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CN111466620A - 电子吸烟装置 - Google Patents

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CN111466620A CN202010155816.7A CN202010155816A CN111466620A CN 111466620 A CN111466620 A CN 111466620A CN 202010155816 A CN202010155816 A CN 202010155816A CN 111466620 A CN111466620 A CN 111466620A
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Abstract

本发明公开了一种电子吸烟装置，包括容纳作为电源而给可电加热的雾化器供电的电池(10)的外壳，所述雾化器包括电加热器(22)，并且适于雾化从储器供应的液体以提供从所述雾化器排出的烟雾。所述雾化器的加热器(22)通过控制电子元件(14)来控制。抽吸检测器(18)向所述控制电子元件(14)指示吸入烟雾的抽吸。所述控制电子元件(14)针对抽吸以预定功率水平操作所述雾化器的加热器(22)。优选地，所述电子吸烟装置包括测量电池电压的电压传感器(34)，其中所述控制电子元件(14)基于由所述电压传感器(34)测量的电池电压通过脉冲宽度调制来分配针对抽吸的预定功率水平。

Description

电子吸烟装置
相关申请的交叉引用
本申请是中国专利申请第201480059750.4号的分案申请，第201480059750.4号的专利申请其申请日是2014年9月29日，发明名称是“电子吸烟装置”。
技术领域
本发明涉及一种电子吸烟装置，特别是一种电子烟。
背景技术
例如设计作为电子烟的电子吸烟装置一般包括容纳电源(通常是电池或可充电电池)的外壳、包括电加热器且适于雾化从储器(通常是胶囊)供应的液体以提供从雾化器排出的烟雾的可电加热的雾化器以及控制雾化器的加热器的控制电子元件。抽吸检测器向控制电子元件指示吸入烟雾的抽吸或者发信号。通常，抽吸检测器被设计成作为检测使用者的抽吸的吸入传感器，但是其也可以例如作为在吸入烟雾的同时由使用者按压的简单的按钮来实现。当抽吸被指示到控制电子元件时，雾化器中的加热器通电，导致烟雾的产生。这里和下文中，雾化器的动作称为“雾化”，相关的产物称为“烟雾”，不论组成如何，可能含有气体和烟成分。
EP 2 443 946 Al公开了一种电子烟和含有将要被雾化器雾化(或蒸发)的液体的胶囊。胶囊包括在一端侧由可刺穿的膜密封的壳体。为了将胶囊安装在电子烟的嘴端侧，围绕胶囊的软套管放置在容纳雾化器的管子的端部区域上。在安装步骤中，设置在一种金属导芯的端部的尖状物刺穿膜，然后胶囊的液体由导芯引导至雾化器。由雾化器产生的烟雾经由设置在胶囊的外表面上的一些通道而通过胶囊区域，从而到达可以由使用者吸入的端部开口。
US 2011/0304282 Al描述了一种用于电子烟的电源部。该电源部包括容纳可充电电池的细长的外壳套管、用于检测使用者的吸入烟雾的抽吸的吸入传感器以及与吸入传感器连接且适于控制雾化器的加热器的控制电子元件。在外壳套管的端侧，连接器为电子烟的嘴侧部提供机械支撑，其收容雾化器并且保持含有将要被雾化的液体的胶囊。该连接器包括用于雾化器的电气连接。
在已知的电子吸烟装置中，雾化器的加热器一般由电池提供的电压驱动并且在一定时间内(通常是在吸入传感器发出抽吸存在的信号的期间)或预定期间内通电。当电池在使用中放电时，其电压下降，使得加热器的功率降低，从而导致不太集中的抽吸。在一些装置中，使用者可以通过外部设置来影响加热器，然而，这可能会影响到以不希望的方式从雾化器发出烟雾。一般情况下，当加热器不足够热时，烟雾产生较少或完全停止。另一方面，当加热器变得太热时，产生过多烟雾，或者更糟的是，烟雾物质可能会燃烧或分解，并且电池放电过快。希望测量加热器的温度，但是这将需要靠近加热器的温度传感器，这暗示了相当可观的技术努力。
