KR20210122868A - 유도 가열 배열체 - Google Patents

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KR20210122868A
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Abstract

흡연 가능 재료의 적어도 하나의 컴포넌트를 휘발시키기 위해 상기 흡연 가능 재료를 가열하기 위한 장치와 함께 사용하기 위한 유도 가열 배열체(inductive heating arrangement)가 설명된다. 유도 가열 배열체는 서셉터 배열체, 적어도 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일, 및 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일을 제어하기 위한 제어 회로를 포함한다. 서셉터 배열체는 흡연 가능 재료를 가열하기 위해 가변 자기장을 통한 관통(penetration)에 의해 가열 가능하다. 제1 인덕터 코일은 서셉터 배열체의 제1 섹션을 가열하기 위한 제1 가변 자기장을 생성하기 위한 것이고, 제2 인덕터 코일은 서셉터 배열체의 제2 섹션을 가열하기 위한 제2 가변 자기장을 생성하기 위한 것이다. 제어 회로는, 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일 중 하나가 가변 자기장을 생성하도록 활성적으로 구동될 때 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일 중 다른 하나는 비활성이 되도록 구성되고, 제어 회로는, 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일 중 비활성 인덕터 코일이 서셉터 배열체의 상당한 가열을 야기하기에 충분한, 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일 중 활성 인덕터 코일에 의해 유도된 전류를 전달하는 것을 방지하도록 구성된다.

Description

유도 가열 배열체{INDUCTIVE HEATING ARRANGEMENT}
본 발명은 유도 가열 배열체(inductive heating arrangement)에 관한 것이다.
시가렛(cigarette)들, 시가들 등과 같은 물품들은 사용 중에 담배를 태워서(burn) 담배 연기를 생성한다. 태우지 않고도 화합물들을 방출하는 제품들을 창작함으로써 담배를 태우는 이러한 물품들에 대한 대안들을 제공하려는 시도가 있었다. 이러한 제품들의 예들은, 재료를 가열하되 태우지 않음으로써 화합물들을 방출하는 담배 가열 제품들 또는 담배 가열 디바이스들로서 또한 알려져 있는, 소위 비연소식 가열(heat-not-burn) 제품들이다. 이 재료는 예를 들어, 니코틴을 보유할 수 있거나 보유하지 않을 수 있는, 담배 또는 다른 비-담배 제품들 또는 블렌딩된 혼합물들과 같은 조합물이다.
본 발명의 제1 양상에 따라, 흡연 가능 재료의 적어도 하나의 컴포넌트를 휘발시키기 위해 상기 흡연 가능 재료를 가열하기 위한 디바이스와 함께 사용하기 위한 유도 가열 배열체가 제공되며, 이 유도 가열 배열체는, 흡연 가능 재료를 가열하기 위해 가변 자기장을 통한 관통(penetration)에 의해 가열 가능한 서셉터 배열체(susceptor arrangement); 적어도 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일 ― 제1 인덕터 코일은 서셉터 배열체의 제1 섹션을 가열하기 위한 제1 가변 자기장을 생성하기 위한 것이고, 제2 인덕터 코일은 서셉터 배열체의 제2 섹션을 가열하기 위한 제2 가변 자기장을 생성하기 위한 것임 ― ; 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일을 제어하기 위한 제어 회로를 포함하고, 제어 회로는, 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일 중 하나가 가변 자기장을 생성하도록 활성적으로 구동될 때 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일 중 다른 하나는 비활성이 되도록 구성되고, 제어 회로는, 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일 중 비활성 인덕터 코일이 서셉터 배열체의 상당한 가열을 야기하기에 충분한, 제1 인덕터 코일 및 제2 인덕터 코일 중 활성 인덕터 코일에 의해 유도된 전류를 전달하는 것을 방지하도록 구성된다.
본 발명의 제2 양상에 따라, 흡입 가능한 에어로졸(inhalable aerosol)을 제공하기 위한 에어로졸 제공 디바이스가 제공되며, 디바이스는 제1 양상에 따른 가열 배열체를 포함한다.
본 발명의 실시예들은, 이제 단지 예로서 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 흡연 가능 재료를 가열하도록 배열된 장치를 개략적으로 예시한다.
도 2는 도 1의 장치에 대한 가열 배열체의 단면도를 예시한다.
도 3은 도 2의 가열 배열체를 제어하기 위한 제1 회로의 도면이다.
도 4는 도 3의 제1 회로의 컴포넌트에 걸친 시간의 함수로서 전압 트레이스(voltage trace)이다.
도 5는 도 2의 가열 배열체를 제어하기 위한 제2 대안적인 회로의 도면이다.
도 6은 개략적으로 부가적인 회로에 연결되는 것으로 도시된 도 3에 도시된 제1 회로의 개략도이다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "흡연 가능 재료"는, 가열 시에 휘발된 성분들을, 통상적으로 에어로졸(aerosol)의 형태로, 제공하는 재료들을 포함한다. "흡연 가능 재료"는 임의의 담배-보유 재료를 포함하고, 예를 들어, 담배, 담배 파생품들(tobacco derivatives), 팽화 담배(expanded tobacco), 재생 담배(reconstituted tobacco) 또는 담배 대용품들(tobacco substitutes)중 하나 이상을 포함할 수 있다. "흡연 가능 재료"는 또한, 다른 비-담배 제품들을 포함할 수 있는데, 그 제품에 따라, 니코틴을 보유할 수 있거나 보유하지 않을 수 있다. "흡연 가능 재료"는 예를 들어, 고체, 액체, 겔 또는 왁스 등의 형태일 수 있다. "흡연 가능 재료"는 또한, 예를 들어, 재료들의 조합 또는 블렌드일 수 있다.
통상적으로, 흡연 가능 재료를 태우거나(burning) 연소시키지(combusting) 않으면서, 흡입될(inhaled) 수 있는 에어로졸을 형성하기 위해 흡연 가능 재료의 적어도 하나의 성분을 휘발시키도록 흡연 가능 재료를 가열하는 장치가 알려져 있다. 이러한 장치는 때로는 "비연소식 가열(heat-not-burn)" 장치 또는 "담배 가열 제품" 또는 "담배 가열 디바이스" 또는 이와 유사한 것으로 설명된다. 유사하게, 통상적으로 니코틴을 보유할 수 있거나 보유하지 않을 수 있는 액체의 형태로 흡연 가능한 재료를 휘발시키는, 소위 e-시가렛 디바이스들이 또한 존재한다. 흡연 가능 재료는 장치 내부로 삽입될 수 있는 로드, 카트리지 또는 카세트 등의 형태일 수 있거나, 상기 로드, 카트리지 또는 카세트 등의 일부로서 제공될 수 있다. 흡연 가능 재료를 가열하고 휘발시키기 위한 히터는 장치의 "영구적인(permanent)" 부분으로서 제공될 수 있거나, 또는 사용 이후에 폐기되고 교체되는 소모품 또는 흡연 물품의 일부로서 제공될 수 있다. 이러한 맥락에서의 "흡연 물품"은, 흡연 가능 재료를 사용시에 포함(include)하거나 또는 보유(contain)하는 디바이스 또는 물품 또는 다른 컴포넌트이며, 이는 사용시에 흡연 가능 재료를, 그리고 선택적으로는 다른 컴포넌트들을 휘발시키기 위해 가열된다.
도 1을 참조하면, 흡연 가능 재료를 가열하도록 배열된 장치(100)가 도시된다. 장치(100)는 흡연 가능 재료의 적어도 하나의 컴포넌트를 휘발시키기 위해 (도 1에 도시되지 않은) 흡연 가능 재료를 가열하는 데 사용될 수 있다. 이 예에서, 장치(100)는 세장형 외부 하우징(elongate outer housing)(101)을 포함한다. 장치(100)는 임의의 적합한 재료 또는 재료들을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 외부 하우징(101)은 플라스틱 또는 금속을 포함할 수 있다. 장치(100)는 마우스피스(mouthpiece)(101a)를 가지며, 이 마우스피스는 사용자가 장치(100)에서 휘발된 재료를 흡인(draw)할 수 있다.
장치(100)는, 흡연 가능 재료(도시생략)를 가열하기 위한 가열 배열체(103)를 보유는 가열 챔버(102)를 갖는다. 가열 챔버(102)는 마우스피스(101a)와 유체 흐름 연통 상태에 있다.
