DE2539710C2 - Verfahren zum Filtrieren von Tabakrauch und Tabakfilter - Google Patents

Description

65

Die Erfindung betrlffl ein Verfahren zum Filtrieren von Tabakrauch, wobei der Tabakrauch vor dem Eintreten in ein Mundstück durch strahlenl'Orniig in den Rauchkanal zugefuhrte Außenluft unter den Taupunkt mehrerer Rauchkomponenten gekühlt und gegen einen Im Rauchkanal vorgesehenen Kondensationsstab geführt wird. Pie Erfindung betrifft ferner ein Tabakfilter zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es sind verschiedene Arten von Pfeifen- oder Zigarettenspitzen mit Filtereinsätzen bekannt, deren Ziel es ist, schädlich- Substanzen, wie Teere, Nikotin, 3-4-Benzpyren etc. aus dem Tabakrauch herauszufüttern. Diese Tabakfirter bekannter Art besitzen jedoch alle gewisse Nachteile, sie sind zu schwer, zu teuer, bewirken eine ungenügende Filtration und/oder Kühlung des Rauches, Ihre Säuberung ist schlecht, ihr Gebrauch oftmals beschwerlich, da der Widerstand beim Rauchen zu groß ist, oder es erfolgt eine frühzeitige Verstopfung durch Teer, es besteht Verschmutzungsgefahr, oder der Rauch verliert seinen Geschmack. Derartige Tabakfilter lassen sich oft leicht zerstören; außerdem gestatten diese Tabakfilter es nicht, den Tabak sicher und ohne Geschmacksverlust aufzurauchen. Bei Wasserfiltern stört außerdem die lästige Behandlung des Wassers.

Aus der CH-PS I 20 320 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei dem eine sehr geringe Anzahl von Frischluftkanäien vorgesehen ist. Die einströmende Frischluft kühlt den Rauch lediglich ab und ruft am Umfang eine unregelmäßig verteilte turbulente Bewegung hervor.

An einem zentralen Kondensationsstab kondensieren einige der schädlichen Rauchkomponenten. Ein Großteil der schädlichen Rauchkomponenten, die nicht mit dem Kondensationsstab in Berührung kommen, bleibt jedoch im Rauch enthalten und wird vom Raucher inhaliert. Um den Kondensationsstab möglichst wirksam auszugestalten, muß dieser eine relativ große axiale Baulänge besitzen und eine große Wärmekapazität aufweisen, wodurch dieses bekannte Filter sich zum Einsatz als integrales Tabakfilter für Zigaretten wenig eignet.

Aus der DE-OS 23 16 621 ist ferner ein Mundstück zum Rauchen von Tabak bekannt, 'jel dem unmittelbar vor der Mundöffnung ein Filter eingebaut ist und vor dem Filter ein freier Raum mit dsm Rauch-Einlaßkanal durch eine Radialbohrung kommuniziert, die einen wesentlich geringeren Durchmesser als der Einlaßkanal besitzt und dadurch im Rauch befindliche Schadkomponenten verflüssigen soll. Dieses bekannte Mundstück ist aufwendig aufgebaut, es besteht darüber hinaus die Gefahr, daß sich die verengte Radialbohrung zusetzt, und der Rauch wird nicht in gewünschtem Umfang abgekühlt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und ein Tabakfilter zum Filtrieren von Tabakrauch zu schaffen, bei dem die unerwünschten Komponenten des Tabakrauchs besonders wirkungsvoll ausgefillert, und insbesondere die gefährlichen Substanzen des Tabakrauchs, wie 3-4-Benzpyrene in hohem Maß aus dem Tabakrauch abgesondert werden, wobei das Tabakfilter besonders einfach und billig herstellbar sein soll und eine kurze Baulänge bei leichtem Gewicht besitzen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren aus dem Anspruch I gelöst.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Tabakftlter gemäß dem Anspruch 2 gelöst.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin. daß die über den gesamten Umfang strahlenförmig eintretende Außenluft im Rauchkanal mehrere schädliche Komponenten des Tabakrauchs unter den Taupunkt abkühlt und dann teilweise durch Sirönuingsiransport

