СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ АЭРОЗОЛЯ С УЛУЧШЕННЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ АЭРОЗОЛЯ
AEROSOL GENERATING SYSTEM WITH IMPROVED AEROSOL PRODUCTION

Настоящее изобретение относится к способу управления производством аэрозоля. Настоящее изобретение дополнительно относится к системе генерирования аэрозоля, в частности к электроуправляемой системе генерирования аэрозоля. Настоящее изобретение находит конкретное применение в качестве способа управления производством аэрозоля в системе генерирования аэрозоля посредством, по меньшей мере, одного электрического элемента электроуправляемой курительной системы.
В публикации WO-A-2009/132793 раскрыта курительная система с электрическим нагревом. Жидкость хранится на участке хранения жидкости, при этом капиллярный фитиль имеет первый конец, продолжающийся на участок хранения жидкости для соприкосновения в нем с жидкостью, и второй конец, продолжающийся из участка хранения жидкости. Нагревательный элемент нагревает второй конец капиллярного фитиля. Нагревательный элемент выполнен в виде спирально навитого электрического нагревательного элемента, находящегося в электрическом соединении с источником питания, и окружает второй конец капиллярного фитиля. На практике нагревательный элемент может активироваться пользователем для включения источника питания. Затяжка через мундштук пользователем приводит к тому, что воздух втягивается в курительную систему с электрическим нагревом через капиллярный фитиль и нагревательный элемент и далее попадает в ротовую полость пользователя.
Задача настоящего изобретения заключается в создании усовершенствованного способа управления электрическим нагревательным элементом такой электронагревательной системы генерирования аэрозоля.
Одна из конкретных проблем, связанных с устройством для генерации аэрозолей, заключается в генерировании аэрозоля, обладающего постоянными свойствами, невзирая на изменения скорости потока через устройство. Например, в устройстве, в котором скорость воздушного потока генерируется затяжками пользователя, изменения скорости потока через устройство могут происходить в течение одной затяжки пользователя или от одной затяжки к другой.
Целесообразно генерировать аэрозоль с одинаковым размером капель и одинаковой плотностью на постоянной основе, вне зависимости от изменений скорости потока газа, такого как воздух, через устройство.
Согласно одному аспекту изобретения, предложен способ управления производством аэрозоля в устройстве для генерации аэрозоля, при этом устройство содержит:
нагреватель, содержащий по меньшей мере один нагревательный элемент; и
источник питания для подачи мощности к нагревательному элементу,
включающий стадии:
определения температуры нагревательного элемента; и
регулировки мощности, подаваемой к нагревательному элементу, для поддержания температуры нагревательного элемента в требуемом температурном интервале, при этом требуемый температурный интервал динамически рассчитывается на основе измеренной скорости потока газа через или мимо устройства.
Предпочтительно устройство выполнено с возможностью обеспечения генерирования воздушного потока вдохом пользователя. Устройство может также представлять собой курительную систему с электрическим нагревом.
Аэрозоль представляет собой взвесь твердых частиц или капель жидкости в газе, таком как воздух. При производстве аэрозоля с использованием нагревательного элемента для выпаривания субстрата скорость производства аэрозоля и свойства произведенного аэрозоля зависят от температуры нагревательного элемента. Температура нагревательного элемента определяется не только мощностью, подаваемой к нагревательному элементу, но также факторами окружающей среды. В частности, скорость потока газов, проходящих мимо нагревательного элемента, оказывает важный охлаждающий эффект на нагревательный элемент.
Одним из примеров системы, в которой имеются изменения скорости воздушного потока, является система, в которой воздушный поток генерируется вдохом пользователя, например, электроуправляемая курительная система. Изменения скорости потока через устройство могут происходить в течение одной затяжки пользователя или от одной затяжки к другой. Различные пользователи имеют неодинаковые характеристики вдоха, при этом один и тот же пользователь может иметь неодинаковые характеристики вдоха в разное время. Различие в характеристиках вдоха может проявляться в течение одного вдоха или от одного вдоха к другому. Таким образом, желательно создать способ управления, вносящий поправки или нормализующий различия в дыхательном поведении пользователей.
Требуемый температурный интервал нагревательного элемента может состоять из единственной требуемой температуры. В качестве альтернативы температурный интервал нагревательного элемента может охватывать, например, десятки градусов по Цельсию. Приемлемый интервал температур - температуры, позволяющие образовать аэрозоль с требуемыми свойствами. Если температура слишком высока, в аэрозоле могут образовываться нежелательные химические вещества, если температура слишком низка, субстрат может выпариваться в недостаточной степени, при этом размер капель в аэрозоле может оказаться слишком большим.
Требуемый температурный интервал может зависеть от композиции аэрозоль-образующего субстрата. Различные субстраты обладают различной энтальпией испарения и претерпевают химическое разрушение при различных температурах. Следовательно, способ может дополнительно включать стадию определения характеристики или идентичности аэрозоль-образующего субстрата, и расчета или выбора требуемого температурного интервала на основе такой характеристики или идентичности. Например, стадия определения характеристики аэрозоль-образующего субстрата может включать в себя считывание указания идентичности аэрозоль-образующего субстрата, расположенного в корпусе или на корпусе аэрозоль-образующего субстрата. После того как идентичность субстрата определена, требуемый температурный интервал далее может быть выбран из базы данных, касающихся температурных интервалов, составленных для конкретных идентичных форм аэрозоль-образующего субстрата. Указание идентичности аэрозоль-образующего субстрата может быть выполнено, например, в виде: штрихового кода или другого поверхностного признака; характеристики корпуса субстрата, такой как форма или размер; либо характеристического сопротивлении или электрических характеристик, связанных с корпусом субстрата.
