JP7362845B2 - 内部気流通路を有するカートリッジを備えるエアロゾル発生システム - Google Patents

Description

本開示はエアロゾル形成基体を加熱することにより作動するエアロゾル発生システムに関する。特に本発明は、電源を含む装置部分と、消耗品であるエアロゾル形成基体を含む交換可能なカートリッジ部分とを備えるエアロゾル発生システムに関連する。

一つのタイプのエアロゾル発生システムは電子たばこである。電子たばこは一般に、気化されてエアロゾルを形成する液体エアロゾル形成基体を使用する。電子たばこは一般に、電源と、１回分の液体エアロゾル形成基体を保持するための液体貯蔵部分と、アトマイザーとを備える。

液体エアロゾル形成基体は使用時に枯渇状態になり、そのため補充される必要がある。液体エアロゾル形成基体の詰め替え品を供給する最も一般的な方法は、カートマイザー型のカートリッジ入りである。カートマイザーは１回分の液体基体およびアトマイザーの両方を含み、通常はエアロゾル形成基体に浸された毛細管材料の周りに巻かれた電気的に動作する抵抗ヒーターの形態である。カートマイザーを単一のユニットとして交換することはユーザーにとって便利であるという利点があり、またユーザーが掃除またはその他の方法でアトマイザーを維持しなければならないという必要性が回避される。

しかし、現時点で入手できるカートマイザーよりも安価に製造でき堅牢性の高いエアロゾル形成基体の詰め替え品が許容されるシステムを提供できながらも、なおも消費者にとって使用が簡単で便利であることが望ましい。さらに、はんだ付けされた継ぎ目の必要性がなく、清掃が簡単な密封された装置が許容されるシステムが提供されることが望ましい。

第一の態様では、電気加熱式エアロゾル発生システムで使用するためのカートリッジが提供されており、電気加熱式エアロゾル発生システムは、エアロゾル発生装置を備え、カートリッジはこの装置で使用されるように構成され、この装置は、装置ハウジングと、装置ハウジング内に配置されたインダクタコイルと、インダクタコイルに接続され、かつ高周波振動電流をインダクタコイルに提供するよう構成された電源とを備え、カートリッジは、エアロゾル形成基体を含むカートリッジハウジングであって、これを通して空気が流れることができる内部通路を囲む内部表面を持つハウジングと、エアロゾル形成基体を加熱するように配置されたサセプタ素子とを備える。

有利なことに、ハウジングの内部表面の少なくとも一部分は、流体透過性である。本明細書で使用される時、「流体透過性」素子は、液体または気体がこれを通して浸透することを許容する素子を意味する。ハウジングは、流体が開口部を通して浸透することを許容するように形成される複数の開口部をハウジングに持ちうる。特に、このハウジングは、気相でも気相および液相のいずれでもエアロゾル形成基体が開口部を通して浸透するのを許容する。

動作時に、高周波振動電流がフラットスパイラルインダクタコイルを通過して、サセプタ素子内で電圧を誘起する交番磁界を発生させる。誘起された電圧はサセプタ素子内に電流を流させ、この電流がサセプタのジュール加熱を起こし、これがエアロゾル形成基体を加熱する。サセプタ素子は強磁性である場合、サセプタ素子内のヒステリシス損失も熱を発生する場合がある。気化されたエアロゾル形成基体はサセプタ素子を通過でき、その後で冷却してユーザーに送達されるエアロゾルが形成される。

誘導加熱を利用したこの配列はカートリッジと装置の間に電気的な接点が一切形成される必要がないという利点を持つ。また、発熱体（この場合には、サセプタ素子）は、それ以外のいかなる構成要素にも電気的に結合されている必要がなく、はんだまたはその他の結合要素の必要性が除去される。さらに、単純で安価かつ堅牢なカートリッジの構成を可能にする装置の部品としてコイルが提供されている。カートリッジは作動に用いる装置よりもずっと大量に製造される一般に使い捨ての物品である。従って、より高価な装置を必要とする場合でも、カートリッジのコストを低減することが、製造者および消費者の両者にとって有意なコスト節約につながりうる。

高周波振動電流は本明細書で使用される時、５００ｋＨｚ～３０ＭＨｚの周波数を持つ振動する電流を意味する。高周波振動電流の周波数は１～３０ＭＨｚとすることができ、１～１０ＭＨｚであることが好ましく、５～７ＭＨｚであることがより好ましい。

カートリッジの中に気流のための内部通路を提供することによってシステムをコンパクトにすることができる。これによってシステムを対称的かつバランスのとれたものにすることもでき、これはシステムが携帯型システムである時に有利である。気流のための内部通路は装置からの熱損失を最小化し、かつ保持するのが快適な温度に装置およびカートリッジのハウジングを簡単に維持できるようにもする。気流内の気化したエアロゾル形成基体を内部通路の中で冷ましてエアロゾルを形成することができる。

