DE2142194B2 - Filtervorrichtung fuer tabakrauch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung für

ίο Tabakrauch, mit einer Kondensationskammer, in welcher eine einer Wand der Kammer gegenüberliegend angeordnete, die Geschwindigkeit des hindurchtretenden Rauches vergrößernde Eintrittsöffnung und ein Auslaß einmünden, deren freie Querschnitte jeweils kleiner als derjenige der Kammer sind, wobei der Abstand der Eintrittsöffnung von der Wand größer als der Durchmesser der Eintrittsöffnung ist, so daß der in die Kammer eintretende Rauch vor seiner Berührung mit der Wand unter Abkühlung und Kon-

densation des im Rauch vorhandenen Dampfes expandiert, und der Auslaß derart in die Kammer einmündet, daß der Rauch zwischen Eintrittsöffnung und Auslaß umgelenkt wird.

Die zur Zeit allgemein bevorzugt verwendeten Einrichtungen zum Ausscheiden von Teer verwenden Zellulosefasern in verschiedenen Stärken, zusammen mit verschiedenen Bindemitteln und Zusätzen. Die Wirkungsweise dieser Filter, die entweder in Patronenform oder als Filtermundstück bei Zigaretten verwendet werden, beruht auf dem Auffangen oder Sammeln des Teers mittels des von den Fasern gebildeten Labyrinths. Die Strecke, die der Rauch auf dem Weg durch das Mundstück zurücklegt, beträgt bis zu etwa 13,5 mm.

Bei diesen Filtern versucht man, den Teer durch das Vorhandensein vieler Kontaktflächen abzuscheiden. Diese aus Fasern aufgebauten Filter haben eine sehr lockere Packungsdichte, wie man durch Rollen leicht herausfinden kann. Ein Filter mit einem Durchmesser von 7,5 mm kann zu einem Stäbchen oder Pfropfen mit einem Durchmesser von 3 mm zusammengerollt werden. Man kann annehmen, daß die Wirkung der Faserfilter durch eine höhere Packungsdichte des Faserbündels erhöht werden kann. Hierdurch wird jedoch der wirksame Strömungsquerschnitt verringert und der Strömungswiderstand erhöht, was vom Raucher ausgesprochen unangenehm empfunden wird.

Es sind auch Filtervorrichtungen beispielsweise bei Tabakpfeifen bekannt (US-PS 20 83 953), bei welchen sich an eine Filterkammer mit Filtermaterial ein Auslaßlabyrinth anschließt, was durch die dauernde Umlenkung des Rauches zur zusätzlichen Abscheidung der abzufilternden Rauchbestandteile führt. Durch die dauernde Umlenkung im Auslaßlabyrinth wird andererseits der Druckabfall, der durch das Filtermaterial ohnehin schon groß ist, weiter erhöht.

Bei anderen Verfahren wird der Rauch im Strömungsweg unter Verwendung von Metallteilen gekühlt. Diese Filterart wurde bevorzugt in Mundstükken von Pfeifen verwendet, wobei ein wendeiförmiger Rauchkanal benutzt wurde. Wird der Rauch jedoch in zu starkem Maße gekühlt, empfindet der Raucher dies als unangenehm.

Eine andere Filterart, die wirkungsvoller als die gebräuchlichen Faserfilter angesehen wird, sind Filter, bei denen der aus der Zigarette gezogene Rauch durch tine kleine öffnung mit wesentlich erhöhter

Geschwindigkeit geleitet wird, um dann auf eine Auf-[ane- oder Prallfläche zu treffen, die in geringem Abstand (ungefähr 0,75 mm) hinter der Öffnung angebracht ist. Bei einer derartigen Vorrichtung dringt der Zigarettenrauch mit einer Spitzeng ;schwindigkeit von 33 Metern pro Sekunde durch die Öffnung. Beim Auftreffen auf die Prallfläche schlagen sich auf dieser die schwereren Teilchen im Rauch überwiegend nieder und werden so vom Gasstrom getrennt, wenn dieser die Richtung beim Umströmen der Fache ändert. Diese Filterart gilt als sehr wirkungsvolle Anordnung, um die schwereren Teerstoffe aus dem Tabakrauch zu entfernen. Durch sie wird jedoch ein Abfall des statischen Druckes hervorgerufen, der vom Raucher unangenehm empfunden und abgelehnt wird. Der Druckabfall ist unvermeidlich, wenn man bedenkt, daß die Prallfläche nahezu mit der Öffnung in Berührung steht und daß genug Abstand vorhanden ist, damit der beim Aufprallen abeschiedene Teer nicht den weiteren Gasdurchfluß verhindert. Die bei einer derartigen Vorrichtung vorgenommenen Messungen, wie sie in der US-PS 29 54 749 veröffentlicht sind, zeigten einen Abfall des statischen Druckes in der Größenordnung von 28 bis 40 mm Hg. Dieser Druckabfall kann zunehmen, wenn mehrere Zigaretten in einigem Abstand voneinander geraucht werden. In der dazwischenliegenden Zeit neigen die Teerstoffe zum Eindicken und verstopfen so den engen Durchlaß. Hierdurch ergibt sich ein erhöhter Strömungswiderstand.

