Результат интеллектуальной деятельности: ИНДУКЦИОННОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ОБРАЗУЮЩЕГО АЭРОЗОЛЬ СУБСТРАТА

Настоящее изобретение относится к индукционному нагревательному устройству для нагрева образующего аэрозоль субстрата и, более конкретно, к индукционному нагревательному устройству для нагрева образующего аэрозоль субстрата курительного изделия.

Известные к настоящему времени обычные курительные изделия, например, сигареты, доставляют вкус и аромат пользователю в результате процесса сгорания. Масса горючего материала, в первую очередь табака, сгорает, а смежная часть материала подвергается пиролизу под действием подаваемого тепла, протягиваемого через этот материал, при этом типовая температура сгорания составляет свыше 800°С во время затяжек. Во время нагрева происходит неэффективное окисление горючего материала, и образуются разнообразные продукты дистилляции и пиролиза. Когда эти продукты втягиваются через тело курительного изделия в направлении рта пользователя, они охлаждаются и конденсируются с образованием аэрозоля или пара, который доставляет пользователю вкус и аромат, связанные с курением.

Известные альтернативы обычным курительным изделиям включают в себя изделия, в которых сам по себе горючий материал не обеспечивает непосредственного поступления ароматизаторов в аэрозоль, вдыхаемый пользователем. В этих курительных изделиях горючий нагревательный элемент, обычно угольный по природе, сжигают для нагрева воздуха, когда последний протягивается над нагревательным элементом и далее через зону, заключающую в себе активируемые теплом элементы, которые высвобождают ароматизированный аэрозоль.

Еще одна альтернатива обычным курительным изделиям представляет собой образующий аэрозоль табакосодержащий твердый субстрат, содержащий магнитопроницаемый электропроводный сусцептор, который расположен в тепловой близости к образующему аэрозоль табакосодержащему субстрату. Сусцептор табакосодержащего субстрата подвергают воздействию переменного магнитного поля, генерируемого индукционным источником, так что в сусцепторе индуцируется переменное магнитное поле.

Это индуцированное переменное магнитное поле генерирует тепло в сусцепторе, и по меньшей мере часть тепла, генерируемого в сусцепторе, передается от сусцептора к образующему аэрозоль субстрату, расположенному в тепловой близости к сусцептору, для образования аэрозоля и создания желаемого аромата.

Существует необходимость в индукционном нагревательном устройстве для образующих аэрозоль субстратов, включающих в себя сусцептор, более конкретно - для твердых образующих аэрозоль субстратов, включающих в себя сусцептор, например, твердых образующих аэрозоль субстратов курительных изделий. Это индукционное нагревательное устройство должно быть способно работать без необходимости в его подключении к внешнему источнику питания. Кроме того, это устройство должно иметь небольшой габаритный размер и быть удобным в использовании, чтобы оно было привлекательным для пользователей. Данное устройство должно обеспечивать возможность быстрого генерирования требуемого тепла в сусцепторе с возможностью последующей передачи этого тепла на образующий аэрозоль субстрат для образования аэрозоля с целью обеспечения возможности для пользователя втягивать этот аэрозоль по мере необходимости.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения, предложено индукционное нагревательное устройство для нагрева образующего аэрозоль субстрата, содержащего сусцептор, в частности для нагрева твердого образующего аэрозоль субстрата курительного изделия. Индукционное нагревательное устройство согласно настоящему изобретению содержит: - корпус устройства - источник питания постоянного тока, имеющий питающее напряжение постоянного тока - электронную схему подачи питания, выполненную с возможностью работы на высокой частоте и содержащую инвертор для преобразования постоянного тока в переменный ток, соединенный с источником питания постоянного тока и включающий в себя усилитель мощности класса Е, содержащий транзисторный переключатель и индуктивно-емкостной нагрузочный контур, выполненный с возможностью работы при низкоомной нагрузке, при этом индуктивно-емкостной нагрузочный контур содержит шунтирующий конденсатор и последовательную цепь из конденсатора и индуктора, имеющего омическое сопротивление, и - полость, расположенную в корпусе устройства, имеющую внутреннюю поверхность, выполненную по форме с возможностью вмещения по меньшей мере части образующего аэрозоль субстрата, и расположенную таким образом, что при размещении в ней части образующего аэрозоль субстрата индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата во время использования.

Образующий аэрозоль субстрат предпочтительно представляет собой субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Летучие соединения высвобождаются в результате нагрева образующего аэрозоль субстрата. Образующий аэрозоль субстрат может быть твердым или жидким или содержать как твердые, так и жидкие компоненты. В предпочтительном варианте образующий аэрозоль субстрат является твердым.

Образующий аэрозоль субстрат может содержать никотин. Никотиносодержащий образующий аэрозоль субстрат может представлять собой матрицу из соли никотина. Образующий аэрозоль субстрат может содержать материал на растительной основе. Образующий аэрозоль субстрат может содержать табак, и предпочтительно, табакосодержащий материал содержит летучие соединения с ароматом табака, которые высвобождаются из образующего аэрозоль субстрата при нагреве.

Образующий аэрозоль субстрат может содержать гомогенизированный табачный материал. Гомогенизированный табачный материал может быть получен путем агломерирования частиц табака. При его наличии, гомогенизированный табачный материал может иметь содержание образователя аэрозоля не меньше 5% в расчете на сухой вес и предпочтительно - от более чем 5% до 30% в расчете на сухой вес.

Образующий аэрозоль субстрат может в качестве альтернативы содержать материал, не содержащий табака. Образующий аэрозоль субстрат может содержать гомогенизированный материал на растительной основе.

