JPH10132807A - タバコ煙の評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低タール・低ニコチンで香喫味に優れ、タバ
コ内部の空気流入量のバランスに優れたフィルタを設計
するのに有用なタバコ煙の評価方法を提供する。 【解決手段】 タバコのモデル形状，ガス流れに関する
連続方程式・運動方程式・濃度輸送方程式からなる支配
方程式，各種の仮定及び境界条件を設定する。濃度輸送
方程式にはニコチン濃度消失項が考慮される。仮定の一
つとしてフィルタの濾過性能をガス流量のみの関数とし
ている。パフ数に応じたタバコの刻み部の長さを設定す
ると共に、適当な吸口圧力を初期値として与える。次
に、吸口ガス流出量が所定値になるまで、吸口圧力を試
行錯誤的に調整しながら、有限要素法を用いた数値解析
で支配方程式の解を求める。これら一連の処理を与えら
れた全てのパフについて行い、最終的な解析結果からタ
バコ内のガス流量，流線，流速分布，圧力分布，ニコチ
ン濃度分布，積算ニコチン濃度分布などを求めて出力す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、タバコのフィルタ
の構造設計に用いて好適なタバコ煙の評価方法に関し、
さらに詳しくは、タバコ内におけるガス（煙）流れを有
限要素法を用いたコンピュータシミュレーションで解析
するタバコ煙の評価方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年は軽いタバコが好まれる傾向もあっ
て、低タール・低ニコチンのタバコが種々開発されてい
る。ところが、タバコを低タール化・低ニコチン化すれ
ば、どうしてもタバコの味が薄くなってしまい、風味，
味わいが落ちてしまうのは否めない。そこでこうした点
を改善するために、近時は、香喫味の向上を狙った差別
化フィルタの開発が活発になってきている。

【０００３】こうしたフィルタの構造を新規に設計する
際は、フィルタ内部における煙やチップベンチレーショ
ン空気の流れであるとか、煙の濃度分布などを把握する
ことが重要になってくる。例えば、タバコの中心部分で
の煙濃度を局所的に濃くするような工夫を施すと、全体
的には薄味のタバコであっても感覚的に味が良く感じら
れると言われている。したがって、煙の濃度分布等をフ
ィルタ構造を与えることで簡単にシミュレーションでき
れば、タバコのフィルタの構造設計にとって非常に有用
であると言える。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現時点
においては、タバコの煙を吸引させて煙に含まれるター
ルやニコチンの評価を行う喫煙器なるものが開発されて
いる程度である。しかもこうした機器は、ピストンによ
りタバコの煙を吸引させてガラスフィルタなどに吸着さ
せて、吸着されたタールやニコチンを抽出するだけのも
のである。したがって、タバコ内の煙の流れや濃度分布
などは一切分からず、上述したような要求に何ら応えら
れない。

【０００５】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、低タール・低ニコチンで香喫味に優
れ、しかもタバコ内部の空気流入量のバランスに優れた
フィルタを設計するのに特に有用なタバコ煙の評価方法
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、請求項１記載の発明は、フィルタ付きのタバコ内
のガスの流れを、前記ガスの流速と圧力と前記ガスに含
まれる煙の濃度に関して、前記ガスの物質収支を表わす
連続方程式，前記ガスの圧力勾配による力を表わす運動
方程式，前記フィルタの濾過作用による煙濃度消失項が
含まれた前記煙の物質収支を表わす濃度輸送方程式から
なる支配方程式で与え、前記支配方程式の解析を行っ
て、前記ガス流速，前記圧力，前記煙濃度の解を算出
し、該算出結果に基づいて前記タバコ内における空気流
入割合，流線，ガス流速分布，圧力分布，煙濃度分布の
うちの少なくとも１つを作成することを特徴としてお
り、好ましくは、煙濃度として非凝縮性ガスのニコチン
成分を対象としている。

【０００７】また、請求項２記載の発明は、フィルタ付
きのタバコの各部を多孔質体でモデル化し、前記タバコ
の半径方向をｒ軸，前記タバコの中心軸方向をｚ軸，ｕ
_r を前記半径方向のガス流速，ｕ_z を前記中心軸方向の
ガス流速，μをガス粘度，ｐを圧力，Ｃを煙濃度，α₀
をガス中における煙粒子の拡散係数×前記多孔質体の空
隙率で表わされる有効拡散係数，Ｒを前記フィルタの濾
過作用による煙濃度消失項，κを前記多孔質体の透過係
数として、前記タバコ内のガス流れの支配方程式を連続
方程式

【数５】 と、運動方程式

【数６】 及び

【数７】 と、濃度輸送方程式

【数８】 により与え、前記モデル化されたタバコについて有限要
素法により前記支配方程式を解き、前記半径方向のガス
流速ｕ_r ，前記中心軸方向のガス流速ｕ_z ，前記圧力
ｐ，前記煙濃度Ｃの解を算出し、該算出結果に基づいて
前記タバコ内における空気流入割合，流線，ガス流速分
布，圧力分布，煙濃度分布のうちの少なくとも１つを作
成することを特徴としている。

【０００８】また、請求項３記載の発明は、請求項２記
載の発明において、前記支配方程式の解析に際して、Ｅ
を煙濾過率［−］，Ｌを前記フィルタの長さ［cm］，Ｑ
をガス流量［cm³/sec］，Ｃ₀，Ｃ₁，Ｃ₂をそれぞれ所定
の定数としたときに、ｌｎ（１−Ｅ）＝−Ｃ₀Ｌ−Ｃ₁Ｌ
Ｑ−Ｃ₂ＬＱ^-2/3 なる関係式を用いて前記煙濃度消失項
Ｒを計算することを特徴としている。

