BR112020009511A2 - dispositivo gerador de aerossol com controle de retroalimentação - Google Patents
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Abstract
Um dispositivo gerador de aerossol (20) compreendendo: um elemento de aquecimento (26) configurado para aquecer um substrato formador de aerossol (102) para a geração de um aerossol; um sensor de temperatura para medir a temperatura do elemento de aquecimento; um monitoramento de aerossol significa medir uma propriedade aerossol que compreende pelo menos uma propriedade física e uma composição química do aerossol gerado; e um controlador (32) configurado para ajustar uma potência fornecida ao elemento de aquecimento com base em: i) a temperatura do elemento de aquecimento medido em um primeiro loop de controle de retroalimentação (210); e ii) a propriedade de aerossol medida em um segundo ciclo de controle de retroalimentação (220).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “DISPOSITIVO GERADOR DE AEROSSOL COM CONTROLE DE RETROALIMENTAÇÃO”.
[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo gerador de aerossol com controle de retroalimentação.
[002] Os sistemas geradores de aerossol operados eletricamente à mão geralmente geram aerossol aquecendo um substrato formador de aerossol com um elemento de aquecimento resistivo, para liberar compostos voláteis em um vapor que esfria subsequentemente para formar um aerossol. O controle da temperatura máxima do elemento de aquecimento impede a liberação de compostos químicos indesejáveis, como os comumente encontrados na fumaça de cigarro convencional, formados a altas temperaturas. Assim, a temperatura do elemento de aquecimento é normalmente a única variável de controle para controlar a qualidade do aerossol gerado. A temperatura do elemento de aquecimento é frequentemente determinada pela detecção de uma resistência elétrica do elemento de aquecimento. No entanto, a resistência medida fornece uma indicação da temperatura em todo o elemento de aquecimento e, portanto, pode não detectar superaquecimento localizado.
[003] Além disso, a qualidade do aerossol gerado pode diferir de um dispositivo para outro, bem como de um tipo de substrato formador de aerossol para outro. O desempenho do sistema de geração de aerossol também pode depender de outros fatores, como intensidade do sopro, duração do sopro e manutenção do dispositivo. Os dispositivos atualmente disponíveis normalmente não levam em consideração esses fatores para fornecer uma qualidade consistente do aerossol, nem são capazes de reagir ao mau uso ou falha dos componentes no dispositivo.
[004] Além disso, como esses dispositivos da técnica anterior geralmente fornecem controle de aquecedor com base em correlações predefinidas e perfis de controle definidos, há uma capacidade limitada de fornecer personalização do controle de aquecedor para gerar aerossol mais adequado aos desejos individuais de um usuário.
[005] Portanto, é desejável fornecer um sistema gerador de aerossol que seja capaz de fornecer um mecanismo de controle de aquecedor aprimorado.
[006] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um dispositivo gerador de aerossol compreendendo: um elemento de aquecimento configurado para aquecer um substrato formador de aerossol para gerar um aerossol; um sensor de temperatura para medir uma temperatura do elemento de aquecimento; um meio de monitoramento de aerossol para medir uma propriedade de aerossol compreendendo pelo menos uma dentre uma propriedade física e uma composição química do aerossol gerado; e um controlador configurado para ajustar uma energia fornecida ao elemento de aquecimento com base em i) a temperatura medida do elemento de aquecimento em um primeiro circuito de controle de retroalimentação; e ii) a propriedade de aerossol medida em um segundo loop de controle de retroalimentação.
[007] A propriedade de aerossol medida pode compreender uma ou mais propriedades de aerossol. Os meios de monitoramento de aerossol podem compreender um sensor para monitorar pelo menos uma propriedade física ou uma composição química do aerossol gerado. O sensor pode ser posicionado em ou ao longo de um canal de fluxo a jusante do elemento de aquecimento. A propriedade física do aerossol gerado pode compreender qualquer um ou mais dentre a densidade de gotículas, tamanho das gotículas, velocidade das gotículas e vazão volumétrica do aerossol gerado. A composição química pode compreender qualquer um ou mais níveis indesejáveis de compostos químicos, nível de gás de combustão e nível de nicotina.
[008] O sensor de temperatura pode ser um sensor de temperatura dedicado, como um termopar. Preferencialmente, o elemento de aquecimento pode ser usado como um sensor de temperatura. Por exemplo, o aquecedor pode ser usado como um detector de temperatura de resistência (RTD). Uma resistência elétrica medida pode estar correlacionada a uma temperatura.
[009] Ao monitorar as propriedades de aerossol do aerossol gerado, o controlador pode adotar mecanismos de controle de retroalimentação mais sofisticados. Por exemplo, se a temperatura do aerossol gerado for usada como entrada, além da temperatura medida do aquecedor, pode permitir ao controlador ajustar a qualidade do aerossol gerado, bem como reagir a uma condição anormal.
[010] O primeiro loop de controle de retroalimentação e o segundo loop de controle de retroalimentação podem trabalhar juntos para controlar a temperatura do elemento de aquecimento. Por exemplo, o controle da energia fornecida ao elemento de aquecimento pode ser baseado nas propriedades de aerossol medidas no segundo loop de controle de retroalimentação, enquanto o primeiro loop de retroalimentação é usado para garantir que a temperatura do aquecedor não exceda uma temperatura máxima predeterminada.
[011] O controlador pode ser configurado para comparar uma propriedade de aerossol medida com uma propriedade de aerossol esperada para determinar se há uma condição anormal. Uma condição anormal pode ser definida como ocorrendo quando a propriedade de aerossol medida difere de um valor ou intervalo de valores esperado ou desejado para essa propriedade. Se a propriedade de aerossol medida estiver dentro da faixa esperada ou desejada, ela poderá ser considerada uma condição normal para essa propriedade de aerossol. A faixa esperada ou desejada ou o valor-alvo para cada propriedade de aerossol medida pode ser ajustável pelo usuário. A faixa esperada ou desejada ou o valor alvo para cada propriedade de aerossol medida pode ser diferente para diferentes substratos formador de aerossol. A faixa esperada ou desejada ou o valor-alvo para cada propriedade de aerossol medida pode depender de outros parâmetros medidos. Por exemplo, a faixa esperada ou desejada da temperatura do aerossol pode depender da temperatura ou umidade ambiente. A densidade esperada ou desejada do aerossol pode depender da configuração do dispositivo selecionado pelo usuário. A propriedade ou propriedades de aerossol esperadas ou desejadas podem ser armazenadas em uma memória no controlador.
[012] O controlador pode ser configurado para ajustar a energia com base no primeiro loop de retroalimentação, se não houver uma condição anormal e para ajustar a potência com base no segundo loop de controle de retroalimentação, se houver uma condição anormal. A ativação do segundo loop de controle de retroalimentação somente após a detecção de pelo menos uma condição anormal do aerossol, permite que um controlador simples seja usado, porque não requer referência cruzada da propriedade do aerossol medida com a temperatura do elemento de aquecimento.
[013] O dispositivo gerador de aerossol pode compreender um meio auxiliar de controle de aerossol para variar as propriedades de aerossol do aerossol gerado; e o controlador está configurado para ajustar pelo menos uma variável de controle para os meios auxiliares de controle de aerossol com base nas propriedades de aerossol medidas no segundo circuito de controle de retroalimentação. Os meios auxiliares de controle de aerossol podem vantajosamente fornecer ajuste e controle adicionais das propriedades do aerossol após a formação do aerossol ou durante a formação do aerossol. Os meios auxiliares de controle de aerossol podem compreender qualquer mecanismo que afeta a formação do aerossol, as propriedades físicas do aerossol e as composições químicas conhecidas por aquele versado na técnica, por exemplo, meios de controle de temperatura e pressão, filtros mecânicos e absorvedores químicos.
[014] Os meios auxiliares de controle de aerossol podem ser configurados para resfriar o aerossol gerado. Por exemplo, os meios auxiliares de controle de aerossol podem compreender pelo menos um dentre um dispositivo termoelétrico, um trocador de calor, uma bomba de calor ou um dissipador de calor. A temperatura do aerossol gerado tem um impacto significativo na formação e crescimento das gotículas de aerossol e, portanto, na densidade e no tamanho das gotículas. Preferencialmente, os meios auxiliares de controle de aerossol compreendem um dispositivo termoelétrico que pode vantajosamente fornecer aquecimento/resfriamento em sua superfície quando uma corrente elétrica é aplicada ao dispositivo termoelétrico. Vantajosamente, o dispositivo termoelétrico é um dispositivo Peltier. Um dispositivo Peltier normalmente possui uma construção simples, não compreende nenhuma parte móvel e, portanto, é confiável. Além disso, um dispositivo Peltier é relativamente compacto e leve, sendo a escolha ideal para uso em dispositivos portáteis para geração de aerossol.