В электроуправляемой курительной системе, например, для пользователей, выполняющих длинные, но медленные затяжки, может оказаться желательной пониженная температура нагревательного элемента, при которой аэрозоль образуется с пониженной скоростью. Это в некоторой степени напоминает курение традиционной сигареты со сгораемой курительной частью. Однако температура нагревательного элемента должна поддерживаться выше нижнего порогового уровня, чтобы обеспечивать образование аэрозоля с требуемыми свойствами. Такая регулировка температуры нагревателя на основе скорости потока газа через или мимо устройства, может использоваться совместно с хранимыми температурными интервалами для конкретных композиций субстратов. Таким образом, регулировка температуры на основе скорости потока может выполняться в пределах температурного интервала, устанавливаемого композицией субстрата.
Предпочтительно стадию регулировки мощности проводят после того как нагревательный элемент достиг определенной температуры в требуемом температурном интервале. Например, стадия регулировки может начата только после того как температура нагревательного элемента достигнет середины заданного температурного интервала.
В качестве альтернативы или дополнительно стадия регулировки мощности может выполняться только после определенного времени после обнаружения потока газа через устройство, скорость которого превышает заданное пороговое значение скорости потока. Желательно нагревать нагревательный элемент как можно быстрее с учетом возможностей имеющегося источника питания. Это требуется для того, чтобы как можно быстрее произвести аэрозоль, обладающий требуемыми свойствами. Таким образом, для определенного момента времени вслед за обнаружением начала вдоха пользователя может доставляться максимальная мощность.
Способ предпочтительно также включает в себя стадию прекращения или снижения подачи мощности к нагревательному элементу вслед за стадией регулировки мощности для поддержания температуры нагревательного элемента. Это может выполняться на основе заданного времени после активации нагревательного элемента, измеренной скорости потока или расчета параметра, относящегося к скорости потока. Это обеспечивает прекращение производства аэрозоля с окончанием вдоха пользователя.
Стадия регулировки мощности может включать регулировку частоты или широтно-импульсную модуляцию пульсирующего сигнала мощности. Если мощность подается на нагревательный элемент в виде пульсирующего сигнала, регулировка частоты или рабочего цикла импульсов - эффективный способ поддержания температуры нагревательного элемента в требуемом интервале.
Стадия определения температуры нагревательного элемента может включать определение электрического сопротивления нагревательного элемента. Это обеспечивает возможность удобного и точного указания температуры. В качестве альтернативы может использоваться отдельный датчик температуры.
Согласно другому аспекту предложено электроуправляемое устройство для генерации аэрозоля, при этом устройство содержит по меньшей мере один нагревательный элемент для образования аэрозоля из субстрата; источник питания для подачи мощности к нагревательному элементу; и электрическую схему для управления подачей мощности от источника питания к по меньшей мере одному элементу генерирования аэрозоля, при этом электрическая схема выполнена с возможностью:
определения температуры нагревательного элемента и регулировки подачи мощности к нагревательному элементу для поддержания температуры нагревательного элемента в требуемом температурном интервале, при этом требуемый температурный интервал динамически рассчитывается на основе измеренной скорости потока газа через или мимо устройства.
Предпочтительно устройство выполнено с возможностью обеспечения генерирования воздушного потока вдохом пользователя.
Требуемый температурный интервал может состоять из единственной требуемой температуры.
Устройство может быть выполнено с возможностью приема аэрозоль-образующего субстрата. Требуемый температурный интервал может зависеть от композиции аэрозоль-образующего субстрата. Различные субстраты имеют различные температуры испарения и претерпевают химическое разрушение при различных температурах. Следовательно, устройство может дополнительно содержать средство для определения характеристики или идентичности аэрозоль-образующего субстрата, и расчета или выбора требуемого температурного интервала на основе такой характеристики или идентичности. Например, устройство может содержать средство считывания указания идентичности аэрозоль-образующего субстрата, расположенного в корпусе или на корпусе аэрозоль-образующего субстрата, при этом требуемый температурный интервал может далее выбираться из базы данных, касающихся температурных интервалов, на основе идентичности аэрозоль-образующего субстрата. Указание идентичности аэрозоль-образующего субстрата может быть выполнено, например, в виде штрихового кода или другого поверхностного признака; характеристики корпуса субстрата, такой как форма или размер; либо характеристического сопротивлении или электрических характеристик, связанных с корпусом субстрата.
Электрическая схема может быть выполнена с возможностью определения температуры нагревательного элемента на основе определения электрического сопротивления нагревательного элемента. В качестве альтернативы устройство может включать в себя отдельный датчик температуры.
Электрическая схема может содержать микроконтроллер. Микроконтроллер может включать в себя ПИД-регулятор для управления подачей мощности к нагревательному элементу.
