KR102075363B1 - 흡연 물품용 복합 열원 - Google Patents

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Abstract

흡연 물품에 사용되는 복합 열원(6)은: 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16); 및 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16) 내에 내장된 미립자의 가연성 연료(18)를 포함한다. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 미립자의 가연성 연료의 메디안 D50 입자 크기보다 적어도 5배 적은 메디안 D50 입자 크기를 갖는 하나 이상의 미립자 물질로 형성된다. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)는 하나 이상의 전이 금속 산화물을 포함하는 것이 바람직하다.

Description

흡연 물품용 복합 열원{COMPOSITE HEAT SOURCE FOR A SMOKING ARTICLE}
본 발명은 열원, 예를 들면 흡연 물품에 사용하기에 적합한 열원에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 의한 열원을 포함하는 흡연 물품에 관한 것이다.
가연성 열원에서 물리적으로 분리된 에어로졸-발생 물질로 열이 이동하여 에어로졸을 발생시키는 흡연 물품이 종래 기술에 공지되어 있다. 에어로졸-발생 물질은 열원 내, 주위 또는 하류에 위치될 수 있다. 사용시, 흡연 물품의 가연성 열원은 라이트되고 가연성 열원으로부터 열 이동에 의해 에어로졸-발생 물질로부터 휘발성 화합물이 방출된다. 방출된 휘발성 화합물은 공기에 혼입되고 퍼핑되자마자 흡연 물품을 통해서 흡입된다. 형성된 에어로졸은 소비자에 의해 흡입된다.
흡연 물품에 사용하기에 적합한 가연성 열원은 흡연 경험을 가능하게 하거나 향상시키기 위해서 특정 속성을 갖는 것이 바람직하다.
예를 들면, 열원은 에어로졸-발생 물질로부터 향이 첨가된 에어로졸의 방출을 허용하기 위해서 연소 중에 충분한 열을 생성해야 하지만, 종래의 라이트-말단의 궐련으로서 유사한 크기의 흡연 물품 내로 맞추기 위해서는 아직 충분히 작다.
또한, 열원은 열원의 연료가 소비될 때까지 공기의 제한된 양으로 연소될 수 있어야 하고 연소되자마자 일산화탄소, 질소산화물 또는 다른 잠재적으로 바람직하지 않은 가스들이 실질적으로 없거나 될 수 있으면 적게 생성되어야 한다.
또한, 열원의 점화 온도는 열원이 종래의 라이트-말단의 궐련, 예를 들면 성냥 또는 종래의 궐련 라이터를 사용해서 정상 라이팅 조건 하에서 용이하게 점화될 수 있다.
열원은 적절한 열 전도도도 가져야 한다. 너무 많은 열이 연소 중에 열원의 연소 구역에서 다른 부품으로 전도될 경우, 열원의 연소 구역에서의 연소는 온도가 열원의 소화 온도 아래로 떨어질 때 중단될 것이다. 따라서, 너무 높은 열 전도도를 가진 열원은 점화하기 어려워 바람직하지 않고, 점화 후에 조기의 자기-소화성에 영향을 받을 수 있다. 열원의 열 전도도는, 사용시 에어로졸-발생 물질에 너무 많은 열이 전도되는 것 없이 어느 수단 또는 흡연 물품 내에 고정, 탑재 또는 다르게 포함되어 있는 구조에 대해서 효과적인 열 이동을 허용하는 수준이어야 한다.
열원은 사용 전 또는 사용 중에 붕괴되지 않아야 하고, 예를 들면 소비자가 흡연 물품을 떨어뜨려서 발생될 수 있는 작은 기계적 스트레스를 견뎌낼 수 있어야 한다.
상기 요구 조건의 일부 또는 모두를 충족하는 흡연 물품에 사용하기에 적합한 복합 열원을 제공하는 것이 바람직하다.
연소 중에 생성되는 하나 이상의 잠재적으로 바람직하지 않은 가스들의 분해를 촉매 작용할 수 있는 복합 열원을 제공하는 것이 더욱 바람직하다.
연소 중에 생성되는 미립자 물질을 고정시킬 수 있는 복합 열원을 제공하는 것도 바람직하다.
본 발명에 의하면, 복합 열원, 예를 들면 흡연 물품에 사용하기에 적합한 복합 열원을 제공하는 것이고, 복합 열원은: 다공성의 비-가연성 세라믹 매트릭스; 및 미립자, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 완전하게 내장된 가연성 연료를 포함하며, 상기 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 미립자 가연성 연료의 메디안 D50 입자 크기보다 적어도 5배 적은 메디안 D50 입자 크기를 갖는 하나 이상의 미립자 물질로 형성된다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 '복합 열원'(단수형 또는 복수형)은 적어도 2개의 별개의 구성 요소를 포함하는 열원을 나타내는데 사용되고, 이것은 조합했을 때에 적어도 2개의 구성 요소에 개별적으로 존재하지 않는 특성을 생성한다. 이하 추가로 기재된 바와 같이, 본 발명에 의한 복합 열원의 기능은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스와 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료 사이를 유리하게 분리시킨다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 '세라믹'은 가열했을 때 고체로 남아있는 어느 비-금속성 고체를 나타내는데 사용된다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 '완전하게 내장된'은 가연성 연료의 입자가 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스에 의해 완전하게 둘러싸인 것을 나타내는데 사용된다. 즉, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 입자간 실질적으로 접촉은 없다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 '메디안 D50 입자 크기'는 입자 크기 분포의 부피-기준 메디안 값을 나타내는데 사용되고 누적 분포에 있어서 50 %에서의 입자 지름 값이다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 미립자 가연성 연료의 메디안 D50 입도보다 적어도 10배 적은 메디안 D50 입자 크기를 갖는 하나 이상의 미립자 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 복합 열원의 강도는 대부분 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스에 의해 제어된다. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료로부터 본 발명에 의한 복합 열원 강도의 디커플링은 그것의 기계적인 작용을 제어하기 어렵게 하는 연소 중에 가연성 연료가 큰 변화를 겪기 때문에 유리하다.
