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一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件
申请号	CN202410180986.9	申请日	2024-02-18	公开(公告)号	CN117796580A	公开(公告)日	2024-04-02
申请人	浙江中烟工业有限责任公司;			发明人	肖卫强; 徐建; 王骏; 胡安福; 汪华文; 卢昕博; 夏倩; 赵亮;
摘要	本发明提供一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，包括：基板、电介质层和红外选择性超表面层。所述基板的表面设有所述电介质层，所述电介质层上方设有所述红外选择性超表面层。所述红外选择性超表面层设有具有光谱选择性红外辐射超表面，在所述具有光谱选择性红外辐射超表面上具有微米～纳米尺度的周期或非周期型结构。根据卷烟的吸收光谱构建具有光谱选择性红外辐射超表面的基本微纳结构单元的布局及结构，进而通过仿真得到所述具有光谱选择性红外辐射超表面并进行制备，以使基于制备红外辐射超表面的加热元件的红外辐射光谱与卷烟的吸收波段相匹配。本发明能增强红外加热烟具的红外辐射能效。
权利要求	1.一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，其特征在于，包括：基板、电介质层和红外选择性超表面层；所述基板的表面设有所述电介质层，所述电介质层上方设有所述红外选择性超表面层；所述红外选择性超表面层设有具有光谱选择性红外辐射超表面，在所述具有光谱选择性红外辐射超表面上具有微米～纳米尺度的周期或非周期型结构；根据卷烟的吸收光谱构建所述具有光谱选择性红外辐射超表面的基本微纳结构单元的布局及结构，进而通过仿真得到所述具有光谱选择性红外辐射超表面并进行制备，以使基于制备红外辐射超表面的加热元件的红外辐射光谱与卷烟的吸收波段相匹配。 2.根据权利要求1所述的用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，其特征在于，所述基板为金属材质或非金属材质。 3.根据权利要求2所述的用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，其特征在于，所述基板的材质包括：铝、铝合金、不锈钢、铁、钛、钛合金、普通玻璃、石英和氧化铝。 4.根据权利要求3所述的用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，其特征在于，所述基板的形状为平面或闭合曲面。 5.根据权利要求4所述的用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，其特征在于，所述周期或非周期型结构为微米～纳米尺度的凸起、凹陷或沟槽。 6.根据权利要求5所述的用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，其特征在于，所述基本微纳结构单元的高度范围为20nm～5000nm，长度范围为20nm～10000nm，相邻所述基本微纳结构单元之间的中心距离为20nm～10000nm。 7.根据权利要求6所述的用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，其特征在于，所述基本微纳结构单元为介电常数实部在光频波段为负值的金属材料、导电金属氧化物材料或非氧化物材料中的一种和几种复合而成。 8.根据权利要求7所述的用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，其特征在于，组成所述基本微纳结构单元的所述金属材料包括：金、银、铝和钛；所述导电金属氧化物材料包括：氧化铟锡、铝掺杂氧化锌、锑掺杂氧化锡和非化学计量比的氧化物；所述非氧化物材料包括：碳、氮化钛和碳化钛。 9.