KR102496165B1 - 전기 가열식 흡연 시스템의 스위치 고장 모니터링 - Google Patents

Abstract

전기 가열식 흡연 시스템의 전기 히터(14)를 제어하는 방법이 제공되어 있으며, 전력을 히터에 펄스로 제공해서 활성 기간 동안 전력이 히터에 공급되고 비활성 기간 동안 전력이 히터에 공급되지 않게 되는 단계; 비활성 기간 동안 RC 회로(36) 내의 커패시터(52)를 충전하고, 활성 기간 동안 커패시터가 방전할 수 있게 하는 단계; 및 커패시터의 방전 전압을 모니터링하고, 커패시터의 방전 전압이 임계 전압 수준 아래로 강하하면, 히터에 대한 추가 전력 공급을 중단하는 단계를 포함하고 있다. 이 방법은 소형 및 저전력 구성요소를 사용하여 스위치 고장을 일관되고 신뢰성있게 감지할 수 있게 한다.

Description

전기 가열식 흡연 시스템의 스위치 고장 모니터링{SWITCH FAILURE MONITORING IN AN ELECTRICALLY HEATED SMOKING SYSTEM}

본 발명은 전기 가열 시스템에서 스위치의 작동을 모니터링하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스위치를 규칙적으로 작동시켜서 전력을 히터에 펄스로 공급하는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 상기 스위치의 작동이 모니터링되고, 스위치가 고장난 경우에, 히터로의 전력 공급은 중단된다.

전기 가열 시스템의 한 가지 예는 전기 가열식 흡연 시스템이다. 전기 가열식 흡연 시스템에서, 전기 히터는 에어로졸 형성 기재를 가열하는데 사용되며, 상기 기재는 캐스트 잎담배와 같은 고체 기재, 또는 액체 기재일 수도 있다. 기재를 가열하게 되면 통상적으로 글리세린과 같은 하나 이상의 에어로졸 형성제 화합물과 함께 원하는 향미 화합물을 증발시킨다. 원하는 향미 화합물을 포함하고 있으며 원하는 물리적 특성을 가지고 있는 에어로졸을 발생시키기 위해서는 기재가 충분한 온도로 가열되는 것이 필요하다. 그러나, 에어로졸 내에서 바람직하지 않은 화합물의 생성 및 심지어 기재의 연소를 초래할 수도 있는 과도한 온도에 도달하지 못하도록 시스템이 제어되는 것 또한 바람직하다.

전기 히터의 온도는 통상적으로 히터로의 전력 공급을 조절하여 조절된다. 전력은 전류 펄스의 형태로서와 전류의 듀티 사이클(duty cycle) (전류가 히터에 공급되는 시간 대 전류가 히터에 공급되지 않는 시간의 비율)을 변경하여 히터에 제공될 수도 있고 가열 요소의 온도는 변경되거나 유지될 수 있다.

과도한 히터 온도가 발생할 수도 있는 한 가지 시나리오는, 히터로의 전류 공급을 켜고 끄도록 구성되어 있는, 전류 제어 스위치가 고장나고 온 구성에서 멈추는 경우이다. 전류의 공급을 스위치로 켜고 끄는 데 사용되는 전류 공급 스위치가 고장난 경우에 과도한 히터 온도를 방지할 수 있는 것이 바람직할 것이다. 과도한 히터 온도를 방지하는 데 사용되는 메커니즘이 작고 최소 전력을 소모하는 것이 바람직할 것이다.

제1 측면에서, 전기 가열식 흡연 시스템의 전기 히터를 제어하는 방법이 제공되어 있으며, 전력을 히터에 펄스로 제공해서 활성 기간 동안 전력이 히터에 공급되고 비활성 기간 동안 전력이 히터에 공급되지 않게 하는 단계; 비활성 기간 동안 RC 회로 내의 커패시터를 충전하고, 활성 기간 동안 상기 커패시터가 방전할 수 있게 하는 단계; 및 상기 커패시터의 방전 전압을 모니터링하고, 상기 커패시터의 방전 전압이 임계 전압 수준 아래로 강하하면, 상기 히터에 대한 추가 전력 공급을 중단하는 단계를 포함하고 있다.

이 방법은 소형 및 저전력 구성요소를 사용하여 스위치 고장을 일관되고 신뢰성있게 감지할 수 있게 한다.

도 1은 전기 가열식 흡연 시스템의 개략도이고;
도 2는 도 1에 도시된 유형의 장치의 제1 구현예의 정면 말단의 개략적인 단면도이고;
도 3은 본 발명에 따른 스위치 고장 모니터링 회로의 개략도이고; 그리고
도 4는 회로 구성요소들을 보다 상세히 보여주는 도 2에 도시된 유형의 회로의 구현예이다.

전력은 제1 스위치를 규칙적으로 전환하여 히터에 제공될 수도 있고, 히터에 대한 추가 전력 공급을 중단하는 단계는 제2 스위치를 전환하는 단계를 포함할 수도 있다.

RC 회로의 시간 상수는 히터에 제공되는 전력 펄스의 지속 시간의 두 배보다 클 수도 있다. 이는 스위치의 정상 작동으로 히터에 대한 추가 전력 공급이 중단되지 않을 수 있도록 보장한다.

