DE102017007456A1

DE102017007456A1 - Heizeinheit für einen HNB-Tabakartikel und Verfahren zur Herstellung einer Heizeinheit

Info

Publication number: DE102017007456A1
Application number: DE102017007456.9A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dick
Original assignee: Hauni Maschinenbau GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2019-02-14
Also published as: CN110891440A; JP2020529216A; CN110891440B; JP6998451B2; WO2019030112A1; EP3664646A1; KR20200041339A

Abstract

Eine Heizeinheit (13) für einen HNB-Tabakartikel (10) umfasst ein tabakhaltiges Material (26), und ein elektrisches Widerstands-Heizelement (18) zum Erhitzen des tabakhaltigen Materials (26) ohne Verbrennung. Das Widerstands-Heizelement (18) ist aus einer leitfähigen Suspension gefertigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizeinheit für einen HNB-Tabakartikel, umfassend ein tabakhaltiges Material und ein elektrisches Widerstands-Heizelement zum Erhitzen des tabakhaltigen Materials ohne Verbrennung. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Heizeinheit für einen HNB-Tabakartikel.
HNB (Heat-Not-Burn)-Artikel, bei denen Tabak oder ein tabakhaltiges Material erhitzt wird und dadurch Aromastoffe ohne Verbrennung und dadurch entstehende Rauchgase freisetzt, wurden bereits vor geraumer Zeit vorgeschlagen, siehe beispielsweise EP 0 430 559 B1 . Hierbei wird ein aromastofferzeugendes Medium, das beispielsweise Tabak umfasst, zylinderförmig um ein stabförmiges Heizelement herum angeordnet. Das Heizelement ist eine Widerstandsdrahtspule, die in einem isolierenden Rohr angeordnet ist.
Eine alternative Bauform eines HNB-Tabakartikels ist in der WO 2013/131764 A1 offenbart. Hier ist rauchbares Material, beispielsweise eine Tabakmischung, in einer Kammer angeordnet. Zylinderförmig um die Kammer herum ist ein Heizer angeordnet, beispielsweise ein keramischer Heizer, ein Infrarot- oder ein Widerstandsheizer.
In beiden zuvor beschriebenen Anordnungen wird das den Heizer kontaktierende Tabakmaterial direkt, das vom Heizer weiter entfernte Material jedoch nur indirekt und mit Verzögerung erhitzt. Die daraus resultierende ungleichmäßige Temperaturverteilung ist nachteilig im Hinblick auf eine optimale Freisetzung von Wirk- und Aromastoffen und reduzierte Freisetzung von Schadstoffen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Heizeinheit bereitzustellen, die eine gleichmäßigere Erhitzung des tabakhaltigen Materials ermöglicht, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Heizeinheit.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Fertigung des Widerstands-Heizelements aus einer leitfähigen Suspension ermöglicht eine beliebige gewünschte Anordnung des Heizelements in direktem Kontakt zu dem tabakhaltigen Material zum Zeitpunkt der Herstellung, wo die Suspension noch streich- oder fließfähig ist. Aufgrund der unmittelbaren großflächigen Kontaktierung zwischen Heizelement und tabakhaltigem Material wird eine gleichmäßige und direkte, verzögerungsfreie Erhitzung des tabakhaltigen Materials ermöglicht, was wiederum eine optimale Freisetzung von Wirk- und Aromastoffen bei reduzierter Freisetzung von Schadstoffen gestattet.
