CN110799051B - 电加热组件、气溶胶生成装置和用于电阻加热气溶胶形成基质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电阻加热气溶胶形成基质的气溶胶生成装置的电加热组件。加热组件包括被配置成提供AC驱动电流的控制电路。加热组件还包括用于加热所述气溶胶形成基质的电阻加热元件，所述电阻加热元件包括导电铁磁性或亚铁磁性材料。加热元件与控制电路可操作地耦合，并且被配置成当使由控制电路提供的AC驱动电流通过加热元件时，由于焦耳加热而变热。本发明还涉及一种用于气溶胶形成基质的气溶胶生成装置，其中气溶胶生成装置包括根据本发明的加热组件。
Description
本发明涉及一种用于电阻加热气溶胶形成基质的气溶胶生成装置的电加热组件。本发明还涉及一种包括这样的加热组件的气溶胶生成装置以及一种用于电阻加热气溶胶形成基质的方法。
通过电阻加热气溶胶形成基质来生成气溶胶是现有技术普遍已知的。对此，使能够在加热时形成可吸入气溶胶的气溶胶形成基质与电阻加热元件热接近或甚至直接物理接触。加热元件包括导电材料，所述导电材料在使DC(直流)驱动电流通过其中时由于焦耳效应而变热。例如，加热元件可以是在其上形成导电金属轨道的陶瓷叶片，其在使DC驱动电流通过轨道时变热。但是，由于陶瓷材料的易碎性质，这种加热叶片具有增加的破裂风险，特别是当与气溶胶形成基质形成接触或脱离时。替代地，加热叶片可以由金属制成。然而，金属具有非常低的DC电阻，这导致加热效率低、不良功耗和不可再现的加热结果。除此之外，电阻加热通常需要某种温度控制，以便避免气溶胶形成基质的不期望的过热。
因此，希望有一种具有现有技术解决方案的优点但无其局限性的用于电阻加热气溶胶形成基质的电加热组件、气溶胶生成装置和方法。尤其是，希望有为电阻加热气溶胶形成基质提供稳健有效的可能性的加热组件、气溶胶生成装置和加热方法，不会有不期望的过热的风险。
根据本发明，提供了一种用于电阻加热气溶胶形成基质的气溶胶生成装置的电加热组件。所述加热组件包括控制电路，所述控制电路配置成提供AC(交流)驱动电流。加热组件还包括用于加热所述气溶胶形成基质的电阻加热元件，所述电阻加热元件包括导电铁磁性或亚铁磁性材料。所述加热元件与所述控制电路可操作地耦合，并且被配置成当使由所述控制电路提供的AC驱动电流通过所述加热元件时，由于焦耳加热而变热。因此，使AC驱动电流通过的是加热元件的导电铁磁性或亚铁磁性材料。
根据本发明，已经认识到，可通过使AC驱动电流而不是DC驱动电流通过加热元件，显著提高导电加热元件的有效电阻，且因此显著提高导电加热元件的加热效率。与DC电流不同，AC电流主要在电导体的“集肤(skin)”处，在导体的外表面与称为集肤深度的水平之间流动。AC电流密度在靠近导体的表面处最大，并且随着导体中深度的增大而减小。随着AC驱动电流的频率增加，集肤深度降低，这导致导体的有效横截面减小，并且因此导体的有效电阻增加。这种现象被称为集肤效应，该集肤效应基本上是由于AC驱动电流产生的磁场变化而感应的相反涡流产生。
使用AC驱动电流操作加热元件进一步允许加热元件基本上由导电铁磁性或亚铁磁性材料具体是固体材料制成或基本上由所述材料组成，同时仍然对热生成提供足够高的电阻。具体地，加热元件可基本上由金属组成，或可以基本上由金属制成，至少对于大部分零件或甚至全部零件均如此。与上述陶瓷加热元件相比，基本上包括金属或由金属制成的加热元件显著提高加热元件的机械稳定性和鲁棒性，并且因此降低加热元件的任何变形或断裂的风险。
此外，使用AC驱动电流操作电阻加热元件还会降低在电加热组件的导电系统内的材料过渡处例如在电焊或焊接点发生的不期望的电容性行为的影响。
根据本发明，已经进一步认识到，具有用于使AC驱动电流通过其中的导电铁磁性或亚铁磁性材料的加热元件促进温度控制，并且优选地还促进电阻加热过程的自我限制。这是由于导电材料的磁性特性随着温度升高而变化造成的。特别是，当达到居里温度时，磁性特性相应地从铁磁性或亚铁磁性变成顺磁性。即，导电材料的磁导率随着温度的增加而持续下降。磁导率降低又会导致集肤深度增加，并且因此导致导电材料的有效AC电阻降低。当达到居里温度时，相对磁导率下降到大约一，导致有效AC电阻达到最小值。因此，监测通过加热元件的AC驱动电流的对应变化可以用作温度标记，其指示加热元件的导磁材料何时达到其居里温度。优选地，选择加热元件的导磁材料，以使居里温度对应于气溶胶形成基质的预定义加热温度。
更进一步，由于在持续加热过程中AC电阻降低，有效加热速率会随着温度的增加而持续降低。当达到居里温度时，有效加热速率可以降低到以致加热元件的温度不会再升高的程度，尽管仍然继续使驱动电流通过加热元件。在达到加热元件的导磁材料的居里温度时，加热元件的温度甚至可以稍微降低，这取决于对气溶胶形成基质的热释放。有利地，这种效应提供了加热过程的自我限制，因此防止气溶胶形成基质的不希望的过热。相应地，可选择加热元件的导磁材料，以使居里温度对应于气溶胶形成基质的预定义最大加热温度。
AC驱动电流可以是双极AC驱动电流和/或不具有DC分量或不具有DC偏置或具有等于零的DC分量的AC驱动电流。