제2 측면에서, 전기 가열식 흡연 시스템이 제공되어 있으며,

전력 공급부;

전기 히터;

전기 히터와 전기 접지부 사이에 연결된 제1 스위치;

상기 전력 공급부와 상기 전기 히터 사이에 연결된 제2 스위치;

커패시터를 포함하고 상기 전력 공급부에 연결되어서 상기 제1 스위치가 열릴 때 상기 커패시터를 충전시키고 상기 제1 스위치가 닫힐 때 방전시키는 RC 회로; 및

상기 RC 회로에 연결되어 있고 상기 RC 회로의 방전 전압을 모니터링하고, 상기 RC 회로의 방전 전압이 임계 값 아래로 강하하면, 상기 제2 스위치를 열도록 구성되어 있는 제어 회로를 포함하고 있다.

제1 스위치는 제어 회로에 의해 작동되어서 전력을 전류 펄스로서 가열 요소에 제공할 수도 있다. 그런 다음 가열 요소에 제공된 전력은 전류의 듀티 사이클을 조정하여 조정될 수도 있다. 듀티 사이클은 펄스 폭, 또는 펄스의 주파수 또는 양쪽 모두를 변경하여 조정될 수도 있다.

RC 회로 및 제어 회로는 전력을 거의 소비하지 않는 소형 패키지로 구현될 수 있다. 제어 회로는 RC 회로와 제2 스위치 사이에 연결된 슈미트 트리거(Schmitt trigger)를 포함할 수도 있으며, 슈미트 트리거는 RC 회로의 방전 전압이 임계 값 아래로 강하하면 제2 스위치를 열도록 구성되어 있다.

시스템은 제1 스위치가 닫힐 때 제1 스위치를 통한 RC 회로의 방전을 방지하도록 구성되어 있는 다이오드를 더 포함할 수도 있다. 이 문맥에서 "열린 상태"란 전류가 흐를 수 있게 하는 것을 의미한다. 제1 및 제2 스위치와 관련하여 용어 "온(on)"은 또한 전류가 흐를 수 있게 하는 수단으로 사용된다. 이 문맥에서 "닫힌 상태"란 전류가 흐를 수 없게 하는 것을 의미하고 용어 "꺼짐(off)"은 또한 동일한 것을 의미하는 데 사용된다.

RC 회로는 시스템의 정상 작동 동안 제1 스위치가 닫히는 최장 기간의 2배보다 큰 시간 상수를 가질 수도 있다.

상기 시스템은 전기 히터를 목표 온도로 유지하도록 상기 제1 스위치의 작동을 제어하도록 구성되어 있는 제어부를 더 포함할 수도 있다.

시스템은 RC 회로와 제2 스위치 사이에 연결된 인버터를 더 포함할 수도 있다. 인버터를 사용하면 제어부의 고장 시에도 시스템을 안전하게 작동할 수 있게 한다.

본 발명의 제1 및 제2 측면 모두에서, 제1 스위치는 MOSFET일 수도 있고, 바람직하게는 n-채널 MOSFET이다.

본 발명의 제1 및 제2 측면 모두에서, 제2 스위치는 MOSFET일 수도 있고, 바람직하게는 p-채널 MOSFET이다.