Vorzugsweise ist das Widerstands-Heizelement aus einer leitfähigen Paste gefertigt. In dieser streichfesten, nicht fließfähigen Ausführungsform ist die Suspension leichter zu verarbeiten. Jedoch umfasst die Erfindung auch flüssige bzw. fließfähige Suspensionen zur Fertigung des Heizelements.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die leitfähige Suspension Grafit. Anstelle von Grafit können auch andere leitfähige Materialien auf metallischer oder anderer Basis verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die leitfähige Suspension auf ein Trägermaterial aufgetragen. Das Trägermaterial kann vorteilhaft teilweise Keramik sein oder eine Keramikschicht enthalten. Andere geeignete Trägermaterialien sind möglich. In der Kombination Grafit mit Keramik als Trägermaterial können zur Herstellung von Kohleschichtwiderständen verwendete Fertigungstechnologien vorteilhaft verwendet werden.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Leitschicht, die das Heizelement bildet, in ein mehrschichtiges Trägermaterial eingebettet, beispielsweise zwischen Keramiklagen. In einer Ausführungsform kann sich ein Schichtsystem mit der Schichtfolge Keramik, Leitschicht, Keramik, Tabakmaterial ergeben. Je nach Herstellungsprozess sind so auch komplexe geometrische Strukturen denkbar. Beispielsweise kann das Trägermaterial eine dreidimensionale Trägerstruktur, beispielsweise eine Röhrenstruktur, ausbilden, die mindestens teilweise mit einem leitfähigen Material gefüllt ist. Solche Geometrien können mit erheblich größerer Oberfläche aufwarten als herkömmliche Heizer.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die leitfähige Suspension auf ein Trägermaterial aufgetragen.
Der Auftrag der leitfähigen Suspension auf das Trägermaterial bzw. direkt auf das Tabakmaterial kann besonders vorteilhaft in einem Druckverfahren, insbesondere per Siebdruck, geschehen. In diesem Fall sind zwei Varianten denkbar. Einerseits kann das Widerstands-heizelement als (Heiz-)Muster auf das Trägermaterial aufgedruckt sein (Musterdruck). Alternativ kann eine gleichförmige bzw. homogene Schicht auf das Trägermaterial aufgetragen sein, insbesondere durch Drucken oder Sprühen, die dann in einem zweiten Arbeitsgang durch ein abtragendes Verfahren in ihre endgültige (Heiz-) Struktur gebracht werden kann. Dies kann beispielsweise mittels Lasergravur erfolgen. Damit lassen sich sehr feine und komplexe Heizstrukturen realisieren bei einem gleichzeitig sehr dünnen Heizelement, was wiederum zu einer optimalen Wärmeverteilung führt.
Das Heizelement weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Abschnitten auf, die individuell elektrisch ansteuerbar sind, beispielsweise um unterschiedliche Temperaturen zu erzeugen. Alternativ können die Abschnitte beispielsweise auch nacheinander erwärmt werden, beispielsweise um eine Kontinuität beim Konsum zu gewährleisten. Wenn ein Abschnitt beispielsweise dem Konsumerlebnis einer Zigarette entspricht, kann auf diese Weise ein Multizigarettenprodukt realisiert werden.
Das tabakhaltige Material kann beispielsweise eine Tabakmischung sein, aber auch andere Komponenten enthalten, beispielsweise auf der Basis von Zellstoff. Umfasst ist auch Folientabak und/oder rekonstituiertes Tabakmaterial (sog. Recon-Material).
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines HNB-Tabakartikels bereit, das sich dadurch auszeichnet, dass das Widerstands-Heizelement aus einer leitfähigen Suspension gefertigt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Querschnittsansicht eines HNB-Rauchprodukts;
2 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Heizeinheit für ein HNB-Rauchprodukt;
3 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Heizeinheit für ein HNB-Rauchprodukt;
4 ein Schichtsystem für eine erfindungsgemäße Heizeinheit;
5 eine Röhren-Schichtstruktur für eine erfindungsgemäße Heizeinheit;
6 ein weiteres Schichtsystem für eine erfindungsgemäße Heizeinheit;
7 ein alternatives Schichtsystem für eine erfindungsgemäße Heizeinheit; und
8 eine weitere Röhren-Schichtstruktur für eine erfindungsgemäße Heizeinheit.

Der in 1 gezeigte Inhalator 10 umfasst ein beispielsweise stabförmiges Gehäuse 11, in dem eine elektrische Energiequelle 12, eine Heizeinheit 13 und eine elektronische Steuerung 14 angeordnet sind. Die elektrische Energiequelle 12 kann beispielsweise eine Batterie oder ein wiederaufladbarer Akku sein. Das Gehäuse 11 umfasst ein Mundstück 15, an dem ein Konsument zur Erzeugung einer Luftströmung ziehen kann. Das Gehäuse 11 weist des Weiteren eine oder mehrere Lufteingangsöffnungen 16 auf, durch die Umgebungsluft in das Innere des Gehäuses 11 strömen kann, wenn der Konsument durch ziehen an dem Mundstück 15 einen Unterdruck in dem Gehäuse 11 erzeugt. Auf diese Weise wird in dem Gehäuse 11 eine kontrollierte Luftströmung 17 erzeugt.
