольких начальных вдохов пользователя могут использовать только второй режим управления, и целевое сопротивление может быть основано на среднем значении зарегистрированных сопротивлений из нескольких начальных вдохов пользователя. Это может обеспечить получение однородного аэрозоля при последующих вдохах в конкретном сеансе пользователя. При необходимости температуру нагревателя можно увеличивать до целевой температуры быстрее, чем в первом режиме управления, который основан на регулировании мощности, поскольку второй режим управления не ограничен необходимостью подачи постоянной мощности.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения нагреватель может содержать электрически резистивный нагревательный элемент. Нагреватель может содержать электрически резистивный материал. Подходящие электрически резистивные материалы включают, но без ограничения: полупроводники, такие как легированная керамика, электрически «проводящую» керамику (такую как, например, дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, сплавы металлов и композиционные материалы, изготовленные из керамического материала и металлического материала. Такие композитные материалы могут содержать легированную или нелегированную керамику. Примеры подходящей легированной керамики включают легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают титан, цирконий, тантал, платину, золото и серебро. Примеры подходящих сплавов металлов включают нержавеющую сталь, никель-, кобальт-, хром-, алюминий-, титан-, цирконий-, гафний-, ниобий-, молибден-, тантал-, вольфрам-, олово-, галлий-, марганец-, золото- и железосодержащие сплавы, а также жаропрочные сплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали, Timetal и сплавы на основе железа-марганца-алюминия. В композитных материалах электрически резистивный материал может быть необязательно встроен в изоляционный материал, инкапсулирован в него или покрыт им, или наоборот, в зависимости от кинетики переноса энергии и требуемых внешних физико-химических свойств.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения нагреватель может содержать внутренний нагревательный элемент или внешний нагревательный элемент, или как внутренний, так и внешний нагревательные элементы, где термины «внутренний» и «внешний» относятся к положению относительно субстрата, образующего аэрозоль. Внутренний нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, внутренний нагревательный элемент может иметь форму нагревательной пластины. Альтернативно внутренний нагреватель может иметь форму кожуха или субстрата, имеющих различные электропроводящие участки, или форму электрически резистивной металлической трубки. Альтернативно внутренний нагревательный элемент может представлять собой одну или более нагревательных игл или стержней, которые проходят через центр субстрата, образующего аэрозоль. Другие альтернативные варианты включают нагревательную проволоку или нить, например Ni-Cr (хромоникелевую), платиновую, вольфрамовую или проволоку из сплавов или нагревательную пластину. Необязательно внутренний нагревательный элемент может быть нанесен внутри или снаружи на жесткий материал носителя. В одном таком варианте осуществления электрически резистивный нагревательный элемент может быть выполнен с использованием металла, обладающего определенным соотношением между температурой и удельным сопротивлением. В таком приведенном в качестве примера устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки на подходящем изоляционном материале, таком как керамический материал, а затем уложен между двумя слоями другого изоляционного материала, такого как стекло. Образованные таким образом нагреватели могут быть использованы как для нагрева, так и для отслеживания температуры нагревательных элементов во время работы.
Нагреватель может содержать проницаемый для текучей среды нагревательный элемент. Проницаемый для текучей среды нагревательный элемент может быть по существу плоским и может содержать электрически проводящие нити. Электрически проводящие нити могут находиться в одной плоскости. В других вариантах осуществления по существу плоский нагревательный элемент может быть изогнутым вдоль одного или более измерений, например образуя куполообразную форму или мостовую форму.
Электрически проводящие нити могут образовывать промежутки между нитями, и пустоты могут иметь ширину от 10 мкм до 100 мкм. Нити могут создавать капиллярный эффект в пустотах, так что при использовании жидкий субстрат, образующий аэрозоль, втягивается в пустоты, увеличивая площадь контакта между нагревательным элементом и жидкостью.
Электрически проводящие нити могут образовывать сетку размером от 160 до 600 меш по стандарту США (+/- 10%) (т. е. от 160 до 600 нитей на дюйм (+/- 10%)). Ширина промежутков предпочтительно составляет от 75 мкм до 25 мкм. Процентное соотношение открытой площади сетки, которое является отношением площади промежутков к общей площади сетки, предпочтительно составляет от 25 до 56%. Сетка может быть образована с использованием разных типов плетеных или решетчатых структур. В качестве альтернативы электрически проводящие нити состоят из матрицы нитей, расположенных параллельно друг другу.
Электрически проводящие нити могут иметь диаметр от 10 мкм до 100 мкм, предпочтительно от 8 мкм до 50 мкм и более предпочтительно от 8 мкм до 39 мкм. Нити могут иметь круглое поперечное сечение или могут иметь сплющенное поперечное сечение. Нити нагревателя могут быть образованы путем травления листового материала, такого как фольга. Если нагреватель в сборе содержит сетку или тканое полотно из нитей, нити могут быть получены по отдельности и связаны вместе.
Площадь проницаемого для текучей среды нагревательного элемента может быть, например, меньшей или равной 50 квадратным миллиметрам, предпочтительно меньшей или равной 25 квадратным миллиметрам, более предпочтительно приблизительно 15 квадратным миллиметрам.
Электрическое сопротивление сетки, матрицы или тканого полотна из электрически проводящих нитей нагревательного элемента может составлять от 0,3 Ом до 4 Ом. Предпочтительно электрическое сопротивление равно или выше 0,5 Ом. Более предпочтительно, электрическое сопротивление сетки, матрицы или тканого полотна из электрически проводящих нитей составляет от 0,6 до 0,8 Ом.
Субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой жидкий субстрат, образующий аэрозоль. Если предусмотрен жидкий субстрат, образующий аэрозоль, то система, генерирующая аэрозоль, предпочтительно содержит средства для удержания жидкости. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может удерживаться в части для хранения жидкости или емкости. Альтернативно или дополнительно жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть поглощен пористым материалом носителя. Пористый материал носителя может быть изготовлен из любой подходящей поглощающей заглушки или детали, например из вспененного металлического или пластмассового материала, полипропилена, терилена, нейлоновых волокон или керамики.
Если предоставлен жидкий субстрат, образующий аэрозоль, как первый, так и второй аспекты настоящего изобретения могут быть выполнены с возможностью обнаружения сухой затяжки, например посредством обнаружения, когда зарегистрированное сопротивление увеличивается сверх порогового значения, или посредством обнаружения, когда мощность, необходимая для сохранения целевого сопротивления нагревателя, падает ниже порогового значения.
Субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый субстрат, образующий аэрозоль. Альтернативно субстрат, образующий аэрозоль, может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие табачные вкусоароматические соединения, которые высвобождаются из субстрата при нагреве. Альтернативно субстрат, образующий аэрозоль, может содержать нетабачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может дополнительно содержать вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль.
Система, генерирующая аэрозоль, может содержать корпус, имеющий мундштучную часть и основную часть. Основная часть может содержать электрический блок питания, например перезаряжаемую литий-ионную батарею, схему управления, имеющую контроллер, например микроконтроллер, и пользовательский интерфейс для приведения в действие нагревателя, например устройство для обнаружения затяжки или нажимную кнопку. Мундштучная часть может содержать часть для хранения жидкости, например картридж, вмещающую жидкий субстрат, генерирующий аэрозоль. Картридж может содержать капиллярный материал для передачи жидкого субстрата, образующего аэрозоль, на нагреватель. Картридж также может содержать нагреватель.
Схема управления может быть предназначена для подачи мощности на нагревательный элемент в виде серии импульсов электрического напряжения. Тогда мощность, подаваемую на нагревательный элемент, можно регулировать посредством регулирования коэффициента заполнения импульсов напряжения. Коэффициент заполнения можно регулировать посредством изменения ширины импульса или частоты импульсов, или и того, и другого. Альтернативно схема управления может быть предназначена для подачи мощности на нагревательный элемент в виде непрерывного сигнала постоянного тока. Контур пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления может быть использован для приведения сопротивления нагревателя к целевому сопротивлению.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения представлен контроллер для системы, генерирующей аэрозоль, причем контроллер выполнен с возможностью выполнения любого из способов, описанных выше.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения представлена компьютерная программа, которая при выполнении на программируемом контроллере для системы, генерирующей аэрозоль, обеспечивает выполнение программируемым контроллером любого из способов, описанных выше.
Признаки, описанные в отношении одного аспекта, могут быть в равной степени применены к другим аспектам настоящего изобретения.
Варианты осуществления настоящего изобретения далее будут описаны исключительно в качестве примеров со ссылками на прилагаемые графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показано схематическое изображение системы, генерирующей аэрозоль, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 показано схематическое изображение температурного профиля нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, полученного посредством способа согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 показано схематическое изображение температурного профиля нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, полученного посредством способа согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 показано схематическое изображение температурного профиля нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, полученного посредством способа согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 5 показано схематическое изображение температурного профиля нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, полученного посредством способа согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 6 показано схематическое изображение температурного профиля нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, полученного посредством способа согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 7 показано схематическое изображение температурного профиля нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, демонстрирующее сценарий сухой затяжки;
на фиг. 8 показано схематическое изображение температурного профиля нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, демонстрирующее другой сценарий сухой затяжки;
на фиг. 9 показано схематическое изображение схемы управления температурой для системы, генерирующей аэрозоль, такого типа, как показано на фиг. 1.
На фиг. 1 показано схематическое изображение системы, генерирующей аэрозоль. Система 100 содержит корпус 101, имеющий мундштучную часть 103 и основную часть 105. В основной части 105 предоставлены электрический блок 107 питания, например перезаряжаемая литий-ионная батарея, схема 109 управления, имеющая контроллер 110, например микроконтроллер, и устройство 111 для обнаружения затяжки. В мундштучной части 103 предоставлены часть 113 для хранения жидкости, например картридж, содержащая жидкий субстрат 115, генерирующий аэрозоль, фитиль 117, выполненный из капиллярного материала, и нагреватель 119, содержащий по меньшей мере один нагревательный элемент. Один конец фитиля 117 проходит в картридж 113, а другой конец фитиля 117 окружен нагревателем 119. Нагреватель 119 соединен с устройством 111 для обнаружения затяжки посредством соединительных элементов 121, которые, в свою очередь, соединены со схемой 109 управления посредством дополнительных соединительных элементов (не показаны). Корпус 101 также содержит впускное отверстие 123 для воздуха в области устройства 111 для обнаружения затяжки, выпускное отверстие 125 для воздуха, которое расположено на выходе мундштучной части 103, и камеру 127 для образования аэрозоля, окружающую нагреватель 119.
