ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ, УСТРОЙСТВО, ГЕНЕРИРУЮЩЕЕ АЭРОЗОЛЬ, И СПОСОБ РЕЗИСТИВНОГО НАГРЕВА СУБСТРАТА, ОБРАЗУЮЩЕГО АЭРОЗОЛЬ
ELECTRIC HEATING NODE, AEROSOL GENERATING DEVICE AND METHOD FOR RESISTIVE HEATING OF AEROSOL FORMING SUBSTRATE

Настоящее изобретение относится к электрическому нагревательному узлу устройства, генерирующего аэрозоль, для резистивного нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Настоящее изобретение дополнительно относится к устройству, генерирующему аэрозоль, содержащему такой нагревательный узел, а также к способу резистивного нагрева субстрата, образующего аэрозоль.
Генерирование аэрозолей посредством резистивного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, общеизвестно из уровня техники. Для этого субстрат, образующий аэрозоль, который способен образовывать вдыхаемый аэрозоль при нагреве, приводят в тепловую близость или даже в прямой физический контакт с резистивным нагревательным элементом. Нагревательный элемент содержит электрически проводящий материал, который нагревается из–за эффекта Джоуля при пропускании постоянного тока возбуждения через него. Нагревательный элемент может представлять собой, например, керамическую пластинку, содержащую электрически проводящую металлическую дорожку, образованную на ней, которая нагревается при пропускании постоянного тока возбуждения через дорожку. Тем не менее, из–за хрупкой природы керамического материала такие нагревательные пластинки имеют повышенный риск поломки, в частности, когда их приводят и выводят из контакта с субстратом, образующим аэрозоль. Альтернативно нагревательная пластинка может быть изготовлена из металла. Однако металлы имеют очень низкое сопротивление постоянному току, что приводит к низкой эффективности нагрева, нежелательным потерям мощности и невоспроизводимым результатам нагрева.
Следовательно, было бы желательно получить электрический нагревательный узел, устройство, генерирующее аэрозоль, и способ резистивного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, с преимуществами решений из известного уровня техники, но без их ограничений. В частности, было бы желательно получить нагревательный узел, устройство, генерирующее аэрозоль, и способ нагрева, обеспечивающие надежную и эффективную возможность резистивного нагрева субстрата, образующего аэрозоль.
Согласно настоящему изобретению предусмотрен электрический нагревательный узел устройства, генерирующего аэрозоль, для резистивного нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Нагревательный узел содержит схему управления, выполненную с возможностью подачи переменного тока возбуждения. Нагревательный узел дополнительно содержит электрически резистивный нагревательный элемент для нагрева субстрата, образующего аэрозоль.
Схема управления предпочтительно может быть выполнена с возможностью подачи переменного тока возбуждения, имеющего частоту в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц, в частности от 1 МГц до 10 МГц, предпочтительно от 5 МГц до 7 МГц.
Переменный ток возбуждения представляет собой биполярный переменный ток возбуждения и/или возбуждение переменного тока без постоянной составляющей, без смещения постоянной составляющей или с постоянной составляющей, равной нулю.
Нагревательный элемент функционально соединен со схемой управления и выполнен с возможностью нагрева вследствие джоулева нагрева при пропускании переменного тока возбуждения, подаваемого схемой управления, через нагревательный элемент. В частности, нагревательный элемент функционально соединен со схемой управления посредством провода. В контексте данного документа термин «провод» означает «неиндуктивный», в частности, что нагревательный элемент функционально соединен со схемой управления исключительно посредством провода или что функциональное соединение между нагревательным элементом и схемой управления исключительно связано проводом.
По существу, электрически резистивный нагревательный элемент согласно настоящему изобретению содержит электрически проводящий материал для пропускания переменного тока возбуждения через нагревательный элемент.
Согласно настоящему изобретению было признано, что эффективное сопротивление и, таким образом, эффективность нагрева электрически проводящего нагревательного элемента могут быть значительно повышены посредством пропускания переменного тока возбуждения, вместо постоянного тока возбуждения, через нагревательный элемент. В отличие от постоянных токов, переменные токи в основном протекают в «поверхностном слое» электрического проводника между наружной поверхностью проводника и уровнем, называемым глубиной поверхностного слоя. Плотность переменного тока является наибольшей вблизи поверхности проводника и уменьшается с большей глубиной в проводнике. При увеличении частоты переменного тока возбуждения глубина поверхностного слоя уменьшается, что приводит к уменьшению эффективного поперечного сечения проводника и, как следствие, к увеличению эффективного сопротивления проводника. Данное явление известно как поверхностный эффект, который в основном обусловлен противоположными вихревыми токами, вызванными изменяющимся магнитным полем, создаваемым переменным током возбуждения.
По существу, электрически резистивный нагревательный элемент согласно настоящему изобретению содержит электрически проводящий материал для пропускания переменного тока возбуждения через нагревательный элемент.
Кроме того, управление нагревательным элементом с использованием переменного тока возбуждения позволяет нагревательному элементу по существу быть изготовленным или по существу состоять из электрически проводимого, в частности твердого материала, при этом все еще обеспечивая достаточно высокое сопротивление для генерирования тепла. В частности, по меньшей мере большая часть или даже весь нагревательный элемент может по существу состоять из металла или может быть по существу изготовлен из него. По сравнению с описанными выше керамическими нагревательными элементами нагревательный элемент, который по существу состоит из металла или изготовлен из него, значительно повышает механическую стабильность и надежность нагревательного элемента и, следовательно, снижает риск любой деформации или поломки нагревательного элемента.
Кроме того, работа резистивного нагревательного элемента с использованием переменного тока возбуждения также уменьшает влияние нежелательного емкостного поведения, возникающего при переходах материала внутри проводящей системы электрического нагревательного узла, например, в местах сварки или пайки.
Глубина поверхностного слоя зависит от свойств материала нагревательного элемента, а также от частоты переменного тока возбуждения. Глубина поверхностного слоя может быть уменьшена посредством по меньшей мере одного из уменьшения удельного сопротивления проводящего нагревательного элемента, увеличения магнитной проницаемости проводящего нагревательного элемента или увеличения частоты переменного тока возбуждения. Соответственно, эффективное сопротивление и, следовательно, эффективность нагрева нагревательного элемента могут быть значительно повышены посредством надлежащего выбора свойств материала нагревательного элемента, в частности, посредством наличия нагревательного элемента, который содержит электрически проводящий материал, обладающий по меньшей мере одним из низкого удельного сопротивления или высокой магнитной проницаемости.
Следовательно, по меньшей мере часть нагревательного элемента или весь нагревательный элемент предпочтительно содержит по меньшей мере один из электрически проводящего ферромагнитного материала или электрически проводящего ферримагнитного материала, или по существу изготовлен из одного из них. Ферромагнитный или ферримагнитный материал является предпочтительным из–за уменьшения глубины поверхностного слоя и, следовательно, увеличения сопротивления переменному току.
Альтернативно или дополнительно по меньшей мере часть нагревательного элемента может также содержать электрически проводящий парамагнитный материал или может быть по существу изготовлена из него. Разумеется, нагревательный узел также работает в случае, если весь нагревательный элемент содержит по меньшей мере один из электрически проводящих парамагнитных материалов, или по существу изготовлен из одного из них.
