CN211431087U - 一种电子烟用陶瓷加热体 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电子烟用陶瓷加热体，包括：陶瓷内芯和卷绕在所述陶瓷内芯上的陶瓷基片，在所述陶瓷基片和陶瓷内芯的贴合面设置有加热电路，在所述陶瓷基片外设置有导热层，所述导热层的导热率大于所述陶瓷基片的导热率；所述导热层为银层、银钯层或银铂层，使得所述陶瓷内芯和所述陶瓷基片采用低温烧结材料。通过在陶瓷基片外贴合一层导热率大于所述陶瓷基片的导热率的导热层，可以迅速的平衡陶瓷加热体表面的热分布，使陶瓷加热体表面温度均匀；同时，导热层的存在降低了对陶瓷基片热导率的要求，使其可采用低热导率材料，从而可以降低焊线区温度。

Description

一种电子烟用陶瓷加热体

技术领域

本实用新型涉及电子烟技术领域，尤其涉及一种电子烟用陶瓷加热体。

背景技术

由于低温烘烤电子烟具有不燃烧、不产生一氧化碳等有毒物质等优点，近年来在全球范围内得到了迅猛发展；而陶瓷加热体做为其核心部件，决定着电子烟的整体设计和性能质量水平。目前市面上的电子烟陶瓷加热体，根据其外型的不同，分为管状、片状、针状三大类，主要是采用氧化铝或氧化锆陶瓷来制作，配合高温烧成的钨浆、铂浆、金浆等作为电极材料。

早期产品主要采用氧化铝进行制作，但因氧化铝导热系数高(导热系数: 25-36W/m.K)，热量向非加热区传导快，导致其存在着升温速度慢、功耗高、底部焊线位置的温度过高等缺陷；部分产品为了解决底部焊线位置的温度过高等问题，设置了隔热法兰盘等结构，造成了结构复杂化、外形不美观和成本上升。

另有部分现有技术采用氧化锆材料进行产品制作，常用的3Y氧化锆的热导率约为2.09W/m.K，较氧化铝有明显的下降，可有效的解决氧化铝材料产品存在的升温慢、功耗高、焊线区温度高的问题；但同时也带来了加热体表面温度分布非常不均匀的情况。

而且氧化铝、氧化锆材料需要在1400℃以上高温进行烧结，配合其使用的高温电极浆料主要有钨浆、金浆、铂浆等，但钨浆需要在惰性气氛或还原气氛下烧结，对工艺要求较高；铂浆、金浆等可以在氧化气氛下烧结，但材料本身成本昂贵。

同时，采用氧化铝制作的加热针存在升温速度慢(8～10秒升到350℃)、焊接区温度高(高于100℃)、功耗高的缺点，并且产品表面的温度差较大(10 秒内温差在20～40℃)；而采用氧化锆陶瓷来制作加热针，虽然可以提升产品的升温速度(5秒左右升温到350℃)、降低产品焊线区的温度(小于100℃)，但产品的温度差却增大了(10秒内温差50℃以上)；而采用氧化铝和氧化锆的混合物对热导率的影响不大，也无法解决上述问题。

综上所述，现有技术中缺乏一种表面温度迅速分布均匀且焊线区温度低的针状加热体。

发明内容

本实用新型为了解决现有技术中缺乏一种表面温度迅速分布均匀且焊线区温度低的针状加热体的问题，提供一种电子烟用陶瓷加热体。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：

一种电子烟用陶瓷加热体，包括：陶瓷内芯和卷绕在所述陶瓷内芯上的陶瓷基片，在所述陶瓷基片和陶瓷内芯的贴合面设置有加热电路，在所述陶瓷基片外设置有导热层，所述导热层的导热率大于所述陶瓷基片的导热率；所述导热层为银层、银钯层或银铂层，使得所述陶瓷内芯和所述陶瓷基片采用低温烧结材料。

