MX2014005081A - Sistema generador de aerosol con produccion de aerosol mejorada. - Google Patents

Sistema generador de aerosol con produccion de aerosol mejorada.

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Abstract

Se proporciona un método para controlar la producción de aerosol en un dispositivo generador de aerosol, el dispositivo comprende un substrato formador de aerosol, un calentador que comprende por lo menos un elemento de calentamiento para calentar el substrato formador de aerosol, y una fuente de energía para proporcionar energía al elemento de calentamiento, que comprende los pasos de: determinar la temperatura del elemento de calentamiento y ajustar la energía para el elemento de calentamiento para mantener la temperatura del elemento de calentamiento dentro de un intervalo de temperatura deseada, en donde el intervalo de temperatura deseada se calcula dinámicamente con base en la velocidad de flujo medida del gas a través o más allá del dispositivo. Al controlar la temperatura del elemento de calentamiento, se puede producir un aerosol con propiedades consistentes y deseables.

Description

SISTEMA GENERADOR DE AEROSOL CON PRODUCCIÓN DE AEROSOL MEJORADA Campo de la Invención La presente invención se relaciona con un método para controlar la producción de aerosol. La presente invención también se relaciona con un sistema generador de aerosol y más específicamente, con un sistema de generación de aerosol operado en forma eléctrica. La presente invención encuentra particular aplicación como un método para controlar la producción de aerosol en un sistema de generación de aerosol a través de por lo menos un elemento eléctrico de un sistema para fumar operado en forma eléctrica.
Antecedentes de la Invención El documento WO-A-2009/132793 describe un sistema para fumar calentado en forma eléctrica. Un líquido está almacenado en una porción de almacenamiento de líquido, y una mecha capilar que tiene un primer extremo que se extiende dentro de la porción de almacenamiento de líquido para el contacto con el líquido en la misma, y un segundo extremo que se extiende fuera de la porción de almacenamiento de líquido. Un elemento de calentamiento calienta el segundo extremo de la mecha capilar. El elemento de calentamiento está en forma de un elemento de calentamiento eléctrico enrollado en forma espiral en conexión eléctrica con un suministro de energía, y que rodea el segundo extremo de la mecha capilar. Durante el uso, el elemento de calentamiento se puede activar por el usuario para encender el suministro de energía. La succión por una boquilla por el usuario provoca que el aire sea arrastrado dentro del sistema para fumar calentado en forma eléctrica sobre la mecha capilar y el elemento de calentamiento y después, dentro de la boca del usuario.
Breve Descripción de la Invención Un objetivo de la presente invención es proporcionar un método mejorado para controlar la cantidad de energía provista al elemento de calentamiento eléctrico, de tal sistema generador de aerosol calentado en forma eléctrica.
Una dificultad particular con el dispositivo generador de aerosol es generar un aerosol con propiedades consistentes a pesar de las variaciones en la velocidad de flujo a través del dispositivo. Por ejemplo, en un dispositivo en donde la velocidad de flujo del aire se genera por las inhalaciones del usuario, las variaciones en la velocidad de flujo a través del dispositivo puede ocurrir durante el curso de la siguiente inhalación por el usuario o de una inhalación a la siguiente.
Sería conveniente generar un aerosol con el mismo tamaño y densidad de gota, en una base consistente, sin considerar las variaciones en la velocidad del flujo de aire de un gas, tal como aire, a través del dispositivo.
De conformidad con un aspecto de la invención, se proporciona un método para controlar la producción de aerosol en un dispositivo generador de aerosol, el dispositivo comprende: un calentador que comprende por lo menos un elemento de calentamiento; y una fuente de energía para proporcionar energía al elemento de calentamiento, lo cual comprende los pasos de: determinar la temperatura del elemento de calentamiento; y ajusfar la energía del elemento de calentamiento para mantener la temperatura del elemento de calentamiento dentro del intervalo de temperatura deseada, en donde el intervalo de temperatura deseada se calcula dinámicamente con base en la velocidad de flujo medida del gas a través o más allá del dispositivo.
De preferencia, el dispositivo está configurado para permitir generar el flujo de aire por la inhalación del usuario. El dispositivo puede ser un sistema para fumar calentado en forma eléctrica.
Un aerosol es una suspensión de partículas sólidas o gotas en un gas, tal como el aire. Cuando se produce aerosol con el uso del elemento de calentamiento para evaporar un substrato, la velocidad de producción del aerosol y las propiedades del aerosol producido dependen de la temperatura del elemento de calentamiento. La temperatura del elemento de calentamiento se determina no solamente por la energía abastecida al elemento de calentamiento, sino que también por factores ambientales. En particular, la velocidad de flujo de los gases más allá del elemento de calentamiento tiene un efecto de enfriamiento importante en el elemento de calentamiento.
Un ejemplo de un sistema en donde hay variaciones en la velocidad de flujo de aire es un sistema en donde el flujo de aire se genera por la inhalación del usuario, tal como por un sistema para fumar operado en forma eléctrica. Las variaciones en la velocidad de flujo a través del dispositivo pueden ocurrir durante el curso de una sola inhalación del usuario y desde una inhalación a la otra. Los diferentes usuarios tienen diferentes comportamientos de inhalación y un solo usuario puede tener diferentes comportamientos de inhalación en diferentes momentos. Las diferencias en el comportamiento de inhalación pueden ocurrir durante una sola inhalación, pero también de inhalación a inhalación. Por tanto, sería conveniente tener un método de control que compense los diferentes comportamientos del usuario y de inhalación.
El intervalo de temperatura deseada del elemento de calentamiento puede consistir de una sola temperatura deseada. En forma alternativa, el intervalo de temperatura del elemento de calentamiento puede ampliarse, por ejemplo, decenas de grados Celsius. El intervalo aceptable de temperaturas es en donde las temperaturas permiten formar un aerosol con las propiedades deseadas. Cuando la temperatura es demasiado alta pueden formarse químicos indeseables en el aerosol, cuando la temperatura es demasiado baja el substrato puede no evaporarse lo suficiente y el tamaño de la gota dentro del aerosol puede ser demasiado grande.
