KR102291001B1 - 전자 증기 공급 시스템 - Google Patents

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Abstract

전자 증기 공급 디바이스는: 사용자에 의한 흡입을 위해 기류 내에서 증기를 발생시키도록 전구체 재료를 기화시키기 위한 제1 전기 저항성 히터, 및 전구체 재료를 기화시키고 그리고/또는 상기 기류를 가열하기 위한 제2 전기 저항성 히터를 포함한다. 제1 전기 저항성 히터는 제2 전기 저항성 히터의 제2 열 저항 계수보다 낮은 제1 열 저항 계수를 갖는다. 이 디바이스는 적어도 제2 전기 저항성 히터의 저항의 변화를 모니터링하는 제어 시스템을 더 포함한다. 따라서 제2 전기 저항성 히터는 히터 및 온도 모니터 둘 모두로서의 역할을 한다.

Description

전자 증기 공급 시스템
본 개시내용은 전자 증기 공급 시스템(electronic vapour provision system), 예컨대, 전자-담배(e-cigarette)에 관한 것이다.
전자-담배들과 같은 전자 증기 공급 시스템들은 일반적으로, 기화되는 액체(본 명세서에서는 전자-액체(e-liquid)라 함)의 저장소를 포함한다. 이들 시스템들은 히터(heater), 예를 들어, 와이어 코일(wire coil), 및 저장소로부터 히터로 액체를 운반하기 위한 이송 메커니즘의 일부 형태(예컨대, 심지)가 추가 제공된다. 이러한 시스템들은 일반적으로 제어 유닛 및 배터리를 또한 포함하고, 이에 의해 제어 유닛은 배터리를 작동시킴으로써 히터에 전력을 공급하여 소량의 액체를 기화시키고, 그 후 증기는 사용자에 의해 흡입된다. 대부분의 전자-담배들은 재충전이 가능한 리튬 이온 배터리들(또는 전지들)에 의해 전력이 공급되는데, 이는 전자-담배들뿐만 아니라 매우 광범위한 디바이스들에서 발견된다. 종종 저장소와 히터는 하나의 유닛(카트리지(cartridge) 또는 카토마이저(cartomiser)라고 함) 내에 위치되는 반면, 배터리와 제어 유닛은 별도의 탈착 가능 유닛(때때로 제어 유닛 또는 디바이스부라고도 지칭됨)에 위치된다.
따라서, 전자-담배는 일반적으로 두 가지 소모품들, 첫째로 기화될 액체와 둘째로 배터리 내의 전력을 포함한다. 기화될 액체에 관해서는, 일단 저장소의 액체가 소진되면, 저장소, 예를 들어, 카트리지를 포함하는 디바이스의 적어도 일부는 새로운 카트리지(비록 일부 시스템들은 카트리지의 재충전을 허용함)로 교체할 수 있도록 폐기될 수 있다. 배터리 내의 전력에 관해서는, 전자-담배는 일반적으로 외부 충전 공급 장치로부터 전력을 수신하기 위해 어떤 형태의 전기 커넥터(connector)를 제공하여, 전자-담배 내의 배터리가 재충전되도록 하게 한다. 따라서, 디바이스부는 때로는 재사용가능 구성요소로서 지칭되는 반면, 카트리지는 일회용 구성요소로서 지칭된다.
전자-담배들은 전형적으로 제어 유닛이 히터를 활성화(히터에 전력을 공급)할 시기를 결정하는 방법에 따라 버튼-작동식(button-operated) 또는 퍼프-활성화식(puff-activated)으로 분류될 수 있다. 버튼-작동식의 경우, 사용자는 전자-담배의 외부 표면상의 버튼을 누르며(또는 터치함), 이는 제어 유닛으로 하여금 히터를 활성화하게 한다. 퍼프-활성화식의 경우, 기류(airflow)나 압력 센서는 사용자가 전자-담배를 흡입할 때를 검출하는 데 사용되고, 그런 다음 이 검출은 히터의 활성화를 트리거한다.
전자-담배들에 대한 과제들 중 하나는 단시간에, 즉, 전형적으로 주어진 사용자 퍼프에 대해 1 초 정도 내에 충분한 증기를 생성할 수 있게 하는 것이다. 이는 전술한 바와 같이 리튬 전지들을 앞서 언급한 디바이스들에 대한 정상 전력원으로 사용하도록 유도하였다. 일부 설계들에서, 전자-담배에는 또한 보다 높은 기화율을 지원하기 위해 다수의 히터들, 예컨대, 다수의 코일들이 제공된다.
한편, 전자-담배들 내에 고출력 히터들을 사용하는 것에 잠재적인 문제가 없는 것은 아니다. 예를 들어, 그러한 히터들은 냉각 상태를 유지하기 위해 액체의 기화에 의존할 수 있다. 다시 말해서, 심지로부터 유입되는 액체는 히터가 먼저 발열하여 액체를 기화시킴에 따라 히터를 냉각시킨다. 그러나, 이는 액체의 기화에 의해 냉각되도록 설계된 히터의 일부분이 실제로 유입되는 액체를 수용하지 않으면, 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 문제는, 예를 들어, 저장소 내의 액체의 소진 및/또는 심지를 따라 일부 막힘이나 차단에 의해 야기될 수 있다. 이러한 상황에서, 종종 드라이-아웃(dry-out)이라고 하는, 히터 코일(또는 다른 형태의 히터)이 의도한 것보다 더 뜨거워질 수 있게 된다.
드라이-아웃 또는 다른 형태의 (예컨대, 전기적 결함으로 인한) 과열은 잠재적으로 많은 문제들을 일으킬 수 있다. 예를 들어, 히터는 그 자체 또는 시스템 내의 다른 구성요소들을 손상시킬 정도로 충분히 뜨거워질 수 있다. 또한, 열은 시스템의 외부 표면으로 흐를 수 있고, 이는 사용자가 터치하기에는 고온이 될 수 있다. 더욱이, 액체가 히터의 과열된 부분에서 기화되면, 액체/증기 내에서 약간의 고장이나 다른 화학 반응을 일으킬 수 있어, 잠재적으로 향미 또는 안전 특성들이 손상된 부산물들을 생성할 수 있다.
일부 형태의 온도 감지를 제공함으로써, 드라이-아웃이나 다른 과열 발생을 방지하기 위한 몇몇 시도들이 이루어졌다. 특히, 이런 시스템들은 히터의 온도 또는 그 부근 온도의 갑작스러운 상승을 검출하려 시도할 수 있으며, 이 경우, 제어 유닛은 배터리로부터 히터로 흐르는 전력을 감소시키거나 또는 차단하도록 결정할 수 있다. 그러나, 이런 온도 감지를 제공하는 데에는 몇 가지 실질적인 제약들이 있다. 예를 들어, 보편적으로 히터는 종종 일회용 부분(disposable portion)인 카트리지나 카토마이저에 위치되므로, 사용자의 반복적인 비용과 낭비를 최소화하기 위해 카트리지를 비교적 단순하게 유지해야 한다는 압박이 있다. 또한, 카트리지와, 제어부 또는 디바이스부 사이의 인터페이스는 비용을 절감하고 그리고 조작, 접속 등을 용이하게 유지하기 위해 비교적 간단하다.
이러한 상황들에서 드라이-아웃들을 감지하는 한 가지 접근법은, 제어부로부터 알 수 있는 바와 같이, 히터 코일의 저항을 측정하는 것이었다. 따라서 제어부는 이미 카토마이저에 대한 2 개의 전력 접속부들(양극 및 음극)과, 알려진(또는 측정된) 전압을 제공하는 배터리를 갖고 있다. 이 때, 사용자 퍼프 과정 동안 현저한 변화를 찾기 위해 카트리지로/카트리지로부터 흐르는 전류를 모니터링하는 것이 가능해진다.
예를 들어, 드라이-아웃은 온도의 현저한 국부적 상승을 유발할 수 있으므로, 전기 저항의 현저한 관련 상승을 일으킬 수 있다. 이것은 차례로 디바이스부로부터 카토마이저로 흐르는 (또한 그 반대로 흐르는) 전류의 강하를 유발할 것이다. 이러한 전류는 이러한 강하를 검출하기 위해 모니터링될 수 있고, 만약 그러한 강하가 발생하면, 제어 유닛은 히터 코일에 대한 전력 공급을 감소시키거나 종료할 수 있다.
드라이-아웃들을 모니터링하는 이러한 접근 방식은 이론적으로는 타당하지만, 실제로는 효과적이지 않다. 특히, 알려진 전자-담배 시스템들의 경우, 드라이-아웃으로 인한 저항의 상승은 히터 코일의 전체 저항과 비교하여 상대적으로 작기 때문에, 전류 흐름의 인지된 강하가 실제로 진짜 드라이-아웃을 나타내는지 또는 다른 이상을 나타내는지를 확실하게 결정하는 것은 곤란하다. 따라서, 국부적인 과열의 위험은 많은 기존 전자-담배의 설계들과 관련되는 것으로 남아 있다.
