Индукционное нагревательное устройство, система подачи аэрозоля, содержащая индукционное нагревательное устройство, и способ ее эксплуатации

Изобретение относится к индукционному нагревательному устройству для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, к системе подачи аэрозоля, содержащей такое индукционное нагревательное устройство, и к способу эксплуатации такой системы подачи аэрозоля. Индукционное нагревательное устройство (1) для нагревания субстрата (20), образующего аэрозоль, содержащего токоприемник (21), при этом индукционное нагревательное устройство (1) содержит корпус (10) устройства; источник (11) питания постоянного тока, который при работе обеспечивает напряжение постоянного тока (V_DC) и силу постоянного тока (I_DC); электронные схемы (13) подачи питания, выполненные с возможностью работы на высокой частоте, при этом электронные схемы (13) подачи питания содержат преобразователь (132) постоянного тока в переменный, присоединенный к источнику (11) питания постоянного тока, при этом преобразователь (132) постоянного тока в переменный содержит индуктивно-емкостную сеть (1323) нагрузки, выполненную с возможностью работы при низкоомной нагрузке (1324), при этом индуктивно-емкостная сеть (1323) нагрузки содержит последовательное соединение конденсатора (C2) и индуктора (L2), обладающего омическим сопротивлением (R катушки); полость (14), расположенную в корпусе (10) устройства, при этом полость имеет внутреннюю поверхность, форма которой позволяет размещать, по меньшей мере, часть субстрата (20), образующего аэрозоль, при этом полость (14) расположена таким образом, чтобы при размещении части субстрата (20), образующего аэрозоль, в полости (14) индуктор (L2) индуктивно-емкостной сети (1323) нагрузки индуктивно соединялся с токоприемником (21) субстрата (20), образующего аэрозоль, при эксплуатации, при этом электронные схемы (13) подачи питания дополнительно содержат микроконтроллер (131), запрограммированный на то, чтобы при эксплуатации определять по напряжению постоянного тока (V_DC) источника (11) питания постоянного тока и по силе постоянного тока (I_DC), получаемого из источника (11) питания постоянного тока, кажущееся омическое сопротивление (R_a), и дополнительно запрограммирован на то, чтобы при эксплуатации определять по кажущемуся омическому сопротивлению (R_a) температуру (T) токоприемника (21) субстрата (20), образующего аэрозоль. Техническим результатом заявленного изобретения является возможность измерения температуры субстрата, образующего аэрозоль. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Настоящее изобретение относится к индукционному нагревательному устройству для нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Настоящее изобретение также относится к системе подачи аэрозоля, содержащей такое индукционное нагревательное устройство. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу эксплуатации такой системы подачи аэрозоля.

В известном уровне техники существуют системы подачи аэрозоля, содержащие субстрат, образующий аэрозоль, обычно табакосодержащий штранг. Для нагревания табачного штранга до температуры, при которой он способен выделять летучие компоненты, способные образовывать аэрозоль, нагревательный элемент, такой как нагревательная пластина (обычно изготовленная из металла), вставлен в табачный штранг. Температура нагревательной пластины, непосредственно соприкасающейся с субстратом, образующим аэрозоль, (табачным штрангом) определена как представляющая собой температуру субстрата, образующего аэрозоль. Температура нагревательной пластины рассчитывается с помощью известной зависимости между омическим сопротивлением нагревательной пластины и температурой нагревательной пластины. Следовательно, при нагревании, температуру нагревательной пластины можно определить в любое время в ходе сеанса курения посредством отслеживания омического сопротивления нагревательной пластины (например, посредством измерений напряжения и силы тока).

Другие системы подачи аэрозоля содержат индукционное нагревательное устройство вместо нагревательной пластины. Индукционное нагревательное устройство содержит индуктор, расположенный в тепловой близости от субстрата, образующего аэрозоль, и субстрат, образующий аэрозоль, содержит токоприемник. Переменное магнитное поле индуктора создает вихревые токи и потери на гистерезис в токоприемнике, заставляя токоприемник нагревать субстрат, образующий аэрозоль, до температуры, при которой он способен выделять летучие компоненты, способные образовывать аэрозоль. Поскольку нагревание токоприемника осуществляется бесконтактным образом, не существует прямого способа измерения температуры субстрата, образующего аэрозоль.

Однако необходимо иметь возможность измерять и контролировать рабочую температуру субстрата, образующего аэрозоль, эффективным образом, также в субстратах, образующий аэрозоль при индуктивном нагревании. Таким образом, существует потребность в индукционном нагревательном устройстве для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, в котором может быть выполнено измерение температуры субстрата, образующего аэрозоль. Также существует потребность в системе подачи аэрозоля, содержащей измерение температуры субстрата, образующего аэрозоль.

Изобретение предполагает индукционное нагревательное устройство для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, содержащее токоприемник. Индукционное нагревательное устройство согласно настоящему изобретению содержит:

- корпус устройства

- источник питания постоянного тока, который при работе обеспечивает напряжение постоянного тока и силу постоянного тока, - электронные схемы подачи питания, выполненные с возможностью работы на высокой частоте, при этом электронные схемы подачи питания содержат преобразователь постоянного тока в переменный, подключенный к источнику питания постоянного тока, при этом преобразователь постоянного тока в переменный содержит индуктивно-емкостную сеть нагрузки, выполненную с возможностью работы при низкоомной нагрузке, при этом индуктивно-емкостная сеть нагрузки содержит последовательное соединение конденсатора и индуктора, обладающего омическим сопротивлением, - полость, расположенную в корпусе устройства, при этом полость имеет внутреннюю поверхность, форма которой позволяет размещать по меньшей мере часть субстрата, образующего аэрозоль, при этом полость расположена таким образом, чтобы при размещении части субстрата, образующего аэрозоль, в полости, индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки индуктивно соединялся с токоприемником субстрата, образующего аэрозоль, при эксплуатации.

Электронные схемы подачи питания дополнительно содержат микроконтроллер, запрограммированный на то, чтобы при эксплуатации определять по напряжению постоянного тока источника питания постоянного тока и по силе постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока, кажущееся омическое сопротивление, дополнительно запрограммирован на то, чтобы при эксплуатации определять по кажущемуся омическому сопротивлению температуру токоприемника субстрата, образующего аэрозоль.

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

Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать никотин. Никотиносодержащий субстрат, образующий аэрозоль, может являться матрицей из соли никотина. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать материал растительного происхождения. Образующий аэрозоль субстрат может содержать табак, и предпочтительно, табакосодержащий материал содержит летучие соединения с ароматом табака, которые высвобождаются из образующего аэрозоль субстрата при нагреве.

