CN112056625A - 电小结构非全封闭电磁能量转换器及电子烟 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁能量转换领域，具体涉及电小结构非全封闭电磁能量转换器以及具有该电磁能量转换器的电子烟，包括能量转换腔体和安装在能量转换腔体内的电磁激励装置，所述能量转换腔体为非全封闭金属结构，电磁激励装置由介质基材和金属面构成，介质基材内绕有金属线，构成电磁激励装置的电路，金属面为独立构件，与能量转换腔体的金属构件互不连接，电磁激励装置金属线一端的延长线通过金属面的过孔由能量转换腔体内部引入外部，能量转换腔体内填充有介质材料。本发明在电小结构非全封闭空间内实现电磁能量转换器，电子烟基于电磁能量以微波的方式引入填充有烟材的电子烟管，微波能量通过与烟材分子共振，将电磁能量转化为热能，引燃烟材发烟。

Description

电小结构非全封闭电磁能量转换器及电子烟

技术领域

本发明涉及电磁波能量技术领域，尤其涉及一种电小结构非全封闭电磁能量转换器以及具有该电磁能量转换器结构的电子烟。

背景技术

传统的电子烟是基于热传导原理。首先，电子烟将电能转化为热能，热能通过传导装置传递到烟材，引起烟材发热燃烧。这种热传导方式的电子烟，结构简单、易于使用，但是，由于热传导效率有限，热能分布不均匀，导致烟材燃烧不充分，造成浪费，使得电子烟的使用成本较高。

电磁能量转换的一种有效方法是采用电磁能量的共振，其中转换效率最高的结构为金属波导型谐振腔，包括矩形波导谐振腔和圆柱形波导谐振腔等。以圆柱形波导谐振腔为例，TE111为主模模式，其谐振频率为：

其中：a为圆柱形波导谐振腔底面半径，l为圆柱形波导谐振腔的长度，如图1所示。所以，当圆柱形波导谐振腔的半径a为3.9毫米，长度l为21.3毫米时，内部填充介电常数为1.5的材料时，TE111模式的谐振频率为19.27GHz，工作波长为12.7毫米。

当电磁能量以电磁波的方式传递，频率小于19.27GHz时，即工作波长大于12.7毫米时，针对于上述柱形波导谐振腔的结构，TE111模式为截止模式，电磁能量不能进入腔体，电磁能量无法与腔体内的材料共振，发生电磁能量的转换，这意味着，当腔体的结构尺寸小于电磁波的工作波长，即电小结构时，电磁波无法进入腔体以实现有效的电磁能量转换。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明设计了电小结构非全封闭电磁能量转换器以及具有该电磁能量转换器结构的电子烟，实现在电小结构非全封闭空间内的电磁能量转换器，电子烟基于电磁能量以微波的方式引入填充有烟材的电子烟管，微波能量通过与烟材分子共振，将电磁能量转化为热能，引燃烟材发烟。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一方面，电小结构非全封闭电磁能量转换器，包括能量转换腔体和安装在能量转换腔体内的电磁激励装置，所述能量转换腔体为非全封闭金属结构，电磁激励装置由介质基材和金属面构成，介质基材内绕有金属线，构成电磁激励装置的电路，金属面为独立构件，与能量转换腔体的金属构件互不连接，电磁激励装置金属线一端的延长线通过金属面的过孔由能量转换腔体内部引入外部，能量转换腔体内填充有介质材料。

进一步地，所述能量转换腔体为由金属材质构成的圆柱形空腔，或椭圆形空腔或矩形空腔。

进一步地，所述圆柱形空腔的一底面为封闭的金属面，另一底面为非封闭的金属面，或两底面均为非封闭的金属面。

进一步地，所述柱状介质基材位于金属面上或位于金属与非金属材质构成的网状金属面上。

进一步地，所述柱状介质基材为圆柱形结构或圆锥形结构，金属线以螺旋结构内嵌在在圆柱形结构或圆锥形结构内。

进一步，金属线一端的延长线通过金属面的过孔由能量转换腔体内部引入外部，为馈线内导体，馈线外导体与金属面连接，馈线内导体与馈线外导体构成同轴线、或微带线、或带状线、或共面波导。