El intervalo de temperatura deseada puede depender de la composición del substrato formador de aerosol. Los diferentes substratos tendrán diferentes entalpias de evaporación y experimentarán la fractura química a diferentes temperaturas. De conformidad con esto, el método también puede comprender el paso de determinar una característica o identidad del substrato formador de aerosol y calcular o seleccionar el intervalo de temperatura deseada con base en la característica o identidad. Por ejemplo, el paso de determinar una característica del substrato formador de aerosol puede comprender leer una indicación de la identidad del substrato formador de aerosol formado ahí o en un alojamiento del substrato formador de aerosol. Una vez que se ha determinado la identidad del substrato, entonces se puede seleccionar el intervalo de temperatura deseada desde una base de datos de los intervalos de temperatura deseados para identidades particulares del substrato formador de aerosol. La indicación de la identidad del substrato formador de aerosol puede por ejemplo, ser un código de barras u otra indicación en la superficie, una característica del alojamiento del substrato, tal como la forma o tamaño o puede ser una resistencia característica o la respuesta eléctrica asociada con el alojamiento del substrato.
En un sistema para fumar operado en forma eléctrica, por ejemplo, para los usuarios que toman inhalaciones largas pero lentamente, puede ser conveniente tener una temperatura más baja del elemento de calentamiento, lo cual produce un aerosol a una menor velocidad. Esto se parece hasta cierto grado al comportamiento de un cigarro de combustible, de extremo encendido convencional. Sin embargo, la temperatura del elemento de calentamiento se mantiene sobre el nivel umbral más bajo con el fin de asegurar que se forme un aerosol con las propiedades deseadas. Este ajuste de la temperatura del calor con base en la velocidad de flujo del gas a través o más allá del dispositivo se puede usar junto con los intervalos de temperatura almacenados para composiciones de substrato especificas. Tal ajuste de temperatura con base en la velocidad de flujo puede hacerse dentro del intervalo de temperatura ajustado por la composición del substrato.
De preferencia, el paso de ajustar la energía se lleva a cabo solamente después de que el elemento de calentamiento ha alcanzado una temperatura específica dentro del intervalo de temperatura deseada. Por ejemplo, el paso de ajustar puede iniciarse solamente después de que la temperatura del elemento de calentamiento ha alcanzado un punto medio del intervalo de temperatura predeterminado.
En forma alternativa o además, el paso de ajustar la energía puede llevarse a cabo solamente cuando ha transcurrido un tiempo específico después de la detección de un flujo de gas a través del dispositivo, el cual excede la velocidad de flujo umbral predeterminada. Sería conveniente calentar el elemento de calentamiento tan rápido como sea posible, dado el suministro de energía disponible. Esto es para que se produzca un aerosol con las propiedades deseadas tan pronto como sea posible. De este modo, se puede suministrar una energía máxima por un tiempo específico después de la detección del inicio de una inhalación del usuario.
De preferencia, el método también incluye el paso de cortar o reducir la energía del elemento de calentamiento después del paso de ajustar la energía para mantener la temperatura del elemento de calentamiento. Esto se puede realizar con base en un tiempo predeterminado después de la activación del elemento de calentamiento, una velocidad de flujo detectada o un parámetro calculado relacionado con la velocidad de flujo.
Esto asegura que la producción de aerosol se detenga cuando se termina la inhalación del usuario.
El paso de ajustar la energía puede comprender ajustar una frecuencia o la modulación del ancho de impulso de una señal de energía pulsada. Cuando la energía se suministra al elemento de calentamiento como una señal pulsada, ajustar la frecuencia de los impulsos o el ciclo de trabajo de los impulsos es una forma efectiva para mantener la temperatura del elemento de calentamiento con el intervalo deseado.
El paso de determinar la temperatura del elemento de calentamiento puede comprender determinar la resistencia eléctrica del elemento de calentamiento. Esto proporciona una indicación exacta y conveniente de la temperatura. En forma alternativa, se puede usar un sensor de temperatura por separado.
De conformidad con otro aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo generador de aerosol operado en forma eléctrica, el dispositivo comprende: por lo menos un elemento de calentamiento para formar un aerosol desde un substrato, un suministro de energía para suministrar energía al elemento de calentamiento y circuitería eléctrica para controlar el suministro de energía desde el suministro de energía para el por lo menos un elemento generador de aerosol, en donde la circuitería eléctrica está configurada para: determinar la temperatura del elemento de calentamiento y ajustar la energía para el elemento de calentamiento para mantener la temperatura del elemento de calentamiento dentro del intervalo de temperatura deseada, en donde el intervalo de temperatura deseada se calcula dinámicamente con base en la velocidad de flujo medida del gas a través o más allá del dispositivo.
De preferencia, el dispositivo está configurado para permitir generar el flujo de aire por la inhalación del usuario El intervalo de temperatura deseada puede consistir de una sola temperatura deseada.
El dispositivo se puede configurar para recibir un substrato formador de aerosol. El intervalo de temperatura deseada puede depender en la composición del substrato formador de aerosol. Los diferentes substratos tendrán diferentes temperaturas de evaporación y experimentarán la fractura química a diferentes temperaturas. De conformidad con esto, el dispositivo también puede comprender medios para determinar una característica o identidad del substrato formador de aerosol y calcular o seleccionar el intervalo de temperatura deseada con base en la característica o identidad. Por ejemplo, el dispositivo puede comprender medios para leer una indicación de la identidad del substrato formador de aerosol formado en o en un alojamiento del substrato formador de aerosol y el intervalo de temperatura deseada también puede seleccionarse desde una base de datos de intervalos de temperatura, con base en la identidad del substrato por ejemplo, puede ser un código de barras u otra indicación en la superficie, una característica del alojamiento del substrato, tal como la forma o tamaño o la característica de resistencia o una respuesta eléctrica asociada con el alojamiento del substrato.
La circuitería eléctrica puede estar configurada para determinar la temperatura del elemento de calentamiento con base en la determinación de la resistencia eléctrica del elemento de calentamiento. En forma alternativa, el dispositivo puede incluir un sensor de temperatura separado.
