RU2804020C2 - Устройство выработки аэрозоля и способ его работы - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройству выработки аэрозоля и способу его работы. Устройство выработки аэрозоля содержит составной токоприемник для нагревания аэрозольобразующего материала с целью выработки аэрозоля при использовании. Составной токоприемник включает в себя опорную часть и токоприемную часть, поддерживаемую опорной частью. Устройство также содержит индукционный элемент для индуктивной передачи энергии токоприемной части при использовании и устройство возбуждения для возбуждения индукционного элемента переменным током, обеспечивая при использовании индуктивную передачу энергии токоприемной части, вызывая тем самым нагрев аэрозольобразующего материала составным приемником и вырабатывая аэрозоль. Переменный ток имеет форму волны, содержащую основной частотный компонент с первой частотой, и один или несколько дополнительных частотных компонентов, каждый из которых имеет более высокую частоту, чем первая частота. Технический результат - улучшение эффективности нагрева. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 16 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству выработки аэрозоля и способу его работы.

Уровень техники

Курительные изделия, такие как сигареты, сигары и т.п., сжигают табак в процессе использования для создания табачного дыма. Предпринимались попытки предоставить альтернативы этим изделиям путем создания продуктов, которые выделяют соединения без сжигания. Примерами таких продуктов являются так называемые продукты типа «нагревать, но не сжигать» или устройства для нагрева табака, или продукты, которые выделяют соединения при нагревании без сжигания материала.

Материалом может быть, например, табак или другие нетабачные изделия, которые могут содержать или не содержать никотин.

Из документов WO 2018178216 A1 и WO 2018178113 A2 известны устройства выработки аэрозоля, содержащие составные токоприемники для нагревания аэрозольобразующего материала с целью выработки аэрозоля.

Из документа WO 2015177264 A1 известен субстрат, образующий аэрозоль, в котором используются первый и второй токоприемные материалы, имеющие разные температуры Кюри, причем указанные токоприемные материалы могут быть активированы отдельно, например, за счет различных частот переменного индукционного тока.

Однако указанные известные устройства не позволяют контролировать глубину скин-эффекта индуцируемого переменного тока в токоприемной части токоприемника.

Раскрытие изобретения

Первым объектом изобретения является устройство генерирования аэрозоля, содержащее составной токоприемник для нагревания аэрозольобразующего материала с целью выработки аэрозоля при использовании, при этом составной токоприемник содержит опорную часть и токоприемную часть, поддерживаемую опорной частью; индукционный элемент для индуктивной передачи энергии токоприемной части при использовании; и устройство возбуждения для возбуждения индукционного элемента переменным током, обеспечивая при использовании индуктивную передачу энергии токоприемной части, вызывая тем самым нагрев аэрозольобразующего материала составным токоприемником и вырабатывая аэрозоль; при этом переменный ток имеет форму волны, содержащую основной частотный компонент с первой частотой, и один или несколько дополнительных частотных компонентов, каждый из которых имеет более высокую частоту, чем первая частота.

Как вариант, токоприемная часть выполнена в виде покрытия на опорной части.

Как вариант, токоприемная часть представляет собой первый лист материала, а опорная часть представляет собой второй лист материала, примыкающий к токоприемной части, поддерживая ее.

Как вариант, опорная часть сконфигурирована таким образом, чтобы окружать токоприемную часть.

Как вариант, толщина токоприемной части по существу не превышает 50 мкм.

Как вариант, толщина токоприемной части по существу не превышает 20 мкм.

Как вариант, токоприемная часть содержит ферромагнитный материал.

Как вариант, токоприемная часть содержит никель и/или кобальт.

Как вариант, один или несколько дополнительных компонентов являются гармониками основной компонента.

Как вариант, первая частота F находится в диапазоне от 0,5 до 2,5 МГц, а частота каждого из одного или нескольких дополнительных частотных компонентов равна nF, где n – положительное целое число, большее 1.

Как вариант, форма волны является треугольной, или пилообразной, или прямоугольной.

Как вариант, форма волны является биполярной прямоугольной.

Как вариант, устройство возбуждения содержит транзисторы, расположенные в виде Н-моста и управляемые для обеспечения биполярной прямоугольной формы волны.

Как вариант, опорная часть содержит один или более следующих материалов: металл, металлический сплав, керамический материал, пластик и бумага.

Как вариант, составной токоприемник содержит термостойкую защитную часть, а токоприемная часть расположена между опорной частью и защитной частью.

Как вариант, термостойкая защитная часть представляет собой покрытие на токоприемной части.

Как вариант, термостойкая защитная часть выполнена из одного или более следующих материалов: из керамического материала, нитрида металла, нитрида титана и алмаза.

Как вариант, составной токоприемник является по существу плоским.

Как вариант, составной токоприемник является по существу трубчатым.

Как вариант, устройство содержит аэрозольобразующий материал, который находится в тепловом контакте с составным токоприемником.

Как вариант, аэрозольобразующий материал содержит табак и/или один или несколько увлажнителей.

Вторым объектом изобретения является способ работы устройства выработки аэрозоля, содержащего составной токоприемник, выполненный с возможностью нагревания аэрозольобразующего материала для выработки аэрозоля и включающий в себя опорную часть и токоприемную часть, поддерживаемую опорной частью; а также устройство, содержащее индукционный элемент для индуктивной передачи энергии токоприемной части; при этом способ включает в себя этапы, на которых возбуждают индукционный элемент переменным током, обеспечивая индуктивную передачу энергии токоприемной части, вызывая тем самым нагрев аэрозольобразующего материала составным токоприемником и вырабатывая аэрозоль; при этом переменный ток имеет форму волны, содержащую основной частотный компонент с первой частотой, и один или несколько дополнительных частотных компонентов, каждый из которых имеет более высокую частоту, чем первая частота.

Как вариант, один или более дополнительных частотных компонентов являются гармониками основного частотного компонента.

Как вариант, первая частота F находится в диапазоне от 0,5 до 2,5 МГц, а частота каждой из одного или нескольких дополнительных частотных компонентов равна nF, где n – положительное целое число, большее 1.

Как вариант, форма волны является треугольной, или пилообразной, или прямоугольной.

Как вариант, форма волны является биполярной прямоугольной.

Как вариант, устройство выработки аэрозоля представляет собой описанное выше устройство.

Далее в качестве примера будут описаны другие особенности и преимущества изобретения со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично показано устройства генерирования аэрозоля в первом примере его выполнения;

на фиг. 2 схематично показан составной токоприемник в первом примере его выполнения;

на фиг. 3 – составной токоприемник во втором примере его выполнения;

на фиг. 4 – часть устройства генерирования аэрозоля, показанного на фиг. 1;

на фиг. 5 – часть устройства возбуждения в одном из примеров его выполнения;

на фиг. 6a, 6c, 6e, 6g и 6i – графики зависимости тока от времени для различных форм волны переменного тока;

на фиг. 6b, 6d, 6f, 6h и 6j – график в частотном пространстве частотных компонентов форм волны переменного тока, показанных на фиг. 6a, 6c, 6e, 6g и 6i, соответственно;

на фиг. 7 – схема способа работы устройства генерирования аэрозоля в одном из примеров его реализации.

Осуществление изобретения

Индукционный нагрев – это процесс нагрева электропроводящего объекта (или токоприемника) за счет электромагнитной индукции. Индукционный нагреватель может содержать индукционный элемент, такой как электромагнит, и схему для пропускания изменяющегося электрического тока, например переменного, через электромагнит. Изменяющийся электрический ток в электромагните создает изменяющееся магнитное поле. Переменное магнитное поле пронизывает токоприемник, расположенный подходящим образом относительно электромагнита, порождая вихревые токи внутри токоприемника. Токоприемник имеет электрическое сопротивление вихревым токам, и, следовательно, протекание вихревых токов через это сопротивление вызывает нагрев токоприемника за счет джоулева нагрева. В случаях, когда токоприемник содержит ферромагнитный материал, такой как железо, никель или кобальт, тепло может также генерироваться потерями на магнитный гистерезис в токоприемнике, т.е. за счет изменения ориентации магнитных диполей в магнитном материале в результате их выравнивания изменяющимся магнитным полем.

