ES2682744T3 - Dispositivo de calentamiento inductivo, sistema de suministro de aerosol que comprende un dispositivo de calentamiento inductivo, y un método de operación del mismo - Google Patents

Dispositivo de calentamiento inductivo, sistema de suministro de aerosol que comprende un dispositivo de calentamiento inductivo, y un método de operación del mismo Download PDF

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Abstract

Dispositivo de calentamiento inductivo (1) para calentar un sustrato formador de aerosol (20) que comprende un susceptor (21), el dispositivo de calentamiento inductivo (1) comprende: - un alojamiento del dispositivo (10) - una fuente de energía de CD (11) para proporcionar en operación una tensión de suministro de CD (VCD) y una corriente de CD (ICD), - una electrónica de suministro de energía (13) que se configura para operar a alta frecuencia, la electrónica de suministro de energía (13) comprende un convertidor de CD/CA (132) conectado a la fuente de energía de CD (11), el convertidor de CD/CA (132) comprende un circuito de carga LC (1323) configurado para operar a baja carga óhmica (1324), en donde el circuito de carga LC (1323) comprende una conexión en serie de un capacitor (C2) y un inductor (L2) que tiene una resistencia óhmica (RBobina), - una cavidad (14) dispuesta en el alojamiento del dispositivo (10), la cavidad tiene una superficie interna configurada para acomodar al menos una porción del sustrato formador de aerosol (20), la cavidad (14) se dispone de manera que, después de acomodar la porción del sustrato formador de aerosol (20) en la cavidad (14), el inductor (L2) del circuito de carga LC (1323) se acopla inductivamente al susceptor (21) del sustrato formador de aerosol (20) durante la operación, caracterizada porque la electrónica de suministro de energía (13) comprende además un microcontrolador (131) programado para que en operación determine a partir de la tensión de suministro de CD (VCD) de la fuente de energía de CD (11) y a partir de la corriente de CD (ICD) demandada de la fuente de energía de CD (11) una resistencia óhmica aparente (Ra), y programado además para que en operación determine a partir de la resistencia óhmica aparente (Ra) la temperatura (T) del susceptor (21) del sustrato formador de aerosol (20).

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo de calentamiento inductivo, sistema de suministro de aerosol que comprende un dispositivo de calentamiento inductivo, y un metodo de operacion del mismo
La presente invencion se refiere a un dispositivo de calentamiento inductivo para calentar un sustrato formador de aerosol. La presente invencion se refiere ademas a un sistema de suministro de aerosol que comprende tal dispositivo de calentamiento inductivo. La presente invencion se refiere ademas a un metodo de operar tal sistema de suministro de aerosol.
De la tecnica anterior se conocen los sistemas de suministro de aerosol los cuales comprenden un sustrato formador de aerosol, tfpicamente un tapon que contiene tabaco. Para calentar el tapon de tabaco hasta una temperatura en la cual es capaz de liberar componentes volatiles que pueden formar un aerosol, un elemento de calentamiento tal como una lamina de calentamiento (tfpicamente hecha de metal) se inserta dentro del tapon de tabaco. La temperatura de la lamina de calentamiento, la cual esta en contacto directo con el sustrato formador de aerosol (el tapon de tabaco), se determina como la representativa de la temperatura del sustrato formador de aerosol. La temperatura de la lamina de calentamiento se calcula mediante el uso de la conocida relacion entre la resistencia ohmica de la lamina de calentamiento y la temperatura de la lamina de calentamiento. Por lo tanto, durante el calentamiento, mediante el monitoreo de la resistencia ohmica de la lamina de calentamiento (por ejemplo a traves de las mediciones de tension y amperaje) la temperatura de la lamina de calentamiento puede determinarse en cualquier momento durante un proceso de fumar.
Otros sistemas de suministro de aerosol comprenden un dispositivo de calentamiento inductivo en lugar de una lamina de calentamiento. El dispositivo de calentamiento inductivo comprende un inductor dispuesto en la cercanfa termica del sustrato formador de aerosol, y el sustrato formador de aerosol comprende un susceptor. El campo magnetico alterno del inductor genera corrientes parasitas y perdidas de histeresis en el susceptor, que provocan que el susceptor caliente el sustrato formador de aerosol hasta una temperatura en la cual es capaz de liberar componentes volatiles que pueden formar un aerosol. Debido a que el calentamiento del susceptor se realiza de una manera que no existe contacto, no hay forma directa de medir la temperatura del sustrato formador de aerosol.
Un dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con el preambulo de la reivindicacion 1 se describe en el documento US 5,613,505.
Puede desearse ademas poder medir y controlar la temperatura de operacion del sustrato formador de aerosol en una forma eficiente, en sustratos formadores de aerosoles calentados inductivamente. De esta manera, se necesita un dispositivo de calentamiento inductivo para calentar un sustrato formador de aerosol, en donde puedan lograrse las mediciones de temperatura del sustrato formador de aerosol. Se necesita ademas un sistema de suministro de aerosol que comprenda la medicion de la temperatura del sustrato formador de aerosol.
La invencion sugiere un dispositivo de calentamiento inductivo para calentar un sustrato formador de aerosol que comprende un susceptor. El dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion comprende:
- un alojamiento del dispositivo
- una fuente de energfa de CD que en operacion proporciona una tension de suministro de CD y una corriente de CD,
- una electronica de suministro de energfa configurada para operar a alta frecuencia, la electronica de suministro de energfa comprende un convertidor de CD/CA conectado a la fuente de energfa de CD, el convertidor de CD/CA comprende un circuito de carga LC configurado para operar a baja carga ohmica, en donde el circuito de carga Lc comprende una conexion en serie de un capacitor y un inductor que tienen una resistencia ohmica,
- una cavidad dispuesta en el alojamiento del dispositivo, la cavidad tiene una superficie interna conformada para acomodar al menos una porcion del sustrato formador de aerosol, la cavidad se dispone de manera que, despues de acomodar la porcion del sustrato formador de aerosol en la cavidad, el inductor del circuito de carga LC se acopla inductivamente al susceptor del sustrato formador de aerosol durante la operacion.
La electronica de suministro de energfa comprende ademas un microcontrolador programado para que en operacion determine, a partir de la tension de suministro de CD de la fuente de energfa de CD y de la corriente de CD demandada de la fuente de energfa de CD, una resistencia ohmica aparente, y programado ademas para que en operacion determine, a partir de la resistencia ohmica aparente, la temperatura del susceptor del sustrato formador de aerosol.
El sustrato formador de aerosol es preferentemente un sustrato capaz de liberar compuestos volatiles que pueden formar un aerosol. Los compuestos volatiles se liberan mediante el calentamiento del sustrato formador de aerosol. El sustrato formador de aerosol puede ser solido o lfquido, o puede comprender componentes tanto solidos como lfquidos. En una modalidad preferida, el sustrato formador de aerosol es solido.
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El sustrato formador de aerosol puede comprender nicotina. El sustrato formador de aerosol que contiene nicotina puede ser una matriz de sal de nicotina. El sustrato formador de aerosol puede comprender un material de origen vegetal. El sustrato formador de aerosol puede comprender tabaco, y preferentemente el material que contiene tabaco contiene compuestos volatiles con sabor a tabaco, los cuales se liberan del sustrato formador de aerosol al calentarse.
El sustrato formador de aerosol puede comprender un material de tabaco homogeneizado. El material de tabaco homogeneizado puede formarse por aglomeracion de partfculas de tabaco. Donde este presente, el material de tabaco homogeneizado puede tener un contenido del formador de aerosol de igual o mayor que el 5 % sobre una base de peso en seco, y preferentemente entre mas del 5 % y un 30 % en peso sobre una base de peso en seco. Alternativamente, el sustrato formador de aerosol puede comprender un material que no contiene tabaco. El sustrato formador de aerosol puede comprender un material de origen vegetal homogeneizado.
El sustrato formador de aerosol puede comprender al menos un formador de aerosol. El formador de aerosol puede ser cualquier compuesto o mezcla de compuestos conocidos adecuados que, durante el uso, facilitan la formacion de un aerosol denso y estable que es esencialmente resistente a la degradacion termica en la temperatura de operacion del dispositivo generador de aerosol. Los formadores de aerosol adecuados se conocen bien en la tecnica e incluyen, pero no se limitan a: los alcoholes polihfdricos, tales como el trietilenglicol, 1,3-butanoidol y la glicerina; los esteres de alcoholes polihfdricos, tales como el mono-, di- o triacetato de glicerol; y los esteres alifaticos de acidos mono-, di- o policarboxflicos, tales como el dodecanodioato de dimetilo y el tetradecanodioato de dimetilo. Particularmente, los formadores de aerosol preferidos son los alcoholes polihfdricos o sus mezclas, tales como el trietilenglicol, 1,3-butanodiol y, la mas preferida, la glicerina. El sustrato formador de aerosol puede comprender otros aditivos e ingredientes, tales como saborizantes. El sustrato formador de aerosol puede comprender preferentemente nicotina y al menos un formador de aerosol. En una modalidad particularmente preferida, el formador de aerosol es la glicerina.