La circuitería eléctrica puede comprender un microcontrolador. El microcontrolador puede incluir un regulador PID para controlar la energía suministrada al elemento de calentamiento.
De preferencia, la circuitería eléctrica está dispuesta para llevar a cabo los pasos del método de otros aspectos de la invención. Para llevar a cabo los pasos del método de otros aspectos de la invención, la circuitería eléctrica puede ser cableada. Sin embargo, con más preferencia, la circuitería eléctrica puede ser programable para llevar a cabo los pasos del método de otros aspectos de la invención.
El calentador puede comprender un solo elemento de calentamiento. En forma alternativa, puede ser un calentador eléctrico que comprende un elemento de calentamiento. En forma alternativa, el calentador eléctrico puede comprender más de un elemento de calentamiento, por ejemplo, dos, tres, cuatro, cinco, seis o más elementos de calentamiento. En forma alternativa, el calentador eléctrico puede comprender por lo menos un elemento de calentamiento para calentar el substrato. El elemento de calentamiento o los elementos de calentamiento pueden estar dispuestos apropiadamente para así calentar más efectivamente el substrato formador de aerosol.
El por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico de preferencia, comprende un material eléctricamente resistivo. Los materiales eléctricamente resistivos pueden incluir, sin limitarse a: semiconductores tales como cerámicas dopadas, cerámicas eléctricamente "conductoras" (tales como por ejemplo, disilicio de molibdeno), carbón, grafito, metales, aleaciones de metal y materiales compuestos hechos de un material cerámico y un material metálico. Tales materiales compuestos pueden comprender cerámicas dopadas o no dopadas. Los ejemplos de metales incluyen titanio, zirconio, tántalo y metales del grupo platino. Los ejemplos de aleaciones de metal apropiadas incluyen acero inoxidable, Constantan, aleaciones con contenido de níquel, cobalto, cromo, aluminio, titanio, zirconio, hafnio, niobio, molibdeno, tántalo, tungsteno, estaño, galio, manganeso, y hierro y súper aleaciones con base en níquel, hierro, cobalto, acero inoxidable, Timetal®, aleaciones con base de hierro-aluminio y aleaciones con base de hierro-manganeso-aluminio. El Timetal® es una marca registrada de Titanium Metals Corporation, 1999 Broadway Suite 4300, Denver Colorado. En materiales compuestos, el material eléctricamente resistivo puede estar incrustado, encapsulado o recubierto con un material aislante o viceversa, dependiendo de la cinética de la transferencia de energía y las propiedades físico-químicas externas requeridas. El elemento de calentamiento puede comprender una hoja metálica grabada aislada entre dos capas de un material inerte, en ese caso, un material inerte puede comprender Kapton®, hoja de mica o de poliimida. El Kapton® es una marca registrada de E.l. DuPont de Nemours and Company, 1007 Market Street, Wilmington, Delaware 19898, Estados Unidos de América.
En forma alternativa, el por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico puede comprender un elemento de calentamiento infra-rojo, una fuente fotónica o un elemento de calentamiento inductivo.
El por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico puede adoptar cualquier forma apropiada. Por ejemplo, el por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico puede adoptar la forma de una cuchilla de calentamiento. En forma alternativa, el por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico puede adoptar la forma de un recinto o substrato que tiene diferentes porciones electro-conductivas o un tubo metálico eléctricamente resistivo. Cuando el substrato formador de aerosol es un líquido provisto dentro de un contenedor, el contenedor puede incorporar un elemento de calentamiento desechable. En forma alternativa, una o más agujas o barras de calentamiento que se conducen a través del centro del substrato formador de aerosol también pueden ser apropiados. En forma alternativa, el por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico puede ser un elemento de calentamiento de disco (extremo) o una combinación de un elemento de calentamiento de disco con agujas o barras de calentamiento. En forma alternativa, el por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico puede comprender una hoja flexible de material dispuesta para rodear o para rodear parcialmente el substrato formador de aerosol. Otras alternativas incluyen un alambre o filamento de calentamiento, por ejemplo, un alambre de Nl-Cr, de platino, tungsteno o de una aleación, o una placa de calentamiento. En forma opcional, el elemento de calentamiento puede estar depositado en o en un material portador rígido.
El por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico puede comprender un sumidero de calor, o un depósito de calor que comprende un material con la capacidad de absorber y almacenar calor y después, liberar el calor con el tiempo hasta el substrato formador de aerosol. El sumidero de calor puede estar formado de cualquier material apropiado, tal como un metal o material de cerámica apropiado. De preferencia, el material tiene una capacidad de calor (material de almacenamiento sensible al calor) o es un material con la capacidad de absorber y después liberar el calor a través de un proceso reversible, tal como un cambio de fase de alta temperatura. Los materiales de almacenamiento de calor sensibles incluyen gel de sílice, alúmina, carbón, una esterilla de vidrio, fibra de vidrio, minerales, un metal o una aleación, tal como aluminio, plata o plomo y un material de celulosa, tal como el papel. Otros materiales apropiados que liberan el calor a través de un cambio de fase reversible incluyen parafina, acetato de sodio, naftaleno, cera, óxido de polietileno, un metal, una sal de metal, una mezcla de sales eutécticas o una aleación.
El sumidero de calor o el depósito de calor puede estar dispuesto de forma que quede directamente en contacto con el substrato formador de aerosol y puede transferir el calor almacenado directamente al substrato. En forma alternativa, el calor almacenado en el sumidero de calor o en el depósito de calor se puede transferir al substrato formador de aerosol por medio de un conductor de calor, tal como un tubo metálico.
El por lo menos un elemento de calentamiento puede calentar el substrato formador de aerosol por medio de conducción. El elemento de calentamiento puede estar por lo menos parcialmente en contacto con el substrato, o el portador en donde está depositado el substrato. En forma alternativa, el calor desde el elemento de calentamiento puede conducirse hasta el substrato por medio de un elemento conductor de calor.
