CN214629897U - 多种tcr电阻分区组合内热式电子烟加热棒 - Google Patents

Abstract

多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒，基杆的圆柱面上有玻璃隔离层、电加热层、玻璃保护层，电加热层包括两个薄膜状的相互电绝缘的第一电阻层和第二电阻层，第一电阻层和第二电阻层的上端互相电相连，第一电阻层和第二电阻层的下端各有一个引出电极，第一电阻层和第二电阻层各自包含一个电阻层本体；电阻层本体被横向线条分割成互相串联的若干横条；电阻层本体由相互连接的上部电阻层和下部电阻层构成，上部电阻层的下端电连接下部电阻层的上端；上部电阻层的温度电阻系数TCR值小于下部电阻层的温度电阻系数TCR值，同时上部电阻层的初始电阻值大于下部电阻层的初始电阻值。本实用新型既能快速出烟又采用控制简单的2线制加热方式。

Description

多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒

技术领域

本实用新型涉及一种电子烟具的加热棒。

背景技术

内热式电子烟加热棒是用来插在特制的烘烤式香烟中对烟草进行烘烤产生供人吸用的烟气的。烘烤过程中，烟草不燃烧，没有明火也不形成烟灰，由于不燃烧，产生的有害物可以减低很多，没有二手烟，是一种相对低毒害的抽烟方式。烘烤式香烟比一般的香烟短，烟丝长度一般12-15mm、直径φ7.2-7.5mm左右。内热式电子烟加热棒由于要插在烟支里面加热，一般直径在φ2mm左右，加热电压为小于4V的直流电压。烟支烘烤温度为280～350℃，温度过高就要烤焦，太低则烤不出烟味道。内热式电子烟加热棒理想的发热长度为10～12mm，发热区温度控制在330±10℃，烟的口感饱和度、烟气、烟雾量就会很好。

理想的加热棒是：

1、棒体需要足够的强度韧性，以防止折断；

2、升温速度，特别是棒体上部要快，要求加热15s即能出烟；

3、插在烟丝里面的棒体12-15mm需要恒定的温度，以便充分烘烤烟支；

4、尾部安装导线的部位温度越低越好，这样加热棒的温度就不会传导至烟具外部，以免烫手，也就是该热的热，该冷的冷；

5、棒的基体材料热导率必须要低，以利于降低尾座温度。

通常的加热棒尺寸φ2*20mm，在满足烟支烘烤条件时，通过试验发现：氧化锆棒(热导率2-3W/(m.k))的尾座温度在110℃左右，氧化铝棒(热导率20-30W/(m.k))的尾座温度在240℃左右，可见棒基体材料对尾座温度影响非常大。

氧化锆强度韧性兼容、热导率低、尾座温度低，因此选择氧化锆作为加热棒基体是理想的。

传统烟草点燃后即能抽烟，不用等待，但烘烤型的新型烟草必须在300度以上烘烤15s后才能有较好的口感，新型烘烤型烟草长度较短，整个加热抽烟过程大概在200s左右，比传统烟草抽吸时间要短，如升温占用很长时间，那有效抽吸的时间会更短，体验不佳。因此快速升温、快速匀场是内热式电子烟加热棒的重要指标。既然选择了氧化锆作为加热棒的基体材料，那么如何在氧化锆基体上布置发热线路来达到上述快速升温、快速匀场的目的就是要解决的问题。

一个事情看两面，选择氧化锆作为基体材料也会带来弊端，氧化锆棒的低热导率会造成加热区的温度场均匀的时间会比氧化铝棒或金属棒慢很多，如印刷电阻区布线不合理，其温度梯度会非常大，加热段10-12mm电阻布线区的温差会超过100℃，无法满足烟支烘烤条件。

中国专利202020553954.6介绍了一种内热式电子烟加热棒，其疏密相间的“弓”形结构布线，其能获得很长的恒温区间，满足抽吸过程对恒温场的要求，加热抽吸中段至后段的烟感是可以满足要求的。其初始加热发热点的位置靠近棒的下部尾座，也就是烟支的下部，虽然此处2-3秒即可上升到350℃，但由于氧化锆材料低热导率造成温度匀场时间长，烟支整体或上部没有得到充分的烘烤，加热15s后的第一口烟效果不理想。

中国专利202021242329.6介绍了一种四线加热内热式电子烟加热棒，其棒体上部能在2-3秒即可上升到350℃，烟支上部得到充分烘烤，能够实现15s快速出烟，也能获得很长的恒温区间，整个抽吸过程感觉很好，但其制造、装配复杂，温度控制线路也有复杂，不利于烟具的小型化。

