CN103270808B - 还原的陶瓷加热元件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电加热元件，包括：主体（10），该主体包括陶瓷材料；以及导电层（18），该导电层形成于主体的表面上，包括还原形式的陶瓷材料，导电层有用于与电压源连接的第一和第二接触部分（20、22）以及在该第一和第二接触部分之间的至少一个导电通路。为了形成导电层，将加热元件主体（10）布置在足够温度下的还原环境中，以便在主体的表面上形成导电层（18）。

Description

还原的陶瓷加热元件

技术领域

本发明涉及一种电子加热元件。更特别是，本发明涉及一种用于在电加热气雾剂产生系统中加热气雾剂形成基质的加热元件。本发明涉及一种制造加热元件的方法，还涉及一种用于制造加热元件的方法，该加热元件用于在电加热气雾剂产生系统中加热气雾剂形成基质。本发明特别应用为用于在电操作发烟系统中加热气雾剂形成基质的加热元件以及应用为用于制造加热元件的方法，该加热元件用于在电操作发烟系统中加热气雾剂形成基质。

背景技术

现有技术的文献（例如EP-A-0917830）介绍了用于电加热烟草产品的加热元件，该加热元件包括多个离散的金属加热元件，这些离散金属加热元件沿发烟装置的长度轴向延伸，并绕它的周边间隔开。加热元件必然制造复杂和昂贵，因为它们需要多个金属形成步骤。

还提出了内部加热元件，该内部加热元件直接插入烟草产品中。这用于提高效率，因为所有热能都传递给感觉（sensorial）介质，且它还能够减小发烟系统的尺寸，特别是它的直径，因为很少需要绝热覆层。

发明内容

本发明人认识到优选是提供一种适合用作电操作发烟系统中的内部加热元件的、制造简单和便宜的加热元件以及提供一种用于这样的加热元件的制造方法，该制造方法在加热元件的设计中提供了灵活性。

根据本发明的第一方面，提供了一种电加热元件，该电加热元件包括：主体，该主体包括陶瓷材料；以及导电通路，该导电通路形成于主体上或主体中，该导电通路包括还原形式的陶瓷材料，并有用于与电压源连接的第一和第二接触部分，其中，主体形成为接收气雾剂形成基质。

导电通路可以例如通过将主体布置在足够温度下的还原环境中预定持续时间而形成。也可选择，导电通路可以使用电化学还原处理而形成。在任一情况下，导电通路优选是形成为在主体的表面上的导电层。优选是，导电层的深度小于10μm。导电层的深度能够通过选择它形成的条件而进行选择，例如处理的温度和持续时间。它覆盖主体的程度也可以通过选择地蚀刻导电通路的一部分或者通过在还原处理过程中掩盖主体的一部分而改变。这样，能够获得用于加热元件的所需电阻。在优选实施例中，加热元件的电阻在0.5和2欧姆之间。

主体可以完全或局部由金属氧化物形成，导电层由金属氧化物的金属成分形成。例如，主体可以由氧化锆形成，导电通路由锆形成。也可选择，主体可以由氧化铝形成，导电通路由铝形成。

导电通路能够用作电阻加热器，并能够以多种方式设置于主体上，从而允许更大的设计灵活性。

主体可以通过注射模制和烧结而形成。主体的形状和尺寸可以选择为适合特殊用途。

导电通路可以完全覆盖主体的表面。也可选择，导电通路可以形成在主体的表面上的图形。图形可以限定在第一和第二接触部分之间的多个导电通路。

主体优选是具有细长形状，其中，第一和第二接触部分定位在主体的第一端处，导电通路伸向主体的第二端和从该第二端伸出。

主体可以以其它形状形成，例如管形或平面形。本发明允许加热元件使用复杂形状，这在使用电镀或沉积技术来形成导电层时将有问题。

优选是，主体具有基本圆形截面。这很有利，因为它能够容易插入气雾剂形成基质中和从气雾剂形成基质中取出。

主体可以覆盖有钝化层，例如玻璃。这增加了导电通路的稳定性。

根据本发明的第二方面，设有一种用于接收气雾剂形成基质的电加热气雾剂产生系统，它包括一个或多个根据本发明第一方面的加热元件以及在第一和第二接触部分处与加热元件连接的电压源。

根据本发明的第三方面，提供了一种制造电加热元件的方法，它包括以下步骤：形成加热元件主体，该主体包括陶瓷材料，该主体形成为接收气雾剂形成基质；将加热元件主体布置在足够温度下的还原环境中，以便在主体上或主体中形成导电通路，该导电通路包括还原形式的陶瓷材料；以及提供电接触部分，用于使得导电通路与电压源连接。