본 발명에 의한 복합 열원에서 가연성 연료의 입자는 실질적으로 서로 접촉하지 않고 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내의 각각의 구멍 내에 내장되어 있다. 연소 중, 가연성 연료의 입자가 이들 각각의 구멍 내에서 변화를 겪지만, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 구조는 실질적으로 변화하지 않고 유리하게 남아있다.
본 발명에 의한 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 미립자 연료를 완전하게 내장하는 것은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 및 가연성 연료의 입자가 서로 접촉하고 있는 미립자 가연성 연료를 포함하는 종래 기술의 열원과 관련된 연소 특성으로 상당한 다수의 문제점을 유리하게 방지한다.
연소 중, 큰 지름을 가진 신규한 기공 채널은 가연성 연료의 결합된 입자의 연소 결과로서 이러한 종래 기술의 열원으로 형성될 수 있다. 결과적으로, 가연성 연료의 고온 입자는 신규하게 형성되는 채널을 통해서 이러한 종래 기술의 열원으로부터 불리하게 빠져나올 수 있다.
또한, 이러한 종래 기술의 열원의 기계적 통합은 가연성 연료의 결합된 입자의 연소 결과로서 약한 구역의 형성으로 인해 연소 중에 임계 고도로 불리하게 감소될 수 있다.
샘플이 파괴되었을 경우, 일정한 변형률로 샘플의 전면 및 후면을 푸싱하여 힘을 측정함으로써 표준 기계적 시험 장치로 측정된 대로 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 약 10 M㎩ 이상의 압축 강도를 갖는 것이 바람직하다. 이것은 본 발명에 의한 복합 열원이 작은 기계적 스트레스를 견뎌내고 사용 전과 사용 중에 복합 열원의 붕괴를 방지할 수 있게 한다.
본 발명에 의한 복합 열원의 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 기공은 복합 열원의 연소 역학을 제어한다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 실질적으로 계속 이어지는 기공 채널을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에 의한 복합 열원에 실질적으로 계속 이어지는 기공 채널을 갖는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 사용은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료에 산소가 실질적으로 계속 이어지는 기공 채널을 통해서 유리하게 흐를 수 있게 한다. 또한, 이것은 유리하게 가연성 연료의 연소 중에 생성되는 일산화탄소 또는 이산화탄소가 실질적으로 계속 이어지는 기공 채널을 통해서 본 발명에 의한 복합 열원의 밖으로 흐를 수 있도록 허용한다.
본 발명의 바람직한 구현에에 있어서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 연료의 연소 중에 생성되는 어느 미립자 물질을 유지하기 위해 충분하게 작은 기공을 갖는 것이 바람직하다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 수은 기공 측정법에 의해 측정된 대로 약 0.01 ㎛ 내지 약 10 ㎛의 지름의 기공을 갖는다.
본 발명에 의한 복합 열원의 전도도는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스에 의해 대부분 제어된다. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 열 전도도가 훨씬 높을 때라도 낮은 열 전도도를 가진 세라믹 물질의 사용은 적정한 열 전도도를 갖는 본 발명에 의한 복합 열원을 유리하게 생성시킬 수 있다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 레이저 플래시 법을 사용해서 측정된 대로 약 1×10-6 ㎡/s 이하의 열 확산율을 갖는 것이 바람직하다. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 레이저 플래시 법을 사용해서 측정된 대로 약 0.4ㆍ10-6 ㎡/s 내지 약 1ㆍ10-6 ㎡/s의 열 확산율을 갖는 것이 보다 바람직하다. 본 발명에 의한 복합 열원에 있어서 약 1×10-6 ㎡/s 이하의 열 확산율을 갖는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 사용은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료를 약 10 초 내에 성냥, 라이터 또는 다른 적합한 점화 수단을 사용해서 유리하게 점화시킬 수 있게 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소 중에 상당한 체적 변화를 겪지 않는다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 열팽창 계수는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 열 팽창 계수보다 큰 것이 바람직하다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소 중에 팽창계에 의해 측정된 대로 약 5 % 이하의 체적 변화를 겪는 것이 바람직하다. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소 중에 비-접촉 팽창계에 의해 측정된 대로 약 1 % 이하의 체적 변화를 겪는 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 의한 복합 열원의 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스에 사용하기에 적합한 물질은 종래 기술에 알려져 있고 다양한 공급회사로부터 상업적으로 이용된다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 하나 이상의 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 적어도 하나의 전이 금속 산화물을 포함하는 것이 바람직하고, 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하기 위해 높은 촉매 활성을 가진 적어도 하나의 전이 금속 산화물을 포함하는 것이 보다 바람직하다. 적합한 전이 금속 산화물은 종래 기술에 공지되어 있고 산화철, 산화망간 및 그것의 혼합물을 들 수 있지만, 이것에 제한되는 것은 아니다.