如何找到一种既能快速出烟又控制简单的2线制加热方案是当前急需解决的问题。

发明内容

本实用新型要克服现有技术的上述技术问题，提出一种2线加热的多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒，不仅能得到很长的轴向温度均匀加热长度，同时能将加热棒尖头部温度迅速提升，实现快速温度均匀。

多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒，包括圆柱形的基杆1，基杆1远离烟具吸嘴的一端为上端、靠近烟具吸嘴一端为下端，基杆的上端呈锥形，基杆的圆柱面上有一层玻璃隔离层，玻璃隔离层外有一层电加热层，电加热层外有一层玻璃保护层，电加热层包括两个薄膜状的相互电绝缘的第一电阻层和第二电阻层，第一电阻层和第二电阻层上垂直于基杆1的轴线方向称为横向，第一电阻层和第二电阻层的上端互相电相连，第一电阻层和第二电阻层的下端各有一个引出电极3，第一电阻层和第二电阻层各自包含一个电阻层本体；电阻层本体上设置有若干条自电阻层本体左侧边引出的横向的第一缝41a和自电阻层本体的右侧边引出的横向的第二缝41b,第一缝41a和第二缝41b的长度均小于电阻层本体的宽度，且沿轴线方向第一缝41a和第二缝41b交替排列，将电阻层本体分割成互相串联的若干横条；其特征在于：

电阻层本体由相互连接的上部电阻层和下部电阻层构成，所述的上部电阻层靠近所述的锥形，下部电阻层远离所述的锥形；上部电阻层的下端电连接下部电阻层的上端；

上部电阻层的温度电阻系数TCR值小于下部电阻层的温度电阻系数TCR值，同时上部电阻层的初始电阻值大于下部电阻层的初始电阻值。

优选地，上部电阻层的下端电连接下部电阻层的上端的具体结构是：上部电阻层的下端与下部电阻层的上端有一个印刷重合区。

优选地，上部电阻层和下部电阻层的横条的宽度相同，上部电阻层的方阻大于下部电阻层的方阻。

或者，上部电阻层的横条的宽度小于下部电阻层；上部电阻层的方阻大于下部电阻层的方阻。

优选地，基杆的底部插接在一个陶瓷的方形的基座的圆孔里，基座的下底面上有四块L形的凸块，四块L形的凸块均布于圆孔的圆周，L形的凸块的L形的内凹部朝向圆孔，基座套合并固定在基杆的下部，位于引出电极外，每个L形的凸块正对着一个引出电极，引出电极的下半段。

优选地，2根加热的引出导线分别连接两个半圆柱面形的电阻层引出电极。

所述加热棒包括的上部加热区3和下部加热区4通过重叠连接区35连接成为一个完整的由很多横条互相串联的加热区结构。对引出导线7通电加热时，相互串联的各横条通过的电流相等，在加热小于设计规定的工作温度时，上部加热区3的电阻比下部加热区4大，所述加热棒的中上部发热量大、温度上升快；下部加热区4的电阻TCR比上部加热区3的电阻TCR高、温度上升后其电阻增长率超过上部加热区3，在加热等于或大于设计规定的工作温度时，下部电阻层41随温度上升的动态电阻等于或大于上部加热区3的电阻、下部加热区的温度也迅速接近或超过上部加热区3的温度，由此，实现加热区上部电阻层31区域和下部电阻层41区域的温度平衡。这样的设计不仅实现了所述加热棒升温过程中上部区域的快速升温，也实现了所述加热棒在达到设计规定的工作温度时加热区的温度快速均衡。

当刚开始对引出电极施加电压加热时，上部电阻层的电阻大，其温度迅速上升，当温度上升到一定程度时，由于上部电阻层的TCR小于下部电阻层，因此下部电阻层电阻增加较快，下部电阻层得到串联电路上更多的分压，下部电阻层发热功率增加了，可以实现加热棒上部和下部的加热均衡。这样的结构不仅实现了上部的快速加热、快速出烟的效果，同时也能保证整个抽烟过程的整个加热棒的温区长度及均匀性。