21 39 710

auf dem Schlagstab i_n Form schwarzer Punkte an den Auftreffstellen der Außenluftstranlen ablagen. Die auf diese Weise extrahierte Menge der Schadstoffe laßt sieh durch die Anzahl und den Durchmesser der im Süßeren Hubzylinder enthaltenen Löcher bei relativ kurzer Baulange des Kondensationsstabes festlegen. Anschließend wird der abgekühlte Tabakrauch mit einem geeignet eingestellten restlichen Anteil flüssiger Komponenten durch ein Ringzwischenfilter durchgelettet, welches von den flössigen Rauchk-omponenien schlagartig in ein Naßfilter umgewandelt wird und die unerwünschten Rauehkomponenten dann besonders wirkungsvoll abfiltert. Die Kombination beider Extruktionseffekte, einmal des punktförmigen Extrahierens der Schadstoffe durch Luftströmung, die auf dem Schlagstab auftrifft, und andererseits die FiI-terung durch den als Naßfilter wirkenden Ringzwischenfilter ist besonders wirkungsvoll und wird mit einem einfach und billig herstellbaren Filteraufbau verwirklicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Irr folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Tabakfilter nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Vorderansicht des in Fig. I dargestellten Tabakfilters, gesehen in Richtung A-A';

Fig. 3 einen erfindungsgeniiißen Tabakfilter, in den das Mundstück einer Zigarette eingeschoben ist;

Fig. 4 die Menge der abgelagerten Rauchsubsianzen als Funktion der axialen Länge des Filters, für ein Zigarcttenfilter bekannter Art und ein erfindungsgemäßes Tabakfilter nach gleichmäßiger Verteilung in den Filtern durch Diffusion; es ist ein linearer Verlauf der filtrierten Substanzen als Funktion der Filterlänge angenommen, jedoch ergeben sich bei konkavem oder konvexem Verlauf ähnliche Ergebnisse;

Fig. 5 die auf d.is Einheitsvolumen (ml) bezogene abgelagerte Menge (mg) von Rauchsubstanzen eines Zigarettenfilters bekannter Art und des Tabakfilters als Funktion derjenigen Zeit, die seit Beginn des Rauchvorganges und bei einer vorgegebenen Rauchgeschwindigkeil verstrichen ist;

Fig. 6 den Strömungswiderstand R₁, für Luft, die an seitlich angebrachten Löchern des Tabakfilters ausströmt, und den Strömungswiderstand R, für Tabakrauch als Funktion des Gewichtsverhälinissei= Rauch/Luft;

Fig. 7 einen axialen Schnitt einer Ausführungsform des den Tabak haltenden Teils des Tabakfilters;

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung des in Flg. 7 gestrichelt abgegrenzten Bereiches; und

Fig. 9 die abgelagerte Menge der Rauchsubstanzen eines crfindungsgemäßen Tahakfilters und eines Zigarettenfilters bekannter Art als Funktion der axialen Länge der Filter.

Der Aufbau des Tabakfilters ist in den F i g. 1 bis 3 dargestellt. Ein zylinderförmigsr, poröser Filter 1 stellt das Mundstück dar, der vom Mund des Rauchers gehalten wird. Der Durchmesser des Mundstücks 1 liegt bevorzugt zwischen 7 bis 10 mm, er beträgt gewöhnlich etwa 8 mm. Die Länge des Mundstücks 1 liegt bevorzugt zwlsehen 3 und 30 mm, sie beträgt gewöhnlich 5 mm. Ein Hohlzylinder 2 schließt an das Mundstück 1 gleichachsig an, vgl. Fig. I. Der äußere Durchmesser des Zylinders 2 entspricht dem Außendurchmesser des Mundstücks 1, beträgt also bevorzugt 7 bis 10 mm, gewöhnlich etwa 8 mm. jedoch sind aucli über 10 mm liegende Durchmesser möglich. Die Länge des Hohlzylinders 2 liegt bevorzugt zwischen 6 und 60 mm.

Der Hohlzyllnder 2 besteht entweder aus durchsichtigem, halbdurchsiPhtlgem oder undurchsichtigem Material, z, B, aus Cellophan, Durch das Mundstück 1 und den hohlen Zylinder 2 wird ein Innenraum 4 ausgebildet, In der Wand des Hohlzylinders 2 sind Löcher 5 vorgesehen, d|e nebeneinander am Umfang der Zylinderwand senkrecht oder schräg gegen einen eingesetzten Schlagstab 6 verlaufend angeordnet sind und über der ganzen Länge des Schlagstabes 6 vorgesehen sind.

to Der Durchmesser der Löcher in der Wand des Zylinders 1-ist: bevorzugt sehr klein und,beträgt etwa 0,0,1 bis 0,3inVm; Die Löcher besitzen im allgemeinen alle, denselben· Durchmesser und sind voneinander in geeignetem Abstand; z. B. I mm, in der Wand des Hohlzylinders 2 angeordnet.