본 발명의 제1 및 제2 측면 모두에서, 시스템은 전력을 가열 요소에 공급하기 위한 전력 공급부를 더 포함할 수도 있다. 전력 공급부는 임의의 적절한 전력 공급부, 예를 들면 배터리와 같은 DC 전압원일 수도 있다. 한 구현예에서, 상기 전력 공급부는 리튬-이온 배터리이다. 대안적으로, 상기 전력 공급부는 니켈-금속 하이브리드 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 또는 리튬계 배터리, 예를 들면 리튬-코발트, 리튬-철-인산염, 리튬티탄산염 또는 리튬-폴리머 배터리일 수도 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면 모두에서, 전기 히터는 전기 저항 재료를 포함할 수도 있는 가열 요소를 포함할 수도 있다. 적절한 전기 저항 재료는, 도핑된 세라믹과 같은 반도체, (예를 들어, 이규화 몰리브덴과 같은) 전기 "전도성" 세라믹, 카본, 흑연, 금속, 금속 합금, 및 세라믹 재료와 금속 재료의 복합 재료를 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 이러한 복합 재료는 도핑된 세라믹 또는 도핑되지 않은 세라믹을 포함하고 있을 수도 있다. 적절한 도핑 세라믹의 예는 도핑된 탄화규소를 포함하고 있다. 적절한 금속들의 예들은 티타늄, 지르코늄, 탄탈륨, 플래티늄, 금 및 은을 포함한다. 적절한 금속 합금들의 예들은 스테인리스 스틸, 니켈-, 코발트-, 크롬-, 알루미늄-, 타타늄-, 지르코늄-, 하프늄-, 니오븀-, 몰리브덴-, 탄탈륨-, 텅스텐-, 주석-, 갈륨-, 망간-, 금- 및 철-함유 합금들, 및 니켈, 철, 코발트, 스테인리스 스틸, Timetal® 및 철-망간-알루미늄계 합금들에 기초한 초합금들을 포함한다. 복합 재료에서, 요구되는 외부 물리화학적 성질과 에너지 전달 동역학에 따라, 전기 저항 재료는 선택적으로, 절연 재료에 매립되거나 절연 재료로 캡슐화되거나 코팅될 수 있거나, 또는 그 반대로 될 수 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면 모두에서, 시스템은 전기 가열식 에어로졸 발생 장치를 포함할 수도 있다. 본원에서 사용하는 바와 같이, ‘에어로졸 발생 장치’는 에어로졸 형성 기재와 상호작용해서 에어로졸을 발생시키는 장치에 관한 것이다. 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 발생 물품의 부분, 예를 들면 흡연 물품의 부분일 수도 있다. 에어로졸 발생 장치는 에어로졸 발생 물품의 에어로졸 형성 기재와 상호작용해서 사용자의 입을 통해 사용자의 폐 속으로 직접 흡입될 수 있는 에어로졸을 발생시키는 흡연 장치일 수도 있다. 에어로졸 발생 장치는 홀더일 수도 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 ‘에어로졸 형성 기재’는 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 화합물들을 방출할 수 있는 기재에 관한 것이다. 이러한 휘발성 화합물들은 에어로졸 형성 기재를 가열하여 방출될 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 편의상 에어로졸 발생 물품 또는 흡연 물품의 부분일 수도 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 ‘에어로졸 발생 물품’ 및 ‘흡연 물품’은 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 화합물들을 방출할 수 있는 에어로졸 형성 기재를 포함하고 있는 물품을 지칭한다. 예를 들면, 에어로졸 발생 물품은 사용자의 입을 통해 사용자의 폐 안으로 직접 흡입 가능한 에어로졸을 발생시키는 흡연 물품일 수도 있다. 에어로졸 발생 물품은 일회용일 수도 있다. 용어 ‘흡연 물품’이 이하에서 일반적으로 사용되고 있다. 흡연 물품은 담배 스틱일 수도 있고, 이를 포함할 수도 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면 모두에서, 상기 에어로졸 발생 장치는 내부 가열 요소 또는 외부 가열 요소, 또는 내부 및 외부 가열 요소 양자를 포함할 수 있고, "내부" 및 "외부"는 에어로졸 형성 기재를 지칭한다. 내부 가열 요소는 임의의 적절할 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 내부 가열 요소는 가열 블레이드(blade)의 형태를 취할 수 있다. 대안적으로, 내부 히터는 상이한 전기 도전부를 갖는 케이싱이나 기판, 또는 전기 저항성 금속 관의 형태를 취할 수 있다. 대안으로, 상기 내부 가열 요소는 상기 에어로졸 형성 기재의 중앙을 통하여 진행하는 하나 이상의 가열 니들(needle) 또는 막대(rod)일 수 있다. 다른 대안은, 가열 와이어 또는 필라멘트, 예를 들면 Ni-Cr(니켈-크롬), 백금, 텅스텐 또는 합금 와이어나 가열판을 포함하고 있다. 선택적으로, 상기 내부 가열 요소는 경질 담체 재료 내에 또는 그 위에 피착될 수 있다. 이러한 하나의 구현예에서, 전기 저항 가열 요소는 온도와 저항성 간의 규정된 관계를 갖는 금속을 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 예시적인 장치에서, 상기 금속은 세라믹 재료 같은 적절한 절연 재료 상에 트랙(track)으로서 형성될 수 있고, 그 다음에 유리 같은 다른 절연 재료 내에 샌드위치될 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 히터들은 작동 중에 상기 가열 요소들의 온도의 가열과 모니터링 모두를 행하는데 사용될 수 있다.

외부 가열 요소는 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 상기 외부 가열 요소는 폴리이미드 같은 유전체 기판 위에 하나 이상의 유연성 가열 포일(foil)의 형태를 취할 수 있다. 유연성 가열 포일들은 기판 수용 공동의 주변부에 맞추도록 형상화될 수 있다. 대안적으로, 외부 가열 요소는 금속 그리드 또는 그리드들, 유연성 인쇄 회로 기판, 몰딩형 상호접속 장치(MID: molded interconnect device), 세라믹 히터, 유연성 탄소 섬유 히터의 형태를 취할 수 있거나, 적절한 형상의 기판 상에 플라스마 증착 같은 코팅 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 외부 가열 요소는 또한 온도와 저항성 간의 규정된 관계를 갖는 금속을 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 예시적인 장치에서, 상기 금속은 적절한 절연 재료들의 2개 층 사이에 트랙으로서 형성될 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 외부 가열 요소는 작동 중에 상기 외부 가열 요소의 온도의 가열과 모니터링 모두를 행하는데 사용될 수 있다.

상기 내부 또는 외부 가열 요소는, 열을 흡수 및 저장하고 차후에 에어로졸 형성 기재에 대하여 어떠한 시간을 걸쳐서 열을 방출할 수 있는 재료를 포함하고 있는 히트 싱크, 또는 열 저장기를 포함하고 있을 수도 있다. 상기 히트 싱크는 적절한 금속 또는 세라믹 물질과 같은 임의의 적절한 물질로 형성된 것일 수도 있다. 한 구현예에서, 상기 재료는 높은 열 용량(감지 가능한 열 저장 재료)을 갖거나, 고온 위상 변화 같은 가역(reversible) 프로세스를 통하여 열을 흡수하고 차후에 방출할 수 있는 재료이다. 적절한 감열 저장 물질은 실리카 겔, 알루미나, 탄소, 유리 매트(glass mat), 유리 섬유, 광물, 알루미늄, 은 또는 납과 같은 금속 또는 합금, 및 종이와 같은 셀룰로오스 물질을 포함한다. 가역 위상 변화를 통하여 열을 방출하는 다른 적절한 재료들은 파라핀, 초산나트륨, 나프탈렌, 왁스, 폴리에틸렌 옥사이드, 금속, 금속염, 공융염(eutectic salt)들의 혼합물 또는 합금을 포함한다. 상기 히트 싱크 또는 열 저장기는 상기 에어로졸 형성 기재와 직접 접촉하고 저장된 열을 기재에 직접 전달할 수 있도록 배열될 수 있다. 대안적으로, 상기 히트 싱크 또는 열 저장기에 저장된 열은 금속 관 같은 열 전도체에 의해 상기 에어로졸 형성 기재에 전달될 수 있다.

