用于加热气溶胶形成基质的感应加热装置的制造方法

用于加热气溶胶形成基质的感应加热装置的制造方法
【专利摘要】一种感应加热装置(1)，其包括：装置壳体(10)，直流电源(11)，电源电子设备(13)，所述电源电子设备包括DC/AC逆变器(132)，所述DC/AC逆变器包括带有晶体管开关(1320)的E类功率放大器、晶体管开关驱动电路(1322)和被配置为在低欧姆负载(1324)下操作的LC负载网络(1323)，所述LC负载网络(1323)包括并联电容器(C1)和电容器(C2)与电感器(L2)的串联连接；以及布置于所述装置壳体(10)中的腔(14)，所述腔(14)具有被成形为容纳至少一部分所述气溶胶形成基质(20)的内表面，所述腔(14)被布置成使得在操作期间所述电感器(L2)感应耦合到所述气溶胶形成基质(20)的感受器(21)。
【专利说明】
用于加热气溶胶形成基质的感应加热装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于加热气溶胶形成基质的感应加热装置，且更特别地涉及一种 用于加热吸烟制品的气溶胶形成基质的感应加热装置。
【背景技术】
[0002] 以前所知的很多传统吸烟制品（例如香烟）由于燃烧过程而为用户递送香味和香 气。大量可燃材料(主要是烟草)被点燃，而材料的邻近部分由于穿过其抽吸的所施加热量 而发生热解，在抽吸过程中，典型燃烧温度超过800°C。在此加热过程中，可燃材料发生低效 氧化，产生各种蒸馏和热解产物。当穿过吸烟制品的主体朝向使用者口部抽吸这些产物时， 所述产物冷却并冷凝而形成气溶胶或蒸汽，为消费者提供与吸烟相关的香味和香气。
[0003] 对更加传统的吸烟制品的现有替代包括可燃材料本身不直接给吸烟者所吸入的 气溶胶提供香料的吸烟制品。在这些吸烟制品中，使通常实际上含碳的可燃加热元件燃烧 以加热经抽吸流经加热元件的空气，所述空气还经过一个包含能够释放出有香味的气溶胶 的热活化元件的区域。
[0004] 对更加的传统吸烟制品的又另一种替代包括装有气溶胶形成烟草的固体基质，所 述装有气溶胶形成烟草的固体基质包括渗磁并且导电的感受器，所述感受器布置为热邻近 于所述装有气溶胶形成烟草的固体基质。所述装有烟草的基质的感受器暴露在感应源所产 生的一个交互磁场中，使得所述感受器感应生成一个交互磁场。
[0005] 所述感应生成的交互磁场在感受器内部产生热量，且至少一部分所述感受器内生 成的热量从感应器传输到布置为热邻近于感受器的气溶胶形成基质，以生成气溶胶并获得 所需的香味。
[0006] 需要将感应加热装置用于包括感受器的气溶胶形成基质，更特别的是用于包括感 受器的固态气溶胶形成基质，例如吸烟制品的固态气溶胶形成基质。所述感应加热装置应 能够在无需连接外部电源的情况下工作。此外，所述装置必须整体尺寸较小并且易于使用， 使其能够吸引使用者。所述装置应该能够在感受器内快速生成所需热量，然后将热量传输 至气溶胶形成基质以产生气溶胶，使得使用者能够按照需要抽吸气溶胶。

【发明内容】

[0007] 根据本发明的一个方面，建议使用用于加热包括感受器的气溶胶形成基质的感应 加热装置，特别是用于加热吸烟制品的固态气溶胶形成基质的感应加热装置。根据本发明 的感应加热装置包括：
[0008] -装置壳体；
[0009] -具有DC供应电压的直流电源；
[0010] -配置成在高频下操作的电源电子设备，所述电源电子设备包括连接到直流电源 的DC/AC逆变器，所述DC/AC逆变器包括带有晶体管开关的E类功率放大器和被配置为在低 欧姆负载下操作的LC负载网络，其中，所述LC负载网络包括并联电容器和具有欧姆电阻的 电容器与电感器的串联连接；以及
[0011] -布置于装置壳体中的腔，所述腔具有被成形为容纳至少一部分所述气溶胶形成 基质的内表面，所述腔被布置成使得一旦气溶胶形成基质的一部分容纳于所述腔中，LC负 载网络的电感器就在操作期间感应耦合到气溶胶形成基质的感受器。
[0012] 气溶胶形成基质优选的是能够释放可以形成气溶胶的挥发性化合物的基质。挥发 性化合物通过加热气溶胶形成剂而释放。气溶胶形成基质可以是固体或液体，或者包括固 体和液体组分。在一个优选实施例中，所述气溶胶形成基质是固体。
[0013] 气溶胶形成基质可包括尼古丁。含尼古丁的气溶胶形成基质可为尼古丁盐基质。 气溶胶形成基质可包括植物系材料。气溶胶形成基质可以包括烟草，且优选的是，含有烟草 的材料包含挥发性烟草香味的化合物，所述化合物在加热后从气溶胶形成基质释放。
[0014] 所述气溶胶形成基质可以包括均质烟草材料。均质烟草材料可以通过凝结颗粒烟 草形成。在存在时，均质烟草材料可以有按照干重等于或大于5 %的气溶胶形成剂含量，且 优选的是按照干重，含量在大于5 %和30 %之间。
[0015] 气溶胶形成基质可替代地包括不含烟草的材料。所述气溶胶形成基质可以包括均 质的植物型材料。
