KR20220100565A - 에어로졸 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

에어로졸 생성 장치는 서셉터의 온도가 기 설정된 목표 온도에 도달하도록 전력 변환부의 듀티 및 코일의 구동 주파수 중 적어도 어느 하나를 고정한 상태에서, 코일에 공급되는 전류의 크기를 제어한다.

Description

에어로졸 생성 장치{AEROSOL GENERATING DEVICE}
본 발명은 에어로졸 생성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 효율이 우수한 에어로졸 생성 장치에 관한 것이다.
근래에 일반적인 궐련의 단점들을 극복하는 대체 방법에 관한 수요가 증가하고 있다. 예를 들어, 궐련을 연소시켜 에어로졸을 생성시키는 방법이 아닌 궐련 또는 액체 저장부 내의 에어로졸 생성 물질이 가열됨에 따라 에어로졸을 생성하는 방법에 관한 수요가 증가하고 있다.
에어로졸 생성 장치에 수용되는 궐련의 내부 또는 외부에 전기 저항체로 형성되는 히터를 배치하고, 히터에 전력을 공급하여 궐련을 가열하는 방식과는 상이한 가열 방식들이 제안되고 있다. 특히, 유도 가열 방식으로 궐련을 가열하는 방식에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 유도 가열 방식의 에어로졸 생성 장치는 가변 자기장을 발생하기 위하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 유도 코일에 전달한다. 그러나 종래의 에어로졸 생성 장치는 동작 모드의 변경없이 특정 모드로만 복수의 스위칭 소자들을 제어하므로, 에너지 효율이 현저하게 감소된다는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 동작 모드 변경에 따라 에너지 손실을 현저하게 감소시킬 수 있는 에어로졸 생성 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 기술적 과제는 상술한 바에 한정되지 않으며 이하의 예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 개시의 일 실시예에 따른 에어로졸 생성 장치는 에어로졸 생성 기질이 수용되는 수용 공간이 형성되고, 유도 가열 방식으로 상기 에어로졸 생성 기질에 포함된 서셉터를 가열하고, 직류 전원을 제공하는 배터리, 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 전력 변환부, 상기 수용 공간을 따라 권선되어 상기 에어로졸 생성 장치의 길이 방향으로 연장되며, 상기 전력 변환부에 의해 변환된 상기 교류 전원에 따라 상기 에어로졸 생성 기질에 포함된 상기 서셉터에 주기적으로 방향이 가변되는 교번 자기장(alternating magnetic field)을 인가함으로써, 상기 서셉터를 가열하는 코일 및 상기 서셉터의 온도가 기 설정된 목표 온도에 도달하도록 상기 전력 변환부의 듀티 및 상기 코일의 구동 주파수 중 적어도 어느 하나를 고정한 상태에서, 상기 코일에 공급되는 전류의 크기를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 개시의 에어로졸 생성 장치는 신속한 예열이 중요한 예열 구간에서는 출력이 우수한 제1 모드로 동작하고, 신속한 가열 보다는 가열 온도의 유지가 더 중요한 흡연 구간에서는 제1 모드 보다 출력이 낮지만 에너지 효율이 우수한 제2 모드로 동작함으로써, 에너지 효율을 최대화할 수 있다.
또한, 에어로졸 생성 장치는 온도 프로파일의 구간 변경 시점과 동작 모드의 변경 시점을 동기화시키되, 구간 변경 전의 목표 온도를 구간 변경 후의 목표 온도 보다 높게 설정함으로써, 동작 모드 변경에 따른 온도 하강 현상을 보상할 수 있다. 다시 말해, 에어로졸 생성 장치는 목표 온도의 하강 시점에 동작 모드를 변경함으로써, 목표 온도에 도달하기 위한 추가 전력을 최소화시킬 수 있다.
또한, 에어로졸 생성 장치는 제2 모드에서 전력 변환부가 최대 효율을 발휘할 수 있는 듀티로 복수의 스위칭 소자들을 제어하므로, 에어지 효율이 현저하게 증가될 수 있다.
또한, 예열 초기부터 PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어 방식에 따라 가열부를 가열하는 경우, 전류의 리플(ripple) 성분으로 인하여 배터리에 과부하가 발생될 수 있으나, 본 개시의 에어로졸 생성 장치는 예열 구간의 초기에는 전류의 상한을 제한함으로써, 배터리의 손상을 방지할 수 있다.
본 개시의 효과는 상술한 효과들로 제한되는 것이 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 2는 유도 가열 방식의 에어로졸 생성 장치를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 4는 궐련의 예를 도시한 도면들이다.
도 5 내지 도 6은 에어로졸 생성 장치에 삽입되는 궐련의 예를 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 에어로졸 생성 장치의 내부 블록도이다.
도 8은 도 7의 구동 제어부의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 전력 변환부 및 가열부의 내부 회로도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 온도 프로파일에 따른 동작 모드의 변경 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 제1 모드에서 스위칭 소자들의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 내지 도 13은 제1 모드에서 스위칭 소자들의 동작에 따른 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 제2 모드에서 스위칭 소자들의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 15 내지 도 16은 제2 모드에서 스위칭 소자들의 동작에 따른 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 에어로졸 생성 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
실시예들에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 2는 유도 가열 방식의 에어로졸 생성 장치를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 에어로졸 생성 장치(100)는 서셉터(110), 코일(130), 배터리(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 서셉터(110)는 궐련(도 3 내지 도 4의 200)에 포함되는 구성일 수 있다. 이 경우, 에어로졸 생성 장치(100)는 도 2와 같이, 서셉터(110)를 포함하지 않을 수 있다.
도 1 내지 도 2에 도시된 에어로졸 생성 장치(100)에는 본 실시예와 관련된 구성요소들이 도시되어 있다. 따라서, 도 1 내지 도 2에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 에어로졸 생성 장치(100)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
에어로졸 생성 장치(100)는 유도 가열(induction heating) 방식으로 수용 공간(120)에 수용되는 궐련(200)을 가열함으로써 에어로졸을 생성할 수 있다. 유도 가열 방식은 외부 자기장에 의해 발열하는 자성체에 주기적으로 방향이 변하는 교번 자기장(alternating magnetic field)을 인가하여 자성체로부터 열을 생성하는 방식을 의미할 수 있다.
자성체에 교번 자기장이 인가되는 경우, 자성체에는 와류손(eddy current loss) 및 히스테리시스손(hysteresis loss)에 따른 에너지 손실이 발생할 수 있고, 손실되는 에너지가 열에너지로서 자성체로부터 방출될 수 있다. 자성체에 인가되는 교번 자기장의 진폭 또는 주파수가 클수록 자성체로부터 많은 열에너지가 방출될 수 있다. 에어로졸 생성 장치(100)는 자성체에 교번 자기장을 인가함으로써 자성체로부터 열에너지를 방출시킬 수 있고, 자성체로부터 방출되는 열에너지를 궐련(200)에 전달할 수 있다.
외부 자기장에 의해 발열하는 자성체는 서셉터(susceptor: 110)일 수 있다. 서셉터(110)는 조각, 박편 또는 스트립 등의 형상으로 형성될 수 있다.