La fuente de energfa de CD generalmente puede comprender cualquier fuente de energfa de CD adecuada que comprenda en particular una unidad de suministro de energfa conectada a la red electrica, una o mas baterfas desechables, baterfas recargables o cualquier otra fuente de energfa de CD adecuada capaz de proporcionar la tension de suministro de CD requerida y el amperaje de suministro de CD requerido. En una modalidad, la tension de suministro de CD de la fuente de energfa de CD esta en el intervalo de aproximadamente 2,5 Volts a aproximadamente 4,5 Volts y el amperaje de suministro de CD esta en el intervalo de aproximadamente 2,5 a aproximadamente 5 Amperes (que corresponde a una potencia de suministro de CD en el intervalo de aproximadamente 6,25 Watts y aproximadamente 22,5 Watts). Preferentemente, la fuente de energfa de CD comprende baterfas recargables. Tales baterfas estan disponibles generalmente y tiene un volumen general aceptable de entre aproximadamente 1,2-3,5 centfmetros cubicos. Tales baterfas pueden tener esencialmente una forma solida cilfndrica o rectangular. Ademas, la fuente de energfa de CD puede comprender una bobina de alimentacion de CD.
Como regla general, cuando se usa la expresion "alrededor de" en relacion con un valor en particular a lo largo de la presente solicitud, esta debe entenderse de manera que el valor a continuacion de la expresion "alrededor de" no tiene por que ser exactamente el valor en particular debido a consideraciones tecnicas. Sin embargo, la expresion "alrededor de" usada en relacion con un valor en particular siempre debe entenderse que incluye y que tambien describe explfcitamente el valor en particular a continuacion de la expresion "alrededor de".
La electronica de suministro de energfa se configura para operar a alta frecuencia. Para el proposito de esta solicitud, el termino “alta frecuencia” debe entenderse que denota un frecuencia en el intervalo de aproximadamente 1 Megahertz (MHz) a aproximadamente 30 Megahertz (MHz), en particular de aproximadamente 1 Megahertz (MHz) a aproximadamente 10 MHz (incluido el intervalo de 1 MHz a 10 mHz), aun mas particularmente de aproximadamente 5 Megahertz (MHz) a aproximadamente 7 Megahertz (MHz) (incluido el intervalo de 5 MHz a 7 MHz).
La electronica de suministro de energfa comprende un convertidor de CD/CA que se conecta a la fuente de energfa de CD.
El circuito de carga LC del convertidor de CD/CA (el cual puede tener la modalidad de un inversor de CD/CA) se configura para operar a baja carga ohmica. El termino “baja carga ohmica” debe entenderse que denota una carga ohmica menor que aproximadamente 2 Ohms. La red de carga LC comprende un capacitor de derivacion, y una conexion en serie de un capacitor y un inductor que tiene una resistencia ohmica. Esta resistencia ohmica del inductor tfpicamente es de unas pocas decimas de Ohm. En operacion, la resistencia ohmica del susceptor se adiciona a la resistencia ohmica del inductor y debe ser mayor que la resistencia ohmica del inductor, ya que la energfa electrica suministrada debe convertirse en calor en el susceptor tanto como sea posible para aumentar la eficiencia del amplificador de potencia y permitir la transferencia de tanto calor como sea posible desde el susceptor al resto del sustrato formador de aerosol para producir eficazmente el aerosol.
Un susceptor es un conductor el cual es capaz de calentarse inductivamente. "Cercanfa termica" significa que el
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susceptor se ubica en relacion al resto del sustrato formador de aerosol de manera que una adecuada cantidad de calor se transfiere desde el susceptor al resto del sustrato formador de aerosol para producir el aerosol.
Debido a que el susceptor no es solo magneticamente permeable sino que ademas es electricamente conductor (es un conductor, ver anteriormente), una corriente conocida como corriente parasita se produce en el susceptor y fluye en el susceptor de conformidad con la ley de Ohm. El susceptor debe tener baja resistividad electrica p para aumentar la disipacion del calor de Joule. Adicionalmente, la frecuencia de la corriente alterna parasita debe considerarse debido al efecto superficial (mas del 98 % de la corriente electrica fluye dentro de una capa de cuatro veces la profundidad superficial 6 desde la superficie externa del conductor). Tomandose esto en cuenta la resistencia ohmica Rs del susceptor se calcula a partir de la ecuacion
Rs = 72nfpp0Pr en donde
f denota la frecuencia de la corriente alterna parasita
|J0 denota la permeabilidad magnetica del espacio libre
|Jr denota la permeabilidad magnetica relativa del material del susceptor, y
p denota la resistividad electrica del material del susceptor.
La perdida de potencia Pe que se genera por la corriente parasita se calcula por la formula Pe = I2Rs en donde
I denota el amperaje (rms) de la corriente parasita, y
Rs denota la resistencia ohmica electrica del susceptor (ver anteriormente)
A partir de esta ecuacion para Pe y a partir del calculo de Rs puede observarse que para un material que tiene una permeabilidad magnetica relativa conocida Jr y una resistividad electrica dada p es evidente que la perdida de potencia Pe que se genera por la corriente parasita (a traves de la conversion en calor) aumenta con el aumento de la frecuencia y el aumento del amperaje (rms). Por otra parte, la frecuencia de la corriente alterna parasita (y en correspondencia del campo magnetico alterno que induce la corriente parasita en el susceptor) no se puede
aumentar arbitrariamente, ya que la profundidad superficial 6 disminuye a medida que aumenta la frecuencia de la
corriente parasita (o del campo magnetico alterno que induce la corriente parasita en el susceptor), asf que por encima de una cierta frecuencia de corte no se pueden generar mas corrientes parasitas en el susceptor ya que la profundidad superficial es muy pequena para permitir que se generen corrientes parasitas. Aumentar el amperaje (rms) requiere un campo magnetico alterno que tenga una densidad de flujo magnetico alta y esto requiere voluminosas fuentes de induccion (inductores).
Adicionalmente, el calor se produce en el susceptor a traves del mecanismo de calentamiento asociado con la histeresis. La perdida de potencia que se genera por histeresis se calcula a partir de la ecuacion
Ph = V ■ Wh ■ f
en donde
V denota el volumen del susceptor
Wh denota el trabajo que se requiere para magnetizar el susceptor a lo largo de un lazo de histeresis en un
diagrama B-H, y
f denota la frecuencia del campo magnetico alterno.
El trabajo Wh que se requiere para magnetizar el susceptor a lo largo de un lazo de histeresis puede expresarse ademas como
Wh = §H-dB
La cantidad maxima posible de Wh depende de la propiedades del material del susceptor (remanencia de saturacion Br, coercividad He), y la cantidad real de Wh depende del lazo real de magnetizacion B-H inducido en el susceptor por el campo magnetico alterno, y este lazo real de magnetizacion B-H depende de la magnitud de la excitacion magnetica.
Hay un tercer mecanismo que genera calor (perdida de potencia) en el susceptor. Esta generacion de calor se provoca por las perdidas dinamicas de los dominios magneticos en el material del susceptor magneticamente
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permeable cuando el susceptor esta sometido a un campo magnetico alterno externo, y estas perdidas dinamicas ademas aumentan generalmente cuando aumenta la frecuencia del campo magnetico alterno.
Para ser capaz de generar el calor en el susceptor de acuerdo con los mecanismos descritos anteriormente (principalmente a traves de las perdidas de corriente parasita y las perdidas de histeresis), se dispone una cavidad en el alojamiento del dispositivo. La cavidad tiene una superficie interna conformada para acomodar al menos una porcion del sustrato formador de aerosol. La cavidad se dispone de manera que al acomodar la porcion del sustrato formador de aerosol en la cavidad el inductor de la red de carga LC se acopla inductivamente al susceptor en el sustrato formador de aerosol durante el funcionamiento. Esto significa, que el inductor de la red de carga Lc se usa para calentar el susceptor a traves de la induccion magnetica. Esto elimina la necesidad de componentes adicionales tales como redes de adaptacion para hacer corresponder la impedancia de salida del amplificador de potencia de Clase E con la carga, y permitir asf minimizar adicionalmente el tamano de la electronica de suministro de energfa.
