電子煙的電磁感應加熱霧化技術發展趨勢研究

賈祥志 呂 昕

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，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，至今已發展二十余年。由于長期以來電子煙沒有明確的標準，這導致電子煙在蓬勃發展的同時也缺乏一定監管。2022 年4 月8 日，國家市場監督管理總局（國家標準化管理委員會）批準《電子煙》強制性國家標準，自2022 年10 月1 日起實施。該標準在電子煙煙具、霧化物、釋放物等方面做出了強制性規范，這也極大地影響了電子煙未來的研發方向［1］。霧化功能是電子煙的重要功能，由于傳統的電阻霧化技術已經發展成熟且多種缺點已經凸顯，因此本研究重點介紹新興的電磁感應加熱霧化技術，通過挖掘專利來對其技術發展脈絡和研發路線進行剖析，并分析霧化技術面臨的挑戰，為電子煙的更新換代和產業布局提供參考，也有助于規范電子煙的發展和監管。

1 霧化技術原理概述

1.1 電磁感應原理

電磁感應加熱（Electromagnetic Heating, EH）技術，采用磁場感應渦流加熱原理，即高速變化的高頻高壓電流通過線圈產生高速變化的交變磁場，磁場內磁力線通過導磁性金屬材料時，金屬體內會產生無數小渦流，使金屬材料本身自行高速發熱，達到加熱金屬材料體內物件溫度的目的。

參考圖1，感應線圈132 纏繞在導油發熱體131外周，并不需要直接接觸，這是電磁感應加熱最大的特點。感應線圈132 在交流電的作用下產生高頻磁場以驅動導油發熱體131 產生渦流并發熱，導油發熱體131 通常分別由導油件和金屬發熱件組成，用于吸取煙油的同時對煙油進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的主要方向，電磁感應加熱在能量轉化效率、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確性方面比電阻式加熱具有顯著優勢，而且不會產生積碳和污垢，無須清潔，并且具有簡單易用、不易損壞的優點，將成為電子煙發展的大趨勢。

1.2 其他霧化技術概述

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，對物料進行電加熱的方法，這種方法存在發熱絲過熱導致的煙油異味、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。本小節簡單對其他類型的霧化原理進行介紹［3］。

電阻絲加熱霧化技術發展較為成熟，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構。而發熱部件也由傳統電阻絲主導［4］。除了電阻絲加熱霧化之外，還存在其他多種類型的霧化，但是在應用上仍然不夠廣泛，存在較多技術限制，下面做簡單介紹。在超聲霧化方面，通過壓電陶瓷產生的超聲波振動霧化煙油。在激光加熱霧化方面，將電能轉化成光能發射至能量聚集點，使聚集點處的煙液霧化，產生氣溶膠。在噴射霧化方面，主要通過壓力驅動液體噴射的方式產生霧化液滴，以模擬傳統卷煙的抽吸感覺，提高感官質量。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子高速旋轉，實現煙油的離心，霧化和煙霧驅動噴出。在聲表面波霧化方面，滴油型聲表面波霧化器，通過逆壓電效應在基片內激發相應的彈性聲場，將電信號轉變為聲信號，形成與外加信號同頻率并沿基片表面傳播的聲表面波，對位于聲表面波傳播路徑上的煙油液滴進行霧化形成氣溶膠［3］。

2 前期發展脈絡

2.1 早期技術基礎（2009—2015年）

在2009 年，出現了運用電磁感應進行霧化加熱的電子煙（CN101390659A，20090325），如圖2 所示。與傳統電阻加熱的結構明顯不同的是，中高頻電流通過所述的感應線圈102 對加熱區的鎳網絲103 直接進行感應加熱，加熱效率高，加熱均勻，奠定了電磁感應霧化的主體結構。

圖2 早期的電磁感應霧化結構

由該申請可以看出，感應線圈102 需要設置在發熱體的外周，并且不需要直接接觸發熱體，利用渦流的原理對發熱體進行加熱。在本案中，采用了鎳網絲103 作為發熱體，且煙液通過氣道進入鎳網絲103上實現發熱。

前述電子煙專利仍然處于專利權維持狀態，時至今日已有16 年，這可見其開拓性和高價值性。而作為初代產品，不可否認的是，新面世的電磁感應加熱結構有極大的改進空間。以下三種技術方案分別從不同角度對加熱結構提出改進。

