KR20190140455A - 전기 가열식 에어로졸 발생 장치에서 온도 제어를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
전기 가열식 에어로졸 발생 장치에서 온도 제어를 위한 시스템 및 방법
에어로졸 발생 장치(2)용 제어 유닛(1)으로서, 에어로졸 발생 장치(2)는 저항 히터(3) 및 배터리(4)를 포함하고, 배터리(4)는 배터리 전압(Vbat)을 발생시키도록 구성되고, 상기 제어 유닛(1)은 배터리로부터의 배터리 전압(Vbat)을 입력으로서 수신하고 출력 전압(Vheater)을 저항 히터(3)에 출력하도록 배열된 DC/DC 변환기(11); 및 저항 히터(3)에 대한 미리 결정된 온도 프로파일에 기초하여 출력 전압을 조정하기 위해 상기 DC/DC 변환기(11)를 제어하도록 구성된 마이크로 제어기(12)를 포함한다. DC/DC 변환기를 사용하여 저항 히터에 인가된 DC 전압을 조정 하는 것은 특히, 저항 히터의 질량이 낮을 때, 펄스 폭 변조(PWM)만을 사용하는 것에 비해 상당한 장점을 가진다.
에어로졸 발생 장치(2)용 제어 유닛(1)으로서, 에어로졸 발생 장치(2)는 저항 히터(3) 및 배터리(4)를 포함하고, 배터리(4)는 배터리 전압(Vbat)을 발생시키도록 구성되고, 상기 제어 유닛(1)은 배터리로부터의 배터리 전압(Vbat)을 입력으로서 수신하고 출력 전압(Vheater)을 저항 히터(3)에 출력하도록 배열된 DC/DC 변환기(11); 및 저항 히터(3)에 대한 미리 결정된 온도 프로파일에 기초하여 출력 전압을 조정하기 위해 상기 DC/DC 변환기(11)를 제어하도록 구성된 마이크로 제어기(12)를 포함한다. DC/DC 변환기를 사용하여 저항 히터에 인가된 DC 전압을 조정 하는 것은 특히, 저항 히터의 질량이 낮을 때, 펄스 폭 변조(PWM)만을 사용하는 것에 비해 상당한 장점을 가진다.
Description
본 발명은 가열식 에어로졸 발생 장치, 특히 배터리 구동식 에어로졸 발생 장치 내의 히터에 대한 온도 제어에 관한 것이다.
전형적으로, 가열된 배터리 구동식 에어로졸 발생 장치에서, 전기 저항 가열 요소가 에어로졸 형성 기재를 가열하는 데 사용된다. 에어로졸 형성 기재는 저항 가열 요소에 의해 기화된 다음 냉각되어 에어로졸을 형성하는 하나 이상의 휘발성 화합물을 포함한다. 저항 가열 요소의 온도는 생성된 에어로졸의 양과 품질 둘 모두를 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서, 장치 내의 가열 요소의 온도 제어를 제공하는 그러한 장치에 대한 필요성이 존재한다.
또한, 시간 경과에 따라 특정 온도 프로파일을 따르도록 가열 요소의 온도를 제어할 수 있는 것이 바람직하다. 에어로졸 형성 기재의 상태의 변화 및 장치를 통한 기류의 변화는 단순히 가열 요소를 단일 목표 온도에 있게 제어하는 것이 최적 결과를 제공하지 않는다는 것을 의미할 수 있다.
전형적으로, 가열 요소 또는 요소들에 공급되는 전압의 펄스 폭 변조(PWM)는 가열 요소의 온도를 제어하는 데 사용된다. 이는 가열 요소 온도의 간단하고 높은 반응성 제어를 제공한다. 그러나, 온도 제어를 위한 유일한 방법으로서 펄스 폭 변조를 사용하는 것에 대한 많은 제한이 존재한다. 에어로졸 발생 시스템 내의 가열 요소의 온도를 제어하기 위한 대안적인 방법 및 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 제1 양태에서, 에어로졸 발생 장치를 위한 제어 유닛이 제공되며, 에어로졸 발생 장치는 에어로졸 형성 기재 및 배터리를 가열하기 위한 저항 히터를 포함하고, 여기서 배터리는 배터리 전압을 발생시키도록 구성되며, 여기서 상기 제어 유닛은:
배터리로부터 배터리 전압을 입력으로서 수신하고 출력 전압을 저항 히터에 출력하도록 배열된 DC/DC 변환기; 및
저항 히터에 대한 미리 결정된 온도 프로파일에 기초하여 출력 전압을 조정하도록 상기 DC/DC 변환기를 제어하도록 구성된 마이크로 제어기를 포함한다.
DC/DC 변환기를 사용하여 저항 히터에 인가된 DC 전압을 조정 하는 것은 특히, 저항 히터의 질량이 낮을 때, 펄스 폭 변조(PWM)만을 사용하는 것에 비해 상당한 장점을 가진다. PWM 제어가 구현하는 데 비교적 간단하고 저렴하고 높은 반응성을 갖지만, 저항 히터 구조체의 질량이 ON 및 OFF 기간 사이의 온도를 효율적으로 평균화하는 데 충분하지 않은 경우, ON 기간 동안 저항 히터가 과열될 수 있는 PWM 제어의 위험이 있다. PWM 주파수가 너무 높을 때 장치의 효율이 떨어질 것이기 때문에, 이러한 문제를 완화하기 위해 단순히 PWM 주파수를 증가시키는 것은 바람직하지 않다. 유사하게, 저항 히터 요소 또는 요소들 및 에어로졸 형성 기재 사이에 큰 열 전달 구조체를 포함시켜 히터 구조체의 질량을 증가시킴으로써 에어로졸 형성 기재에서 온도 급등을 감소시키면 그 자체의 문제를 야기한다. 히터 구조체의 질량이 너무 큰 경우, 히터는 요구되는 작동 온도까지 가열하는 데 너무 오래 걸릴 것이다.
따라서 PWM 제어 매개변수와 저항 히터의 구조체 사이의 정확한 균형을 찾는 것은 매우 어려울 수 있다. PWM 제어를 이용하여 히터 구조체에 대한 설계 자유를 효과적으로 제한한다.
대조적으로, 목표 온도 프로파일에 따라 저항 히터에 인가된 전압을 제어하기 위해 DC/DC 변환기를 사용하는 것은 히터 디자인에 대한 훨씬 더 큰 유연성을 허용하며 특히 낮은 히터 질량을 허용한다.
냉각될 때 낮은 전기 저항을 갖는 저항 히터와 함께 사용될 때 PWM 제어에 대한 다른 문제점이 있다. PWM은 최대 배터리 전압이 ON 기간 동안 전달되는 것을 의미한다. 저온에서, 장치가 처음 스위치 온 되면 히터 저항이 낮아 전류가 높고, 특히 배터리가 너무 저온일 때 배터리는 전달하는 것이 불가능할 수 있다. 이는 장치의 완전한 고장을 초래할 수 있다.
