CN110141002A - 一种同轴加热腔及具有同轴加热腔的电子烟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同轴加热腔及具有同轴加热腔的电子烟装置，包括以外导体腔为腔以及从外导体腔的一端插入外导体腔内的内导体柱为轴而形成的同轴加热腔；微波源从内导体柱插入外导体腔的一端进入同轴加热腔进行微波传输实现微波对烟草的加热。使用了同轴传输器和同轴加热腔，采用915MHz、2.45GHz频率的微波均可在其中传输，因此可以使用较为成熟的固态微波器件，尤其是915MHz的电转换效率更高；对装置的尺寸能够进行有效控制；并且由于微波本身没有温度，是通过高频交变电场直接使烟草内的极性分子运动而发热，烟草整体温度控制在200～300℃，不存在局部高温，整个同轴加热腔和烟草内部没有更高的温度，不会发生裂解，不会生成醛类或其它有害物质。
Description
技术领域
本发明涉及电子烟加热技术领域，尤其涉及一种同轴加热腔及具有同轴加热腔的电子烟装置。
背景技术
卷烟在燃烧时温度会达到800～900℃，由于烟草燃烧以及受挥发、热裂解发生的化学反应，会释放出6000多种化学物质，其中只有较小的一部是烟草原本含有、受热挥发释放出来的，而另外4000多种化学物质都是烟草燃烧、热裂解后新产生的，如多环芳烃类、一氧化碳、氮氧化物、烯烃类物质等，其中有400多种致癌物质，其余的基本上都是对人体有害的物质。这些有害成分随烟气被人体吸收后会危害吸烟者的健康，还会释放到环境中带来二手烟的问题。因此，为了防止卷烟燃烧时产生大量有害物质，产生了一种只加热不燃烧的低温卷烟式的电子烟。
现目前对低温卷烟式的电子烟的加热方式有两种，一种是通过发热体依靠触摸式热传导加热烟弹，因此存在反复加热烟弹的过程中，会在电阻上出现结焦现象，使热阻变大，电阻温度会升得更高才能有效加热烟弹，这样电阻温度可能达到400～500℃，工作时发热体温度过高的问题，会使接触发热体的局部烟草温度过高、发生部分裂解，释放出对人体有害的物质。
一种是通过微波进行加热，但是通过微波进行加热却存在着微波腔要形成有效的微波因为微波频率局限对微波腔的尺寸难以满足，而且形成的微波在该尺寸的微波腔内传输损耗太大传输距离受限，烟草得不到均匀加热、无法释放足够的烟草挥发性物质成分来满足吸烟者的需求，较远处的烟草依然只能通过传导加热，失去微波加热的意义；而如果进一步地加大加热腔直径，将失去便携性，使微波加热电子烟技术失去意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种同轴加热腔及具有同轴加热腔的电子烟装置，解决了现目前对低温卷烟式电子烟加热方式存在的缺陷。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种同轴加热腔，包括以外导体腔为腔以及从所述外导体腔的一端插入所述外导体腔内的内导体柱为轴而形成的同轴加热腔；微波源从所述内导体柱插入所述外导体腔的一端进入所述同轴加热腔进行微波传输实现微波对烟草的加热。
所述内导体柱在微波源进入所述同轴加热腔进行微波传输实现微波对烟草加热的同时将部分微波高频电流转换成热，实现对烟草的辅助加热。
所述外导体腔的一端为填充有绝缘密封材料的密封端，另一端为开设有开口的开口端。
为防止微波从所述开口端泄露出去对吸烟者造成微波伤害，所述内导体柱的长度小于所述外导体腔的长度。
所述内导体柱从所述密封端插入所述外导体腔内形成微波同轴传输结构。
在所述密封端和所述外导体腔的上下侧贯通内外壁开设有进气孔，所述进气孔连通沿所述外导体腔外壁进气的进气通道。
一种具有同轴加热腔的电子烟装置，包括：
壳体；
同轴加热腔，设于所述壳体内部，用于盛放带加热的烟草，并实现对烟草的微波和传导热复合加热；
