具有非线圈雾化器的电子烟
本申请是中国申请CN201480079630.0的分案申请，该申请日期为2014年4月23日，发明名称为“具有非线圈雾化器的电子烟”。
技术领域
本发明的领域为电子烟。
背景技术
电子烟通常具有的雾化器是通过电加热线圈来汽化液体的。虽然加热线圈雾化器取得了重大的成功，它们有几个缺点。例如，在一些设计中，线圈可能不是对加热元件有利的几何形状。此外，将线圈组装到雾化器可能耗时，特别是较小尺寸的线圈。在提供电子烟的改进的雾化器上，仍存在相应的工程挑战。
发明内容
附图说明
在附图中，相同的附图标记在每个视图中表示相同的元件。
图1是现有技术中的具有线圈加热元件100和芯元件200的雾化器。
图2是非线圈加热元件的俯视图。
图3是涂覆了导电性纤维的非线圈加热元件的俯视图。
图4a和图4b是被成形为具有不同的电阻面积的非线圈加热元件的俯视图。
图5a-图5d示出了非线圈加热元件中可能采用的不同形状的纤维材料垫2。
图6a-图6d示出了涂覆导电性纤维以制造图2所示的非线圈加热元件的方法。
图7a-图7f示出了图4a所示的非线圈加热元件的制备过程。
图8示出了将非线圈加热元件的电阻改进到所需的范围的过程。
图9示出了具有图2、3或4所示的非线圈加热元件的电子烟。
图10(a)是与液体供给单元接触的图2的非线圈加热元件放大的侧视图。
图10(b)是与液体供给单元接触的图3的非线圈加热元件放大的侧视图。
图10(c)是与液体供给单元接触的图3所示的非线圈加热单元的俯视截面图。
图11(a)是绕非线圈加热元件缠绕的芯的侧视图。
图11(b)是绕非线圈加热元件缠绕而不与该加热段接触的芯的侧视图。
具体实施方式
一方面，非线圈雾化器具有由导电纤维材料制成的加热元件。导电性纤维的一段可被涂覆导电性材料来降低该纤维的电阻。导电纤维材料可以成形为具有更小的和更大的电阻的面积。非线圈雾化器不需要一个单独的芯单元以将液体传递至加热元件。在此公开的非线圈雾化器与用于电子烟的传统的带线圈的雾化器相比，更小型化，从而为电子烟提供更紧凑的设计。雾化器尺寸的减少可允许电子烟中的更多的空间被用于其他组件。
在另一方面，电子烟包括非线圈雾化器，该雾化器具有第一电极、第二电极、以及电连接至该第一和该第二电极的多个有机或者无机的导电纤维。该纤维的一段形成加热段。该纤维可进一步具有第一和第二导电段。第一和第二导电段分别和第一和第二电极靠近。相对于加热段的较高电阻(例如约3Ω至约5Ω，或者约1Ω至约7Ω)，该第一和第二导电段可具有低电阻(例如，约1Ω或更小)。加热元件可被设计为具有所希望的约3Ω约6Ω，或者约1Ω至约8Ω的总电阻。当电子烟工作时，电极之间的电流通过导电段和加热段。由于加热段具有较高的电阻，流经加热元件的电流在加热段产生热量。
图2显示了加热元件4，其具有加热元件的纤维2，安装在板1的两个电极3和3’之间。板可以是具有其他电子元件的印刷电路板(PCB)，或者它可以是只有加热元件4做为唯一的电器组件的板。板可以是对加热元件提供足够的支撑的绝缘材料，例如玻璃纤维。两个电极3和3’之间的纤维形成加热段6。板1可具有通孔1’，其至少部分地与加热段6的一部分重叠，例如，与加热段的约30％，约50％，约90％，或者约100％重叠。电极3和3’可由任何导电材料制成。电极可选地由可以传输液体至纤维2的导电材料制成。纤维2可以会或可以不会横向延伸超过电极3和3’以外。纤维2可以被彼此之间大致平行地定位于电极3和3’之间，其中纤维和连接电极3和3’之间的线之间的最大角为约0到约10°，约0到约5°，或者约0到约2°。