서셉터(110)는 금속 또는 탄소를 포함할 수 있다. 서셉터(110)는 페라이트(ferrite), 강자성 합금(ferromagnetic alloy), 스테인리스강(stainless steel) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 서셉터(110)는 흑연(graphite), 몰리브덴(molybdenum), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 니오븀(niobium), 니켈 합금(nickel alloy), 금속 필름(metal film), 지르코니아(zirconia) 등과 같은 세라믹, 니켈(Ni)이나 코발트(Co) 등과 같은 전이 금속, 붕소(B)나 인(P)과 같은 준금속 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
에어로졸 생성 장치(100)는 궐련(200)을 수용하기 위한 수용 공간(120)을 포함할 수 있다. 수용 공간(120)은 궐련(200)을 에어로졸 생성 장치(100)에 수용하기 위해 수용 공간(120)의 외측에서 개방되는 개구를 포함할 수 있다. 궐련(200)은 수용 공간(120)의 개구를 통해 수용 공간(120)의 외측에서 수용 공간(120)의 내측을 향하는 방향으로 에어로졸 생성 장치(100)에 수용될 수 있다.
도 1에서와 같이, 수용 공간(120)의 내측 단부에는 서셉터(110)가 배치될 수 있다. 서셉터(110)는 수용 공간(120)의 내측 단부에 형성되는 바닥면에 부착될 수 있다. 궐련(200)은 서셉터(110)의 상단부로부터 서셉터(110)에 삽입되며 수용 공간(120)의 바닥면까지 수용될 수 있다.
또는, 도 2에서와 같이, 에어로졸 생성 장치(100)는 서셉터(110)를 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 서셉터(110)는 궐련(200)에 포함될 수 있다.
에어로졸 생성 장치(100)는 서셉터(110)에 교변 자기장을 인가하고, 서셉터(110)의 유도 가열에 의한 서셉터(110)의 온도 변화에 따라 공진 주파수가 가변되는 코일(130)을 포함할 수 있다.
코일(130)은 솔레노이드(solenoid)로 구현될 수 있다. 코일(130)은 수용 공간(120)의 측면을 따라 권선되는 솔레노이드일 수 있고, 솔레노이드의 내부 공간에 궐련(200)이 수용될 수 있다. 솔레노이드를 구성하는 도선의 재질은 구리(Cu)일 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 낮은 비저항값을 가져 높은 전류가 흐르도록 하는 재질로서 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 아연(Zn) 및 니켈(Ni) 중 어느 하나, 또는 적어도 하나를 포함하는 합금이 솔레노이드를 구성하는 도선의 재질이 될 수 있다.
코일(130)은 수용 공간(120)의 외측면을 따라 권선될 수 있고, 서셉터(110)에 대응되는 위치에 배치될 수 있다.
배터리(140)는 코일(130)에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(140)는 리튬인산철(LiFePO4) 배터리일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 배터리는 산화 리튬 코발트(LiCoO2) 배터리, 리튬 티탄산염 배터리 등일 수 있다.
제어부(150)는 코일(130)에 공급되는 전력을 제어할 수 있다. 제어부(150)는 코일(130)의 구동 주파수를 가변할 수 있다. 제어부(150)는 구동 주파수를 제어함으로써, 서셉터(110)를 유도 가열할 수 있다.
도 3 내지 도 4는 궐련의 예를 도시한 도면들이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 궐련(200)은 담배 로드(210) 및 필터 로드(220)를 포함할 수 있다. 도 3 내지 도 4에는 필터 로드(220)가 단일 영역으로 구성되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 필터 로드(220)는 복수의 세그먼트들로 구성될 수 있다. 예를 들면, 필터 로드(220)는 에어로졸을 냉각하는 제1 세그먼트 및 에어로졸에 포함되는 특정 성분을 여과하는 제2 세그먼트를 포함할 수 있다. 또한, 필터 로드(220)에는 다른 기능을 수행하는 적어도 하나의 세그먼트가 더 포함될 수도 있다.
궐련(200)은 적어도 하나의 래퍼(240)에 의해 포장될 수 있다. 래퍼(240)에는 외부 공기가 유입되거나 내부 공기가 유출되는 적어도 하나의 구멍(hole)이 형성될 수 있다. 일 예로, 궐련(200)은 하나의 래퍼(240)에 의하여 포장될 수 있다. 다른 예로, 궐련(200)은 둘 이상의 래퍼들(240)에 의해 중첩적으로 포장될 수도 있다. 구체적으로, 제1 래퍼에 의하여 담배 로드(210)가 포장되고, 제2 래퍼에 의해 필터 로드(220)가 포장될 수 있다. 래퍼들 각각에 의해 포장되는 담배 로드(210) 및 필터 로드(220)가 결합되고, 제3 래퍼에 의하여 궐련(200) 전체가 재포장될 수 있다.
담배 로드(210)는 에어로졸 생성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 에어로졸 생성 물질은 글리세린, 프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜 및 올레일 알코올 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 담배 로드(210)는 풍미제, 습윤제 및/또는 유기산(organic acid)과 같은 다른 첨가 물질을 함유할 수 있다. 담배 로드(210)에는 멘솔 또는 보습제 등의 가향액이 담배 로드(210)에 분사되어 첨가될 수 있다.
담배 로드(210)는 다양한 방식으로 제작될 수 있다. 예를 들면, 담배 로드(210)는 시트(sheet)로 제작될 수 있고, 가닥(strand)으로 제작될 수도 있다. 또는, 담배 로드(210)는 담배 시트가 잘게 잘린 각초로 제작될 수도 있다.
실시예에 따라, 궐련(200)은 서셉터(110)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 서셉터(110)는 도 4와 같이, 담배 로드(210)에 배치될 수 있다. 서셉터(110)는 담배 로드(210)의 말단으로부터 필터 로드(220) 방향으로 연장될 수 있다.
담배 로드(210)는 열 전도 물질에 의하여 둘러싸일 수 있다. 예를 들면, 열 전도 물질은 알루미늄 호일과 같은 금속 호일일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 담배 로드(210)를 둘러싸는 열 전도 물질은 담배 로드(210)에 전달되는 열을 고르게 분산시켜 담배 로드(210)에 가해지는 열 전도율을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 담배 로드(210)로부터 생성되는 에어로졸의 풍미가 향상될 수 있다.
필터 로드(220)는 셀룰로오스 아세테이트 필터일 수 있다. 필터 로드(220)는 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 필터 로드(220)는 원통형 로드일 수 있고, 내부에 중공(hollow)을 포함하는 튜브형 로드일 수 있다. 또는, 필터 로드(220)는 내부에 공동(cavity)을 포함하는 리세스(recess) 형 로드일 수도 있다. 필터 로드(220)가 복수의 세그먼트들로 구성되는 경우, 복수의 세그먼트들은 서로 다른 형상으로 제작될 수도 있다.
필터 로드(220)는 필터 로드(220)에서 향미가 발생하도록 제작될 수 있다. 예를 들면, 필터 로드(220)에 가향액이 분사될 수 있고, 가향액이 도포되는 별도의 섬유가 필터 로드(220)의 내부에 삽입될 수도 있다.
필터 로드(220)에는 적어도 하나의 캡슐(230)이 포함될 수 있다. 캡슐(230)은 향미를 발생시킬 수 있고, 에어로졸을 발생시킬 수도 있다. 예를 들면, 캡슐(230)은 향료를 포함하는 액체를 피막으로 감싸는 구조로 형성될 수 있다. 캡슐(230)은 구형 또는 원통형의 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
필터 로드(220)에 에어로졸을 냉각하는 냉각 세그먼트가 포함되는 경우, 냉각 세그먼트는 고분자 물질 또는 생분해성 고분자 물질로 제조될 수 있다. 예를 들면, 냉각 세그먼트는 순수한 폴리락트산(polylactic acid)만으로 제작될 수 있다. 또는, 냉각 세그먼트는 복수의 천공들을 포함하는 셀룰로오스 아세테이트 필터로 제작될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 냉각 세그먼트는 에어로졸을 냉각하는 구조 및 물질로 구성될 수 있다.