De forma general, el dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion proporciona un dispositivo de calentamiento limpio y robusto, eficiente, pequeno y facil de manipular debido al calentamiento inducido del sustrato. Para los susceptores que forman cargas ohmicas bajas como los especificados anteriormente, aunque tienen una resistencia ohmica significativamente mayor que la resistencia ohmica del inductor de la red de carga LC, es de esta manera posible alcanzar temperaturas del susceptor en el intervalo de 300-400 grados centfgrados solo en cinco segundos o en un intervalo de tiempo el cual es incluso menor que cinco segundos, mientras que al mismo tiempo la temperatura del inductor es baja (debido a que una inmensa mayorfa de la energfa se convierte en calor en el susceptor).
Como ya se menciono, de acuerdo con un aspecto del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion el dispositivo se configura para calentar un sustrato formador de aerosol de un artfculo para fumar. Esto comprende en particular, que la energfa se proporciona al susceptor dentro del sustrato formador de aerosol de manera que el sustrato formador de aerosol se calienta hasta una temperatura promedio de entre 200-240 grados centfgrados. Aun con mayor preferencia, el dispositivo se configura para calentar un sustrato formador de aerosol solido cargado de tabaco de un artfculo para fumar.
Como el sustrato formador de aerosol se calienta, se desea controlar la temperatura del mismo. Esto no es facil de lograr ya que el calentamiento del sustrato formador de aerosol se realiza por calentamiento sin contacto (inductivo) del susceptor (principalmente a traves de perdidas de histeresis y perdidas de corriente parasita, como se describio anteriormente), mientras que en la tecnica anterior el control de temperatura de los dispositivos de calentamiento resistivo se logra por la medicion de la tension y la corriente en el elemento de calentamiento resistivo debido a la dependencia lineal de la temperatura del elemento de calentamiento resistivo y la resistencia ohmica del elemento de calentamiento.
Sorprendentemente, en el dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion hay una relacion estrictamente monotona entre la temperatura del susceptor y la resistencia ohmica aparente determinada a partir de la tension de suministro de CD de la fuente de energfa de CD y de la corriente de CD demandada de la fuente de energfa de CD. Esta relacion estrictamente monotona permite una determinacion no ambigua de la temperatura respectiva del susceptor a partir de la resistencia ohmica aparente respectiva en el dispositivo de calentamiento inductivo (sin contacto) de conformidad con la invencion, debido a que cada valor unico de la resistencia ohmica aparente es representativo de solamente un valor unico de la temperatura, no existe ambiguedad en la relacion. Esto no significa que la relacion de la temperatura del susceptor y la resistencia ohmica aparente es necesariamente lineal, sin embargo, la relacion debe ser estrictamente monotona para evitar cualquier asignacion ambigua de una resistencia ohmica aparente a mas de una temperatura. La relacion estrictamente monotona de la temperatura del susceptor y la resistencia ohmica aparente permite de esta manera la determinacion y control de la temperatura del susceptor y de esta manera del sustrato formador de aerosol. Como se discutira en mas detalle posteriormente, en caso de que el convertidor CD/CA comprenda un amplificador de clase E, la relacion entre la temperatura del susceptor y la resistencia ohmica aparente es lineal al menos para el intervalo de temperatura de interes.
La determinacion de la tension de suministro de CD de la fuente de energfa de CD y de la corriente de CD demandada de la fuente de energfa de CD comprende la medicion tanto de la tension de suministro de CD como de la corriente de CD. Sin embargo, de acuerdo con un aspecto del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion, la fuente de energfa de CD puede ser una baterfa de CD, en particular una baterfa de CD recargable, para proporcionar una tension de suministro de CD constante. Esto permite recargar las baterfas, preferentemente a traves de una conexion a la red electrica mediante un dispositivo de carga que comprende un convertidor CA/CD. En el caso del suministro de una tension de suministro de CD constante, es aun posible y puede desearse medir la tension de suministro de CD, sin embargo, tal medicion de la tension de suministro de CD no es obligatoria entonces (ya que la tension de suministro de CD es constante). Sin embargo, la electronica de suministro de energfa comprende un sensor de corriente de CD para medir la corriente de CD demandada de la baterfa de CD, asf que la resistencia ohmica aparente (la cual es representativa de la temperatura del susceptor) puede determinarse a partir de la tension de suministro de CD constante (independientemente de si esta tension de suministro de CD constante se mida o se determina que tenga un valor constante) y de la corriente de CD medida.
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Generalmente, este aspecto permite la medicion solo de la corriente de CD sin la necesidad de medir ademas la tension de suministro de CD.
Como se menciono anteriormente, en ciertas instancias es posible abstenerse de una medicion de tension de suministro de CD, sin embargo, de acuerdo con un aspecto del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion, la electronica de suministro de energfa comprende un sensor de tension de CD para medir la tension de suministro de CD de la fuente de energfa de CD de manera que la determinacion del valor real de la tension de suministro de CD pueda medirse en cualquier evento.
Como se discutio anteriormente, el dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion permite un control de la temperatura. Para lograr esto de una manera particularmente ventajosa, de acuerdo con un aspecto adicional del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion, el microcontrolador se programa ademas para interrumpir la generacion de energfa de CA por el convertidor CD/CA cuando la temperatura determinada del susceptor del sustrato formador de aerosol es igual o excede una temperatura umbral predeterminada, y de acuerdo con este aspecto el microcontrolador se programa para reanudar la generacion de energfa de CA cuando la temperatura determinada del susceptor del sustrato formador de aerosol este por debajo de la temperatura umbral predeterminada nuevamente. El termino “interrumpir la generacion de energfa de CA” pretende cubrir los casos en los cuales aproximadamente no se genera energfa de CA asf como los casos en los cuales la generacion de energfa de CA se reduce solamente a mantener la temperatura umbral. Ventajosamente, esta temperatura umbral es la temperatura de operacion objetivo la cual puede ser en particular una temperatura en el intervalo de 300 °C a 400 °C, por ejemplo 350 °C. El dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion calienta el susceptor del sustrato formador de aerosol hasta que el susceptor alcance la temperatura umbral predeterminada correspondiente a la resistencia ohmica aparente respectiva. En este momento, un suministro adicional de la energfa de CA por el convertidor CD/CA se interrumpe para detener el calentamiento adicional del susceptor y permitir que el susceptor se enfrfe. Una vez que la temperatura del susceptor este nuevamente por debajo de la temperatura umbral predeterminada, esto se detecta por la determinacion de la correspondiente resistencia ohmica aparente. En este momento, la generacion de energfa de CA se reanuda con el objetivo de mantener la temperatura tan cerca como sea posible de la temperatura de operacion objetivo. Esto puede alcanzarse, por ejemplo, mediante el ajuste del ciclo de trabajo de la energfa de CA suministrada a la red de carga LC. Esto se describe, en principio, en la WO 2014/040988.
Como ya se menciono anteriormente, de conformidad con un aspecto del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion, el convertidor CD/CA comprende un amplificador de potencia de Clase E que comprende un conmutador de transistor, un circuito controlador del conmutador de transistor, y la red de carga LC configurado para operar a baja carga ohmica, y la red de carga LC comprende ademas un capacitor de derivacion.
Los amplificadores de potencia de Clase Ese conocen generalmente y se describen en detalle, por ejemplo, en el artfculo “Class-E RF Power Amplifiers”, Nathan O. Sokal, publicado en la revista bimensual QEX, edicion de enero/febrero de 2001, paginas 9-20, de la American Radio Relay League (ARRL), Newington, CT, Estados Unidos de America. Los amplificadores de potencia de clase E son ventajosos en relacion a la operacion a altas frecuencias mientras que al mismo tiempo tienen una estructura de circuito simple que comprende un numero mfnimo de componentes (por ejemplo se necesita solamente un conmutador de transistor, lo cual es ventajoso sobre los amplificadores de potencia de clase D, los cuales comprenden dos conmutadores de transistores que deben controlarse a alta frecuencia de una manera que garantice que uno de los dos transistores este apagado a la vez que el otro de los dos transistores este encendido). Adicionalmente, los amplificadores de potencia de Clase E se conocen por la disipacion minima de energfa en el transistor de conmutacion durante las transiciones de conmutacion. Preferentemente, el amplificador de potencia de Clase E es un amplificador de potencia de Clase E de primer orden de extremo unico que tiene solamente un unico conmutador de transistor.