Zu dieser Gruppe von Filtervorrichtungen gehört eine Ausführung (US-PS 25 44 206), bei welcher in eine Kondensationskammer eine Eintrittsdüse mit am Ende verjüngtem Düsenkanal hineinragt, so daß die Geschwindigkeit des Rauches unter Verwirbelung erhöht wird und der Rauch für ein möglichst wirkungsvolles Abscheiden der Teerstoffe mit großer kinetischer Energie auf die Prallfläche auftrifft. Im bekannten Fall schließt an die Kondensationskammer noch ein enger Austrittskanai an, welcher in die Kondensationskammer etwa in Höhe der Düsenmündung mündet. Es sind auch Filter bekannt, bei denen die durch eine Prallfläche vorgenommene Abscheidune mit einem Filtern durch Filtermaterial kombiniert wird (US-PS 3112 227, FR-PS 1165 554). Diese bekannten Filter haben jeweils eine Kondensationskammer, in welche ein Eintrittskanal und ein Austrittskanal einmünden. An den labyrinthartigen Austrittskanal schließt sich eine zusätzliche Filterkammer an, die mit einem Filtermaterial angefüllt ist. Die Kondensationskammer wirkt bei diesen bekannten Filtern so, daß der durch den Eintrittskanal eintretende Rauch auf die gegenüberliegende Kammerwand aufprallt, wobei bereits dort schwere Bestandteile durch das Umlenken des Rauches an der Kammerwand abgelagert werden. Anschließend soll der Rauch durch die labyrinthartige Führung des Austrittskanals abgekühlt werden, und dabei sollen sich weitere kondensierte Bestandteile an den Kanalwänden ablagern. Die endgültige Filterung soll dann in dem Filtermaterial in der Filterkammer stattfinden. Bei derartigen Filtern kommt es jedoch zusätzlich zu dem großen Druckabfall durch das Aufprallen auf die Prallfläche zu weiteren beträchtlichen Druckverlusten in dem langen Strömungsweg durch den labyrinthartigen Austrittskanal und das Filtermaterial. Derartige Filter bieten somit einen verhältnismäßig omßen Widerstand beim Durchsaugen des Rauches durch den Filter, was vom Raucher als anstrengend und unangenehm empfunden wird.

Ein anderer Weg zur Entfernung von im Tabakrauch mitgeführten Teilchen ist eine Abkühlung durch Ausdehnung, um dadurch die schwereren Teilchen aus dem Gas auszufällen. Diese Vorrichtungen waren, soweit bekannt, zu diesem Zweck sehr in die Länge gezogen und erreichten beträchtliche Abmessungen und wurden deshalb nicht verwendet. Außerdem waren derartige Vorrichtungen zur Entfernung von Teerstoffen nicht wirkungsvoll genug. Daher wird bei einem anderen bekannten Filter der eingangs erwähnten Art die Abkühlungs- und Kondensationswirkung der Expansion des im Rauch vorhandenen '-5 Dampfes mit dem Abscheiden von kondensierten Teilchen an einer Prallfläche kombiniert (US-PS 32 69 394). Bei dieser bekannten Filtervorrichtung wird die Eintrittsöffnung für die Kondensationskammer durch eine Blendenöffnung gebildet, durch welche ein Strahl mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden soll, der nach dem Austritt aus der Blendenöffnung expandiert und eine kegelförmige Gestalt einnimmt. Durch die sich kegelförmig erweiternde Form des Eintrittsstrahles in die Kondensationskammer kommt es zu einer gewissen Expansion, die von Abkühlung und Kondensation des im Rauch vorhandenen Dampfes begleitet wird, so daß kleine Tröpfchen aus Nikotin und anderen Kohlenwasserstoffen entstehen. Der Strahl tritt dann auf eine muldenförmige Prallfläche auf, wo die gebildeten Tröpfchen niedergeschlagen werden sollen. Der Durchmesser der Eintrittsöffnung in die Kondensationskammer soll im bekannten Fall ebenso wie der Abstand der Eintrirtsöffnung von der Prallfläche 0,13 bis 2,5 mm betragen, wobei der Abstand der Eintrittsöffnung von der Prallfläche um so kleiner sein soll, je größer der Querschnitt der Blendenöffnung ist. Da somit im bekannten Fall noch wesentlich von der Wirkung einer Prallfläche Gebrauch gemacht wird, ist auch hier der Druckabfall noch verhältnismäßig groß.

