电磁驱动液体雾化装置的制作方法

本发明属于电子雾化技术领域，具体涉及采用电磁驱动液体，并使液体的挤出部分与电热元件表面接触而雾化的装置。

背景技术：

电子雾化烟的核心是雾化器，其性能的优劣直接影响雾化液体的雾化效率、气溶胶性质、吸入品质以及吸入安全性，是目前电子雾化烟发展的重点。最初的电子雾化烟雾化器中均采用以发热丝为电热元件的雾化器技术，近年来随着技术进步、人们对安全和感官品质意识的日益增强，雾化器技术取得了长足的进步。代表性的雾化器技术包括陶瓷雾化芯技术、金属网格加热技术和金属薄片加热技术。陶瓷雾化芯技术采用多孔陶瓷材料，它是一种经高温烧结得到的陶瓷体，其内部分布着大量三维彼此贯通的孔道，其孔径一般为微米级或亚微米级，具有稳定耐高温、安全易导油的特性，但存在热传导系数低、热阻较大及体积热容较小的缺陷。某一外国烟草公司推出的一种封闭式电子烟采用了金属网格加热元件，其特点是发热均匀而且比传统的发热丝具有更小的电阻变化率。某另一外国烟草公司推出的电子烟采用刀片式超薄不锈钢，取代传统发热丝和导油芯加热机构，加热烟液生成气溶胶，所用加热片厚度超薄(相当于人头发丝直径)，具有比传统发热丝和导油芯加热系统大10倍的表面积。这些电热元件相比传统发热丝，在发热表面积和加热均匀性方面都有改善，但由于不能控制烟液的递送量，烟液累积在金属网格或金属薄片表面甚至包裹在整个电热元件的情况难以避免，烟液受热不均现象仍然存在，导致金属网格或金属薄片的电热利用效率大打折扣。

目前电子雾化烟存在的另一个较大缺陷是雾化器漏液问题，解决方案主要包括两种：一种是采用多重防漏烟弹结构设计，即利用多层吸油棉、复杂的防漏油结构和密封工艺来防止烟液从雾化器中淤积流出并锁住冷凝烟液；另一种是延长气路，尽量确保每滴烟液充分雾化，减少漏液风险。上述各种电子雾化烟防漏结构和技术只能降低漏液几率，并不能从根本上解决电子雾化烟漏液问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种电磁驱动液体雾化装置。本发明的装置利用电磁驱动原理驱动液体，将液体形成凸面型薄层液膜或液滴，该凸面型薄层液膜或液滴与热的电热元件表面接触后快速雾化形成气溶胶而被抽吸者吸入。

本发明的技术方案如下：

电磁驱动液体雾化装置，其包括雾化芯2和电磁驱动单元31；

所述雾化芯2包括储液仓21和电热元件22；所述储液仓21具有驱动腔211和挤出腔212，所述驱动腔211和挤出腔212之间液体连通；所述驱动腔211上壁有弹性膜片2111和永磁铁片2112；所述挤出腔212上端有开口为液体释放孔2121；所述电热元件22布置在所述液滴释放孔2121的上部，使得电热元件表面221与所述液滴释放孔2121相对且保持一定距离；储液仓21内有用于气化的液体200。

所述电磁驱动单元31布置在所述雾化芯2底部。电磁驱动单元31通电产生的磁场能穿透储液仓21及内部的液体200而被永磁铁片2112感应到。

优选地，所述电热元件表面221与所述液滴释放孔2121所在的平面平行，且两者之间的距离为100um-2mm。

优选地，所述液滴释放孔2121面积小于3mm×3mm。

优选地，所述电热元件表面221的水表观接触角＜90°。

优选地，所述储液仓21容积为1-2ml。

优选地，所述雾化芯2还具有压片2113、上部密封垫圈2114、挤出腔架2115、驱动腔体2116、下部密封垫圈2117、衬底2118和基座23；所述驱动腔体2116和弹性膜片2111及上部密封垫圈2114、以及下部密封垫圈2117和衬底2118围成所述储液仓21；所述压片2113布置在所述弹性膜片2111的外壁上，所述永磁铁片2112布置在所述压片2113和弹性膜片2111之间并贴合在弹性膜片2111壁上；所述挤出腔架2115内部为挤出腔212，所述挤出腔212的腔口为液滴释放孔2121；所述压片2113、永磁铁片2112和弹性膜片2111的中部有孔与所述液滴释放孔2121相对应；所述基座23布置在所述储液仓21底部；