도 5 내지 도 6은 에어로졸 생성 장치에 삽입되는 궐련의 예를 도시한 도면이다.
보다 상세하게는 도 5는 서셉터(110)가 에어로졸 생성 장치(100)에 배치되는 경우, 에어로졸 생성 장치(100)에 삽입되는 궐련(200)의 예를 도시하는 도면이고, 도 6은 서셉터(110)가 궐련(200)에 배치되는 경우, 에어로졸 생성 장치(100)에 삽입되는 궐련(200)의 예를 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 궐련(200)은 궐련(200)의 길이 방향을 따라 수용 공간(120)에 수용될 수 있다. 서셉터(110)는 에어로졸 생성 장치(100)에 수용되는 궐련(200)에 삽입될 수 있다. 궐련(200)이 서셉터(110)에 삽입됨에 따라, 담배 로드(210)가 서셉터(110)에 접촉할 수 있다. 서셉터(110)는 궐련(200)에 삽입될 수 있도록, 에어로졸 생성 장치(100)의 길이 방향으로 연장되는 구조를 가질 수 있다.
서셉터(110)는 궐련(200)의 중심부에 삽입되도록 수용 공간(120)의 중심부에 위치할 수 있다. 도 5에서 서셉터(110)는 단일 개수인 것으로 예시되어 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다시 말해, 본 개시의 에어로졸 생성 장치(100)는 궐련(200)에 삽입될 수 있도록 에어로졸 생성 장치(100)의 길이 방향으로 연장되고, 서로 평행하게 배치되는 복수 개의 서셉터(110)를 포함할 수도 있다.
코일(130)은 수용 공간(120)의 외측면을 따라 권선되어 길이 방향으로 연장될 수 있다. 길이 방향을 따라 연장되는 코일(130)은 수용 공간(120)의 외측면에 배치될 수 있다. 코일(130)은 서셉터(110)에 대응되는 길이로 길이 방향을 따라 연장될 수 있고, 서셉터(110)에 대응되는 위치에 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 궐련(200)은 궐련(200)의 길이 방향을 따라 수용 공간(120)에 수용될 수 있다. 궐련(200)이 수용 공간(120)에 삽입됨에 따라, 서셉터(110)는 코일(130)에 의해 둘러싸일 수 있다.
서셉터(110)는 균일한 열 전달을 위하여 담배 로드(210)의 중심부에 위치할 수 있다. 도 6에서 서셉터(110)는 단일 개수인 것으로 예시되어 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다시 말해, 본 개시의 에어로졸 생성 장치(100)는 궐련(200)에 포함된 복수 개의 서셉터(110)를 포함할 수도 있다.
코일(130)은 수용 공간(120)의 외측면을 따라 권선되어 길이 방향으로 연장될 수 있다. 길이 방향을 따라 연장되는 코일(130)은 수용 공간(120)의 외측면에 배치될 수 있다. 코일(130)은 서셉터(110)에 대응되는 길이로 길이 방향을 따라 연장될 수 있고, 서셉터(110)에 대응되는 위치에 배치될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 에어로졸 생성 장치의 내부 블록도이다.
도 7을 참조하면, 에어로졸 생성 장치(100)는 입력부(710), 출력부(720), 감지부(730), 인터페이스부(740), 전력 변환부(751), 가열부(752), 배터리(760), 메모리(770) 및 제어부(780)를 포함할 수 있다. 도 7의 배터리(760) 및 제어부(780)는 도 1 내지 도 2의 배터리(140) 및 제어부(150)에 각각 대응될 수 있다. 도 7의 가열부(752)는 도 1 내지 도 2의 코일(130)에 대응될 수 있다. 실시예에 따라, 도 7의 가열부(752)는 도 1의 서셉터(110)를 포함하는 구성일 수도 있다.
입력부(710)는 사용자 입력을 수신할 수 있다. 예를 들어, 입력부(710)는 가압식 푸쉬(push) 버튼 형태로 마련될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 입력부(710)는 사용자 입력을 수신한 경우, 사용자 입력에 대응하는 제어 신호를 제어부(780)에 전송할 수 있다. 제어부(780)는 제어 신호에 기초하여 에어로졸 생성 장치(100)의 내부 구성들을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(780)는 제어 신호에 기초하여 가열부(752)에 전력을 공급할 수 있다.
출력부(720)는 에어로졸 생성 장치(100)와 관련된 시각 정보 및/또는 촉각 정보를 출력할 수 있다. 이를 위하여 출력부(720)는 디스플레이(미도시), 진동 모터(미도시) 등을 포함할 수 있다.
감지부(730)는 에어로졸 생성 장치(100)의 동작과 관련된 정보를 감지할 수 있다. 일 실시예에서, 감지부(730)는 가열부(752)의 온도를 감지하는 온도 감지부(731)를 포함할 수 있다. 온도 감지부(731)는 적어도 어느 하나의 온도 센서를 포함하고, 온도 센서는 가열부(752)와 인접하여 배치될 수 있다. 실시예에 따라, 감지부(730)는 사용자의 퍼프를 감지하기 위한 퍼프 센서를 더 포함할 수 있다.
인터페이스부(740)는 에어로졸 생성 장치(100)에 연결되는 다양한 종류의 외부 디바이스와의 통로 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 인터페이스부(740)는 외부 디바이스와 연결 가능한 포트(port)를 구비할 수 있고, 에어로졸 생성 장치(100)는 포트를 통해 외부 디바이스와 연결될 수 있다. 에어로졸 생성 장치(100)는 외부 디바이스와 연결된 상태에서, 외부 디바이스와 데이터를 교환할 수 있다. 인터페이스부(740)는 외부 전원을 공급받는 통로 역할을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 인터페이스부(740)는 외부 전원과 연결 가능한 포트를 구비할 수 있고, 에어로졸 생성 장치(100)는 외부 전원과 연결된 상태에서, 외부 전원으로부터 외부 전원을 공급받을 수 있다.
가열부(752)는 에어로졸 생성 기질을 가열할 수 있다. 에어로졸 생성 기질이 가열됨에 따라 에어로졸이 발생될 수 있다. 에어로졸 생성 기질은 도 3 내지 도 4의 궐련(200)일 수 있다.
가열부(752)는 코일(130)을 포함할 수 있다. 또한, 가열부(452)는 서셉터(110)에 유도 결합하기 위한 커패시터(도 9의 C)를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 가열부(752)는 서셉터(110)를 더 포함할 수 있다.
코일(130)에 전류가 인가되는 경우, 코일(130)에서 발생되는 교번 자기장에 의하여 서셉터(110)가 가열될 수 있다. 가열된 서셉터(110)는 에어로졸 생성 기질을 가열할 수 있고, 이에 따라, 에어로졸이 생성될 수 있다.
한편, 가열부(752)가 서셉터(110)를 포함하지 않는 경우, 서셉터(110)는 에어로졸 생성 기질에 포함될 수 있다. 이 때, 가열부(752)는 자기장 발생부라고 명명할 수도 있다.
배터리(760)는 제어부(780)의 제어에 의하여 가열부(752)에게 전력을 공급할 수 있다. 이때, 전력 변환부(751)는 배터리(760)에서 공급된 전원을 변환하여 가열부(752)에 전달할 수 있다.
