本發(fā)明涉及一種霧氣發(fā)生裝置。更具體地，本發(fā)明涉及一種通過超聲振動使液體霧化的霧氣發(fā)生裝置。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)香煙燃燒的是經(jīng)過碾碎和特殊處理的煙葉，點燃后，煙葉中的天然尼古丁會以氣體形式釋放出來。燃燒過程中，碾碎的煙葉持續(xù)燃燒產(chǎn)生熱煙，若直接將其吸入肺部，會灼傷上呼吸道。因此，大多數(shù)吸煙者習慣采用“口吸至肺”的吸煙方式：先將煙霧吸入口腔，再從口腔吸入肺部，這就是“口吸至肺(mtl)”這一術(shù)語的由來。

2、對于想要避開傳統(tǒng)香煙中的焦油及其他有害化學(xué)物質(zhì)，同時又想滿足尼古丁需求的吸煙者來說，霧化吸入裝置或電子汽化吸入器正變得越來越受歡迎。電子汽化吸入器通常裝有液態(tài)尼古丁，這種液體一般由尼古丁油、溶劑、水和調(diào)味劑混合而成。使用者抽吸時，液態(tài)尼古丁會被吸入汽化器，經(jīng)加熱后變成蒸汽，隨后被吸入體內(nèi)。

3、電子汽化吸入器與其他蒸汽吸入器在設(shè)計上大同小異。大多數(shù)這類設(shè)備都設(shè)有液態(tài)尼古丁儲存器，內(nèi)部裝有類似棉花的毛細管隔膜，用來儲存液體，防止泄漏。但即便如此，這類設(shè)備仍容易出現(xiàn)漏液問題，因為沒有有效措施阻止液體從隔膜流入吸嘴。電子汽化吸入器漏液會引發(fā)諸多問題：一是液體滲入電子元件，可能造成設(shè)備嚴重損壞；二是液體流入吸嘴后，使用者可能會誤吸入未汽化的液體。

4、此外，電子汽化吸入器每次提供的尼古丁劑量往往不穩(wěn)定。漏液就是導(dǎo)致劑量不均的原因之一，因為靠近汽化器的隔膜可能出現(xiàn)過飽和或不飽和的情況。隔膜過飽和時，使用者吸入的蒸汽劑量會比預(yù)期高；隔膜不飽和時，吸入的蒸汽劑量則會偏低。而且，使用者抽吸力度稍有變化，吸入的劑量也會隨之改變。劑量不穩(wěn)定加上漏液問題，還會加快霧化液的消耗速度。

5、傳統(tǒng)電子汽化吸入器通常依靠金屬加熱元件，將電子煙中的液體加熱汽化后供人吸入。這種方式存在一些弊端：金屬元件可能被燒焦，使用者會連同燒焦的液體一起吸入金屬顆粒；而且，一些人可能不喜歡液體加熱后產(chǎn)生的焦糊味。

6、如今，人們逐漸認識到，電子汽化吸入器能讓使用者以相對安全的方式攝入尼古丁，在戒煙過程中發(fā)揮重要作用。與尼古丁貼片、咀嚼物等產(chǎn)品相比，使用電子汽化吸入器的戒煙者更有可能堅持完成戒煙計劃。然而，傳統(tǒng)電子汽化吸入器無法保證每次抽吸的尼古丁劑量一致，也很難模擬傳統(tǒng)香煙“口吸至肺”的真實體驗。這使得使用者難以掌握每日尼古丁攝入量，無法判斷戒煙效果，進而對戒煙計劃失去信心，最終重拾傳統(tǒng)香煙。

7、因此，市場迫切需要一款改進型霧氣發(fā)生器，來解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了如權(quán)利要求1所述的霧氣發(fā)生裝置、權(quán)利要求19所述的霧氣發(fā)生器，以及權(quán)利要求20所述的超聲換能器組件，從屬權(quán)利要求中還記載了本發(fā)明的多個優(yōu)選實施例。

2、相較于傳統(tǒng)霧化吸入器，本公開的多個實施例具有諸多優(yōu)勢，具體如下：

3、本公開實施例中的霧氣發(fā)生器和尼古丁遞送裝置比傳統(tǒng)的霧氣發(fā)生器和尼古丁遞送裝置運行效率更高，由于功率需求降低，因此具有環(huán)保效益。