상기 가열 요소는 유리하게는 전도에 의해 상기 에어로졸 형성 기재를 가열한다. 상기 가열 요소는 상기 기재와 또는 상기 기재가 피착되는 담체와 적어도 부분적으로 접촉할 수도 있다. 대안적으로, 내부 또는 외부 가열 요소 중 어느 하나로부터의 열은 열 전도성 요소에 의해 상기 기재에 전도될 수 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면 모두에서, 동작 중, 상기 에어로졸 형성 기재는 상기 에어로졸 발생 장치 내에 완전히 함유될 수 있다. 이 경우, 사용자는 상기 에어로졸 발생 장치의 마우스피스를 피울 수 있다. 대안으로, 동작 중 상기 에어로졸 형성 기재를 함유하는 흡연 물품은 상기 에어로졸 발생 장치 내에 부분적으로 함유될 수 있다. 이 경우, 사용자는 흡연 물품을 직접 흡연할 수 있다. 가열 요소는 장치의 공동 내에 위치될 수도 있으며, 이때 상기 공동은 에어로졸 형성 기재를 수용하여, 사용시에 가열 요소가 에어로졸 형성 기재 내에 있도록 구성되어 있다.

상기 흡연 물품은 형상이 실질적으로 원통형일 수 있다. 상기 흡연 물품은 실질적으로 가늘고 길 수 있다. 상기 흡연 물품은 길이 및 이 길이에 실질적으로 수직인 원주를 가질 수 있다. 상기 에어로졸 형성 기재는 형상이 실질적으로 원통형일 수 있다. 상기 에어로졸 형성 기재는 실질적으로 가늘고 길 수 있다. 상기 에어로졸 형성 기재는 또한 길이 및 이 길이에 실질적으로 수직인 원주를 가질 수 있다.

상기 흡연 물품은 대략 30mm와 대략 100mm 사이의 총 길이를 가질 수 있다. 상기 흡연 물품은 대략 5mm와 대략 12mm 사이의 외부 직경을 가질 수 있다. 상기 흡연 물품은 필터 플러그를 포함하고 있을 수도 있다. 상기 필터 플러그는 상기 흡연 물품의 하류 단부에 배치될 수 있다. 상기 필터 플러그는 초산 셀룰로오스 필터 플러그일 수 있다. 상기 필터 플러그는 한 구현예에서 길이가 대략 7mm이지만, 대략 5mm와 대략 10mm 사이의 길이를 가질 수 있다.

한 구현예에서, 상기 흡연 물품은 대략 45mm의 총 길이를 갖는다. 상기 흡연 물품은 대략 7.2mm의 외부 직경을 가질 수 있다. 또한, 상기 에어로졸 형성 기재는 대략 10mm의 길이를 가질 수 있다. 대안적으로, 상기 에어로졸 형성 기재는 대략 12mm의 길이를 가질 수 있다. 또한, 상기 에어로졸 형성 기재의 직경은 대략 5mm와 대략 12mm 사이일 수 있다. 상기 흡연 물품은 외부 종이 래퍼를 포함하고 있을 수도 있다. 또한, 상기 흡연 물품은 상기 에어로졸 형성 기재와 상기 필터 플러그 사이의 분리부를 포함하고 있을 수도 있다. 상기 분리부는 대략 18mm일 수 있지만, 대략 5mm 내지 대략 25mm 범위 내일 수 있다. 상기 분리부는 기재로부터 필터 플러그로 흡연 물품을 통과하면서 에어로졸을 냉각시키는 열 교환기에 의해 흡연 물품에 충전되는 것이 바람직하다. 열 교환기는 예를 들어 고분자계 필터, 예를 들어 권축된 PLA 재료일 수도 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면 모두에서, 에어로졸 형성 기재는 고체 에어로졸 형성 기재일 수도 있다. 대안적으로, 상기 에어로졸 형성 기재는 고체 및 액체 성분 양자를 포함하고 있을 수도 있다. 상기 에어로졸 형성 기재는 가열 시에 상기 기재로부터 방출되는 휘발성 담배 향미 화합물들을 함유하는 담배 함유 재료를 포함하고 있을 수도 있다. 대안적으로, 상기 에어로졸 형성 기재는 비-담배 재료를 포함하고 있을 수도 있다. 상기 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 형성제를 더 포함할 수도 있다. 적절한 에어로졸 형성제의 예는 글리세린 및 프로필렌 글리콜이다.