根据权利要求8所述的用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，其特征在于，所述具有光谱选择性红外辐射超表面上设有一层氧化物保护层，厚度为10～200nm。 10.根据权利要求1至9任一项所述的用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，其特征在于，所述电介质层为所述基板本身的氧化层，或者是沉积在所述基板表面的绝缘金属或非金属氧化物层；所述绝缘金属或非金属氧化物层包括：SiO2、Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2、HfO2或Y2O3。
说明书全文	一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件技术领域 [0001] 本发明涉及烟具加热件的技术领域，尤其涉及一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件。背景技术 [0002] 近年来，各种加热方式被用于各类加热烟具中。烟具使用加热卷烟(HNB)作为烟弹，其口味接近传统烟草，并且由于加热温度不超过300℃，有害物质的释放和传统卷烟燃烧过程相比可降低90％，因此HNB卷烟更易被烟民接受和转换。大部分加热烟具基于热传导的加热方式存在升温速率低、加热不均匀(卷烟内部存在很大的温度梯度)等问题，从而极大的影响卷烟的抽吸体验。与热传导的加热方式相比，采用红外加热方式可以在提高加热速率的同时使卷烟均匀升温，从而使吸烟者在抽吸过程中均匀的释放气溶胶，改善抽吸体验。目前的红外加热研究采用的红外加热技术主要依靠高辐射率的陶瓷、石墨以及电热膜等来实现辐射加热。例如，专利CN202010499974.4中，采用涂覆有电热膜的绝缘体管来实现红外加热。 [0003] 然而，在目前市售的红外加热烟具中，所采用的红外发射材料虽然在红外波段有较高的辐射率，但是这些红外材料的光谱辐射率大都表现为宽波段的高辐射率，有些波段的红外辐射并不能被卷烟有效吸收，从而一定程度上造成红外辐射的浪费。因此，为了实现对卷烟的高效红外加热，需要提供一种红外光谱辐射率和卷烟的红外吸收特性相匹配的红外加热元件，这样才能更加高效的提升红外辐射能效。发明内容 [0004] 本发明提供一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，解决现有红外加热烟具中的红外加热元件存在红外辐射不能充分利用，易造成能源浪费的问题，能提高红外光谱辐射率和卷烟的红外吸收特性相匹配水平，增强红外加热烟具的红外辐射能效。 [0005] 为实现以下目的，本发明提供以下技术方案： [0006] 一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，包括：基板、电介质层和红外选择性超表面层； [0007] 所述基板的表面设有所述电介质层，所述电介质层上方设有所述红外选择性超表面层； [0008] 所述红外选择性超表面层设有具有光谱选择性红外辐射超表面，在所述具有光谱选择性红外辐射超表面上具有微米～纳米尺度的周期或非周期型结构； [0009] 根据卷烟的吸收光谱构建所述具有光谱选择性红外辐射超表面的基本微纳结构单元的布局及结构，进而通过仿真得到所述具有光谱选择性红外辐射超表面并进行制备，以使基于制备红外辐射超表面的加热元件的红外辐射光谱与卷烟的吸收波段相匹配。 [0010] 优选的，所述基板为金属材质或非金属材质。 [0011] 优选的，所述基板的材质包括：铝、铝合金、不锈钢、铁、钛、钛合金、普通玻璃、石英和氧化铝。 [0012] 优选的，所述基板的形状为平面或闭合曲面。 [0013] 优选的，所述周期或非周期型结构为微米～纳米尺度的凸起、凹陷或沟槽。 [0014] 优选的，所述基本微纳结构单元的高度范围为20nm～5000nm，长度范围为20nm～10000nm，相邻所述基本微纳结构单元之间的中心距离为20nm～10000nm。 [0015] 优选的，所述基本微纳结构单元为介电常数实部在光频波段为负值的金属、导电金属氧化物材料或非氧化物材料中的一种和几种复合而成。 [0016] 优选的，组成所述基本微纳结构单元的所述金属材料包括：金、银、铝和钛； [0017] 所述导电金属氧化物材料包括：氧化铟锡、铝掺杂氧化锌、锑掺杂氧化锡和非化学计量比的氧化物； [0018] 所述非氧化物材料包括：碳、氮化钛和碳化钛。 [0019] 优选的，所述具有光谱选择性红外辐射超表面上设有一层氧化物保护层，厚度为10‑200nm。 [0020] 优选的，所述电介质层为所述基板本身的氧化层，或者是沉积在所述基板表面的绝缘金属或非金属氧化物层； [0021] 所述绝缘金属或非金属氧化物层包括：SiO2、Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2、HfO2或Y2O3。 [0022] 本发明提供一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，在加热元件的基板上通过电介质层和红外选择性超表面层，所述红外选择性超表面层具有光谱选择性红外辐射超表面，并采用微纳尺度结构的超表面来调控红外发射特性，使之匹配被加热卷烟的红外吸收特性，从而最大限度的将电能产生的焦耳热转换成红外辐射来使卷烟升温，能极大降低了无效红外辐射的比例，使得烟具具有更高的能效。解决现有红外加热烟具中的红外加热元件存在红外辐射不能充分利用，易造成能源浪费的问题，能提高红外光谱辐射率和卷烟的红外吸收特性相匹配水平，提升红外加热烟具的红外辐射能效。附图说明 [0023] 为了更清楚地说明本发明的具体实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。 [0024] 图1为本发明提供的用于卷烟加热烟具的红外加热元件的结构示意图。 [0025] 图2为本发明实施例1提供的选择性超表面的俯视图。 [0026] 图3为本发明实施例1提供的所制备的选择性超表面的光谱辐射率图。 [0027] 图4为本发明实施例2提供的所制备的选择性超表面的光谱辐射率图。 [0028] 图5为本发明实施例3提供的所述的选择性超表面的俯视图。 [0029] 图6为本发明实施例3提供的所制备的选择性超表面的光谱辐射率图。 [0030] 图7为本发明实施例4提供的所述的选择性超表面的俯视图。 [0031] 图8为本发明实施例4提供的所制备的选择性超表面的光谱辐射率图。具体实施方式 [0032] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。 [0033] 针对现有红外加热型烟具的加热元件的红外辐射能效存在问题，本发明提供一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，解决现有红外加热烟具中的红外加热元件存在红外辐射不能充分利用，易造成能源浪费的问题，能提高红外光谱辐射率和卷烟的红外吸收特性相匹配水平，增强红外加热烟具的红外辐射能效。 [0034] 如图1所示，一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，包括：基板1、电介质层2和红外选择性超表面层3。所述基板1的表面设有所述电介质层2，所述电介质层2上方设有所述红外选择性超表面层3。所述红外选择性超表面层设有具有光谱选择性红外辐射超表面，在所述具有光谱选择性红外辐射超表面上具有微米～纳米尺度的周期或非周期型结构。根据卷烟的吸收光谱构建具有光谱选择性红外辐射超表面的基本微纳结构单元的布局及结构，进而通过仿真得到所述具有光谱选择性红外辐射超表面并进行制备，以使基于制备红外辐射超表面的加热元件的红外辐射光谱与卷烟的吸收波段相匹配。 [0035] 具体地，首先根据所测试的卷烟吸收光谱，通过有限差分数值模拟手段，选择和设计红外超表面的材料、基板以及几何结构，然后计算出超表面的红外辐射光谱，通过和卷烟的吸收光谱作对比，来调整和优化超表面的材料选择和几何结构，最终实现与卷烟的两个主要吸收波段(2.5～3.5μm波段和6～10μm)相匹配的超表面的设计。在此基础上，根据超表面的类型，选择合适的制备工艺，实现超表面的制备。