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TWI660685B - 電熱式氣溶膠產生系統及用於此系統中之匣筒 - Google Patents

電熱式氣溶膠產生系統及用於此系統中之匣筒 Download PDF

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TWI660685B
TWI660685B TW104115050A TW104115050A TWI660685B TW I660685 B TWI660685 B TW I660685B TW 104115050 A TW104115050 A TW 104115050A TW 104115050 A TW104115050 A TW 104115050A TW I660685 B TWI660685 B TW I660685B
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aerosol
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TW104115050A
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歐樂格 米羅諾
Oleg Mironov
米契爾 梭倫斯
Michel Thorens
英哈尼寇雷維奇 新諾維克
Ihar Nikolaevich ZINOVIK
Original Assignee
瑞士商菲利浦莫里斯製品股份有限公司
Philip Morris Products S. A.
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Abstract

本發明係關於一種電熱式氣溶膠產生系統，其包括氣溶膠產生裝置及構造成與該裝置共用的匣筒，該裝置包括：裝置外殼，其構造成與該匣筒的至少一部分結合；置於空腔周圍或附近之感應器線圈；及連接至該感應器線圈且構造成向該感應器線圈提供高頻振盪電流的電源；該匣筒包括：構造成與該裝置外殼結合且容納氣溶膠形成基材的匣筒外殼，該外殼具有環繞該氣溶膠形成基材的外表面，該外表面的至少一部分係由流體可透過的感受器元件形成。

Description

電熱式氣溶膠產生系統及用於此系統中之匣筒
本案係揭示關於經由加熱氣溶膠形成基材而運作之氣溶膠產生系統。特定而言，本發明係關於一種氣溶膠產生系統，其包括含有電源的裝置部分及包含可消耗氣溶膠形成基材的可更換匣筒部分。
一種類型的氣溶膠產生系統係電子菸。電子菸通常使用經汽化形成氣溶膠的液態氣溶膠形成基材。電子菸通常包括電源、用於固持液態氣溶膠形成基材之供料的液體儲存部分及霧化器。
液態氣溶膠形成基材在使用中會被耗盡及因此需要補充。用於供應液態氣溶膠形成基材之再填充物的最常用方式係霧化彈(cartomiser)型匣筒。霧化彈包括液態基材之供料及霧化器兩者，其通常係呈捲繞在浸漬於氣溶膠形成基材中之毛細材料周圍之電阻操作加熱器的形式。作為單一單元更換霧化彈有對使用者而言方便且避免使用者需要清潔或以其他方式維護霧化器的好處。
然而，將希望能夠提供一種容許再填充氣溶膠形成基材，其製造成本較低廉且較現今可取得之霧化彈更堅固耐用，同時對消費者而言仍可簡單且便利地使用的系統。此外，將希望提供一種免除對焊接接合之需求且容許有容易清潔之密封裝置的系統。
在第一態樣中，提供一種電熱式氣溶膠產生系統，其包括氣溶膠產生裝置及構造成與該裝置共用的匣筒，該裝置包括：裝置外殼；置於空腔周圍或附近之感應器線圈；及連接至該感應器線圈且構造成向該感應器線圈提供高頻振盪電流的電源；該匣筒包括：構造成與該裝置外殼結合且容納氣溶膠形成基材的匣筒外殼，該外殼具有環繞氣溶膠形成基材的外表面，該外表面的至少一部分係由流體可透過的感受器元件形成。
在操作中，高頻振盪電流通過扁平螺旋感應器線圈，而產生在感受器元件中感應電壓的交變磁場。感應電壓導致電流在感受器元件中流動，且此電流引起感受器之焦耳加熱，其繼而加熱氣溶膠形成基材。如感受器元件為鐵磁性，則感受器元件中的磁滯損耗亦會產生熱。經汽化的氣溶膠形成基材可通過感受器元件，及隨後冷卻形成傳遞至使用者的氣溶膠。