本实用新型的优点是：加热棒中上部升温快、加热区匀场快、基座温度底；是控制方便的2线制方案，有利于烟具小型化。

附图说明

图1是本实用新型的正向视图；

图2是本实用新型的侧向视图；

图3是本实用新型的背向视图；

图4是本实用新型的电加热层、玻璃隔离层和玻璃保护层的展开图；

图5是基杆的正向视图；

图6是烧结了玻璃隔离层后的基杆的正向视图；

图7是烧结了电加热层后的基杆的正向视图；

图8是视角斜上方时基座的立体图；

图9是基座的仰视图；

图10是视角斜下方时基座的立体图；

图11是图9的A-A剖视图；

图12是本实用新型安装了基座的结构图；

图13是本实用新型安装了基座和引出导线的立体示意图；

图14是等线宽无TCR分区加热棒恒温时轴向温度分布热像图；

图15是本实用新型升温2.5s、5s轴向瞬时温度分布热像图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，权利要求和说明书中术语“一”应理解为“一个或多个”，即在一个实施例，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。除非在本实用新型的揭露中明确示意该元件的数量只有一个，否则术语“一”并不能理解为唯一或单一，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1、图2和图3所示，本实用新型的多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒，包括圆柱形的基杆1，基杆1的一端呈锥形11，加热棒通过锥形11导向插入烟支，靠近锥形11为上端、远离锥形11为下端。基杆1的圆柱面上有一层玻璃隔离层2，玻璃隔离层2外有上部加热区3和下部加热区4，上、下部加热区外有一层玻璃保护层5。

上部加热区3靠近锥形11，下部加热区4远离锥形11；上部加热区3的下端与下部加热区4的上端有重叠的电连接区35；上部加热区3的常温电阻大于下部加热区4的常温电阻(常温为25℃)，以实现初始升温段加热棒的中上部快速升温；下部加热区4的电阻温度系数TCR值高于上部加热区3的电阻温度系数TCR值，以实现升温后段，下部电阻层41的电阻迅速接近或超过上部电阻层31，从而实现加热棒加热区温度的快速均衡。

上部加热区3包括两个小于半圆柱面的薄膜状的沿基杆1轴线互为镜像的相互电绝缘的上部电阻层31，两个上部电阻层31的上端互相电连接、下端各有一个重叠连接区35；下部加热区4包括两个小于半圆柱面的薄膜状的沿基杆1轴线互为镜像的相互电绝缘的下部电阻层41，两个下部电阻层41的上端各有一个重叠连接区35、下端各有一个引出电极45；上部加热区3和下部加热区4通过所述的重叠连接区35实现电连接，组合成为串联电路结构，并通过引出电极45连接到外部；

所述的加热棒包括至少两个紧贴于所述基杆1面的上述加热区，可在上部加热区3与下部加热区4之间插入中部加热区，来获得期望的温度分布特征。

两个上部电阻层31和两个下部电阻层41垂直于基杆1的轴线方向称为横向，上述各电阻层本体上设置有若干条自各电阻层本体与基杆1的轴线平行的一侧边引出的横向的第一缝31a和其相对侧侧边引出的横向的第二缝31b,第一缝31a和第二缝31b的长度均小于各电阻层本体的宽度，且沿基杆1的轴线方向第一缝31a和第二缝31b交替排列，将各电阻层本体分割成互相串联的若干横条，上部加热区3包括的两个上部电阻层31和下部加热区4包括的两个下部电阻层41通过两个重叠连接区35连接成为一个有更多横条互相串联的加热区结构，改变横条的宽窄或缝隙的大小能改变其阻值的大小，从而也能改变该横条区域的发热功率。

上部加热区3的电阻材料的方阻(1*1mm的电阻值称为方阻)大于下部加热区4的电阻材料的方阻；或者，上部电阻层31的横条宽度小于下部电阻层41的横条宽度。这样可以很方便的调整上下部加热区3、4的常温电阻值(常温为25℃)。

加热棒的基体材料为氧化锆，是良好的耐火材料，其热导率2～3W/(m.k)，差不多只有氧化铝棒的十分之一，如加热区设置不合理依托氧化锆材料自身固有的热导率达到温度均匀是不够的，如图14为等横条宽度、等间隙、无TCR分区设计方案的加热棒最高温度350℃恒温阶段热像图轴向温度场分布，试验表明：符合340±10℃的的轴向长度非常短，其加热区域的温度差超过100℃，显然，这样是不符合烟丝烘烤的要求。

采用下部加热区4的电阻温度系数TCR高于上部加热区3的电阻温度系数TCR，上部加热区3的常温电阻大于下部加热区4的常温电阻，能解决初始升温段加热棒的中上部快速升温问题，但并不能保证恒温阶段获得长度够、温差小的加热棒轴向温场，氧化锆棒如要得到符合要求的恒温场，合理布置上下部电阻层31、41的横条宽窄、缝隙的大小也非常关键。

