KR102549418B1 - 에어로졸 발생 시스템을 위한 공진 회로 - Google Patents

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왈리드 아비 아운
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니코벤처스 트레이딩 리미티드
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Abstract

에어로졸 발생 시스템을 위한 공진 회로는, 서셉터 배열체를 유도 가열하여 에어로졸 발생 재료를 가열하고 이로써 에어로졸을 발생시키기 위한 유도성 요소를 포함한다. 회로는 또한, 사용 시, 가변 전류가 DC 전압 공급 장치로부터 발생되고 유도성 요소를 통해 흐르게 하여 서셉터 배열체의 유도 가열을 발생시키기 위해 제1 상태와 제2 상태를 교번하는 스위칭 배열체를 포함한다. 스위칭 배열체는 공진 회로 내의 전압 발진들에 대한 응답으로 제1 상태와 제2 상태를 교번하도록 구성되고, 전압 발진들은 공진 회로의 공진 주파수로 동작하고, 이로써 가변 전류가 공진 회로의 공진 주파수로 유지된다.

Description

에어로졸 발생 시스템을 위한 공진 회로
본 발명은 에어로졸 발생 시스템(aerosol generating system)을 위한 공진 회로(resonant circuit)에 관한 것이며, 더 구체적으로, 에어로졸을 발생시키기 위한 서셉터 배열체(susceptor arrangement)를 유도 가열하기 위한 공진 회로에 관한 것이다.
시가렛들(cigarettes), 시가들(cigars) 등과 같은 흡연 물품들은 사용 동안에 담배를 태워서 담배 연기를 생성한다. 연소시키지 않고 화합물들을 방출하는 제품들을 생성함으로써, 이들 물품들에 대한 대안들을 제공하려는 시도들이 있었다. 그러한 제품들의 예들은, 재료(material)를 가열하되 태우지 않음으로써 화합물들을 방출하는, 소위 "비연소식 가열(heat-not-burn)" 제품들 또는 담배 가열 장치들 또는 제품들이다. 재료는, 예컨대, 니코틴을 보유할 수 있거나 보유하지 않을 수 있는 담배 또는 다른 비-담배 제품들일 수 있다.
본 발명의 제1 양상에 따라, 에어로졸 발생 시스템을 위한 공진 회로가 제공되고, 공진 회로는: 서셉터 배열체를 유도 가열하여 에어로졸 발생 재료를 가열하고 이로써 에어로졸을 발생시키기 위한 유도성 요소; 및 사용 시, 가변 전류가 DC 전압 공급 장치로부터 발생되고 유도성 요소를 통해 흐르게 하여 서셉터 배열체의 유도 가열을 발생시키기 위해 제1 상태와 제2 상태를 교번하는 스위칭 배열체를 포함하고, 스위칭 배열체는 공진 회로 내의 전압 발진들에 대한 응답으로 제1 상태와 제2 상태를 교번하도록 구성되고, 전압 발진들은 공진 회로의 공진 주파수로 동작하고, 이로써 가변 전류가 공진 회로의 공진 주파수로 유지된다.
공진 회로는, 유도성 요소 및 용량성 요소를 포함하는 LC 회로일 수 있다.
유도성 요소 및 용량성 요소는 병렬로 배열될 수 있고, 전압 발진들은 유도성 요소 및 용량성 요소에 걸친 전압 발진들일 수 있다.
스위칭 배열체는, 스위칭 배열체가 제1 상태에 있을 때, 제1 트랜지스터가 오프(OFF)가 되고 제2 트랜지스터는 온(ON)이고, 그리고 스위칭 배열체가 제2 상태에 있을 때, 제1 트랜지스터는 온(ON)이고 제2 트랜지스터는 오프(OFF)가 되도록 배열된 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터 각각은 트랜지스터를 턴 온(ON) 및 오프(OFF)하기 위한 제1 단자, 제2 단자 및 제3 단자를 포함할 수 있고, 그리고 제2 트랜지스터의 제2 단자의 전압이 제1 트랜지스터의 스위칭 임계 전압 이하일 때, 스위칭 배열체는 제1 트랜지스터가 온(ON)에서 오프(OFF)로 스위칭하도록 구성되도록 구성될 수 있다.
제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터 각각은 트랜지스터를 턴 온(ON) 및 오프(OFF)하기 위한 제1 단자, 제2 단자 및 제3 단자를 포함할 수 있고, 그리고 제1 트랜지스터의 제2 단자의 전압이 제2 트랜지스터의 스위칭 임계 전압 이하일 때, 스위칭 배열체는 제2 트랜지스터가 온(ON)에서 오프(OFF)로 스위칭하도록 구성되도록 구성될 수 있다.
공진 회로는 제1 다이오드 및 제2 다이오드를 더 포함할 수 있고, 그리고 제1 트랜지스터의 제1 단자는 제1 다이오드를 통해 제2 트랜지스터의 제2 단자에 연결될 수 있고, 제2 트랜지스터의 제1 단자는 제2 다이오드를 통해 제1 트랜지스터의 제2 단자에 연결될 수 있고, 이로써 제2 트랜지스터가 온(ON)일 때, 제1 트랜지스터의 제1 단자가 저전압으로 클램핑되고, 제1 트랜지스터가 온(ON)일 때, 제2 트랜지스터의 제1 단자가 저전압으로 클램핑된다.
제1 다이오드 및/또는 제2 다이오드는 쇼트키(Schottky) 다이오드들일 수 있다.
제2 트랜지스터의 제2 단자의 전압이 제1 트랜지스터의 스위칭 임계 전압 + 제1 다이오드의 바이어스 전압 이하일 때, 스위칭 배열체는 제1 트랜지스터가 온(ON)에서 오프(OFF)로 스위칭하도록 구성되도록 구성될 수 있다.
제1 트랜지스터의 제2 단자의 전압이 제2 트랜지스터의 스위칭 임계 전압 + 제2 다이오드의 바이어스 전압 이하일 때, 스위칭 배열체는 제2 트랜지스터가 온(ON)에서 오프(OFF)로 스위칭하도록 구성되도록 구성될 수 있다.
제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터 각각은 트랜지스터를 턴 온(ON) 및 오프(OFF)하기 위한 제1 단자, 제2 단자 및 제3 단자를 포함할 수 있고, 그리고 회로는 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터를 더 포함할 수 있다. 제1 트랜지스터의 제1 단자는 제3 트랜지스터를 통해 제2 트랜지스터의 제2 단자에 연결될 수 있고, 제2 트랜지스터의 제1 단자는 제4 트랜지스터를 통해 제1 트랜지스터의 제2 단자에 연결될 수 있다. 제3 및 제4 트랜지스터들은 전계 효과 트랜지스터들일 수 있다.
제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터 각각은 트랜지스터를 턴 온(ON) 및 오프(OFF)하기 위한 제1 단자를 가질 수 있고, 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터 각각은, 임계 전압 이상의 전압이 트랜지스터의 개개의 제1 단자에 인가될 때, 스위칭 온(ON)되도록 구성될 수 있다.
공진 회로는 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터 둘 모두의 제1 단자들에 임계 전압 이상의 전압을 인가함으로써 활성화되고, 이로써 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터를 턴 온(ON)하도록 구성될 수 있다.
일부 예들에서, 공진 회로는 스위칭 배열체를 작동시키도록 구성된 제어기를 포함하지 않는다.
공진 회로의 공진 주파수는, 에너지가 유도성 요소로부터 서셉터 배열체로 전달되는 것에 대한 응답으로 변할 수 있다.
공진 회로는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터의 제1 단자들에 제어 전압을 공급하기 위한 트랜지스터 제어 전압을 포함할 수 있다.
공진 회로는, 제1 트랜지스터의 제1 단자와 트랜지스터 제어 전압 사이에 직렬로 연결된 제1 풀-업 저항기, 및 제2 트랜지스터의 제1 단자와 트랜지스터 제어 전압 사이에 직렬로 연결된 제2 풀-업 저항기를 포함할 수 있다.
제3 트랜지스터는 제어 전압과 제1 트랜지스터의 제1 단자 사이에 연결될 수 있고, 제4 트랜지스터는 제어 전압과 제2 트랜지스터 사이에 연결될 수 있다.
제1 트랜지스터 및/또는 제2 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터들일 수 있다.
DC 전압 공급 장치의 제1 단자는 공진 회로의 제1 지점 및 제2 지점에 연결될 수 있고, 제1 지점 및 제2 지점은 유도성 요소의 양측에 전기적으로 위치될 수 있다.
DC 전압 공급 장치의 제1 단자는 공진 회로의 제1 지점에 연결될 수 있고, 제1 지점은, 제1 지점으로부터 흐르는 전류가 유도성 요소의 제1 부분을 통해 제1 방향으로 그리고 유도성 요소의 제2 부분을 통해 제2 방향으로 흐를 수 있도록, 유도성 요소의 중심 지점에 전기적으로 연결될 수 있다.
공진 회로는, DC 전압 공급 장치와 유도성 요소 사이에 위치결정된 적어도 하나의 초크 인덕터를 포함할 수 있다.
공진 회로는 제1 초크 인덕터 및 제2 초크 인덕터를 포함할 수 있고, 제1 초크 인덕터는 제1 지점과 유도성 요소 사이에 직렬로 연결되고, 제2 초크 인덕터는 제2 지점과 유도성 요소 사이에 직렬로 연결된다.
공진 회로는 제1 초크 인덕터를 포함할 수 있고, 제1 초크 인덕터는 공진 회로의 제1 지점과 유도성 요소의 중심 지점 사이에 직렬로 연결된다.
본 발명의 제2 양상에 따라, 제1 양상에 따른 공진 회로를 포함하는 에어로졸 발생 디바이스가 제공된다.
에어로졸 발생 디바이스는 제1 서셉터 배열체를 갖는 제1 소모성 구성요소를 수용하도록 구성될 수 있고, 그리고 에어로졸 발생 디바이스는 제2 서셉터 배열체를 갖는 제2 소모성 구성요소를 수용하도록 구성될 수 있고, 가변 전류는, 제1 소모성 구성요소가 디바이스에 커플링될 때 공진 회로의 제1 공진 주파수로 유지되고, 제2 소모성 구성요소가 디바이스에 커플링될 때 공진 회로의 제2 공진 주파수로 유지된다.
에어로졸 발생 디바이스는 수용부를 포함할 수 있고, 수용부는, 제1 서셉터 배열체 또는 제2 서셉터 배열체가 유도성 요소에 근접하게 제공되도록 제1 소모성 구성요소 또는 제2 소모성 구성요소 중 어느 하나를 수용하도록 구성된다.
유도성 요소는 전기 전도성 코일일 수 있고, 디바이스는 코일 내의 제1 서셉터 배열체 또는 제2 서셉터 배열체 중 적어도 일부를 수용하도록 구성된다.
본 발명의 제3 양상에 따라, 제2 양상에 따른 에어로졸 발생 디바이스 및 서셉터 배열체를 포함하는 시스템이 제공된다.
서셉터 배열체는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
서셉터 배열체는 서셉터 배열체 및 에어로졸 발생 재료를 포함하는 소모품에 배열될 수 있다.
본 발명의 제4 양상에 따라, 부품들의 키트가 제공되고, 키트는 제1 에어로졸 발생 재료 및 제1 서셉터 배열체를 포함하는 제1 소모성 구성요소, 및 제2 에어로졸 발생 재료 및 제2 서셉터 배열체를 포함하는 제2 소모성 구성요소를 포함하고, 제1 소모성 구성요소 및 제2 소모성 구성요소는 제2 양상에 따른 에어로졸 발생 디바이스와 함께 사용하도록 구성된다.
제1 소모성 구성요소는 제2 소모성 구성요소와 비교하여 상이한 형상을 가질 수 있다.
제1 서셉터 배열체는 제2 소모성 구성요소와 비교하여 상이한 형상을 갖거나 상이한 재료로 형성될 수 있다.