有利地，加热元件的导电铁磁性或亚铁磁性材料的居里温度在150℃(摄氏度)与500℃(摄氏度)之间的范围内，具体在250℃(摄氏度)与400℃(摄氏度)之间，优选在270℃(摄氏度)与380℃(摄氏度)之间。
集肤深度不仅取决于导电加热元件的磁导率，还取决于其电阻率以及AC驱动电流的频率。因此，可以通过降低导电加热元件的电阻率、提高导电加热元件的磁导率或增大AC驱动电流的频率中的至少一种方式来降低集肤深度。相应地，通过适当选择加热元件的材料特性，具体地，通过使包括导电材料的加热元件具有低电阻率或高磁导率中的至少一者，可以显著提高加热元件的(初始)有效电阻且因此显著提高加热效率。
优选地，加热元件包括绝对磁导率为至少10μH/m(微亨/米)，具体至少为100μH/m(微亨/米)，优选至少为1mH/m(毫亨/米)，最优选至少10mH/m或甚至至少25mH/m的导电铁磁性或亚铁磁性材料。同样，导电铁磁性或亚铁磁性材料可具有至少为10，具体至少100，优选至少1000，最优选至少5000或甚至至少10000的相对磁导率。
例如，加热元件的至少一部分可以包括或可以基本上由以下当中的至少一个制成：镍钴铁合金(比方例如，柯伐合金或铁镍钴合金1)、阿姆科铁、坡莫合金(比方例如，坡莫合金C)、或铁素体不锈钢或马氏体不锈钢。
如本文所使用，术语“气溶胶生成装置的电加热组件”是指作为气溶胶生成装置的子单元的电加热组件。因此，电加热组件至少适合用在气溶胶生成装置中。
具有包含导电铁磁性或亚铁磁性材料的加热元件不排除加热元件的至少一部分也可以包括或基本上由导电顺磁材料(例如钨、铝或奥氏体不锈钢)制成。
当使高频AC驱动电流通过加热元件时，加热元件的有效电阻且因此加热效率可显著增加。有利地，AC驱动电流的频率在500kHz(千赫兹)与30MHz(兆赫兹)之间的范围内，具体在1MHz与10MHz之间，优选在5MHz与7MHz之间。相应地，控制电路优选地被配置成提供频率在500kHz与30MHz之间的范围内，具体在1MHz与10MHz之间，优选在5MHz与7MHz之间的AC驱动电流。
根据本发明的优选方面，对于通过加热元件的频率在500kHz与30MHz之间，具体在1MHz与10MHz之间，优选在5MHz和7MHz之间的范围内的AC驱动电流，加热元件的AC电阻在10mΩ(毫欧)与1500mΩ(毫欧)之间，具体在20mΩ与1500mΩ之间，优选在100mΩ与1500mΩ之间的范围内。此范围内的AC电阻有利地提供了足够高的加热效率。前述范围优选地涉及在室温和导电铁磁性或亚铁磁性材料的居里温度之间的加热元件的温度范围。
根据本发明的加热组件将要一起使用的电操作气溶胶生成装置可以优选地由DC电源，例如由电池操作。因此，控制电路优选地包括用于提供AC驱动电流的至少一个DC/AC逆变器。
根据本发明的优选方面，DC/AC逆变器包括开关功率放大器，例如，E类放大器或D类放大器。D类放大器和E类放大器以开关转换过程中开关晶体管中的最小功耗而闻名。E类功率放大器关于在高频下的操作尤为有利，同时具有简单的电路结构。优选地，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。
开关功率放大器，尤其是E类放大器的情况，可包括晶体管开关、晶体管开关驱动器电路和LC负载网络，其中，LC负载网络包括电容器和电感器的串联连接。此外，LC负载网络可以包括并联电容器，其与电容器和电感器的串联连接并联，并且与晶体管开关并联。这些部件的数量较少，允许保持开关功率放大器的体积极小，因此也允许保持加热组件的总体积非常小。
开关功率放大器的晶体管开关可以是任何类型的晶体管，并且可以以双极型晶体管(BJT)实现。然而，更优选地，晶体管开关实现为场效应晶体管(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(MESFET)。
在前述配置中，控制电路另外可包括与加热元件并联连接，具体与通过加热元件的电阻导体路径并联连接的至少一个旁路电容器。对此，要注意的是，加热元件不仅构成电阻，还构成(小)电感。相应地，在等效电路图中，加热元件可以由电阻和电感器的串联连接来表示。通过适当选择旁路电容器的容量，加热元件的电感器/电感和旁路电容器形成LC谐振器，AC驱动电流的大部分通过LC谐振器，而只有AC驱动电流的小部分经由LC网络的电感器和电容器通过晶体管开关。由于这一点，旁路电容器有利地导致从加热元件向控制电路的热传递减少。有利地，旁路电容器的容量比LC网络的电容器的容量大，具体大至少两倍，优选大至少五倍，最优选大至少十倍。
此外，旁路电容器且优选地还有LC网络的电感器可以布置成比靠近控制电路的其余部分更靠近加热元件，尤其是尽可能靠近加热元件。
例如，LC网络的电感器以及旁路电容器可以实施为远离其余部件远程布置的独立电子部件，其余部件又可以布置在PCB(印刷电路板)上。旁路电容器可直接连接到加热元件。
为了给控制电路和加热元件供电，加热组件还可包括电源，优选DC电源，其与控制电路可操作地连接，并且因此经由控制电路与加热元件可操作地连接。DC电源大致可以包括任何合适的DC电源，例如，一个或多个单用途电池、一个或多个可充电电池或能够提供所需DC供电电压和所需DC供电安培数的任何其它合适的DC电源。DC电源的DC供电电压可以在约2.5V(伏)到约4.5V(伏)的范围内，且DC供电安培数在约1安培到约10安培的范围内(对应于在约2.5W(瓦)到约45W(瓦)的范围内的DC供电功率)。
