JP2014501105A - 液体基質の減少判定手段を有するエアロゾル生成システム - Google Patents

Abstract

エアロゾル形成基質（１１５）を受け入れるための電気作動式エアロゾル生成システム（１００）を提供する。このシステムは、液体エアロゾル形成基質を貯蔵するための液体貯蔵部（１１３）と、液体エアロゾル形成基質を加熱するための少なくとも１つの加熱要素を含む電気ヒータ（１１９）と、加熱要素の温度と加熱要素に印加される電力との関係に基づいて、ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するための電気回路（１０９）とを備える。液体エアロゾル形成基質を貯蔵するための液体貯蔵部と、液体エアロゾル形成基質を加熱するための少なくとも１つの加熱要素を含む電気ヒータとを備えた電気作動式エアロゾル生成システムにおける方法も提供し、この方法は、加熱要素の温度と加熱要素に印加される電力との関係に基づいて、ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するステップを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気作動式エアロゾル生成システムに関する。具体的には、本発明は、エアロゾル形成基質が液体であり液体貯蔵部内に収容されている電気作動式エアロゾル生成システムに関する。

国際公開第２００９／１３２７９３号には、液体貯蔵部を有する電気加熱式喫煙システムが開示されている。この液体貯蔵部は、エアロゾル形成基質を含み、バッテリ電源で駆動する電気ヒータを備えた気化器に接続される。使用時には、ユーザがマウスピースを吸引することより電気ヒータが作動してバッテリ電源のスイッチが入る。気化器に含まれる加熱されたエアロゾル形成基質が気化する。ユーザがマウスピースを吸引すると、気化器に沿って又は気化器を通じて空気が吸い込まれ、この結果、当業者には周知のように、空気などの気体中の固体粒子又は液滴の懸濁液であるエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルはマウスピースに吸い込まれ、その後ユーザの口に入る。

国際公開第２００９／１３２７９３号

上述の喫煙システムを含む先行技術の電気作動式エアロゾル生成システムには確かに多くの利点があるが、特に液体貯蔵部に収容されたエアロゾル形成基質の取り扱いには依然として改善の機会がある。

本発明の第１の態様によれば、エアロゾル形成基質を受け入れるための電気作動式エアロゾル生成システムが提供され、このシステムは、液体エアロゾル形成基質を貯蔵するための液体貯蔵部と、液体エアロゾル形成基質を加熱するための少なくとも１つの加熱要素を含む電気ヒータと、加熱要素に印加される電力と結果的に生じる加熱要素の温度変化との関係に基づいて液体エアロゾル形成基質の減少を判定するように構成された電気回路とを備える。

電気回路は、判定した減少に基づいて液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量を推定するように構成されることが好ましい。

液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量は、絶対量であっても、又は百分率値などの相対量であってもよく、或いは液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の閾値量よりも多い又は少ないという判定であってもよい。

ヒータに送達される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するための電気回路を設けることは、いくつかの理由により有利である。例えば、液体貯蔵部が空又はほぼ空の場合には、電気ヒータに供給される液体エアロゾル形成基質が不十分な場合がある。つまり、生成されるエアロゾルが、例えばエアロゾルの粒子サイズ又は化学組成などの所望の特性を有していないことがあり得る。この結果、ユーザの体験が不十分となる場合がある。また、液体貯蔵部がいつ空又はほぼ空になるかを判定できれば、ユーザに通知することが可能になる。ユーザは、これを受けて、貯蔵部の交換又は補充準備を進めることができる。

加熱要素の温度と加熱要素に印加される電力との関係は、例えば、所与の印加電力の場合の加熱要素の温度の変化率、所与の印加電力の場合の加熱サイクル中の所与の時点における加熱要素の絶対温度、所与の印加電力の場合の加熱サイクルの一部にわたる温度の積分値、又は所与の温度を維持するために加熱要素に印加される電力とすることができる。一般論として、気化のためにヒータに送達されるエアロゾル形成基質が少ないほど、所与の印加電力の場合の加熱要素の温度は高くなる。所与の電力の場合、加熱サイクル中の加熱要素の温度の漸進的変化、及びこの漸進的変化が複数の加熱サイクルにわたってどのように変化するかを用いて、ヒータに送達されるエアロゾル形成基質の量が減少したどうかを検出することができる。

液体エアロゾル形成基質の場合、例えば基質の蒸気圧又は粘度などの特定の物理特性が、エアロゾル生成システムでの使用に適するように選択される。この液体は、揮発性タバコ香味化合物を含むタバコ含有材料を含み、加熱時にはこの材料が液体から放出されることが好ましい。これとは別に又はこれに加えて、液体は、非タバコ材料を含むこともできる。液体は、水、エタノール、又はその他の溶媒、植物抽出物、ニコチン溶液、及び天然又は合成香味料を含むことができる。液体は、エアロゾルフォーマをさらに含むことが好ましい。好適なエアロゾルフォーマの例に、グリセリン及びプロピレングリコールがある。

液体貯蔵部を設ける利点は、液体貯蔵部内の液体が外気から保護される点である。いくつかの実施形態では、液体貯蔵部内に周囲光も入り込むことができず、これにより液体の光誘起による劣化のリスクが回避されるようになる。さらに、高レベルの衛生状態を維持することもできる。

液体貯蔵部は、所定の吸煙回数のための液体を保持するように構成されることが好ましい。液体貯蔵部が補充可能でなく、液体貯蔵部内の液体を使い切った場合、ユーザが液体貯蔵部を交換する必要がある。このような交換中には、ユーザが液体で汚れるのを防ぐ必要がある。或いは、液体貯蔵部を補充可能とすることもできる。この場合、液体貯蔵部を一定回数補充した後に、エアロゾル生成システムを交換することができる。

電気ヒータは、単一の加熱要素を含むことができる。或いは、電気ヒータは、例えば、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ又はそれ以上などの、複数の加熱要素を含むこともできる。これらの１又は複数の加熱要素を、液体エアロゾル形成基質を最も効果的に加熱するように適切に配置することができる。

