TW201603725A - 感應加熱裝置、含感應加熱裝置之氣溶膠遞送系統及其操作方法 - Google Patents

感應加熱裝置、含感應加熱裝置之氣溶膠遞送系統及其操作方法 Download PDF

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Abstract

一種用於加熱一含感受器(21)之氣溶膠形成基材(20)的感應加熱裝置(1)，其包含：- 一裝置外殼(10)；- 一個提供DC供電電壓(VDC)及DC電流(IDC)之DC電源(11)，- 一電源電子件(13)，其包含一DC/AC轉換器(132)，該DC/AC轉換器(132)包含一LC負載網路(1323)，該LC負載網路(1323)包含一電容器(C2)與一具有歐姆電阻(RCoil)之感應器(L2)之串聯；- 一個位於該裝置外殼(10)中之腔室(14)，用於容納該氣溶膠形成基材(20)之至少一部分，以將該LC負載網路(1323)之該感應器(L2)感應耦接至該感受器(21)。 該電源電子件(13)進一步包含一微控器(131)，用以依據該DC供電電壓(VDC)及該DC電流(IDC)，判定一視在歐姆電阻(Ra)，且依據該視在歐姆電阻(Ra)，判定該感受器(21)之溫度(T)。

Description

感應加熱裝置、含感應加熱裝置之氣溶膠遞送系統及其操作方法
本發明係關於一種用於加熱氣溶膠形成基材之感應加熱裝置。本發明亦關於一種含此感應加熱裝置之氣溶膠遞送系統。本發明進一步關於一種操作此氣溶膠遞送系統之方法。
已知先前技術之氣溶膠遞送系統包含氣溶膠形成基材，通常為含菸草之插條。要加熱菸草插條至一定溫度以使其能夠釋放出可形成氣溶膠之揮發性成分，需將加熱元件例如加熱葉片(通常由金屬製成)插入菸草插條中。判定與氣溶膠形成基材(菸草插條)直接接觸之加熱葉片之溫度，以之表示氣溶膠形成基材之溫度。加熱葉片之溫度之計算係使用加熱葉片之歐姆電阻與加熱葉片溫度間之已知關係得出。因此，在加熱期間，藉由監視加熱葉片之歐姆電阻(例如通過電壓及安培數量測)，可於一次吸菸進程期間任一時刻判定加熱葉片之溫度。
其他氣溶膠遞送系統包含一感應加熱裝置而非加熱葉片。感應加熱裝置包含一個被配置成以熱性接近氣溶膠形成基材之感應器，且氣溶膠形成基材包含一感受器。感應器之交流磁場於感受器中產生渦電流及磁滯損失，導致感受器加熱氣溶膠形成基材至一溫度，即在該溫度下其能夠釋放可形成氣溶膠之揮發性成分。由於感受器之加熱以無接觸點方式完成，故而無法直接量測氣溶膠形成基材之溫度。
然而，仍希望能夠以有效方式量測及控制氣溶膠形成基材之操作溫度(同樣在感應加熱之氣溶膠形成基材中)。因此，需要一種用於加熱氣溶膠形成基材之感應加熱裝置，其中氣溶膠形成基材之溫度量測可以完成。也需要一種含氣溶膠形成基材溫度量測之氣溶膠遞送系統。
本發明係關於一種用於加熱含感受器氣溶膠形成基材之感應加熱裝置。本發明之感應加熱裝置包含：- 一裝置外殼- 一DC電源，用於於操作中提供DC供電電壓及DC電流，- 一電源電子件，其構造成以於高頻下操作，該電源電子件包含一連接至該DC電源之DC/AC轉換器，該DC/AC轉換器包含一LC負載網路，該LC負載網路構造成以於低歐姆負載下操作，其中該LC負載網路包含一電容器與一有一歐姆電阻之感應器的串聯， - 置於該裝置外殼中之腔室，該腔室之內表面之形狀適合容納該氣溶膠形成基材之至少一部分，該腔室構造成以使在操作期間一旦氣溶膠形成基材之該部分容納於腔室中，LC負載網路之感應器即感應耦接至氣溶膠形成基材之感受器。
電源電子件進一步包含一微控器，其經程式化以於操作中依據DC電源之DC供電電壓且依據自DC電源流出之DC電流判定視在歐姆電阻，且進一步經程式化以於操作中依據該視在歐姆電阻(apparent ohmic resistance)判定氣溶膠形成基材之感受器之溫度。
氣溶膠形成基材較佳為能夠釋放出可形成氣溶膠之揮發性化合物之基材。此等揮發性化合物係藉由加熱氣溶膠形成基材而釋放出。氣溶膠形成基材可為固體或液體或可同時包含固體與液體成分。一較佳實施例中，氣溶膠形成基材為固體。
氣溶膠形成基材可包含尼古丁。含尼古丁之氣溶膠形成基材可為尼古丁鹽基質。氣溶膠形成基材可包含基於植物之材料。氣溶膠形成基材可包含菸草，較佳含有菸草之材料含有在加熱後即自氣溶膠形成基材釋放的揮發性菸草味化合物。
氣溶膠形成基材可包含均質化菸草材料。均質化菸草材料可藉由黏聚粒子狀菸草而形成。均質化菸草材料(若存在)含有之氣溶膠形成者之含量可基於乾重等於或大於5%、較佳按重量計基於乾重在大於5%與30%之間。
或者，氣溶膠形成基材可包含不含菸草之材料。氣溶膠形成基材可包含均質化之基於植物之材料。
氣溶膠形成基材可包含至少一個氣溶膠形成者。氣溶膠形成者可為任何適當已知之化合物或化合物之混合物，其在使用中有利於形成稠密且穩定之氣溶膠，且在氣溶膠產生裝置之操作溫度下實質上耐熱降解。該技術領域所熟知的適當氣溶膠形成者包括但不限於：多元醇，如三甘醇、1,3-丁二醇及甘油；多元醇之酯，如單、二或三醋酸甘油酯；及單、二或多羧酸之脂族酯，如十二烷二酸二甲酯及十四烷二酸二甲酯。尤佳之氣溶膠形成者為多元醇或其混合物，如三伸甘醇、1,3-丁二醇，最佳為甘油。氣溶膠形成基材可包含其他添加物及成分，例如芳香物。氣溶膠形成基材較佳包含尼古丁及至少一種氣溶膠形成者。一尤佳實施例中，氣溶膠形成者為甘油。
