CN117256940A - 多发热体加热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多发热体加热器，在受热体上设置两组或者两组以上的发热体，不同的发热体具有不同的升温特性曲线。以升温较快的发热体首先供电发热，在达到预设控制温度后停止升温较快发热体的供电，启用升温较慢发热体通电工作，以升温较慢发热体的升温慢、控制精度高的特性优势弥补升温较快发热体的升温快但控温范围大的不足，实现既能快速升温，又能精准控制加热温度范围的目的。

Description

多发热体加热器

本发明专利申请是申请号为CN202010809696.8，申请日为2020年8月13日，发明名称为“多发热体加热器及其加热控制方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种气溶胶发生装置上使用的加热器结构，特别涉及一种多发热体加热器。

背景技术

这里所谓的气溶胶发生装置，其实就是电子烟产品。电子烟产品目前有两种类型，一种液体型电子烟，是以电加热的形式雾化烟油产生汽雾，吸食汽雾。另一种是以低于烟草燃点的温度烘烤烟草制品，使烟草制品的有效成分干馏出来，产生烟气用于吸食，称为加热不燃烧烟草制品。

无论哪种方式，都需要使用电加热装置,而且必须是温度可控的电加热装置。比如，液体烟油的电子烟，电子烟油是一种含有尼古丁的多种物质的混合物，以丙二醇或者丙三醇等有机物为溶剂，添加香味物质制成。因此加热温度只要能够满足达到雾化标准即可，温度过高会产生不确定的有害物质。雾化标准温度一般控制在180-400摄氏度之间即可，对于不同品类的电子烟油，也会有一个更小的最佳雾化温度范围。比如某型号的电子烟油，在340-350摄氏度是雾化效果最好，因而尽量需要控制雾化温度在340-350摄氏度之间波动，这一可控温度依靠电加热装置的调节来实现。

对于加热不燃烧烟草制品，一般主要有效物质干馏出来的温度需要在200-400摄氏度之间，不同品类的低温烟草制品也有不同的最佳干馏温度范围，只有控制在最佳温度范围才能达到最好的吸烟效果。

液体型电子烟一般都是设置一组或者多组电阻发热丝，电阻发热丝表面接触导油体，导油体表面是最佳的雾化区域。因而需要控制的是导油体表面的温度而不是发热丝的温度，而是作为受热体的导油体表面温度的控制，需要通过感测导油体表面温度，将感测到的实时温度值反馈回控制电路，实现控制目的。

加热不燃烧型电子烟的发热体一般是在刚性基片或者刚性容器上设置电发热丝或者发热薄膜，以刚性基片插入烟草制品中或者以刚性容器包覆烟草制品。此时对低温烟草进行加热的温度体现在基片或者容器上，并不是发热体本身的温度。因此需要控制的也是基片或者容器的温度。

传感器一般设置在受热体上，但控制温度的最终手段还是要通过控制发热体的通电状态实现。控制方式有控制加热电压的，有控制电流的，都能实现一定的控制目的。但是已经加工成型的发热体对电压和电流的适应也有范围，超过范围便难以控制或者损坏。

最多且最直接的控制方法是控制电流的通断，以电流通断来控制加热状态，进而控制温度。控制原理是当受热体达到预定的控制温度时便会断电，然后自然降温，降温到一定的温度低值时再启动通电继续加热。这样的温控方式比较简单，但是温度控制效果并不理想。电子烟产品开始吸烟时有一个升温过程，当然吸烟者希望这一过程越快越好，最好开始即达到吸食所需的雾化温度，但这是很难实现的，迅速达到需要的雾化温度，就需要快速加热。但是快速加热虽然升温速度很快，但是控制难度也大，事实升温越快时控制难度越大。

具体原理见图2，如图2所示的是某种材料的固定电阻值的发热体在某固定电压条件下的受热体的温度曲线，横轴表示的是时间，纵轴表示的是温度。假设升温至需要控制的最佳温度点T₀时需要S₀秒的时间，假设此时断开电源，由于控制检测的是受热体温度，此时发热体本身的温度仍会高于T₀的温度。停止加热后，虽然已经断电，但是由于热容存在，发热体本身的高温会继续向受热体传导，导致受热体还有一个短暂的升温过程，称其为温度惯性。一般发热体的升温越快，温度惯性也越大，虽然在T₀点停止加热，靠温度惯性，导油体表面的温度都仍会达到一高点T_H，然后再下降，温度下降过程中也会出现一个低点T_L。因此，温度控制实际上实在以T₀为中值，以T_H为高值，以T_L为低值的范围内波动。

