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TW201600031A - 包含平面感應線圈之氣溶膠產生系統 - Google Patents

包含平面感應線圈之氣溶膠產生系統 Download PDF

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TW201600031A
TW201600031A TW104114848A TW104114848A TW201600031A TW 201600031 A TW201600031 A TW 201600031A TW 104114848 A TW104114848 A TW 104114848A TW 104114848 A TW104114848 A TW 104114848A TW 201600031 A TW201600031 A TW 201600031A
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歐樂格 米羅諾
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菲利浦莫里斯製品股份有限公司
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Abstract

本發明係關於一種電熱式氣溶膠產生系統，其包含氣溶膠產生裝置及構造成以連同該裝置一起使用之料匣，該裝置包含：裝置外殼、扁平螺旋感應線圈及連接至該扁平螺旋感應線圈且構造成以向該扁平螺旋感應線圈提供高頻振盪電流的電源；該料匣包含：含氣溶膠形成基材且構造成以與該裝置外殼嚙合之料匣外殼；及經設置以加熱氣溶膠形成基材之感受器元件。 在操作時，高頻振盪電流穿過扁平螺旋感應器線圈以於感受器元件中產生熱量。

Description

包含平面感應線圈之氣溶膠產生系統
本發明係關於一種藉由加熱氣溶膠形成基材而運作之氣溶膠產生系統。本發明尤其關於一種氣溶膠產生系統，其包含一個含電源之裝置部分及一個包含可消耗氣溶膠形成基材之可替換料匣部分。
一種類型之氣溶膠產生系統為電子香煙。電子香煙通常使用液體氣溶膠形成基材，其氣化而形成氣溶膠。電子香煙通常包含電源、用於維持液體氣溶膠形成基材的供應之液體儲存部分及霧化器(atomiser)。
液體氣溶膠形成基材在使用中被耗盡且需更替。提供液體氣溶膠形成基材之續填料之最常見方式是使用霧化裝置(cartomiser)類型之料匣。霧化裝置同時包含液體基材之供應及霧化器，其形式通常為圍繞在浸入氣溶膠形成基材中之毛細材料的電性操作之阻抗加熱器。將霧化裝置作為單獨單元更換之優勢在於對使用者更便利，且使用者無須清潔霧化器或對霧化器作其他維護。
然而，仍希望能夠提供一種系統，其既允許續填之氣溶膠形成基材較今已市售之霧化裝置生產成本更低、品質更穩固，同時亦便於消費者使用。此外，還希望提供一種系統其無須焊接點從而使密封裝置易於清潔。
在第一態樣中，提供一種電熱式氣溶膠產生系統，其包含氣溶膠產生裝置及以連同該裝置一起使用之料匣，該裝置包含：一裝置外殼；一扁平螺旋感應器線圈；及一個連接至該扁平螺旋感應器線圈且構造成以向該扁平螺旋感應器線圈提供高頻振盪電流的電源；該料匣包含：一個含氣溶膠形成基材且構造成以與該裝置外殼嚙合之料匣外殼；及經放置以加熱氣溶膠形成基材之感受器元件。
在操作中，高頻振盪電流穿過扁平螺旋感應器線圈而產生一交變磁場，該交變磁場於該感受器元件中誘發一電壓。該誘發電壓使電流於感受器元件中流動，且此電流使感受器元件之焦耳加熱交替加熱氣溶膠形成基材。若感受器元件為鐵磁性的，則感受器元件中之磁滯損失亦可產生熱量。
如本文中所使用，術語「扁平螺旋線圈」是指基本呈平面線圈之一線圈，其中該線圈之繞線軸垂直 於線圈所在表面。在一些實施例中，扁平螺旋線圈可為平面的意義是其位於扁平歐幾裡德(Euclidean)平面上。然而，如本文中所使用，術語「扁平螺旋線圈」涵蓋形狀符合曲面或其他三維表面之線圈。例如，可使扁平螺旋線圈之形狀符合裝置之圓柱形外殼或腔體。於是扁平螺旋線圈可稱為平坦但符合圓柱形平面，且線圈之繞線軸在線圈中心垂直於圓柱形平面。若扁平螺旋線圈符合圓柱形平面或非歐幾裡德平面，較佳地，扁平螺旋線圈所在平面在扁平螺旋線圈之區域中之曲率半徑大於扁平螺旋線圈之直徑。當扁平螺旋線圈彎曲(例如符合圓柱形或其他形狀外殼)時，感受器元件需具有互補之形狀，以使扁平螺旋線圈與感受器之間的距離在整個感受器元件範圍內基本上一致。較佳地，感受器元件與扁平螺旋線圈之間的最小距離在0.5mm至1mm之間，尤其是在扁平螺旋線圈與感受器之間有氣流路徑之實施例中。