DC電源一般可包含任何合適之DC電源，尤其包含待連接至主電源之電源單元、一或多個單次使用電池、可再充電電池或其他任何合適之能夠提供所需DC供電電壓及所需DC供電安培數之DC電源。一實施例中，DC電源之DC供電電壓介於約2.5伏至約4.5伏範圍之間、而DC供電安培數介於約2.5安培至約5安培範圍之間(相應DC電源功率介於約6.25瓦特至約22.5瓦特範圍之間)。較佳地，DC電源包含可再充電電池。此類電池普遍有售，且其整體體積可接受，在約1.2至約3.5立方釐米之間。此類電池可具有大體呈圓柱形或矩形 之立體形狀。又，DC電源可包含DC進料扼流圈(feed choke)。
作為本申請書通篇使用之普遍原則，只要當「約」字與特定值聯繫使用時，皆應理解為「約」字後所跟之值不必精確為出於技術考慮之特定值。然而，結合特定值使用之「約」字應總是理解為包括、並且明確揭示「約」字後所跟之特定值。
電源電子件構造成以於高頻下操作。就本申請書而言，術語「高頻」應理解為指代以下範圍之頻率：自約1兆赫(MHz)至約30兆赫(MHz)之間、尤為自約1兆赫(MHz)至約10MHz之間(包括1MHz至10MHz之範圍)、更尤為自約5兆赫(MHz)至約7兆赫(MHz)之間(包括5MHz至7MHz之範圍)。
電源電子件包含連接至DC電源之DC/AC轉換器。
DC/AC轉換器(其可實施為DC/AC轉換器)之LC負載網路構造成以於低歐姆負載下操作。術語「低歐姆負載」應理解為指代小於約2歐姆之歐姆負載。LC負載網路包含一並聯電容器及一電容器與有一歐姆電阻之感應器之串聯。感應器之此歐姆電阻通常為十分之幾歐姆。在操作中，感應器之歐姆電阻基礎上增加了感受器之歐姆電阻，且感受器之歐姆電阻應高於感應器之歐姆電阻，因所供應之電功率在感受器中轉化為熱量之程度應盡可能高，從而使功率放大器之效率提高，並從感受器傳送盡可能多的熱量至氣溶膠形成基材之其餘部分以有效產生氣溶膠。
感受器為能夠被感應加熱之導體。「熱性接近」意指感受器相對於氣溶膠形成基材其餘部分之位置使得能將足夠熱量自感受器傳送至氣溶膠形成基材之其餘部分以產生氣溶膠。
由於感受器不僅導磁亦導電(其為導體，見上文)，感受器中產生名為渦電流之電流，且其於感受器中根據歐姆法則流動。感受器應有低電阻率ρ，以提高焦耳熱散逸。此外，因膚表效應(高於98%之電流在自導體外表面算起之膚表深度δ之四倍的層厚中流動)之故，必須考慮交流渦電流之頻率。考慮及此，感受器之歐姆電阻RS由以下等式得出：
其中f 指代交流渦電流之頻率μ0 指代自由空間之磁導率μr 指代感受器材料之相對磁導率，且ρ 指代感受器材料之電阻率。
渦電流產生之功率損失Pe由以下公式得出：Pe=I2．RS
其中I 指代渦電流之安培數(rms)，且RS 指代感受器之電阻(見上文)
由此Pe之等式及RS之計算可見，對於具有已知相對導磁率μr及給定電阻率ρ之材料，很明顯渦電流所產生之功率損失Pe(通過轉換為熱量)隨著頻率增加 及安培數(rms)增加而增加。另一方面，交流渦電流之(及相應於感受器中感應渦電流之交流磁場之)頻率不可任意增加，因膚表深度δ隨著渦電流之(或於感受器中感應渦電流之交流磁場之)頻率的增加而減少，從而在某一截止頻率之上感受器中便不可再產生渦電流，因膚表深度太小而不允許產生渦電流。增加安培數(rms)需要具有較高磁通密度之交流磁場，因此需要大容量之感應源(感應器)。
此外，熱量經由與磁滯相關之加熱機制而產生於感受器中。磁滯產生之功率損失由以下等式得出PH=V．WH．f
其中V 指代感受器之體積WH 指代沿著B-H圖像中之封閉磁滯迴圈磁化感受器所需之功(work)，且f 指代交流磁場之頻率。
沿著B-H圖像中之封閉磁滯迴圈磁化感受器所需之功WH亦可表述為：WH=∮H．dB
WH之最大可能量取決於感受器之材料特性(飽和殘磁BR、矯頑磁力HC)，且WH之實際量取決於交流磁場於感受器中所感應之實際磁化B-H迴圈，且此實際磁化B-H迴圈取決於磁激之量級。
感受器中有產生熱量(功率損失)之第三機制。此熱量產生源於當感受器被施以交流外部磁場時可導磁之感受器材料中磁疇(magnetic domain)之動態損失，且此動態損失亦一般隨著交流磁場之頻率增加而增加。
為能夠根據前述機制在感受器中產生熱量(主要經由渦電流損失及磁滯損失)，於裝置外殼中配置一腔室。腔室之內表面之形狀經設置為容納氣溶膠形成基材之至少一部分。腔室被配置成以使操作期間，氣溶膠形成基材之該部分一旦容納於腔室中，LC負載網路之感應器即感應耦接至氣溶膠形成基材之感受器。此意謂LC負載網路之感應器被用以經由磁感應加熱感受器。此舉減少了對額外組件之需求，例如用於將E級功率放大器之輸出阻抗與負載匹配之匹配網路，從而允許進一步最小化電源電子件之尺寸。
總體而言，由於基材之無接觸加熱，本發明之感應加熱裝置實現了一種小型易用、高效、清潔且堅固耐用之加熱裝置。對於形成如上所述之低歐姆負載同時電阻遠高於LC負載網路之感應器之歐姆電阻的感受器而言，於是有了可能僅在五秒內甚至少於五秒時間間隔內，達到300-400攝氏度之間的感受器溫度，而與此同時感應器之溫度低(由於功率之極大一部分被轉化為感受器中之熱量)。
如前已述，根據本發明之感應加熱裝置之一態樣，裝置構造成以加熱吸菸物件之氣溶膠形成基材。 此尤其包括，功率經提供至氣溶膠形成基材內之感受器，以使氣溶膠形成基材加熱至200-240攝氏度之間的平均溫度。更佳地，裝置構造成以加熱吸菸物件之載菸草固體氣溶膠形成基材。