少なくとも１つの電気式加熱要素は、電気抵抗材料を含むことが好ましい。好適な電気抵抗材料としては、以下に限定されるわけではないが、ドープセラミックスなどの半導体、（例えば、ケイ化モリブデンなどの）「導電性」セラミックス、炭素、黒鉛、金属、金属合金、及びセラミック材料と金属材料で作られた複合材料が挙げられる。このような複合材料は、ドープセラミックス又は非ドープセラミックスを含むことができる。好適なドープセラミックスの例には、ドープ炭化ケイ素がある。好適な金属の例には、チタン、ジルコニウム、タンタル、及び白金族から得た金属がある。好適な金属合金の例としては、ステンレス鋼、コンスタンタン、ニッケル含有合金、コバルト含有合金、クロム含有合金、アルミニウム−チタン−ジルコニウム含有合金、ハフニウム含有合金、ニオブ含有合金、モリブデン含有合金、タンタル含有合金、タングステン含有合金、スズ含有合金、ガリウム含有合金、マンガン含有合金、及び鉄含有合金、並びにニッケル基超合金、鉄基超合金、コバルト基超合金、ステンレス鋼基超合金、Ｔｉｍｅｔａｌ（登録商標）、鉄−アルミニウム基合金、及び鉄−マンガン−アルミニウム基合金が挙げられる。Ｔｉｍｅｔａｌ（登録商標）は、Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｍｅｔａｌｓ社の登録商標である。複合材料では、エネルギー移動の動態及び必要な外部物理化学的特性に応じて、任意に絶縁材料に電気抵抗材料を埋め込み、或いは電気抵抗材料を絶縁材料でカプセル化又はコーティングすることができ、逆もまた同様である。加熱要素は、２つの不活性材料層の間で絶縁された金属エッチング箔を含むことができる。この場合、不活性材料は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、全ポリイミド箔又は雲母箔を含むことができる。Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）は、デュポン社（Ｅ．Ｉ． ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ）の登録商標である。

少なくとも１つの電気加熱要素は、あらゆる好適な形をとることができる。例えば、少なくとも１つの電気加熱要素は、加熱ブレードの形をとることができる。或いは、少なくとも１つの電気加熱要素は、異なる導電性部分を有するケーシング又は基板、或いは電気抵抗金属チューブの形をとることもできる。液体貯蔵部は、使い捨て加熱要素を組み込むことができる。或いは、液体エアロゾル形成基質を貫通する１又はそれ以上の加熱針又は加熱ロッドも適することができる。或いは、少なくとも１つの電気加熱要素は、可撓性シート材料を含むことができる。その他の選択肢としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ（ニッケル−クロム）ワイヤ、白金ワイヤ、タングステンワイヤ又は合金ワイヤなどの加熱ワイヤ又はフィラメント、又は加熱プレートが挙げられる。任意に、この加熱要素を、硬質担体材料内に又はその上に堆積させることができる。

少なくとも１つの電気式加熱要素は、熱を吸収して蓄えた後にこの熱を徐々に放出してエアロゾル形成基質を加熱できる材料を含むヒートシンク又はヒートリザーバを含むことができる。ヒートシンクは、好適な金属材料又はセラミック材料などのあらゆる好適な材料で形成することができる。この材料は、高熱容量（妥当な蓄熱材料）を有し、又は高温相変化などの可逆過程を通じて熱を吸収した後に放出できる材料であることが好ましい。好適で妥当な蓄熱材料としては、シリカゲル、アルミナ、炭素、グラスマット、ガラス繊維、鉱物、アルミニウム、銀又は鉛などの金属又は合金、及び紙などのセルロース材料が挙げられる。可逆的相変化を通じて熱を放出するその他の好適な材料としては、パラフィン、酢酸ナトリウム、ナフタリン、ワックス、ポリエチレンオキシド、金属、金属塩、共晶塩の混合物、又は合金が挙げられる。

ヒートシンク又はヒートリザーバは、液体エアロゾル形成基質と直接接触して、蓄えられた熱を基質に直接伝達できるように配置することができる。或いは、ヒートシンク又はヒートリザーバ内に蓄えられた熱を、金属チューブなどの熱導体によってエアロゾル形成基質に伝達することもできる。

少なくとも１つの加熱要素は、伝導を通じて液体エアロゾル形成基質を加熱することができる。加熱要素は、基質と少なくとも部分的に接触することができる。或いは、熱伝導要素によって加熱要素からの熱を基質に伝導することもできる。

或いは、使用時に電気作動式エアロゾル生成システムを通じて吸い込まれる流入外気に少なくとも１つの加熱要素が熱を伝達し、この外気がエアロゾル形成基質を加熱するようにしてもよい。外気は、エアロゾル形成基質を通過する前に加熱することができる。或いは、最初に液体基質を通じて外気を吸い込み、その後に加熱してもよい。

電気作動式エアロゾル生成システムは、液体エアロゾル形成基質を液体貯蔵部から電気ヒータに運ぶための毛細管芯をさらに含むことが好ましい。

毛細管芯は、液体貯蔵部内の液体と接触するように配置されることが好ましい。毛細管芯は、液体貯蔵部内に延びることが好ましい。この場合、使用時には、毛細管芯内の毛細管作用により、液体が液体貯蔵部から電気ヒータに移動する。１つの実施形態では、毛細管芯が第１の端部及び第２の端部を有し、第１の端部が液体貯蔵部内に延びて内部の液体に接触し、電気ヒータが、第２の端部内の液体を加熱するように配置される。ヒータが作動すると、ヒータの少なくとも１つの加熱要素により、毛細管芯の第２の端部の液体が気化して過飽和蒸気を形成する。この過飽和蒸気が空気流と混ざり、この空気流に含まれて運ばれる。流れている間に蒸気が凝縮してエアロゾルを形成し、このエアロゾルがユーザの口の方に運ばれる。液体エアロゾル形成基質は、液体が毛細管作用により毛細管芯を通じて運ばれるようにする物理特性（粘度及び表面張力を含む）を有する。