El conmutador de transistor del amplificador de potencia de Clase E puede ser cualquier tipo de transistor y puede incorporarse como un transistor de union bipolar (BJT). Con mayor preferencia, sin embargo, el conmutador de transistor se usa en la practica como un transistor de efecto de campo (FET) tal como un transistor de efecto de campo de metal-oxido-semiconductor (MOSFET) o un transistor de efecto de campo de metal-semiconductor (MESFET).
De conformidad con un aspecto adicional del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion, el inductor de la red de carga LC comprende una bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente la cual se ubica en o adyacente a la superficie interna de la cavidad.
De conformidad con otro aspecto del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion el amplificador de potencia de clase E tiene una impedancia de salida, y la electronica de suministro de energfa comprende ademas una red de adaptacion para hacer corresponder la impedancia de salida del amplificador de potencia de clase E con la carga ohmica baja. Esta medicion puede ser util para aumentar adicionalmente las perdidas de energfa en la baja carga ohmica las cuales conducen a una generacion aumentada del calor en la baja carga ohmica. Por ejemplo, la red de adaptacion puede comprender un transformador de acoplamiento pequeno.
De acuerdo con un aspecto adicional del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion, el
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volumen total de la electronica de suministro de energfa es igual o menor que 2 cm3. Esto permite que la disposicion de las baterfas, la electronica de suministro de energfa y la cavidad en el alojamiento del dispositivo tengan un tamano pequeno general lo cual es conveniente y facil de manipular.
De conformidad con un aspecto adicional del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion, el inductor de la red de carga LC comprende una bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente la cual se ubica en o adyacente a la superficie interna de la cavidad. Ventajosamente, la bobina inductora tiene una forma oblonga y define un volumen interno en el intervalo de aproximadamente 0,15 cm3 a aproximadamente 1,10 cm3. Por ejemplo, el diametro interno de la bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente puede estar entre aproximadamente 5 mm y aproximadamente 10 mm, y puede ser preferentemente de aproximadamente 7 mm, y la longitud de la bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente puede estar entre aproximadamente 8 mm y aproximadamente 14 mm. El diametro o el grosor del alambre de enrollado puede estar entre aproximadamente 0,5 mm y aproximadamente 1 mm, en dependencia del uso de un alambre de enrollado con una seccion transversal circular o un alambre de enrollado con una seccion transversal rectangular plana. La bobina inductora enrollada helicoidalmente se ubica en o adyacente a la superficie interna de la cavidad. Una bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente que se ubica en o adyacente a la superficie interna de la cavidad permite minimizar adicionalmente el tamano del dispositivo.
Otro aspecto adicional de la invencion se refiere a un sistema de suministro de aerosol que comprende un dispositivo de calentamiento inductivo como se describio anteriormente y un sustrato formador de aerosol que comprende un susceptor. Al menos una porcion del sustrato formador de aerosol se acomoda en la cavidad del dispositivo de calentamiento inductivo de manera que el inductor de la red de carga LC del convertidor CD/CA del dispositivo de calentamiento inductivo se acopla inductivamente con el susceptor del sustrato formador de aerosol durante el funcionamiento.
A manera de ejemplo, el sustrato formador de aerosol puede ser un sustrato formador de aerosol de un artfculo para fumar. En particular, el sustrato formador de aerosol puede ser un sustrato formador de aerosol solido cargado de tabaco el cual puede usarse en artfculos para fumar (tales como, por ejemplo, cigarrillos).
De conformidad con un aspecto del sistema de suministro de aerosol de conformidad con la invencion, el susceptor se fabrica de acero inoxidable. Por ejemplo, varios grados de acero inoxidable pueden usarse tales como acero inoxidable de grado 430 (SS430) o acero inoxidable de grado 410 (SS410), acero inoxidable de grado 420 (SS420) o acero inoxidable de grado 440 (SS440). Otros grados de acero inoxidable pueden tambien usarse. Por ejemplo, el susceptor es un elemento de susceptor unico el cual puede usarse en la practica como una tira, una hoja, un alambre o una lamina, y estos elementos de susceptor pueden tener diferentes geometrfas de seccion transversal tales como rectangulares, circulares, elfpticas, u otras geometrfas.
De acuerdo con un aspecto particular de un sistema de suministro de aerosol de conformidad con la invencion, el susceptor puede comprender una tira plana de acero inoxidable, la tira plana de acero inoxidable tiene una longitud en un intervalo de aproximadamente 8 milfmetros a aproximadamente 15 milfmetros, preferentemente una longitud de aproximadamente 12 milfmetros. La tira plana puede tener ademas un ancho en un intervalo de aproximadamente 3 milfmetros a aproximadamente 6 milfmetros, preferentemente un ancho de aproximadamente 4 milfmetros o aproximadamente 5 milfmetros. La tira plana puede tener ademas un grosor en un intervalo de aproximadamente 20 micrometros a aproximadamente 50 micrometros, preferentemente un grosor en un intervalo de aproximadamente 20 micrometros a aproximadamente 40 micrometres, por ejemplo, un grosor de aproximadamente 25 micrometros o aproximadamente 35 micrometros. Una modalidad muy especffica del susceptor puede tener una longitud de aproximadamente 12 milfmetros, un ancho de aproximadamente 4 milfmetros y un grosor de aproximadamente 50 micrometros, y puede fabricarse de acero inoxidable de grado 430 (SS430). Otra modalidad muy especffica del susceptor puede tener una longitud de aproximadamente 12 milfmetros, un ancho de aproximadamente 5 milfmetros y un grosor de aproximadamente 50 micrometros, y puede fabricarse de acero inoxidable de grado 430 (SS430). Alternativamente, estas modalidades muy especfficas pueden fabricarse ademas de acero inoxidable de grado 420 (SS420).
Aun otro aspecto de la invencion se relaciona con un metodo de operacion de un sistema de suministro de aerosol como se describio anteriormente, y este metodo comprende las etapas de:
- determinar a partir de la tension de suministro de CD de la fuente de energfa de CD y a partir de la corriente de CD demandada de la fuente de energfa de CD, una resistencia ohmica aparente,
- determinar a partir de la resistencia ohmica aparente, la temperatura del susceptor del sustrato formador de aerosol.
De acuerdo con un aspecto del metodo de conformidad con la invencion, la fuente de energfa de CD es una baterfa de CD, en particular una baterfa de CD recargable, y proporciona una tension de suministro de CD constante. La corriente de CD demandada de la baterfa de CD se mide para determinar la resistencia ohmica aparente a partir de la tension de suministro de CD constante y la corriente de CD medida.
De acuerdo con aun otro aspecto del metodo de conformidad con la invencion, el metodo comprende ademas las
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etapas de:
- interrumpir la generacion de energfa de CA por el convertidor CD/CA cuando la temperature determinada del susceptor del sustrato formador de aerosol es igual o excede una temperature umbral predeterminada, y
- reanudar la generacion de energfa de CA cuando la temperature determinada del susceptor del sustrato formador de aerosol este nuevamente por debajo de la temperature umbral predeterminada.
Como las ventajas del metodo de conformidad con la invencion y los aspectos particulares del mismo ya se discutieron anteriormente, no se reiteran aquf.
Aspectos ventajosos adicionales de la invencion seran evidentes a partir de la siguiente descripcion de las modalidades con la ayuda de los dibujos, en los cuales:
La Figura 1 muestra el principio de calentamiento general subyacente al dispositivo de calentamiento inductivo de la invencion,
La Figura 2 muestra un diagrama de bloques de una modalidad del dispositivo de calentamiento inductivo y del sistema de suministro de aerosol de conformidad con la invencion,
La Figura 3 muestra una modalidad del sistema de suministro de aerosol de conformidad con la invencion que comprende un dispositivo de calentamiento inductivo que tiene componentes esenciales dispuestos en un alojamiento del dispositivo,
La Figura 4 muestra una modalidad de los componentes esenciales de la electronica de potencia del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion (sin red de adaptacion),
La Figura 5 muestra una modalidad del inductor de la red de carga LC en forma de una bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente que tiene una forma oblonga,
La Figura 6 muestra un detalle de la red de carga LC que comprende la inductancia y la resistencia ohmica de la bobina, y adicionalmente muestra la resistencia ohmica de la carga,
La Figura 7 muestra dos senales que representan la corriente de CD demandada de la fuente de energfa de CD frente a la temperatura del susceptor,
La Figura 8 muestra la temperatura de dos susceptores frente a la tension de suministro de CD de la fuente de energfa de CD y la corriente de CD demandada de la fuente de energfa de CD, y
La Figura 9 muestra un circuito equivalente de la electronica de potencia del dispositivo de calentamiento inductivo.