[0016] 气溶胶形成基质可包括至少一种气溶胶形成剂。气溶胶形成剂可为任何合适的已 知化合物或化合物的混合物，在使用中，所述化合物或化合物的混合物有利于致密和稳定 气溶胶的形成，并且对在气溶胶生成装置的操作温度下的热降解基本抗性。合适的气溶胶 形成剂是本领域众所周知的，并且包括但不限于：多元醇，例如三甘醇，1，3-丁二醇和甘油； 多元醇的酯，例如甘油单、二或三乙酸酯;和一元、二元或多元羧酸的脂肪酸酯，例如二甲基 十二烷二酸酯和二甲基十四烷二酸酯。特别优选的气溶胶形成剂是多元醇或其混合物，例 如三甘醇，1，3_ 丁二醇，最优选为甘油。气溶胶形成基质可以包括其它添加剂和成分，例如 香料。气溶胶形成基质优选的是包括尼古丁和至少一种气溶胶形成剂。在一个特别优选的 实施例中，气溶胶形成剂是甘油。
[0017] 直流电源通常可以包括任何合适的直流电源，特别包括连接到干线的电源单元、 一个或多个单用途电池、可充电电池或能够提供所需DC供应电压和所需DC供应安培数的任 何其它合适的直流电源。在一个实施例中，直流电源的直流供电电压在大约2.5伏到大约 4.5伏的范围内，且直流供电安培数在大约2.5到大约5安培的范围内（对应于范围在大约 6.25瓦和大约22.5瓦内的直流供电功率）。优选的是，直流电源包括可充电电池。这种电池 通常是可获得的，可接受的总体积在大约1.2-3.5立方厘米之间。这种电池可以有基本上圆 柱形或矩形的固体形状。同样，直流电源可以包括直流馈电扼流圈。
[0018] 通常，当术语"约"与此申请中的具体值结合使用时，应理解为该词"约"之后的值 由于技术考虑不一定精确地是该具体值。然而，与具体值结合使用的术语"约"总是理解为 包括并且还明确地公开术语"约"之后的具体值。
[0019] 所述电源电子设备被配置成在高频下操作。出于此申请的目的，术语"高频"应理 解为指示范围从大约1兆赫兹(MHz)到大约30兆赫兹(MHz)的频率(包括IMHz到30MHz的范 围），特别是从大约1兆赫兹(MHz)到大约10兆赫兹MHz(包括IMHz到IOMHz的范围），甚至更特 别地从大约5兆赫兹(MHz)到大约7兆赫兹(MHz)(包括5MHz到7MHz的范围）。
[0020] 电源电子设备包括连接到所述直流电源的DC/AC逆变器。DC/AC逆变器包括带有晶 体管开关的E类功率放大器、晶体管开关驱动电路和LC负载网络。E类功率放大器是通常已 知的，例如发表于在美国CT，纽因顿的American Radio Relay League(ARRL)的2001年1月/ 2月这一期的双月杂志OEX的9-20页的Nathan 0· Sokal所著的文章"Class-E RF Power Amplifiers"有所描述。E类功率放大器在高频下操作是有利的，同时具有包括最小数目的 组件的简单的电路结构(例如，只需要一个晶体管开关，这相对于包括两个晶体管开关的D 类功率放大器是有利的，所述两个晶体管开关的控制方式是必须在高频下确保两个晶体管 之一被切断的同时两个晶体管中的另一个被接通）。此外，E类功率放大器以开关晶体管的 过程中开关晶体管中的最小功率耗散而闻名。优选的是，E类功率放大器是只具有单个晶体 管开关的单端一阶E类功率放大器。
[0021] E类功率放大器的晶体管开关可以是任何类型的晶体管，可以以双极型晶体管 (BJT)实现。然而，更优选的是，晶体管开关体现为场效应晶体管(FET)，例如金属氧化物半 导体场效应晶体管(MOSFET)或金属半导体场效应晶体管(MESFET)。
[0022] 根据本发明的感应加热装置中E类功率放大器的LC负载网络被配置为在低欧姆负 载下操作。词语"低欧姆负载"应理解为表示小于大约2欧姆的欧姆负载。LC负载网络包括并 联电容器和电容器和具有欧姆电阻的电感器的串联连接。电感器的此欧姆电阻是几个十分 之一欧姆。在操作中，感受器的欧姆电阻增加到电感器的欧姆电阻，并且应当大于电感器的 欧姆电阻，原因是供应的电功率应当逆变成感受器中的热量，这种热量应尽可能高以便提 高功率放大器的效率，允许将尽可能多的热量从感受器传输到气溶胶形成基质的其它部分 以高效地产生气溶胶。
[0023] 感受器是能够被感应加热的导体。"热邻近"意味着感受器相对于气溶胶形成基质 的其余部分定位，使得足够的热量从感受器传输到气溶胶形成基质的其余部分以产生气溶 胶。
[0024]由于感受器不只是渗磁的，还是导电的（参见上文，它是导体），根据欧姆定律已知 为涡流的电流在感受器中产生，并在感受器中流动。感受器应当具有低电阻率P，以提高焦 耳热耗散。此外，由于集肤效应(超过98%的电流在从距离导体的外表面四倍的集肤深度δ 的层内流动），必须考虑交变涡流的频率。考虑这种效应，感受器的欧姆电阻Rs通过等式计 算：
[0025]
[0026] 其中，
[0027] f表示交变涡流的频率，
[0028] 表示自由空间的磁导率，
[0029] μr表示感受器材料 [0030]的相对磁导率，以及 [0031] P表示感受器材料的电阻率。
[0032] 由涡流产生的功率损SPeJi过公式计算：
[0033] Pe = I2 · Rs
