具有加热式气体传感器的气溶胶生成装置、系统和方法与流程

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具有加热式气体传感器的气溶胶生成装置、系统和方法与流程

本发明涉及通过加热气溶胶形成基材来操作的气溶胶生成装置和系统。具体地,本发明涉及气溶胶生成装置和系统,在其中期望使气溶胶形成基材的温度维持在温度范围内,以便确保产生所期望的气溶胶。电加热吸烟装置是这类装置的实例。



背景技术:

不论电加热吸烟装置是否被配置成加热液体气溶胶形成基材或固体气溶胶形成基材(例如香烟),它的一个潜在问题是如果气溶胶形成基材的温度变得过高,则会发生气溶胶形成基材的燃烧。这可导致在所生成的气溶胶内生成味道不适且一般不合意的化合物。

在用户可以将其自己的气溶胶形成基材插入装置中的系统中,这个问题尤其严重。加热时不同的气溶胶形成基材表现不同。具体地,发生燃烧的温度将取决于基材的组成和其水分含量而变化。因此,仅使加热器的温度维持在预定温度范围内的装置可能不产生针对可以用于所述装置的所有不同基材的所期望气溶胶。



技术实现要素:

本发明的一个目的是提供气溶胶生成装置和系统,所述气溶胶生成装置和系统可检测与不合意的基材或基材燃烧相关联的操作条件,并且操作高效、紧凑且成本低。

在第一方面中,提供一种被配置成加热气溶胶形成基材的气溶胶生成装置,所述气溶胶生成装置包括:

电源;

加热器,其被设置来加热气溶胶形成基材以形成气溶胶;

控制器,其被配置成控制所述电源对所述加热器的电力供应;和

气体传感器,其对特定的气体或多种气体敏感,其中所述气体传感器的响应取决于所述气体传感器的温度,并且

其中所述控制器连接至所述气体传感器并且被配置成监测来自所述气体传感器的信号。

通过使用对特定的气体或多种气体例如氧化气体和还原气体敏感并且具有取决于温度的响应的气体传感器,可检测多种不同的操作条件。

气体传感器有利地被配置成在高于环境温度的操作温度范围内操作。气体传感器可被设置成使得当加热气溶胶形成基材以形成气溶胶时,加热器将气体传感器加热到其操作温度范围内。

气体传感器可以为半导体气体传感器。具体地,气体传感器可以为金属氧化物气体传感器。在一个实例中,气体传感器为N型半导体气体传感器,并且具体地为氧化锡气体传感器。N型半导体传感器在诸如一氧化碳(CO)或氨气的还原气体的存在下电阻减小,而在诸如氧气、一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO2)的氧化气体的存在下电阻增加。还可使用P型半导体气体传感器。P型半导体气体传感器的行为方式相反,因此它们在还原气体的存在下电阻增加,而在氧化气体的存在下电阻减小。

气体传感器可被配置成在200℃和400℃之间操作。这是N型或P型半导体气体传感器的典型操作范围。半导体气体传感器借助于气体与传感器直接接触时发生的化学反应来进行操作。在介于200℃和400℃之间的温度下,传感器由于化学反应速率而更加敏感并且更加高效。

控制器可被配置成监测传感器的电阻或电阻变化。传感器的电阻或电阻变化指示还原气体或氧化气体的存在。

气体传感器可设有集成的气体传感器加热器。这是一些市售半导体气体传感器的特征。可在气溶胶生成装置中使用气体传感器加热器来加热气体传感器,以补充或替代被设置来加热气溶胶形成基材的加热器。

所述装置可包括多个气体传感器,气体传感器中的至少两个被配置成对不同气体敏感。因此一个传感器可被配置成检测还原气体,并且另一个传感器可被配置成检测氧化气体。或者,这两个气体传感器可对还原气体敏感,但是可以不同方式(通过改变气体感测层的组成、制造或掺杂)来进行调节以对不同气体特别地敏感。例如,一个气体传感器可被调节以感测CO,而另一个气体传感器可被调节以对NO2敏感。

