Способ, устройство и система, генерирующие аэрозоль, с датчиком газообразных продуктов сгорания
Изобретение относится к устройствам и системам, генерирующим аэрозоль, работающим на основании нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Устройство, вырабатывающее аэрозоль для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, содержит источник питания; нагреватель; контроллер, выполненный с возможностью управления подачей питания от источника питания на нагреватель; и датчик газообразных продуктов сгорания; при этом контроллер соединен с датчиком газообразных продуктов сгорания и выполнен с возможностью отслеживания уровня газообразных продуктов сгорания на основании сигналов от датчика газообразных продуктов сгорания. Техническим результатом изобретения является предоставление устройства и системы, генерирующих аэрозоль, которые не допускают генерирования высоких уровней нежелательных составляющих аэрозоля и которые могут применяться со многими разными и неизвестными субстратами, образующими аэрозоль. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к устройствам и системам, генерирующим аэрозоль, работающим на основании нагревания субстрата, образующего аэрозоль. В частности, изобретение относится к устройствам и системам, генерирующим аэрозоль, в которых желательно поддерживать температуру субстрата, образующего аэрозоль, в пределах определенного температурного диапазона, чтобы обеспечить выработку желаемого аэрозоля. Электрически нагреваемые курительные устройства являются примерами этого типа устройства.
Одна возможная проблема электрически нагреваемых курительных устройств, независимо от того, выполнены ли они с возможностью нагревания жидкого субстрата, образующего аэрозоль, или твердого субстрата, образующего аэрозоль, такого как сигарета, состоит в том, что если температура субстрата, образующего аэрозоль, становится слишком высокой, то может произойти сгорание субстрата, образующего аэрозоль. Это может привести к образованию в генерируемом аэрозоле соединений, которые имеют неприятный вкус и в целом нежелательны.
Эта проблема особенно остро стоит в случае систем, в которых пользователь может вставлять в устройство собственный субстрат, образующий аэрозоль. Разные субстраты, образующие аэрозоль, по-разному ведут себя при нагревании. В частности, температура, при которой происходит сгорание, будет варьироваться в зависимости от состава субстрата и содержания в нем влаги. Соответственно, устройство, которое просто поддерживает температуру нагревателя в пределах заданного температурного диапазона, может не вырабатывать желаемого аэрозоля для всех разных субстратов, которые могут с ним использоваться.
Целью настоящего изобретения является предоставление устройства и системы, генерирующих аэрозоль, которые не допускают генерирования высоких уровней нежелательных составляющих аэрозоля и которые могут применяться со многими разными и неизвестными субстратами, образующими аэрозоль.
Первый аспект предусматривает устройство, генерирующее аэрозоль, выполненное с возможностью нагревания субстрата, образующего аэрозоль, и содержащее:
блок питания;
нагреватель;
контроллер, выполненный с возможностью управления подачей питания от блока питания на нагреватель; и
датчик газообразных продуктов сгорания;
при этом контроллер соединен с датчиком газообразных продуктов сгорания и выполнен с возможностью отслеживания уровня газообразных продуктов сгорания на основании сигналов, получаемых от датчика газообразных продуктов сгорания.
Благодаря отслеживанию уровня генерируемых газообразных продуктов сгорания контроллер обладает информацией о составе генерируемого аэрозоля, и для этого нет необходимости в какой-либо информации об используемом субстрате, образующем аэрозоль. Датчиком газообразных продуктов сгорания может быть, например, датчик угарного газа (CO) или оксида азота (NOx). Угарный газ является признанным индикатором сгорания и, в частности, неполного сгорания. Например, в горящей сигарете летучие соединения с большим молекулярным весом «разбиваются» на более мелкие молекулы, такие как углеводороды с низким молекулярным весом, угарный газ и углекислый газ. Неполное сгорание может происходить потому, что в ходе использования, в частности между затяжками пользователя, кислорода в горящую сигарету поступает недостаточно для полного сгорания. Оксид азота тоже часто образуется во время сгорания. Оксид азота включает как оксид азота (NO), так и двуокись азота (NO2), но часто сокращенно обозначается NOx. При горении биомасса NOx, как правило, получается из связанного топливного азота. Например, субстраты растительного происхождения, такие как субстраты на основе табака, содержат значительное количество нитратов. Датчиком газообразных продуктов сгорания также может быть датчик, выполненный с возможностью выявления других газов, таких как газы, содержащие карбоксильную группу или карбоксильные группы, или альдегиды, которые могут нежелательно генерироваться в электронных сигаретах с жидким субстратом в результате сгорания составляющих жидкого субстрата.
В контексте данного документа термин «уровень газообразных продуктов сгорания» может относиться к концентрации газообразных продуктов сгорания в потоке воздуха или к абсолютному количеству выявленных газообразных продуктов сгорания.
Контроллер может быть выполнен с возможностью уменьшения подачи питания на нагреватель, когда уровень газообразных продуктов сгорания превышает первый пороговый уровень газообразных продуктов. Предпочтительно, контроллер выполнен с возможностью уменьшения подачи питания на нагреватель до уровня, при котором температура нагревателя или субстрата, образующего аэрозоль, уменьшается.
В качестве альтернативы или дополнительно, устройство может содержать средство сигнализации, и контроллер может быть выполнен с возможностью активации средства сигнализации при превышении уровнем газообразных продуктов сгорания второго порогового уровня. Средством сигнализации может быть средство визуальной сигнализации на устройстве, такое как светоизлучающий диод (LED), или средство звуковой сигнализации, такое как динамик. В таком случае пользователь может решить прервать эксплуатацию устройства до тех пор, пока средство сигнализации не отключится. Первый пороговый уровень может быть таким же, как и второй пороговый уровень, или отличным от него.
