СИСТЕМА РАСПЫЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫМИ АКУСТИЧЕСКИМИ ВОЛНАМИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ СИГАРЕТЫ
SURFACE ACOUSTIC WAVE SPUTTERING SYSTEM FOR ELECTRONIC CIGARETTE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области техники электронных сигарет, в частности к системе распыления поверхностными акустическими волнами для электронной сигареты.
Уровень техники
В последние годы под давлением, обусловленным всемирной борьбой с потреблением табака и общественным мнением о его влиянии на здоровье людей, развитие традиционных сигарет подвергается все большему ограничению и электронные сигареты выступают в качестве нового товара-заменителя, который для обычных сигарет хоть и представляет небольшую угрозу, но у массовых потребителей с каждым днем завоевывает повсеместное признание, благодаря чему всемирный рынок электронных сигарет не перестает развиваться.
В большинстве существующих электронных сигарет используется распыление электронагревом, тогда как в их меньшей части применяется распыление ультразвуком. Распыление электронагревом основано на принципах теплопередачи, при этом работа электронной сигареты запускается с помощью датчика потока воздуха, механической кнопки или сенсорной кнопки; по цепи включения на нить накала, выполненную в виде обмотки из хромоникелевого сплава, нержавеющей стали, сплава «Никель 200» или титанового сплава, подается ток, и за счет нагрева происходит распыление табачной жидкости с образованием аэрозоля, готового к употреблению потребителем путем вдыхания. Несмотря на то, что скорость теплопередачи и эффективность распыления у электронных сигарет с распылением электронагревом высокие, в процессе непрерывного курения электронной сигареты температура нити накала может постоянно повышаться до 500–600˚C, и, наряду с потенциальным риском безопасности, из-за высокотемпературного пиролиза табачной жидкости могут выделяться альдегиды и другие вредные составляющие, которые представляют собой большую скрытую угрозу для здоровья. При распылении ультразвуком посредством высокочастотных колебаний ультразвукового преобразователя вызывается высокочастотный резонанс вибрирующего элемента; затем возникает давление ультразвука в определенном направлении, чтобы поверхность табачной жидкости вспучилась; под действием кавитации, возникшей по периметру вспучившейся поверхности жидкости, табачная жидкость распыляется с генерированием аэрозоля. Несмотря на то, что, по сравнению с электронными сигаретами с распылением электронагревом, невысокие термодинамические характеристики электронных сигарет с распылением ультразвуком обеспечивают повышение безопасности при сниженном объеме выделяемых вредных веществ, по причине того, что ультразвуковые волны представляют собой объемные акустические волны, энергия в процессе распространения не может распространяться контролируемо, что приводит к большому рассеиванию энергии, низкой скорости и низкой эффективности при распылении табачной жидкости, а это затрудняет непрерывное и стабильное генерирование аэрозоля с равномерным распределением частиц по размеру и отрицательно влияет на результат распыления высоковязкой табачной жидкости. Кроме того, следует отметить то, что для электронных сигарет, принцип работы которых основан на двух вышеуказанных способах распыления, также в целом характерны следующие распространенные проблемы: (1) за счет капиллярности проводящего жидкость материала происходит направление жидкости, но скорость направления жидкости является неконтролируемой и нестабильной, и если скорость направления жидкости меньше, чем скорость распыления, то легко происходит сухое горение с возникновением специфического запаха, что отрицательно влияет на качество курения и сенсорное восприятие; (2) что касается контактного распыления, то непосредственный контакт табачной жидкости с нитью накала или вибрирующим элементом легко вызывает приклеивание со спеканием и затем влияет на функцию распыления нити накала или вибрирующего элемента, вплоть до сокращения их срока эксплуатации. Следовательно, аналоги, известные из предшествующего уровня техники, требуют улучшений и существенных технических усовершенствований.