加热器可以包括由电阻材料形成的加热元件。适合的电阻材料包含但不限于:半导体,如掺杂陶瓷、“导”电陶瓷(例如二硅化钼)、碳、石墨、金属、金属合金以及由陶瓷材料和金属材料制成的复合材料。此类复合材料可包括掺杂或未掺杂的陶瓷。合适的掺杂陶瓷的实例包括掺杂碳化硅。适合金属的实例包括钛、锆、钽、铂、金和银。适合的金属合金实例包含不锈钢、含镍合金、含钴合金、含铬合金、含铝-钛-锆合金、含铪合金、含铌合金、含钼合金、含钽合金、含钨合金、含锡合金、含镓合金、含锰合金、含金和含铁合金,以及基于镍、铁、钴、不锈钢、和铁-锰-铝基合金的超合金。在复合材料中,电阻材料可以任选地嵌入绝缘材料中,由绝缘材料封装或由绝缘材料涂布或反之亦然,这取决于能量转移的动力学和所需外部理化特性。

加热器可包括内部加热元件或外部加热元件或内部及外部加热元件两者,其中“内部”及“外部”是针对气溶胶形成基材。内部加热元件可以采取任何适合形式。例如,内部加热元件可以采取加热叶片的形式。或者,内部加热器可以采取具有不同导电部分的套管或基材或电阻式金属管形式。其他替代物包括加热丝或纤丝,例如Ni-Cr(镍-铬)、铂、钨或合金丝,或加热板。

外部加热元件可以采取任何适合形式。例如,外部加热元件可以采取位于介电质基材(例如聚酰亚胺)上的一个或多个柔性加热箔形式。柔性加热箔可以成形而顺应基材接收空腔的周边。或者,外部加热元件可以采取金属网格、柔性印刷电路板、成型互连装置(MID)、陶瓷加热器、柔性碳纤维加热器的形式,或可以使用涂布技术(例如等离子体气相沉积)形成于适合的成形基材上。外部加热元件也可以使用温度与电阻率之间具有所定义关系的金属来形成。在这类示例性装置中,金属可以在两层适合的绝缘材料之间形成为轨道。以此方式形成的外部加热元件可以用于加热和监测外部加热元件在操作期间的温度。

加热器有利地借助于传导来加热气溶胶形成基材。加热器可以至少部分地与基材或其上沉积有基材的载体接触。或者,来自内部或外部加热元件的热量可以借助于导热元件传导到基材。

加热器可以放置在支撑基材中或支撑基材上。在一个此类实施例中,加热器是使用在温度与电阻率之间具有所定义关系的金属例如铂形成的电阻加热元件。在此类示例性装置中,金属可以在适合绝缘材料(如陶瓷材料)上形成轨道,且然后夹入另一种绝缘材料(如玻璃)中。以此方式形成的加热器可以用于加热和监测加热元件在操作期间的温度。

当加热器安装在支撑基材上时,气体传感器可有利地安装在支撑基材上,靠近加热器。以这种方式,加热器可用于将气体传感器加热至其最佳操作温度,而不需要单独加热气体传感器,或者至少需要较少的气体传感器的专用加热。这是电力的有效利用,这在手持式电池供电装置中是一个显著的优点。

支撑基材可被配置来插入气溶胶形成基材。例如,支撑基材可以呈叶片的形式,其中加热器沉积在叶片的一侧或两侧上。

气体传感器可被布置在覆盖加热器的支撑基材上。这确保气体传感器接收来自加热器的热量。替代地或另外地,气体传感器可被布置在基材相对于加热器的相对面上。这为气体传感器提供了更低但更均匀的温度。或者,气体传感器和加热器可以单层设置在基材的一个表面上。这可以减少所需制造步骤的数量,从而可以节省成本。

在本发明的第二方面中,提供一种被配置成加热气溶胶形成基材的气溶胶生成装置,所述气溶胶生成装置包括:

电源;

支撑基材;

加热器,其设置在所述支撑基材上来加热所述气溶胶形成基材以形成气溶胶;

半导体气体传感器,其设置在所述支撑基材上;和

控制器,其被配置成控制所述电源对所述加热器的电力供应;并且

其中所述控制器连接至所述气体传感器并且被配置成监测来自所述气体传感器的信号。

第一方面的装置的特征可以应用于本发明的第二方面的装置。具体地,应当明显的是,气体传感器可以为半导体气体传感器,例如金属氧化物气体传感器。加热器可以如参照本发明的第一方面所描述的那样,有利地是使用诸如铂的金属形成的电阻加热元件。

