DE3588051T2

DE3588051T2 - Kohlenhaltiges Brennstoffeinzelteil für Rauchartikel.

Info

Publication number: DE3588051T2
Application number: DE3588051T
Authority: DE
Inventors: Chandra Kumar Pfafftown Nc 27040 Banerjee; Ernest Gilbert Winston-Salem Nc 27106 Farrier; John Hughes Winston-Salem Nc 27103 Reynolds Iv; Henry Thomas Lewisville Nc 27023 Ridings; Andrew Jackson Jr. Winston-Salem Nc 27103 Sensabaugh; Michael David Lewisville North Carolina 27023 Shannon
Original assignee: RJ Reynolds Tobacco Co
Current assignee: Japan Tobacco Inc
Priority date: 1984-09-14
Filing date: 1985-09-11
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2005-09-12
Also published as: BG45382A3; FI853486A0; ATE114415T1; FI883458A; DK22791D0; IE79075B1; NO169814B; HK40896A; DK22691A; ES296358Y; NO172522B; MX173247B; BG46596A3; IE950597L; AU623260B2; JPH0558756B2; HK40796A; IL76195A; DE3587952D1; EP0339690B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Rauchartikel, der ein Aerosol erzeugt, welches tabakrauchähnlich ist und nicht mehr als eine minimale Menge unvollständig verbrannter Verbrennungs- oder Pyrolyseprodukte enthält.
In den vergangenen Jahren, insbesondere während der letzten 20 bis 30 Jahre, ist eine Vielzahl von Brennstoffelementen für Rauchartikel vorgeschlagen worden, wobei sich jedoch keines dieser Produkte erfolgreich auf dem Markt durchsetzen konnte.
EP-A-0 117 355 (Hearn et al.) beschreibt einen vorgeschlagenen zigarettenartigen Rauchartikel, der eine Kohlenstoff-Wärmequelle mit einem axialen Durchlaß und einen getrennten Aroma- Erzeuger (Geschmacks- und Geruchserzeuger) aufweist. Durch den axialen Durchlaß wird verhindert, daß beim Ziehen gasförmige Verbrennungsprodukte durch das kohlenstoffhaltige Brennstoffmaterial des Brennstoffelements strömen. Die Bildung der Wärmequelle (Seite 2, Zeile 23 bis Seite 7, Zeile 14) erfolgt durch Pyrolysieren eines vorgeformten, röhrenförmigen ligninhaltigen Zellstoffmaterials von z.B. 90 mm oder 65 mm Länge (siehe Vergleichsbeispiel 1 bzw. Beispiel 4) unter vorgegebenen Bedingungen, gefolgt von wenigstens einem zusätzlichen vorgegebenen Verfahrensschritt. Der vorgebliche Aroma-Erzeuger (Seite 8, Zeilen 8-27) umfaßt ein Substratmaterial, wie zum Beispiel Tabak, Aluminiumoxid etc., welches nahe dem mundseitigen Ende liegt und mit wenigstens einem durch Wärme freisetzbaren Aromastoff imprägniert ist oder einen solchen inhärent enthält. Der Aroma-Erzeuger kann auch einen aromatisierten, geschäumten Kern im Inneren der Wärmequelle umfassen. Hinter dem Aroma-Erzeuger kann ein herkömmliches Filter angeordnet sein. Die vorgebliche Bildung eines Aerosols beim Gebrauch ist von Seite 8, Zeile 28 bis Seite 9, Zeile 8 beschrieben.
Ungeachtet jahrzehntelangen Interesses und Bemühungen gibt es bislang noch keinen, ein Brennstoffelement umfassenden Rauchartikel auf dem Markt der den Gewinn und die Vorzüge, die mit dem herkömmlichen Zigarettenrauchen verbunden sind, verschaffen kann, ohne gleichzeitig erhebliche Mengen unvollständig verbrannter Verbrennungs- und Pyrolyseprodukte abzugeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kohlenstoff-Brennstoffelement zu schaffen, welches in Verbindung mit einem separaten Aerosol-Erzeuger einen Rauchartikel bildet, der beim Rauchen einen höheren Wirkungsgrad erbringt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale nach Anspruch 1.
Ein relativ kurzes kohlenstoffhaltiges Teilstück eines zigarettenartigen Rauchartikels ist an sich bereits aus EP-A-0 074 201 bekannt. Diese Schrift offenbart die Verwendung eines brennbaren carbonisierten Stäbchens als ein Teilstück eines zigarettenartigen Rauchartikels, wobei dieses Teilstück entweder ein Filter mit einer Länge von 10 mm bis 40 mm oder das alleinige Brennstoffelement einer tabakfreien Zigarette ist, wobei dieses Brennstoffelement eine Länge von 85 mm bis 120 mm besitzt. Bei diesem bekannten Rauchartikel kann das Kohlenstoff-Filter dazu bestimmt sein, durch Rauchen konsumiert zu werden, wobei es zur Freisetzung einer gewissen Menge des zuvor zurückgehaltenen, aus zuvor gerauchtem und vor dem Filter angeordnetem Tabak freigesetzten Kondensats (TPM) kommt, um zu erreichen, daß die letzten Züge des Rauchartikels vom Verbraucher als ebenso mild empfunden werden wie die anfänglichen.
Vorzugsweise umfaßt das Brennstoffelement mindestens 60 Gew.-% bis 80 Gew.-% Kohlenstoff als solchen.