DC/DC 변환기의 사용은 히터 전체의 전압 제어를 허용하고, 따라서 배터리로부터 흡인된 최대 전류에 대한 제어를 허용한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 DC/DC 변환기는 직류(DC)의 공급원을 하나의 전압 레벨로부터 다른 전압 레벨로 변환하는 전자 회로 또는 전자기계 장치를 의미한다. DC/DC 변환기는 예를 들어, 벅 변환기(buck converter), 부스트 변환기 또는 벅-부스트 변환기일 수 있다. DC/DC 변환기는 하나 초과의 전력 변환기 스테이지를 포함할 수 있다. 유리하게, DC/DC 변환기는 프로그래밍 가능한 DC/DC 변환기이다.
제어 유닛은 마이크로 제어기와 DC/DC 변환기 사이에 연결된 디지털 전위차계를 더 포함할 수 있다. 디지털 전위차계는 DC/DC 변환기로부터 출력 전압을 설정하는 데 사용될 수 있다. 디지털 전위차계는 프로그래밍 가능할 수 있다.
제어 유닛은 미리 결정된 온도 프로파일 또는 전기 저항 프로파일을 저장하는 비휘발성 메모리를 더 포함할 수 있다. 미리 결정된 온도 또는 전압 프로파일은 룩업 테이블에 저장될 수 있다. 메모리는 히터 또는 DC/DC 변환기의 매개변수를 서로 관련시키는 추가 룩업 테이블 또는 루틴을 저장할 수 있다.
유리하게, 마이크로 제어기는 저항 히터의 측정되거나 계산된 저항 또는 온도에 기초하여 상기 DC/DC 변환기를 제어하도록 구성된다. 일 구현예에서, 전기 저항 히터는 그의 온도에 따라 달라지는 전기 저항을 가진다. 그 경우, 마이크로 제어기는 전기 저항 히터의 계산된 전기 저항에 기초하여 상기 DC/DC 변환기를 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 유닛은 전압 및 전류 측정으로부터 전기 저항 히터의 전기 저항을 계산하도록 구성될 수 있다.
다른 구현예에서, 제어 유닛은 마이크로 제어기에 연결되고 전기 저항 히터에 근접하게 위치된 온도 센서를 포함할 수 있다. 그 경우, 마이크로 제어기는 온도 센서로부터의 신호에 기초하여 상기 DC/DC 변환기를 제어하도록 구성될 수 있다.
마이크로 제어기는 폐쇄 루프 제어 체계를 작동시키도록 구성될 수 있다. 폐쇄 루프 제어 체계는 마이크로 제어기의 펌웨어 내의 루틴으로서 구현될 수 있다. 폐쇄 루프 제어 체계는 연속 가열식 에어로졸 발생 시스템에서 요구되는 바와 같이, 비교적 긴 기간 동안, 예를 들어 몇 분 동안 히터 온도를 제어하는 데 적절할 수 있다. 폐쇄 루프 제어 체계는 DC/DC 변환기를 제어하여 목표 온도를 향해 전기 저항 히터의 온도를 조절하도록 배열될 수 있다. 목표 온도는 저장된 목표 온도 프로파일에 따른 시간에 따라 달라질 수 있다. 목표 온도 프로파일은 전기 저항 히터의 저항의 온도 계수에 기초하여 목표 저항 프로파일로 변환될 수 있다. 제어 유닛은 비휘발성 메모리 내에 목표 저항 프로파일을 저장할 수 있거나 비휘발성 메모리에 저장된 목표 온도 프로파일로부터 목표 저항 프로파일을 발생시킬 수 있다.
마이크로 제어기는 비례 적분 미분(PID) 제어기로서 작동하여 폐쇄 루프 제어 체계의 목표 온도를 향해 전기 저항 히터의 온도를 조정하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 마이크로 제어기는 폐쇄 루프 제어 체계의 목표 온도를 향해 전기 저항 히터의 온도를 조정하기 위해 예측 로직을 사용하도록 구성될 수 있다.
대안적으로, 마이크로 제어기는 개방 루프 제어 체계를 작동시키도록 구성될 수 있다. 그 경우, 제어 유닛은 DC/DC 변환기에 대한 제어 값 입력을 위한 목표 프로파일을 저장할 수 있다. 제어 값은 DC/DC 변환기로부터의 Vheater 출력 레벨을 결정할 수 있다. 마이크로 제어기는 제어 값에 대한 목표 프로파일에 따라 상기 DC/DC 변환기에 제어 값을 제공하도록 구성될 수 있다. 개방 루프 제어 체계는 사용자가 퍼핑하는 동안에만 히터가 전력을 공급하는 퍼프 작동 에어로졸 발생 시스템에서 비교적 짧은 기간, 예컨대 몇 초 동안 전기 저항 히터를 제어하는 데 적절할 수 있다.
마이크로 제어기는 저항 히터 및 DC/DC 변환기와 직렬로 연결된 스위치의 작동을 제어함으로써 DC/DC 변환기로부터 저항 히터에 공급되는 평균 전류를 조정하도록 추가로 구성될 수 있다. 마이크로 제어기는 스위치의 펄스 폭 변조 제어를 사용하도록 구성될 수 있다. 따라서, 마이크로 제어기는 DC/DC 변환기를 사용하여 제어하는 것에 더하여 PWM 제어 체계를 작동시키도록 구성될 수 있다. 주요 온도 제어는 DC/DC 변환기를 사용하여 수행될 수 있고, 더 빠른 반응을 제공함에 따라 PWM 제어 체계는 온도를 미세 조정하는 데 사용될 수 있다.
마이크로 제어기는 저항 히터를 통해 전류를 모니터링하고 DC/DC 변환기를 제어하여 저항 히터를 통한 전류가 최대 전류 임계값을 초과하지 않게 보장하도록 구성될 수 있다. 이는 장치의 고장을 야기할 수 있는 배터리의 과부하를 방지한다.
마이크로 제어기는 DC/DC 변환기를 제어하여 배터리 전압이 최소 배터리 전압 이상으로 유지되는 것을 보장할 수 있다. 최소 배터리 전압은 마이크로 제어기와 같은 장치 내의 특정 구성요소 또는 구성요소들의 작동에 요구되는 최소 전압일 수 있다. 이는 구성요소, 특히 마이크로 제어기가 항상 작동할 수 있게 보장한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 장치는 마이크로 제어기용 제2 전압 공급원을 포함할 수 있다. 제2 전압 공급원은 제2 배터리일 수 있거나, 배터리와 마이크로 제어기 사이에 연결된 제2 DC/DC 변환기 또는 선형 드롭아웃 레귤레이터(LDO)와 같은 전압 레귤레이터일 수 있다. 이는 마이크로 제어기 및 다른 전자 구성요소가 최소 요구 전압을 수신하는 것을 보장하는 데 사용될 수 있다.
마이크로 제어기는 임의의 적합한 마이크로 제어기일 수 있지만, 바람직하게 프로그래밍 가능하다.
본 발명의 제2 양태에서, 흡입 가능한 에어로졸의 발생을 위한 에어로졸 발생 장치를 제공하며, 장치는:
에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 저항 히터,
배터리 전압을 발생하도록 구성되는 배터리, 및
본 발명의 제1 양태에 따른 제어 유닛을 포함한다.