[015] O dispositivo gerador de aerossol pode compreender uma câmara geradora de aerossol para gerar o aerossol. Os meios auxiliares de controle de aerossol podem compreender um atuador para variar um volume da câmara geradora de aerossol. Isso pode ser conseguido ajustando o comprimento da câmara ou a forma da câmara geradora de aerossol. Isso pode ser alcançado usando um elemento piezelétrico, por exemplo. A variação do volume da câmara geradora de aerossol pode alterar o tempo de permanência do aerossol gerado antes de ser puxado através de um bocal. Isso pode ter um impacto significativo na quantidade e tamanho das gotículas de aerossol.
[016] Os meios auxiliares de controle de aerossol podem compreender um filtro variável, tal como um microimpactor ou uma peneira variável. O filtro variável pode vantajosamente filtrar gotículas superdimensionadas, de modo que as gotículas de aerossol filtradas estejam dentro de uma faixa de tamanho aceitável. Mais especificamente, o filtro variável pode alterar o tamanho da peneira, dependendo de várias propriedades do aerossol. Por exemplo, o filtro variável pode reduzir o tamanho da peneira se a densidade das gotículas for anormalmente alta. O aumento da filtragem reduz a concentração de aerossol.
[017] Os meios de monitoramento de aerossol podem compreender pelo menos um dentre um espectrômetro, um sensor eletroquímico e um sensor de metal óxido semicondutor (MOS). O uso desses sensores químicos permite a detecção de composições químicas indesejáveis. Ao detectar a presença de composição química indesejável, o controlador pode cortar o fornecimento de energia ao elemento de aquecimento ou reduzir o fornecimento de energia ao elemento de aquecimento para reduzir a temperatura do elemento de aquecimento. A redução da temperatura do elemento de aquecimento interromperá tipicamente a produção da composição indesejável ou diminuirá o nível de composição química indesejável no aerossol gerado.
[018] O dispositivo gerador de aerossol pode compreender um receptor de dados conectado ao controlador. O dispositivo gerador de aerossol pode compreender um transmissor de dados conectado ao controlador. O transmissor e o receptor de dados podem permitir a comunicação sem fio com um dispositivo externo. O transmissor e o receptor de dados podem compreender um transceptor Bluetooth de baixa energia. O controlador pode ser configurado para atualizar as propriedades do aerossol esperadas ou desejadas ou direcionadas ou os parâmetros do elemento de aquecimento com base nos dados recebidos através do receptor de dados.
[019] O dispositivo gerador de aerossol pode ainda compreender uma memória que armazena um algoritmo de controle preditivo ou um algoritmo de derivada integral proporcional. O controlador pode ser configurado para implementar o primeiro controle de retroalimentação, ou o segundo loop de controle de retroalimentação, ou o primeiro loop de controle de retroalimentação e o segundo loop de controle de retroalimentação usando o algoritmo de controle preditivo ou o algoritmo de derivada integral proporcional. O algoritmo de controle preditivo pode regular variáveis antes e depois de uma mudança na temperatura medida, ou na propriedade do aerossol medida, ou na temperatura medida e na propriedade do aerossol medida.
[020] O sistema de geração de aerossol pode compreender um dispositivo gerador de aerossol manual. O dispositivo gerador de aerossol manual pode ser configurado para gerar um aerossol para inalação do usuário. O dispositivo gerador de aerossol manual pode compreender um bocal no qual um usuário pode soprar para retirar o aerossol gerado pelo dispositivo. O sistema gerador de aerossol pode ser um dispositivo operado por bateria. O sistema gerador de aerossol pode compreender um alojamento para reter o sensor de temperatura, os meios de monitoramento de aerossol e o elemento de aquecimento. O alojamento também pode conter parcial ou totalmente o substrato. O dispositivo é preferencialmente um dispositivo portátil que seja confortável de segurar entre os dedos de uma única mão. O dispositivo pode ter uma forma substancialmente cilíndrica e ter um comprimento entre 70 e 200 mm. O diâmetro máximo do dispositivo está, preferencialmente, entre 10 a 30 mm.
[021] O sistema gerador de aerossol oferece a possibilidade de medir diretamente um tipo e/ou uma quantidade de pelo menos uma composição química e usá-la em um segundo loop de controle de retroalimentação. A este respeito, o sistema pode medir um espectro de absorção do aerossol gerado. O espectro de absorção do aerossol gerado pode fornecer uma indicação das composições presentes no aerossol gerado.
[022] O elemento de aquecimento pode ser configurado para aquecer um substrato de formação de aerossol continuamente durante o funcionamento do dispositivo. “Continuamente” neste contexto significa que o aquecimento não depende do fluxo de ar através do dispositivo, de modo que a energia possa ser fornecida ao elemento de aquecimento, mesmo quando não houver fluxo de ar através do dispositivo. O arrefecimento do compartimento do dispositivo é particularmente desejável em dispositivos continuamente aquecidos, pois a temperatura do compartimento pode aumentar em períodos em que a energia está sendo fornecida ao elemento de aquecimento, mas o ar não está sendo aspirado através do dispositivo. Alternativamente, o dispositivo pode incluir meios para detectar o fluxo de ar e o elemento de aquecimento pode ser configurado para aquecer o substrato formador de aerossol somente quando o fluxo de ar exceder um nível limite, indicativo de um usuário que esteja utilizando o dispositivo.
[023] Conforme usado neste documento, um “dispositivo gerador de aerossol” se refere a um dispositivo que interage com um substrato formador de aerossol para gerar um aerossol. O substrato formador de aerossol pode ser parte de um artigo formador de aerossol, por exemplo, parte de um artigo tabagista. Um dispositivo gerador de aerossol pode ser um dispositivo tabagista que interage com um substrato formador de aerossol de um artigo formador de aerossol para gerar um aerossol que é diretamente inalável no pulmão do usuário pela boca do usuário. Um dispositivo gerador de aerossol pode conter um artigo formador de aerossol. Um artigo formador de aerossol pode estar total ou parcialmente contido no dispositivo gerador de aerossol. O artigo formador de aerossol pode compreender um bocal, no qual um usuário pode soprar durante o uso.
[024] Conforme usado neste documento, o termo “substrato formador de aerossol” se refere a um substrato capaz de liberar compostos voláteis que podem formar um aerossol. Tais compostos voláteis podem ser liberados pelo aquecimento do substrato formador de aerossol. Um substrato formador de aerossol pode convenientemente fazer parte de um artigo formador de aerossol.
[025] Conforme aqui utilizado, os termos 'artigo formador de aerossol' referem-se a um artigo que compreende um substrato formador de aerossol que é capaz de liberar compostos voláteis que podem formar um aerossol. Por exemplo, um artigo formador de aerossol pode gerar um aerossol que é diretamente inalável no pulmão do usuário através da boca do usuário. Contudo, ao contrário de um cigarro convencional, o artigo formador de aerossol não requer combustão para gerar um aerossol. Um artigo formador de aerossol pode ser descartável e pode ser, ou pode compreender, um pedaço de tabaco.
[026] Conforme aqui utilizado, o termo 'sistema gerador de aerossol' refere-se a uma combinação de um dispositivo gerador de aerossol e um ou mais artigos formadores de aerossol para uso com o dispositivo. Um sistema de geração de aerossol pode incluir componentes adicionais, como uma unidade de carregamento para recarregar uma fonte de energia elétrica on-board em um dispositivo eletricamente operado ou gerador de aerossol elétrico.
[027] Como aqui utilizado, o termo 'porção do bocal' refere-se a uma porção de um artigo formador de aerossol ou dispositivo gerador de aerossol que é colocada na boca do usuário para inalar diretamente um aerossol gerado pelo artigo formador de aerossol ou dispositivo gerador de aerossol. O aerossol é transmitido à boca do usuário através do bocal.
[028] O elemento de aquecimento pode compreender um material eletricamente resistente. Os materiais eletricamente resistivos adequados incluem, mas não estão limitados a: semicondutores, tais como cerâmicas dopadas, cerâmicas eletricamente “condutoras” (tais como, por exemplo, dissiliceto de molibdênio), carbono, grafite, metais, ligas metálicas e materiais compostos feitos de um material cerâmico e de um material metálico. Tais materiais compostos podem compreender cerâmicas dopadas ou não dopadas. Exemplos de cerâmicas dopadas adequadas incluem carbonetos de silício dopados. Exemplos de metais adequados incluem titânio, zircônio, tântalo, platina, ouro e prata. Exemplos de ligas metálicas adequadas incluem aço inoxidável, ligas contendo níquel, cobalto, cromo, alumínio, titânio, zircônio, háfnio, nióbio, molibdênio, tântalo, tungstênio, estanho, gálio, manganês, ouro e ferro, e superligas à base de níquel, ferro, cobalto, aço inoxidável, Timetal® e ligas à base de ferro, manganês e alumínio. Em materiais compósitos, o material eletricamente resistivo pode ser incorporado, encapsulado ou revestido com um material isolante ou vice-versa, dependendo da cinética da transferência de energia e das propriedades físico-químicas externas necessárias. Alternativamente, os aquecedores elétricos podem compreender um elemento de aquecimento infravermelho, uma fonte fotônica ou um elemento de aquecimento indutivo.