В контексте данного документа термин «устройство, генерирующее аэрозоль» относится к устройству, которое для образования аэрозоля взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, например частью курительного изделия. Устройство, генерирующее аэрозоль, может быть курительным устройством, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, изделия, генерирующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля, непосредственно вдыхаемого в легкие пользователя через рот пользователя.
В контексте данного документа термин «субстрат, образующий аэрозоль» относится к субстрату, способному высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Такие летучие соединения могут быть высвобождены путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, для удобства может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, или курительного изделия.
В контексте данного документа термины «изделие, генерирующее аэрозоль» и «курительное изделие» относятся к изделию, содержащему субстрат, образующий аэрозоль, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Например, изделие, генерирующее аэрозоль, может представлять собой курительное изделие, которое генерирует аэрозоль, непосредственно вдыхаемый в легкие пользователя через рот пользователя. Изделие, генерирующее аэрозоль, может быть одноразовым. Курительное изделие может представлять собой или может содержать табачную палочку.
Устройство может представлять собой электрически управляемое устройство и, в частности, может представлять собой электрически нагреваемое курительное устройство.
Контроллер может быть выполнен с возможностью вычисления суммарного или среднего уровня газообразных продуктов сгорания в пределах заданного периода времени и сравнения суммарного или среднего уровня газообразных продуктов сгорания с пороговым уровнем или пороговыми уровнями. Использование данных об уровне газообразных продуктов сгорания, собранных в течение заданного периода времени, например 5 или 10 секунд, уменьшает вероятность ложного положительного результата. Контроллер может быть выполнен с возможностью непрерывного отслеживания уровня газообразных продуктов сгорания и вычисления скользящего среднего на основании данных об уровне газообразных продуктов сгорания, полученных в течение предыдущего заданного периода времени.
Контроллер выполнен с возможностью прекращения подачи питания на нагреватель от источника питания при достижении уровнем газообразных продуктов сгорания уровня прекращения подачи питания. Уровень прекращения подачи питания может быть таким же, как и второй пороговый уровень, или отличным от него. В одном варианте осуществления уровень прекращения подачи питания выше первого порогового уровня.
Контроллер может быть выполнен с возможностью отслеживания уровня газообразных продуктов сгорания после прекращения контроллером подачи питания на нагреватель и может быть выполнен с возможностью активации средства сигнализации, если уровень газообразных продуктов сгорания по-прежнему выше уровня прекращения подачи питания. Это средство сигнализации может быть средством звуковой или визуальной сигнализации и может отличаться от средства сигнализации, активируемого, когда уровень газообразных продуктов сгорания превышает второй порог. За счет этого возможно выявление в субстрате самовозобновляющегося сгорания. Если тепла, вырабатываемого при сгорании, достаточно, чтобы вызвать дальнейшее сгорание без дополнительного нагревания со стороны нагревателя, то пользователь получает предупреждение и может решить удалить субстрат из устройства.
Контроллер может быть выполнен с возможностью регулирования подачи питания на нагреватель от блока питания, чтобы поддерживать уровень газообразных продуктов сгорания ниже первого порогового уровня. Для того чтобы контроллер непрерывно корректировал питание, подаваемое на нагреватель, в зависимости от выявленного уровня газообразных продуктов сгорания может использоваться контур обратной связи. За счет уменьшения питания нагревателя можно уменьшить уровень генерируемых газообразных продуктов сгорания. Величина уменьшения питания может быть заданной величиной или может быть уменьшением, которым управляют на основании определяемой температуры. Как и прежде, контроллер может вычислять суммарный или средний уровень газообразных продуктов сгорания, чтобы сравнивать его с первым пороговым уровнем. Этот контур управления может использоваться совместно с другими контурами управления и стратегиями управления для регулирования питания, подаваемого на нагреватель, которое может быть основано, например, на определяемой температуре, электрическом сопротивлении нагревателя и определяемой скорости потока воздуха.
Устройство может содержать впускное отверстие для воздуха и выпускное отверстие для воздуха, и, в ходе использования, субстрат, образующий аэрозоль, может быть расположен на пути потока воздуха между впускным отверстием для воздуха и выпускным отверстием для воздуха. Воздух втягивается через впускное отверстие для воздуха и проходит мимо или через субстрат, образующий аэрозоль, к выпускному отверстию для воздуха. В курительной системе пользователь осуществляет затяжку через выпускное отверстие для воздуха, чтобы втягивать в рот воздух и генерируемый аэрозоль (дым).
Датчик газообразных продуктов сгорания может быть предусмотрен для выявления газообразных продуктов сгорания, втягиваемых в устройство через впускное отверстие для воздуха и называемых в данном документе газообразными продуктами сгорания в побочном потоке. В курительной системе это позволяет выявлять газообразные продукты сгорания в дыме «побочного потока», который не вдыхается пользователем непосредственно.
В качестве альтернативы, датчик газообразных продуктов сгорания может быть предусмотрен для выявления газообразных продуктов сгорания рядом с субстратом, образующим аэрозоль, или ниже по потоку относительно него, называемых в данном документе газообразными продуктами сгорания в основном потоке. В курительной системе это позволяет выявлять газообразные продукты сгорания в дыме «основного потока», который вдыхается пользователем непосредственно.
Пороговые уровни газообразных продуктов сгорания, используемые для определения, следует ли уменьшать или прекращать подачу питания на нагреватель, и для определения, активировать ли средство сигнализации, зависят от того, расположен ли датчик газообразных продуктов сгорания для выявления газообразного продукта сгорания в побочном потоке или газообразного продукта сгорания в основном потоке.
Если датчик газообразных продуктов сгорания выполнен с возможностью выявления CO в побочном потоке, то первый и второй пороги, а также порог остановки могут составлять от 0,002 до 0,02 мг CO в секунду и предпочтительно от 0,004 до 0.009 мг CO в секунду.
