RS58797B1 - Sistem za proizvodnju aerosola koji sadrži uložak sa unutrašnjim prolazom za tok vazduha - Google Patents

Description

Pronalazak se odnosi na sisteme za proizvodnju aerosola koji rade zagrevanjem supstrata koji daje aerosol. Posebno pronalazak se odnosi na sisteme za proizvodnju aerosola koji uključuju deo uređaja koji sadrži napajanje i deo zamenljivog uloška koji sadrži supstrat koji daje aerosol.

Jedan tip sistema za proizvodnju aerosola je elektronska cigareta. Na primer, EP 2444 112 A1 opisuje visokofrekventni indukcioni uređaj za raspršivanje za isporuku psihološki aktivne supstance u raspršenom obliku u pluća radi apsorpcije kroz respiratorni trakt.

Elektronske cigarete obično koriste tečni supstrat koji daje aerosol koji isparava kako bi stvorio aerosol. Elektronska cigareta tipično uključuje napajanje, deo za skladištenje tečnosti za držanje tečnog supstrata koji daje aerosol i raspršivač.

Tečni supstrat koji daje aerosol se potroši tokom upotrebe i treba da se ponovo napuni. Najčešći način da se obnove dopune tečnog supstrata koji daje aerosol je uložak tipa kartomizera. Kartomizer sadrži i zalihu tečnog supstrata i raspršivač, obično je u obliku električnog otpornog grejača omotanog oko kapilarnog materijala namočenog u supstrat koji daje aerosol. Zamena kartomizera kao jedne jedinice je od koristi zato što je pogodna za korisnika i uklanja potrebu da korisnik mora da čisti ili na drugi način održava raspršivač.

Međutim, bilo bi poželjno da može da se obezbedi sistem koji omogućava da dopune supstrata koji daje aerosol budu jeftinije i da su robustnije od kartomizera koji su danas raspoloživi, a da ih pritom korisnik može i dalje lako i ugodno da koristi. Osim toga bilo bi poželjno obezbediti sistem koji uklanja potrebu za zalemljenim spojevima i tako omogućava zatvoreni uređaj koji je lako čistiti.

U prvom aspektu, obezbeđen je uložak za upotrebu kod električno zagrevanih sistema za proizvodnju aerosola, električno zagrevani sistem za proizvodnju aerosola koji sadrži uređaj za proizvodnju aerosola, uložak konfigurisan da se koristi sa uređajem, pri čemu uređaj sadrži kućište; indukcioni kalem postavljen u kućištu uređaja; i napajanje povezano sa indukcionim kalemom i podešeno da daje visokofrekventnu oscilatornu struju indukcionom kalemu; uložak koji sadrži kućište uređaja koje sadrži supstrat koji daje aerosol, kućište ima unutrašnju površinu koja okružuje unutrašnji prolaz kroz koji vazduh može da teče; i susceptor postavljen da zagreva supstrat koji daje aerosol, pri čemu se supstrat koji daje aerosol drži u prstenastom prostoru koji okružuje unutrašnji prolaz.

Pogodno, bar deo unutrašnje površine kućišta je propustljiv za tečnost. Kao što se ovde koristi, element „propustljiv za tečnost” podrazumeva element koji dopušta da tečnost ili gas prođe kroz njega. Kućište može da ima na sebi više formiranih otvora da dozvoli da tečnost prođe kroz njega. Naročito, kućište dozvoljava da kroz sebe propusti supstrat koji daje aerosol, u gasnoj fazi, ili u obe, gasnoj i tečnoj.

U radu, visokofrekventna oscilatorna struja prolazi kroz ravni spiralni indukcioni kalem da bi se stvorilo naizmenično magnetno polje koje indukuje napon u susceptoru.

Indukovani napon pobuđuje struju da teče u susceptoru i ova struja izaziva Džulovo zagrevanje susceptora koji zauzvrat zagreva supstrat koji daje aerosol. Ako je susceptor feromagnetni, histerezisni gubici u susceptoru mogu takođe da stvore toplotu. Ispareni supstrat koji daje aerosol može da prođe kroz susceptor i da se naknadno ohladi da formira aerosol koji se isporučuje korisniku.

Postavka koja koristi indukciono zagrevanje ima prednost u tome što se ne moraju formirati električni kontakti između uloška i uređaja. I grejni element, u ovom slučaju susceptora, ne mora da bude električno povezan sa bilo kojom drugom komponentom, čime se odstranjuje potreba za lemljenjem ili drugim vezujućim materijalima. Osim toga, kalem je obezbeđen kao deo uređaja koji čini mogućim da se konstruiše uložak koji je jednostavan, nije skup i koji je robustan. Ulošci su po pravilu proizvodi za jednokratnu upotrebu proizvedeni u mnogo većem broju nego sami uređaji sa kojima će raditi. Shodno tome, smanjenje cene koštanja uloška, čak ako to zahteva skuplji uređaj, može dovesti do značajnih ušteda kako za proizvođača tako i za korisnika.

Kako je ovde korišćeno, visokofrekventna oscilatorna struja označava oscilatornu struju koja ima frekvenciju između 500kHz i 30MHz. Oscilatorna struja visoke frekvencije može da ima frekvenciju između 1 i 30MHz, poželjno između 1 i 10 MHz i najpoželjnije između 5 i 7 MHz.

