ИНДУКЦИОННОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, СИСТЕМА ПОДАЧИ АЭРОЗОЛЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ИНДУКЦИОННОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
INDUCTIVE HEATING DEVICE, AEROSOL-DELIVERY SYSTEM COMPRISING AN INDUCTIVE HEATING DEVICE, AND METHOD OF OPERATING SAME

Настоящее изобретение относится к индукционному нагревательному устройству для нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Настоящее изобретение также относится к системе подачи аэрозоля, содержащей такое индукционное нагревательное устройство. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу эксплуатации такой системы подачи аэрозоля.
В известном уровне техники существуют системы подачи аэрозоля, содержащие субстрат, образующий аэрозоль, обычно табакосодержащий штранг. Для нагревания табачного штранга до температуры, при которой он способен выделять летучие компоненты, способные образовывать аэрозоль, нагревательный элемент, такой как нагревательная пластина (обычно изготовленная из металла), вставлен в табачный штранг. Температура нагревательной пластины, непосредственно соприкасающейся с субстратом, образующим аэрозоль, (табачным штрангом) определена как представляющая собой температуру субстрата, образующего аэрозоль. Температура нагревательной пластины рассчитывается с помощью известной зависимости между омическим сопротивлением нагревательной пластины и температурой нагревательной пластины. Следовательно, при нагревании, температуру нагревательной пластины можно определить в любое время в ходе сеанса курения посредством отслеживания омического сопротивления нагревательной пластины (например, посредством измерений напряжения и силы тока). Благодаря возможности определения температуры в любое время в ходе сеанса курения, также возможно определять, когда пользователь делает затяжку в ходе сеанса курения, поскольку во время затяжки холодный воздух течет поверх резистивно нагреваемой пластины, что приводит к временному снижению температуры пластины, которое может быть обнаружено.
Другие системы подачи аэрозоля содержат индукционное нагревательное устройство вместо нагревательной пластины. Индукционное нагревательное устройство содержит индуктор, расположенный в тепловой близости от субстрата, образующего аэрозоль, и субстрат, образующий аэрозоль, содержит токоприемник. Переменное магнитное поле индуктора создает вихревые токи и потери на гистерезис в токоприемнике, заставляя токоприемник нагревать субстрат, образующий аэрозоль, до температуры, при которой он способен выделять летучие компоненты, способные образовывать аэрозоль. Поскольку нагревание токоприемника осуществляется бесконтактным образом, не существует прямого способа измерения температуры субстрата, образующего аэрозоль. По этой причине также сложно определить, когда пользователь делает затяжку в ходе сеанса курения.
Тем не менее, также было бы желательно иметь возможность определения выполнения затяжки в ходе сеанса курения, когда субстрат, образующий аэрозоль, индуктивно нагревается. Таким образом, существует потребность в индукционном нагревательном устройстве для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, позволяющем определять выполнение затяжки. Также существует потребность в системе подачи аэрозоля, содержащей измерение температуры субстрата, образующего аэрозоль.
Изобретение предполагает индукционное нагревательное устройство для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, содержащее токоприемник. Индукционное нагревательное устройство согласно изобретению содержит:
- корпус устройства
- источник питания постоянного тока, который при работе обеспечивает напряжение постоянного тока и силу постоянного тока,
- электронные схемы подачи питания, выполненные с возможностью работы на высокой частоте, при этом электронные схемы подачи питания содержат преобразователь постоянного тока в переменный, подключенный к источнику питания постоянного тока, при этом преобразователь постоянного тока в переменный содержит индуктивно-емкостную сеть нагрузки, выполненную с возможностью работы при низкоомной нагрузке, при этом индуктивно-емкостная сеть нагрузки содержит последовательное соединение конденсатора и индуктора, обладающего омическим сопротивлением,
- полость, расположенную в корпусе устройства, при этом полость имеет внутреннюю поверхность, форма которой позволяет размещать по меньшей мере часть субстрата, образующего аэрозоль, при этом полость расположена таким образом, чтобы при размещении части субстрата, образующего аэрозоль, в полости, индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки индуктивно соединялся с токоприемником субстрата, образующего аэрозоль, при эксплуатации.
Электронные схемы подачи питания дополнительно содержат микроконтроллер, запрограммированный на то, чтобы при эксплуатации определять по напряжению постоянного тока источника питания постоянного тока и по силе постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока, кажущееся омическое сопротивление, дополнительно запрограммирован на то, чтобы при эксплуатации определять по кажущемуся омическому сопротивлению температуру токоприемника субстрата, образующего аэрозоль. Микроконтроллер дополнительно запрограммирован на отслеживание изменений кажущегося омического сопротивления и на обнаружение затяжки при определении уменьшения кажущегося омического сопротивления, которое характерно для снижения температуры токоприемника при вдыхании пользователем.
Субстрат, образующий аэрозоль, предпочтительно является субстратом, способным высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Летучие соединения высвобождаются путем нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть твердым или жидким или содержать как твердые, так и жидкие компоненты. В одном из предпочтительных вариантов осуществления субстрат, образующий аэрозоль, является твердым.
Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать никотин. Никотиносодержащий субстрат, образующий аэрозоль, может являться матрицей соли никотина. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табак и, предпочтительно, табакосодержащий материал содержит летучие соединения со вкусом и ароматом табака, которые высвобождаются из субстрата, образующего аэрозоль, при нагревании.
Субстрат, образующий аэрозоль может содержать гомогенизированный табачный материал. Гомогенизированный табачный материал может быть образован путем агломерирования частиц табака. При наличии, гомогенизированный табачный материал может обладать содержанием вещества для образования аэрозоля, равным или превышающим 5% на основании сухого веса, и предпочтительно от более 5% до 30% по весу на основании сухого веса.
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 по меньшей мере одно вещество для образования аэрозоля. Вещество для образования аэрозоля может являться любым подходящим известным соединением или смесью соединений, которые при использовании способствуют образованию плотного и устойчивого аэрозоля и которые при рабочей температуре устройства, генерирующего аэрозоль, по существу обладают стойкостью 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. Особенно 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, предпочтительно содержит никотин и по меньшей мере одно вещество для образования аэрозоля. В особенно предпочтительном варианте осуществления вещество для образования аэрозоля является глицерином.
Источник питания постоянного тока обычно может содержать любой подходящий источник питания постоянного тока, содержащий, в частности, блок питания, подключаемый к электросети, одну или несколько одноразовых батарей, перезаряжаемых батарей или любой другой подходящий источник питания постоянного тока, способный обеспечить требуемое напряжение постоянного тока и требуемую силу постоянного тока. В одном варианте осуществления напряжение постоянного тока источника питания постоянного тока находится в диапазоне от приблизительно 2,5 Вольт до приблизительно 4,5 Вольт и сила постоянного тока находится в диапазоне от приблизительно 2,5 до приблизительно 5 Ампер (что соответствует мощности источника постоянного тока в диапазоне от приблизительно 6,25 Ватт до приблизительно 22,5 Ватт). Предпочтительно, источник питания постоянного тока содержит перезаряжаемые батареи. Такие батареи являются общедоступными и обладают допустимым общим объемом, составляющим примерно 1,2-3,5 кубических сантиметров. Такие батареи могут иметь по существу цилиндрическую или прямоугольную твердую форму. Кроме этого, источник питания постоянного тока может содержать питающий дроссель постоянного тока.