【０００９】また、請求項４記載の発明は、請求項２又
は３記載の発明において、前記タバコの吸口における圧
力を変化させて、該吸口におけるガス流量が所定値とな
るまで前記支配方程式の解析を繰り返し行うことを特徴
としている。また、請求項５記載の発明は、請求項２〜
４の何れかの項記載の発明において、前記フィルタ部分
のチップベンチレーションの有無とパフの回数に応じ、
前記タバコの刻み部の長さを前記パフ毎に設定したこと
を特徴としている。

【００１０】また、請求項６記載の発明は、請求項２〜
５の何れかの項記載の発明において、前記支配方程式の
解析に際して、 ａ） 前記タバコの燃焼コーンの空気流
入部における圧力を大気圧とし、 ｂ） 前記タバコのシ
ガレット巻紙の外壁面における煙濃度がゼロで圧力を大
気圧とし、 ｃ） 前記タバコのチップベンチレーション
の空気流入部における煙濃度がゼロで圧力を大気圧と
し、 ｄ） 前記タバコのチップペーパの内壁面における
半径方向の煙濃度勾配が無くガス流速をゼロとし、
ｅ） 前記タバコの中心軸における半径方向の煙濃度勾
配が無く半径方向のガス流速をゼロとし、 ｆ） 前記タ
バコの吸口における中心軸方向の煙濃度勾配を無いとし
た境界条件を付与したことを特徴としている。

【００１１】また、請求項７記載の発明は、請求項２〜
６の何れかの項記載の発明において、前記支配方程式の
解析に際して、 ａ） 前記多孔質体を一定の通気抵抗を
有する均質な多孔質体とし、 ｂ） 前記タバコ内におけ
るガスの流れを定常流れ且つ等温流れとし、 ｃ） 前記
タバコの刻み部の長さをパフ毎に一定とし、 ｄ） 前記
タバコ内を流れるガスを非圧縮性ガスとし、 ｅ） 前記
煙粒子の体積及び質量が無く、 ｆ） 前記タバコの燃焼
コーンから流出する煙濃度を一定とし、 ｇ）前記煙粒
子の拡散係数を一定とし、 ｈ） 前記タバコの刻み部に
おける煙の濾過が無いとした各条件を付与したことを特
徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態について説明するが、まずはフィルタを含めた
タバコの構造を簡単に説明しておく。図２は１本のタバ
コ（紙巻煙草）の外観を示す図であって、図示したよう
に中心軸Ｃを中心とした円筒形状をしている。同図にお
いて、刻み１には刻んだタバコの葉がシガレット巻紙２
によって封入されている。この刻み１の吸口３方向に
は、タールやニコチン等の成分を濾過するためのフィル
タ４が接合されている。最近では二重構造になったフィ
ルタをよく見かけるが、本実施形態で用いているフィル
タ４はいわゆるプレーンフィルタであって、単一素材の
無垢なフィルタである。

【００１３】チップペーパ５はフィルタ４を包む紙であ
る。また、図示したタバコでは、フィルタ４の真ん中付
近には、その円周方向にミシン目状に孔の空いたチップ
ベンチレーション６が設けられている。このチップベン
チレーション６は希釈空気導入孔であって、タバコを吸
った際に吸引された空気がフィルタ４の内部へ流入す
る。なお、タバコの種類によってはチップベンチレーシ
ョンが設けられていないものも有る。そして、本実施形
態ではチップベンチレーションが有っても無くても良
く、これら双方のタイプのタバコを対象としている。

【００１４】〔計算モデル〕後述するように、本実施形
態では有限要素法を用いたコンピュータシミュレーショ
ンによりタバコ煙の評価を行っているが、そのためには
タバコの形状をモデル化する必要がある。そこで以下、
本実施形態で採用しているタバコの計算モデルについて
説明する。

【００１５】本来、タバコのモデル形状は図２のような
円筒形そのままが好ましい。しかし、計算時間及びシミ
ュレーションに要するコンピュータのメモリ容量を節約
するために、図２の形状のタバコをさらに図３のような
扇形で無限に薄い切片でモデル化する。なお、図３にお
いて図２と同じの構成要素には同一の符号を付してあ
り、ここではその説明を省略する。

【００１６】図３は中心軸Ｃから上半分をタバコの側面
から見た断面図であって、解析対象であるタバコは中心
軸Ｃを中心とした２次元軸対称としてモデル化されてい
る。このように、本実施形態ではタバコの形状を２次元
軸対称としているために、チップベンチレーション６は
円周に沿って連続した「線」でモデル化される。この点
において、本実施形態は実際のタバコの構造と相違して
いる。なお、モデル化に際して各切片は隣接する切片と
の間で物質や熱の収受が一切無いものとしている。

【００１７】また、図３では切片をｚ軸及びｒ軸から成
る２次元座標で表現しており、中心軸Ｃに平行にｚ軸を
とると共に中心軸Ｃと垂直な半径方向にｒ軸をとってい
る。さらに、図中の燃焼コーン７はタバコの先端の燃焼
部であって厚みのある円柱形をしており、燃焼コーン７
はニコチン等の煙粒子を吸着しない。さらに、刻み１，
シガレット巻紙２，フィルタ４，チップベンチレーショ
ン６，燃焼コーン７は何れも均質な（即ち、異方性の無
い）多孔質体としてモデル化されている。

【００１８】なお、図３に示すように各部の寸法は、半
径が0.39［cm］，燃焼前の刻み１の刻み長さＬａが5.9
［cm］，フィルタ４の長さが2.5［cm］，チップベンチ
レーション６の孔の直径が0.3［cm］ ，吸口３からチッ
プベンチレーション６の吸口３側の端部までの距離が1.
1［cm］ となっている。そして、刻み１の刻み長さＬａ
はタバコが燃焼するのに伴って図４に示すように順次変
化してゆく。