Ein den Tabak aufnehmendes Teii 3 Ist gleichachsig an das dem Mundstück 1 abgewandte Ende des hohlen Zylinders 2 angeschlossen und mit diesem verbunden. Der Innendurchmesser des Teils 3 entspricht im allgemeinen den Außendurchmesser üblicher, käuflicher Zigaretten. Die Länge des Teils 3 bet-. ^t bevorzugt zwischen 4 und 60 mm. Teii 3 besteht bevufz'igt aus Papier. In die offene Öffnung 13 des den Tabak aufnehmenden Teils 3 wird eine normale Zigarette eingesetzt oder eingeschoben.

Der zylindrische Kondensationsstab fi besieht aus festem Material und besitzt eine axiale Länge, die der Länge des Hohlzylinders 2 von etwa 6 bis 60 mm entspricht. Der Durchmesser des Kondensationsstabes 6 ist kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders 2, er beträgt z. B. 6 mm, sofern der Innendurchmesser des Zylinders 2 8 mm beträgt. Der Kondensalionsstab 6 Ist koaxial in dem Hohlzylinder 2 innerhalb des Innenraumes 4 angeordnet.

An den Stirnseiten des Kondensationsstabes 6 befindet sich je ein zentraler Ansatz 7 und 8. Der Ansatz 7 schließt an das Zentrum des Mundstücks 1 fest an und dient dazu, den Kondensationsstab 6 koaxial gegen den Hohlzylinder 2 auszurichten und anzuordnen.

Der Ansatz 8 dient als Stoppglied, der die Endlage der in die Öffnung 13 eingeführten Zigarette festlegt.

Die Länge der beiden Ansätze 7 und 8 betragen etwa 3 bis 6 mm, sie können auch länger bemessen sein. Der Durchmesser der Ansätze 7 und 8 ist wesentlich kleiner als der des Kondensationsstabes 6 und liegt z. B. bei I mm.

Zwischen dem Hohlzyllnder 2 und der zylindrischen Oberfläche des Kondensationsstabes 6 Ist ein Zwischenraum als Rauchkanal 12 für den Tabakrauch ausgebildet.

Ein poröser Ringzwischenfilter 9 mit derselben Ringform wie der Rauchkanal 17. Ist In etwa der Mitte des Kondensationsstabes 6 im Rauchkanal 12 angeordnet und füllt ihn vollständig aus, die innere Wand 10 des Zwischenfllteri 9 .'igi sich dicht um die Oberfläche des Kondensationsstabes 6, und die äußere Wand 11 des Ringzwlschenfilters 9 legt 6lch dicht um die Inner, vand des Hohlzylinders 2. Die axiale Länge des Ringzwischenfilters 9 liegt in der Größenordnung 0,1 bis 10 mm, sie beträgt bevorzugt I bis 3 mm. Der Ringzwischenfilter 9 trennt den Innenraum 4 In zwei Teile, In eine vordere Kammer 4' und eine hintere Kammer 4". Der Tabakrauch muß mindestens einmal durch den RingtWischenfilter 9 hindurchtreten.
In der erfindungsgemäßen Anordnung Ist bevorzugt ein Ringzv.ischenflltpr 9 vorgesehen, jedoch sind in besonderen Fällen auch zwei, drei oder mehr Rlngzwischenfilter 9 In entsprechendem Abstand voneinander längs des Schlagstabes 6 angeordnet.

In Flg. 7 und 8 ist eine bevorzugte Ausführungsform des tabakaufnehmenden Teils 3 dargestellt. Teil 3 besitzt eine dünne, weiche und elastische innere Schicht 16, die auf der Innenwand des Teils 3 im Abstand von etwa 0,1 bis 10 mm. bevorzugt von 1 bis 3 mm, der Vorderkante der Öffnung 13 angeordnet ist. Die Innenschicht 16 besteht bevorzugt aus dünnem, weichem, elastischem Papier oder aus einer entsprechenden Kunstharzschicht, wie z. B aus einem dünnen Vlnylharzfllm. Der Innere Durchmesser der Innenschicht 16 entspricht bei dieser Ausführungsform dem Außendurchmesser von Filtern normaler, käuflicher Zigaretten.