此使用感應加熱之配置有無需在匣筒與裝置之間形成電接觸的優點。且加熱元件(在此情況為感受器元件)無需電結合至任何其他組件，而免除對焊料或其他結合元件的需求。再者，線圈係經提供為裝置的部分，使得可建構簡單、廉價且堅固耐用的匣筒。匣筒通常係相較於操作其之裝置以甚大量製造的可棄式物件。因此，降低匣筒的成本，即使其需要更為昂貴的裝置，亦可使製造商及消費者兩者顯著地節省成本。
如本文所用，高頻振盪電流意指具有介於500kHz與30MHz之間之頻率的振盪電流。高頻振盪電流可具有介於1與30MHz之間，較佳介於1與10MHz之間及更佳介於5與7MHz之間之頻率。
如本文所用，「感受器元件」意指當經受磁場變化時發熱的導電元件。此可係於感受器元件中所引發之渦流及/或磁滯損耗的結果。用於感受器元件的可能材料包括石墨、鉬、碳化矽、不銹鋼、鈮、鋁及實質上任何其他導電元素。感受器元件最好為鐵氧體(ferrite)元件。可選擇感受器元件之材料及幾何形狀以提供期望的電阻及熱產生。感受器元件可包括，例如，網狀物、扁平螺旋線圈、纖維或織物。
如本文所用，「流體可透過」元件意指容許液體或氣體穿透通過的元件。感受器元件可具有複數個形成於其中以容許流體穿透通過的開孔。特定而言，感受器元件容許呈氣相或氣相及液相兩者的氣溶膠形成基材穿透通過。
感受器元件可呈延伸跨越匣筒外殼中之開口的薄片形式。感受器元件可環繞匣筒外殼的周邊延伸。
裝置外殼可包括當匣筒外殼與裝置外殼結合時用於承接至少一部分匣筒的空腔，該空腔具有內表面。感應器線圈可設置於最靠近電源的空腔表面之上或附近。感應器線圈可經成形成順應空腔的內表面。
裝置外殼可包括主體及吸嘴部分。空腔可位於主體中及吸嘴部分可具有系統所產生之氣溶膠可通過其引入至使用者口中的出口。感應器線圈可位於吸嘴部分中或位於主體中。
或者，可將吸嘴部分提供作為匣筒的一部分。如本文所用，術語吸嘴部分意指裝置或匣筒之置於使用者口中，以直接吸入由氣溶膠產生系統所產生之氣溶膠的部分。氣溶膠係通過吸嘴部分輸送至使用者口中。
系統可包括自空氣入口延伸至空氣出口之空氣路徑，其中該空氣路徑通過感應器線圈。藉由容許流動通過系統的空氣通過線圈，可獲得精簡的系統。
匣筒可具有簡單的設計。匣筒具有其中固持氣溶膠形成基材的外殼。匣筒外殼較佳係包括不可透過液體之材料的剛性外殼。此處所使用之「剛性外殼」意指具自支撐性的外殼。
氣溶膠形成基材係可釋放能夠形成氣溶膠之揮發性化合物的基材。揮發性化合物可藉由加熱氣溶膠形成基材來釋放。氣溶膠形成基材可係固體或液體或同時包括固體及液體組分。
氣溶膠形成基材可包括以植物為主的材料。氣溶膠形成基材可包括菸草。氣溶膠形成基材可包括含有揮發性菸草氣味化合物的含菸草材料，該等化合物係在加熱時自氣溶膠形成基材釋放出。或者，氣溶膠形成基材可包含不含菸草的材料。氣溶膠形成基材可包含經均質化的以植物為主的材料。氣溶膠形成基材可包含經均質化的菸草材料。氣溶膠形成基材可包含至少一種氣溶膠形成物。氣溶膠形成物係任何適當的已知化合物或化合物之混合物，其在使用時，促進形成緻密且穩定的氣溶膠，且其實質上可抵抗在系統操作溫度下的熱降解。技藝中熟知適當的氣溶膠形成物，且其包括，但不限於：多元醇，諸如三甘醇、1,3-丁二醇及甘油；多元醇之酯，諸如甘油單-、二-或三乙酸酯；及單-、二-或聚羧酸之脂族酯，諸如十二烷二酸二甲酯及十四烷二酸二甲酯。較佳的氣溶膠形成物係多元醇或其混合物，諸如三甘醇、1,3-丁二醇及最佳為甘油。氣溶膠形成基材可包含其他添加劑及成分，諸如芳香劑。
氣溶膠形成基材可經吸附、塗布、浸泡或以其他方式負載於載體或支撐物上。在一實例中，氣溶膠形成基材係固持於毛細材料中之液體基材。毛細材料可具有纖維或海綿狀結構。毛細材料較佳包括一束毛細管。舉例來說，毛細材料可包括複數根纖維或線或其他細口徑管。該等纖維或線可大致對齊以將液體輸送至加熱器。或者，毛細材料可包括海綿狀或泡沫狀材料。毛細材料之結構形成複數個液體可藉由毛細作用輸送通過 的小孔或管。毛細材料可包括任何適當的材料或材料之組合。適當材料的實例係海綿或泡沫材料、呈纖維或燒結粉末形式之基於陶瓷或石墨的材料、發泡金屬或塑膠材料、纖維材料(例如，由紡絲或擠壓纖維製成，諸如酯酸纖維素、聚酯、或黏合聚烯烴、聚乙烯、聚酯纖維(terylene)或聚丙烯纖維、耐綸(nylon)纖維或陶瓷)。毛細材料可具有任何適宜的毛細力及孔隙度來配合不同的液體物理性質使用。液體具有包括(但不限於)黏度、表面張力、密度、導熱性、沸點及蒸氣壓的物理性質，其容許液體藉由毛細作用輸送通過毛細材料。毛細材料可構造以將氣溶膠形成基材輸送至感受器元件。毛細材料可延伸至感受器元件中的間隙中。