Ferner werden Brennstoffelemente bevorzugt, die einen Durchmesser von circa 4 mm bis 5 mm aufweisen.
Um das Anzünden zu erleichtern, wird vorgeschlagen, das Brennstoffelement mit einem sich verjüngenden Ende auszustatten.
Weitere vorteilhafte Merkmale sind Gegenstand der beigefügten Ansprüche.
Bei allen vorgenannten Rauchartikeln mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffelement wird die durch das Brennstoffelement während des Rauchens erzeugte Wärme wirksamer zur Erzeugung eines Aerosols genutzt, welches dem Rauch eines herkömmlichen Rauchartikels ähnelt.
Ein Rauchartikel mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffelement und einem separaten Aerosol-Erzeuger ist in der Lage, sowohl zu Beginn als auch während der Nutzzeit des Produktes, wesentliche Mengen an Aerosol zu bilden, und zwar ohne eine merkliche thermische Zersetzung des Aerosolbildners, ohne das Auftreten wesentlicher Mengen an Pyrolyse- oder unvollständig verbrannten Verbrennungsprodukten und vorzugsweise ohne wesentliche Mengen Nebenstromrauchs. Nach dem Anzünden erzeugt Brennstoffelement Wärme, welche dazu genutzt wird, um die in den Aerosolerzeugungsmitteln vorhandene aerosolbildende Substanz oder Substanzen zu verflüchtigen. Diese flüchtigen Stoffe werden dann, insbesondere beim Ziehen, zum Mundende und in den Mund des Benutzers gezogen, ähnlich wie der Rauch einer herkömmlichen Zigarette.
Da das erfindungsgemäße Brennstoffelement relativ kurz ist, befindet sich der heiße, brennende Glutkegel stets dicht bei den Aerosolerzeugungsmitteln, wodurch der Wärmeübergang auf die Aerosolerzeugungsmittel sowie die resultierende Aerosolbildung maximiert wird, insbesondere bei Ausführungsformen, welche mit einem Element ausgestattet sind, das Wärme vom Brennstoffelement zu den Aerosolerzeugungsmitteln leitet. Da die aerosolbildende Substanz und das Brennstoffelement körperlich voneinander getrennt sind, ist die aerosolbildende Substanz wesentlich niedrigeren als den im brennenden Glutkegel herrschenden Temperaturen ausgesetzt, wodurch die Möglichkeit einer thermischen Zersetzung des Aerosolbildners auf ein Mindestmaß reduziert wird. Ferner verhindert die Verwendung eines Kohlenstoff-Brennstoffelements, welches im wesentlichen frei von flüchtigen organischen Stoffen ist, das Auftreten wesentlicher Mengen von Pyrolyse- oder unvollständig verbrannten Verbrennungsprodukten sowie die Bildung wesentlicher Mengen von Nebenstromrauch.
In der vorliegenden Beschreibung und ausschließlich im Sinne der vorliegenden Erfindung umfaßt die Definition des Ausdrucks "Aerosol" sowohl sichtbare als auch unsichtbare Dämpfe, Gase, Teilchen und ähnliches, insbesondere auch jene Komponenten, die vom Benutzer als "rauchähnlich" wahrgenommen werden, und die durch die Wirkung der Wärme aus dem brennenden Brennstoffelement auf in den Aerosolerzeugungsmitteln oder einem anderen Teil des Rauchartikels enthaltenen Substanzen erzeugt werden. Entsprechend dieser Definition umfaßt die Bezeichnung "Aerosol" auch flüchtige Aromastoffe und/oder pharmakologisch oder physiologisch aktive Wirkstoffe, ungeachtet dessen, ob sie ein sichtbares Aerosol erzeugen oder nicht.
Das erfindungsgemäße Brennstoffelement und seine Verwendung in Rauchartikeln ist in den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung näher erläutert.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Figuren 1 bis 9 sind Längsschnitte verschiedener Rauchartikel, in denen ein erfindungsgemäßes Brennstoffelement zur Anwendung kommt. Es zeigen ferner:
Figur 1A Schnitt durch die Ausführungsform nach Figur 1 entlang der Linie 1A-1A in Figur 1;
Figur 2A Längsschnitt eines abgewandelten, sich verjüngenden Brennstoffelements der Ausführungsform nach Figur 2;
Figur 3A Schnitt durch die Ausführungsform nach Figur 3 entlang der Linie 3A-3A nach Figur 3; und
Figur 10 Durchschnittliches Spitzentemperaturprofil des Rauchartikels nach Beispiel 5 im Gebrauch.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der in Figur 1 dargestellte Rauchartikel, der vorzugsweise den Durchmesser einer herkömmlichen Zigarette aufweist, beinhaltet ein kurzes, brennbares Kohlenstoff-Brennstoffelement 10, daran anstoßende Aerosolerzeugungsmittel 12 und ein mit Folie ausgekleidetes Papierröhrchen 14, welches das Mundendestück 15 des Rauchartikels bildet. In dieser Ausführungsform ist das Brennstoffelement 10 mit fünf sich in Längsrichtung erstreckenden Löchern 16 versehen. Siehe Figur 1A. Das circa 20 mm lange Brennstoffelement 10 kann fakultativ mit Zigarettenpapier umhüllt sein, um das Anzünden des Brennstoffs zu verbessern. Dieses Papier kann mit bekannten Zusätzen zur Brandverbesserung behandelt sein.