制备电极3和3’的可以传输液体的导电材料可以是多孔电极材料，包括导电陶瓷(如导电多孔陶瓷和导电泡沫陶瓷)，多孔金属，泡沫金属(如Au、Pt、Ag、Pd、Ni、Ti、Ir、Pb、Ba、W、Re、Os、Cu、Pt、Mo、Mu、W、Zn、Nb、Ta、Ru、Zr、Pd、Fe、Co、V、Rh、Cr、Li、Na、T1、Sr、Mn，和它们的任何合金)，多孔导电碳材料(如石墨、石墨烯和/或纳米多孔碳基材料)，不锈钢纤维毡，以及其任何复合材料。导电陶瓷可包含选自由氧化物(例如ZrO2、TrO2、SiO2、Al3O2、等等)，碳化物(例如SiC、B4C)，氮化物(例如AlN)，上面列出的任何金属，碳(如石墨、石墨烯和碳基材料)，Si，和这些材料的任何组合和/或复合材料组成的组中的一个或多个组分。两个或更多组分的“复合材料”表示由该两个或更多的组分通过至少一种工艺处理所获取的材料，例如通过烧结和/或沉淀。
为了清楚地显示，图2示意地示出了少数的间隔开的纤维。然而，所示的单个纤维也可以有接触。所示的单个纤维也可以以织物的形式被提供，其中纤维彼此之间接触以通过毛细作用提供对液体的传输。纤维的直径可以为约40μm至约180μm，或者约10μm至约200μm。纤维可以具有实质上相同或不同的直径。纤维可以通过毛细作用允许液体沿着或穿过纤维流动。纤维材料可以是有机纤维和/或无机纤维。无机纤维的例子包括碳纤维、SiO2纤维、TiO2纤维、ZrO2纤维、Al2O3纤维、Li4Ti5O12纤维、LiN纤维、Fe-Cr-A1纤维、NiCr纤维、陶瓷纤维、导电陶瓷纤维和它们的改性纤维。有机纤维的例子包括聚合物纤维(如聚苯胺纤维和芳纶纤维)，有机金属纤维和这些类型的纤维的改性纤维。
纤维可以通过对纤维暴露/涂覆/粘连至具有亲水基团(如羟基)的化合物，被改进以改善表面性质(如更好的亲水特性以增强毛细作用的能力)。
纤维材料也可以被改性以具有希望的电性能。例如纤维材料的导电性可通过对纤维材料施用一种或多种修饰材料来改变。改性材料可包括SnCl2、碳(如石墨、石墨烯和/或纳米多孔碳基材料)，上面列出的任何金属，和/或它们的合金，以提高纤维或纤维材料的导电性。某些盐可被用作改性材料以提供较低的导电率。修饰材料可以应用于纤维或纤维材料，通过涂覆、粘连、溅射、电镀、或以其他方式将改性材料沉积在纤维或纤维材料上。
在使用图2所示的加热元件的电子烟的操作中，液体从液体存储组件通过电极被提供至加热段上。当用户吸入电子烟时，汽化的液体与流经孔1’的空气混合，孔1’至少部分地与加热段6的一部分重叠。在另一可选的设计中，通过芯或多孔组件而不是通过电极将液体直接提供给加热段。
图3示出了另一种加热元件4，其中纤维2安装在板1的两个电极3和3’之间。电极3和3’可以是也可以不是由能够使液体达到纤维材料2的导电材料制成，如上相对于图2所述。纤维可能会或可能不会横向延伸超过电极之外。电极3和3’之间的纤维具有第一导电段5电连接到第一电极3，第二导电段5’电连接到第二电极3’，以及第一导电段5和第二导电段5’之间的加热段6。导电段5和5’具有比加热段6更低的电阻。加热段6和电极可具有选出的电阻，从而加热元件4的总电阻适合于典型地以大约3到5伏的直流电池电压工作的电子烟的操作。在这种情况下，加热元件4可具有约3～5Ω电阻，或在室温下约3.8Ω。
