CN113384007B - 一种基于声表面波的雾化电子烟及过滤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声表面波的雾化电子烟及过滤系统，包括雾化组件以及过滤组件，雾化组件包括压电基底，压电基底上设置有抛光面，抛光面上设置有换能器，换能器包括若干对相同指宽的指条电极，指条电极呈周期排列，并与电极总线交替相连，压电基底设置有传感器，传感器用于检测雾化组件参数信息；雾化组件设置有第一导烟通道，第一导烟通道与过滤组件配合连接，过滤组件包括壳体，壳体底部设置有过滤网，壳体内设置有转筒，转筒内设置有旋转轴，转筒上规则设置有若干排流孔，转筒上连接有收容腔，具有能量集中，便于小型化，集成化，能够产生更小的雾滴，避免未雾化的烟油或有害物质进入口中或人体内，影响吸食口感和人身健康。

Description

一种基于声表面波的雾化电子烟及过滤系统

应用领域

本发明涉及电子烟领域，特别是一种基于声表面波的雾化电子烟及过滤系统。

背景技术

电子烟，又称电子尼古丁传送系统，通过电子加热方式向呼吸系统传送烟碱的电子装置。电子烟通过模拟抽真烟的整个过程，采用发热丝电加热方式加热含有烟碱的电子烟烟液来产生烟雾，用户吸入口腔并经过肺部吸收。其可达到烟民在保持多年抽烟习惯的前提下，达到“吞云吐雾”的效果，并获得跟抽吸传统卷烟相似的感受。电子烟主要是通过吸烟者吸食起到生理、心理的强烈满足感和舒适愉悦的心情的作用。优良品质的电子烟能给消费者带来美好的嗅觉和味觉享受。而电子烟不同的雾化方式产能生的烟雾口感不一样会对电子烟的内在品质产生较大影响，最终直接影响消费者对产品的青睐程度，同时，电子烟传统的汽化雾化过程中会存在干烧、汽化温度过高、加热不均的问题，导致导油棉烧结，电子烟烟雾随温度升高产生气溶胶等大量的有害物质。因此，研发加热均匀、烟雾颗粒小的雾化技术并且具有过滤功能的电子烟具有重要意义。

声表面波雾化是一种把能量以漏声表面波的模式向液体传递能量并产生形变，从而对液体的自由表面产生强烈的扰动，当液体表面自身的表面张力不足以保持其几何形态的稳定时，从而使液体发生雾化的雾化方式。与传统的超声雾化方式相比，声表面波雾化器具有能量集中，便于小型化，集成化等优点。同时，因为紧凑的结构，声表面波雾化器的激励频率可以达到10MHz以上，能够产生更小数量级的雾化液滴。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种基于声表面波的雾化电子烟及过滤系统。

为达到上述目的本发明采用的技术方案为：一种基于声表面波的雾化电子烟及过滤系统，包括雾化组件以及过滤组件；

所述雾化组件包括压电基底，所述压电基底上设置有抛光面，所述抛光面上设置有换能器，所述换能器包括若干对相同指宽的指条电极，所述指条电极呈周期排列，并与电极总线交替相连，所述压电基底设置有传感器，所述传感器用于检测雾化组件参数信息；

所述雾化组件设置有第一导烟通道，所述第一导烟通道与所述过滤组件配合连接，所述过滤组件包括壳体，所述壳体底部设置有过滤网，所述壳体内设置有转筒，所述转筒内设置有旋转轴，所述转筒上规则设置有若干排流孔，所述转筒上连接有收容腔；

