ES2887190T3 - Dispositivo generador de aerosol y sistema generador de aerosol con sistema de calentamiento inductivo con control de potencia eficiente - Google Patents

Dispositivo generador de aerosol y sistema generador de aerosol con sistema de calentamiento inductivo con control de potencia eficiente Download PDF

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Abstract

Un dispositivo generador de aerosol (1) que comprende: una o más fuentes de energía de CC (110); una red de carga (1320) que comprende un inductor (L) y un condensador (C) conectados en serie; primer circuito de accionamiento conectado a una o más fuentes de energía de CC (110) y conectado a través de la red de carga y configurado para proporcionar una primera caída de tensión a través de la red de carga (1320); caracterizado por segundo circuito de accionamiento conectado a una o más fuentes de energía de CC (110) y conectado a través de la red de carga (1320) y configurado para proporcionar una segunda caída de tensión a través de la red de carga (1320), la segunda caída de tensión que está en una dirección opuesta a la primera caída de tensión; y por un controlador (131) conectado al primer y segundo circuito de accionamiento y configurado para controlar el primer y segundo circuito de accionamiento de manera que tanto la primera como la segunda caída de tensión se proporcionen a través de la red de carga (1320) periódicamente y de manera que la segunda caída de tensión no se proporciona a través de la red de carga (1320) de manera simultánea con la primera caída de tensión.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo generador de aerosol y sistema generador de aerosol con sistema de calentamiento inductivo con control de potencia eficiente
La descripción se refiere a sistemas generadores de aerosol que funcionan mediante el calentamiento de un sustrato formador de aerosol. En particular, la invención se refiere a sistemas generadores de aerosoles que utilizan calentamiento inductivo.
Un tipo de sistema generador de aerosol es un sistema que calienta, pero no quema, tabaco u otro sustrato formador de aerosol que contiene nicotina, para generar un aerosol para inhalación. Típicamente, en los sistemas de tabaco calentado, el tabaco u otro sustrato formador de aerosol se calienta mediante uno o más elementos de calentamiento eléctricamente resistivos que están conectados a un suministro de energía. Estos sistemas deben ser lo suficientemente pequeños para poder sostenerlos fácilmente durante el uso y ser transportados fácilmente por un usuario entre usos. También necesitan tener su propio suministro de energía interno, que típicamente es una pequeña batería recargable.
Más recientemente, ha habido interés en usar calentamiento inductivo para calentar tabaco o sustratos formadores de aerosoles que contienen nicotina en sistemas portátiles de generación de aerosoles. El calentamiento inductivo tiene varios beneficios potenciales. En particular, el calentamiento inductivo permite que los componentes electrónicos se separen del sustrato generador de aerosol y del aerosol generado. Esto permite que el sistema se limpie y mantenga más fácilmente y tiene beneficios potenciales en términos de robustez del sistema.
Los sistemas calentados inductivamente funcionan proporcionando un inductor con una tensión eléctrico variable en el tiempo. Esto produce un campo magnético variable en el tiempo, que a su vez genera corrientes parásitas y pérdidas por histéresis en un material susceptor que se coloca cerca o en contacto con el sustrato formador de aerosol. El calentamiento Joule del susceptor como resultado de las corrientes inducidas calienta el sustrato formador de aerosol para producir un aerosol.
El documento WO2015/177255 A1 describe un dispositivo de calentamiento inductivo para calentar un sustrato formador de aerosol que comprende un susceptor. El dispositivo de calentamiento inductivo comprende un alojamiento del dispositivo, un suministro de energía de CC que tiene una tensión de alimentación de CC y una electrónica de suministro de energía configurada para funcionar a alta frecuencia. La electrónica del suministro de energía comprende un inversor CC/CA conectado a la fuente de energía de CC, el inversor CC/CA incluye un amplificador de energía de clase E que incluye un interruptor de transistor y una red de carga LC. El inductor de la red de carga LC está acoplado inductivamente al susceptor del sustrato formador de aerosol durante el funcionamiento.
Un problema con un sistema calentado inductivamente que es alimentado por una pequeña batería es asegurar que se entregue suficiente energía al inductor para generar el calor requerido en el susceptor. Sería conveniente transferir energía al inductor de la manera más eficiente posible y aumentar la energía transferible al inductor.
En un aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo generador de aerosol que comprende:
una o más fuentes de energía de corriente continua (CC);
una red de carga que comprende un inductor y un condensador conectados en serie;
primer circuito de accionamiento conectado a una o más fuentes de energía de CC y conectado a través de la red de carga y configurado para proporcionar una primera caída de tensión a través de la red de carga;
segundo circuito de accionamiento conectado a una o más fuentes de energía de CC y conectado a través de la red de carga y configurado para proporcionar una segunda caída de tensión a través de la red de carga, estando la segunda caída de tensión en una dirección opuesta a la primera caída de tensión; y
un controlador conectado al primer y segundo circuito de accionamiento y configurado para controlar el primer y segundo circuito de accionamiento de manera que tanto la primera como la segunda caída de tensión se proporcionen a través de la red de carga periódicamente y de manera que la segunda caída de tensión no se proporcione a través de la red de carga de manera simultánea con la primera caída de tensión.