Жидкий субстрат 115, образующий аэрозоль, передается или переносится фитилем 117 посредством капиллярного эффекта от картриджа 113 к концу фитиля, который окружен нагревателем 119. При использовании пользователь вдыхает через мундштучную часть 103 или делает через нее затяжку, окружающий воздух втягивается через впускное отверстие 123 для воздуха. Вдох или затяжка обнаруживаются или воспринимаются устройством 111 для обнаружения затяжки, которое приводит в действие нагреватель 119. Батарея 107 подает энергию на нагреватель 119 для нагрева конца фитиля 117, окруженного нагревателем. Жидкость на этом конце фитиля 117 испаряется нагревателем 119 для создания перенасыщенного пара. В то же время испаряемая жидкость заменяется другой жидкостью, движущейся по фитилю 117 за счет капиллярного действия. Созданный перенасыщенный пар смешивается с потоком воздуха и переносится в нем от впускного отверстия 123 для воздуха и конденсируется в камере 127 для образования аэрозоля для образования вдыхаемого аэрозоля, который переносится к выпускному отверстию 125 и в рот пользователя.
Контроллер 110 является программируемым и имеет встроенные программное обеспечение или программно-аппаратное обеспечение для управления мощностью, подаваемой на нагреватель 119 с целью регулирования его температуры. Это, в свою очередь, влияет на температурный профиль нагревателя, что повлияет на количество получаемого аэрозоля. Контроллер 110 подает мощность на нагреватель 119 посредством широтно-импульсной модуляции (PWM), при которой используется серия импульсов электрического напряжения для передачи мощности. Мощность, подаваемая на нагреватель, может варьироваться за счет варьирования коэффициента заполнения импульсов на постоянной частоте. Коэффициент заполнения является отношением периода времени, в который мощность подается, к периоду времени, когда мощность не подается. Иными словами, это отношение ширины импульсов напряжения ко времени между импульсами напряжения. Например, низкий коэффициент заполнения, составляющий 5%, обеспечит значительно меньшую мощность, чем коэффициент заполнения, составляющий 95%.
На фиг. 2 показан график зависимости сопротивления R от времени t и температурный профиль нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, который нагревается посредством способа согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, на фиг. 2 показаны данные для первых трех вдохов или затяжек в сеансе пользователя, в котором всеми тремя вдохами управляют посредством гибридного регулирования, т. е. комбинации регулирования мощности и регулирования сопротивления.
0
1
L1
T1
Система запускается в момент времени t, например, когда пользователь включает систему. Пользователь начинает выполнять первый вдох или затяжку в момент времени t, что приводит в действие нагреватель. Нагреватель вначале управляется посредством первого этапа или режима управления на основании регулирования мощности (обозначенного на фигурах PR), на котором на нагреватель подается постоянная заданная мощность, соответствующая заданному коэффициенту заполнения. Заданная мощность может быть относительно высокой, например с коэффициентом заполнения от 80% до 95%, для быстрого повышения температуры нагревателя. Подача заданной мощности обеспечивает увеличение температуры нагревателя и определение сопротивления нагревателя с равными промежутками для предоставления показателя температуры нагревателя. Заданная мощность подается на нагреватель, пока не обнаружится заданное условие в момент времени t, в котором сопротивление фиксируется или регистрируется, и целевое сопротивление R определяется на основании зарегистрированного сопротивления. В целом, целевое сопротивление будет таким же, как и зарегистрированное сопротивление, хотя также возможно, что целевое сопротивлениебудет отличаться от зарегистрированного сопротивления, например функцией зарегистрированного сопротивления, или включать известную корректировку отклонений в зависимости от требований системы. С использованием этого способа целевое сопротивление определяется независимо от каких-либо вариаций сопротивления нагревателя или характеристик системы. Целевое сопротивление соответствует целевой температуре, до которой должен нагреваться нагреватель.
В примере по фиг. 2 заданное условие представляет собой точку, в которой скорость изменения сопротивления падает ниже конкретного порогового значения, т. е. точку, в которой градиент температурного профиля снижается до заданного значения. В частности, на фиг. 2 заданное условие представляет собой точку, в которой градиент температурного профиля приближается к нулю.
L1
T1
T1
T1
В момент времени t управление нагревателем переходит на второй этап или режим управления, основанный на регулировании сопротивления (обозначено на фигурах как RR), на котором мощность, подаваемую на нагреватель, управляемым образом приспосабливают для приведения сопротивления нагревателя к целевому сопротивлению R, таким образом нагреватель приводят к целевой температуре, соответствующей целевому сопротивлению R. На втором этапе или режиме управления используют ПИД управление для регулирования сопротивления. ПИД управление внедрено в программное обеспечение, запрограммированное в контроллере. Для регулирования сопротивления определяют сопротивление нагревателя и высчитывают отклонение между определенным сопротивлением и целевым сопротивлением R. Затем коэффициент заполнения мощности корректируют с использованием ПИД управления для корректировки отклонения и приведения нагревателя к целевому сопротивлению. Сопротивление определяют на частоте, выбранной для соответствия частоте, при которой управляют коэффициентом заполнения, и могут определять раз в 100 мс или чаще в зависимости от необходимости.
L1
T1
2
После перехода на второй этап или режим управления, основанный на регулировании сопротивления в момент времени t, сопротивление сохраняют по существу постоянным на уровне значения целевого сопротивления R, пока пользователь не прекратит свой первый вдох или затяжку в момент времени t.
