СИСТЕМА, ГЕНЕРИРУЮЩАЯ АЭРОЗОЛЬ, СОДЕРЖАЩАЯ КАРТРИДЖ С ВНУТРЕННИМ КАНАЛОМ ДЛЯ ПОТОКА ВОЗДУХА
AEROSOL GENERATING SYSTEM CONTAINING CARTRIDGE WITH INNER CHANNEL FOR AIRFLOW

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 (см., например, публикацию CN 103689812 А).
Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, расходуется 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 электронагреваемой системе, генерирующей аэрозоль, при этом электронагреваемая система, генерирующая аэрозоль, содержит устройство, генерирующее аэрозоль, картридж, выполненный с возможностью использования с устройством, при этом устройство содержит корпус устройства; индукционную катушку, расположенную в корпусе устройства, и источник питания, соединенный с индукционной катушкой и выполненный с возможностью подачи высокочастотного колебательного тока в индукционную катушку; картридж содержит корпус картриджа, содержащий субстрат, образующий аэрозоль, при этом корпус имеет внутреннюю поверхность, окружающую внутренний канал, через который может течь воздух; и токоприемный элемент, установленный для нагрева субстрата, образующего аэрозоль.
Преимущественно, по меньшей мере часть внутренней поверхности корпуса является проницаемой для текучей среды. Используемый здесь термин «проницаемый для жидкости» элемент означает элемент, через который может проходить жидкость или газ. Корпус может иметь множество отверстий, выполненных в нем для возможности прохождения через него текучей среды. В частности, корпус позволяет субстрату, образующему аэрозоль, либо в газовой фазе, либо, как в газовой, так и в жидкой фазе, проникать через него.
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. Если токоприемный элемент является ферромагнитным, потери на гистерезис в токоприемном элементе также могут генерировать тепло. 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 3 0 МГц, предпочтительно от 1 до 10 МГц и более предпочтительно от 5 до 7 МГц.
Обеспечение внутреннего прохода внутри картриджа для потока воздуха позволяет сделать систему компактной. Это также позволяет сделать систему симметричной и сбалансированной, что является преимущественным, когда система представляет собой удерживаемую рукой систему. Внутренний канал для потока воздуха также минимизирует потери тепла из устройства и позволяет легко поддерживать температуру устройства и картриджа такой, при которой их комфортно удерживать. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль в потоке воздуха может охлаждаться внутри внутреннего канала и образовывать аэрозоль.
Субстрат, образующий аэрозоль может удерживаться в кольцевом пространстве, окружающем внутренний канал. Картридж может иметь в целом цилиндрическую форму и может иметь любое желаемое поперечное сечение, такое как круглое, шестиугольное, восьмиугольное или десятиугольное.
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. Возможные материалы для токоприемных элементов включают графит, молибден, карбид кремния, нержавеющую сталь, ниобий, алюминий и, в сущности, любые другие проводящие элементы. 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. Токоприемный элемент может содержать, например, сетку, плоскую спиральную катушку, волокна или ткань.
Преимущественно, токоприемный элемент контактирует с субстратом, образующим аэрозоль. Токоприемный элемент может образовывать всю внутреннюю поверхность или ее часть. Токоприемный элемент может преимущественно быть проницаемым для текучей среды.
Токоприемный элемент может быть выполнен в виде листа, проходящего через отверстие в корпусе картриджа. Токоприемный элемент может проходить вокруг внутреннего или наружного периметра корпуса картриджа.
В альтернативном варианте токоприемный элемент может содержать капиллярный фитиль, который проходит через внутренний канал картриджа. Фитиль может содержать множество волокон.
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.
Большая часть корпуса картриджа предпочтительно представляет собой жесткий корпус, содержащий материал, непроницаемый для жидкости. В данном контексте «жесткий корпус» означает самонесущий корпус.
Субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Эти летучие соединения могут высвобождаться в результате нагрева образующего аэрозоль субстрата. 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 ароматические соединения табака, которые высвобождаются из образующего аэрозоль субстрата при нагреве. Субстрат, образующий аэрозоль, в качестве альтернативы может содержать материал, не содержащий табака. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный табачный 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 образующие аэрозоль вещества хорошо известны из уровня техники и включают, но 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 тонкими каналами. Волокна или нити могут быть, в целом, выровнены для передачи жидкости на нагреватель. В качестве альтернативы, капиллярный материал может содержать губкообразный или пенообразный материал. Структура капиллярного материала образует множество небольших каналов или трубок, через которые может транспортироваться жидкость за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может содержать любой подходящий материал или сочетание 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 для использования его с жидкостями с разными физическими свойствами. Жидкость имеет физические свойства, включая, без ограничения, вязкость, поверхностное натяжение, плотность, теплопроводность, температуру 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 приводится электронагреваемая система, генерирующая аэрозоль, содержащая устройство, генерирующее аэрозоль, и картридж, выполненный согласно первому аспекту, при этом устройство содержит:
корпус устройства;
индукционную катушку, размещенную в корпусе устройства; и
источник питания, соединенный с индукционной катушкой и выполненный с возможностью подачи высокочастотного колебательного тока в индукционную катушку; при этом, при использовании, магнитное поле, генерируемое индукционной катушкой, вызывает генерирование тепла в токоприемном материале в картридже.
Между индукционной катушкой и токоприемным элементом может быть предусмотрен канал для потока воздуха, когда корпус картриджа сцеплен с корпусом устройства. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, может увлекаться воздухом, текущим в канале для воздушного потока, который впоследствии охлаждается для образования аэрозоля.
Корпус устройства может образовывать полость для размещения по меньшей мере части картриджа, когда корпус устройства сцеплен с корпусом картриджа, при этом индукционная катушка располагается внутри, вокруг или рядом с полостью. Индукционная катушка может быть расположена снаружи картриджа, когда картридж размещен в полости. Индукционная катушка может окружать картридж, когда картридж размещен в полости. 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 канале, когда корпус картриджа сцеплен с корпусом устройства.
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
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, при этом 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 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 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 Е.
Система преимущественно содержит источник питания, как правило, батарею, такую как литий-железо-фосфатная батарея, внутри главной части корпуса. В качестве альтернативы, источник питания может представлять собой устройство накопления заряда другого типа, такое как конденсатор. Источник питания может требовать перезарядки и может обладать емкостью, позволяющей накапливать достаточно энергии для одного или нескольких сеансов 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 традиционной 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. Образующая аэрозоль система может иметь размер, сопоставимый с размером обычной сигары или сигареты. Курительная система может иметь общую длину от примерно 30 мм до примерно 150 мм. Курительная система может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 30 мм.
Таким образом, согласно объекту настоящего изобретения создана электронагреваемая система, генерирующая аэрозоль и содержащая устройство, генерирующее аэрозоль, и картридж, выполненный с возможностью использования с упомянутым устройством, при этом устройство содержит корпус устройства, образующий полость для размещения по меньшей мере части картриджа; индукционную катушку, расположенную в корпусе устройства вокруг или рядом с полостью и расположенную снаружи картриджа, когда картридж размещен в полости; и источник питания, соединенный с индукционной катушкой и выполненный с возможностью подачи высокочастотного колебательного тока в индукционную катушку; причем картридж содержит корпус картриджа, содержащий субстрат, образующий аэрозоль, при этом корпус картриджа имеет внутреннюю поверхность, окружающую внутренний канал, выполненный с возможностью обеспечения потока воздуха через него; токоприемный элемент, установленный для нагрева субстрата, образующего аэрозоль; и капиллярный материал; при этом субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой жидкий субстрат, удерживаемый в капиллярном материале, причем, при использовании, магнитное поле, генерируемое индукционной катушкой, вызывает генерирование тепла в токоприемном элементе в картридже.
Предпочтительно, токоприемный элемент содержит сетку, плоскую спиральную катушку, внутреннюю фольгу, волокна, ткань или стержень.
