一种气溶胶产生装置、发热体及其制备方法

技术领域

本发明涉及气溶胶产生装置技术领域，具体涉及一种气溶胶产生装置、发热体及其制备方法。

背景技术

加热不燃烧卷烟是一种重要新型烟草制品，其可以不直接燃烧烟支而是通过外部热源来加热烟草材料，产生烟气而令吸烟者达到生理满足的吸食效果。与传统卷烟相比，加热不燃烧卷烟没有燃烧过程，不产生焦油、一氧化碳等有害物质，大大减少了吸烟对消费者及周围人群的危害。

加热不燃烧烟支气溶胶产生基质需要借助气溶胶产生装置进行加热吸食，发热不燃烧烟内设置有发热体，发热体用于对烟支进行加热。

目前的加热不燃烧卷烟的发热体通常采用不锈钢金属基材厚膜发热体，基材通常是牌号430不锈钢或者牌号444不锈钢，存在基材导热慢，烟支烘烤不均匀的问题。

发明内容

本发明提供了一种气溶胶产生装置、发热体及其制备方法，主要用于解决发热体烘烤效率低及烘烤不均匀的问题。

根据第一方面，一种实施例中，提供一种气溶胶产生装置的发热体，包括：

基材，所述基材具有内表面和外表面，所述基材的内表面为朝向气溶胶产生基质的面；所述基材为铝材，或者，所述基材的所述外表面为铝材表面；

绝缘层，所述绝缘层附着在所述基材的外表面；以及

发热电阻层，所述发热电阻层附着在所述绝缘层背向所述基材的面上，所述发热电阻层为溅射法镀膜形成发热电阻薄膜，所述发热电阻薄膜的厚度为0.2-8微米；所述基材和所述绝缘层均为导热结构。

一种实施例中，所述基材为铝材。

一种实施例中，所述基材包括内层和外层，所述外层为铝材层。

一种实施例中，所述绝缘层为绝缘薄膜。

一种实施例中，所述绝缘薄膜为氧化铝膜、CeO2氧化膜或氮化铝膜。

一种实施例中，所述发热电阻层为氮化铬膜、钼膜、镍铬合金膜、钛膜或钨膜。

一种实施例中，所述发热电阻层包括底层和表层，所述底层与所述绝缘层接触，所述底层采用高能脉冲溅射法工艺制备，所述表层采用直流溅射法工艺制备，所述底层的厚度为0.04-0.2微米。

一种实施例中，所述基材为管状结构，所述绝缘层覆盖所述基材的外表面的全部或部分，所述发热电阻层为在所述绝缘层上延伸的条形结构。

根据第二方面，一种实施例中，提供一种气溶胶产生装置，包括上述的气溶胶产生装置的发热体。

根据第三方面，一种实施例中，一种气溶胶产生装置的发热体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

制备基材，采用铝材制备基材，或者采用铝材制备所述基材的外表面；

在所述基材的外表面上附着绝缘层；

在所述绝缘层背向所述基材的面上附着发热电阻层，所述发热电阻层为溅射法镀膜形成发热电阻薄膜，所述发热电阻薄膜的厚度为0.2-8微米。

一种实施例中，在所述基材的外表面上采用直流反应溅射法或中频反应溅射法工艺镀膜形成氮化铝膜，所述氮化铝膜镀膜为所述绝缘层。

一种实施例中，在所述基材的外表面上采用硬质氧化的工艺镀膜形成氧化铝膜，所述氧化铝膜为所述绝缘层。

一种实施例中，在所述基材的外表面采用电解沉淀的工艺沉淀CeO2氧化膜，所述CeO2氧化膜为所述绝缘层。

一种实施例中，在所述绝缘层背向所述基材的面上采用直流反应溅射法或中频反应溅射法的工艺镀膜形成氮化铬膜，所述氮化铬膜为所述发热电阻层。

一种实施例中，在所述绝缘层背向所述基材的面上采用直流溅射法或高能脉冲溅射法的工艺镀膜形成钼膜、镍铬合金膜、钛膜或钨膜，所述钼膜、镍铬合金膜、钛膜或钨膜为所述发热电阻层。

一种实施例中，先在所述绝缘层背向所述基材的面上采用高能脉冲溅射法工艺镀膜形成底层，再在所述底层背向所述绝缘层的面上高能脉冲溅射法工艺镀膜形成表层，所述底层和所述表层层叠形成所述发热电阻层，所述底层的厚度为0.04-0.2微米。

