CN111528529A - 加热器具加热元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于烟草加热器具技术领域，本发明涉及一种加热器具加热元件，以及一种加热器具加热元件的制备方法。该加热元件元件包括金属发热片，发热片的加热线路通过激光雕刻而成。本发明的金属加热元件，采用高电阻温度系数的镍铁合金作为发热片，然后表面烧结一层绝缘层。该加热元件具有发热均匀，电阻稳定，方便实现温度控制等优势；而设置的绝缘层能对发热片进行保护，防止发热片受到腐蚀损害，优选的绝缘基料配比，结合烧结工艺后，能较好的与镍铁合金匹配，提高产品性能，兼具强度高，寿命长的优点。

Description

加热器具加热元件及其制备方法
技术领域
本发明属于烟草加热器具技术领域，更具体地，本发明涉及一种加热器具加热元件，以及一种加热器具加热元件的制备方法。
背景技术
加热器具是通过精确控制加热元件的温度使烟草在不燃烧的条件下烘烤一些烟的物质出来，在达到烟的体验感的前提下，降低了有害物质的产生，因此加热器具加热元件对温度的要求比较高，所以加热元件的电阻精度和温度均匀性至关主要。
目前的加热器具加热元件的工艺主要是基于“厚膜印刷技术”进行高温共烧，一种是在陶瓷基板上印刷发热线路，然后烧结而成，缺点是阻值精度低，发热线路不能全覆盖，同时陶瓷基板易脆，容易在使用过程中折断；另一种是以不锈钢为基板，然后印刷一层绝缘料，再在绝缘料上印刷发热线路，这种方式同样存在电阻不易控的问题，同时还存在绝缘层与不锈钢的结合强度问题，容易剥落。这两者都是通过印刷的发热线路发热，然后通过绝缘层把热量传递给基体，因此温度均匀性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种温度均匀性较好的加热器具加热元件。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：加热器具加热元件，包括金属材质的发热片，发热片包括冷端区和发热区，冷端区设有电极，发热片在其发热区设有线槽结构以形成呈蛇形布置的加热线路。
进一步的是：发热片的发热区端部为尖片状结构。
进一步的是：冷端区加热线路的线性比发热区加热线路的线性更粗。
进一步的是：发热片的材质为镍铁合金。
进一步的是：发热片的加热线路通过激光雕刻而成。
进一步的是：发热片的外表面设有绝缘层；绝缘层至少将发热片的发热区完全包覆在内。优选地，绝缘层将发热片除去电极区域之外的其他部位整体包覆在内。
进一步的是：绝缘层的厚度为0.05mm-0.2mm。
进一步的是：绝缘层和发热片通过烧结的方式形成整体结构。
本发明的另一目的在于提供一种加热器具加热元件的制备方法，制得的加热器具加热元件不仅具有温度均匀性较好的优点，同时电阻稳定，寿命长。其具体技术方案为，结构形式采用前文所述的加热器具加热元件，并包括如下步骤：步骤一，制作发热片，以激光雕刻的方式在发热片本体上雕刻出加热线路；
当设置有绝缘层时，还包括如下步骤：步骤二，配置绝缘基料；
按照重量配比，绝缘基料成分如下：二氧化硅：30-60％，氧化铝：3-20％，氧化钙：2-20％，氧化硼：1-10％，氧化钡：1-10％，氧化锆：1-10％；
按照上述配比称取所需重量的原料，原料颗粒大小控制在1um-20um，然后进行混料干燥；
步骤三，配置乙基纤维素胶；
步骤四，球磨混料；
将步骤二制得的干燥的绝缘基料和步骤三制得的乙基纤维素胶混合球磨；球磨后得到绝缘成品料；
步骤五，绝缘成品料施工；
通过印刷工艺将绝缘成品料印刷在步骤一制得的发热片上，然后进行烘烤；
步骤六，烧结；
将印刷好绝缘成品料的发热片放入窑炉中烧结，气氛为还原或惰性气氛，温度900℃-1200℃；烧结后即得产品。
