CN210726703U - 具有多孔隔热层的发热体及低温烟具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有多孔隔热层的发热体，包括基体层和设置在所述基体层内表面上的电阻层，所述基体层的外表面上还一体成型有多孔隔热层。本实用新型还公开了一种采用上述发热体的低温烟具。本申请中多孔隔热层为由多孔材料制成的多孔体结构，多孔体结构中充满了空气，而空气的热导率低，因而多孔隔热层能很好的阻断热量的传递，起到保温绝热的作用，而且重量比较轻。

Description

具有多孔隔热层的发热体及低温烟具

技术领域

本实用新型属于吸烟用品技术领域，尤其涉及一种具有多孔隔热层的发热体及低温烟具。

背景技术

近年来，全球新型烟草制品发展势头强劲，尤其是加热不燃烧烟草制品的市场表现，引发行业高度关注并逐渐将新型烟草重点转向加热不燃烧烟草制品领域。

加热不燃烧烟具(低温烟具)，是一种加热装置，它是利用外部电源加热装置将经过处理的烟草制品加热到不足以燃烧的温度，以“加热不燃烧”为思路设计的“低温烟草制品”，能使烟叶刚好加热到足以散发出味道的程度，而不会点燃烟叶。通常情况下，普通卷烟在吸食至350℃至600℃的高温会产生众多有害物质，而低温烟草制品都是在300℃以下，有害物质会减少。加热不燃烧烟具的最大价值，在于其既能够提供类似与传统烟草制品类似的抽吸感受，同时又具备电子烟的低危害性，其满足的就是烟民消费者最核心的诉求-健康吸烟。

目前加热不燃烧烟具发热体加热的温度都是设置在250-330℃之间，对于日益迷你的烟具而言，要做到温和的烟具外壳温度是很不容易的。针对这个问题，目前的解决方案主要有：

(1)将发热体包裹隔热层，阻碍发热体热量向外传导，如套上真空管、气凝胶毡、硅酸铝保温棉等保温隔热材料；

(2)将热量传导至其他方向：通常而言，发热体相对应的烟具外壳温度是最高的，为了改善局部温度过高，可以架设“热量通道”把局部的温度传导至其他地方，“热量通道”可以是导热系数极高的金属箔片、石墨烯、导热硅胶等；

(3)辅助性的其他措施：如在发热体表面涂覆上反射性高的材料，将从发热体表面辐射出去的热量再反射回来，尽量减少热量向外的传递。

实用新型内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的目的之一在于提供一种具有多孔隔热层的发热体。该发热体不仅隔热效果好，而且后续无需包裹隔热层。

本申请还公开了一种采用上述发热体的低温烟具。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：具有多孔隔热层的发热体，包括基体层和设置在所述基体层内表面上的电阻层，所述基体层的外表面上还一体成型有多孔隔热层，所述多孔隔热层中均布有气凝胶颗粒。

进一步的，所述电阻层印刷烧结在所述基体层上。

进一步的，所述电阻层的内表面上覆盖有釉层。

进一步的，所述发热体呈管状。

一种低温烟具，包括上述的发热体。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果在于：

1、多孔隔热层为由多孔材料制成的多孔体结构，其内部具有无序的、不规则的立体孔，多孔体结构中充满了空气，而空气的热导率低，因而多孔隔热层能很好的阻断热量的传递，起到保温绝热的作用，而且重量比较轻。特别是在多孔隔热层中添加气凝胶颗粒时，即在多孔隔热层粉料中复合气凝胶纳米颗粒，由于气凝胶中一般80％以上是空气，所以有非常好的隔热效果，可以进一步提高多孔隔热层的隔热性能。

