CN106163306B - 感应加热装置、包括感应加热装置的气溶胶递送系统及其操作方法 - Google Patents

感应加热装置、包括感应加热装置的气溶胶递送系统及其操作方法 Download PDF

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Abstract

一种用于加热包括感受器(21)的气溶胶形成基质(20)的感应加热装置(1)，其包括：装置壳体(10)；直流电源(11)，其用于提供DC供电电压(VDC)和DC电流(IDC)，‑电源电子设备(13)，其包括DC/AC转换器(132)，所述DC/AC转换器(132)包括LC负载网络(1323)，所述LC负载网络(1323)包括串联连接的电容器(C2)和具有欧姆电阻(R线圈)的电感器(L2)，‑腔(14)，其在所述装置壳体(10)中，用于容纳所述气溶胶形成基质(20)的一部分，以将LC负载网络(1323)的所述电感器(L2)感应联接到所述感受器(21)。所述电源电子设备(13)进一步包括微控制器(131)以通过所述DC供电电压(VDC)并通过DC电流(IDC)确定视在欧姆电阻(Ra)，并通过所述视在欧姆电阻(Ra)确定所述感受器(21)的温度(T)。

Description

感应加热装置、包括感应加热装置的气溶胶递送系统及其操 作方法
技术领域
本发明涉及用于加热气溶胶形成基质的感应加热装置。本发明还涉及包括这种感应加热装置的气溶胶递送系统。本发明还涉及操作这种气溶胶递送系统的方法。
背景技术
已知现有技术的气溶胶递送系统包括气溶胶形成基质，气溶胶形成基质通常是包含烟草的塞。为了将烟草塞加热到能够释放可以形成气溶胶的挥发性组分的温度，诸如加热片(通常由金属制成)的加热元件插入到烟草塞中。与气溶胶形成基质(烟草塞)直接接触的加热片的温度被确定为代表气溶胶形成基质的温度。使用加热片的欧姆电阻和加热片的温度之间的已知关系计算加热片的温度。因此，在加热过程中，通过监视加热片的欧姆电阻(例如通过电压和电流测量值)，可以确定在吸烟进行过程中的任何时候加热片的温度。
其它气溶胶递送系统包括感应加热装置而不是加热片。感应加热装置包括设置成与气溶胶形成基质热邻近的电感器，气溶胶形成基质包括感受器。电感器的交变磁场在感受器中产生涡流和磁滞损耗，引起感受器将气溶胶形成基质加热到能够释放可以形成气溶胶的挥发性组分的温度。由于感受器的加热是以不接触方式进行的，没有测量气溶胶形成基质的温度的直接方式。
然而，将期望还能够在感应加热的气溶胶形成基质中以有效方式测量及控制气溶胶形成基质的操作温度。因此，需要用于加热气溶胶形成基质的感应加热装置，其中可实现气溶胶形成基质的温度测量。还需要包括气溶胶形成基质的温度测量的气溶胶递送系统。
发明内容
本发明提出一种用于加热包括感受器的气溶胶形成基质的感应加热装置。根据本发明的感应加热装置包括：
装置壳体，
直流电源，其用于在操作中提供DC供电电压和DC电流，电源电子设备，其配置成在高频下操作，所述电源电子设备包括连接到直流电源的DC/AC转换器，所述DC/AC转换器包括配置成在低欧姆负载下操作的LC负载网络，其中所述LC负载网络包括串联连接的电容器和具有欧姆电阻的电感器，
腔，所述腔设置于装置壳体中，所述腔具有成形为容纳所述气溶胶形成基质的至少一部分的内表面，所述腔设置成使得在操作期间一旦所述气溶胶形成基质的一部分容纳于所述腔中，所述LC负载网络的电感器感应联接到所述气溶胶形成基质的感受器。
所述电源电子设备还包括微控制器，所述微控制器编程为在操作中通过所述直流电源的DC供电电压并通过从所述直流电源汲取的DC电流确定视在欧姆电阻，还编程为在操作中通过视在欧姆电阻确定所述气溶胶形成基质的感受器的温度。
气溶胶形成基质优选的是能够释放可以形成气溶胶的挥发性化合物的基质。挥发性化合物通过加热气溶胶形成基质而释放。气溶胶形成基质可以是固体或液体，或者包括固体和液体组分。在一个优选实施例中，所述气溶胶形成基质是固体。
所述气溶胶形成基质可包括尼古丁。含尼古丁气溶胶形成基质可为尼古丁盐基质。气溶胶形成基质可包括基于植物的材料。气溶胶形成基质可以包括烟草，且优选的是，含有烟草的材料包含挥发性烟草香味的化合物，所述化合物在加热后从气溶胶形成基质释放。
所述气溶胶形成基质可以包括均质烟草材料。均质烟草材料可以通过凝结颗粒烟草形成。在存在时，均质烟草材料可以有按照干重等于或大于5％的气溶胶形成剂含量，且优选的是按照干重，含量在大于5％和30％之间。
气溶胶形成基质可替代地包括不含烟草的材料。所述气溶胶形成基质可以包括均质的植物型材料。
气溶胶形成基质可包括至少一种气溶胶形成剂。气溶胶形成剂可为任何合适的已知化合物或化合物的混合物，在使用中，所述化合物或化合物的混合物有利于致密和稳定气溶胶的形成，并且对在气溶胶生成装置的操作温度下的热降解基本抗性。合适的气溶胶形成剂是本领域众所周知的，并且包括但不限于：多元醇，例如三甘醇，1,3-丁二醇和甘油；多元醇的酯，例如甘油单、二或三乙酸酯；和一元、二元或多元羧酸的脂肪酸酯，例如二甲基十二烷二酸酯和二甲基十四烷二酸酯。特别优选的气溶胶形成剂是多元醇或其混合物，例如三甘醇，1,3-丁二醇和最优选的甘油。气溶胶形成基质可以包括其它添加剂和成分，例如香料。气溶胶形成基质优选包含尼古丁和至少一种气溶胶形成剂。在一个特别优选的实施例中，气溶胶形成剂是甘油。
直流电源通常可以包括任何适当的直流电源，特别包括连接到干线的电源单元、一个或多个单用途电池、可充电电池或能够提供所需DC供电电压和所需DC供电电流强度的任何其它适当的直流电源。在一个实施例中，直流电源的直流供电电压在大约2.5伏到大约4.5伏的范围内，且直流供电安培数在大约2.5到大约5安培的范围内(对应于范围在大约6.25瓦和大约22.5瓦内的直流供电功率)。优选的是，直流电源包括可充电电池。这种电池通常是可获得的，可接受的总体积在大约1.2-3.5立方厘米之间。这种电池可以有基本上圆柱形或矩形的固体形状。同样，直流电源可以包括DC馈电扼流线圈。
