CN107105772A - 带气溶胶测量的电子吸烟设备 - Google Patents

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Abstract

一种电子吸烟设备和一种在电子吸烟设备的吸烟动作持续期间感测气溶胶的方法，该电子吸烟设备具有含有光强度探测器(11，12)的气溶胶感测单元(100)，用于探测由移动通过气溶胶感测单元(100)的气溶胶所反射的光。基于探测到的光的强度以及由压力传感器探测到的气溶胶探测单元(100)内的压力条件推导气溶胶的流速。

Description

带气溶胶测量的电子吸烟设备
技术领域
本发明的技术领域是电子吸烟设备，并且特别是涉及具有气溶胶感测单元的电子吸烟设备。
背景技术
电子吸烟设备，例如电子香烟(e烟或e香烟)、电子雪茄、个人汽化器(PV)或电子尼古丁递送系统(ENDS)是由电池供电的产生气溶胶或雾气的汽化器。总体而言，这些设备具有雾化被称之为电子液体(e-liquid)的液体溶液的加热元件。
电子液体是指当被雾化器加热后产生气溶胶的液体溶液。电子液体的主要成分通常是丙二醇(PG)、甘油(G)，及/或聚乙二醇400(PEG400)，一些时候具有不同级别的酒精并混合有浓缩的或提取的香精。可选择的，可包括尼古丁。电子液体通常是以瓶装或预充的一次性弹囊售卖的。预制的电子液体被制造为带有不同的烟草、水果以及其他香精，以及带有不同浓度的尼古丁。
如图6所示，在一些电子吸烟设备中，电子液体在雾化器处被加热以在设备感测到用户的吸烟动作时生成气溶胶。气溶胶典型地携带在穿过设备中的通道12直至烟嘴或出口的空气流中。通道12可以与电子吸烟设备的纵向中心对齐或与电子吸烟设备的外周对齐。
希望实时地监测产生的气溶胶的量，以实现例如，控制每个吸烟动作过程中产生的气溶胶量，以及估计电子液体弹囊或电子液体容器内的剩余电子液体量的目的。
附图说明
图1A是用于针对电子吸烟设备的气溶胶感测单元的示意图；
图1B是图1的沿A-A平面的剖视图；
图1C是描绘气溶胶感测单元的室内的气溶胶流的示意图；
图2A是具有气溶胶感测单元以及定位在与气溶胶感测单元的进口对齐的位置的加热元件的雾化器的示意图；
图2B是具有气溶胶感测单元以及定位在气溶胶感测单元的进口下方的位置的加热元件的雾化器的示意图；
图2C是具有气溶胶感测单元、加热元件以及吸液元件的雾化器的示意图；
图3是具有气溶胶感测单元的雾化器中的气溶胶扩散的示意图；
图4A是具有气溶胶感测单元的雾化器的示意图，气溶胶感测单元带有远离光探测元件定位的发光元件；
图4B是图4A的B-B线的剖视图；
图4C是沿B-B面的剖视图但示出了另一个实施例；
图4D是具有气溶胶感测单元的雾化器的示意图，该气溶胶感测单元带有定位在其端壁上的发光元件以及与其相对的定位在其相对的端壁上的光探测元件；
图4E是具有气溶胶感测单元的雾化器的示意图，该气溶胶感测单元带有均定位在其侧壁上的并且相对设置的发光元件和光探测元件；
图4F是图4E的沿C-C线剖开的剖视图；以及
图5是具有气溶胶感测单元的雾化器的示意图，该气溶胶感测单元带有两个发光元件以及一光探测元件。
图6是具有气溶胶感测单元以及包括处理器和存储器的电子单元的电子香烟的示意图。
具体实施例
气溶胶感测单元提供对在每个吸烟动作持续时间内产生的气溶胶的量的测量。这允许对每次吸烟动作过程中消耗的电子液体的量的准确估计，并继而可以用于估计液体提供单元，例如液体弹囊和液体瓶内的剩余的电子液体量。气溶胶测量还可以被用于控制电源以至于当液体被完全消耗时可以关断电子吸烟设备。气溶胶感测单元还可以消除对电子吸烟设备中液体水准探测设备的需求。
气溶胶感测单元可以包括光强度探测单元，其包括诸如发光二极管(LED)的发光元件，以及诸如光电二极管或光电倍增器(PMT)的光探测元件以测量在吸烟动作持续时间内由气溶胶反射的光的强度。气溶胶的密度可自测量到的反射的光的强度推导出来。在该吸烟动作持续时间内消耗的电子液体的体积则可自推导出的气溶胶的密度计算出来。