エアロゾル形成基体は、内部通路を囲む環状スペースの中に保持されうる。カートリッジは概して円筒形状を有してもよく、円形、六角形、八角形、十角形などの任意の望ましい断面を有してもよい。

「サセプタ素子」は本明細書で使用される時、変動する磁場に晒された時に加熱する導体素子を意味する。これはサセプタ素子内で誘起された渦電流および／またはヒステリシス損失の結果でありうる。サセプタ素子のための可能性がある材料としては、黒鉛、モリブデン、炭化ケイ素、ステンレス鋼、ニオブ、アルミニウム、およびほとんどの任意の他の導電性元素が挙げられる。有利なことに、サセプタ素子はフェライト素子である。サセプタ素子の材料および幾何学的形状は望ましい電気抵抗および発熱を提供するために選択できる。サセプタ素子は、例えば、メッシュ、フラットスパイラルコイル、繊維、または布を含んでもよい。

有利なことに、サセプタ素子はエアロゾル形成基体と接触する。サセプタ素子は内部表面の一部または全てを形成しうる。有利なことにサセプタ素子は流体透過性であってもよい。

サセプタ素子はカートリッジハウジング内の開口部全体に広がるシートとして提供されうる。サセプタ素子はカートリッジハウジングの内部または外部の周囲の周りに広がりうる。

別の方法として、サセプタ素子はカートリッジの内部通路全体に広がる毛細管芯を備えうる。この芯は複数の繊維を含みうる。

有利なことに、サセプタ素子は１～４００００の相対浸透性を持つ。大半の加熱のために渦電流に依存することが望ましい時には低めの浸透性の材料を使用してもよく、またヒステリシス効果が望ましい時には高めの浸透性の材料を使用してもよい。材料の相対浸透性は５００～４００００であることが好ましい。これにより効率的な加熱が提供される。

サセプタ素子の材料は、そのキュリー温度を理由に選択してもよい。そのキュリー温度を超えるとヒステリシス損失がもはや発生しないため、材料はもはや強磁性ではなくなり、そのため加熱されなくなる。サセプタ素子が単一の材料でできている場合、キュリー温度はサセプタ素子が持つべき最高温度に対応しうる（すなわち、キュリー温度はサセプタ素子が加熱されるべき最高温度と等しいか、またはこの最高温度から約１～３％だけ逸脱した温度である）。これにより、急激な過熱の可能性が低減される。

サセプタ素子が複数の材料でできている場合、サセプタ素子の材料はさらなる態様に関して最適化できる。例えば材料は、サセプタ素子の第一の材料がサセプタ素子が加熱されるべき最高温度を超えるキュリー温度を持ちうるように選択できる。その後、サセプタ素子のこの第一の材料は、例えば最大発熱に関して最適化し、一方でエアロゾル形成基体に移動して、サセプタの効率的な加熱が提供されるようにしうる。ところが、サセプタ素子はその後、追加的にサセプタが加熱されるべき最高温度に対応するキュリー温度を持つ第二の材料を備えることができ、サセプタ素子がこのキュリー温度に達すると、サセプタ素子全体の磁性が変化する。この変化は検出されてマイクロコントローラに通信されることができ、その後、温度が再びキュリー温度よりも低い温度まで冷めるまでＡＣ電力の発生が妨害され、冷めた後でＡＣ電力の発生が再開される。

大半のカートリッジハウジングは液体に対して不浸透性の材料を含む剛直なハウジングであることが好ましい。本明細書で使用される場合、「剛直なハウジング」とは、自立型のハウジングを意味する。

エアロゾル形成基体はエアロゾルを形成できる揮発性化合物を放出する能力を持つ基体である。揮発性化合物はエアロゾル形成基体の加熱により放出されうる。エアロゾル形成基体は固体でも液体でもよく、固体および液体の両方の成分を含んでもよい。