Наличие нагревательного элемента, содержащего электрически проводящий ферромагнитный или ферримагнитный материал, преимущественно обеспечивает управление температурой и предпочтительно также обеспечивает самоограничение процесса резистивного нагрева. Это обусловлено тем фактом, что магнитные свойства электрически проводящего материала изменяются с повышением температуры. В частности, при достижении температуры Кюри магнитные свойства меняются с ферромагнитных или ферримагнитных, соответственно, на парамагнитные. То есть магнитная проницаемость электрически проводящего материала непрерывно снижается с повышением температуры. Снижение магнитной проницаемости в свою очередь вызывает увеличение глубины поверхностного слоя и, следовательно, снижение эффективного сопротивления переменному току электрически проводящего материала. При достижении температуры Кюри относительная магнитная проницаемость снижается приблизительно до единицы, что приводит к тому, что эффективное электрическое сопротивление переменному току достигает минимума. Таким образом, отслеживание соответствующего изменения переменного тока возбуждения, проходящего через нагревательный элемент, может быть использовано в качестве температурного маркера, указывающего на то, когда проводящий магнитный материал нагревательного элемента достиг своей температуры Кюри. Предпочтительно, проводящий магнитный материал нагревательного элемента выбран таким образом, чтобы иметь температуру Кюри, соответствующую предварительно определенной температуре нагрева субстрата, образующего аэрозоль.
Более того, из–за снижения сопротивления переменному току во время непрерывного процесса нагрева эффективная скорость нагрева непрерывно снижается с повышением температуры. При достижении температуры Кюри эффективная скорость нагрева может быть уменьшена до такой степени, что температура нагревательного элемента больше не повышается, несмотря на все еще продолжающееся пропускание тока возбуждения через нагревательный элемент. Температура нагревательного элемента может даже незначительно уменьшаться при достижении температуры Кюри проводящего магнитного материала нагревательного элемента в зависимости от выделения тепла к субстрату, образующему аэрозоль. Преимущественно данный эффект обеспечивает самоограничение процесса нагрева, предотвращая таким образом нежелательный перегрев субстрата, образующего аэрозоль. Соответственно, проводящий магнитный материал нагревательного элемента может быть выбран таким образом, чтобы иметь температуру Кюри, соответствующую предварительно определенной максимальной температуре нагрева субстрата, образующего аэрозоль.
Преимущественно температура Кюри проводящего ферромагнитного или ферримагнитного материала нагревательного элемента находится в диапазоне от 150°C (градусов Цельсия) до 500°C (градусов Цельсия), в частности от 250°C (градусов Цельсия) до 400°C (градус Цельсия), предпочтительно от 270°C (градусов Цельсия) до 380°C (градусов Цельсия).
Предпочтительно, нагревательный элемент содержит проводящий ферромагнитный или ферримагнитный материал, обладающий абсолютной магнитной проницаемостью, составляющей по меньшей мере 10 мкГн/м (микрогенри на метр), в частности по меньшей мере 100 мкГн/м, предпочтительно по меньшей мере 1 мГн/м (миллигенри на метр), наиболее предпочтительно по меньшей мере 10 мГн/м или даже по меньшей мере 25 мГн/м. Аналогичным образом, проводящий ферромагнитный или ферримагнитный материал может обладать относительной магнитной проницаемостью по меньшей мере 10, в частности по меньшей мере 100, предпочтительно по меньшей мере 1000, наиболее предпочтительно по меньшей мере 5000 или даже по меньшей мере 10000.
Эффективное сопротивление и, следовательно, эффективность нагрева нагревательного элемента могут быть значительно увеличены при пропускании высокочастотного переменного тока возбуждения через них. Преимущественно переменный ток возбуждения обладает частотой в диапазоне от 500 кГц (килогерц) до 30 МГц (мегагерц), в частности от 1 МГц до 10 МГц, предпочтительно от 5 МГц до 7 МГц. Соответственно, схема управления предпочтительно выполнена с возможностью подачи переменного тока возбуждения, обладающего частотой в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц, в частности от 1 МГц до 10 МГц, предпочтительно от 5 МГц до 7 МГц.
Согласно предпочтительному аспекту настоящего изобретения сопротивление переменному току нагревательного элемента находится в диапазоне от 10 мОм (миллиом) до 1500 мОм (миллиом), в частности от 20 мОм до 1500 мОм, предпочтительно от 100 мОм до 1500 мОм, в отношении переменного тока возбуждения, проходящего через нагревательный элемент, который обладает частотой в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц, в частности от 1 МГц до 10 МГц, предпочтительно от 5 МГц до 7 МГц. Сопротивление переменному току в этом диапазоне преимущественно обеспечивает достаточно высокую эффективность нагрева.
Электрическое устройство, генерирующее аэрозоль, которое подлежит использованию с нагревательным узлом согласно настоящему изобретению, может предпочтительно управляться блоком питания постоянного тока, например, батареей. Следовательно, схема управления предпочтительно содержит по меньшей мере один инвертор постоянного тока в переменный ток для подачи переменного тока возбуждения.
Согласно предпочтительному аспекту настоящего изобретения инвертор постоянного тока в переменный ток содержит переключающий усилитель мощности, например усилитель класса E или усилитель класса D. Усилители класса D и класса E известны своим минимальным рассеянием мощности в переключающем транзисторе во время переходных процессов при переключении. Усилители мощности класса E являются особенно преимущественными в отношении работы на высоких частотах, в то же время имея простую конструкцию схемы. Предпочтительно, усилитель мощности класса E представляет собой однотактный усилитель мощности класса E первого порядка, содержащий только один транзисторный переключатель.
Переключающий усилитель мощности, в частности, в случае усилителя класса E, может содержать транзисторный переключатель, задающую схему транзисторного переключателя и индуктивно–емкостную сеть нагрузки, при этом индуктивно–емкостная сеть нагрузки содержит последовательное соединение конденсатора и индуктора. В дополнение, индуктивно–емкостная сеть нагрузки может содержать шунтирующий конденсатор, параллельный последовательному соединению конденсатора и индуктора и параллельный транзисторному переключателю. Небольшое количество этих компонентов обеспечивает возможность поддержания чрезвычайно малого объема переключающего усилителя мощности, тем самым позволяя также поддерживать очень малый общий объем нагревательного узла.
Транзисторный переключатель переключающего усилителя мощности может представлять собой любой тип транзистора и может быть выполнен в виде биполярного плоскостного транзистора (BJT). Более предпочтительно, тем не менее, чтобы транзисторный переключатель был 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 вышеупомянутой конфигурации схема управления может дополнительно содержать по меньшей мере один пропускающий конденсатор, соединенный параллельно с нагревательным элементом, в частности параллельно с путем резистивного проводника через нагревательный элемент. Для этого следует отметить, что нагревательный элемент представлен не только сопротивлением, но также и (малой) индуктивностью. Соответственно, на эквивалентной электрической схеме нагревательный элемент может быть представлен последовательным соединением сопротивления и индуктора. Посредством подходящего выбора емкости пропускающего конденсатора, индуктор/индуктивность нагревательного элемента и пропускающий конденсатор образуют индуктивно–емкостный резонатор, через который проходит большая часть переменного тока возбуждения, тогда как лишь небольшая часть переменного тока возбуждения проходит через транзисторный переключатель посредством индуктора и конденсатора индуктивно–емкостной сети. Благодаря этому пропускающий конденсатор преимущественно вызывает уменьшение передачи тепла от нагревательного элемента к схеме управления. Преимущественно емкость пропускающего конденсатора больше, в частности по меньшей мере в два раза, предпочтительно по меньшей мере в пять раз больше, наиболее предпочтительно по меньшей мере в десять раз больше емкости конденсатора индуктивно–емкостной сети.
Более того, пропускающий конденсатор и предпочтительно также индуктор индуктивно–емкостной сети могут быть расположены ближе к нагревательному элементу, чем к остальной части схемы управления, в частности как можно ближе к нагревательному элементу.
Например, индуктор индуктивно–емкостной сети и пропускающий конденсатор могут быть реализованы в виде отдельных электронных компонентов, расположенных удаленно от остальных компонентов, которые, в свою очередь, могут быть расположены на PCB (печатной плате). Пропускающий конденсатор может быть непосредственно соединен с нагревательным элементом.
