KR20230003664A - 내부 기류 통로를 구비한 카트리지를 포함하는 에어로졸 발생 시스템 - Google Patents

Abstract

전기 가열식 에어로졸 발생 시스템에서 사용하기 위한 카트리지(200)가 제공되어 있으며, 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템은 에어로졸 발생 장치(100)를 포함하되, 카트리지는 장치에서 사용되도록 구성되어 있고, 여기서 장치(100)는 장치 하우징(101); 장치 하우징 내에 위치한 인덕터 코일(110); 및 인덕터 코일에 연결되어 있고 인덕터 코일(110)에 고주파 진동 전류를 공급하도록 구성되어 있는 전력 공급부(102)를 포함하고; 카트리지(200)는 에어로졸 형성 기재를 포함하는 카트리지 하우징(204)으로, 하우징(204)은 공기가 흐를 수 있는 내부 통로(216)를 둘러싸고 있는 내부 표면(212)을 가지는, 카트리지 하우징; 및 상기 에어로졸 형성 기재를 가열하도록 위치한 서셉터 요소(210)를 포함하고 있다.

Description

내부 기류 통로를 구비한 카트리지를 포함하는 에어로졸 발생 시스템{AN AEROSOL-GENERATING SYSTEM COMPRISING A CARTRIDGE WITH AN INTERNAL AIR FLOW PASSAGE}

본 발명은 에어로졸 형성 기재를 가열하여 작동하는 에어로졸 발생 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전력 공급부를 포함하고 있는 장치부 및 소모성 에어로졸 형성 기재를 포함하고 있는 교체식 카트리지부를 포함하고 있는 에어로졸 발생 시스템에 관한 것이다.

에어로졸 발생 시스템의 하나의 유형은 전자 담배이다. 전자 담배는 통상적으로 기화되어 에어로졸을 형성하는 액체 에어로졸 형성 기재를 사용한다. 전자 담배는 통상적으로 전력 공급부, 액체 에어로졸 형성 기재의 공급을 유지하기 위한 액체 저장부 및 분무기(atomiser)를 포함하고 있다.

액체 에어로졸 형성 기재는 사용시 소진되게 되어 보충될 필요가 있다. 액체 에어로졸 형성 기재의 리필을 공급하는 가장 일반적인 방식은 카토마이저(cartomiser) 유형 카트리지이다. 카토마이저는 통상적으로 에어로졸 형성 기재 내에 적셔진 모세관 물질 주위에 감긴 전기 작동식 저항 히터 형태로, 액체 기재의 공급부 및 분무기 양쪽을 포함하고 있다. 카토마이저를 단일 유닛으로서 교체하게 되면 사용자에게 편리한 혜택을 주며, 사용자가 세정하거나 그렇지 않으면 분무기를 유지해야 할 필요성을 회피한다.

(특허문헌 1) 미국 특허출원공개공보 US2012/0234315호

그러나, 여전히 소비자들이 사용하기 쉽고 편리하면서, 오늘날 입수 가능한 카토마이저들보다 생산 비용이 적고 더 견고한 에어로졸 형성 기재의 리필을 가능하게 하는 시스템을 제공할 수 있는 것이 바람직할 것이다. 또한, 납땜 접합부들이 필요하지 않고 세정하기 쉬운 밀봉된 장치를 허용하는 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

일 측면에서, 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템에서 사용하기 위한 카트리지가 제공되어 있으며, 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템은 에어로졸 발생 장치를 포함하고, 카트리지는 장치에서 사용되도록 구성되어 있고, 여기서 장치는 장치 하우징; 장치 하우징 내에 위치한 인덕터 코일; 및 인덕터 코일에 연결되어 있고 인덕터 코일에 고주파 진동 전류를 공급하도록 구성되어 있는 전력 공급부를 포함하고; 카트리지는 에어로졸 형성 기재를 포함하는 카트리지 하우징으로, 상기 하우징은 공기가 흐를 수 있는 내부 통로를 둘러싸고 있는 내부 표면을 가지는, 상기 카트리지 하우징; 및 에어로졸 형성 기재를 가열하도록 위치한 서셉터 요소를 포함하고 있다.

유리하게는, 상기 하우징의 내부 표면의 적어도 일부분은 유체 투과성이다. 본원에서 사용된 바와 같이, "유체 투과성" 요소는 액체 또는 기체가 그것을 통해 투과할 수 있게 하는 요소를 의미한다. 하우징은 유체가 이를 통해 투과할 수 있도록 그 안에 형성된 복수의 개구부를 가질 수도 있다. 특히, 상기 하우징은 기상으로든지 또는 기상 및 액상 모두에서, 에어로졸 형성 기재가 이를 통해 투과할 수 있게 허용한다.

작동시, 고주파 진동 전류는 평평한 나선형 인덕터 코일(flat spiral inductor coil)을 통과해서 서셉터 요소 내에 전압을 유도하는 교번 자기장(alternating magnetic field)을 발생시킨다. 유도된 전압은 전류가 서셉터 요소에 흐르게 하고, 이 전류는 결국에는 에어로졸 형성 기재를 가열하는 서셉터의 줄 가열(Joule heating)을 야기한다. 서셉터 요소가 강자성이라면, 서셉터 요소 내의 이력 손실(hysteresis loss)이 또한 열을 발생시킬 수도 있다. 기화된 에어로졸 형성 기재는 서셉터 요소를 통과하고 그 후에 냉각되어서 사용자에게 전달되는 에어로졸을 형성할 수 있다.