[0034] 其中，
[0035] I表示涡流的电流强度(rms)，以及 [0036] Rs表示感受器的电阻(欧姆）（参见上文）
[0037] 通过Pe等式以及通过Rs的计算，可以看出对于具有已知相对磁导率和给定电阻 率P的材料，显然由涡流产生的功率损耗Pe (通过逆变成热）随着频率和电流强度(rms)的增 大而增大。另一方面，交变涡流的频率(和在感受器中感生涡流的相应交变磁场)不可能任 意增大，原因是集肤深度δ随着涡流(或者在感受器中感生涡流的交变磁场的）频率的增大 而减小，使得超过特定的截止频率，在感受器中不再产生涡流，这是由于集肤深度太小，不 能产生涡流。增大电流强度(rms)需要具有高磁通密度的交变磁场，因此需要大量的感应源 (电感器）。
[0038] 此外，通过与磁滞关联的加热机制在感受器中产生热。由磁滞产生的功率损耗通 过等式计算：
[0039] Ph=V · Wh · f
[0040] 其中，
[0041] V表示感受器的体积，
[0042] WH表示使感受器沿B-H图的
[0043] 闭合磁滞回线磁化所需的功，以及
[0044] f表示交变磁场的频率。
[0045] 使感受器沿闭合磁滞回线磁化所需的功WH还表示为：
[0046] Wh=^H · dB
[0047] WH的最大可能的量取决于感受器的材料性质(饱和剩磁BR和矫顽力HC)，WH的实际 量取决于由交变磁场在感受器中感应的实际磁化B-H回线，此实际磁化B-H回线取决于励磁 的幅度。
[0048]在感受器中有第三种产生热(功率损耗)的机制。产生的这种热是在感受器遇到交 变磁场时，由导磁感受器材料中的磁场域的动态损耗引起的，这些动态损耗通常还随着交 变磁场的频率增大而增大。
[0049] 为了能够根据前述机制在感受器中产生热量(主要通过涡流损耗和磁滞损耗），腔 被布置在装置壳体中。腔具有被成形为容纳至少一部分气溶胶形成基质的内表面。腔被布 置成使得在将气溶胶形成基质的一部分容纳于腔中之后，LC负载网络的电感器在操作期间 感应耦合到气溶胶形成基质的感受器。这意味着E类功率放大器的LC负载网络的电感器用 于通过磁感应加热感受器。这消除了诸如用于将E类功率放大器的输出阻抗与负载匹配的 附加组件的必要，因此允许进一步最小化电源电子设备的大小。
[0050] 总之，由于基底的不接触加热，根据本发明的感应加热装置提供小的易于操作的 高效、清洁和具有鲁棒性的加热装置。对于如上文描述的形成低欧姆负载同时有明显高于 LC负载网络的电感器的欧姆电阻的感受器，因此有可能仅在五秒内或者在甚至小于五秒的 时间间隔内使感受器的温度达到范围350-400摄氏度，同时电感器的温度是低的（由于大多 数的功率逆变成感受器中的热量）。
[0051 ]如已经提到的，根据本发明的感应加热装置的一个方面，装置被配置成用于加热 吸烟制品的气溶胶形成基质。这具体地包括功率提供到气溶胶形成基质内的感受器，使得 气溶胶形成基质被加热到在200至240摄氏度之间的平均温度。甚至更优选的是，装置被配 置成用于加热吸烟制品的装有烟草的固态气溶胶形成基质。
[0052]根据本发明的感应加热装置的又一个方面，电源电子设备的总体积等于或小于 2cm3。这允许将电池、电源电子设备和空腔设置在具有整体小尺寸的方便和容易操作的装 置壳体中。
[0053]根据本发明中所述感应加热装置的另一个方面，LC负载网络的电感器包括绕成螺 旋状的圆柱形电感器线圈，所述圆柱形电感器线圈具有长方形形状并限定了在约0.15cm3 至约1.10cm3之间的内部体积。例如，绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈的内径可以在大约 5mm和大约IOmm之间，优选可以为大约7mm，绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈的长度可以在 大约8mm和大约14mm之间。根据使用的是圆形横截面的线圈还是扁平矩形横截面的线圈，线 圈的直径或厚度可以在大约〇.5_到大约Imm之间。绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈被定位 在空腔的内表面上或其附近。被定位在空腔的内表面上或其附近的绕成螺旋状的圆柱形电 感器线圈可以进一步最小化装置的尺寸。
[0054] 根据本发明中所述感应加热装置的又另一个方面，装置壳体基本为圆柱形，具有 布置在装置壳体近端处的腔，以及布置在装置壳体的远端处的直流电源。电源电子设备布 置在直流电源和腔之间。这可以节约空间并使得感应加热装置中所有组件能够美观地布置 在小型且易于操作的装置壳体内。
[0055] 如上文已提到的，根据本发明中所述感应加热装置的另一个方面，直流电源包括 可充电的直流电池。这允许对电池充电，优选通过包括AC/DC逆变器的充电装置与干线的连 接。
