電子煙的電磁感應(yīng)加熱霧化技術(shù)發(fā)展趨勢研究

賈祥志 呂 昕

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450046）

0 引言

電子煙是一種模仿卷煙的電子產(chǎn)品，有著與卷煙接近的外觀、煙霧、味道和感覺，自2003 年開始，至今已發(fā)展二十余年。由于長期以來電子煙沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，這導(dǎo)致電子煙在蓬勃發(fā)展的同時也缺乏一定監(jiān)管。2022 年4 月8 日，國家市場監(jiān)督管理總局（國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會）批準(zhǔn)《電子煙》強制性國家標(biāo)準(zhǔn)，自2022 年10 月1 日起實施。該標(biāo)準(zhǔn)在電子煙煙具、霧化物、釋放物等方面做出了強制性規(guī)范，這也極大地影響了電子煙未來的研發(fā)方向［1］。霧化功能是電子煙的重要功能，由于傳統(tǒng)的電阻霧化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟且多種缺點已經(jīng)凸顯，因此本研究重點介紹新興的電磁感應(yīng)加熱霧化技術(shù)，通過挖掘?qū)＠麃韺ζ浼夹g(shù)發(fā)展脈絡(luò)和研發(fā)路線進(jìn)行剖析，并分析霧化技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，為電子煙的更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)布局提供參考，也有助于規(guī)范電子煙的發(fā)展和監(jiān)管。

1 霧化技術(shù)原理概述

1.1 電磁感應(yīng)原理

電磁感應(yīng)加熱（Electromagnetic Heating, EH）技術(shù)，采用磁場感應(yīng)渦流加熱原理，即高速變化的高頻高壓電流通過線圈產(chǎn)生高速變化的交變磁場，磁場內(nèi)磁力線通過導(dǎo)磁性金屬材料時，金屬體內(nèi)會產(chǎn)生無數(shù)小渦流，使金屬材料本身自行高速發(fā)熱，達(dá)到加熱金屬材料體內(nèi)物件溫度的目的。

參考圖1，感應(yīng)線圈132 纏繞在導(dǎo)油發(fā)熱體131外周，并不需要直接接觸，這是電磁感應(yīng)加熱最大的特點。感應(yīng)線圈132 在交流電的作用下產(chǎn)生高頻磁場以驅(qū)動導(dǎo)油發(fā)熱體131 產(chǎn)生渦流并發(fā)熱，導(dǎo)油發(fā)熱體131 通常分別由導(dǎo)油件和金屬發(fā)熱件組成，用于吸取煙油的同時對煙油進(jìn)行加熱以將煙油霧化為煙霧［2］。

圖1 電子煙的煙油加熱組件的立體示意

電子煙的加熱性能一直是各電子煙廠商研發(fā)的主要方向，電磁感應(yīng)加熱在能量轉(zhuǎn)化效率、加熱升溫時間、加熱原件布局方式、物料加熱位置均勻性與準(zhǔn)確性方面比電阻式加熱具有顯著優(yōu)勢，而且不會產(chǎn)生積碳和污垢，無須清潔，并且具有簡單易用、不易損壞的優(yōu)點，將成為電子煙發(fā)展的大趨勢。

1.2 其他霧化技術(shù)概述

目前市場主流霧化器采用電阻絲加熱煙油的方式，即通過電流流過電阻體的熱效應(yīng)，對物料進(jìn)行電加熱的方法，這種方法存在發(fā)熱絲過熱導(dǎo)致的煙油異味、碳化、熱解等問題，且功耗較大。為此，一些專利采用其他方式對煙油進(jìn)行霧化，試圖解決上述問題。這些霧化方式主要包括超聲霧化、激光加熱霧化、噴射霧化、振動霧化、離心霧化、聲表面波霧化等。本小節(jié)簡單對其他類型的霧化原理進(jìn)行介紹［3］。