에어로졸 발생 장치는 에어로졸 형성 기재를 수용하도록 구성될 수 있다.
저항 히터는 전기 저항성 재료를 포함할 수 있다. 적절한 전기 저항성 재료는: 도핑된 세라믹과 같은 반도체, 전기 “전도성” 세라믹(예를 들어, 이규화 몰리브덴과 같은), 탄소, 흑연, 금속, 금속 합금, 및 세라믹 재료와 금속 재료로 제조된 복합 재료를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 이와 같은 복합 재료는 도핑된 세라믹 또는 도핑되지 않은 세라믹을 포함할 수 있다. 적절한 도핑된 세라믹의 예는 도핑된 실리콘 카바이드를 포함한다. 적절한 금속의 예는 티타늄, 지르코늄, 탄탈륨, 백금, 금 및 은을 포함한다. 적절한 금속 합금의 예는 스테인리스 강, 니켈-, 코발트-, 크롬-, 알루미늄-, 타타늄-, 지르코늄-, 하프늄-, 니오븀-, 몰리브덴-, 탄탈륨-, 텅스텐-, 주석-, 갈륨-, 망간-, 금- 및 철-함유 합금, 및 니켈, 철, 코발트, 스테인리스 강, Timetal® 및 철-망간-알루미늄계 합금에 기초한 초합금을 포함한다. 복합 재료에 있어서, 전기 저항성 재료는 에너지 전달의 동역학 및 요구되는 외부 물리화학적 특성에 따라 선택적으로 절연 재료에 매립되거나, 절연 재료로 캡슐화되거나 코팅되거나, 그 반대로 될 수 있다.
에어로졸 발생 장치는 내부 저항 히터 또는 외부 저항 히터, 또는 내부 및 외부 저항 히터 둘 모두를 포함할 수 있고, “내부” 및 “외부”는 에어로졸 형성 기재를 기준으로 한다. 내부 저항 히터는 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 내부 저항 히터는 가열 블레이드의 형태를 취할 수 있다. 대안적으로, 내부 저항 히터는 상이한 도전부를 갖는 케이싱이나 기재, 또는 전기 저항성 금속 관의 형태를 취할 수 있다. 대안적으로, 내부 저항 히터는 에어로졸 형성 기재의 중앙을 관통하는 하나 이상의 가열 침(needle) 또는 막대(rod)일 수 있다. 다른 대안은 가열 와이어 또는 필라멘트, 예를 들어 니켈-크롬(Ni-Cr), 백금, 텅스텐 또는 합금 와이어 또는 가열 플레이트를 포함한다. 선택적으로, 내부 저항 히터는 경질 담체 재료 내에 증착되거나 경질 담체 재료 상에 증착될 수 있다. 하나의 이러한 구현예에서, 전기 저항 히터는 온도와 저항성 간의 정의된 관계를 갖는 금속을 사용해 형성될 수 있다. 이러한 예시적인 장치에서, 금속은 세라믹 재료와 같은 적절한 절연 재료 상에 트랙으로서 형성된 다음 유리와 같은 다른 절연 재료 내에 개재될 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 히터는 작동 중에 가열체를 가열하는 것 및 가열체의 온도를 모니터링하는 것 둘 모두를 행하도록 사용될 수 있다.
외부 저항 히터는 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 외부 저항 히터는 폴리이미드 같은 유전체 기재 상의 하나 이상의 가요성 가열 포일의 형태를 취할 수 있다. 가요성 가열 포일은 기재 수용 공동의 둘레와 일치하도록 성형될 수 있다. 대안적으로, 외부 가열체는 금속 그리드 또는 그리드들, 가요성 인쇄 회로 기재, 몰딩형 상호접속 장치(MID: molded interconnect device), 세라믹 히터, 가요성 탄소 섬유 히터의 형태를 취하거나, 적절한 형상의 기재 상에 플라스마 기상 증착과 같은 코팅 기술을 이용해 형성될 수 있다. 증발, 화학 에칭, 레이저 에칭, 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄, 및 잉크젯 인쇄와 같은 다른 기술이 또한 히터를 형성하는 데 사용될 수 있다. 외부 저항 히터도 온도와 저항성 간의 정의된 관계를 갖는 금속을 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 예시적인 장치에서, 금속은 적절한 절연 재료로 이루어진 2개 층 사이에 트랙으로서 형성될 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 외부 저항 히터는, 작동하는 동안에 외부 가열체를 가열하고 외부 가열체의 온도를 모니터링하는 용도 둘 모두에 사용될 수 있다.
저항 히터는 유리하게는 전도에 의해 에어로졸 형성 기재를 가열한다. 저항 히터는 기재 또는 기재가 증착되는 캐리어와 적어도 부분적으로 접촉할 수 있다. 대안적으로, 내부 또는 외부 히터 중 어느 하나로부터의 열은 열 전도성 요소에 의해 기재에 전도될 수 있다.
저항 히터는 0.1 g 내지 0.5 g, 더 바람직하게 0.15 g 내지 0.25 g의 질량을 가질 수 있다. 배터리는 재충전 가능한 배터리일 수 있다. 배터리는 리튬 이온 배터리, 예를 들어 리튬-코발트 배터리, 리튬-철-인산염 배터리, 티탄산 리튬 배터리 또는 리튬-폴리머 배터리일 수 있다. 대안적으로, 배터리는 니켈-금속 수소화물 배터리 또는 니켈 카드뮴 배터리와 같은, 다른 형태의 재충전 가능한 배터리일 수 있다.
마이크로 제어기는 5초 초과의 기간 동안 DC/DC 변환기로부터 저항 히터에 전류를 연속적으로 공급하도록 구성될 수 있다. 마이크로 제어기는 장치의 활성화 후 시간에 따라 달라지는 목표 온도 프로파일에 기초하여 DC/DC 변환기를 제어하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, ‘에어로졸 발생 장치’는 에어로졸 형성 기재와 상호 작용해서 에어로졸을 발생시키는 장치에 관한 것이다. 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 발생 물품의 일부일 수 있다. 에어로졸 발생 장치는 에어로졸 발생 물품의 에어로졸 형성 기재와 상호 작용해서 사용자의 입을 통해 사용자의 폐 속으로 직접 흡입될 수 있는 에어로졸을 발생시키는 장치일 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 장치 내에 완전히 또는 부분적으로 포함될 수 있다.
에어로졸 형성 기재는 고체 에어로졸 형성 기재일 수 있다. 대안적으로, 에어로졸 형성 기재는 액체이거나, 고체 및 액체 성분 둘 모두를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 가열 시에 기재로부터 방출되는 휘발성 담배 향미 화합물을 함유하는 담배 함유 재료를 포함할 수 있다. 대안적으로, 에어로졸 형성 기재는 비-담배 재료를 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 형성제를 더 포함할 수 있다. 적절한 에어로졸 형성제의 예는 글리세린 및 프로필렌 글리콜이다.