Предпочтительно электрическая схема выполнена с возможностью выполнения стадий способа по другим аспектам изобретения. Для выполнения стадий способа по другим аспектам изобретения электрическая схема может быть жестко запрограммированной. Однако более предпочтительно, чтобы электрическая схема была программируемой для выполнения стадий способа по другим аспектам изобретения.
Нагреватель может содержать единственный нагревательный элемент. В качестве альтернативы он может представлять собой электрический нагреватель, содержащий один нагревательный элемент. В качестве альтернативы электрический нагреватель может содержать более одного нагревательного элемента, например два или три, или четыре, или пять, или шесть, или более нагревательных элементов. В качестве альтернативы электрический нагреватель может содержать по меньшей мере один нагревательный элемент для нагревания субстрата. Нагревательный элемент или нагревательные элементы могут располагаться должным образом, так чтобы наиболее эффективно нагревать аэрозоль-образующий субстрат.
По меньшей мере, один электрический нагревательный элемент предпочтительно содержит электрорезистивный материал. В число пригодных электрорезистивных материалов входят, но не ограничиваясь перечисленным: полупроводники, такие как легированная керамика, «электропроводящая» керамика (например, дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, металлические сплавы и композитные материалы, выполненные из керамического материала и металлического материала. Такие композитные материалы могут содержать легированную или беспримесную керамику. В число примеров пригодной легированной керамики входят легированные карбиды кремния. В число примеров пригодных металлов входят титан, цирконий, тантал, и металлы из платиновой группы. В число примеров пригодных металлических сплавов входят нержавеющая сталь, Константан, сплавы, содержащие никель, кобальт, хром, алюминий-титан-цирконий, гафний, ниобий, молибден, тантал, вольфрам, олово, галлий, марганец и железо, и суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющая сталь, Timetal, железо-алюминиевые сплавы и железо-марганцево-алюминиевые сплавы. Timetal - зарегистрированная торговая марка корпорации Titanium Металлы Corporation, 1999 Broadway Suite 4300, Denver Colorado. В композитных материалах электрорезистивный материал в качестве опции может быть встроен, инкапсулирован в изоляционный материал или покрыт им, или наоборот, в зависимости от кинетики переноса энергии и требуемых внешних физико-химических свойств. Нагревательный элемент может содержать металлическую протравленную фольгу, изолированную между двумя слоями инертного материала. В этом случае инертный материал может содержать Kapton, полиимидную пленку или фольгу из слюды. Kapton - зарегистрированная торговая марка компании E.I. du Pont de Nemours and Company, 1007 Market Street, Wilmington, Delaware 19898, США.
В качестве альтернативы по меньшей мере один электрический нагревательный элемент может содержать инфракрасный нагревательный элемент, источник фотонного излучения или индукционный нагревательный элемент.
По меньшей мере, один электрический нагревательный элемент может принимать любую пригодную форму. Например по меньшей мере один электрический нагревательный элемент может принимать форму нагревательной пластины. В качестве альтернативы по меньшей мере один электрический нагревательный элемент может принимать форму оболочки или субстрата, имеющего различные электропроводящие участки, либо электрорезистивной металлической трубки. Если аэрозоль-образующий субстрат представляет собой жидкость, находящуюся в контейнере, контейнер может содержать сменный нагревательный элемент. В качестве альтернативы могут также использоваться одна или более нагревательных игл или стержней, проходящих по центру аэрозоль-образующего субстрата. В качестве альтернативы по меньшей мере один электрический нагревательный элемент может представлять собой дисковый (концевой) нагревательный элемент или сочетание дискового нагревательного элемента с нагревательными иглами или стержнями. В качестве альтернативы по меньшей мере один электрический нагревательный элемент может содержать гибкий лист материала, выполненный с возможностью окружать или частично окружать аэрозоль-образующий субстрат. В число альтернативных решений входят проволока высокого сопротивления или нить накала, например проволока из Ni-Cr, платины, вольфрама или проволока из сплава, либо нагревательная пластина. В качестве опции нагревательный элемент может быть нанесен на жесткий материал-носитель или внесен в него.
По меньшей мере, один электрический нагревательный элемент может содержать теплопоглотитель или тепловой резервуар, содержащий материал, способный поглощать и сохранять тепло, а затем высвобождать тепло с течением времени в аэрозоль-образующий субстрат. Теплопоглотитель может быть выполнен из любого пригодного материала, такого как пригодный металл или керамический материал. Предпочтительно материал имеет высокую теплоемкость (материал теплового аккумулятора переменной температуры) или представляет собой материал, способный поглощать, а затем высвобождать тепло посредством обратимых процессов, например высокотемпературного фазового перехода. В число пригодных тепловых аккумулирующих материалов переменной температуры входят гель кремниевой кислоты, окись алюминия, углерод, стеклянный мат, стекловолокно, минералы, металл или сплав, такой как алюминиевый, серебряный или свинцовый, и целлюлозный материал, такой как бумага. В число других пригодных материалов, высвобождающих тепло посредством обратимого фазового перехода, входят парафин, ацетат натрия, нафталин, воск, полиэтиленоксид, металл, соль металла, эвтектическая смесь солей или сплав.
