KR20220082377A - 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조에 관한 것이다.
본 발명은 에어로졸 형성 기재가 삽입될 수 있는 공동을 가지는 원통형 서셉터; 및 서셉터 외측에 배치되며 자기장이 서셉터를 횡방향으로 관통하도록 배치되는 펜케이크 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

Description

미세입자발생장치의 유도가열히터 구조{INDUCTION HEATER STRUCTURE FOR MICROPARTICLE GENERATOR}

본 발명은 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 유도 가열 장치를 도시한 도면, 도 2는 인덕터 코일과 서셉터 및 인턱터 코일에 의해 발생하는 자기장을 도시한 도면이다. 유도 가열 장치(1)는, 플라스틱으로 형성될 수 있는 장치 하우징(10), 및 충전식 배터리(11a)를 포함하는 DC 전원(11)(도 2 참조)을 포함하고 있다.

유도 가열 장치(1)는, 충전식 배터리(11a)를 충전하기 위한 충전 스테이션(charging station) 또는 충전 장치에 유도 가열 장치를 도킹하기 위한 핀(12a)을 포함하는 도킹 포트(docking port; 12)를 더 포함하고 있다. 또한, 유도 가열 장치(1)는 원하는 주파수, 예를 들어 상기에서 언급한 바와 같이 5MHz의 주파수에서 작동하도록 구성된 전력 공급 전자기기(13)를 포함하고 있다. 전력 공급 전자기기(13)는, 적절한 전기 연결부(13a)를 통해 충전식 배터리(110)에 전기적으로 연결되어 있다.

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(L2)이 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.

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.

그런데 유도 가열 장치의 발열 효율은 인덕터 코일(L2)에 의해 형성된 자속이 지나는 단면에 비례한다. 도 2를 참조하면, 종래의 원통형 인덕터 코일(12)이 원통형 서셉터(21) 주위에 배치될 경우, 인덕터 코일(L2)의 자속은 파란 화살표로 표시한 것과 같이 형성된다. 따라서 서셉터(21)와 반응하는 자기장의 단면적은 도 2의 우측 하단에 표시한 바와 같이 서셉터(21)를 횡방향으로 절단한 단면적에 불과하다. 따라서, 서셉터(21)와 반응하는 자기장의 단면적을 키우고, 유도 가열 효율을 향상시키기 위해 자기장의 배치, 즉, 인덕터 코일(L)의 배치를 변경할 필요가 있다.

대한민국등록특허공보 10-0385395 대한민국등록특허공보 10-1678335 대한민국 공개특허 10-2017-0007235

본 발명은 유도 가열 효율을 향상시킬 수 있드록 서셉터에 대한 유도 가열 코일의 배치를 변경한

본 발명은 에어로졸 형성 기재가 삽입될 수 있는 공동을 가지는 원통형 서셉터; 및 서셉터 외측에 배치되며 자기장이 서셉터를 횡방향으로 관통하도록 배치되는 펜케이크 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 팬케이크 코일은 서셉터의 길이 방향과 일치하는 장축을 가지는 타원형인 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 팬케이크 코일은 서셉터와 간격이 일정하도록 단축 방향으로 곡률을 가지는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 팬케이크 코일은 서셉터 주위에 2 개 또는 4 개의 코일 유닛이 분산배치되는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 코일 유닛은 하나의 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 코일 유닛은 유닛별로 별도의 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 팬케이크 코일을 구리 또는 리츠 와이어로 제조되며, 선경이 0.05~ 0.1mm 이며, 코일을 이루는 연선이 50~300가닥으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 팬케이크 코일의 외측에는 백 요크가 설치되는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 백 요크는 페라이트로 제조되는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 서셉터는 하프 파이프의 서셉터 유닛 둘 이상이 분리가능하게 결합하여 원통형 서셉터를 이루는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 팬케이크 코일은 각 서셉터 유닛에 분산배치되는 코일 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 제공한다.