При индукционном нагреве, по сравнению, например, с теплопроводным нагревом, тепло генерируется внутри токоприемника, что обеспечивает быстрый нагрев. Кроме того, нет необходимости в каком-либо физическом контакте между индукционным нагревателем и токоприемником, что обеспечивает большую свободу в конструировании и применении.

Индукционный нагреватель может представлять собой RLC-цепь, содержащую сопротивление (R), обеспечиваемое резистором, индуктивность (L), обеспечиваемую индукционным элементом, например, электромагнитом, который может располагаться таким образом, чтобы индукционно нагревать токоприемник, и емкость (C), обеспечиваемую конденсатором, например, включенным последовательно или параллельно. В некоторых случаях сопротивление обеспечивается омическим сопротивлением элементов цепи, соединяющей катушку индуктивности и конденсатор, и, следовательно, RLC-цепь не обязательно должна включать в себя резистор как таковой. Такая схема может называться, например, LC-цепью. В таких цепях может наблюдаться электрический резонанс, который возникает на определенной резонансной частоте, когда мнимые части сопротивлений или проводимостей элементов цепи компенсируют друг друга. Резонанс возникает в RLC- или LC-цепи, потому что коллапсирующее магнитное поле индуктора генерирует электрический ток в его обмотках, который заряжает конденсатор, в то время как разряжающийся конденсатор обеспечивает электрический ток, который создает магнитное поле в индукторе. Когда цепь возбуждается на резонансной частоте, последовательное сопротивление катушки индуктивности и конденсатора минимально, а ток в цепи максимален. Соответственно, возбуждение контура RLC- или LC-цепи на резонансной частоте или около нее может обеспечить эффективный и/или действенный индукционный нагрев.

На фиг. 1 схематично показано устройство 100 выработки аэрозоля в одном из примеров его выполнения. Устройство 100 представляет собой портативное устройство выработки аэрозоля. Устройство 100 содержит источник 104 питания постоянного тока, в данном примере аккумулятор 104, устройство 106 возбуждения, индукционный элемент 108, составной токоприемник 110 и аэрозольобразующий материал 116.

В целом, составной токоприемник 110 (который содержит опорную часть и токоприемную часть, поддерживаемую опорной частью, что будет более подробно описанные ниже) предназначен для нагрева аэрозольобразующего материала для генерирования аэрозоля в процессе использования; индукционный элемент 108 приспособлен для индуктивной передачи энергии по меньшей мере токоприемной части составного токоприемника 110 в процессе использования; а устройство 106 возбуждения выполнено с возможностью возбуждения индукционного элемента 108 переменным током в процессе использования, тем самым вызывая индуктивную передачу энергии токоприемной части составного токоприемника 110, нагрев аэрозольобразующего материала 116 составным токоприемником 110 и выработку аэрозоля. Переменный ток имеет форму волны, содержащую основной частотный компонент, имеющий первую частоту, и один или несколько дополнительных частотных компонентов, каждый из которых имеет более высокую частоту, чем первая частота. Например, форма волны может быть по существу прямоугольной.

В целом, возбуждение индукционного элемента током, имеющим форму волны, содержащую основной частотный компонент и один или несколько дополнительных частотных компонентов более высокой частоты, приводит к тому, что переменное магнитное поле, создаваемое индукционным элементом, содержит основной частотный компонент и один или более других частотных компонентов более высокой частоты. Глубина скин-эффекта (то есть характерная глубина, на которую переменное магнитное поле, создаваемое индукционным элементом 108, проникает в токоприемную часть, вызывая индукционный нагрев) уменьшается с увеличением частоты переменного магнитного поля, т.е. толщина скин-эффекта для высокочастотных компонентов меньше, чем толщина скин-эффекта для основного частотного компонента. Использование формы волны, содержащей основной частотный компонент и один или несколько компонентов более высокой частоты, может обеспечить передачу большей части индуктивной энергии от индукционного элемента к токоприемнику на относительно небольшой глубине от поверхности токоприемника, по сравнению, например, с использованием только основной частоты. Это позволяет уменьшить толщину токоприемной части при сохранении по существу заданной эффективности передачи энергии, что, в свою очередь, может позволить снизить стоимость токоприемной части (и/или повысить производительность изготовления токоприемной части). Альтернативно или дополнительно, это может позволить повысить эффективность передачи энергии для данной толщины токоприемной части (например, такой, в которой глубина скин-эффекта в противном случае может быть больше, чем толщина токоприемной части), что, в свою очередь, может позволить улучшить эффективность нагрева. В результате, могут быть усовершенствованы устройство выработки аэрозоля и способ выработки аэрозоля.

Как показано на фиг. 1, источник 104 питания постоянного тока электрически соединен с устройством 106 возбуждения. Источник 104 питания постоянного тока предназначен для подачи электроэнергии постоянного тока в устройство 106 возбуждения. Устройство 106 возбуждения электрически соединено с индукционным элементом 108. Устройство 106 возбуждения предназначено для преобразования входного постоянного тока от источника 104 постоянного тока в переменный ток. Устройство 106 возбуждения предназначено для возбуждения индукционного элемента 108 переменным током. Другими словами, устройство 106 возбуждения предназначено для пропускания переменного тока через индукционный элемент 108, то есть для того, чтобы вызывать протекание переменного тока через индукционный элемент 108.

Индукционный элемент 108 может быть, например, электромагнитом, например в виде катушки или соленоида, который может быть, например, плоским, например, сформированным из меди. Индукционный элемент 108 предназначен для индуктивной передачи энергии к составному токоприемнику 110 (т.е. к по меньшей мере токоприемной части составного токоприемника 110, что будет более подробно описано ниже). Соответственно, составной токоприемник 110 расположен относительно индукционного элемента 108 для индуктивной передачи энергии от индукционного элемента 108 составному токоприемнику 110.

Протекание переменного тока через индукционный элемент 108 вызывает нагрев составного токоприемника 110 за счет джоулева нагрева и/или за счет магнитного гистерезисного нагрева, как описано выше. Например, составной токоприемник 110 находится в тепловом контакте с аэрозольобразующим материалом 116 (т.е. предназначен для нагрева аэрозольобразующего материала 116, например, за счет теплопроводности, конвекции и/или излучения, чтобы вырабатывать аэрозоль при использовании). В некоторых случаях составной токоприемник 110 и аэрозольобразующий материал 116 образуют единый блок, который может вставляться и/или удаляться из устройства 100 выработки аэрозоля и может быть расходным материалом. В некоторых случаях индукционный элемент 108 может выполняться с возможностью съема с устройства 100, например, для замены. Устройство 100 выработки аэрозоля может использоваться для нагревания аэрозольобразующего материала 116 с целью выработки аэрозоля для вдыхания пользователем.

Следует отметить, что термин «аэрозольобразующий материал» подразумевает материалы, которые выделяют улетучивающиеся при нагревании компоненты, обычно в форме пара или аэрозоля. Аэрозольобразующий материал может не содержать табак или содержать табак. Например, аэрозольобразующий материал может быть табаком или содержать табак. Аэрозольобразующий материал может, например, включать в себя один или более таких составляющих как табак как таковой, производные табака, вспученный табак, восстановленный табак, табачный экстракта гомогенизированный табак или заменители табака. Аэрозольобразующий материал может иметь вид молотого табака, резаного табака, экструдированного табака, восстановленного табака, восстановленного материала, жидкости, геля, желатинированного листа, порошка или гранул или тому подобного. Аэрозольобразующий материал также может представлять собой другие, не табачные изделия, которые, в зависимости от изделия, могут содержать или не содержать никотин. Аэрозольобразующий материал может содержать один или несколько увлажняющих компонентов, таких как глицерин и/или пропиленгликоль.

