TW202103591A - 用於電子煙之質量流量計 - Google Patents

Abstract

揭露了一種電子煙10，該電子煙包括液體儲存器16、汽化器12、流體傳遞元件14、感測單元20、以及控制電路系統42。感測單元20被構造成測量流體傳遞元件14中的可汽化液體16之流量，並且控制電路系統42被構造成基於所測量的流速控制電子煙10之至少一個方面。

Description

用於電子煙之質量流量計

本發明關於一種電子煙，在該電子煙中流體傳遞元件可以將液體從液體儲存器輸送到汽化器。

汽化可汽化液體的電子煙作為消費裝置越來越受歡迎。在該等裝置中，重要的是小心控制汽化器使得生成可預測且可重複的蒸氣以供使用者吸入。已經發現的是，可能難以在所有情況下並且特別是當液體儲存器接近空的時提供這種可重複性和可預測性。

電子煙使用者當中的已知現象係被稱為「乾抽吸（dry puff）」的事件。在「乾抽吸」條件下，對於所施加的電功率沒有足夠的液體輸送到汽化器，並且吸入所產生的蒸氣可能導致使用者察覺到令人不愉快的味道。因此，用於減少「乾抽吸」條件的可能性的能力將對電子煙使用者有益。

本發明之目的是解決該等問題中的一些。

根據本發明之一方面，提供了一種電子煙，該電子煙包括：液體儲存器；汽化器；流體傳遞元件，該流體傳遞元件被構造為將液體從該液體儲存器引導至該汽化器；感測單元，該感測單元被構造為測量該流體傳遞元件中的液體的流量；以及控制電路系統，該控制電路系統被構造為基於所測量的流速來控制電子煙的至少一個方面。

以這樣的方式，可以基於所測量的流速來控制電子煙，使得即使在流速變化時也可以繼續有效地使用電子煙。在一個示例中，低流速可以指示液體儲存器已經耗盡，並且可以禁用電子煙以防止對汽化器之無意損壞和/或防止使用者經歷「乾抽吸」現象。在另一示例中，可以根據流速來調節汽化器之電源，使得汽化係可重複的、可預測的、並且獨立於流體傳遞元件中的流速。

汽化器可以包括第一加熱器。以這樣的方式，熱量可以傳遞到流體傳遞元件內之液體，使得液體溫度升高到其汽化點並且產生蒸氣。使用者可以直接收集、提取或吸入蒸氣。在替代性佈置中，該汽化器可以包括霧化器。該加熱器較佳的是為加熱元件，該加熱元件可以纏繞在該流體傳遞元件周圍。在替代性佈置中，該加熱器可以包括雷射器或其他光學加熱源。

較佳的是，該感測單元包括在該汽化器與該液體儲存器之間的流體傳遞元件中彼此分離的第二加熱器和溫度感測器。以這樣的方式，該感測單元可以藉由使用該第二加熱器加熱該流體傳遞元件內的液體並且在該溫度感測器處測量這個加熱操作的效果來測量該流體傳遞元件內之質量流量。因此，如果流速低，則要在溫度感測器處檢測第二加熱器處之溫度變化所花費的時間可能相對長（與高流速相比）。此外，也可以隨時間連續測量該加熱操作的效果。這可以提供流體傳遞元件中的液體流速變化的指示，並且使得控制電路系統能夠執行校正動作（如需要的話）。

在一種佈置中，該第二加熱器可以纏繞在該流體傳遞元件周圍。在另一種佈置中，該第二加熱器可以設置在該流體傳遞元件內部。

較佳的是，該感測單元包括電阻式感測器，該電阻式感測器被構造成測量該第二加熱器中加熱器元件之電阻，以便測量該加熱器元件的溫度。已經發現測量電阻可以是確定溫度之有效方法。這確保了可以嚴格控制第二加熱器之溫度，這對於確保感測單元之精度是重要的。在另一示例中，該第二加熱器中加熱器元件的溫度可以使用熱電偶或其他溫度感測器來確定。

