一种内芯式红外辐射加热气雾生成系统的制作方法

本发明涉及一种内芯式红外辐射加热气雾生成系统，属于新型烟草制品技术领域。

背景技术：

近年来，随着《烟草控制框架公约》的颁布与实施，各国政府的烟草管控措施日趋严格，对烟草的监管立法也愈加严格，控烟和反烟的呼声越来越强烈，国内外市场竞争压力持续增大。同时，随着人们生活水平的不断提高，人们更加注重自己的身心健康和环境保护，对烟草有了新的认识。

诸如上述原因使传统卷烟的发展受到越来越多的制约，据2011年统计数据显示，在世界范围内卷烟产销量有所下降的同时，其他类型烟草制品呈现快速增长趋势，世界烟草市场产品结构不断发生深刻变化，积极发展全系列烟草制品逐渐成为各个跨国烟草公司的战略取向。目前，市场上已出现了三种主要的新型烟草制品类型：加热不燃烧型烟草制品、电子烟和无烟气烟草制品。其中，加热不燃烧烟草制品是一种靠加热不同形式的烟草材料产生释烟效果的新型烟草制品，始于20世纪80年代，是新型烟草制品的重要品类之一。

加热不燃烧烟草制品一般是通过“加热不燃烧”的方式将烟草香味传递给消费者，其外观与消费方式上也与传统卷烟相似，在一定程度上适应和满足了消费者的生理需要和心理需求。这种“加热不燃烧”的方式，使烟草只在较低的温度下(一般低于500℃)被加热，避免了烟草高温燃烧导致的焦油和大量有害化合物生成，而且由于基本没有侧流烟气，不会产生二手烟气，不会对公共环境产生影响。近年来众多烟草制造企业、研究机构都看到了加热不燃烧烟草制品的巨大潜力，重金投入这一领域，并收获颇丰。其中，电加热不燃烧烟草制品由于具有加热温度可控、加热方式灵活、使用方便时尚等优点，具有更高的关注度，是当前国内外加热不燃烧烟草制品的重要发展方向。尤其是目前广泛采用的电阻式加热技术，如菲莫国际的iqos、英美烟草的glo、韩国kt&g公司fiit、中国烟草四川中烟的宽窄子弹头、广东中烟的mu、湖北中烟的coo、日烟集团的ploom等，目前在市场上已取得了显著的进展。电加热新型卷烟发热器加热参数控制及传热方式对产品抽吸品质具有决定性的作用，因此，加热器具温度控制、传热均匀性以及传热途径等成为电加热新型卷烟烟具研发的技术关键。但电阻加热型新型卷烟烟具存在加热元件发热不均匀、制作工艺复杂、有热阻和热惯性，进而导致温度控制精度低、易烤糊烟支等缺陷，影响了产品的品牌化实施及市场推广。

相对于目前广泛采用的电阻式加热技术，红外辐射加热技术是一个全新的技术平台，基本原理是当发射的红外线波长和被加热物体的吸收波长一致时，被加热的物体吸收红外线，这时物体内部分子和原子发生“共振”——产生强烈的振动、旋转，而振动和旋转使物体温度升高，达到了加热的目的。红外辐射加热的主要优点为：具有穿透力，能内外同时加热，从而使得加热均匀通透；不需热传介质传递，热效率良好；可局部加热，节省能源；加热过程干净，无污染；温度控制容易、且升温迅速，安全性高。因此，红外辐射加热技术可有效避免现有电阻式加热技术存在的升温速率慢、加热不均匀、温控精度不高等技术缺陷。专利201680028124.8提供了一种采用透镜聚集光源来加热烟草材料的方案，专利201280029745.x、201280029784.x和201280030681.5报道了采用内芯氯素红外灯加热烟草材料的方案。近年来，逐渐发展出了具有高红外辐射的电热膜材料，其为纯电阻电路，可以将绝大部分电能转化成热能，再以红外辐射的形式将热量传递出去，该类材料具有功率密度高、电热转换效率高、被加热物体受热均匀、元件使用寿命长等特点。但目前，该材料主要用在中型和大型电热转换场合，微型化后存在电热转换时间长、加热效率低、热损耗偏大的缺陷。因此，希望提供一种微型化红外辐射加热的有效方案，不仅能避免现有电阻式加热技术固有的升温速率慢、加热不均等缺陷，还能够避免现有红外加热技术微型化后存在的电热转换时间长、加热效率低、热损耗偏大等缺陷。此外，还希望提供一种具有加热响应时间短、温度调控迅速灵敏的红外辐射加热技术，以实现对加热不燃烧烟弹进行“脉冲式”加热。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种内芯式红外辐射加热气雾生成系统，旨在通过合理设计烟具结构及配套烟支结构，使红外辐射加热气雾生成系统的红外辐射达到90％以上，以保证采用该气雾生成系统抽吸配套烟支时，烟气释放快速充足稳定。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