Для подачи питания на схему управления и нагревательный элемент нагревательный узел может дополнительно содержать блок питания, предпочтительно блок питания постоянного тока, который функционально соединен со схемой управления и, следовательно, с нагревательным элементом посредством схемы управления. Источник питания постоянного тока, как правило, может содержать любой подходящий источник питания постоянного тока, например одну или более одноразовых батарей, одну или более перезаряжаемых батарей или любой другой подходящий источник питания постоянного тока, способный обеспечивать требуемое напряжение питающего постоянного тока и требуемую силу питающего постоянного тока. Напряжение питающего постоянного тока источника питания постоянного тока может находиться в диапазоне от приблизительно 2,5 В (вольта) до приблизительно 4,5 В (вольта), а сила питающего постоянного тока находится в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 10 ампер (в соответствии с источником питания постоянного тока, находящегося в диапазоне от приблизительно 2,5 Вт (ватт) до приблизительно 45 Вт (ватт).
В качестве общего правила, всякий раз, когда термин «приблизительно» используется в сочетании с конкретным значением по всей данной заявке, следует понимать, что значение, следующее за термином «приблизительно», не обязательно должно точно равняться этому конкретному значению по техническим соображениям. Тем не менее, термин «приблизительно», используемый в сочетании с конкретной величиной, всегда следует понимать как включающий в себя и явным образом выражающий конкретную величину, следующую за термином «приблизительно».
В зависимости от условий субстрата, образующего аэрозоль, подлежащего нагреву, нагревательный элемент может иметь различные геометрические конфигурации. Например, нагревательный элемент может иметь конфигурацию пластинки, конфигурацию стержня или конфигурацию штыря. То есть нагревательный элемент может представлять собой или может содержать одну или более пластинок, стержней или штырей, которые содержат электрически проводящий материал или по существу изготовлены из него. Эти конфигурации особенно подходят для использования с твердыми или пастообразными субстратами, образующими аэрозоль. В частности, эти конфигурации легко обеспечивают возможность проникновения в субстрат, образующий аэрозоль, когда нагревательный элемент подлежит приведению в контакт с субстратом, образующим аэрозоль, подлежащим нагреву. На ближнем конце пластинчатый или стержнеобразный нагревательный элемент может содержать сужающуюся концевую часть, обеспечивающую возможность легкого проникновения в субстрат, образующий аэрозоль.
Предпочтительно, нагревательный элемент содержит по меньшей мере одну пластинку, которая содержит электрически проводящий материал, в частности электрически проводящий твердый материал, или по существу изготовлена из него. Пластинка может содержать сужающуюся концевую часть, способствующую проникновению пластинки в субстрат, образующий аэрозоль, подлежащий нагреву. Пластинка может обладать длиной в диапазоне от 5 мм (миллиметров) до 20 мм (миллиметров), в частности от 10 мм до 15 мм; шириной в диапазоне от 2 мм до 8 мм, в частности от 4 мм до 6 мм; и толщиной в диапазоне от 0,2 мм до 0,8 мм, в частности от 0,25 мм до 0,75 мм.
Альтернативно нагревательный элемент может иметь конфигурацию фитиля или конфигурацию сетки. То есть нагревательный элемент может представлять собой или может содержать одну или более сеток или фитилей, которые содержат электрически проводящий материал или по существу изготовлены из него. Последние конфигурации особенно пригодны для использования с жидкими субстратами, образующими аэрозоль.
Наружная поверхность нагревательного элемента может быть обработана или покрыта. То есть нагревательный элемент может содержать поверхностную обработку или покрытие. Поверхностная обработка или покрытие могут быть выполнены с возможностью по меньшей мере одного из: избегания прилипания субстрата, образующего аэрозоль, к поверхности нагревательного элемента, избегания диффузии материала, например диффузии металла, от нагревательного элемента в субстрат, образующий аэрозоль, улучшения механической жесткости нагревательного элемента. Предпочтительно, поверхностная обработка или покрытие являются по существу электрически непроводящими.
В целом, нагревательный элемент может содержать по меньшей мере один путь резистивного проводника для пропускания переменного тока возбуждения через него. В контексте данного документа термин «путь проводника» относится к предварительно заданному пути для прохождения переменного тока возбуждения через нагревательный элемент. Этот путь в основном определяется геометрической конфигурацией электрически проводящего материала нагревательного элемента.
Нагревательный элемент может содержать только один путь резистивного проводника. Альтернативно нагревательный элемент может содержать множество путей резистивного проводника, параллельных друг другу, для пропускания переменного тока возбуждения через них.
В последней конфигурации множество путей резистивного проводника могут сливаться в пределах общей секции нагревательного элемента. Преимущественно это обеспечивает компактную конструкцию нагревательного элемента. В этой конфигурации переключающий усилитель мощности схемы управления может содержать по меньшей мере одну индуктивно–емкостную сеть, как описано для каждого из множества параллельных путей резистивного проводника. Подобным образом, переключающий усилитель мощности схемы управления может содержать по меньшей мере один пропускающий конденсатор, как описано выше, для каждого из множества параллельных путей резистивного проводника, чтобы снижать передачу тепла от нагревательного элемента к схеме управления.
По меньшей мере один путь резистивного проводника или по меньшей мере один из множества путей резистивного проводника могут содержать две точки питания для подачи переменного тока возбуждения на соответствующий путь нагрева. Предпочтительно две точки питания расположены на одной стороне нагревательного элемента. Такая компоновка обеспечивает компактную конструкцию нагревательного элемента и также способствует функциональному соединению нагревательного элемента со схемой управления.
Рассеяние тепла вдоль пути проводника и, следовательно, эффективность нагрева нагревательного элемента повышаются с увеличением длины пути проводника. Следовательно, геометрическая конфигурация пути резистивного проводника предпочтительно является такой, чтобы длина пути была как можно более длинной.
Соответственно, по меньшей мере один путь резистивного проводника или по меньшей мере один из множества путей резистивного проводника могут иметь конфигурацию меандра, конфигурацию зигзага или конфигурацию спирали. Аналогично, по меньшей мере один путь резистивного проводника или по меньшей мере один из множества путей резистивного проводника могут иметь U–образную форму или конфигурацию C–образной формы или V–образной формы.
По меньшей мере один путь резистивного проводника или по меньшей мере один из множества путей резистивного проводника могут быть образованы посредством по меньшей мере одного разрезания нагревательного элемента на секции. В результате по меньшей мере один путь резистивного проводника или по меньшей мере один из множества путей резистивного проводника могут быть образованы посредством по меньшей мере одной прорези, при этом нагревательный элемент полностью прерывается прорезью вдоль протяженности в глубину или в толщину прорези, и лишь частично прерывается прорезью вдоль протяженности в длину прорези.
Например, пластинчатый или стержнеобразный нагревательный элемент, изготовленный из твердого проводящего материала, может содержать одну прорезь, начинающуюся на одном краю нагревательного элемента, но лишь частично проходящую вдоль части длины нагревательного элемента таким образом, чтобы обеспечить U–образный путь проводника.
Подобным образом, нагревательный элемент может содержать две параллельные прорези, которые начинаются на том же краю нагревательного элемента, но при этом лишь частично проходят вдоль части длины нагревательного элемента таким образом, чтобы обеспечить два параллельных U–образных пути проводника, имеющих одно центральное разветвление в целом.
В случае множества путей резистивного проводника схема управления может содержать соответствующий пропускающий конденсатор для каждого пути резистивного проводника, соединенного параллельно с ним.
Как упомянуто выше, по меньшей мере часть нагревательного элемента предпочтительно содержит по меньшей мере один электрически проводящий материал или по существу изготовлена из него. По меньшей мере один электрически проводящий материал может представлять собой либо ферромагнитный, либо ферримагнитный, либо парамагнитный материал.
Например, по меньшей мере часть нагревательного элемента может содержать или может быть по существу изготовлена по меньшей мере из одного из следующего: вольфрам, никель–кобальт–железный сплав (такой как, например, ковар или фернико 1), мю–металл, пермаллой (такой как, например, пермаллой C) или нержавеющая сталь (такая как, например, AISI 420).
