JPH02215373A - 喫煙物品用熱源体 - Google Patents

喫煙物品用熱源体

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JPH02215373A
JPH02215373A JP1317433A JP31743389A JPH02215373A JP H02215373 A JPH02215373 A JP H02215373A JP 1317433 A JP1317433 A JP 1317433A JP 31743389 A JP31743389 A JP 31743389A JP H02215373 A JPH02215373 A JP H02215373A
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JP1317433A
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Donald M Schleich
ドナルド・エム・シユレイチ
Yunchang Zhang
ユンチヤング・ザング
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Philip Morris Products Inc
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Philip Morris Products SA
Philip Morris Products Inc
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、特に喫煙物品で使用される熱源体に関するも
ので、とりわけ、燃焼後、喫煙者が、吸い込む時に、芳
香層から芳香性エアゾルを遊離させるだけの熱を発生さ
せることができる熱源体に関するものである。
喫煙物品用熱源体の試作は、これまで何度も行なわれて
きた。が、これらの試作熱源体段階では、本発明が、備
えているような長所をもった熱源体を製作するには至っ
ていない。
例えば、シーグルの米国特許2,907.686では、
燃焼の間、不浸透層を形成する濃縮糖溶液で覆われる木
炭棒が発表されている。ここで紹介されているのはこの
不浸透層が喫煙の間に発生したガスを吸収し、このよう
にして発生した熱を濃縮する方法である。
エリス等の米国特許3,258.015とエリス等の米
国特許3.356.094では、ニコチン源とタバコ熱
源体を備えた喫煙装置が発表されている。
ボイド等の米国特許3.943.941では、燃料と燃
料を浸み込ませた少なくとも一つの揮発性物質を備えた
タバコ代用品が、発表されている。燃料は、基本的には
、重量で少なくとも80%の炭素を含んだ炭素質素材の
燃焼性のある、柔軟で、自己干渉性をもった線維で構成
されている。炭素は、炭素、水素、酸素だけを含んだセ
ルロースを基底にしている繊維を高温過熱して出来たも
のである。
ボルト等の米国特許4.340.072では、タバコ、
タバコ代用品、タバコ代用品と炭素の混合物や木材バル
ブ、麦わら、熱処理の施されたセルロース、あるいはソ
ーダカルボキシルメチルセルロース(SCMCIなどの
他の燃焼材料や炭素混合物を押し出し加工あるいは、鋳
型成形した、環状燃料棒が発表されている。
シラー等の米国特許4.708.151では、炭素質の
熱源体を備えた入れ賛えカートリッジのついたパイプが
発表されている。燃料源は、少なくとも60〜70%の
炭素であるが、80%あるいはそれ以上の炭素を含有し
ていることが望ましく、木材、綿、レーヨン、タバコ、
ココナツツ、紙などのセルロース材料を高温過熱するか
、それらを炭化することによって生成される。
パネルジー等の米国特許4.714.082では、0.