En la Figura 1 se ilustra esquematicamente el principio de calentamiento general subyacente a la presente invencion. Lo que se muestra esquematicamente en la Figura 1 es una bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente L2 que tiene una forma oblonga y define un volumen interno en el cual se dispone una porcion o todo un sustrato formador de aerosol 20 de un artfculo para fumar 2, el sustrato formador de aerosol comprende un susceptor 21. El artfculo para fumar 2 que comprende el sustrato formador de aerosol 20 con el susceptor 21 se representa esquematicamente en el detalle en seccion transversal aumentada que se muestra separadamente en la parte derecha de la Figura 1. Como ya se menciono, el sustrato formador de aerosol 20 del artfculo para fumar 2 puede ser un sustrato solido cargado de tabaco, sin embargo, no se limita a esto.
Adicionalmente, en la Figura 1 el campo magnetico dentro del volumen interno de la bobina inductora L2 se indica esquematicamente por un numero de lfneas del campo magnetico Bl en un momento especffico en el tiempo, ya que el campo magnetico generado por la corriente alterna iL2 que fluye a traves de la bobina inductora L2 es un campo magnetico alterno que cambia su polaridad a la frecuencia de la corriente alterna iL2, la cual puede estar en el intervalo de aproximadamente 1 MHz a aproximadamente 30 MHz (incluido el intervalo de 1 MHz a 30 MHz), y puede estar en particular en el intervalo de aproximadamente 1 MHz a aproximadamente 10 MHz (incluyendo el intervalo de 1 MHz a 10 MHz, y puede ser especialmente menor que 10 Mhz), y muy en particular la frecuencia puede estar en el intervalo de aproximadamente 5 MHz a aproximadamente 7 MHz (incluyendo el intervalo de 5 MHz a 7 MHz). Los dos mecanismos principales responsables de la generacion de calor en el susceptor 21, las perdidas de energfa Pe provocadas por las corrientes parasitas (cfrculo cerrado que representa las corrientes parasitas) y las perdidas de energfa Ph provocadas por la histeresis (curva de histeresis cerrada que representa la histeresis), se indican esquematicamente tambien en la Figura 1. Con respecto a estos mecanismos, se debe senalar que se hizo referencia a estos mecanismos anteriormente con una discusion mas detallada.
La Figura 3 muestra una modalidad de un sistema de suministro de aerosol de conformidad con la invencion que comprende un dispositivo de calentamiento inductivo 1 de conformidad con la invencion. El dispositivo de calentamiento inductivo 1 comprende un alojamiento del dispositivo 10 el cual puede fabricarse de plastico, y una fuente de energfa de CD 11 (ver la Figura 2) que comprende una baterfa recargable 110. El dispositivo de calentamiento inductivo 1 ademas comprende un puerto de conexion 12 que comprende un pasador 120 para conectarse con el dispositivo de calentamiento inductivo a una estacion de carga o a un dispositivo de carga para recargar la baterfa recargable 110. Ademas, el dispositivo de calentamiento inductivo 1 comprende una electronica de suministro de energfa 13 la cual se configura para operar a la frecuencia deseada. La electronica de suministro de energfa 13 se conecta electricamente a la baterfa recargable 110 a traves de una conexion electrica adecuada 130. Y aunque la electronica de suministro de energfa 13 comprende componentes adicionales los cuales no pueden observarse en la Figura 3, esta comprende en particular un circuito de carga LC (ver la Figura 4) el cual comprende a su vez un inductor L2, esto se indica por las lfneas discontinuas en la Figura 3. El inductor L2 se incorpora en el
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alojamiento del dispositivo 10 en el extremo proximal del alojamiento del dispositivo 10 para rodear una cavidad 14 la cual se dispone ademas en el extremo proximal del alojamiento del dispositivo 10. El inductor L2 puede comprender una bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente que tiene una forma oblonga, como se muestra en la Figura 5. La bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente L2 puede tener un radio r en el intervalo de aproximadamente 5 mm a aproximadamente 10 mm, y el radio r puede ser en particular de aproximadamente 7 mm. La longitud l de la bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente puede estar en el intervalo de aproximadamente 8 mm a aproximadamente 14 mm. El volumen interno consecuentemente puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,15 cm3 a aproximadamente 1,10 cm3.
De regreso a la Figura 3, el sustrato formador de aerosol solido cargado de tabaco 20 que comprende el susceptor 21 se acomoda en la cavidad 14 en el extremo proximal del alojamiento del dispositivo 10 de manera que durante la operacion el inductor L2 (la bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente) se acople inductivamente al susceptor 21 del sustrato formador de aerosol solido cargado de tabaco 20 del artfculo para fumar 2. Una porcion de filtro 22 del artfculo para fumar 2 puede disponerse afuera de la cavidad 14 del dispositivo de calentamiento inductivo 1 para que asf durante el funcionamiento el consumidor pueda aspirar el aerosol a traves de la porcion de filtro 22. Una vez que el artfculo para fumar se retira de la cavidad 14, la cavidad 14 puede limpiarse facilmente ya que, excepto por el extremo distal abierto a traves del cual se inserta el sustrato formador de aerosol 20 del artfculo para fumar 2, la cavidad esta completamente cerrada y rodeada por aquellas paredes internas del alojamiento del dispositivo plastico 10 que definen la cavidad 14.
La Figura 2 muestra un diagrama de bloques de una modalidad del sistema de suministro de aerosol que comprende el dispositivo de calentamiento inductivo 1 de conformidad con la invencion, pero sin embargo, con algunos aspectos o componentes opcionales como se discutira mas abajo. El dispositivo de calentamiento inductivo 1 junto con el sustrato formador de aerosol 20 que comprende el susceptor 21 forman una modalidad del sistema de suministro de aerosol de conformidad con la invencion. El diagrama de bloque que se muestra en la Figura 2 es una ilustracion que toma en cuenta la manera de operacion. Como puede observarse, el dispositivo de calentamiento inductivo 1 que comprende una fuente de energfa de CD 11 (en la Figura 3 comprende la baterfa recargable 110), un microcontrolador 131 (unidad de control del microprocesador), un convertidor CD/CA 132 (usado en la practica como un inversor CD/CA), una red de adaptacion 133 para la adaptacion a la carga, y el inductor L2. La unidad de control del microprocesador 131, el convertidor CD/CA 132 y la red de adaptacion 133 asf como el inductor L2 son todas partes de la electronica de suministro de energfa 13 (ver la Figura 1). La tension de suministro de CD Vcd y la corriente de CD Icd demandada de la fuente de energfa de CD 11 se proporcionan por canales de retroalimentacion a la unidad de control del microprocesador 131, preferentemente por la medicion de tanto la tension de suministro de CD Vcd como la corriente de CD Icd demandada de la fuente de energfa de CD 11 para controlar el suministro adicional de energfa de CA al circuito de carga LC, y en particular al inductor L2. Este importante aspecto del dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la invencion se explicara en mas detalle mas abajo. Una red de adaptacion 133 puede proporcionarse para una optima adaptacion a la carga pero no es obligatorio y no esta contenido en la modalidad descrita en mas detalle a continuacion.
La Figura 4 muestra algunos componentes esenciales de la electronica de suministro de energfa 13, mas particularmente del convertidor CD/CA 132. Como puede observarse de la Figura 4, el convertidor CD/CA comprende un amplificador de potencia de Clase E que comprende un conmutador de transistor 1320 que comprende un Transistor de Efecto de Campo (FET) 1321, por ejemplo un Transistor de Efecto de Campo de Metal- Oxido-Semiconductor (MOSFET), un circuito de suministro del conmutador de transistor indicado por la flecha 1322 para suministrar la senal de conmutacion al FET 1321 (tension de compuerta-fuente), y una red de carga LC 1323 que comprende un capacitor de derivacion C1 y una conexion en serie de un capacitor C2 y un inductor L2. Adicionalmente, se muestra la fuente de energfa de CD 11 que comprende una bobina L1 para suministrar una tension de suministro de CD Vcd, con una corriente de CD Icd que se demanda de la fuente de energfa de CD 11 durante el funcionamiento. Se muestra ademas en la Figura 4 la resistencia ohmica R que representa la carga ohmica total 1324, la cual es la suma de la resistencia ohmica RBobina del inductor L2 y la resistencia ohmica Rcarga del susceptor 21, como se muestra en la Figura 6.