一种内芯式红外辐射加热气雾生成系统，其特点在于：包括红外辐射加热烟杆和插入红外辐射加热烟杆内的烟弹；

所述红外辐射加热烟杆包括从上至下依次设置的红外辐射加热部件、控制部件和电池组件，以及将三者包裹成一体的外壳部件；所述烟弹包括释烟部和降温部；

所述红外辐射加热部件包括用于插入烟弹的烟弹腔室、设置在所述烟弹腔室内的红外辐射加热柱、和包围在所述烟弹腔室外围的隔热部件；所述烟弹的释烟部为中空结构，中空腔的直径与所述红外辐射加热柱的外径相匹配，以使烟弹插入至烟弹腔室时，红外辐射加热柱容纳在所述释烟部的中空结构内；

所述红外辐射加热柱包括耐高温透明陶瓷管、涂覆在所述耐高温透明陶瓷管外壁的红外辐射涂层以及位于所述耐高温透明陶瓷管顶端的陶瓷封口帽，在所述耐高温透明陶瓷管的底部套有一烟支限位台环；在所述耐高温透明陶瓷管的上下两端，位于所述红外辐射涂层和耐高温透明陶瓷管之间设置有加热柱顶部银电极和加热柱底部银电极，两电极与所述电池组件电连接，用于对所述红外辐射涂层通电；所述红外辐射涂层用于在通电后释放红外辐射线，从而对插入至所述烟弹腔室内的烟弹进行加热；

所述隔热部件包括隔热腔、涂覆在所述隔热腔内壁上的红外线反射层、以及填充在所述隔热腔内的气凝胶。

进一步地，所述耐高温透明陶瓷管为碳化硅陶瓷管、微晶玻璃陶瓷管或石英管中一种，对红外光透过率在95％以上。

进一步地，所述红外辐射涂层为本体式红外辐射涂层或复合式红外辐射涂层。所述本体式红外辐射涂层具有导电和红外辐射的双重功能，是由abo3型钙钛矿材料在耐高温透明陶瓷管表面成膜获得，其中a位原子为la、sr、ca、mn、co中的至少一种，b位原子为al、ni、fe、co、mn、mo和cr中的至少一种。所述复合式红外辐射涂层是由导电材料和红外辐射材料按质量比40％-70％：60％-30％经物化喷涂在所述耐高温透明基体管表面，而形成的具有三维互贯网络结构的薄膜。导电材料通电后产生热量会及时传递给红外辐射材料，辐射出红外光。所述导电材料为氧化锡、氧化锌、氧化铟、银和铜中的至少一种。所述红外辐射材料为碳材料、锆钛系氧化物、锆钛系氮化物、锆钛系硼化物、锆钛系碳化物、铁系氧化物、铁系氮化物、铁系硼化物、铁系碳化物、稀土系氧化物、稀土系氮化物、稀土系硼化物、稀土系碳化物、镍钴系氧化物、镍钴系氮化物、镍钴系硼化物和镍钴系碳化物中至少一种。

进一步地，所述红外辐射涂层的电阻在0.3-8ω、厚度在0.2-200μm、在200-400℃的红外辐射波长在5-15μm之间、红外法向比辐射率在0.85-0.95。