電阻絲加熱霧化技術(shù)發(fā)展較為成熟，目前市場上售賣的電子煙基本上采用棉芯和微孔陶瓷芯結(jié)構(gòu)。而發(fā)熱部件也由傳統(tǒng)電阻絲主導(dǎo)［4］。除了電阻絲加熱霧化之外，還存在其他多種類型的霧化，但是在應(yīng)用上仍然不夠廣泛，存在較多技術(shù)限制，下面做簡單介紹。在超聲霧化方面，通過壓電陶瓷產(chǎn)生的超聲波振動霧化煙油。在激光加熱霧化方面，將電能轉(zhuǎn)化成光能發(fā)射至能量聚集點，使聚集點處的煙液霧化，產(chǎn)生氣溶膠。在噴射霧化方面，主要通過壓力驅(qū)動液體噴射的方式產(chǎn)生霧化液滴，以模擬傳統(tǒng)卷煙的抽吸感覺，提高感官質(zhì)量。在振動霧化方面，主要采用隨振型高速機械振動霧化裝置，提高霧化效果。在離心霧化方面，磁懸浮離心霧化電子煙，通過低功耗磁懸浮轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)煙油的離心，霧化和煙霧驅(qū)動噴出。在聲表面波霧化方面，滴油型聲表面波霧化器，通過逆壓電效應(yīng)在基片內(nèi)激發(fā)相應(yīng)的彈性聲場，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘枺纬膳c外加信號同頻率并沿基片表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?，對位于聲表面波傳播路徑上的煙油液滴進(jìn)行霧化形成氣溶膠［3］。

2 前期發(fā)展脈絡(luò)

2.1 早期技術(shù)基礎(chǔ)（2009—2015年）

在2009 年，出現(xiàn)了運用電磁感應(yīng)進(jìn)行霧化加熱的電子煙（CN101390659A，20090325），如圖2 所示。與傳統(tǒng)電阻加熱的結(jié)構(gòu)明顯不同的是，中高頻電流通過所述的感應(yīng)線圈102 對加熱區(qū)的鎳網(wǎng)絲103 直接進(jìn)行感應(yīng)加熱，加熱效率高，加熱均勻，奠定了電磁感應(yīng)霧化的主體結(jié)構(gòu)。

圖2 早期的電磁感應(yīng)霧化結(jié)構(gòu)

由該申請可以看出，感應(yīng)線圈102 需要設(shè)置在發(fā)熱體的外周，并且不需要直接接觸發(fā)熱體，利用渦流的原理對發(fā)熱體進(jìn)行加熱。在本案中，采用了鎳網(wǎng)絲103 作為發(fā)熱體，且煙液通過氣道進(jìn)入鎳網(wǎng)絲103上實現(xiàn)發(fā)熱。

前述電子煙專利仍然處于專利權(quán)維持狀態(tài)，時至今日已有16 年，這可見其開拓性和高價值性。而作為初代產(chǎn)品，不可否認(rèn)的是，新面世的電磁感應(yīng)加熱結(jié)構(gòu)有極大的改進(jìn)空間。以下三種技術(shù)方案分別從不同角度對加熱結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)。

一種電磁加熱裝置（CN202135350U，20120201），其改進(jìn)了發(fā)熱效率。如圖3a 所示，金屬發(fā)熱體2 完全置于加熱液體中，從而使金屬發(fā)熱體2 與加熱液體的熱交換效率達(dá)到最大化。另外，殼體1 能夠阻隔內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，從而避免了線圈的溫度過高，保證了加熱的安全性。

圖3 改進(jìn)的電磁感應(yīng)加熱結(jié)構(gòu)

一種發(fā)熱組件（CN103689812A，20140402），其采用多孔陶瓷管213 作為導(dǎo)油滲透部件，改進(jìn)了導(dǎo)油效率。如圖3b 所示，多孔陶瓷管213 將煙液通過其本身的微孔滲透至金屬棒215 附近，還可以從通道214進(jìn)入并與金屬棒215的部分表面接觸，使金屬棒215和煙液更加充分地接觸。

