TW201800020A - 具有可充電電源供應器之電操作式氣溶膠產生系統 - Google Patents

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Abstract

一種容納一氣溶膠形成基材之電操作式氣溶膠產生系統包括：一個或多個電動氣溶膠產生元件；一個或多個混合式電容器，其用以供應電力至該一個或多個電動氣溶膠產生元件；以及一電壓源，其用以供應電力至該一個或多個混合式電容器，以便對該一個或多個混合式電容器進行充電。

Description

具有可充電電源供應器之電操作式氣溶膠產生系統
本發明係有關於一種含有可充電電源供應器之電操作式系統。特別地，本發明係有關於一種包括像充電裝置之主要裝置及像氣溶膠產生裝置之次要裝置的電操作式氣溶膠產生系統。
已知的電操作式氣溶膠產生系統包括一氣溶膠產生裝置，其具有外殼，而外殼具有用以容納包括一氣溶膠形成基材之氣溶膠產生物件的空腔；加熱元件，其用以產生氣溶膠；可充電電源供應器；以及電子電路，其用以控制系統之操作。這樣的系統常常包括充電裝置，其具有電壓源可電耦合至該裝置，以便對可充電電源供應器進行充電。
通常，氣溶膠產生裝置係可攜式或手持式裝置。可攜式氣溶膠產生裝置必需是小的且方便使用者握持。此對於可攜式氣溶膠產生裝置之可充電電源供應器造成幾個技術要求。可充電電源供應器必須是足夠小，以便安裝在手持式裝置中，通常具有相似於傳統香菸之尺寸，以及必須傳送足夠的電力，以便從 氣溶膠產生物件產生氣溶膠。
像鋰離子二次電池之可充電電池已被使用來作為用於習知技藝中之可攜式氣溶膠產生裝置的可充電電源供應器。鋰離子電池提供比像電容器及超級電容器之大部分其它可充電電源供應器還大的能量密度，但是常常需要長的充電時間且在300至500次充電循環後需要做更換。
將期望提供一種電操作式氣溶膠產生系統，其具有可充電電源供應器能傳送足夠電力達到至少一使用者體驗(其通常包括約14口菸)能快速地、安全地及合宜地進行再充電至可被重複使用於另一使用者體驗之程度及可以操作數千次充電循環。
依據本發明之第一態樣，提供一種容納一氣溶膠形成基材之電操作式氣溶膠產生系統，該系統包括：一個或多個電動氣溶膠產生元件；一個或多個混合式電容器，其用以供應電力至一個或多個電動氣溶膠產生元件；以及一電壓源，其用以供應電力至一個或多個混合式電容器，以便對一個或多個混合式電容器進行充電。
根據在此所使用，“混合式電容器”係電化學能量儲存裝置，其包括兩個非對稱電極及在兩個電極間之電解質。換句話說，“混合式電容器”包括兩個不同類型的電極配置在電解質中。混合式電容器之一電極可以主要展現靜電電容，而另一電極可以主要展現 電化學電容。例如，這些電極中之一可以是一雙層(非法拉第)電極，而另一電極可以是氧化還原(法拉第)電極。較佳地，混合式電容器係鋰離子電容器。
根據在此所使用，“鋰離子電容器”係包括具有插層鋰離子之像石墨或硬碳的石墨材料之陽極及像活性碳之多孔碳材料的陰極之混合式電容器。這個電解質可以是鋰離子鹽溶液。這個電解質可以相似於在鋰離子電池中所使用之電解質。
合適的混合式電容器係可在市場上從TAIYO YUDEN(U.S.A.)INC購得之40 F,LIC1235R 3R8406鋰離子電容器。此鋰離子電容器係柱狀電容器，其具有12.5mm之直徑及35.0mm之長度。此鋰離子電容器具有3.8V之最大可用電壓、2.2V之最小可用電壓及約150mΩ之內電阻。
另一合適的混合式電容器係可在市場上從TAIYO YUDEN(U.S.A.)INC購得之100 F,LIC1840R 3R8107鋰離子電容器。此鋰離子電容器係柱狀電容器，其具有18.0mm之直徑及40.0mm之長度。此鋰離子電容器具有3.8V之最大可用電壓、2.2V之最小可用電壓及約100mΩ之內電阻。
像鋰離子電容器之混合式電容器的能量密度通常係比像鋰離子電池之電池的能量密度還低。因此，混合式電容器之能量儲存容量可以比同等尺寸之電池的容量還低。然而，混合式電容器之功率密度通常係比電池之功率密度還高。換句話說，相較於同等 尺寸之電池，能對混合式電容器快速地進行充電及放電，通常是在數秒鐘內，而不是在數分鐘內。因此，混合式電容器係用以提供高功率脈衝至可攜式氣溶膠產生裝置之氣溶膠產生元件的理想電源。
混合式電容器之循環壽命亦通常是明顯大於典型電池的循環壽命。特別地，鋰離子電容器之循環壽命通常是明顯大於鋰離子電池的循環壽命。相較於鋰離子電池之循環壽命在需要更換前有約500次循環，鋰離子電容器之循環壽命在需要更換前通常大於10000次循環。
有利的是，混合式電容器通常亦展現比大部分電容器及超級電容器低的自放電之速率。
這個系統可以包括任何合適數目及配置的混合式電容器。這個電操作式氣溶膠產生系統可以包括一個或多個混合式電容器。然而，較佳地，這個系統包括單一混合式電容器。在這個系統包括一個以上的混合式電容器之情況下，混合式電容器係以串聯或並聯或數個群組的混合式電容器方式來配置，在每一個群組中的混合式電容器係以串聯方式來配置，而這些混合式電容器的群組係以並聯方式來配置。