所述压电基底底部配合连接有导油杆，所述导油杆另一端与油腔配合连接，所述过滤组件顶部连接有第二导烟通道，所述第二导烟通道与所述转筒相通，所述导烟通道与吸嘴配合连接。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述压电基底包括压电晶片，声波信号沿所述压电晶片表面传播，所述压电晶片的晶格因压电效应形成弹性波。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述压电晶片包括声子晶体，所述声子晶体呈凸起柱体状阵列于所述压电晶片上表面，所述声子晶体与所述声波发生共振耦合以产生带有结构色散以及频率带隙的声能。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述雾化组件参数信息包括中心激发频率信息、雾化温度信息、雾化湿度信息、压电晶片压力信息的一种或多种组合。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述换能器包括输入换能器与输出换能器，所述输入换能器与所述输出换能器设置于所述压电基底两端，所述输入换能器用于将电信号转化为声波信号，所述输出换能器用于将声波信号转化为电信号。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述旋转轴上设置有螺旋片，所述螺旋片直径不大于所述转筒内径，所述旋转轴为中空结构。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述收容腔底部连接有导流管，所述导流管另一端与储液槽相连接，所述储液槽为可拆卸结构。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述压电基底为密度不均的材料，所述压电晶片为具有压电效应的材料，所述压电晶片两端连接有若干组导线，所述导线另一端与激励电压源相接。

本发明第二方面提供了一种基于声表面波的雾化电子烟仿真方法，应用于任一所述的一种基于声表面波的雾化电子烟及过滤系统，包括以下步骤：

构建模型维度，导入几何，以更好的显示声表面波温度特性；

定义求解域的材料属性；

设定载荷与边界条件，对所述载荷与边界条件进行网格剖分，生成二维模型信息；

对所述二维模型进行求解，得出求解结果；

对所述求解结果进行分析，以进行修改与优化处理。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，对所述二维模型进行求解，还包括以下步骤：

求解二维模型的特征频率，得到二维模型的谐振频率；

求解二维模型的频域，得到损耗项；

求解二维模型的时域，将所述损耗项作为热源；

对所述二维模型进行稳态求解，得到稳态时二维模型的热分布信息。

本发明公开的一种基于声表面波的雾化电子烟及过滤系统，通过压电基底上的换能器，能够直接激发和接收声表面波信号，接收到信号后通过压电基底的逆压电效应转化为机械能，使得烟油发生雾化，具有能量集中，便于小型化，集成化，能够产生更小的雾滴，避免了存在干烧、雾化温度过高、加热不均的情况。同时，设置有过滤组件，使得电子烟产生的烟雾实现油气分离，实现过滤烟雾中的固体、气溶胶、液体颗粒等有害物质，避免未雾化的烟油或有害物质进入口中或人体内，影响吸食口感和人身健康。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为电子烟侧剖面结构示意图；

图2为电子烟正剖面结构示意图；

图3为过滤组件剖面结构示意图；；

图4为电子烟整体结构示意图；

图5为叉指换能器示意图；

图6为电子烟雾化系统仿真流程图；

图7为仿真方法模型求解流程图；

附图标记说明如下：1、雾化组件；2、过滤组件；101、第一导烟通道；102、壳体；103、压电基底；104、导油杆；105、油腔；106、第二导烟通道；107：导油棉；201、导流管；202、储存液槽；203、收容槽；204、电池；301、过滤网；302、转筒；303、旋转轴；304、排流孔；305、收容腔；306、螺旋片；307、吸嘴；501、换能器；502、压电基底；503、声子晶体；504、挡板；505、压电晶片；

具体实施方式：

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

实施例一：

本发明第一方面提供了一种基于声表面波的雾化电子烟及过滤系统，包括雾化组件1以及过滤组件2。

如图1所示，所述雾化组件1设置有第一导烟通道101，所述第一导烟通道101与所述过滤组件2配合连接，所述压电基底103底部配合连接有导油杆104，所述导油杆104另一端与油腔105配合连接，所述过滤组件2顶部连接有第二导烟通道106，所述第二导烟通道106与所述转筒相通，所述第二导烟通道106与吸嘴配合连接。导油杆104尾端设置在油腔105底部，能够把油腔内的烟油按一定的量输送至雾化组件1上，使得雾化组件上的压电基底103接受到压力传感器信号后雾化烟油，经雾化后的烟油由第一导烟通道101传送至过滤组件2上，经过滤组件完成过滤后的烟雾再经第二导烟通道106传送至吸嘴307上，从而完成用户抽吸的过程。