대체적으로 또는 추가해서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 낮은 열 전도도의 하나 이상의 산화물을 포함할 수 있다. 낮은 열 전도도의 적합한 산화물은 지르코니아, 석영, 비정질 실리카 및 그것의 혼합물을 들 수 있지만, 이것에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 복합 열원에 사용되는 낮은 열 확산율을 갖는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는, 예를 들면 지르코니아(ZrO2) 및 산화철(Fe2O3)과 같은 하나 이상의 미립자 물질로 형성될 수 있다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 강도는 결합제, 압밀 처리, 또는 그것에 조합에 의해 제공될 수 있다. 강화 처리를 위한 방법은 종래 기술에 공지되어 있다. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 입자간 접촉이, 예를 들면 표면 확산에 의해 형성될 경우, 강화 처리는 열 공정을 수반할 수 있다. 열 처리는 바람직한 최대 온도, 예를 들면 약 750 ℃까지 점진적인 또는 단계적인 가열을 수반하고, 이어서 냉각될 수 있다. 가열, 냉각 또는 유리하게 가열 및 냉각 모두는 유리하게 아르곤 또는 질소 분위기와 같은 불활성 가스 분위기 하에서 행해진다. 대체적으로, 강화 처리는 DE-A-10 2004 055 900에 기재되어 있는 식으로 처리될 수 있다.
강화 처리는 유리하게 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료에 그리고 그것으로부터 가스를 흐르게 하기 위해서 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 충분한 기공을 지켜야 한다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료를 약 10 초 내로 성냥, 라이터 또는 다른 적합한 점화 수단을 사용해서 점화하기 위해서 강화 처리는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 인접한 입자 간에 충분한 열 저항을 지켜야 한다.
본 발명에 의한 복합 열원은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소 중에 생성되는 가스의 분해를 위해 적어도 하나의 촉매를 포함하는 것이 바람직하다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 가연성 연료의 연소에 의해 생성되는 가스의 분해를 위해 촉매를 포함할 수 있다. 예를 들면, 이전에 상술한 바와 같이, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 일산화탄소를, 예를 들면 산화철 또는 산화망간과 같은 이산화탄소로 전환하기 위해 높은 촉매 활성을 가진 하나 이상의 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 구현예에 있어서, 사용시 가연성 연료의 연소 중에 생성되는 가스 분자가 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 기공을 통해서 복합 열원의 밖으로 흐르기 때문에, 그들은 기공 채널의 벽과 다수 접촉하고 있다. 촉매 활성을 갖는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 본 발명에 의한 복합 열원을 사용함으로써 유리하게 가연성 연료의 연소 중에 생성되는 어느 잠재적으로 바람직하지 않은 가스들의 충분한 제거를 보장하도록 도움을 줄 수 있다.
대체적으로 또는 추가해서, 본 발명에 의한 복합 열원은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소 중에 생성되는 가스의 분해를 위해서 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 적어도 하나의 촉매를 포함할 수 있다.
대체적으로 또는 추가해서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 표면의 적어도 일부는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소 중에 생성되는 가스의 분해를 위해서 촉매의 층으로 피복될 수 있다.
열 전도도, 본 발명에 의한 복합 열원의 구조 및 크기 및 본 발명에 의한 복합 열원간에 열 접촉 및 어느 수단 또는 복합 열원이 흡연 물품에 고정, 탑재 또는 다르게 포함되어 있는 구조를 사용할 때 복합 열원의 표면 온도는 그 안에 포함되는 어느 촉매의 최적 작동을 위한 온도 범위 내에 남아있기 위해서 조정되어야 한다.
사용시, 본 발명에 의한 복합 열원은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스에 내장되는 가연성 연료의 점화 후에 약 30 초 이하의 기간 내에 작동 온도를 도달하는 것이 바람직하다.
작동 온도를 도달하는데 걸리는 시간을 감소시키기 위해서, 본 발명에 의한 복합 열원은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 점화 중에 추가적인 산소를 제공하는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 하나 이상의 산화제를 더 포함할 수 있다. 적합한 산화제는 질산염, 염소산염, 과염소산염, 과망간산염 및 그것의 혼합물을 들 수 있지만, 이것에 제한되는 것은 아니다.
하나 이상의 산화제는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 도처에 실질적으로 균등하게 분포될 수 있다.
대체적으로, 하나 이상의 산화제 및 가연성 연료의 혼합물은 복합 열원의 점화시 '퓨즈'의 역할을 하는 복합 열원의 채널 또는 다른 부분에 국부적일 수 있다. 예를 들면, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스가 적어도 하나의 기류 통로를 포함할 경우, 하나 이상의 산화제 및 가연성 연료의 혼합물은 적어도 하나의 기류 통로에 국부적일 수 있다.