Demgegenüber wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, einen Filter zuschaffen, welcher keine großen Druckverluste hervorruft und eine möglichst vollständige Ablagerung der schädlichen Rauchbestandteile in der Kondensationskammer bewirkt.

Dies wird erfindungsgemäß mit einer Filtervorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß die Eintrittsöffnung, wie an sich bekannt, aus der Mündung einer Eintrittsdüse gebildet ist und daß der freie Querschnitt der Auslaßöffnung größer als derjenige der Düsenmündung, aber in Abstimmung auf das Kammervolumen ausreichend klein ist, um beim Hindurchtreten des Rauches durch die Auslaßöffnung einen Druckabfall zu erzeugen.

Die sogenannten Teerstoffe im Tabakrauch liegen gasförmig oder in Form kleinster Tröpfchen vor. Wegen seiner Zusammensetzung aus kleinsten Tröpfchen von Teer, Wasser und anderen Teilchen in schwebender Form kann Tabakrauch auch als Aerosol bezeichnet werden. Das Ausfällen von Teer aus Rauch ist ein vielschichtiger, von vielen Faktoren beeinflußter Vorgang. Einer der Einflußfaktoren ist die durch Widerstände im Luftstrom erzeugte Verwirbelung. Andere Einflußgrößen sind die Eigenschaften der Oberflächen, plötzliche Änderungen der Durchsatzmenge oder der Richtung der Gasströmung und der Niederschlag von Wasserdampf, hervorgerufen durch Verwirbelung und Abkühlung, wie sie z. B.

durch die Ausdehnung des Rauches erzielt wird. Das Mitführen von Teer im Rauch ist in seiner Wirkung ähnlich den Vorgängen bei der Destillierung von Dampf. Der Niederschlag von Wasser verringert die Bewegungsenergie der Teerteilchen hinreichend, daß diese Ausfallen. Zusätzlich muß dann eine feste Fläche vorhanden sein, an der sich der Teer niederschlägt. Andernfalls bleibt der Teer im gasförmigen Transportmittel und wird vom Raucher eingeatmet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung macht wesentlich von der Expansion des Rauches in der Kondensationskammer Gebrauch. Beim Rauchen einer Zigarette oder von anderem Tabak ist unter den bei der Verbrennung erzeugten Stoffen Wasserdampf. Wird nun der Wasserdampf enthaltende Zigarettenrauch unter geeigneten Voraussetzungen ausgedehnt oder entspannt, fällt die Gastemperatur, und es kann zu einem Niederschlag des Wasserdampfes kommen. Hierdurch wird die Bewegungsnergie des Gases herabgesetzt, und kleinste Tröpfchen von Teer und anderen Stoffen fallen bei der Berührung mit einer festen oder flüssigen Oberfläche aus. Auf diese Weise werden flüssige Oberflächen gebildet, an denen dann weiterhin Teilchen ausfallen. In der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung wird in der Kondensations- oder Ausdehnungskammer eine geringe Verwirbelung hervorgrufen, indem die Geschwindigkeit des Rauches mittels der Eintrittsdüse gesteigert wird, bis dann die Geschwindigkeit des Rauches in der Kammer plötzlich heruntergesetzt wird. Dadurch wird eine Vergrößerung des Volumens gegen den Druck in der Kondensationskammer erreicht. Die Temperatur des entspannten Rauches fällt ab, und ein Niederschlag von Wasserdampf auf die Wände der Kammer ist die Folge.

Hierbei ist es jedoch wesentlich, daß der in der Filtervorrichtung insgesamt hervorgerufene Widerstand möglichst gering ist. Wird der Widerstand beim Rauchen zu groß, wird der Filter nicht benutzt. Außerdem wird die Leistungsfähigkeit der Filtervorrichtung durch eine Verwirbelung der Gasströmung wesentlich verbessert. Die Verwirbelung muß jedoch so erfolgen, daß der Widerstand nicht auf einen unannehmbaren Wert ansteigt.

Femer wurde festgestellt, daß der relative Rauminhalt der Kondensationskammer, bezogen auf den eingeführten Rauch, die Menge des ausgefällten Teers bestimmt. Hieraus ergibt sich umgekehrt ein Einfluß auf die von der Kammer gebildete Oberfläche. Ist die Kammer zu klein, wird ein unerwünschter Verlust an statischem Druck hervorgerufen. Ist die Kammer zu groß, bleiben die Teilchen im Schwebezustand und schlagen sich nicht nieder. Über den gesamten Filter muß etwas Druckabfall auftreten. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, den freien Querschnitt der Auslaßöffnung größer als denjenigen der Düsenmündung, aber in Abstimmung auf das Kammervolumen ausreichend klein zu machen, um beim Hindurchtreten des Rauches durch die Auslaßöffnung einen Druckabfall zu erzeugen, wird der Gesamtwiderstand ausreichend klein, daß mit dem Hindurchsaugen des Rauches keine große Anstrengung verbunden ist, andererseits ist ein ausreichender Rückdruck in der Kondensationskammer vorhanden, gegen welchen die Expansion stattfindet. Insgesamt wird bei der erfindungsgemäßen Lösung die Abscheidung der Tröpfchen wesentlich durch die plötzliche Entspannung des Rauches in der Kondensationskammer bestimmt. Durch die Kamerwände stehen ausreichend große Oberflächen zum Niederschlagen der Tröpfchen zur Verfugung.