Die Aerosolerzeugungsmittel 12 weisen eine Vielzahl von Glaskügelchen 20 auf, die mit einer oder mehreren aerosolbildenden Substanzen, zum Beispiel Glycerol, überzogen sind. Die Glaskügelchen werden durch eine poröse Scheibe 22, welche aus Celluloseacetat gefertigt sein kann, an Ort und Stelle gehalten. Diese Scheibe kann mit einer Reihe am Umfang befindlicher Rillen 24 versehen sein, die Durchlässe zwischen der Scheibe und dem mit Folie ausgekleideten Röhrchen 14 schaffen.
Das mit Folie ausgekleidete Papierröhrchen 14, welches das Mundendestück des Rauchartikels bildet, umschließt die Aerosolerzeugungsmittel 12 und das hintere, nicht anzuzündende Ende des Brennstoffelements 10. Ferner bildet das Röhrchen einen Aerosolabgabedurchlaß 26 zwischen den Aerosolerzeugungsmitteln 12 und dem Mundende 15 des Rauchartikels.
Fakultativ weist der in Figur 1 dargestellte Rauchartikel auch eine Tabakmenge oder einen Tabakpfropfen 28 auf, um dem Aerosol Aroma hinzuzufügen. Diese Tabakladung 28 kann am mundseitigen Ende der Scheibe 22 angeordnet werden, wie in Figur 1, oder zwischen den Glaskügelchen 20 und der Scheibe 22. Ebenso kann sie im Durchlaß 26, vom Aerosolerzeuger 12 beabstandet, angeordnet werden.
In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ist das kurze Brennstoffelement 10 ein circa 20 mm langer Kohlenstoffstab oder -pfropfen, welcher mit einem axialen Loch 16 versehen ist und aus carbonisierten Fasern gebildet sein kann, wobei vorzugsweise auch ein dem Loch 16 entsprechender axialer Durchlaß vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform umfassen die Aerosolerzeugungsmittel 12 ein wärmebeständiges, leitendes Kohlenstoffsubstrat 30, zum Beispiel einen mit einer oder mehreren aerosolbildenden Substanzen imprägnierten Pfropfen aus porösem Kohlenstoff. Dieses Substrat kann fakultativ mit einem axialen Durchlaß 32 gemäß Figur 2 versehen sein. Ferner umfaßt diese Ausführungsform eine vorzugsweise am mundseitigen Ende des Substrats 30 angeordnete Tabakmenge 28. Aus optischen Gründen weist dieser Rauchartikel fakultativ auch ein hochporöses Celluloseacetatfilter 34 auf, welches mit am Umfang befindlichen Rillen 36 versehen sein kann, um zwischen dem Filter 34 und dem mit Folie ausgekleideten Röhrchen 14 Durchtritte für die aerosolbildende Substanz zu schaffen. Fakultativ kann das anzuzündende Ende 11 des Brennstoffelements verjüngt sein, wie in Figur 2A gezeigt, um die Anzündbarkeit zu verbessern.
Die in Figur 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein kurzes, brennbares Kohlenstoff-Brennstoffelement 10, welches über ein wärmeleitendes Stäbchen 99 und über ein mit Folie ausgekleidetes Papierröhrchen 14 mit Aerosolerzeugungsmitteln 12 verbunden ist, wobei das Papierröhrchen auch zum Mundende 15 des Rauchartikels führt. In dieser Ausführungsform kann das Brennstoffelement 10 ein extrudierter Kohlenstoffstab oder -pfropfen sein.
Die Aerosolerzeugungsmittel 12 umfassen ein wärmebeständiges Kohlenstoffsubstrat 30, zum Beispiel einen Pfropfen porösen, mit einer oder mehreren aerosolbildenden Substanzen imprägnierten Kohlenstoffs. Diese Ausführungsform weist einen leeren Raum 97 zwischen dem Brennstoffelement 10 und dem Substrat 30 auf. Der diesen leeren Raum umschließende Teil des mit Folie ausgekleideten Röhrchens 14 weist eine Vielzahl von am Umfang befindlichen Löchern 100 auf, die ausreichend Luft in den leeren Raum eintreten lassen, um für angemessenen Druckabfall zu sorgen.
Wie in den Figuren 3 und 3A dargestellt, umfassen die wärmeleitenden Mittel ein leitendes Stäbchen 99 und das mit Folie ausgekleidete Röhrchen 14. Das vorzugsweise aus Aluminium gebildete Stäbchen 99 weist mindestens eine, vorzugsweise 2 bis 5 am Umfang befindliche Rillen 96 auf, welche den Durchtritt von Luft durch das Substrat erlauben. Der Rauchartikel gemäß Figur 3 bietet den Vorteil, daß die in den leeren Raum 97 eingeführte Luft weniger Kohlenstoffoxidationsprodukte enthält, weil sie nicht durch den brennenden Brennstoff eingezogen wird.