Если датчик газообразных продуктов сгорания выполнен с возможностью выявления NOx в побочном потоке, то первый и второй пороги, а также порог остановки могут составлять от 0,9 до 4,2 мкг NOx в секунду и предпочтительно от 1,8 до 3,7 мкг NOx в секунду.
Если датчик газообразных продуктов сгорания выполнен с возможностью выявления только NOx в побочном потоке, то первый и второй пороги, а также порог остановки могут составлять от 0,9 до 4,2 мкг NOx в секунду и предпочтительно от 1,8 до 3,7 мкг NOx в секунду.
Если датчик газообразных продуктов сгорания выполнен с возможностью выявления CO в основном потоке, то первый и второй пороги, а также порог остановки могут составлять от 0,01 до 0,09 мг CO в секунду и предпочтительно от 0,02 до 0,04 мг CO в секунду.
Если датчик газообразных продуктов сгорания выполнен с возможностью выявления NOx в основном потоке, то первый и второй пороги, а также порог остановки могут составлять от 0,4 до 1,6 мкг NOx в секунду и предпочтительно от 0,7 до 1,4 мкг NOx в секунду.
Если датчик газообразных продуктов сгорания выполнен с возможностью выявления NO в основном потоке, то первый и второй пороги, а также порог остановки могут составлять от 0,4 до 1,6 мкг NO в секунду и предпочтительно от 0,7 до 1,4 мкг NO в секунду.
Во всех случаях порог остановки может быть больше первого и второго порогов.
Нагреватель может содержать нагревательный элемент, выполненный из электрически резистивного материала. Подходящие электрически резистивные материалы включают, но без ограничения: полупроводники, такие как легированная керамика, электрически «проводящая» керамика (как, например, дисилицид молибдена); углерод, графит, металлы, сплавы металлов и композиционные материалы, изготовленные из керамического материала и металлического материала. Такие композиционные материалы могут содержать легированную или нелегированную керамику. Примеры подходящей легированной керамики включают легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают титан, цирконий, тантал, платину, золото и серебро. Примеры подходящих сплавов металлов включают нержавеющую сталь, сплавы, содержащие никель, кобальт, хром, алюминий, титан, цирконий, гафний, ниобий, молибден, тантал, вольфрам, олово, галлий, марганец, золото и железо; и суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали; Timetal® и сплавы на основе железа, марганца и алюминия. В композиционных материалах электрически резистивный материал может быть при необходимости встроен в изолирующий 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 субстрату, образующему аэрозоль. Внутренний нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, внутренний нагревательный элемент может иметь форму нагревательной пластинки. В качестве альтернативы внутренний нагреватель может иметь форму кожуха или субстрата, имеющих разные электропроводные части, или форму электрически резистивной металлической трубки. В качестве альтернативы внутренний нагревательный элемент может представлять собой одно или несколько из нагревательных игл или стержней, которые проходят через центр субстрата, образующего аэрозоль. Другие альтернативы включают нагревательную проволоку или нить, например Ni-Cr (хромоникелевую), платиновую, вольфрамовую проволоку, или проволоку из сплава, или нагревательную пластину. При необходимости внутренний нагревательный элемент может быть нанесен внутри или снаружи на жесткий несущий материал. 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 представленном в качестве примера устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки на подходящем изолирующем материале, таком как керамический материал, а затем уложен между слоями другого изолирующего материала, такого как стекло. Выполненные таким образом нагреватели могут быть использованы как для нагревания, так и для отслеживания температуры нагревательных элементов во время работы.
Внешний нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, внешний нагревательный элемент может иметь форму одного или нескольких листов гибкой нагревательной фольги на диэлектрическом субстрате, таком как полиимид. Листам гибкой нагревательной фольги может быть придана форма, соответствующая периметру полости, вмещающей субстрат. В качестве альтернативы внешний нагревательный элемент может иметь форму металлической сетки или сеток, гибкой печатной платы, литого соединительного устройства (MID), керамического нагревателя, гибкого нагревателя из углеродного волокна или может быть выполнен с использованием технологии нанесения покрытий, такой как плазменное осаждение из газовой фазы, на субстрате подходящей формы. Внешний нагревательный элемент может также быть выполнен с использованием металла, обладающего определенным соотношением между температурой и удельным сопротивлением. В таком представленном в качестве примера устройстве металл может быть выполнен в виде дорожки между двумя слоями подходящих изолирующих материалов. Выполненный таким образом внешний нагревательный элемент может быть использован как для нагревания, так и для отслеживания температуры внешнего нагревательного элемента во время работы.
Нагреватель преимущественно нагревает субстрат, образующий аэрозоль, за счет проводимости. Нагреватель может по меньшей мере частично контактировать с субстратом или носителем, на который нанесен субстрат. В качестве альтернативы тепло или от внутреннего, или от внешнего нагревательного элемента может быть передано на субстрат посредством теплопроводного элемента.
Блок питания может являться любым подходящим блоком питания, например источником напряжения постоянного тока. В одном варианте осуществления блок питания представляет собой литий-ионную батарею. В качестве альтернативы блок питания может представлять собой никель-металлогидридную батарею, никель-кадмиевую батарею или батарею на основе лития, например литий-кобальтовую, литий-железо-фосфатную, литий-титановую или литий-полимерную батарею.
Контроллер может содержать микроконтроллер. Микроконтроллер может содержать ПИД-регулятор для управления подачей питания на нагреватель. Контроллер может быть выполнен с возможностью подачи питания на нагреватель в виде импульсов электропитания. Контроллер может быть выполнен с возможностью изменения подачи питания на нагреватель путем изменения коэффициента заполнения импульсов питания.
Предпочтительно, контроллер выполнен с возможностью выполнения этапов способа согласно третьему аспекту изобретения, изложенных ниже. В целях выполнения этапов способа согласно третьему аспекту изобретения контроллер может быть реализован на аппаратном уровне. Более предпочтительно, контроллер, однако, является программируемым, чтобы выполнять этапы способа согласно третьему аспекту изобретения.
