CN105054311A - 一种非接触式加热电子烟 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式加热电子烟，其包括顺序连接的电源(1)、雾化器(3)、膜固定器(2)和具有中心气流通道的吸嘴端(4)；其中所述雾化器(3)、膜固定器(2)和吸嘴端(4)之间气流连通；该非接触式加热电子烟还包括控制所述电源(1)和所述雾化器(3)的温度控制系统(5)；其中所述雾化器(3)包括储油部和与所述电源(1)电连接的发热部；所述发热部以碳纤维发热体(3.7)作为该非接触式加热电子烟的电热元件。该非接触式加热电子烟采用碳纤维加热体作为加热元件，其不与烟油直接接触，不存在烟油在发热体上烧结粘附等问题，且不会出现异味、干烧和因干烧产生的可能有害物质，同时热量利用效率高，烟油雾化效果好。

Description

一种非接触式加热电子烟

技术领域

本发明涉及电子烟技术领域，更具体地涉及具有碳纤维发热体的电子烟，该电子烟采用非接触式加热方式加热电子烟烟油使之雾化。

背景技术

常见的电子烟发热丝(如镍铬丝)通电后，由于自身的电阻而发热，再将热量以热传导的方式传递到烟油中使其受热雾化。该类金属发热丝从电热能量转换方面分析，由于产生部分可见光而使能量损耗；另外，由于发热丝与烟油直接接触，长期使用会因烟油在其表面反复受热而发生烧结，影响发热丝的电热性能；并且随着烟油的不断雾化消耗，还会发生干烧，产生焦糊味和有害物质，并有可能发生熔断。

热辐射属于非接触式传热方式，是由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象。碳纤维通电后以热辐射的方式向外辐射能量。发热的原理在物理中叫做“布朗运动”，是由于碳纤维中的碳原子在电子通过后产生不规则的轨迹运动，运动过程中原子之间的撞击摩擦产生热能。碳纤维属于黑体材料，作为电热体，有着金属、PTC等电热体所不可比拟的诸多优异性能：电热转换效率高(高于98％)，比金属发热提高30％；重量轻；抗拉强度高，在相同的允许的电流负荷面积下，碳纤维抗拉强度比金属丝高6-10倍；化学性能稳定(耐腐蚀，不易被氧化)。目前，碳纤维发热元件已大量应用于家用取暖设备中。

碳纤维作为黑体材料，可以利用其发射出的以红外线为主(特别是波长25μm以下的近红外线)的电磁波对物料进行加热。电子烟烟油以多羟基醇类(溶剂)为主要成分(约占质量百分比90％以上)，多元醇因发生羟基缔合而使其最大红外吸收波数集中在约3500-3200cm^-1范围内，即最大吸收波长在3μm左右。根据黑体辐射的斯蒂芬-玻尔兹曼定律和普朗克定律，碳纤维的辐射力正比于热力学温度的四次方；碳纤维的红外辐射力峰值对应的波长λ_m与温度呈反比，随温度升高，λ_m向短波方向移动。通过控制碳纤维发热体的温度可以获得需要的红外辐射波长，升高碳纤维发热体的温度一方面可以增加其辐射强度，另一方面可以使其辐射波长变短，从而更接近烟油溶剂的最大吸收波长。当碳纤维发热体的辐射波长与烟油所含多元醇的最大吸收波长接近或相同时，使烟油中原子和分子的振动加快，间距拉大，增加了原子和分子的运动能量，宏观上可以看到烟油的蒸发雾化。传统的电子烟热传导加热方式中，发热体的局部高温会破坏烟油成分中原子和分子本身的结构，使烟油溶剂(多元醇)及被其包裹的成分发生变化。而这种红外辐射加热方式并不会破坏原子和分子本身，能最大程度地保持烟油本身的成分(特别是雾化温度下热不稳定物质，如某些热不稳定致香成分)不发生变化地转移到烟气中，同时也减少了有害成分的产生。