흡연 물품에 사용되는 본 발명에 의한 복합 열원은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소되자마자 약 10 분 동안 열을 발생시킬 수 있는 것이 바람직하다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 가스 교환 장치와 열 교환 장치 중 하나 또는 모두를 위한 하나 이상의 기류 통로를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 복합 열원은 약 400 ℃ 내지 약 800 ℃의 최대 연소 온도를 갖는 것이 바람직하다.
사용시, 본 발명에 의한 복합 열원의 연소 역학은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료에 대한 산소의 흐름에 의해 제어된다. 본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 시간 제어 메카니즘은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 기공 채널을 통한 산소 분자의 확산 속도이다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 기공 채널을 통한 산소 분자의 확산 속도는 온도 증가와 함께 약간 증가한다. 따라서, 약 400 ℃ 내지 약 800 ℃의 안정한 연소 온도를 얻기 위해서, 본 발명에 의한 복합 열원은 고온에서 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소 속도를 제한하기 위해서 추가적인 메카니즘을 포함할 수 있다.
본 발명의 특정 구현예에 있어서, 추가적인 속도 제한 메카니즘은 고온에서 생성되는 가스 분자의 역류일 수 있다. 예를 들면, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료에 탄소가 포함되는 본 발명의 구현예에 있어서, 탄소의 연소로 인한 일산화탄소의 생성은 고온에서 증가한다. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료에 대한 기공 채널을 통해서 흐르는 각 산소 분자는 2개 일산화탄소 분자를 생성시킨 다음, 기공 채널을 통한 복합 열원의 밖으로 흐른다. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스에의 추가 산소 분자의 확산은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 밖으로 일산화탄소 분자의 역류에 의해 지체된다.
대체적으로 또는 추가해서, 가스 분자의 역류는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스에 포함되는 추가적인 구성 요소로부터 가스의 방출에 의해 고온에서 생성될 수 있다. 예를 들면, 적절한 고온에서 열 분해되는 탄산염 또는 수화물은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스에 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 추가적인 속도 제한 메카니즘은 대체적으로 복합 열원의 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 투과성의 열적 활성화 변화일 수 있다. 예를 들면, 비-가연성 다공성의 비정질 세라믹 매트릭스의 소결은 연소 중에 비-가연성 다공성의 비정질 세라믹 매트릭스의 기공 크기를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 복합 열원의 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소 중에 형성되는 용융물의 재분배는 그것의 연소 역학을 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 복합 열원은 낮은 용융점을 갖는 가연성 연료(예를 들면, 알루미늄 또는 마그네슘과 같은)를 포함할 수 있고, 이것은 사용시 모세관력에 의해 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 기공 채널에 스며듬으로써 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 및 기공 채널 단면의 반응성을 변화시킨다.
다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료는 시차 주사 열량측정법(DSC)에 의해 측정된 대로 40×109 J/㎥ 이상의 산화 엔탈피를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 복합 열원에 사용되는 적합한 가연성 연료는 탄소(예를 들면, 숯(목재 숯 분말을 포함) 또는 카본 블랙과 같은), 낮은 원자량의 금속(예를 들면, 알루미늄 또는 마그네슘과 같은), 탄화물(예를 들면, 탄화알루미늄(Al4C3) 및 탄화칼슘(CaC2)과 같은), 질화물 및 그 혼합물을 들 수 있지만, 이것에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 의한 복합 열원에 사용하기에 적합한 가연성 연료는 상업적으로 이용할 수 있다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 부피율은 복합 열원의 약 20 % 이상의 것이 바람직하다.
비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 부피율은 복합 열원의 약 50 % 이하의 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 복합 열원에 사용되는 바람직한 가연성 연료는 필수적으로 하나 이상의 탄소 화합물로 이루어져 있다.
본 발명에 의한 복합 열원의 점화성은 가연성 연료의 입자 크기 및 표면 활성에 의해 제어된다. 일반적으로, 작은 입자 크기를 갖는 미립자의 가연성 연료는 점화되기 쉽다. 그러나, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 작은 입자 크기를 갖는 미립자 가연성 연료의 높은 부피율을 포함하기가 보다 어렵다. 이 도전을 다루기 위해서, 본 발명에 의한 복합 열원은 상이한 크기의 입자를 갖는 미립자의 가연성 연료의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 복합 열원이 상이한 메디안 D50 입자 크기를 갖는 2개 이상의 미립자 가연성 연료를 포함할 경우, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스는 중량 기준으로 가장 많은 양으로 존재하는 미립자의 가연성 연료의 메디안 D50 입자 크기보다 적어도 5배 적은 메디안 D50 입자 크기를 갖는 하나 이상의 미립자 물질로 형성된다.
본 발명에 의한 복합 열원은 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 입자 크기를 갖는 하나 이상의 미립자의 가연성 연료를 포함하는 것이 바람직하다.
가연성 연료는 가연성 연료의 점화 온도를 감소시키기 위해서 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다.