在本說明書中，高頻振盪電流意指頻率在500kHz至30MHz之間的振盪電流。高頻振盪電流之頻率可在1至30MHz之間、較佳在1至10MHz之間、更佳在5至7MHz之間。
本說明書中，「感受器元件」意指當曝露至變動磁場中時會變熱之傳導元件。此可為感受器元件誘發之渦電流及/或磁滯損失之結果。感受器元件之可能材料包括石墨、鉬、碳化矽、不鏽鋼、鈮、鋁及實質上任何其他傳導元件。有利地，感受器元件為鐵氧體(ferrite)元件。感受器元件之材料及幾何形狀可經選定以提供所需之電阻及熱量產生。
使用感應加熱之此配置之優點在於，料匣與裝置之間無需形成電觸點。且加熱元件(在此情形下為感受器元件)不需電連接至任何其他組件，從而亦無需焊接點或其他連接元件。此外，線圈被提供作為裝置之部分，使得有可能建構簡單、廉價且穩固之料匣。料匣通常為生產量遠大於一起使用之裝置的可拋棄式物件。相應地，降低料匣成本(即使需要更為昂貴之裝置)可為生產者及消費者顯著節省成本。
此外，使用感應加熱而非線圈設計還提供更好之能量轉換，因為感應加熱系統中不存在與線圈相關之功率損失，尤其是因線圈與裝置之電力傳送系統間之連接處之接觸電阻導致的損失。為了運作，線圈或永久性地或可替換地經由裝置內之導線而連接至電源。即使是改良之自動化生產技術，線圈系統通常於產生寄生損失之導線處具有接觸電阻。可替換線圈裝置亦遭受薄膜或其他材料之堆積的問題，其增加可替換料匣之接觸點與裝置導線之間的接觸電阻。相反，感應加熱系統無需加熱元件與裝置導線之間的接觸，從而不會遭受基於線圈之裝置中存在的接觸電阻的問題。
使用扁平螺旋線圈使裝置之設計既簡潔緊湊、又穩固且製造價格低廉。線圈可固定於裝置外殼內，且無須曝露於所產生之氣溶膠中，從而可避免線圈上之沉積物及腐蝕且使裝置之清潔更為容易。使用扁平螺旋線圈亦可使裝置與料匣間之介面更簡單，從而使料匣設計變得簡單且價格低廉。
裝置外殼可包含用於收容至少一部分料匣之腔室，該腔室具有一內表面。扁平螺旋感應器線圈可置於最接近該電源之腔室表面上或鄰近該腔室表面。扁平螺旋線圈之形狀可符合腔室之內表面。
裝置外殼可包含一主體及一嘴部。腔室可在主體內，且嘴部可具有一出口以供系統產生之氣溶膠可經其吸入使用者口中，扁平螺旋感應器線圈可位於嘴部或主體中。
或者，嘴部可作為料匣之部分。如本文中所使用，術語「嘴部」意指置於使用者口中以便直接吸入由氣溶膠產生系統所產生之氣溶膠的裝置或料匣之一部分。氣溶膠經由嘴部輸送至使用者口中。
系統可包含一條自空氣入口延伸至空氣出口的空氣路徑。其中，空氣路徑穿過扁平螺旋感應器。允許經過系統之氣流穿過線圈，可獲得小巧緊湊之系統。
系統可包含複數個感應器線圈，其中一些或全部可為扁平螺旋線圈。例如，在一可能架構中，系統可包含兩個扁平螺旋線圈，其置於裝置外殼中一腔室(其中收容料匣)之相對兩邊上。
扁平螺旋感應器可為線圈平面內之任何所需形狀。例如，扁平螺旋線圈可具有圓形之形狀或可具有大致橢圓之形狀。線圈可具有在5mm至10mm之間的直徑。
料匣可具有簡單設計。料匣具有一外殼，供氣溶膠形成基材固持於其中。料匣外殼較佳為包含液體 不可滲透材料之剛性外殼。如本文中所使用，術語「剛性外殼」意指自支撐之外殼。
氣溶膠形成基材為能夠釋放可形成氣溶膠之揮發性化合物之基材。此等揮發性化合物可藉由加熱氣溶膠形成基材來釋放。氣溶膠形成基材可為固體或液體，或包含固體組份及液體組份兩者。
氣溶膠形成基材可包含基於植物之材料。氣溶膠形成基材可包含菸草。氣溶膠形成基材可包含一含菸草之材料，其含有在受熱後自氣溶膠形成基材釋放之揮發性菸草香味化合物。或者，氣溶膠形成基材可包含一非菸草材料。氣溶膠形成基材可包含均質化之基於植物之材料。或者，氣溶膠形成基材可包含均質化菸草材料。氣溶膠形成基材可包含至少一個氣溶膠形成物。氣溶膠形成物可為任何適當之已知化合物或化合物之混合物，其在使用中有利於形成稠密且穩定之氣溶膠，且大幅防止系統之操作溫度下之熱降解。該項技術中熟知的適當氣溶膠形成物包括但不限於：多元醇，如三甘醇、1,3-丁二醇及甘油；多元醇之酯，如一、二或三醋酸甘油酯；及一、二或多羧酸之脂族酯，如十二烷二酸二甲酯及十四烷二酸二甲酯。尤佳之氣溶膠形成物為多元醇或其混合物，如三甘醇、1,3-丁二醇，最佳為甘油。氣溶膠形成基材可包含其他添加物及組份，例如芳香物。