微波发射模块：用于产生微波并发射微波源；
同轴传输器：设置于所述微波发射模块和所述同轴加热腔之间，用于将微波传输到所述同轴加热腔内；
控制模块：用于控制所述微波发射模块输出的微波功率、加热时间和开停间隔。
还包括电池模块，所述电池模块与所述控制模块和所述微波发射模块电性连接，为所述控制模块和所述微波发射模块提供电力供应。
所述同轴传输器包括外导体和内导体；所述外导体上外导体和下外导体，所述上外导体和所述下外导体的一端连接所述微波发射模块，另一端连接所述同轴加热腔；所述内导体的一端连接所述微波发射模块，另一端连接所述内导体柱。
还包括低温卷烟，所述低温卷烟包括烟草和烟嘴；所述烟草从所述开口端插入到所述同轴加热腔内，所述烟嘴露出在所述开口端外，以方便吸烟者抽吸。
本发明的有益效果是：一种同轴加热腔及具有同轴加热腔的电子烟装置具有以下优点：
1、采用同轴加热腔通过同轴传输器将微波能量顺利导入到金属外导体腔内，可实现对烟草整体、均匀的加热，不会出现局部高温的情况；
2、微波沿阻抗内导体柱形成较为均匀的高频交变电场，可以均匀地加热同轴加热腔内的烟草，使烟草内的挥发分物质得到充分、均匀地挥发；且阻抗内导体柱本身是同轴加热腔的一部分，是微波器件，是利用微波高频电流作用于自身的电阻发热的，既不会受微波破坏，又不需要增加其它器件和结构就可以发热；
3、阻抗内导体柱，采用电阻率较高的金属或者复合材料制成，可将部分微波高频电流直接转换成热，使阻抗内导体柱升温至100～300℃，可避免常规内导体以及自身热容较大、温度较低而吸热对烟草加热造成不良影响，可辅助微波同时加热烟草，使烟草迅速升温至200～300℃，使烟草内的挥发分物质得到充分、均匀地挥发；
4、由于使用了同轴传输器和同轴加热腔，采用915MHz、2.45GHz频率的微波均可在其中传输，因此可以使用较为成熟的固态微波器件，尤其是915MHz的电转换效率更高；相应的对整体装置的尺寸能够进行有效控制；
5、由于微波本身没有温度，是通过高频交变电场直接使烟草内的极性分子运动而发热，烟草整体温度控制在200～300℃，不存在局部高温，整个同轴加热腔和烟草内部没有更高的温度，不会因高温而使丙二醇、丙三醇以及烟草中的其它成分发生裂解，不会生成醛类或其它有害物质；
6、同轴加热腔内，可很容易地通过改变内导体柱和外导体腔的长度，控制加热范围，适应不同长度的烟草加热需求；同时内导体柱比外导体腔短，由于外导体腔直径远小于该微波频率的截止波导直径，没有内导体柱的一段，微波无法传输和存在，微波被屏蔽在同轴加热器内，不会从插入低温卷烟的开口处泄漏出去，不会对抽吸者造成微波伤害；
7、进气通道包裹在同轴加热腔外，既可以利用同轴加热腔释放的余热预热气体，又可以对同轴加热腔外侧散热，防止机壳温度过高影响用户使用体验。
附图说明
图1为同轴加热腔的结构图；
图2为装置的结构图；
图3为装置的工作原理图；
图中，1-同轴加热腔，11-外导体腔，12-内导体柱，13-密封端，14-绝缘密封材料，15-开口端，16-进气通道，17-进气孔，2-同轴传输器，21-外导体，22-内导体，3-微波发射模块，4-控制模块，5-电池模块，6-壳体，7-低温卷烟，71-烟草，72-烟嘴。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
微波腔中电磁场的分布与结构称为模式，腔体越大，电磁场越复杂，模式就越多，反之腔体越小模式越少。因此，微波在微波腔中的传输和存在并不是无条件的，至少需要在腔体内维持一种模式，所以，微波的传输与微波腔体横截面尺寸有一定要求，如以主模为TE11的圆管型腔体为例，其计算公式如下：
微波波长计算公式1为：λ＝c/f，其中c为光速，f为微波频率；
截止波长计算公式2为：λc＝3.41R，其中λc为TE11模的截止波长，R为圆管型微波腔半径。
