CN117731060A - 一种用于中心加热烟具的穿线加热棒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电加热技术领域，特别涉及一种用于中心加热烟具的穿线加热棒，包括生棒、第一加热引线、第二加热引线和法兰，生棒上端具有锥尖，锥尖具有尖顶，生棒下端为平底，生棒内部具有贯穿尖顶和平底的金属芯棒，第一加热引线在平底处与金属芯棒电连接，生棒在靠近平底的侧面设有第二加热引线，生棒在靠近平底的一端固定有法兰，生棒和第二加热引线的外表面覆盖有连续的金属加热涂层。该加热棒的金属芯棒在生棒内部可以起到加固作用，在生棒加工过程中可以保证生胚定性。

Description

一种用于中心加热烟具的穿线加热棒

技术领域

本专利涉及电加热技术领域，特别涉及一种用于中心加热烟具的穿线加热棒。

背景技术

近年来，随着人们对健康的日益关注，人们都意识到传统卷烟对健康有一定的危害，传统卷烟对健康及环境的影响问题开始逐步受到世界各国的重视。现有的电子加热烟具产品主要分为中心加热和周向加热，在中心加热烟具中通常具有一个加热棒并在使用中插入加热卷烟内部，从而采用电阻式加热方式向加热卷烟提供热能。

现有用于中心加热烟具的加热棒通常是通过在陶瓷管中塞入加热电阻丝或是将加热电阻丝缠绕在陶瓷管外围来加工制作，前者会由于陶瓷管自身热阻而影响电阻丝向烟支的传热，后者则会导致陶瓷管表面发热不均匀而影响烟气风味。

因此，需要对现有的用于中心加热烟具的加热棒进行改良。

发明内容

本发明目的是为了提供一种全新的用于中心加热烟具的穿线加热棒，在提升传热性能的同时增强发热均匀性，并且提高生产工艺良率。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种用于中心加热烟具的穿线加热棒，包括生棒、第一加热引线、第二加热引线和法兰，生棒上端具有锥尖，锥尖具有尖顶，生棒下端为平底，生棒内部具有贯穿尖顶和平底的金属芯棒，第一加热引线在平底处与金属芯棒电连接，生棒在靠近平底的侧面设有第二加热引线，生棒在靠近平底的一端固定有法兰，生棒和第二加热引线的外表面覆盖有连续的金属加热涂层。

进一步的，金属加热涂层由化学气相沉积和/或物理气相沉积形成。

进一步的，金属加热涂层由磁控溅射、真空蒸镀或电子束蒸镀或电弧离子镀形成。

进一步的，金属加热涂层包括界面连接层、加热核心层和表面保护层。

进一步的，金属加热涂层为PTC金属层。

进一步的，加热棒包括第一测温引线和第二测温引线，生棒包括PTC测温电路，PTC测温电路分别与第一测温引线和第二测温引线电连接。

进一步的，生棒由内向外依次包括金属芯棒、绝缘层、测温层和保护层，PTC测温电路位于测温层，测温层通过保护层与金属加热涂层绝缘。

进一步的，金属加热涂层在生棒长度方向上至少覆盖从法兰至金属芯棒露出尖顶的部分。

进一步的，金属加热涂层外还具有表面封装层。

进一步的，表面封装层具有可激光调阻特性。

其中，烟具的加热方式可以利用电阻加热的原理，也可以利用红外加热的原理。利用电阻加热的烟具可以将加热电阻同时作为测温元件，也可以采用分时复用的方式用于测温，还可以单独设立测温回路和测温导电轨迹进行测温。除了直接利用电阻-温度公式计算电阻温度外，还可以通过查表法、插值法、外推法等方式推算电阻温度。

薄膜沉积工艺主要分为物理气相沉积和化学气相沉积两类。物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，PVD)技术指在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积原理可大致分为溅射镀膜、真空蒸镀、电子束蒸镀、电弧离子镀等。

磁控溅射(Magnetron Sputtering)是一种常见的物理气相沉积(PVD)工艺，是制造小型电子元器件的主要薄膜沉积方法。磁控溅射具有沉积速度快、成膜质量高、设备成本低、制备工艺相对简单和应用场景广等优点。