隨著氣溶膠形成基材變熱，將希望控制其溫度。此目的不易實現，因為氣溶膠形成基材之加熱是藉由感受器之無接觸點(感應)加熱來完成的(如上所述主要通過磁滯損失及渦電流損失)，而在先前技術電阻加熱裝置中，由於電阻加熱元件之溫度與加熱元件之歐姆電阻之線性相關性，溫度控制是藉由量測電阻加熱元件處之電壓及電流來完成的。
出人意料，在本發明之感應加熱裝置中，感受器之溫度與得自於DC電源之DC電壓及DC電源流出之DC電流的視在歐姆電阻之間，存在嚴格單調之關係。此嚴格單調之關係使得依據本發明之(無接觸點)感應加熱裝置中之個別視在歐姆電阻明確判定感受器之個別溫度，因為視在歐姆電阻之每一個值僅表示一個溫度值，故而其關係中不存在不定性(ambiguity)。此並不意謂感受器之溫度與視在歐姆電阻間之關係必須為線性，然而，其關係必須嚴格單調，以避免一個視在歐姆電阻被不明確地分派給一個以上之溫度。於是，感受器溫度與視在歐姆電阻間之嚴格單調之關係使得能夠對感受器、從而對氣溶膠形成基材之溫度進行判定及控制。如下文將詳述，若DC/AC轉換器包含E級放大器，則感受器之溫度與視在歐姆電阻間之關係至少在相關溫度範圍中為線性的。
DC電源之DC供電電壓及自DC電源流出之DC電流之判定包含對DC供電電壓及DC電流二者之量測。然而，根據本發明之感應加熱裝置之一態樣，DC電源可為用於提供恆定DC供電電壓之DC電池，特別是可再充電DC電池。此舉允許對電池再充電，較佳經由一個與主電源之連接、通過一個含AC/DC轉換器之充電裝置完成。若是供應恆定DC電壓，則仍有可能且希望量測DC供電電壓，然而，此DC供電電壓之量測不是必須的(因為DC供電電壓是恆定的)。然而，電源電子件包含一DC電流感測器，用於量測自DC電池流出之DC電流，以便可依據恆定DC供電電壓(無論是否量測或判定此恆定DC供電電壓具有恆定值)及量測到之DC電流判定視在歐姆電阻(表示感受器之溫度)。通常，此態樣使得可僅量測DC電流而無需同時量測DC供電電壓。
如上所述，在特定實例中，有可能避免DC供電電壓之量測，然而，根據本發明之感應加熱裝置之一態樣，電源電子件包含一DC電壓感測器，用於量測DC電源之DC電壓，以便在任何事件中DC供電電壓之實際值之判定可被量測。
如上所述，本發明之感應加熱裝置使之實現溫度控制。要以特別之優勢實現此目標，根據本發明之感應加熱裝置之另一態樣，微控器進一步經程式化以當氣溶膠形成基材之感受器之判定溫度等於或超過一預設臨界溫度時，中斷DC/AC轉換器之AC電力之產生，且根據此態樣，微控器經程式化以當氣溶膠形成基材之感 受器之判定溫度再次低於該預設臨界溫度時，恢復AC電力之產生。術語「中斷AC電力之產生」意欲既涵蓋基本無AC電力產生之情形、亦涵蓋AC產生僅降至維持臨界溫度之情形。有利地，此臨界溫度為目標操作溫度，尤其介於300℃至400℃之間例如350℃之溫度。根據本發明之感應加熱裝置加熱氣溶膠形成基材之感受器，直至感受器到達個別視在歐姆電阻所對應之預設臨界溫度。彼時，DC/AC轉換器進一步提供之AC電力被中斷，以便停止感受器之進一步加熱，允許感受器降溫。一旦感受器之溫度重新降至預設溫度以下，相應視在歐姆電阻之判定被偵測到。彼時，重新恢復AC電力之產生，以保持溫度盡可能接近目標操作溫度。此結果可藉由(例如)調節LC負載網路之AC電力供應之工作循環來實現。此於WO2014/040988中進行了原則性描述。
如上已述，根據本發明之感應加熱裝置之一態樣，DC/AC轉換器包含含電晶體開關之E級功率放大器、電晶體開關驅動器電路及LC負載網路，此LC負載網路構造成以於低歐姆負載下操作，且該LC負載網路還包含一並聯電容器。
E級功率放大器廣為人知並已進行過詳細描述，例如在American Radio Relay League(ARRL，美國無線電中繼聯盟),Newington,CT,U.S.A.之雙月刊雜誌QEX 2001年一/二月版，9-20頁所刊之Nathan O.Sokal之文章“Class-E RF Power Amplifiers(E級射頻功率放大器)”中進行過詳細描述。E級功率放大器於高頻操作方面 有優勢，同時電路結構簡單僅包含最小數量之組件(例如僅需要一個電晶體開關，此點優於包含兩個電晶體開關之D級功率放大器，後者在高頻下之操作方式必須為：確保當兩個電晶體中之一者開啟時兩個電晶體中之另一者已經關閉)。此外，E級功率放大器因切換電晶體期間切換電晶體中之功率消耗最小而聞名。較佳地，E級功率放大器為僅有單個電晶體開關之單一端(single-ended)一階(first order)E級功率放大器。
E級功率放大器之電晶體開關可為任何類型之電晶體，且可實施為雙極型接面電晶體(BJT)。然而，更佳地，電晶體開關實施為場效電晶體(FET)，例如金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或金屬半導體場效電晶體(MESFET)。
根據本發明之感應加熱裝置之另一態樣，LC負載網路之感應器包含一螺旋繞組之圓柱形感應器線圈，該感應器線圈位於腔室之內表面上或附近。
根據本發明之感應加熱裝置之另一態樣，E級功率放大器具有一輸出阻抗，且電源電子件進一步包含一匹配網路，以用於將E級功率放大器之輸出阻抗與低歐姆負載匹配。此法有助於進一步增加低歐姆負載中之功率損失，從而增加低歐姆負載中之熱量產生。例如，匹配網路可包含小型匹配變壓器。
根據本發明之感應加熱裝置之另一態樣，電源電子件之總體積等於或小於2cm3。此舉允許裝置外殼中電池、電源電子件及腔室之配置之總體尺寸較小且便於操作。