Как показано на фиг. 1, устройство 100 выработки аэрозоля имеет внешний корпус 112, вмещающий в себя аккумулятор 104, устройство 106 возбуждения, индукционный элемент 108, составной токоприемник 110 и аэрозольобразующий материал 116. Внешний корпус 112 содержит мундштук 114, позволяющий аэрозолю, образующемуся в процессе использования, выходить из устройства 100. Однако в некоторых вариантах выполнения аэрозольобразующий материал 116 и мундштук 114 могут выполняться в виде комбинированной конструкции, которая вставляется в устройство 100 (например, обернутая бумагой трубка из табака или содержащего табак материала, имеющая на одном своем конце фильтровальный материал).

При использовании пользователь может активировать, например, с помощью кнопки (на чертеже не показана) или известного датчика затяжки (на чертеже не показан), устройство 106, чтобы вызвать прохождение переменного тока через индукционный элемент 108, тем самым обеспечивая индуктивный нагрев составного токоприемника 116, который, в свою очередь, может нагревать аэрозольобразующий материал 116, заставляя его вырабатывать аэрозоль. Аэрозоль поступает в воздух, всасываемый в устройство 100 через входное отверстие для воздуха (на чертеже не показано), и переносится к мундштуку 114, где аэрозоль выходит из устройства 100.

Устройство 106 возбуждения, индукционный элемент 108, составной токоприемник 110 и/или устройство 100 в целом могут выполняться с возможностью нагревания аэрозольобразующего материала 116 до температур, обеспечивающих улетучивание по меньшей мере одного компонента аэрозольобразующего материала без его сжигания. Например, диапазон температур может составлять приблизительно от 50 до 350°C, от 100 до 250°C, от 150 до 230°C. В некоторых примерах диапазон температур составляет приблизительно от 170 до 220°C. В некоторых примерах диапазон температур может отличаться от этого диапазона, и верхняя граница диапазона температур может быть выше 300°C.

На фиг. 2 показан пример выполнения составного токоприемника 210. Составной токоприемник 210 можно использовать в качестве составного токоприемника 110 в устройстве 100 выработки аэрозоля, показанного на фиг. 1. Составной токоприемник 210 может быть по существу плоским (как показано на фиг. 2). В других примерах составной токоприемник 210 может быть по существу трубчатым. Например, составной токоприемник 210 может окружать аэрозольобразующий материал (на фиг. 2 не показан), т.е. аэрозольобразующий материал может быть помещен внутрь трубчатого составного токоприемника 210. В другом примере аэрозольобразующий материал может располагаться вокруг трубчатого составного токоприемника 210, окружая его. Трубчатый составной токоприемник 210 может способствовать повышению эффективности нагрева аэрозольобразующего материала.

Составной токоприемник 210 содержит опорную часть 222 и токоприемную часть 224. Токоприемная часть 224 поддерживается опорной частью 222 (т.е. опорная часть 222 поддерживает токоприемную часть 224). Токоприемная часть 224 способна индуктивно принимать энергию от индукционного элемента (например, от элемента 106, показанного на фиг. 1), так что переменное магнитное поле, создаваемое индукционным элементом, вызывает индукционный нагрев токоприемной части 224, например, за счет джоулева нагрева и/или магнитного гистерезисного нагрева, как описано выше (т.е. токоприемная часть 224 действует как токоприемник в процессе использования). Токоприемная часть 224 может содержать электропроводящий материал, такой как металл, и/или проводящий полимер. Токоприемная часть может содержать ферромагнитный материал, например никель или кобальт или оба вместе. В некоторых примерах опорная часть 222 может также по существу действовать как токоприемник. В других примерах опорная часть 222 может по существу не нагреваться индуктивно. Опорная часть 222 может содержать один или более таких материалов как металл, металлический сплав, керамический материал, пластик и бумага. Например, опорная часть 222 может быть или содержать нержавеющую сталь, алюминий, сталь, медь и/или высокотемпературные (т.е. термостойкие) полимеры, такие как полиэфирэфиркетон (PEEK), и/или каптон, и/или полиамидные смолы, такие как Zytel^® HTN.

Токоприемная часть 224 может выполняться в виде покрытия на опорной части 222. Например, токоприемная часть 224 может представлять собой покрытие из ферромагнитного материала, например из никеля и/или кобальта. Например, покрытие может наноситься химическим способом, например, электрохимическим, и/или вакуумным испарением материала токоприемной части 224 на опорную часть 222. В некоторых примерах толщина токоприемной части 204 может составлять не более 50 мкм, например, не более 20 мкм, например, приблизительно от 10 до 20 мкм, например, приблизительно 15 мкм или, например, несколько микрометров.

Составной токоприемник 110, содержащий токоприемную часть 204 из ферромагнитного материала, такого как никель или кобальт (например, на стороне составного токоприемника 110, обращенной к индукционному элементу 108), позволяет делать токоприемную часть 204 относительно тонкой, обеспечивая при этом такое же индуктивное поглощение энергии, как, например, более толстая пластина из мягкой стали. Предпочтительно использовать кобальт, поскольку он имеет более высокую магнитную проницаемость и, следовательно, может способствовать улучшенному индуктивному поглощению энергии. Кроме того, кобальт имеет более высокую температуру Кюри по сравнению с никелем (от 1120 до 1127°C для кобальта, по сравнению с 353-354°C для никеля). При температуре Кюри или вблизи нее магнитная проницаемость материала токоприемника может уменьшаться или исчезать, и способность материала нагреваться за счет проникания изменяющегося магнитного поля также может уменьшаться или исчезать. Температура Кюри кобальта может быть выше нормальных рабочих температур индукционного нагрева устройства 100 выработки аэрозоли, и, следовательно, эффект пониженной магнитной проницаемости может быть менее выраженным (или незаметным) во время нормальной работы, если используется кобальт по сравнению со случаем, когда используется никель. Как упоминалось выше, опорная часть 222 составного токоприемника 210 не должна взаимодействовать с приложенным переменным магнитным полем с целью выработки тепла, используемого для нагревания аэрозольобразующего материала 116, а только для поддержания токоприемной части 222. Соответственно, опора может изготавливаться из любого подходящего термостойкого материала. Примерами таких материалов являются алюминий, сталь, медь и высокотемпературные полимеры, такие как полиэфирэфиркетон (PEEK), каптон или бумага.

Использование относительно небольшой толщины материала токоприемника, например ферромагнитного материала, такого как никель или кобальт, позволяет использовать относительно небольшое количество материала токоприемника, что может обеспечить более эффективное/малозатратное производство токоприемников. Использование только одного относительно тонкого материала токоприемника может привести к получению токоприемника, склонного к повреждению, например, вследствие хрупкости таких материалов при толщине около 10 мкм. Однако использование токоприемной части 224, поддерживаемой опорной частью 222, или сформированной в виде покрытия на опорной части 222, или окруженной опорной частью 222, позволяет изготовить недорогой токоприемник, который относительно устойчив к повреждениям. Как упоминалось выше, поскольку опорная часть 222 не обязательно должна быть восприимчивой к индукционному нагреву, опорная часть 222 может изготавливаться из более широкого круга термостойких материалов, таких как металлы, металлические сплавы, керамические материалы и пластик, которые могут иметь относительно низкую стоимость. Соответственно, составной токоприемник 210 может иметь относительно невысокую стоимость.

На фиг. 3 схематично показан другой пример выполнения составного токоприемника 310. Составной токоприемник 310 можно использовать в качестве составного токоприемника 110 в устройстве 100 выработки аэрозоля по фиг. 1. Составной токоприемник 310, показанный на фиг. 3, может быть таким же, как токоприемник 210 по фиг. 2, за исключением того, что составной токоприемник 310 содержит термостойкую защитную часть 326. Составной токоприемник 310 содержит опорную часть 322 (которая может быть такой же или аналогичной опорной части 222 составного токоприемника 210, показанного на фиг. 2) и токоприемную часть 324 (которая может быть такой же или похожей на токоприемную часть 224 составного токоприемника 210, показанного на фиг. 2). В этом примере токоприемная часть 324 расположена между опорной частью 322 и защитной частью 326.