2、基体层、电阻层和多孔隔热层一体成型，制成的发热体不仅一致性好，而且省略了后续包裹隔热层的工艺步骤。

3、在电阻层上覆有釉层，发热体表面喷涂玻璃釉层后，挥发物不容易挂壁，也较容易清洗；釉层覆在电阻层表面的，可以隔离焦油等物质对电阻层的侵蚀。

附图说明

图1为发热体的结构示意图；

图2为图1中A处放大示意图；

图3为发热体横截面示意图；

图4为发热体展开层次图；

图5为多孔隔热层截面图；

图6为多孔隔热层剖面图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1和图2，一种具有多孔隔热层3的发热体，包括基体层1和设置在基体层1内表面上的电阻层2，基体层1的外表面上还一体成型有多孔隔热层3。其中电阻层2和基体层1共同组成发热体层，属于功能件，具体来说是通过驱动电压并施加在发热体电阻层2上，电阻层2便会产生电流热效应从而产生热量加热烟草制品。

参见图3和图4，基体层1是一个载体，即是在基体层1上印刷电阻层2，或把电阻层2覆在基体上，因而基体层1必须有一定的抗弯强度、否则发热体工作时容易引起变形；它的热膨胀系数须与电阻层2接近，否则热膨胀时电阻层2将会蠕变出现裂纹导致电阻无限大。一般情况下基体层1的绝缘性需达到10¹⁴-10¹⁵Ω˙cm，可选的材料包括但不限于陶瓷、石英玻璃、有机高分子化合物、金属聚合物基片等。

参见图3和图4，电阻层2可以是发热箔片，或印刷并烧结后形成的电阻通道，电阻层2是一个电阻线路，当对它施加电压后，电流便会通过电阻通道产生电流效应，即发热。为了达到较快的发热速度和发热效应，电阻层2的电阻为0.5-1.2Ω，TCR(电阻温度系数)为2800-6000ppm/℃为宜，寿命为5000h。

参见图5和图6，多孔隔热层3是复合在基体层1外表面上，是由多孔材料制备的具有无序且不规则立体孔301的多孔体结构。至于多孔材料的具体类型，本领域技术人员，可以根据实际隔热需求在现有公知材料中进行适应性选择，可以采用诸如多孔陶瓷等。

多孔隔热层3厚度一般为2-5cm，多孔结构中充满了空气，而空气的热导率低，是很好的热阻介质，因而多孔隔热层3能很好的阻断热量的传递，起到保温绝热的作用，而且重量比较轻。

参见图5和6，此外，在多孔隔热层3成型过程中，即在制备多孔隔热层3的粉料中同时复合了气凝胶纳米颗粒，使得多孔隔热层3中均布有气凝胶颗粒302。由于气凝胶中一般80％以上是空气，所以有非常好的隔热效果，气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结构，拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率，是一种多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料，因而可以进一步提高多孔隔热层3的隔热性能。

为提高基体层1和多孔隔热层3的结合强度，在成型多孔隔热层3前，通过在基体层1的外表面上进行喷砂处理，形成1-10μm的微孔，可以保证基体层1和多孔隔热层3坯体间良好的附着强度。

参见图1和图2，在一实施例中，在电阻层2的内表面上还可以覆盖一层釉层4，也即在电阻层2上设置玻璃釉，玻璃釉主要成分是硅酸盐，厚度一般为10-50μm，设置釉层4可以解决以下两个技术问题：