气溶胶感测单元可以是雾化器的一个集成的部分。在这种情况下，加热元件被设置于气溶胶感测单元的本体内用于对吸液材料运送的电子液体进行汽化。经汽化的液体继而与由在加热元件的上游提供的进口进入的新鲜空气混合而形成气溶胶。气溶胶感测单元还可以是电子吸烟设备的一个分离的部件，即与雾化器分离。
可在气溶胶感测单元的内部提供压力传感器以提供实时的压力值用于推导气溶胶的密度以及/或流速。压力传感器还可以通过在气溶胶感测单元内感测压力下降或压力上升来探测一个吸烟动作的开始和/或结束。
光密度探测单元可以响应于不同的测量方法和因不同的目的，例如为了便于气溶胶感测单元的制造，为了增加测量结果的精度，以及降低成本而被配置为不同的构型。
图1A和1B示出了根据一种实施例的气溶胶感测单元100。该感测单元100具有管状本体10，其在本体101的一端具有进口101，在本体的另一端具有出口102。在本体内的进口和出口之间形成室103以使得待测的气溶胶通过。在室103内，发光元件11，例如LED或激光LED，和光探测元件12，例如光电二极管，被附连在室的侧壁上。在这种情况下，如图1C所示，自进口101进入室103的气溶胶AL在室内扩散并沿着室的长度方向行进至出口102以至于气溶胶实质地占据室的整个体积。在每个吸烟动作的过程中气溶胶的自进口至出口的速度可以被设定为恒定的用于计算气溶胶流速。
管状本体10的截面可以是圆形、椭圆形、三角形以及矩形。可以选择本体10的形状以匹配在图6中所示的电子香烟设备的外壳8、9内。外壳，无论是一体的外壳，还是如图6所示的分两部分的外壳，大致上与真实的烟草香烟的尺寸相似，典型地具有100mm的长度和7.5mm的直径。尽管其长度可以在70mm至150mm或180mm的范围内，直径可在5至20或甚至30mm的范围内，尤其是对可复充槽类型的设备而言。
为了在收集反射光时减少背景噪声，本体10可以由暗色的材料制成，例如，染成黑色的塑料，天然橡胶或合成橡胶，以吸收反射或散射到筒状的侧壁的不期望的光。本体可以可替换地由具有反射性的表面的材料制成，例如，由不锈钢或铝制成，以将光直接的反射回侧壁。可替换地，本体10的内表面可以被涂覆有光吸收材料或反射性材料以降低背景噪声。
如图1A所示，发光元件11以及光探测元件12可以被设置为靠近彼此。发光元件11以及光探测元件12也可以被设置为相互远离或彼此相对，如图4D和4E所示。
在图1A中，在发光元件20和光探测元件30之间设置有光障13以进一步的降低背景噪声。光障13可被设计为防止光探测元件12直接探测由发光元件11发射的光，以使得大多数或所有的探测的光都穿过气溶胶。
可以在本体10内提供传感器，例如压力传感器14以探测室103内的压力条件。压力传感器14探测室103内的压力变化，例如因吸烟动作的开始和结束而产生的压力下降或压力上升。其还可以提供可以被用于推导气溶胶的密度及/或流速的具体的压力值。压力传感器的位置可以影响测量的结果。在图1A所描绘的配置中，压力传感器14被放置在靠近进口101的位置以增加对压力变化的敏感度。也可选择性地使用其他类型的传感器，诸如流速传感器。
一旦室103内的压力变化被压力传感器14探测到，发光元件13被激活。发光元件13发出进入或穿过气溶胶AL的光。发出的光被气溶胶液滴或颗粒反射并且被反射的光被光探测元件12收集到。光探测元件12产生对应的电信号，其继而被提供至处理器以推导气溶胶AL的密度。压力传感器14还提供用于推导气溶胶的密度C的压力值。
可根据方程基于比尔-兰伯特定律推导气溶胶的密度C：
方程1：
其中I是光探测元件所接收到的光的强度；I0是由发光元件发射的光的强度；ε是气溶胶的吸收率；是光行进穿过气溶胶的距离，以及C是气溶胶的密度。
由发光元件发出的光的强度I0可被预先测量并存储在存储单元中。可替换地，发出的光的强度可以由位于该光路上的辅助传感器实时测量，以至于存储在存储单元中的强度值可被更新。
