KR20170007243A

KR20170007243A - 유도 가열 장치, 유도 가열 장치를 포함하는 에어로졸 전달 시스템, 및 그 작동 방법

Info

Publication number: KR20170007243A
Application number: KR1020167026117A
Authority: KR
Inventors: 아이하르 니콜라에비츠 지노빅; 올레그 미로노프; 올레그 푸르사
Original assignee: 필립모리스 프로덕츠 에스.에이.
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2017-01-18
Also published as: JP6452709B2; RU2670060C2; DK2967156T3; AR100861A1; US20170055587A1; MX2016015135A; US20200077715A1; SI3145342T1; WO2015177255A1; BR112016020498B1; JP7025512B2; HUE039428T2; WO2015177257A1; EP3145342A1; ES2682744T3; RU2015151873A3; RU2016138698A; CA2937066A1; RU2670951C9; RU2677111C2

Abstract

서셉터(21)를 포함하는 에어로졸 형성 기재(20)를 가열하기 위한 유도 가열 장치(1)로, 장치 하우징(10), DC 공급 전압(V_DC)과 DC 전류(I_DC)를 제공하기 위한 DC 전원(11), 옴 저항(R_코일)을 갖는 인덕터(L2)와 축전기(C2)의 직렬 연결을 포함하는 LC 부하 네트워크(1323)를 포함하는 DC/AC 변환기(132)를 포함하는 전력 공급 전자기기(13), 에어로졸 형성 기재(20)의 일부분을 수용해서 LC 부하 네트워크(1323)의 인덕터(L2)를 서셉터(21)에 유도 결합시키기 위한 장치 하우징(10) 내의 공동(14)을 포함하고 있다. 전력 공급 전자기기(13)는, DC 공급 전압(V_DC)으로부터와 DC 전류(I_DC)로부터 겉보기 옴 저항(R_a)을 판정하고, 겉보기 옴 저항(R_a)으로부터 서셉터(21)의 온도(T)를 판정하기 위한 마이크로컨트롤러(131)를 더 포함하고 있다.

Description

유도 가열 장치, 유도 가열 장치를 포함하는 에어로졸 전달 시스템, 및 그 작동 방법{INDUCTIVE HEATING DEVICE, AEROSOL DELIVERY SYSTEM COMPRISING AN INDUCTIVE HEATING DEVICE, AND METHOD OF OPERATING SAME}

본 발명은 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 유도 가열 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 유도 가열 장치를 포함하는 에어로졸 전달 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 에어로졸 전달 시스템을 작동시키는 방법에 관한 것이다.

종래 기술에 의하면, 에어로졸 형성 기재, 통상적으로 담배 함유 플러그(plug)를 포함하는 에어로졸 전달 시스템이 공지되어 있다. 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 성분을 방출할 수 있는 온도까지 담배 플러그를 가열하기 위해, (통상적으로 금속으로 형성된) 가열 블레이드(heating blade) 같은 가열 요소가 담배 플러그 내에 삽입되어 있다. 에어로졸 형성 기재(담배 플러그)와 직접 접촉하고 있는 가열 블레이드의 온도는 에어로졸 형성 기재의 온도를 나타내는 것으로서 결정된다. 가열 블레이드의 온도는, 가열 블레이드의 옴 저항(ohmic resistance)과 가열 블레이드의 온도 간에 공지된 관계를 이용하여 계산된다. 따라서, 가열 동안, (예를 들어, 전압 및 전류 측정을 통해) 가열 블레이드의 옴 저항을 모니터하여, 흡연 실행(smoking run) 동안 어느 때라도 가열 블레이드의 온도를 결정할 수 있다.

다른 에어로졸 전달 시스템은 가열 블레이드보다는 유도 가열 장치(inductive heating device)를 포함하고 있다. 유도 가열 장치는 에어로졸 형성 기재에 열적으로 인접하여 배열되어 있는 인덕터(inductor)를 포함하고, 에어로졸 형성 기재는 서셉터(susceptor)를 포함하고 있다. 인덕터의 교번 자기장은 서셉터에 히스테리시스 손실(hysteresis loss)과 와류(eddy current)를 발생시켜, 서셉터로 하여금, 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 성분을 방출할 수 있는 온도까지 에어로졸 형성 기재를 가열하게 한다. 서셉터의 가열은 비접촉식으로 수행되므로, 에어로졸 형성 기재의 온도를 직접 측정할 수는 없다.

그러나, 유도 가열식 에어로졸 형성 기재에서도, 효율적인 방식으로 에어로졸 형성 기재의 작동 온도를 측정하고 제어할 수있는 것이 바람직할 것이다. 따라서, 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 유도 가열 장치가 필요하며, 여기서 에어로졸 형성 기재의 온도 측정이 달성될 수도 있다. 또한, 에어로졸 형성 기재의 온도 측정을 포함하는 에어로졸 전달 시스템이 필요하다.

본 발명은, 서셉터를 포함하는 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 유도 가열 장치를 제안하고 있다. 본 발명에 따른 유도 가열 장치는,

- 장치 하우징,

- 작동시 DC 공급 전압과 DC 전류를 제공하기 위한 DC 전원,

- 상기 DC 전원에 연결된 DC/AC 변환기를 포함하고, 고 주파수에서 작동하도록 구성된 전력 공급 전자기기로서, 상기 DC/AC 변환기는 저 옴 부하에서 작동하도록 구성된 LC 부하 네트워크를 포함하고, 여기서 상기 LC 부하 네트워크는 옴 저항을 갖는 인덕터와 축전기의 직렬 연결을 포함하는, 상기 전력 공급 전자기기,

- 상기 장치 하우징 내에 배열되어 있는 공동으로, 상기 공동은 에어로졸 형성 기재의 적어도 일부분을 수용하기 위한 형상의 내부 표면을 가지고, 상기 공동은 상기 에어로졸 형성 기재의 일부분이 상기 공동 내에 수용되면 작동하는 동안 상기 LC 부하 네트워크의 인덕터가 상기 에어로졸 형성 기재의 서셉터에 유도 결합되도록 배열되어 있는, 상기 공동을 포함하고 있다.

전력 공급 전자기기는, 작동시 DC 전원의 DC 공급 전압으로부터 그리고 DC 전원으로부터 도출된 DC 전류로부터 겉보기 옴 저항을 판정하도록 프로그래밍되어 있고, 작동시 겉보기 옴 저항으로부터 에어로졸 형성 기재의 서셉터의 온도를 판정하도록 또한 프로그래밍되어 있는 마이크로컨트롤러를 더 포함하고 있다.

도 1은 본 발명의 유도 가열 장치의 근간이 되는 일반적인 가열 원리를 보여주고 있고,
도 2는 본 발명에 따른 유도 가열 장치와 에어로졸 전달 시스템의 한 구현예의 블록도를 보여주고 있고,
도 3은 장치 하우징 내에 배열된 필수 구성요소들을 갖는 유도 가열 장치를 포함하는 본 발명에 따른 에어로졸 전달 시스템의 한 구현예를 보여주고 있고,
도 4는 (매칭 네트워크가 없는) 본 발명에 따른 유도 가열 장치의 전력 전자기기의 필수 구성요소들의 한 구현예를 보여주고 있고,
도 5는 장방 형상을 갖는 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일의 형태로 된 LC 부하 네트워크의 인덕터의 한 구현예를 보여주고 있고,
도 6은 코일의 유도성과 옴 저항을 포함하는 LC 부하 네트워크의 상세를 도시하고, 또한, 부하의 옴 저항을 보여주고 있고,
도 7은 서셉터의 온도에 대하여 DC 전원으로부터 도출된 DC 전류를 나타내는 두 개의 신호를 보여주고 있고,
도 8은 DC 전원으로부터 도출된 DC 전류와 DC 전원의 DC 공급 전압에 대하여 두 개의 서셉터의 온도를 보여주고 있고,
도 9는 유도 가열 장치의 전력 전자기기의 등가 회로를 보여주고 있다.

에어로졸 형성 기재는, 바람직하게는, 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 화합물을 방출할 수 있는 기재이다. 휘발성 화합물은 에어로졸 형성 기재를 가열하여 방출된다. 에어로졸 형성 기재는, 고체 또는 액체일 수도 있고, 또는 고체 성분과 액체 성분 모두를 포함할 수도 있다. 바람직한 한 구현예에서, 에어로졸 형성 기재는 고체이다.

상기 에어로졸 형성 기재는 니코틴을 포함할 수도 있다. 니코틴 함유 에어로졸 형성 기재는 니코틴 염 매트릭스일 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 식물계 물질을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 담배를 포함할 수도 있고, 바람직하게는, 담배 함유 물질은, 가열시 에어로졸 형성 기재로부터 방출되는 휘발성 담배 향미 화합물을 함유하고 있다.

에어로졸 형성 기재는 균질화된 담배 물질을 포함할 수도 있다. 균질화된 담배 물질은 미립자로 된 담배를 응집하여 형성된 것일 수도 있다. 균질화된 담배 물질은, 존재하는 경우, 건조 중량 기준으로 5% 이상, 바람직하게는, 건조 중량 기준으로 5% 초과 내지 30%의 에어로졸 형성제 함량을 가질 수도 있다.