Датчик газообразных продуктов сгорания предпочтительно представляет собой миниатюрный датчик.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать корпус. Предпочтительно, корпус является удлиненным. Конструкция корпуса, включая площадь поверхности, доступную для образования конденсата, будет влиять на свойства аэрозоля и на наличие или отсутствие утечек жидкости из устройства. Корпус может содержать оболочку и мундштук. В этом случае все компоненты могут содержаться внутри или оболочки, или мундштука. Корпус может содержать любой подходящий материал или комбинацию материалов. Примеры подходящих материалов включают металлы, сплавы, пластмассы или композиционные материалы, содержащие один или несколько из таких материалов, или термопластмассы, подходящие для применения в пищевой или фармацевтической промышленности, например полипропилен, полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиэтилен. Предпочтительно, указанный материал является легким и нехрупким.
Предпочтительно устройство, генерирующее аэрозоль, является портативным. Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой курительное устройство и может иметь размер, сопоставимый с размером обычной сигары или сигареты. Курительное устройство может иметь общую длину от приблизительно 30 мм до приблизительно 150 мм. Курительное устройство может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 30 мм.
Второй аспект предусматривает систему, генерирующую аэрозоль, содержащую устройство, генерирующее аэрозоль, согласно первому аспекту и субстрат, образующий аэрозоль, размещаемый в устройстве или соединяемый с ним.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения во время работы субстрат, образующий аэрозоль, может полностью размещаться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В таком случае пользователь может делать затяжку через мундштук устройства, генерирующего аэрозоль.
В качестве альтернативы, во время работы курительное изделие, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, может частично размещаться внутри устройства, генерирующего аэрозоль. В таком случае пользователь может делать затяжку непосредственно через курительное изделие. Нагревательный элемент может быть расположен внутри полости в устройстве, при этом полость выполнена с возможностью размещения субстрата, образующего аэрозоль, так, чтобы при использовании нагревательный элемент находился внутри субстрата, образующего аэрозоль.
Курительное изделие может иметь по существу цилиндрическую форму. Курительное изделие может быть по существу удлиненным. Курительное изделие может иметь длину и окружность, по существу перпендикулярную длине. Субстрат, образующий аэрозоль, может иметь по существу цилиндрическую форму. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть по существу удлиненным. Субстрат, образующий аэрозоль, может также иметь длину и окружность, по существу перпендикулярную длине.
Курительное изделие может иметь общую длину от приблизительно 30 мм до приблизительно 100 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 12 мм. Курительное изделие может содержать штранг фильтра. Штранг фильтра может быть размещен на расположенном ниже по потоку конце курительного изделия. Штранг фильтра может представлять собой ацетилцеллюлозный штранг фильтра. Штранг фильтра в одном варианте осуществления имеет длину приблизительно 7 мм, но может иметь длину от приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм.
В одном варианте осуществления курительное изделие имеет общую длину приблизительно 45 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр приблизительно 7,2 мм. Кроме того, субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 10 мм. В качестве альтернативы, субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 12 мм. Кроме того, диаметр субстрата, образующего аэрозоль, может составлять от приблизительно 5 мм до приблизительно 12 мм. Курительное изделие может содержать наружную бумажную обертку. Кроме того, между субстратом, образующим аэрозоль, и штрангом фильтра курительное изделие может содержать разделительный участок. Разделительный участок может иметь размер приблизительно 18 мм, но может иметь размер в диапазоне от приблизительно 5 мм до приблизительно 25 мм. Разделительный участок в курительном изделии предпочтительно заполнен теплообменником, охлаждающим аэрозоль по мере его прохождения через курительное изделие от субстрата к штрангу фильтра. Теплообменник может представлять собой, например, фильтр на полимерной основе, например гофрированный PLA материал.
Как в первом, так и во втором аспектах настоящего изобретения субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый субстрат, образующий аэрозоль. В качестве альтернативы субстрат, образующий аэрозоль, может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие ароматные соединения табака, которые высвобождаются из субстрата при нагревании. В качестве альтернативы, 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.
Если субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой твердый субстрат, образующий аэрозоль, то твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать, например, одно или несколько из следующего: порошок, гранулы, шарики, крупицы, тонкие трубки, полоски или листы, содержащие одно или несколько из следующего: травяные листья, табачные листья, фрагменты табачных жилок, восстановленный табак, гомогенизированный табак, экструдированный табак, формованный листовой табак и взорванный табак. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может иметь рассыпную форму или может быть предоставлен в подходящей таре или картридже. При необходимости твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать дополнительные табачные или нетабачные летучие ароматные соединения, предназначенные для высвобождения при нагревании субстрата. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может также содержать капсулы, которые содержат, например, дополнительные табачные или нетабачные летучие ароматные соединения, и такие капсулы могут плавиться во время нагревания твердого субстрата, образующего аэрозоль.
В контексте данного документа термин «гомогенизированный табак» относится к материалу, образованному путем агломерации сыпучего табака. Гомогенизированный табак может иметь форму листа. Содержание вещества для образования аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять более 5% по сухому весу. В качестве альтернативы, содержание вещества для образования аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять от 5% до 30% по сухому весу. Листы гомогенизированного табачного материала можно формировать путем агломерирования сыпучего табака, полученного размалыванием или иным измельчением слоев табачного листа или жилок табачного листа, или того и другого. В качестве альтернативы или дополнительно, листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или несколько из табачной пыли, табачной мелочи и других сыпучих табачных побочных продуктов, образующихся, например, при обработке, обращении и доставке табака. Листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или несколько собственных связующих, т. е. табачных эндогенных связующих, одно или несколько внешних связующих, т. е. табачных экзогенных связующих, или их сочетание, что способствует агломерированию сыпучего табака; в качестве альтернативы или дополнительно, листы гомогенизированного табачного материала могут содержать другие добавки, включая, но без ограничения, табачные и нетабачные волокна, вещества для образования аэрозоля, увлажнители, пластификаторы, ароматизаторы, наполнители, водные и неводные растворители и их сочетания.