Субстрат, образующий аэрозоль может содержать гомогенизированный табачный материал. Гомогенизированный табачный материал может быть образован 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.

Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать по меньшей мере одно вещество для образования 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 вещества для образования аэрозоля хорошо известны из уровня техники и включают, помимо всего прочего: многоатомные спирты, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и глицерин; сложные эфиры многоатомных спиртов, такие как глицерол моно-, ди- или триацетат; и алифатические сложные эфиры моно-, ди- или поликарбоновых кислот, такие как диметилдодекандиоат и диметилтетрадекандиоат. Особенно предпочтительными веществами для образования аэрозоля являются многоатомные спирты или их смеси, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и наиболее предпочтительно глицерин. Образующий аэрозоль субстрат может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как ароматизаторы. Субстрат, образующий аэрозоль, предпочтительно содержит никотин и по меньшей мере одно вещество для образования аэрозоля. В особенно предпочтительном варианте осуществления вещество для образования аэрозоля является глицерином.

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

В качестве общего правила, когда термин «приблизительно» применяют в сочетании с конкретной величиной по всей данной заявке, следует понимать, что величина, следующая за термином «приблизительно», не обязательно должна точно равняться конкретной величине 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».

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 приблизительно 1 Мегагерц (МГц) до приблизительно 30 Мегагерц (МГц), в частности от приблизительно 1 Мегагерц (МГц) до приблизительно 10 МГц (включая диапазон от 1 МГц до 10 МГц), и еще точнее от приблизительно 5 Мегагерц (МГц) до приблизительно 7 Мегагерц (МГц) (включая диапазон от 5 МГц до 7 МГц).

Электронные схемы подачи питания содержат преобразователь постоянного тока в переменный, подключенный к источнику питания постоянного тока.

Индуктивно-емкостная сеть нагрузки преобразователя постоянного тока в переменный (который может быть осуществлен в виде обратного преобразователя постоянного тока в переменный) выполнена с возможностью работы при низкоомной нагрузке. Термин «низкоомная нагрузка» следует понимать, как обозначающий омическую нагрузку, которая меньше приблизительно 2 Ом. Индуктивно-емкостная сеть нагрузки содержит шунтирующий конденсатор и последовательную цепь из конденсатора и индуктора, имеющего омическое сопротивление. Это омическое сопротивление индуктора обычно составляет несколько десятых Ома. При использовании омическое сопротивление токоприемника суммируется с омическим сопротивлением индуктора и должно превышать омическое сопротивление индуктора, поскольку подаваемая электрическая мощность должна преобразовываться в тепло в токоприемнике в максимально возможной степени с целью повышения эффективности усилителя мощности и обеспечения возможности передачи максимально возможного количества тепла от токоприемника на остальную часть образующего аэрозоль субстрата для эффективного образования аэрозоля.

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

Поскольку токоприемник является не только магнитопроницаемым, но также и электропроводным (он является проводником, как указано выше), в токоприемнике наводится ток, известный как вихревой ток, и этот ток протекает в токоприемнике согласно закону Ома. Токоприемник должен иметь низкое удельное электрическое сопротивление ρ, чтобы увеличить рассеяние джоулевого тепла. Кроме этого, необходимо учитывать частоту переменного вихревого тока из-за поверхностного эффекта (более 98% электрического тока течет в слое на глубине в четыре раза превышающей глубину поверхностного слоя δ, от внешней поверхности проводника). С учетом этого омическое сопротивление R_S токоприемника 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 токоприемника, и

ρ обозначает удельное электрическое сопротивление материала

токоприемника.

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 омическое сопротивление токоприемника (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 токоприемнике) не может увеличиваться произвольно, поскольку глубина δ поверхностного слоя уменьшается по мере повышения частоты вихревого тока (или переменного магнитного поля, индуцирующего вихревой ток в токоприемнике), так что выше определенной частоты отсечки вихревые токи больше не могут генерироваться в токоприемнике, 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 токоприемнике за счет механизма нагрева, связанного с гистерезисом. Потери мощности, обусловленные гистерезисом, рассчитываются из уравнения

P_H=V ⋅ W_H ⋅ f

где

V обозначает объем токоприемника,

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

f обозначает частоту переменного магнитного поля.

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

W_H=

Максимально возможная величина работы W_H зависит от свойств материала токоприемника (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 токоприемнике переменным магнитным полем, и эта фактическая петля гистерезиса намагниченности на диаграмме В-Н зависит от величины магнитного возбуждения.

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

Для обеспечения возможности генерирования тепла в токоприемнике согласно вышеописанным механизмам (главным образом, посредством потерь на вихревые токи и потерь на 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-емкостной сети нагрузки при использовании был индуктивно связан с токоприемником образующего аэрозоль субстрата. Это означает, что индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки используется для нагревания токоприемника посредством магнитной индукции. Это устраняет необходимость в дополнительных компонентах, таких как согласующие сети 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. Для токоприемников, формирующих низкоомные нагрузки, как указано выше, одновременно обладающих омическим сопротивлением, значительно превышающим омическое сопротивление индуктора индуктивно-емкостной сети нагрузки, таким образом, возможно достигать температур токоприемника в диапазоне 300-400 градусов Цельсия всего за пять секунд или за период времени, который даже меньше пяти секунд, одновременно с этим температура индуктора остается низкой (благодаря тому, что подавляющее большинство мощности преобразуется в теплоту в токоприемнике).

Как уже 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 энергии в токоприемник, расположенный внутри субстрата, образующего аэрозоль, таким образом, чтобы субстрат, образующий аэрозоль, нагревался до средней температуры, составляющей 200-240 градусов Цельсия. Еще более предпочтительно, устройство выполнено с возможностью нагрева табакосодержащего твердого образующего аэрозоль субстрата курительного изделия.

По мере нагревания субстрата, образующего аэрозоль, желательно регулировать его температуру. Этого трудно достичь, поскольку нагревание субстрата, образующего аэрозоль, осуществляется бесконтактным (индуктивным) нагреванием токоприемника (главным образом за счет потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи, как описано выше), в то время, как в резистивных нагревательных устройствах известного уровня техники регулировка температуры достигалась путем измерения напряжения и силы тока на резистивном нагревательном элементе благодаря линейной зависимости температуры резистивного нагревательного элемента и омического сопротивления нагревательного элемента.

