KR102044697B1 - 전자 증기 프로비전 시스템 - Google Patents

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Abstract

전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛은 증기를 생성하는데 사용되는 히터에 전력을 제공하기 위한 배터리를 포함한다. 배터리는 리튬 인산철 배터리이다. 배터리는 배터리가 방전되는 동안 대략 일정한 전압 레벨로 유지되는 출력 전압을 제공한다.

Description

전자 증기 프로비전 시스템
본 발명은 전자 증기 프로비전 시스템, 예를 들어, 전자 담배(e-cigarette) 및 그러한 시스템을 위한 제어 유닛에 관한 것이다.
전자 담배들 및 다른 전자 니코틴 전달 시스템들과 같은 전자 증기 프로비전 시스템들은 일반적으로 기화될 액체, 일반적으로 니코틴의 저장소를 제공하기 위한 카트리지를 포함한다. 사용자가 디바이스를 흡입할 때, 제어 유닛은 히터에 전력을 제공하도록 배터리를 동작시킨다. 이는, 히터를 활성화시켜 소량의 액체를 기화시키며, 이는 그 후 사용자에 의해 흡입된다.
따라서, 이러한 유형의 전자 담배는 일반적으로 2개의 소모품들, 첫째로, 기화될 액체 및 둘째로, 배터리의 전력을 포함한다. 기화될 액체와 관련하여, 일단 액체의 저장소가 소진되면, 카트리지를 포함하는 디바이스의 적어도 일부가 폐기되어 새로운 카트리지로의 교체를 허용할 수 있다. 배터리의 전력과 관련하여, 전자 담배는 보통, 외부 충전 디바이스로부터 전력을 수신하기 위한 어떤 형태의 전기 커넥터를 제공하고, 그리하여 전자 담배에 관한 배터리가 재충전되도록 허용한다.
대부분의 전자 담배들은, 전자 담배들뿐 아니라, 매우 광범위한 범위의 디바이스들에서 발견되는 재충전 가능 리튬 이온 배터리들(또는 셀들)에 의해 전력이 공급된다. (주의: "배터리" 및 "셀"이라는 용어들은, 전자 담배 내의 제한된 공간으로 인해 그러한 전자 담배의 배터리가 보통 단지 하나의 셀을 포함하기 때문에, 본원에서 상호-교환 가능하게 사용될 것임.) 종래의 (흔히 사용되는) 리튬 이온 배터리들은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)로 제조된 캐소드에 기초하고, 이 배터리들이 방전됨에 따라 하락(decline)(예를 들어, 완전히 충전될 때의 약 4.2V로부터, 완전히 고갈되기 전의 약 3.0V에 이르기까지, 즉 약 28%의 하락)하는 경향이 있는 전압 출력을 생성한다. 또한, 주어진 발열 레지스터(heating resistor)(R)에 걸친 전력 출력은 V2/R를 따르기 때문에, 이는 일반적으로, (3.0V의 전압의) 최종 동작 전력 출력이 (4.2V의 전압의) 초기 전력 출력의 단지 52%가 되도록 전력 출력에서의 대응하는 강하가 존재한다는 것을 암시한다. 이에 따라, 완전 충전된 상태에서 거의 방전되기까지, 배터리에 의해 히터에 공급하는 전력의 이러한 변화는, 기화되고 그에 따라 사용자에 의해 흡입되는 액체의 양에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
기존의 전자 담배들은 방전 사이클에 걸쳐 배터리에 의해 공급되는 전력의 이러한 변동에 대처하기 위해 다수의 기술들을 채택하였다. 예를 들어, 일부 디바이스들은 배터리가 3.0V로 떨어지기 전에(예를 들어, 3.6V의 배터리 출력 전압에서) 스스로 셧 다운(shut down)될 수 있다. 이는 출력 전력의 변동을 감소시킨다(최종 동작 전력 출력은 이제, 3.6V 컷-오프에 대해 최대 값의 약 73%임). 다른 한편, 배터리 내에 저장된 에너지의 일부는 이용하는데 더 이상 사용 가능하지 않으며, 이는, 다음에 재충전할 필요 없이 디바이스가 동작될 수 있는 시간을 감소시킨다.
다른 디바이스들은 배터리로부터 부가적인 전하를 저장하도록 커패시터를 이용한다. 적합한 스위칭에 의해, 커패시터는 그 후 부가적인(임시) 전력 소스로서 사용되어 배터리로부터 사용 가능한 전압을 보충할 수 있다. 이로써, 커패시터로부터의 이러한 보충 전력(전압)은 방전 사이클의 후반 스테이지들에서 배터리로부터 이용 가능한 감소된 전압을 보상하는 것을 도울 수 있다.
다른 접근법은 전력이 배터리로부터 일련의 직사각형 펄스들로서 공급되는 PWM(pulse width modulation) 방식을 사용하는 것이다. 각각의 펄스의 지속기간(폭)이 P이고 하나의 펄스의 끝에서 다음 펄스의 시작까지의 펄스 간격이 I인 경우, 우리는 PWM 듀티 사이클(D)을 D = P/(P + I)로서 정의할 수 있다. 듀티 사이클은 펄스 폭(P)이 0이 됨에 따라 제로가 되는데, 즉, 이 경우에, 배터리는 사실상 전력을 공급하지 않는다. 반대로, 듀티 사이클은 펄스 간격(I)이 0이 됨에 따라 1이 되는데, 즉 이 경우에, 배터리는 사실상 연속적인(변조되지 않은) 전력을 공급한다. 배터리로부터의 전압 출력이 V인 경우(여기서, 3.6 < V < 4.2임), 우리는 유효 전압 출력(DV)이 일정한 값, 예를 들어, 3.6V를 갖도록 듀티 사이클(D)을 세팅할 수 있다. 특히, 배터리로부터의 현재 전압 출력이 V = 3.6인 경우, 즉 배터리가 거의 고갈된 경우, PWM은 D = 1이 되도록 세팅되는 반면에, 배터리로부터의 현재 전압 출력이 V = 4.2인 경우, 즉 배터리 완전 충전된 경우, PWM은 D = 0.857이 되도록 세팅된다(배터리 출력 전압의 중간 값들에 대해 적절한 D의 중간 값들을 가짐).
배터리로부터의 전압의 출력을 제어하기 위한 PWM 방식은, (특히, 배터리 전압 출력의 변동을 보상하기 보다는) 보다 일반적인 제어 목적들을 위해 사용될 수 있다는 것에 주의한다. 예를 들어, 히터 전력 출력은 예컨대, 어떤 형태의 온도계를 사용함으로써 또는 히터에 공급되는 전류 및/또는 전압을 전기적으로 모니터링함으로써 측정될 수 있다. 그 후, PWM 듀티 사이클은 히터로부터 원하는 출력 온도를 획득하기 위해 제어될 수 있다. 그러한 제어 시스템은 다른 전위 변동들(예컨대, 외부 온도, 기화될 액체의 유형 등)과 함께 배터리 전압 출력의 변동들을 수용할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 또한, 그러한 제어 시스템은 배터리로부터의 유효 출력 전압 및 전력을 조절(regulate)하기 위해 (PWM이 아닌) 일부 다른 메커니즘을 사용할 수 있다.
배터리 출력 전압의 변동들을 수용하기 위한 기존의 방식들은 소정의 단점들이 있다. 예를 들어, 이들은 보통 전자 담배에서 부가적인 컴포넌트들을 요구하며, 이는 복잡성과 비용을 증가시킨다. 또한, PWM 시스템(또는 유사한 시스템)은 최저 배터리 출력 전압(v = 3.6)에 기초하여 전력을 제한할 수 있다. 즉, 더 높은 레벨들의 이용 가능한 배터리 출력 전압(예컨대, V = 4.2)에서, 이용 가능한 출력 전압은 (PWM 또는 다른 적합한 메커니즘에 의해) 감소되며, 이는 사실상 성능을 억제(choke back)한다. 따라서, 이러한 접근법은 사용자가 최대(full) 배터리 전압에서 디바이스의 동작을 경험하는 것을 방지한다.
본 개시는 첨부된 청구항들에서 정의된다.
전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛은 증기를 생성하는데 사용되는 히터에 전력을 제공하기 위한 배터리를 포함한다. 배터리는 리튬 인산철 배터리이다. 배터리는 배터리가 방전될 때 대략 일정한 전압 레벨로 유지되는 출력 전압을 제공한다.
이러한 제어 유닛을 포함하는 전자 증기 프로비전 시스템이 또한 제공된다.