El primer circuito de accionamiento puede tener un lado de alta tensión y un lado de baja tensión. El lado de alta tensión puede estar conectado a un primer lado de la red de carga. La baja tensión se puede conectar a un segundo lado de la red de carga. El primer circuito de accionamiento se configura para proporcionar una primera caída de tensión a través de la red de carga. El segundo circuito de accionamiento también puede tener un lado de alta tensión y un lado de baja tensión. El lado de baja tensión del segundo circuito de accionamiento se puede conectar al primer lado de la red de carga. El lado de alta tensión puede conectarse al segundo lado de la red de carga. El segundo circuito de accionamiento se configura para proporcionar una segunda caída de tensión. La segunda caída de tensión es en dirección opuesta a la primera caída de tensión.
La red de carga puede tener un primer terminal en un primer lado y un segundo terminal en un segundo lado. El primer circuito de accionamiento conectado a una o más fuentes de energía de CC se puede conectar al primer y segundo terminales de la red de carga de manera que se aplique una tensión de CC positivo de una o más fuentes de energía de CC al primer terminal de la red de carga. . Esto da como resultado una primera caída de tensión en la red de carga. El segundo circuito de accionamiento conectado a una o más fuentes de energía de CC se puede conectar al primer y segundo terminales de la red de carga de manera que se aplique una tensión de CC positivo de una o más fuentes de energía de CC al segundo terminal de la red de carga. Esto da como resultado una segunda caída de tensión en la red de carga. La segunda caída de tensión a través de la red de carga es en dirección opuesta a la primera caída de tensión.
Para el calentamiento inductivo es necesario proporcionar una tensión variable en el tiempo a través del inductor. La disposición de los circuitos de accionamiento primero y segundo que suministran alternativamente caídas de tensión en diferentes direcciones a través de la red de carga proporciona una tensión variable en el tiempo y permite un uso eficiente de la energía suministrada por la fuente o fuentes de energía.
Ventajosamente, el controlador se configura de manera que la primera caída de tensión se proporcione periódicamente con una primera frecuencia y de manera que la segunda caída de tensión se proporcione periódicamente con sustancialmente la misma frecuencia. "Esencialmente la misma frecuencia" en este contexto significa dentro de un pequeño porcentaje de la primera frecuencia, y ventajosamente dentro del 2 por ciento de la primera frecuencia. La primera y segunda tensiones se pueden suministrar simplemente sin superposición entre ellos. El controlador puede configurarse para proporcionar la segunda tensión directamente fuera de fase con la primera tensión.
La primera frecuencia puede ser una frecuencia alta. En este contexto, debe entenderse que "alta frecuencia" significa una frecuencia en el intervalo de aproximadamente 100 kilohercios (khz) a aproximadamente 30 megahercios (MHz). La primera frecuencia puede ser superior a 1 megahercio. La primera frecuencia puede ser inferior a 10 megahercios. Preferentemente, la primera frecuencia está en el rango entre 5 megahercios y 7 megahercios.
El primer circuito de accionamiento y el segundo circuito de accionamiento pueden estar compuestos por medios de excitación del lado derecho e izquierdo. Los componentes del circuito conectados a un extremo de la red de carga pueden formar los medios de accionamiento del lado derecho y los componentes del circuito conectados al otro extremo de la red de carga pueden formar los medios de accionamiento del lado izquierdo. El primer circuito de accionamiento puede comprender componentes de circuito de los medios de accionamiento del lado derecho e izquierdo. El segundo circuito de accionamiento puede comprender componentes de circuito de los medios de accionamiento del lado derecho e izquierdo. Los medios de accionamiento del lado derecho e izquierdo pueden comprender cada uno un circuito de conmutación, que puede ser un circuito de conmutación resonante. Los medios de accionamiento del lado derecho junto con la red de carga pueden formar un primer amplificador de energía. Los medios de accionamiento del lado izquierdo junto con la red de carga pueden comprender un segundo amplificador de energía. El primer amplificador de energía puede ser un amplificador de clase D. El segundo amplificador de energía puede ser un amplificador de clase D. El primer amplificador de energía puede ser un amplificador de clase E. El segundo amplificador de energía puede ser un amplificador de clase E.
El controlador puede configurarse para proporcionar la primera caída de tensión como una tensión de forma de onda cuadrada. El controlador puede configurarse para proporcionar la segunda caída de tensión como una tensión de forma de onda cuadrada. La primera caída de tensión puede proporcionarse con el mismo ciclo de trabajo o con un ciclo de trabajo diferente al de la segunda caída de tensión. Ventajosamente, el controlador se configura para proporcionar un período de tiempo muerto de al menos unos pocos nanosegundos entre el final de una caída de tensión y el inicio de la siguiente caída de tensión en la dirección opuesta, para evitar que se quemen los interruptores asociados en el circuito de accionamiento.
La una o más fuentes de energía de CC pueden comprender una sola batería conectada tanto al primer como al segundo circuito de accionamiento. La batería puede ser una batería recargable. La batería puede ser una batería de iones de litio, por ejemplo, una batería de litio-cobalto, una de litio-hierro-fosfato, titanato de litio o una batería de polímero de litio. Alternativamente, la batería puede tener otra forma de batería recargable, tal como una batería de hidruro metálico de níquel o una batería de níquel cadmio.