Die Heizeinheit 13 ist in einem axialen Heizabschnitt 19 in dem Gehäuse 11 angeordnet. Die Heizeinheit 13 kann eine auswechselbare Kartusche, oder Teil einer solchen Kartusche sein. Der Grundkörper des Inhalators 10 kann wiederverwendbar sein. Der Inhalator 10 würde in dieser Ausführungsform aus wiederverwendbarem Grundkörper und Einweg-Kartusche bestehen.
Die Luftströmung 17 strömt durch den Heizabschnitt 19 und dabei durch die Heizeinheit 13 oder unmittelbar an der Heizeinheit 13 entlang, um aus einem tabakhaltigen Material 26 mittels eines Heizelements 18 freigesetzten Wirkstoff und/oder Aromastoffe aufzunehmen. Dies wird im Folgenden detailliert erläutert.
Eine vorteilhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Heizeinheit 13 ist in der 2 gezeigt. Die Heizeinheit 13 weist ein Heizelement 18 auf, das in dieser Ausführungsform auf ein geeignetes nicht-leitendes Trägermaterial 20 aufgebracht ist. Das Trägermaterial 20 kann beispielsweise eine Keramik sein oder eine KeramikSchicht oder Keramik-Beschichtung umfassen. Eine Vielzahl anderer geeigneter Materialien kommt für das Trägermaterial 20 in Frage, beispielsweise Kunststofffolie wie Polyimid. Das Trägermaterial 20 trägt das Heizelement 18 und kann flexibel oder starr sein. Das Trägermaterial 20 soll im Arbeitsbereich des Inhalators, d.h. im Bereich der kontrollierten Erwärmung, thermisch nicht reagieren.
Das Heizelement 18 liegt bei der Herstellung der Heizeinheit 13 in einer Suspension, d.h. als Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch vor, bei der leitfähige Partikel in einer Flüssigkeit vorliegen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Suspension um eine Paste, d.h. der Anteil an leitfähigen Partikeln in der Suspension ist so hoch, dass die Suspension nicht mehr fließfähig, sondern streichfest ist. Die leitfähigen Partikel können vorteilhaft Grafit sein. Auch Metallpartikel und eine Vielzahl anderer geeigneter leitender Partikel kommen für die Suspension in Frage. Im Falle von Grafit liegt das Heizelement 18 somit ursprünglich als Grafitpaste vor.
Die Suspension bzw. Paste wird bei der Herstellung der Heizeinheit 13 auf das Trägermaterial 20 in einer Form aufgetragen, die dem späteren Heizelement 18 entspricht. Das Auftragen der Suspension bzw. Paste auf das Trägermaterial 20 kann vorteilhaft per Druck, insbesondere Siebdruck, oder durch jedes andere geeignete Verfahren erfolgen. Durch Abtrocknung der Suspension bzw. Paste an der Luft oder in einem Trockner entsteht dann das Heizelement 18.
Auf das Trägermaterial 20 mit dem Heizelement 18 wird anschließend das tabakhaltige Material 26 aufgebracht. Das tabakhaltige Material 26 kann insbesondere ein Tabakgemisch sein. Das tabakhaltige Material 26 befindet sich in direktem Kontakt zu dem Heizelement 18 und kann von diesem geleichmäßig erhitzt werden.
Wenn die elektronische Steuerung 14 einen Zug durch den Konsumenten auf geeignete Weise detektiert, steuert sie das Heizelement 18 in der Heizeinheit 13 an, um das tabakhaltige Material 26 auf eine geeignete Temperatur zu erwärmen. Auf diese Weise werden die Aromastoffe des Tabaks ohne Verbrennung und schädliche Rauchgase freigesetzt und dem Luftstrom 17 beigefügt. Es handelt sich in dieser Ausführungsform um ein sogenanntes HNB (Heat Not Burn)-Zigarettenprodukt 10.
