加热元件、汽化装置、使由喷射头喷射的流体汽化的方法与流程

本发明涉及一种加热元件、汽化装置以及对由喷射头喷射的流体进行汽化的方法，尤其是涉及一种具有改善的汽化效率的加热元件、汽化装置以及对由喷射头喷射的流体进行汽化的方法。

背景技术：

当将流体射出到汽化加热器的经过加热的表面上时，非常希望100％的流体汽化，以使得不从汽化装置的汽化加热器排出液体。问题在于，汽化加热器必须足够小以非常快速地加热，但是也要具有足够的表面积来捕获正被喷射到加热元件上的所有流体及流体小滴。典型的金属箔加热元件具有光滑的表面，所述表面因加热元件表面的低表面粗糙度而具有最小的液体/加热器界面。因此，当新的小滴到达时，如果在加热元件的表面上已经存在显著的流体层，则撞击加热元件的表面的一些流体小滴将被散射或流体小滴将从加热元件喷射出。因此，不仅仅是蒸汽从汽化装置排出，液体小滴可能也会被夹带在蒸汽中并从汽化装置排出。在一些应用中，液体的排出是不期望的。另外，未经汽化的流体可能积聚在汽化装置内部，从而使装置的运行劣化。

技术实现要素：

为了避免液体小滴从汽化装置排出，喷射到加热元件的表面上的流体流(stream of fluid)必须由加热元件高效地捕获，在加热元件的表面上散布开，并以与流体到达加热元件的表面上的速率近似相同的速率被完全汽化，以避免液体积聚在加热元件的表面上。

有鉴于上述，本发明的实施例提供一种用于汽化装置的加热元件、含有加热元件的汽化装置、以及对由喷射头喷射的流体进行汽化的方法。所述加热元件包括导电层，设置在衬底上；其中，所述加热元件具有用于流体汽化的有效表面积，所述有效表面积大于由所述加热元件的尺寸界定的平面表面积。

在一个实施例中，所述加热元件还包括：保护层，设置在所述导电层上；以及多孔层，设置在所述保护层上且具有至少约50％的孔隙率。

在一个实施例中，所述加热元件具有矩形形状且具有由公式ESA＞L×W界定的用于流体汽化的所述有效表面积，其中，ESA是所述有效表面积，L是所述加热元件的长度，且W是所述加热元件的宽度。

在一个实施例中，所述多孔层具有：介于约0.5毫米至约3毫米的范围的厚度。

在一个实施例中，所述衬底、所述导电层、所述保护层及所述多孔层具有：介于约4毫米至约1厘米的范围的组合厚度。

在一个实施例中，所述多孔层具有：介于约50％至约95％的范围的孔隙率。

本发明的另一个实施例提供一种汽化装置，包括：壳体本体；嘴口，附装到所述壳体本体；以及上述的加热元件，设置成邻近所述嘴口，所述的加热元件用于将从喷射头喷射的流体汽化。

本发明的另一个实施例提供一种对由喷射头喷射的流体进行汽化，以使由所述喷射头喷射的所述流体实质上全部汽化的方法。所述方法包括：提供汽化装置，所述汽化装置具有所述喷射头及邻近所述喷射头的加热元件；将所述流体喷射到所述加热元件上；在流体喷射期间，激活所述加热元件；以及使用所述加热元件，将所述流体实质上全部汽化，其中，所述加热元件包括：导电层，设置在衬底上，其中，所述加热元件具有用于流体汽化的有效表面积，所述有效表面积大于由所述加热元件的尺寸界定的平面表面积。

在一个实施例中，所述加热元件还包括：保护层，设置在所述导电层上；以及多孔层，设置在所述保护层上且具有至少约50％的孔隙率。

在一个实施例中，所述的方法还包括：由所述加热元件的所述多孔层吸收所述流体，所述加热元件的所述孔隙率是由公式ESA＞L×W界定，中，ESA是所述加热元件的有效表面积，L是所述加热元件的长度，W是所述加热元件的宽度，且所述加热元件具有矩形形状，且所述加热元件暴露于所述流体。

在本发明中，可以获得：改进的加热元件、和用于提高汽化装置的加热元件的汽化效率的方法。

附图说明

通过参照以下详细说明、附图及权利要求，所公开的实施例的其他特征及优点将显而易见，其中：

图1是根据本发明实施例的汽化装置的剖视图，其未按比例绘制。

图2是图1所示汽化装置的一部分的特写图，其未按比例绘制。

图3是根据本发明实施例的加热元件的剖视图，其未按比例绘制。

图4是根据本发明另一个实施例的加热元件的剖视图，其未按比例绘制。

图5至图7是根据本发明实施例的制作加热元件的工艺的示意图，其未按比例绘制。

图8是根据本发明实施例的将流体吸收到上部多孔表面中的加热元件的剖视图，其未按比例绘制。

[符号的说明]