通常，当术语“约”与此申请中的具体值结合使用时，应理解为该词“约”之后的值由于技术考虑不一定精确地是该具体值。然而，与具体值结合使用的术语“约”总是理解为包括并且还明确地公开术语“约”之后的具体值。
所述电源电子设备被配置成在高频下操作。出于此申请的目的，词语“高频”理解为指示范围从大约1兆赫兹(MHz)到大约30兆赫兹(MHz)的频率，具体地从大约1兆赫兹(MHz)到大约10兆赫兹MHz(包括1MHz到10MHz的范围)，甚至更具体地从大约5兆赫兹(MHz)到大约7兆赫兹(MHz)(包括5MHz到7MHz的范围)。
电源电子设备包括连接到直流电源的DC/AC逆变器。
DC/AC转换器(其可体现为DC/AC逆变器)的LC负载网络配置成在低欧姆负载下操作。词语“低欧姆负载”应理解为表示小于大约2欧姆的欧姆负载。LC负载网络包括并联电容器和电容器和具有欧姆电阻的电感器的串联连接。电感器的此欧姆电阻是几个十分之一欧姆。在操作中，感受器的欧姆电阻增加到电感器的欧姆电阻，并且应当大于电感器的欧姆电阻，原因是供应的电功率应当逆变成感受器中的热量，这种热量应尽可能高以便提高功率放大器的效率，允许将尽可能多的热量从感受器传输到气溶胶形成基质的其它部分以高效地产生气溶胶。
感受器是能够被感应加热的导体。“热邻近”意味着感受器相对于气溶胶形成基质的其余部分定位，使得足够的热量从感受器传输到气溶胶形成基质的其余部分以产生气溶胶。
由于感受器不只是渗磁的，还是导电的(参见上文，它是导体)，根据欧姆定律已知为涡流的电流在感受器中产生，并在感受器中流动。感受器应当具有低电阻率ρ，以提高焦耳热耗散。此外，由于集肤效应(超过98％的电流在从距离导体的外表面四倍的集肤深度δ的层内流动)，交变涡流的频率必须考虑。考虑这种效应，感受器的欧姆电阻RS通过等式计算：
Figure BDA0001118373600000041
其中，
f表示交变涡流的频率，
μ0表示自由空间的磁导率，
μr表示感受器材料的相对磁导率，以及
ρ表示感受器材料的电阻率。
由涡流产生的功率损耗Pe通过公式计算：
Pe＝I2·RS
其中，
I表示涡流的电流强度(rms)，以及
RS表示感受器的欧姆电阻(参见上文)。
通过Pe等式以及通过RS的计算，可以看出对于具有已知相对磁导率μr和给定电阻率ρ的材料，显然由涡流产生的功率损耗Pe(通过逆变成热)随着频率和电流强度(rms)的增大而增大。另一方面，交变涡流的频率(和在感受器中感生涡流的相应交变磁场)不可能任意增大，原因是集肤深度δ随着涡流(或者在感受器中感生涡流的交变磁场的)频率的增大而减小，使得超过特定的截止频率，在感受器中不再产生涡流，这是由于集肤深度太小，不能产生涡流。增大电流强度(rms)需要具有高磁通密度的交变磁场，因此需要大量的感应源(电感器)。
此外，通过与磁滞关联的加热机制在感受器中产生热。由磁滞产生的功率损耗通过等式计算：
PH＝V·WH·f
其中，
V表示感受器的体积
WH表示使感受器沿B-H图的
闭合磁滞回线磁化所需的功，以及
f表示交变磁场的频率。
使感受器沿闭合磁滞回线磁化所需的功WH还表示为
WH＝∮H·dB
WH的最大可能的量取决于感受器的材料性质(饱和剩磁BR和矫顽力HC)，WH的实际量取决于由交变磁场在感受器中感应的实际磁化B-H回线，此实际磁化B-H回线取决于励磁的幅度。
在感受器中有第三种产生热(功率损耗)的机制。产生的这种热是在感受器遇到交变磁场时，由导磁感受器材料中的磁场域的动态损耗引起的，这些动态损耗通常还随着交变磁场的频率增大而增大。
为了能够根据前述机制在感受器中产生热量(主要通过涡流损耗和磁滞损耗)，腔被布置在装置壳体中。腔具有被成形为容纳至少一部分气溶胶形成基质的内表面。腔被布置成使得在将气溶胶形成基质的一部分容纳于腔中之后，LC负载网络的电感器在操作期间感应联接到气溶胶形成基质的感受器。这意味着LC负载网络的电感器用来通过磁感应加热感受器。这消除了诸如用于将E类功率放大器的输出阻抗与负载匹配的附加组件的必要，因此允许进一步最小化电源电子设备的大小。
总之，由于基质的不接触加热，根据本发明的感应加热装置提供小的易于操作的高效、清洁和具有鲁棒性的加热装置。对于如上文描述的形成低欧姆负载同时有明显高于LC负载网络的电感器的欧姆电阻的感受器，因此可以仅在5秒内或者在甚至小于5秒的时间间隔感受器的温度达到范围300-400摄氏度，同时电感器的温度是低的(由于大多数的功率转换成感受器中的热)。
如已经提到的，根据本发明的感应加热装置的一个方面，装置被配置成用于加热吸烟制品的气溶胶形成基质。这具体地包括功率提供到气溶胶形成基质内的感受器，使得气溶胶形成基质被加热到在200-240摄氏度的平均温度。甚至更优选的是，装置被配置成用于加热吸烟制品的装有烟草的固态气溶胶形成基质。
在气溶胶形成基质加热时，期望控制其温度。这是不容易实现的，原因是气溶胶形成基质的加热是通过不接触(感应)加热感受器实现的(如上文描述的主要通过磁滞损耗和涡流损耗)，然而，在现有技术的电阻加热装置中，由于电阻加热元件的温度和加热元件的欧姆电阻的线性依赖关系，通过测量电阻加热元件上的电压和电流实现温度控制。
