CN112385898A - 一种新型的雾化芯 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雾化应用领域，公开了一种新型的雾化芯。本发明的新型雾化芯包括雾化芯基板和雾化芯基板上的发热体，所述雾化芯基板由致密材料制得，所述雾化芯基板上分布有导油孔，且导油孔的直径尺寸为1‑250微米，相邻两导油孔的壁间距在500微米以下，所述致密陶瓷的气孔率低于30％。本发明的新型雾化芯通过在基板上构造可控液流通道，在加热雾化过程中，不仅可以近似原位雾化，还通过对液流通道的量化，准确的控制流体流量，从而起到量子雾化的效果，最大限度控制雾化颗粒的成核和颗粒长大过程，并达到均匀雾化的目的。同时避免了由于多孔陶瓷工艺导致的陶瓷粉体和相对有毒有害物质进入到雾化气溶胶中，从而提供更安全的定量雾化。

Description

一种新型的雾化芯
技术领域
本发明涉及雾化应用领域，特别涉及一种新型的雾化芯。
背景技术
目前，电子烟和一些医疗雾化器常用的雾化方法是通过电阻加热使液体雾化，形成气溶胶，其主要分以下四种：
一是玻纤绳加发热丝：最普遍的小烟电子烟雾化器一般是将发热用的电阻丝缠绕在用于导液的纤维绳上，以玻纤绳作为最主要的导油材料是由于玻璃纤维绳具有坚固的织边且耐高温、吸油性强、导油速度快等特点；而玻纤导油绳的最大缺点是容易发生脱落产生絮状物。另外，发热丝的位置固定以及发热丝缠绕纤维绳时，发热丝表面暴露于纤维绳之外，导致雾化器具的一致性较低，雾化效率比较低，且容易出现干烧等情形。
二是棉花加发热丝：2013年前后，棉花开始取代玻纤绳成为主要的导油材料，相比于玻纤绳具有更加安全和更好的烟油口味还原度，其发展从脱脂棉、有机棉到现在极品长绒棉等专业电子烟棉花。目前棉花加发热丝还是市场的主力，但烟油中糖分会吸附在发热丝表面形成我们平时所谓的积碳，这就导致了棉花的颜色变深，而且也有利于有毒有害气体的产生。
三是陶瓷雾化芯：电子烟的发展带动了各种导油材料的出现，多孔陶瓷导油材料成为目前小烟的一个热点。市面上主要存在有两种陶瓷雾化芯：一种是将发热丝镶嵌在多孔陶瓷体中，如CCell等；另外一种是在多孔陶瓷表面丝印一层导电发热丝，如Feelm、Silmo等；多孔陶瓷本身孔径大小和分布等都比较分散，导致在加热过程中，部分液体成分容易结焦或干烧，或大孔导致漏液。CN 201880001973.3则公布了多孔陶瓷表面溅射沉积了一层0.5-5微米厚的钛锆合金膜和0.1-1微米厚金银合金保护膜。但在此厚度下的薄膜质量必然受到多孔陶瓷表面粗糙度的影响。
四是其他类似雾化芯：如CN201620757596.4、CN201810009220.9和CN201910229470.8公布了基于硅单晶的MEMS雾化芯，期望解决雾化温度的均匀性和加热面与烟液直接接触产生的口味变化，微孔阵列作为微喷孔板来控制液体流量，微流通道直径为10到500微米，微孔通道在500到1000微米直径，所用金属薄膜为200到500nm厚的Ti/Pt/Au、TiW/Au、Al、Cr或Pt/Au中的一种或几种，但这种器件的系统可靠性还存在一定问题。再如CN201821218626.X和CN201810855337.9描述了一种采用0.01-0.1毫米内径的医疗级不锈钢管和玻璃管作为毛细管的阵列毛细管雾化器，外部不锈钢片直接加热，这样同样避免了发热体与烟油之间的接触，有效通液雾化面积达到50％，专利宣称克服了陶瓷发热体的不足，从而获得更加接近传统香烟的电子烟雾化，但微细管加工和组装而对于粉体及其他颗粒物进入气溶胶存在一定的安全风险。