본 발명의 다양한 실시예들은 이제 단지 예로써 다음의 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 전자 담배의 개략도(분해도)이다.
도 2는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 도 1의 전자 담배의 본체의 개략도이다.
도 3은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 도 1의 전자 담배의 카토마이저의 개략도이다.
도 4는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 도 1의 전자 담배의 소정의 전기 컴포넌트들의 개략도이다.
도 5 및 도 6은, 전자 담배들의 맥락에서 LFP 배터리(실선)의 소정의 동작 특성들을 흔히 사용되는 리튬 이온 배터리(파선)의 것들과 비교하는 개략적인 그래프들이다.
도 7, 도 8 및 도 9는 전자 담배의 시뮬레이팅된 사용 동안 사용된 용량에 대한 전압(상부 라인) 및 전류(하위 라인)를 도시하는 실험 데이터의 그래프들이다. 도 7에 대해, 시뮬레이팅된 사용은 배터리로부터 4A의 반복된 전류 펄스들을 드로우(draw)하는 것과 관련되고, 도 8 및 도 9에 대해, 시뮬레이팅된 사용은 배터리로부터 5A의 반복된 전류 펄스들을 드로우하는 것과 관련된다. 도 7 및 도 8에 대해, 배터리는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 리튬 인산철(LFP) 배터리이고; 도 9에 대해, 배터리는 리튬 망간 배터리이다. 모든 경우들에서, 배터리는 AA 폼 팩터를 갖는다.
위에서 설명된 바와 같이, 본 개시는 전자 담배와 같은 배터리-가동식 전자 증기 프로비전 시스템에 관한 것이다. 다음 설명을 전체에 걸쳐, "전자 담배" 라는 용어가 사용되지만; 이 용어는 전자 증기 프로비전 시스템과 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 이러한 전자 증기 프로비전 시스템은 예를 들어, (가열에 의한) 액체의 기화에 기초할 수 있고(여기서 액체는 니코틴을 포함함), 사용자는 그 후 니코틴을 포함한 결과적인 증기를 흡입한다. 다른 가능성은, 전자 증기 프로비전 시스템이 담배 식물들로부터 파생된 물질을 포함하는 것이다. 이 담배 물질은 임의의 적합한 형태(분말, 페이스트, 파쇄된 잎 물질 등)로 제공될 수 있다. 담배 물질은 가열되어 사용자가 흡입하기 위한 휘발성 물질들(volatiles)을 생성할 수 있다. 당업자는 증기를 생성하기 위해 물질(substance)을 가열하기 위해 본원에서 설명된 바와 같이 배터리 전력을 활용할 수 있는 다양한 다른 형태의 전자 증기 프로비전 시스템을 인식할 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전자 담배(10)의 개략도(분해도)이다(실척이 아님). 전자 담배는 대체로, 파선(LA)에 의해 표시된 종축을 따라 연장되는 원통 형상이고, 2개의 메인 컴포넌트들, 즉 본체(20) 및 카토마이저(cartomiser)(30)를 포함한다. 카토마이저는 액체의 저장소를 포함하는 내부 챔버, 기화기(예컨대, 히터) 및 마우스피스(35)를 포함한다. 저장소의 액체는 통상적으로 적절한 용제에 있는 니코틴을 포함하고, 예를 들어 에어로졸 형성을 보조하거나 그리고/또는 부가적인 향료(flavouring)를 위한 추가의 성분들을 포함할 수 있다. 저장소는, 액체가 기화기로 전달될 필요가 있을 그러한 시간까지 액체를 보유하기 위한 폼 매트릭스(foam matrix) 또는 임의의 다른 구조를 포함할 수 있다. 카토마이저(30)는 추가로, 저장소로부터 히터 상의 또는 그에 인접한 가열 위치로 소량의 액체를 이송하기 위한 심지(wick) 또는 유사한 설비를 포함할 수 있다. 제어 유닛(20)은 전자 담배(10)에 전력을 제공하기 위한 재충전 가능 셀 또는 배터리 및 전자 담배를 일반적으로 제어하기 위한 회로 보드를 포함한다. 히터가 회로 보드에 의해 제어되는, 배터리로부터 전력을 수신할 때, 히터는 심지로부터 액체를 기화시키고 이 증기는 그 후 마우스피스를 통해 사용자에 의해 흡입된다.
제어 유닛(20) 및 카토마이저(30)는 도 1에 도시된 바와 같이 전자 담배의 종축(LA)에 평행한 방향에서 분리함으로써 서로 분리 가능하지만, 디바이스(10)가 사용중일 때 베이어닛(bayonet) 또는 스크류 피팅(screw fitting)과 같이, 25A 및 도 25B로서 도 1에 개략적으로 표시된 연결부(connection)에 의해 함께 결합된다. 이러한 연결부는 본체(20)와 카토마이저(30) 사이에 기계적 및 전기적 연결성을 제공한다. 카토마이저에 연결하기 위해 사용되는 본체(20) 상의 전기 커넥터는 또한, 본체가 카토마이저(30)로부터 분리될 때 충전 장치(도시되지 않음)를 연결하기 위한 소켓으로서 역할을 할 수 있다. 충전 디바이스의 다른 단부는, 전자 담배의 제어 유닛에서 배터리를 재충전하도록 USB 소켓에 플러깅될 수 있다. 다른 구현들에서, 본체 상의 전기 커넥터와 USB 소켓 사이에 직접 연결을 위한 케이블이 제공될 수 있다. 다른 구현들에서, 제어 유닛에서의 배터리의 재충전은 전자 담배(10)의 팁 단부(225), 즉 마우스피스(35)에 대향하는 단부를 통해 수행될 수 있다.
제어 유닛에는 공기 입구를 위한 하나 또는 그 초과의 구멍들(도 1에 도시되지 않음)이 제공된다. 이들 구멍들은 제어 유닛을 통한 공기 통로를 커넥터(25)를 통해 제공된 공기 통로에 연결한다. 그 후, 이는 카토마이저(30)를 통과하는 공기 경로를 마우스피스(35)에 링크한다. 사용자가 마우스피스(35)를 통해 흡입할 때, 공기는 전자 담배의 외부 상에 적합하게 로케이팅되는 하나 또는 그 초과의 공기 입구 구멍들을 통해 제어 유닛 내로 드로우(drawn)된다. 이 공기흐름(또는 압력의 결과적인 변화)은 압력 센서에 의해 검출되며, 압력 센서는, 결국 히터를 활성화하여 (심지를 통해) 저장소로부터 액체를 기화시킨다. 공기흐름은 제어 유닛으로부터, 공기흐름이 증기와 결합하는 기화기를 통과하고, 공기흐름 및 (니코틴) 증기의 이러한 결합은 그 후 사용자에 의해 흡입되도록 카토마이저를 통과하고 마우스피스(35) 외부로 전달된다. 카토마이저(30)는 본체(20)로부터 분리되고 액체의 공급이 소진될 때 처분되고, 필요하다면 다른 카토마이저로 교체될 수 있다. (따라서, 카토마이저(30)는 때때로, 일회용(disposable) 컴포넌트로서 지칭될 수 있고, 제어 유닛(20)은 재사용 가능한 컴포넌트로서 지칭될 수 있음.)
도 1에 도시된 전자 담배(10)가 예로서 제시되고, 다양한 다른 구현들이 채택될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 카토마이저(30)는 2개의 분리 가능한 컴포넌트들, 즉 니코틴 저장소 및 마우스피스를 포함하는 카트리지(저장소로부터의 액체가 소진되었을 때 교체될 수 있음) 및 히터를 포함하는 기화기(일반적으로 유지됨)로서 제공된다. 다른 예로서, 충전 설비는 자동차 담배 라이터와 같은 부가적인 또는 대안적인 전력 소스에 연결될 수 있다.