Предпочтительно, капиллярный материал имеет волокнистую или губчатую структуру.
Предпочтительно, капиллярный материал выполнен с возможностью передачи субстрата, образующего аэрозоль, в токоприемный элемент.
Предпочтительно, токоприемный элемент содержит сетку, и капиллярный материал выполнен с возможностью прохождения в пустоты в токоприемном элементе.
Предпочтительно, капиллярный материал проходит через внутренний канал.
Предпочтительно, токоприемный элемент образует всю внутреннюю поверхность или ее часть.
Предпочтительно, токоприемный элемент является проницаемым для текучей среды.
Предпочтительно, токоприемный элемент выполнен в виде листа, который проходит через отверстие в корпусе картриджа.
Предпочтительно, корпус картриджа содержит материал, непроницаемый для жидкости.
Предпочтительно, материал, непроницаемый для жидкости, образует жесткий корпус картриджа.
Предпочтительно, по меньшей мере часть внутренней поверхности корпуса позволяет субстрату, образующему аэрозоль, либо в газовой фазе, либо, как в газовой, так и в жидкой фазе, проникать через него во внутренний канал.
Предпочтительно, часть внутренней поверхности корпуса, которая позволяет субстрату, образующему аэрозоль, проникать через него во внутренний канал, образована токоприемным элементом.
Предпочтительно, токоприемный элемент выполнен с возможностью обеспечения прохождения испаренного субстрата, образующего аэрозоль, через него для последующего охлаждения в потоке воздуха внутри внутреннего канала.
Предпочтительно, токоприемный элемент содержит первый материал и второй материал, причем первый материал имеет температуру Кюри, большую чем второй материал.
Предпочтительно, температура Кюри первого материала превышает максимальную температуру, до которой должен быть нагрет токоприемный элемент; а температура Кюри второго материала соответствует максимальной температуре, до которой должен быть нагрет токоприемник.
Предпочтительно, корпус картриджа имеет полую цилиндрическую форму.
Предпочтительно, субстрат, образующий аэрозоль, удерживается в пространстве, окружающем внутренний канал.
Предпочтительно, индукционная катушка окружает картридж, когда картридж размещен в полости.
Предпочтительно, электронагреваемая система, генерирующая аэрозоль, представляет собой удерживаемую рукой курительную систему.
Предпочтительно, электронагреваемая система, генерирующая аэрозоль, дополнительно содержит мундштучную часть.
Предпочтительно, мундштучную часть содержит корпус устройства.
Предпочтительно, индукционная катушка находится в мундштуке.
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 чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематическое изображение первого варианта осуществления системы, генерирующей аэрозоль, использующего плоскую спиральную индукционную катушку;
фиг. 2 - картридж с фиг. 1;
фиг. 3 - индукционная катушка с фиг. 1;
фиг. 4 - схематическое изображение второго варианта осуществления;
фиг. 5 - схематическое изображение третьего варианта осуществления;
фиг. 6 - вид с торца картриджа, показанного на фиг. 5;
фиг. 7 - индукционная катушка и сердечник, изображенные на фиг. 5;
фиг. 8А - первый пример управляющей схемы для генерирования высокочастотного сигнала для индукционной катушки; и
фиг. 8В - второй пример управляющей схемы для генерирования высокочастотного сигнала для индукционной катушки.
Все варианты осуществления, изображенные на фигурах, 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 фигурах, токоприемный элемент используется в качестве нагреваемого проводящего изделия и субстрат, образующий аэрозоль, затем нагревается токоприемным элементом посредством теплопроводности, конвекции и/или излучения. Если используется ферромагнитный токоприемный элемент, тепло также может вырабатываться вследствие потерь на гистерезис при переключениях 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 образованы между мундштучной частью 120 и основной частью 101, когда мундштучная часть находится в закрытом положении, как изображено на фиг. 1.
