电子烟的电磁感应加热雾化技术发展趋势研究

贾祥志 吕 昕

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450046）

0 引言

电子烟是一种模仿卷烟的电子产品，有着与卷烟接近的外观、烟雾、味道和感觉，自2003 年开始，至今已发展二十余年。由于长期以来电子烟没有明确的标准，这导致电子烟在蓬勃发展的同时也缺乏一定监管。2022 年4 月8 日，国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）批准《电子烟》强制性国家标准，自2022 年10 月1 日起实施。该标准在电子烟烟具、雾化物、释放物等方面做出了强制性规范，这也极大地影响了电子烟未来的研发方向［1］。雾化功能是电子烟的重要功能，由于传统的电阻雾化技术已经发展成熟且多种缺点已经凸显，因此本研究重点介绍新兴的电磁感应加热雾化技术，通过挖掘专利来对其技术发展脉络和研发路线进行剖析，并分析雾化技术面临的挑战，为电子烟的更新换代和产业布局提供参考，也有助于规范电子烟的发展和监管。

1 雾化技术原理概述

1.1 电磁感应原理

电磁感应加热（Electromagnetic Heating, EH）技术，采用磁场感应涡流加热原理，即高速变化的高频高压电流通过线圈产生高速变化的交变磁场，磁场内磁力线通过导磁性金属材料时，金属体内会产生无数小涡流，使金属材料本身自行高速发热，达到加热金属材料体内物件温度的目的。

参考图1，感应线圈132 缠绕在导油发热体131外周，并不需要直接接触，这是电磁感应加热最大的特点。感应线圈132 在交流电的作用下产生高频磁场以驱动导油发热体131 产生涡流并发热，导油发热体131 通常分别由导油件和金属发热件组成，用于吸取烟油的同时对烟油进行加热以将烟油雾化为烟雾［2］。

图1 电子烟的烟油加热组件的立体示意

电子烟的加热性能一直是各电子烟厂商研发的主要方向，电磁感应加热在能量转化效率、加热升温时间、加热原件布局方式、物料加热位置均匀性与准确性方面比电阻式加热具有显著优势，而且不会产生积碳和污垢，无须清洁，并且具有简单易用、不易损坏的优点，将成为电子烟发展的大趋势。

1.2 其他雾化技术概述

目前市场主流雾化器采用电阻丝加热烟油的方式，即通过电流流过电阻体的热效应，对物料进行电加热的方法，这种方法存在发热丝过热导致的烟油异味、碳化、热解等问题，且功耗较大。为此，一些专利采用其他方式对烟油进行雾化，试图解决上述问题。这些雾化方式主要包括超声雾化、激光加热雾化、喷射雾化、振动雾化、离心雾化、声表面波雾化等。本小节简单对其他类型的雾化原理进行介绍［3］。

电阻丝加热雾化技术发展较为成熟，目前市场上售卖的电子烟基本上采用棉芯和微孔陶瓷芯结构。而发热部件也由传统电阻丝主导［4］。除了电阻丝加热雾化之外，还存在其他多种类型的雾化，但是在应用上仍然不够广泛，存在较多技术限制，下面做简单介绍。在超声雾化方面，通过压电陶瓷产生的超声波振动雾化烟油。在激光加热雾化方面，将电能转化成光能发射至能量聚集点，使聚集点处的烟液雾化，产生气溶胶。在喷射雾化方面，主要通过压力驱动液体喷射的方式产生雾化液滴，以模拟传统卷烟的抽吸感觉，提高感官质量。在振动雾化方面，主要采用随振型高速机械振动雾化装置，提高雾化效果。在离心雾化方面，磁悬浮离心雾化电子烟，通过低功耗磁悬浮转子高速旋转，实现烟油的离心，雾化和烟雾驱动喷出。在声表面波雾化方面，滴油型声表面波雾化器，通过逆压电效应在基片内激发相应的弹性声场，将电信号转变为声信号，形成与外加信号同频率并沿基片表面传播的声表面波，对位于声表面波传播路径上的烟油液滴进行雾化形成气溶胶［3］。

2 前期发展脉络

2.1 早期技术基础（2009—2015年）

在2009 年，出现了运用电磁感应进行雾化加热的电子烟（CN101390659A，20090325），如图2 所示。与传统电阻加热的结构明显不同的是，中高频电流通过所述的感应线圈102 对加热区的镍网丝103 直接进行感应加热，加热效率高，加热均匀，奠定了电磁感应雾化的主体结构。