如本文中所使用,“气溶胶生成装置”涉及与气溶胶形成基材相互作用生成气溶胶的装置。气溶胶形成基材可以是气溶胶生成制品的一部分,例如吸烟制品的一部分。气溶胶生成装置可以是与气溶胶生成制品的气溶胶形成基材相互作用以生成可以通过用户的口直接吸入到用户的肺中的气溶胶的吸烟装置。

如本文中所使用,术语“气溶胶形成基材”涉及能够释放挥发性化合物的基材,所述挥发性化合物可以形成气溶胶。可以通过加热气溶胶形成基材来释放此类挥发性化合物。气溶胶形成基材可以适宜地为气溶胶生成制品或吸烟制品的一部分。

如本文中所使用,术语“气溶胶生成制品”和“吸烟制品”是指包括能够释放挥发性化合物的气溶胶形成基材的制品,所述挥发性化合物可形成气溶胶。例如,气溶胶生成制品可以是生成可以通过用户的口直接吸入到用户的肺中的气溶胶的吸烟制品。气溶胶生成制品可以是一次性的。吸烟制品可为烟杆或可包含烟杆。

根据本发明的第一方面或第二方面的装置可为电操作装置,并且具体地可为电加热吸烟装置。

在本发明的第一方面和第二方面中,控制器可被配置成基于来自气体传感器的信号来终止或降低对加热器的电力供应。来自气体传感器的信号可指示故障状态,例如已被使用的或对于装置不适宜的正在被加热的基材。在这种情况下,对加热器的电力供应可能会终止。在本发明的第一方面和第二方面中,控制器可被配置成将来自气体传感器的信号与存储器中存储的数据进行比较以确定故障状态。

通过基于来自气体传感器的信号监测所生成的特定气体的水平,控制器具有关于所生成气溶胶的组成的信息,而无需知道关于所使用的气溶胶形成基材的任何情况。气体传感器可被例如调节以检测一氧化碳(CO)或氮氧化物(NOx)。一氧化碳是燃烧的已确立指标,并且特别是不完全燃烧的已确立指标。例如,在燃烧的香烟中,较重分子量的挥发性化合物“裂”成更小的分子,例如低分子量烃、一氧化碳和二氧化碳。由于在使用期间,尤其在用户抽吸之间,被输送到燃烧的香烟的氧气不充足而不能用于完全燃烧,因此会出现不完全燃烧。在燃烧期间也常常产生氮氧化物。氮氧化物包含一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2),但常常缩写成NOx。在燃烧的生物质中,NOx通常由燃料结合氮产生。例如,植物类基材,例如烟草类基材含有大量的硝酸盐。气体传感器还可被配置成检测其他气体,例如含有一个或多个羧基的气体或醛类,所述气体由于液体基材组分的燃烧而可能在使用液体基材的电子烟中不当地生成。

在本发明的第一方面和第二方面中,控制器可被配置成当还原气体或氧化气体的水平超过第一阈值气体水平时降低对加热器的电力供应。如本文中所使用,术语“气体水平”可指气流内气体的浓度或检测到的气体的绝对量。气体的水平可通过气体传感器的电阻与预期电阻的差值来确定。优选地,控制器被配置成将对加热器的电力降低到对降低加热器或气溶胶形成基材的温度具有影响的水平。

替代地或另外,所述装置可包括指示器,并且控制器可被配置成在确定故障时启用指示器。当氧化气体或还原气体的水平超过第二阈值水平时,控制器可启用指示器。指示器可以是所述装置上的视觉指示器,例如发光二极管(LED)或音频指示器,例如扬声器。随后用户可以选择中断使用所述装置直到指示器被停用。第一阈值水平可以与第二阈值水平相同或不同。

在本发明的第一方面和第二方面中,控制器可被配置成当还原气体或氧化气体水平达到终止水平时终止电源对加热器的电力供应。控制器可被配置成在控制器已终止对加热器的电力供应后监测还原气体或氧化气体水平,并且可被配置成在还原气体或氧化气体水平保持高于终止水平的情况下启用指示器。此指示器可为音频指示器或视觉指示器。这允许在基材内检测自持燃烧。如果因燃烧而产生的热量足以引起还原气体或氧化气体的进一步燃烧,而不需要来自加热器的额外热量,则对用户发出警报并且其可选择从所述装置中去除基材。

