KR101710850B1 - 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템 및 방법 - Google Patents
전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
에어로졸-형성 기질을 수용하기 위한 전기적으로 가열된 에어로졸 형성 시스템이 제공된다. 시스템은 에어로졸을 형성하기 위해 기질을 가열하는 적어도 하나의 가열 소자(309)와 적어도 하나의 가열 소자에 전력을 공급하기 위한 파워 서플라이(301)를 포함한다. 파워 서플라이는 전압 소스(303)와, 2개 이상의 초고용량 커패시터(305, 307), 및 전압 소스와 2개 이상의 초고용량 커패시터 사이의 스위치(51, 52, 53, 54, 55)를 포함한다. 충전 모드 동안에, 전압 소스에 의한 충전을 위해 2개 이상의 초고용량 커패시터가 적어도 부분적으로 서로 병렬로 연결되고, 가열 모드 동안에, 적어도 하나의 가열 소자를 통해 방전하기 위해 2개 이상의 초고용량 커패시터가 서로 직렬로 연결되도록 스위치가 배열된다.
Description
본 발명은 에어로졸-형성 기질(substrate)을 수용하기 위한 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템, 및 에어로졸-형성 기질을 전기적으로 가열하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 전기적으로 가열된 흡연 시스템과 같은 특정 응용을 제공한다.
다수의 종래 기술 문헌, 예컨대 US-A-5 060 671, US-A-5 388 594, US-A-5 505 214, US-A-5 591 368, WO-A-2004/043175, EP-A-0 358 002, EP-A-0 295 122, EP-A-1 618 803, EP-A-1 736 065 및 WO-A-2007/131449는 다수의 이점을 갖는 전기적으로 동작되는 흡연 시스템을 개시한다. 하나의 이점은 생담배 연기를 현저히 줄여주고, 반면에 흡연자가 선택적으로 흡연을 중지하고 다시 시작하는 것을 허용한다.
US-A-5 388 594는 전기적인 흡연 시스템을 설명한다. 흡연 시스템은 담배 및 재사용가능한 라이터(lighter)를 포함한다. 담배는 라이터의 프런트 앤드(front end)의 구멍(orifice)으로부터 제거되거나 삽입되도록 채택된다. 라이터는 하우징을 포함하고 전면부와 후면부를 갖는다. 담배를 가열하기 위한 가열 소자(heating element)에 에너지를 공급하는 전력원(power source)은 라이터의 후면부에 배치된다. 전력원은 담배를 가열하는 가열 소자를 위해 충분한 전력을 공급하기 위해 정해진다. 바람직하게는 전력원은 교체할 수 있고 재충전할 수 있으며, 일 실시예에서 배터리이다. 바람직하게는 전면부가 가열 소자 및 전력원과 전기적 통신을 하는 회로를 포함한다. 흡연 시스템은 통상적인 담배처럼 많은 동일한 방식에 사용된다.
또한 WO-A-2004/043175는 전기적인 흡연 시스템을 설명한다. 그 문서에서, 전기적으로 가열된 담배 흡연 장치는 상부 히터 케이스 캡, 전면 하우징, 좌/우 배터리 케이스 부분을 포함한다. 히터 유닛은 히터 케이스 캡 아래에 위치하고, 파티션(partition) 내측에 고정되는 히터 유닛으로, 이는 장치의 전면 하우징에 비례하여 히터 유닛을 배치한다. 히터 케이스 캡 상부의 개구는 히터 유닛의 상부 개구로 담배를 삽입하게 한다. 담배가 히터 케이스 캡 개구를 통해서 유닛 개구로 삽입될 때, 그것은 복수의 히터 브레이드(blade)에 근접하여 위치하고, 담배의 원주(circumference) 주변에 배열된다. 히터 케이스 캡을 통한 스롯(slot)은 담배가 개구에 위치할 때 주위의 공기가 장치로 들어가기 위한 통로를 제공한다. 프린팅 회로 보드는 파티션과 프런트 하우징 사이에 위치한다. 히터 유닛 커넥터는 안쪽 하우징 부재 내의 히터 유닛의 아래에 위치한다. 이는 히터 브레이드와 배터리 케이스 부분 내에 포함된 배터리와 같은 전력원 사이의 전기적 연결을 제공한다.
US-A-5 060 671은 전력원에 의해 구성되는 재사용가능한 부분과, 히터 및 향기-발생 매체에 의해 구성되는 사용 후 버리는 부분을 갖는 향기-발생 장치를 설명한다.
EP-A-0 295 122, EP-A-1 618 803 및 EP-A-1 736 065와 같은 그 밖의 선행 기술 문헌은, 에어로졸-형성 기질과 같이 액체를 사용하는 전기적인 흡연 시스템을 개시한다. 액체는 하우징에 수용할 수 있는 카트리지에 포함될 수 있다. 흡연자에게 제공되는 에어로졸을 형성하기 위해, 퍼프(puff)하는 동안 액체 기질을 가열하기 위해 히터와 연결되는 배터리와 같은 파워 서플라이가 제공된다.
앞선 설명에 포함된 전기적으로 가열 에어로졸 발생 시스템의 선행 기술은, 전형적으로 각각의 퍼프에 대해 휘발성 화합물을 방출하고 높은 온도를 제공하기 위해서 히터에 높은 전력 펄스를 제공한다.