Debido al muy bajo numero de componentes, el volumen de la electronica de suministro de energfa 13 puede mantenerse extremadamente pequeno. Por ejemplo, el volumen de la electronica de suministro de energfa puede ser igual o menor que 2 cm3. Este volumen extremadamente pequeno de la electronica de suministro de energfa es posible debido a que el inductor L2 de la red de carga LC 1323 se usa directamente como el inductor para el acoplamiento inductivo al susceptor 21 del sustrato formador de aerosol 20, y este volumen pequeno permite mantener pequenas las dimensiones generales de todo el dispositivo de calentamiento inductivo 1. En caso de que se use un inductor separado, diferente del inductor L2, para el acoplamiento inductivo al susceptor 21, esto aumentarfa automaticamente el volumen de la electronica de suministro de energfa, este volumen aumentarfa ademas si la red de adaptacion 133 esta comprendida en la electronica de suministro de energfa.
Aunque el principio de operacion general de los amplificadores de potencia de clase E se conoce y se describe en detalle en el artfculo antes mencionado “Class-E RF Power Amplifiers”, Nathan O. Sokal, publicado en la revista bimensual QEX, edicion de enero/febrero de 2001, paginas 9-20, de la American Radio Relay League (ARRL), Newington, CT, Estados Unidos de America, algunos principios generales se explicaran a continuacion.
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Asumamos que el circuito de suministro del conmutador de transistor 1322 suministra una tension de conmutacion (tension de compuerta-fuente del FET) que tiene un perfil rectangular al FET 1321. Cuando el FET 1321 esta conduciendo (estado “encendido”), este constituye esencialmente un cortocircuito (baja resistencia) y toda la corriente fluye a traves de la bobina L1 y el FET 1321. Cuando el FET 1321 no esta conduciendo (estado “apagado”), toda la corriente fluye dentro de la red de carga LC ya que el FET 1321 esencialmente representa un circuito abierto (alta resistencia). Al conmutar el transistor entre estos dos estados se invierte la tension de CD y la corriente de CD suministradas en tension de CA y corriente de CA.
Para un calentamiento eficiente del susceptor 21, una cantidad tan grande como sea posible de la energfa de CD suministrada se transfiere en forma de energfa de CA al inductor L2 (bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente) y subsecuentemente al susceptor 21 del sustrato formador de aerosol 20 el cual se acopla inductivamente al inductor L2. La energfa que se disipa en el susceptor 21 (perdidas de corrientes parasitas, perdidas de histeresis) genera calor en el susceptor 21, como se describio en mas detalle anteriormente. O dicho en otras palabras, la disipacion de energfa en el FET 1321 debe minimizarse mientras que se maximiza la disipacion de energfa en el susceptor 21.
La disipacion de energfa en el FET 1321 durante un periodo de la tension/corriente de CA es el producto de la tension y la corriente del transistor en cada instante de tiempo durante ese periodo de la tension/corriente alterna, integrado sobre ese periodo, y promediado sobre ese periodo. Ya que el FET 1321 debe sostener una alta tension durante una parte de ese periodo y conducir una alta corriente durante una parte de ese periodo, debe evitarse que la alta tension y la alta corriente existan al mismo tiempo, ya que esto conducirfa a una disipacion de energfa sustancial en el FET 1321. En el estado “encendido” del fEt 1321, la tension del transistor es cercana a cero mientras que una alta corriente fluye a traves del FET 1321. En el estado “apagado” del FET 1321, la tension del transistor es alta pero la corriente a traves del FET 1321 es cercana a cero.
Las transiciones de conmutacion irremediablemente se extienden ademas sobre algunas fracciones del periodo. No obstante, un producto de tension-corriente alta que representa una alta perdida de potencia en el FET 1321 puede evitarse por medio de las siguientes medidas adicionales. Primeramente, el aumento de la tension del transistor se retrasa hasta despues que la corriente a traves del transistor se reduce a cero. En segundo lugar, la tension del transistor regresa a cero antes que la corriente a traves del transistor comience a aumentar. Esto se logra por el circuito de carga 1323 que comprende un capacitor de derivacion C1 y la conexion en serie del capacitor C2 y el inductor L2, este circuito de carga es el circuito entre el FET 1321 y la carga 1324. En tercer lugar, la tension del transistor en el momento de encenderse es practicamente cero (para un transistor de union bipolar “BJT” es la tension de equilibrio de saturacion Vo). El encendido del transistor no descarga el capacitor cargado de derivacion C1, lo cual de esta manera evita la disipacion de energfa almacenada del capacitor de derivacion. En cuarto lugar, la pendiente de la tension del transistor es cero en el momento del encendido. Entonces, la corriente inyectada en el transistor encendido por el circuito de carga aumenta gradualmente desde cero hasta una velocidad moderada controlada que resulta en una baja disipacion de energfa mientras que la conductancia del transistor se eleva desde cero durante la transicion de encendido. Como resultado, la tension y la corriente del transistor nunca son altas de manera simultanea. Las transiciones de conmutacion de tension y corriente se desplazan en el tiempo entre si.
Para dimensionar los varios componentes del convertidor CD/CA 132 que se muestran en la Figura 4, deben considerarse las siguientes ecuaciones, las cuales se conocen generalmente y se describen en detalle en el artfculo anteriormente mencionado “Class-E RF Power Amplifiers”, Nathan O. Sokal, publicado en la revista bimensual QEX, edicion de enero/febrero de 2001, paginas 9-20, de la American Radio Relay League (ARRL), Newington, CT, Estados Unidos de America.
Digamos que Ql (factor de calidad de la red de carga LC) es un valor el cual es en cualquier caso mayor que 1,7879 pero el cual es un valor que el disenador puede elegir (ver el artfculo antes mencionado), digamos ademas que P es la potencia de salida suministrada a la resistencia R, y digamos que f es la frecuencia, entonces los varios componentes se calculan numericamente a partir de las siguientes ecuaciones (Vo es cero para los FET, y es la tension de equilibrio de saturacion para los BJT, ver anteriormente):
L2 = QLR/2nf
R = ((Vcc - Vo)2/P)- 0,576801 (1,0000086 - 0,414395/Ql - 0,557501/Ql2 + 0,205967/Ql3)
C1 = (1/(34,2219fR))(0,99866 + 0,91424/Ql - 1,03175/Ql2) + 0,6/(2nf)2 (L1)
C2 = (1/2nfR)(1/QL-0,104823)(1,00121+(1,01468/QL-1,7879)) - (0,2/((2nf)2L1)))
Esto permite un rapido calentamiento de un susceptor que tiene una resistencia ohmica de R=0,6Q para suministrar aproximadamente 7W de potencia en 5-6 segundos asumiendo que una corriente de aproximadamente 3,4 A esta disponible por medio del uso de una fuente de energfa de CD que tiene una tension de salida maxima de 2,8 V y una corriente de salida maxima de 3,4 A, una frecuencia de f = 5 MHz (factor de marcha = 50 %), una inductancia del inductor L2 de aproximadamente 500 nH y una resistencia ohmica del inductor L2 de RBobina = 0,1 Q, una inductancia L1 de aproximadamente 1pH, y capacitancias de 7 nF para el capacitor C1 y de 2,2 nF para el capacitor C2. La resistencia ohmica efectiva RBobina y Rcarga es aproximadamente 0,6 Q. Una eficiencia (energfa disipada en el
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susceptor 21 / maxima potencia de la fuente de energfa de CD 11) de aproximadamente 83,5 % puede obtenerse, lo cual es muy efectivo.
Para la operacion, el artfculo para fumar 2 se inserta en la cavidad 14 (ver la Figura 2) del dispositivo de calentamiento inductivo 1 de manera que el sustrato formador de aerosol 20 que comprende el susceptor 21 se acopla inductivamente al inductor 2 (por ejemplo, la bobina cilfndrica enrollada helicoidalmente). El susceptor 21 se calienta entonces por unos pocos segundos como se describio anteriormente, y luego el consumidor puede comenzar a aspirar el aerosol a traves del filtro 22 (desde luego, el artfculo para fumar no necesariamente tiene que comprender un filtro 22).
El dispositivo de calentamiento inductivo y los artfculos para fumar pueden distribuirse generalmente de forma separada o como un kit de partes. Por ejemplo, es posible distribuir un llamado “kit encendedor” que comprende el dispositivo de calentamiento inductivo asf como una pluralidad de artfculos para fumar. Una vez que el consumidor adquiera tal kit encendedor, en el futuro el consumidor puede solamente adquirir los artfculos para fumar que pueden usarse con este dispositivo de calentamiento inductivo del kit encendedor. El dispositivo de calentamiento inductivo es facil de limpiar y en caso de baterfas recargables como fuente de energfa de CD, estas baterfas recargables se pueden recargar facilmente por medio del uso de un dispositivo de carga adecuado que se conecta al puerto de conexion 12 que comprende el pasador 120 (o el dispositivo de calentamiento inductivo se conecta a una estacion de conexion correspondiente de un dispositivo de carga).