에어로졸 형성 기재가 고체 에어로졸 형성 기재인 경우, 고체 에어로졸 형성 기재는, 예를 들면 허브 잎, 담배 잎, 담배 리브 조각, 재구성 담배, 균질화 담배, 압출 담배, 캐스트 잎 담배 및 팽화 담배 중 하나 이상을 함유하고 있는, 분말, 그래뉼, 펠릿, 슈레드, 스파게티, 스트립 또는 시트 중 하나 이상을 포함하고 있을 수도 있다. 상기 고체 에어로졸 형성 기재는 느슨한 형태일 수 있거나, 적절한 용기나 카트리지에 제공될 수 있다. 선택적으로, 상기 고체 에어로졸 형성 기재는 상기 기재의 가열 시에 방출될, 추가 담배 또는 비-담배 휘발성 향미 화합물들을 함유할 수 있다. 상기 고체 에어로졸 형성 기재는, 예를 들면 상기 추가 담배 또는 비-담배 휘발성 향미 화합물들을 포함하고 있는 캡슐들을 또한 함유할 수 있고, 이러한 캡슐들은 상기 고체 에어로졸 형성 기재의 가열 중에 용융될 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 균질화 담배는 미립자 담배를 집합시켜서 형성된 물질을 가리킨다. 균질화 담배는 시트의 형태일 수도 있다. 균질화 담배 물질은 건조 중량 기준으로 5% 초과의 에어로졸 형성제 함량을 가질 수도 있다. 균질화 담배 물질은 대안적으로 건조 중량 기준으로 약 5중량%와 약 30중량% 사이의 에어로졸 형성제 함량을 가질 수도 있다. 균질화 담배 물질의 시트는 담배 잎몸(leaf lamina) 및 담배 잎자루(leaf stem) 중 하나 또는 양쪽 모두를 분쇄하거나 그렇지 않으면 세분하여 얻어진 미립자 담배를 응집시켜서 형성될 수도 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 균질화 담배 물질의 시트는, 예를 들면 담배의 처리, 취급 및 배송 동안에 형성된 담배 가루, 담배 미분 및 기타 미립자 담배 부산물 중 하나 이상을 포함하고 있을 수도 있다. 균질화 담배 물질의 시트는 담배 내인성 결합제인 하나 이상의 내재성 결합제, 담배 외인성 결합제인 하나 이상의 외재성 결합제, 또는 이들의 조합을 포함해서 미립자 담배 응집을 도와줄 수도 있으며; 대안적으로, 또는 추가적으로, 균질화 담배 물질의 시트는 이들에만 한정되지 않지만 담배와 비담배 섬유, 에어로졸 형성제, 습윤제, 가소제, 향미제, 충전제, 수성 및 비수성 용매 및 이들의 조합을 포함하는 기타 첨가제를 포함하고 있을 수도 있다.

선택적으로, 상기 고체 에어로졸 형성 기재는 열적으로 안정된 담체 위에 제공되거나 그 안에 매립될 수도 있다. 담체는 분말, 과립, 펠릿, 슈레드, 스파게티, 스트립 또는 시트의 형태를 취할 수 있다. 대안적으로, 상기 담체는 그 내부 표면 위에, 또는 그 외부 표면 위에, 또는 그 내부 표면 및 외부 표면 양자 위에 피착된 고체 기재의 박층을 갖는 관형 담체일 수도 있다. 이러한 관형 담체는, 예를 들어, 종이, 종이류 재료, 부직 탄소 섬유 매트, 저 질량 오픈 메쉬 금속 스크린, 또는 천공된 금속 포일(foil) 또는 임의의 다른 열적으로 안정한 중합체 매트릭스로 형성될 수 있다.

상기 고체 에어로졸 형성 기재는 예를 들면, 시트, 발포체, 겔 또는 슬러리 형태로 담체의 표면 위에 피착될 수 있다. 상기 고체 에어로졸 형성 기재는 담체의 전체 표면 위에 피착되어 있을 수도 있거나, 대안적으로 사용 중 불균일한 향미 전달을 제공하기 위해서 패턴으로 피착되어 있을 수도 있다.

상기 고체 에어로졸 형성 기재에 대하여 참조가 이루어졌지만, 상기 에어로졸 형성 기재의 다른 형태들이 다른 실시예들에서 사용될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들면, 상기 에어로졸 형성 기재는 액체 에어로졸 형성 기재일 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재가 제공된 경우, 상기 에어로졸 발생 장치는 바람직하게는 액체를 보유하기 위한 수단을 포함한다. 예를 들면, 상기 액체 에어로졸 형성 기재는 용기 내에 보유될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 액체 에어로졸 형성 기재는 다공성 담체 재료 내에 흡수될 수 있다. 상기 다공성 담체 재료는 임의의 적절한 흡수성 플러그 또는 본체, 예를 들면 발포성 금속이나 플라스틱 재료, 폴리프로필렌, 테릴렌, 나일론 섬유들 또는 세라믹으로 이루어질 수 있다. 상기 액체 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 발생 장치의 사용 이전에 다공성 담체 재료 내에 보유될 수 있거나, 대안으로 상기 액체 에어로졸 형성 기재는 사용 중이나 직전에 다공성 담체 재료 내로 방출될 수 있다. 예를 들면, 상기 액체 에어로졸 형성 기재는 캡슐로 제공될 수 있다. 상기 캡슐의 껍질이 가열 시에 용융되고 상기 액체 에어로졸 형성 기재를 다공성 담체 재료 내로 방출시킨다. 상기 캡슐은 선택 사항으로 상기 액체와 함께 고체를 포함하고 있을 수도 있다.

