加热不燃烧烟具电子烟加热技术及隔热材料深度解析

2019-08-05 18:40:57      点击:
目前市面上的新型烟具大部分都是通过电加热的方式产生热量来蒸发加热烟弹。烟油型电子烟蒸发加热的温度在200℃左右,且在雾化过程中发生气液转变吸热,因此该类型电子烟从雾化腔传递至外部的热量较少。
然而加热不燃烧卷烟内部的加热温度高达300-350℃,且主要以烘烤的形式加热,热量不易被烟气带走,这些热量如不加以阻隔,易造成产品表面温度过高,最终影响消费者体验感,甚至带来了烫伤的风险,因此加热不燃烧卷烟的隔热技术显得尤为重要。
从市场状况来看,2018年全球新型烟草销售规模达到277.4亿美元,其中加热不燃烧约119亿美元,雾化式电子烟约158亿美元。热量阻隔结构如何设计,哪些材料具有隔热功能,这些都是当前可发掘的创新技术。
下面我们将重点从加热方式、烟具表面温度、阻隔和隔热手段等几个方面展开介绍,并结合当前市面上的相关产品进一步深入分析。
一、加热方式
目前市场上加热体基材主要为:不锈钢、氧化锆、氧化铝、氧化锆增韧氧化铝陶瓷,根据加热方式主要有三种:内部加热、外部加热、内外混合加热。
加热方式示意
图 加热方式示意 来自网络
1.内部加热
内部加热,加热针或片距烟仓壁有距离,烟弹包裹及结构设计,可以降低部分热量传导到产品表面。
加热区域短,热量集中在烟仓,热量传导到人手拿握产品的中下部区域温度相对降低。
产品体积小、表面温度超标烫手, IQOS 采用热对流隔热, 抽吸时空气从上部圆周环槽进入,再流至中部的烟腔,通过冷空气带走热空气,如下图所示。

图 IQOS 烟具示意图  来自网络

2.外部加热
外部加热方式,热量可直接传导至产品表面,造成产品表面温度过高烫手,必须要进行隔热处理,否则严重影响体验感受。据了解glo采用的真空管隔热方式。

3.内外混合加热
内外独立加热是采用两个热源,结构复杂、控制难度增加,烘烤可以更充分,内外导热贴合度较高。深圳市绿新丰科技有限公司推出了全球首款内外独立加热不燃烧电子烟MOX-IOH,采用针式内加热与360度环形外加热结合。内外混合加热,对温控的要求更高。

二、电子烟烟具部分温度要求
装置外部的部件和可接触式的表面,在正常使用中这些部分被连续握持(包括吸嘴)

如何控制这些温度,让其热量阻隔散失呢,先来看看对于加热较高温度HNB类型的电子烟热量阻隔方式。
热量阻隔一般有直接阻断和间接阻断。间接阻断是将热量传导至非手接触的地方,设置高辐射率材料,实现快速散热效果。
但较常使用的是直接阻隔热量的方式,通过在加热件外周设置隔热层,该种阻隔方式既可以减少产品外部温度,且可以减少加热器的热量损失,从而提高热能利用率、降低成本。