Die Anordnung der leitfähigen Schicht auf dem Trägermaterial 20, die das Heizelement 18 bildet, kann geometrisch variabel gestaltet werden. Vorteilhaft besteht das Heizelement 18 aus einer Mehrzahl, hier sechs, von parallel zueinander angeordneten Heizleitern 22. An einem Anschlussende 23 der Heizleiterstruktur 18 sind elektrische Anschlüsse 24 vorgesehen. An dem gegenüberliegenden Ende der Heizleiterstruktur 18 sind die Heizleiter 22 beispielsweise leitend miteinander verbunden, so dass auf diese Weise aus je zwei Heizleitern 22 eine Heizleiterschleife 21 gebildet ist. Durch Anlegen einer Heizspannung an jeweils zwei Anschlüsse 24 kann die zwischen den Anschlüssen 24 verlaufende Heizschleife 21 individuell beheizt werden.
Die Heizleiterschleifen 21 bilden demnach vorteilhaft eine Mehrzahl von Abschnitten 21 des Heizelements 18, die individuell elektrisch ansteuerbar sind, beispielsweise um unterschiedliche Temperaturen zu erzeugen. Alternativ können die Abschnitte 21 beispielsweise auch nacheinander erwärmt werden, beispielsweise um eine Kontinuität bei der Abrauchung zu gewährleisten. Wenn ein Abschnitt 21 beispielsweise dem Raucherlebnis von einer Zigarette entspricht, kann auf diese Weise ein Multizigarettenprodukt realisiert werden.
Die Anordnung des tabakhaltigen Materials 26 auf dem Heizelement 18 erfolgt möglichst flächig und gleich verteilt, so dass sich eine maximale Überlappung zwischen tabakhaltigem Material 26 und flächigem Heizelement 18 ergibt, wodurch die Heizleistung des Heizelements auf das gesamte tabakhaltige Material 26 unmittelbar und gleichmäßig einwirken kann. Falls es sich bei dem tabakhaltigen Material 26 um Fasern handelt, sind diese vorteilhaft quer zu der Erstreckung der Heizleiter 22 angeordnet, wie in der 2 gezeigt ist.
In der Ausführungsform gemäß 3 bildet das tabakhaltige Material 26 gleichzeitig das Trägermaterial 20. Dies ist vorteilhaft, wenn das tabakhaltige Material 26 eine ausreichende Festigkeit aufweist, um eine tragende Funktion in der Heizeinheit 13 auszuüben. Das tabakhaltige Material 26 kann beispielsweise eine zellstoffhaltige Grundsubstanz, etwa Papier, aufweisen, in das beispielsweise pulverisierter, zerkleinerter oder zermahlener Tabak eingebracht ist.
Das Heizelement 18 liegt auch hier als leitfähige Suspension bzw. Paste vor und wird direkt auf das tabakhaltige Material 26 aufgetragen, beispielsweise im Siebdruck aufgedruckt. Bei dieser Ausführungsform kann der Arbeitsschritt des Aufbringens des tabakhaltigen Materials 26 auf das Trägermaterial 20 mit Heizelement 18 entfallen. Eine maximale Überlappung zwischen tabakhaltigem Material 26 und Heizelement 18 ist ebenfalls gewährleistet, ein Abfallen von Tabakmaterial von dem Trägermaterial 20 ist nicht möglich.
Eine Variante der Ausführungsform gemäß 2 ist in der 4 gezeigt. Hierbei ist die Heizeinheit 13 ein Schichtsystem mit zwei Trägerschichten 20A, 20B beispielsweise aus Keramik, zwischen denen die leitende Sicht 18, beispielsweise Grafit, eingebracht ist. Auf die Keramikschicht 20A ist das tabakhaltige Material 26 aufgebracht.
