RU2786466C2

RU2786466C2 - Aerosol generating system containing cartridge with inner channel for airflow

Info

Publication number: RU2786466C2
Application number: RU2019103570A
Authority: RU
Inventors: Олег МИРОНОВ; Мишель Торанс; Ихар Николаевич ЗИНОВИК
Original assignee: Филип Моррис Продактс С.А.
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2022-12-21

Abstract

FIELD: tobacco industry.

SUBSTANCE: invention relates to an electrically heated aerosol generating system. The electrically heated aerosol generating system contains an aerosol generating device and a cartridge made with the possibility of being used with the mentioned device. The device contains a device case forming a cavity for accommodation of at least part of the cartridge, an induction coil located in the device case around or near the cavity and located outside of the cartridge, when the cartridge is placed in the cavity, and a power supply source connected to the induction coil and made with the possibility of supply of high-frequency oscillating current to the induction coil. The cartridge contains a cartridge case containing aerosol forming substrate. The cartridge case has an inner surface surrounding an inner channel made with the possibility of provision of an airflow through it. A current collector element is installed for heating of aerosol forming substrate. Aerosol forming substrate is liquid substrate retained in capillary material. During the use, a magnetic field generated by the induction coil causes heat generation in the current collector element in the cartridge.

EFFECT: optimization of maximum heat generation and heat transfer to aerosol forming substrate is ensured for provision of effective heating of a current collector, minimization of heat losses from a device, and provision of cooling of evaporated aerosol forming substrate inside an inner channel.

23 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к системам, генерирующим аэрозоль, работающим путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль. В частности, изобретение относится к системам, генерирующим аэрозоль, включающим в себя устройство, содержащее источник питания, и сменный картридж, содержащий расходуемый субстрат, образующий аэрозоль.The invention relates to aerosol generating systems operating by heating an aerosol generating substrate. In particular, the invention relates to aerosol generating systems, including a device containing a power source and a replaceable cartridge containing a sacrificial aerosol generating substrate.

Одним типом системы, генерирующей аэрозоль, является электронная сигарета. Электронные сигареты обычно используют жидкий субстрат, образующий аэрозоль, испаряемый для образования аэрозоля. Электронная сигарета обычно содержит источник питания, часть для хранения жидкости для размещения запаса жидкого субстрата, образующего аэрозоль, и распылитель (см., например, публикацию CN 103689812 А).One type of aerosol generating system is an electronic cigarette. Electronic cigarettes typically use an aerosol-forming liquid substrate that is vaporized to form an aerosol. An electronic cigarette typically includes a power supply, a liquid storage portion to accommodate an aerosol-forming liquid substrate supply, and an atomizer (see, for example, CN Publication 103689812 A).

Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, расходуется при эксплуатации и поэтому его необходимо пополнять. Самым распространенным способом пополнения запаса жидкого субстрата, образующего аэрозоль, является картридж, относящийся к типу картриджа-распылителя. Картридж-распылитель содержит запас жидкого субстрата и распылитель, обычно в форме электрически управляемого резистивного нагревателя, обвитого вокруг капиллярного материала, пропитанного субстратом, образующим аэрозоль. Замена картриджа-распылителя в виде одного блока обладает преимуществом, заключающимся в удобстве для пользователя и в отсутствии необходимости для пользователя чистить или осуществлять техническое обслуживание распылителя.The aerosol-forming liquid substrate is consumed during operation and therefore needs to be replenished. The most common way to refill an aerosol-forming liquid substrate is with a cartridge of the atomizing cartridge type. The nebulizer cartridge contains a supply of liquid substrate and an atomizer, usually in the form of an electrically controlled resistance heater, wrapped around a capillary material impregnated with the aerosol forming substrate. Replacing the atomizer cartridge as a single unit has the advantage of being user friendly and does not require the user to clean or maintain the atomizer.

Тем не менее, было бы желательно иметь возможность предоставления системы, позволяющей использовать сменные элементы для пополнения субстрата, образующего аэрозоль, обладающие меньшей стоимостью изготовления и являющиеся более надежными, чем картриджи-распылители, доступные в настоящее время, и одновременно являющиеся более удобными для использования потребителями. Кроме этого, было бы желательно предоставить систему, устраняющую необходимость в паяных соединениях и предоставляющую герметичное устройство, которое может быть легко очищено.However, it would be desirable to be able to provide a system that allows the use of interchangeable aerosol-forming substrate replenishment elements that is less expensive to manufacture and more reliable than currently available spray cartridges, while being more user-friendly. . In addition, it would be desirable to provide a system that eliminates the need for solder joints and provides a sealed device that can be easily cleaned.

В первом аспекте предоставлен картридж для использования в электронагреваемой системе, генерирующей аэрозоль, при этом электронагреваемая система, генерирующая аэрозоль, содержит устройство, генерирующее аэрозоль, картридж, выполненный с возможностью использования с устройством, при этом устройство содержит корпус устройства; индукционную катушку, расположенную в корпусе устройства, и источник питания, соединенный с индукционной катушкой и выполненный с возможностью подачи высокочастотного колебательного тока в индукционную катушку; картридж содержит корпус картриджа, содержащий субстрат, образующий аэрозоль, при этом корпус имеет внутреннюю поверхность, окружающую внутренний канал, через который может течь воздух; и токоприемный элемент, установленный для нагрева субстрата, образующего аэрозоль.In a first aspect, a cartridge is provided for use in an electrically heated aerosol generating system, wherein the electrically heated aerosol generating system comprises an aerosol generating device, a cartridge configured for use with the device, the device comprising a device housing; an induction coil located in the body of the device, and a power source connected to the induction coil and configured to supply high frequency oscillatory current to the induction coil; the cartridge includes a cartridge body containing an aerosol-forming substrate, the body having an inner surface surrounding an internal channel through which air can flow; and a current collector installed to heat the aerosol-generating substrate.

Преимущественно, по меньшей мере часть внутренней поверхности корпуса является проницаемой для текучей среды. Используемый здесь термин «проницаемый для жидкости» элемент означает элемент, через который может проходить жидкость или газ. Корпус может иметь множество отверстий, выполненных в нем для возможности прохождения через него текучей среды. В частности, корпус позволяет субстрату, образующему аэрозоль, либо в газовой фазе, либо, как в газовой, так и в жидкой фазе, проникать через него.Preferably, at least a portion of the inner surface of the housing is fluid permeable. As used herein, the term "liquid-permeable" means an element through which a liquid or gas can pass. The body may have a plurality of openings provided therein to allow fluid to pass through. In particular, the housing allows the aerosol-forming substrate, either in the gas phase or, in both gas and liquid phases, to pass through it.

При эксплуатации высокочастотный колебательный ток проходит через плоскую спиральную индукционную катушку для генерирования переменного магнитного поля, наводящего напряжение в токоприемном элементе. Наведенное напряжение заставляет электрический ток течь в токоприемный элемент, и этот электрический ток приводит к нагреву токоприемника джоулевым теплом, что в свою очередь нагревает субстрат, образующий аэрозоль. Если токоприемный элемент является ферромагнитным, потери на гистерезис в токоприемном элементе также могут генерировать тепло. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, может проходить сквозь токоприемный элемент и впоследствии охлаждаться для образования аэрозоля, подаваемого пользователю.In operation, a high frequency oscillating current is passed through a flat helical induction coil to generate an alternating magnetic field which induces a voltage in the current collector. The induced voltage causes an electrical current to flow into the current collector, and this electrical current results in Joule heating of the current collector, which in turn heats the aerosol-forming substrate. If the current collector is ferromagnetic, the hysteresis loss in the current collector can also generate heat. The vaporized aerosol-generating substrate may pass through the current collector and subsequently be cooled to form an aerosol delivered to a user.

Эта конструкция, использующая индукционный нагрев, обладает преимуществом, заключающимся в том, что не нужно образовывать электрические контакты между картриджем и устройством. Также, нагревательный элемент, в данном случае токоприемный элемент, не нуждается в электрическом соединении с любыми другими компонентами, устраняя потребность в пайке или других связующих элементах. Кроме этого, катушка предоставлена в качестве части устройства, делая возможным создание простого, недорогого и надежного картриджа. Картриджи обычно представляют собой сменные изделия, изготавливаемые в существенно больших количествах, чем устройства, с которыми они работают. Соответственно, уменьшение стоимости картриджей, даже если это требует более дорогого устройства, может привести к значительной экономии средств, как для производителей, так и для потребителей.This design using induction heating has the advantage that electrical contacts do not need to be made between the cartridge and the device. Also, the heating element, in this case the current collector, does not need to be electrically connected to any other components, eliminating the need for soldering or other bonding elements. In addition, a coil is provided as part of the device, making it possible to provide a simple, inexpensive and reliable cartridge. Cartridges are typically replaceable items manufactured in substantially larger quantities than the devices they work with. Accordingly, reducing the cost of cartridges, even if it requires a more expensive device, can lead to significant cost savings for both manufacturers and consumers.