대안적으로, 에어로졸 형성 기재는 비-담배 함유 물질을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 균질화된 식물계 물질을 포함할 수도 있다.

에어로졸 형성 기재는 적어도 하나의 에어로졸 형성제를 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성제는, 사용시, 조밀하고도 안정적인 에어로졸의 형성을 용이하게 하며 에어로졸 발생 장치의 작동 온도에서의 열적 감성에 실질적으로 저항하는 것으로 공지되어 있는 임의의 적절한 화합물 또는 화합물들의 혼합물일 수도 있다. 적합한 에어로졸 형성제는 당 기술분야에 잘 공지되어 있고, 이에 한정되지 않지만, 트리에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올 및 글리세린과 같은 다가 알코올; 글리세롤 모노-, 디- 또는 트리아세테이트와 같은 다가 알코올의 에스테르; 및 디메틸 도데칸디오에이트(dimethyl dodecanedioate) 및 디메틸 테트라데칸디오에이트(dimethyl tetradecanedioate)와 같은, 모노-, 디- 또는 폴리카르복실산의 지방족 에스테르를 포함하고 있다. 특히 바람직한 에어로졸 형성제는, 다가 알코올 또는 이들의 혼합물, 예컨대, 트리에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올, 및 가장 바람직하게는, 글리세린이다. 에어로졸 형성 기재는 향미제 같은 기타 첨가제와 성분을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는, 바람직하게는, 니코틴 및 적어도 하나의 에어로졸 형성제를 포함하고 있다. 특히 바람직한 구현예에서, 에어로졸 형성제는 글리세린이다.

DC 전원은, 일반적으로, 구체적으로 주 전원에 연결되는 전원 공급 유닛을 포함하는 임의의 적절한 DC 전원, 하나 이상의 일회용 배터리, 충전식 배터리, 또는 필요로 하는 DC 공급 전압과 필요로 하는 DC 공급 전류를 제공할 수 있는 다른 임의의 적절한 DC 전원을 포함할 수도 있다. 한 구현예에서, DC 전원의 DC 공급 전압의 범위는 약 2.5볼트 내지 약 4.5볼트이고, DC 공급 전류의 범위는 (약 6.25와트 내지 약 22.5와트 범위의 DC 공급 전력에 대응하는) 약 2.5 내지 약 5전류다. 바람직하게는, DC 전원은 충전식 배터리를 포함하고 있다. 이러한 배터리는, 일반적으로 이용가능하며, 대략 1.2 내지 3.5cm³의 허용가능한 전체 부피를 갖는다. 이러한 배터리는 실질적으로 원통형 형상 또는 직사각형 입체 형상을 가질 수도 있다. 또한, DC 전원은 DC 피드 초크(feed choke)를 포함할 수도 있다.

대체로 "약"이라는 용어가 본원 전체에 걸쳐 특정한 값에 관하여 사용될 때마다, "약"이라는 용어 다음에 오는 값이 기술적 고려 사항들 때문에 정확하게 그 특정한 값일 필요는 없다는 의미로 이해해야 한다. 그러나, 특정한 값에 관한 "약"이라는 용어는, "약"이라는 용어 다음에 오는 특정한 값을 항상 포함하는 것이며 또한 명시적으로 개시하는 것으로 이해해야 한다.

전력 공급 전자기기는 고 주파수에서 작동하도록 구성되어 있다. 본 출원에서, "고 주파수"라는 용어는, 약 1MHz 내지 약 30MHz 범위, 구체적으로는 (1MHz 내지 10MHz의 범위를 포함한) 약 1MHz 내지 약 10MHz 범위, 더 구체적으로는 (5MHz 내지 7MHz의 범위를 포함한) 약 5MHz 내지 약 7MHz 범위의 주파수를 나타내는 것임을 이해해야 한다.

전력 공급 전자기기는, DC 전원에 연결된 DC/AC 변환기를 포함하고 있다.

(DC/AC 인버터로 구현될 수도 있는) DC/AC 변환기의 LC 부하 네트워크는 저 옴 부하(low ohmic load)에서 작동하도록 구성되어 있다. "저 옴 부하(low ohmic load)"라는 용어는, 약 2옴보다 작은 옴 부하를 나타내는 것으로 이해해야 한다. LC 부하 네트워크는, 션트 축전기(shunt capacitor), 및 옴 저항을 갖는 인덕터와 축전기의 직렬 연결을 포함하고 있다. 인덕터의 이러한 옴 저항은 통상적으로 10분의 몇 옴이다. 작동시, 서셉터의 옴 저항은 인덕터의 옴 저항에 가산되며 인덕터의 옴 저항보다 높아야 하는데, 이는, 전력 증폭기의 효율을 증가시키고 가능한 많은 열을 서셉터로부터 에어로졸 형성 기재의 나머지로 전달하여 에어로졸을 효과적으로 생성할 수 있도록, 공급된 전력이 가능한 높은 정도로 서셉터에서 열로 변환되어야 하기 때문이다.

서셉터는 유도 가열될 수 있는 전도체(conductor)다. "열적으로 인접"한다는 것은, 적절한 양의 열이 서셉터로부터 에어로졸 형성 기재의 나머지로 전달되어서 에어로졸을 생성하도록 서셉터가 그 에어로졸 형성 기재의 나머지에 대하여 위치한다는 것을 의미한다.

서셉터는 자기 투과성 뿐만 아니라 전기 전도성(전도체임, 전술한 바를 참조)도 띄고 있으므로, 와류로 공지된 전류가 서셉터에서 생성되어 옴 법칙에 따라 서셉터에서 흐른다. 서셉터는, 낮은 전기 저항성(ρ)을 가져서 주울(Joule) 열 소산을 증가시켜야 한다. 또한, 표면 효과(skin effect)(전류의 98%를 초과하는 양이 전도체의 외면으로부터의 표면 깊이(δ)의 네 배만큼 층 내에 흐름) 때문에 교류형 와류의 주파수를 고려해야 한다. 이를 고려할 때, 서셉터의 옴 저항(RS)은 아래의 등식으로부터 산출된다

R_s =

여기서,

f 는 교류형 와류의 주파수이고

μ₀ 는 자유 공간의 자기 투과성이고

μ_r 는 서셉터의 물질의 상대 자기 투과성이고, 그리고

ρ 는 서셉터의 물질의 전기 저항성이다.

와류에 의해 발생하는 전력 손실(P_e)은 다음의 공식에 의해 산출된다

P_e = I²ㆍR_S

여기서,

I 는 와류의 전류(rms)이고, 그리고

R_S 는 서셉터의 전기 옴 저항을 나타낸다(상기 참조)

P_e에 대한 등식과 R_S에 대한 산출로부터, 공지된 상대 자기 투과성(μ_r)과 소정의 전기 저항성(ρ)을 갖는 물질의 경우, (열로의 변환을 통해) 와류에 의해 발생하는 전력 손실(P_e)이 주파수와 전류(rms)가 증가함에 따라 증가하는 것은 명백하다는 점을 알 수 있다. 반면에, 교류형 와류의 주파수(및 이에 대응하여 서셉터에서 와류를 유도하는 교번 자기장의 주파수)는, 와류의(또는 서셉터에서 와류를 유도하는 교번 자기장의) 주파수가 증가함에 따라 표면 깊이(δ)가 감소되므로, 임의로 증가될 수 없고, 이에 따라 표면 깊이가 매우 작아 와류가 발생할 수 없으므로 소정의 컷오프(cut-off) 주파수를 초과하는 와류가 서셉터에서 더 이상 발생할 수 없다. 전류(rms)를 증가시키면 고 자속 밀도를 갖는 교번 자기장이 필요하고, 따라서, 매우 큰 유도원(인덕터)이 필요하다.

또한, 이력에 연관된 가열 기구를 통해 서셉터에서 열이 생성된다. 이력에 의해 발생하는 전력 손실은 다음의 등식으로부터 산출된다

P_H = V ㆍ W_H ㆍ f

여기서,

V 는 서셉터의 부피이고

W_H 는 B-H도에서 폐쇄 이력 루프를 따라 서셉터를 자화하는 데 필요한 일이고, 그리고

f 는 교번 자기장의 주파수이다.

폐쇄 이력 루프를 따라 서셉터를 자화하는 데 필요한 일(W_H)은 또한 아래와 같이 표현될 수 있다

W_H = ∮HㆍdB

W_H의 가능한 최대량은 서셉터의 물질 특성(포화 잔류 자기(B_R), 보자력(coercivity)(H_C))에 의존하고, W_H의 실제량은 교번 자기장에 의해 서셉터에서 유도되는 실제 자화 B-H 루프에 의존하고, 이러한 실제 자화 B-H 루프는 자기 여기의 크기에 의존한다.

서셉터에서 열(전력 손실)을 발생시키는 제3 기구가 있다. 이러한 발열은 서셉터가 외부 교번 자기장을 받을 때 자화성 서셉터 물질의 자기 도메인의 동적 손실에 의해 야기되며, 이러한 동적 손실도 교번 자기장의 주파수가 증가함에 따라 일반적으로 증가한다.