Суть изобретения
С учетом вышеуказанных недостатков аналогов, известных из предшествующего уровня техники, в настоящем изобретении специфические преимущества технологии поверхностных акустических волн органично сочетаются с функциональными характеристиками и эксплуатационными требованиями, касающимися электронных сигарет; изобретение основано на эффекте звукового потока поверхностных акустических волн и механизме распыления стоячими волнами и поверхностными акустическими волнами, и согласно настоящему изобретению предложена система электронной сигареты, в которой происходит активное направление жидкости посредством поверхностных акустических волн, бесконтактное распыление поверхностными акустическими волнами, а также генерирование поверхностных акустических волн, и посредством которой эффективно преодолеваются недостатки, заключающиеся в том, что при распылении электронагревом быстрое нагревание до высоких температур приводит к возникновению потенциальных угроз безопасности и здоровью, а распыление ультразвуком является низкоэффективным при высокой стоимости, распределение частиц аэрозоля по размеру является неравномерным и невозможно применять для распыления высоковязкой табачной жидкости; при этом рационально решаются проблемы, связанные с тем, что в электронных сигаретах, известных из предшествующего уровня техники, жидкость проводится неактивно, что приводит к ухудшению качества курения, и контактное распыление влияет на функцию распыления или срок эксплуатации нити накала или вибрирующего элемента.
Согласно настоящему изобретению предложена система распыления поверхностными акустическими волнами для электронной сигареты, содержащая пьезоэлектрическую подложку 1, полость 2 для направления жидкости, полость 3 для распыления и электрические выводы 4, обеспечивающие поступление высокочастотного сигнала. Указанная полость 2 для направления жидкости и указанная полость 3 для распыления расположены на указанной пьезоэлектрической подложке 1; между указанной полостью 2 для направления жидкости и указанной полостью 3 для распыления установлена перегородка 13; указанные электрические выводы 4 расположены снаружи указанной пьезоэлектрической подложки 1 и подсоединены к источнику высокочастотного сигнала; указанная полость 2 для направления жидкости содержит первый встречно-гребенчатый преобразователь 51, камеру 6 для хранения жидкости и микроканал 8; указанные первый встречно-гребенчатый преобразователь 51 и микроканал 8 расположены относительно указанной камеры 6 для хранения жидкости с двух сторон; указанная камера 6 для хранения жидкости и указанный микроканал 8 выполнены сообщающимися друг с другом; указанная камера 6 для хранения жидкости в верхней части снабжена элементом 7 для заливания жидкости; указанная полость 3 для распыления в нижней части снабжена T-образным элементом 10 из волокнистой бумаги, вставленным в микроканал 8 сквозь отверстие 9 для выхода жидкости, а также вторым встречно-гребенчатым преобразователем 52 и третьим встречно-гребенчатым преобразователем 53, расположенными относительно T-образного элемента 10 из волокнистой бумаги с двух сторон и не соприкасающимися с указанным T-образным элементом 10 из волокнистой бумаги; в боковой части и верхней части указанной полости 3 для распыления расположены соответственно отверстие 11 для впуска газа и мундштук 12.
Предпочтительно указанные первый встречно-гребенчатый преобразователь 51, камера 6 для хранения жидкости, микроканал 8, второй встречно-гребенчатый преобразователь 52, третий встречно-гребенчатый преобразователь 53 и T-образный элемент 10 из волокнистой бумаги плотно прилегают к поверхности указанной пьезоэлектрической подложки 1.
Предпочтительно материал указанной пьезоэлектрической подложки 1 представляет собой одно из кварца, пьезоэлектрической керамики, танталата лития или ниобата лития.
-6
Предпочтительно материал указанной пьезоэлектрической подложки 1 представляет собой ниобат лития с Y-срезом, повернутым на угол 128,68° относительно направления распространения волны вдоль оси X, и его толщина, коэффициент электромеханической связи, температурный коэффициент и скорость распространения поверхностных акустических волн составляют 0,5 мм, 5,5%, -72x10/˚C и 3992 м/с соответственно.
Предпочтительно поверхностные акустические волны в режиме бегущей волны, возбуждаемые указанным первым встречно-гребенчатым преобразователем 51, активно перекачивают табачную жидкость, находящуюся в указанной камере 6 для хранения жидкости, сквозь отверстие 9 для выхода жидкости указанного микроканала 8; поверхностные акустические волны в режиме стоячей волны, генерируемые совместным действием указанного второго встречно-гребенчатого преобразователя 52 и указанного третьего встречно-гребенчатого преобразователя 53, распыляют табачную жидкость в виде жидкой пленки на указанном T-образном элементе 10 из волокнистой бумаги с получением аэрозоля.
Предпочтительно материал указанной камеры 6 для хранения жидкости и указанного микроканала 8 представляет собой боросиликатное стекло с высоким содержанием бора или полидиметилсилоксан; указанный T-образный элемент 10 из волокнистой бумаги выполнен из органического пористого материала.