En forma alternativa, el por lo menos un elemento de calentamiento puede transferir el calor al aire ambiental entrante que es arrastrado a través del dispositivo generador de aerosol calentado en forma eléctrica durante el uso, lo que a su vez, calienta el substrato formador de aerosol por convección. El aire ambiental se puede calentar antes de pasar a través del substrato formador de aerosol. En forma alternativa, cuando el substrato formador de aerosol es un substrato líquido, el aire ambiental se puede arrastrar primero a través del substrato y después calentarse.
El substrato formador de aerosol puede ser un substrato formador de aerosol sólido. De preferencia, el substrato formador de aerosol comprende un material con contenido de tabaco, que contiene compuestos volátiles de sabor de tabaco que se liberan desde el substrato luego del calentamiento. El substrato formador de aerosol puede comprender un material de no tabaco. El substrato formador de aerosol puede comprender un material con contenido de tabaco y un material sin tabaco. De preferencia, el substrato formador de aerosol también comprende un formador de aerosol. Los ejemplos de formadores de aerosol son glicerina y propilen-glicoi.
En forma alternativa, el substrato formador de aerosol puede ser un substrato formador de aerosol líquido. En una modalidad, el dispositivo generador de aerosol calentado eléctricamente también comprende una porción de almacenamiento de liquido. De preferencia, el substrato formador de aerosol líquido se almacena en la porción de almacenamiento de líquido. En una modalidad, el dispositivo generador de aerosol calentado en forma eléctrica también comprende una mecha capilar en comunicación con la porción de almacenamiento líquido. Es posible que la mecha capilar sostenga el líquido a ser provisto sin una porción de almacenamiento líquido. En esa modalidad, la mecha capilar puede estar pre-cargada con líquido.
De preferencia, la mecha capilar está dispuesta para estar en contacto con un líquido en la porción de almacenamiento de líquido. En este caso, durante el uso, el líquido se transfiere desde la porción de almacenamiento de liquido hacia el por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico por acción capilar en la mecha capilar. En una modalidad, la mecha capilar tiene un primer extremo y un segundo extremo, el primer extremo se extiende dentro de la porción de almacenamiento de líquido para el contacto con el liquido en la misma y el por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico está dispuesto para calentar el líquido en el segundo extremo. Cuando el elemento de calentamiento se activa, el líquido en el segundo extremo de la mecha capilar se evapora por el elemento de calentamiento para formar un vapor súper-saturado. El vapor súper-saturado se mezcla con y es conducido en el flujo de aire. Durante el flujo, el vapor se condensa para formar el aerosol y el aerosol se conduce hacia la boca del usuario. El elemento de calentamiento en combinación con la mecha capilar puede proporcionar una respuesta rápida, debido a que este arreglo puede proporcionar un área superficial alta de líquido para el elemento de calentamiento. El control del elemento de calentamiento de conformidad con la invención por lo tanto, puede depender de la estructura de la disposición de la mecha capilar.
El substrato de líquido puede ser absorbido dentro del material portador poroso, que puede estar hecho de un tapón o cuerpo absorbente apropiado, por ejemplo, un metal espumado o un material de plástico, polipropileno, terileno, fibras de nylon o cerámica. El substrato líquido puede quedar retenido en el material portador poroso antes de usar el dispositivo generador de aerosol calentado en forma eléctrica o en forma alternativa, el material líquido del substrato puede ser liberado dentro del material portador poroso durante o inmediatamente antes del uso. Por ejemplo, el substrato líquido puede ser provisto en una cápsula. El casco de la cápsula de preferencia, se funde luego del calentamiento y libera el substrato líquido dentro del material portador poroso. La cápsula, opcionalmente, puede contener un sólido en combinación con el líquido.
Cuando el substrato formador de aerosol es un substrato líquido, el líquido tiene propiedades físicas. Estas incluyen por ejemplo, un punto de ebullición, presión del vapor, y características de tensión superficial para hacerlas apropiadas para usarse en el dispositivo generador de aerosol. El control del por lo menos un elemento de calentamiento eléctrico puede depender de las propiedades físicas del substrato líquido. De preferencia, el líquido comprende un material con contenido de tabaco que comprende compuestos volátiles de sabor de tabaco, que se liberan del líquido luego del calentamiento. En forma alternativa o además, el líquido puede comprender un material de no tabaco. El líquido puede incluir agua, solventes, etanol, extractos de planta o sabores naturales o artificiales. De preferencia, el líquido también comprende un formador de aerosol. Los ejemplos de formadores de aerosol apropiados son glicerina y propilen-glicol.
Una ventaja de proporcionar una porción de almacenamiento de líquido es que se puede mantener un alto nivel de higiene. Con el uso de la mecha capilar extendida entre el líquido y el elemento de calentamiento eléctrico, se permite que la estructura del dispositivo sea relativamente sencilla. El líquido tiene propiedades físicas, incluyendo viscosidad y tensión superficial, que permiten que el liquido sea transportado a través de la mecha capilar por la acción capilar. La porción de almacenamiento de líquido de preferencia, es un contenedor. La porción de almacenamiento de líquido puede no ser rellenable. De este modo, cuando el líquido en la porción de almacenamiento de líquido ha sido usada, el dispositivo generador de aerosol se reemplaza. En forma alternativa, la porción de almacenamiento de líquido puede ser rellenable. En ese caso, el dispositivo generador de aerosol se puede reemplazar después de cierto número de rellenados de la porción de almacenamiento de líquido. De preferencia, la porción de almacenamiento de líquido está dispuesta para alojar el líquido para un número predeterminado de fumadas.