Die in Fig. " und 8 dargestellte Ausführungsform des tabakaufnehmenden Teils 3 erleichtert das Einführen und das Festklemmen des entsprechenden Zigaretlenfillers erheblich, da die Öffnung 13 einen geringfügig größeren Durchmesser und damit einen Spielraum 18 über die Einführlänge 17 besitzt, als zur festen Aufnahme der /igarettenfilier erforderlich ist. vgl. Fig. 8.

Während das lanakaufnehmenue Teil 3 bevorzugt aus ι» Materialien, wie / B. dicke, starke, steife Papiere. besteht, wird Tür die Innenschicht 16 bevorzugt dünneres, weicheres und elastisches Papier oder Vinylfilme etc. verwendet Eine derartige Kombination aus zwei geeigneten Materialien gestattet zusammen mit Spielraum 18 ein wesentlich leichteres Einführen der Zigarette in die Öffnung 13 des Teils 3. Außerdem erzeugt diese Kombination zweier geeigneter Materialien zusammen mit der Einführlänge 17 und dem Spielraum 18 einen Abdichtungseflekt /wischen Teil 3 und dem Tabak, bedingt insbesondere durch die hohe Elastizität der dünnen Innenschicht 16. Wird ein Vinylfilm für die Innenschicht 16 verwendet, so ist Teil 3 gegen Fe^chtigkeiiseinflüsse geschützt. Dies ist vorteilhaft, da Tabakrauch einen hohen Wasserdampfanteil enthalt.

Materialien, v. ie Vinylfilme. Siliconharzfilme oder Filme aus ahnlichen synthetischen Harzen für die Innenschicht 16 ergeben eine sehr glatte Oberfläche der Schicht Ifi. wodurch das Einschieben der Zigarette in den Teil 3 erleichtert wird

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Tabakfiliers ist folgende:

Der Tabakfilter besitzt eine Lufteinsaug-. Kühl-. Niederschlags- und Extraktionswirkung. Durch die Löcher 5 tritt beim Rauchen kühle Luft von außen in den Rauch- «5 kanal 12 hinein. Die Löcher 5 sind am Umfang so gebohrt, daß die durch die Löcher einströmende Außen-IuIt strahllörmia eintritt. Die Luftstrahlen schlagen den Tabakrauch wirkungsvoll und kraftig auf den Kondensationsstab 6. der in geeigneter W eise in ilen Rauchkanal ^o gelegt ^ic'.. damit sich der Tabakrauch dort niederschlagt. Im Fall der Fig. ι ist dieser Kondensationsstab 6 als fester, undurchlässiger Rundstab ausgebildet. Bei andersartig ausgebildeten Rauchkanälen sind entsprechend angepaßte Querschnitte erforderlich, bei einem dreieckförmigen Querschnitt des Rauchkanals, also z. B. ein dreieckförmiger Kondensationsstab, bei einem viereckförmigen Rauchkanal ein viereckförmiger Kondensationsstab USW

Die strahlförmig eintretende Außeniuft vermischt sich sofort mit dem innerhalb des Rauchkanals 12 strömenden Tabakrauch, der sich auf dem Kondensationsstab 6 niederschlägt, da er durch molekularen direkten Wärmeaustausch mit der kalten Außenluft sich sehr schnell abkühlt. Es lassen sich daher auf diese Weise die Rauch- ^K komponenten, wie Teer, Nikotin. 3-4-Benzpyren. Wasserdampf etc.. haftend auf der Oberfläche des festen Schlagstabes 6 als schwarze punktförmige Ablagerungen an den Auftreffpunkten der Luftstrahlen extrahieren. Die doppelte Wirkung dieser Erscheinung Ist begründet durch das Niederschlagen des Tabakrauchs auf die Oberfläche des Kondensationsstabes mittels Strömungstransport durch die Luftstrahlen und durch die zusätzliche gleichzeitige schnelle Abkühlung des Rauches. Durch die sehr rasche Abkühlung des Tabakrauches erreichen einige Rauchkomponenten ihren Taupunkt, wodurch diese Rauchkomponenten sich auf der festen Oberfläche des Schlagstabes 6 besonders niederschlagen und extrahiert werden können.

