СИСТЕМА, ГЕНЕРИРУЮЩАЯ АЭРОЗОЛЬ, СОДЕРЖАЩАЯ СЕТЧАТЫЙ ТОКОПРИЕМНИК
SYSTEM, GENERATING AEROSOL CONTAINING GRID PANTOGRAPH

Изобретение относится к системам, генерирующим аэрозоль, работающим путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль. В частности, изобретение относится к системам, генерирующим аэрозоль, включающим в себя устройство, содержащее источник питания, и сменный картридж, содержащий расходуемый субстрат, образующий аэрозоль.
Одним типом системы, генерирующей аэрозоль, является электронная сигарета. Электронные сигареты обычно используют жидкий субстрат, образующий аэрозоль, испаряемый для образования аэрозоля. Электронная сигарета обычно содержит источник питания, часть для хранения жидкости для размещения запаса жидкого субстрата, образующего аэрозоль, и распылитель.
Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, истощается при эксплуатации и поэтому его необходимо пополнять. Самым распространенным способом пополнения запаса жидкого субстрата, образующего аэрозоль, является картридж, относящийся к типу картриджа-распылителя. Картридж-распылитель содержит запас жидкого субстрата и распылитель, обычно в форме электрически управляемого резистивного нагревателя, обвитого вокруг капиллярного материала, пропитанного субстратом, образующим аэрозоль. Замена картриджа-распылителя в виде одного блока обладает преимуществом, заключающимся в удобстве для пользователя и в отсутствии необходимости для пользователя чистить или осуществлять техническое обслуживание распылителя.
Тем не менее, было бы желательно иметь возможность предоставления системы, позволяющей использовать сменные элементы для пополнения субстрата, образующего аэрозоль, обладающие меньшей стоимостью изготовления и являющиеся более надежными, чем картриджи-распылители, доступные в настоящее время, и одновременно являющиеся более удобными для использования потребителями. Кроме этого, было бы желательно предоставить систему, устраняющую необходимость в паяных соединениях и предоставляющую герметичное устройство, которое может быть легко очищено.
В первом аспекте предоставлен картридж для использования в системе, генерирующей аэрозоль, при этом система, генерирующая аэрозоль, содержит устройство, генерирующее аэрозоль, картридж, выполненный с возможностью использования с устройством, при этом устройство содержит корпус устройства; индукционную катушку, расположенную на корпусе или внутри него; и источник питания, соединенный с индукционной катушкой и выполненный с возможностью подачи высокочастотного колебательного тока в индукционную катушку; картридж, включающий в себя корпус картриджа, содержащий субстрат, образующий аэрозоль, и сетчатый токоприемный элемент, расположенный таким образом, чтобы нагревать субстрат, образующий аэрозоль, при этом субстрат, образующий аэрозоль, является жидким при комнатной температуре и может образовывать мениск в пустотах сетчатого токоприемного элемента.
При эксплуатации высокочастотный колебательный ток проходит через плоскую спиральную индукционную катушку для генерирования переменного магнитного поля, наводящего напряжение в токоприемном элементе. Наведенное напряжение заставляет электрический ток течь в токоприемный элемент и этот электрический ток приводит к нагреву токоприемника джоулевым теплом, что в свою очередь нагревает субстрат, образующий аэрозоль. Поскольку токоприемный элемент является ферромагнитным, потери на гистерезис в токоприемном элементе также генерируют значительное количество тепла. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, может проходить сквозь токоприемный элемент и впоследствии охлаждаться для образования аэрозоля, подаваемого пользователю.
Эта конструкция, использующая индукционный нагрев, обладает преимуществом, заключающимся в том, что не нужно образовывать электрические контакты между картриджем и устройством. Также нагревательный элемент, в данном случае токоприемный элемент, не нуждается в электрическом соединении с любыми другими компонентами, устраняя потребность в пайке или других связующих элементах. Кроме этого, катушка предоставлена в качестве части устройства, делая возможным создание простого, недорогого и надежного картриджа. Картриджи обычно представляют собой сменные изделия, изготавливаемые в существенно больших количествах, чем устройства, с которыми они работают. Соответственно, уменьшение стоимости картриджей, даже если это требует более дорогого устройства, может привести к значительной экономии средств как для производителей, так и для потребителей.
В данном контексте "высокочастотный колебательный ток" обозначает колебательный ток с частотой от 500 кГц до 30 МГц. Высокочастотный колебательный ток может иметь частоту от 1 до 30 МГц, предпочтительно от 1 до 10 МГц и более предпочтительно от 5 до 7 МГц.
В данном контексте "токоприемный элемент" обозначает проводящий элемент, нагревающийся при воздействии на него изменяющегося магнитного поля. Это может быть результатом вихревых токов, наведенных в токоприемном элементе, и/или потерь на гистерезис. Преимущественно токоприемный элемент представляет собой ферритовый элемент. Материал и геометрическая форма токоприемного элемента могут быть выбраны таким образом, чтобы предоставлять желаемое электрическое сопротивление и тепловыделение.
Субстрат, образующий аэрозоль, являющийся жидким при комнатной температуре и образующий мениск в пустотах сетчатого токоприемного элемента, обеспечивает эффективный нагрев субстрата, образующего аэрозоль.
Сетчатый токоприемный элемент может представлять собой ферритовый сетчатый токоприемный элемент. В качестве альтернативы, сетчатый токоприемный элемент может представлять собой железистый сетчатый токоприемный элемент.
В данном контексте термин "сетка" охватывает решетки и матрицы нитей, расположенных с интервалами, и может включать в себя тканые и нетканые материалы.