Образующий аэрозоль субстрат может содержать по меньшей мере один образователь аэрозоля. Образователь аэрозоля может представлять собой любое подходящее известное соединение или смесь соединений, которые при использовании способствуют образованию плотного и устойчивого аэрозоля и которые являются по существу стойкими к термическому разложению при рабочей температуре генерирующего аэрозоль устройства. Подходящие образователи аэрозоля хорошо известны в уровне техники и включают, но без ограничения: многоатомные спирты, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и глицерин; сложные эфиры многоатомных спиртов, такие как глицерин моно-, ди- или триацетат; и алифатические сложные эфиры моно-, ди- или поликарбоновых кислот, такие как диметилдодекандиоат и диметилтетрадекандиоат. Особо предпочтительными образователями аэрозоля являются многоатомные спирты или их смеси, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и, наиболее предпочтительно, глицерин. Образующий аэрозоль субстрат может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как ароматизаторы. Образующий аэрозоль субстрат предпочтительно содержит никотин и по меньшей мере один образователь аэрозоля. В особо предпочтительном варианте образователь аэрозоля представляет собой глицерин.

Источник питания постоянного тока обычно может содержать любой подходящий источник питания постоянного тока, включая, в частности, блок питания, подключаемый к электросети, одну или несколько одноразовых батарей, аккумуляторов, или любой другой подходящий источник питания постоянного тока, способный обеспечивать требуемое питающее напряжение постоянного тока и требуемую силу питающего постоянного тока. В одном варианте реализации питающее напряжение постоянного тока источника питания постоянного тока находится в диапазоне от примерно 2,5 Вольт до примерно 4,5 Вольт, а сила питающего постоянного тока находится в диапазоне от примерно 2,5 до примерно 5 Ампер (что соответствует питающей мощности постоянного тока в диапазоне от примерно 6,25 Ватт до примерно 22,5 Ватт). Предпочтительно, источник питания постоянного тока содержит аккумуляторы. Такие батареи являются общедоступными и имеют приемлемый общий объем, составляющий примерно 1,2-3,5 кубических сантиметров. Такие батареи могут иметь по существу цилиндрическую или прямоугольную твердую форму. Кроме того, источник питания постоянного тока может включать в себя питающий дроссель постоянного тока.

В качестве общего правила, когда термин «примерно» применяют в сочетании с конкретной величиной по всей данной заявке, следует понимать, что величина, следующая за термином «примерно», не обязательно должна точно равняться конкретной величине по техническим соображениям. Тем не менее термин «примерно», используемый в сочетании с конкретной величиной, всегда следует понимать как включающий в себя и явным образом выражающий конкретную величину, следующую за термином «примерно».

Электронная схема подачи питания выполнена с возможностью работы на высокой частоте. Для целей данной заявки термин «высокая частота» следует понимать, как обозначающий частоту в диапазоне от примерно 1 Мегагерц (МГц) до примерно 30 Мегагерц (МГц) (включая диапазон от 1 МГц до 30 МГц), более конкретно - от примерно 1 Мегагерц (МГц) до примерно 10 Мегагерц (МГц) (включая диапазон от 1 МГц до 10 МГц), и еще более конкретно - от примерно 5 Мегагерц (МГц) до примерно 7 Мегагерц (МГц) (включая диапазон от 5 МГц до 7 МГц).

Электронная схема подачи питания содержит инвертор DC/AC для преобразования постоянного тока в переменный ток, соединенный с источником питания постоянного тока. Этот инвертор для преобразования постоянного тока в переменный ток включает в себя усилитель мощности класса Е, содержащий транзисторный переключатель, схему возбуждения транзисторного переключателя и индуктивно-емкостной нагрузочный контур. Усилители мощности класса E являются общеизвестными и подробно описаны, например, в статье «Усилители РЧ-мощности класса Е» (ʺClass-E RF Power Amplifiersʺ), автор Nathan O. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск за январь/февраль 2001 г., стр. 9-20, издание Американской лиги радиолюбителей (American Radio Relay League, ARRL), г. Невингтон, Коннектикут, США. Усилители мощности класса E являются преимущественными применительно к работе на высоких частотах и при этом имеют простую схемную структуру, содержащую минимальное количество компонентов (например, необходим лишь один транзисторный переключатель, что является преимуществом по сравнению с усилителями мощности класса D, содержащими два транзисторных переключателя, которыми необходимо управлять на высокой частоте таким образом, чтобы обеспечить запирание одного из двух транзисторов в то время, когда другой из этих двух транзисторов открыт). Кроме того, усилители мощности класса E известны своим минимальным рассеянием мощности в переключающем транзисторе во время переходных процессов при переключении. 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). Более предпочтительно, тем не менее, чтобы транзисторный переключатель был выполнен в виде полевого транзистора (FET), такого как полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET) или полевой транзистор со структурой металл-полупроводник (metal-semiconductor field effect transistor, MESFET).

Индуктивно-емкостной нагрузочный контур усилителя мощности класса Е индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению выполнен с возможностью работы при низкоомной нагрузке. Термин «низкоомная нагрузка» следует понимать, как обозначающий омическую нагрузку, которая меньше примерно 2 Ом. Индуктивно-емкостной нагрузочный контур содержит шунтирующий конденсатор и последовательную цепь из конденсатора и индуктора, имеющего омическое сопротивление. Это омическое сопротивление индуктора обычно составляет несколько десятых Ома. При использовании омическое сопротивление сусцептора суммируется с омическим сопротивлением индуктора и должно превышать омическое сопротивление индуктора, поскольку подаваемая электрическая мощность должна преобразовываться в тепло в сусцепторе в максимально возможной степени с целью повышения эффективности усилителя мощности и обеспечения возможности передачи максимально возможного количества тепла от сусцептора на остальную часть образующего аэрозоль субстрата для эффективного образования аэрозоля.