3
5
T2
T3
L2
L3
T1
T2
T3
T1
T2
T3
В примере по фиг. 2 для каждого последующего вдоха или затяжки используют подобное гибридное регулирование, как описано выше. Пользователь делает второй и третьи вдохи в моменты времени t и t соответственно и соответствующие целевые сопротивления R и R определяют в моменты времени t и t соответственно. На фиг. 2 каждый из трех вдохов имеет собственное целевое сопротивление, т. е. R, R и R соответственно. Целевые сопротивления по существу подобны, но немного отличаются, чтобы учитывать немного разные условия для каждого вдоха, таким образом, целевые сопротивления R, R и R оптимизированы для каждого вдоха.
На фиг. 3 показан график зависимости сопротивления R от времени t и температурный профиль нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, который нагревается посредством способа согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, на фиг. 3 показаны данные для первых трех вдохов или затяжек в сеансе пользователя, в котором только первый вдох регулируют посредством гибридного регулирования, а второй и последующие вдохи регулируют с использованием только регулирования сопротивления.
0
1
L1
T
2
На фиг. 3 показано, что систему запускают в момент времени t и пользователь начинает выполнять первый вдох или затяжку в момент времени t, что приводит в действие нагреватель. Первый вдох, как показано на фиг. 3, регулируют таким же образом, как вдохи, которые показаны на фиг. 2. Во время первого вдоха нагревателем вначале управляют посредством первого этапа или режима управления на основании регулирования мощности. При обнаружении заданного условия в момент времени t сопротивление регистрируют и целевое сопротивление R определяют на основании зарегистрированного сопротивления. В этой точке управление нагревателем переходит на второй этап или режим управления, основанный на регулировании сопротивления, который используют для оставшихся вдохов, пока вдох не прекратится в момент времени t.
3
5
4
6
T
T
Как показано на фиг. 3, второй и третий вдохи начинаются в моменты времени t и t соответственно, причем в эти моменты времени нагреватель снова приводят в действие, но им управляют посредством второго этапа управления, основанного только на регулировании сопротивления, пока вдохи не прекратятся в моменты времени t и t соответственно. Следовательно, второй и третий вдохи регулируют на основании целевого сопротивления R для первого вдоха. Это обеспечивает генерирование однородного аэрозоля для всех вдохов. В дополнение, нагреватель может быть быстрее приведен к целевой температуре, соответствующей целевому сопротивлению R при необходимости, поскольку второй этап или режим управления не ограничен подачей постоянной заданной мощности, а может подавать мощность с коэффициентом заполнения до 100% при необходимости, чтобы довести температуру нагревателя до целевой температуры как можно быстрее. Как можно увидеть на фиг. 3, температурные профили второго и третьего вдохов имеют более крутые градиенты по сравнению с первым вдохом, что указывает на более высокую скорость изменения температуры. На втором этапе или режиме управления, используемом для регулирования второго и третьего вдохов, используют ПИД управление для регулирования сопротивления, которое внедрено в программное обеспечение, запрограммированное в контроллере.
На фиг. 4 показан график зависимости сопротивления R от времени t и температурный профиль нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, который нагревается посредством способа согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, на фиг. 4 показаны данные для первых пяти вдохов или затяжек в сеансе пользователя, в котором первые три вдоха регулируют посредством гибридного регулирования, а четвертый и последующие вдохи регулируют с использованием только регулирования сопротивления.
0
1
L1
1
На фиг. 4 показано, что систему запускают в момент времени t и пользователь начинает выполнять первый вдох или затяжку в момент времени t, в который приводят в действие нагреватель. Первый вдох, как показано на фиг. 4, регулируют таким же образом, как вдохи, которые показаны на фиг. 2. Во время первого вдоха нагревателем вначале управляют посредством первого этапа или режима управления на основании регулирования мощности, на котором на нагреватель подают постоянную заданную мощность, соответствующую заданному коэффициенту заполнения. Заданную мощность подают на нагреватель, пока не обнаружат заданное условие в момент времени t, в котором сопротивление R фиксируют или регистрируют. Заданное условие в примере по фиг. 4, опять же, представляет собой точку, в которой градиент температурного профиля приближается к нулю. Целевое сопротивление в этой точке не определяют. Вместо этого, при осуществлении способа перед определением целевого сопротивления вначале отслеживают один или более дополнительных вдохов или затяжек.
L1
1
1
Как показано на фиг. 4, в момент времени t управление нагревателем переходит на второй этап или режим управления, основанный на регулировании сопротивления, на котором мощность, подаваемую на нагреватель, управляемым образом приспосабливают для приведения сопротивления нагревателя к зарегистрированному сопротивлению R, таким образом, нагреватель приводят к температуре, соответствующей зарегистрированному сопротивлению R. На втором этапе или режиме управления используют ПИД управление, которое внедрено в программное обеспечение, запрограммированное в контроллере, для регулирования сопротивления.
L1
1
2
После перехода на второй этап или режим управления, основанный на регулировании сопротивления в момент времени t, как показано на фиг. 4, сопротивление сохраняют по существу постоянным на значении зарегистрированного сопротивления R, пока пользователь не прекратит свой первый вдох или затяжку в момент времени t.
3
5
L2
L3
2
3
4
6
Второй и третий вдохи, как показано на фиг. 4, регулируют таким же образом, как первый вдох. Второй и третий вдохи начинают в моменты времени t и t соответственно, в которые нагреватель снова приводят в действие. Нагревателем вначале управляют посредством первого этапа или режима управления на основании регулирования мощности, а при обнаружении заданного условия в моменты времени t и t сопротивления R и R соответствующим образом регистрируют. Затем управление нагревателем переходит на второй этап или режим управления, основанный на регулировании сопротивления, который используют для оставшихся вдохов, пока второй и третий вдохи не прекратятся в моменты времени t и t соответственно.
