基于磁致伸缩高频振动的不燃烧卷烟加热方法研究.pdf

现代电子技术Modern Electronics Technique2023年12月1日第46卷第23期Dec.2023Vol.46 No.230 引 言加热不燃烧卷烟通过将特制烟支插入 350 左右的加热体以达到抽吸目的，其在抽吸过程中烟支不会燃烧，有效减少了烟支高温燃烧产生的有害成分，因此，加热不燃烧卷烟正逐步成为在全球范围内备受关注的烟草制品13。卷烟的加热技术主要为电阻式加热，如菲莫的IQOS烟具和韩国株式会社的Li1烟具，烟具发热结构主要为瓷制成的片状或棒状发热体，是在氧化锆陶瓷基片印上银浆、银钯浆、铂金浆等金属浆料，经高温烧结制成电阻发热体45。由于各批次的金属浆料密度、印制厚度、粘接剂等不同，各批次发热片的电阻差异大，使得不同批次烟具温度相差20 以上，批量化生产困难67；且加热烟支时烟支产生的焦油类物质容易黏附并腐蚀发热体，使得加热元件的发热性能和寿命降低811；同时，加热卷烟还存在发热体温升时间长（约40 s），抽吸前等待时间过长的缺陷；加热体最高与最低温度差 130，基于磁致伸缩高频振动的不燃烧卷烟加热方法研究徐继藩，陈 焰，杨雪松，闫恒彬（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）摘 要：针对电阻式加热不燃烧卷烟存在烟具温升时间长，温度场分布不均，加工工艺对不同批次加热片参数影响大和加热片易受烟油黏附和腐蚀等问题，采用磁致伸缩高频振动加热的方法替代电阻式加热，该方法通过高频电流产生的高频磁场使铁磁材料产生高频振动发热，实现对卷烟的加热。仿真结果表明，采用复合铝加热片的振动发热方案温升时间为5 s，比电阻式加热缩短了35 s。同时，加热片最高和最低温度差为3.2，相比电阻式加热降低了109。此外，振动发热片具有批次加热片参数一致性好，不易受加工工艺影响，对烟油黏附和腐蚀的影响较小，具有较好的实用性和推广价值。关键词：磁致伸缩换能器；加热不燃烧卷烟；温度分布；数值模拟；振动发热；超声振动体；内耗发热；金属材料中图分类号：TN712+.234；TS14+2 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）23012105Research on heatnotburn cigarette heating method based on magnetostrictive highfrequency vibrationXU Jifan,CHEN Yan,YANG Xuesong,YAN Hengbin(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)Abstract：In this paper,a solution is proposed to replace resistance heating with a magnetostrictive high frequency vibration heating method for heatnotburn cigarettes.The proposed solution addresses problems such as long temperature rise time,uneven temperature field distribution,large variation in heating sheet parameters across different batches,and susceptibility of heating sheets to tobacco oil adhesion and corrosion.The highfrequency magnetic field generated by the highfrequency current induces ferromagnetic materials to vibrate and produce heat,which achieves the objective of heating cigarettes.Simulation results demonstrate that the proposed composite aluminum heating sheet vibration heating scheme meets the cigarette heating requirements,with a