磁控溅射具体工作原理如图5所示。低真空下的氩气、氮气等单一或混合气体在电场作用下电离并被加速，这些加速后的高能量粒子在电场和磁场作用下对靶材进行轰击，使得靶材表面的原子或离子逃逸，并沉积在衬底或基底表面。磁控溅射是在此基础上，在磁控溅射枪上由于使用了永磁体，这些磁铁放置在靶材后面以产生磁场。由于离子比电子重，因此离子几乎不受磁场的直接影响；但是磁场导致电子在靶材表面做螺旋运动，延长了它们在基板附近的等离子体中的停留时间。这些电子和氩气、氮气等碰撞次数增加，从而产生更多的离子，从而提高了溅射效率。

本发明通过提供一种用于中心加热烟具的穿线加热棒，实现了以下技术效果：

1、金属芯棒在生棒内部可以起到加固作用，在生棒加工过程中可以保证生胚定性，金属芯棒与外部金属加热涂层连通后即构成加热回路，降低了后续加工加热电阻回路的难度；

2、金属加热涂层以薄膜的形式设置在加热棒外侧，有助于提升传热性能；

3、通过化学气相沉积和/或物理气相沉积形成的金属加热涂层可以均匀覆盖加热棒表面，使得加热更为均匀；

4、通过先制作生棒并安装引线、然后再沉积金属加热涂层，相较于先沉积金属加热涂层、再焊接引线，可以避免焊接过程中划伤涂层表面，还能够提高金属加热涂层与引线之间的实际接触面积，有效提升生产效率和良率；

5、表面封装层具有可激光调阻特性，可以在对加热棒进行质检或是制造烟具过程中，根据需要对加热棒的第五层金属加热涂层进行蚀刻以调整金属加热涂层的电阻值或者电阻分布；

6、金属加热涂层为PTC金属层，可以在非常贴近烟草的位置进行测温，温控更加精准。

附图说明

本专利的以上内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的技术方案的示例。

图1是本专利穿线加热棒的立体示意图；

图2是本专利穿线生棒的半剖图；

图3是本专利穿线加热棒的半剖图；

图4是本专利磁控溅射装置示意图；

图5是本专利磁控溅射原理示意图。

其中，附图标记说明如下：

穿线加热棒：1

生棒：10

金属芯棒：21’

绝缘层：12

测温层：13

保护层：14

锥尖：15

平底：16

加热棒半成品：20

第一加热引线：21

第二加热引线：22

法兰：23

第一测温引线：24

第二测温引线：25

金属加热涂层：30

表面封装层：40

加热棒夹持工装：80

公转辊：81

自转夹持组件：82

界面连接层金属：91

加热核心层金属：92

表面保护层金属：93

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本专利的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本专利的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本专利相关的目的及优点。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

为使本专利的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利的实施方式作进一步地详细描述。

如图1和图3所示用于中心加热烟具的穿线加热棒1，包括生棒10、第一加热引线21、第二加热引线22、法兰23、第一测温引线24和第二测温引线25，生棒10上端具有锥尖15，锥尖15具有尖顶，生棒10下端为平底16，生棒10在靠近平底16的侧面设有第一加热引线21，生棒在靠近平底的一端固定有法兰23，法兰23附近设有第二加热引线22，生棒10和第二加热引线22的外表面覆盖有连续的金属加热涂层30。生棒10由内向外依次包括金属芯棒21’、绝缘层12、测温层13和保护层14，其中金属芯棒21’与第一加热引线21电连接，或者在本实施例中金属芯棒21’就是第一加热引线21在生棒10中延伸段。

金属加热涂层30覆盖生棒10的圆柱体表面以及第二加热引线22外部，第一加热引线21通过金属加热涂层30与第二加热引线22形成从底端向顶端再向底端的加热电路。第一测温引线24和第二测温引线25分别与生棒10中的测温层13电连接，从而形成测温电路。当穿线加热棒1被安装在加热烟具中时，第一测温引线24和第二测温引线25与控制电路连接用于温度控制，第一加热引线21和第二加热引线22与电源和控制电路连接从而可按照实时温度和既定程序进行加热，法兰23用于将加热棒1固定在加热烟具内。

参考图2和图3，加热棒制造工艺流程包括以下步骤：

S1：制作生棒10，包括：

S101：用镍金属线制作一个长30mm、直径1.5mm的棒状，作为第一层金属芯棒21’和第一加热引线21；

S102：将绝缘生带(例如ESL41110-T，美国ESL公司)用模具压出一个长19mm、宽5mm、厚0.1mm的第一方形簿膜，形成第二层绝缘生坯，后续可烧结成绝缘层12；