유도 가열을 사용하는 이 배열은 카트리지와 장치 사이에 전기 접점들을 형성할 필요가 없다는 이점을 가지고 있다. 그리고, 가열 요소, 이 경우에는 서셉터 요소는 임의의 다른 구성요소들에 전기적으로 연결될 필요가 없어서, 납땜 또는 다른 접합 요소들의 필요성을 없앤다. 또한, 코일이 장치의 일부로서 제공되어서, 간단하고 저가이며 견고한 카트리지를 구성할 수 있게 한다. 카트리지들은 통상적으로 그들이 작동하는 장치들보다 훨씬 더 많은 수로 생산된 일회용 물품이다. 따라서, 카트리지들의 비용을 감축하면, 더 고가의 장치가 필요한 경우이더라도 제조사 및 소비자 모두에게 상당한 비용 절감으로 이어질 수 있다.

도 1은 평평한 나선형 인덕터 코일을 사용하는 에어로졸 발생 시스템의 제1 구현예의 개략도이고;
도 2는 도 1의 카트리지를 보여주고 있고;
도 3은 도 1의 인덕터 코일을 보여주고 있고;
도 4는 제2 구현예의 개략도이고;
도 5는 제3 구현예의 개략도이고;
도 6은 도 5의 카트리지의 말단도이고;
도 7은 도 5의 인덕터 코일 및 코어를 보여주고 있고;
도 8a는 인덕터 코일용 고주파 신호를 발생시키기 위한 구동 회로의 제1 예이고;
도 8b는 인덕터 코일용 고주파 신호를 발생시키기 위한 구동 회로의 제2 예이다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 고주파 진동 전류는 500kHz와 30MHz 사이의 주파수를 갖는 진동 전류를 의미한다. 고주파 진동 전류는 1과 30MHz사이, 바람직하게는 1과 10MHz 사이, 보다 바람직하게는 5와 7MHz 사이의 주파수를 가질 수도 있다.

기류를 위해 카트리지 내에 내부 통로를 제공함으로써 컴팩트한 시스템을 가능하게 한다. 또한, 시스템이 휴대용 시스템일 때 유리하도록 대칭적이고 균형이 맞게 시스템이 제조될 수 있게 한다. 기류를 위한 내부 통로는 또한 장치로부터의 열 손실을 최소화하고, 장치 및 카트리지의 하우징이 쉽게 잡기 편한 온도로 유지될 수 있게 한다. 기류 속의 기화된 에어로졸 형성 기재는 내부 통로 내에 냉각되고 에어로졸을 형성할 수 있다.

에어로졸 형성 기재는 내부 통로를 둘러싸고 있는 환형 공간에 보유될 수도 있다. 카트리지는 일반적으로 원통형 형상을 가질 수도 있으며, 원형, 육각형, 팔각형 또는 십각형 같은 임의의 원하는 단면을 가질 수도 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, “서셉터 요소(susceptor element)”는 가변 자기장(changing magnetic field)으로 된 때에 가열되는 전도성 요소를 의미한다. 이는 서셉터 요소 내에 유도된 와전류(eddy current) 및/또는 이력 손실(hysteresis loss)의 결과일 수 있다. 서셉터 요소 용으로 가능한 재료는 그라파이트, 몰리브덴, 실리콘 카바이드, 스테인레스 스틸, 니오븀, 알루미늄, 및 거의 모든 다른 전도성 요소를 포함한다. 유리하게는, 서셉터 요소는 페라이트 요소(ferrite element)이다. 서셉터 요소의 물질 및 기하학적 구조는 원하는 전기 저항 및 열 발생을 제공하도록 선택될 수 있다. 서셉터 요소는 메쉬, 평평한 나선형 코일, 인테리어 호일, 섬유, 직물 또는 로드를 포함하고 있을 수도 있다.

유리하게는, 서셉터 요소는 상기 에어로졸 형성 기재와 접촉하고 있다. 서셉터 요소는 상기 내부 표면의 일부 또는 전부를 형성하고 있을 수도 있다. 서셉터 요소는 유리하게는 유체 투과성일 수도 있다.

서셉터 요소는 카트리지 하우징 내의 개구부를 가로질러서 연장되어 있는 시트로 제공될 수도 있다. 서셉터 요소는 카트리지 하우징의 내부 또는 외부 주변부 주위로 연장되어 있을 수도 있다.

대안적으로, 서셉터 요소는 카트리지의 내부 통로를 가로질러 연장되어 있는 모세관 심지를 포함하고 있을 수도 있다. 상기 심지는 복수의 섬유를 포함하고 있을 수도 있다.

유리하게는, 서셉터 요소는 1과 40000 사이의 상대 투과성을 가지고 있다. 대부분의 가열 동안에 와전류에 대한 의존이 요망되는 경우, 낮은 투과성 물질이 사용될 수도 있고, 이력 효과가 요망되면 높은 투과성 물질이 사용될 수도 있다. 바람직하게는, 물질은 500과 40000 사이의 상대 투과성을 가지고 있다. 이는 효율적인 가열을 제공한다.

서셉터 요소의 물질은 그의 퀴리(Curie) 온도 때문에 선택될 수도 있다. 그것의 퀴리 온도 위에서 물질은 더 이상 강자성이 아니고 그래서 이력 손실로 인한 가열이 더 이상 생기지 않는다. 서셉터 요소가 하나의 단일 물질로 이루어진 경우, 퀴리 온도는 서셉터 요소가 가져야만 하는 최대 온도에 대응할 수도 있다(즉, 퀴리 온도는 서셉터 요소가 가열되어야 하는 최대 온도와 일치하거나 이 최대 온도로부터 약 1-3%만큼 벗어난다). 이는 급속한 과열의 가능성을 감소시킨다.