Неожиданно было обнаружено, что в индукционном нагревательном устройстве согласно изобретению существует строго однообразное отношение между температурой токоприемника и кажущимся омическим сопротивлением, определенным из напряжения постоянного тока источника питания постоянного тока и из силы постоянного тока, получаемого из источника постоянного тока. Это строго однообразное отношение позволяет однозначно определять соответствующую температуру токоприемника из соответствующего кажущегося омического сопротивления в (бесконтактном) индукционном нагревательном устройстве согласно изобретению, поскольку каждая отдельная величина кажущегося омического сопротивления является характерной лишь для одной отдельной величины температуры, поэтому в отношении нет неоднозначности. Это не означает, что отношение температуры токоприемника и кажущегося омического сопротивления обязательно является линейным, тем не менее, отношение должно быть строго однообразным во избежание любого неоднозначного соотнесения одного кажущегося омического сопротивления с более, чем одной температурой. Строго однообразное отношение температуры токоприемника и кажущегося омического сопротивления таким образом позволяет определять и регулировать температуру токоприемника и, таким образом, субстрата, образующего аэрозоль. Как будет подробнее описано ниже, в случае если преобразователь постоянного тока в переменный содержит усилитель класса E, отношение между температурой токоприемника и кажущимся омическом сопротивлением является линейным по меньшей мере для рассматриваемого температурного диапазона.

Определение напряжения постоянного тока источника питания постоянного тока и силы постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока, содержит измерение как напряжения источника постоянного тока, так и силы постоянного тока. Тем не менее, в соответствии с одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, источник питания постоянного тока может представлять собой батарею постоянного тока, в частности, перезаряжаемую батарею постоянного тока, для обеспечения непрерывного напряжения постоянного тока. Это обеспечивает возможность перезарядки батарей, предпочтительно, путем подключения к электросети через зарядное устройство, содержащее преобразователь переменного тока в постоянный ток. В случае непрерывной подачи напряжения постоянного тока, по-прежнему возможно и может быть желательно измерять напряжение постоянного тока, тем не менее, в таком случае это измерение напряжения постоянного тока не является обязательным (поскольку напряжение постоянного тока является непрерывным). Тем не менее, электронные схемы подачи питания содержат датчик постоянного тока для измерения силы постоянного тока, получаемого из батареи постоянного тока, таким образом чтобы кажущееся омическое сопротивление (которое является характерным для температуры токоприемника) можно было определить из непрерывного напряжения постоянного тока (независимо от того, имеет ли измеряемое или определяемое непрерывное напряжение постоянного тока неизменную величину) и измеренной силы постоянного тока. В общем, этот аспект позволяет измерять только силу постоянного тока без потребности в дополнительном измерении напряжения постоянного тока.

Как упоминалось выше, в определенных случаях возможно воздержаться от измерения напряжения постоянного тока, тем не менее, в соответствии с одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению электронные схемы подачи питания содержат датчик напряжения постоянного тока для измерения напряжения постоянного тока таким образом, чтобы определение фактической величины напряжения постоянного тока могло быть измерено в любом случае.

Как было описано выше, индукционное нагревательное устройство согласно изобретению позволяет регулировать температуру. Для достижения этого особенно преимущественным образом, в соответствии с дальнейшим аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению микроконтроллер дополнительно запрограммирован прерывать вырабатывание переменного тока преобразователем постоянного тока в переменный когда определенная температура токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, равна или превышает предустановленную пороговую температуру, и согласно этому аспекту микроконтроллер запрограммирован продолжать вырабатывание переменного тока когда определенная температура токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, снова опускается ниже предустановленной пороговой температуры. Предполагается, что термин «прерывать вырабатывание переменного тока» охватывает случаи, в которых практически не вырабатывается переменный ток, а также случаи, в которых вырабатывание переменного тока лишь уменьшается для поддержания пороговой температуры. Преимущественно, эта пороговая температура является заданной рабочей температурой, которая может представлять собой, в частности, температуру в диапазоне от 300°C до 400°C, например 350°C. Индукционное нагревательное устройство согласно изобретению нагревает токоприемник субстрата, образующего аэрозоль, до тех пор, пока токоприемник не достигнет предустановленной пороговой температуры, соответствующей связанному с ней кажущемуся омическому сопротивлению. В это время дальнейшая подача переменного тока преобразователем постоянного тока в переменный прерывается с тем, чтобы остановить дальнейшее нагревание токоприемника и позволить токоприемнику остыть. Когда температура токоприемника снова опустится ниже предустановленной пороговой температуры, это обнаруживается определением соответствующего кажущегося омического сопротивления. В это время возобновляется вырабатывание переменного тока для того, чтобы поддерживать температуру максимально близкой к заданной рабочей температуре. Этого можно достичь, например, путем регулировки рабочего цикла переменного тока, подаваемого в индуктивно-емкостную сеть нагрузки. Это описано, в принципе, в документе WO 2014/040988.

Как уже упоминалось выше, в соответствии с одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, преобразователь постоянного тока в переменный содержит усилитель мощности класса E, содержащий транзисторный переключатель, задающую схему транзисторного переключателя и индуктивно-емкостную сеть нагрузки, выполненную с возможностью работы при низкоомной нагрузке, и индуктивно-емкостная сеть нагрузки дополнительно содержит шунтирующий конденсатор.

Усилители мощности класса E являются общеизвестными и подробно описаны, например, в статье «Class-E RF Power Amplifiers», Nathan O. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск Январь/Февраль 2001 г., страницы 9-20, Американской лиги радиолюбителей (ARRL), г. Невингтон, Коннектикут, США. Усилители мощности класса E являются преимущественными применительно к их работе на высоких частотах и одновременно обладают простой конструкцией схем, содержащей минимальное количество компонентов (например, необходим лишь один транзисторный переключатель, что является преимущественным по сравнению с усилителями мощности класса D, содержащими два транзисторных переключателя, которым необходимо управлять при высокой частоте таким образом, чтобы обеспечить выключенное состояние одного из двух транзисторов в то время, когда второй из двух транзисторов находится во включенном состоянии). Кроме 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 (MOSFET) или полевой транзистор со структурой металл-полупроводник (MESFET).

В соответствии с дальнейшим аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки содержит цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой, расположенную на внутренней поверхности полости или рядом с ней.

В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, усилитель мощности класса E имеет выходное полное сопротивление, и электронная схема подачи питания дополнительно содержат согласующую сеть 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, согласующая сеть может содержать небольшой согласующий трансформатор.

