RU2778747C2 - Induction heating device for heating the aerosol-forming substrate - Google Patents
Induction heating device for heating the aerosol-forming substrate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778747C2 RU2778747C2 RU2018135084A RU2018135084A RU2778747C2 RU 2778747 C2 RU2778747 C2 RU 2778747C2 RU 2018135084 A RU2018135084 A RU 2018135084A RU 2018135084 A RU2018135084 A RU 2018135084A RU 2778747 C2 RU2778747 C2 RU 2778747C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aerosol
- forming substrate
- susceptor
- induction heating
- cavity
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 120
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 102
- 230000006698 induction Effects 0.000 title claims abstract description 95
- 241000208125 Nicotiana Species 0.000 claims abstract description 20
- 235000002637 Nicotiana tabacum Nutrition 0.000 claims abstract description 20
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000000391 smoking effect Effects 0.000 claims description 30
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 16
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 30
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 22
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 19
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 239000000796 flavoring agent Substances 0.000 description 5
- 235000019634 flavors Nutrition 0.000 description 5
- PUPZLCDOIYMWBV-UHFFFAOYSA-N (+/-)-1,3-Butanediol Chemical compound CC(O)CCO PUPZLCDOIYMWBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- SNICXCGAKADSCV-JTQLQIEISA-N (-)-Nicotine Chemical compound CN1CCC[C@H]1C1=CC=CN=C1 SNICXCGAKADSCV-JTQLQIEISA-N 0.000 description 4
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 4
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 4
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 3
- 229960002715 nicotine Drugs 0.000 description 3
- SNICXCGAKADSCV-UHFFFAOYSA-N nicotine Natural products CN1CCCC1C1=CC=CN=C1 SNICXCGAKADSCV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 3
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 150000005846 sugar alcohols Polymers 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 2
- 235000019504 cigarettes Nutrition 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- ZDJFDFNNEAPGOP-UHFFFAOYSA-N dimethyl tetradecanedioate Chemical compound COC(=O)CCCCCCCCCCCCC(=O)OC ZDJFDFNNEAPGOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- ZIBGPFATKBEMQZ-UHFFFAOYSA-N triethylene glycol Chemical compound OCCOCCOCCO ZIBGPFATKBEMQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010753 BS 2869 Class E Substances 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 125000001931 aliphatic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- IZMOTZDBVPMOFE-UHFFFAOYSA-N dimethyl dodecanedioate Chemical compound COC(=O)CCCCCCCCCCC(=O)OC IZMOTZDBVPMOFE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 230000003670 easy-to-clean Effects 0.000 description 1
- 230000002500 effect on skin Effects 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- ILJSQTXMGCGYMG-UHFFFAOYSA-N triacetic acid Chemical compound CC(=O)CC(=O)CC(O)=O ILJSQTXMGCGYMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к индукционному нагревательному устройству для нагрева образующего аэрозоль субстрата и, более конкретно, к индукционному нагревательному устройству для нагрева образующего аэрозоль субстрата курительного изделия.The present invention relates to an induction heating device for heating an aerosol-forming substrate, and more specifically, an induction heating device for heating an aerosol-forming substrate of a smoking article.
Известные к настоящему времени обычные курительные изделия, например, сигареты, доставляют вкус и аромат пользователю в результате процесса сгорания. Масса горючего материала, в первую очередь табака, сгорает, а смежная часть материала подвергается пиролизу под действием подаваемого тепла, протягиваемого через этот материал, при этом типовая температура сгорания составляет свыше 800°С во время затяжек. Во время нагрева происходит неэффективное окисление горючего материала, и образуются разнообразные продукты дистилляции и пиролиза. Когда эти продукты втягиваются через тело курительного изделия в направлении рта пользователя, они охлаждаются и конденсируются с образованием аэрозоля или пара, который доставляет пользователю вкус и аромат, связанные с курением.Conventional smoking articles known so far, such as cigarettes, deliver flavor and aroma to the user through a combustion process. A body of combustible material, primarily tobacco, is combusted and an adjacent portion of the material is pyrolyzed by heat applied drawn through the material, with typical combustion temperatures in excess of 800°C during puffs. During heating, inefficient oxidation of the combustible material occurs, and a variety of distillation and pyrolysis products are formed. As these products are drawn through the body of the smoking article towards the user's mouth, they cool and condense to form an aerosol or vapor that provides the user with the flavor and aroma associated with smoking.
Известные альтернативы обычным курительным изделиям включают в себя изделия, в которых сам по себе горючий материал не обеспечивает непосредственного поступления ароматизаторов в аэрозоль, вдыхаемый пользователем. В этих курительных изделиях горючий нагревательный элемент, обычно угольный по природе, сжигают для нагрева воздуха, когда последний протягивается над нагревательным элементом и далее через зону, заключающую в себе активируемые теплом элементы, которые высвобождают ароматизированный аэрозоль.Known alternatives to conventional smoking articles include those in which the combustible material itself does not directly deliver flavorants to the aerosol inhaled by the user. In these smoking articles, a combustible heating element, typically coal in nature, is burned to heat air as the latter is drawn over the heating element and through a zone containing heat activated elements that release a flavored aerosol.
Еще одна альтернатива обычным курительным изделиям представляет собой образующий аэрозоль табакосодержащий твердый субстрат, содержащий магнитопроницаемый электропроводный сусцептор, который расположен в тепловой близости к образующему аэрозоль табакосодержащему субстрату. Сусцептор табакосодержащего субстрата подвергают воздействию переменного магнитного поля, генерируемого индукционным источником, так что в сусцепторе индуцируется переменное магнитное поле. Это индуцированное переменное магнитное поле генерирует тепло в сусцепторе, и по меньшей мере часть тепла, генерируемого в сусцепторе, передается от сусцептора к образующему аэрозоль субстрату, расположенному в тепловой близости к сусцептору, для образования аэрозоля и создания желаемого аромата.Yet another alternative to conventional smoking articles is an aerosol-forming tobacco-containing solid substrate containing a magnetically permeable electrically conductive susceptor that is located in thermal proximity to the aerosol-forming tobacco-containing substrate. The susceptor of the tobacco-containing substrate is subjected to an alternating magnetic field generated by an induction source such that an alternating magnetic field is induced in the susceptor. This induced alternating magnetic field generates heat in the susceptor and at least a portion of the heat generated in the susceptor is transferred from the susceptor to an aerosol-forming substrate located in thermal proximity to the susceptor to form the aerosol and create the desired flavor.
В патенте US 5,613,505 раскрыто индукционное нагревательное устройство для нагрева образующего аэрозоль субстрата, содержащего сусцептор. Индукционное нагревательное устройство содержит корпус устройства, источник питания постоянного тока, имеющий питающее напряжение постоянного тока, и электронную схему подачи питания, содержащую инвертор для преобразования постоянного тока в переменный ток, соединенный с источником питания постоянного тока, и индуктивно-емкостной нагрузочный контур. Индукционное нагревательное устройство дополнительно содержит полость, имеющую внутреннюю поверхность, выполненную по форме с возможностью вмещения по меньшей мере части образующего аэрозоль субстрата. Полость расположена так, что при размещении в этой полости части образующего аэрозоль субстрата индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата. Индуктор встроен в корпус устройства на ближнем конце корпуса устройства, чтобы окружать полость, которая также расположена на ближнем конце корпуса устройства.US Pat. No. 5,613,505 discloses an induction heating device for heating an aerosol-forming substrate containing a susceptor. SUBSTANCE: induction heating device comprises a device housing, a DC power source having a DC supply voltage, and an electronic power supply circuit containing an inverter for converting DC into AC connected to the DC power source, and an inductive-capacitive load circuit. The induction heating device further comprises a cavity having an inner surface shaped to receive at least a portion of the aerosol-forming substrate. The cavity is located in such a way that when a part of the aerosol-forming substrate is placed in this cavity, the inductor of the inductive-capacitive load circuit is inductively connected to the susceptor of the aerosol-forming substrate. The inductor is embedded in the device body at the proximal end of the device body to surround a cavity which is also located at the proximal end of the device body.