图2 早期的电磁感应雾化结构

由该申请可以看出，感应线圈102 需要设置在发热体的外周，并且不需要直接接触发热体，利用涡流的原理对发热体进行加热。在本案中，采用了镍网丝103 作为发热体，且烟液通过气道进入镍网丝103上实现发热。

前述电子烟专利仍然处于专利权维持状态，时至今日已有16 年，这可见其开拓性和高价值性。而作为初代产品，不可否认的是，新面世的电磁感应加热结构有极大的改进空间。以下三种技术方案分别从不同角度对加热结构提出改进。

一种电磁加热装置（CN202135350U，20120201），其改进了发热效率。如图3a 所示，金属发热体2 完全置于加热液体中，从而使金属发热体2 与加热液体的热交换效率达到最大化。另外，壳体1 能够阻隔内部产生的热量，从而避免了线圈的温度过高，保证了加热的安全性。

图3 改进的电磁感应加热结构

一种发热组件（CN103689812A，20140402），其采用多孔陶瓷管213 作为导油渗透部件，改进了导油效率。如图3b 所示，多孔陶瓷管213 将烟液通过其本身的微孔渗透至金属棒215 附近，还可以从通道214进入并与金属棒215的部分表面接触，使金属棒215和烟液更加充分地接触。

另一种雾化器（CN104256899A，20150107）更是对其结构进行了完善，导磁金属发热器12 呈网状的柱体设置，这样的好处是，可以通过毛细吸附原理导出烟油。如图3c所示，导磁金属发热器12插设于存储烟油的储油罐30中并伸向罩体13，用于将储油罐30中的烟油导出并在罩体13内实现雾化。

2.2 技术稳定期（2015—2020年）

随着电子烟技术的整体发展，电子烟的结构也更加模块化，烟弹中的烟油仓和雾化器也要随之优化，主要分为发热装置和储液容器采用上下结构布置，以及发热装置内置于储液容器内部这两种形式，技术发展也就围绕此展开。

例如，一种典型的烟雾生成装置（CN104856233 A，20150826），如图4a 所示。电磁线圈53 位于金属发热件52 下方，储液容器的烟油通过渗透件3 导向内侧的金属发热件52，金属发热件52为镂空且为中空，这样不仅避免了储液容器内的发烟物质的溢出，而且能够使空气从中经过，还可以拥有足够的发热面积，出烟量大。同时，该结构还可以衔接电阻丝发热组件，如图4a 所示，加热丝51 的螺旋体内侧腔形成所述雾化通道31 的上侧一部分，可以满足多种发热需求和供电情况。但是该设置的电磁线圈53 和金属发热件52并非对应设置，发热效果有限。

图4 两种发热装置和储液容器的上下结构

一种电磁感应烟雾生成装置（CN104382238A，20150304），如图4b 所示。金属发热件60 置于电磁线圈50的外部，使金属发热件60的体积不会受到电磁线圈50 的限制，具有较大的体积，进一步增大了加热面积，提高发热效果。由于引导件40 将发烟物质引导至金属发热件60 的上表面，同时金属发热件60 设置有延伸部61，延伸部61 围设在引导件40 侧面外部，不仅可以增加引导件40与金属发热件60的接触面，增加雾化效果，同时也能够防止烟油从金属发热件60的边缘溢出。

前述烟弹结构的金属发热件和电磁线圈呈上下分布，电磁线圈处于下方虽然便于连接电池仓，但这样使烟弹结构细长，发热效果有限。因此，出现了另一种烟弹结构（CN106418703A，20170222），其公开了一种电子烟雾化器，如图5a 所示，将电磁感应线圈120 设置在最外侧，并将电磁感应加热体1341 上置于烟油腔体131 中，且电磁感应加热体1341 具有微孔结构，外侧还贴附有导油层1342，其加热方式输出效率较高。