在較佳實施例中，使用者可以在這個氣溶膠產生系統上一口口抽菸，以觸發氣溶膠之產生。當氣溶膠產生裝置之電路檢測到使用者抽菸時，可以供應電力至一個或多個氣溶膠產生元件。使用者抽菸之持續時間可以是在約1秒與約6秒之間、在約2秒與約5 秒之間或約3秒。一個或多個氣溶膠產生元件用以產生合適的氣溶膠所需之每一口菸的平均功率可以是在約10W與約2W之間，但是較佳地，係約5W。因此，對於約3秒的一口菸而言，氣溶膠產生物件之氣溶膠產生元件所消耗的每一口菸的平均能量可以是約15J。典型的使用者體驗包括一口以上的菸，可以包括約5口菸至約20口菸之間，以及較佳地，包括約14口菸。因此，可能需要這些較佳實施例之氣溶膠產生裝置的一個或多個混合式電容器來儲存至少210J的能量，以便針對14口菸之單一使用者體驗提供氣溶膠產生裝置充分的能量，每口菸消耗約15J。
本發明之電操作式氣溶膠產生系統可以包括一主要裝置及一次要裝置。主要裝置可以是充電裝置，而次要裝置可以是氣溶膠產生裝置。充電裝置可以包括電壓源。氣溶膠產生裝置可以包括一個或多個電動氣溶膠產生元件及一個或多個混合式電容器。通常，氣溶膠產生裝置係可攜式裝置或手持式裝置。氣溶膠產生裝置通常可以具有傳統香菸或雪茄之形狀或尺寸。在一些實施例中，充電裝置可以是可攜式裝置或手持式裝置。充電裝置通常可以具有傳統香菸包之形狀或尺寸。
充電裝置可以包括配置成用以控制從電壓源至一個或多個混合式電容器之電力供應的電路。充電裝置之電路可以包括微處理器。充電裝置之電路可以包括在電壓源與一個或多個混合式電容器之間的電 壓調節器。微處理器可以被配置或程式化，以便控制電壓調節器，進而控制從電壓源至一個或多個混合式電容器之供應電力。
氣溶膠產生裝置可以包括配置成用以控制從一個或多個混合式電容器至一個或多個電動氣溶膠產生元件之電力供應的電路。氣溶膠產生裝置之電路可以包括微處理器。氣溶膠產生裝置之電路可以包括在一個或多個混合式電容器與一個或多個氣溶膠產生元件之間的電壓調節器。微處理器可以被配置或程式化，以便控制電壓調節器，進而控制從一個或多個混合式電容器至一個或多個氣溶膠產生元件之供應電力。
充電裝置之電路可以被配置或程式化，以便在充電模式期間電壓源供應電力至一個或多個混合式電容器，以及氣溶膠產生裝置之電路可以被配置或程式化，以便在加熱模式期間從一個或多個混合式電容器供應電力至一個或多個氣溶膠產生元件。
充電裝置之電路可以配置成以一恆定電流從電壓源供應電力至一個或多個混合式電容器，直到電壓在充電模式期間達到一預定值為止。恆定電流及預定電壓值可以根據混合式電容器之特性來設定。
如果一達到預定最大電壓值，立即移除充電電流，則一個或多個混合式電容器之內電阻可能造成一個或多個混合式電容器之電壓下降。因此，如果一達到預定最大電壓值，立即移除充電電流，將在一個或多個混合式電容器充滿電前，終止一個或多個混 合式電容器之充電。
充電裝置之電路可以配置成在已達到預定最大電壓值後持續對一個或多個混合式電容器進行充電，以便補償由一個或多個混合式電容器之內電阻所造成的電壓降。特別地，充電裝置之電路可以配置成在充電模式中以一恆定電壓從電壓源供應電力至一個或多個混合式電容器。較佳地，恆定電壓係相同於預定電壓值。
當一個或多個混合式電容器接近完全充電狀態時，可以減少充電電流。當充電電流達到零時，使一個或多個混合式電容器充滿電。
在較佳實施例中，充電裝置之電路可以配置成在充電模式中以一恆定電流從電壓源供應電力至一個或多個混合式電容器，直到電壓達到預定最大電壓值為止，以及接著以一恆定電壓從電壓源供應電力至一個或多個混合式電容器，直到電流達到最小電流臨界值為止。
換句話說，一個或多個混合式電容器可以使用一恆定電流階段，接著以一恆定電壓階段來進行充電。在恆定電流階段中，調整橫跨混合式電容器之電壓，以便保持恆定充電電流Ich，直到橫跨混合式電容器之電壓達到預定電壓極限-預定最大電壓值Vch為止，Ich及Vch係根據一個或多個混合式電容器之特性來設定。在恆定電壓階段中，將橫跨一個或多個混合式電容器之電壓保持在一恆定電壓值Vch，直到電流下降 至零為止，在這時一個或多個混合式電容器充滿電，或者直到充電電流下降至預定最小電流臨界值Ilow以下為止。預定最小電流臨界值Ilow越低，一個或多個混合式電容器之最小需要充電時間越長，但是一個或多個混合式電容器將越接近完全充電狀態。
為了快速充電，期望使恆定電流階段之時間長度達到最大化及使恆定電壓階段之時間長度達到最小化。預定最小電流臨界值Ich可以被設定為某一數值，在此數值下一個或多個混合式電容器具有足以供應能量至一個或多個氣溶膠產生元件達到單一氣溶膠產生期間之充電狀態。單一氣溶膠產生期間可以包括1口菸至20口菸之間。較佳地，單一氣溶膠產生期間包括約14口菸。
氣溶膠產生裝置之電路可以配置成當已達到預定最小電流臨界值Ilow時，指示使用者。例如，氣溶膠產生裝置之電路可以包括像綠色LED之LED，以及這個電路可以配置成當已達到預定最小電流臨界值Ilow時，使LED發亮。因此，使用者能確定氣溶膠產生裝置之一個或多個混合式電容器何時保持足夠電荷，以便提供一氣溶膠產生期間。
充電裝置可以配置成在已達到預定最小電流臨界值Ilow後持續對一個或多個混合式電容器進行充電，直到電流達到零且一個或多個混合式電容器充滿電為止，或者直到使用者從充電裝置移除氣溶膠產生裝置為止。充電裝置可以配置成以一充電恆定電壓 持續對一個或多個混合式電容器進行充電。
