JP6046231B2 - 電気ヒーターを制御して温度を制限する装置および方法 - Google Patents

Description

本明細書は、電気ヒーター、ならびに温度スパイクを回避するためにヒーターを制御する方法および装置に関連する。より具体的には、本明細書は特にエアロゾル形成基質を加熱するよう構成された電気ヒーターと、エアロゾル形成基質の望ましくない燃焼を回避するための方法および装置に関連する。記載した装置および方法は、特に電気加熱式喫煙装置に適用される。

従来的な紙巻たばこは、喫煙時に摂氏800度を超えうる温度で発生するたばこおよびラッパーの燃焼の結果として煙を生成する。これらの温度で、たばこは熱分解および燃焼により熱的に劣化する。燃焼の熱は、たばこから様々なガス状燃焼生成物および留出物を放出・生成する。生成物は、紙巻たばこを通して吸い込まれ、冷却・凝縮して喫煙に関連した風味および芳香を含む煙を形成する。燃焼温度で、風味および芳香が生成されるだけでなく、多くの望ましくない化合物も生成される。

低めの温度で動作する電気加熱式喫煙装置が知られている。低めの温度で加熱することにより、エアロゾル形成基質（これは喫煙装置のケースではたばこがベース）は燃焼せず、また望ましくない化合物の生成ははるかに少ない。

こうした電気加熱式喫煙装置では、またその他の電気加熱式のエアロゾル生成装置では、極端な環境条件で、また極端な使用パターン下でさえも、可能な限り基質の燃焼が発生しないことを確保することが望ましい。したがって、装置内の発熱体または要素の温度を制御して、燃焼のリスクを低減しつつも、望ましいエアロゾルを確保するために十分な温度に加熱されることが望ましい。また、基質の燃焼の検出または予測ができ、したがって発熱体の制御ができることが望ましい。

本開示の一態様で、電気発熱体を制御する方法が提供されるが、これは、
発熱体への電流パルスの供給によって、発熱体の温度を目標温度に維持する工程と、
電流パルスの負荷サイクルを監視する工程と、
負荷サイクルが期待される負荷サイクルまたは負荷サイクルの範囲と異なるかどうかを判断する工程、またそうである場合に、目標温度を低下させるか、または発熱体への電流の供給を停止するか、または発熱体に供給される電流パルスの負荷サイクルを制限する工程が含まれる。

上記発熱体は、電気加熱式喫煙装置などのエアロゾル発生装置の一部としうる。発熱体は、装置の動作中にエアロゾル形成基質を持続的に加熱するように構成しうる。この文脈でのエアロゾル形成基質は、揮発性化合物の加熱に伴い放出されることができ、エアロゾルを形成しうる基質である。この文脈で「持続的」とは、加熱は装置を通過する空気の流れに依存しないことを意味する。エアロゾル形成基質のエアロゾル形成成分が加熱中に使い果たされると、所定の目標温度に維持するために必要とされる電力が低下する。発熱体の動作中、目標温度の変遷に応じて、負荷サイクルは、基質の燃焼が発生するリスクを低減するために制限されうる。

温度が既知の目標温度に維持されているとき、目標温度を維持するために期待される負荷サイクルまたは負荷サイクルの範囲の変動は、異常な条件を示すものである。例えば、温度が維持されながら負荷サイクルが期待されたよりもずっと低く保たれている場合、燃焼する基質などの外部熱源によるかもしれない。負荷サイクルが期待されるよりも高めに保たれている場合は、過度の気流がヒーターを通過した結果としての発熱体の異常な冷却によるものかもしれず、これは喫煙装置内では、使用者による激しい喫煙を意味する。激しい喫煙は、エアロゾル形成基質の望ましくない燃焼の可能性を増す、高めの酸素濃度につながりうる。

上記発熱体は電気抵抗性の発熱体とすることができ、発熱体の温度を目標温度に維持する工程は、発熱体の電気抵抗の決定と、決定された電気抵抗に応じた発熱体に供給される電流の調節とを含みうる。発熱体の温度を目標温度に維持する工程は、PID制御ループの使用を含みうる。別の方法として、PID制御ループよりも廉価で単純なサーモスタット型のオン／オフ制御機構など、温度を維持するためのその他の機構を使用することができる。そのうえ、バイメタル板細片、熱電対、または電気的に発熱体とは別個の専用サーミスタまたは電気抵抗性の要素など、発熱体の電気抵抗を検出する以外の温度感知のための機構を使用しうる。これらの代替的な温度感知機構は、発熱体の電気抵抗を監視することによる温度の決定に加えて、またはその代わりに、使用しうる。例えば、発熱体の温度が目標温度を超えたときに、個別の温度感知機構を、発熱体への電力供給を停止するための制御機構で使用しうる。

負荷サイクルが期待される負荷サイクルと異なるかどうかを判断する工程は、定期的な負荷サイクルと第一の閾値負荷サイクルとの比較と、目標温度を低下させるかまたは電流パルスの負荷サイクルを制限するトリガー点を決定するためのヒステリシス制御ループの使用とを含みうる。ヒステリシス制御ループの使用により、非常に短期的な負荷サイクルの変動によって、温度または適用される電力の低減が引き起こされないことが確保される。異常な負荷サイクル動作の持続的な期間の後でのみ、トリガー点に達する。

上記方法は、温度が目標温度かまたはそれ以上であるときに負荷サイクルが第二の閾値負荷サイクルを下回る場合に、発熱体への電流の供給の停止を含みうる。記載したとおり、持続した温度での非常に低い負荷サイクルは外部熱源を示し、発熱体に隣接するか、またはそれを取り囲む基質の燃焼の結果でありうる。この状況で、装置の使用者がそれ以上の望ましくない化合物を受け取らないことを確保するために、発熱体への電力供給は停止されうる。