令人惊呀的是，在根据本发明的感应加热装置中，感受器的温度和通过直流电源的DC供电电压及通过从直流电源汲取的DC电流确定的视在欧姆电阻之间存在严格的单调关系。由于视在欧姆电阻的每个单一值代表温度的只有一个单一值，这种严格单调的关系允许根据本发明通过在(不接触)感应加热装置中的相应视在欧姆电阻清晰确定感受器的相应温度，该关系不是模糊不清的。这并不意味着感受器的温度和视在欧姆电阻的关系一定是线性的，不过，此关系必须严格单调，以避免任何模糊地将一个视在欧姆电阻分配给超过一个温度。感受器的温度和视在欧姆电阻的严格单调的关系因此允许确定并控制感受器因此还有气溶胶形成基质的温度。如在下文更加详细讨论的，在DC/AC转换器包括E类放大器的情况下，感受器的温度和视在欧姆电阻之间的关系至少对于感兴趣的温度范围是线性的。
直流电源的DC供电电压和从直流电源汲取的DC电流的包括DC供电电压和DC电流两者的测量。然而，根据本发明的感应加热装置的一个方面，直流电源可以是用于提供恒定的DC供电电压的DC电池，特别是可充电DC电池。这允许对电池充电，优选通过包括AC/DC逆变器的充电装置与干线的连接。在供应恒定的DC供电电压的情况下，测量DC供电电压仍是可能的和期望的，不过，DC供电电压的这种测量不是强制的(由于DC供电电压是恒定的)。然而，电源电子设备包括用于测量从DC电池汲取的DC电流的DC电流传感器，使得视在欧姆电阻(其代表感受器的温度)可通过恒定的DC供电电压(不管是测量此恒定的DC供电电压，还是确定为具有恒定值)和测量的DC电流来确定。通常，这方面允许只测量DC电流，而不需要也测量DC供电电压。
如上文提到的，在某些实例中，可以不测量DC供电电压，不过，根据本发明的感应加热装置的一个方面，电源电子设备包括用于测量直流电源的DC供电电压的DC电压传感器，使得DC供电电压的实际值的确定可以在任何情况下进行测量。
如上文已经讨论过的，根据本发明的感应加热装置允许控制温度。为此，以特别有利的方式，根据本发明的感应加热装置的又一个方面，微控制器还被编程为当确定的气溶胶形成基质的感受器的温度等于或超过预设阈值温度时，中断DC/AC转换器的AC功率生成，并且根据这方面，微控制器被编程为当确定的气溶胶形成基质的感受器的温度再次低于预设阈值温度时，恢复AC功率的产生。术语“中断AC功率的产生”旨在覆盖基本没有AC功率生成的情况以及AC功率的生成只被降低以维持阈值温度的情况。有利的是，此阈值温度为目标操作温度，所述目标操作温度一般可为300℃到400℃的范围内的温度，例如350℃。根据本发明的感应加热装置加热气溶胶形成基质的感受器，直到感受器已经达到与相应的视在欧姆电阻对应的预设阈值温度。在此时，由DC/AC转换器进一步供应的AC功率被中断，使得感受器的进一步加热停止，使感受器冷却。一旦感受器的温度再次低于预设阈值温度，这是通过确定相应的视在欧姆电阻检测的。此时，AC功率的生成被恢复，以便使温度保持尽可能接近目标操作温度。这可以通过例如调节供应到LC负载网络的AC功率的占空比来实现。其原理在WO 2014/040988中描述。
如上文已经提到的，根据本发明的感应加热装置的一个方面，DC/AC转换器包括E类功率放大器，E类功率放大器包括晶体管开关、晶体管开关驱动电路以及被配置成在低欧姆负载下操作的LC负载网络，LC负载网络另外包括并联电容器。
E类功率放大器是通常已知的，例如在美国CT，纽因顿的American Radio RelayLeague(ARRL)的2001年1月/2月这一期的双月杂志OEX的9-20页出版的Nathan O.Sokal所著的文章“Class-E RF Power Amplifiers”有详细描述。E类功率放大器在高频下操作是有利的，同时具有包括最小数目的组件的简单的电路结构(例如，只需要一个晶体管开关，这相对于包括两个晶体管开关的D类功率放大器是有利的，所述两个晶体管开关的控制方式是必须在高频下确保两个晶体管之一被切断的同时两个晶体管中的另一个被接通)。此外，E类功率放大器以开关晶体管的过程中开关晶体管中的最小功率耗散而闻名。优选的是，E类功率放大器是只具有单个晶体管开关的单端一阶E类功率放大器。
E类功率放大器的晶体管开关可以是任何类型的晶体管，可以以双极型晶体管(BJT)实现。然而，更优选的是，晶体管开关体现为场效应晶体管(FET)，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或金属半导体场效应晶体管(MSFET)。
根据本发明的感应加热装置的又一个方面，LC负载网络的电感器包括绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈，其被定位在腔的内表面上或其附近。
A根据本发明的感应加热装置的又一个方面，E类功率放大器具有输出阻抗，电源电子设备还包括用于将E类功率放大器的输出阻抗匹配到低欧姆负载的匹配网络。这种措施可以有助于进一步增大低欧姆负载中的功率损耗，导致低欧姆负载中热产生的增大。例如，匹配网络可以包括小的匹配变压器。
根据本发明的感应加热装置的又一个方面，电源电子设备的总体积等于或小于2cm3。这允许将电池、电源电子设备和腔设置在具有整体小尺寸的方便和容易操作的装置壳体中。
根据本发明的感应加热装置的又一个方面，LC负载网络的电感器包括绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈，其被定位在腔的内表面上或其附近。有利的是，电感器线圈具有长方形，限定范围在大约0.15cm3到大约1.10cm3的内部容积。例如，绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈的内径可以在大约5mm和大约10mm之间，优选可以为大约7mm，绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈的长度可以在大约8mm和大约14mm之间。根据使用的是圆形横截面的线圈还是扁平矩形横截面的线圈，线圈的直径或厚度可以在大约0.5mm到大约1mm之间。绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈被定位在腔的内表面上或其附近。被定位在腔的内表面上或其附近的绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈可以进一步最小化装置的尺寸。