恆定充電電流Ich可以在約0.5A與約5A之間。較佳地，恆定充電電流Ich係約2A。預定最大電壓值Vch可以在約1V與5V之間。較佳地，預定最大電壓值Vch係約3.8V。預定最小電流臨界值Ilow可以在約10mA與約300mA之間、可以在約20mA與約200mA之間或可以是約50mA。
充電裝置之電路可以配置成在混合式電容器之充電期間週期性地比較一個或多個混合式電容器之輸出電壓與預定最小臨界電壓。
充電裝置可以包括在電池與混合式電容器間連接之電力轉換器。充電裝置之電路可以配置成藉由減少從電壓源施加至電力轉換器之電壓脈衝的工作週期，以減少至一個或多個混合式電容器之電流。充電裝置之電路可以配置成藉由不施加電壓脈衝至電力轉換器，以減少至一個或多個混合式電容器之電流。
當在恆定電流階段中對一個或多個混合式電容器進行充電時，充電電壓必須增加，以補償混合式電容器之電壓增加。於是，恆定電流階段需要可從充電電壓源獲得之最小充電電壓。
一個或多個混合式電容器係用以提供高功率脈衝至可攜式氣溶膠產生裝置之氣溶膠產生元件的理想電源。氣溶膠產生裝置之電路可以配置成在加熱模式期間以脈衝從一個或多個混合式電容器供應電力至一個或多個氣溶膠產生元件。脈衝可以具有一預定 持續時間。每一脈衝之持續時間可以是一口菸之持續時間。每一脈衝之持續時間可以小於一口菸之持續時間。可以在一口菸之持續時間提供一個以上脈衝至一個或多個加熱元件。脈衝之持續時間可以在約100微秒與約5秒之間。脈術之頻率可以在約0.2Hz與約1kHz之間。
氣溶膠產生裝置之電路可以配置成用以調整被供應至一個或多個氣溶膠產生元件之電力。
氣溶膠產生裝置之電路可以配置成藉由脈衝頻率調變來調整至一個或多個氣溶膠產生元件之電力的供應。脈衝頻率調變係由改變脈衝之頻率，同時保持固定的脈衝寬度所構成。
氣溶膠產生裝置之電路可以配置成藉由脈衝寬度調變來調整至一個或多個氣溶膠產生元件之電力的供應。脈衝寬度調變係由在固定頻率下改變工作週期所構成。工作週期係電力打開時間與電力關閉時間之比率。換句話說，電壓脈衝之寬度對電壓脈衝間之時間的比率。5%的低工作週期將提供比95%的工作週期更低的電力。
混合式電容器之電壓係隨著在一個或多個混合式電容器中所儲存之電荷成線性變化。因此，混合式電容器之電壓隨著混合式電容器之電荷減少而減少。氣溶膠產生裝置之電路可以配置成在對一個或多個混合式電容器進行放電時，調整至一個或多個氣溶膠產生元件之電力的供應，以便維持至氣溶膠產生元 件之能量的恆定供應。氣溶膠產生裝置之電路可以配置成使用脈衝頻率調變或脈衝寬度調變來調整至一個或多個混合式電容器之電力的供應。
氣溶膠產生裝置之電路可以配置成在一口菸之持續時間內調整至一個或多個氣溶膠產生元件之電力供應。在一些實施例中，氣溶膠產生裝置之電路可以配置成在一口菸之開始時供應高或最大功率至一個或多個氣溶膠產生元件及在這口菸之結束時減少被供應至一個或多個氣溶膠產生元件的功率。這可以減少在單一口菸中所消耗之能量的量，同時保持在整個一口菸中所產生之可接受的氣溶膠。這可以藉由朝一口菸之末尾減少氣溶膠之產生來減少在氣溶膠產生裝置中之凝結的積聚。
高功率及低功率值可以的用以從氣溶膠產生系統產生可接受的氣溶膠之任何合適功率值。例如，高功率可以在約18W與約5W之間及低功率可以在約8W與約2W之間。例如，氣溶膠產生裝置之電路可以配置成在檢測到一口菸時，供應約10W之高功率至一個或多個氣溶膠產生元件有達到約1.5秒之第一期間，以及接著，供應約5W之低功率至一個或多個氣溶膠產生元件有達到約1.5秒之第二期間。
氣溶膠產生裝置之電路可以配置成藉由脈衝頻率調變或藉由脈衝寬度調變在一口菸之持續時間內調整至一個或多個氣溶膠產生元件之電力的供應。
氣溶膠產生裝置之電路可以配置成在一口 菸之持續時間內將被供應至一個或多個氣溶膠產生元件之電力從一高功率逐漸地減少至一低功率。氣溶膠產生裝置之電路可以配置成在一口菸之持續時間內以兩個或更多階段將被供應至一個或多個氣溶膠產生元件之電力從一高功率減少至一低功率。氣溶膠產生裝置之電路可以配置成在一口菸期間以兩個至六個階段減少被供應至一個或多個氣溶膠產生元件之電力。
每一階段之持續時間可以是相同的。每一階段之持續時間可以不同的。每一階段之持續時間可以在約0.2秒與約1.5秒之間或約0.75秒。
在每一階段之功率的減少幅度可以是相同的。在每一階段之功率的減少幅度可以是不同的。在每一階段之功率的減少幅度可以在約0.5W與約4W之間或約2W。
在一些實施例中，每一階段之功率的減少幅度在一口菸之持續時間內可以是遞增的。例如，氣溶膠產生裝置之電路可以配置成在3秒的一口菸之持續時間內藉由下列方式以3個階段減少被供應至電動氣溶膠產生元件的功率：最初，當一口菸被檢測到時，供應10W至一個或多個電動氣溶膠產生元件有達到0.75秒之第一期間；供應9W至一個或多個電動氣溶膠產生元件有達到0.75秒之第二期間；供應7W至一個或多個電動氣溶膠產生元件有達到0.75秒之第三期間；以及供應3W至一個或多個電動氣溶膠產生元件有達到0.75秒之第四期間。
在一些實施例中，每一階段之功率的減少幅度在一口菸之持續時間內可以是遞減的。