較佳的是，該感測單元包括計時器，該計時器用於監控由該第二加熱器施加溫度變化之時間和由該溫度感測器進行溫度測量之時間。以這樣的方式，可以測量溫度變化從第二加熱器傳播到溫度感測器所花費的時間。據信，測量變化所需的時間取決於第二加熱器與溫度感測器之間的距離、液體之熱導率和擴散率、及平均流速。因此，藉由使用合適的查閱資料表（例如，包含與液體的運輸時間和溫度曲線相關的資料），可以計算流體傳遞元件中的液體之質量流速。

該控制電路系統可以被構造成當由該感測器測量之流速在預定閾值以下時減少或暫停該汽化器之操作。已知「乾抽吸」狀況或液體耗減對應於低質量流速。因此，在質量流速低時減少或暫停汽化器的操作避免了在該等條件下的汽化，從而提供了改進的使用者體驗並且防止了對汽化器的損壞。此外，抑制了不期望的揮發性化合物之產生，並且向使用者提供了液體儲存器係空的或者接近空的指示。

較佳的是，該控制電路系統被構造成根據該感測單元測量的流速來修改供應給該汽化器的功率。以這樣的方式，提供了對蒸氣排放的增強控制。據信，可以被遞送到汽化器的最大電功率、汽化器的溫度、以及被汽化的液體的質量之間存在關係。汽化的液體之量與被提供給汽化器的電能成比例，直到達到上限，在該上限處，由於流體傳遞元件達到其毛細極限，所以汽化的液體的量變得與電功率無關。藉由監控流體傳遞元件中流向汽化器的液體的量，可以相應地調節電功率，從而為操作條件提供最佳電功率，並且確保生成可預測且可重複的蒸氣以供使用者吸入。作為另一示例，在低質量流量條件期間減少電功率可以防止形成不期望的化合物（比如羰基化合物）。這可以藉由防止汽化器的溫度超過液體成分之分解溫度來實現。作為另一示例，調節被供應給汽化器的電功率可以提高電效率。在一個示例中，查閱資料表可以用於基於質量流速計算來調節供應給第一加熱器的電功率。

流體傳遞元件可以包括多孔材料。以這樣的方式，由於多孔介質內的毛細吸力，促進了沿著流體傳遞元件的芯吸。因此，液體流動可以在沒有外力（如重力）的幫助下發生，或者甚至在與外力相反的情況下發生。流體傳遞元件可以藉由其毛細特性來表徵，該等毛細特性基於比如材料類型（例如，玻璃纖維、棉花、陶瓷等）和物理尺寸（例如，直徑、繩的數量、材料密度等）等因素。

根據本發明之另一方面，提供了一種操作電子煙的方法，該方法包括以下步驟：使用該流體傳遞元件將液體從該液體儲存器引導至該汽化器；用該感測單元測量該流體傳遞元件中的液體的流量；以及基於所測量的流速控制該電子煙的至少一個方面。

圖1係本發明之實施方式中的電子煙10之示意圖。電子煙10可以用作包含煙絲的常規香煙之替代品。電子煙10包括囊體11和長形主體13。囊體11可為可移除的或永久固定的。

圖2係電子煙10的內部部件之示意性概述，該等內部部件可以被容納在囊體/煙彈中。電子煙10包括第一加熱元件12、芯吸件14、以及包含可汽化液體18之液體儲器16。芯吸件14係流體輸送元件，該流體輸送元件從液體儲器16延伸到第一加熱元件12，從而有助於藉由毛細作用將液體18輸送到第一加熱元件12以進行汽化。液體儲器16可以被構造為可再填充的「開放罐」式儲器或可移除的煙彈或消耗品。可汽化液體18可為丙二醇或甘油，該可汽化液體能夠產生可見蒸氣。可汽化液體18可以進一步包括其他物質，比如尼古丁及香料。