[0056] 根据本发明中所述感应加热装置的另又一个方面，电源电子设备进一步包括微控 制器，所述微控制器经编程用于在气溶胶形成基质的感受器温度在操作过程中超过感受器 的居里温度时中断所述DC/AC逆变器生成AC功率，并且经编程用于在感受器温度再次冷却 降至此居里温度以下之时恢复生成AC功率。这一特征可用于在微控制器的帮助下控制感受 器的温度。
[0057] 在感受器由单一材料制造的情况下，居里温度应对应于感受器应具有的最大温度 (也就是说，居里温度与感受器应被加热到的最高温度相同或偏离该最高温度大约1-3%)。 当感受器的温度超过这种单一材料的居里温度时，感受器将不再呈现出铁磁性，并且感受 器仅具有顺磁性。
[0058] 如果感受器由一种以上的材料制造，则感受器的材料可以相对于另外的方面被优 化。例如，可以选择材料使得感受器的第一材料可以具有高于感受器应被加热到的最高温 度的居里温度。然后可以例如相对于最高热量生成和至气溶胶形成基质的其余部分的传输 对感受器的第一材料进行优化，以便在一方面有效加热感受器，然而，感受器可能另外包括 具有居里温度的第二材料，所述居里温度对应于感受器应加热至的最高温度，且一旦感受 器达到此居里温度，感受器的磁性就完全改变。该变化可以被检测并且传送到微控制器，然 后所述微控制器然后中断AC功率的生成直到温度再次冷却到低于居里温度，由此可以恢复 AC功率生成。
[0059] A根据本发明的感应加热装置的又一个方面，E类功率放大器具有输出阻抗，电源 电子设备还包括用于将E类功率放大器的输出阻抗匹配到低欧姆负载的匹配网络。这种措 施可以有助于进一步增大低欧姆负载中的功率损耗，导致低欧姆负载中热产生的增大。例 如，匹配网络可以包括小的匹配变压器。
[0060] 本发明的另一方面涉及一种感应加热系统，其包括根据任一上述实施例的感应加 热装置和包括感受器的气溶胶形成基质。气溶胶形成基质的至少一部分容纳于感应加热装 置的腔中，使得在操作期间感应加热装置的DC/AC逆变器的LC负载网络的电感器感应耦合 到气溶胶形成基质的感受器。
[0061] 根据本发明中感应加热系统的一个方面，气溶胶形成基质可以是吸烟制品的气溶 胶形成基质。具体地，气溶胶形成基质可以是可以用在吸烟制品（例如卷烟）中的装有烟草 的固态气溶胶形成基质。
[0062] 本发明的又一方面涉及一种套件，其包括根据任何上述实施例的感应加热装置和 包括感受器的气溶胶形成基质。感应加热装置和气溶胶形成基质被布置为，在操作中，至少 一部分气溶胶形成基质容纳于感应加热装置的腔中，使得感应加热装置的DC/AC逆变器的 LC负载网络的电感器感应耦合到气溶胶形成基质的感受器。然而一般来说，气溶胶形成基 质和感应加热装置可以单独提供，也可以部件套件的形式提供。或者，入门套件中可以包括 感应加热装置和多个气溶胶形成基质，同时另外可以仅提供气溶胶形成基质，使得消费者 一旦在入门套件中获得感应加热装置并且消耗了入门套件中所含的气溶胶形成基质，消费 者仅需要另外的气溶胶形成基质。此外，根据本发明中所述套件的一个方面，气溶胶形成基 质可以是吸烟制品的气溶胶形成基质，特别是所述吸烟制品的气溶胶形成基质可以是装有 烟草的固态气溶胶形成基质。
[0063] 本发明的另一方面涉及一种操作感应加热系统的方法。所述方法包括以下步骤： [0064]-提供具有DC供应电压的直流电源；
[0065] -提供配置为在高频下操作的电源电子设备，所述电源电子设备包括连接到直流 电源的DC/AC逆变器，所述DC/AC逆变器包括带有晶体管开关的E类功率放大器、晶体管开关 驱动电路和被配置为在低欧姆负载下操作的LC负载网络，其中所述LC负载网络包括并联电 容器和具有欧姆电阻的电容器与电感器的串联连接；
[0066] -提供能够容纳至少一部分气溶胶形成基质的腔，所述腔被布置成使得在操作中， 一旦气溶胶形成基质的一部分容纳于腔中，LC负载网络的电感器就感应耦合到气溶胶形成 基质的感受器；以及
[0067] -提供包括感受器的气溶胶形成基质及将至少一部分气溶胶形成基质插入腔，使 得LC负载网络的电感器感应耦合到气溶胶形成基质的感受器。
[0068] 根据本发明中所述方法的一个方面，直流电源是可充电电池，且所述方法进一步 包括以下步骤:在将气溶胶形成基质的一部分插入腔之前，为所述可充电电池充电。这一方 面特别有利，因为在使用可充电电池的情况下，（在为所述电池充电之后)可使用所述装置 而无需连接干线或另一外部电源。一旦电池电量低，可以容易地为可充电电池重新充电，因 此不必携带任何单用途替换电池。如果电池电量低，仅为可充电电池重新充电，即可再次使 用所述装置。此外，使用可充电电池更环保，因为节省了必须妥善处理的单用途电池。
【附图说明】
[0069]通过借助附图在下面对实施例的描述，本发明的另外的有利方面将变得显然。
[0070] 图1示出以本发明为基础的一般加热原理，
[0071] 图2示出根据本发明的感应加热装置和系统的实施例的框图，
[0072] 图3示出基本组件布置在装置壳体中的感应加热装置的实施例，
[0073] 图4示出根据本发明的感应加热装置的功率电子设备的基本组件(没有匹配网络） 的实施例，