エアロゾル形成基体は植物由来材料を含みうる。エアロゾル形成基体はたばこを含みうる。エアロゾル形成基体は加熱に伴いエアロゾル形成基体から放出される揮発性のたばこ風味化合物を含む、たばこ含有材料を含みうる。別の方法として、エアロゾル形成基体は非たばこ含有材料を含んでもよい。エアロゾル形成基体は均質化した植物由来材料を含んでもよい。エアロゾル形成基体は均質化したたばこ材料を含んでもよい。エアロゾル形成基体は少なくとも一つのエアロゾル形成体を含んでもよい。エアロゾル形成体は、使用において、密度の高い安定したエアロゾルの形成を容易にする、およびシステムの操作温度で熱分解に対して実質的に抵抗性のある任意の適切な公知の化合物または化合物の混合物である。好適なエアロゾル形成体は当業界で周知であり、多価アルコール（トリエチレングリコール、１，３－ブタンジオール、およびグリセリンなど）、多価アルコールのエステル（グリセロールモノアセテート、ジアセテート、またはトリアセテートなど）、およびモノカルボン酸、ジカルボン酸、またはポリカルボン酸の脂肪族エステル（ドデカン二酸ジメチルおよびテトラデカン二酸ジメチルなど）を含むが、これに限定されない。好ましいエアロゾル形成体は多価アルコールまたはその混合物（トリエチレングリコール、１，３－ブタンジオールおよびグリセリン（最も好ましい）など）である。エアロゾル形成基体は、その他の添加物および成分（風味剤など）を含みうる。

エアロゾル形成基体は担体または支持体に吸着、被覆、含浸またはその他の方法で装填される場合がある。一例において、エアロゾル形成基体は毛細管材料内に保持される液体基体である。毛細管材料は繊維質または海綿状の構造を有する場合がある。毛細管材料は一束の毛細管を含むことが好ましい。例えば、毛細管材料は複数の繊維もしくは糸、またはその他の微細チューブを含む場合がある。繊維または糸は、一般的に液体をヒーターに移動するように整列されたものとしうる。別の方法として、毛細管材料は海綿体様または発泡体様の材料を含む場合がある。毛細管材料の構造は複数の小さな穴またはチューブを形成し、それを通して液体が毛細管作用によって移動できる。毛細管材料は適切な任意の材料または材料の組み合わせを含みうる。適切な材料の例としては、海綿体または発泡体材料、繊維または焼結粉末の形態のセラミック系またはグラファイト系の材料、発泡性の金属またはプラスチックの材料、例えば紡がれたかまたは押し出された繊維（酢酸セルロース、ポリエステル、または結合されたポリオレフィン、ポリエチレン、テリレンまたはポリプロピレン繊維、ナイロン繊維またはセラミックなど）でできた繊維性材料がある。毛細管材料は異なる液体物理特性で使用されるように、適切な任意の毛細管および空隙率を有する場合がある。液体は毛細管作用により毛細管材料を通過して移動できるようにする粘性、表面張力、密度、熱伝導率、沸点および蒸気圧を含むがこれに限定されない物理的特性を持つ。毛細管材料はエアロゾル形成基体をサセプタ素子に運ぶように構成されうる。毛細管材料はサセプタ素子内の隙間内に広がりうる。

サセプタ素子は、カートリッジハウジングが装置ハウジングと係合した時に、インダクタコイルに隣接して配置されるように構成されたカートリッジハウジングの壁上に提供しうる。使用時に、サセプタ素子で誘起される電圧を最大化するために、サセプタ素子をインダクタコイルに近くに配置させることが有利である。

第二の態様では、エアロゾル発生装置と、第一の態様によるカートリッジとを備える電気加熱式エアロゾル発生システムが提供され、この装置は、
装置ハウジングと、
装置ハウジング内に配置されたインダクタコイルと、
インダクタコイルに接続され、かつ高周波振動電流をインダクタコイルに提供するように構成された電源であって、使用時にインダクタコイルによって発生した磁場がカートリッジ内のサセプタ材料内に熱を発生させる電源と、を備える。

カートリッジハウジングが装置ハウジングと係合した時、気流通路をインダクタコイルとサセプタ素子の間に提供しうる。気化したエアロゾル形成基体は気流通路内の空気の流れに混入させることができ、その後、冷めてエアロゾルを形成する。

装置ハウジングがカートリッジハウジングと係合した時、装置ハウジングは、カートリッジの少なくとも一部分を受けるためのくぼみを画定してもよく、インダクタコイルは、くぼみの中に、その周りに、またはそれに隣接して内部に配置される。カートリッジがくぼみの中に受けられた時、インダクタコイルはカートリッジの外側に配置されうる。カートリッジがくぼみの中に受けられた時、インダクタコイルはカートリッジを囲みうる。インダクタコイルは、くぼみの内部表面と一致する形状としうる。

別の方法として、インダクタコイルはカートリッジがくぼみ内に受けられる時にくぼみ内にあるようにしてもよい。一部の実施形態で、インダクタコイルはカートリッジハウジングが装置ハウジングに係合した時にカートリッジの内部通路内にある。

装置ハウジングは本体およびマウスピース部分を備えうる。くぼみは本体内とすることができ、またマウスピース部分は出口を持つことができ、システムによって生成されたエアロゾルはその出口を通してユーザーの口へと引き出される。インダクタコイルはマウスピース部分内または本体内としうる。