在本发明的第一方面和第二方面中,控制器可被配置成调节电源对加热器的电力供应,以维持被感测气体的水平低于第一阈值水平。可以使用反馈回路,使得控制器根据检测到的气体水平来连续地调节供应到加热器的电力。通过降低供应到加热器的电力,可降低所生成气体的水平。电力降低的量可以是预定量或可以是基于感测温度来控制的降低量。

在本发明的第一方面和第二方面中,所述装置可以包括空气入口和空气出口,并且在使用时气溶胶形成基材可被设置于空气入口与空气出口之间的空气流径中。空气通过空气入口被吸入、穿过或通过气溶胶形成基材到达空气出口。在吸烟系统中,用户在空气出口上抽吸以吸入空气并且在其口中生成气溶胶(烟雾)。

气体传感器可被设置来检测通过空气入口吸入所述装置中的气体,本文中称作侧流气体。在吸烟系统中,这允许检测不被用户直接吸入的“侧流”烟雾内的燃烧气体。

或者,气体传感器可被设置来检测靠近气溶胶形成基材或在其下游的气体,本文中称作主流燃烧气体。在吸烟系统中,这允许检测被用户直接吸入的“主流”烟雾内的气体。

用于判定是否降低或终止对加热器的电力供应并且判定是否启用指示器的气体的阈值水平取决于气体传感器是否被设置来检测侧流燃烧气体或主流燃烧气体。

在本发明的第一方面和第二方面中,电源可以是任何合适的电源,例如DC电压源。在一个实施例中,电源是锂离子电池。或者,电源可以是镍金属氢化物电池、镍镉电池或锂基电池,例如锂钴、磷酸锂铁、钛酸锂或锂聚合物电池。

在本发明的第一方面和第二方面中,控制器可包括微型控制器。所述微型控制器可以包含用于控制供应到加热器的电力的PID调节器。控制器可被配置成以电力脉冲形式对加热器供应电力。控制器可被配置用于通过改变电力脉冲的占空比来改变对加热器的电力供应。

在本发明的第一方面和第二方面两者中,所述气溶胶生成装置可包括壳体。优选地,壳体是细长的。壳体的结构,包含用于冷凝形成的表面区域将影响气溶胶特性和是否存在从装置的液体泄漏。壳体可以包括外壳和烟嘴。在这种情况下,所有部件均可以包含于所述壳体或烟嘴中。壳体可以包括任何适合的材料或材料组合。适合材料的实例包含金属、合金、塑料或含有一种或多种所述材料的复合材料,或适用于食物或药物应用的热塑性材料,例如聚丙烯、聚醚醚酮(PEEK)和聚乙烯。优选地,材料轻质并且无脆性。

在本发明的第一方面和第二方面中,优选地,气溶胶生成装置为便携的。气溶胶生成装置可以是吸烟装置且可具有与常规雪茄或香烟相当的尺寸。吸烟装置可具有约30mm与约150mm之间的总长度。吸烟装置可具有约5mm与约30mm之间的外径。

在第二方面中,提供一种气溶胶生成系统,其包括根据第一方面或第二方面的气溶胶生成装置,和接纳于所述装置中或耦接到所述装置的气溶胶形成基材。

在本发明的第一方面、第二方面和第三方面中,在操作期间,气溶胶形成基材可完全包含在气溶胶生成装置内。在这种情况下,使用者可以用气溶胶生成装置的烟嘴进行抽吸。

或者,在操作期间,含气溶胶形成基材的吸烟制品可以部分包含在气溶胶生成装置内。在这种情况下,使用者可以直接用吸烟制品进行抽吸。加热元件可以设置在装置中的空腔内,其中所述空腔被配置成接纳气溶胶形成基材,使得在使用时加热元件位于气溶胶形成基材内。

吸烟制品的形状可以是基本上圆柱形的。吸烟制品可以是基本上细长的。吸烟制品可以具有一定长度和基本上垂直于所述长度的圆周。气溶胶形成基材的形状可以是基本上圆柱形的。气溶胶形成基材可以是基本上细长的。气溶胶形成基材也可以具有一定长度和基本上垂直于所述长度的圆周。

吸烟制品的总长度可以介于约30mm与约100mm之间。吸烟制品的外径可以介于约5mm与约12mm之间。吸烟制品可以包含滤嘴段。滤嘴段可以位于吸烟制品的下游端。滤嘴段可以是乙酸纤维素滤嘴段。滤嘴段的长度在一个实施例中是约7mm,但其长度可以介于约5mm至约10mm之间。