장치(100)는 제어기(106) 및 DC 전력 소스(108)를 더 포함한다. 제어기(106)는 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이 가열 배열체(103)를 제어하도록 구성 및 배열된 제어 회로 및 마이크로-프로세서 배열체를 포함할 수 있다.
전력 소스(108)는 배터리일 수 있고, 이는 재충전 가능 배터리 또는 재충전 불가능 배터리일 수 있다. 예들은 니켈 카드뮴 배터리들을 포함하지만, 임의의 적합한 배터리들이 사용될 수 있다. 전력 소스(108)는 가열 배열체(103)에 전기적으로 결합되어, 필요할 때 그리고 제어기(106)의 제어 하에서 전력을 공급하여 (논의된 바와 같이, 에어로졸 생성 재료를 연소시키거나 열분해(pyrolysis)를 수행시키지 않고 그 에어로졸 생성 재료를 휘발시키기 위해) 흡연 가능 재료를 가열한다.
장치(100)는 액추에이터(actuator)(110), 예를 들어, 제어기(106)에 결합되고 하우징(101)의 외부 상에 있는, 사용자가 조작 가능한 푸시 버튼(user operable push button)(110)을 더 포함할 수 있다.
장치(100)는, 하우징(101)을 통과하여 가열 챔버(102) 내로 형성되는 하나 이상의 공기 유입구들(air inlets)(112)을 더 포함할 수 있다.
사용 시에, 가열 배열체(103)에 의해 생성된 열은 에어로졸 및/또는 가스 또는 증기를 생성하기 위해 가열 챔버(102) 내의 흡연 가능 재료를 가열한다. 사용자가 마우스피스(101a) 상에서 흡입함에 따라, 공기가 하나 이상의 공기 유입구들(112)을 통해 가열 챔버(102) 내로 흡인되고, 흡인된 공기 그리고 에어로졸 및/또는 가스 증기의 조합이 사용자에 의한 흡입을 위해 마우스피스(101a) 내로 전달된다.
이제 도 2를 참조하면, 가열 배열체(103)의 예가 설명될 것이며, 이 예에서, 가열 배열체(103)는 유도 가열에 의해 열을 제공하는 유도 가열 배열체이다.
가열 배열체(103)는 서셉터(202)를 포함한다. 서셉터(202)는 제1 서셉터 영역(202a) 및 제2 서셉터 영역(202b)을 포함한다. 이 예에서, 서셉터(202)는 유도 가열될 수 있는 재료로 제조된 단일 관형 부재이다(즉, 서셉터(202)는 가변 자기장 부근에 있을 때 열을 생성함). 일부 예들에서, 서셉터(202)는 원형 이외의 다른 단면 형상, 예를 들어, 정사각형, 직사각형, 삼각형 또는 임의의 다른 적합한 형상을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 서셉터(202)는 관형이 아닐 수 있고 블레이드 서셉터(blade susceptor)일 수 있다. 일부 예들에서, 서셉터(202)는 자기 투과성 재료를 포함할 수 있다. 가변 자기장은 서셉터(202)에서 와전류들(eddy currents)을 생성하며, 이 와전류들은 서셉터(202)의 전기 저항에 대해 흘러서 열을 생성한다. 일부 예들에서, 서셉터(202)는 철, 강, 알루미늄 등으로 제조될 수 있다.
서셉터(202)가 자기 재료로 구성된 예들에서, 가변 자기장은 부가적으로, 잘 알려진 이력 효과(hysteresis effect)로 인해 가열을 야기한다.
가열 배열체(103)는 또한 각각, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)을 포함한다. 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 전기 전도성 재료로 제조된다. 일 예에서, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 구리로 제조된다. 다른 예에서, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 특히, 구리 리츠 와이어(copper Litz wire)로 제조된다. 이 예에서, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 서셉터(202)의 중심 종축 주위에서 나선 방식으로 권취된다. 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 이 예에서, 서셉터(202) 주위에서 동축으로 권취되는데, 즉 권취된 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)의 중심 종축들 및 서셉터(202)의 중심 종축은 일치한다. 이 예에서, 관형 서셉터(202) 주위에 권취된 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 또한 관형 형상을 갖는다. 서셉터(202)가 상이한 단면 형상을 갖는 다른 예들에서, 서셉터(202) 주위에 권취된 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 서셉터(202)와 동일한 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 인덕터 코일(204)은 제1 단부(204a) 및 제2 단부(204b)를 포함하고, 제2 인덕터 코일(206)은 제1 단부(206a) 및 제2 단부(206b)를 포함한다. 제1 인덕터 코일(204)의 제1 단부(204a)는 서셉터(202)의 중심보다, 제1 서셉터 영역(202a)에 대응하는 서셉터(202)의 단부에 더 근접하고, 제1 인덕터 코일(204)의 제2 단부(204b)는 제1 서셉터 영역(202a)에 대응하는 서셉터(202)의 단부보다, 서셉터(202)의 중심에 더 근접하다. 다른 한편, 제2 인덕터 코일(206)의 제1 단부(206a)는 서셉터(202)의 중심보다, 제2 서셉터 영역(202b)에 대응하는 서셉터(202)의 단부에 더 근접하고, 제2 인덕터 코일(206)의 제2 단부(206b)는 제2 서셉터 영역(202b)에 대응하는 서셉터(202)의 단부보다, 서셉터(202)의 중심에 더 근접하다.
도 2의 예에서, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 가변 전류가 이들 코일들을 통해 흐를 때 가변 자기장을 생성한다. 이 예에서, 가변 전류가 제1 인덕터 코일(204)을 통해 흐를 때, 제1 인덕터 코일(204)은 대응하는 가변 자기장을 생성하며, 이 자기장은 단지 제1 인덕터 코일(204)에 실질적으로 가장 근접한 서셉터(202)의 부분만이 열을 생성하게 한다. 즉, 제1 인덕터 코일(204)에 의해 생성된 가변 자기장은 서셉터(202)의 제1 서셉터 영역(202a)에서 실질적으로 국부적인 가열을 야기한다. 유사하게, 가변 전류가 제2 인덕터 코일(206)을 통해 흐를 때, 제2 인덕터 코일(206)은 대응하는 가변 자기장을 생성하며, 이 자기장은 단지 제2 인덕터 코일(206)에 실질적으로 가장 근접한 서셉터(202)의 부분만이 열을 생성하게 한다. 즉, 제2 인덕터 코일(206)에 의해 생성된 가변 자기장은 서셉터(202)의 제2 서셉터 영역(202b)에서 실질적으로 국부적인 가열을 야기한다. 따라서, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 실질적으로 서셉터(202)의 전체 길이를 가열하도록 동작될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 인덕터 코일(204)은 제1 서셉터 영역(202a)을 가열하도록 동작될 수 있고 제2 인덕터 코일(206)은 제2 서셉터 영역(202b)을 가열하도록 동작될 수 있다.
일 예에서, 인덕터 코일들 중 하나는 그의 각각의 서셉터 영역을 실질적으로 국부적으로 가열하기 위해 연장된 시간 기간 동안 동작될 수 있다. 일부 예들에서, 인덕터 코일들(204, 206)은 교번적으로 동작될 수 있다(각각의 인덕터 코일이 각각의 주어진 시간 간격 동안 동작되는 동안, 다른 인덕터 코일은 동작하지 않음). 각각의 인덕터 코일에 대한 주어진 시간 간격들은 서셉터(202)의 실질적으로 전체 길이가 균일하게 가열되게 이루어질 수 있거나 또는 이들 시간 간격들은 서셉터(202)가 불균일하게 가열되도록 이루어질 수 있다. 장치(100)의 예들에서, 흡연 가능 재료는 관형 서셉터(202) 내의 체적 내에 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 흡연 가능 재료는 흡연 가능 재료 래퍼(smokable material wrapper) 또는 용기(도시생략)에 보유될 수 있으며, 이 용기는 관형 서셉터(202) 내의 체적 내에 삽입될 수 있다. 흡연 가능 재료 용기는, 흡연 가능 재료를 가열하기 위해 서셉터(202)로부터의 원하는 양의 열이 흡연 가능 재료에 도달할 수 있게 하는 재료로 구성될 수 있다. 다른 예에서, 흡연 가능 재료는 관형 서셉터(202) 내의 체적 내로 삽입될 수 있는 긴 끈(string) 또는 로프 형 요소로 형성될 수 있다. 다른 예에서, 흡연 가능 재료는 관형 서셉터(202) 내의 체적 내로 삽입될 수 있는 흡연 가능 재료의 펠릿들 또는 테블릿(tablet)들의 형태일 수 있다. 장치(100)의 예들에서, 관형 서셉터(202)를 통해 공기를 지향시키기 위한 적합한 수단이 포함될 수 있다.