Ya se menciono anteriormente que, por la determinacion de la resistencia ohmica aparente Ra a partir de la tension de suministro de CD Vcd de la fuente de energfa de CD 11 y a partir de la corriente de CD Icd demandada de la fuente de energfa de CD 11, es posible determinar la temperatura T del susceptor 21. Esto es posible porque sorprendentemente la relacion de la temperatura T del susceptor 21 y el cociente de la tension de suministro de CD Vcd y la corriente de CD Icd es estrictamente monotona, y puede ser incluso practicamente lineal para un amplificador de clase E. Tal relacion estrictamente monotona se muestra en la Figura 8 mediante un ejemplo. Como ya se menciono, la relacion no tiene que ser obligatoriamente lineal, tiene que ser solamente estrictamente monotona de forma que para una tension de suministro de CD dada Vcd haya una relacion no ambigua entre la respectiva corriente de CD Icd y la temperatura T del susceptor. O en otras palabras, exista una relacion no ambigua entre una resistencia ohmica aparente Ra (que se determina a partir del cociente de la tension de suministro de CD Vcd y la corriente de CD Icd demandada de la fuente de energfa de CD) y la temperatura T del susceptor. Esto corresponde a un circuito equivalente que se muestra en la Figura 9 en donde Ra corresponde a una conexion en serie formada por una resistencia ohmica Rcircuito (la cual es esencialmente mas pequena que la resistencia ohmica del susceptor) y una resistencia ohmica dependiente de la temperatura Rsusceptor del susceptor.
Como ya se menciono, en el caso de un amplificador de Clase E esta relacion estrictamente monotona entre la resistencia ohmica aparente Ra y la temperatura T del susceptor es practicamente lineal, al menos para el intervalo de temperatura de interes (por ejemplo para el intervalo de temperatura entre 100 °C y 400 °C).
Si se conoce la relacion entre la resistencia ohmica aparente Ra y la temperatura T de un susceptor especffico fabricado de un material especffico y que tiene una geometrfa especffica (por ejemplo, tal relacion puede determinarse a traves de instrumentos precisos en el laboratorio para un gran numero de susceptores identicos y promediar posteriormente las mediciones individuales), esta relacion entre la resistencia ohmica aparente Ra y la temperatura T de este susceptor especffico puede programarse en el microcontrolador 131 (ver la Figura 2) de forma que durante el funcionamiento del sistema de suministro de aerosol solo la resistencia ohmica aparente Ra deba determinarse a partir de la tension de suministro de CD real Vcd (tfpicamente este es la tension constante de la baterfa) y la corriente de CD real Icd demandada de la fuente de energfa de CD 11. Un gran numero de tales relaciones entre Ra y la temperatura T pueden programarse en el microcontrolador 131 para los susceptores fabricados de diferentes materiales y que tienen diferentes geometrfas, de manera que durante el funcionamiento del dispositivo formador de aerosol solo el tipo respectivo de susceptor tiene que identificarse y despues la correspondiente relacion (ya programada en el microcontrolador) puede usarse para la determinacion de la temperatura T del tipo respectivo de susceptor realmente usado por la determinacion de la tension de suministro de CD real y la corriente de CD demandada real de la fuente de energfa de CD.
Es posible y puede preferirse que puedan medirse tanto la tension de suministro de CD Vcd como la corriente de CD Icd demandada de la fuente de energfa de CD 11 (esto puede lograrse con un sensor de tension de CD adecuado y un sensor de corriente de CD adecuado los cuales pueden integrarse facilmente en el pequeno circuito sin ningun consumo relevante de espacio). Sin embargo, en caso de una fuente de energfa de CD de tension de suministro constante Vcd puede prescindirse de un sensor de tension y solo un sensor de corriente de CD es necesario para la medicion de la corriente de CD Icd demandada de la fuente de energfa de CD 11.
En la Figura 7 se muestran dos senales que representan la corriente de CD Icd demandada de la fuente de energfa de CD 11 (senal superior) y la temperatura T del susceptor 21 (senal inferior) determinada por la relacion entre la resistencia ohmica aparente Ra y la temperatura T para este susceptor 21 la cual se programa en el microcontrolador 131.
Como puede observarse, una vez que comienza el calentamiento del susceptor del sustrato formador de aerosol, la
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corriente Icd esta en un alto nivel y disminuye a medida que la temperatura T del susceptor del sustrato formador de aerosol aumenta (el aumento de temperatura del susceptor conduce a un aumento de Ra la cual en cambio conduce a una disminucion de Icd). En diferentes momentos durante este proceso de calentamiento (en particular cuando el sustrato formador de aerosol alcanza una cierta temperatura), el usuario puede tomar una bocanada del artfculo para fumar que comprende el sustrato formador de aerosol con el susceptor dispuesto en el mismo. En ese momento, la aspiracion de aire conduce a una rapida disminucion de la temperatura del sustrato formador de aerosol y del susceptor. Esto conduce a una disminucion en la resistencia ohmica aparente Ra, y esto a su vez conduce a un aumento en la corriente de CD Icd demandada de la fuente de energfa de CD 11. Estos puntos en el tiempo cuando el usuario toma una bocanada se indican en la Figura 7 por las respectivas flechas. Una vez que la bocanada termina, el aire no se aspira mas y la temperatura del susceptor aumenta nuevamente (lo cual conduce a un aumento respectivo de la resistencia ohmica aparente Ra) y la corriente de CD Icd disminuye en consecuencia.
Como puede observarse ademas en la Figura 7, el convertidor CD/CA genera una energfa de CA hasta que la temperatura del susceptor 21 es igual o excede una temperatura umbral predeterminada Tesima. Una vez que la temperatura del susceptor del sustrato formador de aerosol es igual o excede esta temperatura umbral predeterminada Tesima (por ejemplo una temperatura de operacion objetivo) el microcontrolador 131 se programa para interrumpir la generacion adicional de energfa de CA por el convertidor CD/CA 132. Se desea entonces mantener la temperatura T del susceptor 21 en la temperatura de operacion objetivo. En el momento que la temperatura T del susceptor 21 este por debajo de la temperatura umbral Tesima nuevamente, el microcontrolador 131 se programa para reanudar la generacion de energfa de CA nuevamente.
Esto puede lograrse, por ejemplo, mediante el ajuste del ciclo de trabajo del conmutador de transistor. Esto se describe en principio en la WO 2014/040988. Por ejemplo, durante el calentamiento el convertidor CD/CA genera continuamente corriente alterna que calienta el susceptor, y de manera simultanea la tension de suministro de CD Vcd y la corriente de CD Icd se miden cada 10 milisegundos por un perfodo de 1 milisegundo. La resistencia ohmica aparente Ra se determina (por el cociente de Vcd e Icd), y cuando Ra alcance o exceda un valor Ra que corresponde a una temperatura umbral predeterminada Tesima o a una temperatura que exceda la temperatura umbral predeterminada Tesima el conmutador de transistor 1321 (ver la Figura 4) conmuta a un modo en el cual genera pulsos solo cada 10 milisegundos para una duracion de 1 milisegundo (el ciclo de trabajo del conmutador de transistor es entonces de solo aproximadamente el 9 %). Durante este estado de encendido de 1 milisegundo (estado conductor) del conmutador de transistor 1321 se miden los valores de la tension de suministro de CD Vcd y de la corriente de CD Icd y se determina la resistencia ohmica aparente Ra. Cuando la resistencia ohmica aparente Ra es representativa de la temperatura T del susceptor 21 la cual esta por debajo de la temperatura umbral predeterminada Tesima, el transistor se conmuta de regreso al modo mencionado anteriormente (de manera que el ciclo de trabajo del transistor de conmutacion es mas o menos de 100 % nuevamente).
Por ejemplo, el susceptor 21 puede tener una longitud de aproximadamente 12 milfmetros, un ancho de aproximadamente 4 milfmetros y un grosor de aproximadamente 50 micrometros, y puede ser de acero inoxidable de grado 430 (SS430). Como ejemplo alternativo, el susceptor puede tener una longitud de aproximadamente 12 milfmetros, un ancho de aproximadamente 5 milfmetros y un grosor de aproximadamente 50 micrometros, y puede ser de acero inoxidable de grado 420 (SS430). Este susceptor puede fabricarse ademas de acero inoxidable de grado 420 (SS420).
