CN113163871A - 气溶胶生成设备及其操作方法 - Google Patents

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朱利安·达林·怀特
马丁·丹尼尔·霍罗德
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Abstract

一种气溶胶生成设备，包括复合基座，用于在使用中加热气溶胶生成材料，从而在使用中生成气溶胶。该复合基座包括支撑部分和由支撑部分支撑的基座部分。该设备包括感应元件以及驱动装置，该感应元件被布置成用于在使用中将感应能量传送到基座部分；该驱动装置被布置成在使用中用交流电驱动感应元件，从而在使用中使得感应能量传送到基座部分，从而在使用中使得复合基座加热气溶胶生成材料，从而在使用中生成气溶胶。交流电具有包括具有第一频率的基频分量和各自具有比第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量的波形。还公开了一种操作气溶胶生成设备的方法。

Description

气溶胶生成设备及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种气溶胶生成设备及其操作方法。
背景技术
吸烟物品(诸如香烟、雪茄等)在使用期间燃烧烟草以形成烟草烟雾。已经尝试通过形成释放化合物而不燃烧的产品来提供这些物品的替代物。此类产品的示例是所谓的“加热不燃烧”产品或烟草加热装置或产品，它们通过加热而不是燃烧材料来释放化合物。该材料可以是例如烟草或其他非烟草产品，其可以包含或可以不包含尼古丁。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种气溶胶生成设备，该气溶胶生成设备包括：复合基座，用于在使用中加热气溶胶生成材料从而在使用中生成气溶胶，其中该复合基座包括支撑部分和由支撑部分支撑的基座部分；感应元件，被布置成用于在使用中将感应能量传送到基座部分；以及驱动装置，被布置成在使用中用交流电驱动感应元件，从而在使用中使得感应能量传送到基座部分，从而在使用中使得复合基座加热气溶胶生成材料，从而在使用中生成气溶胶；其中该交流电具有包括具有第一频率的基频分量和各自具有比所述第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量的波形。
可选地，基座部分形成为支撑部分上的涂层。
可选地，基座部分包括第一片材料，并且支撑部分包括第二片材料，第二片材料被配置为邻接基座部分以支撑基座部分。
可选地，支撑部分被配置为围绕基座部分。
可选地，基座部分的厚度基本上不超过50微米。
可选地，基座的厚度基本上不超过20微米。
可选地，基座部分包括铁磁材料。
可选地，基座部分包括镍和钴中的一者或多者。
可选地，一个或多个其他频率分量是基频分量的谐波。
可选地，第一频率是0.5MHz至2.5MHz范围内的频率F，并且一个或多个其他频率分量中的每个分量的频率是nF，其中n是大于1的正整数。
可选地，该波形是基本上三角波、基本上锯齿波和基本上方波中的一个。
可选地，该波形是双极性方波。
可选地，驱动装置包括以H桥配置布置并且能够控制以提供双极性方波的晶体管。
可选地，支撑部分包括金属、金属合金、陶瓷材料、塑料材料和纸中的一者或多者。
可选地，复合基座包括耐热保护部分，其中，基座部分位于支撑部分和保护部分之间。
可选地，耐热保护部分是基座部分上的涂层。
可选地，耐热保护部分包括陶瓷材料、金属氮化物、氮化钛和金刚石中的一者或多者。
可选地，复合基座基本上是平面的。
可选地，复合基座基本上是管状的。
可选地，该设备包括气溶胶生成材料，其中，气溶胶生成材料与复合基座热接触。
可选地，气溶胶生成材料包括烟草和/或一种或多种湿润剂。
根据本发明的第二方面，提供一种操作气溶胶生成设备的方法，气溶胶生成设备包括复合基座，该复合基座被布置成用于加热气溶胶生成材料从而生成气溶胶，该复合基座包括支撑部分和由支撑部分支撑的基座部分；该气溶胶生成设备还包括感应元件，该感应元件被布置成用于将感应能量传送到基座部分；该方法包括：用交流电驱动感应元件，从而使得感应能量传送到基座部分，从而使得复合基座加热气溶胶生成材料，从而生成气溶胶；其中，该交流电具有包括具有第一频率的基频分量和各自具有比所述第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量的波形。
可选地，一个或多个其他频率分量是基频分量的谐波。
可选地，第一频率是0.5MHz至2.5MHz范围内的频率F，并且一个或多个其他频率分量中的每个分量的频率是nF，其中n是大于1的正整数。
可选地，该波形是三角波、锯齿波和方波中的一个。
可选地，该波形是双极性方波。
可选地，气溶胶生成设备是根据第一方面的气溶胶生成设备。
现在将参考附图，仅以示例的方式描述其他特征和优点，在附图中：
附图说明
图1示意性地示出了根据示例的气溶胶生成设备；
图2示意性地示出了根据第一示例的复合基座；
图3示意性地示出了根据第二示例的复合基座；
图4示意性地示出了图1的气溶胶生成设备的一部分；
图5示意性地示出了根据示例的驱动装置的一部分；
图6a、图6c、图6e、图6g和图6i分别示意性地示出了不同交流波的电流相对于时间的曲线图；
图6b、图6d、图6f、图6h和图6j相应地示意性地示出了图6a、图6c、图6e、图6g和图6i的交流波的频率分量在频率空间中的曲线图；以及
图7示意性地示出了根据示例的操作气溶胶生成装置的方法。
具体实施方式
感应加热是通过电磁感应加热导电物体(或基座)的过程。感应加热器可以包括感应元件(诸如电磁体)，以及用于使变化的电流(诸如交流电)通过电磁体的电路。电磁铁中变化的电流产生变化的磁场。变化的磁场穿透相对于电磁体适当定位的基座，从而在基座内部生成涡电流。基座相对于涡电流具有电阻，并且因此涡电流相对于该电阻的流动使得基座通过焦耳加热而被加热。在基座包括铁磁材料(诸如铁、镍或钴)的情况下，基座中的磁滞损耗也可能生成热量，即，由于磁性材料中的磁偶极子与变化的磁场对准而导致的磁偶极子取向的变化。