4、需要注意的是，以下公開內(nèi)容中使用的“霧氣”一詞是指液體不像現(xiàn)有技術(shù)中已知的傳統(tǒng)吸入器那樣通常被加熱。實際上，傳統(tǒng)吸入器使用加熱元件將液體加熱至沸點以上以產(chǎn)生蒸汽，這與霧氣不同。

5、事實上，當對液體進行高強度超聲處理時，傳播到液體介質(zhì)中的聲波會產(chǎn)生交替的高壓(壓縮)和低壓(稀疏)循環(huán)，其速率取決于頻率。在低壓循環(huán)期間，高強度超聲波會在液體中產(chǎn)生小的真空泡或空隙。當氣泡達到無法再吸收能量的體積時，它們會在高壓循環(huán)期間劇烈坍塌。這種現(xiàn)象稱為空化。在內(nèi)爆過程中，局部會達到非常高的壓力?？栈瘯r會產(chǎn)生破碎的毛細波，微小的液滴打破液體的表面張力并迅速釋放到空氣中，形成霧氣。

6、以下將更精確地解釋空化現(xiàn)象。

7、當液體通過超聲振動霧化時，液體中會產(chǎn)生微小的空泡。

8、空泡的產(chǎn)生是由超聲振動產(chǎn)生的強超聲波所產(chǎn)生的負壓形成空泡的過程。高強度超聲波導(dǎo)致空泡快速生長，而在正壓循環(huán)期間空泡尺寸的減小相對較低且可忽略不計。

9、與所有聲波一樣，超聲波由壓縮和膨脹循環(huán)組成。當與液體接觸時，壓縮循環(huán)會對液體施加正壓，將分子推到一起。膨脹循環(huán)施加負壓，將分子相互拉開。

10、強超聲波會產(chǎn)生正壓和負壓區(qū)域。在負壓階段，空泡可以形成并生長。當空泡達到臨界尺寸時，空泡會內(nèi)爆。

11、所需的負壓量取決于液體的類型和純度。對于真正純凈的液體，其抗張強度非常大，以至于現(xiàn)有的超聲發(fā)生器無法產(chǎn)生足夠的負壓來形成空泡。例如，在純水中，需要超過1000個大氣壓的負壓，而最強大的超聲發(fā)生器僅產(chǎn)生約50個大氣壓的負壓。液體中的氣體被困在液體顆粒的縫隙中，會降低液體的抗張強度。這種效應(yīng)類似于固體材料中裂紋導(dǎo)致的強度降低。當充滿氣體的縫隙暴露于聲波的負壓循環(huán)時，壓力降低會使縫隙中的氣體膨脹，直到一個小氣泡釋放到溶液中。

12、然而，被超聲波照射的氣泡會不斷從聲波的交替壓縮和膨脹循環(huán)中吸收能量。這些會導(dǎo)致氣泡生長和收縮，在氣泡內(nèi)部的空隙和外部的液體之間達到動態(tài)平衡。在某些情況下，超聲波會維持一個大小簡單振蕩的氣泡。在其他情況下，氣泡的平均大小會增加。

13、空泡的生長取決于聲音的強度。高強度超聲波可以在負壓循環(huán)期間使空泡快速膨脹，以至于空泡在正壓循環(huán)期間沒有機會收縮。在這個過程中，空泡可以在單個聲音循環(huán)過程中快速生長。

14、對于低強度超聲波，空泡的大小會隨著膨脹和壓縮循環(huán)同相振蕩。低強度超聲波產(chǎn)生的空泡表面在膨脹循環(huán)期間略大于壓縮循環(huán)期間。由于擴散進或出空泡的氣體量取決于表面積，因此在膨脹循環(huán)期間擴散到空泡內(nèi)的氣體會略多于在壓縮循環(huán)期間擴散出的氣體。因此，對于每個聲音循環(huán)，空泡膨脹的幅度略大于收縮的幅度。經(jīng)過許多循環(huán)后，空泡會緩慢生長。

15、已經(jīng)注意到，不斷增長的空泡最終會達到一個臨界尺寸，在該尺寸下它將最有效地從超聲波中吸收能量。臨界尺寸取決于超聲波的頻率。一旦空泡經(jīng)歷了由高強度超聲波引起的非?？焖俚纳L，它就無法再有效地從聲波中吸收能量。沒有這種能量輸入，空泡就無法維持自身。液體涌入，空泡由于非線性響應(yīng)而內(nèi)爆。