제1 및 제2 소모성 구성요소들은 스틱, 포드, 카토마이저 및 평평한 시트를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
제1 서셉터 배열체 또는 제2 서셉터 배열체는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
도 1은 예에 따른 에어로졸 발생 디바이스를 개략적으로 예시한다.
도 2는 예에 따른 공진 회로를 개략적으로 예시한다.
도 3은 제2 예에 따른 공진 회로를 개략적으로 예시한다.
도 4는 제3 예에 따른 공진 회로를 개략적으로 예시한다.
도 5는 제4 예에 따른 공진 회로를 개략적으로 예시한다.
유도 가열은 전자기 유도에 의해 전기 전도성 물체(또는 서셉터)를 가열하는 프로세스이다. 유도 히터는 유도성 요소, 예컨대, 유도성 코일 및 유도성 요소를 통해 교류와 같은 가변 전류를 통과시키기 위한 디바이스를 포함할 수 있다. 유도성 요소의 가변 전류는 가변 자기장을 생성한다. 가변 자기장은 유도성 요소에 대해 적합하게 위치결정된(positioned) 서셉터를 관통하여, 서셉터 내부에 와전류를 발생시킨다. 서셉터는 와전류들에 대한 전기 저항을 갖고, 따라서 이 저항에 대한 와전류들의 흐름은, 서셉터가 줄 가열(Joule heating)에 의해 가열되게 한다. 서셉터가 철, 니켈 또는 코발트와 같은 강자성 재료를 포함하는 경우들에서, 서셉터의 자기 히스테리시스 손실들에 의해, 즉, 가변 자기장과의 자신들의 정렬의 결과로 자기 재료에서의 자기 쌍극자들의 가변 배향에 의해 열이 또한 발생될 수 있다.
유도 가열(inductive heating)에서, 전도에 의한 가열과 비교하여, 예컨대, 서셉터 내부에서 열이 발생되어, 급속 가열이 가능해진다. 또한, 유도 가열기와 서셉터 사이에 어떠한 물리적인 접촉도 필요하지 않아서, 구성 및 적용에서 개선된 자유도를 허용한다.
유도 히터는 유도 요소, 예컨대, 서셉터를 유도 가열하도록 배열될 수 있는 전자석에 의해 제공되는 인덕턴스(L) 및 커패시터에 의해 제공되는 커패시턴스(C)를 갖는 LC 회로를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 회로는 저항기(resistor)에 의해 제공되는 저항(R)을 포함하는 RLC 회로로 표현될 수 있다. 일부 경우들에서, 인덕터 및 커패시터를 연결하는 회로의 부분들의 옴 저항에 의해 저항이 제공되고, 따라서 회로는 그렇게 반드시 저항기를 포함할 필요가 없다. 그러한 회로는, 예컨대, LC 회로로 지칭될 수 있다. 그러한 회로들은 전기 공진을 나타낼 수 있으며, 이는 회로 요소들의 어드미턴스들(admittances) 또는 임피던스들의 허수 부분들이 서로 상쇄될 때 특정 공진 주파수에서 발생한다.
전기 공진을 나타내는 회로의 일 예는, 인덕터, 커패시터 및 선택적으로 저항기를 포함하는 LC 회로이다. LC 회로의 일 예는 인덕터 및 커패시터가 직렬로 연결된 직렬 회로이다. LC 회로의 다른 예는 인덕터 및 커패시터가 병렬로 연결된 병렬 LC 회로이다. 인덕터의 붕괴 자기장(collapsing magnetic field)은 커패시터를 충전하는 그것의 권선들에 전류를 발생시키는 반면, 방전 커패시터는 인덕터에 자기장을 구축하는 전류를 제공하기 때문에, LC 회로에서 공진이 발생한다. 본 개시내용은 병렬 LC 회로들에 초점을 맞춘다. 병렬 LC 회로가 공진 주파수에서 구동될 때, 회로의 동적 임피던스는 최대이고(인덕터의 리액턴스가 커패시터의 리액턴스와 동일하므로), 회로 전류는 최소이다. 그러나, 병렬 LC 회로의 경우, 병렬 인덕터 및 커패시터 루프는 전류 멀티플라이어(current multiplier)(루프 내의 전류를 효과적으로 곱하고, 따라서 전류가 인덕터를 통과함)로서 역할을 한다. 따라서, 공진 주파수 또는 그 근처에서 RLC 또는 LC 회로를 구동하는 것은 서셉터를 관통하는 자기장의 가장 큰 값을 제공함으로써 효과적이고 그리고/또는 효율적인 유도 가열을 제공할 수 있다.
트랜지스터는 전자 신호들을 스위칭하기 위한 반도체 디바이스이다. 트랜지스터는 통상적으로, 전자 회로에 연결하기 위한 적어도 3개의 단자들을 포함한다. 일부 종래 기술의 예들에서, 트랜지스터로 하여금, 미리 결정된 주파수에서 예컨대, 회로의 공진 주파수에서 스위칭하게 하는 구동 신호를 공급함으로써 트랜지스터를 사용하는 회로에 교류가 공급될 수 있다.
FET(field effect transistor)는 인가된 전계의 효과가 트랜지스터의 유효 컨덕턴스를 변화시키는 데 사용될 수 있는 트랜지스터이다. 전계 효과 트랜지스터는 본체(B), 소스 단자(S), 드레인 단자(D) 및 게이트 단자(G)를 포함할 수 있다. 전계 효과 트랜지스터는 반도체를 포함하는 활성 채널을 포함하며, 이를 통해 전하 캐리어들, 전자들 또는 홀들(hole)은 소스(S)와 드레인(D) 사이를 흐를 수 있다. 채널의 전도도, 즉, 드레인(D)과 소스(S) 단자들 사이의 전도도는, 예컨대, 게이트 단자(G)에 인가된 전위에 의해 발생된 게이트(G)와 소스(S) 단자들 사이의 전위차의 함수이다. 향상 모드 FET들에서, FET는, 실질적으로 0인 게이트(G)-소스(S) 전압이 존재할 때 오프(OFF)(즉, 실질적으로 전류가 통과하지 못하게 함)될 수 있으며, 실질적으로 0이 아닌 게이트(G)-소스(S) 전압이 존재할 때 턴 온(ON)(즉, 실질적으로 전류가 통과할 수 있게 함)될 수 있다.
n-채널(또는 n-형) 전계 효과 트랜지스터(n-FET)는 채널이 n-형 반도체를 포함하는 전계 효과 트랜지스터이며, 여기서 전자들은 다수의 캐리어들이고, 홀들은 소수의 캐리어들이다. 예컨대, n-형 반도체들은 (예컨대, 인(phosphorus)과 같은) 도너(donor) 불순물들로 도핑된 (예컨대, 실리콘(silicon)과 같은) 진성 반도체를 포함할 수 있다. n-채널 FET들에서, 드레인 단자(D)는 소스 단자(S)보다 높은 전위에 배치된다(즉, 양의 드레인-소스 전압 또는 다시 말해서, 음의 소스-드레인 전압이 존재함). n-채널 FET를 턴 "온"하기 위해(즉, 전류가 통과할 수 있게 하기 위해), 스위칭 전위가 소스 단자(S)의 전위보다 높은 게이트 단자(G)에 인가된다.
p-채널(또는 p-형) 전계 효과 트랜지스터(p-FET)는 채널이 p-형 반도체를 포함하는 전계 효과 트랜지스터이며, 여기서 홀들은 다수의 캐리어들이고, 전자들은 소수의 캐리어들이다. 예컨대, p-형 반도체들은 (예컨대, 붕소(boron)와 같은) 억셉터(acceptor) 불순물들로 도핑된 (예컨대, 실리콘과 같은) 진성 반도체를 포함할 수 있다. p-채널 FET들에서, 소스 단자(S)는 드레인 단자(D)보다 높은 전위에 배치된다(즉, 음의 드레인-소스 전압 또는 다시 말해서, 양의 소스-드레인 전압이 존재함). p-채널 FET를 턴 "온"하기 위해(즉, 전류가 통과할 수 있게 하기 위해), 스위칭 전위가 소스 단자(S)의 전위보다 낮은(그리고 예컨대, 드레인 단자(D)의 전위보다 높을 수 있는) 게이트 단자(G)에 인가된다.
MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)는 게이트 단자(G)가 절연 층에 의해 반도체 채널과 전기적으로 절연되는 전계 효과 트랜지스터이다. 일부 예들에서, 게이트 단자(G)는 금속일 수 있고, 절연층은 (예컨대, 실리콘 이산화물(silicon dioxide)과 같은) 산화물일 수 있으며, 따라서 "금속-산화물-반도체"일 수 있다. 그러나, 다른 예들에서, 게이트는 폴리실리콘(polysilicon)과 같은 금속 이외의 재료들로 제조될 수 있고, 그리고/또는 절연층은 다른 유전체 재료들과 같은 산화물 이외의 재료들로 제조될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 그러한 디바이스들은 통상적으로 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)들로 지칭되고, 본원에서 사용되는 바와 같이, 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터들 또는 MOSFET들이라는 용어는 그러한 디바이스들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.
MOSFET은 반도체가 n-형인 n-채널 (또는 n-형) MOSFET일 수 있다. n-채널 MOSFET(n-MOSFET)은 n-채널 FET에 대해 위에서 설명된 바와 동일한 방식으로 작동될 수 있다. 다른 예로서, MOSFET은 p-채널 (또는 p-형) MOSFET일 수 있으며, 여기서 반도체는 p-형이다. p-채널 MOSFET(p-MOSFET)은 p-채널 FET에 대해 위에서 설명된 바와 동일한 방식으로 작동될 수 있다. n-MOSFET은 통상적으로 p-MOSFET보다 낮은 소스-드레인 저항을 갖는다. 따라서, "온" 상태(즉, 전류가 통과하는 경우)에서, n-MOSFET은 p-MOSFET들과 비교하여 적은 열을 발생시키고, 따라서 p-MOSFET들보다 작동 시 적은 에너지를 낭비할 수 있다. 추가로, n-MOSFET들은 통상적으로 p-MOSFET들과 비교하여 더 짧은 스위칭 시간들(즉, 게이트 단자(G)에 제공되는 스위칭 전위를 MOSFET으로 변화시켜 전류가 통과하는지 여부를 변화시키는 특성 응답 시간)을 갖는다. 이것은 더 높은 스위칭 속도들 및 개선된 스위칭 제어를 가능하게 할 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 에어로졸 발생 디바이스(100)를 개략적으로 예시한다. 에어로졸 발생 디바이스(100)는 DC 전원(104)(이 예에서는, 배터리(104)), 유도성 요소(158)를 포함하는 회로(150), 서셉터 배열체(110) 및 에어로졸 발생 재료(116)를 포함한다.
도 1의 예에서, 서셉터 배열체(110)는 에어로졸 발생 재료(116)와 함께 소모품(120) 내에 위치된다. DC 전원(104)은 회로(150)에 전기적으로 연결되고, 회로(150)에 DC 전력을 제공하도록 배열된다. 디바이스(100)는 또한 제어 회로(106)를 포함하고, 이 예에서, 회로(150)는 제어 회로(106)를 통해 배터리(104)에 연결된다.
제어 회로(106)는, 예컨대, 사용자 입력에 대한 응답으로 디바이스(100)를 스위칭 온 및 오프하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 제어 회로(106)는 그 자체로 알려져 있는 바와 같이, 예컨대, 퍼프 검출기(puff detector)(도시되지 않음)를 포함할 수 있고 그리고/또는 적어도 하나의 버튼 또는 터치 제어(도시되지 않음)를 통해 사용자 입력을 취할 수 있다. 제어 회로(106)는 디바이스(100)의 구성요소들 또는 디바이스에 삽입되는 소모품(120)의 구성요소들의 온도를 모니터링하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 유도성 요소(158) 외에도, 회로(150)는 아래에서 설명되는 다른 구성요소들을 포함한다.