В данном контексте, «высокочастотный колебательный ток» обозначает колебательный ток с частотой от 500 кГц до 30 МГц. Высокочастотный колебательный ток может иметь частоту от 1 до 3 0 МГц, предпочтительно от 1 до 10 МГц и более предпочтительно от 5 до 7 МГц.In this context, "high frequency oscillating current" means an oscillating current with a frequency of 500 kHz to 30 MHz. The high frequency oscillatory current may have a frequency of 1 to 30 MHz, preferably 1 to 10 MHz, and more preferably 5 to 7 MHz.

Обеспечение внутреннего прохода внутри картриджа для потока воздуха позволяет сделать систему компактной. Это также позволяет сделать систему симметричной и сбалансированной, что является преимущественным, когда система представляет собой удерживаемую рукой систему. Внутренний канал для потока воздуха также минимизирует потери тепла из устройства и позволяет легко поддерживать температуру устройства и картриджа такой, при которой их комфортно удерживать. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль в потоке воздуха может охлаждаться внутри внутреннего канала и образовывать аэрозоль.Providing an internal airflow passage within the cartridge allows for a compact system. It also allows the system to be symmetrical and balanced, which is advantageous when the system is a hand held system. The internal airflow duct also minimizes heat loss from the device and makes it easy to keep the device and cartridge at a comfortable temperature. The vaporized substrate forming an aerosol in the air flow can be cooled inside the inner channel and form an aerosol.

Субстрат, образующий аэрозоль может удерживаться в кольцевом пространстве, окружающем внутренний канал. Картридж может иметь в целом цилиндрическую форму и может иметь любое желаемое поперечное сечение, такое как круглое, шестиугольное, восьмиугольное или десятиугольное.The aerosol generating substrate may be retained in the annulus surrounding the inner channel. The cartridge may be generally cylindrical in shape and may have any desired cross section such as round, hexagonal, octagonal or decagonal.

В данном контексте, «токоприемный элемент» обозначает проводящий элемент, нагревающийся при воздействии на него изменяющегося магнитного поля. Это может быть результатом вихревых токов, наведенных в токоприемном элементе, и/или потерь на гистерезис. Возможные материалы для токоприемных элементов включают графит, молибден, карбид кремния, нержавеющую сталь, ниобий, алюминий и, в сущности, любые другие проводящие элементы. Преимущественно токоприемный элемент представляет собой ферритовый элемент. Материал и геометрическая форма токоприемного элемента могут быть выбраны таким образом, чтобы предоставлять желаемое электрическое сопротивление и тепловыделение. Токоприемный элемент может содержать, например, сетку, плоскую спиральную катушку, волокна или ткань.In this context, "current collector" means a conductive element that heats up when exposed to a changing magnetic field. This may be the result of eddy currents induced in the current collector and/or hysteresis losses. Possible current collector materials include graphite, molybdenum, silicon carbide, stainless steel, niobium, aluminum, and virtually any other conductive element. Advantageously, the current-collecting element is a ferrite element. The material and geometry of the current collector may be chosen to provide the desired electrical resistance and heat dissipation. The current collector may comprise, for example, a grid, a flat helical coil, fibers or fabric.

Преимущественно, токоприемный элемент контактирует с субстратом, образующим аэрозоль. Токоприемный элемент может образовывать всю внутреннюю поверхность или ее часть. Токоприемный элемент может преимущественно быть проницаемым для текучей среды.Preferably, the current collector is in contact with an aerosol-forming substrate. The current-collecting element may form all or part of the inner surface. The current-collecting element may advantageously be fluid-permeable.

Токоприемный элемент может быть выполнен в виде листа, проходящего через отверстие в корпусе картриджа. Токоприемный элемент может проходить вокруг внутреннего или наружного периметра корпуса картриджа.The current-collecting element may be in the form of a sheet passing through an opening in the cartridge body. The current collector may extend around the inner or outer perimeter of the cartridge body.

В альтернативном варианте токоприемный элемент может содержать капиллярный фитиль, который проходит через внутренний канал картриджа. Фитиль может содержать множество волокон.Alternatively, the current collector may include a capillary wick that extends through the internal channel of the cartridge. The wick may contain a plurality of fibers.

Преимущественно, токоприемный элемент обладает относительной проницаемостью от 1 до 40000. Если желательно обеспечить уверенное использование вихревых электрических токов для большей части нагрева, может применяться материал с более низкой проницаемостью, и если желательны эффекты гистерезиса, то может использоваться материал с более высокой проницаемостью. Предпочтительно, материал обладает относительной проницаемостью от 500 до 40000. Это обеспечивает эффективный нагрев.Preferably, the current collector has a relative permeability between 1 and 40,000. If it is desired to ensure reliable use of eddy currents for most of the heating, a lower permeability material may be used, and if hysteresis effects are desired, a higher permeability material may be used. Preferably, the material has a relative permeability of 500 to 40,000. This provides efficient heating.

Материал токоприемного элемента может выбираться на основании своей температуры Кюри. При температуре выше его температуры Кюри материал больше не будет являться ферромагнитным, и поэтому не будет происходить нагрев, вызванный потерями на гистерезис. В случае если токоприемный элемент выполнен из одного однокомпонентного материала, температура Кюри может соответствовать максимальной температуре, которой должен обладать токоприемный элемент (другими словами, температура Кюри идентична максимальной температуре, до которой должен нагреваться токоприемный элемент, или отклоняется от этой максимальной температуры приблизительно на 1-3%). Это уменьшает возможность быстрого перегрева.The material of the current collector may be selected based on its Curie temperature. At a temperature above its Curie temperature, the material will no longer be ferromagnetic and therefore there will be no heating due to hysteresis loss. In the case where the current collector is made of one single-component material, the Curie temperature may correspond to the maximum temperature that the current collector must have (in other words, the Curie temperature is identical to the maximum temperature to which the current collector must be heated, or deviates from this maximum temperature by approximately 1 - 3%). This reduces the possibility of rapid overheating.

Если токоприемный элемент выполнен из более чем одного материала, материалы токоприемного элемента могут быть оптимизированы относительно следующих аспектов. Например, материалы могут быть выбраны таким образом, чтобы первый материал токоприемного элемента мог обладать температурой Кюри, превышающей максимальную температуру, до которой должен быть нагрет токоприемный элемент. Этот первый материал токоприемного элемента затем может быть оптимизирован, например, относительно максимального тепловыделения и теплопередачи в субстрат, образующий аэрозоль, для обеспечения эффективного нагрева токоприемника, с одной стороны. Тем не менее, токоприемный элемент также может дополнительно содержать второй материал, обладающий температурой Кюри, соответствующей максимальной температуре, до которой должен быть нагрет токоприемник, и когда токоприемный элемент достигает этой температуры Кюри, магнитные свойства токоприемного элемента в целом изменяются. Это изменение может быть обнаружено и сообщено микроконтроллеру, который затем прерывает вырабатывание переменного тока до тех пор, пока температура снова не опустится ниже температуры Кюри, после чего вырабатывание переменного тока может быть возобновлено.If the current collector is made of more than one material, the materials of the current collector can be optimized with respect to the following aspects. For example, materials may be selected such that the first material of the current collector may have a Curie temperature in excess of the maximum temperature to which the current collector must be heated. This first current collector material can then be optimized, for example, with respect to maximum heat generation and heat transfer to the aerosol-forming substrate to ensure efficient heating of the current collector on the one hand. However, the current collector may also further comprise a second material having a Curie temperature corresponding to the maximum temperature to which the current collector must be heated, and when the current collector reaches this Curie temperature, the magnetic properties of the current collector generally change. This change can be detected and reported to the microcontroller, which then interrupts AC production until the temperature drops below the Curie temperature again, at which point AC production can be resumed.

Большая часть корпуса картриджа предпочтительно представляет собой жесткий корпус, содержащий материал, непроницаемый для жидкости. В данном контексте «жесткий корпус» означает самонесущий корпус.The majority of the cartridge body is preferably a rigid body containing a liquid impermeable material. In this context, "rigid enclosure" means a self-supporting enclosure.

Субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Эти летучие соединения могут высвобождаться в результате нагрева образующего аэрозоль субстрата. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть твердым или жидким, или содержать, как твердые, так и жидкие компоненты.An aerosol-forming substrate is a substrate capable of releasing volatile compounds that can form an aerosol. These volatile compounds can be released by heating the aerosol-forming substrate. The aerosol-forming substrate may be solid or liquid, or contain both solid and liquid components.

Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табак. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие ароматические соединения табака, которые высвобождаются из образующего аэрозоль субстрата при нагреве. Субстрат, образующий аэрозоль, в качестве альтернативы может содержать материал, не содержащий табака. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный табачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать по меньшей мере одно вещество для образования аэрозоля. Вещество для образования аэрозоля представляет собой любое подходящее известное соединение или смесь соединений, которое или которая при использовании способствует образованию плотного и устойчивого аэрозоля и при рабочей температуре системы, по существу, устойчиво к термической деградации. Подходящие образующие аэрозоль вещества хорошо известны из уровня техники и включают, но без ограничения: многоатомные спирты, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и глицерин; сложные эфиры многоатомных спиртов, такие как глицерол моно-, ди- или триацетат; и алифатические сложные эфиры моно-, ди- или поликарбоновых кислот, такие как диметилдодекандиоат и диметилтетрадекандиоат. Предпочтительными веществами для образования аэрозоля являются многоатомные спирты или их смеси, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и, наиболее предпочтительно, глицерин. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как ароматизаторы.The aerosol-forming substrate may contain material of vegetable origin. The aerosol forming substrate may contain tobacco. The aerosol-forming substrate may comprise a tobacco-containing material containing volatile tobacco flavor compounds that are released from the aerosol-forming substrate upon heating. The aerosol forming substrate may alternatively comprise a non-tobacco material. The aerosol forming substrate may contain homogenized plant material. The aerosol forming substrate may comprise homogenized tobacco material. The aerosol generating substrate may contain at least one aerosol generating agent. An aerosol generating agent is any suitable known compound or mixture of compounds that, or which, when used, promotes the formation of a dense and stable aerosol and, at the operating temperature of the system, is substantially resistant to thermal degradation. Suitable aerosol-forming substances are well known in the art and include, but are not limited to: polyhydric alcohols such as triethylene glycol, 1,3-butanediol, and glycerin; 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. Preferred aerosol forming agents 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.

Субстрат, образующий аэрозоль, может быть загружен на носитель или опору путем адсорбции, путем нанесения покрытия, путем пропитки или иным способом. В одном примере, субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой жидкий субстрат, удерживаемый в капиллярном материале. Капиллярный материал может иметь волокнистую или губчатую структуру. Капиллярный материал предпочтительно содержит пучок капилляров. Например, капиллярный материал может содержать множество волокон или нитей или других трубок с тонкими каналами. Волокна или нити могут быть, в целом, выровнены для передачи жидкости на нагреватель. В качестве альтернативы, капиллярный материал может содержать губкообразный или пенообразный материал. Структура капиллярного материала образует множество небольших каналов или трубок, через которые может транспортироваться жидкость за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может содержать любой подходящий материал или сочетание материалов. Примеры подходящих материалов представляют собой губчатый или вспененный материал, материалы на основе керамики или графита в виде волокон или спекшихся порошков, вспененные металлические или пластиковые материалы, волокнистый материал, например, выполненный из крученых или экструдированных волокон, таких как ацетатцеллюлозные, полиэфирные, или связанные полиолефиновые, полиэтиленовые, териленовые или полипропиленовые волокна, нейлоновые волокна или керамика. Капиллярный материал может иметь любые подходящие капиллярность и пористость для использования его с жидкостями с разными физическими свойствами. Жидкость имеет физические свойства, включая, без ограничения, вязкость, поверхностное натяжение, плотность, теплопроводность, температуру кипения и давление пара, которые позволяют перемещать жидкость по капиллярному материалу за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может быть выполнен с возможностью передачи субстрата, образующего аэрозоль, в токоприемный элемент. Капиллярный материал может проходить в пустоты в токоприемном элементе.The aerosol-forming substrate may be loaded onto the carrier or support by adsorption, coating, impregnation, or otherwise. In one example, the aerosol-forming substrate is a liquid substrate held in a capillary material. The capillary material may have a fibrous or spongy structure. The capillary material preferably comprises a bundle of capillaries. For example, the capillary material may comprise a plurality of fibers or filaments or other tubes with fine channels. The fibers or filaments may be generally aligned to transfer fluid to the heater. Alternatively, the capillary material may comprise a sponge-like or foam-like material. The structure of the capillary material forms many small channels or tubes through which liquid can be transported by capillary action. The capillary material may comprise any suitable material or combination of materials. Examples of suitable materials are sponge or foam material, ceramic or graphite based materials in the form of fibers or sintered powders, foamed metal or plastic materials, fibrous material, for example, made from twisted or extruded fibers such as cellulose acetate, polyester, or bonded polyolefin , polyethylene, terylene or polypropylene fibers, nylon fibers or ceramics. The capillary material may have any suitable capillarity and porosity for use with liquids of different physical properties. A liquid has physical properties, including, but not limited to, viscosity, surface tension, density, thermal conductivity, boiling point, and vapor pressure, that allow the liquid to move through a capillary material by capillary action. The capillary material may be configured to transfer the aerosol forming substrate to the current collector. The capillary material may pass into voids in the current collector.

Токоприемный элемент может быть расположен на стенке корпуса картриджа, выполненного с возможностью размещения рядом с индукционной катушкой, когда корпус картриджа сцеплен с корпусом устройства. При эксплуатации преимущественно, чтобы токоприемный элемент располагался вблизи индукционной катушки для максимального увеличения напряжения, наведенного в токоприемном элементе.The current collector may be located on the wall of the cartridge housing, configured to be placed adjacent to the induction coil when the cartridge housing is engaged with the device housing. In operation, it is advantageous for the current collector to be located close to the induction coil in order to maximize the voltage induced in the current collector.

Во втором аспекте приводится электронагреваемая система, генерирующая аэрозоль, содержащая устройство, генерирующее аэрозоль, и картридж, выполненный согласно первому аспекту, при этом устройство содержит:In a second aspect, an electrically heated aerosol generating system is provided, comprising an aerosol generating device and a cartridge made according to the first aspect, the device comprising:

корпус устройства;body of the device;

индукционную катушку, размещенную в корпусе устройства; иan induction coil housed in the body of the device; and

источник питания, соединенный с индукционной катушкой и выполненный с возможностью подачи высокочастотного колебательного тока в индукционную катушку; при этом, при использовании, магнитное поле, генерируемое индукционной катушкой, вызывает генерирование тепла в токоприемном материале в картридже.a power source connected to the induction coil and configured to supply a high frequency oscillating current to the induction coil; wherein, in use, the magnetic field generated by the induction coil causes heat to be generated in the current-collecting material in the cartridge.

Между индукционной катушкой и токоприемным элементом может быть предусмотрен канал для потока воздуха, когда корпус картриджа сцеплен с корпусом устройства. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, может увлекаться воздухом, текущим в канале для воздушного потока, который впоследствии охлаждается для образования аэрозоля.An airflow channel may be provided between the induction coil and the current collector when the cartridge body is engaged with the device body. The vaporized aerosol-forming substrate may be entrained by air flowing in the airflow path, which is subsequently cooled to form the aerosol.

Корпус устройства может образовывать полость для размещения по меньшей мере части картриджа, когда корпус устройства сцеплен с корпусом картриджа, при этом индукционная катушка располагается внутри, вокруг или рядом с полостью. Индукционная катушка может быть расположена снаружи картриджа, когда картридж размещен в полости. Индукционная катушка может окружать картридж, когда картридж размещен в полости. Индукционная катушка может иметь форму, соответствующую внутренней поверхности полости.The device body may define a cavity for receiving at least a portion of the cartridge when the device body is engaged with the cartridge body, with the induction coil positioned within, around, or adjacent to the cavity. The induction coil may be located outside the cartridge when the cartridge is placed in the cavity. The induction coil may surround the cartridge when the cartridge is placed in the cavity. The induction coil may be shaped to match the interior surface of the cavity.

В качестве альтернативы, индукционная катушка может находиться внутри полости, когда картридж размещен в полости. В некоторых вариантах осуществления индукционная катушка находится во внутреннем канале, когда корпус картриджа сцеплен с корпусом устройства.Alternatively, the induction coil may be within the cavity when the cartridge is placed in the cavity. In some embodiments, the induction coil is in the inner channel when the cartridge body is engaged with the device body.

Корпус устройства может содержать основную часть и мундштучную часть. Полость может находиться в основной части, и мундштучная часть может иметь выпускное отверстие, сквозь которое аэрозоль, образованный системой, может втягиваться в рот пользователя. Индукционная катушка может находиться в мундштучной части или в основной части.The body of the device may include a main body and a mouthpiece. The cavity may be located in the body and the mouthpiece may have an outlet through which the aerosol generated by the system may be drawn into the user's mouth. The induction coil may be located in the mouthpiece or in the body.