Eine weitere Funktion des erflndungsgemäßcn Tnbakfilters besteht in de r sehr schnellen, automatischen Bildung eines Naßfilters. Der Ringzwischenflller 9 Ist ein poröser Filter und unterscheidet sich nicht von käuflichen porösen Filtern bekannter Art aus Baumwolle. Fiber etc. Der Ringzwischenfilter 9 ist jedoch so ausgebildet, daß er aufgrund seiner Ringform und des ringförmigen Rauchkanalquerschniltes kleiner als der eines gewöhnlichen Zigareiieniiiters isi. Ein Zigaieiierifiiiei bekannter Art mit einem Durchmesser von 8 mm besitzt einen Querschnitt von 16 η mm¹. Der ringförmige Querschnitt des Zigareitenfilters 9 wird dagegen bei einem Innendurchmesser des Hohlzyllnders von 8 mm und einem äußeren Durchmesser des Schlagstabes von 6 mm den Wert (4'-3^;) π = 7 π nmr besitzen, d. h. weniger als die Hälfte des üblichen Zignrettenfilters. Wenn die Menge ) Zigarettenrauch während einer bestimmten Zeit ι durch beide Filter strömt, dann beträgt die pro Flächeneinheit und Zeiteinheit durch den Querschnitt des Zwischenfilters 9 hindurchströmende Rauchmenge )77 π ί. die durch ein übliches Zigarettenfilter hindurchströmende Menge dagegen )/16 η ι. Im Zwischenfilter 9 strömt der Tabakrauch daher mit etwas mehr als der doppelten Dichte als das bei üblichen Zigarettenfiltern der Fall ist. Es ist daher möglich. Teere, Nikotin. 3-4-Benzpyren. das aus Wasserdampf umgesetzte Wasser, das in großen Mengen im Tabakrauch enthalten ist. etc.. in doppelter Menge pro Volumeneinheit des Filters pro Zeiteinheit in dem Zwischenfilter 9 zu fangen.

Der Zwischenfilter 9 ist außerdem so bemessen, daß seine axiale Länge kürzer ist als die bekannten Zigarettenfilter mit einer Länge von 15 bis 20 mm und z.B. etwa 2 mm beträgt. Das Volumen des Zwischenfilters 9 mit einem Querschnitt von 7 π mm¹ und der Länge von 2 mm beträgt dann etwa Vn des Volumens eines bekannten Zigarettenfilters. Die Rauchkomponenten, die in dem Filter vorwiegend als Flüssigkeiten eingefangen wurden, sind bestrebt, sich durch Diffusion gleichförmig mit konstanter Dichte über das ganze Filtervolumen zu verteilen. Bei einer ursprünglich linearen, konkaven oder konvexen Verteilung der schädlichen Tabakrauchsubstanzen über die axiale Länge des Filters, ist nach erfolgter Diffusion die Dichte der eingefangenen Rauchkomponenten im Zwischenfilter 9, vgl. Fi g. 4, aufgrund seiner kürzeren axialen Länge viel höher als in den gewöhnlichen Tabakfiltern.

Die kühle Außenluft dringt strahlförmig durch die Löcher 5 in den Rauchkanal 12 und die Kammer 4" ein. Dort mischt sich die kühle Luft mit einer Temperatur von etwa 10° C rasch und innig mit dem Tabakrauch, der eine Temperatur von etwa 900° C besitzt. Unter der Annahme, daß sich eine bestimmte Einheitsmenge von kühler Außenluft in der Kammer 4" mit derselben Einheitsmenge Tabakrauch, die durch den Rauchkanal 12 hindurchströmt, mischt, und unter der Annahme gleicher spezifischer Wärme für Tabakrauch und Außenluft, wird die Temperatur .des Außenluft/Rauchgemisches

aufgrund eines heftigen molekularen Wärmeaustausches tier Gasmoleküle rasch his nuf etwa 45(F C absinken. Aus diesem Grund werden Teile des Teers, des Nikotins, des 3-4-Benzpyrens und des Wasserdampfs eic. verflüssigt. (Gasförmiges 3-4-Benzpyren wird flüssig, wenn die Gastemperalur unter etwa 450° C bei Aimosphilrendruck gesunken Ist). In flüssiger Form lassen sich die genannten Stoffe viel leichter In dem porösen Ringzwlschenfllter 9 fang/i.i als In gasförmigem Zustand.