根據本發明之感應加熱裝置之另一態樣，LC負載網路之感應器包含一螺旋繞組之圓柱形感應器線圈，該感應器線圈位於腔室之內表面上或附近。有利地，該感應器線圈具有橢圓形狀且界定一個介於約0.15cm3至約1.10cm3間範圍之內部體積。例如，螺旋繞組之圓柱形感應線圈之內直徑可為約5mm與約10mm之間，且較佳可為約7mm，且螺旋繞組之圓柱形感應線圈之長度可為約8mm與約14mm之間。線圈線材之直徑或厚度可為約0.5mm與約1mm之間，取決於是否使用了具有圓形剖面之線圈線材或具有扁平矩形剖面之線圈線材。螺旋繞組之感應線圈置於腔室之內表面上或鄰近腔室之內表面。螺旋繞組之圓柱形感應線圈置於腔室之內表面上或鄰近腔室之內表面可進一步最小化裝置之尺寸。
本發明之另一態樣涉及一種氣溶膠遞送系統，其包含如上所述感應加熱裝置及一個含感受器之氣溶膠形成基材。氣溶膠形成基材之至少一部分將容納於感應加熱裝置之腔室中，以使感應加熱裝置之DC/AC轉換器之LC負載網路之感應器於操作期間感應耦接至氣溶膠形成基材之感受器。
舉例而言，氣溶膠形成基材可為吸菸物件之氣溶膠形成基材。特定而言，氣溶膠形成基材可為用於吸菸物件(例如香菸)中之載菸草之固體氣溶膠形成基材。
根據本發明之氣溶膠遞送系統之一個態樣，感受器由不鏽鋼製成。例如，可使用各種等級不鏽鋼，例如430級不鏽鋼(SS430)或410級不鏽鋼(SS410)、420級不鏽鋼(SS420)或440級不鏽鋼(SS440)。亦可使用其他等級不鏽鋼。例如，感受器為單個感受器元件，其可實施為條帶、薄片、線材或箔片，且此些感受器元件可具有不同的剖面幾何形狀，例如矩形、圓形、橢圓形或其他幾何形狀。
根據本發明之氣溶膠遞送系統之一特定態樣，感受器可包含扁平條帶狀不鏽鋼，該扁平條帶狀不鏽鋼具有介於約8毫米至約15毫米間之長度，較佳為約12毫米之長度。扁平條帶進一步具有介於約3毫米至約6毫米間之寬度，較佳約4毫米或約5毫米間之寬度。扁平條帶進一步具有介於約20微米至約50微米間之厚度，較佳約20微米至約40微米間之厚度，例如，約25微米或約35微米之厚度。一個非常具體之感受器之實施例可具有約12毫米之長度、約4毫米之寬度及約50微米之厚度，且可由430級不鏽鋼(SS430)製成。另一個非常具體之感受器之實施例可具有約12毫米之長度、約5毫米之寬度及約50微米之厚度，且可由430級不鏽鋼(SS430)製成。或者，此些非常具體之實施例亦可由420級不鏽鋼(SS420)製成。
本發明之另一態樣涉及一種操作如上所述氣溶膠遞送系統的方法，該方法包括以下步驟： - 依據DC電源之DC供電電壓及自DC電源流出之DC電流，判定一視在歐姆電阻，- 依據該視在歐姆電阻，判定氣溶膠形成基材之感受器之溫度。
根據本發明之方法之一態樣，DC電源為DC電池特別是可再充電DC電池，且提供恆定DC供電電壓。量測自DC電池流出之DC電流，以便依據恆定DC供電電壓及量測到之DC電流判定視在歐姆電阻。
根據本發明之方法之又一態樣，該方法進一步包含以下步驟：- 當氣溶膠形成基材之感受器之判定溫度等於或超過一預設臨界溫度時，中斷DC/AC轉換器之AC電力之產生，及- 當氣溶膠形成基材之感受器之判定溫度再次低於該預設臨界溫度時，恢復AC電力之產生。
上文已論述本發明之優勢及方法及其特定態樣，此處不再贅述。
1‧‧‧感應加熱裝置
2‧‧‧吸菸物件
10‧‧‧裝置外殼
11‧‧‧DC電源
12‧‧‧對接埠
13‧‧‧電源電子件
14‧‧‧腔室
20‧‧‧氣溶膠形成基材
21‧‧‧感受器
22‧‧‧過濾器部件
110‧‧‧可再充電電池
120‧‧‧插針
130‧‧‧電連接
131‧‧‧微控器
132‧‧‧DC/AC轉換器
133‧‧‧匹配網路
1320‧‧‧E級功率放大器
1321‧‧‧場效電晶體
1322‧‧‧電晶體開關供應電路
1323‧‧‧LC負載網路
1324‧‧‧總歐姆負載
BL‧‧‧磁場線
C1‧‧‧並聯電容器
C2‧‧‧電容器
IDC‧‧‧DC電流
iL2‧‧‧交流電流
L1‧‧‧扼流圈
L2‧‧‧感應器
l‧‧‧長度
Pe‧‧‧功率損失
Ph‧‧‧功率損失
R‧‧‧歐姆電阻
Ra‧‧‧視在歐姆電阻
RCIRCUIT‧‧‧歐姆電阻
RCoil‧‧‧歐姆電阻
RLoad‧‧‧歐姆電阻
RSUSCEPTOR‧‧‧感受器之歐姆電阻
T‧‧‧溫度
Tth‧‧‧臨界溫度
VDC‧‧‧DC供電電壓
從以下隨附圖式及發明詳細說明，易見本發明之其他有利態樣。
圖1展示了本發明之感應加熱裝置之主要加熱原理，圖2展示了本發明之感應加熱裝置及氣溶膠遞送系統之一實施例之方塊圖， 圖3展示本發明之氣溶膠遞送系統之一實施例，其包含一感應加熱裝置，該感應加熱裝置具有配置於在裝置外殼中之核心組件，圖4展示了本發明之感應加熱裝置之電源電子件之核心組件之一實施例(無匹配網路)，圖5展示了採用螺旋繞組之圓柱形感應器線圈(具有橢圓形狀)形式之LC負載網路之感應器之一實施例，圖6展示了LC負載網路之細節包含線圈之感應率及歐姆電阻，此外展示了負載之歐姆電阻。圖7展示了兩個表示自DC電源流出之DC電流相關於感受器溫度之訊號，圖8展示了兩個感受器之溫度相關於DC電源之DC供電電壓及自DC電源流出之DC電流的關係，及圖9展示了感應加熱裝置之電源電子件之一同等電路。
圖1中圖示了本發明之主要加熱原則。圖1示意性展示了螺旋繞組之圓柱形感應器線圈L2，其具有橢圓形狀且界定一內部體積，且該內部體積中配置吸菸物件2之氣溶膠形成基材20之一部分或全部，氣溶膠形成基材包含感受器21。圖1右手邊單獨圖示了包含氣溶膠形成基材20及感受器21之吸菸物件2之擴大剖面細節示意圖。如前已述，吸菸物件2之氣溶膠形成基材20可為載菸草固體基材，然而並不必限於此。