Сусцептор представляет собой проводник, способный к индуктивному нагреву. «Тепловая близость» означает, что сусцептор расположен относительно остальной части образующего аэрозоль субстрата таким образом, что от сусцептора к остальной части образующего аэрозоль субстрата передается достаточное количество тепла для образования аэрозоля.

Поскольку сусцептор является не только магнитопроницаемым, но также и электропроводным (он является проводником, как указано выше), в сусцепторе наводится ток, известный как вихревой ток, и этот ток протекает в сусцепторе согласно закону Ома. Сусцептор должен иметь низкое удельное электрическое сопротивление ρ, чтобы увеличить рассеяние джоулевого тепла. Кроме того, необходимо учитывать частоту переменного вихревого тока из-за поверхностного эффекта (более 98% электрического тока протекает в пределах слоя, глубина которого от внешней поверхности проводника равна четырехкратной глубине δ поверхностного слоя). С учетом этого омическое сопротивление R_S сусцептора рассчитывается из уравнения

R_s=

где

f обозначает частоту переменного вихревого тока

μ₀ обозначает магнитную проницаемость свободного пространства

μ_r обозначает относительную магнитную проницаемость

материала сусцептора, и

ρ обозначает удельное электрическое сопротивление материала

сусцептора.

Потери мощности P_e, обусловленные вихревым током, рассчитываются по формуле

P_e=I²⋅R_S

где

I обозначает величину (среднеквадратичное значение) вихревого тока, и

R_S обозначает электрическое сопротивление сусцептора (см.

выше)

Из этого уравнения для расчета P_e и из вычисления R_S с очевидностью следует, что в случае материала, имеющего известную относительную магнитную проницаемость μ_r и заданное удельное электрическое сопротивление ρ, потери мощности P_e, обусловленные вихревым током (в результате преобразования в тепло), повышаются с повышением частоты и величины тока (среднеквадратичного значения). С другой стороны, частота переменного вихревого тока (и, соответственно, переменного магнитного поля, индуцирующего вихревой ток в сусцепторе) не может увеличиваться произвольно, поскольку глубина δ поверхностного слоя уменьшается по мере повышения частоты вихревого тока (или переменного магнитного поля, индуцирующего вихревой ток в сусцепторе), так что выше определенной частоты отсечки вихревые токи больше не могут генерироваться в сусцепторе, поскольку глубина поверхностного слоя слишком мала для того, чтобы обеспечить возможность генерирования вихревых токов. Повышение величины тока (среднеквадратичного значения) требует переменного магнитного поля, имеющего высокую плотность магнитного потока, и, следовательно, требует объемистых источников индукции (индукторов).

Кроме того, тепло вырабатывается в сусцепторе за счет механизма нагрева, связанного с гистерезисом. Потери мощности, обусловленные гистерезисом, рассчитываются из уравнения

P_H=V ⋅ W_H ⋅ f,

где

V обозначает объем сусцептора,

W_H обозначает работу, требующуюся для намагничивания сусцептора вдоль замкнутой петли гистерезиса на диаграмме B-H, и

f обозначает частоту переменного магнитного поля.

Работа W_H, требующаяся для намагничивания сусцептора вдоль замкнутой петли гистерезиса, может быть также выражена в виде

W_H=

Максимально возможная величина работы W_H зависит от свойств материала сусцептора (остаточная магнитная индукция B_R при насыщении, коэрцитивность H_C), а фактическая величина работы W_H зависит от фактической петли гистерезиса намагниченности на диаграмме В-Н, индуцированной в сусцепторе переменным магнитным полем, и эта фактическая петля гистерезиса намагниченности на диаграмме В-Н зависит от величины магнитного возбуждения.

В сусцепторе имеется третий механизм генерирования тепла (потерь мощности). Этот механизм генерирования тепла обусловлен динамическими потерями магнитных доменов в магнитопроницаемом материале сусцептора, когда на сусцептор действует внешнее переменное магнитное поле, и эти динамические потери обычно также повышаются с повышением частоты переменного магнитного поля.

Для обеспечения возможности генерирования тепла в сусцепторе согласно вышеописанным механизмам (главным образом, посредством потерь на вихревые токи и потерь а гистерезис), в корпусе устройства расположена полость. Полость имеет внутреннюю поверхность, выполненную по форме с возможностью вмещения по меньшей мере части образующего аэрозоль субстрата. Эта полость расположена таким образом, чтобы при размещении в ней части образующего аэрозоль субстрата индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура при использовании был индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата. Это означает, что индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура усилителя мощности класса Е используется для нагрева сусцептора за счет магнитной индукции. Это устраняет необходимость в дополнительных компонентах, таких как согласующие контуры для согласования выходного полного сопротивления усилителя мощности класса E с нагрузкой, и таким образом обеспечена возможность дополнительной минимизации размера электронной схемы подачи питания.

В целом, индукционное нагревательное устройство согласно настоящему изобретению представляет собой небольшое, легкое в обращении, эффективное, чистое и надежное нагревательное устройство благодаря бесконтактному нагреву субстрата. В случае сусцепторов, создающих вышеуказанные низкоомные нагрузки, как было описано выше, и при этом имеющих омическое сопротивление, значительно превышающее омическое сопротивление индуктора индуктивно-емкостного нагрузочного контура, возможно достижение температур сусцептора в диапазоне 350-400 градусов по Цельсию всего лишь за пять секунд или за период времени, который даже меньше пяти секунд, причем в это же самое время температура индуктора остается низкой (благодаря тому, что основная часть мощности преобразуется в тепло в сусцепторе).