从安全性上看，尽管以上四种雾化方式已经大大降低了传统香烟中的有害成分，但还是存在一定痕量的有毒有害物质。尤其是多孔陶瓷的制作工艺和结构特性决定了部分粘附的埋烧粉颗粒或陶瓷本身的颗粒会引入到气溶胶中，另外由于晶相分凝导致的重金属富集在晶粒表面，从而极易溶入雾化液中，目前实验证明在某些陶瓷雾化芯电子烟气溶胶中可以检测到痕量的重金属。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供了一种新型的雾化芯，不仅实现了更安全的雾化，同时也可以通过精确设计而进行定量雾化，均匀雾化，无焦化，不掉粉。
为达到上述目的，本发明的新型的雾化芯包括雾化芯基板和雾化芯基板上的发热体，其中，所述雾化芯基板由致密材料制得，所述雾化芯基板上分布有导油孔，且导油孔的直径尺寸为1-250微米，相邻两导油孔的壁间距在500微米以下。
所述致密材料包括单晶或多晶材料、耐高温抗热震玻璃、致密陶瓷；优选地，所述单晶材料包括氧化铝单晶和硅单晶，多晶硅材料等；所述耐高温抗热震玻璃包括石英玻璃、硼硅玻璃或铝硅玻璃；所述致密陶瓷包括相对密度超过70％的氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化锌、碳化硅、硅藻土、莫来石、锆英石、磷灰石。
优选地，所述致密陶瓷的气孔率低于30％，更优选地，致密陶瓷的气孔率低于10％。
优选地，所述发热体是薄膜/涂层或金属发热体。
优选地，所述发热体通过涂层或丝网印刷、气相沉积，液相沉积或直接键合在雾化芯基板上。
优选地，所述发热体的材料厚度为：涂层或印刷工艺厚度低于100微米，沉积工艺厚度小于等于5微米，键合工艺厚度低于50微米
优选地，所述发热体选自具有生物相容性的钛，钽及其合金薄膜，或含有氧原子的钛氧膜，钽氧膜或与雾化芯基板一起键合的金属箔片。任选的，所述发热体上根据需要还有一层保护钝化膜。
所述导油孔的直径尺寸为150微米以下，优选地，所述导油孔的直径尺寸为25到120微米之间，更优选地，所述导油孔的直径尺寸为80微米以下。
优选地，本发明所述导油孔中相邻两导油孔的壁间距在250微米以下，优选地，所述导油孔中相邻两导油孔的壁间距在150微米以下，更优选地，所述导油孔中相邻两导油孔的壁间距在100微米以下。
优选地，所述导油孔通过挤压成型，注浆成型，模压成型、3D打印、激光加工或机械钻孔制得。
本发明的新型雾化芯通过在基板上构造可控液流通道，从而在加热雾化过程中，不仅可以近似原位雾化，还通过对液流通道的量化，准确的控制流体流量，从而起到量子雾化的效果，最大限度控制雾化颗粒的成核和颗粒长大过程，从而达到均匀雾化的目的；更重要的是基板不再是多孔陶瓷，整个雾化过程的界面非常稳定和安全，避免了引入多孔陶瓷工艺的陶瓷粉体和相对有毒有害物质到雾化气溶胶中，从而提供更安全的均匀定量雾化。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种雾化芯基板的结构示意图；
图2是本发明实施例2的一种雾化芯基板的结构示意图；