1、烟草制品挥发出来的焦油等物质容易粘在内壁上，发热体表面喷涂玻璃釉层4后，挥发物不容易挂壁，也较容易清洗；

2、釉层4是覆在电阻层2表面的，可以隔离焦油等物质对电阻层2的侵蚀。

以下给出了上述发热体的几种具体制作工艺：

一种具有多孔隔热层的发热体的制备工艺如下：

一、先制备发热体坯体

1、配料

这里以Al₂O₃基体为例来说明。Al₂O₃含量为95％，根据配方称取各种原料。

2、原料的选择和预处理

原料是基体的基础，因此，原料的选择和处理是一个很重要的问题，一般来说，需要经过以下几个工艺：

(1)水洗：水洗是为了去掉原料中一些可溶性杂质，是将原料放入蒸馏水中，每天换水一次并搅拌数次，直到用试纸检查呈中性为止，洗后烘干；

(2)煅烧：通过煅烧，可使一些挥发性杂质挥发掉，可在1000℃保温1小时；

(3)粉碎：为了保证原料颗粒细小，要求原料颗粒较细，一般不要超过2μm，通常需要对原料进行研磨，球磨机研磨2-5小时即可；

在生产中，主要还是采用球磨机球磨，球磨机的转速适当时，粉碎效率最高，最佳转速≈32/Ф^1/2(转/分)，Ф代表球磨罐的内径(米)。

球、料、水的总量也需适当。装得太满，球的运动困难；装得太少，球磨效率降低。我们把球、料、水的总体积占球磨罐体积的百分数叫做装填系数，实验表明，较合适的装填系数约为0.4-0.6。

球的数量太少，撞击和研磨的次数都少，效率低。但也不能太多，太多了要影响球与球之间的撞击，不能充分发挥击碎作用，一般来说，球的体积约占球、料、水总体积的30-40％。

水太少，使浆料太稠，则球受到的粘结力太大，而且料的流动性不好，造成球磨作用下降，水太多，使浆料太稀，则球与球直接撞击的机会多，料被击碎的机会少，而且球的磨损太大，混入料中的铁杂质也增多；另外，水太多还有一个缺点，即出罐后烘干较慢，料粉易出现分层，造成化学成分不均匀。一般取球：料：水的重量比为2：1：0.6。

振动球磨也是一种常用的粉碎工具，振动球磨机的振动频率为1500-3000次/分，振动球磨的装填系数为0.7-0.8，钢球与料之比约为(4-5):1。

(4)烘干：烘干是为了排除水分，以保证称料的准确性。将原料放置于烘箱中，加热至100-200℃，烘烤2-3小时，直到水分已经烘干为止。

3、成型

陶瓷成型方法主要有三种：轧膜成型、干压成型和等静压成型，干压成型是最为常用的成型方法之一，生产效率最高。

干压成型前，先造粒，即在上述经预处理的料粉中加入料重5％左右的粘合剂，搅拌均匀，将上述混合好的粉料以1吨/厘米²左右的压强进行预压，然后再研碎预压块并过50目粗筛，将这些粗的颗粒作为干压原料，造粒的作用是使粘合剂更加均匀，成型样品的密度更加均匀，同时由于颗粒本身已经压紧，压料中空气较少，并较易排出，因此有利于成型和致密。

造粒后，利用油压机和模具成型。成型压强对烧成后产品密度有很大关系，成型压强太小，密度也小，成型压强太大，对提高密度作用不大，反而还容易出现裂缝和分层，一般成型压强为1.5-2吨/厘米²。

成型时可以用单向加压，也可以用双向加压；相对而言，双向加压的样品密度不均匀性比较小，最好采用双向加压法，密度更均匀。

4、印刷电阻层

在成型好的发热体坯体(基体层坯体)上印刷电阻层，电阻层需根据阻值、浆料的功率密度等参数设计。

5、冲压

将上述印刷了电阻层的发热体坯体根据需要冲压成一定的形状，备用。

二、制备多孔隔热层坯体

本专利涉及到的是一种具有不规则孔的多孔陶瓷层，在诸多工艺中，添加造孔剂的技术是相对成熟的，具体工艺如下：

1、原料

氧化铝：1-15％；

二氧化硅：0.5-10％；

碳化硅：5-45％；

氧化镁：0.1-10％；

硅藻土(可替代氧化铝)：1-20％；

造孔剂：10-40％；

粘结剂：1％-5％，如淀粉、石蜡、羧甲基纤维素、聚乙烯醇等；

增塑剂：1-5％，如粘性土、木节土、球土等；

气凝胶颗粒：10-30％；

2、原料的选择和预处理

工艺如上。

3、混合

将上述原料按配比称量好，放入混料机中混合均匀，备用。

4、成型

将上述混合的原料放入轧膜机中，采用轧膜制成多孔隔热层坯体。

三、复合

分别将步骤一和二中成型的发热体坯体和多孔隔热层坯体通过热压叠层或等静压叠层的方法复合在一起。由于步骤一和二中成型的都是坯体，质地较软，通过热压叠层或等静压叠层可以做到非常好的结合力度，多孔隔热层坯体可嵌入至发热体坯体中，因而是完整的一体件。