대안적으로, 상기 담체는 담배 성분들이 통합되어 있는 부직포 직물 또는 섬유 다발일 수 있다. 부직포 직물 또는 섬유 다발은, 예를 들어, 탄소 섬유, 천연 셀룰로오스 섬유, 또는 셀룰로오스 유도체 섬유를 포함하고 있을 수도 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면 모두에서, 상기 시스템은 휴대형 전기 가열식 흡연 시스템일 수도 있다.

상이한 측면들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 한 가지 측면에 관하여 설명한 특징들이 본 발명의 다른 측면들에 적용될 수 있음은 명백하다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시하기 위한 목적으로 더욱 설명될 것이다.

도 1에서는, 전기 가열식 에어로졸 발생 장치(100)의 구현예의 구성요소들이 단순화된 방식으로 도시되어 있다. 특히, 전기 가열식 에어로졸 발생 장치(100)의 요소들이 도 1에서는 실제 축적대로 묘사되어 있지 않다. 이 구현예의 이해를 위해서 무관한 구성요소들은 도 1을 단순화하기 위해서 생략되어 있다.

전기 가열식 에어로졸 발생 장치(100)는 하우징(10) 및 에어로졸 형성 기재(12), 예를 들면 궐련을 포함하고 있다. 에어로졸 형성 기재(12)는 하우징(10) 내측으로 가압되어서 가열 요소(14)와 열적으로 근접하게 된다. 에어로졸 형성 기재(12)는 상이한 온도에서 다양한 휘발성 화합물을 방출할 것이다. 전기 가열식 에어로졸 발생 장치(100)의 작동 온도를 일부의 휘발성 화합물들의 방출 온도 아래가 되도록 제어하여, 이러한 연기 성분들의 방출 또는 형성이 회피될 수 있다.

하우징(10) 내에는 전기 에너지 공급부(16), 예를 들면 재충전 가능한 리튬 이온 배터리가 있다. 제어부(18)가 가열 요소(14), 전기 에너지 공급부(16), 및 사용자 인터페이스(20), 예를 들면 버튼이나 디스플레이에 접속된다. 제어부(18)는 가열 요소(14)의 온도를 조절하기 위해서 가열 요소(14)에 공급된 전력을 제어한다. 통상적으로 에어로졸 형성 기재는 250℃와 450℃ 사이의 온도로 가열된다.

기재된 구현예에서, 가열 요소(14)는 세라믹 기판 상에 증착된 전기 저항 트랙 또는 트랙들이다. 세라믹 기판은 블레이드의 형태이며 사용시에 에어로졸 형성 기재(12) 내로 삽입된다. 도 2는 장치의 정면 말단의 개략도이며 장치를 통과하는 공기의 흐름을 도시하고 있다. 도 2는 장치의 요소들의 상대적인 축척을 정확하게 도시하고 있지 않다는 것을 유의해야 한다. 에어로졸 형성 기재(12)를 포함하고 있는, 흡연 물품(102)은 장치(100)의 공동(22) 내에 수용된다. 공기는 흡연 물품(102)의 마우스피스(24)를 흡입하는 사용자의 동작에 의해 장치 내로 흡인된다. 공기는 하우징(10)의 근위면에 형성되는 유입구(26)를 통해 흡인된다. 장치 내로 흡인된 공기는 공동(22)의 외측 주위의 공기 채널(28)을 통과한다. 흡인된 공기는 공동(22) 내에 제공된 블레이드 형상의 가열 요소(14)의 근위 말단에 인접해 있는 흡연 물품(102)의 원위 말단에서 에어로졸 형성 기재(12)로 진입한다. 흡인된 공기는 에어로졸 형성 기재(12)를 통과해서, 에어로졸을 연행하면서, 그 다음에 흡연 물품(102)의 구강 말단으로 진행한다. 에어로졸 형성 기재(12)는 담배 기재 물질의 원통형 플러그이다.

도 3은 본 발명에 따른 스위치 고장 모니터링 회로의 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 히터(14)는 본원에서 제1 스위치라고도 부르는, 로우 사이드 스위치(low side switch, 32)를 통해 전기 접지부에 연결되어 있다. 히터(14)는 본원에서 제2 스위치라고 부르는, 하이 사이드 스위치(high side switch, 34)를 통해 배터리 전압에 연결되어 있다.

제1 스위치(32)는 n 채널 MOSFET이다. 제2 스위치는 p 채널 MOSFET이다. 시스템이 정상적으로 작동하는 동안, 제2 MOSFET(34)은 폐쇄 위치에 있는 제2 스위치에 대응하는, 온 상태로 유지되어, 전류가 배터리로부터 히터로 흐를 수 있게 한다. 제1 MOSFET(32)은 특정 듀티 사이클에 따라 제어부(18)에 의해 스위치가 켜지고 꺼져서 히터(14)의 온도를 제어하게 된다. 제1 MOSFET(32)이 스위치가 닫히는 것에 대응하는, 온 상태일 때, 전류는 히터로부터 접지부로 흐를 수 있게 되고, MOSFET(32)은 매우 낮은 전기 저항을 가지게 된다. 이어서 배터리 전압의 거의 전부가 히터에 걸쳐 강하되고 줄(Joule) 효과의 결과로 히터가 가열된다. 제1 MOSFET이 꺼짐 상태인 경우 매우 높은 전기 저항을 제공하게 된다. 이 경우 전압이 히터에 걸쳐 거의 강하하지 않고 줄 효과의 결과로 히터가 거의 가열되지 않는다.

