帶氣溶膠測量的電子吸煙設備的制作方法

本發明的技術領域是電子吸煙設備，并且特別是涉及具有氣溶膠感測單元的電子吸煙設備。

背景技術：

電子吸煙設備，例如電子香煙(e煙或e香煙)、電子雪茄、個人汽化器(pv)或電子尼古丁遞送系統(ends)是由電池供電的產生氣溶膠或霧氣的汽化器。總體而言，這些設備具有霧化被稱之為電子液體(e-liquid)的液體溶液的加熱元件。

電子液體是指當被霧化器加熱后產生氣溶膠的液體溶液。電子液體的主要成分通常是丙二醇(pg)、甘油(g)，及/或聚乙二醇400(peg400)，一些時候具有不同級別的酒精并混合有濃縮的或提取的香精。可選擇的，可包括尼古丁。電子液體通常是以瓶裝或預充的一次性彈囊售賣的。預制的電子液體被制造為帶有不同的煙草、水果以及其他香精，以及帶有不同濃度的尼古丁。

如圖6所示，在一些電子吸煙設備中，電子液體在霧化器處被加熱以在設備感測到用戶的吸煙動作時生成氣溶膠。氣溶膠典型地攜帶在穿過設備中的通道12直至煙嘴或出口的空氣流中。通道12可以與電子吸煙設備的縱向中心對齊或與電子吸煙設備的外周對齊。

希望實時地監測產生的氣溶膠的量，以實現例如，控制每個吸煙動作過程中產生的氣溶膠量，以及估計電子液體彈囊或電子液體容器內的剩余電子液體量的目的。

附圖說明

圖1a是用于針對電子吸煙設備的氣溶膠感測單元的示意圖；

圖1b是圖1的沿a-a平面的剖視圖；

圖1c是描繪氣溶膠感測單元的室內的氣溶膠流的示意圖；

圖2a是具有氣溶膠感測單元以及定位在與氣溶膠感測單元的進口對齊的位置的加熱元件的霧化器的示意圖；

圖2b是具有氣溶膠感測單元以及定位在氣溶膠感測單元的進口下方的位置的加熱元件的霧化器的示意圖；

圖2c是具有氣溶膠感測單元、加熱元件以及吸液元件的霧化器的示意圖；

圖3是具有氣溶膠感測單元的霧化器中的氣溶膠擴散的示意圖；

圖4a是具有氣溶膠感測單元的霧化器的示意圖，氣溶膠感測單元帶有遠離光探測元件定位的發光元件；

圖4b是圖4a的b-b線的剖視圖；

圖4c是沿b-b面的剖視圖但示出了另一個實施例；

圖4d是具有氣溶膠感測單元的霧化器的示意圖，該氣溶膠感測單元帶有定位在其端壁上的發光元件以及與其相對的定位在其相對的端壁上的光探測元件；

圖4e是具有氣溶膠感測單元的霧化器的示意圖，該氣溶膠感測單元帶有均定位在其側壁上的并且相對設置的發光元件和光探測元件；

圖4f是圖4e的沿c-c線剖開的剖視圖；以及

圖5是具有氣溶膠感測單元的霧化器的示意圖，該氣溶膠感測單元帶有兩個發光元件以及一光探測元件。

圖6是具有氣溶膠感測單元以及包括處理器和存儲器的電子單元的電子香煙的示意圖。

具體實施例

氣溶膠感測單元提供對在每個吸煙動作持續時間內產生的氣溶膠的量的測量。這允許對每次吸煙動作過程中消耗的電子液體的量的準確估計，并繼而可以用于估計液體提供單元，例如液體彈囊和液體瓶內的剩余的電子液體量。氣溶膠測量還可以被用于控制電源以至于當液體被完全消耗時可以關斷電子吸煙設備。氣溶膠感測單元還可以消除對電子吸煙設備中液體水準探測設備的需求。

氣溶膠感測單元可以包括光強度探測單元，其包括諸如發光二極管(led)的發光元件，以及諸如光電二極管或光電倍增器(pmt)的光探測元件以測量在吸煙動作持續時間內由氣溶膠反射的光的強度。氣溶膠的密度可自測量到的反射的光的強度推導出來。在該吸煙動作持續時間內消耗的電子液體的體積則可自推導出的氣溶膠的密度計算出來。