앞선 설명에 포함된 전기적으로 가열 에어로졸 발생 시스템의 선행기술은, 많은 이점을 갖지만, 디자인 측면에서 개선할 점이 있다. 장치를 작게 만들면 이점이 있을 것이고, 그 크기가 전형적인 담배의 크기에 가까워지면 사용자에게 보다 편리하다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 전기적으로 가열된 에어로졸 형성 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 에어로졸을 형성하기 위해 기질을 가열하는 적어도 하나의 가열 소자; 및 적어도 하나의 가열 소자에 전력을 공급하는 파워 서플라이;를 포함하고 파워 서플라이는 전압 소스와, 2개 이상의 초고용량 커패시터, 및 전압 소스와 2개 이상의 초고용량 커패시터 사이의 스위치를 갖추어 이루어지고, 배열된 스위치에 의해 충전 모드 동안에 2개 이상의 초고용량 커패시터가 적어도 부분적으로, 전압 소스에 의해 충전되도록 서로 병렬로 연결되고, 가열 모드 동안에 2개 이상의 초고용량 커패시터가 적어도 하나의 가열 소자를 통해 방전되도록 서로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 에어로졸-형성 기질을 수용하기 위한 전기적으로 가열된 에어로졸 형성 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 충전하고 그 다음 최소 하나 이상의 가열 소자를 통해 방전하는 초고용량 커패시터를 사용함으로써 작아진 전기적으로 가열된 에어로졸 형성 시스템을 허용한다. 본 발명은 전압 소스에 의해 제공되는 전압이 가열 소자를 가로질러 요구된 전체 전압일 필요가 없는 장점을 갖는다. 이는 초고용량 커패시터가 병렬 연결에 의해 충전되지만 직렬 연결에 의해 방전된다. 더욱이, 전체 시스템의 효율이 증가한다.
일 실시예에 따르면, 시스템은 전압 소스와 2개 이상의 초고용량 커패시터 사이에 전압 스텝-업 또는 스텝-다운 회로를 더 포함한다. 만약 전압 소스에 의해 공급된 전압이 2개 이상의 초고용량 커패시터를 가로지르는 최대 전압과 조화되지 않는다면 이는 유용한다.
일 실시예에 따르면, 시스템은 사용자에 의해 유지되어지는 부분, 및 외부 충전 부분을 포함하고, 사용자에 의해 유지되어지는 부분은, 가열 모드 동안에 적어도 하나의 가열 소자, 2개 이상의 초고용량 커패시터 및 2개 이상의 초고용량 커패시터를 연결하게 하는 적어도 몇몇 스위치를 포함하며, 외부 충전 부분은, 충전 모드 동안에 전압 소스 및 2개 이상의 초고용량 커패시터를 연결하게 하는 적어도 몇몇 스위치를 포함한다. 이 실시예는 오직 충전 중에만 필요하고, 가열 중에는 필요하지 않은 어떤 회로가 외부 충전 부분으로 이동할 수 있는 장점이 있다. 이는 사용자에 의해서 유지되어지는 부분이 크기 면에서 더 줄어든다.
바람직하게는 사용자에 의해 유지되어지는 부분과 외부 충전 부분은 충전 모드 동안에 서로 전기적으로 연결되고, 가열 모드 동안에는 서로 전기적으로 분리된다.
바람직하게는 에어로졸-형성 기질이 가열에 의해 기질으로부터 방출되는 휘발성 담배 향기 중합체를 포함하는 담배-함유 물질을 포함한다. 택일적으로, 에어로졸-형성 기질은 EP-A-1 750 788 및 EP-A-1 439 876의 장치에서 사용된 것처럼 담배-아닌 재료를 포함할 수 있다.
바람직하게는 에어로졸-형성 기질은 에어로졸 형성기(former)를 더 포함한다. 적당한 에어로졸 형성기의 예는 글리세린(glycerine) 및 프로필렌 글리콜(propylene glycol)이다. 잠재적으로 가능한 에어로졸 형성기의 추가적인 예는 EP-A-0 277 519 및 US-A-5 396 911에서 설명된다.
에어로졸-형성 기질은 고체 기질일 수 있다. 예컨대 고체 기질은 허브 잎(hub leaf), 담배 잎(tobacco leaf), 담배 옆맥 조각(fragment of tobacco ribs), 재구성 담배(reconstituted tobacco), 균일 담배(homogenised tobacco), 압출된 담배(extruded tobacco), 발포 담배(expanded tobacco)를 포함하는 하나 이상의 가루(powder), 미립(granules), 작은 알갱이(pellets), 조각(shreds), 스파게티(spaghettis), 스트립(strips) 또는 시트(sheets)등을 포함한다. 고체 기질은 루즈 폼(loose form)에 있거나, 적당한 용기(container) 또는 카트리지(cartridge)에 제공될 수 있다. 선택적으로, 고체 기질은 기질의 열에 의해 방출하는 추가적인 담배 또는 담배-아닌 휘발성 향 중합체를 포함할 수 있다.
선택적으로, 고체 기질은 온도에 안정적인 캐리어(carrier)에 설치되거나 제공될 수 있다. 캐리어는 가루, 미립, 작은 알갱이, 조각, 스파게티, 스트립 또는 시트의 형태로 얻을 수 있다. 택일적으로, 캐리어는 US-A-5 505 214, US-A-5 591 368 및 US-A-5 388 594에 개시된 것처럼 내부 표면 또는 외부 표면 또는 내외부 표면에 증착된 얇은 고체 기질 층을 갖는 튜브 캐리어(tubular carrier)일 수 있다. 예컨대, 그런 튜브 캐리어는 종이 또는 종이와 같은 재료, 부직포 탄소 섬유 매트(nonwoven carbon fibre mat), 낮은 질량 개방 메쉬(mesh) 금속 스크린, 또는 구멍이 난 금속 포일 또는 어떤 그 밖의 열적으로 안정된 중합체 매트릭스의 형태로 형성될 수 있다.
예컨대, 고체 기질은 시트, 폼(foam), 겔(gel), 슬러리(slurry) 형태로 캐리어의 표면에 증착될 수 있다. 고체 기질은 캐리어의 전체 표면에 증착될 것이거나 택일적으로 사용 동안에 비균일한 항기 전달을 제공하기 위한 패턴으로 증착될 수 있다.