Obezbeđivanje unutrašnjeg prolaza unutar uloška za tok vazduha dozvoljava da sistem bude kompaktan. To takođe dopušta da sistem bude simetričan i balansiran što je pogodno kada je sistem ručni. Unutrašnji prolaz za protok vazduha takođe minimizira gubitke toplote sa uređaja i dozvoljava da se kućište uređaja i uložak lako održavaju na temperaturi koja je komotna za držanje. Ispareni supstrat koji daje aerosol u toku vazduha može da se hladi unutar unutrašnjeg prolaza i formira aerosol.

Uložak može da ima uobičajen cilindričan oblik i bilo koji željeni poprečni presek, kao što je kružni, šestougaoni, osmougaoni ili desetougaoni.

Kako je ovde korišćeno, „susceptor“ označava kondukcioni element koji se zagreva kad je izložen promenljivom magnetnom polju. To može biti rezultat vrtložnih struja koje su indukovane u susceptoru i/ili histerezisnih gubitaka. Mogući materijali za elemente susceptora obuhvataju grafit, molibden, silicijum karbid, nerđajući čelik, niobijum, aluminijum i gotovo svaki drugi provodljivi element. Pogodno susceptor je feritni element. Materijal i geometrija susceptora mogu biti izabrani tako da se obezbedi željeni električni otpor i stvaranje toplote. Susceptor može da obuhvata, na primer, mrežu, ravan spiralni kalem, unutrašnju foliju, vlakna, tekstil ili štapić.

Pogodno, susceptor može da bude u kontaktu sa supstratom koji daje aerosol. Susceptor može da formira deo ili celokupnu unutrašnju površinu. Susceptor može pogodno da bude propustljiv za tečnost.

Susceptor može biti obezbeđen u obliku lista koji se pruža preko otvora u kućištu uloška. Susceptor može da se pruža po unutrašnjem ili spoljašnjem obimu kućišta uloška Alternativno, susceptor može da ima kapilarni fitilj koji se prostire kroz unutrašnji prolaz uloška. Fitilj može da sadrži mnoštvo vlakana.

Pogodno, susceptor može imati relativnu propustljivost uzmeđu 1 i 40000. Kad je korišćenje vrtložnih struja poželjno za glavninu zagrevanja, može se upotrebiti materijal sa manjom propustljivošću, a kad su efekti histerezisa poželjni, može se upotrebiti materijal sa većom propustljivošću. Poželjno, materijal ima relativnu propustljivost između 500 i 40000. Ovo obezbeđuje efikasno zagrevanje.

Materijal susceptora može biti izabran zbog svoje Kirijeve temperature. Iznad Kirijeve temperature materijal nije više feromagnetičan i tako zagrevanje usled histerezisnih gubitaka više ne nastaje. U slučaju kad je susceptor načinjen od jednog materijala, Kirijeva temperatura može da odgovara maksimalnoj temperaturi koju susceptor treba da ima (što će reći da je Kirijeva temperatura identična sa maksimalnom temperaturom do koje susceptor treba da bude zagrejan ili da odstupa od te maksimalne temperature za oko 1-3%). Ovo smanjuje mogućnost brzog pregrevanja.

Ako je susceptor načinjen od više od jednog materijala, materijal susceptora može biti optimizovan u pogledu daljih aspekata. Na primer, materijal može biti odabran tako da prvi materijal susceptora može da ima Kirijevu temperaturu koja je iznad maksimalne temperature do koje suseptor treba da bude zagrejan. Ovaj prvi materijal susceptora može biti optimizovan, na primer, u odnosu na maksimalno stvaranje toplote i prenos do supstrata koji daje aerosol kako bi se obezbedilo efikasno zagrevanje susceptora sa jedne strane. Međutim, susceptor može tada dodatno da sadrži drugi materijal sa Kirijevom temperaturom koja odgovara maksimalnoj temperaturi na koju susceptor treba da bude zagrejan, i kad susceptor dostigne Kirijevu temperaturu magnetne osobine susceptora kao celine se menjaju. Ova promena se može detektovati i dostaviti mikrokontroloru koji tada prekida stvaranje naizmenične struje sve dok temperatura ponovo ne spadne ispod Kirijeve temperature, posle čega se stvaranje naizmenične struje može nastaviti.

Većina kućišta uloška je poželjno kruto kućište koje sadrži materijal koji je nepropustljiv za tečnost. Kako je ove korišćeno „kruto kućište“ označava kućište koje je samonosivo.

Supstrat koji daje aerosol je supstrat sposoban da oslobađa isparljiva jedinjenja koja mogu da stvaraju aerosol. Isparljiva jedinjenja mogu da budu oslobođena zagrevanjem supstrata koji daje aerosol. Supstrat koji daje aerosol može da bude čvrst ili tečan ili da sadrži i čvrste i tečne komponente.