Чтобы снизить передачу тепла от нагревательного элемента к схеме управления, нагревательный узел может дополнительно содержать электрически проводящий соединитель, функционально соединяющий схему управления с нагревательным элементом. Сопротивление переменному току соединителя ниже сопротивления переменному току нагревательного элемента. Из–за более низкого сопротивления переменному току генерирование тепла, вызванное джоулевым нагревом, значительно снижено в проводящем соединителе по сравнению с нагревательным элементом.
Преимущественно, электрически проводящий соединитель обладает сопротивлением переменному току не более 25 мОм, в частности не более 15 мОм, предпочтительно не более 10 мОм, наиболее предпочтительно не более 10 мОм в отношении переменного тока возбуждения, проходящего через нагревательный элемент, который обладает частотой в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц, в частности от 1 МГц до 10 МГц, предпочтительно от 5 МГц до 7 МГц.
Сопротивление переменному току проводящего соединителя может быть снижено или сведено к минимуму посредством увеличения глубины поверхностного слоя. Глубина поверхностного слоя, в свою очередь, увеличивается с возникновением по меньшей мере одного из снижения удельного сопротивления или снижения магнитной проницаемости проводящего соединителя. Соответственно, свойства материала проводящего соединителя предпочтительно выбраны таким образом, чтобы обладать низким удельным сопротивлением или низкой магнитной проницаемостью. В частности, относительная магнитная проницаемость электрически проводящего материала соединителя предпочтительно ниже относительной магнитной проницаемости электрически проводящего материала нагревательного элемента. Преимущественно электрически проводящий материал соединителя является парамагнитным. Например, нагревательный элемент может быть изготовлен из пермаллоя C, в то время как соединитель может быть изготовлен из вольфрама.
В дополнение или альтернативно нагревательный узел может дополнительно содержать теплопоглотитель, термически соединенный по меньшей мере с одним из схемы управления или соединителя с целью поглощения любого избыточного тепла и, следовательно, снижения любого нежелательного теплового воздействия на схему управления. Теплопоглотитель может содержать, например, радиатор, или тепловой резервуар, или теплообменник.
В последнем случае теплообменник может, в частности, содержать по меньшей мере один термоэлектрический генератор. Термоэлектрический генератор представляет собой устройство преобразования энергии для преобразования тепла в электропитание на основе принципа Зеебека. Предпочтительно, указанный по меньшей мере один термоэлектрический генератор функционально соединен с блоком питания нагревательного узла или непосредственно со схемой управления. В качестве примера, термоэлектрический генератор может быть функционально соединен с батареей, чтобы подавать преобразованное электропитание в целях перезарядки.
В случае, если теплопоглотитель представляет собой тепловой резервуар, то теплопоглотитель содержит материал с фазовым переходом (PCM). Материал с фазовым переходом представляет собой вещество с высокой теплотой плавления, способное сохранять и высвобождать большие количества энергии, когда материал изменяет свою фазу с твердой на жидкую, с твердой на газообразную или с жидкой на газообразную и наоборот. PCM может быть неорганическим, например, гидратами соли. Альтернативно PCM может быть органическим, например, парафином или углеводом.
В качестве радиатора, теплопоглотитель может содержать охлаждающие ребра или охлаждающие разрезы в тепловом контакте с по меньшей мере одним из схемы управления или соединителя. Когда нагревательный узел установлен в устройстве, генерирующем аэрозоль, охлаждающие ребра или охлаждающие разрезы могут быть расположены внутри прохода для потока воздуха устройства, генерирующего аэрозоль, таким образом, чтобы обеспечить рассеяние тепла в проход для потока воздуха.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения нагревательный элемент может представлять собой многослойный нагревательный элемент, содержащий множество слоев, в частности, по меньшей мере два слоя. Преимущественно, многослойная компоновка нагревательного элемента обеспечивает возможность комбинирования различных функциональностей и эффектов, при этом каждый слой предпочтительно предоставляет по меньшей мере одну конкретную функцию или эффект. Для этого различные слои могут содержать различные материалы и/или могут иметь различные геометрические конфигурации, в частности, различные толщины слоя.
По меньшей мере один слой многослойного нагревательного элемента содержит электрически проводящий материал для нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Электрически проводящий материал по меньшей мере одного нагревательного слоя предпочтительно является ферромагнитным или ферримагнитным. Преимущественно это повышает эффективность нагрева процесса нагрева как описано выше. Как также описано выше, наличие ферромагнитного или ферримагнитного материала преимущественно обеспечивает управление температурой и предпочтительно также обеспечивает самоограничение процесса резистивного нагрева.
Кроме того, ферримагнитные или ферромагнитные материалы, в частности, обладающие высокой магнитной проницаемостью, могут быть довольно гибкими. Следовательно, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения многослойный нагревательный элемент содержит по меньшей мере один опорный слой и по меньшей мере один нагревательный слой. По меньшей мере нагревательный слой содержит электрически проводящий материал для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, в частности электрически проводящий ферромагнитный или ферримагнитный материал. В отличие от этого опорный слой преимущественно содержит материал, который является менее гибким по сравнению с электрически проводящим материалом нагревательного слоя. В частности, жесткость по отношению к сгибанию и/или вращению опорного слоя выше, чем жесткость по отношению к сгибанию и/или вращению нагревательного слоя. Такая конфигурация преимущественно сочетает в себе как высокую механическую жесткость, обусловленную опорным слоем, так и высокое сопротивление переменному току и, следовательно, высокую эффективность нагрева благодаря по меньшей мере одному нагревательному слою.
Согласно предпочтительному варианту осуществления многослойный нагревательный элемент содержит по меньшей мере один опорный слой и по меньшей мере два нагревательных слоя, зажимающих между собой опорный слой, причем по меньшей мере один, предпочтительно оба нагревательных слоя содержат электрически проводящий материал. Еще более предпочтительно оба нагревательных слоя содержат один и тот же электрически проводящий материал или изготовлены из него и обладают одинаковой толщиной. Симметричная компоновка последней конфигурации оказывается особенно полезной, поскольку она компенсируется состояниями растягивающего или сжимающего напряжения из–за возможных различий в характере теплового расширения различных слоев.
Нагревательные слои могут также иметь различные композиции, то есть нагревательные слои могут содержать различные материалы с различными температурами Кюри. Преимущественно это может предоставить дополнительную информацию о температуре нагрева, например, в целях калибровки или управления температурой.
Предпочтительно, по меньшей мере один нагревательный слой или два нагревательных слоя, зажимающие между собой опорный слой, представляют собой краевые слои многослойного нагревательного элемента. Это способствует непосредственной передаче тепла от нагревательного элемента к субстрату, образующему аэрозоль.
Для обеспечения достаточной механической жесткости по меньшей мере один слой многослойного нагревательного узла, предпочтительно по меньшей мере опорный слой изготовлен из твердого материала. Более предпочтительно, все слои изготовлены из соответствующего твердого материала.
Кроме того, толщина слоя по меньшей мере одного опорного слоя может быть больше толщины слоя по меньшей мере одного или двух нагревательных слоев. Это также способствует обеспечению достаточной механической жесткости.
По меньшей мере один опорный слой может быть изготовлен из электрически непроводящего материала. Соответственно, опорный слой отделяет два зажимающих нагревательных слоя друг от друга, так что эти два нагревательных слоя работают параллельно. Альтернативно два зажимающих нагревательных слоя могут работать последовательно, при этом все еще будучи разделенными электрически непроводящим опорным слоем, расположенным между ними. Для этого нагревательные слои могут быть электрически соединены на одном конце, в частности на ближнем конце нагревательного элемента. В этой конфигурации электрический непроводящий опорный слой используется не только для ужесточения нагревательного элемента, но также для образования одного пути проводника через нагревательный элемент, который состоит из последовательного соединения двух нагревательных слоев.
