-
Die
Patentanmeldungen WO2003US35616, PCT2003US34290 und deren Familienmitglieder oder
US4947875, US4922901 beschreiben Rauchartikel, die den Nebenrauch
einer Zigarette eliminieren bzw. den Tabak einer solchen nur erwärmen
und nicht entzünden.
-
Im
Zuge der weltweit zunehmenden politischen Maßnahmen gegen
das Rauchen haben sich Lösungsansätze herauskristallisiert,
die ganz auf den Konsum von Tabakrauch verzichten und dem Anwender
nur den Inhaltsstoff Nikotin, ggf. vermengt mit Aromastoffen, zuführen.
Solche sind bekannt als Nikotinpflaster oder Nikotinkaugummi.
-
Es
ist zu vermuten, dass die Dauer, bis der Wirkstoff in die Blutbahn
und somit ins Gehirn gelangt, einer von mehreren Gründen
für eine fehlende Akzeptanz solcher Ersatzmittel ist.
-
Die
Patentschriften
BR 19900001173 ,
US 19910688154 ,
US 19930082317 beschreiben
technische Einrichtungen zur Inhalation des Wirkstoffes, der meist
durch unterschiedliche Methoden der Erwärmung von einem
Träger gelöst wird.
-
Verschiedenste
Varianten einer praktischen Umsetzung bedingen jedoch andere geometrische Formen
oder Abmessungen als die einer Tabakzigarette. Unter Anderem erwärmen
sie nur den Wirkstoff, jedoch nicht die inhalierte Luft.
-
Lösungsansätze
zur Umsetzung einer rauchfreien Zigarette, die den Wünschen
eines Rauchers am nächsten kommen, sind Systeme, die der
Form und Größe der gewohnten Tabakzigarette entsprechen
und beim Inhalieren heiße Luft erzeugen und zusammen mit
dem Wirkstoff Nikotin auch geschmacklich differenzierbare Aromastoffe
freisetzen.
-
Der
Grundgedanke einer Trennung zwischen Rauchersatzeinrichtung und
Wirkstoffdepot bei diesem Lösungsansatz wurde u. a. in
der Patentschrift
DE 19935706 veröffentlicht.
-
Patentschrift
PCT2004EP004634 beschreibt einen Ansatz, bei der die Rauchersatzeinrichtung
erwärmt werden und die Wärme an die Luft abgegeben werden
sollte. Dieses Prinzip ist jedoch praktisch nicht umsetzbar, da
die gesamte benötigte Energie der Rauchersatzeinrichtung
vor dem Gebrauch zugeführt und als Wärmeenergie
gespeichert werden muss. Die Rauchersatzeinrichtung im Form und
Größe einer Tabakzigarette müsste extrem
stark aufgeheizt werden, um für die gesamte Nutzungsdauer
von cirka 3 Minuten genügend Wärme vorrätig
zu halten, damit die gesamte Luftmenge aller Züge (Inhalationen)
ausreichend erwärmt werden kann. Gase allgemein, so auch
Gasgemische wie Luft, besitzen die höchsten in der Natur
auftretenden Wärmewiderstande, die z. B. vier Zehnerpotenzen
höher sind als die von Metallen. Es ist also stets ein
sehr viel höherer Energieaufwand nötig, um Luft
in gleichem Umfange zu erwärmen wie Feststoffe.
-
Für
eine handhabbare Lösung muss die Wärme – wie
bei einer Tabakzigarette – während und nicht vor
der Nutzung erzeugt werden.
-
Die
in den Patentschriften
DE19935706 ,
DE 102006004484 veröffentlichten
Lösungsansätze sind Grundlage um den wichtigsten
praktischen Anforderungen einer rauchfreien Zigarette gerecht zuwerden,
da hier das Heizelement in der Rauchersatzeinrichtung nur im Augenblick
der Inhalation auf Arbeitstemperatur gebracht wird, was mit der
Funktionsweise einer Tabakzigarette vergleichbar ist. Der Energiespeicher
stellt nur während der Dauer des Zuges an der Zigarette
(etwa 2..3 Sekunden) die benötigte Energie zur Erwärmung
der Luft zur Verfügung, vergleichbar mit der Tabakglut,
deren Temperatur während des Zuges durch vermehrte Sauerstoffzufuhr
von etwa 500°C auf über 1000°C ansteigt.