【００１９】図４において、「パフ（puff）」とは喫煙
者がタバコを吸う動作を意味している。ここで、タバコ
の評価では如何なる態様でタバコを吸うのかについて国
際的にはコレスタ（ＣＯＲＥＳＴＡ）法が一般的であ
り、それによると、２秒間吸い込んだ後に５８秒間休む
動作を１分毎に繰り返すように決められている。その
際、２秒間で吸い込む量は35［cm³］ に規定されてい
る。こうした規定によれば通常は５パフ〜６パフ程度で
１本のタバコを吸い終わることになる。なお、パフ毎の
刻み長さＬａは実験値に基づいてその平均値を採用して
おり、各パフにおける刻み長さＬａは一定値である。

【００２０】また、図４における「Ｖｆ」はチップベン
チレーション比のことである。Ｖｆの値が７５％とは、
吸いこんだ空気量のうちの７５％がチップベンチレーシ
ョン６から入り、残りの２５％がシガレット巻紙２，燃
焼コーン７等から流入することを意味してする。したが
って、Ｖｆが０％であるとはチップベンチレーション６
自体がフィルタ４に設けられていないことを意味する。

【００２１】なお、Ｖｆの値はタバコに火を点けずに吸
った状態のものが算出されている。そのため、実際に火
を点けた場合は、燃焼部分の抵抗が大きくなってチップ
ベンチレーション６から入ってくる空気量はこれよりも
っと多くなる。また図中、チップベンチレーション６が
無いＶｆ＝０％の場合は、６パフ目における刻み長さＬ
ａが記載されていない。これはチップベンチレーション
６が有る時に比べてより多くの空気量を吸い込むため、
必然的に燃焼が速くなって５パフで１本のタバコを吸い
終わるためである。

【００２２】一方、モデル化の際に考慮した刻み１，シ
ガレット巻紙２，フィルタ４，燃焼コーン７について通
気抵抗，及び，有効拡散係数に関連のある空隙率をそれ
ぞれ図５に示す。これらのうち通気抵抗は実測データに
基づいている。燃焼コーン７の通気抵抗は一定としてあ
り、燃焼コーン７から流出するニコチン濃度は通気量に
依存せず一定である。なお、本実施形態ではタバコの葉
の１枚１枚をモデル化していないが、オーバーオールで
見れば上述したモデル化を行えば十分である。

【００２３】〔支配方程式〕本実施形態では、解析の基
礎となる計算式として以下に示す偏微分方程式を用い
る。なお、タバコの煙には数千もの成分が含まれている
が、本実施形態では主としてタール・ニコチンといった
粒子成分を解析対象としており、以下ではニコチンに着
目して説明を行う。 連続方程式

【数９】 運動方程式

【数１０】

【数１１】 濃度輸送方程式

【数１２】

【００２４】ここで、ｕ_rは半径方向のガス流速，ｕ_zは
軸方向のガス流速，μはガス粘度，ｐは圧力，Ｃはニコ
チン濃度（煙濃度），α₀ は煙粒子の有効拡散係数であ
る。ここで、後述するように、本実施形態ではタバコ内
のガス流れとして２０゜Ｃの等温流れを想定しており、
ガス粘度μは２０゜Ｃにおける空気の粘度を用いてい
る。また、有効拡散係数α₀ は、拡散係数×多孔質体の
空隙率（図５参照）で算出されるもので、これらのうち
の拡散係数は後述するような一定値にしてある。

【００２５】一方、（４）式の「Ｒ」はニコチン濃度消
失項であって、ニコチンがフィルタ４に捕捉されること
を示しており、計算上は「捕捉」ではなく「消失」とし
て扱っている。またκは多孔質体の透過係数であって、
ガス流速をｕ，多孔質体をある長さΔｘだけ透過した際
の圧力損失をΔｐとおくと、次式の関係が成立する。 κ＝−（μ・ｕ・Δｘ）／Δｐ ……（５）

【００２６】他方、上述した偏微分方程式において、連
続方程式はガスの物質収支を表わしており、また、運動
方程式は圧力の勾配によってガスを流す力が生じること
を表現したものである。さらに、ニコチン（煙）の濃度
輸送方程式は煙の物質収支を表わしており、上記のよう
にフィルタ４の濾過作用による消失項「Ｒ」を含んでい
る点が特徴的である。

【００２７】〔仮定〕本実施形態では上述したモデル化
に加えて以下の条件を仮定して解析を行う。 定常流れ 実際のタバコの吸い方から考えればガスの流れは非定常
現象であるが、計算量等の観点から本実施形態ではこれ
を定常流れとして扱う。つまり、タバコを吸っている間
は常に吸いっ放しの状態になり、上述したように２秒間
で35［cm³］ の量を吸い込むことが規定されているか
ら、吸口３には17.5［cm³/sec］ の一定なガス流量（以
下、「標準条件」と呼ぶ）が与えられることになる。

【００２８】等温流れ 実際のタバコでは燃焼部分の温度は最高８００゜Ｃにも
達するが、本実施形態では２０゜Ｃの等温流れを仮定し
ている。というのは、ニコチンは液的な性質があり、燃
焼したニコチンが凝縮して液化する際の温度変化まで考
慮することは徒に計算を複雑化させるだけだからであ
る。もっとも、燃焼直後でも温度が数１０゜Ｃ程度まで
下がることが知られており、実際の所はこうした仮定で
問題ないと言える。

【００２９】パフ毎の刻み長さ 上述したように、刻み１の刻み長さＬａはパフ毎に一定
とし、図４に示した値を用いる。 非圧縮性ガス 密度に対して圧力の影響の無い非圧縮性ガスを仮定す
る。

