CN112867407B - 用于气溶胶生成装置的带涂层加热元件 - Google Patents

Abstract

用于气溶胶生成装置的加热元件包括热产生部分和与热产生部分热接触的含碳层。气溶胶生成装置包括此加热元件和被配置成接收包含气溶胶形成基质的气溶胶生成制品的加热室。

Description

用于气溶胶生成装置的带涂层加热元件

技术领域

本发明涉及一种用于气溶胶生成装置的带涂层加热元件、一种包括带涂层加热元件的气溶胶生成装置以及一种制造这种气溶胶生成装置的方法。已知加热但不燃烧气溶胶生成基质如烟草的气溶胶生成装置。这些装置将气溶胶生成基质加热至足够高的温度以产生供使用者吸入的气溶胶。

背景技术

这些气溶胶生成装置通常包括加热室，其中加热元件布置在加热室内或围绕加热室布置。包括气溶胶形成基质的气溶胶生成制品可插入到加热室中并由加热元件加热。加热元件可以被配置成加热叶片，当制品被插入加热室中时，加热叶片穿透到气溶胶生成制品的气溶胶形成基质中。希望将加热元件配置成使得它们均匀地加热并且尽可能快地达到操作温度。

在穿入和退出气溶胶形成制品时，加热元件的表面由于与气溶胶形成制品接触而经受摩擦力。因此，希望改善加热元件表面的回弹性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种允许均匀加热气溶胶形成基质的加热元件。本发明的另一个目的是提供一种具有增加的寿命的加热元件。

为了解决这个和另外的目的，本发明提出了一种用于气溶胶生成装置的加热元件。该加热元件包括热产生部分和含碳层。含碳层与热产生部分热接触。

通过提供具有含碳层的加热元件，由热产生部分产生的热能可均匀地分布在加热元件的表面上。更均匀的热分布还具有加热可以更节能的效果，因为热产生部分可以在稍微更低的温度下操作。

与没有含碳层的加热元件相比，提供含碳层可以有利地改善加热元件的一种或多种机械性能。所述一种或多种机械性能可以包括但不限于加热元件的强度、韧性、硬度、耐久性和耐磨性。例如，可以增加加热元件的整体强度。

加热元件的含碳层可以包括石墨烯层。如本文所用，术语“石墨烯”是指碳的平面晶体同素异形体，其中碳原子密集地堆积在规则的六方晶格中。石墨烯可以具有仅单个碳原子的厚度，这可以被称为“单层石墨烯”。石墨烯可以具有仅几个碳原子的厚度，这可以被称为“多层石墨烯”。例如，在石墨烯是多层石墨烯的情况下，其可以具有不超过50个碳原子、不超过20个碳原子或不超过10个碳原子的厚度。如本文所用，术语“石墨烯”包括原始石墨烯、具有缺陷、杂质或夹杂物的石墨烯、还原的氧化石墨烯及其组合。已知石墨烯具有显著的2维性质。特别地，石墨烯沿着由石墨烯层限定的平面具有非常高的热导率和电导率。因此，通过提供石墨烯层，热能快速且均匀地分布在加热元件的设置有石墨烯层的那些部分上。石墨烯层可以设置在加热元件的表面处。这样，不仅实现了加热元件的均匀热分布，而且可以提高机械性能，例如加热元件表面的耐久性。

含碳层可以以涂层的形式提供，优选以石墨烯涂层的形式提供。涂层可以通过常压化学气相沉积(APCVD)、真空蒸发、溅射、常规CVD、等离子体CVD或火焰热解形成。或者，可以使用本领域技术人员已知的其它涂覆方法来施加该材料。

含碳层可以包括一个或多个石墨烯片。石墨烯片可使用各种机械生产技术来生产，诸如剥离技术、氧化石墨单层膜的裂解或还原。

含碳层可以包括多个石墨烯片，在石墨烯片之间具有附加的含碳结构。例如，含碳层可以包含至少两个石墨烯片，并且在至少两个石墨烯片之间提供附加的含碳结构。石墨烯片材之间的另外的碳结构可以是单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯如巴克敏斯特富勒烯(buckminsterfullerene)、其组合和部分或其它碳基结构。提供附加的碳结构以便增强在垂直于石墨烯片的平面的方向上的热导率。在另外的含碳结构是碳纳米管的情况下，碳纳米管的纵轴可以被布置为基本上垂直于相邻石墨烯片的平面。由于碳纳米管的高轴向热导率，这可以进一步增强在垂直于石墨烯片的平面的方向上的热导率。