temperature rise time of 5 seconds and a temperature difference of 3.2 between the highest and lowest temperatures of the heating sheet.This is 35 seconds and 109 lower than resistive heating,respectively.Furthermore,the proposed method exhibits good consistency of heating sheet parameters across different batches and is less susceptible to the influence of processing processes.Additionally,the vibration heating sheet has a reduced impact on cigarette oil adhesion and corrosion,indicating good practicality and potential for promotion.Keywords：magnetostrictive transducer;heatnotburn cigarette;temperature distribution;numerical simulation;vibration heating;ultrasonic vibrator;internal consumption heating;metallic materialDOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.23.022引用格式：徐继藩，陈焰，杨雪松，等.基于磁致伸缩高频振动的不燃烧卷烟加热方法研究J.现代电子技术，2023，46（23）：121125.收稿日期：20230511 修回日期：20230602基金项目：国家自然科学基金项目（51204078）121121现代电子技术2023年第46卷温度场分布不均匀，使得卷烟加热不充分，抽吸口感难以媲美传统卷烟。医学领域采用高频振动的超声手术刀切割皮肤，且刀头高频振动发热，温度达 8090，可起到凝血作用1215。研究磁致伸缩高频振动的加热方法，应用于新型卷烟烟具加热片，可有效突破专利壁垒；缩短温升时间、减小温度场不均匀性；降低制作工艺影响，提高各批次加热片一致性；同时也减小烟油黏附、腐蚀的影响。为研究加热不燃烧卷烟加热方法提供了一种新思路。1 磁致伸缩加热的原理铁磁材料的磁致伸缩效应表现为长度和体积在磁场中的微小变化。在不施加外界磁场磁化前，铁磁材料中的大块晶体会形成磁畴结构，铁磁材料中每个磁畴区域内均包含有大量原子，这些原子在磁畴中呈平行有序的排列状态，简称磁矩，相同磁畴的磁矩有序的排列，使得每个磁畴显磁性；但相邻的不同区域的磁畴之间磁矩的方向不同，不同磁畴中的磁矩相互抵消矢量为零，使得整个物体的磁矩也为零，因此在宏观上铁磁体并不显示磁性，如图1a）所示。图1 磁畴原理图在外界磁场的作用下，所有磁畴中的磁矩有序排列，且与外部磁场方向相同，同时各磁畴区域大小也发生了变化，即磁畴壁移，所有磁畴内磁矩按照外加磁场方向旋转并按照外加磁场方向排列，由于磁畴壁移和磁矩转换使每个磁畴的大小在微观上均发生了变化，材料宏观上的大小形状也随即发生了相应变化16，如图 1a）中的h变为了图1b）中的H。因此，当外界对铁磁材料施加高频磁场时，铁磁材料会随着磁场的改变而发生相应的变化，产生高频振动。当物体高频振动时，由于材料中的黏弹性效应等机械损耗，结构内就会产生大量热量。2 磁致伸缩换能器结构及涡流影响2.1 磁致伸缩换能器结构换能器原理如图 2所示，磁致伸缩换能器通过在铁磁材料附近通入高频电流J，电流会在铁磁材料附近产生一个与电流频率一致的交变磁场B。铁磁材料在磁场作用下由于磁致伸缩效应会产生周期变形，从而造成材料内部的振动。图2 磁致伸缩型换能器对于非铁磁材料，可使用铁磁材料贴附于非铁磁材料上，组成复合铁磁材料，通过铁磁材料的磁致伸缩振动，带动非铁磁材料产生相应的振动，如图3所示。图3 磁致伸缩贴片型换能器2.2 涡流效应影响换能原件处于交变磁场中会产生电磁感应涡流，使发热影响发热器件温度。电磁感应加热的原理为交变电流i1通入感应线圈时，感应线圈周围会产生相应的交变磁通，磁通量大小为：=BS（1）式中：B为磁场强度；S为磁场穿过的面积。