서셉터 요소가 하나보다 많은 물질로 이루어진 경우, 서셉터 요소의 물질들은 또 다른 측면들에 대하여 최적화될 수 있다. 예를 들면, 물질들은 서셉터 요소가 가열되어야 하는 최대 온도보다 높은 퀴리 온도를 가질 수도 있도록 선택될 수 있다. 그런 다음, 서셉터 요소의 제1 물질은, 예를 들면 최대 열 발생 및 에어로졸 형성 기재로의 전달에 대하여 최적화되어서, 한 손으로 서셉터의 효율적인 가열을 제공할 수도 있다. 그러나, 서셉터 요소는 이 서셉터 요소가 가열되어야 하는 최대 온도에 대응하는 퀴리 온도를 갖는 제2 물질을 추가적으로 포함할 수도 있고, 서셉터 요소가 이 퀴리 온도에 도달되면 서셉터 요소의 자기 특성이 전체적으로 변한다. 이러한 변화가 탐지되어 마이크로컨트롤러에 전달될 수 있고, 그러면 마이크로컨트롤러는 온도가 재차 퀴리 온도 아래로 냉각될 때까지 AC 전력의 발생을 중단시키고, 그 후에 AC 전력 발생이 재개될 수 있다.

카트리지 하우징의 대부분은 바람직하게는 액체에 불투과성인 물질을 포함하고 있는 강성 하우징이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 “강성 하우징”은 자립형 하우징을 의미한다.

에어로졸 형성 기재는 에어로졸을 형성할 수 있는 휘발성 화합물들을 방출할 수 있는 기재이다. 휘발성 화합물들은 에어로졸 형성 기재를 가열하여 방출될 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는, 고체 또는 액체일 수도 있고, 또는 고체 성분과 액체 성분 모두를 포함할 수도 있다.

에어로졸 형성 기재는 식물계 물질을 포함하고 있을 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 담배를 포함하고 있을 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 가열시에 에어로졸 형성 기재로부터 방출되는, 휘발성 담배 향미 화합물들을 함유하는 담배 함유 물질을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는, 대안으로, 비-담배 함유 물질을 포함하고 있을 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 균질화된 식물계 물질을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 균질화된 담배 물질을 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 적어도 하나의 에어로졸 형성제를 포함하고 있을 수도 있다. 에어로졸 형성제는, 사용시 치밀하고 안정한 에어로졸의 형성을 용이하게 하고 시스템의 작동 온도에서 열 감성에 대하여 실질적으로 견디는 임의의 적절한 공지된 화합물 또는 화합물들의 혼합물이다. 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. 바람직한 에어로졸 형성제는 다가 알코올 또는 그의 혼합물, 예를 들면 트리에틸렌 글리콜, 1,3-부탄디올이고, 가장 바람직하게는 글리세린이다. 에어로졸 형성 기재는 다른 첨가제 및 향미제와 같은 재료를 포함할 수도 있다.

에어로졸 형성 기재는 담체 또는 지지부 상에 흡착되거나, 코팅되거나, 함침되거나 또는 이와 달리 로딩될 수도 있다. 한 구현예에서, 에어로졸 형성 기재는 모세관 물질 내에 보유된 액체 기재이다. 모세관 물질은 섬유상 또는 스폰지 구조체를 가질 수도 있다. 모세관 물질은 바람직하게는 모세관들의 다발을 포함하고 있다. 예를 들면, 모세관 물질은 복수의 섬유 또는 실 또는 기타 미세 구멍 관들을 포함할 수도 있다. 섬유들 또는 실들은 일반적으로 액체를 히터에 전달하도록 정렬되어 있을 수도 있다. 대안적으로, 모세관 물질은 스폰지류 또는 발포체류 물질을 포함할 수도 있다. 모세관 물질의 구조는 액체가 모세관 작용에 의해 운반될 수 있는 복수의 작은 구멍 또는 관을 형성하고 있다. 모세관 물질은 임의의 적절한 물질 또는 물질들의 조합을 포함하고 있을 수도 있다. 적절한 물질의 예로는 스폰지 또는 발포체 물질, 섬유 또는 소성된 분말 형태의 세라믹계 또는 그라파이트계 물질, 발포된 금속 또는 플라스틱 물질, 예를 들면 초산 셀룰로오스, 폴리에스테르, 또는 결합된 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 테릴렌 또는 폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유 또는 세라믹과 같은 스펀 또는 압출된 섬유로 이루어진 섬유상 물질이다. 모세관 물질은 상이한 액체 물성과 함께 사용되도록 임의의 적절한 모세관 현상 및 다공성을 가질 수 있다. 액체는 이에 한정되지는 않지만 점도, 표면 장력, 밀도, 열 전도성, 비등점 및 증기압을 포함하는 물성을 가지고 있으며, 모세관 작용에 의해 액체가 모세관 물질을 통해 운반될 수 있게 한다. 모세관 물질은 에어로졸 형성 기재를 서셉터 요소에 전달하도록 구성될 수도 있다. 모세관 물질은 서셉터 요소에서의 간극들 내로 연장되어 있을 수도 있다.

서셉터 요소는 카트리지 하우징이 장치 하우징과 체결될 때 인덕터 코일에 인접하게 위치하도록 구성되어 있는 카트리지 하우징의 벽면 상에 제공되어 있을 수도 있다. 사용시, 서셉터 요소 내에 유도된 전압을 최대화하기 위해서 인덕터 코일에 근접한 서셉터 코일을 갖는 것이 유리하다.

제2 측면에서, 에어로졸 발생 장치 및 제1 측면에 따른 카트리지를 포함하고 있는 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템이 제공되어 있으며, 상기 장치는

장치 하우징;

상기 장치 하우징 내에 위치한 인덕터 코일; 및

상기 인덕터 코일에 연결되어 있고 상기 인덕터 코일에 고주파 진동 전류를 공급하도록 구성되어 있는 전력 공급부를 포함하고; 여기서, 사용시, 인덕터 코일에 의해 발생된 자기장이 상기 카트리지 내의 서셉터 물질 내에 열 발생을 야기한다.