1
2
3
T
1
2
3
7
9
8
10
T
1
2
3
Три отдельных зарегистрированных сопротивления R, R и R первых трех вдохов используют для определения целевого сопротивления R, которое основано на среднем значении трех зарегистрированных сопротивлений R, R и R. Четвертый и пятый вдохи регулируют таким же образом, как второй и третий вдохи, которые показаны на фиг. 3. Как показано на фиг. 4, четвертый и пятый вдохи начинаются в моменты времени t и t соответственно, причем в эти моменты времени нагреватель снова приводят в действие, но им управляют посредством второго этапа управления, основанного только на регулировании сопротивления, пока вдохи не прекратятся в моменты времени t и t соответственно. Четвертый и последующие вдохи регулируют с использованием целевого сопротивления R, которое основано на среднем значении зарегистрированных сопротивлений R, R и R. Это обеспечивает генерирование однородного аэрозоля для четвертого и последующих вдохов.
На фиг. 5 показан график зависимости сопротивления R от времени t и температурный профиль нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, который нагревается посредством способа согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, на фиг. 5 показаны данные для первых семи вдохов или затяжек в сеансе пользователя, в котором первые пять вдохов регулируют посредством гибридного регулирования, а шестой и последующие вдохи регулируют с осуществлением только регулирования сопротивления. Этот способ могут использовать, если зарегистрированное сопротивление для нескольких первых затяжек значительно варьируется, т. е. вариация сопротивления выходит за пределы заданного или допустимого диапазона, что может происходить, например, при первоначальной активации системы, генерирующей аэрозоль, до термической стабилизации системы.
0
1
3
5
1
2
3
L1
L2
L3
1
2
3
2
4
6
На фиг. 5 показано, что систему запускают в момент времени t и пользователь начинает выполнять первые три вдоха или затяжки в моменты времени t, t и t соответственно, в которые приводят в действие нагреватель. Первые три вдоха, как показано на фиг. 5, регулируют таким же образом, как первые три вдоха, которые показаны на фиг. 4. Во время первых трех вдохов нагревателем вначале управляют посредством первого этапа или режима управления на основании регулирования мощности. Для каждого вдоха регистрируют отдельное сопротивление, т. е. R, R и R соответственно, при обнаружении заданного условия для каждого вдоха в моменты времени t, t и t соответственно. В этих точках управление нагревателем переходит на второй этап или режим управления с использованием регулирования сопротивления на основании трех соответствующих зарегистрированных сопротивлений R, R и R, причем этап или режим используют для оставшихся каждого из вдохов, пока вдох не прекратится в моменты времени t, t и t соответственно.
Условие для определения целевого сопротивления может заключаться в том, что зарегистрированное сопротивление для n-го количества последних вдохов или затяжек попадает в максимальный заданный диапазон ΔRmax. Если это так, то целевое сопротивление может быть основано либо на последнем зарегистрированном сопротивлении, либо на среднем значении n-го количества последних вдохов.
1
2
3
max
1
2
3
1
2
3
max
1
2
3
1
2
3
max
Как показано на фиг. 5, n задают равным 3, и значения сопротивлений R, Rи R выходят за пределы максимального заданного диапазона ΔR. Иными словами, максимальное значение R, R и R минус минимальное значение R, R и R больше, чем максимальный заданный диапазон ΔR, т. е. Max {R, R и R} - Min {R, R и R} > ΔR. Соответственно в способе не определяют целевое сопротивление, а отслеживают дальнейший вдох, выполняемый пользователем.
7
4
L4
8
2
3
4
max
Четвертый вдох выполняют в момент времени t и регулируют таким же образом, как первые три вдоха, т. е. с использованием гибридного регулирования. Четвертое сопротивление Rрегистрируют при обнаружении заданного условия в момент времени t, и четвертый вдох прекращают в момент времени t. Затем в способе проверяют зарегистрированные сопротивления для последних трех вдохов, т. е. R, R и R. Однако, как показано на фиг. 5, эти три сопротивления также выходят за пределы максимального заданного диапазона ΔR. Следовательно, в способе не определяют целевое сопротивление, а отслеживают дальнейший вдох, выполняемый пользователем.
9
5
L5
10
3
4
5
max
T
T
5
3
4
5
T
3
4
5
Пятый вдох выполняют в момент времени t и регулируют таким же образом, как первые четыре вдоха, т. е. с использованием гибридного регулирования. Пятое сопротивление Rрегистрируют при обнаружении заданного условия в момент времени t, и четвертый вдох прекращают в момент времени t. Затем в способе проверяют зарегистрированные сопротивления для последних трех вдохов, т. е. R, R и R. Как показано на фиг. 5, эти три значения сопротивлений попадают в максимальный заданный диапазон ΔR и, следовательно, целевое сопротивление R можно определить. Целевое сопротивление R либо может быть основано на последнем зарегистрированном сопротивлении, т. е. R, либо может быть основано на среднем значении зарегистрированных сопротивлений последних трех вдохов, т. е. R, R и R. На фиг. 5 показано, что целевое сопротивление R основано на среднем значении зарегистрированных сопротивлений последних трех вдохов, т. е. R, R и R.