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

圖3 改進的電磁感應加熱結構

一種發熱組件（CN103689812A，20140402），其采用多孔陶瓷管213 作為導油滲透部件，改進了導油效率。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）更是對其結構進行了完善，導磁金屬發熱器12 呈網狀的柱體設置，這樣的好處是，可以通過毛細吸附原理導出煙油。如圖3c所示，導磁金屬發熱器12插設于存儲煙油的儲油罐30中并伸向罩體13，用于將儲油罐30中的煙油導出并在罩體13內實現霧化。

2.2 技術穩定期（2015—2020年）

隨著電子煙技術的整體發展，電子煙的結構也更加模塊化，煙彈中的煙油倉和霧化器也要隨之優化，主要分為發熱裝置和儲液容器采用上下結構布置，以及發熱裝置內置于儲液容器內部這兩種形式，技術發展也就圍繞此展開。

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 位于金屬發熱件52 下方，儲液容器的煙油通過滲透件3 導向內側的金屬發熱件52，金屬發熱件52為鏤空且為中空，這樣不僅避免了儲液容器內的發煙物質的溢出，而且能夠使空氣從中經過，還可以擁有足夠的發熱面積，出煙量大。同時，該結構還可以銜接電阻絲發熱組件，如圖4a 所示，加熱絲51 的螺旋體內側腔形成所述霧化通道31 的上側一部分，可以滿足多種發熱需求和供電情況。但是該設置的電磁線圈53 和金屬發熱件52并非對應設置，發熱效果有限。

圖4 兩種發熱裝置和儲液容器的上下結構

一種電磁感應煙霧生成裝置（CN104382238A，20150304），如圖4b 所示。金屬發熱件60 置于電磁線圈50的外部，使金屬發熱件60的體積不會受到電磁線圈50 的限制，具有較大的體積，進一步增大了加熱面積，提高發熱效果。由于引導件40 將發煙物質引導至金屬發熱件60 的上表面，同時金屬發熱件60 設置有延伸部61，延伸部61 圍設在引導件40 側面外部，不僅可以增加引導件40與金屬發熱件60的接觸面，增加霧化效果，同時也能夠防止煙油從金屬發熱件60的邊緣溢出。

前述煙彈結構的金屬發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，但這樣使煙彈結構細長，發熱效果有限。因此，出現了另一種煙彈結構（CN106418703A，20170222），其公開了一種電子煙霧化器，如圖5a 所示，將電磁感應線圈120 設置在最外側，并將電磁感應加熱體1341 上置于煙油腔體131 中，且電磁感應加熱體1341 具有微孔結構，外側還貼附有導油層1342，其加熱方式輸出效率較高。

圖5 兩種發熱裝置內置于儲液容器內部的結構

然而，在這種霧化器中，為了減少體積，電磁感應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生煙霧，且產生的煙霧含水量過高，體驗差。因此，出現了一種耐高溫的煙油彈（CN11399 5170A，20220201），如圖5b 所示，第一吸油介質34為吸油繩并以一定間距纏繞于電磁感應件32 上，并使得所述電磁感應件32 和儲油件33 之間形成環形的通氣通道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，且在霧化結構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，但是這種方式的發熱面積有限，且滲透效率不高，使得霧化器產生的煙霧較少。

另一種改進構思主要圍繞材料進行，開始出現了一種煙油加熱組件（CN205624467U，20161012）。其中，導油發熱體131 包括具備微孔結構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構。如圖6 所示，導油發熱體131 垂直于導油槽12 和氣流通道112 設置，與導油槽12中的煙油相接觸，感應線圈132纏繞其上。導油發熱體131 內部連續的微孔結構可形成毛細虹吸效應，煙油通過毛細作用從導油發熱體131 的端部逐漸向中間滲透。由于導油發熱體131 為整體發熱，發熱面積較大、傳導熱損耗較小，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油發熱體131 內，從而使得煙油加熱組件13發熱均勻，霧化效果好。

圖6 有微孔陶瓷主體和摻雜金屬粉體的導油發熱體

3 近期熱點技術分析

3.1 對加熱件的改進

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

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 中添加有磁感應材料，可以實現均勻加熱，感應線圈3 纏繞其外側，以及印刷在陶瓷霧化芯主體1 上發熱電阻2。當用戶期望煙霧量小而柔和時，發熱電阻2 單獨工作；當用戶期望煙霧量大而濃郁時，感應線圈3 與發熱電阻2 同時通電，對陶瓷霧化芯主體1 進行加熱。