유도성 요소(158)는, 예컨대, 코일일 수 있으며, 이는 예컨대, 평면일 수 있다. 유도성 요소(158)는 예컨대, (비교적 낮은 저항률을 갖는) 구리로 형성될 수 있다. 회로(150)는 DC 전원(104)으로부터의 입력 DC 전류를 유도성 요소(158)를 통해 가변 전류 예컨대, 교류로 변환하도록 배열된다. 회로(150)는 유도성 요소(158)를 통해 가변 전류를 구동하도록 배열된다.
서셉터 배열체(110)는 유도성 요소(158)로부터 서셉터 배열체(110)로의 유도성 에너지 전달을 위해 유도성 요소(158)에 대해 배열된다. 서셉터 배열체(110)는 유도 가열될 수 있는 임의의 적합한 재료, 예컨대, 금속 또는 금속 합금, 예컨대, 강철로 형성될 수 있다. 일부 구현들에서, 서셉터 배열체(110)는 철, 니켈 및 코발트와 같은 예시적 금속들 중 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 강자성 재료로 완전히 형성될 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 서셉터 배열체(110)는 비-강자성 재료, 예컨대, 알루미늄으로 완전히 형성될 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 유도성 요소(158)(이를 통해 구동되는 가변 전류를 가짐)는 줄 가열에 의해 그리고/또는 자기 히스테리시스 가열에 의해 서셉터 배열체(110)가 가열되게 한다. 서셉터 배열체(110)는 사용 시 에어로졸을 발생시키기 위해, 예컨대, 전도, 대류 및/또는 복사 가열에 의해 에어로졸 발생 재료(116)를 가열하도록 배열된다. 일부 예들에서, 서셉터 배열체(110) 및 에어로졸 발생 재료(116)는, 에어로졸 발생 디바이스(100)로부터 삽입 및/또는 제거될 수 있고 일회용일 수 있는 일체형 유닛을 형성한다. 일부 예들에서, 유도성 요소(158)는 예컨대, 교체를 위해 디바이스(100)로부터 제거 가능할 수 있다. 에어로졸 발생 디바이스(100)는 핸드-헬드형(hand-held)일 수 있다. 에어로졸 발생 디바이스(100)는 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 발생시키기 위해 에어로졸 발생 재료(116)를 가열하도록 배열될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "에어로졸 발생 재료"라는 용어는 통상적으로 증기 또는 에어로졸의 형태로, 가열 시 휘발 성분들을 제공하는 재료들을 포함한다는 점이 주목된다. 에어로졸 발생 재료는 비-담배-보유 재료 또는 담배-보유 재료일 수 있다. 예컨대, 에어로졸 발생 재료는 담배일 수 있거나 또는 담배를 포함할 수 있다. 예컨대, 에어로졸 발생 재료는 담배 자체, 담배 파생품들(tobacco derivatives), 팽화 담배(expanded tobacco), 재생 담배(reconstituted tobacco), 담배 추출물(tobacco extract), 균질화 담배(homogenised tobacco) 또는 담배 대용품 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 에어로졸 발생 재료는 분쇄 담배(ground tobacco), 컷 래그 담배(cut rag tobacco), 압출 담배(extruded tobacco), 재생 담배, 재생 재료, 액체, 겔, 겔화된 시트, 분말 또는 응집품들(agglomerates) 등의 형태일 수 있다. 에어로졸 발생 재료는 또한 제품에 따라 니코틴을 보유할 수 있거나 또는 보유하지 않을 수 있는 다른 비-담배 제품들을 포함할 수 있다. 에어로졸 발생 재료는 글리세롤 또는 프로필렌 글리콜과 같은 하나 이상의 보습제들(humectants)을 포함할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 에어로졸 발생 디바이스(100)는 DC 전력 공급 장치(104), 제어 회로(106) 및 유도성 요소(158)를 포함하는 회로(150)를 수납하는 외부 본체(112)를 포함한다. 이 예에서, 서셉터 배열체(110) 및 에어로졸 발생 재료(116)를 포함하는 소모품(120)은 또한 사용을 위해 디바이스(100)를 구성하기 위해 본체(112)에 삽입된다. 외부 본체(112)는 사용 시 발생되는 에어로졸이 디바이스(100)를 빠져나갈 수 있게 하기 위한 마우스피스(114)를 포함한다.
사용 시, 사용자는 예컨대, 버튼(도시되지 않음) 또는 퍼프 검출기(도시되지 않음)를 통해, 회로(106)를 활성화시켜, 가변 전류, 예컨대, 교류가 유도성 요소(108)를 통해 구동되게 할 수 있어, 그에 의해 서셉터 배열체(110)를 유도 가열할 수 있으며, 이는 차례로, 에어로졸 발생 재료(116)를 가열하고, 그에 의해 에어로졸 발생 재료(116)가 에어로졸을 발생시키게 한다. 에어로졸은 공기 유입구(도시되지 않음)로부터 디바이스(100)로 흡인된 공기로 발생되고, 그에 의해 마우스피스(104)로 운반되며, 여기서 에어로졸은 사용자가 흡입하기 위해 디바이스(100)를 빠져나간다.
유도성 요소(158) 및 서셉터 배열체(110) 및/또는 디바이스(100)를 전체적으로 포함하는 회로(150)는, 에어로졸 발생 재료를 연소하지 않고 에어로졸 발생 재료(116)의 적어도 하나의 구성요소를 휘발시키기 위한 온도들의 범위로 에어로졸 발생 재료(116)를 가열하도록 배열될 수 있다. 예컨대, 온도 범위는 약 50℃ 내지 약 350℃, 이를테면, 약 50℃ 내지 약 300℃, 약 100℃ 내지 약 300℃, 약 150℃ 내지 약 300℃, 약 100℃ 내지 약 200℃, 약 200℃ 내지 약 300℃, 또는 약 150℃ 내지 약 250℃일 수 있다. 일부 예에서, 온도 범위는 약 170℃ 내지 약 250℃이다. 일부 예들에서, 온도 범위는 이 범위 이외의 범위일 수 있고, 온도 범위의 상한은 300℃보다 클 수 있다.
예컨대, 서셉터 배열체(110)의 가열 동안, 예컨대, 가열 속도가 큰 경우, 서셉터 배열체(110)의 온도와 에어로졸 발생 재료(116)의 온도 사이에 차이가 존재할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 따라서, 일부 예들에서 서셉터 배열체(110)가 가열되는 온도는 예컨대, 에어로졸 발생 재료(116)가 가열되는 것이 요구되는 온도보다 높을 수 있다는 것이 인식될 것이다.
이제 도 2를 참조하면, 서셉터 배열체(110)의 유도 가열을 위한 공진 회로인 예시적 회로(150)가 예시되어 있다. 공진 회로(150)는 병렬로 연결된 유도성 요소(158) 및 커패시터(156)를 포함한다.
공진 회로(150)는 이 예에서, 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)를 포함하는 스위칭 배열체(M1, M2)를 포함한다. 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2) 각각은 개개의 제1 단자(G1, G2), 제2 단자(D1, D2) 및 제3 단자(S1, S2)를 포함한다. 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)의 제2 단자들(D1, D2)은 아래에서 더 상세하게 설명될 바와 같이, 병렬 유도 요소(158) 및 커패시터(156) 조합의 양 측에 연결된다. 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)의 제3 단자들(S1, S2)은 각각 접지(151)에 연결된다. 도 2에 예시된 예에서, 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2) 둘 모두는 MOSFET들이고, 제1 단자들(G1, G2)은 게이트 단자들이고, 제2 단자들(D1, D2)은 드레인 단자들이고, 제3 단자들(S1, S2)은 소스 단자들이다.
대안적 예들에서, 위에서 설명된 MOSFET들 대신에 다른 유형들의 트랜지스터들이 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
공진 회로(150)는 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)를 갖는다. 공진 회로(150)의 인덕턴스(L)는 유도성 요소(158)에 의해 제공되고, 또한 유도성 요소(158)에 의한 유도 가열을 위해 배열된 서셉터 배열체(110)의 인덕턴스에 의해 영향을 받을 수 있다. 서셉터 배열체(110)의 유도 가열은, 위에서 설명된 방식으로 서셉터 배열체(110)에서 줄 가열 및/또는 자기 히스테리시스 손실들을 유도하는 유도성 요소(158)에 의해 발생되는 가변 자기장을 통해 이루어진다. 공진 회로(150)의 인덕턴스(L)의 일부분은 서셉터 배열체(110)의 자기 투자율(magnetic permeability)에 기인할 수 있다. 유도성 요소(158)에 의해 발생되는 가변 자기장은 유도성 요소(158)를 통해 흐르는 가변 전류, 예컨대, 교류에 의해 발생된다.
유도성 요소(158)는 예컨대, 코일형 전도성 요소의 형태일 수 있다. 예컨대, 유도성 요소(158)는 구리 코일일 수 있다. 유도성 요소(158)는 예컨대, 리츠 와이어(Litz wire)와 같은 다중-스트랜디드 와이어(multi-stranded wire), 예컨대, 함께 꼬인 다수의 개별적으로 절연된 와이어들을 포함하는 와이어를 포함할 수 있다. 다중-스트랜디드 와이어의 AC 저항은 주파수의 함수이고, 다중-스트랜디드 와이어는 구동 주파수에서 유도성 요소의 전력 흡수가 감소하도록 구성될 수 있다. 다른 예로서, 유도성 요소(158)는 예컨대, 인쇄 회로 기판 상의 코일형 트랙일 수 있다. 인쇄 회로 기판 상에 코일형 트랙을 사용하는 것은, 그것이 다중-스트랜디드 와이어(이는 고가일 수 있음)에 대한 임의의 요건을 제거하는 단면을 갖는 강성 및 자기-지지형 트랙을 제공하므로 유용할 수 있으며, 이는 저비용으로 높은 재현성으로 대량 생산될 수 있다. 하나의 유도성 요소(158)가 도시되어 있지만, 하나 이상의 서셉터 배열체들(110)의 유도 가열을 위해 배열된 하나 초과의 유도성 요소(158)가 존재할 수 있다는 것이 쉽게 인식될 것이다.
공진 회로(150)의 커패시턴스(C)는 커패시터(156)에 의해 제공된다. 커패시터(156)는 예컨대, 클래스 1 세라믹 커패시터, 예컨대, COG 유형 커패시터일 수 있다. 총 커패시턴스(C)는 또한 공진 회로(150)의 부유 커패시턴스를 포함할 수 있지만, 이것은 커패시터(156)에 의해 제공되는 커패시턴스와 비교하여 무시할 수 있거나 또는 무시될 수 있다.
공진 회로(150)의 저항은 도 2에 도시되어 있지 않지만, 회로의 저항은 공진 회로(150)의 구성요소들을 연결하는 트랙 또는 와이어의 저항, 인덕터(158)의 저항 및/또는 인덕터(158)와의 에너지 전달을 위해 배열된 서셉터 배열체(110)에 의해 제공되는 공진 회로(150)를 통해 흐르는 전류에 대한 저항에 의해 제공될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 일부 예들에서, 하나 이상의 전용 저항기들(도시되지 않음)은 공진 회로(150)에 포함될 수 있다.
공진 회로(150)는 DC 전원(104)(도 1 참조)으로부터, 예컨대, 배터리로부터 제공되는 DC 공급 전압(V1)이 공급된다. DC 전압 공급 장치(V1)의 양극 단자는 제1 지점(159) 및 제2 지점(160)에서 공진 회로(150)에 연결된다. DC 전압 공급 장치(V1)의 음극 단자(도시되지 않음)는 접지(151)에 연결되고, 따라서, 이 예에서는, MOSFET들(M1 및 M2) 둘 모두의 소스 단자들(S)에 연결된다. 예들에서, DC 공급 전압(V1)은 배터리로부터 직접적으로 또는 중간 요소를 통해 공진 회로에 공급될 수 있다.