5g/cc以上の密度をもった燃焼性燃料素材が発表さ
れている。燃料素材は、粉砕あるいは、還元されたタバ
コとタバコ代用品あるいは、そのいずれかから構成され
るが、炭素は、重量で20〜40%含有していることが
望ましい。
バーン等のヨーロッパ特許0.117.355では、高
温加熱されたタバコあるいは、ビーナツツの殻や、コー
ヒー豆の殻、紙、ボール紙、竹、かしの葉など他の炭素
質材料から作られた炭素熱源体が発、炭素燃料素材と炭
素燃料素材を作る方法カ瓢発表されている。炭素燃料素
材は、炭素粉、結合剤、その他の添加剤から成り、炭素
は重量で、60〜7、密度の異なる炭素材料を含有する
ことにより。
燃焼の早い部分と遅い部分に分かれるのを利用した、二
重燃焼率の炭素質燃料素材が発表されている。
これらの熱源体は、芳香層への熱伝導が、不十分である
為に、喫煙物品として不十分であるという点において満
足のいくものではない、即ち、従来のタバコの香、感触
、吹かし数に満足が得られないのである。
従来の炭素質熱源体では、点火されるとある程度の量の
一酸化炭素ガスが遊離される。更に、従来の熱源体に含
まれる炭素の点火温度が、かなり高いので、従来のタバ
コに普通に点火しようとすれば、熱源体の点火は龍しく
なる。
喫煙用非燃焼性熱源体を作る試作が、いろいろなされて
きた、それらの試作では、熱を電気的に発生させている
0例えば、バラス、Jr、の米国特許の4.303.0
83、バラスの米国特許4,141,369、シルバー
ドの米国特許3.20口、819、マツクコルミツクの
米国特許j、、771.366参照、これらの装置は、
非実用的で、どれも商業ペースでの成功は治めていない
従来のタバコを普通の状態で点火し易くするには、点火
温度が、低い熱源体が、望ましく、又同時に、芳香層か
ら芳香を遊離させるためには、十分な熱を発生させるこ
とが望ましい。
更に、早期に事故消炎性を起こさない熱源体が望ましい
この発明に従って、熱源体が提供されているが、その熱
源体は、特に、喫煙用物品に有用なものである。熱源体
は、かなりの金属カーバイド、特に、鉄カーバイド、更
に言うなら、公式FexCで表わされる鉄カーバイドを
含有する材料で作られる、 FexCのXには、2か6
3の数値が入る。熱源体は、一つあるいは、一つ以上の
縦型通路、あるいは、熱源体周辺を取り囲む形で一つあ
るいは、一つ以上の溝を備え、空気が熱源体の外側に沿
って流れるようになっている。あるいは、熱源体が、多
孔性で、できていて、空気が熱源体内を流れるようにな
っている。熱源体が、点火され、空気が喫煙物品を通っ
て入ってくると、空気が、熱源体の周囲または、熱源体
を通過する間に、あるいは、空気流通路あるいは、溝の
上部か溝の周辺を通過する間に、熱せられ、熱せられた
空気は、芳香層を通過し、喫煙者が吸い込むと芳香性エ
アゾールを遊離する。
金属カーバイドは、固く、もろい材料で、容易に粉末状
になる。鉄カーバイドは、少なくとも二つの特性層二バ
ッグの化合物として知られているFe5Ciと、セメン
タイトと呼ばれているFe5Cで出来ている。鉄カーバ
イドは、安定性の高い、割込み型透明分子で、室温で強
磁性を示すe FesCmは、11.56オングストロ
ームX4.57オングストロームX5.06オングスト
ロームのセルの単斜結晶構造をしていると言われている
8β角は、97.8度である。−セルにつき4つのFe
5Ci分子が存在する。
Fe5Gは、4.52オングストロームX5.09オン
グストロームx6.74オングストロームのセルの斜方
晶をしている。 Fev+Czのキューリー温度は、お
よそ248℃である。Fe5Cのキューリー温度は、お
よそ214℃であると言われている。 J、P、スネイ
ター、卸n、 Chem、 vol、2、P、 103
 (1967) 。
燃焼後、本発明の熱源体金属カーバイドは、−酸化炭素
を遊離することはない、理論で、考えることは望ましく
ないが、基本的には、金属カーバイドが完全に燃焼すれ
ば一酸化炭素は、著しく生成しないが酸化金属と二酸化
炭素は、生成すると考えられている。