Термостойкая защитная часть 326 может представлять собой покрытие на токоприемной части 324. Термостойкая защитная часть 326 может содержать один или несколько таких материалов как керамический материал, нитрид металла, нитрид титана и алмазоподобный углерод. Например, нитрид титана и/или алмазоподобный углерод можно наносить в качестве покрытия с использованием физического осаждения из паровой фазы. Защитная часть 326 защищает токоприемную часть 324 от химической коррозии, такой как поверхностное окисление, которое в противном случае может возникать, например, в результате индукционного нагрева составного токоприемника, и которое может сокращать срок службы составного токоприемника 310. Защитная часть 326 может альтернативно или дополнительно защищать токоприемную часть 324 от механического износа, который может сокращать срок службы составного токоприемника 310. Защитная часть 326 может также уменьшить тепловые потери токоприемной части 324, которые могут быть рассеяны в окружающую среду, и, следовательно, защитная часть 326 может повышать эффективность нагрева составного токоприемника 310.

Например, если токоприемная часть 324 изготовлена из ферромагнитного материала, такого как кобальт или никель, она может стать более восприимчивой к окислению с повышением температуры. Это может увеличить потери тепла из-за излучения за счет увеличения относительной излучательной способности (εr) по сравнению с неокисленной металлической поверхностью, увеличивая скорость потери энергии вследствие излучения. Если излучаемая энергия в конечном итоге рассеивается в окружающей среде, такое излучение может снизить энергоэффективность системы. Окисление может также снизить стойкость токоприемной части 324 к химической коррозии, что может приводить к сокращению срока службы нагревательного элемента. Термостойкая защитная часть 326 может уменьшить эти эффекты. Как упоминалось выше, в некоторых примерах защитная часть 326 может наноситься путем физического осаждения из паровой фазы, но в других примерах защитная часть 326 может быть создана путем химической обработки токоприемной части 324, чтобы стимулировать рост защитной пленки над токоприемной частью 324, или формирование защитного оксидного слоя с использованием такого процесса, как анодирование. В некоторых примерах токоприемная часть может быть инкапсулирована, например, термостойкая защитная часть 326 и опорная часть 322 могут вместе инкапсулировать токоприемную часть 224. В некоторых примерах термостойкая защитная часть 326 может инкапсулировать токоприемную часть 324 и опорную часть 322. В некоторых примерах термостойкая защитная часть 326 может иметь низкую электрическую проводимость или не иметь ее совсем, что может предотвратить индуцирование электрических токов в термостойкой защитной части 326, а не в токоприемной части 324.

На фиг. 4 более подробно показаны некоторые компоненты устройства 100, показанного на фиг. 1. Компоненты, которые являются такими же или подобными компонентам, описанным выше со ссылкой на фиг. 1, обозначены такими же ссылочными позициями и повторно подробно не описываются.

Устройство 106 возбуждения содержит возбудитель 432 и контроллер 430 возбудителя. Возбудитель 432 электрически подключен к батарее 104. В частности, возбудитель 432 подключен к положительной клемме батареи 104, которая обеспечивает относительно высокий электрический потенциал +v 434, и к отрицательной клемме батареи или к земле, которая обеспечивает относительно низкий или нулевой или отрицательный электрический потенциал GND 436. Таким образом, к возбудителю 432 подводится напряжение.

Возбудитель 432 электрически соединен с индукционным элементом 108. Индукционный элемент имеет индуктивность L. Возбудитель 432 может быть электрически связан с индукционным элементом 108 посредством цепи, содержащей конденсатор емкостью C (на чертеже не показан), последовательно соединенный с индукционным элементом 108, то есть последовательной LC-цепи.

Возбудитель 432 предназначен для выработки из входного постоянного тока от батареи 104 переменного тока и подачи его в индукционный элемент 108. Возбудитель 432 электрически связан с контроллером 430 возбудителя, представляющим собой, например, логическую схему. Контроллер 430 возбудителя выполнен с возможностью управления возбудителем 432 или его компонентами для выработки выходного переменного тока из входного постоянного тока. В одном из примеров, более подробно описанном ниже, контроллер 430 возбудителя может выполняться с возможностью управления подачей коммутационного потенциала на транзисторы возбудителя 432 в различные моменты времени, чтобы заставлять возбудитель 432 вырабатывать переменный ток. Контроллер 430 возбудителя может быть электрически подключен к батарее 104, от которой может быть получен коммутационный потенциал.

Контроллер 430 возбудителя может быть выполнен с возможностью управления частотой переменного тока, протекающего через индукционный элемент 108. Как упоминалось выше, в LC-цепях может наблюдаться резонанс. Контроллер 208 возбудителя может управлять частотой переменного тока, возбуждаемого в последовательной LC-цепи, содержащей индукционный элемент 108, таким образом, чтобы она находилась на резонансной частоте LC-цепи или около нее. Например, частота возбуждения может находиться в мегагерцовом диапазоне (МГц), например, в диапазоне от 0,5 до 2,5 МГц, например, составлять 2 МГц. Следует отметить, что могут использоваться другие частоты, в зависимости, например, от конкретной схемы (и/или ее компонентов) и/или используемого токоприемника 110. Например, следует понимать, что резонансная частота цепи может зависеть от индуктивности L и емкости C цепи, которые, в свою очередь, могут зависеть от используемых индукционного элемента 108, конденсатора (на чертеже не показан) и токоприемника 110. В некоторых примерах емкость может быть равна нулю или близка к нулю. В таких примерах резонансным поведением цепи можно пренебречь.

Устройство 106 возбуждения может быть выполнено с возможностью управления формой волны вырабатываемого переменного тока. В одном из примеров, который будет более подробно описан ниже, форма волны может быть прямоугольной, например, биполярной прямоугольной. В других примерах форма волны может быть треугольной или пилообразной, или фактически любой формы, содержащей основной частотный компонент, имеющий первую частоту, и один или более дополнительных частотных компонентов, каждый из которых имеет более высокую частоту, чем первая частота. В этом отношении основная частота формы волны – это частота возбуждения LC-цепи.

В процессе использования, когда контроллер 430 возбудителя активирован, например, пользователем, контроллер 430 возбудителя может управлять возбудителем 432 с целью пропускания переменного тока через индукционный элемент 108, тем самым индуктивно нагревая токоприемник 110 (который, в свою очередь, может нагревать аэрозольобразующий материал, не показанный на фиг. 4, например, для выработки аэрозоля для вдыхания пользователем).

На фиг. 5 более подробно показан возбудитель 432, используемый в рассматриваемом примере. Показанный на фиг. 5 возбудитель 432 может использоваться как возбудитель 432, описанный выше со ссылкой на фиг. 4, и/или может использоваться как часть устройства 106 возбуждения, описанного выше со ссылкой на фиг. 1 и/или фиг. 4.

В этом примере возбудитель 432 представляет собой H-мост. Возбудитель 432 содержит несколько транзисторов, в данном примере четыре транзистора Q1, Q2, Q3, Q4, расположенных в конфигурации H-моста (транзисторы, расположенные или соединенные в конфигурации H-моста, могут называться H-мостом). Конфигурация H-моста включает пару транзисторов Q1, Q2 на верхней стороне и пару транзисторов Q3, Q4 на нижней стороне. Первый транзистор Q1 пары верхней стороны электрически примыкает к третьему транзистору Q3 пары нижней стороны, а второй транзистор Q2 пары верхней стороны электрически примыкает к четвертому транзистору пары нижней стороны. Пара верхней стороны предназначена для подключения к первому электрическому потенциалу + v 434, который выше второго электрического потенциала GND 436, к которому должна подключаться пара транзисторов нижней стороны. В этом примере возбудитель 432 выполнен с возможностью подключения источника 104 питания постоянного тока (на фиг. 5 не показан) через первую точку 545 между парой 304 транзисторов Q1, Q2 верхней стороны и второй точкой 546 между парой 306 транзисторов Q3, Q4 нижней стороны. Таким образом, в процессе использования устанавливается разность потенциалов между первой точкой 545 и второй точкой 546.

Возбудитель 432, показанный на фиг. 5, электрически соединен с индукционным элементом 108 и предназначен для его возбуждения. В частности, индукционный элемент 108 подключен через третью точку 548 между одним транзистором Q2 из пары транзисторов верхней стороны и одним транзистором Q4 из пары транзисторов нижней стороны и четвертой точкой 547 между другим транзистором Q1 из пары транзисторов верхней стороны и другим транзистором Q3 из пары транзисторов нижней стороны.