도 2는 일부 실시예들에 따른, 도 1의 전자 담배의 제어 유닛(20)의 개략도(간소화도)이다. 도 2는 일반적으로 전자 담배의 종축(LA)을 통한 평면에서의 단면으로 간주될 수 있다. 본체의 소정의 컴포넌트들 및 세부사항들(예를 들어, 배선 및 더 복잡한 형상(shaping))은 명확성의 이유로 도 2에서 생략되었다는 것에 주의한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(20)은, 전자 담배(10)를 제어하기 위해 ASIC(application specific integrated circuit) 또는 마이크로제어기와 같은 칩이 장착되는 PCB(printed circuit board)(202) 뿐만 아니라, 전자 담배(10)에 전력을 공급하기 위한 배터리(210)를 포함한다. PCB(202)는 배터리(210)의 일 단부에 또는 옆에 포지셔닝될 수 있다. 도 2에 도시된 구성에서, PCB는 배터리(210)와 커넥터(25B) 사이에 로케이팅된다. 제어 유닛은 또한 마우스피스(35) 상의 흡입을 검출하기 위한 센서 유닛(215)을 포함한다. 도 2에 도시된 구성에서, 센서 유닛(215)은 배터리(210)와 팁 단부(225) 사이에 로케이팅되지만, 다른 구현들에서, 센서 유닛(215)은 (도 2에 도시된 바와 같이 또는 일부 다른 위치에 포지셔닝될 수 있는) PCB(202) 상에 또는 그에 인접하게 로케이팅될 수 있다. 이러한 흡입의 검출에 대한 응답으로, 센서 유닛(215)은 PCB(202) 상의 칩에 통지하고, 이는 차례로, 배터리(210)로부터 카토마이저의 히터로의 전력의 흐름을 개시한다.
제어 유닛(20)의 팁 단부(225)는 전자 담배의 원거리(말단) 단부를 밀봉하고 보호하기 위한 캡을 포함한다. 사용자가 마우스피스(35) 상에서 흡입할 때, 공기가 본체에 진입하고 센서 유닛(215)을 지나 흐르는 것을 허용하도록 캡에 또는 그에 인접하게 제공된 공기 입구 구멍이 있다. 따라서, 이 공기흐름은 센서 유닛(215)이 사용자 흡입을 검출하도록 허용한다. 일부 구현들에서, 팁 단부(225)에는 센서 유닛(225)에 의한 흡입 검출에 대한 응답으로, 칩에 의해 조명되는 LED(light emitting diode)와 같은 광(light)이 제공될 수 있다. 팁 단부(225)에는 또한(또는 대안적으로) 배터리(210)를 재충전하기 위한 부가적인 연결을 제공하기 위해 전기 콘택(electrical contact)(도 2에 도시되지 않음)이 제공될 수 있다.
팁 단부(225)로부터 본체의 대향하는 단부에는 제어 유닛(20)을 카토마이저(30)에 결합하기 위한 커넥터(25B)가 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 커넥터(25B)는 제어 유닛(20)과 카토마이저(30) 사이에 기계적 및 전기적 연결성을 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 커넥터(25B)는 카토마이저(30)에 대한 전기적 연결을 위한 하나의 단자(양 또는 음)로서 역할을 하도록 금속성(일부 실시예들에서, 은-도금됨)인 본체 커넥터(240)를 포함한다. 커넥터(25B)는 추가로, 제1 단자, 즉 본체 커넥터(240)와 반대 극성을 갖는, 카토마이저(30)에 대한 전기적 연결을 위한 제2 단자를 제공하도록 전기 콘택(250)을 포함한다. 커넥터(240)는 일반적으로 환형 링 형상을 갖는 반면에, 콘택(250)은 (전자 담배(10)의 종축(LA)에 대해 수직인 평면에서 볼 때) 이 링의 중심에 로케이팅된다.
전기 콘택(250)은 코일 스프링(255) 상에 장착된다. 제어 유닛(20)이 카토마이저(30)에 부착될 때, 카토마이저 상의 커넥터(25A)는, 코일 스프링을 축 방향, 즉 종축(LA)과 평행한(그에 상호정렬된) 방향으로 압축하는 방식으로 전기 콘택(250)을 푸시(push)된다. 스프링(255)의 탄성 성질을 고려하면, 이러한 압축은 스프링(255)을 팽창시키도록 편향시키며, 이는 전기 콘택(250)을 커넥터(25A)에 대해 단단하게 푸시하는 효과를 갖고, 그리하여 제어 유닛(20)과 카토마이저(30) 사이의 양호한 전기적 연결성을 보장하도록 돕는다. 본체 커넥터(240) 및 전기 콘택(250)은 2개의 전기 단자들 사이의 양호한 절연을 제공하기 위해 비-도체(예컨대, 플라스틱)로 제조된 트레슬(trestle)(260)에 의해 분리된다. 트레슬(260)은 커넥터들(25A 및 25B)의 상호 기계적 맞물림을 돕도록 성형된다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 1의 전자 담배의 카토마이저(30)의 개략도이다. 도 3은 일반적으로 전자 담배의 종축(LA)을 포함하는 평면에서의 단면으로 간주될 수 있다. 제어 유닛의 다양한 컴포넌트들 및 세부사항들(예를 들어, 배선 및 더 복잡한 형상)도 역시, 명확성의 이유로 도 3에서 생략되었다는 것에 주의한다.
카토마이저(30)는 마우스피스(35)로부터, 카토마이저를 제어 유닛(20)에 결합하기 위한 커넥터(25A)까지 카토마이저(30)의 중심(종) 축을 따라 연장되는 공기 통로(355)를 포함한다. (통상적으로 용제에 있는 니코틴을 포함하는) 액체의 저장소(360))가 공기 통로(335) 주위에 제공된다. 이러한 저장소(360)는 예를 들어, 액체에 담긴 면직물(cotton) 또는 폼(foam)을 제공함으로써 구현될 수 있다. 카토마이저는 또한, 전자 담배(10) 상의 사용자 흡입에 대한 응답으로, 공기 통로(355)를 통과하고 마우스피스(35)를 통해 밖으로 흐를 (니코틴-포함) 증기를 생성하도록 저장소(360)로부터의 액체를 가열하기 위한 히터(365)를 포함한다. 히터는 커넥터(25A)를 통해 배터리(210)의 반대 극성들(양극 및 음극, 또는 그 반대도 가능함)에 차례로 연결되는 라인들(366 및 367)을 통해 전력이 공급된다. (위에서 언급된 바와 같이, 전력 라인들(366 및 367)과 커넥터(25A) 사이의 배선의 세부사항들은 도 3에서 생략됨.)
커넥터(25A)는 은 도금되거나 일부 다른 적합한 금속으로 제조될 수 있는 내부 전극(375)을 포함한다. 카토마이저(30)가 제어 유닛(20)에 연결될 때, 내부 전극(375)은 카토마이저와 제어 유닛 간의 제1 전기 경로를 제공하도록 제어 유닛(20)의 전기 콘택(250)과 접촉한다. 특히, 커넥터들(25A, 25B)이 맞물림에 따라, 내부 전극(375)은 코일 스프링(255)을 압축하도록 전기 콘택(250)을 푸시하고, 그리하여 내부 전극(375)과 전기 콘택(250) 사이의 양호한 전기 콘택을 보장하도록 돕는다.
내부 전극(375)은 플라스틱, 고무, 실리콘 또는 임의의 다른 적합한 물질로 제조될 수 있는 절연 링(372)에 의해 둘러싸인다. 절연 링은 은 도금되거나 또는 일부 다른 적합한 금속 또는 도전성 물질로 제조될 수 있는 카토마이저 커넥터(370)에 의해 둘러싸인다. 카토마이저(30)가 제어 유닛(20)에 연결될 때, 카토마이저 커넥터(370)는 카토마이저와 제어 유닛 간의 제2 전기 경로를 제공하도록 제어 유닛(20)의 본체 커넥터(240)와 접촉한다. 즉, 내부 전극(375) 및 카토마이저 커넥터(370)는, 공급 라인들(366 및 367)을 통해 제어 유닛의 배터리(210)로부터 카토마이저의 히터(365)로 전력을 적절하게 공급하기 위한 양 및 음의 단자들(또는 그 반대도 가능함)로서 역할을 한다.
카토마이저 커넥터(370)에는 전자 담배의 종축으로부터 멀어지게 대향하는 방향들로 연장되는 2개의 러그들 또는 탭들(380A, 380B)이 제공된다. 이들 탭들은 카토마이저(30)를 제어 유닛(20)에 연결하기 위해 본체 커넥터(240)와 함께 베이어닛 피팅(bayonet fitting)을 제공하는데 사용된다. 이러한 베이어닛 피팅은 카토마이저(30)와 제어 유닛(20) 사이의 안전하고 견고한 연결을 제공하여서, 카토마이저 및 제어 유닛은 흔들림 또는 휘어짐 없이 서로에 대해 고정된 포지션에 유지되고, 임의의 우발적인 연결해제의 가능성은 매우 작다. 동시에, 베이어닛 피팅은, 연결을 위해 삽입에 이은 회전 및 연결해제를 위해 (반대 방향으로의) 회전에 이은 인출(withdrawal)에 의해 간단하고 신속한 연결 및 연결해제를 제공한다. 다른 실시예들은 스냅 피트(snap fit) 또는 스크류 연결과 같은, 제어 유닛(20)과 카토마이저(30) 사이의 상이한 형태의 연결을 사용할 수 있다는 것을 인지될 것이다.