Die genannten Eigenschaften des Tabakflliers wirken in Kombination so effektiv zusammen. dal3 nach dem ersten oder zweiten Zlgurettenzug, d. h. etwa 5 bis 6 Sekunden nach Beginn des Rauchvorganges, die Filtrierung von Rauchkomponenten. wie Teer, Nikotin, 3-4-Ben/pyren. Wasser etc.. in dem Rlngzwischenfilter 9 etwa 10- bis 20mal starker als In bekannten Zigaretienflltern lsi Es verwandelt sich dadurch der Rlngzwisehenfilter 9 automatisch und schnell Innerhalb der genannten 5 bis (i Sekunden nach Beginn des Rauchvorganges In einen ieuchieii. nassen riiier, uei bei Beginn rik'hi nai.i war. während gewöhnliche Zigarettenfilter während des gesamten Rauchvorganges trocken und porös bleiben und nur geringfügig feucht werden. Nach einer bestimmten Zelt nimmt die abfiltrierte Menge der Tabakrauchkomponenten Im Rlngzwlschenfllter 9 den in Fig. 9 dargestellten Verlauf an. Die Höhe // zeigt die kombinierten Auswirkungen von der Kühlung des Tabakrauchs durch kühle Außenlufteinsirömungen und außerdem durch einen verringerten Rauchkanal, durch den der Tabakrauch mit erhöhter Dichte durch den Rlngzwischenfilter 9 hindurchläufi. Der Fig. 4 läßt sich entnehmen, wie auf der gv-NÜr/ten Lunge des Ringzwischenfilters 9 sich die erhöhte Durchschnittsdichte der abgelagerten Rauchkomponenten bildet.

Aufgrund der automalischen, sehr raschen Umwandlung des Ringzwischenfilters in einen Naßfilter wird die filtrierte Menge der ,chädlichen Rauchkomponenten von Beginn an stark erhöht, vgl. Fig. 5.

Nachdem der Ringzwischenfilter 9 sich in einen Naßfilter umgewandelt hat. wirkt er als zusätzlicher starker Filter, der zuvor nicht existierte. Der Tabakfilter besitzt also die Eigenschaft, daü die restlichen, nicht auf dem Schlagstab abgelagerten schädlichen Substanzen des fabakrauches. wie Teer. Nikotin. 3-4-Benzpyren und Wasser, zurückgehalten werden.

Die Filterwirkung des von selbst naß gewordenen Ringzwischenfilters 9 läßt sich aus Fig. 5 entnehmen, aus der erkennbar ist. daß der Ringzwischenfilter 9 trotz des vergleichsweise kleinen Volumens das 2- bis 3fache an schädlichen Substanzen von der in gewöhnlichen Zigaretienfiliern aufgefangenen Menge auffängt.

Die abgetrennte und im Filter abgelagerte Stoffnienge G läßt sich folgendermaßen ausdrucken:

G = Füterleistung χ Filtervolumen

Hierin ist G die abgelagerte Stoffmenge, die Filterleistung ist definiert als abgelagerte Menge der Rauchkomponenten in Gewichtseinheit bei einer bestimmten Rauchgesrhwindigkett nach einer Zeit 7", die seit Beginn des Rauchvorganges abgelaufen ist, durch das Filtervolumen.

Das Filtervolumen des ringförmigen Zwischenfilters 9 kann V20 oder noch kleiner als das eines gewöhnlichen Zigarettenfilters sein, die Filterleistung des ringförmigen Zwischenfilters 9 beträgt jedoch in seinem nassen Zustand leicht das 40- bis 60fache eines üblichen Zigarettenfilters, vgl. Fig. 5. Deswegen beträgt G in Gleichung

(1) für das Rlngzwischenfilter 9 leicht das 2- bis 3fache des Wertes für ein gewöhnliches /Igarettenfllter.

Eine wichtige Eigenschaft des Ringzwischenfilters 9 besteht darin, daß der Geschmack des Tabakrauches bei Durchlaufen des Zwischenfilters 9 keine Veränderung erfährt, da die Geschmackssubstanzen des Tabakrauches so flüchtig sind, daß sie schon bei sehr niedriger Temperatur verdampfen. Vielmehr wird durch Verwendung des erfindungsgemäßen Tabakfllters der Geschmack des Tabakrauches verbessert, da die geschmacksbeeinträchtigenden Substanzen, wie Teere, überflüssiges Nikotin. 3-4-Ben?.pyren etc. entfernt werden, während die Geschmackssubstanzen unberührt Im gasförmigen Zustand Im Tabakrauch verbleiben.