В качестве альтернативы мундштучная часть может быть предоставлена в качестве части картриджа. В данном контексте термин «мундштучная часть» обозначает часть устройства или картриджа, помещаемую в рот пользователя для того, чтобы непосредственно вдыхать аэрозоль, образованный системой, генерирующей аэрозоль. Аэрозоль передается в рот пользователя через мундштукAlternatively, the mouthpiece may be provided as part of the cartridge. In this context, the term "mouthpiece" refers to the part of the device or cartridge placed in the user's mouth in order to directly inhale the aerosol generated by the aerosol generating system. The aerosol is passed into the user's mouth through the mouthpiece

Устройство может содержать одну индукционную катушку или множество индукционных катушек. Индукционная катушка или катушки может/могут представлять собой винтовые катушки плоских спиральных катушек. Индукционная катушка может быть намотана вокруг ферритового сердечника. В данном контексте «плоская спиральная катушка» обозначает катушку, являющуюся в общем плоской катушкой, при этом ось наматывания катушки перпендикулярна плоскости, в которой лежит катушка. Тем не менее, термин «плоская спиральная катушка» в данном контексте охватывает катушки, являющиеся плоскими, а также плоские спиральные катушки, чья форма соответствует изогнутой поверхности. Использование плоской спиральной катушки позволяет проектировать компактное устройство, с простой конструкцией, которая является надежной и дешевой для производства. Катушка может удерживаться внутри корпуса устройства и не обязательно должна подвергаться воздействию аэрозоля, так что можно избежать отложений на катушке и возможной коррозии. Использование плоской спиральной катушки также обеспечивает простой интерфейс между устройством и картриджем, позволяя создать простую и дешевую конструкцию картриджа. Плоская спиральная индукционная катушка может иметь любую желаемую форму в плоскости катушки. Например, плоская спиральная катушка может иметь круглую форму или может иметь в общем продолговатую форму.The device may comprise one induction coil or a plurality of induction coils. The induction coil or coils may/may be helical coils of flat helical coils. An induction coil can be wound around a ferrite core. As used herein, "flat helical bobbin" means a bobbin that is generally a flat bobbin, with the axis of winding of the bobbin being perpendicular to the plane in which the bobbin lies. However, the term "flat helical coil" in this context encompasses coils that are flat as well as flat helical coils whose shape conforms to a curved surface. The use of a flat helical coil allows the design of a compact device, with a simple design that is reliable and cheap to manufacture. The coil can be held within the body of the device and need not be exposed to an aerosol so that deposits on the coil and possible corrosion can be avoided. The use of a flat helical coil also provides a simple interface between the device and the cartridge, allowing for a simple and low cost cartridge design. The flat helical induction coil may have any desired shape in the plane of the coil. For example, a flat helical coil may be circular in shape, or may be generally oblong in shape.

Индукционная катушка может иметь форму, соответствующую форме токоприемного элемента. Индукционная катушка может иметь диаметр от 5 мм до 10 мм.The induction coil may be shaped to match the shape of the current collector. The induction coil can have a diameter of 5 mm to 10 mm.

Система может дополнительно содержать электрическую схему, соединенную с индукционной катушкой и с электрическим источником питания. Электрическая схема может содержать микропроцессор, который может представлять собой программируемый микропроцессор, микроконтроллер или специализированную интегральную схему (ASIC) или другую электронную схему, способную осуществлять управление. Электрическая схема может содержать дополнительные электронные компоненты. Электрическая схема может быть выполнена с возможностью регулирования подачи электрического тока в катушку. Электрический ток может подаваться в индукционную катушку непрерывно после включения системы или может подаваться с перерывами, например, на основании затяжек. Электрическая схема преимущественно может содержать преобразователь переменного тока в постоянный, который может содержать усилитель мощности класса D или класса Е.The system may further comprise an electrical circuit connected to the induction coil and to an electrical power source. The electrical circuitry may comprise a microprocessor, which may be a programmable microprocessor, microcontroller or application specific integrated circuit (ASIC) or other electronic circuit capable of control. The electrical circuit may contain additional electronic components. The electrical circuit may be configured to control the supply of electrical current to the coil. Electric current may be supplied to the induction coil continuously after the system is turned on, or may be supplied intermittently, for example, based on puffs. The circuitry may advantageously comprise an AC/DC converter, which may comprise a class D or class E power amplifier.

Система преимущественно содержит источник питания, как правило, батарею, такую как литий-железо-фосфатная батарея, внутри главной части корпуса. В качестве альтернативы, источник питания может представлять собой устройство накопления заряда другого типа, такое как конденсатор. Источник питания может требовать перезарядки и может обладать емкостью, позволяющей накапливать достаточно энергии для одного или нескольких сеансов курения. Например, источник питания может иметь достаточную емкость для того, чтобы позволить непрерывно генерировать аэрозоль в течение приблизительно шести минут, что соответствует типичному времени выкуривания традиционной сигареты, или в течение периода, кратного шести минутам. В другом примере источник питания может иметь достаточную емкость для того, чтобы позволить осуществлять предопределенное количество затяжек или отдельных включений индукционной катушки.The system advantageously comprises a power source, typically a battery such as a lithium iron phosphate battery, within the main housing portion. Alternatively, the power supply may be another type of charge storage device, such as a capacitor. The power supply may need to be recharged and may have the capacity to store enough energy for one or more smoking sessions. For example, the power supply may have sufficient capacity to allow the aerosol to be continuously generated for about six minutes, which is the typical smoking time of a traditional cigarette, or for a period of multiples of six minutes. In another example, the power supply may have sufficient capacity to allow a predetermined number of puffs or individual induction coil firings.

Система может представлять собой электрически управляемую курительную систему. Система может представлять собой удерживаемую рукой систему, генерирующую аэрозоль. Образующая аэрозоль система может иметь размер, сопоставимый с размером обычной сигары или сигареты. Курительная система может иметь общую длину от примерно 30 мм до примерно 150 мм. Курительная система может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 30 мм.The system may be an electrically controlled smoking system. The system may be a hand-held aerosol generating system. The aerosol generating system may be of a size comparable to that of a conventional cigar or cigarette. The smoking system may have an overall length of from about 30 mm to about 150 mm. The smoking system may have an outer diameter of from about 5 mm to about 30 mm.

Таким образом, согласно объекту настоящего изобретения создана электронагреваемая система, генерирующая аэрозоль и содержащая устройство, генерирующее аэрозоль, и картридж, выполненный с возможностью использования с упомянутым устройством, при этом устройство содержит корпус устройства, образующий полость для размещения по меньшей мере части картриджа; индукционную катушку, расположенную в корпусе устройства вокруг или рядом с полостью и расположенную снаружи картриджа, когда картридж размещен в полости; и источник питания, соединенный с индукционной катушкой и выполненный с возможностью подачи высокочастотного колебательного тока в индукционную катушку; причем картридж содержит корпус картриджа, содержащий субстрат, образующий аэрозоль, при этом корпус картриджа имеет внутреннюю поверхность, окружающую внутренний канал, выполненный с возможностью обеспечения потока воздуха через него; токоприемный элемент, установленный для нагрева субстрата, образующего аэрозоль; и капиллярный материал; при этом субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой жидкий субстрат, удерживаемый в капиллярном материале, причем, при использовании, магнитное поле, генерируемое индукционной катушкой, вызывает генерирование тепла в токоприемном элементе в картридже.Thus, in accordance with an aspect of the present invention, an electrically heated aerosol generating system is provided, comprising an aerosol generating device and a cartridge usable with said device, the device comprising a device body defining a cavity for receiving at least a portion of the cartridge; an induction coil located in the device body around or adjacent to the cavity and located outside the cartridge when the cartridge is placed in the cavity; and a power source connected to the induction coil and configured to supply high frequency oscillating current to the induction coil; wherein the cartridge comprises a cartridge body containing an aerosol-forming substrate, the cartridge body having an inner surface surrounding an internal channel configured to allow air to flow through it; a current collector installed to heat the aerosol-generating substrate; and capillary material; wherein the aerosol-forming substrate is a liquid substrate retained in a capillary material, wherein, in use, the magnetic field generated by the induction coil causes heat to be generated in the current collector in the cartridge.

Предпочтительно, токоприемный элемент содержит сетку, плоскую спиральную катушку, внутреннюю фольгу, волокна, ткань или стержень.Preferably, the current collector comprises a mesh, flat helical coil, inner foil, fibers, fabric or rod.

Предпочтительно, капиллярный материал имеет волокнистую или губчатую структуру.Preferably, the capillary material has a fibrous or spongy structure.

Предпочтительно, капиллярный материал выполнен с возможностью передачи субстрата, образующего аэрозоль, в токоприемный элемент.Preferably, the capillary material is configured to transfer the aerosol forming substrate to the current collector.

Предпочтительно, токоприемный элемент содержит сетку, и капиллярный материал выполнен с возможностью прохождения в пустоты в токоприемном элементе.Preferably, the current collector comprises a mesh and the capillary material is configured to pass into voids in the current collector.

Предпочтительно, капиллярный материал проходит через внутренний канал.Preferably, the capillary material passes through the inner channel.

Предпочтительно, токоприемный элемент образует всю внутреннюю поверхность или ее часть.Preferably, the current collector forms all or part of the inner surface.

Предпочтительно, токоприемный элемент является проницаемым для текучей среды.Preferably, the current collector is fluid permeable.

Предпочтительно, токоприемный элемент выполнен в виде листа, который проходит через отверстие в корпусе картриджа.Preferably, the current collector is in the form of a sheet which extends through an opening in the cartridge body.