氣溶膠形成基材可吸附、塗布、浸漬或以其他方式加載至載體或支撐件上。在一實例中，氣溶膠形成基材為保持於毛細材料(capillary material)中之液體 材料。毛細材料可具有纖維狀或海綿狀結構。毛細材料較佳包含一束毛細管。例如，毛細材料可包含複數個纖維或絲線或其他精細通孔管。纖維或絲線可大致對齊，以輸送液體至加熱器。或者，毛細材料可包含海綿狀或泡沫狀材料。毛細材料之結構形成複數個微小通孔或管，以供毛細作用傳輸之液體通過。毛細材料可包含任何合適之元素或材料組合。合適之材料舉例而言有海綿或泡沫材料、基於陶瓷或石墨之纖維形式或燒結粉末形式之材料、發泡金屬或塑膠材料、纖維材料例如由紡織或擠壓纖維製成，如醋酸纖維素、聚酯或黏合之聚烯烴、聚乙烯、聚酯纖維或聚丙烯纖維、尼龍纖維或陶瓷。毛細材料可具有任何合適之毛細性及多孔性，以便配合不同液體物理特性使用。液體具有之物理特性包括但不限於：黏度、表面張力、濃度、導熱性、沸點及氣壓，其允許液體因毛細作用而傳輸穿過毛細材料。毛細材料可構造成輸送氣溶膠形成基材至感受器元件。
感受器元件可與氣溶膠形成基材接觸。或者，感受器元件可與氣溶膠形成基材分隔開但位置可靠近氣溶膠形成基材以加熱氣溶膠形成基材。
感受器元件可位於料匣外殼之壁上，其中該壁構造成以當料匣外殼與裝置外殼嚙合時位置接近扁平螺旋感應器線圈。在使用時，感受器元件靠近扁平螺旋線圈是有利的，從而使感受器元件中誘發之電壓最大化。
當料匣外殼與裝置外殼嚙合時，扁平螺旋感應器線圈與感受器元件之間可提供一氣流通道。氣化之 氣溶膠形成基材可傳輸於氣流通道中所流動之空氣中，繼而冷卻以形成氣溶膠。
感受器元件可包含網格(mesh)、扁平螺旋線圈、內部箔片、纖維、織物或條桿。感受器元件可為液體可滲透，以使液體氣溶膠形成基材或氣化之氣溶膠形成基材可穿過感受器。
儘管毛細材料被用於料匣中，毛細材料亦可延伸至感受器中之間隙中，例如當感受器採用一網格或絲狀體(filament)陣列之形式時。感受器元件可提供為薄片形式且可延伸跨越料匣外殼中一開口。或者，感受器元件可連同氣溶膠形成基材一起嵌入。
感受器元件可包含一毛細材料。感受器可包含一毛細滲芯，其延伸跨越一條穿過系統之空氣路徑。
有利地，感受器元件具有1至40000之間的相對磁導率。儘管希望大部分的加熱仰賴於渦電流，然而亦可使用更低磁導率材料，且當需要磁滯效應時則可使用更高磁導率材料。較佳地，材料具有500至40000之間的相對磁導率。此舉可實現有效加熱。
感受器元件之材料之選取可緣於其居里溫度。材料在其居里溫度之上不再為鐵磁性的，因此因磁滯損失導致之加熱不再發生。在感應器元件由單一材料構成之情形下，居里溫度可對應於感受器元件應有之最大溫度(意即居里溫度等於感受器元件應受熱所至之最大溫度或居里溫度偏離此最大溫度約1-3%)。此點可降低迅速過熱的可能性。
若感受器元件是由超過一種的材料所製成，感受器元件之材料在其他方面可最佳化。例如，可對材料加以選擇以使感受器元件之第一材料之居里溫度在感受器元件應受熱所至之最大溫度以上。一方面，感受器元件之第一材料於是在(例如)最大熱量產生及傳遞到氣溶膠形成基材之最大熱量方面可最佳化，以提供感受器的有效加熱。然而，此外，感受器元件於是可包含具有居里溫度對應於感受器應受熱所至最大溫度之第二材料，且一旦感受器元件達到此居里溫度，感受器元件之磁性特性完全改變。此變化可被偵測到並傳達至一微控制器，該微控制器則中斷AC電力之產生直至溫度重新降至居里溫度以下，由此方可恢復AC電力產生。
該系統可為電操作吸煙系統。該系統可為手持式氣溶膠產生系統。該氣溶膠產生系統可具有與習知雪茄或香菸相當之尺寸。該吸煙系統可具有在約30毫米與約150毫米之間的總長度。該吸煙系統可具有在約5毫米與約30毫米之間的外徑。
該系統可進一步包含一連接至感應器線圈及連接至電力源之電路。該電路可包含一微處理器(可為可程式化微處理器)、微控器或特殊應用積體晶片(ASIC)或其他能夠提供控制作用之電路。該電路可進一步包含電子組件。該電路可構造成以調節扁平螺旋線圈之電流供應。隨著系統之啟動，電流可連續不斷地供應至扁平螺旋線圈元件，或可間斷地供應例如基於逐口抽吸(puff by puff)。電路可有利地包含DC/AC反相器，其可包含一D級或E級功率放大器。
系統有利地包含一位於外殼主體內之電源，通常為一電池，例如磷酸鋰鐵電池。或者，電源可為另一種電荷儲存裝置之形式例如電容器。電源可能需要再充電且其容量可提供一或多次使用者操作之充足能量存儲，例如一或多次吸煙體驗。例如，電源之容量足以提供約六分鐘之期間(此期間對應於吸完一支習知香菸所需之常見時間)、或六分鐘的複數倍期間內之連續氣溶膠產生。另一實例中，電源之容量可足以提供預定之抽吸次數或扁平螺旋線圈之間斷啟動次數。
第二態樣中，提供一種電熱式氣溶膠產生裝置，其包含：一裝置外殼，其界定一個用於收容至少一部分料匣之腔室，該料匣包含：一個含氣溶膠形成基材之外殼；及一個與氣溶膠形成基材相接觸之感受器元件，該腔室具有一內表面；一扁平螺旋感應器線圈，其置於該腔室之該內表面上；及一個連接至該扁平螺旋感應器線圈且構造成以向該扁平螺旋感應線圈提供高頻振盪電流的電源。