Die in Figur 4 dargestellte Ausführungsform umfaßt ein faseriges Kohlenstoff-Brennstoffelement 10, wie zum Beispiel carbonisierte Baumwolle oder Reyon. Das Brennstoffelement beinhaltet ein einzelnes axiales Loch 16. Das Substrat 38 des Aerosolerzeugers ist ein gekörnter, wärmebeständiger Kohlenstoff. Unmittelbar hinter dem Substrat befindet sich eine Tabakmenge 28. Dieser Rauchartikel weist statt des mit Folie ausgekleideten Röhrchens vorhergehender Ausführungsformen ein Celluloseacetat-Röhrchen 40 auf. Dieses Röhrchen 40 umfaßt einen ringförmigen Bereich 42 aus Celluloseacetat-Strangmaterial, welcher ein fakultatives Kunststoffröhrchen 44, z.B. aus Polypropylen, umschließt. Am Mundende 15 dieses Elements befindet sich ein Celluloseacetat-Filterpfropfen 45 mit niederem Wirkungsgrad. Der Rauchartikel ist über seine ganze Länge mit Zigarettenpapier 46 umhüllt. Am Mundende kann als Mundstückimitat ein Belag 48 mit Kork- oder Weißdruck verwendet werden. Auf der Papierinnenseite befindet sich gegen das brennstoffseitige Ende des Rauchartikels hin ein Folienstreifen 50. Dieser Streifen erstreckt sich vorzugsweise vom hinteren Teil des Brennstoffelements zum mundseitigen Ende der Tabakladung 28. Er kann eine Einheit mit dem Papier bilden oder als separates, vor der Papierumhüllung aufgebrachtes Teil ausgebildet sein.
Die Ausführungsform nach Figur 5 ist ähnlich der in Figur 4 gezeigten. Bei dieser Ausführungsform werden die Aerosolerzeugungsmittel 12 durch eine Aluminium-Makrokapsel 52 gebildet, welche mit einem körnigen Substrat oder, wie in der Zeichnung dargestellt, einem Gemisch eines körnigen Substrats 54 und Tabak 56 gefüllt ist. Die Makrokapsel 52 ist an ihren Enden 58, 60 umgebogen, um das Material einzuschließen und ein Abwandern des Aerosolbildners zu hemmen. Das brennstoffseitige umgebogene Ende 58 liegt vorzugsweise gegen das hintere Ende des Brennstoffelements an, um eine Wärmeübertragung durch Leitung zu ermöglichen. Ein durch das Ende 58 gebildeter leerer Raum 62 trägt ebenfalls dazu bei, die Wanderung des Aerosolbildners in Richtung Brennstoff zu hemmen. Es sind längsgerichtete Durchlässe 59 und 61 vorgesehen, die den Durchtritt von Luft und der aerosolbildenden Substanz gestatten. Die Makrokapsel 52 und das Brennstoffelement 10 können mittels eines herkömmlichen Zigarettenpapiers 47, wie in der Zeichnung gezeigt eines perforierten Keramikpapiers oder eines Folienstreifens vereinigt werden. Bei Verwendung von Zigarettenpapier sollte ein Streifen 64 nahe dem hinteren Ende des Brennstoffs mit Natriumsilicat oder anderen bekannten Stoffen, die ein Erlöschen des Papiers bewirken, bedruckt oder behandelt werden. Der Rauchartikel ist über seine ganze Länge mit herkömmlichem Zigarettenpapier 46 umhüllt.
Figur 6 zeigt eine andere Ausführungsform mit einem Kohlenstoff-Brennstoffpfropfen 10. In dieser Ausführungsform hat das Brennstoffelement ein sich verjüngendes anzuzündendes Ende 11, um es leichter anzünden zu können, und ein sich verjüngendes hinteres Ende 9, um es bequem in eine röhrenförmige Folienumhüllung 66 einbringen zu können. Gegen das hintere Ende des Brennstoffelements anliegend befindet sich eine Aluminiumscheibe 68 mit einem zentralen Loch 70. Eine zweite, fakultative Aluminiumscheibe 72 mit einem Loch 74 befindet sich am mundseitigen Ende des Aerosolerzeugers 12. Dazwischen liegt eine Zone 76 mit einem teilchenförmigen Substrat und eine Zone 78 mit Tabak. Die Folienumhüllung 66, in welcher das Brennstoffelement angeordnet ist, erstreckt sich nach hinten bis über die zweite Aluminiumscheibe 72 hinaus. Diese Ausführungsform umfaßt auch ein hohles Celluloseacetat-Stäbchen 42 mit einem innen befindlichen Polypropylen-Röhrchen 44 und einen Celluloseacetat-Filterpfropfen 45. Der Rauchartikel ist vorzugsweise über seine ganze Länge mit Zigarettenpapier 46 umhüllt.
Die in Figur 7 dargestellte Ausführungsform zeigt den Einsatz eines in einen großen Hohlraum 82 im Brennstoffelement 10 eingebetteten Substrats 80. Bei dieser Ausführungsform ist das Brennstoffelement aus einem extrudierten Kohlenstoff gebildet, und das Substrat 80 ist in der Regel ein relativ steifes, poröses Material. Die gesamte Länge des Rauchartikels ist mit herkömmlichem Zigarettenpapier 46 umhüllt. Diese Ausführungsform kann auch einen Folienstreifen 84 aufweisen, um das Brennstoffelement 10 mit dem Celluloseacetat-Röhrchen 40 zu verbinden und das Erlöschen des Brennstoffs zu unterstützen.