所述电磁驱动单元31位于电磁驱动杆3腔体内，所述雾化芯2通过基座23布置在所述电磁驱动杆3的外壁上。

优选地，所述电磁驱动杆3腔体内还有电源和控制芯片，所述电热元件22通过导线222与控制芯片和电源电连接。

优选地，所述电磁驱动单液滴雾化装置还包括吸嘴端盖1，所述吸嘴端盖1套在所述雾化芯2外围共同形成雾化器4，所述吸嘴端盖1的中部底面与所述电热元件22之间设有空气进气通道10连通外部，可确保通过空气进气通道10进入的空气顺利将电热元件表面221形成的气溶胶带进吸嘴并被抽吸者吸入。

优选地，所述驱动腔211和挤出腔212之间为液体通道2110。

优选地，所述吸嘴端盖1内部开有气溶胶释放孔12与所述空气进气通道10连通，所述吸嘴端盖1侧壁开有观察视窗11。气溶胶释放孔12用于将雾化后的液滴送入被抽吸者口中，即吸嘴。

本发明的有益效果：

1、定量供液。本发明采用电磁驱动液体供液的方式，每口的供液量可控，不同于现有技术通过导液棉等介质向发热器件被动虹吸导液的方式；并且与现有技术采用泵送机构供液的方式相比，本发明的供液装置(液体挤出装置)本身就是储液仓的一部分，既提高了集成度，又避免了外置泵体造成的整体装置体积变大及储液仓与泵连接结构复杂的问题。

2、解决漏液的问题。本发明中由液滴释放孔挤出的液膜或液滴体积很小，液滴释放孔与电热元件表面间距很小(＜2mm，甚至仅有几百微米)，且挤出腔内液体驱动行程短(如＜5mm)和电热元件升温速率很快(通常时间不超过数百毫秒)，当由液滴释放孔挤出的液滴或液膜凸面与电热元件表面接触的瞬间即发生蒸发雾化，液膜或液滴雾化效率很高，加上通过对电热元件的表面处理提高了液滴在电热元件表面的润湿性和铺展速度，从而加速了雾化。因此，在液膜或液滴雾化过程中不会发生液体在电热元件表面的残留；而在液膜或液滴接触雾化的同时，液滴释放孔外沿残留的液体会迅速流回挤出腔内，弛豫时间通常不超过数百毫秒，这样可确保雾化后不会有液体残留在液滴释放孔外。当装置断电后或不使用时，液面形态为平面的液柱通常会附着在挤出腔内壁上而不会向液滴释放孔外流动而溢出。因此，本发明的装置克服了现有技术的防漏结构和防漏技术不能从根本上解决漏液问题的缺陷。

3、本发明的电磁驱动相比现有技术的压电驱动，解决了当装置尺寸缩小后，压电元件形变困难所致的驱动力大幅减小的缺陷。

4、本发明的电磁驱动液体为小体积的液滴或液膜，相比现有技术的液体大体积具有以下优势：现有技术的被动导液式电子雾化无论采用何种电热元件(如多孔陶瓷芯、金属网格片、超薄金属片、常规电热丝)加热，均属于雾化液体与电热元件的整体接触雾化和液体的大体积雾化，既造成电热元件的电热转换效率降低，又造成电热元件的发热不均匀；另外，相比传统的滴液式雾化，本发明的液滴或液膜形成过程快速可控，不同于传统的供液量不可控的液体大体积的接触式雾化。同时，本发明的液滴或液膜的小体积雾化具有表面接触雾化和小体积雾化的特点，当液膜或液滴在电热元件表面快速润湿铺展后形成薄层液膜，加热更加均匀，也不会因为大量液体的附着造成电热元件表面局部降温使得表面温度分布不均，造成炸油或液滴溅射的问题。

5、本发明在吸味与感官品质上的优势。本发明除了上述不会漏液、雾化快速均匀的优势外，本发明的装置由于电热元件表面上小体积液体的瞬间雾化，加之调节表面温度避开其膜态沸腾温度区间，既消除了蒸汽膜对液体与电热元件表面的阻隔，也不存在未雾化液体在电热元件表面的残留。相比现有技术的电子烟雾化，本发明通过空气进气通道进入的空气会与电热元件表面快速发生热交换，在吸入的负压状态下，电热元件表面产生的携带热量的蒸汽将被空气带离电热元件表面。另外，通过调节电热元件表面的面积大小、粗糙度和控制电热元件表面温度处于泡核沸腾区间，将使电热元件表面在液滴雾化后快速降温。因此，在液滴雾化形成气溶胶并被空气带走的瞬间，电热元件表面将快速降温，这将有效避免电热元件表面因液滴雾化后无新的液体接触而出现干烧的问题，也避免了液滴释放孔外有残留液体因高温粘附而不能正常缩回挤出腔内、造成液滴释放孔堵塞的风险。因此，本发明的装置避免了焦糊味等不良气息的产生。