US 6,040,560公开了一种用于在外部加热含有烟草的香烟的电子吸烟系统的功率控制器。该控制器使用包括均具有预定的总能量输入的至少两个阶段的功率循环。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子吸烟装置，其中雾化器的加热器可以以简单、可靠和可重复的方式操作，在很大程度上独立于电池电压的变化。
这个目的由具有权利要求1的特征的电子吸烟装置来实现。本发明的有利的实施方案可以从从属权利要求得出。
根据本发明的电子吸烟装置包括容纳作为电源而给可电加热的雾化器供电的电池的外壳。所述雾化器包括电加热器，并且能够雾化从储器供应的液体以提供从所述雾化器排出的烟雾。此外，所述电子吸烟装置包括控制电子元件和抽吸检测器。所述抽吸检测器，例如吸入传感器或手动可致动的开关(参见下文)，向控制电子元件指示吸入烟雾的抽吸。所述控制电子元件适于控制所述雾化器的加热器。例如，当抽吸检测器检测到抽吸，然后向控制电子元件指示抽吸或发信号时，所述加热器由所述控制电子元件供电，以产生烟雾。
根据本发明，所述控制电子元件针对抽吸以预定功率水平操作所述雾化器的加热器。这意味着，供应到所述加热器的功率(即，每单位时间的电能)以使得其针对实际抽吸保持在预定水平的方式来控制。这没有排除在抽吸中功率的波动，只要波动是在比抽吸的持续时间短的时间尺度上。换句话说，操作加热器的功率在抽吸中以相当高的精确度在预定的水平保持恒定。因此，即使当电池电压因消耗和放电而下降时，吸入抽吸中的条件在很大程度上也是可重复的。考虑到在所述雾化器中烟雾产生用的潜热以及由于辐射和烟雾造成的对流热传递而导致的热损失，预定的功率水平可以对应于加热器和雾化器的或多或少明确限定的温度。功率和温度之间的这种一般关系允许预选择适当的功率水平，这在实践中优选通过实验进行。
根据本发明的完整的电子吸烟装置(例如电子烟)可以包括除了上述的外壳、抽吸检测器和控制电子元件之外的部件。例如，雾化器和储器可以容纳在与上述外壳连接的单独部分中。然而，因为所述装置与电子吸烟有关并且可能被单独出售，所以根据定义，术语“电子吸烟装置”还用于只包括外壳、抽吸检测器和控制电子元件的装置。在这个意义上，电池(安装在外壳中，但是通常是可替换的)、雾化器和/或储器可以是或可以不是电子吸烟装置的部件。
在有利的实施方案中，根据本发明的电子吸烟装置包括电压传感器。所述电压传感器测量电池电压并且与所述控制电子元件连接。此外，所述控制电子元件适于基于由所述电压传感器测量的电池电压通过脉冲宽度调制来分配针对抽吸的预定功率水平。
例如，电压传感器检测何时电池电压随时间推移而下降。基于此信息，控制电子元件能够调整提供到加热器终端的脉冲宽度调制的电压的占空比。假设加热器的电阻在很大程度上是恒定的，即，与温度无关(参见下文)并且具有预定值，那么在加热器终端的瞬时电压水平对应于流经加热器的一定的瞬时电流(电流＝电压/电阻)，从而对应于在加热器的电阻中消耗的一定的瞬时功率(功率＝电压×电流＝电压2/电阻)。供应到加热器终端的电压可以是电池电压。因此，只要其小于电池电压2/电阻，预定功率水平就可以维持，并且经由脉冲宽度调制的占空比进行控制。这将通过实施方案更详细的解释，参见下文。
如果加热器的电阻不是恒定的，那么也可以使用脉冲宽度调制。在任何情况下，确定测量到的电池电压和占空比之间的关系的查询表可以通过实验来建立，用于预定功率。
由于电池的内部电阻，所以在电池的终端可获得的电池电压取决于流经加热器的电流。由于在脉冲宽度调制时电流被接通或关闭，所以电池电压在抽吸中将会改变。另外，当没有电流流动时，电池电压作为时间的函数恢复，这也取决于电池的充电状态。