[029] O dispositivo gerador de aerossol pode compreender um elemento de aquecimento interno ou um elemento de aquecimento externo, ou ambos os elementos de aquecimento interno e externo, onde "interno" e "externo" se referem ao substrato de formação de aerossol. Um aquecedor interno pode assumir qualquer forma adequada. Por exemplo, um aquecedor interno pode assumir a forma de uma lâmina de aquecimento. Alternativamente, o aquecedor interno pode assumir a forma de um estojo ou substrato com diferentes porções eletrocondutoras ou um tubo metálico com resistência elétrica. Alternativamente, o aquecedor interno pode ser uma ou mais agulhas ou hastes de aquecimento que passam pelo centro do substrato de formação de aerossol. Outras alternativas incluem um fio ou filamento de aquecimento, por exemplo, um fio de Ni-Cr (níquel-cromo), platina, tungstênio ou fio de liga ou uma placa de aquecimento. O elemento de aquecimento interno pode ser depositado sobre ou sobre um material transportador rígido. Em tal modalidade, o aquecedor resistivo interno pode ser formado usando um metal que tenha uma relação definida entre a temperatura e a resistividade. Nesse dispositivo exemplar, o metal pode ser formado como uma trilha em um material isolante adequado, como um material cerâmico como zircônia, e depois ensanduichado em outro material isolante, como um vidro. Os aquecedores formados dessa maneira podem ser usados para aquecer e monitorar a temperatura dos aquecedores durante a operação.
[030] Um aquecedor externo pode assumir qualquer forma adequada. Por exemplo, um aquecedor externo pode assumir a forma de uma ou mais folhas flexíveis de aquecimento em um substrato dielétrico, tal como poli-imida. As folhas de aquecimento flexíveis podem ser moldadas para se ajustar ao perímetro da cavidade de recebimento de substrato. Como alternativa, um aquecedor externo pode assumir a forma de uma ou mais grades metálicas, uma placa de circuito impresso flexível, um dispositivo de interconexão moldado (Moulded Interconnect Device – MID), um aquecedor cerâmico, um aquecedor de fibra de carbono flexível, ou pode ser formado utilizando uma técnica de revestimento, tal como deposição de vapor por plasma, em um substrato de forma adequada. Um aquecedor externo também pode ser formado usando um metal que tenha uma relação definida entre a temperatura e a resistividade. Em um exemplo de tal dispositivo, o metal pode ser formado como uma faixa entre duas camadas de materiais isolantes adequados. Um aquecedor externo formado desse modo pode ser usado tanto para aquecer quanto para monitorar a temperatura do aquecedor externo durante o funcionamento.
[031] O aquecedor interno ou externo pode compreender um dissipador de calor ou reservatório de calor compreendendo um material capaz de absorver e armazenar calor e subsequentemente liberar o calor ao longo do tempo para o substrato formador de aerossol. O dissipador de calor pode ser formado a partir de qualquer material adequado, como, por exemplo, um material metálico ou cerâmico adequado. Em uma modalidade, o material tem uma elevada capacidade de calor (material de armazenamento de calor sensível) ou é um material capaz de absorver e, subsequentemente, liberar calor por meio de um processo reversível, como uma mudança de fase a alta temperatura. Materiais de armazenamento de calor sensíveis adequados incluem gel de sílica, alumina, carbono, manta de vidro, fibra de vidro, minerais, um metal ou liga metálica como de alumínio, prata ou chumbo e um material celulósico, como papel. Outros materiais adequados que liberam calor por meio de uma mudança de fase reversível incluem parafina, acetato de sódio, naftaleno, cera, óxido de polietileno, metal, sal de metal, uma mistura eutética de sais ou uma liga. O dissipador de calor ou o reservatório de calor podem ser dispostos de modo que fiquem diretamente em contato com o substrato formador de aerossol e possam transferir o calor armazenado diretamente ao substrato. Alternativamente, o calor armazenado no dissipador de calor ou no reservatório de calor pode ser transferido para o substrato formador de aerossol por meio de um condutor de calor, como um tubo metálico.
[032] O artigo formador de aerossol pode ser substancialmente cilíndrico em sua forma. O artigo formador de aerossol pode ser substancialmente alongado. O artigo formador de aerossol pode ter um comprimento e uma circunferência substancialmente perpendiculares ao comprimento. O substrato formador de aerossol pode ser substancialmente cilíndrico em sua forma. O substrato formador de aerossol pode ser substancialmente alongado. O substrato formador de aerossol pode também ter um comprimento e uma circunferência substancialmente perpendiculares ao comprimento.
[033] Por exemplo, o artigo formador de aerossol pode ter um comprimento total entre aproximadamente 30 mm e aproximadamente 100 mm. O artigo formador de aerossol pode ter um diâmetro externo entre cerca de 5 mm e cerca de 12 mm. O artigo formador de aerossol pode compreender um plugue de filtro. O tampão do filtro pode estar localizado em uma extremidade a jusante do artigo para fumar. O plugue de filtro pode ser um plugue de filtro de acetato de celulose. Em uma modalidade, o plugue do filtro tem aproximadamente 7 mm de comprimento, mas pode ter um comprimento entre cerca de 5 mm e cerca de 10 mm.
[034] Em uma modalidade, o artigo formador de aerossol tem um comprimento total de cerca de 45 mm. O artigo para fumar pode ter um diâmetro externo de aproximadamente 7,2 mm. Além disso, o substrato formador de aerossol pode ter um comprimento de cerca de 10 mm. Alternativamente, o substrato formador de aerossol pode ter um comprimento de cerca de 12 mm. Adicionalmente, o diâmetro do substrato formador de aerossol pode ter entre cerca de 5 mm e cerca de 12 mm. O artigo formador de aerossol pode compreender um invólucro de papel externo. Além disso, o artigo formador de aerossol pode compreender uma separação entre o substrato formador de aerossol e o plugue de filtro. A separação pode ser de cerca de 18 mm, mas pode estar na faixa de cerca 5 mm e cerca de 25 mm.
[035] O substrato formador de aerossol pode ser um substrato formador de aerossol sólido. Alternativamente, o substrato formador de aerossol pode compreender componentes sólidos e líquidos. O substrato formador de aerossol pode compreender um material contendo tabaco, contendo compostos flavorizantes de tabaco voláteis, que são liberados do substrato mediante aquecimento. Alternativamente, o substrato formador de aerossol pode compreender um material sem tabaco. O substrato formador de aerossol pode conter ainda um formador de aerossol que facilita a formação de um aerossol denso e estável. Exemplos de formadores de aerossol adequados são a glicerina e o propilenoglicol.
[036] Se o substrato formador de aerossol for um substrato formador de aerossol sólido, o substrato formador de aerossol poderá compreender, por exemplo, um ou mais destes: pó, grânulos, péletes, pedaços, filamentos, tiras ou folhas contendo um ou mais destes: folha de ervas, folha de tabaco, fragmentos de galhos de tabaco, tabaco reconstituído, tabaco homogeneizado, tabaco extrudado, tabaco reconstituído e tabaco expandido. O substrato formador de aerossol sólido pode estar na forma solta ou pode ser fornecido em um recipiente ou cartucho adequado. O substrato sólido de formação de aerossol pode conter compostos aromatizantes voláteis de tabaco ou não tabaco, a serem liberados após o aquecimento do substrato. O substrato formador de aerossol sólido pode também conter cápsulas que, por exemplo, incluem os compostos aromatizantes adicionais voláteis de tabaco ou sem tabaco e tais cápsulas podem derreter durante o aquecimento do substrato formador de aerossol sólido.
[037] Conforme usado neste documento, o tabaco homogeneizado se refere ao material formado pelo aglomerado de tabaco em partículas. O tabaco homogeneizado pode estar na forma de uma folha. O material de tabaco homogeneizado pode ter um teor de formador de aerossol superior a 5% em peso seco. Alternativamente, o material de tabaco homogeneizado pode ter um teor de formador de aerossol entre 5% e 30% em peso com base no peso seco. As folhas de material de tabaco homogeneizado podem ser formadas por um aglomerado de partículas de tabaco obtidas por moagem, ou outra forma de trituração, das lâminas e dos caules da folha de tabaco. Alternativa ou adicionalmente, as folhas do material de tabaco homogeneizado podem conter um ou mais dentre pó de tabaco, resíduos de tabaco e outros subprodutos de tabaco em partículas formadas durante, por exemplo, o tratamento, manuseio e envio do tabaco. Folhas de material de tabaco homogeneizado podem compreender um ou mais aglutinantes intrínsecos, ou seja, aglutinantes endógenos de tabaco, um ou mais aglutinantes extrínsecos, ou seja, aglutinantes exógenos de tabaco, ou uma combinação deles, a fim de ajudar a aglomerar as partículas de tabaco; alternativa ou adicionalmente, as folhas de material de tabaco homogeneizado podem conter outros aditivos incluindo, mas sem limitação, fibras e tabaco e não tabaco, formadores de aerossol, umectantes, plastificantes, aromatizantes, preenchedores, solventes aquosos e não aquosos e combinações destes.