도 4는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 도 1의 전자 담배의 소정의 전기(전자를 포함함)컴포넌트들의 개략도이다. 이들 컴포넌트들은, 이들이 (일회용이기 보다는) 재사용 가능 부분이므로. 일반적으로 제어 유닛(20)에 로케이팅된다. 그러나, 일부 실시예들에서, 적어도, 전기 컴포넌트들 중 일부는 카토마이저(30)에 로케이팅될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(20)은 (위에서 논의된 바와 같이) 전기(및 기계) 커넥터(25B), 전력 스위치(212), 배터리(210), 프로세서 또는 (마이크로)제어기(555), 통신 인터페이스(217), 스피커(558), 및 센서 유닛(215)을 포함한다. 제어기(555)는 PCB(202) 상에 위치하며, 이 PCB는 제어 유닛(202)의 특정 내부 구성에 의존하여, 적절히 다른 컴포넌트들, 예를 들어, 센서 유닛(215), 전력 스위치(212) 및/또는 통신 인터페이스(217)를 장착하는데 또한 사용될 수 있다. 대안적으로, 이들 컴포넌트들은 하나 또는 그 초과의 다른 PCB들 상에 로케이팅(또는 다른 형태의 장착)될 수 있다.
도 4는 상이한 컴포넌트들 간의 전기 연결들 중 일부(반드시 전부는 아님)를 예시한다. 예를 들어, 센서 유닛(215)은, 제어기(555)에 대한 그의 연결을 통해 배터리(210)로부터 전력을 수신할 수 있거나 또는 대안적으로, 배터리(210)로부터 센서 유닛(215)으로 직접적인 별개의 전력 연결(도시되지 않음)이 있을 수 있다.
센서 유닛(215)은 공기 입구로부터 공기 출구까지(기화기까지) 제어 유닛(20)을 통하는 공기 경로에 또는 그에 인접하게 로케이팅된다. 센서 유닛은 (또한, 이 공기 경로에 또는 이에 인접하게 있는) 압력 센서(562) 및 온도 센서(563)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 부가적인 센서들(도 4에 도시되지 않음)이 있을 수 있고; 또한, 압력 센서(562) 및 온도 센서(563)는 (단일 센서 유닛으로 결합되기 보다는) 상이한 디바이스들로서 제공될 수 있다는 것에 주의한다. 압력 센서(562)는 마우스피스(35) 상의 흡입에 의해 야기된 압력 강하를 발견함으로써 공기 흐름을 검출할 수 있다(또는, 대안적으로, 압력 센서(562)는 바람을 측정하는 풍속계와 유사하게, 공기 흐름을 직접 측정함으로써 흡입을 검출할 수 있음).
제어기(555)는 CPU 및 메모리(ROM 및 RAM)와 같은 프로세서를 포함한다. 제어기(555) 및 압력 센서(562)와 같은 다른 전자 컴포넌트들의 동작들은 일반적으로, 프로세서 상에서(또는 적절한 다른 전자 컴포넌트들 상에서) 실행되는 소프트웨어 프로그램들에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 이러한 소프트웨어 프로그램들은 ROM과 같은 비-휘발성 메모리에 저장될 수 있으며, 그 메모리는 제어기(555) 그 자체에 통합되거나 (예를 들어, PCB(202) 상에서) 별개의 컴포넌트로서 제공될 수 있다. 프로세서는 필요에 따라 그리고 필요할 때, 개별 소프트웨어 프로그램들을 로딩하고 실행하기 위해 ROM에 액세스할 수 있다. 제어기(555)는 또한 센서 유닛(215)과 같은 다른 디바이스들과 상호작용하기 위한 적합한 인터페이스들(및 제어 소프트웨어)를 포함한다.
제어기(555)는 낮은 배터리 경고와 같이, 전자 담배 내의 조건들 또는 상태들을 표시하도록 오디오 신호들을 생성하기 위한 출력 디바이스로서 스피커(58)를 활용한다. 상이한 상태들 또는 조건들을 시그널링하기 위한 상이한 신호들은, 상이한 피치 및/또는 지속기간의 톤들 또는 비프음(beep)들을 활용함으로써 그리고/또는 다수의 이러한 비프음들 또는 톤들을 제공함으로써 제공될 수 있다. 다른 형태의 출력 디바이스가 스피커(58)에 추가하여 또는 그 대신에 제공될 수 있다. 예를 들어, 위에서 언급된 바와 같이, 팁 단부(225)에는 시그널링 및/또는 장식을 위해 사용될 수 있는 LED(light emitting diode)가 제공될 수 있다. 또한(또는 대안적으로), 전자 담배(10) 상의 하나 또는 그 초과의 다른 위치들에서 광 출력이 있을 수 있다.
통신 인터페이스(217)는 전자 담배(10)가 외부 디바이스와 통신하도록 허용하기 위한 유선 또는 무선 연결일 수 있다. 예를 들어, 통신 인터페이스(217)는 무선 통신을 설정하기 위해 블루투스, Wi-Fi(IEEE 802.11 계열), 및/또는 NFC(near field communication) 중 하나 또는 그 초과를 지원할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 통신 링크는 잠재적으로 커넥터(25B) 및/또는 일부 다른 통신 설비를 통해 유선 통신들을 지원할 수 있다. 통신 인터페이스는 특히, 외부 디바이스가 전자 담배(10)에 관한 제어 세팅들을 제공하고 업데이트하도록 그리고/또는 전자 담배로부터 상태 및 사용 정보를 리트리브(retrieve)하도록 허용하기 위해 사용될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 전자 담배(10)는 전자 담배(10)를 통해 공기 입구로부터, 압력 센서(562) 및 (기화기의) 히터(365)를 지나, 마우스피스(35)로의 공기 경로를 제공한다. 따라서, 사용자가 전자 담배의 마우스피스 상에서 흡입할 때, 제어기(555)는 압력 센서로부터의 정보에 기초하여 그러한 흡입을 검출한다. 이러한 검출에 대한 응답으로, CPU는 배터리 또는 셀(210)로부터 히터(365)에 전력을 공급하며, 히터(365)는 그리하여 사용자에 의한 흡입에 대해 심지로부터 액체를 가열 및 기화시킨다.
배터리(210)는 전력 스위치(212) 및 (카토마이저(30) 상의 커넥터(25A) 외에도) 커넥터(25B)를 통해 히터(365)에 연결된다. 전력 스위치(212)는 히터(365)에 전력을 공급하기 위해 배터리(210)로부터 공급되는 비교적 큰 전류의 흐름(및 스위치 온/오프)을 지원하며 - 이는 통상적으로 대략 1 amp 또는 그 초과이다. 전력 스위치(212)는 제어기(555)에 의해 제어된다. 예를 들어, 제어기(555)는 압력 센서(562)가 전자 담배(10)를 통과하는 공기 흐름을 감지하는 것에 대한 응답으로, 전력 스위치(212)를 폐쇄할 수 있고, 그리하여 전력이 배터리로부터 히터로 흐르도록 허용한다. 반대로, 제어기(555)는, 전자 담배(10)를 통한 공기 흐름이 이제 종료되었음을 압력 센서(562)가 감지하는 것에 대한 응답으로, 전력 스위치(212)를 개방할 수 있고, 그리하여 배터리로부터 히터로의 전력 흐름을 종결한다. 또한, 제어기(555)는, 흡입 동안 배터리(210)로부터 히터(365)로 공급되는 전력의 양을 조절하기 위해, 위에서 설명된 바와 같은 PWM 방식을 구현하기 위해 스위치(212)를 사용할 수 있다.
도 4에 도시된 전기적 구성은 단지 예로서만 제공되며, 당업자는 다수의 잠재적인 변동들을 인식할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예를 들어, 일부 전자 담배(10)는 통신 인터페이스(217)를 갖지 않을 수 있는 반면에, 다른 실시예들에서, 통신 인터페이스(217)는 적어도 부분적으로, 제어기(555)와 결합될 수 있다. 유사하게, 제어기(555)의 기능성 중 일부는 하나 또는 그 초과의 다른 디바이스들에 걸쳐 분산될 수 있다. 예를 들어, 배터리의 재충전을 제어하기 위해, 예컨대, 전압 또는 전류 과로드 및/또는 지나치게 긴 충전을 검출하고 그리하여 방지하고, 마찬가지로, 예를 들어, 배터리가 손상 지점까지 과도하게 방전되지 않도록 배터리의 방전을 제어하기 위해, 배터리(210)와 결합하여 제공된 PCB가 있을 수 있다. 이러한 배터리 제어 기능들은 또한 프로세서 또는 제어기(555)에(또는 일부 다른 디바이스에) 통합될 수 있다.