(주로 와류 손실과 이력 손실을 통한) 전술한 기구에 따라 서셉터에 열을 발생시킬 수 있도록, 공동이 장치 하우징에 배열되어 있다. 공동은, 에어로졸 형성 기재의 적어도 일부분을 수용하기 위한 형상의 내부 표면을 갖는다. 공동은, 공동에 에어로졸 형성 기재의 일부분이 수용되면 동작 동안 LC 부하 네트워크의 인덕터가 에어로졸 형성 기재의 서셉터에 유도 결합되도록 배열되어 있다. 이는, 자기 유도를 통해 서셉터를 가열하는 데 LC 부하 네트워크의 인덕터가 사용된다는 것을 의미한다. 이는, 클래스-E 전력 증폭기의 출력 임피던스(impedance)를 부하에 매칭하기 위한 매칭 네트워크 같은 추가 구성요소들을 필요 없게 하며, 따라서, 전력 공급 전자기기의 크기를 더욱 최소화할 수 있다.

전체적으로, 본 발명에 따른 유도 가열 장치는, 상기 기재의 비접촉 가열 덕분에, 소형이며, 다루기 쉽고, 효율적이며, 깨끗하고, 강건한 가열 장치를 제공한다. 따라서, LC 부하 네트워크의 인덕터의 옴 저항보다 상당히 높은 옴 저항을 가지면서 전술한 바와 같이 저 옴 부하를 형성하는 서셉터를 위해, 5초 만에 또는 심지어 5초보다 작은 시간 간격에 300 내지 400℃ 범위의 서셉터의 온도에 도달할 수 있는 한편, (전력의 대부분이 서셉터에서 열로 변환되기 때문에)동시에, 인덕터의 온도는 낮다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 유도 가열 장치의 일 측면에 따르면, 이 장치는 흡연 물품의 에어로졸 형성 기재를 가열하도록 구성되어 있다. 이 장치는, 구체적으로, 전력이 에어로졸 형성 기재 내의 서셉터에 제공되어 있어서 에어로졸 형성 기재가 200 내지 240℃의 평균 온도로 가열되도록 포함하고 있다. 더욱 바람직하게는, 이 장치는, 흡연 물품의 담배-함유 고체 에어로졸 형성 기재를 가열하도록 구성되어 있다.

에어로졸 형성 기재가 가열됨에 따라, 에어로졸 형성 기재의 온도를 제어하는 것이 바람직하다. 이것은 에어로졸 형성 기재의 가열이 (전술한 바와 같이, 주로 히스테리시스 손실과 와류 손실을 통한) 서셉터의 비접촉(유도) 가열에 의해 수행되므로 달성하기가 쉽지 않은 반면, 종래 기술에서는 저항형 가열 요소의 옴 저항과 저항형 가열 요소의 온도의 선형 의존성 때문에 저항형 가열 요소에서 전압과 전류를 측정하여 저항형 가열 장치의 온도 제어를 달성하였다.

놀랍게도, 본 발명에 따른 유도 가열 장치에서는, DC 전원으로부터 도출된 DC 전류로부터 및 DC 전원의 DC 공급 전압으로부터 결정된 겉보기 옴 저항과 서셉터의 온도 간에 엄격하게 단조적인 관계(monotonic relationship)가 존재한다. 이러한 엄격하게 단조적인 관계는, 본 발명에 따른 (비접촉) 유도 가열 장치의 각 겉보기 옴 저항으로부터 서셉터의 각 온도를 명확하게 결정할 수 있게 하며, 이때, 겉보기 옴 저항의 각 단일 값은 온도의 하나의 단일 값만을 나타내며, 그 관계에 있어서 모호함은 없다. 이는 서셉터의 온도와 겉보기 옴 저항 간의 관계가 반드시 선형임을 의미하는 것은 아니지만, 그 관계는 엄격하게 단조적이어서 하나보다 많은 온도에 대한 하나의 겉보기 옴 저항의 임의의 모호한 할당을 피하도록 해야 한다. 따라서, 서셉터의 온도와 겉보기 옴 저항 간의 엄격하게 단조적인 관계는 서셉터 온도의 결정 및 제어를 가능하게 하고 이에 따라 에어로졸 형성 기재의 온도의 결정 및 제어를 가능하게 한다. 더욱 상세히 후술하는 바와 같이, DC/AC 변환기가 클래스-E 증폭기(class-E amplifier)를 포함하고 있는 경우, 서셉터의 온도와 겉보기 옴 저항 간의 관계는 적어도 관심을 갖는 온도 범위에 대하여 선형이다.

다시 겉보기 옴 저항의 결정으로 돌아가서, DC 전원으로부터 도출된 DC 전류와 DC 전원의 DC 공급 전압으로부터의 겉보기 옴 저항의 결정은, DC 공급 전압과 DC 전류 모두의 측정을 포함하고 있다. 그러나, 본 발명의 유도 가열 장치의 일 측면에 따르면, DC 전원은 DC 배터리일 수도 있고, 구체적으로, 일정한 DC 공급 전압을 제공하기 위한 DC 충전식 배터리일 수도 있다. 이는, 바람직하게는, AC/DC 변환기를 포함하는 충전 장치에 의해 주 전원과에 대한 연결을 통해 배터리를 충전할 수 있게 한다. 일정한 DC 공급 전압을 공급하는 경우, DC 공급 전압을 측정하는 것은 여전히 가능하며 바람직할 수도 있지만, 이러한 DC 공급 전압의 측정은 (DC 공급 전압이 일정하므로) 의무적인 것은 아니다. 그러나, 전력 공급 전자기기는 DC 배터리로부터 도출되는 DC 전류를 측정하기 위한 DC 전류 센서를 포함하며, 이에 따라 (서셉터의 온도를 나타내는) 겉보기 옴 저항은, 일정한 DC 공급 전압(이러한 일정한 DC 공급 전압이 일정한 값을 갖는 것으로 측정되거나 결정되는지에 상관없음) 및 측정된 DC 전류로부터 결정될 수 있다. 일반적으로, 이 측면은 DC 공급 전압까지 측정할 필요 없이 DC 전류만을 측정할 수 있다.

전술한 바와 같이, 소정의 경우에서, DC 공급 전압을 측정하지 않을 수 있지만, 본 발명의 유도 가열 장치의 일 측면에 따르면 전력 공급 전자기기는 DC 전원의 DC 공급 전압을 측정하기 위한 DC 전압 센서를 포함하고 있어서 DC 공급 전압의 실제 간의 결정을 어떠한 경우에도 측정할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유도 가열 장치는 온도를 제어할 수 있다. 이를 특히 유리한 방식으로 달성하도록, 본 발명의 유도 가열 장치의 추가 측면에 따르면, 마이크로컨트롤러는, 또한, 에어로졸 형성 기재의 서셉터의 결정된 온도가 미리 설정되어 있는 임계 온도와 같거나 이 임계 온도를 초과할 경우 DC/AC 변환기에 의한 AC 전력 발생을 방해하도록 프로그래밍되어 있고, 이 측면에 따르면, 마이크로컨트롤러는, 에어로졸 형성 기재의 서셉터의 결정된 온도가 다시 그 미리 설정되어 있는 임계 온도 미만으로 되면 AC 전력 발생을 재개하도록 프로그래밍되어 있다. "AC 전력 발생을 방해하다"라는 용어는, AC 전력 발생이 임계 온도를 유지할 정도로만 감소되는 경우뿐만 아니라 AC 전력이 거의 발생하지 않는 경우도 포함하려는 것이다. 유리하게, 이러한 임계 온도는, 구체적으로, 300℃ 내지 400℃ 범위, 예를 들어, 350℃일 수도 있는 목표 작동 온도이다. 본 발명에 따른 유도 가열 장치는, 서셉터가 각 겉보기 옴 저항에 대응하는 미리 설정된 임계 온도에 도달할 때까지 에어로졸 형성 기재의 서셉터를 가열한다. 그때, DC/AC 변환기에 의한 AC 전력의 추가 공급은, 서셉터의 추가 가열이 중단되고 서셉터가 냉각될 수 있도록 방해된다. 일단 서셉터의 온도가 다시 미리 설정된 임계 온도 미만으로 되면, 이는 대응하는 겉보기 옴 저항을 결정하여 검출된다. 그때, 온도를 가능한 한 목표 작동 온도에 가깝게 유지하도록 AC 전력 발생이 재개된다. 이는, 예를 들어, LC 부하 네트워크에 공급되는 AC 전력의 작동 주기(duty cycle)를 조절하여 달성될 수 있다. 이는 WO 2014/040988에 원론적으로 개시되어 있다.

전술한 바와 같이, 유도 가열 장치의 일 측면에 따르면, DC/AC 변환기는, 트랜지스터 스위치를 포함하는 클래스-E 전력 증폭기, 트랜지스터 스위치 드라이버 회로, 및 저 옴 부하에서 작동하도록 구성된 LC 부하 네트워크를 포함하고, LC 부하 네트워크는 또한 션트 축전기를 포함하고 있다.