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 дальнейшим аспектом индукционного нагревательного устройства согласно изобретению, индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки содержит цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой, расположенную на внутренней поверхности полости или рядом с ней. Преимущественно, индукционная катушка имеет продолговатую форму и ограничивает внутренний объем в диапазоне от приблизительно 0,15 см³ до приблизительно 1,10 см³. Например, внутренний диаметр цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может составлять от приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм и предпочтительно может составлять приблизительно 7 мм, а длина цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может составлять от приблизительно 8 мм до приблизительно 14 мм. Диаметр или толщина провода катушки может составлять от приблизительно 0,5 мм до приблизительно 1 мм, в зависимости от того, используется ли провод катушки с круглым поперечным сечением или провод катушки с плоским прямоугольным поперечным сечением. Индукционная катушка со спиральной намоткой расположена на или вблизи внутренней поверхности полости. Цилиндрическая индукционная катушка со спиральной намоткой, расположенная на или вблизи внутренней поверхности полости, обеспечивает возможность дополнительной минимизации размеров устройства.

Еще один аспект изобретения относится к системе подачи аэрозоля, содержащей индукционное нагревательное устройство, как описано выше, субстрат, образующий аэрозоль, содержащий токоприемник. По меньшей мере часть субстрата, образующего аэрозоль, должна размещаться в полости индукционного нагревательного устройства таким образом, чтобы индуктор индуктивно-емкостной сети нагрузки преобразователя постоянного тока в переменный индукционного нагревательного устройства был индуктивно соединен с токоприемником субстрата, образующего аэрозоль, при эксплуатации.

В качестве примера, субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой субстрат, образующий аэрозоль, курительного изделия. В частности, образующий аэрозоль субстрат может представлять собой табакосодержащий твердый образующий аэрозоль субстрат, который может использоваться в курительных изделиях (например, таких, как сигареты).

В соответствии с одним аспектом системы подачи аэрозоля согласно изобретению, токоприемник изготовлен из нержавеющей стали. Например, может использоваться нержавеющая сталь различных марок, такая как нержавеющая сталь марки 430 (SS430) или нержавеющая сталь марки 410 (SS410), нержавеющая сталь марки 420 (SS420) или нержавеющая сталь марки 440 (SS440). Также может использоваться нержавеющая сталь других марок. Например, токоприемник представляет собой одинарный токоприемный элемент, который может быть выполнен в виде полосы, листа, провода или фольги, и эти токоприемные элементы могут иметь разные геометрические формы поперечного сечения, такие как прямоугольную, круглую, овальную или другие геометрические формы.

В соответствии с конкретным аспектом системы подачи аэрозоля согласно изобретению, токоприемник может содержать плоскую полосу нержавеющей стали, при этом плоская полоса нержавеющей стали имеет длину в диапазоне от приблизительно 8 миллиметров до приблизительно 15 миллиметров, предпочтительно длину, равную приблизительно 12 миллиметров. Плоская полоса дополнительно может иметь ширину в диапазоне от приблизительно 3 миллиметров до приблизительно 6 миллиметров, предпочтительно ширину, равную приблизительно 4 миллиметров или приблизительно 5 миллиметров. Плоская полоса дополнительно может иметь толщину в диапазоне от приблизительно 20 микрометров до приблизительно 50 микрометров, предпочтительно толщину в диапазоне от приблизительно 20 микрометров до приблизительно 40 микрометров, например толщину, равную приблизительно 25 микрометров или приблизительно 35 микрометров. Один очень специфический вариант осуществления токоприемника может иметь длину, составляющую приблизительно 12 миллиметров, ширину, составляющую приблизительно 4 миллиметра, и толщину, составляющую приблизительно 50 микрометров, и может быть изготовлен из нержавеющей стали марки 430 (SS430). Другой очень специфический вариант осуществления токоприемника может иметь длину, составляющую приблизительно 12 миллиметров, ширину, составляющую приблизительно 5 миллиметров, и толщину, составляющую приблизительно 50 микрометров, и может быть изготовлен из нержавеющей стали марки 430 (SS430). В качестве альтернативы, эти очень специфические варианты осуществления также могут быть изготовлены из нержавеющей стали марки 420 (SS420).

Еще один аспект изобретения относится к способу эксплуатации системы подачи аэрозоля, как описано выше, и этот способ содержит следующие этапы: - определение по напряжению постоянного тока источника питания постоянного тока и по силе постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока, кажущегося омического сопротивления, - определение по кажущемуся омическому сопротивлению температуры токоприемника субстрата, образующего аэрозоль.

В соответствии с одним аспектом способа согласно изобретению, источник питания постоянного тока представляет собой батарею постоянного тока, в частности, перезаряжаемую батарею постоянного тока, и обеспечивает непрерывное напряжение постоянного тока. Постоянный ток, получаемый из батареи постоянного тока, измеряется для определения кажущегося омического сопротивления по непрерывной подаче напряжения постоянного тока и по измеренному постоянному току.

В соответствии с еще одним аспектом способа согласно изобретению, способ дополнительно содержит следующие этапы: - прерывание вырабатывания переменного тока преобразователем постоянного тока в переменный, когда определено, что температура токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, равна или превышает предустановленную пороговую температуру, и - возобновление вырабатывания переменного тока, когда определено, что температура токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, снова опустилась ниже предустановленной пороговой температуры.

Поскольку преимущества способа согласно изобретению и его конкретные аспекты уже были описаны выше, они не будут повторно описаны здесь.

Дальнейшие преимущественные аспекты изобретения станут очевидны из следующего описания вариантов осуществления в сочетании с графическими материалами, на которых:

на фиг. 1 изображен общий принцип нагревания, лежащий в основе индукционного нагревательного устройства изобретению,

на фиг. 2 изображена блок-схема варианта осуществления индукционного нагревательного устройства и системы подачи аэрозоля согласно изобретению,

на фиг. 3 изображен вариант осуществления системы подачи аэрозоля согласно изобретению, содержащей индукционное нагревательное устройство с ключевыми компонентами, расположенными в корпусе устройства,

на фиг. 4 показан вариант реализации основных компонентов электронной схемы подачи питания в индукционном нагревательном устройстве согласно настоящему изобретению (без согласующей сети),

на фиг. 5 показан вариант реализации индуктора индуктивно-емкостной сети нагрузки в форме цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой, имеющей удлиненную форму,

на фиг. 6 изображен фрагмент индуктивно-емкостной сети нагрузки, содержащей сопротивление индуктивности и омическое сопротивление катушки, и, кроме этого, изображено омическое сопротивление нагрузки,

на фиг. 7 изображены два сигнала, представляющие силу постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока, относительно температуры токоприемника,

на фиг. 8 изображена температура двух токоприемников относительно напряжения постоянного тока источника питания постоянного тока и силы постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока, и

на фиг. 9 изображена эквивалентная цепь электронных схем питания индукционного нагревательного устройства.