대체적으로 또는 추가해서, 연소 중에 가연성 연료로부터 잠재적으로 바람직하지 않은 가스들의 방출을 감소시키기 위한 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다.
사용시, 본 발명에 의한 복합 열원의 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료는 연소의 요구되는 열을 전달한다.
가연성 연료에 추가해서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스의 부품도 열 발생에 기여할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 의한 복합 열원의 비-가연성 세라믹 매트릭스는 감소된 상태(예를 들면, Fe3O4와 같은)에서 하나 이상의 산화물을 포함할 수 있고, 이것은 발열성의 산화를 통해서 복합 열원의 점화를 지지한다.
본 발명에 의한 복합 열원은 바람직한 형상을 가질 수 있다. 본 발명에 의한 복합 열원의 형상은, 예를 들면 제조 고려 및 성능 요구 조건을 고려해서 바람직한 이용가능한 표면 부분을 제공하도록 유리하게 설계된다.
본 발명에 의한 복합 열원은 실질적으로 원통형이 바람직하다.
본 발명에 의한 복합 열원은 실질적으로 원형 종단면인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 복합 열원은, 예를 들면 슬립 주조, 압출, 사출 성형 및 금형 압축과 같은 적합한 공지의 세라믹 형성방법을 사용해서 생성될 수 있다. 공압출 및 다른 적합한 공지의 기술은, 예를 들면 복합 열원에 농도 기울기가 바람직할 경우 채용될 수 있다. 본 발명에 의한 복합 열원은 푸싱 또는 절단 과정에 의해 더 큰 압축으로 제조될 수 있다.
미립자의 가연성 연료는 적합한 상대 입자 크기를 갖는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스를 형성하기 위해 적합한 양의 하나 이상의 미립자 원료와 하나 이상의 미립자 가연성 연료를 혼합함으로써 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스에 내장될 수 있다.
응집괴의 형성을 방지하거나 감소시키기 위해서, 하나 이상의 미립자 가연성 연료의 입자는 서로 부착되지 않는 것이 바람직하다.
대체적으로 또는 추가해서, 응집괴의 형성을 방지하거나 감소시키기 위해서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스를 형성하기 위한 하나 이상의 미립자 원료의 입자는 서로 부착되지 않는 것이 바람직하다.
하나 이상의 미립자 가연성 연료의 입자는 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스를 형성하기 위해서 하나 이상의 미립자 원료의 입자에 부착되는 것이 바람직하다.
유기 결합제는 형성 공정 중에 사용될 수 있다. 다른 첨가제는, 예를 들면 윤활유, 촉진제, 고형제(소결 조제), 잠재적으로 바람직하지 않은 연소 가스들의 연소 또는 제거와 같이, 예를 들면 공정을 용이(공정 보조제)하게 하기 위해서 포함될 수 있다.
본 발명에 의한 복합 열원의 고형이 열 처리에 의해 행해질 경우, 로(furnace) 분위기는 복합 열원의 요구 조건에 적응해야 한다. 일반적으로, 불활성 또는 환원 분위기는 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 조기 연소를 방지하기 위해서 사용되어야 한다.
열 처리 중, 상 변화는 본 발명에 의한 복합 열원의 구성 요소 일부의 활성을 향상시키거나 그것의 다른 특성을 개선시키기 위해서 사용될 수 있다.
예를 들면, 본 발명에 의한 복합 열원은 Fe2O3를 포함할 수 있고, 이것은 환원되어서 Fe3O4를 형성하며, 이것은 매우 낮은 연소 온도를 갖거나, FeO는 낮은 열 전도도를 갖는다. 이러한 상 변화는 로 분위기(산소 부분압) 및 로에서 순환 온도 시간을 조절함으로써 조절될 수 있다.
임의의 이전에 공정 단계를 견딜 수 없는 첨가제가 추가적인 침투 단계에 의해 본 발명에 의한 복합 열원에 도입될 수 있다. 예를 들면, 열 처리 중에 분해되는 산화제는 염 용액으로부터 침투되고, 이어서 복합 열원의 건조에 의해 본 발명에 의한 복합 열원에 첨가될 수 있다.
본 발명에 의한 복합 열원이 가연성 연료로서 탄소를 포함할 경우, 복합 열원의 표면 근처에 탄소 농축이 유리하게 최종 처리에 의해 감소되어서 연소 중에 일산화탄소 방출 가스를 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 복합 열원의 외부 표면은 복합 열원을 점화시키는 것 없이 국소적으로 탄소를 연소시키기 위해서 프레임 또는 다른 적합한 방법에 의해 빠르게 가열될 수 있다.
본 발명에 의해서, 본 발명에 의한 복합 열원; 및 에어로졸-발생 기질을 포함하는 흡연 물품을 제공하는 것이다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 '에어로졸-발생 기질'은 에어로졸을 발생시키기 위해 가열되자마자 휘발성 화합물을 방출시킬 수 있는 기질을 나타낸다.
본 발명에 의한 흡연 물품의 복합 열원 및 에어로졸-발생 기질은 서로 인접해 있다. 대체적으로, 본 발명에 의한 흡연 물품의 복합 열원 및 에어로졸-발생 기질은 복합 열원의 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소 중에 에어로졸-발생 기질의 점화를 방지하기 위한 적합한 수단(예를 들면, 단열 또는 에어 갭과 같은)에 의해 분리될 수 있다.