另一種霧化器（CN104256899A，20150107）更是對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完善，導(dǎo)磁金屬發(fā)熱器12 呈網(wǎng)狀的柱體設(shè)置，這樣的好處是，可以通過毛細(xì)吸附原理導(dǎo)出煙油。如圖3c所示，導(dǎo)磁金屬發(fā)熱器12插設(shè)于存儲煙油的儲油罐30中并伸向罩體13，用于將儲油罐30中的煙油導(dǎo)出并在罩體13內(nèi)實現(xiàn)霧化。

2.2 技術(shù)穩(wěn)定期（2015—2020年）

隨著電子煙技術(shù)的整體發(fā)展，電子煙的結(jié)構(gòu)也更加模塊化，煙彈中的煙油倉和霧化器也要隨之優(yōu)化，主要分為發(fā)熱裝置和儲液容器采用上下結(jié)構(gòu)布置，以及發(fā)熱裝置內(nèi)置于儲液容器內(nèi)部這兩種形式，技術(shù)發(fā)展也就圍繞此展開。

例如，一種典型的煙霧生成裝置（CN104856233 A，20150826），如圖4a 所示。電磁線圈53 位于金屬發(fā)熱件52 下方，儲液容器的煙油通過滲透件3 導(dǎo)向內(nèi)側(cè)的金屬發(fā)熱件52，金屬發(fā)熱件52為鏤空且為中空，這樣不僅避免了儲液容器內(nèi)的發(fā)煙物質(zhì)的溢出，而且能夠使空氣從中經(jīng)過，還可以擁有足夠的發(fā)熱面積，出煙量大。同時，該結(jié)構(gòu)還可以銜接電阻絲發(fā)熱組件，如圖4a 所示，加熱絲51 的螺旋體內(nèi)側(cè)腔形成所述霧化通道31 的上側(cè)一部分，可以滿足多種發(fā)熱需求和供電情況。但是該設(shè)置的電磁線圈53 和金屬發(fā)熱件52并非對應(yīng)設(shè)置，發(fā)熱效果有限。

圖4 兩種發(fā)熱裝置和儲液容器的上下結(jié)構(gòu)

一種電磁感應(yīng)煙霧生成裝置（CN104382238A，20150304），如圖4b 所示。金屬發(fā)熱件60 置于電磁線圈50的外部，使金屬發(fā)熱件60的體積不會受到電磁線圈50 的限制，具有較大的體積，進(jìn)一步增大了加熱面積，提高發(fā)熱效果。由于引導(dǎo)件40 將發(fā)煙物質(zhì)引導(dǎo)至金屬發(fā)熱件60 的上表面，同時金屬發(fā)熱件60 設(shè)置有延伸部61，延伸部61 圍設(shè)在引導(dǎo)件40 側(cè)面外部，不僅可以增加引導(dǎo)件40與金屬發(fā)熱件60的接觸面，增加霧化效果，同時也能夠防止煙油從金屬發(fā)熱件60的邊緣溢出。

前述煙彈結(jié)構(gòu)的金屬發(fā)熱件和電磁線圈呈上下分布，電磁線圈處于下方雖然便于連接電池倉，但這樣使煙彈結(jié)構(gòu)細(xì)長，發(fā)熱效果有限。因此，出現(xiàn)了另一種煙彈結(jié)構(gòu)（CN106418703A，20170222），其公開了一種電子煙霧化器，如圖5a 所示，將電磁感應(yīng)線圈120 設(shè)置在最外側(cè)，并將電磁感應(yīng)加熱體1341 上置于煙油腔體131 中，且電磁感應(yīng)加熱體1341 具有微孔結(jié)構(gòu)，外側(cè)還貼附有導(dǎo)油層1342，其加熱方式輸出效率較高。

圖5 兩種發(fā)熱裝置內(nèi)置于儲液容器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)