Предпочтительно, корпус картриджа содержит материал, непроницаемый для жидкости.Preferably, the cartridge body comprises a liquid impervious material.

Предпочтительно, материал, непроницаемый для жидкости, образует жесткий корпус картриджа.Preferably, the liquid impermeable material forms the rigid body of the cartridge.

Предпочтительно, по меньшей мере часть внутренней поверхности корпуса позволяет субстрату, образующему аэрозоль, либо в газовой фазе, либо, как в газовой, так и в жидкой фазе, проникать через него во внутренний канал.Preferably, at least a portion of the interior surface of the housing allows the aerosol-forming substrate, either in gas phase or both gas and liquid phase, to pass through it into the internal channel.

Предпочтительно, часть внутренней поверхности корпуса, которая позволяет субстрату, образующему аэрозоль, проникать через него во внутренний канал, образована токоприемным элементом.Preferably, a portion of the inner surface of the housing that allows the aerosol-generating substrate to penetrate through it into the inner channel is formed by the current-collecting member.

Предпочтительно, токоприемный элемент выполнен с возможностью обеспечения прохождения испаренного субстрата, образующего аэрозоль, через него для последующего охлаждения в потоке воздуха внутри внутреннего канала.Preferably, the current-collecting member is configured to allow vaporized aerosol-forming substrate to pass through it for subsequent cooling in the airflow within the internal duct.

Предпочтительно, токоприемный элемент содержит первый материал и второй материал, причем первый материал имеет температуру Кюри, большую чем второй материал.Preferably, the current collector comprises a first material and a second material, the first material having a Curie temperature greater than the second material.

Предпочтительно, температура Кюри первого материала превышает максимальную температуру, до которой должен быть нагрет токоприемный элемент; а температура Кюри второго материала соответствует максимальной температуре, до которой должен быть нагрет токоприемник.Preferably, the Curie temperature of the first material is greater than the maximum temperature to which the current collector must be heated; and the Curie temperature of the second material corresponds to the maximum temperature to which the current collector must be heated.

Предпочтительно, корпус картриджа имеет полую цилиндрическую форму.Preferably, the cartridge body has a hollow cylindrical shape.

Предпочтительно, субстрат, образующий аэрозоль, удерживается в пространстве, окружающем внутренний канал.Preferably, the aerosol-forming substrate is retained in the space surrounding the inner channel.

Предпочтительно, индукционная катушка окружает картридж, когда картридж размещен в полости.Preferably, the induction coil surrounds the cartridge when the cartridge is placed in the cavity.

Предпочтительно, электронагреваемая система, генерирующая аэрозоль, представляет собой удерживаемую рукой курительную систему.Preferably, the electrically heated aerosol generating system is a hand held smoking system.

Предпочтительно, электронагреваемая система, генерирующая аэрозоль, дополнительно содержит мундштучную часть.Preferably, the electrically heated aerosol generating system further comprises a mouthpiece.

Предпочтительно, мундштучную часть содержит корпус устройства.Preferably, the mouthpiece contains the body of the device.

Предпочтительно, индукционная катушка находится в мундштуке.Preferably, the telecoil is in the mouthpiece.

Признаки, описанные в отношении одного аспекта, могут быть применены к другим аспектам изобретения. В частности, преимущественные или необязательные признаки, описанные в отношении первого аспекта изобретения, могут применяться ко второму аспекту изобретения.Features described in relation to one aspect may be applied to other aspects of the invention. In particular, the advantageous or optional features described in relation to the first aspect of the invention may apply to the second aspect of the invention.

Варианты осуществления системы согласно изобретению будут подробно описаны далее, лишь в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:Embodiments of the system according to the invention will be described in detail below, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which:

фиг. 1 - схематическое изображение первого варианта осуществления системы, генерирующей аэрозоль, использующего плоскую спиральную индукционную катушку;fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of an aerosol generating system using a flat helical induction coil;

фиг. 2 - картридж с фиг. 1;fig. 2 - the cartridge of FIG. one;

фиг. 3 - индукционная катушка с фиг. 1;fig. 3 shows the induction coil of FIG. one;

фиг. 4 - схематическое изображение второго варианта осуществления;fig. 4 is a schematic representation of the second embodiment;

фиг. 5 - схематическое изображение третьего варианта осуществления;fig. 5 is a schematic representation of the third embodiment;

фиг. 6 - вид с торца картриджа, показанного на фиг. 5;fig. 6 is an end view of the cartridge shown in FIG. five;

фиг. 7 - индукционная катушка и сердечник, изображенные на фиг. 5;fig. 7 shows the induction coil and core shown in FIG. five;

фиг. 8А - первый пример управляющей схемы для генерирования высокочастотного сигнала для индукционной катушки; иfig. 8A is a first example of a driving circuit for generating a high frequency signal for an induction coil; and

фиг. 8В - второй пример управляющей схемы для генерирования высокочастотного сигнала для индукционной катушки.fig. 8B is a second example of a driving circuit for generating a high frequency signal for an induction coil.

Все варианты осуществления, изображенные на фигурах, основаны на индукционном нагреве. Индукционный нагрев работает путем помещения электропроводящего изделия, предназначенного для нагрева, в магнитное поле, изменяющееся с течением времени. Вихревые токи наводятся в проводящем изделии. Если проводящее изделие электрически изолировано, вихревые токи рассеиваются посредством нагрева джоулевым теплом проводящего изделия. В системе, генерирующей аэрозоль, работающей путем нагрева субстрата, образующего аэрозоль, субстрат, образующий аэрозоль, сам по себе обычно не обладает достаточной электрической проводимостью для индуктивного нагревания таким образом. Поэтому, в вариантах осуществления, изображенных на фигурах, токоприемный элемент используется в качестве нагреваемого проводящего изделия и субстрат, образующий аэрозоль, затем нагревается токоприемным элементом посредством теплопроводности, конвекции и/или излучения. Если используется ферромагнитный токоприемный элемент, тепло также может вырабатываться вследствие потерь на гистерезис при переключениях магнитных доменов в токоприемном элементе.All embodiments depicted in the figures are based on induction heating. Induction heating works by placing an electrically conductive article to be heated in a magnetic field that changes over time. Eddy currents are induced in a conductive product. If the conductive article is electrically insulated, the eddy currents are dissipated by heating the conductive article with Joule heat. In an aerosol generating system operating by heating the aerosol generating substrate, the aerosol generating substrate itself generally does not have sufficient electrical conductivity to be inductively heated in this manner. Therefore, in the embodiments shown in the figures, the current collector is used as a heated conductive article and the aerosol forming substrate is then heated by the current collector by conduction, convection and/or radiation. If a ferromagnetic current collector is used, heat can also be generated due to hysteresis losses when switching magnetic domains in the current collector.

В каждом из описанных вариантов осуществления используется индукционная катушка для генерирования магнитного поля, изменяющегося с течением времени. Индукционная катушка спроектирована таким образом, чтобы она не испытывала существенного нагрева джоулевым теплом. Напротив, токоприемный элемент спроектирован таким образом, чтобы происходил существенный нагрев джоулевым теплом токоприемника.In each of the described embodiments, an induction coil is used to generate a magnetic field that changes over time. The induction coil is designed in such a way that it does not experience significant heating by Joule heat. On the contrary, the current collector is designed in such a way that significant Joule heating of the current collector occurs.

На фиг. 1 показано схематическое изображение системы, генерирующей аэрозоль, согласно первому варианту осуществления. Система содержит устройство 100 и картридж 200. Устройство включает в себя основной корпус 101, содержащий литий-железо-фосфатную батарею 102 и управляющие электронные схемы 104. Основной корпус 101 также ограничивает полость 112, в которую помещается картридж 200. Устройство также содержит мундштучную часть 120, содержащую выпускное отверстие 124. В этом примере мундштучная часть соединена с основным корпусом 101 шарнирным соединением, но может использоваться любой тип соединения, такой как защелкивающееся или завинчивающееся соединение. Впускные отверстия 122 для воздуха образованы между мундштучной частью 120 и основной частью 101, когда мундштучная часть находится в закрытом положении, как изображено на фиг. 1.In FIG. 1 is a schematic representation of an aerosol generating system according to the first embodiment. The system includes a device 100 and a cartridge 200. The device includes a main body 101 containing a lithium iron phosphate battery 102 and control electronics 104. The main body 101 also defines a cavity 112 in which the cartridge 200 is placed. The device also includes a mouthpiece 120 containing the outlet 124. In this example, the mouthpiece is connected to the main body 101 by a swivel, but any type of connection can be used, such as a snap or screw connection. The air inlets 122 are formed between the mouthpiece 120 and the main body 101 when the mouthpiece is in the closed position, as shown in FIG. one.