根据公式1计算得到各频率的微波波长约为：
频率为915MHz的微波波长约为327.87mm，频率为2.45GHz的微波波长约为122.45mm，频率为5.8GHz的微波波长约为51.72mm
根据公式2计算得到各频率的截止波长约为：
频率为915MHz的微波截止尺寸为R＝λc/3.41＝327.87/3.41≈96mm；
频率为2.45GHz的微波截止尺寸为R＝λc/3.41＝122.45/3.41≈36mm；
频率为5.8GHz的微波截止尺寸为R＝λc/3.41＝51.72/3.41≈15.17mm；
根据上述计算，可知主模为TE11的圆管型腔体：
直径需≥Φ192mm，才能在915MHz时，存在至少一种微波模式、并传输微波。
直径需≥Φ72mm，才能在2.45GHz时，存在至少一种微波模式、并传输微波。
直径需≥Φ30.3mm，才能在5.8GHz时，存在至少一种微波模式、并传输微波。
所以，发明人意想不到地发现，加热电子烟或者低温卷烟的装置应该是一种便携式微波加热装置，微波加热腔过大是没有实用价值的。虽然根据上述计算，微波频率越高腔体最小尺寸可以越小，但在工业、民用加热领域，较为成熟、常用的微波频率只有915MHz、2.45GHz，而5.8GHz的技术相对不够成熟、大功率集成困难、成本高，因此小尺寸微波加热器件常用的微波频率为2.45G，72mm而且即便是5.8GHz，圆管腔＞Φ30.3mm的尺寸也是难以接受的。此外根据上述理论，如果使用更小尺寸的微波入射腔，微波更无法传输，因此也行不通的。
而且，发明人又意想不到地发现如果采用频率为2.45GHz的微波，先不考虑其微波腔的直接至少需要72mm而导致不利于携带的问题；2.45GHz的微波在腔内的损耗也是一个问题，以常见的低温卷烟尺寸，即烟弹直径7.5mm为例，假设加热腔直径为烟支的两倍，即直径15mm，当微波频率为2.45GHz时，微波能量从一头馈入后，以TE11模传输通过理论计算可得知，在加热腔中传输的距离在1.4mm微波能量衰减掉50％，在4.8mm衰减掉90％。也就说，在这样一个尺寸下，微波仅能将卷烟的一头1mm的长度加热。如此，烟草得不到均匀加热、无法释放足够的烟草挥发性物质成分来满足吸烟者的需求，较远处的烟草依然只能通过传导加热，失去微波加热的意义。
如图1所示，一种同轴加热腔，包括以外导体腔11为腔以及从所述外导体腔11的一端插入所述外导体腔11内的内导体柱12为轴而形成的同轴加热腔；微波源从所述内导体柱12插入所述外导体腔11的一端进入所述同轴加热腔进行微波传输实现微波对烟草的加热。
进一步地，外导体腔11为金属外导体腔，其外形结构可包括圆形管、方形管或者其他截面形状的金属管，其直径和长度可根据电子烟的直径大小和长度自行设计。
进一步地，金属外导体腔的直径为Φ3～Φ20mm，长度为Φ20～Φ100mm。
所述内导体柱12在微波源进入所述同轴加热腔进行微波传输实现微波对烟草加热的同时将部分微波高频电流转换成热，实现对烟草的辅助加热。
为防止微波从所述开口端泄露出去对吸烟者造成微波伤害，所述内导体柱12的长度小于所述外导体腔11的长度。
进一步地，内导体柱12为由电阻率较高的金属或者复合材料制成的阻抗内导体柱，其长度可根据电子烟的长度自行设计。
进一步地，阻抗内导体柱的直径为Φ0.5～Φ5mm，长度为Φ3～Φ10mm，整体电阻为5～200欧姆。
发明人意外的发现在直径为Φ3～Φ20mm的金属外导体腔中微波是无法传输的，只有在加入阻抗内导体柱后形成同轴传输的加热腔才能传输，但是由于被加热的对象(烟草)的质量非常小，通常仅有0.2-0.8g，微波在对其进行加热后损耗较低，有大约20-40％的微波能量不能得到利用，这些能量不但浪费，还有可能造成固态微波器件的损坏，通过采用电阻率较高的材料制成阻抗内导体，直接将剩余部分的微波高频电流转换成热，实现对烟草的辅助加热，如此，可在使微波能量得到充分利用的同时，确保整个加热系统中不出现过高的温度，从而避免丙二醇、丙三醇以及烟草中的其它成分发生裂解，不会生成醛类或其它有害物质。