Однако, по-прежнему, существует необходимость в индукционном нагревательном устройстве для образующих аэрозоль субстратов, включающих в себя сусцептор, более конкретно - для твердых образующих аэрозоль субстратов, включающих в себя сусцептор, например, твердых образующих аэрозоль субстратов курительных изделий, где данное устройство должно обеспечивать возможность быстрого и очень эффективного генерирования требуемого тепла в сусцепторе с возможностью последующей передачи этого тепла на образующий аэрозоль субстрат для образования аэрозоля с целью обеспечения возможности для пользователя втягивать этот аэрозоль по мере необходимости. Это индукционное нагревательное устройство должно быть способно работать без необходимости в его подключении к внешнему источнику питания. Кроме того, это устройство должно иметь небольшой габаритный размер и быть удобным в использовании, чтобы оно было привлекательным для пользователей. Согласно одному аспекту настоящего изобретения, предложено индукционное нагревательное устройство для нагрева образующего аэрозоль субстрата, содержащего сусцептор, в частности для нагрева твердого образующего аэрозоль субстрата курительного изделия. Индукционное нагревательное устройство согласно настоящему изобретению содержит: - корпус устройства - источник питания постоянного тока, имеющий питающее напряжение постоянного тока - электронную схему подачи питания, выполненную с возможностью работы на высокой частоте и содержащую инвертор для преобразования постоянного тока в переменный ток, соединенный с источником питания постоянного тока и включающий в себя усилитель мощности класса Е, содержащий транзисторный переключатель и индуктивно-емкостной нагрузочный контур, выполненный с возможностью работы при низкоомной нагрузке, при этом индуктивно-емкостной нагрузочный контур содержит шунтирующий конденсатор и последовательную цепь из конденсатора и индуктора, имеющего омическое сопротивление, и - полость, расположенную в корпусе устройства, имеющую внутреннюю поверхность, выполненную по форме с возможностью вмещения по меньшей мере части образующего аэрозоль субстрата, и расположенную таким образом, что при размещении в ней части образующего аэрозоль субстрата индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата во время использования.However, there is still a need for an induction heating device for aerosol-forming substrates incorporating a susceptor, more specifically for solid aerosol-forming substrates incorporating a susceptor, such as solid aerosol-forming substrates in smoking articles, where the device should provide the ability to quickly and very efficiently generate the required heat in the susceptor, with the ability to subsequently transfer this heat to the aerosol-forming substrate to form an aerosol to enable the user to draw in this aerosol as needed. This induction heating device must be able to operate without the need to connect it to an external power source. In addition, this device must be small in size and convenient to use in order to be attractive to users. According to one aspect of the present invention, an induction heating device is provided for heating an aerosol-forming substrate containing a susceptor, in particular for heating a solid aerosol-forming substrate of a smoking article. The induction heating device according to the present invention comprises: - a body of the device - a DC power supply having a DC supply voltage - a power supply electronic circuit capable of operating at high frequency and containing an inverter for converting DC to AC connected to the power supply DC and includes a class E power amplifier containing a transistor switch and an inductive-capacitive load circuit configured to operate at a low-resistance load, while the inductive-capacitive load circuit contains a shunt capacitor and a series circuit of a capacitor and an inductor having an ohmic resistance , and - a cavity located in the body of the device, having an inner surface shaped to accommodate at least a part of the aerosol-forming substrate, and located in such a way that when placed in it part about of the aerosol-generating substrate, the inductor of the inductive-capacitive loading circuit is inductively coupled to the susceptor of the aerosol-generating substrate during use.
Образующий аэрозоль субстрат предпочтительно представляет собой субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Летучие соединения высвобождаются в результате нагрева образующего аэрозоль субстрата. Образующий аэрозоль субстрат может быть твердым или жидким или содержать как твердые, так и жидкие компоненты. В предпочтительном варианте образующий аэрозоль субстрат является твердым.The aerosol-forming substrate is preferably a substrate capable of releasing volatile compounds that can form an aerosol. Volatile compounds are released as a result of heating the aerosol-forming substrate. The aerosol-forming substrate may be solid or liquid, or contain both solid and liquid components. Preferably, the aerosol-forming substrate is solid.
Образующий аэрозоль субстрат может содержать никотин. Никотиносодержащий образующий аэрозоль субстрат может представлять собой матрицу из соли никотина. Образующий аэрозоль субстрат может содержать материал на растительной основе. Образующий аэрозоль субстрат может содержать табак, и предпочтительно, табакосодержащий материал содержит летучие соединения с ароматом табака, которые высвобождаются из образующего аэрозоль субстрата при нагреве.The aerosol-forming substrate may contain nicotine. The nicotine-containing aerosol-forming substrate may be a nicotine salt matrix. The aerosol-forming substrate may comprise a plant-based material. The aerosol-forming substrate may comprise tobacco, and preferably, the tobacco-containing material contains tobacco-flavored volatile compounds that are released from the aerosol-forming substrate upon heating.
Образующий аэрозоль субстрат может содержать гомогенизированный табачный материал. Гомогенизированный табачный материал может быть получен путем агломерирования частиц табака. При его наличии, гомогенизированный табачный материал может иметь содержание образователя аэрозоля не меньше 5% в расчете на сухой вес и предпочтительно - от более чем 5% до 30% в расчете на сухой вес.The aerosol-forming substrate may comprise homogenized tobacco material. Homogenized tobacco material can be obtained by agglomerating tobacco particles. If present, the homogenized tobacco material may have an aerosol former content of at least 5% dry weight, and preferably more than 5% to 30% dry weight.
Образующий аэрозоль субстрат может в качестве альтернативы содержать материал, не содержащий табака. Образующий аэрозоль субстрат может содержать гомогенизированный материал на растительной основе.The aerosol-forming substrate may alternatively comprise a tobacco-free material. The aerosol-forming substrate may comprise a homogenized plant-based material.
Образующий аэрозоль субстрат может содержать по меньшей мере один образователь аэрозоля. Образователь аэрозоля может представлять собой любое подходящее известное соединение или смесь соединений, которые при использовании способствуют образованию плотного и устойчивого аэрозоля и которые являются по существу стойкими к термическому разложению при рабочей температуре генерирующего аэрозоль устройства. Подходящие образователи аэрозоля хорошо известны в уровне техники и включают, но без ограничения: многоатомные спирты, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и глицерин; сложные эфиры многоатомных спиртов, такие как глицерин моно-, ди- или триацетат; и алифатические сложные эфиры моно-, ди- или поликарбоновых кислот, такие как диметилдодекандиоат и диметилтетрадекандиоат. Особо предпочтительными образователями аэрозоля являются многоатомные спирты или их смеси, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и, наиболее предпочтительно, глицерин. Образующий аэрозоль субстрат может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как ароматизаторы. Образующий аэрозоль субстрат предпочтительно содержит никотин и по меньшей мере один образователь аэрозоля. В особо предпочтительном варианте образователь аэрозоля представляет собой глицерин.The aerosol-forming substrate may comprise at least one aerosol former. The aerosol former may be any suitable known compound or mixture of compounds which, when used, produces a dense and stable aerosol and which is substantially resistant to thermal degradation at the operating temperature of the aerosol generating device. Suitable aerosolizers are well known in the art and include, but are not limited to: polyhydric alcohols such as triethylene glycol, 1,3-butanediol, and glycerol; esters of polyhydric alcohols such as glycerol mono-, di- or triacetate; and aliphatic esters of mono-, di- or polycarboxylic acids such as dimethyl dodecanedioate and dimethyl tetradecanedioate. Particularly preferred aerosol formers are polyhydric alcohols or mixtures thereof, such as triethylene glycol, 1,3-butanediol, and most preferably glycerol. The aerosol-forming substrate may contain other additives and ingredients such as flavors. The aerosol-forming substrate preferably contains nicotine and at least one aerosol former. In a particularly preferred embodiment, the aerosol former is glycerin.
Источник питания постоянного тока обычно может содержать любой подходящий источник питания постоянного тока, включая, в частности, блок питания, подключаемый к электросети, одну или несколько одноразовых батарей, аккумуляторов, или любой другой подходящий источник питания постоянного тока, способный обеспечивать требуемое питающее напряжение постоянного тока и требуемую силу питающего постоянного тока. В одном варианте реализации питающее напряжение постоянного тока источника питания постоянного тока находится в диапазоне от примерно 2,5 Вольт до примерно 4,5 Вольт, а сила питающего постоянного тока находится в диапазоне от примерно 2,5 до примерно 5 Ампер (что соответствует питающей мощности постоянного тока в диапазоне от примерно 6,25 Ватт до примерно 22,5 Ватт). Предпочтительно, источник питания постоянного тока содержит аккумуляторы. Такие батареи являются общедоступными и имеют приемлемый общий объем, составляющий примерно 1,2-3,5 кубических сантиметров. Такие батареи могут иметь по существу цилиндрическую или прямоугольную твердую форму. Кроме того, источник питания постоянного тока может включать в себя питающий дроссель постоянного тока.The DC power supply may typically comprise any suitable DC power source, including but not limited to a plug-in power supply, one or more disposable batteries, accumulators, or any other suitable DC power source capable of providing the required DC supply voltage. and the required DC power supply. In one embodiment, the DC supply voltage of the DC power supply is in the range of about 2.5 Volts to about 4.5 Volts, and the DC supply current is in the range of about 2.5 to about 5 Amps (corresponding to the supply power DC in the range of about 6.25 watts to about 22.5 watts). Preferably, the DC power supply comprises batteries. Such batteries are commonly available and have an acceptable total volume of about 1.2-3.5 cubic centimeters. Such batteries may have a substantially cylindrical or rectangular solid shape. In addition, the DC power supply may include a DC supply choke.
В качестве общего правила, когда термин «примерно» применяют в сочетании с конкретной величиной по всей данной заявке, следует понимать, что величина, следующая за термином «примерно», не обязательно должна точно равняться конкретной величине по техническим соображениям. Тем не менее, термин «примерно», используемый в сочетании с конкретной величиной, всегда следует понимать, как включающий в себя и явным образом выражающий конкретную величину, следующую за термином «примерно».As a general rule, when the term "about" is used in conjunction with a specific value throughout this application, it should be understood that the value following the term "about" need not be exactly equal to the specific value for technical reasons. However, the term "about" when used in conjunction with a specific amount should always be understood to include and expressly express the specific amount following the term "about".
Электронная схема подачи питания выполнена с возможностью работы на высокой частоте. Для целей данной заявки термин «высокая частота» следует понимать, как обозначающий частоту в диапазоне от примерно 1 Мегагерц (МГц) до примерно 30 Мегагерц (МГц) (включая диапазон от 1 МГц до 30 МГц), более конкретно - от примерно 1 Мегагерц (МГц) до примерно 10 Мегагерц (МГц) (включая диапазон от 1 МГц до 10 МГц), и еще более конкретно - от примерно 5 Мегагерц (МГц) до примерно 7 Мегагерц (МГц) (включая диапазон от 5 МГц до 7 МГц).The electronic power supply circuit is configured to operate at a high frequency. For the purposes of this application, the term "high frequency" should be understood to mean a frequency in the range from about 1 Megahertz (MHz) to about 30 Megahertz (MHz) (including the range from 1 MHz to 30 MHz), more specifically from about 1 Megahertz ( MHz) up to about 10 Megahertz (MHz) (including the range from 1 MHz to 10 MHz), and more specifically from about 5 Megahertz (MHz) to about 7 Megahertz (MHz) (including the range from 5 MHz to 7 MHz).