선택적으로, 캐리어는 EP-A-0 857 431에서 설명된 것처럼, 담배 구성요소(conponents)가 통합되어 있는 부직포 직물 또는 섬유 묶음(bundle)일 수 있다. 예컨대, 부직포 직물 또는 섬유 묶음은 탄소 섬유, 천연 셀룰로오스 섬유, 셀룰로오스 추출 섬유(cellulose derivative fibres) 등을 포함한다.
선택적으로, 캐리어는 적어도 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템의 가열 소자 일부분일 수 있다. 그런 경우, 가열 소자는 전형적으로 사용 후 버릴 수 있다. 예컨대, 고체 기질은 US-A-5 060 671에서 설명된 것처럼 전기적 저항 서포트(support) 위에 또는 금속성의 호일 위에 얇은 층으로 적층될 수 있다.
선택적으로 에어로졸-형성 기질은 유체 기질일 수 있다. 만약 유체 기질이 제공되면, 전기적 가열된 에어로졸 발생 시스템은 바람직하게는 액체를 보관하는 수단을 포함한다. 예컨대, 액체 기질은 EP-A-0 893 071에 설명된 것처럼, 컨테이너를 보유할 수 있다. 택일적 또는 추가적으로, 액체 기질은 WO-A-2007/024130, WO-A-2007/066374, EP-A-1 736 062, WO-A-2007/131449 및 WO-A-2007/131450에서 설명된 것처럼, 다공성의 캐리어 재료에 흡수될 수 있다. 다공성의 캐리어 재료는 어떤 적당한 흡수 플러그(plug) 또는 몸체(body), 예컨대 발포 금속(foamed metal) 또는 플라스틱, 폴리프로필렌, 테릴렌(terylene), 나이론 섬유 또는 세라믹으로 만들어질 수 있다. 액체 기질은 전기적으로 가열된 에어로졸 형성 시스템의 사용에 앞서 다공성의 캐리어 재료에 포함될 것이거나 택일적으로 액체 기질 재료는 사용에 앞서 즉시 또는 사용하는 동안 다공성의 캐리어 재료로 방출될 수 있다. 예컨대, WO-A-2007/077167에 설명된 것처럼, 액체 기질은 캡슐에 제공될 수 있다. 바람직하게는 캡슐의 쉘(shell)은 열에 의해 녹고 다공성의 캐리어 재료로 액체 기질을 방출한다. 캡슐은 택일적으로 액체와 결합된 고체를 포함할 수 있다.
만약 에어로졸-형성 기질이 액체 기질이면, 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템은 한번에 적은 양의 액체를 가열하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 예컨대 한번에 적은 양의 액체를 가열하기 위한 수단은 EP-A-0 893 071에서 설명된 것처럼 액체 기질과 소통하는 액체 통로를 포함할 수 있다. 액체 기질은 전형적으로 모세관 힘(capillary force)에 의해 액체 통로로 힘을 받게 된다. 바람직하게는 사용 중인 동안, 액체 통로 내에 오직 적은 양의 액체 기질이 있고 컨테이너에는 거의 액체가 없도록 배열되는 것처럼 가열 소자는 가열되고 휘발성이 있다.
택일적 또는 추가적으로, 만약 에어로졸-형성 기질이 액체 기질이면, 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템은 적어도 하나의 가열 소자를 포함하고 액체 기질 소스와 접촉하는 분무장치(atomiser)를 더 포함한다. 가열 소자에 추가하여, 분무장치가 압전 요소(piezoelectric element)와 같은 하나 이상의 전기기계적인 요소를 포함할 수 있다. 택일적 또는 추가적으로, 또한 분무장치가 정전기(electrostatic), 전자기(electromagnetic), 또는 기압(pneumatic) 효과를 사용하는 요소를 포함할 수 있다. 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템은 응축(condensation) 챔버를 더 포함할 수 있다.
택일적으로 에어로졸-형성 기질은 어떤 그 밖의 종류의 기질, 예컨대 가스 기질, 또는 어떤 다양한 형태의 기질 조합으로 될 수 있다. 동작시, 기질은 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템 내에 완전히 포함될 수 있다. 이 경우에, 사용자는 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템의 마우스피스(mouthpiece)에 입김을 불어 넣을 수 있다. 택일적으로, 동작 중에 기질은 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템 내에 부분적으로 포함될 수 있다. 그 경우에, 기질은 개별 물품(article)의 일부를 형성할 것이고 사용자는 개별 물품에 직접 퍼프를 할 수 있다.
최소 하나 이상의 가열 소자는 단일 가열 소자를 포함할 수 있다. 택일적으로, 최소 하나 이상의 가열 소자는 하나 이상의 가열 소자를 포함할 수 있다. 가열 소자 또는 가열 소자들은 적당하게 배열될 수 있어서 가장 효율적으로 에어로졸-발생 기질을 가열한다.
바람직하게는 적어도 하나의 가열 소자는 전기적으로 저항성의 재료를 포함할 수 있다. 적절한 전기적 저항성의 재료는 도핑된 세라믹, 전기적으로 "도전성" 세라믹(예컨대 규산화 몰리브덴(molybdenum disilicide), 탄소, 그래파이트(graphite), 금속, 금속합금 및 세라믹과 금속재료의 합성물 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 그러한 합성물은 도핑되거나 도핑되지 않은 세라믹을 포함할 수 있다. 적당한 도핑된 세라믹의 예는 도핑된 실리콘 카바이드를 포함한다. 적당한 금속의 예는 티타늄(titanium), 지르코늄(zirconium), 탄탈(tantalum), 백금(platinum) 그룹으로부터 금속 등이다. 적당한 금속합금의 예는 스테인리스 스틸(stainless steel), 니켈-(nickel-), 코발트-(cobalt-), 크롬-(chromium-), 알루미늄-(aluminium-), 티타늄-(titanium-), 지르코늄-(zirconium-), 하프늄-(hafnium-), 니오브-(niobium-), 몰리브덴-(molybdenum-), 탄탈-(tantalum-), 텅스텐-(tungsten-), 주석-(tin-), 갈륨(gallium-), 망간-(manganese-) 및 철-포함 합금, 및 니켈, 철, 코발트, 스테인리스 스틸, Timetal® 및 철-망간-알루미늄 기초 합금에 기초한 초-합금 등을 포함한다. 합성물에서, 전기적으로 저항성의 재료는 요구되는 외부의 물리화학적인 특징 및 운동에너지 전환에 의존하여 택일적으로 내장될 수 있고, 캡슐화되거나 절연재료 또는 반대로 코팅될 수 있다. 적당한 혼합 가열 소자의 예는 US-A-5 498 855, WO-A-03/095688, 및 US-A-5 514 630에 개시된다.