如图3所示，所述过滤组件2包括壳体，所述壳体102底部设置有过滤网301，所述壳体102内设置有转筒302，所述转筒302内设置有旋转轴303，所述转筒302上规则设置有若干排流孔304，所述转筒302上连接有收容腔305；所述旋转轴303上设置有螺旋片306，所述螺旋片306直径不大于所述转筒302内径，所述旋转轴303为中空结构。

需要说明的是，当电子烟在雾化过程中发生干烧、雾化温度过高、加热不均匀时，会导致电子烟烟雾中产生烟油、气溶胶、烟雾颗粒等有害物质，本发明在转筒上设置有旋转轴，旋转轴上设置有螺旋片，当雾化后的烟雾进入转筒时，烟雾混合流体在旋流壁面的作用下，使得烟雾混合流体的运动轨迹发生变化，从直线运动变成旋转运动，形成离心力场，在重力的作用下烟雾混合流体中密度较大的部分先以螺旋流的运动方式形成外旋流，使得未雾化的烟油与杂质能够从排流孔304中排到收容腔305上，从而实现了过滤烟油等杂质，防止烟油随着烟雾进入用户口腔，实现了油气分离，避免了烟油等杂质进入用户口腔影响吸食口感与健康。同时在雾化组件与过滤组件之间设置有过滤网301，过滤网301可以是纤维过滤网、活性炭过滤网、高效过滤网中的一个或多个，能够有效的过滤烟雾中的气溶胶、烟雾颗粒等有害物质，结构简单。

需要说明的是，螺旋结构有着增强流动流体旋转速度的结构特性，螺旋结构对流体在旋转腔内的流动有导流作用还能同时提高流体流动的旋流速度，密度较小的烟雾向分离腔体的中心移动，而密度较大的烟油杂质向分离腔的外壁移动，然后沿排流口流入转筒内，使得流体在流动时具有更加稳定的分离效果，能够很好的分离出烟油等杂质。

如图2所示，所述收容腔305底部连接有导流管201，所述导流管201另一端与储液槽202相连接，所述储液槽202为可拆卸结构。经排流孔304分离出的烟油杂质流入转筒302后，沿着转筒302筒壁流向转筒302底部，转筒底部设置有收容槽203，导流管201设置在收容槽203底部，使得烟油杂质能够顺着导油管流入储液槽202，储液槽设置成可拆卸结构，用户能够随时的把分离出来的烟油杂质处理掉，使得结构更合理。

如图5所示，所述雾化组件包括压电基底502，所述压电基底502上设置有抛光面，所述抛光面上设置有换能器501，所述换能器501包括若干对相同指宽的指条电极，所述指条电极呈周期排列，并与电极总线交替相连，所述压电基底设置有传感器，所述传感器用于检测雾化组件参数信息。

需要说明的是，换能器为叉指换能器，与传统的换能器相比，叉指换能器的结构更简单，只需要若干对一定长度的指条构成，每一对指条都连接在相应的汇流条上，使得表面波雾化具有能量集中，便于小型化，集成化的优点，适用于体积较小的电子烟上。另外，由于是紧凑的结构，表面波雾化器激励能够达到更大的频率，能够产生更小数量级的烟雾，使得电子烟的口感更好，提高了用户体验。声表面波雾化原理为：当叉指换能器激励的声波与基底上的烟油相接触时，表面波携带的能量会以漏声表面波的模式向液体传递能量并产生形变，从而对烟油的自由表面产生强烈的震动，当烟油表面自身的表面张力不足以保持几何形态时，烟油开始雾化。

所述压电基底502包括压电晶片505，声波信号沿所述压电晶片505表面传播，所述压电晶片505的晶格因压电效应形成弹性波。

需要说明的是，声表面雾化方式与传统的超声波雾化方式相比较，声表面波雾化具有明显区别与特点，超声波雾化是由于压电基底的往复活塞运动产生的扰动而发生雾化的，而声表面波则是通过衍射进入烟油声能产生的声流对烟油产生的表面张力波的扰动而发生雾化的，声表面波雾化的操作频率要比超声波雾化操作频率高一个能量等级，因此声表面波雾化器的尺寸更小，结构也更加紧凑，能够把电子烟尺寸做的更小，更便于携带。