本発明の具体他案では、熱源体は、鉄カーバイドを含む
が、鉄カーバイドは出来れば、Fe5Czのカーバイド
を多く含むことが望ましい3本発明の熱源体として使用
するのに適切なその他の金属カーバイドとしては、アル
ミニウムカーバイド、チタニウムカーバイド、マンガン
カーバイド、タングステンカーバイド、ニオビウムカー
バイドとこれらの混合物があげられよう。
触媒や酸化剤が、金属カーバイドに添加されると、完全
に燃焼することが促進されると共に他にも望ましい燃焼
特性が示されることになる。
本発明の金属カーバイド熱源体は、特に、喫煙物品で、
有用なものであるが、他に応用されても熱源体として有
用なものであり、応用物品ではここであげられた特性を
有することが望ましい。
本発明の上記にあげた、又上記以外の目標と長所は、次
の詳細を読めば、明らかになるであろう、詳細には、図
面が添付されており、参照記号は各部品に対応している
喫煙物品10は、作動要素11、拡張チェンバーチュー
ブ12、マウスピース要素13とから成り、タバコ包装
紙14で包まれている。作動要素11は、金属カーバイ
ド熱源体20と芳香層21を含み、芳香層21は、熱源
体20を通過する熱いガスに接触すると、芳香気を放つ
。芳香気は、拡張チェンバーチューブ12を通り、エア
ゾールを発生し、このエアゾールは、マウスピース要素
13を通過後、喫煙者の口に達する。
喫煙物品10が、十分に機能するには、熱源体20は、
多くの事項を満足しなければならない。熱源体20は、
喫煙物品10の内部にぴったりとはめ込まれる大きさで
あること、又、熱源体20が激しく燃焼し、熱源体を流
れるガスが、十分に熱せられ、芳香層21から香を十分
に遊離させて、喫煙者が香を楽しめるようにすること、
熱源体20は、熱源体内の金属カーバイドが消費される
まで、所定の空気量で燃焼できること。燃焼後、熱源体
20は、−酸化炭素ガスを出さないこと。
熱源体20の熱伝導率が、適切であること、燃焼域から
、熱源体の他の部分に、過度に熱が流れること、熱源体
の消火温度以下に温度が下がり、その時点の燃焼はスト
ップし、その結果、喫煙物品の点火が難しくなり、点火
後も、重性に自己消炎し易くなる。このような消炎を防
ぐには、基本的には、100%燃焼する熱源体を使用す
れば良い。熱伝導率の数値は、燃焼後、熱源体20が、
はめ込み構成物24には熱を伝えないが、熱源体を通過
する空気には、熱を伝える値でなければならない。
酸素が、燃焼している熱源体と接触すると、はぼ完全に
熱源体を酸化し、酸素が、拡張チェンバーチューブ12
に逆流するのが防げられる。はめ込み構成物24により
、酸素が熱源体20の後部に到達するのが遅くなり、そ
れにより芳香層が消費された後に熱源体が消火できる。
又、このことにより、熱源体が喫煙物品の端から落ちる
こともなくなるのである。
最後に、点火を簡単にするには、点火温度がかなり低く
、従来のタバコを普通の状況で点火し易くする熱源体を
使用することである。
本゛発明の金属カーバイドの密度は、一般には。
2〜10 gr/ccで、エネルギー出力は1〜10 
kcal/grであるので、熱出力は2〜20 kca
l/ccとなる。
この値は、従来の炭素質材料の熱出力に比較し得るもの
である。これらの金属カーバイドは、基本的には、10
0%燃焼し、酸化金属と二酸化炭素ガスを発生するが、
−酸化炭素ガスは遊離させない。
金属カーバイドの点火温度は、室温と550℃の間であ
るが、点火温度は金属カーバイドの化学合成物、微粒子
の大きさ、表面積とピリングベツドワース率によって異
なってくる。
本発明の熱源体で使用される金属カーバイドが適切であ
れば、従来の炭素質の熱源体よりも点火し易(、自己消
炎性も生じにく(なるが、同時に低温でのくすぶりが生
じる。
金属カーバイド製の熱源体の燃焼率は、熱源体材料の粒
子の大きさや表面積や多孔性を変えたり、あるいは熱源
体にある種の材料を添加すれば、制御できるものである
。これらのパラメータを変えることにより、付随的な反
応を最小限におさえることが出来る。それは、付随的に
