CN101977522B - 用于控制电气烟雾生成系统中烟气成分的形成的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对控制挥发性化合物从电加热烟雾形成系统内的烟雾形成基质中释放的方法。由电加热烟雾生成系统所释放的挥发性化合物的传送分布通过设置电加热烟雾生成系统的预定的最高操作温度，并且在操作期间控制该温度来控制。预定的最高操作温度被设置在低于多种不期望的物质的形成的水平。

Description

用于控制电气烟雾生成系统中烟气成分的形成的方法
技术领域
本发明涉及电加热烟雾生成系统，并且特别地涉及对电加热烟雾生成系统在加热时所释放的烟气成分的控制。
背景技术
传统的香烟在抽吸(puff)时由于在可能超过800摄氏度的温度下发生的烟草及包卷物的燃烧而释放烟气。在这些温度下，烟草由于热解和燃烧而热降解。燃烧的热量释放，并且生成各种气态的燃烧产物以及来自烟草中的馏分(distillate)。产物通过香烟吸入，并且冷却并冷凝以形成含有与吸烟相关的味道及香味的烟气。在燃烧温度下，不仅产生味道和香味而且产生许多不期望的化合物。
电加热吸烟系统是已知的，它在较低的温度下操作。在国际专利申请WO03/070031中公开了这种电吸烟系统的实例。该电吸烟系统使用控制器来控制响应于电池放电周期给加热元件传递的电功率的量。
而且，共同转让的美国专利No.US-A-5,060,671、US-A-5,144,962、US-A-5,372,148、US-A-5,388,594、US-A-5,498,855、US-A-5,499,636、US-A-5,505,214、US-A-5,530,225、US-A-5,591,368、US-A-5,665,262、US-A-5,666,976、US-A-5,666,978、US-A-5,692,291、US-A-5,692,525、US-A-5,708,258、US-A-5,750,964、US-A-5,902,501、US-A-5,915,387、US-A-5,934,289、US-A-5,954,979、US-A-5,967,148、US-A-5,988,176、US-A-6,026,820及US-A-6,040,560公开了电气吸烟系统以及制造该电气吸烟系统的方法，这些专利通过引用的方式并入本文。
发明内容
根据本发明，提供了控制挥发性化合物从电加热烟雾生成系统中释放的方法。电加热烟雾生成系统包括电源、与电源连接的至少一个加热元件以及烟雾形成基质。烟雾形成基质在加热时释放多种挥发性化合物，其中所述多种挥发性化合物中的每一种都具有最低释放温度，在该最低释放温度之上挥发性化合物被释放。根据本发明的方法包括选择预定的最高操作温度的步骤。这种预定的最高操作温度低于所述多种挥发性化合物中的至少一种的最低释放温度，以便防止它从烟雾形成基质中释放。根据本发明的方法还包括以下步骤：控制该至少一个加热元件的温度使得至少一种挥发性化合物被释放。该控制步骤包括测量该至少一个加热元件的电阻率以及从电阻率的测量导出该至少一个加热元件的实际操作温度值。而且，控制步骤包括将该至少一个加热元件的实际操作温度的值与预定的最高操作温度进行比较。而且，控制步骤包括调整给该至少一个加热元件供应的电能以便使该至少一个加热元件的实际操作温度保持在预定的最高操作温度或者低于预定的最高操作温度。
优选地，控制步骤包括调整给该至少一个加热元件供应的电能以便使该至少一个加热元件的实际操作温度保持在低于预定的最高操作温度的温度范围内。预定的温度范围可以高达预定的最高操作温度。
优选地，在该至少一个加热元件的加热期间根据需要经常重复该控制步骤。
本发明的实施例具有能够控制该至少一个加热元件的实际操作温度从而防止烟雾形成基质的热解或燃烧的优点。这使在加热期间所释放的或所形成的挥发性化合物的数量能够得以减少。由于有害物质的形成在热解和燃烧期间典型地发生于高温下，因而这些有害成分(例如甲醛)的形成通过根据本发明的方法得以显著地降低。