본 개시내용은 첨부된 청구항들로 정의된다.
전자 증기 공급 디바이스는: 사용자에 의한 흡입을 위해 기류 내에 증기를 발생시키도록 전구체 재료를 기화시키기 위한 제1 전기 저항성 히터; 전구체 재료를 기화시키고 그리고/또는 상기 기류를 가열하기 위한 제2 전기 저항성 히터 ― 제1 전기 저항성 히터는 제2 전기 저항성 히터의 제2 열 저항 계수보다 낮은 제1 열 저항 계수를 가짐 ―; 및 적어도 제2 전기 저항성 히터의 저항의 변화를 모니터링하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다.
이제 본 발명의 다양한 실시예들은 다음의 도면들을 참조하여 단지 예로서 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 전자-담배의 개략도이다.
도 2는 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 도 1의 전자-담배의 전기 전자 구성요소들 일부의 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 도 1의 전자-담배의 히터의 개략도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 도 1의 전자-담배의 히터에 대한 다양한 가능한 구성들의 예들을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 도 1의 전자-담배의 히터에 대한 다양한 가능한 회로 배열들의 예들을 도시한다.
상술한 바와 같이, 본 개시내용은 전자-담배와 같은 전자 증기 공급 시스템에 관한 것이다. 이하의 설명 전체에 걸쳐 "전자-담배"라는 용어가 사용되지만, 이 용어는 전자 증기 공급 시스템, 전자 에어로졸 전달 시스템 및 기타 유사한 표현들과 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 전자-담배(10)의 개략도이다(실척에 맞는 것은 아님). 전자-담배는 점선 LA로 표시된 종축을 따라 연장되는 대체로 원통 형상을 갖고, 2 개의 주요 구성요소들, 즉, 카토마이저(20) 및 디바이스 또는 본체부(30)를 포함한다. 예를 들어, 도 1에 나타내는 바와 같이, 카토마이저(20)는 본체(30)로부터 탈착 가능하고, 전자-액체가 소진되면, 카토마이저(20)를 교체(또는 재충전)하도록 한다. 사용 시, 카토마이저(20)와 본체(30)는 함께 결합된다. 특히, 카토마이저(20)와 본체(30)의 각각에는, 그들이 서로 부착될 때, 카토마이저(20)와 본체(30) 사이에 기계 전기적 연결을 제공하는 각각의 커넥터(25A, 25B)(본 명세서에서는 커넥터(25)로 통칭함)가 제공된다. 예를 들어, 커넥터(25)는 카토마이저(20)와 본체(30) 사이에 스크루(screw), 바요넷(bayonet), 또는 압입 끼워맞춤(push fit)을 제공할 수 있다.
본체부(30)는 배터리 또는 전지 유닛(330), 조작 버튼(340), 다양한 전자기기를 포함하는 PCB(Printed Circuit Board)(335) 및 커넥터(25B)(이들 상이한 구성요소들 간의 전기 배선은 명확하게 하기 위해 생략됨을 유의할 것)를 포함한다. 배터리 유닛(330)은 전형적으로 재충전 가능하고, 하나 이상의 커넥터(25B)에 커넥터(25B)와 대향하는 본체(30)의 단부 상에 위치된 팁 커넥터(tip connector)(도시하지 않음) 및/또는, 예컨대, 본체(30)의 외부를 통해 액세스 가능한 마이크로 USB 커넥터(도시하지 않음)와 같은 별도의 커넥터에 유선 연결을 통해 재충전을 지원할 수 있다. 배터리는 또한 인덕션(induction)을 통한 무선 재충전을 지원할 수도 있다. (실제로, 대부분의 전자-담배들은 하나 또는 두 개의 서브세트 또는 이들 재충전 설비들만을 제공한다.) 비록 단일 PCB(335)만이 도 1에 도시되어 있지만, 이는 다수의 PCB들로 구현될 수도 있음을 이해할 것이다. 아울러, 커넥터(25B) 및/또는 배터리 유닛(330)은 또한 잠재적으로 PCB를 포함할 수도 있다.
버튼(340)은 흡입용 전자-담배(10)를 활성화시키기 위해 조작된다. 버튼(340)은 푸시 버튼(push-button), 터치 감지 버튼, 스위치, 또는 임의의 다른 적절한 설비일 수 있다. 일부 전자-담배들은 버튼(340)이 조작되는 한 활성화 상태로 남아있을 수 있고(잠재적으로 일부 최대 활성화 기간이 적용될 수 있음); 다른 전자-담배들은 버튼의 단일 조작(예컨대, 버튼의 한 번의 조작은 단일 퍼프를 위해 전자-담배를 활성화시키는 데 사용됨)에 대응하여 사전 결정된 시간 기간(예를 들어, 몇 초) 동안 활성화될 수 있다. 일반적으로, 전자-담배(10)의 활성화는 배터리(330)로부터의 전력이 커넥터(25)를 통해 카토마이저(20)에 공급되어, 사용자의 흡입을 위해 전자-액체를 기화시키는 것을 포함한다.
카토마이저(20)는 전자-액체의 저장소(210)를 포함하는 내부 챔버를 포함한다. 저장소 내의 액체는 적절한 용매 내에 니코틴을 포함할 수 있고, 예를 들어, 에어로졸 형성을 보조하고 그리고/또는 추가적인 향미제를 위해 추가 성분들을 포함할 수 있다. 이 액체는, 예컨대, 스폰지(sponge), 폼(foam) 또는 충전재(wadding)와 같은 몇몇 재료의 형태로 챔버 내부에 유지되거나 프리 액체(free liquid)로서 제공될 수 있다. 저장소(210)의 중앙을 관통하는 것은 공기 통로(215)이고, 이는 마우스피스(mouthpiece)(35)로 연결된다. 조작 시에, 저장소(210)로부터의 전자-액체는(이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이) 기화되고 나서 그 증기는 에어튜브(air tube)(215)를 따라 마우스피스(35)를 통해 흘러 사용자에 의해 흡입된다. 명확하게 하기 위해, 공기 유입 및 공기 배출 홀들은 도 1에 도시되지 않음을 유의해야 한다. 공기 유입 홀들은, 예를 들어, 커넥터(25A)에 근접하여(또는 커넥터의 일부로서), 카토마이저(20)의 외부에 제공될 수 있다. 공기 유입 홀들은 본체(30)의 외부 표면 상에 대안적으로(또는 부가적으로) 제공될 수 있고, 이 경우, 커넥터(25)는 일반적으로 공기 경로(215)에 연결되는 공기 경로를 포함할 것이다. 도 1은 공기 경로(215)가 저장소(210)의 중심을 통해 흐르는 것으로 도시하지만(따라서 공기 경로는 관 형상(tubular shape) 또는 환 형상(annular shape)을 가짐), 다른 구현예들에서, 공기 경로(215)는, 예컨대, 주축(LA)으로부터 먼 저장소(210)의 일 측면 및 카토마이저(20)의 인접한 외벽에 제공될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
카토마이저(20)에는 기화를 위해 저장소(210)로부터 히터 또는 기화기(235)로 전자-액체를 전달하는 심지(225)가 추가 제공된다. 심지는 적절한 재료, 예를 들어, (유기(passage)) 면(cotton), 유리 섬유 등과 같은 섬유 재료 또는, 예컨대, 다공성 세라믹, 소결 물질(sintered substance) 등과 같은 다공성 재료의 일부 다른 형태로 형성될 수 있다. 카토마이저에는 심지(225)가 저장소(210)로부터 공기 경로(215)로 통과하는 위치(들) 주변에 적절한 밀봉(도시하지 않음)이 제공되어, (심지(225)를 통해 히터(235)로 이송되는 전자-액체가 아닌) 저장소(210)로부터 직접적으로 공기 경로(215)로의 전자-액체의 누출을 방지할 수 있다.
간략화를 위해, 히터(235)는 도 1에서 심지(225) 둘레에 감겨진 단일 코일로서 도시되어 있다(비록 이하에 더 상세하게 후술하겠지만, 히터(235)의 구조는 단지 단일 코일보다는 더 복잡함). 히터(235)는 와이어들(230)에 의해 커넥터(25A)에 전기적으로 연결된다. 버튼(340)이 눌리면(또는 달리 조작되면), 제어 유닛(335)은 커넥터(25) 및 와이어들(230)을 통해 배터리(330)로부터 히터(235)로 전력을 공급하며, 히터(235)는 액체를 심지(225)로부터 기화시킨다. 이 증기는 사용자가 전자-담배를 흡입(퍼핑(puffing))함으로써, 공기 경로를 따라 그리고 마우스피스(35)를 통해 사용자의 입으로 흡인된다. 또한, 심지(225)는 기화된 전자-액체를 대체하기 위해 저장소(210)로부터 추가의 전자-액체를 빼내므로, 전자-담배(10)는 추가 사용을 위해 준비된다.