Как уже было отмечено, в соответствии с одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, это устройство выполнено с возможностью нагрева образующего аэрозоль субстрата курительного изделия. В частности, это включает в себя подачу мощности на сусцептор внутри образующего аэрозоль субстрата таким образом, чтобы этот образующий аэрозоль субстрат нагревался до средней температуры 200-240 градусов по Цельсию. Еще более предпочтительно, устройство выполнено с возможностью нагрева табакосодержащего твердого образующего аэрозоль субстрата курительного изделия.

В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, общий объем электронной схемы подачи питания составляет не больше 2 см³. Таким образом обеспечена возможность размещения батарей, электронной схемы подачи питания и полости в корпусе устройства, имеющем небольшой общий размер, что обеспечивает удобство и легкость в обращении.

В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура содержит цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой, имеющую удлиненную форму и образующую внутренний объем в диапазоне от примерно 0,15 см³ до примерно 1,10 см³. Например, внутренний диаметр цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может составлять от примерно 5 мм до примерно 10 мм и предпочтительно может составлять примерно 7 мм, а длина цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может составлять от примерно 8 мм до примерно 14 мм. Диаметр или толщина провода катушки может составлять от примерно 0,5 мм до примерно 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 или вблизи внутренней поверхности полости. Цилиндрическая индукционная катушка со спиральной намоткой, расположенная на или вблизи внутренней поверхности полости, обеспечивает возможность дополнительной минимизации размеров устройства.

В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, корпус устройства имеет по существу цилиндрическую форму с полостью, расположенной на ближнем конце корпуса устройства, и источником питания постоянного тока, расположенным на дальнем конце корпуса устройства. Электронная схема подачи питания расположена между источником питания постоянного тока и полостью. Это обеспечивает возможность компактного и эстетически привлекательного размещения всех компонентов индукционного нагревательного устройства в небольшом и удобном в обращении корпусе устройства.

Как было отмечено выше, в соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, источник питания постоянного тока содержит аккумулятор постоянного тока. Это обеспечивает возможность перезарядки батарей, предпочтительно, путем подключения к электросети через зарядное устройство, содержащее преобразователь переменного тока в постоянный ток.

В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, электронная схема подачи питания дополнительно содержит микроконтроллер, который запрограммирован с возможностью прерывания генерирования переменного тока инвертором для преобразования постоянного тока в переменный ток, если температура сусцептора образующего аэрозоль субстрата превысила температуру Кюри этого сусцептора во время использования, и который запрограммирован с возможностью возобновления генерирования переменного тока, если температура сусцептора вновь опустилась ниже этой температуры Кюри. Данный признак может использоваться для регулирования температуры сусцептора с помощью микроконтроллера.

В случае, если сусцептор выполнен из единственного материала, температура Кюри должна соответствовать максимальной температуре, которую должен иметь сусцептор (иначе говоря, температура Кюри идентична максимальной температуре, до которой должен быть нагрет сусцептор, или отклоняется от этой максимальной температуры примерно на 1-3%). Если температура сусцептора превысила температуру Кюри указанного единственного материала, ферромагнитные свойства сусцептора исчезают, и сусцептор становится лишь парамагнитным.

В случае, если сусцептор выполнен из более чем одного материала, материалы сусцептора могут быть оптимизированы в отношении дополнительных аспектов. Например, материалы могут быть выбраны таким образом, чтобы первый материал сусцептора мог иметь температуру Кюри, превышающую максимальную температуру, до которой должен быть нагрет сусцептор. С одной стороны, первый материал сусцептора может в этом случае быть оптимизирован, например, в отношении максимальной генерации тепла и его передачи на остальную часть образующего аэрозоль субстрата для обеспечения эффективного нагрева сусцептора, однако сусцептор может дополнительно содержать второй материал, имеющий температуру Кюри, соответствующую максимальной температуре, до которой должен быть нагрет сусцептор, и в момент, когда сусцептор достигает этой температуры Кюри, магнитные свойства сусцептора в целом изменяются. Это изменение может быть обнаружено, и о нем может быть оповещен микроконтроллер, который в этом случае прерывает генерирование мощности переменного тока до тех пор, пока температура снова не опустится ниже температуры Кюри, после чего генерирование мощности переменного тока может быть возобновлено.

В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, усилитель мощности класса E имеет выходное полное сопротивление, и электронная схема подачи питания дополнительно содержат согласующий контур для согласования выходного полного сопротивления усилителя мощности класса E с низкоомной нагрузкой. Эта мера может быть полезна для дополнительного повышения потерь мощности в низкоомной нагрузке, что приводит к повышенному генерированию тепла в низкоомной нагрузке. Например, согласующий контур может содержать небольшой согласующий трансформатор.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к индукционной нагревательной системе, содержащей индукционное нагревательное устройство, соответствующее любому из вышеописанных вариантов реализации, и образующий аэрозоль субстрат, содержащий сусцептор. По меньшей мере часть образующего аэрозоль субстрата размещена в полости индукционного нагревательного устройства таким образом, чтобы индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура инвертора для преобразования постоянного тока в переменный ток индукционного нагревательного устройства был индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата во время использования.

В соответствии с одним аспектом индукционной нагревательной системы согласно настоящему изобретению, образующий аэрозоль субстрат может представлять собой образующий аэрозоль субстрат курительного изделия. В частности, образующий аэрозоль субстрат может представлять собой табакосодержащий твердый образующий аэрозоль субстрат, который может использоваться в курительных изделиях (например, таких, как сигареты).