에어로졸 형성 기재가 고체 에어로졸 형성 기재인 경우, 고체 에어로졸 형성 기재는, 예를 들어, 허브 잎, 담배 잎, 담배 리브 조각, 재구성 담배, 균질화 담배, 압출 담배, 캐스트 잎 담배 및 팽화 담배 중 하나 이상을 함유하는 분말, 과립, 펠렛, 슈레드, 스파게티, 스트립 또는 시트 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 고체 에어로졸 형성 기재는 말아피는 담배 형태일 수 있거나, 적절한 용기 또는 카트리지에 제공될 수 있다. 선택적으로, 고체 에어로졸 형성 기재는 기재의 가열 시에 방출될, 추가적인 담배 또는 비담배 휘발성 향미 화합물을 함유할 수 있다. 고체 에어로졸 형성 기재는, 예를 들어 추가적인 담배 또는 비담배 휘발성 향미 화합물을 포함하는 캡슐을 또한 함유할 수 있고, 이러한 캡슐은 고체 에어로졸 형성 기재의 가열 동안에 용융될 수 있다.
선택적으로, 고체 에어로졸 형성 기재는 열적으로 안정한 담체 상에 제공되거나 담체 내에 매립될 수 있다. 담체는 분말, 과립, 펠렛, 슈레드, 스파게티, 스트립 또는 시트의 형태를 취할 수 있다. 대안적으로, 담체는 고체 기재의 박층이 내부 표면, 외부 표면, 또는 내부 표면과 외부 표면 둘 모두에 증착된 관형 담체일 수 있다. 이러한 관형 담체는, 예를 들어 종이, 종이류 재료, 탄소 섬유 부직포 매트, 저질량 오픈 메쉬 금속 스크린, 또는 천공된 금속 포일 또는 임의의 다른 열적으로 안정한 폴리머 매트릭스로 형성될 수 있다.
고체 에어로졸 형성 기재는, 예를 들어 시트, 발포체, 겔 또는 슬러리 형태로 담체의 표면에 증착될 수 있다. 고체 에어로졸 형성 기재는 담체의 전체 표면에 증착되거나, 대안적으로 사용 중 불균일한 향미의 전달을 제공하기 위해 패턴으로 증착될 수 있다.
고체 에어로졸 형성 기재에 대하여 참조가 이루어졌지만, 에어로졸 형성 기재의 다른 형태가 다른 구현예와 함께 사용될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 에어로졸 형성 기재는 액체 에어로졸 형성 기재일 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재가 제공된 경우, 에어로졸 발생 장치는 액체를 보유하기 위한 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 액체 에어로졸 형성 기재는 용기 내에 보유될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 액체 에어로졸 형성 기재는 다공성 담체 재료 내로 흡수될 수 있다. 다공성 담체 재료는 임의의 적절한 흡수성 플러그 또는 흡수체, 예를 들어 발포성 금속이나 플라스틱 재료, 폴리프로필렌, 테릴렌, 나일론 섬유들 또는 세라믹으로 이루어질 수 있다. 액체 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 발생 장치의 사용 이전에 다공성 담체 재료 내에 보유될 수 있고, 또는 대안적으로 액체 에어로졸 형성 기재는 사용 도중 또는 사용 직전에 다공성 담체 재료 내로 방출될 수 있다. 예를 들어, 액체 에어로졸 형성 기재는 캡슐 내에 제공될 수 있다. 캡슐의 껍질은 가열 시에 용융되어 액체 에어로졸 형성 기재를 다공성 담체 재료 내로 방출시키는 것이 바람직하다. 캡슐은 선택적으로 액체와 조합된 고체를 함유할 수 있다. 대안적으로, 담체는 담배 성분이 통합된 부직포 직물 또는 섬유 다발일 수 있다. 부직포 직물 또는 섬유 다발은, 예를 들어 탄소 섬유, 천연 셀룰로스 섬유, 또는 셀룰로스 유도체 섬유를 포함할 수 있다.
작동하는 동안에, 에어로졸 형성 기재는 에어로졸 발생 장치 내에 완전히 함유될 수 있다. 이 경우, 사용자는 에어로졸 발생 장치의 마우스피스 상에서 퍼프할 수 있다. 대안적으로, 작동하는 동안에 에어로졸 형성 기재를 함유하는 에어로졸 형성 물품은 에어로졸 발생 장치 내에 부분적으로 포함될 수 있다. 이 경우, 사용자는 에어로졸 형성 물품 상에서 직접 퍼프할 수 있다.
에어로졸 형성 물품은 실질적으로 원통형 형상일 수 있다. 에어로졸 형성 물품은 실질적으로 세장형일 수 있다. 에어로졸 형성 물품은 길이 및 그 길이에 실질적으로 수직인 원주를 가질 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 실질적으로 원통형 형상일 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 실질적으로 세장형일 수 있다. 에어로졸 형성 기재 또한 길이 및 길이에 실질적으로 수직인 원주를 가질 수 있다.
에어로졸 형성 물품은 대략 30 mm 내지 대략 100 mm의 전체 길이를 가질 수 있다. 에어로졸 형성 물품은 대략 5 mm 내지 대략 12 mm의 외경을 가질 수 있다. 에어로졸 형성 물품은 필터 플러그를 포함할 수 있다. 필터 플러그는 에어로졸 형성 물품의 하류 단부에 위치할 수 있다. 필터 플러그는 셀룰로스 아세테이트 필터 플러그일 수 있다. 필터 플러그는 일 구현예에서 길이가 대략 7 mm이지만, 대략 5 mm 내지 대략 10 mm의 길이를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 에어로졸 형성 물품은 대략 45 mm의 총 길이를 가진다. 에어로졸 발생 물품은 대략 7.2 mm의 외경을 가질 수 있다. 또한, 에어로졸 형성 기재는 대략 10 mm의 길이를 가질 수 있다. 대안적으로, 에어로졸 형성 기재는 대략 12 mm의 길이를 가질 수 있다. 또한, 에어로졸 형성 기재의 직경은 대략 5 mm 내지 대략 12 mm일 수 있다. 에어로졸 형성 물품은 외부 종이 래퍼를 포함할 수 있다. 또한, 에어로졸 형성 물품은 에어로졸 형성 기재와 필터 플러그 사이의 분리부를 포함할 수 있다. 분리부는 대략 18 mm일 수 있으나, 대략 5 mm 내지 대략 25 mm 범위 내일 수 있다.
장치는 바람직하게는 한 손의 손가락들 사이에서 파지하기 편안한 휴대용 또는 핸드헬드 장치이다. 장치는 실질적으로 원통 형상일 수 있으며, 70 mm 내지 200 mm의 길이를 가진다. 장치의 최대 직경은 바람직하게는 10 mm 내지 30 mm이다. 일 구현예에서, 장치는 다각형 단면을 가지고, 일 면 상에 형성된 돌출 버튼을 가진다. 이와 같은 구현예에서, 장치의 직경은 편평한 면으로부터 반대측 편평한 면까지 취한 경우 12.7 mm 내지 13.65 mm, 에지로부터 반대측 에지까지 취한 경우(즉, 장치의 일 측 상의 두 개의 면의 교차점으로부터 다른 측 상의 대응하는 교차점까지 취한 경우) 13.4 mm 내지 14.2 mm이고, 버튼의 최상부로부터 반대측 하단의 편평한 면까지 취한 경우 14.2 mm 내지 15 mm이다.