По меньшей мере один опорный слой может также содержать электрически проводящий материал. В этом случае сопротивление переменному току опорного слоя предпочтительно отличается от сопротивления переменному току по меньшей мере одного нагревательного слоя, предпочтительно ниже него. В частности, в случае, если по меньшей мере один нагревательный слой представляет собой краевой слой, ожидается, что переменный ток возбуждения будет протекать по меньшей мере частично или даже по большей части внутри нагревательного слоя, хотя сопротивление переменному току опорного слоя может быть ниже, чем сопротивление переменному току нагревательного слоя. Вследствие этого рассеяние тепла происходит в основном внутри нагревательного слоя. Более того, по сравнению со слоем с наименьшим сопротивлением переменному току, взятому отдельно, общее сопротивление переменному току многослойного нагревательного элемента, имеющего слои с различными сопротивлениями переменному току, может быть значительно повышено.
Соответственно, удельное сопротивление электрически проводящего материала по меньшей мере одного нагревательного слоя может быть больше удельного сопротивления электрически проводящего материала по меньшей мере одного опорного слоя.
Альтернативно или дополнительно относительная магнитная проницаемость электрически проводящего материал по меньшей мере одного или двух нагревательных слоев больше относительной магнитной проницаемости электрически проводящего материала по меньшей мере одного опорного слоя. Предпочтительно электрически проводящий материал по меньшей мере одного или двух нагревательных слоев является ферромагнитным или ферримагнитным, тогда как электрически проводящий материал по меньшей мере одного опорного слоя является парамагнитным.
Каждый из слоев может быть гальванически нанесен, осажден, нанесен в виде покрытия, нанесен посредством плакирования или приварен к соответствующему смежному слою. В частности, любой слой может быть нанесен на соответствующий смежный слой посредством распыления, нанесения покрытия погружением, нанесения покрытия валиком, электролитического осаждения, плакирования или контактной электросварки.
Многослойный нагревательный элемент может иметь конфигурацию стержня, конфигурацию штыря или конфигурацию пластинки. В последнем случае каждый слой сам по себе может иметь конфигурацию пластинки. В случае конфигурации стержня или штыря многослойный нагревательный элемент может содержать внутреннюю сердцевину в качестве опорного слоя, который окружен, или инкапсулирован, или покрыт наружной оболочкой в качестве нагревательного слоя. Стержнеобразный нагревательный элемент может содержать центральную продольную прорезь, проходящую только вдоль части длины нагревательного элемента от его дальнего конца к его ближнему концу таким образом, чтобы обеспечить U–образный путь проводника через него.
Альтернативно стержнеобразный многослойный нагревательный элемент может содержать внутреннюю сердцевину в качестве первого нагревательного слоя и наружную оболочку в качестве второго нагревательного слоя. Между внутренней сердцевиной и наружной оболочкой нагревательный элемент может дополнительно содержать промежуточный рукав, изготовленный из электрически непроводящего материала в качестве опорного слоя, так, чтобы отделять первый и второй нагревательные слои. Однако внутренняя сердцевина и наружная оболочка могут быть электрически соединены на одном конце, предпочтительно на ближнем конце стержнеобразного нагревательного элемента, таким образом, чтобы обеспечить путь проводника между первым и вторым нагревательными слоями.
Как упомянуто выше, нагревательный элемент может быть выполнен с возможностью выполнения функции датчика температуры, в частности для управления температурой субстрата, образующего аэрозоль, предпочтительно для регулирования фактической температуры. Эта возможность основана на зависящем от температуры свойстве сопротивления резистивного материала, используемого для создания резистивного нагревательного элемента. Нагревательный узел может дополнительно содержать считывающее устройство для измерения сопротивления нагревательного элемента. Считывающее устройство может быть частью схемы управления. Измеренная температура непосредственно соответствует фактической температуре нагревательного элемента. Измеренная температура может также указывать на фактическую температуру субстрата, образующего аэрозоль, в зависимости от расположения нагревательного элемента относительно субстрата, образующего аэрозоль, подлежащего нагреву, и от заданных характеристик подачи тепла от нагревательного элемента к субстрату, образующему аэрозоль.
Нагревательный узел, в частности схема управления, может дополнительно содержать температурный контроллер для управления температурой нагревательного элемента. Для этого температурный контроллер предпочтительно выполнен с возможностью управления переменным током возбуждения, проходящим через нагревательный элемент, причем, в частности, температурный контроллер может быть функционально соединен с вышеупомянутым считывающим устройством для измерения сопротивления и, следовательно, температуры нагревательного элемента.
Согласно настоящему изобретению также предоставлено устройство, генерирующее аэрозоль, для использования с субстратом, образующим аэрозоль, при этом устройство, генерирующее аэрозоль, содержит нагревательный узел согласно настоящему изобретению и как описано в данном документе.
В контексте данного документа термин «устройство, генерирующее аэрозоль» используется для описания электрического устройства, которое способно взаимодействовать по меньшей мере с одним субстратом, образующим аэрозоль, для генерирования аэрозоля посредством нагрева субстрата. Предпочтительно устройство, генерирующее аэрозоль, представляет собой устройство для затяжки для генерирования аэрозоля, непосредственно вдыхаемого пользователем через рот. В частности, устройство, генерирующее аэрозоль, представляет собой удерживаемое в руке устройство, генерирующее аэрозоль.
В контексте данного документа термин «субстрат, образующий аэрозоль» относится к субстрату, способному высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый или жидкий субстрат, образующий аэрозоль. В обоих состояниях субстрат, образующий аэрозоль, может содержать по меньшей мере один из твердых или жидких компонентов. В частности, субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие вкусоароматические соединения табака, которые высвобождаются из субстрата при нагреве. Таким образом, субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой табакосодержащий субстрат, образующий аэрозоль. Табакосодержащий материал может содержать рассыпной или упакованный табак или листы табака, которые были собраны или гофрированы. Альтернативно или дополнительно субстрат, образующий аэрозоль, может содержать нетабачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может дополнительно содержать вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может также содержать другие добавки и ингредиенты, такие как никотин или ароматизаторы, в частности табачные ароматизаторы. Субстрат, образующий аэрозоль, может также представлять собой пастообразный материал, пакетик из пористого материала, содержащий субстрат, образующий аэрозоль, или, например, рассыпной табак, смешанный с гелеобразующим средством или клейким веществом, который может содержать обычное вещество для образования аэрозоля, такое как глицерин, и который спрессован или сформован в виде штранга.
Субстрат, образующий аэрозоль, может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, предпочтительно расходуемый материал, для взаимодействия с устройством, генерирующим аэрозоль, для генерирования аэрозоля. Например, изделие может представлять собой стержнеобразное изделие, генерирующее аэрозоль, напоминающее форму обычной сигареты, которая содержит твердый, предпочтительно табакосодержащий субстрат, образующий аэрозоль. Альтернативно изделие может представлять собой картридж, содержащий жидкость, предпочтительно табакосодержащий субстрат, образующий аэрозоль.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать приемную камеру для размещения субстрата, образующего аэрозоль, или изделия, генерирующего аэрозоль, содержащего субстрат, образующий аэрозоль, который подлежит нагреву. Предпочтительно приемная камера расположена на ближнем конце устройства, генерирующего аэрозоль. Приемная камера может содержать приемное отверстие для вставки субстрата, образующего аэрозоль, в приемную камеру. В качестве примера, устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать полость для размещения изделия, генерирующего аэрозоль, содержащего твердый субстрат, образующий аэрозоль, или картриджа, содержащего жидкий субстрат, образующий аэрозоль, как описано выше. Альтернативно устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать резервуар для непосредственного размещения в нем жидкого субстрата, образующего аэрозоль.