При необходимости твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть предусмотрен на термостабильном носителе или встроен в него. Носитель может иметь форму порошка, гранул, шариков, крупиц, тонких трубочек, полосок или листов. В качестве альтернативы, носитель может представлять собой трубчатый носитель, содержащий тонкий слой твердого субстрата, нанесенный на его внутреннюю поверхность или на его наружную поверхность, или как на его внутреннюю, так и на наружную поверхности. Такой трубчатый носитель может быть выполнен, например, из бумаги или подобного бумаге материала, нетканого мата из углеродных волокон, легкой металлической сетки с открытыми ячейками, или перфорированной металлической фольги, или любой другой термостабильной полимерной матрицы.
Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на поверхность носителя в виде, например, листа, пеноматериала, геля или суспензии. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на всю поверхность носителя или, в качестве альтернативы, может быть нанесен узором с целью обеспечения неоднородной доставки ароматного вещества во время использования.
Несмотря на то, что выше приведена ссылка на твердые субстраты, образующие аэрозоль, специалисту в данной области техники будет понятно, что с другими вариантами осуществления могут быть использованы другие формы субстрата, образующего аэрозоль. Например, субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой жидкий субстрат, образующий аэрозоль. Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может содержать вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль. Если предусмотрен жидкий субстрат, образующий аэрозоль, то устройство, генерирующее аэрозоль, предпочтительно содержит средство для удержания жидкости. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может содержаться в таре. В качестве альтернативы или дополнительно, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть абсорбирован в пористый материал носителя. Пористый материал носителя может быть изготовлен из любой подходящей поглощающей заглушки или элемента, например, из пенометаллического или пластмассового материала, полипропилена, терилена, нейлоновых волокон или керамики. Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может удерживаться в пористом материале носителя перед использованием устройства, генерирующего аэрозоль, или, в качестве альтернативы, материал в виде жидкого субстрата, образующего аэрозоль, может быть высвобожден в пористый материал носителя во время или непосредственно перед использованием. Например, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может быть представлен в капсуле. Оболочка капсулы предпочтительно тает при нагревании и высвобождает жидкий субстрат, образующий аэрозоль, в пористый материал носителя. Капсула может при необходимости содержать твердое вещество в комбинации с жидкостью.
В качестве альтернативы, носитель может представлять собой нетканое полотно или пучок волокон, в которые включены табачные компоненты. Нетканое полотно или пучок волокон могут содержать, например, углеродные волокна, натуральные целлюлозные волокна или волокна из производных целлюлозы.
Третий аспект изобретения предусматривает способ управления подачей питания на нагреватель в нагреваемом устройстве, генерирующем аэрозоль, включающий:
отслеживание уровня газообразных продуктов сгорания в устройстве или вокруг него; и
уменьшение подачи питания на нагреватель, если уровень газообразных продуктов сгорания превышает первый пороговый уровень газообразных продуктов сгорания.
Способ может дополнительно включать активацию средства сигнализации на устройстве, если уровень газообразных продуктов сгорания превышает второй пороговый уровень газообразных продуктов сгорания.
Способ может дополнительно включать управление подачей питания на нагреватель для поддержания уровня газообразных продуктов сгорания ниже первого порогового уровня.
Способ может включать вычисление суммарного или среднего уровня газообразных продуктов сгорания в пределах заданного периода времени и сравнение суммарного или среднего уровня газообразных продуктов сгорания с первым пороговым уровнем или пороговыми уровнями. Использование данных об уровне газообразных продуктов сгорания, собранных в течение заданного периода времени, например 5 или 10 секунд, уменьшает вероятность ложного положительного результата. Способ может включать непрерывное отслеживания уровня газообразных продуктов сгорания и вычисление скользящего среднего на основании данных об уровне газообразных продуктов сгорания, полученных в течение предыдущего заданного периода времени.
Способ может включать прекращение подачи питания на нагреватель от источника питания при достижении уровнем газообразных продуктов сгорания уровня прекращения подачи питания. Уровень прекращения подачи питания может быть таким же, как и второй пороговый уровень, или отличным от него. В одном варианте осуществления уровень прекращения подачи питания выше первого порогового уровня.
Способ может включать отслеживание уровня газообразных продуктов сгорания после прекращения подачи питания на нагреватель и активацию средства сигнализации, если уровень газообразных продуктов сгорания по-прежнему выше уровня прекращения подачи питания. Это средство сигнализации может быть средством звуковой или визуальной сигнализации и может отличаться от средства сигнализации, активируемого, когда уровень газообразных продуктов сгорания превышает второй порог.
Несмотря на то, что изобретение было описано со ссылкой на разные аспекты, следует понимать, что признаки, описанные относительно одного аспекта изобретения, могут быть применены к другим аспектам изобретения.
Изобретение будет дополнительно описано исключительно на примере со ссылками на сопроводительные графические материалы, в которых:
фиг. 1 представляет собой схематическое изображение первого электрически нагреваемого курительного устройства в соответствии с изобретением;
фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую одно использование информации об уровне газообразных продуктов сгорания, предоставляемой датчиком газообразных продуктов сгорания;
фиг. 3 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую другое использование информации об уровне газообразных продуктов сгорания, предоставляемой датчиком газообразных продуктов сгорания; и
фиг. 4 представляет собой схематическое изображение альтернативного нагреваемого курительного устройства в соответствии с изобретением.
На фиг. 1 в упрощенном виде представлены компоненты одного варианта осуществления электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль. В частности, элементы электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль, на фиг. 1 показаны не в масштабе. Элементы, которые не являются существенными для понимания данного варианта осуществления, для упрощения фиг. 1 были опущены.