进一步地，所述陶瓷封口帽呈圆锥形，用于将耐高温透明陶瓷管上端开口部封口。

进一步地，所述烟弹腔室用于承载固定插入红外辐射加热柱的烟弹，为不锈钢材质。

进一步地，所述气凝胶为二氧化硅气凝胶或碳气凝胶，密度为0.3-4.5mg/cm³。

进一步地，所述红外线反射层厚度在10-200μm之间，可为金、银、镍、铝、金合金、银合金、镍合金、铝合金、金的氧化物、银的氧化物、镍的氧化物、铝的氧化物中一种或多种电镀而成。

进一步地，所述烟弹腔室与所述隔热部件的上端通过连接环连接，使所述烟弹腔室外侧壁与所述隔热部件内侧壁之间形成有空腔；在所述连接环上沿轴向设置有若干通气孔，在所述烟弹腔室的下端沿壁厚方向也设置有若干通气孔，使得烟支抽吸时，气流从连接环的通气孔进入烟弹腔室和隔热部件之间空腔，再经烟弹腔室底部的通气孔进入烟弹腔室内，从而作用于烟弹。

进一步地，所述红外辐射加热烟杆还包括连接于控制部件上表面、位于所述烟弹腔室内的温度传感器和压力传感器，分别用于检测烟弹腔室内的实时温度和压力，并将检测结果传递给控制部件，以使控制部件根据压力变化获得抽吸口数，并根据抽吸口数和空腔内的实时温度，控制所述红外辐射加热柱工作。

进一步地，所述外壳部件包括第一外壳部件和第二外壳部件；所述第一外壳部件包裹在控制部件和电池组件外侧，所述第二外壳部件包裹在红外辐射加热部件外侧。在所述第二外壳部件的外表面涂布有一层红外辐射材料，厚度在50-300μm，用以降低抽吸时烟具外围的温度。

烟弹的释烟部和降温部通过商标纸。所述释烟部由烟草材料和包裹在烟草材料外围的卷烟纸组成，所述烟草材料为膨化挤出加工而成的中空烟草柱，具有多孔特质。所述烟弹的降温部包括依次相连的第一降温部、第二降温部和第三降温部，所述第一降温部靠近所述释烟部、所述第三降温部位于唇端；在所述第一降温部和所述第二降温部的中轴皆设有沿轴向贯通的空腔，在所述第三降温部的中轴设有凝胶线。

进一步地，所述第一降温部中轴空腔的体积为第二降温部中轴空腔体积的1.5-3.0倍。二者空腔截面可为任意形状，第一降温部优选为五角星形、第二降温部优选为圆形。

进一步地，凝胶线含量占整个第三降温部质量的20-40％，凝胶线为分子量在4000-100000之间的聚乙二醇。

本发明的有益效果体现在：

(1)本发明所提供的红外辐射加热技术为非接触式辐射加热，加热均匀通透，克服了电阻式加热技术存在的加热不均匀、易局部过热碳化、预热时间偏长的缺陷。

(2)本发明所提供的红外辐射加热技术因红外辐射材料与导电材料在三维纳米尺度上相互贯通，呈现出将热量快速转换成红外辐射的特点，与现有红外辐射加热技术相比，克服了预热时间过长、加热温度曲线无法实现“脉冲式”加热的缺陷。