도 1의 전자-담배(10)는 버튼(340)에 의해 조작(활성화)되지만, 다른 전자-담배들은 퍼프-감응형(puff-sensitive)이다. 이러한 유형의 전자-담배(10)에 대해, 사용자가 마우스피스(35)를 통해 흡입할 때, 공기는 전자-담배(10)의 외부에 적절히 위치되는 하나 이상의 공기 유입 홀들을 통해 전자-담배(10)(일반적으로 본체(30))로 흡인된다. 이러한 기류(또는 그로 인한 압력 변화)는 압력 또는 기류 센서에 의해 검출되고, 이는 결과적으로 히터(235)를 활성화시켜 저장소(210)로부터 (심지(225)를 통해) 액체를 기화시킨다. 일부 디바이스들은 또한 이중 활성화 메커니즘을 이용하고, 즉, 그들은 압력-감응형이지만, 히터를 활성화시키기 위해 버튼이나 유사한 설비가 작동될 것을 또한 요구한다.
도 1의 전자-담배(10)는 카토마이저(20)와 본체(30)를 포함하는 2-부분 디바이스(two-part device)로 도시되어 있지만, 다른 구현예들은, 예를 들어, 카토마이저 저장소(210)가 본체(30)로부터 분해될 필요없이 재충전될 수 있거나, 디바이스가 저장소(210)로부터의 모든 액체가 소진된 후에 디바이스를 폐기하도록 의도된 경우에, 일체형 디바이스(one-piece device)로 구성할 수 있다. 다른 구현예들은 2 개 초과의 구성요소들을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 기화기 부분은 전자-액체의 교체 가능한 카트리지로부터 분리될 수 있다(분리 가능할 수 있다).
도 2는 일부 실시예들에 따른 도 1의 전자-담배(10)의 주요 전기(전자) 구성요소들의 개략적인 (단순화된) 다이어그램이다. 이들 구성요소들은 일반적으로 (일회용이 아닌) 재사용이 가능하기 때문에 디바이스부(본체)(30) 내에 위치된다. 이 도면은 (비록 배터리 유닛(330)으로부터 커넥터(25B)로의 전력 공급선이 도시되었지만) 본체(30) 내의 다양한 구성요소들에 전력선들을 통한 전력 공급이 아니라, 기능적인 접속들에 주로 관련된다는 것에 유의해야 한다.
상술한 바와 같이, 디바이스부(30)는 제어기(410)가 장착된 PCB(Printed Circuit Board)(335)뿐만 아니라 전자-담배(10)에 전력을 공급하기 위한 배터리 유닛(330)을 포함한다. PCB(335)는 배터리(330)와 나란히 또는 배터리(330)의 일단부에 포지셔닝될 수 있다. 도 1에 도시된 구성에서, PCB(335)는 배터리(330)와 커넥터(25B) 사이에 위치된다. 제어기(410)는, 예를 들어, 전자-담배(10)를 제어하기 위한 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 마이크로프로세서 또는 마이크로제어기를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 제어기(410)는 CPU 및 메모리(ROM 및/또는 RAM)와 같은 프로세서를 포함한다. 제어기(410)(및 그에 따른 또한 전자-담배(10) 내의 다른 전자 구성요소들)의 동작들은 일반적으로 프로세서 (및/또는 적절한 다른 전자 구성요소들) 상에서 실행되는 소프트웨어 프로그램들에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 이러한 소프트웨어 프로그램들은 제어기(410) 자체에 통합되거나, 별도의 구성요소(도시하지 않음)로서 제공될 수 있는 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다. 프로세서는 필요할 때마다 개별 소프트웨어 프로그램들을 로드하고 실행하기 위해 ROM에 액세스할 수 있다.
본체는 본체(30)와 카토마이저(20) 사이에 기계 전기적인 연결을 제공하는 커넥터(25B)를 더 포함한다. 커넥터(25B)는 통상적으로 배터리(330)로부터 카토마이저(20) 내의 히터(235)에 전력을 공급하기 위한 양극 및 음극 단자들로서 작용하는 2 개의 전기 접점들(도 2에 도시하지 않음)을 포함한다. 2 개의 전기 접점들은 커넥터(25)의 특정 설계에 따라 임의의 적절한 구성, 예를 들어, 나란히 또는 외부 접점을 형성하는 링으로 둘러싸인 내부 접점을 가질 수 있다.
본체(30)는, 전자-담배(10)를 활성화시키기 위해 전술한 바와 같이 작동되는 버튼(340), 및 사용자 인터페이스(480)(도 1에 도시하지 않음)를 더 포함한다. 사용자 인터페이스(480)는 사용자에게 상태 정보를 제공하기 위해 오디오 및/또는 시각적 출력, 예컨대, 배터리가 완전히 충전되면 녹색이지만 배터리가 거의 방전되면 오렌지색인 광을 제공할 수 있다. 상이한 상태들이나 조건들을 시그널링하기 위한 상이한 오디오 및/또는 시각적 신호들은, 상이한 피치(pitch) 및/또는 지속기간의 톤(tone)들 또는 비프(beep)들을 사용하고, 그러한 비프들이나 톤들을 복수 제공하고, 색전등(coloured light)들이나 점멸등(flashing light)들을 이용하는 등에 의해 제공될 수 있다.
전자-담배(10)에 사용되는 배터리 유닛(330)은 가장 일반적으로 리튬 이온 전지를 포함한다. 이 유형의 배터리는 완전 충전 시에는 약 4.2V의 출력 전압을 생성하고, 방전 시에는 약 3.6V로 감소한다. 그러나, 다른 실시예들은 적절하게 다른 배터리 유형들을 이용할 수도 있다. 배터리 유닛(330)은 제어기(410)에 연결된 내장 전력 제어 시스템(450)을 더 포함한다. 제어기(410)는 전력 제어 시스템(450)을 사용하여 커넥터(25B)로의 배터리 출력을 차단/공급할 수 있다(제어기(410) 자체는 제어 기능을 제공하기 위해 여전히 배터리 유닛으로부터 일부 전력을 끌어낼 수 있다).
대부분의 경우, 전력 제어 시스템(450)은 일반적으로 배터리(330)로부터 커넥터(25B)로의 출력을 방지한다. 그러나, 사용자가 버튼(340)을 조작하면, 제어기(410)는 사전 결정된 시간 기간 동안 배터리 유닛(330)으로부터 히터(235)로 전력을 공급하기 위해 전력 제어 시스템(450)에 시그널링할 수 있고, 사전 결정된 시간 기간 후에, 제어기(410)는 전력 제어 시스템(450)에 배터리 유닛(330)으로부터 카토마이저(20)로의 전력 공급을 다시 차단하도록 지시한다.
전력 제어 시스템(450)은 또한 배터리 유닛(330)으로부터 카토마이저(20)로 공급되는 전류의 양을 조절할 수 있다. 이것을 달성하는 한가지 방법은 배터리 유닛(330)이 제1 사전 결정된 시간 기간(Ton) 동안 전력("온")을 공급하고, 그런 다음, 제2 사전 결정된 시간 기간(Toff) 동안 전력("오프")을 공급하지 않는 PWM(Pulse Width Modulation)을 이용하는 것이다. 이 패턴은, Ton+Toff의 전체 기간 동안, Ton/(Ton+Toff)의 듀티 사이클(소비 시간 비율)로 반복된다. 따라서 듀티 사이클은 0-1의 범위 내에 있고; 듀티 사이클이 1(유니티(unity))을 향해 증가함에 따라, 배터리 유닛(330)으로부터의 전력 출력은 배터리 유닛(330)에서 이용 가능한 최대값에 근접한다. 반복 주기(Ton+Toff)는 일반적으로 히터(235)의 열 응답 시간보다 훨씬 짧다는 점을 유의해야 한다. 따라서, 히터 온도는 PWM 패턴의 개별 사이클들에 따라 크게 진동하지 않고 오히려 전체 듀티 사이클을 반영한다. 즉, 0.5의 듀티 사이클로 공급되는 유효 가열 전류는 1.0의 듀티 사이클로 공급되는 유효 가열 전류의 단지 절반에 불과하다(이는 사실상, PWM이 없는 일정한 전류 수준을 나타냄). 다음으로 0.25의 듀티 사이클로 공급되는 유효 가열 전류는 0.5의 듀티 사이클로 공급되는 유효 가열 전류의 단지 절반에 불과한 식이다. 따라서, 제어기(410)는 듀티 사이클을 0(영)으로 설정함으로써 카토마이저(20)에 공급되는 전력을 차단하는 것을 포함하여, 배터리(330)로부터 카토마이저(20)로 공급되는 전력 레벨을 관리(제어)하기 위해 전력 제어 시스템(450)에 의해 사용되는 듀티 사이클을 설정할 수 있다.