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird vorzugsweise eine Düse benutzt, die in die Kondensationskammer hineinragt, damit verhindert wird, daß sich niedergeschlagene Teerstoffe am Rande der Düsenmündung ansammeln oder daß sie entlang den Wänden der Kondensationskammer zur Düsenmündung fließen und dort den Düsenkanal teilweise versperren, was zu einem stärkeren Druckabfall im System fuhren würde. Die erfindungsgemäßen Eintrittsdüsen können durch eine bestimmte Formgebung und ein bestimmtes Längsprofil so gestaltet werden, daß das Gas in Richtung der Kondensalionskammer beschleunigt wird, ohne daß in der Düse ein unerwünschter Druckabfall erzeugt wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

ίο Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird.

F i g. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels;

F i g. 2 zeigt eine Schnittansicht in der Ebene 2-2 nach Fig. 1;

F i g. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Düse in der Vorrichtung nach den F i g. 1 und 2;

F i g. 4 zeigt einen Längsschnitt eines Düsenbauteils, das zusammen mit den verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung verwendet werden kann;

Fig. 5 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines anderen Düsenbauteils, das zusammen mit verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung verwendet werden kann;

F i g. 6 zeigt einen Längsschnitt einer Vorrichtung in Patronenform einer Ausführungsform, welche in ein Mundstück eingebaut ist;

F i g. 7 zeigt eine Seitenansicht einer anderen Vorrichtung in Patronenform in einer Halterung;

Fig. 8 zeigt einen Schnitt in der Ebene der Linien 8-8 nach F i g. 7;

F i g. 9 zeigt eine Seitenansicht einer anderen Vorrichtung in Patronenform;

Fig. 10 zeigt einen Schnitt in der Ebene dei Linie 10-10 nach F i g. 9.

Eine Filterpatrone für Zigaretten gemäß der Erfindung bewirkt eine leichte Verwirbelung des Tabak-

rauchs beim Eintritt in die Kondensationskammer, um einen erwünschten Energieverlust und die damit verbundene Kondensation von Wasserdampf und den Niederschlag von Teerstoffen zu bewirken, ohne einer unerwünschten Druckabfall im System hervorzurufen Diese Wirkung erzielt man mit Hilfe einer Düse mil abnehmendem Querschnitt, die in die Ausdehnungsoder Kondensationskammer hineinragt Der Tabakrauch wird in der Düse mit abnehmenden Querschniti beschleunigt, wobei die im wesentlichen laminare Strömung auch bei höherer Geschwindigkeit beibe halten wird. Die von einem Raucher durchschnittlich eingeatmete Menge Rauch beträgt bei einem Zug vor 2 Sekunden Dauer 35 ml. Die Mündungsöffnung dei Düse ist so groß, daß die endgültige Geschwindigkei

in der Düse erhöht wird, um dann plötzlich beim Ein tritt in die Ausdehnungskammer geringer zu werden Insbesondere ist die Düse so gestaltet, daß der Raue! bei Austreten verteilt wird, um seine Entspannung ir

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der Kammer und damit die Kondensation von Wasserdampf zu unterstützen.

Der Rauminhalt der Ausdehnungskammer wird so gewählt, daß der Wasserdampf sich auf den Wänden der Kammer niederschlägt und eine feuchte Oberfläche erzeugt, auf der die Teerstoffe kondensieren, wenn der Rauch seine Bewegungsenergie verliert.

Vorzugsweise werden Werkstoffe mit verhältnismäßig schlechter Wärmeleitfähigkeit verwendet, vor allem bei den Ein- und Austrillsöffnungen der Kammer. Denn Werkstoffe mit guter Wärmeleitfähigkeit könnten vor allem in der Düse eine Kondensation von Teerstoffen hervorrufen und damit eine ganze oder teilweise Verstopfung, womit ein erheblich gesteigerter Druckabfall im System verbunden ist. Es ist ferner anzustreben, daß die Wärmeübergangszahl des für die Ausdehnungskammer verwendeten Materials sehr gering ist, so daß die Kondensation von Wasserdampf und Teerstoffen im wesentlichen durch die Kühlwirkung der Ausdehnung und nicht durch die Übertragung von Wärme auf die Wandung der Kammer zustande kommt.