전력 변환부(751)는 배터리(760)에서 공급된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 가열부(752)에 전달할 수 있다. 전력 변환부(751)는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하기 위하여 복수의 스위칭 소자들을 포함할 수 있다.
메모리(770)는 에어로졸 생성 장치(100)의 동작을 위한 정보를 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 메모리(770)는 온도 프로파일에 대한 정보를 저장할 수 있다.
온도 프로파일은 가열 구간에 대응되는 목표 온도에 대한 정보를 포함할 수 있다. 가열 구간은 서셉터(110)의 온도를 기 설정된 예열 온도까지 증가시키는 예열 구간 및 서셉터(110)의 온도를 일정 범위 내에서 유지시키는 흡연 구간을 포함할 수 있다. 예열 구간에서의 목표 온도는 흡연 구간에서의 목표 온도 보다 높게 설정될 수 있다. 예를 들어, 예열 구간에서의 목표 온도는 340도로 설정되고, 흡연 구간에서의 목표 온도는 335도로 설정될 수 있다.
제어부(780)는 가열부(752)의 온도 및 목표 온도의 차이 값에 기초하여 가열부(752)의 온도를 제어할 수 있다. 다시 말해, 제어부(780)는 가열부(752)의 온도 정보에 기초하여 피드백 제어를 수행할 수 있다.
구체적으로, 제어부(780)는 가열부(752)의 온도 및 목표 온도의 차이 값, 차이 값을 시간의 흐름에 따라 적분한 값 및 차이 값을 시간의 흐름에 따라 미분한 값을 통한 피드백 제어 방식에 따라 가열부(752)에 공급되는 전력을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(780)는 PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어 방식으로 가열부(752)의 온도를 제어할 수 있다. PID 제어의 계수는 가열부(752)의 온도가 최적으로 제어될 수 있도록 실험적으로 미리 설정될 수 있다. 제어부(780)는 설정된 PID 제어의 계수에 따라 가열부(752)의 온도가 목표 온도에 도달하도록 가열부(752)의 온도를 제어할 수 있다.
제어부(780)는 전력 변환부(751)를 제어함으로써, 가열부(752)에 공급되는 전력을 제어할 수 있다. 제어부(780)는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식을 이용하여, 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다. 제어부(780)는 펄스 폭 변조(PWM) 방식을 이용하여 전력 변환부(751)에 포함된 복수의 스위칭 소자들을 제어할 수 있다. 이를 위하여, 제어부(780)는 복수의 스위칭 소자들을 제어하는 구동 제어부(780)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 구동 제어부(780)는 제어부(780)와는 구분되는 별도 구성으로써 형성될 수도 있다.
일반적으로 전력 변환부(751)는 특정 듀티(duty)에서 최대 효율을 발휘할 수 있다. 예를 들어, 전력 변환부(751)는 듀티가 50%일 때, 최대 전력 효율로 동작할 수 있다. 듀티는 하나의 스위칭 주기(switching period)에서 스위칭 소자가 턴 온되는 시간의 비율을 백분율로 나타낸 수치를 의미할 수 있다. 따라서, 이하에서 듀티는 듀티비(duty ratio)와 동일한 의미일 수 있다.
한편, 종래 기술은 전력 변환부(751)를 풀 브릿지(full bridge) 회로로 구성한 후, 복수의 스위칭 소자들을 풀 브릿지 모드로만 동작 시킨다. 또는 종래 기술은 전력 변환부(751)를 하프 브릿지(half bridge) 회로로 구성한 후, 복수의 스위칭 소자들을 하프 브릿지 모드로만 동작 시킨다. 그러나, 전력 변환부(751)를 풀 브릿지 회로로 구성한 후, 최대 전력 효율을 위하여 가열 구간의 전 구간에서 고정된 듀티로 전력 변환부(751)를 제어하는 경우, 흡열 구간에서 가열부(752)의 온도를 하강시키기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 전력 변환부(751)를 하프 브릿지 회로로 구성한 후, 최대 전력 효율을 위하여 예열 구간부터 고정된 듀티로 전력 변환부(751)를 제어하는 경우, 출력이 낮아 신속한 예열이 어렵다는 문제가 있다.
본 개시는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전력 변환부(751)를 풀 브릿지 회로로 형성한 후, 전력 변환부(751)가 최대 전력 효율을 발휘할 수 있도록 온도 프로파일에 따라 동작 모드를 변경할 수 있다.
보다 상세하게는 제어부(780)는 예열 구간 및 흡연 구간을 포함하는 온도 프로파일에 기초하여 전력 변환부(751)의 동작 모드가 변경되도록 복수의 스위칭 소자들을 제어할 수 있다.
제어부(780)는 에어로졸 생성 장치(100)가 최대 효율로 동작할 수 있도록 전력 변환부(751)의 동작 모드를 변경할 수 있다. 동작 모드는 제1 모드 및 제2 모드를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 모드는 전력 변환부(751)가 풀 브릿지 회로로 동작하는 모드를 의미할 수 있다. 또한 제2 모드는 전력 변환부(751)가 하프 브릿지 회로로 동작하는 모드를 의미할 수 있다. 전력 변환부(751)는 제1 모드에서 제1 전력을 출력하고, 제2 모드에서 제1 전력 보다 작은 제2 전력을 출력할 수 있다.
제어부(780)는 온도 프로파일에 기초하여 전력 변환부(751)의 모드를 변경할 수 있다. 제어부(780)는 예열 구간에서 전력 변환부(751)가 제1 모드로 동작하도록 전력 변환부(751)에 포함된 복수의 스위칭 소자들을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(780)는 예열 구간 이후의 흡연 구간에서 전력 변환부(751)가 제1 모드와 상이한 제2 모드로 동작하도록 전력 변환부(751)에 포함된 복수의 스위칭 소자들을 제어할 수 있다.
예열 구간과 흡연 구간의 구분은 서셉터(110)의 목표 온도 및/또는 가열 시간에 따라 구분될 수 있다. 제어부(780)는 서셉터(110)의 온도가 목표 온도에 도달하도록 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다. 제어부(780)는 제1 가열 시간 동안 제1 목표 온도에 기초하여 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(780)는 제2 가열 시간 동안 제2 목표 온도에 기초하여 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다. 제1 가열 시간은 예열 구간에 대응되고, 제2 가열 시간은 흡연 구간에 대응될 수 있다. 제1 가열 시간은 제2 가열 시간 보다 짧게 설정될 수 있다.
제어부(780)는 예열 구간의 일부에서 제1 듀티에 기초하여 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(780)는 흡연 구간에서 제1 듀티와 상이한 제2 듀티에 기초하여 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다. 제2 듀티는 전력 변환부(751)가 최대 전력 효율로 동작할 수 있도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2 듀티는 50%로 설정될 수 있다. 제1 듀티는 제2 듀티 보다 작게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 듀티는 40%로 설정될 수 있다. 제1 듀티를 최대 전력 효율을 발휘하는 제2 듀티 보다 작게 설정하는 것은 흡연 구간에서 가열부(752)의 온도 하강을 용이하게 하기 위함이다.
한편, 전력 변환부(751)는 복수의 스위칭 소자들을 포함하므로, 동작 모드의 변경 시점에는 신호 레이턴시(latency)와 같은 S/W 문제, 스위칭 소자의 온/오프 지연 시간과 같은 H/W문제 등으로 인하여 서셉터(110)의 온도를 기대하는 수준으로 유지하기 어려울 수 있다. 예를 들어, 동작 모드의 변경 시점에는 서셉터(110)의 온도 하강 현상이 발생될 수 있다. 이와 같이, 온도가 하강함에도 목표 온도를 일정하게 유지하는 경우, 서셉터(110)의 온도를 목표 온도까지 증가시키기위한 추가 전력이 필요하다. 이러한 추가 전력은 예측하지 못한 전력으로써, 에너지 손실의 원인이 된다.
