JP6104815B2 - 還元セラミック発熱体 - Google Patents

Description

本発明は、電気発熱体に関する。詳細には、本発明は、電気加熱式エアロゾル発生システムにおけるエアロゾル生成基体を加熱するための発熱体に関する。本発明は、発熱体を製造する方法、及び電気加熱式エアロゾル発生システムにおけるエアロゾル生成基体を加熱するための発熱体を製造する方法に関する。本発明は、電気作動式喫煙システムにおけるエアロゾル生成基体を加熱するための発熱体として、及び電気作動式喫煙システムにおけるエアロゾル生成基体を加熱するための発熱体を製造するための方法として、特定の用途を見出すものである。

欧州特許公開第０９１７８３０号等の先行技術の明細書には、たばこ製品を電気的に加熱する発熱体が開示されており、発熱体は、喫煙デバイスの長さ方向に沿って軸方向に延在すると共にその周囲で間隔を置いて配置される複数の別個の金属発熱体で構成される。発熱体は、必然的に複雑であり、複数の金属成形ステップを必要とするので製造するのに費用がかかる。

また、たばこ製品の中に直接挿入される内部発熱体が提案されている。これにより、全ての熱エネルギが感知媒体に伝達されるので効率の改善が可能になり、同時に、喫煙システムの小型化、特に断熱被覆材が必要なくなるので直径の縮径が可能になる。

欧州特許公開第０９１７８３０号公報

本発明では、製造が簡単で安価であり、電気作動式喫煙システムの内部発熱体としての使用に適する発熱体を提供することが好都合であること、及び発熱体デザインの柔軟性をもたらすこのような発熱体のための製造方法が好都合であることが分かっている。

本発明の第１の態様によれば、電気発熱体が提供され、該電気発熱体は、セラミック材料から成る本体と、該本体の上又は中に形成される導電性経路とを備え、導電性経路は、還元型セラミック材料から成り、電源に接続するための第１の接触部分及び第２の接触部分を有する。

導電性経路は、例えば、所定期間の間、本体を十分な温度の還元環境に置くことで形成できる。もしくは、導電性経路は、電解還元プロセスを利用して形成できる。いずれの場合も、導電性経路は、本体表面の導電層として好適に形成される。好ましくは、導電層の深さは１０μｍ未満である。導電層の深さは、温度及び処理時間といった形成条件を選ぶことで選択することができる。導電層が本体を覆う範囲は、導電性経路の一部を選択的にエッチングすることで、又は還元プロセスの間に本体の一部をマスキングすることで変更できる。このようにして、発熱体に関する所望の抵抗を得ることができる。好ましい実施形態において、発熱体の抵抗は０．５から２オームである。

本体は、完全に又は部分的に金属酸化物で形成することができ、導電層は、金属酸化物の金属部材で形成することができる。例えば、本体はジルコニアで形成することができ、導電性経路はジルコニウムで形成することができる。もしくは、本体はアルミナで形成すること、及び導電性経路はアルミニウムで形成することができる。

導電性経路は、抵抗発熱体として機能することができ、更に、本体上に多くの方法で設けることができデザインの柔軟性が高くなる。

本体は、射出成形及び焼結により形成できる。本体の形状及びサイズは特定の用途に適するよう選択できる。

導電性経路は、本体表面を完全に覆うことができる。もしくは、導電性経路は、本体表面上にパターンを形成することができる。パターンは、第１の接触部分と第２の接触部分との間に複数の導電性経路を定めることができる。

好ましくは、本体は、該本体の第１の端部に配置される第１の接触部分及び第２の接触部分を備える細長い形状であり、導電性経路は、該本体の第２の端部の間を延びている。

本体は、管形状又は平面形状といった他の形状で形成することができる。本発明により、発熱体に対して、導電層を形成するためにメッキ又は堆積技術を使用する場合に問題となる複雑な形状を使用することが可能になる。

好ましくは、本体は、実質的に円形の断面である。このことはエアロゾル生成基体に対する挿入及び除去が容易になるので好都合である。

本体は、ガラスといったパッシベーション層で覆うことができる。これにより導電経路の安定性が向上する。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様による１つ又はそれ以上の発熱体を備えるエアロゾル生成基体と、第１の接触部分及び第２の接触部分において発熱体に接続する電源とを収容するための、電気加熱式エアロゾル発生システムが提供される。

本発明の第３の態様によれば、電気発熱体を製造する方法が提供され、該方法は、セラミック材料から成る発熱体の本体を形成する段階と、発熱体の本体を十分な温度の還元環境に置き、該本体の上又は中に還元型セラミック材料から成る導電性経路を形成する段階と、導電性経路を電源へ接続するための電気的接触部分を提供する段階と、を含む。

好ましくは、発熱体の本体を形成する段階は、射出成形を行う段階を含む。もしくは、発熱体の本体を形成する段階は、熱間等静圧圧縮成形、鋳込成形、又は乾式成形を含むことができる。発熱体の本体を形成する段階は、更に機械加工を含むことができる。発熱体の本体を形成する段階は、焼成又は焼結を更に含むことができる。