제어기(410)가 배터리(330)로부터 카토마이저(20)로 공급되는 전류 레벨을 제어하기 위해 PWM(또는 임의의 다른 유사한 방식)을 사용하는 데에는 여러 가지 이유들이 있다. 하나의 이유는, 배터리(330)가 거의 방전될 때, 배터리(330)로부터 이용 가능한 더 낮은 전압을 보상하는 것인데, 즉, 출력 전압이 하강하면, 출력 전력 레벨을 일정하게 유지하는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 듀티 사이클이 증가될 수 있다. 다른 이유는, 예를 들어, 퍼프의 초입부 동안 높은 듀티 사이클(유니티라고 함)을 갖게 하여, 히터 온도가 가능한 한 신속하게 적절한 작동 온도로 상승하도록 하고, 이후 이 작동 온도에 도달하면, 듀티 사이클을 감소시켜, 히터(235)가 작동 온도를 유지하도록(그러나 작동 온도 초과로 가열되지 않음) 하는 것과 같이 히터 온도에 대해 보다 정교한 제어를 제공하는 것이다.
또한 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리(330)로부터 커넥터(25B)(그리고 그에 따라 카토마이저(20))로의 공급 경로는 전류 모니터(460)를 포함한다. 전류 모니터(460)는 얼마나 많은 전류가 배터리(330)로부터 인출되어 카토마이저(20)에 공급되는지를 측정한다. 일반적으로, 카토마이저(20)는 히터(235)를 작동시켜 액체의 신속한 기화를 제공하기 위해 배터리(330)로부터 상당히 큰 전류, 예컨대, 1 내지 수 암페어를 취할 것이다. 리튬 이온 배터리 및 2A 전류에 대해 4V의 출력을 가정하면, 이것은 카토마이저(20)에 대한 대략 2 옴(ohms)의 저항을 의미한다. 전류 모니터(460)는 임의의 적절한 방식으로 동작할 수 있다. 예를 들어, 이것은 (예컨대, 결과적인 자기장을 감지함으로써) 통과하는 전류를 직접 측정하거나, 또는 알려진 저항기에 걸리는 전압을 측정할 수 있다. 전류 모니터(460)는 카토마이저(20), 더 구체적으로는, 히터(235)에 공급되는 전류의 측정값을 제어기(410)에 지속적으로 알려준다. 이는 제어기(410)가 카토마이저(20)에 공급된 전류를 추적할 수 있게 한다.
제어기(410)는 또한 (전술한 바와 같이, 방전 사이클 동안 일반적으로 떨어지는) 배터리(330)로부터 출력된 전압을 측정할 수 있다. 이는, 예를 들어, 하나 이상의 전압 기준 소스들(도 2에 도시되지 않음)과 비교함으로써 획득할 수 있다. 전류 모니터(460)를 통해 전압 강하가 알려졌다고(또는 보상될 수 있다고) 가정하면, 카토마이저(20)에 공급된 전압 및 전류값들의 조합은 카토마이저(20)의 저항을 결정하는 데 사용될 수 있다.
도 2는 전자-담배의 전자 구성요소들에 대한 예시적인 구성을 도시하지만, 당업자는 많은 가능한 상이한 구성들을 인식할 것이다. 예를 들어, 도 2의 구현예에서, 제어기(410)는, 배터리(330)로부터 카토마이저(20)로의 출력을 위한 공급/차단의 설정을 구현하고, 또한, 전력 공급을 위한 온(on) 설정이 있을 때, 듀티 사이클을 관리하는 둘 모두를 위해 전력 제어 시스템(450)을 사용한다. 그러나, 일부 구현예들에서, 배터리(330)로부터 카토마이저(20)로의 출력에 대한 공급/차단 설정을 결정하기 위한 제1 유닛 및 듀티 사이클을 관리하기 위한 제2 유닛이 (양쪽 모두 제어기(410)의 제어 하에서) 있을 수 있다. 또한, 버튼(340)은 제어기(410)에 연결되고, 이어서 제어기(410)는 그에 따라 배터리 유닛(330)으로부터 카토마이저(20)로의 전력 공급을 적절하게 제어하는 하는 것으로서 도 2에 도시되어 있지만, 다른 구현예들에서, 버튼은 배터리 유닛(330)으로부터 카토마이저(20)로의 전력 공급선 상에 직접 배치될 수 있고, 버튼의 작동 상태에 따라 이 전력 공급선을 개폐할 수 있다. 또한, 제어기(410)의 기능은 제어기(410)로서 조합하여 작용하는 하나 이상의 구성요소들로 분산될 수 있다.
도 3은 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 도 1의 전자-담배의 히터(235)의 개략도이다. 히터(235)는 심지(225) 둘레에 감겨진 2 개의 코일들, 즉, 도면 부호 426으로 표시되는 제1 코일, 도면 부호 427로 표시되는 제2 코일을 포함한다. (명확하게 하기 위해, 코일(427)은 코일(426)과 구별하기 위해 점선을 사용하여 개략적으로 도시되지만, 실제로는 코일들 둘 모두는 그들의 길이에 따른 전기의 흐름을 지원하기 위해 연속적인 것임을 유의해야 한다).
제1 코일(426)은 전형적으로 니켈과 크롬의 합금인 니크롬과 같은 전자-담배 히터 코일용의 일반적인 재료로 제조된다. 히터 코일 와이어로서 사용하기 위한 니크롬의 표준 예는 약 80 %의 Ni 및 20 %의 Cr(질량 기준)으로 형성되지만, 다른 니크롬 합금들은 철 및/또는 탄소와 같은 소량의 다른 재료들을 포함할 수 있고, 또한 니켈과 크롬의 비율은 매우 다양하다. 히터 코일로 니크롬 코일을 사용하는 주된 이유들은 고온에서 산화에 대한 저항성과 일반적인 안정성 및 또한 (코일이 전자-액체를 기화시키는 데 사용될 때 중요한) 부식에 대한 그 저항성이다.
상술한 바와 같이, 전자-담배의 온도를 평가하기 위해 히터 코일의 저항을 사용하는 것이 고려되어 왔다. 따라서 선형 근사법(linear approximation)에서, 예컨대, 온도와 가열 코일과 같은 재료의 저항 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
R(T) = R(T0)(1+αΔT)
여기서 R(T)는 온도 T에서의 저항이고(그리고 이제 단순화를 위해 R로 표기될 것임), R(T0)는 온도 T0에서의 저항이고(그리고 이제 단순화를 위해 R0으로 표기될 것임), ΔT = T-T0이고, α는 온도 저항 계수이다. 니크롬의 경우, T0 = 293 K일 때, α
Figure 112019075033439-pct00001
4x10-4 K-1 (주의: 실제값은 정밀한 구성 등에 민감함)에서 이 계수의 일반값은 상대적으로 낮다. 결과적으로, 온도에 대한 저항의 변화는 상대적으로 작기 때문에, 온도 변화에 대한 민감도도 마찬가지로 상당히 낮다.
예를 들어, 200 ℃(473 K)의 온도에서 작동할 때, 2 Ω의 저항을 갖는 니크롬 히터 코일을 고려해 볼 수 있다. 우리가 이제 코일의 일부(20 %)가 50 ℃의 다른 코일에 의해, 즉, 250 ℃(523 K)로 과열된다고 가정하면, 우리는 과열 전후의 전체 저항에 대해 다음과 같은 2 개의 식들을 갖는다.
2 = R0(1+α180)
R = 0.2R0(1+α230)+0.8×2
R0를 제거하면, 다음과 같은 식으로 표현된다:
R = 1.6+[0.4(1+α230)/(1+α180)]
이들 온도들에서 우리는 여전히 α
Figure 112019075033439-pct00002
4×10-4 K-1인 것으로 가정하면, 우리는 곱셈전개(multiply out)하여 다음과 같은 값을 구할 수 있다:
R = 1.6+0.4075 = 2.0075 Ω (예 1)
즉, 코일 전체에 대한 저항의 변화는 절대적 관점에서 단지 0.0075 Ω이거나, 상대적 관점에서 0.375 %이다. 이것은 (특히, 전자-담배(10)의 맥락에서) 정확하게 측정하기 어렵다는 점이 인정될 것이다.