배터리(210)는 캐소드에 LiFePO4(lithium ferrophosphate)를 사용하는 리튬 인산철(LFP) 배터리이다. LFP 배터리들은, 다른 이용 가능한 배터리들, 예컨대, 흔히 사용되는 코발트 캐소드 배터리를 포함하는 다른 유형들의 리튬 이온 배터리들 또는 이의 변형들(예를 들어, 액체 전해질보다는 오히려 고체를 갖거나 그래파이트 애노드 보다는 실리콘 애노드를 사용함)과 비교하면 소정의 이점들 및 단점들을 갖는다. 그러나 LFP 배터리들의 특성들은 특히, 다음의 팩터들에 (주로) 기초하여 전자 담배에 사용하기에 매우 적합한 것으로 밝혀졌다:
* 무독성. 이는 예를 들어, 제품들이 실수로 손상된 경우 (마시지 않더라도) 입으로 사용되는 제품에 대해 중요하다. 특히, 전자 담배들은, 비교적 다량(high-volume)의 저비용 제품이므로, 독성의 결여는 또한, (대부분의 일반 리튬 이온 배터리들에 사용되는 코발트에 비교하면) 개선된 환경 특성들을 제공하고, 예를 들어, 제품을 실수로 떨어뜨리거나, 다르게는, 외부에서 잃어버린 경우, 항상 승인된 방식으로 처분되진 않을 수 있다.
* 열, 전기-화학 및 구조적 안정성. 열 안정성은 광범위한 기상 및 온도 조건들에서 사용되는 (그리고 따라서 이 조건에 노출되는) 제품에 대해 중요하다. 또한, 양호한 전기-화학적 및 기계적 안정성은, 예를 들어, "Batteries on planes pose 'increased fire risk'"에서 2014년 2월 4일에 보고된 바와 같이 대부분의 일반 리튬 이온 배터리들에 대해 문제가 되었던 화재의 위험 등을 감소시킨다(http://www.bbc.co.uk/news/business-25733346).
* 일정한 방전 전압. 위에서 언급된 바와 같이, 대부분의 일반 리튬 이온 배터리들은 약 4.2V로부터 약 3.6V에 이르기까지 방전 사이클에 걸쳐 꾸준히 감소하는 출력 전압을 갖는 경향이 있다. 이는, (현재 전압 레벨에 의존하는) 공급된 증기의 관점에서 일관되지 않은 사용자 경험을 유발하거나 그렇지 않으면, 전자 담배가 출력 전압의 이러한 감소를 보상하기 위해 적절한 전자기기들을 포함하도록 요구하며, 이는 (비교적 다량의 저비용 제품인 것에) 부가적인 비용과 복잡성을 야기한다.
* 높은 피크 전류/전력. LFP 배터리들은 대부분의 일반 리튬 이온 배터리들보다 더 높은 피크 전류(및 따라서 더 높은 피크 전력)를 지원할 수 있다. 이는 사용자 흡입의 검출에 대한 응답으로, 히터가 기화를 위한 정확한 동작 온도로 보다 신속하게 전력을 증가(power up)시키도록 허용하고 따라서 전자 담배가 보다 사용자 반응적이게 하기 때문에, 이는 전자 담배에 있어서 매력적이다.
* 배터리가 사용중이지 않을 때 용량 손실(자체-방전)의 더 느린 레이트. 이는, 제품이 미리 충전(ready-charged)(이는 소비자에 의한 구매 이후 신속한 사용을 허용하도록 대부분의 전자 담배에 적용됨)되어 공급되는 경우 개선된 보존(shelf)(캘린더) 수명을 제공한다.
* 많은 횟수의 재충전 사이클들이 가능함 - 예를 들어, 최대 2000번 또는 그 초과. 이는 재충전이 매일 발생하는 경우조차도 몇 년의 사용을 제공한다(아래 참조).
LFP 배터리들은 대부분의 일반 리튬 이온 배터리들보다 낮은 에너지 밀도를 갖는다. 그러나 대부분의 일반 리튬 이온 배터리들은 (스마트폰들과 같이) 지속적이고 집중적으로 사용될 수 있는 전자 디바이스들에서 활용되어서, 배터리 수명이 이러한 디바이스에서 특히 중요한 반면에, 전자 담배들은 상이한 사용 프로파일을 갖는 경향이 있다. 특히, 전자 담배의 연속적인 활성화들(퍼프(puff)) 사이에 간격이 있고, 실제로 일부 전자 담배들은, 예를 들어, 주어진 시간 기간(그 이후, 프로세서는 시간 기간이 만료될 때까지 추가의 활성화를 방지할 수 있음)에 최대 수의 퍼프를 모니터링하고 조절함으로써 과다-사용에 대한 보호를 제공할 수 있다. 따라서, (대부분의 일반 리튬 이온 배터리들과 비교하면) LFP 배터리들의 낮은 에너지 밀도는 대부분의 다른 전자 디바이스들보다 전자 담배들에 대해 더 수용 가능하다.
그럼에도, LFP 배터리들은 전자 담배의 합리적 사용을 지원하기에 충분한 에너지 밀도를 갖는다. 예를 들어, AA-크기의 LFP 배터리는 250-600 mA hours의 정격 용량을 갖는 반면에, 대응하는 흔히 사용되는 리튬 이온 배터리는 방전 전류와 같은 팩터들에 의존하여 600-750 mA hours 또는 그 초과의 정격 용량을 가질 수 있다(그리고 더 높은 전압에서 동작함). 물론, 일부 전자 담배들은 AA-크기의 배터리에 대해 너무 작을 수 있고, 그에 따라 그의 배터리 용량은 상응하게 감소되어야 할 필요가 있을 것이다. 그럼에도, (디바이스의 특정 성질 및 기화되는 액체의 양에 의존하여) 1-4 mA hours 정도의 정규 전자 담배 사용들의 통상적인 퍼프를 고려하면, 합리적-크기의 LFP 배터리는 방전되기 전에 적어도 100회의 퍼프들(잠재적으로, 훨씬 더 많이)을 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 우리는 전자 담배가 매일 재충전된다고 가정하면, 배터리 충전 사이클 당 이러한 퍼프들의 수는 대부분의 소비자들에 대해 충분하다.
도 5 및 도 6은, 전자 담배의 맥락에서 LFP 배터리(실선)의 소정의 동작 특성들을 흔히 사용되는 리튬 이온 배터리(파선)의 동작 특성들과 비교하는 그래프들이다. (이 그래프들은 이해의 용이함을 위해 매우 개략적이고 단순화되며; 일부 보다 정확한 그래프들은 아래에 제시된다는 것에 주의해야 한다.) 도 5는 배터리(210)의 전압 출력이 시간에 따라, 통상적으로 방전 사이클 동안(완전 충전된 상태로부터 방전된 상태까지) 여러 시간 또는 여러 날들의 시간스케일에 걸쳐 어떻게 변동되는지를 개략적인 형태로 예시한다. 위에서 논의된 바와 같이, 흔히 사용되는 리튬 이온 배터리가 방전됨에 따라, 출력 전압은 약 4.2V로부터 약 3.6V(또는 그 미만)에 이르기까지 꾸준히 하락한다. 출력 전압의 이러한 하락은, (일부 부가적인 보상 방법들이 이러한 하락에 대처하기 위해 사용되지 않는 한) 배터리의 방전 사이클에 걸쳐 퍼프 당 생성되는 니코틴 증기의 양과 같은 성능에서의 두드러지는 변화(강하)를 초래할 수 있다. 대조적으로, LFP 배터리의 출력 전압은 약 3.2V에서 훨씬 더 일정하고, 그리하여 하락하는 전압의 임의의 부가적인 보상에 대한 필요성을 방지하면서 보다 일관되고 신뢰 가능한 경험을 사용자에게 제공한다. (도 5 및 도 6에 도시된 전압 레벨들은 개회로 조건에 대한 것이며, 로드 하에서의 전압은 예를 들어, 대략적으로, 약 0.5V만큼 다소 낮을 것임(따라서, 개회로의 경우 3.2V인 것에 비해 LFP 배터리의 경우 2.7V임)에 주의해야 한다.)