Una vez descritas las modalidades de la invencion con la ayuda de las figuras, es claro que muchos cambios y modificaciones pueden concebirse sin apartarse de las ensenanzas generales subyacentes a la presente invencion. Por lo tanto, el alcance de la proteccion no pretende limitarse a las modalidades especfficas, sino que se define por las reivindicaciones anexas.

Claims (16)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo de calentamiento inductivo (1) para calentar un sustrato formador de aerosol (20) que comprende un susceptor (21), el dispositivo de calentamiento inductivo (1) comprende:
    5 - un alojamiento del dispositivo (10)
    - una fuente de energfa de CD (11) para proporcionar en operacion una tension de suministro de CD (Vcd) y una corriente de CD (Icd),
    - una electronica de suministro de energfa (13) que se configura para operar a alta frecuencia, la electronica de suministro de energfa (13) comprende un convertidor de CD/CA (132) conectado a la
    10 fuente de energfa de CD (11), el convertidor de CD/CA (132) comprende un circuito de carga LC
    (1323) configurado para operar a baja carga ohmica (1324), en donde el circuito de carga LC (1323) comprende una conexion en serie de un capacitor (C2) y un inductor (L2) que tiene una resistencia ohmica (RBobina),
    - una cavidad (14) dispuesta en el alojamiento del dispositivo (10), la cavidad tiene una superficie
    15 interna configurada para acomodar al menos una porcion del sustrato formador de aerosol (20), la
    cavidad (14) se dispone de manera que, despues de acomodar la porcion del sustrato formador de aerosol (20) en la cavidad (14), el inductor (L2) del circuito de carga LC (1323) se acopla inductivamente al susceptor (21) del sustrato formador de aerosol (20) durante la operacion, caracterizada porque la electronica de suministro de energfa (13) comprende ademas un microcontrolador 20 (131) programado para que en operacion determine a partir de la tension de suministro de CD (Vcd) de la
    fuente de energfa de CD (11) y a partir de la corriente de CD (Icd) demandada de la fuente de energfa de CD (11) una resistencia ohmica aparente (Ra), y programado ademas para que en operacion determine a partir de la resistencia ohmica aparente (Ra) la temperatura (T) del susceptor (21) del sustrato formador de aerosol (20).
    25
  2. 2. Dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la reivindicacion 1, en donde el dispositivo se configura para calentar un sustrato formador de aerosol (20) de un artfculo para fumar (2).
  3. 3. Dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en donde
    30 la fuente de energfa de CD (11) es una baterfa de CD, en particular una baterfa de CD recargable, para
    proporcionar una tension de suministro de CD constante (Vcd), y en donde la electronica de suministro de energfa (13) comprende ademas un sensor de corriente de CD para medir la corriente de CD (Icd) demandada de la baterfa de CD para determinar, a partir de la tension de suministro de CD constante (Vcd) y la corriente de CD medida, la resistencia ohmica aparente (Ra).
    35
  4. 4. Dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la electronica de suministro de energfa (13) comprende ademas un sensor de tension de CD para medir la tension de suministro de CD (Vcd) de la fuente de energfa de CD (11).
    40 5. Dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en
    donde el microcontrolador (131) se programa ademas para interrumpir la generacion de energfa de CA por el convertidor CD/CA (132) cuando la temperatura determinada (T) del susceptor (21) del sustrato formador de aerosol (20) es igual o excede una temperatura umbral predeterminada (Tesima), y en donde el microcontrolador (131) se programa para reanudar la generacion de energfa de CA cuando la temperatura 45 determinada (T) del susceptor (21) del sustrato formador de aerosol (20) este por debajo de la temperatura
    umbral (Tesima) nuevamente.
  5. 6. Dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el convertidor CD/CA (132) comprende un amplificador de potencia de Clase E que comprende un
    50 conmutador de transistor (1320), un circuito de control del conmutador de transistor (1322), y la red de carga
    LC (1323) configurado para operar a baja carga ohmica (1324), en donde la red de carga LC (1323) comprende ademas un capacitor de derivacion (C1).
  6. 7. Dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en
    55 donde el amplificador de potencia de clase E tiene una impedancia de salida, y en donde la electronica de
    suministro de energfa comprende ademas una red de adaptacion (133) para hacer corresponder la impedancia de salida del amplificador de potencia de clase E con la baja carga ohmica (1324).
  7. 8. Dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en
    60 donde el volumen total de la electronica de suministro de energfa (13) es igual o menor que 2 cm3.
  8. 9. Dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en
    donde el inductor (L2) de la red de carga LC (1323) comprende una bobina inductora cilfndrica enrollada helicoidalmente (L2) la cual se ubica en o adyacente a la superficie interna de la cavidad (14).
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  9. 10. Dispositivo de calentamiento inductivo de conformidad con la reivindicacion 9, en donde la bobina inductora (L2) tiene una forma oblonga (l, r) y define un volumen interno en el intervalo de aproximadamente 0,15 cm3 a aproximadamente 1,10 cm3.
  10. 11. Sistema de suministro de aerosol que comprende un dispositivo de calentamiento inductivo (1) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes y un sustrato formador de aerosol (20) que comprende un susceptor (21), en donde al menos una porcion del sustrato formador de aerosol (20) se acomoda en la cavidad (14) del dispositivo de calentamiento inductivo (1) de manera que el inductor (L2) del circuito de carga LC (1323) del convertidor de CD/CA (132) del dispositivo de calentamiento inductivo (1) se acopla inductivamente al susceptor (21) del sustrato formador de aerosol (20) durante la operacion.
  11. 12. Sistema de suministro de aerosol de conformidad con la reivindicacion 11, en donde el sustrato formador de aerosol (20) del artfculo para fumar es un sustrato formador de aerosol solido cargado de tabaco (2).
  12. 13. Sistema de suministro de aerosol de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, en donde el susceptor (21) se fabrica de acero inoxidable.
  13. 14. Sistema de suministro de aerosol de conformidad con la reivindicacion 13, en donde el susceptor (21) comprende una tira plana de acero inoxidable, la tira plana de acero inoxidable tiene una longitud en el intervalo de aproximadamente 8 milfmetros a aproximadamente 15 milfmetros, preferentemente una longitud de aproximadamente 12 milfmetros, que tiene un ancho en un intervalo de aproximadamente 3 milfmetros a aproximadamente 6 milfmetros, preferentemente un ancho de aproximadamente 4 milfmetros o aproximadamente 5 milfmetros, y que tiene un grosor en un intervalo de aproximadamente 20 micrometros a aproximadamente 50 micrometros, preferentemente un grosor en un intervalo de aproximadamente 20 micrometros a aproximadamente 40 micrometros, por ejemplo, un grosor de aproximadamente 25 micrometros o aproximadamente 35 micrometros.
  14. 15. Metodo de operacion de un sistema de suministro de aerosol de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 11 o 14, el metodo comprende las etapas de:
    - determinar a partir de la tension de suministro de CD (Vcd) de la fuente de energfa de CD (11) y a partir de la corriente de CD (Icd) demandada de la fuente de energfa de CD (11) una resistencia ohmica aparente (Ra),
    - determinar a partir de la resistencia ohmica aparente (Ra) la temperatura (T) del susceptor (21) del sustrato formador de aerosol (20).
  15. 16. Metodo de conformidad con la reivindicacion 15, en donde la fuente de energfa de CD (11) es una baterfa de CD, en particular una baterfa de CD recargable, que proporciona una tension de suministro de CD constante (Vcd), y en donde la corriente de CD (Icd) demandada de la baterfa de CD se mide para determinar, a partir de la tension de suministro de CD constante (Vcd) y la corriente de CD medida (Icd), la resistencia ohmica aparente (Ra).
  16. 17. Metodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 15 o 16, que comprende ademas las etapas de:
    - interrumpir la generacion de energfa de CA por el convertidor de CD/CA (132) cuando la temperatura determinada (T) del susceptor (21) del sustrato formador de aerosol (20) es igual o excede una temperatura umbral predeterminada (Tum), y
    - reanudar la generacion de energfa de CA cuando la temperatura determinada (T) del susceptor (21) del sustrato formador de aerosol (20) este nuevamente por debajo de la temperatura umbral predeterminada (T um).
    imagen1
    Figura 1
    imagen2
    VcD, I
    CD
    imagen3
    Inversor
    CD/CA
    imagen4
    21
    imagen5
    Figura 2
    imagen6
    imagen7
    II
    rrrru
    .7 I
    I I I
    --------i—H i
    1323 1324
    imagen8
    Figura 4
    Figura 6
    imagen9
    imagen10
    ^ H
    Figura 7
    imagen11
    Figura 8
    imagen12
    Ra
    R circuito
    R susceptor
    Figura 9
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