上記方法は、電流パルスの負荷サイクルを最大負荷サイクル限度に制限する工程を含みうる。最大負荷サイクル限度は、予めプログラムされた制御方法に基づき変化しうる。例えば、最大負荷サイクルは、基質が乾燥するにつれて、段階的または持続的のいずれであっても時間の増大に伴い低下する。第一または第二の閾値、または第一および第二の閾値の両方は、最大負荷サイクル限度と比例したものでありうる。例えば、第一の閾値は、最大負荷サイクル限度としうる。第二の閾値は、最大負荷サイクル限度の固定比率とすることも、固定負荷サイクルとすることもできる。別の方法として、第一および第二の閾値の両方は、絶対的な限度としうる。

開示の別の態様で、電気発熱体を制御する装置が提供されるが、これは、
発熱体への電流パルスの供給によって発熱体の温度を目標温度に維持するように構成された、発熱体に接続された制御回路と、
電流パルスの負荷サイクルを監視し、電流パルスの負荷サイクルが期待される負荷サイクルまたは負荷サイクルの範囲と異なる場合に、目標温度を低下させるか、または発熱体への電流の供給を停止させるか、または負荷サイクルまたは電流パルスを制限する命令を制御回路に出すように構成された検出回路とを含む。

発熱体は電気抵抗性の発熱体とすることができ、制御回路は、発熱体の電気抵抗を決定し、発熱体の電気抵抗を決定し、また発熱体に供給される電流を決定された電気抵抗に応じて調節することによって、発熱体の温度を目標温度に保つように構成される。制御回路は、PID制御ループを含みうる。

検出回路は、定期的に負荷サイクルと第一の閾値負荷サイクルとを比較するよう構成することができ、目標温度を低下させるかまたは電流パルスの負荷サイクルを制限するトリガー点を決定するように構成されたヒステリシス制御ループを含みうる。

検出回路は、温度が目標温度かまたはそれ以上であるときに負荷サイクルが第二の閾値負荷サイクルを下回る場合に、検出回路が制御回路に発熱体への電流の供給を停止するよう命令するよう構成しうる。

目標温度は、一定とすることも、時間に応じて変化させることもできる。

制御回路は、電流パルスの負荷サイクルを最大負荷サイクル限度に制限するよう構成しうるが、ここで、所定の目標温度について、最大負荷サイクル限度は発熱体の作動後に時間の増大とともに次第に低下する。発熱体の作動後の任意の時点で、目標温度が上昇するよう構成されている場合、最大負荷サイクルも増大しうる。一つの実施形態で、変数A（ここでAは、最大負荷サイクルを目標温度で割ったものに等しい）は、発熱体の作動後の時間の増大とともに次第に低下する。

制御回路は、発熱体の温度が温度閾値を超えた場合に、発熱体への電流の供給を停止するよう構成しうる。例えば、発熱体の温度が目標温度よりも7^oC以上高いことが検出された場合、そうしなければ燃焼のリスクが高すぎることになるため、電源供給は停止されうる。

装置は、電気加熱式喫煙装置などの発熱体を備えたエアロゾル発生装置としうる。発熱体は、装置の動作中にエアロゾル形成基質を持続的に加熱するように構成しうる。

エアロゾル発生装置は、エアロゾル形成基質を受けるように構成しうるが、ここで期待される負荷サイクルまたは負荷サイクルの範囲は、エアロゾル形成基質特性に応じて構成しうる。

本開示のさらなる態様で、エアロゾル発生システムが提供されており、これは、
発熱体を備えたエアロゾル発生装置と、エアロゾル形成基質を含むエアロゾル発生物品とを含むが、ヒーターはエアロゾル形成基質を加熱してエアロゾルを生成するよう構成されており、またエアロゾル発生装置は、発熱体への電流パルスの供給によって、発熱体の温度を目標温度に維持するように構成された、発熱体に接続された制御回路と、
電流パルスの負荷サイクルを監視し、電流パルスの負荷サイクルが期待される負荷サイクルまたは負荷サイクルの範囲と異なる場合に、目標温度を低下させるか、または発熱体への電流の供給を停止させるか、または負荷サイクルまたは電流パルスを制限する命令を制御回路に出すように構成された検出回路とを含む。

エアロゾル発生装置は、期待される負荷サイクルまたは負荷サイクルの範囲は、エアロゾル形成基質特性に応じたものとなるように構成しうる。エアロゾル発生物品は、電気抵抗性の構成要素、光学的に検出可能なしるし、または特性形状または寸法など、エアロゾル発生装置により決定される特性を許容する手段を含みうる。異なる基質は、異なる条件下で燃焼することも、異なる量のエアロゾル形成体または液体を含むこともあるため、異なる温度および時間での燃焼リスクがありうる。

開示の別の態様で、電気発熱体を制御する方法が提供されるが、これは、
電力を発熱体に供給することにより、複数の加熱段階中に発熱体の温度を目標温度に維持する工程と、
各加熱段階中に、変数B（ここで、Bは、閾値電力レベルを目標温度で割ったものに等しい）が発熱体の作動後に時間の増大に伴い次第に低下するように、発熱体に供給される電力を閾値電力レベルに制限する工程とを含む。

発熱体は、電気加熱式喫煙装置などのエアロゾル発生装置の一部としうる。発熱体は、装置の動作中にエアロゾル形成基質を持続的に加熱するように構成しうる。この文脈で「持続的」とは、加熱は装置を通過する空気の流れに依存しないことを意味する。エアロゾル形成基質のエアロゾル形成成分が加熱中に使い果たされると、所定の目標温度に維持するために必要とされる電力が低下する。発熱体の目標温度は、発熱体の動作中に変化することがあり、また負荷サイクルは、それに応じて基質の燃焼が発生するリスクを低減するために制限されうる。発熱体の作動後の任意の時点で、目標温度が上昇するよう構成されている場合、最大負荷サイクルも増大しうる。