도 5는 또한 C1 및 C2로 표시된 2개의 컷-오프 라인들을 도시한다. 프로세서(555)(또는 제어 유닛(20) 내의 일부 다른 설비)는 배터리(210)로부터의 전압 출력을 모니터링한다. 전압 출력이(각각, 흔히 사용되는 리튬 이온 배터리 또는 LFP 배터리에 대해) 특정된 컷-오프 레벨(C1 또는 C2) 아래로 떨어질 때, 프로세서(555)는 전자 담배, 및 보다 구체적으로 히터(365)의 추가의 동작을 방지한다. 따라서, 방전 사이클의 종료로서 간주될 수 있는 이러한 컷-오프는, 과도한 방전(이는 재충전 가능 배터리에 대한 손상을 야기할 수 있음)으로부터 배터리(210)를 보호하는 것은 물론, 부적합하게 낮은 전압에서 동작하는 디바이스로 인해 사용자가 전자 담배로부터 열악한 경험을 하지 않도록 보장한다. 위에서 논의된 바와 같이, 제어기(555)는 스피커(558)를 통해(및/또는 임의의 다른 이용 가능한 표시기를 통해) (소진되거나 거의 소진된) 배터리 상태의 일부 사용자 표시를 제공할 수 있다는 것에 주의한다.
도 6은 배터리(210)의 전력 출력이 단일 퍼프의 시간 스케일, 즉 단 몇 초에 걸쳐 어떻게 변동되는지를 개략적인 형태로 예시한다(이는 퍼프 프로파일의 형태로서 간주될 수 있음). 이 그래프는 (전류 출력의 측면에서) 흔히 사용되는 리튬 이온 배터리(파선)의 동작과 전자 담배(10)에 대한 LFP 배터리(실선)의 대응하는 성능을 비교한다.
우리는, 도 6에서, 시간 = T0에서, 흡입이 개시되고 적합한 센서에 의해 검출된다고 가정한다. 이 지점에서, 제어기(555)는 배터리(210)로부터 최대 이용 가능한 전력이 히터(365)에 공급되는 것을 가능하게 한다. LFP 배터리로부터의 최대 이용 가능 전력은 도 6에서 P1로서 도시되는 반면에, P2로서 도시된 일반적으로 이용되는 리튬 이온 배터리로부터의 최대 이용 가능 전력은 더 낮다(여기서 P1> P2). 예를 들어, LFP 배터리에 대한 최대 전력 출력(P1)은 적어도 2.5A 또는 적어도 5A, 잠재적으로 최대 수개의 amps(예를 들어, 6, 8 또는 10 amps)까지의 전류를 반영할 수 있다.
시간 T1에서, 히터는 (LFP 배터리를 갖는 전자 담배에 대해) 그의 바람직한 동작 온도에 도달하고, 전력은 이제 바람직한 동작 온도로 히터를 유지시키도록 세팅된 더 낮은 레벨(P3)로 떨어진다. 유사하게, 일반적으로 이용되는 리튬 이온 배터리를 갖는 전자 담배에 대해, 히터는 시간(T2)에서 그의 바람직한 동작 온도에 도달하고, 전력은 재차, 히터를 바람직한 동작 온도로 유지하도록 레벨(P3)으로 떨어진다.
LFP 배터리의 최대 전력 출력(P1)이 일반적으로 이용되는 리튬 이온 배터리의 최대 전력 출력(P2)보다 크기 때문에, 바람직한 동작 온도에 도달하기 위해 LFP 배터리를 이용하는 전자 담배에 대해 걸린 시간(T1)은, 바람직한 동작 온도에 도달하기 위해 일반적으로 이용되는 리튬 이온 배터리를 이용하는 전자 담배에 대해 걸린 시간(T2)보다 짧다. 따라서, LFP 배터리를 갖는 전자 담배는 일반적으로 이용되는 리튬 이온 배터리를 갖는 전자 담배보다 사용자 흡입에 대한 더 양호한 응답성을 제공할 수 있다.
다른 유형들의 전기 제품은 전류 드로우의 타이밍 및 양과 관하여 배터리에 대한 상이한 유형들의 로드를 제공한다는 것에 주의해야 한다. 예를 들어, 자전거 램프는 낮은 전류 내지 중간 전류로 장기적인 드로우(몇 분)를 갖는 경향이 있을 것인 반면에, 전자 담배는 일반적으로 흡입을 위해 짧은 펄스들의 높은 전류를 활용하며, 펄스들 사이의 전류 드로우의 레벨은 낮다. 이러한 상이한 로드 특성들은 전체 배터리 거동에 영향을 줄 수 있다.
도 7은 전자 담배에서의 거동을 시뮬레이팅하기 위한 LFP 배터리에 관한 테스트들로부터의 실험 결과들을 도시하는 그래프이다. 테스트중인 LFP 배터리는 표준 AA 배터리에 대응하는 치수들(폼 팩터)을 가졌다. 일련의 전류 펄스가 배터리로부터 드로우되었고, 각각의 펄스는, 히터(365)를 동작시키도록 공급된 전력 및 흡입을 시뮬레이팅하기 위해 약 4A의 전류 및 3초의 지속기간을 갖는다. 이는 각각의 흡입에 대해 총 약 3.3mA hours을 나타낸다. 흡입들 간의 간격은 10초였다(실제 사용에서 보다 짧지만, 실험이 더 신속히 완료되도록 허용하고 - 그리고 히터가 흡입들 간에 냉각되는 시간을 또한 허용함). 예를 들어, 제어기(555)에 전력을 공급하기 위해, 이러한 간격들 동안 소모된 전류는 0.005A였다. 배터리가 완전히 방전될 때까지 4A 전류 펄스들의 총 수는, 약 1378초(23분에 약간 못 미침)의 총 동작 시간(펄스들 및 펄스 간격들 둘 모두를 포함함) 동안 106개였다. 배터리의 총 측정된 용량은 0.365A hours이었다.
도 7의 그래프는 지금까지 배터리로부터 드로우된 총 용량(에너지, Amp-hours 단위)에 대해, 측정된 바와 같은 LFP 배터리로부터의 출력 전압 및 출력 전류를 플로팅한다. 따라서, x-축(용량)은 또한, 매우 적은 에너지(용량)가 펄스들 간의 간격들 동안 드로우되었기 때문에 이 간격들이 (그의 실제 지속기간과 비교하면) x-축을 따라 심하게 압축된 것을 제외하면, 시간의 표시를 제공한다. 도 7의 그래프에서 상부 플로팅된 라인은 (volts의 그래프의 좌측에 대한 스케일에 따라) 출력 전압을 나타내는 반면에, 도 7의 하위 플로팅된 라인은 (amps의 그래프 우측에 대한 스케일에 따라) 출력 전류를 나타낸다. 하위 라인은 각각 4 amps의 개별 전류 펄스들을 명확하게 도시한다. 상부 라인은 배터리에 걸쳐 로드를 가한 것으로부터 발생하는 전압의 강하를 명확하게 도시한다. 특히, 각각의 전류 펄스에 대해, 배터리 전압들은, 4A 전류가 드로우될 때, 개회로 값(또는 펄스들 간의 간격들 동안 0.005A 전류를 고려하면, 매우 근접한 개회로 값)으로부터 로딩된 값으로 약 0.3 내지 0.5 볼트만큼 강하한다.
H1, H2 및 H3으로 표시된 3개의 수평 라인들이 도 7의 플롯 상에서 겹쳐진다. 라인(H1)은 로드 하에서의 최소 배터리 전압의 초기 레벨을 표시하고; 사실상, 이 최소 배터리 전압은 (적어도) 배터리 방전 수명의 최초 절반 동안 거의 일정하게 유지된다. 라인들(H2 및 H3)은 각각 라인(H1) 보다 0.16V 및 0.32V 아래 있고 - 라인(H1)과 비교하면 각각 약 5.6% 및 11.2%의 감소(또는 각각, 개회로 전압의 5% 및 10%에 약간 아래)를 나타낸다. 또한, 수직 라인(V1)은 (로드 하에서의) 배터리로부터의 최소 전압 출력이 라인(H2) 아래로 떨어지는 것으로 발견된 곳을 표시한다. 이는 단지, 전체 용량의 약 87%를 나타내는 약 0.317 A hours 에너지가 배터리로부터 이미 드로우되면 발생한다. 즉, 도 7은 LFP 배터리에 대해 로드 하에서의 배터리 전압이 방전 수명의 85% 동안 ± 3% 범위 내에서 일정하다는 것을 보여준다.