Предпочтительно указанный первый встречно-гребенчатый преобразователь 51, указанный второй встречно-гребенчатый преобразователь 52 и указанный третий встречно-гребенчатый преобразователь 53 имеют форму переплетенных пальцев рук и представляют собой металлическую пленку.
Предпочтительно указанная металлическая пленка представляет собой тонкую пленку из алюминия, меди или золота.
По сравнению с аналогами, известными из предшествующего уровня техники, настоящее изобретение имеет следующие преимущества:
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mn>0,34</mn><mroot><mrow><mrow><mrow><mn>8</mn><mi>π</mi><mi>γ</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><mi>ρ</mi><msup><mi>f</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mrow></mrow><mn>3</mn></mroot></mrow>
1. Поверхностные акустические волны представляют собой механические волны, которые распространяются по поверхности упругой среды, при этом энергия в основном сосредотачивается на поверхности среды, и по мере увеличения глубины происходит ее экспоненциальное затухание. Свойство их энергии сосредотачиваться в определенном направлении делает возможным повышение эффективности распыления и обеспечивает возможность непрерывного и стабильного генерирования аэрозоля с отличной равномерностью распределения частиц, а также больше подходит для распыления высоковязкой табачной жидкости, чем в случае распыления ультразвуком. Кроме того, частота возбуждения поверхностных акустических волн обычно составляет от 10 МГц до 500 МГц и на порядок выше частоты ультразвука, составляющей от 20 кГц до 3 МГц. На основании определения отношения распределения частиц аэрозоля к частоте  (где d – распределение частиц аэрозоля, γ – натяжение поверхности табачной жидкости, ρ – плотность табачной жидкости, f – частота возбуждения) распределение частиц аэрозоля обратно пропорционально частоте возбуждения в степени 2/3. Поэтому по сравнению с ультразвуковым распылением частицы аэрозоля, полученного распылением поверхностными акустическими волнами, имеют меньший размер и с меньшей вероятностью остаются на слизистой оболочке рта или спинке языка, при этом курение более приятное, а запах, в свою очередь, более мягкий и изысканный.
2. Звуковая энергия при проникновении поверхностных акустических волн в табачную жидкость за счет дифракции вызывает распыление; приводная мощность обычно составляет от 0,5 Вт до 3 Вт, выработанное количество тепла небольшое, при этом пьезоэлектрическая подложка также характеризуется определенным эффектом рассеивания тепла, и даже если курить непрерывно, то теплоте трудно накапливаться, температура стремительно не повышается, и значительно снижается вероятность высокотемпературного пиролиза. Поэтому распыление поверхностными акустическими волнами обладает хорошими характеристиками безопасности, при этом объем выделяемых вредных веществ, в свою очередь, определенно будет намного меньше, чем при распылении электронагревом.
3. Система электронной сигареты согласно настоящему изобретению снабжена полостью для направления жидкости; на основании эффекта звукового потока поверхностных акустических волн поверхностные акустические волны в режиме бегущей волны, вырабатываемые первым встречно-гребенчатым преобразователем, обеспечивают движущую силу для активного закачивания табачной жидкости, и за счет регулирования приводной мощности осуществляется высокоточное управление скоростью направления табачной жидкости с обеспечением ее соответствия скорости распыления, и обеспечиваются непрерывное и стабильное закачивание табачной жидкости и своевременное и полное распыление, поэтому преодолевается технический недостаток, заключающийся в неактивном направлении жидкости, и предотвращается возникновение сухого горения, и, таким образом, повышается качество курения и улучшаются впечатления потребителя.
4. В системе электронной сигареты согласно настоящему изобретению второй встречно-гребенчатый преобразователь 52 и третий встречно-гребенчатый преобразователь 53 не соприкасаются с указанным T-образным элементом 10 из волокнистой бумаги; поверхностные акустические волны в режиме стоячей волны, вырабатываемые совместным действием второго встречно-гребенчатого преобразователя и третьего встречно-гребенчатого преобразователя, обеспечивают бесконтактное распыление табачной жидкости в виде жидкой пленки на T-образном элементе из волокнистой бумаги. Поскольку нет непосредственного контакта табачной жидкости с преобразователями, не возникает проблем, связанных с тем, что происходит прилипание со спеканием табачной жидкости на преобразователях, которое затем влияет на рабочие характеристики или срок эксплуатации преобразователей. Кроме того, исходная величина энергии поверхностных акустических волн в режиме стоячей волны большая, что может усилить распыление табачной жидкости, поэтому система электронной сигареты согласно настоящему изобретению в единицу времени может выработать достаточно большое количество дыма и потребитель может быстро почувствовать удовлетворение от курения.