В качестве общего правила, когда термин "приблизительно" используется в сочетании с конкретной величиной в данной заявке, следует понимать, что величина, следующая за термином "приблизительно", не обязательно должна точно равняться конкретной величине из-за технических соображений. Тем не менее, термин "приблизительно", используемый в сочетании с конкретной величиной, всегда следует расценивать как включающий в себя и явным образом выражающий конкретную величину, следующую за термином "приблизительно".
Электронные схемы подачи питания выполнены с возможностью работы на высокой частоте. Для целей данной заявки термин “высокая частота” следует понимать как обозначающий частоту в диапазоне от приблизительно 1 Мегагерц (МГц) до приблизительно 30 Мегагерц (МГц), в частности от приблизительно 1 Мегагерц (МГц) до приблизительно 10 МГц (включая диапазон от 1 МГц до 10 МГц), и еще точнее от приблизительно 5 Мегагерц (МГц) до приблизительно 7 Мегагерц (МГц) (включая диапазон от 5 МГц до 7 МГц).
Электронные схемы подачи питания содержат преобразователь постоянного тока в переменный (который может быть осуществлен в виде обратного преобразователя постоянного тока в переменный), подключенный к источнику питания постоянного тока.
Индуктивно-емкостная сеть нагрузки преобразователя постоянного тока в переменный выполнена с возможностью работы при низкоомной нагрузке. Термин “низкоомная нагрузка” следует понимать как обозначающий омическую нагрузку, которая меньше приблизительно 2 Ом. Индуктивно-емкостная сеть нагрузки содержит шунтирующий конденсатор и последовательное соединение конденсатора и индуктора, обладающего омическим сопротивлением. Это омическое сопротивление индуктора обычно составляет несколько десятых Ома. При эксплуатации, омическое сопротивление токоприемника суммируется с омическим сопротивлением индуктора и должно превышать омическое сопротивление индуктора, поскольку подаваемая электрическая энергия должна преобразовываться в теплоту в токоприемнике в максимально возможной степени для того, чтобы повысить эффективность усилителя мощности и позволить передавать максимально возможное количество теплоты от токоприемника к остальной части субстрата, образующего аэрозоль, для эффективного образования аэрозоля.
Токоприемник представляет собой проводник, способный индуктивно нагреваться. “Тепловая близость” означает, что токоприемник расположен относительно остальной части субстрата, образующего аэрозоль, таким образом, чтобы достаточное количество теплоты передавалось от токоприемника к остальной части субстрата, образующего аэрозоль, для образования аэрозоля.
S
Поскольку токоприемник не только является проницаемым для магнитного поля, но также является электропроводным (он является проводником, как указано выше), ток, известный как вихревой ток, образуется в токоприемнике и течет в токоприемник согласно закону Ома. Токоприемник должен иметь низкое удельное электрическое сопротивление ρ для увеличения рассеивания джоулевой теплоты. Кроме этого, необходимо учитывать частоту переменного вихревого тока из-за поверхностного эффекта (более 98% электрического тока течет в слое на глубине в четыре раза превышающей глубину поверхностного слоя δ, от внешней поверхности проводника). Учитывая это, омическое сопротивление R токоприемника рассчитывается по уравнению
s
R=
где
f обозначает частоту переменного вихревого тока
0
μ обозначает магнитную проницаемость свободного пространства
r
μ обозначает относительную магнитную проницаемость
материала токоприемника, и
ρ обозначает удельное электрическое сопротивление материала токоприемника.
e
Потеря мощности P, образованная вихревым током, рассчитывается по формуле
e
S
2
P=I∙R
где
I обозначает силу тока (среднеквадратичное значение) вихревого тока, и
S
R обозначает электрическое (омическое) сопротивление токоприемника (см. выше)
e
S
r
e
Из этого уравнения для расчета P и из вычисления R видно, что для материала, обладающего известной относительной магнитной проницаемостью μ и заданным удельным электрическим сопротивлением ρ, очевидно, что потеря мощности P, образованная вихревым током (посредством преобразования в теплоту) увеличивается при увеличении частоты и увеличении силы тока (среднеквадратичного значения). С другой стороны, частота переменного вихревого тока (и, соответственно, переменного магнитного поля, индуцирующего вихревой ток в токоприемнике) не может быть произвольно увеличена, поскольку глубина поверхностного слоя δ уменьшается по мере увеличения частоты вихревого тока (или переменного магнитного поля, индуцирующего вихревой ток в токоприемнике), таким образом, что выше определенной частоты отсечки вихревые токи больше не могут образовываться в токоприемнике, поскольку глубина поверхностного слоя слишком мала для того, чтобы позволить образование вихревых токов. Увеличение силы тока (среднеквадратичного значения) требует переменного магнитного поля, обладающего высокой плотностью магнитного потока, и таким образом требует объемных источников индукции (индукторов).
Кроме этого, теплота вырабатывается в токоприемнике с помощью механизма нагревания, связанного с гистерезисом. Потеря мощности, образованная гистерезисом, рассчитывается по уравнению
H
H
∙
P=VW∙f
где
V обозначает объем токоприемника
H
W обозначает работу, требуемую для намагничивания токоприемника
вдоль замкнутой петли гистерезиса на схеме в координатах B-H, и
f обозначает частоту переменного магнитного поля.
H
Работа W, требуемая для намагничивания токоприемника вдоль замкнутой петли гистерезиса, также может быть выражена в виде
H
W=
H
R
C
H
Максимальное возможное количество работы W зависит от свойств материала токоприемника (остаточная магнитная индукция в состоянии насыщения B, коэрцитивность H), и фактическое количество работы W зависит от фактической петли гистерезиса намагниченности в координатах В-Н, индуцированной в токоприемнике переменным магнитным полем, и эта фактическая петля гистерезиса намагниченности в координатах В-Н зависит от величины магнитного возбуждения.
В токоприемнике есть третий механизм вырабатывания теплоты (потеря мощности) в токоприемнике. Это вырабатывание теплоты вызвано динамическими потерями магнитных доменов в материале токоприемника, обладающего магнитной проницаемостью, когда токоприемник подвергается внешнему воздействию переменного магнитного поля, и эти динамические потери обычно также увеличиваются по мере увеличения частоты переменного магнитного поля.
Для обеспечения возможности вырабатывания теплоты в токоприемнике согласно вышеописанным механизмам (в основном посредством потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис), полость расположена в корпусе устройства. Полость содержит внутреннюю поверхность, форма которой позволяет размещать по меньшей мере часть субстрата, образующего аэрозоль. Полость расположена таким образом, чтобы при размещении части субстрата, образующего аэрозоль, в полости, индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки был индуктивно соединен с токоприемником субстрата, образующего аэрозоль, при эксплуатации. Это означает, что индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки используется для нагревания токоприемника посредством магнитной индукции. Это устраняет потребность в дополнительных компонентах, таких как согласующие сети для согласования выходного импеданса усилителя мощности класса E с нагрузкой, таким образом позволяя дополнительно сводить к минимуму размер электронных схем подачи питания.
В общем, индукционное нагревательное устройство согласно изобретению предоставляет небольшое, легкое в обращении, эффективное, чистое и надежное нагревательное устройство благодаря бесконтактному нагреванию субстрата. Для токоприемников, формирующих низкоомные нагрузки, как указано выше, одновременно обладающих омическим сопротивлением, значительно превышающим омическое сопротивление индуктора индуктивно-емкостной сети нагрузки, таким образом, возможно достигать температур токоприемника в диапазоне 300-400 градусов Цельсия всего за пять секунд или за период времени, который даже меньше пяти секунд, одновременно с этим температура индуктора остается низкой (благодаря тому, что подавляющее большинство мощности преобразуется в теплоту в токоприемнике).