클래스-E 전력 증폭기는, 일반적으로 공지되어 있으며, 예를 들어, 미국 코네티컷주 Newington의 American Radio Relay League (ARRL)에서 격월로 간행되는 잡지 QEX의 2001년 1/2월호, 9-20쪽에 공개된 기사(“Class-E RF Power Amplifiers”, Nathan O. Sokal)에 상세히 설명되어 있다. 클래스-E 전력 증폭기는, 최소 개수의 구성요소들(예를 들어, 하나의 트랜지스터 스위치만이 필요하며, 이는 두 개의 트랜지스터 중 하나가 스위칭 온(switched on)될 때 두 개의 트랜지스터 중 나머지 하나가 스위칭 오프(switched off)된 상태에 있음을 보장하는 방식으로 고 주파수에서 제어되어야 하는 두 개의 트랜지스터 스위치를 포함하는 클래스-D 전력 증폭기에 비해 유리함)을 포함하는 간단한 회로 구조를 가지면서 동시에 고 주파수에서의 동작에 관하여 유리하다. 또한, 클래스-E 전력 증폭기는 스위칭 변환 동안 스위칭 트랜지스터에 있어서 최소 전력 소산으로 유명하다. 바람직하게는, 클래스-E 전력 증폭기는 단일 트랜지스터 스위치만을 갖는 단일 말단 일차 클래스-E 전력 증폭기이다.

클래스-E 전력 증폭기의 트랜지스터 스위치는, 임의의 유형의 트랜지스터일 수 있고, 양극성-접합 트랜지스터(BJT)로서 구현될 수도 있다. 그러나, 더욱 구체적으로, 트랜지스터 스위치는, 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 또는 금속-반도체 전계 효과 트랜지스터(MESFET) 같은 전계 효과 트랜지스터(FET)로서 구현된다.

본 발명의 유도 가열 장치의 추가 측면에 따르면, LC 부하 네트워크의 인덕터는, 공동의 내부 표면 상에 또는 내부 표면에 인접하여 위치하는 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일을 포함하고 있다.

본 발명의 유도 가열 장치의 다른 일 측면에 따르면, 클래스-E 전력 증폭기는 출력 임피던스를 갖고, 전력 공급 전자기기는, 클래스 E 전력 증폭기의 출력 임피던스를 저 옴 부하에 매칭하기 위한 매칭 네트워크를 더 포함하고 있다. 이러한 수단은, 저 옴 부하에서의 열 발생 증가를 야기하는 저 옴 부하에서의 전력 손실을 더 증가시키는 데 일조할 수도 있다. 예를 들어, 매칭 네트워크는 소형 매칭 변압기를 포함할 수도 있다.

본 발명의 유도 가열 장치의 추가 측면에 따르면, 전력 공급 전자기기의 총 부피는 2cm³ 이하이다. 이는, 다루기 편리하고 용이한 전체적으로 소형인 장치 하우징에 배터리들, 전력 공급 전자기기, 및 공동을 배열할 수 있게 한다.

본 발명의 유도 가열 장치의 추가 측면에 따르면, LC 부하 네트워크의 인덕터는, 공동의 내부 표면 상에 또는 내부 표면에 인접하여 위치하는 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일을 포함하고 있다. 유리하게, 인덕터 코일은, 장방(oblong) 형상을 갖고, 약 0.15cm³ 내지 약 1.10cm³ 범위의 내부 부피를 정의한다. 예를 들어, 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일의 내경은, 약 5mm 내지 약 10mm일 수도 있고, 바람직하게는, 약 7mm일 수도 있고, 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일의 길이는 약 8mm 내지 약 14mm일 수도 있다. 코일 와이어의 직경이나 두께는, 원형 단면의 코일 와이어 또는 평평한 직사각형 단면의 코일 와이어가 사용되는지 여부에 따라 약 0.5mm 내지 약 1mm일 수도 있다. 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일은 공동의 내부 표면 상에 또는 내부 표면에 인접하여 위치한다. 공동의 내부 표면 상에 또는 내부 표면에 인접하여 위치하는 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일은 장치의 크기를 더욱 최소화할 수 있다.

본 발명의 추가 측면은, 전술한 바와 같은 유도 가열 장치 및 서셉터를 포함하는 에어로졸 형성 기재를 포함하는 에어로졸 전달 시스템에 관한 것이다. 에어로졸 형성 기재의 적어도 일부분은, 작동하는 동안 유도 가열 장치의 DC/AC 변환기의 LC 부하 네트워크의 인덕터가 에어로졸 형성 기재의 서셉터에 유도 결합되도록 유도 가열 장치의 공동 내에 수용된다.

예를 들어, 에어로졸 형성 기재는 흡연 물품의 에어로졸 형성 기재일 수도 있다. 구체적으로, 에어로졸 형성 기재는, (예를 들어, 궐련 같은) 흡연 물품에서 사용될 수 있는 담배-함유 고체 에어로졸 형성 기재일 수도 있다.

본 발명의 에어로졸 전달 시스템의 일 측면에 따르면, 서셉터는 스테인리스 스틸로 형성되어 있다. 예를 들어, 스테인리스 스틸 등급 430(SS430) 또는 스테인리스 스틸 등급 410(SS410), 스테인리스 스틸 등급 420(SS420) 또는 스테인리스 스틸 등급 440(SS440) 같은 다양한 등급의 스테인리스 스틸을 사용할 수 있다. 다른 등급의 스테인리스 스틸도 사용할 수 있다. 예를 들어, 서셉터는, 스트립, 시트, 와이어 또는 호일로서 구현될 수도 있는 단일 서셉터 요소며, 이러한 서셉터 요소들은 직사각형, 원형, 타원형 같은 서로 다른 단면 형상 또는 기타 형상을 가질 수도 있다.

본 발명에 따른 에어로졸 전달 시스템의 구체적인 측면에 따르면, 서셉터는 스테인리스 스틸의 평평한 스트립을 포함할 수도 있고, 스테인리스 스틸의 평평한 스트립은, 약 8mm 내지 약 15mm 범위의 길이, 바람직하게는, 약 12mm의 길이를 갖는다. 평평한 스트립은, 또한, 약 3mm 내지 약 6mm 범위의 폭, 바람직하게는, 약 4mm 또는 약 5mm의 폭을 가질 수도 있다. 평평한 스트립은, 또한, 약 20㎛ 내지 약 50㎛ 범위의 두께, 바람직하게는, 약 20㎛ 내지 약 40㎛ 범위의 두께, 예를 들어, 약 25㎛ 또는 약 35㎛의 두께를 가질 수도 있다. 서셉터의 매우 구체적인 한 구현예는, 약 12mm의 길이, 약 4mm의 폭, 및 약 50㎛의 두께를 가질 수도 있고, 스테인리스 스틸 등급 430(SS430)으로 형성된 것일 수도 있다. 서셉터의 매우 구체적인 다른 한 구현예는, 약 12mm의 길이, 약 5mm의 폭, 및 약 50㎛의 두께를 가질 수도 있고, 스테인리스 스틸 등급 430(SS430)으로 형성된 것일 수도 있다. 대안적으로, 이러한 매우 구체적인 구현예들은 또한 스테인리스 스틸 등급 420(SS420)으로 형성된 것일 수도 있다.

본 발명의 또 다른 측면은, 전술한 바와 같은 에어로졸 전달 시스템을 작동시키는 방법에 관한 것으로, 이 방법은,

- DC 전원의 DC 공급 전압으로부터 및 상기 DC 전원으로부터 도출된 DC 전류로부터 겉보기 옴 저항을 결정하는 단계,

- 상기 겉보기 옴 저항으로부터 에어로졸 형성 기재의 서셉터의 온도를 결정하는 단계를 포함하고 있다.

본 발명의 방법의 일 측면에 따르면, DC 전원은 DC 배터리고, 구체적으로, DC 충전식 배터리며, 일정한 DC 공급 전압을 제공한다. DC 배터리로부터 도출된 DC 전류는, 일정한 DC 공급 전압과 측정된 DC 전류로부터 겉보기 옴 저항을 결정하도록 측정된다.

본 발명의 방법의 다른 일 측면에 따르면, 이 방법은,

- 에어로졸 형성 기재의 서셉터의 결정된 온도가 미리 설정된 임계 온도와 동일하거나 그 임계 온도를 초과할 때 DC/AC 변환기에 의해 AC 전력 발생을 방해하는 단계와, 그리고

- 상기 에어로졸 형성 기재의 서셉터의 결정된 온도가 다시 미리 설정된 임계 온도 미만일 때 AC 전력 발생을 재개하는 단계를 더 포함하고 있다.

본 발명에 따른 방법의 장점들 및 이러한 방법의 구체적인 측면들은 전술하였으므로, 여기서는 다시 언급하지 않는다.

본 발명의 유리한 추가 측면들은 도면과 함께 다음에 따르는 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.