在一个实施例中,吸烟制品的总长度是约45mm。吸烟制品的外径可以是约7.2mm。此外,气溶胶形成基材的长度可以是约10mm。或者,气溶胶形成基材的长度可以是约12mm。此外,气溶胶形成基材的直径可以介于约5mm与约12mm之间。吸烟制品可以包含外包纸。此外,吸烟制品可以包含气溶胶形成基材与滤嘴段之间的分隔物。分隔物可以是约18mm,但可以在约5mm到约25mm的范围内。分隔物优选通过热交换器填充于吸烟制品中,当气溶胶通过吸烟制品从基材到滤嘴段时,热交换器使气溶胶冷却。热交换器可以是例如聚合物类过滤器,例如卷曲的PLA材料。

在本发明的第一方面和第二方面中,气溶胶形成基材可以是固体气溶胶形成基材。或者,气溶胶形成基材可以包含固体和液体组分。气溶胶形成基材可以包含含烟草材料,所述含烟草材料包含在加热时从所述基材释放的挥发性烟草香味化合物。或者,气溶胶形成基材可以包含非烟草材料。气溶胶形成基材可以进一步包含气溶胶形成剂。适合的气溶胶形成剂的实例是丙三醇和丙二醇。

如果气溶胶形成基材是固体气溶胶形成基材,则所述固体气溶胶形成基材可以包含例如以下中的一种或多种:粉末、颗粒、小球、碎片、细条、条状物或薄片,所述材料含有草本植物叶、烟草叶、烟草肋料、再造烟草、均质烟草、挤出烟草、铸型叶烟草和膨胀烟草中的一种或多种。固体气溶胶形成基材可以呈疏松形式,或可在适合容器或料筒中提供。任选地,固体气溶胶形成基材可以含有在基材加热时释放的额外烟草或非烟草挥发性香味化合物。固体气溶胶形成基材还可以含有胶囊,所述胶囊例如包括额外烟草或非烟草挥发性香味化合物,并且此类胶囊可以在加热固体气溶胶形成基材期间熔化。

如本文所用,均质烟草是指通过使微粒烟草聚结而形成的材料。均质烟草可以呈薄片形式。均质烟草材料可以具有以干重计大于5%的气溶胶形成剂含量。均质烟草材料可以替代地具有以干重计介于5重量%与30重量%之间的气溶胶形成剂含量。均质烟草材料的薄片可以通过使微粒烟草聚结而形成,所述微粒烟草通过将烟草叶片和烟草叶梗中的一种或两种研磨或以其他方式粉碎而获得。替代地或另外,均质烟草材料薄片可以包含在例如烟草的处理、操作和运送期间形成的烟草尘、烟草细粒和其他微粒烟草副产品中的一种或多种。均质烟草材料薄片可以包含作为烟草内源性粘合剂的一种或多种固有粘合剂、作为烟草外源性粘合剂的一种或多种外来粘合剂或其组合,以帮助微粒烟草聚结;替代地或另外,均质烟草材料薄片可以包含其他添加剂,包括但不限于烟草和非烟草纤维、气溶胶形成剂、保湿剂、增塑剂、调味剂、填充剂、水性溶剂和非水性溶剂以及其组合。

任选地,固体气溶胶形成基材可以提供于热稳定载体上或嵌入热稳定载体中。载体可以采取粉末、颗粒、小球、碎片、细条、条状物或薄片形式。或者,载体可以是管状载体,其内表面上或其外表面上或其内表面和外表面上沉积有固体基材薄层。此类管状载体可以由例如纸或纸样材料、非织造碳纤维垫、低质量开网金属丝网(low mass open mesh metallic screen)或穿孔金属箔或任何其他热稳定聚合物基材形成。

固体气溶胶形成基材可以例如薄片、泡沫、凝胶或浆液的形式沉积在载体的表面上。固体气溶胶形成基材可以沉积在载体的整个表面上,或者,可以按一定图案沉积,以便在使用期间提供不均匀的香味递送。