택일적으로, 적어도 하나의 가열 소자는 예컨대 US-A-5 934 289에서 설명된 것처럼, 광자 소스(photonic source)인 적외선 가열 소자 또는 US-A-5 613 505에서 설명된 것처럼, 유도의 가열 소자를 포함할 수 있다.
최소 하나 이상의 가열 소자는 어떤 적당한 형태를 취할 수 있다. 예컨대, 최소 하나 이상의 가열 소자는 US-A-5 388 594, US-A-5 591 368 및 US-A-5 505 214에 설명된 것처럼 가열 브레이드(blade)의 형태를 취할 수 있다. 택일적으로, 적어도 하나의 가열 소자는 EP-A-1 128 741에 설명된 것처럼, 케이스 또는 다른 전극-도전성 부분을 갖는 기질의 형태를 취하거나 WO-A-2007/066374에 설명된 것처럼 전기적으로 저항성 금속 튜브의 형태를 취할 수 있다. 에어로졸-형성 기질이 컨테이너 내에서 액체를 제공하고, 컨테이너는 처분할 수 있는 가열 소자를 포함할 수 있다. 택일적으로, KR-A-100636287, JP-A-2006320286에서 설명된 것처럼 에어로졸-형성 기질의 중심을 관통하는 하나 이상의 가열 바늘 또는 막대가, 또한 적당할 것이다. 택일적으로, 적어도 하나의 가열 소자는 디스크 (종단) 히터 또는 가열 바늘 또는 막대와 디스크 히터의 조합일 수 있다. 다른 택일적인 것은 EP-A-1 736 065에서 설명된 것처럼, 예컨대 니켈-크롬, 백금, 텅스텐 또는 합금 와이어(wire)인 가열 와이어 또는 필라멘트 또는 가열 플레이트(plate)를 포함할 수 있다. 택일적으로, 가열 소자는 단단한 캐리어 재료 위에 또는 내에 증착될 수 있다.
적어도 하나의 가열 소자는 히트 싱크(heat sink) 또는 열을 흡수하고 저장할 수 있는 재료를 포함하는 열 저장기(heat reservoit)를 포함하고 그 결과 에어로졸-형성 기질에 초과 시간 열을 방출한다. 적당한 히트 싱크는 EP-A-0 857 431, US-A-2006/118128 및 WO-A-2008/015441에서 설명된다. 히트 싱크는 적당한 금속 또는 세라믹 재료와 같은 어떤 적당한 재료로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 재료는 높은 열용량(heat capacity)(민감한 열 저장 재료)을 갖고, 또는 높은 온도의 상변화처럼 가역과정을 통해서 열을 흡수하고 순차적으로 방출할 수 있는 재료이다. 적당히 민감한 열 저장 재료는 실리카 겔(silica gel), 알루미나(alumina), 탄소, 글라스 매트(glass mat), 유리 섬유(glass fibre), 미네랄, 종이 같은 셀룰로오스 재료 및 알루미늄, 은, 또는 납과 같은 금속 또는 합금이다. 가역 상변화를 통해 열을 방출하는 그 밖의 적당한 재료는 파라핀(paraffin), 아세트산나트륨(sodium acetate), 나프탈렌(naphthalene), 왁스(wax), 산화 폴리에틸렌(polyethylene oxide), 금속, 금속염(metal salt), 공융 염(eutectic salt) 또는 합금의 혼합물 등을 포함한다.
EP-A-0 857 431에서 설명된 것처럼, 히트 싱크 또는 열 저장기가 에어로졸-형성 기질과 직접 접촉(contact)되도록 배열될 것이고 기질에 직접 저장된 열을 전달할 수 있다. 택일적으로 WO-A-2008/015441에 설명된 금속 튜브처럼, 히트 싱크 또는 열 저장기에 저장된 열은 열 컨덕터에 의해서 에어로졸-형성 기질에 전달될 수 있다.
적어도 하나의 가열 요소가 컨덕션(conduction)에 의해서 에어로졸-형성 기질을 가열할 수 있다. 가열 소자는 기질과 최소한 부분적으로 접촉하거나, 기질에 캐리어가 적층된다. 택일적으로, 가열 소자로부터 열은 열 전도 요소(heat conductive element)에 의해 기질에 전도될 수 있다.
택일적으로, 적어도 하나의 가열 소자는 사용 동안에 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 통해 유입된 주위 공기에 열을 전달할 것이고, 이는 차례로 대류에 의해 에어로졸-형성 기질을 가열한다. WO-A-2007/066374에서 설명된 것처럼, 에어로졸-형성 기질을 통과하기 전에 주위 공기가 가열될 수 있다. 택일적으로, 만약 에어로졸-형성 기질이 액체 기질이면, WO-A-2007/078273에서 설명된 것처럼 주위 공기가 먼저 기질을 통해 들어오고 그 다음 가열된다.