Внутри корпуса устройства, в боковых стенках полости 112, размещены плоские спиральные индукционные катушки 110. Катушки 110 выполнены путем штампования или вырезания спиральной катушки из листа меди. Одна из катушек 110 более подробно изображена на фиг. 3. Если корпус устройства имеет в целом круглое поперечное сечение, катушки 110 могут быть выполнены такой формы, чтобы криволинейной форме корпуса устройства. Катушки 110 расположены с обеих сторон полости и создают магнитное поле, которое проходит внутрь полости.Inside the body of the device, in the side walls of the cavity 112, flat spiral induction coils 110 are placed. Coils 110 are made by stamping or cutting a spiral coil from a sheet of copper. One of the coils 110 is shown in more detail in FIG. 3. If the body of the device has a generally circular cross section, the coils 110 may be shaped so as to curve the shape of the body of the device. Coils 110 are located on both sides of the cavity and create a magnetic field that extends into the interior of the cavity.

Картридж 200 содержит корпус 204 картриджа, удерживающий капиллярный материал и заполненный жидким субстратом, образующим аэрозоль. Картридж 260, изображенный на фиг. 1, имеет полую цилиндрическую форму, как более ясно показано на фиг. 2. Корпус 204 картриджа в основном непроницаем для жидкости. Внутренняя поверхность 212 картриджа 200, т.е. поверхность, окружающая внутренний канал 216, содержит проницаемый для текучей среды токоприемный элемент 210, в этом примере - ферритовую сетку. Ферритовая сетка может покрывать всю внутреннюю поверхность картриджа или лишь часть внутренней поверхности картриджа, как показано на фиг. 1. Субстрат, образующий аэрозоль, может образовывать мениск в пустотах сетки. Другим вариантом для токоприемника является графитовая ткань, имеющая структуру с открытыми ячейками.The cartridge 200 includes a cartridge body 204 that holds the capillary material and is filled with an aerosol-forming liquid substrate. The cartridge 260 shown in FIG. 1 has a hollow cylindrical shape, as shown more clearly in FIG. 2. Cartridge body 204 is generally liquid tight. The inner surface 212 of the cartridge 200, i. e. the surface surrounding the inner channel 216 includes a fluid-permeable current collector 210, in this example a ferrite mesh. The ferrite mesh may cover the entire inner surface of the cartridge, or only a portion of the inner surface of the cartridge, as shown in FIG. 1. The aerosol-forming substrate may form a meniscus in the voids of the mesh. Another option for the current collector is graphite fabric having an open cell structure.

Когда картридж 200 сцеплен с устройством и размещен в полости 112, токоприемный элемент 210 расположен внутри магнитного поля, генерируемого плоскими спиральными катушками 110. Картридж 200 может включать в себя ключевые элементы для того, чтобы исключить возможность его неправильного введения.When the cartridge 200 is engaged with the device and placed in the cavity 112, the current collector 210 is positioned within the magnetic field generated by the flat helical coils 110. The cartridge 200 may include key features to prevent it from being misplaced.

При эксплуатации, пользователь делает затяжку на мундштучной части 120 для втягивания воздуха сквозь впускные отверстия 164 для воздуха сквозь центральный канал картриджа, мимо токоприемного элемента 262, в мундштучную часть 120 и из выпускного отверстия 124 в рот пользователя. При обнаружении затяжки управляющие электронные схемы подают высокочастотный колебательный ток в катушки 110. Это создает колебательное магнитное поле. Колебательное магнитное поле проходит сквозь токоприемный элемент, наводя вихревые токи в токоприемном элементе. Токоприемный элемент нагревается в результате нагрева джоулевым теплом и в результате потерь на гистерезис в токоприемном элементе, достигая температуры, достаточной для испарения субстрата, образующего аэрозоль, вблизи токоприемного элемента. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, увлекается воздухом, текущим от впускных отверстий для воздуха к выпускному отверстию для воздуха, через внутренний канал 216, и охлаждается для образования аэрозоля внутри мундштучной части перед попаданием в рот пользователя. Управляющие электронные схемы подают колебательный ток в катушку в течение предопределенного периода, в этом примере - в течение пяти секунд, после обнаружения затяжки, и затем выключают электрический ток до обнаружения новой затяжки.In use, the user puffs on the mouthpiece 120 to draw air through the air inlets 164 through the central channel of the cartridge, past the current collector 262, into the mouthpiece 120, and out of the outlet 124 into the user's mouth. When a puff is detected, the control electronics apply a high frequency oscillating current to the coils 110. This creates an oscillating magnetic field. An oscillating magnetic field passes through the current collector, inducing eddy currents in the current collector. The current collector is heated by Joule heating and hysteresis losses in the current collector, reaching a temperature sufficient to vaporize the aerosol forming substrate in the vicinity of the current collector. The vaporized aerosol-generating substrate is entrained by air flowing from the air inlets to the air outlet through the internal passage 216 and is cooled to form an aerosol inside the mouthpiece before entering the user's mouth. The control electronics apply an oscillating current to the coil for a predetermined period, in this example five seconds, after a puff is detected, and then turn off the current until a new puff is detected.

Как видно, картридж имеет простую и надежную конструкцию, являющуюся недорогой для изготовления по сравнению с картриджами-распылителями, доступными на рынке. Использование полого картриджа позволяет уменьшить общую длину для системы, так как пар охлаждается внутри полого пространства, образованного картриджем.As can be seen, the cartridge has a simple and reliable design, which is inexpensive to manufacture compared to spray cartridges available on the market. The use of a hollow cartridge reduces the overall length for the system as the vapor cools within the hollow space formed by the cartridge.

На фиг. 4 изображен второй вариант осуществления. На фиг. 4 изображен лишь передний конец системы, поскольку могут использоваться те же батарея и управляющие электронные схемы, что и изображенные на фиг. 1, включая механизм обнаружения затяжек. Картридж 200, изображенный на фиг. 4, идентичен картриджу, изображенному на фиг. 1. Тем не менее, устройство по фиг. 4 имеет другую конфигурацию, включающую в себя плоскую спиральную индукционную катушку 132 на опорной пластине 136, проходящей в центральный канал 216 картриджа, для генерирования колебательного магнитного поля вблизи токоприемного элемента 210. Работа согласно варианту осуществления, изображенному на фиг. 4, является такой же, как работа, изображенная на фиг. 1.In FIG. 4 shows a second embodiment. In FIG. 4 only shows the front end of the system since the same battery and control electronics as shown in FIG. 1, including the puff detection mechanism. The cartridge 200 shown in FIG. 4 is identical to the cartridge shown in FIG. 1. However, the device of FIG. 4 has another configuration including a planar helical induction coil 132 on a base plate 136 extending into the central channel 216 of the cartridge to generate an oscillatory magnetic field in the vicinity of the current collector 210. Operation of the embodiment shown in FIG. 4 is the same as the operation shown in FIG. one.

На фиг. 5 изображен третий вариант осуществления. На фиг. 5 изображен лишь передний конец системы, поскольку могут использоваться те же батарея и управляющие электронные схемы, что и изображенные на фиг. 1, включая механизм обнаружения затяжек.In FIG. 5 shows a third embodiment. In FIG. 5 shows only the front end of the system since the same battery and control electronics as shown in FIG. 1, including the puff detection mechanism.

Устройство, изображенное на фиг. 5, является подобным устройству, изображенному на фиг. 1, в том, что корпус 150 устройства образует полость, в которой размещается картридж 250. Устройство также содержит мундштучную часть 120, содержащую выпускное отверстие 124. Мундштучная часть соединена с основным корпусом 101 с помощью шарнирного соединения, как на фиг. 1. В основной части 150 образованы впускные отверстия 154 для воздуха. В основании полости расположена спиральная катушка 152, намотанная вокруг С-образного ферритового сердечника 153. С-образный ферритовый сердечник ориентирован так, чтобы магнитное поле, генерируемое катушкой 152, проходило в полость. На фиг. 7 отдельно изображен сердечник и катушка в сборе, при этом картина магнитного поля изображена пунктирной линией.The device shown in Fig. 5 is similar to the device shown in FIG. 1 in that the body 150 of the device defines a cavity in which the cartridge 250 is received. The device also includes a mouthpiece 120 containing an outlet 124. The mouthpiece is connected to the main body 101 by a swivel, as in FIG. 1. In the main body 150, air inlets 154 are formed. At the base of the cavity is a helical coil 152 wound around a C-shaped ferrite core 153. The C-shaped ferrite core is oriented so that the magnetic field generated by the coil 152 passes into the cavity. In FIG. 7 shows the core and coil assembly separately, with the magnetic field pattern shown as a dotted line.

Картридж, изображенный на фиг. 5, показан на фиг. 6 на виде с торца. Корпус 250 картриджа имеет цилиндрическую форму с центральным каналом 256, проходящим через него, как на фиг. 1 и 2. Субстрат, образующий аэрозоль, удерживается в кольцевом пространстве, окружающем центральный канал, и, как и раньше, может удерживаться в капиллярном элементе внутри корпуса 250. Капиллярный фитиль 252 расположен на одном конце картриджа, заполняя центральный канал 256. Капиллярный фитиль 252 выполнен из ферритовых волокон и выполняет функцию как фитиля для субстрата, образующего аэрозоль, так и токоприемника, который индукционно нагревается катушкой 152.The cartridge shown in Fig. 5 is shown in FIG. 6 in end view. The cartridge body 250 is cylindrical in shape with a central channel 256 extending through it, as in FIG. 1 and 2. The aerosol generating substrate is retained in the annulus surrounding the central channel and, as before, may be retained in a capillary element within the body 250. A capillary wick 252 is located at one end of the cartridge filling the central channel 256. Capillary wick 252 made of ferrite fibers and functions both as a wick for the aerosol-forming substrate and as a current collector, which is inductively heated by coil 152.