通常，当术语“约”与此申请中的具体值结合使用时，应理解为该术语“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。
取决于待加热的气溶胶形成基质的条件，加热元件可具有不同的几何构造。例如，加热元件可以是叶片构造或杆构造或销构造。即，加热元件可以是或可以包括一个或多个叶片、杆或销，其包括导电材料或基本上由导电材料制成。这些构造特别适合用于固体或糊状气溶胶形成基质。具体地，当加热元件将要与待加热的气溶胶形成基质接触时，这些构造容易地允许穿透到气溶胶形成基质中。在近端处，叶片状或杆状加热元件可以包括锥形尖端部分，所述锥形尖端部分允许容易地穿透到气溶胶形成基质中。
优选地，加热元件包括至少一个叶片，其包括或基本上由导电材料，具体是导电固体材料制成。叶片可以包括锥形尖端部分，其促进叶片穿透到待加热的气溶胶形成基质中。叶片的长度可在5mm(毫米)与20mm(毫米)之间，具体在10mm与15mm之间的范围内；宽度在2mm与8mm之间，具体在4mm与6mm之间的范围内；厚度在0.2mm与0.8mm之间，具体在0.25mm与0.75mm之间的范围内。
替代地，加热元件可以是芯构造或网格构造。即，加热元件可以是或者可以包括一个或多个网格或芯，其包括导电材料或基本上由导电材料制成。后一种构造特别适合用于液体气溶胶形成基质。
加热元件的外表面可以经表面处理或涂布。即，加热元件可以包括表面处理或涂布。表面处理或涂布可被配置成以下中的至少一种：避免气溶胶形成基质粘附到加热元件的表面，避免材料从加热元件扩散(例如，金属扩散)到气溶胶形成基质中，以改善加热元件的机械刚度。优选地，表面处理或涂布是非导电的。
通常，加热元件可以包括用于使AC驱动电流通过其中的至少一个电阻导体路径。如本文所使用，术语“导体路径”是指用于AC驱动电流通过加热元件的预定义电流路径。此路径基本上由加热元件的导电材料的几何构造给出。
加热元件可以包括单个电阻导体路径。替代地，加热元件可以包括彼此并联的用于使AC驱动电流通过其中的多个电阻导体路径。
在后一种构造中，多个电阻导体路径可以合并在加热元件的共同区段内。有利地，这提供了加热元件的紧凑设计。在此构造中，控制电路的开关功率放大器可以包括如对多个并联电阻导体路径中的每一个描述的至少一个LC网络。同样地，控制电路的开关功率放大器可以包括如上所述的至少一个旁路电容器，其针对多个并联电阻导体路径中的每一个，以便减少从加热元件到控制电路的热传递。
至少一个电阻导体路径或多个电阻导体路径中的至少一个可以包括两个馈送点，以给相应的加热路径供应AC驱动电流。优选地，两个馈送点布置在加热元件的一侧。这种布置提供加热元件的紧凑设计，并且还有利于将加热元件与控制电路可操作地耦合。
至少一个电阻导体路径或多个电阻导体路径中的至少一个可以包括两个馈送点，以给相应的加热路径供应AC驱动电流。优选地，两个馈送点布置在加热元件的一侧。这种布置允许加热元件的紧凑设计，并且还有利于将加热元件与控制电路可操作地耦合。
沿导体路径的热耗散并且因此加热元件的加热效率随着导体路径的长度增加而增加。因此，电阻导体路径的几何构造优选地具有尽可能长的路径长度。
至少一个电阻导体路径或多个电阻导体路径中的至少一个可以由加热元件的至少一个截面方向的狭缝形成。结果，至少一个电阻导体路径或多个电阻导体路径中的至少一个可以由至少一个狭缝形成，其中，加热元件沿着狭缝的深度延伸被狭缝完全中断，且仅沿狭缝的长度延伸被狭缝部分中断。
例如，由固体导电材料制成的叶片状或杆状加热元件可以包括从加热元件的一个边缘开始但仅沿着加热元件的长度部分部分地延伸的一个狭缝，以提供U形导体路径。
同样地，加热元件可以包括在加热元件的相同边缘处开始但仅沿加热元件的长度部分部分地延伸的两个并行狭缝，以提供共同具有一个中央分支的两个并联U形导体路径。
如果有多个电阻导体路径，控制电路可以包括用于与其并联连接的每个电阻导体路径的相应旁路电容器。
根据本发明的优选方面，加热元件可以是包括多层，具体是至少两层的多层加热元件。有利地，加热元件的多层设置允许组合不同的功能和效果，其中每一层优选地提供至少一个特定功能或效果。对此，不同层可以包括不同的材料和/或可以具有不同的几何构造，特别是不同的层厚度。
多层设置可证明特别对于根据本发明的包括导电铁磁性或亚铁磁性材料的加热元件有优势。铁磁性或亚铁磁性材料，尤其是具有高磁导率的那些材料，可能是有相当延展性的。因此，加热元件有利地是包括至少一个支撑层和至少一个加热层的多层加热元件。至少加热层包括用于加热气溶胶形成基质的导电铁磁性或亚铁磁性材料。对比之下，支撑层有利地包括与加热层的铁磁性或亚铁磁性材料相比延展性较小的材料。尤其是，支撑层的弯曲和/或旋转刚度比加热层的弯曲和/或旋转刚度大。这种配置有利地结合由于支撑层而导致的高机械刚度和由于至少一个铁磁性或亚铁磁性加热层而导致的高AC电阻和因此的高加热效率。