好ましくは、還元環境は実質的に無酸素環境である。発熱体の本体を還元環境に置く段階は、本体を水素環境又は一酸化炭素環境に置く段階を含むことができる。好ましくは、水素環境は、水素ガスの流れから成る。本体の表面上に導電層を形成するのに十分な温度は、雰囲気及び本体の材料組成に依存する。しかしながら、好ましくは、十分な温度は、２００℃よりも高い。詳細には、十分な温度は１０００℃から１３００℃の間である。好ましくは、発熱体の本体を還元環境に置く段階は、少なくとも１時間、より好ましくは少なくとも２時間だけ発熱体の本体を還元環境に置く段階を含む。

好ましくは、本方法は、発熱体の本体を還元環境に置く段階に続いて、発熱体の本体上にパッシベーション層を形成する段階を更に含む。パッシベーション層は、導電性経路の再酸化を防止するか又は大幅に低減する。パッシベーション層は、化学蒸着又はプラズマ相蒸着技術を利用してガラスで形成することができる。

本発明の第４の態様によれば、電気発熱体を製造する方法が提供され、該方法は、セラミック材料から成る発熱体の本体を形成する段階と、発熱体の本体を還元電解質内に置き、発熱体の本体の電解還元を行い、該本体の上又は中に還元型セラミック材料から成る導電性経路を形成する段階と、導電性経路を電源へ接続するための電気的接触部分を提供する段階と、を含む。

還元電解質は、塩化カルシウムとすることができる。

本発明の実施形態は、例示的に、添付図面を参照して以下に詳細に説明される。

本発明の実施形態による発熱体を示す。 図１の発熱体の断面の概略図を示す。 本発明の方法の実施形態によるプロセス段階を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による喫煙物品に使用される発熱体の概略図である。

図１ａ及び１ｂは、本発明による発熱体の１つの実施例を示す。発熱体は、ジルコニア（二酸化ジルコニウム）で形成された本体１０を備える。本体は、略Ｖ字形であり、先端部１２及び２つの後端部１４、１６を有する。本体は、任意の所望の形状とすることができ、本実施例では、射出成形及びその後の必須の機械加工によって形成される。機械加工の後で、本体は焼成及び焼結されて剛体を形成するようになっている。本体１０の表面は、図２を参照して説明するように、金属ジルコニウム層１８で覆われている。ジルコニウム層１８は、ジルコニア本体１０に比べて相対的に導電性があり、抵抗発熱体として利用することができる。本実施例において、ジルコニウム層は約０．１Ω／ｍｍの抵抗を有する。

電気接触部２０、２２は発熱体の後端部に配置されており、銀ペーストから形成されている。銀ペーストは、発熱体と外部電源との間の電気接触部を形成するために使用され、その後、好ましくは不活性の無酸素雰囲気において電気接続部を硬化させることができる。レーザ溶接、プラズマアーク溶接、又はガスタングステン溶接といった電気接触部を提供する他の方法を利用することができる。しかしながら、還元セラミックの酸化を防止するために、溶接は、不活性な無酸素又はまさに還元性雰囲気で行う必要がある。

電気接触部を経由して発熱体の両端に電圧を印加すると表面層に電流が流れるので、結果的に表面層のジュール加熱がもたらされる。図１に示す発熱体の両端に８Ｖの電圧を印加することで、発熱体の４００から５００℃の昇温が観測された。

図１ｂは発熱体１０の断面図であり、ジルコニウムの表面層１８が示されている。図１ｂは正確な縮尺ではない。本実施例において、導電性表面層の厚さは、１００μｍ未満であり、好ましくは５から１０μｍである。しかしながら、導電層と本体の非還元部分との間の境界は明確ではないので、計測厚さは５μｍから１００μｍの間で変わる可能性がある。代わりに、セラミックの還元レベルは、外部表面の下方の距離に伴って低下する。

発熱体１０は、円形断面に形成されている。発熱体の２本の脚部は、実質的に半円形断面に形成されているので、全断面はその長手方向に沿ってほぼ円形である。これにより、他の形状の場合より基体に対する発熱体の挿入及び除去が容易になる。

図１ａ及び１ｂに示すような発熱体は、単純な熱化学プロセスを利用して製造することができる。本体１０を成形又は他のプロセスによって準備した後に、本体を高温の還元性雰囲気に置くことで表面層１８が形成される。この条件下で本体表面の酸素は除去され、薄いジルコニウム層が残る。

図２は、図１に示す発熱体の製造方法で用いるステップを示す。ステップ２００において、本体はジルコニア粉体の射出成形によって所望の形状に形成される。次に、成形された本体は、ステップ２１０において水素雰囲気に入れられ、ステップ２２０において１２００℃に加熱される。水素雰囲気は、水素の流れから成る。水素の流量は、本体の還元速度、従って還元量を制御するために利用することができる。また、本体が還元環境内にある期間は、還元量、最終的な発熱体の抵抗に影響を及ぼす。本実施形態において、本体は、２時間ほど還元環境内に留まる。このプロセスにより、本体表面には該本体に入り込んだ導電層が形成される。ステップ２３０において、発熱体は冷却される。この段階で、標準的なエッチング又はフォトリソグラフィー技術を利用して、任意の所望の表面パターニングを形成することができる。ステップ２４０において、ガラスのパッシベーション層は、化学蒸着を利用して発熱体の本体上に形成される。パッシベーション層は発熱体が無酸素雰囲気内に留まる間に形成され、何らかのエッチング又はフォトリソグラフィー技術に先だって形成できる。ステップ２５０において、電気接触部は、銀ペーストを使用して発熱体に固定され、次に、発熱体は、これを利用するデバイスに取り付けることができる。最後に、銀ペーストが硬化される。