Um das Abscheiden von Teer im Düsenbauteil zu vermeiden, ist es sehr vorteilhaft, wenn dieses Bauteil teilweise in den Hohlraum, der die Zigarette aufnimmt, hineinragt. In diesem Hohlraum findet man immer etwas durch Verwirbelung bedingten Niederschlag. Reicht jedoch das Düsenbauteil in diesen Hohlraum hinein, wird eine Auffangvorrichtung gebildet, über die der Tabak etwas hinausragt, und ein auf Grund der Verwirbelung gebildeter Niederschlag kann nicht ohne weiteres in die Düse gezogen werden. Bei dieser Ausführungsform wird der Hohlraum von der Halterung der Patrone gebildet, wodurch die Zigarette von der Patrone einen bestimmten Abstand hat.

Die Form der Düsen, insbesondere der Einlaßdüsen, kann wesentlich zur Ausbeute der Kondensation in der Vorrichtung beitragen. Wird der Einlaß von einem düsenartigen Kanal gebildet, dessen Querschnitt in Richtung der Kammer abnimmt, wird der in die Kammer geleitete Rauch besser verteilt und der durch die Düse hervorgerufene Druckabfall verringert.

F i g. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform mit derartigen öffnungen. Eine aus zwei Teilen bestehende Patrone 90 ist entlang der Linie 91 zusammengefügt. Die Patrone weist einen Einlaßkanal oder eine Düse 92 auf, die in die Kammer 93 führt.

Die Auslaßöffnung, eine umgekehrte Düse 94, ist ebenfalls dargestellt Die Auslaßöffnung kann auch zylindrisch sein. Die Patrone nach Fig. 1 kann in zwei Teilen hergestellt und dann zusammengefügt werden, wie in Verbindung mit F i g. 2 gezeigt wird.

Wird Rauch durch die Düse 92 in die Kammer 93 gezogen, verringert sich seine Geschwindigkeit, er wird entspannt, bzw. er dehnt sich aus. Bei der Ausdehnung kühlt sich der Rauch ab, und der darin enthaltene Wasserdampf schlägt sich nieder. Hierdurch wird der Teer an den Wänden der Kammer 93 gesammelt. Der Grad der Ausdehnung würde bei einer kleineren öffnung der Düse 92 größer sein. Das würde jedoch auch einen größeren Widerstand im Luftstrom bedeuten.

Der durchschnittliche Raucher atmet bei einem Zug von ungefähr 2 Sekunden Dauer etwa 35 ml Luft und Rauch ein. Bei einer derartigen Menge Luft und Rauch in etwa 2 Sekunden sollte die Mündungsöffnung der Düse 92 in der Kammer 93 einen Durch messer von ungefähr 0,6 bis 0,8 mm haben. Die öffnung darf nicht so klein sein, daß ein unerwünschter Widerstand gegen den Luftstrom hervorgerufen wird. Wie festgestellt wurde» wird eine ausgezeichnete Ausfällung von Teer in einer Kammer mit einem Rauminhalt, der ungefähr um einen Faktor 100 bis 400 größer ist als die Abmessung der Fläche der Einlaßöffnung, erzieh. Die Maßeinheit sind Millimeter. Die Auslaßöffnung 94 sollte eine Fläche, die wenigstens zweimal so groß wie die der Einlaßöffnung ist, aufweisen. Nach F i g. 1 sind Einlaß- und Auslaßöffnung so angebracht, daß keine direkte Linie, bzw. kein unmittelbarer Weg des Rauchs von der Einlaß- zur Auslaßöffnung führt. Wird dieses Verhältnis zu sehr überschritten, wird nur eine sehr geringe Menge Teer ausfallen. Die Innenfläche der Filterpatrone sollte die größtmögliche Fläche bekommen, um zur Kondensation des Wasserdampfs rand dem damit verbundenen Niederschlag von Teerstoffen eine möglichst große Oberfläche zur Verfügung zu stellen. Wird jedoch der Rauminhalt der Ausdehnungskammer zu groß gewählt, findet, wie man gefunden hat, keine Kondensation des Wasserdampfs statt. Es wird angenommen, daß dies auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß bei einer Vergrößerung der Ausdehnungskammer das Verhältnis ihres Volumens zur Menge des durchgeleiteten Gases eine ungehinderte Ausdehnung des Gases zuläßt und nur eine sehr geringe Kühlung des Rauches erfolgt. Aus diesem Grund nimmt die Menge des kondensierten Wassere ab, und die Wirksamkeit des Filters wird verringert. Andererseits, wenn sich der Rauch beim Eintritt in die Kammer in einem verkleinerten Raum ausdehnt, geschieht das gegen einen darin vorhandenen Gegendruck. Es muß Arbeit zum Trennen der Gasmoleküle aufgewendet werden. Das Ergebnis ist eine wirksame Abkühlung des Wasserdampfs und ein Ausfallen von Teer.