При эксплуатации субстрат, образующий аэрозоль, втягивается в ферритовый фитиль 252. При обнаружении затяжки включается катушка 152 и создается колебательное магнитное поле. Изменение магнитного потока через фитиль индуцирует вихревые токи в фитиле и потери на гистерезис, вызывающие его нагрев с испарением субстрата, образующего аэрозоль, в фитиле. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, вовлекается в воздух, протягиваемый через систему от впускных отверстий 154 для воздуха до выпускного отверстия 124 для воздуха вследствие осуществления пользователем затяжек на мундштучной части. Воздух течет через внутренний канал 256, который выполняет роль камеры для образования аэрозоля, охлаждающей воздух и пар при его прохождении к выпускному отверстию 124.In operation, the aerosol-forming substrate is drawn into the ferrite wick 252. When a puff is detected, coil 152 is turned on and an oscillating magnetic field is generated. The change in magnetic flux through the wick induces eddy currents in the wick and hysteresis losses causing it to heat up to vaporize the aerosol forming substrate in the wick. The vaporized aerosol-forming substrate is entrained in air drawn through the system from the air inlets 154 to the air outlet 124 due to puffs on the mouthpiece by the user. The air flows through the internal passage 256, which acts as an aerosol chamber, cooling the air and vapor as it passes to the outlet 124.

Все описанные варианты осуществления могут управляться по существу одной и той же электронной схемой 104. На фиг. 8А изображен первый пример схемы, используемой для подачи высокочастотного колебательного тока к индукционной катушке с использованием усилителя мощности класса Е. Как видно на фиг. 8А, схема включает в себя усилитель мощности класса Е, включающий в себя транзисторный переключатель 1100, содержащий полевой транзистор (FET) 1110, например, полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), схему питания транзисторного переключателя, обозначенную стрелкой 1120, для подачи сигнала переключения (напряжение затвор-исток) в FET 1110, и индуктивно-емкостную сеть 1130 нагрузки, содержащую шунтирующий конденсатор С1 и последовательное соединение конденсатора С2 и индукционной катушки L2. Источник постоянного тока, содержащий батарею 101, включает в себя дроссель L1 и подает напряжение источника постоянного тока. На фиг. 16А также изображено омическое сопротивление R, представляющее собой общую омическую нагрузку 1140, которая является суммой омического сопротивления R_Coil индукционной катушки, обозначенной как L2, и омического сопротивления R_Load токоприемного элемента.All described embodiments may be controlled by essentially the same electronic circuit 104. In FIG. 8A shows a first example of a circuit used to supply a high frequency oscillating current to an induction coil using a class E power amplifier. As seen in FIG. 8A, the circuit includes a class E power amplifier including a transistor switch 1100 comprising a field effect transistor (FET) 1110, such as a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), a transistor switch power supply circuit indicated by an arrow 1120, for supplying a switching signal (gate-source voltage) to the FET 1110, and an inductive-capacitive load network 1130 comprising a shunt capacitor C1 and a series connection of the capacitor C2 and the induction coil L2. The DC source containing the battery 101 includes a choke L1 and supplies the DC source voltage. In FIG. 16A also shows the ohmic resistance R, which is the total ohmic load 1140, which is the sum of the ohmic resistance R _Coil of the induction coil, denoted L2, and the ohmic resistance R _Load of the current collector.

Из-за очень малого количества компонентов можно поддерживать чрезвычайно маленький объем электронных схем источника питания. Этот чрезвычайно маленький объем электронных схем источника питания возможен благодаря индуктору L2 индуктивно-емкостной сети 1130 нагрузки, непосредственно используемому в качестве индуктора для индуктивной связи с токоприемным элементом, и этот маленький объем позволяет сохранять небольшие общие размеры всего устройства для индукционного нагрева.Due to the very small number of components, an extremely small amount of power supply electronics can be maintained. This extremely small volume of the power supply electronics is made possible by the inductor L2 of the load inductive-capacitive network 1130 being directly used as an inductor for inductively coupling with the current collector, and this small volume allows the overall size of the entire induction heating apparatus to be kept small.

Хотя общий принцип работы усилителя мощности класса Е известен и подробно описан в уже упоминавшейся статье "Class-E RF Power Amplifiers", автор Nathan О. Sokal, опубликованной в журнале QEX, выходящем раз в два месяца, выпуск за январь/февраль 2001 г., стр. 9-20, издание American Radio Relay League (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 Radio Relay League (ARRL), Newington, CT, USA, some general principles will be explained later.

Предположим, что схема 1120 питания транзисторного переключателя подает напряжение переключения (напряжение затвор-исток полевого транзистора FET), имеющее прямоугольный профиль, в FET 1110. Пока FET 1321 является проводящим (во включенном состоянии), он по существу составляет цепь короткого замыкания (с малым сопротивлением) и весь электрический ток течет через дроссель L1 и FET 1110. Когда FET 1110 является не проводящим (в выключенном состоянии), весь электрический ток течет в индуктивно-емкостную сеть нагрузки, поскольку FET 1110 по существу представляет собой разомкнутую цепь (с большим 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 switch power circuit 1120 supplies a switching voltage (FET gate-source voltage) having a rectangular profile to the FET 1110. As long as the FET 1321 is conductive (on), it essentially constitutes a short circuit (with little resistance) and all electrical current flows through inductor L1 and FET 1110. When FET 1110 is non-conductive (off), all electrical current flows into the inductive-capacitive load network, since FET 1110 is essentially an open circuit (high resistance ). Switching the transistor between these two states causes the supplied DC voltage and DC current to be inverted into AC voltage and AC current, respectively.

Для эффективного нагрева токоприемного элемента, необходимо передавать максимальное количество подаваемой энергии постоянного тока в форме энергии переменного тока в индуктор L2 и впоследствии в токоприемный элемент, индуктивно связанный с индуктором L2. Энергия, рассеиваемая в токоприемном элементе (потери на вихревые токи, потери на гистерезис), генерирует тепло в токоприемном элементе, как подробно описано выше. Другими словами, рассеивание энергии в FET 1110 должно быть сведено к минимуму, при этом рассеивание энергии в токоприемном элементе должно быть увеличено до максимума.In order to effectively heat the current collector, it is necessary to transfer the maximum amount of supplied DC energy in the form of AC energy to the inductor L2 and subsequently to the current collector inductively coupled to the inductor L2. The energy dissipated in the current collector (eddy current loss, hysteresis loss) generates heat in the current collector, as detailed above. In other words, the energy dissipation in the FET 1110 should be kept to a minimum, while the energy dissipation in the current collector should be maximized.

Рассеивание энергии в FET 1110 в течение одного периода переменного напряжения/тока является произведением напряжения и тока транзистора в каждой временной точке в течение периода переменного напряжения/тока, интегрированным по этому периоду и усредненным по этому периоду. Поскольку FET 1110 должен поддерживать высокое напряжение на протяжении части этого периода и проводить сильный электрический ток на протяжении части этого периода, следует избегать одновременного наличия высокого напряжения и сильного электрического тока, поскольку это приведет к существенному рассеиванию энергии в FET 1110. Во включенном состоянии FET 1110, напряжение транзистора близко к нулевому, когда сильный электрический ток течет сквозь FET. В выключенном состоянии FET 1110, напряжение транзистора является высоким, но электрический ток, проходящий сквозь FET 1110, близок к нулевому.The power dissipation in the FET 1110 during one AC voltage/current cycle is the product of the transistor voltage and current at each time point during the AC voltage/current cycle, integrated over that cycle and averaged over that cycle. Because the FET 1110 must maintain high voltage for part of this period and conduct high current for part of this period, the simultaneous presence of high voltage and high current should be avoided, as this will lead to significant power dissipation in the FET 1110. When the FET 1110 is on , the transistor voltage is close to zero when a strong electrical current flows through the FET. In the off state of the FET 1110, the transistor voltage is high, but the electric current passing through the FET 1110 is close to zero.