Alternativamente, una o más fuentes de energía de CC pueden comprender dos baterías, con una batería conectada al primer circuito de accionamiento y otra batería conectada al segundo circuito de accionamiento. La una o más fuentes de energía de CC pueden comprender dos baterías conectadas en serie con una tierra eléctrica definida entre las dos baterías de manera que una batería proporcione una tensión positiva y la otra proporcione una tensión negativa.
El controlador puede comprender un microcontrolador. El microcontrolador puede ser cualquier microcontrolador adecuado, pero preferentemente es programable.
El dispositivo puede comprender un alojamiento que contiene una o más fuentes de energía de CC, la red de carga, el primer y segundo circuito de accionamiento y el controlador, el alojamiento que define una cavidad para recibir un sustrato formador de aerosol. El dispositivo puede configurarse para calentar inductivamente el sustrato formador de aerosol.
El inductor puede ser una bobina colocada adyacente o rodeando la cavidad. En una modalidad, el inductor es una bobina helicoidal que rodea al menos una porción de la cavidad. Alternativamente, el inductor puede ser una bobina inductora en espiral plana colocada adyacente al lado o la base, o tanto al lado como a la base, de la cavidad. El inductor debe colocarse para proporcionar un campo magnético variable en el tiempo en un material susceptor configurado para calentar un sustrato formador de aerosol en uso.
El dispositivo puede comprender una pluralidad de inductores configurados para activarse en diferentes momentos durante el funcionamiento del dispositivo. La pluralidad de inductores puede colocarse para proporcionar campos magnéticos variables en el tiempo espacialmente separados (o parcialmente solapados espacialmente) de manera que diferentes partes de un sustrato formador de aerosol se puedan calentar en diferentes momentos durante el funcionamiento. Si el dispositivo comprende una pluralidad de inductores, entonces el dispositivo puede comprender una pluralidad de circuitos de excitación primero y segundo.
Como se usa en la presente descripción, un “dispositivo generador de aerosol” se refiere a un dispositivo que interactúa con un sustrato formador de aerosol para generar un aerosol. El sustrato formador de aerosol puede ser parte de un artículo generador de aerosol. Un dispositivo generador de aerosol puede ser un dispositivo que interactúa con un sustrato formador de aerosol de un artículo generador de aerosol para generar un aerosol que se inhala directamente en los pulmones de un usuario a través de la boca del usuario. El sustrato formador de aerosol puede estar total o parcialmente contenido dentro del dispositivo.
En otro aspecto de la invención, se proporciona un sistema generador de aerosol que comprende un dispositivo generador de aerosol como se describió anteriormente y un artículo generador de aerosol que comprende un sustrato formador de aerosol, en donde el artículo generador de aerosol se configura para ser recibido al menos parcialmente dentro del dispositivo generador de aerosol.
El sustrato formador de aerosol puede ser un sustrato sólido formador de aerosol. Alternativamente, el sustrato formador de aerosol puede ser un líquido o puede comprender componentes tanto sólidos como líquidos o puede comprender un gel. El sustrato formador de aerosol puede comprender un material que contiene tabaco y que contiene compuestos volátiles con sabor a tabaco que se liberan del sustrato al calentarse. Alternativamente, el sustrato formador de aerosol puede comprender un material que no es de tabaco. El sustrato formador de aerosol puede comprender un formador de aerosol. Los ejemplos de formadores de aerosol adecuados son la glicerina y el propilenglicol.
Si el sustrato formador de aerosol es un sustrato sólido formador de aerosol, el sustrato sólido formador de aerosol puede comprender, por ejemplo, uno o más de: polvo, gránulos, bolitas, tiras u hojas que contienen uno o más de: hoja de hierba, tabaco en hojas, fragmentos de costillas de tabaco, tabaco reconstituido, tabaco homogeneizado, tabaco extrudido, hoja moldeada y tabaco expandido. El sustrato sólido formador de aerosol puede estar en forma suelta o puede proporcionarse en un recipiente o cartucho adecuados. De manera opcional, el sustrato sólido formador de aerosol puede contener tabaco adicional o compuestos volátiles sin sabor a tabaco que se liberen al calentarse el sustrato. El sustrato sólido formador de aerosol también puede contener cápsulas que, por ejemplo, incluyan tabaco adicional o compuestos saborizantes volátiles que no son de tabaco y dichas cápsulas pueden derretirse durante el calentamiento del sustrato sólido formador de aerosol.
Opcionalmente, el sustrato sólido formador de aerosol puede proporcionarse o incorporarse en un portador térmicamente estable. El portador puede tener la forma de polvo, gránulos, píldoras, fragmentos, espaguetis, tiras o láminas. Alternativamente, el portador puede ser un portador tubular que tiene una capa delgada del sustrato sólido depositada en su superficie interna, o en su superficie externa, o en ambas superficies interna y externa. Un portador tubular de este tipo puede formarse, por ejemplo, de un papel, o material tipo papel, una manta no tejida de fibra de carbono, un tamiz metálico de malla abierta de masa baja, o una lámina metálica perforada o cualquier otra matriz polimérica térmicamente estable.