此外，圖1中，感應器線圈L2之內部體積內某一特定時刻之磁場標示為若干磁場線BL，因為由流經感應器線圈L2之交流電流iL2所產生之磁場為交流磁場，其以交流電流iL2之頻率改變其極性，該頻率可介於約1MHz至約30MHz範圍之間(包括1MHz至30MHz之範圍)、尤其可介於約1MHz至約10MHz範圍之間(包括1MHz至10MHz之範圍尤其可小於10MHz)、再尤其介於約5MHz至約7MHz範圍之間(包括5MHz至7MHz之範圍)。圖1中亦標示了兩個對於感受器21中產生熱量有用之主要機制，渦電流(閉合圓圈代表渦電流)引起之功率損失Pe及磁滯(閉合磁滯曲線代表磁滯)引起之功率損失Ph。此些機制指上述詳細論述之此些機制。
圖3展示了含本發明之感應加熱裝置1之本發明之氣溶膠遞送系統之一實施例。感應加熱裝置1包括由塑膠製成之裝置外殼10及含可再充電電池110之DC電源11(見圖2)。感應加熱裝置1進一步包含對接埠(docking port)12(含插針120)以用於將感應加熱裝置對接至充電站或充電裝置以便對可再充電電池110充電。此外，感應加熱裝置1包含電源電子件13，其被組態以於需要之頻率下操作。電源電子件13經由合適之電連接130而電連接至可再充電電池110。儘管電源電子件13包含圖3中不可見之額外組件，然而其特定地包含LC負載網路(見圖4)，LC負載網路又包含圖3之虛線所示之感應器L2。感應器L2嵌於裝置外殼10中裝置外殼10之近端，包圍同樣配置於裝置外殼10之近端的腔室14。 感應器L2可包含具有橢圓形狀之螺旋繞組之圓柱形感應器線圈，如圖5所示。螺旋繞組圓柱形感應器線圈L2之半徑r可介於約5mm至約10mm範圍之間、尤其半徑r可為約7mm。螺旋繞組圓柱形感應器線圈之長度l可介於約8mm至約14mm範圍之間。相應地內部體積可介於約0.15cm3至約1.10cm3範圍之間。
返回圖3，含感受器21之載菸草氣溶膠形成基材20容納於腔室14中裝置外殼10之近端，以便操作期間感應器L2(螺旋繞組圓柱形感應器線圈)感應耦接至吸菸物件2之載菸草固體氣溶膠形成基材20之感受器21。吸菸物件2之過濾器部件22可配置於感應加熱裝置1之腔室14之外，以便操作期間消費者可經由過濾器部件22吸入氣溶膠。一旦吸菸物件移出腔室14，腔室14即可輕易清潔，因為除吸菸物件2之氣溶膠形成基材20插入所經之開口遠端外，腔室完全被界定腔室14之塑膠裝置外殼10之此些內壁所包圍封閉。
圖2為含本發明之感應加熱裝置1之氣溶膠遞送系統之一實施例之方塊圖，然而以下將論述一些可選態樣或組件。感應加熱裝置1與含感受器21之氣溶膠形成基材20一起，形成本發明之氣溶膠遞送系統之實施例。圖2所示之方塊圖為考慮了操作方式之圖式。由圖可見，感應加熱裝置1包含DC電源11(圖3中包含可再充電電池110)、微控器(微處理器控制單元)131、DC/AC轉換器132(實施為DC/AC反相器)、用於適應至負載之匹配網路133及感應器L2。微處理器控制單元131、 DC/AC轉換器132及匹配網路133以及感應器L2為電源電子件13(見圖1)之所有部分。回饋通道向微處理器控制單元131提供DC供電電壓VDC及自DC電源11流出之DC電流IDC較佳藉由量測DC供電電壓VDC及自DC電源11流出之DC電流IDC，以進一步控制LC負載網路尤其是感應器L2之AC電力供應。下文將更詳細闡釋本發明之感應加熱裝置之此重要態樣。可提供(但不是必須)匹配網路133以便獲得最佳負載適應，且其不包括於以下詳細描述之實施例中。
圖4展示了電源電子件13尤其是DC/AC轉換器132之一些主要組件。由圖4可見，DC/AC轉換器包含：含電晶體開關之E級功率放大器1320，其包含場效電晶體(FET)1321，例如金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)；箭頭1322所示之電晶體開關供應電路，用於向FET 1321供應切換訊號(閘極-源極電壓)；及LC負載網路1323，其包含並聯電容器C1及電容器C2與感應器L2之串聯。此外，包含扼流圈L1之DC電源11圖示為用於供應DC供電電壓VDC，其中操作期間自DC電源11流出DC電流IDC。如圖4所示為代表總歐姆負載1324之歐姆電阻R，其為感應器L2之歐姆電阻RCoil與感受器21之歐姆電阻RLoad之和，如圖6所示。
由於組件數量極少，電源電子件13之體積可保持極小。例如，電源電子件之體積可等於或小於2cm3。由於LC負載網路1323之感應器L2直接用作感應耦接至氣溶膠形成基材20之感受器21的感應器，故而 電源電子件之此極小體積是可能的，且此小體積允許整個感應加熱裝置1之整體尺寸保持較小。當獨立感應器而非感應器L2被用於感應耦接之感受器21時，此舉將自動增加電源電子件之體積，若電源電子件中包含匹配網路133則此體積還將增加。
儘管在上文已述及之American Radio Relay League(ARRL，美國無線電中繼聯盟),Newington,CT,U.S.A.之雙月刊雜誌QEX 2001年一/二月版9-20頁所刊之Nathan O.Sokal之文章“Class-E RF Power Amplifiers(E級射頻功率放大器)”中已知並詳細描述了E級功率放大器之一般操作原則，以下仍將解釋一些一般原則。