通过阻抗内导体柱的适当电阻将部分微波高频电流转换成热，同时将微波传输至同轴加热腔的金属外导体腔内，使其内部低温卷烟7的烟草71同时受到微波和传导热复合加热，整体被均匀地加热到适当温度(200～300℃)，使烟草71中的挥发性物质得到充分和均匀的挥发。
所述外导体腔11的一端为填充有绝缘密封材料14的密封端13，另一端为开设有开口的开口端15。
通过在密封垫13填充绝缘密封材料14可以保持内导体柱12与同轴加热腔1和同轴传输器2外壳之间的绝缘，并实现同轴加热腔1与微波发射模块3之间的气密封，放置烟气进入到微波发射模块中对其造成损坏。
所述内导体柱12从所述密封端13插入所述外导体腔11内形成微波同轴传输结构。
进一步地，在密封端13中心开一小孔，小孔汇中填充绝缘密封材料14后，阻抗内导体柱从充绝缘密封材料14中心穿入或者插入金属外导体腔内，并与金属外导体腔形成一个同轴加热腔，低温卷烟7从开口端15插入，并使阻抗内导体柱刺入低温卷烟7的烟草71部位。
在所述密封端13和所述外导体腔11的上下侧贯通内外壁开设有进气孔17，所述进气孔17连通沿所述外导体腔11外壁进气的进气通道16。
进一步地，进气通道16外包裹在同轴加热腔1上，其通道尺寸为0.5-2mm之间，进气通道16也包裹住同轴加热腔1的密封端13并形成密封,；进气通道16在同轴加热腔1的开口端15处贯穿了壳体1形成开口与外界相通；烟草71倍加热且吸烟者含住低温卷烟7的烟嘴进行抽吸，此时外界气流通过进气通道16，再通过进气孔17进入同轴加热腔1，与烟草71挥发物质混合后从低温卷烟7的烟嘴72被吸烟者吸出。
如图2所示，一种具有同轴加热腔的电子烟装置，包括：
壳体6；
同轴加热腔1，设于所述壳体6内部，用于盛放带加热的烟草，并实现对烟草的微波和传导热复合加热；
微波发射模块3：用于产生微波并发射微波源；
同轴传输器2：设置于所述微波发射模块3和所述同轴加热腔1之间，用于将微波传输到所述同轴加热腔1内；
控制模块4：用于控制所述微波发射模块3输出的微波功率、加热时间和开停间隔。
进一步地的，控制模块4包括有控制电路板、开关控制按钮、指示灯或者显示器等等；控制电路板与开关控制按钮和指示灯或者显示器电性连接。
由于使用了同轴传输器和同轴加热腔，采用915MHz、2.45GHz频率的微波均可在其中传输，因此可以使用较为成熟的固态微波器件，尤其是915MHz的电转换效率更高；相应的对整体装置的尺寸能够进行有效控制。
进一步地，微波发射模块3可采用固态微波源。
还包括电池模块5，所述电池模块5与所述控制模块4和所述微波发射模块3电性连接，为所述控制模块4和所述微波发射模块3提供电力供应。
进一步地，电池模块5可采用多节纽扣电池的串联组成。
所述同轴传输器2包括外导体21和内导体22；所述外导体21上外导体和下外导体，所述上外导体和所述下外导体的一端连接所述微波发射模块3，另一端连接所述同轴加热腔1；所述内导体22的一端连接所述微波发射模块3，另一端连接所述内导体柱12。
还包括低温卷烟7，所述低温卷烟7包括烟草71和烟嘴72；所述烟草71从所述开口端15插入到所述同轴加热腔1内，所述烟嘴72露出在所述开口端15外，以方便吸烟者抽吸。