На фиг. 1 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 токоприемник 21. Курительное изделие 2, содержащее образующий аэрозоль субстрат 20 с токоприемником 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.

Кроме этого, на фиг. 1 магнитное поле во внутреннем объеме индукционной катушки L2 обозначено схематически несколькими линиями B_L магнитного поля в один конкретный момент времени, поскольку магнитное поле, образованное переменным током i_L2, проходящим сквозь индукционную катушку L2, является переменным магнитным полем, изменяющим свою полярность с частотой переменного тока i_L2, которая может находиться в диапазоне от приблизительно 1 МГц до приблизительно 30 МГц (включая диапазон от 1 МГц до 30 МГц), и, в частности, может находиться в диапазоне от приблизительно 1 МГц до приблизительно 10 МГц (включая диапазон от 1 МГц до 10 МГц, и в особенности может быть меньше 10 МГц), и точнее частота может находиться в диапазоне от приблизительно 5 МГц до приблизительно 7 МГц (включая диапазон от 5 МГц до 7 МГц). Два основных механизма, ответственных за генерирование тепла в токоприемнике 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 изображен вариант осуществления системы подачи аэрозоля согласно изобретению, содержащей индукционное нагревательное устройство 1 согласно изобретению. Индукционное нагревательное устройство 1 содержит корпус 10 устройства, который может быть изготовлен из пластика, и источник питания 11 постоянного тока (см. фиг. 2), содержащий перезаряжаемую батарею 110. Индукционное нагревательное устройство 1 дополнительно содержит соединительный порт 12, содержащий штифт 120, для присоединения индукционного нагревательного устройства к зарядной станции или зарядному устройству для перезарядки аккумулятора 110. Кроме этого, индукционное нагревательное устройство 1 содержит электронные схемы 13 подачи питания, выполненные с возможностью работы с желаемой частотой. 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-емкостную сеть нагрузки (см. фиг. 4), которая, 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 приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм и, в частности, радиус r может составлять приблизительно 7 мм. Длина l цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может находиться в диапазоне от приблизительно 8 мм до приблизительно 14 мм. Соответственно, ее внутренний объем может находиться в диапазоне от приблизительно 0,15 см³ до приблизительно 1,10 см³.

Как показано на фиг. 3, табакосодержащий твердый образующий аэрозоль субстрат 20, содержащий токоприемник 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 токоприемником 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 изображена блок-схема варианта осуществления системы подачи аэрозоля, содержащей индукционное нагревательное устройство 1 согласно изобретению, но также содержащей некоторые необязательные аспекты или компоненты, как будет описано ниже. Индукционное нагревательное устройство 1 вместе с субстратом 20, образующим аэрозоль, содержащим токоприемник 21, образует вариант осуществления системы подачи аэрозоля согласно изобретению. Блок-схема, показанная на фиг. 2, является иллюстрацией, приведенной с учетом способа использования. Как видно, индукционное нагревательное устройство 1 содержит источник 11 питания постоянного тока (на фиг. 3 содержащий перезаряжаемую батарею 110), микроконтроллер (микропроцессорный блок управления) 131, преобразователь 132 постоянного тока в переменный (выполненный в виде обратного преобразователя постоянного тока в переменный), согласующую сеть 133 для адаптации к нагрузке и индуктор L2. Микропроцессорный блок 131 управления, преобразователь 132 постоянного тока в переменный и согласующая сеть 133, а также индуктор L2 входят в состав электронных схем 13 подачи питания (см. фиг. 1). Напряжение постоянного тока V_DC и сила постоянного тока I_DC, получаемого из источника питания 11 постоянного тока, подаются по каналам обратной связи в микропроцессорный блок 131 управления, предпочтительно путем измерения как напряжения постоянного тока V_DC, так и силы постоянного тока I_DC, получаемого из источника 11 питания постоянного тока, для управления дальнейшей подачей переменного тока в индуктивно-емкостную сеть нагрузки и, в частности, в индуктор L2. Этот важный аспект индукционного нагревательного устройства согласно изобретению будет подробнее описан ниже. Согласующая сеть 133 может быть предусмотрена для оптимальной адаптации к нагрузке, однако он не является обязательным и не содержится в варианте реализации, более подробно описанном ниже.

На фиг. 4 изображены некоторые ключевые компоненты электронных схем 13 подачи питания, в частности преобразователя 132 постоянного тока в переменный. Как видно на фиг. 4, преобразователь постоянного тока в переменный содержит усилитель мощности класса E, включающий в себя транзисторный переключатель 1320, содержащий полевой транзистор (FET) 1321, например, полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), схему питания транзисторного переключателя, обозначенную стрелкой 1322, для подачи сигнала переключения (напряжение управления-питания) в FET 1321, и индуктивно-емкостную сеть 1323 нагрузки, содержащую шунтирующий конденсатор C1 и последовательное соединение конденсатора C2 и индуктора L2. Кроме этого, изображен источник питания 11 постоянного тока, содержащий дроссель L1, для подачи напряжения постоянного тока V_DC, с силой постоянного тока I_DC, получаемого из источника 11 питания постоянного тока, при эксплуатации. Также на фиг. 4 показано омическое сопротивление R, характеризующее общую омическую нагрузку 1324, которая представляет собой сумму омического сопротивления R_{катушки} индуктора L2 и омического сопротивления R_{нагрузки} токоприемника 21, как это показано на фиг. 6.

Из-за очень малого количества компонентов можно поддерживать чрезвычайно маленький объем электронных схем 13 подачи питания. Например, объем электронной схемы подачи питания может составлять не больше 2 см³. Этот чрезвычайно маленький объем электронных схем подачи питания возможен благодаря индуктору L2 индуктивно-емкостной сети 1323 нагрузки, непосредственно используемого в качестве индуктора для индуктивной связи с токоприемником 21 субстрата 20, образующего аэрозоль, и этот маленький объем позволяет сохранять небольшие общие размеры всего индукционного нагревательного устройства 1. В случае, если для индуктивного соединения с токоприемником 21 используется отдельный индуктор, а не индуктор L2, это автоматически увеличит объем электронных схем источника питания, при этом этот объем также увеличивается, если согласующая сеть 133 включена в электронные схемы источника питания.