在感应加热中，与例如通过传导进行加热相比，在基座内部生成热量，从而允许快速加热。此外，在感应加热器和基座之间不需要任何物理接触，从而提高了构造和应用的自由度。
感应加热器可以包括RLC电路，该RLC电路包括由电阻器提供的电阻(R)、由可以被布置成感应加热基座的感应元件(例如电磁体)提供的电感(L)、以及由例如串联或并联连接的电容器提供的电容(C)。在一些情况下，电阻是由连接电感器和电容器的电路部分的欧姆电阻提供的，并且因此RLC电路不必需要包括此类电阻器。此类电路可以被称为例如LC电路。此类电路可以表现出电谐振，当电路元件的阻抗或导纳的虚部相互抵消时，电谐振发生在特定的谐振频率。在RLC或LC电路中发生谐振，因为电感器的塌陷磁场在其绕组中生成电流，该电流为电容器充电，而放电电容器提供电流，在电感器中建立磁场。当电路以谐振频率驱动时，电感器和电容器的串联阻抗最小，并且电路电流最大。因此，以谐振频率或在谐振频率附近驱动RLC或LC电路可以提供高效和/或高效的感应加热。
图1示意性地示出了根据示例的气溶胶生成设备100。设备100是气溶胶生成装置100。气溶胶生成装置100是手持的。气溶胶生成装置100包括DC电源104(在该示例中是电池104)、驱动装置106、感应元件108、复合基座110和气溶胶生成材料116。
概括而言，复合基座110(包括支撑部分和由支撑部分支撑的基座部分，在下面更详细描述)用于在使用中加热气溶胶生成材料以在使用中生成气溶胶，感应元件108被布置成用于在使用中将感应能量至少传送到复合基座110的基座部分，并且驱动装置106被布置成在使用中用交流电驱动感应元件108，从而在使用中使得感应能量传送到复合基座110的基座部分，从而在使用中使得复合基座110对气溶胶生成材料116的加热，从而在使用中生成气溶胶。交流电具有包括具有第一频率的基频分量和各自具有比第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量的波形。例如，该波形可以基本上是方波。
概括地说，用具有包括基频分量和一个或多个较高频率的其他频率分量的波形的电流驱动感应元件，这继而使得由感应元件产生的交变磁场包括基频分量和一个或多个较高频率的其他频率分量。趋肤深度(即，由感应元件108产生的交变磁场穿透到基座部分中以使得感应加热的特征深度)随着交变磁场频率的增加而减小。因此，较高频率分量的趋肤深度小于基频分量的趋肤深度。因此，例如与单独使用基频相比，使用包括基频分量和一个或多个较高频率分量的波形可以允许从感应元件到基座的较大比例的感应能量传送发生在距基座表面相对小的深度处。这可以允许基座部分的厚度减少，同时仍然基本上保持给定的能量传送效率，这继而可以允许降低基座部分的成本(和/或提高基座部分的生产效率)。替代地或另外地，这可以允许对于给定的基座部分厚度(例如，其中趋肤深度可能以其他方式大于基座部分厚度的厚度)增加能量传送效率，这继而可以允许改善的加热效率。因此，可以提供一种改进的气溶胶生成装置和用于产生气溶胶的方法。
回到图1，DC电源104电连接到驱动装置106。DC电源104被布置成向驱动装置106提供DC电力。驱动装置106电连接到感应元件108。驱动装置106被布置成将来自DC电源104的输入DC电流转换成交流电。驱动装置106被布置成用交流电驱动感应元件108。换句话说，驱动装置106被布置成驱动交流电通过感应元件108，即，使得交流电流过感应元件106。
感应元件108例如可以是电磁体(例如线圈或螺线管)，其例如可以是平面的，其例如可由铜形成。感应元件108被布置成用于在使用中将能量感应传送到复合基座110(即，至少传送到复合基座110的基座部分，如下面更详细描述的)。同样地，复合基座110相对于感应元件108布置，用于从感应元件108向复合基座110传送感应能量。
如上所描述的，感应元件108在交流电驱动下，使得复合基座110通过焦耳加热和/或磁滞加热而加热。例如，复合基座110与气溶胶生成材料116热接触(即，被布置成例如通过传导、对流和/或辐射加热来加热气溶胶生成材料116，以在使用中生成气溶胶)。在一些示例中，复合基座110和气溶胶生成材料116形成整体单元，该整体单元可以插入气溶胶生成装置100和/或从气溶胶生成装置100移除，并且可以是一次性的。在一些示例中，感应元件108可以从装置100移除，例如用于替换。气溶胶生成装置100可以被布置成加热气溶胶生成材料116以生成供用户吸入的气溶胶。
注意，如本文所使用的，术语“气溶胶生成材料”包括在加热时提供挥发性成分的典型地以蒸汽或气溶胶的形式的材料。气溶胶生成材料可以是不含有烟草的材料或含有烟草的材料。例如，气溶胶生成材料可以是或包括烟草。气溶胶生成材料可以例如包括烟草本身、烟草衍生物、膨胀烟草、再造烟草、烟草提取物、均质烟草或烟草替代物中的一者或多者。气溶胶生成材料可以是磨碎的烟草、切碎的烟草、挤压的烟草、再造的烟草、再造的材料、液体、凝胶、胶凝片、粉末或附聚物等形式。气溶胶生成材料还可以包括其他非烟草产品，取决于产品的不同，这些产品可能含有或者可能不含有尼古丁。气溶胶生成材料可以包含一种或多种湿润剂，诸如甘油和/或丙二醇。
回到图1，气溶胶生成装置100包括容纳电池104、驱动装置106、感应元件108、复合基座110和气溶胶生成材料116的外部主体112。外部主体112包括嘴件114，以允许在使用中生成的气溶胶离开装置100。然而，在一些实现方式中，气溶胶生成材料116和嘴件114可以以插入到装置100中的组合结构来提供(例如，纸包裹的烟草管或在一端包括过滤材料的烟草包含材料)。
在使用中，用户可以例如经由本身已知的按钮(未示出)或烟雾探测器(未示出)激活电路106，以使得交流电被驱动通过感应元件108，从而感应性地加热复合基座116，这继而可以加热气溶胶生成材料116，并且使得气溶胶生成材料116由此生成气溶胶。气溶胶被生成为从空气入口(未示出)吸入装置100的空气，并且由此被携载到嘴件114，在该嘴件114处气溶胶离开装置100。