如图3所示，吸烟者将低温卷烟式的电子烟从同轴加热腔1的开口端15放入到同轴加热腔1内；同时吸烟者通过开关控制按钮控制打开固态微波源产生微波，微波通过同轴传输器2传输到同轴加热腔1中，通过微波对腔内的烟草进行主要加热，通过腔内的阻抗内导体柱将剩余部分的微波高频电流转换成热，对腔内的烟草进行辅助加热，通过微波和传导热复合加热，可在使微波能量得到充分利用的同时，确保整个加热系统中不出现过高的温度，从而避免丙二醇、丙三醇以及烟草中的其它成分发生裂解，不会生成醛类或其它有害物质；吸烟者在抽吸过程中通过进气通道16和进气孔17进行通气，既可以利用同轴加热腔释放的余热预热气体，又可以对同轴加热腔外侧散热，防止机壳温度过高影响用户使用体验；为了防止微波能量溢出对抽烟者造成伤害，将阻抗内导体柱设置的比金属外导体腔短，由于金属外导体腔直径远小于该微波频率的截止波导直径，所以没有阻抗内导体柱的一段微波无法传输和存在，微波被屏蔽在同轴加热腔1内，不会从插入低温卷烟7的开口处泄漏出去，不会对抽吸者造成微波伤害。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种同轴加热腔，其特征在于：包括以外导体腔(11)为腔以及从所述外导体腔(11)的一端插入所述外导体腔(11)内的内导体柱(12)为轴而形成的同轴加热腔；微波源从所述内导体柱(12)插入所述外导体腔(11)的一端进入所述同轴加热腔进行微波传输实现微波对烟草的加热。
2.根据权利要求1所述的一种同轴加热腔，其特征在于：所述内导体柱(12)在微波源进入所述同轴加热腔进行微波传输实现微波对烟草加热的同时将部分微波高频电流转换成热，实现对烟草的辅助加热。
3.根据权利要求1所述的一种同轴加热腔，其特征在于：所述外导体腔(11)的一端为填充有绝缘密封材料(14)的密封端(13)，另一端为开设有开口的开口端(15)。
4.根据权利要求3所述的一种同轴加热腔，其特征在于：为防止微波从所述开口端泄露出去对吸烟者造成微波伤害，所述内导体柱(12)的长度小于所述外导体腔(11)的长度。
5.根据权利要求4所述的一种同轴加热腔，其特征在于：所述内导体柱(12)从所述密封端(13)插入所述外导体腔(11)内形成微波同轴传输结构。
6.根据权利要求3所述的一种同轴加热腔，其特征在于：在所述密封端(13)和所述外导体腔(11)的上下侧贯通内外壁开设有进气孔(17)，所述进气孔(17)连通沿所述外导体腔(11)外壁进气的进气通道(16)。
7.一种具有同轴加热腔的电子烟装置，其特征在于：包括：
壳体(6)；
权利要求1-6任意一项所述的同轴加热腔(1)，设于所述壳体(6)内部，用于盛放带加热的烟草，并实现对烟草的微波和传导热复合加热；
微波发射模块(3)：用于产生微波并发射微波源；
同轴传输器(2)：设置于所述微波发射模块(3)和所述同轴加热腔(1)之间，用于将微波传输到所述同轴加热腔(1)内；
控制模块(4)：用于控制所述微波发射模块(3)输出的微波功率、加热时间和开停间隔。
8.根据权利要求7所述的一种具有同轴加热腔的电子烟装置，其特征在于：还包括电池模块(5)，所述电池模块(5)与所述控制模块(4)和所述微波发射模块(3)电性连接，为所述控制模块(4)和所述微波发射模块(3)提供电力供应。
9.根据权利要求7所述的一种具有同轴加热腔的电子烟装置，其特征在于：所述同轴传输器(2)包括外导体(21)和内导体(22)；所述外导体(21)上外导体和下外导体，所述上外导体和所述下外导体的一端连接所述微波发射模块(3)，另一端连接所述同轴加热腔(1)；所述内导体(22)的一端连接所述微波发射模块(3)，另一端连接所述内导体柱(12)。
10.据权利要求7所述的一种具有同轴加热腔的电子烟装置，其特征在于：还包括低温卷烟(7)，所述低温卷烟(7)包括烟草(71)和烟嘴(72)；所述烟草(71)从所述开口端(15)插入到所述同轴加热腔(1)内，所述烟嘴(72)露出在所述开口端(15)外，以方便吸烟者抽吸。
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