바람직하게는, 파워 서플라이의 2개 이상의 초고용량 커패시터는 2개 이상 초고용량 커패시터 그룹으로 배열되고, 각 그룹은 하나 또는 직렬로 연결된 2개 이상의 초고용량 커패시터를 포함하고, 충전 모드에서 2개 이상의 초고용량 커패시터 그룹은 서로 병렬로 연결되며, 가열 모드에서 2개 이상의 초고용량 커패시터 그룹은 서로 직렬로 연결된다. 2개 이상의 초고용량 커패시터는 2, 3, 4, 5, 6개 또는 그 이상의 초고용량 커패시터 또는 그 밖의 어떤 적당한 수의 초고용량 커패시터를 포함할 수 있다. 적당한 수의 초고용량 커패시터는 요구되는 전압에 따라 각각의 그룹에서 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 시스템은 사용자가 담배를 한번 퍼프(puff)하는 것을 나타내는 공기 흐름을 검출하는 센서를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 그 센서는 한 번의 퍼프가 검출된 때 충전 모드 및 가열 모드 사이의 전환(switching)을 위해, 적어도 하나 이상의 스위치와 연결된다.
센서는 전기-기계적인 장치일 수 있다. 택일적으로, 센서는 기계적인 장치, 광학 장치, 광-기계적인 장치 및 마이크로 전자-기계 시스템(micro electro mechanical system ; MEMS)에 기초한 센서이다. 일 실시예에서, 바람직하게는 센서는 파워 서플라이와 연결되고 시스템은 센서가 사용자의 한 번의 퍼프를 감지한 때 가열 모드로 스위치를 전환하도록 배치된다. 한 번의 퍼프가 검출된 때, 높은 에너지 펄스가 가열 소자를 위해 요구된다. 초고용량 커패시터는 그때 가열 소자를 통해서 방전될 것이고, 따라서 요구되는 높은 전류 펄스가 생성된다.
택일적 실시예에서, 시스템은 사용자가 한 번의 퍼프를 시작하기 위해, 수동으로 작동할 수 있는 스위치를 더 포함한다.
일 실시예에서, 시스템은 가열 모드 동안 사용자가 한번 이상의 퍼프를 하도록 설계되고, 스위치가 각각의 퍼프 동안 하나 이상의 가열 소자를 통해 오직 부분적으로 방전하는 2개 이상의 초고용량 커패시터로 배치된다.
바람직하게는, 하나 이상의 스위치가 고체-상태(solid-state) 스위치이다. 바람직하게는 하나 이상의 고체-상태 스위치는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor) 스위치이다. 택일적으로, 하나 이상의 고체-상태 스위치는 그 밖의 어떤 형태의 FET(field-effect-transistor)스위치이다. 특히 이로운점은 이런 스위치가 닫힌 때(closed), 가열 소자의 저항과 비교해서 매우 낮은 저항을 갖을 수 있다는 것이다.
바람직하게는, 시스템은 사용자에 의해 유지되어지도록 디자인되고 에어로졸-형성 기질을 수요할 수 있는 하우징을 더 포함한다.
바람직한 일 실시예에서, 전압 소스는 DC 전압 소스이다. 일 실시예에서, 전압 소스는 리튬-이온 배터리이다. 택일적으로, 전압 소스는 니켈-금속 하이브리드 배터리 또는 니켈 카드뮴 배터리일 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 2개 이상의 초고용량 커패시터는 전기화학적으로 이중층(double layer) 초고용량 커패시터이다. 다른 바람직한 실시예에서, 2개 이상의 초고용량 커패시터는 나노다공성(nanoporous) 재료를 포함하는 초고용량 커패시터이다. 택일적 실시예에서, 2개 이상의 초고용량 커패시터가 전기화학적인 이중층 초고용량 커패시터와 나노다공성 재료를 포함하는 초고용량 커패시터의 조합을 포함할 수 있다.
US-A-5 388 594 또는 WO-A-2004/043175의 시스템과 관련하여 설명된 특징은 본 발명의 시스템으로 통합될 수 있다.
본 발명의 두번째 측면에 따르면, 전기적으로 에어로졸-형성 기질을 가열하는 방법을 제공하고, 그 방법은 에어로졸을 형성하기 위해 기질 가열을 위한 적어도 하나의 가열 소자를 제공하는 단계; 전압 소스, 2개 이상의 초고용량 커패시터, 및 전압 소스와 2개 이상의 초고용량 커패시터 사이의 스위치를 포함하는, 적어도 하나의 가열 소자에 전력을 공급하기 위한, 파워 서플라이를 제공하는 단계; 충전 모드 동안에, 전압 소스에 의한 충전을 위해, 2개 이상의 초고용량 커패시터가 적어도 부분적으로, 서로 병렬로 연결되도록 스위치를 스위칭하는 단계; 및 가열 모드 동안에, 최소 하나 이상의 가열 소자를 통해 방전을 위해, 2개 이상의 초고용량 커패시터가 서로 직렬로 연결되도록 스위치를 스위칭하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 2개 이상의 초고용량 커패시터가 2개 이상의 초고용량 커패시터 그룹으로 배열되고, 각 그룹은 하나의 초고용량 커패시터 또는 직렬로 연결된 2개 이상의 초고용량 커패시터를 포함하고, 충전 모드 동안에 2개 이상의 초고용량 커패시터 그룹이 서로 병렬로 연결되고 가열 모드 동안에 2개 이상의 초고용량 커패시터 그룹이 서로 직렬로 연결된다. 적당한 수의 초고용량 커패시터가 요구되는 전압에 따라 각각의 그룹에서 사용될 수 있다.
바람직하게는 하나 이상의 스위치는 고체-상태 스위치이다. 바람직하게는, 각각의 고체-상태 스위치가 MOSFET스위치이다. 본 발명의 일 측면과 관련하여 설명된 특징은 본 발명의 다른 측면에서 응용될 수 있다.
도 1은 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이의 제 1 실시예를 나타낸 도면,
도 2는 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이의 제 2 실시예를 나타낸 도면,
도 3은 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이의 제 3 실시예를 나타낸 도면,
도 4는 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이의 제 4 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이의 제 2 실시예를 나타낸 도면,
도 3은 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이의 제 3 실시예를 나타낸 도면,
도 4는 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이의 제 4 실시예를 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 살펴본다.