본 개시는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제1 목표 온도를 제2 목표 온도 보다 크게 설정하고, 목표 온도 하강 시점에서 동작 모드가 변경되도록 동작 모드의 변경 시점을 설정할 수 있다. 다시 말해, 에어로졸 생성 장치(100)는 온도 파일의 구간 변경 시점과 동작 모드의 변경 시점을 동기화함으로써, 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
보다 상세하게는, 제어부(780)는 제1 목표 온도에서 제2 목표 온도로 변경되는 시점에 전력 변환부(751)의 동작 모드를 변경할 수 있다. 제2 목표 온도는 제1 목표 온도 보다 낮으므로, 전력 변환부(751)에 필요한 추가 전력은 현저하게 감소될 수 있다. 이에 따라, 전력 변환부(751)의 에너지 손실이 최소화될 수 있다.
도 8은 도 7의 구동 제어부의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 구동 제어부(780)는 전력 변환부(751)에게 스위칭 신호들(sw1, sw2)를 제공할 수 있다. 스위칭 신호들에는 스위칭 소자들의 온/오프 정보, 듀티 정보 등이 포함될 수 있다. 전력 변환부(751)는 스위칭 신호들(sw1, sw2)에 기초하여 제1 모드 또는 제2 모드로 동작할 수 있다.
구동 제어부(780)는 예열 구간에서 전력 변환부(751)가 제1 모드로 동작하도록 제1 스위칭 신호(sw1)를 출력할 수 있다. 전력 변환부(751)는 제1 스위칭 신호(sw1)에 기초하여 풀 브릿지 회로로 동작될 수 있다.
구동 제어부(780)는 흡연 구간에서 전력 변환부(751)가 제2 모드로 동작하도록 제2 스위칭 신호(sw2)를 출력할 수 있다. 전력 변환부(751)는 제2 스위칭 신호(sw2)에 기초하여 하프 브릿지 회로로 동작될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 전력 변환부 및 가열부의 내부 회로도이다.
도 9를 참조하면, 전력 변환부(751) 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)로 구성되는 제1 래그(910) 및 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자로 구성되며, 제1 래그(910)와 병렬 연결되는 제2 래그(920)를 포함할 수 있다.
제1 내지 제4 스위칭 소자들(S1 내지 S4)은 양방향성 스위칭 소자일 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 스위칭 소자들(S1 내지 S4)은 전계 효과 트랜지스터(FET)일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
제1 스위칭 소자(S1)는 제2 스위칭 소자(S2)와 직렬 접속될 수 있다. 또한, 제3 스위칭 소자(S3)는 제4 스위칭 소자(S4)와 직렬 접속될 수 있다. 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)의 제1 래그(910)와 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)의 제2 래그(920)는 서로 병렬 접속되고, 제1 래그(910) 및 제2 래그(920) 각각은 배터리(760)와도 병렬 접속될 수 있다.
가열부(752)는 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2) 사이의 제1 노드(n1)와, 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4) 사이의 제2 노드(n2) 사이에 접속될 수 있다.
보다 상세하게는 가열부(752)는 코일(130) 및 코일(130)에 직렬 접속된 커패시터 소자(C)를 포함할 수 있다. 커패시터 소자(C)는 서셉터(110)와의 공진을 위해 마련되는 소자일 수 있다. 실시예에 따라, 커패시터 소자(C)는 코일(130)과 병렬 접속되는 것도 가능하다.
제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)의 사이에는 제1 노드(n1)가 형성되고, 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)의 사이에는 제2 노드(n2)가 형성될 수 있다. 또한, 코일(130) 및 커패시터 소자(C)는 제1 노드(n1) 및 제2 노드(n2) 사이에 연결될 수 있다.
제어부(780)는 제1 내지 제4 스위칭 소자들(S1 내지 S4)의 동작을 제어함으로써, 코일(130)에 공급되는 전력을 제어할 수 있다.
한편, 도 9에는 본 실시예와 관련된 구성요소들이 도시되어 있다. 따라서, 도 9에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 에어로졸 생성 장치(100)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들어, 전력 변환부(751)는 역전류를 방지하기 위하여 제1 내지 제4 스위칭 소자들(S1 내지 S4) 각각에 병렬 연결된 다이오드 소자들을 더 포함할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 온도 프로파일에 따른 동작 모드의 변경 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 도 10에는 서셉터(110)의 목표 온도(1010), 서셉터(110)의 온도(1020), 코일(130)에 공급되는 공급 전류(1030), 코일(130)과 서셉터(110) 사이의 매칭 주파수(1040) 및 전력 변환부(751)의 듀티(1050)에 관한 정보가 도시되어 있다. 도 10에서 x축은 시간이고, y축은, 전류(A), 주파수(Hz), 온도(℃) 및 듀티(%) 중 어느 하나일 수 있다.
제어부(780)는 온도 프로파일에 따라 서셉터(110)를 가열할 수 있다. 온도 프로파일에는 목표 온도(1010) 및 가열 시간에 대한 정보가 포함될 수 있다. 온도 프로파일은 목표 온도(1010) 및/또는 가열 시간에 기초하여 예열 구간 및 흡연 구간으로 구분될 수 있다. 예열 구간은 서셉터(110)의 온도(1020)를 기 설정된 예열 온도까지 증가시키는 구간을 의미할 수 있다. 예를 들어, 예열 온도는 340도일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 흡연 구간은 실제 퍼프(puff)가 수행되는 구간으로써, 서셉터(110)의 온도(1020)가 기 설정된 흡연 온도 범위 내에서 유지되는 구간을 의미할 수 있다. 예를 들어, 흡연 온도 범위는 330도 내지 340일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
제어부(780)는 온도 프로파일에 따라 제1 가열 시간(t1) 동안 제1 목표 온도(Te1)에 기초하여 서셉터(110)를 예열 할 수 있다. 제1 가열 시간(t1)과 예열 구간은 서로 대응될 수 있다. 제어부(780)는 예열 구간 동안 서셉터(110)의 온도(1020)가 제1 목표 온도(Te1)에 도달하도록 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다.
제어부(780)는 제2 가열 시간(t2) 동안 제1 목표 온도(Te1) 보다 작은 제2 목표 온도(Te2)에 기초하여 서셉터(110)를 가열할 수 있다. 제2 가열 시간(t2)과 흡연 구간은 서로 대응될 수 있다. 제어부(780)는 흡연 구간 동안 서셉터(110)의 온도(1020)가 제2 목표 온도(Te2)를 유지하도록 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다.
제어부(780)는 예열 구간에서 전력 변환부(751)가 제1 모드로 동작하도록 복수의 스위칭 소자들을 제어할 수 있다. 제1 모드는 전력 변환부(751)가 풀 브릿지 회로로 동작하는 모드를 의미할 수 있다.
한편, 예열 구간은 제1 서브 구간 및 제1 서브 구간 이후의 제2 서브 구간으로 구분될 수 있다. 제1 서브 구간 및 제2 서브 구간은 서셉터(110)의 온도(1020)에 따라 결정될 수 있다. 제어부(780)는 제1 가열 시간(t1) 보다 작은 제3 가열 시간(t3) 동안 제1 목표 온도(Te1)에 기초하여 서셉터(110)를 가열할 수 있고, 제3 가열 시간(t3)은 서셉터(110)의 온도(1020)가 제1 목표 온도(Te1)의 -200도 내지 -30도 범위 내에 포함되는 시점에 기초하여 설정될 수 있다.