가열 배열체(103)의 예들에서, 서셉터(202)에 의해 생성된 열은 흡연 가능 재료의 적어도 하나의 컴포넌트를 휘발시키도록 흡연 가능 재료를 가열한다. 서셉터(202)의 가열이 국부화될 수 있기 때문에, 흡연 가능 재료는 국부화된 방식으로 가열될 수 있다. 예를 들어, 제1 서셉터 영역(202a)이 가열되는 경우, 단지 제1 서셉터 영역(202a)의 체적 내의 흡연 가능 재료만이 가열될 것으로 예상될 수 있다. 유사하게, 제2 서셉터 영역(202b)이 가열되는 경우, 단지 제2 서셉터 영역(202b)의 체적 내의 흡연 가능 재료만이 가열될 것으로 예상될 수 있다.
이 예에서, 가열 배열체(103)는 각각, 제1 및 제2 온도 감지 요소들(208, 210)을 더 포함한다. 제1 온도 감지 요소(208)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 실질적으로 제1 인덕터 코일(204)의 중간 근처, 즉 제1 서셉터 영역(202a)의 중간의 포지션에서 서셉터(202)와 접촉하게 배치된다. 유사하게, 제2 온도 감지 요소(210)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 실질적으로 제2 인덕터 코일(206)의 중간 근처, 즉 제2 서셉터 영역(202b)의 중간의 포지션에서 서셉터(202)와 접촉하게 배치된다. 따라서, 온도 감지 요소(208)는 제1 서셉터 영역(202a)의 중간에서 서셉터(202)의 온도를 검출하고, 온도 감지 요소(210)는 제2 서셉터 영역(202b)의 중간에서 서셉터(202)의 온도를 검출한다. 다른 예들에서, 2개 이외의 다수의 온도 감지 요소들이 사용될 수 있다. 다른 예들에서, 온도 감지 요소들은 상이하게 포지셔닝될 수 있다.
도 2의 예에서, 가열 배열체(103)는 또한 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)을 둘러싸는 자기 도체(212)를 포함한다. 이 예에서, 자기 도체(212)는 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)에 대해 동축으로 배열된 관형 부재이다. 자기 도체(212)는 고투과성 및 저손실 재료로 제조되며, 자기 도체(212)에 의해 에워싸인 체적 내로 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)에 의해 생성된 자기장을 실질적으로 한정하도록 작용한다. 일부 예들에서, 자기 도체는 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206) 중 단지 하나만, 예를 들어, 장치(100)의 마우스 단부에 가장 가까운 코일을 둘러쌀 수 있다. 일부 예들에서, 제1 자기 도체는 제1 인덕터 코일(204)을 둘러쌀 수 있고, 제2 자기 도체는 제2 인덕터 코일(206)을 둘러쌀 수 있는데, 제1 및 제2 자기 도체들은 그들 사이에 갭을 갖는다. 다른 예들에서, 가열 배열체(103)는 그러한 자기 도체를 전혀 포함하지 않을 수 있다.
이 예에서, 제어기(106)는 가열 배열체(103)를 제어하도록 구성된다. 제어기(106)는 가열 배열체(103)를 제어하기 위해 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)의 동작을 제어하는 회로를 포함한다.
이제 도 3을 참조하면, 제어기(106)에 포함된 회로의 예가 예시된다. 이 예에서, 회로(300)는, 도 3에 도시된 바와 같이 회로(300)에 연결된 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)을 통한 전류 흐름을 제어하도록 구성된다. 회로(300)는, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206) 중 단지 하나만이 주어진 시간에 그 각각의 서셉터 영역(202a, 202b)을 상당히 가열하게 동작하도록 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206) 둘 모두를 제어하도록 구성된다. 즉, 회로(300)의 토폴로지는 서셉터(202)를 가열하기 위해 상이한 시간들에 2개의 별개의 인덕터 코일들을 동작시키는데 동일한 회로가 사용될 수 있게 한다.
제1 인덕터 코일(204)이 가변 자기장을 생성하도록 제어될 때, 제2 인덕터 코일(206)에 전압이 유도될 것이며 그 반대도 마찬가지란 것이 이해될 것이다. 그러나 이 예에서, 회로(300)의 토폴로지는, 인덕터 코일들 중 하나가 가변 자기장을 생성하도록, 즉 서셉터(202)를 가열하도록 제어될 때, 서셉터(202)의 상당한 가열을 야기하기에 충분한 유도 전류가 다른 인덕터 코일에 흐르는 것이 방지되도록 이루어진다. 보다 구체적으로, 제1 인덕터 코일(204)이 동작될 때, 서셉터(202)의 상당한 가열을 야기하기에 충분한 전류가 제2 인덕터 코일(206)에 흐르는 것이 방지되고, 제2 인덕터 코일(206)이 동작될 때, 서셉터(202)의 상당한 가열을 야기하기에 충분한 전류가 제1 인덕터 코일(204)에 흐르는 것이 방지된다. 일반적으로, 장치(100)의 예들에서, 제어기(106)는, 인덕터 코일들(204, 206) 중 하나가 서셉터(202)를 가열하도록 동작될 때, 서셉터(202)의 상당한 가열을 야기하기에 충분한 전류가 인덕터 코일들(204, 206) 중 다른 것에 흐르는 것이 방지되도록 배열된 회로를 포함한다. 따라서, 인덕터 코일들 중 하나가 서셉터(202)를 가열하도록 동작될 때, 다른 인덕터 코일이 서셉터(202)를 상당히 가열하는 것이 방지된다. 결과적으로, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204 및 206)은 서셉터 영역들(202a 및 202b) 각각을 실질적으로 국부적으로 가열하도록 동작하기 때문에, 서셉터(202)의 국부적인 가열이 달성될 수 있다.
도 3의 예에서, 회로(300)는 제1 및 제2 공진기 섹션들(302 및 304)을 포함한다. 제1 인덕터 코일(204)은 회로(300)의 제1 공진기 섹션(302)의 일부를 형성하도록 배열되고, 제2 인덕터 코일(206)은 회로(300)의 제2 공진기 섹션(304)의 일부를 형성하도록 배열된다. 제1 공진기 섹션(302)은 또한 제1 단자(306a) 및 제2 단자(306b)를 포함하는 제1 커패시터(306) 및 제1 스위치(308)를 포함한다. 유사하게, 제2 공진기 섹션(304)은 제1 단자(310a) 및 제2 단자(310b)를 포함하는 제2 커패시터(310), 및 제2 스위치(312)를 더 포함한다. 제1 스위치(308)는 제1 공진기 섹션(302)을 턴 온(turn on) 및 턴 오프(turn on)하도록 배열되고, 제2 스위치(312)는 제2 공진기 섹션(304)을 턴 온 및 턴 오프하도록 배열된다. 일부 예들에서, 회로(300)의 컴포넌트들은 도 3에 도시된 바와 같이 (상이한 지형에서) 상이하게 배열될 수 있다. 일부 예들에서, 부가적인 또는 대안적인 컴포넌트들이 포함될 수 있다.
이 예에서, 회로(300)의 제1 및 제2 스위치들(308 및 312)은 전계 효과 트랜지스터들(field effect transistors; FETs)이다. 보다 구체적으로, 이 특정 예에서, 제1 및 제2 FET들(308, 312)은 N-채널 FET들이다. 당업자들에 의해 인지될 바와 같이, 제1 FET(308)는 드레인 단자(drain terminal)(308a), 소스 단자(source terminal)(308b) 및 게이트 단자(gate terminal)(308c)를 포함하고, 제2 FET(312)는 드레인 단자(312a), 소스 단자(312b) 및 게이트 단자(312c)를 포함한다.
제1 및 제2 공진기 섹션들(302 및 304)은 이 특정 예에서, LC(인덕터/커패시터) 공진기 섹션들(resonator sections)이다. 즉, 각각의 공진기 섹션(302, 304)은 LC 공진기 회로와 등가이다.