維持する工程は、電流を電流パルスとして供給することを含むことができ、また供給される電力を制限する工程は、電流パルスの負荷サイクルを閾値負荷サイクルより低く制限することを含むことができるが、閾値負荷サイクルを目標温度で割ったものが、発熱体の作動後、連続したそれぞれの加熱段階について次第に低下する。

別の方法として、または追加的に、供給される電力を制限する工程には、発熱体にかかる電圧を閾値電圧より低く制限することが含まれうる。

開示のさらなる態様で、電気発熱体を制御する装置が提供されるが、これは、
発熱体に連結された制御回路を含み、制御回路は、複数の加熱段階中に、電力を発熱体に供給することにより発熱体の温度を目標温度に維持するように構成されており、また各加熱段階中に、発熱体の作動後に時間の増大とともに、変数B（ここで、Bは、閾値電力レベルを目標温度で割ったものに等しい）が次第に低下するよう発熱体に供給される電力を閾値電力レベルに制限するように構成されている。

制御回路は、電流を電流パルスとして供給し、また電流パルスの負荷サイクルを閾値負荷サイクルより低く制限することで発熱体に供給される電力を制限するように構成しうるが、閾値負荷サイクルを目標温度で割ったものが、発熱体の作動後に連続したそれぞれの加熱段階について次第に低下する。

装置は、電気加熱式喫煙装置などの発熱体を備えたエアロゾル発生装置としうる。

エアロゾル発生装置は、エアロゾル形成基質を受けるよう構成でき、また加熱段階の持続時間および各加熱段階についての閾値負荷サイクルは、制御回路への使用者の入力に応じて、またはエアロゾル形成基質の感知された特性に応じて、または感知された環境パラメータに応じて構成可能としうる。そのため、特定の基質は、望ましい結果を得るために異なる加熱プロフィールを必要とすることがあり、また、異なる使用者が異なる加熱プロフィールを好むことがある。

本開示のさらなる態様で、エアロゾル発生システムが提供されており、これは、
発熱体を備えたエアロゾル発生装置と、エアロゾル形成基質を含むエアロゾル発生物品とを含むが、ヒーターはエアロゾル形成基質を加熱してエアロゾルを生成するよう構成されており、また、エアロゾル発生装置は、発熱体に連結された制御回路を含み、制御回路は、複数の加熱段階中に電力を発熱体に供給することにより発熱体の温度を目標温度に維持するように構成されており、また各加熱段階中に、発熱体の作動後に時間の増大とともに、変数B（ここで、Bは、閾値電力レベルを目標温度で割ったものに等しい）が次第に低下するよう発熱体に供給される電力を閾値電力レベルに制限するように構成されている。

エアロゾル発生装置は、閾値電力レベルが、エアロゾル形成基質特性に応じたものとなるよう構成しうる。エアロゾル発生物品は、電気抵抗性の構成要素、光学的に検出可能なしるし、または特性形状または寸法など、エアロゾル発生装置により決定される特性を許容する手段を含みうる。異なる基質は、異なる条件下で燃焼することも、異なる量のエアロゾル形成体または液体を含むこともあるため、異なる温度および時間での燃焼リスクがありうる。

前述の開示の態様のうちどれかに記載したとおり、発熱体の制御は、電気的に動作するエアロゾル発生装置用のプログラム可能電気回路上で実行されるとき、プログラム可能電気回路が制御方法を実行させるコンピュータープログラムで実施されうる。コンピュータープログラムは、コンピューター可読記憶媒体上に提供されうる。

本開示のさらなる態様で、エアロゾル発生装置が提供されており、これは、
電気発熱体と、
発熱体の温度を検出するよう構成された検出回路と、
発熱体および検出回路に連結された制御回路とを含むが、制御回路は、電源から発熱体への電力供給を制御するよう構成され、また制御回路は、検出回路が発熱体の温度が閾値温度を上回っていることを検出した場合に、電源から発熱体への電力供給を防止するよう構成されている。

閾値温度は、発熱体の作動後に時間に伴い変化しうる。エアロゾル発生装置は、電気加熱式の喫煙装置としうる。

本開示のなおさらなる態様で、エアロゾル発生システムが提供されており、これは、
発熱体を備えたエアロゾル発生装置と、エアロゾル形成基質を含むエアロゾル発生物品とを含むが、ヒーターはエアロゾル形成基質を加熱してエアロゾルを生成するよう構成されており、また、エアロゾル発生装置は、発熱体の温度を検出するよう構成された検出回路と、発熱体および検出回路に連結された制御回路とを含むが、制御回路は、電源から発熱体への電力供給を制御するよう構成され、また制御回路は、検出回路が発熱体の温度が閾値温度を上回っていることを検出した場合に、電源から発熱体への電力供給を防止するよう構成されている。

本開示の全ての態様で、発熱体は電気抵抗性の材料を含みうる。適切な電気抵抗性の材料は、以下を含むがこれに限定されない： 添加セラミックなどの半導体、電気的に「伝導性」のセラミック（例えば、ケイ化モリブデンなど）、炭素、黒鉛、金属、合金およびセラミック材料および金属材料でできた複合材料。こうした複合材料は、ドープまたは非ドープのセラミックを含みうる。適切な添加セラミックの例は、ドープシリコン炭化物を含む。適切な金属の例は、チタン、ジルコニウム、タンタル プラチナ、金および銀を含む。適切な合金の例は、ステンレス鋼、ニッケル-、コバルト-、クロミウム-、アルミニウム-チタン-ジルコニウム-、ハフニウム-、ニオビウム-、モリブデン-、タンタル-、タングステン-、スズ-、ガリウム-、マンガン-、金-および鉄を含有する合金、およびニッケル、鉄、コバルト、ステンレス鋼系の超合金、Timetal（登録商標）および鉄-マンガン-アルミニウム系の合金を含む。複合材料で、電気抵抗性の材料は、エネルギー移動の動態学および要求される外部の物理化学的性質に応じて、随意に絶縁材への埋込、封入、または塗布あるいはその逆ができる。