生じる反応により、自由炭素が生じ、自由炭素が、燃焼
の間に酸素と反応して、−酸化炭素を生じるのを最小限
におさえることである。このような方法は、技術分野で
は、よく知られている事柄である。
例えば、熱源体20の金属カーバイドは、微粒子の形で
存在しているとしよう。粒子の大きさを変えれば燃焼率
が変わる。粒子が細くなる程、燃焼のために、酸素と反
応する表面積が太き(なるので、反応し易くなる。その
結果、燃焼反応の効率はよくなる。
これらの粒子の大きさは、およそ700ミクロンまでで
ある。金属カーバイドの粒子の平均的太きさは、極微粒
子から300ミクロン位までが望ましい。熱源体は、所
定の大きさの粒子で合成しても、又、大きな粒子で合成
し、粒子を所定の大きさにまで研磨しても良い。
金属カーバイドのB、E、T、表面積も、反応率に影響
を与える6表面積が広(なる程、燃焼反応の速度は速く
なる。金属カーバイドで出来た熱源体20のB、E、T
、表面積は、 1から400 m”/grであるが、1
0から200 m”/gr位が望ましい。
金属カーバイド粒子の空隙を大きくすれば燃焼反応に利
用できる酸素の量は増え、反応率が高くなる。空隙は理
論最大密度の25%から75%位が望ましい。
喫煙物品10の包装材14での熱の損失を最小にするに
は、熱源体20の周囲に環状空気空間を確保することで
ある。熱源体20の直径は、およそ4.6mm、長さは
10mm位が望ましい。直径が、4.6mmであれば、
喫煙物品の直径を、従来のタバコの直径より大きくせず
に、熱源体の周囲に環状空気空間を作ることができるや 熱源体から、芳香層21への熱の移動を最小にするには
、熱源体20の周囲に沿って、あるいは、周囲において
1つまたは、1つ以上の空気流通路を設けることである
。空気流通路は、幾何学的に大きな表面積をもち、熱が
熱源体を流れる空気に移動するのを防げるようになって
いる。通路の大きさ並びに本数は、熱源体20の内部表
面積が、幾何学的に最小になるように選択される。第1
図に記載されているような縦型空気流通路を使用する場
合には、各々の縦型空気流通路22を分岐型星状にすれ
ば、芳香層への熱の移動を最小にすることができる。更
に、第1図に記載されているような組立て方法を使用す
る場合には、各分岐型の星が、長細い先端をもち、星の
最も深い先端部によって決められる内部周辺長を小さく
することが望ましい、これらの星型縦状空気流通路によ
って、燃焼に使われる熱源体20の空気の量が増え、そ
の結果燃焼に使用される金属カーバイドの量が増え、よ
り激しく熱源体を燃焼させることができるようになる。
喫煙物品lOが、従来のタバコと同じだけの静止燃焼時
間と、喫煙者の吹かし数をもつ様にするには、ある一定
の最低量の金属カーバイドが必要である。酸化金属に変
わる熱源体20の量は、長さ10mm、直径4.65m
mの熱源体シリンダの場合は、一般に重量の50工であ
る。先に述べたように、燃焼しない、はめ込み構成物2
4の前面、あるいは、これに取り囲まれている熱源体2
0の量を考えれば、熱源体の量は、より多く必要とされ
るであろう。
熱源体20の密度は、金属カーバイドの理論上の最大密
度のおよそ25%から75%であるが、理論上の最大密
度のおよそ30%から60%が望ましい、密度が、最適
であると、燃焼時でのカーバイド量と酸素利用度が最大
になる。密度が高すぎると、熱源体20の空隙量が少な
くなる。空隙量が少なくなれば、燃焼時に利用できる酸
素の量が減ることになり、熱源体は燃えにくくなる。が
、熱源体20に触媒を添加すれば、密度の高い熱源体、
即ち、理論最大密度のおよそ90%の密度をもった、空
隙量の小さな熱源体を使うことができるようになる。
ある種の添加剤を熱源体20に使用すれば、熱源体が、
くすぶるのを緩和することができる。その結果、熱源体
が、低温で、あるいは、酸素濃度がより低い状態で、あ
るいは、両者を伴った状態で燃焼が促進される。
熱源体20は、スリップ鋳造、押し出し加工、射出成型
、鋳型圧縮によって製造され、独立微粒子を包有、包括