Сетка может содержать множество ферритовых или железистых нитей. Нити могут ограничивать пустоты между нитями, и пустоты могут иметь ширину от 10 мкм до 100 мкм. Предпочтительно нити создают капиллярный эффект в пустотах, так что при эксплуатации жидкость, предназначенная для испарения, втягивается в пустоты, увеличивая площадь контакта между токоприемным элементом и жидкостью.
Нити могут образовывать сетку размером от 160 до 600 меш US (+/-10%) (т.е. от 160 и 600 нитей на один дюйм (+/-10%)). Ширина пустот предпочтительно составляет от 75 мкм до 25 мкм. Процентное соотношение открытой площади сетки, которое является отношением площади пустот к общей площади сетки, предпочтительно составляет от 25 до 56%. Сетка может быть выполнена с помощью различных плетеных и решетчатых конструкций. В качестве альтернативы, нити состоят из матрицы нитей, расположенных параллельно друг другу.
Сетка также может характеризоваться своей способностью удерживать жидкость, как хорошо известно в данной области техники.
Нити могут иметь диаметр от 8 мкм до 100 мкм, предпочтительно от 8 мкм до 50 мкм и более предпочтительно от 8 мкм до 39 мкм.
2
Площадь сетчатого токоприемника может быть небольшой, предпочтительно менее или равной 25 мм, позволяя встраивать его в удерживаемую рукой систему. Сетка может быть, например, прямоугольной и иметь размеры, равные 5 мм на 2 мм.
Преимущественно, токоприемный элемент обладает относительной проницаемостью от 1 до 40000. Если желательно обеспечить уверенное использование вихревых электрических токов для большей части нагрева, может применяться материал с более низкой проницаемостью, и если желательны эффекты гистерезиса, то может использоваться материал с более высокой проницаемостью. Предпочтительно, материал обладает относительной проницаемостью от 500 до 40000. Это обеспечивает эффективный нагрев.
Материал токоприемного элемента может выбираться на основании своей температуры Кюри. При температуре выше его температуры Кюри материал больше не будет являться ферромагнитным и поэтому не будет происходить нагрев, вызванный потерями на гистерезис. В случае, если токоприемный элемент выполнен из одного однокомпонентного материала, температура Кюри может соответствовать максимальной температуре, которой должен обладать токоприемный элемент (другими словами, температура Кюри идентична максимальной температуре, до которой должен нагреваться токоприемный элемент, или отклоняется от этой максимальной температуры приблизительно на 1-3%). Это уменьшает возможность быстрого перегрева.
Если токоприемный элемент выполнен из более, чем одного материала, материалы токоприемного элемента могут быть оптимизированы относительно следующих аспектов. Например, материалы могут быть выбраны таким образом, чтобы первый материал токоприемного элемента мог обладать температурой Кюри, превышающей максимальную температуру, до которой должен быть нагрет токоприемный элемент. Этот первый материал токоприемного элемента затем может быть оптимизирован, например, относительно максимального тепловыделения и теплопередачи в субстрат, образующий аэрозоль, для обеспечения эффективного нагрева токоприемника, с одной стороны. Тем не менее, токоприемный элемент также может дополнительно содержать второй материал, обладающий температурой Кюри, соответствующей максимальной температуре, до которой должен быть нагрет токоприемник, и когда токоприемный элемент достигает этой температуры Кюри, магнитные свойства токоприемного элемента в целом изменяются. Это изменение может быть обнаружено и сообщено микроконтроллеру, который затем прерывает вырабатывание переменного тока до тех пор, пока температура снова не опустится ниже температуры Кюри, после чего вырабатывание переменного тока может быть возобновлено.
Токоприемный элемент может иметь форму листа, проходящего через отверстие в корпусе картриджа. Токоприемный элемент может проходить вокруг периметра корпуса картриджа. Сетчатый токоприемный элемент может быть приварен к корпусу картриджа.
Картридж может обладать простой конструкцией. Картридж имеет корпус, внутри которого удерживается субстрат, образующий аэрозоль. Корпус картриджа предпочтительно представляет собой жесткий корпус, содержащий материал, непроницаемый для жидкости. В данном контексте "жесткий корпус" обозначает самонесущий корпус. Субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Летучие соединения могут быть высвобождены путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть твердым или жидким или содержать как твердые, так и жидкие компоненты.
Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табак. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие вкусоароматические соединения табака, которые высвобождаются из субстрата, образующего аэрозоль, при нагревании. Субстрат, образующий аэрозоль, в качестве альтернативы может содержать материал, не содержащий табак. Субстрат, образующий аэрозоль может содержать гомогенизированный материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный табакосодержащий материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать по меньшей мере одно вещество для образования аэрозоля. Вещество для образования аэрозоля представляет собой любое подходящее известное соединение или смесь соединений, которое или которая при использовании способствует образованию плотного и устойчивого аэрозоля и при рабочей температуре системы по существу устойчиво к термической деградации. Подходящие вещества для образования аэрозоля хорошо известны из уровня техники и включают без ограничения: многоатомные спирты, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и глицерин; сложные эфиры многоатомных спиртов, такие как глицерол моно-, ди- или триацетат; и алифатические сложные эфиры моно-, ди- или поликарбоновых кислот, такие как диметилдодекандиоат и диметилтетрадекандиоат. Предпочтительными веществами для образования аэрозоля являются многоатомные спирты или их смеси, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и, наиболее предпочтительно, глицерин. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как ароматизаторы.