在一些實施例中，氣溶膠產生裝置之電路係配置成用以監測一個或多個氣溶膠產生元件之溫度。氣溶膠產生裝置之電路可以進一步配置成根據一個或多個氣溶膠產生元件之溫度調整至一個或多個氣溶膠產生元件之電力的供應。
氣溶膠產生裝置之電路可以配置成用以測定一個或多個混合式電容器之充電狀態。換句話說，氣溶膠產生裝置之電路可以配置成用以測定在一個或多個混合式電容器中所儲存之能量的量。氣溶膠產生裝置之電路可以配置成根據橫跨一個或多個混合式電容器之電壓的測量測定一個或多個混合式電容器之充電狀態。儲存能量與電壓間之關係可以使用下面的方程式1來測定：
Figure TW201800020AD00001
其中，E係在混合式電容器中所儲存之能量，C係混合式電容器之電容，以及V係混合式電容器之電壓。儲存能量對電壓之直接關係可以準確地估計一個或多個混合式電容器之充電狀態。
氣溶膠產生裝置之電路可以配置或程式化成用以測定在一個或多個混合式電容器中所儲存之能量的量。氣溶膠產生裝置之電路可以配置或程式化成用以測定在一個或多個混合式電容器中所剩餘之電荷 百分率。氣溶膠產生裝置之電路可以配置或程式化成根據一口菸之平均能量及在一個或多個混合式電容器中所儲存之能量的測定量來測定剩餘的口菸數目。
氣溶膠產生裝置之電路可以配置成例如以在這個裝置之外殼的顯示器上的數字或以在這個裝置之外殼上的一些照明LED來向使用者指示一個或多個混合式電容器之充電狀態。
氣溶膠產生裝置與充電裝置可以在充電模式期間彼此電連接，而在加熱模式期間彼此電分離。電連接可以是例如在兩個相對電接觸件間之實體連接，或者可以是例如在兩個平行線圈間之電感性耦合的電感連接。
在一些實施例中，氣溶膠產生裝置與充電裝置在充電模式期間可以是實體耦合的，以致於氣溶膠產生裝置之電接觸件接觸充電裝置之電接觸件。
氣溶膠產生裝置之電接觸件可以是相同於充電裝置之電極。氣溶膠產生裝置之電接觸件可以是不同於充電裝置之電極。電接觸件可以是任何合適的形狀，例如環形接觸件、點狀接觸件或板形接觸件。電接觸件係可以彈起的，以便使接觸件傾向於或推進成與另一裝置之相對接觸件實體接觸。
在一些實施例中，氣溶膠產生裝置之電接觸件可以是環形接觸件，其外接氣溶膠產生裝置。在一些實施例中，充電裝置之電接觸件可以是環形電極，其外接充電裝置之空腔，此空腔係配置成用以在充 電模式中容納氣溶膠產生裝置。當使氣溶膠產生裝置與充電裝置耦合時，在氣溶膠產生裝置及充電裝置中之至少一者上設置環形電極，可以不需要使氣溶膠產生裝置相對於充電裝置保持一特定旋轉方位。
在一些實施例中，可以在充電模式期間使氣溶膠產生裝置與充電裝置電感耦合。
這個系統可以包括有助於氣溶膠產生裝置與充電裝置在充電位置之對準的對準裝置，其中，氣溶膠產生裝置之電接觸件係與充電裝置之電接觸件接觸，或者使氣溶膠產生裝置電感耦合至充電裝置。
在一些實施例中，這個系統可以包括磁對準裝置。例如，氣溶膠產生裝置可以包括第一磁性材料及充電裝置可以包括第二磁性材料，第二磁性材料係配置成磁吸引第一磁性材料。術語“磁性材料”在此係用以描述能與磁場交互作用之材料，其包括順磁性及鐵磁性材料。磁性材料可以是順磁性材料，以致於只在外部磁場存在之情況下才會保持磁化。磁性材料可以是在外部磁場存在之情況下變成磁化且在外部磁場移除後保持磁化之材料(例如，鐵磁性材料)。在此所使用之術語“磁性材料”包含可磁化及已磁化兩種類型。
當氣溶膠產生裝置與充電裝置係處於充電位置時，第一磁性材料及第二磁性材料可以配置成使得第一磁性材料相鄰於或接近第二磁性材料。第一磁性材料及第二磁性材料係配置成使得第一磁性材料與第二磁性材料間之吸引磁力可以將氣溶膠產生裝置及 充電裝置保持在充電位置。當氣溶膠產生裝置係配置成靠近充電裝置及充電位置時，第一磁性材料與第二磁性材料間之吸引磁力亦可以將氣溶膠產生裝置吸引至充電位置。
氣溶膠產生裝置之電路及充電裝置之電路可以配置成在充電模式中彼此通信。氣溶膠產生裝置之電路可以配置成用以傳送信號至充電裝置及充電裝置之電路可以配置成用以從氣溶膠產生裝置之電路接收信號。充電裝置之電路可以配置成用以傳送信號至氣溶膠產生裝置及氣溶膠產生裝置之電路可以配置成用以從充電裝置之電路接收信號。當氣溶膠產生裝置與充電裝置實體或電感耦合時，可以經由氣溶膠產生裝置與充電裝置間之實體或電感連接傳送信號。
充電裝置之電壓源可以是DC電壓源。電壓源可以是可充電電壓源。電壓源可以是電池。較佳地，電壓源係可充電鋰離子電池。鋰離子電池係可從市電源充電的。鋰離子電池可以配置成用以保持足夠的電荷，以便在需要進行再充電前，對一個或多個混合式電容器進行數次的再充電。鋰電池可以保持足夠的電荷，以便能對一個或多個混合式電容器進行2、3、4、5、6或7次的充電。電池可以是鋰鈷氧化物(LiCoO2)電池。電池可以是棱柱型、圓柱型或袋型。電池可以具有1000mAh與約2000mAhm間之容量。
在電壓源係可充電電壓源之情況下，充電裝置之電路可以包括為了對電池進行再充電使充電裝 置電連接至外部電源供應之裝置。外部電源供應可以是市電源或牆壁電源。
在一些實施例中，充電裝置之電路可以包括用以使充電裝置實體連接至外部電源供應之裝置。例如，充電裝置可以包括像USB埠之連接器。
在一些實施例中，充電裝置之電路可以包括用以使充電裝置電感耦合至外部電源供應之裝置。例如，充電裝置可以包括一個或多個環形連接器或線圈。