在图1A中描绘的气溶胶感测单元中，可基于发光元件11和光探测元件12之间的距离以及管状本体10的直径计算
气溶胶的吸收率ε是环境温度以及压力的函数因此可以事先推导出并存储在存储单元中。
一旦推导出气溶胶的密度，即可以根据公式2基于伯努利方程推导出气溶胶的流速。
公式2：
其中，V是气溶胶在选定点的流速；p是气溶胶的密度；P是在选定点的压力：g是重力加速度；以及h是量压头或液力头(提升Z和压力头之和)。
气溶胶的流速可以继而被用于根据公式3推导吸烟动作持续时间内产生的气溶胶的量。
公式3：Vol＝S*v*t
其中，Vol是在吸烟动作持续时间内穿过室的气溶胶的量；S是室的横截面积；V是气溶胶的流速；以及t是吸烟动作的持续时间。
用于推导在吸烟动作持续时间内产生的气溶胶量的气溶胶的速度可以是平均值，其例如是在一个吸烟动作内重复进行的多个过程中推导出的多个流速值的平均流速。吸烟动作的持续时间可以通过测量由压力传感器探测到的压力下降和压力上升的持续的时间来确定，或者可以是预先存储于存储单元内的经验值。
气溶胶感测单元内的发光元件以及光探测元件可以按照需要以多种构型配置。这些构型将参照下述的雾化器进行说明。
附图2A描绘了包括气溶胶感测单元的雾化器200。该雾化器包括管状的本体20，其在本体20一端具有进口201，在本体另一端具有出口202。在本体内的进口和出口之间形成室203以使得待测的气溶胶通过。在室203内设置有光强度探测元件发光元件21。光强度探测单元可以具有例如设置于室的侧壁上的LED或激光LED。在室的侧壁上，位于发光元件下游，还设置有光探测元件22，例如光电二极管。在这种情况下，经由用户吸气，自进口201进入室203的气溶胶AL在室内扩散并沿着室行进至出口202以至于气溶胶实质地占据室的整个体积。
如图2A所示，在光探测元件21的上游设置加热元件25以生成经汽化的电子液体。经汽化的液体与由进口吸入的新鲜空气混合形成气溶胶。加热元件25可以是具有连接至电源的两条引线251，251’的加热线圈。加热元件25可以被放置在光探测元件的上游的任意位置并且期望是将加热元件布置于靠近进口201的位置以至于气溶胶大约行进管状本体20的整个长度。在这种配置中，电子液体可以直接自液体容纳单元沿引线流至加热元件25。
如图2A所示，加热元件可以被放置于与进口201对齐的位置以至于流经进口101的新鲜空气A被导向加热元件并与汽化的电子液体L混合以形成气溶胶AL。气溶胶继而在室内扩散并沿室行进至出口202。
在图2B中，加热元件25可以被放置在进口201的下方以至于汽化的电子液体L与新鲜空气A的流动方向正交并在加热元件上方与新鲜空气混合以形成气溶胶AL。
加热元件可以是无线圈设计。例如加热元件可以是纤维的，例如碳纤维的束，垫或阵列，可选的是经过导电材料或金属处理的纤维。
转到图2B和2C，可提供吸液元件26用于更有效地将电子液体导至加热元件。吸液元件26可以具有由加热元件25缠绕的液体保持部262，以及与液体容纳单元相连接的用于将电子液体自液体源运送至液体保持部的在图2C中的两条引线261、261’，或在图2B中的一条引线261。参照图6，液体源15可以是用于保持电子液体的容器或空间。
在图2A-2C所示的实施例中，处理器、存储单元、供电单元，以及液体容纳单元可以在电子单元或版210上并与雾化器分离配置。
如图3所示，示出了参照雾化器300的光的漫反射。加热元件35以及吸液元件36是在发光元件31和光探测元件32的上游。气溶胶AL中的液滴或颗粒将发光元件31发出的光向不同的方向反射。一些反射的光可能被本体30吸收，一些可以自进口301以及出口302被导出本体。因此，由发光元件31发出的光被气溶胶AL削弱，并且在光探测器32接收的光比发光元件31发出的光的强度低。光障33可以作为光导以使得光行进光障高度的至少两倍并且不会在没有穿过气溶胶AL的情况下就被光探测元件接收到。