感受器元件可設置在構造成當匣筒外殼與裝置外殼結合時與感應器線圈相鄰設置之匣筒外殼的壁上。在使用中，最好使感受器元件靠近感應器線圈，以使於感受器元件中所感應的電壓最大化。
當匣筒外殼與裝置外殼結合時，可在感應器線圈與感受器元件之間提供空氣流動通道。經汽化的氣溶膠形成基材可在於空氣流動通道中流動的空氣中輸送，其隨後冷卻形成氣溶膠。
感應器線圈可係螺旋形線圈或扁平螺旋線圈。如本文所用，「扁平螺旋線圈」意指大致平面的線圈，其中線圈的捲繞軸與線圈所處的表面正交。然而，本文所使用之術語「扁平螺旋線圈」涵蓋平面線圈以及經成形成順應曲面的扁平螺旋線圈。使用扁平螺旋線圈容許 設計具有堅固耐用且製造成本低廉之簡單設計的精簡裝置。線圈可固持在裝置外殼內且無需暴露至所產生的氣溶膠，以致可避免線圈上的沈積物及可能的腐蝕。使用扁平螺旋線圈亦容許在裝置與匣筒之間使用簡單介面，從而容許簡單且廉價的匣筒設計。
扁平螺旋感應器可具有於線圈平面內的任何期望形狀。舉例來說，扁平螺旋線圈可具有圓形形狀或可具有大致橢圓形的形狀。
線圈可具有介於5毫米與10毫米間的直徑。
感應器線圈可設置於最接近電源的空腔表面之上或附近。此可減少裝置內之電連接的數量及複雜度。系統可包括複數個感應器線圈且可包括複數個感受器元件。
感應器線圈可具有匹配感受器元件形狀的形狀。
感受器元件最好具有介於1與40000之間的相對穿透性。當大部分加熱需要仰賴渦流時，可使用較低穿透性材料，及當期望磁滯效應時，則可使用較高穿透性材料。該材料較佳具有介於500與40000之間的相對穿透性。此提供有效率的加熱。
感受器元件之材料可基於其居里溫度(Curie temperature)來選擇。高於其居里溫度的材料不再為鐵磁性，因此不再會發生因磁滯損耗所致的加熱。在感受器元件係由一種單一材料製成的情況中，居里溫度可對應於感受器元件所應具有的最大溫度(即居里溫度係與感 受器元件所應經加熱至的最大溫度相同或偏離此最大溫度約1-3%)。此降低快速過熱的可能性。
若感受器元件係由多於一種材料製成，則感受器元件之材料可針對其他態樣最佳化。舉例來說，可選擇材料，以致感受器元件之第一材料可具有高於感受器元件所應經加熱至之最大溫度的居里溫度。接著可將感受器元件之此第一材料(例如)針對最大熱產生及轉移至氣溶膠形成基材最佳化，以在一方面提供感受器的有效率加熱。然而，感受器元件隨後可另包含具有對應於感受器所應經加熱至之最大溫度之居里溫度的第二材料，且一旦感受器元件達到此居里溫度，則感受器元件整體的磁性質改變。此改變可被偵測到及傳送給微控制器，其隨後中斷AC功率之產生，直至溫度再次冷卻至低於居里溫度為止，此時可重新開始AC功率產生。
該系統可進一步包括連接至感應器線圈及電源的電路。該電路可包括微處理器，其可係可程序微處理器、微控制器、或特殊應用積體晶片(ASIC)或其他可提供控制的電子電路。該電路可包括其他電子組件。該電路可構造以調節向線圈的電流供應。電流可在系統啟動後連續地供應至感應器線圈，或可間歇地供應，諸如隨著噴煙供應(puff by puff)。電路可有利地包括直流/交流變頻器(DC/AC inverter)，其可包括D類或E類功率放大器。
該系統有利地包括位在外殼主體內的電源，通常為諸如磷酸鋰鐵電池的電池。另一選擇為，電源可 係另一形式的電荷儲存裝置諸如電容器。電源可能需要充電，且可具有容許儲存足夠能量以供一或多次抽菸經歷用的容量。舉例來說，電源可具有足夠容量以容許連續產生氣溶膠持續約6分鐘期間，其相當於用來抽傳統香菸的典型時間，或持續6分鐘之倍數的期間。在另一實例中，電源可具有足夠容量以容許預定次數的吸菸動作(puff)或不連續地啟動感應器線圈。
該系統可為電操作式抽菸系統。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傳統雪茄或香菸相當的尺寸。該抽菸系統可具有介於大約30毫米與大約150毫米之間的總長度。該抽菸系統可具有介於大約5毫米與大約30毫米之間的外部直徑。