根据优选实施例，多层加热元件包括至少一个支撑层和夹住支撑层的至少两个加热层，其中至少一个，优选两个加热层都包括导电铁磁性或亚铁磁性材料。更优选地，两个加热层包括或由相同的导电铁磁性或亚铁磁性材料制成，并且具有相同的厚度。后一构造的对称设置证明对于补偿因于各层的热膨胀行为的可能差异造成的拉伸或压缩应力状态是特别有益的。
加热层也可以具有不同的组成，即，加热层可以包括具有不同居里温度的不同材料。有利地，这可以提供有关加热温度的其他信息，例如，用于校准或温度控制的目的。
优选地，至少一个加热层或夹住支撑层的两个加热层为多层加热元件的边缘层。这有利于从加热元件到气溶胶形成基质的直接热传递。
为了确保足够的机械刚度，多层加热组件的至少一层，优选至少支撑层由固体材料制成。更优选地，所有层都由相应的固体材料制成。
此外，至少一个支撑层的层厚度可以大于至少一个或两个加热层的层厚度。这也有助于提供足够的机械刚度。
至少一个支撑层可由非导电材料制成。相应地，支撑层将两个夹层加热层彼此分离，以以并联方式操作两个加热层。替代地，两个夹层加热层可以被串联操作，同时仍然由布置在其间的非导电支撑层分开。对此，加热层可以在一端电连接，具体是在加热元件的近端处。在此构造中，非导电支撑层不仅用于使加热元件变硬，还用于形成通过加热元件的单导体路径，其由两个加热层的串联连接组成。
至少一个支撑层还可以包括导电材料。在这种情况下，支撑层的AC电阻优选地与至少一个加热层的AC电阻不同，优选比至少一个加热层的AC电阻低。尤其是在至少一个加热层为边缘层的情况下，AC驱动电流预计至少部分或甚至大部分在加热层内流动，虽然支撑层的AC电阻可能比加热层的AC电阻低。因此，热耗散主要发生在加热层内。此外，与单独采用具有最低AC电阻的层相比，各层具有不同AC电阻的多层加热元件的总AC电阻可显著增加。
相应地，至少一个加热层的导电材料的电阻率可比至少一个支撑层的导电材料的电阻率大。
替代地或者另外，至少一个或两个加热层的导电材料的相对磁导率比至少一个支撑层的导电材料的相对磁导率大。优选地，至少一个支撑层的导电材料是顺磁性的，例如，坞、铝或奥氏体不锈钢。
每个层都可以被电镀、沉积、涂布、包覆或焊接到相应的相邻层上。具体地，任一层都可通过喷涂、浸涂、辊涂、电镀、包覆或电阻焊接而施加到相应的相邻层上。
多层加热元件可以是杆构造或销构造或叶片构造。在后一种情况下，每一层本身都可以具有叶片构造。如果是杆或销构造，多层加热元件可以包括作为支撑层的内芯，所述内芯由作为加热层的外夹套包围或包封或涂布。杆状加热元件可以包括仅沿着加热元件的长度部分从其远端朝向其近端延伸的中心纵向狭缝，以通过其提供U形导体路径。
替代地，杆状多层加热元件可以包括作为第一加热层的内芯和作为第二加热层的外夹套。在内芯与外夹套之间，加热元件还可以包括由电非导电材料制成的中间套筒作为支撑层，以分离第一加热层和第二加热层。但是，内芯和外夹套可以在一端，优选在杆状加热元件的近端处电连接，以在第一加热层与第二加热层之间提供导体路径。
为了减少从加热元件向控制电路的热传递，加热组件还可以包括导电连接器，其将控制电路与加热元件可操作地耦合。连接器的AC电阻比加热元件的AC电阻低。由于AC电阻较低，与加热元件相比，在导电连接器中显著地减少了由焦耳加热引起的热量生成。
有利地，对于通过加热元件的频率在500kHz与30MHz之间，具体在1MHz与10MHz之间，优选在5MHz与7MHz之间的范围内的AC驱动电流，导电连接器的AC电阻最多为25mΩ，具体最多为15MΩ，优选最多为10mΩ，最优选最多为10mΩ。
通过增加集肤深度，可以减小或最小化导电连接器的AC电阻。集肤深度又随着导电连接器的电阻率降低或磁导率降低中的至少一者而增加。相应地，导电连接器的材料特性被优选地选择成具有低电阻率或低磁导率中的至少一种。具体地，连接器的导电材料的相对磁导率优选地比加热元件的导电材料的相对磁导率低。有利地，连接器的导电材料是顺磁性的。例如，加热元件可以由坡莫合金C制成，而连接器可以由钨制成。
此外或者替代地，加热组件还可以包括吸热器，所述吸热器热耦合到控制电路或连接器中的至少一个，以便吸收任何过多的热量，并且因此减少对控制电路的任何不良热效应。吸热器可以例如包括散热器或热储存器或热交换器。
在后一种情况下，热交换器可以具体包括至少一个热电发电机。热电发电机是一种能量转换装置，其基于Seebeck原理将热转换为电力。优选地，至少一个热电发电机可操作地连接到加热组件的电源或直接连接到控制电路。作为示例，热电发电机可以可操作地连接到电池，以便馈送所转换的电力以用于再充电目的。
如果吸热器是热储存器，则吸热器包括相变材料(PCM)。相变材料是一种具有高融化热的物质，其能够在材料的相位从固体变为液体、从固体变为气体，或从液体变为气体(反之亦然)时储存和释放大量能量。PCM可以是无机的，例如，水合盐。替代地，PCM可以是有机的，例如，石蜡或碳水化合物。
作为散热器，吸热器可以包括热接触控制电路或连接器中的至少一个的冷却翅片或冷却板(cooling rip)。当加热组件安装在气溶胶生成装置中时，冷却翅片或冷却板可布置在气溶胶生成装置的气流通道内，以允许要耗散的热耗散到气流通道中。