제어부(780)는 제1 서브 구간에서, 제1 서브 모드에 기초하여 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다. 제1 서브 모드는 리플 성분을 제거하기 위하여, 코일(130)에 공급되는 공급 전류(1030)의 상한 값을 제한시키는 모드를 의미할 수 있다. 또한, 제1 서브 모드는 온도 피드백 제어를 수행하지 않는 모드를 의미할 수 있다.
제어부(780)는 제1 서브 구간에서, 공급 전류(1030)의 상한을 제한할 수 있다. 또한, 제어부(780)는 제1 서브 구간에서, 매칭 주파수(1040)를 고정할 수 있다. 제어부(780)는 제1 서브 구간에서, 제1 목표 온도(Te1)에 기초하여 전력 변환부(751)의 듀티(1050)를 제어함에 따라, 서셉터(110)를 가열할 수 있다.
구체적으로, 제어부(780)는 제1 서브 구간에서 공급 전류(1030)의 크기를 기 설정된 기준 전류 이하로 제한할 수 있다. 예를 들어, 기준 전류는 1A 내지 4A 범위 내에서 설정될 수 있다. 기준 전류의 하한을 1A로 설정하는 이유는 코일(130)을 가열하기 위해 요구되는 최소 전류가 1A 보다 크기 때문이다. 또한, 기준 전류의 상한을 4A으로 설정하는 이유는 배터리(760)의 정격 전류가 6A이고, 가열부(752)를 제외한 나머지 구성들의 요구 전류의 합이 2A이기 때문이다. 예를 들어, 기준 전류는 1.95A로 설정될 수 있다.
또한, 제어부(780)는 제1 서브 구간에서 매칭 주파수(1040)의 크기를 고정할 수 있다. 매칭 주파수(1040)는 코일(130) 및 커패시터 소자(C)의 공진 주파수에 기초하여 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 매칭 주파수(1040)는 공진 주파수보다 기 설정된 크기만큼 높은 주파수로 설정될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
제어부(780)는 제1 서브 구간에서 온도 피드백 제어를 수행하지 않을 수 있다. 또한, 제어부(780)는 제1 서브 구간에서 공급 전류(1030)의 크기를 제한하고, 매칭 주파수(1040)를 고정한 상태에서, 전력 변환부(751)의 듀티(1050)를 증가시켜 서셉터(110)의 온도(1020)를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(780)는 전력 변환부(751)의 듀티(1050)를 45%까지 증가시킬 수 있다.
제어부(780)는 제2 서브 구간에서, 제2 서브 모드에 기초하여 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다. 제2 서브 모드는 신속한 예열을 위하여, 전류의 상한을 제한하지 않는 모드를 의미할 수 있다. 또한, 제2 서브 모드는 서셉터(110)의 온도(1020)가 제1 목표 온도(Te1)에 도달하도록 온도 피드백 제어를 수행하는 모드를 의미할 수 있다. 전력 변환부(751)는 제2 서브 모드에서 후술하는 제2 모드 보다 더 큰 전력을 출력할 수 있다. 제어부(780)가 예열 초기부터 제2 서브 모드로 전력 변환부(751)를 제어하지 않는 것은 전류의 리플(ripple) 성분으로 인하여, 배터리(760)가 손상되는 것을 방지하기 위함이다.
제어부(780)는 제2 서브 구간에서 전력 변환부(751)의 듀티(1050)를 고정할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(780)는 제2 서브 구간에서 전력 변환부(741)의 듀티(1050)를 제1 듀티로 고정할 수 있다. 제1 듀티는 제1 서브 구간에서의 듀티 최대 값의 -5%로 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 듀티는 40%로 설정될 수 있다. 제어부(780)는 제2 서브 구간에서 제1 목표 온도(Te1)에 기초하여, 코일(130)에 공급되는 공급 전류(1030) 및/또는 매칭 주파수(1040)를 제어함에 따라, 서셉터(110)를 가열할 수 있다.
구체적으로, 제어부(780)는 제2 서브 구간에서, 전력 변환부(751)의 듀티(1050)를 제1 듀티로 고정할 수 있다. 또한, 제어부(780)는 제2 서브 구간에서, 서셉터(110)의 온도(1020) 및 제1 목표 온도(Te1)의 차이 값에 기초하여 피드백 제어를 수행할 수 있다. 제어부(780)는 PID 제어 방식으로 서셉터(110)의 온도(1020)를 제어할 수 있다. 제어부(780)는 설정된 PID 제어의 계수에 따라 코일(130)의 온도(1020)가 제1 목표 온도(Te1)에 도달하도록 코일(130)에 공급되는 공급 전류(1030) 및/또는 매칭 주파수(1040)를 제어할 수 있다.
제어부(780)는 흡연 구간에서 전력 변환부(751)가 제1 모드와 상이한 제2 모드로 동작하도록 복수의 스위칭 소자들을 제어할 수 있다. 제2 모드는 전력 변환부(751)가 하프 브릿지 회로로 동작하는 모드를 의미할 수 있다. 또한, 제2 모드는 최대 전력 효율로 서셉터(110)의 온도(1020)를 유지시키기 위한 모드를 의미할 수 있다. 전력 변환부(751)는 제2 모드에서 제1 모드 보다 작은 전력을 출력하지만 최대 전력 효율로 동작할 수 있다.
제어부(780)는 흡연 구간에서 전력 변환부(751)의 듀티(1050)를 고정할 수 있다. 일 실실시예에서, 제어부(780)는 흡연 구간에서 전력 변환부(7510)의 듀티(1050)를 제2 듀티로 고정할 수 있다. 제2 듀티는 제1 듀티 보다 크게 설정될 수 있다. 제2 듀티는 전력 변환부(751)의 최대 전력 효율에 기초하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2 듀티는 50%로 설정될 수 있다. 제어부(780)는 흡연 구간에서 제2 목표 온도(Te2)에 기초하여 코일(130)에 공급되는 공급 전류(1030) 및/또는 매칭 주파수(1040)를 제어함에 따라, 서셉터(110)를 가열할 수 있다.
실시예에 따라, 제어부(780)는 흡연 구간에서 전력 변환부(751)의 듀티(1050)를 제2 듀티로 고정한 상태에서, 서셉터(110)의 온도(1020) 및 제2 목표 온도(Te2)의 차이 값에 기초하여 피드백 제어를 수행할 수 있다.
본 개시의 에어로졸 생성 장치(100)는 온도 프로파일에 따라 전력 변환부(751)의 동작 모드를 변경함으로써, 최대 전력 효율로 동작할 수 있다.
한편, 에어로졸 생성 장치(100)는 제1 목표 온도(Te1)를 제2 목표 온도(Te2) 보다 크게 설정하고, 온도 파일의 구간 변경 시점과 동작 모드의 변경 시점을 동기화함으로써, 에너지 효율을 더욱 극대화할 수 있다.
구체적으로, 전력 변환부(751)는 복수의 스위칭 소자들을 포함하므로, 동작 모드의 변경 시점에는 신호 레이턴시(latency)와 같은 S/W 문제, 스위칭 소자의 온/오프 지연 시간과 같은 H/W문제 등으로 인하여 서셉터(110)의 온도 하강 현상이 발생될 수 있다.