[038] O substrato formador de aerossol sólido pode ser fornecido ou incorporado em um transportador termicamente estável. O carreador pode ter a forma de pó, grânulos, péletes, filamentos, pedaços, tiras ou folhas. Alternativamente, o carreador pode ser um transportador tubular e conter uma fina camada do substrato sólido depositada em sua superfície interna ou em sua superfície externa ou em suas superfícies interna e externa. Tal carreador tubular pode ser formado, por exemplo, por um papel ou material semelhante a papel, uma manta de fibra de carbono não tecida, uma tela metálica de malha aberta de massa baixa, uma folha metálica perfurada ou qualquer outra matriz polimérica termicamente estável.
[039] O substrato formador de aerossol sólido pode ser depositado sobre a superfície do transportador na forma de, por exemplo, uma folha, espuma, gel ou pasta. O substrato formador de aerossol sólido pode ser depositado sobre toda a superfície do carreador ou, alternativamente, pode ser depositado em um padrão para proporcionar uma distribuição de aroma não uniforme durante o uso.
[040] Embora tenha sido feita referência a substratos formadores de aerossol sólidos anteriormente nesta descrição, será evidente para aquele versado na técnica que outras formas de substrato formador de aerossol podem ser utilizadas com outras modalidades. Por exemplo, o substrato formador de aerossol pode ser um substrato formador de aerossol líquido. Se um substrato formador de aerossol líquido for fornecido, o dispositivo gerador de aerossol compreende, preferencialmente, meios para reter o líquido. Por exemplo, o substrato formador de aerossol líquido pode ser retido em um recipiente. Alternativamente ou adicionalmente, o substrato formador de aerossol líquido pode ser absorvido em um material carreador poroso. O material carreador poroso pode ser feito de qualquer plugue ou corpo absorvente adequado, por exemplo, um material de espuma de metal ou de espuma de plástico, polipropileno, terileno, fibras de náilon ou cerâmica. O substrato formador de aerossol líquido pode ser retido no material carreador poroso antes da utilização do dispositivo gerador de aerossol ou, alternativamente, o material do substrato formador de aerossol líquido pode ser liberado no material carreador poroso durante ou imediatamente antes da utilização. Por exemplo, o substrato formador de aerossol líquido pode ser fornecido em uma cápsula. A proteção da cápsula derrete preferencialmente mediante aquecimento e libera o substrato formador de aerossol líquido no material carreador poroso. A cápsula pode conter um sólido em combinação com o líquido.
[041] Alternativamente, o transportador pode ser um tecido não tecido ou um feixe de fibras no qual foram incorporados componentes do tabaco. O tecido não tecido ou feixe de fibras pode compreender, por exemplo, fibras de carbono, fibras de celulose natural ou fibras derivadas de celulose.
[042] O dispositivo gerador de aerossol pode ainda compreender uma fonte de alimentação para fornecer energia aos aquecedores internos e externos. A fonte de alimentação pode ser qualquer fonte de alimentação adequada, por exemplo, uma fonte de tensão CC, como uma bateria. Em uma modalidade, a fonte de alimentação é uma bateria de íons de lítio. Alternativamente, a fonte de alimentação pode ser uma bateria de níquel-hidreto metálico, uma bateria de níquel cádmio ou uma bateria com base de lítio, por exemplo, lítio-cobalto, lítio-ferro-fosfato, titanato de lítio ou uma bateria de polímero de lítio.
[043] Em outro aspecto da descrição, é fornecido um sistema gerador de aerossol compreendendo um dispositivo de acordo com o primeiro aspecto da invenção, o dispositivo compreendendo um alojamento e um substrato de formação de aerossol recebido parcial ou totalmente dentro do alojamento.
[044] De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é fornecido um sistema gerador de aerossol compreendendo um substrato formador de aerossol; um elemento de aquecimento configurado para aquecer o substrato de formação de aerossol para gerar um aerossol; um sensor de temperatura para medir uma temperatura do elemento de aquecimento; um meio de monitoramento de aerossol para medir uma propriedade de aerossol compreendendo pelo menos uma dentre uma propriedade física e uma composição química do aerossol gerado; e um controlador configurado para ajustar uma energia fornecida ao elemento de aquecimento com base em i) a temperatura medida do elemento de aquecimento em um primeiro circuito de controle de retroalimentação; e ii) a propriedade de aerossol monitorada em um segundo loop de controle de retroalimentação.
[045] De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é fornecido um substrato formador de aerossol para uso em um sistema de geração de aerossol, compreendendo um meio de monitoramento de aerossol configurado para monitorar as propriedades do aerossol do aerossol gerado e para se comunicar com um controlador em um dispositivo gerador de aerossol.
[046] De acordo com um quinto aspecto da presente invenção, é fornecido um método para controlar a geração de um aerossol, o método compreendendo:
[047] i) gerar o aerossol a partir de um substrato de formação de aerossol com um elemento de aquecimento;
[048] ii) medir uma temperatura do elemento de aquecimento no elemento de aquecimento;
[049] iii) ajustar uma energia fornecida ao elemento de aquecimento com base na temperatura medida em um primeiro circuito de controle de retroalimentação;
[050] iv) medir uma propriedade de aerossol do aerossol gerado, em que a referida propriedade de aerossol compreende pelo menos uma propriedade física ou composição química do aerossol gerado;
[051] v) comparar as uma ou mais propriedades de aerossol medidas com uma propriedade de aerossol esperada para determinar se há uma condição anormal;
[052] vi) ajustar a energia fornecida ao elemento de aquecimento com base no primeiro circuito de controle de retroalimentação, se não houver condição anormal; e
[053] vii) ajustar a energia fornecida ao elemento de aquecimento com base no segundo circuito de controle de retroalimentação, se houver uma condição anormal.
[054] As características descritas em relação a um aspecto podem ser igualmente aplicáveis a outros aspectos da invenção.
[055] Modalidades da invenção serão descritas a seguir exclusivamente a título de exemplo, tendo como referência as figuras anexas, em que:
[056] Figura 1a é uma vista ilustrativa de um sistema gerador de aerossol de acordo com uma modalidade da presente invenção;
[057] Figura 1b é uma vista ilustrativa do sistema gerador de aerossol da Figura 1 quando é colocado em operação;
[058] Figura 1c é uma vista ilustrativa de um sistema gerador de aerossol alternativo;
[059] Figura 2 é uma vista ilustrativa de um sistema gerador de aerossol adaptado para vaporizar um substrato líquido de formação de aerossol de acordo com outra modalidade da presente invenção;
[060] Figuras 3a e 3b são diagramas de fluxo, respectivamente, mostrando um controlador com controladores PID e controle lógico preditivo;
[061] Figura 4 é uma vista ilustrativa mostrando um sensor de aerossol formado integralmente com um artigo de formação de aerossol de acordo com ainda outra modalidade da presente invenção;
[062] Figura 5 é uma vista ilustrativa mostrando um sistema gerador de aerossol com um elemento de aquecimento por indução de acordo com outra modalidade da presente invenção; e
[063] Figura 6 é uma vista ilustrativa mostrando um sensor de aerossol formado com um bocal de acordo com outra modalidade da presente invenção.
[064] A Figura 1a mostra um sistema de geração de aerossol 10 compreendendo um dispositivo de geração de aerossol 20 e um artigo de formação de aerossol 100 para uso com o dispositivo de geração de aerossol 20. O artigo de formação de aerossol 100 neste exemplo ilustrado é um tampão de tabaco com uma porção consumível 102 contendo um substrato de formação de aerossol, um bocal 104 para desenhar aerossol gerado através do artigo e uma porção intermediária 106 entre o substrato de formação de aerossol 102 e o bocal 104.
[065] O dispositivo de geração de aerossol 20 compreende um compartimento tubular 22 tendo uma cavidade 24 configurada para receber o artigo de formação de aerossol 100 através de uma abertura na extremidade proximal do compartimento 22. Quando o artigo de formação de aerossol 100 é inserido na cavidade 24, um elemento de aquecimento 26 na cavidade 24 penetra e se integra completamente na porção consumível 102 do artigo de formação de aerossol 100, de modo a fornecer aquecimento ao substrato de formação de aerossol 102, como mostrado na Figura 1b. O elemento de aquecimento 26 é um elemento de aquecimento resistivo que gera calor quando uma corrente é passada através dele. Em uso, o elemento de aquecimento 26 é aquecido a uma temperatura operacional entre 200 e 350 graus centígrados para gerar um aerossol. O elemento de aquecimento 26 tem a forma de uma lâmina, de modo a facilitar sua penetração no substrato de formação de aerossol 102 quando é inserido na cavidade. O elemento de aquecimento 26 é dimensionado e posicionado para corresponder à porção consumível 102 do artigo de formação de aerossol 100 como recebido na cavidade 24, de modo que em uso a totalidade ou as partes da porção consumível 102 em uma primeira porção de cavidade 24a podem ser aquecidas.