第三態樣中，提供一種產生氣溶膠之方法，其包括：提供一個包含感受器及與該感受器接觸或接近之氣溶膠形成基材的料匣；放置該料匣以使該感受器接近一扁平螺旋感應器線圈；及 使一高頻振盪電流穿過該扁平螺旋感應線圈，以於該感受器中誘發電流並藉此加熱氣溶膠形成基材。
所述關於本發明一個態樣之特徵可應用至所揭露之其他態樣。特別地，所述關於本發明第一態樣之有利或可選特徵可應用至本發明之第二態樣及第三態樣。
100‧‧‧裝置
101‧‧‧主外殼，主體
102‧‧‧磷酸鋰鐵電池
104‧‧‧控制電子件，電子電路
106‧‧‧感測器，麥克風
108‧‧‧LED
110‧‧‧線圈
112‧‧‧腔室
120‧‧‧嘴部
121‧‧‧感測器入口
122‧‧‧空氣入口
124‧‧‧空氣出口
132‧‧‧入口
134‧‧‧間隔片
136‧‧‧線圈
142‧‧‧線圈
144‧‧‧入口
152‧‧‧線圈
154‧‧‧入口
162‧‧‧感受器元件，線圈
164‧‧‧空氣入口
166‧‧‧通道
172‧‧‧扁平螺旋感應器線圈
176‧‧‧支撐葉片
182‧‧‧線圈
184‧‧‧入口
192‧‧‧線圈
194‧‧‧入口
200‧‧‧料匣
202‧‧‧毛細材料
204‧‧‧料匣外殼
206‧‧‧毛細材料
210‧‧‧感受器元件
220‧‧‧帶狀鋼網
240‧‧‧料匣
242‧‧‧感受器元件，感受器元件條帶
250‧‧‧料匣外殼
252‧‧‧鐵氧體滲透芯
256‧‧‧通道
260‧‧‧料匣
262‧‧‧感受器元件
270‧‧‧料匣
272‧‧‧感受器元件
280‧‧‧感受器元件
282‧‧‧薄膜，料匣之蒸汽可滲透部分
290‧‧‧氣溶膠形成基材
292‧‧‧感受器箔外殼
294‧‧‧前端，料匣之蒸汽可滲透部分，蒸汽可滲透薄膜
1100‧‧‧E級功率放大器
1110‧‧‧場效電晶體(FET)
1120‧‧‧電晶體開關供應電路
1130‧‧‧LC負載網路
1140‧‧‧總歐姆負載
1210‧‧‧電晶體
1212‧‧‧電晶體
1220‧‧‧切換元件
1222‧‧‧切換元件
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧電容器
L1‧‧‧扼流圈
L2‧‧‧感應器，感應器線圈
R‧‧‧歐姆電阻
現將參看附圖僅以舉例方式詳細地描述本發明之系統之實施例，在該等附圖中：圖1為一個使用扁平螺旋感應器線圈之氣溶膠產生系統之第一實施例的示意性圖示；圖2展示了圖1之料匣；圖3展示了圖1之感應器線圈；圖4展示了用於圖2之料匣之替代感受器元件；圖5展示了用於圖1之料匣之又一替代感受器元件；圖6為使用扁平螺旋感應器線圈之第二實施例之示意性圖示；圖7為使用扁平螺旋感應器線圈之第三實施例之示意性圖示；圖8展示了圖7之料匣；圖9展示了圖7之感應器線圈；圖10展示了第四實施例之示意性圖示；圖11展示了圖10之料匣；圖12展示了第五實施例之示意性圖示；圖13為第六實施例之示意性圖示； 圖14為第七實施例之示意性圖示；圖15為使用單位劑量料匣之第八實施例之示意性圖示；圖16A為用於產生高頻訊號給感應器線圈之驅動電路的第一實例；及圖16B為用於產生高頻訊號給感應器線圈之驅動電路的第二實例。
圖式中所示之實施例皆借助於感應加熱。感應加熱之工作原理是藉由放置一導電物體於隨時間變化之磁場中而變熱。導電物體中感應出渦電流。若導電物體電絕緣，則渦電流被導電物體之焦耳熱耗散掉。在藉由加熱氣溶膠形成基材而操作之氣溶膠產生系統中，氣溶膠形成基材通常自身導電性不足以以此方式感應加熱。因此，在圖式所示之實施例中，使用感受器元件作為受熱之導電物體，繼而感受器元件藉由熱傳導、對流及/或輻射而加熱氣溶膠形成基材。若使用鐵磁性感受器元件，由於感受器元件內之磁域切換，熱量亦可由磁滯損失產生。
各實施例使用一扁平螺旋線圈產生一個隨時間變化之磁場。扁平螺旋線圈經設計以使其不會經歷顯著的焦耳加熱。相反地，感受器元件經設計以使感受器元件具有顯著的焦耳加熱。
圖1為第一實施例之氣溶膠產生系統之示意性圖示。系統包含裝置100及料匣200。裝置包含主外 殼101，其中含有磷酸鋰鐵電池電池102及控制電子件104。主外殼101亦界定腔室112，用於收容料匣200。裝置亦包括嘴部120，該嘴部120包括出口124。此例中藉由鉸鏈連接但可使用任何類型連接(例如搭扣安裝或螺釘安裝)，將嘴部連接至主外殼101。當嘴部處於關閉位置(如圖1所示)時，空氣入口122被界定於嘴部120與主體101之間。
在嘴部內是扁平螺旋感應器線圈110。線圈110是藉由從銅片壓印或切割出螺旋線圈而形成。線圈110更清楚地圖示於圖3中。線圈110置於空氣入口122與空氣出口124之間，從而流經入口122至出口124之空氣穿過線圈。線圈可用抗腐蝕塗層或封包覆蓋。