本发明的有益效果是：加热线路直接在金属材质的发热片本体上形成，并且在发热区呈蛇形分布，具有发热均匀，电阻稳定，方便实现温度控制等优势；而设置的绝缘层能对发热片进行保护，防止发热片受到腐蚀损害，优选的绝缘基料配比，结合烧结工艺后，能较好的与镍铁合金匹配，提高产品性能，兼具强度高，寿命长的优点。
附图说明
图1为本发明中加热器具加热元件的三维结构示意图；
图2为本发明中加热器具加热元件的主视图；
图3为本发明中发热片的主视图；
图4为本发明实施例中的温度测量点分布示意图；
图5为本发明实施例中的加热元件表面显微结构图；
图6为本发明对比例一的加热元件表面显微结构图；
图7为本发明对比例二的加热元件表面显微结构图；
图中标记：1-发热片，11-冷端区，12-发热区，13-电极，2-绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发明中的加热器具加热元件采用金属材质的发热片1，发热片1包括冷端区11和发热区12，冷端区11设有电极13，发热片1在其发热区12设有线槽结构以形成呈蛇形布置的加热线路。加热线路直接在金属材质的发热片本体上形成，并且在发热区12呈蛇形分布，具有发热均匀，电阻稳定，方便实现温度控制等优势。具体实施时，可以通过激光雕刻的方式，直接在发热片本体上雕刻出加热线路。采用激光加工的方式，能够更精准的控制电阻。
为了使用时方便插入烟丝内，发热片1的发热区12端部为尖片状结构。
优选地，冷端区11加热线路的线性比发热区12加热线路的线性更粗，即冷端区11加热线路的单元截面面积更大，这样可以降低电极区的发热量，从而降低电极区的能量损耗和电极温度。
发热片1的材质优选为镍铁合金，优选采用PTC牌号的镍铁合金。这主要是镍铁合金具有高的TCR值(电阻温度系数)，电阻随温度变化大，方便通过测试电阻的变化来反馈温度的变化，实现温度控制。同时镍铁合金的耐温高，抗氧化性强，在加热过程中几乎无电阻衰减。
本发明适用于烟草加热器具，为了提高其防腐能力，优选在发热片1的外表面设有绝缘层2；绝缘层2至少将发热片1的发热区12完全包覆在内。优选地，绝缘层2将发热片1除去电极13区域之外的其他部位整体包覆在内。电极区外露，以方便后面焊接引线。
为使得加热元件具有更好的产品性能，绝缘层2的厚度为0.05mm-0.2mm。绝缘层2和发热片1通过烧结的方式形成整体结构。绝缘层2的膨胀系数略大于发热片1。
本发明的另一目的在于提供一种加热器具加热元件的制备方法，结构形式采用前文所述的加热器具加热元件，制备方法包括如下步骤：
步骤一，制作发热片1，以激光雕刻的方式在发热片1本体上雕刻出加热线路。
步骤二，配置绝缘基料；
按照重量配比，绝缘基料成分如下：二氧化硅：30-60％，氧化铝：3-20％，氧化钙：2-20％，氧化硼：1-10％，氧化钡：1-10％，氧化锆：1-10％；
按照上述配比称取所需重量的原料，原料颗粒大小控制在1um-20um，优选为2um，然后进行混料干燥；这里的绝缘基料配方是决定绝缘层2与发热片1结合的关键，氧化钙、氧化铝、二氧化硅是主要的绝缘料成分，能够形成硅酸盐，添加氧化硼能形成低熔点物质，可以降低绝缘料的烧结温度，氧化钡具有抗气氛行，可以使绝缘料在还原气氛炉中不发暗、发黑而变色，通过氧化锆的含量来调整膨胀系数，从而使绝缘层2与发热片1匹配，绝缘层2的膨胀系数略大于发热片1。
步骤三，配置乙基纤维素胶；乙基纤维素胶为现有成熟技术。
步骤四，球磨混料；
将步骤二制得的干燥的绝缘基料和步骤三制得的乙基纤维素胶混合球磨；球磨后得到绝缘成品料；绝缘基料和胶体的配比为现有常规技术；
步骤五，绝缘成品料施工；
通过印刷工艺将绝缘成品料印刷在步骤一制得的发热片1上，然后进行烘烤；
步骤六，烧结；
将印刷好绝缘成品料的发热片1放入窑炉中烧结，气氛为还原或惰性气氛，温度900℃-1200℃；烧结后即得产品。
实施例1：
本发明按如下步骤实施：