Хотя общий принцип работы усилителя мощности класса E 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 напряжение переключения (напряжение затвор-исток полевого транзистора FET) с прямоугольным профилем на FET 1321. Когда FET 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 FET 1321. Когда FET 1321 является непроводящим (находится в состоянии «заперто»), весь электрический ток протекает в индуктивно-емкостной сети нагрузки, поскольку FET 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 токоприемника 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 токоприемник 21 образующего аэрозоль субстрата 20, индуктивно связанный с индуктором 2. Мощность, рассеиваемая в токоприемнике 21 (потери на вихревые токи, потери на гистерезис), генерирует тепло в токоприемнике 21, как подробно описано выше. Другими словами, рассеивание энергии в FET 1321 должно быть сведено к минимуму, при этом рассеивание энергии в токоприемнике 21 должно быть увеличено до максимума.

Рассеяние мощности в FET 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 FET 1321 должен поддерживать высокое напряжение на протяжении части этого периода и проводить сильный электрический ток на протяжении части этого периода, следует избегать одновременного наличия высокого напряжения и сильного электрического тока, поскольку это приведет к существенному рассеиванию энергии в FET 1321. В «открытом» состоянии FET 1321 напряжение на транзисторе близко к нулю, когда через FET 1321 протекает высокий электрический ток. В «запертом» состоянии FET 1321 напряжение на транзисторе является высоким, однако ток через FET 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 FET 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 сети 1323 нагрузки, содержащей шунтирующий конденсатор C1 и последовательную цепь из конденсатора C2 и индуктора L2, причем эта сеть нагрузки представляет собой сеть между FET 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 сети нагрузки, плавно повышают с нуля с регулируемой умеренной скоростью, что приводит к низкому рассеянию мощности в то время, когда проводимость транзистора повышается с нуля во время переходного процесса при отпирании. В результате, напряжение на транзисторе и ток через него никогда не будут высокими одновременно. Переходные процессы при переключении напряжения и тока смещены по времени относительно друг друга.

Для определения размеров различных компонентов преобразователя 132 постоянного тока в переменный, изображенного на фиг. 4, необходимо учитывать следующие уравнения, являющиеся общеизвестными и подробно описаны в вышеупомянутой статье «Class-E RF Power Amplifiers», Nathan O. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск Январь/Февраль 2001 г., стр. 9-20, Американской лиги радиолюбителей (ARRL), г. Невингтон, Коннектикут, США.

Пусть Q_L (добротность индуктивно-емкостной сети нагрузки) - 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 токоприемника, имеющего омическое сопротивление R=0,6 Ом, для подачи мощности приблизительно 7 Вт в течение 5-6 секунд в предположении, что ток, приблизительно 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 приблизительно 500 нГн, омическое сопротивление индуктора L2 составляет R_{катушки}=0,1 Ом, индуктивность дросселя L1 равна приблизительно 1 мкГн, емкость конденсатора C1 равна 7 нФ и емкость конденсатора C2 равна 2,2 нФ. Эффективное омическое сопротивление R_{катушки} и R_{нагрузки} составляет приблизительно 0,6 Ω. Может быть получена эффективность (мощность, рассеиваемая в токоприемнике 21/максимальная мощность источника 11 питания постоянного тока), составляющая приблизительно 83,5%, что является очень высокой эффективностью.

Для использования курительное изделие 2 вставляют в полость 14 (см. фиг. 2) индукционного нагревательного устройства 1 таким образом, чтобы образующий аэрозоль субстрат 20, содержащий токоприемник 21, был индуктивно связан с индуктором 2 (например, цилиндрической катушкой со спиральной намоткой). Токоприемник 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).

Как уже упоминалось выше, путем определения кажущегося омического сопротивления R_a из напряжения постоянного тока V_DC источника 11 питания постоянного тока и из силы постоянного тока I_DC, получаемого из источника питания 11 постоянного тока, можно определять температуру T токоприемника 21. Это возможно потому, что неожиданно выяснилось, что отношение температуры T токоприемника 21 и соотношение напряжения постоянного тока V_DC и силы постоянного тока I_DC является строго однообразным, и даже может быть практически линейным для усилителя класса E. Такое строго однообразное отношение изображено на фиг. 8 в качестве примера. Как уже упоминалось, отношение не обязательно должно быть линейным, оно лишь должно быть строго однообразным таким образом, чтобы для заданного напряжения источника постоянного тока V_DC существовало точно выраженное отношение между соответствующей силой постоянного тока I_DC и температурой T токоприемника. Другими словами, существует точно выраженное отношение между кажущимся омическим сопротивлением R_a (определенным из соотношения напряжения постоянного тока V_DC и силы постоянного тока I_DC, получаемого из источника питания постоянного тока) и температурой T токоприемника. Это соответствует эквивалентной цепи, изображенной на фиг. 9, где R_a соответствует последовательному соединению, образованному омическим сопротивлением R_ЦЕПИ (которое существенно меньше омического сопротивления токоприемника) и зависимому от температуры омическому сопротивлению R_{ТОКОПРИЕМНИКА} токоприемника.

Как уже упоминалось, в случае использования усилителя класса E это строго однообразное отношение между кажущимся омическим сопротивлением R_a и температурой T токоприемника является практически линейным, по меньшей мере для рассматриваемого температурного диапазона (например, для температурного диапазона от 100°C до 400°C).

Если отношение между кажущимся омическим сопротивлением R_a и температурой T конкретного токоприемника, изготовленного из конкретного материала и обладающего конкретной геометрической формой, является известным (например, такое отношение может быть определено посредством точных измерений в лабораторных условиях для большого количества идентичных токоприемников и последующего выведения среднего числа отдельных измерений), это отношение между кажущимся омическим сопротивлением R_a и температурой T этого конкретного токоприемника может быть запрограммировано в микроконтроллере 131 (см. фиг. 2) таким образом, чтобы при работе системы подачи аэрозоля нужно было определять лишь кажущееся омическое сопротивление R_a из фактического напряжения постоянного тока V_DC (обычно оно является постоянным напряжением батареи) и фактической силы постоянного тока I_DC, получаемого из источника 11 питания постоянного тока. Большое количество таких отношений между R_a и температурой T может быть запрограммировано в микроконтроллере 131 для токоприемников, изготовленных из различных материалов и обладающих разными геометрическими формами, таким образом чтобы при эксплуатации устройства, образующего аэрозоль, было необходимо лишь идентифицировать соответствующий тип токоприемника и затем можно было использовать соответствующее отношение (предварительно запрограммированное в микроконтроллере) для определения температуры T соответствующего типа фактически используемого токоприемника путем определения фактического напряжения постоянного тока и фактической силы постоянного тока, получаемого из источника питания постоянного тока.