氣溶膠感測單元可以是霧化器的一個集成的部分。在這種情況下，加熱元件被設置于氣溶膠感測單元的本體內用于對吸液材料運送的電子液體進行汽化。經汽化的液體繼而與由在加熱元件的上游提供的進口進入的新鮮空氣混合而形成氣溶膠。氣溶膠感測單元還可以是電子吸煙設備的一個分離的部件，即與霧化器分離。

可在氣溶膠感測單元的內部提供壓力傳感器以提供實時的壓力值用于推導氣溶膠的密度以及/或流速。壓力傳感器還可以通過在氣溶膠感測單元內感測壓力下降或壓力上升來探測一個吸煙動作的開始和/或結束。

光密度探測單元可以響應于不同的測量方法和因不同的目的，例如為了便于氣溶膠感測單元的制造，為了增加測量結果的精度，以及降低成本而被配置為不同的構型。

圖1a和1b示出了根據一種實施例的氣溶膠感測單元100。該感測單元100具有管狀本體10，其在本體101的一端具有進口101，在本體的另一端具有出口102。在本體內的進口和出口之間形成室103以使得待測的氣溶膠通過。在室103內，發光元件11，例如led或激光led，和光探測元件12，例如光電二極管，被附連在室的側壁上。在這種情況下，如圖1c所示，自進口101進入室103的氣溶膠al在室內擴散并沿著室的長度方向行進至出口102以至于氣溶膠實質地占據室的整個體積。在每個吸煙動作的過程中氣溶膠的自進口至出口的速度可以被設定為恒定的用于計算氣溶膠流速。

管狀本體10的截面可以是圓形、橢圓形、三角形以及矩形。可以選擇本體10的形狀以匹配在圖6中所示的電子香煙設備的外殼8、9內。外殼，無論是一體的外殼，還是如圖6所示的分兩部分的外殼，大致上與真實的煙草香煙的尺寸相似，典型地具有100mm的長度和7.5mm的直徑。盡管其長度可以在70mm至150mm或180mm的范圍內，直徑可在5至20或甚至30mm的范圍內，尤其是對可復充槽類型的設備而言。

為了在收集反射光時減少背景噪聲，本體10可以由暗色的材料制成，例如，染成黑色的塑料，天然橡膠或合成橡膠，以吸收反射或散射到筒狀的側壁的不期望的光。本體可以可替換地由具有反射性的表面的材料制成，例如，由不銹鋼或鋁制成，以將光直接的反射回側壁。可替換地，本體10的內表面可以被涂覆有光吸收材料或反射性材料以降低背景噪聲。

如圖1a所示，發光元件11以及光探測元件12可以被設置為靠近彼此。發光元件11以及光探測元件12也可以被設置為相互遠離或彼此相對，如圖4d和4e所示。

在圖1a中，在發光元件20和光探測元件30之間設置有光障13以進一步的降低背景噪聲。光障13可被設計為防止光探測元件12直接探測由發光元件11發射的光，以使得大多數或所有的探測的光都穿過氣溶膠。

可以在本體10內提供傳感器，例如壓力傳感器14以探測室103內的壓力條件。壓力傳感器14探測室103內的壓力變化，例如因吸煙動作的開始和結束而產生的壓力下降或壓力上升。其還可以提供可以被用于推導氣溶膠的密度及/或流速的具體的壓力值。壓力傳感器的位置可以影響測量的結果。在圖1a所描繪的配置中，壓力傳感器14被放置在靠近進口101的位置以增加對壓力變化的敏感度。也可選擇性地使用其他類型的傳感器，諸如流速傳感器。

一旦室103內的壓力變化被壓力傳感器14探測到，發光元件13被激活。發光元件13發出進入或穿過氣溶膠al的光。發出的光被氣溶膠液滴或顆粒反射并且被反射的光被光探測元件12收集到。光探測元件12產生對應的電信號，其繼而被提供至處理器以推導氣溶膠al的密度。壓力傳感器14還提供用于推導氣溶膠的密度c的壓力值。

可根據方程基于比爾-蘭伯特定律推導氣溶膠的密度c：

方程1：

其中i是光探測元件所接收到的光的強度；i0是由發光元件發射的光的強度；ε是氣溶膠的吸收率；是光行進穿過氣溶膠的距離，以及c是氣溶膠的密度。

由發光元件發出的光的強度i0可被預先測量并存儲在存儲單元中。可替換地，發出的光的強度可以由位于該光路上的輔助傳感器實時測量，以至于存儲在存儲單元中的強度值可被更新。