Еще один аспект настоящего изобретения относится к комплекту, содержащему индукционное нагревательное устройство, соответствующее любому из вышеописанных вариантов реализации, и образующий аэрозоль субстрат, содержащий сусцептор. Индукционное нагревательное устройство и образующий аэрозоль субстрат выполнены с возможностью размещения, во время использования, по меньшей мере части образующего аэрозоль субстрата в полости индукционного нагревательного устройства, так что индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура инвертора для преобразования постоянного тока в переменный ток индукционного нагревательного устройства индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата. Хотя обычно образующий аэрозоль субстрат и индукционное нагревательное устройство выполнены отдельно, они также могут быть выполнены в виде комплекта частей. Или, в качестве альтернативы, стартовый комплект может содержать индукционное нагревательное устройство и множество образующих аэрозоль субстратов, причем в дополнение обеспечиваются лишь образующие аэрозоль субстраты, так что после того, как потребитель приобрел индукционное нагревательное устройство в стартовом комплекте, и употребил образующие аэрозоль субстраты, содержащиеся в этом стартовом комплекте, потребитель будет нуждаться лишь в дополнительных образующих аэрозоль субстратах. Как и в предыдущих случаях, в соответствии с одним аспектом комплекта согласно настоящему изобретению, образующий аэрозоль субстрат может представлять собой образующий аэрозоль субстрат курительного изделия и, в частности, этот образующий аэрозоль субстрат курительного изделия может представлять собой табакосодержащий твердый образующий аэрозоль субстрат.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к способу использования индукционной нагревательной системы. Способ содержит этапы, на которых: - обеспечивают источник питания постоянного тока, имеющий питающее напряжение постоянного тока, - обеспечивают электронную схему подачи питания, выполненную с возможностью работы на высокой частоте и содержащую инвертор для преобразования постоянного тока в переменный ток, включающий в себя усилитель мощности класса Е, содержащий транзисторный переключатель, схему возбуждения транзисторного переключателя и индуктивно-емкостной нагрузочный контур, выполненный с возможностью работы при низкой омической нагрузке, при этом индуктивно-емкостной нагрузочный контур содержит шунтирующий конденсатор и последовательную цепь из конденсатора и индуктора, имеющего омическое сопротивление, - обеспечивают полость, выполненную с возможностью вместить в себя по меньшей мере часть образующего аэрозоль субстрата и расположенную таким образом, что при размещении в этой полости части образующего аэрозоль субстрата индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата, и - обеспечивают образующий аэрозоль субстрат, содержащий сусцептор, и вставляют по меньшей мере часть этого образующего аэрозоль субстрата в полость так, что индуктивно связывают индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура с сусцептором образующего аэрозоль субстрата.

В соответствии с одним аспектом способа согласно настоящему изобретению, источник питания постоянного тока представляет собой аккумулятор, и способ дополнительно содержит этап, на котором заряжают аккумулятор перед вставлением части образующего аэрозоль субстрата в полость. Данный аспект является особо преимущественным, поскольку в случае использования аккумуляторов устройство может быть использовано (после зарядки батарей) без необходимости в подключении к электросети или к другому внешнему источнику питания. Когда степень зарядки батареи находится на низком уровне, аккумулятор обеспечивает возможность легкой повторной перезарядки, так что нет необходимости в ношении в собой каких-либо одноразовых запасных батарей. Если степень зарядки батареи находится на низком уровне, обеспечена возможность простой перезарядки аккумулятора, и устройство снова будет готово к использованию. В дополнение, аккумуляторы безопасны для окружающей среды, поскольку они не являются одноразовыми батареями, которые необходимо надлежащим образом утилизировать.

Дополнительные преимущественные аспекты настоящего изобретения станут очевидны из следующего описания вариантов реализации, дополненного чертежами, где:

На фиг. 1 показан общий принцип нагрева, лежащий в основе настоящего изобретения,

На фиг. 2 показана блок-схема варианта реализации индукционного нагревательного устройства и системы согласно настоящему изобретению,

На фиг. 3 показан вариант реализации индукционного нагревательного устройства с основными компонентами, расположенными в корпусе нагревательного устройства,

На фиг. 4 показан вариант реализации основных компонентов электронной схемы подачи питания в индукционном нагревательном устройстве согласно настоящему изобретению (без согласующего контура),

На фиг. 5 показан вариант реализации индуктора индуктивно-емкостного нагрузочного контура в форме цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой, имеющей удлиненную форму,

На фиг. 6 показан фрагмент индуктивно-емкостного нагрузочного контура, включающий в себя индуктивность и омическое сопротивление катушки, и в дополнение показано омическое сопротивление нагрузки.

На фиг. 1 схематично показан общий принцип нагрева, лежащий в основе настоящего изобретения. На фиг. 1 схематично показана цилиндрическая индукционная катушка L2 со спиральной намоткой, имеющая удлиненную форму и образующая внутренний объем, в котором частично или полностью размещается образующий аэрозоль субстрат 20 курительного изделия 2, содержащий сусцептор 21. Курительное изделие 2, содержащее образующий аэрозоль субстрат 20 с сусцептором 21, схематично представлено на увеличенном фрагменте поперечного сечения, показанном отдельно с правой стороны на фиг. 1. Как уже упоминалось, образующий аэрозоль субстрат 20 курительного изделия 2 может представлять собой табакосодержащий твердый субстрат, но не ограничивается им.