在第二態樣中，提供一種用於電熱式氣溶膠產生系統中之匣筒，該電熱式氣溶膠產生系統包括氣溶膠產生裝置，該匣筒係構造成與該裝置共用，其中該裝置包括界定用於承接至少一部分匣筒之空腔的裝置外殼；環繞或鄰近該空腔設置的感應器線圈；及連接至該感應器線圈且構造成向該感應器線圈提供高頻振盪電流的電源；該匣筒包括容納氣溶膠形成基材的匣筒外殼，該外殼具有外表面，該外表面的至少一部分係由流體可透過的感受器元件形成，其中該感受器元件係與任何其他導電組件電隔離。
感受器元件可呈薄片形式且延伸跨越匣筒外殼中之開口。感受器元件可環繞匣筒外殼的周邊延伸。
針對一態樣描述的特徵可適用於本揭示案的其他態樣。特定而言，針對本揭示案之第一態樣描述的優點或可選特徵可適用於本發明之第二態樣。
100‧‧‧裝置
101‧‧‧主外殼
102‧‧‧磷酸鋰鐵電池
104‧‧‧控制電子元件
106‧‧‧吸菸動作感測器
108‧‧‧LED
110‧‧‧扁平螺旋感應器線圈
112‧‧‧空腔
120‧‧‧吸嘴部分
121‧‧‧感測器入口
122‧‧‧空氣入口
124‧‧‧出口
132‧‧‧入口
134‧‧‧間隔件
136‧‧‧扁平螺旋線圈
142‧‧‧扁平螺旋線圈
144‧‧‧入口
152‧‧‧螺旋形線圈
154‧‧‧入口
162‧‧‧線圈
164‧‧‧空氣入口
166‧‧‧內部通道
172‧‧‧感應器線圈
176‧‧‧支撐片
192‧‧‧扁平螺旋感應器線圈
194‧‧‧空氣入口
200‧‧‧匣筒
202‧‧‧毛細材料
204‧‧‧匣筒外殼
206‧‧‧毛細材料
210‧‧‧感受器元件
220‧‧‧鋼網狀物
240‧‧‧匣筒
242‧‧‧感受器元件
250‧‧‧匣筒
252‧‧‧感受器元件
260‧‧‧匣筒
262‧‧‧感受器元件
270‧‧‧匣筒
272‧‧‧感受器元件
290‧‧‧氣溶膠形成基材
292‧‧‧感受器箔片外殼
294‧‧‧匣筒外殼之前端
1100‧‧‧電晶體開關
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‧‧‧開關元件
1222‧‧‧開關元件
C1‧‧‧分路電容器
C2‧‧‧電容器
L1‧‧‧抗流器
L2‧‧‧感應器
R‧‧‧歐姆電阻
現將僅經由實例，參照附圖詳細描述根據本揭示案之系統的具體例，其中：圖1係使用扁平螺旋感應器線圈之氣溶膠產生系統之第一具體例的示意說明；圖2顯示圖1之匣筒。
圖3顯示圖1之感應器線圈。
圖4顯示圖2之匣筒之替代性感受器元件。
圖5顯示圖1之匣筒之另一替代性感受器元件。
圖6係使用扁平螺旋感應器線圈之第二具體例的示意說明。
圖7係使用扁平螺旋感應器線圈之第三具體例的示意說明。
圖8顯示圖7之匣筒。
圖9顯示圖7之感應器線圈。
圖10係第四具體例之示意說明。
圖11顯示圖10之匣筒。
圖12顯示圖10之線圈。
圖13係第五具體例之示意說明。
圖14係第六具體例之示意說明。
圖15係使用單位劑量匣筒之第八具體例之示意說明。
圖16A係用於產生感應器線圈之高頻信號之驅動電路的第一實例。
圖16B係用於產生感應器線圈之高頻信號之驅動電路的第二實例。
圖中顯示的具體例均係仰賴感應加熱。感應加熱係經由將待加熱之導電物件放置於時變磁場中來作用。於導電物件中引發渦流。如導電物件經電隔離，則渦流經由導電物件的焦耳加熱耗散。在經由加熱氣溶膠形成基材而操作的氣溶膠產生系統中，氣溶膠形成基材本身通常不會充分地導電來以此方式感應加熱。因此在圖中顯示的具體例中，使用感受器元件作為經加熱的導電物件，然後氣溶膠形成基材再經由熱傳導、對流及/或輻射被感受器元件加熱。如使用鐵磁性感受器元件，則亦可當磁域在感受器元件內切換時藉由磁滯損耗產生熱。
所述具體例各使用感應器線圈來產生時變磁場。感應器線圈係經設計成使其不經歷顯著的焦耳加熱。相對地，感受器元件係經設計成使其存在感受器的顯著焦耳加熱。
圖1係根據第一具體例之氣溶膠產生系統的示意說明。該系統包括裝置100及匣筒200。該裝置包括含有磷酸鋰鐵電池102的主外殼101及控制電子元件104。主外殼101亦界定於其中承接匣筒200的空腔112。該裝置亦包括包含出口124的吸嘴部分120。吸嘴部分 在此實例中係藉由絞鏈連接來連接至主外殼101，但可使用任何種類的連接，諸如扣合或螺絲配合。如圖1所示，當吸嘴部分在閉合位置時，在吸嘴部分120與主體101之間界定空氣入口122。