別の方法として、マウスピース部分はカートリッジの部品として提供されてもよい。マウスピース部分という用語は本明細書で使用される時、エアロゾル発生システムにより生成されたエアロゾルを直接吸い込むために、ユーザーの口に入れられる装置またはカートリッジの一部分を意味する。エアロゾルはマウスピースを通してユーザーの口に運ばれる。

装置は単一のインダクタコイルまたは複数のインダクタコイルを備えうる。インダクタコイル（単一または複数）は、らせんコイルまたはフラットスパイラルコイルとしうる。インダクタコイルはフェライトコアの周りに巻かれうる。「フラットスパイラルコイル」は本明細書で使用される時、一般的に平面のコイルで、コイルの巻線の軸がコイルのある表面に対して垂直であるコイルを意味する。ただし、「フラットスパイラルコイル」という用語は本明細書で使用される時、平面であるコイルのほか、曲面と一致するような形状のフラットスパイラルコイルも網羅する。フラットスパイラルコイルの使用により、堅牢でかつ製造が安価な単純なデザインを持つコンパクトな装置デザインが許容される。コイルはコイルへの付着物および潜在的な腐食を防止できるように、装置ハウジング内に保持でき、また生成されたエアロゾルに晒される必要がない。また、フラットスパイラルコイルの使用により、装置とカートリッジの間の単純な境界面が許容され、単純かつ安価なカートリッジ設計ができるようになる。フラットスパイラルインダクタはコイルの平面内で望ましい任意の形状を持つことができる。例えば、フラットスパイラルコイルは円形形状を持つことも、一般的に長楕円形の形状を持つこともできる。

インダクタコイルはサセプタ素子の形状と一致する形状を持ちうる。コイルの直径は５ｍｍ～１０ｍｍとしうる。

システムはさらに、インダクタコイルおよび電源に接続された電気回路を備えうる。電気回路はマイクロプロセッサを備えうるが、これはプログラマブルマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または特定用途向けＩＣチップ（ＡＳＩＣ）または制御能力を持つその他の電子回路としうる。電気回路はさらなる電子構成要素を備えうる。電気回路はコイルへの電流供給を調節するよう構成しうる。電流はシステムの起動後、インダクタコイルに連続的に供給することも、毎回の吸入ごとなど断続的に供給することもできる。電気回路は有利なことにＤＣ／ＡＣインバータを備えることができ、これはクラスＤまたはクラスＥの電力増幅器を備えうる。

システムはハウジングの本体内に電源（一般にリチウムイオンリン酸型電池などの電源）を備えることが有利である。別の方法として、電源はコンデンサーなど別の形態の電荷蓄積装置としうる。電源は再充電を要するものとすることができ、１回以上の喫煙体験のために十分なエネルギーの蓄積が許容される容量を持ちうる。例えば、電源は従来型の紙巻たばこ１本を喫煙するのにかかる一般的な時間に対応する約６分の時間、または６分の倍数の時間にわたるエアロゾルの連続的な生成を許容するのに十分な容量を持ちうる。別の例で、電源は所定回数の喫煙、またはインダクタコイルの不連続的な起動を許容する十分な容量を持ちうる。

システムは電気的に作動する喫煙システムとしうる。システムは携帯型のエアロゾル発生システムでもよい。エアロゾル発生システムは従来型の葉巻たばこや紙巻たばこと匹敵するサイズを持ちうる。喫煙システムの全長は、およそ３０ｍｍ～およそ１５０ｍｍとしうる。喫煙システムの外径は、およそ５ｍｍ～およそ３０ｍｍとしうる。

一つの態様に関連して説明した特徴は本開示の他の態様に適用されうる。特に、本開示の第一の態様に関連して説明した有利なまたは随意的な特徴は本発明の第二の態様に適用されうる。

ここで本開示によるシステムの実施形態を、以下の添付図面を参照しながら、例証としてのみではあるが詳細に説明する。

図１はフラットスパイラルインダクタコイルを使用したエアロゾル発生システムの第一の実施形態の概略図である。 図２は図１のカートリッジを示す。 図３は図１のインダクタコイルを示す。 図４は第二の実施形態の概略図である。 図５は第三の実施形態の概略図である。 図６は図５のカートリッジの端面図である。 図７は図５のインダクタコイルおよびコアを示す。 図８Ａはインダクタコイル用の高周波信号を生成するための駆動回路の第一の例である。 図８Ｂはインダクタコイル用の高周波信号を生成するための駆動回路の第二の例である。