料匣200包含料匣外殼204，其固持一毛細材料且被填充以液體氣溶膠形成基材。料匣外殼204為液體不可滲透但具有一個用可滲透感受器元件210覆蓋之開口端。料匣200更清晰地圖示於圖2中。此實施例中之感受器元件為鐵氧體網格。氣溶膠形成基材可於網格之間隙中之形成彎月狀(meniscus)。感受器之另一選擇是具有開孔網格(open mesh)結構之石墨織物。
當料匣200與裝置嚙合且收容於腔室112中時，感受器元件210接近扁平螺旋線圈110。料匣200可包括關鍵特徵(keying feature)，以確保其不會上下倒置插入裝置中。
在使用時，使用者於嘴部120上抽吸，以經由空氣入口122將空氣抽入嘴部120並離開出口124而 進入使用者口中。該裝置包括呈麥克風形式之抽吸(puff)感測器106，作為控制電子件104之部分。當使用者於嘴部抽吸時，一股小氣流經由感測器入口121抽入穿過麥克風106並向上進入嘴部120。當偵測到抽吸時，控制電子件提供高頻振盪電流至線圈110。此將產生如圖1中虛線所示之振盪磁場。LED 108亦被啟動，指示裝置被啟動。振盪磁場穿過感受器元件，從而於感受器元件中誘發渦電流。感受器元件由於焦耳加熱而變熱，溫度高至足以氣化感受器元件附近之氣溶膠形成基材。如上所述，磁滯損失亦可產生感受器元件之顯著加熱。氣化之氣溶膠形成基材被傳輸入從空氣入口流向空氣出口的空氣之中，且在進入使用者口之前冷卻而於嘴部內形成氣溶膠。偵測到抽吸後，控制電子件在一預定期間(此例中為五秒)提供振盪電流至線圈，然後關閉電流直至偵測到新的抽吸。
可見，料匣具有簡單穩固之設計，與市售之霧化裝置相比生產成本較低。在此實施例中，料匣具有圓圓的圓柱形形狀且感受器元件跨度及至料匣外殼之一圓形開口端。然而其他構設亦為可能。圖4為一替代性料匣之端視圖，其中感受器元件為一條帶狀鋼網220，其跨度及至料匣外殼204中一矩形開口。圖5為另一替代性感受器元件之端視圖。圖5中，感受器為三個用徑向桿連接之同心圓。感受器元件跨度及至料匣外殼中一圓形開口。
圖6圖示了第二實施例。圖6中僅展示系統之前端，因為可使用如圖1所示之相同電池及控制電子件，包括抽吸偵測機構。圖6中，扁平螺旋線圈136置於裝置之主體101中與嘴部120相對之腔室之另一端，但系統以實質上相同之方式操作。間隔片134確保線圈136與感受器元件210之間有空氣流空間。氣化之氣溶膠形成基材被傳輸入穿過感受器從入口132流至出口124之空氣。在圖6所示之實施例中，一些空氣可直接從入口132流至出口124而無須穿過感受器元件。此直接氣流與嘴部中之蒸汽混合，從而可加速冷卻並確保氣溶膠中之最佳液滴尺寸。
在圖6所示之實施例中，料匣與圖1之料匣具有相同尺寸及形狀，且具有相同外殼及感受器元件。然而，圖6之料匣之毛細材料與圖1之料匣不同。圖6之料匣中有兩個獨立毛細材料202、206。使用中圓盤狀第一毛細材料206被置於與感受器元件210接觸。更大體積之第二毛細材料202提供於第一毛細材料206之與感受器元件相對之另一側。第一毛細材料與第二毛細材料均保持液體氣溶膠形成基材。與感受器元件接觸之第一毛細材料206具有較第二毛細材料202更高之熱分解溫度(至少160℃或更高，例如約250℃)。第一毛細材料206有效充當間隔片，以將感受器元件(其在使用中變得非常熱)自第二毛細材料202分開，以使第二毛細材料不會曝露於高於其熱分解溫度之溫度中。第一毛細材料上之熱梯度應使得第二毛細材料曝露於低於其熱分解溫度 之溫度中。第二毛細材料202可選定以具有比第一毛細材料206更為優異的滲透芯效能，單位體積可保持比第一毛細材料更多的液體，且比第一毛細材料更廉價。在此實例中，第一毛細材料為耐熱元件，例如纖維玻璃或含纖維玻璃之元件，且第二毛細材料為聚合物例如高密度聚乙烯(HDPE)或聚對笨二甲酸乙二醇酯(PET)。
圖7圖示了第三實施例。圖7中僅展示系統之前端，因為可使用如圖1所示之相同電池及控制電子件，包括抽吸偵測機構。圖7中，料匣240為長方體且形成有兩條位於料匣相對兩側面上之感受器元件242。圖8中單獨展示料匣。裝置包含兩個扁平螺旋線圈142，其置於腔室相對兩側上，以使當料匣收容於腔室中時，感受器元件條帶242接近線圈142。線圈142為矩形，以對應於感受器條帶之形狀，如圖9所示。矩形之益處在於，其允許更大的渦電流密度，因趨膚效應被最小化。氣流通道提供於線圈142與感受器條帶242之間，以使當使用者在嘴部120上抽吸時，空氣自入口144流入、穿過感受器條帶、流向出口124。
如圖1之實施例，料匣包含毛細材料及液體氣溶膠形成基材。毛細材料經配置以輸送液體基材至感受器元件條帶242。