Электрически нагреваемое устройство 100, генерирующее аэрозоль, содержит корпус 10 и субстрат 12, образующий аэрозоль, например сигарету. Субстрат 12, образующий аэрозоль, проталкивают внутрь корпуса 10 для термического соприкосновения с нагревателем 14. Субстрат 12, образующий аэрозоль, будет высвобождать ряд летучих соединений при разных температурах. Управляя рабочей температурой электрически нагреваемого устройства 100, генерирующего аэрозоль, так, чтобы она была ниже температуры высвобождения некоторых из летучих соединений, можно избежать высвобождения или образования этих составляющих дыма.
Внутри корпуса 10 предусмотрен источник 16 электроэнергии, например перезаряжаемая литий-ионная батарея. С нагревательным элементом 14 и источником 16 электроэнергии соединен контроллер 18. Контроллер 18 управляет питанием, подаваемым на нагревательный элемент 14, для регулирования его температуры. Как правило, субстрат, образующий аэрозоль, нагревают до температуры от 250 до 450 градусов по Цельсию.
Корпус 10 содержит впускные отверстия 11 для воздуха в основании полости в корпусе, в которой размещен субстрат 12, образующий аэрозоль. При использовании пользователь делает затяжку сигаретой и втягивает воздух через впускные отверстия 11 для воздуха, через субстрат 12 мимо нагревателя 14 и себе в рот.
В описываемом варианте осуществления нагревательный элемент 14 представляет собой электрически резистивную дорожку или дорожки, нанесенные на керамический субстрат. Этот керамический субстрат имеет форму пластинки, и при использовании его вставляют в субстрат 12, образующий аэрозоль.
Контроллер 18 также соединен с датчиком 20 газообразных продуктов сгорания, в этом примере - с датчиком угарного газа (CO). Контроллер также соединен со средством 22 визуальной сигнализации, которое в этом примере представляет собой LED, и средством 24 звуковой сигнализации, которое в этом примере представляет собой динамик, выполненный с возможностью издавать предупреждающий звук, как будет описано.
В примере, показанном на фиг. 1, датчик газообразных продуктов сгорания предусмотрен для выявления CO в потоке воздуха, втягиваемом через впускные отверстия для воздуха. Это - дым побочного потока. Датчик 20 газообразных продуктов сгорания непрерывно подает на контроллер сигнал, характеризующий определяемый уровень CO в дыме побочного потока.
На фиг. 2 показан первый процесс, в ходе которого контроллер 18 использует уровень газообразных продуктов сгорания, полученный от датчика. На первом этапе 200 контроллер принимает от датчика 20 сигнал уровня газообразных продуктов сгорания. Сигнал уровня газообразных продуктов сгорания может подвергаться дискретизации в каждом тактовом цикле контроллера, и цифровое значение уровня газообразных продуктов сгорания сохраняется в памяти. Память может представлять собой энергозависимую память или энергонезависимую память в контроллере. На втором этапе 210 контроллер вычисляет средний уровень газообразных продуктов сгорания, используя сигналы, полученные от датчика за предыдущие пять секунд. Использование данных, собранных в течение значительного периода времени, уменьшает вероятность ложного положительного результата, основанного на случайных всплесках выявленного уровня газообразных продуктов сгорания. Средний уровень газообразных продуктов сгорания за предыдущие пять секунд на фиг. 2 обозначен L.
Пороговый уровень газообразных продуктов сгорания, о превышении которого необходимо предупреждать пользователя, хранится в энергонезависимой памяти в контроллере. Этот уровень является уровнем, который с высокой долей вероятности является следствием значительного сгорания субстрата, образующего аэрозоль. Это обозначено L1 на фиг. 2. На этапе 220 контроллер сравнивает вычисленный средний уровень L газообразных продуктов сгорания с L1. Если L больше L1, то контроллер переходит к этапу 230. На этапе 230 контроллер активирует средство 22 сигнализации или средство 24 сигнализации (если оно еще не активировано), чтобы предупредить пользователя о том, что происходит сгорание. Тогда пользователь может решить прекратить делать затяжки сигаретой или изменить характер затяжек, чтобы субстрат мог охладиться, или может решить продолжить делать затяжки так, как делал раньше. Тогда контроллер возвращается на этап 200, чтобы начать процесс заново.
Если на этапе 220 контроллер определяет, что средний уровень газообразных продуктов сгорания для предыдущих пяти секунд меньше L1, то контроллер переходит к этапу 240. На этапе 240 средство 22 сигнализации отключается (если оно еще не отключено), и тогда процесс возвращается на этап 200.
Таким образом система предоставляет пользователю информацию о сгорании, которое происходит в субстрате, образующем аэрозоль.
В этом примере датчиком газообразных продуктов сгорания является датчик CO, и он предусмотрен с возможностью измерения уровней CO в дыме побочного потока. Уровень порога L1 установлен на уровне, который выше уровня CO, который обычно является ожидаемым во время использования устройства без сгорания. Среднее количество CO, выявляемое в дыме побочного потока обычной сигареты, которая сгорает, составляет приблизительно 0,02 мг/с. Порог L1 установлен значительно ниже этого, от 0,004 до 0,009 мг/с. Поэтому пользователь получит предупреждение задолго до того, как произойдет полное, самовозобновляющееся сгорание субстрата, образующего аэрозоль.
В качестве альтернативы или дополнительно, может использоваться датчик NO или NOx. Опять-таки пороговый уровень, применяемый для NO и NOx, выше уровня, ожидаемого во время нормальной работы системы без сгорания, но существенно ниже уровня NO или NOx, который получается при сгорании обычной сигареты. Пороговый уровень L1 как для NO, так и для NOx в этом варианте осуществления будет от 1,8 до 3,7 мкг/с.