导体的电阻可以通过以下公式计算：
其中，R是电阻(Ω)，1是导体的长度，A是导体的横截面积(m2)和ρ是材料的电阻率(Ωm)。
纤维相对于电流的面积在导电段5和5’(A5，A5)和加热段6(A6)之间可能没有显著的不同。然而，导电段的电阻应低于加热段。这可以通过有选择地改性纤维，如上所述，以减少导电段的电阻，和/或增加加热段的电阻来实现。
在图3中，导电段5和5’的长度为L5和L6。电极3和3’之间的距离为L4。尺寸L4、L5、L5’、L6、L4、A4、A5、A5’、A6可以随着对一个或多个纤维的选择进行调整，以达到指定的电阻。例如，对于具有约3～5Ω电阻的加热元件，或约3.8Ω，L6可为约3到4mm。L4、L5、L5’、L6、L4、A4、A5、A5’和A6也可以根据雾化器所使用在的电子烟的大小来选择。例如，加热元件4可用于具有直径约5mm至约10mm的电子烟。
在另一个实施例中，非线圈加热元件的导电和加热段之间的不同的电阻是通过将其成形为具有相对于电流的不同的截面所实现的，如图4所示。
图4a显示了一个非线圈加热元件4有一个或多个纤维材料垫2，被电连接至板1的电极3和3’上。纤维材料垫2具有面积为A5的第一导电段5，面积为A5’的第二导电段5’，以及面积为A6的加热段6。板1与垫2相接触的表面可以是导电的并电连接到电极3和3’。或者，板1与垫2的导电段5和5’接触的至少很大一部分(例如约70％至约99.9％，约80％至约99.9％，或约90％至约90％)的表面可以是导电的并电连接到电极3和3’。因此导电段的面积A5和A5’可以被视为导电段的横截面面积，以及加热段的面积A6可以被视为加热段的横截面面积。
A5和A5’明显大于A6(例如，大3、4、5或10到20倍)，因此加热段6的电阻高于导电段5和5’。虽然纤维材料垫2的厚度在相同的垫中可以不同，其厚度差异与导电段5和5’(分别为A5，A5’)和加热段6(A6)之间的面积差相比，对电导率的影响较小。
纤维材料垫2可以采用由一条狭窄的部分连接起来的任何具有两个较宽的部分的形状。例如，纤维材料垫2可以是蝴蝶结的形状或哑铃形状(例如如图5a所示)。蝴蝶结或者哑铃的较宽的末端段形成导电段。蝴蝶结或哑铃的狭窄的中间段形成加热段6。在另一个例子中，更宽的部分可以是正方形(例如如图5b所示)、长方形(例如如图5c所示)、三角形(例如如图5d所示)或圆形(例如如图5a所示)。在某些实施例中，纤维垫2可以是一个圆形毡，其直径约8mm(L2)，厚度约1mm。加热段6的长度(L6)可以是约3到4mm。加热段6的宽度(W6)可以是约1mm。导电段(15)的弧长可以是约10mm。导电段的面积(A5和A5’)分别可以是大约12到20mm2。加热段的面积(A6)可以是约3到4mm2。导电段和加热段之间的面积比约为(A5：A6)约为3、4、5或10-20。
纤维垫的直径可以是约40μm至180μm，或者约10μm至约200μm，纤维垫的厚度可以是0.5到2mm或约1mm。上述纤维材料和上述的纤维改性也可以用于本实施例中的纤维垫。
参照图4(a)和4(b)，电极3和3’可以在也可以不在加热段之外的任何位置，如纤维材料2的末端，与纤维材料2接触。导电段5和5’的电阻可以为约0到约1Ω；以及加热段6的电阻可以为约3Ω至约5Ω，从而加热元件的电阻为约3Ω至约6Ω。