圖10圖示了第四實施例。圖10中僅展示系統之前端，因為可使用如圖1所示之相同電池及控制電子件，包括抽吸偵測機構。圖10之裝置具有與圖6所示裝置相似之構造，其中扁平螺旋感應器線圈152置於裝 置之主體101中與嘴部120相對之腔室另一端。然而，圖10所示之料匣具有與圖6所示料匣不同的構造。圖10之料匣圖示於圖11之端視圖中。料匣外殼250具有圓柱形形狀，但有穿其而過的中心通道256。氣溶膠形成基材固持於一個圍繞中心通道之環形空間中，且如前所述，可固持於外殼250內之毛細材料中。毛細滲透芯提供於料匣之一端，跨度及至中心通道256。毛細滲透芯由鐵氧體纖維形成，且既作為氣溶膠形成基材之滲透芯亦作為被線圈152感應加熱之感受器。
在使用時，氣溶膠形成基材被吸入鐵氧體滲透芯252中。當偵測到抽吸時，線圈152被啟動且產生振盪磁場。滲透芯上之變化磁通量誘發滲透芯中之渦電流及磁滯損失，從而導致其變熱，氣化滲透芯中之氣溶膠形成基材。氣化之氣溶膠形成基材被傳輸入經系統從空氣入口154吸至出口124之空氣(藉由使用者在嘴部抽吸)之中。空氣流經內部通道256，其作為氣溶膠形成室，於其流向出口124時冷卻空氣及蒸汽。使用中空料匣可使系統之總長度變短，因為蒸汽在由料匣界定之中空空間內冷卻。
圖12圖示了第五實施例。圖12中僅展示系統之前端，因為可使用如圖1所示之相同電池及控制電子件，包括抽吸偵測機構。圖12之裝置具有與圖7之裝置相似之構造，其中扁平螺旋感應器線圈置於外殼一側壁上，該側壁包圍收容料匣之腔室，且形狀設計為符合外殼之形狀。但料匣具有不同構造。圖12之料匣260具 有與圖10所示料匣相似之中空圓柱形形狀。料匣包含毛細材料且被填充以液體氣溶膠形成基材。料匣260之內表面(即包圍內部通道166之表面)包含液體可滲透之感受器元件，此例中為鐵氧體網格。鐵氧體網格可填襯料匣之整個內表面或僅填襯料匣之一部分內表面。
在使用時，使用者在嘴部120上抽吸，以經由空氣入口164吸入空氣經過料匣之中心通道、穿過感受器元件262、進入嘴部120並離開出口124而進入使用者口中。當偵測到抽吸時，控制電子件提供高頻振盪電流至線圈162。此舉將產生振盪磁場。振盪磁場穿過感受器元件，於感受器元件中誘發渦電流及磁滯損失。感受器元件變熱而達到足以氣化感受器元件附近之氣溶膠形成基材之溫度。氣化之氣溶膠形成基材穿過感受器元件並被傳輸入自空氣入口流向空氣出口之空氣之中，並在進入使用者口中之前於通道及嘴部中冷卻而形成氣溶膠。
圖13圖示了第六實施例。圖13中僅展示系統之前端，因為可使用如圖1所示之相同電池及控制電子件，包括抽吸偵測機構。圖13中所示之料匣270與圖12所示完全相同。然而，圖13之裝置具有不同構設，其在支撐葉片176(延伸入料匣之中心通道)上包括扁平螺旋感應器線圈172，以產生靠近感受器元件272之振盪磁場。
圖14圖示了第七實施例。圖14中僅展示系統之前端，因為可使用如圖1所示之相同電池及控制電 子件，包括抽吸偵測機構。圖14中，裝置具有與圖12所示相似之構造。然而圖14之料匣中填充之感受器元件280浸於氣溶膠形成基材中。料匣之外殼包括蒸汽可滲透之薄膜282，其允許氣化之氣溶膠形成基材從料匣散逸。蒸汽可滲透薄膜282接近一個自空氣入口184延伸至空氣出口124之氣流通道。
在使用中，使用者於嘴部120上抽吸，以將空氣經由空氣入口184吸入、穿過料匣之蒸汽可滲透部分282、進入嘴部120並離開出口124而進入使用者口中。當偵測到抽吸時，控制電子件提供高頻振盪電流至線圈182。此舉將產生振盪磁場。振盪磁場穿過料匣中之感受器元件，從而於感受器元件中誘發渦電流及磁滯損失。感受器元件變熱而達到足以氣化氣溶膠形成基材之溫度。氣化之氣溶膠形成基材經由料匣之蒸汽可滲透薄膜282、被自空氣入口流至空氣出口之空氣吸入，並在進入使用者口中之前於嘴部內冷卻而形成氣溶膠。
當然有可能以與圖12及圖13中所示中空料匣相同之方式，使用感受器元件填充如圖1、圖2、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖10、圖11、圖12及圖13中所示料匣，並提供料匣外殼之蒸汽可滲透部分在適當位置以使當空氣自空氣入口流至空氣出口時將從其中穿過。
圖15圖示了第八實施例。圖15中僅展示系統之前端，因為可使用如圖1所示之相同電池及控制電子件，包括抽吸偵測機構。在圖15所示之實施例中，料 匣製作得很小，僅固持足以供單次使用(例如單次吸煙期、或單次醫療劑量)之氣溶膠形成基材。料匣包含由鐵氧體材料製成的感受器箔外殼292，用於固持氣溶膠形成基材290。料匣之外殼之前端294為多孔的，從而蒸汽可滲透。料匣嚙合於裝置中之腔室中，接近扁平螺旋感應器線圈192。