流量感測器20位於液體儲器16與第一加熱元件12之間沿著芯吸件14之位置。流量感測器20包括位於芯吸件14內之第二加熱元件202和溫度感測器204。在替代性實施方式中，第二加熱元件202和溫度感測器204可以被定位在芯吸件14周圍或者係芯吸件14內部和周圍兩者之組合。氣流導管22位於電子煙10內。

替代性地，可以使用多個質量流量感測器。例如，第一質量流量感測器和第二質量流量感測器可以佈置在長形芯吸件14的每個端部處。多個或至少兩個質量流量感測器可以提供附加資料，使得可以據此計算平均質量流量。

圖3示出了本發明之實施方式中的電子煙的內部部件之截面示意圖。電子煙包括第一加熱元件12、芯吸件14、第二加熱元件202和溫度感測器204。

第一加熱元件12可為由比如鈦、鎳或鎳鉻合金等材料製成的金屬線圈。線圈的典型電阻值範圍約為1.5至2.0 Ω，但可能更低（比如在鈦情況下）。如熟悉該項技術者將理解的，許多其他導熱材料可以用於第一加熱元件12。在替代性實施方式中，第一加熱元件12可為能夠汽化沿著芯吸件14輸送的液體的任何其他系統，比如雷射或其他光學加熱源。

芯吸件14可操作以將液體18從液體儲器16引導至第一加熱元件12。通常，液體18的運動係藉由毛細作用實現的。芯吸件14的毛細特性取決於各種因素，比如芯吸件14材料（例如玻璃纖維、棉花、陶瓷等）和物理尺寸（例如直徑、繩的數量、材料密度等）。典型的芯吸件直徑可以約為3 mm。該等因素也在確定芯吸件14的毛細極限中（即在芯吸件達到最大液體質量流速情況下）起作用，從而也影響最大液體汽化率。此外，沿著芯吸件14的質量運輸取決於液體特性（例如黏度）和操作條件（例如溫度）。

在一個示例中，芯吸件14包括在一個端部處藉由連接部分142連接的至少兩個空間上分離的平行長度之芯吸材料141和143。第一加熱元件12位於連接部分142處，使得沿著芯吸件14的每個平行區段行進的液體18在第一加熱元件12處會聚並且被汽化。典型地，連接部分142在長度方面可以大約為5 mm。在替代性示例中，芯吸件14可以由一個長度的芯吸材料組成或者可以包括中空圓柱體，使得平行於圓柱軸線的液體流動可以被最大化，同時保持足夠空間以便於空氣或蒸氣藉由。

第二加熱元件202可以設置在芯吸件14周圍（比如加熱線圈或加熱環）、芯吸件14內部或組合。第二加熱元件202被定位成使得沿著芯吸件14流動的液體18在到達第一加熱元件204之前藉由第二加熱元件202、然後藉由溫度感測器202。第二加熱元件202可操作來將沿著芯吸件輸送的液體之溫度升高到液體18的汽化點以下之溫度。典型的汽化溫度可以是大約200至290°C，而第二加熱元件202的位置之溫度較低。在示例中，第二加熱元件202的溫度可為例如80°C左右。第二加熱元件202的溫度可以藉由測量第二加熱元件202之電阻來精確地檢測和控制。在替代性示例中，第二加熱元件202的溫度可以使用熱電偶或其他溫度感測器來監控。

溫度感測器204用於測量芯吸件14內的可汽化液體18之溫度。液體溫度在流到溫度感測器204然後流到第一加熱元件12上以被汽化之前被第二加熱元件202升高。第二加熱元件202與溫度感測器204之間的距離（d1）根據系統的質量流量傳遞能力藉由設計來調節。溫度感測器204典型地包括由比如鈦等材料製成的線圈，該線圈可以纏繞在芯吸件14周圍、或者位於內部、或者是組合。藉由測量線圈的電阻，可以確定溫度。在其他示例中，溫度感測器204可以包括熱電偶或能夠測量溫度的其他系統。