依据上述实施例的气溶胶产生装置、发热体及其制备方法，由于基材至少外表面采用铝材制备，使得基材具有更高的导热效率，能够将发热电阻层产生的热量快速且均匀的传递给气溶胶产生基质，进而能够提高烘烤的效率和均匀性；并且在铝制的基材和发热电阻层之间设有绝缘层，能够对铝制的基材起到绝缘作用，避免铝制的基材对发热电阻层产生影响；并且，发热电阻层为溅射法镀膜形成发热电阻薄膜，不仅能够形成厚度更薄的发热电阻层，还能够避免了传统厚膜工艺制备过程中基材需要与厚膜印刷浆料在同一温度下保温的限制，极大的扩展了在铝基材上制备绝缘层和发热电阻层的工艺；最终能够通过选择合适的膜层材料设计组合，实现了对发热体的加热均匀性能、传热速度的大幅提升，从而制备加热温度超过350℃的高性能铝基发热体，铝基发热体可在350℃-400℃连续可靠地工作。

附图说明

图1为一种实施例中发热体的结构视图；

图2为一种实施例中发热体的局部径向剖视图；

图3为一种实施例中发热体制备方法的流程图；

其中附图标记如下：

1-发热体，11-基材，12-绝缘层，13-发热电阻层；

2-气溶胶产生基质。

具体实施方式

本发明气溶胶产生装置、发热体及其制备方法，主要用于解决发热体烘烤效率低及烘烤不均匀的问题。还用于解决镀膜工艺受限的问题。

铝基厚膜发热管，基材导热能力快，但是因为工艺的限制(铝基材需要与厚膜印刷浆料在同一温度下保温)，各层厚膜的烧结温度必须低于铝的熔点且不宜超过450℃～500℃，限制了膜层材料的选择，目前市场上的铝基厚膜体系许可的加热温度只有250℃左右。

本发明的发热体为铝基薄膜发热管，采用溅射法制备绝缘层和/或发热导电层，不仅能够降低绝缘层和发热导电层的厚度，并且镀膜工艺不受基材熔点的限制，可以通过选择最佳的膜层材料设计组合，来制备加热温度超过350℃的高性能铝基发热体。

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。本文中的上端指靠近吸食的一端，下端指远离吸食的一端。

实施例一：

请参考图1和图2，本实施例中，气溶胶产生装置的发热体，本发热体1可以为管状结构，也可以为弧形结构，发热体1包裹在气溶胶产生基质2的周向外侧，发热体1用于对气溶胶产生基质2的周向进行加热，本发热体1主要采用电阻加热的方式对气溶胶产生基质2进行加热。当然本发热体1也可以包裹在换热器的外侧，发热体1也可以将热量传递给换热器，对经过换热器的空气进行加热。

发热体1包括基材11、绝缘层12和发热电阻层13。基材11可以为管状结构，基材11具有内表面和外表面，内表面和外表面均为基材11的周向表面，基材11的内表面可以直接或间接与气溶胶产生基质2接触。绝缘层12覆盖在基材11的外表面上，发热电阻层13附着在绝缘层12背向基材11的面上，即发热电阻层13附着在绝缘层12的外表面上。基材11、绝缘层12和发热电阻层13沿着管状的发热体1的径向依次从内向外设置。发热电阻层13用于将电能转为热能，基材11和绝缘层12为导热结构，热能依次沿着绝缘层12和基材11传递到气溶胶产生基质2内。

其中，绝缘层12可以完全覆盖基材11的外表面，绝缘层12也可以覆盖基材11的外表面的大部分，如基材11的外表面的两端不覆盖绝缘层12，基材11的外表面除了两端的区域覆盖绝缘层。绝缘层12能够把发热电阻层13的全部与基材11的外表面分隔开即可。发热电阻层13的全部位于绝缘层12上，且发热电阻层13仅覆盖绝缘层12的部分，发热电阻层13为条形结构，发热电阻层13以S型等弯曲延伸布置在绝缘层12上，以增加发热电阻层13的发热面积，同时发热电阻层13具有正极连接端和负极连接端，正极连接端和负极连接端分别通过电线与电源连接，与电源形成发热回路，发热电阻层13能够把电能转为热能，并将热能传递给绝缘层12和基材11，最终传递给气溶胶产生基质2，实现对气溶胶产生基质2的周向加热。

基材11可以为铝材，整个基材11采用铝材制备，基材11的内表面和外表面均为铝材表面。基材11整体采用铝材使得基材11从外向内具有优异的导热性能，能够提高导热效率，并且铝材的热扩散能量强，使得基材11能够对气溶胶产生基质2实现更为均匀的加热。