【００３０】煙粒子の体積，質量 タバコの煙粒子は体積も質量も無いものとする。したが
って、ニコチンがフィルタ４に捕捉（吸着）されてもガ
スの全体量は変わらないことになる。 燃焼コーン出口における煙濃度 燃焼コーン７の出口におけるニコチン濃度（煙濃度）は
一定とする。したがって、ガスの流量に比例しただけの
ニコチンが発生することになる。

【００３１】煙粒子の拡散係数 例えば実際のニコチンの場合、最初のうちは小さい粒子
が流れにつれて凝集して徐々に大きな粒子になるため、
流れに伴って拡散係数は次第に小さくなってゆくはずで
ある。しかしながら、本実施形態ではガス中における煙
粒子の拡散係数を一定値0.065［cm²/sec］としている。
なお、この値は文献「Dilution of Mainstream Tobacco
Smoke and its Effects upon the Evaporation and Di
ffusionof Nicotine, Lewis,D.A., I.Colbeck and D.C.
Mariner, J.Aerosol Sci. Vol.26 No.5 pp.841-846, 19
95.」に基づいている。

【００３２】刻みでのニコチン（煙）の吸着（濾過）
なし 実際のタバコでは刻み１の葉の部分でも煙が吸着される
ために、吸着された煙粒子が続くパフにおいて再燃焼す
る。しかし、煙粒子がどの程度まで葉に吸着されるかに
ついて確かなデータが無く、本実施形態では刻み１での
煙粒子の吸着が無いものとして扱う。したがって、本実
施形態では先行するパフで吸着された煙粒子の再燃焼を
後続するパフで考慮する必要はない。

【００３３】フィルタのニコチン（煙）濾過性能（吸
着率）の経時変化なし フィルタ４に捕捉物が蓄積されるにつれてその濾過性能
が低下することが考えられる。しかしながら、実際のフ
ィルタの濾過性能は非常に大きく、タバコを１本吸った
程度では実質的にその性能は劣化しない。そこで、フィ
ルタ４の濾過性能に経時変化はないものとしている。

【００３４】本実施形態では、フィルタ４の濾過性能は
ガス流速（ガス流量）のみの関数としており、ガス流量
17.5［cm³/sec］ における濾過率が実測で0.52であるこ
とに基づき、次式で推定している。 ｌｎ（１−Ｅ）＝−Ｃ₀Ｌ−Ｃ₁ＬＱ−Ｃ₂ＬＱ^-2/3 …… （６） このガス流量とニコチン濾過率の関係式は、（４）式に
おけるニコチン濃度消失項「Ｒ」としてガス流れ解析の
計算に組み込まれて使用される。

【００３５】なお、Ｅはニコチン濾過率［−］（無次元
単位、以下同様），Ｌはフィルタ長さ［cm］（図３から
2.5［cm］），Ｑはガス流量［cm³/sec］，Ｃ₀＝0.28862
［−］，Ｃ₁＝-0.003001［−］，Ｃ₂＝0.38741［−］，
ｌｎは自然対数である。なお、この関係式は文献「The
Efficiencies of Cellulose Acetate Filters, Dwyer,
R.W. and Abel,S.G., Beitraege zur Tabakforschung I
nternational Vol.13 No.5 pp.243-253, 1986.」に依っ
ている。

【００３６】そしてこの関係式から、ガス流量に対する
ニコチン濾過率は図６に示すようになる。同図に示され
るように、ガス流量が「０」の場合はガスが無限時間フ
ィルタ４に滞留するのと同じで、フィルタ４にニコチン
が１００％捕捉されてフィルタ４の濾過率は「１」にな
る。一方、ガス流速が速くなってガス流量が増大するに
つれてフィルタ４の濾過性能は徐々に落ちてゆく。

【００３７】〔境界条件〕計算にあたってのタバコの各
部における境界条件を以下のように設定する。 燃焼コーン入口 燃焼コーン７の流入部では、ニコチン濃度Ｃ＝１，半径
方向ガス流速ｕ_r ＝free（即ち制限なし、以下同様），
軸方向ガス流速ｕ_z ＝free，圧力ｐ＝０（即ち大気圧）
とする。ここで、ニコチン濃度Ｃは燃焼コーン７の出口
の濃度を「１」と定義した無次元濃度である。

【００３８】シガレット巻紙の外壁面 シガレット巻紙２の流入部では、ニコチン濃度Ｃ＝０，
半径方向ガス流速ｕ_r＝free，軸方向ガス流速ｕ_z＝free
，圧力ｐ＝０とする。つまり、シガレット巻紙２の外
側ではニコチン濃度をゼロ（空気）とする。

【００３９】チップベンチレーションの流入部 チップベンチレーション６の流入部では、シガレット巻
紙２の外壁面と同様に、ニコチン濃度Ｃ＝０，半径方向
ガス流速ｕ_r＝free，軸方向ガス流速ｕ_z＝free，圧力ｐ
＝０とする。 チップペーパの内壁面 チップペーパ５の内壁面では半径方向の煙濃度勾配がな
く、ガス流速は「０」とする。即ち、∂Ｃ／∂ｒ＝０，
且つ，半径方向ガス流速ｕ_r ＝軸方向ガス流速ｕ_z＝０
とする。

【００４０】中心軸 中心軸Ｃ上では半径方向に煙濃度勾配がなく、半径方向
のガス流速は「０」とする。即ち、∂Ｃ／∂ｒ＝０，且
つ，半径方向ガス流速ｕ_r＝０とする。 吸口 吸口３では軸方向に煙濃度勾配がなく、また、ガス流速
には制限を付さない。すなわち、∂Ｃ／∂ｚ＝０，半径
方向ガス流速ｕ_r＝free ，且つ，軸方向ガス流速ｕ_z＝f
ree とする。