毛細管芯は、繊維状又は海綿状の構造を有することができる。毛細管芯は、毛細管の束を含むことが好ましい。例えば、毛細管芯は、複数の繊維又は糸、或いはその他の微細チューブを含むことができる。これらの繊維又は糸を、エアロゾル生成システムの長手方向に大まかに整列させることができる。或いは、毛細管芯は、ロッド形状に形成された海綿様又は泡状材料を含むこともできる。このロッド形状は、エアロゾル生成システムの長手方向に沿って延びることができる。芯の構造は、複数の小さなボア又はチューブを形成し、これを通じて毛細管作用により液体を運ぶことができる。毛細管芯は、あらゆる好適な材料又は材料の組み合わせを含むことができる。好適な材料の例としては、例えば、海綿又は発泡材料、繊維又は焼結粉体の形のセラミック又は黒鉛系材料、発泡金属又は発泡プラスチック材料、例えば、酢酸セルロース、ポリエステル、又は結合ポリオレフィン、ポリエチレン、テリレン又はポリプロピレン繊維、ナイロン繊維又はセラミックなどの、紡績又は押し出し繊維で作られた繊維性材料などの毛細管材料が挙げられる。この毛細管芯は、異なる液体物理特性で使用されるように、あらゆる好適な毛細管現象及び多孔率を有することができる。液体は、以下に限定されるわけではないが、毛細管作用により毛細管装置を通じて運ばれるような粘度、表面張力、濃度、熱伝導率、沸点及び蒸気圧を含む物理特性を有する。

少なくとも１つの加熱要素は、毛細管芯を取り巻いて任意にこれを支持する加熱ワイヤ又はフィラメントの形であることが好ましい。芯の毛細管特性を液体の特性と組み合わせることで、十分なエアロゾル形成基質が存在する通常の使用時には、加熱領域において常に芯が湿っていることが確実になる。

毛細管芯及びヒータ、そして任意に液体貯蔵部は、エアロゾル生成システムから単一の構成部品として取り外すことができる。

第１の実施形態では、電気作動式エアロゾル生成システムが、少なくとも１つの加熱要素の温度を測定するための温度センサをさらに備え、電気回路が、温度センサにより感知される少なくとも１つの加熱要素の温度をモニタし、この温度センサにより感知される少なくとも１つの加熱要素の温度に基づいて、ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するように構成される。

液体エアロゾル形成基質の量が減少している場合、例えば液体貯蔵部が空又はほぼ空である場合、ヒータに供給される液体エアロゾル形成基質が不十分となる場合がある。この結果、加熱要素の温度が上昇することがある。従って、電気回路は、温度センサにより感知される加熱要素の温度により、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量が所定の閾値に減少していると判定することができ、さらに液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の絶対量を示すこともできる。

別の実施形態では、電気回路が、少なくとも１つの加熱要素の電気抵抗を測定し、この測定した電気抵抗から加熱要素の温度を解明するように構成される。

液体エアロゾル形成基質の量が減少している場合、例えば液体貯蔵部が空又はほぼ空である場合、ヒータに供給される液体エアロゾル形成基質が不十分となる場合がある。この結果、加熱要素の温度が上昇することがある。少なくとも１つの加熱要素の抵抗の温度係数特性が適切であれば、少なくとも１つの加熱要素の電気抵抗を測定することにより、加熱要素の温度を解明することができる。従って、電気回路は、測定した電気抵抗から加熱要素の温度を解明することにより、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量を判定することができる。

この実施形態の利点は、エアロゾル生成システム内の貴重な空間を占めるとともにコストもかかり得る温度センサを含む必要がない点である。この実施形態では、電気抵抗が「アクチュエータ」（加熱要素）及び「センサ」（温度測定）の両方として使用される点を強調しておく。

この実施形態では、電気回路を、少なくとも１つの加熱要素を流れる電流及び少なくとも１つの加熱要素に加わる電圧を測定し、この測定した電流及び電圧から少なくとも１つの加熱要素の電気抵抗を求めることにより、少なくとも１つの加熱要素の電気抵抗を測定するように構成することができる。この場合、電気回路は、既知の抵抗を有する抵抗器を少なくとも１つの加熱要素と直列に含むことができ、この電気回路を、既知の抵抗の抵抗器に加わる電圧を測定し、この測定した電圧及び既知の抵抗から少なくとも１つの加熱要素を流れる電流を求めることにより、少なくとも１つの加熱要素を流れる電流を測定するように構成することができる。

電気回路は、感知又は解明される温度の上昇を、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質が消費される連続加熱サイクルにわたってモニタすることにより、ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するように構成することができる。

電気回路は、加熱サイクルの開始時に感知又は解明される温度の上昇率を、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質が消費される連続加熱サイクルにわたってモニタすることにより、ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するように構成することができる。

電気回路は、各加熱サイクルの一部にわたって感知又は解明される温度の経時的な積分値の上昇を、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質が消費される連続加熱サイクルにわたってモニタすることにより、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量を判定するように構成することができる。

別の実施形態では、電気回路が、加熱要素の温度を最高温度に制限するように構成されるとともに、この最高温度を維持するために加熱要素に印加される電力の量をモニタすることにより、ヒータにより加熱されるエアロゾル形成基質の減少を判定するように構成される。

この実施形態では、電気回路を、加熱要素にパルス幅変調信号の形で電力を供給するように構成することができ、この場合、電気回路は、このパルス幅変調信号のデューティサイクルをモニタすることにより、加熱要素に印加される電力の量をモニタするように構成される。