Die in den Figuren 8 und 9 gezeigten Ausführungsformen umfassen eine nichtbrennende isolierende Hülse 86 um das Brennstoffelement 10, die der Isolierung und Konzentrierung der Wärme im Brennstoffelement dient. Diese Ausführungsformen tragen auch dazu bei, jegliches brandverursachende Potential des brennenden Glutkegels zu reduzieren.
In der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform befinden sich sowohl das Brennstoffelement 10 als auch das Substrat 30 innerhalb einer ringförmigen Hülse oder Röhre 86 aus Isolierfasern, wie etwa Keramikfasern (z.B. Glasfasern). Anstelle von Keramikfasern lassen sich nichtbrennende Kohle- oder Graphitfasern verwenden. Das Brennstoffelement 10 ist ein extrudierter Kohlenstoffpfropfen mit einem Loch 16. In der dargestellten Ausführungsform ragt das anzuzündende Ende 11 leicht über die Kante der Hülse 86 hinaus, um das Anzünden zu erleichtern. Das Substrat 30 ist ein festes, poröses Kohlenstoffmaterial, wobei jedoch auch andere Arten von Substraten verwendet werden können. Das Substrat und der hintere Teil des Brennstoffelements sind von einem Stück Aluminiumfolie 87 umschlossen. Wie gezeigt ist diese umhüllte Brennstoff/Substrat-Einheit durch eine Umhüllung aus herkömmlichem Zigarettenpapier 46 mit einem Mundendestück, wie etwa dem in der Zeichnung gezeigten länglichen Celluloseacetat-Röhrchen 40, verbunden. Die Hülse 86 erstreckt sich bis zum mundseitigen Ende des Substrats 30, kann jedoch auch das Celluloseacetat-Stäbchen 42 ersetzen.
In der Ausführungsform nach Figur 9 wird eine Aluminium-Makrokapsel 52 der in Figur 5 gezeigten Art eingesetzt, welche ein körniges Substrat 54 und Tabak 56 umgibt. Diese Makrokapsel wird vorzugsweise komplett innerhalb der Isolierhülse 86 angeordnet. Außerdem steht das anzuzündende Ende 11 des Brennstoffelements 10 nicht über das vordere Ende der Hülse 86 hinaus. Vorzugsweise sind die Makrokapsel und der hintere Teil des Brennstoffelements in einer ähnlich der in Figur 8 gezeigten Form von einem Stück Aluminiumfolie umgeben.
Nach dem Anzünden brennt bei allen vorgenannten Ausführungsformen das Brennstoffelement und erzeugt die zur Verflüchtigung der in den Aerosolerzeugungsmitteln vorhandenen aerosolbildenden Substanz oder Substanzen verwendete Wärme. Ähnlich wie der Rauch einer herkömmlichen Zigarette werden diese flüchtigen Stoffe sodann, insbesondere beim Ziehen, zum Mundende und in den Mund des Benutzers gezogen.
Da das Brennstoffelement relativ kurz ist, befindet sich der heiße, brennende Glutkegel stets dicht beim aerosolerzeugenden Körper, wodurch die Wärmeübertragung auf die Aerosolerzeugungsmittel und die daraus resultierende Aerosolerzeugung maximiert wird, insbesondere dann, wenn ein wärmeleitendes Element eingesetzt wird.
Infolge der geringen Größe und der Brenneigenschaften des Kohlenstoff-Brennstoffelements beginnt das Brennstoffelement in der Regel innerhalb einiger Züge im wesentlichen über seine gesamte freie Länge zu brennen. Somit wird der an die Aerosolerzeugungsmittel angrenzende Teil des Brennstoffelements schnell heiß, wodurch die Wärmeübertragung auf die Aerosolerzeugungsmittel merklich gesteigert wird, insbesondere während der ersten und mittleren Züge. Da das Brennstoffelement kurz ist, gibt es nie einen langen Abschnitt nichtbrennenden Brennstoffs, der als Wärmesenke wirken könnte, wie das bei früheren, mit thermischer Aerosolerzeugung arbeitenden Rauchartikeln üblich war. Die Wärmeübertragung und damit die Aerosolabgabe wird auch dadurch gesteigert, daß durch den Brennstoff hindurch Löcher vorgesehen sind, durch die heiße Luft zum Aerosolerzeuger gesaugt wird, insbesondere beim Ziehen.
Bei den Rauchartikeln wirken das kurze Kohlenstoff-Brennstoffelement, das wärmeleitende Element, die Isoliermittel und die Durchlässe im Brennstoff mit dem Aerosolerzeuger zusammen, um ein System zu ergeben, welches in der Lage ist, praktisch bei jedem Zug beträchtliche Mengen Aerosol zu erzeugen. Dadurch, daß sich der Aerosolerzeuger nach einigen Zügen in unmittelbarer Nähe des Glutkegels befindet, ergibt sich in Verbindung mit den Isoliermitteln eine hohe Wärmeabgabe sowohl beim Ziehen als auch während der relativ langen Glostzeiten zwischen den Zügen.