在吸嘴部分內有扁平螺旋感應器線圈110。線圈110係經由自銅薄片壓印或切割螺旋線圈而形成。線圈110更清楚地說明於圖3。線圈110係設置於空氣入口122與空氣出口124之間，以致經由入口122吸至出口124的空氣通過線圈。線圈可密封於保護性、抗腐蝕的塗層或包殼內。
匣筒200包括固持毛細材料且經填充液態氣溶膠形成基材的匣筒外殼204。匣筒外殼204係流體可透過但具有經可透過之感受器元件210覆蓋的開口端。匣筒200更清楚地說明於圖2。此具體例中之感受器元件包括鐵氧體網狀物，包括鐵氧體鋼。氣溶膠形成基材可在網狀物之間隙中形成彎月面。感受器之另一選項係具有開放網狀結構的石墨織物。
當匣筒200與裝置結合且承接於空腔112中時，感受器元件210定位於扁平螺旋線圈110附近。匣筒200可包括確保其不會顛倒地插入至裝置中的關鍵特徵。
使用時，使用者於吸嘴部分120上吸菸，以通過空氣入口122將空氣吸入至吸嘴部分120中及經由出口124進入使用者口中。裝置包括呈麥克風形式的吸菸動作感測器106作為控制電子元件104的一部分。當 使用者於吸嘴部分上吸菸時，小的空氣流經吸引通過感測器入口121，經過麥克風106且向上進入吸嘴部分120。當偵測到吸菸動作時，控制電子元件向線圈110提供高頻振盪電流。此產生如圖1中以虛線顯示的振盪磁場。亦啟動LED 108來指示裝置啟動。振盪磁場通過感受器元件，於感受器元件中引發渦流。感受器元件由於焦耳加熱及磁滯損耗發熱，達到足以使接近感受器元件之氣溶膠形成基材汽化的溫度。經汽化的氣溶膠形成基材於自空氣入口流至空氣出口的空氣中輸送，且在進入使用者口中之前於吸嘴部分內冷卻形成氣溶膠。控制電子元件在偵測到吸菸動作後將振盪電流供應至線圈持續預定期間，在此實例中為5秒，然後切斷電流直至偵測到新的吸菸動作為止。
可看見匣筒具有簡單且堅固耐用的設計，相較於市場上可取得的霧化彈，其可廉價地製造。在此具體例中，匣筒具有圓形的圓柱形狀且感受器元件跨越匣筒外殼的圓形開口端。然而，可能有其他構造。圖4係另一種匣筒設計的端視圖，其中感受器元件係跨越匣筒外殼204中之矩形開口的一塊狹長鋼網狀物220。圖5係另一種替代感受器元件的端視圖。在圖5中，感受器係由徑向棒結合的三個同心圓。感受器元件跨越匣筒外殼中之圓形開口。
圖6說明第二具體例。因可使用如圖1所示的相同電池及控制電子元件，包括吸菸動作偵測機構，故圖6中僅顯示系統的前端。在圖6中，扁平螺旋線圈 136係在空腔之與吸嘴部分120的相對端設置於裝置之主體101中，但系統係以基本上相同的方式操作。間隔件134確保在線圈136與感受器元件210之間存在空氣流動空間。經汽化的氣溶膠形成基材在自入口132至出口124流過感受器的空氣中輸送。在圖6顯示的具體例中，一些空氣可自入口132流至出口124，而不通過感受器元件。此直接空氣流動與吸嘴部分中的蒸氣混合，從而加速冷卻及確保氣溶膠中的最佳液滴尺寸。
在圖6顯示的具體例中，匣筒係與圖1之匣筒為相同尺寸及形狀且具有相同的外殼及感受器元件。然而，圖6之匣筒內的毛細材料與圖1者不同。在圖6之匣筒中存在兩個別的毛細材料202、206。第一毛細材料206之盤狀物係經設置成在使用中與感受器元件210接觸。第二毛細材料202之較大本體係設置在第一毛細材料206之與感受器元件的相對側上。第一毛細材料及第二毛細材料皆滯留液態氣溶膠形成基材。與感受器元件接觸的第一毛細材料206具有較第二毛細材料202高的熱分解溫度(至少160℃或更高，諸如大約250℃)。第一毛細材料206有效地充作使在使用中會變得極熱之加熱器感受器元件與第二毛細材料202分隔的間隔件，以致第二毛細材料不會暴露至高於其熱分解溫度的溫度。跨越第一毛細材料的熱梯度係使得第二毛細材料暴露至低於其熱分解溫度的溫度。第二毛細材料202可經選擇為具有優於第一毛細材料206的芯吸效能，每單位體積可滯留較第一毛細材料多的液體且可較第一毛細材料廉 價。在此實例中，第一毛細材料係耐熱性元件，諸如纖維玻璃或含纖維玻璃之元件，及第二毛細材料係聚合物，諸如高密度聚乙烯(HDPE)或聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。
