一种用于加热烟支感应加热的内置感受器及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202410299447.7 | 申请日 | 2024-03-15 | 公开(公告)号 | CN117941882A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 安徽中烟工业有限责任公司; | 发明人 | 陈韦剑; 周顺; 张晓宇; 张劲; 李延岩; 曹芸; 管明婧; 田慧娟; 付硕; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于加热 烟支 感应加热 的内置 感受器 及其制备方法，其是由包括镍、 铁 、钴三种主金属元素在内的金属制成的 单层 合金 软磁结构。本发明的感受器为单层金属感受器，在目前主流电磁加热烟具中采用本发明的单层金属感受器制成的 气溶胶 形成制品，均能在对应的电磁加热环境下生成较为理想的气溶胶，满足消费体验，同时本发明的感受器生产工艺相对简单、薄带厚度控制较为准确、保护层成本相对低廉，可操作性强，工业生产技术成熟。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于加热烟支感应加热的内置感受器，其特征在于：所述内置感受器是由包括主金属元素在内的金属制成的单层合金软磁结构，所述主金属元素的各原料按质量百分比的构成为：镍72％‑85％、铁8％‑18％，钴3％‑11％。 |
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| 说明书全文 | 一种用于加热烟支感应加热的内置感受器及其制备方法技术领域背景技术[0002] 基于感应加热气溶胶生成基质的气溶胶生成系统，是通过加热内置感受器至一定温度，感受器将热量传递到周围烟草原料中，形成可吸入的气溶胶。电磁感应加热核心部件包括感应线圈、微控制器、测温反馈系统。通过微控制器的编程程序，输出一定频率的交流电，通过感应线圈形成高频变化的感应磁场，在高频感应磁场作用下，内置感受器内部电子相互碰撞形成涡电流，进而转变成焦耳热，热差下将热量传递到周围环境中。特别地，在加热卷烟消费过程中，卷烟温度一般保持在300℃‑450℃之间，因此测温反馈系统就能将卷烟温度和抽吸过程实时反馈到微控制器，实现加热和保温阶段参数的细微调整。 [0003] 现有上市产品中涉及的内置感受器组件都是基于上述工作思路，区别在于宏观形态和微观结构方面。主流市场采用的是多层形态的感受体，包括具有正电阻温度系数的第一感受器和负电阻温度系数的第二感受器，采用高频加热和低频保温的程序。此外，单层形态的感受器也有专利报道(CN116491712A)，该感受器是单层的多金属合金材料，为了实现与市场主流烟具的匹配性，通过调节主金属比例和第一/第二金属种类配比，达到针对颗粒型卷烟的加热，完成气溶胶的抽吸消费。目前报到的感受器本质上都是基于某种烟具的运行程序而开发的，报道的感受器都呈现薄层状态，这是为了更好利用涡电流集肤分布的特征，厚度范围在0.05mm‑0.2mm之间，差别在于多层结构的感受器，其中一层厚度仅有0.02mm，片材加工难度大。而单层的感受器，加工成金属箔材过程更为复杂，需要经多步高温冶炼得到最终的薄材，此外，制成的单层感受器容易氧化锈蚀，性能衰减快。其次，采用铸件的热轧和冷轧工艺过程繁琐，轧制工艺精度参数要求高，产品良品品质较难控制[0004] 综合来说，现有感受器有如下不足：1.制备工艺复杂、生产条件精度要求高；2.热膨胀差异导致层间变形或晶格扩大，影响后续使用效果；3.感受器保护层成本较高；4.适配的烟草制品范围小，不能满足不同电磁加热烟具的感应加热，也不能实现最优化的烟草制品的消费抽吸体验。 