圖7 組合加熱式陶瓷霧化芯

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

圖8 陣列排布發熱單元的霧化芯

針對線圈進行改進也是一種思路（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 在第一端部區域和第二端部區域的繞線密度，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，如此有助于讓發熱體各處產生的加熱功率較為一致，有助于讓霧化結構的霧化效率一致，從而提高用戶使用感。

圖9 兩端分別繞設線圈部的電磁線圈

3.2 其他角度的改進

除此之外，仍有針對其他類型的改進，同樣能夠提高基于電磁感應發熱的霧化器的效率，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用作感應線圈30的低通濾波器，設置在感應線圈30和電池組16之間，由此減小感應線圈30產生的電磁場的泄漏。另一種帶有環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，以實現熱量和傳導損耗最小化。

圖10 帶有電磁屏蔽件的霧化芯

圖11 帶有環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行快速發熱。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，煙油經進液通道11 進入霧化組件時，先進入到環形腔中與電磁線圈3 產生接觸，由于煙油是不導電的，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設置在電子煙感應元件的表面，該隔熱材料1在改性二氧化硅氣凝膠中加入吸波材料，能夠吸收電磁感應線圈產生的電磁波，減少感應元件產生渦流的能量，從而減緩發熱速度，能夠解決因加熱感應元件加熱速度過快，加熱效率過高而導致發煙基質高溫碳化及產生異味等問題。

圖13 涂覆吸波材料的霧化芯

一種氣凝膠復合隔熱層（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 相復合。一方面利用二氧化硅氣凝膠材料2 賦予復合隔熱層較低的導熱率；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）在使用電磁感應加熱的電子煙時受到電磁波干擾。

圖14 復合MXene材料的霧化芯

一種可無線充電的感應加熱組件（US20230081 081A1，20230316），如圖15 所示。可再充電電源13給感應線圈12 供電，產生動態電磁場給感應可加熱感受器14加熱，如圖15a所示。此外，感應加熱組件10的感應線圈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 可無線充電的感應加熱組件

4 要克服的技術難點

4.1 整體結構較為保守

電磁感應加熱直接從電阻絲加熱衍生而來，現有的電子煙結構并非是對電磁感應加熱的最優解，目前對電子煙結構的適應性改進仍然較為保守，未能脫離傳統電阻絲加熱結構的范疇。要實現對煙油的霧化，電阻絲加熱通常可以直接纏繞于吸油組件上，這樣就產生較多缺陷，如干燒、加熱區域集中、電阻絲較細壽命低、煙爆、漏液、安全性不高等，而電磁感應加熱采用感應線圈來加熱感受體的方式實現加熱，加熱件和發熱件并不直接接觸，這就避免了電阻絲加熱的很多缺陷，在結構上不必采用傳統的加熱絲-吸油件結構，有較為靈活的改進空間。

4.2 空間利用性不佳

相比于電阻絲僅僅需要兩端設置通電導線就可以實現加熱，電磁感應加熱的電磁線圈與發熱部件不直接接觸，導油件經常處于中間且占用體積較大，大量的磁通未能穿過發熱部件，造成能量損失，有損電磁感應的發熱效果。同時，實現電子感應加熱需要的組件較多，如需要預制電磁線圈，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的煙油通道和氣流通道，在空間利用上表現不佳。

4.3 功能開發不充分

電阻絲加熱功能較為單一，除了加熱以外無法實現其他功能，而基于電磁感應原理的應用眾多。電磁感應本身作為一種電磁現象，加熱功能僅僅是利用其中的渦流原理，而電磁相關的應用極其廣泛，如通過磁場控制煙油流速，利用磁的力學原理來提高密封性，利用磁場實現無線充電等，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 發展趨勢與結論

經過技術的發展和積累，電磁感應霧化技術在電子煙的應用上已經有了一定的體現，在性能和安全性上優勢明顯，但是從產業上來講，技術仍然處于積累過程中，還未實現大爆發和廣泛應用。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的出臺，對更安全、功能更全面的電子煙產品的需求也不斷增加，電磁感應霧化技術仍然存在較大的改進空間。目前，全球專利申請數量不多，我國企業未來可以加大該技術的研發，搶占先機，引領霧化技術的升級換代，打開產業發展新局面。