Теплопоглотитель или тепловой резервуар может располагаться так, чтобы напрямую соприкасаться с аэрозоль-образующим субстратом, и может переносить накопленное тепло непосредственно в субстрат. В качестве альтернативы тепло, накопленное в теплопоглотителе или тепловом резервуаре, может передаваться аэрозоль-образующему субстрату посредством проводника тепла, такого как металлическая трубка.
По меньшей мере, один нагревательный элемент может нагревать аэрозоль-образующий субстрат посредством электрической проводимости. Нагревательный элемент может находиться, по меньшей мере, частично в контакте с субстратом либо носителем, на котором субстрат осажден. В качестве альтернативы тепло от нагревательного элемента может проводиться в субстрат с помощью теплопроводного элемента.
В качестве альтернативы по меньшей мере один нагревательный элемент может передавать тепло поступающему окружающему воздуху, втягиваемому через электронагреваемое устройство для генерации аэрозоля в ходе эксплуатации, который, в свою очередь, нагревает аэрозоль-образующий субстрат путем конвекции. Окружающий воздух может нагреваться перед прохождением через аэрозоль-образующий субстрат. В качестве альтернативы, если аэрозоль-образующий субстрат представляет собой жидкий субстрат, окружающий воздух может сначала втягиваться через субстрат, а затем нагреваться.
Аэрозоль-образующий субстрат может представлять собой твердый аэрозоль-образующий субстрат. Аэрозоль-образующий субстрат предпочтительно содержит табакосодержащий материал, включающий в себя летучие ароматические соединения табака, высвобождаемые из субстрата при нагревании. Аэрозоль-образующий субстрат может содержать нетабачный материал. Аэрозоль-образующий субстрат может содержать табакосодержащий материал, и материал, не содержащий табака. Предпочтительно аэрозоль-образующий субстрат дополнительно содержит образователь аэрозоля. Примерами пригодных образователей аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль.
В качестве альтернативы аэрозоль-образующий субстрат может представлять собой жидкий аэрозоль-образующий субстрат. В одном варианте выполнения электронагреваемое устройство для генерации аэрозоля дополнительно содержит участок хранения жидкости. Предпочтительно жидкий аэрозоль-образующий субстрат хранится на участке хранения жидкости. В одном варианте выполнения электронагреваемое устройство для генерации аэрозоля дополнительно содержит капиллярный фитиль, сообщающийся с участком хранения жидкости. Существует также возможность, чтобы капиллярный фитиль для удерживания жидкости обеспечивался без участка хранения жидкости. В таком варианте выполнения капиллярный фитиль может быть предварительно загружен жидкостью.
Предпочтительно капиллярный фитиль выполнен с возможностью пребывания в контакте с жидкостью на участке хранения жидкости. В этом случае на практике жидкость поступает с участка хранения жидкости, по меньшей мере, в направлении одного электрического нагревательного элемента благодаря капиллярному действию капиллярного фитиля. В одном варианте выполнения капиллярный фитиль имеет первый конец и второй конец, при этом первый конец продолжается на участок хранения жидкости для соприкосновения в нем с жидкостью, при этом по меньшей мере один электрический нагревательный элемент выполнен с возможностью нагрева жидкости на втором конце. Когда нагревательный элемент приводится в действие, жидкость на втором конце капиллярного фитиля испаряется нагревателем для образования перенасыщенного пара. Перенасыщенный пар смешивается с воздушным потоком и переносится им. В ходе переноса пар конденсируется для образования аэрозоля, и аэрозоль переносится в направлении рта пользователя. Нагревательный элемент в сочетании с капиллярным фитилем может обеспечивать высокое быстродействие, поскольку при такой схеме нагревательный элемент может воздействовать на большую площадь поверхности жидкости. Управление нагревательным элементом согласно изобретению, таким образом, зависит от конструкции капиллярного фитиля.
Жидкий субстрат может абсорбироваться в материал-носитель, который может быть выполнен из любой абсорбирующей вставки или абсорбирующего тела, например пенистого металлического или пластикового материала, полипропилена, терилена, нейлоновых волокон или керамики. Жидкий субстрат может удерживаться в пористом материале-носителе перед использованием электронагреваемого устройства для генерации аэрозоля, или, в качестве альтернативы, жидкий материал-субстрат может высвобождаться в пористый материал-носитель в ходе использования или непосредственно перед ним. Например, жидкий субстрат может предоставляться в капсуле. Оболочка капсулы предпочтительно плавится при нагревании и высвобождает жидкий субстрат в пористый материал-носитель. В качестве опции капсула может содержать твердое тело в сочетании с жидкостью.
Если аэрозоль-образующий субстрат представляет собой жидкий субстрат, жидкость обладает физическими свойствами. В их число входят, например, температура кипения, давление пара, и характеристики поверхностного натяжения, что делает их пригодными для использования в устройстве для генерации аэрозоля. Управление, по меньшей мере, одним электрическим нагревательным элементом может зависеть от физических свойств жидкого субстрата. Жидкость предпочтительно содержит табакосодержащий материал, в состав которого входят летучие ароматические соединения табака, высвобождаемые из жидкости при нагревании. В качестве альтернативы или дополнительно жидкость может содержать нетабачный материал. Жидкость может включать в себя воду, растворители, этанол, растительные экстракты, и натуральные или искусственные ароматизаторы. Предпочтительно жидкость дополнительно содержит образователь аэрозоля. Примерами пригодных образователей аэрозоля служат глицерин и пропиленгликоль.