图5 两种发热装置内置于储液容器内部的结构

然而，在这种雾化器中，为了减少体积，电磁感应加热体直接浸泡于烟油中，饱和的烟油需要长时间加热才能产生烟雾，且产生的烟雾含水量过高，体验差。因此，出现了一种耐高温的烟油弹（CN11399 5170A，20220201），如图5b 所示，第一吸油介质34为吸油绳并以一定间距缠绕于电磁感应件32 上，并使得所述电磁感应件32 和储油件33 之间形成环形的通气通道302，接触到的烟油不会过于饱和而影响出烟速度和出烟效率，且在雾化结构与储油件之间会形成通气缝隙，出烟速度快，生成的烟雾气化更均匀，但是这种方式的发热面积有限，且渗透效率不高，使得雾化器产生的烟雾较少。

另一种改进构思主要围绕材料进行，开始出现了一种烟油加热组件（CN205624467U，20161012）。其中，导油发热体131 包括具备微孔结构的陶瓷主体和均匀分布在陶瓷主体中的金属粉体，陶瓷主体和金属粉体为一体成型结构。如图6 所示，导油发热体131 垂直于导油槽12 和气流通道112 设置，与导油槽12中的烟油相接触，感应线圈132缠绕其上。导油发热体131 内部连续的微孔结构可形成毛细虹吸效应，烟油通过毛细作用从导油发热体131 的端部逐渐向中间渗透。由于导油发热体131 为整体发热，发热面积较大、传导热损耗较小，从而使得烟油加热组件13 的热效率较高。另外，由于金属粉体均匀分布在导油发热体131 内，从而使得烟油加热组件13发热均匀，雾化效果好。

图6 有微孔陶瓷主体和掺杂金属粉体的导油发热体

3 近期热点技术分析

3.1 对加热件的改进

雾化器的加热效率是提高消费者吸食感受的关键因素，因此对加热件的改进能够直观地提高电子烟的产品性能。

一种组合加热式陶瓷雾化芯（CN215422827U，20220107），如图7 所示。陶瓷雾化芯主体1 中添加有磁感应材料，可以实现均匀加热，感应线圈3 缠绕其外侧，以及印刷在陶瓷雾化芯主体1 上发热电阻2。当用户期望烟雾量小而柔和时，发热电阻2 单独工作；当用户期望烟雾量大而浓郁时，感应线圈3 与发热电阻2 同时通电，对陶瓷雾化芯主体1 进行加热。

图7 组合加热式陶瓷雾化芯

一种阵列排布发热单元的雾化装芯（WO202302 3990A1，20230302），如图8 所示。该雾化芯12d 可包括多孔陶瓷体121 及设置于其上的若干个独立的呈阵列排布的发热单元1223d，并可在电磁感应下发热。点阵式雾化轨迹的设置既可以使发热点的温度快速升高，实现液态气溶胶生成基质的快速雾化，又能向多个方向传导热量，防止热量的积聚和过热状态的发生。

图8 阵列排布发热单元的雾化芯

针对线圈进行改进也是一种思路（CN21855134 4U，20230303），如图9 所示，在第一线圈层15A 的两端分别绕设第一线圈部B1和第二线圈部B2，以提高电磁线圈15 在第一端部区域和第二端部区域的绕线密度，弥补第一线圈层15A 的中部磁场强度高于端部磁场强度所带来的磁场强度差，可以使轴向上各处的磁场强度较为均衡，如此有助于让发热体各处产生的加热功率较为一致，有助于让雾化结构的雾化效率一致，从而提高用户使用感。

图9 两端分别绕设线圈部的电磁线圈

3.2 其他角度的改进

除此之外，仍有针对其他类型的改进，同样能够提高基于电磁感应发热的雾化器的效率，或者能够使电子烟的整体功能多样化。

一种带有电磁屏蔽件的雾化芯（CN111512698 A，20200807），如图10 所示。其中，低通滤波器34用作感应线圈30的低通滤波器，设置在感应线圈30和电池组16之间，由此减小感应线圈30产生的电磁场的泄漏。另一种带有环形电磁屏蔽层的雾化芯（CN111512699A，20200807），如图11 所示。第一电磁屏蔽层36 和第二电磁屏蔽层46 又包括了多个呈圆柱形的屏蔽部分40、42、58，以实现热量和传导损耗最小化。

图10 带有电磁屏蔽件的雾化芯

图11 带有环形电磁屏蔽层的雾化芯

一种采用多孔金属制成的雾化组件（CN115281 391A，20221104），如图12 所示，磁感加热管2、电磁线圈3和电磁屏蔽管4均采用多孔金属制成，即三者的内部均弥散分布着大量的有方向性的或随机的孔洞，有利于集中热量并进行快速发热。电磁线圈3为多孔金属线圈，因多孔的存在从而有效降低了电磁线圈3的发热；而多孔金属制成的电磁屏蔽管4还可起到消音的效果，烟油经进液通道11 进入雾化组件时，先进入到环形腔中与电磁线圈3 产生接触，由于烟油是不导电的，从而可利用其对电磁线圈3 起到一定的降温作用。