驱动器装置106、感应元件108、复合基座110和/或装置100作为整体可以被布置成将气溶胶生成材料116加热到一定温度范围，以挥发气溶胶生成材料的至少一种成分，而不燃烧气溶胶生成材料116。例如，温度范围可以是约50℃至约350℃，诸如在约100℃至约250℃之间，在约150℃至约230℃之间。在一些示例中，温度范围在约170℃和约220℃之间。在一些示例中，温度范围可以不同于所述范围，并且温度范围的上限可以大于300℃。
现在参考图2，示出了示例复合基座210。示例复合基座210可以用作参考图1描述的气溶胶生成装置100中的复合基座110。复合基座210可以基本上是平面的(如图2所示)。在其他示例中，复合基座210可以基本上是管状的。例如，复合基座210可以围绕气溶胶生成材料(图2中未示出)，即，气溶胶生成材料可以放置在管状复合基座210内部。作为另一个示例，气溶胶生成材料可以围绕管状复合基座210布置，以便围绕管状复合基座210。管状的复合基座210可以帮助提高气溶胶生成材料的加热效率。
复合基座210包括支撑部分222和基座部分224。基座部分224由支撑部分222支撑(即，支撑部分222支撑基座部分224)。基座部分224能够与感应元件(例如，图1的106)进行感应能量传送，使得由感应元件产生的交变磁场使得基座部分224被感应加热，例如通过如上所描述的焦耳加热和/或磁滞加热(即，基座部分224在使用中充当基座)。基座部分224可以包括导电材料，诸如金属和/或导电聚合物。基座部分可以包括铁磁材料，例如镍和钴中的一个或两者。在一些示例中，支撑部分222还可以基本上充当基座。在其他示例中，支撑部分222可以基本上不可感应加热。支撑部分222可以包括金属、金属合金、陶瓷材料、塑料材料和纸中的一者或多者。例如，支撑部分222可以是或包括不锈钢、铝、钢、铜和/或高温(即，耐热)聚合物，诸如聚醚醚酮(PEEK)和/或卡普顿(Kapton)和/或聚酰胺树脂，诸如
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基座部分224可以形成为支撑部分222上的涂层。例如，基座部分224可以涂覆有铁磁材料，例如镍和/或钴。例如，可以通过化学镀(例如电化学镀)和/或通过基座部分224的材料在支撑部分222上的真空蒸发来形成涂层。在一些示例中，基座部分204的厚度可以基本上不超过50微米，例如不超过20微米，例如在约10至20微米之间，例如约15微米或例如几微米。
包括铁磁材料(诸如镍或钴)的基座部分204的复合基座110(例如，在复合基座110面向感应元件108的一侧上)可以允许基座部分204被制造得相对薄，同时实现类似于例如较厚的软钢板的感应能量吸收。钴可能是优选的，因为它具有较高的磁导率，并且因此可以允许改善感应能量吸收。此外，钴具有比镍更高的居里点温度(钴约为1,120摄氏度至1,127摄氏度，而镍约为353摄氏度至354摄氏度)。在居里点温度或接近居里点温度时，基座材料的磁导率可能减少或停止，并且材料被变化磁场穿透加热的能力也可能减少或停止。钴的居里点温度可能高于气溶胶生成装置100的感应加热的正常操作温度，并且因此，与使用镍相比，如果使用钴，则在正常操作期间减少磁导率的效果可能不太明显(或不可察觉)。如上所述，复合基座210的支撑部分222不需要与施加的变化磁场相互作用来生成用于加热气溶胶生成材料116的热量，而是仅用于支撑基座部分222。因此，支撑件可由任何合适的耐热材料制成。示例材料有铝、钢、铜和高温聚合物，诸如聚醚醚酮(PEEK)、卡普顿(Kapton)或纸。
使用相对低厚度的基座材料(例如铁磁材料(诸如镍或钴))，可以允许使用相对较少的基座材料，这可以允许更高效/降低成本的基座生产。单独使用相对薄的基座材料可能会产生易于损坏的基座，例如由于此类材料在10s微米的厚度范围内的易碎性。然而，使基座部分224被支撑，例如形成为在支撑部分222上的涂层或被支撑部分222围绕，可以允许生产低成本的基座，但是其相对抗损坏。如上所述，由于支撑部分222不必需要提供易受感应加热影响的功能，因此支撑部分222可由更多种耐热材料(诸如成本可能相对低的金属、金属合金、陶瓷材料和塑料材料)制成。因此，复合基座210可以以相对低的成本制造。
现在参考图3，示意性地示出了示例复合基座310。示例复合基座210可以用作参考图1描述的气溶胶生成装置100中的复合基座110。除了图3所示的复合基座310包括耐热保护部分326之外，图3所示的复合基座310可以与上面参考图2描述的示例基座210相同。复合基座310包括支撑部分322(其可以与图2的复合基座210的支撑部分222相同或类似)，以及基座部分324(其可以与图2的复合基座210的基座部分224相同或类似)。在该示例中，基座部分324位于支撑部分322和保护部分326之间。
耐热保护部分326可以是基座部分324上的涂层。耐热保护部分326可以包括陶瓷材料、金属氮化物、氮化钛和类金刚石碳中的一者或多者。例如，可以使用物理气相沉积作为涂层来施加氮化钛和/或类金刚石碳。保护部分326可以保护基座部分324免受化学腐蚀(诸如表面氧化)，否则化学腐蚀可能倾向于发生，例如由于复合基座的感应加热，并且可能以其他方式缩短复合基座310的寿命。保护部分326替代地或另外地保护基座部分324免受机械磨损，否则机械磨损会缩短复合基座的寿命。保护部分326可以替代地或另外地减少来自基座部分324的热损失，否则该热损失会损失到环境中，并且因此保护部分326可以提高复合基座310的加热效率。