Преимущество создания участка хранения жидкости заключается в том, что может поддерживаться высокий уровень гигиены. Использование капиллярного фитиля, продолжающегося между жидкостью и электрическим нагревательным элементом, обеспечивает относительную простоту конструкции устройства. Жидкость обладает физическими свойствами, в том числе вязкостью и поверхностным натяжением, что обеспечивает перенос жидкости через капиллярный фитиль благодаря капиллярному действию. Участок хранения жидкости предпочтительно представляет собой контейнер. Участок хранения жидкости может не быть пополняемым. Таким образом, когда жидкость на участке хранения жидкости использована, участок хранения жидкости или все устройство для генерации аэрозоля заменяется. В качестве альтернативы участок хранения жидкости может быть пополняемым. В этом случае устройство для генерации аэрозоля может заменяться после определенного числа пополнений участка хранения жидкости. Предпочтительно участок хранения жидкости выполнен с возможностью удерживать жидкость для заданного числа затяжек.
Капиллярный фитиль может иметь волокнистую или губчатую структуру. Капиллярный фитиль предпочтительно содержит пучок капилляров. Например, капиллярный фитиль может содержать множество волокон или нитей, или других тонких проходных трубок. Волокна или нити могут, в общем, быть уложены в продольном направлении устройства для генерации аэрозоля. В качестве альтернативы капиллярный фитиль может содержать губчатый или пенообразный материал, выполненный в форме стержня. Стержневая форма может продолжаться вдоль продольного направления устройства для генерации аэрозоля. Структура фитиля образует множество малых проходных отверстий или трубок, через которые жидкость может перемещаться к электрическому нагревательному элементу благодаря капиллярному действию. Капиллярный фитиль может содержать любой пригодный материал или комбинацию материалов. Примерами пригодных материалов служат материалы на основе керамики или графита в виде волокон или спеченных порошков. Капиллярный фитиль может обладать любой пригодной капиллярностью и пористостью, так чтобы удовлетворять различным физическим свойствам жидкости, таким как плотность, вязкость, поверхностное натяжение и давление пара. Капиллярные свойства фитиля в сочетании со свойствами жидкости гарантируют, что фитиль всегда остается влажным в зоне нагрева.
Аэрозоль-образующий субстрат в качестве альтернативы может представлять собой любой иной субстрат, например газовый субстрат, или любое сочетание субстратов различных видов. В процессе работы субстрат может полностью находиться в электронагреваемом устройстве для генерации аэрозоля. В этом случае пользователь может затянуться через мундштук электронагреваемого устройства для генерации аэрозоля. В качестве альтернативы в процессе работы субстрат может частично содержаться в электронагреваемом устройстве для генерации аэрозоля. В этом случае субстрат может образовывать часть отдельного изделия, при этом пользователь может затягиваться непосредственно через отдельное изделие.
Устройство может включать в себя датчик потока для определения скорости потока газа через устройство. Датчик может представлять собой любой датчик, способный детектировать воздушный поток, например воздушный поток, указывающий на совершение пользователем вдоха. Датчик может представлять собой электромеханическое устройство. В качестве альтернативы датчик может представлять собой механическое устройство, оптическое устройство, оптомеханическое устройство, датчик на основе микроэлектромеханических устройств (MEMS), и акустический датчик. Датчик может представлять собой теплопроводный датчик потока, датчик давления, анемометр и должен быть способен не только детектировать воздушный поток, но и измерять воздушный поток. Таким образом, датчик должен быть способен передавать аналоговый электрический сигнал или цифровые данные, представляющие амплитуду воздушного потока.
Электронагреваемое устройство для генерации аэрозоля может содержать аэрозоль-образующую камеру, в которой аэрозоль образуется из перенасыщенного пара, сам же аэрозоль далее переносится в ротовую полость пользователя. Входной канал для воздуха, выходной канал для воздуха и камера предпочтительно расположены так, чтобы определять путь воздушного потока от входного канала для воздуха к выходному каналу для воздуха через аэрозоль-образующую камеру с целью доставки аэрозоля к выходному каналу для воздуха и далее в ротовую полость пользователя.
Предпочтительно устройство для генерации аэрозоля содержит корпус. Предпочтительно корпус является удлиненным. Конструкция корпуса, в том числе площадь поверхности, доступная для образования конденсации, будет влиять на свойства аэрозоля и на то, будет ли жидкость вытекать из устройства. Корпус может содержать оболочку и мундштук. В этом случае все компоненты могут содержаться либо в оболочке, либо в мундштуке. Корпус может содержать любой пригодный материал или комбинацию материалов. В число примеров пригодных материалов входят металлы, сплавы, пластики или композитные материалы, содержащие один или более таких материалов, либо термопластики, пригодные для применения с пищевыми продуктами или в фармацевтике, например полипропилен, полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиэтилен. Предпочтительно материал должен быть легким и нехрупким. Материал корпуса может влиять на величину конденсации, происходящей на корпусе, которая, в свою очередь, влияет на утечку жидкости из устройства.
Предпочтительно устройство для генерации аэрозоля является переносным. Устройство для генерации аэрозоля может представлять собой курительное устройство и может иметь размер, сопоставимый с традиционной сигарой или сигаретой. Общая длина курительного устройства может составлять от около 30 мм до около 150 мм. Наружный диаметр курительного устройства может составлять от около 5 мм до около 30 мм.