Die tatsächliche Größe der Auslaßöffnung ist nicht kritisch. Sie darf allerdings keine Größenordnung annehmen, die gleichbedeutend mit einer Vergrößerung des Rauminhalts der Kammer wäre. Anders ausgedrückt, in der Auslaßöffnung muß ein bestimmter Druckabfall auftreten, um in der Kammer den Gegendruck, gegen den sich der Rauch ausdehnt, aufrechtzuerhalten. Der Werkstoff, aus dem der Filter hergestellt ist, sollte möglichst einen geringen Wärmeübergangskoeffizienten haben, damit die Wärme nicht über die Wände abgeleitet werden kann und dadurch eine zu starke Kühlung des Rauchs erfolgt. Viele Raucher lehnen zu kühlen Rauch ab. Der Rauminhalt der Patrone ist in einer Beziehung zur Einlaßöffnung gewählt, so daß die Kühlwirkung zum Zwecke der Kondensation durch eine gesteuerte Ausdehnung in der Kammer erreicht wird und daß die Wärmeleitung über die Wände der Patrone möglichst gering gehalten wird.

Eine andere Ausführungsform der Einlaßdüse zeigt F i g. 3. Diese weist einen Kanal 96 mit abnehmendem Querschnitt auf. Das Profil der Düse hat im Längsschnitt elliptische Form. Eine derartige Form vermindert den Druckabfall in der Düse. Ferner wird durch die Form der Wände ein sofortiges Verteilen des Rauchs bei Eintritt in die Kammer vermieden,

wie mit den Pfeilen A gezeigt wird. Hierdurch wird eine Verwirbelung erzeugt, die die Kondensation des Wasserdampfs und das damit verbundene Ausfällen der Teerstoffe unterstützt.

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ίο

Die Einlaßdüsen können als eigene Bauteile hergestellt sein, die in die Ausdehnungskammer hinein^ra8^en·

Fig. 4 zeigt ein Düsenbauteil 98 mit einer kegelförmigen Düse 99. Dieses Bauteil kann unabhängig hergestellt und mit jeder Palrone zusammengebaut werden. Die Verteilungswirkung einer derartigen Duse zeigen die PfeileB. Fig. 5 zeigt ein ähnliches DusenbauteillOOmiteinerDu.se 101 mit elliptischem Profil. Bei der Benutzung der Düsenbauteile sollte die Emlaßöffnung der Kammer in der bereits beschriebenen Größenordnung von 0,6 bis 0,8 mm sein, um den Niederschlag von Teerstoffen zu optimieren und um einen unerwünschten Druckabfall zu vermeiden. Der Durchmesser der Einlaßöffnung der Düse sollte ungefähr 1 3 mm betragen die Länge der Düsenbauteite nach Fig. 4 und 5 ist 1,1 bis 2,5 mm.

Eine andere Ausfuhrungsform der Filterpatrone gemäß Erfindung ist so gestaltet, daß die Richtung des Rauchstroms nach dem Ausdehnen in entgegen- *o gesetzte Richtung umgeleitet wird. Auf diese Weise erreicht man das vorteilhafte Ergebnis, die Teilchen durch Richtungsänderung zu beschleunigen, wobei die Beschleun.gungsenergie ausgenutzt wird, die Teilchen gegen die Wände der Kammer zu leiten. *₅

bine Patrone dieser Art zeigt Fi g. 6 eingebaut in eine Zigaretten- oder Zigarrenspitze 102 mit einer Zigarette C und einem Mundstuck 103. Selbstvers andl.ch kann die Patrone 104. in einem Filtermundstuck eingebaut sein Die F.lterbauteile können auch in Patronenform und von einer Große sein, die in

mit einer Düse 107 au, Die Kammer 108 ist zum

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ist so gestaltet (s. Fig. 5), daß eine bestmögliche Verteilunj des Rauches beim Austritt in die Kammer 108 erregt wird. Gelangt der Rauch in den halbkugel förmigen Teil der Kammer 108, dehnt er sich unter Absinken der Temperatur aus/wodurch Flüssigkei und Teerstoffe aus dem Rauch abgeschieden werden statt. Das Verhältnis des zur Ausdehnung wirksamen Raums zur Fläche der Mündung entspricht bei dieser Ausführungsform dem oben bereits festgelegten Wert. Es wurde festgestellt, daß der Abstand rf, vom Ende der Düse 107 zur Rückwand der Kammer 108 nicht von wesentlichem Einfluß ist, es sei denn, der Strömungswiderstand wird durch eine zu nahe angebrachte Düse zu groß und der Druckabfall dadurch erhöht. Bei einer Patrone nach Fig 6 mit einem Radius der Halbkugel von 2 1 mm könnte kein wesentlicher Unterschied der Ausbeute an Teer bei einem Abstand d_x von 0,23 mm, 2,1 mm oder 3,9 mm festgestellt werden. Bei den kürzeren Abmessungen wurde jedoch ein erhöhter Strömungswiderstand gemessen.