Ein alternatives Schichtsystem für die Heizeinheit 13 ist in 6 gezeigt. Hier ist ein doppellagiges Schichtsystem mit jeweils einer Lage bestehend aus Trägermaterial 20, Heizelement 18 und tabakhaltigem Material 26 gezeigt, wobei das tabakhaltige Material 26 wie gezeigt innenliegend, alternativ außenliegend bezogen auf das Heizelement 13, angeordnet sein kann.
Ein weiteres Mehrschichtsystem für die Heizeinheit 13 ist in 7 gezeigt. Zunächst sind außen Isolierschichten 27 vorgesehen, die beispielsweise ein Teil des Gehäuses 11 oder eines Kartuschengehäuses sein können. Zwischen den Isolierschichten 27 sind beispielsweise zwei Schichtsysteme jeweils mit der Schichtfolge tabakhaltiges Material 26, Trägermaterial 20, Heizelement 18, Trägermaterial 20, tabakhaltiges Material 26 vorgesehen. Zwischen diesen Schichtsystemen sowie zwischen jedem Schichtsystem und den Isolierschichten 27 sind Luftkanäle 28 für die Luftströmung 17 vorgesehen.
Ein Schichtaufbau wie in den 4, 6 oder 7 gezeigt kann zur Realisierung komplexerer geometrischer Verdampferstrukturen verwendet werden.
Beispielsweise zeigt 5 eine Röhrenstruktur mit tabakhaltigem Material 26 als Beschichtung auf dem röhrenförmigen Träger 20, der teilweise oder ganz mit leitfähigem Material 18 gefüllt ist.
Eine alternative Röhrenstruktur ist in 8 gezeigt, mit zylindrischem Schichtaufbau von außen nach innen: Isolierschicht 27, Luftkanal 28, tabakhaltiges Material 26, Trägermaterial 20, Heizelement 18, Trägermaterial 20, tabakhaltiges Material 26, Luftkanal 28. Im Inneren des Heizelements 13 kann ein isolierender Kern 29 vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0430559 B1 [0002]
WO 2013/131764 A1 [0003]

Claims

Heizeinheit (13) für einen HNB-Tabakartikel (10), umfassend - ein tabakhaltiges Material (26), und - ein elektrisches Widerstands-Heizelement (18) zum Erhitzen des tabakhaltigen Materials (26) ohne Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstands-Heizelement (18) aus einer leitfähigen Suspension gefertigt ist.
Heizeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstands-Heizelement (18) aus einer leitfähigen Paste gefertigt ist.
Heizeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Suspension Grafit enthält.
Heizeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Suspension auf ein Trägermaterial (20) aufgetragen ist.
Heizeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (20) mindestens teilweise Keramik ist oder eine Keramikschicht enthält.
Heizeinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Heizelement ausbildende Leitschicht in ein mehrschichtiges Trägermaterial (20) eingebettet ist.
Heizeinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tabakartikel (10) ein Schichtsystem mit der Schichtfolge Keramik, Leitschicht (18), Keramik, tabakhaltiges Material (26) umfasst.
Heizeinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (20) eine dreidimensionale Trägerstruktur, beispielsweise eine Röhrenstruktur, ausbildet, die mindestens teilweise mit einem leitfähigen Material (18) gefüllt ist.
Heizeinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (13) röhrenförmig und mindestens teilweise mit leitfähiger Substanz gefüllt ist.
Heizeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Suspension auf das tabakhaltige Material (26) aufgetragen ist.
Heizeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Suspension, insbesondere per Siebdruck, auf das Trägermaterial (20) oder das tabakhaltige Material (26) aufgedruckt ist.
Heizeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (18) eine Mehrzahl von individuell elektrisch ansteuerbaren Abschnitten (21) aufweist.
HNB-Tabakartikel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HNB-Tabakartikel eine Heizeinheit (13) nach einem der vorangehenden Ansprüche enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Heizeinheit (13) für einen HNB-Tabakartikel (10), umfassend ein tabakhaltiges Material (26) und ein elektrisches Widerstands-Heizelement (18) zum Erhitzen des tabakhaltigen Materials (26) ohne Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstands-Heizelement (18) in Form einer leitfähigen Suspension auf ein Trägermaterial (20) oder auf das tabakhaltige Material (26) aufgetragen wird.