카트리지가 장치 하우징과 체결될 때 기류 통로가 인덕터 코일과 서셉터 요소 사이에 제공되어 있을 수도 있다. 기화된 에어로졸 형성 기재는 기류 통로 내에 흐르는 공기에 연행될 수도 있으며, 이어서 냉각되어서 에어로졸을 형성한다.

상기 장치 하우징은 카트리지가 장치 하우징과 체결될 때 카트리지의 적어도 일부분을 수용하기 위한 공동을 정의할 수도 있고, 여기서 인덕터 코일은 상기 공동 내부, 주위 또는 인접하여 위치하고 있다. 인덕터 코일은 카트리지가 상기 공동 내에 수용될 때 카트리지의 외부 측에 위치될 수도 있다. 카트리지가 공동 내에 수용될 때 상기 인덕터 코일은 카트리지를 둘러싸고 있을 수도 있다. 인덕터 코일은 공동의 내부 표면에 합치하도록 성형될 수도 있다.

대안적으로, 인덕터 코일은 카트리지가 공동 내에 수용될 때에 공동 내부에 있을 수도 있다. 일부 구현예에서, 인덕터 코일은 카트리지가 장치 하우징과 체결될 때 내부 통로 내부에 있다.

상기 장치는 본체 및 마우스피스부를 포함할 수도 있다. 공동은 본체 내에 있을 수도 있고 마우스피스부는 상기 시스템에 의해 발생된 에어로졸이 사용자의 입 안으로 흡인될 수도 있는 유출부를 가질 수도 있다. 인덕터 코일은 마우스피스부 내에 또는 본체 내에 있을 수도 있다.

대안적으로, 마우스피스부는 카트리지의 일부로서 제공되어 있을 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 마우스피스부(mouthpiece portion)는 에어로졸 발생 시스템에 의해 발생된 에어로졸을 직접 흡입하기 위해서 사용자의 입 안에 놓이는 장치 또는 카트리지의 일부를 의미한다. 에어로졸은 마우스피스를 통해 사용자의 입으로 전달된다

상기 장치는 단일의 인덕터 코일 또는 복수의 인덕터 코일을 포함하고 있을 수도 있다. 인덕터 코일 또는 코일들은 나선형 코일들(helical coils) 또는 평평한 나선형 코일들(flat spiral coils)일 수도 있다. 인덕터 코일은 페라이트 코어 주위에 감겨져 있을 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 “평평한 나선형 코일(flat spiral coil)”은 일반적으로 평면형 코일인 코일을 의미하며, 이때 코일의 권선 축이 코일이 놓이는 표면에 법선이다. 그러나, 본 명세서 사용되는 바와 같이 용어 “평평한 나선형 코일”은 평면형인 코일들 뿐만 아니라 만곡된 표면에 부합하도록 형상을 가진 평평한 나선형 코일들을 포함하고 있다. 평평한 나선형 코일을 사용하면 견고하고 제조 비용이 저렴한 단순한 디자인을 갖는 컴팩트 장치 디자인을 가능하게 한다. 코일은 장치 하우징 내부에 보유될 수 있고 발생된 에어로졸에 노출될 필요가 없어 코일 상의 피착 및 있을 수 있는 부식이 방지될 수 있다. 평평한 나선형 코일을 사용하면 또한 장치와 카트리지 간의 단순한 경계면을 가능하게 해서, 단순하고 저가의 카트리지 디자인을 가능하게 한다. 평평한 나선형 인덕터는 코일의 평면 내부에 임의의 원하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 평평한 나선형 코일은 원형 형상을 가질 수도 있고 또는 대략 직사각형 형상을 가질 수도 있다.

인덕터 코일은 서셉터 요소의 형상과 매칭하는 형상을 가질 수도 있다. 코일은 5mm와 10mm 사이의 직경을 가질 수도 있다.

상기 시스템은 인덕터 코일 및 전기 전원에 연결된 전기 회로를 더 포함할 수도 있다. 전기 회로는 프로그래밍가능한 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 또는 ASIC(주문형 반도체)이나 제어를 제공할 수 있는 다른 전기 회로일 수 있는 마이크로프로세서를 포함할 수도 있다. 전기 회로는 전기 구성요소들을 더 포함하고 있을 수도 있다. 전기 회로는 코일에 대한 전류 공급을 조절하도록 구성되어 있을 수도 있다. 전류는 인덕터 코일에 공급되어서 시스템의 활성화를 연속적으로 수반할 수도 있거나, 또는 예를 들면 퍼프마다를 기준으로 간헐적으로 공급될 수도 있다. 전기 회로는 유리하게는 클래스-D 또는 클래스-E 전력 증폭기를 포함하고 있는 DC/AC 인버터를 포함할 수도 있다.

상기 시스템은 유리하게는 하우징의 본체 내부에 전력 공급부, 통상적으로 리튬 철 인산염 배터리와 같은 배터리를 포함하고 있다. 대안적으로서, 전력 공급부는 콘덴서와 같은 다른 형태의 전하 저장 장치일 수도 있다. 전력 공급부는 재충전을 필요로 할 수도 있고 하나 이상의 흡연 체험을 위해 충분한 에너지의 저장을 허용하는 용량을 가질 수도 있다. 예를 들면, 전력 공급부는 통상의 궐련을 흡연하는 데에 걸리는 통상적인 시간에 대응하여, 약 6분의 기간 동안, 또는 6분의 2배인 기간 동안 에어로졸의 연속적인 발생을 허용하기에 충분한 용량을 가질 수도 있다. 다른 실시예에서, 전력 공급부는 미리 정해진 수의 퍼프 또는 인덕터 코일의 개별 활성화를 허용하기에 충분한 용량을 가질 수도 있다.