而且，避免了对占用电加热烟雾生成系统之内的部分有限空间的热敏电阻或其他传感器的需要。这使得本发明的实施例特别适合用于具有多个加热元件的那种电加热烟雾生成系统，在该烟雾生成系统中每个加热元件的温度都受到控制。本发明的实施例具有另外的优点，即根据电阻率计算温度可以在现有的控制器之内执行。这使得本发明的这些实施例简单并且实现起来是成本有效的。另外，本发明避免了提供与该至少一个加热元件良好可靠的热接触的温度传感器的附接的复杂化。
烟雾形成基质优选地包括含有在加热时从基质中释放的挥发性化合物的含烟草的材料。作为选择，烟雾形成基质可以包括诸如在EP-A-1750788和EP-A-1439876的器件中所使用的那些材料的非烟草材料。
优选地，烟雾形成基质还包括烟雾形成剂。适合的烟雾形成剂的实例是甘油和丙二醇。在EP-A-0277519和US-A-5,396,911中描述了可能适合的烟雾形成剂的另外实例。
烟雾形成基质可以是固体基质。该固体基质例如可以包括含有香草叶、烟叶、烟梗段、再造烟草、均质烟草、挤压烟草及膨胀烟草中的一种或多种的粉末、颗粒、球团、碎片、细条(spaghetti)、条带或薄片中的一种或多种。固体基质可以为松散的形式，或者可以设置于合适的容器或盒子内。可选地，固态的基质可以包含附加的烟草或非烟草的挥发性香味化合物，以在基质受热时被释放。
可选地，可以将固体基质设置于热稳定的载体上或嵌入在热稳定的载体中。载体可以采取粉末、颗粒、球团、碎片、细条、条带或薄片的形式。作为选择，载体可以是在其内表面上(例如在US-A-5,505,214、US-A-5,591,368和US-A-5,388,594中所公开的那些载体)，或者在其外表面上，或者在其内表面和外表面两者上沉积有固体基质薄层的管状载体。该管状载体可以由例如纸张、或类似纸张的材料、无纺的碳纤维垫、低质量的开孔金属丝网、或穿孔的金属箔或者任意其他热稳定的聚合物基体形成。
固体基质可以用例如薄片、泡沫、凝胶或浆体的形式沉积于载体的表面上。固体基质可以沉积于载体的整个表面上，或者作为选择，可以沉积成图形以便在使用期间提供非均匀的香味释放。
作为选择，载体可以是烟草成分已经结合在其内的无纺织物或纤维束，如在EP-A-0857431中所描述的载体。无纺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物纤维。
作为选择，载体可以是电加热烟雾生成系统的加热元件的至少一部分。在这种情况下，加热元件典型是一次性的。例如，固体基质可以作为薄层沉积于金属箔上或者沉积于电阻性支撑体上，如US-A-5060671中所描述的。
作为选择，烟雾形成基质可以是液体基质。如果提供液体基质，则电加热烟雾生成系统优选地包括用于保留液体的部件。例如，液体基质可以保持在容器中，如在EP-A-0893071中所描述的。作为选择或附加地，液体基质可以被吸收到多孔的载体材料中，如在WO-A-2007/024130、WO-A-2007/066374、EP-A-1736062、WO-A-2007/131449和WO-A-2007/131450中所描述的。多孔的载体材料可以由任意适合的吸收性塞子或主体制成，例如，泡沫金属或塑料材料、聚丙烯、涤纶、尼龙纤维或陶瓷。液体基质可以在使用电加热烟雾产生系统之前保留于多孔的载体材料内，或者作为选择，液体基质材料可以在使用期间，或者紧挨在使用之前被释放到多孔的载体材料中。例如，液体基质可以设置于胶囊中，如在WO-A-2007/077167中所描述的。优选地，胶囊的外壳在加热时熔化并且将液体基质释放到多孔的载体材料内。可选地，胶囊可以包含与液体结合的固体。