Описание прилагаемых графических материалов
На фиг. 1 представлено схематическое изображение конструкции системы для электронной сигареты согласно настоящему изобретению, в которой посредством поверхностных акустических волн осуществляется активное направление жидкости и бесконтактное распыление;
на фиг. 2 представлено увеличенное изображение части полости для направления жидкости системы для электронной сигареты согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 представлено увеличенное изображение части полости для распыления жидкости системы для электронной сигареты согласно настоящему изобретению.
Перечень номеров ссылочных позиций: 1 – пьезоэлектрическая подложка; 2 – полость для направления жидкости; 3 – полость для распыления; 4 – электрический вывод; 51 – первый встречно-гребенчатый преобразователь; 52 – второй встречно-гребенчатый преобразователь; 53 – третий встречно-гребенчатый преобразователь; 6 – камера для хранения жидкости; 7 – элемент для заливания жидкости; 8 – микроканал; 9 – отверстие для выхода жидкости; 10 – T-образный элемент из волокнистой бумаги; 11 – отверстие для впуска газа; 12 – мундштук; 13 – перегородка.
Конкретные варианты осуществления
Чтобы цели, технические решения и преимущества настоящего изобретения были более понятными, ниже настоящее изобретение будет описано более подробно на основании прилагаемых графических материалов и вариантов осуществления.
Как видно на схематическом изображении конструкции системы распыления поверхностными акустическими волнами для электронной сигареты согласно варианту осуществления настоящего изобретения, представленном на фиг. 1, система содержит пьезоэлектрическую подложку 1, полость 2 для направления жидкости, полость 3 для распыления и электрические выводы 4. Указанная полость 2 для направления жидкости и указанная полость 3 для распыления расположены на указанной пьезоэлектрической подложке 1, при этом две полости находятся непосредственно рядом друг с другом и между ними установлена перегородка 13. На фиг. 2 и фиг. 3 представлено увеличенное изображение части полости для направления жидкости и полости для распыления соответственно. Указанные электрические выводы 4 расположены снаружи указанной пьезоэлектрической подложки 1 и подсоединены к источнику высокочастотного сигнала. Указанная полость 2 для направления жидкости содержит первый встречно-гребенчатый преобразователь 51, камеру 6 для хранения жидкости, элемент 7 для заливания жидкости, выполненный в верхней части камеры 6 для хранения жидкости, и микроканал 8, сообщающийся с камерой 6 для хранения жидкости. Указанная полость 3 для распыления в нижней части снабжена T-образным элементом 10 из волокнистой бумаги, вторым встречно-гребенчатым преобразователем 52 и третьим встречно-гребенчатым преобразователем 53, и в боковой части и верхней части полости 3 для распыления расположены соответственно отверстие 11 для впуска газа и мундштук 12.
-6
Указанные первый встречно-гребенчатый преобразователь 51, камера 6 для хранения жидкости, микроканал 8, второй встречно-гребенчатый преобразователь 52, третий встречно-гребенчатый преобразователь 53 и T-образный элемент 10 из волокнистой бумаги плотно прилегают к поверхности пьезоэлектрической подложки 1 в вертикальном направлении. Указанная пьезоэлектрическая подложка 1 выполнена из обладающего пьезоэлектрическими свойствами материала, например из кварца, пьезоэлектрической керамики, танталата лития или ниобата лития. Предпочтительным является ниобат лития с Y-срезом, повернутым на угол 128,68° относительно направления распространения волны вдоль оси X, и его толщина, коэффициент электромеханической связи, температурный коэффициент и скорость распространения поверхностных акустических волн составляют 0,5 мм, 5,5%, -72x10/˚C и 3992 м/с соответственно. Указанные первый встречно-гребенчатый преобразователь 51, второй встречно-гребенчатый преобразователь 52 и третий встречно-гребенчатый преобразователь 53 с помощью технологии микрообработки нанесены распылителем на пьезоэлектрическую подложку, которая перед этим была подвергнута поверхностной обработке, в виде тонкой пленки из алюминия, меди, золота и т. п., имеющей форму переплетенных пальцев рук, и посредством электрических выводов 4, расположенных снаружи пьезоэлектрической подложки, соединены с источником высокочастотного сигнала. Первый встречно-гребенчатый преобразователь 51 расположен с одной стороны указанной камеры 6 для хранения жидкости, тогда как своей противоположной другой стороной она сообщается с микроканалом 8. Для использования в качестве материала камеры 6 