도 1에는, 본 발명의 근간이 되는 일반적인 가열 원리가 개략적으로 예시되어 있다. 흡연 물품(2)의 에어로졸 형성 기재(20)의 일부분 또는 전부가 배열되어 있는 내부 부피를 정의하며 장방 형상을 갖는 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일(L2)이 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 에어로졸 형성 기재는 서셉터(21)를 포함하고 있다. 서셉터(21)를 갖는 에어로졸 형성 기재(20)를 포함하는 흡연 물품(2)은 도 1의 우측에 별도로 확대 단면도로서 개략적으로 도시되어 있다. 이미 언급한 바와 같이, 흡연 물품(2)의 에어로졸 형성 기재(20)는, 담배-함유 고체 기재일 수도 있지만, 이에 한정되지 않는다.

또한, 도 1에서, 인덕터 코일(L2)의 내부 부피 내의 자기장은, 인덕터 코일(L2)을 통해 흐르는 교류(i_L2)에 의해 발생되는 자기장이 교류(i_L2)의 주파수에서 극성이 변하는 교번 자기장이므로, 특정한 한 순간의 다수의 자기장 라인(BL)에 의해 개략적으로 표시되어 있으며, 그 주파수는, (1MHz 내지 30MHz를 포함한) 약 1MHz 내지 약 30MHz 범위에 있을 수도 있고, 구체적으로, (1MHz 내지 10MHz를 포함하고, 특히 10MHz보다 작을 수 있는) 약 1MHz 내지 약 10MHz 범위에 있을 수도 있고, 매우 구체적으로, 그 주파수는 (5MHz 내지 7MHz를 포함한) 약 5MHz 내지 약 7MHz 범위에 있을 수도 있다. 서셉터(21)에서의 발열을 담당하는 두 개의 주요 기구인, 와류(폐쇄된 원이 와류를 나타냄)에 의해 야기되는 전력 손실(P_e) 및 이력(폐쇄 이력 곡선이 이력을 나타냄)에 의해 야기되는 전력 손실(P_h)도 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 기구에 관해서는, 전술한 이러한 기구의 더욱 상세한 설명을 참조하기 바란다.

도 3은 본 발명에 따른 유도 가열 장치(1)를 포함하는 본 발명에 따른 에어로졸 전달 시스템의 한 구현예를 도시하고 있다. 유도 가열 장치(1)는, 플라스틱으로 형성될 수 있는 장치 하우징(10), 및 충전식 배터리(110)를 포함하는 DC 전원(11)(도 2 참조)을 포함하고 있다. 유도 가열 장치(1)는, 충전식 배터리(110)를 충전하기 위한 충전 스테이션(charging station) 또는 충전 장치에 유도 가열 장치를 도킹하기 위한 핀(120)을 포함하는 도킹 포트(docking port; 12)를 더 포함하고 있다. 또한, 유도 가열 장치(1)는 원하는 주파수에서 작동하도록 구성된 전력 공급 전자기기(13)를 포함하고 있다. 전력 공급 전자기기(13)는, 적절한 전기 연결부(130)를 통해 충전식 배터리(110)에 전기적으로 연결되어 있다. 그리고, 전력 공급 전자기기(13)는, 도 3에서는 볼 수 없는 추가 부품들을 포함하고 있지만, 구체적으로, LC 부하 네트워크(도 4 참조)를 포함하고 있으며, 이러한 LC 부하 네트워크는 인덕터(L2)를 포함하고 있으며, 이는 도 3에서 파선으로 표시되어 있다. 인덕터(L2)는 공동(14)을 둘러싸도록 장치 하우징(10)의 근위 말단에서 장치 하우징(10)에 내장되어 있고, 공동도 장치 하우징(10)의 근위 말단에 배열되어 있다. 인덕터(L2)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 장방 형상을 갖는 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일을 포함할 수도 있다. 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일(L2)은, 약 5mm 내지 약 10mm 범위의 반경(r), 구체적으로는 약 7mm의 반경(r)을 가질 수도 있다. 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일의 길이(l)는 약 8mm 내지 약 14mm 범위에 있을 수도 있다. 이에 따라, 내부 부피는, 약 0.15cm³ 내지 약 1.10cm³ 범위에 있을 수도 있다.

도 3으로 되돌아가서, 서셉터(21)를 포함하는 담배-함유 고체 에어로졸 형성 기재(20)는 장치 하우징(10)의 근위 말단에서 공동(14) 내에 수용되어서, 작동하는 동안, 인덕터(L2)(나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일)가 흡연 물품(2)의 담배-함유 고체 에어로졸 형성 기재(20)의 서셉터(21)에 유도 결합된다. 흡연 물품(2)의 필터부(22)는 유도 가열 장치(1)의 공동(14) 외부에 배열되어서, 작동 동안, 소비자가 필터부(22)를 통해 에어로졸을 흡인할 수도 있다. 일단 흡연 물품이 공동(14)으로부터 제거되면, 흡연 물품(2)의 에어로졸 형성 기재(20)가 삽입되는 개방 원위 말단을 제외하고는 공동(14)을 정의하는 플라스틱 장치 하우징(10)의 그러한 내벽들에 의해 공동이 완전히 폐쇄되고 둘러싸이므로, 공동(14)을 쉽게 세척할 수 있다.

도 2는, 후술할 일부 선택적 측면이나 구성요소와 함께, 본 발명에 따른 유도 가열 장치(1)를 포함하는 에어로졸 전달 시스템의 한 구현예의 블록도를 도시하고 있다. 서셉터(21)를 포함하는 에어로졸 형성 기재(20)와 함께 유도 가열 장치(1)는, 본 발명에 따른 에어로졸 전달 시스템의 한 구현예를 형성한다. 도 2에 도시한 블록도는, 작동 방식을 고려하여 예시한 것이다. 도시한 바와 같이, 유도 가열 장치(1)는, (충전식 배터리(110)를 포함하는 도 3의) DC 전원(11), 마이크로컨트롤러(마이크로프로세서 제어 유닛)(131), (DC/AC 역변환기로서 실시된) DC/AC 변환기(132), 부하에 적응하기 위한 매칭 네트워크(133), 및 인덕터(L2)를 포함하고 있다. 마이크로프로세서 제어 유닛(131), DC/AC 변환기(132), 매칭 네트워크(133), 및 인덕터(L2)는 모두 전력 공급 전자기기(13)의 일부이다(도 1 참조). DC 전원(11)으로부터 도출된 DC 전류(I_DC)와 DC 공급 전압(V_DC)은, 마이크로프로세서 제어 유닛(131)에 대한 피드백 채널에 의해, 바람직하게는, LC 부하 네트워크로의, 구체적으로는, 인덕터(L2)로의 AC 전력의 추가 공급을 제어하도록 DC 전원(11)으로부터 도출된 DC 전류(I_DC)와 DC 공급 전압(V_DC) 모두의 측정에 의해 제공되어 있다. 본 발명에 따른 유도 가열 장치의 이러한 중요한 측면을 하기에서 더욱 상세히 설명한다. 매칭 네트워크(133)는, 부하에 최적으로 적응되도록 제공될 수도 있으나, 의무적인 것은 아니며, 이하에서 더욱 상세히 설명되는 구현예에는 포함되어 있지 않다.

도 4는, 전력 공급 전자기기(13), 더욱 구체적으로는, DC/AC 변환기(132)의 일부 필수 구성요소들을 도시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있듯이, DC/AC 변환기는, 전계 효과 트랜지스터(FET)(1321), 예컨대, 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 스위칭 신호(게이트-소스 전압)를 FET(1321)에 공급하기 위한 화살표 1322로 표시한 트랜지스터 스위치 공급 회로를 포함하는 트랜지스터 스위치(1320), 및 축전기(C2)와 인덕터(L2)의 직렬 연결과 션트 축전기(C1)를 포함하는 LC 부하 네트워크(1323)를 포함하는 클래스-E 전력 증폭기를 포함하고 있다. 또한, 초크(L1)를 포함하는 DC 전원(11)은 DC 공급 전압(V_DC)을 공급하도록 도시되어 있으며, 이때, DC 전류(I_DC)는 작동 동안 DC 전원(11)으로부터 도출된다. 또한, 도 4에는 총 옴 부하(1324)를 나타내는 옴 저항(R)이 도시되어 있으며, 총 옴 부하는, 도 6에 도시한 바와 같이, 인덕터(L2)의 옴 저항(R_코일)과 서셉터(21)의 옴 저항(R_부하)의 합이다.

구성요소들의 개수가 매우 적기 때문에, 전력 공급 전자기기(13)의 부피를 극히 작게 유지할 수 있다. 예를 들어, 전력 공급 전자기기의 부피는 2cm³ 이하일 수도 있다. 이러한 전력 공급 전자기기의 매우 작은 부피는, 에어로졸 형성 기재(20)의 서셉터(21)에 대한 유도 결합을 위한 인덕터로서 직접 사용되는 LC 부하 네트워크(1323)의 인덕터(L2) 덕분일 수 있고, 이러한 매우 작은 부피는 전체 유도 가열 장치(1)의 전체 치수를 작게 유지할 수 있게 한다. 인덕터(L2)가 아닌 별도의 인덕터가 서셉터(21)에 대한 유도 결합에 사용되는 경우, 이는 전력 공급 전자기기의 부피를 자동으로 증가시키며, 이 부피는 매칭 네트워크(133)가 전력 공급 전자기기에 포함되어 있다면 또한 증가된다.