然而，在這種霧化器中，為了減少體積，電磁感應(yīng)加熱體直接浸泡于煙油中，飽和的煙油需要長時間加熱才能產(chǎn)生煙霧，且產(chǎn)生的煙霧含水量過高，體驗差。因此，出現(xiàn)了一種耐高溫的煙油彈（CN11399 5170A，20220201），如圖5b 所示，第一吸油介質(zhì)34為吸油繩并以一定間距纏繞于電磁感應(yīng)件32 上，并使得所述電磁感應(yīng)件32 和儲油件33 之間形成環(huán)形的通氣通道302，接觸到的煙油不會過于飽和而影響出煙速度和出煙效率，且在霧化結(jié)構(gòu)與儲油件之間會形成通氣縫隙，出煙速度快，生成的煙霧氣化更均勻，但是這種方式的發(fā)熱面積有限，且滲透效率不高，使得霧化器產(chǎn)生的煙霧較少。

另一種改進(jìn)構(gòu)思主要圍繞材料進(jìn)行，開始出現(xiàn)了一種煙油加熱組件（CN205624467U，20161012）。其中，導(dǎo)油發(fā)熱體131 包括具備微孔結(jié)構(gòu)的陶瓷主體和均勻分布在陶瓷主體中的金屬粉體，陶瓷主體和金屬粉體為一體成型結(jié)構(gòu)。如圖6 所示，導(dǎo)油發(fā)熱體131 垂直于導(dǎo)油槽12 和氣流通道112 設(shè)置，與導(dǎo)油槽12中的煙油相接觸，感應(yīng)線圈132纏繞其上。導(dǎo)油發(fā)熱體131 內(nèi)部連續(xù)的微孔結(jié)構(gòu)可形成毛細(xì)虹吸效應(yīng)，煙油通過毛細(xì)作用從導(dǎo)油發(fā)熱體131 的端部逐漸向中間滲透。由于導(dǎo)油發(fā)熱體131 為整體發(fā)熱，發(fā)熱面積較大、傳導(dǎo)熱損耗較小，從而使得煙油加熱組件13 的熱效率較高。另外，由于金屬粉體均勻分布在導(dǎo)油發(fā)熱體131 內(nèi)，從而使得煙油加熱組件13發(fā)熱均勻，霧化效果好。

圖6 有微孔陶瓷主體和摻雜金屬粉體的導(dǎo)油發(fā)熱體

3 近期熱點技術(shù)分析

3.1 對加熱件的改進(jìn)

霧化器的加熱效率是提高消費者吸食感受的關(guān)鍵因素，因此對加熱件的改進(jìn)能夠直觀地提高電子煙的產(chǎn)品性能。

一種組合加熱式陶瓷霧化芯（CN215422827U，20220107），如圖7 所示。陶瓷霧化芯主體1 中添加有磁感應(yīng)材料，可以實現(xiàn)均勻加熱，感應(yīng)線圈3 纏繞其外側(cè)，以及印刷在陶瓷霧化芯主體1 上發(fā)熱電阻2。當(dāng)用戶期望煙霧量小而柔和時，發(fā)熱電阻2 單獨工作；當(dāng)用戶期望煙霧量大而濃郁時，感應(yīng)線圈3 與發(fā)熱電阻2 同時通電，對陶瓷霧化芯主體1 進(jìn)行加熱。

圖7 組合加熱式陶瓷霧化芯

一種陣列排布發(fā)熱單元的霧化裝芯（WO202302 3990A1，20230302），如圖8 所示。該霧化芯12d 可包括多孔陶瓷體121 及設(shè)置于其上的若干個獨立的呈陣列排布的發(fā)熱單元1223d，并可在電磁感應(yīng)下發(fā)熱。點陣式霧化軌跡的設(shè)置既可以使發(fā)熱點的溫度快速升高，實現(xiàn)液態(tài)氣溶膠生成基質(zhì)的快速霧化，又能向多個方向傳導(dǎo)熱量，防止熱量的積聚和過熱狀態(tài)的發(fā)生。