如上所述，加热元件可以被配置成用作温度传感器，特别是用于控制气溶胶形成基质的温度，优选用于调节实际温度。此可能性依赖于用于构建电阻加热元件的电阻材料的温度依赖性电阻特性。加热组件还可以包括用于测量加热元件的电阻的读出装置。读出装置可以是控制电路的一部分。所测量的温度直接对应于加热元件的实际温度。所测量的温度也可以指示气溶胶形成基质的实际温度，这取决于加热元件相对于待加热的气溶胶形成基质的定位以及从电加热元件到气溶胶形成基质的热供应的给定特性。
加热组件，具体是控制电路还可以包括用于控制加热元件温度的温度控制器。对此，温度控制器优选地被配置用于控制通过加热元件的AC驱动电流。具体地，温度控制器可以可操作地耦合到前述读出装置，以用于测量电阻并且因此测量加热元件的温度。
根据本发明，还提供一种用于气溶胶形成基质的气溶胶生成装置，其中，气溶胶生成装置包括根据本发明且如本文所描述的加热组件。
如本文所使用，术语“气溶胶生成装置”用于描述电操作的装置，其能够通过加热基质与至少一个气溶胶形成基质相互作用以生成气溶胶。优选地，气溶胶生成装置是用于生成气溶胶的抽吸装置，该气溶胶可由使用者通过使用者的嘴直接吸入。具体地，气溶胶生成装置是手持式气溶胶生成装置。
如本文所使用，术语“气溶胶形成基质”指的是能够释放可以形成气溶胶的挥发性化合物的基质。气溶胶形成基质可以是固体或液体气溶胶形成基质。在两种条件下，气溶胶形成基质可以包括固体或液体组分中的至少一者。具体地，气溶胶形成基质可以包括含烟草材料，其包含在加热时从基质释放的挥发性烟草香味化合物。因此，气溶胶形成基质可以是含烟草气溶胶形成基质。含烟草材料可以包括已被聚集或轧纹的松散填充或包装的烟草或烟草片材。替代地或另外，气溶胶形成基质可包括非烟草材料。气溶胶形成基质还可包括气溶胶形成剂。合适的气溶胶形成剂的示例是丙三醇和丙二醇。气溶胶形成基质还可包括其它添加剂和成分，例如尼古丁或香料，具体是烟草香料。气溶胶形成基质还可以是糊状材料、包括气溶胶形成基质的多孔材料小袋，或例如与胶凝剂或粘剂混合的松散烟草，其可以包含例如丙三醇的常见气溶胶形成剂，且被压缩或模制成滤嘴段。
气溶胶形成基质可以是气溶胶生成制品的一部分，优选是消耗品，以与气溶胶生成装置相互作用以生成气溶胶。例如，该制品可以是类似于常规香烟的形状的条状气溶胶生成制品，其包括固体，优选含烟草的气溶胶形成基质。替代地，该制品可以是包含液体，优选含烟草的气溶胶形成基质的筒。
气溶胶生成装置可以包括接收室，其用于接收气溶胶形成基质或包括待加热的气溶胶形成基质的气溶胶生成制品。优选地，接收室布置在气溶胶生成装置的近端处。接收室可以包括用于将气溶胶形成基质插入接收室中的接收开口。作为示例，气溶胶生成装置可以包括腔体，该腔体用于接收包括固体气溶胶形成基质或包括如上所述的液体气溶胶形成基质的筒的气溶胶生成制品。替代地，气溶胶生成装置可以包括用于在其中直接接收液体气溶胶形成基质的储存器。
加热组件的加热元件可至少部分地布置在气溶胶生成装置的接收室内。控制电路和(如果存在)加热组件的供电电源可以布置在气溶胶生成装置的装置外壳内。优选地，加热组件由气溶胶生成装置的全局电源供电。
气溶胶生成装置还可以包括通过接收室延伸的气流通道。装置还可以包括与气流通道流体连通的至少一个空气入口。
根据本发明的气溶胶生成装置的其它特征和优点已经关于加热组件进行了描述，且将不再重复。
根据本发明，还提供了一种用于电阻加热气溶胶形成基质以生成气溶胶的方法。所述方法包括以下步骤：
-提供待加热的气溶胶形成基质；
-提供用于加热气溶胶形成基质的电阻加热元件，所述电阻加热元件包括导电铁磁性或亚铁磁性材料，所述加热元件被配置成当使AC驱动电流通过其中时由于焦耳加热而变热；
-将气溶胶形成基质设置成紧邻或接触气溶胶形成基质；
-提供AC驱动电流；以及
-使AC驱动电流通过加热元件。
优选地，使用根据本发明并且如本文所描述的加热组件或气溶胶生成装置执行所述方法。反之亦然，可以使用根据本发明且如本文所描述的方法操作根据本发明并且如本文所描述的加热组件或气溶胶生成装置。
如上文关于加热组件所描述的，提供AC驱动电流的步骤有利地包括提供频率在500kHz与30MHz之间，具体在1MHz与10MHz之间，优选在5MHz与7MHz之间的范围内的AC驱动电流。
如上文关于加热组件进一步描述的，可以通过使用开关功率放大器来提供AC驱动电流。
此外，使用开关功率放大器提供AC驱动电流的步骤可以包括以占空比操作开关功率放大器，所述占空比在20％(百分比)与99％(百分比)之间，具体在30％与95％之间，优选在50％与90％之间，最优选在60％与90％之间的范围内。以在此范围内的占空比操作开关功率放大器有利地使控制电路的温度保持合理地低，而不会导致控制电路的热损坏风险，同时仍允许加热元件达到足够高的气溶胶生成温度。
根据本发明的方法的其它特征和优点已经关于加热组件和气溶胶生成装置进行了描述，且将不再重复。
将参考附图仅作为实例进一步描述本发明，在附图中：
图1示意性地示出气溶胶生成装置的示例性实施例，所述气溶胶生成装置包括根据本发明的用于电阻加热气溶胶形成基质的电加热组件；
图2-3示意性地示出根据图1的加热组件的电路图的第一和第二实施例；
图4-7示意性地示出根据本发明的加热叶片的第一、第二、第三和第四实施例；
图8-9示意性地示出根据本发明的多层加热叶片的示例性实施例；以及
图10-11示意性地示出根据本发明的多层加热杆的示例性实施例。