在使用中，使用者於嘴部120上抽吸，以將空氣經由空氣入口194吸入、穿過料匣之蒸汽可滲透部分294、進入嘴部120並離開出口124而進入使用者口中。當偵測到抽吸時，控制電子件提供高頻振盪電流至線圈192。此舉將產生振盪磁場。振盪磁場穿過料匣外殼中之感受器元件，從而於感受器元件中誘發渦電流及磁滯損失。感受器元件變熱而達到足以氣化氣溶膠形成基材之溫度。氣化之氣溶膠形成基材經由料匣之蒸汽可滲透薄膜294、被自空氣入口流至空氣出口之空氣吸入，並在進入使用者口中之前於嘴部內冷卻而形成氣溶膠。
前述所有實施例均可用實質上相同之電子電路104驅動。圖16A圖示了使用E級功率放大器提供高頻振盪電流至感應線圈之電路的第一實例。由圖16A可見，電路包括含電晶體開關之E級功率放大器1100，其包含場效電晶體(FET)1110(例如金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET))、用於向FET 1110提供切換訊號(閘極-源極電壓)之電晶體開關供應電路(如箭頭1120所示)及包含一併聯電容器C1及電容器C2與感應器L2之一串聯連接的LC負載網路1130。DC電源(含電池101)包括 扼流圈L1，且供應DC供應電壓。圖16A中亦展示了歐姆電阻R，其表示總歐姆負載1140，且為扁平螺旋感應器線圈(標註為L2)之歐姆電阻RCoil與感受器元件之歐姆電阻RLoad之和。
由於組件數量極少，因此電源電子件之體積可以保持極小。此極小之電源電子件體積是可能的，因為LC負載網路1130之感應器L2直接用作感應耦接至感受器元件之感應器，且此小巧之體積允許整個感應加熱裝置之總尺寸亦保持較小。
儘管在已述及之American Radio Relay League(ARRL，美國無線電中繼聯盟)，Newington,CT,U.S.A.之雙月刊雜誌QEX，2001年一/二月版，9-20頁所刊之Nathan O.Sokal之文章“Class-E RF Power Amplifiers(E級射頻功率放大器)”中已知並詳細描述了E級功率放大器之一般操作原則，以下仍將解釋一些一般原則。
讓我們假設電晶體開關供應電路1120供應具有矩形變化線之切換電壓(FET閘極-源極電壓)至FET 1110。只要FET 1321導電(“on”狀態)，其便實質上構成短路(低電阻)且全部電流流經扼流圈L1及FET 1110。FET 1110不導電(“off”狀態)時，由於FET 1110實質上表現為斷路(高電阻)，因此全部電流流入LC負載網路。電晶體於此兩種狀態之間的切換將供應之DC電壓及DC電流反換為AC電壓及AC電流。
為了有效加熱感受器元件，將數量盡可能大之供應之DC電力以AC電力之形式傳送至感應器L2，繼而傳送至感應耦接至感應器L2之感受器元件。感受器元件中耗散之功率(渦電流損失、磁滯損失)在感受器元件中產生熱能，如前所述。換言之，必須最小化FET 1110中之功率耗散同時最大化感受器元件中之功率耗散。
AC電壓/電流之一個週期期間，FET 1110中之功率耗散為該交流電壓/電流週期期間每個時點上之電晶體電壓與電流之乘積於該週期上取積分並於該週期上取平均。由於FET 1110於部分該週期期間必須維持高電壓且於部分該週期期間傳導高電流，故而必須避免高電壓與高電流同時存在，因為這將於FET 1110中引起巨大功率耗散。在FET 1110之“on”狀態下，當高電流流經FET時，電晶體電壓接近零。在FET 1110之“off”狀態下，電晶體電壓高而流經FET 1110之電流接近零。
切換過渡(switching transition)亦不可避免地延展於該週期之一些部段上。然而，代表FET 1110中之高功率損失之高電壓/電流乘積，可藉由下列額外方法得以避免。首先，延遲電晶體電壓之上升直至經過電晶體之電流降至零後。第二，經過電晶體之電流開始上升之前將電晶體電壓返回至零。此法實現可借助於包含並聯電容器C1及電容器C2與感應器L2之串聯的負載網路1130，此負載網路為FET 1110與負載1140之間的網路。第三，開啟時之電晶體電壓實際上為零(對於雙極型接面電晶體“BJT”而言其為飽和補償電壓Vo)。開啟電 晶體不放電已被充電之並聯電容器C1，從而避免了耗散並聯電容器之儲存能量。第四，開啟時電晶體電壓之斜率為零。於是，負載網路注入開啟電晶體中之電流自零開始以受控之和緩速率平穩上升從而得到低功率耗散，同時電晶體電導率於開啟過渡期間自零開始逐步上升。由此，電晶體電壓及電流始終不會同時偏高。電壓與電流切換過渡在時間上彼此錯開。可選擇L1、C1及C2之值以最大化感受器元件中之有效功率耗散。