圖8 陣列排布發(fā)熱單元的霧化芯

針對線圈進(jìn)行改進(jìn)也是一種思路（CN21855134 4U，20230303），如圖9 所示，在第一線圈層15A 的兩端分別繞設(shè)第一線圈部B1和第二線圈部B2，以提高電磁線圈15 在第一端部區(qū)域和第二端部區(qū)域的繞線密度，彌補第一線圈層15A 的中部磁場強度高于端部磁場強度所帶來的磁場強度差，可以使軸向上各處的磁場強度較為均衡，如此有助于讓發(fā)熱體各處產(chǎn)生的加熱功率較為一致，有助于讓霧化結(jié)構(gòu)的霧化效率一致，從而提高用戶使用感。

圖9 兩端分別繞設(shè)線圈部的電磁線圈

3.2 其他角度的改進(jìn)

除此之外，仍有針對其他類型的改進(jìn)，同樣能夠提高基于電磁感應(yīng)發(fā)熱的霧化器的效率，或者能夠使電子煙的整體功能多樣化。

一種帶有電磁屏蔽件的霧化芯（CN111512698 A，20200807），如圖10 所示。其中，低通濾波器34用作感應(yīng)線圈30的低通濾波器，設(shè)置在感應(yīng)線圈30和電池組16之間，由此減小感應(yīng)線圈30產(chǎn)生的電磁場的泄漏。另一種帶有環(huán)形電磁屏蔽層的霧化芯（CN111512699A，20200807），如圖11 所示。第一電磁屏蔽層36 和第二電磁屏蔽層46 又包括了多個呈圓柱形的屏蔽部分40、42、58，以實現(xiàn)熱量和傳導(dǎo)損耗最小化。

圖10 帶有電磁屏蔽件的霧化芯

圖11 帶有環(huán)形電磁屏蔽層的霧化芯

一種采用多孔金屬制成的霧化組件（CN115281 391A，20221104），如圖12 所示，磁感加熱管2、電磁線圈3和電磁屏蔽管4均采用多孔金屬制成，即三者的內(nèi)部均彌散分布著大量的有方向性的或隨機的孔洞，有利于集中熱量并進(jìn)行快速發(fā)熱。電磁線圈3為多孔金屬線圈，因多孔的存在從而有效降低了電磁線圈3的發(fā)熱；而多孔金屬制成的電磁屏蔽管4還可起到消音的效果，煙油經(jīng)進(jìn)液通道11 進(jìn)入霧化組件時，先進(jìn)入到環(huán)形腔中與電磁線圈3 產(chǎn)生接觸，由于煙油是不導(dǎo)電的，從而可利用其對電磁線圈3 起到一定的降溫作用。

圖12 采用多孔金屬制成的霧化組件

一種電子煙用隔熱材料（CN111943636A，20201117），如圖13 所示。其中，電子煙用隔熱材料1設(shè)置在電子煙感應(yīng)元件的表面，該隔熱材料1在改性二氧化硅氣凝膠中加入吸波材料，能夠吸收電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電磁波，減少感應(yīng)元件產(chǎn)生渦流的能量，從而減緩發(fā)熱速度，能夠解決因加熱感應(yīng)元件加熱速度過快，加熱效率過高而導(dǎo)致發(fā)煙基質(zhì)高溫碳化及產(chǎn)生異味等問題。

圖13 涂覆吸波材料的霧化芯

一種氣凝膠復(fù)合隔熱層（CN113773675A，20211210），如圖14所示。其中，1為基底，將二氧化硅氣凝膠材料2 與MXene（二維過渡金屬碳化物）材料3 相復(fù)合。一方面利用二氧化硅氣凝膠材料2 賦予復(fù)合隔熱層較低的導(dǎo)熱率；另一方面通過MXene材料3 彌補二氧化硅氣凝膠材料的力學(xué)性能，即硬度和強度，提高使用壽命。同時，憑借MXene 材料3良好的吸波和濾波性，可以有效防止特定人群（穿戴心臟起搏器、助聽器等）在使用電磁感應(yīng)加熱的電子煙時受到電磁波干擾。