Субстрат, образующий аэрозоль, может быть загружен на носитель или опору путем адсорбции, путем нанесения покрытия, путем пропитки или иным способом. В одном примере, субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой жидкий субстрат, удерживаемый в капиллярном материале. Капиллярный материал может иметь волокнистую или губчатую структуру. Капиллярный материал предпочтительно содержит пучок капилляров. Например, капиллярный материал может содержать множество волокон или нитей или других трубок с узкими каналами. Волокна или нити могут быть в общем выровнены для передачи жидкости к нагревателю. В качестве альтернативы, капиллярный материал может содержать губчатоподобный или пенообразный материал. Структура капиллярного материала образует множество небольших каналов или трубок, сквозь которые может передаваться жидкость за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может содержать любой подходящий материал или комбинацию материалов. Примеры подходящих материалов представляют собой губчатый или вспененный материал, материалы на основе керамики или графита в виде волокон или спекшихся порошков, вспененные металлические или пластиковые материалы, волокнистый материал, например, выполненный из крученых или экструдированных волокон, таких как ацетатцеллюлозные, полиэфирные, или связанные полиолефиновые, полиэтиленовые, териленовые или полипропиленовые волокна, нейлоновые волокна или керамика. Капиллярный материал может иметь любые подходящие капиллярность и пористость с тем, чтобы использовать его с жидкостями с разными физическими свойствами. Жидкость имеет физические свойства, включая, без ограничения, вязкость, поверхностное натяжение, плотность, теплопроводность, температура кипения и давление пара, которые позволяют перемещать жидкость по капиллярному материалу за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может быть выполнен с возможностью передачи субстрата, образующего аэрозоль, в токоприемный элемент. Капиллярный материал может проходить в пустоты в токоприемном элементе.
Токоприемный элемент может быть расположен на стенке корпуса картриджа, выполненного с возможностью размещения рядом с индукционной катушкой, когда корпус картриджа сцеплен с корпусом устройства. При эксплуатации преимущественно, чтобы токоприемный элемент располагался вблизи индукционной катушки для максимального увеличения напряжения, наведенного в токоприемном элементе.
Во втором аспекте предоставлена система, генерирующая аэрозоль, содержащая устройство, генерирующее аэрозоль, и картридж, картридж, выполненный с возможностью использования с устройством, при этом устройство содержит корпус устройства; индукционную катушку, расположенную на корпусе или внутри него; и источник питания, соединенный с индукционной катушкой и выполненный с возможностью подачи высокочастотного колебательного тока в индукционную катушку; картридж, включающий в себя корпус картриджа, содержащий субстрат, образующий аэрозоль, и сетчатый токоприемный элемент, расположенный таким образом, чтобы нагревать субстрат, образующий аэрозоль, при этом субстрат, образующий аэрозоль, является жидким при комнатной температуре и может образовывать мениск в пустотах сетчатого токоприемного элемента.
Сетчатый токоприемный элемент может представлять собой ферритовый сетчатый токоприемный элемент. В качестве альтернативы, сетчатый токоприемный элемент может представлять собой железистый сетчатый токоприемный элемент.
Корпус устройства может содержать полость для размещения по меньшей мере части картриджа, при этом полость имеет внутреннюю поверхность. Индукционная катушка может быть расположена на поверхности или рядом с поверхностью полости, ближайшей к источнику питания. Индукционная катушка может иметь форму, соответствующую внутренней поверхности полости.
В качестве альтернативы, индукционная катушка может находиться внутри полости, когда картридж размещен в полости. В некоторых вариантах осуществления индукционная катушка находится во внутреннем проходе картриджа, когда картридж сцеплен с устройством.
Корпус устройства может содержать основную часть и мундштучную часть. Полость может находиться в основной части, и мундштучная часть может иметь выпускное отверстие, сквозь которое аэрозоль, образованный системой, может втягиваться в рот пользователя. Индукционная катушка может находиться в мундштучной части или в основной части.
В качестве альтернативы мундштучная часть может быть предоставлена в качестве части картриджа. В данном контексте термин "мундштучная часть" обозначает часть устройства или картриджа, помещаемую в рот пользователя для того, чтобы непосредственно вдыхать аэрозоль, образованный системой, генерирующей аэрозоль. Аэрозоль передается в рот пользователя через мундштук
Система может содержать воздушный канал, проходящий от впускных отверстий для воздуха к выпускному отверстию для воздуха, при этом воздушный канал проходит сквозь индукционную катушку. Позволяя воздуху течь сквозь систему для прохождения сквозь катушку, можно получить компактную систему.
При эксплуатации, индукционная катушка может быть расположена рядом с токоприемником. Между индукционной катушкой и токоприемным элементом может быть образован канал для воздушного потока, когда картридж помещен в корпус устройства или сцеплен с корпусом устройства. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, может увлекаться воздухом, текущем в канале для воздушного потока, который впоследствии охлаждается для образования аэрозоля.
Устройство может содержать одну индукционную катушку или множество индукционных катушек. Индукционная катушка или катушки может/могут представлять собой винтовые катушки плоских спиральных катушек. Индукционная катушка может быть намотана вокруг ферритового сердечника. В данном контексте "плоская спиральная катушка" обозначает катушку, являющуюся в общем плоской катушкой, где ось наматывания катушки перпендикулярна плоскости, в которой лежит катушка. Тем не менее, термин "плоская спиральная катушка" в данном контексте охватывает катушки, являющиеся плоскими, а также плоские спиральные катушки, чья форма соответствует изогнутой поверхности. Использование плоской спиральной катушки позволяет проектировать компактное устройство, с простой конструкцией, которая является надежной и дешевой для производства. Катушка может удерживаться внутри корпуса устройства и не обязательно должна подвергаться воздействию аэрозоля, так что можно избежать отложений на катушке и возможной коррозии. Использование плоской спиральной катушки также обеспечивает простой интерфейс между устройством и картриджем, позволяя создать простую и дешевую конструкцию картриджа.