图12 采用多孔金属制成的雾化组件

一种电子烟用隔热材料（CN111943636A，20201117），如图13 所示。其中，电子烟用隔热材料1设置在电子烟感应元件的表面，该隔热材料1在改性二氧化硅气凝胶中加入吸波材料，能够吸收电磁感应线圈产生的电磁波，减少感应元件产生涡流的能量，从而减缓发热速度，能够解决因加热感应元件加热速度过快，加热效率过高而导致发烟基质高温碳化及产生异味等问题。

图13 涂覆吸波材料的雾化芯

一种气凝胶复合隔热层（CN113773675A，20211210），如图14所示。其中，1为基底，将二氧化硅气凝胶材料2 与MXene（二维过渡金属碳化物）材料3 相复合。一方面利用二氧化硅气凝胶材料2 赋予复合隔热层较低的导热率；另一方面通过MXene材料3 弥补二氧化硅气凝胶材料的力学性能，即硬度和强度，提高使用寿命。同时，凭借MXene 材料3良好的吸波和滤波性，可以有效防止特定人群（穿戴心脏起搏器、助听器等）在使用电磁感应加热的电子烟时受到电磁波干扰。

图14 复合MXene材料的雾化芯

一种可无线充电的感应加热组件（US20230081 081A1，20230316），如图15 所示。可再充电电源13给感应线圈12 供电，产生动态电磁场给感应可加热感受器14加热，如图15a所示。此外，感应加热组件10的感应线圈12还可以作为接收感受器，给可再充电电源13无线充电，如图15b所示。

图15 可无线充电的感应加热组件

4 要克服的技术难点

4.1 整体结构较为保守

电磁感应加热直接从电阻丝加热衍生而来，现有的电子烟结构并非是对电磁感应加热的最优解，目前对电子烟结构的适应性改进仍然较为保守，未能脱离传统电阻丝加热结构的范畴。要实现对烟油的雾化，电阻丝加热通常可以直接缠绕于吸油组件上，这样就产生较多缺陷，如干烧、加热区域集中、电阻丝较细寿命低、烟爆、漏液、安全性不高等，而电磁感应加热采用感应线圈来加热感受体的方式实现加热，加热件和发热件并不直接接触，这就避免了电阻丝加热的很多缺陷，在结构上不必采用传统的加热丝-吸油件结构，有较为灵活的改进空间。

4.2 空间利用性不佳

相比于电阻丝仅仅需要两端设置通电导线就可以实现加热，电磁感应加热的电磁线圈与发热部件不直接接触，导油件经常处于中间且占用体积较大，大量的磁通未能穿过发热部件，造成能量损失，有损电磁感应的发热效果。同时，实现电子感应加热需要的组件较多，如需要预制电磁线圈，需要添加电磁屏蔽层、高频整流器等，而且仍然需要留出传统的烟油通道和气流通道，在空间利用上表现不佳。

4.3 功能开发不充分

电阻丝加热功能较为单一，除了加热以外无法实现其他功能，而基于电磁感应原理的应用众多。电磁感应本身作为一种电磁现象，加热功能仅仅是利用其中的涡流原理，而电磁相关的应用极其广泛，如通过磁场控制烟油流速，利用磁的力学原理来提高密封性，利用磁场实现无线充电等，都可以使得电子烟的功能多样化，但是目前仍然未有深入充分的利用。

5 发展趋势与结论

经过技术的发展和积累，电磁感应雾化技术在电子烟的应用上已经有了一定的体现，在性能和安全性上优势明显，但是从产业上来讲，技术仍然处于积累过程中，还未实现大爆发和广泛应用。随着国际社会对电子烟制品要求的提高，以及国家日益完善的法律法规的出台，对更安全、功能更全面的电子烟产品的需求也不断增加，电磁感应雾化技术仍然存在较大的改进空间。目前，全球专利申请数量不多，我国企业未来可以加大该技术的研发，抢占先机，引领雾化技术的升级换代，打开产业发展新局面。