10：汽化装置

12：嘴口

14：导管

16：壳体本体

18：可拆卸桶盖

20：可拆卸流体供应桶

22：喷射头/微流体喷射头

24：加热元件

26：固持件

28：可再充电电源

30：主电路板

32：汽化驱动器卡

34：阻尼器滑块

36：进气孔

40：陶瓷基底

42：导电层/电阻或导电层

44：流体吸收或捕获层/多孔层

46：保护层

48：陶瓷层

50：缺口

54：层

56：多孔层

58：含有流体的多孔层

L：长度

T1：总厚度

T2：厚度

W：宽度

具体实施方式

流体喷射装置的应用之一是：将溶液射出到另一个装置上，以在所述另一装置中执行辅助功能。常见的辅助功能是使用加热器将溶液汽化，以使得溶液的成分可被汽化，从而将溶液作为气态物质进行递送。此种技术的应用包括但不限于：电子香烟的计量与汽化装置、蒸汽疗法、气态药物递送、微型实验室的汽相反应等。与这些装置相关联的问题是流体的高效汽化。本发明公开了改善的加热元件以及用于提高汽化装置的加热元件的汽化效率的方法。

本发明涉及图1及图2所示的汽化装置10，以及图3至图8所示的汽化装置10的加热元件。此汽化装置10可用于各种各样的应用，其中，如下文更详细所述的，将液体喷射到加热元件上来提供蒸汽流的应用。此汽化装置10通常是手持式装置，例如是电子香烟，具有：嘴口12，用于吸入由汽化装置10产生的蒸汽。嘴口12包括：导管14，用于使蒸汽从汽化装置10流出。汽化装置10的主要组件包括：壳体本体16、可拆卸的桶盖18、可拆卸的流体供应桶20、与流体供应桶20相关联的喷射头22、以及用于汽化从喷射头22喷射出的流体的加热元件24及加热元件24的固持件26。与汽化装置10相关联的其他组件包括：可再充电电源28、主电路板30、及汽化驱动器卡32。图2示出汽化装置10的放大部分。

嘴口12以及汽化装置10的壳体本体16可由包括塑料、金属、玻璃、陶瓷等在内的各种各样的材料制成，所述材料与将通过汽化装置10喷射及汽化的流体兼容(Compatible)。尤其适合的材料可选自：聚氯乙烯、高密度聚乙烯、聚碳酸酯、不锈钢、手术用钢、镀镍钢等。与流体及蒸汽接触的所有零件(包括嘴口12及壳体本体16)均可由塑料制成。导管14可由例如不锈钢等金属或能耐受由汽化装置10产生的热及蒸汽的其他材料制成。

如图1所示，壳体本体16可包括：电路板30及汽化驱动器卡32，以为加热元件24(将在下文更详细地阐述)及喷射头22提供逻辑电路系统。可再充电电源28可被容纳在壳体本体16中。在另一个实施例中，可拆卸的非可再充电电池可被容纳在壳体本体16中。可使用电接点(例如，通用串行总线(universal serial bus，USB))(图中未示出)来对可再充电电源28进行再充电，并改变喷射头22及加热元件24的程序设定。微流体喷射头22与流体供应桶20进行流体流动连通，流体供应桶20提供将要由喷射头22喷射的流体。

可包括入口空气流量控制装置，来提供对喷射头22的反压力控制。入口空气流量控制装置可包括：阻尼器滑块34及进气孔36，使得空气能够被吸入到邻近加热元件24及喷射头22的导管14中，以使得可避免喷射头22存在过大的负压。

汽化装置10的重要组件是加热元件24，如图3所示。加热元件24通常由高温固体陶瓷基底(衬底)40制成，高温固体陶瓷基底40上印刷、沉积有电阻或导电层42、或者在陶瓷基底40中嵌置有电阻或导电层42。电阻或导电层42的材料可选自通常用于加热元件的各种各样的材料，包括但不限于：银和/或碳丝网印刷材料、钨、钼、钼锰等。

如上所述，期望将从喷射头22喷射出的流体实质上全部汽化，以使得仅蒸汽经由嘴口12的导管14排出。因此，加热元件24理想地含有在保护层46上形成的流体吸收或捕获层44。保护层46位于”流体吸收或捕获层44”与”电阻或导电金属层42”之间，且可由与陶瓷基底40相同的材料或者任意其他适合的实质上无孔的高温材料制成。保护层46的其他适合的材料包括但不限于：氧化铝、氮化铝、二氧化硅、或氮化硅。