步骤一，采用镍铁合金作为发热片；对镍铁片进行激光调阻。根据所需的电阻0.9欧姆，设计出发热区和电极区的线路，然后通过激光在镍铁合金片上加工出线路。合金片设置成尖片状，主要是为了使用时方便插入烟丝内；电极区的线路比发热丝的线路粗，主要是为了降低电极区的发热量，从而降低电极区的能量损耗和电极温度。采用激光加工是为了能精准的控制电阻。之后对调阻好的发热片进行清洗：用酒精超声波清洗，主要是清洗表面的杂质，以免影响发热片与绝缘料的结合。
步骤二，配置绝缘基料：按设计的重量配比，称取所需重量的原料，颗粒大小在1-20um，优选2um,然后进行混料干燥。绝缘基料的成分如下：二氧化硅：55％，氧化铝：18％，氧化钙：8％，氧化硼：8％，氧化钡：4％，氧化锆：7％。
步骤三，配置胶体，称取松油醇61％柠檬三丁酯19％蓖麻油3％乙基纤维素5％，PVB2％。然后在100℃的条件下混合搅拌，溶解制得乙基纤维素胶。
步骤四，球磨混料；
将步骤二制得的干燥的绝缘基料和步骤三制得的乙基纤维素胶混合球磨；按重量份计，绝缘基料100份，胶25份。
转速350r/min,时间4小时，球磨后得绝缘成品料。
步骤五，绝缘成品料施工：通过印刷工艺将绝缘料印刷在清洗干净的镍铁片上，然后在100℃条件下烘烤5分钟，控制印刷厚度在100um左右。印刷区域需包裹整个发热区，留出一部分的电极区，方便后面焊接引线。
步骤六，烧结：将印刷好绝缘成品料的发热片放入窑炉中烧结，气氛为还原或惰性气氛，烧结温度900℃-1200℃。烧结后即得产品。
实施例2：
步骤一，采用镍铁合金作为发热片；对镍铁片进行激光调阻。根据所需的电阻1.1欧姆，设计出发热区和电极区的线路，然后通过激光在镍铁合金片上加工出线路。合金片设置成尖片状，电极区的线路比发热丝的线路粗。之后对调阻好的发热片用酒精超声波清洗。
步骤二，配置绝缘基料：按设计的重量配比，称取所需重量的原料，颗粒大小在1-20um，优选2um,然后进行混料干燥。绝缘基料的成分如下：二氧化硅：58％，氧化铝：18％，氧化钙：7％，氧化硼：7％，氧化钡：4％，氧化锆：6％。
步骤三，配置胶体，称取松油醇61％柠檬三丁酯19％蓖麻油3％乙基纤维素5％，PVB2％。然后在100℃的条件下混合搅拌，溶解制得乙基纤维素胶。
步骤四，球磨混料；
将步骤二制得的干燥的绝缘基料和步骤三制得的乙基纤维素胶混合球磨；按重量份计，绝缘基料100份，胶25份。
转速350r/min,时间4小时，球磨后得绝缘成品料。
步骤五，绝缘成品料施工：通过印刷工艺将绝缘料印刷在清洗干净的镍铁片上，然后在100℃条件下烘烤5分钟，控制印刷厚度在100um左右。印刷区域需包裹整个发热区，留出一部分的电极区，方便后面焊接引线。
步骤六，烧结：将印刷好绝缘成品料的发热片放入窑炉中烧结，气氛为还原或惰性气氛，烧结温度900℃-1200℃。烧结后即得产品。
实施例3：
步骤一，采用镍铁合金作为发热片；对镍铁片进行激光调阻。根据所需的电阻0.9欧姆，设计出发热区和电极区的线路，然后通过激光在镍铁合金片上加工出线路。合金片设置成尖片状，电极区的线路比发热丝的线路粗。之后对调阻好的发热片用酒精超声波清洗。
步骤二，配置绝缘基料：按设计的重量配比，称取所需重量的原料，颗粒大小在1-20um，优选2um,然后进行混料干燥。绝缘基料的成分如下：二氧化硅：60％，氧化铝：15％，氧化钙：6％，氧化硼：8％，氧化钡：4％，氧化锆：7％。
步骤三，配置胶体，称取松油醇61％柠檬三丁酯19％蓖麻油3％乙基纤维素5％，PVB2％。然后在100℃的条件下混合搅拌，溶解制得乙基纤维素胶。
步骤四，球磨混料；
将步骤二制得的干燥的绝缘基料和步骤三制得的乙基纤维素胶混合球磨；按重量份计，绝缘基料100份，胶25份。
转速350r/min,时间4小时，球磨后得绝缘成品料。
步骤五，绝缘成品料施工：通过印刷工艺将绝缘料印刷在清洗干净的镍铁片上，然后在100℃条件下烘烤5分钟，控制印刷厚度在100um左右。印刷区域需包裹整个发热区，留出一部分的电极区，方便后面焊接引线。