비록 우리가 수치들을 변경하여, 전체 코일이 100 ℃, 즉, 473 K(T1)로부터 573 K(T2)로 온도가 상승하더라도, 우리는 과열 전후의 전체 저항에 대해서는 다음의 2 개의 식들을 갖는다:
2 = R0(1+α(T1-T0))
R = R0(1+α(T2-T0))
다시 R0을 제거하면 다음의 식을 얻을 수 있다.
R = 2[(1+α(T2-T0))/(1+α(T1-T0))]
그리고 우리는 곱셈전개하여 다음과 같은 값을 구할 수 있다:
R = 2.075Ω (예 2)
그러므로, 코일 전체에 대한 저항의 변화는 절대적 관점에서 여전히 단지 0.075 Ω이거나, 상대적 관점에서 3.73 %이다.
저항의 변화들이 상대적으로 작기 때문에, 우리는 위의 공식, R = 2[(1+α(T2-T0))/(1+α(T1-T0))]를 다음과 같이 근사할 수 있다는 것을 유의해야 한다.
R(T2)/R(T1) = [(1+α(T2-T0)). [(1+α(T1-T0))]
Figure 112019075033439-pct00003
1+α(T2-T1)
상기 고려 사항을 감안하여, 도 3의 제2 코일(427)은 코일(426)과 상이한 재료로 제조된다. 예를 들어, 이 코일은 (고온들에 견디는) 내화성 및 또한 내부식성 둘 모두를 가진 티타늄으로 제조될 수 있다. 또한, 티타늄의 온도 저항 계수는 α
Figure 112019075033439-pct00004
3.5×10-3 K-1이다(다시 말해, 이것은 불순물들 등에 민감함).
우리는 제1 코일(426)과 제2 코일(427)은 직렬로 연결되고, 각 코일은 정상(디폴트) 동작 온도에서 1 Ω의 저항을 갖는 것으로 가정한다. 그러면, 이것은 전체 히터에 대한 총 저항 2 Ω(즉, 위의 예 1 및 예 2와 동일함)을 제공한다(그리고 주어진 전압 공급을 위해 히터에 동일한 전력이 제공된다). 각 히터의 20 %가 추가로 50 ℃ 상승한다고 가정하는 상술한 예 1의 경우, 저항의 총 증가는 코일(426)의 경우는 대략 0.0037 Ω이고, 코일(427)의 경우는 0.021 Ω이므로, 대략 0.0247 Ω의 저항의 총 증가가 주어지고, 이는 단지 코일(427) 자체에 대하여 예 1에서 얻은 것보다 3 배 이상 크다. 또한 제1 코일(426)과 제2 코일(427)이 병렬로 연결되고, 각 코일이 4 Ω의 저항을 갖는 경우(이는 또한 전체 히터에 대한 총 저항 2 Ω을 제공함, 즉, 상술한 예 1 및 예 2와 동일함), 유사한 상승이 또한 달성된다.
제1 코일(426) 및 제2 코일(427)(여기서 제2 코일(427)은 현저히 더 큰 열 저항 계수를 가짐)의 사용은 전자-담배(10) 내의, 더 구체적으로는, 카토마이저(20) (또는 제1 코일(426) 및 제2 코일(427)들을 포함하는 전자-담배(10)의 다른 부분) 내의 과열에 대한 모니터링, 검출 및 보호에 대한 향상된 능력을 제공한다. 전술한 바와 같이, 이러한 과열은 히터(235)에 의한 기화에 의한 전자-액체의 국소화 또는 완전 소진, 또는 전기 결함, 제한된 공간에서의 작동(그래서 외부 냉각이 없음) 등과 같은 다양한 다른 원인들에 기인할 수 있다. 일부 예들에 따라 제공되는 더 높은 온도 민감도는 또한(또는 대안적으로), 전자-담배의 정상 작동 중에 원하는 기화 온도를 유지하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 동작 중에, 전류 모니터(460)는 히터(235)에 공급되는 전류의 레벨을 추적한다. 몇몇 경우들에서, 전류 레벨은 사실상 (관심 시간 기간에 걸쳐) 일정한 전압을 가정하여 저항의 지표로서 간접적으로 활용될 수 있다. 대안적으로, 시스템은 모니터링된 전류 레벨을 배터리(330)에 의해 카토마이저(20)에 공급되는 알려진, 추정된, 또는 측정된 전압과 결합함으로써 저항을 직접적으로 모니터링할 수 있다. 간접 접근 또는 직접 접근 둘 모두에 대해, 제어기(410)는 저항 레벨의 모니터링된 표시를 추적하고, 임의의 비정상적인 상황, 예를 들어, 표시된 저항 레벨의 비교적 급격한 상승 및/또는 비정상적으로 높은 저항 레벨을 검출한다. 저항이 일반적으로 온도에 따라 증가한다는 것을 염두에 두고(일부 재료들은 음의 열 저항 계수를 갖지만), 모니터링된 저항의 급격한 증가 또는 이 저항의 비정상적으로 높은 값은 (예를 들어) 카토마이저 내의 과열을 나타낼 수 있다.
실제로, 정상 행동과 비정상 행동 사이를 구별하는 것을 돕기 위해 제어기에는 다양한 임계값들(또는 유사값들)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 버튼(340)이 처음 조작되고, 히터(235)가 활성화되면, 히터 저항이 증가할 것(그로 인한 전류의 하강)이 예상된다. 이것은 디바이스의 정상 작동을 나타낸다. 그러나 히터 저항이 계속 증가하거나, 후에 흡입 중에 갑자기 상승하면, 이것은 디바이스의 비정상적인 작동을 나타낼 가능성이 더 높다. 따라서, 제어기(410)는, 예를 들어, 흡입 시작 이후 사전 결정된 임계 시간 후에 발생하는 전류 하강(그로 인한 온도 상승)을 찾도록 구성될 수 있다. 이들 임계값들에 대한 적절한 설정들은 경험적으로 및/또는 주어진 디바이스의 동작을 모델링함으로써 결정될 수 있다.
다른 구현예들에서, 제어기(410)는 (가열 절차 대신에, 또는 가열 절차의 후반에서) 초기 가열 기간 동안의 전류 강하(그로 인한 온도 상승)를 찾도록 구성될 수 있다. 이에 대한 하나의 동기는 디바이스가 사용되는 각각의 경우에 임의의 잠재적인 문제를 신속히 식별하여 적절한 교정 조치가 가능한 한 빨리 취해질 수 있도록 하는 것이다. 다른 동기는 몇몇 시스템들이 가열 요소를 원하는 온도로 가열하기 위해 초기 기간의 전체 전력(유니티의 듀티 사이클)을 사용하고, 이어서 가열 요소를 이러한 원하는 온도로 유지하기 위해 듀티 사이클을 감소시키는 것이다. 감소된 듀티 사이클에 따라 전력이 조절될 때, 후속 단계보다 일정한 최대 전력의 초기 단계 동안 저항의 비정상적인 상승을 확인하는 것이 실제로 더 쉽다.
제어기(410)가 모니터(460)에 의해 추적되는 전류 레벨, 예를 들어, 일반적으로 과열을 나타내는 저항 상승에 의해 야기될 수 있는 전류의 급격한 하강에 기초하여 어떤 비정상적인 상황을 검출하는 경우, 제어기(410)는 적절한 교정(보완) 조치를 취할 수 있다. 예를 들어, 제어기(410)는 배터리로부터 히터(335)로의 전력 공급을 제한(감소) 또는 심지어 차단하도록 전력 제어 시스템(450)에 지시할 수 있다. 제어기(410)는 또한 사용자 인터페이스(480)를 통해 사용자에게 어떠한 형태의 시각적 경고를 제공할 수 있다.
과열의 검출 및 그에 따른 보호를 제공하기 위해 상술한 바와 같은 제1 코일(426) 및 제2 코일(427)의 사용은 많은 이점들을 제공한다. 따라서, 제1 코일(426)보다 더 높은 열 저항 계수(및 그에 따른 높은 열 민감도)를 갖는 제2 코일(427)을 포함함으로써, 디바이스는 주어진 과열 레벨이 저항의 더 큰 변화를 일으키고 그에 따라 전류 레벨이 더 쉽게 검출될 수 있다는 점에서 이러한 과열에 더 민감하게 반응한다. 한편, 히터(235) 전체가 큰 열 저항 계수를 가진 재료만으로 완전히 구성되는 것(즉, 사실상 제1 코일(426)이 아닌 제2 코일(427)만을 사용하는 것)은 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제2 코일(427)의 재료는, 더 비싸거나, 가열 시에 덜 효율적이거나, 부식에 더 취약할 수 있는 것 등일 수 있다. 따라서, 몇몇 경우들에서, 카토마이저(20)에 의해 공급되는 전력의 대부분이 제2 코일(427)이 아니라 제1 코일(426)에 의해 사용되도록 배열하는 것이 바람직할 수 있다(예컨대, 이것이 더 효율적이거나 또는 코일(427)을 보호하는 데 도움이 되기 때문임). 이러한 다양한 우려들을 해결하기 위한 몇 가지 잠재적인 옵션들이 이하에 논의된다.