Электронная схема подачи питания содержит инвертор DC/AC для преобразования постоянного тока в переменный ток, соединенный с источником питания постоянного тока. Этот инвертор для преобразования постоянного тока в переменный ток включает в себя усилитель мощности класса Е, содержащий транзисторный переключатель, схему возбуждения транзисторного переключателя и индуктивно-емкостной нагрузочный контур. Усилители мощности класса E являются общеизвестными и подробно описаны, например, в статье «Усилители РЧ-мощности класса Е» (ʺClass-E RF Power Amplifiersʺ), автор Nathan O. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск за январь/февраль 2001 г., стр. 9-20, издание Американской лиги радиолюбителей (American Radio Relay League, ARRL), г. Невингтон, Коннектикут, США. Усилители мощности класса E являются преимущественными применительно к работе на высоких частотах и при этом имеют простую схемную структуру, содержащую минимальное количество компонентов (например, необходим лишь один транзисторный переключатель, что является преимуществом по сравнению с усилителями мощности класса D, содержащими два транзисторных переключателя, которыми необходимо управлять на высокой частоте таким образом, чтобы обеспечить запирание одного из двух транзисторов в то время, когда другой из этих двух транзисторов открыт). Кроме того, усилители мощности класса E известны своим минимальным рассеянием мощности в переключающем транзисторе во время переходных процессов при переключении. Предпочтительно, усилитель мощности класса E представляет собой однотактный усилитель мощности класса E первого порядка, содержащий лишь один транзисторный переключатель.The power supply electronic circuitry comprises a DC/AC inverter for converting DC to AC connected to a DC power supply. This DC-AC inverter includes a class E power amplifier containing a transistor switch, a transistor switch driving circuit, and an inductive-capacitive load circuit. Class E power amplifiers are well known and are described in detail, for example, in the article "Class-E RF Power Amplifiers" by Nathan O. Sokal, published in the bimonthly QEX magazine,
Транзисторный переключатель усилителя мощности класса E может представлять собой любой тип транзистора и может быть выполнен в виде биполярного плоскостного транзистора (BJT). Более предпочтительно, тем не менее, чтобы транзисторный переключатель был выполнен в виде полевого транзистора (FET), такого как полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET) или полевой транзистор со структурой металл-полупроводник (metal-semiconductor field effect transistor, MESFET).The class E power amplifier transistor switch can be any type of transistor and can be a Bipolar Junction Transistor (BJT). More preferably, however, the transistor switch is in the form of a field effect transistor (FET), such as a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) or a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) or a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). semiconductor (metal-semiconductor field effect transistor, MESFET).
Индуктивно-емкостной нагрузочный контур усилителя мощности класса Е индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению выполнен с возможностью работы при низкоомной нагрузке. Термин «низкоомная нагрузка» следует понимать, как обозначающий омическую нагрузку, которая меньше примерно 2 Ом. Индуктивно-емкостной нагрузочный контур содержит шунтирующий конденсатор и последовательную цепь из конденсатора и индуктора, имеющего омическое сопротивление. Это омическое сопротивление индуктора обычно составляет несколько десятых Ома. При использовании омическое сопротивление сусцептора суммируется с омическим сопротивлением индуктора и должно превышать омическое сопротивление индуктора, поскольку подаваемая электрическая мощность должна преобразовываться в тепло в сусцепторе в максимально возможной степени с целью повышения эффективности усилителя мощности и обеспечения возможности передачи максимально возможного количества тепла от сусцептора на остальную часть образующего аэрозоль субстрата для эффективного образования аэрозоля.The inductive-capacitive load circuit of the class E power amplifier of the induction heating device according to the present invention is configured to operate with a low-resistance load. The term "low resistance load" should be understood to mean a resistive load that is less than about 2 ohms. The inductive-capacitive load circuit contains a shunt capacitor and a series circuit of a capacitor and an ohmic inductor. This ohmic resistance of the inductor is usually a few tenths of an ohm. When used, the ohmic resistance of the susceptor is added to the ohmic resistance of the inductor and must exceed the ohmic resistance of the inductor, since the electrical power supplied must be converted into heat in the susceptor to the maximum extent possible in order to increase the efficiency of the power amplifier and ensure that the maximum possible amount of heat can be transferred from the susceptor to the rest of the an aerosol-forming substrate for efficient aerosol generation.
Сусцептор представляет собой проводник, способный к индуктивному нагреву. «Тепловая близость» означает, что сусцептор расположен относительно остальной части образующего аэрозоль субстрата таким образом, что от сусцептора к остальной части образующего аэрозоль субстрата передается достаточное количество тепла для образования аэрозоля.The susceptor is a conductor capable of inductive heating. "Thermal proximity" means that the susceptor is positioned relative to the rest of the aerosol-forming substrate such that sufficient heat is transferred from the susceptor to the rest of the aerosol-forming substrate to form an aerosol.
Поскольку сусцептор является не только магнитопроницаемым, но также и электропроводным (он является проводником, как указано выше), в сусцепторе наводится ток, известный как вихревой ток, и этот ток протекает в сусцепторе согласно закону Ома. Сусцептор должен иметь низкое удельное электрическое сопротивление ρ, чтобы увеличить рассеяние джоулевого тепла. Кроме того, необходимо учитывать частоту переменного вихревого тока из-за поверхностного эффекта (более 98% электрического тока протекает в пределах слоя, глубина которого от внешней поверхности проводника равна четырехкратной глубине δ поверхностного слоя). С учетом этого омическое сопротивление RS сусцептора рассчитывается из уравненияSince the susceptor is not only magnetically permeable, but also electrically conductive (it is a conductor as mentioned above), a current known as eddy current is induced in the susceptor and this current flows in the susceptor according to Ohm's law. The susceptor must have a low electrical resistivity ρ to increase the Joule heat dissipation. In addition, it is necessary to take into account the frequency of the alternating eddy current due to the skin effect (more than 98% of the electric current flows within the layer, the depth of which from the outer surface of the conductor is equal to four times the depth δ of the surface layer). With this in mind, the ohmic resistance R S of the susceptor is calculated from the equation
Rs = Rs =
гдеwhere
f обозначает частоту переменного вихревого токаf denotes the frequency of the alternating eddy current
μ0 обозначает магнитную проницаемость свободного пространстваμ 0 denotes the magnetic permeability of free space
μr обозначает относительную магнитную проницаемостьμ r denotes the relative magnetic permeability
материала сусцептора, иsusceptor material, and
ρ обозначает удельное электрическое сопротивление материалаρ denotes the electrical resistivity of the material
сусцептора.susceptor.
Потери мощности Pe, обусловленные вихревым током, рассчитываются по формулеThe power loss P e due to eddy current is calculated by the formula
Pe=I2⋅RS P e \u003d I 2 ⋅R S
гдеwhere
I обозначает величину (среднеквадратичное значение) вихревого тока, иI denotes the magnitude (rms value) of the eddy current, and
RS обозначает электрическое сопротивление сусцептора (см.R S denotes the electrical resistance of the susceptor (see
выше)above)
Из этого уравнения для расчета Pe и из вычисления RS с очевидностью следует, что в случае материала, имеющего известную относительную магнитную проницаемость μr и заданное удельное электрическое сопротивление ρ, потери мощности Pe, обусловленные вихревым током (в результате преобразования в тепло), повышаются с повышением частоты и величины тока (среднеквадратичного значения). С другой стороны, частота переменного вихревого тока (и, соответственно, переменного магнитного поля, индуцирующего вихревой ток в сусцепторе) не может увеличиваться произвольно, поскольку глубина δ поверхностного слоя уменьшается по мере повышения частоты вихревого тока (или переменного магнитного поля, индуцирующего вихревой ток в сусцепторе), так что выше определенной частоты отсечки вихревые токи больше не могут генерироваться в сусцепторе, поскольку глубина поверхностного слоя слишком мала для того, чтобы обеспечить возможность генерирования вихревых токов. Повышение величины тока (среднеквадратичного значения) требует переменного магнитного поля, имеющего высокую плотность магнитного потока, и, следовательно, требует объемистых источников индукции (индукторов).From this equation for calculating P e and from calculating R S it clearly follows that in the case of a material having a known relative magnetic permeability μ r and a given electrical resistivity ρ, the power loss P e due to eddy current (due to conversion to heat) , increase with increasing frequency and current (rms value). On the other hand, the frequency of the alternating eddy current (and, accordingly, the alternating magnetic field that induces an eddy current in the susceptor) cannot increase arbitrarily, since the depth δ of the surface layer decreases as the frequency of the eddy current (or the alternating magnetic field that induces an eddy current in susceptor) so that above a certain cutoff frequency, eddy currents can no longer be generated in the susceptor because the depth of the surface layer is too shallow to allow eddy currents to be generated. Increasing the magnitude of the current (rms value) requires an alternating magnetic field having a high magnetic flux density, and therefore requires bulky sources of induction (inductors).