在实践中，电池电压在抽吸中波动，产生为了以可靠的方式运行脉冲宽度调制而为电池电压选择适宜值的问题。
在本发明有利的实施方案中，所述控制电子元件适于在抽吸中接收电池电压的多个测量值，并且从其导出电池电压的代表值。该代表值被认为是电池电压的适宜值，其可以用来确定脉冲宽度调制的占空比。原则上，电池电压的代表值可以通过模拟技术来选择，例如通过对波动采集平均值的过滤。
然而，数字技术可能是更有利的。例如，所述控制电子元件可以适于作为电池电压的最小单独测量值加上常数而导出电池电压的代表值。换句话说，电池电压在一定的抽吸(抽吸n)中被频繁地测量，并且存储其结果。较低的测量值趋向于与接通的加热器相关联并且表示电池在负载下。另一方面，由于电池的波动和短时恢复，所以电池电压的最低值将是不现实的。因此，加上常数，例如常数为200mV。
在抽吸n中以这种方式导出的电池电压的代表值可以作为电池电压的值应用在下一次抽吸中(即，在抽吸n+1中)。这意味着，为了确定脉冲宽度以在抽吸n+1中观察预定功率水平，该值被认为是在抽吸n+1中电池电压的常数。在抽吸n+1中，电池电压也可以如在抽吸n中那样被频繁地测量，以便导出将要用在抽吸n+2中的新的电池电压的代表值，等等。这样，在每次抽吸中，电池电压被认为是常数，但是需要考虑到电池电压会随着增加的抽吸次数而变化。对于第一次抽吸(抽吸1)，例如在电池已经新充电之后的第一次抽吸，经验值可以被认为是电池电压的代表值，例如锂离子电池的额定电压(最高电压)减去经验校正常数。
在其他实施方案中，所述控制电子元件在抽吸中接收电池电压的多个测量值，并且在抽吸中重新调整脉冲宽度(占空比)以观察预定功率水平。这意味着，控制电子元件能够在抽吸中对电池电压的变化作出反应，并且在该抽吸中仍然相应地调整占空比。
所述电压传感器可以集成在所述控制电子元件中。其也可以被设置为独立的电压计。本领域技术人员知道许多获得用于测量电池电压和向控制电子元件传递结果的电压传感器的可能性。例如，电池电压可以通过使用集成在微控制器(芯片上系统)中或者设置作为经由I2C(内部集成电路总线)或SPI(串行外围接口总线)接口与微控制器或芯片上系统连接的独立IC(集成电路)的ADC(模拟-数字转换器)来测量。
当向述控制电子元件指示抽吸时，对于激发的响应类型，存在若干种选择。在有利的实施方案中，只要抽吸被指示，所述控制电子元件适于在抽吸的指示时以预定功率水平操作所述雾化器的加热器。这意味着，传递到所述加热器的能量(因此产生的烟雾量)是可变的并且取决于抽吸的长短。在另一个实施方案中，所述控制电子元件适于在抽吸的指示时在预定期间以预定功率水平操作所述雾化器的加热器。在那种情况下，抽吸的指示只触发预定的动作，即，将预选的电能量传递至雾化器。
在本发明有利的实施方案中，当未以预定功率水平操作时，所述控制电子元件以降低的功率水平操作所述雾化器的加热器。这意味着，在抽吸之间的间隔中，加热器没有关闭，而是在较低温度下运行，这避免了加热器冷却过多，从而其可以在需要时快速地重新启动。另一方面，在此操作模式下总能量消耗更高。
如前面已经解释的，抽吸检测器将使用者采取吸入抽吸的信息发送(指示)至控制电子元件。为此，在吸入中由使用者按压的手动可致动的开关(例如按钮)就足够。在更复杂的设计中，抽吸检测器包括吸入传感器，例如检测当使用者在烟嘴吸入时产生的在电子吸烟装置的外壳中的真空或气流的传感器。
在本发明有利的实施方案中，所述雾化器的加热器包括加热电阻，其中所述加热电阻的材料包括镍铬合金、含有80重量％的镍和20重量％的铬的镍铬合金(NiCr合金80/20)、聚酰亚胺膜和/或铁-铬-铝合金(FeCrAl合金，康泰尔合金)。对于这些合金而言，电阻率的温度依赖性相对较低，这有利于雾化器的控制。