따라서, 공진 회로(150)는 브리지의 2개의 아암들 사이에 병렬로 연결된 유도성 요소(158) 및 커패시터(156)와 함께 전기 브리지로서 연결되는 것으로 간주될 수 있다. 공진 회로(150)는 아래에 설명되는 스위칭 효과를 생성하도록 작용하며, 이는 가변, 예컨대, 교류가 유도성 요소(158)를 통해 인출되어(drawn), 따라서 교류 자기장을 생성하고 서셉터 배열체(110)를 가열하게 한다.
제1 지점(159)은 유도성 요소(158)와 커패시터(156)의 병렬 조합의 제1 측에 위치된 제1 노드(A)에 연결된다. 제2 지점(160)은 유도성 요소(158)와 커패시터(156)의 병렬 조합의 제2 측으로의 제2 노드(B)에 연결된다. 제1 초크 인덕터(161)는 제1 지점(159)과 제1 노드(A) 사이에 직렬로 연결되고, 제2 초크 인덕터(162)는 제2 지점(160)과 제2 노드(B) 사이에 직렬로 연결된다. 제1 및 제2 초크들(161 및 162)은 제1 지점(159) 및 제2 지점(160)으로부터 각각 회로에 들어가는 것으로부터 AC 주파수들을 필터링하지만 DC 전류가 인덕터(158)로 그리고 이를 통해 인출될 수 있게 하도록 작용한다. 초크들(161 및 162)은 A 및 B의 전압이 제1 지점(159) 또는 제2 지점(160)에서 가시적 효과들이 거의 없거나 또는 전혀 없이 발진(oscillate)할 수 있게 한다.
이 특정 예에서, 제1 MOSFET(M1) 및 제2 MOSFET(M2)은 n-채널 향상 모드 MOSFET들이다. 제1 MOSFET(M1)의 드레인 단자는 도선(conducting wire) 등을 통해 제1 노드(A)에 연결되지만, 제2 MOSFET(M2)의 드레인 단자는 도선 등을 통해 제2 노드(B)에 연결된다. 각각의 MOSFET(M1, M2)의 소스 단자는 접지(151)에 연결된다.
공진 회로(150)는, 게이트 전압 공급 장치(또는 때때로 본원에서 제어 전압으로 지칭됨)인 제2 전압원(V2)을 포함하며, 그것의 양극 단자는 제1 및 제2 MOSFET들(M1 및 M2)의 게이트 단자들(G1, G2)에 전압을 공급하기 위해 사용되는 제3 지점(165)에 연결된다. 이 예에서, 제3 지점(165)에 공급되는 제어 전압(V2)은 제1 및 제2 지점들(159, 160)에 공급되는 전압(V1)과는 무관하며, 이는 제어 전압(V2)에 영향을 주지 않고 전압(V1)의 변동을 가능하게 한다. 제1 풀-업 저항기(pull-up resistor)(163)는 제3 지점(165)과 제1 MOSFET(M1)의 게이트 단자(G1) 사이에 연결된다. 제2 풀-업 저항기(164)는 제3 지점(165)과 제2 MOSFET(M2)의 게이트 단자(G2) 사이에 연결된다.
다른 예들에서, 상이한 유형의 FET와 같은 상이한 유형의 트랜지스터가 사용될 수 있다. 아래에서 설명되는 스위칭 효과는 "온" 상태로부터 "오프" 상태로 스위칭할 수 있는 상이한 유형의 트랜지스터에 대해 동일하게 달성될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 공급 전압들(V1 및 V2)의 값들 및 극성들은 사용되는 트랜지스터 및 회로의 다른 구성요소들의 특성들과 함께 선택될 수 있다. 예컨대, 공급 전압들은 n-채널 트랜지스터가 사용되는지 아니면 p-채널 트랜지스터가 사용되는지에 따라, 또는 트랜지스터가 연결된 구성에 따라, 또는 트랜지스터가 온 또는 오프 상태에 있게 하는 트랜지스터의 단자들에 걸쳐 인가된 전위차의 차이에 따라 선택될 수 있다.
공진 회로(150)는 제1 다이오드(d1) 및 제2 다이오드(d2)를 더 포함하는데, 이는 이 예에서는, 쇼트키 다이오드들(Schottky diodes)이지만, 다른 예들에서는 임의의 다른 적합한 유형의 다이오드가 사용될 수 있다. 제1 MOSFET(M1)의 게이트 단자(G1)는 제1 다이오드(d1)를 통해 제2 MOSFET(M2)의 드레인 단자(D2)에 연결되며, 제1 다이오드(d1)의 순방향은 제2 MOSFET(M2)의 드레인(D2)을 향한다.
제2 MOSFET(M2)의 게이트 단자(G2)는 제2 다이오드(d2)를 통해 제1의 제2 MOSFET(M1)의 드레인(D1)에 연결되며, 제2 다이오드(d2)의 순방향은 제1 MOSFET(M1)의 드레인(D1)을 향한다. 제1 및 제2 쇼트키 다이오드들(d1 및 d2)은 약 0.3V의 다이오드 임계 전압을 가질 수 있다. 다른 예들에서, 약 0.7V의 다이오드 임계 전압을 갖는 실리콘 다이오드들이 사용될 수 있다. 예들에서, 사용되는 다이오드의 유형은 MOSFET들(M1 및 M2)의 원하는 스위칭을 가능하게 하기 위해 게이트 임계 전압과 함께 선택된다. 다이오드 및 게이트 공급 전압(V2)의 유형은 또한 풀-업 저항기들(163 및 164)의 값들뿐만 아니라 공진 회로(150)의 다른 구성요소들과 함께 선택될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
공진 회로(150)는 제1 및 제2 MOSFET들(M1 및 M2)의 스위칭으로 인한 가변 전류인, 유도성 요소(158)를 통한 전류를 지원한다. 이 예에서, MOSFET들(M1 및 M2)은 향상 모드 MOSFET들이기 때문에, 제1 및 제2 MOSFET들 중 하나의 게이트 단자(G1, G2)에 인가된 전압이, 게이트-소스 전압이 그 MOSFET에 대해 미리 결정된 임계치보다 높도록 할 때, MOSFET은 온(ON) 상태로 턴된다. 그런 다음, 전류는 드레인 단자(D1, D2)로부터 접지(151)에 연결된 소스 단자(S1, S2)로 흐를 수 있다. 이 온(ON) 상태에서 MOSFET의 직렬 저항은 회로의 작동을 위해 무시할 수 있고, MOSFET이 온(ON) 상태에 있을 때 드레인 단자(D)는 접지 전위에 있는 것으로 간주될 수 있다. MOSFET에 대한 게이트-소스 임계치는 공진 회로(150)에 대한 임의의 적합한 값일 수 있으며, 전압(V2)의 크기 및 저항기들(164 및 163)의 저항들은 MOSFET들(M1 및 M2)의 게이트-소스 임계 전압에 따라 선택되어, 본질적으로 전압(V2)이 게이트 임계 전압(들)보다 크다는 것이 인식될 것이다.
유도성 요소(158)를 통해 흐르는 가변 전류를 초래하는 공진 회로(150)의 스위칭 절차는 이제, 제1 노드(A)의 전압이 높고 제2 노드(B)의 전압이 낮은 조건으로부터 시작하여 설명될 것이다.
노드(A)의 전압이 높을 때, 제1 MOSFET(M1)의 드레인 단자(D1)가 이 예에서는 도선을 통해 노드(A)에 직접적으로 연결되기 때문에, M1의 드레인 단자(D1)의 전압이 또한 높다. 동시에, 노드(B)의 전압은 낮게 유지되고, 제2 MOSFET(M2)의 드레인 단자(D2)의 전압은 대응적으로 낮다(이 예에서는, M2의 드레인 단자가 도선을 통해 노드(B)에 직접적으로 연결됨).
따라서, 이때에, M1의 드레인 전압 값은 높고, M2의 게이트 전압보다 크다. 따라서, 이때에, 제2 다이오드(d2)는 역방향 바이어스된다(reverse-biased). 이때에, M2의 게이트 전압은 M2의 소스 단자 전압보다 크고, 전압(V2)은 M2의 게이트-소스 전압이 MOSFET(M2)에 대한 온(ON) 임계치보다 크도록 된다. 따라서, 이때에, M2는 온(ON)이다.
동시에, M2의 드레인 전압은 낮고, 제1 다이오드(d1)는 M1의 게이트 단자에 대한 게이트 전압 공급 장치(V2)로 인해 순방향 바이어스된다(forward biased). 따라서, M1의 게이트 단자는 순방향 바이어스된 제1 다이오드(d1)를 통해 제2 MOSFET(M2)의 저전압 드레인 단자에 연결되고, 따라서, M1의 게이트 전압이 또한 낮다. 다시 말해서, M2가 온(on)되기 때문에, 그것은 접지 클램프로서 역할을 하고 있으며, 이는 제1 다이오드(d1)가 순방향 바이어스되게 하고, M1의 게이트 전압이 낮아지게 한다. 이로써, M1의 게이트-소스 전압은 온(ON) 임계치 미만이고, 제1 MOSFET(M1)는 오프(OFF)된다.
요약하면, 이 지점에서, 회로(150)는 제1 상태에 있으며, 여기서:
노드(A)의 전압은 높고;
노드(B)의 전압은 낮고;
제1 다이오드(d1)는 순방향 바이어스되고;
제2 MOSFET(M2)은 온(ON)이고;
제2 다이오드(d2)는 역방향 바이어스되고; 그리고
제1 MOSFET(M1)은 오프(OFF)이다.
이 지점으로부터, 제2 MOSFET(M2)이 온(ON) 상태에 있고, 제1 MOSFET(M1)이 오프(OFF) 상태에 있는 경우, 전류는 제1 초크(161)를 통해 그리고 유도성 요소(158)를 통해 공급 장치(V1)로부터 인출된다. 유도 초크(161)의 존재로 인해, 노드(A)의 전압은 자유롭게 발진한다. 유도성 요소(158)가 커패시터(156)와 병렬로 되어있기 때문에, 노드(A)에서 관측된 전압은 절반 정현파 전압 프로파일(half sinusoidal voltage profile)의 전압을 따른다. 노드(A)에서 관측된 전압의 주파수는 회로(150)의 공진 주파수(
Figure 112021034604587-pct00001
)와 동일하다.
노드(A)의 전압은 노드(A)에서의 에너지 감쇠의 결과로 그것의 최대 값으로부터 0을 향해 시간이 지남에 따라 정현파로 감소한다. 노드(B)의 전압은 낮게 유지되고(MOSFET(M2)가 온(on)되기 때문에) 인덕터(L)는 DC 공급 장치(V1)로부터 충전된다. MOSFET(M2)은 노드(A)의 전압이 M2의 게이트 임계 전압 + d2의 순방향 바이어스 전압 이하인 시점에 스위칭 오프된다. 노드(A)의 전압이 마침내 0에 도달할 때, MOSFET(M2)은 완전히 오프될 것이다.
동시에 또는 직후에, 노드(B)의 전압이 높아진다. 이것은 유도성 요소(158)와 커패시터(156) 사이의 에너지의 공진 전달로 인해 발생한다. 이러한 에너지의 공진 전달로 인해 노드(B)의 전압이 높아질 때, 노드들(A 및 B)과 MOSFET들(M1 및 M2)에 대해 위에서 설명된 상황이 반전된다. 즉, A의 전압이 0을 향해 감소함에 따라, M1의 드레인 전압이 감소된다. M1의 드레인 전압은 제2 다이오드(d2)가 더 이상 역방향 바이어스되지 않고 순방향 바이어스되는 지점까지 감소된다. 유사하게, 노드(B)의 전압은 그것의 최대치로 상승하고, 제1 다이오드(d1)는 순방향 바이어스되는 것으로부터 역방향 바이어스되는 것으로 스위칭한다. 이것이 발생함에 따라, M1의 게이트 전압은 더 이상 M2의 드레인 전압에 커플링되지 않고, 따라서 M1의 게이트 전압은 게이트 공급 전압(V2)의 인가 하에서 높아진다. 따라서, 제1 MOSFET(M1)은, 그것의 게이트-소스 전압이 이제 스위치-온에 대한 임계치 초과이기 때문에, 온(ON) 상태로 스위칭된다. M2의 게이트 단자가 이제 순방향 바이어스된 제2 다이오드(d2)를 통해 M1의 저전압 드레인 단자에 연결되므로, M2의 게이트 전압은 낮다. 따라서, M2는 오프(OFF) 상태로 스위칭된다.