상기 시스템은 전기 작동식 흡연 시스템일 수도 있다. 상기 시스템은 휴대형 에어로졸 발생 시스템일 수도 있다. 에어로졸 발생 시스템은 통상의 엽궐련 또는 궐련에 필적한 크기를 가질 수도 있다. 흡연 시스템은 대략 30mm와 대략 150mm 사이의 총 길이를 가질 수도 있다. 흡연 시스템은 대략 5mm와 대략 30mm 사이의 외부 직경을 가질 수도 있다.

하나의 측면에 관하여 설명된 특징들은 본 발명의 다른 측면들에 적용될 수도 있다. 특히 본 발명의 제1 측면에 관하여 설명된 유리하거나 선택적인 특징들은 본 발명의 제2 측면에 적용될 수도 있다.

이제 본 발명에 따른 시스템의 구현예들이 첨부된 도면을 참조하여 예로서만 상세히 설명될 것이다.

도면들에 도시된 구현예들은 모두 유도 가열(inductive heating)에 따른다. 유도 가열은 가열될 전기 전도성 물품을 시변 자기장(time varying magnetic field)에 배치하여 작동한다. 와전류(eddy current)가 전도성 물품 내에 유도된다. 전도성 물품이 전기적으로 격리된 경우, 와전류들은 전도성 물품의 줄(Joule) 가열에 의해 소실된다. 에어로졸 형성 기재를 가열하여 작동하는 에어로졸 발생 시스템에서, 에어로졸 형성 기재는 통상적으로 그 자체가 이러한 방식으로 유도 가열되기에 충분히 전기 전도성이 아니다. 그래서, 도면들에 도시된 구현예들에서, 가열되는 전도성 물품으로서 서셉터 요소가 사용되고, 그런 다음 에어로졸 형성 기재가 열 전도, 대류 및/또는 방사에 의해 서셉터 요소에 의해 가열된다. 강자성 서셉터 요소가 사용되는 경우, 자기(magnetic) 도메인들이 서셉터 요소 내부로 스위칭되면서 이력 손실에 의해 열이 또한 발생될 수도 있다.

설명된 구현예들 각각은 인덕터 코일을 사용해서 시변 자기장을 발생시킨다. 인덕터 코일은 상당한 줄 가열을 겪지 않도록 디자인되어 있다. 반대로, 서셉터 요소는 서셉터의 상당한 줄 가열이 있도록 디자인되어 있다.

도 1은 제1 구현예에 따른 에어로졸 발생 시스템의 개략도이다. 이 시스템은 장치(100) 및 카트리지(200)를 포함하고 있다. 장치는 리튬 철 인산염 배터리(102) 및 제어 전자기기들(104)을 함유하는 주 하우징(101)을 포함하고 있다. 주 하우징(101)은 또한 카트리지(200)가 수용되는 공동(112)을 정의하고 있다. 또한 장치는 유출부(124)를 포함하고 있는 마우스피스부(120)를 포함하고 있다. 마우스피스부는 이 실시예에서 경첩식 연결에 의해 주 하우징(101)에 연결되어 있지만, 임의의 종류의 연결, 예를 들면 스냅 끼워맞춤 또는 나사 끼워맞춤이 사용될 수도 있다. 공기 유입부들(122)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 마우스피스부가 밀폐 위치에 있을 때에 마우스피스부(120)와 본체(101) 사이에 정의되어 있다.

마우스피스부 내부에는, 공동(112)의 측벽들에, 평평한 나선형 인덕터 코일(110)이 있다. 코일(110)은 구리 시트로부터 나선형 코일을 찍어내거나 절단하여 형성된다. 코일(110)은 도 3에 더 명확하게 도시되어 있다. 장치 하우징이 대체로 원형 단면을 갖는 경우, 코일(110)은 장치 하우징의 만곡된 형상에 맞도록 형상을 가질 수 있다. 코일(110)은 공동의 양 쪽에 위치하고 있으며 상기 공동 내에 연장되어 있는 자기장을 생성한다.

카트리지(200)는 모세관 물질을 보유하며 액체 에어로졸 형성 기재로 채워진 카트리지 하우징(204)을 포함하고 있다. 도 1의 카트리지(200)는 더욱 선명하게 도 2에 도시된 바와 같이 중공 원통형 형상을 가지고 있다. 카트리지 하우징(204)은 주로 액체 불투과성이다. 카트리지(200)의 내부 표면(212), 즉 내부 통로(216)를 둘러싸고 있는 표면은 유체 투과성 서셉터 요소(210), 이 실시예에서는 페라이트 메쉬를 포함하고 있다. 페라이트 메쉬는 카트리지의 전체 내부 표면 또는 도 1에 도시된 바와 같이 카트리지의 내부 표면의 일부분에만 늘어서 있을 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 메쉬의 간극들 내에 메니스커스(meniscus)를 형성할 수 있다. 서셉터에 대한 다른 옵션은 개방 메쉬 구조를 갖는, 그라파이트 직물이다.

카트리지(200)가 장치와 체결되고 공동(112) 내에 수용될 때, 서셉터 요소(210)는 평평한 나선형 코일(110)에 의해 발생된 자기장 내에 위치하게 된다. 카트리지(200)는 장치에 부정확하게 삽입될 수 없도록 보장하기 위해 조종 특징부(keying feature)들을 포함할 수도 있다.