优选是，形成加热元件主体的步骤包括注射模制。也可选择，形成加热元件主体的步骤可以包括热等静压、粉浆浇铸或干压制。形成加热元件主体的步骤还可以包括机械加工。形成加热元件主体的步骤还可以包括烧制或烧结。

还原环境优选是基本没有氧。将加热元件主体置于还原环境中的步骤可以包括将主体布置在氢气环境中或一氧化碳环境中。优选是，氢气环境包括氢气流。足以在主体表面上形成导电层的温度取决于大气和主体的材料成分。不过，优选是该足够温度大于200℃。更优选是，该足够温度在1000℃和1300℃之间。优选是，将加热元件主体置于还原环境中的步骤包括将加热元件主体布置在还原环境中至少一个小时，更优选是至少两个小时。

优选是，该方法还包括在将加热元件主体置于还原环境中的步骤之后在加热元件主体上形成钝化层。钝化层防止或基本减少导电通路的再次氧化。钝化层可以使用化学蒸汽沉积或等离子体相沉积技术而由玻璃形成。

根据本发明的第四方面，提供了一种制造电加热元件的方法，该方法包括以下步骤：形成加热元件主体，该加热元件主体包括陶瓷材料，该加热元件主体形成为接收气雾剂形成基质；将加热元件主体置于还原电解质中，并执行加热元件主体的电化学还原，以便在主体上或主体中形成导电通路，该导电通路包括还原形式的陶瓷材料；以及提供电接触部分，用于使得导电通路与电压源连接。

还原电解质可以是氯化钙。

附图说明

下面将参考附图通过示例进一步介绍本发明的实施例，附图中：

图1a是根据本发明实施例的加热元件的视图；

图1b是图1a的加热元件的横截面的示意图；

图2是表示根据本发明方法实施例的制造步骤的流程图；以及

图3是根据本发明实施例在发烟物品中使用的加热元件的示意图。

具体实施方式

图1a和1b表示了根据本发明的加热元件的一个示例。加热元件包括主体10，该主体10由氧化锆（二氧化锆）形成。主体为大致V形，具有尖端12和两个后端14、16。主体能够是任意所需的形状，且在本例中通过注射模制和随后所需的任意机械加工而形成。在机械加工之后，主体进行烧制和烧结，以便形成刚性本体。主体10的表面由金属锆层18覆盖，如参考图2所述。锆层18与氧化锆主体10相比相对导电，并能够用作电阻加热元件。在本例中，锆层具有大约0.1Ω/mm的电阻。

电触点20、22布置在加热元件的后端处，并由银膏形成。银膏用于提供在加热元件和外部电源之间的电接触，且在电连接后能够固化，优选是在惰性和无氧的大气中。也可以使用其它方式来提供电接触，例如激光焊、等离子弧焊或者钨极气体焊接。不过，为了防止还原陶瓷的氧化，焊接应当在惰性、无氧或者甚至还原性的大气中进行。

通过电触点而横过加热元件施加电压导致在表面层中的电流，因此导致在表面层上的焦耳热。通过横过加热元件施加8V的电压，如图1中所示，观察到加热元件的温度增加在400和500℃之间。

图1b是加热元件10的剖视图，表示了锆的表面层18。图1b没有按比例画。在本例中，导电表面层的厚度小于100μm，优选是在5和10μm之间。不过，在导电层和主体的未还原部分之间没有清楚的边界，因此测量的厚度能够在5μm和100μm之间变化。相反，陶瓷的还原水平将随着在外表面下面的距离而下降。

加热元件10形成有圆形截面。加热元件的两个支腿形成有基本半圆形截面，使得沿它的整个长度的总体截面为近似圆形。这与其它形状相比能够更容易地将加热器元件插入基质内和从基质中取出。

如图1a和1b中所示，加热元件能够使用简单的化学热方法来制造。在通过模制或其它方法来制备主体10之后，通过将主体放置在高温下的还原性大气中而形成表面层18。在主体的表面层处的氧能够在这种条件下除去，以便留下薄锆层。