표 1은 도 7과 동일한 기본 데이터 세트로부터 유도되지만 표 형태로 표현된다. 특히, 표 1의 주요 부분(즉, 강조된 박스에 둘러싸인 맨 우측 2개의 열들을 제외하고 모두)은 각각의 연속적인 전류 펄스에 대해 로드 하에서의 평균 전압 측정을 표현한다. 따라서, 도 7의 제1 행은 전류 펄스들(1 내지 10)에 대해 로드 하에서의 전압 출력을 표현하고 도 7의 제2 행은 전류 펄스들(11 내지 20)에 대해 로드 하에서의 전압 출력을 표현하는 식이다. 전압은 1Hz의 레이트로 샘플링되었고, 따라서 (3 초의) 각각의 전류 펄스에 대해 3개의 전압 측정들이 획득되고, 그 후 표 1의 수치들을 제공하도록 함께 평균되었다. (표 1의 몇 개의 박스들은 데이터가 제대로 레코딩되지 않은 경우 공백으로 남아있다는 것에 또한 주의함.) 표 1의 로드 하에서의 전압 수치들은, 로드 하에서의 전압 수치들이 사용자에 의한 실제 동작(흡입)을 반영한다는 (반면에, 개회로 전압 수치들은 사용자 동작 사이의 간격들을 표현함) 점에서, 이러한 LFP 배터리를 포함하는 전자 담배의 사용자 경험의 양호한 표현을 제공한다는 것이 인지될 것이다.
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표 1
데이터의 전반부(샘플들(1-53))에 대해, 전압 출력은 2.90-2.87V의 범위에서 유지된다. 이는 단지 1%를 약간 넘는 범위이며, 따라서 사실상 매우 일정한 출력 레벨을 제공한다. (데이터의 전반부의 변동들은 단지 시스템의 노이즈, 사소한 측정 변동들 등을 반영할 수 있음.) 충전 수명의 85% 후(샘플들(1-90)), 로드 하에서의 평균 전압은 2.90V로부터 2.75V로 0.15V만큼 감소하였다. 이는 재차, 보다 흔히 사용되는 리튬 배터리의 경우 일반적으로 볼 수 있었을 것보다 훨씬 작은 하락이라는 것이 인지될 것이다.
표 1은 또한, 잔여 용량이 배터리로부터 취해질 때 0.13V의 추가의 전압 강하가 있음을 보여준다. 재차, 이는 보다 흔히 사용되는 리튬 배터리의 경우 일반적으로 볼 수 있었을 것보다 훨씬 작은 하락이다. 또한, 다수의 경우들에서, 전자 담배는 이미 배터리 충전이 비교적 낮은 레벨(15% 또는 그 미만)에 있다는 일부 표시(예를 들어, 경고 등)를 제공할 것이고 이에 따라 사용자는 (만약 이전에 안했다면) 이 지점에서 전자 담배를 재충전할 것이기 때문에, 사용자가 통상적으로, 배터리 용량의 85%가 사용된 후에 이러한 전압 강하를 경험할 가능성이 적다. 또한 사용자는, 낮은 잔여 배터리 충전이 성능의 약간의 감소를 초래할 수 있다는 것을 인정할 가능성이 높고, 실제로 배터리를 이제 재충전해야 한다는 확인으로서 이를 해석할 수 있다.
일부 경우들에서, 배터리 전압은, 동작의 막 시작 시에, 처음 몇 번의 전류 펄스들(흡입) 동안, 또는 완전 충전 상태로부터 방전의 시작 이후 얼마 동안 약간 더 높을 수 있다. 도 7에서 이것에 대한 힌트가 있는데, 즉, 플롯의 가장 왼쪽에 있는 0의 사용된 용량 시에 매우 약간 상승이 있다. 따라서, 일부 상황들에서, 초기 전압 레벨을 평가할 때 처음 1회 또는 2회 흡입들을 폐기하는 것이 적절할 수 있다. 다른 한편, 테스트된 LFP 배터리에 대해, 표 1은 심지어 처음 전류 펄스의 로드 하에서의 측정된 전압에 대해, 이러한 영향이 실제로 분명하지 않거나 단지 약간만 나타난다는 것을 보여준다.
표 1의 오른쪽 부분(강조된 외곽선에 도시됨)은 2개의 열들을 포함한다. 이 열 중 제1(좌측) 열은 단지, 표의 그 행에 대한 평균 전압 측정을 제공한다. 이 열은 출력 전압이 충전 수명의 전반부에 대해 대략 일정하고, 그 후 충전 수명의 후반부에 걸쳐 감소하는 세팅에 관한 명확한 표시를 제공한다.
표 1의 열들 중 제2(우측) 열(전체 표의 최우측 열)은 그 행의 펄스 샘플들에 대한 각각의 펄스 내에서의 전압의 평균 하락을 표현한다. 따라서, 위에서 언급된 바와 같이, 각각의 펄스에 대해 3개의 전압 측정들이 획득되었고 모든 경우들에서, 제1 측정으로부터 제3 측정까지 전압 출력의 (작은) 하락이 존재한다. 이 하락은 개별적으로 각각의 펄스에 대해 계산되고, 그 후 각각의 행에 대한 펄스 샘플들에 걸쳐 평균화되었다. 이 최우측 열은, 충전 수명의 끝 무렵에, 평균 배터리 출력이 떨어질 뿐만 아니라 개별 펄스 내의 하락의 레이트가 또한 증가한다는 것을 보여준다. 그러나, 개별 흡입에 걸친 원하는 출력 프로파일이 대체로 도 6에 도시된 형상을 따르는 경우, 이러한 부가적인 하락은 비교적 덜 중요한데, 즉, 더 높은 초기 전력 출력은 히터를 먼저 가열하기 위해 중요하며, 그 후에 감소된 전력 출력은 일반적으로 수용 가능하다.
도 8은 도 7의 플롯과 대체로 유사하고 동일한 배터리를 사용하는 플롯이지만, 이번에는, 전류 펄스들은 4A가 아닌 5A이다. 이는 도 6에 도시된 초기 가열 단계에 대해 요구되었을 바와 같이 비교적 높은 레벨의 전류 출력이다(그리고, 또한 보다 흔히 사용되는 배터리들과 비교하면 LFP 배터리의 더 낮은 전압을 보상하는데 도움을 줌). 예상되는 바와 같이, 더 높은 전류 레벨은 충전 수명(즉, 배터리가 방전될 때까지)에 걸쳐 달성될 수 있는 펄스들의 전체 수를, 도 7의 106으로부터 도 8에 대해 86으로 감소시킨다. 그러나 이와는 별개로, LFP 배터리는 재차, 방전 사이클의 전반부 동안 사실상 일정하고 그러고 나서도, 단지 방전 사이클의 후반부 동안 전압의 비교적 완만한 하락만을 겪는 일관되고 예측 가능한 전압 출력을 생성한다는 것을 볼 수 있다. 이는 도 7과 동일한 기준(basis)으로 제공되는 라인들(V1, H1, H2 및 H3)의 검토에 의해 확인된다. 0.16V의 로드 하에서의 전압 출력의 강하를 표시하는 라인(V1)은 도 7의 상황과 유사하게, 용량 중 0.321 A hours이 배터리로부터 소비되면 발생한다(여기서, 라인(V1)은 0.317A hours의 용량에서 포지셔닝되었음)는 점에 주의한다.
도 9는 재차, 5A 전류 펄스들을 사용하고 사용된 용량(A hours)에 대한 전압(상부 라인) 및 전류(하부 라인)의 플롯을 보여주는, 도 8의 플롯과 대체로 유사한 플롯이다. 도 9에서 테스트된 배터리는 LFP 셀 보다는, 리튬 망간 캐소드 셀이다. 리튬 망간 배터리의 폼 팩터는 AA이다(도 7 및 도 8에 대한 LFP 배터리의 것과 동일함).
도 9에 도시된 바와 같이, 리튬 망간 배터리는 도 7 및 도 8의 LFP 셀보다 더 높은 용량의 이점을 갖는다. 특히, 리튬 망간 배터리는 0.595A hours의 용량을 갖는 것으로 밝혀지며, 이는 5A에서 184 전류 펄스들을 지원한다. 그러나, 리튬 망간 배터리에 대한 용량에 따른 전압 변동의 프로파일은 도 7 및 도 8에서 도시된 바와 같은 LFP 배터리에 대한 대응하는 프로파일보다 상당히 열등하다. 이는 플롯 상에서 재차 겹쳐지는 라인들(V1, H1, H2 및 H3)을 보면 알 수 있으며, H1은 0의 사용된 용량에서 로드 하에서의 전압 레벨을 표현한다.