본 발명의 특정 구현예에 있어서, 복합 열원은 복합 열원의 하류에 위치되어 있는 에어로졸-발생 기질과 축방향으로 정렬되어 있다. 예를 들면, 본 발명에 의한 복합 열원은 WO-A-2009/022232에 개시된 타입의 가열된 흡연 물품으로 사용될 수 있고, 이것은 가연성 열원, 가연성 열원의 하류에 에어로졸-발생 기질, 및 가연성 열원의 후면부 주위와 접촉해 있고 에어로졸-발생 기질의 전면부와 인접해 있는 열-전도성 부품을 포함한다. 그러나, 본 발명에 의한 복합 열원은 다른 구성을 갖는 흡연 물품에 사용될 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 '상류' 및 '하류'는 사용 중에 흡연 물품을 통해서 흡입되는 공기의 방향과 비교해서 본 발명에 의한 흡연 물품의 구성 요소의 상대적인 위치, 또는 구성 요소의 부분을 설명하는데 사용된다.
본 발명의 대체 구현예에 있어서, 복합 열원은 에어로졸-발생 기질에 의해 둘러싸여 있다.
본 발명의 대체 구현예에 있어서, 에어로졸-발생 기질은 복합 열원에 의해 둘러싸여 있다. 예를 들면, 본 발명에 의한 흡연 물품은 에어로졸-발생 기질을 싸고 있는 실질적으로 중공 원통형의 복합 열원을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 흡연 물품은 복합 열원 및 에어로졸 발생 기질의 하류에 연장실을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 흡연 물품은 복합 열원, 에어로졸-발생 기질 및, 존재할 경우 연장실의 하류에 마우스피스를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 흡연 물품의 에어로졸-발생 기질은 복합 열원을 통해서 흐르는 고온 가스에 의해 접촉될 경우 휘발성 화합물을 방출할 수 있는 어느 물질을 포함할 수 있다. 에어로졸-발생 기질은 담배잎을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 동반되는 도면을 참조로 단지 실시예로서 더 기재될 것이다:
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 의한 흡연 물품의 개략적인 종단면도를 나타낸다;
도 2는 본 발명의 제2 구현예에 의한 흡연 물품의 개략적인 종단면도를 나타낸다;
도 3은 본 발명의 제1 구현예에 의한 복합 열원의 개략적인 종단면도를 나타낸다;
도 4는 본 발명의 제2 구현예에 의한 복합 열원의 종단면도를 나타낸다;
도 5a는 실시예 1에 따라 제조되는 본 발명에 의한 복합 열원을 나타낸다;
도 5b는 실시예 2에 따라 제조되는 본 발명에 의한 복합 열원을 나타낸다.
본 발명의 제1 구현예 및 제2 구현예에 의한 흡연 물품을 각각 도 1 및 도 2에 나타내고, 공동으로 다수의 구성 요소를 갖는다; 이들 구성 요소는 도처에 동일한 참조 번호로 주어진다.
각각의 흡연 물품은 일반적으로 가늘고 긴 원통형 막대(2)를 포함하고, 이것은 하나의 말단에 축방향으로 정렬된 원통형 필터(4)가 부착되어 있다. 가늘고 긴 원통형 막대(2)는 궐련 종이(나타내지 않음)의 외부 포장지로 겉포장되어 있는 원통형 복합 열원(6) 및 에어로졸-발생 기질(8)을 포함한다. 복합 열원(6)은 이하 복합 열원: 실시예 1 또는 복합 열원: 실시예 2에 기재된 대로 제조된다.
도 1에 나타낸 본 발명의 제1 구현예에 의한 흡연 물품에 있어서, 복합 열원(6) 및 에어로졸-발생 기질(8)은 축방향으로 정렬된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 복합 열원(6)은 필터(4)로부터 떨어져 있는 막대(2)의 말단에 위치되어 있고 에어로졸-발생 기질(8)은 필터(4)와 인접해 있는 막대(2)의 말단에서 복합 열원(6)의 하류에 위치되어 있다.
도 2에 나타낸 본 발명의 제2 구현예에 의한 흡연 물품에 있어서, 복합 열원(6)은 에어로졸-발생 기질(8) 내에 위치되어 있고 둘러싸여 있다.
도면에 나타내지 않은 본 발명의 제3 구현예에 있어서, 복합 열원(6)은 중공 원통형 튜브이고 에어로졸-발생 기질(8)은 복합 열원(6) 내에 위치되어 있고 둘러싸여 있다.
3개의 모든 구현예에 있어서, 복합 열원(6)의 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료의 연소 중에 에어로졸-발생 기질(8)의 점화를 방지하기 위해서 단열 또는 에어 갭(10)이 복합 열원(6)과 에어로졸-발생 기질(8) 사이에 제공된다.