(3)本发明所提供的红外辐射加热气雾生成系统，通过气凝胶隔热和红外辐射降温，有效降低烟具外围温度，克服了现有烟具抽吸过程中加热部外围过烫的缺陷。

(4)本发明所提供的内芯式红外辐射加热烟具的配套烟弹为中空烟草柱，使红外辐射加热柱直接作用至其内部，可进一步提高加热的均匀性、缩短预热时间。

附图说明

图1为本发明内芯式红外辐射加热烟具的纵向剖面图；

图2为本发明烟弹的结构示意图；

图3为本发明烟弹插入至内芯式红外辐射加热烟具中的示意图；

图4为本发明红外辐射加热柱的结构示意图；

图5为本发明隔热部件的结构示意图；

图6为本发明连接环的结构示意图；

图中标号：1为红外辐射加热部件；2为控制部件；3为电池组件；4为外壳部件；5为释烟段；6为第一降温部；7为第二降温部；8为第三降温部；11为红外辐射加热柱；12为烟弹腔室；13为隔热部件；14为压力传感器；15为烟弹腔室的通气孔；16为连接环；17为温度传感器；18为烟支限位环；111为耐高温透明陶瓷管；112为红外辐射涂层；113为陶瓷封口帽；114为银导线；115为加热柱底部银电极；116为加热柱顶部银电极；131为隔热腔；132为红外线反射层；133为气凝胶；41为第一外壳部件；42为第二外壳部件；81为凝胶线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2和图3所示，一种内芯式红外辐射加热气雾生成系统，包括红外辐射加热烟杆和插入红外辐射加热烟杆内的烟弹。

红外辐射加热烟杆包括从上至下依次设置的红外辐射加热部件1、控制部件2和电池组件3，以及将三者包裹成一体的外壳部件4；烟弹包括释烟部5和降温部；

红外辐射加热部件1包括用于插入烟弹的烟弹腔室12、设置在烟弹腔室12内的红外辐射加热柱11、和包围在烟弹腔室12外围的隔热部件113；烟弹的释烟部为中空结构，中空腔的直径与红外辐射加热柱的外径相匹配，以使烟弹插入至烟弹腔室时，红外辐射加热柱容纳在释烟部的中空结构内。

如图4所示，红外辐射加热柱11包括耐高温透明陶瓷管111、涂覆在耐高温透明陶瓷管外壁的红外辐射涂层112以及位于耐高温透明陶瓷管顶端的陶瓷封口帽113，在耐高温透明陶瓷管111的底部套有一烟支限位台环18；在耐高温透明陶瓷管111的上下两端，位于红外辐射涂层112和耐高温透明陶瓷管111之间设置有加热柱顶部银电极116和加热柱底部银电极115，两电极与电池组件3电连接，用于对红外辐射涂层112通电；红外辐射涂层112用于在通电后释放红外辐射线，从而对插入至烟弹腔室12内的烟弹进行加热。具体实施时，加热柱顶部银电极116可通过内置于耐高温透明陶瓷管内部的银导线114连接到电池组件3上，底部银电极115可与电池组件3直接连接。

具体实施时，耐高温透明陶瓷管为碳化硅陶瓷管、微晶玻璃陶瓷管或石英管中一种，对红外光透过率不低于95％。若对红外光透过低于95％，会因吸收效应降低作用到烟草材料上的红外辐射光，从而降低红外辐射加热效率。具体的，本实施例中采用石英管，对红外光透过率为96％。

具体实施时，位于耐高温透明陶瓷管顶端的陶瓷封口帽113呈圆锥形，可为氧化铝或二氧化硅材质，用于将耐高温透明陶瓷管上端开口部封口。本实施例中圆锥形陶瓷封口帽采用氧化铝陶瓷。

具体实施时，红外辐射涂层为本体式红外辐射涂层或复合式红外辐射涂层。

本体式红外辐射涂层具有导电和红外辐射的双重功能，且这两种功能均为同一种物质具有，使其在通电时可以迅速的将热量转换为红外辐射。具体的，本体式红外辐射涂层是由abo3型钙钛矿材料在耐高温透明基体管表面成膜获得，其中a位原子为la、sr、ca、mn、co中的至少一种，b位原子为al、ni、fe、co、mn、mo和cr中的至少一种。

复合式红外辐射涂层是由导电材料和红外辐射材料按质量比40％-70％：60％-30％经物化喷涂在耐高温透明基体管表面，而形成的具有三维互贯网络结构的薄膜，其中导电材料产生热量可以及时传递给红外辐射材料，使其辐射出红外线。导电材料为氧化锡、氧化锌、氧化铟中的至少一种。红外辐射材料为碳纤维、锆钛系氧化物、锆钛系氮化物、锆钛系硼化物、锆钛系碳化物、铁系氧化物、铁系氮化物、铁系硼化物、铁系碳化物、稀土系氧化物、稀土系氮化物、稀土系硼化物、稀土系碳化物、镍钴系氧化物、镍钴系氮化物、镍钴系硼化物和镍钴系碳化物中至少一种。若红外辐射材料比例大于70％或低于40％，都会导致其与导电材料不能形成纳米尺度的三维互贯网络，造成红外辐射发生滞后，加热不及时。