[0074] 图5示出形式为具有长方形形状的绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈的LC负载网络 的电感器的实施例，
[0075] 图6示出包括线圈的感应率和欧姆电阻的LC负载网络的细节，此外还示出负载的 欧姆电阻，
【具体实施方式】
[0076]在图1中，示意性图示以本发明为基础的一般加热原理。在图1中示意性示出绕成 螺旋状的圆柱形电感器线圈L2,其具有长方形形状并限定其中布置吸烟制品2的气溶胶形 成基质20的一部分或全部的内体积，所述气溶胶形成基质包括感受器21。包括具有感受器 21的气溶胶形成基质20的吸烟制品2示意性表现在放大的横截面细节中，其单独地显示于 图1的右手侧。如已经提到的，吸烟制品2的气溶胶形成基质20可以是装有烟草的固态基底， 然而，并不局限于此。
[0077] 此外，在图1中，电感器线圈L2的内体积内的磁场由在一个特定时刻的许多条磁场 线Bl示意性指示，由于由流过电感器线圈L2的交变电流k2产生的磁场是可能在大约IMHz到 大约30MHz的范围（包括IMHz到30MHz的范围）内以交变电流i L2的频率改变其极性的交变磁 场，具体可以在大约IMHz到大约IOMHz的范围（包括IMHz到IOMHz的范围，并且特别可以小于 I OMHz)，更具体地，所述频率可以在大约5MHz到大约7MHz的范围（包括5MHz到7MHz的范围， 例如可以是5MHz)。负责在感受器21中产生热的两个主要机制一由涡流引起的功率损耗Pe (表示涡流的封闭圆）和由磁滞引起的功率损耗Ph(表示磁滞的封闭磁滞曲线）也示意性在 图1中示出。关于这些机制，参照上文对这些机制的更加详细的讨论。
[0078] 图3示出了根据本发明的感应加热装置的一实施例。感应加热装置1包括可以由塑 料制成的装置壳体10和包括可充电电池110的直流电源11(参见图2)。感应加热装置1还包 括对接口 12，对接口 12包括用于对接感应加热装置到充电站或充电装置以对可充电电池 110充电的引脚120。更进一步地，感应加热装置1包括电源电子设备13,其被配置成在所需 频率下操作，例如在上文提到的频率5MHz下操作。电源电子设备13通过适当的电连接130电 连接到可充电电池110。尽管电源电子设备13包括在图3中不可见的附加组件，但其特别地 包括LC负载网络(参见图4)，LC负载网络又包括电感器L2,这由图3中的虚线指示。电感器L2 在装置壳体10的近端嵌入装置壳体10中，以围绕也设置在装置壳体10的近端的空腔14。电 感器L2可以包括具有长方形的绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈，如图5中所示。绕成螺旋状 的圆柱形电感器线圈L2可以具有范围在大约5_到大约IOmm内的半径r，并特别地半径r可 以大约为7mm。绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈的长度1可以在大约8mm到大约14mm的范围 内。相应地，内体积可能在大约0.15cm 3至大约I. IOcm3的范围内。
[0079]返回图3,包括感受器21的装有烟草的固态气溶胶形成基质20在装置壳体10的近 端处容纳于腔14中，使得在操作期间，电感器L2(绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈）感应耦 合到吸烟制品2的装有烟草的固态气溶胶形成基质20的感受器21。吸烟制品2的过滤器部分 22可以布置在感应加热装置1的腔14外，使得在操作期间，消费者可以通过过滤器部分22抽 吸气溶胶。一旦从腔14中移除吸烟制品，就可以容易地清洁腔14,原因是除了吸烟制品2的 气溶胶形成基质20将穿过而插入的打开的远端之外，腔被完全地关闭，并被限定腔14的塑 料装置壳体10的那些内壁围绕。
[0080] 图2示出根据本发明的感应加热装置1的实施例的框图，然而下文中将讨论一些可 选的方面或组件。感应加热装置1与包括感受器21的气溶胶形成基质20-起形成根据本发 明的感应加热系统的实施例。图2中所示的框图是将操作方式考虑入内的图示。如图所示， 感应加热装置1包括直流电源11(在图3中包括可充电电池110)、微处理器控制单元131、DC/ AC逆变器132、用于适配负载的匹配网络133和电感器L2。微处理器控制单元131、DC/AC逆变 器132和匹配网络133以及电感器L2都是电源电子设备13的部件(参见图1)。提供了两个反 馈通道134和135,用于通过电感器L2提供指示电压和电流的反馈信号，以控制进一步电力 供给。例如，在感受器温度超出所需温度的情况下，可以生成相应信号以中断进一步电力供 给，直至感受器温度再次低于所需温度，由此可以恢复另外的电力供应。相应地，有可能为 了优化至感受器的功率传输而控制切换电压的频率。可以提供匹配网络133以最佳适配负 载，但不是强制性的，匹配网络不包含于在下面更加详细地描述的实施例中。