圖7說明第三具體例。因可使用如圖1所示的相同電池及控制電子元件，包括吸菸動作偵測機構，故圖7中僅顯示系統的前端。在圖7中，匣筒240係立方體形且在匣筒的相對側面上形成有兩塊狹長的感受器元件242。匣筒單獨示於圖8。裝置包括置於空腔之相對側上的兩個扁平螺旋線圈142，以致當匣筒承接於空腔中時，感受器元件條狀物242與線圈142相鄰。如圖9所示，線圈142係矩形以對應於感受器條狀物的形狀。在線圈142與感受器條狀物242之間設置空氣流動通道，以致當使用者於吸嘴部分120上吸菸時，空氣自入口144經過感受器條狀物流向出口124。
如同圖1之具體例，匣筒包含毛細材料及液態氣溶膠形成基材。毛細材料係經設置成將液態基材輸送至感受器元件條狀物242。
圖10係第四具體例之示意說明。因可使用如圖1所示的相同電池及控制電子元件，包括吸菸動作偵測機構，故圖10中僅顯示系統的前端。
在圖10中，匣筒250係圓柱形且經形成有在匣筒之中心部分周圍延伸的帶狀感受器元件252。帶狀感受器元件覆蓋於剛性匣筒外殼中形成之開口。匣筒單獨示於圖11。裝置包括設置於空腔周圍的螺旋形線圈 152，以致當匣筒承接於空腔中時，感受器元件252位在線圈152內。線圈152單獨示於圖12。在線圈152與感受器元件252之間設置空氣流動通道，以致當使用者於吸嘴部分120上吸菸時，空氣自入口154經過感受器條狀物流向出口124。
使用時，使用者於吸嘴部分120上吸菸，以通過空氣入口154吸取空氣，經過感受器元件262，進入吸嘴部分120及經由出口124進入使用者口中。當偵測到吸菸動作時，控制電子元件向線圈152提供高頻振盪電流。此產生振盪磁場。振盪磁場通過感受器元件，於感受器元件中引發渦流。感受器元件由於焦耳加熱及磁滯損耗發熱，達到足以使接近感受器元件之氣溶膠形成基材汽化的溫度。經汽化的氣溶膠形成基材通過感受器元件且於自空氣入口流至空氣出口的空氣中輸送，且在進入使用者口中之前於通道及吸嘴部分內冷卻形成氣溶膠。
圖13說明第五具體例。因可使用如圖1所示的相同電池及控制電子元件，包括吸菸動作偵測機構，故圖13中僅顯示系統的前端。圖13之裝置具有與圖7之裝置類似的構造，其具有設置在環繞其中承接匣筒之空腔之外殼側壁中的扁平螺旋線圈。但匣筒具有不同的構造。圖13之匣筒260具有與圖10所示之匣筒類似的中空圓柱形狀。匣筒包含毛細材料且經填充液態氣溶膠形成基材。匣筒260之內表面(即環繞內部通道166之表面)包含流體可透過之感受器元件，在此實例中為鐵氧體 網狀物。鐵氧體網狀物可內襯匣筒之整個內表面或僅匣筒內表面之一部分。
使用時，使用者於吸嘴部分120上吸菸，以通過空氣入口164吸取空氣，通過匣筒之中心通道，經過感受器元件262，進入吸嘴部分120及經由出口124進入使用者口中。當偵測到吸菸動作時，控制電子元件向線圈162提供高頻振盪電流。此產生振盪磁場。振盪磁場通過感受器元件，於感受器元件中引發渦流。感受器元件由於焦耳加熱及磁滯損耗發熱，達到足以使接近感受器元件之氣溶膠形成基材汽化的溫度。經汽化的氣溶膠形成基材通過感受器元件且於自空氣入口流至空氣出口的空氣中輸送，且在進入使用者口中之前於通道及吸嘴部分內冷卻形成氣溶膠。
圖14說明第六具體例。因可使用如圖1所示的相同電池及控制電子元件，包括吸菸動作偵測機構，故圖14中僅顯示系統的前端。圖14所示之匣筒270係與圖13所示者相同。然而，圖14之裝置具有不同構造，其包括位在延伸進入匣筒之中心通道中之支撐片176上，以靠近感受器元件272產生振盪磁場的感應器線圈172。
圖15說明第七具體例。因可使用如圖1所示的相同電池及控制電子元件，包括吸菸動作偵測機構，故圖15中僅顯示系統的前端。在圖15之具體例中，匣筒係經製成為相當小，其僅固持足以供單次使用的氣溶膠形成基材，例如用於單次抽菸過程，或用於單一劑量 給藥。匣筒包含由鐵氧體元件製成的感受器箔片外殼292，其固持氣溶膠形成基材290。匣筒外殼之前端294係經穿孔成為蒸氣可透過。匣筒係結合於裝置中之空腔中，鄰近扁平螺旋感應器線圈192。
使用時，使用者於吸嘴部分120上吸菸，以通過空氣入口194吸取空氣，通過匣筒294之蒸氣可透過部分，進入吸嘴部分120及經由出口124進入使用者口中。當偵測到吸菸動作時，控制電子元件向線圈192提供高頻振盪電流。此產生振盪磁場。振盪磁場通過匣筒外殼之感受器元件，於感受器元件中引發渦流。感受器元件由於焦耳加熱及磁滯損耗發熱，達到足以使氣溶膠形成基材汽化的溫度。經汽化的氣溶膠形成基材經由自空氣入口流至空氣出口之空氣被吸過匣筒294之蒸氣可透過部分，且在進入使用者口中之前於吸嘴部分內冷卻形成氣溶膠。