本发明的又一方面涉及包括如上文描述的感应加热装置和包括感受器的气溶胶形成基质的气溶胶递送系统。气溶胶形成基质的至少一部分要容纳于感应加热装置的腔中，使得在操作中，感应加热装置的DC/AC转换器的LC负载网络的电感器感应联接到气溶胶形成基质的感受器。
作为示例，气溶胶形成基质可以是吸烟制品的气溶胶形成基质。具体地，气溶胶形成基质可以是可以用在吸烟制品(例如卷烟)中的装有烟草的固态气溶胶形成基质。
根据本发明的气溶胶递送系统的一个方面，感受器由不锈钢制成。例如，可以使用各种等级的不锈钢，诸如等级430的不锈钢(SS430)或等级410的不锈钢(SS410)，等级420的不锈钢(SS420)或等级440的不锈钢(SS440)。也可以使用其它等级的不锈钢。例如，感受器是单个感受器元件，其可以实现为条、片、线或箔，这些感受器元件可以具有不同的横截面几何形状，诸如矩形、圆形、椭圆或其它几何形状。
根据本发明的气溶胶递送系统的一个具体方面，感受器可以包括扁平的不锈钢条，扁平的不锈钢条具有范围为大约8毫米到大约15毫米的长度，优选长度为大约12毫米。扁平条还可以具有范围大约3毫米到大约6毫米的宽度，优选宽度大约4毫米或大约5毫米。扁平条还可以具有范围大约20微米到大约50微米的厚度，优选厚度在大约20微米或大约40微米的范围，例如大约25微米或大约35微米的厚度。感受器的一个非常具体的实施例可以具有大约12毫米的长度，大约4毫米的宽度和大约50微米的厚度，并且可以由等级430的不锈钢(SS430)制成。感受器的另一个非常具体的实施例可以具有大约12毫米的长度，大约5毫米的宽度和大约50微米的厚度，并且可以由等级430的不锈钢(SS430)制成。替代性地，这些非常具体的实施例还可以由等级420的不锈钢(SS420)制成。
本发明的又一方面涉及操作如上文描述的气溶胶递送系统的方法，此方法包括步骤：
通过直流电源的DC供电电压并通过从直流电源汲取的DC电流确定视在欧姆电阻，
通过视在欧姆电阻确定气溶胶形成基质的感受器的温度。
根据根据本发明的方法的一个方面，直流电源是DC电池，具体地是可充电DC电池，并提供恒定的DC供电电压。测量从DC电池汲取的DC电流，以通过恒定的DC供电电压和测量的DC电流确定视在欧姆电阻。
根据本发明的方法的又一个方面，所述方法还包括步骤：
当确定的气溶胶形成基质的感受器的温度等于或超过预设阈值温度时，中断DC/AC转换器的AC功率生成，以及
当确定的气溶胶形成基质的感受器的温度再次低于预设的阈值温度时，恢复AC功率的生成。
由于根据本发明的方法的优点和其具体方面在上文已经讨论，在此不再重复。
附图说明
通过借助附图在下面对实施例的描述，本发明的另外的有利方面将变得显然。
图1示出对本发明的感应加热装置进行解释的一般加热原理，
图2示出根据本发明的感应加热装置和气溶胶递送系统的实施例的框图，
图3示出根据本发明的包括感应加热装置的气溶胶递送系统的实施例，所述感应加热装置具有设置在装置壳体中的基本组件，
图4示出根据本发明的感应加热装置的功率电子设备的基本组件(没有匹配网络)的实施例，
图5示出形式为具有长方形形状的绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈的LC负载网络的电感器的实施例，
图6示出包括线圈的感应率和欧姆电阻的LC负载网络的细节，此外还示出负载的欧姆电阻，
图7示出表示从直流电源汲取的DC电流相对感受器的温度的两个信号，
图8示出两个感受器的温度相对直流电源的DC供电电压和从直流电源汲取的DC电流，以及
图9示出感应加热装置的电力电子等同电路。
具体实施方式
在图1中，示意性图示以本发明为基础的一般加热原理。在图1中示意性示出绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈L2，其具有长方形形状并限定其中布置吸烟制品2的气溶胶形成基质20的一部分或全部的内体积，所述气溶胶形成基质包括感受器21。包括具有感受器21的气溶胶形成基质20的吸烟制品2示意性表现在放大的横截面细节中，其单独地显示于图1的右手侧。如已经提到的，吸烟制品2的气溶胶形成基质20可以是装有烟草的固态基底，然而，并不局限于此。
此外，在图1中，电感器线圈L2的内体积内的磁场由在一个特定时刻的许多条磁场线BL示意性指示，由于由流过电感器线圈L2的交变电流iL2产生的磁场是可能在大约1MHz到大约30MHz的范围(包括1MHz到30MHz的范围)内以交变电流iL2的频率改变其极性的交变磁场，具体可以在大约1MHz到大约10MHz的范围(包括1MHz到10MHz的范围，并且特别可以小于10MHz)，更具体地，所述频率可以在大约5MHz到大约7MHz的范围(包括5MHz到7MHz的范围)。负责在感受器21中产生热的两个主要机制—由涡流引起的功率损耗Pe(表示涡流的封闭圆)和由磁滞引起的功率损耗Ph(表示磁滞的封闭磁滞曲线)也示意性在图1中示出。关于这些机制，参照上文对这些机制的更加详细的讨论。