图4A至4F中描绘的雾化器400可以与以上描述的相似，除了发光元件以及光探测元件可被配置为不同的构型以提供不同长度的光路。例如，雾化器可以具有本体40，其具有用于将新鲜空气A接入本体的进口401以及用于将气溶胶AL导出本体40的出口402。雾化器可以具有加热元件45以汽化电子液体以及压力传感器44用于探测本体内的压力条件。还可提供吸液元件。
如图4A和4B所示，发光元件41以及光探测元件42被附加于本体40的侧壁并且配置为相互对齐。发光元件41以及光探测元件均放置在加热元件45的下游并且远离进口41和压力传感器44。为了延长光路，光检测元件42远离发光元件41放置。为了实现最长的光路，光探测元件可被放置在接近本体40的出口402的位置。
发光元件41以及光探测元件42还可以如图4C所示周向地分开一个角度。该角度可以是30、60或90度。
在图4D所示的构型中，发光元件41以及光探测元件42相对地设置，并且发光源元件41被附加在本体的具有进口401的端壁上而光探测元件42被附加在相对的本体的具有出口402的端壁上。发光元件41被放置在加热元件45的上游，而发射的光行进的光路是室403的整个长度。
图4E和4F示出了发光元件以及光探测元件的另一种布置，其中发光元件41被附加于管状本体40的侧壁而光探测元件42与发光元件41相对设置。
图5描绘的雾化器500可以与前述实施例中的相似除了光强度探测单元可以包含发射具有不同波长的光的两个发光元件。例如，雾化器可以具有本体50，本体具有将新鲜空气A接入本体内的进口510以及将产生的气溶胶AL导出本体50的出口502。雾化器可以具有加热元件55以汽化电子液体以及压力传感器54用于探测本体内的压力条件。如果有必要，还可提供吸液元件。
在此设计中，一个发光元件可以是绿光LED二极管51A而另一个可以是蓝光LED二极管51B。被气溶胶AL反射的蓝光和绿光被与发光元件通过光障53分开的光探测元件52收集。反射的蓝光和绿光的强度可分开推导并且气溶胶的流速可以使用蓝光和绿光两者的强度推导。
针对电子吸烟设备的气溶胶感测过程可以包括以下步骤
1)通过探测本体内的压力传感器处的或电子吸烟设备内的其他压力传感器处的压力变化来探测吸烟动作的开始；
2)打开加热电路向加热元件提供电流以产生气溶胶；
3)激活发光元件以向气溶胶发射光；
4)激活光探测元件以探测由气溶胶反射的光；
5)推导气溶胶的密度并继而相应地推导气溶胶的流速；
6)探测吸烟动作的结束并且推导吸烟动作持续的时间；
7)推导在吸烟动作持续时间内由进口行进至出口的气溶胶的量并且继而推导用于产生气溶胶而消耗的液体的量。
用于推导气溶胶密度以及气溶胶流速的参数，例如由发光元件发射的光的强度I0，气溶胶的吸收率ε，选定点的压力P，重力加速度g；以及量压头或液力头h可以作为经验值预先存储于电子单元中的存储器内。还可以实时探测室内的选定点的压力。
该过程还可以进一步包括以下步骤：
探测室内的压力用于推导气溶胶的流速；以及
探测由发光设备发射的光的强度I0。
以上参照附图描述的雾化器可以被并入多种电子吸烟设备中。可能需要处理器以执行所述过程的各步骤，并且可能需要存储单元以存储实时探测的参数或者作为经验值预定的参数。
发光元件以及光探测元件可以被统称为光强度探测单元。加热元件可以是由电源供电的加热电路的一部分。
图6示出了电子香烟的一种实施例，其可以具有与真实烟草香烟相类似的尺寸和形状。电源或电池18包含在电子香烟的外壳内，该外壳可选择地被分为第一外壳8和第二外壳9。在外壳内提供有一个或多个进口4，以及位于电子香烟的后端设置有出口102。可包括处理器和存储器的电子控制器2电性连接至电池以及加热元件25，并且电性连接至如上所述的发光器和探测器。液体保持容器或空间15可以包围自加热元件25向出口102延伸的通道12。