Eine weitere Eigenschaft des Tabakfilters bestehl In einer »Unterdruck-Extraklion«. Diese sog. Unterdruck-Extiaklion erfolgt dadurch, daß der In die Kammern 4' und 4" des Raumes 4 hineinströmende Tabakrauch sich adiabatisch expandiert und dabei die Temperatur des

iö Rauches augenblicklich herabsei/t, weswegen sich einige Komponenten des Rauches abscheiden.

Eine weitere Eigenschaft des Tabakfllters besteht in der »Mundstück-Filtration«, d. h. in der Abtrennung bestimmter Rauchkomponenten im Mundstück I.

Der Tabakfilter filtriert das für die menschliche Lunge so gefährliche und krebserregende 3-4-Benzpyren nahezu vollständig aus dem Tabakrauch. 3-4-Benzpyren wird bei etwa 450° C und 1 ata flüssig, und diese Verflüssigung kann mittels der strahlförmigen Einströmung von kühler Außenluft in die Kammer 4" bewirkt werden. Durch die Einströmung der kühlen Außenluft erfolgt in der Kammer 4" augenblicklich die Verflüssigung von 3-4-Benzpyren. Dieses verflüssigte 3-4-Benzpyren wird im Zwischenfilter 9 und im Mundstück 1 viel leichter und effektiver filtriert, als wenn es im Gaszustand verblieben wäre.

Der direkte Niederschlag von 3-4-Benzpyren auf dem Kondensationsstab 6 trägt ebenfalls zur Beseitigung dieser gefährlichen Substanz bei.

Eine besonders charakteristische Eigenschaft des Tabakfilters besteht darin, das Luft/Rauch-Mischungsverhältnis automatisch zu regulieren. Der Strömungswiderstand Rh der von außen durch die Löcher 5 in den Rauchkanal 12 einströmenden Außenluft liißt sich gemäß Fig. 6 festlegen, wenn der Flußkoeffizient der Löcher 5 entsprechend ausgewählt ist. was sich leicht bewerkstelligen läßt. Da die Löcher 5 sehr kleine Durchmesser besitzen, lassen sich die Durchmesser entsprechend auswählen, ferner läßt sich der Zwischenraum des Rauchkanals 12, d. h. die Breite des ringförmigen Rauchkanals 12 und die Anzahl der Löcher 5 entsprechend festlegen.

Der Tabakrauch-Widerstand Rr verhält sich wie in F i g. 6 dargestellt. Der entsprechend dimensionierte Tabakfilter verhält sich dann folgendermalten: Wenn der Raucher nur schwach raucht, ist die Rauchmenge in dem Luft/Rauch-Mischungsverhältnis gering, da Rt viel größer als Rh ist. Wenn der Raucher kräftig raucht oder saugt, wird der Rauchanteil am Luft/Rauch-Verhältnis sehr groß. Der Raucher ist daher in der Lage, das Luft/Rauch-Mischungsverhältnis zwischen den genannter. Grenzwerten (schwaches Saugen: wenig Rauch; kräftiges Saugen: viel Rauch) lediglich durch Veränderung der öaugstärke und ohne zusätzliche Vorrichtungen usw.

selbst und automatisch auszuwählen. Dieses Verhalten entspricht ziemlich genau demjenigen Verhalten, das beim Rauchen von Zigaretten ohne den erfindungsgemä-Ben Tabakfilter bekannt ist. Wird eine üWiche Zigarette

ohne den erfindungsgemäßen Tabakfllter schwach geraucht, so wird wenig Rauch Inhaliert, bei stärkerem Rauchen wird um so mehr Rauch Inhaliert. Das Rauchen mit dem Tabakfllter unterscheidet sich daher diesbezüglich nicht von dem Rauchen üblicher Zigaretten, die Löcher 5 stören also nicht. Vielmehr entscheidet der Raucher durch die Saugslärke, wie viel Rauch erzeugt wird.

Der Luftelnström-. Kühl-, Niederschlags- und Extraktlonseffekt F,. der Umwandlungseffekt F₂ des Zwlschenfllters In einen Naßfilter und die Unterdruck-Extraktion Γ\ stellen Funktionen der Luftclnströmgeschwlndlgkell i'„ n/w. der Rauchgeschwindigkeit \\ dar. Die Funktionen I \ bis /1 sind voneinander unabhängig. Jede dieser Funktionen strebt einen höheren Wert an. wenn sich r„ und/oder i\ erhöhen, und die gesamte durch den Tabakl'ilter bewirkte Extraktion ergibt sich als Produkt dieser drei Funktionen.