した層として使用される。
熱源体を、押し出し加工あるいは鋳型圧縮で製造する際
に、金属カーバイド粒子を固めるのに使用される結合剤
の数に制限はない。
例えば、ソーダ、カルボキシルメチルセルロース(SC
MC)を使う場合、SCMCは、塩化ソーダ、バーミキ
ュライト、ベントナイト、炭化カルシウムのような他の
添加剤と組み合わせて使用しても良い、本発明の金属カ
ーバイド熱源体を、押し出し加工、あるいは鋳型圧縮の
方法で製造する際に使用される結合剤としては他に、グ
ア・ガムのようなガム類や、メチルセルロース、カルボ
キシルメチルセルロース、ヒドロキシルブ口ビルセルロ
ース、でんぷん、アルギン酸、ポリビニルアルコールの
ようなセルロースの派生物があげられる。
様々な濃度の結合剤を使えるが、熱伝導率を下げ、熱源
体の燃焼特性を良くすることを考えると、結合剤の濃度
を最小におさえることが望ましい、又、結合剤の燃焼に
より、自由炭素が遊離し、酸素と反応して、−酸化炭素
を発生する限界量までに結合剤の量を最小にすることが
重要である。
熱源体20に使用される金属カーバイドは、鉄カーバイ
ドが望ましい、 FemCxで表わされる鉄カーバイド
が最適である。 Fe5C,Fe4C,FetCz、F
eeC4、Fe、。C9あるいは、これらの混合物も、
鉄カーバイドとして使用できる。これらの混合物には、
少量の炭素が含まれることがある。鉄カーバイド中の炭
素分子に対する鉄分子の比率は、鉄カーバイドの点火温
度に影響を与える。
本発明の熱源体で使用されるその他の金属カーバイドと
しては、アルミニウムカーバイド、チタニウムカバイド
、タングステンカーバイド、マンガンカーバイド、ニオ
ビウムカーバイド、あるいは、これらの混合物が適して
いる。
肱ユニ三ヱ上凹遷塗 鉄カーバイドの化合方法は、J、 P、スネイターAn
n、 Chem、 vol、2、P、 103 (19
67)で発表された方法を変形させたものである。この
方法では、水素と一酸化炭素ガスの混合物を使って、高
表面積反応酸化鉄(FemCx)を濃縮し、与炭する方
法が取り入れられている。
オキシレート鉄あるいは、シトレート鉄の熱分解などの
方法は、よく知られている。P、カーティとB、デルモ
ン、C,R,Acad、 Sci、 Paris Se
r C,。
vol、 268 PP、 1874−75(1969
)を参照のこと。調合される鉄カーバイド粒子は、混合
物の反応が温度と、水素と一酸化炭素ガスの比率によっ
て左右される。300℃から350℃の反応温度では、
Fe5Czが、350℃以上の温度では、最初に、Fe
5Cが生成される。−酸化炭素に対する水素の比率は、
0:1から10:lの間で変化する。この比率は、各ガ
ス源に連結された2個の個別の流量計で制御される。
化合流量の標準は、 1分に70cm”である。
■、h匹、五北五 高表面積酸化鉄の準備は、硝散塩鉄(Fe (NOs 
) −9HiO)を、400℃の温度で空気中で燃やし
て行なわれる。その後、酸化鉄を、水素と一酸化炭素ガ
スが7=1の割合で流れる300℃の炉の中に12時間
放置し、鉄カーバイドを生成する。場合によっては、水
素と一酸化炭素ガスの代わりに、水素とメタンガスの混
合物を使っても良い。酸化鉄試料は、 JCPDS X
線粉末回折ファイルに比較してみると、 Fe5Ciが
示すX線粉末回折図形を示した。
試料の色は、灰色がかった黒であった。
2・h式辺止童 この試料の準備は、Fe1Ciの生成で記載したのと似
た方法をとるが、酸化鉄が500℃で、与炭される点が
異なっている。X線粉末回折分析により、最初にFe5
Cが、生成されることが確認された。
温度、燃焼熱を決定した。結果は次の通りであるLLL
艮血遺 立人里度   監旌慈 Fe5C*   26m”/gr   L55℃  2
400−2458Cal/grFemC20m”/gr
   380℃      −−ガス相分析により、C
O□/Coのガス比は、FemCxの場合で、重量で3
0=1であり、炭素の場合の比は重量で3=1であるこ