Кроме того, тепло вырабатывается в сусцепторе за счет механизма нагрева, связанного с гистерезисом. Потери мощности, обусловленные гистерезисом, рассчитываются из уравненияIn addition, heat is generated in the susceptor by a heating mechanism associated with hysteresis. The power loss due to hysteresis is calculated from the equation
PH=V ⋅ WH ⋅ fP H = V ⋅ W H ⋅ f
гдеwhere
V обозначает объем сусцептораV stands for susceptor volume
WH обозначает работу, требующуюся для намагничивания сусцептораW H denotes the work required to magnetize the susceptor
вдоль замкнутой петли гистерезиса на диаграмме B-H, иalong the closed hysteresis loop in the B-H diagram, and
f обозначает частоту переменного магнитного поля.f denotes the frequency of the alternating magnetic field.
Работа WH, требующаяся для намагничивания сусцептора вдоль замкнутой петли гистерезиса, может быть также выражена в видеThe work W H required to magnetize the susceptor along a closed hysteresis loop can also be expressed as
WH = W H =
Максимально возможная величина работы WH зависит от свойств материала сусцептора (остаточная магнитная индукция BR при насыщении, коэрцитивность HC), а фактическая величина работы WH зависит от фактической петли гистерезиса намагниченности на диаграмме В-Н, индуцированной в сусцепторе переменным магнитным полем, и эта фактическая петля гистерезиса намагниченности на диаграмме В-Н зависит от величины магнитного возбуждения.The maximum possible value of work W H depends on the properties of the susceptor material (remanent magnetic induction B R at saturation, coercivity H C ), and the actual value of work W H depends on the actual magnetization hysteresis loop in the B-H diagram induced in the susceptor by an alternating magnetic field, and this actual magnetization hysteresis loop in the B-H diagram depends on the magnitude of the magnetic excitation.
В сусцепторе имеется третий механизм генерирования тепла (потерь мощности). Этот механизм генерирования тепла обусловлен динамическими потерями магнитных доменов в магнитопроницаемом материале сусцептора, когда на сусцептор действует внешнее переменное магнитное поле, и эти динамические потери обычно также повышаются с повышением частоты переменного магнитного поля.There is a third heat generation mechanism (power loss) in the susceptor. This heat generating mechanism is due to dynamic losses of magnetic domains in the magnetically permeable material of the susceptor when the susceptor is subjected to an external alternating magnetic field, and these dynamic losses usually also increase with increasing frequency of the alternating magnetic field.
Для обеспечения возможности генерирования тепла в сусцепторе согласно вышеописанным механизмам (главным образом, посредством потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис), в корпусе устройства расположена полость. Полость имеет внутреннюю поверхность, выполненную по форме с возможностью вмещения по меньшей мере части образующего аэрозоль субстрата. Эта полость расположена таким образом, чтобы при размещении в ней части образующего аэрозоль субстрата индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура при использовании был индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата. Это означает, что индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура усилителя мощности класса Е используется для нагрева сусцептора за счет магнитной индукции. Это устраняет необходимость в дополнительных компонентах, таких как согласующие контуры для согласования выходного полного сопротивления усилителя мощности класса E с нагрузкой, и таким образом обеспечена возможность дополнительной минимизации размера электронной схемы подачи питания.In order to be able to generate heat in the susceptor according to the mechanisms described above (mainly through eddy current losses and hysteresis losses), a cavity is located in the body of the device. The cavity has an inner surface shaped to accommodate at least a portion of the aerosol-forming substrate. This cavity is positioned such that, when a portion of the aerosol-forming substrate is placed therein, the inductor of the inductive-capacitive load circuit is inductively coupled to the susceptor of the aerosol-forming substrate in use. This means that the class E power amplifier's inductor-capacitive load circuit is used to heat the susceptor by magnetic induction. This eliminates the need for additional components such as matching circuits to match the output impedance of the Class E power amplifier to the load, and thus further minimizes the size of the power supply electronics.
В целом, индукционное нагревательное устройство согласно настоящему изобретению представляет собой небольшое, легкое в обращении, эффективное, чистое и надежное нагревательное устройство благодаря бесконтактному нагреву субстрата. В случае сусцепторов, создающих вышеуказанные низкоомные нагрузки, как было описано выше, и при этом имеющих омическое сопротивление, значительно превышающее омическое сопротивление индуктора индуктивно-емкостного нагрузочного контура, возможно достижение температур сусцептора в диапазоне 350-400 градусов по Цельсию всего лишь за пять секунд или за период времени, который даже меньше пяти секунд, причем в это же самое время температура индуктора остается низкой (благодаря тому, что основная часть мощности преобразуется в тепло в сусцепторе).In general, the induction heating device according to the present invention is a small, easy to handle, efficient, clean and reliable heating device due to non-contact heating of the substrate. In the case of susceptors producing the above low-resistance loads, as described above, and yet having an ohmic resistance significantly higher than the ohmic resistance of an inductor-capacitive load circuit, it is possible to achieve susceptor temperatures in the range of 350-400 degrees Celsius in as little as five seconds or for a period of time that is even less than five seconds, and at the same time the temperature of the inductor remains low (due to the fact that the bulk of the power is converted into heat in the susceptor).
Как уже было отмечено, в соответствии с одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, это устройство выполнено с возможностью нагрева образующего аэрозоль субстрата курительного изделия. В частности, это включает в себя подачу мощности на сусцептор внутри образующего аэрозоль субстрата таким образом, чтобы этот образующий аэрозоль субстрат нагревался до средней температуры 200-240 градусов по Цельсию. Еще более предпочтительно, устройство выполнено с возможностью нагрева табакосодержащего твердого образующего аэрозоль субстрата курительного изделия.As already noted, in accordance with one aspect of the induction heating device according to the present invention, this device is configured to heat the aerosol-forming substrate of the smoking article. Specifically, this includes applying power to the susceptor within the aerosol-forming substrate such that the aerosol-forming substrate is heated to an average temperature of 200-240 degrees Celsius. Even more preferably, the device is configured to heat the tobacco-containing solid aerosol-forming substrate of the smoking article.
В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, общий объем электронной схемы подачи питания составляет не больше 2 см3. Таким образом обеспечена возможность размещения батарей, электронной схемы подачи питания и полости в корпусе устройства, имеющем небольшой общий размер, что обеспечивает удобство и легкость в обращении.According to another aspect of the induction heating device according to the present invention, the total volume of the power supply electronic circuit is not more than 2 cm 3 . Thus, it is possible to accommodate the batteries, the power supply electronics and the cavity in the device body having a small overall size, which provides convenience and ease of handling.
В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура содержит цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой, имеющую удлиненную форму и образующую внутренний объем в диапазоне от примерно 0,15 см3 до примерно 1,10 см3. Например, внутренний диаметр цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может составлять от примерно 5 мм до примерно 10 мм и предпочтительно может составлять примерно 7 мм, а длина цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может составлять от примерно 8 мм до примерно 14 мм. Диаметр или толщина провода катушки может составлять от примерно 0,5 мм до примерно 1 мм, в зависимости от того, используется ли провод катушки с круглым поперечным сечением или провод катушки с плоским прямоугольным поперечным сечением. Индукционная катушка со спиральной намоткой расположена на или вблизи внутренней поверхности полости. Цилиндрическая индукционная катушка со спиральной намоткой, расположенная на или вблизи внутренней поверхности полости, обеспечивает возможность дополнительной минимизации размеров устройства.In accordance with yet another aspect of the induction heating device of the present invention, the inductor of the inductive-capacitive load circuit comprises a cylindrical, helical-wound induction coil having an elongated shape and having an internal volume in the range of from about 0.15 cm 3 to about 1.10 cm 3 . For example, the inner diameter of the cylindrical helical induction coil may be from about 5 mm to about 10 mm, and preferably may be about 7 mm, and the length of the cylindrical helical induction coil may be from about 8 mm to about 14 mm. The diameter or thickness of the coil wire may be from about 0.5 mm to about 1 mm, depending on whether a coil wire with a round cross section or a coil wire with a flat rectangular cross section is used. The helically wound induction coil is located on or near the inner surface of the cavity. A helical-wound cylindrical induction coil positioned on or near the interior surface of the cavity allows for further minimization of device dimensions.
В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, корпус устройства имеет по существу цилиндрическую форму с полостью, расположенной на ближнем конце корпуса устройства, и источником питания постоянного тока, расположенным на дальнем конце корпуса устройства. Электронная схема подачи питания расположена между источником питания постоянного тока и полостью. Это обеспечивает возможность компактного и эстетически привлекательного размещения всех компонентов индукционного нагревательного устройства в небольшом и удобном в обращении корпусе устройства.In accordance with yet another aspect of the induction heating device of the present invention, the device body is substantially cylindrical with a cavity located at the proximal end of the device body and a DC power source located at the distal end of the device body. The power supply electronic circuit is located between the DC power supply and the cavity. This allows all components of the induction heating device to be compactly and aesthetically pleasing in a small and easy to handle body of the device.
Как было отмечено выше, в соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, источник питания постоянного тока содержит аккумулятор постоянного тока. Это обеспечивает возможность перезарядки батарей, предпочтительно, путем подключения к электросети через зарядное устройство, содержащее преобразователь переменного тока в постоянный ток.As noted above, in accordance with another aspect of the induction heating device of the present invention, the DC power supply comprises a DC battery. This allows the batteries to be recharged, preferably by being connected to the mains via a charger containing an AC/DC converter.