Плоская спиральная индукционная катушка может иметь любую желаемую форму в плоскости катушки. Например, плоская спиральная катушка может иметь круглую форму или может иметь в общем продолговатую форму.
Индукционная катушка может иметь форму, соответствующую форме токоприемного элемента. Индукционная катушка может быть расположена на поверхности или рядом с поверхностью полости, ближайшей к источнику питания. Это уменьшает количество и сложность электрических соединений в устройстве. Система может содержать множество индукционных катушек и может содержать множество токоприемных элементов.
Индукционная катушка может иметь диаметр от 5 мм до 10 мм.
Система может дополнительно содержать электрическую схему, соединенную с индукционной катушкой и с электрическим источником питания. Электрическая схема может содержать микропроцессор, который может представлять собой программируемый микропроцессор, микроконтроллер или специализированную интегральную схему (ASIC) или другую электронную схему, способную осуществлять управление. Электрическая схема может содержать дополнительные электронные компоненты. Электрическая схема может быть выполнена с возможностью регулирования подачи электрического тока в плоскую спиральную катушку. Электрический ток может подаваться в индукционную катушку непрерывно после включения системы или может подаваться с перерывами, например, на основании затяжек. Электрическая схема преимущественно может содержать преобразователь переменного тока в постоянный, который может содержать усилитель мощности класса D или класса E.
Система преимущественно содержит источник питания, обычно батарею, такую как литий-железо-фосфатную батарею, внутри основной части корпуса. В качестве альтернативы, источник питания может являться другой формой устройства накопления заряда, такой как конденсатор. Источник питания может требовать перезарядки и может обладать емкостью, позволяющей накапливать достаточно энергии для одного или нескольких процессов курения. Например, источник питания может иметь достаточную емкость для того, чтобы позволить непрерывно генерировать аэрозоль в течение приблизительно шести минут, что соответствует типичному времени выкуривания обычной сигареты, или в течение периода, кратного шести минутам. В другом примере источник питания может иметь достаточную емкость для того, чтобы позволить осуществлять предопределенное количество затяжек или отдельных включений индукционной катушки.
Система может представлять собой электрически управляемую курительную систему. Система может представлять собой удерживаемую рукой систему, генерирующую аэрозоль. Система, генерирующая аэрозоль, может иметь размер, сопоставимый с размером обычной сигары или сигареты. Курительное изделие может иметь общую длину от приблизительно 30 мм до приблизительно 150 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 30 мм.
Признаки, описанные в отношении одного аспекта, могут быть применены к другим аспектам изобретения. В частности, преимущественные или необязательные признаки, описанные в отношении первого аспекта изобретения, могут применяться ко второму аспекту изобретения.
Варианты осуществления системы согласно изобретению будут подробно описаны далее лишь в качестве примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показано схематическое изображение первого варианта осуществления системы, генерирующей аэрозоль, использующего плоскую спиральную индукционную катушку;
на фиг. 2 показан картридж по фиг. 1;
на фиг. 3 показана индукционная катушка по фиг. 1;
на фиг. 4 показан альтернативный токоприемный элемент для картриджа по фиг. 2;
на фиг. 5 показано схематическое изображение второго варианта осуществления, использующего плоскую спиральную индукционную катушку;
на фиг. 6 показано схематическое изображение третьего варианта осуществления;
на фиг. 7 показано схематическое изображение четвертого варианта осуществления, использующего плоские спиральные индукционные катушки;
на фиг. 8 показан картридж по фиг. 7;
на фиг. 9 показана индукционная катушка по фиг. 7;
на фиг. 10 показано схематическое изображение пятого варианта осуществления;
на фиг. 11 показан картридж по фиг. 10;
на фиг. 12 показана катушка по фиг. 10;
на фиг. 13 показано схематическое изображение шестого варианта осуществления;
на фиг. 14 показано схематическое изображение седьмого варианта осуществления;
на фиг. 15A показан первый пример управляющей схемы для генерирования высокочастотного сигнала для индукционной катушки;
на фиг. 15B показан второй пример управляющей схемы для генерирования высокочастотного сигнала для индукционной катушки.
Все варианты осуществления, изображенные на чертежах, основаны на индукционном нагреве. Индукционный нагрев работает путем помещения электропроводящего изделия, предназначенного для нагрева, в магнитное поле, изменяющееся с течением времени. Вихревые токи наводятся в проводящем изделии. Если проводящее изделие электрически изолировано, вихревые токи рассеиваются посредством нагрева джоулевым теплом проводящего изделия. В системе, генерирующей аэрозоль, работающей путем нагрева субстрата, образующего аэрозоль, субстрат, образующий аэрозоль, сам по себе обычно не обладает достаточной электрической проводимостью для индуктивного нагревания таким образом. Поэтому в вариантах осуществления, изображенных на чертежах, токоприемный элемент используется в качестве нагреваемого проводящего изделия и субстрат, образующий аэрозоль, затем нагревается токоприемным элементом посредством теплопроводности, конвекции и/или излучения. Поскольку используется ферромагнитный токоприемный элемент, тепло также вырабатывается потерями на гистерезис по мере переключения магнитных доменов в токоприемном элементе.
В каждом из описанных вариантов осуществления используется индукционная катушка для генерирования магнитного поля, изменяющегося с течением времени. Индукционная катушка спроектирована таким образом, чтобы она не испытывала существенного нагрева джоулевым теплом. Напротив, токоприемный элемент спроектирован таким образом, чтобы происходил существенный нагрев джоулевым теплом токоприемника.