图6(a)-6(d)显示了如图2所示的非线圈加热元件的制造过程，其可包括以下步骤：
a)在板1上的第一电极3和第二电极3’之间安装一个或多个纤维2(图6a)。板1有在第一和第二电极3和3’之间的通孔1’。
b)将第一电极3和第二电极3’之间的纤维的部分覆盖以掩膜8，以提供纤维的被覆盖的部分10和纤维的未被覆盖的部分9和9’(图6b)。通孔1’至少与纤维的被覆盖的部分10的一部分重叠。
c)溅射或以其他方式对至少部分的纤维的未被覆盖的部分9和9’施加如上所述的改性剂7，该改性剂7具有比溅射之前的纤维更低的电阻(图6c)。
d)去掉掩膜8，以提供如图2所示的加热元件。
图7(a)-7(c)显示了如图4所示的非线圈加热元件的制造过程，其可包括以下步骤：
I)将一个或多个纤维材料2(图7a)的垫成形为具有第一段12、第二段12’，以及第一和第二段12和12’(图7b)之间的第三段11(图7b)的形状，其中第一和第二段12和12’分别具有大于第三段11的面积(A6，图7b)的面积(A5，A5’)；以及
II)将从步骤I)获取的成形的垫2安装在板1上的第一电极3和第二电极3’之间(图7c)。狭窄的段11(图7b)成为加热段6(图7c)；第一和第二较宽的段12和12’(图7b)分别成为第一和第二导电段5和5’(图7c)。
图7(d)-7(f)显示可以在步骤(II)之后进一步进行的可选的流程，使用以下步骤：
III)用掩膜覆盖加热段8的部分或全部，以提供纤维的被覆盖的部分10和纤维的未被覆盖的部分9和9’(图7d)。
IV)对纤维的至少部分的未被覆盖的部分9和9’施加如上所述的改性剂7，而留下纤维的被覆盖的部分未经处理，其中改性剂7的电阻比溅射之前的纤维更低(图7e)。
V)去掉掩膜8，以提供非线圈加热元件。
如上所讨论的过程可被调整以提供具有约低于所需电阻的初始电阻的加热元件。加热元件可进一步通过以下步骤进行烧结处理以获得最终电阻，其在所需电阻的±0.1Ω之间(图8)：
i)向第一电极3和第二电极3’施加一已知电压(V)，可选地，加热元件4的纤维2被烧结材料涂覆或以其他方式进行处理。当加热元件加热时，纤维2和/或该烧结材料的电阻永久地改变。
ii)监测通过电加热元件4的电流(I)。
iii)当测量的电流(I)达到对应于加热元件4的所需电阻的电流时，关闭电压。
烧结过程可以在环境空气中应用。可选地，烧结过程可通过向过程中增加氧进行加速。
图9显示了具有非线圈雾化器14和液体供给单元16的电子烟13。非线圈雾化器14包括如图2、3或4中所示的非线圈加热元件4，以及一个至少部分通过该雾化器的气流通道15。该非线圈加热元件4含有具有通孔1’的板1。电子烟13可进一步包括在一个壳体700中的电源300，例如电池或连向电源的电连接器，一个吸嘴400，一个或多个发光二极管500，其在操作时点亮，以及一个传感器600。
在某些实施例中，非线圈雾化器14可以是不含芯的。无芯且非线圈的雾化器不需要包含一个单独的芯元件以将液体从液体供给单元16传输至非线圈加热元件4。相反，液体会直接从液体供给单元流至纤维、纤维材料或电极，然后至纤维的加热段。
图10(a)-10(c)示出了没有单独的芯元件且非线圈的加热元件的几个配置。图10a显示了无芯且非线圈的雾化器14的侧视图。非线圈加热元件4具有电极3和3’，其将液体运送至加热段6。电极3和3’的材料可以是可以传输液体的导电材料，例如以上描述的多孔电极材料，例如，多孔金属，泡沫镍，导电多孔陶瓷，不锈钢纤维毡。这些材料即可作为导电电极，又可以输送液体。液体供给单元16接触电极3和3’，可以通过电极材料中的孔或通过毛细作用运送液体，不需要单独的芯元件。尽管导电段不是非线圈加热元件4工作所必须的，非线圈加热元件4可包括如上所述的导电段。