電気回路は、液体貯蔵部内のエアロゾル形成基質の量を判定するための他のシステムを、この判定した量に基づいて較正するように構成することができる。

液体貯蔵部内のエアロゾル形成基質の量の推定を可能にすることに加え、各加熱サイクル中の加熱要素の温度発展をモニタするという同じ原理を用いて、例えば極端な外部条件によって液体エアロゾル形成基質の粘度が変化し、十分な量の液体エアロゾル形成基質がもはや加熱要素に送達されなくなった場合に、ユーザを過熱及び異常から保護することができる。

好ましい実施形態では、電気回路が、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量が所定の閾値に減少したと推定される場合、電気ヒータを停止するように構成される。

液体エアロゾル形成基質が不十分になると、ユーザがそれ以上エアロゾル生成システムを使用できなくなるので、このことは有利である。これにより、所望の特性を有していないエアロゾルの生成が避けられるようになる。これにより、ユーザの不十分な体験が避けられるようになる。

電気回路は、電気ヒータと電力供給装置の間の電気ヒューズを飛ばすことにより電気ヒータを停止するように構成することができる。電気回路は、電気ヒータと電力供給装置の間のスイッチを切ることにより電気ヒータを停止するように構成することができる。当業者には、電気ヒータを停止する別の方法が明らかであろう。

好ましい実施形態では、電気回路が、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量が所定の閾値に減少したと推定される場合に、これをユーザに指示するように構成される。この指示によりユーザが液体貯蔵部を補充又は交換できるので、このことは有利である。

電気作動式エアロゾル生成システムは、ユーザディスプレイを含むことができる。この場合、指示は、ユーザディスプレイ上の指示を含むことができる。或いは、この指示は、可聴指示、又はユーザにとって好適な他のあらゆる種類の指示を含むこともできる。

エアロゾル生成システムは、電力供給装置をさらに備えることができる。エアロゾル生成システムは、ハウジングを含むことが好ましい。ハウジングは、細長いことが好ましい。エアロゾル生成が毛細管芯を含む場合、毛細管芯の長手方向軸とハウジングの長手方向軸が実質的に平行になることができる。ハウジングは、シェル及びマウスピースを含むことができる。この場合、全ての構成部品をシェル又はマウスピース内に収容することができる。１つの実施形態では、ハウジングが、液体貯蔵部、毛細管芯及びヒータを含む取り外し可能な挿入体を含む。この実施形態では、エアロゾル生成システムのこれらの部品を単一の構成部品としてハウジングから取り外すことができる。このことは、例えば液体貯蔵部を補充又は交換するのに有用であると考えられる。

ハウジングは、あらゆる好適な材料又は材料の組み合わせを含むことができる。好適な材料の例としては、金属、合金、プラスチック、或いはこれらの材料の１つ又はそれ以上を含む複合材料、或いは、例えばポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）及びポリエチレンなどの、食品又は製薬用途に適した熱可塑性物質が挙げられる。この材料は、軽量かつ非脆性であることが好ましい。

エアロゾル生成システムは、持ち運び可能であることが好ましい。エアロゾル生成システムは、喫煙システムとすることができ、従来のシガー又はシガレットに相当するサイズを有することができる。この喫煙システムは、約３０ｍｍ〜約１５０ｍｍの全長を有することができる。この喫煙システムは、約５ｍｍ〜約３０ｍｍの外径を有することができる。

電気作動式エアロゾル生成システムは、電気加熱式喫煙システムであることが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、液体エアロゾル形成基質を貯蔵するための液体貯蔵部と、液体エアロゾル形成基質を加熱するための少なくとも１つの加熱要素を含む電気ヒータとを備えた電気作動式エアロゾル生成システムを準備するステップと、加熱要素に印加される電力と結果的に生じる加熱要素の温度変化との関係に基づいて、ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するステップとを含む方法が提供される。

液体エアロゾル形成基質の量は、絶対量であっても、又は百分率値などの相対量であってもよく、或いは液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の閾値量よりも多い又は少ないという判定であってもよい。

本発明の第３の態様によれば、本発明の第２の態様の方法を実行するように構成された電気作動式エアロゾル生成システムのための電気回路が提供される。

本発明の第４の態様によれば、電気作動式エアロゾル生成システムのためのプログラム可能な電気回路上で実行された時に、このプログラム可能な電気回路に本発明の第２の態様の方法を実行させるコンピュータプログラムが提供される。

本発明の第５の態様によれば、本発明の第４の態様によるコンピュータプログラムを記憶したコンピュータ可読記憶媒体が提供される。

本発明のエアロゾル生成システムに関連して説明した特徴は、本発明の方法にも適用することができる。また、本発明の方法に関連して説明した特徴は、本発明のエアロゾル生成システムにも適用することができる。

添付図面を参照しながら、本発明をほんの一例としてさらに説明する。

液体貯蔵部を有する電気作動式エアロゾル生成システムの一例を示す図である。 電気作動式エアロゾル生成システムの複数回の吸煙中における加熱要素の温度プロファイルの５つの中央値を示すプロットである。 ３つの異なる時間帯に計算した、液体貯蔵部の寿命全体にわたる加熱要素の温度上昇率を示すプロットである。 ｙ軸上に加熱要素の抵抗を示し、ｘ軸上に電気作動式エアロゾル生成システムの電気ヒータの加熱要素の温度を示すプロットである。 本発明の１つの実施形態による、加熱要素の抵抗の測定を可能にする概略回路図である。

図１に、液体貯蔵部を有する電気作動式エアロゾル生成システムの一例を示す。図１では、このシステムが喫煙システムである。図１の喫煙システム１００は、マウスピース側端部１０３と本体側端部１０５とを有するハウジング１０１を含む。本体側端部には、バッテリ１０７の形の電力供給装置及び電気回路１０９が備わる。電気回路１０９と協働する吸煙検出システム１１１も備わる。マウスピース側端部には、液体１１５を収容するカートリッジ１１３の形の液体貯蔵部、毛細管芯１１７及びヒータ１１９が備わる。なお、図１では、ヒータを概略的にしか示していない。図１に示す例示的な実施形態では、毛細管芯１１７の一端がカートリッジ１１３内に延び、毛細管芯１１７の他端がヒータ１１９に取り巻かれる。ヒータは、カートリッジ１１３の外側に沿って通過できる（図１には図示せず）接続部１２１を介して電気回路に接続される。ハウジング１０１は、空気入口１２３、マウスピース側端部の空気出口１２５、及びエアロゾル形成チャンバ１２７も含む。