6、其他优势。由于本发明的储液仓内液体体积较小(1-2ml)，永磁铁片与电磁驱动单元的距离很短(不超过5mm)，仅需低功率的电磁驱动装置就能产生足以驱动小体积液体形成的磁力，电磁驱动单元功耗小，在满足磁力驱动产生稳定小体积的液滴或液膜的前提下，储液仓内液体因雾化不断消耗导致的体积减小以及手持所述装置的倾斜角度、吸力的大小等均不会对液滴或液膜形成行为、挤出液滴或液膜的尺寸和液滴或液膜雾化性质产生显著影响。另外，本发明的储液仓集成度高、结构简单、材料廉价易得，更适合一次性可更换雾化器及便携使用的场合，即雾化器为一次性的，用完即可抛弃。此外，本发明的装置并不限于用于电子雾化烟，也可用于其他通过小体积的液滴或液膜雾化形成剂量可控的蒸汽或气溶胶类产品的用途。

附图说明

图1为本发明电磁驱动液体雾化装置拆解图。

图2为本发明的储液仓拆解图。

图3为本发明的雾化器剖视图。

图4为本发明的雾化器与电磁驱动杆的界面剖视图。

图5为本发明的液滴释放孔的液面为凹面时的储液仓与电热元件表面状态示意图。

图6为本发明的液滴释放孔的液面为凸面时及液体凸面与电热元件表面接触状态示意图。

图7为本发明的电流-时间曲线图(上)和液面位置-时间曲线图(下)。

图8为本发明的液滴或液膜形成周期各时间段的液面形态及位置示意图。

附图标记为：1、吸嘴端盖；10、空气进气通道；101、凹面；103、凸面；11、观察视窗；12、气溶胶释放孔；2、雾化芯；200、液体；21、储液仓；211、驱动腔；2110、液体通道；2111、弹性膜片；2112、永磁铁片；2113、压片；2114、上部密封垫圈；2115、挤出腔架；2116、驱动腔体；2117、下部密封垫圈；2118、衬底；212、挤出腔；2121、液滴释放孔；22、电热元件；221、电热元件表面；222、导线；23、基座；3、电磁驱动杆；31、电磁驱动单元；4、雾化器。

具体实施方式

下面通过实施例及附图进一步阐述本发明，目的仅在于更好地理解本发明内容，而不是对本发明的限制。

如图1所示，本发明的电磁驱动单滴雾化装置包括依次连接的吸嘴端盖1、雾化芯2和电磁驱动杆3；所述雾化芯2包括储液仓21、电热元件22和基座23。如图2所示，所述储液仓21自上而下由压片2113、永磁铁片2112、弹性膜片2111、上部密封垫圈2114、挤出腔架2115、驱动腔体2116、下部密封垫圈2117和衬底2118组装得到，本发明的储液仓内容积为1-2ml。所述挤出腔架2115内部为挤出腔212，驱动腔体2116内部构成驱动腔211，驱动腔211和挤出腔212在储液仓21内部且相互通过液体通道2110连通。所述电热元件22、储液仓21和基座23共同组成雾化芯2。所述电热元件22布置在所述液滴释放孔2121的上部，所述电热元件表面221面向挤出腔212的液滴释放孔2121，并平行于液滴释放孔2121表面且保持一定距离。将吸嘴端盖1套在雾化芯2的外部共同组成雾化器4。所述电磁驱动杆3包含内置的电磁驱动单元31、电源和控制芯片。如图4所示，所述雾化芯2通过基座23布置在所述电磁驱动杆3的外壁上，雾化器4和电磁驱动杆3组成本发明的电磁驱动液体雾化装置，装置中的电磁驱动单元31通电产生的磁场能穿透衬底2118和储液仓21内部的雾化液体200而被永磁铁片2112感应到。所述电热元件22通过导线222与控制芯片和电源电连接。所述电热元件表面221与所述液滴释放孔2121的距离为100um-2mm；所述压片2113、永磁铁片2112和弹性膜片2111的中部孔的面积大于所述液滴释放孔2121的面积，所述液滴释放孔2121面积小于3mm×3mm；电热元件表面221与液滴接触的面积也小于3mm×3mm。