На фиг. 1 показано схематическое изображение системы, генерирующей аэрозоль, согласно первому варианту осуществления. Система содержит устройство 100 и картридж 200. Устройство включает в себя основной корпус 101, содержащий литий-железо-фосфатную батарею 102 и управляющие электронные схемы 104. Основной корпус 101 также ограничивает полость 112, в которую помещается картридж 200. Устройство также содержит мундштучную часть 120, содержащую выпускное отверстие 124. В этом примере мундштучная часть соединена с основным корпусом 101 шарнирным соединением, но может использоваться любой тип соединения, такой как защелкивающееся или завинчивающееся соединение. Впускные отверстия 122 для воздуха ограничены между мундштучной частью 120 и основной частью 101, когда мундштучная часть находится в закрытом положении, как изображено на фиг. 1.
Внутри мундштучной части находится плоская спиральная индукционная катушка 110. Катушка 110 выполнена путем штампования или вырезания спиральной катушки из листа меди. Катушка 110 более подробно изображена на фиг. 3. Катушка 110 расположена между впускными отверстиями 122 для воздуха и выпускным отверстием 124 для воздуха, таким образом чтобы воздух, втянутый через впускные отверстия 122 к выпускному отверстию 124, проходил сквозь катушку.
Картридж 200 содержит корпус 204 картриджа, удерживающий капиллярный материал и заполненный жидким субстратом, образующим аэрозоль. Корпус 204 картриджа непроницаем для текучей среды, но содержит открытый конец, накрытый проницаемым токоприемным элементом 210. Картридж 200 более подробно изображен на фиг. 2. Токоприемный элемент в этом варианте осуществления содержит ферритовую сетку, содержащую ферритную сталь. Субстрат, образующий аэрозоль, может образовывать мениск в пустотах сетки.
Когда картридж 200 сцеплен с устройством и размещен в полости 112, токоприемный элемент 210 расположен рядом с плоской спиральной катушкой 110. Картридж 200 может включать в себя шпоночные элементы для того, чтобы обеспечить невозможность его введения в устройство вверх ногами.
При эксплуатации пользователь делает затяжку на мундштучной части 120 для втягивания воздуха сквозь впускные отверстия 122 для воздуха в мундштучную часть 120 и из выпускного отверстия 124 в рот пользователя. Устройство содержит датчик 106 затяжки в форме микрофона, являющийся частью управляющих электронных схем 104. Небольшой поток воздуха втягивается сквозь впускное отверстие 121 датчика мимо микрофона 106 и в мундштучную часть 120, когда пользователь делает затяжку на мундштучной части. При обнаружении затяжки управляющие электронные схемы подают высокочастотный колебательный ток в катушку 110. Это создает колебательное магнитное поле, как изображено пунктирными линиями на фиг. 1. Также включается светодиод 108 для обозначения включенного состояния устройства. Колебательное магнитное поле проходит сквозь токоприемный элемент, наводя вихревые токи в токоприемном элементе. Токоприемный элемент нагревается в результате нагрева джоулевым теплом и в результате потерь на гистерезис, достигая температуры, достаточной для испарения субстрата, образующего аэрозоль, вблизи токоприемного элемента. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, увлекается воздухом, текущим от впускных отверстий для воздуха к выпускному отверстию для воздуха, и охлаждается для образования аэрозоля внутри мундштучной части перед попаданием в рот пользователя. Управляющие электронные схемы подают колебательный ток в катушку в течение предопределенного периода, в этом примере - в течение пяти секунд, после обнаружения затяжки и затем выключают электрический ток до обнаружения новой затяжки.
Как видно, картридж имеет простую и надежную конструкцию, являющуюся недорогой для изготовления по сравнению с картриджами-распылителями, доступными на рынке. В этом варианте осуществления картридж имеет круглую цилиндрическую форму, и токоприемный элемент перекрывает круглый открытый конец корпуса картриджа. Тем не менее, возможны другие конфигурации. На фиг. 4 показан вид с торца альтернативной конструкции картриджа, в которой токоприемный элемент представляет собой полосу стальной сетки 220, перекрывающей прямоугольное отверстие в корпусе 204 картриджа.
На фиг. 5 изображен второй вариант осуществления. На фиг. 5 изображен лишь передний конец системы, поскольку могут использоваться те же батарея и управляющие электронные схемы, что и изображенные на фиг. 1, включая механизм обнаружения затяжек. На фиг. 5 плоская спиральная катушка 136 расположена в основной части 101 устройства в противоположном конце полости относительно мундштучной части 120, но система работает по существу таким же образом. Разделители 134 обеспечивают достаточное пространство для потока воздуха между катушкой 136 и токоприемным элементом 210. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, увлекается воздухом, текущим мимо токоприемника от впускного отверстия 132 к выпускному отверстию 124, В варианте осуществления, изображенном на фиг. 5, некоторая часть воздуха может течь от впускного отверстия 132 к выпускному отверстию 124, не проходя через токоприемный элемент. Этот прямой поток воздуха смешивается с паром в мундштучной части, ускоряя охлаждение и обеспечивая оптимальный размер капель в аэрозоле.