Supstrat koji daje aerosol može da sadrži materijal na biljnoj bazi. Supstrat koji daje aerosol može da sadrži duvan. Supstrat koji daje aerosol može da sadrži materijal koji sadrži duvan i koji sadrži isparljiva jedinjenja duvanske arome, koja se oslobađaju iz supstrata koji daje aerosol usled zagrevanja. Alternativno, supstrat koji daje aerosol može da sadrži materijal koji ne sadrži duvan. Supstrat koji daje aerosol može da sadrži homogenizovani materijal na biljnoj bazi. Supstrat koji daje aerosol može da sadrži homogenizovani duvanski materijal. Supstrat koji daje aerosol može da sadrži najmanje jedan stvarač aerosola. Stvarač aerosola može da bude bilo koje odgovarajuće poznato jedinjenje ili smeša jedinjenja, koje prilikom upotrebe, olakšava dobijanje gustog i stabilnog aerosola i koje je suštinski otporno na toplotnu razgradnju na radnoj temperaturi sistema. Odgovarajući stvarači aerosola su poznati u tehnici i uključuju, ali nisu ograničeni na: polihidrične alkohole, kao što su trietilen glikol, 1,3-butandiol i glicerin; estre polihidričnih alkohola, kao što su glicerol mono-, di- ili triacetat; i alifatične estre mono-, di- ili polikarboksilnih kiselina, kao što su dimetil dodekandioat i dimetil tetradekandioat. Poželjni stvarači aerosola su polihidrični alkoholi ili njihove smeše, kao što su trietilen glikol, 1,3-butandiol i, kao najpoželjniji, glicerin. Supstrat koji daje aerosol može da sadrži druge aditive i sastojke, kao što su arome.

Supstrat koji daje aerosol može da bude adsorbovan, obložen, impregniran ili na neki drugi način nanet na nosač ili podlogu. U jednom primeru, supstrat koji daje aerosol je tečni supstrat koji se drži u kapilarnom materijalu. Kapilarni materijal može da ima vlaknastu ili sunđerastu strukturu. Kapilarni materijal poželjno sadrži snop kapilara. Na primer, kapilarni materijal može da sadrži mnoštvo vlakana ili niti ili drugih cevčica sa finom šupljinom. Vlakna ili niti mogu uglavnom biti poravnati kako bi preneli tečnost do grejača. Alternativno, kapilarni materijal može da sadrži materijal nalik sunđeru ili peni. Struktura kapilarnog materijala formira mnoštvo malih šupljina ili cevi, kroz koje tečnost može kapilarnom akcijom da bude transportovana. Kapilarni materijal može da sadrži bilo koji odgovarajući materijal ili kombinaciju materijala. Primeri odgovarajućih materijala obuhvataju sunđerasti ili penasti materijal, keramičke ili materijale na bazi ugljenika u obliku vlakana ili sinterovanih prahova, penasti metalni ili plastični materijal, vlaknasti materijal, na primer napravljen od upredenih ili istisnutih vlakana, kao što su vlakna od acetilovane celuloze, poliester ili spojena poliolefin, polietilen, terilen ili polipropilen vlakna, najlonska vlakna ili keramike. Kapilarni materijal može da ima bilo koju odgovarajuću kapilarnost i poroznost tako da može da se koristi sa tečnostima sa različitim fizičkim svojstvima. Tečnost ima fizička svojstava, uključujući ali se ne ograničavajući na, viskoznost, površinski napon, gustinu, toplotnu provodljivost, tačku ključanja i pritisak pare, koja joj omogućavaju da bude transportovana kroz kapilarni materijal kapilarnom akcijom. Kapilarni materijal može biti konfigurisan tako da prenosi supstrat koji daje aerosol do susceptora. Kapilarni materijal može da se proteže u međuprostore susceptora.

Susceptor može biti obezbeđen na zidu kućišta uloška koje je konfigurisano tako da bude postavljeno pored indukcionog kalema kad je kućište uloška spojeno sa kućištem uređaja. U upotrebi, pogodno je imati susceptor blizu indukcionog kalema kako bi se uvećao napon indukovan u susceptoru.

U drugom aspektu, obezbeđen je električno zagrevani sistem za proizvodnju aerosola koji sadrži uređaj za proizvodnju aerosola i uložak prema prvom aspektu, uređaj koji sadrži:

kućište uređaja;

indukcioni kalem smešten u kućištu uređaja; i

napajanje povezano za indukcioni kalem i konfigurisano da obezbedi indukcionom kalemu oscilatornu struju visoke frekvencije; pri čemu, kod upotrebe, magnetno polje stvoreno indukcionim kalemom uzrokuje nastanak toplote u materijalu susceptora u ulošku.

Prolaz toka vazduha može biti obezbeđen između indukcionog kalema i susceptora kad je kućište uloška spojeno sa kućištem uređaja. Ispareni supstrat koji daje aerosol može biti povučen u protok vazduha u put protoka vazduha, da bi se zatim hladio kako bi stvorio aerosol.

Kućište uređaja može da definiše šupljinu za prihvat bar dela uloška kada je kućište uređaja spojeno sa kućištem uloška, pri čemu je indukcioni kalem smešten unutar, okolo ili pored šupljine. Indukcioni kalem može da bude postavljen izvan uloška kada se uložak prihvata u šupljinu. Indukcioni kalem može da okružuje uložak kada se uložak prihvata u šupljinu. Indukcioni kalem može biti oblikovan tako da bude prilagođen unutrašnjoj površini šupljine.

Alternativno, indukcioni kalem može da bude unutar šupljine kada se uložak prihvata u šupljinu. U nekim realizacijama, indukcioni kalem je unutar unutrašnjeg prolaza kada je kućište uloška spojeno sa kućištem uređaja.