В дополнение, на фиг. 1 магнитное поле внутри внутреннего объема индукционной катушки L2 схематично показано несколькими силовыми линиями B_L магнитного поля в один конкретный момент времени, поскольку магнитное поле, наводимое переменным током i_L2, протекающим через индукционную катушку L2, представляет собой переменное магнитное поле, изменяющее свою полярность с частотой переменного тока i_L2, которая может находиться в диапазоне от примерно 1 МГц до примерно 30 МГц (включая диапазон от 1 МГц до 30 МГц) и, в частности, может находиться в диапазоне от примерно 1 МГц до примерно 10 МГц (включая диапазон от 1 МГц до 10 МГц и, в частности, может быть меньше 10 МГц) и, более конкретно, частота может находиться в диапазоне от примерно 5 МГц до примерно 7 МГц (включая диапазон от 5 МГц до 7 МГц, и может составлять, например, 5 МГц). Два основных механизма, ответственных за генерирование тепла в сусцепторе 21, а именно - потери мощности P_e, вызванные вихревыми токами (эти вихревые токи показаны в виде замкнутого круга), и потери мощности P_h, вызванные гистерезисом (этот гистерезис показан в виде замкнутой гистерезисной кривой), также схематично показаны на фиг. 1. Более подробное описание этих механизмов представлено выше.

На фиг. 3 показан вариант реализации индукционного нагревательного устройства 1 согласно настоящему изобретению. Индукционное нагревательное устройство 1 содержит корпус 10 устройства, который может быть изготовлен из пластика, и источник питания 11постоянного тока (см. фиг. 2), содержащий аккумулятор 110. Индукционное нагревательное устройство 1 дополнительно содержит соединительный порт 12, содержащий штифт 120, для присоединения индукционного нагревательного устройства к зарядной станции или зарядному устройству для перезарядки аккумулятора 110. Кроме того, индукционное нагревательное устройство 1 содержит электронную схему 13 подачи питания, которая выполнена с возможностью работы на желаемой частоте, например, на частоте 5 МГц, как указано выше. Электронная схема 13 подачи питания электрически подключена к аккумулятору 110 посредством подходящего электрического соединения 130. Электронная схема 13 подачи питания содержит дополнительные компоненты, которые не показаны на фиг. 3; в частности, она содержит индуктивно-емкостной нагрузочный контур (см. фиг. 4), который, в свою очередь, содержит индуктор L2, что обозначено пунктирными линиями на фиг. 3. Индуктор L2 встроен в корпус 10 устройства на ближнем конце корпуса 10 устройства и окружает полость 14, которая также расположена на ближнем конце корпуса 10 устройства. Индуктор L2 может содержать цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой, имеющую удлиненную форму, как показано на фиг. 5. Цилиндрическая индукционная катушка L2 со спиральной намоткой может иметь радиус r в диапазоне от примерно 5 мм до примерно 10 мм и, в частности, радиус r может составлять примерно 7 мм. Длина l цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может находиться в диапазоне от примерно 8 мм до примерно 14 мм. Соответственно, ее внутренний объем может находиться в диапазоне от примерно 0,15 см³ до примерно 1,10 см³.

Как показано на фиг. 3, табакосодержащий твердый образующий аэрозоль субстрат 20, содержащий сусцептор 21, размещен в полости 14 на ближнем конце корпуса 10 устройства таким образом, чтобы во время использования индуктор L2 (цилиндрическая индукционная катушка со спиральной намоткой) был индуктивно связан с сусцептором 21 табакосодержащего твердого образующего аэрозоль субстрата 20 курительного изделия 2. Фильтрующая часть 22 курительного изделия 2 может быть расположена снаружи полости 14 индукционного нагревательного устройства 1 таким образом, чтобы во время использования потребитель мог втягивать аэрозоль через фильтрующую часть 22. Когда курительное изделие извлечено из полости 14, обеспечена возможность легкой очистки полости 14, поскольку, за исключением открытого дальнего конца, через который вставляется образующий аэрозоль субстрат 20 курительного изделия 2, полость полностью закрыта и окружена внутренними стенками пластикового корпуса 10 устройства, образующими полость 14.

На фиг. 2 показана блок-схема варианта реализации индукционного нагревательного устройства 1 согласно настоящему изобретению, при наличии, однако, некоторых необязательных аспектов или компонентов, как будет описано ниже. Индукционное нагревательное устройство 1 вместе с образующим аэрозоль субстратом 20, содержащим сусцептор 21, представляет собой вариант реализации индукционной нагревательной системы согласно настоящему изобретению. Блок-схема, показанная на фиг. 2, является иллюстрацией, приведенной с учетом способа использования. Как можно видеть, индукционное нагревательное устройство 1 содержит источник 11 питания постоянного тока (на фиг. 3 содержащий аккумулятор 110), микропроцессорный управляющий модуль 131, инвертор 132 для преобразования постоянного тока в переменный ток, согласующий контур 133 для адаптации к нагрузке и индуктор L2. Микропроцессорный управляющий модуль 131, инвертор 132 для преобразования постоянного тока в переменный ток и согласующий контур 133, а также индуктор L2 являются частями электронной схемы 13 подачи питания (см. фиг. 1). Два канала 134 и 135 обратной связи предусмотрены для обеспечения сигналов обратной связи, показывающих напряжение и ток через индуктор L2, что обеспечивает возможность управления дальнейшей подачей питания. Например, в случае, если температура сусцептора превышает желаемую температуру, может быть сгенерирован соответствующий сигнал, прерывающий дальнейшую подачу питания до тех пор, пока температура сусцептора снова не станет ниже желаемой температуры, после чего подача питания может быть возобновлена. Соответственно, обеспечена возможность регулирования частоты переключающего напряжения для оптимальной передачи мощности на сусцептор. Согласующий контур 133 может быть предусмотрен для оптимальной адаптации к нагрузке, однако он не является обязательным и не содержится в варианте реализации, более подробно описанном ниже.