Нагревательный элемент нагревательного узла может быть расположен по меньшей мере частично внутри приемной камеры устройства, генерирующего аэрозоль. Схема управления и, если он присутствует, блок питания нагревательного узла могут быть расположены внутри корпуса устройства, принадлежащего устройству, генерирующему аэрозоль. Предпочтительно нагревательный узел получает питание от общего блока питания устройства, генерирующего аэрозоль.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может дополнительно содержать проход для потока воздуха, проходящий через приемную камеру. Устройство может дополнительно содержать по меньшей мере одно впускное отверстие для воздуха, сообщающееся по текучей среде с проходом для потока воздуха.
Дополнительные признаки и преимущества устройства, генерирующего аэрозоль, были описаны применительно к нагревательному узлу и не будут описаны повторно.
Согласно настоящему изобретению также предоставлен способ резистивного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля. Способ включает следующие этапы:
предоставление субстрата, образующего аэрозоль, подлежащего нагреву;
предоставление электрически резистивного нагревательного элемента для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, причем нагревательный элемент выполнен с возможностью нагрева вследствие джоулева нагрева при пропускании переменного тока возбуждения через него;
расположение субстрата, образующего аэрозоль, в непосредственной близости или в контакте с субстратом, образующим аэрозоль;
подачу переменного тока возбуждения; и
пропускание переменного тока возбуждения через нагревательный элемент.
Предпочтительно, способ выполняют с использованием нагревательного узла или устройства, генерирующего аэрозоль, согласно настоящему изобретению и как описано в данном документе. Наоборот, нагревательный узел или устройство, генерирующее аэрозоль, согласно настоящему изобретению и как описано в данном документе, могут управляться с применением способа согласно настоящему изобретению и как описано в данном документе.
Как описано выше применительно к нагревательному узлу, этап подачи переменного тока возбуждения преимущественно включает подачу переменного тока возбуждения, обладающего частотой в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц, в частности от 1 МГц до 10 МГц, предпочтительно от 5 МГц до 7 МГц.
Переменный ток возбуждения может представлять собой биполярный переменный ток возбуждения и/или возбуждение переменного тока без постоянной составляющей, без смещения постоянной составляющей или с постоянной составляющей, равной нулю. В частности, подача переменного тока возбуждения и пропускание переменного тока возбуждения через нагревательный элемент происходит посредством связывания проводом, то есть «неиндуктивно».
Как дополнительно описано выше применительно к нагревательному узлу, переменный ток возбуждения может быть подан посредством использования переключающего усилителя мощности.
Кроме того, этап подачи переменного тока возбуждения с использованием переключающего усилителя мощности может включать управление переключающим усилителем мощности с коэффициентом заполнения в диапазоне от 20% (процентов) до 99% (процентов), в частности от 30% до 95%, предпочтительно от 50% до 90%, наиболее предпочтительно от 60% до 90%. Управление переключающим усилителем мощности с усилием заполнения в этом диапазоне преимущественно приводит к тому, что температура схемы управления остается достаточно низкой без риска тепловых повреждений схемы управления, при этом все еще позволяя нагревательному элементу достигать температур, достаточно высоких для генерирования аэрозоля.
Дополнительные признаки и преимущества способа согласно настоящему изобретению были описаны применительно к нагревательному узлу и устройству, генерирующему аэрозоль, и не будут описаны повторно.
Настоящее изобретение далее будет описано исключительно в качестве примера со ссылкой на сопроводительные графические материалы, на которых:
на фиг. 1 схематически изображен примерный вариант осуществления устройства, генерирующего аэрозоль, содержащего электрический нагревательный узел согласно настоящему изобретению для резистивного нагрева субстрата, образующего аэрозоль;
на фиг. 2–3 схематически изображены первый и второй варианты осуществления электрической схемы нагревательного узла согласно фиг. 1;
на фиг. 4–7 схематически изображены первый, второй, третий и четвертый варианты осуществления нагревательной пластинки согласно настоящему изобретению;
на фиг. 8–9 схематически изображен примерный вариант осуществления многослойной нагревательной пластинки согласно настоящему изобретению; и
на фиг. 10–11 схематически изображен примерный вариант осуществления многослойного нагревательного стержня согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1
схематически изображен примерный вариант осуществления устройства 1, генерирующего аэрозоль, содержащего электрический нагревательный узел 100 согласно настоящему изобретению для резистивного нагрева субстрата 210, образующего аэрозоль.
Устройство 1, генерирующее аэрозоль, содержит корпус 10 устройства, который содержит приемную камеру 20 на ближнем конце 2 устройства 1 для размещения субстрата 210, образующего аэрозоль, подлежащего нагреву. В настоящем варианте осуществления субстрат 210, образующий аэрозоль представляет собой твердый табакосодержащий субстрат, образующий аэрозоль. Субстрат 210 представляет собой часть стержнеобразного изделия 200, генерирующего аэрозоль. Изделие 200 напоминает по форме обычную сигарету и выполнено с возможностью размещения в приемной камере 20 устройства 1. В дополнение к субстрату 210, образующему аэрозоль, изделие 200 содержит опорный элемент 220, элемент 230, охлаждающий аэрозоль, и фильтрующий элемент 240. Все эти элементы расположены последовательно к субстрату 210, образующему аэрозоль, причем субстрат расположен на дальнем конце изделия 200, а фильтрующий элемент расположен на ближнем конце изделия 200. Субстрат 210, опорный элемент 220, элемент 230, охлаждающий аэрозоль, и фильтрующий элемент 240 окружены бумажной оберткой, которая образует наружную окружную поверхность изделия 200.
Основная концепция нагревательного узла согласно настоящему изобретению основана на пропускании переменного тока возбуждения через резистивный нагревательный элемент 110, который, в свою очередь, находится в тепловой близости или даже в плотном контакте с субстратом 210, образующим аэрозоль. Использование переменного тока возбуждения преимущественно позволяет использовать массивный и, следовательно, механически прочный нагревательный элемент, который по–прежнему обеспечивает достаточный джоулев нагрев (вследствие поверхностного эффекта) таким образом, чтобы достичь температур в диапазоне, подходящем для нагрева субстрата 210, образующего аэрозоль.
В варианте осуществления нагревательного узла 100, как показано на фиг. 1, нагревательный элемент 110 представляет собой пластинку, изготовленную из твердого электрически проводящего материала, обладающего сопротивлением R переменному току в диапазоне от 10 мОм до 1500 мОм для возбуждения переменного тока, обладающего частотой в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц. Предпочтительно, нагревательная пластинка 210 изготовлена из твердого металла, например нержавеющей стали, такой как AISI 420, или пермаллоя, такого как пермаллой C. Преимущественно сопротивление в этом диапазоне является достаточно высоким для нагрева субстрата 210, образующего аэрозоль. В то же время нагревательный элемент 110 обеспечивает достаточную механическую стабильность для вхождения и выхода из контакта с субстратом 210, образующим аэрозоль, без риска деформации или разрыва. В частности, конфигурация в форме пластинки нагревательного элемента 110 позволяет легко проникать в субстрат 210, образующий аэрозоль, при вставке изделия 200, генерирующего аэрозоль, в приемную камеру 20 устройства 1, генерирующего аэрозоль.
Как можно дополнительно увидеть на фиг. 1, нагревательная пластинка 110 неподвижно установлена внутри корпуса 10 устройства, принадлежащего устройству 1, генерирующему аэрозоль, проходя по центру в приемную камеру 20. Сужающаяся концевая часть на ближнем конце 111 нагревательной пластинки 110 обращена к приемному отверстию на ближнем конце 2 устройства 1.
В дополнение к нагревательному элементу 110 нагревательный узел 100 содержит схему 120 управления, которая функционально соединена с нагревательным элементом 110 и выполнена с возможностью подачи переменного тока возбуждения в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц. Таким образом, при пропускании переменного тока возбуждения через нагревательный элемент 110 последний нагревается вследствие джоулева нагрева.