图3是本发明实施例4的一种雾化芯基板的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解，以下描述仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的新型的雾化芯包括雾化芯基板和雾化芯基板上的发热体，其中，所述雾化芯基板由致密材料制得，所述雾化芯基板上分布有导油孔，且导油孔的直径尺寸为1-250微米，相邻两导油孔的壁间距在500微米以下，所述致密材料包括蓝宝石单晶、其他单晶或多晶材料、耐高温抗热震玻璃、致密陶瓷；优选地，所述耐高温抗热震玻璃包括石英玻璃、硼硅玻璃或铝硅玻璃；所述致密陶瓷包括相对密度超过70％的氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化锌，碳化硅、硅藻土、莫来石、锆英石，磷灰石，所述致密陶瓷的气孔率低于30％，所述发热体是薄膜/涂层或金属发热体，通过涂层或丝网印刷、气相沉积或直接键合在雾化芯基板上。所述导油孔通过挤压成型，注浆成型，模具成型、3D打印、激光加工或机械钻孔制得。
本发明中致密材料、导油孔的大小、尺寸、位置以及深度是控制雾化气溶胶的关键，由于其可精确控制以及均一化才是对气溶胶性能控制的关键。导油孔的尺寸是气溶胶化学组分，颗粒尺寸控制的关键，同时也是防止烟油在雾化过程中形成低温焦化的关键。本发明避免使用目前的多孔陶瓷，雾化芯材料整体强度大大提高，从而防止陶瓷颗粒掉入气溶胶中进而让吸雾者肺部受损的关键。
本发明的雾化芯克服现有的多孔陶瓷不可控制的气孔率，气孔尺寸及其分布不一、表面粗糙不平，多孔陶瓷制备过程中的晶界分凝等导致的雾化界面不一致等不利因素，从雾化机理和雾化界面出发，着重解决了均匀定量雾化的机理，从而提高了对雾化颗粒以及雾化组分的均一性，进而大大提高了电子烟液香味还原度和前后使用的一致性和口感满足。另外，本发明的导油孔尺寸可根据烟油特性而适当调整，最大程度上避免了类似多孔陶瓷中由于孔径不等和不匹配导致烟油中的某些化合物极易在低温雾化中的结焦等缺点。由于雾化界面和雾化机理的控制，雾化过程中的化学反应和热分解受到大大抑制，从而可以大大降低气溶胶中有毒有害气体和重金属的含量，也从根本上杜绝了掉粉的可能性。
优选地，本发明所述致密材料的气孔率低于10％；所述发热体的材料厚度为：涂层或印刷工艺厚度低于100微米，沉积工艺厚度小于等于5微米，键合工艺厚度低于50微米。
优选地，本发明所述发热体选自具有生物相容性的钛，钽等金属及其合金薄膜，含氧膜或与雾化芯基板一起键合的金属箔片。所述发热体也可以是其他耐热导电化合物或混合物薄膜。根据需要或再有一层保护钝化膜。
优选地，本发明所述导油孔的直径尺寸为150微米以下，优选地，所述导油孔的直径尺寸为25到120微米之间，更优选地，所述导油孔的直径尺寸为80微米以下。
优选地，本发明所述导油孔中相邻两导油孔的壁间距在250微米以下，优选地，所述导油孔中相邻两导油孔的壁间距在150微米以下，更优选地，所述导油孔中相邻两导油孔的壁间距在100微米以下。
本发明中由于导流通道与原位加热的控制，从而更加有利于精确控制雾化成核及成核后的动态生长，因而可根据具体雾化需求来控制或剪裁气溶胶的颗粒尺寸与组分控制，气溶胶雾化的量及其温度，并能实现一定程度上的尼古丁传输效率提高。每个导油孔的出口都是雾化成核的起源重要组成部分，当然烟油也会进入加热表面，壁间距需要控制在250微米以下，就会在雾化过程中大大降低烟液不能完全覆盖发热表面或不会再影响到烟液覆盖发热表面，从而防止干烧或局部地方温度过高，因此可以定义为原位雾化或原位加热。目前绝大部分雾化设备是通过导热异位加热，温度极为不均，这也是有毒有害气体不能完全消除的主要原因。