Kućište uređaja može da sadrži glavno telo i usnik. Kućište može biti u glavnom telu i usnik može imati izlaz kroz koji aerosol stvoren sistemom može da bude povučen u usta korisnika. Indukcioni kalem može biti u usniku ili u glavnom telu.

Alternativno, deo usnika može biti deo uloška. Kako je ovde korišćeno, izraz usnik označava deo uređaja ili uloška koji se stavlja u usta korisnika kako bi direktno udisao aerosol stvoren sistemom za proizvodnju aerosola. Aerosol se prenosi u korisnikova usta kroz usnik

Uređaj može da sadrži jedan indukcioni kalem ili više indukcionih kalemova. Indukcioni kalem ili kalemovi mogu da budu spiralni kalemovi ili ravni spiralni kalemovi. Indukcioni kalem može da bude namotan oko feritnog jezgra. Kako se ovde koristi, „ravan spiralni kalem“ označava kalem koji je uglavnom planaran pri čemu osa uvijanja kalema je normalna na površinu na kojoj kalem leži. Međutim, izraz „ravan spiralni kalem“, kako se ovde koristi, pokriva kaleme koji su planarni i ravni spiralni kalemovi koji su oblikovani da se prilagode zakrivljenoj površini. Upotreba ravnog spiralnog kalema dopušta dizajniranje kompaktnog uređaja, sa jednostavnim dizajnom koji je robustan i nije skup za proizvodnju. Kalem se može držati u kućištu uređaja i ne treba da bude izložen stvorenom aerosolu tako da se talozi na kalemu i moguća korozija mogu sprečiti. Upotreba ravnog spiralnog kalema takođe omogućava jednostavnu graničnu površinu između uređaja i uloška, i tako čini mogućim jednostavan dizajn koji nije skup. Ravni spiralni induktor može bilo kakvog željenog oblika unutar ravni kalema. Na primer, ravni spiralni kalem može imati kružni oblik ili može imati uglavnom duguljasti oblik.

Indukcioni kalem može da ima oblik koji se poklapa sa oblikom susceptora. Kalem može imati prečnik između 5mm i 10mm.

Sistem može dalje da sadrži električno kolo povezano sa indukcionim kolom i električnim napajanjem. Električno kolo može da sadrži mikroprocesor, koji se može programirati, mikrokontrolor, ili integrisano kolo specifične namene (ASIC) ili drugo električno kolo koje može da obezbedi kontrolu. Električno kolo može da sadrži dodatne elektronske komponente. Električno kolo može biti podešeno da reguliše dovod struje do kalema. Struja se može dovoditi do indukcionog kalema neprekidno posle aktiviranja sistema ili se može dovoditi sa prekidima, na bazi razmaka između uvlačenja. Električno kolo može pogodno da sadrži DC/AC inverter, koji može da sadrži pojačivač snage klase D ili klase E.

Sistem pogodno sadrži napajanje, obično bateriju kao što je litijum gvožđe fosfat baterija, u glavnom delu kućišta. Alternativno, napajanje može da bude drugog oblika uređaja za čuvanje naboja kao što je kondenzator. Napajanje može da zahteva ponovno punjenje i može da ima kapacitet koji omogućava skladištenje energije koja je dovoljna za jedno ili više pušačkih iskustava. Na primer, napajanje može imati dovoljan kapacitet da omogući kontinualno stvaranje aerosola tokom perioda od oko šest minuta, što odgovara tipičnom vremenu potrebnom za pušenje konvencionalne cigarete, ili za period vremena koji je umnožak od šest minuta. U drugom primeru, napajanje može imati dovoljan kapacitet da omogući unapred određeni broj uvlačenja ili pojedinačnih aktivacija indukcionog kalema.

Sistem može da bude električni sistem za pušenje. Sistem može da bude ručni električni sistem za pušenje. Sistem za proizvodnju aerosola može da ima veličinu konvencionalne cigare ili cigarete. Sistem za pušenje može da ima ukupnu dužinu između približno 30 mm i približno 150 mm. Sistem za pušenje može da ima spoljni prečnik između približno 5 mm i približno 30mm.

Karakteristike opisane u vezi sa jednim aspektom otkrića mogu se takođe primeniti na njegove druge aspekte. Posebno pogodne ili opcionalne osobine koje su opisane u vezi sa prvim aspektom pronalaska mogu se primeniti na drugi aspekt pronalaska.

Sada će realizacije sistema u skladu sa pronalaskom da budu detaljno opisane, kao primeri, sa pozivanjem na priložene crteže, na kojima:

Crtež 1 predstavlja šematski prikaz prve relaizacije sistema za proizvodnju aerosola koji koristi ravan spiralni indukcioni kalem;

Crtež 2 prikazuje uložak sa crteža 1;

Crtež 3 prikazuje indukcioni kalem sa crteža 1;

Crtež 4 predstavlja šematski prikaz druge realizacije;

Crtež 5 predstavlja šematski prikaz treće realizacije;

Crtež 6 je pogled na kraj uloška sa crteža 5;

Crtež 7 prikazuje indukcioni kalem i jezgro sa crteža 5;

Crtež 8A je prvi primer pogonskog kola za stvaranje visokofrekventnog signala za indukcioni kalem; i

Crtež 8B je drugi primer pogonskog kola za stvaranje visokofrekventnog signala za indukcioni kalem.