В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, электронная схема подачи питания дополнительно содержит микроконтроллер, который запрограммирован с возможностью прерывания генерирования переменного тока инвертором для преобразования постоянного тока в переменный ток, если температура сусцептора образующего аэрозоль субстрата превысила температуру Кюри этого сусцептора во время использования, и который запрограммирован с возможностью возобновления генерирования переменного тока, если температура сусцептора вновь опустилась ниже этой температуры Кюри. Данный признак может использоваться для регулирования температуры сусцептора с помощью микроконтроллера.In accordance with yet another aspect of the induction heating device of the present invention, the power supply electronic circuitry further comprises a microcontroller that is programmed to interrupt the inverter's AC generation to convert DC to AC if the temperature of the aerosol-forming substrate's susceptor has exceeded the Curie temperature of that susceptor during time of use, and which is programmed to resume generating alternating current if the susceptor temperature drops below that Curie temperature again. This feature can be used to control the temperature of the susceptor using a microcontroller.
В случае, если сусцептор выполнен из единственного материала, температура Кюри должна соответствовать максимальной температуре, которую должен иметь сусцептор (иначе говоря, температура Кюри идентична максимальной температуре, до которой должен быть нагрет сусцептор, или отклоняется от этой максимальной температуры примерно на 1-3%). Если температура сусцептора превысила температуру Кюри указанного единственного материала, ферромагнитные свойства сусцептора исчезают, и сусцептор становится лишь парамагнитным.In case the susceptor is made of a single material, the Curie temperature must correspond to the maximum temperature that the susceptor must have (in other words, the Curie temperature is identical to the maximum temperature to which the susceptor must be heated, or deviates from this maximum temperature by about 1-3% ). If the temperature of the susceptor exceeds the Curie temperature of said single material, the ferromagnetic properties of the susceptor disappear and the susceptor becomes only paramagnetic.
В случае, если сусцептор выполнен из более чем одного материала, материалы сусцептора могут быть оптимизированы в отношении дополнительных аспектов. Например, материалы могут быть выбраны таким образом, чтобы первый материал сусцептора мог иметь температуру Кюри, превышающую максимальную температуру, до которой должен быть нагрет сусцептор. С одной стороны, первый материал сусцептора может в этом случае быть оптимизирован, например, в отношении максимальной генерации тепла и его передачи на остальную часть образующего аэрозоль субстрата для обеспечения эффективного нагрева сусцептора, однако сусцептор может дополнительно содержать второй материал, имеющий температуру Кюри, соответствующую максимальной температуре, до которой должен быть нагрет сусцептор, и в момент, когда сусцептор достигает этой температуры Кюри, магнитные свойства сусцептора в целом изменяются. Это изменение может быть обнаружено, и о нем может быть оповещен микроконтроллер, который в этом случае прерывает генерирование мощности переменного тока до тех пор, пока температура снова не опустится ниже температуры Кюри, после чего генерирование мощности переменного тока может быть возобновлено.In case the susceptor is made from more than one material, the materials of the susceptor can be optimized in additional aspects. For example, materials may be selected such that the first material of the susceptor may have a Curie temperature in excess of the maximum temperature to which the susceptor is to be heated. On the one hand, the first material of the susceptor may in this case be optimized, for example, in terms of maximum heat generation and its transfer to the rest of the aerosol-forming substrate to ensure efficient heating of the susceptor, however, the susceptor may additionally contain a second material having a Curie temperature corresponding to the maximum temperature to which the susceptor must be heated, and the moment the susceptor reaches this Curie temperature, the magnetic properties of the susceptor as a whole change. This change can be detected and alerted to the microcontroller, which then interrupts AC power generation until the temperature drops below the Curie temperature again, after which AC power generation can be resumed.
В соответствии с еще одним аспектом индукционного нагревательного устройства согласно настоящему изобретению, усилитель мощности класса E имеет выходное полное сопротивление, и электронная схема подачи питания дополнительно содержат согласующий контур для согласования выходного полного сопротивления усилителя мощности класса E с низкоомной нагрузкой. Эта мера может быть полезна для дополнительного повышения потерь мощности в низкоомной нагрузке, что приводит к повышенному генерированию тепла в низкоомной нагрузке. Например, согласующий контур может содержать небольшой согласующий трансформатор.According to another aspect of the induction heating device according to the present invention, the class E power amplifier has an output impedance, and the power supply electronics further comprise a matching circuit for matching the output impedance of the class E power amplifier to a low resistance load. This measure can be useful to further increase the power loss in the low-resistance load, resulting in increased heat generation in the low-resistance load. For example, the matching circuit may contain a small matching transformer.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к индукционной нагревательной системе, содержащей индукционное нагревательное устройство, соответствующее любому из вышеописанных вариантов реализации, и образующий аэрозоль субстрат, содержащий сусцептор. По меньшей мере часть образующего аэрозоль субстрата размещена в полости индукционного нагревательного устройства таким образом, чтобы индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура инвертора для преобразования постоянного тока в переменный ток индукционного нагревательного устройства был индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата во время использования.Yet another aspect of the present invention relates to an induction heating system comprising an induction heating device according to any of the embodiments described above and an aerosol-forming substrate containing a susceptor. At least a portion of the aerosol-generating substrate is placed in the cavity of the induction heating device such that the inductor of the inductive-capacitive load circuit of the inverter for converting DC to AC current of the induction heating device is inductively coupled to the susceptor of the aerosol-generating substrate during use.
В соответствии с одним аспектом индукционной нагревательной системы согласно настоящему изобретению, образующий аэрозоль субстрат может представлять собой образующий аэрозоль субстрат курительного изделия. В частности, образующий аэрозоль субстрат может представлять собой табакосодержащий твердый образующий аэрозоль субстрат, который может использоваться в курительных изделиях (например, таких, как сигареты).In accordance with one aspect of the induction heating system of the present invention, the aerosol-forming substrate may be the aerosol-forming substrate of a smoking article. In particular, the aerosol-forming substrate may be a tobacco-containing solid aerosol-forming substrate that can be used in smoking articles (eg, such as cigarettes).
Еще один аспект настоящего изобретения относится к комплекту, содержащему индукционное нагревательное устройство, соответствующее любому из вышеописанных вариантов реализации, и образующий аэрозоль субстрат, содержащий сусцептор. Индукционное нагревательное устройство и образующий аэрозоль субстрат выполнены с возможностью размещения, во время использования, по меньшей мере части образующего аэрозоль субстрата в полости индукционного нагревательного устройства, так что индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура инвертора для преобразования постоянного тока в переменный ток индукционного нагревательного устройства индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата. Хотя обычно образующий аэрозоль субстрат и индукционное нагревательное устройство выполнены отдельно, они также могут быть выполнены в виде комплекта частей. Или, в качестве альтернативы, стартовый комплект может содержать индукционное нагревательное устройство и множество образующих аэрозоль субстратов, причем в дополнение обеспечиваются лишь образующие аэрозоль субстраты, так что после того, как потребитель приобрел индукционное нагревательное устройство в стартовом комплекте, и употребил образующие аэрозоль субстраты, содержащиеся в этом стартовом комплекте, потребитель будет нуждаться лишь в дополнительных образующих аэрозоль субстратах. Как и в предыдущих случаях, в соответствии с одним аспектом комплекта согласно настоящему изобретению, образующий аэрозоль субстрат может представлять собой образующий аэрозоль субстрат курительного изделия и, в частности, этот образующий аэрозоль субстрат курительного изделия может представлять собой табакосодержащий твердый образующий аэрозоль субстрат.Another aspect of the present invention relates to a kit containing an induction heating device corresponding to any of the above embodiments, and an aerosol-forming substrate containing a susceptor. The induction heating device and the aerosol-forming substrate are configured to accommodate, during use, at least a portion of the aerosol-forming substrate in a cavity of the induction heating device, such that the inductor of the inductive-capacitive load circuit of the inverter for converting DC to AC current of the induction heating device is inductively coupled. with a susceptor of an aerosol-forming substrate. Although typically the aerosol-forming substrate and the induction heating device are separate, they can also be made as a kit. Or, alternatively, the starter kit may comprise an induction heating device and a plurality of aerosol-forming substrates, wherein in addition only aerosol-forming substrates are provided, so that after a consumer has purchased the induction heating device in the starter kit and consumed the aerosol-forming substrates contained in this starter kit, the user will only need additional aerosol-forming substrates. As before, according to one aspect of the kit according to the present invention, the aerosol-forming substrate may be an aerosol-forming substrate of a smoking article, and in particular, this aerosol-forming substrate of a smoking article may be a tobacco-containing solid aerosol-forming substrate.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к способу использования индукционной нагревательной системы. Способ содержит этапы, на которых: - обеспечивают источник питания постоянного тока, имеющий питающее напряжение постоянного тока, - обеспечивают электронную схему подачи питания, выполненную с возможностью работы на высокой частоте и содержащую инвертор для преобразования постоянного тока в переменный ток, включающий в себя усилитель мощности класса Е, содержащий транзисторный переключатель, схему возбуждения транзисторного переключателя и индуктивно-емкостной нагрузочный контур, выполненный с возможностью работы при низкой омической нагрузке, при этом индуктивно-емкостной нагрузочный контур содержит шунтирующий конденсатор и последовательную цепь из конденсатора и индуктора, имеющего омическое сопротивление, - обеспечивают полость, выполненную с возможностью вместить в себя по меньшей мере часть образующего аэрозоль субстрата и расположенную таким образом, что при размещении в этой полости части образующего аэрозоль субстрата индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура индуктивно связан с сусцептором образующего аэрозоль субстрата, и - обеспечивают образующий аэрозоль субстрат, содержащий сусцептор, и вставляют по меньшей мере часть этого образующего аэрозоль субстрата в полость так, что индуктивно связывают индуктор индуктивно-емкостного нагрузочного контура с сусцептором образующего аэрозоль субстрата.Another aspect of the present invention relates to a method for using an induction heating system. The method comprises the steps of: - providing a DC power supply having a DC supply voltage - providing a power supply electronic circuit configured to operate at high frequency and comprising an inverter for converting DC to AC, including a power amplifier class E, containing a transistor switch, a transistor switch excitation circuit and an inductive-capacitive load circuit configured to operate at a low ohmic load, while the inductive-capacitive load circuit contains a shunt capacitor and a series circuit of a capacitor and an inductor having an ohmic resistance, - provide a cavity configured to receive at least a part of the aerosol-forming substrate and located in such a way that when a part of the aerosol-forming substrate is placed in this cavity, the inductor of the inductive-capacitive load circuit induct visibly coupled to the susceptor of the aerosol-forming substrate, and - providing an aerosol-forming substrate containing the susceptor, and inserting at least a portion of the aerosol-forming substrate into the cavity such that the inductor of the inductive-capacitive load circuit is inductively coupled to the susceptor of the aerosol-forming substrate.