El sustrato sólido formador de aerosol puede depositarse en la superficie del portador en la forma de, por ejemplo, una lámina, espuma, gel o suspensión. El sustrato sólido formador de aerosol puede depositarse en toda la superficie del portador, o alternativamente, puede depositarse en un patrón con el fin de proporcionar un suministro del sabor no uniforme durante su uso.
Aunque se hace referencia anteriormente a sustratos sólidos formadores de aerosol, estará claro para un experto en la técnica que pueden usarse otras formas de sustrato formador de aerosol con otras modalidades. Por ejemplo, el sustrato formador de aerosol puede ser un sustrato líquido formador de aerosol. Si se proporciona un sustrato líquido formador de aerosol, el dispositivo generador de aerosol comprende preferentemente medios para retener el líquido. Por ejemplo, el sustrato líquido formador de aerosol puede retenerse en un recipiente. Alternativa o adicionalmente, el sustrato líquido formador de aerosol puede absorberse hacia dentro de un material portador poroso. El material portador poroso puede hacerse de cualquier cuerpo o tapón absorbente adecuado, por ejemplo, un metal espumoso o material de plástico, polipropileno, terileno, fibras de nilón o cerámica. El sustrato líquido formador de aerosol puede retenerse en el material portador poroso antes de su uso del dispositivo generador de aerosol o alternativamente, el material del sustrato líquido formador de aerosol puede liberarse dentro del material portador poroso durante, o inmediatamente antes de su uso. Por ejemplo, el sustrato líquido formador de aerosol puede proporcionarse en una cápsula. La cubierta de la cápsula preferentemente se derrite después de su calentamiento y libera el sustrato líquido formador de aerosol hacia dentro del material portador poroso. La cápsula puede contener opcionalmente un sólido en combinación con el líquido. Alternativamente, el portador puede ser un conjunto de fibras o tela no tejida en el cual se incorporan los componentes del tabaco. El conjunto de fibras o tela no tejida puede comprender, por ejemplo, fibras de carbón, fibras celulósicas naturales, o fibras de derivados de celulosa.
Durante la operación, el sustrato formador de aerosol puede contenerse completamente dentro del dispositivo generador de aerosol. En este caso, el usuario puede tomar una bocanada a una boquilla del dispositivo generador de aerosol. Alternativamente, durante el funcionamiento, un artículo formador de aerosol que contiene el sustrato formador de aerosol puede estar parcialmente contenido dentro del dispositivo generador de aerosol. En ese caso, el usuario puede tomar una bocanada directamente sobre el artículo formador de aerosol.
El artículo formador de aerosol puede tener una forma sustancialmente cilíndrica. El artículo formador de aerosol puede ser sustancialmente alargado. El artículo formador de aerosol puede tener una longitud y una circunferencia sustancialmente perpendicular a la longitud. El sustrato formador de aerosol puede tener una forma sustancialmente cilíndrica. El sustrato formador de aerosol puede ser sustancialmente alargado. El sustrato formador de aerosol también puede tener una longitud y una circunferencia sustancialmente perpendicular a la longitud.
El artículo formador de aerosol puede tener una longitud total entre aproximadamente 30 mm y aproximadamente 100 mm. El artículo formador de aerosol puede tener un diámetro externo de entre aproximadamente 5 mm y aproximadamente 12 mm. El artículo formador de aerosol puede comprender un tapón de filtro. El tapón de filtro puede estar ubicado en el extremo aguas abajo del artículo formador de aerosol. El tapón de filtro puede ser un tapón de filtro de acetato de celulosa. El tapón de filtro tiene una longitud de aproximadamente 7 mm en una modalidad, pero puede tener una longitud de entre aproximadamente 5 mm a aproximadamente 10 mm.
En una modalidad, el artículo formador de aerosol tiene una longitud total de aproximadamente 45 mm. El artículo formador de aerosol puede tener un diámetro externo de aproximadamente 7,2 mm. Además, el sustrato formador de aerosol puede tener una longitud de, aproximadamente, 10 mm. Alternativamente, el sustrato formador de aerosol puede tener una longitud de, aproximadamente, 12 mm. Además, el diámetro del sustrato formador de aerosol puede ser entre, aproximadamente, 5 mm y, aproximadamente, 12 mm. El artículo formador de aerosol puede comprender una envoltura de papel exterior. Además, el artículo formador de aerosol puede comprender una separación entre el sustrato formador de aerosol y el tapón de filtro. La separación puede ser de, aproximadamente, 18 mm, pero puede ubicarse en el intervalo de, aproximadamente, 5 mm a, aproximadamente, 25 mm.