본 발명이 제공하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조는 유도가열코일을 종래의 헬리컬 코일에서 팬케이크 코일로 변경함으로써 서셉터와 반응하는 유효 자기장의 면적을 증가시켜, 유도가열히터의 유도가열 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 에어로졸 형성 기재를 가열하기 위한 유도 가열 장치를 도시한 도면,
도 2는 인덕터 코일과 서셉터 및 인턱터 코일에 의해 발생하는 자기장을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열히터가 설치되는 미세입자 발생장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 도시한 도면,
도 6는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조의 오픈 시 모습을 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조의 결합 시 모습을 도시한 도면.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열히터가 설치되는 미세입자 발생장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 미세입자 발생장치에 사용될 수 있는 가열식 흡연 물품(A)은 에어로졸 형성 기재로, 후술하는 바와 같이 통상의 담배 각초만을 포함하거나, 각초와 액상 조성물을 포함하거나, 각초와 과립을 함께 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 발생장치는, 내부에 에어로졸 형성 기재(aerosol-forming substrate)를 포함하며 외부가 랩핑 페이퍼로 랩핑된 흡연 물품(smoking article)(A)이 삽입될 수 있는 공동을 갖고 공동에 삽입된 흡연 물품(A)의 에어로졸 형성 기재를 가열하여 에어로졸을 형성시키는, 파지 가능하고 휴대 가능한 크기의 미세입자발생장치이다. 이러한 미세입자 발생장치는, 하부 케이스(미도시)와 상부 케이스(400) 내에 전장품들이 배치된다. 도 3에서는 하부 케이스(미도시)는 생략하였으며, 하부 케이스(미도시)의 상면(500)에 해당하는 면만 간략하게 도시하였다. 상부 케이스(400)및 상부 케이스(400) 내에 배치되는 전장품은 하부 케이스(미도시)의 상면(500)의 위에 결합되거나 조립된다.

하부 케이스에 의해 정의되는 공간 내에서 하부에 본 발명에서 직류 전원으로 기능하는 재충전 가능한 배터리(미도시)와 본 발명에서 제어부를 구성하는 제어 기판(미도시)이 배치되고, 하부 케이스의 상면(500) 상부에 실제 발열에 이용되는 전장품들이 배치된다. 본 발명은 파지 가능하고 휴대 가능한 크기의 미세입자발생장치를 대상으로 한다. 재충전 가능한 배터리(미도시)는 일예로 USB 케이블과 같은 충전 수단을 통해 재충전이 가능하며 사용자는 충전된 상태의 미세입자발생장치의 공동에 흡연 물품(A)을 삽입하고 후술하는 바와 같이 유도 가열에 의해 서셉터를 가열시켜 흡연 물품(A) 내에서 에어로졸을 발생시키고 이를 흡입할 수 있게 된다. 이 경우 배터리(미도시)는 직류 전원으로 기능하며, 후술하는 바와 같이 제어부(미도시)을 통해 교류 전류로 여자 코일(200)에 공급된다. 본 발명에 따른 미세입자발생장치는 파지 가능한 크기로 사용자가 간편하게 휴대하여 사용 가능하다.

발열에 사용되는 전장품들은 유도가열을 위한 부품들로, 원통형으로 다수 회 권선된 여자 코일(200)과, 여자 코일(200)과 반응하여 와전류 손실에 의해 유도 가열이 일어나는 서셉터(susceptor; 자화 발열체)(100)가 구비된다. 여기서 서셉터(100)는, 장치 내에서 여자 코일(200)이 에워싸도록 여자 코일(200) 내측에 제공되는, 흡연 물품(A)이 삽입될 수 있는 공동을 정의하는 중공 원통 형상의 박판으로 이루어지고 여자 코일(200)과 반응하여 와전류 손실에 의한 유도가열에 의해 400 ℃ 이하의 온도까지 가열되는 금속 재질의 히트 파이프인 것이 바람직하다. 서셉터(100)의 두께는 1.0mm이하인 것이 바람직하며, SPCC, SPCE 또는 SUS와 같은 스테인레스강 박판으로 제조되는 것이 바람직하다.

여자 코일(200)에 인가되는 교류 전류의 크기에 따라 서셉터(100)의 온도는 1000 ℃ 이상의 온도까지도 가열될 수 있겠으나, 본 발명은 서셉터(100)를 400 ℃ 이하의 온도까지 가열하는 것을 특징으로 한다. 서셉터(100)는 여자 코일(200)에 인가되는 교류 전류의 크기에 따라 100 내지 400 ℃의 온도까지 가열되어, 공동 내에 삽입되는 흡연 물품(A) 내부에 제공되는 에어로졸 형성 기재를 가열시켜 에어로졸을 발생시킨다. 바람직한 일 예에 따르면, 그 타켓 온도는 200 내지 350 ℃의 범위가 될 수 있으며, 더욱 바람직한 일 예에 따르면 그 타겟 온도는 250 내지 320 ℃의 범위가 될 수 있다 (일 예로 280 ℃를 타겟으로 정할 수도 있음). 경우에 따라서는 그 타겟 온도가 150 내지 250 ℃의 범위일 수 있는데(일 예로 180 ℃를 타겟 온도로 정할 수도 있음), 이것은 에어로졸을 발생시키고자 하는 대상이 액상 혹은 겔상 글리세린인지 혹은 담배체인지 혹은 글리세린이 흡습된 담배체인지에 따라 달라질 수 있다. 어느 경우든 흡연 물품(A) 내에서 발생된 에어로졸은 튜브 및 필터를 통해 사용자의 입안으로 흡입되므로, 흡입 과정에서 냉각되는 것을 고려하더라도 발생된 에어로졸의 온도가 과도하게 높으면 사용자에게 불쾌감을 주거나 화상의 위험이 있고 너무 과도하게 에어로졸이 발생할 수 있어서 여러 번의 퍼프가 힘들 수 있기에 이러한 점을 감안하여 서셉터의 타겟 온도가 미리 정해져야 한다. 그러나 이상의 이유 때문에 서셉터의 타겟 온도의 상한이 위와 같이 제한된다.