На фиг. 3 показан более сложный процесс, который может осуществляться контроллером 18 с использованием уровня газообразных продуктов сгорания, полученного от датчика 20. На первом этапе 300 контроллер принимает от датчика 20 сигнал уровня газообразных продуктов сгорания. Сигнал уровня газообразных продуктов сгорания может подвергаться дискретизации в каждом тактовом цикле контроллера, и цифровое значение уровня газообразных продуктов сгорания сохраняется в памяти. Память может представлять собой энергозависимую память или энергонезависимую память в контроллере. На втором этапе 310 контроллер вычисляет средний уровень газообразных продуктов сгорания, используя сигналы, полученные от датчика за предыдущие пять секунд. Средний уровень газообразных продуктов сгорания за предыдущие пять секунд на фиг. 3 опять обозначен L.
На этапе 320 контроллер 18 сравнивает средний уровень L газообразных продуктов сгорания с пороговым уровнем L2 прекращения питания. Пороговый уровень прекращения питания - это относительно высокий уровень газообразных продуктов сгорания, выше которого подача питания на нагреватель прекращается, как будет описано. Если средний уровень L газообразных продуктов сгорания не выше L2, то контроллер переходит на этап 330, где L сравнивается с более низким порогом L1. L1 установлен приблизительно на том же уровне, что и L1 в процессе на фиг. 2, и представляет собой уровень, ниже которого желательно держать уровни газообразных продуктов сгорания. Если на этапе 330 контроллер определяет, что L не больше L1, то контроллер возвращается на этап 300, не активируя средства сигнализации и не корректируя подачу питания на нагреватель. Но если на этапе 330 контроллер определяет, что L больше L1, то контроллер уменьшает питание, подаваемое на нагреватель, в этом примере - путем уменьшения коэффициента заполнения импульсов питания, подаваемых на нагреватель. Затем контроллер возвращается на этап 300, и цикл повторяется. За счет этой обратной связи между уровнем газообразных продуктов сгорания и питанием питание будет уменьшаться, пока выявленный уровень газообразных продуктов сгорания не опустится ниже L1, и при нормальной работе уровень газообразных продуктов сгорания будет поддерживаться ниже L1.
Если на этапе 320 контроллер определяет, что L больше L2, то контроллер прекращает подачу питания на нагреватель и активирует средство 22 сигнализации. L2 установлен на более высоком уровне, чем L1. Для дыма побочного потока и для выявления CO L2 может быть установлен приблизительно на 0,01 мг/с. Если уровень L2 превышен, то это говорит о том, что имеет место значительный уровень сгорания, что с высокой долей вероятности приведет к появлению в аэрозоле значительных количеств других нежелательных составляющих. Для датчика NO или NOx порог L2 установлен на приблизительно 4 мкг/с.
Чтобы определить, продолжается ли сгорание в субстрате, образующем аэрозоль, даже после прекращения подачи питания на нагреватель, на этапе 360 контроллер пересчитывает L. Этап 360 может выполняться заданное количество времени после этапа 350, например 5 секунд после этапа 350. На этапе 370 пересчитанный L снова сравнивается с L2. Если L по-прежнему выше L2, то это говорит о том, что в субстрате, образующем аэрозоль, происходит самовозобновляющееся сгорание. Тогда на этапе 380 активируется средство 24 звуковой сигнализации, чтобы показать пользователю, что субстрат не следует использовать повторно и что субстрат нужно удалить из устройства. Процесс заканчивается на этапе 390, и устройство отключается. Если пересчитанный L ниже L2, то контроллер переходит непосредственно от этапа 370 к этапу 390, и устройство выключается.
Процесс, описанный в связи с фиг. 2 и 3, может быть особенно необходим, когда конечный пользователь может использовать в устройстве выбранный им самим субстрат, образующий аэрозоль, а не те субстраты, образующие аэрозоль, которые предназначены специально для использования с устройством и одобрены изготовителем. Сигареты, используемые в нагреваемых табачных изделиях, как правило, содержат глицерин или другое вещество для образования аэрозоля, и поэтому в них сравнительно высокое содержание влаги по сравнению с обычными сигаретами и рассыпным резаным табаком, особенно если сигареты из табака старые. Сухие субстраты, образующие аэрозоль, будут гореть при более низких температурах, чем относительно более влажные субстраты. Кроме того, количество субстрата, образующего аэрозоль, заправленного в устройство, будет влиять на величину питания, необходимого нагревателю, чтобы достичь определенной температуры.
На фиг. 4 показан альтернативный тип курительной системы в соответствии с изобретением, который позволяет пользователям использовать в устройстве рассыпной табак или другие субстраты. Устройство 400 содержит камеру нагревания 415, в которую заправляется рассыпной табак 412. Камера нагревается гибким нагревателем 414, выстилающим камеру 414 нагревания. Контроллер 418 управляет подачей электропитания от батареи 410 на нагреватель 414. Контроллер также соединен с датчиком 420 CO, средством сигнализации 422 в виде LED и средством 424 звуковой сигнализации, как описано в устройстве, показанном на фиг. 1. Рассыпной табак может быть заправлен в камеру путем снятия крышки 413, заправки некоторого количества табака в камеру нагревания и затем возвращения крышки на место.
Устройство 400 содержит мундштук 432, с помощью которого пользователь делает затяжки, чтобы втягивать через устройство воздух и генерируемый аэрозоль. Воздух втягивается в устройство через впускное отверстие 411 для воздуха в камеру нагревания; затем воздух проходит по каналу 430, мимо датчика 420 CO в мундштук 432, а затем в рот пользователя. Во впускном отверстии 411 и на входе в канал 430 могут быть предусмотрены фильтрующие элементы (не показаны), чтобы табак не блокировал путь потока воздуха.
Пары нагреваемого субстрата, генерирующего аэрозоль, захватываются потоком воздуха и втягиваются через канал, мимо датчика CO с воздухом. Пары конденсируются в потоке воздуха, образуя аэрозоль.