【００４１】〔解析手順〕以下、本実施形態によるタバ
コ煙の評価方法について説明する。ここで、図７は同方
法を実現するための装置構成例のブロック図であって、
実際には一般的なエンジニアリングワークステーション
で構成される。同図において、入力部１０はキーボー
ド，マウスなどの入力手段であって、上述したタバコの
モデル形状に関する情報，支配方程式，仮定，境界条件
等を入力する手段である。

【００４２】記憶部１１は入力部１０から設定される情
報を格納すると共に、解析部１２が算出した解析結果等
を記憶するための一時記憶としても用いられ、ＲＡＭ
（ランダムアクセスメモリ）及び大容量磁気ディスク装
置などを有している。解析部１２は、入力部１０が記憶
部１１に設定した情報に従ってタバコ煙の流れ解析を行
い、得られた解析結果を随時記憶部１１に記憶させる。
グラフ生成部１３は、記憶部１１に記憶された解析結果
に基づいて、後述する各種のグラフや分布図のイメージ
を生成する。出力部１４は、ディスプレイ装置，プリン
タ装置或いはプロッタ等の出力手段であって、グラフ生
成部１３が作成したイメージを可視情報として出力す
る。

【００４３】さて、図１は本実施形態によるタバコ煙の
評価方法の手順を示すフローチャートである。まずステ
ップＳ１にて、上述したモデル形状，支配方程式，〔仮
定〕の〜，〔境界条件〕の〜をそれぞれ入力部
１０に設定する。また、チップベンチレーション比Ｖｆ
の値（０％若しくは７５％）に対応した刻み長さＬａの
値（図４参照）を全てのパフ数について予め入力部１０
に設定する。そして、入力部１０は設定された全ての情
報を記憶部１１に格納する。

【００４４】次に、ステップＳ２にて、最初の１パフ目
に関する刻み長さＬａを以後の計算に使用するように設
定する。次に、ステップＳ３にて、適当な吸口圧力を初
期条件として入力部１０に設定してこれを記憶部１１に
格納させる。なお、吸口圧力は吸口３の全面において一
定値であるとしている。

【００４５】次に、ステップＳ４にて、解析部１２は記
憶部１１に格納されたモデル形状，仮定，境界条件に従
って、周知の有限要素法によって上記支配方程式（１）
〜（４）の定常計算を行う。有限要素分割数は半径
（ｒ）方向に６２分割，中心軸（ｚ）方向に２５８分割
とした直交格子状メッシュとして、全要素数を６２×２
５８＝１５９９６とする。

【００４６】有限要素法を用いた非線形連立方程式の解
法には様々なものがある。本実施形態では、必要とされ
る計算時間及び記憶部１１の記憶容量を節約するために
非線形解法として分離型解法を用いている。この点につ
いて簡単に説明すれば、初めに適当な初期解を予測し、
これを基にして反復計算を行って次々に解ベクトルを得
て、解ベクトルが収束するまで反復して計算を行う。そ
の際、各々の計算では有効な自由度（即ち、ガス流速ｕ
_r及びｕ_z，圧力ｐ，ニコチン濃度Ｃ）のそれぞれについ
て順次に且つ別々に解く。

【００４７】そして本実施形態では、解析部１２が以下
の収束基準を満たすまでガス流速ｕ _r及びｕ_z，圧力ｐ，
ニコチン濃度Ｃの各々について解ベクトルを繰り返し算
出して、得られた算出結果を記憶部１１に記憶する。 ‖（Ａ_i−Ａ_i-1）／Ａ_i‖≦０．００１ …… （７） ここで、Ａ_i はｉ番目に生成された解ベクトルであり、
‖・‖はモデルの全方程式について総和をとった２乗平
均平方根ノルムである。つまり、連続して生成された解
ベクトルの偏差が０．００１以下に収束するまで反復計
算を行う。その際、ガス流速ｕ_r及びｕ_z，圧力ｐ，ニコ
チン濃度Ｃの全ての解が（７）式を満たした時点で計算
が収束したものと見なして、１パフ目の計算を終了させ
る。

【００４８】次に、ステップＳ５にて、解析部１２は記
憶部１１に格納されている最終的なガス流速ｕ_r及び
ｕ_z，圧力ｐ，ニコチン濃度Ｃの解ベクトルから吸口３
におけるガス流出量を算出する。次に、ステップＳ６に
て、算出された吸口ガス流出量が標準条件である17.5
［cm³/sec］ になっているかを判断する。この条件を満
足しない場合、ステップＳ７にて、算出された吸口ガス
流出量と標準条件値との大小関係に従って、先にステッ
プＳ３で設定した吸口圧力を増減させて吸口圧力を再調
整する。なお、ステップＳ６及びステップＳ７における
判断は人間が行ってもよく、また、解析部１２をこのよ
うな判断手段を備えたものとして構成しても良い。

【００４９】そしてこれ以後はステップＳ４〜Ｓ７の手
順を繰り返しながら、吸口ガス流出量が標準条件となる
まで吸口圧力を試行錯誤的に変えてゆく。こうして、吸
口ガス流出量が標準条件の値になると、ステップＳ８
で、解析部１２は最終的な１パフ目の解析結果を記憶部
１１の所定領域に退避する。

【００５０】次いで、ステップＳ９にて、全てのパフに
ついて解析を行ったかどうかを判断し、もしそうでなけ
れば、ステップＳ２に戻って２パフ目に対応する刻み長
さＬａを設定してステップＳ３〜Ｓ９の手順を繰り返
し、引き続き３パフ目以降について同様の手順を繰り返
す。そして、設定した全パフについて解析が終了した段
階で、グラフ生成部１３に対してグラフ・分布図の作成
指示を出す。これにより、グラフ生成部１３は、記憶部
１１に退避されている各パフの解析結果を基に、以下に
詳述するようなグラフ或いは分布図を生成し、これを出
力部１４から出力させる。