Возможно и может быть предпочтительным, чтобы напряжение постоянного тока V_DC и сила постоянного тока I_DC, получаемого из источника 11 питания постоянного тока, могли быть измерены (это может быть достигнуто с помощью подходящего датчика напряжения постоянного тока и подходящего датчика силы постоянного тока, которые могут быть легко внедрены в небольшую цепь, не занимая какого-либо значительного пространства). Тем не менее, в случае использования источника питания постоянного тока с непрерывным подаваемым напряжением V_DC, можно обойтись без датчика напряжения постоянного тока и лишь датчик постоянного тока необходим для измерения силы постоянного тока I_DC, получаемого из источника 11 питания постоянного тока.

На фиг. 7 изображены два сигнала, представляющие силу постоянного тока I_DC, получаемого из источника 11 питания постоянного тока (верхний сигнал), и температуру T токоприемника 21 (нижний сигнал), определенную из отношения между кажущимся омическим сопротивлением R_a и температурой T для этого токоприемника 21, которое запрограммировано в микроконтроллере 131.

Как видно, после начала нагревания токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, сила тока I_DC находится на высоком уровне и уменьшается по мере увеличения температуры T токоприемника субстрата, образующего аэрозоль (увеличение температуры токоприемника приводит к увеличению R_a, что в свою очередь приводит к уменьшению I_DC). В разное время в ходе этого процесса нагревания (в частности, когда субстрат, образующий аэрозоль, достиг определенной температуры), пользователь может делать затяжку из курительного изделия, содержащего субстрат, образующий аэрозоль, с токоприемником, расположенным внутри него. В это время, втягиваемый воздух приводит к быстрому снижению температуры субстрата, образующего аэрозоль, и токоприемника. Это приводит к уменьшению кажущегося омического сопротивления R_a и это, в свою очередь, приводит к увеличению силы постоянного тока I_DC, получаемого из источника 11 питания постоянного тока. Эти моменты, когда пользователь делает затяжку, обозначены на фиг. 7 соответствующими стрелками. По завершении затяжки воздух больше не втягивается и температура токоприемника снова повышается (что приводит к соответствующему увеличению кажущегося омического сопротивления R_a) и сила постоянного тока I_DC соответственно уменьшается.

Как также видно на фиг. 7, преобразователь постоянного тока в переменный вырабатывает переменный ток до тер пор, пока температура токоприемника 21 не будет равняться или превышать предустановленную пороговую температуру T_{пороговая}. Когда температура токоприемника субстрата, образующего аэрозоль, становится равной или превышает эту предустановленную пороговую температуру T_{пороговая} (например, заданную рабочую температуру), микроконтроллер 131 запрограммирован прерывать дальнейшее вырабатывание переменного тока преобразователем 132 постоянного тока в переменный. Затем желательно поддерживать температуру T токоприемника 21 на уровне заданной рабочей температуры. Когда температура T токоприемника 21 снова опускается ниже пороговой температуры T_{пороговая}, микроконтроллер 131 запрограммирован снова возобновлять вырабатывание переменного тока.

Этого можно достичь, например, путем регулировки рабочего цикла транзисторного переключателя. Это описано, в принципе, в документе WO 2014/040988. Например, при нагревании, преобразователь постоянного тока в переменный непрерывно вырабатывает переменный ток, нагревающий токоприемник, и одновременно напряжение постоянного тока V_DC и сила постоянного тока I_DC измеряются каждые 10 миллисекунд в течение 1 миллисекунды. Определяется кажущееся омическое сопротивление R_a (по соотношению V_DC и I_DC), и когда R_a достигает или превышает величину R_a, соответствующую предустановленной пороговой температуре T_{пороговая} или температуре, превышающей предустановленную пороговую температуру T_{пороговая}, переключающий транзистор 1321 (см. фиг. 4) переключается в режим, в котором он генерирует импульсы лишь каждые 10 миллисекунд в течение 1 миллисекунды (в таком случае рабочий цикл транзисторного переключателя составляет лишь приблизительно 9%). В течение этой 1 миллисекунды включенного состояния (проводящего состояния) переключающего транзистора 1321 измеряются величины напряжения постоянного тока V_DC и силы постоянного тока I_DC и определяется кажущееся омическое сопротивление R_a. Поскольку кажущееся омическое сопротивление R_a является характерным для температуры T токоприемника 21, которая ниже предустановленной пороговой температуры T_{пороговая}, транзистор переключается обратно в вышеупомянутый режим (таким образом, чтобы рабочий цикл переключаемого транзистора снова составлял практически 100%).

Например, токоприемник 21 может иметь длину, составляющую приблизительно 12 миллиметров, ширину, составляющую приблизительно 4 миллиметра, и толщину, составляющую приблизительно 50 микрометров, и может быть изготовлен из нержавеющей стали марки 430 (SS430). В качестве альтернативного примера, токоприемник может иметь длину, составляющую приблизительно 12 миллиметров, ширину, составляющую приблизительно 5 миллиметров, и толщину, составляющую приблизительно 50 микрометров, и может быть изготовлен из нержавеющей стали марки 420 (SS430). Эти токоприемники также могут быть изготовлены из нержавеющей стали марки 420 (SS420).

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.

1. Индукционное нагревательное устройство (1) для нагревания субстрата (20), образующего аэрозоль, содержащего токоприемник (21), при этом индукционное нагревательное устройство (1) содержит:

- корпус (10) устройства,

- источник (11) питания постоянного тока, который при работе обеспечивает напряжение постоянного тока (V_DC) и силу постоянного тока (I_DC), электронные схемы (13) подачи питания, выполненные с возможностью работы на высокой частоте, при этом электронные схемы (13) подачи питания содержат преобразователь (132) постоянного тока в переменный, присоединенный к источнику (11) питания постоянного тока, при этом преобразователь (132) постоянного тока в переменный содержит индуктивно-емкостную сеть (1323) нагрузки, выполненную с возможностью работы при низкоомной нагрузке (1324), при этом индуктивно-емкостная сеть (1323) нагрузки содержит последовательное соединение конденсатора (C2) и индуктора (L2), обладающего омическим сопротивлением (R катушки), полость (14), расположенную в корпусе (10) устройства, при этом полость имеет внутреннюю поверхность, форма которой позволяет размещать, по меньшей мере, часть субстрата (20), образующего аэрозоль, при этом полость (14) расположена таким образом, чтобы при размещении части субстрата (20), образующего аэрозоль, в полости (14) индуктор (L2) индуктивно-емкостной сети (1323) нагрузки индуктивно соединялся с токоприемником (21) субстрата (20), образующего аэрозоль, при эксплуатации, при этом электронные схемы (13) подачи питания дополнительно содержат микроконтроллер (131), запрограммированный на то, чтобы при эксплуатации определять по напряжению постоянного тока (V_DC) источника (11) питания постоянного тока и по силе постоянного тока (I_DC), получаемого из источника (11) питания постоянного тока, кажущееся омическое сопротивление (R_a), и дополнительно запрограммирован на то, чтобы при эксплуатации определять по кажущемуся омическому сопротивлению (R_a) температуру (T) токоприемника (21) субстрата (20), образующего аэрозоль.