라인들(H1, H2 및 H3)의 간격은, (도 7 및 도 8의 0.16V와 비교하여 - LFP 배터리와 비교하여 리튬 망간 배터리에 대한 더 큰 초기 전압, 예를 들어, 3.4V 개회로와 비교되는 약 4.2V 개회로를 반영하기 위해) 0.21V로 증가하였다. 그러나 이 더 큰 간격에도, 로드 하에서의 전압은 단지 0.085A hours의 사용된 용량에서 라인(H2)을 교차(따라서 0의 사용된 용량으로부터 0.21V 강하)한다는 것을 라인(V1)의 포지셔닝으로부터 우리는 볼 수 있다. 이는 리튬 망간 배터리의 전체 용량의 단지 14%를 표현한다. 실제로, 도 8에서, LFP 배터리는 0.32 A hours 용량에서 라인(H2)을 교차하고, 그래서 LFP 배터리가 리튬 망간 배터리보다 낮은 총 용량을 갖더라도, 그것은 대략 일정한 전압으로 훨씬 더 큰 용량(상대적인 그리고 또한 절대적인 관점 둘 다에서)을 공급할 수 있다. 또한, LFP 배터리는 약 0.2 A hours의 용량이 사용될 때까지 매우 일관된 전압 출력 레벨을 나타내며, 그 후, 단지 라인(H2) 쪽으로 감소하기 시작한다. 대조적으로, 도 9에서, 리튬 망간 배터리의 로드 하에서의 출력 전압은 맨 처음 몇 번의 전류 펄스들 후에도 강하하기 시작한다는 것이 명확하다.
또한, 리튬 망간 배터리의 출력 전압은 매우 낮은 사용된 용량에서 하락하기 시작할 뿐만 아니라, 배터리 충전의 수명을 통해 이러한 하락이 지속되어서, 방전 사이클 동안 리튬 망간 배터리의 전체 전압 강하는 LFP 배터리에 대한 것보다 훨씬 크다. 예를 들어, 도 8에서 배터리가 완전히 방전되면(약 0.36A hours의 사용된 용량), 로드 하에서의 전압 출력이 단지 라인(H3)(초기 전압 레벨보다 0.32V 아래)에 도달한다. 대조적으로, 도 9에 대해, 로드 하에서의 전압 출력은 약 0.24A hours의 더 낮은 사용된 용량에서 라인(H3)(초기 전압 레벨보다 0.42V 아래)에 도달하며, 리튬 망간 배터리가 완전히 방전되기 전에 재차, 적어도 동일한 양만큼 계속 강하한다.
도 7, 도 8 및 도 9의 플롯들은 본원에서 개시된 바와 같은 LFP 배터리를 갖는 전자 담배가, 보다 값비싸거나 복잡한 전자기기들을 수반함 없이도, 특히 각각의 흡입 시에 히터 동작에 대한 전압 공급의 관점에서 보다 일관되고 예측 가능한 성능을 제공할 수 있다는 것을 확인해 준다. 이러한 배터리는 광범위한 전자 증기 프로비전 시스템들에서, 예를 들어, 니코틴-포함 액체들을 기화시키기 위해 또는 담배-파생 식물 물질(또는 그의 파생물들)로부터 휘발성 물질들을 생성하기 위해 활용될 수 있다.
다양한 이슈들을 다루고 기술을 진보시키기 위해, 본 개시는 청구된 발명(들)이 실시될 수 있는 다양한 실시예들을 예시로서 도시한다. 본 개시의 이점들 및 특징들은 단지 실시예들의 대표적인 샘플이며, 포괄적인 및/또는 배타적인 것은 아니다. 그것들은 청구된 발명(들)을 이해시키는 것을 보조하고 교시하기 위해서만 제시된다. 본 개시의 이점들, 실시예들, 예시들, 기능들, 특징들, 구조들, 및/또는 다른 양상들은 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 개시에 관한 제한들, 또는 청구항들의 등가물들에 관한 제한들로 간주되어서는 안 되고, 청구항들의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예들이 활용될 수 있고 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다양한 실시예들은 본원에서 구체적으로 설명된 것들 외의 다른 개시된 엘리먼트들, 컴포넌트들, 특징들, 부분들, 단계들, 수단들 등의 다양한 결합을 적합하게 포함하거나, 이로 구성하거나, 본질적으로 이로 구성될 수 있다. 본 개시는 현재 청구되지는 않았으나 장래에 청구될 수 있는 다른 발명을 포함할 수 있다.

Claims (39)

  1. 전자 증기 프로비전(provision) 시스템에 대한 제어 유닛으로서,
    상기 제어 유닛은 증기를 생성하는데 사용되는 히터에 전력을 제공하기 위한 배터리를 포함하며,
    상기 배터리는 리튬 페로포스페이트 캐소드(lithium ferrophosphate cathode)를 갖는 리튬 인산철 배터리(lithium iron phosphate battery)이고, 상기 전자 증기 프로비전 시스템의 연속적인 퍼프(puff)들에 의해 80% 방전될 때의 상기 배터리의 출력 전압은, 완전 충전될 때의 상기 배터리의 출력 전압보다 기껏해야 0.25V 낮고, 상기 배터리는 상기 전자 증기 프로비전 시스템의 적어도 100 퍼프들을 지원하기 위해 250-600 mA hours 범위의 정격 용량을 갖고, 각각의 퍼프는 상기 배터리로부터 적어도 2.5A의 전류를 드로우(draw)하는,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 사용자 흡입을 검출하기 위한 센서 및 상기 검출에 대한 응답으로, 상기 배터리로부터 상기 히터로의 전력의 프로비전을 개시하도록 구성되는 제어기를 더 포함하는,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 검출에 대한 응답으로, 상기 제어기는 상기 배터리로부터 상기 히터로의 전력의 제1 페이즈(phase) 및 그 후 제2 페이즈를 제공하도록 구성되며, 상기 제1 페이즈는 상기 제2 페이즈보다 높은 레벨의 전류를 갖는,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력의 제1 페이즈는 3 amps와 동일하거나 더 큰 전류 레벨을 갖는,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력의 제1 페이즈는 5 amps와 동일하거나 더 큰 전류 레벨을 갖는,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    절반 방전될 때의 상기 배터리의 출력 전압은 완전 충전될 때의 상기 배터리의 출력 전압보다 기껏해야 0.1V 낮은,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    절반 방전될 때의 상기 배터리의 출력 전압은 완전 충전될 때의 상기 배터리의 출력 전압보다 기껏해야 0.05V 낮은,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    절반 방전될 때의 상기 배터리의 출력 전압은 완전 충전될 때의 상기 배터리의 출력 전압보다 기껏해야 3% 낮은,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  9. 제8항에 있어서,
    절반 방전될 때의 상기 배터리의 출력 전압은 완전 충전될 때의 상기 배터리의 출력 전압보다 기껏해야 1.5% 낮은,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 80% 방전될 때의 상기 배터리의 출력 전압은 완전 충전될 때의 상기 배터리의 출력 전압보다 기껏해야 0.16V 낮은,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 80% 방전될 때의 상기 배터리의 출력 전압은 완전 충전될 때의 상기 배터리의 출력 전압보다 기껏해야 6% 낮은,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리의 출력 전압은, 증기를 생성하기 위해 상기 히터에 전력을 제공할 때의 로드(load) 하에서 측정되는,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리의 출력 전압은, 로드 하에서 측정되는 2.6 내지 3V의 범위에 있는,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 배터리의 출력 전압은, 로드 하에서 측정되는 2.8V인,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  15. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리의 출력 전압은, 개회로(open circuit)에 대해 3 내지 3.4V의 범위에 있는,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 출력 전압은 개회로에 대해 3.2V인,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  17. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    방전 사이클에 걸쳐 상기 배터리의 출력 전압에서의 변동에 대한 보상 없이, 상기 배터리로부터 상기 히터로 전력이 공급되는,
    전자 증기 프로비전 시스템에 대한 제어 유닛.
  18. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 제어 유닛 및 상기 히터를 포함하는 전자 증기 프로비전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 히터는 상기 제어 유닛에 연결되는 카토마이저(cartomiser)에 로케이팅되는,
    전자 증기 프로비전 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 히터 및 상기 제어 유닛은 단일 디바이스에 통합되는,
    전자 증기 프로비전 시스템.
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