讓我們假設電晶體開關供應電路1322供應具有矩形變化線之切換電壓(FET閘極-源極電壓)至FET 1321。FET 1321導電(“on”狀態)時，其實質上構成短路(低電阻)且全部電流流經扼流圈L1及FET 1321。FET 1321不導電(“off”狀態)時，由於FET 1321實質上表現為斷路(高電阻)，因此全部電流流入LC負載網路。電晶體於此兩種狀態之間的切換將供應之DC電壓及DC電流反換為AC電壓及AC電流。
為了有效加熱感受器21，將數量盡可能大之供應之DC功率以AC功率之形式傳送至感應器L2(螺旋繞組之圓柱形感應線圈)，繼而傳送至感應耦接至感應器2之氣溶膠形成基材20之感受器21。感受器21中消耗之功率(渦電流損失、磁滯損失)在感受器21中產生熱 能，如前所述。或換言之，必須最小化FET 1321中之功率消耗同時最大化感受器21中之功率消耗。
AC電壓/電流之一個週期期間FET 1321中之功率消耗為該交流電壓/電流週期期間每個時點上之電晶體電壓與電流之乘積於該週期上取積分(integrated)並取平均。由於FET 1321於部分該週期期間必須維持高電壓且於部分該週期期間傳導高電流，故而必須避免高電壓與高電流同時存在，因為這將於FET 1321中引起巨大功率消耗。在FET 1321之“on”狀態下，當高電流流經FET 1321時，電晶體電壓接近零。在FET 1321之“off”狀態下，電晶體電壓高而流經FET 1321之電流接近零。
切換過渡(switching transition)亦不可避免地延展於該週期之一些部段上。然而，代表FET 1321中之高功率損失之高電壓/電流乘積，可藉由遵循額外方法得以避免。首先，延遲電晶體電壓之上升直至經過電晶體之電流降至零後。第二，經過電晶體之電流開始上升之前將電晶體電壓返回至零。此法實現可借助於包含並聯電容器C1及電容器C2與感應器L2之串聯的負載網路1323，此負載網路為FET 1321與負載1324之間的網路。第三，開啟時之電晶體電壓實際上為零(對於雙極型接面電晶體“BJT”而言其為飽和補償電壓Vo)。開啟電晶體不放電已被充電之並聯電容器C1，從而避免了消耗並聯電容器之儲存能量。第四，開啟時電晶體電壓之坡度為零。於是，負載網路注入開啟電晶體中之電流自零開始以受控之和緩速率平穩上升從而得到低功率消耗，同 時電晶體電導率於開啟過渡期間自零開始逐步上升。由此，電晶體電壓及電流始終不會同時偏高。電壓與電流切換過渡在時間上彼此間隔。
為了度量圖4中所示之DC/AC轉換器132之各組件，必須考慮以下等式，此些等式在American Radio Relay League(ARRL，美國無線電中繼聯盟),Newington,CT,U.S.A.之雙月刊雜誌QEX 2001年一/二月版9-20頁所刊之Nathan O.Sokal之文章“Class-E RF Power Amplifiers(E級射頻功率放大器)”中已有詳細描述並廣為人知。
設QL(LC負載電路之品質因數)為任何時候都大於1.7879但可由設計者選擇之值(見前述文章)，再設P為傳輸至電阻R之輸出功率，再設f為頻率，然後可自以下等式算出各組件之數值(FET之Vo為零，且為BJT之飽和補償電壓，見上文)：L2=QL．R/2πf R=((VCC-Vo)2/P)．0.576801．(1.0000086-0.414395/QL-0.557501/QL 2+0.205967/QL 3) C1=(1/(34.2219．f．R))．(0.99866+0.91424/QL-1.03175/QL 2)+0.6/(2πf)2．(L1) C2=(1/2πfR)．(1/QL-0.104823)．(1.00121+(1.01468/QL-1.7879))-(0.2/((2πf)2．L1)))
此舉允許具有歐姆電阻R=0.6Ω之感受器迅速加熱，以於5-6秒內輸送約7W之功率，假設約3.4A之電流可實現，所用DC電源具有最大輸出電壓2.8V及最大輸出電流3.4A，頻率f=5MHz(負載比=50%)，感應器L2之感應率約500nH且感應器L2之歐姆電阻RCoil=0.1Ω，感應率L1約1μH，且電容C1之電容7nF而電容C2之電容2.2nF。RCoil及RLoad之有效歐姆電阻約為0.6Ω。可獲得非常高效之約83.5%之效率(感受器21中消耗之功率/DC電源11之最大功率)。
為了操作，吸菸物件2插入感應加熱裝置1之腔室14(見圖2)中，以使含感受器21之氣溶膠形成基材20感應耦接至感應器2(例如螺旋繞組圓柱形線圈)。然後如上所述加熱感受器21幾秒鐘，然後消費者可開始經由過濾器22(當然，吸菸物件不一定包含過濾器22)吸取氣溶膠。
感應加熱裝置及吸菸物件可一般性地單獨發佈或作為各部件之套組發佈。例如，可發佈包含感應加熱裝置以及複數個吸菸物件之所謂“入門者套組”。一旦消費者購買了此入門者套組，將來消費者可僅購買能與該入門者套組之此感應加熱裝置配合使用之吸菸物件。感應加熱裝置易於清潔，且當可再充電電池作為DC電源時，使用連接至對接埠12(含插針120)之適當充電裝置(或對接至充電裝置之相應對接站的感應加熱裝置)易對此些可再充電電池再充電。