Способ и электронагреваемое устройство для генерации аэрозоля по изобретению обеспечивают преимущество в том, что температура нагревательного элемента регулируется, тем самым предоставляя пользователю постоянное (не меняющееся со временем) требуемое ощущение, не требуя от пользователя и устройства выполнения каких-либо дополнительных действий.
Согласно другому аспекту изобретения, предложена электрическая схема для электроуправляемого устройства для генерации аэрозоля, при этом электрическая схема выполнена с возможностью осуществления способа по другим аспектам изобретения.
Предпочтительно, электрическая схема является программируемой для выполнения способа по другим аспектам изобретения. В качестве альтернативы электрическая схема жестко запрограммированной для выполнения способа по другим аспектам изобретения.
Согласно другому аспекту изобретения, предложена компьютерная программа, которая, будучи исполняемой на программируемой электрической схеме для электроуправляемой системы генерирования аэрозоля, приводит к тому, что программируемая электрическая схема реализует способ по другим аспектам изобретения.
Согласно другому аспекту изобретения предложен машиночитаемый носитель информации, на котором хранится компьютерная программа согласно предшествующему аспекту изобретения.
Признаки, описанные в отношении одного аспекта изобретения, могут применяться к другому аспекту изобретения.
Изобретение будет далее описано лишь в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
на Фиг. 1 показан пример электронагреваемой системы генерирования аэрозоля согласно одному варианту осуществления изобретения;
на Фиг. 2 показан типичный температурный профиль нагревательного элемента, и типичный профиль скорости потока в системе, представленной на Фиг. 1;
на Фиг. 3 показан способ регулировки мощности, подаваемой к нагревательному элементу во время затяжки, проиллюстрированной на Фиг. 2;
на Фиг. 4 показана электрическая схема для управления температурой нагревательного элемента согласно первому варианту осуществления изобретения;
на Фиг. 5 показана технология определения температуры электрического нагревательного элемента путем измерения электрического сопротивления.
На Фиг. 1 показан пример электронагреваемой системы генерирования аэрозоля. На Фиг. 1 система представляет собой курительное устройство, имеющее участок хранения жидкости. Курительная система 100, представленная на Фиг. 1, содержит корпус 101, имеющий конец 103 с мундштуком и конец 105 корпуса. На конце корпуса предусмотрены электрический источник питания в виде батареи 107, электрическая схема в виде аппаратного средства 109, и система 111 детектирования затяжки. На конце с мундштуком предусмотрены участок хранения жидкости в виде картриджа 113, содержащего жидкость 115, капиллярный фитиль 117, и нагреватель 119, содержащий по меньшей мере один нагревательный элемент. Следует отметить, что нагреватель на Фиг. 1 показан лишь схематично. Один конец капиллярного фитиля 117 продолжается в картридж 113, а другой конец капиллярного фитиля 117 окружен нагревательным элементом 119. Нагревательный элемент соединен с электрической схемой посредством соединителей 121. Корпус 101 также включает в себя входной канал 123 для воздуха, выходной канал 125 для воздуха на конце с мундштуком, и аэрозоль-образующую камеру 127.
На практике порядок работы следующий. Жидкость 115 переносится или поступает благодаря капиллярному действию из картриджа 113 от конца фитиля 117, продолжающегося в картридж, на другой конец фитиля 117, окруженный нагревательным элементом 119. Когда пользователь производит вдох через устройство на выходном канале 125 для воздуха, окружающий воздух втягивается через входной канал 123 для воздуха. В конструкции, показанной на Фиг. 1, система 111 детектирования затяжки распознает затяжку и активирует нагревательный элемент 119. Батарея 107 подает энергию на нагревательный элемент 119 для нагревания конца фитиля 117, окруженного нагревательным элементом. Жидкость на этом конце фитиля 117 испаряется нагревательным элементом 119 для образования перенасыщенного пара. Одновременно с этим испаряемая жидкость замещается дополнительной жидкостью, поступающей вдоль фитиля 117 благодаря капиллярному действию (иногда это называют "насосным действием"). Образованный перенасыщенный пар смешивается с воздушным потоком и переносится им от входного канала 123 для воздуха. В аэрозоль-образующей камере 127 пар конденсируется для образования вдыхаемого аэрозоля, который переносится в направлении выходного канала 125 и попадает в ротовую полость пользователя.
Капиллярный фитиль может быть выполнен из различных пористых или капиллярных материалов и предпочтительно обладают известной заданной капиллярностью. В число примеров входят материалы на основе керамики или графита в виде волокон или спеченных порошков. Фитили различной пористости могут использоваться для соответствия различным физическим свойствам жидкости, таким как плотность, вязкость, поверхностное натяжение и давление пара. Фитиль должен удовлетворять требованиям доставки к нагревательному элементу необходимого количества жидкости. Фитиль и нагревательный элемент должны удовлетворять требованиям доставки пользователю необходимого количества аэрозоля.
В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1, аппаратное средство 109 и система 111 детектирования затяжки предпочтительно являются программируемыми. Аппаратное средство 109 и система 111 детектирования затяжки могут использоваться для управления работой устройства. Это способствует контролю размера частиц аэрозоля.