図に示す実施形態はすべて誘導加熱に依存する。誘導加熱は時間的に変化する磁場内に加熱される導電性の物品を配置することで機能する。渦電流は導電性の物品内で誘起される。導電性の物品が電気的に孤立されている場合、渦電流は導電性の物品のジュール加熱により分散される。エアロゾル形成基体を加熱することにより動作するエアロゾル発生システムで、エアロゾル形成基体は一般に、その方法で誘導加熱されるのに十分な導電性をエアロゾル形成基体自体が備えているとはいえない。そのため、図に示す実施形態で、サセプタ素子は加熱される導電性の物品として使用されてから、エアロゾル形成基体がサセプタ素子によって熱伝導、熱対流および／または熱放射により加熱される。強磁性のサセプタ素子が使用される場合、熱は磁区がサセプタ素子内で切り換わる時にヒステリシス損失によっても発生しうる。

説明した実施形態はそれぞれ、時間的に変化する磁場を生成するためにインダクタコイルを使用する。インダクタコイルは著しいジュール加熱を受けないように設計されている。対照的に、サセプタ素子はサセプタの著しいジュール加熱があるように設計されている。

図１は本発明の第一の実施形態によるエアロゾル発生システムの概略図である。システムは装置１００およびカートリッジ２００を備える。装置はリチウムイオンリン酸型電池１０２および制御電子回路１０４を含むメインハウジング１０１を備える。メインハウジング１０１はまた、その中にカートリッジ２００を受けるくぼみ１１２を画定する。装置はまた、出口１２４を含むマウスピース部分１２０も含む。マウスピース部分は、この例ではヒンジによる接続でメインハウジング１０１に接続されているが、スナップ式装着またはねじ式取付など、任意の種類の接続を使用しうる。空気吸込み口１２２は図１に示す通り、マウスピース部分が閉位置内にある時にマウスピース部分１２０と本体１０１との間に画定される。

装置ハウジング内部では、くぼみ１１２の側壁にフラットスパイラルインダクタコイル１１０がある。コイル１１０は銅板からスパイラルコイルをスタンピングまたは切断することにより形成される。コイル１１０のうちの一つは図３で明瞭に図示されている。装置ハウジングが概して円形断面を持つ場合、コイル１１０は装置ハウジングの湾曲した形状と一致する形状とすることができる。コイル１１０はくぼみのいずれかの側に配置され、くぼみ内部に広がる磁場を発生する。

カートリッジ２００は、毛細管材料を保持し、液体エアロゾル形成基体で充填されたカートリッジハウジング２０４を備える。図１のカートリッジ２００は、図２で明瞭に図示されているように中空円筒形状を持つ。カートリッジハウジング２０４は、ほとんどの液体に対して不浸透性である。カートリッジ２００の内部表面２１２、すなわち、内部通路２１６を囲む表面は流体透過性のサセプタ素子２１０、この例ではフェライトメッシュを備える。フェライトメッシュはカートリッジの内部表面全体を、または図１に示す通りカートリッジの内部表面の一部分のみを裏打ちしうる。エアロゾル形成基体はメッシュの隙間内にメニスカスを形成できる。サセプタ用の別の選択肢は、オープンメッシュ構造を持つグラファイト織物である。

カートリッジ２００が装置と係合し、くぼみ１１２内に受けられた時、サセプタ素子２１０はフラットスパイラルコイル１１０によって生成した磁場の中に位置する。カートリッジ２００は、装置内に不適切に挿入できないことを確保するためにキー付きの特徴を含みうる。

使用時に、ユーザーはマウスピース部分１２０で吸入して、空気を空気吸込み口１６４に通してカートリッジの中央通路に通し、サセプタ素子２６２を通過させマウスピース部分１２０に引き出し、出口１２４からユーザーの口に出す。吸入が検出されると、制御電子回路は高周波振動電流をコイル１１０に提供する。これが振動する磁場を発生させる。振動する磁場はサセプタ素子を通過し、サセプタ素子内に渦電流を誘起する。サセプタ素子は、ジュール加熱の結果として、またヒステリシス損失の結果としてサセプタ素子内で加熱され、そのサセプタ素子に近いエアロゾル形成基体を気化するのに十分な温度に達する。気化されたエアロゾル形成基体は空気吸込み口から空気出口への空気の流れに混入され、内部通路２１６を通過し、ユーザーの口に入る前に冷めてマウスピース部分の内部でエアロゾルを形成する。制御電子回路は、吸入が検出されると、振動する電流をコイルに所定の持続期間（この例では５秒間）にわたり供給し、その後、新しい吸入が検出されるまで電流がオフになる。

