基于磁致伸縮高頻振動(dòng)的不燃燒卷煙加熱方法研究

徐繼藩，陳 焰，楊雪松，閆恒彬

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引 言

加熱不燃燒卷煙通過將特制煙支插入350 ℃左右的加熱體以達(dá)到抽吸目的，其在抽吸過程中煙支不會(huì)燃燒，有效減少了煙支高溫燃燒產(chǎn)生的有害成分，因此，加熱不燃燒卷煙正逐步成為在全球范圍內(nèi)備受關(guān)注的煙草制品[1-3]。

卷煙的加熱技術(shù)主要為電阻式加熱，如菲莫的IQOS 煙具和韓國株式會(huì)社的Li1 煙具，煙具發(fā)熱結(jié)構(gòu)主要為瓷制成的片狀或棒狀發(fā)熱體，是在氧化鋯陶瓷基片印上銀漿、銀鈀漿、鉑金漿等金屬漿料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成電阻發(fā)熱體[4-5]。由于各批次的金屬漿料密度、印制厚度、粘接劑等不同，各批次發(fā)熱片的電阻差異大，使得不同批次煙具溫度相差20 ℃以上，批量化生產(chǎn)困難[6-7]；且加熱煙支時(shí)煙支產(chǎn)生的焦油類物質(zhì)容易黏附并腐蝕發(fā)熱體，使得加熱元件的發(fā)熱性能和壽命降低[8-11]；同時(shí)，加熱卷煙還存在發(fā)熱體溫升時(shí)間長（約40 s），抽吸前等待時(shí)間過長的缺陷；加熱體最高與最低溫度差130 ℃，溫度場(chǎng)分布不均勻，使得卷煙加熱不充分，抽吸口感難以媲美傳統(tǒng)卷煙。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域采用高頻振動(dòng)的超聲手術(shù)刀切割皮膚，且刀頭高頻振動(dòng)發(fā)熱，溫度達(dá)80～90 ℃，可起到凝血作用[12-15]。研究磁致伸縮高頻振動(dòng)的加熱方法，應(yīng)用于新型卷煙煙具加熱片，可有效突破專利壁壘；縮短溫升時(shí)間、減小溫度場(chǎng)不均勻性；降低制作工藝影響，提高各批次加熱片一致性；同時(shí)也減小煙油黏附、腐蝕的影響。為研究加熱不燃燒卷煙加熱方法提供了一種新思路。

1 磁致伸縮加熱的原理

鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)表現(xiàn)為長度和體積在磁場(chǎng)中的微小變化。在不施加外界磁場(chǎng)磁化前，鐵磁材料中的大塊晶體會(huì)形成磁疇結(jié)構(gòu)，鐵磁材料中每個(gè)磁疇區(qū)域內(nèi)均包含有大量原子，這些原子在磁疇中呈平行有序的排列狀態(tài)，簡稱磁矩，相同磁疇的磁矩有序的排列，使得每個(gè)磁疇顯磁性；但相鄰的不同區(qū)域的磁疇之間磁矩的方向不同，不同磁疇中的磁矩相互抵消矢量為零，使得整個(gè)物體的磁矩也為零，因此在宏觀上鐵磁體并不顯示磁性，如圖1a）所示。

圖1 磁疇原理圖

在外界磁場(chǎng)的作用下，所有磁疇中的磁矩有序排列，且與外部磁場(chǎng)方向相同，同時(shí)各磁疇區(qū)域大小也發(fā)生了變化，即磁疇壁移，所有磁疇內(nèi)磁矩按照外加磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)并按照外加磁場(chǎng)方向排列，由于磁疇壁移和磁矩轉(zhuǎn)換使每個(gè)磁疇的大小在微觀上均發(fā)生了變化，材料宏觀上的大小形狀也隨即發(fā)生了相應(yīng)變化[16]，如圖1a）中的h變?yōu)榱藞D1b）中的H。