如图3所示，本发明的所述吸嘴端盖1的中部底面与所述电热元件22之间设有空气进气通道10连通外部，吸嘴端盖1内部开有气溶胶释放孔12与空气进气通道10连通，所述吸嘴端盖1侧壁开有观察视窗11，吸嘴端盖1套在所述雾化芯2外围共同形成雾化器4；设有的空气进气通道10可确保在吸入液滴雾化形成的气溶胶时，通过空气进气通道10进入的空气顺利将电热元件表面221形成的雾化蒸汽带入气溶胶释放孔12而被抽吸者吸入口中。

本发明的电磁驱动单滴雾化装置的各部件要求如下：

永磁铁片2112可采用环形铷磁铁、铁氧体磁铁、铝镍钴永磁铁片或钐钴永磁铁片等。弹性膜片2111可采用聚硅氧烷弹性材料如聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚酯类弹性材料如聚氨酯(pu)等。上部密封垫圈2114和下部密封垫圈2117可采用聚酰亚胺硅胶材料或类似密封性材料。挤出腔架2115可采用聚碳酸酯(pc)、聚碳酸酯与abs复合材料等耐高温材料。驱动腔体2116可采用聚碳酸酯(pc)、聚碳酸酯与abs复合材料、abs、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、聚氯乙烯(pvc)、聚酰胺(pa)、聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力或pmma)等材料。衬底2118可采用可穿透磁场的材料如硬质玻璃、透明塑料(如pc、pmma)等材料。

如图4所示，电磁驱动单元31可采用小型化或微型化电磁线圈，产生足够的磁力以使永磁铁片2112发生位移，从而挤压或拉伸弹性膜片2111发生弯曲。为此，需在电磁驱动单元31上施加驱动电压以产生磁场；同时还应选择合适的驱动频率以实现弹性膜片2111弯曲形变对时间的快速响应。另外，为实现驱动装置小型化以节省空间，可采用包括mems微制造技术在内的方法制造电磁微线圈或平面非螺旋形微线圈，特别是可以通过减小线圈总数来简化驱动装置制造过程，并增大总的线圈匝数来减小线圈的尺寸。

所述电热元件22为薄层片状结构，考虑到电热效率、片状结构的可加工性、液滴在电热元件表面221的润湿性和蒸发特性以及尺寸的微小型化等原因，电热元件可采用表面多孔或粗糙金属/合金发热片、金属/合金网格发热片、微纳多孔金属/合金毡、多孔陶瓷发热片、金属箔电阻、金属电热膜、表面光滑金属/合金发热片、基于mems技术制造的硅基发热芯片等各种表面特征和热性质不同的电热元件。

本发明的电磁驱动单滴雾化装置组装过程如下：

(1)组装储液仓21和注入液体：

首先用带有双面粘胶的下部密封垫圈2117将衬底2118和驱动腔体2116粘接在一起，然后，将挤出腔架2115与衬底2118粘接在一起。所述挤出腔架2115的侧面开有供驱动腔211和挤出腔212中的液体200来回流动的通道2110。向驱动腔211中注入液体200直至驱动腔211内液面到达能与弹性膜片2111内表面完全接触的高度，且挤出腔212内液体在不从液滴释放孔2121溢出的情况下到达腔内某一合适高度，然后用带有双面粘胶的上部密封垫圈2114将弹性膜片2111和驱动腔体2116粘接在一起。

待上述部件粘接完成后，将永磁铁片2112压在弹性膜片2111上方，再在永磁铁片2112上方压上压片2113。至此，储液仓21组装完成。

(2)组装雾化芯2：

将组装完成的储液仓21固定在基座23上；将电热元件22的导线222卡入驱动腔体2116外壁卡线槽中。

(3)组装电磁驱动液体雾化装置：

将吸嘴端盖1套在雾化芯2外部，其底部安装在基座23上组成雾化器4。将雾化器4通过基座23与电磁驱动杆3外壁连接组成本发明的电磁驱动液体雾化装置。

本发明的电磁驱动单滴雾化装置的工作原理：

第一步：电磁驱动液体形成液膜或液滴及其雾化：

本发明的装置的电磁驱动杆3与雾化器4连接并启动电源后，在电磁驱动单元31上施加驱动电压和一定波形的驱动电流，同时，电热元件22发生电热转换而快速升温。此时，电磁驱动单元31发生电磁转换产生磁场，磁场经电磁驱动杆3与雾化器4连接处的壳体穿透储液仓21底部的衬底2118和液体200而作用于永磁铁片2112，使之被磁力吸引；永磁铁片2112在磁力作用下发生面向电磁驱动单元31的位移而对其下方的弹性膜片2111施加一定的压力，在该压力驱动下，弹性膜片2111发生面向驱动腔211内的弯曲形变，从而使弹性膜片2111产生对驱动腔211内液体200的压力驱动效应，驱动腔211内的液体200经储液仓21内的通道2110向挤出腔212内流动，并进一步驱动挤出腔212内的液体向液滴释放孔2121的方向移动。