또한, 제1 코일(426) 및 제2 코일(427)의 사용(예를 들어, 전용 센서를 사용하는 것과 대조적으로)은, 카토마이저(20)와 디바이스부(30) 사이의 종래의 2 단자 인터페이스와 일치한다(전용 센서의 사용은 히터(35)로부터의 전기적 분리를 필요로 할 수 있으므로 카토마이저(20)와 디바이스부(30) 사이에 추가적인 단자가 필요할 수 있음). 또한, 히터(235)는 제2 코일(427)에 의해 소산된 전기 에너지가 전자-담배(10)의 전체 작동에 기여하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 기화나, 카토마이저(20)(히터(235) 자체의 다운스트림 또는 업스트림)를 통한 기류를 가열하는 데 도움이 될 수 있다. 따라서, 제1 코일(426)은 주로 히터 코일로서 고려될 수 있고, 2 차적으로 (저항 모니터링을 위한) 센서 코일로서 고려될 수 있는 반면, 제2 코일(427)은 주로 센서 코일로서 그리고 2차적으로는 히터 코일로서 고려될 수 있다. 따라서 이러한 접근은 과열에 대한 보호 측면에서 향상된 기능을 제공하면서 효율성을 유지하는 데 도움을 줄 수 있다.
일반적으로, 제2 코일(427)의 열 저항 계수는 제1 코일(426)의 열 저항 계수보다 현저한 배수만큼, 예컨대 적어도 2 배, 바람직하게는 4 배, 바람직하게는 8 배(상기 니크롬 및 티타늄의 경우)만큼 크다. 일부 구현예들에서, 제1 코일(426)의 열 저항 계수는 실온에서 1×10-3 K-1 미만이고, 예컨대, 다양한 형태의 니크롬에 대해 실온에서 5×10-4 K-1 미만인 반면, 제2 코일(427)의 제2 열 저항 계수는 실온에서 1×10-3 K-1 초과이고, 예컨대, 티타늄 또는 니켈 또는 강철과 같은 기타 금속들/합금들에 대해 실온에서 2.5×10-3 K-1 초과이다.
전술한 예들은 제2 코일(427)과 병렬 또는 직렬로 제1 코일(426)을 갖는다. 전자의 옵션은 도 1에 도시된 와이어들(230)을 연결하는 패턴에 매우 적합하며, 이 와이어들은 히터(235)의 각 단부로부터 커넥터(25A)로 연결되는 하나의 와이어를 갖는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나, 후자의 옵션을 위해 사용되는 와이어들을 연결하는 패턴은 도 1에 도시된 것과 상이할 수 있는데, 예컨대, 커넥터(25A)에 연결하는 양 와이어들은 히터(235)의 일단으로부터 이어져, 제1 및 제2 코일(426, 427)은 히터(235)의 타단에서 함께 결합한다. 당업자는 코일들의 여러 가지 가능한 구성들에 따라 추가의 잠재적인 배선 배열들을 이해할 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 히터(235)에 대한 여러 가지 가능한 구성들의 예들을 도시한다. 도 4a는 제2 코일(427)이 단지 히터(235)의 중앙 부분을 따라 위치된다는 것만을 제외하고는 도 3의 배열과 유사하다. 히터의 이러한 중앙 부분은 심지(225)의 양 단들이 저장소(210) 내의 액체와 접촉하는 일반적인 배열을 대해 저장소(210)로부터 심지(225)를 따라 전자-액체에 대한 가장 먼 이동 지점을 나타내고, 따라서 잠재적으로 드라이-아웃되기 가장 쉽다는 것을 알 수 있을 것이다. 제2 코일(427)의 길이를 감소시키는 것은 비용을 절감하고 그리고/또는 제2 코일(427)의 저항을 감소시키는 데 도움을 줄 수 있고, 후자의 측면은 (적어도 직렬 배열의 대해) 온도에 대한 민감도가 상응하여 감소하더라도 대부분의 전력이 제1 코일(426)에 의해 소산되도록 할 수 있다.
도 4b는 심지(225) 상에 재권취된 제1 코일(426)을 갖는 단면도, 즉, 코일 축들에 수직인 단면도를 도시한다. 그러나, 이러한 구현예에서, 제2 코일(427)은 제1 코일(426)보다 더 큰 반경을 갖고, 그래서 심지(225)로부터 분리된다. 이러한 구성은, 예를 들어, 가능한 부식을 최소화하는 것을 돕기 위해, 심지(225) 상의 액체와 제2 코일(427) 사이의 직접적인 접촉을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 제2 코일(427)로부터의 열은 여전히 전자-액체의 기화에 기여할 수 있다. 이러한 구현예에서, 제2 코일(427)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 코일(426)의 전체 축 길이로, 또는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 길이의 일부분만 연장될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 4c는 다른 구현예를 도시하며, 또한 제1 코일(426)은 심지(225) 주위를 감싸고 있다. 그러나, 이 구현예에서, 제2 코일(427)은 제1 코일(426)의 위와 아래에 포지셔닝되는 (그러나, 제1 코일(426)과는 접촉하지 않는) 2 개의 스트립 히터들(527A, 527B)로 대체되었다. 따라서, 이 구성의 기하학적 구조는 제1 코일(426) 외부의 보다 열 감응적인 재료의 히터를 갖는 도 4b와 다소 유사하지만, (코일이 아닌) 상이한 유형의 저항성 히터가 사용된다. 스트립 히터들(527A, 527B)의 이러한 배열은, 예를 들어, 보다 열 감응적인 재료가 와이어로 형성되기에 더 어렵거나 고가이거나, 또는 코일 와이어와 비교하여 상이한 레벨의 저항을 제공하는 경우 등에 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 히터(235)에 대한 2 개의 가능한 회로 배열의 예들을 도시한다(이들 도면들은 물리적 또는 공간적 구성들보다는 전기적 접속들을 설명하기 위한 것이다). 도 5a는 2 개의 코일 부분들(627A, 627B)로 표현되는 제2 코일의 중간점(midpoint)에 연결된 제1 코일(426) 및 심지(225)를 도시한다. 이러한 배열은 커넥터(25A)에 의해 제공될 수 있는 2 개의 단자들(626A, 626B)에 의해 전력이 공급된다. 이러한 배열에 대한 하나의 잠재적인 동기는 (2 개의 코일 부분들(627A, 627B)이 서로 거의 동일한 저항을 갖는 것으로 가정하면) 제2 코일(627)의 각각의 코일 부분(627A, 627B)이 제1 코일(426)의 전류의 절반만을 운반한다는 것이다. 이는, 예를 들어, 제2 코일(427)을 보호하고 그리고/또는 제1 코일(426)에서 더 효율적인 가열을 이용하기 위해, 제1 코일(426)에서의 전력 소산과 비교하여 제2 코일(427)에서의 전력 소산을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다.
도 5a에서, 코일 부분들(627A, 627B)은 대안적으로 2 개의 개별 코일들로서 간주될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 일반적으로, 본 접근법의 카토마이저(20)는 단지 2 개의 코일들(또는 보다 일반적으로는 2 개의 저항성 히터들)을 갖는 것으로 한정되지 않으며, 임의의 주어진 구현예의 특정 상황들에 따라 원하는 경우 추가의 코일들 또는 히터들을 가질 수 있다.
도 5a에서, 접점들(626A 및 626B)로 나타낸 바와 같이, 카토마이저(20)는 디바이스부와의 전기 접속을 위한 단지 2 개의 전기 단자들(사실상, 양극 및 음극)을 갖는다. 그러나, 도 5b는 커넥터(25A)가 3 개(또는 그 초과)의 전기 단자들을 지원하는 다른 배열을 도시한다. 이 배열에서, 제1 단자(726A)는 제1 코일(426)(또는 히터)에의 공급으로서 사용되고, 제2 단자(726B)는 제2 코일(427)(또는 히터)에의 공급으로서 사용되며, 양 코일들은 공통 접지 리턴(726C)을 공유한다. 이 구성은, 제1 코일(426)에 공급되는 전류가 적절한 기화를 위한 레벨로 설정될 수 있는 반면, (제2 코일(427)이 여전히 가열 및/또는 기화를 돕지만,) 제2 코일(427)에 공급되는 전류가 열 감지를 위해 상이한 레벨로 설정될 수 있다는 점에서 상당한 유연성을 제공한다는 것이 이해될 것이다. 이 구성에서, 전류 모니터(460)는 접촉점(726B)을 통해 제2 코일에 공급되는 전류 레벨을 모니터링한다는 점에 유의해야 한다. 커넥터들(25A, 25B)이 이제 (추가 단자 때문에) 더 복잡하더라도, 제2 코일(427)의 민감도는 사실상 제1 코일(426)에 의해 희석되지 않기 때문에, 이러한 배열은 열 변화에 대해 양호한 민감도를 제공한다.
