CN110279150A - 一种用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔，它与其同轴重叠的内导体柱构成一个同轴加热腔，微波源从内导体柱一端进入同轴加热腔进行微波传输，实现微波对发烟基质的加热；因本发明采用的微波加热方式是同轴微波加热，让电磁波存在于内导体柱外壁和外导体加热腔内壁之间，且外导体加热腔的长度大于内导体柱的长度，外导体加热腔的直径远小于各频率的截止波长，在没有内导体柱存在的情况下，微波衰减严重，保证了不会发生微波泄露对使用者造成伤害。

Description

一种用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔

【技术领域】

本发明属于加热不燃烧烟草技术领域。更具体地，本发明涉及一种用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔。

【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。

微波加热技术在加热不燃烧领域尚未被广泛开发，依靠微波加热可以使发烟基质通过吸收微波让其内部极性分子剧烈运动产生热量，能量消耗小，能量转换效率高。

微波加热不燃烧的关键在于同轴加热腔结构，其外导体加热腔的结构性质对整个加热电磁场的影响不容忽视，因此本发明针对烟用微波加热不燃烧设备的工作原理，对外导体加热腔具体设计进行了技术研究，并提出了一套实现烟用微波加热不燃烧设备外导体加热腔的设计方案，完成了本发明。

【发明内容】

[要解决的技术问题]

本发明的目的是提供一种微波加热不燃烧设备的外导体加热腔。

[技术方案]

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明涉及一种用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔。

该用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔与其同轴重叠的内导体柱构成一个同轴加热腔，微波源从内导体柱一端进入同轴加热腔进行微波传输，实现微波对发烟基质的加热。

根据本发明的一种优选实施方式，所述外导体加热腔是用金属或其他具有高导电性能材料制成的。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述的外导体加热腔是空心管或网状空心管。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述外导体加热腔是单层空心管或单层网状空心管。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述外导体加热腔是由多层空心管叠加构成的或由多层网状空心管叠加构成的。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述的外导体加热腔是一种其壁厚沿着其纵轴方向而逐渐改变的腔，或者是一种其壁厚沿着其横截面方向而缓慢改变的腔。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述外导体加热腔的长度长于所述内导体柱的长度。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述外导体加热腔的轴向内表面呈圆柱形、螺旋形或锥形。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述外导体加热腔的轴向内表面呈圆柱形或螺旋形。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述微波源的微波频率是915MHz、2.45GHz或5.8GHz。

下面将更详细地描述本发明。

本发明涉及一种用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔。

该用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔与其同轴重叠的内导体柱构成一个同轴加热腔，微波源从内导体柱一端进入同轴加热腔进行微波传输，实现微波对发烟基质的加热。

本发明外导体加热腔是利用空心金属波导的传输和截止特性而把一定波型的电磁波约束在一段波导内，使加热不燃烧烟弹的发烟基质吸收微波能，激发基质中极性分子与微波电磁场相互作用而使极性分子之间快速振荡转化为热能，从而达到加热烟支的目的。

由于加热不燃烧卷烟的烟弹直径一般在5mm-8mm范围内，发烟段长度一般在4mm-80mm范围内，所以微波无法在加热腔中自由有效传播，所以本发明应用同轴传输加热方式，外导体加热腔与其同轴重叠的内导体柱构成一个同轴加热腔，微波源从内导体柱一端进入同轴加热腔进行微波传输，实现微波对发烟基质的加热。

根据本发明，所述外导体加热腔是用金属或其他具有高导电性能材料制成的。外导体加热腔的作用是引导电磁波传递并与内导体柱形成电磁回路，专业术语称之为波导，随着科学技术的发展，许多新材料的波导出现，如工字形波导、单线、介质镜像线和微带等。

根据本发明，所述的外导体加热腔是空心管或网状空心管。因本发明采用的微波加热方式是同轴微波加热，其基本原理是在圆柱波导中放置一根良导体，让电磁波存在于内导体柱外壁和外导体加热腔内壁之间。

中空金属管是最主要和最常见的微波引导方式，但是由于本发明应用于加热不燃烧烟草领域，偏向设备的便携性，所以减轻设备重量也是主要考虑因素。另外，使用合理结构的网状金属管，在尽量保证传输效率的同时可以极大的减轻设备重量，同时网状金属管可以有部分窥视加热腔内情况的作用。

优选地，所述外导体加热腔是单层空心管或单层网状空心管。

更优选地，所述外导体加热腔是由多层空心管叠加构成的或由多层网状空心管叠加构成的。根据不同的微波频率，外导体加热腔的传递效率以及传递后的电磁波与内导体之间形成的模式不同，所以多层空心管状外导体加热腔可以提供更优的设备解决方案。

根据本发明，所述的外导体加热腔是一种其壁厚沿着其纵轴方向而逐渐改变的腔，或者是一种其壁厚沿着其横截面方向而缓慢改变的腔。在微波同轴加热应用中，外导体加热腔的壁厚分布结构直接影响微波的电场分布和电场标量值，根据不同需求，设计合理的外导体加热腔的壁厚分布结构可以使目标烟弹得到更好的加热效果。

在本发明中，所述外导体加热腔的长度长于所述内导体柱的长度。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：

微波波长计算公式如下：

λ＝c/f (1)

式中：

c为光速，

f为微波频率；

截止波长计算公式如下：

λ_c＝3.41R (2)