В соответствии с одним аспектом способа согласно настоящему изобретению, источник питания постоянного тока представляет собой аккумулятор, и способ дополнительно содержит этап, на котором заряжают аккумулятор перед вставлением части образующего аэрозоль субстрата в полость. Данный аспект является особо преимущественным, поскольку в случае использования аккумуляторов устройство может быть использовано (после зарядки батарей) без необходимости в подключении к электросети или к другому внешнему источнику питания. Когда степень зарядки батареи находится на низком уровне, аккумулятор обеспечивает возможность легкой повторной перезарядки, так что нет необходимости в ношении в собой каких-либо одноразовых запасных батарей. Если степень зарядки батареи находится на низком уровне, обеспечена возможность простой перезарядки аккумулятора, и устройство снова будет готово к использованию. В дополнение, аккумуляторы безопасны для окружающей среды, поскольку они не являются одноразовыми батареями, которые необходимо надлежащим образом утилизировать.According to one aspect of the method of the present invention, the DC power supply is a battery, and the method further comprises charging the battery before inserting a portion of the aerosol-forming substrate into the cavity. This aspect is particularly advantageous because, in the case of using rechargeable batteries, the device can be used (after charging the batteries) without the need to be connected to the mains or to another external power source. When the state of charge of the battery is low, the battery provides an easy recharging capability, so there is no need to carry any disposable spare batteries. If the battery state of charge is low, the battery can be easily recharged and the device will be ready for use again. In addition, batteries are environmentally friendly as they are not disposable batteries that must be properly disposed of.
Дополнительные преимущественные аспекты настоящего изобретения станут очевидны из следующего описания вариантов реализации, дополненного чертежами, где:Additional advantageous aspects of the present invention will become apparent from the following description of embodiments, supplemented by drawings, where:
На фиг. 1 показан общий принцип нагрева, лежащий в основе настоящего изобретения,In FIG. 1 shows the general heating principle underlying the present invention,
На фиг. 2 показана блок-схема варианта реализации индукционного нагревательного устройства и системы согласно настоящему изобретению,In FIG. 2 is a block diagram of an embodiment of an induction heating device and system according to the present invention,
На фиг. 3 показан вариант реализации индукционного нагревательного устройства с основными компонентами, расположенными в корпусе нагревательного устройства,In FIG. 3 shows an embodiment of an induction heating device with the main components located in the body of the heating device,
На фиг. 4 показан вариант реализации основных компонентов электронной схемы подачи питания в индукционном нагревательном устройстве согласно настоящему изобретению (без согласующего контура),In FIG. 4 shows an embodiment of the main components of the electronic power supply circuit in an induction heating device according to the present invention (without a matching circuit),
На фиг. 5 показан вариант реализации индуктора индуктивно-емкостного нагрузочного контура в форме цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой, имеющей удлиненную форму,In FIG. 5 shows an embodiment of an inductor of an inductive-capacitive load circuit in the form of a cylindrical induction coil with a spiral winding, having an elongated shape,
На фиг. 6 показан фрагмент индуктивно-емкостного нагрузочного контура, включающий в себя индуктивность и омическое сопротивление катушки, и в дополнение показано омическое сопротивление нагрузки.In FIG. 6 shows a fragment of an inductive-capacitive load circuit, including the inductance and ohmic resistance of the coil, and in addition, the ohmic load resistance is shown.
На фиг. 1 схематично показан общий принцип нагрева, лежащий в основе настоящего изобретения. На фиг. 1 схематично показана цилиндрическая индукционная катушка L2 со спиральной намоткой, имеющая удлиненную форму и образующая внутренний объем, в котором частично или полностью размещается образующий аэрозоль субстрат 20 курительного изделия 2, содержащий сусцептор 21. Курительное изделие 2, содержащее образующий аэрозоль субстрат 20 с сусцептором 21, схематично представлено на увеличенном фрагменте поперечного сечения, показанном отдельно с правой стороны на фиг. 1. Как уже упоминалось, образующий аэрозоль субстрат 20 курительного изделия 2 может представлять собой табакосодержащий твердый субстрат, но не ограничивается им.In FIG. 1 schematically shows the general heating principle underlying the present invention. In FIG. 1 schematically shows a cylindrical helical wound induction coil L2, having an elongated shape and forming an internal volume in which the aerosol-forming
В дополнение, на фиг. 1 магнитное поле внутри внутреннего объема индукционной катушки L2 схематично показано несколькими силовыми линиями BL магнитного поля в один конкретный момент времени, поскольку магнитное поле, наводимое переменным током iL2, протекающим через индукционную катушку L2, представляет собой переменное магнитное поле, изменяющее свою полярность с частотой переменного тока iL2, которая может находиться в диапазоне от примерно 1 МГц до примерно 30 МГц (включая диапазон от 1 МГц до 30 МГц) и, в частности, может находиться в диапазоне от примерно 1 МГц до примерно 10 МГц (включая диапазон от 1 МГц до 10 МГц и, в частности, может быть меньше 10 МГц) и, более конкретно, частота может находиться в диапазоне от примерно 5 МГц до примерно 7 МГц (включая диапазон от 5 МГц до 7 МГц, и может составлять, например, 5 МГц). Два основных механизма, ответственных за генерирование тепла в сусцепторе 21, а именно - потери мощности Pe, вызванные вихревыми токами (эти вихревые токи показаны в виде замкнутого круга), и потери мощности Ph, вызванные гистерезисом (этот гистерезис показан в виде замкнутой гистерезисной кривой), также схематично показаны на фиг. 1. Более подробное описание этих механизмов представлено выше.In addition, in FIG. 1, the magnetic field inside the internal volume of the induction coil L2 is schematically shown by several lines of force B L of the magnetic field at one particular moment in time, since the magnetic field induced by the alternating current i L2 flowing through the induction coil L2 is an alternating magnetic field that changes its polarity from AC frequency i L2 , which may be in the range from about 1 MHz to about 30 MHz (including the range from 1 MHz to 30 MHz) and, in particular, may be in the range from about 1 MHz to about 10 MHz (including the range from 1 MHz to 10 MHz, and in particular may be less than 10 MHz) and, more specifically, the frequency may be in the range from about 5 MHz to about 7 MHz (including the range from 5 MHz to 7 MHz, and may be, for example, 5 MHz). The two main mechanisms responsible for the generation of heat in the
На фиг. 3 показан вариант реализации индукционного нагревательного устройства 1 согласно настоящему изобретению. Индукционное нагревательное устройство 1 содержит корпус 10 устройства, который может быть изготовлен из пластика, и источник питания 11постоянного тока (см. фиг. 2), содержащий аккумулятор 110. Индукционное нагревательное устройство 1 дополнительно содержит соединительный порт 12, содержащий штифт 120, для присоединения индукционного нагревательного устройства к зарядной станции или зарядному устройству для перезарядки аккумулятора 110. Кроме того, индукционное нагревательное устройство 1 содержит электронную схему 13 подачи питания, которая выполнена с возможностью работы на желаемой частоте, например, на частоте 5 МГц, как указано выше. Электронная схема 13 подачи питания электрически подключена к аккумулятору 110 посредством подходящего электрического соединения 130. Электронная схема 13 подачи питания содержит дополнительные компоненты, которые не показаны на фиг. 3; в частности, она содержит индуктивно-емкостной нагрузочный контур (см. фиг. 4), который, в свою очередь, содержит индуктор L2, что обозначено пунктирными линиями на фиг. 3. Индуктор L2 встроен в корпус 10 устройства на ближнем конце корпуса 10 устройства и окружает полость 14, которая также расположена на ближнем конце корпуса 10 устройства. Индуктор L2 может содержать цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой, имеющую удлиненную форму, как показано на фиг. 5. Цилиндрическая индукционная катушка L2 со спиральной намоткой может иметь радиус r в диапазоне от примерно 5 мм до примерно 10 мм и, в частности, радиус r может составлять примерно 7 мм. Длина l цилиндрической индукционной катушки со спиральной намоткой может находиться в диапазоне от примерно 8 мм до примерно 14 мм. Соответственно, ее внутренний объем может находиться в диапазоне от примерно 0,15 см3 до примерно 1,10 см3.In FIG. 3 shows an embodiment of an induction heating device 1 according to the present invention. The induction heating device 1 includes a
Как показано на фиг. 3, табакосодержащий твердый образующий аэрозоль субстрат 20, содержащий сусцептор 21, размещен в полости 14 на ближнем конце корпуса 10 устройства таким образом, чтобы во время использования индуктор L2 (цилиндрическая индукционная катушка со спиральной намоткой) был индуктивно связан с сусцептором 21 табакосодержащего твердого образующего аэрозоль субстрата 20 курительного изделия 2. Фильтрующая часть 22 курительного изделия 2 может быть расположена снаружи полости 14 индукционного нагревательного устройства 1 таким образом, чтобы во время использования потребитель мог втягивать аэрозоль через фильтрующую часть 22. Когда курительное изделие извлечено из полости 14, обеспечена возможность легкой очистки полости 14, поскольку, за исключением открытого дальнего конца, через который вставляется образующий аэрозоль субстрат 20 курительного изделия 2, полость полностью закрыта и окружена внутренними стенками пластикового корпуса 10 устройства, образующими полость 14.As shown in FIG. 3, a tobacco-containing solid aerosol-forming