Ferner wurde festgestellt, daß bei einer Verlängerung des Abstands d₉ die Ausbeute an ausgefallenen Teerstoffen vergrößert werden konnte Als Ursache wird angenommen, daß durch eine Vergrößerung des Volumens in d, die Wirkung einer geschlossenen Kammer erzeugt wird. Der Gasdruck wird während des Einatmens von Rauch wenig verändert, so daß ein konstanter Gegendruck in der Kammer vorhanden ist, gegen den sich der eintretende Rauch ausdehnt. Bei den Versuchen wurde festgestellt, daß sich alle ausgefallenen Teerstoffe in dem halbkugelförmigen Raum sammelten. Hierdurch wurde bewiesen, daß das Ausfällen von Teerstoffen durch Expansion und dem resultierenden Energieverlust im System im Ausdehnungsraum, der sich unmittelbar an den Eintritt in die Kammer anschließt, stattfindet.

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Die Größe der öffnung 109 wird so gewählt, daß in der Kammer 108 ein Gegendruck aufbau wirf damit der angestrebte Temr^raturabfall bei der aS dehnung des Rauchs ohne^nen unerwünschten Abfall des statischen Drucks erzielt wird. Die Größe der öffnung 111 in dieser Ausführungsfonn der Erfindung ist unkritisch

Der gesamte Rauminhalt der Kammer 108 ist größer als der bei der Ausdehnung tatsächlich wirksame Raum. Die wesentliche Ausdehnung des Rauchs fmdet zwischen der Mündungsöffnung 114 der Düse 107 und der halbkugelförmigen Wand⁸der Kamme? 108

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Ende der Düse 121 und der darunterliegenden Wand der Kammer aus. Danach strömt das Gas durch eine öffnung 120 in den Kanal 112 und in das Mundstück 103. Das Düsenbauteil 121 kann eine nach außen ragende Fortsetzung 122 für den bereits beschriebenen Zweck haben. Die Fortsetzung 122 kann zur wesentlichen Verbesserung der laminaren Strömung in der Düse zugespitzt sein.

Eine Ausführungsform der Erfindung in der Art mit Umkehrung der Strömung zeigen Fi g. 9 und 10. Bei dieser Ausführungsform bildet ein Gehäuse 124 eine Ausdehnungskammer 125 und eine durch die Wand 127 davon getrennte Auslaßöffnung 126. Die Wand 127 bildet zusammen mit der Düse 128 eine Auslaßöffnung 129 rund um die Düse. Gerade oder gekrümmte Rippen oder Leitflächen 130 und 131 sind so angebracht, daß sie die Leitkanäle 132 bzw. 133 für den Gasstrom bilden und außerdem eine größere Oberfläche für die Kondensation bereitstellen. Aus Gründen einer einfachen Darstellung ist die Düse 128 als zylindrischer Kanal gezeigt. Sie kann jedoch selbstverständlich auch die Form der Düsen nach Fig. 4, 5 oder 6 haben. Nach dem Eintritt des Rauchs in die Kammer 125 durch die Düse 128 dehnt er sich beim Verlassen der Düse unter Energieverlust und unter Absinken der Temperatur aus. Hieraus ergibt sich die Kondensation von Flüssigkeit und ein Niederschlag von Teerstoffen. Das Gas strömt dann zwischen den Rippen oder Leitflächen 130 und 131 und wird in den Kanälen 132 und 133 umgelenkt, um nun in Richtung der öffnung zu strömen.

Hierauf wird es durch den Kanal 126 in den Kanal 112 des Mundstücks 103 gezogen. Das Düsenbauteil 128 kann aus den bereits genannten Gründen mit einer Fortsetzung 134 nach außen versehen sein.

Die in den Fig. 6 bis 10 dargestellten Filter können in der Halterung leicht ausgewechselt werden. Versuche haben gezeigt, daß diese Filterpatronen für wenigstens fünf Zigaretten vom sogenannten »King-Size-Format« mit gutem Wirkungsgrad benutzt werden können.

Weitere Versuche haben gezeigt, daß Filterpatronen, deren Wirkung auf Ausdehnung der Gase und Niederschlag der Teilchen beruht, eine um 30 bis 50 Prozent höhere Ausbeute an Teerstoffen und anderen Bestandteilen des Tabakrauches liefern als handelsübliche Filter nach US-Patent 25 54 779, die nach der Aufprallmethode arbeiten und bei denen der Druckabfall im Filter der gleiche ist. Man hat festgestellt, daß Filtervorrichtungen gemäß der Erfindung auf einen um 25% niedrigeren Druckabfall als handelsübliche Filter nach dem obenerwähnten

ίο Patent ausgelegt sein können und trotzdem dieselbe Ausbeute wie die handelsüblichen Filter erbringen.