요약하면, 이 지점에서, 회로(150)는 제2 상태에 있으며, 여기서:
노드(A)의 전압은 낮고;
노드(B)의 전압은 높고;
제1 다이오드(d1)는 역방향 바이어스되고;
제2 MOSFET(M2)은 오프(OFF)이고;
제2 다이오드(d2)는 순방향 바이어스되고; 그리고
제1 MOSFET(M1)은 온(ON)이다.
이 지점에서, 전류는 제2 초크(162)를 통해 공급 전압(V1)으로부터 유도성 요소(158)를 통해 인출된다. 따라서, 전류의 방향은 공진 회로(150)의 스위칭 작동으로 인해 반전되었다. 공진 회로(150)는, 제1 MOSFET(M1)이 오프(OFF)되고 제2 MOSFET(M2)이 온(ON)되는 위에서 설명된 제1 상태와 제1 MOSFET(M1)이 온(ON)되고 제2 MOSFET(M2)이 오프(OFF)되는 위에서 설명된 제2 상태 사이를 계속 스위칭할 것이다.
정상 작동 상태에서, 에너지는 정전 도메인(electrostatic domain)(즉, 커패시터(156)에서)과 자기 도메인(magnetic domain)(즉, 인덕터(158)) 사이에서 전달되며, 그 반대도 마찬가지이다.
순 스위칭 효과는 정전 도메인(즉, 커패시터(156)에서)과 자기 도메인(즉, 인덕터(158)) 사이에 에너지 전달이 있는 공진 회로(150)의 전압 발진들에 응답하여, 따라서 병렬 LC 회로의 시변 전류를 생성하며, 이는 공진 회로(150)의 공진 주파수에서 변한다. 이것은, 회로(150)가 그것의 최적의 효율 레벨에서 작동하고, 따라서 공진을 차단하는 회로와 비교하여 에어로졸 발생 재료(116)의 더 효율적 가열을 달성하기 때문에, 유도성 요소(158)와 서셉터 배열체(110) 사이의 에너지 전달에 유리하다. 설명된 스위칭 배열체는, 예컨대, 상이한 서셉터가 유도 요소에 커플링될 때, 회로(150)가 가변 로드 조건들 하에서 공진 주파수에서 스스로 구동할 수 있게 하므로 유리하다. 이것이 의미하는 것은, 회로(150)의 특성들이 변화하는 경우(예컨대, 서셉터(110)가 존재하거나 또는 존재하지 않는 경우, 또는 서셉터의 온도가 변화하거나 또는 심지어 서셉터 요소(110)의 물리적 움직임이 변화하는 경우), 회로(150)의 동적 특성이 최적의 방식으로 에너지를 전달하기 위해 그것의 공진 지점을 계속적으로 적응시키고, 따라서 회로(150)가 항상 공진 상태에서 구동된다는 것을 의미한다는 것이다. 더욱이, 회로(150)의 구성은 스위칭을 수행하기 위해 MOSFET들의 게이트들에 제어 전압 신호들을 인가하기 위해 외부 제어기 등이 요구되지 않도록 한다.
위에서 설명된 예들에서, 도 2를 참조하면, 게이트 단자들(G1, G2)에는 소스 전압(V1)에 대한 전력 공급 장치와 상이한 제2 전력 공급 장치를 통해 게이트 전압이 공급된다. 그러나, 일부 예들에서, 게이트 단자들에는 소스 전압(V1)과 동일한 전압 공급 장치가 공급될 수 있다. 그러한 예들에서, 회로(150)의 제1 지점(159), 제2 지점(160) 및 제3 지점(165)은 예컨대, 동일한 파워 레일(power rail)에 연결될 수 있다. 그러한 예들에서, 회로의 구성요소들의 특성들은 설명된 스위칭 동작이 발생할 수 있게 하도록 선택되어야 한다는 것이 인식될 것이다. 예컨대, 게이트 공급 전압 및 다이오드 임계 전압들은 회로의 발진들이 적절한 레벨에서 MOSFET들의 스위칭을 트리거하도록 선택되어야 한다. 게이트 공급 전압(V2) 및 소스 전압(V1)에 대한 별개의 전압 값들의 제공은, 소스 전압(V1)이, 회로의 스위칭 기구(switching mechanism)의 작동에 영향을 미치지 않고 게이트 공급 전압(V2)과 무관하게 변할 수 있게 한다.
회로(150)의 공진 주파수(
Figure 112021034604587-pct00002
)는 MHz 범위, 예컨대, 0.5 MHz 내지 4 MHz 범위, 예컨대, 2 MHz 내지 3 MHz 범위 내에 있을 수 있다. 공진 회로(150)의 공진 주파수(
Figure 112021034604587-pct00003
)는 위에서 설명된 바와 같이, 회로(150)의 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)에 의존하고, 이는 차례로 유도성 요소(158), 커패시터(156) 및 추가적으로 서셉터 배열체(110)에 의존한다는 것이 인식될 것이다. 즉, 에너지가 유도 요소로부터 서셉터 배열체로 전달되는 것에 대한 응답으로, 공진 주파수가 변하는 것이 고려될 수 있다. 이로써, 회로(150)의 공진 주파수(
Figure 112021034604587-pct00004
)는 구현마다 변할 수 있다. 예컨대, 주파수는 0.1 MHz 내지 4 MHz 범위 내에 있거나, 또는 0.5 MHz 내지 2 MHz 범위 내에 있거나 또는 0.3 MHz 내지 1.2 MHz 범위 내에 있을 수 있다. 다른 예들에서, 공진 주파수는 위에서 설명된 범위들과 상이한 범위 내에 있을 수 있다. 일반적으로, 공진 주파수는 서셉터 배열체(110)를 포함하여, 사용되는 구성요소들의 전기적 그리고/또는 물리적 특성들과 같은 회로의 특성들에 의존할 것이다.
공진 회로(150)의 특성들은 주어진 서셉터 배열체(110)에 대한 다른 팩터들에 기반하여 선택될 수 있다는 것이 또한 인식될 것이다. 예컨대, 유도성 요소(158)로부터 서셉터 배열체(110)로의 에너지 전달을 개선하기 위해, 서셉터 배열체(110)의 재료 특성들에 기반하여 스킨 깊이(즉, 전류 밀도가, 적어도 주파수의 함수인 1/e 만큼 떨어지는 서셉터 배열체(110)의 표면으로부터의 깊이)를 선택하는 것이 유용할 수 있다. 스킨 깊이는 서셉터 배열체들(110)의 상이한 재료들에 대해 상이하며, 구동 주파수가 증가함에 따라 감소한다. 다른 한편으로, 예컨대, 전자장치 내에서 열로 손실되는 공진 회로(150) 및/또는 구동 요소(102)에 공급되는 전력의 비율을 감소시키기 위해, 상대적으로 더 낮은 주파수들에서 스스로 구동하는 회로를 갖는 것이 유익할 수 있다. 이 예에서는, 구동 주파수가 공진 주파수와 동일하기 때문에, 구동 주파수와 관련한 여기서의 고려사항들은 예컨대, 서셉터 배열체(110)를 설계하고 그리고/또는 특정 커패시턴스를 갖는 커패시터(156) 및 특정 인덕턴스를 갖는 유도성 요소(158)를 사용함으로써 적절한 공진 주파수를 획득하는 것과 관련하여 이루어진다. 따라서, 일부 예들에서, 이러한 팩터들 사이의 절충이 적절하게 그리고/또는 원하는 대로 선택될 수 있다.
도 2의 공진 회로(150)는 전류(I)가 최소화되고 동적 저항이 최대화되는 공진 주파수(
Figure 112021034604587-pct00005
)를 갖는다. 공진 회로(150)는 이러한 공진 주파수에서 스스로 구동하고, 따라서 인덕터(158)에 의해 발생되는 발진 자기장(oscillating magnetic field)은 최대이고, 유도성 요소(158)에 의한 서셉터 배열체(110)의 유도 가열은 최대화된다.
일부 예들에서, 공진 회로(150)에 의한 서셉터 배열체(110)의 유도 가열은 공진 회로(150)에 제공되는 공급 전압을 제어함으로써 제어될 수 있으며, 이는 차례로 공진 회로(150)에 흐르는 전류를 제어할 수 있고, 따라서 공진 회로(150)에 의해 서셉터 배열체(110)에 전달되는 에너지, 및 따라서 서셉터 배열체(110)가 가열되는 정도를 제어할 수 있다. 다른 예들에서, 서셉터 배열체(110)의 온도는 예컨대, 서셉터 배열체(110)가 더 큰 정도로 가열될 것인지 아니면 더 적은 정도로 가열될 것인지에 따라 유도성 요소(158)에 대한 전압 공급 장치를 변화시킴으로써(예컨대, 공급된 전압의 크기를 변화시킴으로써 또는 펄스 폭 변조 전압 신호의 듀티 사이클을 변화시킴으로써) 모니터링되고 제어될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
위에서 언급된 바와 같이, 공진 회로(150)의 인덕턴스(L)는 서셉터 배열체(110)의 유도 가열을 위해 배열된 유도성 요소(158)에 의해 제공된다. 공진 회로(150)의 인덕턴스(L)의 적어도 일부분은 서셉터 배열체(110)의 자기 투자율에 기인한다. 따라서, 공진 회로(150)의 인덕턴스(L) 및 따라서 공진 주파수(
Figure 112021034604587-pct00006
)는 사용되는 특정 서셉터(들) 및 유도성 요소(들)(158)에 대한 그것의 위치결정에 의존할 수 있으며, 이는 때때로 변화할 수 있다. 추가로, 서셉터 배열체(110)의 자기 투자율은 서셉터(110)의 가변 온도들에 따라 변할 수 있다.
도 3은 공진 회로(250)의 제2 예를 도시한다. 제2 공진 회로(250)는 공진 회로(150)와 동일한 구성요소들 중 많은 구성요소를 포함하고, 공진 회로들(150, 250) 각각의 동일한 구성요소들에는 동일한 참조 번호들이 제공되며, 다시 상세히 설명되지 않을 것이다.
제2 회로(250)는, 제2 회로(250)가 다이오드들(d1, d2)을 포함하지 않는다는 점에서 제1 회로(150)와 상이하고, 다이오드들(d1, d2)을 통해 트랜지스터들(M1, M2) 각각의 게이트 단자들(G1, G2)이 트랜지스터들(M1, M2) 중 다른 것의 드레인 단자들(D1, D2)에 각각 연결된다. 제1 회로(150)에 포함되는 다이오드들(d1, d2) 대신에, 제2 회로(250)는 제3 MOSFET(M3) 및 제4 MOSFET(M4)을 포함한다.