发明内容[0005] 基于上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供一种用于加热烟支感应加热的内置感受器，其为单层金属感受器，在目前主流电磁加热烟具中采用本发明的单层金属感受器制成的气溶胶形成制品，均能在对应的电磁加热环境下生成较为理想的气溶胶，满足消费体验。 [0006] 本发明为实现目的，采用如下技术方案： [0007] 一种用于加热烟支感应加热的内置感受器，其特点在于：所述内置感受器是由包括主金属元素在内的金属制成的单层合金软磁结构，所述主金属元素的各原料按质量百分比的构成为：镍72％‑85％、铁8％‑18％，钴3％‑11％。 [0008] 优选地，制成所述单层合金软磁结构的金属还包括辅金属元素，所述辅金属元素为铝、锰、锌、钼、铬元素中的一种或多种。所述辅金属元素用以调节初始磁导率，和/或居里温度，和/或电阻率，和/或改善加工性能，和/或提高抗氧化性能。 [0009] 进一步优选地，上述各辅金属元素的添加量需满足如下条件：铝元素占主金属元素质量的0.2％‑1.2％，锰元素占主金属元素质量的1％‑5％，锌元素占主金属元素质量的0.5‑3.5％，钼元素占主金属元素质量的2％‑5％，铬元素占主金属元素质量的2％‑8％。 [0010] 优选地，所述单层合金软磁结构具有单峰的磁导率变化，且常温(20℃)状态下的初始磁导率在2.5mH/m至15mH/m之间。 [0011] 优选地，所述单层合金软磁结构的居里温度在250℃‑600℃之间。 [0012] 优选地，所述单层合金软磁结构在常温(20℃)状态下的电阻率在2‑50×10‑8Ωm之间，其电阻率变化特点在于：随温度的升高而减小，最后稳定在窄窗口范围内微小波动，窄窗口对应温度在200℃‑500℃之间。在保温阶段工作温度以上电阻率基本稳定。 [0013] 优选地，所述单层合金软磁结构的磁导率峰值对应温度在250℃‑350℃之间，感受器稳定工作的温度范围在磁导率峰值对应温度的右侧，或是电阻率峰值对应温度的右侧。 [0014] 优选地，所述内置感受器还包括包裹于所述单层合金软磁结构外侧的至少一层绝缘保护层。绝缘保护层用于保护感受器的表面，且绝缘、耐500℃以上高温、无金属腐蚀性、可加工。 [0016] 本发明所述内置感受器的制备方法，包括以下步骤： [0020] S4：将合金薄带卷在氢气或氩气气氛下完成退火步骤，退火温度为800‑1000℃，随炉升温，保温时间为10min‑30min；退火后的合金薄带即为单层合金软磁结构； [0022] S6：特别地，为了满足实际应用场景下单层感受器形态的优化需要，将单层感受器薄带的垂直长轴方向两端面的保护层切除，以便于后续连续化切割与后加工处理(加工为所需的形状)。 [0023] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在： [0024] 1、本发明提供一种用于加热烟支感应加热的内置感受器，其为单层金属感受器，在目前主流电磁加热烟具中采用本发明的单层金属感受器制成的气溶胶形成制品，均能在对应的电磁加热环境下生成较为理想的气溶胶，满足消费体验。且本发明的感受器中单层合金软磁结构呈现连续的纳晶结构或非晶结构，不会出现晶格扩大或分层的不良结果。 [0025] 2、本发明的感受器是由铁、镍、钴为主的金属熔炼而成的单层合金材料，其在特定交变频率范围的磁场下具备加热和控温的双功能特性。本发明的单层合金感受器避免了复杂的熔炼‑轧制加工工艺，降低了合金制品的金属异质性，通过调节重要配方元素比例，实现了初始磁导率的调节、较宽温度范围的微小电阻率变化和居里温度的调控，赋予感受器抗氧化和耐腐蚀的能力，最终达到对烟草颗粒的充分加热消费。 [0027] 图1为本发明单层感受器的相对磁导率随温度变化特性图，μ1为相对磁导率，μ0为初始磁导率，μm为最大相对磁导率，Tm为峰值温度，Tw为工作温度，Tc为失磁温度。 [0028] 图2为本发明单层感受器的剖面图。 [0029] 图3为本发明单层感受器的连续化生产示意图。 [0030] 图4为实施例1所得单层感受器的形态及微观图像，其中左图为单层感受器形态，右上图为单层感受器上表面微观图像，右下图为右上图放大5倍的微观图像。 [0031] 图5为由实施例1所得感受器制成的气溶胶制品抽吸前后对比图(其中左图为抽吸前、右图为抽吸后)。 [0032] 图6为实施例2所得单层感受器的形态及微观图像，其中左图为单层感受器形态，右上图为单层感受器上表面微观图像，右下图为右上图放大5倍的微观图像。 [0033] 图7为由实施例2所得感受器制成的气溶胶制品抽吸前后对比图(其中左图为抽吸前、右图为抽吸后)。 [0034] 图8为实施例3所述单层感受器的形态及微观图像，其中左图为单层感受器形态，右上图为单层感受器上表面微观图像，右下图为右上图放大5倍的微观图像。 [0035] 图9为由实施例3所得感受器制成的气溶胶制品抽吸前后对比图(其中左图为抽吸前、右图为抽吸后)。 具体实施方式[0036] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例，做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。 [0037] 本发明的单层内置感受器是基于现有市场的烟具工作原理开发的。现有市场主流烟具工作特征在于：加热烟具包含微控制器，通过灵敏电阻感应电流变化，反馈到微控制器执行程序，实现烟支的消费体验。其中关键环节感应电流的检测，主要依赖于感受器所产生的感抗电流，感抗电流的产生依赖于感受器的涡电流大小，因此，加热或保温过程中，感受器的涡电流值受其电阻的影响而变化。特别地，涡电流产生的峰值转变可以更加灵敏地被微控制器感应，从而实现加热阶段到保温阶段的灵敏切换。因此，开发的感受器具有重要的峰值特征是保证阶段切换重要的前提。 [0038] 本发明的内置感受器是由包括主金属元素在内的金属制成的单层合金软磁结构。结合金属材料的电磁学性质特征和金属合金材料形成多晶或非晶的特点，本发明选择具备固有电磁属性的金属元素，包含铁、镍、钴三种主金属元素，重量百分比为：镍72％‑85％、铁 8％‑18％，钴3％‑11％。三种元素形成的合金材料的电磁学性质可通过调节具体重量百分比范围而实现，例如：减少铁金属的掺入实现降低磁导率的目的；增加钴金属的掺入实现提高居里温度，提高材料磁导率的温度变化灵敏性的目的；增加镍金属的掺入降低材料的居里温度；通过优化三种金属的配比，提高磁感应热转化效率。 [0039] 此外，添加辅金属元素可以调节合金材料的居里温度、电阻率、热传导系数、脆性、硬度、可加工性等性质。所述的辅金属添加物包括铝、锰、锌、钼、铬元素中的一种或多种，其作为辅金属元素的添加量需满足如下条件：铝元素占主金属元素质量的0.2％‑1.2％，锰元素占主金属元素质量的1％‑5％，锌元素占主金属元素质量的0.5‑3.5％，钼元素占主金属元素质量的2％‑5％，铬元素占主金属元素质量的2％‑8％。添加铝金属元素能够提高感受器的抗氧化性、耐腐蚀性、导热性；添加锰金属元素可实现脱氧、脱硫，强化铁素体和细化珠光体，提高感受器强度、淬透性、硬度、耐磨性等；添加锌金属元素能够提高感受器的耐磨性、铸造性、抗腐蚀性；添加钼金属元素能够提高感受器的加工延展性、传热性；添加铬金属元素能够提高温度敏感性，提高居里温度。 [0040] 上述配方生产的单层合金软磁结构需进一步验证金属比例，例如电感耦合等离子体质谱方法鉴定出准确的合金薄带元素种类及数目比。采用扫描电镜检测合金薄带晶格大小及其完整性。 [0041] 本发明的单层合金软磁结构具有单峰的磁导率变化：初始磁导率较低，当温度升高，感受器的磁畴活跃，更容易被磁化，该阶段初始磁导率逐渐变大；到达峰值后，当温度继续升高，金属内部分子振动高于磁畴有序排列，造成磁场中的有序磁畴不能稳定存在，该阶段磁导率逐渐降低。 [0042] 所述单层合金软磁结构常温(20℃)状态下的初始磁导率优选选取2.5mH/m至15mH/m之间，且磁导率随温度发生较稳定的变化，不会产生剧烈地升高或降低，如图1所示，初始磁导率不会有剧烈变化，此种初始磁导率的变化特征有利于检测到较准确的反馈温度。通过数据建模，建立初始磁导率和温度之间的函数关系，经过微控制器的数据处理转化，将磁性质变化转化为电流变化，进而较准确推算出感受器实时温度值。特别地，随着温度的升高，感受器初始磁导率呈现先上升后降低的变化特性，通过微控制器识别转化的电流信号变化特征在于先减小后变大，通过微控制器程序识别电流信号的转变，特别是电流先减小后增大，进而切换加热模式到保温模式，并动态调整线圈功率输入占空比，降低感应线圈工作功率，进而调控烟支内部温度。 [0043] 具体实施中，辅金属的添加，其中的某些金属，例如铝、钼金属自身更容易与氧、碳等物质发生反应，形成的金属氧化物在软磁合金感受器的连续相中以异相形式存在，包括结合到铁‑镍‑钴形成的晶体，或是造成铁‑镍‑钴晶格的变形，造成由软磁合金构成的微小磁畴在磁场中较难被有序磁化，表现在初始磁导率下降。因此，通过加入一定量的辅金属，能够有效调节初始磁导率值。 [0044] 具体实施例中，单辊甩带法生产的合金薄带经过退火工艺获得，最终单层感受器的结构如图2，使用的片材厚度在0.07mm‑0.18mm范围内，主要生产工艺如图3。之所以金属片材厚度在此范围内，其中重要指标是电阻率与初始磁导率比值，通过计算电阻率与初始磁导率比值，得出集肤深度。集肤效应是涡电流产生的主要特征，集肤深度的计算值对于片材厚度具有重要的指导意义。片材厚度过大，集肤深度以外区域消耗更多热量，造成涡流热量的浪费；片材厚度过小，无法供给充分的热量，对烟支的加热效果降低，故本发明作为单层合金软磁结构的所述片材的厚度也是经过计算所得较理想的厚度。 [0045] 以下对制备单层合金感受器的具体步骤进行说明： [0046] S1：按照各金属的质量百分比将金属原料加入熔炼坩埚并放入到真空熔炼炉中，熔炼绝对真空度不高于10Pa，熔炼温度在1200‑1650℃，直至所有金属完全熔化，获得合金钢液。同时对保温包和喷嘴包预热，预热温度为800‑1000℃。 [0047] S2：向真空炉和保温包充入氩气作为保护气，保护气体压力在0.1MPa‑0.15MPa，待真空炉和保温包气体压力达到平衡时，打开真空炉和保温包的插板阀，将熔炼坩埚的合金钢液倾倒保温包，并开启结晶辊高速旋转20m/s‑50m/s之间。 [0048] S3：加大保温包中保护气压力至0.3MPa‑0.4MPa之间，使得保温包中合金钢液经过喷包底部喷嘴喷到结晶辊上，再在氩气保护气环境下，钢液急冷后卷制，形成合金薄带卷。 [0049] S4：将合金薄带卷在氢气或氩气气氛下完成退火步骤，退火温度为800‑1000℃，随炉升温，保温时间为10min‑30min；退火后的合金薄带即为单层合金软磁结构。 [0050] S5：将所述单层合金软磁结构经过表面轻度打磨(以去除表面氧化层，使得表面更容易涂布保护层)后，经过涂布生产线将保护涂料涂布到结构的各表面并干燥形成绝缘保护层，或通过真空镀膜的方法形成绝缘保护层，即获得到所述内置感受器薄带。 [0051] S6：特别地，为了满足实际应用场景下单层感受器形态的优化需要，将单层感受器薄带的垂直长轴方向两端面的保护层切除，以便于后续连续化切割与后加工处理。 [0052] 以下通过具体案例对本发明上述技术方案进行更详细的说明。 [0053] 实施例1 [0054] 本实施例的内置感受器是由表1所示的金属配方制成的合金薄带作为单层合金软磁结构，单层合金软磁结构表面的保护层材质选择氧化铝，采用铝条和高纯氧反应物真空镀膜到合金薄带表面的方法。所得合金薄带几何尺寸为L12mm*W3.2mm*T0.08mm，保护层厚度约0.01mm保护层厚度。所得合金薄带采用电感耦合等离子体质谱手段确定金属组成及比例，详细结果表1所示。 [0055] 本实施例的内置感受器的工作形态(折状)及微观形态结构如图4所示。采用该种形态的单层感受器，使用市场主流烟具能实现对现有烟支颗粒的热解释烟，加热抽吸完成后纸管内壁吸附一定量黄色焦油，结果如图5所示。 [0056] 表1 [0057]金属种类 镊 铁 钴 铝 锰 钼 铬 配方 72.0％ 8.0％ 7.7％ 0.8％ 3.0％ 2.5％ 6.0％ 测试结果 74.2％ 7.6％ 6.8％ 0.6％ 3.2％ 1.8％ 5.8％ [0058] 实施例2 [0059] 本实施例的内置感受器是由表2所示的金属配方制成的合金薄带作为单层合金软磁结构，单层合金软磁结构表面的保护层材质选择氧化铝，采用铝条和高纯氧反应物真空镀膜到合金薄带表面的方法。所得合金薄带几何尺寸为L12mm*W3.8mm*T0.08mm，保护层厚度约0.01mm。所得合金薄带采用电感耦合等离子体质谱手段确定金属组成及比例，详细结果表2所示。 [0060] 本实施例的内置感受器的工作形态(棱柱状)及微观形态结构如图6所示，采用该种形态的单层感受器，使用市场主流烟具能实现对现有烟支颗粒的热解释烟，加热抽吸完成后纸管内壁吸附一定量黄色焦油，结果如图7所示。 [0061] 表2 [0062]金属种类 镊 铁 钴 铝 锰 钼 铬 配方 78.0％ 8.0％ 5.6％ 1.0％ 3.0％ 2.2％ 2.2％ 测试结果 79.6％ 7.7％ 4.3％ 0.8％ 3.2％ 1.8％ 2.6％ [0063] 实施例3 [0064] 本实施例的内置感受器是由表3所示的金属配方制成的合金薄带作为单层合金软磁结构，单层合金软磁结构表面的保护层材质选择氧化铝，采用铝条和高纯氧反应物真空镀膜到合金薄带表面的方法。所得合金薄带几何尺寸为L12mm*W4.2mm*T0.08mm，保护层厚度约0.01mm。所得合金薄带采用电感耦合等离子体质谱手段确定金属组成及比例，详细结果表3所示。 [0065] 本实施例的内置感受器的工作形态(片状)及微观形态结构如图8所示，采用该种形态的单层感受器，使用市场主流烟具能实现对现有烟支颗粒的热解释烟，加热抽吸完成后纸管内壁吸附一定量黄色焦油，结果如图9所示。 [0066] 表3 [0067]金属种类 镊 铁 钴 铝 锰 钼 铬 配方 76.0％ 12.0％ 4.5％ 1.2％ 1.8％ 1.5％ 3.0％ 测试结果 74.2％ 11.8％ 5.6％ 1.3％ 3.2％ 1.8％ 2.1％ [0068] 此外，针对上述三种单层感受器，整体烟气感官质量评价结果如表4所示，结果显示三种形态单层感受器均能在烟具中表现出感应‑加热‑保温三种行为，适配性佳；抽吸过程中能实现烟草颗粒的释烟行为，且释烟整体稳定性好，显示与试验颗粒有很好适配性。 [0069] 表4 [0070]薄材 是否工作 主口释烟量 口数 释烟稳定性 实施例1 是 浓 14口 稳定 实施例2 是 浓 13口 稳定 实施例3 是 浓 13口 稳定 [0071] 上述结果显示本发明的单层感受器及其制备方法能满足消费者需要。 [0072] 以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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