上文已述，依據DC電源11之DC供電電壓VDC且依據自DC電源11流出之DC電流IDC判定視在歐姆電阻Ra，此舉使得有可能判定感受器21之溫度T。此可能性之存在是由於，出人意料地，感受器21之溫度T與DC供電電壓VDC和DC電流IDC之商之間的關係嚴格單調，甚至在E級放大器之情形下為實際上線性的。圖8中以舉例方式展示了此種嚴格單調關係。如前已述，此關係並不一定要為線性的，其僅必須為嚴格單調的，以便對一給定DC供電電壓VDC，個別DC電流IDC與感受器溫度T間存在明確之關係。或換言之，視在歐姆電阻Ra(依據DC供電電壓VDC和自DC電源流出之DC電流IDC之商判定)與感受器溫度T之間存在明確之關係。此對應於圖9中所示之同等電路，其中Ra對應於一個由歐姆電阻RCIRCUIT(其遠小於感受器之歐姆電阻)及依賴溫度之感受器之歐姆電阻RSUSCEPTOR形成的串聯。
如前已述，若是E級放大器，則至少在相關溫度範圍內(例如100℃至400℃間之範圍內)，視歐姆電阻Ra與感受器溫度T間之此嚴格單調關係為實際上線性的。
若視在歐姆電阻Ra與特定感受器(由特定材料製成且具有特定幾何形狀)之溫度T之間的關係為已知(例如，此關係可通過在實驗室中對大量相同感受器進行精確量測繼而對各個量測值取平均數來判定)，則視在歐姆電阻Ra與此特定感受器之溫度T之間的此關係可程式化於微控器131(見圖2)中，以便在氣溶膠遞送系統之 操作期間，僅須依據DC供電電壓VDC(通常此為恆定電池電壓)及自DC電源11流出之實際DC電流IDC，判定視在歐姆電阻Ra。可將不同材料不同幾何形狀之感受器之大量的Ra與溫度T間之此關係程式化於微控器131中，以便在氣溶膠形成裝置之操作期間僅須辨認個別感受器類型，繼而相應關係(已程式化於微控器中)可用於個別感受器類型之溫度T之判定(實際上用於實際DC供電電壓及自DC電源流出之實際DC電流之判定)。
有可能並且也較佳地，能夠量測DC供電電壓VDC與自DC電源11流出之DC電流IDC二者(此舉可使用一合適之DC電壓感測器及一合適之DC電流感測器來完成，且二者可輕易整合於小型電路中而無需任何相關的空間浪費)。然而，若是恆定供電電壓VDC之DC電源，則可去除DC電壓感測器而僅需DC電流感測器以用於自DC電源11流出之DC電流IDC之量測。
圖7中展示了兩個訊號，表示自DC電源11流出之DC電流IDC(上部訊號)及感受器21之溫度T(下部訊號)，其判定自視在歐姆電阻Ra與此感受器21之溫度T間之關係(程式化於微控器131中)。
由圖可見，一旦氣溶膠形成基材之感受器之加熱開始，電流IDC即處於高位準並隨著氣溶膠形成基材之感受器之溫度T的增加而降低(感受器之溫度之增加導致Ra之增加從而導致IDC)之降低)。在此加熱製程期間的不同時刻(尤其是當氣溶膠形成基材已經到達某一溫度時)，使用者可從含氣溶膠形成基材且氣溶膠形成 基材中含感受器之吸菸物件中抽吸一下。彼時，吸入之空氣導致氣溶膠形成基材及感受器之溫度迅速降低。此將導致視在歐姆電阻Ra之降低，從而又導致自DC電源11流出之DC電流IDC之增加。圖7中用各個箭頭指示使用者抽吸一下時此些時點。一旦抽吸結束，空氣不再吸入且感受器之溫度重新增加(導致視在歐姆電阻Ra之個別增加)，而DC電流IDC相應降低。
由圖7進一步可見，DC/AC轉換器產生AC電力，直至感受器21之溫度等於或超過預設臨界溫度Tth。一旦氣溶膠形成基材之感受器之溫度等於或超過此預設臨界溫度Tth(例如一目標操作溫度)，則微控器131經程式化以中斷DC/AC轉換器132進一步產生AC電力。此希望維持感受器21之溫度T於該目標操作溫度下。當感受器21之溫度T重新低於臨界溫度Tth時，微控器131經程式化以重新恢復AC電力之產生。
此舉可藉由(例如)調整切換電晶體之工作循環而實現。此於WO2014/040988中進行了原則性描述。例如，在加熱期間，DC/AC轉換器連續不斷產生加熱感受器之交流電流，且每10毫秒量測1毫秒週期內之DC供電電壓VDC及DC電流IDC。判定視在歐姆電阻Ra(依據VDC與IDC之商)，且隨著Ra達到或超過預設臨界溫度Tth或一高於預設臨界溫度Tth之溫度之對應值Ra，切換電晶體1231(見圖4)將切換至如下模式：即其每10毫秒中僅1毫秒持續時間中產生脈衝(此時切換電晶體之工作循環僅為約9%)。在切換電晶體1231之此1毫秒之On 狀態(傳導狀態)期間，量測DC供電電壓VDC與DC電流IDC之值並判定視在歐姆電阻Ra。由於視在歐姆電阻Ra表示低於預設臨界溫度Tth之感受器21之溫度T，故而電晶體切換回上述模式(以便切換電晶體之工作循環重新為約100%)。
例如，感受器21可具有約12毫米之長度、約4毫米之寬度及約50微米之厚度，且可由430級不鏽鋼(SS430)製成。作為替代實例，感受器可具有約12毫米之長度、約5毫米之寬度及約50微米之厚度，且可由430級不鏽鋼(SS430)製成。此些感受器亦可由420級不鏽鋼(SS420)製成。
借助圖式已描述了本發明之實施例，顯然在不脫離本發明一般教示之前提下可想像許多變化及改變。因此，保護之範圍不應限於特定之實施例，而應由隨附申請專利範圍界定。
T‧‧‧溫度
Ra‧‧‧視在歐姆電阻
RCIRCUIT‧‧‧歐姆電阻
RSUSCEPTOR‧‧‧感受器之歐姆電阻
VDC‧‧‧DC供電電壓
IDC‧‧‧DC電流

Claims (17)