例如，在基座部分324是由诸如钴或镍的铁磁材料制成的情况下，基座部分324可能随着温度的升高而变得越来越容易受到氧化。这可以通过增加相对于未氧化金属表面的相对发射率(εr)来增加由于辐射造成的热损失，从而提高能量通过辐射损失的速率。如果辐射的能量最终损失到环境中，则此类辐射会减小系统的能量效率。氧化还可以减少基座部分324对化学腐蚀的抵抗力，这可能导致加热元件的使用寿命缩短。耐热保护部分326可以减少这些影响。如上所述，在一些示例中，可以通过物理气相沉积来施加保护部分326，但是在其他示例中，可以通过化学处理基座部分324来提供保护部分326，以促进在基座部分324上生长保护膜，或者使用诸如阳极氧化的过程来形成保护性氧化物层。在一些示例中，基座部分可以被封装，例如，耐热保护部分326和支撑部分322可以一起封装基座部分224。在一些示例中，耐热保护部分326可以封装基座部分324和支撑部分322。在一些示例中，耐热保护部分326可以具有低的或没有导电性，这可以防止在耐热保护部分326而不是基座部分324中感应电流。
根据示例，图4示意性地更详细地示出了上面参考图1描述的设备100的一些部件。与上面参考图1描述的那些部件相同或类似的部件被赋予相同的附图标记，并且将不再详细描述。
参考图4，驱动装置106包括驱动器432和驱动器控制器430。驱动器432电连接到电池104。具体地说，驱动器432连接到提供相对高的电位+v 434的电池104的正极端子，并且连接到提供相对低或没有或负电位GND 436的电池的负极端子或接地。因此，跨驱动器432建立电压。
驱动器432电连接到感应元件108。感应元件可以具有电感L。驱动器432可以经由包括具有电容C的电容器(未示出)和串联连接的感应元件108的电路(即，串联LC电路)电连接到感应元件108。
驱动器432被布置成在使用中从来自电池104的输入直流电流向感应元件108提供交流电。驱动器432电连接到驱动器控制器430(例如包括逻辑电路)。驱动器控制器430被布置成控制驱动器432或其部件，以从输入直流电流提供输出交流电。在一个示例中，如下面更详细描述的，驱动器控制器430可以被布置成控制在变化的时间向驱动器432的晶体管提供开关电位，以使得驱动器432产生交流电。驱动器控制器430可以电连接到电池104，从该电池104可以导出开关电位。
驱动器控制器430可以被布置成控制通过感应元件108驱动的交流电的频率。如上所述，LC电路可能会出现谐振。驱动器控制器208可以控制通过包括感应元件108的串联LC电路驱动的交流电的频率，使其等于或在LC电路的谐振频率附近。例如，驱动频率可在MHz(兆赫兹)范围内，例如在0.5MHz至2.5MHz的范围内，例如2MHz。将理解的是，例如，取决于所使用的特定电路(和/或其部件)和/或基座110，可以使用其他频率。例如，应理解，电路的谐振频率可以取决于电路的电感L和电容C，而电感L和电容C继而可以取决于所使用的电感器108、电容器(未示出)和基座110。应注意，在一些示例中，电容可以为零或接近零。在此类示例中，电路的谐振行为可以忽略不计。
驱动装置106可以被布置成控制产生的交流电的波形。在一个示例中，如下面更详细描述的，该波形可以是方波，例如双极性方波。在其他示例中，波形可以是三角波或锯齿波，或者实际上是包括具有第一频率的基频分量和各自具有比第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量的任何波形。在这方面，波形的基频是LC电路的驱动频率。
在使用中，当驱动器控制器430被例如用户激活时，驱动器控制器430可以控制驱动器432以驱动交流电通过感应元件108，从而感应加热基座110(然后可以加热气溶胶生成材料(图4中未示出)以产生供例如用户吸入的气溶胶)。
现在参考图5，示意性地更详细地示出了根据示例的驱动器432。图5所示的驱动器432可以用作上面参考图4描述的驱动器432，且/或可以用作上面参考图1和/或图4描述的驱动装置106的一部分。在该示例中，驱动器432是H桥驱动器432。驱动器432包括多个晶体管，在该示例中为四个晶体管Q1、Q2、Q3、Q4，这四个晶体管Q1、Q2、Q3、Q4以H桥构造布置(注意，以H桥构造布置或连接的晶体管可以被称为H桥)。H桥构造包括高端晶体管对Q1、Q2和低端晶体管对Q3、Q4。高端对的第一晶体管Q1与低端对的第三晶体管Q3电相邻，高端对的第二晶体管Q2与低端对的第四晶体管电相邻。高端对用于连接到第一电位+v 434，低端对用于连接到该第二电位GND 436，该第一电位+v 434高于第二电位GND436。在该示例中，驱动器432被布置成用于DC电源104(图5中未示出)跨晶体管Q1、Q2的高端对304之间的第一点545和晶体管Q3、Q4的低端对306之间的第二点546的连接。因此，在使用中，在第一点545和第二点546之间建立电位差。
图5所示的示例驱动器432电连接到感应元件108，并且被布置成驱动感应元件108。具体地说，感应元件108跨在高端晶体管对中的一个晶体管Q2和低端晶体管对中的一个晶体管Q4之间的第三点548和在高端晶体管对中的另一个晶体管Q1和低端第二晶体管对中的另一个晶体管Q3之间的第四点547之间连接。
在该示例中，每个晶体管是场效应晶体管Q1、Q2、Q3、Q4，可以由驱动器控制器(图5中未示出)分别经由控制线541、542、543、544提供的开关电位控制，以在使用中基本上允许电流通过。例如，每个场效应晶体管Q1、Q2、Q3、Q4被布置成使得当开关电位被提供给场效应晶体管Q1、Q2、Q3、Q4时，则场效应晶体管Q1、Q2、Q3、Q4基本上允许电流通过，并且当开关电位没有被提供给场效应晶体管Q1、Q2、Q3、Q4时，则场效应晶体管Q1、Q2、Q3、Q4基本上防止电流通过。
在该示例中，驱动器控制器(图5中未示出，但是参见图4中的驱动器控制器430)被布置成独立地经由电源线541、542、543、544控制向每个场效应晶体管供应开关电位，从而独立地控制每个相应的晶体管Q1、Q2、Q3、Q4是处于“导通”模式(即，其中电流通过的低电阻模式)还是“截止”模式(即，其中基本上没有电流通过的高电阻模式)。