В этом варианте осуществления видно, что датчик 420 газообразных продуктов сгорания выполнен с возможностью выявления газов, которые проходят непосредственно в рот пользователя, ниже по потоку относительно субстрата, образующего аэрозоль. Это называется дымом основного потока. Поскольку датчик газообразных продуктов сгорания в этом варианте осуществления выявляет дым основного потока, пороговые уровни, используемые в процессе, показанном на фиг. 2 и фиг. 3, должны быть установлены выше, чем для устройства такого типа, как описанный на фиг. 1, в котором датчик газообразных продуктов сгорания установлен для выявления дыма побочного потока.
В этом примере датчик газообразных продуктов сгорания представляет собой датчик CO и уровень порога L1 установлен на уровне, который выше уровня CO, который обычно является ожидаемым во время использования устройства без сгорания. Среднее количество CO, выявляемое в дыме основного потока обычной сигареты, которая сгорает, составляет около 0,09 мг/с. Поэтому порог L1 для дыма основного потока установлен значительно ниже этого, от 0,02 до 0,04 мг/с. Порог для уровня L2 установлен на приблизительно 0,07 мг/с.
В качестве альтернативы или дополнительно, может использоваться датчик NO или NOx. Опять-таки пороговый уровень, применяемый для NO и NOx, выше уровня, ожидаемого во время нормальной работы системы без сгорания, но существенно ниже уровня NO или NOx, который получается при сгорании обычной сигареты. Пороговый уровень L1 как для NO, так и для NOx в этом варианте осуществления, выявляющий дым основного потока, будет составлять от 0,7 до 1,4 мкг/с. Пороговый уровень для L2 может быть установлен на приблизительно 1,5 мкг/с.
Следует понимать, что приведенные в качестве примера варианты осуществления, описанные выше, являются иллюстративными, но не ограничивающими. На основании рассмотренных выше, приведенных в качестве примера вариантов осуществления специалисту в данной области техники будут понятны другие варианты осуществления, соответствующие вышеописанным, приведенным в качестве примера вариантам осуществления.
1. Устройство, вырабатывающее аэрозоль для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, содержащее
источник питания;
нагреватель;
контроллер, выполненный с возможностью управления подачей питания от источника питания на нагреватель; и
датчик газообразных продуктов сгорания;
при этом контроллер соединен с датчиком газообразных продуктов сгорания и выполнен с возможностью отслеживания уровня газообразных продуктов сгорания на основании сигналов от датчика газообразных продуктов сгорания.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что контроллер выполнен с возможностью уменьшения подачи питания на нагреватель при превышении уровнем газообразных продуктов сгорания первого порогового уровня газообразных продуктов.
3. Устройство по пп. 1 или 2, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство сигнализации, при этом контроллер выполнен с возможностью приведения в действие средства сигнализации при превышении уровнем газообразных продуктов сгорания второго порогового уровня.
4. Устройство по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что устройство представляет собой электрически нагреваемое курительное устройство.
5. Устройство по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что датчик газообразных продуктов сгорания представляет собой датчик угарного газа (CO) или датчик оксида азота (NOx).
6. Устройство по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что контроллер выполнен с возможностью вычисления суммарного или среднего уровня газообразных продуктов сгорания в пределах заданного периода времени и сравнения суммарного или среднего уровня газообразных продуктов сгорания с пороговым уровнем или пороговыми уровнями.
7. Устройство по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что контроллер выполнен с возможностью прекращения подачи питания на нагреватель от источника питания при достижении уровнем газообразных продуктов сгорания уровня остановки.
8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что контроллер выполнен с возможностью отслеживания уровня газообразных продуктов сгорания после прекращения контроллером подачи питания на нагреватель и выполнен с возможностью приведения в действие средства сигнализации, если уровень газообразных продуктов сгорания по-прежнему выше уровня остановки.
9. Устройство по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что контроллер выполнен с возможностью регулирования подачи питания на нагреватель от источника питания для поддержания уровня газообразных продуктов сгорания ниже порогового уровня.
10. Устройство по любому предыдущему пункту, отличающееся тем, что устройство содержит впускное отверстие для воздуха и выпускное отверстие для воздуха, и при этом субстрат, образующий аэрозоль, при использовании расположен на пути потока воздуха между впускным отверстием для воздуха и выпускным отверстием для воздуха; и при этом датчик газообразных продуктов сгорания расположен так, чтобы выявлять газообразные продукты сгорания, втягиваемые через впускное отверстие для воздуха.
11. Устройство по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что устройство содержит впускное отверстие для воздуха и выпускное отверстие для воздуха, и при этом субстрат, образующий аэрозоль, при использовании расположен на пути потока воздуха между впускным отверстием для воздуха и выпускным отверстием для воздуха, и воздух втягивается через впускное отверстие для воздуха и проходит мимо субстрата, образующего аэрозоль, или через него к выпускному отверстию для воздуха; и при этом датчик газообразных продуктов сгорания расположен так, чтобы выявлять газообразные продукты сгорания рядом с субстратом, образующим аэрозоль, или ниже по потоку относительно него.
12. Система, вырабатывающая аэрозоль, содержащая устройство, вырабатывающее аэрозоль, по любому из пп. 1-11 и субстрат, образующий аэрозоль, размещенный в устройстве или связанный с ним.
13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что субстрат, образующий аэрозоль, содержит табакосодержащий материал, содержащий летучие ароматные соединения табака, высвобождаемые из субстрата при нагревании.
14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой твердый субстрат.
15. Способ управления подачей питания на нагреватель в нагреваемом устройстве, вырабатывающем аэрозоль, включающий
отслеживание уровня газообразных продуктов сгорания в устройстве или вокруг него; и
уменьшение подачи питания на нагреватель, если уровень газообразных продуктов сгорания превышает пороговый уровень газообразных продуктов сгорания.