본 발명의 제3 양태에서, 에어로졸 발생 장치를 제어하는 방법이 제공되며, 에어로졸 발생 장치는 저항 히터, 배터리 전압을 발생시키도록 구성되는 배터리, 및 제어 유닛을 포함하며, 제어 유닛은 배터리로부터 배터리 전압을 입력으로서 수신하고 출력 전압을 저항 히터에 출력하도록 배열된 DC/DC 변환기를 포함하며, 방법은:
저항 히터에 대한 미리 결정된 온도 프로파일에 기초하여 출력 전압을 조정하도록 상기 DC/DC 변환기를 제어하는 단계를 포함한다.
유리하게, 방법은 저항 히터의 측정되거나 계산된 저항 또는 온도에 기초하여 상기 DC/DC 변환기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 전기 저항 히터는 그의 온도에 따라 달라지는 전기 저항을 가진다. 그 경우, 방법은 전기 저항 히터의 계산된 전기 저항에 기초하여 상기 DC/DC 변환기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 전압 및 전류 측정으로부터 전기 저항 히터의 전기 저항을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
방법은 폐쇄 루프 제어 체계를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 폐쇄 루프 제어 체계는 마이크로 제어기의 펌웨어에서 루틴으로서 구현될 수 있다. 폐쇄 루프 제어 체계는 연속 가열식 에어로졸 발생 시스템에서 요구되는 바와 같이, 몇 분의 비교적 긴 기간에 걸쳐 히터 온도를 제어하는 데 적절할 수 있다. 폐쇄 루프 제어 체계는 DC/DC 변환기를 제어하여 목표 온도를 향해 전기 저항 히터의 온도를 조절하도록 배열될 수 있다. 목표 온도는 저장된 목표 온도 프로파일에 따른 시간에 따라 달라질 수 있다. 목표 온도 프로파일은 전기 저항 히터의 저항의 온도 계수에 기초하여 목표 저항 프로파일로 변환될 수 있다.
방법은 비례 적분 미분(PID) 제어기를 작동시켜서 폐쇄 루프 제어 체계의 목표 온도를 향해 전기 저항 히터의 온도를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 방법은 폐쇄 루프 제어 체계의 목표 온도를 향해 전기 저항 히터의 온도를 조절하기 위해 예측 로직을 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
대안적으로, 방법은 개방 루프 제어 체계를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 개방 루프 제어 체계는 사용자가 퍼핑하는 동안에만 히터에 전력이 공급되는 퍼프 작동 에어로졸 발생 시스템과 같이, 비교적 짧은 기간 동안 전기 저항 히터를 제어하는 데 적절할 수 있다.
방법은 저항 히터 및 DC/DC 변환기와 직렬로 연결된 스위치의 작동을 제어함으로써 DC/DC 변환기로부터 저항 히터에 공급되는 평균 전류를 조절하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은 저항 히터에 공급되는 전류의 펄스 폭 변조를 제공하도록 스위치를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 기술은 DC/DC 변환기에 의해 제공되는 전압 제어의 미세 조정을 제공하는 데 사용될 수 있다.
방법은 저항 히터를 통해 전류를 모니터링하는 단계, 및 DC/DC 변환기를 제어하여 저항 히터를 통한 전류가 최대 전류 임계값을 초과하지 않는 것을 보장하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 장치의 고장을 야기할 수 있는 배터리의 과부하를 방지한다.
방법은 배터리 전압이 최소 배터리 전압 이상으로 유지되도록 보장하기 위해 DC/DC 변환기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 최소 배터리 전압은 마이크로 제어기와 같은 장치 내의 특정 구성요소 또는 구성요소들의 작동에 요구되는 최소 전압일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 방법은 마이크로 제어기용 제2 전압 공급원을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 제2 전압 공급원은 제2 배터리일 수 있거나, 배터리와 마이크로 제어기 사이에 연결된 제2 DC/DC 변환기 또는 저 드롭아웃 레귤레이터(LDO)와 같은 전압 레귤레이터일 수 있다.
본 발명의 제4 양태에서, 전기 작동식 에어로졸 발생 장치의 제어 유닛에서 프로그래밍 가능한 전기 회로를 실행할 때, 저항 히터, 배터리 전압을 발생시키도록 구성된 배터리, 및 배터리로부터의 배터리 전압을 입력으로서 수신하고 저항 히터로 출력 전압을 출력하도록 배열된 DC/DC 변환기를 포함하는 제어 유닛을 포함하는 에어로졸 발생 장치가 프로그래밍 가능한 전기 회로로 하여금 본 발명의 제3 양태에 따른 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
본 발명은 상이한 양태를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 하나의 양태와 관련하여 설명된 특징이 본 발명의 다른 양태에 적용될 수 있음은 명백하다. 특히, 본 발명의 제1 양태와 관련하여 설명된 양태는 본 발명의 제2 양태 및 제3 양태에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 이제 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 장치의 개략도이고;
도 2는 히터의 온도를 제어하는 데 관련된 장치의 구성요소를 예시하는 개략도이고;
도 3은 저항 히터 및 대응하는 저항 및 발생된 전압 프로파일에 대한 예시적인 온도 프로파일을 예시하고;
도 4는 히터 전압용 PID 기반 제어 루프를 예시하고;
도 5는 히터 전압용 예측 로직을 사용하는 제어 루프를 예시하고;
도 6은 사용자 흡입 동안에만 히터를 활성화시키는 장치에 적합한 저항 히터에 대한 다른 예시적인 온도 프로파일 및 대응하는 전압 프로파일을 예시한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 장치의 개략도이고;
도 2는 히터의 온도를 제어하는 데 관련된 장치의 구성요소를 예시하는 개략도이고;
도 3은 저항 히터 및 대응하는 저항 및 발생된 전압 프로파일에 대한 예시적인 온도 프로파일을 예시하고;
도 4는 히터 전압용 PID 기반 제어 루프를 예시하고;
도 5는 히터 전압용 예측 로직을 사용하는 제어 루프를 예시하고;
도 6은 사용자 흡입 동안에만 히터를 활성화시키는 장치에 적합한 저항 히터에 대한 다른 예시적인 온도 프로파일 및 대응하는 전압 프로파일을 예시한다.
도 1에서, 전기 가열식 에어로졸 발생 장치(1)의 구현예의 구성요소가 단순화된 방식으로 도시된다. 전기 가열식 에어로졸 발생 장치(1)의 요소가 도 1에서는 실제 축적대로 도시되지 않는다. 이와 같은 구현예의 이해와 무관한 요소는 도 1을 단순화하기 위해 생략되었다.