因此，當(dāng)外界對(duì)鐵磁材料施加高頻磁場(chǎng)時(shí)，鐵磁材料會(huì)隨著磁場(chǎng)的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化，產(chǎn)生高頻振動(dòng)。當(dāng)物體高頻振動(dòng)時(shí)，由于材料中的黏彈性效應(yīng)等機(jī)械損耗，結(jié)構(gòu)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生大量熱量。

2 磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)及渦流影響

2.1 磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)

換能器原理如圖2 所示，磁致伸縮換能器通過在鐵磁材料附近通入高頻電流J，電流會(huì)在鐵磁材料附近產(chǎn)生一個(gè)與電流頻率一致的交變磁場(chǎng)B。鐵磁材料在磁場(chǎng)作用下由于磁致伸縮效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生周期變形，從而造成材料內(nèi)部的振動(dòng)。

圖2 磁致伸縮型換能器

對(duì)于非鐵磁材料，可使用鐵磁材料貼附于非鐵磁材料上，組成復(fù)合鐵磁材料，通過鐵磁材料的磁致伸縮振動(dòng)，帶動(dòng)非鐵磁材料產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，如圖3 所示。

圖3 磁致伸縮貼片型換能器

2.2 渦流效應(yīng)影響

換能原件處于交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)渦流，使發(fā)熱影響發(fā)熱器件溫度。電磁感應(yīng)加熱的原理為交變電流i1通入感應(yīng)線圈時(shí)，感應(yīng)線圈周圍會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁通φ，磁通量大小為：

式中：B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；S為磁場(chǎng)穿過的面積。處于交變磁通穿過的鐵磁材料表面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為：

式中t為時(shí)間。

由式（1）和式（2）得出，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小由單位時(shí)間內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)穿過的面積決定。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生渦電流i2，使鐵磁材料內(nèi)部生熱，如圖4所示。

圖4 電磁感應(yīng)發(fā)熱原理

為了消除電磁感應(yīng)發(fā)熱影響，將發(fā)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為小型薄片，并在發(fā)熱片外圍繞上線圈通入交變電流i，如圖5a）所示，產(chǎn)生平行于薄片的交變磁場(chǎng)，如圖5b）所示。

由于無磁場(chǎng)穿過發(fā)熱片，在發(fā)熱片表面無感應(yīng)渦流產(chǎn)生，消除了磁感應(yīng)發(fā)熱對(duì)磁致伸縮振動(dòng)發(fā)熱片產(chǎn)生的影響。

3 仿真物理建模

使用COMSOL 有限元工具對(duì)振動(dòng)發(fā)熱片與電阻發(fā)熱片進(jìn)行建模與仿真，對(duì)比它們的加熱性能。

3.1 發(fā)熱體的幾何模型

參考煙支的尺寸并且增大發(fā)熱片與煙支的接觸面積，發(fā)熱片尺寸參考電阻發(fā)熱片，設(shè)計(jì)為長20 mm、寬5 mm、厚0.3 mm 的小型薄片，鐵磁材料（鎳、鋼）發(fā)熱片設(shè)計(jì)為整塊鐵磁材料制成的發(fā)熱片；非鐵磁材料為復(fù)合結(jié)構(gòu)，使用非鐵磁材料（鈦、鋁）貼在鐵磁材料前后制成夾片型復(fù)合材結(jié)構(gòu)，如圖6a）所示；電阻式加熱片是在氧化鋯陶瓷基片上印制鉑電阻絲，如圖6b）所示。

圖6 發(fā)熱片建模

3.2 物理場(chǎng)及邊界條件

1）傳熱分析

熱傳遞包括傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱三種，其中對(duì)流傳熱分為強(qiáng)對(duì)流和自然對(duì)流兩種，在不抽吸情況不存在強(qiáng)制對(duì)流，導(dǎo)熱微分方程為：

式中：ρ為密度；c為比熱容；T為溫度；t為時(shí)間；Q為熱源的單位體積功率；λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