基于碳纤维发热体的上述优点，可将碳纤维发热体用作电子烟的电热元件，通过热辐射的形式将热量传递给烟油使之发生雾化。这种非接触式加热方式不同于常见的电子烟烟油与发热丝接触式加热方式，既避免了抽吸过程中产生干烧、异味和由于干烧产生的可能有害物质，又充分提高了热量的利用效率、节省电能、保证烟油的充分雾化。

在温度控制系统方面，目前所谓温控电子烟多采用与热传导加热方式相配套的传统温度控制系统(闭环控制)，即温控芯片技术。该技术是利用芯片读取发热丝(如镍丝)的电阻来监控发热丝的温度，当发热丝温度超过设定值时，调整输出功率使发热丝温度保持在设定的温度范围内，其优势是发热丝线圈不会过热、不会干烧，也避免烟油在过高的蒸发温度下产生异味和可能的有害物质，从而改善了电子烟整体的体验和安全性；缺陷在于加热呈脉冲式“闭合/关断”工作模式，由于关断时间较长(通常为零点几秒至数秒)，加热对象(烟油)的实际温度值呈现较大的上下波动状态，通常会达到±5℃，这使得抽吸过程中烟油的雾化性能变化较大，对于保持恒定的口感和抽吸品质非常不利。

发明内容

本发明是为解决上述技术问题而做出的，其目的在于提供一种具有碳纤维发热体对烟油进行非接触式加热的电子烟。

本发明涉及一种非接触式加热电子烟，其包括顺序连接的电源1、雾化器3、膜固定器2和具有中心气流通道的吸嘴端4；其中所述雾化器3、膜固定器2和吸嘴端4之间气流连通；该非接触式加热电子烟还包括控制所述电源1和所述雾化器3的温度控制系统5；其中所述雾化器3包括储油部和与所述电源1电连接的发热部；所述发热部以碳纤维发热体3.7作为该非接触式加热电子烟的电热元件。

其中，所述电源1可以为应用于现有电子烟中的多种形式的电源；优选地，所述电源1为包含可充电锂电池的电池杆。所述温度控制系统5的壳体上设有温度调节按钮或按键以及按键开关。

在本发明优选的实施方案中，所述雾化器3为包括多层筒状结构的圆柱体或类圆柱体，其由内至外依次包括内层石英管3.5、外层石英管3.4和壳体3.1，其中内层石英管3.5内的空间构成内层储油腔3.6，内层石英管3.5与外层石英管3.4之间的空间构成碳纤维发热体容纳腔3.9，其内放置有碳纤维发热体3.7，外层石英管3.4和壳体3.1之间的空间构成外层储油腔3.3；其中所述碳纤维发热体容纳腔3.9上下两端密封且内部充设有惰性气体或抽成真空，其中靠近所述电源1的下端具有连接所述碳纤维发热体3.7和所述电源1的电极端子3.8；所述内层储油腔3.6和所述外层储油腔3.3靠近所述电源1的下端密封，靠近所述膜固定器2的上端敞开用以加注烟油。其中，所述雾化器3的发热部包括外层石英管3.4、内层石英管3.5、碳纤维发热体3.7、碳纤维发热体容纳腔3.9和电极端子3.8；所述雾化器3的储油部包括储油部壳体3.1、外层储油腔3.3和内层储油腔3.6。将所述碳纤维发热体容纳腔3.9内充设有惰性气体或抽成真空的目的是使碳纤维发热体3.7能耐高温且不能燃烧。所述外层石英管3.4和内层石英管3.5材质为石英，可耐高温以能够承受从碳纤维发热体3.7产生的高温的热；同时，石英材质还能耐烟油腐蚀并能透过碳纤维发热体3.7辐射的红外线。所述电源端子3.8与所述电源1的正负端电极连接以使电源1向所述碳纤维发热体3.7供电并与所述温度控制系统5形成闭环回路。所述内层储油腔3.6和所述外层储油腔3.3中均可以加注烟油。