处于交变磁通穿过的铁磁材料表面会产生相应的感应电动势e，感应电动势大小为：e=-t（2）式中t为时间。由式（1）和式（2）得出，感应电动势大小由单位时间内磁场强度和磁场穿过的面积决定。感应电动势在铁磁材料内部产生涡电流i2，使铁磁材料内部生热，如图4所示。图4 电磁感应发热原理为了消除电磁感应发热影响，将发热结构设计为小型薄片，并在发热片外围绕上线圈通入交变电流i，如图 5a）所示，产生平行于薄片的交变磁场，如图 5b）122第23期所示。图5 交变磁场平行于铁磁材料结构示意图由于无磁场穿过发热片，在发热片表面无感应涡流产生，消除了磁感应发热对磁致伸缩振动发热片产生的影响。3 仿真物理建模使用 COMSOL有限元工具对振动发热片与电阻发热片进行建模与仿真，对比它们的加热性能。3.1 发热体的几何模型参考烟支的尺寸并且增大发热片与烟支的接触面积，发热片尺寸参考电阻发热片，设计为长20 mm、宽5 mm、厚0.3 mm的小型薄片，铁磁材料（镍、钢）发热片设计为整块铁磁材料制成的发热片；非铁磁材料为复合结构，使用非铁磁材料（钛、铝）贴在铁磁材料前后制成夹片型复合材结构，如图 6a）所示；电阻式加热片是在氧化锆陶瓷基片上印制铂电阻丝，如图6b）所示。图6 发热片建模3.2 物理场及边界条件1）传热分析热传递包括传导传热、对流传热和辐射传热三种，其中对流传热分为强对流和自然对流两种，在不抽吸情况不存在强制对流，导热微分方程为：cTt=(T)+Q（3）式中：为密度；c为比热容；T为温度；t为时间；Q为热源的单位体积功率；为导热系数。除传导传热外，还存在空气自然对流换热和辐射换热，它们的热通量分别符合式（4）和式（5）：qh=-h(TW-Tf)（4）qr=-(G-n20T4W)（5）式中：qh和qr分别为自然对流通量、辐射热通量；h为对流换热系数；TW、Tf分别为壁面温度和空气温度；为材料发射率；G为总入射辐射通量；n为空气折射率；0为斯蒂芬玻尔兹曼常数。发热片外表面考虑空气自然对流换热和辐射换热，环境温度为 20，压强为 1个标准大气压，振动发热片为金属材料，表面发射率为0.2。2）热 源发热仿真是对金属发热片施加高频振动载荷，由于材料中的机械损耗，结构内会产生大量的热量。在铁磁材料周围缠绕线圈，线圈通入交变电流与电流所产生的交变磁场的关系由法拉第电磁感应定律得出：B=UtINA（6）式中：B为磁感应强度；U为电压；t为通入电流的时间；I为通入电流；N为线圈匝数；A为线圈的横截面积。当外加磁场B后，电磁材料会产生磁致伸缩效应，铁磁材料中的磁畴会产生运动，关系式为：B=d+H（7）式中：d为磁机耦合系数；为铁磁材料的磁导率；为材料所受应力；H为材料长度。铁磁材料在外界磁场的影响下，应力和应变的关系符合胡克定律=E，其中，E为铁磁材料的杨氏模量，铁磁材料的本构方程为：=E+dH（8）式中：为应力；为应变；dH为材料长度变化量。发热片低端固定，周围承受周期性的载荷，角频率为：=2f（9）式中：为角频率，其值为交变磁场的频率；f为激发频率。温升由传热方程（10）给出：Qh=CpTt-(kT)（10）式中：Cp代表单位体积所具有的热容量，根据杜隆珀徐继藩，等：基于磁致伸缩高频振动的不燃烧卷烟加热方法研究123现代电子技术2023年第46卷蒂定律，体积热容与Cp无关；T为温度；t为时间；k是热导率；Qh为高频振动产生的热量。磁致伸缩高频振动的频率与磁场变化频率相同，高频振动的产热方程由式（11）得出：Qh=12Real:Conj(C:)（11）式中：Qh表示非弹性力在周期内的内部功；为损耗因子；为应变张量；C为弹性张量。该式根据在频域中执行的结构分析计算得出的。t=0时的初始状态是无应力的，整个发热片的初始温度为20。3）边界条件发热片底部固定，在固定端使用温度条件T=20，在承受周期力的表面使用热绝缘条件，在所有其他边界使用对流冷却条件，关系式为：-kT=h(T-Text)（12）式中：h是传热系数，定义为 17 W/(m2K)；Text是外部温度，定义为20。在仿真过程中对发热片施加1.7 MPa的周期载荷，持续120 s，在此过程中固定端和结构环境保持恒温20。4 仿真对比对不同材料发热片施加不同的谐振频率，筛选满足卷烟加热所需要温度的频率和材料。将满足发热要求的振动发热片温升特性、温度场均匀性等与电阻式发热片对比。4.1 材料选择在材料振动发热的过程中，材料本身的性能以及所施加的振动频率等因素都会影响发热温度。为了探索适合烟具加热温度的材料以及谐振频率，使用复合钛、复合铝、45 钢、镍为振动发热片材料。