附加的含碳结构可以化学键合到相邻的石墨烯片。例如，另外的含碳结构的碳原子可以共价键合至石墨烯片的碳原子。这可以有利地增加额外的含碳结构和石墨烯片之间的热导率。

石墨烯片之间的附加含碳结构可以以规则图案布置在石墨烯片之间。以这种方式，额外的碳结构可以提供用于将石墨烯片彼此隔开的改进的机械支撑。同时，规则排列的额外碳结构也可以提高垂直于石墨烯片平面的方向上的热传递的均匀性。

加热元件可以是电加热的加热元件。所述加热元件可包括电阻材料。合适的电阻材料包含但不限于：半导体，例如掺杂陶瓷、“导”电陶瓷(例如二硅化钼)、碳、石墨、金属、金属合金以及由陶瓷材料和金属材料制成的复合材料。此类复合材料可包括掺杂或无掺杂的陶瓷。合适的掺杂陶瓷的例子包括掺杂碳化硅。合适的金属的实例包含钛、锆、钽、铂、金及银。合适的金属合金的实例包含含不锈钢、含镍合金、含钴合金、含铬合金、含铝合金、含钛合金、含锆合金、含铪合金、含铌合金、含钼合金、含钽合金、含钨合金、含锡合金、含镓合金、含锰合金、含金合金、含铁合金以及以镍、铁、钴、不锈钢、及铁-锰-铝合金为主的超合金。

如所描述，在本发明的方面中的任一者中，加热元件可为气溶胶生成装置的部分。气溶胶生成装置可包括内部加热元件或外部加热元件或内部和外部加热元件两者，其中“内部”和“外部”是指当加热器用于加热气溶胶形成基质时加热器相对于气溶胶形成基质的位置。内部加热元件可采用任何合适形式。例如，内部加热元件可采用加热叶片的形式。替代地，内部加热器可采用具有不同导电部分的套管或基质，或电阻式金属管的形式。或者，内部加热元件可以是一个或多个加热针、销或杆，其在使用中穿过气溶胶形成基质的中心。其它替代物包括电热线或丝，例如，Ni-Cr(镍-铬)、白金、钨或合金线或加热板。任选地，可将内部加热元件沉积在刚性载体材料内或沉积在其上。在此类实施方案中，可使用具有温度与电阻率间定义关系的金属，形成电阻式加热元件。在此类示例性装置中，金属可在合适的绝缘材料(例如，陶瓷材料)上形成为迹线，然后夹在另一绝缘材料(例如，玻璃)中。以此方式形成的加热器可用于加热和监控加热元件在操作期间的温度。

内部加热元件可以具有锥形、尖头或尖锐端部，以便于将加热元件插入到气溶胶生成制品的气溶胶形成基质中。

外部加热元件可采用任何合适形式。例如，外部加热元件可采用在介电基质(例如，聚酰亚胺)上的一个或多个柔性加热箔的形式。可使此类柔性加热箔成形，以与基质接收腔体的周边一致。替代地，外部加热元件可采用金属网格、柔性印刷电路板、模制互连装置(MID)、陶瓷加热器、柔性碳纤维加热器的形式，或可使用涂层技术(例如，等离子体气相沉积)形成于合适的成形基质上。外部加热元件也可使用具有温度与电阻率间定义关系的金属来形成。在此类示例性装置中，金属可在两层合适绝缘材料之间形成为迹线。以此方式形成的外部加热元件可用于加热和监控外部加热元件在操作期间的温度。

内部或外部加热元件可包括散热器或贮热器，其包括能够吸收及存储热并接着随时间推移将热释放到气溶胶形成基质的材料。散热片可由任何合适的材料例如合适的金属或陶瓷材料形成。在一个实施方案中，材料具有高热容量(显热存储材料)，或材料是一种能够吸收并接着经由可逆过程(例如，高温相变)释放热的材料。合适的显热存储材料包括硅胶、氧化铝、碳、玻璃垫、玻璃纤维、矿物质、金属或合金例如铝、银或铅、和纤维素材料例如纸。其他经由可逆相变释放热的合适材料包括石蜡、醋酸钠、荼、蜡、聚环氧乙烷、金属、金属盐、优态盐混合物或合金。散热器或储热器可被布置成使得其与气溶胶形成基质直接接触并将所存储的热直接转移到基质。此外，可将在散热器或储存器中储存的热通过导热体(例如，金属管)传输至气溶胶形成基质。