由于不同发热体之间的材料可以不同，尺寸也可以不同，因而其发热体本身的热容量也不相同。热容越大的发热体，其温度惯性一般较大，对于相同材质的发热体，电阻小，功率大时，其材料的质量会大，热容也会大。对于不同材料的发热体，其热容与材料的比热容及电阻率相关性较强。但是升温越快的发热体热容较大这也是一般规律。

由于温度惯性存在，升温越快的发热体温度波动范围越大，也就是能够控制的温度精度越差。相反升温速度越慢的发热体温度波动范围越小，可控精度越高。

因此会产生一个矛盾，为满足精确控制温度的目的，需要使用升温较慢且温度控制范围小的发热体，但升温慢的发热体却不能同时满足快速升温的需求，能满足快速升温的发热体又不满足精确控温的要求，能精确控温的发热体不满足快速升温的要求。

鉴于上述原因，本发明人设计了一种既可以开始吸食时快速升温，吸食过程中又可以精确控温的技术方案。

发明内容

本发明的基本原理是，在受热体上设置两组或者两组以上的发热体，不同的发热体具有不同的升温曲线特性。以升温较快的发热体发热体首先通电发热，在达到预设控制温度后停止升温较快发热体的电力。启用升温较慢的发热体通电工作，以升温较慢发热体的升温慢、控制精度高的优势弥补快升温发热体的不足，实现优势互补，实现发明目的。

具体原理如下：选取相同材料不同功率相的发热体进行试验和原理说明。如图1所示，选取在同样的加热场景，同样的检测手段，控制同样的精准温度点时，检测并获得采用三种不同功率的升温曲线。

曲线A为大功率的发热体的升温和控温特性曲线，其控制精准温度点为T₀时，3-4秒即可达到这一温度，但是达到这一温度断电后受热体温度会在惯性作用下继续上升，上升至T₁温度点时才终止上升。开始进入下降通道，在降至T₂温度点时会重启继续加热，重复上述过程，形成温度特性曲线。图中所示纵轴的“剖面线区间+灰度区间+黑色区间”为其控制的温度范围。可见其将T₀作为基准精确控制点时，其可控温度范围在T₁和T₂之间波动，范围较大。虽然可以满足快速升温的要求，却不能满足精确控制的要求。

曲线B为中等功率的发热体的升温和控温特性曲线，其控制精准温度点仍为T₀时，5-6秒可达到这一温度，但是达到这一温度断电后受热体温度会在惯性作用下继续上升，上升至T₃温度点时才终止上升，开始进入下降通道。在降至T₄温度点时会继续加热，重复上述过程，形成温度特性曲线。图中所示纵轴的“灰度区间+黑色区间”为其控制的温度范围。可见其将T₀作为基准精确控制点时，其可控温度范围在T₃和T₄之间波动，范围适中。但未能满足快速升温的要求，也不一定能满足精确控制的要求。

曲线C为小功率的发热体的升温和控温曲线，其控制精准温度点仍为T₀时，10秒以上才到这一温度，达到这一温度断电后受热体温度会在惯性作用下继续上升，上升至T₅温度点时才终止上升，开始进入下降通道。在降至T₆温度点时会继续加热，重复上述过程，形成温度特性曲线。图中所示的“黑色区间”为其控制的温度范围。

如果将上述曲线A的发热体和曲线C的发热体组合使用，控制快速升温使用曲线A的发热体加热，控温时使用曲线C的发热体加热，只要曲线C的发热体能够满足受热体需要的最低加热功率便可以实现。即可以快速升温又可以精准控温的要求。

同理，如果将不同发热材料的发热体进行上述实验，也可以得出不同材料的发热体具有不同的升温特性曲线，也可以根据升温特性曲线选择两种不同的材料的发热体，实现上述即快速升温又精准控温的需求。