对发热片外加4060 kHz的谐振频率，观察不同材料发热片的稳态温度，所得频率对应材料的稳态温度曲线如图7所示。图7 不同材料频率稳态温度曲线在给定的谐振频率范围内，复合钛在谐振频率为 52 kHz 下温度达到了 340，并且随着谐振频率的增加稳态温度也不断升高；复合铝在 51 kHz谐振频率下达到了360，并且随着谐振频率的增加稳态温度也不断升高。镍合金和 45 钢频率增加温度有短暂提升后，温度并未随着频率增加而增加，随着频率增加镍合金稳态温度维持在 140 左右，45 钢稳态温度维持在180 左右。52 kHz、51 kHz振动频率，复合钛、复合铝振动发热满足加热不燃烧卷烟的加热要求。4.2 温度特性选取 52 kHz、51 kHz振动频率的复合钛、复合铝的温度特性并与传统的电阻式发热片进行对比，如图 8所示。图8 50 kHz下材料温升复合钛的稳态温度为345，复合铝的稳态温度为362；复合钛的温升时间为 4 s，复合铝的温升时间为5 s；传统的电阻式加热片稳态温度为 340，温升时间为40 s，振动加热的温升时间优于电阻式加热。4.3 温度均匀性对比51 kHz、52 kHz振动频率，复合铝、复合钛振动加热片和电阻式加热片温度场对比如图9所示。图9 各发热片的温度场在尺寸相同的电阻加热片和振动发热片上取 5 个测温点，如图10所示。各点测量温度如表1所示。124第23期图10 测温点 表1 各测温点温度 发热片种类电阻铝钛测温点1339.3362.7332.1测温点2321.5361.2301.3测温点3299.1360.6284.7测温点4263.8360.2243.2测温点5227.3359.5199.8由表 1 得出：电阻发热片的温度差为 112，铝发热片温度差为 3.2，钛发热片温度差为 132.3，铝发热片温度场均匀性最好。5 结 语针对电阻式加热烟具存在的温升慢、温度场分布不均、电路易腐蚀和不同批次一致性差等问题，本文采用磁致伸缩振动发热的加热方法，有效突破了专利壁垒；复合铝发热片温升时间为5 s，远低于电阻发热片的40 s；复合铝发热片测温点的最高温度与最低温度相差3.2，远低于电阻发热片的112，发热片温度场均匀性显著提高；振动加热片表面无阻丝，不存在腐蚀影响；无电阻式加热片加工工艺只需保证振动加热片材料纯度即可保证不同批次参数的一致性。为加热不燃烧卷烟加热方法研究提供了一种新思路。注：本文通讯作者为陈焰。参考文献1 刘亚丽，王金棒，郑新章，等.加热不燃烧烟草制品发展现状及展望J.中国烟草学报，2018，24（4）：91106.2 李书杰，赵汉章，门晓龙，等.国内加热不燃烧烟草制品发展现状与分析J.科技与创新，2019（21）：115116.3 金鑫.新型烟草制品发展状态及预测J.中国市场，2019（12）：5960.4 SIMONAVICIUS E,MCNEILL A,SHAHAB L,et al.Heatnotburn tobacco products:a systematic literature review J.Tobacco control,2019,28(5):582594.5 李美红，刘静，吴建霖，等.气相色谱法测定加热不燃烧再造烟叶中烟碱J.化学分析计量，2022，31（10）：4043.6 杨紫刚，尹申成，杨双艳，等.水分含量对加热不燃烧烟弹抽吸品质的影响J.轻工科技，2022，38（1）：1316.7 FARSALINOS K E,YANNOVITS N,SARRI T,et al.Carbonyl emissions from a novel heated tobacco product(IQOS):comparison with an ecigarette and a tobacco cigarette:carbonyl emissions in heated tobacco product J.Addiction,2018,113(11):20992106.8 PAUMGARTTEN F.Heatnotburn and electronic cigarettes:truths and untruths about harm reduction J.Revista da associacao medica brasileira,2018,64(2):104105.9 LI X,LUO Y,JIANG X.Chemical analysis and 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