加热元件有利地通过传导加热气溶胶形成基质。加热元件可至少部分接触基质或在其上沉积基质的载体。替代地，可以通过导热元件将来自内部或外部加热元件的热传导到基质。

在操作期间，气溶胶形成基质可完全包含在气溶胶生成装置内。在此情况下，使用者可抽吸气溶胶生成装置的吸嘴。替代性地，在操作期间，含有气溶胶形成基质的气溶胶形成制品可部分地包含在气溶胶生成装置内。在这种情况下，使用者可以直接用气溶胶生成制品进行抽吸。

加热元件可以包括电绝缘材料层。电绝缘材料可以布置在热产生部分和加热元件的含碳层之间。通过在热产生部分和含碳层之间提供电绝缘材料，含碳层与加热元件的电路电去耦。如果含碳层包括石墨烯，则这是特别重要的。石墨烯具有高导电性，并且可以充当电流的次级路径，妨碍热产生部分的电阻加热。电绝缘材料优选具有高导热性，以便于热量从热产生部分传递到加热元件的含碳层

含碳层的至少一部分优选地布置在加热元件的电绝缘材料层上。这样，含碳层被设置成紧邻加热元件的热产生部分并与其热接触。通过提供与热产生部分热接触但与热产生部分电绝缘的含碳层，含碳层的高热导率可有效地用于将所产生的热能快速且均匀地分布在加热元件上。

加热元件还可以包括非热产生部分。非热产生部分可以被布置成与加热元件的热产生部分相邻。含碳层可以被配置成将所产生的热从热产生部分传递到加热元件的非热产生部分。这样，由热产生部分产生的热能可以均匀地分布在整个加热元件上。非热产生部分可以由任何合适的材料制成。

含碳层可以被设计为具有预定的空间排列。这样，含碳层的热传导特性可以被特别地设计以提供在使用中显示预定温度分布的加热元件。

根据另一方面，本发明涉及一种用于生成可吸入气溶胶的气溶胶产生设备。气溶胶生成装置包括加热室，所述加热室被配置成接收包含气溶胶形成基质的气溶胶生成制品。气溶胶生成装置进一步包括如上所述的加热元件。

气溶胶生成装置可进一步包括壳体、连接到加热元件的电力供应器和被配置成控制从电力供应器到加热元件的电力供应的控制元件。

壳体可限定围绕或邻近加热元件的腔。所述腔可以被配置成接收所述气溶胶生成制品。所述腔可以形成或包括所述气溶胶生成装置的加热室。

优选地，气溶胶生成装置是便携式或手持式气溶胶生成装置，其对于使用者在单手的手指之间握持而言是舒适的。

气溶胶生成装置可以是基本上圆柱形的形状。

气溶胶生成装置可具有介于约70mm与约120mm之间的长度。

加热元件可以是布置在气溶胶生成装置的加热室内的内部加热元件。加热元件可以居中地布置在加热室的纵向轴线中并且沿着该纵向轴线对准。

加热元件可以是外部加热元件，其被布置成与加热室的侧壁相邻，或者至少部分地形成加热室的侧壁的一部分。加热元件可以被配置成使得加热元件的含碳层至少部分地在气溶胶生成装置的加热室的内侧壁上延伸。

待接收在气溶胶生成装置中的气溶胶生成制品可为基本上圆柱形的形状。气溶胶生成制品可为基本上细长的。气溶胶生成制品可具有长度和基本上垂直于所述长度的圆周。气溶胶形成基质可以是基本上圆柱形的形状。气溶胶形成基质可以是基本上细长的。气溶胶形成基质也可具有某一长度和基本上垂直于所述长度的周长。

气溶胶生成制品可具有大约45mm的总长度。气溶胶生成制品可具有大约7.2mm的外径。另外，气溶胶形成基质的长度可为约10mm。替代地，气溶胶形成基质的长度可以为约12mm。另外，气溶胶形成基质的直径可在约5mm与约12mm之间。气溶胶生成制品可以包括外包装纸。此外，气溶胶生成制品可以包括气溶胶形成基质与过滤嘴滤嘴段之间的分隔物。分隔物可为约18mm，但是可在约5mm与约25mm的范围内。

气溶胶形成基质为能够释放可形成气溶胶的挥发性化合物的基质。可以通过加热气溶胶形成基质释放挥发性化合物。气溶胶形成基质可以包括植物基质料。气溶胶形成基质可以包括烟草。气溶胶形成基质可以包含含有烟草的材料，材料包含挥发性烟草风味化合物，其在加热时从气溶胶形成基质释放。替代地，气溶胶形成基质可包括不含烟草的材料。气溶胶形成基质可以包括均质化植物基质料。