Как уже упоминалось, в соответствии с одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, устройство выполнено с возможностью нагревания субстрата, образующего аэрозоль, курительного изделия. В частности, это включает в себя подачу энергии в токоприемник, расположенный внутри субстрата, образующего аэрозоль, таким образом, чтобы субстрат, образующий аэрозоль, нагревался до средней температуры, составляющей 200-240 градусов Цельсия. Еще предпочтительнее, устройство выполнено с возможностью нагревания табакосодержащего твердого субстрата, образующего аэрозоль, курительного изделия.
По мере нагревания субстрата, образующего аэрозоль, желательно регулировать его температуру. Этого трудно достичь, поскольку нагревание субстрата, образующего аэрозоль, осуществляется бесконтактным (индуктивным) нагреванием токоприемника (главным образом за счет потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи, как описано выше), в то время, как в резистивных нагревательных устройствах известного уровня техники регулировка температуры достигалась путем измерения напряжения и силы тока на резистивном нагревательном элементе благодаря линейной зависимости температуры резистивного нагревательного элемента и омического сопротивления нагревательного элемента.
Неожиданно было обнаружено, что в индукционном нагревательном устройстве согласно изобретению существует строго однообразное отношение между температурой токоприемника и кажущимся омическим сопротивлением, определенным из напряжения постоянного тока источника питания постоянного тока и из силы постоянного тока, получаемого из источника постоянного тока. Это строго однообразное отношение позволяет однозначно определять соответствующую температуру токоприемника из соответствующего кажущегося омического сопротивления в (бесконтактном) индукционном нагревательном устройстве согласно изобретению, поскольку каждая отдельная величина кажущегося омического сопротивления является характерной лишь для одной отдельной величины температуры, поэтому в отношении нет неоднозначности. Это не означает, что отношение температуры токоприемника и кажущегося омического сопротивления обязательно является линейным, тем не менее, отношение должно быть строго однообразным во избежание любого неоднозначного соотнесения одного кажущегося омического сопротивления с более, чем одной температурой. Строго однообразное отношение температуры токоприемника и кажущегося омического сопротивления таким образом позволяет определять и регулировать температуру токоприемника и, таким образом, субстрата, образующего аэрозоль. Как будет подробнее описано ниже, в случае если преобразователь постоянного тока в переменный содержит усилитель класса E, отношение между температурой токоприемника и кажущимся омическом сопротивлением является линейным по меньшей мере для рассматриваемого температурного диапазона.
Определение затяжки может быть выполнено без потребности в дополнительном датчике затяжек. Причина этого заключается в том, что когда пользователь делает затяжку, тем самым втягивая воздух мимо субстрата, образующего аэрозоль, это приводит к снижению температуры токоприемника. Это снижение температуры токоприемника приводит к соответствующему уменьшению кажущегося омического сопротивления, и величина этого снижения температуры (приводящего к соответствующему уменьшению кажущегося омического сопротивления) указывает на осуществление затяжки пользователем.
В соответствии с одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, микроконтроллер запрограммирован на обнаружение затяжки, когда уменьшение кажущегося омического сопротивления соответствует снижению температуры токоприемника (21) в диапазоне от 10°C до 100°C, точнее в диапазоне от 20°C до 70°C.
В соответствии с дальнейшим аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, микроконтроллер дополнительно запрограммирован на обеспечение обнаружения затяжек длительностью в диапазоне от 0,5 секунд до 4 секунд, точнее в диапазоне от 1 секунды до 3 секунд, и еще точнее, длительностью приблизительно 2 секунды. Это ограничивает длительность обнаруживаемой затяжки. Одни пользователи предпочитают делать затяжки лишь с маленькой длительностью, в то время как другие пользователи предпочитают делать затяжки с большой длительностью. После окончания затяжки температура снова повышается до тех пор, пока пользователь не сделает следующую затяжку или пока температура не достигнет желаемой рабочей температуры.
В соответствии с дальнейшим аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, устройство дополнительно содержит счетчик для подсчета затяжек, осуществленных из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, и (опционально) индикатор для демонстрации пользователю количества затяжек, осуществленных из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, или количество затяжек, которое осталось осуществить из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, или как количество уже осуществленных затяжек, так и количество затяжек, которое осталось осуществить из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль. Пользователю полезно знать количество уже осуществленных затяжек или количество затяжек, которое осталось осуществить из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, или оба этих количества, поскольку это может помочь удостовериться, что пользователь всегда будет наслаждаться полноценным вкусом и ароматом при осуществлении затяжки, поскольку количество затяжек, которые можно осуществить из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, и которые обладают полноценным вкусом и ароматом, является ограниченным.
В соответствии с дальнейшим аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, микроконтроллер дополнительно запрограммирован на то, чтобы позволять осуществлять максимальное количество затяжек из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль. Микроконтроллер запрограммирован таким образом, чтобы прекращать подачу постоянного тока из источника питания постоянного тока в преобразователь постоянного тока в переменный когда счетчик отсчитал максимальное количество затяжек, осуществленных из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль. Эта конструкционная мера обеспечивает условия для того, чтобы пользователь всегда наслаждался полноценным вкусом и ароматом при осуществлении затяжки, поскольку количество затяжек, которые может осуществить пользователь из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, ограничено устройством, поэтому пользователь не может осуществить больше максимально возможного количества затяжек из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль.
Возвращаясь к определению кажущегося омического сопротивления, определение кажущегося омического сопротивления из напряжения постоянного тока источника питания постоянного тока и силы постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока, содержит измерение как напряжения источника постоянного тока, так и силы постоянного тока. Тем не менее, в соответствии с одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, источник питания постоянного тока может представлять собой батарею постоянного тока, в частности, перезаряжаемую батарею постоянного тока, для обеспечения непрерывного напряжения постоянного тока. Это позволяет перезаряжать батареи, предпочтительно посредством соединения с электросетью через зарядное устройство, содержащее преобразователь переменного тока в постоянный. В случае непрерывной подачи напряжения постоянного тока, по-прежнему возможно и может быть желательно измерять напряжение постоянного тока, тем не менее, в таком случае это измерение напряжения постоянного тока не является обязательным (поскольку напряжение постоянного тока является непрерывным). Тем не менее, электронные схемы подачи питания содержат датчик постоянного тока для измерения силы постоянного тока, получаемого из батареи постоянного тока, таким образом чтобы кажущееся омическое сопротивление (которое является характерным для температуры токоприемника) можно было определить из непрерывного напряжения постоянного тока (независимо от того, имеет ли измеряемое или определяемое непрерывное напряжение постоянного тока неизменную величину) и измеренной силы постоянного тока. В общем, этот аспект позволяет измерять только силу постоянного тока без потребности в дополнительном измерении напряжения постоянного тока.
Как упоминалось выше, в определенных случаях возможно воздержаться от измерения напряжения постоянного тока, тем не менее, в соответствии с одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению электронные схемы подачи питания содержат датчик напряжения постоянного тока для измерения напряжения постоянного тока таким образом, чтобы определение фактической величины напряжения постоянного тока могло быть измерено в любом случае.