使用時の動作は以下の通りである。液体１１５が、カートリッジ１１３からの毛細管作用により、カートリッジ内に延びる芯１１７の一端からヒータ１１９に取り巻かれた芯の他端に運ばれる。ユーザが、エアロゾル生成システムの空気出口１２５を吸引すると、空気入口１２３を通じて外気が吸い込まれる。図１に示す構成では、吸煙検出システム１１１が吸煙を感知してヒータ１１９を作動させる。バッテリ１０７がヒータ１１９に電気エネルギーを供給してヒータに取り巻かれた芯１１７の端部を加熱する。ヒータ１１９により、この芯１１７の端部内の液体が気化して過飽和蒸気が発生する。同時に、気化した液体が、毛細管作用により芯１１７に沿って移動してきた別の液体に置き換わる。（この作用は「ポンプ作用」と呼ばれることもある。）発生した過飽和蒸気が空気入口１２３からの空気流と混ざり、この空気流に含まれて運ばれる。エアロゾル形成チャンバ１２７内では、蒸気が凝縮して吸入可能なエアロゾルを形成し、これが出口１２５の方に運ばれてユーザの口に入る。

図１に示す実施形態では、電気回路１０９及び吸煙検出システム１１１がプログラム可能であることが好ましい。電気回路１０９及び吸煙検出システム１１１を使用して、エアロゾル生成システムの動作を管理することができる。これにより、エアロゾル中の粒子サイズの制御が支援される。

図１は、本発明による電気作動式エアロゾル生成システムの一例を示すものである。しかしながら、他の多くの例も可能である。また、図１は事実上概略的なものである。具体的には、図示の構成部品は、個別にも又は相対的にも縮尺通りではない。電気作動式エアロゾル生成システムは、液体貯蔵部に収容された液体エアロゾル形成基質を含み又は受け入れる必要がある。電気作動式エアロゾル生成システムは、液体エアロゾル形成基質を加熱するための少なくとも１つの加熱要素を有する何らかの種類の電気ヒータを必要とする。最後に、電気作動式エアロゾル生成システムは、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量を判定するための電気回路を必要とする。以下、図２〜図５を参照しながらこれについて説明する。例えば、このシステムは、喫煙システムでなくてもよい。吸煙検出システムを設けなくてもよい。代わりに、このシステムは、例えばユーザが吸引の際にスイッチを操作することなどの手動作動によって動作することもできる。例えば、ハウジングの全体的な形状及びサイズを変更することもできる。さらに、このシステムは、毛細管芯を含まなくてもよい。この場合、システムは、気化される液体を送達するための別の機構を含むことができる。

しかしながら、好ましい実施形態では、システムが、液体貯蔵部から少なくとも１つの加熱要素に液体を運ぶための毛細管芯を含む。毛細管芯は、様々な多孔質材料又は毛管材料から作製することができ、既知の所定の毛細管現象を有することが好ましい。いくつかの例として、繊維又は焼結粉体の形のセラミック又は黒鉛系材料が挙げられる。多孔率の異なる芯を使用して、濃度、粘度、表面張力及び蒸気圧などの様々な液体物理特性に対応することができる。芯は、必要量の液体をヒータに送達できるように適していなければならない。ヒータは、毛細管芯の周りに延びる少なくとも１つの加熱ワイヤ又はフィラメントを含むことが好ましい。

ここで、図２〜図５を参照しながら本発明のいくつかの実施形態を説明する。これらの実施形態は、図１に示す例に基づくものであるが、電気作動式エアロゾル生成システムの他の実施形態にも適用可能である。

上述したように、本発明のエアロゾル生成システムは、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量を判定するための電気回路を含む。液体貯蔵部が空又はほぼ空の場合、ヒータに供給される液体エアロゾル形成基質が不十分なことがあるので、このことは有利である。つまり、生成されユーザにより吸入されるエアロゾルが、例えばエアロゾルの粒子サイズなどの所望の特性を有していないことがあり得る。この結果、ユーザの体験が不十分となる場合がある。また、液体貯蔵部が空又はほぼ空であることをユーザに通知できる機構を提供することも有利である。ユーザは、これを受けて、貯蔵部の交換又は補充準備を進めることができる。つまり、毛細管芯が備わる場合には、毛細管芯が乾燥するということである。加熱要素の温度は上昇する。本発明の第１及び第２の実施形態では、この加熱要素の温度上昇を利用する。

図２は、エアロゾル生成システムの複数回の吸煙中に測定した温度プロファイルの５つの中央値を示すプロットである。ｙ軸上には、加熱要素の温度Ｔを示し、ｘ軸上には、吸煙時間ｔを示す。曲線２０１は、１回目の一連の吸煙の中央値であり、各吸煙の持続時間は２秒間である。同様に、曲線２０３は、２回目の一連の吸煙の中央値であり、曲線２０５は、３回目の一連の吸煙の中央値であり、曲線２０７は、４回目の一連の吸煙の中央値であり、曲線２０８は、５回目の一連の吸煙の中央値である。各曲線内には、これらの温度の中央値付近の標準偏差を（例えば２０９に示す）垂直バーによって示している。従って、液体貯蔵部の寿命にわたる測定温度の漸進的変化が示されている。この挙動を、全ての気化した液剤及び全ての使用した電力レベルに関して観察し確認した。

図２から分かるように、加熱要素の温度応答は、曲線２０１、２０３及び２０５については適度に安定している。すなわち、最初の３回の一連の吸煙の場合の中央値付近の標準偏差は適度に小さい。曲線２０７については、２つの結果が見られる。第１に、この３回目の一連の吸煙の中央値付近の標準偏差の方が大きい。第２に、各吸煙中の加熱要素の温度が著しく上昇している。これらの２つの結果は、液体貯蔵部が空になりつつあることを示すものである。