[0081] 图4示出电源电子设备13(更具体地是DC/AC逆变器132)的一些基本组件。如图4中 可见，DC/AC逆变器包括:带有晶体管开关1320的E类功率放大器，所述晶体管开关1320包括 场效应晶体管(FET) 1321，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET);晶体管开关供电 电路，其由箭头1322指示，用于将开关信号(栅极-源极电压)供应到FET 1321，以及LC负载 网络1323,其包括并联电容器Cl和电容器C2和电感器L2的串联连接。此外，示出用于提供DC 供应电压+Vcc的包括扼流圈Ll的直流电源11。在图4中还示出表示总欧姆负载1324的欧姆电 阻R，其是电感器L2的欧姆电阻_和感受器21的欧姆电阻的和，这示于图6中。
[0082] 很明显，由于组件的数目非常少，可以保持电源电子设备13的体积非常小。例如， 电源电子设备的体积可以等于或小于2cm3。由于LC负载网络1323的电感器L2被直接用作与 气溶胶形成基质20的感受器21感应耦合的电感器，所以电源电子设备的这种极小的体积是 可能的，且此小体积允许使整个感应加热装置1的总体尺寸是小的。在单独的电感器而不是 电感器L2用作与感受器21的感应耦合的情况下，这会自动地增大电源电子设备的体积，如 果匹配网络133包括于电源电子设备中，此体积还会增大。
[0083]尽管E类功率放大器的一般工作原理是已知的，并在已经提到的美国CT，纽因顿 American Radio Relay League(ARRL)在2001年 1 月/2月这一期的双月杂志OEX的9-20页出 版的Nathan 0· Sokal所著的文章"Class-E RF Power Amplifiers"有详细描述，但一些一 般原理将在下文进行解释。
[0084]我们假设晶体管开关供电电路1322向FET 1321供应具有矩形轮廓的开关电压 (FET的栅极-源极电压）。只要FET 1321是导通的（"接通"状态），它基本上构成短路(低电 阻），整个电流流过扼流线圈Ll和FET1321。当FET 1321非导通时（"截止"状态），由于FET 1321基本上表示开路(高电阻），全部电流流入LC负载网络中。在这两种状态之间开关晶体 管使供应的DC电压和DC电流逆变成AC电压和AC电流。
[0085]为了高效地加热感受器21，尽可能大量的供应的DC功率将以AC功率形式传输到电 感器L2(绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈），并随后传输到与电感器2感应耦合的气溶胶形 成基质20的感受器21。感受器21内耗散的功率(涡流损失、磁滞损失)在感受器21生成热量， 如上文中所述。或者换种说法，FET 1321中的功率耗散必须被最小化，同时最大化感受器21 中的功率耗散。
[0086]在AC电压/电流的一个周期中FET 1321中的功率耗散是在该交流电压/电流周期 中的每个时间点上晶体管电压和电流的积对该周期积分再对该周期取平均。由于FET 1321 必须在该周期的一部分期间经受高电压并且在该周期的一部分期间传导高电流，因此必须 避免高电压和高电流同时存在，原因是这将导致FET 1321中的显著功率消耗。在FET 1321 的"接通"状态下，晶体管电压在大电流流过FET 1321时几乎为零。在FET 1321的"断开"状 态下，晶体管电压为高，但通过FET 1321的电流几乎为零。
[0087]开关晶体管不可避免地还在该周期的一些时段中延伸。不过，表示FET1321中的高 功率损耗的高电压-电流积可以通过以下附加措施避免。首先，晶体管电压的上升被延迟， 直到在通过晶体管的电流已经降低到零为止。其次，晶体管电压在通过晶体管的电流开始 升高之前返回零。这是通过负载网络1323实现的，负载网络1323包括并联电容器Cl和电容 器C2和电感器L2的串联连接，此负载网络是在FET 1321和负载13 24之间的网络。第三，在导 通时晶体管电压实际为零(对于双结型晶体管"BJT"，它是饱和偏置电压V。）。导通的晶体管 并不对充电的并联电容器Cl放电，因此，避免耗散并联晶体管存储的能量。第四，晶体管电 压的斜率在导通时间为零。然后，由负载网络注入到导通晶体管中的电流以可控的适度的 速率平滑上升，导致低功率耗散，同时晶体管电导在导通过渡过程中从零开始积累。结果， 晶体管电压和电流不会同时很高。电压和电流的开关逆变是彼此时间位移的。
[0088]为了确定图4中所示的DC/AC逆变器132的各个组件的尺寸，必须考虑以下等式，该 等式是普遍已知的，已经在前面提到的美国CT，纽因顿American Radio Relay League (ARRL)在2001年I月/2月这一期的双月杂志OEX的9-20页出版的Nathan 0. Sokal所著的文 章"Class-E RF Power Amplifiers"有详细描述。