图3示出包括根据本发明的感应加热装置1的根据本发明的气溶胶递送系统的实施例。感应加热装置1包括可以由塑料制成的装置壳体10和包括可充电电池110的直流电源11(参见图2)。感应加热装置1还包括对接口12，对接口12包括用于对接感应加热装置到充电站或充电装置以对可充电电池110充电的引脚120。更进一步地，感应加热装置1包括电源电子设备13，其被配置成在期望频率下操作。电源电子设备13通过适当的电连接130电连接到可充电电池110。尽管电源电子设备13包括在图3中不可见的附加组件，但其特别地包括LC负载网络(参见图4)，LC负载网络又包括电感器L2，这由图3中的虚线指示。电感器L2在装置壳体10的近端嵌入装置壳体10中，以围绕也设置在装置壳体10的近端的腔14。电感器L2可以包括具有长方形的绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈，如图5中所示。绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈L2可以具有范围在大约5mm到大约10mm内的半径r，并特别地半径r可以大约为7mm。绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈的长度l可以在大约8mm到大约14mm的范围内。相应地，内体积可能在大约0.15cm3至大约1.10cm3的范围内。
返回图3，包括感受器21的装有烟草的固态气溶胶形成基质20在装置壳体10的近端处容纳于腔14中，使得在操作期间，电感器L2(绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈)感应联接到吸烟制品2的装有烟草的固态气溶胶形成基质20的感受器21。吸烟制品2的过滤器部分22可以布置在感应加热装置1的腔14外，使得在操作期间，消费者可以通过过滤器部分22抽吸气溶胶。一旦从腔14中移除吸烟制品，就可以容易地清洁腔14，原因是除了吸烟制品2的气溶胶形成基质20将穿过而插入的打开的远端之外，腔被完全地关闭，并被限定腔14的塑料装置壳体10的那些内壁围绕。
图2示出包括根据本发明的感应加热装置1的气溶胶递送系统的实施例的框图，一些可选的方面或组件将在下文进行讨论。感应加热装置1与包括感受器21的气溶胶形成基质20一起形成根据本发明的气溶胶递送系统的实施例。图2中所示的框图是将操作方式考虑入内的图示。如可以看到的，感应加热装置1包括直流电源11(在图3中包括可充电电池110)、微控制器(微处理器控制单元)131、DC/AC转换器132(体现为DC/AC逆变器)、用于适配负载的匹配网络133和电感器L2。微处理器控制单元131、DC/AC转换器132和匹配网络133以及电感器L2都是电源电子设备13的部分(参见图1)。DC供电电压VDC和从直流电源11汲取的DC电流IDC通过反馈通道提供到微处理器控制单元131，优选通过测量DC供电电压VDC和从直流电源11汲取的DC电流IDC，以控制将AC功率PAC进一步供应到LC负载网络，特别是电感器L2。根据本发明的感应加热装置的这个重要方面将在下文更加详细地解释。可以提供匹配网络133以最佳适配负载，但不是强制性的，匹配网络不包含于在下面更加详细地描述的实施例中。
图4示出电源电子设备13更具体地是DC/AC转换器132的一些基本组件。如从图4可以看出的，DC/AC转换器包括E类功率放大器，E类功率放大器包括晶体管开关1320、由箭头1322指示的将开关信号(栅极-源极电压)供应到FET 1321的晶体管开关供电电路以及LC负载网络1323，晶体管开关1320包括场效应晶体管(FET)1321，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，LC负载网络1323包括并联电容器C1和电容器C2和电感器L2的串联连接。此外，包括扼流线圈L1的直流电源11显示为供应DC供电电压VDC，DC电流IDC在操作中从直流电源11汲取。在图4中还示出表示总欧姆负载1324的欧姆电阻R，其是电感器L2的欧姆电阻R线圈和感受器21的欧姆电阻R负载的和，这示于图6中。
A由于组件的数目非常少，电源电子设备13的体积可以保持为极小。例如，电源电子设备的体积可以等于或小于2cm3。由于LC负载网络1323的电感器L2被直接用作与气溶胶形成基质20的感受器21感应联接的电感器，所以电源电子设备的这种极小的体积是可能的，此小体积允许使整个感应加热装置1的总体尺寸是小的。在单独的电感器而不是电感器L2用作与感受器21的感应联接的情况下，这会自动地增大电源电子设备的体积，如果匹配网络133包括于电源电子设备中，此体积还会增大。
尽管E类功率放大器的一般工作原理是已知的，并在已经提到的美国CT，纽因顿American Radio Relay League(ARRL)在2001年1月/2月这一期的双月杂志OEX的9-20页出版的Nathan O.Sokal所著的文章“Class-E RF Power Amplifiers”有详细描述，但一些一般原理将在下文进行解释。
我们假设晶体管开关供电电路1322向FET 1321供应具有矩形轮廓的开关电压(FET的栅极-源极电压)。只要FET 1321是导通的(“接通”状态)，它基本上构成短路(低电阻)，整个电流流过扼流线圈L1和FET 1321。当FET 1321非导通时(“截止”状态)，由于FET1321基本上表示开路(高电阻)，全部电流流入LC负载网络中。在这两种状态之间开关晶体管使供应的DC电压和DC电流逆变成AC电压和AC电流。
为了高效地加热感受器21，尽可能大量的供应的DC功率将以AC功率形式传输到电感器L2(绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈)，并随后传输到与电感器2感应联接的气溶胶形成基质20的感受器21。感受器21内耗散的功率(涡流损失、磁滞损失)在感受器21生成热量，如上文中所述。或者换种说法，FET 1321中的功率耗散必须被最小化，同时最大化感受器21中的功率耗散。