2. Индукционное нагревательное устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство выполнено таким образом, чтобы нагревать субстрат (20), образующий аэрозоль, курительного изделия (2).

3. Индукционное нагревательное устройство по любому из пп. 1 или 2, отличающееся тем, что источник (11) питания постоянного тока представляет собой батарею постоянного тока, в частности, перезаряжаемую батарею постоянного тока, для обеспечения непрерывного напряжения постоянного тока (V_DC), и при этом электронные схемы (13) подачи питания дополнительно содержат датчик постоянного тока для измерения силы постоянного тока (I _DC), получаемого из батареи постоянного тока, для определения по непрерывному напряжению постоянного тока (V_DC) и измеренной силе постоянного тока кажущегося омического сопротивления (R_a).

4. Индукционное нагревательное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что электронные схемы (13) подачи питания дополнительно содержат датчик напряжения постоянного тока для измерения напряжения постоянного тока (V_DC) источника (11) питания постоянного тока.

5. Индукционное нагревательное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что микроконтроллер (131) дополнительно запрограммирован прерывать вырабатывание переменного тока преобразователем (132) постоянного тока в переменный, когда определенная температура (T) токоприемника (21) субстрата (20), образующего аэрозоль, равна или превышает предустановленную пороговую температуру (T_{пороговая}), и при этом микроконтроллер (131) запрограммирован возобновлять вырабатывание переменного тока, когда определенная температура (T) токоприемника (21) субстрата (20), образующего аэрозоль, снова опускается ниже предустановленной пороговой температуры (T_{пороговая}).

6. Индукционное нагревательное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что преобразователь (132) постоянного тока в переменный содержит усилитель мощности класса E, содержащий транзисторный переключатель (1320), задающую схему (1322) транзисторного переключателя и индуктивно-емкостную сеть (1323) нагрузки, выполненную с возможностью работы при низкоомной нагрузке (1324), при этом индуктивно-емкостная сеть (1323) нагрузки дополнительно содержит шунтирующий конденсатор (C1).

7. Индукционное нагревательное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что усилитель мощности класса E обладает выходным импедансом и при этом электронные схемы подачи питания дополнительно содержат согласующую сеть (133) для согласования выходного импеданса усилителя мощности класса E с низкоомной нагрузкой (1324).

8. Индукционное нагревательное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что общий объем электронной схемы (13) подачи питания равен или меньше 2 см³.

9. Индукционное нагревательное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что индуктор (L2) индуктивно-емкостной сети (1323) нагрузки содержит цилиндрическую индукционную катушку (L2) со спиральной намоткой, расположенную на внутренней поверхности полости (14) или рядом с ней.

10. Индукционное нагревательное устройство по п. 9, отличающееся тем, что индукционная катушка (L2) имеет продолговатую форму (l, r) и ограничивает внутренний объем в диапазоне от приблизительно 0,15 см³ до приблизительно 1,10 см³.

11. Система подачи аэрозоля, содержащая индукционное нагревательное устройство (1) по любому из предыдущих пунктов и субстрат (20), образующий аэрозоль, содержащий токоприемник (21), при этом, по меньшей мере, часть субстрата (20), образующего аэрозоль, предусмотрена для размещения в полости (14) индукционного нагревательного устройства (1) таким образом, чтобы индуктор (L2) индуктивно-емкостной сети (1323) нагрузки преобразователя (132) постоянного тока в переменный индукционного нагревательного устройства (1) был индуктивно соединен с токоприемником (21) субстрата (20), образующего аэрозоль, при эксплуатации.

12. Система подачи аэрозоля по п. 11, отличающаяся тем, что субстрат (20), образующий аэрозоль, курительного изделия представляет собой табакосодержащий твердый субстрат (2), образующий аэрозоль.

13. Система подачи аэрозоля по любому из пп. 11, 12, отличающаяся тем, что токоприемник (21) изготовлен из нержавеющей стали.

14. Система подачи аэрозоля по п. 13, отличающаяся тем, что токоприемник (21) содержит плоскую полосу из нержавеющей стали, при этом плоская полоса из нержавеющей стали имеет длину в диапазоне от приблизительно 8 миллиметров до приблизительно 15 миллиметров, предпочтительно длину, равную приблизительно 12 миллиметрам, имеет ширину в диапазоне от приблизительно 3 миллиметров до приблизительно 6 миллиметров, предпочтительно ширину, равную приблизительно 4 миллиметрам или приблизительно 5 миллиметрам, и имеет толщину в диапазоне от приблизительно 20 микрометров до приблизительно 50 микрометров, предпочтительно толщину в диапазоне от приблизительно 20 микрометров до приблизительно 40 микрометров, например толщину, равную приблизительно 25 микрометров или приблизительно 35 микрометров.

15. Способ эксплуатации системы подачи аэрозоля по любому из пп. 11-14, включающий следующие этапы: определение по напряжению постоянного тока (V постоянного тока) источника (11) питания постоянного тока и по силе постоянного тока (I _{постоянного тока}) получаемого из источника (11) питания постоянного тока, кажущегося омического сопротивления (R_a), определение по кажущемуся омическому сопротивлению (R_a) температуры (T) токоприемника (21) субстрата (20), образующего аэрозоль.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что источник (11) питания постоянного тока представляет собой батарею постоянного тока, в частности, перезаряжаемую батарею постоянного тока, обеспечивающую непрерывное напряжение постоянного тока (V_DC), и при этом сила постоянного тока (I _DC), получаемого из батареи постоянного тока, измеряется для определения по непрерывному напряжению постоянного тока (V_DC) и измеренной силе постоянного тока (I_DC) кажущегося омического сопротивления (R_a).

17. Способ по любому из пп. 15, 16, отличающийся тем, что дополнительно включает следующие этапы: прерывание вырабатывания переменного тока преобразователем (132) постоянного тока в переменный, когда определенная температура (T) токоприемника (21) субстрата (20), образующего аэрозоль, равна или превышает предустановленную пороговую температуру (T_{пороговая}), и возобновление вырабатывания переменного тока, когда определенная температура (T) токоприемника (21) субстрата (20), образующего аэрозоль, снова опускается ниже предустановленной пороговой температуры (T_{пороговая}).