通过控制向各个场效应晶体管Q1、Q2、Q3、Q4提供开关电位的时序，驱动器控制器430可以使得交流电提供给感应元件108。例如，在第一时间，驱动器控制器430可以处于第一开关状态，其中开关电位被提供给第一场效应晶体管Q1和第四场效应晶体管Q4，但是没有被提供给第二场效应晶体管Q2和第三场效应晶体管Q3。因此，第一场效应晶体管Q1和第四场效应晶体管Q4将处于低电阻模式，并且第二场效应晶体管Q2和第三场效应晶体管Q3将处于高电阻模式。因此，在第一时间，电流将从驱动器432的第一点545，通过第一场效应晶体管Q1，并且沿第一方向(在图5的意义上从左到右)通过感应元件108，通过第四场效应晶体管Q4，流动到驱动器432的第二点546。然而，在第二时间，驱动器控制器430可以处于第二开关状态，其中开关电位被提供给第二场效应晶体管Q2和第三场效应晶体管Q3，但是没有被提供给第一场效应晶体管Q1和第四场效应晶体管Q4。因此，第二场效应晶体管Q2和第三场效应晶体管Q3将处于低电阻模式，而第一场效应晶体管Q1和第四场效应晶体管Q4将处于高电阻模式。因此，在第二时间，电流将从驱动器432的第一点545，通过第二场效应晶体管Q2，沿与第一方向相反的第二方向(即，在图5的意义上从右向左)通过感应元件108，通过第三场效应晶体管Q3流动到驱动器432的第二点546。因此，通过在第一开关状态和第二开关状态之间交替，驱动器控制器430可以控制驱动器432以提供(即，驱动)交流电通过感应元件108。以此类方式，驱动器装置106因此可以驱动交流电通过感应元件108。
在该示例中，通过感应元件108驱动的交流电可以具有基本上方波。具体地说，交流电将具有基本上双极性方波(也就是说，交流电的波形具有正电流值的第一基本上方形的部分(即，在第一时间沿第一方向流动的电流)和负电流值的第二基本上方形部分(即，在第二时间沿着与第一方向相反的第二方向流动的电流)两者)。然而，如下面更详细描述的，在其他示例中，其他驱动装置106可以用于产生具有其他形式的交流电。例如，驱动装置106可以包括信号发生器(诸如能够生成一种或多种类型波形的函数发生器或任意波形发生器)，然后该信号发生器可以与诸如合适的放大器一起使用，以使得根据波形在感应元件108中驱动交流电。
现在参考图6a至图6j，图6b、图6d、图6f、图6h和图6j相应地示意性地示出了图6a、图6c、图6e、图6g和图6i的交流波形的频率分量在频率空间中的曲线图。
图6a示意性地示出了作为时间t的函数的交流电I的正弦波。正弦波的频率为F，换句话说，在图6a中，电流I根据等式I＝sin(2πFt)作为时间t的函数而变化。图6b示意性地示出了图6a中的正弦波的频率分量在频率空间中的曲线图。换句话说，图6b中的曲线可以被视为表示图6b的波形的傅立叶变换。具体而言，图6b绘制了波形的幅度A相对于频率f的曲线。在图6b的示意图中，幅度A已经被归一化从而对于频谱的最大幅度A为1。图6b的曲线图示出了图6a的纯正弦波在频率F处仅一个频率分量。换句话说，图6a的正弦波的所有幅度或能量都包含在频率F(即，波形的基频分量)处。
图6c示意性地示出了交流电I的另一个示例波形作为时间t的函数的曲线图。在该示例中，波形包括具有频率F的基本正弦分量，以及具有频率2F的另一个正弦分量。换句话说，在图6c中，电流I根据等式I＝sin(2πFt+Bsin(2π2Ft)作为时间t的函数而变化，其中B是任意常数。图6d示意性地示出了图6c中的波形的频率分量在频率空间中的曲线图(即，频率f相对于幅度A)。同样，幅度A已经被归一化以便对于频谱的最大幅度A为1。图6d的曲线图示出了图6c的波形具有具有频率为F的基频分量，以及具有频率为2F的另一个频率分量。如图所示，图6c的波形的一些幅度或能量包含在频率F(即，波形的基频分量)处，并且该波形的一些幅度或能量包含在频率2F(即，频率是F的两倍)处。
图6e示意性地示出了交流电I的波形作为时间t的函数的另一个示例图。在该示例中，波形是方波，特别是双极性方波(即，其中波形包括正电流的方形部分，随后是负电流的方形部分)。在该示例中，方波具有基频F。众所周知，方波的傅立叶展开包括正弦波的和(在理想情况下是无限和，但实际上不是无限的)，其包括频率为F的基频分量，以及频率为F的奇整数k倍的其他频率分量，其中频率分量的相对幅度由1/k给出。例如，如果频率F的基频分量的幅度取为1，则在频率3F处的第一其他频率分量的幅度将是1/3，在频率5F的第二频率分量的幅度将是1/5，在频率7F的第三频率分量的幅度将是1/7，依此类推。为了便于参考，可以根据惯例(F)+1/3(3F)+1/5(5F)+1/7(7F)+…来表示该串联。图6f示意性地示出了图6e中的波形的频率分量在频率空间中的曲线图(即，频率f相对于幅度A)。同样，幅度A已经被归一化以便对于频谱的最大幅度A为1。图6f的曲线图示出，方波包括具有频率F的基频分量，以及基本频率F的奇数整数倍(奇次谐波)(即，3F、5F等)的其他频率分量，使得相对幅度表示为1(F)；1/3(3F)；1/5(5F)等。换句话说，如图所示，图6e的波形的一些幅度或能量包含在频率F(即，波形的基频分量)处；在频率3F处的其他频率分量中包含的能量是基频分量中的三分之一，并且在频率5F处的其他频率分量中包含的能量是基频分量中的五分之一(依此类推)。通常，方波的约80％的能量包含在基频分量内，方波的约20％的能量包含在较高频率的其他频率分量中。
图6g示意性地示出了交流电I的波形作为时间t的函数的另一个示例图。在该示例中，波形是三角波。在该示例中，三角波具有基频F。众所周知，三角波的傅立叶展开包括正弦波的和(在理想情况下是无限和，但实际上不是无限的)，符合(F)-1/9(3F)+1/25(5F)-1/49(7F)+…的序列(以上述引入的惯例的形式)。图6h示意性地示出了图6g中的波形的频率分量在频率空间中的曲线图(即，频率f相对于幅度A)。同样，幅度A已经被归一化以便对于频谱的最大幅度A为1。图6h的曲线图示出，三角波包括具有频率F的基频分量，以及基频F的奇整数倍(奇次谐波)(即，3F、5F等)的其他频率分量，使得相对幅度表示为1(F)；1/9(3F)；1/25(5F)等。换句话说，如图所示，图6g的波形的一些幅度或能量包含在频率F(即，波形的基频分量)处；在频率3F处的其他频率分量中包含的能量是基频分量中的九分之一，并且在频率5F处的其他频率分量中包含的能量是基频分量中的二十五分之一(依此类推)。