在AC电压/电流的一个周期中FET 1321中的功率耗散是在该交流电压/电流周期中的每个时间点上晶体管电压和电流的积对该周期积分再对该周期取平均。由于FET 1321在该周期的一部分中必须保持高电压，且在该周期的一部分中传导高电流，所以必须避免高电压和高电流同时存在，原因是这会导致FET 1321中的大量的功率损耗。在FET1321的“接通”状态下，晶体管电压在大电流流过FET 1321时几乎为零。在FET 1321的“断开”状态下，晶体管电压为高，但通过FET 1321的电流几乎为零。
开关晶体管不可避免地还在该周期的一些时段中延伸。不过，表示FET 1321中的高功率损耗的高电压-电流积可以通过以下附加措施避免。首先，晶体管电压的上升被延迟，直到在通过晶体管的电流已经降低到零为止。其次，晶体管电压在通过晶体管的电流开始升高之前返回零。这是通过负载网络1323实现的，负载网络1323包括并联电容器C1和电容器C2和电感器L2的串联连接，此负载网络是在FET1321和负载1324之间的网络。第三，在导通时晶体管电压实际为零(对于双结型晶体管“BJT”，它是饱和偏置电压Vo)。导通的晶体管并不对充电的并联电容器C1放电，因此，避免耗散并联晶体管存储的能量。第四，晶体管电压的斜率在导通时间为零。然后，由负载网络注入到导通晶体管中的电流以可控的适度的速率平滑上升，导致低功率耗散，同时晶体管电导在导通过渡过程中从零开始积累。结果，晶体管电压和电流不会同时很高。电压和电流的开关逆变是彼此时间位移的。
为了确定图4中所示的DC/AC转换器132的各个组件的尺寸，必须考虑以下等式，该等式是普遍已知的，已经在前面提到的美国CT，纽因顿American Radio Relay League(ARRL)在2001年1月/2月这一期的双月杂志OEX的9-20页出版的Nathan O.Sokal所著的文章“Class-E RF Power Amplifiers”有详细描述。
假设QL(LC负载网络的品质因数)是在任何情况下大于1.7879的值，不过是可以由设计员选择的值(参见前面提到的文章)，还假设P是传送到电阻R的输出功率，并且假设f是频率，则通过以下等式计算各个组件的数字值(见上文，对于FET，Vo是零，对于BJT是饱和偏置电压)：
L2＝QL·R/2πf
R＝((VCC–Vo)2/P)·0.576801·(1.0000086–0.414395/QL–
0.557501/QL 2+0.205967/QL 3)
C1＝(1/(34.2219·f·R))·(0.99866+0.91424/QL–1.03175/QL 2)+
0.6/(2πf)2·(L1)
C2＝(1/2πfR)·(1/QL-0.104823)·(1.00121+(1.01468/QL-1.7879))-
(0.2/((2πf)2·L1)))
这允许将欧姆电阻R＝0.6Ω的感受器快速加热，以在5-6秒内递送大约7W的功率，假设使用最大输出电压为2.8V，最大输出电流为3.4A的直流电源，大约为3.4A电流可用，频率f＝5MHz(占空比＝50％)，电感器L2的电感大约为500nH，电感器L2的欧姆电阻R线圈＝0.1Ω，电感L1大约为1μH，电容器C1的电容为7nF，电容器C2的电容为2.2nF。R线圈和R负载的有效欧姆电阻为大约0.6Ω。可以获得约83.5％的效率(感受器21中的功率耗散/DC电源11的最大功率)，这是非常高效的。
操作中，吸烟制品2插入到感应加热装置1的腔14中(参见图2)，使得包括感受器21的气溶胶形成基质20感应联接到电感器2(例如绕成螺旋状的圆柱形线圈)。感受器21然后如上文描述的被加热几秒钟，然后消费者可以开始通过过滤器22吸取气溶胶(当然，吸烟制品不一定必须包括过滤器22)。
感应加热装置和吸烟制品通常可以单独地或作为几部分的套件分配。例如，可以分配所称的包括感应加热装置以及多个吸烟制品的“启动器套件”。一旦消费者购买这种启动器套件，在以后，消费者只可以购买借助此启动器套件的感应加热装置可以使用的吸烟制品。感应加热装置易于清洁，在可充电电池情况下作为直流电源，这些可充电电池易于使用合适的充电装置充电，所述充电装置将连接到包括引脚120的对接口12(或者感应加热装置将对接到充电装置的对应的对接站)。
上文已经提到，通过直流电源11的DC供电电压VDC，并通过从直流电源11汲取的DC电流IDC确定视在欧姆电阻Ra，可以确定感受器21的温度T。这是可行的原因是，令人惊讶的，感受器21的温度T和DC供电电压VDC与DC电流IDC的商之间的关系是严格单调的，对于E类放大器甚至实际上可能是线性的。这种严格单调的关系通过示例示于图8中。如已经提到的，此关系并不强制为线性的，只是它必须是严格单调的，使得对于给定的DC供电电压VDC，相应DC电流IDC和感受器的温度T之间存在清晰的关系。或者换言之，视在欧姆电阻Ra(通过DC供电电压VDC和从直流电源汲取的DC电流IDC的商确定的)和感受器的温度T之间存在清晰的关系。这对应于图9中所示的等效电路，其中，Ra对应于由欧姆电阻R电路(基本上小于感受器的欧姆电阻)和感受器的取决于温度的欧姆电阻R感受器的串联连接。
如已经提到的，在E类放大器的情况下，视在欧姆电阻Ra和感受器的温度T之间的这种严格单调的关系实际上至少对于感兴趣的温度范围(例如对于100℃和400℃之间的温度范围)是线性的。