Как было описано выше, индукционное нагревательное устройство согласно изобретению позволяет регулировать температуру. Для достижения этого особенно преимущественным образом, в соответствии с дальнейшим аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению микроконтроллер дополнительно запрограммирован прерывать вырабатывание переменного тока преобразователем постоянного тока в переменный когда определенная температура токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, равна или превышает предустановленную пороговую температуру, и согласно этому аспекту микроконтроллер запрограммирован продолжать вырабатывание переменного тока когда определенная температура токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, снова опускается ниже предустановленной пороговой температуры. Предполагается, что термин “прерывать вырабатывание переменного тока” охватывает случаи, в которых практически не вырабатывается переменный ток, а также случаи, в которых вырабатывание переменного тока лишь уменьшается для поддержания пороговой температуры. Преимущественно, эта пороговая температура является заданной рабочей температурой, которая может представлять собой, в частности, температуру в диапазоне от 300°C до 400°C, например 350°C. Индукционное нагревательное устройство согласно изобретению нагревает токоприемник субстрата, образующего аэрозоль, до тех пор, пока токоприемник не достигнет предустановленной пороговой температуры, соответствующей связанному с ней кажущемуся омическому сопротивлению. В это время дальнейшая подача переменного тока преобразователем постоянного тока в переменный прерывается с тем, чтобы остановить дальнейшее нагревание токоприемника и позволить токоприемнику остыть. Когда температура токоприемника снова опустится ниже предустановленной пороговой температуры, это обнаруживается определением соответствующего кажущегося омического сопротивления. В это время возобновляется вырабатывание переменного тока для того, чтобы поддерживать температуру максимально близкой к заданной рабочей температуре. Этого можно достичь, например, путем регулировки рабочего цикла переменного тока, подаваемого в индуктивно-емкостную сеть нагрузки. Это описано, в принципе, в документе WO 2014/040988.
Как уже упоминалось выше, в соответствии с одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, преобразователь постоянного тока в переменный содержит усилитель мощности класса E, содержащий транзисторный переключатель, задающую схему транзисторного переключателя и индуктивно-емкостную сеть нагрузки, выполненную с возможностью работы при низкоомной нагрузке, и индуктивно-емкостная сеть нагрузки дополнительно содержит шунтирующий конденсатор.
Усилители мощности класса E являются общеизвестными и подробно описаны, например, в статье “Class-E RF Power Amplifiers”, 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. Усилители мощности класса E являются преимущественными применительно к их работе на высоких частотах и одновременно обладают простой конструкцией схем, содержащей минимальное количество компонентов (например, необходим лишь один транзисторный переключатель, что является преимущественным по сравнению с усилителями мощности класса D, содержащими два транзисторных переключателя, которыми необходимо управлять при высокой частоте таким образом, чтобы обеспечить выключенное состояние одного из двух транзисторов в то время, когда второй из двух транзисторов находится во включенном состоянии). Кроме этого, усилители мощности класса E известны благодаря минимальному рассеиванию мощности в транзисторном переключателе во время переходов при переключениях. Предпочтительно, усилитель мощности класса E представляет собой однотактный усилитель мощности класса E первого порядка, содержащий лишь один транзисторный переключатель.
Транзисторный переключатель усилителя мощности класса E может представлять собой любой тип транзистора и может быть выполнен в виде биполярного плоскостного транзистора (BJT). Тем не менее, предпочтительнее, транзисторный переключатель выполнен в виде полевого транзистора (FET), такого как полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET) или полевой транзистор со структурой металл-полупроводник (MESFET).
В соответствии с дальнейшим аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки содержит цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой, расположенную на внутренней поверхности полости или рядом с ней.
В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению усилитель мощности класса E обладает выходным импедансом, и электронные схемы подачи питания дополнительно содержат согласующую сеть для согласования выходного импеданса усилителя мощности класса E с низкоомной нагрузкой. Эта мера может помочь дополнительному увеличению потерь мощности в низкоомной нагрузке, что приводит к увеличенному вырабатыванию теплоты в низкоомной нагрузке. Например, согласующая сеть может содержать небольшой согласующий трансформатор.
3
В соответствии с дальнейшим аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, общий объем электронных схем подачи питания равен 2 см или менее. Это позволяет размещать батареи, электронные схемы подачи питания и полость в корпусе устройства, обладающем в общем небольшим размером, что является удобным и легким в обращении.
3
3
В соответствии с дальнейшим аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки содержит цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой, расположенную на внутренней поверхности полости или рядом с ней. Преимущественно, индукционная катушка имеет продолговатую форму и ограничивает внутренний объем в диапазоне от приблизительно 0,15 смдо приблизительно 1,10 см. Например, внутренний диаметр цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может составлять от приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм, и предпочтительно может составлять приблизительно 7 мм, и длина цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может составлять от приблизительно 8 мм до приблизительно 14 мм. Диаметр или толщина провода катушки может составлять от приблизительно 0,5 мм до приблизительно 1 мм, в зависимости от того, используется ли провод катушки с круглым поперечным сечением или провод катушки с плоским прямоугольным поперечным сечением. Индукционная катушка со спиральной намоткой расположена на внутренней поверхности полости или рядом с ней. Цилиндрическая индукционная катушка со спиральной намоткой, расположенная на внутренней поверхности полости или рядом с ней, позволяет дополнительно минимизировать размер устройства.
Еще один аспект изобретения относится к системе подачи аэрозоля, содержащей индукционное нагревательное устройство, как описано выше, субстрат, образующий аэрозоль, содержащий токоприемник. По меньшей мере часть субстрата, образующего аэрозоль, должна размещаться в полости индукционного нагревательного устройства таким образом, чтобы индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки преобразователя постоянного тока в переменный индукционного нагревательного устройства был индуктивно соединен с токоприемником субстрата, образующего аэрозоль, при эксплуатации.
В качестве примера, субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой субстрат, образующий аэрозоль, курительного изделия. В частности, субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой табакосодержащий твердый субстрат, образующий аэрозоль, который может использоваться в курительных изделиях (например, таких как сигареты).
В соответствии с одним аспектом системы подачи аэрозоля согласно изобретению, токоприемник изготовлен из нержавеющей стали. Например, может использоваться нержавеющая сталь различных марок, такая как нержавеющая сталь марки 430 (SS430) или нержавеющая сталь марки 410 (SS410), нержавеющая сталь марки 420 (SS420) или нержавеющая сталь марки 440 (SS440). Также может использоваться нержавеющая сталь других марок. Например, токоприемник представляет собой одинарный токоприемный элемент, который может быть выполнен в виде полосы, листа, провода или фольги, и эти токоприемные элементы могут иметь разные геометрические формы поперечного сечения, такие как прямоугольную, круглую, овальную или другие геометрические формы.