[0089] 假设QL(LC负载网络的品质因数)是在任何情况下大于1.7879的值，不过是可以由 设计员选择的值(参见前面提到的文章），还假设P是传送到电阻R的输出功率，并且假设f是 频率，则通过以下等式计算各个组件的数字值(见上文，对于FET，Vo是零，对于BJT是饱和偏 置电压）：
[0090] L2 = Ql · R/2JTf
[0091] R=((Vcc-V0)Vp) * 0.576801 · (1.0000086-0.414395/Ql-〇 . 557501/Ql2+ 0.205967/Ql3)
[0092] Cl = (l/(34.2219 · f · R)) · (0.99866+0.91424/QL-1.03175/QL2)+0.6/(23if)2 · (LI)
[0093] C2=(l/23ifR) · (l/QL-〇. 104823) · (1.00121+(I .01468/Ql-1.7879))-(0.2/((2π f)2 * LI)))
[0094] 这允许将欧姆电阻R = 0.6 Ω的感受器快速加热，以在5-6秒内递送大约7W的功率， 假设使用最大输出电压为2.8V，最大输出电流为3.4A的直流电源，大约为3.4A电流可用，频 率f = 5MHz (占空比=50 % )，电感器L2的电感大约为500nH，电感器L2的欧姆电阻R麵=0.1 Ω，电感Ll大约为ΙμΗ，电容器Cl的电容为7nF，电容器C2的电容为2.2必。1?麵和R孅的有效电 阻大约为0.6 Ω。可以获得大约为83.5 %的效率(感受器21中的功率耗散/直流电源11的最 大功率），这是非常高效的。
[0095] 如前文中所提到的，感受器21可以由具有接近感受器21应加热到的期望温度的居 里温度的材料或材料的组合制成。一旦感受器21的温度超过该居里温度，材料将由铁磁性 变为顺磁性。因此，感受器21中的能量消耗明显减小，原因是具有顺磁性的材料的磁滞损耗 远低于具有铁磁性的材料的磁滞损耗。可以检测感受器21中的该减小的功率消耗，并且例 如，由DC/AC逆变器生成AC功率然后可以被中断直到感受器21已冷却到再次低于居里温度 并且已恢复其铁磁性。然后可以再次恢复由DC/AC逆变器生成交流电。
[0096] 操作中，吸烟制品2插入到感应加热装置1的腔14中（参见图2)，使得包括感受器21 的气溶胶形成基质20感应耦合到电感器2(例如绕成螺旋状的圆柱形线圈）。感受器21然后 如上文描述的被加热几秒钟，然后消费者可以开始通过过滤器22吸取气溶胶（当然，吸烟制 品不一定必须包括过滤器22)。
[0097] 感应加热装置和吸烟制品通常可以单独地或作为几部分的套件分配。例如，可以 分配所称的包括感应加热装置以及多个吸烟制品的"启动器套件"。一旦消费者购买这种启 动器套件，在以后，消费者只可以购买借助此启动器套件的感应加热装置可以使用的吸烟 制品。感应加热装置易于清洁，在可充电电池情况下作为直流电源，这些可充电电池易于使 用合适的充电装置充电，所述充电装置将连接到包括引脚120的对接口 12(或者感应加热装 置将对接到充电装置的对应的对接站）。
[0098]已经通过附图描述了本发明的实施例，显然在不偏离解释本发明的总教导下许多 改变和修改是可想到的。因此，保护范围不旨在局限于特定实施例，而是由所附权利要求限 定。
【主权项】
1. 一种用于加热包括感受器(21)的气溶胶形成基质（20)的感应加热装置（1)，所述感 应加热装置(1)包括： -装置壳体(10); -具有DC供应电压(VCC)的直流电源（11); -配置成在高频下操作的电源电子设备（13)，所述电源电子设备（13)包括连接到所述 直流电源（11)的DC/AC逆变器（132)，所述DC/AC逆变器包括带有晶体管开关（1320)的E类功 率放大器、晶体管开关驱动电路(1322)和被配置为在低欧姆负载(1324)下操作的LC负载网 络（1323)，其中，所述LC负载网络（1323)包括并联电容器(C1)和具有欧姆电阻(取《)的电容 器(C2)与电感器(L2)的串联连接；以及 -布置于所述装置壳体（10)中的腔（14)，所述腔（14)具有成形为容纳至少一部分所述 气溶胶形成基质(20)的内表面，所述腔（14)被布置成使得在操作期间一旦所述气溶胶形成 基质(20)的一部分容纳于所述腔中，所述LC负载网络（1323)的所述电感器(L2)就感应耦合 到所述气溶胶形成基质(20)的感受器(21)。2. 根据权利要求1所述的感应加热装置，其中所述装置被配置成用于加热吸烟制品（2) 的气溶胶形成基质(20)。3. 根据权利要求2所述的感应加热装置，其中所述装置被配置成用于加热吸烟制品（2) 的装有烟草的固态气溶胶形成基质20。4. 根据前述权利要求中任一项所述的感应加热装置，其中所述直流电源（11)的所述DC 供应电压(Vcc)在约2.5伏至约4.5伏的范围内，其中所述直流电源(11)的DC供应安培数在约 2.5安培至约5安培的范围内。5. 根据前述权利要求中任一项所述的感应加热装置，其中所述电源电子设备（13)的总 体积等于或小于2cm3〇6. 