El dispositivo es preferentemente un dispositivo portátil que puede sostenerse cómodamente entre los dedos de una sola mano. El dispositivo puede tener una forma sustancialmente cilíndrica y una longitud de entre 70 y 200 mm. El diámetro máximo del dispositivo es, preferentemente, de entre 10 y 30 mm. En una modalidad, el dispositivo tiene una sección transversal poligonal y un botón que sobresale formado en una cara. En esta modalidad, el diámetro del dispositivo es de entre 12,7 y 13,65 mm medido desde una cara plana hasta una cara plana opuesta; de entre 13,4 y 14,2 medido desde un borde hasta un borde opuesto (es decir, desde la intersección de dos caras de un lado del dispositivo a la correspondiente intersección del otro lado) y de entre 14,2 y 15 mm medido desde la parte superior del botón hasta una cara plana inferior opuesta.
El artículo generador de aerosol puede comprender un elemento o elementos susceptores. Alternativa o adicionalmente, el dispositivo generador de aerosol puede comprender un elemento o elementos susceptores. Como se usa en la presente, un “elemento susceptor” se refiere a un elemento conductor que se calienta cuando se somete a un campo magnético variable. Esto puede ser el resultado de las corrientes parásitas inducidas en el elemento susceptor y/o las pérdidas por histéresis. Ventajosamente, el elemento susceptor comprende un material ferromagnético.
El elemento susceptor está ventajosamente en proximidad térmica al sustrato formador de aerosol en uso, de manera que el calor generado en el susceptor puede transferirse por conducción o convección al sustrato formador de aerosol para generar un aerosol.
El material y la geometría para el elemento susceptor pueden seleccionarse para proporcionar una resistencia eléctrica y generación de calor deseadas. Ventajosamente, el elemento susceptor tiene una permeabilidad relativa entre 1 y 40 000. Cuando para la mayoría del calentamiento es deseable una dependencia de las corrientes parásitas, puede usarse un material de menor permeabilidad, y cuando se desean los efectos de la histéresis entonces puede usarse un material de mayor permeabilidad. Preferentemente, el material tiene una permeabilidad relativa entre 500 y 40000. Esto proporciona el calentamiento eficiente.
El material del elemento susceptor puede seleccionarse por su temperatura de Curie. Por encima de su temperatura de Curie un material deja de ser ferromagnético y así el calentamiento debido a las pérdidas por histéresis no se produce más. En el caso de que el elemento susceptor se fabrique a partir de un único material, la temperatura de Curie puede corresponder a una temperatura máxima que debe tener el elemento susceptor (es decir, la temperatura de Curie es idéntica a la temperatura máxima a la cual debe calentarse el elemento susceptor o se desvía de esta temperatura máxima en aproximadamente el 1-3 %). Esto disminuye la posibilidad del rápido sobrecalentamiento.
Si el elemento susceptor se fabrica a partir de más de un material, los materiales del elemento susceptor pueden optimizarse con respecto a aspectos adicionales. Por ejemplo, los materiales pueden seleccionarse de tal manera que un primer material del elemento susceptor puede tener una temperatura de Curie que está por encima de la temperatura máxima a la cual debe calentarse el elemento susceptor. Este primer material del elemento susceptor puede optimizarse entonces, por ejemplo, con respecto a la máxima generación y transferencia de calor hacia el sustrato formador de aerosol para proporcionar un calentamiento eficiente del susceptor de una parte. Sin embargo, el elemento susceptor puede comprender entonces adicionalmente un segundo material con una temperatura de Curie que corresponde a la temperatura máxima a la cual debe calentarse el susceptor, y una vez que el elemento susceptor alcanza esta temperatura de Curie cambian las propiedades magnéticas del elemento susceptor como un todo. Este cambio se puede detectar y comunicar a un microcontrolador que luego interrumpe el funcionamiento de los circuitos de accionamiento hasta que la temperatura se haya enfriado por debajo de la temperatura de Curie nuevamente, después de lo cual se puede reanudar el funcionamiento del circuito de accionamiento.
El elemento susceptor puede tener forma de malla. Si el sustrato formador de aerosol es un líquido, la malla puede configurarse para permitir que el líquido forme un menisco en los intersticios del elemento susceptor de malla. Esto proporciona un calentamiento eficaz del sustrato formador de aerosol. Como se usa en la presente descripción, el término "malla" abarca rejillas y conjuntos de filamentos que tienen espacios entre ellos, y puede incluir telas tejidas y no tejidas. La malla puede comprender una pluralidad de filamentos de ferrita. Los filamentos pueden definir intersticios entre los filamentos y los intersticios pueden tener una anchura de entre 10 pm y 100 pm. Preferentemente, los filamentos dan lugar a una acción capilar en los intersticios, de modo que durante el uso, el líquido a vaporizar es aspirado hacia los intersticios, aumentando el área de contacto entre el elemento susceptor y el líquido.
Las modalidades de la invención se describirán ahora en detalle, con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales:
La Figura 1 muestra una modalidad de un sistema generador de aerosol que comprende un dispositivo generador de aerosol y un artículo generador de aerosol, de acuerdo con una modalidad de la invención;
La Figura 2 es una ilustración esquemática de los componentes de los componentes eléctricos del sistema mostrado en la Figura 1;
La Figura 3 es una ilustración esquemática de la electrónica del suministro de energía de acuerdo con la invención;
La Figura 4 ilustra las tensiones aplicadas a lados opuestos del circuito de carga por el circuito de accionamiento; La Figura 5a ilustra una disposición de la electrónica del suministro de energía de acuerdo con una modalidad de la invención;
La Figura 5b ilustra los componentes del circuito de suministro de energía de la Figura 5a a través del cual pasa la corriente durante un primer período de tiempo;
La Figura 5c ilustra los componentes del circuito de suministro de energía de la Figura 5a a través del cual pasa la corriente durante un segundo período de tiempo; y
La Figura 6 ilustra una disposición alternativa de la electrónica del suministro de energía.