S103：将绝缘生带(例如ESL41110-T，美国ESL公司)用模具压出一个长18mm、宽5mm、厚0.1mm的第二方形簿膜，在第二方形簿膜上用钢网印刷PTC感温材料或将感温材料丝嵌入第二方形簿膜(例如PtRh10/Pt，贵研铂业)，形成感温电路以及2个引点，在2个引点上印刷上液体银浆，形成第三层测温生胚，后续可烧结成测温层13；

S104：第二层绝缘生坯和第三层测温生胚由内向外依次裹坯在金属芯棒21’的外侧且预留第一加热引线21不进行裹坯，将一头削平，另一头削尖，形成生棒；

S105：将生棒用模具静压，压完后静放10分钟，等干燥后取出备用；

S106：将生棒进行高温共烧，温度控制在1200-1600℃，至少持续30分钟至烧成变硬定型；

S107：在烧结的生棒上涂上保护釉(例如ESL4026-A，美国ESL公司)，然后烧釉，温度控制在720℃左右，至少持续8分钟至烧成变硬形成第四层保护层14。

从而获得待进一步加工的生棒10。

S2：安装法兰、引线，加热棒半成品成型，包括：

S201：划镀，用夹具在需要装法兰23的位置处作标记；

S202：焊引线，把银浆涂到引点焊盘处，分别放上第一测温引线24、第二测温引线25和第二加热引线22，再装入夹具里固定；

S203：在法兰标记处点上陶瓷胶水并装上法兰23；

S204：装入夹具放入烤箱200℃烘烤1小时，加热棒半成品成型。

从而获得加热棒半成品20成型。

S3：在热棒半成品表面形成金属加热涂层，加热棒最终成型，包括：

S301：通过磁控溅射工艺(如图5所示)在加热棒半成品表面形成1-10μm的第五层金属加热涂层30；

S302：在烧结的生棒上涂上保护釉(优选具有激光调阻特性的釉料，例如ESL4774-BCG，美国ESL公司)，然后烧釉，温度控制在720℃左右，至少持续8分钟至烧成变硬形成第六层表面封装层40；

S303：利用激光器在金属加热涂层上刻蚀加热电路。

获得最终穿线加热棒，该穿线加热棒可进一步安装在加热烟具上。

在步骤S301中，通过磁控溅射工艺在加热棒半成品表面形成第五层金属加热涂层30可以通过以下具体实施方式实现：

如图4所示，采用的磁控溅射设备型号为MS600C，磁控溅射设备的腔室内设置加热棒夹持工装80，加热棒夹持工装80包括公转辊81和多个自转夹持组件82，将陶瓷加热棒1夹持在自转夹持组件82上，在磁控溅射涂层过程中，加热棒夹持工装80将带动加热棒半成品移动和旋转，在一个具体实施方式中，公转辊81整体会发生公转，每个自转夹持组件82会带动加热棒半成品发生自转，从而提高加热棒表面涂层均匀性。

在其它的具体实施方式中，可以换用其它常规的化学气相沉积装置或物理气相沉积装置，例如真空蒸镀、电子束蒸镀或电弧离子镀等，只要采用同样的加热棒夹持工装即可确保加热棒表面涂层的均匀性。

第五层金属加热涂层30可以进一步分为界面连接层、加热核心层和表面保护层，通过磁控溅射工艺可将界面连接层金属91、加热核心层金属92和表面保护层金属93依次沉积在加热棒表面。在另一个具体实施方式中，界面连接层金属91、加热核心层金属92和/或表面保护层金属93在磁控溅射涂层过程中可以移动或旋转，从而提高加热棒表面涂层均匀性。

(1)界面连接层：先在加热棒半成品上沉积包含钛、镍、铬和/或铝等金属，从而制备金属-陶瓷连接层，溅射具体参数为：溅射气压0.3-5Pa，溅射功率1-4W/cm2，靶材-基底间距4-10cm，背底真空2×10-4Pa，基底温度200-600℃，溅射气氛氩气(流量10-60sccm)，镀膜时间2-60min，膜厚控制在10-500nm之间，共溅射基底转速0.2-10rad/min，公转转速0.1-5rad/min。