제어부(780)는 제1 목표 온도(Te1)를 제2 목표 온도(Te2) 보다 크게 설정하고, 제1 목표 온도(Te1)에서 제2 목표 온도(Te2)로 변경되는 시점에 전력 변환부(751)의 동작 모드를 변경할 수 있다. 제2 목표 온도(Te2)는 제1 목표 온도(Te1) 보다 낮으므로, 서셉터(110)의 온도(1020)를 목표 온도(1010)로 유지하기 위해 필요한 추가 전력은 현저하게 감소될 수 있다. 이에 따라, 전력 변환부(751)의 에너지 손실이 최소화될 수 있다.
도 11은 제1 모드에서 스위칭 소자들의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 12 내지 도 13은 제1 모드에서 스위칭 소자들의 동작에 따른 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 제어부(780)는 제1 모드에서 전력 변환부(751)가 풀 브릿지 회로로 동작하도록 복수의 스위칭 소자들(S1, S2, S3, S4)를 제어할 수 있다. 제어부(780)는 제1 모드에서, 각각의 래그들에 포함된 스위칭 소자들을 서로 상보적으로 동작시킬 수 있다.
제어부(780)는 스위칭 주기(Ts)의 반 주기(Ts/2) 동안, 제1 스위칭 소자(S1) 및 제4 스위칭 소자(S4)를 턴 온시키고, 제2 스위칭 소자(S2) 및 제3 스위칭 소자(S3)를 턴 오프시킬 수 있다. 이에 따라 전류는 제1 전류 패스(Path 1)와 같이, 배터리(760), 제1 스위칭 소자(S1), 코일(130) 및 커패시터 소자(C)를 통해 제4 스위칭 소자(S4)에 인가될 수 있다.
제어부(780)는 스위칭 주기(Ts)의 나머지 반 주기(Ts/2) 동안, 제2 스위칭 소자(S2) 및 제3 스위칭 소자(S3)를 턴 온시키고, 제1 스위칭 소자(S1) 및 제4 스위칭 소자(S4)를 턴 오프시킬 수 있다. 이에 따라, 전류는 제2 전류 패스(Path 2)와 같이, 배터리(760), 제3 스위칭 소자(S3), 커패시터 소자(C) 및 코일(130)을 통해 제2 스위칭 소자(S2)에 인가될 수 있다.
한편, 제1 모드에서의 전력 변환부(451) 출력은 후술하는 제2 모드에서의 전력 변환부(751) 출력 보다 클 수 있다. 따라서, 서셉터(110)의 온도 하강을 용이하게 하기 위하여, 제1 모드에서의 듀티는 제2 모드에서의 듀티 보다 작게 설정될 수 있다. 예열 구간에서 전력 변환부(751)가 출력이 큰 풀 브릿지 회로로 동작함에 따라, 신속한 예열이 가능할 수 있다.
도 14는 제2 모드에서 스위칭 소자들의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 15 내지 도 16은 제2 모드에서 스위칭 소자들의 동작에 따른 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 제어부(780)는 제2 모드에서, 전력 변환부(751)가 하프 브릿지 회로로 동작하도록 복수의 스위칭 소자들(S1, S2, S3, S4)를 제어할 수 있다. 제어부(780)는 제2 모드에서 어느 하나의 래그에 포함된 스위칭 소자들(S3, S4)의 온/오프 상태를 유지시키고, 다른 하나의 래그에 포함된 스위칭 소자들(S1, S2)을 서로 상보적으로 동작시킬 수 있다.
제어부(780)는 스위칭 주기(Ts)의 반 주기(Ts/2) 동안, 제1 스위칭 소자(S1) 및 제4 스위칭 소자를 턴 온 시키고, 제2 스위칭 소자(S2) 및 제3 스위칭 소자(S3)를 턴 오프시킬 수 있다. 이에 따라, 전류는 제3 전류 패스(Path 3)와 같이, 배터리(760), 제1 스위칭 소자(S1), 코일(130) 및 커패시터 소자(C)를 통해 제4 스위칭 소자(S4)에 인가될 수 있다.
제어부(780)는 스위칭 주기(Ts)의 나머지 반 주기(Ts/2) 동안, 제2 스위칭 소자(S2) 제4 스위칭 소자(S4)를 턴 온시키고, 제1 스위칭 소자(S1) 및 제3 스위칭 소자(S3)를 턴 오프시킬 수 있다. 이에 따라, 전류는 제4 전류 패스(Path 4)와 같이, 제4 스위칭 소자(S4), 커패시터 소자(C) 및 코일(130)을 통해 제2 스위칭 소자(S2)에 인가될 수 있다. 제4 전류 패스(Path 4)는 전술한 스위칭 주기(Ts)의 반 주기(Ts/2) 동안, 커패시터 소자(C)에 저장된 에너지에 형성될 수 있다.
한편, 도 15 및 도 16에서는 스위칭 전체 주기(Ts)에서 제4 스위칭 소자(S4)가 턴 온되고, 제3 스위칭 소자(S3)가 턴 오프되는 경우만을 도시하나, 실시예에 따라, 제4 스위칭 소자(S4)가 턴 오프되고, 제3 스위칭 소자(S3)가 턴 온되는 것도 가능하다.
한편, 제2 모드에서의 제2 듀티는 전력 변환부(451)의 최대 효율이 가능하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2 모드에서의 제2 듀티는 50%로 설정될 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 에어로졸 생성 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 17을 참조하면, S1710 단계에서, 제어부(780)는 예열 구간에서 전력 변환부(751)가 제1 모드로 동작하도록 복수의 스위칭 소자들을 제어할 수 있다.
예열 구간은 서셉터(110)의 온도(1020)를 제1 목표 온도까지 증가시키는 구간을 의미할 수 있다. 제1 모드는 전력 변환부(751)가 풀 브릿지 회로로 동작하는 모드를 의미할 수 있다.
한편, 후술하는 하프 브릿지 회로는 풀 브릿지 회로보다 출력이 떨어지므로, 예열구간부터 전력 변환부(751)를 하프 브릿지 회로로 동작시키는 경우, 기대하는 예열 성능(예를 들어, 예열 시간, 예열 온도 등)을 발휘할 수 없다. 따라서, 본 개시의 에어로졸 생성 장치(100)는 예열 구간에서 출력이 우수한 풀 브릿지 회로로 전력 변환부(751)를 동작시킨다.
제어부(780)는 예열 구간에서 서셉터(110)의 온도가 제1 목표 온도까지 상승되도록 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다.
예열 구간은 제1 서브 구간 및 제1 서브 구간 이후의 제2 서브 구간으로 구분될 수 있다. 제1 서브 구간은 서셉터(110)의 온도가 제1 목표 온도(Te1)의 -200도 내지 -30도 범위 내에 포함되는 시점에 기초하여 설정될 수 있다.
제어부(780)는 제1 서브 구간에서, 제1 서브 모드에 기초하여 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다. 제1 서브 모드는 리플 성분을 제거하기 위하여, 코일(130)에 공급되는 공급 전류의 상한 값을 제한시키는 모드를 의미할 수 있다.
제어부(780)는 제1 서브 구간에서 코일(130)에 공급되는 공급 전류의 상한을 제한하고, 매칭 주파수를 고정한 상태에서, 목표 온도에 기초하여 듀티를 제어할 수 있다. 제1 서브 구간에서 공급 전류의 크기를 기 설정된 기준 전류 이하로 제한함에 따라, 배터리(460)의 손상이 방지될 수 있다.