제2 회로(250)에서, 제1 MOSFET(M1)의 게이트(G1)는 제3 MOSFET(M3)을 통해 제2 MOSFET(M2)의 드레인(D2)에 연결된다. 제2 MOSFET(M2)의 게이트(G2)는 유사하게 제4 MOSFET(M4)을 통해 제1 MOSFET(M1)의 드레인(D1)에 연결된다. 제어 전압(V2)은 지점(165)으로부터 제3 MOSFET(M3) 및 제4 MOSFET(M4) 둘 모두의 게이트 단자들(G3, G4)에 공급된다. 도 3에 표현된 예와 같은 예에서, 제3 MOSFET(M3) 및 제4 MOSFET(M4)의 게이트 단자들(G3, G4)은 전기 전도체, 예컨대, 전기 트랙을 통해 서로 연결되고, 전압(V2)이 전기 전도체의 한 지점에 공급된다. 제3 MOSFET(M3) 및 제4 MOSFET(M4) 각각은, 게이트 임계 전압보다 큰 전압이 MOSFET의 게이트 단자들(G3, G4)에 인가될 때, 전류가 MOSFET의 드레인 단자로부터 MOSFET의 소스 단자로 흐를 수 있도록 개개의 MOSFET들(M3, M4)이 턴 오프되도록 하는 게이트 임계 전압을 갖는다는 것이 인지될 것이다. 예들에서, 전압(V2)은, 제어 전압(V2)을 인가하는 것이 제3 및 제4 MOSFET들(M3, M4)을 온(ON) 상태로 턴하도록 제3 및 제4 MOSFET들(M3, M4)의 임계 전압들보다 더 크다. 예에서, 제3 MOSFET(M3)의 임계 전압은 제4 MOSFET(M4)의 임계 전압과 동일하다. 일부 예들에서, 제2 회로(250)는, 제1 및 제2 MOSFET들(M1, M2)의 게이트들(G1, G2)과 접지 사이에 연결된 하나 이상의 풀-다운 저항기들(도 3에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
제2 회로(250)는, 도 2를 참조로 제1 예시적인 회로(150)를 참조하여 설명된 방식으로 가변 전류가 유도성 요소(158)를 통해 흐르게 하는 자기-발진 회로(self-oscillating circuit)로서 동작한다. 다이오드들(d1, d2)보다는 MOSFET들(M3, M4)의 사용으로 인한 제1 예시적인 회로(150)의 거동과 제2 회로(250)의 거동의 차이들은 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
유도성 요소(158)를 통해 흐르는 가변 전류를 발생시키는 제2 회로(250)의 스위칭 절차가 이제 설명될 것이다.
전압(V2)이 제3 및 제4 MOSFET들(M3, M4)의 게이트들(G3, G4)에 인가될 때, 제3 및 제4 MOSFET들이 턴 "온"된다. 이 지점에서, 그 전압(V1)을 제공하면, 제1, 제2, 제3 및 제4 MOSFET들(M1-M4) 각각은 온(ON) 상태에 있다. 이 지점에서, 노드들(A 및 B)의 전압들이 강하하기 시작한다. 회로(250)에서 특정 불균형들, 예컨대, MOSFET들(M1-M4) 사이의 저항의 차이들, 또는 회로에 존재하는 인덕터들의 값들의 특성들이 존재할 수 있다. 이러한 불균형들은, 노드들(A 또는 B) 중 하나의 전압이 이들 노드들(A, B) 중 다른 노드의 전압보다 더 빠르게 강하하기 시작하도록 작용한다. 전압이 가장 빠르게 강하하는 노드(A, B)에 대응하는 MOSFET들(M1, M2)은 온(ON) 상태로 유지될 것이다. 노드들(A, B) 중 다른 노드에 대응하는, MOSFET들(M1, M2) 중 다른 하나는 오프(OFF) 상태로 스위칭된다. 다음은, 노드(A)의 전압이 발진하기 시작하고 노드(B)의 전압이 0으로 유지되는 상황을 설명한다. 그러나, 동일하게, 노드(A)의 전압이 0V로 유지되는 동안, 발진을 시작하는 노드(B)의 전압이 이에 해당하는 경우일 수 있다.
노드(A)의 전압이 상승할 때, 제1 MOSFET(M1)의 드레인 단자(D1)가 도선을 통해 노드(A)에 연결되기 때문에, 제1 MOSFET(M1)의 드레인 단자(D1)의 전압이 또한 상승한다. 동시에, 노드(B)의 전압은 낮게 유지되고, 제2 MOSFET(M2)의 드레인 단자(D2)의 전압은 대응적으로 낮다(이 예에서는, 제2 MOSFET(M2)의 드레인 단자(D2)가 도선을 통해 노드(B)에 직접적으로 연결됨).
제1 MOSFET(M1)의 노드(A) 및 드레인(D1)의 전압이 상승함에 따라, 제2 MOSFET(M2)의 게이트(G2)의 전압이 상승한다. 이는, 드레인(D1)이 제4 MOSFET(M4)을 통해 제2 MOSFET(M2)의 게이트(G2)에 연결되는 것 및 제4 MOSFET(M4)이 자신의 게이트 단자(G4)에 인가되는 전압(V2)으로 인해 "온"되기 때문이다.
제1 MOSFET(M1)의 드레인(D1)의 전압이 상승함에 따라, 제2 MOSFET(M2)의 게이트(G2)의 전압은, 최대 전압 값(Vmax)에 도달할 때까지 계속 상승한다. 제2 MOSFET(M2)의 게이트(G2)에 도달한 최대 전압 값(Vmax)은 제어 전압(V2) 및 제4 MOSFET(M4)의 게이트-소스 전압(VgsM4)에 의존한다. 최대 값(Vmax)은 Vmax = V2-VgsM4로 표현될 수 있다.
회로(250)의 공진 주파수에서 절반 사이클(half cycle)의 발진 후에, 제1 MOSFET(M1)의 드레인(D1)의 전압이 감소하기 시작한다. 제1 MOSFET(M1)의 드레인(D1)의 전압은 0V에 도달할 때까지 감소한다. 이 지점에서, 제1 MOSFET(M1)은 "오프"에서 "온"으로 턴하고, 제2 MOSFET(M2)은 "온"에서 "오프"로 턴한다.
그런 다음, 회로는, 노드(B)가 자유롭게 발진하는 동안 노드(A)가 0V로 유지되는 것을 제외하고는, 위에서 설명한 방식과 유사한 방식으로 계속 발진한다. 즉, 그럼 다음, 제2 MOSFET(M2)의 드레인(D2) 및 노드(B)의 전압이 상승하기 시작하는 반면에, 제1 MOSFET(M1)의 드레인(D1) 및 노드(A)의 전압은 0으로 유지된다.
제2 MOSFET(M2)의 드레인(D2) 및 노드(B)의 전압이 상승함에 따라, 드레인(D2)이 제3 MOSFET(M3)을 통해 제1 MOSFET(M1)의 게이트(G1)에 연결되기 때문에, 제1 MOSFET(M1)의 게이트(G1)의 전압이 상승하고, 제3 MOSFET(M3)은 전압(V2)이 자신의 게이트 단자(G3)에 인가되기 때문에 "온"이다.
제2 MOSFET(M2)의 드레인(D2)의 전압이 상승함에 따라, 제1 MOSFET(M1)의 게이트(G1)의 전압은 최대 전압 값(Vmax)에 도달할 때까지 계속 상승한다. 게이트(G1)에 도달한 최대 전압 값(Vmax)은 제어 전압(V2) 및 제3 MOSFET(M3)의 게이트-소스 전압(VgsM3)에 의존한다. 최대 값(Vmax)은 Vmax = V2-VgsM3로 표현될 수 있다. 이 예에서, 제3 및 제4 MOSFET들(M3, M4)의 게이트-소스 전압들은 서로 동일하고, 즉 VgsM3 = VgsM4이다.
제2 회로(250)의 공진 주파수에서 절반 사이클의 발진 후에, 제2 MOSFET(M2)의 드레인(D2)의 전압이 감소하기 시작한다. 제2 MOSFET(M2)의 드레인(D2)의 전압은 0V에 도달할 때까지 감소한다. 이 지점에서, 제2 MOSFET(M2)은 "오프"에서 "온"으로 턴하고, 제1 MOSFET(M1)은 "온"에서 "오프"로 턴한다.
제1 예시적인 회로(150)를 참조하여 설명된 방식으로, 제2 MOSFET(M2)이 온(ON) 상태에 있고 제1 MOSFET(M1)이 오프(OFF) 상태에 있을 때, 전류는 공급 장치(V1)로부터 제1 초크(161)를 통해 그리고 유도성 요소(158)를 통해 인출된다. 제1 MOSFET(M1)이 온(ON) 상태에 있고 제2 MOSFET(M2)이 오프(OFF) 상태에 있을 때, 전류는 제2 초크(162)를 통해 그리고 유도성 요소(158)를 통해 공급 장치(V1)로부터 인출된다. 따라서, 제2 예시적인 회로(250)는 도 2의 제1 예시적인 회로(150)에 대해 설명된 방식과 동일한 방식으로 발진하며, 전류의 방향은 회로(250)의 각각의 스위칭 동작에 따라 반전된다.
일부 예들에서, 제3 및 제4 MOSFET들(M3, M4)의 사용은, 더 낮은 에너지 손실들을 허용할 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 즉, 제1 예시적인 회로(150)는, 풀-업 저항기들(163, 164)을 통한 접지(151)로의 일부 전류 인출로 인해 저항성 손실들을 초래할 수 있다. 예컨대, 제1 MOSFET(M1)이 온(ON) 상태일 때, 제2 다이오드(d2)가 순방향 바이어스되고, 따라서 작은 전류가 제2 풀-업 저항기(164)를 통해 인출되어, 저항성 손실들을 초래한다. 마찬가지로, 제2 MOSFET(M2)이 온(ON) 상태일 때, 제1 풀-업 저항기(163)를 통해 인출되는 전류로 인해 저항성 손실들이 존재할 수 있다. 예들에서 제2 예시적인 회로는 저항기들(163, 164)을 생략할 수 있다. 제2 예시적인 회로(250)는, 풀-업 저항기들(163, 164) 및 다이오드들(d1, d2)을 제3 및 제4 MOSFET들(M3, M4)로 대체함으로써 이러한 손실들을 감소시킬 수 있다. 예컨대, 제2 예시적인 회로(250)에서, 제1 MOSFET(M1)이 오프(OFF) 상태에 있을 때, 제3 MOSFET(M3)을 통해 인출된 전류는 본질적으로 0일 수 있다. 유사하게, 제2 예시적인 회로(250)에서, 제2 MOSFET(M2)이 오프 상태에 있을 때, 제4 MOSFET(M4)을 통해 인출된 전류는 본질적으로 0일 수 있다. 따라서, 저항성 손실들은 제2 회로(250)에 도시된 배열체를 사용함으로써 감소될 수 있다. 또한, 제1 MOSFET(M1) 및 제2 MOSFET(M2)의 게이트들(G1, G2)을 충전 및 방전하기 위한 에너지가 요구될 수 있다. 제2 회로(250)는 노드들(A 및 B)로부터 효과적으로 제공될 이 에너지를 제공할 수 있다.
2개의 초크 인덕터들(161, 162)을 포함하는 위의 예시적인 회로들이 설명되었다. 다른 예에서, 예시적인 유도 가열 회로는 단지 하나의 초크 인덕터를 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 회로에서, 인덕터 코일(158)은 "중심-탭핑"될 수 있다.
도 4는, 제1 예시적인 회로(150)의 변형이고 코일(158)이 중심-탭핑 코일이고 단일 초크 인덕터(461)가 제1 및 제2 초크 인덕터들(161, 162)을 대체하는 제3 예시적인 회로(350)를 도시한다. 서셉터(110)는 명확성을 위해 도 4에서 생략된다. 다시, 도 2에 예시된 회로(150)의 구성요소들과 동일한 구성요소들에는 도 1에서와 같이 도 4에서 동일한 참조 번호들이 제공된다.
제3 회로(350)에서, 전압(V1)은, 제1 예시적인 회로(150)의 제1 및 제2 지점들(159, 160)에서와는 반대로, 단일 지점(459)에서 인덕터 코일(158)의 중심에 초크 인덕터(461)를 통해 인가된다. 제1 및 제2 예시적인 회로들(150, 250)에서와 같이, 회로의 공진 진동으로 인해 회로의 전류가 방향을 변경함에 따라, 제1 초크(161) 및 제2 초크(162)를 통해 전류가 교대로 인출되는 것보다는, 전류는 단일 초크 인덕터(461)를 통해 인출되고, MOSFET들(M1, M2)의 스위칭 동작으로 인해 회로(350)의 전류 발진들이 방향을 변경함에 따라, 인덕터(158)의 제1 부분(158a)을 통해 그리고 인덕터(158)의 제2 부분(158b)을 통해 교대로 인출된다. 제3 회로(350)는 다른 측면들에서 제1 회로(150)와 등가의 방식으로 동작한다.