記載したとおり、本開示の任意の態様で、発熱体はエアロゾル発生装置の一部としうる。エアロゾル発生装置は、内部発熱体または外部発熱体、または内部および外部の両方の発熱体を含みうるが、ここで「内部」および「外部」は、エアロゾル形成基質についてである。内部発熱体は、任意の適切な形態をとりうる。例えば、内部発熱体は、加熱用ブレードの形態をとりうる。別の方法として、内部ヒーターは、異なる導電性部分または電気抵抗性の金属チューブを持つケーシングまたは基質の形態をとりうる。別の方法として、内部発熱体は、エアロゾル形成基質の中心を貫通する1つ以上の加熱用の針または棒としうる。その他の代替物は、加熱用のワイヤまたはフィラメント、例えばNi-Cr（ニッケル・クロム）、プラチナ、タングステンまたは金属製のワイヤまたは加熱板を含む。随意に、内部発熱体は、固い担体材料内またはその上に配置しうる。こうした一つの実施形態で、電気抵抗性の発熱体は、温度と比抵抗の間で明確な関係を持つ金属を使用して形成しうる。こうした模範的装置で、金属は、セラミック材料などの適切な絶縁材上にトラックとして形成したあと、ガラスなどの別の絶縁材内にはさむことができる。このように形成されたヒーターは、動作中の発熱体の加熱と、その温度の監視の両方に使用しうる。

外部発熱体は、任意の適切な形態をとりうる。例えば、外部発熱体は、ポリイミドなどの誘電性基質上の一つ以上の柔軟性のある加熱ホイルの形態をとりうる。柔軟性のある加熱ホイルは、基質を受けるくぼみの周辺に適合するような形状としうる。別の方法として、外部発熱体は、金属グリッド（単一または複数）、柔軟性のあるプリント基板、成形相互接続装置（MID）、セラミックヒーター、柔軟性のある炭素繊維ヒーターの形態をとりうるほか、適切な形状の基質上にプラズマ蒸着などのコーティング技術を利用して形成しうる。外部発熱体はまた、温度と比抵抗との間に明確な関係を持つ金属を使用して形成される。こうした模範的装置で、金属は2層の適切な絶縁材の間のトラックとして形成しうる。このように形成された外部発熱体は、動作時の外部発熱体の加熱およびその温度の監視の両方に使用しうる。

内部または外部の発熱体は、熱を吸収・貯蔵して、その後、ある期間にわたりエアロゾル形成基質に熱を放出する能力を持つ材料を含む、ヒートシンク、または蓄熱体を含みうる。ヒートシンクは、適切な金属またはセラミック材料など、任意の適切な材料で形成しうる。一つの実施形態で、材料は、高い熱容量（目的に適った熱貯蔵材料）を持つか、または熱を吸収しその後で可逆的な過程（高温相変化など）を経て放出する能力を持つ材料である。目的に適った適切な熱貯蔵材料は、シリカゲル、アルミナ、炭素、ガラスマット、ガラス繊維、鉱物、金属または合金（アルミニウム、銀または鉛）、およびセルロース材料（紙など）を含む。可逆的な相変化により熱を放出するその他の適切な材料は、パラフィン、酢酸ナトリウム、ナフタリン、ろう、ポリエチレンオキシド、金属、金属塩、共晶塩の混合物または合金を含む。ヒートシンクまたは蓄熱体は、エアロゾル形成基質と直に接するよう、かつ貯蔵した熱を基質に直かに伝達できるように、配置されうる。別の方法として、ヒートシンクまたは蓄熱体に貯蔵された熱は、金属チューブなどの熱導体の手段によってエアロゾル形成基質に伝達されうる。

発熱体は、有利なことに、伝導の手段によってエアロゾル形成基質を加熱する。発熱体は、基質と、または基質が配置されている担体と、少なくとも部分的に接しうる。別の方法として、内部または外部のいずれかの発熱体からの熱は、熱伝導性要素の手段によって基質に伝導しうる。

動作中、エアロゾル形成基質は、エアロゾル発生装置内部に完全に収容されうる。その場合に、使用者は、エアロゾル発生装置のマウスピースで喫煙しうる。別の方法として、動作中、エアロゾル形成基質を含む喫煙物品は、エアロゾル発生装置内に部分的に収容されうる。その場合に、使用者は直に喫煙物品で喫煙しうる。

喫煙物品は、実質的に円筒形の形状としうる。喫煙物品は、実質的に細長くてもよい。エアロゾル形成基質はまた、長さと実質的に直交する長さと円周を持ちうる。エアロゾル形成基質は、実質的に円筒形の形状としうる。エアロゾル形成基質は、実質的に細長くてもよい。エアロゾル形成基質はまた、長さと実質的に直交する長さと円周を持ちうる。

喫煙物品の全長は、およそ30 mm〜およそ100 mmとしうる。喫煙物品の外部直径は、およそ5 mm〜およそ12 mmとしうる。喫煙物品は、フィルタープラグを含みうる。フィルタープラグは、喫煙物品の下流端に位置しうる。フィルタープラグは、酢酸セルロースフィルタープラグとしうる。フィルタープラグは、一つの実施形態で長さおよそ7 mmとしうるが、およそ5 mm〜およそ10 mmの長さを持ちうる。