所述电池可以是所述电子吸烟装置的部件。优选地，所述电池被设计成作为由安全电路保护的可充电的锂离子电池。在这种情况下，为了防止电池完全放电或过度充电，到目前为止所描述的控制电子元件不监测电池的充电状态。这种安全相关的任务由可以被设计成作为电池的一部分的安全电路来执行。
附图说明
在下文中，通过例子更详细地解释本发明。在附图中，
图1是根据本发明的电子吸烟装置的实施方案的示意性纵剖视图，
图2是根据图1的实施方案的电子装置的框图，和
图3是施加到根据图1的实施方案的雾化器的电加热器上的电压作为时间的函数(脉冲宽度调制)的图形。
具体实施方式
图1示出了电子吸烟装置1的实施方案的示意性纵剖视图。
电子吸烟装置1包括圆筒状外壳2和被设计成作为可拆卸盖的烟嘴4。取下烟嘴4而接近用作液体储器的可替换的胶囊6。
外壳2容纳电池10。在本实施方案中，电池10被设计成作为可充电的锂离子电池并且包括自己的安全电路。电池10经由导线12和导线13与包括安装在印刷电路板15上的集成电路的控制电子元件14连接。印刷电路板15也支撑多个发光二极管(LED)16，发光二极管被组装在设于外壳2中的各自窗口的后方并且指示电子吸烟装置1的当前状态。
抽吸检测器18与控制电子元件14连接。在本实施方案中，抽吸检测器18被设计成作为当使用者在烟嘴4处吸入时检测在外壳2内产生的真空的吸入传感器。
雾化器20包括经由导线23与控制电子元件14连接的加热器22。加热器22包括安装在陶瓷壳体(图中未示出)上的加热丝，其也支撑由编织金属或海绵状金属材料制成的导芯装置24。在导芯装置24的远端的刺穿尖端25能够穿透用于密封胶囊6的膜26，使得收容在胶囊6中的液体28可以被引导出胶囊6，然后通过导芯装置24到达加热器22的区域。
在其自由端，烟嘴4包括吸入孔30。在电子吸烟装置1的对面端设置有允许电池10例如经由USB端口再充电的充电端口32。
为了使用电子吸烟装置1，消费者插入新的胶囊6，使得其膜26被刺穿，并且液体从胶囊6经由导芯装置24供应到加热器22的区域。当消费者在吸入孔30吸入时，抽吸检测器18感测到外壳2内产生的真空，然后将其指示至控制电子元件14。响应于此，加热器22通电，使得其加热丝能够雾化在其附近的液体，从而产生由消费者吸入的烟雾。在本实施方案中，只要抽吸检测器18感测到真空，则加热器就保持接通。
图1是电子吸烟装置1的一般设置的示意图。电子吸烟装置1的功能设置通过电子框图以更适宜的方式示出在图2中。
根据图2，电池10经由导线12和导线13与控制电子元件14连接。因为其输出信号送给到控制电子元件14，所以抽吸检测器18显示作为连接到控制电子器件14的方块。加热器22通过导线23也与控制电子元件14连接。在本实施方案中，加热器22包括由镍铬合金(80重量％的镍和20重量％的铬)丝制成的加热电阻。本领域公知的用于加热电阻的其他材料也是可想到的。上述镍铬合金具有电阻率对温度的依赖性较低的优点。到目前为止，在图2中示出的部件也存在于图1中。
此外，图2显示了在电池10的导线12和导线13之间连接并检测实际电池电压的电压传感器34。电压传感器34的输出供应至控制电子元件14。在本实施方案中，电压传感器34被设计成作为控制电子元件14的部件。电压传感器34包括输出代表实际电池电压的数值的模拟-数字转换器(ADC)，其可以由作为控制电子元件14的一部分的微处理器来处理。电压传感器34的其他实施方案也是可想到的。
在电子吸烟装置1的使用中，电池10的电压由于放电而下降。这个过程由电压传感器34监测，以便控制电子元件14准连续地通知电池10的充电状态。为了对于每次抽吸以预定电功率操作雾化器20的加热器22，控制电子元件14基于由电压传感器34测量的电池电压通过脉冲宽度调制来分配供应至加热器22的电功率。当电池电压改变时，调整脉冲宽度调制的占空比，使得产生的功率维持在预定值。
在本实施方案中，每次抽吸中的电池电压的适宜值以如下方式确定。