클래스-E 전력 증폭기의 일반적인 작동 원리는, 공지되어 있으며, 미국 코네티컷주 Newington의 American Radio Relay League (ARRL)에서 격월로 간행되는 잡지 QEX의 2001년 1/2월호, 9-20쪽에 공개된 기사(“Class-E RF Power Amplifiers”, Nathan O. Sokal)에 상세히 설명되어 있지만, 일부 일반적인 원리를 이하에서 설명한다.

트랜지스터 스위치 공급 회로(1322)가 직사각형 프로파일을 갖는 스위칭 전압(FET의 게이트-소스 전압)을 FET(1321)에 공급한다고 가정한다. FET(1321)는, 도통("온" 상태)인 동안에는, 본질적으로 단락 회로(저 저항)를 구성하지 않으며 전체 전류는 초크(L1)와 FET(1321)를 통해 흐른다. FET(1321)가 비도통("오프" 상태)인 경우, FET(1321)가 본질적으로 개방 회로(고 저항)를 나타내므로, 전체 전류는 LC 부하 네트워크로 흐른다. 이러한 두 개의 상태 간에 트랜지스터를 스위칭하여, 공급되는 DC 전압과 DC 전류를 AC 전압과 AC 전류로 인버팅한다.

서셉터(21)를 효율적으로 가열하도록, 공급되는 DC 전력의 가능한 한 많은 양을 AC 전력의 형태로 인덕터(L2)(나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일)에 전달하고 후속하여 인덕터(2)에 유도 결합되어 있는 에어로졸 형성 기재(20)의 서셉터(21)에 전달한다. 서셉터(21)에서 소산되는 전력(와류 손실, 이력 손실)은, 전술한 바와 같이, 서셉터(21)에서 열을 발생시킨다. 또는, 다시 말하자면, 서셉터(21)의 전력 소산을 최대화하면서 FET(1321)의 전력 소산을 최소화해야 한다.

AC 전압/전류의 한 주기 동안 FET(1321)에서의 전력 소산은, 교류 전압/전류의 그 주기 동안 각 시점에서의 트랜지스터 전압과 전류의 곱이고, 그 주기에 걸쳐 적분되고, 그 주기에 걸쳐 평균화된다. FET(1321)는 그 주기의 일부 동안 고 전압을 유지해야 하고 그 주기의 일부 동안 고 전류를 전도해야 하므로, 고 전압과 고 전류가 동시에 존재하는 것을 피해야 하며, 이는 FET(1321)에서 상당한 전력 소산을 야기할 수 있기 때문이다. FET(1321)의 "온" 상태에서, 트랜지스터 전압은, 고 전류가 FET(1321)를 통해 흐르는 경우 거의 제로이다. FET(1321)의 "오프" 상태에서, 트랜지스터 전압은 높지만, FET(1321)를 통한 전류는 거의 제로이다.

또한, 스위칭 변환은 불가피하게 기간의 일부 부분에 걸쳐 연장되어 있다. 그러나 FET(1321)에서의 고 전력 손실을 나타내는 고 전압-전류 곱은 다음에 따르는 추가 조치에 의해 회피될 수 있다. 첫째, 트랜지스터의 전압 상승은 트랜지스터를 통한 전류가 제로로 감소될 때까지 지연된다. 둘째, 트랜지스터 전압은, 트랜지스터를 통한 전류가 상승을 시작하기 전에 제로로 복귀한다. 이는, 축전기(C2)와 인덕터(L2)의 직렬 연결과 션트 축전기(C1)를 포함하는 부하 네트워크(1323)에 의해 달성되고, 이러한 부하 네트워크는 FET(1321)와 부하(1324) 사이의 네트워크이다. 셋째, 턴온 시간에서의 트랜지스터 전압은 사실상 제로이다(바이폴라-접합 트랜지스터(BJT)에 대해서는, 포화 오프셋 전압(V_o)이다). 턴온 트랜지스터는 충전된 션트 축전기(C1)를 방전하지 않으며, 따라서, 션트 축전기의 저장된 에너지의 소산을 피한다. 넷째, 트랜지스터 전압의 기울기는 턴온 시간에서 제로이다. 이어서, 부하 네트워크에 의해 턴온 트랜지스터에 주입되는 전류는 제어되는 적절한 속도로 제로로부터 매끄럽게 상승하여 저 전력 소산을 야기하는 한편 트랜지스터 컨덕턴스는 턴온 변환 동안 제로로부터 증가된다. 그 결과, 트랜지스터 전압과 전류는 절대로 동시에 높지 않다. 전압 및 전류 스위칭 변환은 서로 시간 변위된다.

도 4에 도시한 DC/AC 변환기(132)의 다양한 구성요소들을 치수 설정하기 위해서는, 일반적으로 공지되어 있으며 미국 코네티컷주 Newington의 American Radio Relay League (ARRL)에서 격월로 간행되는 잡지 QEX의 2001년 1/2월호, 9-20쪽에 공개된 기사(“Class-E RF Power Amplifiers”, Nathan O. Sokal)에 상세히 설명되어 있는, 다음에 따르는 등식들을 고려해야 한다.

Q_L(LC 부하 회로의 품질 인자)을 어떠한 경우든 1.7879보다 큰 값이지만 설계자(전술한 기사 참조)에 의해 선택될 수 있는 값이라 하고, P를 저항(R)에 전달되는 출력 전력이라 하고, f를 주파수라고 하면, 다양한 성분들은 다음에 따르는 등식들로부터 수치적으로 산출된다(V_o는 FET에 대하여 제로이고, BJT에 대하여 포화 오프셋 전압이며, 전술한 바를 참조한다).

L2 = Q_LㆍR/2πf

R = ((V_CC-V_o)²/P)ㆍ 0.576801 ㆍ(1.0000086 - 0.414395/Q_L -

0.557501/Q_L ² + 0.205967/Q_L ³)

C1 = (1/(34.2219ㆍfㆍR))ㆍ(0.99866 + 0.91424/Q_L - 1.03175/Q_L ²) + 0.6/(2πf)² ㆍ(L1)

C2 = (1/2πfR)ㆍ(1/Q_L-0.104823)ㆍ(1.00121+(1.01468/Q_L-1.7879))- (0.2/((2πf)²ㆍL1)))

이는, 2.8V의 최대 출력 전압과 3.4A의 최대 출력 전류를 갖는 DC 전원, 주파수 f=5MHz(작동비율(duty ratio) = 50%), 약 500nH인 인덕터(L2)의 유도성, R_코일 = 0.1Ω 인 인덕터(L2)의 옴 저항, 약 1μH 인 유도성(L1), 축전기(C1)에 대한 용량 7nF 및 축전기(C2)에 대한 용량 2.2nF을 사용하여 약 3.4A의 전류를 이용할 수 있다고 가정할 때, 5초 내지 6초에 대략 7W의 전력을 전달하도록 R=0.6Ω인 옴 저항을 갖는 서셉터의 빠른 가열을 가능하게 한다. R_코일과 R_부하의 유효 옴 저항은 약 0.6Ω이다. 매우 효과적인 약 83.5%의 효율(서셉터(21)에서 소산되는 전력 / DC 전원(11)의 최대 전력)을 얻을 수도 있다.

작동을 위해, 흡연 물품(2)은 유도 가열 장치(1)의 공동(14) 내에 삽입되어서, 서셉터(21)를 포함하는 에어로졸 형성 기재(20)가 인덕터(2)(예를 들어, 나선형으로 권선된 원통형 코일)에 유도 결합된다(도 2 참조). 이어서, 서셉터(21)는 전술한 바와 같이 몇 초 동안 가열되고, 이에 따라, 소비자가 필터(22)를 통해 에어로졸 흡인을 시작할 수도 있다(물론, 흡연 물품이 반드시 필터(22)를 포함할 필요는 없다).

유도 가열 장치와 흡연 물품은, 일반적으로, 개별적으로 또는 부품들의 키트로서 배포될 수도 있다. 예를 들어, 유도 가열 장치와 복수의 흡연 물품을 포함하는 소위 "스타터 키트(starter kit)"를 배포할 수 있다. 일단 소비자가 이러한 스타터 키트를 구매하였다면, 향후에는, 소비자가 스타터 키트의 이러한 유도 가열 장치와 함께 사용될 수 있는 흡연 물품만을 구매할 수도 있다. 유도 가열 장치는 세척하기 쉽고, DC 전원이 충전식 배터리인 경우에, 이러한 충전식 배터리는, 핀(120)을 포함하는 도킹 포트(12)에 연결될 적절한 충전 장치를 사용하여 쉽게 충전될 수 있다(또는 유도 가열 장치가 충전 장치의 대응하는 도킹 스테이션에 도킹된다).