В соответствии с конкретным аспектом системы подачи аэрозоля согласно изобретению, токоприемник может содержать плоскую полосу нержавеющей стали, при этом плоская полоса нержавеющей стали имеет длину в диапазоне от приблизительно 8 миллиметров до приблизительно 15 миллиметров, предпочтительно длину, равную приблизительно 12 миллиметров. Плоская полоса дополнительно может иметь ширину в диапазоне от приблизительно 3 миллиметров до приблизительно 6 миллиметров, предпочтительно ширину, равную приблизительно 4 миллиметров или приблизительно 5 миллиметров. Плоская полоса дополнительно может иметь толщину в диапазоне от приблизительно 20 микрометров до приблизительно 50 микрометров, предпочтительно толщину в диапазоне от приблизительно 20 микрометров до приблизительно 40 микрометров, например толщину, равную приблизительно 25 микрометров или приблизительно 35 микрометров. Один очень специфический вариант осуществления токоприемника может иметь длину, составляющую приблизительно 12 миллиметров, ширину, составляющую приблизительно 4 миллиметра, и толщину, составляющую приблизительно 50 микрометров, и может быть изготовлен из нержавеющей стали марки 430 (SS430). Другой очень специфический вариант осуществления токоприемника может иметь длину, составляющую приблизительно 12 миллиметров, ширину, составляющую приблизительно 5 миллиметров, и толщину, составляющую приблизительно 50 микрометров, и может быть изготовлен из нержавеющей стали марки 420 (SS430). В качестве альтернативы, эти очень специфические варианты осуществления также могут быть изготовлены из нержавеющей стали марки 420 (SS420).
Еще один аспект изобретения относится к способу эксплуатации системы подачи аэрозоля, как описано выше, и этот способ содержит следующие этапы:
- определение по напряжению постоянного тока источника питания постоянного тока и по силе постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока, кажущегося омического сопротивления,
- определение по кажущемуся омическому сопротивлению температуры токоприемника субстрата, образующего аэрозоль,
- отслеживание изменений кажущегося омического сопротивления, и
- обнаружение затяжки при определении уменьшения кажущегося омического сопротивления, характерного для снижения температуры токоприемника при вдыхании пользователем.
В соответствии с одним аспектом способа согласно изобретению этап обнаружения затяжки содержит обнаружение затяжки, когда уменьшение кажущегося омического сопротивления соответствует снижению температуры токоприемника в диапазоне от 10°C до 100°C, точнее в диапазоне от 20°C до 70°C.
В соответствии с дальнейшим аспектом способа согласно изобретению, этап обнаружения затяжки дополнительно содержит обеспечение обнаружения затяжек длительностью в диапазоне от 0,5 секунд до 4 секунд, точнее в диапазоне от 1 секунды до 3 секунд, и еще точнее, длительностью приблизительно 2 секунды.
В соответствии с еще одним аспектом способа согласно изобретению, способ содержит этапы подсчета затяжек, осуществленных из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, и (опционально) демонстрации пользователю количества затяжек, осуществленных из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, или количество затяжек, которое осталось осуществить из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, или как количество уже осуществленных затяжек, так и количество затяжек, которое осталось осуществить из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль.
В соответствии с другим аспектом способа согласно изобретению, способ содержит этап обеспечения осуществления максимального количества затяжек из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, и прекращения подачи постоянного тока из источника питания постоянного тока в преобразователь постоянного тока в переменный когда счетчик отсчитал максимальное количество затяжек, осуществленных из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль.
В соответствии с одним аспектом способа согласно изобретению, источник питания постоянного тока представляет собой батарею постоянного тока, в частности, перезаряжаемую батарею постоянного тока, и обеспечивает непрерывное напряжение постоянного тока. Постоянный ток, получаемый из батареи постоянного тока, измеряется для определения кажущегося омического сопротивления по непрерывной подаче напряжения постоянного тока и по измеренному постоянному току.
В соответствии с еще одним аспектом способа согласно изобретению, способ дополнительно содержит следующие этапы:
- прерывание вырабатывания переменного тока преобразователем постоянного тока в переменный, когда определено, что температура токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, равна или превышает предустановленную пороговую температуру, и
- возобновление вырабатывания переменного тока, когда определено, что температура токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, снова опустилась ниже предустановленной пороговой температуры.
Поскольку преимущества способа согласно изобретению и его конкретные аспекты уже были описаны выше, они не будут повторно описаны здесь.
Дальнейшие преимущественные аспекты изобретения станут очевидны из следующего описания вариантов осуществления в сочетании с графическими материалами, на которых:
на фиг. 1 изображен общий принцип нагревания, лежащий в основе индукционного нагревательного устройства изобретению,
на фиг. 2 изображена блок-схема варианта осуществления индукционного нагревательного устройства и системы подачи аэрозоля согласно изобретению,
на фиг. 3 изображен вариант осуществления системы подачи аэрозоля согласно изобретению, содержащей индукционное нагревательное устройство с ключевыми компонентами, расположенными в корпусе устройства,
на фиг. 4 изображен вариант осуществления ключевых компонентов электронных схем питания индукционного нагревательного устройства согласно изобретению (без согласующей сети),
на фиг. 5 изображен вариант осуществления индуктора индуктивно-емкостной сети нагрузки в форме цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой, имеющей продолговатую форму,
на фиг. 6 изображен фрагмент индуктивно-емкостной сети нагрузки, содержащей сопротивление индуктивности и омическое сопротивление катушки, и, кроме этого, изображено омическое сопротивление нагрузки,
на фиг. 7 изображены два сигнала, представляющие силу постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока, относительно температуры токоприемника, по которой видно, когда осуществляется затяжка,
на фиг. 8 изображена температура двух токоприемников относительно напряжения постоянного тока источника питания постоянного тока и силы постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока, и
на фиг. 9 изображена эквивалентная цепь электронных схем питания индукционного нагревательного устройства.
На фиг. 1 схематически изображен общий принцип нагревания, лежащий в основе настоящего изобретения. На фиг. 1 схематически изображена цилиндрическая индукционная катушка L2 со спиральной намоткой, имеющая продолговатую форму и ограничивающую внутренний объем, в котором частично или полностью расположен субстрат 20, образующий аэрозоль, курительного изделия 2, при этом субстрат, образующий аэрозоль, содержит токоприемник 21. Курительное изделие 2, содержащее субстрат 20, образующий аэрозоль, с токоприемником 21, схематически показано на увеличенном фрагменте в поперечном сечении, изображенном отдельно, справа от фиг. 1. Как уже упоминалось, субстрат 20, образующий аэрозоль, курительного изделия 2 может представлять собой табакосодержащий твердый субстрат, но не ограничиваясь им.
L
L2
L2
e
h
Кроме этого, на фиг. 1 магнитное поле во внутреннем объеме индукционной катушки L2 обозначено схематически несколькими линиями B магнитного поля в один конкретный момент времени, поскольку магнитное поле, образованное переменным током i, проходящим сквозь индукционную катушку L2, является переменным магнитным полем, изменяющим свою полярность с частотой переменного тока i, которая может находиться в диапазоне от приблизительно 1 МГц до приблизительно 30 МГц (включая диапазон от 1 МГц до 30 МГц), и, в частности, может находиться в диапазоне от приблизительно 1 МГц до приблизительно 10 МГц (включая диапазон от 1 МГц до 10 МГц, и в особенности может быть меньше 10 МГц), и точнее частота может находиться в диапазоне от приблизительно 5 МГц до приблизительно 7 МГц (включая диапазон от 5 МГц до 7 МГц). Два основных механизма, ответственных за вырабатывание тепла в токоприемнике 21, потери мощности P, вызванные вихревыми токами (при этом замкнутый круг представляет вихревые токи), и потери мощности P, вызванные гистерезисом (при этом замкнутая кривая гистерезиса представляет гистерезис), также схематически указаны на фиг. 1. Более подробное описание этих механизмов представлено выше.