在本发明进一步优选的实施方案中，所述碳纤维发热体3.7由多根碳纤维丝捻成并呈螺旋状盘绕在所述碳纤维发热体容纳腔3.9中；或者，所述碳纤维发热体3.7是用碳纤维丝编织而成的网状发热片，该发热片卷曲成筒状置于所述碳纤维发热体容纳腔3.9中。将所述碳纤维发热体3.7如此设置的目的是为了使其辐射的热量被充分利用。根据黑体辐射的兰贝特定律，即黑体单位面积辐射出去的能量在垂直于该表面的方向最大，而与表面平行的方向为零。本发明的非接触式加热电子烟的发热部位于两层储油腔之间，这种“夹心式”结构的优点在于：碳纤维发热体3.7产生的垂直于其表面的相互呈180°的两个方向的黑体辐射(一定波长的红外线)均能被烟油吸收而使烟油发生蒸发雾化，从而最大程度地利用碳纤维发热体3.7发出的热量，减少热量损失。

在本发明进一步优选的实施方案中，所述储油部壳体3.1的内壁表面具有能反射红外线的反射材料涂层3.2。这样可以确保热量不因透过储油部壳体3.1而发生损失，并使部分透过烟油的热量被涂层反射后再次被烟油利用，同时也起到隔热的作用以避免储油部壳体3.1外壁烫手。

在本发明优选的实施方案中，所述温度控制系统5中包括晶闸管智能调功器，其包括晶闸管和用于所述晶闸管的触发装置周波控制器。采用所述晶闸管智能调功器的温度控制系统5为闭环控制，该温度控制系统可与热辐射加热方式配套。系统中加热电路的执行器件为晶闸管(SCR)，增加了一个用于晶闸管的触发装置周波控制器(TZ)，SCR和TZ组成晶闸管智能调功器。TZ接收的是加热电路控制器给出的连续模拟量信号，转换为触发信号控制SCR的导通/关断(或改变相位角)。由于周波控制器(TZ)将加热电路控制器的连续模拟量信号转换为触发信号的周期为0.02秒(即加热过程中的“暂停”时间仅以0.02秒为一个周期)，低于传统温度控制系统的零点几秒至数秒，因而烟油的实际温度值波动(通常在1-2℃)小于传统温度控制系统，即碳纤维发热体3.7呈相对连续的工作状态，这对于控制加热雾化过程中烟油的品质和保持抽吸感官的稳定性十分有利，而且很小的温度波动还能降低电能的消耗。

在本发明进一步优选的实施方案中，所述温度控制系统5通过与所述电源1和所述雾化器3的发热部形成闭环控制回路来控制所述发热部的温度。

在本发明优选的实施方案中，所述膜固定器2包括近吸嘴端固定环2.1、防漏环2.2、微孔膜2.3、垫圈2.4和近雾化器端固定环2.5。所述膜固定器2中采用所述防漏环2.2和所述垫圈2.4可以起到支撑所述微孔膜2.3的作用，同时也密封所述膜固定器2的上下端(近吸嘴端和近雾化器端)以确保烟油不从吸嘴端和雾化器端泄露。

其中，所述膜固定器2的所述近吸嘴端固定环2.1可与所述吸嘴端4通过磁吸式、螺纹旋入等方式连接；所述膜固定器2的所述近雾化器端固定环2.5的内壁设有内螺纹或其他结构便于与所述雾化器3中的储油部壳体3.1的近膜固定器端密封连接。

在本发明进一步优选的实施方案中，所述防漏环2.2、微孔膜2.3、垫圈2.4的材质均为聚四氟乙烯，所述微孔膜2.3的材质为耐高温聚四氟乙烯。聚四氟乙烯耐高温、耐腐蚀、保温性能好；而且聚四氟乙烯微孔膜2.3内表面的冷凝烟油在聚四氟乙烯表面因有最小的表面张力而不粘附，从而减少烟油冷凝损失；同时，聚四氟乙烯微孔膜2.3应有一定的机械强度，能耐受抽吸动作和储油部中烟油对其造成的压力。

在本发明进一步优选的实施方案中，所述微孔膜2.3的直径为0.1μm-0.5μm。聚四氟乙烯微孔膜2.3其膜表面每平方英寸能达到几十亿个微孔，每个微孔直径为0.1μm-0.5μm，可确保烟油雾化蒸汽分子通过(烟油蒸汽中大量存在甘油和丙二醇蒸汽分子，以甘油为例，甘油蒸汽分子直径为0.00062μm，远小于每个微孔的直径)而烟油油滴(直径远大于每个微孔的直径)不能通过。