如果烟雾形成基质是液体基质，则电加热烟雾生成系统还可以包括用于每次加热少量液体的部件。用于每次加热少量液体的部件可以包括，例如，与液体基质相通的液体通道，如在EP-A-0893071中所描述的。典型地通过毛细管力迫使液体基质进入液体通道之内。优选地布置加热元件使得在使用期间，只有在液体通道之内的少量液体基质，而不是在容器之内的液体，被加热并挥发。
作为选择，或附加地，如果烟雾形成基质是液体基质，则电加热烟雾生成系统还可以包括与液体基质源接触且含有至少一个加热元件的雾化器。除了加热元件之外，雾化器可以包括一个或多个电机元件，诸如压电元件。附加地或作为选择，雾化器还可以包括使用静电、电磁或气动效应的元件。电加热烟雾生成系统还可以包括冷凝室。
作为选择，烟雾形成基质可以是其他任何种类的基质，例如，气体基质，或各种基质的任意组合。在操作期间，基质可以完全包含于电加热烟雾生成系统之内。在这种情况下，使用者可以抽吸电加热烟雾生成系统的烟嘴。作为选择，在操作期间，基质可以部分地包含于电加热烟雾生成系统之内。在这种情况下，基质可以形成部分分离物，并且使用者可以直接抽吸分离物。
该至少一个加热元件可以包括单个加热元件。作为选择，该至少一个加热元件可以包括多于一个的加热元件。优选地，电加热烟雾生成系统包括两个或更多个加热元件，例如2～20个加热元件。加热元件可以适当地布置为使得最有效地加热烟雾形成基质。
该至少一个加热元件优选地包括电阻材料。适合的电阻材料包括但不限于：诸如掺杂的陶瓷的半导体、“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。该复合材料可以包括掺杂的或未掺杂的陶瓷。适合的掺杂陶瓷的实例包括掺杂的碳化硅。适合的金属的实例包括钛、锆、钽及铂族金属。适合的金属合金的实例包括不锈钢，含镍、钴、铬、铝、钛、锆、铪、铌、钼、钽、钨、锡、镓、锰及铁的合金，以及基于镍、铁、钴、不锈钢、
Figure BPA00001229591100051
及铁-锰-铝基合金的超耐热合金。在复合材料中，电阻材料可以依据能量传递的动力学和所需的外部的物理化学性质任选地嵌入绝缘材料内，以绝缘材料包封或涂覆，或者反之亦然。在US-A-5,498,855、WO-A-03/095688和US-A-5,514,630中公开了适合的复合加热元件的实例。
该至少一个加热元件可以采取任何适合的形式。例如，该至少一个加热元件可以采取加热片的形式，例如在US-A-5,388,594、US-A-5,591,368和US-A-5,505,214中描述的那些。在烟雾形成基质是设置于容器内的液体的情形中，容器可以包含一次性的加热元件。作为选择，一个或多个贯穿烟雾形成基质的中心的加热针或加热棒(如在KR-A-100636287和JP-A-2006320286中所描述的)同样可以是适合的。其他可选方案包括加热丝线或细丝，例如Ni-Cr、铂、钨或合金线(如在EP-A-1736065中描述的那些)，或者加热板。任选地，加热元件可以沉积于刚性载体材料之内或之上。
该至少一个加热元件可以通过传导的方式加热烟雾形成基质。加热元件可以至少部分地接触基质，或者在其上沉积基质的载体。作为选择，可以通过导热元件将来自加热元件的热量传导给基质。
作为选择，该至少一个加热元件可以将热量传递给在使用期间导引通过电加热烟雾生成系统的引入的环境空气，其又通过对流来加热烟雾形成基质。环境空气可以在通过烟雾形成基质之前加热，如在WO-A-2007/066374中所描述的。作为选择，如果烟雾形成基质是液体基质，则环境空气可以首先被导引通过基质，然后被加热，如在WO-A-2007/078273中所描述的。
在一种优选实施例中，实际操作温度从存储该至少一个加热元件的电阻率与温度的关系的查找表中检索。在可选的实施例中，电阻率通过求形式为ρ(T)＝ρo＊(1+α1T+α2T2)的多项式的值来确定，其中ρ(T)是所测量的至少一个加热元件或多个加热元件的电阻率，ρo是参考电阻率，而α1+α2是多项式的系数。求值可以由控制器来执行。作为选择，较高次数的多项式函数或其他数学函数可以被用来描述该至少一个加热元件的电阻率作为温度的函数的变化。