作为本发明的另一方面，一种电子烟，包括烟管和与烟管相连的烟嘴，所述烟管为非全封闭结构，内部设有电磁能量转换器，还包括电磁能量发生装置和与电磁能量发生装置相连的电源装置，电磁能量发生装置与电磁能量转换器相连，用于为电磁能量转换器提供电磁能量，烟管腔体内填充烟材。

进一步地，所述电磁激励装置由柱状介质基材和金属面构成，柱状介质基材位于金属面上或位于金属与非金属材质构成的网状金属面上，柱状介质基材内嵌螺旋结构的金属线，金属线的延长线段为馈线内导体，与馈线内导体相连的馈线外导体穿过烟管的开口，馈线内导体和馈线外导体构成同轴馈线。

进一步地，所述烟管为靠近烟嘴一端开口或半开口圆柱形金属空腔。

进一步地，所述烟管由烟管腔体和腔体通道构成，烟管腔体和腔体通道可为分体结构或为一体结构，烟管腔体与腔体通道相连的一端为开口或半开口结构，或烟管腔体两端均为开口或半开口结构，腔体通道与烟嘴相连接。

进一步地，所述腔体通道与烟嘴之间设有金属网栅，用于减小电磁能量的泄露。

进一步地，所述烟材灌装在烟材包中，烟材包与烟嘴为一体结构的烟弹，或烟材、腔体通道和烟道构成一个烟弹整体，或电磁激励装置、烟材、腔体通道和烟道构成一个烟弹整体。

本发明具有以下有益效果：

电磁能量转换包括一个非全封闭腔体，由金属部分和非金属部分构成；腔体内部可以填充介质材料；腔体内部放置一激励装置，提供电磁能量的馈入和激发。该装置可以有效将激励装置激发的电磁能量转换为填充的介质材料可吸收的能量，本装置结构简单，几何尺寸小于电磁能量的工作频率，具有转化效率高，电磁泄漏小的优点；

电子烟将电能转化为电磁能量，电磁能量以微波的方式引入填充有烟材的电子烟管，微波能量通过与烟材分子共振，将电磁能量转化为热能，引燃烟材发烟。这种微波谐振方式的电子烟，结构简单、使用方便，且电磁能量的转换效率高，能量分布均匀，可实现烟材的充分而高效的燃烧。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。其中：

图1为圆柱形波导谐振腔结构图；

图2为本发明电小结构非全封闭电磁能量转换器结构图；

图3为本发明电小结构非全封闭电磁能量转换器激励装置结构图；

图4为本发明电小结构非全封闭电磁能量转换器的端口S参数；

图5为本发明电小结构非全封闭电磁能量转换器的能量分布图；

图6为本发明电小结构非全封闭电磁能量转换器实施例结构图；

图7为本发明分离式电子烟功能图；

图8为本发明分离式电子烟结构图；

图9为本发明分离式电子烟电源装置结构图；

图10为本发明分离式电子烟电磁能量发生装置的结构图；

图11为本发明分离式电子烟电磁激励装置和烟管结构图；

图12为本发明的一体式电子烟功能图；

图13为本发明一体式电子烟结构图；

图14为本发明一体式电子烟烟管结构图；

图15为本发明一体式电子烟电磁能量发生装置的结构图；

图16为本发明一体式电子烟电源装置结构图；

图17为本发明一体式电子烟烟嘴结构图；

图18为本发明一体式电子烟烟嘴与烟材的结构示意图；

图中：1、能量转换腔体，101、金属面，102、非金属面，103、网状金属面；

2、电磁激励装置，201、柱状介质基材，202、金属线，203、馈线内导体，204、馈线外导体；

3、烟管，301、烟管腔体，302、腔体通道，303、金属网栅，304、烟管盖，305、烟道；

4、烟嘴；

5、电磁能量发生装置，501、电路基板，502、频率合成器，503、功率放大器，504、开关；

6、电源装置，601、电池盖，602、USB接口，603、过孔；

7、烟材。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，本发明的电小结构非全封闭电磁能量转换器，包括能量转换腔体1和安装在能量转换腔体1内的电磁激励装置2，所述能量转换腔体1为非全封闭金属结构，电磁激励装置2由介质基材和金属面101构成，介质基材内绕有金属线202，构成电磁激励装置的电路，金属面101为独立构件，与能量转换腔体1的金属构件互不连接，金属线202一端的延长线通过金属面101的过孔由能量转换腔体1内部引入外部，能量转换腔体1内填充有介质材料。