11
13
12
14
T
3
4
5
Шестой и седьмой вдохи регулируют таким же образом, как второй и третий вдохи, которые показаны на фиг. 3. Как показано на фиг. 5, шестой и седьмой вдохи начинаются в моменты времени t и t соответственно, причем в эти моменты времени нагреватель снова приводят в действие, но им управляют посредством второго этапа управления, основанного только на регулировании сопротивления, пока вдохи не прекратятся в моменты времени t и t соответственно. Шестой и последующие вдохи регулируют с использованием целевого сопротивления R, которое основано на среднем значении зарегистрированных сопротивлений R, R и R. Это обеспечивает генерирование однородного аэрозоля для шестого и последующих вдохов.
На фиг. 6 показан график зависимости сопротивления R от времени t и температурный профиль нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, который нагревается посредством способа согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, на фиг. 6 показаны данные для первых пяти вдохов или затяжек в сеансе пользователя, в котором первые три вдоха регулируют посредством регулирования только мощности, а шестой и последующие вдохи регулируют с использованием регулирования только сопротивления.
0
1
2
L1
1
Первые три вдоха, как показано на фиг. 6, отличаются от начальных вдохов согласно другим примерам, показанным на фигурах, тем, что их регулируют посредством регулирования только мощности. На фиг. 6 показано, что систему запускают в момент времени t и пользователь начинает выполнять первый вдох или затяжку в момент времени t, в который приводят в действие нагреватель. Во время вдоха нагревателем вначале управляют посредством первого этапа или режима управления на основании регулирования мощности, на котором на нагреватель подают постоянную заданную мощность, соответствующую заданному коэффициенту заполнения, пока вдох не прекращают в момент времени t. При обнаружении заданного условия в момент времени t регистрируют сопротивление R. Заданное условие на примере по фиг. 6 представляет собой точку, в которой градиент температурного профиля приближается к нулю.
Как упомянуто выше, в системе с регулируемой мощностью обычно используют относительно высокую заданную мощность, например с коэффициентом заполнения от 80% до 95%, для как можно более быстрого повышения температуры нагревателя до целевой температуры. После достижения целевой температуры мощность могут постепенно снижать, поскольку для поддержания целевой температуры в нагревателе обычно требуется меньшее количество мощности, чем для его разогрева. Однако поскольку при первом вдохе во время его выполнения не переходят на второй этап или режим управления, т. е. при обнаружении заданного условия, сопротивление не регулируют до уровня зарегистрированного сопротивления и, следовательно, температура нагревателя продолжает повышаться свыше зарегистрированного сопротивления, хотя и с меньшей скоростью.
1
L1
1
Целевое сопротивление, основанное на зарегистрированном сопротивлении R, могут определять при обнаружении заданного условия, т. е. в момент времени t. Например, целевая температура может быть определена, если R находится в заданном диапазоне. Однако в способе, показанном на фиг. 6, применяют альтернативный подход и вначале отслеживают два дополнительных вдоха или затяжки с использованием исключительно регулирования мощности перед определением целевого сопротивления для учета вариации сопротивления при первых нескольких вдохах.
3
5
4
6
L2
L3
2
3
Второй и третий вдохи, как показано на фиг. 6, регулируют таким же образом, как первый вдох. Второй и третий вдохи начинают в моменты времени t и t соответственно, в которые нагреватель снова приводят в действие. Нагревателем управляют посредством только первого этапа или режима управления на основании регулирования только мощности, пока вдох не прекратится в моменты времени t и t соответственно. При обнаружении заданного условия в моменты времени t и t, сопротивления R и R регистрируют соответствующим образом.
1
2
3
T
1
2
3
7
9
8
10
T
1
2
3
Три зарегистрированных сопротивления R, R и R первых трех вдохов используют для определения целевого сопротивления R, которое основано на среднем значении трех зарегистрированных сопротивлений R, R и R. Четвертый и пятый вдохи регулируют таким же образом, как второй и третий вдохи, которые показаны на фиг. 3, т. е. с использованием только регулирования сопротивления. Как показано на фиг. 6, четвертый и пятый вдохи начинаются в моменты времени t и t соответственно, причем в эти моменты времени нагреватель снова приводят в действие, но им управляют посредством второго этапа управления, основанного только на регулировании сопротивления, пока вдохи не прекратятся в моменты времени t и t соответственно. Четвертый и последующие вдохи регулируют с использованием целевого сопротивления R, которое основано на среднем значении зарегистрированных сопротивлений R, R и R. Это обеспечивает генерирование однородного аэрозоля для четвертого и последующих вдохов.
1
2
3
Альтернативно, если три зарегистрированных сопротивления R, R и R не находятся в максимальном заданном диапазоне, система может ожидать стабилизации сопротивления и его вхождения в заданный диапазон перед расчетом целевого сопротивления на основании среднего значения зарегистрированных сопротивлений подобным образом, как в способе, описанном в связи с фиг. 5.
На фиг. 7 показан график зависимости сопротивления R от времени t и температурный профиль нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, в котором нагреватель демонстрирует сценарий сухой затяжки. В частности, на фиг. 7 показаны данные для первых трех вдохов или затяжек в сеансе пользователя, в котором всеми вдохами управляют посредством гибридной регуляции, т. е. комбинации регулирования мощности и регулирования сопротивления. Как описано выше, ситуация «сухой затяжки» или «сухого нагрева» возникает, когда нагреватель нагревают в присутствии недостаточного количества жидкого субстрата, образующего аэрозоль. Это может привести к перегреву и потенциально к термическому разложению жидкого субстрата, образующего аэрозоль, вследствие чего могут образовываться нежелательные побочные продукты, такие как формальдегид.