加热元件24的总厚度T1可介于约4毫米至约1厘米的范围。换句话说，衬底40、电阻或导电层42、保护层46及流体吸收或捕获层44(即，多孔层44，如下所述)具有：介于约4毫米至约1厘米的范围的组合厚度。流体吸收或捕获层44的厚度T2可介于约0.5毫米至约3毫米的厚度范围，例如介于约1毫米至约2毫米的厚度范围。电阻或导电层42的厚度及保护层46的厚度对本发明实施例而言并非关键。在嵌置的电阻或导电层42的情形中，保护层46可并非是必需的。

在一个实施例中，如图3所示，流体吸收或捕获层44是沉积到保护层46上的、具有至少约50％的孔隙率的多孔层。在另一个实施例中，流体吸收或捕获层44的孔隙率可介于约60％至约85％的范围。具有至少约50％的孔隙率意指：流体吸收或捕获层44是多孔的，或者，具有能提供相对于流体吸收或捕获层44的全部体积来说，为至少50％空隙空间体积的缺口或空腔。作为对多孔层的实际限制，孔隙率范围是基于工程判断。流体吸收或捕获层44的质量尽可能小，以优化升温速度，且将对流体吸收或捕获层44进行加热时的功耗最小化。为获得低质量，需要高的孔隙率，其中选择95％作为实际可行的上限。在孔隙率高于95％时，结构将会太脆弱且难以制作。选择50％的孔隙率作为流体吸收或捕获层44的最小孔隙率。在孔隙率低于50％时，流体吸收或捕获层44的毛细作用性质将会因结构中的孔关闭/无法进入而变差。

对于如上所述具有宽度W、长度L、及厚度T1的矩形的加热元件来说，加热元件24进一步被定义为具有由公式ESA＞L×W界定的流体汽化有效表面积(Effective Surface Area，ESA)。对于圆形的加热元件来说，加热元件的有效表面积(ESA)由公式ESA＞Π×R²界定，其中R是暴露至汽化流体的加热元件的半径。加热元件24并非仅限于矩形形状或圆形形状，这是由于可使用包括三角形、复杂形状等的任意形状。因此，加热元件24的有效表面积大于保护层46的标称尺寸(nominal dimensions)。

在另一个实施例中，如图4所示，可使用经过喷砂的陶瓷层或经激光蚀刻的陶瓷层48，来捕获从喷射头22喷射出的流体。因此，可向保护层46施加陶瓷层48且接着进行喷砂或激光蚀刻，以在陶瓷层48中形成缺口50，来显著地增大加热元件24的有效表面积，如图4中所示。在替代实施例中，与增加陶瓷层48以及对陶瓷层48进行喷砂或蚀刻相反，可对保护层46本身进行喷砂或激光蚀刻。如多孔层44一样，陶瓷层48或保护层46的经过喷砂或激光蚀刻的表面，可有效地防止液体在层的表面上的池聚(pooling)，且可为喷射到加热元件24上的流体提供更快速的汽化。

在图5至图7中示意性地示出，根据本发明实施例的一种制作加热元件24的方法。加热元件24包含陶瓷基底40。所述陶瓷基底40含有：以氧化铝陶瓷基底40的92重量％至96重量％嵌置的高熔点金属加热材料，例如钨、钼、或钼锰，以形成导电层42。举例来说，可将一种或多种上述金属的金属加热电阻浆料，印刷到陶瓷生坯(ceramic green body)的带状铸件(tape casting)上，以形成导电层42。接着，在高温下借助4重量％至8重量％的烧结添加剂，将若干层的陶瓷生胚层叠在一起，以形成陶瓷基底40的氧化铝陶瓷加热基底。陶瓷基底40的材料包含但不限于：氮化铝及立方氮化硼。

在工艺的下一个步骤中，如图6所示，将玻璃料的层54施加到已被施加到导电层42的保护层46上，从而提供所述层54。可将玻璃料作为丝网印刷膏或浆料，而施加到加热元件24的表面。

在工艺的最后步骤中(图7所示)，对加热元件24上的玻璃料进行烧结，以提供厚度介于约0.5毫米至约3毫米的范围、例如介于约1毫米至约2毫米的范围的多孔层56。在将流体从喷射头22喷射到加热元件24上之后，流体被经过烧结的玻璃料层吸收，以形成含有流体的多孔层58(图8所示)。含有流体的多孔层58提供增大的有效加热元件表面积，从而可实现更高效的液体汽化。

尽管已阐述了特定实施例，然而申请人或所属领域的其他技术人员能够想到当前未预见或当前可能无法预见的替代方案、修改形式、变化形式、改进形式、及实质等效形式。因此，提出申请且可能经过修正的所附权利要求旨在包含所有此类替代方案、修改形式、变化形式、改进形式、及实质等效形式。