사용시, 소비자는 복합 열원(6)의 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 내에 내장된 가연성 연료를 점화시킨 다음, 그 필터(4) 쪽으로 흡연 물품의 막대(2)를 통해 하류로 공기가 흡입된다. 흡입된 공기가 막대(2)를 지나가면서 복합 열원(6)에 의해 가열되고 가열된 공기는, 예를 들면 에어로졸-발생 기질(8) 내에 썰은 담배의 컷 필러로부터 향이 첨가된 증기를 방출시키는 에어로졸-발생 기질(8)을 통해서 흐른다. 에어로졸-발생 기질(8)로부터 방출되는 향이 첨가된 증기는 막대(2)를 통해 하류로 지나가면서 응축되어 소비자의 구강으로 필터(4)를 통해 지나가는 에어로졸을 형성한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 흡연 물품에 사용되는 본 발명의 제1 구현예 및 제2 구현예에 의한 복합 열원을 각각 도 3 및 도 4에 나타낸다. 도 3 및 도 4에 나타낸 복합 열원은 공동으로 다수의 구성 요소를 갖고; 이들 구성 요소는 도처에 동일한 참조 번호로 주어진다.
각각의 복합 열원은 실질적으로 원형 횡단면의 원통형이고 일반적으로 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16) 및 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16) 내에 내장된 복수의 가연성 연료(18)의 입자를 포함한다.
도 3에 나타낸 본 발명의 제1 구현예에 의한 복합 열원은 외부 절연층(20)을 더 포함하고, 이것은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)를 싸고 있으며 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)와 같이 동일하거나 상이한 물질로 형성될 수 있다.
도 4에 나타낸 본 발명의 제2 구현예에 의한 복합 열원은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)를 통해서 축방향으로 연장되는 중앙의 원통형 기류 통로(22)를 포함한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 촉매 물질(24)의 층(예를 들면, 산화철 또는 산화마그네슘과 같은)은 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)의 내부 표면과 기류 통로(22) 사이에 배치되어 있다.
도면에 나타내지 않은 본 발명의 대체 구현예에 있어서, 도 3 및 도 4에 나타낸 외부 절연층(20) 및 촉매 물질(24) 층은 각각 생략될 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다.
도면에 나타내지 않은 본 발명의 추가 구현예에 있어서, 본 발명에 의한 복합 열원은 외부 절연층과 촉매 물질 층 모두를 포함할 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다.
복합 열원: 실시예 1
본 발명에 의한 복합 열원은 미국 매사추세츠의 Alfa Aesar로부터 상업적으로 이용할 수 있는 0.140 ㎛의 메디안 D50 입자 크기를 갖는 산화철(Fe2O3) 236 g, 네덜란드 아메르스포르트의 Norit Nederland BV로부터 상업적으로 이용할 수 있는 4 ㎛의 메디안 D50 입자 크기를 갖는 NORIT A Special E153 분말형 활성 탄소 52 g, 독일 함부르크의 Holzkohlewerk Luneburg로부터 상업적으로 이용할 수 있는 45 ㎛의 메디안 D50 입자 크기를 갖는 경재 숯 분말 104 g 및 독일 빌레펠트의 Wilhelm Priem GmbH & Co. KG로부터 상업적으로 이용할 수 있는 0.6 ㎛의 메디안 D50 입자 크기를 갖는 지르코니아(ZrO2) 190 g을 유성 혼합기에서 혼합함으로써 제조된다. 믹싱은 밀가루 125 g, 당분 64 g, 콘유 14 g 및 구연산칼륨 24 g의 첨가로 행해진다. 물이 혼합물에 천천히 첨가되어서 압출 가능한 페이스트가 얻어진다.
페이스트는 실험실 스크류 압출기를 사용해서 다이를 통해 압출된 다음, 약 30 ㎝의 길이 및 약 7.8 ㎜의 지름을 갖는 원형 단면의 원통형 막대가 형성된다. 약 1.66 ㎜의 지름을 갖는 3개의 종방향의 기류 통로는 다이 오리피스에 탑재된 원형 단면의 맨드릴에 의해 원통형 막대로 형성된다.
압출 후, 원통형 막대는 홈이 있는 플레이트 상에서 건조된다. 건조 후, 원통형 막대는 약 10 ㎝의 길이를 갖는 조각으로 절단된다. 조각은 1.3 시간 동안 실온~100 ℃ 이상에서 아르곤 분위기 하에 로에서 가열된 다음, 2시간 동안 100 ℃~700 ℃ 이상에서 가열된다. 700 ℃에서 0.3 시간 동안 체류 후, 로는 실온으로 냉각된다.
형성되는 각각의 복합 열원은 노란 불꽃의 라이터를 사용해서 점화될 수 있고 780 ℃의 최대 연소 온도로 12 분 동안 연소되는 것을 발견하였다.
연소 후, 복합 열원은 기계적으로 단단하고, 예를 들면 손가락으로 파열시킬 수 없다. 더스팅은 낮다. 연소 후, 복합 열원은 주요한 경고문 없이 다루어질 수 있다.