因为烟具需要小型化，空间有限，加热棒外形尺寸又小又短，能布置加热区的长度小于12mm，而期望的有效温场尽量长，也就是希望加热区两端能有很大的温度梯度，因此增加加热区两端的发热功率成为一种选择。为了进一步获得温度一致性好、轴向长度够的温场，上部电阻层31位于上端的横条33的宽度小于位于下端的横条34宽度，或者，上部电阻层31横条的宽度自上端至下端逐渐变宽，这样的设计可以补偿加热棒锥形11及靠近锥形处加热棒基体未布置电路区域所散失的热量；下部电阻层41位于上端的横条43的宽度大于位于下端的横条44宽度，或者，下部电阻层41横条的宽度自上端至下端逐渐变窄，这样的设计可以补偿加热棒安装基座6及下部加热区4引出电极45区域所散失的热量。

这种电子烟加热棒还可以包括一个如图8和图9所示的方形的基座6，基座6的中心有一个可套合在基杆1上的圆孔61，基座6的下底面上有四块均布于圆孔的圆周的L形的凸块62，如图10和图11所示，四块L形的凸块62位于圆孔61的两侧L形的凸块62的L形的内凹部63朝向圆孔61。如图12所示，基座6套合并固定在基杆1的下部，位于下部加热区4的引出电极45的外侧。两个L形的凸块62正对着下部加热区4两个引出电极45的下半段。基座6用来将加热棒固定到烟具上，基座6的底面上的L形的凸块62的内凹部63与引出电极45之间的空隙可用来安装引出导线7：基座6套合并固定到基杆1的下部后，在L形的凸块62的内凹部63中注入一些导电可焊银浆，把引出导线7的一端插入L形的凸块62的内凹部63中，烧结后，引出导线7即与下部加热区4引出电极45相固定住，成为图13所示的结构。

本实用新型的电阻加热区可以采用高精密圆柱面厚膜印刷法来制作，可以采用先印在平面的氧化铝、氧化锆薄膜上再包裹到氧化锆棒上面共烧的方法来制作，也可以采用其他方式比如溅射沉积等。采用高精密圆柱面厚膜印刷法制作的工艺流程如下：(1)在图5所示的氧化锆陶瓷基杆1上印刷底层无孔玻璃隔离层浆料；(2)850℃烧结，得到玻璃隔离层2，成为图6所示的结构；(3)在玻璃隔离层上2印刷低TCR值电阻浆料；(4)850℃烧结，得到上部加热区3，成为图7所示结构；(5)再在玻璃隔离层2印刷高TCR值电阻浆料；印刷时应确保与上部加热区3有一个重叠区35；(6)850℃烧结，得到下部加热区4。上部加热区3和下部加热区4形成一个有引出电极45的串联电路结构，成为图2所示结构；(7)印刷玻璃保护层5；(8)850℃烧结，形成高耐磨抗污染的玻璃表面釉；(9)用玻璃浆料将基座6粘好；(10)650℃烧结，成为图12所示结构；(11)在凸块62的内凹部63中注入导电可焊银浆，插入引出导线7；(12)650℃烧结，成为图13所示结构。

本实用新型的控制原理为：上部加热区3和下部加热区4通过重叠连接区35连接成为一个完整的由很多横条互相串联的加热区结构。对引出导线7通电加热时，相互串联的各横条通过的电流相等，在加热小于设计规定的工作温度时，上部加热区3的电阻比下部加热区4大，所述加热棒的中上部发热量大、温度上升快；下部加热区4的电阻TCR比上部加热区3的电阻TCR高、温度上升后其电阻增长率超过上部加热区3，在加热等于或大于设计规定的工作温度时，下部电阻层41随温度上升的动态电阻等于或大于上部加热区3的电阻、下部加热区的温度也迅速接近或超过上部加热区3的温度，由此，实现加热区上部电阻层31区域和下部电阻层41区域的温度平衡。这样的设计不仅实现了所述加热棒升温过程中上部区域的快速升温，也实现了所述加热棒在达到设计规定的工作温度时加热区的温度快速均衡。

当上、下部加热区3、4的电阻温度系数TCR确定后，通过调整上下部加热区3、4的方阻，再通过调整上下部电阻层31、41本体横条的宽窄、缝隙的大小，能方便的找到一种在升温段及设计规定的恒温段的温度场分布都比较理想的加热棒方案。