在圖1a中描繪的氣溶膠感測單元中，可基于發光元件11和光探測元件12之間的距離以及管狀本體10的直徑計算

氣溶膠的吸收率ε是環境溫度以及壓力的函數因此可以事先推導出并存儲在存儲單元中。

一旦推導出氣溶膠的密度，即可以根據公式2基于伯努利方程推導出氣溶膠的流速。

公式2：

其中，v是氣溶膠在選定點的流速；p是氣溶膠的密度；p是在選定點的壓力：g是重力加速度；以及h是量壓頭或液力頭(提升z和壓力頭之和)。

氣溶膠的流速可以繼而被用于根據公式3推導吸煙動作持續時間內產生的氣溶膠的量。

公式3：vol＝s*v*t

其中，vol是在吸煙動作持續時間內穿過室的氣溶膠的量；s是室的橫截面積；v是氣溶膠的流速；以及t是吸煙動作的持續時間。

用于推導在吸煙動作持續時間內產生的氣溶膠量的氣溶膠的速度可以是平均值，其例如是在一個吸煙動作內重復進行的多個過程中推導出的多個流速值的平均流速。吸煙動作的持續時間可以通過測量由壓力傳感器探測到的壓力下降和壓力上升的持續的時間來確定，或者可以是預先存儲于存儲單元內的經驗值。

氣溶膠感測單元內的發光元件以及光探測元件可以按照需要以多種構型配置。這些構型將參照下述的霧化器進行說明。

附圖2a描繪了包括氣溶膠感測單元的霧化器200。該霧化器包括管狀的本體20，其在本體20一端具有進口201，在本體另一端具有出口202。在本體內的進口和出口之間形成室203以使得待測的氣溶膠通過。在室203內設置有光強度探測元件發光元件21。光強度探測單元可以具有例如設置于室的側壁上的led或激光led。在室的側壁上，位于發光元件下游，還設置有光探測元件22，例如光電二極管。在這種情況下，經由用戶吸氣，自進口201進入室203的氣溶膠al在室內擴散并沿著室行進至出口202以至于氣溶膠實質地占據室的整個體積。

如圖2a所示，在光探測元件21的上游設置加熱元件25以生成經汽化的電子液體。經汽化的液體與由進口吸入的新鮮空氣混合形成氣溶膠。加熱元件25可以是具有連接至電源的兩條引線251，251’的加熱線圈。加熱元件25可以被放置在光探測元件的上游的任意位置并且期望是將加熱元件布置于靠近進口201的位置以至于氣溶膠大約行進管狀本體20的整個長度。在這種配置中，電子液體可以直接自液體容納單元沿引線流至加熱元件25。

如圖2a所示，加熱元件可以被放置于與進口201對齊的位置以至于流經進口101的新鮮空氣a被導向加熱元件并與汽化的電子液體l混合以形成氣溶膠al。氣溶膠繼而在室內擴散并沿室行進至出口202。

在圖2b中，加熱元件25可以被放置在進口201的下方以至于汽化的電子液體l與新鮮空氣a的流動方向正交并在加熱元件上方與新鮮空氣混合以形成氣溶膠al。

加熱元件可以是無線圈設計。例如加熱元件可以是纖維的，例如碳纖維的束，墊或陣列，可選的是經過導電材料或金屬處理的纖維。

轉到圖2b和2c，可提供吸液元件26用于更有效地將電子液體導至加熱元件。吸液元件26可以具有由加熱元件25纏繞的液體保持部262，以及與液體容納單元相連接的用于將電子液體自液體源運送至液體保持部的在圖2c中的兩條引線261、261’，或在圖2b中的一條引線261。參照圖6，液體源15可以是用于保持電子液體的容器或空間。

在圖2a-2c所示的實施例中，處理器、存儲單元、供電單元，以及液體容納單元可以在電子單元或版210上并與霧化器分離配置。

如圖3所示，示出了參照霧化器300的光的漫反射。加熱元件35以及吸液元件36是在發光元件31和光探測元件32的上游。氣溶膠al中的液滴或顆粒將發光元件31發出的光向不同的方向反射。一些反射的光可能被本體30吸收，一些可以自進口301以及出口302被導出本體。因此，由發光元件31發出的光被氣溶膠al削弱，并且在光探測器32接收的光比發光元件31發出的光的強度低。光障33可以作為光導以使得光行進光障高度的至少兩倍并且不會在沒有穿過氣溶膠al的情況下就被光探測元件接收到。