Mit einer Zigarette der Marke »Kent, King-size« wurden Verglcichsversuche durchgeführt, indem man einmal ihren Filter durch eine Patrone nach F i g. 6 ersetzte, zum anderen ein Filter, bekannt als »Tar-Gard« nach US-Patent 29 54 779, verwendet wurde. Folgende Versuchsbedingungen lagen zugrunde:

a) Jeder Zug betrug 35 ml;
ao b) jeder Zug dauert 2 Sekunden;

c) die Züge werden durch sinusförmige Druckänderungen hervorgerufen;

d) ein Zug pro Minute;

e) insgesamt acht Züge.

Die Versuche zeigten, daß der Filter nach F i g. 6 im Durchschnitt wenigstens 50 %> mehr Teer als der nach US-Patent 29 54 779 aufgebaute Filter entfernte.

Die Erfindung schafft also einen Filter für Tabakrauch, der Teerstoffe durch Kondensation und Ausfällung entfernt. Eine Einlaßdüse erstreckt sich in eine Ausdehnungskammer für den Rauch von vorgegebener Größe. Der Rauch tritt aus der Düse mit hoher Geschwindigkeit aus, verteilt und entspannt sich in der Kammer unter Verwirbelung und Absinken der Temperatur, Wasserdampf kondensiert auf den Wänden der Kammer, auf denen sich dann Teerstoffe niederschlagen. Der Filter ist so ausgelegt, daß ein Verstopfen durch ausgefallenen Teer verhindert wird und daß er mit einem Druckabfall in einer vorgegebenen Größenordnung arbeitet und trotzdem Teerstoffe sehr wirkungsvoll aus dem Tabakrauch entfernt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   L Filtervorrichtung für Tabakrauch, mit einer Kondensationskammer, in welcher eine einer Wand der Kammer gegenüberliegend angeordnete, die Geschwindigkeit des hindurchtretenden Rauches vergrößernde Eintrittsöffnung und ein Auslaß einmünden, deren freie Querschnitte jeweils kleiner als derjenige der Kammer sind, wobei der Abstand der Eintrittsöffnung von der Wand größer als der Durchmesser der Eintrittsöffnung ist, so daß der in die Kammer eintretende Rauch vor seiner Berührung mit der Wand unter Abkühlung und Kondensation des im Rauch vorhandenen Dampfes expandiert, und der Auslaß derart in die Kammer einmündet, daß der Rauch zwischen Eintrittsöffnung und Auslaß umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung, wie an sich bekannt, aus der Mündung (114) einer Eintrittsdüse (92, 96, 99, 101, 107, 121, 128) gebildet ist und daß der freie Querschnitt der Auslaßöffnung (94, 109, 120, 129) größer als derjenige der Düsenmündung, aber in Abstimmung auf das Kammervolumen ausreichend klein ist, um beim Hindurchtreten des Rauches durch die Auslaßöffnung einen Druckabfall zu erzeugen.
2. 2. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsdüse (107, 121, 128) in die Kammer (108, 117, 125) hineinragt und die Auslaßöffnung (109, 120, 129), gesehen in Richtung der Strömung in der Düse, hinter der Düsenmündung und koaxial zur Eintrittsdüse angeordnet ist.
3. 3. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Auülaßöffnung (109,

   120, 129) in einen die Außenwand der Kammer umgebenden Kanal (119,126) fortsetzt.
4. 4. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsdüse (107, 121, 128) eine Länge von 1,1 bis 2,5 mm hat und ihre Querschnittsfläche in Richtung zur Mündung der Düse hin abnimmt.
5. 5. Filtervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung der Eintrittsdüse (107,121,128) einen Durchmesser von 0,6 bis 0,8 mm hat.
6. 6. Filtervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Einlaßöffnung (115,122, 134) der Eintrittsdüse (107,

   121, 128) ungefähr doppelt so groß wie der Durchmesser der Mündung der Düse ist.
7. 7. Filiervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsdüse (107, 121, 128) außerhalb der Kammer (108, 117, 125) in den eine Zigarette od. dgl. aufnehmenden Raum hineinragt.
8. 8. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Rauminhalt der Kammer, gemessen in mm³, um den Faktor 100 bis 400 größer als die Fläche der Mündung der Eintrittsdüse, gemessen in mm², ist.
9. 9. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse im Längsschnitt ein elliptisches Profil aufweist.
10. 10. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschnitt der Eintrittsdüse durch Linien, die von der Einlaßöffnung der Düse zu deren Mündung in einem Winkel von etwa 30° zusammenlaufen, definiert

    ist.