【００５１】〔解析結果〕以下では、出力部１４が出力
するグラフ或いは分布図について説明する。 シガレット通気抵抗 図８に、吸口３のガス流量が17.5［cm³/sec］ となるよ
うに設定した場合のパフ毎の吸口圧力（即ち、シガレッ
ト通気抵抗）を示す。図示したように、シガレット通気
抵抗は、Ｖｆ＝７５％ではパフ数が変化してもほぼ一定
であるが、Ｖｆ＝０％ではパフ数の増加に伴って減少し
てゆく。その理由であるが、Ｖｆ＝７５％の場合は、チ
ップベンチレーション６からの空気流入が支配的である
ために刻み１の抵抗の変化を受けにくいためであると推
定される。これに対し、Ｖｆ＝０％ではパフ数が大きく
なって刻み１やシガレット巻紙２が短くなるにつれ、こ
れらの抵抗が低下した影響を受けるものと推定される。

【００５２】ベンチレーション流量割合 図９（ａ）にＶｆ＝０％の場合のシガレット巻紙２及び
燃焼コーン７のガス流量のパフによる変化を示す。な
お、図ではガス流量を空気流入割合に換算して表示して
いる。図示したように、１パフ目では燃焼コーン７，シ
ガレット巻紙２からの空気流入割合はそれぞれ約６５
％，約３５％であるが、５パフ目には燃焼コーン７，シ
ガレット巻紙２からの空気流入割合はそれぞれ約９４
％，約６％になる。

【００５３】また、図９（ｂ）にＶｆ＝７５％の場合の
シガレット巻紙２，チップベンチレーション６，燃焼コ
ーン７のガス流量のパフによる変化を示す。この場合、
チップベンチレーション６からの空気流入割合は約８０
％とほぼ一定であるが、燃焼コーン７からの空気流入割
合はパフが進むにつれて漸増し、シガレット巻紙２から
の空気流入割合はパフが進むにつれて漸減する。

【００５４】流線 図１０に１パフ目におけるタバコ内の煙の流線を示す。
同図（ａ）はＶｆ＝０％の場合、同図（ｂ）はＶｆ＝７
５％の場合である。ここで流線は、その接線が流れ場の
速度ベクトル方向と一致する曲線として定義されるか
ら、解析により得られたガス流速から流線を描くことが
できる。これらの図から煙粒子が如何なる経路で流れて
ゆくかが分かる。Ｖｆ＝０％の場合は刻み１ではシガレ
ット巻紙２からの空気流入の影響があるものの、フィル
タ４では中心軸Ｃにほぼ平行な流れとなる。これに対
し、Ｖｆ＝７５％の場合はチップベンチレーション６か
らの空気流入によりフィルタ４で流線が大きく変化す
る。

【００５５】流速分布 図１１に１パフ目におけるタバコ内のガス流速分布を示
す。同図（ａ）はＶｆ＝０％の場合、同図（ｂ）はＶｆ
＝７５％の場合である。Ｖｆ＝０％の場合はシガレット
巻紙２からの空気流入によって刻み１においては徐々に
流速が増大する。また、フィルタ４ではほぼ均一な流速
分布となり、その平均流速は36.6［cm/sec］になる。こ
れに対し、Ｖｆ＝７５％では刻み１における流速の変化
は緩やかで、フィルタ４の流入部における平均流速は8
［cm/sec］ になる。しかし、チップベンチレーション
６からの空気流入によってその近傍でガス流速が急激に
増大する。これに対し、その後の吸口３付近では均一な
流速分布となり、その流速は36.6［cm/sec］となる。

【００５６】圧力分布 図１２に１パフ目におけるタバコ内のガス圧力分布を示
す。同図（ａ）はＶｆ＝０％の場合、同図（ｂ）はＶｆ
＝７５％の場合である。Ｖｆ＝０％の場合はフィルタ４
内ではガス圧力がほぼ均等に変化してゆく。これに対
し、Ｖｆ＝７５％ではチップベンチレーション６以降の
吸口３側においてガス圧力が大きく変化する。

【００５７】タバコ内ニコチン濃度分布 図１３に１パフ目から最終パフ迄のタバコ内ニコチン濃
度分布を示す。同図（ａ）はＶｆ＝０％の場合、同図
（ｂ）はＶｆ＝７５％の場合である。何れの分布におい
ても、刻み１ではシガレット巻紙２のベンチレーション
の影響で半径方向にニコチン濃度分布を持つ。また、Ｖ
ｆ＝０％ではＶｆ＝７５％の場合に比ベてフィルタ４へ
の流入部でのニコチン濃度が高い。さらに、Ｖｆ＝０％
ではフィルタ内濾過による濃度低下はほぼ一様である
が、Ｖｆ＝７５％ではチップベンチレーション６から流
入する空気の影響で半径方向のニコチン濃度勾配が大き
い。

【００５８】中心軸上のニコチン濃度変化 図１４に中心軸Ｃ上のニコチン濃度の変化を示す。同図
（ａ）はＶｆ＝０％の場合、同図（ｂ）はＶｆ＝７５％
の場合である。Ｖｆ＝０％の場合、フィルタ４内でのニ
コチン濃度低下の傾きはパフが変化してもほぼ同等であ
る。これに対し、Ｖｆ＝７５％の場合はフィルタ４への
流入部のニコチン濃度が大きく変化しており、ニコチン
濃度が低下する際の傾きはパフによって異なる。