所述压电晶片505包括声子晶体503，所述声子晶体50呈凸起柱体状阵列于所述压电晶片505上表面，所述声子晶体503与所述声波发生共振耦合以产生带有结构色散以及频率带隙的声能。

需要说明的是，把高频信号施加于每组指条时，叉指换能器就会产生一个电场，其分布周期是一对叉指间隔的周期，由于压电基底会产生逆压电效应，电信号会转化为压电基底表面微小的弹性形变，压电基底上的质点会开始剧烈震动，并会以弹性波的形式从叉指换能器末端向外传送。叉指换能器就会向各个方向传播声表面波，因此为了减少向相反方向传播的声表面波经过反射后与另一个方向的声表面波相互叠加，需要在两侧设置一个吸纳声波的装置。

所述雾化组件参数信息包括中心激发频率信息、雾化温度信息、雾化湿度信息、压电晶片压力信息的一种或多种组合。

需要说明的是，声表面波是一种随着压电基底表面传播、振幅是纳米级别的声波，在压电基底相垂直的方向上，声表面波的能量呈指数被衰减，最终会完全消失。而在压电基底水平的方向上，声表面波能够在传播损耗极低的压电基底上传播上千个波长的距离，因此，叉指换能器所激励出来的声表面波实际上是水平的行进波，水平行进的声波位移分量能够衍射进入烟油产生声流现象，垂直分量的声波能够引起烟油几何形状发生变形与倾斜。声速在不同介质间传播速度不匹配才产生了声波的衍射。一旦声表面波接触到了烟油的表面声表面波将会衰减为漏声表面波，烟油自身粘性是造成声表面波衰减的原因，衍射进入烟油中的声波能量大于烟油表面张力波能够维持烟油自由表面几何形状稳定的临界值时，烟油的自由表面破裂，从而发生雾化，产生直径极细的雾滴。

所述换能器包括输入换能器与输出换能器，所述输入换能器与所述输出换能器设置于所述压电基底两端，所述输入换能器用于将电信号转化为声波信号，所述输出换能器用于将声波信号转化为电信号。

所述压电基底502为密度不均的材料，所述压电晶片505为具有压电效应的材料，所述压电晶片两端连接有若干组导线，所述导线另一端与激励电压源相接。

需要说明的是，声表面波分为纵波与横波，纵波在压电晶片内部传播的过程会导致压电晶片体积发生改变，而横波不会改变压电晶片的体积结构。由于压电基底材料密度不均匀，声波在传送过程会引起温度变化，从而引起弹性波振幅产生传播损耗，为降低在声波传送过程的损耗，选用传播速度更快的压电材料作为弹性波激励的基底，由于压电材料具有各向异性的特点，而各向异性的材料传播方向并不存在横波与纵波，而是两者的耦合，因此具有更高的传播效率。

实施例二：

本发明第二方面提供了一种基于声表面波的雾化电子烟仿真方法，应用于任一所述的一种基于声表面波的雾化电子烟及过滤系统，如图6所示，包括以下步骤：

S102：构建模型维度，导入几何，以更好的显示声表面波温度特性；

S104：定义求解域的材料属性；

S106：设定载荷与边界条件，对所述载荷与边界条件进行网格剖分，生成二维模型信息；

S108：对所述二维模型进行求解，得出求解结果；

S110：对所述求解结果进行分析，以进行修改与优化处理。

需要说明的是，由于声表面波雾化器主要构成器件为叉指换能器为周期性结构的叉指换能器，施加周期性边界条件的叉指换能器单元特性，能够代表整个声表面波雾化器的某些频率特性以及温度特性，因此为了更好的显示声表面波雾化器的温度特性，需要建立一个简化后的单周期二维有限元模型。