曲線２０８については、この５回目の一連の吸煙の中央値付近の標準偏差が再び小さくなっている。すなわち、吸煙にわたる温度範囲は適度に安定している。しかしながら、各吸煙中の加熱要素の温度はさらに上昇している。これは、液体貯蔵部がほぼ空であることを示すものである。

曲線２０５と比較した場合、曲線２０７における温度上昇は、（点線２１１で示す）吸煙の約０．４秒後に特に明白である。従って、液体貯蔵部内の液体の量が閾値に減少していることは、吸煙持続時間の０．４秒経った後の加熱要素の温度レベルに基づいて正確に検出することができる。

エアロゾル形成基質の特定の設計及び特定のシステム設計のための実験データは、電気回路内のメモリに記憶することができる。この実験データは、吸煙中の又は所与の電力で動作する加熱サイクル内の特定の時点における加熱要素の温度を、液体貯蔵部内に残っている液体の量に関連付けることができる。従って、この実験データを使用して、残っている液体の量を判定できるとともに、いつ残りの所定の吸煙回数未満になると推定されるかについての指示をユーザに与えることができる。

従って、図２は、液体貯蔵部が空になるにつれて加熱要素の明らかな温度上昇が存在することを実証するものである。このことは、吸煙の最初の０．４秒後に特に明白である。この温度上昇を利用して、液体貯蔵部がいつ空又はほぼ空になるかを判定することができる。

図２では、液体貯蔵部が空になるにつれ、０秒〜０．２秒の温度プロファイルの傾斜が増していることも分かる。従って、液体貯蔵部の寿命にわたる最初の吸煙時間中の温度上昇率の測定を、液体貯蔵部内の残りの液体量を検出する代替又は追加の手段とすることができる。実際には、測定をより短い時間、すなわち２秒ではなく０．２秒にわたって行うことができるので、この測定は、図２の測定よりも望ましい測定となり得る。これにより、温度レベルの変化をより速く見抜くことができるとともに、不十分なエアロゾル特性のリスク低減を支援することができる。

図３は、定電力を使用して、液体貯蔵部内のエアロゾル形成基質の消費中における異なる時間範囲にわたって計算した温度上昇率を示すプロットである。プロットの時点は、以下の式を使用して計算したものである。

プロット３０１は、各吸煙の開始からｔ₁＝２ｍｓ及びｔ₂＝５０ｍｓの場合の温度上昇率すなわち傾斜係数を示し、プロット３０２は、各吸煙の開始からｔ₁＝２０ｍｓ及びｔ₂＝１００ｍｓの場合の傾斜係数を示し、プロット３０３は、各吸煙の開始からｔ₁＝２０ｍｓ及びｔ₂＝２００ｍｓの場合の傾斜係数を示す。３つのプロット全てに関して、液体貯蔵部が満杯である吸煙回数ゼロから吸煙回数約「Ｘ１」までは、吸煙中の傾斜係数が全く一定であることが分かる。吸煙回数「Ｘ１」と吸煙回数「Ｘ２」の間には、吸煙回数が増加するにつれて傾斜係数の増加が存在する。３つのプロット全てに関し、この傾斜係数の増加は、吸煙回数とともにほぼ線形であることが分かる。所与の印加電力の場合の温度上昇率の増加は、液体貯蔵部が空になったことを受けて、ヒータ付近におけるエアロゾル形成基質が減少した結果である。この例では、これが芯の乾燥を引き起こす。吸煙回数Ｘ２から先は、傾斜係数が再びほとんど一定になる。これは、空の液体貯蔵部及び乾燥した芯に対応する。気化するエアロゾル形成基質が存在せず、従って加熱要素に供給されるエネルギーは、全て単純に加熱に向けられる。この挙動を、全ての使用した液剤及び全ての電力レベルに関して観察し確認した。

Ｘ１の吸煙とＸ２の吸煙の間の「空になりつつある」領域における温度上昇率の線形挙動を利用して、液体貯蔵部内に残っているエアロゾル形成基質の量の測定を行うことができる。これを利用して、残っているエアロゾル形成基質の測定又は推定に使用する他の何らかの技術を較正することもできる。図３からは、各吸煙の開始から２ｍｓ〜５０ｍｓの温度上昇率に対応する曲線３０１が、吸煙Ｘ１〜吸煙Ｘ２の間で最大変化を示しており、従ってこの曲線３０１を使用して、液体貯蔵部内に残っているエアロゾル形成基質の量についての最も良い解決策を提供できることが分かる。これにより、各吸煙の開始後に、残っているエアロゾル形成基質の計算を非常に素早く行うこともできる。

空になりつつある領域の開始点及び空になりつつある領域の温度上昇率は、エアロゾル形成基質の組成、及びシステムの寸法などのシステムの物理特性に依存することが明らかなはずである。従って、異なる装置設計又は異なる基質を使用することにより、空になりつつある領域における装置の挙動は変化する。貯蔵部が「空」であると判断するための閾値は、システム設計及び使用中の基質に適するように設定することができる。

図３に示す傾斜の測定の代替案として、図２の曲線の下で積分を行うことが挙げられる。これを、各吸煙の０秒〜０．２秒という同じ時間範囲にわたって行うことができる。この案では、測定がほんの０．２秒にわたってしか行われず、従って温度レベルの変化をより速く見抜くことができるので、図２の測定よりも望ましい測定と言うこともできる。

従って、図２及び図３は、加熱要素の温度の測定、又は温度の変化率の測定、又は経時的な温度の積分が全て、液体貯蔵部の量がいつ閾値に減少したかについての十分に正確な測定をもたらすことができることを示すものである。