虽然上文参考了固体气溶胶形成基材,但是所属领域的一般技术人员将清楚知道,其他实施例可以使用气溶胶形成基材的其他形式。例如,气溶胶形成基材可以是液体气溶胶形成基材。液体气溶胶形成基材可以包括气溶胶形成剂。适合的气溶胶形成剂的实例是丙三醇和丙二醇。如果提供液体气溶胶形成基材,则气溶胶生成装置优选地包含用于保留液体的构件。例如,可以在容器中保留液体气溶胶形成基材。替代地或另外地,液体气溶胶形成基材可被吸入多孔载体材料中。多孔载体材料可以由任何适合的吸收滤嘴段或吸收体形成,例如泡沫金属或塑料材料、聚丙烯、涤纶、尼龙纤维或陶瓷。在使用气溶胶生成装置前,可以将液体气溶胶形成基材保留在多孔载体材料中,或者,可以在使用期间或临用前将液体气溶胶形成基材材料释放到多孔载体材料中。例如,可以在胶囊中提供液体气溶胶形成基材。胶囊外壳优选地在加热时熔化且将液体气溶胶形成基材释放到多孔载体材料中。胶囊可以任选地含有固体与液体的组合。

或者,载体可以是其中已经并有烟草组分的非织造织物或纤维束。非织造织物或纤维束可以包括例如碳纤维、天然纤维素纤维或纤维素衍生型纤维。

加热器和气体传感器可以设置在可与电源和/或控制器分开的加热器组件中。可能加热器和气体传感器通常对电源或控制器有不同的使用期限,因此需要以不同的时间间隔进行更换。因此,可能有利的是将加热器组件作为相对于装置的其余部分而言单独的物品出售。因此,在第四方面,提供一种用于气溶胶生成系统的加热组件,所述加热组件被配置成加热气溶胶形成基材,所述加热组件包括:

加热器,其被设置来加热所述气溶胶形成基材以形成气溶胶;和

气体传感器,其对特定的气体或多种气体敏感,其中所述气体传感器的响应取决于所述气体传感器的温度。

加热器组件可设有或没有气溶胶生成基材。

虽然已通过参考不同方面来描述本公开,但是应清楚,关于本公开的一个方面描述的特征可适用于本公开的其他方面。具体地,参照本发明的第一方面、第二方面和第三方面描述的被设置来加热气溶胶形成基材的加热器的特征、气体传感器的特征以及气溶胶形成基材的特征可以应用于本发明的第四方面的加热器组件。

附图说明

将参照附图仅以举例的方式进一步描述本发明,在附图中:

图1是根据本发明的第一电加热吸烟装置的示意图;

图2a是适用于如图1所示的装置的加热器组件的示意性剖视图;

图2b是图2a的加热器组件示意性侧视图;

图3是适用于如图1所示的装置的替代加热器组件的示意性剖视图;

图4是适用于如图1所示的装置的另一替代加热器组件的示意性剖视图;

图5是适用于如图1所示的装置的另一替代加热器组件的示意性剖视图;

图6a示出气体传感器在正常操作条件下的响应;

图6b示出气体传感器暴露于燃烧气体时的响应;

图6c示出气体传感器在存在已被使用的气溶胶形成基材的情况下的响应;

图6d示出气体传感器在不存在气溶胶形成基材的情况下的响应

图6e示出气体传感器在存在不合适的气溶胶形成基材的情况下的响应;以及

图7是根据本发明的第二电加热吸烟装置的示意图。

具体实施方式

在图1中,以简化方式示出电加热气溶胶生成装置100的一个实施例的部件。具体地,电加热气溶胶生成装置100的元件在图1中没有按比例来绘制。为了使图1简化,已经省略了与理解此实施例无关的元件。

电加热气溶胶生成装置100包括壳体10和气溶胶形成基材12,例如,香烟。将气溶胶形成基材12推入壳体10内,以与加热器14热接近。气溶胶形成基材12将在不同温度下释放一系列挥发性化合物。通过将电加热气溶胶生成装置100的操作温度控制在低于一些挥发性化合物的释放温度,可以避免这些烟雾成分的释放或形成。

在壳体10内具有电源16,例如可充电锂离子电池。控制器18连接至加热器支撑件15上的加热器14和电源16。控制器18控制供应到加热器14的电力,以便调节其温度。典型地,气溶胶形成基材被加热到介于250摄氏度与450摄氏度之间的温度。

壳体10包括空腔基部处的空气入口11,所述空腔在容纳气溶胶形成基材12的壳体中。在使用时,用户对香烟进行抽吸,并且通过空气入口11吸入空气,空气通过穿过加热器14的基材12,并且进入用户口中。