カートリッジが単純でかつ堅牢なデザインを持ち、市場で入手可能なカートマイザーと比較して安価に製造できることが分かる。カートリッジによって画定された中空スペース内で蒸気が冷めるので、中空カートリッジの使用はシステムに対して短い全長を許容する。

図４は第二の実施形態を図示したものである。図４ではシステムの前部端のみが、吸入検出メカニズムを含めて図１に示すものと同一の電池および制御電子回路を使用できるものとして表示されている。図４に示すカートリッジ２００は図１に示すものと同一である。ただし、図４の装置はカートリッジの中央通路２１６内に広がってサセプタ素子２１０の近くに振動する磁場を発生させる保持用ブレード１３６上のフラットスパイラルインダクタコイル１３２を含むという、異なる構成を持つ。図４の実施形態の動作は図１のそれと同一である。

図５は第三の実施形態を図示したものである。図５ではシステムの前部端のみが、吸入検出メカニズムを含めて図１に示すものと同一の電池および制御電子回路を使用できるものとして表示されている。

図５の装置は類似である図１の装置と類似しており、その中で、装置のハウジング１５０は、カートリッジ２５０をその中に受けるくぼみを画定する。装置はまた、出口１２４を含むマウスピース部分１２０も含む。図１に示すように、マウスピース部分はヒンジによる接続によってメインハウジング１０１に接続される。空気吸込み口１５４は本体１５０内に画定される。くぼみの基部に、Ｃ字型のフェライトコア１５３の周りに巻かれたヘリカルコイル１５２がある。Ｃ字型コアは、コイル１５２によって生成された磁場がくぼみの中に広がるように配向される。図７は、点線で示した磁場パターンを含めて、コアおよびコイルのアセンブリを単独で示す。

図５のカートリッジは、図６に端面図で示される。カートリッジハウジング２５０は円筒形状を持つが、図１および図２と同様に、これを通過する中央通路２５６を持つ。エアロゾル形成基体は中央通路を囲む環状スペース内に保持され、前のものと同様に、ハウジング２５０の中の毛細管素子内に保持されうる。毛細管芯２５２がカートリッジの一方の端において中央通路２５６にわたって提供される。毛細管芯２５２は、フェライト繊維で形成され、エアロゾル形成基体のための芯とコイル１５２によって誘導加熱されるサセプタとしての両方の役目を果たす。

使用時には、エアロゾル形成基体はフェライトの芯２５２の中へと引き出される。吸入が検出された時に、コイル１５２が起動され、振動磁場が発生する。芯を横切って変化する磁束は芯の中の渦電流およびヒステリシス損失を誘起し、芯を加熱し、芯の中のエアロゾル形成基体を気化する。気化したエアロゾル形成基体は、マウスピース部分のユーザーの吸入によって空気吸込み口１５４から出口１２４へとシステムを通して引き出される空気中に混入される。空気はエアロゾル形成チャンバの役目を果たす内部通路２５６を通して流れ、出口１２４へと移動しながら空気と蒸気を冷却する。

説明したすべての実施形態は本質的に同一の電子回路１０４により駆動されうる。図８ＡはクラスＥ電力増幅器を使用してインダクタコイルに高周波振動電流を提供するために使用される回路の第一の例を図示したものである。図８Ａから分かる通り、回路には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１１１０（例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ））、切換信号（ゲート・ソース間電圧）をＦＥＴ １１１０に供給するための矢印１１２０で示したトランジスタスイッチ供給回路、および分路コンデンサーＣ１、およびコンデンサーＣ２とインダクタＬ２の直列接続を含むＬＣ負荷ネットワーク１１３０を備えた、トランジスタスイッチ１１００を含む、クラスＥ電力増幅器が含まれる。電池１０１を備えたＤＣ電源はチョークＬ１を含み、ＤＣ供給電圧を供給する。図１６Ａには合計オーム負荷１１４０を表すオーム抵抗Ｒも示されており、これは記号Ｌ２の付いたインダクタコイルのオーム抵抗Ｒ_Coilと、サセプタ素子のオーム抵抗Ｒ_Loadの和である。

構成要素の数が非常に少ないため、電源回路の体積は極端に小さく保つことができる。この極端に小さい体積の電源回路はＬＣ負荷ネットワーク１１３０のインダクタＬ２がサセプタ素子との誘導結合のためのインダクタとして直接的に使用されているために可能であり、またこの体積が小さいことから、誘導加熱装置の全体寸法が小さく保たれうる。

クラスＥ電力増幅器の概略的な動作原理は公知であり、既に言及した記事「Ｃｌａｓｓ－Ｅ ＲＦ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ（クラスＥ ＲＦ電力増幅器）」（Ｎａｔｈａｎ Ｏ．Ｓｏｋａｌ、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｒａｄｉｏ Ｒｅｌａｙ Ｌｅａｇｕｅ（ＡＲＲＬ）（米国コネチカット州ニューイントン）の隔月誌ＱＥＸ、２００１年１月／２月号、９～２０ページに公表）に詳細に説明されており、いくつかの概略的原理を以下に説明する。