전기 가열식 에어로졸 발생 장치(1)는 하우징(10) 및 에어로졸 형성 기재(12), 예를 들어 궐련과 같은 에어로졸 형성 물품을 포함한다. 에어로졸 형성 기재(12)는 하우징(10) 내측으로 밀어 넣어져 히터(4)와 열적으로 근접하게 된다. 이와 같은 실시예에서, 히터는 에어로졸 형성 기재 내로 연장되는 블레이드이다. 에어로졸 형성 기재(12)는 상이한 온도에서 다양한 휘발성 화합물을 방출하게 된다. 히터의 작동 온도가 휘발성 화합물의 일부 방출 온도 미만이 되도록 제어함으로써, 이러한 연기 성분의 방출 또는 형성이 회피될 수 있다. 전형적으로, 에어로졸 형성 기재는 170℃ 내지 450℃의 온도까지 가열된다. 일 구현예에서, 에어로졸 형성 기재는 170℃ 내지 250℃, 바람직하게 180℃ 내지 240℃의 온도로 가열된다. 다른 구현예에서, 에어로졸 형성 기재는 240℃ 내지 450℃, 바람직하게 250℃ 내지 350℃의 온도로 가열된다. 하우징(10) 내에는 배터리(2), 예를 들어 재충전 가능한 리튬 이온 배터리가 있다. 제어 유닛(3)은 가열 요소(4), 전기 배터리(2) 및 사용자 인터페이스(6), 예를 들어 버튼 또는 디스플레이에 연결된다. 이러한 유형의 시스템은, 예를 들어 EP2800486에 기술되어 있다.
제어 유닛(3)은 그의 온도를 조절하기 위해서 가열 요소(4)에 공급된 전력을 제어한다. 장치의 단일 사용 과정 동안 온도를 변화시키는 것이 바람직할 수 있다. 일 예에서, 제1 퍼프(puff)에 걸리는 시간을 최소화하고, 이어서, 기재가 다음 번의 몇몇 퍼프 동안 일정한 온도에서 유지되도록 히터의 온도를 감소시키기 위해 장치의 활성화 직후에 온도를 빠르게 증가시키는 것이 바람직하다. 충분한 에어로졸이 여전히 사용자에게 전달되는 것을 보장하기 위해 에어로졸 형성 기재가 고갈됨에 따라 히터의 온도를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 유형의 가열 프로파일은 WO2014/102091에 상세히 설명된다.
도 2는 히터의 온도를 제어하는 데 관련된 장치의 구성요소를 예시한다. 특히, 도 2는 배터리(2), 제어 유닛(3) 및 히터(4)의 배열을 도시한다. 제어 유닛은 마이크로 제어기(30) 및 디지털 제어되는 DC/DC 변환기(32)를 포함한다. 디지털 제어되는 DC/DC 변환기(32)는 배터리(2)와 히터(4) 사이에 연결되고 마이크로 제어기(30)에 의해 제어된다. DC/DC 변환기는 그의 입력부에서 배터리 출력 전압(Vbat)을 수신하고 출력 전압(Vheater)을 출력한다. 이와 같은 실시예에서, DC/DC 변환기는 Vheater가 Vbat보다 낮거나 같도록 벅 또는 스텝 다운 변환기다. 그러나, 본 발명은, 예를 들어 부스트 변환기 또는 벅-부스트 변환기 또는 전력 변환기 스테이지의 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
히터(4)는 기재 상에 복수의 전기 저항 트랙을 포함한다. 히터 트랙은 백금으로 형성될 수 있고 기재는 지르코니아와 같은 세라믹 재료일 수 있다. 기재는 블레이드로서 성형되어 에어로졸 형성 기재를 쉽게 투과시키고 그로부터 제거될 수 있게 한다.
마이크로 제어기는 히터가 원하는 온도 프로파일을 따르도록 디지털 제어되는 DC/DC 변환기를 제어한다. 이와 같은 구현예에서, 폐쇄 루프 제어 체계가 히터 저항에 기초하여 사용된다. 백금 히터 트랙의 전기 저항은 백금 저항의 온도 계수에 의해 히터의 온도와 직접적으로 관련된다. 마이크로 제어기는 Vheater의 측정 및 히터를 통한 전류의 측정을 수신한다. 히터와 접지 사이에 전류 측정 블록(34)이 연결된 것으로 도시되고, 출력은 마이크로 제어기(30)에 연결된다. 현재의 측정 블록(34)은 히터(4)와 직렬로 (매우 낮은 저항을 갖는) 션트 저항기를 포함할 수 있다. 션트 저항기를 통과하는 전류(히터를 통과하는 전류이기도 함)는 션트 저항기에 병렬로 연결된 증폭기를 사용하여 측정될 수 있다. 그런 다음, 히터의 저항이 옴 법칙을 사용하여 계산된다.
도 3을 참조하면, 마이크로 제어기는 그래프(40)에 예시된 원하는 온도 프로파일을 저장하고, 룩업 테이블(41)로서 저장된다. 그래프(40)는 장치의 활성화 후 목표 히터 온도 대 시간을 예시한다. 이와 같은 실시예에서, 온도 프로파일은 5개의 별개의 단계를 포함한다. 제1 단계에서, 히터는 주변 온도(T0)로부터 초기 목표 온도(T1)까지 상승된다. 이 제1 단계는 30초의 지속기간을 가진다. 1분의 지속기간을 갖는 제2 단계에서, 히터의 온도는 T1에서 유지된다. 제3 단계에서, 온도는 하강되고 제2 목표 온도(T2)로 유지된다. 제3 단계는 2분의 지속기간을 가진다. 20초의 지속기간을 갖는 제4 단계에서, 온도는 제3 목표 온도(T3)까지 점진적으로 상승된다. 추가 2분의 최종 단계에서, 히터는 온도 T3로 유지된다. 최종 단계 이후에 히터로의 전력이 스위치 오프된다.
이러한 온도 프로파일에 기초하여 폐쇄 루프 제어 체계를 수행하기 위해, 마이크로 제어기는 히터에 대한 온도와 전기 저항 간의 관계에 기초하여 목표 온도 프로파일을 대응하는 목표 전기 저항 프로파일로 변환한다. 저항 프로파일이 그래프(42)로서 그리고 룩업 테이블(43)로서 예시된다. 룩업 테이블(44)은 온도 프로파일을 전기 저항 프로파일로 변환하기 위해 마이크로프로세서에 저장될 수 있다.
온도 값의 형태로 원하는 온도 프로파일을 저장할 필요는 없다. 몇몇 구현예에서 원하는 전기 저항 프로파일을 저장하는 것이 유리할 수 있다. 이는 온도 프로파일이며, 장치에 저장되기 전에 저항 프로파일로 간단히 변환된다. 히터가 교체될 수 없는 경우, 저항 프로파일을 저장하면 데이터 스토리지 요구 사항 및 장치 상의 처리 단계를 감소시키기 때문에 바람직할 수 있다. 그러나, 특히 히터가 교체될 수 있는 경우, 장치에 온도 프로파일을 저장한 다음, 이를 장치의 저항 프로파일로 변환하는 것이 유리할 수 있는데, 이는 궁극적으로 제어되어야 하는 온도이기 때문이다. 히터가 교체될 때, 새로운 히터는 이전 히터와 상이한 저항의 온도 계수를 가질 수 있다.