本发明的所述非接触式加热电子烟的操作方法如下：

首先在雾化器3的内层储油腔3.6和外层储油腔3.3中注入烟油，将装载聚四氟乙烯微孔膜2.3的膜固定器2安装在储油部壳体3.1上，接上吸嘴端4、电源1和温度控制系统5。通过设在温度控制系统5壳体上的温度调节按钮或按键来设定发热部碳纤维发热体3.7的温度，当温度设定后，启动设在温度控制系统5壳体上的按键开关以导通电流回路。此时，碳纤维发热体3.7通电发热并将热量辐射给烟油，使烟油发生蒸发雾化，雾化蒸气可穿透膜固定器2中的微孔膜2.3后通过气流通道被从吸嘴端4吸入使用者口中。

相对于传统的接触式(热传导式)加热电子烟，本发明取得了以下有益效果：

a.本发明的非接触式(热辐射式)加热电子烟采用热辐射的非接触式加热方式，采用碳纤维加热体作为加热元件，其不与烟油直接接触，不存在烟油在发热体上烧结粘附等问题，且不会出现异味、干烧和因干烧产生的可能有害物质。

b.本发明中采用黑体材料碳纤维作为发热体，可以实现比金属材料更高的电热转化效率，热量利用效率高，烟油雾化效率高。

c.本发明中采用黑体材料碳纤维作为发热体，其辐射产生的红外线不会破坏烟油物质分子和原子结构，能使接触式加热方式下热不稳定物质(如某些致香成分)保持稳定并减少有害物质的产生。

d.本发明中涉及的温度控制系统包括晶闸管智能调功器，所采用的晶闸管温度控制技术不同于常见的接触式加热温控电子烟采用的温控技术，可以实现更小的温度波动，对于控制加热雾化过程中烟油的品质和保持抽吸感官的稳定性十分有利，而且很小的温度波动还能降低电能的消耗。

e.本发明中采用黑体材料碳纤维作为发热体，满足黑体辐射定律，通过升高发热体温度可以极大地提高辐射强度(辐射强度与温度的4次方呈正比)；通过升高发热体温度可以使辐射波长向短波方向移动而增大辐射能量。因此，与接触式加热电子烟相比，相同的温度下，辐射能量极大增强，烟油获取的热量更大，同时通过调节发热体温度还可以使发射波长与烟油吸收波长匹配，利于烟油对能量的共振吸收而促进蒸发雾化。

本发明的非接触式加热电子烟还具有以下优点：

a.本发明的非接触式加热电子烟的吸嘴端、膜固定器、雾化器、电源和温度控制系统均可拆卸，方便使用。

b.本发明中的雾化器为可注油雾化器、膜固定器中的微孔膜可以更换、电池可以充电，能够大大降低使用成本。

c.本发明中的微孔膜为聚四氟乙烯微孔透气膜，在透过烟气的同时，既能防止烟油吸入嘴中，又可减少烟油因冷凝而造成的损失。

d.本发明中的雾化器采用“夹心式”结构，一方面可以储存更多的烟油，另一方面可以充分利用碳纤维发热体辐射产生的热量，减少热量损失。

附图说明

图1为本发明的所述非接触式加热电子烟的外观图。

图2为本发明的所述非接触式加热电子烟中的所述膜固定器2的爆炸图。

图3为本发明的所述非接触式加热电子烟中的所述雾化器3的俯视图。

图4为本发明的所述非接触式加热电子烟中的所述雾化器3的透视图。

图5为本发明的所述非接触式加热电子烟的温度控制原理框图。

其中，各附图标记具有以下含义：

1-电源；2-膜固定器；3-雾化器；4-吸嘴端；5-温度控制系统；

2.1-近吸嘴端固定环；2.2-防漏环；2.3-微孔膜；2.4-垫圈；2.5-近雾化器端固定环；3.1-储油部壳体；3.2-反射材料涂层；3.3-外层储油腔；3.4-外层石英管；