等静压是利用各方向压强相等的原理，使样品均匀受压。以油或水作为加压介质，调节压强大小，一般在1-5KG/厘米²左右，这样压制的样品均匀致密，完全不用粘合剂。由于发热体和多孔隔热层都是生坯，质地很软，含水量较高，因而在复合时最容易发生变形，复合时如果生坯每个面受力均匀的话，变形量可以最小。此时，等静压叠层是最合适的工艺选择。

热压叠层也是一个较好的成型工艺。

①热压叠层采用油压机和模具完成；

②多孔隔热层厚度是2-5cm，直径是5-9cm，因而多孔隔热层是一个径厚比较大的结构件，这样有利于热压叠层时的力度选择，也不容易变形，力度宜选择1-5KG/厘米²；

③在热压时由于厚度方向会有收缩，因而在成型多孔隔热层时，厚度方向应设计20％-30％的余量，热压叠层温度为100-150℃，叠层保持时间为10-30min。

④热压叠层时，是双向加压叠层，双向加压叠层力度会均匀一些，对坯体的变形量也少点。

四、卷成筒状

将三成型的坯体卷成圆柱体，备用。

五、排胶

排塑是将粘合剂排出的过程。排塑时，是将样品放在有槽的底板上，样品之间撒以少量的氧化铝粉，升温速度要慢，300℃以前应低于100℃/小时，以保证粘合剂和水分缓慢挥发，特别在100℃左右，最好保温一段时间，因为此时水分大量挥发，极易造成变形或开裂。温度升到300℃，粘合剂已排除完毕，但为了提高排塑后样品的强度，需再升温到500℃保温一小时。

六、烧成

烧成就是将坯体加热到足够高的温度以后发生体积收缩、密度提高和强度增加的现象。实现烧成过程的机制则是组成该物质的原子或离子的扩散运动。

烧成时升温速度一般为300℃/h左右，尺寸小的样品升温速度可以快些，尺寸大的样品升温速度要适当降低，烧成温度在1100-1500℃间，烧结时间为5-7h，尺寸大的样品保温时间应长一些，尺寸小的样品保温时间可短一些。

七、上焊盘

上焊盘就是在陶瓷上设置一层金属薄膜，可作金属薄膜的材料很多，如银、铜、金、镍等。在陶瓷上设置金属薄膜的方法也有多种，如烧渗银层、真空蒸镀、化学沉银和化学沉铜等。其中银焊是较为常见的方式。烧银温度为750℃，在最温度保温时间一般为10-20分钟。

八、上釉

为使烧成的发热体表面有良好的光洁度，通常会上釉，釉层厚度为10-50μm，然后在800-900℃下烧结30-60min，随炉冷却。

这样，具有多孔隔热层的发热体便成型了，孔隙率为30％-75％，孔径为30-250μm。

一种具有多孔隔热层的发热体制备工艺如下：

(1)发热体坯体烧结

将上述步骤一成型好的发热体坯体卷好成为一个圆柱体并置于炉中进行烧结，烧结温度为1100-1500℃，烧结时间为7h，这样发热体便成型了。

(2)喷砂

为保证发热体和多孔隔热层坯体间良好的附着强度，发热体外表面层即基体层需进行喷砂处理，使表面形成1-10μm细小微孔。

喷砂时采用W40的金钢砂和刚玉，喷砂时间可以为0.5-1小时。喷砂结束后用超声波超声2h,彻底清洁表面的金钢砂颗粒，然后烘箱150℃烘干2小时。

(3)丝网印刷高温胶

为了保证基体表面层高温胶厚度的一致性，采用丝网印刷高温胶。高温胶水厚度控制在10-20μm。

(4)压合

基体表面印刷好高温胶后，利用油压机和模具把多孔隔热层坯体压合发热体上。压合工艺最重要的是注意定位，即发热体、高温胶和多孔隔热层坯体要同心，不能错位。压合力也是比较关键的，实验表明，压强太大，容易出现裂缝和裂片，压合力太小，工作时容易分层断开，所以一般压合力度是5-50KG/厘米²，压合保持时间为10-30min。