步骤六，烧结：将印刷好绝缘成品料的发热片放入窑炉中烧结，气氛为还原或惰性气氛，烧结温度900℃-1200℃。烧结后即得产品。
以现有技术中的氧化锆片作为对比例，并抽取实施例1、实施例2、实施例3制得的样品进行如下实验：调节电压，使最高温度点稳定在350℃，测试边界点和中心温度点的差异，温度测量点分布如图4所示。测试结果如下表所示。
类型 温度点1 温度点2 温度点3 温度点4 温度点5 最大温差值
实施例1 350 335 333 332 337 18
实施例2 351 336 332 335 336 19
实施例3 350 333 335 337 334 17
氧化锆片 350 311 308 302 301 49
此外，在抽吸加热卷烟5000次后，对加热元件的外表面进行观测，实施例1、实施例2、实施例3均未出现锈蚀的现象，其样品的显微结构如图5所示。
未加绝缘层的金属片在抽吸加热卷烟5000次后出现了较严重的锈蚀，其样品的显微结构如图6所示。
采用常规绝缘层的金属片在抽吸加热卷烟5000次后，也出现了较严重的锈蚀，其样品的显微结构如图7所示。
由以上对比可以看出，本发明的加热元件兼具发热均匀，电阻稳定，寿命长的优点。

Claims (10)

1.加热器具加热元件，其特征在于：包括金属材质的发热片(1)，发热片(1)包括冷端区(11)和发热区(12)，冷端区(11)设有电极(13)，发热片(1)在其发热区(12)设有线槽结构以形成呈蛇形布置的加热线路。
2.如权利要求1所述的加热器具加热元件，其特征在于：发热片(1)的发热区(12)端部为尖片状结构。
3.如权利要求1所述的加热器具加热元件，其特征在于：冷端区(11)加热线路的线性比发热区(12)加热线路的线性更粗。
4.如权利要求1所述的加热器具加热元件，其特征在于：发热片(1)的材质为镍铁合金。
5.如权利要求1所述的加热器具加热元件，其特征在于：发热片(1)的加热线路通过激光雕刻而成。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的加热器具加热元件，其特征在于：发热片(1)的外表面设有绝缘层(2)；绝缘层(2)至少将发热片(1)的发热区(12)完全包覆在内。
7.如权利要求6所述的加热器具加热元件，其特征在于：绝缘层(2)将发热片(1)除去电极(13)区域之外的其他部位整体包覆在内。
8.如权利要求6所述的加热器具加热元件，其特征在于：绝缘层(2)的厚度为0.05mm-0.2mm。
9.如权利要求6所述的加热器具加热元件，其特征在于：绝缘层(2)和发热片(1)通过烧结的方式形成整体结构。
10.加热器具加热元件的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1至9中任意一项所述的加热器具加热元件，并包括如下步骤：步骤一，制作发热片(1)，以激光雕刻的方式在发热片(1)本体上雕刻出加热线路；
当设置有绝缘层(2)时，还包括如下步骤：步骤二，配置绝缘基料；
按照重量配比，绝缘基料成分如下：
二氧化硅：30-60％，
氧化铝：3-20％，
氧化钙：2-20％，
氧化硼：1-10％，
氧化钡：1-10％，
氧化锆：1-10％；
按照上述配比称取所需重量的原料，原料颗粒大小控制在1um-20um，然后进行混料干燥；
步骤三，配置乙基纤维素胶；
步骤四，球磨混料；
将步骤二制得的干燥的绝缘基料和步骤三制得的乙基纤维素胶混合球磨；球磨后得到绝缘成品料；
步骤五，绝缘成品料施工；
通过印刷工艺将绝缘成品料印刷在步骤一制得的发热片(1)上，然后进行烘烤；
步骤六，烧结；
将印刷好绝缘成品料的发热片(1)放入窑炉中烧结，气氛为还原或惰性气氛，温度900℃-1200℃；烧结后即得产品。
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