圖4係本發明實施方式中的電子煙的系統部件之框圖。控制電路系統42設置為與第一加熱器12、流量感測器20和資料存儲單元44進行電子通信（例如有線或無線）。控制電路系統42可以包括至少一個處理器和記憶體（未示出）。記憶體可以存儲體現在非暫時性電腦可讀存儲介質中之電腦程式，該電腦程式具有用於執行控制電路系統42的各種功能之電腦可執行指令。如熟悉該項技術者將理解的，資料存儲單元44可以位於電子煙10內或者可以遠程定位，比如在遠端伺服器情況下。

控制電路系統42可以負責控制電子煙10之操作，比如對系統之溫度演變進行監控、在資料存儲器44中記錄或檢索資料、以及控制被供應給第一加熱器12和流量感測器20之功率。資料存儲單元44可以包含比如查閱資料表、歷史質量流量資料和校準資料等資料。

圖5展示了根據本發明之實施方式的電子煙之操作方法。

質量流量測量在汽化過程期間啟動。由此，隨著第一加熱元件12的接通，操作在步驟302處開始。在步驟302，液體18從液體儲器16流到第一加熱元件12並且被汽化。計時器可操作來記錄液體從第二加熱元件202流到溫度感測器204之運輸時間（T時間）。這允許監控溫度隨時間之演變。在步驟304，計時器被重置（T時間 = 0）。

在步驟306，第二加熱元件202被激活。供應給第二加熱元件202的功率將取決於期望的溫度設定點，該溫度設定點可根據系統要求進行構造。選擇溫度設定點，使得液體18之溫度升高到液體18的汽化溫度以下之溫度。有利地，可以監控第二加熱元件202之電阻，以提供第二加熱元件202的溫度之精確測量。

在一個實施方式中，第二加熱元件202可以快速接通和關閉，使得熱脈衝在液體18中沿著芯吸件14傳輸。在另一實施方式中，第二加熱元件202可以保持接通，直到達到特定的時間或溫度閾值。

在步驟308，溫度感測器204記錄芯吸件14以及芯吸件14內的液體18之溫度演化。以這樣的方式，在液體18從第二加熱元件202行進到溫度感測器204花費的時間期間，監控溫度演變。在步驟310，停止溫度演變之記錄。這係由於達到最大溫度閾值或由於最大時間段已經過去（時間 = MaxDtime）而發生。最大溫度閾值可以對應於剛好在液體18的汽化溫度以下的溫度。如果兩個條件都無法達到，則藉由循環回到步驟308繼續加熱和監控過程。

在步驟312，從資料存儲器44中檢索來自先前質量流量測量之歷史資料。藉由將歷史資料與所測量的資料進行比較，該等資料能夠評估系統之液體耗減和劣化。芯吸件的污染可能導致毛細作用劣化，這係由於引入異物或外來物質或液體殘留物黏附在芯吸件上而引起的。替代性地，劣化可能由於液體耗減而發生。

在步驟314，使用記錄的被加熱液體從第二加熱元件202流到溫度感測器204的時間（T時間）和在經過的時間期間記錄的溫度曲線、並且將該等資料與校準資料和/或查閱資料表（LT1）進行比較來計算質量流速。查閱資料表（LT1）包含將質量流速與測量之運輸時間（T時間）和溫度感測器204的溫度曲線相關之資料。

在步驟316，評估「乾抽吸」條件。控制電路系統42使用所計算之質量流速來估計即將滿足還是已經滿足「乾抽吸」條件。液體儲器16中的「乾抽吸」條件或液體耗減對應於低質量流速，因此影響所記錄之運輸時間（T時間）、記錄的溫度曲線、以及所計算之質量流速。如果「乾抽吸」條件被估計為已經滿足或即將滿足，或者檢測到液體耗減，則關閉第一加熱元件12。在一個示例中，可以觸發警報或者以適當方式通知使用者。以這樣的方式，防止使用者經歷「乾抽吸」現象，並且通知警報或通信確保使用者理解電子煙10不再工作。而且，它可以提供液體儲器16需要重新填充或更換的指示。