Внутри корпуса устройства, в боковых стенках полости 112, размещены плоские спиральные индукционные катушки 110. Катушки 110 выполнены путем штампования или вырезания спиральной катушки из листа меди. Одна из катушек 110 более подробно изображена на фиг. 3. Если корпус устройства имеет в целом круглое поперечное сечение, катушки 110 могут быть выполнены такой формы, чтобы криволинейной форме корпуса устройства. Катушки 110 расположены с обеих сторон полости и создают магнитное поле, которое проходит внутрь полости.
Картридж 200 содержит корпус 204 картриджа, удерживающий капиллярный материал и заполненный жидким субстратом, образующим аэрозоль. Картридж 260, изображенный на фиг. 1, имеет полую цилиндрическую форму, как более ясно показано на фиг. 2. Корпус 204 картриджа в основном непроницаем для жидкости. Внутренняя поверхность 212 картриджа 200, т.е. поверхность, окружающая внутренний канал 216, содержит проницаемый для текучей среды токоприемный элемент 210, в этом примере - ферритовую сетку. Ферритовая сетка может покрывать всю внутреннюю поверхность картриджа или лишь часть внутренней поверхности картриджа, как показано на фиг. 1. Субстрат, образующий аэрозоль, может образовывать мениск в пустотах сетки. Другим вариантом для токоприемника является графитовая ткань, имеющая структуру с открытыми ячейками.
Когда картридж 200 сцеплен с устройством и размещен в полости 112, токоприемный элемент 210 расположен внутри магнитного поля, генерируемого плоскими спиральными катушками 110. Картридж 200 может включать в себя ключевые элементы для того, чтобы исключить возможность его неправильного введения.
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 110. 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 в токоприемном элементе, 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, через внутренний канал 216, 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. Использование полого картриджа позволяет уменьшить общую длину для системы, так как пар охлаждается внутри полого пространства, образованного картриджем.
На фиг. 4 изображен второй вариант осуществления. На фиг. 4 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 200, изображенный на фиг. 4, идентичен картриджу, изображенному на фиг. 1. Тем не менее, устройство по фиг. 4 имеет другую конфигурацию, включающую в себя плоскую спиральную индукционную катушку 132 на опорной пластине 136, проходящей в центральный канал 216 картриджа, для генерирования колебательного магнитного поля вблизи токоприемного элемента 210. Работа согласно варианту осуществления, изображенному на фиг. 4, является такой же, как работа, изображенная на фиг. 1.
На фиг. 5 изображен третий 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.
Устройство, изображенное на фиг. 5, является подобным устройству, изображенному на фиг. 1, в том, что корпус 150 устройства образует полость, в которой размещается картридж 250. Устройство также содержит мундштучную часть 120, содержащую выпускное отверстие 124. Мундштучная часть соединена с основным корпусом 101 с помощью шарнирного соединения, как на фиг. 1. В основной части 150 образованы впускные отверстия 154 для воздуха. В основании полости расположена спиральная катушка 152, намотанная вокруг С-образного ферритового сердечника 153. С-образный ферритовый сердечник ориентирован так, чтобы магнитное поле, генерируемое катушкой 152, проходило в полость. На фиг. 7 отдельно изображен сердечник и катушка в сборе, при этом картина магнитного поля изображена пунктирной линией.
Картридж, изображенный на фиг. 5, показан на фиг. 6 на виде с торца. Корпус 250 картриджа имеет цилиндрическую форму с центральным каналом 256, проходящим через него, как на фиг. 1 и 2. Субстрат, образующий аэрозоль, удерживается в кольцевом пространстве, окружающем центральный канал, и, как и раньше, может удерживаться в капиллярном элементе внутри корпуса 250. Капиллярный фитиль 252 расположен на одном конце картриджа, заполняя центральный канал 256. Капиллярный фитиль 252 выполнен из ферритовых волокон и выполняет функцию как фитиля для субстрата, образующего аэрозоль, так и токоприемника, который индукционно нагревается катушкой 152.