在本实用新型的一些实施例中，还具有如下特征：

所述陶瓷内芯和所述陶瓷基片为具有高抗弯强度、低热导系数的LTCC材料，其抗弯强度≥250MPa，热导系数≤5.0W/m.K。

在所述导热层外设置有绝缘层，所述绝缘层的材质与所述陶瓷内芯、所述陶瓷基片的材质相同。

所述导热层是通过将导热电极浆印刷在所述绝缘层上再卷绕在所述陶瓷基片外侧一起烧结而成型的。

所述导热层为银层、银钯层或银铂层；所述陶瓷内芯、所述陶瓷基片在第一烧结温度共烧而成得到坯体；在所述坯体表面通过浸涂、喷涂制作所述导热层，在所述导热层外设置一层疏油的保护釉层，所述导热层与所述保护釉层一同在低于所述第一烧结温度的第二烧结温度下烧结，或分次在低于所述第一烧结温度的第三烧结温度、第四烧结温度下烧结。

所述导热层的热导率与所述导热层的厚度的乘积大于5500mW/K。

所述导热层为银层时，所述银层的厚度为10～15μm。

所述导热层上有空洞部位，使得绝缘层和所述陶瓷基片在所述空洞部位能接触融合。

所述导热层为网格状，网格有效面积占比与网格的厚度的乘积不低于没有网格的导热层的厚度。

还包括测温电路，所述测温电路和所述加热电路设置在同一层所述陶瓷基片上，或设置在不同层的所述陶瓷基片上。

所述内芯为带有柱状本体和尖部的棒状，所述陶瓷基片贴合在柱状本体的上部，从而使电子烟用陶瓷加热体轴向上依次为尖部、发热部和端部，所述柱状本体的截面形状为圆形、椭圆形或圆角矩形。

本实用新型的有益效果为：提供电子烟用陶瓷加热体，通过在陶瓷基片外贴合一层导热率大于所述陶瓷基片的导热率的导热层，可以迅速的平衡陶瓷加热体表面的热分布，使陶瓷加热体表面温度均匀；同时，导热层的存在降低了对陶瓷基片热导率的要求，使其可采用低热导率材料，从而可以降低功耗、降低焊线区温度。

更进一步的，采用银层、银钯层或银铂层作为导热层，使得所述陶瓷内芯和所述陶瓷基片可以采用低温烧结材料，不但成本低、工艺简单，而且低热导系数的LTCC材料极易获得，完美配合了陶瓷基片采用低热导率材料的要求。

附图说明

图1是本实用新型实施例中第一种电子烟用陶瓷加热体的平面展开结构示意图。

图2是本实用新型实施例中第二种电子烟用陶瓷加热体的外观示意图。

图3是本实用新型实施例中第三种电子烟用陶瓷加热体的平面展开结构示意图。

图4是本实用新型实施例中第四种电子烟用陶瓷加热体的平面展开结构示意图。

图5是本实用新型实施例中第一种电子烟用陶瓷加热体的横截面示意图。

图6是本实用新型实施例中第二种电子烟用陶瓷加热体的横截面示意图。

图7是本实用新型实施例中导热层的温度与电子烟陶瓷加热体表面的温度差的关系示意图。

图8是本实用新型实施例中导热层的热导率与电子烟陶瓷加热体表面的温度差的关系示意图。

图9是本实用新型实施例中导热层的温度和热导率的乘积与电子烟陶瓷加热体表面的温度差的关系示意图。

其中，1-陶瓷内芯，2-加热电路，3-测温电路，4-导热层，5-印有导热层的绝缘层，6-陶瓷基片，7-预留通孔，8-绝缘层，9-陶瓷基片。

具体实施方式

为了使本实用新型实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“表面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

电子烟陶瓷加热体只要有管状、片状、针状三大类，主要采用氧化铝或氧化锆陶瓷来制作，配合高温烧成的钨浆、铂浆、金浆等作为电极材料，成本比较高。大部分的是用氧化铝，电极材料用钨，主要问题是氧化铝的热导率高，加热时热量通过瓷体扩散快，导致加热体的后端温度升高，不但热量散失严重还会导致其他器件发热，所以需要低导热的法兰环来阻热，成本增加。用低导热材料氧化锆去做，虽可解决氧化铝材料的升温慢、功耗高、后端温度高的问题，与之匹配的发热电极需要铂、钯、金的价格高。

更进一步的，对于电子烟陶瓷加热体一般采用加热电路加热，加热电路的设置存在不均匀性，瓷体的低热导率又会阻碍热量的扩散，所以存在短时间内陶瓷加热体的加热部温度不均匀的问题。温度不均匀就会导致电子烟的有些地方烧烤不充分而导致烟雾量减少；有些地方过分烘烤而产生焦糊味，并产生很多对身体有害的物质。