3.5-内层石英管；3.6-内层储油腔；3.7-碳纤维发热体；3.8-电源端子；3.9-碳纤维发热体容纳腔。

具体实施方式

下面通过对具体实施例的详细描述来进一步阐明本发明，但应理解，其并不是对本发明技术方案的限制。

实施例1

如图1所示的非接触式加热电子烟，其包括顺序连接的电源1、雾化器3、膜固定器2和具有中心气流通道的吸嘴端4；其中所述雾化器3、膜固定器2和吸嘴端4之间气流连通；该非接触式加热电子烟还包括控制所述电源1和所述雾化器3的温度控制系统5；其中所述雾化器3包括储油部和与所述电源1电连接的发热部；所述发热部以碳纤维发热体3.7作为该非接触式加热电子烟的电热元件。其中，所述电源1为包含可充电锂电池的电池杆。所述温度控制系统5的壳体上设有温度调节按钮以及按键开关。

如图3和图4所示，所述雾化器3为包括多层筒状结构的圆柱体或类圆柱体，其由内至外依次包括内层石英管3.5、外层石英管3.4和壳体3.1，其中内层石英管3.5内的空间构成内层储油腔3.6，内层石英管3.5与外层石英管3.4之间的空间构成碳纤维发热体容纳腔3.9，其内放置有碳纤维发热体3.7，外层石英管3.4和壳体3.1之间的空间构成外层储油腔3.3；；其中所述碳纤维发热体容纳腔3.9上下两端密封且内部充设有惰性气体或抽成真空，其中靠近所述电源1的下端具有连接所述碳纤维发热体3.7和所述电源1的电极端子3.8；所述内层储油腔3.6和所述外层储油腔3.3靠近所述电源1的下端密封，靠近所述膜固定器2的上端敞开用以加注烟油。其中，所述雾化器3的发热部包括外层石英管3.4、内层石英管3.5、碳纤维发热体3.7、碳纤维发热体容纳腔3.9和电极端子3.8；所述雾化器3的储油部包括储油部壳体3.1、外层储油腔3.3和内层储油腔3.6。所述电源端子3.8与所述电源1的正负端电极连接以使电源1向所述碳纤维发热体3.7供电并与所述温度控制系统5形成闭环回路。

所述碳纤维发热体3.7由多根碳纤维丝捻成并呈螺旋状盘绕在所述碳纤维发热体容纳腔3.9中。所述储油部壳体3.1的内壁表面具有能反射红外线的反射材料涂层3.2。所述温度控制系统5中包括晶闸管智能调功器，其包括晶闸管和用于所述晶闸管的触发装置周波控制器。所述温度控制系统5通过与所述电源1和所述雾化器3的发热部形成闭环控制回路来控制所述发热部的温度。

如图2所示，所述膜固定器2包括近吸嘴端固定环2.1、防漏环2.2、微孔膜2.3、垫圈2.4和近雾化器端固定环2.5。所述膜固定器2中采用所述防漏环2.2和所述垫圈2.4可以起到支撑所述微孔膜2.3的作用，同时也密封所述膜固定器2的上下端(近吸嘴端和近雾化器端)以确保烟油不从吸嘴端和雾化器端泄露。所述防漏环2.2、微孔膜2.3、垫圈2.4的材质均为聚四氟乙烯，所述微孔膜2.3的材质为耐高温聚四氟乙烯。聚四氟乙烯微孔膜2.3其膜表面每平方英寸能达到几十亿个微孔，每个微孔直径为0.1μm-0.5μm，可确保烟油雾化蒸汽分子通过(烟油蒸汽中大量存在甘油和丙二醇蒸汽分子，以甘油为例，甘油蒸汽分子直径为0.00062μm，远小于每个微孔的直径)而烟油油滴(直径远大于每个微孔的直径)不能通过。