图1示意性地示出气溶胶生成装置1的示例性实施例，所述气溶胶生成装置包括根据本发明的用于电阻加热气溶胶形成基质210的电加热组件100。
气溶胶生成装置1包括装置外壳10，所述装置外壳包括在装置1的近端2处的接收室20，以用于接收待加热的气溶胶形成基质210。在本实施例中，气溶胶形成基质210是含有烟草的固体气溶胶形成基质。基质210是条状气溶胶生成制品200的一部分。制品200类似于常规香烟的形状，并且被构造成接收在装置1的接收室20中。除了气溶胶形成基质210外，制品200包括支撑元件220、气溶胶冷却元件230和过滤器元件240。所有这些元件顺序地布置到气溶胶形成基质210，其中基质布置在制品200的远端处，过滤器元件布置在制品200的近端处。基质210、支撑元件220、气溶胶冷却元件230和过滤器元件240由包装纸包围，所述包装纸形成制品200的外圆周表面。
根据本发明的加热组件的主要构思基于使AC驱动电流通过电阻加热元件110，所述电阻加热元件又与气溶胶形成基质210热接近或甚至紧密接触。使用AC驱动电流有利地允许使用大型且因此机械稳健的加热元件，该加热元件仍然提供足够的焦耳加热(由于集肤效应)，以达到在适合加热气溶胶形成基质210的范围内的温度。
在如图1中所示的加热组件100的实施例中，加热元件110是由固体导电铁磁性材料，例如坡莫合金制成的叶片，其对于具有在500kHz与30MHz之间的范围内的频率的AC驱动，具有在10mΩ与1500mΩ之间的范围内的AC电阻R。优选地，加热叶片210由固体材料制成。有利地，此范围内的电阻对于加热气溶胶形成基质210足够高。同时，加热元件110提供足够的机械稳定性以与气溶胶形成基质210形成接触或脱离接触，而没有变形或断裂的风险。尤其是，当将气溶胶生成制品200插入气溶胶生成装置1的接收室20中时，加热元件110的叶片状构造使得能够容易地穿透到气溶胶形成基质210中。
如图1中还可以看到，加热叶片110固定地布置在气溶胶生成装置1的装置外壳10内，中心延伸至接收室20中。加热叶片110的近端111处的锥形近侧尖端部分面朝装置1的近端2处的接收开口。
除了加热元件110外，加热组件100包括控制电路120，所述控制电路与加热元件110可操作地耦合，并被配置成提供在500kHz与30MHz之间的范围内的AC驱动电流。因此，当使AC驱动电流通过加热元件110时，所述加热元件由于焦耳加热而变热。
控制电路120，且因此加热过程由DC电源140供电。在本实施例中，DC电源140是在装置1的远端3处设置在装置外壳10内的可充电电池。电池可以是加热组件100的一部分或气溶胶生成装置1的全局电源的一部分，其也可以用于装置1的其它部件。
图2示意性地示出如在图1所示的气溶胶生成装置1中使用的加热组件100的电路图的第一实施例。根据此第一实施例，控制电路120基本上包括DC/AC逆变器121，其用于将由DC电源140提供的DC电流/电压IDC/+VDC逆变成在500kHz与30MHz之间的范围内的AC驱动电流，以用于操作加热元件110。
在本实施例中，DC/AC逆变器121包括E类放大器。E类放大器包括：晶体管开关T1，例如，金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)；晶体管开关驱动器电路PG；以及LC负载网络。LC负载网络包括电容器C1和电感器L1的串联连接。此外，LC负载网络包括并联电容器C2，其与晶体管开关T1并联，并与电容器C1和电感器L1的串联连接并联。此外，控制电路包括扼流线圈L2，其用于将DC供电电压+VDC供应到E类放大器。如上面还提到的，加热元件不仅构成电阻，还构成(小)电感。因此，在根据图2的电路图中，加热元件110由电阻R110和电感器L110的串联连接表示。加热元件110的电阻负载R110还可以代表电感器L1的电阻负载。这些部件的数量较少，允许保持DC/AC逆变器121的体积极小，因此允许保持加热组件100的总体积也非常小。
E类放大器的一般操作原理通常是众所周知的。有关E类放大器和其一般操作原理的更多细节，参考例如，Nathan O.Sokal的文章“E类RF功率放大器(Class-E RF PowerAmplifiers)”，该文章发表在美国Newington,5CT的美国无线电中继联盟(American RadioRelay League)(ARRL)的双月杂志QEX(2001年1月/2月版),9-20页。前述文章还描述了确定DC/AC逆变器121的各种部件的尺寸要考虑的相关方程。在如图2所示的第一实施例中，电感器L1的电感可以在50nH(纳亨)与200nH(纳亨)之间的范围内，电感器L2的电感可以在0.5μH(微亨)与5μH(微亨)之间的范围内，电容器C1和C2的电容可以在1nF(纳法)与10nF(纳法)之间的范围内。