所有描述具體例可藉由基本上相同的電子電路104驅動。圖16A說明使用E類功率放大器用來向感應器線圈提供高頻振盪電流之電路的第一實例。如可由圖16A所見，電路包括E類功率放大器，其包括電晶體開關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))、由箭頭1120指示用來向FET 1110供應開關信號(閘極-源極電壓)的電晶體開關供應電路、及包括分路電容器C1及電容器C2與感應器L2之串聯連接的LC負載網路1130。包含電池101的DC電源包括抗流器L1，且供應DC供應電壓。圖16A 中亦顯示代表總歐姆負載1140的歐姆電阻R，其係標示為L2之感應器線圈之歐姆電阻R線圈及感受器元件之歐姆電阻R負載的總和。
由於極低數目的組件，故可使電源電子元件的體積保持極小。電源電子元件之此極小體積係由於直接將LC負載網路1130之感應器L2使用作為感應偶合至感受器元件的感應器而成為可能，且此小體積使整個感應加熱裝置可維持小的總體尺寸。
雖然已知曉E類功率放大器的一般操作原理且其詳細描述於已提及的著作「E類RF功率放大器(Class-E RF Power Amplifiers)」，Nathan O.Sokal(公開於雙月雜誌QEX，2001年一月/二月版，9-20頁，美國無線電中繼聯盟(American Radio Relay League(ARRL)),Newington,CT,U.S.A.)中，但以下將解釋一些一般原理。
設想電晶體開關供應電路1120將具有矩形型態的開關電壓(FET之閘極-源極電壓)供應至FET 1110。只要FET 1321導電(即在「開」狀態)，則其基本上構成短路(低電阻)且全部電流流過抗流器L1及FET 1110。當FET 1110係非導電時(即在「關」狀態)，因FET 1110基本上呈現斷路(高電阻)，故全部電流流入LC負載網路中。使電晶體在此兩狀態之間切換使供應DC電壓及DC電流反轉成AC電壓及AC電流。
為有效率地加熱感受器元件，使盡可能多的供應DC功率以AC功率形式傳送至感應器L2，及隨後傳送至感應偶合至感應器L2的感受器元件。如前文進一 步描述，於感受器元件中耗散之功率(渦流損耗、磁滯損耗)於感受器元件中產生熱。換言之，必需使FET 1110中之功率耗散最小化，同時使感受器元件中之功率耗散最大化。
在AC電壓/電流之一個期間中在FET 1110中的功率耗散係在該交流電壓/電流期間之各時間點之電晶體電壓及電流之乘積，於該期間積分，且於該期間平均。由於FET 1110必需在該期間之一部分中維持高電壓且於該期間之一部分中傳導高電流，因此必需避免同時存在高電壓及高電流，因此將導致FET 1110中的實質功率耗散。在FET 1110之「開」狀態中，當高電流流過FET時，電晶體電壓幾乎為零。在FET 1110之「關」狀態中，電晶體電壓高，但通過FET 1110之電流幾乎為零。
開關轉移無可避免地亦會在該期間的一些部分延伸。然而，可藉由以下的額外措施來避免代表FET 1110中之高功率損耗的高電壓-電流乘積。首先，延遲電晶體電壓之上升直至通過電晶體之電流已降至零之後。其次，在通過電晶體之電流開始上升之前使電晶體電壓回到零。此係藉由包括分路電容器C1及電容器C2與感應器L2之串聯連接的負載網路1130來達成，此負載網路係介於FET 1110與負載1140之間的網路。第三，在開啟時間的電晶體電壓實際上為零(對於雙極型接面電晶體「BJT」而言，其係飽和偏移電壓Vo)。開啟電晶體不會使經充電的分路電容器C1放電，因此避免耗散分路電容器的儲存能量。第四，在開啟時間時電晶體電壓的 斜率為零。隨後，由負載網路注入至開啟電晶體中之電流自零以受控的中等速率平滑上升，從而導致低功率耗散，同時電晶體電導在開啟轉移期間自零增加。結果，電晶體電壓及電流從不會同時地高。電壓及電流開關轉移相對於彼此時移。可選擇L1、C1及C2之值來使感受器元件中之功率的有效率耗散最大化。