図１ａ及び１ｂに示す発熱体は、電気加熱式喫煙システム、特に、たばこ香味又はたばこ香味付けされたエアロゾルを生成するために、比較的低温の熱源を使用してたばこ製品を加熱する喫煙デバイスにおいて使用できる。この形式の発熱体には、比較的単純で製造するのが安価であり、更に任意の所望の形状及びサイズに形成できるという利点がある。

図３は、組立分解様式のエアロゾル生成基体に使用する発熱体の１つの実施例の概略図である。図３において、発熱体３０は図１ａに示す略Ｖ字形構成である。絶縁層３２は、発熱体の後端部に設けられ、喫煙デバイスの電源３４を含む残余部を発熱体から絶縁するようになっている。電気接続部３６は電源３４との間で絶縁層２８を通って発熱体３０の接触部分まで延びている。発熱体は、エアロゾル生成基体３８のプラグに挿入される。使用時、発熱体は基体材料３８を加熱して所望のエアロゾルを生成するようになっている。

発熱体は多数の異なる構成で形成できことを理解されたい。例えば、発熱体は、エアロゾル形成プラグを取り囲む中空管として形成することができ、中空管の内面にのみ導電層が形成されている。このことは中空管の外面に形成された導電層を除去することで、又は電気的に絶縁することで実現できる。

発熱体は電気加熱式喫煙デバイスを参照して説明されているが、発熱体は他の用途にも同様に使用できることを理解されたい。この形式の発熱体の形状及び構成の柔軟性は、多くの異なる用途に使用できることを意味する。

１０ 本体
１２ 先端部
１４ 後端部
１６ 後端部
１８ ジルコニウム層
２０ 電気接触部
２２ 電気接触部

Claims (13)

1. セラミック材料から成る本体と、該本体の上に形成される導電性経路とを備える電気発熱体であって、前記導電性経路は、還元型セラミック材料から成り、電源に接続するための第１の接触部分及び第２の接触部分を有し、
   前記導電性経路は、前記本体の表面にパターンを形成する、電気発熱体。
2. 前記本体は、完全に又は部分的に金属酸化物から形成され、前記導電性経路は、金属酸化物の金属部材から形成される、請求項１に記載の電気発熱体。
3. 前記本体はジルコニアから形成され、前記導電性経路はジルコニウムから形成される、請求項１又は２に記載の電気発熱体。
4. 前記本体は、実質的に円形の断面を有する、請求項１から３のいずれかに記載の電気発熱体。
5. 前記本体は、該本体の第１の端部に配置される前記第１の接触部分及び第２の接触部分を備える細長い形状であり、前記導電性経路は、該本体の第１の端部から第２の端部へ延び、該第２の端部から前記第１の端部に延びている、請求項１から４のいずれかに記載の電気発熱体。
6. 前記本体の外部表面の上のパッシベーション層を更に備える、請求項１から５のいずれかに記載の電気発熱体。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の１つ又はそれ以上の発熱体を備えるエアロゾル生成基体と、前記第１の接触部分及び第２の接触部分において前記発熱体に接続する電源を収容するための電気加熱式エアロゾル発生システム。
8. 電気発熱体を製造する方法であって、
   セラミック材料から成る発熱体の本体を形成する段階と、
   前記発熱体の本体を十分な温度の還元環境に置き、該本体の上に還元型セラミック材料から成り、前記本体の表面にパターンを形成する導電性経路を形成する段階と、
   前記導電性経路を電源へ接続するための電気的接触部分を提供する段階と、
   を含む方法。
9. 前記発熱体の本体を還元環境に置く段階は、前記本体を水素環境に置く段階を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記十分な温度は、１０００℃から１３００℃の間である、請求項８又は９に記載の方法。
11. 前記発熱体の本体を還元環境に置く段階に続いて、前記発熱体の本体上にパッシベーション層を形成する段階を更に含む、請求項８から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記発熱体の本体を形成する段階は、射出成形を行う段階を含む、請求項８から１１のいずれかに記載の方法。
13. 電気発熱体を製造する方法であって、
    セラミック材料から成る発熱体の本体を形成する段階と、
    前記発熱体の本体を還元電解質内に置き、前記発熱体の本体の電解還元を行い、該本体の上に還元型セラミック材料から成り、前記本体の表面にパターンを形成する導電性経路を形成する段階と、
    前記導電性経路を電源へ接続するための電気的接触部分を提供する段階と、
    を含む方法。

Images