图6i示意性地示出了交流电I的波形作为时间t的函数的另一个示例曲线图。在该示例中，波形是锯齿波。在该示例中，锯齿波具有基频F。众所周知，锯齿波的傅立叶展开包括正弦波的和(在理想情况下是无限和，但实际上不是无限的)，符合(F)-1/2(2F)+1/3(3F)-1/4(4F)+…的序列(以上述引入的惯例的形式)。图6j示意性地示出了图6i中的波形的频率分量在频率空间中的曲线图(即，频率f相对于幅度A)。同样，幅度A已经被归一化以便对于频谱的最大幅度A为1。图6j的曲线图说明，锯齿波包括具有频率F的基频分量，以及基频F的整数倍(谐波)(即，2F、3F等)的其他频率分量，使得相对幅度表示为1(F)；1/2(2F)；1/3(3F)等。换句话说，如图所示，图6i的波形的一些幅度或能量包含在频率F(即，波形的基频分量)处；在频率2F处的其他频率分量中包含的能量是基频分量中的二分之一，并且在频率3F处的其他频率分量中包含的能量是基频分量中的三分之一(依此类推)。
因此，在图6c、图6e、图6g和图6i(例如，方形、三角形、锯齿形)的每个中，交流电具有的波形包括具有第一频率(例如F)的基频分量和各自具有比第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量。例如，第一频率可以是0.5MHz至2.5MHz范围内的频率F，并且一个或多个其他频率分量中的每个其他频率分量的频率可以是nF，其中n是大于1的正整数。例如，在方波(或其他波形)的情况下，n可以是大于1的奇正整数。例如，第一频率F可以是2MHz，并且在方波(或其他波形)的情况下，第一其他频率分量的频率可以是3*2MHz，即，6MHz。应理解，除了图6c、图6e、图6g和图6i中示出的示例之外，还有许多示例波形，其包括具有第一频率(例如，F)的基频分量和各自具有比第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量，这可以被替代使用。尽管如此，要注意的是，在符合所描述的标准的可能波形中，方波在较高阶频率分量中具有高比例(约20％)的能量，并且因此可在减少基座的基座部分中感应的交流电的趋肤深度方面提供特别的益处，如下面更详细描述的。
如上所述，趋肤深度可以限定为由感应元件108产生的交变磁场穿透到基座部分中以使得感应加热的特征深度。具体地说，趋肤深度可以限定为在基座的表面下方感应电流密度下降到其在基座的表面处的值的1/e(即，约0.37)的深度。趋肤深度取决于感应电流的频率f，并且因此继而取决于感应元件产生的交变磁场的频率，并且因此继而取决于驱动通过感应元件的交变电流的频率。例如，感应电流的频率可以与通过感应元件驱动的交流电的频率相同。具体地说，趋肤深度δ可由下式给出：
Figure BDA0003109896220000191
其中ρ是基座的电阻率，f是感应电流的频率(可能与驱动通过感应元件的交流电的频率相同)，并且μ＝μrμ0，其中μr是基座的相对磁导率，并且μ0是自由空间的磁导率。
用具有包括具有第一频率的基频分量和具有比第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量的波形的电流驱动感应元件，这继而使得由感应元件产生的交变磁场包括具有第一频率的基频分量和具有比第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量，这继而使得基座中感应的交流电包括具有第一频率的基频分量和具有比第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量。感应电流的其他频率分量与比感应电流的基频分量小的趋肤深度相关联。因此，例如与单独使用基本频率相比，用具有包括基频分量和一个或多个较高频率分量的波形的交流电驱动感应元件可以允许从感应元件到基座的较大比例的感应能量传送发生在离感应元件表面相对小的距离处。这可能会带来优势。
例如，从感应元件到基座的较大比例的感应能量传送发生在离感应元件表面相对小的距离处，可以允许基座部分224、324的厚度减少，同时仍然基本上维持给定的感应能量传送效率。例如，具有频率为F的纯正弦波的交流电可在频率为F时发生100％的感应能量传送，并且因此可以具有一定的趋肤深度，在该趋肤深度内发生给定比例的感应能量传送。然而，对于具有相同基频F的方波交流电，约20％的感应能量传送由较高频率的其他频率分量提供(并且因此相关联的趋肤深度更低)，并且因此其内发生感应能量传送的给定比例的趋肤深度将被减小。因此，基座部分224、324可以做得较薄(与使用纯正弦波的情况相比)，而不减小给定的吸收效率。因此，较少的材料(例如铁磁材料，例如镍或钴)可以用于基座部分，这继而可以允许基座部分的成本减少和/或基座部分224、324的生产效率增加。
作为另一个示例，在距感应元件表面相对小的距离处发生从感应元件到基座的较大比例的感应能量传送，可以允许对于给定的基座部分厚度(例如，其中一个的趋肤深度可能以其他方式大于基座部分的厚度)增加感应能量传送效率。例如，给定的基座部分224、324可以具有给定的厚度。当使用频率为F的纯正弦波交流电时，趋肤深度可以大于基座部分224、324的厚度，并且因此可以实现相对低的感应能量传送。然而，对于具有相同基本频率F的方波交流电，约20％的感应能量传送由较高频率的其他频率分量提供(并且因此相关联的趋肤深度更低)，并且因此可以有相对较高感应能量传送到具有给定厚度的基座部分，并且因此可以相对提高感应能量传送到基座部分224、324的效率。