具体本发明的方案如下：

本发明的多发热体加热器，包括多个发热体和单一受热体，所述多发热体中每一发热体均均匀布设在受热体上并独立连接至供电电路；所述多发热体中不同发热体具有不同的升温特性曲线；所述加热器上设置温度检测装置。

上述所述的多发热体加热器中，所述多发热体中的不同发热体为升温特性曲线在特定温度范围内的升温时间存在倍数级差的发热体。

上述所述的多发热体加热器中，所述多发热体中的不同发热体是相同材质的发热体，升温特性曲线的不同是因为发热体的发热功率不同产生的，不同发热体之间存在功率级差。

上述所述的多发热体加热器中，所述多发热体中的不同发热体是不同材质发热体，升温特性曲线的不同是因为发热体的材质不同产生的，不同发热体之间的TCR值存在级差。

上述所述的多发热体加热器中，所述多发热体加热器设置的发热体为两组发热体，分别为第一发热体和第二发热体，所述第一发热体为快升温发热体，第二发热体为慢升温发热体，所述第一发热体与第二发热体升温特性曲线在特定温度范围内的升温时间具有倍数级差。

上述所述的多发热体加热器中，所述第一发热体和第二发热体均均匀布设在受热体上，第一发热体和第二发热体的走行方向和路径轨迹相互平或者对称行设置。

上述所述的多发热体加热器中，所述受热体为刚性基片，第一发热体和第二发热体均均匀布设在基片的同一表面，轨迹呈平行或者对称布设。

上述所述的多发热体加热器中，所述受热体为刚性基片，第一发热体均匀布设在刚性发热基片的其中一个表面，第二发热体均匀布设在刚性发热基片的另一表面，轨迹呈对称或者平行布设。

上述所述的多发热体加热器中，所述受热体为柱状体，每一发热体均均匀缠绕布设在柱状体的受热体上，发热体缠绕布设呈间隔的螺旋状态。

本发明的多发热体加热器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

A：至少为第一发热体供电加热，使受热体温度快速上升；

B：受热体升温至第一温度控制点，停止第一发热体供电，仅为第二发热体供电加热，受热体温度仍低于第一发热体温度；

C：受热体升温至第二温度控制点，受热体温度与第一发热体温度一致并开始下降，第二发热体持续发热，并按第二发热体温度特性曲线控制受热体的温度范围以第一温度控制点为基准，在第二发热体的温度特性范围内波动；

D：第二发热体不足以维持受热体温度以第一温度控制点为基准在第二发热体温度特性曲线的波动范围时，再次为第一发热体供电加热至第一温度控制点再断开第一发热体供电；

E：根据温度控制需求，以此类推，循环控制。

上述所述的多发热体加热器的控制方法中，所述开始加热升温时第一发热体和第二发热体同时供电加热。

上述所述的多发热体加热器的控制方法中，所述开始加热升温时第一发热体单独供电加热。

本发明中由于在同一受热体上设置了不同升温特性曲线的发热体，每一发热体均可以为受热体单独加热，通过程序控制也可以实现同时加热。在进行温度控制时，首先启动快升温发热体通电加热，为受热体快速加热达到预设温度区间。接着再断开快升温发热体的电力，停止其加热，同时启动慢升温发热体进行精准控制。待慢升温发热体不能满足受热体温度需求时再启动快升温发热体加热，如此循环往复，既可以实现初期的快速加热，也可以实现精确控温阶段的精准控制。

附图说明

图1为不同发热体的升温特性曲线和控温范围曲线对比图；

图2为单一发热体升温特性曲线和温控范围曲线图；

图3为本发明实施例1的多发热体加热器结构图；

图4为本发明实施例2的多发热体加热器结构图；

图5为本发明实施例3的多发热体加热器结构图；

图6为本发明的加热控制方法的温度特性曲线图之一；

图7为本发明的加热控制方法的温度特性曲线图之二。

具体实施方式

下面将结合本发明具体实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例。基于本发明思路，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图3所示，本实施例是使用在加热不燃烧烟草烟具上的多发热体加热器。是在单一受热体1上设置第一发热体3和第二发热体1。其中的受热体1为一针状刚性陶瓷基片，第一发热体3和第二发热体2均设置在该刚性陶瓷基片的其中一个表面上。本实施例使用了共同的材质，以厚膜发热电阻的方式形成了第一发热体3和第二发热体2。该第一发热体3和第二发热体2均平行且均匀的布设在刚性陶瓷基片上，并分别设置连接电极，以便于独立的将每一发热体电连接到供电电路上。