[066] O dispositivo 10 compreende um suprimento de energia elétrica 30 no compartimento 22, por exemplo, uma bateria de íon de lítio recarregável. O dispositivo compreende ainda um controlador 32 conectado ao elemento de aquecimento 26, o fornecimento de energia elétrica 30 e uma interface de usuário 34. Neste caso, a interface do usuário 34 é um botão mecânico. Ao ativar a interface de usuário 34, o controlador 32 controla a energia fornecida, através de conexões elétricas 27, ao elemento de aquecimento 26, a fim de regular a temperatura do substrato formador de aerossol 102. O controlador 32 compreende ainda um processador 38 para analisar dados medidos de pelo menos um sensor. Por exemplo, o controlador pode ser configurado para converter uma resistência elétrica detectada através do elemento de aquecimento 26 em uma temperatura do aquecedor com base em uma regra de conversão armazenada na memória 36. A memória 36 também pode ser configurada para armazenar um histórico de tempo da temperatura medida, de modo a fornecer dados do sensor ao processador 32, conforme necessário.
[067] O controlador 32 compreende ainda um módulo de comunicação 39 para comunicação com dispositivos externos. Dessa maneira, parâmetros do processo, como valores esperados das propriedades do aerossol e temperatura de operação do aquecedor, podem ser alterações de um dispositivo externo conectado através do módulo de comunicação. Podem ser fornecidas atualizações de firmware. Os dados relacionados ao uso e condição do dispositivo podem ser carregados do dispositivo para um dispositivo externo. No exemplo ilustrado, o módulo de comunicação é um dispositivo Bluetooth Low Energy (BLE) capaz de fornecer comunicação sem fio com dispositivos externos. Em alguns casos, o módulo de comunicação sem fio não é fornecido no controlador 32, mas em um dispositivo auxiliar, como um carregador. Nesse caso, o controlador pode enviar ou receber dados de dispositivos externos através do dispositivo auxiliar.
[068] O alojamento compreende ainda uma resistência térmica 28, como um material isolante, adjacente ao elemento de aquecimento 26, a fim de separar e proteger os componentes elétricos do calor gerado na cavidade 24. A resistência térmica também fornece uma vedação entre a cavidade 24 e os componentes eletrônicos. A resistência térmica impede que líquidos na cavidade entrem em contato com os componentes elétricos. A resistência térmica 28 neste exemplo também fixa a base do elemento de aquecimento 26 ao alojamento. A resistência térmica suporta o elemento de aquecimento 26 quando ele penetra no substrato formador de aerossol 102 durante a inserção do artigo formador de aerossol 100 no dispositivo.
[069] Em uso, o elemento de aquecimento 26 aquece até a temperatura operacional e faz com que o substrato de formação de aerossol gere um aerossol na cavidade 24. Um usuário pode então tragar no bocal 104 do artigo de formação de aerossol 100 para extrair o aerossol gerado da cavidade 24. Conforme mostrado na Figura 1b, parte do aerossol gerado pode transbordar para um espaço 60 formado entre o substrato 102 e as paredes internas da cavidade 24. Esse aerossol transbordado é representativo do aerossol que está sendo gerado. Um sensor de aerossol 40 é fornecido em uma parede interna da cavidade 24 para detectar uma ou mais propriedades do aerossol transbordado. A saída do sensor de aerossol, que é uma propriedade de aerossol medida, é então passada para o controlador 32 para uso em um circuito de controle de retroalimentação.
[070] No exemplo ilustrado, o sensor de aerossol 40, como um sensor de semicondutor de óxido de metal miniaturizado (MOS) ou um espectrômetro miniaturizado, para detectar uma ou mais composições químicas no aerossol gerado. Além disso, ou como alternativa, o sensor de aerossol 40 pode compreender um ou mais dentre uma partícula óptica e um sensor de temperatura para detectar uma propriedade física, como quantidade, densidade e tamanho de partícula de gotículas de aerossol, bem como a temperatura de o aerossol gerado. Assim, o sensor de aerossol 40 é capaz de fornecer uma ou mais da composição química e propriedades físicas do aerossol gerado.
[071] Como um exemplo, o sensor de aerossol 40 pode incluir um sensor químico para monitorar uma composição no aerossol gerado e, em particular, para detectar o nível de monóxido de carbono (CO) que é indicativo de combustão indesejada ou superaquecimento no substrato de formação de aerossol. O controlador 32 está configurado para comparar um nível de CO medido com um valor esperado indicativo do nível de CO esperado no aerossol gerado durante a operação normal. Se houver uma quantidade maior de CO do que o nível esperado, o controlador poderá determinar que há uma condição anormal.
[072] Um sensor químico normalmente compreende um elemento de reconhecimento em conexão com um elemento analítico. O elemento de reconhecimento compreende locais receptores que interagem seletivamente com as moléculas de um produto químico alvo no aerossol gerado. O elemento analítico compreende um componente eletrônico para processar sinais emitidos pelo elemento de reconhecimento.
[073] A Figura 1c mostra outra modalidade da presente invenção. O sensor de aerossol 40 na Figura 1b é substituído por um revestimento eletroquímico 40b. O revestimento eletroquímico 40b é revestido em uma porção substancial da parede da cavidade 24. Nesta modalidade, o revestimento eletroquímico 40b é um elemento de reconhecimento, enquanto o elemento analítico é integrado ao controlador. O revestimento eletroquímico está disposto para estar em conexão elétrica com o controlador. O revestimento retorna um sinal elétrico ao controlador ao entrar em contato com um determinado produto químico alvo no aerossol transbordado. O sinal elétrico retornado pelo revestimento eletroquímico é proporcional à concentração do produto químico alvo no aerossol gerado. Se o sinal do revestimento eletroquímico estiver fora da faixa normal ou esperada, o controlador determinará que há uma condição anormal. Esse arranjo fornece um sensor químico fino. Quando não há condição anormal, o controlador 32 pode controlar a energia fornecida ao elemento de aquecimento 26 com base na temperatura determinada no elemento de aquecimento 26 em um primeiro circuito de controle de retroalimentação. A temperatura do elemento de aquecimento pode ser medida por um termopar discreto no aquecedor ou com base na resistência elétrica instantânea detectada através do elemento de aquecimento resistivo 26.
[074] Em reação a uma condição anormal detectada, como CO excessivo, o controlador está configurado para substituir o primeiro loop de controle de retroalimentação e usar um segundo loop de controle de retroalimentação, no qual a energia fornecida ao elemento de aquecimento é controlada com base na qualidade do aerossol medido. Por exemplo, no caso discutido acima, ao detectar uma quantidade anormal de CO, o controlador cessa ou reduz a fonte de alimentação ao elemento de aquecimento 26 até que o nível de CO medido caia abaixo do valor esperado, sem referência à temperatura do elemento de aquecimento.
[075] Em algumas modalidades, o controlador é configurado para usar o segundo circuito de controle de retroalimentação de maneira contínua, de modo que a energia fornecida ao elemento de aquecimento seja continuamente controlada com base na qualidade de aerossol medida mesmo durante condições normais. Uma propriedade de aerossol medida pode ser usada para ajustar a temperatura alvo para o elemento de aquecimento, por exemplo.
[076] Em algumas modalidades, as uma ou mais propriedades de aerossol esperadas podem ser alteradas manualmente ou alteradas mediante o cumprimento de certas condições de disparo. O segundo loop de controle de retroalimentação pode ser ativado em diferentes níveis de limiar. Por exemplo, o nível esperado de CO durante o uso ao ar livre pode ser reduzido quando o dispositivo de geração de aerossol
20 é usado em um ambiente confinado. Portanto, o dispositivo gerador de aerossol 20 opera a uma temperatura operacional mais baixa quando é usado em ambientes fechados. O dispositivo pode detectar quando está dentro de casa usando o dispositivo BLE 39.
[077] Em algumas modalidades, o dispositivo BLE 39 se comunica com um dispositivo externo, como um telefone celular, para alterar manualmente o valor esperado de uma ou mais propriedades de aerossol. Em algumas outras modalidades, o dispositivo BLE 39 detecta sua proximidade com outros dispositivos externos, por exemplo, sistemas de entretenimento doméstico e reduz o valor esperado de CO adequado para uso interno.