本文中描述的实施例和示例意在描绘本发明的各种实施例。照此，所讨论的具体的实施例并不应被理解为对本发明的范围的限制。对本领一般技术人员显而易见的是可作出各种等同体，变化体或修改体而不背离本发明范围，并且应当理解这样的等同实施例也要被包含于本文中。一种实施例中描述的元件和特征也还可以被包括在其他实施例中。

Claims (18)

1.一种电子吸烟设备，包括
雾化器，其包括
用于产生气溶胶的加热元件；以及
气溶胶感测单元，其包括-
具有进口、出口以及连接所述进口和所述出口的室的本体；
光强度探测单元用于测量当所述气溶胶行进穿过所述室时的所述室内的光强度；以及
用于探测所述室内的压力的压力传感器；以及
连接至所述光强度测量单元以及所述压力传感器的控制器，所述控制器基于所述光强度以及所述室内的压力推导穿过所述室的所述气溶胶的流速。
2.根据权利要求1所述的电子吸烟设备，所述控制器包括用于存储至少一个参数的存储器，所述参数用于推导穿过所述室的所述气溶胶的所述流速。
3.根据权利要求1所述的电子吸烟设备，其中所述光强度测量单元包括：
用于向所述室内的所述气溶胶提供光的发光元件；以及
用于收集由所述气溶胶反射的光的光探测元件。
4.根据权利要求3所述的电子吸烟设备，其中所述发光元件以及所述光探测元件被光障分开。
5.根据权利要求3所述的电子吸烟设备，其中所述发光元件以及所述光探测元件相对地设置。
6.根据权利要求5所述的电子吸烟设备，其中所述发光元件被设置在所述加热元件的上游以及所述光探测元件被设置在所述加热元件的下游。
7.根据权利要求3所述的电子吸烟设备，其中所述发光元件被提供在所述本体的一个端壁上以及所述光探测元件被提供在所述本体的相对的端壁上。
8.根据权利要求3所述的电子吸烟设备，其中所述发光元件远离所述光探测元件设置。
9.根据权利要求1所述的电子吸烟设备，其中所述加热元件被提供在所述本体内。
10.根据权利要求1所述的电子吸烟设备，其中接近所述入口提供所述加热元件。
11.根据权利要求1所述的电子吸烟设备，进一步包括用于将电子液体运送至所述加热元件的吸液元件。
12.一种在电子吸烟设备的吸烟动作持续期间感测气溶胶的方法，包括
产生气溶胶；
探测气溶胶的光的强度；
基于探测到的光的强度以及气溶胶的压力推导气溶胶的流速；
确定所述吸烟动作的持续期间；以及
基于所述气溶胶的所述流速以及所述吸烟动作的所述持续期间推导在所述吸烟动作持续期间内的所述气溶胶的量。
13.根据权利要求8所述的方法，其中当探测到雾化器的本体内的压力下降时打开所述加热电路。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述吸烟动作的持续期间由计量所述本体内的压力下降和压力升高之间的时间确定。
15.一种用于电子吸烟设备的雾化器，包括：
用于产生气溶胶的加热元件；以及
气溶胶感测单元，包括：
具有进口、出口以及连接所述进口和所述出口的室的本体；
用于测量所述气溶胶行进穿过所述室时的室内的光强度的光强度测量单元；和
用于探测所述室内的压力的压力传感器。
16.一种电子烟雾气设备，包括
管状外壳；
均电性连接于所述外壳内的控制器的加热元件和气溶胶感测单元；
在所述外壳内的定位为向所述加热元件提供液体的液体源；
所述气溶胶感测单元包括具有进口和出口的室，用于测量所述室内的光的强度的光强度探测单元，以及用于探测所述室内的压力的压力传感器；
所述控制器基于自所述光强度探测单元的光强度输出信号以及自所述压力传感器的压力输出信号推导流过所述室的雾气的质量流率。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述压力传感器在所述室内。
18.根据权利要求16所述的设备，所述控制器通过确定所述雾气的密度以及所述雾气流经所述室的的速度来推导流经所述室的雾气的质量流率。
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