В этом примере каждый транзистор представляет собой полевой транзистор Q1, Q2, Q3, Q4, управляемый переключающим потенциалом, обеспечиваемым контроллером возбудителя (на фиг. 5 не показан) посредством линий 541, 542, 543, 544 управления, соответственно, чтобы по существу позволить току проходить через них в процессе использования. Например, каждый полевой транзистор Q1, Q2, Q3, Q4 устроен таким образом, что когда на него подается переключающий потенциал, он позволяет току проходить через него, а когда переключающий потенциал не подается на полевой транзистор Q1, Q2, Q3, Q4, полевой транзистор Q1, Q2, Q3, Q4 по существу препятствует прохождению тока через него.

В этом примере контроллер возбудителя (на фиг. 5 не показан, контроллер 430 возбудителя показан на фиг. 4) выполнен с возможностью управления подачей переключающего потенциала на каждый полевой транзистор через линии 541, 542, 543, 544 управления независимо, т.е. с возможностью независимо управлять тем, находится ли каждый соответствующий транзистор Q1, Q2, Q3, Q4 во «включенном» режиме (т.е. в режиме низкого сопротивления, когда через транзистор проходит ток) или в «выключенном» режиме (т.е. в режиме высокого сопротивления, в котором через транзистор ток не проходит).

Управляя синхронизацией подачи коммутационного потенциала на соответствующие полевые транзисторы Q1, Q2, Q3, Q4, контроллер 430 возбудителя может вызывать вызвать подачу переменного тока на индукционный элемент 108. Например, в первый момент времени контроллер 430 возбудителя может находиться в первом состоянии переключения, в котором коммутационный потенциал прикладывается к первому и четвертому полевым транзисторам Q1, Q4, но не прикладывается ко второму и третьему полевым транзисторам Q2, Q3. Следовательно, первый и четвертый полевые транзисторы Q1, Q4 будут находиться в режиме низкого сопротивления, тогда как второй и третий полевые транзисторы Q2, Q3 будут находиться в режиме высокого сопротивления. Таким образом, в этот первый момент времени ток будет течь из первой точки 545 возбудителя 432 через первый полевой транзистор Q1, через индукционный элемент 108 в первом направлении (слева направо на фиг. 5) через четвертый полевой транзистор Q4 ко второй точке 546 возбудителя 432. Однако во второй момент времени контроллер 430 возбудителя может находиться во втором состоянии переключения, в котором коммутационный потенциал прикладывается ко второму и третьему полевым транзисторам Q2, Q3, но не прикладывается к первому и четвертому полевым транзисторам Q1, Q4. Соответственно, второй и третий полевые транзисторы Q2, Q3 будут находиться в режиме низкого сопротивления, тогда как первый и четвертый полевые транзисторы Q1, Q4 будут находиться в режиме высокого сопротивления. Таким образом, в этот второй момент времени ток будет течь из первой точки 545 возбудителя 432 через второй полевой транзистор Q2, через индукционный элемент 108 во втором направлении, противоположном первому направлению (т.е. справа налево на фиг. 5) через третий полевой транзистор Q3 ко второй точке 546 возбудителя 432. Таким образом, посредством чередования первого и второго состояний переключения, контроллер 430 возбудителя может управлять возбудителем 432 для подачи (то есть возбуждения) переменного тока через индукционный элемент 108. Таким образом, устройство 106 возбуждения может пропускать переменный ток через индукционный элемент 108.

В этом примере переменный ток, пропускаемый через индукционный элемент 108, может иметь по существу прямоугольную форму волны. В частности, переменный ток будет иметь по существу биполярную прямоугольную форму волны (т.е. форма волны переменного тока будет иметь как первую, по существу прямоугольную часть для положительных значений тока (т.е. для тока, текущего в первом направлении в первый момент времени), так и вторую, по существу прямоугольную часть для отрицательных значений тока (т.е. для тока, текущего во втором направлении, противоположном первому направлению, во второй момент времени)). Однако, как будет более подробно описано ниже, в другом примере могут использоваться другие устройства 106 возбуждения для выработки переменного тока других форм. Например, устройство 106 возбуждения может содержать генератор сигналов, такой как генератор функций или генератор сигналов произвольной формы, способный генерировать один или несколько типов форм волны, которые затем могут использоваться, например, с подходящими усилителями, чтобы вызывать переменный ток в индукционном элементе 108 в соответствии с этой формой волны.

На фиг. 6a-6j показаны графики в частотном пространстве частотных компонентов форм волны переменного тока, показанных на фиг. 6a, 6c, 6e, 6g и 6i, соответственно.

На фиг. 6a схематично показана синусоидальная форма волны переменного тока I в функции времени t. Синусоидальная форма волны имеет частоту F, другими словами, на фиг. 6a ток I изменяется как функция времени t согласно уравнению I = sin(2πFt). На фиг. 6b схематично показан график в частотном пространстве частотных компонентов синусоидальной формы волны, показанной на фиг. 6а. Другими словами, график на фиг. 6b можно рассматривать как представляющий разложение Фурье формы волны, показанной на фиг. 6b. В частности, на фиг. 6b показана зависимость амплитуды A формы волны от частоты f. На графике, показанном на фиг. 6b, амплитуда A нормирована таким образом, чтобы она равнялась 1 для наибольшей амплитуды A спектра. График на фиг. 6b показывает, что чистая синусоидальная форма сигнала, показанная на фиг. 6а, имеет только одну частотную составляющую на частоте F. Другими словами, вся амплитуда или энергия синусоидальной формы волны, показанной на фиг. 6а, сосредоточена на частоте F, т.е. в основном частотном компоненте формы волны.

На фиг. 6с показан график примера другого формы волны переменного тока I в функции времени t. В этом примере форма сигнала содержит основную синусоидальную составляющую с частотой F, а также дополнительную синусоидальную составляющую с частотой 2F. Другими словами, на фиг. 6c ток I изменяется как функция времени t в соответствии с уравнением I = sin(2πFt) + B sin(2π2Ft), где B – произвольная константа. На фиг. 6d схематично показан график в частотном пространстве (т.е. зависимость амплитуды A от частоты f) частотных компонентов формы волны, показанной на фиг. 6c. И снова, амплитуда A нормализована таким образом, чтобы она равнялась 1 для наибольшей амплитуды A спектра. График на фиг. 6d показывает, что форма волны, показанная на фиг. 6с, имеет основной частотный компонент, имеющий частоту F, и дополнительный частотный компонент, имеющий частоту 2F. Некоторая часть амплитуды или энергии формы волны, показанной на фиг. 6с, сосредоточена на частоте F, т.е. в основном частотном компоненте формы волны, а некоторая часть амплитуды или энергии формы волны содержится на частоте 2F (т.е. на частоте, в два раза большей, чем F).