  1. 一種用於加熱一含感受器(21)之氣溶膠形成基材(20)的感應加熱裝置(1)，該感應加熱裝置(1)包含：- 一裝置外殼(10)；- 一個於操作中提供DC供電電壓(VDC)及DC電流(IDC)之DC電源(11)，- 一個構造成以於高頻下操作之電源電子件(13)，該電源電子件(13)包含一個連接至該DC電源(11)之DC/AC轉換器(132)，該DC/AC轉換器(132)包含一個構造成於低歐姆負載(1324)下操作之LC負載網路(1323)，其中該LC負載網路(1323)包含一電容器(C2)與一具有歐姆電阻(RCoil)之感應器(L2)之串聯- 一個配置於該裝置外殼(10)中之腔室(14)，該腔室之內表面經成形為容納該氣溶膠形成基材(20)之至少一部分，該腔室(14)被配置成以使操作期間，該氣溶膠形成基材(20)之該部分一旦容納於該腔室(14)中，該LC負載網路(1323)之該感應器(L2)即感應耦接至該氣溶膠形成基材(20)之感受器(21)，其中該電源電子件(13)進一步包含一微控器(131)，該微控器(131)經程式化以於操作中依據該DC電源(11)之該DC供電電壓(VDC)及自該DC電源(11)流出之該DC電流(IDC)，判定視在歐姆電阻(Ra)，且進一步經程式化以於操作中依據該視在歐姆電阻(Ra)，判定該氣溶膠形成基材(20)之該感受器(21)之溫度(T)。
  2. 如請求項1之感應加熱裝置，其中，該裝置構造成以加熱一吸菸物件(2)之氣溶膠形成基材(20)。
  3. 如請求項1或2之感應加熱裝置，其中，該DC電源(11)為用於提供恆定DC供電電壓(VDC)之DC電池，特別是可再充電DC電池，且其中，該電源電子件(13)進一步包含一DC電流感測器，用於量測自該DC電池流出之DC電流(IDC)，以便依據恆定DC供電電壓(VDC)及量測到之DC電流，判定視在歐姆電阻(Ra)。
  4. 如前述請求項中任一項之感應加熱裝置，其中，該電源電子件(13)進一步包含一DC電壓感測器，用於量測該DC電源(11)之DC電壓(VDC)。
  5. 如前述請求項中任一項之感應加熱裝置，其中，該微控器(131)進一步經程式化以當該氣溶膠形成基材(20)之該感受器(21)之經判定之溫度(T)等於或超過一預設臨界溫度(Tth)時，中斷該DC/AC轉換器(132)之AC電力之產生，且其中，該微控器(131)經程式化以當該氣溶膠形成基材(20)之該感受器(21)之經判定之溫度(T)再次低於該預設臨界溫度(Tth)時，恢復AC電力之產生。
  6. 如前述請求項中任一項之感應加熱裝置，其中，該DC/AC轉換器(132)包含含電晶體開關之E級功率放大器(1320)、電晶體開關驅動器電路(1322)及LC負載網路(1323)，該LC負載網路構造成以於低歐姆負載(1324)下操作，其中，該LC負載網路(1323)還包含一並聯電容器(C1)。
  7. 如前述請求項中任一項之感應加熱裝置，其中，該E級功率放大器具有一輸出阻抗，且其中，該電源電子件進一步包含一匹配網路(133)，用於將該E級功率放大器之該輸出阻抗與該低歐姆負載(1324)匹配。
  8. 如前述請求項中任一項之感應加熱裝置，其中，該電源電子件(13)之總體積等於或小於2cm3。
  9. 如前述請求項中任一項之感應加熱裝置，其中，該LC負載網路(1323)之該感應器(L2)包含一螺旋繞組之圓柱形感應器線圈(L2)，該感應器線圈(L2)位於該腔室(14)之內表面上或該腔室(14)之內表面附近。
  10. 如請求項9之感應加熱裝置，其中，該感應器線圈(L2)具有橢圓形狀(l,r)且界定一個介於約0.15cm3至約1.10cm3間之內部體積。
  11. 一種氣溶膠遞送系統，其包含前述請求項中任一項之感應加熱裝置(1)及一個含感受器(21)之氣溶膠形成基材(20)，其中，該氣溶膠形成基材(20)之至少一部分將容納於該感應加熱裝置(1)之該腔室(14)中，以使該感應加熱裝置(1)之該DC/AC轉換器(132)之該LC負載網路(1323)的該感應器(L2)於操作期間感應耦接至該氣溶膠形成基材(20)之該感受器(21)。
  12. 如請求項11項之氣溶膠遞送系統，其中，該吸菸物件之該氣溶膠形成基材(20)為載菸草之固體氣溶膠形成基材(2)。
  13. 如請求項11或12之氣溶膠遞送系統，其中，該感受器(21)由不鏽鋼製成。
  14. 如請求項13之氣溶膠遞送系統，其中，該感受器(21)包含一扁平不鏽鋼條帶，該扁平不鏽鋼條帶具有介於約8毫米至約15毫米間之長度、較佳約12毫米之長度；具有介於約3毫米至約6毫米間之寬度、較佳約4毫米或約5毫米之寬度；且具有介於約20微米至約50微米間之厚度、較佳介於約20微米至約40微米間之厚度，例如約25微米或約35微米之厚度。
  15. 一種如請求項11至14中任一項之氣溶膠遞送系統的操作方法，該操作方法包括以下步驟：- 依據該DC電源(11)之該DC供電電壓(VDC)及自該DC電源(11)流出之該DC電流(IDC)，判定一視在歐姆電阻(Ra)，- 依據該視在歐姆電阻(Ra)，判定該氣溶膠形成基材(20)之該感受器(21)之溫度(T)。
  16. 如請求項15之操作方法，其中，該DC電源(11)為提供恆定DC供電電壓(VDC)之DC電池，特別是可再充電DC電池，且其中量測自該DC電池流出之該DC電流(IDC)，以便於依據該恆定DC供電電壓(VDC)及該量測到之DC電流(IDC)判定該視在歐姆電阻(Ra)。
  17. 如請求項15或16中任一項之操作方法，其進一步包含以下步驟：- 當該氣溶膠形成基材(20)之該感受器(21)之經判定之溫度(T)等於或超過一預設臨界溫度(Tth)時，中斷該DC/AC轉換器(132)之AC電力之產生，及 - 當該氣溶膠形成基材(20)之該感受器(21)之經判定之溫度(T)再次低於該預設臨界溫度(Tth)時，恢復AC電力之產生。
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