所述能量转换腔体1的一种结构为金属圆柱形空腔。其中，圆柱形空腔结构的圆柱面为圆柱金属面，圆柱形空腔结构的一底面为金属面101，构成封闭结构，另一底面为非封闭的金属面101，形成非全封闭结构。或两底面均为非封闭的金属面101。

所述介质基材的一种结构为介质柱，包括圆柱、或圆锥、或角锥。金属线为螺旋结构，内嵌在介质柱内。或者金属线螺旋绕在介质柱的外表面上，为防止金属氧化，在介质柱表面镀釉。柱状介质基材201位于金属面101上或位于金属与非金属材质构成的网状金属面103上。

作为本发明的一个实施例如图2所示，圆柱形空腔结构的圆柱面为金属材质，一底面为开口，形成非封闭结构，另一底部由圆形金属面和开口构成，形成非全封闭结构，圆柱形腔体内置电磁激励装置2，在腔体内，电磁激励装置2外的空间填充介质材料。

如图3所示，柱状介质基材201内嵌螺旋结构的金属线202，金属线202一端的延长线为馈线内导体203，通过金属面101的过孔由能量转换腔体1内部引入外部，馈线外导体204与金属面101连接，馈线内导体203与馈线外导体204构成同轴线、或微带线、或带状线、或共面波导。

作为具体实施例，圆柱形腔体的圆柱面为铝材，长度为19.92毫米，厚度为0.5毫米，一底面开口，另一底面金属面为铝材，半径为2.16毫米，厚度为0.1毫米；柱状介质基材的介电常数为9.9，损耗角正切为0.003，半径为1毫米，长度为17.00毫米，金属线为螺旋线，采用铜材，圆形截面的半径为0.1毫米，匝数为7，螺距为2.3毫米。本尺寸结构的设计，能有效将激励装置激发的电磁能量转换为填充的介质材料可吸收的能量，装置结构简单，几何尺寸小于电磁能量的工作频率，能量转化效率高，电磁泄露小。

作为具体实施例，在圆柱形腔体内，电磁激励装置外的空间填充介电常数为1.5，损耗角正切为0.07的材料。

以中心频率2.45GHz，功率为0.5W的电磁能量通过馈线端口输入到电磁能量转换腔体内部，其馈线端口的S11参数如5所示，可知在2.45GHz频点b，S11参数小于-35dB，具有良好的端口反射特性。

转换的功率特性如图6所示，在2.45GHz频点，腔体端口的输入功率c为0.5W时，腔体接收到的功率为0.498W，其中，金属材料的损耗为0.023W，腔体的辐射损耗为0.0000066W，介质损耗的功率为0.45W，电磁能量的转化效率高达91.6％。

如图4所示，作为一种实施例，柱状介质基材201也可为圆锥结构，内嵌有螺旋结构的金属线202，圆柱形空腔的一底面为金属面101，构成全封闭结构，另一底面由金属面101与开口，构成非全封闭结构，或金属与非金属材质构成的网状金属面103与开口，构成非全封闭结构，柱状介质基材201位于网状金属面103上。

电子烟，基于电磁能量的热转换原理。首先，电子烟将电能转化为电磁能量，电磁能量以微波的方式馈入填充有烟材的烟管，微波能量通过与烟材分子的共振，将电磁能量转化为热能，导致烟材发热，产生烟雾，所形成的烟雾由烟管通道引出。这种微波谐振方式的电子烟，结构简单、使用方便，且电磁能量的转换效率高，电磁能量在烟管中的分布均匀，可实现烟材的充分而高效燃烧。