전력 공급 연결부(314)는, 제1 코일(204)의 제2 단부(204b), 제1 커패시터(306)의 제2 단자(306b), 제2 코일(206)의 제2 단부(206b) 및 제2 커패시터(310)의 제2 단자(310b)를, (DC) 전력 소스(108)(도 3에 예시되지 않음)의 양의 단자에 연결한다. 제1 인덕터 코일(204)의 제1 단부(204a) 및 제1 커패시터(306a)의 제1 단자(306a)는 제1 FET(308)의 드레인 단자(308a)에 연결되고, 마찬가지로, 제2 인덕터 코일(206)의 제1 단부(206a) 및 제2 커패시터(310)의 제1 단자(310a)는 제2 FET(312)의 드레인 단자(312a)에 연결된다. 음의 단자 연결부(negative terminal connection)(316)는, 제1 FET(308)의 소스 단자(308b) 및 제2 FET(312)의 소스 단자(312b)를 전력 소스(108)의 음의 단자에 연결한다.
당업자들에 의해 잘 이해될 바와 같이, N-채널 FET는 적절한 제어 전압이 그의 게이트에 인가될 때 'ON' 상태에 있어서, 그의 드레인과 소스 사이에 전도성 경로가 존재하게 된다. 그러나, 당업자들에 의해 또한 잘 이해될 바와 같이, N-채널 FET가 'OFF' 상태에 있을 때(즉, 적절한 제어 전압이 그의 게이트에 인가되지 않을 때), N-채널 FET는 다이오드로서 유효하게 작용한다. 도 3에서, 제1 FET(308)가 그의 OFF 상태에 있을 때 나타내는 다이오드 기능성은 제1 다이오드(308d)에 의해 표현되고, 제2 FET(312)가 그의 OFF 상태에 있을 때 나타내는 다이오드 기능성은 제2 다이오드(312d)에 의해 표현된다. 제1 다이오드(308d)는 그의 캐소드가 제1 인덕터 코일(204)의 제1 단부(204a) 및 제1 커패시터(306)의 제1 단자(306a)에 연결되고, 그의 애노드가 음의 단자 연결부(316)에 연결되고, 제2 다이오드(312d)는 그의 캐소드가 제2 인덕터 코일(206)의 제1 단부(206a) 및 제1 커패시터(310)의 제1 단자(310a)에 연결되고, 그의 애노드가 음의 단자 연결부(316)에 연결된다.
이 예에서, 제1 및 제2 FET들(308 및 312) 및 회로(300)의 토폴로지(topology)를 고려하여, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204 및 206)의 서로에 대한 페이징(phasing)은, 제1 인덕터 코일(204)이 동작될 때, 서셉터(202)의 상당한 가열을 야기하기에 충분한 전류가 제2 인덕터 코일(206)에 흐르는 것이 방지되고, 제2 인덕터 코일(206)이 동작될 때, 서셉터(202)의 상당한 가열을 야기하기에 충분한 전류가 제1 인덕터 코일(204)에 흐르는 것이 방지되도록 선택된다.
이 예에서, 제1 인덕터 코일(204) 및 제2 인덕터 코일(206) 중 하나는, 그의 대응하는 제1 스위치(308) 또는 제2 스위치(312)가 (경우에 따라) 고속 스위칭 레이트로 반복적으로 턴 온 및 턴 오프되게 함으로써 서셉터를 가열하도록 제어되는 반면에, 제1 인덕터 코일(204) 및 제2 인덕터 코일(206) 중 다른 하나는 비활성으로 유지되고, 그의 대응하는 제1 스위치(308) 또는 제2 스위치(312)는 (경우에 따라) 오프로 유지된다. 보다 구체적으로, 제1 인덕터 코일(204)은, 제1 스위치(308)가 제1 스위칭 레이트로 턴 온 및 턴 오프되는 동안 제2 스위치(312)가 오프로 유지될 때 서셉터(202)를 가열하도록 제어되고, 제2 인덕터 코일(206)은, 제2 스위치(312)가 제2 스위칭 레이트로 턴 온 및 턴 오프되는 동안 제1 스위치(308)가 오프로 유지될 때 서셉터(202)를 가열하도록 제어된다. 제어기(318)는 제1 FET(308) 및 제2 FET(312) 중 어느 것이 동작되든지 그의 스위치 온 및 오프를 제어하도록 회로(300)에 제공된다. 제1 및 제2 스위칭 레이트들은 상이하거나 동일할 수 있다.
이러한 고속 스위칭 동안 제1 인덕터 코일(204) 및 제2 인덕터 코일(206)의 동작은 아래에서 보다 상세히 설명된다.
예시적인 회로(300)의 기능은 제1 FET(308)가 제어기(318)에 의해 신속하게 턴 온 및 턴 오프될 때 제1 인덕터 코일(204)이 서셉터(202)를 가열하도록 동작되는 맥락에서 이제 보다 상세히 설명될 것이다.
제1 FET(308)가 온일 때, 전력 공급 연결부(314)와 음의 단자 연결부(316) 사이에 그리고 제1 인덕터 코일(204)을 통해 DC 전류가 흐른다. 이 DC 전류는 전력 공급장치(108)에 의해 구동된다. 전류가 제1 인덕터 코일(204)을 통해 흐를 때, 제1 인덕터 코일(204)은 전류의 결과로서 자기장을 생성한다는 것이 이해될 것이다. 제1 인덕터 코일(204)은 자신이 생성하는 자기장에 에너지를 저장한다. 제1 FET(308)가 온일 때, 제1 FET(308)에 걸린 전압은 0이다. 제1 커패시터(306)는 제1 FET(308)가 온이 됨으로써 단락된다(short circuited). 즉, 제1 FET(308)가 온일 때 전력 공급 연결부(314)와 음의 단자 연결부(316) 사이의 전류가 제1 FET(308)를 통해 흐른다.
주어진 양의 시간 동안 온인 제1 FET(308)로 인해 제1 인덕터 코일(204)이 자기장을 생성하도록 허용되고 제1 FET(308)가 후속적으로 턴 오프된 후에, 제1 인덕터 코일(204)을 통해 전력 공급장치(108)에 의해 구동되는 전류가 강하하기 시작한다. 제1 인덕터 코일(204)은 전류의 이러한 변화에 저항하고, 제1 FET(308)가 온이었고 직류가 제1 인덕터 코일(204)을 통해 흘렀을 때 제1 인덕터 코일(204)에 의해 생성된 자기장에 저장된 에너지를 사용하여 유도 전압을 생성한다. 따라서, 제1 FET(308)가 턴 온되고 나서 턴 오프될 때, 제1 커패시터(306) 및 제1 인덕터 코일(204)은 서로 공진한다.
도 4는 서셉터(202)를 가열하기 위해 제1 인덕터 코일(204)이 동작되는 시간 기간 동안 제1 FET(308)가 2번 턴 오프 및 턴 온될 때의 전압 트레이스(400)에 의해 표시된 바와 같은 제1 FET(308)에 걸린 전압을 도시한다.
전압 트레이스(400)는, 제1 FET(308)가 온일 때의 제1 섹션(400a), 제1 FET(308)가 스위치 오프될 때의 제2 섹션(400b 내지 400d), 제1 FET(308)가 다시 스위치 온될 때의 제3 섹션(400f), 제1 FET(308)가 다시 스위치 오프될 때의 제4 섹션(400g) 및 제1 FET(308)가 후속적으로 다시 스위치 온될 때의 제5 섹션(400h)을 포함한다.
섹션들(400a, 400f 및 400h)에서, 제1 FET(308)에 걸리는 전압은 제1 FET(308)가 온일 때, 0이다.