На фиг. 6e показан график другой формы волны переменного тока I в функции времени t. В этом примере форма волны имеет прямоугольную форму, в частности биполярную прямоугольную форму (т.е. форма волны включает в себя прямоугольную часть положительного тока, за которой следует прямоугольная часть отрицательного тока). В этом примере прямоугольная форма волны имеет основную частоту F. Как известно, разложение Фурье прямоугольной волны представляет собой сумму (в идеале бесконечную, но на практике не бесконечную) синусоидальных волн, состоящую из основной частотной составляющей на частоте F и других частотных составляющих, имеющих частоты равные kF, где k – нечетное целое число, а относительные амплитуды частотных компонентов задаются как 1/k. Например, если амплитуда основного частотного компонента частоты F принята равной 1, то амплитуда первого дополнительного частотного компонента на частоте 3F будет равна 1/3, амплитуда второго частотного компонента на частоте 5F будет равна 1/5, амплитуда третьего частотного компонента на частоте 7F будет 1/7 и так далее. Для удобства эта серия может быть представлена в соответствии с правилом (F) +1/3 (3F) +1/5 (5F) +1/7 (7F) + ... На фиг. 6f показан график в частотном пространстве (т.е. зависимость амплитуды A от частоты f) частотных компонентов формы волны, показанной на фиг. 6e. И снова, здесь амплитуда A нормализована таким образом, чтобы она равнялась 1 для наибольшей амплитуды A спектра. График на фиг. 6f показывает, что прямоугольный сигнал содержит основной частотный компонент, имеющий частоту F, а также дополнительные частотные компоненты, кратные нечетным целым значениям (нечетные гармоники) основной частоты F, т.е. 3F, 5F и т.д., имеющие относительные амплитуды, представленные как 1(F); 1/3(3F); 1/5(5F) и т.д. Другими словами, некоторая часть амплитуды или энергии формы волны, показанной на фиг. 6е, сосредоточена на частоте F, то есть в основном частотном компоненте формы волны; треть энергии основного частотного компонента сосредоточена в дополнительном частотном компоненте на частоте 3F, и пятая часть энергии основного частотного компонента сосредоточена в дополнительном частотном компоненте на частоте 5F (и так далее). В целом, около 80% энергии прямоугольной волны содержится в основном частотном компоненте, а около 20% энергии прямоугольной волны содержится в дополнительных частотных компонентах более высокой частоты.

На фиг. 6g показан график другой формы волны переменного тока I в функции времени t. В этом примере форма волны представляет собой треугольную форму. В этом примере треугольная форма волны имеет основную частоту F. Как известно, разложение Фурье треугольной волны представляет собой сумму (в идеале бесконечную, но на практике не бесконечную) синусоидальных волн, соответствующих последовательности (в форме принятого выше правила) (F) – 1/9(3F) + 1/25(5F) – 1/49(7F) + ... . На фиг. 6h показан график в частотном пространстве (т.е. амплитуды A в зависимости от частоты f) частотных компонентов формы волны, показанной на фиг. 6g. И снова, амплитуда A была нормализована таким образом, чтобы она равнялась 1 для наибольшей амплитуды A спектра. График на фиг. 6h показывает, что треугольная форма волны включает в себя основной частотный компонент, имеющий частоту F, а также дополнительные частотные компоненты, кратные нечетным целым значениям (нечетные гармоники) основной частоты F, т.е. 3F, 5F и т.д., имеющие относительные амплитуды, представленные как 1(F); 1/9(3F); 1/25(5F) и т.д. Другими словами, некоторая часть амплитуды или энергии формы волны, показанной на фиг. 6g, сосредоточена на частоте F, то есть в основном частотном компоненте формы волны; в девять раз меньше энергии, чем энергия основного частотного компонента, содержится в дополнительном частотном компоненте на частоте 3F, и в 25 раз меньше энергии, чем энергия основного частотного компонента, содержится в дополнительном частотном компоненте на частоте 5F (и так далее).

На фиг. 6i показан график другой формы волны переменного тока I в функции времени t. В этом примере форма волны представляет собой пилообразную форму. В этом примере пилообразная форма волны имеет основную частоту F. Как известно, разложение Фурье пилообразной формы волны представляет собой сумму (в идеале бесконечную, но на практике не бесконечную) синусоидальных волн, соответствующих последовательности (F) – 1/2(2F) + 1/3(3F) – 1/4(4F) + ... . На фиг. 6j схематично показан график в частотном пространстве (т.е. зависимость амплитуды A от частоты f) частотных компонентов сигнала, показанного на фиг. 6i. И снова, амплитуда A нормализована таким образом, чтобы она равнялась 1 для наибольшей амплитуды A спектра. График на фиг. 6j показывает, что пилообразная форма волны содержит основной частотный компонент, имеющий частоту F, а также дополнительные частотные компоненты, кратные целым значениям (гармоникам) основной частоты F, т.е. 2F, 3F и т.д., имеющие относительные амплитуды, представленные как 1(F); 1/2(2F); 1/3(3F) и т.д. Другими словами, некоторая часть амплитуды или энергии волны, имеющей форму, показанную на фиг. 6i, сосредоточена на частоте F, то есть в основном частотном компоненте формы волны; на половину меньше энергии, чем энергия основного частотного компонента, сосредоточено в дополнительном частотном компоненте на частоте 2F, и третья часть энергии в сравнении энергией основного частотного компонента содержится в дополнительном частотном компоненте на частоте 3F (и так далее).

Таким образом, на каждой из фиг. 6c, 6e, 6g и 6i переменный ток (например, квадратный, треугольный, пилообразный) имеет форму волны, содержащую основной частотный компонент, имеющий первую частоту (например, F) и один или несколько дополнительных частотных компонентов, каждый из которых имеет более высокую частоту. Например, первая частота F может находиться в диапазоне от 0,5 до 2,5 МГц, а частота каждого из одного или нескольких дополнительных частотных компонентов может составлять nF, где n – положительное целое число, большее 1. Например, в случае прямоугольного сигнала (или иного) n может быть нечетным положительным целым числом больше 1. Например, первая частота F может равняться 2 МГц, а частота первого дополнительного частотного компонента в случае прямоугольной формы волны (или иной) может составлять 3×2 МГц, т.е. 6 МГц. Следует иметь в виду, что помимо примеров, показанных на фиг. 6c, 6e, 6g и 6i, существует множество форм сигналов, которые содержат основной частотный компонент, имеющий первую частоту (например, F) и один или несколько дополнительных частотных компонентов, каждый из которых имеет более высокую частоту, которые могут использоваться. Тем не менее, следует отметить, что среди возможных форм волны, соответствующих этому критерию, прямоугольный сигнал имеет высокую долю (около 20%) своей энергии в частотных компонентах более высокого порядка и, следовательно, может обеспечить особые преимущества в уменьшении глубины скин-эффекта индуцируемого переменного тока в токоприемной части токоприемника, что более подробно описано ниже.

Как упоминалось выше, глубина скин-эффекта может быть определена как характерная глубина, на которую в токоприемную часть проникает переменное магнитное поле, создаваемое индукционным элементом 108, вызывая индукционный нагрев токоприемной части. В частности, глубина скин-эффекта может быть определена как глубина ниже поверхности токоприемника, на которой плотность индуцированного тока падает до 1/е (то есть приблизительно 0,37) от своего значения на поверхности токоприемника. Глубина скин-эффекта зависит от частоты наведенного тока и, следовательно, зависит от частоты переменного магнитного поля, создаваемого индукционным элементом, а значит и от частоты переменного тока, протекающего через индукционный элемент. Например, частота индуцированного тока может быть такой же, что и частота переменного тока, пропускаемого через индукционный элемент. В частности, глубина скин-эффекта может быть задана выражением:

(1)

где – удельное сопротивление токоприемника,

f – частота индуцированного тока (которая может быть такой же, как частота переменного тока, протекающего через индукционный элемент),

µ = µ_rµ ₀, где µ_r – относительная магнитная проницаемость токоприемника, а µ₀ – проницаемость свободного пространства.

Возбуждение индукционного элемента током, имеющим форму волны, содержащую основной частотный компонент, имеющий первую частоту, и один или несколько дополнительных частотных компонентов, имеющих более высокую частоту, заставляет переменное магнитное поле, создаваемое индукционным элементом, содержать основной частотный компонент, имеющий первую частоту, и один или несколько дополнительных частотных компонентов, имеющих более высокую частоту, что заставляет индуцированный переменный ток в токоприемнике содержать основной частотный компонент, имеющую первую частоту и один или несколько других частотных компонентов, имеющие более высокую частоту. Дополнительные частотные компоненты индуцированного тока связаны с меньшей глубиной скин-эффекта, чем основные частотные компоненты индуцированного тока. Соответственно, возбуждение индукционного элемента переменным током, имеющим форму волны, содержащую основной частотный компонент и один или несколько компонентов более высокой частоты, позволяет большей части индуктивной передачи энергии от индукционного элемента к токоприемнику происходить на относительно небольших глубинах от поверхности индукционного элемента, например, по сравнению с использованием только основной частоты. Это может давать преимущества.