Ohne dabei in theoretischer Hinsicht verbindlich sein zu wollen, wird davon ausgegangen, daß die Aerosolerzeugungsmittel zwischen den Zügen auf einer relativ hohen Temperatur gehalten werden und daß die zusätzliche Wärmeabgabe während des Ziehens, welche durch das Loch oder die Löcher im Brennstoffelement deutlich gesteigert wird, in erster Linie dazu genutzt wird, die aerosolbildende Substanz zu verdampfen. Diese erhöhte Wärmeübertragung führt zu einer wirkungsgradgünstigeren Nutzung der verfügbaren Brennstoffenergie, reduziert den erforderlichen Brennstoffbedarf und unterstützt die frühe Aerosolabgabe.
Im allgemeinen sind die erfindungsgemäßen brennbaren Brennstoffelemente weniger als ungefähr 30 mm lang. Vorteilhafterweise weist das Brennstoffelement eine Länge von ungefähr 20 mm oder weniger auf, vorzugsweise ungefähr 15 mm oder weniger. Vorteilhafterweise hat das Brennstoffelement einen Durchmesser zwischen ungefähr 3 und 8 mm, vorzugsweise ungefähr 4 bis 5 mm. Die Dichte der im Rahmen dieser Beschreibung verwendeten Brennstoffelemente lag in einem Bereich von ungefähr 0,5 g/cm³ bis ungefähr 1,5 g/cm³. Vorzugsweise ist die Dichte größer als 0,7 g/cm³, noch bevorzugter größer als 0,8 g/cm³. Vorzugsweise weist der Brennstoff ein oder mehrere, sich in Längsrichtung erstreckende Löcher auf, wie zum Beispiel die Löcher 16 in Figur 1 bis 5. Diese Löcher verleihen Porosität und steigern die frühe Wärmeübertragung auf das Substrat durch Erhöhung der Menge an heißen Gasen, die das Substrat erreichen.
Das Brennstoffelement ist in der Hauptsache aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet. Kohlenstoff-Brennstoffelemente weisen vorzugsweise eine Länge von circa 5 bis 15 mm auf, noch bevorzugter von etwa 8 bis 12 mm. Kohlenstoff-Brennstoffelemente mit diesen Merkmalen liefern ausreichend Brennstoff für mindestens etwa 7 bis 10 Züge, die normale Anzahl von Zügen, die in der Regel beim Rauchen einer herkömmlichen Zigarette unter FTC- Abrauchbedingungen erreicht wird.
Vorzugsweise beträgt der Kohlenstoffgehalt eines derartigen Brennstoffelements wenigstens 60-70 Gew.%, meistbevorzugt mindestens etwa 80 Gew.% oder mehr. Mit Brennstoffelementen, welche einen Kohlenstoffgehalt von über etwa 85 Gew.% aufweisen, sind ausgezeichnete Ergebnisse erzielt worden. Brennstoffe mit hohem Kohlenstoffgehalt werden bevorzugt, da sie Pyrolyse - oder unvollständig verbrannte Verbrennungsprodukte nur in geringsten Mengen erzeugen, wenig oder keinen sichtbaren Nebenstromrauch entstehen lassen, minimalen Ascheanfall und eine hohe Wärmekapazität haben. Es fallen jedoch auch Brennstoffelemente mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt, z.B. etwa 50-65 Gewichtsprozent, in den Bereich dieser Erfindung, insbesondere wenn ein nichtbrennender inerter Füllstoff verwendet wird.
Die Dichte des Brennstoffs liegt bei über circa 0,5 g/cm³, vorzugsweise bei mehr als circa 0,7 g/cm³, was höheren Dichtewerten als den in herkömmlichen Rauchartikeln in der Regel verwendeten entspricht. Neben Kohlenstoff und einem Bindemittel kann das Brennstoffelement auch andere Brennstoffkomponenten umfassen, einschließlich abbrandmodifizierender Zusätze, Feuchte, etc.
Die mit dem oder als der bevorzugte Brennstoff eingesetzten Kohlenstoffmaterialien können praktisch aus jeder der in der Fachwelt bekannten zahlreichen Kohlenstoffquellen gewonnen werden. Vorzugsweise wird das Kohlenstoffmaterial durch die Pyrolyse oder Carbonisation von Cellulosematerial, z.B. Holz Baumwolle, Reyon, Tabak, Kokosnuß, Papier und ähnlichem, gewonnen, wobei jedoch auch aus anderen Quellen erhaltenes Kohlenstoffmaterial verwendet werden kann.
In den meisten Fällen sollte das Kohlenstoff-Brennstoffelement in der Lage sein, mittels eines herkömmlichen Zigarettenanzünders ohne Zuhilfenahme eines Oxidationsmittels entzündet zu werden. Brenneigenschaften dieser Art lassen sich im allgemeinen mit einem Cellulosematerial erzielen, welches bei Temperaturen zwischen ungefähr 400 ºC bis ungefähr 1000 ºC, vorzugsweise zwischen circa 500 ºC bis circa 950 ºC, in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum pyrolysiert wurde. Die Pyrolysezeit wird nicht als kritisch angesehen, solange die Temperatur im Kern der pyrolysierten Masse den vorgenannten Temperaturbereich für die Dauer von wenigstens einigen Minuten erreicht hat. Es wird jedoch davon ausgegangen, daß bei einer langsamen Pyrolyse, mit einer allmählichen Temperatursteigerung über mehrere Stunden hinweg, ein gleichmäßigeres Material mit höherer Kohlenstoffausbeute erzielt wird.