圖14 復(fù)合MXene材料的霧化芯

一種可無線充電的感應(yīng)加熱組件（US20230081 081A1，20230316），如圖15 所示。可再充電電源13給感應(yīng)線圈12 供電，產(chǎn)生動態(tài)電磁場給感應(yīng)可加熱感受器14加熱，如圖15a所示。此外，感應(yīng)加熱組件10的感應(yīng)線圈12還可以作為接收感受器，給可再充電電源13無線充電，如圖15b所示。

圖15 可無線充電的感應(yīng)加熱組件

4 要克服的技術(shù)難點

4.1 整體結(jié)構(gòu)較為保守

電磁感應(yīng)加熱直接從電阻絲加熱衍生而來，現(xiàn)有的電子煙結(jié)構(gòu)并非是對電磁感應(yīng)加熱的最優(yōu)解，目前對電子煙結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性改進(jìn)仍然較為保守，未能脫離傳統(tǒng)電阻絲加熱結(jié)構(gòu)的范疇。要實現(xiàn)對煙油的霧化，電阻絲加熱通常可以直接纏繞于吸油組件上，這樣就產(chǎn)生較多缺陷，如干燒、加熱區(qū)域集中、電阻絲較細(xì)壽命低、煙爆、漏液、安全性不高等，而電磁感應(yīng)加熱采用感應(yīng)線圈來加熱感受體的方式實現(xiàn)加熱，加熱件和發(fā)熱件并不直接接觸，這就避免了電阻絲加熱的很多缺陷，在結(jié)構(gòu)上不必采用傳統(tǒng)的加熱絲-吸油件結(jié)構(gòu)，有較為靈活的改進(jìn)空間。

4.2 空間利用性不佳

相比于電阻絲僅僅需要兩端設(shè)置通電導(dǎo)線就可以實現(xiàn)加熱，電磁感應(yīng)加熱的電磁線圈與發(fā)熱部件不直接接觸，導(dǎo)油件經(jīng)常處于中間且占用體積較大，大量的磁通未能穿過發(fā)熱部件，造成能量損失，有損電磁感應(yīng)的發(fā)熱效果。同時，實現(xiàn)電子感應(yīng)加熱需要的組件較多，如需要預(yù)制電磁線圈，需要添加電磁屏蔽層、高頻整流器等，而且仍然需要留出傳統(tǒng)的煙油通道和氣流通道，在空間利用上表現(xiàn)不佳。

4.3 功能開發(fā)不充分

電阻絲加熱功能較為單一，除了加熱以外無法實現(xiàn)其他功能，而基于電磁感應(yīng)原理的應(yīng)用眾多。電磁感應(yīng)本身作為一種電磁現(xiàn)象，加熱功能僅僅是利用其中的渦流原理，而電磁相關(guān)的應(yīng)用極其廣泛，如通過磁場控制煙油流速，利用磁的力學(xué)原理來提高密封性，利用磁場實現(xiàn)無線充電等，都可以使得電子煙的功能多樣化，但是目前仍然未有深入充分的利用。

5 發(fā)展趨勢與結(jié)論

經(jīng)過技術(shù)的發(fā)展和積累，電磁感應(yīng)霧化技術(shù)在電子煙的應(yīng)用上已經(jīng)有了一定的體現(xiàn)，在性能和安全性上優(yōu)勢明顯，但是從產(chǎn)業(yè)上來講，技術(shù)仍然處于積累過程中，還未實現(xiàn)大爆發(fā)和廣泛應(yīng)用。隨著國際社會對電子煙制品要求的提高，以及國家日益完善的法律法規(guī)的出臺，對更安全、功能更全面的電子煙產(chǎn)品的需求也不斷增加，電磁感應(yīng)霧化技術(shù)仍然存在較大的改進(jìn)空間。目前，全球?qū)＠暾垟?shù)量不多，我國企業(yè)未來可以加大該技術(shù)的研發(fā)，搶占先機，引領(lǐng)霧化技術(shù)的升級換代，打開產(chǎn)業(yè)發(fā)展新局面。