На фиг. 2 показана блок-схема варианта реализации индукционного нагревательного устройства 1 согласно настоящему изобретению, при наличии, однако, некоторых необязательных аспектов или компонентов, как будет описано ниже. Индукционное нагревательное устройство 1 вместе с образующим аэрозоль субстратом 20, содержащим сусцептор 21, представляет собой вариант реализации индукционной нагревательной системы согласно настоящему изобретению. Блок-схема, показанная на фиг. 2, является иллюстрацией, приведенной с учетом способа использования. Как можно видеть, индукционное нагревательное устройство 1 содержит источник 11 питания постоянного тока (на фиг. 3 содержащий аккумулятор 110), микропроцессорный управляющий модуль 131, инвертор 132 для преобразования постоянного тока в переменный ток, согласующий контур 133 для адаптации к нагрузке и индуктор L2. Микропроцессорный управляющий модуль 131, инвертор 132 для преобразования постоянного тока в переменный ток и согласующий контур 133, а также индуктор L2 являются частями электронной схемы 13 подачи питания (см. фиг. 1). Два канала 134 и 135 обратной связи предусмотрены для обеспечения сигналов обратной связи, показывающих напряжение и ток через индуктор L2, что обеспечивает возможность управления дальнейшей подачей питания. Например, в случае, если температура сусцептора превышает желаемую температуру, может быть сгенерирован соответствующий сигнал, прерывающий дальнейшую подачу питания до тех пор, пока температура сусцептора снова не станет ниже желаемой температуры, после чего подача питания может быть возобновлена. Соответственно, обеспечена возможность регулирования частоты переключающего напряжения для оптимальной передачи мощности на сусцептор. Согласующий контур 133 может быть предусмотрен для оптимальной адаптации к нагрузке, однако он не является обязательным и не содержится в варианте реализации, более подробно описанном ниже.In FIG. 2 shows a block diagram of an embodiment of an induction heating device 1 according to the present invention, with, however, some optional aspects or components, as will be described below. The induction heating device 1, together with the aerosol-forming
На фиг. 4 показаны некоторые основные компоненты электронной схемы 13 подачи питания, более конкретно - инвертора 132 для преобразования постоянного тока в переменный ток. Как можно видеть на фиг. 4, инвертор для преобразования постоянного тока в переменный ток включает в себя усилитель мощности класса E, содержащий транзисторный переключатель 1320, имеющий полевой транзистор (FET) 1321, например полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), питающую схему транзисторного переключателя, обозначенную стрелкой 1322, для подачи переключающего сигнала (напряжения затвор-исток) на полевой транзистор 1321, и индуктивно-емкостной нагрузочный контур 1323, содержащий шунтирующий конденсатор C1 и последовательную цепь из конденсатора C2 и индуктора L2. В дополнение, показан источник 11 питания постоянного тока, включающий в себя дроссель L1, для подачи питающего напряжения +VCC постоянного тока. Также на фиг. 4 показано омическое сопротивление R, характеризующее общую омическую нагрузку 1324, которая представляет собой сумму омического сопротивления RCoil индуктора L2 и омического сопротивления RLoad сусцептора 21, как это показано на фиг. 6.In FIG. 4 shows some of the main components of the power supply
Очевидно, что благодаря очень малому количеству компонентов обеспечена возможность поддержания предельно малого объема электронной схемы 13 подачи питания. Например, объем электронной схемы подачи питания может составлять не больше 2 см3. Этот предельно малый объем электронной схемы подачи питания возможен благодаря тому, что индуктор L2 индуктивно-емкостного нагрузочного контура 1323 непосредственно используется в качестве индуктора для индуктивной связи с сусцептором 21 образующего аэрозоль субстрата 20, и этот малый объем обеспечивает возможность сохранения малых габаритных размеров индукционного нагревательного устройства 1 в целом. В случае, если для индуктивной связи с сусцептором 21 используется отдельный индуктор, отличный от индуктора L2, это автоматически увеличивает объем электронной схемы подачи питания, и этот объем увеличивается также в случае, если в электронную схему подачи питания включен согласующий контур 133.Obviously, due to the very small number of components, it is possible to maintain an extremely small volume of the
Хотя общий принцип работы усилителя мощности класса E известен и подробно описан в уже упоминавшейся статье «Усилители РЧ-мощности класса Е», автор Nathan O. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск за январь/февраль 2001 г., стр. 9-20, издание Американской лиги радиолюбителей (ARRL), г. Невингтон, Коннектикут, США, некоторые общие принципы будут пояснены далее.Although the general principle of operation of a Class E power amplifier is known and detailed in the previously mentioned article "Class E RF Power Amplifiers", by Nathan O. Sokal, published in the bimonthly QEX January/February 2001 issue. , pp. 9-20, American Amateur Radio League (ARRL) publication, Newington, CT, USA, some general principles will be explained later.
Предположим, что питающая схема 1322 транзисторного переключателя подает прямоугольное переключающее напряжение (напряжение затвор-исток полевого транзистора) на полевой транзистор 1321. Когда полевой транзистор 1321 является проводящим (находится в состоянии «отперто»), он по существу образует цепь короткого замыкания (с низким сопротивлением), и весь электрический ток протекает через дроссель L1 и полевой транзистор 1321. Когда полевой транзистор 1321 является непроводящим (находится в состоянии «заперто»), весь электрический ток протекает в индуктивно-емкостном нагрузочном контуре, поскольку полевой транзистор 1321 по существу образует разомкнутую цепь (с высоким сопротивлением). Переключение транзистора между этими двумя состояниями приводит к инвертированию подаваемого напряжения постоянного тока и постоянного тока в напряжение переменного тока и переменный ток, соответственно.Assume that the transistor
Для эффективного нагрева сусцептора 21 необходима передача как можно большего количества питающей мощности постоянного тока в виде мощности переменного тока на индуктор L2 (цилиндрическую индукционную катушку со спиральной намоткой) и далее - на сусцептор 21 образующего аэрозоль субстрата 20, индуктивно связанный с индуктором 2. Мощность, рассеиваемая в сусцепторе 21 (потери на вихревые токи, потери на гистерезис), генерирует тепло в сусцепторе 21, как подробно описано выше. Иначе говоря, должно быть минимизировано рассеяние мощности в полевом транзисторе 1321 при одновременной максимизации рассеяния мощности в сусцепторе 21.In order to effectively heat the
Рассеяние мощности в полевом транзисторе 1321 в течение одного периода переменного напряжения/тока представляет собой произведение напряжения на ток транзистора в каждый момент времени в течение периода переменного напряжения/тока, интегрированное по этому периоду и усредненное по этому периоду. Поскольку полевой транзистор 1321 должен поддерживать высокое напряжение на протяжении части указанного периода и проводить высокий ток на протяжении части этого периода, необходимо избегать одновременного наличия высокого напряжения и высокого тока, поскольку это приведет к значительному рассеянию мощности в полевом транзисторе 1321. В «открытом» состоянии полевого транзистора 1321 напряжение на транзисторе близко к нулю, когда через полевой транзистор 1321 протекает высокий электрический ток. В «запертом» состоянии полевого транзистора 1321 напряжение на транзисторе является высоким, однако ток через полевой транзистор 1321 близок к нулю.The power dissipation in the
Неизбежны также переходные процессы при переключении, длящиеся в течение некоторой части периода. Тем не менее, высокое произведение напряжение-ток, представляющее собой большие потери мощности в полевом транзисторе 1321, может быть исключено с помощью следующих дополнительных мер. Во-первых, задерживают повышение напряжения транзистора до тех пор, пока ток, протекающий через транзистор, не уменьшится до нуля. Во-вторых, обеспечивают возврат напряжения транзистора к нулю до того, как начнется повышение тока, протекающего через транзистор. Это обеспечивают с помощью нагрузочного контура 1323, содержащего шунтирующий конденсатор C1 и последовательную цепь из конденсатора C2 и индуктора L2, при этом нагрузочный контур включают между полевым транзистором 1321 и нагрузкой 1324. В-третьих, обеспечивают, чтобы напряжение транзистора во время отпирания было практически равно нулю (для биполярного плоскостного транзистора «BJT» оно представляет собой напряжение Vo смещения при насыщении). Отпирающийся транзистор не разряжает заряженный шунтирующий конденсатор C1, тем самым предотвращая рассеяние энергии, накопленной в шунтирующем конденсаторе. В-четвертых, обеспечивают, чтобы крутизна напряжения транзистора была равна нулю во время отпирания. Затем электрический ток, вводимый в отпирающийся транзистор посредством нагрузочного контура, плавно повышают с нуля с регулируемой умеренной скоростью, что приводит к низкому рассеянию мощности в то время, когда проводимость транзистора повышается с нуля во время переходного процесса при отпирании. В результате, напряжение и ток транзистора никогда не будут высокими одновременно. Переходные процессы при переключении напряжения и тока смещены по времени относительно друг друга.Switching transients are also inevitable, lasting for some part of the period. However, high voltage-current product, which is a large power loss in the