参考图7，示出了操作气溶胶生成设备的示例方法。例如，气溶胶生成设备可以是上面参考图1至图5中的任一个描述的气溶胶生成设备100。例如，气溶胶生成设备100可以包括复合基座110、210、310，该复合基座110、210、310被布置成用于加热气溶胶生成材料116，从而生成气溶胶。如上所描述的，复合基座可以包括耐热支撑部分222、322和由支撑部分222、322支撑的基座部分224、324。例如，如上所描述的，支撑部分222、322可以是或包括金属(诸如不锈钢、铝、钢、铜)中的一种或多种；金属合金、陶瓷材料和塑料材料，和/或高温(即，耐热)聚合物，诸如聚醚醚酮(PEEK)和/或卡普顿(Kapton)。在一些示例中，支撑部分可以包括纸。例如，如上所描述的，基座部分224、324可以是或包括铁磁材料(例如镍或钴)，例如形成为在支撑结构上的涂层，例如具有的厚度小于50微米，例如小于20微米，例如在10和20微米之间，或者例如几微米。该设备还可以包括感应元件108，该感应元件108被布置成用于将感应能量至少传送到复合基座210的基座部分224、324。
该方法包括：在步骤700中，用交流电驱动感应元件108，从而使得感应能量传送到基座部分224、324，从而使得复合基座110、210、310加热气溶胶生成材料116，从而生成气溶胶；其中交流电具有包括具有第一频率(F)的基频分量和具有比第一频率(F)高的频率的一个或多个其他频率分量的波形。例如，如上所描述的，一个或多个其他频率分量可以是基频分量的谐波(即，具有基频的整数倍的频率)，例如，奇次谐波(即，具有基频的奇整数倍的频率)。例如，如上所描述的，该波形可以是三角波、锯齿波和方波中的一个。例如，如上所描述的，波形可以是双极性方波。用交流电驱动感应元件可由驱动器装置来执行，例如，上面参考图1至图6中的任一个描述的驱动器装置106，该驱动器装置106可以例如包括控制为产生具有方波的驱动电流的H桥装置中的晶体管，如上所描述的。
以与上面描述类似的方式，该方法可以减少基座部分224、324的成本，同时仍然基本上维持给定的感应能量传送效率(以及因此气溶胶生成效率)，且/或允许对于给定的基座部分224、324厚度的改善的感应能量传送效率(以及因此气溶胶生成效率)。
因此，根据以上示例，可以提供一种用于产生气溶胶的改善的气溶胶生成装置和方法。
在上述示例中，感应元件108由具有包括基频分量和一个或多个较高频率分量(例如谐波)的波形(例如方波)的交流电驱动，以使得感应能量传送到复合基座110、210、310的基座部分223、324，复合基座110、210、310包括基座部分224、324和支撑基座部分224、324的支撑部分。上面讨论了这种布置的一些益处。但是，还应注意以下几点：
由于支撑部分222支撑基座部分224、324，因此基座部分224可以做得很薄(例如50微米，例如不超过20微米，例如在约10至20微米之间，例如约15微米或例如几微米)，因为基座部分224、324不需要支撑自身。具有薄的基座部分224、324可以带来许多益处。例如，基座部分224、324的质量可以相对小，并且因此对于给定的感应能量传送，基座部分224、324可以相对快速地加热，并且因此继而可以增加气溶胶生成材料的加热速率，这可以提供更灵敏的加热性能和/或提高整体能量效率。作为另一个示例，基座部分224材料的量可以相对小，从而节省基座材料的成本。作为另一个示例，基座部分224、324的厚度可以相对小，这可以减少与例如通过沉积、化学和/或电化学电镀和/或真空蒸发制造基座部分224、324相关联的时间和成本。作为另一个示例，对于例如通过沉积或蒸发来制造基座部分，沉积的基座部分层的形态可能随着层的厚度的增加而变差，并且因此具有薄的基座部分224、324可以允许层的整体质量相对高，这可以允许例如改善的性能。
因此，复合基座110、210、310允许使用相对薄的基座部分224、324，这可以具有如上所述的益处。然而，相对薄的基座部分224、324原则上可能具有以下缺点：从感应元件108向相对薄的基座部分224、324传送感应能量的效率可能相对小。例如，如上所描述的，这可能是因为趋肤深度(由感应元件108产生的交变磁场穿透基座部分以使得感应加热的特征深度)可能大于基座部分224、324的厚度，这意味着从感应元件108到基座部分224、324的感应能量传送的耦合效率可能相对低。然而，根据本文所描述的示例，可以通过用具有包括基频分量和一个或多个较高频率分量(例如谐波)的波形的交流电驱动感应元件108来解决复合基座110、210、310的这种潜在缺点。由于趋肤深度随着频率的增加而减小，因此较高频率分量可以帮助确保，使得对于复合基座110、210、310的相对薄的基座部分224、324，仍然可以实现从感应元件108到基座部分224、324的感应能量传送的相对高耦合效率。这可以例如在不增加驱动交流电的基本频率的情况下实现。如上所描述的，在此类波形中，方波(诸如双极性方波)在较高频率分量中具有特别高的能量比例，并且因此可以允许到复合基座110、210、310的基座部分224、324的特别高的耦合效率。而且，如所描述的，可以使用相对便宜且不复杂的驱动器装置432来生成方波，例如双极性方波。
因此，复合基座110、210、310和用具有包括基频分量和一个或多个较高频率分量的波形(例如，方波)的交流电驱动感应元件的组合可以允许例如减少成本，同时帮助确保相对高的能量传送效率，并且因此可以允许改善的气溶胶生成装置和方法。
尽管在上述某些示例中，复合基座的基座部分包括在支撑部分上的涂层，但是在其他示例中，基座部分和支撑部分可以各自包括一片材料。支撑部分可以与基座部分分离。支撑部分然后可以邻接基座部分以支撑基座部分，例如支撑部分可以围绕基座部分。例如，基座部分可以包括第一片材料，第一片材料被配置为围绕气溶胶生成材料包裹，而支撑部分包括第二片材料，第二片材料被配置为围绕第一片材料包裹以支撑第一片材料。在一个此类示例中，支撑部分由纸形成。基座部分可由用于由于交变磁场而生成热量的任何合适的材料形成。例如，基座部分可以包括铝。
以上示例应被理解为本发明的说明性示例。应理解，关于任一个示例所描述的任何特征可以单独使用，或者与所描述的其他特征组合使用，并且还可以与任何其他示例的一个或多个特征组合使用，或者与任何其他其他示例的任何组合组合使用。此外，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，还可以采用上面未描述的等效物和修改。