控制电子元件14经由电压传感器34在抽吸中接收电池电压的多个测量值，并且存储这些值。抽吸通常明显长于电池电压的典型测量时间，其反过来又明显长于脉冲宽度调制的期间。在本实施方案中，电池电压的测量和脉冲宽度调制的期间彼此不同步。
在抽吸(称为“抽吸n”)结束时，电池电压的代表值从所存储的测量值导出。为此，控制电子元件14选择在这个抽吸中所测量的最小电池电压值，然后加上常数。常数的适宜值可以经验地确定。在本实施方案中，常数为200mV。
在抽吸n中以这种方式导出的电池电压的代表值作为电池电压的值应用在下一次抽吸中(即，在抽吸n+1中)。这意味着，为了确定脉冲宽度(占空比)以保持在抽吸n+1中以预定恒定水平传递至加热器22的功率，该值被认为是在抽吸n+1中的电池电压。
然而，在抽吸n+1中，电池电压也如在抽吸n中那样被频繁地测量，以便导出将要用在抽吸n+2中的新的电池电压的代表值，等等。这样，在每次抽吸中，电池电压被认为是常数，但是需要考虑到电池电压会随着增加的抽吸次数而变化，即，其通常会由于电池的放电而下降。
对于第一次抽吸(抽吸1)，例如在电池10已经新充电之后的第一次抽吸，经验值可以被认为是电池电压的代表值，例如锂离子电池的额定电压(最高电压)减去经验校正常数。
当抽吸检测器18没有感测到外壳2内的真空时，加热器22不通电。可选择地，在这些间隔中，为了在雾化器20中保持一些升高的温度，加热器22可以以降低的或甚至大大降低的功率水平操作，从而允许当检测到下一次抽吸时雾化器20更快的重新启动。这种降低的功率水平也可以通过施加不同的占空比而由脉冲宽度调制来控制。
下面，给出了解释通过施加到加热器导线23上的电压的脉冲宽度调制来操作加热器22的数值例子。在该例子中，加热器22被认为是具有恒定电阻R＝2.25Ω的欧姆电阻，而忽略任何电感效应或电容效应。通过简单的计算来确定用于实现恒定加热功率P0＝3W的所需占空比，其作为实际电池电压(即，上述电池电压的代表值)的函数。这些结果可以作为存储器中的查询表存储，使得控制电子元件14的微处理器可以响应于电池电压的代表值来选择占空比。例如，可以通过查询表中的占空比值的经验校正来考虑电感效应或电容效应。
图3示意性地示出了供应到加热器22的作为时间的函数的电压脉冲。时间单位具有相关性，即，涉及到一个完整的脉冲周期。在本实施方案中，此周期约为4ms，相比于一次抽吸(几秒)的典型持续时间，其是非常短的。在每个脉冲中，供应实际电池电压或零电压，各自的占空比从查询表查到。图3示出了两个不同电池电压的脉冲，即，3V和4V。
使用欧姆定律(U＝R·I，电池电压U，加热器电阻R，加热器电流I)，在一个脉冲的接通状态中，加热器22中消耗的功率P是P＝U·I＝U2/R。该状态持续一个脉冲周期的分数c。在分数(1-c)中，电压关闭。因此，c可以通过c·P＝P0或c＝P0·R/U2来计算。脉冲的占空比由c确定。
下表提供了作为电池电压U的函数的c。假设U从初始值4.2V下降至2.9V。当电池电压变得太低时，电池10因其自身的安全电路而停用。
Figure BDA0002403999830000091
Figure BDA0002403999830000101
在实践中，查询表可以在更精细的步骤中计算并存储。

Claims (14)

1.一种电子吸烟装置，包括
-适于容纳作为电源而给可电加热的雾化器(20)供电的电池(10)的外壳(2)，所述雾化器包括电加热器(22)，并且适于雾化从储器(6)供应的液体(28)以提供从所述雾化器(20)排出的烟雾，
-适于控制所述雾化器(20)的加热器(22)的控制电子元件(14)，和
-适于向所述控制电子元件(14)指示吸入烟雾的抽吸的抽吸检测器(18)，和
-雾化器(20)，所述雾化器包括电加热器(22)，并且适于雾化从储器(6)供应的液体(28)以提供从所述雾化器(20)排出的烟雾，其中
所述控制电子元件(14)适于针对抽吸以预定功率水平操作所述雾化器(20)的加热器(22)，并且其中，