Схема 120 управления и, следовательно, процесс нагрева получают питание от блока 140 питания постоянного тока. В настоящем варианте осуществления блок 140 питания постоянного тока представляет собой перезаряжаемую батарею, расположенную внутри корпуса 10 устройства на дальнем конце 3 устройства 1. Батарея может быть либо частью нагревательного узла 100, либо частью общего блока питания устройства 1, генерирующего аэрозоль, который также может быть использован для других компонентов устройства 1.
На фиг. 2
схематически изображен первый вариант осуществления электрической схемы нагревательного узла 100, используемого в устройстве 1, генерирующем аэрозоль, показанном на фиг. 1. Согласно этому первому варианту осуществления схема 120 управления в основном содержит инвертор 121 постоянного тока в переменный ток для преобразования постоянного тока/напряжения IDC/+VDC, подаваемого блоком 140 питания постоянного тока, в переменный ток возбуждения в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц для управления нагревательным элементом 110.
В настоящем варианте осуществления, инвертор 121 постоянного тока в переменный ток содержит усилитель класса E. Усилитель класса E содержит транзисторный переключатель T1, например полевой транзистор со структурой металл–оксид–полупроводник (MOSFET), задающую схему транзисторного переключателя PG и индуктивно–емкостную сеть нагрузки. Индуктивно–емкостная сеть нагрузки содержит последовательное соединение конденсатора C1 и индуктора L1. В дополнение, индуктивно–емкостная сеть нагрузки содержит шунтирующий конденсатор C2 параллельно с транзисторным переключателем T1 и параллельно с последовательным соединением конденсатора C1 и индуктора L1. Кроме того, схема управления содержит дроссель L2 для подачи напряжения питающего постоянного тока +VDC на усилитель класса Е. Как упоминалось выше, нагревательный элемент представлен не только сопротивлением, но также и (малой) индуктивностью. Следовательно, в электрической схеме согласно фиг. 2 нагревательный элемент 110 представлен последовательным соединением сопротивления R110 и индуктора L110. Резистивная нагрузка R110 нагревательного элемента 110 может также представлять резистивную нагрузку индуктора L1. Небольшое количество этих компонентов обеспечивает возможность поддержания чрезвычайно малого объема инвертора 121 постоянного тока в переменный ток, тем самым позволяя также поддерживать очень малый общий объем нагревательного узла 100.
Общий принцип работы усилителя класса E в целом хорошо известен. Для получения более подробной информации об усилителе класса E и его общем принципе работы сделана ссылка, например, на статью «Class–E RF Power Amplifiers», автор Nathan O. Sokal, опубликованную в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск за январь/февраль 2001 г., стр. 9–20, издание Американской лиги радиолюбителей (ARRL), г. Ньюингтон, 5 Коннектикут, США. В вышеупомянутой статье также описаны соответствующие уравнения, которые следует принимать во внимание для определения размеров различных компонентов инвертора 121 постоянного тока в переменный ток. В первом варианте осуществления, как показано на фиг. 2, индуктор L1 может обладать индуктивностью в диапазоне от 50 нГн (наногенри) до 200 нГн (наногенри), индуктор L2 может обладать индуктивностью в диапазоне от 0,5 мкГн (микрогенри) и 5 мкГн (микрогенри), а конденсаторы C1 и C2 могут обладать емкостью в диапазоне от 1 нФ (нанофарад) и 10 нФ (нанофарад).
На фиг. 3
схематически изображен второй вариант осуществления электрической схемы нагревательного узла 100. Электрическая схема согласно этому второму варианту осуществления очень схожа с первым вариантом осуществления, показанном на фиг. 2. Следовательно, идентичные или подобные компоненты обозначены одинаковыми ссылочными позициями. В дополнение к электрической схеме, изображенной на фиг. 2, электрическая схема второго варианта осуществления содержит пропускающий конденсатор C3, соединенный параллельно с нагревательным элементом 110, то есть параллельно с последовательным соединением сопротивления R110 и индуктора L110. Преимущественно, емкость пропускающего конденсатора C3 больше, в частности по меньшей мере в два раза, предпочтительно по меньшей мере в пять раз больше, наиболее предпочтительно по меньшей мере в десять раз больше емкости конденсатора C1 индуктивно–емкостной сети. Соответственно, пропускающий конденсатор C3 и индуктор L110 нагревательного элемента 110 образуют индуктивно–емкостный резонатор, через который проходит большая часть переменного тока возбуждения, тогда как лишь небольшая часть переменного тока возбуждения проходит через транзисторный переключатель посредством индуктора L1 и конденсатора C1 индуктивно–емкостной сети. Благодаря этому пропускающий конденсатор C3 преимущественно вызывает уменьшение передачи тепла от нагревательного элемента 110 к схеме 120 управления, в частности к транзисторному переключателю T1. Пропускающий конденсатор C3 расположен вблизи нагревательного элемента 110, но возможно далеко от остальных частей схемы 120 управления. Остальные части схемы 120 управления предпочтительно расположены на PCB (печатной плате).
Передача тепла от нагревательного элемента 110 к схеме 120 управления может быть дополнительно уменьшена посредством предоставления электрически проводящего соединителя, функционально соединяющего схему 120 управления с нагревательным элементом 110, при этом сопротивление переменному току соединителя 130 ниже сопротивления переменному току нагревательного элемента 110. Это может быть достигнуто, например, посредством выбора подходящих электрически проводящих материалов для соединителя 130 и нагревательного элемента 110. В частности, соответствующие материалы могут быть выбраны таким образом, чтобы относительная магнитная проницаемость электрически проводящего материала соединителя 130 была ниже относительной магнитной проницаемости электрически проводящего материала нагревательного элемента 110. Благодаря этому глубина поверхностного слоя больше и, следовательно, сопротивление переменному току ниже в соединителе 130, чем в нагревательном элементе 110. Предпочтительно электрически проводящий материал соединителя 130 является парамагнитным, в то время как электрически проводящий материал нагревательного элемента 110 является ферромагнитным. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, нагревательный элемент 120 функционально соединен с двумя соединительными элементами 131, 132, которые, например, изготовлены из вольфрама, тогда как нагревательный элемент 110 изготовлен из пермаллоя C.
Дополнительно или альтернативно нагревательный узел может содержать теплопоглотитель, который термически соединен по меньшей мере с одним из схемы 120 управления или соединителя 130 для снижения любого нежелательного теплового воздействия на схему 120 управления. Например, индуктор L1 индуктивно–емкостной цепи, показанной на фиг. 2 и фиг. 3, может быть встроен в теплопоглощающий материал, например, в высокотемпературный цемент.
На фиг. 4
показан увеличенный вид резистивной нагревательной пластинки 110, используемой в нагревательном узле 110 согласно фиг. 1. В этом варианте осуществления нагревательная пластинка содержит центральную продольную прорезь 113, проходящую от дальнего конца 112 к ближнему концу 111 нагревательной пластинки. Однако нагревательная пластинка 110 лишь частично прерывается прорезью 113 вдоль протяженности в длину пластинки. В отличие от этого пластинка полностью прерывается прорезью 113 вдоль протяженности в толщину пластинки 110. В результате нагревательная пластинка обеспечивает U–образный путь проводника для прохождения переменного тока возбуждения (показан штриховыми двойными стрелками) через пластинку. На своем дальнем конце 112 путь проводника содержит две точки 114 питания для подачи переменного тока возбуждения.
На своем ближнем конце 111 нагревательная пластинка 110 содержит сужающуюся концевую часть, позволяющую пластинке легко проникать в субстрат 210, образующий аэрозоль, изделия 200.
Нагревательная пластинка 110 может обладать длиной в диапазоне от 5 мм (миллиметров) до 20 мм (миллиметров), в частности от 10 мм до 15 мм; шириной в диапазоне от 2 мм до 8 мм, в частности от 4 мм до 6 мм; и толщиной в диапазоне от 0,2 мм до 0,8 мм, в частности от 0,25 мм до 0,75 мм.