На фиг. 4 показаны некоторые основные компоненты электронной схемы 13 подачи питания, более конкретно - инвертора 132 для преобразования постоянного тока в переменный ток. Как можно видеть на фиг. 4, инвертор для преобразования постоянного тока в переменный ток включает в себя усилитель мощности класса E, содержащий транзисторный переключатель 1320, имеющий полевой транзистор (FET) 1321, например полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), питающую схему транзисторного переключателя, обозначенную стрелкой 1322, для подачи переключающего сигнала (напряжения затвор-исток) на полевой транзистор 1321, и индуктивно-емкостной нагрузочный контур 1323, содержащий шунтирующий конденсатор C1 и последовательную цепь из конденсатора C2 и индуктора L2. В дополнение, показан источник 11 питания постоянного тока, включающий в себя дроссель L1, для подачи питающего напряжения +V_CC постоянного тока. Также на фиг. 4 показано омическое сопротивление R, характеризующее общую омическую нагрузку 1324, которая представляет собой сумму омического сопротивления R_Coil индуктора L2 и омического сопротивления R_Load сусцептора 21, как это показано на фиг. 6.

Очевидно, что благодаря очень малому количеству компонентов обеспечена возможность поддержания предельно малого объема электронной схемы 13 подачи питания. Например, объем электронной схемы подачи питания может составлять не больше 2 см³. Этот предельно малый объем электронной схемы подачи питания возможен благодаря тому, что индуктор L2 индуктивно-емкостного нагрузочного контура 1323 непосредственно используется в качестве индуктора для индуктивной связи с сусцептором 21образующего аэрозоль субстрата 20, и этот малый объем обеспечивает возможность сохранения малых габаритных размеров индукционного нагревательного устройства 1 в целом. В случае, если для индуктивной связи с сусцептором 21 используется отдельный индуктор, отличный от индуктора L2, это автоматически увеличивает объем электронной схемы подачи питания, и этот объем увеличивается также в случае, если в электронную схему подачи питания включен согласующий контур 133.

Хотя общий принцип работы усилителя мощности класса E известен и подробно описан в уже упоминавшейся статье «Усилители РЧ-мощности класса Е», автор Nathan O. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск за январь/февраль 2001 г., стр. 9-20, издание Американской лиги радиолюбителей (ARRL), г. Невингтон, Коннектикут, США, некоторые общие принципы будут пояснены далее.

Предположим, что питающая схема 1322 транзисторного переключателя подает прямоугольное переключающее напряжение (напряжение затвор-исток полевого транзистора) на полевой транзистор 1321. Когда полевой транзистор 1321 является проводящим (находится в состоянии «отперто»), он по существу образует цепь короткого замыкания (с низким сопротивлением), и весь электрический ток протекает через дроссель L1 и полевой транзистор 1321. Когда полевой транзистор 1321 является непроводящим (находится в состоянии «заперто»), весь электрический ток протекает в индуктивно-емкостном нагрузочном контуре, поскольку полевой транзистор 1321 по существу образует разомкнутую цепь (с высоким сопротивлением). Переключение транзистора между этими двумя состояниями приводит к инвертированию подаваемого напряжения постоянного тока и постоянного тока в напряжение переменного тока и переменный ток, соответственно.

Для эффективного нагрева сусцептора 21 необходима передача как можно большего количества питающей мощности постоянного тока в виде мощности переменного тока на индуктор L2 (цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой) и далее - на сусцептор 21 образующего аэрозоль субстрата 20, индуктивно связанный с индуктором 2. Мощность, рассеиваемая в сусцепторе 21 (потери на вихревые токи, потери на гистерезис), генерирует тепло в сусцепторе 21, как подробно описано выше. Иначе говоря, должно быть минимизировано рассеяние мощности в полевом транзисторе 1321 при одновременной максимизации рассеяния мощности в сусцепторе 21.

Рассеяние мощности в полевом транзисторе 1321 в течение одного периода переменного напряжения/тока представляет собой произведение напряжения на ток транзистора в каждый момент времени в течение периода переменного напряжения/тока, интегрированное по этому периоду и усредненное по этому периоду. Поскольку полевой транзистор 1321 должен поддерживать высокое напряжение на протяжении части указанного периода и проводить высокий ток на протяжении части этого периода, необходимо избегать одновременного наличия высокого напряжения и высокого тока, поскольку это приведет к значительному рассеянию мощности в полевом транзисторе 1321. В «открытом» состоянии полевого транзистора 1321 напряжение на транзисторе близко к нулю, когда через полевой транзистор 1321 протекает высокий электрический ток. В «запертом» состоянии полевого транзистора 1321 напряжение на транзисторе является высоким, однако ток через полевой транзистор 1321 близок к нулю.

Неизбежны также переходные процессы при переключении, длящиеся в течение некоторой части периода. Тем не менее высокое произведение напряжение-ток, представляющее собой большие потери мощности в полевом транзисторе 1321, может быть исключено с помощью следующих дополнительных мер. Во-первых, задерживают повышение напряжения транзистора до тех пор, пока ток, протекающий через транзистор, не уменьшится до нуля. Во-вторых, обеспечивают возврат напряжения транзистора к нулю до того, как начнется повышение тока, протекающего через транзистор. Это обеспечивают с помощью нагрузочного контура 1323, содержащего шунтирующий конденсатор C1 и последовательную цепь из конденсатора C2 и индуктора L2, при этом нагрузочный контур включают между полевым транзистором 1321 и нагрузкой 1324. В-третьих, обеспечивают, чтобы напряжение транзистора во время отпирания было практически равно нулю (для биполярного плоскостного транзистора «BJT» оно представляет собой напряжение V_o смещения при насыщении). Отпирающийся транзистор не разряжает заряженный шунтирующий конденсатор C1, тем самым предотвращая рассеяние энергии, накопленной в шунтирующем конденсаторе. В-четвертых, обеспечивают, чтобы крутизна напряжения транзистора была равна нулю во время отпирания. Затем электрический ток, вводимый в отпирающийся транзистор посредством нагрузочного контура, плавно повышают с нуля с регулируемой умеренной скоростью, что приводит к низкому рассеянию мощности в то время, когда проводимость транзистора повышается с нуля во время переходного процесса при отпирании. В результате напряжение и ток транзистора никогда не будут высокими одновременно. Переходные процессы при переключении напряжения и тока смещены по времени относительно друг друга.