图3示意性地示出加热组件100的电路图的第二实施例。根据此第二实施例的电路图与图2中所示的第一实施例非常类似。因此，相同或类似部件用相同参考标号表示。除了图2的电路图外，第二实施例的电路图包括与加热元件110并联连接，即与电阻R110和电感器L110的串联连接并联连接的旁路电容器C3。有利地，旁路电容器C3的容量比LC网络的电容器C1的容量更大，具体大至少两倍，优选大至少五倍，最优选大至少十倍。相应地，旁路电容器C3和加热元件110的电感器L110形成LC谐振器，AC驱动电流的大部分通过该LC谐振器，而AC驱动电流的只有一小部分经由LC网络的电感器L1和电容器C1通过晶体管开关。由于这一点，旁路电容器C3有利地使从加热元件110向控制电路120，具体是向晶体管开关T1的热传递减少。旁路电容器C3靠近加热元件110布置，但可以远离控制电路120的剩余部分。控制电路120的剩余部分优选地布置在PCB(印刷电路板)上。
通过提供将控制电路120与加热元件110可操作地耦合的导电连接器，可以进一步减少从加热元件110向控制电路120的热传递，其中，连接器130的AC电阻比加热元件110的AC电阻低。例如通过为连接器130和加热元件110选择合适的导电材料可以实现此目的。具体地，可以选择相应的材料，使得连接器130的导电材料的相对磁导率比加热元件110的导电材料的相对磁导率低。由于此原因，集肤深度较大，并且因此连接器130中的AC电阻比加热元件110中的低。优选地，连接器130的导电材料是顺磁性的。在如图1所示的实施例中，加热元件120由两个连接器元件131、132(其例如由钨制成)可操作地耦合，而加热元件110由坡莫合金C制成。
此外或者替代地，加热组件可以包括吸热器，吸热器热耦合到控制电路120或连接器130中的至少一个，以减少对控制电路120的任何不良热效应。例如，图2和图3中示出的LC电路的电感器L1可以嵌入吸热材料中，例如，嵌入高温水泥中。
图4示出如在根据图1的加热组件110中使用的电阻加热叶片110的放大视图。在此实施例中，加热叶片包括从加热叶片的远端112朝向近端111延伸的中心纵向狭缝113。然而，加热叶片110仅沿着叶片的长度延伸被狭缝113部分地中断。相比之下，叶片沿着叶片110的深度或厚度延伸被狭缝113完全中断。结果，加热叶片提供用于AC驱动电流通过叶片的U形导体路径(由虚线双箭头指示)。在其远端112处，导体路径包括用于供应AC驱动电流的两个馈送点114。
在其近端111处，加热叶片110包括锥形尖端部分，使得叶片容易穿透到制品200的气溶胶形成基质210中。
加热叶片110的长度可以在5mm(毫米)与20mm(毫米)之间，具体在10mm与15mm之间的范围内，宽度在2mm与8mm之间，具体在4mm与6mm之间的范围内，厚度在0.2mm与0.8mm之间，具体在0.25mm与0.75mm之间的范围内。
图5示出加热叶片110的第二实施例。与图4相比，根据此第二实施例的加热叶片110包括两个纵向狭缝113.1、113.2，其沿着加热叶片110的长度部分彼此并行延伸。结果，加热叶片110提供用于AC驱动电流通过叶片的两条并联的U形导体路径，其中由虚线双箭头指示的两条路径具有一个共同分支。相应地，导体路径包括用于供应AC驱动电流的总共三个馈送点114。使两条路径并行有利地使耗散的热量增加，并且因此，提高了加热效率。
图6和图7示出加热叶片110的第三和第四实施例，其也旨在提高热耗散，并且因此，提高了加热效率。在两个实施例中，加热叶片110包括多个截面方向的狭缝113，所述多个截面方向的狭缝产生具有蜿蜒状或锯齿状构造的单导体路径。由于这一点，与图4所示的构造相比，导体路径的总长度，并且因此，耗散的热量的总量显著增加。
根据图6所示的第三实施例，加热叶片110包括两个纵向狭缝113.1、113.2，其沿着加热叶片110的长度部分相互并行。两个纵向狭缝113.1、133.2从叶片110的近端111朝向远端112延伸，但不到达所述远端。此外，加热叶片110包括至少部分地包封两个并行狭缝113.1、113.2的U形狭缝113.3。U形狭缝113.3的基部部分设置在加热叶片110的远端部分中，然而U形狭缝113.3的分支朝向叶片110的近端111延伸，但不到达所述近端。此外，加热叶片110包括中心纵向狭缝113.4，其沿着加热叶片110的长度部分从加热叶片110的远端112朝向近端111延伸，但不到达所述近端。从图6可以看出，中心纵向狭缝113.4与两个纵向狭缝113.1并行地延伸，且至少部分地在所述两个纵向狭缝之间延伸，并与U形狭缝113.3的基部部分相交。结果，狭缝113.1、113.2、113.3、113.4提供了一种蜿蜒状或锯齿状导体路径。
根据图7所示的第四实施例，加热叶片110包括中心纵向狭缝113.1，其沿着加热叶片110的长度部分从加热叶片110的远端112朝向近端111延伸，但不到达所述近端。沿着中心纵向狭缝113.1，加热叶片110还包括多个横向狭缝113.2，所述多个横向狭缝朝叶片110的纵向边缘延伸，但不到达该叶片的纵向边缘，从而在横向构型中与中心狭缝113.1相交。此外，加热叶片110包括沿着叶片110的两个纵向边缘布置的多个侧狭缝113.3。侧狭缝113.2相对于横向狭缝113.2处于偏移构型。每个侧狭缝113.2从叶片110的相应纵向边缘朝向中心纵向狭缝113.1延伸，但不到达所述中心纵向狭缝。结果，狭缝113.1、113.2、113.3、113.4提供了一种蜿蜒状或锯齿状导体路径。