具体实施时，红外辐射涂层的电阻在0.3-8ω。电阻低于0.3ω，存在短路的风险，电阻高于8ω，存在红外辐射相应时间长、升温速率慢的缺陷。红外辐射涂层的电阻优选在0.5-5ω。

具体实施时，红外辐射涂层的厚度在0.2-200μm。若厚度低于0.2μm，电阻率较高，存在加热响应时间偏长、升温速率慢的缺陷。若厚度高于200μm，电阻率较低，存在短路风险。红外辐射涂层的厚度优选在1-50μm。

具体实施时，红外辐射涂层在200-400℃的红外辐射波长在5-15μm之间、红外法向比辐射率在0.85-0.95。加热不燃烧卷烟适宜的温度是200-400℃之间，低于200℃烟气不能有效释放，高于400℃释烟材料存在被引燃的风险。释烟材料中含有大量的含氧、含氮的有机官能团，对5-15μm之间红外光能够有效吸收，若红外发射波长低于5μm或者高于15μm，所产生红外光不能有效加热释烟材料。另外，红外法向比辐射率直接衡量红外辐射材料将热量转换为红外辐射的比例，若该值低于0.85，意味着热至红外的转换效率偏低，导致热传导或热对流加热效应占比偏大。

具体的，本实施例采用电阻为3ω、厚度为50μm，红外辐射波长在5-15μm、红外法向比辐射率为0.91的本体式红外辐射涂层为cacoo3。

具体实施时，烟弹腔室用于承载固定插入红外辐射加热柱的烟弹，为不锈钢材质。

如图5所示，隔热部件13包括隔热腔131、涂覆在隔热腔131内壁上的红外线反射层132、以及填充在隔热腔内的气凝胶133。

红外辐射涂层是涂布在石英管外层，红外光会向外辐射，而且，红外辐射发生率也不是100％，存在热量以传导或对流方式扩散的现象，因此在红外辐射加热管外侧需加一个隔热部件，不仅可以反射红外光至释烟材料，降低热损失，也可以阻隔热量向外扩散，引起烟具发烫。具体实施时，气凝胶为二氧化硅气凝胶或碳气凝胶，密度为0.3-4.5mg/cm³。红外线反射层厚度在10-200μm之间，可为金、银、镍、铝、金合金、银合金、镍合金、铝合金、金的氧化物、银的氧化物、镍的氧化物和铝的氧化物中一种或多种电镀而成。本实施例中，采用二氧化硅气凝胶作为隔热材料(密度为0.35mg/cm³)，采用厚度为50微米的金膜作为红外反射涂层。

烟弹腔室12与隔热部件13的上端通过连接环16连接，使烟弹腔室12外侧壁与隔热部件13内侧壁之间形成有空腔。如图6所示，在连接环16上沿轴向设置有若干通气孔，在烟弹腔室12的下端沿壁厚方向也设置有若干通气孔。使得烟支抽吸时，气流从连接环的通气孔进入烟弹腔室和隔热部件之间空腔，再经烟弹腔室的通气孔15进入烟弹腔室内。具体实施时，各部件与连接环的连接方式包括但不限于粘连。连接环和烟弹腔室底部的通气孔直径为0.5-2.0mm。具体的，本实施例中，连接环设有4个直径为1.0mm的通气孔，烟弹腔室底部设有4个直径为1.0mm的通气孔。具体实施时，烟弹腔室底部通气孔的高度不超出烟支限位台环的高度，避免烟弹插入后封堵通气孔。

红外辐射加热烟杆还包括连接于控制部件2上表面、位于所述烟弹腔室12内的温度传感器17和压力传感器14，分别用于检测烟弹腔室内的实时温度和压力，并将检测结果传递给控制部件2，以使控制部件2根据压力变化获得抽吸口数，并根据抽吸口数和空腔内的实时温度，控制所述红外辐射加热柱工作。