3
3
,
На фиг. 3 изображен вариант осуществления системы подачи аэрозоля согласно изобретению, содержащей индукционное нагревательное устройство 1 согласно изобретению. Индукционное нагревательное устройство 1 содержит корпус 10 устройства, который может быть изготовлен из пластика, и источник питания 11 постоянного тока (см. фиг. 2), содержащий перезаряжаемую батарею 110. Индукционное нагревательное устройство 1 дополнительно содержит стыковочный узел 12, содержащий штифт 120 для стыковки индукционного нагревательного устройства с зарядной станцией или зарядным устройством для перезарядки перезаряжаемой батареи 110. Кроме этого, индукционное нагревательное устройство 1 содержит электронные схемы 13 подачи питания, выполненные с возможностью работы с желаемой частотой. Электронные схемы 13 подачи питания электрически соединены с перезаряжаемой батареей 110 посредством подходящего электрического соединения 130. Хотя электронные схемы 13 подачи питания содержат дополнительные компоненты, которые не видны на фиг. 3, эти электронные схемы содержат, в частности, индуктивно-емкостную сеть нагрузки (см. фиг. 4), которая в свою очередь содержит индуктор L2, что обозначено пунктирными линиями на фиг. 3. Индуктор L2 заключен внутри корпуса 10 устройства в ближнем конце корпуса 10 устройства и окружает полость 14, которая также расположена в ближнем конце корпуса 10 устройства. Индуктор L2 может содержать цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой, имеющую продолговатую форму, как показано на фиг. 5. Цилиндрическая индукционная катушка L2 со спиральной намоткой может иметь радиус r в диапазоне от приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм и, в частности, радиус r может составлять приблизительно 7 мм. Длина l цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может находиться в диапазоне от приблизительно 8 мм до приблизительно 14 мм. Соответственно, внутренний объем может находиться в диапазоне от приблизительно 0,15 см до приблизительно 1,10 см при этом он вычитается из объема конкретного субстрата, образующего аэрозоль.
Как также изображено на фиг. 3, индукционное нагревательное устройство дополнительно содержит счетчик 134 для подсчета количества затяжек, уже осуществленных из конкретного субстрата, образующего аэрозоль, который предпочтительно (но не обязательно) является неотъемлемой частью электронных схем 13 подачи питания, а также индикатор 100, расположенный в корпусе устройства (например, дисплей) для отображения количества затяжек, уже осуществленных из конкретного субстрата, образующего аэрозоль, или для отображения количества затяжек, которое осталось осуществить из этого субстрата, образующего аэрозоль, или оба эти количества. Табакосодержащий твердый субстрат 20, образующий аэрозоль, содержащий токоприемник 21, размещается в полости 14 в ближнем конце корпуса 10 устройства таким образом, чтобы при эксплуатации индуктор L2 (цилиндрическая индукционная катушка со спиральной намоткой) был индуктивно соединен с токоприемником 21 табакосодержащего твердого субстрата 20, образующего аэрозоль, курительного изделия 2. Фильтрующая часть 22 курительного изделия 2 может быть расположена снаружи полости 14 индукционного нагревательного устройства 1 таким образом, чтобы при эксплуатации потребитель мог втягивать аэрозоль сквозь фильтрующую часть 22. Когда курительное изделие извлечено из полости 14, полость 14 можно легко очистить, поскольку, за исключением открытого дальнего конца, через который вставляется субстрат 20, образующий аэрозоль, курительного изделия 2, полость полностью закрыта и окружена внутренними стенками пластикового корпуса 10 устройства, ограничивающими полость 14.
DC
DC
DC
DC
AC
На фиг. 2 изображена блок-схема варианта осуществления системы подачи аэрозоля, содержащей индукционное нагревательное устройство 1 согласно изобретению, но также содержащей некоторые необязательные аспекты или компоненты, как будет описано ниже. Индукционное нагревательное устройство 1 вместе с субстратом 20, образующим аэрозоль, содержащим токоприемник 21, образует вариант осуществления системы подачи аэрозоля согласно изобретению. Блок-схема, показанная на фиг. 2, является наглядным представлением, учитывающим образ работы. Как видно, индукционное нагревательное устройство 1 содержит источник питания 11 постоянного тока (на фиг. 3 содержащий перезаряжаемую батарею 110), микроконтроллер (микропроцессорный блок управления) 131, преобразователь 132 постоянного тока в переменный (выполненный в виде обратного преобразователя постоянного тока в переменный), согласующую сеть 133 для адаптации к нагрузке и индуктор L2. Микропроцессорный блок 131 управления, преобразователь 132 постоянного тока в переменный и согласующая сеть 133, а также индуктор L2 входят в состав электронных схем 13 подачи питания (см. фиг. 1). Напряжение V постоянного тока и сила I постоянного тока, получаемого из источника питания 11 постоянного тока, подаются по каналам обратной связи в микропроцессорный блок 131 управления, предпочтительно путем измерения как напряжения V постоянного тока, так и силы I постоянного тока, получаемого из источника питания 11 постоянного тока, для управления дальнейшей подачей переменного тока P в индуктивно-емкостную сеть нагрузки и, в частности, в индуктор L2. Этот аспект индукционного нагревательного устройства согласно изобретению будет подробнее описан ниже. Согласующая сеть 133 может быть предоставлена для оптимальной адаптации к нагрузке, но не является обязательной и не содержится в варианте осуществления, подробнее описанном далее.
DC
DC
катушки
нагрузки
На фиг. 4 изображены некоторые ключевые компоненты электронных схем 13 подачи питания, в частности преобразователя 132 постоянного тока в переменный. Как видно на фиг. 4, преобразователь постоянного тока в переменный содержит усилитель мощности класса E, включающий в себя транзисторный переключатель 1320, содержащий полевой транзистор (FET) 1321, например, полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), схему питания транзисторного переключателя, обозначенную стрелкой 1322, для подачи сигнала переключения (напряжение управления-питания) в FET 1321, и индуктивно-емкостную сеть 1323 нагрузки, содержащую шунтирующий конденсатор C1 и последовательное соединение конденсатора C2 и индуктора L2. Кроме этого, изображен источник питания 11 постоянного тока, содержащий дроссель L1, для подачи напряжения V постоянного тока, с силой I постоянного тока, получаемого из источника питания 11 постоянного тока, при эксплуатации. Также на фиг. 4 показано омическое сопротивление R, представляющее общую омическую нагрузку 1324, которая является суммой омического сопротивления R индуктора L2 и омического сопротивления R токоприемника 21, как это показано на фиг. 6.
3
Из-за очень малого количества компонентов можно поддерживать чрезвычайно маленький объем электронных схем 13 подачи питания. Например, объем электронных схем подачи питания может равняться или быть менее 2 см. Этот чрезвычайно маленький объем электронных схем подачи питания возможен благодаря индуктору L2 индуктивно-емкостной сети нагрузки 1323, непосредственно используемого в качестве индуктора для индуктивной связи с токоприемником 21 субстрата 20, образующего аэрозоль, и этот маленький объем позволяет сохранять небольшие общие размеры всего индукционного нагревательного устройства 1. В случае, если для индуктивного соединения с токоприемником 21 используется отдельный индуктор, а не индуктор L2, это автоматически увеличит объем электронных схем источника питания, при этом этот объем также увеличивается, если согласующая сеть 133 включена в электронные схемы источника питания.