La mecha capilar puede tener una estructura fibrosa o esponjosa. De preferencia, la mecha capilar comprende un grupo de capilaridades. Por ejemplo, la mecha capilar puede comprender una pluralidad de fibras o hebras, u otros tubos de orificio fino. Las fibras o hebras por lo general, están alineadas en la dirección longitudinal del dispositivo generador de aerosol. En forma alternativa, la mecha capilar puede comprender un material tipo esponja o tipo espuma formado con forma de barra. La forma de barra puede extenderse a lo largo de la dirección longitudinal del dispositivo generador de aerosol. La estructura de la mecha forma una pluralidad de pequeños orificios o tubos, a través de los cuales se puede transportar el líquido hasta el elemento de calentamiento eléctrico, por la acción capilar. La mecha capilar puede comprender cualquier material o combinación de materiales apropiada. Los ejemplos de los materiales apropiados son materiales con base de cerámica o de grafito en forma de fibras o polvos sinterizados. La mecha capilar puede tener cualquier capilaridad y porosidad apropiadas, para así ser usada con diferentes propiedades físicas de líquido, tal como densidad, viscosidad, tensión superficial y presión del vapor. Las propiedades capilares de la mecha, combinadas con las propiedades del líquido, aseguran que la mecha siempre esté en el área de calentamiento.
El substrato formador de aerosol alternativamente, puede ser cualquier clase de substrato, por ejemplo, un substrato de gas, o cualquier combinación de varios tipos de substrato. Durante la operación, el substrato puede quedar contenido por completo dentro del dispositivo generador de aerosol calentado en forma eléctrica. En ese caso, el usuario puede fumar por la boquilla del dispositivo generador de aerosol calentado en forma eléctrica. En forma alternativa, durante la operación, el substrato puede estar parcialmente contenido dentro del dispositivo generador de aerosol calentado en forma eléctrica. En ese caso, el substrato puede formar parte de un artículo separado y el usuario puede fumar directamente en el artículo separado.
El dispositivo puede incluir un sensor de flujo para detectar la velocidad de flujo del gas a través del dispositivo. El sensor puede ser cualquier sensor que pueda detectar el flujo de aire, tal como el flujo de aire indicativo de una inhalación del usuario. El sensor puede ser un dispositivo electro-mecánico. En forma alternativa, puede ser cualquier tipo de sensor con base en un dispositivo mecánico, un dispositivo óptico, un dispositivo opto-mecánico, dispositivo microelectro-mecánicos (MEMS) y un sensor acústico. El sensor pueden ser un sensor de flujo, conductor térmico, un sensor de presión, un anemómetro y debe de tener la capacidad no solamente de detectar el flujo de aire sino que también debe tener la capacidad de medir el flujo de aire. Asi, el sensor puede tener la capacidad de entregar una señal eléctrica análoga o información digital que es representativa de la amplitud del flujo de aire.
El dispositivo generador de aerosol calentado en forma eléctrica puede comprender una cámara formadora de aerosol en donde se forma el aerosol a partir de un vapor súper-saturado, el aerosol entonces se conduce dentro de la boca del usuario. De preferencia, una entrada de aire, una salida de aire y la cámara están dispuestas para así definir una ruta de flujo de aire desde la entrada de aire hasta la salida de aire a través de la cámara formadora de aerosol, para así conducir el aerosol hasta la salida de aire y dentro de la boca del usuario.
De preferencia, el dispositivo generador de aerosol comprende un alojamiento. De preferencia, el alojamiento es alargado. La estructura del alojamiento, incluyendo el área superficial disponible para formar la condensación, afectará las propiedades del aerosol y si hay fuga del líquido desde el dispositivo. El alojamiento puede comprender un casco y una boquilla. En ese caso, todos los componentes pueden estar contenidos en el casco o en la boquilla. El alojamiento puede comprender cualquier material apropiado o combinación de materiales. Los ejemplos de materiales apropiados incluyen, por ejemplo, metales, aleaciones, plásticos o materiales compuestos que contienen uno o más de estos materiales, o termoplásticos que son apropiados para aplicaciones' de alimentos o farmacéuticas, por ejemplo, de polipropileno, poilieter-étercetona (PEEK) y polietileno. De preferencia, los materiales son ligeros y no quebradizos. El material del alojamiento puede afectar la cantidad de condensación que se forma en el alojamiento que a su vez, afectará la fuga de líquido desde el dispositivo.
De preferencia, el dispositivo generador de aerosol es portátil. El dispositivo generador de aerosol puede ser un dispositivo para fumar y puede tener un tamaño comparable con un cigarro o puro de tamaño convencional. El dispositivo para fumar puede tener una longitud total de aproximadamente 30 mm y aproximadamente 150 mm. El dispositivo para fumar puede tener un diámetro externo entre aproximadamente 5 mm y aproximadamente 30 mm.
El método y el dispositivo generador de aerosol calentado en forma eléctrica de conformidad con la presente invención, proporcionan la ventaja de que la temperatura del elemento de calentamiento está controlada, lo cual proporciona una experiencia consistente y deseable para el usuario, sin requerir cualquier acción del dispositivo o del usuario adicionales.
De conformidad con otro aspecto de la invención, se proporciona circuitería eléctrica para un sistema generador de aerosol operado en forma eléctrica, la circuitería eléctrica está dispuesta para llevar a cabo el método de otros aspectos de la invención.
De preferencia, la circuitería eléctrica se puede programar para realizar el método de los otros aspectos de la invención. En forma alternativa, la circuitería eléctrica puede ser cableada para llevar a cabo el método de otros aspectos de la invención.
De conformidad con otro aspecto de la invención, se proporciona un programa de computadora que cuando se ejecuta en la circuitería eléctrica programable para un sistema generador de aerosol operado en forma eléctrica, provoca que la circuitería eléctrica programable lleve a cabo el método de otros aspectos de la invención.
De conformidad con otro aspecto de la invención, se proporciona un medio de almacenamiento legible por computadora que tiene almacenado un programa de computadora de conformidad con el aspecto previo de la invención.
Las características descritas con relación a un aspecto de la invención pueden aplicarse en otros aspectos de la invención.
Breve Descripción de los Dibujos La invención será también descrita como ejemplo solamente cuando se lean con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales: La Figura 1 muestra un ejemplo de un sistema generador de aerosol calentado en forma eléctrica, de conformidad con una modalidad de la invención.
La Figura 2 ¡lustra un perfil típico de temperatura del elemento de calentamiento y un perfil típico de la velocidad de flujo en un sistema del tipo mostrado en la Figura 1.