随着驱动电压的增大以及驱动电流的不断增大，挤出腔212内的液体在持续朝着液滴释放孔2121的方向移动的同时，液面形态从凹面101向平面过渡并接近液滴释放孔2121的开口处，当驱动电压和驱动电流继续增大到某一最大值时，液滴释放孔2121开口内沿的液面被挤压至液滴释放孔2121的开口外，并在液滴释放孔2121与电热元件22的电热元件表面221之间形成液面形态为凸面103的液膜或液滴，凸面103与高温的电热元件表面221接触后，在表面张力和毛细力等作用下，露在液滴释放孔2121外的液膜或液滴克服自身重力和液滴释放孔2121的粘附力，在电热元件表面221快速润湿铺展并快速雾化，雾化后的气溶胶被通过空气进气通道10吸入的空气带入吸嘴端盖1的气溶胶释放孔12而被抽吸者吸入。

第二步：电磁弛豫消除液膜或液滴及电磁作用停止

在电热元件表面液膜或液滴快速雾化的同时，降低驱动电压，同步改变驱动电流大小和方向，发生弛豫，雾化后残留在液滴释放孔2121开口外的液面或开口内沿的液面回缩至挤出腔212内，且液面形态由凸面向平面再向凹面迅速转变，挤出腔212内液体进一步向其底部移动，当驱动电流达到某一反向最大值时，挤出腔212内液面停止移动并维持液面形态为凹面。进一步地，当驱动电压和驱动电流变为零时，电磁驱动单元31停止工作，挤出腔212内液面稳定在某一位置且液面形态保持为平面。上述过程如图7和图8所示。

驱动参数与时间控制：

通过设置液膜或液滴形成周期的时长、每口吸入持续时间及其相互关系，一方面可使液体在挤出腔内的驱动、挤出腔外液膜或液滴的形成、液膜或液滴与电热元件表面的接触雾化过程与每口吸入动作持续过程同步。另一方面，当每口吸入动作持续时间超过液膜或液滴形成周期的时长、吸入动作持续时间过短、吸入动作突然中止或电源电量不足时，装置自动切断电连接，驱动电压和驱动电流立即归零，电磁驱动单元31停止工作，由于磁场和磁力瞬间消失，挤出腔212内液体的液面位置和形态将立即回复至中断前液膜或液滴形成周期的初始位置和平面状态。

本发明对液膜和液滴的解释如下：液体在液滴释放孔2121开口处形成的凸面液面最高点与液滴释放孔2121开口平面的垂直距离、即凸面液面的高度较低时，定义为“液膜”；而凸面液面的高度较高时，定义为“液滴”，这两种情况统称“液膜或液滴”。本发明中，“液膜”、“液滴”或“液膜或液滴”统指液体在液滴释放孔2121处的状态。

本发明对影响液滴形成的因素、参数和控制策略具体如下：

影响液滴形成的因素包括液滴释放孔2121的几何尺寸、液滴挤出腔体及液滴释放孔2121材料性质、挤出液体200的性质、驱动条件等。其中，需考虑对液滴形成过程起重要作用的液滴挤出腔212及液滴释放孔2121的材料润湿性、液体表面张力这两个因素。整个挤出腔212内壁及液滴释放孔2121内壁直接接触液体，因此，润湿性对粘附力有显著影响。本发明优选亲水性(如接触角＜60°)、对液体附着力更强的液滴挤出腔212及液滴释放孔2121内壁，一方面可使液体弯月面为凹面且有更高的曲率，确保液体凹面形态在液滴挤出腔内更加稳定；另一方面可避免液滴在疏水性液滴释放孔2121处产生拖尾、使挤出液滴与液滴释放孔2121产生粘附、减慢液滴挤出速率并在液滴释放孔2121外有残留，使雾化速率降低并影响液滴的雾化品质。另外液体表面张力明显影响液滴的形成和变化，增大液滴表面张力，可使液滴释放孔2121开口外的液滴雾化后，液滴释放孔2121开口外或开口内沿附着的液体液面快速向挤出腔内回缩，既避免液体在液滴释放孔2121开口外或开口内液滴的残留，增加了液滴的形成速率，又避免残留液体在液滴释放孔处的滞留和粘附，避免液体的渗漏和高温固化阻塞液滴释放孔2121，确保每滴液滴和每口雾化效果的一致性。上述两个方面既能确保液滴形成前，液体能稳定在挤出腔内而不外溢，也确保在驱动挤出液滴雾化后不会出现液体在液滴释放孔2121处的残留，即：可以杜绝液体在任何时候从挤出腔212内向外渗漏的风险。在润湿性和液体表面张力确定的情况下，需选择合适的液体粘度以确保液滴以合适的速度和体积从挤出腔中挤出。