充電裝置及氣溶膠產生裝置可以包括外殼。外殼可以由相同材料所製成。外殼可以包括任何合適材料或材料組合。適宜的材料實例包含金屬、合金、塑料或含有彼等材料中之一或多者的複合材料，或適合於食品或醫藥應用之熱塑性物，例如聚丙烯、聚醚醚酮(PEEK)及聚乙烯。該材料可為輕量且非脆性的。
依據本發明之第二態樣，提供一種用於電操作式氣溶膠產生系統之氣溶膠產生裝置，該裝置包括：一外殼，其具有一用以容納一包括一氣溶膠形成基材之氣溶膠產生物件的空腔；一個或多個電動氣溶膠產生元件；以及一個或多個混合式電容器，其用以供應電力至該一個或多個電動氣溶膠產生元件。
氣溶膠產生裝置可以進一步包括配置成用以控制從一個或多個混合式電容器至一個或多個電動氣溶膠產生元件之電力供應的電路，一個或多個混合式電容器在加熱模式中係經由一個或多個氣溶膠產生 元件來進行放電。
氣溶膠產生裝置之電路可以包括一用以檢測使用者在氣溶膠產生系統上抽菸之抽菸檢測器。
在一些實施例中，氣溶膠產生裝置之氣溶膠產生元件可以是電加熱元件，例如電阻或感應加熱元件。在其它實施例中，氣溶膠產生元件可以是可振動元件或適合於使氣溶膠產生物件之氣溶膠形成基材霧化之任何其它類型的元件。
氣溶膠產生裝置之電路可以進一步配置成與像電話或個人電腦之外部裝置通信。氣溶膠產生裝置之電路可以配置成用以傳送使用或充電資料至外部裝置。氣溶膠產生裝置之電路可以配置成與外部裝置無線通信。例如，氣溶膠產生裝置之電路可以包括Bluetooth®收發器。氣溶膠產生裝置之電路可以包括一用於連接至外部裝置之像USB埠的電連接器。
充電裝置之電路可以進一步配置成與像電話或個人電腦之外部裝置通信。充電裝置之電路可以配置成用以傳送使用或充電資料至外部裝置。充電裝置之電路可以配置成與外部裝置無線通信。例如，充電裝置之電路可以包括Bluetooth®收發器。充電裝置之電路可以配置成經由用以使充電裝置電連接至外部電源供應之裝置與外部裝置通信。
依據本發明之第三態樣，提供一種對包括一混合式電容器電源之氣溶膠產生裝置進行充電的方法。該方法包括：比較該混合式電容器之輸出電壓與 一臨界電壓；當該混合式電容器之輸出電壓等於或大於該臨界電壓時，使用一恆定第一電流，對該混合式電容器進行充電，以及當被施加至該混合式電容器之充電電壓達到最大容許電壓或該電池之輸出電壓小於該臨界電壓時，減少該充電電流；以及當被施加至該混合式電容器之充電電壓達到最大容許電壓或該電池之輸出電壓小於該臨界電壓時，減少該充電電流，以便將被施加至該電池之充電電壓保持在或接近該最大容許電壓。
依據本發明之第四態樣，提供一種操作包括一個或多個氣溶膠產生元件及一個或多個混合式電容器之氣溶膠產生裝置的方法，其中，該一個或多個混合式電容器係配置成用以供應電力至該一個或多個氣溶膠產生元件，該方法包括：檢測使用者以該氣溶膠產生裝置來抽菸；以及當檢測到使用者抽菸時，以給定時間之脈衝從該一個或多個混合式電容器供應電力至該一個或多個氣溶膠產生元件。
依據本發明之第一、第二及第三態樣的系統、裝置及方法可以被應用至電子吸煙系統。充電裝置可以用以對電子吸煙裝置中之混合式電容器進行充電。電子吸煙裝置可以包括配置成用以加熱氣溶膠形成基材之一個或多個電動加熱器。氣溶膠形成基材可以設置成香菸形式，該香菸具有供終端使用者吸煙的嘴件部分。混合式電容器可有利地提供用於單一吸煙期間的足夠電力，因而耗盡單一氣溶膠形成基材。
應明白的是，關於本發明之一個態樣所描述之特徵可單獨或結合本發明之其他所描述態樣及特徵而應用於本發明之其他態樣。
30‧‧‧虛線
100‧‧‧主要裝置/充電裝置
102‧‧‧次要裝置/氣溶膠產生裝置
104‧‧‧氣溶膠產生物件
106‧‧‧電池
108‧‧‧電路/微控制器
110‧‧‧電接觸件
112‧‧‧空腔
116‧‧‧外殼
126‧‧‧混合式電容器
128‧‧‧次要電路/微控制器
129‧‧‧電壓調節器
130‧‧‧電接觸件
132‧‧‧空腔
133‧‧‧開關
134‧‧‧加熱器
135‧‧‧顯示器
136‧‧‧外殼
137‧‧‧充電埠
138‧‧‧外部電源供應
139‧‧‧Bluetooth®模組
210‧‧‧充電電壓
220‧‧‧充電電流
230‧‧‧總放電容量
240‧‧‧初始恆定電流充電階段
250‧‧‧恆定電壓充電階段
260‧‧‧加熱階段
現在將參考所附圖式來詳細描述本發明之實施例，其中：圖1係依據本發明之電操作式氣溶膠產生系統的示意圖，電操作式氣溶膠產生系統包括一具有混合式電容器電源之氣溶膠產生裝置及一包含有充電電池之相關充電裝置；圖2係說明圖1之電操作式氣溶膠產生系統的充電系統之電路圖；以及圖3說明圖1之氣溶膠產生裝置的混合式電容器之典型充電及放電曲線。
圖1顯示一主要裝置100及一具有可充電電源供應器之次要裝置102。在此實例中之主要裝置100係用於電操作式氣溶膠產生裝置之充電單元。在此實例中之次要裝置102係適用以容納一包括一氣溶膠形成基材之氣溶膠產生物件104的電操作式氣溶膠產生裝置。氣溶膠產生裝置102包括加熱器134，以便在操作中加熱氣溶膠形成基材。使用者在氣溶膠產生物件104之嘴件部分上吸氣，以便將氣溶膠吸入使用者的嘴中。氣溶膠產生裝置102係配置成被容納在充電裝置100之空腔112內，以便對氣溶膠產生裝置102中之電源 進行再充電。