气溶胶形成基质优选地包括：约55重量％至约75重量％的均质化烟草材料；约15重量％至约25重量％的气溶胶形成剂；以及约10重量％至约20重量％的水。

气溶胶形成基质可以包括至少一种气溶胶形成剂。气溶胶形成剂是任何合适的已知化合物或化合物的混合物，该化合物在使用中有利于形成致密且稳定的气溶胶并且在系统的操作温度下基本上耐热降解。合适的气溶胶形成剂是本领域众所周知的，并且包括但不限于：多元醇，诸如三甘醇，1,3-丁二醇和甘油；多元醇的酯，诸如甘油单、二或三乙酸酯；和一元、二元或多元羧酸的脂肪酸酯，诸如二甲基十二烷二酸酯和二甲基十四烷二酸酯。气溶胶形成剂可为多元醇或其混合物，例如，二缩三乙二醇、1,3-丁二醇和丙三醇。气溶胶形成剂可为丙二醇。气溶胶形成剂可包括丙三醇和丙二醇两者。

气溶胶生成装置可进一步包括控制元件、电源和触点。触点电接触加热元件的热产生部分。控制元件被配置成控制从电源经由触点到热产生部分的电力供应。

所述电源可以是任何合适的电源，例如DC电压源，例如电池。在一个实施方案中，电源是锂离子电池。替代地，电源可以是镍-金属氢化物电池、镍镉电池，或锂基电池例如锂-钴、锂-铁-磷酸盐、钛酸锂或锂-聚合物电池。

控制器元件可以是简单的开关。替代地，控制元件可以是电路，并且可以包括一个或多个微处理器或微控制器。

在本发明的另一方面中，提供一种气溶胶生成系统，其包括根据以上描述的气溶胶生成装置和被配置成接收在气溶胶生成装置的腔中的一个或多个气溶胶生成制品。

在本发明的另一方面中，提供一种制造用于气溶胶生成装置的加热元件的方法。该方法包括提供热产生部分和将含碳层排列到热产生部分上并与其热接触以获得本发明的加热元件的步骤。

布置在热产生部分上的含碳层可以包括石墨烯层。含碳层可以是含石墨烯层。布置石墨烯层的方法步骤可以包括将石墨烯层以石墨烯涂层的形式沉积到热产生部分。石墨烯层还可以包括机械地布置到加热元件的热产生部分上的石墨烯片。

制造用于气溶胶生成装置的加热元件的方法可以包括以下步骤：提供包括热产生部分和非热产生部分的加热元件，以及将含石墨烯层布置到热产生部分和非热产生部分上并与其热接触。

关于一个方面或实施方案描述的特征也可适用于本发明的其它方面和实施方案。

附图说明

将参考附图仅通过举例方式进一步描述本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的气溶胶生成装置；

图2示出了根据本发明的加热元件；

图3示出了根据本发明的改进的加热元件。

具体实施方式

图1示出了包括气溶胶生成制品10和气溶胶生成装置20的气溶胶生成系统的横截面图。在气溶胶生成制品10的一端处提供气溶胶形成基质12。在气溶胶生成制品10的第二端处提供过滤嘴元件14。

气溶胶生成装置20包括其中布置有电源24和控制器电路26的壳体22。在壳体的一端处形成有腔28，其被配置成接收气溶胶生成制品10。在腔28中提供加热元件30。在所示实施方案中，加热元件30是叶片加热器，其沿腔28的纵向轴线布置在中心。因此，腔28也形成气溶胶生成装置20的加热室。

控制电路26被配置成用于控制从电源24到加热元件30的电能流动。在图1中，将气溶胶生成制品10插入气溶胶生成装置20的腔28中。在使用之后，气溶胶生成制品10从腔28移除且可被处置。

在图2中，描绘了如在图1的气溶胶生成装置20中使用的加热器元件30的放大视图。加热器元件30包括热产生部分32。热产生部分32包括经由控制电路26连接到电源24的电触点34。热产生部分32包括电阻加热元件，用于产生使气溶胶形成基质12的气溶胶形成剂挥发所需的热能。

热产生部分32可基本上在加热元件30的整个长度上延伸。或者，如图2中的阴影部分所示，热产生部分32可以仅设置在加热元件30的一端。邻近热产生部分32，提供非热产生部分34。非热产生部分34由耐热玻璃形成，并且连接到热产生部分32。热产生部分32被电绝缘材料覆盖。在这种情况下，绝缘材料是玻璃层，并且由与非热产生部分34相同的材料制成。