16、內(nèi)爆釋放的能量使液體破碎成微小顆粒，這些顆粒作為霧氣分散到空氣中。

17、描述上述非線性響應(yīng)現(xiàn)象的方程可以用“瑞利-普萊塞特(rayleigh-plesset)”方程來描述。該方程可以從流體力學(xué)中使用的“納維-斯托克斯(navier-stokes)”方程推導(dǎo)出來。

18、發(fā)明者的方法是重寫“瑞利-普萊塞特”方程，其中氣泡體積v被用作動態(tài)參數(shù)，并且描述耗散的物理過程與使用半徑作為動態(tài)參數(shù)的更經(jīng)典形式中所使用的相同。

19、推導(dǎo)出的方程如下：

20、

21、其中：

22、v是氣泡體積

23、v0是平衡氣泡體積

24、ρ0是液體密度(假定為常數(shù))

25、σ是表面張力

26、pv是蒸氣壓

27、p0是氣泡壁外液體中的靜壓力

28、κ是氣體的多變指數(shù)

29、t是時間

30、r(t)是氣泡半徑

31、p(t)是施加的壓力

32、c是液體的聲速

33、φ是速度勢

34、λ是聲場的波長

35、在超聲霧氣吸入器中，液體的運動粘度在1.05pa·sec到1.412pa·sec之間。

36、通過使用正確的粘度、密度參數(shù)求解上述方程，并設(shè)定將液體噴霧到空氣中的目標氣泡體積，發(fā)現(xiàn)對于1.05pa·s和1.412pa·s的液體粘度范圍，2.8mhz至3.2mhz的頻率范圍會產(chǎn)生約0.25至0.5微米大小的氣泡。

37、超聲空化過程對所產(chǎn)生霧氣中的尼古丁濃度有顯著影響。

38、由于不涉及加熱元件，因此不會產(chǎn)生燒焦元件，并減少二手煙效應(yīng)。

39、在超聲霧氣吸入器中，毛細管元件可在超聲腔和液體室之間延伸。

40、在超聲霧氣吸入器中，毛細管元件是至少部分由竹纖維制成的材料。

41、毛細管元件具有高吸收能力、高吸收率以及高液體保留率。

42、發(fā)現(xiàn)用于毛細作用的建議材料的固有特性對超聲霧氣吸入器的有效運行有顯著影響。

43、此外，建議材料的固有特性包括良好的吸濕性，同時保持良好的滲透性。這使得吸入的液體能夠有效地滲透毛細管，而觀察到的高吸收能力允許保留相當量的液體，因此與市場上的其他產(chǎn)品相比，超聲霧氣吸入器可以使用更長時間。

44、使用竹纖維的另一個顯著優(yōu)點是竹纖維中天然存在的抗菌生物劑，即“竹琨(kun)”，使其具有抗菌、抗真菌和防臭的特性。

45、關(guān)于竹纖維用于超聲處理的益處，其固有特性已通過數(shù)值分析驗證。

46、以下公式已用竹纖維材料和其他用作毛細管元件的材料(如棉花、紙張或其他纖維束)進行了測試，結(jié)果表明竹纖維在超聲處理中的應(yīng)用具有更好的性能：

47、

48、其中：

49、c(cc/gm流量/gm)是吸收的液體體積每質(zhì)量除以毛細管元件的干質(zhì)量，a(cm2)是毛細管元件的總表面積，

50、t(cm)是毛細管元件的厚度，

51、wf(gm)是干毛細管元件的質(zhì)量，

52、pf(cc/(g·sec))是干毛細管元件的密度，

53、α是毛細管元件潤濕后體積增加量與擴散到毛細管元件中的液體體積的比率，

54、vd(cc)是擴散到毛細管元件中的液體量，

55、吸收率，

56、

57、q(cc/sec)是單位時間吸收的液體量，

58、r(cm)是毛細管元件內(nèi)孔隙的半徑，

59、γ(n/m)是液體的表面張力，

60、θ(度)是纖維的接觸角，

61、η(m2/sec)是流體的粘度。

62、在超聲霧氣吸入器中，毛細管元件可以是至少部分由竹纖維制成的材料。

63、在超聲霧氣吸入器中，毛細管元件材料可以是100％竹纖維。

64、大量測試得出結(jié)論，100％純竹纖維是超聲處理的最佳選擇。

65、在超聲霧氣吸入器中，毛細管元件材料可以是至少75％的竹纖維，并且可選地包含25％的棉花。

66、由100％純竹纖維或高比例竹纖維制成的毛細管元件顯示出高吸收能力以及改善的流體傳輸性能，使其成為超聲霧氣吸入器應(yīng)用的最佳選擇。