사용시, 사용자는 마우스피스부(120) 위를 퍼프해서 공기를 공기 유입부들(164)을 통해, 서셉터 요소(262)를 지나서, 마우스피스부(120) 내로 그리고 유출부(124)로부터 나와서 사용자의 입 안으로 흡인한다. 퍼프가 탐지될 때, 제어 전자기기들은 고주파 진동 전류를 코일(110)에 공급한다. 이는 진동 자기장을 발생시킨다. 진동 자기장은 서셉터 요소를 통과해서, 서셉터 요소 내에 와전류들을 유도한다. 서셉터 요소는 줄 가열의 결과로서 그리고 서셉터 요소 내의 이력 손실들의 결과로서 가열되어, 서셉터 요소에 근접한 에어로졸 형성 기재를 기화시키기에 충분한 온도에 도달하게 된다. 기화된 에어로졸 형성 기재는 공기 유입부들로부터 공기 유출부로, 내부 통로(216)를 통해 흐르는 공기에 연행되고 냉각되어 사용자의 입으로 들어가기 전에 마우스피스부 내부에 에어로졸을 형성한다. 제어 전자기기들은 퍼프의 탐지 후 미리 정해진 지속기간, 이 실시예에서는 5초 동안 진동 전류를 코일에 공급하고, 그런 다음 새로운 퍼프가 탐지될 때까지 스위치로 전류를 끈다.

카트리지가 단순하고 견고한 디자인을 갖는 것을 볼 수 있는데, 시장에서 입수 가능한 카토마이저(cartomiser)들에 비해서 저렴하게 제조될 수 있다. 증기가 카트리지에 의해 정의된 중공형 공간 내에서 냉각되면서, 중공 카트리지의 사용은 시스템의 더 짧은 전체 길이를 허용한다.

도 4는 제2 구현예를 도시하고 있다. 퍼프 탐지 기구를 포함하여 도 1에 도시된 바와 같이 동일한 배터리 및 제어 전자기기들이 사용될 수 있으므로 도 4에는 시스템의 전방 말단만이 도시되어 있다. 도 4에 도시된 카트리지(200)는 도 1에 도시된 것과 동일하다. 그러나, 도 4의 장치는 서셉터 요소(210)에 근접해서 진동 자기장을 발생시키도록 카트리지의 중앙 통로(216) 내로 연장되어 있는 지지 블레이드(136) 상의 평평한 나선형 인덕터 코일(132)을 포함하고 있는 다른 구성을 가지고 있다. 도 4의 구현예의 동작은 도 1에 도시된 것과 동일하다.

도 5는 제3 구현예를 도시하고 있다. 퍼프 탐지 기구를 포함하여 도 1에 도시된 바와 같이 동일한 배터리 및 제어 전자기기들이 사용될 수 있으므로 도 5에는 시스템의 전방 말단만이 도시되어 있다.

도 5의 장치는 장치의 하우징(150)이 카트리지(250)가 수용되는 공동을 정의한다는 점에서 도 1의 장치에 유사하다. 또한 장치는 유출부(124)를 포함하고 있는 마우스피스부(120)를 포함하고 있다. 마우스피스부는 도 1에서와 같이 경첩식 연결에 의해 주 하우징(101)에 연결되어 있다. 공기 유입부(154)는 본체(150)에 정의되어 있다. 공동의 기저부에서 C-형 페라이트 코어(153)의 주위에 권취된 나선형 코일(152)이 있다. 상기 코일(152)에 의해 발생된 자기장이 공동으로 연장되도록 C-형 코어가 배향되어 있다. 도 7는 코어 및 코일 조립체 만을 도시하고 있으며, 자기장 패턴이 점선으로 도시되어 있다.

도 5의 카트리지는 도 6에서 말단도로 도시되어 있다. 카트리지 하우징(250)은 도 1 및 도 2에서와 같이 그것을 통해 중앙 통로(256)를 갖는 원통형 모양을 가지고 있다. 에어로졸 형성 기재는 하우징(250) 내의 모세관 요소에 보유될 수 있기 전에, 중앙 통로를 둘러싸고 있는 환형 공간에 보유된다. 모세관 심지(252)는 중앙 통로(256)에 걸쳐 있는, 카트리지의 일 말단에 제공되어 있다. 모세관 심지(252)는 페라이트 섬유로 형성되며 에어로졸 형성 기재 용 심지와, 코일(152)에 의해 유도 가열된 서셉터로서 모두 작용한다.

사용시, 에어로졸 형성 기재는 페라이트 심지(252) 내로 흡인된다. 퍼프가 감지되면, 상기 코일(152)이 활성화되고, 진동 자기장이 생성된다. 심지에 걸쳐 변화하는 자속은 심지에 와전류 및 이력 손실을 유도하며, 심지 내 에어로졸 형성 기재를 가열하고, 기화시키는 원인이 된다. 기화된 에어로졸 형성 기재는 사용자가 마우스피스부를 퍼프해서 공기 유입부(154)로부터 유출부(124)로 시스템을 통해 흡인되는 공기에 연행된다. 공기는 에어로졸 형성 실의 역할을 하는 내부 통로(256)를 통해 흐르며, 유출부(124)로 주행함에 따라 공기와 증기를 냉각시킨다.