最后，再将具有超表面加热元件和电加热元件、隔热元件以及电池和客体组装，制成烟具。这种通过采用微纳尺度结构的超表面来调控红外发射特性，使之匹配被加热卷烟的红外吸收特性，从而最大限度的将电能产生的焦耳热转换成红外辐射来使卷烟升温，从而极大降低了无效红外辐射的比例，使得烟具具有更高的能效。 [0036] 在实际应用中，光谱选择性红外辐射超表面是位于加热管内壁，作为加热元件。 [0037] 进一步，红外选择性超表面的红外光谱辐射率(或吸收率)和气溶胶产生材料(卷烟)在红外波段的吸收光谱匹配。 [0038] 进一步，红外选择性超表面的基板为金属或非金属基板，包括铝、和铝合金、不锈钢、铁、钛、钛合金、普通玻璃、石英(SiO2)、刚玉(Al2O3)等，并且这些基板的形状可以是平面，也可以是闭合的曲面(例如管状)，并且其表面有一层厚度为0‑10000nm厚的电介质层，可以是金属基板本身的氧化层，或者是沉积在表面的绝缘金属或非金属氧化物层。 [0039] 进一步，绝缘金属或非金属氧化物层可以是SiO2、Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2、HfO2、Y2O3等绝缘体金属或非金属的氧化物。 [0040] 进一步，红外选择性超表面微米‑纳米尺度的周期或非周期型结构，这些周期机构的基本单元为微米～纳米尺度的凸起、凹陷或沟槽。 [0041] 进一步，红外选择性超表面中的基本微纳结构单元的高度(或深度)范围为20nm～5000nm，长度(和宽度)范围为20nm～10000nm，相邻基本微纳结构单元之间的中心距离为 20nm～10000nm。 [0042] 进一步，所述基本微纳结构单元的化学组成为介电常数实部在光频波段为负值的金属，导电金属氧化物或金属非氧化物材料中的一种和几种复合而成。 [0043] 进一步，组成红外选择性超表面的基本微纳结构单元的金属材料可以是金、银、铝、钛等金属材料，导电金属氧化物材料可以是氧化铟锡(ITO，In2O3:Sn)、铝掺杂氧化锌(AZO，ZnO：Al)、锑掺杂氧化锡(ATO，SnO2：Sb)，非化学计量比的氧化物(如TiOx，SnOx等)等导电金属氧化物，非氧化物材料可以是碳(C)、氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)等化合物导电材料。 [0044] 进一步，超表面可通过磁控溅射，电子束蒸发、纳米压印并结合光刻等多种工艺来实现制备。 [0045] 进一步，红外选择性超表面，其表面的可以有一层氧化物保护层，厚度为10～200nm，该氧化层可通过磁控溅射、脉冲激光沉积、溶胶‑凝胶等工艺制备。这些保护层主要起到防止氧化，增强超表面反复使用后的稳定性的作用，从而可以使得所制备的加热器的最高使用温度可达500℃。 [0046] 进一步，基于上述的超表面，可以制作红外即热型烟具。例如，当将超表面制备在圆管(例如金属管)基底内壁时，可以直接作为加热管本体，在外部套上电阻丝网，或涂覆电热膜涂层，形成加热管，再套上隔热层，然后再集成控制电路和电影，加上外盒就可以制备红外加热型烟具。 [0047] 实施例1： [0048] 红外超表面所采用的基板是铝板，厚度为200μm，并且铝板表面有0.5μm的Al2O3。基板表面生长有In2O3:Sn(ITO)阵列，如图1和图2所示，其中ITO单元的长、宽、高分别为200nm、900nm和100nm。该红外超表面通过磁控溅射并结合电子束刻蚀等工艺制成。通过对其红外光谱的测试，发现其辐射率峰值在3.15μm，如图3所示，并且半高宽为900nm，和烟草中羟基等基团的吸收峰吻合，可以对烟草实现高效的红外加热。 [0049] 实施例2： [0050] 本实施例的红外超表面所采用的基板是不锈钢板，厚度为100μm，并且该不锈钢板表面有0.5μm的SiO2层。基板表面生长有ZnO:Al(AZO)阵列，其中AZO单元的长、宽、高分别为400nm、700nm和100nm。该红外超表面通过磁控溅射并结合电子束刻蚀等工艺制成。通过对其红外光谱的测试，发现其辐射率有两个，分别在2.85μm和5.5μm附近，如图4所示，其中5.5μm的辐射峰具有很大的半高宽，和烟草中羟基等基团的吸收峰吻合，可以对烟草实现高效的红外加热。 [0051] 实施例3： [0052] 本实施例的红外超表面所采用的基板是铝合金板，厚度为250μm，并且该铝合金板表面有0.5μm的Al2O3层。基板表面生长有SnO2:Sb(ATO)阵列，其中ATO单元的长、宽、高分别为1414nm、1414nm和100nm，其排列方式如图5所示。该红外超表面通过磁控溅射并结合电子束刻蚀等工艺制成。通过对其红外光谱的测试，发现其辐射率有两个，分别在2.85μm和5.5μm附近，如图6所示，其中5.5μm的辐射峰具有很大的半高宽，和烟草中羟基等基团的吸收峰吻合，可以对烟草实现高效的红外加热。 [0053] 将上述超表面经过裁剪，卷成管状，长度为4cm，内径为5.6mm，超表面在管内部，然后分别在外部包裹PI绝缘层和电阻丝网(电阻为2.0Ω)制成加热元件。 [0054] 在7V恒压情况下，该超表面可在25秒内将模拟烟草加热到250℃，而内壁没有超表面的光滑铝管在相同输入电压下，需要耗时29秒才能加热到相同的温度，表明红外辐射有效提升了加热速率。 [0055] 实施例4： [0056] 本实施例的红外超表面所采用的基板是铝合金板，厚度为250μm，并且该铝合金板表面有0.5μm的SiO2层。基板表面生长有ITO阵列，其中ATO单元的长、宽、高分别为200nm、1000nm和100nm，其排列方式如图7所示。该红外超表面通过磁控溅射并结合电子束刻蚀等工艺制成。通过对其红外光谱的测试，发现其辐射率有两个，分别在3.2μm和5.1μm附近，如图8所示，这两个辐射峰都具有很大的半高宽，和烟草中的主要红外吸收波段吻合，可以对烟草实现高效的红外加热。 [0057] 将上述超表面经过裁剪，卷成管状，长度为4cm，内径为5.6mm，超表面在管内部，然后分别在外部包裹PI绝缘层和电阻丝网(电阻为1.8Ω)制成加热元件。 [0058] 在7V恒压情况下，该超表面可在22秒内将模拟烟草加热到250℃，而内壁没有超表面的光滑铝片在相同输入电压下，需要耗时27秒才能加热到相同的温度，表明红外辐射有效提升了加热速率。 [0059] 实施例5： [0060] 本实施例的红外超表面所采用的基板是钛板，厚度为100μm，并且铝板表面有0.5μm的TiO2。基板表面生长有SnO2:F(FTO)阵列，其中FTO单元的长、宽、高分别为300nm、600nm和100nm。该红外超表面通过磁控溅射并结合电子束刻蚀等工艺制成。通过对其红外光谱的测试，发现其辐射率峰值在3.35μm，并且半高宽可达1600nm，和烟草中羟基等基团的吸收峰吻合，可以对烟草实现高效的红外加热。 [0061] 实施例6： [0062] 本实施例的红外超表面所采用的基板是钛合金板，厚度为300μm，并且改钛合金板表面有0.5μm的Al2O3。基板表面生长有In2O3:Sn(ITO)阵列，其中ITO单元的长、宽、高分别为400nm、700nm和100nm。该红外超表面通过磁控溅射并结合电子束刻蚀等工艺制成。通过对其红外光谱的测试，发现其辐射率峰值在4.18μm，如图3所示，并且半高宽可达1900nm，能覆盖卷烟在短波侧的主要吸收峰，可以对烟草实现高效的红外加热。 [0063] 可见，本发明提供一种用于卷烟加热烟具的红外超表面元件，在加热元件的基板上通过电介质层和红外选择性超表面层，所述红外选择性超表面层具有光谱选择性红外辐射超表面，并采用微纳尺度结构的超表面来调控红外发射特性，使之匹配被加热卷烟的红外吸收特性，从而最大限度的将电能产生的焦耳热转换成红外辐射来使卷烟升温，能极大降低了无效红外辐射的比例，使得烟具具有更高的能效。能解决现有红外加热烟具中的红外加热元件，存在红外辐射不能充分利用，易造成能源浪费的问题，能提高红外光谱辐射率和卷烟的红外吸收特性相匹配水平，增强红外加热烟具的红外辐射能效。 [0064] 以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

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