如果视在欧姆电阻Ra和由特定材料制成的并具有特定几何形状的特定感受器的温度T之间的关系是已知的(例如，这种关系可以通过在实验室中对大量相同的感受器进行精准测量然后对各个测量值取平均来确定)，视在欧姆电阻Ra和此特定感受器的温度T之间的关系可以编程到微控制器131中(参见图2)，使得在气溶胶递送系统操作过程中，只有视在欧姆电阻Ra必须通过实际的DC供电电压VDC(通常这是恒定的电池电压)和从直流电源11汲取的实际DC电流IDC确定。对于由不同材料制成、具有不同几何形状的感受器，Ra和温度T之间的大量的这种关系可以编程到微控制器131中，使得在气溶胶形成装置的操作中，只是必须识别感受器的相应类型，然后相应关系(已经编程于微控制器中)可以用来确定实际通过确定实际DC供电电压和从直流电源汲取的实际的DC电流使用的相应类型的感受器的温度T。
DC供电电压VDC和从直流电源11汲取的实际的DC电流IDC可以被测量，这是可行的，并且可能是优选的(这可以借助适当的DC电压传感器和适当的DC电流传感器实现，他们可以容易地集成在小电路中，没有任何相关的空间消耗)。然而，在恒定供电电压VDC的直流电源情况下，可以免去DC电压传感器，只需要DC电流传感器来测量从直流电源11汲取的DC电流IDC。
在图7中，示出两个信号，这两个信号代表从直流电源11汲取的DC电流IDC(上面的信号)和通过在微控制器131中编程的视在欧姆电阻Ra和此感受器21的温度T之间的关系确定的感受器21的温度T(下面的信号)。
可以看出，一旦气溶胶形成基质的感受器的加热开始，电流IDC处于高水平，并随着气溶胶形成基质的感受器的温度T的升高而降低(感受器的温度升高导致Ra增大，这又导致IDC降低)。在此加热过程中的不同时间(特别是当气溶胶形成基质已经达到特定温度时)，用户可以从包括设置有感受器的气溶胶形成基质的吸烟制品吸烟。此时，吸入的空气导致气溶胶形成基质和感受器的温度快速降低。此导致视在欧姆电阻Ra降低，且这又导致从直流电源11汲取的DC电流IDC增大。在使用者吸入一口烟时的这些点在图7中由相应箭头指示。一旦完成吸烟，空气不再被吸入，且感受器的温度再次升高(导致视在欧姆电阻Ra的温度相应升高)，且DC电流IDC相应降低。
如还可以从图7中看到的，DC/AC转换器生成AC功率，直到感受器21的温度等于或超过预设的阈值温度Tth。一旦气溶胶形成基质的感受器的温度等于或超过此预设阈值温度Tth(例如目标操作温度)，微控制器131被编程以中断通过DC/AC转换器132的进一步的AC功率生成。然后期望将感受器21的温度T维持在目标操作温度。在感受器21的温度T再次低于阈值温度Tth的时候，微控制器131被编程再次恢复AC功率的生成。
这可以通过例如调节开关晶体管的占空比来实现。在WO2014/040988中进行了原理描述。例如，在加热DC/AC转换器过程中，连续地生成加热感受器的交流电，同时，对于1毫秒的周期，DC供电电压VDC和DC电流IDC每10毫秒被测量。视在欧姆电阻Ra(通过VDC和IDC的商)被确定，当Ra达到或超过与预设阈值温度Tth或与超过预设阈值温度Tth的温度对应的值Ra时，开关晶体管1321(参见图4)被切换到对于1毫秒的持续时间，每10毫秒生成脉冲的模式(开关晶体管的占空比只约为9％)。在开关晶体管1321的此1毫秒接通状态中(导通状态)，测量DC供电电压VDC和DC电流IDC的值，确定视在欧姆电阻Ra。由于视在欧姆电阻Ra表示感受器21的温度T低于预设阈值温度Tth，晶体管切换回上文提到的模式(使得开关晶体管的占空比再次差不多为100％)。
例如，感受器21可以具有大约12毫米的长度，大约4毫米的宽度和大约50微米的厚度，并且可以由等级430的不锈钢(SS430)制成。作为替代性实施例，感受器可以具有大约12毫米的长度，大约5毫米的宽度和大约50微米的厚度，并且可以由等级420的不锈钢(SS430)制成。这些感受器还可以由等级420的不锈钢(SS420)制成。
已经通过附图描述了本发明的实施例，显然在不偏离解释本发明的总教导下许多改变和修改是可想到的。因此，保护范围不旨在局限于特定实施例，而是由所附权利要求限定。

Claims (21)

1.一种用于加热包括感受器(21)的气溶胶形成基质(20)的感应加热装置(1)，所述感应加热装置(1)包括：
装置壳体(10)，
直流电源(11)，用于在操作中提供DC供电电压(VDC)和DC电流(IDC)，
电源电子设备(13)，配置成在范围从1兆赫兹到30兆赫兹的高频下操作，所述电源电子设备(13)包括连接到所述直流电源(11)的DC/AC转换器(132)，所述DC/AC转换器(132)包括LC负载网络(1323)，所述LC负载网络(1323)配置成在小于2欧姆的低欧姆负载(1324)下操作，其中所述LC负载网络(1323)包括串联连接的电容器(C2)和具有欧姆电阻(R线圈)的电感器(L2)，
腔(14)，所述腔(14)设置在所述装置壳体(10)中，所述腔具有成形为容纳所述气溶胶形成基质(20)的至少一部分的内表面，所述腔(14)设置成使得在操作期间，一旦所述气溶胶形成基质(20)的所述至少一部分容纳于所述腔(14)中，所述LC负载网络(1323)的电感器(L2)感应联接到所述气溶胶形成基质(20)的感受器(21)，
其中所述电源电子设备(13)进一步包括微控制器(131)，所述微控制器(131)编程为在操作中通过所述直流电源(11)的DC供电电压(VDC)并通过从所述直流电源(11)汲取的DC电流(IDC)来确定视在欧姆电阻(Ra)，且进一步编程为在操作中通过所述视在欧姆电阻(Ra)确定所述气溶胶形成基质(20)的所述感受器(21)的温度(T)。
2.根据权利要求1所述的感应加热装置，其中所述感应加热装置配置成用于加热吸烟制品(2)的气溶胶形成基质(20)。