DC 전원(11)의 DC 공급 전압(V_DC)으로부터 및 DC 전원(11)으로부터 도출된 DC 전류(I_DC)로부터 겉보기 옴 저항(R_a)을 결정하여 서셉터(21)의 온도(T)를 결정할 수 있다고 이미 전술하였다. 이는, 놀랍게도, 서셉터(21)의 온도(T) 및 DC 공급 전압(V_DC)과 DC 전류(I_DC)의 몫의 관계가 엄격하게 단조적이며 심지어 클래스-E 증폭기에 대하여 실제로 선형일 수도 있기 때문에 가능하다. 이러한 엄격하게 단조적인 관계는 도 8에 일례로 도시되어 있다. 이미 언급한 바와 같이, 관계는, 반드시 선형일 필요는 없으며, 소정의 DC 공급 전압(V_DC)에 대하여 각 DC 전류(I_DC)와 서셉터의 온도(T) 간의 관계가 명확하도록 엄격하게 단조적이면 된다. 또는 다시 말하면, (DC 공급 전압(V_DC)과 DC 전원으로부터 도출된 DC 전류(I_DC)로부터 결정되는 몫으로부터 결정되는) 겉보기 옴 저항(R_a)과 서셉터의 온도(T) 간의 명확한 관계가 존재한다. 이는 도 9에 도시한 등가 회로에 대응하며, 여기서, R_a는 (서셉터의 옴 저항보다 실질적으로 작은) 옴 저항(R_회로)과 서셉터의 온도 의존형 옴 저항(R_서셉터)에 의해 형성되는 직렬 연결에 대응한다.

이미 언급한 바와 같이, 클래스-E 증폭기의 경우에, 이러한 겉보기 옴 저항(R_a)과 서셉터의 온도(T) 간의 엄격한 단조적 관계는, 적어도 관심 대상인 온도 범위(예를 들어, 100℃ 내지 400℃의 온도 범위)에 있어서 실제로 선형이다.

겉보기 옴 저항(R_a)과 특정한 물질로 형성되고 특정한 형상을 갖는 특정한 서셉터의 온도(T) 간의 관계가 공지되어 있다면(예를 들어, 이러한 관계는 다수의 동일한 서셉터에 대한 연구실에서의 정확한 측정과 개별적인 측정의 후속하는 평균화를 통해 결정될 수 있음), 이러한 겉보기 옴 저항(R_a)과 이러한 특정 서셉터의 온도(T) 간의 관계는, 에어로졸 전달 시스템의 작동 동안, 실제 DC 공급 전압(V_DC)(이는 통상적으로 일정한 배터리 전압임)과 DC 전원(11)으로부터 도출된 실제 DC 전류(I_DC)로부터 겉보기 옴 저항(R_a)만을 결정하면 되도록 마이크로컨트롤러(131)(도 2 참조)에 프로그래밍될 수도 있다. 다수의 이러한 R_a와 온도(T) 간의 관계를, 서로 다른 물질로 형성되고 서로 다른 형상을 갖는 서셉터들을 위해 마이크로컨트롤러(131)에 프로그래밍할 수 있고, 이에 따라, 에어로졸 형성 장치가 작동하는 동안, 서셉터의 각 유형만을 식별하면 되고 이어서 (마이크로컨트롤러에 미리 프로그래밍되어 있는) 대응하는 관계를 이용하여 실제 DC 공급 전압과 DC 전원으로부터 도출된 실제 DC 전류의 결정에 의해 실제로 사용된 서셉터의 각 유형의 온도(T)를 결정할 수 있다.

DC 전원(11)으로부터 도출된 DC 공급 전압(V_DC)과 DC 전류(I_DC) 모두를 측정하는 것은 가능하며 바람직할 수도 있다(이는 임의의 관련된 공간을 소모하지 않고서 소형 회로에 쉽게 집적될 수 있는 적절한 DC 전압 센서와 적절한 DC 전류 센서에 의해 달성될 수 있다). 그러나, 일정한 공급 전압(V_DC)의 DC 전원의 경우에는, DC 전원(11)으로부터 돌출되는 DC 전류(I_DC)를 측정하는 데 있어서 DC 전압 센서를 생략할 수 있고 DC 전류 센서만이 필요하다.

도 7에는, DC 전원(11)으로부터 돌출되는 DC 전류(I_DC)(상측 신호) 및 마이크로컨트롤러(131)에 프로그래밍되어 있는 이러한 서셉터(21)를 위한 온도(T)와 겉보기 옴 저항(R_a) 간의 관계로부터 결정되는 서셉터(21)의 온도(T)(하측 신호)를 나타내는 두 개의 신호가 도시되어 있다.

볼 수 있는 바와 같이, 에어로졸 형성 기재의 서셉터의 가열이 개시되었다면, 전류(I_DC)는 높은 레벨에 있으며, 에어로졸 형성 기재의 서셉터의 온도(T)가 증가함에 따라 감소된다(서셉터의 온도 증가는 R_a의 증가로 이어지고, 이에 따라 I_DC가 감소된다). 이러한 가열 공정 동안 서로 다른 시각에(특히, 에어로졸 형성 기재가 소정의 온도에 도달하였을 때), 사용자는 서셉터가 내부에 배열되어 있는 에어로졸 형성 기재를 포함하는 흡연 물품으로부터 퍼프를 행할 수도 있다. 그때, 흡인된 공기로 인해 에어로졸 형성 기재와 서셉터의 온도 감소가 빠르게 진행된다. 이는 겉보기 옴 저항(R_a)의 감소로 이어지고, 이에 따라, DC 전원(11)으로부터 도출되는 DC 전류(I_DC)의 증가로 이어진다. 사용자가 퍼프하는 시간에 이 지점들은 도 7에서 각각의 화살표로 표시되어 있다. 일단 퍼프가 종료되면, 공기는 더 이상 흡인되지 않으며, 서셉터의 온도가 다시 증가하고(겉보기 옴 저항(R_a)의 각각의 증가를 야기하며) 이에 따라 DC 전류(I_DC)가 감소된다.

도 7에서 또한 알 수 있듯이, DC/AC 변환기는, 서셉터(21)의 온도가 미리 설정된 임계 온도(T_th)와 같거나 그 임계 온도를 초과할 때까지 AC 전력을 발생시킨다. 일단 에어로졸 형성 기재의 서셉터의 온도가 이러한 미리 설정된 임계 온도(T_th) (예를 들어, 목표 작동 온도)와 같거나 그 임계 온도를 초과하면, 마이크로컨트롤러(131)는, DC/AC 변환기(132)에 의한 AC 전력의 추가 발생을 방해하도록 프로그래밍되어 있다. 이어서, 서셉터(21)의 온도(T)를 목표 작동 온도에서 유지하는 것이 바람직하다. 다시 서셉터(21)의 온도(T)가 임계 온도(T_th) 미만으로 될 때, 마이크로컨트롤러(131)는 다시 AC 전력의 발생을 재개하도록 프로그래밍되어 있다.

이는, 예를 들어, 스위칭 트랜지스터의 작동 주기를 조절하여 달성될 수 있다. 이는 WO 2014/040988에 원론적으로 개시되어 있다. 예를 들어, 가열 동안, DC/AC 변환기는 서셉터를 가열하는 교류를 연속적으로 발생시키고, 동시에, DC 공급 전압(V_DC)과 DC 전류(I_DC)는 1밀리초의 주기에 대하여 10밀리초마다 측정된다. 겉보기 옴 저항(R_a)은 (V_DC와 I_DC의 몫에 의해) 결정되고, R_a가 미리 설정된 임계 온도(T_th)에 대응하거나 그 미리 설정된 임계 온도(T_th)를 초과하는 온도에 대응하는 값(R_a)에 도달하거나 이러한 값을 초과함에 따라, 스위칭 트랜지스터(1321)(도 4 참조)는, 1밀리초의 흡연 시간 동안 단지 10밀리초마다 펄스를 발생시키는 모드로 스위칭된다(이 경우, 스위칭 트랜지스터의 작동 주기는 겨우 약 9%이다). 스위칭 트랜지스터(1321)의 이러한 1밀리초의 온-상태(전도성 상태) 동안, DC 공급 전압(V_DC)과 DC 전류(I_DC)의 값들이 측정되고, 겉보기 옴 저항(R_a)이 결정된다. 겉보기 옴 저항(R_a)은 미리 설정된 임계 온도(T_th) 미만인 서셉터(21)의 온도(T)를 나타내고, 트랜지스터는 (스위칭 트랜지스터의 작동 주기가 다시 대략 100%이도록) 다시 전술한 모드로 스위칭된다.

예를 들어, 서셉터(21)는, 약 12mm의 길이, 약 4mm의 폭, 및 약 50㎛의 두께를 가질 수 있고, 스테인리스 스틸 등급 430(SS430)으로 형성된 것일 수도 있다. 대체 예로서, 서셉터는, 약 12mm의 길이, 약 5mm의 폭, 및 약 50㎛의 두께를 가질 수 있고, 스테인리스 스틸 등급 420(SS430)으로 형성된 것일 수도 있다. 이러한 서셉터는 또한 스테인리스 스틸 등급 420(SS420)으로 형성된 것일 수도 있다.

도면을 참조하여 본 발명의 구현예들을 설명하였으므로, 본 발명의 일반적인 교시로부터 벗어나지 않고서 많은 변경과 수정을 고려할 수 있다는 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 범위는, 특정한 구현예들로 한정하려는 것이 아니며 오히려 청구범위에 의해 정의되는 것이다.