一つの実施形態で、喫煙物品の全長は、およそ45 mmである。喫煙物品の外部直径は、およそ7.2 mmとしうる。さらに、エアロゾル形成基質の長さは、およそ10 mmとしうる。別の方法として、エアロゾル形成基質の長さは、およそ12 mmとしうる。さらに、エアロゾル形成基質の直径は、およそ5 mm〜およそ12 mmとしうる。喫煙物品は、外側の紙ラッパーを含みうる。さらに、喫煙物品は、エアロゾル形成基質とフィルタープラグの間の分離部を含みうる。分離部は、およそ18 mmとしうるが、およそ5 mm〜およそ25 mmの範囲としうる。

エアロゾル形成基質は、固体エアロゾル形成基質としうる。別の方法として、エアロゾル形成基質は、固体および液体の両方の構成要素を含みうる。エアロゾル形成基質は、加熱に伴い基質から放出される揮発性のたばこ風味化合物を含む、たばこ含有材料を含みうる。別の方法として、エアロゾル形成基質は、非たばこ材料を含みうる。エアロゾル形成基質は、さらにエアロゾル形成体を含みうる。適切なエアロゾル形成体の例は、グリセリンおよびプロピレングリコールである。

エアロゾル形成基質が固体エアロゾル形成基質である場合、固体エアロゾル形成基質は、例えば、粉末、顆粒、ペレット、断片、スパゲッティ、細片またはシートのうち一つ以上を含みうるが、薬草の葉、たばこの葉、たばこの茎の破片、再構成たばこ、均質化たばこ、押し出し成形たばこ、キャストリーフたばこおよび膨化たばこのうち一つ以上を含む。固体エアロゾル形成基質は、容器に入っていない形態にすることも、または適切な容器またはカートリッジを提供することもできる。随意に、固体エアロゾル形成基質は、基質の加熱に伴い放出される追加的なたばこまたは非たばこ揮発性風味化合物を含みうる。固体エアロゾル形成基質はまた、例えば、追加的なたばこまたは非たばこ揮発性風味化合物を含むカプセルを含みうるが、こうしたカプセルは、固体エアロゾル形成基質の加熱中に溶ける。

随意に、固体エアロゾル形成基質は、熱的に安定した担体上に提供されるか、またはその内部に埋め込みうる。担体は、粉末、顆粒、ペレット、断片、スパゲッティ、細片またはシートなどの形態をとりうる。別の方法として、担体は、その内部表面上、またはその外部表面上、またはその内部および外部の表面上の両方に配置された固体基質の薄い層を持つ、管状の担体としうる。こうした管状の担体は、例えば、紙、または紙様の材料、不織布炭素繊維マット、質量の小さく目の粗いメッシュ金属スクリーン、または穴あきの金属箔またはその他の任意の熱的に安定した高分子マトリクスで形成しうる。

固体エアロゾル形成基質は、例えば、シート、発泡体、ゲルまたはスラリーの形態の担体の表面上に配置されうる。固体エアロゾル形成基質は、担体の表面全体に配置することも、または別の方法として、使用時に一様ではない風味の送達を提供するために一定のパターンで配置することもできる。

上記では、固体エアロゾル形成基質を参照したが、当業者には、その他の実施形態でその他の形態のエアロゾル形成基質を使用しうることが明らかであろう。例えば、エアロゾル形成基質は、液体エアロゾル形成基質としうる。液体エアロゾル形成基質が提供される場合、エアロゾル発生装置は、液体を保持する手段を含むことが好ましい。例えば、液体エアロゾル形成基質は、容器内に保持されうる。代替的または追加的に、液体エアロゾル形成基質は、多孔性の担体材料に吸収されうる。多孔性の担体材料は、適切な任意の吸収性のプラグまたは本体、例えば、発泡性の金属またはプラスチック材料、ポリプロピレン、テリレン、ナイロン繊維またはセラミックで作成しうる。液体エアロゾル形成基質は、エアロゾル発生装置を使用する前に、多孔性の担体材料内に保持されてもよく、あるいは別の方法として、液体エアロゾル形成基質材料は、使用中またはその直前に多孔性の担体材料内に放出されてもよい。例えば、液体エアロゾル形成基質は、カプセル内に提供しうる。カプセルのシェルは、加熱に伴い溶けて、液体エアロゾル形成基質を多孔性の担体材料に放出することが好ましい。カプセルは、液体と組み合わされた固体を随意に含みうる。

別の方法として、担体は、たばこ成分が組み込まれた不織布繊維または繊維の束としうる。不織布繊維または繊維の束は、例えば、炭素繊維、天然セルロース繊維、またはセルロース誘導体繊維を含みうる。

エアロゾル発生装置はさらに、発熱体に電力を供給するための電源を含みうる。電源は、例えばDC電圧電源などの適切な任意の電源としうる。一つの実施形態で、電源は、リチウムイオン電池である。別の方法として、電源は、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、またはリチウムベースの電池、例えばリチウム・コバルト、リチウム・鉄・リン酸塩、チタン酸リチウムまたはリチウムポリマー電池としうる。

開示について異なる態様を参照することによって説明してきたが、開示の一つの態様に関連して説明した特徴が、開示のその他の態様に適用されうることは明らかである。

ここで本発明の例を、以下の添付図面を参照しながら説明する。

図1は、エアロゾル発生装置の概略図である。 図2は、図1に示すタイプの装置用の温度制御回路の概略図である。 図3は、図1に示すタイプの装置を使用した喫煙セッション中の、最大負荷サイクル限度の変遷を図示したものである。 図4は、異常な負荷サイクルパターンを検出するための一つの過程を図示した流れ図である。 図5は、使用者による過度の喫煙が検出された後での、発熱体の温度低下の例を図示したものである。 図6は、基質の燃焼を検出するための一つの過程を図示した流れ図である。 図7は、図6で図示した過程を使用した燃焼検出の例を図示したものである。 図8は、望ましくないほどに高い温度が検出された後で発熱体への電力の供給を停止する過程を図示した流れ図である。