앞서 설명된 것처럼, 공지의 전기적 흡연 시스템은 전형적으로 전력원으로써 배터리를 사용한다. 기질을 가열하기 위해 제어 전자장치 및 히터에 전원을 공급한다. WO-A-2004/043175에서 설명된 전기적 흡연 시스템에서, 3개 리튬-이온(Li-ion) 셀(각각은 대략 3.7 V)은 11.1 V 배터리 공급을 제공하기 위해 직렬로 연결된다. 이런 높은 전압은 특히나 각각의 퍼프 동안 요구되는 높은 전압 펄스를 위해, 히터에 필요한 전력을 공급하기 위해서 요구된다.
비록 리튬-이온 셀이 높은 에너지 밀도를 갖더라도, 높은 전류 소산이 짧은 버스트(burst)에서 필요해지는 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템과 같은, 높은 전력 응용에서는 특히 효율적이지 않다. 3개 셀의 내부 저항은 높은 전류 로드(load)로 현저한 전압 강하를 초래한다. 추가적으로, 3개 셀이 직렬로 연결됨으로써, 셀이 최대 정격 전압을 초과하지 않는 것을 보장하기 위해서 어떤 추가적인 전기 회로가 요구된다. 더욱이, 요구된 3개의 리튬-이온 셀은 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템이 요구된 것보다 더 커지는 것을 의미한다.
이미 설명했던 것처럼, 본 발명은 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 새로운 파워 서플라이를 제공하고, 이는 초고용량 커패시터의 사용으로 구현된다. 또한 초고용량 커패시터(supercapacitor)는 울트라커패시터(ultracapacitor)로 언급될 수 있다.
초고용량 커패시터가 작은 부피이면서 큰 용량(capacity)을 갖는 특정 형태의 커패시터이다. 초고용량 커패시터는 표준 커패시터랑 비교했을 때 매우 높은 에너지 밀도를 갖는다. 가장 흔한 형태의 초고용량 커패시터는 전기화학적인 이중층 초고용량 커패시터이다("EDL 초고용량 커패시터"로 언급함). 유전체를 사용하는 대신에 그것으로, EDL 초고용량 커패시터는 컨택에 2개 층과, 이중층의 도전 재료를 포함한다. 비록 각 층이 도전성이더라도, 2개 층 사이의 인터페이스는 절연된다. 그런 EDL 초고용량 커패시터가 전형적으로 셀당 대략 2.5V를 제공한다. 그러나, EDL 초고용량 커패시터가 대체로 높은 내부 저항을 갖는 경향이 있다. 다른 한편, 전형적인 절연 분리층(barrier) 대신에 나노다공성의 재료를 사용하는 초고용량 커패시터("나노다공성 초고용량 커패시터"로써 언급함), 예컨대 Nanotecture Limited에 의해서 만들어진 것은, 셀당 대략 1.4V의 전압을 갖지만, 작은 내부 저항에 대한 잠재력을 갖는다. 초고용량 커패시터는 표준 커패시터와 동일한 방전 특성을 갖는다. 그러나. 나노다공성 초고용량 커패시터가 많은 방전 상(phase)에서 전압을 유지하는 경향이 있다.
도 1은 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이(101)의 제 1 실시예를 도시한다. 서플라이(101)는 3.7V의 전압을 제공하는 싱글 리튬-이온 셀(103) 및 스택을 형성하는 직렬 연결된 4개 EDL 초고용량 커패시터(105)(각각은 2.5V)를 포함한다. 초고용량 커패시터(105)를 가로지른 전압(총 10V)이 셀(103) 양단의 전압보다 더 높기 때문에, 전압 셋-업 회로(107)이 또한 요구된다. 도 1에 도시된 것처럼, 비록 파워 서플라이 자체의 일부가 아닐지라도, 저항(109)이 기질을 가열하기 위해 가열 소자를 형성한다. 이런 실시예에서, 4개의 2.5V EDL 초고용량 커패시터 각각은 스택에서 사용된다. 그러나, 이는 각각 1.4V의 7개 또는 8개 나노다공성의 초고용량 커패시터에 의해서 대체될 수 있다.
충전 동안에, 스위치(S1)는 닫히고 초고용량 커패시터(105)가 충전된다. 충전 후에, 스위치(S1)는 개방될 수 있다. 퍼프를 위해 높은 전력 펄스가 필요할 때, 스위치(S2)가 닫히고 스위치(S1)은 개방되어 있다. 그 다음, 초고용량 커패시터가 저항(109)을 통해 방전되고, 저항(109)를 통해서 요구되는 높은 전류를 제공한다. 일련의 높은 전력 펄스가 요구되면, 스위치(S2)가 반복적으로 단락(closed)되고 개방(opened)될 것이고, 각각의 펄스에 대한 부분적 방전이 허용될 수 있다.
도 1에서, 스위치(S1 및 S2)는 퍼프 검출 및 제어 시스템의 제어하에 있다. S1(초고용량 커패시터를 충전하기 위해)는 커패시터 전하 컨트롤러(113)에 의해서 제어되고, S2(저항을 통해 초고용량 커패시터를 방전하기 위해)는 에너지 전달 프로토콜(energy delivery protocol; 115)에 의해서 제어된다. 스위치(S3)는 퍼프를 시작하기 위해 사용되는 스위치이다. 이는 퍼프를 감지 또는 수동으로 동작가능한 스위치를 위한 센서일 수 있다.
도 1 배치의 이점 중 하나는 오직 싱글 리튬-이온 셀(103)이 요구된다는 것이다. 이는 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템의 크기를 상당히 줄여준다. 그러나, 전압 스텝-업 회로(107)에서, 초고용량 커패시터를 충전하는 동안에 필요한 높은 전류 로딩을 조화(match)하기 위해서는 큰 인덕터 코일이 요구된다. 이는 오직 하나의 리튬-이온 셀이 있기 때문에 크기에서 어떤 감소를 보상한다. 추가적으로, 전압 스텝-업 회로의 효율은 80% 이상이 되기가 쉽지 않다.