복합 열원: 실시예 2
본 발명에 의한 복합 열원은 미국 매사추세츠의 Alfa Aesar로부터 상업적으로 이용할 수 있는 0.140 ㎛의 메디안 D50 입자 크기를 갖는 산화철(Fe2O3) 236 g, 네덜란드 아메르스포르트의 Norit Nederland BV로부터 상업적으로 이용할 수 있는 4 ㎛의 메디안 D50 입자 크기를 갖는 NORIT A Special E153 분말형 활성 탄소 52 g, 독일 함부르크의 Holzkohlewerk Luneburg로부터 상업적으로 이용할 수 있는 45 ㎛의 메디안 D50 입자 크기를 갖는 경재 숯 분말 104 g 및 독일 빌레펠트의 Wilhelm Priem GmbH & Co. KG로부터 상업적으로 이용할 수 있는 0.6 ㎛의 메디안 D50 입자 크기를 갖는 지르코니아(ZrO2) 190 g을 유성 혼합기에서 혼합함으로써 제조된다. 믹싱은 밀가루 125 g, 당분 64 g, 콘유 14 g 및 구연산칼륨 24 g의 첨가로 행해진다. 물이 혼합물에 천천히 첨가되어서 압출 가능한 페이스트가 얻어진다.
페이스트는 실험실 스크류 압출기를 사용해서 다이를 통해 압출된 다음, 약 30 ㎝의 길이 및 약 7.8 ㎜의 지름을 갖는 원형 단면의 원통형 막대가 형성된다. 약 1.66 ㎜의 지름을 갖는 3개의 종방향의 기류 통로는 다이 오리피스 내에 탑재된 원형 단면의 맨드릴에 의해 원통형 막대로 형성된다.
압출 후, 원통형 막대는 홈이 있는 플레이트 상에서 건조된다. 건조 후, 원통형 막대는 약 10 ㎝의 길이를 갖는 조각으로 절단된다. 조각은 1.3 시간 동안 실온~100 ℃ 이상에서 질소 분위기 하에 로에서 가열된 다음, 1.9 시간 동안 100 ℃~680 ℃ 이상에서 가열된다. 680 ℃에서 0.2 시간 동안 체류 후, 로는 실온으로 냉각된다.
형성되는 각각의 복합 열원은 파란 불꽃의 라이터를 사용해서 점화될 수 있고 800 ℃의 최대 연소 온도로 12 분 동안 연소되는 것을 발견하였다.
연소 전과 후에 복합 열원은 기계적으로 단단하고, 예를 들면 손가락으로 파열시킬 수 없다. 더스팅은 최소이다.

Claims (15)

  1. 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16); 및
    비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16) 내에 내장된 미립자 가연성 연료(18)를 포함하는 흡연 물품용 복합 열원(6)으로서,
    상기 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)는 미립자 가연성 연료의 메디안 D50 입자 크기보다 적어도 5배 적은 메디안 D50 입자 크기를 갖는 하나 이상의 미립자 물질로 형성되고 상기 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)에 내장된 가연성 연료(18)의 부피율은 복합 열원(6)의 50% 이하인 복합 열원(6).
  2. 제1항에 있어서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)는 하나 이상의 산화물을 포함하는 복합 열원(6).
  3. 제2항에 있어서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)는 하나 이상의 전이 금속 산화물을 포함하는 복합 열원(6).
  4. 제2항에 있어서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)는 산화철; 산화망간; 지르코니아; 석영; 및 비정질 실리카로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 산화물을 포함하는 복합 열원(6).
  5. 제1항에 있어서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)는 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛의 지름의 기공을 갖는 복합 열원(6).
  6. 제1항에 있어서, 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)는 1×10-6 ㎡/s 이하의 열 확산율을 갖는 복합 열원(6).
  7. 제1항에 있어서, 가연성 연료(18)는 40×109 J/㎥ 이상의 산화 엔탈피를 갖는 복합 열원(6).
  8. 제1항에 있어서, 가연성 연료(18)는 탄소, 알루미늄, 마그네슘, 하나 이상의 금속 탄화물, 하나 이상의 금속 질화물 또는 이들의 조합을 포함하는 복합 열원(6).
  9. 제1항에 있어서, 상기 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)는 연료의 연소에 의해 생성되는 가스의 분해를 위해서 적어도 하나의 촉매를 더 포함하는 복합 열원(6).
  10. 제1항에 있어서, 연료의 연소에 의해 생성되는 가스의 분해를 위해서 적어도 하나의 촉매를 더 포함하고, 여기서, 상기 적어도 하나의 촉매는 상기 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16) 내에 내장되어 있는 복합 열원(6).
  11. 제1항에 있어서, 상기 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16) 내에 내장되어 있는 하나 이상의 산화제를 더 포함하는 복합 열원(6).
  12. 제11항에 있어서, 하나 이상의 산화제는 질산염; 염소산염; 과염소산염; 및 과망간산염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 복합 열원(6).
  13. 제1항에 있어서, 상기 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스(16)는 적어도 하나의 기류 통로(22)를 더 포함하는 복합 열원(6).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 복합 열원(6); 및
    에어로졸-발생 기질(8)을 포함하는 흡연 물품.
  15. 제1항에 있어서, 상기 비-가연성 다공성의 세라믹 매트릭스 (16)의 표면의 적어도 일부는 연료의 연소 중에 생성되는 가스의 분해를 위해서 촉매의 층으로 피복된 복합 열원(6).
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