На фиг. 5
показан второй вариант осуществления нагревательной пластинки 110. В отличие от фиг. 4 нагревательная пластинка 110 согласно данному второму варианту осуществления содержит две продольные прорези 113.1, 113.2, проходящие параллельно друг другу вдоль части длины нагревательной пластинки 110. В результате нагревательная пластинка 110 предоставляет два параллельных U–образных проводника для прохождения переменного тока возбуждения через пластинку, при это два пути (показаны штриховыми двойными стрелками) имеют одно общее разветвление. Соответственно, пути проводника содержат в целом три точки 114 питания для подачи переменного тока возбуждения. Наличие двух параллельных путей преимущественно приводит к увеличению рассеиваемого тепла и, следовательно, увеличению эффективности нагрева.
На фиг. 6
фиг. 7
и  показаны третий и четвертый варианты осуществления нагревательной пластинки 110, которые также направлены на увеличение рассеяния тепла и, следовательно, эффективности нагрева. В обоих вариантах осуществления нагревательная пластинка 110 содержит множество секционных прорезей 113, что приводит к образованию единственного пути проводника, имеющего конфигурацию меандра или зигзага. Вследствие этого общая длина пути проводника и, следовательно, общее количество рассеиваемого тепла значительно увеличены по сравнению с конфигурацией, показанной на фиг. 4.
Согласно третьему варианту осуществления, показанному на фиг. 6, нагревательная пластинка 110 содержит две продольные прорези 113.1, 113.2, параллельные друг другу вдоль части длины нагревательной пластинки 110. Две продольные прорези 113.1, 133.2 проходят от ближнего конца 111 к дальнему концу 112 пластинки 110, но не достигают его. В дополнение, нагревательная пластинка 110 содержит U–образную прорезь 113.3, которая по меньшей мере частично окружает две параллельные прорези 113.1, 113.2. Основная часть U–образной прорези 113.3 расположена в дальней части нагревательной пластинки 110, в то время как ответвления U–образной прорези 113.3 проходят к ближнему концу 111 пластинки 110, но не достигают его. Кроме того, нагревательная пластинка 110 содержит центральную продольную прорезь 113.4, проходящую вдоль части длины нагревательной пластинки 110 от дальнего конца 112 к ближнему концу 111 нагревательной пластинки 110, но не достигающую его. Как можно видеть на фиг. 6, центральная продольная прорезь 113.4 проходит параллельно двум продольным прорезям 113.1 и по меньшей мере частично между ними и пересекает основную часть U–образной прорези 113.3. В результате прорези 113.1, 113.2, 113.3, 113.4 обеспечивают путь проводника в форме меандра или зигзага.
Согласно четвертому варианту осуществления, показанному на фиг. 7, нагревательная пластинка 110 содержит центральную продольную прорезь 113.1, проходящую вдоль части длины нагревательной пластинки 110 от дальнего конца 112 к ближнему концу 111 нагревательной пластинки 110, но не достигающую его. Наряду с центральной продольной прорезью 113.1, нагревательная пластинка 110 дополнительно содержит множество поперечных прорезей 113.2, проходящих к продольным краям пластинки 110, но не достигающих их, тем самым пересекая центральную прорезь 113.1 в поперечной конфигурации. В дополнение, нагревательная пластинка 110 содержит множество боковых прорезей 113.3, расположенных вдоль обоих продольных краев пластинки 110. Боковые прорези 113.2 находятся в конфигурации смещения относительно поперечных прорезей 113.2. Каждая боковая прорезь 113.2 проходит от соответствующего продольного края пластинки 110 к центральной продольной прорези 113.1, но не достигает ее. В результате прорези 113.1, 113.2, 113.3, 113.4 обеспечивают путь проводника в форме меандра или зигзага.
На фиг. 8
фиг. 9
и  схематически изображен первый вариант осуществления многослойного нагревательного элемента 110. Многослойный нагревательный элемент имеет конфигурацию пластинки, имеющую наружную форму, по существу идентичную нагревательной пластинке 110, как показано на фиг. 4. Следовательно, идентичные или подобные компоненты обозначены одинаковыми ссылочными позициями. В то время, как нагревательная пластинка согласно фиг. 4 по существу изготовлена из одиночного электрически проводящего твердого материала или части, многослойная нагревательная пластинка 110 согласно фиг. 8 и 9 содержит два нагревательных слоя 110.1, 110.2 в качестве краевых слоев и один опорный слой 110.3, зажатый между двумя нагревательными слоями 110.1, 110.2. Нагревательные слои 110.1, 110.2 изготовлены из электрически проводящего ферромагнитного твердого материала, например пермаллоя. Поскольку ферромагнитные материалы могут быть довольно гибкими, опорный слой 110.3 предназначен для повышения общей механической жесткости нагревательной пластинки 110. Для этого опорный слой 110.3 содержит электрически проводящий твердый материал, например вольфрам или нержавеющую сталь, который является значительно менее гибким, чем материал нагревательных слоев 110.1, 110.2.
При пропускании переменного тока возбуждения через нагревательную пластинку 110 ожидается, что переменный ток возбуждения будет протекать по меньшей мере частично или даже по большей части внутри нагревательных слоев 110.1, 110.2, хотя сопротивление переменному току опорного слоя 110.3 может быть ниже, чем сопротивление переменному току нагревательных слоев 110.1, 110.2. Вследствие этого рассеяние тепла происходит в основном внутри нагревательных слоев 110.1, 110.2. По сравнению с опорным слоем, взятым отдельно, общее сопротивление переменному току многослойного нагревательного элемента значительно увеличено.
Как можно видеть, в частности, на фиг. 9, которая представляет собой вид в поперечном сечении через сужающуюся концевую часть нагревательной пластинки 110 согласно фиг. 8, по меньшей мере два нагревательных слоя 110.1, 110.2 имеют одинаковую толщину слоя и изготовлены из одинакового материала. Вследствие этого общая компоновка нагревательной пластинки 110 является симметричной и, следовательно, компенсируется состояниями растягивающего или сжимающего напряжения из–за возможных различий в характере теплового расширения различных слоев.
В настоящем варианте осуществления различные слои 110.1, 110.2, 110.3 соединены друг с другом посредством плакирования.
На фиг. 10
фиг. 11
и  схематически изображен второй вариант осуществления многослойного нагревательного элемента 110. Вместо конфигурации пластинки нагревательный элемент 110 согласно данному варианту осуществления имеет конфигурацию стержня. В этой конфигурации многослойный нагревательный элемент 110 содержит внутреннюю сердцевину в качестве опорного слоя 110.5, который окружен наружной оболочкой в качестве нагревательного слоя 110. 4. Нагревательный слой 110.4 изготовлен из проводящего ферромагнитного твердого материала, например пермаллоя. В отличие от этого опорный слой 110.5 изготовлен из электрически проводящего твердого материала, например вольфрама или нержавеющей стали, который является значительно менее гибким, чем материал нагревательного слоя 110.4. Как описано выше в отношении фиг. 8 и 9, опорный слой 110.5 предназначен для повышения общей механической жесткости стержнеобразной нагревательной пластинки 110. Подобным образом, при пропускании переменного тока возбуждения через нагревательную пластинку 110 ожидается, что переменный ток возбуждения будет протекать по меньшей мере частично или даже по большей части внутри наружных нагревательных слоев 110.4, где в основном происходит рассеяние тепла.
Как можно видеть, в частности, на фиг. 11, на которой представлен вид в поперечном сечении через нагревательный элемент 110 согласно фиг. 10, нагревательный элемент 110 содержит центральную продольную прорезь 113, проходящую вдоль части длины нагревательного элемента от его дальнего конца 112 к его ближнему концу 112 таким образом, чтобы обеспечить U–образный путь проводника через него.
На своем ближнем конце 111 стержнеобразный нагревательный элемент 110 содержит сужающуюся концевую часть, позволяющую нагревательному стержню легко проникать в субстрат, образующий аэрозоль.