Для задания размеров различных компонентов инвертора 132 для преобразования постоянного тока в переменный ток, показанного на фиг. 4, необходимо учитывать следующие уравнения, которые являются общеизвестными и подробно описаны в вышеупомянутой статье «Усилители РЧ-мощности класса Е», автор Nathan O. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск за январь/февраль 2001 г., стр. 9-20, издание Американской лиги радиолюбителей (ARRL), г. Невингтон, Коннектикут, США.

Пусть Q_L (добротность индуктивно-емкостного нагрузочного контура) - это величина, которая в любом случае превышает 1,7879, но является величиной, которая может быть выбрана проектировщиком (см. вышеупомянутую статью); далее, пусть P - это выходная мощность, подаваемая на сопротивление R, и пусть f - это частота. Тогда различные компоненты рассчитываются в числовой форме из следующих уравнений (при этом V_o равно нулю в случае полевых транзисторов и представляет собой напряжение смещения при насыщении в случае биполярных плоскостных транзисторов, см. выше):

L2=Q_L⋅R/2πf

R=((V_{CC -} V_o)²/P)⋅ 0,576801 ⋅(1,0000086-0,414395/Q_L -

0,557501/Q_L²+0,205967/Q_L³)

C1=(1/(34,2219⋅f⋅R))⋅(0,99866+0,91424/Q_L - 1,03175/Q_L²) +0,6/(2πf)² ⋅(L1)

C2=(1/2πfR)⋅(1/Q_L-0,104823)⋅(1,00121+(1,01468/Q_L-1,7879))- (0,2/((2πf)²⋅L1)))

Это обеспечивает возможность быстрого нагрева сусцептора, имеющего омическое сопротивление R=0,6 Ом, для подачи мощности примерно 7 Вт в течение 5-6 секунд в предположении, что ток, примерно равный 3,4, A доступен с помощью источника питания постоянного тока, у которого максимальное выходное напряжение равно 2,8 В, максимальный выходной ток равен 3,4 A, частота f=5 МГц (коэффициент заполнения=50%), индуктивность индуктора L2 равна примерно 500 нГн, омическое сопротивление индуктора L2 составляет R_Coil=0,1 Ом, индуктивность дросселя L1 равна примерно 1 мкГн, емкость конденсатора C1 равна 7 нФ и емкость конденсатора C2 равна 2,2 нФ. Эффективное сопротивление R_Coil и R_Load составляет примерно 0,6 Ом. Обеспечена возможность получения эффективности (мощность, рассеиваемая в сусцепторе 21/максимальная мощность источника 11 питания постоянного тока), составляющей примерно 83,5%, что является очень высокой эффективностью.

Как было указано выше, сусцептор 21 может быть изготовлен из материала или комбинации материалов, имеющих температуру Кюри, близкую к желаемой температуре, до которой должен быть нагрет сусцептор. Как только температура сусцептора 21 превысила указанную температуру Кюри, ферромагнитные свойства материала изменяются на парамагнитные свойства. Соответственно, значительно уменьшается рассеяние мощности в сусцепторе 21, поскольку потери на гистерезис в материале, имеющем парамагнитные свойства, значительно меньше потерь на гистерезис в материале, имеющем ферромагнитные свойства. Это уменьшенное рассеяние мощности в сусцепторе 21 может быть обнаружено, после чего, например, генерирование переменного тока инвертором для преобразования постоянного тока в переменный ток может быть прервано до тех пор, пока сусцептор 21 снова не охладится ниже температуры Кюри и не восстановит свои ферромагнитные свойства. Затем генерирование мощности переменного тока инвертором для преобразования постоянного тока в переменный ток может быть вновь возобновлено.

Для использования курительное изделие 2 вставляют в полость 14 (см. фиг. 2) индукционного нагревательного устройства 1 таким образом, чтобы образующий аэрозоль субстрат 20, содержащий сусцептор 21, был индуктивно связан с индуктором 2 (например, цилиндрической катушкой со спиральной намоткой). Сусцептор 21 затем нагревают в течение нескольких секунд, как описано выше, после чего потребитель может начать втягивание аэрозоля через фильтр 22 (разумеется, курительное изделие не обязательно должно содержать фильтр 22).

Индукционное нагревательное устройство и курительные изделия могут в целом продаваться по отдельности или в виде комплекта частей. Например, можно продавать так называемый «стартовый набор», содержащий индукционное нагревательное устройство, а также множество курительных изделий. Потребитель, после того, как им приобретен такой стартовый набор, в будущем имеет возможность приобретения лишь курительных изделий, которые могут использоваться вместе с индукционным нагревательным устройством этого стартового набора. Индукционное нагревательное устройство является простым в очистке, и в случае использования аккумуляторов в качестве источника питания постоянного тока, эти аккумуляторы легко перезаряжаются с помощью подходящего зарядного устройства, которое необходимо присоединить к соединительному порту 12, содержащему штифт 120 (или индукционное нагревательное устройство необходимо присоединить к соответствующей соединительной станции зарядного устройства).

Исходя из описанных вариантов реализации настоящего изобретения, дополненных чертежами, очевидно, что возможны многочисленные изменения и модификации без выхода за рамки общей идеи, лежащей в основе настоящего изобретения. Следовательно, предполагается, что объем защиты не ограничивается конкретными вариантами реализации и определяется приложенной формулой изобретения.