Хотя общий принцип работы усилителя мощности класса E является известным и подробно описан в уже упоминавшейся статье “Class-E RF Power Amplifiers”, 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 1322 питания транзисторного переключателя подает напряжение переключения (напряжение управления-питания полевого транзистора FET), имеющее прямоугольный профиль, в FET 1321. До тех пор, 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 1321. Когда FET 1321 является не проводящим (в выключенном состоянии), весь электрический ток течет в индуктивно-емкостную сеть нагрузки, поскольку FET 1321 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 нагревания токоприемника 21 необходимо передавать максимальное количество подаваемой энергии постоянного тока в форме переменного тока в индуктор L2 (цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой) и впоследствии в токоприемник 21 субстрата 20, образующего аэрозоль, который индуктивно соединен с индуктором 2. Энергия, рассеиваемая в токоприемнике 21 (потери на вихревые токи, потери на гистерезис), генерирует тепло в токоприемнике 21, как подробно описано выше. Другими словами, рассеивание энергии в FET 1321 должно быть сведено к минимуму, при этом рассеивание энергии в токоприемнике 21 должно быть увеличено до максимума.
Рассеивание энергии в FET 1321 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 1231 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 1231. Во включенном состоянии FET 1231, напряжение транзистора близко к нулевому когда сильный электрический ток течет сквозь FET 1231. В выключенном состоянии FET 1231, напряжение транзистора является высоким, но электрический ток, проходящий сквозь FET 1231, 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 1231, 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 1323 нагрузки, содержащей шунтирующий конденсатор C1 и последовательное соединение конденсатора C2 и индуктора L2, при этом эта сеть нагрузки представляет собой сеть между FET 1231 и нагрузкой 1324. 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.
Для определения размеров различных компонентов преобразователя 132 постоянного тока в переменный, изображенного на фиг. 4, необходимо учитывать следующие уравнения, являющиеся общеизвестными и подробно описаны в вышеупомянутой статье “Class-E RF Power Amplifiers”, 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.
L
o
Пусть Q (фактор качества индуктивно-емкостной цепи нагрузки) представляет собой величину, которая в любом случае превышает 1,7879, но которая является величиной, выбираемой проектировщиком (см. вышеупомянутую статью), также пусть P представляет собой выходную мощность, подаваемую сопротивлению R, и пусть f представляет собой частоту, тогда различные компоненты численно рассчитываются из следующих уравнений (при этом V для полевых транзисторов FET равно нулю и представляет собой напряжение смещения насыщения для транзисторов BJT, см. выше):
L
L2=Q∙R/2πf
CC-
o
L
L
L
2
2
3
R=((VV)/P)0,576801∙(1,0000086-0,414395/Q-0,557501/Q+0,205967/Q)
L
L
2
2
C1=(1/(34,2219∙f∙R))∙(0,99866+0,91424/Q-1,03175/Q)+0,6/(2πf) (L1)
L
L
2
C2=(1/2πfR)∙(1/Q-0,104823)∙(1,00121+(1,01468/Q-1,7879))-(0,2/((2πf)∙L1)))
Это позволяет быстро нагревать токоприемник, обладающий омическим сопротивлением, равным R=0,6Ω для подачи примерно 7 Вт мощности за 5-6 секунд, предполагая, что сила тока, равная примерно
, доступна от источника питания постоянного тока, обладающего максимальным выходным напряжением, равным 2,8 В, и максимальной выходной силой тока, равной
, частотой, равной f=5 МГц (коэффициент заполнения =50%), индуктивностью индуктора L2, равной примерно 500 нГн, и омическим сопротивлением индуктора L2, равным R
=0,1Ω, индуктивностью L1, равной приблизительно 1 мкГн, и емкостями, равными 7 нФ для конденсатора C1 и 2,2 нФ для конденсатора C2. Эффективное омическое сопротивление R
и R
составляет примерно 0,6Ω. Может быть получена эффективность (мощность, рассеиваемая в токоприемнике 21/максимальная мощность источника питания 11 постоянного тока), составляющая приблизительно 83,5%, что является очень высокой эффективностью.
катушки
катушки
нагрузки
3,4 A3,4 A
Для эксплуатации курительное изделие 2 вставляют в полость 14 (см. фиг. 2) индукционного нагревательного устройства 1 таким образом, чтобы субстрат 20, образующий аэрозоль, содержащий токоприемник 21, был индуктивно соединен с индуктором 2 (например, цилиндрической катушкой со спиральной намоткой). Токоприемник 21 затем нагревается в течение нескольких секунд, как описано выше, и затем потребитель может начинать втягивать аэрозоль через фильтр 22 (разумеется, курительное изделие не обязательно должно содержать фильтр 22).
Индукционное нагревательное устройство и курительные изделия в общем могут распространяться по отдельности или в составе набора. Например, можно распространять так называемый “набор для начинающих”, содержащий индукционное нагревательное устройство, а также множество курительных изделий. После того, как потребитель приобрел такой набор для начинающих, в будущем потребитель может приобретать лишь курительные изделия, которые могут использоваться с этим индукционным нагревательным устройством набора для начинающих. Индукционное нагревательное устройство легко чистить и, в случае использования перезаряжаемых батарей в качестве источника питания постоянного тока, эти перезаряжаемые батареи легко перезаряжать с помощью подходящего зарядного устройства, которое необходимо присоединять к стыковочному узлу 12, содержащему штифт 120 (или индукционное нагревательное устройство необходимо пристыковывать к соответствующей стыковочной станции зарядного устройства).
a
DC
DC
DC
DC
DC
DC
a
DC
DC
a
ЦЕПИ
ТОКОПРИЕМНИКА
Как уже упоминалось выше, путем определения кажущегося омического сопротивления R из напряжения V постоянного тока источника питания 11 постоянного тока и из силы I постоянного тока, получаемого из источника питания 11 постоянного тока, можно определять температуру T токоприемника 21. Это возможно потому, что неожиданно выяснилось, что отношение температуры T токоприемника 21 и соотношение напряжения V постоянного тока и силы I постоянного тока является строго однообразным, и даже может быть практически линейным для усилителя класса E. Такое строго однообразное отношение изображено на фиг. 8 в качестве примера. Как уже упоминалось, отношение не обязательно должно быть линейным, оно лишь должно быть строго однообразным таким образом, чтобы для заданного напряжения V источника постоянного тока существовало точно выраженное отношение между соответствующей силой I постоянного тока и температурой T токоприемника. Другими словами, существует точно выраженное отношение между кажущимся омическим сопротивлением R (определенным из соотношения напряжения V постоянного тока и силы I постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока) и температурой T токоприемника. Это соответствует эквивалентной цепи, изображенной на фиг. 9, где R соответствует последовательному соединению, образованному омическим сопротивлением R (которое существенно меньше омического сопротивления токоприемника) и зависимому от температуры омическому сопротивлению R токоприемника.
a
Как уже упоминалось, в случае использования усилителя класса E это строго однообразное отношение между кажущимся омическим сопротивлением R и температурой T токоприемника является практически линейным, по меньшей мере для рассматриваемого температурного диапазона (например для температурного диапазона от 100°C до 400°C).
a
a
a
DC
DC
a
Если отношение между кажущимся омическим сопротивлением R и температурой T конкретного токоприемника, изготовленного из конкретного материала и обладающего конкретной геометрической формой, является известным (например, такое отношение может быть определено посредством точных измерений в лабораторных условиях для большого количества идентичных токоприемников и последующего выведения среднего числа отдельных измерений), это отношение между кажущимся омическим сопротивлением R и температурой T этого конкретного токоприемника может быть запрограммировано в микроконтроллере 131 (см. фиг. 2) таким образом, чтобы при работе системы подачи аэрозоля нужно было определять лишь кажущееся омическое сопротивление R из фактического напряжения V постоянного тока (обычно оно является постоянным напряжением батареи) и фактической силы I постоянного тока, получаемого из источника питания 11 постоянного тока. Большое количество таких отношений между R и температурой T может быть запрограммировано в микроконтроллере 131 для токоприемников, изготовленных из различных материалов и обладающих разными геометрическими формами, таким образом чтобы при эксплуатации устройства, образующего аэрозоль, было необходимо лишь идентифицировать соответствующий тип токоприемника и затем можно было использовать соответствующее отношение (предварительно запрограммированное в микроконтроллере) для определения температуры T соответствующего типа фактически используемого токоприемника путем определения фактического напряжения постоянного тока и фактической силы постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока.