일반적으로 도 4a 내지 도 4c, 및 도 5a 및 도 5b를 고려하면, 제1 코일(426) 및 제2 코일(427)은 전기 저항성 히터들의 예들이고, 이러한 저항성 히터들의 다른 형태들은 이들 코일들 중 하나 또는 양쪽 모두에 적절하게 사용될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 2 개의 저항성 히터들의 상대적인 포지셔닝 및 구성은 임의의 주어진 구현예의 세부 사항에 따라, 그리고 마찬가지로 전기적 특성들(저항, 연결성 등)에 따라 적절하게 개별적으로 수정될 수 있다. 이러한 변화들은, (디바이스부 내의 모니터링 시스템에 제공된 바와 같이) 전반적인 열 민감도, 및 더 높은 열 민감도를 갖는 코일 또는 히터의 특정 요구 사항들(예컨대, 감소된 전력 소산, 감소된 액체 접촉 등)과 같은 다양한 기준들을 해결하는 데 도움이 될 수 있다.
따라서 전체적으로, 본 명세서에 설명된 다양한 구현예들은, 그 중에서도, 전자 증기 공급 디바이스를 제공하며, 그 전자 증기 공급 디바이스는: 사용자에 의한 흡입을 위해 기류 내에 증기를 발생시키도록 액체를 기화시키기 위한 제1 전기 저항성 히터; 액체를 기화시키고 그리고/또는 상기 기류를 가열하기 위한 제2 전기 저항성 히터 ― 제1 전기 저항성 히터는 제2 전기 저항성 히터의 제2 열 저항 계수보다 낮은 제1 열 저항 계수를 가짐 ―; 및 적어도 제2 전기 저항성 히터의 저항의 변화를 모니터링하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다.
일반적으로, 제1 및/또는 제2 전기 저항성 히터들은 와이어 코일들이지만, 일부 구현예들은 다른 설계들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 제1 또는 제2 전기 저항성 히터들 중 적어도 하나는 (코일 이외의 일부 구성을 갖는) 와이어 히터, 스트립 히터, 평면 히터 등일 수 있다. 또한, 제1 및/또는 제2 전기 저항성 히터들은 서로 상이한 설계를 가질 수 있고, 예를 들어, 제1 전기 저항성 히터는 와이어 코일일 수 있고, 제2 전기 저항성 히터는 인접한 스트립이 될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 제1 및 제2 전기 저항성 히터들은 일반적으로 서로 상대적으로 근접하기 때문에, 전자(제1 전기 저항성 히터)에서의 과열은 제2 저항성 히터의 온도 상승(및 그에 따른 후자에서의 증가된 저항)을 야기한다. 예를 들어, 동축 코일들, 나란한 코일들(side by side coils), 큰 코일 주위에 감겨진 더 작은 코일 등과 같이, 사용될 수 있는 많은 공간적 구성들이 있다.
제1 및 제2 전기 저항성 히터들은 전형적으로 상이한 재료들(상이한 열 계수들이나 저항률을 제공하기 위해), 예를 들어, 2 개의 상이한 금속들로 제조된다. 다른 경우들에서, 제1 및 제2 전기 저항성 히터들은, 예를 들어, 도핑에 의해, 상이한 내부 구조들(예컨대, 상이한 형태들의 탄소와 유사함)에 의해, 상이한 코팅들 등에 의해, 상이한 열 계수들 또는 저항률을 제공하도록 준비된 동일하거나 유사한 재료들로 제조될 수 있다.
몇몇 경우들에서, 제1 및 제2 전기 저항성 히터들 중 적어도 하나는 PTFE(polytetrafluoroethylene)와 같은 절연 재료로 덮이거나, 피복되거나 또는 코팅될 수 있다. 그 다음, 이것은 제1 및 제2 전기 저항성 히터들이 서로 접촉할 수 있게 하여, 2 개의 히터들 사이의 양호한 열 접촉을 보장하고 그리고/또는 다양한 공간 구성들을 지원하는 데 도움이 될 수 있으며, 여전히 2 개의 히터들 사이에 제어된 전기 분리를 제공한다. 이러한 절연 재료는 일반적으로 전자-담배 내부의 비교적 높은 온도와 증기에 내성이 있어야 한다는 것을 유의해야 한다.
일반적으로, 디바이스는, 제어 시스템을 포함하는 재사용가능 부분, 및 제1 및 제2 전기 저항성 히터들을 포함하는 일회용 부분을 포함한다. 많은 경우들에서, 재사용가능 부분과 일회용 부분은 양극 및 음극을 나타내는 두 개의 전기 접점들을 사용하여 결합된다. 이 경우에, 제어 시스템은 일반적으로 제1 및 제2 전기 저항성 히터들의 조합을 포함하여, 전체적으로 일회용 부분의 전체 저항의 변화를 모니터링한다. 제2 전기 저항성 히터는 이러한 전체 저항의 주요 온도 의존성에 기여하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예들에서, 제어 시스템은 제어기와 조합된 전류 센서를 포함할 수 있다. 전류 센서는 (배터리로부터 상당히 안정적인 전압 출력을 가정하면) 저항에 대한 프록시로서 전류 레벨을 모니터링할 수 있다. 일반적으로, 제어 시스템은 제2 전기 저항성 히터(자체로 또는 제1 전기 저항성 히터와의 조합)의 저항 변화를 모니터링하도록 구성되고, 이는 온도의 급격하고 현저한 상승, 및 그로 인한 잠재적으로 비정상적인 상황을 나타낼 수 있다. 그 다음, 제어 시스템은 비정상 상황을 나타낼 수 있는 하나 이상의 사전 결정된 기준들을 만족시키는 저항의 변화에 기초하여 제1 및/또는 제2 전기 저항성 히터들로의 전력 공급을 감소시키거나 차단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모니터링된 저항이 (히터의 활성화 동안 정상적으로 발생하는 온도 이상으로) 카토마이저의 온도의 상당한 상승을 나타내는 경우, 제어 시스템은 전력을 차단할 수 있다. 따라서 제어 시스템은 히터의 드라이-아웃 및 전기 결함, 및 기타 잠재적으로 위험하거나 바람직하지 않은 상황들로부터 보호할 수 있다.
상술한 구현예들은 일반적으로 사용자에 의한 흡입용 증기를 발생시키기 위한 전구체로서, 예컨대, 저장소에 저장되는 액체를 이용한다. 그러나, 다른 구현예들은 페이스트(paste), 겔(gel) 또는 고체 재료를 포함하는 상이한 형태의 증기 전구체를 사용할 수 있다. 일부 경우들에서, 증기 전구체는 적어도 부분적으로 어떤 형태의 담배나 다른 식물 추출물(예컨대, 건조 잎, 파워, 페이스트 등)에서 파생될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상술한 구현예들은 일반적으로 증기 전구체 재료로부터 증기를 발생시키기 위한 전기 저항성 히터(들)로서 하나 이상의 코일들을 사용한다. 그러나, 기판(예컨대, 인쇄 회로 기판) 상에 금속 트랙을 형성함으로써 제조된 평면형 히터, 또는 금속 메쉬 히터 또는 세라믹 히터 등과 같은 다른 유형들 또는 형태들의 전기 저항성 히터가 공지되어 있다. (각각 낮은 열 저항 계수 및 높은 열 저항 계수를 갖는) 제1 및 제2 저항성 히터들은, 도 4에 도시된 바와 같이, 예컨대, 양 코일들과 동일한 유형의 히터일 수 있거나 상이한 유형들의 저항성 히터일 수 있음을 유의해야 한다. 또한, 제1 저항성 히터 및 제2 저항성 히터들 중 하나 또는 양쪽 모두는 다수의 (유사한 또는 유사하지 않은) 요소들의 조합으로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 제1 저항성 히터는 다수의 코일들로 형성될 수 있다.