トランジスタスイッチ供給回路１１２０は、長方形のプロフィールを持つ切換電圧（ＦＥＴのゲート・ソース間電圧）をＦＥＴ １１１０に対して供給すると仮定する。ＦＥＴ １３２１が導通している限り（「オン」状態）、基本的に短絡（低抵抗）を構成し、電流全体がチョークＬ１およびＦＥＴ １１１０を通過して流れる。ＦＥＴ １１１０が非導通の時（「オフ」状態）、ＦＥＴ １１１０は基本的に開回路（高抵抗）を表すため、電流全体がＬＣ負荷ネットワークに流れ込む。これら２つの状態間でのトランジスタの切換は、供給されるＤＣ電圧およびＤＣ電流をＡＣ電圧およびＡＣ電流に転換させる。

サセプタ素子を効率的に加熱するために、供給されたＤＣ電力のできるだけ多くがＡＣ電力の形態でインダクタＬ２に転送され、その後でインダクタＬ２に誘導結合されたサセプタ素子に転送される。上記でさらに詳しく説明した通り、サセプタ素子（渦電流損失、ヒステリシス損失）内で分散される電力がサセプタ素子内で熱を発生する。言い換えれば、ＦＥＴ １１１０での電力損失が最小化され、サセプタ素子での電力損失が最大化されなければならない。

ＡＣ電圧／電流の一つの期間中のＦＥＴ １１１０での電力損失は、交流電圧／電流のその期間中の各時点でのトランジスタ電圧と電流の積をその期間全体について積分し、その期間全体について平均化したものである。その期間の一部ではＦＥＴ １１１０は高い電圧を持続しなければならず、またその期間の一部では高い電流を伝導しなければならないため、高い電圧と高い電流が同時に発生することは避けなければならない。これはＦＥＴ １１１０での著しい電力損失につながるためである。ＦＥＴ １１１０の「オン」状態では、トランジスタ電圧はほぼゼロであり、高い電流がＦＥＴを通過して流れる。ＦＥＴ １１１０の「オフ」状態では、トランジスタ電圧は高いが、ＦＥＴ １１１０を通過する電流はほぼゼロである。

また、不可避的な切換の移行は期間のいくらかの部分全体にわたる。それでもなお、ＦＥＴ １１１０での高い電力損失を表す高い電圧・電流の積は、以下の追加的な手段によって回避できる。第一に、トランジスタを通過する電流がゼロに低下するまで、トランジスタ電圧の上昇を遅延する。第二に、トランジスタを通過する電流が増大し始める前に、トランジスタ電圧がゼロに戻る。これは分路コンデンサーＣ１およびコンデンサーＣ２とインダクタＬ２の直列接続を含む負荷ネットワーク１１３０によって達成されるが、この負荷ネットワークはＦＥＴ １１１０と負荷１１４０の間のネットワークである。第三に、ターンオン時のトランジスタ電圧は事実上ゼロである（バイポーラジャンクショントランジスタ「ＢＪＴ」については、飽和オフセット電圧Ｖ_o）。ターンオントランジスタは充電された分流コンデンサーＣ１を放電せず、そのため分流コンデンサーの蓄積エネルギーの分散が回避される。第四に、ターンオン時のトランジスタ電圧の勾配はゼロである。次に、負荷ネットワークによってターンオントランジスタに注入される電流は制御された適度なレートでゼロから滑らかに増大し、その結果として電力損失が低くなり、その一方、トランジスタのコンダクタンスはターンオン移行時にゼロから高まる。その結果、トランジスタの電圧および電流が同時に高くなることは決してない。電圧および電流の切換の移行は相互に時間がずらされている。Ｌ１、Ｃ１およびＣ２の値はサセプタ素子内での電力の効率的な分散が最大となるように選択できる。

本開示によるほとんどのシステムでクラスＥ電力増幅器が好ましいが、その他の回路構造を使用することも可能である。図８ＢはクラスＤ電力増幅器を使用してインダクタコイルに高周波振動電流を提供するために使用される回路の第二の例を図示したものである。図８Ｂの回路は２つのトランジスタ１２１０、１２１２に接続された電池１０１を備える。２つのトランジスタ１２１０、１２１２のオン・オフを切り換えるための２つの切換要素１２２０、１２２２が提供されている。スイッチは、２つのトランジスタのうちもう一方がオンになっている時に、２つのトランジスタ１２１０、１２１２のうちの一方が確実にオフになるような方法で高周波で制御される。インダクタコイルはここでもＬ２で表示され、コイルとサセプタ素子の合計オーム抵抗はＲで表示され、Ｃ１およびＣ２の値はサセプタ素子内での電力の効率的な分散が最大となるように選択できる。