상기 설명된 모든 구현예는 근본적으로 동일한 전자 회로(104)에 의해 구동될 수도 있다. 도 8a는 클래스-E 전력 증폭기를 사용하여, 고주파 진동 전류를 인덕터 코일에 공급하는 데에 사용된 회로의 제1 실시예를 도시하고 있다. 도 8a로부터 볼 수 있는 바와 같이, 회로는 전계 효과 트랜지스터(FET)(1110), 예를 들면 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 포함하고 있는 트랜지스터 스위치(1100)를 포함하고 있는 클래스-E 전력 증폭기, FET(1110)에 스위칭 신호(게이트-소스 전압)를 공급하기 위한 화살표(1120)로 표시된 트랜지스터 스위치 공급 회로, 및 분로 콘덴서(shunt capacitor)(C1) 및 직렬 연결의 콘덴서(C2) 및 인덕터(L2)를 포함하고 있는 LC 부하 네트워크(1130)를 포함하고 있다. 배터리(101)를 포함하고 있는 DC 전원은 초크(L1)를 포함하고, DC 공급 전압을 공급한다. 또한, 도 16a에는 (L2)로 표기된 인덕터 코일의 옴 저항(R_Coil)과 서셉터 요소의 옴 저항(R_Load)의 합인 총 옴 부하(1140)를 표현하는 옴 저항(R)이 도시되어 있다.

매우 적은 수의 구성요소들로 인해, 전력 공급부 전자기기들의 부피가 매우 작게 유지될 수 있다. 전력 공급부 전자기기들의 이러한 매우 작은 부피는 서셉터 요소에 유도 결합하기 위한 인덕터로서 직접 사용되는 LC 부하 네트워크(1130)의 인덕터(L2)에 의해 가능하고, 이러한 작은 부피는 전체 유도 가열 장치의 전체 치수가 작게 유지될 수 있게 한다.

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(1120)가 직사각형 프로파일을 갖는 스위칭 전압(FET의 게이트-소스 전압)을 FET(1110)에 공급하는 것으로 가정하기로 한다. FET(1321)가 가동중(“켜짐” 상태)에 있는 한, 이는 근본적으로 단락 회로(저 저항)를 구성하고 전체 전류가 초크(L1) 및 FET(1110)를 통해 흐른다. FET(1110)가 비-가동중(“꺼짐” 상태)에 있을 때, FET(1110)가 근본적으로 개방 회로(고 저항)를 나타내므로, 전체 전류가 LC 부하 네트워크 내로 흐른다. 이러한 두 개의 상태 간에 트랜지스터를 스위칭하여, 공급되는 DC 전압과 DC 전류를 AC 전압과 AC 전류로 인버팅한다.

서셉터 요소를 효율적으로 가열하기 위해서, 가능한 한 많은 공급 DC 전력이 AC 전력의 형태로 인덕터(L2)에 전송되고 이어서 인덕터(L2)에 유도 결합되는 서셉터 요소에 전송된다. 서셉터 요소에서 소실된 전력(와전류 손실들, 이력 손실들)은 상기에서 더 설명되어 있는 바와 같이, 서셉터 요소 내에 열을 발생시킨다. 즉, 서셉터 요소 내의 전력 소실을 최대화하는 반면, FET(1110) 내의 전력 소실은 최소화되어야 한다.

AC 전압/전류의 한 주기 동안의 FET(1110) 내의 전력 손실은 교류 전압/전류의 해당 주기 동안의 각 시점에서의 트랜지스터 전압 및 전류의 곱이고, 해당 주기에 걸쳐서 적분되고, 해당 주기에 걸쳐서 평균화된다. FET(1110)가 해당 주기의 일부 동안에 고 전압을 지속하고 해당주기의 일부 동안에 고 전류를 전도해야 하기 때문에, 고 전압 및 고 전류가 동시에 존재하는 것이 회피되어야 하며, 이는 FET(1110) 내의 실질적인 전력 소실로 이어질 것이기 때문이다. FET(1110)가 “켜짐” 상태에서, 트랜지스터 전압은 고 전류가 FET를 통해 흐를 때에 거의 0이다. FET(1110)가 “꺼짐” 상태에서, 트랜지스터 전압은 높지만 FET(1110)를 통하는 전류는 거의 0이다.

또한, 스위칭 변환은 불가피하게 기간의 일부 부분에 걸쳐 연장되어 있다. 그럼에도 불구하고, FET(1110) 내의 고 전력 손실을 표현하는 고 전압-전류 곱이 다음의 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 분로 콘덴서(C1) 및 직렬 연결의 콘덴서(C2) 및 인덕터(L2)를 포함하고 있는 부하 네트워크(1130)에 의해 달성되고, 이 부하 네트워크가 FET(1110)와 부하(1140) 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. (L1), (C1) 및 (C2)의 값은 서셉터 요소 내의 전력의 효율적인 소실을 최대화하도록 선택될 수 있다.

클래스-E 전력 증폭기가 본 발명에 따른 대부분의 시스템에서 바람직하지만, 다른 회로 구성을 사용할 수도 있다. 도 8b는 클래스-D 전력 증폭기를 사용하여, 고주파 진동 전류를 인덕터 코일에 공급하는 데에 사용된 회로의 제2 실시예를 도시하고 있다. 도 8b의 회로는 2개의 트랜지스터(1210, 1212)에 연결된 배터리(101)를 포함하고 있다. 2개의 스위칭 요소(1220, 1222)는 2개의 트랜지스터(1210, 1212)를 스위치로 켜고 끄기 위해 제공되어 있다. 스위치들은 2개의 트랜지스터(1210, 1212) 중 하나가 2개의 트랜지스터 중 다른 하나가 스위치로 켜진 시점에서 스위치로 꺼지는 것을 확실히 하도록 하는 방식으로 고주파수로 제어된다. 인덕터 코일도 역시 (L2)로 표시되고 코일 및 서셉터 요소의 조합된 옴 저항이 (R)로 표시된다. (C1) 및 (C2)의 값은 서셉터 요소 내의 전력의 효율적인 소실을 최대화하도록 선택될 수 있다.