[078] Em alguns casos, ao operar no segundo circuito de controle, a temperatura do elemento de aquecimento usada pelo primeiro circuito de controle de retroalimentação ainda pode ser levada em consideração. Por exemplo, ao detectar uma quantidade anormalmente baixa de nicotina no aerossol, o segundo loop de controle de retroalimentação substitui o controle de temperatura no primeiro loop de controle e aumenta a fonte de alimentação para o elemento de aquecimento 26. Isso aumenta a vaporização e incentiva a liberação de nicotina. Nesse caso, como medida de segurança, o controlador se refere continuamente à temperatura do elemento de aquecimento no primeiro ciclo de retroalimentação. O controlador está configurado para interromper o aumento na fonte de alimentação se a temperatura do elemento de aquecimento atingir um limite de corte de segurança predefinido. O limite de corte de segurança predefinido típico pode estar entre 300 e 400 graus centígrados, mas pode variar dependendo do tipo de substrato de formação de aerossol que está sendo aquecido.
[079] Em alguns casos, uma pluralidade de propriedades de aerossol é medida e o circuito de controle secundário pode controlar a energia conforme fornecida ao elemento de aquecimento 26, com base em uma hierarquia de parâmetros medidos. Por exemplo, pontos de corte de segurança, como a detecção de composições químicas indesejáveis, podem substituir o controle com base no nível de nicotina. Portanto, ao detectar um nível anormalmente alto de composto químico indesejável e um nível anormalmente baixo de nicotina, o controlador interrompe a fonte de alimentação do elemento de aquecimento para reduzir o nível de composição indesejável do composto químico, em vez de aumentar a temperatura do aquecedor para aumentar a liberação de nicotina.
[080] O dispositivo gerador de aerossol, como mostrado nas Figuras 1a e 1b, compreende ainda um meio auxiliar de controle de aerossol 50 para ajustar a qualidade do aerossol, uma vez que tenha sido gerado no elemento de aquecimento. O meio de controle de aerossol auxiliar 50 no exemplo ilustrado é um dispositivo Peltier que absorve o calor de uma segunda porção de cavidade 24b, de modo a resfriar o aerossol gerado que flui através da porção intermediária 106 do artigo de formação de aerossol 100. Conforme mostrado na Figura 2, a segunda porção de cavidade 24b é vantajosamente posicionada a jusante da primeira porção de cavidade 24a, de modo que o aerossol gerado é resfriado antes de ser puxado através do bocal. Isso leva a uma taxa de resfriamento mais acentuada no aerossol gerado na porção intermediária 106 e, assim, aumenta a semeadura e a formação de mais gotas de aerossol. Em algumas modalidades, a porção intermediária 106 pode compreender um material de condução de calor para auxiliar o resfriamento do aerossol que passa através dele.
[081] Em algumas modalidades, outros meios auxiliares de controle de aerossol 50 podem ser usados. Por exemplo, o meio auxiliar de controle de aerossol 50 pode ser um microatuador configurado para ajustar um volume de expansão da cavidade, bem como o comprimento do caminho de fluxo do aerossol, de modo a variar o grau de formação de gotículas de aerossol a partir do vapor. O meio auxiliar de controle de aerossol 50 pode ser um filtro mecânico variável, como um microimpactador, para filtrar as gotículas de aerossol geradas que ficam fora de uma faixa aceitável.
[082] O meio auxiliar de controle de aerossol 50, como o dispositivo termoelétrico, consome energia adicional da fonte de energia elétrica 30. Neste exemplo ilustrado, o meio auxiliar de controle de aerossol 50 é aplicado apenas no segundo circuito de controle para ajustar as propriedades do aerossol uma vez que um aerossol anormal é detectado. O meio auxiliar de controle de aerossol 50 não é ativado se as propriedades do aerossol do aerossol gerado forem determinadas dentro de uma faixa de operação normal. Em vez disso, os meios auxiliares de controle de aerossol são ativados como uma medida corretiva, para melhorar a qualidade do aerossol se o aerossol gerado ficar fora dos limites desejados.
[083] Um calibrador óptico de partículas 40 é um exemplo de um sensor de aerossol 40, em que as propriedades de aerossol medidas compreendem a quantidade e o tamanho da gota. Se a quantidade de gotículas e o tamanho das gotículas forem detectados dentro de uma faixa operacional normal, o controlador 27 adota o primeiro circuito de controle de retroalimentação no qual a energia fornecida ao elemento de aquecimento 26 é baseada em uma temperatura medida do aquecedor. No entanto, ao detectar uma densidade de gota anormalmente baixa e/ou tamanho de gota reduzido, o controlador 27 pode adotar o segundo loop de controle de retroalimentação no qual não apenas reduz a fonte de alimentação ao elemento de aquecimento com base nas propriedades do aerossol, também ativa o dispositivo termoelétrico 50 em para incentivar a formação de gotículas.
[084] Em algumas modalidades, sensores de aerossol adicionais (não mostrados) podem ser fornecidos para monitorar as propriedades do aerossol do aerossol extraídas no bocal. Por exemplo, os sensores de aerossol adicionais podem monitorar a eficácia dos meios de controle de aerossol auxiliares 50 na correção das deficiências no aerossol gerado. O controlador 27 pode ser configurado para controlar os meios de controle de aerossol auxiliar 50 com base nas propriedades de aerossol medidas a partir do sensor de aerossol 40, ou o sensor de aerossol adicional, ou ambos, o sensor de aerossol 40 e o sensor de aerossol adicional no circuito de controle secundário.
[085] Os sensores de aerossol adicionais podem monitorar as mesmas propriedades de aerossol que o sensor de aerossol 40, ou podem monitorar diferentes propriedades de aerossol. Por exemplo, o sensor de aerossol 40 pode ser um espectrômetro para detectar o nível de CO, e os sensores de aerossol adicionais podem ser um dimensionador óptico de partículas para medir a quantidade de partículas, ou tamanho de partícula, ou a quantidade e tamanho de partícula. O controlador pode ajustar a energia do elemento de aquecimento com base em uma hierarquia de propriedades do aerossol e do elemento de aquecimento, de modo que uma condição anormal em uma propriedade substitua o controle com base em uma condição anormal em outra propriedade.
[086] A Figura 2 mostra um sistema alternativo de geração de aerossol 10b compreendendo um dispositivo de geração de aerossol 20b para uso com um cartucho de formação de aerossol 100b tendo um substrato líquido de formação de aerossol 102b. O sistema de geração de aerossol 10b compreende os mesmos componentes que a modalidade 10, como mostrado na Figura 1, exceto que ele não está configurado para aquecer uma barra de tabaco. O sistema de geração de aerossol 10b está configurado para vaporizar um substrato líquido 102b comumente conhecido como e-líquido.
[087] Um bocal 104b é fixado de maneira removível à abertura da cavidade 124b por meio de uma ligação por parafuso ou de um clipe. Um cartucho formador de aerossol 100b pode ser inserido na cavidade 124b removendo e recolocando o bocal 104b. Em uso, o cartucho formador de aerossol 100b é inserido na cavidade 124b. O substrato líquido 102b é entregue e aquecido pelo elemento de aquecimento 26b e, no processo, gera um aerossol. O aerossol gerado é formado na cavidade 124b antes de ser retirado da cavidade quando um usuário sopra um bocal 104b.
[088] Geralmente, quando o segundo loop de controle de retroalimentação é usado, ele pode ser chamado de modo de retroalimentação completo. No modo de retroalimentação completo, pelo menos uma propriedade de aerossol, medida pelo sensor de aerossol, é usada em um loop de controle de retroalimentação contínuo para regular o elemento de aquecimento 26, de acordo com uma lógica de controle armazenada na memória 38. A lógica de controle pode ser fixada no momento da fabricação ou pode ser atualizada pelo aprendizado de máquina ou programada pelo usuário do dispositivo.
[089] Ao operar em um modo de retroalimentação completo, pelo menos uma propriedade de aerossol medida no sensor de aerossol 40 é aplicada para modificar a temperatura do aquecedor ou outras variáveis para controlar os meios de controle de aerossol auxiliar 50. Um algoritmo inteligente ou lógica de controle podem ser usados, o que pode levar em consideração possíveis falsos positivos.
[090] Operar no modo de retroalimentação completo requer o uso de sensores de aerossol relativamente sensíveis 40, bem como lógica de controle dedicada. Em alguns casos em que esses requisitos não são atendidos, o segundo circuito de controle de retroalimentação pode operar de uma maneira muito mais simples, onde o sensor de aerossol 40 simplesmente atua como um interruptor de segurança. Por exemplo, ao detectar a presença de um composto químico indesejável, o segundo circuito de controle substitui o controle de temperatura no elemento de aquecimento e desliga completamente o dispositivo. Mais especificamente, o segundo loop de controle de retroalimentação pode interromper a operação do dispositivo em vez de fornecer controle de retroalimentação.
[091] As Figuras 3a e 3b ilustram dois diagramas de fluxo alternativos, respectivamente, mostrando o controle proporcional- integral-derivado (PID) e o controle lógico preditivo para fornecer o primeiro loop de controle de retroalimentação 210 e o segundo loop de controle de retroalimentação 220 no dispositivo gerador de aerossol 10. A aplicação do controle PID regula os parâmetros após a medição de uma mudança, enquanto o controle lógico preditivo regula os parâmetros antes e depois da medição.