図1で、電気加熱式のエアロゾル発生装置100の実施形態の構成要素を簡略化された方法で示す。特に、電気加熱されたエアロゾル発生装置100の要素は、図1では等尺度では表示されていない。本実施形態の理解に関連性のない要素は、簡略された図1では省略されている。

電気加熱式のエアロゾル発生装置100は、ハウジング10と、例えば、紙巻たばこといったエアロゾル形成基質12とを含む。エアロゾル形成基質12は、ハウジング10内に押し込まれ、発熱体14と熱的に近接するようになる。エアロゾル形成基質12は、多様な揮発性化合物を異なる温度で放出する。電気加熱式のエアロゾル発生装置100の最大動作温度を、一部の揮発性化合物の放出温度よりも低く制御することにより、これらの煙成分の放出または形成を回避できる。

ハウジング10内には、電気エネルギー供給源16、例えば再充電可能リチウムイオン電池がある。コントローラ18は、発熱体14、電気エネルギー供給源16、および使用者インターフェース20（例えばボタンまたはディスプレイ）に接続されている。コントローラ18は、その温度を調節するために発熱体14に供給される電力を制御する。一般に、エアロゾル形成基質は、摂氏250〜450度の温度に加熱される。

図2は、発明の一つの実施形態に従い説明した温度調節を提供するために使用される制御回路を図示したものである。

ヒーター14は、接続22によって電池に接続されている。電池16は、電圧V2を供給する。発熱体14と直列に、既知の抵抗rを持つ追加的抵抗器24が挿入され、電圧V1に接続されるが、これは接地と電圧V2の中間である。電流の周波数変調は、マイクロコントローラ18によって制御され、そのアナログ出力30を介して、単純なスイッチとしての役目をするトランジスタ26に供給される。

調節は、マイクロコントローラ18に組み込まれたソフトウェアの一部であるPID調整器に基づく。発熱体の温度（または温度の表示）は、発熱体の電気抵抗を測定することにより決定される。発熱体を目標温度に維持するために、発熱体に供給される電流パルスの負荷サイクル（この場合には周波数変調）を調節するために温度が使用される。温度は、負荷サイクルの制御に合わせて選択された周波数で決定され、毎100msに1回の頻度で決定されうる。

マイクロコントローラ18上のアナログ入力28は、抵抗24での電圧を収集するために使用され、発熱体を流れる電圧のイメージを提供する。電池電圧V+および抵抗器24での電圧は、発熱体抵抗の変化および／またはその温度を計算するために使用される。

特定の温度で測定されるヒーター抵抗は、R_heaterである。マイクロプロセッサ18がヒーター14の抵抗R_heaterを測定するために、ヒーター14を通る電流、およびヒーター14での電圧の両方を決定できる。次に、以下の周知の公式を使用して抵抗を決定できる。

図2で、ヒーターでの電圧はV2-V1であり、ヒーターを流れる電流はIである。よって

その抵抗rが既知である追加的な抵抗器24を使用して、再び上記の（1）を使用して、電流Iを決定する。抵抗器24を流れる電流はIであり、抵抗器24での電圧はV1である。よって、

ゆえに、（2）と（3）を組み合わせると、

よって、マイクロプロセッサ18は、V2およびV1を測定でき、エアロゾル発生システムが使用されているため、rはわかっているため、特定の温度でのヒーターの抵抗R_heaterが決定できる。

ヒーター抵抗は温度に相関する。線形近似を利用して、次の公式に従い、温度Tを、温度Tで測定した抵抗R_heaterと関連付けることができる。

式中、Aは発熱体材料の熱伝導抵抗比抵抗、およびR₀は室温温度T₀での発熱体の抵抗である。

単純な線形近似では動作温度の範囲全体で十分に正確でない場合には、抵抗と温度の間の関係を近似するためにその他のより複雑な方法を使用することができる。例えば、別の実施形態において、それぞれ異なる温度範囲を網羅する2つ以上の直線近似の組み合わせに基づき、関係を導くことができる。この方式では、ヒーターの抵抗が測定される3つ以上の温度較正点に依存する。較正点の中間の温度について、抵抗値は較正点での値から補完される。較正点温度は、動作中のヒーターの期待される温度範囲を網羅するように選択される。

これらの実施形態の利点は、かさばる上に高価なことがある温度センサーが不要なことである。また、温度の代わりに、抵抗値がPID調整器によって直に使用できる。抵抗値が望ましい範囲内に保持されている場合は、発熱体の温度も保持される。したがって、発熱体の実際の温度を計算する必要がない。ただし、個別の温度センサーを使用して、それをマイクロコントローラに接続し、必要な温度情報を提供することは可能である。

マイクロコントローラは、最大許容される負荷サイクルを制限するようプログラムしうる。最大許容される負荷サイクルは、発熱体の作動後に時間と共に変化しうる。図3は、図1に示したタイプの装置を使用した喫煙セッションの進行を図示したものである。発熱体の目標温度は線30で示され、全体で6分間持続する喫煙セッション全体を通して375^oCに維持されていることがわかる。喫煙セッションは、マイクロコントローラにより段階に分離され、段階が異なると、最大負荷サイクル限度が異なる。この文脈での負荷サイクルは、スイッチ26が閉じた状態で、電力が供給されている時間の比率を意味する。図3に図示した例で、第一段階は30秒で負荷サイクルは95%に制限されている。この期間中、発熱体は目標温度まで高められる。第二段階も30秒で、負荷サイクルは65%に制限される。発熱体の温度を維持するために要する電力は、加熱中に必要な電力よりも少ない。第三段階の30秒で、負荷サイクルは60%に制限される。第四段階の90秒では負荷サイクルは55%に制限され、第五段階の60秒では負荷サイクルは50%に制限され、第六段階の120秒では負荷サイクルは45%に制限される。