서셉터 요소는, 이 서셉터 요소가 가열되어야 하는 원하는 온도에 가까운 퀴리(Curie) 온도를 갖는 물질 또는 물질들의 조합으로 이루어질 수 있다. 서셉터 요소의 온도가 이 퀴리 온도를 초과하면, 물질이 그의 강자성 특성들을 상자성(paramagnetic) 특성으로 변화시킨다. 따라서, 서셉터 요소 내의 에너지 소실은 상자성 특성을 갖는 물질의 이력 손실들이 강자성 특성을 갖는 물질보다도 매우 낮기 때문에 상당히 감소된다. 서셉터 요소 내의 이러한 감소된 전력 소실이 탐지될 수 있고, 그런 다음, 예를 들면 서셉터 요소가 재차 퀴리 온도 이하로 냉각되고 그의 강자성 특성을 회복할 때까지 DC/AC 인버터에 의한 AC 전력의 생성이 중단될 수 있다. 그런 다음, DC/AC 인버터에 의한 AC 전력의 생성이 다시 재개될 수도 있다.

본 발명에 따른 서셉터 요소를 포함하고 있는 다른 카트리지 디자인들이 이제 당업자에게 이해될 수 있다. 예를 들면, 카트리지는 마우스피스부를 포함하고 있을 수도 있고 임의의 원하는 형상을 가질 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 코일 및 서셉터 배열은 이미 설명된 것과 다른 유형의 시스템, 예를 들면 가습기, 공기 청정기, 및 다른 에어로졸 발생 시스템에서 사용될 수 있다.

전술한 예시적인 구현예들은 예시일 뿐이며 한정적인 것이 아니다. 상기한 예시적인 구현예들의 관점에서, 이제 상기 예시적인 구현예와 일치하는 다른 구현예들이 당업자에게 명백할 것이다.

100: 장치
101: 하우징, 배터리
102: 배터리
104: 전자기기
110: 코일
112: 공동
120: 마우스피스
122: 유입부
124: 유출부
132: 코일
136: 블레이드
150: 하우징, 본체
152: 코일
153: 코어
154: 유입부
164: 유입부
200: 카트리지
204: 하우징
200: 카트리지
210: 서셉터 요소
212: 내부 표면
216: 내부 통로
250: 카트리지 하우징
252: 모세관 심지
256: 통로
260: 카트리지
262: 서셉터 요소
1100: 스위치
1120: 화살표, 공급 회로
1130: 네트워크
1140: 부하
1110: 트랜지스터
1210,1212: 트랜지스터
1220,1222: 스위칭 요소
1321:FET
C1,C2:콘덴서
L1: 초크
L2: 인덕터
R: 옴 저항

Claims (14)

1. 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템에서 사용하기 위한 카트리지로, 상기 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템은 에어로졸 발생 장치를 포함하되, 상기 카트리지는 상기 장치에서 사용되도록 구성되어 있고, 여기서 상기 장치는 장치 하우징; 상기 장치 하우징 내에 위치한 인덕터 코일; 및 상기 인덕터 코일에 연결되어 있고 상기 인덕터 코일에 고주파 진동 전류를 공급하도록 구성되어 있는 전력 공급부를 포함하고; 상기 카트리지는, 에어로졸 형성 기재를 포함하는 카트리지 하우징으로, 상기 하우징은 공기가 흐를 수 있는 내부 통로를 둘러싸고 있는 내부 표면을 가지는, 상기 카트리지 하우징; 및 상기 에어로졸 형성 기재를 가열하도록 위치한 서셉터 요소를 포함하는, 카트리지.
2. 제1항에 있어서, 상기 카트리지 하우징의 내부 표면의 적어도 일부분은 유체 투과성인, 카트리지.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 서셉터 요소는 상기 내부 표면의 일부 또는 전부를 형성하고 있는, 카트리지.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서셉터 요소는 메쉬, 평평한 나선형 코일, 인테리어 호일, 섬유, 직물 또는 로드를 포함하는, 카트리지.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서셉터 요소는 유체 투과성인, 카트리지.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서셉터 요소는 상기 카트리지 하우징 내의 개구부를 가로질러서 연장되어 있는 시트로 제공되어 있는, 카트리지.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서셉터 요소는 상기 내부 통로를 가로질러 연장되어 있는 심지를 포함하는, 카트리지.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카트리지는 에어로졸 형성 기재를 상기 서셉터 요소에 전달하도록 구성되어 있는 상기 하우징 내에 모세관 요소를 포함하는, 카트리지.
9. 에어로졸 발생 장치 및 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 카트리지를 포함하는 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템으로, 상기 장치는
   장치 하우징;
   상기 장치 하우징 내에 위치한 인덕터 코일; 및
   상기 인덕터 코일에 연결되어 있고 상기 인덕터 코일에 고주파 진동 전류를 공급하도록 구성되어 있는 전력 공급부를 포함하고; 여기서, 사용시, 상기 인덕터 코일에 의해 발생된 자기장이 상기 카트리지 내의 서셉터 물질 내에 열 발생을 야기하는, 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 장치 하우징은 상기 카트리지의 적어도 일부분을 수용하기 위한 공동을 정의하고, 여기서 상기 인덕터 코일은 상기 공동 내부, 주위 또는 인접하여 위치하고 있는, 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 카트리지가 상기 공동 내에 수용될 때 상기 인덕터 코일은 상기 카트리지의 외부 측에 위치하고 있는, 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 카트리지가 상기 공동 내에 수용될 때 상기 인덕터 코일은 상기 카트리지를 둘러싸고 있는, 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템.
13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카트리지가 상기 공동 내에 수용될 때 상기 인덕터 코일은 상기 내부 통로 내부에 있는, 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템.
14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 휴대형 흡연 시스템인, 전기 가열식 에어로졸 발생 시스템.

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