Claims (28)

1.一种气溶胶生成设备，包括：
复合基座，用于在使用中加热气溶胶生成材料从而在使用中生成气溶胶，其中所述复合基座包括支撑部分和由所述支撑部分支撑的基座部分；
感应元件，被布置成用于在使用中将感应能量传送到所述基座部分；以及
驱动装置，被布置成在使用中用交流电驱动所述感应元件，从而在使用中使得所述感应能量传送到所述基座部分，从而在使用中使得所述复合基座加热所述气溶胶生成材料，从而在使用中生成所述气溶胶；
其中，所述交流电具有包括具有第一频率的基频分量和各自具有比所述第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量的波形。
2.根据权利要求1所述的气溶胶生成设备，其中，所述基座部分形成为所述支撑部分上的涂层。
3.根据权利要求1所述的气溶胶生成设备，其中，所述基座部分包括第一片材料，并且所述支撑部分包括第二片材料，所述第二片材料被配置为邻接所述基座部分以支撑所述基座部分。
4.根据权利要求3所述的气溶胶生成设备，其中，所述支撑部分被配置为围绕所述基座部分。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述基座部分的厚度基本上不超过50微米。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述基座的厚度基本上不超过20微米。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述基座部分包括铁磁材料。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述基座部分包括镍和钴中的一者或多者。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述基座部分包括铝。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述一个或多个其他分量是所述基频分量的谐波。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述第一频率是在0.5MHz至2.5MHz范围内的频率F，并且所述一个或多个其他频率分量中的每个分量的频率是nF，其中n是大于1的正整数。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述波形是基本上三角波、基本上锯齿波和基本上方波中的一个。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述波形是双极性方波。
14.根据权利要求13所述的气溶胶生成设备，其中，所述驱动装置包括以H桥构造布置并且能够控制以提供所述双极性方波的晶体管。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述支撑部分包括金属、金属合金、陶瓷材料、塑料材料和纸中的一者或多者。
16.根据权利要求1至16中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述复合基座包括耐热保护部分，其中，所述基座部分位于所述支撑部分和所述保护部分之间。
17.根据权利要求16所述的气溶胶生成设备，其中，所述耐热保护部分是所述基座部分上的涂层。
18.根据权利要求16或17所述的气溶胶生成设备，其中，所述耐热保护部分包括陶瓷材料、金属氮化物、氮化钛和金刚石中的一者或多者。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述复合基座基本上是平面的。
20.根据权利要求1至18中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述复合基座基本上是管状的。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的气溶胶生成设备，其中，所述设备包括所述气溶胶生成材料，其中，所述气溶胶生成材料与所述复合基座热接触。
22.根据权利要求21所述的气溶胶生成设备，其中，所述气溶胶生成材料包括烟草和/或一种或多种湿润剂。
23.一种操作气溶胶生成设备的方法，所述气溶胶生成设备包括复合基座，所述复合基座被布置成用于加热气溶胶生成材料从而生成气溶胶，所述复合基座包括支撑部分和由所述支撑部分支撑的基座部分；所述设备还包括感应元件，所述感应元件被布置成用于将感应能量传送到所述基座部分；所述方法包括：
用交流电驱动所述感应元件，从而使得所述感应能量传送到所述基座部分，从而使得所述复合基座加热所述气溶胶生成材料，从而生成所述气溶胶；
其中，所述交流电具有包括具有第一频率的基频分量和各自具有比所述第一频率高的频率的一个或多个其他频率分量的波形。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述一个或多个其他频率分量是所述基频分量的谐波。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述第一频率是在0.5MHz至2.5MHz范围内的频率F，并且所述一个或多个其他频率分量中的每个分量的频率是nF，其中n是大于1的正整数。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的方法，其中，所述波形是三角波、锯齿波和方波中的一个。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，其中，所述波形是双极性方波。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的方法，其中，所述气溶胶生成设备是根据权利要求1至22中任一项所述的气溶胶生成设备。
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