储液仓21中液体的驱动模式将决定液滴形成过程和液面形态的变化。其中，电磁驱动装置的输入电流和驱动电压对于驱动液体在挤出腔212中快速稳定移动及形成所需尺寸和形貌的液滴至关重要。

控制液滴形成的输入电流参数包括输入电流的波形和振幅、电脉冲宽度等。通过电磁驱动形成液滴的重要和关键的指标是输入电流的波形。本发明所述驱动电流波形可为正弦波电流、三角波电流、方波电流等，优先考虑通过方波电流和可调频率来获得所需双向电流，通过电流方向的改变来实现电磁极性的变换，从而控制液体的驱动过程、液面形态的变化及液滴的形成；为保证液体驱动、液滴形成及液滴雾化等各步之间有极短的时间间隔，且在规定时长内对上述各步有精确的电学控制，从而确保液面位置、形态及形成液滴的稳定性和一致性，须建立电流-时间曲线，包括驱动液体在挤出腔212内移动、液滴释放孔2121处液滴挤出并稳定、液滴释放孔2121处液面缩回并向挤出腔212内移动等阶段，实现单滴形成循环周期，达到输入电流大小与方向变化、液面位置变化、液面形态变化三者间的时间协同。

具体实施方式如下：

如图7所示，单滴形成周期(循环)的电流-时间曲线和液面位置-时间曲线可分为5个阶段(阶段ⅰ-ⅴ)，对应的液面形态及位置如图8所示：

阶段ⅰ：液体驱动准备阶段。对电磁驱动单元31施加驱动电流，电流从0变为某一负值i1并稳定在该值，永磁铁片2112所受磁力为排斥力，弹性膜片2111向驱动腔211外弯曲，使挤出腔212内的液体位于某一液面位置a且保持曲率最大的凹面形态(图8-a)，对应时间0-t1；

阶段ⅱ：液体驱动及液滴形成阶段。驱动电压增大，同时电热元件22快速升温，驱动电流方向逐渐由负电流向正电流变换，永磁铁片2112所受磁力快速由排斥力向吸引力转变，在永磁铁片挤压作用下，弹性膜片2111快速向驱动腔211内弯曲，挤出腔212内的液体在压力驱动下向液滴释放孔2121移动，挤出腔212内的液面移动行程分两步：第一步，驱动电流从负值i1变为0，液面由位置a移动至液滴释放孔内沿(位置0)，对应时间t1-t2，液面形态由位置a的凹面转变为位置0的平面(图8-b)；第二步，驱动电流从0进一步增大至某一正值i2，液面由液滴释放孔内沿(位置0)移动至液滴释放孔外沿某一位置b，对应时间t2-t3，液面形态由位置0的平面转变为位置b的凸面，此时在液滴释放孔2121外沿形成凸面液滴并与电热元件表面221直接接触；

阶段ⅲ：液滴雾化阶段。驱动电压保持恒定，电流维持在最大值i2，永磁铁片2112所受磁力为吸引力且最大，弹性膜片2111向驱动腔211内的弯曲曲率最大，从液滴释放孔2121处挤出的液滴在电热元件表面221润湿铺展、与挤出腔内液体分离(夹断)而快速雾化，对应时间t3-t4(图8-c)；

阶段ⅳ：液体反向驱动和回缩阶段。第一步，驱动电流从i2变为0，液面由位置b移动至液滴释放孔内沿(位置0)，对应时间t4-t5，液面形态由位置b的凸面转变为位置0的平面(图8-d)；第二步，驱动电流从0进一步减少至某一负值i1，液面形态变为凹面；驱动电流在i1稳定一段时间，液面形态保持凹面(图8-e)，对应时间t6-t7；

(注：当电磁驱动力足够大且挤出腔长度足够短的理想情况下，可近似认为每次循环中液面在挤出腔内的起始位置a和回复位置a’的变化不会对液滴形成过程和液滴状态造成影响)；

阶段ⅴ：液体稳定和停止驱动阶段。断开电磁驱动装置电连接，驱动电流变为0，永磁铁片2112和弹性膜片2111状态保持不变，挤出腔212内液面转变为位置0的平面(图8-b或图8-d)。抽吸结束。