제1 및 제2 저항성 히터들은 각각 일반적으로 (온도에 따라 저항이 증가하는) 양의 열 저항 계수를 갖지만, 예컨대, 세라믹과 같은 일부 재료들은 (온도에 따라 저항이 감소하는) 음의 열 저항 계수를 제공할 수 있다. 우리가 하나의 열 저항 계수를 다른 열 저항 계수보다 큰 (또는 작은) 것으로 여기에서 언급할 때, 이것은 크기의 관점에서 이해되어야 한다. 예를 들어, 제1 히터가 제2 히터에 대한 열 저항 계수(α2)보다 작은 열 저항 계수(α1)를 가지면, 이것은, |α1|<|α2|인 것을 의미한다(여기서, |α|는 α의 절대값을 나타냄). 이것은 일반적으로 제어기가 저항의 상승 또는 하강에 민감하게 반응할 수 있으므로, 검출을 용이하게 하기 위해서는 저항의 (부호보다) 변화의 크기가 중요하다는 것이 이해될 수 있다.
제1 및 제2 전기 저항성 히터들은 일반적으로 직접 또는 간접적으로 서로 열적으로 접촉된다. 이러한 열 접촉은 열역학적 커플링을 제공하여, 제1 전기 저항성 히터로부터의 열이 제2 전기 저항성 히터로 전달될 수 있다. 일반적으로, 제2 전기 저항성 히터(및 그로 인한 전체 모니터링 시스템)를 가능한 한 제1 전기 저항성 히터의 (잠재적으로 비정상적인) 임의의 온도 변화에 민감하게 만들기 위해, 이 열역학 커플링은 가능한 한 강해야 한다. 열역학적 커플링은 방사선, 대류 및/또는 전도와 같은 하나 이상의 형태들의 열 전달을 이용할 수 있다. 일부의 경우들에서, 열역학적 커플링은 매개체를 이용할 수 있는데, 예를 들어, 제1 전기 저항성 히터가 심지로 양호한 열 전달을 할 수 있고, 또한 심지가 제2 전기 저항성 히터로 양호한 열 전달을 할 수 있다(그에 의해, 제1 및 제2 전기 저항성 히터들 사이에 간접적인 열 커플링을 제공함). 일부 구현예들에서, 가장 중요한 관심사는 중간 구성요소의 온도일 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 제2 전기 저항성 히터의 주안점은, (외부 하우징의 과도한 온도가 제1 전기 저항성 히터의 과열로 인해 야기될 수 있음에도 불구하고) 사용자가 가장 많이 터치할 가능성이 있는 부분이기 때문에, 디바이스의 외부 하우징의 임의의 과도한 온도를 모니터하는 데 도움이 될 수 있다.
다양한 이슈들을 처리하고 기술을 발전시키기 위해, 본 개시내용은 청구된 발명(들)이 실행될 수 있는 다양한 실시예들을 예로서 도시한다. 본 개시내용의 이점들 및 특징들은 단지 실시예들의 대표적인 예일 뿐, 포괄적 및/또는 배타적인 것은 아니다. 그들은 청구된 발명(들)의 이해를 돕고 가르치기 위해서만 제공된다. 본 개시내용의 이점들, 실시예들, 예시들, 기능들, 특징들, 구조들 및/또는 다른 양상들은 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 개시내용에 대한 제한, 또는 청구항들에 대한 등가물들에 대한 제한들로 간주되어서는 안되고, 청구항들의 범위를 벗어나지 않으면서, 다른 실시예들의 이용 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다양한 실시예들은 본 명세서에 구체적으로 기술된 요소 이외의 개시된 요소들, 구성요소들, 특징들, 부분들, 단계들, 수단들 등의 다양한 조합을 적절하게 포함하거나, 구성하거나, 본질적으로 구성할 수 있다. 본 개시내용은 현재 청구되지는 않았지만, 미래에 청구될 수 있는 다른 발명들을 포함할 수 있다.

Claims (26)

  1. 사용자에 의한 흡입을 위해 기류(airflow) 내에서 증기를 발생시키도록 전구체 재료를 기화시키기 위한 제1 전기 저항성 히터;
    상기 전구체 재료를 기화시키고 그리고/또는 상기 기류를 가열하기 위한 제2 전기 저항성 히터 ― 상기 제1 전기 저항성 히터는 상기 제2 전기 저항성 히터의 제2 열 저항 계수보다 낮은 제1 열 저항 계수를 가짐 ―; 및
    적어도 상기 제2 전기 저항성 히터의 저항의 변화를 모니터링하도록 구성된 제어 시스템을 포함하고,
    상기 제2 열 저항 계수는 실온에서 1×10-3 K-1 초과인,
    전자 증기 공급 디바이스(electronic vapour provision device).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전기 저항성 히터는 와이어 코일인,
    전자 증기 공급 디바이스.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전기 저항성 히터는 와이어 코일인,
    전자 증기 공급 디바이스.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전기 저항성 히터는 제1 와이어 코일을 포함하고, 상기 제2 전기 저항성 히터는 제2 와이어 코일을 포함하며, 상기 제1 와이어 코일 및 상기 제2 와이어 코일은 동축인,
    전자 증기 공급 디바이스.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전구체 재료는 액체를 포함하는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  6. 제5 항에 있어서,
    저장소로부터 상기 제1 전기 저항성 히터로 상기 액체를 전달하기 위한 심지(wick)를 더 포함하는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 심지의 적어도 일부가 드라이-아웃(dry out)되었음을 나타내는 상기 저항의 변화를 모니터링하도록 구성되는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  8. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열 저항 계수는 상기 제1 열 저항 계수보다 적어도 2 배 만큼 더 큰,
    전자 증기 공급 디바이스.
  9. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 저항 계수는 실온에서 1×10-3 K-1 미만인,
    전자 증기 공급 디바이스.
  10. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열 저항 계수는 실온에서 2.5×10-3 K-1 초과인,
    전자 증기 공급 디바이스.
  11. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 전기 저항성 히터는 실질적으로 티타늄 또는 니켈로 제조되는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  12. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전기 저항성 히터는 실질적으로 니크롬으로 제조되는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  13. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전기 저항성 히터는 상기 제2 전기 저항성 히터와 전기적으로 병렬인,
    전자 증기 공급 디바이스.
  14. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전기 저항성 히터는 상기 제2 전기 저항성 히터와 전기적으로 직렬인,
    전자 증기 공급 디바이스.
  15. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전기 저항성 히터는 상기 제2 전기 저항성 히터보다 더 큰 전력을 소산시키도록 구성되는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  16. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 온도의 현저한 상승을 나타내는 적어도 상기 제2 전기 저항성 히터의 저항의 변화를 모니터링하도록 구성되는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  17. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 디바이스의 정상 동작과 비교하여 온도의 비정상적인 급격한 상승을 나타내는 적어도 상기 제2 전기 저항성 히터의 저항의 변화를 모니터링하도록 구성되는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  18. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 하나 이상의 사전 결정된 기준들을 만족시키는 적어도 상기 제2 전기 저항성 히터의 저항의 변화에 기초하여, 상기 제1 전기 저항성 히터 및/또는 상기 제2 전기 저항성 히터에 대한 전력 공급을 감소시키거나 차단하도록 구성되는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  19. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스는, 상기 제어 시스템을 포함하는 재사용가능 부분, 및 상기 제1 전기 저항성 히터 및 상기 제2 전기 저항성 히터를 포함하는 일회용 부분을 포함하는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 재사용가능 부분과 상기 일회용 부분은 양극 및 음극을 나타내는 2 개의 전기 접점들을 사용하여 결합되는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 제2 전기 저항성 히터를 포함하여 전체적으로 상기 일회용 부분의 저항의 변화를 모니터링하도록 구성되는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  22. 제19 항에 있어서,
    상기 제2 전기 저항성 히터는 상기 일회용 부분의 전기 저항의 온도 민감도를 담당하는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  23. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 제어기와 조합된 전류 센서를 포함하는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  24. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 제1 전기 저항성 히터와 상기 제2 전기 저항성 히터 사이에 열 접촉을 제공하도록 구성되는,
    전자 증기 공급 디바이스.
  25. 사용자에 의한 흡입을 위해 기류 내에 증기를 발생시키도록 제1 전기 저항성 히터를 사용하여 전구체 재료를 기화시키는 단계;
    제2 전기 저항성 히터를 사용하여 상기 전구체 재료를 기화시키고 그리고/또는 상기 기류를 가열하는 단계 ― 상기 제1 전기 저항성 히터는 상기 제2 전기 저항성 히터의 제2 열 저항 계수보다 낮은 제1 열 저항 계수를 가짐 ―; 및
    적어도 상기 제2 전기 저항성 히터의 저항의 변화를 제어 시스템에 의해 모니터링하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 열 저항 계수는 실온에서 1×10-3 K-1 초과인,
    전자 증기 공급 디바이스의 작동 방법.
  26. 삭제
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