DC
DC
DC
DC
Возможно и может быть предпочтительным, чтобы напряжение V постоянного тока и сила I постоянного тока, получаемого из источника питания 11 постоянного тока, могли быть измерены (это может быть достигнуто с помощью подходящего датчика напряжения постоянного тока и подходящего датчика силы постоянного тока, которые могут быть легко внедрены в небольшую цепь, не занимая какого-либо значительного пространства). Тем не менее, в случае использования источника питания постоянного тока с непрерывным подаваемым напряжением V, можно обойтись без датчика напряжения постоянного тока и лишь датчик постоянного тока необходим для измерения силы I постоянного тока, получаемого из источника питания 11 постоянного тока.
DC
a
На фиг. 7 изображены два сигнала, представляющие силу I постоянного тока, получаемого из источника питания 11 постоянного тока (верхний сигнал), и температуру T токоприемника 21 (нижний сигнал), определенную из отношения между кажущимся омическим сопротивлением R и температурой T для этого токоприемника 21, которое запрограммировано в микроконтроллере 131.
DC
a
DC
Как видно, после начала нагревания токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, сила I тока находится на высоком уровне и уменьшается по мере увеличения температуры T токоприемника субстрата, образующего аэрозоль (увеличение температуры токоприемника приводит к увеличению R, что в свою очередь приводит к уменьшению I).
a
DC
a
DC
В разное время в ходе этого процесса нагревания (в частности, когда субстрат, образующий аэрозоль, достиг определенной температуры), пользователь может делать затяжку из курительного изделия, содержащего субстрат, образующий аэрозоль, с токоприемником, расположенным внутри него. В это время, воздух, втягиваемый в ходе затяжки длительностью D, приводит к быстрому снижению δT температуры субстрата 20, образующего аэрозоль, и токоприемника 21. Это снижение температуры δT приводит к уменьшению кажущегося омического сопротивления R и это, в свою очередь, приводит к увеличению силы I постоянного тока, получаемого из источника питания 11 постоянного тока. Эти моменты, когда пользователь делает затяжку, обозначены на фиг. 7 соответствующими стрелками (за исключением первой затяжки, где указаны длительность D затяжки и снижение температуры δT). По завершении затяжки воздух больше не втягивается и температура токоприемника снова повышается (что приводит к соответствующему увеличению кажущегося омического сопротивления R и температуры T токоприемника) и сила I постоянного тока соответственно уменьшается.
a
DC
,
Исключительно в качестве примера, затяжки, изображенные на фиг. 7, осуществляются каждые тридцать секунд и имеют длительность D, равную двум секундам, в то время как каждая затяжка содержит втянутый воздух в объеме пятидесяти пяти миллилитров, и снижение температуры δT токоприемника 21 составляет, например, около 40°C. Как только обнаруживается снижение температуры δT, характерное для такой затяжки, микроконтроллер 131 заставляет счетчик 134, отсчитывающий затяжки, осуществленные из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль, увеличивать показание на единицу и индикатор 100, отображающий количество затяжек, осуществленных из одного и того же субстрата, образующего аэрозоль или количество затяжек, которое осталось осуществить из этого субстрата, образующего аэрозоль, или оба эти количества, соответствующим образом увеличивать/уменьшать показание на единицу. По завершении затяжки, когда температура T токоприемника 21 и кажущееся омическое сопротивление R снова увеличиваются при нагревании (как описано выше), сила I постоянного токаполучаемого из источника питания 11 постоянного тока, соответственно уменьшается.
th
th
th
Как также видно на фиг. 7, преобразователь постоянного тока в переменный вырабатывает переменный ток до тер пор, пока температура токоприемника 21 не будет равняться или превышать предустановленную пороговую температуру T. Когда температура токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, становится равной или превышает эту предустановленную пороговую температуру T (например, заданную рабочую температуру), микроконтроллер 131 запрограммирован прерывать дальнейшее вырабатывание переменного тока преобразователем 132 постоянного тока в переменный. Затем желательно поддерживать температуру T токоприемника 21 на уровне заданной рабочей температуры. Когда температура T токоприемника 21 снова опускается ниже пороговой температуры T, микроконтроллер 131 запрограммирован снова возобновлять вырабатывание переменного тока.
DC
DC
a
DC
DC
a
a
th
th
DC
DC
a
a
th
Этого можно достичь, например, путем регулировки рабочего цикла транзисторного переключателя. Это описано, в принципе, в документе WO 2014/040988. Например, при нагревании, преобразователь постоянного тока в переменный непрерывно вырабатывает переменный ток, нагревающий токоприемник, и одновременно напряжение V постоянного тока и сила I постоянного тока измеряются каждые 10 миллисекунд в течение 1 миллисекунды. Определяется кажущееся омическое сопротивление R (по соотношению V и I), и когда R достигает или превышает величину R, соответствующую предустановленной пороговой температуре T или температуре, превышающей предустановленную пороговую температуру T, транзисторный переключатель 1231 (см. фиг. 4) переключается в режим, в котором он генерирует импульсы лишь каждые 10 миллисекунд в течение 1 миллисекунды (в таком случае рабочий цикл транзисторного переключателя составляет лишь около 9%). В течение этой 1 миллисекунды включенного состояния (проводящего состояния) транзисторного переключателя 1231 измеряются величины напряжения V постоянного тока и силы I постоянного тока и определяется кажущееся омическое сопротивление R. Поскольку кажущееся омическое сопротивление R является характерным для температуры T токоприемника 21, которая ниже предустановленной пороговой температуры T, транзистор переключается обратно в вышеупомянутый режим (таким образом, чтобы рабочий цикл транзисторного переключателя снова составлял практически 100%).
Например, токоприемник 21 может иметь длину, составляющую приблизительно 12 миллиметров, ширину, составляющую приблизительно 4 миллиметра, и толщину, составляющую приблизительно 50 микрометров, и может быть изготовлен из нержавеющей стали марки 430 (SS430). В качестве альтернативного примера, токоприемник может иметь длину, составляющую приблизительно 12 миллиметров, ширину, составляющую приблизительно 5 миллиметров, и толщину, составляющую приблизительно 50 микрометров, и может быть изготовлен из нержавеющей стали марки 420 (SS430). Эти токоприемники также могут быть изготовлены из нержавеющей стали марки 420 (SS420).
Благодаря описанию вариантов осуществления изобретения с помощью графических материалов очевидно, что может быть предусмотрено много изменений и модификаций в пределах общей идеи, лежащей в основе настоящего изобретения. Следовательно, предполагается, что объем защиты не ограничивается конкретными вариантами осуществления, но определяется прилагаемой формулой изобретения