随着每一单滴形成周期和挤出液滴的雾化，驱动腔211和挤出腔212中液体的液面将会逐渐下降，为确保随着储液仓21中液体的逐滴消耗，液体在挤出腔内的移动状态、液面形态的变化、液滴的形成速率、液面回缩速率、挤出液滴的高度以及在电热元件表面221的雾化状态等在每个单滴形成周期保持恒定，在规定吸入口数范围内和逐口吸入过程中，需同步优化和梯度改变每一单滴形成周期的驱动电压、输入电流振幅、电磁驱动频率和电磁脉冲宽度(时间)等参数；采用小体积液体(如1-2ml)和尺寸较小的储液仓21，确保液体体积和储液仓21尺寸对液滴形成和雾化的影响最小；采用与电磁驱动频率适配的合适弹性模量的弹性膜片2111，以确保在每个单滴形成周期，驱动腔211内的液面均能与弹性膜片2111内壁表面保持完全接触。

除了设置液体驱动和液滴形成的电流-时间曲线外，还需要考虑前述液体驱动和液滴形成时间与雾化气溶胶吸入时间的协同性，即按键或吸入动作触发使电磁驱动单元31和电热元件22与电源同步导通，电磁驱动启动并挤压液体200从挤出腔212向液滴释放孔2121移动时，电热元件22同步快速升温，当液滴释放孔2121处挤出的液滴凸面与电热元件表面221直接接触时，接触液滴在电热元件表面221快速雾化而被抽吸者吸入。具体措施为：在确保电热元件22升温速率大于或等于电磁驱动液滴形成速率的情况下，一旦液滴形成并与加热表面接触就能立即雾化；或者设置有效单口吸入持续时间等于一个单滴形成周期，当吸入气溶胶的持续时间超过一个单滴形成周期时，整个装置将自动进入断电保护状态，电磁驱动单元31及电热元件22均停止工作，以避免在超出单滴形成周期的时段因未形成液滴而发生空吸以及电热元件干烧的问题。

本发明对影响液滴蒸发雾化的因素和参数详述如下：

液体粘度和表面张力除了要满足液滴能以合适的速度和体积从挤出腔212中挤出，还应综合考虑液体表面张力、粘度和电热元件表面润湿性对液滴在电热元件表面221铺展和回缩的影响。尽管液体的高粘度会抑制其在表面的铺展和回缩，但由于本发明所述液滴与高温表面接触，液滴表面张力和粘度会在与加热表面接触的瞬间大幅降低，因此促进了液滴在表面的铺展和回缩，不会对高粘度液滴雾化效率造成影响。

本发明的液滴释放孔2121与电热元件表面221之间的距离和液滴释放孔面积是影响雾化量以及气溶胶吸入量的两个重要参数。(1)在驱动压力及液体性质一定的情况下，如果液滴释放孔与电热元件表面的距离一定，随着液滴释放孔2121孔径缩小，挤出腔212内液体在液滴释放孔2121处的挤出阻力增大，挤出液滴与电热元件表面221的接触时间延长，同时，挤出液滴半径及与电热元件表面221的接触表面积减小，液滴在表面的铺展直径减小，造成雾化量减小且雾化速率变慢。因此，本发明优选表面积接近的液滴释放孔2121与电热元件表面221，以使挤出液面与电热元件表面快速接触，液滴在电热元件表面快速润湿并获得最大铺展直径，实现液滴快速雾化和电热元件表面221的电热效率的充分利用。(2)在驱动压力及液体性质一定的情况下，如果液滴释放孔2121的面积一定，随着液滴释放孔2121与电热元件表面221的距离增大，挤出液滴的高度增加，液滴与电热元件表面的接触时间延长，可能使雾化时间延长，尽管随着接触时间的延长，与电热元件表面221接触的液滴质量增大，可能使雾化量增大，但也可能因大质量液滴对电热元件表面221的降温作用引起电热元件表面加热不均，导致雾化量反而减小，因此，需要在雾化速率和雾化量之间达成平衡。

总之，可选择电热性质合适的电热元件材料及其表面积、合适尺寸的液滴释放孔2121的面积、液滴释放孔与电热元件表面221之间合适的距离，以实现挤出液滴的凸面103与电热元件表面221快速接触、在电热元件表面221快速铺展润湿和快速均匀雾化，从而获得合适的雾化量以及气溶胶吸入量。优选的，本发明所采用的液滴释放孔2121与电热元件表面间距为100um-2mm范围，使挤出单滴在液滴释放孔2121与电热元件表面之间形成相应高度的液面形态为凸面103的薄层液膜或液滴；液滴释放孔2121的面积不超过3mm×3mm，与液滴接触的电热元件表面221的面积也不超过3mm×3mm。