サセプタ素子はサセプタ素子が加熱されるべき望ましい温度に近いキュリー温度を持つ材料または材料の組み合わせで製造できる。サセプタ素子の温度がこのキュリー温度を超えると、材料は強磁性から常磁性に変化する。従って、常磁性を持つ材料のヒステリシス損失は強磁性を持つ材料のそれよりもずっと低いため、サセプタ素子内のエネルギー分散は著しく低減される。サセプタ素子内でのこの電力損失の低減は検出可能であり、またそのため、例えば、ＤＣ／ＡＣインバータによるＡＣ電力の発生は、サセプタ素子がキュリー温度を再び下回るまで冷却され、再び強磁性となるまで中断されうる。その後で、ＤＣ／ＡＣインバータによるＡＣ電力の発生が再開されうる。

当該技術分野において通常の技量を持つ者であれば、本開示によるサセプタ素子を組み込んだその他のカートリッジ設計を思い付くことができる。例えば、カートリッジはマウスピース部分を含んでもよく、望ましい任意の形状を持つものでよい。その上、本開示によるコイルおよびサセプタの配列は、既に説明したその他のタイプのシステムで使用することができ、これには加湿器、エアフレッシュナー、およびその他のエアロゾル発生システムなどがある。

上述の例示的な実施形態は例証するが限定はしない。上記で考察した例示的な実施形態に照らすことにより、上記の例示的な実施形態と一貫したその他の実施形態は今や当業者には明らかとなろう。

Claims (11)

1. 電気加熱式エアロゾル発生システムで使用するためのカートリッジであって、前記電気加熱式エアロゾル発生システムはエアロゾル発生装置を備え、前記カートリッジは前記装置で使用されるように構成され、前記装置は、装置ハウジングと、前記装置ハウジング内に配置されたインダクタコイルと、前記インダクタコイルに接続され、かつ高周波振動電流を前記インダクタコイルに提供するよう構成された電源と、を備え、前記カートリッジはエアロゾル形成基体を含むカートリッジハウジングを備え、前記カートリッジハウジングが、空気が中を通って流れることができる内部通路を囲む内部表面を備え、前記カートリッジは更に、前記エアロゾル形成基体を加熱するように配置されたサセプタ素子を備え、前記サセプタ素子は、前記エアロゾル形成基体を前記内部通路に運ぶように構成された毛細管芯を備え、前記毛細管芯が前記内部通路全体に広がる、カートリッジ。
2. 前記毛細管芯が、前記内部通路を通る気流の方向に対して垂直な方向において前記内部通路全体に広がる、請求項１に記載のカートリッジ。
3. 前記毛細管芯が、前記内部通路を囲む前記内部表面の２つの対向する側面間に広がる、請求項１または２に記載のカートリッジ。
4. 前記毛細管芯がフェライト材料を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載のカートリッジ。
5. 前記毛細管芯がフェライト繊維を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載のカートリッジ。
6. 前記サセプタ素子がメッシュ、フラットスパイラルコイル、内側フォイル、繊維、布、またはロッドを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載のカートリッジ。
7. 前記サセプタ素子が流体透過性である、請求項１～６のいずれか１項に記載のカートリッジ。
8. エアロゾル発生装置と、請求項１～７のいずれか１項に記載のカートリッジと、を備える電気加熱式エアロゾル発生システムであって、前記装置が、
   装置ハウジングと、
   前記装置ハウジング内に配置されたインダクタコイルと、
   前記インダクタコイルに接続され、かつ高周波振動電流を前記インダクタコイルに提供するように構成された電源であって、使用時に前記インダクタコイルによって発生した磁場が前記カートリッジ内の前記サセプタ素子内に熱を発生させる電源と、を備える、電気加熱式エアロゾル発生システム。
9. 前記装置ハウジングが、前記カートリッジの少なくとも一部分を受けるためのくぼみを画定し、かつ前記インダクタコイルが前記くぼみの中、その周り、またはそれに隣接して配置される、請求項８に記載の電気加熱式エアロゾル発生システム。
10. 前記カートリッジが前記くぼみの中に受けられる時、前記インダクタコイルが前記カートリッジの外側に配置される、請求項９に記載の電気加熱式エアロゾル発生システム。
11. 前記システムが携帯型喫煙システムである、請求項８～１０のいずれか１項に記載の電気加熱式エアロゾル発生システム。

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