Неизбежны также переходные процессы при переключении, длящиеся в течение некоторой части периода. Тем не менее, произведения высокого напряжения электрического тока, представляющего большую потерю энергии в FET 1110, можно избежать 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 достигается благодаря сети 1130 нагрузки, содержащей шунтирующий конденсатор С1 и последовательное соединение конденсатора С2 и индуктора L2, при этом эта сеть нагрузки представляет собой сеть между FET 1110 и нагрузкой 1140. В-третьих, обеспечивают, чтобы напряжение транзистора во время отпирания было практически равно нулю (для биполярного плоскостного транзистора «BJT» оно представляет собой напряжение V_O смещения при насыщении). Отпирающийся транзистор не разряжает заряженный шунтирующий конденсатор С1, 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 сети нагрузки, 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 на транзисторе и ток через него никогда не будут высокими одновременно. Переходные процессы при переключении напряжения и тока смещены по времени относительно друг друга. Величины для L1, С1 и С2 могут быть выбраны таким образом, чтобы максимально увеличить эффективное рассеивание энергии в токоприемном элементе.Switching transients are also inevitable, lasting for some part of the period. However, the production of high voltage electric current, representing a large energy loss in the FET 1110, can be avoided by the following additional measures. First, they delay the increase in the voltage of the transistor until the current flowing through the transistor decreases to zero. Secondly, they ensure that the voltage of the transistor returns to zero before the increase in the current flowing through the transistor begins. This is achieved by a load network 1130 comprising shunt capacitor C1 and series connection of capacitor C2 and inductor L2, this load network being the network between FET 1110 and load 1140. zero (for a BJT, this is the bias voltage V _O at saturation). The turn-on transistor does not discharge the charged shunt capacitor C1, thereby preventing the energy stored in the shunt capacitor from dissipating. Fourth, ensure that the voltage slope of the transistor is zero during firing. Then, the electric current injected into the turn-on transistor by the load network is smoothly increased from zero at a controlled moderate rate, resulting in low power dissipation while the transistor conductance rises from zero during the turn-on transient. As a result, the voltage across the transistor and the current through it will never be high at the same time. Transients during voltage and current switching are shifted in time relative to each other. The values for L1, C1 and C2 can be chosen to maximize the effective energy dissipation in the current collector.

Хотя усилитель мощности класса Е является предпочтительным для большинства систем согласно изобретению, также возможно использовать другие архитектуры схем. На фиг. 8В изображен второй пример схемы, используемой для подачи высокочастотного колебательного тока к индукционной катушке, используя усилитель мощности класса D. Схема по фиг. 8В содержит батарею 101, присоединенную к двум транзисторам 1210, 1212. Два переключающих элемента 1220, 1222 предоставлены для включения и выключения транзисторов 1210, 1212. Переключатели управляются с высокой частотой таким образом, чтобы обеспечить выключенное состояние одного из двух транзисторов 1210, 1212, в то время как другой из двух транзисторов включен. Индукционная катушка снова обозначена как L2, и объединенное омическое сопротивление катушки и токоприемного элемента обозначено как R. Величины С1 и С2 могут быть выбраны таким образом, чтобы максимально увеличить эффективное рассеивание энергии в токоприемном элементе.Although a class E power amplifier is preferred for most systems according to the invention, it is also possible to use other circuit architectures. In FIG. 8B shows a second example of a circuit used to supply a high frequency oscillatory current to an induction coil using a class D power amplifier. The circuit of FIG. 8B includes a battery 101 connected to two transistors 1210, 1212. Two switching elements 1220, 1222 are provided to turn transistors 1210, 1212 on and off. while the other of the two transistors is on. The induction coil is again denoted L2, and the combined ohmic resistance of the coil and current collector is denoted R. The values of C1 and C2 can be chosen to maximize the effective power dissipation in the current collector.

Токоприемный элемент может быть изготовлен из материала или сочетания материалов, обладающих температурой Кюри, близкой к желаемой температуре, до которой должен нагреваться токоприемный элемент. Как только температура токоприемного элемента превышает эту температуру Кюри, материал заменяет свои ферромагнитные свойства парамагнитными свойствами. Соответственно, рассеивание энергии в токоприемном элементе существенно уменьшено, поскольку потери на гистерезис материала, обладающего парамагнитными свойствами, значительно меньше потерь на гистерезис материала, обладающего ферромагнитными свойствами. Это уменьшенное рассеивание энергии в токоприемном элементе может быть обнаружено и, например, вырабатывание переменного тока преобразователем переменного тока в постоянный затем может быть прервано до тех пор, пока токоприемный элемент снова не остынет 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.The current collector may be made from a material or combination of materials having a Curie temperature close to the desired temperature to which the current collector is to be heated. Once the temperature of the current collector exceeds this Curie temperature, the material replaces its ferromagnetic properties with paramagnetic properties. Accordingly, the dissipation of energy in the current-collecting element is significantly reduced, since the hysteresis loss of a material having paramagnetic properties is much less than the hysteresis loss of a material having ferromagnetic properties. This reduced energy dissipation in the current collector can be detected and, for example, AC output by the AC/DC converter can then be interrupted until the current collector has cooled below the Curie temperature again and regained its ferromagnetic properties. Then, AC power generation by the DC-to-AC inverter can be restarted.

Другие конструкции картриджа, содержащие токоприемный элемент согласно данному изобретению, могут быть предусмотрены специалистом в данной области. Например, картридж может включать в себя мундштучную часть и может иметь любую желаемую форму. Кроме этого, размещение катушки и токоприемника согласно изобретению может использоваться в системах других типов, отличающихся от уже описанных, таких как увлажнители, освежители воздуха и другие системы, генерирующие аэрозоль.Other cartridge designs containing the current collector of the present invention may be contemplated by one skilled in the art. For example, the cartridge may include a mouthpiece and may be of any desired shape. In addition, the coil and current collector arrangement according to the invention can be used in other types of systems than those already described, such as humidifiers, air fresheners and other aerosol generating systems.

Вышеописанные примерные варианты являются иллюстративными, а не ограничительными. Благодаря рассмотренным выше примерным вариантам, другие варианты, соответствующие вышеописанным примерным вариантам, также должны быть понятны специалистам с обычной квалификацией в данной области техники.The exemplary embodiments described above are illustrative and not restrictive. Due to the exemplary embodiments discussed above, other embodiments corresponding to the exemplary embodiments described above should also be understood by those of ordinary skill in the art.

Claims

1. An electrically heated system that generates an aerosol and contains an aerosol generating device and a cartridge configured for use with said device, the device comprising a device housing forming a cavity for accommodating at least part of the cartridge; an induction coil located in the device body around or adjacent to the cavity and located outside the cartridge when the cartridge is placed in the cavity; and a power source connected to the induction coil and configured to supply high frequency oscillating current to the induction coil; wherein the cartridge comprises a cartridge body containing an aerosol-forming substrate, the cartridge body having an inner surface surrounding an internal channel configured to allow air to flow through it; a current collector installed to heat the aerosol-generating substrate; and capillary material; wherein the aerosol-forming substrate is a liquid substrate retained in a capillary material, wherein, in use, the magnetic field generated by the induction coil causes heat to be generated in the current collector in the cartridge.

2. An electrically heated aerosol generating system according to claim 1, wherein the current collector comprises a mesh, flat helical coil, inner foil, fibers, fabric, or rod.

3. An electrically heated aerosol generating system according to claim 1 or 2, wherein the capillary material has a fibrous or spongy structure.

4. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the capillary material is configured to transfer the aerosol generating substrate to the current collector.

5. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the current collector comprises a grid and the capillary material is operable to pass into voids in the current collector.

6. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the capillary material passes through the internal channel.

7. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the current collector forms all or part of the inner surface.

8. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the current collector is fluid permeable.

9. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the current-collecting member is in the form of a sheet that extends through an opening in the cartridge body.

10. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the cartridge body comprises a liquid impervious material.

11. The electrically heated aerosol generating system of claim 10, wherein the liquid impervious material forms the rigid cartridge body.

12. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein at least a portion of the interior surface of the housing allows the aerosol generating substrate, either in gas phase or both in gas and liquid phase, to pass through it into internal channel.

13. The electrically heated aerosol generating system according to claim 12, wherein a portion of the inner surface of the housing that allows the aerosol generating substrate to pass through it into the inner channel is formed by a current collector.

14. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the current-collecting element is configured to allow vaporized aerosol-generating substrate to pass through it for subsequent cooling in an airflow within the internal duct.

15. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the current collector comprises a first material and a second material, the first material having a Curie temperature greater than the second material.

16. An electrically heated aerosol generating system according to claim 15, wherein the Curie temperature of the first material exceeds the maximum temperature to which the current collector must be heated; and the Curie temperature of the second material corresponds to the maximum temperature to which the current collector must be heated.

17. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the cartridge body has a hollow cylindrical shape.

18. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the aerosol generating substrate is held in the space surrounding the inner channel.

19. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, wherein the inductive coil surrounds the cartridge when the cartridge is placed in the cavity.

20. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, which is a hand held smoking system.

21. An electrically heated aerosol generating system according to any one of the preceding claims, further comprising a mouthpiece.

22. An electrically heated aerosol generating system according to claim 21, in which the mouthpiece part contains the body of the device.

23. An electrically heated aerosol generating system according to claim 21 or 22, in which the induction coil is located in the mouthpiece.