도 2는 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이의 제 2 실시예를 도시한다. 파워 서플라이(201)는 사용자에 의해서 잡히는 부분에 통합되는 회로(203)을 포함하고, 외부 DC 전압 소스(205)를 더 포함한다. 회로(203) 및 전압 소스(205)는 5V의 전압을 제공한다. 회로는 스택을 형성하고 직렬 연결된 한 그룹의 2개 EDL 초고용량 커패시터(211)(각각은 2.5V, 전체는 5V 이상), 스위치(S1 및 S2)를 포함한다. 또한 도 2에 도시된 것처럼, 비록 파워 서플라이 자체의 실제적 일부는 아니라도, 저항(213)은 가열 소자를 형성한다. 도 1에서처럼, 스위치(S1 및 S2)는 퍼프 검출 및 제어 시스템(215)의 제어하에 있다. S1(초고용량 커패시터를 충전하기 위해)는 커패시터 전하 컨트롤러(217)에 의해서 제어되고, S2(저항을 통해 초고용량 커패시터를 방전하기 위해)는 에너지 전달 프로토콜(219)에 의해 제어된다. 스위치(S3)는 퍼프를 시작하기 위해 사용되고 센서일 수 있거나 수동으로 동작가능한 스위치일 수 있다.
충전하는 동안, 커넥터(207 및 209)는 전기적으로 컨택해 있고, 스위치(S1)는 닫히고 초고용량 커패시터(211)는 충전된다. 퍼프가 요구되면, 커넥터(207 및 209)는 연결이 끊어진다. 사용자가 퍼프를 흡입할 때, 스위치(S2)가 닫히고 스위치(S1)는 개방된다. 그 후에, 초고용량 커패시터가 가열 소자를 통해 방전한다.
도 2에서, 전압 스텝-업 회로(107)가 필요하지 않다. 이는 초고용량 커패시터의 전압이 DC 전압 소스(205)와 조화(match)되기 때문이다. 도 2 배치의 이점은 복수의 셀도 전압 스텝-업 회로도 요구되지 않기 때문에 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템의 크기가 줄어들 수 있다는 것이다. 비록 도 2는 회로(203) 및 외부 전압 소스(205)를 도시하더라도, 그것은 사용자에 의해 잡히는 부분에 통합되는 전압 소스를 위해 가능하다.
도 3은 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이의 제 3 실시예를 도시한다. 파워 서플라이(301)는 3.7V의 전압을 제공하는 단일 리튬-이온 셀(303)의 형태인 DC 전압 소스, 제 1 스택을 형성하면서 직렬로 연결된 3개 나노다공성 초고용량 커패시터(305)(전체 4.2V 이상)의 제 1 그룹 및 제 2 스택을 형성하면서 직렬로 연결된 3개 나노다공성 초고용량 커패시터(307)(전체 4.2V 이상)의 제 2 그룹으로 형성된 2개 이상의 초고용량 커패시터를 포함한다. 또한 회로는 스위치(S1 내지 S5)를 포함한다. 도 3에 도시된 것처럼, 비록 파워 서플라이 자체의 실제적 일부는 아닐지라도, 저항(309)이 기질을 가열하기 위한 가열 소자를 형성한다. 일 실시예에서, 각각 1.4V인 3개 나노다공성 초고용량 커패시터는 각 스택에서 사용된다. 그러나, 이는 각각 2.5V인 2개 EDL 초고용량 커패시터에 의해서 대체될 수 있다. 도 3에서, 스위치(S1 내지 S5)는 디지털 컨트롤러(311)의 제어하에 있다. 스위치(S6)는 퍼프를 시작하기 위해 사용되고, 센서일 수 있거나 수동으로 작동가능한 스위치일 수 있다.
충전 동안에, 스위치(S4 및 S5)는 개방되고 스위치(S1, S2 및 S3)는 닫힌다. 따라서 2개 초고용량 커패시터 스택(305 및 307)는 병렬로 연결된다. 충전 후에, S1 및 S2는 개방될 수 있다. 높은 전력 펄스가 퍼프를 위해 요구될 때, 스위치(S3)는 개방되고 스위치(S4 및 S5)는 닫히고, 반면에 스위치(S1 및 S2)는 여전히 열린 상태로 있다. 그 후에, 초고용량 커패시터 스택(305 및 307)은 직렬로 연결되고, 그래서 저항(309)를 통해서 직렬로 방전되며, 따라서 저항(309)를 통해 요구되는 높은 전류를 제공한다. 만약 일련의 높은 전력 펄스가 요구되면, 스위치(S5)는 반복적으로 단락 및 개방될 수 있고, 각각의 펄스에 대해 부분적인 방전을 허용할 수 있다. 초고용량 커패시터가 퍼프 사이에서 다시 충전될 수 있다. 택일적으로, 초고용량 커패시터는 각각의 퍼프 동안에 오직 부분적으로 방전될 수 있어, 재충전이 요구되기 전에 다수의 퍼프가 이뤄질 수 있다.
스택(305 및 307)이 병렬로 충전되기 때문에, 예컨대 각각의 스택은 대략 3.7V인 오직 리튬-이온 셀(303)의 것과 동일한 전압 주변으로 충전되는 것이 오직 필요하다. 그러나 스택이 방전을 위해 직렬로 연결될 때, 2 스택을 가로지르는 전압은 리튬-이온 셀의 것에 두 배로 대략 7.4V이다. 따라서, 요구되는 높은 전압은 전압 스텝-업 회로 없이도 높은 전력 펄스를 위해 제공될 수 있다. 각각의 스택이 전체 셀 전압보다 적게 충전될 수 있다. 물론, 필요하다면 추가적인 스택이 제공될 수 있거나, 스택 대신에 개별 초고용량 커패시터가, 적당하다면 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서, 모든 스위치(S1 내지 S5)는 MOSFET 스위치이다. 이런 형태의 스위치와 시제 그 밖의 고체-상태 스위치는, 닫힌 때에 무시할 수 있는 저항을 가지기 때문에 장점이 있다.