【００５９】また、チップベンチレーション流入部（図
中の横軸が+1.1〜+1.4［cm］の領域）を境にしてニコチ
ン濃度が低下する傾きが変化している。すなわち、チッ
プベンチレーション６に流入した後に比べると、流入す
る前はニコチン濃度低下が大きいと言える。これは、ガ
ス流量（ガス流速）が低下するほどニコチン濾過率が上
昇するという図６の関係を反映している。

【００６０】吸口ニコチン濃度分布 図１５は吸口３における半径方向のニコチン濃度分布を
パフ毎に示している。同図（ａ）はＶｆ＝０％の場合、
同図（ｂ）はＶｆ＝７５％の場合である。なお、これら
の図の横軸は、計算で得られたニコチン濃度を中心軸Ｃ
を対称として反転させたもので、横軸の０［cm］の所が
中心軸Ｃである。

【００６１】Ｖｆ＝０％の場合パフの増加によって吸口
ニコチン濃度は上昇する。また、パフが進んで刻み１が
短くなってくると、シガレット巻紙２のベンチレーショ
ンが減少する影響で中心部と外周部の濃度差は小さくな
ってゆく。これに対し、Ｖｆ＝７５％の場合はパフの増
加により中心部のニコチン濃度は上昇するものの、外周
部のニコチン濃度はチップベンチレーション４から流入
する空気の影響でどのパフにおいてもほぼ「０」であ
る。

【００６２】積算ニコチン濃度分布 図１６は吸口ニコチン濃度を全てのパフについて積算し
た結果を示しており、つまりはタバコ１本分のニコチン
濃度の分布である。同図より、Ｖｆ＝０％，７５％の何
れの場合にも中心部にピークを持ったニコチン濃度分布
が得られる。なお、Ｖｆ＝７５％では吸口ニコチン濃度
を積算しても、中心軸Ｃから0.3［cm］よりも外側のニ
コチン濃度はほぼ「０」になっている。

【００６３】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、チップベンチレーション６が有る場合でも無い場合
でも、シガレット巻紙２，チップベンチレーション６，
燃焼コーン７の空気流入割合などが予測できる。また、
タバコ内におけるガス流速分布や圧力分布についての知
見が得られ、さらには、タバコ内ニコチン濃度分布や吸
口ニコチン濃度分布等の解析結果も得られる。

【００６４】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではない。すなわち、フィルタはプレーンフィ
ルタに限らず、二重構造をしたものなどでも良い。ま
た、チップベンチレーションは図２のような１列のもの
に限らず、これを複数列設けるようなタバコであっても
良い。また、上記の説明では有限要素法の解析は分離型
解法としたが、理論上は如何なる解法でも良く、解析を
行うのに用いられるハードウェアの価格，性能に見合っ
た解法を適宜選択すれば良い。さらには、刻みにおける
煙成分の濾過や燃焼コーンにおける非定常的な燃焼現象
をモデル化しても良く、そうした場合はさらに精度の高
い解析を実現できる。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
タバコ内のガス流れを連続方程式，運動方程式，濃度輸
送方程式からなる支配方程式で与え、その際にフィルタ
の濾過作用による煙濃度消失項を濃度輸送方程式に含ま
せ、この支配方程式を解析することによってガス流速，
圧力，煙濃度の解を算出して、空気流入割合，流線，ガ
ス流速分布，圧力分布，煙濃度分布を作成している。

【００６６】これにより、フィルタやチップベンチレー
ションの構造設計に関する詳細な評価結果が得られ、低
タール・低ニコチンでなお且つ香喫味に優れたタバコの
設計を容易化できるという効果がある。さらに、刻み
部，シガレット巻紙，フィルタ，チップベンチレーショ
ンといった各部の通気抵抗を設計する際に詳細な評価結
果が得られるため、内部の空気流入量のバランスに優れ
たタバコの設計が可能となるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態によるタバコ煙の評価方
法の手順を説明したフローチャートである。

【図２】 プレーンフィルタを持つタバコの外観を示す
図である。

【図３】 同実施形態によるタバコのモデル形状及び代
表的な寸法を示す図である。

【図４】 チップベンチレーション比Ｖｆが０％及び７
５％の場合につき、各パフ数に対応した刻み長さＬａの
設定値を示す図である。

【図５】 燃焼コーン，刻み，シガレット巻紙，フィル
タについてそれぞれの通気抵抗及び空隙率を示す図であ
る。

【図６】 ガス流量とニコチン濾過率の関係を表わすグ
ラフである。

【図７】 同方法を実現するための装置構成例を示すブ
ロック図である。

【図８】 計算により得られたパフ毎のシガレット通気
抵抗を示すグラフである。

【図９】 計算により得られたパフ毎の空気流入割合を
示すグラフであって、（ａ）はＶｆが０％の場合，
（ｂ）はＶｆが７５％の場合である。

【図１０】 計算により得られたガス（タバコ煙）の流
線を示す図であって、（ａ）はＶｆが０％の場合，
（ｂ）はＶｆが７５％の場合である。

【図１１】 計算により得られたガス（タバコ煙）の流
速分布を示す図であって、（ａ）はＶｆが０％の場合，
（ｂ）はＶｆが７５％の場合である。

【図１２】 計算により得られたガス（タバコ煙）の圧
力分布を示す図であって、（ａ）はＶｆが０％の場合，
（ｂ）はＶｆが７５％の場合である。

【図１３】 計算により得られたパフ毎のニコチン濃度
分布を示す図であって、（ａ）はＶｆが０％の場合，
（ｂ）はＶｆが７５％の場合である。

【図１４】 計算により得られた中心軸Ｃ上のニコチン
濃度分布を各パフについて示したグラフであって、
（ａ）はＶｆが０％の場合，（ｂ）はＶｆが７５％の場
合である。