La Figura 1 muestra una modalidad de un sistema generador de aerosol que comprende un dispositivo de calentamiento inductivo 1 según la invención. El dispositivo de calentamiento inductivo 1 comprende un alojamiento del dispositivo 10, que puede ser de plástico, y una fuente de energía de CC que comprende una batería recargable 110. El dispositivo de calentamiento inductivo 1 además comprende un puerto de conexión 12 que comprende un pasador 120 para conectarse con el dispositivo de calentamiento inductivo a una estación de carga o a un dispositivo de carga para recargar la batería recargable 110. Además, el dispositivo de calentamiento inductivo 1 comprende una electrónica de suministro de energía 13 que se configura para funcionar a una frecuencia deseada.
La electrónica de suministro de energía 13 se conecta eléctricamente a la batería recargable 110 a través de una conexión eléctrica adecuada 130. Y mientras que la electrónica del suministro de energía 13 comprende componentes adicionales que no se pueden ver en la Figura 1, comprende en particular una red de carga LC que a su vez comprende un inductor L, lo que está indicado por las líneas discontinuas en la Figura 1. El inductor L está incrustado en el alojamiento del dispositivo 10 en el extremo proximal del alojamiento del dispositivo 10 para rodear una cavidad 14 que también está dispuesta en el extremo proximal del alojamiento del dispositivo 10.
El inductor L puede comprender una bobina inductora cilíndrica enrollada helicoidalmente que tiene una forma cilíndrica. La bobina inductora cilíndrica enrollada helicoidalmente L puede tener un diámetro d en el intervalo de aproximadamente 5 mm a aproximadamente 10 mm y, en particular, el diámetro d puede ser de aproximadamente 8 mm. La longitud 1 de la bobina inductora cilíndrica enrollada helicoidalmente puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,5 mm a aproximadamente 18 mm. Por consiguiente, el volumen interior puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,015 cm3 a aproximadamente 1,3 cm3.
El sustrato formador de aerosol 20 comprende un susceptor 21 y está alojado en la cavidad 14 en el extremo proximal del alojamiento del dispositivo 10 de manera que durante el funcionamiento el inductor L (la bobina inductora cilíndrica enrollada helicoidalmente) se acopla inductivamente al susceptor 21 del sustrato formador de aerosol 20 del artículo para fumar 2.
El susceptor 21 no tiene que formar parte necesariamente del consumible, pero podría formar parte del propio dispositivo. También es posible tener elementos susceptores tanto en el dispositivo como en el consumible.
Una porción de filtro 22 del artículo para fumar 2 puede disponerse afuera de la cavidad 14 del dispositivo de calentamiento inductivo 1 para que así durante el funcionamiento el consumidor pueda aspirar el aerosol a través de la porción de filtro 22. Una vez que el artículo para fumar se retira de la cavidad 14, la cavidad 14 se puede limpiar fácilmente, ya que, excepto por el extremo distal abierto a través del cual se inserta el sustrato formador de aerosol 20 del artículo para fumar 2, la cavidad está completamente cerrada y rodeado por las paredes internas del alojamiento de plástico del dispositivo 10 que define 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 acuerdo con la invención, con algunos aspectos o componentes opcionales como se discutirá a continuación. 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 acuerdo con la invención. El diagrama de bloques que se muestra en la Figura 2 es una ilustración que tiene en cuenta la forma de funcionamiento. Como puede verse, el dispositivo de calentamiento inductivo 1 comprende una fuente de energía de CC 11 (en la Figura 1 que comprende la batería recargable 110), circuitos electrónicos de control (unidad de control de microprocesador) 131, un convertidor CC/CA 132 (incorporado como un inversor CC/CA), una red de adaptación 133 para adaptación a la carga, y el inductor L. Los circuitos electrónicos de control 131, el convertidor CC/Ca 132 y la red de adaptación 133, así como el inductor L, forman parte de los circuitos electrónicos del suministro de energía 13 (ver Figura 1).
La tensión de alimentación de CC (VDC) y la corriente de CC (IDC) extraídas de la fuente de energía de CC 11 se proporcionan mediante canales de retroalimentación a la unidad de control del microprocesador 131, preferentemente mediante la medición tanto de la tensión de alimentación de CC (VDC) como de la corriente de CC (IDC) extraída de la fuente de alimentación de CC 11, para controlar el suministro adicional de energía de CA a la red de carga LC. La red de adaptación 133 puede proporcionar una adaptación óptima a la carga, pero no es esencial y no se incluye en la descripción de los siguientes ejemplos detallados.