由于本发明所述的液体凸面103与电热元件表面221距离较小，挤出腔212长度较短，且与液滴对表面的快速冲击(典型冲击速率为m/s级别)不同，液滴与电热元件表面221接触时的速度较慢(典型接触速率为mm/s级别)，大大减缓液滴对电热元件表面221的冲击，避免了液滴的剧烈蒸发，而且使挤出速率对电热元件表面221温度的影响降至最低。因此，液滴驱动/挤出速率以及液滴与电热元件表面221的接触角度不会对液滴形成及雾化造成明显影响。

对本发明液滴雾化特性影响最大的是电热元件22材料的热性质和材料的表面特征。所述热性质包括热导率、热容和加热表面的氧化性；选择热导率较高的材料，可加快液滴在电热元件表面221的铺展速度，为使液滴在铺展阶段能够完全蒸发，可升高电热元件表面221温度来增加热传导速率，从而缩短液滴-固体接触时间；选择不易氧化的电热元件表面，同样也可增大液滴铺展直径和缩短液滴与电热元件表面221的接触时间。通过改变电热元件表面的粗糙度、微纳结构和表面润湿性等表面特征可促进液滴的沸腾传热。选择润湿性好(亲水性好，如表观接触角＜90°)的加热表面，提高了莱顿弗罗斯特温度，阻止了液滴与电热元件表面221之间稳定蒸汽膜的形成，降低了因热导率较小的蒸汽膜对液滴与电热元件表面221阻隔所造成的液滴蒸发速率降低的缺陷；同时，增强电热元件表面221润湿性可增大液滴在电热元件表面221的铺展直径，使液滴更易铺展，缩短液滴与电热元件表面221的接触时间。采用多孔的电热元件表面221可增大孔隙率，从而增加表面粗糙度，使上述在液滴与电热元件表面221之间形成的蒸汽渗透进入孔中，释放了蒸汽逃逸表面时产生的压力，提高了莱顿弗罗斯特温度，延迟或完全阻止了液滴在电热元件表面221上发生的膜态沸腾；由于孔隙率的增大，使孔与液体接触的实际表面积减小，也使电热元件表面221腔体中捕获了空气和蒸汽，导致传热效率降低，因此，需要采用合适的电热元件表面221温度以增大传热系数。另外，本发明所述的液滴与电热元件表面221的接触属于慢速接触过程，液滴在接触过程中尽管没有足够高的速度渗入表面孔中，但可在表面铺展形成薄膜而在毛细力作用下吸入多孔表面中，电热元件表面221采用微纳结构如纳米纹理或纳米纤维结构，可改善液滴与电热元件表面221的接触，液面在电热元件表面221上铺展时不会发生液滴的后退或弹起等现象，有利于液滴在微纳结构中完全蒸发。在采用高热导率、表面润湿性好和多孔渗透性电热元件表面221时，电热元件表面221的温度是一个十分关键的参数。所选电热材料的电热元件表面温度一方面要低于莱顿弗罗斯特温度，以避免液滴发生膜态沸腾而大幅增加液滴蒸发时间，导致蒸发速率降低；另一方面电热元件表面温度应尽量落在泡核沸腾范围内，因为该区域液滴有较大的固-液接触面积、液滴润湿性更好、表面粗糙度的增加促进了泡核沸腾，有最短的蒸发时间，可发生快速雾化，同时液滴蒸发时间随表面温度升高而变化很小，液滴保持恒定的蒸发状态，可实现均匀雾化。

空气对与电热元件表面221接触的液滴蒸发雾化的影响主要表现为两个方面：一是当加热表面的空气流速增加时，液滴的润湿面积增大，液滴高度降低，蒸发时间缩短；二是吸入雾化气溶胶的过程中，在加热表面形成一定的负压，增加了雾化蒸汽的扩散系数，增大了液滴的蒸发速率。因此，吸嘴端盖1的空气进气通道10设计和负压状态有利于液滴的快速雾化。

综上，本发明采用的电热元件材料在选择热导率和表面温度较高的金属、合金或硅等材质的基础上，可进一步选择对雾化液滴润湿性较好(即接触角较小)的表面材质或改性表面材料，并可采用具有多孔或微纳结构等表面粗糙度更高的网状、纤维状金属或合金或表面具有图案化微结构的硅基发热芯片；同时，表面温度宜低于莱顿弗罗斯特温度并落在泡核沸腾温度区间。

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，可轻易想到变化或替换，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。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除