3.根据前述权利要求1或2所述的感应加热装置，其中所述直流电源(11)是用于提供恒定的DC供电电压(VDC)的DC电池，且其中所述电源电子设备(13)进一步包括DC电流传感器，所述DC电流传感器用于测量从所述DC电池汲取的DC电流(IDC)，以通过所述恒定的DC供电电压(VDC)和测量的DC电流来确定所述视在欧姆电阻(Ra)。
4.根据前述权利要求1或2所述的感应加热装置，其中所述直流电源(11)是用于提供恒定的DC供电电压(VDC)的可充电DC电池，且其中所述电源电子设备(13)进一步包括DC电流传感器，所述DC电流传感器用于测量从所述DC电池汲取的DC电流(IDC)以通过所述恒定的DC供电电压(VDC)和测量的DC电流来确定所述视在欧姆电阻(Ra)。
5.根据前述权利要求1或2所述的感应加热装置，其中所述电源电子设备(13)进一步包括DC电压传感器，所述DC电压传感器用于测量所述直流电源(11)的DC供电电压(VDC)。
6.根据前述权利要求1或2所述的感应加热装置，其中所述微控制器(131)进一步编程为当确定的气溶胶形成基质(20)的所述感受器(21)的所述温度(T)等于或超过预设阈值温度(Tth)时，中断通过所述DC/AC转换器(132)生成AC功率，且其中所述微控制器(131)编程为当确定的气溶胶形成基质(20)的感受器(21)的温度(T)再次低于所述预设阈值温度(Tth)时，恢复AC功率的生成。
7.根据前述权利要求1或2所述的感应加热装置，其中，所述DC/AC转换器(132)包括E类功率放大器，所述E类功率放大器包括晶体管开关(1320)、晶体管开关驱动电路(1322)和被配置成在低欧姆负载(1324)下操作的LC负载网络(1323)，其中，所述LC负载网络(1323)另外包括并联电容器(C1)。
8.根据前述权利要求7所述的感应加热装置，其中，所述E类功率放大器具有输出阻抗，并且其中，所述电源电子设备还包括用于将所述E类功率放大器的输出阻抗匹配到所述低欧姆负载(1324)的匹配网络(133)。
9.根据前述权利要求1或2所述的感应加热装置，其中所述电源电子设备(13)的总体积等于或小于2cm3。
10.根据前述权利要求1或2所述的感应加热装置，其中，所述LC负载网络(1323)的电感器(L2)包括被定位在所述腔(14)的内表面上或附近的绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈(L2)。
11.根据权利要求10所述的感应加热装置，其中所述电感器线圈(L2)具有椭圆形状(1，r)且界定0.15cm3到1.10cm3范围内的内部体积。
12.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的感应加热装置(1)和包括感受器(21)的气溶胶形成基质(20)的气溶胶递送系统，其中所述气溶胶形成基质(20)的至少一部分将容纳于所述感应加热装置(1)的腔(14)中，使得在操作期间所述感应加热装置(1)的所述DC/AC转换器(132)的所述LC负载网络(1323)的所述电感器(L2)感应联接到所述气溶胶形成基质(20)的所述感受器(21)。
13.根据权利要求12所述的气溶胶递送系统，其中所述气溶胶形成基质(20)是装有烟草的固态气溶胶形成基质(2)。
14.根据权利要求12或13所述的气溶胶递送系统，其中所述感受器(21)由不锈钢制成。
15.根据权利要求14所述的气溶胶递送系统，其中所述感受器(21)包括扁平不锈钢条，所述扁平不锈钢条具有范围在8毫米到15毫米内的长度，具有范围在3毫米到6毫米内的宽度，并具有范围在20微米到50微米内的厚度。
16.根据权利要求14所述的气溶胶递送系统，其中所述感受器(21)包括扁平不锈钢条，所述扁平不锈钢条具有12毫米的长度，具有4毫米或5毫米的宽度，并具有范围在20微米到40微米内的厚度。
17.根据权利要求14所述的气溶胶递送系统，其中所述感受器(21)包括扁平不锈钢条，所述扁平不锈钢条具有12毫米的长度，具有4毫米或5毫米的宽度，并具有25微米或35微米的厚度。
18.一种操作根据权利要求12到17中任一项所述的气溶胶递送系统的方法，所述方法包括以下步骤：
通过所述直流电源(11)的所述DC供电电压(VDC)且通过从所述直流电源(11)汲取的所述DC电流(IDC)确定视在欧姆电阻(Ra)，
通过所述视在欧姆电阻(Ra)确定所述气溶胶形成基质(20)的所述感受器(21)的温度(T)。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述直流电源(11)是用于提供恒定的DC供电电压(VDC)的DC电池，且其中测量从所述DC电池汲取的DC电流(IDC)以通过所述恒定的DC供电电压(VDC)和测量的DC电流(IDC)确定所述视在欧姆电阻(Ra)。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述直流电源(11)是用于提供恒定的DC供电电压(VDC)的可充电DC电池，且其中测量从所述DC电池汲取的DC电流(IDC)以通过所述恒定的DC供电电压(VDC)和测量的DC电流(IDC)确定所述视在欧姆电阻(Ra)。
21.根据权利要求18或19或20所述的方法，进一步包括以下步骤：
当确定的气溶胶形成基质(20)的所述感受器(21)的所述温度(T)等于或超过预设阈值温度(Tth)时，中断通过所述DC/AC转换器(132)生成AC功率，且
当确定的气溶胶形成基质(20)的所述感受器(21)的所述温度(T)再次低于所述预设阈值温度(Tth)时，恢复所述AC功率的生成。
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