根据前述权利要求中任一项所述的感应加热装置，其中所述LC负载网络（1323)的所 述电感器(L2)包括绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈，其具有长方形形状(r，l)并限定了范 围为约0.15cm 3至约1.10cm3的内部体积，其中所述绕成螺旋状的圆柱形电感器线圈定位在 所述腔（14)的内表面上或附近。7. 根据前述权利要求中任一项所述的感应加热装置，其中所述装置壳体（10)基本为圆 柱形，并具有布置在所述装置壳体（10)的近端处的腔（14)，以及布置在所述装置壳体（10) 的远端处的所述直流电源（11)，且其中所述电源电子设备（13)布置在所述直流电源（11)和 所述腔（14)之间。8. 根据前述权利要求中任一项所述的感应加热装置，其中所述直流电源（11)包括可充 电DC电池。9. 根据前述权利要求中任一项所述的感应加热装置，其中所述电源电子设备（13)进一 步包括微控制器（131)，所述微控制器经编程用于在所述气溶胶形成基质（20)的所述感受 器(21)的温度在操作期间超过所述感受器(21)的居里温度时中断所述DC/AC逆变器生成AC 功率，并且经编程用于在所述感受器(21)的温度冷却至再次低于此居里温度时恢复AC功率 生成。10. 根据前述权利要求中任一项所述的感应加热装置，其中所述E类功率放大器具有输 出阻抗，并且其中，所述电源电子设备（13)进一步包括用于将所述E类功率放大器的所述输 出阻抗匹配到所述低欧姆负载(1324)的匹配网络（133)。11. 一种感应加热系统，其包括根据前述权利要求中任一项所述的感应加热装置（1)和 包括感受器(21)的气溶胶形成基质（20)，其中，所述气溶胶形成基质（20)的至少一部分容 纳于所述感应加热装置（1)的腔（14)中，使得在操作期间所述感应加热装置（1)的所述DC/ AC逆变器(132)的所述LC负载网络（1323)的所述电感器(L2)感应耦合到所述气溶胶形成基 质（20)的所述感受器(21)。12. 根据权利要求11所述的感应加热系统，其中，所述气溶胶形成基质(20)是吸烟制品 (2)的气溶胶形成基质。13. 根据权利要求12所述的感应加热系统，其中所述吸烟制品（2)的所述气溶胶形成基 质(20)是装有烟草的固态气溶胶形成基质。14. 一种套件，包括根据权利要求1至10中任一项所述的感应加热装置（1)和包括感受 器(21)的气溶胶形成基质（20)，所述感应加热装置（1)和所述气溶胶形成基质（20)被配置 成在操作中将所述气溶胶形成基质(20)的至少一部分容纳于所述感应加热装置(1)的所述 腔（14)中，使得所述感应加热装置（1)的所述DC/AC逆变器（132)的所述LC负载网络（1323) 的所述电感器(L2)感应耦合到所述气溶胶形成基质(20)的所述感受器(21)。15. 根据权利要求14所述的套件，其中，所述气溶胶形成基质（20)是吸烟制品（2)的气 溶胶形成基质。16. 根据权利要求15所述的感应加热系统，其中所述吸烟制品（20)的所述气溶胶形成 基质(20)是装有烟草的固态气溶胶形成基质。17. -种操作感应加热系统的方法，所述方法包括下列步骤： -提供具有DC供应电压(VCC)的直流电源（11); -提供配置为在高频下操作的电源电子设备（13)，所述电源电子设备（13)包括连接到 所述直流电源（132)的DC/AC逆变器（132)，所述DC/AC逆变器（132)包括带有晶体管开关 (1321)的E类功率放大器、晶体管开关驱动电路（1322)和配置为在低欧姆负载(R)下操作的 LC负载网络（1323)，其中所述LC负载网络（1323)包括并联电容器（C1)和具有欧姆电阻 (_ι)的电容器(C2)与电感器(L2)的串联连接； -提供能够容纳至少一部分气溶胶形成基质（20)的腔（14)，所述腔（14)被布置成使得 一旦所述气溶胶形成基质(20)的一部分容纳于所述腔中，所述LC负载网络（1323)的所述电 感器(L2)就感应耦合到所述气溶胶形成基质（209)的所述感受器(21);以及 -提供包括感受器(21)的气溶胶形成基质（20)及将所述气溶胶形成基质(20)的至少一 部分插入所述腔(14)中，使得所述LC负载网络（1323)的所述电感器(L2)感应耦合到所述气 溶胶形成基质（20)的所述感受器(21)。18. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述直流电源（11)是可充电电池，且其中所述 方法进一步包括以下步骤:在将所述气溶胶形成基质（20)的一部分插入所述腔（14)之前， 为所述可充电电池充电。
【文档编号】H05B6/36GK105992528SQ201580007754
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年5月21日
【发明人】O·米洛诺夫
【申请人】菲利普莫里斯生产公司