圖4a至4f中描繪的霧化器400可以與以上描述的相似，除了發光元件以及光探測元件可被配置為不同的構型以提供不同長度的光路。例如，霧化器可以具有本體40，其具有用于將新鮮空氣a接入本體的進口401以及用于將氣溶膠al導出本體40的出口402。霧化器可以具有加熱元件45以汽化電子液體以及壓力傳感器44用于探測本體內的壓力條件。還可提供吸液元件。

如圖4a和4b所示，發光元件41以及光探測元件42被附加于本體40的側壁并且配置為相互對齊。發光元件41以及光探測元件均放置在加熱元件45的下游并且遠離進口41和壓力傳感器44。為了延長光路，光檢測元件42遠離發光元件41放置。為了實現最長的光路，光探測元件可被放置在接近本體40的出口402的位置。

發光元件41以及光探測元件42還可以如圖4c所示周向地分開一個角度。該角度可以是30、60或90度。

在圖4d所示的構型中，發光元件41以及光探測元件42相對地設置，并且發光源元件41被附加在本體的具有進口401的端壁上而光探測元件42被附加在相對的本體的具有出口402的端壁上。發光元件41被放置在加熱元件45的上游，而發射的光行進的光路是室403的整個長度。

圖4e和4f示出了發光元件以及光探測元件的另一種布置，其中發光元件41被附加于管狀本體40的側壁而光探測元件42與發光元件41相對設置。

圖5描繪的霧化器500可以與前述實施例中的相似除了光強度探測單元可以包含發射具有不同波長的光的兩個發光元件。例如，霧化器可以具有本體50，本體具有將新鮮空氣a接入本體內的進口510以及將產生的氣溶膠al導出本體50的出口502。霧化器可以具有加熱元件55以汽化電子液體以及壓力傳感器54用于探測本體內的壓力條件。如果有必要，還可提供吸液元件。

在此設計中，一個發光元件可以是綠光led二極管51a而另一個可以是藍光led二極管51b。被氣溶膠al反射的藍光和綠光被與發光元件通過光障53分開的光探測元件52收集。反射的藍光和綠光的強度可分開推導并且氣溶膠的流速可以使用藍光和綠光兩者的強度推導。

針對電子吸煙設備的氣溶膠感測過程可以包括以下步驟

1)通過探測本體內的壓力傳感器處的或電子吸煙設備內的其他壓力傳感器處的壓力變化來探測吸煙動作的開始；

2)打開加熱電路向加熱元件提供電流以產生氣溶膠；

3)激活發光元件以向氣溶膠發射光；

4)激活光探測元件以探測由氣溶膠反射的光；

5)推導氣溶膠的密度并繼而相應地推導氣溶膠的流速；

6)探測吸煙動作的結束并且推導吸煙動作持續的時間；

7)推導在吸煙動作持續時間內由進口行進至出口的氣溶膠的量并且繼而推導用于產生氣溶膠而消耗的液體的量。

用于推導氣溶膠密度以及氣溶膠流速的參數，例如由發光元件發射的光的強度i0，氣溶膠的吸收率ε，選定點的壓力p，重力加速度g；以及量壓頭或液力頭h可以作為經驗值預先存儲于電子單元中的存儲器內。還可以實時探測室內的選定點的壓力。

該過程還可以進一步包括以下步驟：

探測室內的壓力用于推導氣溶膠的流速；以及

探測由發光設備發射的光的強度i0。

以上參照附圖描述的霧化器可以被并入多種電子吸煙設備中。可能需要處理器以執行所述過程的各步驟，并且可能需要存儲單元以存儲實時探測的參數或者作為經驗值預定的參數。

發光元件以及光探測元件可以被統稱為光強度探測單元。加熱元件可以是由電源供電的加熱電路的一部分。

圖6示出了電子香煙的一種實施例，其可以具有與真實煙草香煙相類似的尺寸和形狀。電源或電池18包含在電子香煙的外殼內，該外殼可選擇地被分為第一外殼8和第二外殼9。在外殼內提供有一個或多個進口4，以及位于電子香煙的后端設置有出口102。可包括處理器和存儲器的電子控制器2電性連接至電池以及加熱元件25，并且電性連接至如上所述的發光器和探測器。液體保持容器或空間15可以包圍自加熱元件25向出口102延伸的通道12。

本文中描述的實施例和示例意在描繪本發明的各種實施例。照此，所討論的具體的實施例并不應被理解為對本發明的范圍的限制。對本領一般技術人員顯而易見的是可作出各種等同體，變化體或修改體而不背離本發明范圍，并且應當理解這樣的等同實施例也要被包含于本文中。一種實施例中描述的元件和特征也還可以被包括在其他實施例中。