基質が枯渇するにつれて蒸発によって少なめの熱が除去されるため、発熱体の温度を目標温度に維持するのにも少なめの電力が必要となる。そのうえ、装置の部品の周囲での温度は、時間とともに高くなるため、時間と共に少なめのエネルギーが吸収される。したがって、燃焼の可能性を低減するために、所定の目標温度について最大許容される電力は、時間と共に低減される。原則として、最大許容される電力または最大負荷サイクルを目標温度で割った値は、単一の喫煙セッション中の発熱体の作動後、時間の経過と共に低減される。

過度の喫煙行動も決定されうる。毎回、使用者が装置で喫煙し、発熱体を通過して空気を吸い込むとき、基質と接する酸素の量は増大し、所定温度での燃焼の可能性が高まる。毎回の喫煙で、発熱体は冷却される。温度制御ループは、電流パルスの負荷サイクルを一時的に上げることで、この冷却について補正する。負荷サイクル限度、またはその近くで長時間持続することは、過度の喫煙状態を示すことがあり、負荷サイクル限度の低減が引き起こされる。

最大負荷サイクルを「通常の」使用者の行動および環境条件の範囲内で期待されるレベルに制限することにより、温度スパイクは回避されうる。明らかに、時間経過と共に変化する負荷サイクル限度および方法は、特定の装置の設計、基質および使用量のシナリオに適するように実験的に決定できる。

電流パルスの負荷サイクルはマイクロコントローラによって監視ができ、持続した期間中に負荷サイクルが期待される負荷サイクルと異なる場合、マイクロコントローラは修正措置をとることができるか、あるいは発熱体への電力の供給を打ち切ることができる。

最大負荷サイクル限度は、通常の使用者の行動について期待される負荷サイクルレベルの上限となるように、あるいは、特定の使用者の好みに応じてその使用者に適したものに設定しうる。実際の負荷サイクルが、相当な時間中その時点での最大負荷サイクル限度になっている場合、システムは、過度の使用者の喫煙によって期待される以上に冷却されつつあることを示す。上記のとおりの過度の喫煙があると、基質に接する酸素が増えるために、燃焼のリスクが高まる。図4は、こうした異常な喫煙行動を検出し、こうした異常な喫煙が検出されたときに目標温度または負荷サイクル限度を低減するための、シュミットトリガーデバウンス方式を使用したヒステリシス制御ループを示すものである。ただし、スライディングウィンドウ制御、無限インパルス応答（IIR）フィルターおよび有限インパルス応答（FIR）フィルターなど、シュミットトリガー制御ループの代替策があることは明らかである。

図4のプロセスは、開始されてステップ400に進むが、ここで任意の状態変数「state」は、初期的に0に設定され、因子fによって1未満、例えば0.75に修正される。ステップ410では、負荷サイクルが負荷サイクル閾値DC₁と比較される。負荷サイクルが負荷サイクル閾値以上である場合には、ステップ420で状態変数がcの量（例えば0.25）だけ増大してから、ステップ430に移行する。負荷サイクル閾値DC₁は、最大負荷サイクル限度の一部分の最大負荷サイクル限度としうる。負荷サイクルが閾値負荷サイクルを下回る場合、状態変数は変化せず、プロセスはステップ430に移行する。次に状態変数がステップ430で状態閾値STと比較される。状態閾値は、例えば0.8ステップとしうる。状態変数が状態閾値以下である場合には、プロセスはステップ400に戻る。状態変数が状態閾値を上回る場合には、ステップ440で燃焼前の状態が検出され、発熱体の目標温度または最大負荷サイクル限度のいずれかが低減される。次に、状態変数は、プロセスがステップ400に戻る前にステップ450でリセットされる。

図4のプロセスは、非常に短期的な変動によって、燃焼前の検出が引き起こさないことを確保するものである。負荷サイクルが制御過程の幾つかのサイクル間において閾値負荷サイクルを超えた場合にのみ、燃焼前の状態が検出される。図4の制御ループは、PID調整器制御ループの周波数に応じて定期的（例えば100ms毎）に繰り返される。

図5は、図4で図示した制御過程に起因する目標温度の低下を図示したものである。上の線50は発熱体の温度を示す。下の線55は電流信号の負荷サイクルである。図5は、喫煙セッションの開始後275秒頃に、燃焼前検出機構が引き起こされたことを示すが、これは、240秒頃を始まりとして、低めの負荷サイクル限度によって、喫煙中に温度がより低下し、また負荷サイクルを長時間にわたりその上限に維持することでシステムが補正されたためである。目標温度はその時点で350^oCに下げられた。

図6は、基質の燃焼を検出するためのヒステリシス制御ループを図示したものであるが、ここでもシュミットトリガーデバウンス方式を使用している。ステップ600で、ここで任意の状態変数「state」は、初期的に0に設定され、因子fによって1未満、例えば0.9に修正される。ステップ610では、負荷サイクルが負荷サイクル閾値DC₂と比較される。第二の負荷サイクル閾値は、最大負荷サイクル閾値の75%に設定される。負荷サイクルが第二の負荷サイクル閾値を下回る場合には、ステップ620で状態変数はb（この例では0.3）だけ増加してから、ステップ630に移行する。負荷サイクルが第二の負荷サイクル閾値以上である場合には、状態変数は変化せず、プロセスは直にステップ630に進む。ステップ630で、状態変数は、この例の値と等しい状態変数閾値STと比較される。状態変数がSTを上回る場合には、発熱体への電源供給は停止される。マイクロプロセッサは単にスイッチ26を開いた状態に保つ。その後、プロセスは終了する。状態変数がST以下である場合には、プロセスはステップ600に戻る。