图10(b)显示另一个无芯且非线圈的雾化器14的侧视图。非线圈加热元件4具有导电段(如图3所示)。液体供给单元16在导电段5和5’上接触非线圈加热元件4。导电段5和5′可以将液体运送至加热段，不需要芯。图10(c)显示了这样的无芯且非线圈的雾化器14的俯视图，其中液体供给单元16采用圆柱形状。然而，液体供给单元16可具有能与导电段5和5’中的一个或两个接触以提供液体流动的任何形状。图10(b)和10(c)显示了一个实施例，其中非线圈加热元件4具有如图3所示的导电段。如果对液体供给单元16的与加热元件4相接触部分进行加热是可以接受的，不具有导电段的非线圈加热元件4也可适用于图10(b)和10(c)的配置。图10(a)和10(b)的无芯配置也可用于如图4(a)和4(b)中所示的非线圈加热元件。
非线圈雾化器14也可以使用芯将液体从液体源移至非线圈加热元件进行操作。芯可以是能够运输液体的任何材料，如陶瓷纤维、石英纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、普通纤维、纸、棉花、多孔陶瓷、麻、竹纱、氧化不锈钢网、金属丝网或编织和布或无纺布材料。可选地，沸石颗粒可被进一步包含在芯中，以便于雾化平顺。
图11(a)展示了使用芯的非线圈雾化器的一个侧视图。非线圈加热元件4可以有也可以没有导电段，而其电极3和3’可以或者不可以运输液体至加热段6。芯17可在任何部分接触非线圈加热元件4，例如加热段6，如果合适的话电极3和3’，及其任何组合。芯可绕加热段和/或电极3和/或3’缠绕，或采用任何合适的配置。
对于具有导电段的非线圈加热元件4，芯17可在可以运输液体至加热段的任何部分接触非线圈加热元件4，如加热段6、导电段5、导电段5’，如果适用的话电极3和3’，和其任何组合，如图11(a)所示。可选地，芯17可被配置为避开加热段6，如图11(b)所示。
图11(b)显示了非线圈加热元件4具有两个导电段5和5’的设计。芯可在除加热段6之外的一个或多个部分接触非线圈加热元件4。因此，芯可接触导电段5、导电段5’、如果适用的话电极3和3’，和其任何组合。
所描述的加热元件可以方便且有效地大规模生产，且生产成本低。它们也可以被生产并精确控制电阻，从而在用于电子烟时具有更好的性能。所描述的加热元件也可以小尺寸制造，以供更多样地用于电子烟。
上述的非线圈雾化器可以替代地描述为具有电极和加热段的导电液体芯。加热段可以由具有比电极电阻高的芯的一个区域来定义，从而使通过芯的电流加热该加热部至高温，如
芯可以是平的，例如象织物。芯可以是基本上不可渗透气流。加热芯的加热段可以被定向为垂直于电子香烟内的空气流动，空气围绕芯流动，而不是通过芯。在雾化腔内或其空间中，该芯可垂直于空气流，而不环绕回到自身上，并且也没有沿空气流方向纵向或平行延伸。在与一个传统的烟草卷烟的尺寸(5-10或12毫米，直径80-120毫米长)相当的电子香烟中，液体源中包含足够至少100口和高达500口(通常为
预见性的示例1。如图3所示的非线圈雾化器，根据图6和图8所示的流程进行制备。
I)安装和溅射(图6)