除傳導(dǎo)傳熱外，還存在空氣自然對(duì)流換熱和輻射換熱，它們的熱通量分別符合式（4）和式（5）：

式中：qh和qr分別為自然對(duì)流通量、輻射熱通量；h為對(duì)流換熱系數(shù)；TW、Tf分別為壁面溫度和空氣溫度；ε為材料發(fā)射率；G為總?cè)肷漭椛渫?；n為空氣折射率；σ0為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

發(fā)熱片外表面考慮空氣自然對(duì)流換熱和輻射換熱，環(huán)境溫度為20 ℃，壓強(qiáng)為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，振動(dòng)發(fā)熱片為金屬材料，表面發(fā)射率為0.2。

2）熱 源

發(fā)熱仿真是對(duì)金屬發(fā)熱片施加高頻振動(dòng)載荷，由于材料中的機(jī)械損耗，結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。在鐵磁材料周圍纏繞線圈，線圈通入交變電流與電流所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)的關(guān)系由法拉第電磁感應(yīng)定律得出：

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；U為電壓；t為通入電流的時(shí)間；I為通入電流；N為線圈匝數(shù)；A為線圈的橫截面積。

當(dāng)外加磁場(chǎng)B后，電磁材料會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，鐵磁材料中的磁疇會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，關(guān)系式為：

式中：d為磁機(jī)耦合系數(shù)；μ為鐵磁材料的磁導(dǎo)率；σ為材料所受應(yīng)力；H為材料長度。

鐵磁材料在外界磁場(chǎng)的影響下，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系符合胡克定律σ=Eε，其中，E為鐵磁材料的楊氏模量，鐵磁材料的本構(gòu)方程為：

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；dH為材料長度變化量。

發(fā)熱片低端固定，周圍承受周期性的載荷，角頻率為：

式中：ω為角頻率，其值為交變磁場(chǎng)的頻率；f為激發(fā)頻率。

溫升由傳熱方程（10）給出：

式中：ρCp代表單位體積所具有的熱容量，根據(jù)杜隆-珀蒂定律，體積熱容與ρCp無關(guān)；T為溫度；t為時(shí)間；k是熱導(dǎo)率；Qh為高頻振動(dòng)產(chǎn)生的熱量。

磁致伸縮高頻振動(dòng)的頻率ω與磁場(chǎng)變化頻率相同，高頻振動(dòng)的產(chǎn)熱方程由式（11）得出：

式中：Qh表示非彈性力在周期內(nèi)的內(nèi)部功；η為損耗因子；ε為應(yīng)變張量；C為彈性張量。該式根據(jù)在頻域中執(zhí)行的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算得出的。t=0 時(shí)的初始狀態(tài)是無應(yīng)力的，整個(gè)發(fā)熱片的初始溫度為20 ℃。

3）邊界條件

發(fā)熱片底部固定，在固定端使用溫度條件T=20 ℃，在承受周期力的表面使用熱絕緣條件，在所有其他邊界使用對(duì)流冷卻條件，關(guān)系式為：

式中：h是傳熱系數(shù)，定義為17 W/(m2·K)；Text是外部溫度，定義為20 ℃。在仿真過程中對(duì)發(fā)熱片施加1.7 MPa的周期載荷，持續(xù)120 s，在此過程中固定端和結(jié)構(gòu)環(huán)境保持恒溫20 ℃。

4 仿真對(duì)比

對(duì)不同材料發(fā)熱片施加不同的諧振頻率，篩選滿足卷煙加熱所需要溫度的頻率和材料。將滿足發(fā)熱要求的振動(dòng)發(fā)熱片溫升特性、溫度場(chǎng)均勻性等與電阻式發(fā)熱片對(duì)比。

4.1 材料選擇

在材料振動(dòng)發(fā)熱的過程中，材料本身的性能以及所施加的振動(dòng)頻率等因素都會(huì)影響發(fā)熱溫度。為了探索適合煙具加熱溫度的材料以及諧振頻率，使用復(fù)合鈦、復(fù)合鋁、45 鋼、鎳為振動(dòng)發(fā)熱片材料。對(duì)發(fā)熱片外加40～60 kHz 的諧振頻率，觀察不同材料發(fā)熱片的穩(wěn)態(tài)溫度，所得頻率對(duì)應(yīng)材料的穩(wěn)態(tài)溫度曲線如圖7 所示。