充電裝置100包括電池106、電路108及電接觸件110，電接觸件110係配置成在氣溶膠產生裝置102與電接觸件110接觸時，從電池106提供電力至氣溶膠產生裝置102中之可充電電源供應器。電接觸件110係設置成相鄰於空腔112之底部。空腔係配置成用以容納氣溶膠產生裝置102。充電裝置100之組件係容納於外殼116內。
氣溶膠產生裝置102包括混合式電容器126之形式的可充電電源供應器、次要電路128及電接觸件130。如上所述，氣溶膠產生裝置102之混合式電容器126係配置成在電接觸件130與充電裝置100之電接觸件110接觸時，從電池106接收電力供應。氣溶膠產生裝置102進一步包括一配置成用以容納吸菸製品104之空腔132。呈(例如)葉片加熱器之形式的加熱器134設置於空腔132之底部處。在使用中，使用者啟動氣溶膠產生裝置102，因而從混合式電容器126經由電路128供應電力至加熱器134。該加熱器經加熱至足以自氣溶膠產生物件104之氣溶膠形成基材產生氣溶膠的標準操作溫度。氣溶膠產生裝置102之組件係容納於外殼136內。此類型之氣溶膠產生裝置被充分描述於例如EP2110033中。
該氣溶膠形成基材較佳包括含有在加熱後自基材釋放之揮發性菸草香味化合物的含菸草材料。或者，該氣溶膠形成基材可包括一非菸草材料。較佳 地，氣溶膠形成基材進一步包括一氣溶膠生成物(aerosol former)。合適的氣溶膠生成物之實例為甘油及丙二醇。
該氣溶膠形成基材可為一固體基材。該固體基材可包括例如以下各者中之一或多者：粉末、顆粒、丸粒、碎片、義大利麵條狀物(spaghetti)、條帶或薄片，其含有以下各者中之一或多者：香草葉、菸草葉、菸草主脈之片段、重組型菸草、均質型菸草、擠壓型菸草及膨脹型菸草。
在此實例中，氣溶膠產生裝置102係可攜式電操作式氣溶膠產生裝置。因此，氣溶膠產生裝置102被要求要很小(傳統的香菸尺寸)，以便使用者可以將它握在手中，然而，亦被要求針對使用者在氣溶膠產生物件104之嘴件上所抽的每一口菸在一段只有幾秒鐘之時間內傳送高功率。通常，針對在單一使用者體驗中的14口菸，氣溶膠產生裝置102必須每一口菸傳送高功率有達到約3秒鐘。混合式電容器126接著可能為了充電需要返回至充電裝置100。期望在幾分鐘內且較佳地小於1分鐘完成至少達到足以允許另一個完整吸煙體驗的程度之再充電。
在充電裝置中之電池106係鋰離子電池。電池106係配置成用以保持足夠的電荷，以便在本身需要再充電前，對混合式電容器126進行126次的再充電。這樣可提供使用者一種在需要自市電源插座進行再充電前允許若干次使用者體驗的攜帶式系統。
在此實例中之混合式電容器126係可在市場上從TAIYO YUDEN(U.S.A.)INC購得之40 F,LIC1235R 3R8406鋰離子電容器。鋰離子電容器126係柱狀電容器，其具有12.5mm之直徑及35.0mm之長度。混合式電容器126能夠以每循環超過280J進行10000次充電/放電循環。混合式電容器在每一口菸所傳送的平均功率係約5W，其在一段約3秒鐘時間內傳送約15J至加熱器134。
在充電裝置100中之電池106係稜柱型的鋰鈷氧化物(LiCoO2)電池。電池具有約1350mAh之容量。電池之充電可以以0與1.5C之間的速率且通常以約0.5C之速率由市電源來執行，以使電池壽命最大化。
圖2係說明由結合的充電裝置100及氣溶膠產生裝置102所構成的充電電路之電路圖。此電路被分成充電裝置側及氣溶膠產生裝置側。虛線30表示充電裝置100與氣溶膠產生裝置102間之邊界。充電裝置側包括一包括電池106之受控電壓源及一微控制器108。微控制器108係配置成根據混合式電容器126上之電流及電壓測量控制從電池106被供應至混合式電容器126之電力。氣溶膠產生裝置側包括混合式電容器126。
充電電路之內電阻包括幾個來源的貢獻。電阻rp-及rp+表示在充電裝置100中之電子佈局及焊片的電阻。電阻rs-及rs+表示在氣溶膠產生裝置102中之電子佈局及焊片的電阻。電阻rc-(t)及rc+(t)表示主要裝置與氣溶膠產生裝置間之接觸件的電阻。它們將因不同 裝置而有所不同且會隨著不同充電循環的時間而改變。在圖1所述之類型的電操作式氣溶膠產生系統中，每天可以使充電裝置100與可攜式氣溶膠產生裝置102處於及不處於接觸狀態有數次，以及每次的接觸電阻可能是不同的。如果接觸件沒有保持乾淨，則接觸電阻亦可能增加。電阻ri(t)表示混合式電容器126之內電阻。
接觸電阻rc-(t)及rc+(t)可以由橫跨混合式電容器126之電壓的測量來決定。氣溶膠產生裝置102之微控制器128係配置成用以測量橫跨混合式電容器126之電壓及經由接觸件傳遞橫跨混合式電容器126之測量電壓至充電裝置100之微控制器108。充電裝置100之微控制器108係配置成使用橫跨混合式電容器126之測量電壓，測定接觸電阻rc-(t)及rc+(t)。將理解到，在其它實施例中，氣溶膠產生裝置102之微控制器128可以配置成使用橫跨混合式電容器126之測量電壓，測定接觸電阻以及傳遞接觸電阻至充電裝置100之微控制器108。
如果將寄生電阻rp-、rp+、rs-、rs+、rc-(t)及rc+(t)組合成單一電阻R(t)，則橫跨混合式電容器126之電壓將小於電壓源之充電電壓有Vdrop=I * R(t)。