그런 다음 폐쇄 루프 제어 체계를 사용하여 히터 저항을 목표 저항에 도달하게 한다. 결과적인 전압 출력(Vheater)이 그래프(46)에 예시된다.
도 4는 마이크로프로세서에 의해 구현될 수 있는 폐쇄 루프 제어 체계의 제1 실시예를 예시한다. 제1 단계(50)에서, 히터를 통한 전류의 측정과 Vheater 측정을 수신한다. 제2 단계(52)에서, 측정은 히터의 전기 저항을 계산하는 데 사용된다. 계산된 히터 저항은 단계 53에서 목표 저항과 비교되고, 그 차이는 단계 54에서 비례, 적분, 미분(PID) 제어기로 출력된다. PID 제어기의 출력은 히터의 전기 저항을 목표 저항에 도달하게 하기 위해 Vheater에 요구되는 값이다. PID 제어기를 사용하는 것은 폐쇄 루프 제어에 잘 알려진 기술이다. PID 제어기는 히터 온도 또는 저항과 무관하게 일정한 매개변수를 가진다. PID 제어기의 출력이 DC/DC 변환기를 제어하는 데 사용되기 전에, 먼저 히터를 통한 전류 또는 전압, 또는 DC/DC 변환기로부터의 요구 출력이 미리 결정된 최대 한계보다 더 큰지 체크된다. 배터리가 전달할 수 있는 최대 전류보다 히터를 통한 전류가 더 크면, 단계 55에서, Vheater에 대한 요구 값은 최대 허용가능 전류와 계산된 히터 저항의 곱으로 설정된다. PID 제어기에 의해 계산된 Vheater의 값이 DC/DC 변환기에 의해 제공될 수 있는 것보다 더 크면, Vheater는 DC/DC 변환기의 최대 출력 전압으로 설정된다.
디지털 제어되는 DC/DC 변환기는 프로그래밍 가능한 DC/DC 변환기 및 디지털 전위차계를 포함한다. 마이크로 제어기는 디지털 전위차계에 연결되고, 이는 프로그래밍 가능한 DC/DC 변환기의 출력 전압을 설정하는 디지털 전위차계이다. DC/DC 변환기의 DC/DC 피드백 핀은 디지털 전위차계에 연결되며, 이는 DC/DC 변환기로부터 Vheater 출력 레벨을 결정하는 이러한 피드백 핀의 값이다. 도 3을 다시 참조하면, 그래프(46)에 도시된 전압 프로파일은 룩업 테이블(48)을 사용하여 DC/DC 피드백 핀에 적용될 값으로 변환된다. 룩업 테이블(48)은 예를 들어, 0.05 V 단계에서 DC/DC 피드백 핀에 인가될 값에 Vheater를 관련시킬 수 있다. 디지털 전위차계의 값을 변경함으로써, DC/DC는 Vheater의 값을 원하는 레벨로 자동 조정한다. 이러한 배열로, Vheater의 값을 10밀리초 미만으로 조정할 수 있다. 디지털 전위차계는 이와 같은 실시예에서 직렬 주변기기 인터페이스(SPI)를 통해 마이크로 제어기에 의해 제어되지만, 예를 들어 I2C 또는 병렬 버스를 통해 제어될 수 있다.
도 5는 마이크로프로세서에 의해 구현될 수 있는 폐쇄 루프 제어 체계의 대안적인 예를 예시한다. 제1 단계(60)에서, 히터를 통한 전류의 측정과 Vheater 측정을 수신한 다음, 제2 단계(62)에서 이들은 히터의 전기 저항을 계산하는 데 사용된다. 계산된 히터 저항은 단계 63에서 목표 저항과 비교되고, 그 차이는 단계 64에서 예측 로직 제어기로 출력된다. 예측 논리 제어기는 온도 Vheater, 시간 전류 및 목표 저항과 계산된 저항 사이의 에러와 같은 복수의 매개변수에 기초하여 모델 또는 이상적인 히터 거동을 기초로 할 수 있다. 도 4의 제어 루프에서와 같이, 예측 논리 제어기의 출력이 DC/DC 변환기를 제어하는 데 사용되기 전에, 히터를 통한 전류 또는 전압, 또는 DC/DC 변환기로부터의 요구 출력이 미리 결정된 최대 한계보다 큰지를 먼저 체크한다. 히터를 통과하는 전류가 배터리가 전달할 수 있는 최대 전류보다 큰 경우, 단계 65에서, Vheater에 대한 요구 값은 최대 허용 가능한 전류와 계산된 히터 저항의 곱으로 설정된다. 예측 논리 제어기에 의해 계산된 Vheater의 값이 DC/DC 변환기에 의해 제공될 수 있는 것보다 더 크면, Vheater는 DC/DC 변환기의 최대 출력 전압으로 설정된다.
DC/DC 변환기의 제어는 배터리가 과부하가 될 수 있고 장치의 고장을 유발할 수 있는 허용 가능한 최대 전류를 초과하지 않게 보장하도록 만들어질 수 있음을 알 수 있다. 제어 유닛은 마이크로 제어기가 배터리로부터 항상 충분한 전압을 수신하는 것을 또한 보장할 수 있다. 마이크로 제어기는 통상적으로, 작동하기 위해서 최소 전압, 예컨대 2.5 V를 필요로 한다.
사용자가 제1 퍼프 전에 긴 시간을 대기할 필요가 없도록 히터를 제1 목표 온도까지 빠르게 도달하게 하는 것이 바람직하다. 히터에 인가된 전력이 높을수록, 그의 온도가 더 빠르게 상승할 것이다. 장치가 먼저 활성화될 때, 히터는 전형적으로 주변 온도에 있다. 양의 온도 계수를 갖는 히터의 경우, 이는 작동 동안의 그의 저항에 비해 비교적 낮은 전기 저항을 가진다는 것을 의미한다. 저온에서, 배터리는 또한 그의 출력 전압이 감소되고 그 내부 저항이 증가되어 출력 전류를 감소시키기 때문에 더 낮은 전력 출력을 가진다. 인자의 이러한 조합은 저온에서, 최대 전력이 배터리로부터 추출된 경우, 배터리 전압이 마이크로 제어기의 최소 작동 전압 아래의 레벨로 감소될 수 있음을 의미한다.
도 2에 예시된 바와 같이, 장치는 배터리로부터 마이크로 제어기로 공급되는 전압을 조절하기 위해 전압 레귤레이터(36)를 포함한다. 이와 같은 실시예에서 전압 레귤레이터는 선형 드롭아웃 레귤레이터(LDO)이지만, 예를 들어 제2 DC/DC 변환기일 수 있다. 이와 같은 실시예에서 LDO는 항상 안정적인 2.5 V를 마이크로 제어기에 전달하도록 구성된다. 그러나, 배터리 전압이 2.5 V 미만으로 떨어지면, LDO는 적절하게 기능을 하지 않을 것이다.