섹션(400b 내지 400d)에 의해 그리고 또한 섹션(400g)에 의해 표시된 바와 같이 제1 FET(308)가 턴 오프될 때, 제1 인덕터 코일(204)은 그의 자기장(이 자기장은 제1 FET(308)가 온이였을 때 전류 흐름의 결과임)에 저장된 에너지를 사용하여, 제1 FET(308)가 오프되는 결과로서 제1 인덕터 코일(204)을 통해 흐르는 전류의 강하에 저항하는 전압을 유도한다. 제1 인덕터 코일(204)에 유도된 전압은 제1 FET(308)에 걸리는 전압의 대응하는 변동을 야기한다. 이러한 전압의 변동 동안, 제1 인덕터 코일(204) 및 제1 커패시터(306)는 서로 공진한다. 전압(400)은 초기에, 오프가 되는 제1 FET(308)로 인한 전류의 강하에 대항하기 위해 제1 인덕터 코일(204)의 유도 전압이 증가함에 따라 증가하고(예를 들어, 400b 참조), 피크에 도달하고(예를 들어, 400c 참조), 그 후 제1 인덕터 코일(204)의 자기장에 저장된 에너지가 감소함에 따라, 0으로 다시 감소한다(예를 들어, 400d 참조).
가변 전압(400b 내지 400d 및 400g)은 대응하는 가변 전류를 생성하고, 제1 FET(308)의 오프 시간 동안, 제1 커패시터(306) 및 제1 인덕터 코일(204)이 공진 LC 회로로서 작용하기 때문에, 제1 공진 섹션(302)의 총 임피던스는 이 시간 동안 최소이다. 따라서, 제1 공진 섹션(302)을 통해 흐르는 가변 전류의 최대 크기는 비교적 클 것임이 이해될 것이다.
따라서, 이러한 비교적 큰 가변 전류는 제1 인덕터 코일(204)에서 비교적 큰 가변 자기장을 야기하며, 이는 서셉터(202)가 열을 생성하게 한다. 제1 FET(308)에 걸리는 전압이 섹션(400b 내지 400d) 및 섹션(400g)에 의해 표시된 바와 같이 변동되는 시간 기간은, 이 예에서 제1 공진 섹션(302)의 공진 주파수에 의존한다. 당업자들에 의해 인지될 바와 같이, 제1 공진 섹션(302)의 공진 주파수는 제1 인덕터 코일(204)의 인덕턴스 및 제1 커패시터(306)의 커패시턴스에 의존한다.
도 4를 재차 참조하면, 제1 FET(308)가 오프이고 제1 FET(308)에 걸리는 전압이 후속적으로 0V를 향해 다시 감소할 때(예를 들어, 전압은 지점(400e)에서 실질적으로 레벨(402)에 있음), 제어기(318)는 제1 FET(308)를 다시 턴 온시켜, 전력 공급장치(108)에 의해 구동되는 dc 전류가 재차 제1 인덕터 코일(204)을 통해 흐르게 하고, 제1 인덕터 코일(204)은, 제1 FET(308)가 스위치 오프되는 다음 시간 동안 시간 섹션(400g)에 의해 표시된 바와 같이 공진 섹션(302)을 턴 온시키기 위해 자기장의 형태의 에너지를 저장할 수 있다.
제어기(318)가 제1 FET(308)를 온으로 유지하는 시간(예를 들어, 부분(400f))은 제1 인덕터 코일(204)에 저장되기를 원하는 에너지의 양에 따라 선택될 수 있으며, 이 에너지의 부분은 400g(공진 부분(202)의 온 시간)에 의해 표시된 바와 같이 제1 FET(308)의 다음 오프 시간 동안 서셉터(202)를 가열하는 데 사용될 것이다. 제1 FET(308)의 주어진 온 시간(400f) 동안 제1 인덕터 코일(204)에 저장될 수 있는 에너지의 양은 예를 들어, 전력 공급장치(108)에 의해 제공된 전압 및 제1 인덕터 코일(204) 상의 권회수(number of turns)와 같은 팩터들에 의존할 것이다. 이 예에서, 제1 FET(308)에 걸리는 전압이 0V에 도달할 때, 제1 FET(308)의 드레인 단자(308a)의 전압이 또한 0V에 도달한다는 것이 이해될 것이다.
제어기(318)가 이러한 방식으로 스위칭 레이트로 제1 FET(308)를 반복적으로 스위치 온 및 오프하기 때문에, 위에서 설명된 프로세스는 서셉터(202)를 가열하기 위해 연속적으로 반복된다.
제1 인덕터 코일(204)이 서셉터(202)를 가열하기 위해 동작되는 맥락에서 회로(300)의 기능에 관한 위의 설명이 제시되었지만, 제2 공진기 섹션(304)의 부분을 형성하는 제2 인덕터 코일(206)은 실질적으로 동일한 방식으로 (제2 FET(312)는 제1 FET(308)와 등가의 기능들을 수행하고, 제2 커패시터(310)는 제1 커패시터(306)와 등가의 기능들을 수행함) 동작될 것이란 점이 이해될 것이다.
위에서 앞서 언급된 바와 같이, 회로(300)는 제1 및 제2 코일들(204, 206) 중 하나만이 주어진 시간에 서셉터(202)를 상당히 가열하기 위해 동작하도록, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)이 동작되게 할 수 있다. 이는 우선, 다른 FET는 오프로 유지되는 동안 제1 또는 제2 FET들(308 또는 312) 중 하나를 주어진 스위칭 레이트로 스위칭함으로써 달성된다.
둘째로, 제1 인덕터 코일(204) 및 제2 인덕터 코일(206) 중 하나가 (제1 코일(204)에 대해 위에서 설명된 바와 같이) 서셉터(202)를 가열하기 위해 동작될 때, 회로(300)는, 동작 코일의 가변 자기장에 의해 다른 비-동작 코일에서 유도되는 전압으로 인해 상당한 전류가 비-동작 코일을 통해 흐르게 하지 않도록 특별히 구성된다(이 비-동작 코일을 통해 상당한 전류가 흐르는 것 자체는 서셉터를 가열할 수 있는 가변 자기장을 야기할 것임). 보다 구체적으로, 서셉터(202)를 가열하기 위해 제1 인덕터 코일(204)이 동작될 때, 서셉터(202)의 상당한 가열을 야기하기에 충분한 전류가 제2 인덕터 코일(206)을 통해 흐르는 것이 방지되고, 서셉터(202)를 가열하기 위해 제2 인덕터 코일(206)이 동작될 때, 서셉터(202)의 상당한 가열을 야기하기에 충분한 전류가 제1 인덕터 코일(204)을 통해 흐르는 것이 방지된다.
이는, 위에서 언급된 바와 같이, 제1 및 제2 FET들(308, 312)은, 스위칭 오프될 때 다이오드들로서 유효하게 작용하고, 이에 따라 이들이 순방향 바이어싱되는(forward biased) 경우 전류를 전도할 수 있기 때문에(즉, FET들은 완전한 스위치들은 아님), 필수적이다. 따라서, 회로(300)는 제1 및 제2 인덕터 코일들(204 및 206) 중 하나가 서셉터(202)를 가열하도록 동작될 때, 다른 비-동작 인덕터 코일에 걸쳐 유도된 전압이 그 비-동작 인덕터 코일과 연관된 FET의 진성 다이오드(intrinsic diode)를 순방향 바이어싱하는 것이 아니라 오히려 그것을 역방향 바이어싱(reverse bias)하도록 구성되는 것이 중요하다.
자기 결합된 2개의 인덕터들을 고려할 때, 서로에 대한 그들의 권선은, 하나의 인덕터에 의해 생성된 가변 자기장이 어느 방향으로 전류를 구동하고/다른 인덕터에서 어느 방향으로 전압을 유도하는지를 결정한다는 것이 당업자들에 의해 이해될 것이다.
코일에서 전압이 유도되고/전류가 구동되는 방향은, 전류의 방향과 관련하여 잘 알려진 "오른손 법칙"을 자기장의 방향에 적용함으로써 결정될 수 있다. 제1 및 제2 인덕터 코일들(204 및 206)의 상대적 권선은 제1 및 제2 인덕터 코일들(204 및 206)의 페이징으로서 지칭될 수 있다.
도 3의 회로(300)의 토폴로지에서, 제1 인덕터 코일(204) 및 제2 인덕터 코일(206)은 제1 인덕터 코일(204)의 제1 단부(204a) 및 제2 인덕터 코일(206)의 제1 단부(206a)에서 나타나는 도트들에 의해 표시된 바와 같이 대향하는 양식(sense)으로 권취된다. 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)이 이 예에서 물리적으로 대향하는 방향으로 권취된다는 것을 예시하기 위해 회로(300)에 연결되는 가열 배열체(103)의 예가 또한 도시된다.