При эксплуатации субстрат, образующий аэрозоль, втягивается в ферритовый фитиль 252. При обнаружении затяжки включается катушка 152 и создается колебательное магнитное поле. Изменение магнитного потока через фитиль индуцирует вихревые токи в фитиле и потери на гистерезис, вызывающие его нагрев с испарением субстрата, образующего аэрозоль, в фитиле. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, вовлекается в воздух, протягиваемый через систему от впускных отверстий 154 для воздуха до выпускного отверстия 124 для воздуха вследствие осуществления пользователем затяжек на мундштучной части. Воздух течет через внутренний канал 256, который выполняет роль камеры для образования аэрозоля, охлаждающей воздух и пар при его прохождении к выпускному отверстию 124.
Coil
Load
Все описанные варианты осуществления могут управляться по существу одной и той же электронной схемой 104. На фиг. 8А изображен первый пример схемы, используемой для подачи высокочастотного колебательного тока к индукционной катушке с использованием усилителя мощности класса Е. Как видно на фиг. 8А, схема включает в себя усилитель мощности класса Е, 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 С1 и последовательное соединение конденсатора С2 и индукционной катушки L2. Источник постоянного тока, содержащий батарею 101, включает в себя дроссель L1 и подает напряжение источника постоянного тока. На фиг. 16А 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 используемому 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 Е известен и подробно описан в уже упоминавшейся статье "Class-E RF Power Amplifiers", автор Nathan О. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск за январь/февраль 2001 г., стр. 9-20, издание American Radio Relay League (ARRL), г. Невингтон, Коннектикут, США, некоторые общие принципы будут пояснены 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 приводит к инвертированию подаваемого напряжения постоянного тока и постоянного тока в напряжение переменного тока и переменный ток, соответственно.
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
Неизбежны также переходные процессы при переключении, длящиеся в течение некоторой части 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, задерживают повышение напряжения транзистора до тех пор, пока ток, протекающий через транзистор, не уменьшится до нуля. Во-вторых, обеспечивают возврат напряжения транзистора к нулю до того, как начнется повышение тока, протекающего через транзистор. Это достигается благодаря сети 1130 нагрузки, содержащей шунтирующий конденсатор С1 и последовательное соединение конденсатора С2 и индуктора L2, при этом эта сеть нагрузки представляет собой сеть между FET 1110 и нагрузкой 1140. В-третьих, обеспечивают, чтобы напряжение транзистора во время отпирания было практически равно нулю (для биполярного плоскостного транзистора «BJT» оно представляет собой напряжение V смещения при насыщении). Отпирающийся транзистор не разряжает заряженный шунтирующий конденсатор С1, тем самым предотвращая рассеяние энергии, накопленной в шунтирующем конденсаторе. В-четвертых, обеспечивают, чтобы крутизна напряжения транзистора была равна нулю во время отпирания. Затем электрический ток, вводимый в отпирающийся транзистор посредством сети нагрузки, плавно повышают с нуля с регулируемой умеренной скоростью, что приводит к низкому рассеянию мощности в то время, когда проводимость транзистора повышается с нуля во время переходного процесса при отпирании. В результате, напряжение на транзисторе и ток через него никогда не будут высокими одновременно. Переходные процессы при переключении напряжения и тока смещены по времени относительно друг друга. Величины для L1, С1 и С2 могут быть выбраны таким образом, чтобы максимально увеличить эффективное рассеивание энергии в токоприемном элементе.
Хотя усилитель мощности класса Е является предпочтительным для большинства систем согласно изобретению, также возможно использовать другие архитектуры схем. На фиг. 8В изображен второй пример схемы, используемой для подачи высокочастотного колебательного тока к индукционной катушке, используя усилитель мощности класса D. Схема по фиг. 8В 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 С1 и С2 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. Затем генерирование мощности переменного тока инвертором для преобразования постоянного тока в переменный ток может быть вновь 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.
Вышеописанные примерные варианты являются иллюстративными, а не ограничительными. Благодаря рассмотренным выше примерным вариантам, другие варианты, соответствующие вышеописанным примерным вариантам, также должны быть понятны специалистам с обычной квалификацией в данной области техники.