La Figura 3 muestra algunos componentes esenciales de los circuitos electrónicos del suministro de energía 13 y, en particular, el inversor CC/CA 132. La electrónica de energía 13 comprende una rama de carga 1320 que a su vez comprende una red de carga LC 1323 configurada para operar con una carga baja R 1324. La resistencia R 1234 mostrada en la Figura 3 no es un componente real; es una resistencia en serie equivalente. del susceptor en la bobina. La red de carga LC comprende un condensador C y un inductor L (que tiene una bobina de resistencia óhmica R) conectados en serie. La red de carga LC 1323 se acopla inductivamente al susceptor durante el funcionamiento.
En esta modalidad, el inversor CC/CA comprende un medio de accionamiento izquierdo D1 y una conducción correcta significa D2 conectado a extremos opuestos de la red de carga 1320. Cada uno de los medios de accionamiento izquierdos y los medios de accionamiento derechos están conectados a la fuente de energía de CC y a la red de carga 1320 que tiene un primer terminal en un primer lado y un segundo terminal en un segundo lado. En la Figura 3 se representan dos fuentes de energía de CC independientes, pero típicamente los medios de accionamiento izquierdo y derecho están conectados a la misma fuente de energía.
La conducción a la izquierda significa D1 se configura para proporcionar una primera tensión de forma de onda periódica Vr a la rama de carga 1320, con una frecuencia seleccionada F, y que tiene una amplitud que va desde un primer valor a un segundo valor menor que el primer valor. De manera similar, conducir a la derecha significa D2 se configura para proporcionar una segunda tensión de forma de onda Vl a la rama de carga 1320, que tiene sustancialmente la misma frecuencia F que la primera tensión de forma de onda y, de manera similar, tiene una amplitud que varía desde un primer valor respectivo hasta un segundo valor respectivo menor que el primer valor. Un ejemplo de las formas de onda periódicas primera y segunda se ilustra esquemáticamente en la Figura 4. Puede verse que las dos formas de onda son ondas cuadradas que están directamente desfasadas (o en oposición de fase) entre sí. Debido a que las ondas cuadradas se aplican desde extremos opuestos de la red de carga, proporcionan caídas de tensión a través de la red de carga en direcciones opuestas. Las caídas de tensión son de polaridad opuesta entre sí, donde la polaridad opuesta en este contexto se refiere a la posición relativa de los lados de alto y baja tensión, en lugar de requerir una tensión positiva y una tensión negativa. Aplicando pulsos de tensión alternativamente desde cualquier lado de la red de carga de esta manera, se suministra efectivamente una tensión de CA al inductor y la energía se puede disipar de manera eficiente en la red de carga, y en particular en el elemento susceptor.
Hay varias formas en las que se puede implementar la disposición mostrada en la Figura 3 para proporcionar un perfil de tensión como se ilustra en la Figura 4. La Figura 5a ilustra una primera modalidad, en la que los medios de accionamiento derecho e izquierdo junto con la red de carga forman amplificadores de clase D. En particular, cada uno de los medios de accionamiento comprende un par de conmutadores de transistor T1, T2 , y T3 , T4 conectado a la fuente de energía de CC en serie. La red de carga 1323 se conecta a los medios de accionamiento izquierdo en una posición entre los dos conmutadores de transistores T1 y T2. La red de carga 1323 se conecta a los medios de accionamiento derechos en una posición entre los dos conmutadores de transistores T3 y T4. La red de carga se comparte efectivamente entre los dos amplificadores de clase D.
Los interruptores de transistor son transistores de efecto de campo (FET) y están controlados por los circuitos electrónicos de control para suministrar la forma de onda como se ilustra en la Figura 4. Los circuitos electrónicos de control suministran una tensión de conmutación alterna de alta frecuencia 1321, 1322, 1325, 1326 a la puerta de cada uno de los transistores de manera que durante un medio período los transistores T1 y T3 son conductores y transistores T2 y T4 están apagados, y durante el otro medio período los transistores T2 y T4 son conductores y transistores T1 y T3 están fuera. La Figura 5b ilustra la conexión del inductor L al suministro de energía durante la primera mitad del período, con transistores T1 y T3 conductible. Se puede considerar que la disposición mostrada en la Figura 5b comprende un primer circuito de accionamiento que funciona para suministrar a la red de carga una primera caída de tensión periódica. La Figura 5c ilustra la conexión del inductor L al suministro de energía durante la segunda mitad del período, con transistores T2 y T4 conductible. Se puede considerar que la disposición mostrada en la Figura 5c comprende un segundo circuito de accionamiento que opera para suministrar a la red de carga una segunda caída de tensión periódica, a la misma frecuencia que la primera caída de tensión periódica pero de polaridad opuesta y directamente desfasada con la primera tensión periódico.
Por supuesto, es posible proporcionar caídas de tensión periódicas diferentes a las que se muestran en la Figura 4. En particular, las formas de onda pueden tener un ciclo de trabajo de menos del 50%. Se apreciará que los pulsos de tensión VR y VL preferentemente no se superpongan entre sí en el tiempo, para evitar una corriente alta y potencialmente dañina que atraviesa los transistores T1 y T2 o T3 y T4.