La Figura 3 ilustra un método para ajusfar la energía suministrada al elemento de calentamiento durante la fumada ilustrada en la Figura 2.
La Figura 4 ¡lustra la circuitería eléctrica para controlar la temperatura del elemento de calentamiento, de conformidad con una primera modalidad de la invención; y La Figura 5 ¡lustra una técnica para determinar la temperatura de un elemento de calentamiento eléctrico al medir la resistencia eléctrica.
Descripción Detallada de la Invención La Figura 1 muestra un ejemplo de un sistema generador de aerosol calentado en forma eléctrica. En la Figura 1, el sistema es un sistema para fumar que tiene una porción de almacenamiento de líquido. El sistema 100 para fumar de la Figura 1 comprende un alojamiento 101 que tiene un extremo 103 de boquilla y un extremo 105 de cuerpo. En el extremo de cuerpo, se proporciona un suministro de energía eléctrica en la forma de una batería 107, circuitería eléctrica en forma de hardware 109 y un sistema 111 de detección de fumada. En el extremo de boquilla, se proporciona una porción de almacenamiento de líquido en forma de un cartucho 113 que contiene el líquido 115, una mecha capilar 117 y un calentador 119 que comprende por lo menos un elemento de calentamiento. Se debe hacer notar que el elemento de calentamiento se muestra sólo esquemáticamente en la Figura 1. Un extremo de la mecha capilar 117 se extiende dentro del cartucho 113 y el otro extremo de la mecha capilar 117 está rodeada por el elemento 119 de calentamiento. El elemento de calentamiento está conectado con circuitería eléctrica a través de conexiones 121. El alojamiento 101 también incluye una entrada 123 de aire, una salida 125 de aire en el extremo de boquilla y una cámara 127 formadora de aerosol.
Durante el uso, la operación es como se explica a continuación. El líquido 115 se transfiere o conduce por la acción capilar desde el cartucho 113 desde el extremo de la mecha 117 que se extiende dentro del cartucho hasta el otro extremo de la mecha 117 que está rodeada por el elemento 119 de calentamiento. Cuando el usuario succiona en el dispositivo por la salida 125 de aire, el aire ambiental se arrastra a través de la entrada 123 de aire. En la configuración mostrada en la Figura 1, el sistema 111 de detección de fumada detecta la fumada y activa al elemento 119 de calentamiento. La batería 107 suministra energía al elemento 119 de calentamiento para calentar el extremo de la mecha 117 rodeada por el elemento de calentamiento. El líquido en ese extremo de la mecha 117 se evapora por el elemento 119 de calentamiento para crear un vapor súper-saturado. Al mismo tiempo, el líquido a ser evaporado se reemplaza por otro líquido que se mueve a lo largo de la mecha 117 por la acción capilar. (Esto algunas veces es llamado como "acción de bombeo"). El vapor súper-saturado creado se mezcla y se conduce en el flujo de aire desde la entrada 123 de aire. En la cámara 127 formadora de aerosol, el vapor se condensa para formar un aerosol inhalable, que es conducido hacia la salida 125 y dentro de la boca del usuario.
La mecha capilar puede estar hecha de una variedad de materiales porosos o capilares y de preferencia, tiene una capilaridad predefinida, conocida. Los ejemplos incluyen materiales con base de cerámica o grafito en forma de fibras o polvos sinterizados. Las mechas de diferentes porosidades se pueden usar para adaptar las diferentes propiedades físicas del líquido tal como la densidad, viscosidad, tensión superficial y presión del vapor. La mecha debe ser apropiada para que la cantidad requerida de líquido pueda ser entregada al elemento de calentamiento. La mecha y el elemento de calentamiento deben ser apropiados para que la cantidad requerida de aerosol se pueda conducir hasta el usuario.
En la modalidad mostrada en la Figura 1, el hardware 109 y el sistema 11 de detección de fumada de preferencia, son programables. El hardware 109 y el sistema 111 de detección de fumada se pueden usar para manejar la operación del dispositivo. Esto ayuda con el control del tamaño de partícula en el aerosol.
La Figura 1 muestra un ejemplo de un sistema generador de aerosol calentado en forma eléctrica que se puede usar con la presente invención. Sin embargo, muchos otros ejemplos se pueden usar con la presente invención. El sistema generador de aerosol calentado en forma eléctrica simplemente necesita incluir o recibir un substrato formador de aerosol que se puede calentar con al menos un elemento de calentamiento, energizado por un suministro de energía bajo el control de la circuitería eléctrica. Por ejemplo, el sistema no necesita ser un sistema para fumar. Por ejemplo, el substrato formador de aerosol puede ser un substrato sólido, mejor que un substrato líquido. En forma alternativa, el substrato formador de aerosol puede ser otra forma de substrato, tal como un substrato de gas. El elemento de calentamiento puede adoptar cualquier forma apropiada. El tamaño y la forma generales del alojamiento se puede alterar y el alojamiento puede comprender un casco y boquilla separables. Por supuesto, otras variaciones son posibles.
Como ya se mencionó, de preferencia, la circuitería eléctrica, que comprende el hardware 109 y el sistema 111 de detección de fumada, es programable, con el fin de controlar el suministro de energía para el elemento de calentamiento. Esto a su vez, controla el perfil de temperatura que afecta la cantidad y la densidad del aerosol producido. El término "perfil de temperatura" se refiere a una representación gráfica de la temperatura del elemento de calentamiento (u otra medición similar, por ejemplo, el calor generado por el elemento de calentamiento) sobre el tiempo tomado para una fumada, como se muestra en la Figura 2. En forma alternativa, el hardware 109 y el sistema 111 de detección de fumada pueden ser cableados para controlar el suministro de energía para el elemento de calentamiento. Otra vez, esto controla el perfil de temperatura que afecta la cantidad y densidad del aerosol generado.
La línea 200 en la Figura 2 es un esquema de la velocidad de flujo de aire a través del sistema durante el curso de una fumada del usuario. La fumada dura aproximadamente 2 segundos y la velocidad de flujo se eleva de cero a una velocidad de flujo máxima aproximadamente a 1 segundo, antes de caer otra vez a cero. Este es un perfil de fumada típico pero debe quedar claro que puede haber variaciones de fumada a fumada y de usuario a usuario, ambos en la velocidad de flujo máxima y la evolución de la velocidad de flujo durante una fumada.