제어부(780)는 제1 서브 구간 이후의 제2 서브 구간에서 제2 서브 모드에 기초하여 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다. 제2 서브 모드는 신속한 예열을 위하여, 전류의 상한을 제한하지 않는 모드를 의미할 수 있다. 또한, 제2 서브 모드는 서셉터(110)의 온도(1020)가 제1 목표 온도에 도달하도록 온도 피드백 제어를 수행하는 모드를 의미할 수 있다.
제어부(780)는 제2 서브 구간에서 전력 변환부(751)의 듀티를 제1 듀티로 고정한 상태에서, 제1 목표 온도에 기초하여 코일(130)에 공급되는 공급 전류 및 매칭 주파수 중 적어도 어느 하나를 제어함으로써, 서셉터(110)를 가열할 수 있다. 제어부(780)는 제2 서브 구간에서 서셉터(110)의 온도 및 제1 목표 온도의 차이 값에 기초하여 피드백 제어를 수행할 수 있다.
한편, 상술한 제1 서브 모드 및 제2 서브 모드는 예열 구간에서의 동작 모드에 해당하므로, 전력 변환부(751)는 제1 서브 모드 및 제2 서브 모드 모두에서 풀 브릿지 회로로 동작할 수 있다.
S1720 단계에서, 제어부(780)는 예열 구간 이후의 흡연 구간에서 전력 변환부(751)가 제2 모드로 동작하도록 복수의 스위칭 소자들을 제어할 수 있다.
실제 퍼프(puff)가 수행되는 구간으로써, 서셉터(110)의 온도가 기 설정된 흡연 온도 범위 내에서 유지되는 구간을 의미할 수 있다. 제2 모드는 전력 변환부(751)가 하프 브릿지 회로로 동작하는 모드를 의미할 수 있다. 또한, 제2 모드는 최대 전력 효율로 서셉터(110)의 온도를 유지시키기 위한 모드를 의미할 수 있다.
제어부(780)는 흡연 구간에서 서셉터(110)의 온도가 제2 목표 온도를 유지하도록 전력 변환부(751)를 제어할 수 있다.
제어부(780)는 흡연 구간에서 전력 변환부(751)의 듀티를 제2 듀티로 고정할 수 있다. 제2 듀티는 제1 듀티 보다 크게 설정될 수 있다. 제2 듀티는 전력 변환부(751)의 최대 전력 효율에 기초하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2 듀티는 50%로 설정될 수 있다.
제어부(780)는 흡연 구간에서 전력 변환부(751)의 듀티를 제2 듀티로 고정한 상태에서, 제2 목표 온도에 기초하여 코일(130)에 공급되는 공급 전류 및 매칭 주파수 중 적어도 어느 하나를 제어함으로써, 서셉터(110)를 가열할 수 있다. 실시예에 따라, 제어부(780)는 흡연 구간에서 전력 변환부(751)의 듀티를 제2 듀티로 고정한 상태에서, 서셉터(110)의 온도 및 제2 목표 온도의 차이 값에 기초하여 피드백 제어를 수행할 수 있다.
한편, 하프 브릿지 회로는 풀 브릿지 회로에 비하여 출력이 떨어지나, 흡연 구간에서는 신속한 가열 보다는 흡연 온도의 유지가 더 중요하므로, 하프 브릿지 회로로도 충분한 온도 유지 효과를 기대할 수 있다. 뿐만 아니라, 가열 구간의 전 구간에서, 전력 변환부(751)가 풀 브릿지 회로로 동작하는 경우에 비하여 에너지 효율이 현저하게 상승할 수 있다.
따라서, 본 개시의 에어로졸 생성 장치(100)는 온도 프로파일에 따라 전력 변환부(751)의 동작 모드를 변경함으로써, 최대 전력 효율로 동작할 수 있다.
한편, 에어로졸 생성 장치(100)는 에너지 효율을 더욱 극대화하기 위하여, 제1 목표 온도를 제2 목표 온도 보다 크게 설정하고, 온도 파일의 구간 변경 시점과 동작 모드의 변경 시점을 동기화할 수 있다.
구체적으로, 제어부(780)는 예열 구간에서 흡연 구간으로 변경되는 시점에 전력 변환부(751)의 동작 모드를 제1 모드에서 제2 모드로 변경할 수 있다. 예열 구간에서의 목표 온도는 제1 목표 온도로 설정되고, 흡연 구간에서의 목표 온도는 제2 목표 온도로 설정되므로, 예열 구간에서 흡연 구간으로 변경되는 시점이라는 의미는 제1 목표 온도에서 제2 목표 온도로 변경되는 시점이라는 의미와 동일한 의미일 수 있다. 다시 말해, 제어부(780)는 제1 목표 온도에서 제2 목표 온도로 변경되는 시점에 전력 변환부(751)의 동작 모드를 변경할 수 있다. 목표 온도 하강 시점에서 동작 모드가 변경됨에 따라, 에너지 효율이 극대화될 수 있다.
본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 에어로졸 생성 장치
110: 서셉터
130: 코일
751: 전력 변환부
780: 제어부

Claims (10)

  1. 에어로졸 생성 기질이 수용되는 수용 공간이 형성되고, 유도 가열 방식으로 상기 에어로졸 생성 기질에 포함된 서셉터를 가열하는 에어로졸 생성 장치에 있어서,
    직류 전원을 제공하는 배터리;
    적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 전력 변환부;
    상기 수용 공간을 따라 권선되어 상기 에어로졸 생성 장치의 길이 방향으로 연장되며, 상기 전력 변환부에 의해 변환된 상기 교류 전원에 따라 상기 에어로졸 생성 기질에 포함된 상기 서셉터에 주기적으로 방향이 가변되는 교번 자기장(alternating magnetic field)을 인가함으로써, 상기 서셉터를 가열하는 코일; 및
    상기 서셉터의 온도가 기 설정된 목표 온도에 도달하도록 상기 전력 변환부의 듀티 및 상기 코일의 구동 주파수 중 적어도 어느 하나를 고정한 상태에서, 상기 코일에 공급되는 전류의 크기를 제어하는 제어부;를 포함하는 에어로졸 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전력 변환부의 듀티를 기 설정된 제1 듀티로 고정한 상태에서, 상기 목표 온도에 기초하여 상기 코일에 공급되는 전류의 크기를 제어하는 에어로졸 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 듀티는 50%로 설정되는 에어로졸 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 구동 주파수를 고정시킨 상태에서, 상기 목표 온도에 기초하여 상기 코일에 공급되는 전류의 크기를 제어하는 에어로졸 생성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터에 유도 결합하기 위해 상기 코일에 직렬 또는 병렬 접속되는 커패시터 소자를 더 포함하는 에어로졸 생성 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 구동 주파수는 상기 코일 및 상기 커패시터 소자의 공진 주파수에 기초하여 설정되는 에어로졸 생성 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동 주파수는
    상기 코일 및 상기 커패시터 소자의 공진 주파수보다 기 설정된 크기만큼 높은 주파수로 설정되는 에어로졸 생성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코일은
    상기 수용 공간을 따라 권선되는 솔레노이드이고,
    구리, 은, 금, 알루미늄, 텅스텐, 아연 및 니켈 중 적어도 어느 하나를 포함하는 에어로졸 생성 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는
    리튬인산철을 포함하는 에어로졸 생성 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    외부 디바이스와 데이터를 교환하거나, 외부 전원으로부터 전원을 공급 받는 포트를 포함하는 인터페이스부를 더 포함하는 에어로졸 생성 장치.
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