для хранения жидкости и микроканала 8 выбирается боросиликатное стекло с высоким содержанием бора или полидиметилсилоксан. Указанный первый встречно-гребенчатый преобразователь 51 предназначен для возбуждения поверхностных акустических волн в режиме бегущей волны, чтобы для табачной жидкости, находящейся в камере 6 для хранения жидкости, создавалась движущая сила и табачная жидкость активно закачивалась в микроканал 8. Указанный T-образный элемент 10 из волокнистой бумаги вставлен в микроканал 8 сквозь отверстие 9 для выхода жидкости и предназначен для равномерного распределения табачной жидкости и быстрого формирования жидкой пленки, при этом в качестве материала для него выбирают полиэфирные волокна или другой органический пористый материал. Указанные второй встречно-гребенчатый преобразователь 52 и третий встречно-гребенчатый преобразователь 53 расположены напротив друг друга с двух сторон относительно T-образного элемента из волокнистой бумаги и на расстоянии образуют определенные фазы, при этом поверхностные акустические волны в режиме стоячей волны, генерируемые их совместным действием, распыляют табачную жидкость в виде жидкой пленки на T-образном элементе из волокнистой бумаги с получением аэрозоля.
Перед применением системы электронной сигареты табачная жидкость через элемент 7 для заливания жидкости заливается в камеру 6 для хранения жидкости, пока уровень табачной жидкости не достигнет определенной высоты. При нормальном атмосферном давлении табачная жидкость не может вытечь сама, поскольку поверхностное натяжение табачной жидкости и коэффициент вязкости внутренних стенок камеры 6 для хранения жидкости и внутренних стенок микроканала 8 являются неизменными. При приведении в действие источника высокочастотного сигнала первый встречно-гребенчатый преобразователь 51, второй встречно-гребенчатый преобразователь 52 и третий встречно-гребенчатый преобразователь 53 возбуждаются от сигнала переменного тока, получаемого через электрические выводы 4, и преобразователи благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту самой пьезоэлектрической подложки преобразовывают электрический сигнал в звуковой сигнал с формированием поверхностных акустических волн, у которых частота совпадает с частотой подаваемого сигнала и которые распространяются по поверхности пьезоэлектрической подложки. Когда поверхностные акустические волны в режиме бегущей волны, вырабатываемые первым встречно-гребенчатым преобразователем 51, распространяются по камере 6 для хранения жидкости, звуковая энергия за счет дифракции проходит в табачную жидкость и создается эффект объединения звуковых потоков, что приводит к возникновению перепада давления в камере 6 для хранения жидкости и отверстии 9 для выхода жидкости; равновесие поля давления в камере 6 для хранения жидкости нарушается, поток табачной жидкости по микроканалу 8 активно закачивается в отверстие 9 для выхода жидкости, и она быстро равномерно распределяется по T-образному элементу 10 из волокнистой бумаги с формированием жидкой пленки из табачной жидкости. Путем регулирования приводной мощности можно изменять перепад давления и управлять величиной скорости направления жидкости, чтобы обеспечивать непрерывное и стабильное закачивание табачной жидкости и своевременное и полное ее распыление. Поверхностные акустические волны в режиме бегущей волны, возбуждаемые вторым встречно-гребенчатым преобразователем 52 и третьим встречно-гребенчатым преобразователем 53, распространяются в противоположных направлениях и после интерференционного наложения могут образовывать поверхностные акустические волны в режиме стоячей волны, исходная величина энергии которых является сравнительно большой. При контакте поверхностных акустических волн в режиме стоячей волны с табачной жидкостью в виде жидкой пленки на T-образном элементе 10 из волокнистой бумаги энергия, которую они несут, может вызывать сильное возмущение свободной поверхности жидкой пленки, что делает поверхностное натяжение самой жидкой пленки недостаточным, чтобы сохранялась стабильность ее геометрической формы, и она разрушается с образованием аэрозоля.
Рассмотренное выше представляет собой лишь предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения и не предназначено для ограничения настоящего изобретения. Все изменения, эквивалентные замены, усовершенствования и т. п., выполненные специалистами в данной области техники на основании технических решений или технических признаков, раскрытых в настоящем изобретении, без каких-либо изобретательских усилий, должны входить в объем защиты настоящего изобретения.