[092] Na Figura 3a, um primeiro loop de controle de retroalimentação 210 é fornecido para controlar a temperatura do aquecedor com base na resistência elétrica detectada do elemento de aquecimento, quando nenhuma propriedade anormal do aerossol é detectada pelo sensor de aerossol 40. Em uma primeira etapa 212, a medição da corrente através do elemento de aquecimento e a tensão através do elemento de aquecimento são recebidas. Em uma segunda etapa 224, as medições são usadas para calcular a resistência elétrica do elemento de aquecimento. A resistência do elemento de aquecimento calculada é comparada com a resistência alvo na etapa 216 e a diferença é emitida para um controlador Proporcional, Integral, Derivativo (PID) na etapa 218. A saída do controlador PID é um valor necessário para que a tensão traga a resistência elétrica do elemento de aquecimento em direção à resistência alvo. O uso de um controlador PID é uma técnica bem conhecida para controle de circuito fechado. O controlador PID possui parâmetros fixos, independentemente da temperatura ou resistência do aquecedor. Na etapa 220, a saída do controlador PID é comparada com os limites máximos de tensão e corrente. Se a tensão de saída for menor que o limite máximo, ela é emitida para o bloco de controle do aquecedor 230, caso contrário, uma tensão máxima é emitida para o bloco de controle de tensão 230.
[093] O segundo circuito de controle 240 recebe uma propriedade química ou física detectada do aerossol na etapa 242. A propriedade detectada é comparada com um valor esperado para a propriedade detectada na etapa 244 para gerar uma diferença. A diferença é emitida para um controlador Proporcional, Integral, Derivativo (PID) na etapa
246. A saída do controlador PID é um valor para a tensão para trazer a propriedade do aerossol detectado de volta ao valor-alvo. Na etapa 248, a saída do controlador PID é comparada com os limites máximos de tensão e corrente. Se a tensão de saída for menor que o limite máximo, ela é emitida para o bloco de controle do aquecedor 230, caso contrário, uma tensão máxima é emitida para o bloco de controle de tensão 230. A saída do segundo loop de controle 240 também pode ser aplicada a dispositivos de controle de aerossol adicionais, como um dispositivo Peltier, como mostrado pela saída Controle_refrigeração.
[094] O bloco de controle do aquecedor 230 pode ser configurado para usar a entrada do primeiro circuito de controle 210, a menos que uma propriedade anormal do aerossol seja detectada. Uma propriedade de aerossol anormal é comunicada ao bloco de controle do aquecedor 230 por um sinal de substituição do segundo circuito de controle.
[095] No entanto, o segundo loop de controle pode ser usado continuamente para ajustar o primeiro loop de controle. Uma saída do segundo loop de controle pode ser inserida no controlador PID do primeiro loop de controle, conforme indicado pela seta 232. Por outro lado, a diferença entre a resistência alvo e a resistência medida do primeiro circuito de controle 210 pode ser introduzida no controlador PID do segundo circuito de controle 240, como indicado pela seta 234. Isso pode servir como um mecanismo de segurança. Por exemplo, uma diferença de resistência indicativa de superaquecimento significativo do elemento de aquecimento, o que poderia potencialmente levar à combustão ou danos ao elemento de aquecimento 26, poderia fazer com que o segundo loop de controle de retroalimentação 240 emita um sinal de substituição e interrompa ou reduza significativamente a fonte de alimentação ao elemento de aquecimento 26.
[096] A Figura 3b mostra um primeiro loop de controle 260 semelhante e o segundo loop de controle 270 usando lógica de controle preditivo, na qual o controlador prevê o comportamento do sistema antes que um evento realmente ocorra, com base na experiência e caracterização anteriores.
[097] Em uma primeira etapa 262 do primeiro circuito de controle 260, a medição da corrente através do aquecedor e a medição de tensão são recebidas e, em seguida, em uma segunda etapa 264, elas são usadas para calcular a resistência elétrica do elemento de aquecimento. A resistência calculada do elemento de aquecimento é comparada com a resistência alvo na etapa 266 e o sinal de diferença ou erro é emitido para um controlador lógico preditivo na etapa 268. O controlador lógico preditivo pode ser baseado em um modelo ou comportamento ideal do elemento de aquecimento com base em uma pluralidade de parâmetros, como temperatura, tensão, tempo, corrente e erro entre a resistência alvo e a resistência calculada. Como no circuito de controle da Figura 3a, antes que a saída do controlador lógico preditivo seja usada para controlar o conversor DC/DC, é primeiro verificado se a corrente através do aquecedor ou a tensão de saída necessária é maior que os limites máximos predeterminados. Se a corrente através do aquecedor for maior que a corrente máxima que a bateria pode fornecer, na etapa 269 o valor necessário para a tensão será definido como o produto da corrente máxima permitida e da resistência calculada do aquecedor. A saída é entrada no bloco de controle do aquecedor 280.
[098] O segundo circuito de controle 270 recebe uma propriedade química ou física detectada do aerossol na etapa 272. A propriedade detectada é comparada com um valor esperado para a propriedade detectada na etapa 274 para gerar uma diferença. A diferença é emitida para um controlador Predictive Logic na etapa 276. A saída do controlador Predictive Logic é um valor para a tensão de trazer a propriedade do aerossol detectado de volta para um valor-alvo. Na etapa 278, a saída do controlador PID é comparada com os limites máximos de tensão e corrente. Se a tensão de saída for menor que o limite máximo é enviada para o bloco de controle do aquecedor 280, caso contrário, uma tensão máxima é emitida para o bloco de controle de tensão 280. A saída do segundo circuito de controle também pode ser aplicada a dispositivos de controle de aerossol adicionais, como um dispositivo Peltier, conforme mostrado na saída Controle_refrigeração.
[099] Como no exemplo mostrado na Figura 3a, o bloco de controle do aquecedor 230 pode ser configurado para usar a entrada do primeiro circuito de controle 210, a menos que uma propriedade anormal do aerossol seja detectada. Uma propriedade de aerossol anormal é comunicada ao bloco de controle do aquecedor 230 por um sinal de substituição do segundo loop de controle 240.
[100] No entanto, o segundo loop de controle 240 pode ser usado continuamente para ajustar o primeiro loop de controle. Uma saída do segundo loop de controle 240 pode ser entrada para o controlador PID do primeiro loop de controle, como indicado pela seta 232. Por outro lado, a diferença entre a resistência alvo e a resistência medida do primeiro circuito de controle 210 pode ser introduzida no controlador PID do segundo circuito de controle 240, como indicado pela seta 234. Isso pode servir como um mecanismo de segurança. Por exemplo, uma diferença de resistência indicativa de superaquecimento significativo do elemento de aquecimento 26, que poderia potencialmente levar à combustão ou danos ao elemento de aquecimento, poderia fazer com que o segundo loop de controle de retroalimentação 240 emita um sinal de substituição e interrompa ou reduza significativamente a fonte de alimentação ao elemento de aquecimento 26.
[101] A lógica de controle preditivo é armazenada na memória 38 e pode ser atualizada com frequência pelo usuário ou ser atualizada automaticamente a cada uso, a fim de aprender comportamentos do usuário ou identificar o melhor modo de uso. Por exemplo, o controlador 32 pode identificar que um usuário em particular tende a preferir um aerossol gerado por um resfriador, porque um histórico de tempo na memória 38 mostra que o usuário sempre dá uma tragada mais curta ou para de tragar completamente quando o aerossol gerado excede uma temperatura específica. Como resultado, o primeiro loop de controle de retroalimentação, ou o segundo loop de controle de retroalimentação, ou o primeiro loop de controle de retroalimentação e o segundo loop de controle de retroalimentação, podem então implementar lógica preditiva, na qual a propriedade de aerossol esperada é reduzida para um valor mais baixo.
[102] A Figura 4 mostra um artigo 300 de formação de aerossol de acordo com outra modalidade da presente invenção. Semelhante ao artigo de formação de aerossol 100 na Figura 1, o artigo de formação de aerossol 300 também compreende uma porção consumível 302 contendo um substrato de formação de aerossol, um bocal 304 e uma porção intermediária 306 entre o substrato de formação de aerossol 302 e o bocal 304. Nesta modalidade, um sensor de aerossol 340 é formado integralmente com a porção intermediária 306 do artigo de formação de aerossol 300. O sensor de aerossol 340 pode ser um sensor descartável com o artigo de formação de aerossol 300.