Sve realizacije prikazane na crtežima odnose se na indukciono zagrevanje. Indukciono zagrevanje radi tako što se element koji provodi elektricitet stavi da se zagreva u vremenski promenljivom magnetnom polju. U provodljivom elementu indukuju se vrtložne struje. Ako je provodljivi element električno izolovan vrtložne struje se rasipaju Džulovim zagrevanjem provodljivog elementa. U sistemu za proizvodnju aerosola koji radi tako što se zagreva supstrat koji daje aerosol, sam supstrat koji daje aerosol obično nema dovoljnu električnu provodljivost da bi se indukciono zagrevao na taj način. Tako u realizacijama prikazanim na crtežima susceptor je upotrebljen kao provodljivi element koji je zagrevan i tada se supstrat koji daje aerosol zagreva susceptorom provođenjem toplote, prenosom i/ili zračenjem. Ako je upotrebljen feromagnetni susceptor, toplota može takođe da bude stvorena histerezisnim gubicima pošto su magnetni domeni uključeni u susceptoru.

Realizacije su opisale svaku upotrebu indukcionog kalema za stvaranje vremenski promenljivog magnetnog polja. Indukcioni kalem je dizajniran tako da on nije izložen značajnom Džulovom zagrevanju. Nasuprot tome susceptor je dizajniran tako da postoji značajno Džulovo zagrevanje susceptora.

Crtež 1 je šematski prikaz sistema za proizvodnju aerosola u skladu sa prvom realizacijom. Sistem sadrži uređaj 100 i uložak 200. Uređaj obuhvata glavno kućište 101 koje sadrži litijum gvožđe fosfat bateriju 102 i kontrolnu elektroniku 104. Glavno kućište 101 takođe definiše šupljinu 112 u kojoj se prihvata uložak 200. Uređaj takođe obuhvata usnik 120 koji uključuje izlaz 124. Usnik je povezan sa glavnim kućištem 101 zglobnom vezom u ovom primeru, ali može se upotrebiti bilo kakva veza, kao što su kopče ili priključci. Ulazi 122 za vazduh su definisani između usnika 120 i glavnog tela 101 kad je usnik u zatvorenom položaju, kako je prikazano na crtežu 1.

Unutar kućišta uređaja, u zidovima šupljine 112, su ravni spiralni indukcioni kalemovi 110. Kalemovi 110 su načinjeni utiskivanjem ili sečenjem spiralnog kalema od lista bakra. Jedan od kalemova 110 je jasnije prikazan na Crtežu 3. Ukoliko kućište uređaja ima uobičajeni kružni poprečni presek, kalemovi 110 mogu da budu oblikovani da se prilagode zakrivljenom obliku kućišta uređaja. Kalemovi 110 su smešteni na jednoj od strana šupljine i proizvode magnetno polje koje se proteže unutar šupljine.

Uložak 200 sadrži kućište 204 uloška koje drži kapilarni materijal i ispunjen je tečnim supstratom koji daje aerosol. Uložak 200 sa Crteža 1 ima oblik šupljeg cilindra što je jasnije prikazano na Crtežu 2. Kućište 204 uloška je najčešće nepropusno za tečnost. Unutrašnja površina 212 uloška 200, tj., površina koja okružuje unutrašnji prolaz 216, sadrži susceptor 210 propustljiv za tečnost, i ovom slučaju feritnu mrežu. Feritna mreža može da obloži čitavu unutrašnju površinu uloška ili samo deo unutrašnje površine uloška kao što je prikazano na Crtežu 1. Supstrat koji daje aerosol može da gradi meniskus u međuprostorima mreža. Drugi izbor za susceptor je grafitna tkanina koja ima otvorenu mrežastu strukturu.

Kad je uložak 200 spojen sa uređajem i prihvaćen u šupljini 112, susceptor 210 je postavljen unutar magnetnog polja stvorenog ravnim spiralnim kalemovima 110. Uložak 200 može da ima modulirane oblike kako bi se osiguralo da ne može biti ubačen u uređaj naopako.

U upotrebi, korisnik uvlači na usniku 120 da bi povukao vazduh kroz ulaz 164 za vazduh kroz centralni prolaz uloška, pored susceptora 262, u usnik 120 i iz izlaza 124 u usta korisnika. Kad je uvlačenje detektovano, komtrolna elektronika obezbeđuje visokfrekventnu oscilatornu struju do kalema 110. Ovo stvara oscilatorno magnetno polje. Oscilatorno magnetno polje prolazi kroz susceptor, izazivajući vrtložne struje u susceptoru. Susceptor se zagreva kao posledica Džulovog zagrevanja i histerezisnih gubitaka u susceptoru, i dostiže temperaturu koja je dovoljna da ispari supstrat koji daje aerosol u blizini susceptora. Ispareni supstrat koji daje aerosol je povučen u tok vazduha iz ulaza za vazduh do izlaza za vazduh, kroz prolaz 216 i hladi se kako bi se stvorio aerosol unutar usnika pre nego što uđe u usta korisnika. Kontrolna elektronika dovodi oscilatornu struju do kalema tokom unapred određenog perioda vremena, u ovom primeru pet sekundi, posle detekcije uvlačenja i zatim prekida struju dok se ne detektuje novo uvlačenje.