-
Ist
das Heizelement so ausgelegt, dass es bei ausreichender Heizelementoberfläche
ca. 1000°C erreicht, so genügt dies um die an
dem Heizelement vorbei geführte Luft auf mindestens 80°C zu
erwähren. Im Gegensatz zu Lösungen, die während
der gesamten Nutzungsdauer eine annähernd gleich bleibende
Menge an Wärmeenergie frei geben, wird auf diese Weise
eine Wärmeübertragung auf den Bereich der Zigarette,
der in der Hand gehalten wird, verhindert, da die im Augenblick
des Zuges erhitzte Heizquelle ihre Wärmeenergie an die
vorbei strömende Luft abgibt und danach erlischt.
-
Eine
praktische Umsetzung des in letztgenannten Patentschriften beschriebenen
Prinzips stellt sich zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Erfindung
noch immer als Herausforderung dar.
-
Dies
liegt vor allem darin begründet, dass erst zu diesem Zeitpunkt
Akkusysteme zur Verfügung stehen, die Bauformen in der
Größe einer Tabakzigarette gepaart mit hoher Energiespeicherdichte
aufweisen.
-
Die
Lithium-Ionen bzw. Lithium-Polymertechnologie erlaubt Energiedichten
von 250 bis 350 Wh/l. Umgerechnet auf ein in der Rauchersatzeinrichtung zur
Verfügung stehendes Volumen von etwa 2 ml steht eine theoretische
maximale Leistung von 0,7 Wh zur Verfügung, die fast vollständig
dem elektrischen Heizelement zu Gute kommen muss.
-
Empirische
Test haben ergeben, dass Heizelemente ab 5W Leistung geeignet sind,
die Anforderungen an Solltemperatur des Heizelements und Luftvolumenerwärmung
zu erfüllen. Geht man von einer durchschnittlichen Ansaugdauer
bei einer Tabakzigarette von 2 Sekunden und insgesamt 15 Inhalationen
pro Zigarette aus, so ergibt sich eine theoretische Nutzungsdauer
von 28 Zigaretten, bis der Energiespeicher aufgebraucht ist.
-
In
praktischen Tests wurde eine durchschnittliche Nutzung von 10 Zigaretten
erreicht, bis der Energiespeicher wieder aufgeladen werden musste.
-
Dies
hat u. a. seine Ursache darin, dass ein Energiespeicher in Form
eines Akkus in Lithium-Ionen Technologie einen praktisch nutzbaren
Spannungsbereich von 3,0 V bis 4,2 V überstreicht, innerhalb
dessen er seine Energiereserven frei gibt.
-
Weiterhin
nachteilig ist, dass die Menge der abzugebenen Leistung temperaturabhängig
ist. Bei einer Umgebungstemperatur von 0°C sinkt die Kapazität
des Akkus auf etwa 90% der Nennkapazität, bei –20°C
auf etwa 80%.
-
Durch
eine starke Belastung des Akkus, z. B. mit dem Zweifachen der Nennkapazität,
sinkt die Gesamtkapazität weiter um etwa 20%. Hier wird
jedoch mit einer Belastung von dem Siebenfachen der Nennkapazität
gearbeitet.
-
Weiterhin
reduziert sich die Lebensdauer des Akkus bei einer mehrfachen Belastung
so stark, so dass anstelle der üblichen 500 Ladezyklen
unter Umständen nur noch 50 Ladezyklen möglich
sind, bis der Akku als Energiespeicher seine Lebensdauer erreicht
hat und ausgetauscht werden muss. Dies entspräche einem
theoretischen Wert von 500 Zigaretten, also 25 Schachteln.
-
Die
hier beschriebene Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich:
- – Der verwendete Energieträger
hat eine mehr als 20fache Energiedichte gegenüber der eines
Lithium-Akkus.
- – Die Energiedichte ist weitestgehend unabhängig von
der Umgebungstemperatur.
- – Der verwendete Energiespeicher ist beliebig oft wieder
aufladbar.
- – Die Komponente Rauchersatzeinrichtung einer rauchfreien
Zigarette wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau
gegenüber einer Verwendung von Akkus in Lithium-Ionen-Technologie
deutlich preisgünstiger, sowohl in der Fertigung als auch über
die Lebensdauer.
- – Der Energiespeicher ist umweltfreundlicher als ein
Akku in Lithium-Ionen-Technologie.