电子烟，包括烟管3和烟嘴4，其中烟管3为一能量转换腔体1，烟管3的腔体内设有电磁激励装置2，还包括电磁能量发生装置5和与电磁能量发生装置5相连的电源装置6，电磁能量发生装置5与电磁激励装置2相连，用于为电磁激励装置2提供电磁能量，烟管内填充有烟材。

其中，烟管3由烟管腔体301和腔体通道302构成，烟管腔体301和腔体通道302为分体结构或一体结构，烟管腔体301与腔体通道302相连的一端为开口或半开口结构，或烟管腔体301两端均为开口或半开口结构，腔体通道302经烟道与烟嘴4相连接。烟管腔体301为非全封闭结构，电磁激励装置2由柱状介质基材201和金属面构成，柱状介质基材201内嵌螺旋结构的金属线202，金属线202一端的延长线为馈线内导体203，通过金属面的过孔由烟管腔体301内部引入外部，馈线内导体203连接馈线外导体204，馈线外导体204与柱状介质基材底部的金属面101或网状金属面103相连接，馈线内导体203与馈线外导体204构成同轴线、或微带线、或带状线、或共面波导。

烟管腔体301与烟道305相连接的一端开口或半开口。烟道305内可设有金属网栅303，用于减小电磁能量的泄露。

图7至图8示出了本发明实施例一种分离式电子烟的结构示意图，其中，电源装置6、电磁能量发生装置5、烟管腔体301构成烟管；腔体通道302和烟道305构成烟嘴4，电源装置6、电磁能量发生装置5、烟管腔体301、腔体通道302和烟道305可为管状结构。电源装置6和电磁能量发生装置5为与烟管3尺寸匹配连接的金属管状结构，与烟管腔体301一侧端相连，电源装置6为电磁能量发生装置5提供电源，电磁能量发生装置5输出电磁能量。

烟管3和烟嘴4为分离构件，使用时，将烟嘴4插入烟管3。

图9所示，电源装置6为金属管状结构，一端配有移动的电池盖601，其上设有USB接口602，用于电池充电，另一端的电源输出通过过孔为电磁能量发生装置5提供电源。

图10所示，电磁能量发生装置5为金属管状结构，包括频率合成器502和功率放大器503，频率合成器502和功率放大器503安装在电路基板501上，并配合开关器504。电磁能量发生装置5由电源装置6通过一端过孔供电，电磁能量通过另一端过孔，为电磁激励装置2提供电磁能量。

图11所示，烟管腔体301为金属管状结构，内置电磁激励装置2，柱状烟材7可插入烟管腔体301，再插入烟嘴4。或将烟材7放置于腔体通道302，烟材7、腔体通道302和烟道305构成一个烟弹整体。

电磁激励装置2可内置于腔体通道302，或电磁激励装置2、烟材7、腔体通道302和烟道305构成一个烟弹整体。烟材7装在烟材包或烟材袋中，烟材包与烟嘴4为一体结构的烟弹，使用时，将烟材包或烟材袋直接插入烟管腔体301，通过烟嘴4吸烟。腔体通道302或烟道305之间可放置用于降低烟温的物质材料。

腔体通道302内可设置金属栅网303，降低电磁辐射。

图12示出了本发明另一实施例一种一体式电子烟的结构示意图，其中，烟管腔体301、腔体通道302和烟嘴4构成电子烟的管状一体结构。

图13所示，电源装置6和电磁能量发生装置5为金属矩形空腔结构，电源装置6和电磁能量发生装置5安装在腔体通道302的外管壁上，与腔体通道302的外壁可为一体结构或者为可拆分结构。

图14所示，烟管腔体301为管状金属腔体，顶面可安装烟管盖304，或者不安装烟管盖304，底面为开口或半开口面，管状金属腔体内置电磁激励装置2，电磁激励信号由馈线馈入。

作为本发明的一种实施例如图15所示，电磁能量发生装置5，为金属矩形空腔结构，电磁能量发生装置5由频率合成器502和功率放大器503构成，频率合成器502和功率放大器503相连，频率合成器502和功率放大器503安装在电路基板501，同时，配合开关器504，电磁能量发生装置5产生的电磁能量由馈线通过过孔馈入电磁激励装置2。