La línea 210 en la Figura es la temperatura del elemento de calentamiento durante la fumada del usuario. El perfil 210 de temperatura se divide en tres etapas: una etapa 215 inicial, durante la cual se aplica la energía máxima al elemento de calentamiento con el fin de elevar rápidamente su temperatura, una etapa 215 regulada, durante la cual la temperatura del elemento de calentamiento se mantiene constante (o por lo menos dentro de una banda aceptable de temperatura) y el final de la etapa 220 de fumado, durante la cual se corta o se reduce la energía para el calentador.
La Figura 3 ilustra la energía aplicada al elemento de calentamiento durante la fumada del usuario mostrada en la Figura 2. La energía se suministra al elemento de calentamiento en forma de una señal 300 pulsada. Con el fin de regular la temperatura del elemento de calentamiento, la señal pulsada se modula. Como se muestra en la Figura 3, la energía promedio que se aplica al elemento de calentamiento puede variar al cambiar la frecuencia (o modulación de frecuencia de impulso -"PFM") de las modulaciones de la señal de energía a un ciclo de trabajo fijo para mantener constante la temperatura del elemento de calentamiento.
La otra forma para alterar la energía aplicada es PWM (modulación de ancho de impulso) que consiste de variar el ciclo de trabajo a una frecuencia constante. El ciclo de trabajo es la relación del tiempo que la energía está encendida con el tiempo en que la energía está apagada. En otras palabras, la relación del ancho de los impulsos de voltaje con el tiempo entre los impulsos de voltaje. Un ciclo de trabajo bajo de 5% proporcionará mucho menos energía que un ciclo de trabajo de 95%.
Como se muestra en la Figura 3, durante la etapa 215 inicial, los impulsos 300 de energía se suministran a una alta frecuencia con el fin de alcanzar la temperatura deseada rápidamente. Cuando se alcanza la temperatura deseada, se inicia la etapa 200 regulada. Existe un máximo local mínimo justo cuando la etapa regulada empieza. Esto se debe a la naturaleza del esquema de control PID usado para regular la temperatura. Existe un pequeño retardo entre la detección de que se ha alcanzado la temperatura deseada y la modulación de la señal de energía, lo cual da origen a un máximo local.
La temperatura deseada se calcula dinámicamente, dependiendo de la velocidad del flujo de gas más allá del elemento de calentamiento. Para velocidades de flujo más bajas, es conveniente tener una temperatura más baja. Por ejemplo, la temperatura deseada se puede fijar con base en la velocidad de flujo medida en un tiempo fijo después de la activación del elemento de calentamiento, lo cual puede estar con base en la velocidad de flujo promedio calculada sobre ciclos de calentamiento previos o puede estar con base en la velocidad de flujo acumulativa sobre un período fijo después de la activación del elemento de calentamiento.
En la fase 220 regulada los impulsos de energía se suministran al elemento de calentamiento lo suficientemente frecuente para mantener la temperatura deseada. Esto significa que los impulsos se suministran a una frecuencia más baja que durante la etapa inicial. Sin embargo, conforme la velocidad de flujo de aire continúa elevándose hacia su máximo, el efecto de enfriamiento del aire también se incrementa. Esto significa que la frecuencia de los impulsos de energía también incrementa hasta que se alcanza la velocidad de flujo máxima, antes de disminuir otra vez, conforme la velocidad de flujo decae.
Al final de la etapa 220 de fumado, la energía se corta por completo. Se toma la decisión de cortar la energía antes del final de la fumada con el fin de asegurar que todos el aerosol generado sea lavado fuera del sistema por la última porción de la fumada. De este modo, la temperatura cae durante este período, al igual que la producción de aerosol. El punto en el cual la energía se corta o reduce, empezando al final de la etapa de fumado, puede estar con base por ejemplo, en un tiempo sencillo de activación, en la velocidad de flujo detectada o en un cálculo más sofisticado que toma en cuenta el perfil de fumado.
La Figura 4 ilustra la circuitería de control usada para proporcionar la regulación de temperatura descrita de conformidad con una modalidad de la invención. El sistema tiene dos partes: un cartucho 113 consumible que contiene el substrato 115 líquido, una mecha capilar 117 y un calentador 119; y una parte del dispositivo que contiene: una batería y circuitería 109 eléctrica, como se describe con referencia a la Figura 1. En la Figura 3, solamente se ilustran los elementos del circuito eléctrico.
La energía eléctrica se suministra al elemento 119 de calentamiento desde la conexión 405 de batería, a través de la resistencia R1 medida y el transistor T1. La modulación de frecuencia de la señal de energía PWN es controlada por el microcontrolador 420 y se suministra a través de su salida 425 análoga al transistor T1 , el cual actúa como un interruptor sencillo.
La regulación está con base en un regulador PID que es parte del software integrado dentro del microcontrolador 420. La temperatura (o una indicación de la temperatura) del elemento de calentamiento se determina al medir la resistencia eléctrica del elemento de calentamiento.
La entrada 430 análoga en el microcontrolador 420 se usa para recolectar el voltaje a través de la resistencia R1 y proporciona la imagen de la corriente eléctrica que fluye en el elemento de calentamiento. El voltaje V+ de la batería y el voltaje a través de R1 se usan para calcular la variación de resistencia del elemento de calentamiento o su temperatura, como se describe con referencia a la Figura 5.
La resistencia R2 en la parte consumible se usa para identificar la composición del substrato. Las resistencias R3 y R2 son un divisor de voltaje sencillo desde el cual se recolecta el nivel de voltaje por el microcontrolador 420 a través de la entrada 435 análoga al activar el transistor T2. El voltaje convertido entonces es proporcional a la resistencia R3. Una tabla de consulta de los valores de resistencia para R3 y los intervalos de temperatura correspondientes o intervalos de resistencia para el elemento de calentamiento están ubicados en una memoria con dirección en el microcontrolador y se usa para ajustar el regulador PID y el nivel de temperatura a la cual opera el elemento de calentamiento.