具体实施时，红外辐射加热柱11、烟弹腔室12与隔热部件13的下表面可直接固定在控制部件2的上表面，固定方式包括但不限于粘结。

外壳部件4包括第一外壳部件41和第二外壳部件42，二者分离设置，可通过螺纹或磁吸连接；第一外壳部件41包裹在控制部件2和电池组件3外侧，第二外壳部件42包裹在红外辐射加热部件1外侧。

第二外壳部件包裹在红外辐射加热部件的外围，存在发烫的风险。具体实施时，在第二外壳部件的外表面涂布有一层红外辐射材料，厚度在50-300μm，可以将热能转化为红外光辐射到环境中，从而在一定程度上降低抽吸时烟具外围的温度。具体的，红外辐射材料是通过高温雾化喷涂工艺在第二外壳部件的外表面形成涂层。红外辐射材料为碳材料、锆钛系氧化物、锆钛系氮化物、锆钛系硼化物、锆钛系碳化物、铁系氧化物、铁系氮化物、铁系硼化物、铁系碳化物、稀土系氧化物、稀土系氮化物、稀土系硼化物、稀土系碳化物、镍钴系氧化物、镍钴系氮化物、镍钴系硼化物和镍钴系碳化物中至少一种。具体的，本实施例的红外辐射涂层材料为碳材料，厚度为100微米，喷涂温度为800℃。

烟弹包括释烟部5和降温部，释烟部和降温部通过商标纸连接；释烟部5由烟草材料和包裹在烟草材料外围的卷烟纸组成，烟草材料为膨化挤出加工而成的中空烟草柱，具有多孔特质。降温部包括依次相连的第一降温部6、第二降温部7和第三降温部8，第一降温部6靠近释烟部5、第三降温部8位于唇端；在第一降温部6和第二降温部7的中轴皆设有沿轴向贯通的空腔，在第三降温部8的中轴设有凝胶线81。具体实施时，商标纸包裹第一降温部6、第二降温部7和第三降温部8的全部，包裹释烟部5的5cm长度。烟弹直径为7.3mm，烟弹长度为50mm，中空烟草柱孔隙率为45％。

具体实施时，第一降温部中轴空腔的体积为第二降温部中轴空腔体积的1.5-3.0倍。二者空腔截面可为任意形状，第一降温部优选为五角星形、第二降温部优选为圆形。加热不燃烧烟草制品通常需要通过特殊嘴棒设计达到烟气降温和烟气低截留的双重效果。所以通过不同空腔嘴棒组合改变烟气运动状态，并辅以凝胶线来降低烟气温度，同时又满足了烟气低截留的要求。

具体实施时，凝胶线含量占整个第三降温部质量的20-40％，凝胶线为分子量在4000-100000之间的聚乙二醇。若聚乙二醇分子量低于4000，吸热融化后，存在流淌的风险；若分子量高于50000，聚乙二醇粘度偏高，给加工成型带来不便。

具体的，本实施例中第一降温部中轴空腔体积为第二降温部中轴空腔体积的2倍，第三降温部内凝胶线含量占整个第三降温部质量的30％，聚乙二醇分子量为10000。

具体实施时，通过设定控制部件的软件，使红外辐射加热柱产生“脉冲式”加热温度曲线。在烟支抽吸时，通过红外辐射加热柱底部的压力传感器检测抽吸，进而快速触发增强红外辐射加热，产生“脉冲式”加热，抽吸结束后，压力传感器检测到信号并传递给控制部件，控制部件向红外辐射加热柱发出红外辐射降低信号。本实施例中，启动加热后，温度可在6秒内上升至300℃，再维持9秒，预热完成，可以抽吸。完成第1口抽吸后，温度开始降低至270℃，第2口抽吸时，温度会在0.5秒内上升至300℃，然后又降温至270℃，第三口抽吸时，温度同样会在0.5秒内上升至300℃，然后又降至270℃，随后的每一口都重复第二口和第三口的加热曲线，最终形成“脉冲式”温度曲线。