在所述实施例中,加热器14是沉积在作为陶瓷基材的加热器支撑件15上的一个或多个电阻轨道。陶瓷基材呈叶片形,并且在使用时被插入到气溶胶形成基材12中。

控制器18还连接至气体传感器20(在此实例中为氧化锡气体传感器),固定至陶瓷基材。控制器也连接至视觉指示器22和音频指示器24,所述视觉指示器在此实例中是LED,所述音频指示器在此实例中是被配置成发出警告声的扬声器,如将描述。

在图1中示出的实例中,气体检测器设置在加热器支撑件15上以检测气溶胶形成基材内的气体

图2a是适用于如参照图1所示的装置的加热器和气体传感器组件的示意性剖视图。加热器支撑件包括上面沉积有两个玻璃层32,33的陶瓷层30。加热器是位于玻璃层32之一的顶部上的铂轨道34。在加热器上方形成另一玻璃层36。气体传感器38为氧化锡气体传感器。在另一玻璃层36和沉积在电极39上方的氧化锡传感器上形成用于向气体传感器38或从气体传感器38载送电流的电极39。

图2b是图2a的加热器和气体传感器组件的侧视图。可看出,电极39形成于氧化锡传感器下方,使得电流必须通过氧化锡层以从一个电极传递到另一个电极。铂加热器轨道绕过气体传感器。加热器轨道可以使用任何合适的图案。图2b所示的实例说明了仅一个实例。

在操作中,加热器34加热陶瓷基材30和玻璃层32,33,36以及气体传感器。它们又加热接纳在装置中的气溶胶形成基材12。气体传感器的最佳操作温度与由气溶胶形成基材形成所需气溶胶所需的温度相匹配,从而不需要气体传感器的额外加热。

根据本发明的加热器和气体传感器组件的替代配置是可能的。图3示出第一替代方案,其中气体传感器38和用于气体传感器的电极39被放置在陶瓷层相对于加热器的相对面上。将气体传感器放置在陶瓷层相对于加热器的相对面上可能是有利的,因为在此位置,气体传感器被加热到稍低的温度并且比图2所示的位置更均匀地受热。

图4示出其中包括气体传感器的另一替代方案。第一气体传感器38设置在加热器上方,如图2a的实施例所示。具有相关联电极49的第二气体传感器48被放置在陶瓷层相对于加热器的相对侧上,如图3的实施例中所述。两个气体传感器均连接至控制器18。第一气体传感器38可被调节以相比于第二气体传感器48对不同的气体敏感。

图5是其中气体传感器38设置在与加热器34相同的玻璃层32上的另一替代方案的剖视图。加热器34围绕气体传感器38延伸,使得加热器和气体传感器38(和气体传感器电极39)彼此电隔离。覆盖并保护加热器34的另一玻璃层36具有开口,气体传感器通过该开口暴露,使得其可检测特定气体。由于此布置比图2a的布置需要更少的沉积步骤,所以制造成本较低。

在操作中,当用户按装置上的按钮(未示出)来启动装置时,控制器对加热器供应电力。加热器的温度由于加热器的焦耳加热而升高。加热器14,34的电阻随温度而变化。控制器18被配置成监测加热器14的电阻,并且调节供应至加热器的电力,以便将加热器的温度维持在目标温度。控制器还可以提供更复杂的控制以响应来自加热器的散热的变化,并且为了响应于其他感测参数而改变吸烟期过程中的目标温度。

同时,控制器18被配置成监测气体传感器38或气体传感器38,48的电阻。

图6a是插入合适气溶胶形成基材时装置正常工作期间,如图2所示的氧化锡气体传感器的电阻演变的图示。随着气体传感器20在加热器启用后的前20-30秒内发热,其电阻下降。气体传感器的温度在使用期间保持相当恒定。气溶胶形成基材dries out.电阻在吸烟期过程中有小幅增加,可能是由于气溶胶形成基材干燥时氧化气体在吸烟期过程中水平增加所致。由于气流通过气体传感器使气体传感器暂时冷却,因此在用户抽吸过程中出现电阻的小尖峰。如果装置被配置成在吸烟期过程中提供可变温度分布,则控制器18可以将气体传感器的电阻标准化以考虑该可变温度。