作为选择，可以使用分段的线性近似。该可选方案简化并加快了计算。
优选地，系统包括多于一个的加热元件，并且烟雾形成基质被布置为使得烟雾形成基质与每个加热元件都热邻近。
系统优选地设置有烟雾形成基质检测器和抽吸检测器使得在检测到烟雾形成基质已就位并且还检测到了对系统的抽吸时电能仅传递给该至少一个加热元件。
优选地，该至少一个加热元件包括铁铝合金。该合金显示出了电阻与温度之间的强相关性，该相关性对通过测量加热元件的电阻来确定加热元件的温度是有用的。作为选择，加热元件包括上述电阻材料，其他适合的材料也显示同等的热电阻率特性，并具有电阻率对温度的强相关性。
优选地，根据本发明的控制步骤在抽吸期间以大约100Hz～10kHz的频率执行，优选以大约1kHz的频率来执行。
附图说明
本发明将仅通过示例方式参考附图进一步描述，在附图中：
图1是电加热烟雾生成系统的示意图，其中烟雾形成基质插入系统中；
图2是示出加热器片的电阻率随温度变化的图形。
具体实施方式
在图1中，以简化的方式示出了电加热烟雾生成系统100的实施例的内部。特别地，电加热烟雾生成系统100的元件没有按比例绘制。已经省略了与本发明的理解不相关的元件以简化图1。
电加热烟雾生成系统100包括外壳10和烟雾形成基质2，例如香烟。烟雾形成基质2被推到外壳10之内以使其与加热元件20热邻近。烟雾形成基质2将在不同温度下释放一系列的挥发性化合物。从烟雾形成基质2中释放的某些挥发性化合物仅通过加热处理来形成。每种挥发性化合物都将在特性释放温度之上被释放。通过将电加热烟雾生成系统100的最高操作温度控制于某些挥发性化合物的释放温度之下，这些烟气成分的释放或形成能够得以避免。
另外，外壳10包括电源40，例如可再充电的锂离子电池。控制器30与加热元件20、电源40、烟雾形成基质检测器32、抽吸检测器34及图形用户界面36(例如显示器)连接。
烟雾形成基质检测器32检测与加热元件20热邻近的烟雾形成基质2的存在并且向控制器30发信号通知烟雾形成基质2的存在。
抽吸检测器34检测系统内的气流，所述气流指示在电加热烟雾生成系统100上进行抽吸。抽吸检测器34将该抽吸发信号通知控制器30。
控制器30控制用户界面36以显示系统信息，例如，电池电力、温度、烟雾形成基质2的状态、其他消息或它们的组合。
控制器30还控制加热元件20的最高操作温度。
图2示出了用作在参考图1描述的实施例内的加热元件20的典型的铁铝(FeAl)合金的电阻率ρ相对于温度的图形。实际电阻率ρ的特性将取决于合金的精确组成以及加热元件20的几何构造而变化。图2的图形只是示例性的。
图2示出电阻率ρ随温度增大而增大。因而，对在任意给定时间的电阻率ρ的了解能够被用来推导加热元件20的实际操作温度。
加热元件的电阻R＝V/I；其中V是在加热元件两端的电压，而I是通过加热元件20的电流。电阻R取决于加热元件20的构造以及温度，并且由以下关系表示：
R＝ρ(T)＊L/S                 公式1
其中ρ(T)是与温度相关的电阻率，L是加热元件20的长度，而S是加热元件20的横截面面积。对于给定的加热元件20的构造，L和S是固定的并且能够被测出。因而，对于给定的加热元件设计，R与ρ(T)成比例。
加热元件的电阻率ρ(T)能够以多项式的形式如下表示：
ρ(T)＝Po＊(1+α1T+α2T2)     公式2
其中ρo是参考温度To下的电阻率，而α1和α2是多项式的系数。
因而，知道了加热元件20的长度和横截面，则可以确定电阻R，并且由此通过测量加热元件电压V和电流I来确定在给定温度下的电阻率ρ。温度能够简单地从所使用的加热元件的特性电阻率相对于温度的关系的查找表中获得或者通过求以上公式(2)的多项式的值来获得。优选地，处理可以通过在可应用于烟草的温度范围内的一个或多个(优选为两个)线性近似中表示电阻率ρ相对于温度的曲线来简化。这样简化了在具有有限的计算资源的控制器30中所希望的对温度的求值。