在一些实施例中，基材11也可以设置为双层结构，基材11包括内层和外层，内层可以为铜材等导热材质，外层为铝材，即基材11的外表面仍为铝材表面，使得发热电阻层13产生的热能能够快速能够通过铝材表面快速传递到基材11的内侧。基材11的内侧设置铜材等导热材质，也能够将铝材表面吸收的热量传递给气溶胶产生基质2。

本实施例中，绝缘层为绝缘薄膜，绝缘薄膜的厚度为0.03-3微米，如绝缘薄膜的厚度为0.1或1微米。绝缘薄膜具有绝缘和导热的双重特性，能够将发热电阻层13产生的热量传递给基材11，同时对发热电阻层13进行绝缘隔离，使得发热电阻层13能够形成发热电路，而不导致短路，尤其是基材11的外表面采用铝材表面，铝材为导电材质，绝缘层12能够将发热电阻层13与基材11分隔开。

绝缘薄膜可以为多种材质的膜，同时绝缘薄膜能够采用不同的工艺方法附着在基材11的外表面，以使得绝缘层的绝缘和导热特性。

绝缘薄膜可以为氮化铝膜，在基材11的外表面采用直流反应溅射法或中频反应溅射法工艺镀膜形成氮化铝膜。其中直流反应溅射法包括普通直流反应溅射法、直流脉冲反应溅射法。

在一些实施例中，绝缘薄膜可以为氧化铝膜，氧化铝膜可以采用硬质氧化的工艺镀膜在基材11的外表面。氧化膜具有制备成本低的优势，能够降低发热体的生产成本。

在一些实施例中，绝缘薄膜可以为CeO

本实施例中，发热电阻层13为溅射法镀膜形成发热电阻薄膜，采用溅射法制备发热电阻层13能够得到厚度更薄的结构，如发热电阻层13的厚度可以为0.2-8微米，并且采用溅射法能够选择不同的材料制备发热电阻薄膜，如发热电阻薄膜可以为氮化铬膜、钼膜、镍铬合金膜、钛膜或钨膜。

在一些实施例中，发热电阻层13也可以采用两种不同的溅射法制备两层结构，以减低成本及实现不同的特性，以满足不同的使用需求。如发热电阻层13包括底层和表层，底层与绝缘层12接触，底层采用高能脉冲溅射法工艺制备，表层采用直流溅射法工艺制备，底层的厚度为0.04-0.2微米。底层附着在绝缘层12上，表层附着在底层上，底层和表层上下层叠形成发热电阻层13，双层结构的发热电阻层13的厚度同样为0.2-8微米。

本实施例提供的发热体1，由于基材11采用铝材制备，使得基材11具有更高的导热效率，能够将发热电阻层13产生的热量快速且均匀的传递给气溶胶产生基质2，进而能够提高烘烤的效率和均匀性；并且在铝制的基材11和发热电阻层13之间设有绝缘层12，能够对铝制的基材11起到绝缘作用，避免铝制的基材11对发热电阻层产生影响；并且，发热电阻层13为溅射法镀膜形成发热电阻薄膜，不仅能够形成厚度更薄的发热电阻层13，还能够避免了传统厚膜工艺制备过程中基材11需要与厚膜印刷浆料在同一温度下保温的限制，极大的扩展了在铝基材11上制备绝缘层12和发热电阻层13的工艺；最终能够通过选择合适的膜层材料设计组合，实现了对发热体的加热均匀性能、传热速度的大幅提升，从而制备加热温度超过350℃的高性能铝基发热体。

实施例二：

本实施例提供了一种气溶胶产生装置，气溶胶产生装置为加热不燃烧装置，气溶胶产生装置包括壳体和上述任一实施例中的发热体1，发热体1安装在壳体内，壳体上具有插孔，插孔与发热体1的容置腔对齐，以使得气溶胶产生基质2能够穿过壳体的插孔插接到发热体1内。壳体内还有电源和电线，电源通过电线与发热体1连接，电源给发热体1供电，发热体1将电能转为热能，热能能够对气溶胶产生基质2进行加热。

本实施例中，由于发热体1的基材11采用铝材制备，使得基材11具有更高的导热效率，能够将发热电阻层13产生的热量快速且均匀的传递给气溶胶产生基质2，进而能够提高烘烤的效率和均匀性；并且在铝制的基材11和发热电阻层13之间设有绝缘层12，能够对铝制的基材11起到绝缘作用，避免铝制的基材11对发热电阻层产生影响；并且，发热电阻层13为溅射法镀膜形成发热电阻薄膜，不仅能够形成厚度更薄的发热电阻层13，还能够避免了传统厚膜工艺制备过程中基材11需要与厚膜印刷浆料在同一温度下保温的限制，极大的扩展了在铝基材11上制备绝缘层12和发热电阻层13的工艺；最终能够通过选择合适的膜层材料设计组合，实现了对发热体的加热均匀性能、传热速度的大幅提升，从而制备加热温度超过350℃的高性能铝基发热体。