本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
基板为氧化铝单晶材料，在数控加工成外形尺寸后，再利用变焦激光逐步在基板上形成孔阵列，孔直径分别为120微米，100微米，80微米和60微米，孔壁间距则分别控制在250微米，200微米，150微米和100微米，孔阵列可以按三角紧密堆积排列，也可以按矩阵或其他形状排列。其后通过溅射或电子束蒸发形成了一层厚度为0.35微米到5微米不等钛氧膜或钽氧膜(附图1中为4.5微米的钛氧膜)，厚度与薄膜中的氧组分有直接关系。根据不同氧含量设计，对于低氧含量薄膜表面再覆盖一层钝化膜，比如12纳米左右的金膜(如附图1)，然后在两端以安全导电浆形成电极，并与电池相连接。具体各层厚度与需要的电阻设计和雾化功率设计有关。沉积于孔壁间的薄膜形成均匀的温度场和成核中心，并在雾化过程中形成可控的液流和气流通道，从而达到控制气溶胶雾化量和性能上的控制，以达到最佳尼古丁传输效率和各种雾化满足感。均匀的温度场来源于加热原件的设计，即丝印涂层或沉积薄膜或金属箔片的设计，这个直接由壁间距的均一性控制。非孔位置即为发热表面，可控液流和气流就是指液流通道和雾化成核界面的控制，针对不同种类的电子烟液和其他液体雾化，均实现了均匀雾化，无焦化，不掉粉。附图1为其中一种实例。
实施例2
基板为氧化铝单晶材料，在数控加工成外形尺寸后，再利用变焦激光逐步在基板上形成孔阵列，孔直径为100微米，孔壁间距则分别控制在200微米，孔阵列按三角紧密堆积排列，也可以按矩阵或其他形状排列。其后通过溅射或电子束蒸发形成了一层厚度为0.35微米到5微米不等钛氧膜或钽氧膜(附图2中为4微米的钛氧膜)，厚度与薄膜中的氧组分有直接关系。根据不同氧含量设计，对于低氧含量薄膜表面再覆盖一层钝化膜，比如15纳米左右的金膜(如附图2)，然后在两端以安全导电浆形成电极，并与电池相连接。具体各层厚度与需要的电阻设计和雾化功率设计有关。沉积于孔壁间的薄膜形成均匀的温度场和成核中心，并在雾化过程中形成可控的液流和气流通道，从而达到控制气溶胶雾化量和性能上的控制，以达到最佳尼古丁传输效率和各种雾化满足感。均匀的温度场来源于加热原件的设计，即丝印涂层或沉积薄膜或金属箔片的设计，这个直接由壁间距的均一性控制。非孔位置即为发热表面，可控液流和气流就是指液流通道和雾化成核界面的控制，针对不同种类的电子烟液和其他液体雾化，均实现了均匀雾化，无焦化，不掉粉，不含任何重金属。
实施例3
基板为透明石英玻璃材料，在数控加工成外形尺寸后，再利用变焦激光逐步在基板上形成孔阵列，孔直径为120微米和80微米两种，孔壁间距控制在200微米和150微米，孔阵列按三角紧密堆积排列，也可以按矩阵或其他形状排列。其后通过溅射或电子束蒸发形成了一层厚度为0.35微米到5微米不等钛氧膜或钽氧膜，厚度与薄膜中的氧组分有直接关系。根据不同氧含量设计，对于低氧含量薄膜表面再覆盖一层钝化膜，比如15纳米左右的金膜，然后在两端以安全导电浆形成电极，并与电池相连接。沉积于孔壁间的薄膜形成均匀的温度场和成核中心，并在雾化过程中形成可控的液流和气流通道，从而达到控制气溶胶雾化量和性能上的控制，以达到最佳尼古丁传输效率和各种雾化满足感。均匀的温度场来源于加热原件的设计，即沉积薄膜或金属箔片的设计，这个直接由壁间距的均一性控制。非孔位置即为发热表面，可控液流和气流就是指液流通道和雾化成核界面的控制。针对不同种类的电子烟液和其他液体雾化，均实现了均匀雾化，无焦化，不掉粉。
实施例4