-
Die
Erfindung nutzt zur Erwärmung der Luft das Funktionsprinzip
eines Teclu- oder Bunsenbrenners. Hierbei wird zwischen Diffusionsflammen
und Vormischflammen bzw. Teilvormischflammen, weiterführend
nur noch als Vormischflamme bezeichnet, unterschieden. Während
eine Vormischflamme Temperaturen von über 1400°C
erreicht, gehen die Temperaturen einer Diffusionsflamme bis unterhalb 600°C
bei deutlich weniger erzeugter Wärmemenge gegenüber
der einer Vormischflamme. Ein nach diesem Prinzip konstruierter
Brenner reißt die Umgebungsluft beim Gasaustritt mit sich.
Befindet sich ein solcher Brenner in einem Rohr, so wird eine Gasströmung
erzeugt. Diese besteht je nach Dimensionierung des Rohres aus unterschiedlichen
Anteilen der Verbrennungsrückstände und Umgebungsluft.
-
I zeigt
die folgenden Grundkomponenten. Die Rauchersatzeinrichtung (100)
enthält eine Kammer (101), in der ein brennbares
Gas vorgehalten wird, eine Brennerdüse (102),
die unter Verwendung der typischen Lufteinlässe (500)
die Erzeugung einer Vormischflamme (501) ermöglicht
und ein Brennerventil (103) welches den Gasaustritt bei
Gebrauch zulässt. Über ein optionales Nachfüllventil (105)
kann der Energiespeicher wieder aufgefüllt und über
eine Zündeinrichtung (104) die Flamme entzündet
werden.
-
Die
drei folgenden Beispiele zeigen Lösungen, bei denen das
Gas nur während des Ziehens an der Rauchersatzeinrichtung
respektive eines Mundstücks entzündet wird und
als Vormischflamme verbrennt.
-
II zeigt
eine Rauchersatzeinrichtung (100), bei der das Brennerventil
(103) sowie die Zündeinrichtung (104)
mechanisch betätigt werden. Das Drücken auf einen
Druckknopf (106) öffnet über eine Hebelkonstruktion
(107) das Brennerventil (103) und führt
zeitgleich über ein piezoelektrischen Funkengeber (108)
zur Entzündung des Gases. Die durch die Hebelkonstruktion
(107) übertragene Kraft kann zudem zur Betätigung
einer optionalen Dosiervorrichtung, die eine kontrollierte Abgabe
der zu inhalierenden Inhaltsstoffe zulässt, verwendet werden.
-
Die
durch die Rauchersatzeinrichtung (100) strömende
Luft wird erhitzt. Eine optionale temperaturgesteuerte Brennerventilverriegelung
(118), z. B. durch ein Bimetall realisiert, hält
das Brennerventil (103) eine kurze Zeit geöffnet,
so dass nicht während des gesamten Zuges der Druckknopf
(106) betätigt werden muss, um das Brennerventil
(103) offen zu halten.
-
III zeigt eine Rauchersatzeinrichtung (100),
bei der das Brennerventil (103) sowie die Zündeinrichtung
(104) mechanisch betätigt werden. Das Drehen an
einem Ring (119) öffnet über eine Hebelkonstruktion
(107) das Brennerventil (103) und führt
zeitgleich über ein piezoelektrischen Funkengeber (108)
zur Entzündung des Gases. Die durch die Hebelkonstruktion
(107) übertragene Kraft kann zudem zur Betätigung
einer optionalen Dosiervorrichtung, die eine kontrolliertre Abgabe
der zu inhalierenden Inhaltsstoffe zulässt, verwendet werden.
-
Die
durch die Rauchersatzeinrichtung (100) strömende
Luft wird erhitzt. Eine temperaturgesteuerte Brennerventilverriegelung
(118), z. B. durch ein Bimetall realisiert, hält
das Brennerventil (103) für eine kurze Zeit geöffnet,
so dass nicht während des gesamten Zuges eine Kraft auf
den Ring (119) ausgeübt werden muss, um das Brennerventil
(103) offen zu halten.
-
IV zeigt
eine Rauchersatzeinrichtung (100), bei der das Brennerventil
(103) sowie die Zündeinrichtung (104)
elektrisch betätigt werden. Sie enthält zusätzlich
einen Luftdurchflusssensor (109), eine Batterie (110)
und eine Steuerelektronik (111). Der Luftdurchflusssensor
(109) registriert das Ziehen an der Rauchersatzeinrichtung
(100) und die Steuerelektronik (111) öffnet
das elektrische oder elektromechanische Brennerventil (103)
für wenige Sekunden. Zeitgleich wird ein elektrischer Funkenüberschlag
zur Zündung des Gases erzeugt. Die durch die Rauchersatzeinrichtung
(100) strömende Luft wird erhitzt.