加热元件30还包括设置在电绝缘材料上并横跨热产生部分32和非热产生部分34的含碳层36。在图2的实施方案中，含碳层36是石墨烯层，并且由设置到加热元件30的六边形图案示意性地表示。石墨烯层通过玻璃层与热产生部分32电绝缘。然而，石墨烯层仍然与热产生部分32有良好的热接触。

在使用中，在加热元件30的热产生部分32中产生的热能快速且均匀地分布在整个含碳层36中，遍及加热元件30的整个表面。

图3示出了根据本发明的加热元件30的修改设计。加热元件30与图2中所示的加热元件基本相同。该改进在于含碳层36包括第一石墨烯层38和第二石墨烯层39。第二石墨烯层39设置在第一石墨烯层38的顶部上。第一石墨烯层38基本上与图2中的实施方案所描述的含碳层36相同。

第二石墨烯层39的设计不同于第一石墨烯层38的设计。第二石墨烯层39也覆盖加热元件30的整个热产生部分32。这样，获得了石墨烯层38、39与热产生部分32的良好热接触。然而，在加热元件30的非热产生部分34的区域中，第二石墨烯层39被成形为形成多个条带，所述条带从热产生部分32跨非热产生部分34朝向加热元件30的顶端延伸。这样，含碳层36在加热元件30的表面上限定了优选的热分布通道。

Claims (15)

1.一种用于气溶胶生成装置的加热元件，所述加热元件包括热产生部分和与所述热产生部分热接触的石墨烯层，并且其中所述加热元件进一步包括附接至所述热产生部分的一端的非热产生部分，并且其中所述石墨烯层横跨所述热产生部分和所述非热产生部分两者且被配置成将所产生的热从所述加热元件的所述热产生部分传递到所述非热产生部分。

2.根据权利要求1所述的加热元件，其中所述加热元件是电加热元件。

3.根据权利要求1或2所述的加热元件，其中所述加热元件包括布置在所述热产生部分和所述石墨烯层之间的电绝缘材料层。

4.根据权利要求1或2所述的加热元件，其中所述石墨烯层为石墨烯涂层的形式，或包含一个或多个石墨烯片。

5.根据权利要求1或2所述的加热元件，其中所述石墨烯层包含至少两个石墨烯片，并且其中在所述至少两个石墨烯片之间提供额外的含碳结构。

6.一种用于生成可吸入气溶胶的气溶胶生成装置，所述气溶胶生成装置包括被配置成接收包含气溶胶形成基质的气溶胶生成制品的加热室，其中所述气溶胶生成装置包括根据权利要求1－5中任一项所述的加热元件。

7.根据权利要求6所述的气溶胶生成装置，其中所述加热元件是布置在所述加热室内的内部加热元件。

8.根据权利要求7所述的气溶胶生成装置，其中所述加热元件居中布置且沿着所述加热室的纵向轴线对准。

9.根据权利要求7所述的气溶胶生成装置，其中所述加热元件包括一个或多个加热叶片或加热针。

10.根据权利要求8所述的气溶胶生成装置，其中所述加热元件包括一个或多个加热叶片或加热针。

11.根据权利要求6所述的气溶胶生成装置，其中所述加热元件是邻近所述加热室的侧壁布置的外部加热元件，或其中所述加热元件是至少部分地形成所述加热室的侧壁的一部分的外部加热元件。

12.根据权利要求11所述的气溶胶生成装置，其中所述石墨烯层至少部分地在所述加热室的内侧壁上延伸。

13.根据权利要求6－12中任一项所述的气溶胶生成装置，其中所述气溶胶生成装置进一步包括控制器、电源和触点，其中所述触点电接触所述加热元件的所述热产生部分，并且其中所述控制器被配置成控制经由所述触点从所述电源到所述热产生部分的电力供应。

14.一种制造用于气溶胶生成装置的加热元件的方法，所述方法包括以下步骤：

i)提供热产生部分；以及

ii)将含石墨烯层布置到所述热产生部分上并与所述热产生部分热接触;

iii)提供加热元件的非热产生部分并将所述非热产生部分附接到所述热产生部分的一端；以及

iv)将所述含石墨烯层布置到所述加热元件的所述非热产生部分上并与所述非热产生部分热接触，以使所述含石墨烯层横跨所述热产生部分和所述非热产生部分两者，以便将所产生的热从所述热产生部分传递到所述加热元件的所述非热产生部分。

15.根据权利要求14所述的制造用于气溶胶生成装置的加热元件的方法，其中所述含石墨烯层以石墨烯涂层的形式提供到所述加热元件的所述热产生部分。