本発明の第１の実施形態によれば、液体貯蔵部内の液体の量が、加熱要素の近くの温度を測定することにより判定される。上述したように、測定温度が吸煙毎に上昇する場合、液体貯蔵部が空又はほぼ空であることを示しているものとすることができる。

本発明の第１の実施形態によれば、エアロゾル生成システム内の加熱要素の近くに温度センサが設けられる。電気回路は、温度センサにより測定される温度をモニタし、従って液体貯蔵部内の液体の量を判定することができる。この実施形態の利点は、温度センサが加熱要素の近くの温度を直接測定するので、計算又は導出が不要な点である。

液体貯蔵部内の液体の量がいつ閾値に減少したかが判定された時点でいくつかの対策を講じることができ、以下、このことについて説明する。

本発明の第２の実施形態によれば、液体貯蔵部内の液体の量が、電気式加熱要素の抵抗を測定することにより判定される。加熱要素が適切な抵抗温度係数特性を有している場合（例えば、以下の式（５）を参照）、この抵抗が、電気式加熱要素の温度の測定をもたらすことができる。

図４は、ｙ軸上に電気ヒータの加熱要素の抵抗Ｒを示し、ｘ軸上に加熱要素の温度Ｔを示すプロットである。図４で分かるように、加熱要素の温度Ｔが上昇するにつれ、抵抗Ｒも上昇している。選択範囲内（図４の温度Ｔ１とＴ２、及び抵抗Ｒ１とＲ２の間）では、温度Ｔと抵抗Ｒが互いに比例することができる。

本発明の第１の実施形態に関連して上述したように、液体貯蔵部が空又はほぼ空の場合、ヒータに供給される液体エアロゾル形成基質が不十分になる。つまり、あらゆる毛細管芯が乾燥し、加熱要素の温度が上昇する。図４は、温度が上昇するにつれて測定される抵抗も上昇するので、加熱要素の抵抗を測定することによりこのような温度上昇を判定できることを示している。

図５は、本発明の第２の実施形態による、加熱要素の抵抗をいかにして測定できるかを示す概略電気回路図である。図５では、ヒータ５０１が、電圧Ｖ２を供給するバッテリ５０３に接続される。特定の温度で測定するヒータ抵抗をＲ_heaterとする。アースと電圧Ｖ２の中間に、既知の抵抗ｒを有する追加の抵抗器５０５が、ヒータ５０１と直列に挿入されて電圧Ｖ１に接続される。マイクロプロセッサ５０７は、ヒータ５０１の抵抗Ｒ_heaterを測定するために、ヒータ５０１を流れる電流とヒータ５０１に加わる電圧の両方を求めることができる。そこで、以下の周知の式を用いて抵抗を求めることができる。

（１）

図５では、ヒータに加わる電圧はＶ２−Ｖ１であり、ヒータを流れる電流はＩである。従って以下のようになる。

（２）

既知の抵抗ｒを有する追加の抵抗器５０５を使用して、再び上記の式（１）を用いて電流Ｉを求める。抵抗器５０５を流れる電流はＩであり、抵抗器５０５に加わる電圧はＶ１である。従って以下のようになる。

（３）

従って、（２）と（３）を組み合わせると以下の式が得られる。

（４）

従って、マイクロプロセッサ５０７は、エアロゾル生成システムの使用時にＶ２及びＶ１を測定することができ、ｒの値が分かっているので、特定の温度におけるヒータの抵抗Ｒ_heaterを求めることができる。液体貯蔵部の寿命にわたってＲ_heaterをモニタすることにより、Ｒ_heaterの増加を判定することができる。このようにして、毛細管芯が乾燥しているという理由で温度の上昇を示すことができる抵抗の増加を検出することができる。

次に、次式を用いて、温度Ｔにおいて測定した抵抗Ｒ_heaterから温度Ｔを求めることができる。

（５）
式中、αは加熱要素材料の熱伝導抵抗係数であり、Ｒ₀は室温Ｔ₀における加熱要素の抵抗である。従って、空又はほぼ空の液体貯蔵部に対応できる温度の上昇を検出することができる。

この実施形態の利点は、大きくて高価な場合がある温度センサが不要な点である。

このようにして、加熱要素の温度測定値を導出することができる。これを使用して、液体貯蔵部内の液体の量がいつ閾値に減少したかを判定し、液体貯蔵部内に残っているエアロゾル形成基質の絶対量を推定することができる。

本発明の第３の実施形態では、エアロゾル生成システムを、吸煙時の加熱要素の温度を維持又は制御するように構成することができ、又は加熱要素の温度を最高温度に制限して望ましくない化学分解を避けるように構成することができる。この実施形態では、減少する液体レベルの指標として温度を使用する代わりに、所定の温度を維持するのに必要な電力を使用して、液体貯蔵部内のエアロゾル形成基質の量を計算することができる。例えば、毛細管芯を使用した場合、芯が乾燥するにつれ、所定の温度を維持するのに必要な電力が少なくて済むようになる。

ヒータには、所定の振幅のパルス幅変調（ＰＷＭ）波形として電力を供給することができる。この時、電力波形のデューティサイクル、すなわち電源が入っている時間と電源が切れている時間の比率をパラメータとして使用して、液体貯蔵部内のエアロゾル形成基質の量を計算することができる。この場合も、液体貯蔵部内のエアロゾル形成基質の量に電力を関連付けた実験データを、電気回路内のメモリに記憶することができる。

上述した全ての実施形態では、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量がいつ閾値に減少したかが判定された時点で１又はそれ以上の対策を講じることができる。電気ヒータを停止することができる。例えば、液体貯蔵部を使用不能にするようにシステムをトリガすることができる。例えば、電気回路は、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量が閾値に減少したと判定した時に、電気ヒータの少なくとも１つの加熱要素と電力供給装置の間の電気ヒューズを飛ばすことができる。電気ヒューズは、液体貯蔵部を含む取り外し可能な構成部品の一部として設けることができる。或いは、電気回路は、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量が閾値に減少したと判定した時に、電気ヒータの少なくとも１つの加熱要素と電力供給装置の間のスイッチを切ることができる。当然ながら、電気ヒータを停止する別の方法も可能である。電気ヒータを停止する利点は、これを受けてエアロゾル生成システムを使用できなくなる点である。これにより、ユーザが所望の特性を有していないエアロゾルを吸入することが不可能になる。