如果沒有檢測到「乾抽吸」條件或液體耗減，則可以根據質量流量資料調節供應給第一加熱元件12的功率。歷史質量流量資料和第二查閱資料表（LT2）（其定義了質量流速與針對具體的芯吸件特性（例如毛細特性、尺寸等）供應給第一加熱元件12之電功率之間之關係）可以用於確定對所供應的功率之適當調節，以獲得期望的質量流速和液體汽化水平。以這樣的方式，可以針對操作條件提供最佳的電功率量，使得在汽化過程期間可以避免液體18之劣化，並且生成可預測且可重複的蒸氣以供使用者吸入。作為另一示例，在低質量流量條件期間減少電功率可以藉由避免超過液體成分之分解溫度來防止形成不期望的化合物（比如羰基化合物）。作為另一示例，根據質量流速調節供應給汽化器的電功率可以提高電效率。

校正因子可以應用於所計算之功率輸出，該功率輸出考慮了系統中的芯吸件劣化或液體耗減。這可以藉由將所測量的質量流量資料與歷史質量流量資料進行比較來計算。此外，歷史資料可以用於藉由計算平均質量流速來解釋系統中的波動，從而提高功率調節之準確性。

在步驟322，質量流量測量資料和調整後的設置被記錄在資料存儲器44中，用於下一個測量階段。

在步驟324，溫度感測器204繼續監控芯吸件14之溫度，直到檢測到穩態溫度。當穩態溫度出現時，質量流量測量可以在步驟304處重新開始。

熟悉該項技術者將理解的是，上述質量流量測量係兩階段過程：用於加熱可汽化液體18的第一階段和用於允許可汽化液體18冷卻的第二階段。在第一階段，可汽化液體18被充分加熱，以允許容易且快速的溫度檢測，並且基於經加熱的液體到達溫度感測器204所花費之時間，為要執行的質量流量計算提供足夠溫度演變資料。在第二/冷卻階段，第二加熱元件202至少在溫度感測器204檢測穩態溫度所花費之時間內被關閉。

在一個示例中，冷卻階段可以在步驟308開啟，這對應於第二加熱元件202被脈衝開啟和關閉之情況。在另一示例中，如果第二加熱元件由於達到時間或溫度閾值而關閉，則冷卻階段可以在步驟310開啟。在另外的示例中，如果第二加熱元件202保持激活直到這一點，則冷卻階段可以在步驟324開啟。

質量流量測量可以在汽化過程期間連續進行，使得當溫度感測器204檢測到穩態溫度時，第一階段立即再次開始。在一個示例中，步驟302至324可以按順序重複幾次，比如在30至60秒內重複3至5次。以這樣的方式，可以計算平均質量流量測量，從而提供更高的精度。

替代性地，質量流量測量可以在汽化過程期間的任何點處進行，使得第一階段不會在檢測到穩態溫度後立即恢復。在一個示例中，步驟302至324可以以規則的間隔重複，比如每60秒或每抽吸5次。

圖6示出了展示質量流量測量中收集的典型事件序列和資料的兩個示意圖。圖50係由控制電路系統42記錄在資料存儲器44中的第二加熱元件202處的溫度與時間之曲線圖。圖60係由控制電路系統記錄在資料存儲器44中的溫度感測器204處的溫度與時間之曲線圖。