따라서, 예를 들어, 제1 인덕터 코일(204)이 서셉터(202)를 가열하게 하기 위해, 제어기(318)가 (위에서 설명된 바와 같이) 제1 FET(308)를 반복적으로 스위치 온 및 오프할 때, 제1 FET(308)가 스위칭 오프될 때마다, 양의 전압(positive voltage)이 제1 인덕터 코일(204)의 제1 단부(204a)에서 생성되고 대응하는 더 작은 양의 전압이 자기 결합으로 인해 제2 인덕터 코일(206)의 제1 단부(206a)에서 유도된다. 이는, 제2 FET(312)의 진성 다이오드가 역방향 바이어싱되게(reverse biased) 하고, 그에 따라 전류가 제2 FET(312)를 통해 흐르는 것이 실질적으로 방지된다. 일부 전류가 제2 인덕터 코일(206)과 제2 커패시터(310) 사이에서 흐를 수 있지만, 서셉터(202)를 상당히 가열하기에 충분한 가변 자기장을 생성하기에 충분한 전류는 역방향 바이어싱되는 제2 FET(312)로 인해 제2 인덕터 코일(206)을 통해 흐르는 것이 방지된다. 또한, 제1 FET(308)가 반복적으로 스위치 온 및 오프되고 제2 FET(312)가 오프로 유지될 때, 제2 FET(312)가 역방향 바이어싱되고 전류가 제2 FET(312)를 통해 흐르는 것이 방지되는 결과로서, 상당량의 에너지가 서셉터(202)를 가열하기 위해 동작되는 제1 인덕터 코일(204)로부터 빠져나오지 않도록 상당량의 에너지가 제2 인덕터 코일(206)에 축적되는 것이 방지된다.
유사하게, 예를 들어, 제2 인덕터 코일(206)이 서셉터(202)를 가열하게 하기 위해, 제어기(318)가 제2 FET(312)를 반복적으로 스위치 온 및 오프할 때, 제2 FET(312)가 스위칭 오프될 때마다, 양의 전압이 제2 인덕터 코일(206)의 제1 단부(206a)에서 생성되고 대응하는 더 작은 양의 전압이 자기 결합으로 인해 제1 인덕터 코일(204)의 제1 단부(204a)에서 유도된다. 이는, 제1 FET(308)의 진성 다이오드가 역방향 바이어싱되게 하고, 그에 따라 전류가 제1 FET(308)에서 흐르는 것이 실질적으로 방지된다. 일부 전류가 제1 인덕터 코일(204)과 제1 커패시터(306) 사이에서 흐를 수 있지만, 서셉터(202)를 상당히 가열하기에 충분한 가변 자기장을 생성하기에 충분한 전류는, 역방향 바이어싱되는 제1 FET(308)로 인해 제1 인덕터 코일(204)을 통해 흐르는 것이 방지된다. 또한, 제2 FET(312)가 반복적으로 스위치 온 및 오프되고 제1 FET(308)가 오프로 유지될 때, 제1 FET(308)가 역방향 바이어싱되고 전류가 그것을 통해 흐르는 것이 방지되는 결과로서, 상당량의 에너지가 제1 인덕터 코일(204)에 축적되는 것이 방지되어서, 상당량의 에너지는 서셉터(202)를 가열하기 위해 동작되는 제2 인덕터 코일(206)로부터 흡인되지 않게 된다.
따라서, 이러한 방식으로 서셉터를 상당히 가열하기에 충분한 전류가 비-동작 인덕터 코일에서 흐르는 것을 방지하는 것은, 비-동작 인덕터 코일이 그 자신의 자기장을 생성하기 위해 동작 코일로부터 상당량의 에너지(이 에너지는 가변 전류를 생성하고 이에 따라 동작 코일이 자기장을 생성하여 서셉터(202)를 가열하는 데 사용됨)를 빼앗는 것을 방지하는 부가적인 이점을 제공한다.
이제 도 5를 참조하면, 제어기(106)에 포함된 제1 및 제2 인덕터 코일들(204 및 206)을 제어하도록 구성된 제2 회로(500)가 예시된다.
회로(500)의 컴포넌트들 대부분은 회로(300)의 대응하는 컴포넌트들과 동일하고 동일한 방식으로 기능한다. 이러한 컴포넌트들은 이들이 도 3에서 가진 것과 동일한 참조 번호들을 제공받았고, 간결함을 위해 재차 상세히 설명되진 않을 것이다. 일부 예들에서, 회로(500)의 컴포넌트들은 도 5에 도시된 바와 같이 (상이한 지형에서) 상이하게 배열될 수 있다. 일부 예들에서, 부가적인 또는 대안적인 컴포넌트들이 포함될 수 있다.
이 예에서, 회로(500)는, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206) 둘 모두가 제1 인덕터 코일(204)의 제1 단부(204a) 및 제2 코일(206)의 제2 단부(206b)에 나타나는 도트들에 의해 표시된 바와 같이 서로에 대해 동일한 방향(동일한 페이징을 가짐)으로 권취되는 가열 배열체를 제어하는 데 사용된다.
제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)이 이 예에서 물리적으로 동일한 방향으로 권취된다는 것을 예시하기 위해 회로(500)에 연결되는 가열 배열체(103)의 예가 도시된다. 회로(300)와 비교되는 회로(500)의 회로 토폴로지의 하나의 차이는 제2 인덕터 코일(206)을 회로의 잔여부에 연결하는 배선의 구성이다. 위에서 언급된 바와 같이, 회로(300)에서, 제2 코일(206)의 제2 단부(206b)는 전력 공급 연결부(314)를 통해 전력 소스(108)의 양의 단자에 연결되고, 제2 코일(206)의 제1 단부(206a)는 제2 FET(312)의 드레인 단자(312a)에 연결된다. 대조적으로, 회로(500)에서, 제2 코일(206)의 제1 단부(206a)는 전력 공급 연결부(314)를 통해 전력 소스(108)의 양의 단자에 연결되고, 제2 코일(206)의 제2 단부(206b)는 제2 FET(312)의 드레인 단자(312a)에 연결된다.
이 예에서, 인덕터 코일(204, 206)은 동일한 방향으로 권취되지만, 회로(500)의 토폴로지는, 제1 인덕터 코일(204)이 동작될 때, 제1 FET(308)가 스위치 오프될 때마다, 제2 인덕터 코일(206)에 걸리는 유도된 전압이 제2 FET(312)의 진성 다이오드(312d)를 역방향 바이어싱하고, 제2 인덕터 코일(206)이 동작될 때, 제2 FET(312)가 스위치 오프될 때마다, 제1 인덕터 코일(204)에 걸리는 유도된 전압이 제1 FET(308)의 진성 다이오드(308d)를 역방향 바이어싱하도록, 이루어진다. 회로(300)의 경우에서와 같이, 제1 인덕터 코일(204)이 서셉터(202)를 가열하게 하도록 제어기(318)가 제1 FET(308)를 반복적으로 스위치 온 및 오프하는 예에서, 제1 FET(308)가 스위칭 오프될 때마다, 양의 전압이 제1 인덕터 코일(204)의 제1 단부(204a)에서 생성된다. 그러나, 회로(300)와 대조적으로, 회로(500)에서, 대응하는 더 작은 양의 전압이 자기 결합으로 인해 제2 인덕터 코일(206)의 (회로(300)의 경우에서와 같이 제1 단부(206a) 대신에) 제2 단부(206b)에서 유도된다. 회로(500)에서, 제2 인덕터 코일(206)의 제2 단부(206b)는 제2 FET(312)의 드레인 단자(312a)에 연결되기 때문에, 제1 FET(308)가 스위치 오프될 때마다 제2 FET(312)가 역방향 바이어싱된다. 따라서, 제2 FET(312)를 통해 전류가 흐르는 것이 실질적으로 방지된다. 반대로, 제2 인덕터 코일(206)이 서셉터(202)를 가열하게 하도록 제어기(318)가 제2 FET(312)를 반복적으로 스위치 온 및 오프할 때, 제2 FET(312)가 스위치 오프될 때마다, 제1 FET(308)는 유사한 방식으로 역방향 바이어싱되고, 이에 따라 제1 FET(308)를 통해 전류가 흐르는 것이 실질적으로 방지된다. 따라서, 회로(500)에서 인덕터 코일들(204, 206)은 동일한 양식으로 물리적으로 권취되지만, 회로(500)는 상당한 전류가 비활성 인덕터 코일에 흐르는 것이 방지되는 방식으로 인덕터 코일들(204, 206)을 회로에 연결함으로써 회로(300)에 대해 위에서 언급된 이점들을 제공한다.