图2表示了在用于制造如图1中所示的加热元件的方法中采取的步骤。在步骤200中，主体通过注射模制氧化锆粉末而形成所需形状。然后，形成的主体再在步骤210中放入氢气氛中，并在步骤220中加热至1200℃。氢气氛包括氢气流。氢气的流速能够用于控制主体的还原速率，因此控制还原量。主体在还原环境中的持续时间也影响还原量，因此影响最终加热元件的电阻。在本实施例中，主体保持在还原环境中两小时。这样的处理导致在主体的表面上形成导电层，该导电层渗透至主体中。在步骤230中，加热元件被冷却。在这个阶段，所希望的任何表面图形能够使用标准蚀刻或光刻技术来形成。在步骤240中，玻璃钝化层利用化学蒸气沉积而形成于加热元件主体上。当加热元件保持在无氧环境中时形成钝化层，且钝化层可以在任意蚀刻或光刻技术之前形成。在步骤250中，电触点利用银膏而固定在加热元件上，且加热元件能够再装配至要使用它的装置上。最后固化银膏。

图1a和1b中表示的加热器能够用于电加热发烟系统中，特别是用于这样的发烟装置，该发烟装置使用相对较低温度的热源来加热烟草产品，以便生产烟草香料或烟草香味气雾剂。这种加热元件的优点是它能够相对简单和便宜地制造，并能够以任意所需的形状和尺寸形成。

图3以分解形式示意表示了用于气雾剂形成基质的加热元件的一个示例。在图3中，加热元件30为图1a中所示的大致V形结构。绝缘层32设置于加热元件的后侧，以便使得发烟装置的其余部分（包括电压源34）与加热元件隔离。电连接件36伸向电压源34和从电压源34伸出，穿过绝缘层32伸向在加热元件30上的电接触部分。加热元件插入气雾剂形成基质38的插头内。在使用时，加热器加热基质材料38，以便产生所需的气雾剂。

应当知道，加热元件能够以多种不同结构形成。例如，加热元件可以形成为空心管，该空心管环绕气雾剂形成插头，且导电层只形成于管的内表面上。这能够通过除去形成于管的外表面上的导电层或电绝缘该导电层而实现。

应当知道，尽管参考电加热发烟装置介绍了加热元件，但是它同样可用于其它用途。这种加热元件的形状和结构的灵活性意味着它可以用于多种不同用途。

Claims (13)

1.一种电加热元件，包括：主体，所述主体包括陶瓷材料；以及导电通路，所述导电通路形成于主体上或主体中，所述导电通路包括还原形式的陶瓷材料，并具有用于与电压源连接的第一接触部分和第二接触部分，其中，主体形成为接收气雾剂形成基质，导电通路形成在主体的表面上的图形。

2.根据权利要求1所述的电加热元件，其中：主体完全或局部由金属氧化物形成，导电通路由金属氧化物的金属成分形成。

3.根据权利要求1或2所述的电加热元件，其中：主体由氧化锆形成，导电通路由锆形成。

4.根据权利要求1所述的电加热元件，其中：主体具有基本圆形的截面。

5.根据权利要求1所述的电加热元件，其中：主体具有细长形状，第一接触部分和第二接触部分定位在主体的第一端处，导电通路伸向主体的第二端和从所述第二端伸出。

6.根据权利要求1所述的电加热元件，还包括：在主体的外表面上的钝化层。

7.一种用于接收气雾剂形成基质的电加热气雾剂产生系统，包括一个或多个根据前述任意一项权利要求所述的电加热元件以及在第一接触部分和第二接触部分处与加热元件连接的电压源。

8.一种制造电加热元件的方法，包括以下步骤：

形成加热元件的主体，所述主体包括陶瓷材料，所述主体形成为接收气雾剂形成基质；

将加热元件的主体布置在足够温度下的还原环境中，以便在主体上形成导电通路，所述导电通路包括还原形式的陶瓷材料并形成在主体的表面上的图形；以及

提供电接触部分，用于使得导电通路与电压源连接。

9.根据权利要求8所述的方法，其中：将加热元件的主体布置在还原环境中的步骤包括将主体布置在氢气环境中。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中：所述足够温度在1000℃和1300℃之间。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括：在将加热元件的主体布置在还原环境中的步骤之后在加热元件的主体上形成钝化层的步骤。

12.根据权利要求8所述的方法，其中：形成加热元件的主体的步骤包括注射模制。

13.一种制造电加热元件的方法，包括以下步骤：

形成加热元件的主体，所述主体包括陶瓷材料，所述主体形成为接收气雾剂形成基质；

将加热元件的主体置于还原电解质中，并执行加热元件的主体的电化学还原，以便在主体上形成导电通路，所述导电通路包括还原形式的陶瓷材料并形成在主体的表面上的图形；以及

提供电接触部分，用于使得导电通路与电压源连接。