На Фиг. 1 показан пример электронагреваемой системы генерирования аэрозоля, которая может использоваться в настоящем изобретении. Однако в настоящем изобретении могут использоваться и многие другие примеры. Электронагреваемая система генерирования аэрозоля просто должна включать в себя или принимать аэрозоль-образующий субстрат, нагреваемый, по меньшей мере, одним электрическим нагревательным элементом, запитываемым источником питания под управлением электрической схемы. Например, система может и не быть курительной системой. Например, аэрозоль-образующий субстрат может представлять собой твердый субстрат, а не жидкий субстрат. В качестве альтернативы аэрозоль-образующий субстрат может представлять собой субстрат другого вида, например газовый субстрат. Нагревательный элемент может принимать любую приемлемую форму. Общие форма и размеры корпуса могут изменяться, при этом корпус может содержать отделяемые оболочку и мундштук. Разумеется, возможны также и другие изменения.
Как говорилось ранее, предпочтительно электрическая схема, содержащая аппаратное средство 109 и систему 111 детектирования затяжки, является программируемой с целью управления подачей мощности к нагревательному элементу. Это, в свою очередь, влияет на температурный профиль, который оказывает влияние на количество и плотность получаемого аэрозоля. Термин "температурный профиль" относится к графическому изображению температуры нагревательного элемента (или иной схожей характеристики, например тепла, генерируемого нагревательным элементом) в зависимости от времени, необходимого для затяжки, как показано на Фиг. 2. В качестве альтернативы аппаратное средство 109 и система 111 детектирования затяжки могут быть жестко запрограммированы для управления подачей мощности к нагревательному элементу. Опять же это регулирует температурный профиль, который влияет на количество и плотность генерируемого аэрозоля.
Линия 200 на Фиг. 2 - график скорости потока воздуха через систему в ходе затяжки пользователя. Затяжка длится около 2 секунд, при этом скорость потока повышается от нуля до максимальной скорости потока примерно за 1 секунду, пока снова не упадет до нуля. Это типичный профиль затяжки, но следует понимать, что возможны значительные различия от затяжки к затяжке и от пользователя к пользователю, как в плане максимальной скорости потока, так и изменения скорости потока в течение затяжки.
Линия 210 на Фиг.- температура нагревательного элемента в течение затяжки пользователя. Температурный профиль 210 подразделяется на три стадии: начальную стадию 215, в течение которого на нагревательный элемент подается максимальная мощность, чтобы быстро повысить его температуру; стадию 215 регулировки, в течение которого температура нагревательного элемента удерживается постоянной (или, по меньшей мере, в пределах приемлемого температурного интервала), и конец стадии 220 затяжки, в течение которого подача мощности на нагреватель отсекается или снижается.
На Фиг. 3 проиллюстрирована мощность, подаваемая на нагревательный элемент в течение затяжки пользователя, показанной на Фиг. 2. Мощность подается на нагревательный элемент в виде пульсирующего сигнала 300. С целью регулировки температуры нагревательного элемента импульсный сигнал модулируется. Как показано на Фиг. 3, средняя мощность, подаваемая на нагревательный элемент, может варьироваться путем изменения частоты, т.е. посредством частотно-импульсной модуляции (ЧИМ, PFM) сигналов мощности при фиксированном рабочем цикле для поддержания постоянной температуры нагревательного элемента.
Другой способ изменения подаваемой мощности - широтно-импульсная модуляция (ШИМ, PWM), заключающаяся в изменении рабочего цикла при постоянной частоте. Рабочий цикл представляет собой отношение времени, в течение которого питание включено, к времени, в течение которого питание выключено. Иными словами, отношение ширины импульсов напряжения к времени между импульсами напряжения. Малый рабочий цикл, составляющий 5%, обеспечит подачу значительно меньшей мощности, чем рабочий цикл, составляющий 95%.
Как показано на Фиг. 3, в течение начальной стадии 215, импульсы 300 мощности поступают с высокой частотой, чтобы быстро достичь желаемой температуры. Когда желаемая температура достигнута, начинается стадия 220 регулировки. В самом начале стадии регулировки имеется малый локальный максимум. Это вызвано характерными особенностями схемы ПИД-регулирования, используемой для регулировки температуры. Между определением того, что желаемая температура достигнута, и модуляцией сигнала мощности существует небольшое запаздывание, которое порождает локальный максимум.
Желаемая температура динамически рассчитывается в зависимости от скорости потока газа через нагревательный элемент. Для более низких скоростей потока желательно иметь более низкую температуру. Например, желаемая температура может устанавливаться на основе скорости потока, измеренной в фиксированное время после активации нагревательного элемента, может основываться на средней скорости потока, рассчитанной за предшествующие нагревательные циклы, либо может основываться на суммарной скорости потока за фиксированный период после активации нагревательного элемента.
На стадии 220 регулировки импульсы мощности поступают на нагревательный элемент ровно с такой частотой, чтобы поддерживать желаемую температуру. Это означает, что импульсы подаются с более низкой частотой, чем в течение начальной стадии. Однако по мере того как скорость воздушного потока продолжает повышаться в направлении своего максимума, эффект воздушного охлаждения также повышается. Это означает, что частота импульсов мощности увеличивается, пока не будет достигнута максимальная скорость потока, перед тем как снова начнет снижаться по мере падения скорости потока.