需要说明的是，声表面波驱动过程耦合了电场、力场、声场、热场等物理场，是多种物理场共同作用的结果，压电材料的压电效应指的是当压电基底内部激发弹性声场是，电信号和声信号之间转变的一种现象，声波在压电基底中传播的同时，会因为电荷偏移产生电磁波。压电效应有正负之分，其中逆压电效应主要是指电信号转变成机械形变的现象，其是由于压电材料内部为介电体，在一定外电场的作用下，介质内部正负电荷的会发生中心位移偏离，导致介质发生形变。由于压电基底内部存在不同程度的阻尼，压电基底在振动时会因阻尼损耗而发热，阻尼越大，内损耗越大，基底的温度就越高。此外，热量的累积会导致压电基底上的压电晶片发生变形，进一步增大了表面的局部电流密度，加剧自热效应在材料上的体现。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，对所述二维模型进行求解，如图7所示，还包括以下步骤：

S202：求解二维模型的特征频率，得到二维模型的谐振频率；

S204：求解二维模型的频域，得到损耗项；

S206：求解二维模型的时域，将所述损耗项作为热源；

S208：对所述二维模型进行稳态求解，得到稳态时二维模型的热分布信息。

需要说明的是，在对模型的特征频率求解后，能够得到声波在传播过程中振型的八种模态，模态都是成对出现的，存在对称模态与反对称模态，相应的，成对的模态频率十分接近，此现象反映出的是声波在不同频率下的传播方向是不一样的。由于压电材料的存在使得压电基底表面发生机械变形，及发生压电材料的逆压电效应，使得通过设定压电材料的阻尼损耗因子后，就能够的到压电材料本身的损耗值。

以上依据本发明的理想实施例为启示，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于声表面波的雾化电子烟，其特征在于：

所述电子烟包括雾化组件以及过滤组件，所述雾化组件包括压电基底，所述压电基底上设置有抛光面，所述抛光面上设置有换能器，所述换能器包括若干对相同指宽的指条电极，所述指条电极呈周期排列，并与电极总线交替相连，所述压电基底设置有传感器，所述传感器用于检测雾化组件参数信息；

所述雾化组件设置有第一导烟通道，所述第一导烟通道与所述过滤组件配合连接，所述压电基底底部配合连接有导油杆，所述导油杆另一端与油腔配合连接，所述导油杆能够把油腔内的烟油输送至雾化组件上的压电基底进行雾化烟油，经雾化后的烟油由第一导烟通道传送至过滤组件上；

所述过滤组件包括壳体，所述壳体底部设置有过滤网，所述壳体内设置有转筒，所述转筒内设置有旋转轴，所述转筒上规则设置有若干排流孔，所述转筒上连接有收容腔；

所述过滤组件顶部连接有第二导烟通道，所述第二导烟通道与所述转筒相通，所述第二导烟通道与吸嘴配合连接；

所述压电基底包括压电晶片，声波信号沿所述压电晶片表面传播，所述压电晶片的晶格因压电效应形成弹性波；

所述压电晶片包括声子晶体，所述声子晶体呈凸起柱体状阵列于所述压电晶片上表面，所述声子晶体与所述声波信号发生共振耦合以产生带有结构色散以及频率带隙的声能；

所述换能器包括输入换能器与输出换能器，所述输入换能器与所述输出换能器设置于所述压电基底两端，所述输入换能器用于将电信号转化为声波信号，所述输出换能器用于将声波信号转化为电信号；

所述旋转轴上设置有螺旋片，所述螺旋片直径不大于所述转筒内径，所述旋转轴为中空结构；

所述收容腔底部连接有导流管，所述导流管另一端与储液槽相连接，所述储液槽为可拆卸结构；

所述压电基底为密度不均的材料，所述压电晶片为具有压电效应的材料，所述压电晶片两端连接有若干组导线，所述导线另一端与激励电压源相接。

2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的雾化电子烟，其特征在于：所述雾化组件参数信息包括中心激发频率信息、雾化温度信息、雾化湿度信息、压电晶片压力信息的一种或多种组合。