基板为氧化锆致密陶瓷。氧化锆陶瓷由3D打印制备，基板上孔阵列在3D打印过程中形成。孔直径分别为120微米和100微米两种，孔壁间距控制在180微米，孔阵列按三角紧密堆积排列。其后通过溅射或电子束蒸发形成了一层厚度为0.35微米到5微米不等钛氧膜或钽氧膜，厚度与薄膜中的氧组分有直接关系。根据不同氧含量设计，对于低氧含量薄膜表面覆盖再覆盖一层钝化膜，比如15纳米左右的金膜，然后在两端以安全导电浆形成电极，并与电池相连接。沉积于孔壁间的薄膜形成均匀的温度场和成核中心，并在雾化过程中形成可控的液流和气流通道，从而达到控制气溶胶雾化量和性能上的控制，以达到最佳尼古丁传输效率和各种雾化满足感。均匀的温度场来源于加热原件的设计，即沉积薄膜或金属箔片的设计，这个直接由壁间距的均一性控制。非孔位置即为发热表面，可控液流和气流就是指液流通道和雾化成核界面的控制。针对不同种类的电子烟液和其他液体雾化，均实现了均匀雾化，无焦化，不掉粉。
本发明的新型的雾化芯不仅可以用于电子烟，还可以用于医疗雾化和娱乐雾化，比如医疗雾化方面的止痛药雾化，哮喘等药雾方面的雾化。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型的雾化芯，其特征在于，所述雾化芯包括雾化芯基板和雾化芯基板上的发热体，其中，所述雾化芯基板由致密材料制得，所述雾化芯基板上分布有导油孔，且导油孔的直径尺寸为1-250微米，相邻两导油孔的壁间距在500微米以下。
2.根据权利要求1所述的新型的雾化芯，其特征在于，所述致密材料包括单晶或多晶材料、耐高温抗热震玻璃、致密陶瓷；优选地，所述单晶材料包括氧化铝单晶和硅单晶，多晶硅材料等；所述耐高温抗热震玻璃包括石英玻璃、硼硅玻璃或铝硅玻璃；所述致密陶瓷包括相对密度超过70％的氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化锌、碳化硅、硅藻土、莫来石、锆英石、磷灰石。
3.根据权利要求1或2所述的新型的雾化芯，其特征在于，所述致密陶瓷的气孔率低于30％。
4.根据权利要求1所述的新型的雾化芯，其特征在于，所述发热体是薄膜/涂层或金属发热体。
5.根据权利要求1或4所述的新型的雾化芯，其特征在于，所述发热体通过涂层或丝网印刷、气相沉积，液相沉积或直接键合在雾化芯基板上。
6.根据权利要求1或4所述的新型的雾化芯，其特征在于，所述发热体的材料厚度为：涂层或印刷工艺厚度低于100微米，沉积工艺厚度小于等于5微米，键合工艺厚度低于50微米。
7.根据权利要求1或4所述的新型的雾化芯，其特征在于，所述发热体选自具有生物相容性的钛，钽及其合金薄膜，或含有氧原子的钛氧膜，钽氧膜或与雾化芯基板一起键合的金属箔片。
8.根据权利要求1所述的新型的雾化芯，其特征在于，所述导油孔的直径尺寸为150微米以下，优选地，所述导油孔的直径尺寸为25到120微米之间，更优选地，所述导油孔的直径尺寸为80微米以下。
9.根据权利要求1或8所述的新型的雾化芯，其特征在于，所述导油孔中相邻两导油孔的壁间距在250微米以下，优选地，所述导油孔中相邻两导油孔的壁间距在150微米以下，更优选地，所述导油孔中相邻两导油孔的壁间距在100微米以下。
10.根据权利要求1所述的新型的雾化芯，其特征在于，所述导油孔通过挤压成型，注浆成型，模压成型、3D打印、激光加工或机械钻孔制得。
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