图16所示，本发明的电源装置6可建构单电源架构或双电源架构，配有可以移动电池盖，对于双电源架构的电源装置上配两个USB接口602，用于为电池充电。

图17所示，烟嘴4为金属管状结构，可内置金属栅网303，用于减小电磁能量的泄露。

图18所示，烟材7装在烟材包中，烟材包与烟嘴4为一体结构的烟弹，使用时，将烟材包或烟材袋直接插入烟管腔体301，通过烟嘴4吸烟。

本发明的电子烟，将电能转化为电磁能量，电磁能量以微波的方式引入填充有烟材的电子烟管，微波能量通过与烟材分子共振，将电磁能量转化为热能，引燃烟材发烟。这种微波谐振方式的电子烟，结构简单、使用方便，且电磁能量的转换效率高，能量分布均匀，可实现烟材的充分而高效的燃烧。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.电小结构非全封闭电磁能量转换器，其特征在于，包括能量转换腔体和安装在能量转换腔体内的电磁激励装置，所述能量转换腔体为非全封闭结构，电磁激励装置由介质基材和金属面构成，介质基材内嵌螺旋状结构的金属线，构成电磁激励装置的电路，金属面与能量转换腔体的金属构件互不连接，电磁激励装置金属线一端的延长线通过金属面的过孔由能量转换腔体内部引入外部，能量转换腔体内填充有介质材料。

2.根据权利要求1所述的电磁能量转换器，其特征在于，所述能量转换腔体为由金属材质构成的圆柱形空腔，或椭圆形空腔或矩形空腔。

3.根据权利要求2所述的电磁能量转换器，其特征在于，所述圆柱形空腔的一底面为封闭的金属面，另一底面为非封闭的金属面，或两底面均为非封闭的金属面。

4.根据权利要求1所述的电磁能量转换器，其特征在于，所述柱状介质基材位于金属面上或位于金属与非金属材质构成的网状金属面上。

5.根据权利要求1至4任一所述的电磁能量转换器，其特征在于，所述柱状介质基材为圆柱形结构或圆锥形结构，金属线以螺旋结构内嵌在在圆柱形结构或圆锥形结构内。

6.根据权利要求5所述的电磁能量转换器，其特征在于，金属线一端的延长线为馈线内导体，通过金属面的过孔由能量转换腔体内部引入外部，馈线外导体与金属面连接，馈线内导体与馈线外导体构成同轴线、或微带线、或带状线、或共面波导。

7.一种电子烟，包括烟管和与烟管相连的烟嘴，其特征在于，所述烟管为非全封闭结构，内部设有电磁能量转换器，还包括电磁能量发生装置和与电磁能量发生装置相连的电源装置，电磁能量发生装置与电磁能量转换器相连，用于为电磁能量转换器提供电磁能量，烟管腔体内填充有烟材。

8.根据权利要7所述的电子烟，其特征在于，所述电磁激励装置由柱状介质基材和金属面构成，柱状介质基材位于金属面上或位于金属与非金属材质构成的网状金属面上，柱状介质基材内嵌螺旋结构的金属线，金属线的延长线段为馈线内导体，与馈线内导体相连的馈线外导体穿过烟管的开口，馈线内导体和馈线外导体构成同轴馈线。

9.根据权利要7所述的电子烟，其特征在于，所述烟管为靠近烟嘴一端开口或半开口圆柱形金属空腔。

10.根据权利要9所述的电子烟，其特征在于，所述烟管由烟管腔体和腔体通道构成，烟管腔体和腔体通道可为分体结构或为一体结构，烟管腔体与腔体通道相连的一端为开口或半开口结构，或烟管腔体两端均为开口或半开口结构，腔体通道与烟嘴相连接。

11.根据权利要9或10任一所述的电子烟，其特征在于，所述腔体通道与烟嘴之间设有金属网栅，用于减小电磁能量的泄露。

12.根据权利要8-11任一所述的电子烟，其特征在于，所述烟材灌装在烟材包中，烟材包与烟嘴为一体结构的烟弹，或烟材、腔体通道和烟道构成一个烟弹整体，或电磁激励装置、烟材、腔体通道和烟道构成一个烟弹整体。

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