【図１５】 計算により得られた吸口ニコチン濃度分布
を各パフについて示したグラフであって、（ａ）はＶｆ
が０％の場合，（ｂ）はＶｆが７５％の場合である。

【図１６】 図１５に示す吸口ニコチン濃度を全パフに
ついて積算した積算ニコチン濃度分布を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…刻み、２…シガレット巻紙、３…吸口、４…フィル
タ、５…チップペーパ、６…チップベンチレーション、
７…燃焼コーン、１０…入力部、１１…記憶部、１２…
解析部、１３…グラフ生成部、１４…表示部、Ｃ…中心
軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴田 恵 富山県富山市海岸通り３番地 三菱レイヨ ン株式会社富山事業所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フィルタ付きのタバコ内のガスの流れ
   を、前記ガスの流速と圧力と前記ガスに含まれる煙の濃
   度に関して、前記ガスの物質収支を表わす連続方程式，
   前記ガスの圧力勾配による力を表わす運動方程式，前記
   フィルタの濾過作用による煙濃度消失項が含まれた前記
   煙の物質収支を表わす濃度輸送方程式からなる支配方程
   式で与え、 前記支配方程式の解析を行って、前記ガス流速，前記圧
   力，前記煙濃度の解を算出し、 該算出結果に基づいて前記タバコ内における空気流入割
   合，流線，ガス流速分布，圧力分布，煙濃度分布のうち
   の少なくとも１つを作成することを特徴とするタバコ煙
   の評価方法。
2. 【請求項２】 フィルタ付きのタバコの各部を多孔質体
   でモデル化し、 前記タバコの半径方向をｒ軸，前記タバコの中心軸方向
   をｚ軸，ｕ_r を前記半径方向のガス流速，ｕ_z を前記中
   心軸方向のガス流速，μをガス粘度，ｐを圧力，Ｃを煙
   濃度，α₀ をガス中における煙粒子の拡散係数×前記多
   孔質体の空隙率で表わされる有効拡散係数，Ｒを前記フ
   ィルタの濾過作用による煙濃度消失項，κを前記多孔質
   体の透過係数として、前記タバコ内のガス流れの支配方
   程式を連続方程式 【数１】 と、運動方程式 【数２】 及び 【数３】 と、濃度輸送方程式 【数４】 により与え、 前記モデル化されたタバコについて有限要素法により前
   記支配方程式を解き、前記半径方向のガス流速ｕ_r ，前
   記中心軸方向のガス流速ｕ_z ，前記圧力ｐ，前記煙濃度
   Ｃの解を算出し、 該算出結果に基づいて前記タバコ内における空気流入割
   合，流線，ガス流速分布，圧力分布，煙濃度分布のうち
   の少なくとも１つを作成することを特徴とするタバコ煙
   の評価方法。
3. 【請求項３】 前記支配方程式の解析に際して、 Ｅを煙濾過率［−］，Ｌを前記フィルタの長さ［cm］，
   Ｑをガス流量［cm³/sec］，Ｃ₀，Ｃ₁，Ｃ₂をそれぞれ所
   定の定数としたときに、 ｌｎ（１−Ｅ）＝−Ｃ₀Ｌ−Ｃ₁ＬＱ−Ｃ₂ＬＱ^-2/3 なる関係式を用いて前記煙濃度消失項Ｒを計算すること
   を特徴とする請求項２記載のタバコ煙の評価方法。
4. 【請求項４】 前記タバコの吸口における圧力を変化さ
   せて、該吸口におけるガス流量が所定値となるまで前記
   支配方程式の解析を繰り返し行うことを特徴とする請求
   項２又は３記載のタバコ煙の評価方法。
5. 【請求項５】 前記フィルタ部分のチップベンチレーシ
   ョンの有無とパフの回数に応じ、前記タバコの刻み部の
   長さを前記パフ毎に設定したことを特徴とする請求項２
   〜４の何れかの項記載のタバコ煙の評価方法。
6. 【請求項６】 前記支配方程式の解析に際して、 ａ） 前記タバコの燃焼コーンの空気流入部における圧
   力を大気圧とし、 ｂ） 前記タバコのシガレット巻紙の外壁面における煙
   濃度がゼロで圧力を大気圧とし、 ｃ） 前記タバコのチップベンチレーションの空気流入
   部における煙濃度がゼロで圧力を大気圧とし、 ｄ） 前記タバコのチップペーパの内壁面における半径
   方向の煙濃度勾配が無くガス流速をゼロとし、 ｅ） 前記タバコの中心軸における半径方向の煙濃度勾
   配が無く半径方向のガス流速をゼロとし、 ｆ） 前記タバコの吸口における中心軸方向の煙濃度勾
   配を無いとした境界条件を付与したことを特徴とする請
   求項２〜５の何れかの項記載のタバコ煙の評価方法。
7. 【請求項７】 前記支配方程式の解析に際して、 ａ） 前記多孔質体を一定の通気抵抗を有する均質な多
   孔質体とし、 ｂ） 前記タバコ内におけるガスの流れを定常流れ且つ
   等温流れとし、 ｃ） 前記タバコの刻み部の長さをパフ毎に一定とし、 ｄ） 前記タバコ内を流れるガスを非圧縮性ガスとし、 ｅ） 前記煙粒子の体積及び質量が無く、 ｆ） 前記タバコの燃焼コーンから流出する煙濃度を一
   定とし、 ｇ） 前記煙粒子の拡散係数を一定とし、 ｈ） 前記タバコの刻み部における煙の濾過が無いとし
   た各条件を付与したことを特徴とする請求項２〜６の何
   れかの項記載のタバコ煙の評価方法。