La Figura 5 es un diagrama esquemático del circuito eléctrico que muestra la forma en la que se puede medir el elemento de calentamiento en el sistema del tipo mostrado en la Figura 4. En la Figura 5, el calentador 501 está conectado con una batería 503 que proporciona un voltaje V2. La resistencia del calentador a ser medida a una temperatura particular es Rcaientador En serie con el calentador 501, un resistor 505 adicional, correspondiente a R1 en la Figura 4, la resistencia r conocida se inserta conectada con el voltaje Vi, intermedio entre la tierra y el voltaje V2. Con el fin de que el microprocesador 508 mida la resistencia R calentador del calentador 502, la corriente a través del calentador 501 y el voltaje a través del calentador 501 se pueden determinar. Después, se puede usar la siguiente fórmula bien conocida para determinar la resistencia: V = 1R 0) En la Figura 5, el voltaje a través del calentador es V2-V1 y la corriente a través del calentador es I. De este modo: V2-V\ „„ =—J— (2) El resistor 505 adicional, cuya resistencia r es conocida, se usa para determinar la corriente I, otra vez con el uso de (1) anterior. La corriente a través del resistor 505 es I y el voltaje a través del resistor 505 es V1. De este modo: (3) r Así, al combinar (2) y (3), resulta en: De este modo, el microprocesador 508 puede medir V2 y V1, conforme se usa el sistema generador de aerosol, y al conocer el valor de r, se puede determinar la resistencia del calentador a una temperatura particular, Calentador- La siguiente fórmula se puede usar para relacionar la temperatura T con la resistencia Rcaientador medida a la temperatura T: Una ventaja de esta modalidad es que no se requiere un sensor de temperatura, el cual puede ser costoso y estorboso. También, el valor de resistencia se puede usar directamente por el regulador PID en lugar de la temperatura. Cuando el valor de resistencia se mantiene dentro del intervalo deseado, también lo hará la temperatura del elemento de calentamiento. De conformidad con la temperatura real del elemento de calentamiento no se necesita calcular. Sin embargo, es posible usar un sensor de temperatura separado y se conecta con el microcontrolador para proporcionar la información necesaria de temperatura.
Aunque la modalidad descrita comprende una parte consumible y una parte del dispositivo, la invención se puede aplicar en otras construcciones de dispositivo generador de aerosol. Se debe hacer notar que la temperatura o resistencia del elemento de calentamiento no se necesita medir directamente. Por ejemplo, la temperatura del elemento de calentamiento se puede calcular con base en otros parámetros medidos, tal como la velocidad de flujo a través del sistema o se puede calcular a partir de la medición de la temperatura del aire en un punto dentro del sistema.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un método para controlar la producción de aerosol en un dispositivo generador de aerosol, el dispositivo comprende: un calentador que comprende por lo menos un elemento de calentamiento; y una fuente de energía para proporcionar energía al elemento de calentamiento, lo cual comprende los pasos de: determinar la temperatura del elemento de calentamiento; y ajusfar la energía para el elemento de calentamiento con el fin de mantener la temperatura del elemento de calentamiento dentro de un intervalo de temperatura deseada, en donde el intervalo de temperatura deseada se calcula dinámicamente con base en la velocidad de flujo medida del gas a través o más allá del dispositivo.
2. El método de conformidad con la reivindicación 1, en donde el intervalo de temperatura deseada depende de la composición del substrato formador de aerosol recibido en el dispositivo.
3. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el paso de ajustar la energía se lleva a cabo solamente cuando el elemento de calentamiento ha alcanzado una temperatura específica dentro del intervalo de temperatura deseada.
4. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el paso de ajustar la energía se lleva a cabo solamente después de que ha transcurrido un tiempo específico después de la detección de un flujo de gas a través del dispositivo, el cual excede una velocidad de flujo umbral predeterminada.
5. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que también comprende el paso de cortar o reducir la energía para el elemento de calentamiento con base en un parámetro calculado relacionado con la velocidad de flujo después del paso de ajuste.
6. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el paso de ajustar la energía para el elemento de calentamiento comprende ajustar una frecuencia o la modulación del ancho de impulso de una señal de energía pulsada.
7. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el intervalo de temperatura deseada consiste de una sola temperatura deseada.
8. Un dispositivo generador de aerosol operado en forma eléctrica, el dispositivo comprende: por lo menos un elemento de calentamiento para formar un aerosol a partir de un substrato; un suministro de energía para, suministrar la energía para el elemento de calentamiento y circuitería eléctrica para controlar el suministro de energía desde el suministro de energía a por lo menos un elemento generador de aerosol, en donde la circuitería eléctrica está dispuesta para: determinar la temperatura del elemento de calentamiento y ajustar la energía para el elemento de calentamiento para mantener la temperatura del elemento de calentamiento dentro del intervalo de temperatura deseada, en donde el intervalo de temperatura deseada se calcula dinámicamente con base en la velocidad de flujo medida de gas a través o más allá del dispositivo.
9. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 8, en donde el dispositivo está configurado para permitir un flujo de gas más allá del substrato y comprende un sensor de flujo para detectar el flujo de gas más allá del substrato, en donde la circuitería eléctrica está dispuesta para controlar el suministro de energía para el elemento de calentamiento con base en una salida del sensor de flujo.
10. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 8 ó 9, en donde el dispositivo es un dispositivo para fumar calentado en forma eléctrica.
11. Circuitería eléctrica para un dispositivo generador de aerosol operado en forma eléctrica, la circuitería eléctrica está dispuesta para llevar a cabo el método de la reivindicación 1.
12. Un programa de computadora que cuando se ejecuta en una circuitería eléctrica programable para un dispositivo generador de aerosol operado en forma eléctrica, provoca que la circuitería eléctrica programable lleve a cabo el método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 7.
13. Un medio de almacenamiento legible por computadora que tiene almacenado en el mismo un programa de computadora de conformidad con la reivindicación 12.
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