控制器18包括存储针对气体传感器的正常电阻分布的非易失性存储器,如图6a所示。此分布可与实际测量结果进行比较,以确定是否存在故障状态。

图6b示出如图2中所示的氧化锡气体传感器的电阻的演变,其中气体传感器20由于气溶胶形成基材12的燃烧而暴露于还原气体中。气体传感器20在启用后110秒至175秒暴露于诸如CO的还原气体。可看出,气体传感器的电阻在暴露于还原气体时下降。通过将所存储的针对正常操作的电阻分布(如图6(a)中所示)与气体传感器的测量电阻进行比较,控制器可确定是否发生了“异常”事件,然后通过阻止对加热器的进一步电力供应来中止吸烟期。控制器可被配置成根据偏离预期电阻分布的类型来诊断具体类型的异常行为或故障,然后可以根据所诊断的故障的类型来采取不同的行动或向用户提供不同的指示。例如,控制器可配置成在感测到低水平的还原气体时降低加热器的温度,但可被配置成在所感测到的还原气体的水平高于阈值的情况下中止吸烟期。控制器也可以根据所诊断的故障的性质来提供不同的指示或报警信号。

另一类故障是使用已经用于吸烟期且因此被耗尽的基材。图6c示出气体传感器在存在已被使用的气溶胶形成基材的情况下的响应。线60是在首次使用气溶胶形成基材期间气体传感器的电阻。线62是在第二次使用同一基材期间气体传感器的电阻,并且线64是在第三次使用同一基材期间气体传感器的电阻。可看出,在重复使用同一基材期间,气体传感器的电阻在前30秒内比在首次使用期间高一个数量级。随着气溶胶形成剂耗尽,气溶胶形成基材在首次使用后变干。这开始导致氧化气体增加。控制器还也可被配置成控制加热器的温度,使得当加热器散热减少(当气溶胶形成基材干透时发生)时,控制器降低加热器的温度。这降低了气溶胶形成基材燃烧的风险,但可导致气体传感器的较高电阻。气体传感器的初始较高电阻可容易地被控制器检测到,并且吸烟期中止。随着所形成的还原气体的量的增加,基材已被使用,气体传感器的电阻随后在吸烟期过程中趋于降低。

图6d示出气体传感器在不存在气溶胶形成基材的情况下的响应。气体传感器的电阻在前30秒后比在存在适当气溶胶形成基材的情况下高一个数量级。这是加热器温度降低的结果,因为当加热器的散热减少时,控制器降低供应给加热器的电力,从而降低加热器的温度。在用户抽吸期间的冷却也不太显著。

图6e示出气体传感器在存在不适合的气溶胶形成基材(在此实例中是指气溶胶形成剂不足且因此过于干燥的基材)的情况下的响应。气体传感器的电阻比在存在适当气溶胶形成基材的情况下高一个或两个数量级。还可看出,在启用后的260秒和310秒之间,存在大量的还原气体,这指示气溶胶形成基材的燃烧。

控制器18可在存储器中存储对应于这些条件中的每一个的电阻分布,并且可将气体传感器的测量电阻与存储的分布相关联以诊断特定故障。然后控制器可以通过停止吸烟期或修改对加热器的电力供应,以及向用户提供故障指示来做出响应。

图7示出根据本发明的吸烟系统的替代类型,其允许用户在装置中使用松散烟草或其他基材。装置400包括炉室415,在炉室中装松散烟草412。炉子通过加衬炉室414的柔性加热器414加热。控制器418控制从电池410到加热器414的电力供应。如图1装置中所描述,控制器也连接到气体传感器420、LED指示器422和音频指示器424。可通过移开盖子413、将一定量的烟草装入炉室中并且随后重新放回盖子来将松散烟草装入炉子中。

装置400具有烟嘴432,在该烟嘴上用户进行抽吸以将空气和生成的气溶胶吸入到装置中。空气被吸入装置中,穿过空气入口411进入炉室,通过气体传感器420,随后空气流过管道430,到达烟嘴432,并且随后进入用户的口中。可以在入口411中和到达管道430的入口处提供过滤器元件(图中未示),以防止烟草阻断空气流径。

来自受热气溶胶生成基材的蒸气被夹带在气流中并且吸入到管道中。蒸气浓缩在气流中,形成气溶胶。

气体传感器420是金属氧化物气体传感器,其安装在柔性加热器414上方的炉室414内,因此其被加热器直接加热到工作温度。

应该清楚,上述示例性实施例具说明性而非限制性。考虑到上述的示例性实施例,现在本领域的普通技术人员将清楚与以上示例性实施例一致的其他实施例。

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