제1 스위치에 결함이 있고 전류가 히터를 통해 계속해서 흐를 수 있게 유지되면 히터의 온도가 제어되지 않은 방식으로 상승할 것이다. 제1 스위치의 오류를 감지하기 위해 모니터링 시스템이 제공되어 있다. 모니터링 시스템은 다이오드(40)를 통해 히터에 연결된 RC 회로(36), 및 RC 회로와 제2 스위치(34)의 제어 입력 사이에 연결된 트리거 구성요소(38)를 포함하고 있다.

제1 스위치(32)가 꺼져서 매우 높은 저항을 가질 때, RC 회로(36)는 배터리 전압의 결과로서 신속하게 충전할 수 있도록 된다. 제1 스위치(32)가 켜지면, 로우 사이드 스위치의 전압은 접지부에 매우 근접하고, RC 회로는 방전한다. 다이오드(40)는 RC 회로가 히터를 통해 방전되는 것을 방지한다. 트리거 구성요소(38)는 RC 회로의 방전 전압을 수신하고, 방전 전압이 소정의 임계 값 아래로 강하할 때 제2 스위치를 꺼짐 상태로 전환하도록 구성되어 있다.

정상적인 작동 동안 제1 스위치는 일관된 시간 (활성 위상), 예를 들어 1 밀리 초 동안 켜지고, 그 사이의 시간 동안 꺼진다 (비활성 위상). 비활성 위상 동안 RC 회로를 빠르게 충전하는 것이 가능하며 방전 경로가 충전 경로보다 더 큰 저항을 갖도록 하여 활성 위상 동안 RC 회로를 단지 느리게 방전하게 할 수 있다. 따라서 히터 온도를 높이기 위해 제1 스위치가 상기 시간의 99% 동안 켜지고 상기 시간의 단지 1% 동안만 꺼지는 최대 듀티 사이클에서조차, 활성 위상이 예상된 1 밀리 초보다 상당히 오래 지속된다면 트리거가 제2 스위치만 작동하도록 보장할 수 있다.

RC 회로의 방전 전압이 트리거 구성요소의 트리거 임계 값 아래로 강하하면, 제2 스위치가 꺼짐 상태로 전환되고 히터로의 전력이 중력된다. 동시에 트리거 구성요소는 제어부가 제1 스위치를 꺼짐 상태로 리셋하여 RC 회로가 재충전할 수 있도록 리셋 신호를 제어부(18)에 제공하도록 구성되어 있으며, 이어서 트리거 구성요소(38)가 꺼짐 상태로 전환되어 제2 스위치(34)가 온 상태로 리셋될 수 있게 한다.

RC 회로의 방전 예측가능한 타이밍을 사용하고 구성요소들의 저항 및 커패시턴스 값을 신중하게 선택하여, 이 배열을 사용하여 히터가 위험하거나 심지어 바람직하지 않은 온도에 도달할 수 있기 전에 제2 스위치가 항상 꺼져 있도록 보장할 수 있다. 모니터링 시스템은 전력을 거의 소비하지 않는 소형 패키지로 구현할 수 있다.

도 4는 회로 구성요소들을 보다 상세하게 보여주는 도 2에 도시된 유형의 회로의 구현예이다. 도 4에서는 제1 스위치(32)가 소스가 접지부에 연결되어 있고 드레인이 히터에 연결되어 있는 n-채널 MOSFET임을 알 수 있다. 게이트는 G1 연결을 통해 제어부에 연결되어 있다. 게이트 직렬 저항기(62)는 제어부가 게이트를 전환할 때 게이트 내로 흐르는 전류를 제한하는데 사용된다. 제어부가 리셋되고 있고 G1 입력이 구동되고 있지 않을 때 소스 전압 근처에서 게이트를 유지하기 위해 풀다운(pull-down) 저항기(64)가 제공된다.

다이오드(40)는 RC 회로가 비활성 위상 동안 충전할 수 있게 하는 한편, 활성 위상에서는 제1 스위치를 통해 방전하지 못하게 하는 쇼트키 다이오드(Schottky diode)이다. 다이오드 직렬 저항기(42)는 RC 회로를 충전할 때, 특히 시동 시에 다이오드(40)를 통과하는 피크 전류를 제한하기 위해 제공된다.

RC 회로(36)는 각각 접지부에 연결되어 있는 타이밍 네트워크 저항기(54) 및 타이밍 네트워크 커패시터(52)를 포함하고 있다.

트리거 구성요소(38)는 RC 네트워크로부터의 입력 전압에 대한 하강 방향 임계 값(negative going threshold)을 갖는 슈미트 트리거이며, 그 아래에서는 전환 출력을 인버터(56)에 제공할 것이다. 배터리 전압에 의해 전력을 공급받는 인버터(56)는 이어서 p-채널 MOSFET인 제2 스위치의 게이트에 대한 입력을 소스 전압으로 당겨서 제2 스위치를 차단하는데 사용된다. 정상 작동시 인버터는 반전된 배터리 전압 (-V_batt)이 게이트에 제공되어 제2 스위치가 켜지도록 보장한다.