바람직한 실시예에 따르면 발생된 에어로졸이 튜브 및 필터를 거쳐 나오는 온도가 마우스 엔드 온도(mouth end temperature)로 측정될 수 있는데, 사용자에게 불쾌감을 주지 않기 위해서 에어로졸의 온도는 50 ℃ 미만, 바람직하게는 45 ℃ 이하의 온도로 되어야 한다. 바람직한 에어로졸의 마우스 엔드 온도는 25 내지 45 ℃의 온도 범위를 갖고, 더욱 바람직한 에어로졸의 마우스 엔드 온도는 30 내지 40 ℃의 온도 범위를 갖는다.

본 발명의 제1 실시예에서는 서셉터(100)는 대체로 원통 형상인 흡연 물품(A)의 외부에서 서셉터(100)의 내표면이 공동 내에 삽입된 흡연 물품(A)의 외표면에 적어도 일부와 접촉하고 유도가열된 서셉터(100)가 열전달에 의해 흡연 물품(A)에 포함된 에어로졸 형성 기재를 가열하는 형태이다.

이때, 서셉터(100) 및 여자 코일(200) 중 하나 이상의 적어도 일부를 지지하는 지지체(300)가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에서는 서셉터(100)가 원통형 몸체에 외부로 연장된 플랜지부를 구비하고, 지지체(300)는 원통형 몸체에 내부로 연장된 플랜지부를 구비하며, 서셉터(100)의 플랜지부와 지지체(300)의 플랜지부가 서로 겹쳐지면서 서셉터(100)와 몸체와 지지체(300)의 몸체 사이에 빈 공간을 형성한다. 이 빈 공간은 공기 단열층(510)으로, 서셉터(100)로부터 여자 코일(200)로 복사열이 방출되는 것을 차단한다. 공기 단열층은 0.6~4.0mm의 두게를 가지는 것이 바람직하다.

한편, 지지체(300)는 열 전도율이 0.5W/mk 이하의 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 서셉터(100)와 일부가 맞닿아 있으며, 서셉터(100)와 여자 코일(200)을 지지해야 하므로 내열성이 요구된다. 따라서, 200℃ 이상의 내열 온도를 가지는 엔지니어링 플라스틱으로 제조되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 도시한 도면이다. 도 4는 유도가열히터 구조를 자세히 파악할 수 있도록 다른 구성 요소는 모두 제거하고, 서셉터(100)와 여자 코일(200)만을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 유도가열히터는 여자 코일(200)로 종래 기술과 같은 원통형이 아니라 팬케이크 코일을 적용하였다. 팬케이크 코일은 평탄한 소용돌이 모양으로 감겨 있는 코일로, 일반적으로 나선형으로 감긴 평판 코일을 가리키는 용어이다. 이때 팬케이크 코일인 여자 코일(200)은 원형이 아닌 타원형으로 감겨져 있는 것이 바람직하다. 원통형이 서셉터(100)의 축방향이 타원형인 여자 코일(200)의 장축이 되고, 서셉터(100)의 원주 방향이 타원형인 여자 코일(200)의 단축이 되도록 배치한다. 그에 따라 여자 코일(200)에 전류가 흐르며 형성되는 자기장이 서셉터(100)의 전 길이에 걸쳐 형성될 수 있다.

도 4의 화살표로 도시한 바와 같이, 여자 코일(200)에 의해 형성되는 자기장은, 서셉터(200)를 횡방향으로 관통하게 된다. 또한 자기장은 타원형 나선으로 감긴 여자 코일(200)의 면적 전체가 서셉터(200)와 반응할 수 있는 유효 면적이 된다.

이때, 여자 코일(200)은 타원형으로 권선되는 팬케이크 코일 유닛을 하나 이상 구비할 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에서는 이러한 팬케이크 코일 유닛이 서로 마주보는 위치에 한 쌍 설치되어 있으며, 팬케이크 코일 유닛은 별도의 도선으로 제조되지 않고, 하나의 도선으로 이어져 있으며, 타원형 권선만 간격을 두고 복수 개 형성된 형태이다. 그러나, 타원형으로 권선된 각 팬케이크 코일 유닛이 별도의 도선으로 형성되어, 별도로 제어되도록 할 수도 있다.

한편, 본 발명의 여자 코일(200)을 위에서 평판 코일이라고 하였으나, 여자 코일(200)과 서셉터(100) 사이의 간격이 일정하도록 단축 방향으로 곡률을 가지는 것이 바람직하다.