儘管本發明之大多數系統偏好於使用E級功率放大器，然而使用其他電路結構亦是可能的。圖16B圖示了使用D級功率放大器提供高頻振盪電流至感應線圈之電路的第一實例。圖16B之電路包含電池101，其連接至兩個電晶體1210、1212。提供兩個切換元件1220、1222以用於開/關兩個電晶體1210、1212。此些開關在高頻下以適當方式控制，以使兩個電晶體1210、1212中一者開啟時兩個電晶體中另一者為關閉。扁平螺旋感應器線圈再次用L2表示，且線圈及感受器元件之整體歐姆阻抗用R指示。C1及C2之值可經選擇以最大化感受器元件中之有效功率耗散。
感受器元件可由居里溫度接近感受器元件應被加熱到達之所欲溫度的一種材料或材料組合製成。一旦感受器元件之溫度超過此居里溫度，材料由其鐵磁特性變為順磁特性。相應地，感受器元件中之能量耗散顯著降低，因為具有順磁特性之材料之磁滯損失遠小於具有鐵磁特性之材料之磁滯損失。感受器元件中此降低之 功率耗散可被偵測到，於是例如可中斷DC/AC反相器產生之AC功率直至感受器元件重新冷卻至居里溫度以下並重獲其鐵磁特性。然後可重新恢復DC/AC反相器產生之AC功率。
熟習該項技術者可設想併入本發明之感受器元件之其他料匣設計。例如，料匣可包括嘴部且可包括任何合適之形狀。此外，本發明之線圈及感受器配置可用於不同於本文所述之其他類型系統中，例如增濕器、空氣清新機及其他氣溶膠形成系統。
上文所述之例示性實施例說明，但並非限制性的。鑒於上文所論述之例示性實施例，與以上例示性實施例一致之其他實施例現對一般熟習此項技術者而言將顯而易見。
100‧‧‧裝置
101‧‧‧主外殼
102‧‧‧磷酸鋰鐵電池
104‧‧‧控制電子件
106‧‧‧感測器
108‧‧‧LED
110‧‧‧線圈
112‧‧‧腔室
120‧‧‧嘴部
121‧‧‧感測器入口
122‧‧‧入口
124‧‧‧出口
200‧‧‧料匣
202‧‧‧毛細材料
210‧‧‧感受器元件

Claims (15)

  1. 一種電熱式氣溶膠產生系統，其包含一氣溶膠產生裝置及一個構造成以連同該裝置一起使用之料匣，該裝置包含：一裝置外殼；一扁平螺旋感應器線圈；及一電源，連接至該扁平螺旋感應器線圈且構造成以向該扁平螺旋感應器線圈提供高頻振盪電流；該料匣包含：一料匣外殼，容納一氣溶膠形成基材且構造成以與該裝置外殼嚙合；及一感受器元件，經設置以加熱該氣溶膠形成基材。
  2. 如請求項第1項之電熱式氣溶膠產生系統，其中，該裝置外殼包含一個用於收容至少一部分該料匣之腔室，該腔室具有一內表面。
  3. 如請求項第2項之電熱式氣溶膠產生系統，其中，該扁平螺旋感應器線圈置於最接近該電源之腔室表面上或鄰近該腔室表面。
  4. 如請求項第2項之電熱式氣溶膠產生系統，其中，該裝置外殼包含一主體及一嘴部，該腔室位於該主體中且該嘴部具有一出口，以供該系統產生之氣溶膠可經其吸入使用者口中，其中該扁平螺旋感應器線圈位於該嘴部中。
  5. 如前述請求項任一項之電熱式氣溶膠產生系統，其中，該裝置包含一條自空氣入口至空氣出口之空氣路徑，其中該空氣路徑穿過該扁平螺旋感應器。
  6. 如前述請求項任一項之電熱式氣溶膠產生系統，其包含複數個感應器線圈。
  7. 如前述請求項任一項之電熱式氣溶膠產生系統，其中，該感受器元件與該氣溶膠形成基材接觸。
  8. 如前述請求項任一項之電熱式氣溶膠產生系統，其中，該感受器元件設於該料匣外殼之一壁上，其中該壁構造成以當該料匣外殼與該裝置外殼嚙合時接近該扁平螺旋感應器線圈而設置。
  9. 如前述請求項任一項之電熱式氣溶膠產生系統，其中，當該料匣外殼與該裝置外殼嚙合時，一氣流通道被提供於該扁平螺旋感應器線圈與該感受器元件之間。
  10. 如前述請求項任一項之電熱式氣溶膠產生系統，其中，該感受器元件為液體可滲透。
  11. 如前述請求項任一項之電熱式氣溶膠產生系統，其中該感受器元件為一薄片之形式且延伸跨越該料匣外殼中一開口。
  12. 如前述請求項任一項之電熱式氣溶膠產生系統，其中該系統為手持式吸煙系統。
  13. 一種電熱式氣溶膠產生裝置，其包含：一裝置外殼；一扁平螺旋感應器線圈，位於該裝置外殼內；及一電源，連接至該扁平螺旋感應器線圈且構造成以向該扁平螺旋感應線圈提供高頻振盪電流。
  14. 如請求項第13項之電熱式氣溶膠產生裝置，其中該裝置外殼界定一個用於收容至少一部分料匣之腔室，該料匣包含一外殼，該外殼容納氣溶膠形成基材及與該氣溶膠形成基材接觸之感受器元件。
  15. 一種產生氣溶膠之方法，其包括：提供一料匣，該料匣包含感受器及與該感受器接觸或接近之氣溶膠形成基材；放置該料匣以使該感受器接近一扁平螺旋感應線圈；及使一高頻振盪電流穿過該扁平螺旋感應線圈，以於該感受器中誘發電流並藉此加熱該氣溶膠形成基材。
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