Može se videti da je uložak jednostavnog i robustnog dizajna, čija proizvodnja nije skupa u poređenju sa kartomizerima koji su raspoloživi na tržištu. Upotreba šupljeg uloška omogućava kraću sveukupnu dužinu sistema, pošto se para hladi unutar praznog prostora koji definiše uložak.

Crtež 4 prikazuje drugu realizaciju. Samo prednji kraj sistema je prikazan na crtežu 4, pošto se može upotrebiti ista baterija i elektronika kao što je prikazano na crtežu 1, uključujući mehanizam za detekciju uvlačenja. Uložak 200 prikazan na crtežu 4 je identičan onome prikazanom na crtežu 1. Međutim uređaj sa crteža 4 ima različitu konfiguraciju koja uključuje ravan spiralni indukcioni kalem 132 na potpornoj oštrici 136 koja se pruža u centralni prolaz 216 uloška kako bi se stvorilo oscilatorno magnetno polje blizu susceptora 210. Izvršenje realizacije sa crteža 4 je isto kao one sa crteža 1.

Crtež 5 prikazuje treću realizaciju. Samo prednji kraj sistema je prikazan na crtežu 5, pošto se može upotrebiti ista baterija i elektronika kao što je prikazano na crtežu 1, uključujući mehanizam za detekciju uvlačenja.

Uređaj sa crteža 5 je sličan uređaju sa crteža 1 u tome što kućište 150 uređaja definiše šupljinu u koju se prihvata uložak 250. Uređaj takođe obuhvata usnik 120 koji uključuje izlaz 124. Usnik je povezan za glavno kućište 101 šarkama kao na crtežu 1. Ulazi 154 za vazduh su definisani na glavnom delu 150. U osnovi šupljine postoji spiralni kalem 152 namotan na feritno jezgro 153 C-oblika. Jezgro C-oblika je orijentisano tako da se magnetno polje stvoreno kalemom 152 proteže u šupljinu. Crtež 7 prikazuje sam sklop jezgra i kalema, sa šemom magnetnog polja prikazanom tačkastom linijom.

IUložak sa crteža 5 prikazan je sa kraja na crtežu 6. Kućište uloška 250 ima cilindrični oblik sa centralnim prolazom 256 kroz njega, kao što je prikazano na crtežima 1 i 2. Supstrat koji daje aerosol se drži u prstenastom prostoru koji okružuje centralni prolaz, i, kao i ranije, može se držati u kapilarnom elementu unutar kućišta 250. Kapilarni fitilj 252 je obezbeđen na jednom kraju uloška, obuhvatajući centralni prolaz 256. Kapilarni fitilj 252 je načinjen od feritnih vlakana i deluje i kao fitilj za supstrat koji daje aerosol i kao susceptor koji se indukciono zagreva kalemom 152.

U upotrebi, supstrat koji daje aerosol se uvlači u feritni fitilj 252. Kad je uvlačenje detektovano, kalem 152 je aktiviran i proizvedeno je oscilatorno magnetno polje. Fluks promenljivog magnetnog polja kroz fitilj izaziva vrtložne struje u fitilju i histerezisne gubitke, što dovodi do zagrevanja, i isparavanja supstrata koji daje aerosol u fitilju. Ispareni supstrat koji daje aerosol je uveden u vazduh tako što je povučen kroz sistem od ulaza 154 za vazduh do izlaza 124 uvlačenjem korisnika na usniku. Protok vazduha kroz unutrašnji prolaz 256, koji služi kao komora za stvaranje aerosola, hladi vazduh i paru kako ona prolazi do izlaza 124.

Sve opisane realizacije mogu se izvesti u suštini istim elektronskim kolom 104. Crtež 8a prikazuje prvi primer elektronskog kola upotrebljenog da obezbedi visokofrekventnu oscilatornu struju indukcionom kalemu, upotrebom pojačivača klase E. Kao što može da se vidi na crtežu 8A, kolo sadrži pojačivač snage klase E koji sadrži tranzistorski prekidač 1100 koji sadrži tranzistor 1110 sa efektom polja (FET), na primer metaloksidni poluprovodnik-tranzistor sa efektom polja (MOSFET), napojno kolo tranzistorskog prekidača označeno strelicom 1120 za snabdevanje FET-a 1110 prekidnim

1

signalom (napon kapija-izvor), i LC mrežu 1130 koja sadrži šant kondenzator C1 i rednu vezu kondenzatora C2 i induktora L2. Izvor jednosmerne struje, koji sadrži bateriju 101, uključuje prigušnicu L1, i isporučuje jednosmerno napajanje. Takođe na crtežu 16A je prikazan omski otpor R koji predstavlja ukupno omsko opterećenje 1140, koje je zbir omskog otpora RKalemindukcionog kalema, označenog sa L2, i omskog otpora ROpterećenjesusceptora.

Usled vrlo malog broja komponenti zapremina elektronike napajanja može da bude izuzetno mala. Ova izuzetno mala zapremina elektronike napajanja je moguća zato što se induktor L2 LC mreže 1130 direktno koristi kao induktor za induktivno spajanje sa susceptorom, i ova mala zapremina omogućava zadržavanje malih sveukupnih dimenzija celog indukcionog grejnog uređaja.