Для задания размеров различных компонентов инвертора 132 для преобразования постоянного тока в переменный ток, показанного на фиг. 4, необходимо учитывать следующие уравнения, которые являются общеизвестными и подробно описаны в вышеупомянутой статье «Усилители РЧ-мощности класса Е», автор Nathan O. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск за январь/февраль 2001 г., стр. 9-20, издание Американской лиги радиолюбителей (ARRL), г. Невингтон, Коннектикут, США.To size the various components of the DC/
Пусть QL (добротность индуктивно-емкостного нагрузочного контура) - это величина, которая в любом случае превышает 1,7879, но является величиной, которая может быть выбрана проектировщиком (см. вышеупомянутую статью); далее, пусть P - это выходная мощность, подаваемая на сопротивление R, и пусть f - это частота. Тогда различные компоненты рассчитываются в числовой форме из следующих уравнений (при этом Vo равно нулю в случае полевых транзисторов и представляет собой напряжение смещения при насыщении в случае биполярных плоскостных транзисторов, см. выше):Let Q L (the quality factor of an inductive-capacitive load circuit) be a value that in any case exceeds 1.7879, but is a value that can be chosen by the designer (see the above article); further, let P be the output power supplied to the resistance R and let f be the frequency. The various components are then calculated numerically from the following equations (where V o is zero in the case of FETs and is the saturation bias voltage in the case of BJTs, see above):
L2=QL⋅R/2πfL2=Q L ⋅R/2πf
R=((VCC - Vo)2/P)⋅ 0,576801 ⋅(1,0000086-0,414395/QL -R=((V CC - V o ) 2 /P)⋅ 0.576801 ⋅(1.0000086-0.414395/Q L -
0,557501/QL 2+0,205967/QL 3)0.557501/Q L 2 +0.205967/Q L 3 )
C1=(1/(34,2219⋅f⋅R))⋅(0,99866+0,91424/QL-1,03175/QL 2)+0,6/(2πf)2 ⋅(L1)C1=(1/(34.2219⋅f⋅R))⋅(0.99866+0.91424/Q L -1.03175/Q L 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)))C2=(1/2πfR)⋅(1/Q L -0.104823)⋅(1.00121+(1.01468/Q L -1.7879))-(0.2/((2πf) 2 ⋅L1 )))
Это обеспечивает возможность быстрого нагрева сусцептора, имеющего омическое сопротивление R=0,6 Ом, для подачи мощности примерно 7 Вт в течение 5-6 секунд в предположении, что ток, примерно равный 3,4, A доступен с помощью источника питания постоянного тока, у которого максимальное выходное напряжение равно 2,8 В, максимальный выходной ток равен 3,4 A, частота f=5 МГц (коэффициент заполнения=50%), индуктивность индуктора L2 равна примерно 500 нГн, омическое сопротивление индуктора L2 составляет RCoil=0,1 Ом, индуктивность дросселя L1 равна примерно 1 мкГн, емкость конденсатора C1 равна 7 нФ и емкость конденсатора C2 равна 2,2 нФ. Эффективное сопротивление RCoil и RLoad составляет примерно 0,6 Ом. Обеспечена возможность получения эффективности (мощность, рассеиваемая в сусцепторе 21/максимальная мощность источника 11 питания постоянного тока), составляющей примерно 83,5%, что является очень высокой эффективностью.This allows the susceptor, having an ohmic R=0.6 ohm, to rapidly heat up to deliver about 7W of power for 5-6 seconds, assuming a current of about 3.4A is available with a DC power supply, whose maximum output voltage is 2.8 V, the maximum output current is 3.4 A, frequency f=5 MHz (duty cycle=50%), inductance L2 is about 500 nH, ohmic resistance of inductor L2 is R Coil =0 .1 ohm, inductance L1 is approximately 1 µH, capacitor C1 is 7 nF, and capacitor C2 is 2.2 nF. The effective resistance of R Coil and R Load is approximately 0.6 ohm. It is possible to obtain an efficiency (power dissipated in the
Как было указано выше, сусцептор 21 может быть изготовлен из материала или комбинации материалов, имеющих температуру Кюри, близкую к желаемой температуре, до которой должен быть нагрет сусцептор. Как только температура сусцептора 21 превысила указанную температуру Кюри, ферромагнитные свойства материала изменяются на парамагнитные свойства. Соответственно, значительно уменьшается рассеяние мощности в сусцепторе 21, поскольку потери на гистерезис в материале, имеющем парамагнитные свойства, значительно меньше потерь на гистерезис в материале, имеющем ферромагнитные свойства. Это уменьшенное рассеяние мощности в сусцепторе 21 может быть обнаружено, после чего, например, генерирование переменного тока инвертором для преобразования постоянного тока в переменный ток может быть прервано до тех пор, пока сусцептор 21 снова не охладится ниже температуры Кюри и не восстановит свои ферромагнитные свойства. Затем генерирование мощности переменного тока инвертором для преобразования постоянного тока в переменный ток может быть вновь возобновлено.As indicated above, the
Для использования курительное изделие 2 вставляют в полость 14 (см. фиг. 2) индукционного нагревательного устройства 1 таким образом, чтобы образующий аэрозоль субстрат 20, содержащий сусцептор 21, был индуктивно связан с индуктором 2 (например, цилиндрической катушкой со спиральной намоткой). Сусцептор 21 затем нагревают в течение нескольких секунд, как описано выше, после чего потребитель может начать втягивание аэрозоля через фильтр 22 (разумеется, курительное изделие не обязательно должно содержать фильтр 22).For use, the
Индукционное нагревательное устройство и курительные изделия могут в целом продаваться по отдельности или в виде комплекта частей. Например, можно продавать так называемый «стартовый набор», содержащий индукционное нагревательное устройство, а также множество курительных изделий. Потребитель, после того, как им приобретен такой стартовый набор, в будущем имеет возможность приобретения лишь курительных изделий, которые могут использоваться вместе с индукционным нагревательным устройством этого стартового набора. Индукционное нагревательное устройство является простым в очистке, и в случае использования аккумуляторов в качестве источника питания постоянного тока, эти аккумуляторы легко перезаряжаются с помощью подходящего зарядного устройства, которое необходимо присоединить к соединительному порту 12, содержащему штифт 120 (или индукционное нагревательное устройство необходимо присоединить к соответствующей соединительной станции зарядного устройства).The induction heating device and smoking articles may generally be sold individually or as a kit of parts. For example, a so-called "starter kit" may be sold containing an induction heating device as well as a plurality of smoking articles. The consumer, after he has purchased such a starter kit, in the future has the opportunity to purchase only smoking articles that can be used together with the induction heating device of this starter kit. The induction heating device is easy to clean and, in the case of using batteries as a DC power source, these batteries can be easily recharged using a suitable charger, which must be connected to the
Исходя из описанных вариантов реализации настоящего изобретения, дополненных чертежами, очевидно, что возможны многочисленные изменения и модификации без выхода за рамки общей идеи, лежащей в основе настоящего изобретения. Следовательно, предполагается, что объем защиты не ограничивается конкретными вариантами реализации и определяется приложенной формулой изобретения.Based on the described embodiments of the present invention, supplemented by drawings, it is obvious that numerous changes and modifications are possible without going beyond the general idea underlying the present invention. Therefore, it is intended that the scope of protection is not limited to particular embodiments and is defined by the appended claims.
Claims (24)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP14169191.5 | 2014-05-21 | ||
| EP14169191 | 2014-05-21 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016149758A Division RU2670951C9 (en) | 2014-05-21 | 2015-05-21 | Inductive heating device for heating aerosol-forming substrate |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2022121677A Division RU2022121677A (en) | 2014-05-21 | 2022-08-10 | INDUCTION HEATING DEVICE FOR HEATING THE AEROSOL-FORMING SUBSTRATE |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2018135084A RU2018135084A (en) | 2018-12-04 |
| RU2018135084A3 RU2018135084A3 (en) | 2022-02-10 |
| RU2778747C2 true RU2778747C2 (en) | 2022-08-24 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2818720C1 (en) * | 2023-10-20 | 2024-05-03 | Инно-Айти Ко., Лтд. | Heater frame integrated with coil winding guide |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5613505A (en) * | 1992-09-11 | 1997-03-25 | Philip Morris Incorporated | Inductive heating systems for smoking articles |
| EP2770858A2 (en) * | 2011-10-25 | 2014-09-03 | Philip Morris Products S.a.s. | Aerosol generating device with heater assembly |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5613505A (en) * | 1992-09-11 | 1997-03-25 | Philip Morris Incorporated | Inductive heating systems for smoking articles |
| EP2770858A2 (en) * | 2011-10-25 | 2014-09-03 | Philip Morris Products S.a.s. | Aerosol generating device with heater assembly |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2818720C1 (en) * | 2023-10-20 | 2024-05-03 | Инно-Айти Ко., Лтд. | Heater frame integrated with coil winding guide |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7025512B2 (en) | Induction heating device for heating aerosol-forming substrates | |
| WO2017085242A1 (en) | Inductive heating device for heating an aerosol-forming substrate | |
| RU2778747C2 (en) | Induction heating device for heating the aerosol-forming substrate | |
| HK1234614A1 (en) | Inductive heating device for heating an aerosol-forming substrate | |
| HK1234614B (en) | Inductive heating device for heating an aerosol-forming substrate | |
| BR112016018362B1 (en) | INDUCTIVE HEATING DEVICE FOR HEATING AN AEROSOL-FORMING SUBSTRATE, INDUCTIVE HEATING SYSTEM, KIT AND METHOD OF OPERATION OF AN INDUCTIVE HEATING SYSTEM |