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）

0 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[1-3]。

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[4-5]。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[6-7]；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[8-11]；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 ℃，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80～90 ℃，可起到凝血作用[12-15]。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φ，磁通量大小为：

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：

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）所示。

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：

式中：ρ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；λ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）：

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；ε为材料发射率；G为总入射辐射通量；n为空气折射率；σ0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：

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：

式中：d为磁机耦合系数；μ为铁磁材料的磁导率；σ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σ=Eε，其中，E为铁磁材料的杨氏模量，铁磁材料的本构方程为：

式中：σ为应力；ε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：

式中：ω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：

式中：ρCp代表单位体积所具有的热容量，根据杜隆-珀蒂定律，体积热容与ρCp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ω与磁场变化频率相同，高频振动的产热方程由式（11）得出：

式中：Qh表示非弹性力在周期内的内部功；η为损耗因子；ε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：

式中：h是传热系数，定义为17 W/(m2·K)；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40～60 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。

表1 各测温点温度 ℃

图10 测温点

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40s；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。