В варианте осуществления, изображенном на фиг. 5, картридж имеет такой же размер и форму, что и картридж на фиг. 1, и имеет такой же корпус и токоприемный элемент. Тем не менее, капиллярный материал внутри картриджа на фиг. 5 отличается от капиллярного материала на фиг. 1. Картридж на фиг. 5 содержит два разных капиллярных материала 202, 206. Диск первого капиллярного материала 206 расположен таким образом, чтобы соприкасаться с токоприемным элементом 210 при эксплуатации. Большее количество второго капиллярного материала 202 расположено на противоположной стороне первого капиллярного материала 206 относительно токоприемного элемента. Как первый капиллярный материал, так и второй капиллярный материал удерживают жидкий субстрат, образующий аэрозоль. Первый капиллярный материал 206, соприкасающийся с токоприемным элементом, имеет более высокую температуру теплового разложения (по меньшей мере 160°C или выше, такую как приблизительно 250°C), чем второй капиллярный материал 202. Первый капиллярный материал 206 эффективно выполняет функцию разделителя, отделяя нагревательный токоприемный элемент, который становится очень горячим при эксплуатации, от второго капиллярного материала 202 с тем, чтобы второй капиллярный материал не подвергался воздействию температур, превышающих его температуру теплового разложения. Перепад температур в первом капиллярном материале таков, что второй капиллярный материал подвергается воздействию температур ниже его температуры теплового разложения. Второй капиллярный материал 202 может быть выбран таким образом, чтобы обладать лучшими капиллярными свойствами, чем первый капиллярный материал 206, обладать способностью удерживать больше жидкости на единицу объема, чем первый капиллярный материал, и быть дешевле первого капиллярного материала. В этом примере первый капиллярный материал представляет собой теплостойкий элемент, такой как стекловолокно или элемент, содержащий стекловолокно, и второй капиллярный материал представляет собой полимер, такой как полиэтилен высокой плотности (HDPE), или полиэтилентерефталат (PET).
На фиг. 6 изображен третий вариант осуществления. На фиг. 6 изображен лишь передний конец системы, поскольку могут использоваться те же батарея и управляющие электронные схемы, что и изображенные на фиг. 1, включая механизм обнаружения затяжек. Третий вариант осуществления подобен второму варианту осуществления за исключением того, что используется винтовая катушка, окружающая картридж. На фиг. 6 винтовая катушка 138 расположена в основной части 101 устройства в противоположном конце полости относительно мундштучной части 120, вокруг токоприемника, когда картридж находится в рабочем положении. Система работает по существу таким же образом, что и во втором варианте осуществления. Разделители 134 обеспечивают достаточное пространство для потока воздуха между устройством и токоприемным элементом 210. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, увлекается воздухом, текущим мимо токоприемника от впускного отверстия 137 к выпускному отверстию 124 по каналу 135 для потока воздуха. Как и в варианте осуществления, изображенном на фиг. 5, некоторая часть воздуха может течь от впускного отверстия 137 к выпускному отверстию 124, не проходя через токоприемный элемент.
В варианте осуществления, изображенном на фиг. 6, картридж имеет такой же размер и форму, что и картридж на фиг. 1, и имеет такой же корпус и токоприемный элемент. Тем не менее, как и во втором варианте осуществления, изображенном на фиг. 5, картридж вставлен таким образом, чтобы токоприемник находился в основании полости в устройстве, максимально близко к батарее.
На фиг. 7 изображен четвертый вариант осуществления. На фиг. 7 изображен лишь передний конец системы, поскольку могут использоваться те же батарея и управляющие электронные схемы, что и изображенные на фиг. 1, включая механизм обнаружения затяжек. На фиг. 7 картридж 240 имеет форму куба и выполнен с двумя полосами токоприемного элемента 242 на противоположных боковых поверхностях картриджа. Картридж изображен отдельно на фиг. 8. Устройство содержит две плоские спиральные катушки 142, расположенные на противоположных сторонах полости таким образом, чтобы полосы токоприемного элемента 242 находились вблизи катушек 142, когда картридж размещен в полости. Катушки 142 имеют прямоугольную форму для того, чтобы соответствовать форме полос токоприемника, как изображено на фиг. 9. Каналы для потока воздуха расположены между катушками 142 и полосами токоприемника 242 таким образом, чтобы воздух их впускных отверстий 144 тек мимо полос токоприемника к выпускному отверстию 124, когда пользователь делает затяжку на мундштучной части 120.
Как и в варианте осуществления по фиг. 1, картридж содержит капиллярный материал и жидкий субстрат, образующий аэрозоль. Капиллярный материал расположен таким образом, чтобы передавать жидкий субстрат к полосам токоприемного элемента 242.
На фиг. 10 показано схематическое изображение пятого варианта осуществления. На фиг. 10 изображен лишь передний конец системы, поскольку могут использоваться те же батарея и управляющие электронные схемы, что и изображенные на фиг. 1, включая механизм обнаружения затяжек.
На фиг. 10 картридж 250 имеет цилиндрическую форму и выполнен с токоприемным элементом 252 в форме ленты, проходящим вокруг центральной части картриджа. Токоприемный элемент в форме ленты перекрывает отверстие, выполненное в жестком корпусе картриджа. Картридж изображен отдельно на фиг. 11. Устройство содержит винтовую катушку 152, расположенную вокруг полости таким образом, чтобы токоприемный элемент 252 находился внутри катушки 152, когда картридж размещен в полости. Катушка 152 изображена отдельно на фиг. 12. Каналы для потока воздуха расположены между катушкой 152 и токоприемником 252 таким образом, чтобы воздух их впускных отверстий 154 тек мимо полос токоприемника к выпускному отверстию 124, когда пользователь делает затяжку на мундштучной части 120.
При эксплуатации пользователь делает затяжку на мундштучной части 120 для втягивания воздуха сквозь впускные отверстия 154 для воздуха мимо токоприемного элемента 262, в мундштучную часть 120 и из выпускного отверстия 124 в рот пользователя. При обнаружении затяжки управляющие электронные схемы подают высокочастотный колебательный ток в катушку 152. Это создает колебательное магнитное поле. Колебательное магнитное поле проходит сквозь токоприемный элемент, наводя вихревые токи в токоприемном элементе. Токоприемный элемент нагревается в результате нагрева джоулевым теплом и в результате потерь на гистерезис, достигая температуры, достаточной для испарения субстрата, образующего аэрозоль, вблизи токоприемного элемента. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, проходит сквозь токоприемный элемент и увлекается воздухом, текущим от впускных отверстий для воздуха к выпускному отверстию для воздуха, и охлаждается для образования аэрозоля внутри канала и мундштучной части перед попаданием в рот пользователя.