Obgleich in den meisten Fällen unerwünscht, fallen unter den Bereich der vorliegenden Erfindung auch Kohlenstoff -Brennstoffelemente, welche die Zugabe eines Oxidationsmittels erforderlich machen, um sie mittels eines Zigarettenanzünders entzünden zu können, ebenso wie Kohlenstoffmaterialien, die die Verwendung eines Glostverzögerungsmittels oder einer anderen Art von abbrandmodifizierenden Zusätzen erforderlich machen. Solche abbrandmodifizierenden Zusätze sind in zahlreichen Patenten und Veröffentlichungen offenbart und dem Fachmann bekannt.
Die bei der praktischen Umsetzung der Erfindung meistbevorzugten Kohlenstoff-Brennstoffelemente sind im wesentlichen frei von flüchtigen organischen Stoffen. Dies soll heißen, daß das Brennstoffelement nicht absichtlich mit wesentlichen Mengen flüchtiger organischer Substanzen getränkt oder vermischt ist, wie zum Beispiel mit flüchtigen aerosolbildenden oder aromatisierenden Mitteln, die sich im brennenden Brennstoff zersetzen könnten. Geringe Mengen Wasser, die vom Brennstoff natürlicherweise adsorbiert werden, können jedoch darin vorhanden sein. In ähnlicher Weise können geringe Mengen aerosolbildender Substanzen von den Aerosolerzeugungsmitteln abwandern und somit ebenfalls im Brennstoffelement vorhanden sein.
Ein bevorzugtes Kohlenstoff-Brennstoffelement ist eine extrudierte, aus Aktivkohle, nämlich PCB-G, oder einer nichtaktivierten Kohle, nämlich PXC, beide lieferbar von der Calgon Carbon Corporation, Pittsburgh, PA, hergestellte Kohlenstoffmasse. Andere bevorzugte Kohlenstoffe zum Extrudieren werden aus pyrolysierter Baumwolle oder pyrolysierten Papieren hergestellt.
Die für die Herstellung eines solchen Brennstoffelements in Frage kommenden Bindemittel sind der Fachwelt bekannt. Ein bevorzugtes Bindemittel ist Natriumcarboxymethylcellulose (NaCMC), welches - wie bevorzugt - allein oder in Verbindung mit anderen Stoffen, wie zum Beispiel Natriumchlorid, Vermiculit, Bentonit, Calciumcarbonat und ähnliche, verwendet werden kann. Weitere geeignete Bindemittel sind zum Beispiel Gummistoffe, wie Guar Gum, und andere Cellulosederivate, wie Methylcellulose und Carboxymethylcellulose (CMC).
Die Bindemittelkonzentration kann in einem weiten Bereich liegen. Vorzugsweise wird der Bindemittelanteil begrenzt um den Beitrag des Bindemittels zu unerwünschten Verbrennungsprodukten auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Andererseits muß ausreichend Bindemittel zugegeben werden, um das Brennstoffelement während der Herstellung und beim Gebrauch zusammenzuhalten. Die Einsatzmenge hängt somit vom Kohäsionsvermögen des Kohlenstoffs im Brennstoffelement ab.
Die erfindungsgemäßen Brennstoffelemente können auch einen oder mehrere Zusätze zur Brandverbesserung enthalten, wie etwa bis zu ungefähr 5 Gewichtsprozent Natriumchlorid zur Verbesserung der Glosteigenschaften und als Glostverzögerer. Zur Verbesserung der Entzündbarkeit können ferner bis zu ungefähr 5, vorzugsweise 1 bis 2 Gewichtsprozent Kaliumcarbonat zugegeben werden. Ebenso können auch Additive zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften eingesetzt werden, zum Beispiel Tone, wie etwa Kaolin, Serpentin, Attapulgit und ähnliche.
Ein anderes Kohlenstoff-Brennstoffelement ist ein Kohlefaserbrennstoff, der durch Carbonisation eines faserigen Ausgangsstoffes, wie zum Beispiel Baumwolle, Reyon, Papier, Polyacrylnitril und ähnliches, hergestellt werden kann. Im allgemeinen ist eine Pyrolyse in einem Bereich von ungefähr 650 ºC bis 1000 ºC, vorzugsweise bei ungefähr 950 ºC über circa 30 Minuten in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum ausreichend, um eine geeignete Kohlenstoffaser mit guten Brenneigenschaften zu bilden. Diesen faserigen Brennstoffen können auch abbrandmodifizierende Zusätze zugegeben werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß im Vergleich zu einer herkömmlichen Zigarette im Gebrauch verhältnismäßig wenig Asche anfällt. Die bevorzugte Kohlenstoff -Brennstoffquelle wird beim Abbrennen im wesentlichen zu Kohlenoxiden umgewandelt, wobei verhältnismäßig wenig Asche gebildet wird; dadurch erübrigt sich die Notwendigkeit, während des Gebrauchs des Rauchartikels die Asche entfernen zu müssen.