式中：

λ_c为TE11模的截止波长，

R为圆管型微波腔半径。

根据上述公式(1)计算各微波频率的相应波长：频率915MHz的微波波长为327.87mm，频率2.45GHz的微波波长为122.45mm，频率为5.8GHz的微波波长为51.72mm；

根据上述公式(2)计算各频率的截止波长：频率915MHz的截止波长为R＝λ_c/3.41＝327.87/3.41≈96mm；频率2.45GHz的截止波长为R＝λ_c/3.41＝122.45/3.41≈36mm；频率为5.8GHz的截止波长为R＝λ_c/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：

因此，由于外导体外导体加热腔的直径远小于各频率的截止波长，在没有内导体柱存在的情况下，微波衰减严重，保证了不会发生微波泄露对使用者造成伤害。

根据本发明，所述外导体加热腔的轴向内表面呈圆柱形、螺旋形或锥形。由于科学技术的发展，同轴微波加热模式取得了长足的进步，目前倒锥形加热腔、同轴回旋管加热腔等均取得了巨大的实验成果，为应对花样繁多的加热不燃烧烟弹的加热需求，可以针对性的改变加热腔结构。

优选地，所述外导体加热腔的轴向内表面呈圆柱形或螺旋形。

根据本发明，所述微波源的微波频率是915MHz、2.45GHz或5.8GHz。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。

[有益效果]

本发明的有益效果是：

本发明的微波加热不燃烧设备的外导体加热腔是同轴微波加热，其基本原理是在圆柱波导中放置一根良导体，让电磁波存在于内导体柱外壁和外导体加热腔内壁之间，且外导体加热腔的长度大于内导体柱的长度，外导体外导体加热腔的直径远小于各频率的截止波长，在没有内导体柱存在的情况下，微波衰减严重，保证了不会发生微波泄露对使用者造成伤害。

【附图说明】

图1是本发明用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔结构示意图；

图2是本发明双层网状外导体加热腔结构示意图；

图3是本发明轴向不同壁厚外导体加热腔结构示意图；

图中：

1-外导体加热腔；2-内导体柱；3-第一层网状外导体加热腔；4-第二层网状外导体加热腔；5-外导体加热腔壁薄处；6-外导体加热腔壁厚处。

【具体实施方式】

通过下述实施例将能够更好地理解本发明。

实施例1：本发明用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔

该实施例的实施方式如下：

所述的外导体加热腔1是由304不锈钢材料制成的，为圆柱中空形状，长度大于内导体柱2长度，采用的固态微波源的微波频率为915MHz。

将本实施例外导体加热腔1放置在微波加热烟具内导体柱2轴心外围，得到微波加热不燃烧烟具的微波同轴加热腔，具体参见附图1。

实施例2：本发明用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔

该实施例的实施方式如下：

所述的外导体加热腔1是由两层黄铜100目网制成的，第一层外导体网腔3直径略小于第二层外导体网腔4；外导体黄铜网为圆柱中空形状，长度大于内导体柱2长度，采用的固态微波源为2.45GHz。

将本实施例外导体加热腔1放置在微波加热烟具内导体柱2轴心外围，得到微波加热不燃烧烟具的微波同轴加热腔，具体参见附图2。

实施例3：本发明用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔

该实施例的实施方式如下：

所述的外导体加热腔1是由高介电常数碳纤维制成的，外导体加热腔1两端5壁厚稍薄中部6壁厚稍厚；内壁为圆柱中空形状；整体长度大于内导体柱2长度，采用的固态微波源为5.8GHz。

将本实施例外导体加热腔1放置在微波加热烟具内导体柱2轴心外围，得到微波加热不燃烧烟具的微波同轴加热腔，具体参见附图3。

Claims (10)

1.一种用于微波加热不燃烧设备的外导体加热腔，其特征在于外导体加热腔与其同轴重叠的内导体柱构成一个同轴加热腔，微波源从内导体柱一端进入同轴加热腔进行微波传输，实现微波对发烟基质的加热。

2.根据权利要求1所述的外导体加热腔，其特征在于所述外导体加热腔是用金属或其它具有高导电性能材料制成的。

3.根据权利要求1所述的外导体加热腔，其特征在于所述的外导体加热腔是空心管或网状空心管。

4.根据权利要求3所述的外导体加热腔，其特征在于所述外导体加热腔是单层空心管或单层网状空心管。

5.根据权利要求3所述的外导体加热腔，其特征在于所述外导体加热腔是由多层空心管叠加构成的或由多层网状空心管叠加构成的。

6.根据权利要求1所述的外导体加热腔，其特征在于所述的外导体加热腔是一种其壁厚沿着其纵轴方向而逐渐改变的腔，或者是一种其壁厚沿着其横截面方向而缓慢改变的腔。

7.根据权利要求1所述的外导体加热腔，其特征在于所述外导体加热腔的长度长于所述内导体柱的长度。

8.根据权利要求1所述的加热腔，其特征在于所述外导体加热腔的轴向内表面呈圆柱形、螺旋形或锥形。

9.根据权利要求1所述的加热腔，其特征在于所述外导体加热腔的轴向内表面呈圆柱形或螺旋形。

10.根据权利要求1所述的加热腔，其特征在于所述微波源的微波频率是915MHz、2.45GHz或5.8GHz。