多个SiO2纤维2被安装在圆形的PCB 1的两个金属电极3和3’之间。板上具有在两个电极3和3’之间的通孔1’。掩膜8被放置以覆盖纤维在电极3和3’之间的部分(横向大约3到4mm)，提供纤维的被覆盖的部分10和纤维的未被覆盖的部分9和9’。通孔1’与纤维的被覆盖的部分10重叠。纤维的未被覆盖的部分9和9’由Cr进行溅射。去除掩膜8以提供如图2所示的加热元件4。
II)烧结(图8)
加热元件4的电阻为约2.8到约3.2Ω。在电极3和3’上施加3.8V的电压，并监控通过电加热元件4的电流(I)。当测量的电流(I)达到1A时，关闭电压，这意味着加热元件4的电阻为3.8Ω。
烧结过程可以在环境空气中进行，并花了大约1分钟。或者，烧结过程也可通过增加氧气来加速。
III)无芯元件的非线圈雾化器(图10b和10c)
具有所需的电阻的非线圈加热元件4通过如上所述制备。供液元件可接触导电段5和5’和/或加热元件4的加热段6。
(IV)具有芯元件的非线圈雾化器(图11a和图11b)
可选地，芯元件17绕着加热元件4的纤维缠绕，以促进液体从供液元件流动至加热元件4。
预见性的示例2。如图4所示的非线圈雾化器，根据图7和图8所示的流程进行制备。
I)安装和溅射(图7)
碳纤维毡2被通过激光切割或者模具冲压过程成形，以提供具有两个端部和一个中间部的形状。碳纤维毡2的直径约8mm。碳纤维毡2的厚度约为1mm。中间部长度约为3到4mm，宽度约为1mm。端部的面积超过中间部面积的三到五倍。成形的碳纤维毡2安装在圆形的PCB 1的两个金属电极3和3’之间。板1在两个电极3和3’之间具有通孔1’。碳纤维毡2的中间部与通孔1’重叠。所获取的部件被用于提供电子烟的非线圈雾化器的加热元件。
另一个加热元件的样品被进一步处理来降低两端部的电阻。如图7所示，掩膜8被放置在中间部的一部分上。通孔1’与纤维的被覆盖的部分10重叠。纤维的未被覆盖的部分9和9’被溅射了Cr++。去除掩膜8以提供如图3所示的加热元件4。
II)烧结(图8)
加热元件4的电阻约2.8到约3.2Ω。在电极3和3’上施加3.8V的电压，并监控通过电加热元件4的电流(I)。当测量的电流(I)达到1A时，关闭电压，这意味着加热元件4的电阻为3.8Ω。
烧结过程可以在环境空气中进行，并花了大约1分钟。
III)无芯元件的非线圈雾化器(图10b和10c)
具有所需的电阻的非线圈加热元件4通过如上所述制备。供液元件可接触导电段5和5’和/或加热元件4的加热段6。
(IV)具有芯元件的非线圈雾化器(图11a和图11b)
芯元件17绕着加热元件4的纤维缠绕，以促进液体从供液元件流动至加热元件4。
本文使用时，用于数量之前的“约”意味着该数量的±10％。提到纤维包括纤维材料(编织或无纺布)。在这里提到液体意味着用于电子烟的液体，通常是丙二醇溶液、植物甘油，和/或聚乙二醇400与浓缩口味和/或尼古丁，和等同物混合。在这里提到纤维材料和毛细作用包括多孔材料、其中液体在内部通过固体多孔基质移动。在任何实施例中描述的每个元件当然也可以与任何其他实施例结合使用。提到电子烟包括电子雪茄和烟斗，以及它们中的组件，如雾化器(cartomizers)。
此处描述的例子和实施例的目的在于说明发明的不同实现。因此，所讨论的具体实施例不被视为限制本发明的范围。本领域技术人员容易理解，可在不偏离本发明的范围内做出不同的等同物、变化和修改，且可以理解这些等同的实施例也被包含在此。