제4 예시적인 회로가 도 5에 도시된다. 다시, 도 2에 예시된 회로(150)의 구성요소들과 동일한 구성요소들에는 도 1에서와 같이 도 4에서 동일한 참조 번호들이 제공된다. 제4 회로(450)는, 제3 회로(350)의 단일 커패시터(156)를 포함하는 것보다는, 제1 커패시터(156a) 및 제2 커패시터(156b)가 제4 회로(450)에 제공된다는 점에서, 제3 회로(350)와 상이하다. 제3 회로(350)와 유사하게, 제4 회로(450)는, 제1 부분(158a) 및 제2 부분(158b)을 포함하는 인덕터와 함께 중심-탭핑 배열체를 포함한다. 전압(V1)은 (도 4의 배열체에서와 같이) 초크 인덕터(461)를 통해 인덕터 코일(158)의 중심에 인가되고, 또한, 인덕터 코일(158)의 중심은 제1 커패시터(156a)와 제2 커패시터(156b) 사이의 지점에 전기적으로 연결된다. 따라서, 2개의 인접한 회로 루프들이 제공되며, 하나는 제1 인덕터 부분(158a) 및 제1 커패시터(156a)를 포함하고, 다른 하나는 제2 인덕터 부분(158b) 및 제2 커패시터(156b)를 포함한다. 제4 회로(450)는 다른 측면들에서 제3 회로(350)와 등가의 방식으로 동작한다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명된 중심-탭핑 배열체는, 도 3을 참조하여 설명된 방식으로, 다이오드들 대신에 제3 및 제4 MOSFET들을 사용하는 배열체에 동일하게 적용될 수 있다. 중심-탭핑 배열체의 사용은, 회로를 조립하는 데 필요한 부품들의 수가 감소될 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 예컨대, 초크 인덕터들의 수는 2개에서 1개로 감소될 수 있다.
본원에서 설명된 예들에서, 서셉터 배열체(110)는 소모품 내에 보유되어, 따라서 교체 가능하다. 예컨대, 서셉터 배열체(110)는 일회용일 수 있고, 예컨대, 가열되도록 배열된 에어로졸 발생 재료(116)와 통합될 수 있다. 공진 회로(150)는, 서셉터 배열체(110)가 교체될 시 그리고 교체될 때, 상이한 서셉터 배열체들(110) 사이의 구성 및/또는 재료 유형의 차이들 및/또는 유도성 요소(158)에 대한 서셉터 배열체들(110)의 배치의 차이들을 자동으로 고려하여, 회로가 공진 주파수에서 구동될 수 있게 한다. 게다가, 공진 회로는 특정 유도성 요소(158) 또는 실제로, 사용되는 공진 회로(150)의 임의의 다른 구성요소에 관계없이 공진 상태에서 스스로 구동하도록 구성된다. 이것은 서셉터 배열체(110)뿐만 아니라 회로(150)의 다른 구성요소들 둘 모두와 관련하여 제조의 변동들을 수용하는 데 특히 유용하다. 예컨대, 공진 회로(150)는, 상이한 인덕턴스 값들을 갖는 상이한 유도성 요소들(158)의 사용 및/또는 서셉터 배열체(110)에 대한 유도성 요소(158)의 배치의 차이들과 관계없이, 회로가 공진 주파수에서 스스로 계속 구동할 수 있게 한다. 회로(150)는 또한 소모성 구성요소들이 디바이스의 수명에 걸쳐 교체되더라도 공진 상태에서 스스로 구동할 수 있다.
일부 예들에서, 에어로졸 발생 디바이스(100)는 복수의 상이한 유형들의 소모품들과 함께 사용 가능하도록 구성되고, 소모품들 각각은 다른 소모품들과 상이한 유형의 서셉터 배열체를 포함한다.
상이한 서셉터 배열체들은, 예컨대, 상이한 재료들로 형성될 수 있거나 상이한 형상들 또는 상이한 크기들 또는 상이한 재료들 또는 형상들 또는 크기들의 상이한 조합들일 수 있다.
사용 시, 회로(150)의 공진 주파수는, 어떤 유형의 소모품이 디바이스(100)에 커플링, 예컨대, 디바이스(100) 내에 삽입되는지의 특정 서셉터 배열체에 의존한다. 그러나, 회로(150)의 자기-발진 배열체로 인해 공진 회로의 유도성 요소(158)를 통한 교류 주파수는, 유도성 요소에 대한 상이한 서셉터/소모품의 커플링에 의해 발생되는 공진 주파수의 변화들과 매칭하도록 자체-조정하도록 구성된다. 따라서, 회로는, 서셉터 배열체 또는 소모품의 특성들에 관계없이, 그 소모품이 디바이스(100)에 커플링될 때, 회로(150)의 공진 주파수에서 주어진 서셉터 배열체를 가열하도록 구성된다.
일부 예들에서, 에어로졸 발생 디바이스(100)는 제1 서셉터 배열체를 갖는 제1 소모품을 수용하도록 구성되고, 디바이스는 또한 제1 서셉터 배열체와 상이한 제2 서셉터 배열체를 갖는 제2 소모품을 수용하도록 구성된다.
예컨대, 디바이스(100)는 특정 크기의 알루미늄 서셉터를 포함하는 제1 소모품을 수용하도록 구성될 수 있으며, 또한, 알루미늄 서셉터와 상이한 형상 및/또는 크기일 수 있는 스틸 서셉터를 포함하는 제2 소모품을 수용하도록 구성될 수 있다.
회로(150)의 가변 전류는, 제1 소모품이 디바이스에 커플링될 때 공진 회로(150)의 제1 공진 주파수로 유지되고, 제2 소모품이 디바이스(100)에 커플링될 때 공진 회로의 제2 공진 주파수로 유지된다.
예들에서, 에어로졸 발생 디바이스(100)는 소모품을 수용하기 위한 수용부를 포함한다. 수용부는 제1 소모품 또는 제2 소모품과 같은 복수의 유형들의 소모품들을 수용하도록 구성될 수 있다. 도 1은 소모품(120)을 수용한 에어로졸 발생 디바이스(100)를 도시하며, 이는 에어로졸 발생 디바이스(100)의 수용부(130)에 수용되는 것으로 개략적으로 도시된다. 수용부(130)는 디바이스의 본체(112) 내의 캐비티 또는 챔버일 수 있다. 소모품(120)이 수용부(130)에 있을 때, 소모품(120)의 서셉터 배열체(110)는 유도성 요소(158)에 의한 유도 커플링 및 가열을 위해 근접하게 배열된다.
디바이스(100)는 상이한 형상들의 복수의 상이한 소모품들을 수용하도록 구성될 수 있다.
예들에서, 위에서 언급된 바와 같이, 유도성 요소(158)는 전기 전도성 코일이다. 그러한 예들에서, 소모품의 서셉터 배열체의 적어도 일부는 코일 내에 수용되도록 구성될 수 있다. 이것은 서셉터 배열체와 유도성 요소 사이에 효율적인 유도 커플링을 제공하고, 이로써 서셉터 배열체의 효율적인 가열을 제공할 수 있다.
공진 회로(150)를 포함하는 에어로졸 발생 디바이스(100)의 작동이 이제 일 예에 따라 설명될 것이다. 디바이스(100)가 턴 온되기 이전에, 디바이스(100)는 '오프' 상태에 있을 수 있는데, 즉, 공진 회로(150)에 전류가 흐르지 않을 수 있다. 디바이스(150)는, 예컨대, 사용자가 디바이스(100)를 턴 온시킴으로써 '온' 상태로 스위칭된다. 디바이스(100)의 스위칭 온 시, 공진 회로(150)는 전압 공급 장치(104)로부터 전류를 인출하기 시작하며, 유도성 요소(158)를 통한 전류는 공진 주파수(
Figure 112021034604587-pct00007
)에서 변한다. 디바이스(100)는 제어기(106)에 의해 추가적 입력이 수신될 때까지, 예컨대, 사용자가 더 이상 버튼(도시되지 않음)을 누르지 않거나, 또는 퍼프 검출기(도시되지 않음)가 더 이상 활성화되지 않을 때까지, 또는 최대 가열 지속시간이 경과했을 때까지, 계속 온 상태에 있을 수 있다. 공진 주파수(
Figure 112021034604587-pct00008
)에서 구동되는 공진 회로(150)는 교류(I)가 공진 회로(150) 및 유도성 요소(158)에 흐르게 하고, 따라서 서셉터 배열체(110)가 유도 가열되게 한다. 서셉터 배열체(110)가 유도 가열됨에 따라, 그것의 온도(따라서 에어로졸 발생 재료(116)의 온도)가 증가한다. 이 예에서, 서셉터 배열체(110)(및 에어로졸 발생 재료(116))는 그것이 일정 온도(TMAX)에 도달하도록 가열된다. 온도(TMAX)는, 실질적으로, 상당한 양의 에어로졸이 에어로졸 발생 재료(116)에 의해 발생되는 온도이거나 또는 그 초과인 온도일 수 있다. 온도(TMAX)는, 예컨대, 약 200 내지 약 300℃일 수 있다(물론 재료(116), 서셉터 배열체(110), 전체 디바이스(100)의 배열체 및/또는 다른 요건들 및/또는 조건들에 따라 상이한 온도일 수 있음). 따라서, 디바이스(100)는 '가열' 상태 또는 모드에 있으며, 여기서 에어로졸 발생 재료(116)는 에어로졸이 실질적으로 생성되거나 또는 상당량의 에어로졸이 생성되는 온도에 도달한다. 모든 경우들은 아니지만 대부분의 경우들에서, 서셉터 배열체(110)의 온도가 변화함에 따라, 공진 회로(150)의 공진 주파수(
Figure 112021034604587-pct00009
)도 변화한다는 것이 인식되어야 한다. 이것은, 서셉터 배열체(110)의 자기 투자율이 온도의 함수이고, 위에서 설명된 바와 같이, 서셉터 배열체(110)의 자기 투자율이 유도성 요소(158)와 서셉터 배열체(110) 사이의 커플링 및 따라서 공진 회로(150)의 공진 주파수(
Figure 112021034604587-pct00010
)에 영향을 미치기 때문이다.
본 개시내용은 주로 LC 병렬 회로 배열체를 설명한다. 위에서 언급된 바와 같이, 공진 상태의 LC 병렬 회로의 경우, 임피던스는 최대이고, 전류는 최소이다. 최소인 전류는 일반적으로 병렬 LC 루프 외부에서, 예컨대, 초크(161)의 좌측으로 또는 초크(162)의 우측으로 관측된 전류를 지칭한다는 점이 주목된다. 반대로, 직렬 LC 회로에서, 전류가 최대이고, 일반적으로 말하자면, 저항기는, 다른 방식으로 회로 내의 특정 전기 구성요소들을 손상시킬 수 있는 안전한 값으로 전류를 제한하기 위해 삽입되도록 요구된다. 이것은 일반적으로, 에너지가 저항기를 통해 손실되기 때문에 회로의 효율성을 감소시킨다. 공진 상태에서 작동하는 병렬 회로는 그러한 제약들을 요구하지 않는다.