Например, если большая доля индуктивной передачи энергии от индукционного элемента к токоприемнику происходит на относительно небольших глубинах от поверхности индукционного элемента, толщина токоприемной части 224, 324 может быть уменьшена при сохранении по существу заданного значения эффективности индуктивной передачи энергии. Например, переменный ток, имеющий чисто синусоидальную форму волны частоты F, может иметь 100% эффективность индуктивной передачи энергии на частоте F и, следовательно, может иметь глубину скин-эффекта, в пределах которой имеет место заданная доля индуктивной передачи энергии. Однако для переменного тока прямоугольной формы, имеющего ту же основную частоту F, приблизительно 20% индуктивной передачи энергии обеспечивается дополнительными частотными компонентами более высокой частоты (и, следовательно, более низкой соответствующей глубиной скин-эффекта), и, следовательно, глубина скин-эффекта, в пределах которой имеет место заданная доля индуктивной передачи энергии, будет уменьшена. Соответственно, токоприемная часть 224, 324 может быть сделана тоньше (по сравнению со случаем, когда используется чистая синусоида) без снижения заданной эффективности поглощения. Соответственно, для изготовления токоприемной части может потребоваться меньше материала (например, ферромагнитного, такого как никель или кобальт), что, в свою очередь, может позволить снизить стоимость токоприемной части 224, 324 и/или повысить эффективность ее изготовления.

Кроме того, если большая доля индуктивной передачи энергии от индукционного элемента к токоприемнику происходит на относительно небольших глубинах от поверхности индукционного элемента, то это позволяет повысить эффективность индуктивной передачи энергии для заданной толщины токоприемной части (например, такой, при которой глубина скин-эффекта в противном случае могла бы быть больше, чем толщина самой токоприемной части). Например, конкретная токоприемная часть 224, 324 имеет заданную толщину. Когда используется переменный ток с чисто синусоидальной формой волны частотой F, глубина скин-эффекта может быть больше, чем толщина токоприемной части 224, 324, и, следовательно, может быть обеспечена относительно низкая индуктивная передача энергии. Однако для переменного тока прямоугольной формы, имеющего ту же основную частоту F, около 20% индуктивной передачи энергии обеспечивается дополнительными частотными компонентами более высокой частоты (а значит, имеющими меньшую соответствующую глубину скин-эффекта), и может происходить относительно более высокая индуктивная передача энергии к токоприемной части, имеющей заданную толщину, и, следовательно, эффективность индуктивной передачи энергии к токоприемной части 224, 324 может быть увеличена.

На фиг. 7 показан пример способа работы устройства выработки аэрозоля. Например, устройство выработки аэрозоля может быть устройством 100 выработки аэрозоля, описанным выше со ссылками на фиг. 1-5. Например, устройство 100 выработки аэрозоля может содержать составной токоприемник 110, 210, 310, приспособленный для нагрева аэрозольобразующего материала 116, тем самым вырабатывая аэрозоль. Как описано выше, составной токоприемник может содержать термостойкую опорную часть 222, 322 и токоприемную часть 224, 324, поддерживаемую опорной частью 222, 322. Опорная часть 222, 322 может изготавливаться из или содержать один или несколько металлов, таких как нержавеющая сталь, алюминий, сталь, медь; металлический сплав, керамический материал и пластик, и/или высокотемпературный (т.е. термостойкий) полимер, такой как полиэфирэфиркетон (PEEK) и/или каптон. В некоторых случаях опорная часть может изготавливаться из бумаги. Например, как описано выше, токоприемная часть 224, 324 может изготавливаться или содержать ферромагнитный материал, например никель или кобальт, например, в виде покрытия опорной конструкции, например, имеющего толщину менее 50, 20 мкм, например, от 10 до 20 мкм, или, например, несколько микрометров. Устройство может также содержать индукционный элемент 108 для индуктивной передачи энергии по меньшей мере токоприемной части 224, 324 составного токоприемника 210.

Способ предусматривает на этапе 700 возбуждение индукционного элемента 108 переменным током, вызывая тем самым индуктивную передачу энергии токоприемной части 224, 324 и нагревая аэрозольобразующий материал 116 составным токоприемником 110, 210, 310, тем самым генерируя аэрозоль. При этом переменный ток имеет форму волны, содержащую основной частотный компонент, имеющий первую частоту F, и один или несколько дополнительных частотных компонентов, каждый из которых имеет более высокую частоту, чем первая частота F. Например, как описано выше, один или несколько дополнительных частотных компонентов могут быть гармониками основного частотного компонента (т.е. иметь частоты, кратные основной частоте), например нечетными гармониками (т.е. с частотами, кратными нечетным целым значениям основной частоты). Например, как описано выше, форма волны может быть треугольной, пилообразной и прямоугольной. Например, как описано выше, форма волны может быть биполярной прямоугольной. Возбуждение индукционного элемента переменным током может выполняться устройством возбуждения, например, устройством 106 возбуждения, описанным выше со ссылками на фиг. 1-6, которое может, например, содержать транзисторы, соединенные в виде H-моста, управляемого таким образом, чтобы создать возбуждающий ток прямоугольной формы, как описано выше.

Подобно тому, как описано выше, способ может обеспечивать снижение стоимости токоприемной части 224, 324, по существу сохраняя заданную эффективность индуктивной передачи энергии (и, следовательно, эффективность выработки аэрозоля), и/или улучшая эффективность индуктивной передачи энергии (и, следовательно, эффективность выработки аэрозоля) для заданной толщины токоприемной части 224, 324.

Таким образом, согласно вышеприведенным примерам устройство и способ выработки аэрозоля улучшены.

В вышеописанных примерах индукционный элемент 108 возбуждается переменным током, имеющим форму волны (например, прямоугольную), содержащую основной частотный компонент и один или несколько компонентов более высокой частоты (т.е., гармоник), чтобы вызывать индуктивную передачу энергии токоприемной части 224, 324 составного токоприемника 110, 210, 310 содержащего токоприемную часть 224, 324 и опорную часть, поддерживающую токоприемную часть 224, 324. Некоторые преимущества такого устройства обсуждались выше.

Однако необходимо дополнительно отметить, что поскольку опорная часть 222 поддерживает токоприемную часть 224, 324, токоприемная часть 224 может выполняться тонкой (например, 50 мкм, например, не более 20 мкм, например, приблизительно от 10 до 20 мкм, например, приблизительно 15 мкм или например, несколько микрометров), поскольку токоприемная часть 224, 324 не является самонесущей. Использование тонкой токоприемной части 224, 324 может дать многочисленные преимущества. Например, масса токоприемной части 224, 324 может быть относительно небольшой, и, следовательно, токоприемная часть 224, 324 может нагреваться относительно быстро для заданной индуктивной передачи энергии, и, следовательно, скорость нагрева аэрозольобразующего материала может быть увеличена, что может обеспечить более оперативный нагрев и/или повысить общую энергоэффективность. В другом примере количество материала токоприемной части 224 может быть относительно небольшим, что позволяет сэкономить на стоимости материала токоприемной части. В другом примере толщина токоприемной части 224, 324 может быть относительно небольшой, что может позволить сократить время и затраты, связанные с изготовлением токоприемной части 224, 324, например, путем осаждения, химического и/или электрохимического покрытия и/или вакуумного испарения. В качестве другого примера, при изготовлении токоприемной части, например, путем осаждения или испарения, морфология осажденного слоя токоприемной части может ухудшаться с увеличением толщины слоя, и, следовательно, использование тонкой токоприемной части 224, 324 может обеспечить относительно высокое общее качество слоя, что может, например, позволить улучшить производительность.