그러나, 회로(500)의 토폴로지는, 높은 전류 트레이스들을 갖는 보다 어려운 인쇄 회로 보드 레이아웃을 요구할 수 있다. 일부 예들에서, 회로(300)의 보다 더 단순한 토폴로지가 바람직할 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 도 3의 회로(300)를 제어하기 위한 예시적인 제어기(318a, 318b)가 이제 설명될 것이다. 도 6에서, 제어기(318)가 2개의 상이한 섹션들, 즉 제로 전압 검출기 섹션(318a) 및 스위칭 섹션(318b)으로 표현되고, 예시적인 히터 배열체(103)가 회로에 연결된 것으로 도시되지 않는다는 것을 제외하면, 도 3의 회로(300)가 재현된다.
도 3과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204 및 206) 중 각각의 인덕터 코일을 동작시키기 위해, 제1 및 제2 FET들(308, 312) 중 하나가 반복적으로 스위칭 온 및 오프될 때, 제로 전압 검출기 섹션(318a)은 각각의 FET가 스위치 오프된 후, 그 FET에 걸리는 전압이 0으로 복귀하거나(예를 들어, 도 4의 포인트(400e)), 또는 0에 근접할 때를 검출하고, 제로 전압 검출기 섹션(318a)이 이를 검출한 것에 대한 응답으로, 스위칭 섹션(318b)은 각각의 FET를 재차 스위치 온시킨다.
스위치 제어기 섹션(318a)은 제1 및 제2 소형 신호 다이오드들(600 및 602), 풀업 저항기(pull up resistor)(604) 및 로직 전력 소스(logic power source)(606)를 포함하는 제로 전압 검출 회로이다. 서셉터(202)를 가열하도록 제2 인덕터 코일(206)이 동작되는 것을 예로 들어, 스위치 제어기 섹션(318a)의 기능이 이제 설명될 것이다.
제2 인덕터 코일(206)이 서셉터(202)를 가열하도록 동작될 때, 제1 FET(308)는 오프로 유지된다. 제1 FET(308)가 오프로 유지될 때, 제1 소형 신호 다이오드(600)는 로직 전력 소스(606) 및 전력 공급 연결부(314)에서의 전압들에 의존하여 바이어싱되지 않거나 역방향 바이어싱되는데, 즉 제1 소형 신호 다이오드(600)의 캐소드 단부의 전압은 실질적으로 제1 소형 신호 다이오드(600)의 애노드 단부의 전압 이상이다.
제2 FET(312)의 스위칭 레이트에서 스위칭하는 동안, 제2 FET(312)가 오프이고 그것에 걸리는 전압이 도 4의 4b 내지 도 4d에 의해 표시된 바와 같이 변동될 때, 제2 소형 신호 다이오드(602)는 역방향 바이어싱된다. 전압의 이러한 변동의 말미에, 전압이 400e에 의해 표시된 바와 같이 0V에 도달하거나 0V에 근접할 때, 제2 소형 신호 다이오드(602)는 순방향 바이어싱된다. 이 예에서, 제2 스위치 제어기 섹션(318b)은 제1 및 제2 FET들(308 및 318)을 스위치 온 또는 오프하도록 세팅될 수 있는 하나 이상의 플립-플롭 수단(flip-flop means)(도시생략)을 포함한다. 따라서, 제2 소형 신호 다이오드(602)가 400e에서 순방향 바이어싱될 때, 제2 소형 신호 다이오드(602)로부터의 신호는 제2 스위치 제어기 섹션(318b)에 포함된 플립-플롭 수단(도시생략)에 제공되어 제2 FET(312)를 스위치 온하도록 이 플립-플롭 수단을 세팅한다. 제2 FET(312)가 온일 때, 제2 소형 신호 다이오드(602)는 역방향 바이어싱된다.
도 3의 회로를 참조하여 위에서 이미 설명된 바와 같이, 제2 FET(312)는 필요한 양의 에너지가 연관된 인덕터 코일(206)에 저장될 때까지 온으로 유지된다. 이 예에서, 제2 인덕터 코일(206)에 흐르는 전류의 크기는 제2 스위치 제어기 수단(318b)에 포함될 수 있는 적합한 전류 측정 수단(도시생략)에 의해 측정될 수 있다. 제2 인덕터 코일(206)에서의 전류의 크기가 제2 인덕터(206)에 저장되기를 원하는 양의 에너지에 대응하는 레벨에 있으면, 플립-플롭은 리셋되어 제2 FET(312)를 스위치 오프하고 제1 커패시터(310)에 걸리는 전압(400g)의 다른 변동을 개시한다.
하나의 특정 예에서, 로직 전력 소스(606)는 2.5V의 전압을 제공하고, 제2 소형 신호 다이오드(602)로부터의 신호는 제2 스위치 제어기 섹션(318b)에 포함된 위에서 언급된 플립-플롭 수단에 제공된다. 플립-플롭 수단은 로직 전력 소스(606)의 전압의 절반, 즉 이 예에서는 1.25V에서 스위칭한다. 이것은, 디지털 로직 회로가 제2 FET(312)를 턴 온시키기 위해 제2 소형 신호 다이오드(602)의 순방향 바이어스 전압 및 제2 FET(312) 드레인에서의 전압이 합해서 1.25V가 되어야 한다는 것을 의미한다. 따라서, 이 예에서, 제2 FET(312)는 그의 드레인 단자(312a)가 위에서 참조된 바와 같이 0V 보다는, 0.55V에 있을 때 스위치 온된다. 이상적으로, 스위칭은 최대 효율을 위해 0V가 제2 FET(312)에 걸릴 때 발생해야 한다는 것이 주의되어야 한다. 이러한 제로 전압 스위칭은 제2 FET(312)가 제2 커패시터를 방전하고 그리하여 제2 커패시터(310)에 저장된 에너지를 낭비하는 것을 유리하게 방지한다.
그러나, 예를 들어, 아날로그 비교기 회로와 대조적으로, 이 디지털 로직 회로의 사용으로 인한 효율의 손실은 회로 부분들 및 비용의 유리한 절약에 의해 상쇄되는 것으로 간주될 수 있다. 이 예에서, 0.55V는 제2 FET(312)를 다시 스위치 온하는, 제2 FET(312)에 걸쳐 수용 가능한 전압이다.
이 예에서, 위에서 설명된 바와 같은 제로 전압 스위칭은 정상 상태 조건들에서, 즉 제2 FET(312)의 반복된 스위칭이 진행중일 때 일어난다는 것이 주의되어야 한다. 제2 FET(312)의 반복된 스위칭을 개시함으로써 제2 인덕터 코일(206)의 동작을 개시하기 위해, 부가적인 신호가 제2 FET(312)에 제공될 수 있다.
위의 설명에서, 제로 전압 검출 회로(318a)의 기능이 제2 FET(312)의 스위칭의 제어와 관련하여 설명되었지만, 제로 전압 검출 회로(318a)는 제2 소형 신호 다이오드(602) 대신에 제1 소형 신호 다이오드(600)를 사용하여 동일한 방식으로 제1 FET(308)를 제어하도록 기능다는 것이 이해될 것이다.
일부 예들에서, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 서로 상이한 적어도 하나의 특성을 가질 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예를 들어, 제1 인덕터 코일(204)은 제2 인덕터 코일(206)과 상이한 적어도 하나의 특성을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 일 예에서, 제1 인덕터 코일(204)은 제2 인덕터 코일(206)과 상이한 인덕턴스 값을 가질 수 있다. 다른 예에서, 제1 및 제2 인덕터 코일들은 상이한 길이들일 수 있어서, 제1 인덕터 코일(204)은 서셉터(202)의 보다 큰 부분에 권취되게 되고 그 반대도 마찬가지다. 다른 예에서, 제1 인덕터 코일(204)은 제2 인덕터 코일(206)과 상이한 권회수를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 제1 인덕터 코일(204)은 제2 인덕터 코일(206)과 상이한 재료로 구성될 수 있다. 제1 인덕터 코일(204)은, 예를 들어, 서셉터의 체적 내에 있는 흡연 가능 재료가 어떻게 가열되기를 원하는지에 기초하여 제2 인덕터 코일(206)과 상이한 하나 이상의 특성들을 가질 수 있다는 것이 고려된다. 일부 예들에서, 제1 및 제2 인덕터 코일들(204, 206)은 실질적으로 동일할 수 있다.