図7は、図6に示したタイプのプロセスを使用した燃焼の検出を図示したものである。図7は、140秒頃の負荷サイクルの著しい低下を示すが、これは、燃焼検出機構を引き起こすのに十分ではなかった。ただし、155秒頃、温度が所定の目標が維持されているかそれよりも高い一方で、負荷サイクルが燃焼検出フィルター最低限度よりも下に低下し、かつ一定時間低い状態が続いた。実際の温度と所定の目標との比較を図6の制御ループに組み込むことも、あるいは個別のプロセスとして実施することもできる。これによって、発熱体への電力供給が直ちに停止される。実際は、燃焼検出機構は、その電源からではなく基質を起源とするエネルギーを検出し、基質が自己燃焼する前に喫煙体験を停止した。

図4および図6を参照しながら説明した燃焼前および燃焼の検出プロセスに加えて、発熱体への電力供給は検出温度のみに基づき停止しうる。図8は、過度の温度の検出に基づき電力供給を停止するための制御ループの例を図示したものである。図8の制御ループは、図4または図6の制御ループに組み込みうる。例えば、図4のプロセスで、図8のステップ800は、それぞれのループでのステップ400の直前に実施しうる。別の方法として、図8の制御ループは、個別の制御ループとして実施しうる。ステップ800で、実際の検出温度T_actual（発熱体の抵抗により、または個別の温度センサーにより決定される）が、目標温度T_targetと比較される。実際の温度が目標温度よりも低い場合、プロセスは繰り返されるか、または、別の制御プロセスに組み込まれている場合は制御プロセスの残りのステップが実行される。実際の温度が目標温度であるかそれを超える場合、プロセスはステップ810に進み、ここで発熱体への電力供給が停止される。発熱体への電力供給は、図2のスイッチ26などのスイッチを制御して、マイクロコントローラによって停止されうる。次に、装置は、一定の期間中動作を防止しうるが、その期間は発熱体が許容可能な温度に冷却される。発熱体への電力供給を停止するために単純な温度閾値を使用することで、基質の燃焼を防止するか、またはその可能性を低減する直接的な方法が提供される。

上述の模範的な実施形態は、例証のためであり、限定するためではない。上記で考察した模範的実施形態に照らすことにより、上記の模範的実施形態と一貫したその他の実施形態は、当業者には明らかとなる。

Claims (11)

1. 電気発熱体を制御する方法であって、
   電力を発熱体に供給することにより、複数の加熱段階中に発熱体の温度を目標温度に維持する工程と、
   各加熱段階中に、変数B（ここで、Bは、閾値電力レベルを目標温度で割ったものに等しい）が発熱体の作動後に時間の増大に伴い次第に低下するように、前記発熱体に供給される電力を閾値電力レベルに制限する工程とを含む、方法。
2. 前記維持工程が、電流を電流パルスとして供給することを含み、また前記供給される電力を制限する工程が、電流パルスの負荷サイクルを閾値負荷サイクルより低く制限することを含むが、前記閾値負荷サイクルを前記目標温度で割ったものが、前記発熱体の作動後に連続したそれぞれの加熱段階について次第に低下する、請求項１に記載の方法。
3. 前記供給される電力を制限する工程が、前記発熱体にかかる電圧を閾値電圧より低く制限することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 電気発熱体を制御する装置であって、
   発熱体に連結された制御回路を含み、前記制御回路は、複数の加熱段階中に、電力を前記発熱体に供給することにより前記発熱体の温度を目標温度に維持するように構成されており、また各加熱段階中に、発熱体の作動後に時間の増大とともに、変数B（ここで、Bは、閾値電力レベルを目標温度で割ったものに等しい）が次第に低下するよう前記発熱体に供給される電力を閾値電力レベルに制限するように構成されている、装置。
5. 前記制御回路が、電流を電流パルスとして供給し、また前記電流パルスの負荷サイクルを閾値負荷サイクルより低く制限するよう構成され、前記閾値負荷サイクルを前記目標温度で割ったものが、前記発熱体の作動後に連続したそれぞれの加熱段階について次第に低下する、請求項４に記載の装置。
6. 前記装置が、電気加熱式喫煙装置などの発熱体を備えたエアロゾル発生装置である、請求項４または５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記エアロゾル発生装置が、エアロゾル形成基質を受けるよう構成され、また加熱段階の持続時間および各加熱段階についての閾値負荷サイクルは、制御回路への使用者の入力に応じて、または前記エアロゾル形成基質の感知された特性に応じて、または感知された環境パラメータに応じて構成されうる、請求項６に記載の装置。
8. エアロゾル発生システムであって、
   発熱体を備えたエアロゾル発生装置と、エアロゾル形成基質を含むエアロゾル発生物品とを含むが、前記発熱体が前記エアロゾル形成基質を加熱してエアロゾルを生成するよう構成されており、また、前記エアロゾル発生装置が、発熱体に連結された制御回路を含み、前記制御回路は、複数の加熱段階中に電力を前記発熱体に供給することにより前記発熱体の温度を目標温度に維持するように構成されており、また各加熱段階中に、前記発熱体の作動後に時間の増大とともに、変数B（ここで、Bは、閾値電力レベルを目標温度で割ったものに等しい）が次第に低下するよう前記発熱体に供給される電力を閾値電力レベルに制限するように構成されている、システム。
9. 前記エアロゾル発生装置が、前記閾値電力レベルが前記エアロゾル形成基質の特性に依存したものとなるように構成された、請求項８に記載のシステム。
10. コンピュータープログラムであって、電気的に動作されるエアロゾル発生装置のためのプログラム可能電気回路上で実行されるとき、前記プログラム可能電気回路によって、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法が実行されるようになる、コンピュータープログラム。
11. その上に請求項１０に記載のコンピュータープログラムを格納するコンピューター可読記憶媒体。

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