На фиг. 13 изображен шестой вариант осуществления. На фиг. 13 изображен лишь передний конец системы, поскольку могут использоваться те же батарея и управляющие электронные схемы, что и изображенные на фиг. 1, включая механизм обнаружения затяжек. Устройство по фиг. 13 имеет конструкцию, подобную конструкции устройства по фиг. 7, с плоскими спиральными катушками, расположенными в боковой стенке корпуса, окружающей полость, в которой размещается картридж. Однако картридж имеет другую конфигурацию. Картридж 260 по фиг. 13 имеет полую цилиндрическую форму, подобную форме картриджа, изображенного на фиг. 10. Картридж содержит капиллярный материал и заполнен жидким субстратом, образующим аэрозоль. Внутренняя поверхность картриджа 260, т.е. поверхность, окружающая внутренний канал 166, содержит проницаемый для текучей среды токоприемный элемент, в этом примере - ферритовую сетку. Ферритовая сетка может покрывать всю внутреннюю поверхность картриджа или лишь часть внутренней поверхности картриджа.
При эксплуатации, пользователь делает затяжку на мундштучной части 120 для втягивания воздуха сквозь впускные отверстия 164 для воздуха сквозь центральный канал картриджа, мимо токоприемного элемента 262, в мундштучную часть 120 и из выпускного отверстия 124 в рот пользователя. При обнаружении затяжки управляющие электронные схемы подают высокочастотный колебательный ток в катушки 162. Это создает колебательное магнитное поле. Колебательное магнитное поле проходит сквозь токоприемный элемент, наводя вихревые токи в токоприемном элементе. Токоприемный элемент нагревается в результате нагрева джоулевым теплом и в результате потерь на гистерезис, достигая температуры, достаточной для испарения субстрата, образующего аэрозоль, вблизи токоприемного элемента. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, проходит сквозь токоприемный элемент и увлекается воздухом, текущим от впускных отверстий для воздуха к выпускному отверстию для воздуха, и охлаждается для образования аэрозоля внутри канала и мундштучной части перед попаданием в рот пользователя.
На фиг. 14 изображен седьмой вариант осуществления. На фиг. 14 изображен лишь передний конец системы, поскольку могут использоваться те же батарея и управляющие электронные схемы, что и изображенные на фиг. 1, включая механизм обнаружения затяжек. Картридж 270, изображенный на фиг. 14, идентичен картриджу, изображенному на фиг. 13. Тем не менее, устройство по фиг. 14 имеет другую конфигурацию, включающую в себя индукционную катушку 172 на опорной пластине 176, проходящей в центральный канал картриджа, для создания колебательного магнитного поля вблизи токоприемного элемента 272.
Coil
Load
Все описанные варианты осуществления могут управляться по существу одной и той же электронной схемой 104. На фиг. 15A изображен первый пример схемы, используемой для подачи высокочастотного колебательного тока к индукционной катушке, используя усилитель мощности класса E. Как видно на фиг. 15A, схема включает в себя усилитель мощности класса E, включающий в себя транзисторный переключатель 1100, содержащий полевой транзистор (FET) 1110, например полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), схему питания транзисторного переключателя, обозначенную стрелкой 1120, для подачи сигнала переключения (напряжение затвор-исток) в FET 1110, и индуктивно-емкостную сеть 1130 нагрузки, содержащую шунтирующий конденсатор C1 и последовательное соединение конденсатора C2 и индукционной катушки L2. Источник постоянного тока, содержащий батарею 101, включает в себя дроссель L1 и подает напряжение источника постоянного тока. На фиг. 16A также изображено омическое сопротивление R, представляющее собой общую омическую нагрузку 1140, которая является суммой омического сопротивления R индукционной катушки, обозначенной как L2, и омического сопротивления R токоприемного элемента.
Из-за очень малого количества компонентов можно поддерживать чрезвычайно маленький объем электронных схем источника питания. Этот чрезвычайно маленький объем электронных схем источника питания возможен благодаря индуктору L2 индуктивно-емкостной сети 1130 нагрузки, непосредственно используемого в качестве индуктора для индуктивной связи с токоприемным элементом, и этот маленький объем позволяет сохранять небольшие общие размеры всего устройства для индукционного нагрева.
Хотя общий принцип работы усилителя мощности класса E известен и подробно описан в ранее упомянутой статье "Усилители радиочастотной мощности класса E", за авторством Nathan O. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск Январь/Февраль 2001 г., страницы 9-20, Американской лиги радиолюбителей (ARRL), г. Невингтон, Коннектикут, США, некоторые общие принципы будут описаны далее.
Предположим, что схема 1120 питания транзисторного переключателя подает напряжение переключения (напряжение затвор-исток полевого транзистора FET), имеющее прямоугольный профиль, в FET 1110. Пока FET 1321 является проводящим (во включенном состоянии), он по существу составляет цепь короткого замыкания (с малым сопротивлением) и весь электрический ток течет через дроссель L1 и FET 1110. Когда FET 1110 является не проводящим (в выключенном состоянии), весь электрический ток течет в индуктивно-емкостную сеть нагрузки, поскольку FET 1110 по существу представляет собой разомкнутую цепь (с большим сопротивлением). Переключение транзистора между этими двумя состояниями осуществляет обратное преобразование подаваемого постоянного напряжения и постоянного тока в переменное напряжение и переменный ток.