该非接触式加热电子烟的操作方法如下：

首先在雾化器3的内层储油腔3.6和外层储油腔3.3中注入烟油，将装载聚四氟乙烯微孔膜2.3的膜固定器2安装在储油部壳体3.1上，接上吸嘴端4、电源1和温度控制系统5。通过设在温度控制系统5壳体上的温度调节按钮来设定发热部碳纤维发热体3.7的温度，当温度设定后，启动设在温度控制系统5壳体上的按键开关以导通电流回路。此时，碳纤维发热体3.7通电发热并将热量辐射给烟油，使烟油发生蒸发雾化，雾化蒸气可穿透膜固定器2中的微孔膜2.3后通过气流通道被从吸嘴端4吸入使用者口中。

该非接触式加热电子烟采用碳纤维加热体作为加热元件，其不与烟油直接接触，不存在烟油在发热体上烧结粘附等问题，且不会出现异味、干烧和因干烧产生的可能有害物质，同时热量利用效率高，烟油雾化效果好。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种非接触式加热电子烟，其包括顺序连接的电源(1)、雾化器(3)、膜固定器(2)和具有中心气流通道的吸嘴端(4)；其中所述雾化器(3)、膜固定器(2)和吸嘴端(4)之间气流连通；该非接触式加热电子烟还包括控制所述电源(1)和所述雾化器(3)的温度控制系统(5)；其中所述雾化器(3)包括储油部和与所述电源(1)电连接的发热部；其特征在于，所述发热部以碳纤维发热体(3.7)作为该非接触式加热电子烟的电热元件。

2.根据权利要求1所述的非接触式加热电子烟，其特征在于，所述雾化器(3)为包括多层筒状结构的圆柱体或类圆柱体，其由内至外依次包括内层石英管(3.5)、外层石英管(3.4)和壳体(3.1)，其中内层石英管(3.5)内的空间构成内层储油腔(3.6)，内层石英管(3.5)与外层石英管(3.4)之间的空间构成碳纤维发热体容纳腔(3.9)，其内放置有碳纤维发热体(3.7)，外层石英管(3.4)和壳体(3.1)之间的空间构成外层储油腔(3.3)；其中所述碳纤维发热体容纳腔(3.9)上下两端密封且内部充设有惰性气体或抽成真空，其中靠近所述电源(1)的下端具有连接所述碳纤维发热体(3.7)和所述电源(1)的电极端子(3.8)；所述内层储油腔(3.6)和所述外层储油腔(3.3)靠近所述电源(1)的下端密封，靠近所述膜固定器(2)的上端敞开用以加注烟油。

3.根据权利要求2所述的非接触式加热电子烟，其特征在于，所述碳纤维发热体(3.7)由多根碳纤维丝捻成并呈螺旋状盘绕在所述碳纤维发热体容纳腔(3.9)中；或者，所述碳纤维发热体(3.7)是用碳纤维丝编织而成的网状发热片，该发热片卷曲成筒状置于所述碳纤维发热体容纳腔(3.9)中。

4.根据权利要求2所述的非接触式加热电子烟，其特征在于，所述储油部壳体(3.1)的内壁表面具有能反射红外线的反射材料涂层(3.2)。

5.根据权利要求1所述的非接触式加热电子烟，其特征在于，所述温度控制系统(5)中包括晶闸管智能调功器，其包括晶闸管和用于所述晶闸管的触发装置周波控制器。

6.根据权利要求5所述的非接触式加热电子烟，其特征在于，所述温度控制系统(5)通过与所述电源(1)和所述雾化器(3)的发热部形成闭环控制回路来控制所述发热部的温度。

7.根据权利要求1所述的非接触式加热电子烟，其特征在于，所述膜固定器(2)包括近吸嘴端固定环(2.1)、防漏环(2.2)、微孔膜(2.3)、垫圈(2.4)和近雾化器端固定环(2.5)。

8.根据权利要求7所述的非接触式加热电子烟，其特征在于，所述防漏环(2.2)、微孔膜(2.3)、垫圈(2.4)的材质均为聚四氟乙烯，所述微孔膜(2.3)的材质为耐高温聚四氟乙烯。

9.根据权利要求7所述的非接触式加热电子烟，其特征在于，所述微孔膜(2.3)的直径为0.1μm-0.5μm。