-
Die
beiden folgenden Beispiele zeigen Lösungen, bei denen das
Gas während des Gebrauchs als Diffusionsflamme bzw. beim
Ziehen an der Rauchersatzeinrichtung als Vormischflamme verbrennt. Damit
wird der Verbrennungsprozesse des Tabaks – reduziert auf
den Wunsch die Luft zu erwärmen – nachgebildet,
bei der im angezündeten Zustand der Tabak unter geringeren
Temperaturen verglimmt und beim Ziehen an der Zigarette die Gluttemperatur durch
die vermehrte Sauerstoffzufuhr stark ansteigt.
-
Hierbei
wird der Effekt ausgenutzt, dass ein entsprechend kleiner Lufteinlass
nur so wenig Luft in ein Rohr einströmen lässt,
dass das Gas eines darin befindlichen Brenners als Diffusionsflamme
verbrennt. Ein steuerbarer Lufteinlass ermöglicht die Zufuhr
von mehr Umgebungsluft, damit das Gas als Vormischflamme verbrennen
kann. Die Diffusionsflamme wird dabei sehr klein gehalten, so dass
sie nur eine sehr geringe Energiemenge freisetzt. Damit wird verhindert,
dass sich die Gesamtkonstruktion erwärmt.
-
V zeigt
eine Rauchersatzeinrichtung (100), die unter Anderem eine
Lufteinlassöffnung (112) und eine Unterdruckventil
(113) enthält. Die Lufteinlassöffnung
(112) ist so dimensioniert, dass die einströmende
Luft nur eine sehr kleine Diffusionsflamme zulässt.
-
Das
Brennerventil (103) mittels der Hebelvorrichtung (114)
sowie die piezoelektrische Zündeinrichtung (104)
werden mechanisch durch Aufstecken eines Mundstücks (200)
betätigt, das Gas zündet und verbrennt als Diffusionsflamme.
Dies ist so lange der Fall, bis das Brennerventil (103)
durch abziehen des Mundstücks (200) wieder geschlossen ist.
-
Durch
den Zug an der Rauchersatzeinrichtung (100) respektive
dem Mundstück wird innerhalb derselben ein Unterdruck erzeugt,
der das Unterdruckventil (113) öffnet. Die nun
zusätzlich einströmende Umgebungsluft lasst das
Gas als Vormischflamme verbrennen, wodurch die Luft aufgeheizt wird.
Nach Beendigung des Zugs schließt sich das Unterdruckventil
(113) wieder und das Gas verbrennt weiter als Diffusionsflamme.
-
VI zeigt
eine Rauchersatzeinrichtung (100), die unter Anderem eine
Lufteinlassöffnung (112), ein Unterdruckventil
(113), eine Hebelvorrichtung (114) sowie eine
Aufnahmevorrichtung (300) enthält. Die Aufnahmevorrichtung
(300), z. B. in Form und Größe eines
Feuerzeugs, beherbergt die Raucherersatzeinrichtung (100),
wenn sie nicht in Gebrauch ist. Über die mit Flüssiggas
gefüllte Kammer (301) und einem Einfüllstutzen
(302) wird die Kammer der Rauchersatzeinrichtung (100)
nachgefüllt, sobald sie in die Aufnahmevorrichtung (300)
gesteckt wird.
-
Soll
die bisherige Zündeinrichtung (104) nicht Bestandteil
der Rauchersatzeinrichtung (100) sein, lässt sich
diese in die Aufnahmevorrichtung (300) auslagern. Sodann
enthält sie eine piezoelektrische Zündvorrichtung
(304), wobei die Hochspannung über die beiden
Metallflächen (303) zur Rauchersatzeinrichtung
(100) geführt wird, die ihrerseits zwei Metallflächen
(115) enthält, die die Hochspannung bis zur Funkenstrecke
(116) überträgt.
-
Beim
Entnehmen der Rauchersatzeinrichtung (100) aus der Aufnahmevorrichtung
(300) wird über die Hebelvorrichtung (114)
das Brennerventil (103) geöffnet. Die beim Entnehmen
auftretenden mechanischen Kräfte führen zur Betätigung
der piezoelektrische Zündvorrichtung (304) und
damit zur Zündung des Gases über die Funkenstrecke
(116). Die Lufteinlassöffnung (112) ist
so dimensioniert, dass die einströmende Luft nur eine sehr
kleine Diffusionsflamme zulässt. Durch den Zug an der Rauchersatzeinrichtung
(100) respektive dem Mundstück wird innerhalb
derselben ein Unterdruck erzeugt, der das Unterdruckventil (113) öffnet.