液体貯蔵部内の液体の量がいつ閾値に減少したかが判定された時点で、ユーザに通知を行うことができる。例えば、電気回路は、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量が閾値に減少したと判定した時に、このことをユーザに示すことができる。例えば、エアロゾル生成システムがユーザディスプレイを含む場合、このユーザディスプレイを介して、液体貯蔵部が空又はほぼ空であることをユーザに示し、推定残り吸煙回数値を提供することができる。これとは別に又はこれに加えて、液体貯蔵部が空又はほぼ空であることを可聴音によってユーザに知らせることもできる。当然ながら、液体貯蔵部が空又はほぼ空であることをユーザに示す別の方法も可能である。ユーザに通知を行う利点は、ユーザがこれを受けて液体貯蔵部の交換又は補充準備を進めることができる点である。

従って、本発明によれば、電気作動式エアロゾル生成システムが、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量がいつ所定の閾値に減少したかを判定するための電気回路を含む。図２〜図５を参照しながら、液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量が所定の閾値に減少したと判定する様々な方法を説明した。１つの実施形態に関連して説明した特徴は、別の実施形態にも適用することができる。

１００ 喫煙システム
１０１ ハウジング
１０３ マウスピース側端部
１０５ 本体側端部
１０７ バッテリ
１０９ 電気回路
１１１ 吸煙検出システム
１１３ カートリッジ
１１５ 液体
１１７ 毛細管芯
１１９ ヒータ
１２１ 接続部
１２３ 空気入口
１２５ 空気出口
１２７ エアロゾル形成チャンバ

Claims (15)

1. エアロゾル形成基質を受け入れるための電気作動式エアロゾル生成システムであって、
   液体エアロゾル形成基質を貯蔵するための液体貯蔵部と、
   前記液体エアロゾル形成基質を加熱するための少なくとも１つの加熱要素を含む電気ヒータと、
   前記加熱要素に印加される電力と結果的に生じる前記加熱要素の温度変化との関係に基づいて、液体エアロゾル形成基質の減少を判定するように構成された電気回路と、
   を備えることを特徴とする電気作動式エアロゾル生成システム。
2. 前記電気回路は、前記判定した減少に基づいて、前記液体貯蔵部内の液体エアロゾル形成基質の量を推定するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気作動式エアロゾル生成システム。
3. 前記少なくとも１つの加熱要素の温度を測定するための温度センサをさらに備え、前記電気回路は、前記温度センサにより感知される前記少なくとも１つの加熱要素の温度をモニタし、前記温度センサにより感知される温度に基づいて、前記ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気作動式エアロゾル生成システム。
4. 前記電気回路は、前記加熱要素に所定の電力を印加するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電気作動式エアロゾル生成システム。
5. 前記電気回路は、前記少なくとも１つの加熱要素の電気抵抗を測定し、該測定した電気抵抗から前記加熱要素の前記温度を解明するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電気作動式エアロゾル生成システム。
6. 前記電気回路は、前記少なくとも１つの加熱要素を流れる電流及び前記少なくとも１つの加熱要素に加わる電圧を測定し、該測定した電流及び電圧から前記少なくとも１つの加熱要素の前記電気抵抗を求めることにより、前記少なくとも１つの加熱要素の前記電気抵抗を測定するように構成される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電気作動式エアロゾル生成システム。
7. 前記電気回路は、前記感知又は解明される温度の上昇を、前記液体貯蔵部内の前記液体エアロゾル形成基質が消費される連続加熱サイクルにわたってモニタすることにより、前記ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電気作動式エアロゾル生成システム。
8. 前記電気回路は、各加熱サイクルの一部にわたって感知又は解明される前記温度の上昇率を、前記液体貯蔵部内の前記液体エアロゾル形成基質が消費される連続加熱サイクルにわたってモニタすることにより、前記ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電気作動式エアロゾル生成システム。
9. 前記電気回路は、各加熱サイクルの一部にわたって感知又は解明される前記温度の経時的な積分値の上昇を、前記液体貯蔵部内の前記液体エアロゾル形成基質が消費される連続加熱サイクルにわたってモニタすることにより、前記ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の電気作動式エアロゾル生成システム。
10. 前記電気回路は、前記加熱要素の前記温度を最高温度に制限するように構成されるとともに、前記最高温度を維持するために前記加熱要素に印加される電力の量をモニタすることにより、前記ヒータにより加熱されるエアロゾル形成基質の減少を判定するように構成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電気作動式エアロゾル生成システム。
11. 前記液体エアロゾル形成基質を前記液体貯蔵部から前記電気ヒータに運ぶための毛細管芯をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の電気作動式エアロゾル生成システム。
12. 液体エアロゾル形成基質を貯蔵するための液体貯蔵部と、前記液体エアロゾル形成基質を加熱するための少なくとも１つの加熱要素を含む電気ヒータとを備えた電気作動式エアロゾル生成システムを準備するステップと、
    前記加熱要素に印加される電力と結果的に生じる前記加熱要素の温度変化との関係に基づいて、前記ヒータにより加熱される液体エアロゾル形成基質の減少を判定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
13. 電気作動式エアロゾル生成システムのための電気回路であって、請求項１２に記載の方法を実行するように構成される、
    ことを特徴とする電気回路。
14. 電気作動式エアロゾル生成システムのためのプログラム可能な電気回路上で実行された時に、該プログラム可能な電気回路に請求項１２に記載の方法を実行させる、
    ことを特徴とするコンピュータプログラム。
15. 請求項１４に記載のコンピュータプログラムを記憶する、
    ことを特徴とするコンピュータ可読記憶媒体。

Images