일부 예들에서, 서셉터 배열체(110)는 알루미늄을 포함하거나 또는 그로 구성된다. 알루미늄은 비철 재료(non-ferrous material)의 예이며, 이로써 1에 가까운 상대적 자기 투자율을 갖는다. 이것이 의미하는 것은, 알루미늄이 일반적으로, 인가된 자기장에 대한 응답으로 낮은 자화 정도를 갖는다는 것이다. 따라서, 일반적으로, 특히 에어로졸 제공 시스템들에 사용되는 것들과 같은 저전압들에서 알루미늄을 유도 가열하는 것이 어려운 것으로 간주되었다. 일반적으로, 공진 주파수에서 회로를 구동하는 것은, 이것이 유도성 요소(158)와 서셉터 배열체(110) 사이에 최적의 커플링을 제공하므로, 유리하다는 것이 또한 밝혀졌다. 알루미늄의 경우, 공진 주파수로부터의 약간의 편차가, 서셉터 배열체(110)와 유도성 요소(158) 사이의 유도 커플링의 두드러진 감소 및 따라서 가열 효율성의 두드러진 감소(일부 경우들에서는, 가열이 더 이상 관측되지 않는 정도)를 야기하는 것이 관측된다. 위에서 언급된 바와 같이, 서셉터 배열체(110)의 온도가 변화함에 따라, 회로(150)의 공진 주파수도 변화한다. 따라서, 서셉터 배열체(110)가 알루미늄과 같은 비철 서셉터를 포함하거나 또는 그로 구성되는 경우, 본 개시내용의 공진 회로(150)는 (임의의 외부 제어 기구와 무관하게) 회로가 항상 공진 주파수에서 구동된다는 점에서 유리하다. 이것은, 최대 유도 커플링 및 따라서 최대 가열 효율성이 항상 달성되어 알루미늄이 효율적으로 가열되는 것을 가능하게 한다는 것을 의미한다. 알루미늄 서셉터를 포함하는 소모품은, 소모품이, 폐쇄형 전기 회로를 형성하고 그리고/또는 50 마이크론 미만의 두께를 갖는 알루미늄 랩을 포함할 때 효율적으로 가열될 수 있는 것이 밝혀졌다.
서셉터 배열체(110)가 소모품의 일부를 형성하는 예들에서, 소모품은 PCT/EP2016/070178에서 설명된 형태를 취할 수 있으며, 그 전체는 인용에 의해 본원에 포함된다.
위의 예들은 본 발명의 예시적 예들로서 이해되어야 한다. 임의의 하나의 예와 관련하여 설명된 임의의 특징은 단독으로 또는 설명된 다른 특징들과 조합하여 사용될 수 있고, 또한 예들 중 임의의 다른 예의 하나 이상의 특징들, 또는 다른 예들 중 임의의 다른 예의 임의의 조합과 조합하여 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 추가로, 첨부된 청구항들에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 위에서 설명되지 않은 등가물들 및 수정들이 또한 사용될 수 있다.

Claims (36)

  1. 에어로졸 발생 재료를 가열하기 위한 공진 회로(resonant circuit)를 포함하는 에어로졸 발생 디바이스(aerosol generating device)로서,
    상기 공진 회로는:
    서셉터 배열체(susceptor arrangement)를 유도 가열하여 상기 에어로졸 발생 재료를 가열하고 이로써 에어로졸을 발생시키기 위한 유도성 요소(inductive element); 및
    사용 시, 가변 전류(varying current)가 DC 전압 공급 장치로부터 발생되고 상기 유도성 요소를 통해 흐르게 하여 상기 서셉터 배열체의 유도 가열을 발생시키기 위해 제1 상태와 제2 상태를 교번(alternate)하는 스위칭 배열체(switching arrangement)를 포함하고,
    상기 스위칭 배열체는, 상기 공진 회로 내의 전압 발진들(voltage oscillations)에 대한 응답으로, 상기 제1 상태와 상기 제2 상태를 교번하도록 구성되고, 상기 전압 발진들은 상기 공진 회로의 공진 주파수로 동작하고, 이로써 상기 가변 전류가 상기 공진 회로의 상기 공진 주파수로 유지되고,
    상기 스위칭 배열체는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 스위칭 배열체가 상기 제1 상태에 있을 때 상기 제1 트랜지스터는 오프(OFF)이고 상기 제2 트랜지스터는 온(ON)이며, 상기 스위칭 배열체가 상기 제2 상태에 있을 때 상기 제1 트랜지스터는 온(ON)이고 상기 제2 트랜지스터는 오프(OFF)이며, 그리고
    상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터 각각은 상기 트랜지스터를 턴 온(ON) 및 오프(OFF)하기 위한 제1 단자, 제2 단자 및 제3 단자를 포함하고, 상기 회로는 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터를 더 포함하고, 그리고 상기 제1 트랜지스터의 상기 제1 단자는 상기 제3 트랜지스터를 통해 상기 제2 트랜지스터의 상기 제2 단자에 연결되고, 상기 제2 트랜지스터의 상기 제1 단자는 상기 제4 트랜지스터를 통해 상기 제1 트랜지스터의 상기 제2 단자에 연결되는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진 회로는, 상기 유도성 요소 및 용량성 요소(capacitive element)를 포함하는 LC 회로인,
    에어로졸 발생 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유도성 요소 및 상기 용량성 요소는 병렬로 배열되고, 상기 전압 발진들은 상기 유도성 요소 및 상기 용량성 요소에 걸친 전압 발진들인,
    에어로졸 발생 디바이스.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터의 상기 제2 단자의 전압이 상기 제1 트랜지스터의 스위칭 임계 전압 이하일 때, 상기 스위칭 배열체는 상기 제1 트랜지스터가 온(ON)에서 오프(OFF)로 스위칭하도록 구성되고, 그리고
    상기 제1 트랜지스터의 상기 제2 단자의 전압이 상기 제2 트랜지스터의 스위칭 임계 전압 이하일때, 상기 스위칭 배열체는 상기 제2 트랜지스터가 온(ON)에서 오프(OFF)로 스위칭하도록 구성되는
    에어로졸 발생 디바이스.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제3 트랜지스터 및 상기 제4 트랜지스터 각각은 상기 트랜지스터를 턴 온(ON) 및 오프(OFF)하기 위한 제1 단자를 갖고, 그리고
    상기 제3 트랜지스터 및 상기 제4 트랜지스터 각각은, 임계 전압 이상의 전압이 상기 트랜지스터의 개개의 제1 단자에 인가될 때, 스위칭 온(ON)되도록 구성되고, 상기 제3 트랜지스터 및 상기 제4 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터들(field effect transistors)일 수 있는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 공진 회로는 상기 제3 트랜지스터 및 상기 제4 트랜지스터 둘 모두의 제1 단자들에 상기 임계 전압 이상의 전압을 인가함으로써 활성화되고, 이로써 상기 제3 트랜지스터 및 상기 제4 트랜지스터를 턴 온(ON)하도록 구성되는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 공진 회로는 상기 스위칭 배열체를 작동시키도록 구성된 제어기를 포함하지 않는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 공진 회로의 상기 공진 주파수는, 에너지가 상기 유도성 요소로부터 상기 서셉터 배열체로 전달되는 것에 대한 응답으로 변하는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터의 제1 단자들에 제어 전압을 공급하기 위한 트랜지스터 제어 전압을 포함하는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터의 상기 제1 단자와 상기 트랜지스터 제어 전압 사이에 직렬로 연결된 제1 풀-업 저항기(pull-up resistor), 및 상기 제2 트랜지스터의 상기 제1 단자와 상기 트랜지스터 제어 전압 사이에 직렬로 연결된 제2 풀-업 저항기를 포함하는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제3 트랜지스터는 상기 제어 전압과 상기 제1 트랜지스터의 상기 제1 단자 사이에 연결되고, 상기 제4 트랜지스터는 상기 제어 전압과 상기 제2 트랜지스터 사이에 연결되는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 및/또는 상기 제2 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터들인,
    에어로졸 발생 디바이스.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 DC 전압 공급 장치의 제1 단자는 상기 공진 회로의 제1 지점 및 제2 지점에 연결되고, 그리고
    상기 제1 지점 및 상기 제2 지점은 상기 유도성 요소의 양측에 전기적으로 위치되는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 DC 전압 공급 장치의 제1 단자는 상기 공진 회로의 제1 지점에 연결되고, 그리고
    상기 제1 지점은, 상기 제1 지점으로부터 흐르는 전류가 상기 유도성 요소의 제1 부분을 통해 제1 방향으로 그리고 상기 유도성 요소의 제2 부분을 통해 제2 방향으로 흐를 수 있도록, 상기 유도성 요소의 중심 지점에 전기적으로 연결되는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 DC 전압 공급 장치와 상기 유도성 요소 사이에 위치하는 적어도 하나의 초크 인덕터를 포함하는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 DC 전압 공급 장치 및 상기 유도성 요소 사이에 위치하는 제1 초크 인덕터(choke inductor) 및 제2 초크 인덕터를 포함하고,
    상기 제1 초크 인덕터는 상기 제1 지점과 상기 유도성 요소 사이에 직렬로 연결되고, 상기 제2 초크 인덕터는 상기 제2 지점과 상기 유도성 요소 사이에 직렬로 연결되는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 DC 전압 공급 장치 및 상기 유도성 요소 사이에 위치하는 제1 초크 인덕터를 포함하고,
    상기 제1 초크 인덕터는 상기 공진 회로의 상기 제1 지점과 상기 유도성 요소의 상기 중심 지점 사이에 직렬로 연결되는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 에어로졸 발생 디바이스는 제1 서셉터 배열체를 갖는 제1 소모성 구성요소(consumable component)를 수용하도록 구성되고, 그리고
    상기 에어로졸 발생 디바이스는 제2 서셉터 배열체를 갖는 제2 소모성 구성요소를 수용하도록 구성되고, 그리고
    상기 가변 전류는, 상기 제1 소모성 구성요소가 상기 디바이스에 커플링될 때 상기 공진 회로의 제1 공진 주파수로 유지되고, 상기 제2 소모성 구성요소가 상기 디바이스에 커플링될 때 상기 공진 회로의 제2 공진 주파수로 유지되는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 에어로졸 발생 디바이스는 수용부(receiving portion)를 포함하고, 상기 유도성 요소와 상기 제1 서셉터 배열체 또는 상기 제2 서셉터 배열체 사이에 유도성 커플링을 제공할 정도로 상기 제1 서셉터 배열체 또는 상기 제2 서셉터 배열체가 상기 유도성 요소에 근접하게 제공되도록, 상기 수용부는 상기 제1 소모성 구성요소 또는 상기 제2 소모성 구성요소 중 어느 하나를 수용하도록 구성되는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 유도성 요소는 전기 전도성 코일이고, 그리고
    상기 디바이스는 상기 코일 내의 상기 제1 서셉터 배열체 또는 상기 제2 서셉터 배열체 중 적어도 일부를 수용하도록 구성되는,
    에어로졸 발생 디바이스.
  28. 시스템으로서,
    제1항 내지 제3항, 제5항, 및 제12항 내지 제27항 중 어느 한 항에 따른 에어로졸 발생 디바이스 및 서셉터 배열체를 포함하는,
    시스템.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 서셉터 배열체는 알루미늄으로 형성되며, 그리고
    상기 서셉터 배열체는 상기 서셉터 배열체 및 상기 에어로졸 발생 재료를 포함하는 소모품(consumable)에 배열되는,
    시스템.
  30. 부품들의 키트(kit)로서,
    제1 에어로졸 발생 재료 및 제1 서셉터 배열체를 포함하는 제1 소모성 구성요소, 및 제2 에어로졸 발생 재료 및 제2 서셉터 배열체를 포함하는 제2 소모성 구성요소를 포함하고, 상기 제1 소모성 구성요소 및 상기 제2 소모성 구성요소는 제1항 내지 제3항, 제5항, 및 제12항 내지 제27항 중 어느 한 항에 따른 에어로졸 발생 디바이스와 함께 사용하도록 구성되는,
    부품들의 키트.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 제1 소모성 구성요소는 상기 제2 소모성 구성요소와 비교하여 상이한 형상을 갖고,
    상기 제1 서셉터 배열체는 상기 제2 소모성 구성요소와 비교하여 상이한 형상을 가지거나 상이한 재료로 형성되고,
    상기 제1 및 제2 소모성 구성요소들은 스틱, 포드(pod), 카토마이저(cartomiser), 및 평평한 시트를 포함하는 그룹으로부터 선택되고, 그리고,
    상기 제1 서셉터 배열체 또는 상기 제2 서셉터 배열체는 알루미늄으로 형성되는,
    부품들의 키트.
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