1: 유도 가열 장치
2: 흡연 물품
10: 하우징
11: DC 전원
12: 포트
13: 전자기기
14: 공동
20: 에어로졸 형성 기재
21: 서셉터
22: 필터부
110: 충전식 배터리
120: 핀
130: 연결부
131: 마이크로 컨트롤러, 제어 유닛
132: 변환기
133: 네트워크
1320: 스위치
1321: 트랜지스터 (FET)
1322: 공급 회로
1323: LC 부하 네트워크
1324: 옴 부하
L1: 초크
L2: 인덕터 코일
i_L2: 교류
P: 전력 손실
r: 반경
l: 길이
I_DC: DC 전류
V: 전압
C1,C2: 축전기
R: 옴 저항

Claims

서셉터(21)를 포함하는 에어로졸 형성 기재(20)를 가열하기 위한 유도 가열 장치(1)로, 상기 유도 가열 장치(1)는,
- 장치 하우징(10),
- 작동시 DC 공급 전압(VDC)과 DC 전류(I_DC)를 제공하기 위한 DC 전원(11),
- 상기 DC 전원(11)에 연결된 DC/AC 변환기(132)를 포함하고, 고 주파수에서 작동하도록 구성된 전력 공급 전자기기(13)로, 상기 DC/AC 변환기(132)는 저 옴 부하(1324)에서 작동하도록 구성된 LC 부하 네트워크(1323)를 포함하고, 여기서 상기 LC 부하 네트워크(1323)는 옴 저항(R_코일)을 갖는 인덕터(L2)와 축전기(C2)의 직렬 연결을 포함하는, 상기 전력 공급 전자기기(13),
- 상기 장치 하우징(10) 내에 배열되어 있는 공동(14)으로, 상기 공동은 상기 에어로졸 형성 기재(20)의 적어도 일부분을 수용하기 위한 형상의 내부 표면을 가지고, 상기 에어로졸 형성 기재(20)의 일부분이 상기 공동(14) 내에 수용되면 작동하는 동안 상기 LC 부하 네트워크(1323)의 상기 인덕터(L2)가 상기 에어로졸 형성 기재(20)의 상기 서셉터(21)에 유도 결합되도록 배열된, 상기 공동(14)을 포함하고,
여기서 상기 전력 공급 전자기기(13)는, 작동시 상기 DC 전원(11)의 상기 DC 공급 전압(V_DC)으로부터 그리고 상기 DC 전원(11)으로부터 도출된 상기 DC 전류(I_DC)로부터 겉보기 옴 저항(R_a)을 판정하도록 프로그래밍되어 있고, 작동시 상기 겉보기 옴 저항(R_a)으로부터 상기 에어로졸 형성 기재(20)의 상기 서셉터(21)의 온도(T)를 판정하도록 더욱 프로그래밍되어 있는 마이크로컨트롤러(131)를 더 포함하는, 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 장치는 흡연 물품(2)의 에어로졸 형성 기재(20)를 가열하도록 구성된, 유도 가열 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 DC 전원(11)은 DC 배터리이고, 구체적으로, 일정한 DC 공급 전압(V_DC)을 제공하기 위한 충전식 DC 배터리이고, 여기서 상기 전력 공급 전자기기(13)는 상기 일정한 DC 공급 전압(V_DC) 및 상기 측정된 DC 전류로부터 상기 겉보기 옴 저항(Ra)을 결정하기 위해 상기 DC 배터리로부터 도출되는 상기 DC 전류(I_DC)를 측정하기 위한 DC 전류 센서를 더 포함하는, 유도 가열 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 공급 전자기기(13)는 상기 DC 전원(11)의 상기 DC 공급 전압(V_DC)을 측정하기 위한 DC 전압 센서를 더 포함하는, 유도 가열 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러(131)는 상기 에어로졸 형성 기재(20)의 상기 서셉터(21)의 결정된 온도(T)가 미리 설정되어 있는 임계 온도(T_th)와 같거나 상기 임계 온도를 초과할 때 상기 DC/AC 변환기(132)에 의한 AC 전력 발생을 방해하도록 더욱 프로그래밍되어 있고, 상기 마이크로컨트롤러(131)는 상기 에어로졸 형성 기재(20)의 상기 서셉터(21)의 결정된 온도(T)가 다시 상기 미리 설정되어 있는 임계 온도(T_th) 미만으로 될 때 AC 전력 발생을 재개하도록 프로그래밍되어 있는, 유도 가열 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DC/AC 변환기(132)는, 트랜지스터 스위치(1320)를 포함하는 클래스-E 전력 증폭기, 트랜지스터 스위치 드라이버 회로(1322), 및 저 옴 부하(1324)에서 작동하도록 구성된 LC 부하 네트워크(1323)를 포함하고, 여기서 상기 LC 부하 네트워크(1323)는 추가적으로 션트 축전기(C1)를 포함하는, 유도 가열 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클래스-E 전력 증폭기는 출력 임피던스를 가지고, 여기서 상기 전력 공급 전자기기는 상기 클래스 E 전력 증폭기의 상기 출력 임피던스를 상기 저 옴 부하(1324)에 매칭하기 위한 매칭 네트워크(133)를 더 포함하는, 유도 가열 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 공급 전자기기(13)의 총 부피는 2cm³ 이하인, 유도 가열 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LC 부하 네트워크(1323)의 상기 인덕터(L2)는, 상기 공동(14)의 내부 표면 상에 또는 상기 내부 표면에 인접하여 위치하는 나선형으로 권선된 원통형 인덕터 코일(L2)을 포함하는, 유도 가열 장치.
제9항에 있어서, 상기 인덕터 코일(L2)은 직사각형 형상(l, r)을 가지고 약 0.15cm3 내지 약 1.10cm3 범위의 내부 부피를 정의하는, 유도 가열 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 유도 가열 장치(1) 및 서셉터(21)를 포함하는 에어로졸 형성 기재(20)를 포함하는 에어로졸 전달 시스템으로, 상기 에어로졸 형성 기재(20)의 적어도 일부분은 상기 유도 가열 장치(1)의 공동(14) 내에 수용되어서 작동하는 동안 상기 유도 가열 장치(1)의 상기 DC/AC 변환기(132)의 상기 LC 부하 네트워크(1323)의 상기 인덕터(L2)가 상기 에어로졸 형성 기재(20)의 상기 서셉터(21)에 유도 결합되는, 에어로졸 전달 시스템.
제11항에 있어서, 흡연 물품의 상기 에어로졸 형성 기재(20)는 담배로 채워진 고체 에어로졸 형성 기재(2)인, 에어로졸 전달 시스템.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 서셉터(21)는 스테인리스 스틸로 형성된 것인, 에어로졸 전달 시스템.
제13항에 있어서, 상기 서셉터(21)는 상기 스테인리스 스틸의 평평한 스트립을 포함하되, 상기 스테인리스 스틸의 평평한 스트립은, 약 8mm 내지 약 15mm 범위의 길이, 바람직하게는, 약 12mm의 길이를 가지고, 약 3mm 내지 약 6mm 범위의 폭, 바람직하게는, 약 4mm 또는 약 5mm의 폭을 가지고, 약 20㎛ 내지 약 50㎛ 범위의 두께, 바람직하게는, 약 20㎛ 내지 약 40㎛ 범위의 두께, 예를 들어, 약 25㎛ 또는 약 35㎛의 두께를 가지는, 에어로졸 전달 시스템.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 에어로졸 전달 시스템을 작동시키는 방법으로, 상기 방법은,
- DC 전원(11)의 DC 공급 전압(V_DC)으로부터 및 상기 DC 전원(11)으로부터 도출된 DC 전류(I_DC)로부터 겉보기 옴 저항(R_a)을 결정하는 단계,
- 상기 겉보기 옴 저항(Ra)으로부터 에어로졸 형성 기재(20)의 서셉터(21)의 온도(T)를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
제15항에 있어서, 상기 DC 전원(11)은 DC 배터리이고, 구체적으로, 일정한 DC 공급 전압(V_DC)을 제공하는 충전식 DC 배터리이고, 여기서 상기 DC 배터리로부터 도출되는 상기 DC 전류(I_DC)는 상기 일정한 DC 공급 전압(V_DC) 및 측정된 DC 전류(I_DC)로부터 상기 겉보기 옴 저항(R_a)을 결정하기 위해 측정되는, 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,
- 상기 에어로졸 형성 기재(20)의 상기 서셉터(21)의 결정된 온도(T)가 미리 설정된 임계 온도(T_th)와 동일하거나 상기 임계 온도를 초과할 때 상기 DC/AC 변환기(132)에 의해 AC 전력 발생을 방해하는 단계와, 그리고
- 상기 에어로졸 형성 기재(20)의 상기 서셉터(21)의 결정된 온도(T)가 다시 상기 미리 설정된 임계 온도(T_th) 미만일 때 AC 전력 발생을 재개하는 단계를 더 포함하는, 에어로졸 전달 시스템을 작동시키는 방법.