Для эффективного нагрева токоприемного элемента, необходимо передавать максимальное количество подаваемой энергии постоянного тока в форме энергии переменного тока в индуктор L2 и впоследствии в токоприемный элемент, индуктивно связанный с индуктором L2. Энергия, рассеиваемая в токоприемном элементе (потери на вихревые токи, потери на гистерезис), генерирует тепло в токоприемном элементе, как подробно описано выше. Другими словами, рассеивание энергии в FET 1110 должно быть сведено к минимуму, при этом рассеивание энергии в токоприемном элементе должно быть увеличено до максимума.
Рассеивание энергии в FET 1110 в течение одного периода переменного напряжения/тока является произведением напряжения и тока транзистора в каждой временной точке в течение периода переменного напряжения/тока, интегрированным по этому периоду и усредненным по этому периоду. Поскольку FET 1110 должен поддерживать высокое напряжение на протяжении части этого периода и проводить сильный электрический ток на протяжении части этого периода, следует избегать одновременного наличия высокого напряжения и сильного электрического тока, поскольку это приведет к существенному рассеиванию энергии в FET 1110. Во включенном состоянии FET 1110, напряжение транзистора близко к нулевому, когда сильный электрический ток течет сквозь FET. В выключенном состоянии FET 1110, напряжение транзистора является высоким, но электрический ток, проходящий сквозь FET 1110, близок к нулевому.
o
Переходы при переключениях неизбежно также длятся в течение некоторых долей периода. Тем не менее, произведения высокого напряжения-электрического тока, представляющего большую потерю энергии в FET 1110, можно избежать с помощью следующих дополнительных мер. Во-первых, повышение напряжения транзистора откладывается до тех пор, пока электрический ток, проходящий сквозь транзистор, не будет уменьшен до нуля. Во-вторых, напряжение транзистора возвращается к нулевому значению перед тем, как электрический ток, проходящий сквозь транзистор, начинает повышаться. Это достигается благодаря сети 1130 нагрузки, содержащей шунтирующий конденсатор C1 и последовательное соединение конденсатора C2 и индуктора L2, при этом эта сеть нагрузки представляет собой сеть между FET 1110 и нагрузкой 1140. В-третьих, напряжение транзистора во время включения практически равно нулю (для биполярного плоскостного транзистора "BJT" оно является напряжением смещения насыщения V). Включающийся транзистор не разряжает заряженный шунтирующий конденсатор C1, тем самым избегая рассеивания накопленной энергии шунтирующего конденсатора. В-четвертых, крутизна напряжения транзистора равна нулю во время включения. Затем электрический ток, введенный во включающийся транзистор сетью нагрузки, плавно повышается от нуля с управляемой умеренной скоростью, что приводит к низкому рассеиванию энергии, в то время как проводимость транзистора возрастает от нуля во время перехода включения. В результате напряжение транзистора и электрический ток никогда не являются высокими одновременно. Переходы при переключениях напряжения и электрического тока смещены по времени относительно друг друга. Величины для L1, C1 и C2 могут быть выбраны таким образом чтобы максимально увеличить эффективное рассеивание энергии в токоприемном элементе.
Хотя усилитель мощности класса E является предпочтительным для большинства систем согласно изобретению, также возможно использовать другие архитектуры схем. На фиг. 15B изображен второй пример схемы, используемой для подачи высокочастотного колебательного тока к индукционной катушке, используя усилитель мощности класса D. Схема по фиг. 15B содержит батарею 101, присоединенную к двум транзисторам 1210, 1212. Два переключающих элемента 1220, 1222 предоставлены для включения и выключения транзисторов 1210, 1212. Переключатели управляются с высокой частотой таким образом, чтобы обеспечить выключенное состояние одного из двух транзисторов 1210, 1212, в то время, как другой из двух транзисторов включен. Индукционная катушка снова обозначена как L2, и объединенное омическое сопротивление катушки и токоприемного элемента обозначено как R. Величины C1 и C2 могут быть выбраны таким образом чтобы максимально увеличить эффективное рассеивание энергии в токоприемном элементе.
Токоприемный элемент может быть изготовлен из материала или сочетания материалов, обладающих температурой Кюри, близкой к желаемой температуре, до которой должен нагреваться токоприемный элемент. Как только температура токоприемного элемента превышает эту температуру Кюри, материал заменяет свои ферромагнитные свойства парамагнитными свойствами. Соответственно, рассеивание энергии в токоприемном элементе существенно уменьшено, поскольку потери на гистерезис материала, обладающего парамагнитными свойствами, значительно меньше потерь на гистерезис материала, обладающего ферромагнитными свойствами. Это уменьшенное рассеивание энергии в токоприемном элементе может быть обнаружено и, например, вырабатывание переменного тока преобразователем переменного тока в постоянный затем может быть прервано до тех пор, пока токоприемный элемент снова не остынет ниже температуры Кюри и не восстановит свои ферромагнитные свойства. Вырабатывание переменного тока преобразователем постоянного тока в переменный затем может быть снова возобновлено.
Другие конструкции картриджа, содержащие токоприемный элемент согласно данному изобретению, могут быть предусмотрены специалистом в данной области. Например, картридж может включать в себя мундштучную часть и может иметь любую желаемую форму. Кроме этого, размещение катушки и токоприемника согласно изобретению может использоваться в системах других типов, отличающихся от уже описанных, таких как увлажнители, освежители воздуха и другие системы, генерирующие аэрозоль.
Приведенные в качестве примера варианты осуществления, описанные выше, представлены для пояснения, а не ограничения. Ввиду вышеописанных приведенных в качестве примера вариантов осуществления другие варианты осуществления, соответствующие вышеуказанным приведенным в качестве примера вариантам осуществления, будут понятны специалисту в данной области техники.