图8和图9示意性地示出多层加热元件110的第一实施例。多层加热元件具有叶片构造，其具有与如图4所示的加热叶片110基本相同的外部形状。因此，相同或类似部件用相同参考标号表示。虽然根据图4的加热叶片基本上由单个导电固体材料或零件制成，但根据图8和图9的多层加热叶片110包括两个加热层110.1、110.2作为边缘层以及夹在两个加热层110.1、110.2之间的一个支撑层110.3。加热层110.1、110.2由导电铁磁性固体材料，例如坡莫合金制成。由于铁磁性材料可能有相当大的延展性，支撑层110.3旨在增加加热叶片110的总体机械刚度。对此，支撑层110.3包括导电固体材料，例如，钨或不锈钢，该导电固体材料的延展性明显小于加热层110.1、110.2的材料的延展性。
当使AC驱动电流通过加热叶片110时，AC驱动电流预计至少部分地或甚至大部分在加热层110.1、110.2内流动，虽然支撑层110.3的AC电阻可能比加热层110.1、110.2的AC电阻低。因此，热耗散主要发生在加热层110.1、110.2内。与单独采用支撑层相比，多层加热元件的总AC电阻显著地增加。
从图9可以具体看出，该图是通过根据图8的加热叶片110的锥形近侧尖端部分的横截面图，至少两个加热层110.1、110.2具有相同的层厚度，并且由相同的材料制成。由于这一点，加热叶片110的总体设置是对称的，并且因此补偿由于各层的热膨胀行为的可能差异造成的拉伸或压缩应力状态。
在本实施例中，各层110.1、110.2、110.3通过包覆互相连接。
图10和图11示意性地示出多层加热元件110的第二实施例。根据此实施例的加热元件110具有杆构造，而不是叶片构造。在此构造中，多层加热元件110包括作为支撑层110.5的内芯，所述内芯被作为加热层110.4的外夹套包围。加热层110.4由导电铁磁性固体材料，例如坡莫合金制成。相比之下，支撑层110.5由导电固体材料，例如钨或不锈钢制成，所述导电固体材料的延展性明显小于加热层110.4的材料的延展性。如上文关于图8和图9描述的，支撑层110.5旨在增加杆状加热叶片110的总体机械刚度。同样，当使AC驱动电流通过加热叶片110时，AC驱动电流预计至少部分地或甚至大部分在外部加热层110.4内流动，热耗散主要发生在该外部加热层中。
从图11可以具体看出，该图是通过根据图10的杆状加热元件110的横截面图，加热元件110包括沿着加热元件的长度部分从其远端112朝向其近端112延伸的中心纵向狭缝113，以提供通过其中的U形导体路径。
在其近端111处，杆状加热元件110包括锥形尖端部分，所述锥形尖端部分允许加热杆容易地穿透到气溶胶形成基质中。
Claims (11)
1.一种用于气溶胶形成基质的气溶胶生成装置，所述气溶胶生成装置包括用于电阻加热所述气溶胶形成基质的加热组件，所述加热组件包括：
－控制电路，所述控制电路被配置成提供AC驱动电流；
－用于加热所述气溶胶形成基质的电阻加热元件，所述电阻加热元件包括导电铁磁性或亚铁磁性材料，其中，所述加热元件与所述控制电路可操作地耦合，并且被配置成当使由所述控制电路提供的AC驱动电流通过所述加热元件时，由于焦耳加热而变热，其中，所述加热元件是包括至少一个支撑层和至少一个加热层的多层加热元件，其中，至少所述加热层包括导电铁磁性或亚铁磁性材料，并且为所述多层加热元件的边缘层，并且其中，所述至少一个支撑层的层厚度比所述至少一个加热层的层厚度大。
2.根据权利要求1所述的气溶胶生成装置，其中所述多层加热元件包括除所述至少一个加热层之外的至少一个另一加热层，至少两个加热层夹住所述支撑层，其中，所述加热层中的至少一个加热层包括导电铁磁性或亚铁磁性材料。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的气溶胶生成装置，其中所述至少一个支撑层包括导电材料。
4.根据权利要求3所述的气溶胶生成装置，其中所述至少一个或两个加热层的导电材料的电阻率比所述至少一个支撑层的导电材料的电阻率低。
5.根据权利要求3所述的气溶胶生成装置，其中所述至少一个或两个加热层的导电材料的相对磁导率比所述至少一个支撑层的导电材料的相对磁导率大。
6.根据权利要求2所述的气溶胶生成装置，其中所述两个加热层包括导电铁磁性或亚铁磁性材料。
7.根据权利要求3所述的气溶胶生成装置，其中所述至少一个支撑层的导电材料是顺磁性的。
8.根据权利要求2所述的气溶胶生成装置，其中所述两个加热层是所述多层加热元件的边缘层。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的气溶胶生成装置，其中所述多层加热元件中的至少一层基本上由固体材料制成。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的气溶胶生成装置，其中所述加热元件具有叶片构造或杆构造或网格构造或芯构造。
11.根据权利要求1或权利要求2所述的气溶胶生成装置，其中对于通过所述加热元件的具有在500kHz与30MHz之间的范围内的频率的AC驱动电流，所述加热元件的AC电阻在10mΩ与1500mΩ之间的范围内。
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