Iako je opšti princip rada pojačivača snage klase E poznat i detaljno opisan u već pomenutom članku „Class-E RF PowerAmplifiers”, autor Nathan O. Sokal, objavljenom u dvomesečnom časopisu QEX, izdanje januar/februar 2001, strane 9-20, American Radio Relay League (ARRL), Newington, CT, U.S.A., neki osnovni principi će sada biti objašnjeni.

Pretpostavimo da napojno kolo 1120 tranzistorskog prekidača snabdeva FET 1110 prekidnim naponom (gejt-sors napon FET-a) koji ima pravougaoni profil. Sve dok FET 1321 provodi (stanje „uključeno”), on suštinski obrazuje kratak spoj (mali otpor) i sva struja teče kroz prigušnicu L1 i FET 1110. Kad FET 1110 ne provodi (isključeno stanje), sva struja teče u LC mrežu s obzirom da FET 1110 suštinski predstavlja otvoreno kolo (visok otpor). Prebacivanje tranzistora između ta dva stanja pretvara isporučeni jednosmerni napon i jednosmernu struju u naizmenični napon i naizmeničnu struju.

Za efikasno zagrevanje susceptora treba što je moguće veću količinu isporučene jednosmerne snage preneti u obliku naizmenične snage na induktor L2 i potom na susceptor koji je induktivno spojen sa induktorom L2. Snaga rasuta u susceptoru (gubici usled vrtložne struje, histerezisni gubici) proizvodi toplotu u susceptoru, kao što je prethodno detaljnije opisano. Drugim rečima, rasipanje snage u FET-u 1110 mora da se maksimalno smanji dok se rasipanje snage u susceptoru maksimalno povećava.

Rasipanje snage u FET-u 1110 u toku jednog perioda naizmeničnog napona/struje je određeni integral uprosečenog, za dati period, proizvoda napona i struje tranzistora u svakom trenutku tokom datog perioda naizmeničnog napona/struje. S obzirom da FET 1110 mora da izdrži visok napon u toku dela datog perioda i provede jaku struju u toku dela datog perioda, treba da bude izbegnuto istovremeno postojanje visokog napona i jake struje, pošto bi to dovelo do značajnog rasipanja snage u FET-u 1110. U uključenom stanju FET-a 1110, napon tranzistora je približno nula kad jaka struja teče kroz FET. U isključenom stanju FET-a 1110, napon tranzistora je visok, ali struja kroz FET 1110 je približno nula.

Prelazno stanje takođe neizbežno traje neki delić datog perioda. Ipak, proizvod visokog napona i jake struje koji predstavlja veliki gubitak snage u FET-u 1110 može da bude izbegnut sledećim dodatnim merama. Prvo, rast napona tranzistora se odlaže dok se struja kroz tranzistor ne smanji na nulu. Drugo, napon tranzistora se vraća na nulu pre nego što struja kroz tranzistor počne da raste. Ovo se postiže mrežom 1130 za lokalnu kontrolu opterećenja koja sadrži šant kondenzator C1 i rednu vezu kondenzatora C2 i induktora L2, ova mreža za lokalnu kontrolu opterećenja je mreža između FET 1110 i opterećenja 1140. Treće, napon tranzistora u vremenu uključenosti je praktično nula (za bipolarni tranzistor „BJT” on je pomereni (ofset) napon zasićenjaVo). Uključivanje tranzistora ne prazni napunjen šant kondenzator C1, na taj način izbegavajući rasipanje energije prikupljene u šant kondenzatoru. Četvrto, nagib napona tranzistora je nula u vremenu uključenosti. Potom, struja ubrizgana mrežom za lokalnu kontrolu opterećenja pri uključivanju tranzistora glatko raste od nule kontrolisanim umerenim tempom, što dovodi do malog rasipanja snage dok provodljivost tranzistora raste od nule u toku prelaska u uključeno stanje. Kao rezultat, napon i struja tranzistora nikad nisu istovremeno veliki. Prelazni napon i struja su međusobno vremenski razdvojeni. Vrednosti za L1, C1 i C2 mogu se odabrati tako da uvećaju efikasno rasipanje snage u susceptoru.

Iako je pojačivač klase E poželjan za većinu sistema u skladu sa pronalaskom, takođe je moguće upotrebiti druge sklopove struje. Crtež 8B prikazuje drugi primer kola upotrebljenog da se obezbedi visokofrekventna oscilatorna struja za indukcioni kalem, upotrebom pojačivača klase D. Kolo sa crteža 8B sadrži bateriju 101 povezanu sa dva tranzistora 1210, 1212. Prekidači 1220, 1222 su obezbeđeni za uključivanje i isključivanje dva tranzistora 1210, 1212. Prekidači su kontrolisani visokom frekvencijom na način da osiguraju da je jedan od dva tranzistora 1210, 1212 isključen u vreme kad je drugi od dva tranzistora uključen. Indukcioni kalem je opet označen sa L2 i kombinovani omski otpor kalema i susceptora označeni sa R vrednosti C1 i C2 mogu biti izabrane da uvećaju efikasnost rasipanja snage u susceptoru.