压合时，可以用单向加压，也可以用双向加压，单向加压的样品，压合力施加在多孔隔热层或基体，双向加压的样品，即是基体和多孔隔热层坯体同时加压，最好用双向加压法，这样受力能更加均匀，避免在压合时让器件出现裂缝和裂纹，而且在压合时，高温胶粘同时也在流动，能使粘连层能更加均匀，粘合力度更大。

(5)烘干、烧结

压合好的一体件置于烘箱中烘干，温度为60-150℃，时间为60-120min。温度曲线设置如下，室温升到60℃需要60min，60℃保温30min，然后随炉冷却。整个烘干过程温度尽量温和，防止温度骤升，影响压合效果。

烘干后进行烧结，这样便成型了。

(6)上焊盘

同上。

(7)上釉

同上。

一种具有多孔隔热层的发热体制备工艺如下：

(1)发热体坯体烧结

将上述步骤一成型好的发热体坯体卷好成为一个圆柱体并置于炉中进行烧结，烧结温度为1100-1500℃，烧结时间为7h，这样发热体便成型了。

(2)喷砂

为保证发热体和多孔隔热层坯体间良好的附着强度，发热体外表面层即基体需进行喷砂处理，使表面形成1-10μm细小微孔。

喷砂时采用W40的金钢砂和刚玉，喷砂时间可以为0.5-1小时。喷砂结束后用超声波超声2h,彻底清洁表面的金钢砂颗粒，然后烘箱150℃烘干2小时。

(3)丝网印刷高温胶

为了保证基体表面层高温胶厚度的一致性，采用丝网印刷高温胶。高温胶水厚度控制在10-20μm。

(4)多孔隔热层烧结

将上述步骤二成型好的多孔隔热层坯体卷好成为一个圆柱体并置于炉中进行烧结，烧结温度为1100-1500℃，烧结时间为3h，这样多孔隔热层便成型了。

(5)压合

同上。

(6)上焊盘

同上。

(7)上釉

同上。

一种低温烟具，采用上述结构的发热体，至于烟具的其他结构，均可以采用现有结构，在此不再赘述。

参见图3和图4，可以理解的是，在实际设计中发热体可以制成管状，相应的烟具采用包围加热方式进行加热，上述结构的低温烟具，因发热体层和多孔隔热层3一体成型，为阻止热量向烟具外壳传递，无需后续在发热管外壁上包裹保温隔热层，省略了包裹保温隔热层的工序步骤。当然，发热体也可以制成片状、棒状或其他形状。

上述实施例仅仅是清楚地说明本实用新型所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (9)

1.具有多孔隔热层的发热体，包括基体层和设置在所述基体层内表面上的电阻层，其特征在于：所述基体层的外表面上还一体成型有多孔隔热层，所述多孔隔热层中均布有气凝胶颗粒。

2.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于：所述电阻层印刷烧结在所述基体层上。

3.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于：所述电阻层的表面上覆盖有釉层。

4.根据权利要求3所述的发热体，其特征在于：所述釉层的厚度为10-50μm。

5.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于：所述发热体呈管状。

6.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于：所述多孔隔热层的厚度为2-5cm。

7.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于：所述电阻层的电阻为0.5-1.2Ω，TCR为2800-6000ppm/℃。

8.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于：所述基体层的外表面上进行喷砂处理，形成1-10μm的微孔。

9.低温烟具，其特征在于：包括权利要求1-8任一项所述的发热体。

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