-
Die
nun zusätzlich einströmende Umgebungsluft lässt
das Gas als Vormischflamme verbrennen, wodurch die Luft aufgeheizt
wird. Nach Beendigung des Zugs schließt sich das Unterdruckventil (112)
wieder und das Gas verbrennt als Diffusionsflamme. Das Wiedereinstecken
der Rauchersatzeinrichtung (100) in die Aufnahmevorrichtung
(300) schließt über die Hebelkonstruktion
(114) das Brennerventil (103). Die Diffusionsflamme
erlischt.
-
Als
Flüssiggas findet z. B. Isobutan, allgemein als Feuerzeuggas
bekannt, Verwendung. Dieser Energieträger ist preisgünstig
und überall verfügbar. Der typische Flammpunkt
geht hinunter bis zu –20°C, so dass auch unter
extremen Umgebungsbedingungen eine Funktion der Rauchersatzeinrichtung gesichert
ist.
-
Die
bisher beschriebenen Ausführungsformen gehen davon aus,
dass die erhitzte Luft zusammen mit den Verbrennungsrückständen
inhaliert werden. Dies ist im Grunde unbedenklich. Butan ist eine reine
Kohlenwasserstoffverbindung und daher ungiftig. Es verbrennt zu
Kohlendioxid und Wasser (2C4H10 +
13O2 → 8CO2 +
10H2O).
-
Bezieht
man die Molmassen der Stoffverbindungen mit ein, so verbrennen 116
g Butan und 416 g Sauerstoff zu 352 g Kohlendioxyd und 180 g Wasser.
Butan hat im flüssigen Aggregatzustand eine Dichte von
0,6 g/cm3, es können demnach 1,2
g Butan in einem 2 ml-Tank vorgehalten werden. Diese Menge Butan
genügt für mehr als 20 min. Dauerbetrieb des Brenners
mit Vormischflamme. Selbige wird aber immer nur während
eines Zuges für wenige Sekunden erzeugt, so dass sich eine
ausreichende Gebrauchsdauer ergibt, bis die Kammer wieder mit Gas befüllt
werden muss.
-
Innerhalb
von 2 sec. verbrennen ca. 0,5 mg Butan mit dem Luftsauerstoff zu
ca. 1,5 mg Kohlendioxyd und 0,75 mg Wasser. Dies entspricht einem Gasvolumen
von ca. 3 ml Kohlendioxyd, welches sich bei der Inhalation mit ca.
31 Lungenvolumen vermischt. Es werden demnach etwa 1 ml Kohlendioxid pro
11 Luft inhaliert.
-
Die
normale Atemluft enthält im Freien zwischen 0,3 und 0,6
ml Kohlendioxid je Liter Luft, in geschlossenen Räumen
durchschnittlich 0,8 ml Kohlendioxid pro Liter Luft, in Kinos, Flugzeugen
und vergleichbaren Örtlichkeiten ca. 5 ml je Liter.
-
Im
Vergleich zu Situationen, bei denen Menschen mit höheren
und länger anhaltenden Kohlendioxydkonzentration oder zusätzlichen
mit Giftstoffen, die beim Verbrennen von Tabak auftreten, konfrontiert
werden, sollte die Inhalation vom 1 ml Kohlendioxid pro Liter Luftvolumen – ausschließlich
während des Zigarettenzugs – keinerlei Bedenken
hervorrufen.
-
Ist
die direkte Inhalation der Verbrennungsrückstände
dennoch unerwünscht, so schafft folgende Lösung
Abhilfe.
-
VII zeigt eine Rauchersatzeinrichtung (100),
die zusätzlich zu den notwendigen Komponenten aus I in
ihren Varianten aus II bis VI einen
Wärmetauscher (400) enthält. Es wird nur
die Luft, die durch die Luftkanäle (401) den Wärmetauscher
passiert, zur Inhalation am Ende der Rauchersatzeinrichtung (100)
geleitet. Das Gemisch aus Verbrennungsrückstände
und Umgebungsluft verlässt durch die Kanäle (402)
die Rauchersatzeinrichtung (100). Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel
teilen sich der Wärmetauscher (400) und der Verbrennungsraum
die Lufteintrittsöffnung(en). Von dort an geht die einströmende
Luft getrennte Wege.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - BR 19900001173 [0004]
- - US 19910688154 [0004]
- - US 19930082317 [0004]
- - DE 19935706 [0007, 0010]
- - DE 102006004484 [0010]