雖然E類功率放大器對於根據本揭示案的大多數系統為較佳，但亦可使用其他電路架構。圖16B說明使用D類功率放大器用來向感應器線圈提供高頻振盪電流之電路的第二實例。圖16B之電路包括連接至兩個電晶體1210、1212的電池101。設置兩個開關元件1220、1222用來開關兩個電晶體1210、1212。該等開關係以可確保兩個電晶體1210、1212中之一個在兩個電晶體中之另一個打開時關閉的方式在高頻下控制。感應器線圈再次係由L2指示及線圈和感受器元件之組合歐姆電阻由R指示。可選擇C1及C2之值來使感受器元件中之功率的有效率耗散最大化。
感受器元件可由具有接近感受器元件所應加熱至之期望溫度之居里溫度的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，則材料改變其鐵磁性質成為順磁性質。因此，由於具有順磁性質之材料的磁滯損耗甚低於具有鐵磁性質之材料的磁滯損耗，故感受器元件中之能量耗散顯著地降低。感受器元件中之此降低的功率耗散可被偵測到，及例如，可隨後中斷藉由直流/交流變頻器產生AC功率，直至感受器元件已再 次冷卻至低於居里溫度且已恢復其鐵磁性質為止。隨後可再次重新開始藉由直流/交流變頻器產生AC功率。
熟悉技藝人士現可設想根據本揭示案之其他併入感受器元件的匣筒設計。舉例來說，匣筒可包括吸嘴部分且可具有任何期望形狀。此外，可將根據本揭示案之線圈及感受器配置使用在除已說明者外之其他類型的系統，諸如增濕器、空氣清淨機、及其他氣溶膠產生系統。
上述示例性具體例係為說明性而非限制性。依據以上討論的示例性具體例，熟悉技藝人士現將明白與以上示例性具體例一致的其他具體例。

Claims (13)

  1. 一種電熱式氣溶膠產生系統，其包括氣溶膠產生裝置及構造成與該裝置一起使用的匣筒，該裝置包括：裝置外殼，其係包括空腔，用於當該裝置外殼係與該匣筒外殼結合時承接該匣筒的至少一部分；置於空腔周圍或附近之感應器線圈；及連接至該感應器線圈且構造成向該感應器線圈提供高頻振盪電流的電源；該匣筒包括：構造成與該裝置外殼結合且容納氣溶膠形成基材的匣筒外殼，該匣筒外殼具有環繞該氣溶膠形成基材的外表面，該外表面的至少一部分係由流體可透過的感受器元件形成，其中該感受器元件係呈延伸跨越該匣筒外殼中之開口的薄片形式。
  2. 如申請專利範圍第1項之電熱式氣溶膠產生系統，其中該感受器元件環繞該匣筒外殼的周邊延伸。
  3. 如申請專利範圍第1項之電熱式氣溶膠產生系統，其中該感應器線圈係扁平螺旋線圈。
  4. 如申請專利範圍第1項之電熱式氣溶膠產生系統，其中該空腔具有內表面，且其中該感應器線圈係設置於最靠近該電源的空腔表面之上或附近。
  5. 如申請專利範圍第1項之電熱式氣溶膠產生系統，其中該裝置外殼包括主體及吸嘴部分，該空腔係位於該主體中且該吸嘴部分具有出口，該系統所產生之氣溶膠可通過該出口引入至使用者口中，其中該感應器線圈係位於該吸嘴部分中。
  6. 如申請專利範圍第1項之電熱式氣溶膠產生系統，其包括複數個感應器線圈。
  7. 如申請專利範圍第1項之電熱式氣溶膠產生系統，其中該感應器線圈具有匹配該感受器元件之形狀的形狀。
  8. 如申請專利範圍第1項之電熱式氣溶膠產生系統，其中該感受器元件係與該氣溶膠形成基材接觸。
  9. 如申請專利範圍第1項之電熱式氣溶膠產生系統，其中當該匣筒外殼與該裝置外殼結合時，在該感應器線圈與該感受器元件之間設置空氣流動通道。
  10. 如申請專利範圍第1項之電熱式氣溶膠產生系統，其中該感受器元件包括網狀物、扁平螺旋線圈、纖維或織物。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項之電熱式氣溶膠產生系統，其中該系統係手持式抽菸系統。
  12. 一種用於電熱式氣溶膠產生系統中之匣筒，該電熱式氣溶膠產生系統包括氣溶膠產生裝置，該匣筒係構造成與該裝置一起使用，其中該裝置包括界定用於承接該匣筒的至少一部分之空腔的裝置外殼；環繞或鄰近該空腔設置的感應器線圈；及連接至該感應器線圈且構造成向該感應器線圈提供高頻振盪電流的電源；該匣筒包括容納氣溶膠形成基材的匣筒外殼，該匣筒外殼具有外表面，該外表面的至少一部分係由流體可透過的感受器元件形成，其中該感受器元件係與任何其他導電組件電隔離，且其中該感受器元件係呈薄片形式且延伸跨越該匣筒外殼中之開口。
  13. 如申請專利範圍第12項之匣筒，其中該感受器元件係環繞該匣筒外殼的周邊延伸。
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