Таким образом, составной токоприемник 110, 210, 310 позволяет использовать относительно тонкие токоприемные части 224, 324, что обеспечивает упомянутые выше преимущества. Однако относительно тонкие токоприемные части 224, 324 в принципе могут иметь недостаток, заключающийся в том, что эффективность индуктивной передачи энергии от индукционного элемента 108 к относительно тонкой токоприемной части 224, 324 может быть относительно небольшой. Например, как описано выше, это может быть связано с тем, что глубина скин-эффекта (характерная глубина, на которую переменное магнитное поле, создаваемое индукционным элементом 108, проникает в токоприемную часть, вызывая индукционный нагрев), может быть больше, чем толщина токоприемной части 224, 324, что означает, что эффективность связи при индуктивной передачи энергии от индукционного элемента 108 к токоприемной части 224, 324 может быть относительно низкой. Однако этот потенциальный недостаток составных токоприемников 110, 210, 310 может быть устранен в соответствии с примерами, описанными в данном документе, путем возбуждения индукционного элемента 108 переменным током, имеющим форму волны, содержащую основной частотный компонент и один или несколько компонентов более высокой частоты (т.е. гармоник). Поскольку глубина скин-эффекта уменьшается с увеличением частоты, более высокочастотные компоненты могут помочь гарантировать, что для относительно тонкой токоприемной части 224, 324 составного токоприемника 110, 210, 310 может быть получена относительно высокая эффективность связи при индуктивной передаче энергии от индукционного элемента 108 к токоприемной части 224, 324. Это может быть достигнуто, например, без увеличения основной частоты возбуждающего переменного тока. Как описано выше, из таких форм волны прямоугольная форма волны, такая как биполярная прямоугольная, имеет особенно высокую долю своей энергии в высокочастотных компонентах и, следовательно, способна обеспечивать особенно высокую эффективность связи с токоприемной частью 224, 324 составного токоприемника 110, 210, 310. Кроме того, как описано выше, прямоугольная форма волны, например биполярная прямоугольная, может генерироваться с использованием относительно недорогой и несложной схемы возбудителя 432.

Комбинация составного токоприемника 110, 210, 310 и возбуждения индукционного элемента переменным током, имеющим форму волны (например, прямоугольную), содержащую основной частотный компонент и один или несколько компонентов более высокой частоты, может, например, позволить уменьшить затраты, в то же время помогая обеспечить относительно высокую эффективность передачи энергии, и, следовательно, может позволить усовершенствовать устройство и способ выработки аэрозоля.

Хотя в некоторых описанных выше примерах токоприемная часть составного токоприемника представляет собой покрытие на опорной части, в других примерах токоприемная часть и опорная часть могут представлять собой лист материала. Опорная часть может быть отдельной от токоприемной части. При этом опорная часть может упираться в токоприемную часть, чтобы поддерживать токоприемную часть. Например, опорная часть может окружать токоприемную часть. Токоприемная часть может представлять собой первый лист материала, сконфигурированный для обертывания вокруг аэрозольобразующего материала, при этом опорная часть представляет собой второй лист материала, сконфигурированный для обертывания вокруг первого листа для его поддержания. В одном из таких примеров опорная часть сформирована из бумаги. Токоприемная часть может изготавливаться из любого подходящего материала для генерирования тепла под воздействием переменного магнитного поля. Например, токоприемная часть может представлять собой алюминий.

Вышеупомянутые примеры следует понимать как иллюстративные примеры осуществления изобретения. Следует понимать, что любая особенность, описанная в отношении любого из примеров, может использоваться отдельно или в комбинации с другими описанными особенностями, а также может использоваться в комбинации с одной или несколькими особенностями любого другого примера или любой комбинации с любым другим примером. Кроме того, могут быть также использованы не описанные выше эквиваленты и модификации без отклонения от объема изобретения, определенного в его формуле.

Claims (34)

1. Устройство выработки аэрозоля, содержащее

составной токоприемник для нагревания аэрозольобразующего материала с целью выработки аэрозоля при использовании, при этом составной токоприемник содержит опорную часть и токоприемную часть, поддерживаемую опорной частью;

индукционный элемент для индуктивной передачи энергии токоприемной части при использовании; и

устройство возбуждения для возбуждения индукционного элемента переменным током, обеспечивая при использовании индуктивную передачу энергии токоприемной части, вызывая тем самым нагрев аэрозольобразующего материала составным токоприемником и вырабатывая аэрозоль;

при этом переменный ток имеет форму волны, содержащую основной частотный компонент с первой частотой и один или несколько дополнительных частотных компонентов, каждый из которых имеет более высокую частоту, чем первая частота.

2. Устройство по п. 1, в котором токоприемная часть выполнена в виде покрытия на опорной части.

3. Устройство по п. 1, в котором токоприемная часть представляет собой первый лист материала, а опорная часть представляет собой второй лист материала, примыкающий к токоприемной части, поддерживая ее.

4. Устройство по п. 3, в котором опорная часть сконфигурирована таким образом, чтобы окружать токоприемную часть.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, в котором толщина токоприемной части не превышает 50 мкм.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором толщина токоприемной части не превышает 20 мкм.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, в котором токоприемная часть содержит ферромагнитный материал.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором токоприемная часть содержит никель и/или кобальт.

9. Устройство по любому из пп. 1-6, в котором токоприемная часть содержит алюминий.

10. Устройство по любому из пп. 1-9, в котором один или несколько дополнительных компонентов являются гармониками основного компонента.

11. Устройство по любому из пп. 1-10, в котором первая частота F находится в диапазоне от 0,5 до 2,5 МГц, а частота каждого из одного или нескольких дополнительных частотных компонентов равна nF, где n – положительное целое число, большее 1.

12. Устройство по любому из пп. 1-11, в котором форма волны является треугольной, или пилообразной, или прямоугольной.

13. Устройство по любому из пп. 1-12, в котором форма волны является биполярной прямоугольной.

14. Устройство по п. 13, в котором устройство возбуждения содержит транзисторы, расположенные в виде Н-моста и управляемые для обеспечения биполярной прямоугольной формы волны.

15. Устройство по любому из пп. 1-14, в котором опорная часть содержит один или более следующих материалов: металл, металлический сплав, керамический материал, пластик и бумага.

16. Устройство по любому из пп. 1-15, в котором составной токоприемник содержит термостойкую защитную часть, а токоприемная часть расположена между опорной частью и защитной частью.

17. Устройство по п. 16, в котором термостойкая защитная часть представляет собой покрытие на токоприемной части.

18. Устройство по любому из пп. 16 или 17, в котором термостойкая защитная часть выполнена из одного или более следующих материалов: из керамического материала, нитрида металла, нитрида титана и алмаза.

19. Устройство по любому из пп. 1-18, в котором составной токоприемник является плоским.

20. Устройство по любому из пп. 1-18, в котором составной токоприемник является трубчатым.

21. Устройство по любому из пп. 1-20, содержащее аэрозольобразующий материал, который находится в тепловом контакте с составным токоприемником.

22. Устройство по п. 21, в котором аэрозольобразующий материал содержит табак и/или один или несколько увлажнителей.

23. Способ работы устройства выработки аэрозоля, содержащего составной токоприемник, выполненный с возможностью нагревания аэрозольобразующего материала для выработки аэрозоля и включающий в себя опорную часть и токоприемную часть, поддерживаемую опорной частью; причем устройство также содержит индукционный элемент для индуктивной передачи энергии токоприемной части; при этом способ включает в себя этапы, на которых

возбуждают индукционный элемент переменным током, обеспечивая индуктивную передачу энергии токоприемной части, вызывая тем самым нагрев аэрозольобразующего материала составным токоприемником и вырабатывая аэрозоль;

при этом переменный ток имеет форму волны, содержащую основной частотный компонент с первой частотой и один или несколько дополнительных частотных компонентов, каждый из которых имеет более высокую частоту, чем первая частота.

24. Способ по п. 23, в котором один или несколько дополнительных частотных компонентов являются гармониками основного частотного компонента.

25. Способ по любому из пп. 23 или 24, в котором первая частота F находится в диапазоне от 0,5 до 2,5 МГц, а частота каждого из одного или нескольких дополнительных частотных компонентов равна nF, где n – положительное целое число, большее 1.

26. Способ по любому из пп. 23-25, в котором форма волны является треугольной, или пилообразной, или прямоугольной.

27. Способ по любому из пп. 23-26, в котором форма волны является биполярной прямоугольной.

28. Способ по любому из пп. 23-27, в котором устройство выработки аэрозоля представляет собой устройство по любому из пп. 1-22.