(2)加热核心层：进一步在界面连接层上沉积钛、镍、铝、钼和/或钨等金属，从而制备金属发热核心功能层，溅射具体参数为：镀膜时间2-10h，膜厚控制在1微米-10微米之间，获得溅射气压0.3-5Pa，溅射功率1-4W/cm2，靶材-基底间距4-10cm，基底温度200-600℃，溅射气氛氩气(流量10-60sccm)，共溅射基底转速0.2-10rad/min，公转转速0.1-5rad/min。

(3)表面保护层：进一步在加热核心层上沉积氧化铝、二氧化硅、二氧化钛等金属或非金属膜，膜层厚度控制在100-2000nm之间，防止或减少发热核心层氧化。

金属加热涂层在生棒长度方向上至少覆盖从法兰至金属芯棒露出尖顶的部分。

在步骤S303中，可以采用光纤激光器对磁控溅射沉积加热陶瓷针半成品进行微纳加工，功率30W。将带涂层的陶瓷加热棒放置于带一个自转轴的光纤激光器夹具上，调节激光器功率为10-25W，频率30kHz，扫描速度500-2000mm/s，重复扫描次数2-15次，刻蚀线宽0.3mm，长度5-15mm，刻蚀深度5-50μm。通过激光刻蚀之后，金属加热涂层具有预定的导电轨迹和加热电阻。

在另一个具体实施方式中，在对加热棒进行质检或是制造烟具过程中，由于激光可以透过由可激光调阻的釉料形成的第六层表面封装层40，所以可以根据需要对加热棒的第五层金属加热涂层30进行蚀刻以调整金属加热涂层30的电阻值或者电阻分布。

除了磁控溅射，金属加热涂层30还可由其它化学气相沉积和/或物理气相沉积形成。

在另一个具体实施方式中，金属加热涂层30为PTC金属层，此时可以省去测温层13和第一测温引线24与第二测温引线25。

在另一个具体实施方式中，步骤S302与步骤S303顺序可以互换。在另一个具体实施方式中，如果表面保护层足够厚，可以省略步骤S302，即加热棒可以不需要第六层表面封装层40。

这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本专利并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本专利已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本专利，在没有脱离本专利精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本专利的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本专利的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于中心加热烟具的穿线加热棒，包括生棒、第一加热引线、第二加热引线和法兰，所述生棒上端具有锥尖，所述锥尖具有尖顶，所述生棒下端为平底，所述生棒内部具有贯穿所述尖顶和所述平底的金属芯棒，所述第一加热引线在所述平底处与所述金属芯棒电连接，所述生棒在靠近平底的侧面设有所述第二加热引线，所述生棒在靠近所述平底的一端固定有所述法兰，其特征在于，所述生棒和所述第二加热引线的外表面覆盖有连续的金属加热涂层。

2.根据权利要求1所述的穿线加热棒，其特征在于，所述金属加热涂层由化学气相沉积和/或物理气相沉积形成。

3.根据权利要求1所述的穿线加热棒，其特征在于，所述金属加热涂层由磁控溅射、真空蒸镀或电子束蒸镀或电弧离子镀形成。

4.根据权利要求1所述的穿线加热棒，其特征在于，所述金属加热涂层包括界面连接层、加热核心层和表面保护层。

5.根据权利要求1所述的穿线加热棒，其特征在于，所述金属加热涂层为PTC金属层。

6.根据权利要求1所述的穿线加热棒，其特征在于，所述穿线加热棒包括第一测温引线和第二测温引线，所述生棒包括PTC测温电路，所述PTC测温电路分别与所述第一测温引线和所述第二测温引线电连接。

7.根据权利要求6所述的穿线加热棒，其特征在于，所述生棒由内向外依次包括所述金属芯棒、绝缘层、测温层和保护层，所述PTC测温电路位于所述测温层，所述测温层通过所述保护层与所述金属加热涂层绝缘。

8.根据权利要求1所述的穿线加热棒，其特征在于，所述金属加热涂层在所述生棒长度方向上至少覆盖从所述法兰至所述金属芯棒露出所述尖顶的部分。

9.根据权利要求8所述的穿线加热棒，其特征在于，所述金属加热涂层外还具有表面封装层。

10.根据权利要求9所述的穿线加热棒，其特征在于，所述表面封装层具有可激光调阻特性。