제어부는 "Pwr ok" 라인(70)에 연결되어 있다. 이는 제어부가 슈미트 트리거(38)의 출력을 모니터링할 수 있게 하며, 또한 제어부가 다이오드(72)를 통해 인버터에 대한 입력을 로우(low)로 당겨서 제2 스위치를 작동하지 못하게 할 수 있다. 이 목적을 위해 저항기(60)가 제공되어 있다. 저항기(58)는 로직 전력 공급부 고장인 경우에 인버터(56)에 대한 입력이 로우 상태가 되도록 보장하는 풀다운 저항기이다.

저항기(68)는 제2 스위치의 게이트가 소스 전압으로 당겨지고, 인버터(56)가 고장나면 스위치를 차단된 상태로 유지하도록 보장하는 풀업(pull-up) 저항기이다. 저항기(66)는 인버터(56)로부터의 출력 전류를 제한하는 게이트 직렬 저항기이다.

전술한 예시적인 구현예들은 예시일 뿐이며 한정적인 것이 아님이 분명해야 한다. 전술한 예시적인 구현예들의 관점에서, 상기 예시적인 구현예와 모순되지 않는 다른 구현예들은 당업자에게 이제 명백할 것이다.

10: 하우징
12: 에어로졸 형성 기재
14: 가열 요소
16: 전기 에너지 공급부
18: 제어부
20: 인터페이스
22: 공동
24: 마우스피스
26: 유입구
28: 공기 채널
32: 제1 스위치, 제1 MOSFET
34: 제2 스위치, 제2 MOSFET
36: RC 회로
38: 구성요소
40: 다이오드
42: 다이오드 직렬 저항기
52: 네트워크 커패시터
54: 네트워크 저항기
56: 인버터
58: 저항기
60: 저항기
62: 게이트 직렬 저항기
64: 풀다운(pull-down) 저항기
66: 저항기
68: 저항기
70: 라인
72: 다이오드
100: 에어로졸 발생 장치
102: 흡연 물품

Claims (14)

1. 전기 가열식 흡연 시스템에서 전류 공급 스위치로 하여금 온(on) 구성에 갇히게 하는 전류 공급 스위치의 고장의 경우 과도한 히터 온도를 방지하기 위해 전기 히터를 제어하는 방법으로, 상기 방법은
   전력을 상기 히터에 펄스로 제공해서 활성 기간 동안 전력이 상기 히터에 공급되고 비활성 기간 동안 전력이 상기 히터에 공급되지 않게 하는 단계;
   비활성 기간 동안 RC 회로 내의 커패시터를 충전하고, 활성 기간 동안 상기 커패시터가 방전할 수 있게 하는 단계; 및
   상기 커패시터의 방전 전압을 모니터링하고, 상기 커패시터의 방전 전압이 임계 전압 수준 아래로 강하하면, 상기 히터에 대한 추가 전력 공급을 중단하는 단계를 포함하고,
   상기 전류 공급 스위치를 정기적으로 전환하여 상기 히터에 전력이 공급되고,
   상기 히터에 대한 추가 전력 공급을 중단하는 단계는 제2 스위치를 전환하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 RC 회로의 시간 상수는 상기 히터에 제공되는 전력 펄스의 시간 폭의 두 배보다 큰, 방법.
3. 전기 가열식 흡연 시스템으로,
   전력 공급부;
   전기 히터;
   상기 전기 히터와 전기 접지부 사이에 연결된 제1 스위치;
   상기 전력 공급부와 상기 전기 히터 사이에 연결된 제2 스위치;
   커패시터를 포함하고 상기 전력 공급부에 연결되어서 상기 제1 스위치가 열릴 때 상기 커패시터를 충전시키고 상기 제1 스위치가 닫힐 때 방전시키는 RC 회로; 및
   상기 RC 회로에 연결되어 있고 상기 RC 회로의 방전 전압을 모니터링하고 상기 RC 회로의 방전 전압이 임계 값 아래로 강하하면 상기 제2 스위치를 열도록 구성되어 있는 제어 회로를 포함하는, 전기 가열식 흡연 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 RC 회로와 제2 스위치 사이에 연결된 슈미트 트리거(Schmitt trigger)를 포함하되, 상기 슈미트 트리거는 상기 RC 회로의 방전 전압이 임계 값 아래로 강하하면 상기 제2 스위치를 열도록 구성되어 있는, 전기 가열식 흡연 시스템.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1 스위치는 MOSFET인, 전기 가열식 흡연 시스템.
6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제2 스위치는 MOSFET인, 전기 가열식 흡연 시스템.
7. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1 스위치가 닫힐 때 상기 제1 스위치를 통한 상기 RC 회로의 방전을 방지하도록 구성되어 있는 다이오드를 더 포함하는, 전기 가열식 흡연 시스템.
8. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 RC 회로는 상기 시스템의 정상 작동 동안 상기 제1 스위치가 닫히는 최장 기간의 2배보다 큰 시간 상수를 가지는, 전기 가열식 흡연 시스템.
9. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 RC 회로와 상기 제2 스위치 사이에 연결된 인버터를 더 포함하는, 전기 가열식 흡연 시스템.
10. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1 스위치의 작동을 제어해서 상기 전기 히터를 목표 온도로 유지하도록 구성되어 있는 제어부를 포함하는, 전기 가열식 흡연 시스템.
11. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 전력 공급부는 배터리인, 전기 가열식 흡연 시스템.
12. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 시스템은 휴대형 전기 가열식 흡연 시스템인, 전기 가열식 흡연 시스템.
13. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 시스템은 가열식 담배 흡연 시스템인, 전기 가열식 흡연 시스템.
14. 삭제

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