0
1
L1
1
1
2
На фиг. 7 показано, что систему запускают в момент времени t и пользователь начинает выполнять первый вдох или затяжку в момент времени t, что приводит в действие нагреватель. Во время первого вдоха в нагревателе, которым вначале управляют посредством первого этапа или режима управления на основании регулирования мощности, присутствует жидкость. При обнаружении заданного условия в момент времени t сопротивление R регистрируют и целевое сопротивление могут определять на основании зарегистрированного сопротивления R. В этой точке управление нагревателем переходит на второй этап или режим управления, основанный на регулировании сопротивления, который используют для оставшихся вдохов, пока вдох не прекратится в момент времени t.
3
5
2
L2
3
L3
2
3
1
Второй и третий вдохи, как показано на фиг. 7, регулируют таким же образом, как первый вдох, и начинают в моменты времени t и t соответственно. Однако для второго и третьего вдохов доступно недостаточное количество жидкого субстрата, генерирующего аэрозоль, и возникает сухая затяжка. При обнаружении заданного условия сопротивление R регистрируют в момент времени t во время второго вдоха и сопротивление R регистрируют в момент времени t во время третьего вдоха. Сопротивления R и R заметно выше, чем сопротивление R вследствие сухих затяжек. Это наблюдается из-за того, что в системе с регулируемой мощностью на нагреватель подают постоянную заданную мощность, и, если в нагревателе присутствует недостаточное количество жидкого субстрата, образующего аэрозоль, например, если картридж, в котором хранится жидкий субстрат, образующий аэрозоль, пуст, будет наблюдаться заметное повышение достигнутой предельной температуры и, следовательно, зарегистрированного сопротивления, поскольку для испарения жидкости затрачивают меньшую мощность или не затрачивают ее вообще. Кроме того, температура будет повышаться с более высокой скоростью по сравнению с тем, когда жидкость присутствует, что очевидно из резко возросшей скорости повышения температуры для второго и третьего вдохов.
Система выполнена с возможностью обнаружения этого заметного повышения зарегистрированного сопротивления вследствие присутствия недостаточного количества жидкости. В частности, система выполнена с возможностью обнаружения, когда зарегистрированное сопротивление повышается свыше порогового значения. При обнаружении система способна изолировать нагреватель для предотвращения дальнейших сухих затяжек, тем самым снижая вероятность воздействия на пользователя нежелательных побочных продуктов. Команды на обнаружение сухой затяжки и изолирование нагревателя могут быть реализованы программным обеспечением, запрограммированным в контроллере.
На фиг. 8 показан график зависимости сопротивления R от времени t и температурный профиль нагревателя системы, генерирующей аэрозоль, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, в котором нагреватель демонстрирует другой сценарий сухой затяжки. В частности, на фиг. 8 показаны данные для первых трех вдохов или затяжек в сеансе пользователя, в котором первый вдох регулируют посредством гибридного регулирования, а последующие вдохи регулируют посредством регулирования сопротивления.
0
1
L1
T
2
На фиг. 8 показано, что систему запускают в момент времени t и пользователь начинает выполнять первый вдох или затяжку в момент времени t, что приводит в действие нагреватель. Первый вдох, как показано на фиг. 8, регулируют таким же образом, как первый вдох, который показан на фиг. 7. Во время первого вдоха в нагревателе, которым вначале управляют посредством первого этапа или режима управления на основании регулирования мощности, присутствует жидкость. При обнаружении заданного условия в момент времени t сопротивление регистрируют и целевое сопротивление R определяют на основании зарегистрированного сопротивления. В этой точке управление нагревателем переходит на второй этап или режим управления, основанный на регулировании сопротивления, который используют для оставшихся вдохов, пока вдох не прекратится в момент времени t.
3
5
T
4
6
Для второго и третьего вдохов в нагревателе доступно недостаточное количество жидкого субстрата, генерирующего аэрозоль, и поэтому возникает сухая затяжка. Как показано на фиг. 8, второй и третий вдохи начинаются в моменты времени t и t соответственно, причем в эти моменты времени нагреватель снова приводят в действие, но им управляют посредством второго этапа управления, основанного на регулировании сопротивления, на котором сопротивление регулируют до целевого сопротивления R первого вдоха, пока вдохи не прекратятся в моменты времени t и t соответственно. Поскольку система приспосабливает мощность для второго и третьего вдохов для сохранения постоянного сопротивления, невозможно использовать изменение сопротивления для обнаружения сценария сухой затяжки, поскольку его поддерживают постоянным. Вместо этого необходимо отслеживать уровень мощности, необходимый для сохранения целевого сопротивления и, следовательно, сохранения целевой температуры. Когда в нагревателе присутствует недостаточное количество жидкого субстрата, генерирующего аэрозоль, количество мощности, необходимой для поддержания постоянной температуры, будет заметно меньшим, чем когда жидкость присутствует, поскольку для испарения жидкости мощность не затрачивается.
Система выполнена с возможностью обнаружения заметного снижения мощности, необходимой для сохранения целевого сопротивления нагревателя. В частности, система выполнена с возможностью обнаружения, когда мощность, необходимая для сохранения целевого сопротивления нагревателя, падает ниже порогового значения. При обнаружении система способна изолировать нагреватель для предотвращения дальнейших сухих затяжек, тем самым снижая вероятность воздействия на пользователя нежелательных побочных продуктов. Команды на обнаружение сухой затяжки и изолирование нагревателя могут быть реализованы программным обеспечением, запрограммированным в контроллере.