在控制最高操作温度的准备中，选择用于电加热烟雾生成系统100的最高操作温度的值。该选择基于应当释放以及不应当释放的挥发性化合物的释放温度。该预定值然后与可接受范围(例如减去预定的最高操作温度的5％)一起存储于控制器30内。
控制器30通过给加热元件20供应电能对加热元件20加热。优选地，为了节省能量，控制器仅在烟雾形成基质检测器32检测到烟雾形成基质20并且抽吸检测器34检测到抽吸存在的情况下对加热元件20加热。
在使用中，控制器30测量加热元件20的电阻率ρ。控制器30然后通过将测得的电阻率ρ与查找表进行比较将加热元件20的电阻率转换成加热元件的实际操作温度的值。在下一步骤中，控制器30将所得出的实际操作温度与预定的最高操作温度进行比较。如果实际操作温度低于预定的最高操作温度的下限(lower range)，则控制器30给加热元件20供应附加的电能，以便提高加热元件20的实际操作温度。如果实际操作温度高于预定的最高操作温度的上限，则控制器30降低给加热元件20供应的电能以便使实际操作温度降低回到预定的最高操作温度的可接受范围之内。
基于加热元件的电阻率ρ对加热元件温度的控制并不限定于针对图1所描述的电加热烟雾生成系统，而是可应用于其中加热元件20将热能传递给烟草或其他烟雾形成基质以释放挥发性化合物的任何电加热烟雾生成系统。
其他各种修改在本发明的范围之内是可能的，并且会由本领域技术人员所想到。

Claims (6)

1.一种控制挥发性化合物从电加热烟雾生成系统中释放的方法，所述电加热烟雾生成系统包括电源、与所述电源连接的至少一个加热元件和烟雾形成基质，其中所述烟雾形成基质在加热时释放多种挥发性化合物，其中所述多种挥发性化合物中的每一种都具有最低释放温度，在该最低释放温度之上所述挥发性化合物被释放，所述方法包括：
-选择预定的最高操作温度，其中所述预定的最高操作温度在挥发性化合物中的至少一种的所述最低释放温度之下以便防止其从所述烟雾形成基质中释放；
-控制所述至少一个加热元件的温度使得至少一种挥发性化合物被释放，所述控制包括以下步骤：
-测量所述至少一个加热元件的电阻率；
-从电阻率的测量导出所述至少一个加热元件的实际操作温度的值；
-将所述实际操作温度的值与所述预定的最高操作温度进行比较；以及
-调整给所述至少一个加热元件供应的电能以便使所述至少一个加热元件的所述实际操作温度保持在所述预定的最高操作温度之下。
2.根据权利要求1的方法，其中调整给所述至少一个加热元件供应的电能以便使所述至少一个加热元件的所述实际操作温度保持在所述预定的最高操作温度之下的步骤包括调整给所述至少一个加热元件供应的电能以便使所述至少一个加热元件的所述实际操作温度保持在低于所述预定的最高操作温度的预定范围内。
3.根据权利要求1或2的方法，其中导出所述至少一个加热元件的所述实际操作温度的值包括从电阻率和温度的查找表中检索温度值。
4.根据权利要求3的方法，其中所述查找表存储了针对具有预定组成、长度及横截面的所述至少一个加热元件导出的温度相对于电阻率的值。
5.根据权利要求1或2的方法，其中从电阻率的测量导出所述至少一个加热元件的实际操作温度的值的步骤包括对以下形式的多项式求值：
ρ(T)＝ρo＊(1+α1T+α2T2)
其中ρ(T)是所测量的所述至少一个加热元件的电阻率，ρo是参考电阻率，T是所述至少一个加热元件的温度，而α1和α2是多项式的系数。
6.根据权利要求1或2的方法，其中所述至少一个加热元件包括铁铝合金、钛基合金或镍基合金中的至少一种。
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