또한 여자 코일(200)은 구리 또는 리츠 와이어로 제조되며, 선경이 0.05~ 0.1mm 이며, 코일을 이루는 연선이 50~300가닥으로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 도시한 도면이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 미세입자 발생장치의 유도가열히터 구조는 제1 실시예와 동일하나, 타원형을 이루며 권선된 팬케이크 코일 유닛(200a)이 2개가 아니라 4개가 90° 간격으로 배치된다는 점이 제1 실시예와 상이하다. 또한, 각 팬케이크 코일 유닛(200a)이 하나의 도선이 아닌 각각 별도의 도선으로 이루어져있다는 점 또한 제1 실시예와 상이하다.

도 6는 본 발명의 제3 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조를 도시한 도면이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조는 제1 실시예와 동일하나, 여자 코일(200)의 외측에 백 요크(250)가 설치되는 것이 특징이다. 여자 코일(200)의 외측에 원통형 백 요크(250)를 설치함으로써 서셉터(100)를 횡방향으로 가로지르는 자속의 형성을 도와, 유도 가열 효율을 더 향상시킬 수 있다.

이때, 백 요크는 페라이트로 제조되는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조의 오픈 시 모습을 도시한 도면이다. 도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조의 결합 시 모습을 도시한 도면이다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 미세입자발생장치의 유도가열히터는, 서셉터(100b)가 하프 파이프 형태로, 둘 이상이 분리가능하게 결합되는 서셉터 유닛으로 이루어져 있다. 서셉터(100b)는 하프 파이프 형상의 서셉터 유닛이 집게 형식으로 하단을 중심으로 힌지 회전하여 서로 벌어져서 분리되고, 흡연 물품(A)을 서셉터 유닛 사이에 삽입한 뒤 다시 서셉터 유닛을 서로 결합시켜 사용할 수 있다. 이 경우 흡연 물품(A)의 삽입 및 인출을 위해 서셉터(100b)와 흡연 물품(A) 사이에 간격을 둘 필요가 없다. 그에 따라 서셉터(100b)와 흡연 물품(A)을 밀착시킬 수 있어 서셉터(100b)로부터 흡연 물품(A)으로의 열전달 효율이 높아진다는 장점이 있다.

또한 서셉터 유닛은 집게형 분리 결합 구조 외에, 하부 케이스의 상면 상에서 서셉터 유닛끼리 서로 멀어지는 방향으로 슬라이드되어 분리될 수 있도록 설치될 수도 있다.

그 외에도 서셉터(100b)는 복수 개의 서셉터 유닛이 서로 분리, 결합 가능한 구조라면 어떠한 형태로 실시되어도 무방하다.

이때, 팬케이크 코일 형태인 여자 코일(200b)은 팬케이크 코일은 각 서셉터 유닛마다 코일 유닛이 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 서셉터(100b)와 여자 코일(200b)이 복수 개의 유닛으로 이루어질 경우, 백 요크 역시 복수 개의 유닛으로 제조되어 결합될 수도 있다.

Claims (11)

1. 에어로졸 형성 기재가 삽입될 수 있는 공동을 가지는 원통형 서셉터; 및
   서셉터 외측에 배치되며 자기장이 서셉터를 횡방향으로 관통하도록 배치되는 펜케이크 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.
2. 제1항에 있어서
   팬케이크 코일은 서셉터의 길이 방향과 일치하는 장축을 가지는 타원형인 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.
3. 제2항에 있어서,
   팬케이크 코일은 서셉터와 간격이 일정하도록 단축 방향으로 곡률을 가지는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.
4. 제1항에 있어서,
   팬케이크 코일은 서셉터 주위에 2 개 또는 4 개의 코일 유닛이 분산배치되는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.
5. 제4항에 있어서,
   코일 유닛은 하나의 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.
6. 제4항에 있어서,
   코일 유닛은 유닛별로 별도의 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.
7. 제1항에 있어서,
   팬케이크 코일을 구리 또는 리츠 와이어로 제조되며, 선경이 0.05~ 0.1mm 이며, 코일을 이루는 연선이 50~300가닥으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.
8. 제1항에 있어서,
   팬케이크 코일의 외측에는 백 요크가 설치되는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.
9. 제8항에 있어서,
   백 요크는 페라이트로 제조되는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.
10. 제1항에 있어서,
    서셉터는 하프 파이프의 서셉터 유닛 둘 이상이 분리가능하게 결합하여 원통형 서셉터를 이루는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.
11. 제10항에 있어서,
    팬케이크 코일은 각 서셉터 유닛에 하나 이상의 코일 유닛이 배치되는 것을 특징으로 하는 미세입자발생장치의 유도가열히터 구조.

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