如图1所示，本实用新型提供一种电子烟用陶瓷加热体，包括：陶瓷内芯1 和陶瓷基片6，在陶瓷基片6和陶瓷内芯1的贴合面印刷有加热电路2，在陶瓷基片6外贴合一层导热层4，导热层4的导热率大于陶瓷基片6的导热率。

如图2所示，为电子烟用陶瓷加热体的外观示意图。

因为加热电路2的是U形往复或者Z形缠绕设置的电阻发热电路，所以有发热电路的地方温度高没有发热电路的地方温度低，陶瓷基片的表面会存在很大的温度差，温度均匀性差；针对加热体表面温度不均匀的情况，本实用新型采用在加热体发热区的表面增加一层高热导率材料的导热层，导热层的热导率大于陶瓷基片材料，可以迅速的平衡加热体表面的热分布，使加热体表面温度均匀。

导热层的热导率高于陶瓷基片的热导率有助于将加热电路产生的热量迅速扩散，使加热体表面的温度在短时间内即可均化。且，不限于上述针式加热体，在片式加热体的单面或双面的指定区域、管式加热体的内表面中亦可加上导热层来改善加热体的表面温度分布。

在本实用新型的一种实施例中，导热层为银层、银钯层或银铂层，即：与发热层材料相同。像发热层一样，采用此种材料可避免采用铂、金等材料时成本高昂的问题，但此时导热层存在既导热又导电的问题，因此本实施例在导热层外设置绝缘层，绝缘层的材质与陶瓷内芯、所述陶瓷基片的材质相同，这样每层的收缩率相近，有效避免分层的问题。制作时，导热层的导热电极浆印刷在绝缘层上再缠绕在陶瓷基片外侧一起烧结成型，这就要求导热层与陶瓷基片的烧结条件相同，烧结条件包括烧结温度和烧结气氛。在本实用新型中，采用的导热层价格相对于便宜，成本低。设置绝缘层以后，可以使得陶瓷加热体容易清洁，不易产生有害物质。

在本实用新型的又一种实施例中，导热层为同样采用银层、银钯层或银铂层；同样，为了避免漏电需要在导热层外增加一层绝缘层。但是制作方法与前面的不同，陶瓷内芯、陶瓷基片在第一烧结温度高温共烧而成得到坯体；在坯体表面通过浸涂、喷涂制作所述导热层，在导热层外设置一层疏油的保护釉层，导热层与保护釉层一同或分次在低于所述第一烧结温度的烧结温度下烧结，一般在 700～900℃。

上述导热层的设置仅仅是示例性的，导热层可以采用所有的高导热的材料，但要可以低温烧结、不需要特殊气氛条件的高导热材料最好。导热层的厚度、热导率以及导热层的结构，均会影响其平衡热分布的效果，当导热层为完整的膜状结构时，导热层的厚度与热导率的乘积大于5500mW/K时才能更好的体现其改善温度分布的均匀性的效果。

在本实用新型的另一种实施例中，导热层是个金属套管或其他高导热材料制作的套管，用高温导热胶粘在产品外表面上。

导热层为整体膜层，这样导热效果最好。为了避免在烧结过程因收缩率不同而造成的导热层与卷绕层的分层剥离风险，或在使用过程中因热胀冷缩所造成的分层剥离风险，在所述导热层上设有空洞部位，使得绝缘层和陶瓷基片在所述空洞部位能接触融合，这样，由于是同种材料融合，就不易产生分层剥离现象。实现空洞部位设置的方法有多种，比如可将所述导热层设置为网格状，则网眼部位即为空洞部位。

在本实用新型中陶瓷内芯和陶瓷基片采用具有低热导系数的LTCC材料，即采用低导热率的材料来解决升温速度慢、功耗高、底部焊线位置的温度过高等缺陷；同时，采用导热层解决了温度在短时间内分布不均匀的问题。考虑 LTCC的导热性能和绝缘材料可选择：日本N公司的M63(热导系数4.1W/m.K，抗弯强度400MPa)、M28(热导系数1.9W/m.K，抗弯强度290MPa)，德国H公司的X材料(热导系数2.8W/m.K，抗弯强度280MPa)等。

LTCC材料(低温共烧陶瓷材料)具有较高抗弯强度、低导热系数(抗弯强度：≥250MPa；导热系数：≤5.0W/m.K)，用其制作加热体存在以下优点:

(1)烧结温度低(850～900℃)，可以配合采用低温烧结的电极浆料如银浆、银钯浆、银铂浆等，且不需要气氛保护。

(2)因瓷体材料热导率低，热量通过瓷体扩散减少，同时，瓷体材料的密度较氧化锆材料低，其本身的热容也相应减少，功耗降低，使产品具有升温速率更快、底部焊点位置温度低等明显优点。

(3)瓷体抗弯强度高，产品不易在使用时因受外力而损坏。

在一个实施例中，采用针状的陶瓷加热体，所述内芯为带有柱状本体和尖部的棒状，所述陶瓷基片贴合在柱状本体的上部，从而使电子烟用陶瓷加热体轴向上依次为尖部、发热部和端部，陶瓷内芯本体的截面形状为圆形、椭圆形或圆角矩形；在端部设置焊盘可以采用低温锡焊焊接引线，工艺更简单。

如图3和图4所示，在本实用新型的一种实施例中，陶瓷加热体还包括测温电路3，测温电路3和加热电路2印刷在同一层陶瓷基片上或印刷在不同层的陶瓷基片上。由预先印刷好加热电路2、测温电路3、导热层4，以及在特定位置预留有连接通孔7的陶瓷基片5，在陶瓷生坯的内芯1上进行缠绕成型，对缠绕好的坯体进行等静压压实，使陶瓷基片各层之间、生料片与生坯芯棒之间结合紧密，随后通过加热高温排除产品生坯中的有机成分，再高温烧结成型，通过预先设计好的连接通孔将内部电极引到棒状瓷体表面并焊上引线而成。

上述中的陶瓷生坯的内芯，由有机粘合剂(如丙烯酸树脂、PVA、PVB、石蜡等热塑性树脂)、陶瓷粉体、增塑剂、分散剂、脱模剂等组成，经过混炼成瓷泥后，采用注射成型或模塑成型等方法制作而成。

上述中的陶瓷基片，其陶瓷材料与内芯相同，由有机粘合剂(如丙烯酸树脂、PVB、PVA、聚丙烯酰胺等热塑性树脂)、陶瓷粉体、分散剂、增塑剂、溶剂等配制成浆料，经过流延成膜，按需切断成为生料片。

上述的陶瓷基片，其烧结收缩率不小于陶瓷内芯的烧结收缩率，以避免在烧结时内芯收缩过大而导致基片与内芯结合不良。

为了避免在烧结过程因收缩率不同而造成的芯棒与陶瓷基片的分层剥离风险，或在使用过程中因热胀冷缩所造成的分层剥离风险，在所述芯棒上设有空洞部位，使得芯棒和陶瓷基片在所述空洞部位能接触融合，这样，由于是同种材料融合，就不易产生分层剥离现象。实现空洞部位设置的方法有多种，比如可将所述导热层设置为网格状，则网眼部位即为空洞部位。

为了防止芯棒表面的不平整会影响卷绕层电极的可靠性，可设置成芯棒表面上仅在无电极对应的部位设有空洞，这样，空洞部分与电极不接触，不会影响电极的可靠性。

另外，空洞也可以改为凸起；并且还可以设置成该凸起上有倒刺或倒钩，以便更进一步增加芯棒与陶瓷基片的结合力，减少分层剥离风险。

如图5和图6所示，上述的料片印刷，印刷图案包含加热电路、测温电路以及导热层，在缠绕成型后分别形成加热层、测温层、导热层，其中加热层和导热层要在加热体上各形成一层，测温层可以与加热层合并在一层，也可以单独设置为一整层；加热电路为必备，测温电路及导热层可视产品不同需求进行删减。上述印刷的陶瓷基片，视其图案的组成，在内芯上进行缠绕成型时，可缠绕的功能层层数最少为1层，最多可3层。

如图7所示，图中纵坐标为加热体表面的温度差，单位为℃，横坐标为导热层的厚度，单位为μm。采用的陶瓷材料的热导率为4.1W/m.K，在没有导热层时，加热体表面温度差达到120℃；采用银作为导热层(热导率429W/m.K)，导热层的导热效果随其厚度增加而增加，在导热层厚度达到5um时即可发挥一定的效果，加热体表面温度差降低到53℃；导热层厚度在达到10um后，加热体表面温度差降低到26℃；再增加厚度仍然会对导热效果有改善，但根据实际的要求，以及综合成本控制、工艺的难度，导热层厚度以10～15um为佳。