实施例三：

本实施例提供了一种气溶胶产生装置的发热体的制备方法，本制备方法用于制备实施例一中的发热体1。

请参考图3，本实施例的制备方法，包括如下步骤：

S01：制备基材11；

采用铝材制备基材11，通过铸造、车削或两者结构的方式等的方法将铝材加工成铝管，铝管为基材11，整个基材11均为铝材质，即基材11的内表面和外表面均为铝材表面，内表面和外表面之间的部分也为铝材。将整个基材11设置为铝材结构，基于铝材的良好导热性和热扩散能力，使得基材11具有良好的导热性和热扩散能力，基材11能够对气溶胶产生基质2实现更均匀的烘烤，同时提高烘烤效率。

在一些实施例中，可以采用铝材制备基材11的外表面，基材11的内表面可以选择其他导热材质。如，基材11可以采用铝包铜的结构，将铝管套设在铜管的外侧，两者紧密连接，铝管和筒管可以采用过盈配合的方式固定在一起。基材11的内层为铜材层，基材11的外层为铝材层，即基材11的内表面为铜材表面，基材11的外表面为铝材表面，基材11仍通过铝材表面吸热，且铜材也具有良好的导热特性，因此基材11采用铝包铜的结构也能够提高对气溶胶产生基质2烘烤的均匀性和烘烤的效率。

在一些实施例中，基材11可以采用铝膜包铜的结构，基材11也可以在铜管的周向外表面附着铝膜，铝膜可以采用硬质氧化、镀膜等方式固定在铜管的外表面。基材11采用铝膜包铜的结构也能够提高对气溶胶产生基质2烘烤的均匀性和烘烤的效率。

本实施例中，优选采用铝材制备基材11，使得基材11具有更好的导热性和热扩散能力。

S02：在基材11的外表面附着绝缘层12；

在基材11的外表面上采用直流反应溅射法或中频反应溅射法工艺镀膜形成氮化铝膜，氮化铝膜镀膜为绝缘层12。其中，直流反应溅射法包括普通直流反应溅射法、直流脉冲反应溅射法。氮化铝膜的厚度可以为0.03-3微米。

氮化铝膜的镀膜工艺参数如下表：

采用直流反应溅射法或中频反应溅射法工艺镀膜形成氮化铝膜，能够镀膜形成绝缘薄膜，一般指厚度小于5微米的为薄膜，厚度大于5微米的为厚膜。

S03：在绝缘层12背向基材11的面上附着发热电阻层13。

在绝缘层12背向基材11的面上采用直流溅射法的工艺镀膜形成钼膜、镍铬合金膜、钛膜或钨膜，所述钼膜、镍铬合金膜、钛膜或钨膜等发热电阻薄膜，发热电阻薄膜为发热电阻层13。其中，发热电阻层13为溅射法镀膜形成发热电阻薄膜，发热电阻薄膜的厚度为0.2-8微米，如发热电阻薄膜的厚度为1或3微米。

发热电阻薄膜的镀膜工艺参数如下表：

本实施例提供的发热体1的制备方法，能够制备基材11、绝缘层12和发热电阻层13依次附着的三层结构，且基材11为铝材，使得基材11具有更高的导热效率，能够将发热电阻层13产生的热量快速且均匀的传递给气溶胶产生基质2，进而能够提高烘烤的效率和均匀性；并且在铝制的基材11和发热电阻层13之间设有绝缘层12，能够对铝制的基材11起到绝缘作用，避免铝制的基材11对发热电阻层13产生影响；并且，发热电阻层13为溅射法镀膜形成发热电阻薄膜，不仅能够形成厚度更薄的发热电阻层13，还能够避免了传统厚膜工艺制备过程中基材11需要与厚膜印刷浆料在同一温度下保温的限制，极大的扩展了在铝基材11上制备绝缘层12和发热电阻层13的工艺；最终能够通过选择合适的膜层材料设计组合，实现了对发热体的加热均匀性能、传热速度的大幅提升，从而制备加热温度超过350℃的高性能铝基发热体。