Susceptor može biti načinjen od materijala ili kombinacije materijala koji imaju Kirijevu temperaturu koja je blizu željene temperature na koju se susceptor treba da zagreva. Kad temperatura susceptora pređe Kirijevu temperaturu, materija menja magnetne osobine u paramagnetne osobine. Prema tome, rasipanje energije u susceptoru je značajno smanjeno pošto su histerezisni gubici materijala koji ima paramagnetne osobine mnogo manji nego što su oni materijala koji imaju feromagnetne osobine. Ovo smanjenje rasipanja snage u susceptoru može biti detektovano i, na primer, stvaranje naizmenične struje pomoću strujnog invertera može biti prekinuto dok se susceptor ne ohladi do temperature niže od Kirijeve temperature i ponovo povrati svoje feromagnetne osobine. Stvaranje naizmenične struje pomoću strujnog invertera može biti ponovo nastavljeno.

Druge dizajne uloška u koje je ugrađen susceptor u skladu sa ovim pronalaskom može da osmisli prosečni stručnjak u ovoj oblasti. Na primer, uložak može da uključuje usnik i može da ima bilo koji željeni oblik. Osim toga, postavka kalema i susceptora u skladu sa pronalaskom može biti upotrebljena u sistemima drugih tipova od onih koji su ovde opisani, kao što su ovlaživači, osveživači vazduha, i drugi sistemi za stvaranje aerosola.

Primeri prethodno opisanih realizacija ilustruju ali ne ograničavaju. U pogledu prethodno razmotrenih primera realizacija, druge realizacije u skladu sa prethodnim primerima realizacija će sad biti očigledne prosečnom stručnjaku u tehnici.

1

Claims (14)

Patentni zahtevi

1. Uložak (200) za upotrebu u električno zagrevanom sistemu za proizvodnju aerosola, električno zagrevani sistem za proizvodnju aerosola koji sadrži uređaj (100) za proizvodnju aerosola, uložak konfigurisan da se koristi sa uređajem, pri čemu uređaj (100) sadrži kućište (101); indukcioni kalem (110) postavljen u kućištu uređaja; i napajanje (102) povezano sa indukcionim kalemom i podešeno da daje visokofrekventnu oscilatornu struju indukcionom kalemu (110); uložak (200) koji sadrži kućište (204) uređaja koje sadrži supstrat koji daje aerosol, kućište (204) ima unutrašnju površinu (212) koja okružuje unutrašnji prolaz (216) kroz koji vazduh može da teče; i susceptor (210) postavljen da zagreva supstrat koji daje aerosol, pri čemu se supstrat koji daje aerosol drži u prstenastom prostoru koji okružuje unutrašnji prolaz (216).

2. Uložak u skladu sa zahtevom 1, naznačen time što je bar deo unutrašnje površine kućišta uloška propustljiv za tečnost.

3. Uložak u skladu sa zahtevom 1 ili 2, naznačen time što susceptor (210) formira deo ili celu unutrašnju površinu.

4. Uložak u skladu sa bilo kojim prethodnim zahtevom, naznačen time što susceptor (210) sadrži mrežu, ravni spiralni kalem, unutrašnju foliju, vlakna, tkaninu ili štapić.

5. Uložak u skladu sa bilo kojim prethodnim zahtevom, naznačen time što je susceptor (210) propustljiv za tečnost.

6. Uložak u skladu sa bilo kojim prethodnim zahtevom, naznačen time što je susceptor (210) obezbeđen kao list koji se prostire preko otvora u kućištu uloška.

7. Uložak u skladu sa bilo kojim prethodnim zahtevom, naznačen time što susceptor (210) sadrži fitilj (252) koji se prostire preko unutrašnjeg prolaza.

8. Uložak u skladu sa bilo kojim prethodnim zahtevom, naznačen time što uložak (200) sadrži kapilarni element unutar kućišta podešen da prenosi supstrat koji daje aerosol do susceptora (210).

9. Električno zagrevani sistem za proizvodnju aerosola koji sadrži uređaj (100) za proizvodnju aerosola i uložak (200) u skladu sa bilo kojim prethodnim zahtevom, uređaj koji sadrži:

kućište (101) uređaja;

indukcioni kalem (110) smešten u kućištu uređaja; i

napajanje (102) povezano sa indukcionim kalemom i podešeno da snabdeva indukcionin kalem (110) visoko frekventnom oscilatornom strujom; naznačeno time što, pri upotrebi, magnetno polje koje stvara indukcioni kalem uzrokuje nastanak toplote u materijalu susceptora u ulošku.

10. Električno zagrevani sistem za proizvodnju aerosola u skladu sa zahtevom 9, naznačen time što kućište (101) uređaja ima šupljinu (112) za prihvat bar dela uloška (200), i što je indukcioni kalem (110) smešten unutar, okolo ili odmah pored šupljine.

11. Električno zagrevani sistem za proizvodnju aerosola u skladu sa zahtevom 9 ili 10, naznačen time što je indukcioni kalem (110) smešten izvan uloška (200) kada se uložak prima u šupljinu (112).

12. Električno zagrevani sistem za proizvodnju aerosola u skladu sa zahtevom 11, naznačen time što indukcioni kalem (110) okružuje uložak (200) kada se uložak prima u šupljinu (112).

13. Električno zagrevani sistem za proizvodnju aerosola u skladu sa bilo kojim od zahteva 9 do 12, naznačen time što je indukcioni kalem (110) unutar unutrašnjeg prolaza kada se uložak (200) prima u šupljinu (112).

14. Električno zagrevani sistem za proizvodnju aerosola u skladu sa bilo kojim od zahteva 9 do 13, naznačen time što je sistem ručni sistem za pušenje.

1