[103] O sensor de aerossol 340 está configurado para detectar pelo menos uma propriedade de aerossol em uma corrente principal de aerossol que está sendo extraída no bocal, o que permite que medidas precisas sejam tomadas. No exemplo ilustrado, o sensor de aerossol 340 se conecta sem fio com os vários componentes no dispositivo gerador de aerossol 10. Por exemplo, o sensor de aerossol 340 se comunica com o controlador 32 usando comunicação de campo próximo (NFC), enquanto adquire uma fonte de energia da fonte de energia elétrica 30 por carregamento sem fio, como carregamento indutivo. Alternativamente, o sensor de aerossol 340 pode ser fornecido com conectores elétricos na superfície externa do artigo formador de aerossol 300 para estabelecer conexões elétricas físicas com o controlador 32 e a fonte de energia elétrica 30.
[104] A Figura 5 ilustra um dispositivo gerador de aerossol alternativo 420 compreendendo um controlador 432 conectado a uma fonte de energia elétrica 430, um sensor de aerossol 440, um meio auxiliar de controle de aerossol 450 e uma bobina indutora 470 dentro do compartimento 422, mas disposta em torno da superfície externa de um substrato de formação de aerossol 402 em um artigo de formação de aerossol 400 recebido na cavidade 424. O artigo de formação de aerossol compreende um bocal 404 para o usuário tragar. O dispositivo gerador de aerossol 420 adota o primeiro loop de controle de retroalimentação, ou o segundo loop de controle de retroalimentação, ou o primeiro loop de controle de retroalimentação e o segundo loop de controle de retroalimentação para controlar a geração de aerossol de maneira semelhante ao dispositivo de geração de aerossol 20, como mostrado nas Figuras 1 e 2.
[105] A bobina indutiva 470 produz um campo eletromagnético alternado que induz uma corrente de fuga de geração de calor em um susceptor 472. O calor também pode ser gerado por perdas de histerese no susceptor. O susceptor 472 neste exemplo é formado a partir de aço inoxidável. O susceptor 472 é incorporado no substrato de formação de aerossol 402 para aquecer o substrato de formação de aerossol 402 a partir do interior. Em algumas modalidades, o susceptor também pode ser depositado na superfície externa do substrato formador de aerossol 402 para fornecer aquecimento a partir do exterior do substrato formador de aerossol 402. Alternativamente, o susceptor pode ser um tubo de susceptor em torno da cavidade 424.
[106] O susceptor 472, como energizado pela bobina indutiva 470, forma o elemento de aquecimento nesta modalidade. Em contraste com um elemento de aquecimento resistivo convencional, a temperatura no susceptor 472 não pode ser medida diretamente. Em vez disso, o controlador está disposto para determinar a temperatura no susceptor 472 com base em uma resistência ôhmica aparente através da bobina indutiva. Essa resistência ôhmica aparente pode ser calculada com base na tensão e corrente extraídas da fonte de energia elétrica. A temperatura no susceptor 472 pode ser tomada como a temperatura do aquecedor para fornecer controle de retroalimentação no primeiro circuito de controle de retroalimentação.
[107] A Figura 6 mostra um bocal 504 para fechar de maneira liberável uma cavidade de um dispositivo gerador de aerossol em ainda outra modalidade da presente invenção. O bocal compreende um canal de fluxo e uma malha permeável 506 que se estende através de um canal de fluxo. O bocal 504 compreende ainda um sensor de aerossol 540 montado na malha permeável 506. O sensor de aerossol é posicionado no caminho do aerossol gerado para detectar pelo menos uma propriedade de aerossol de um aerossol gerado a partir do substrato de formação de aerossol. O bocal compreende ainda conectores elétricos posicionados ao longo de suas paredes laterais para estabelecer conexões elétricas físicas com o controlador 32 e a fonte de energia elétrica 30 à medida que ele é fixado a uma abertura da cavidade. No entanto, essa conexão elétrica física pode ser substituída por comunicação sem fio, como NFC e carregamento por indução.
[108] O arranjo, como mostrado na Figura 6, permite que pelo menos uma propriedade de aerossol na corrente principal de aerossol seja detectada com um sensor de aerossol não descartável 540. Portanto, é um sistema mais barato de funcionar em comparação com o sensor de aerossol descartável 340, como mostrado na Figura 4.
[109] Os exemplos de modalidades descritas anteriormente exemplificam, mas não são limitativos. Considerando os exemplos de modalidades discutidas acima, outras modalidades consistentes com as modalidades exemplares acima se tornarão evidentes aos versados na técnica.
Claims (13)
1. Dispositivo gerador de aerossol caracterizado pelo fato de que compreende: um elemento de aquecimento configurado para aquecer um substrato de formação de aerossol para gerar um aerossol; um sensor de temperatura para medir uma temperatura do elemento de aquecimento; um meio de monitoramento de aerossol para medir uma propriedade de aerossol incluindo pelo menos uma dentre uma propriedade física e uma composição química do aerossol gerado, em que os meios de monitoramento de aerossol são posicionados em ou ao longo de um canal de fluxo a jusante do elemento de aquecimento; um controlador configurado para ajustar uma energia fornecida ao elemento de aquecimento com base em: i) a temperatura medida do elemento de aquecimento em um primeiro circuito de controle de retroalimentação; e ii) a propriedade aerossol medida em um segundo circuito de controle de realimentação; um meio auxiliar de controle de aerossol para ajustar as propriedades do aerossol do aerossol gerado; e em que o controlador está configurado para ajustar pelo menos uma variável de controle para os meios auxiliares de controle de aerossol com base nas propriedades de aerossol medidas no segundo loop de controle de retroalimentação.
2. Dispositivo gerador de aerossol, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controlador está configurado para comparar a propriedade de aerossol medida com uma propriedade de aerossol esperada para determinar se há uma condição anormal, e em que o controlador está configurado para ajustar a energia fornecida ao elemento de aquecimento com base em no primeiro loop de retroalimentação, se não houver uma condição anormal e com base no segundo loop de controle de retroalimentação, se houver uma condição anormal.
3. Dispositivo gerador de aerossol, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os meios auxiliares de controle de aerossol são configurados para resfriar o aerossol gerado.
4. Dispositivo gerador de aerossol, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma câmara geradora de aerossol para gerar o aerossol, e em que os meios auxiliares de controle de aerossol compreendem um atuador para variar um volume da câmara geradora de aerossol.
5. Dispositivo gerador de aerossol, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o atuador é configurado para variar o volume da câmara geradora de aerossol ajustando o comprimento da câmara ou a forma da câmara geradora de aerossol.
6. Dispositivo gerador de aerossol, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o meio auxiliar de controle de aerossol compreende um filtro variável.
7. Dispositivo gerador de aerossol, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o filtro variável compreende pelo menos um dentre um microimpactador e uma peneira.
8. Dispositivo gerador de aerossol, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os meios de monitoramento de aerossol compreendem pelo menos um dentre um espectrômetro, um sensor eletroquímico e um sensor de Semicondutor de Óxido de Metal (MOS).
9. Dispositivo gerador de aerossol, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma memória armazenada no mesmo um algoritmo de controle preditivo ou um algoritmo de derivada integral proporcional, em que o controlador está configurado para implementar o primeiro loop de controle de retroalimentação ou o segundo loop de controle de retroalimentação, ou ambos o primeiro loop de controle de retroalimentação e o segundo loop de controle de retroalimentação, usando o algoritmo de controle preditivo ou o algoritmo de derivada proporcional integral.
10. Dispositivo gerador de aerossol, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as propriedades físicas do aerossol gerado compreendem uma ou mais densidades de gotículas, temperatura, tamanho de gotículas, velocidade de gotículas e taxa de fluxo volumétrico do aerossol gerado.
11. Sistema gerador de aerossol caracterizado pelo fato de que compreende o dispositivo de acordo com a reivindicação 1 e um substrato formador de aerossol.
12. Sistema gerador de aerossol, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o substrato formador de aerossol compreende o meio de monitoramento de aerossol.
13. Método para variar uma propriedade de aerossol de um aerossol, o método caracterizado pelo fato de que compreende: i) gerar o aerossol a partir de um substrato de formação de aerossol com um elemento de aquecimento; ii) medir uma temperatura no elemento de aquecimento; iii) ajustar uma energia fornecida ao elemento de aquecimento com base na temperatura medida em um primeiro circuito de controle de retroalimentação; iv) medir a propriedade aerossol do aerossol gerado em ou ao longo de um canal de fluxo a jusante do elemento de aquecimento, em que a referida propriedade aerossol inclui pelo menos uma propriedade física ou composição química do aerossol gerado; v) comparar a propriedade aerossol medida com uma propriedade aerossol esperada para determinar se há uma condição anormal; vi) ajustar a energia fornecida ao elemento de aquecimento com base no primeiro circuito de controle de retroalimentação, se não houver condição anormal; vii) ajustar a energia fornecida ao elemento de aquecimento com base na propriedade aerossol medida em um segundo circuito de controle de retroalimentação, se houver uma condição anormal; e viii) ajustar as propriedades de aerossol do aerossol gerado usando um meio auxiliar de controle de aerossol com base na propriedade aerossol medida no segundo ciclo de controle de retroalimentação.
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