Claims

1. Kohlenstoff-Brennstoffelement (10) für einen Rauchartikel, welches

(a) einen Durchmesser zwischen 3 mm und 8 mm;

(b) eine Dichte von mindestens 0,5 g/cm³, und

(c) vor Gebrauch eine Länge von weniger als 30 mm

hat und aus einer extrudierten Masse aus einem Material besteht, welches vor dem Extrudieren Kohlenstoff als solchen und ein Bindemittel enthält.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1 mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens ungefähr 80 Gew.%.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, welches wenigstens einen sich in Längsrichtung erstreckenden Durchlaß (16; 82) aufweist.

4. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zum Anzünden ein sich verjüngendes Ende (11) besitzt.

5. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches vor dem Rauchen eine Länge von 20 mm oder weniger hat.

6. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches vor dem Rauchen eine Länge von 15 mm oder weniger hat.

7. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches vor dem Rauchen eine Länge von ungefähr 5 bis 30 mm hat.

8. Brennstoffelement nach Anspruch 7, welches vor dem Rauchen eine Länge von ungefähr 5 bis 20 mm hat.

9. Brennstoffelement nach Anspruch 8, welches vor dem Rauchen eine Länge von ungefähr 5 bis 15 mm hat.

10. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches einen Durchmesser von ungefähr 4 bis 5 mm hat.

11. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Dichte im Bereich von ungefähr 0,5 bis 1,5 g/cm³ hat.

12. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Dichte von mindestens ungefähr 0,8 g/cm³ hat.

13. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mindestens 60 bis 80 Gew.% Kohlenstoff als solchen enthält.

14. Brennstoffelement nach Anspruch 13, welches einen Kohlenstoffgehalt von mehr als ungefähr 85 Gew.% hat.

15. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches im wesentlichen frei ist von flüchtigem organischem Material.

16. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestandteile der das Brennstoffelement bildenden Masse so ausgewählt sind, daß während des Glostens kein wesentlicher sichtbarer Nebenstromrauch entsteht.

17. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kohlenstoff als solchen enthaltende Material ein Kohlefaser-Brennstoff ist.

18. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestandteile der das Brennstoffelement bildenden Masse so ausgewählt sind, daß während des Gebrauchs das Brennen des Brennstoffelements keine ablösbare Asche erzeugt.