這意味著，電壓源所供應之充電電壓可以被增加至最大值Vch以上有某一量I * R(t)及橫跨混合式電容器126之電壓將等於Vch。可以延長充電曲線之恆定電流階段，直到充電電壓達到Vch+I * R(t)的點為止。之後，亦可以將充電電壓控制成超過Vch，但是不超 過Vch+I * R(t)。因此，充電裝置100之微控制器108可以配置成用以控制由電壓源供應至混合式電容器126之電壓，以便補償橫跨混合式電容器126之電壓降Vdrop。
充電裝置側可以包括在電池106與混合式電容器126間之像切換式電力轉換器的電壓調節器(未顯示)。微控制器108可以配置成用以控制在切換式電力轉換器內之開關的切換，以及藉此調整被施加至混合式電容器126之電壓及電流。切換式電力轉換器可以是整合式降壓-升壓轉換器。
充電裝置100包括像USB埠的充電埠137，以便用於充電裝置100至像市電源之外部電源供應138的連接。充電裝置100可以被連接至外部電源供應，以便對電池106進行再充電。將理解到，在其它實施例中，充電裝置可以包括一個或多個充電線圈，以便為了對電池106進行再充電而電感耦合至外部電源供應之充電線圈。
微控制器108亦包括Bluetooth®模組139，以便為了追蹤充電裝置之使用而傳送充電及使用資料至像使用者之電話或電腦的其它裝置。
氣溶膠產生裝置側102包括用以控制從混合式電容器126至加熱器134之電力供應的彼控制器128。微控制器128包括抽菸檢測器(未顯示)且係配置成用以檢測何時使用者在氣溶膠產生物件104之嘴件上抽菸。微控制器128係藉由混合式電容器126來供電； 然而，在混合式電容器126與微控制器128間設置電壓調節器129，以保護微控制器之壓敏組件。電壓調節器129將從混合式電容器126供應至微控制器128之電壓保持在一臨界位準(通常是約1.8V)以下。
微控制器128控制一開關133，以便完成混合式電容器128與加熱器134間之電路，進而使混合式電容器126經由加熱器來進行放電。這提供了高功率脈衝至加熱器134，以便從氣溶膠產生物件104之氣溶膠形成基材產生氣溶膠。當微控制器128檢測到使用者在氣溶膠產生物件104之嘴件上抽菸時，微控制器128係配置成用以關閉關閉133，因而供應電力至加熱器134。
微控制器128亦配置成週期性地測定混合式電容器126之充電狀態。微控制器128係配置成根據橫跨混合式電容器126之電壓的測量測定混合式電容器126之充電狀態。微控制器128係配置成用以在顯示器135上顯示充電狀態，以通知使用者。
微控制器128亦包括Bluetooth®模組，以便為了追蹤該裝置之使用而傳送充電狀態及使用資料至像使用者之電話或電腦的其它裝置。
圖3顯示圖1之混合式電容器126的標準充電及放電曲線。圖3顯示混合式電容器126之充電電壓210、充電電流220及總放電容量230。
充電曲線圖係由初始恆定電流充電階段240所組成。在恆定電流階段240期間，控制充電電壓220，以便提供恆定充電電流Ich，恆定充電電流在此實 施例中係約2A。這可以藉由打開切換式電力轉換器，以在最大工作週期下從電池施加電壓脈衝至電力轉換器來完成。此情形提供最大充電速率。然而，當維持充電電流所需的來自電池之充電電壓220超出最大充電電壓Vch時，恆定充電電流階段240就結束了，最大充電電壓在此實例中係約3.8V。一旦達到此程度，恆定電壓充電階段250開始了。在恆定電壓階段250期間，充電電壓220保持在最大值Vch。在恆定電壓階段250期間，隨著充電電流220與混合式電容器之電壓間的差異下降，充電電壓220跟著下降。當充電電流210達到低臨界值Iend時，停止充電程序，其中，低臨界值在此實例中係50mA。最大充電電流及最大充電電壓可由混合式電容器製造商來設定。
一旦充電電流210已達到低臨界值Iend，混合式電容器具有足夠電荷可用於氣溶膠產生期間。氣溶膠產生期間通常包括在氣溶膠產生裝置上之7口菸至14口菸之間，每一口菸持續約3秒鐘。氣溶膠產生裝置可以藉由在該裝置之外殼上的LED的發亮來指示使用者，混合式電容器126具有足夠電荷可用於氣溶膠產生期間。
當充電電流210達到低臨界值Iend時，充電裝置停止對混合式電容器進行充電。然而。將理解到，在一些實施例中，充電裝置可以持續對混合式電容器進行充電，直到充電電流達到零或使用者從充電裝置移除氣溶膠產生裝置為止。
當為了使用從充電裝置移除氣溶膠產生裝置時，在加熱階段中對混合式電容器進行放電。圖3所示之充電曲線進一步包括這樣的加熱階段260。在加熱階段260期間，使用者在氣溶膠產生裝置上抽了連續幾口菸。每一口菸持續達約3秒鐘的時間。當氣溶膠產生裝罝之微處理器檢測到在氣溶膠產生裝置上抽了一口菸時，微處理器關閉開關133，以便從混合式電容器供應高功率脈衝至加熱器134，進而產生氣溶膠。此脈衝持續達一口菸的約3秒鐘期間，以及每一口菸消耗約15J。每一脈衝逐漸地減少混合式電容器之電壓，直到達到下電壓極限為止。在此實例中，下電壓極限係2.2V。當混合式電容器電壓達到下電壓極限時，混合式電容器無法針對另一個脈衝傳遞足夠能量至加熱器。在此實例中，混合式電容器已儲存足夠能量，以便供應加熱器7個脈衝，其對應於使用所抽的7口菸。在較佳實施例中，混合式電容器儲存足夠能量，以便供應加熱器14個脈衝，其對應於使用者抽的14口菸。