La Figura 6 ilustra una disposición alternativa para implementar la topología mostrada en la Figura 3, usando una topología de amplificador de Clase E en lugar de una topología de amplificador de Clase D. En la disposición de la Figura 6, los medios de accionamiento del lado izquierdo junto con la red de carga forman un primer amplificador de Clase E y los medios de accionamiento del lado derecho junto con la red de carga forman un segundo amplificador de Clase E. Cada amplificador de clase E comprende un solo interruptor FET. El interruptor T5 en el medio de accionamiento del lado izquierdo se controla por una tensión de conmutación de alta frecuencia 1327 y el interruptor T6 en el lado derecho, el medio de accionamiento se controla por una tensión de conmutación de alta frecuencia 1328. Las tensiones de conmutación 1327 y 1328 están desfasados entre sí para proporcionar las dos formas de onda de tensión periódico directamente desfasadas VL y VR, como se ejemplifica en la Figura 4.
Debe quedar claro que son posibles otras formas de circuitos de accionamiento. Por ejemplo, es posible tener una disposición utilizando los medios de accionamiento del lado derecho mostrados en la Figura 5a y los medios de accionamiento del lado izquierdo mostrados en la Figura 6, o usando los medios de accionamiento del lado izquierdo mostrados en la Figura 5a y los medios de accionamiento del lado derecho mostrados en Figura 6. También pueden emplearse otras formas de circuitos de conmutación resonante como medios de accionamiento del lado derecho e izquierdo.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo generador de aerosol (1) que comprende:
una o más fuentes de energía de CC (110);
una red de carga (1320) que comprende un inductor (L) y un condensador (C) conectados en serie;
primer circuito de accionamiento conectado a una o más fuentes de energía de CC (110) y conectado a través de la red de carga y configurado para proporcionar una primera caída de tensión a través de la red de carga (1320); caracterizado por
segundo circuito de accionamiento conectado a una o más fuentes de energía de CC (110) y conectado a través de la red de carga (1320) y configurado para proporcionar una segunda caída de tensión a través de la red de carga (1320), la segunda caída de tensión que está en una dirección opuesta a la primera caída de tensión; y por un controlador (131) conectado al primer y segundo circuito de accionamiento y configurado para controlar el primer y segundo circuito de accionamiento de manera que tanto la primera como la segunda caída de tensión se proporcionen a través de la red de carga (1320) periódicamente y de manera que la segunda caída de tensión no se proporciona a través de la red de carga (1320) de manera simultánea con la primera caída de tensión.
2. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el controlador (131) se configura de manera que la primera tensión se proporcione periódicamente con una primera frecuencia y, por lo tanto, la segunda tensión se proporcione periódica a sustancialmente la misma frecuencia.
3. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde el primer circuito de accionamiento y el segundo circuito de accionamiento están compuestos por medios de accionamiento del lado derecho e izquierdo (D2 , D1), en donde los componentes del circuito conectados a un extremo de la red de carga (1320) forman los medios de accionamiento del lado derecho (D2 ) y los componentes del circuito conectados al otro extremo de la red de carga forman los medios de accionamiento del lado izquierdo (D2), y en donde cada uno de los medios de accionamiento del lado derecho e izquierdo comprende un circuito de conmutación.
4. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con la reivindicación 3, en donde los medios de accionamiento del lado derecho (D2) junto con la red de carga (1320) forma un primer amplificador de energía y en donde los medios de accionamiento del lado izquierdo (D1) junto con la red de carga (1320) forma un segundo amplificador de energía.
5. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el primer amplificador de energía o el segundo amplificador de energía, o tanto el primer amplificador de energía como el segundo amplificador de energía, es un amplificador de clase D.
6. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, en donde el primer amplificador de energía o el segundo amplificador de energía, o tanto el primer amplificador de energía como el segundo amplificador de energía, es un amplificador de clase E.
7. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el controlador (131) se configura para proporcionar la segunda tensión directamente fuera de fase con la primera tensión.
8. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una o más fuentes de energía de CC comprenden una batería conectada tanto al primer como al segundo circuito de accionamiento.
9. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con la reivindicación 8, en donde la batería es una batería recargable.
10. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un alojamiento (10) que contiene una o más fuentes de energía de CC (10), la red de carga (110), el primer y segundo circuito de accionamiento y el controlador (131), el alojamiento (10) que define una cavidad (14) para recibir un sustrato formador de aerosol (20), y en donde el dispositivo (1) se configura para calentar inductivamente el sustrato formador de aerosol (20).
11. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el inductor (L) es una bobina colocada adyacente a o alrededor de la cavidad (14).
12. Un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el dispositivo (1) es un dispositivo portátil.
13. Un sistema generador de aerosol que comprende un dispositivo generador de aerosol (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores y un artículo generador de aerosol (2) que comprende un sustrato formador de aerosol (20), en donde el artículo generador de aerosol (2) se configura para ser recibido al menos parcialmente dentro del dispositivo generador de aerosol (1).
14. Un sistema generador de aerosol de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el artículo generador de aerosol comprende un material susceptor (21).
15. Un sistema generador de aerosol de acuerdo con la reivindicación 13 o 14, en donde el sustrato formador de aerosol (20) comprende un material que contiene tabaco que contiene compuestos saborizantes de tabaco volátiles que se liberan del sustrato al calentar.
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