圖7 不同材料頻率穩(wěn)態(tài)溫度曲線

在給定的諧振頻率范圍內(nèi)，復(fù)合鈦在諧振頻率為52 kHz 下溫度達(dá)到了340 ℃，并且隨著諧振頻率的增加穩(wěn)態(tài)溫度也不斷升高；復(fù)合鋁在51 kHz 諧振頻率下達(dá)到了360 ℃，并且隨著諧振頻率的增加穩(wěn)態(tài)溫度也不斷升高。鎳合金和45 鋼頻率增加溫度有短暫提升后，溫度并未隨著頻率增加而增加，隨著頻率增加鎳合金穩(wěn)態(tài)溫度維持在140 ℃左右，45 鋼穩(wěn)態(tài)溫度維持在180 ℃左右。52 kHz、51 kHz 振動(dòng)頻率，復(fù)合鈦、復(fù)合鋁振動(dòng)發(fā)熱滿足加熱不燃燒卷煙的加熱要求。

4.2 溫度特性

選取52 kHz、51 kHz 振動(dòng)頻率的復(fù)合鈦、復(fù)合鋁的溫度特性并與傳統(tǒng)的電阻式發(fā)熱片進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖8 50 kHz 下材料溫升

復(fù)合鈦的穩(wěn)態(tài)溫度為345 ℃，復(fù)合鋁的穩(wěn)態(tài)溫度為362 ℃；復(fù)合鈦的溫升時(shí)間為4 s，復(fù)合鋁的溫升時(shí)間為5 s；傳統(tǒng)的電阻式加熱片穩(wěn)態(tài)溫度為340 ℃，溫升時(shí)間為40 s，振動(dòng)加熱的溫升時(shí)間優(yōu)于電阻式加熱。

4.3 溫度均勻性對(duì)比

51 kHz、52 kHz 振動(dòng)頻率，復(fù)合鋁、復(fù)合鈦振動(dòng)加熱片和電阻式加熱片溫度場(chǎng)對(duì)比如圖9 所示。

圖9 各發(fā)熱片的溫度場(chǎng)

在尺寸相同的電阻加熱片和振動(dòng)發(fā)熱片上取5 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，如圖10 所示。各點(diǎn)測(cè)量溫度如表1 所示。

表1 各測(cè)溫點(diǎn)溫度 ℃

圖10 測(cè)溫點(diǎn)

由表1 得出：電阻發(fā)熱片的溫度差為112 ℃，鋁發(fā)熱片溫度差為3.2 ℃，鈦發(fā)熱片溫度差為132.3 ℃，鋁發(fā)熱片溫度場(chǎng)均勻性最好。

5 結(jié) 語

針對(duì)電阻式加熱煙具存在的溫升慢、溫度場(chǎng)分布不均、電路易腐蝕和不同批次一致性差等問題，本文采用磁致伸縮振動(dòng)發(fā)熱的加熱方法，有效突破了專利壁壘；復(fù)合鋁發(fā)熱片溫升時(shí)間為5 s，遠(yuǎn)低于電阻發(fā)熱片的40s；復(fù)合鋁發(fā)熱片測(cè)溫點(diǎn)的最高溫度與最低溫度相差3.2 ℃，遠(yuǎn)低于電阻發(fā)熱片的112 ℃，發(fā)熱片溫度場(chǎng)均勻性顯著提高；振動(dòng)加熱片表面無阻絲，不存在腐蝕影響；無電阻式加熱片加工工藝只需保證振動(dòng)加熱片材料純度即可保證不同批次參數(shù)的一致性。為加熱不燃燒卷煙加熱方法研究提供了一種新思路。

注：本文通訊作者為陳焰。