下面重点介绍直接阻隔方式较常使用的隔热材料。
三、隔热材料
新型卷烟核心部位加热时温度约220℃~300℃,通过一定的热量利用散失后,加热区域的表面会达45℃以上,超出人体舒适温度,感觉会有烫手的感觉。
为了保证消费者在使用时不被烫伤或灼伤,一般在新型卷烟壳体和加热腔之间设置一个隔热层。
热传导、热对流、热辐射是热量传递的三种方式。上文提到的IQOS烟腔部位采用的是热对流隔热方式,这里将不再介绍,接下来重点介绍热传导阻断和热辐射阻断两种隔热技术。常见的隔热层结构涉及的主要有:真空管、隔热棉、PEEK、气凝胶等。
1、热传导阻断技术
热传导阻断技术可分为多孔材料和真空隔热管两类,其中多孔材料利用材料本身所含的孔隙隔热,因为孔隙内的空气或惰性气体的导热系数很低,如隔热棉、泡沫材料、纤维材料等;真空隔热管通过真空环境减少分子间的撞击,从而阻断了热量传递。下面具体介绍几种隔热材料。 
1.1  隔热棉
隔热棉材料一般为石棉,作为传动、保温、隔热、绝缘、密封等部件的材料或衬料,成本较低。隔热棉在雾化电子烟中应用较多,但是隔热效果差,高温稳定性差,对于加热不燃烧类型的并不能满足要求。
1.2  气凝胶隔热材料
气凝胶是一种由超微颗粒相互聚结构成的并以空气作为分散介质的高分散固态材料,具有高通透性的三维纳米网络结构,气凝胶的纳米多孔结构具有极佳的绝热性能,是目前世界上热导率最小的固体材料,较为常见得有SiO2、Al2O3体系,其始终最高温度分别为800℃和1200℃。
气凝胶相变材料会利用自己本身相态或结构的变化吸收并储存热量,使得隔热层外部的温度不致于升得太高;而当抽吸结束后,当温度降低到该相变材料的相变温度以下时,相变材料则会释放储存的热量,并恢复到吸热相变前的状态,如此循环使用,起到调节温度的作用。
气凝胶隔热层能够很好地隔绝加热器的热量,降低手感温度,保证壳体的温度<45℃。
隔热层能够减缓热量散失,节约能源,提高利用率。
气凝胶孔隙中填充或吸附有相变吸热材料,可强化其隔热能力,使得同样隔热能力下气凝胶层可以更薄,有利于在新型卷烟这种精密器件中使用。
1.3、真空隔热管
真空隔热管是双层结构,包括内管和外管。内外管之间的空间被抽真空。气体吸收器位于内管和外管之间。气体吸收器具有能够吸附气体的吸气剂、使吸气剂处于真空密封状态的壳体、在预定温度变形破坏壳体的打破元件。真空管内外壁采用不锈钢金属连接,内壁热量通过边缘直接传到外壁。
隔热管的的局限性在于,真空管的真空度无法有效测试,隔热效果不稳定,真空管漏气不可避免,会丧失隔热效果,而且成本较高,不同尺寸量少打样成本高。
1.4、隔热工程塑料
一般在加热部件周围,吸嘴与顶盖处隔热一般选用隔热工程塑料。目前隔热明显的在加热不燃烧中使用的是PEEK材料。不过PEEK成本较高,主要在加热不燃烧电子烟领域的烟具外壳、加热片底座、雾化仓等部位应用。加热不燃烧烟具加热过程中周边温度较高可达300℃左右,周边材料一般需要满足耐高温、隔热的特性,而PEEK熔点高达343℃,连续使用温度为260°C,能够适应加热不燃烧烟具的高温特性。
2、热辐射阻断技术
反射材料具有很高的 反射系数,能将热量反射出去,如金、银、 镍、 铝箔或镀金属的聚酯、聚酰亚胺薄膜等。
下图是典型的反射材料结构,其中反射隔热材料采用多层薄膜缠绕的的形式,薄膜结构:Al/PI/纳米隔热复合涂层,以聚酰亚氨薄膜为衬底(薄片状聚酰亚氨使用温度-250~400℃,热导率可达30mW /K.m)。在薄膜的一侧沉积铝箔层(厚度在80~100nm左右),在聚酰亚氨薄膜的另一侧涂覆纳米隔热涂层。
其中铝箔具有反射热的作用。纳米隔热涂层采用纳米多孔颗粒+中空陶瓷微球+有机硅耐热树脂成分,该结可在加热腔外周进行多层缠绕。
下图是某专利关于反射材料的应用,将导电轨迹沉积或涂覆与电绝缘衬底上(薄层形式),在导电加热器外周缠绕多层反射材料,该材料采用高反射率的金、银、铝箔材料将热量辐射热反射回加热腔中,并且采用蜂窝的形式来进一步减少热量传导(多孔金属,可以是金属泡沫)。
通过设置多层反射屏,可将热量充分的反射回加热腔中,可以很好的实现绝热,另一方面采用蜂窝多孔的形式可以减少热传导的过程,从而进一步减少热量的传递。
目前,新型烟草仍处于研发中,隔热层的设计是新型卷烟研发中的一大难题。因此,选取合适的隔热方式,合适的隔热层材料、对开发隔热效果优异的加热器具具有重要的意义。 
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