所述电子吸烟装置(1)包括适于测量电池电压并且与所述控制电子元件(14)连接的电压传感器(34)，并且所述控制电子元件(14)适于基于由所述电压传感器(34)测量的电池电压通过脉冲宽度调制来分配针对抽吸的预定功率水平，
其特征在于，所述控制电子元件(14)适于在抽吸中接收电池电压的多个测量值，并且从其导出电池电压的代表值。
2.根据权利要求1所述的电子吸烟装置，其特征在于，所述控制电子元件(14)适于作为电池电压的最小单独测量值加上常数而导出电池电压的代表值，优选常数为200mV。
3.根据权利要求1或2所述的电子吸烟装置，其特征在于，当确定下一次抽吸中的脉冲宽度以观察预定功率水平时，所述控制电子元件(14)适于将在抽吸中导出的电池电压的代表值应用为电池电压的常数。
4.根据权利要求1所述的电子吸烟装置，其特征在于，所述控制电子元件(14)适于在抽吸中接收电池电压的多个测量值，并且在抽吸中重新调整脉冲宽度以观察预定功率水平。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电子吸烟装置，其特征在于，所述控制电子元件(14)适于通过使用所述加热器(22)的电阻的预定常数值来确定所需要的脉冲宽度调制。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电子吸烟装置，其特征在于，所述电压传感器(34)集成在所述控制电子元件(14)中。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的电子吸烟装置，其特征在于，所述控制电子元件(14)适于在抽吸的指示时在预定期间以预定功率水平操作所述雾化器(20)的加热器(22)。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的电子吸烟装置，其特征在于，只要抽吸被指示，所述控制电子元件(14)适于在抽吸的指示时以预定功率水平操作所述雾化器(20)的加热器(22)。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的电子吸烟装置，其特征在于，当未以预定功率水平操作时，所述控制电子元件(14)适于以降低的功率水平操作所述雾化器(20)的加热器(22)。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的电子吸烟装置，其特征在于，所述抽吸检测器包括手动可致动的开关。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的电子吸烟装置，其特征在于，所述抽吸检测器(18)包括吸入传感器。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的电子吸烟装置，其特征在于，如下项目中的至少一个是所述电子吸烟装置(1)的部件：所述电池(10)、所述储器(6)。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的电子吸烟装置，其特征在于，所述雾化器(20)是所述电子吸烟装置(1)的部件，并且所述雾化器(20)的加热器(22)包括加热电阻，其中所述加热电阻的材料包括如下材料中的至少一种：镍铬合金、含有80重量％的镍和20重量％的铬的镍铬合金、聚酰亚胺膜、铁-铬-铝合金。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的电子吸烟装置，其特征在于，所述电池(10)是所述电子吸烟装置(1)的部件，并且所述电池(10)被设计成作为由安全电路保护的可充电的锂离子电池。
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