如图8所示，图中纵坐标为加热体表面的温度差，单位为℃，横坐标为导热层的热导率，单位为W/m.K。导热层对产品表面的热均匀分布效果随其热导率增加而增加，采用的陶瓷材料的热导率为4.1W/m.K，在保持15um的导热层厚度下，导热层热导率在200W/m.K以下时，产品表面温度差大于50℃；而当导热层热导率达到300W/m.K时，产品表面温度差减小到25℃。

如图9和表一所示，图9中纵坐标为温度差，单位为℃，横坐标为导热层的厚度与导热层的热导率的乘积，导热层对产品表面的热均匀分布的效果随其热导率与厚度的乘积相关，该乘积越大，效果越好，要达到陶瓷加热体表面温度差在短时间内(通电5秒)小于20度，该乘积要大于5500mW/K。

表一 通电5S后陶瓷加热体的测试结果

其中，导热层厚度单位为um；导热层热导率单位为W/m.K。

上述的导热层，其结构可采用整体膜层，也可采用网格状等设计，但相对于整体导热膜层，网格导热层的网格空间占比与网格线厚度的乘积不能小于整体导热层的膜层厚度，否则导热效果将下降。

采用本实用新型的陶瓷加热体可在3～5秒内升到350℃的设定温度，在达到 350度温度的同时，产品表面的温度差不超过20℃；在维持350℃的温度30秒后，产品焊线区温度小于100℃；并且，与氧化锆制成的产品对比，其维持产品在350℃时所需的加热功率要小1/3(达到350℃温度后维持30秒时的加热功率)。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，包括：陶瓷内芯和卷绕在所述陶瓷内芯上的陶瓷基片，在所述陶瓷基片和陶瓷内芯的贴合面设置有加热电路，在所述陶瓷基片外设置有导热层，所述导热层的导热率大于所述陶瓷基片的导热率；所述导热层为银层、银钯层或银铂层，使得所述陶瓷内芯和所述陶瓷基片采用低温烧结材料。

2.如权利要求1所述的电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，所述陶瓷内芯和所述陶瓷基片为具有高抗弯强度、低热导系数的LTCC材料，其抗弯强度≥250MPa，热导系数≤5.0W/m.K。

3.如权利要求1所述的电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，在所述导热层外设置有绝缘层，所述绝缘层的材质与所述陶瓷内芯、所述陶瓷基片的材质相同。

4.如权利要求3所述的电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，所述导热层是通过将导热电极浆印刷在所述绝缘层上再卷绕在所述陶瓷基片外侧一起烧结而成型的。

5.如权利要求1所述的电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，所述导热层为银层、银钯层或银铂层；

所述陶瓷内芯、所述陶瓷基片在第一烧结温度共烧而成得到坯体；

在所述坯体表面通过浸涂、喷涂制作所述导热层，在所述导热层外设置一层疏油的保护釉层，所述导热层与所述保护釉层一同在低于所述第一烧结温度的第二烧结温度下烧结，或分次在低于所述第一烧结温度的第三烧结温度、第四烧结温度下烧结。

6.如权利要求1所述的电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，所述导热层的热导率与所述导热层的厚度的乘积大于5500mW/K。

7.如权利要求1所述的电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，所述导热层为银层时，所述银层的厚度为10～15μm。

8.如权利要求1所述的电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，所述导热层上有空洞部位，使得绝缘层和所述陶瓷基片在所述空洞部位能接触融合。

9.如权利要求8所述的电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，所述导热层为网格状，网格有效面积占比与网格的厚度的乘积不低于没有网格的导热层的厚度。

10.如权利要求1-9任一所述的电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，还包括测温电路，所述测温电路和所述加热电路设置在同一层所述陶瓷基片上，或设置在不同层的所述陶瓷基片上。

11.如权利要求1-9任一所述的电子烟用陶瓷加热体，其特征在于，所述内芯为带有柱状本体和尖部的棒状，所述陶瓷基片贴合在柱状本体的上部，从而使电子烟用陶瓷加热体轴向上依次为尖部、发热部和端部，所述柱状本体的截面形状为圆形、椭圆形或圆角矩形。

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