在T時間 = 0時，控制電路系統42接通第二加熱元件202，以沿著液體18中的芯吸件14傳輸熱脈衝。溫度感測器204處的初始芯吸件14溫度（iT）由控制電路系統42監控並且將其記錄在資料存儲器44中。在液體18從第二加熱元件202行進到溫度感測器204所花費的時間期間，繼續監控溫度演變直到特定時間已經過去（T時間 = MaxDtime）。由控制電路系統42分析溫度曲線，以確定溫度的峰值（pT）和溫度峰值發生之時間（p時間）。這允許計算溫度增加（ΔT = pT - iT）和渡越（flying）時間（Δt = p時間）。該等資料然後被用於使用存儲在資料存儲器44中的查閱資料表（LT1）來計算質量流速，該資料存儲器包含將質量流速與ΔT和Δt相關的芯吸件特定資料。如果控制電路系統42在特定時間已經過去（T時間 = MaxDtime）之前不能確定溫度峰值，則這可能指示低質量流速。

在替代性實施方式中，溫度感測器204處之溫度可以繼續由控制電路系統42監控，直到達到最大溫度閾值，比如對應於剛好在液體18的汽化溫度以下之溫度。

10:電子煙 11:囊體 12:第一加熱器 12:第一加熱元件 13:長形主體 14:芯吸件 16:液體儲器 18:液體 20:流量感測器 22:氣流導管 42:控制電路系統 44:資料存儲器 141:芯吸材料 142:連接部分 143:芯吸材料 202:第二加熱元件 204:溫度感測器

現在將參照附圖藉由示例的方式來描述本發明之實施方式，在附圖中：

[圖1]係本發明之實施方式中的電子煙之示意圖；

[圖2]係本發明之實施方式中的電子煙的內部部件之示意性概述；

[圖3]係本發明之實施方式中的電子煙的內部部件之截面示意圖；

[圖4]係本發明之實施方式中的電子煙的系統部件之框圖；

[圖5]係示出了根據本發明之實施方式的電子煙的操作的方法步驟之流程圖；以及

[圖6]係展示質量流量測量感測器中的溫度與時間之兩個示意圖。

無

10:電子煙

11:囊體

13:長形主體

Claims (12)

1. 一種電子煙，包括： 液體儲存器； 汽化器； 流體傳遞元件，該流體傳遞元件被構造為將液體從該液體儲存器引導至該汽化器； 感測單元，該感測單元被構造為測量該流體傳遞元件中的液體之流量；以及 控制電路系統，該控制電路系統被構造為基於所測量的流速來控制電子煙之至少一個方面。
2. 如請求項1所述之電子煙，其中，該汽化器包括第一加熱器。
3. 如請求項1或請求項2所述之電子煙，其中，該感測單元包括在該汽化器與該液體儲存器之間的流體傳遞元件中彼此分離的第二加熱器和溫度感測器。
4. 如請求項3所述之電子煙，其中，該第二加熱器纏繞在該流體傳遞元件周圍。
5. 如請求項3所述之電子煙，其中，該第二加熱器設置在該流體傳遞元件內部。
6. 如請求項3所述之電子煙，其中，該感測單元包括電阻式感測器，該電阻式感測器被構造成測量該第二加熱器中加熱器元件的電阻，以便測量該加熱器元件之溫度。
7. 如請求項3所述之電子煙，其中，該感測單元包括被構造為測量該第二加熱器中加熱器元件的溫度之熱電偶。
8. 如請求項3所述之電子煙，其中，該感測單元進一步包括計時器，該計時器用於監控由該第二加熱器施加溫度變化之時間和由該溫度感測器進行溫度測量之時間。
9. 如請求項1或2所述之電子煙，其中，該控制電路系統被構造成當由該感測器測量之流速在預定閾值以下時減少或暫停該汽化器之操作。
10. 如請求項1或2所述之電子煙，其中，該控制電路系統被構造成根據該感測單元測量之流速來修改該汽化器之操作。
11. 如請求項1或2所述之電子煙，其中，該流體傳遞元件包括多孔材料。
12. 一種操作請求項1至11中任一項所述之電子煙之方法，該方法包括以下步驟： 使用該流體傳遞元件將液體從該液體儲存器引導至該汽化器； 用該感測單元測量該流體傳遞元件中的液體之流量；以及 基於所測量的流速控制該電子煙之至少一個方面。

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