由于是电阻性发热体，因此可以直观的看出，第一发热体3的宽度较大，电阻较小，因而发热功率较大，作为快升温发热体使用，其热容也会较大。而第二发热体2的宽度较小，电阻较大，因而发热功率较小，作为慢升温发热体使用，其热容也相对较小。由于需要将快升温发热体及慢升温发热体结合使用，应当使其功率具有一定的倍数级差。具体的级差要求是在升温特性曲线中体现的，在一定的温度点上，比如T₀摄氏度时，第二发热体2的升温时间与第一发热体3的升温时间应当以倍数作为级差。本实施例中可以使用一倍以上的时间级差，如第一发热体3单独升温至300摄氏度时需要3秒，则第二发热体2升温至T₀摄氏度时至少需要6秒的时间才满足倍数级差的要求。因此根据上述实验得到的特性曲线，可以得出第一发热体3与第二发热体2之间的尺寸关系。

使用时，将上述的加热器安装在低温烟草烟具中，接通控制电路，分别控制第一发热体3和第二发热体2的发热时间，并设定预定的温度控制点T₀。如本实施例中第一发热体3的升温时间3秒达到T₀点，那么选择的第二发热体2的升温时间至少要大于3秒的一倍以上。假定设定预控温度是300摄氏度，第一发热体3控温范围在280-320摄氏度范围时，第二发热体2的控温温度可能会达到195-205摄氏度范围，波动较小。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是本实施例不再使用相同材质的材料，而是使用不同材质的材料。分别将第一发热体3和第二发热体2设置在刚性陶瓷基片的两面上，比如其中的一面为铜材料发热片，另一面为铂材料发热片。本领域技术人员可知，同样功率条件下，铂的升温速度较快，作为第一发热体3，使其快速发热升温。而另一面使用的铜材质则升速度慢一些，作为慢升温的第二发热体2，而且可以在设置时同时考虑发热功率问题。但由于使用不同材料，造成第一发热体和第二发热体之间的电阻温度系数(TCR)不同，比热容也不同，因此不能简单以材料作为升温惯性的考察依据，需要以升温特性曲线中的特定温度点的升温时间作为最终的考核指标。本实施例的加热器也是使用在低温烟草烟具中的。

实施例3：

本实施例的加热器可以使用在液体型电子烟上，加热器中的受热体1为导油棉柱体，在导油棉柱体上缠绕快速升温的第一发热体3和慢升温的第二发热体2，其中的第一发热体3和第二发热体2使用相同材料制作的发热丝，比如镍铬合金丝。第一发热体3的直径较大，电阻较小，发热功率大，因而作为快升温发热体，热容也大。第二发热体2的直径较小，电阻较大，功率较小，因而作为慢升温发热体，热容也小。在具体使用时将测温器件设置在导油棉柱体表面上，本实施例的加热器在开始使用时，首先可以第一发热体3和第二发热体2同时升温，使受热体温度急剧上升，达到雾化温度。当达到控温点T₀时，停止第一发热体3加热，保留第二发热体2加热，进而可以将温度控制在第二发热体2的控温曲线范围内，达到即快速升温又能精确控温。

上述仅仅是部分典型的实施例，还有其他的加热器结构可以实现上述目的。例如低温烟具中加热管，在加热管上设置第一发热体3和第二发热体2，保留第二发热体2与第一发热体3之间的升温特性曲线中的时间级差，便可以实现快速升温后精确控温的目的。

上述实施例均以两组发热体进行说明的，事实上按照理论设计，也可以设置成三组或者四组的发热体，只要保证发热体之间的升温特性曲线中的时间差级数，便可以达到更为精准控制的目的，且可以随时变换控制精度。

本发明上述加热器的温度控制方法需要经过以下步骤，以采用图1中的曲线A的发热体作为第一发热体3，以曲线C的发热体作为第二发热体2进行说明。

S1：同时为第一发热体3和第二发热体2通电加热，检测受热体1的升温情况，设定预定温度控制点T₀，由于第一发热体3为快速发热体，因而第一发热体3和第二发热体2同时发热，升温速度会更快，比如2秒钟内达到预设温度T₀，受热体1检测温度反馈回供电电路。