將理解到，上面關於電操作式氣溶膠產生系統所述之特徵亦可以適合於其它電操作式系統。特別地，其它電操作式氣溶膠產生系統可以包括一個包括一具有一個或多個混合式電容器之電源的氣溶膠產生裝置及一個具有一用以供應電力至該裝置之一個或多個混合式電容器的電壓源之充電裝置。
上文所述之例示性具體例說明，但並非限制性的。鑒於上文所描述之例示性實施例，現對一般 熟習此項技術者而言，與以上例示性實施例一致之其他實施例將為顯而易見的。
100‧‧‧主要裝置/充電裝置
102‧‧‧次要裝置/氣溶膠產生裝置
104‧‧‧氣溶膠產生物件
106‧‧‧電池
108‧‧‧電路/微控制器
110‧‧‧電接觸件
112‧‧‧空腔
116‧‧‧外殼
126‧‧‧混合式電容器
128‧‧‧次要電路/微控制器
130‧‧‧電接觸件
132‧‧‧空腔
134‧‧‧加熱器
136‧‧‧外殼

Claims (14)

  1. 一種容納一氣溶膠形成基材之電操作式氣溶膠產生系統，該系統包括：一個或多個電動氣溶膠產生元件；一個或多個混合式電容器，其用以供應電力至該一個或多個電動氣溶膠產生元件；以及一電壓源，其用以供應電力至該一個或多個混合式電容器，以便對該一個或多個混合式電容器進行充電。
  2. 如請求項1之電操作式氣溶膠產生系統，其中該系統包括：一氣溶膠產生裝置，其包括：該一個或多個電動氣溶膠產生元件，以及該一個或多個混合式電容器；以及一充電裝置，其包括：該電壓源。
  3. 如請求項2之電操作式氣溶膠產生系統，其中：該充電裝置進一步包括配置成用以控制從該電壓源至該一個或多個混合式電容器之電力供應的電路；以及該氣溶膠產生裝置進一步包括配置成用以控制從該一個或多個混合式電容器至該一個或多個電動氣溶膠產生元件之電力供應的電路。
  4. 如請求項3之電操作式氣溶膠產生系統，其中：該充電裝置之電路係配置成在一充電模式期間從 該電壓源供應電力至該一個或多個混合式電容器；以及該氣溶膠產生裝置之電路係配置成在一加熱模式期間從該一個或多個混合式電容器供應電力至該一個或多個氣溶膠產生元件。
  5. 如請求項4之電操作式氣溶膠產生系統，其中該充電裝置之電路係配置成在該充電模式期間以一恆定電流從該電壓源供應電力至該一個或多個混合式電容器，直到電壓達到一預定值為止。
  6. 如請求項4之電操作式氣溶膠產生系統，其中該充電裝置之電路係配置成在該充電模式期間以恆定電流從該電壓源供應電力至該一個或多個混合式電容器，直到電壓達到一預定值為止，以及接著以一恆定電壓從該電壓源供應電力至該一個或多個混合式電容器，至少直到電流達到一預定值為止。
  7. 如請求項4、5或6之電操作式氣溶膠產生系統，其中該氣溶膠產生裝置之電路係配置成在加熱模式期間從該一個或多個混合式電容器供應電力至該一個或多個氣溶膠產生元件。
  8. 如請求項7之電操作式氣溶膠產生系統，其中該氣溶膠產生裝置之電路係配置成藉由脈衝頻率調變或藉由脈衝寬度調變來調整至該一個或多個氣溶膠產生元件之電力的供應。
  9. 如請求項7或8之電操作式氣溶膠產生系統，其中該氣溶膠產生裝置之電路係配置成在一口菸之持續期間內 以兩個或更多階段將被供應至該一個或多個氣溶膠產生元件之電力從一高功率調整至一低功率。
  10. 如請求項4至9中任一項之電操作式氣溶膠產生系統，其中該氣溶膠產生裝置與該充電裝置在該充電模式期間係彼此電連接的，而在該加熱模式期間係彼此電分離的。
  11. 如任一前述請求項之電操作式氣溶膠產生系統，其中該一個或多個混合式電容器係鋰離子電容器。
  12. 一種用於如請求項2至11中任一項之電操作式氣溶膠產生系統的電操作式氣溶膠產生裝置，該裝置包括：一外殼，其具有一用以容納一包括一氣溶膠形成基材之氣溶膠產生物件的空腔；一個或多個電動氣溶膠產生元件，其配置在該空腔內或周圍；以及一個或多個混合式電容器，其用以供應電力至該一個或多個電動氣溶膠產生元件。
  13. 如請求項12之電操作式氣溶膠產生裝置，其中該裝置進一步包括電路，該電路係配置成：控制從該一個或多個混合式電容器至該一個或多個電動氣溶膠產生元件之電力的供應，該一個或多個混合式電容器係在一加熱模式中經由該一個或多個氣溶膠產生元件來進行放電。
  14. 一種對一包括一混合式電容器電源之氣溶膠產生裝置進行充電的方法，該方法包括：比較該一個或多個混合式電容器之輸出電壓與一 臨界電壓；當來自該一個或多個混合式電容器之該輸出電壓係等於或大於該臨界電壓時，使用一恆定充電電流對該一個或多個混合式電容器進行充電，以及當被施加至該一個或多個混合式電容器之充電電壓達到一預定最大容許電壓或來自該一個或多個混合式電容器之輸出電壓小於該臨界電壓時，減少充電電流；以及當被施加至該一個或多個混合式電容器之充電電壓達到一最大容許電壓或來自該一個或多個混合式電容器之輸出電壓小於該臨界電壓時，減少充電電流，以便將被施加至該一個或多個混合式電容器之充電電壓保持在該最大容許電壓或靠近該最大容許電壓。
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