如图15为多种TCR分区组合内热式电子烟加热棒升温瞬时热像图温度场分布。标号100曲线为加热棒通电升温2.5s瞬时的轴向温度场分布。标号101曲线为加热棒通电升温5s瞬时的轴向温度场分布。所述的加热棒设计规定的工作温度为350℃。

需要指出，本实用新型加热棒在设计上部加热区3和下部加热区4的常温电阻及电阻温度系数TCR时，应规定好确定的应用工作温度，不然可能达不到理想的加热方案。比如：设计指标规定的应用工作温度为350℃，而实际的应用工作温度只有200℃，在此温度时下部加热区4的随温度变化的动态电阻小于设计值，发热量也就达不到设计的要求，加热棒的下部加热区4的温度就会低于上部加热区3；反之，如实际应用的工作温度达到了450℃，在此温度时下部加热区4的随温度变化的动态电阻大于设计值，发热量也就超过设计的要求，加热棒的下部加热区4的温度就会高于上部加热区3。

本实用新型的控制举例：假定上部加热区3的电阻温度系数TCR为1550ppm/℃、常温等效电阻值0.4Ω；下部加热区4电阻温度系数TCR为3100ppm/℃、常温等效电阻值0.3Ω。当对引出导线7施加3.5V电压加热时，刚启动时，由于上部加热区3电阻大，其温度优先上升，当达到350度时，上部加热区3的电阻变为0.4*(1+(350℃-25℃)*1550ppm/℃)＝0.6Ω，下部加热区4的电阻变为0.3*(1+(350℃-25℃)*3100ppm/℃)＝0.6Ω，上部加热区3与下部加热区4的电阻相等、发热量一致；升温结束，即可降低电压转入恒温控制；升温、恒温阶段可以通过测量当前的随温度变化的动态电阻就能监测当前加热棒的实时温度。这样的设计不仅实现了加热棒升温过程中加热棒的中上部区域的快速升温，也实现了加热棒在设计规定的工作温度下加热棒的加热区温度快速均匀，从而实现了出烟快、烟感好、控制方便的要求。

Claims (6)

1.多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒，包括圆柱形的基杆，基杆远离烟具吸嘴的一端为上端、靠近烟具吸嘴一端为下端，基杆的上端呈锥形，基杆的圆柱面上有一层玻璃隔离层，玻璃隔离层外有一层电加热层，电加热层外有一层玻璃保护层，电加热层包括两个薄膜状的相互电绝缘的第一电阻层和第二电阻层，第一电阻层和第二电阻层上垂直于基杆的轴线方向称为横向，第一电阻层和第二电阻层的上端互相电相连，第一电阻层和第二电阻层的下端各有一个引出电极，第一电阻层和第二电阻层各自包含一个电阻层本体；电阻层本体上设置有若干条自电阻层本体左侧边引出的横向的第一缝和自电阻层本体的右侧边引出的横向的第二缝,第一缝和第二缝的长度均小于电阻层本体的宽度，且沿轴线方向第一缝和第二缝交替排列，将电阻层本体分割成互相串联的若干横条；其特征在于：

电阻层本体由相互连接的上部电阻层和下部电阻层构成，所述的上部电阻层靠近所述的锥形，下部电阻层远离所述的锥形；上部电阻层的下端电连接下部电阻层的上端；

上部电阻层的温度电阻系数TCR值小于下部电阻层的温度电阻系数TCR值，同时上部电阻层的初始电阻值大于下部电阻层的初始电阻值。

2.如权利要求1所述的多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒，其特征在于：上部电阻层的下端电连接下部电阻层的上端的具体结构是：上部电阻层的下端与下部电阻层的上端有一个印刷重合区。

3.如权利要求1或2所述的多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒，其特征在于：上部电阻层和下部电阻层的横条的宽度相同，上部电阻层的方阻大于下部电阻层的方阻。

4.如权利要求1或2所述的多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒，其特征在于：上部电阻层的横条的宽度小于下部电阻层；上部电阻层的方阻大于下部电阻层的方阻。

5.如权利要求1所述的多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒，其特征在于：基杆的底部插接在一个陶瓷的方形的基座的圆孔里，基座的下底面上有四块L形的凸块，四块L形的凸块均布于圆孔的圆周，L形的凸块的L形的内凹部朝向圆孔，基座套合并固定在基杆的下部，位于引出电极外，每个L形的凸块正对着一个引出电极，引出电极的下半段。

6.如权利要求5所述的多种TCR电阻分区组合内热式电子烟加热棒，其特征在于：2根加热的引出导线分别连接两个半圆柱面形的电阻层引出电极。

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