实施例四：

本实施例提供了一种气溶胶产生装置的发热体的制备方法，本制备方法与实施例三的区别在于：绝缘层12的材料和制备工艺不同，以及发热电阻层13的溅射法部分参数不同。

本实施例中，基材11为铝管，对铝管的外表面进行硬质氧化工艺处理，在铝管的外表面形成氧化物绝缘层，如形成氧化铝绝缘层，氧化铝绝缘层为绝缘层12，即在基材11的外表面附着绝缘层12。氧化膜具有制备成本低的优势，能够降低发热体的生产成本。

氧化铝绝缘层的厚度可以为8-80微米，属于绝缘薄膜，厚膜为相对的概念，一般指厚度大于5微米的膜为厚膜。

氧化铝绝缘层在硬质氧化的工艺过程中，可以通过维持较低的电路电压值，控制合理的氧化速率，以减少裂纹，得到完整无裂痕的氧化铝绝缘层，能够避免裂纹影响绝缘效果，还能够提升美观度。

在基材11的外表面进行硬质氧化工艺的基本流程如下：

上料→中性脱脂→水洗→酸脱脂→水洗→碱蚀→水洗→水洗→水洗→化研→水洗→水洗→水洗→中和→水洗→水洗→氧化→水洗→水洗→水洗→水洗--烘干--包装。

其中，水洗的次数可以根据工艺要求进行设置。

在基材11的外表面附着氧化铝绝缘层的氧化法镀膜的参数如下表：

本实施例中，发热电阻层13的材料体系不变，工艺采用直流溅射法(包括普通直流溅射法、直流脉冲溅射法):电流≤50A，电压≤1000V。

发热电阻层13的镀膜工艺参数如下表：

本实施例中，绝缘层12制备为绝缘厚膜，发热电阻层13仍为发热电阻薄膜，发热电阻层13同样采用直流溅射法的工艺进行镀膜，同样能够避免了传统厚膜工艺制备过程中基材11需要与厚膜印刷浆料在同一温度下保温的限制，极大的扩展了在铝基材11上制备绝缘层12和发热电阻层13的工艺；最终能够通过选择合适的膜层材料设计组合，实现了对发热体的加热均匀性能、传热速度的大幅提升，从而制备加热温度超过350℃的高性能铝基发热体。

实施例五：

本实施例提供了一种气溶胶产生装置的发热体的制备方法，本制备方法与实施例三的区别在于：发热电阻层13的镀膜工艺不同。

本实施例中，发热电阻层13的电阻层材料体系不变，镀膜工艺采用高能脉冲镀膜，也能够在绝缘层12上镀膜形成发热电阻薄膜。

发热电阻层13的镀膜工艺参数如下表：

本实施例中，发热电阻层13采用高能脉冲溅射镀膜，在脉冲期间，非常高的峰值功率(通常是千瓦或兆瓦峰值功率，对应峰值电流400-1000A)产生极其密集的等离子体，离化率更高，沉积的薄膜膜层更致密，附着力更好，能够将发热电阻层13稳固附着在绝缘层12上。

实施例六：

本实施例提供了一种气溶胶产生装置的发热体的制备方法，本制备方法与实施例三的区别在于：发热电阻层13的镀膜工艺不同。

本实施例中，将发热电阻层13的镀膜工艺分为两个步骤：

第一步骤：先在绝缘层12背向基材11的面上采用高能脉冲溅射法工艺镀膜形成底层；

第二步骤：再在底层背向绝缘层的面上高能脉冲溅射法工艺镀膜形成表层，底层和表层层叠形成发热电阻层13。

其中，底层的厚度为0.04-0.2微米，双层结构的发热电阻层13的厚度同样为0.2-8微米。高能脉冲溅射法制备的底层厚度相对较薄，由直流溅射法制备的表层相对较厚。

本实施例中，发热电阻层13采用两种不同的溅射法制备两层结构，以减低成本及实现不同的特性，以满足不同的使用需求。

实施例七：

本实施例提供了一种气溶胶产生装置的发热体的制备方法，本制备方法与实施例四和实施例五的区别在于：绝缘层12的材料和制备工艺不同。

本实施例中，在基材11的外表面采用电解沉淀的工艺沉淀CeO

绝缘层12为CeO

CeO2氧化膜的电解沉淀包括：将铝合金置于含有CeCl3的NaCl溶液中，在较低电位(-1.6eV～-0.8eV)下经过较长时间的沉积，形成高耐蚀性的几乎无裂纹的CeO2氧化膜。

Ce3+离子在电流作用下沉积CeO2氧化膜的电化学反应过程：

4Ce

Ce(OH)

本实施例中，绝缘层12采用CeO

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。