とがわかった。即ち、Fe5Ci試料の燃焼では、炭素
の燃焼の場合の1710の一酸化炭素しか発生していな
い事がわかった。
このように本発明は、燃焼後はとんど一酸化炭素ガスを
発生せず、従来の炭素質の熱源体よりもかなり低い点火
温度をもつ金属カーバイド、熱源体を提供するものであ
り、この熱源体は、同時に、芳香層への熱の移動を最小
限にするものである3・仄立二バヱヱΩ公逝 我々はにトロゲンガスを使って)上記の方法で生成され
た鉄カーバイドのB、E、T、表面積、点火技術分野の
専門家は、限られた用途としてではなく、実例の一例と
してここに提示された具体案以外にも、本発明を利用で
きるであろうと評価している。
第1図は、本発明の熱源体の具体案の先端面を表示して
いる。
第2図は本発明の熱源体が使われる喫煙物品の縦方向断
面を表示している。
FIG/

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、金属カーバイドを含有している喫煙物品用熱源体。 2、熱源体の金属カーバイドが、鉄カーバイド、アルミ
    ニウムカーバイド、チタニウムカーバイド、マンガンカ
    ーバイド、タングステンカーバイド、ニオビウムカーバ
    イドあるいは、これらの2つ以上の混合物の中から選択
    される請求項1記載の熱源体。 3、金属カーバイドと炭素を含有する請求項2記載の熱
    源体。 4、金属カーバイドを含有する熱源体。 5、金属カーバイドが式Fe_5C_2を有する請求項
    1〜4の何れかに記載の熱源体。 6、金属カーバイドが式Fe_3Cを有する請求項1〜
    4の何れかに記載の熱源体。 7、熱源体が、実質的に筒状形態をしており、そこを通
    過する1つ以上の流体通路を備えている請求項1〜4の
    何れかに記載の熱源体。 8、流体通路が熱源体の周囲に刻まれた溝として形成さ
    れている請求項7記載の熱源体。 9、流体通路が多頂点星の形で形成されている請求項7
    記載の熱源体。 10、熱源体が少なくとも1種の燃焼添加剤を含有する
    請求項1〜4の何れかに記載の熱源体。 11、金属カーバイド粒子が、約700ミクロン以下の
    大きさを有する請求項1〜4の何れかに記載の熱源体。 12、金属カーバイド粒子が、約300ミクロンまでの
    極微粒子の大きさを有する請求項1〜4の何れかに記載
    の熱源体。 13、金属カーバイド粒子が約1m^2/grから約2
    00m^2/grまでの範囲のB.E.T.表面積を有
    する請求項1〜4の何れかに記載の熱源体。 14、金属カーバイド粒子が約10m^2/grから1
    00m^2/grまでの範囲のB.E.T.表面積を有
    する請求項1〜4の何れかに記載の熱源体。 15、約25%から75%までの空隙体積を有する請求
    項1〜4の何れかに記載の熱源体。 16、約0.1ミクロンから約100ミクロンまでの大
    きさの孔を有する請求項1〜4の何れかに記載の熱源体
    。 17、約0.5gr/ccから約5gr/ccまでの密
    度を有する請求項1〜4の何れかに記載の熱源体。 18、約1.8gr/ccから約2.5gr/ccまで
    の密度を有する請求項1〜4の何れかに記載の熱源体。 19、約室温から約550度までの点火温度を有する請
    求項1〜4の何れかに記載の熱源体。 20、暖められたガスと接触し、芳香気を遊離する芳香
    層と、点火により前記の暖いガスを発生する、前記請求
    項に記載の金属カーバイド熱源体とを有する喫煙物品。 21、熱源体が、物品の一端近くにあり、他端には、マ
    ウスピース要素があり、芳香層は、熱源体に隣接し、拡
    張チェンバーは、芳香層とマウスピース要素の間に位置
    する請求項20記載の喫煙物品22、熱源体が1種以上
    の鉄カーバイドを有する請求項20又は21記載の喫煙
    物品。
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