На фиг. 9 показана схема 200 управления, используемая для обеспечения описанного регулирования температуры, согласно одному варианту осуществления изобретения.
V2
r
V1
V1
V2
Схема 200 управления содержит нагреватель 214, содержащий резистивный нагревательный элемент, соединенный с электрическим блоком питания посредством соединительного элемента 222. Электрический блок питания предоставляет напряжение . Добавочный резистор 224 с известным сопротивлением  установлен последовательно с нагревателем 214. В схеме в точке между нагревателем 214 и добавочным резистором 224, т. е. на стороне заземления нагревателя 214, присутствует напряжение . Напряжение  представляет собой промежуточное значение между заземлением и напряжением . Программное обеспечение для обеспечения регулирования температуры встроено в программное обеспечение, запрограммированное в микроконтроллере 218, который может доставлять сигнал напряжения с широтно-импульсной модуляцией через выход 230 микроконтроллера 218 на транзистор 226, который выполняет функцию обычного переключателя для приведения в действие нагревателя 214 в соответствии с сигналом напряжения с широтно-импульсной модуляцией.
Показатель температуры нагревателя 214 (в этом примере электрическое сопротивление нагревателя 214) определяют посредством измерения электрического сопротивления нагревателя 214. Показатель температуры используют для корректировки коэффициента заполнения напряжения с широтно-импульсной модуляцией, подаваемого на нагреватель 214, для сохранения сопротивления нагревателя вблизи целевого сопротивления. Показатель температуры определяют на частоте, выбранной для соответствия времени, необходимого для процесса управления, и могут определять раз в 100 мс или чаще в зависимости от необходимости.
Аналоговый вход 221 на микроконтроллере 218 используют для отслеживания напряжения V2 со стороны источника электропитания нагревателя 214. Аналоговый вход 223 на микроконтроллере используют для отслеживания напряжения V1 со стороны заземления нагревателя 214.
R
R
heater
heater
Сопротивление нагревателя, которое должно быть измерено при определенной температуре, представляет собой . Для того чтобы микропроцессор 218 мог измерить сопротивление  нагревателя 214, могут быть определены как сила тока, проходящего через нагреватель 214, так и напряжение на нагревателе 214. Тогда для определения сопротивления можно использовать закон Ома:
(1)
V2-V1
I
На фиг. 9 напряжение на нагревателе составляет , а сила тока, проходящего через нагреватель, представляет собой . Таким образом:
(2)
(1)
Добавочный резистор 224, сопротивление r которого известно, используют для определения силы тока I, снова используя уравнение , приведенное выше. Сила тока, проходящего через резистор 224, также равно I, а напряжение на резисторе 224 равно V1. Таким образом:
(3)
(2)
(3)
Итак, объединение  и  дает:
(4)
V2
V1
r
R
heater
Таким образом, микропроцессор 218 может измерять  и  по мере того, как используется система, генерирующая аэрозоль, и, зная значение , может определять сопротивление нагревателя  при конкретной температуре.
R
T
R
heater
heater
Сопротивление нагревателя  приводят в соответствие с температурой. Линейное приближение могут использовать для определения температуры , соответствующей измеренному сопротивлению  в соответствии со следующей формулой:
(5)
R
T
0
0
где A представляет собой коэффициент термического сопротивления материала нагревателя, а  представляет собой сопротивление нагревателя при температуре окружающей среды .
R
heater
Преимущество схемы 200 управления заключается в том, что отсутствует необходимость в датчике температуры. Такие датчики могут быть громоздкими и дорогими. Также вместо температуры микроконтроллер может использовать непосредственно значение сопротивления. Если сопротивление  нагревателя удерживают в границах требуемого диапазона, то же сделают и с температурой нагревателя 214. Соответственно фактическую температуру нагревателя 214 не нужно вычислять во время процесса управления, что повышает эффективность вычислений. Однако можно использовать отдельный датчик температуры и присоединить его к микроконтроллеру для предоставления необходимой информации о температуре, если потребуется.
Программное обеспечение, запрограммированное в микроконтроллере 218, выполнено с возможностью отслеживания заданного условия и при обнаружении заданного условия регистрирования сопротивления нагревателя. Заданное условие и сопротивление могут храниться в запоминающем устройстве микроконтроллера 218. Программное обеспечение, запрограммированное в микроконтроллере 218, выполнено с возможностью определения целевого сопротивления на основании зарегистрированного сопротивления.
R
R
heater
heater
Микроконтроллер 218 также выполнен с возможностью приспособления коэффициента заполнения сигнала напряжения с широтно-импульсной модуляцией для управления мощностью, подаваемой на нагреватель, для приведения сопротивления нагревателя к целевому сопротивлению, таким образом нагреватель приводят к целевой температуре, соответствующей целевому сопротивлению. Для регулирования сопротивления определяют сопротивление  нагревателя и высчитывают отклонение между определенным сопротивлением  нагревателя и целевым сопротивлением. Затем коэффициент заполнения мощности корректируют с использованием пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления для корректировки отклонения и приведения нагревателя к целевому сопротивлению. ПИД управление внедрено в программное обеспечение, запрограммированное в контроллере 218.
Мощность P, предоставляемую на нагреватель 214, можно определить с использованием следующей формулы:
P=V I
(6)
(3)
где V представляет собой напряжение на нагревателе, т. е. V2-V1, а I представляет собой силу тока, проходящего через нагреватель, которая может быть определена с использованием уравнения  выше. Определенную мощность можно использовать, например, для обнаружения сценария сухой затяжки, показанного на фиг. 8.