도 4는 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 파워 서플라이의 제 4 실시예를 도시하고, 파워 서플라이(401)는 사용자에 의해서 유지되어지는 부분으로 통합되는 회로(403) 및 외부 충전기(charger)(405)를 포함한다. 회로(403)는 충전기(405)와의 연결을 위한 커넥터(407), 제 1 스택을 형성하면서 직렬로 연결된 3개 나노다공성 초고용량 커패시터(409)(전체 4.2V 이상)의 제 1 그룹 및 제 2 스택을 형성하면서 직렬로 연결된 3개 나노다공성 초고용량 커패시터(411)(전체 4.2V 이상)의 제 2 그룹으로 형성된 2개 이상의 초고용량 커패시터를 포함한다. 또한 회로(403)는 스위치(S4 및S5)를 포함하고, 스위치(S4 및 S5)는 디지털 컨트롤러(413)에 의해 제어된다. 스위치(S6)는 퍼프를 시작하기 위해 사용되는 스위치이고, 센서일 수 있거나 수동으로 작동가능한 스위치일 수 있다. 도 4에 도시된 것처럼, 비록 파워 서플라이 자체의 실제적인 일부가 아닐지라도, 저항(421)은 기질을 가열하기 위한 가열 소자를 형성한다. 충전기(405)는 회로(403)와의 연결을 위한 커넥터(415), 전하 컨트롤러(417), 전압 서플라이(419)(이 경우에 5V) 및 전하 컨트롤러(417)의 제어하에 있는 스위치(S1, S2 및 S5)를 포함한다. 또한 충전기(405)는 충전기가 동작할 때 스위치가 켜지는 발광 다이오드(D1)를 포함한다.
퍼프 사이에서, 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템은 충전될 수 있다. 따라서, 시스템은 충전기와 연결될 수 있고 커넥터(407 및 415)는 전기적으로 컨택해 있다. 그 시간 동안, 스위치(S1, S2 및 S3)는 닫히고 초고용량 커패시터(409 및 411)는 병렬로 충전된다. 퍼프가 요청되면, 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템이 충전기로부터 제거됨으로써, 커넥터들 407 및 415는 연결이 끊어진다. 사용자가 시스템을 통해 공기를 흡입할 때, 또는 다른 프롬프트(prompt)에서, 컨트롤러(413)는 스위치(S4 및 S5)를 닫고, 초고용량 커패시터(409 및 411)가 가열 소자(421)를 통해 직렬로 방전하도록 한다.
따라서, 도 4의 배치는 도 3의 초고용량 커패시터 배치를 사용하지만, 많은 필요한 회로를 외부 충전기로 이동함으로써 크기가 훨씬 더 줄어드는 시스템을 허용한다.
물론 본 발명은 사용된 전체 초고용량 커패시터의 수, 초고용량 커패시터의 배치(개별적으로 또는 스택으로), 초고용량 커패시터의 종류, 및 서플라이 전압을 하나 이상 변화시켜서 간단히 다른 전압을 위해 사용될 수 있다. 더욱이, 스위치(S1 및 S2)는 개별 초고용량 커패시터의 최대 정격을 초과하지 않는 충전 전압을 보장하기 위해 전압을 감시하기 위해 사용될 수 있다. 또한, S1 및 S2는 서플라이 전압보다 낮은 전압으로 스택을 충전하기 위해서 사용될 수 있다.
설명한 것처럼, 본 발명은 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템을 위한 효율적인 파워 서플라이를 제공한다. 초고용량 커패시터는 낮은 내부 저항, 높은 효율, 높은 출력 전력 및 낮은 가열 레벨 및 결과적으로 안전성처럼 배터리 이상의 다수의 장점을 제공한다.
Claims (1)
- 사용자에 의해 유지되어지는 부분(a portion to be held by a user);
외부 충전 부분(an external charging portion); 그리고
복수의 스위치들(switches)을 포함하되,
사용자에 의해 유지되어지는 부분은,
에어로졸을 형성하도록 기질을 가열하기 위한 적어도 하나의 가열소자(heating element); 및
적어도 하나의 가열소자에 전력(power)를 공급하기 위한 파워 서플라이(power supply)를 포함하고,
파워 서플라이는,
2개 이상의 초고용량 커패시터들(supercapacitors)을 포함하고,
외부 충전 부분은,
전압 소스(voltage source)를 포함하고,
상기 복수의 스위치들은,
전압소스와 2개 이상의 초고용량 커패시터들 사이에서,
전압 소스에 의한 충전을 위해, 충전 모드 동안에 2개 이상의 초고용량 커패시터들이 적어도 부분적으로 서로 병렬로 연결되고,
적어도 하나의 가열 소자를 통한 방전을 위해, 가열 모드 동안에 2개 이상의 초고용량 커패시터들이 서로 직렬로 연결되도록 조정되고(arranged),
사용자에 의해 유지되어지는 부분은,
가열 모드 동안에 2개 이상의 초고용량 커패시터들을 연결하는데 필요한, 상기 복수의 스위치들 중의 적어도 몇몇의 스위치들을 포함하고,
외부 충전 부분은,
충전 모드 동안에 2개 이상의 초고용량 커패시터들을 연결하는데 필요한, 상기 복수의 스위치들 중의 적어도 몇몇의 스위치들을 포함하고,
사용자에 의해 유지되어지는 부분과 외부 충전 부분이 충전 모드 동안에 서로 전기적으로 연결되고, 가열 모드 동안에 서로로부터 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 에어로졸-형성 기질을 수용하기 위한 전기적으로 가열된 에어로졸 발생 시스템.
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