В конце стадии 220 затяжки подача мощности полностью прекращается. Решение о прекращении подачи мощности перед окончанием затяжки принято для того, чтобы гарантировать, что весь сгенерированный аэрозоль будет удален из системы последней частью затяжки. Температура, таким образом, в этот период падает, также как и производство аэрозоля. Момент времени, в который подача мощности прекращается или снижается, давая начало концу стадии затяжки, может основываться, например, просто на времени, прошедшем от момента активации, на рассчитанной скорости потока или на более сложных вычислениях, учитывающих профиль затяжки.
На Фиг. 4 показана схема управления, используемая для обеспечения описанной регулировки температура согласно одному варианту осуществления изобретения. Система имеет две части: расходуемый картридж 113, содержащий жидкий субстрат 115, капиллярный фитиль 117 и нагреватель 119; и аппаратную часть, содержащую батарею и электрическую схему 109, описанную со ссылкой на Фиг. 1. На Фиг. 3 показаны только элементы электрической цепи.
Электрическая мощность подается на нагревательный элемент 119 от соединения 405 батареи через измерительное сопротивление R1 и транзистор T1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) сигнала мощности регулируется микроконтроллером 420 и осуществляется через его аналоговый выход 425 на транзистор T1, функционирующий в качестве простого переключателя.
Регулировка основана на работе ПИД-регулятора, составляющего часть программного обеспечения, встроенного в микроконтроллер 420. Температура (или обозначение температуры) нагревательного элемента определяется измерением электрического сопротивления нагревательного элемента.
Аналоговый вход 430 микроконтроллера 420 используется для сбора напряжения на сопротивлении R1 и создает отображение электрического тока, протекающего в нагревательном элементе. Напряжение V+ батареи и напряжение на R1 используются для расчета изменения сопротивления нагревательного элемента или его температуры, как описано со ссылкой на Фиг. 5.
Сопротивление R3 в расходуемой части используется для идентификации композиции субстрата. Сопротивления R3 и R2 выполняют функцию простого делителя напряжения, от которого уровень напряжения определяется микроконтроллером 420 через его аналоговый вход 435 путем активации транзистора T2. Конвертированное напряжение будет пропорционально сопротивлению R3. Таблица соответствия значений сопротивления R3 и соответствующих температурных интервалов или интервалов сопротивления для нагревательного элемента находится в адресной памяти в микроконтроллере и используется для настройки ПИД-регулятора и уровня температуры, на котором нагревательный элемент будет работать.
heater
heater
На Фиг. 5 схематично показана электрическая цепь, поясняющая, как может быть измерено сопротивление нагревательного элемента в системе, представленной на Фиг. 4. На Фиг. 5 нагреватель 501 соединен с батареей 503, обеспечивающей напряжение V2. Сопротивление нагревателя, которое требуется измерить при определенной температуре, - R. Последовательно с нагревателем 501 установлен дополнительный резистор 505, соответствующий R1 на Фиг. 4, с известным сопротивлением r, находящийся под напряжением V1, которое является промежуточным между «землей» и напряжением V2. Чтобы микропроцессор 507 измерил сопротивление R нагревателя 501, могут быть замерены ток, проходящий через нагреватель 501, и напряжение на нагревателе 501. Далее для определения сопротивления может быть использована следующая известная формула:
V=IR (1)
На Фиг. 5 напряжение на нагревателе составляет V2-V1, а ток, проходящий через нагреватель, равен I. Таким образом
Дополнительный резистор 505, сопротивление r которого известно, используется для определения тока I, опять же по вышеприведенной формуле (1). Ток через резистор 505 равен I, а напряжение на резисторе 505 равно V1. Таким образом
Из выражений (2) и (3) имеем
heater
Таким образом, микропроцессор 507 может измерить V2 и V1 в ходе использования системы генерирования аэрозоля, при этом, зная значение r, можно определить сопротивление нагревателя при конкретной температуре, т.е. R.
heater
Для установления соотношения между температурой T и измеренным сопротивлением Rпри температуре T можно использовать следующую формулу
0
0
где A - коэффициент термического сопротивления материала нагревательного элемента, а R - сопротивление нагревательного элемента при комнатной температуре T.
Преимущество настоящего варианта осуществления заключается в том, что температурный датчик, который может быть громоздким и дорогостоящим, не требуется. Кроме того, В ПИД-регуляторе может использоваться непосредственно значение сопротивления вместо температуры. Если значение сопротивления сохраняется в требуемом интервале, также будет и с температурой нагревательного элемента. Следовательно, действительную температуру нагревательного элемента рассчитывать не требуется. Тем не менее, существует возможность использования отдельного датчика температуры, который можно соединить с микроконтроллером для получения необходимой информации по температуре.
Хотя описанный вариант осуществления содержит расходуемую часть и аппаратную часть, изобретение применимо к другим конструкциям устройства для генерации аэрозоля. Следует также понимать, что непосредственно измерять температуру или сопротивление нагревательного элемента не требуется. Например, температуру нагревательного элемента можно оценить на основе других измеренных параметров, таких как скорость потока, проходящего через систему, либо можно оценить по результату измерения температуры воздуха в некоторой точке в пределах системы.