S2：供电电路切断第一发热体3的电力供应，仅保留对第二发热体2进行供电加热，此时由于第一发热体3的温度惯性，受热体1的温度仍会上升到第一发热体3单独加热时的温度高点T₁，达到温度高点T₁后开始下降；

S3：由于此时只有第二发热体2在发热，因此在后续的温度控制中，将会在第二发热体2的温度特性曲线的精度内进行较为精准的控制，由于第二发热体2升温慢因此温度波动范围也小，实现了精准温度控制的目的，此时温度控制在T₅和T₆之间；

S4：只要第二发热体2的发热量能够满足消耗，受热体的温度就会一直按照第二发热体2的控温范围进行精确控制，即在T₅和T₆之间波动；形成的温度特性曲线见图6。

S5：当第二发热体2的发热量难以维持第二发热体温度范围时，第二发热体2发热量不再能满足需要温度在T₅和T₆范围之内波动，受热体1的温度会下降，当降至第一发热体控制范围低点T₂时再次启动第一发热体3快速升温，随后进入下一轮精准控制，依次循环往复。形成的温度特性曲线见图7。

当然上述发热过程中，可以在快速升温时仅使用第一发热体3，维持控温时使用第二发热体2，分别单独发热也可以实现上述目的。

上述说明是以较佳实施例进行的说明，当然除了上述实施例以外，本领域技术人员扔有可能根据本发明的基本思路，开发出其他的结构和方法，但在未脱离本发明思路基础上的变换，均应在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种多发热体加热器，其特征在于，所述多发热体加热器包括多个发热体、单一受热体、供电电路以及温度检测装置，所述多发热体加热器上设置有所述温度检测装置，多个所述发热体中每一所述发热体均均匀布设在所述受热体上并独立连接至所述供电电路，在所述受热体上设置有至少两组所述发热体，分别为第一发热体和第二发热体，不同所述发热体具有不同的升温特性曲线，所述第一发热体为快升温发热体，所述第二发热体相比所述第一发热体为慢升温发热体，所述多个发热体中的不同发热体为升温特性曲线在特定温度范围内的升温时间存在倍数级差的发热体，其中：

所述供电电路用于至少为所述第一发热体供电加热，使所述受热体温度快速上升，当所述受热体升温至第一温度控制点时，停止对所述第一发热体供电，仅为所述第二发热体供电加热，此时所述受热体温度仍低于所述第一发热体温度，当所述受热体升温至第二温度控制点时，所述受热体温度与所述第一发热体温度一致并开始下降，所述第二发热体持续发热，并按所述第二发热体的升温特性曲线控制所述受热体的温度范围以所述第一温度控制点为基准，在所述第二发热体的升温特性范围内波动，当所述第二发热体不足以维持所述受热体温度以所述第一温度控制点为基准在所述第二发热体的升温特性曲线的范围内波动时，再次为所述第一发热体供电加热至所述第一温度控制点，再断开所述第一发热体供电，最后根据温度控制需求，以此类推，循环控制。

2.根据权利要求1所述的多发热体加热器，其特征在于：多个所述发热体中的不同所述发热体是相同材质的发热体，所述升温特性曲线的不同是因为所述发热体的发热功率不同产生的，不同所述发热体之间存在功率级差。

3.根据权利要求1所述的多发热体加热器，其特征在于：多个所述发热体中的不同所述发热体是不同材质的发热体，所述升温特性曲线的不同是因为所述发热体的材质不同产生的，不同所述发热体之间的TCR值存在级差。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的多发热体加热器，其特征在于：所述受热体为刚性基片，所述第一发热体和所述第二发热体均布设在刚性基片的同一表面，轨迹呈平行或者对称布设。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的多发热体加热器，其特征在于：所述受热体为刚性基片，所述第一发热体均匀布设在刚性发热基片的其中一个表面，所述第二发热体均匀布设在刚性发热基片的另一表面，轨迹呈对称或者平行布设。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的多发热体加热器，其特征在于：所述受热体为柱状体，所述第一发热体和所述第二发热体均呈螺旋状态，均匀且交替缠绕布设在柱状体的所述受热体上。