위의 예들은 N-채널 FET들을 포함하는 회로들(300 및 500)에 대해 설명되었다. 그러나, 일부 예들에서, P-채널 FET들을 포함하는 회로들이 대신에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 연결부(314)가 전력 소스(108)의 음의 단자에 대신 연결되고, 연결부(316)가 전력 소스(108)의 양의 단자에 대신 연결되는 경우, P-채널 FET들이 회로(300)에 사용될 수 있다.
본원에 설명된 다양한 실시예들은 단지 청구된 특징들을 이해하고 교시하는 것을 돕기 위해 제시된다. 이러한 실시예들은, 단지 실시예들의 대표적인 샘플로서 제공되며, 여기에만 국한되거나 및/또는 배타적인 것은 아니다. 본원에 설명된 이점들, 실시예들, 예시들, 기능들, 특징들, 구조들, 및/또는 다른 양상들은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범위에 대한 제한들로서, 또는 청구항들에 대한 균등물들에 대한 제한들로서 고려되지 않아야 하며, 청구된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다른 실시예들이 활용될 수 있고, 변형들이 행해질 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명의 다양한 실시예들은, 본원에 구체적으로 설명된 것 이외에, 개시된 요소들, 컴포넌트들, 특징들, 부품들, 단계들, 수단들 등의 적절한 조합들을 적절하게 포함하거나, 이들로 구성되거나, 또는 이들을 필수 구성으로 포함할 수 있다. 이에 더해, 본 개시는 현재 청구되지 않지만 추후에 청구될 수 있는 다른 발명들을 포함할 수 있다.

Claims (14)

  1. 흡연 가능 재료의 적어도 하나의 컴포넌트를 휘발시키기 위해 상기 흡연 가능 재료를 가열하기 위한 디바이스와 함께 사용하기 위한, 유도 가열 배열체(inductive heating arrangement)로서,
    상기 유도 가열 배열체는,
    상기 흡연 가능 재료를 가열하기 위해 가변 자기장을 통한 관통(penetration)에 의해 가열 가능한 서셉터 배열체(susceptor arrangement);
    적어도 제1 인덕터 코일(inductor coil) 및 제2 인덕터 코일 ― 상기 제1 인덕터 코일은 상기 서셉터 배열체의 제1 섹션을 가열하기 위한 제1 가변 자기장을 생성하기 위한 것이고, 상기 제2 인덕터 코일은 상기 서셉터 배열체의 제2 섹션을 가열하기 위한 제2 가변 자기장을 생성하기 위한 것임 ―;
    상기 제1 인덕터 코일 및 상기 제2 인덕터 코일을 제어하기 위한 제어 회로(control circuit)를 포함하고,
    상기 제어 회로는, 상기 제1 인덕터 코일 및 상기 제2 인덕터 코일 중 하나가 가변 자기장을 생성하도록 활성적으로(actively) 구동될 때 상기 제1 인덕터 코일 및 상기 제2 인덕터 코일 중 다른 하나는 비활성(inactive)이 되도록, 구성되고,
    상기 제어 회로는, 상기 제1 인덕터 코일 및 상기 제2 인덕터 코일 중 비활성 인덕터 코일이 상기 서셉터 배열체의 상당한 가열을 야기하기에 충분한, 상기 제1 인덕터 코일 및 상기 제2 인덕터 코일 중 활성 인덕터 코일에 의해 유도된 전류를 전달하는 것을 방지하도록, 구성되는,
    유도 가열 배열체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 가열 배열체는 상기 제1 인덕터 코일 및 상기 제2 인덕터 코일에 전력을 공급하기 위한 전력 공급장치(power supply)를 더 포함하는,
    유도 가열 배열체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 인덕터 코일은 상기 제어 회로의 제1 공진기 부분(resonator part)의 일부를 형성하도록 배열되고, 상기 제2 인덕터 코일은 상기 제어 회로의 제2 공진기 부분의 일부를 형성하도록 배열되는,
    유도 가열 배열체.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 회로의 상기 제1 공진기 부분 및 제2 공진기 부분은, 각각이 적어도 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 각각 더 포함하는 LC 공진기 부분들인,
    유도 가열 배열체.
  5. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 회로의 상기 제1 공진기 부분의 제1 스위치 및 상기 회로의 상기 제2 공진기 부분에 제2 스위치를 더 포함하고,
    상기 제어 회로는 상기 제2 스위치가 오프로 유지될 때 상기 서셉터를 가열하기 위해 전력 공급장치로부터 상기 제1 인덕터 코일로 전력을 공급하도록 제1 스위칭 레이트(switching rate)로 상기 제1 스위치를 턴 온(turn on) 및 턴 오프(turn off)시키고, 상기 제어 회로는 상기 제1 스위치가 오프로 유지될 때 상기 서셉터를 가열하기 위해 상기 전력 공급장치로부터 상기 제2 인덕터 코일로 전력을 공급하도록 제2 스위칭 레이트로 상기 제2 스위치를 턴 온 및 턴 오프시키는,
    유도 가열 배열체.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 제1 전계 효과 트랜지스터(FET: field effect transistor)이고 상기 제2 스위치는 제2 전계 효과 트랜지스터인,
    유도 가열 배열체.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 FET는 오프일 때 제1 다이오드로서 작용하고, 상기 제2 FET는 오프일 때 제2 다이오드로서 작용하고,
    상기 제1 인덕터 코일 및 상기 제2 인덕터 코일의 서로에 대한 페이징(phasing)은, 상기 제1 인덕터 코일이 상기 서셉터 배열체를 가열하기 위해 구동될 때 상기 제1 인덕터 코일에 의해 상기 제2 인덕터 코일에 유도된 전압이 상기 서셉터 배열체의 상당한 가열을 야기하기에 충분한 전류가 상기 제2 인덕터 코일에서 흐르는 것을 방지하도록 상기 제2 다이오드를 역방향 바이어싱(reverse bias) 되게 하고, 상기 제2 인덕터 코일이 상기 서셉터 배열체를 가열하기 위해 구동될 때 상기 제2 인덕터 코일에 의해 상기 제1 인덕터 코일에 유도된 전압이 상기 서셉터 배열체의 상당한 가열을 야기하기에 충분한 전류가 상기 제1 인덕터 코일에서 흐르는 것을 방지하도록 상기 제1 다이오드를 역방향 바이어싱 되게 하도록, 배열되는,
    유도 가열 배열체.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 인덕터 코일 및 상기 제2 인덕터 코일은, 상기 서셉터 배열체 주위에서 대향하는 방향으로 권취되는,
    유도 가열 배열체.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 인덕터 코일 및 상기 제2 인덕터 코일은, 상기 서셉터 배열체 주위에서 동일한 방향으로 권취되는,
    유도 가열 배열체.
  10. 제5 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로는, 상기 제1 스위치가 상기 제1 스위칭 레이트로 턴 온 및 턴 오프될 때, 상기 제1 스위치가 턴 온될 때마다, 상기 제1 스위치에 걸리는 전압이 0이거나 0에 근접하도록, 그리고 상기 제2 스위치가 상기 제2 스위칭 레이트로 턴 온 및 턴 오프될 때, 상기 제2 스위치가 턴 온될 때마다, 상기 제2 스위치에 걸리는 전압이 0이거나 0에 근접하도록, 배열되는,
    유도 가열 배열체.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 회로는, 상기 제1 스위치 또는 상기 제2 스위치에 걸리는 전압이 0이거나 0에 근접할 때를 검출하기 위한 제로 전압 검출기 배열체(zero voltage detector arrangement)를 포함하는,
    유도 가열 배열체.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 인덕터 코일은 상기 제2 인덕터 코일과 상이한 적어도 하나의 특성을 갖는,
    유도 가열 배열체.
  13. 흡입 가능한 에어로졸(inhalable aerosol)을 제공하기 위한, 에어로졸 제공 디바이스로서,
    제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따른 가열 배열체를 포함하는,
    에어로졸 제공 디바이스.
  14. 제13 항에 있어서,
    마우스피스를 더 포함하는,
    에어로졸 제공 디바이스.
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