이 문제는 온도 프로파일의 제1 단계 동안 DC/DC 변환기를 제어함으로써 회피될 수 있다. 마이크로 제어기는 배터리 전압을 연속적으로 모니터링하고 이를 기준 전압, 전형적으로 2.5 V와 비교하도록 구성될 수 있다. 배터리 전압이 기준 전압보다 높으면, 제어 신호는 디지털 전위차계 값을 변화시켜 DC/DC 출력 전압을 증가시킨다. 배터리 전압이 기준 전압보다 낮으면, 제어 신호는 디지털 전위차계 값을 변화시켜 DC/DC 출력 전압을 감소시킨다. 이는 배터리 전압이 2.5 V의 최소 전압 미만으로 결코 떨어지지 않도록 보장하는 동시에 DC/DC 출력 전압이 항상 최대 값에 있는 제어된 루프 시스템에 대응한다. 이 방법은 주어진 배터리 온도에 대한 히터의 가장 빠른 웜업(warm up)을 제공한다.
몇몇 구현예에서, DC/DC 변환기에 대한 개방 루프 제어 체계가 바람직할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 에어로졸 발생 장치는 사용자 흡입에 응답할 때만 히터에 전력을 공급함으로써 기능을 할 수 있다. 사용자 흡입 사이에 어떠한 전력도 히터에 제공되지 않는다. 그러한 경우, 히터에 대한 온도 프로파일은 훨씬 짧거나, 단지 약 2초 또는 3초이다. 복잡한 온도 프로파일이 필요하지 않다. 히터는 가능한 한 빨리 기화 온도에 도달하고, 이를 2 또는 3초 동안 유지한 다음, 스위치 오프해야 한다. 이 유형의 온도 프로파일이 그래프(70)로서 도 6에 도시된다. 온도와 히터 저항 간의 관계는 제조 동안 알려지거나 교정될 수 있고, 온도 또는 저항 프로파일은 그래프(72)에 도시된 바와 같이, DC/DC 피드백 핀에 적용될 제어 값을 위한 프로파일로 변환될 수 있다. 프로파일은 마이크로 제어기의 룩업 테이블에 저장된다. 마이크로 제어기는 개방 루프에서 직접 디지털 전위차계를 통해 DC/DC 변환기를 제어한다. 마이크로 제어기는 여전히 Vheater 및 전류 측정을 수신하고 모니터링하여 소모된 기재와 같은 비정상적 또는 오류 조건을 검출할 수 있다.
개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어 체계에서 DC/DC 변환기를 제어하는 것 이외에, 마이크로 제어기는 펄스 폭 변조(PWM)을 사용하여 히터의 온도 제어를 미세 조정할 수 있다. MOSFET와 같은 스위치는 히터와 직렬로 연결될 수 있고, 히터에 공급된 전류를 조절하기 위해 마이크로 제어기에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 목표 히터 저항과 계산된 히터 저항 사이의 오류가 임계량 미만일 때 PWM이 사용될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, PWM은, 예를 들어 온도가 너무 빨리 상승할 때 빠른 응답 시간을 제공하는 데 사용될 수 있다.
미리 결정된 온도 또는 전압 프로파일에 따라 제어되는 DC/DC 변환기의 사용은 다수의 장점을 가진다. 히터의 온도 프로파일은 PWM 제어에서보다 더 매끄러우며, 히터가 동시에 과열될 확률이 훨씬 낮다. 특히 장치를 활성화시킨 직후에 배터리로부터 요구되는 순간 전류는 PWM 제어를 사용할 때보다 낮아서 저온에서 저 배터리 전압의 문제점에 대한 잠재성을 감소시킨다. 또한, DC/DC 변환기의 사용은 히터의 설계에서 훨씬 더 큰 유연성을 허용한다. 예를 들어, 부스팅 DC/DC 변환기가 사용되는 경우, 더 높은 저항 히터가 사용될 수 있으며, 이는 기생 저항 및 접촉 저항과 같은 시스템 내의 다른 저항의 영향을 완화할 수 있다.
Claims (14)
- 흡입 가능한 에어로졸의 발생을 위한 에어로졸 발생 장치(1)로서, 상기 장치(1)는:
저항 히터(4),
배터리(2) - 상기 배터리(2)는 배터리 전압(Vbat)을 발생시키도록 구성됨 -, 및
제어 유닛(3)을 포함하고, 상기 제어 유닛(3)은:
배터리로부터 배터리 전압(Vbat)을 입력으로서 수신하고 출력 전압(Vheater)을 저항 히터(4)에 출력하도록 배열된 DC/DC 변환기(32); 및
저항 히터(4)에 대한 미리 결정된 온도 프로파일에 기초하여 출력 전압을 조정하기 위해 상기 DC/DC 변환기(32)를 제어하도록 구성된 마이크로 제어기(30)를 포함하는, 에어로졸 발생 장치. - 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 온도 프로파일을 저장하는 메모리를 더 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로 제어기는 저항 히터의 온도 또는 측정되거나 계산된 저항에 기초하여 상기 DC/DC 변환기를 제어하도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 마이크로 제어기는 폐쇄 루프 제어 체계를 작동시키도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터의 온도 또는 저항을 측정하기 위한 수단을 더 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
- 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 마이크로 제어기는 개방 루프 제어 체계를 작동시키도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 제어기는 저항 히터 및 DC/DC 변환기와 직렬로 연결된 스위치의 작동을 제어함으로써 DC/DC 변환기로부터 저항 히터에 공급되는 평균 전류를 조정하도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 제어기와 DC/DC 변환기 사이에 연결된 디지털 전위차계(digital potentiometer)를 더 포함하는, 에어로졸 발생 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 제어기는 저항 히터를 통한 전류를 모니터링하고 DC/DC 변환기를 제어하여 저항 히터를 통한 전류가 최대 전류 임계값을 초과하지 않게 보장하도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 제어기는 DC/DC 변환기를 제어하여 배터리 전압이 최소 배터리 전압 이상으로 유지되는 것을 보장하는, 에어로졸 발생 장치.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항 히터는 0.1 g 내지 0.5 g의 질량을 가지는, 에어로졸 발생 장치.
- 제1항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 리튬 이온 배터리인, 에어로졸 발생 장치.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 제어기는 5초 초과의 기간 동안 DC/DC 변환기로부터 저항 히터로 전류를 연속적으로 공급하도록 구성되는, 에어로졸 발생 장치.
- 에어로졸 발생 장치(1)를 제어하는 방법으로서, 상기 에어로졸 발생 장치(1)는 저항 히터(4), 배터리(2) - 배터리(2)는 배터리 전압(Vbat)을 발생시키도록 구성됨 -, 및 제어 유닛(3) - 상기 제어 유닛(3)은 배터리로부터의 배터리 전압(Vbat)을 입력으로서 수신하고 출력 전압(Vheater)을 저항 히터(4)로 출력하도록 배열된 DC/DC 변환기(32)를 포함함 -을 포함하며, 상기 방법은:
상기 DC/DC 변환기(32)를 제어하여 저항 히터(4)에 대한 미리 결정된 온도 프로파일에 기초하여 출력 전압을 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
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