Im einzelnen läßt sich überschlagig folgendes annehmen: Der Effekt F₁ dürfte ungefähr proportional zu i„ sein, wobei der Druckunterschied Λ/> /wischen Außenluft und dem Druck im Raum 4 proportional zu i„^! ist:

F₂ - ι·,
Δ/) - ι·,,²

(4)

(5)

dl = ilp
ΔΓ=Δ/>

(7)

F ~ v„ ■ v, - v„²
Unter der überschlägigen Annahme, daß

v„ = »', = !·. folgt aus (10)
F~v⁴

10

15

20

>■„ - \Δ/ι (2)

und /ι - v„ (.1)

Die Naßumwandlung F₂ des Zwischenfilters ist überschlügig proportional zur Menge des Rauches, der pro Zeiteinheit eingesaugt wird. Bei einer Verdoppelung der Rauchmenge ergibt sich nilmlich etwa die doppelte Menge im Filter aufgenommener Rauchkomponenten. wie Teere, Wasser etc.. und daher ergibt sich dann eine doppelt so rasche Ni-ßumwaidlung. d. h. es gilt:

25

30

35

Die nachfolgende Annahme lsi relativ grob, genügt jedoch für die hier durchgeführte qualitative Analyse. Je größer der Unterdruck Δ/>. um so stärker ist die adiabatisehe Veränderung des Tabakrauches, und um so größer wird die Abkühlung der Rauchtemperatur. Sofern der Druck ρ konstant ist und eine adiabatische Veränderung vorliegt, gilt etwa:

(6)

45

Hierin bedeutet T die Temperatur. Unter der Annahme, daß die Extraktion proportional zur Temperatur- _M änderung Δ7 ist. gilt:

F₁ ~ ΔΓ - v„- (8)

Für die gesamte Extraktion F des Tabakfilters gilt:
F=F₁-F₂-F,. (9)

da Ft, F₂ und Fi voneinander unabhängige Funktionen darsiellen.

Aus Gleichung (9) ereibt sich mittels der Gleichungen (3), (4) und (8) ^w

(10)

(M) (12)

Die Geschwindigkeit ν In Gleichung (II) darf als Geschwindigkeit des Rauchvorganges Interpretiert werden, sie stellt ein Maß für die Rauchlast dar.

Gleichung (12) zeigt, daß bei Zunahme der Rauchlast oder Sauglasl, d. h. bei Zunahme von v, die Extraktion schädlicher Rauchsubstanzen proportional zur vierten Potenz von ι» anwächst.

Die durchgeführte Analyse ist zwar überschlägig, und die tatsächliche Extraktion dürfte davon abweichen. Besonders Gleichung (8) Ist mit einer Unsicherheit behaftet. Aber selbst unter Weglassung des Extraktionsbeitrages Fi. Gleichung (8). würde sich die Gleichung (12) zu F ~ ν¹ ergeben, el. h. es ware dann die gesamte Extraktion proportional /ur zweiten Potenz der Rauchgeschwindigkeit v, d. h. der Rauch- oder Sauglast.

Diese Wirkung des erfindungsgemäßen Tabakfiliers ist auf die dynamisch sich ändernden Extraktlonsbeiträ^e Fi. Fj und Fi zurückzuführen, deren Größe sieh sehr schnell und wirkungsvoll in Abhängigkeit von der Lastoder Saugzunahme vermehren. Diese dynamische Anpassung an die Rauch- oder Sauglast stellt einen besonderen Schutz des Rauchers dar. Bei bekannten Zigarettenfiltern oder anderen porösen Filtern tritt eine derartige dynamische Anpassung an die Rauchlast nicht ein, die Rauchkomponenten werden nur durch oberflächlichen Berührungsaustausch abgefiltert. Je größer die Rauchmenge, um so mehr schädliche Substanzen werden dann inhaliert. Die bekannten Zigarettenfilter bleiben beim Rauchen fast ganz trocken, sie werden nur sehr wenig feucht, eine Naßumwandlung findet nicht statt, el. h. der Extraktionsanteil F₂ liegt nicht vor.

Gleichung (4) besteht nur. wenn der Filter sehr schnell und ausreichend naß wird. Die I ilter bekannter Art besitzen auch keinen F,-Anteil. Es erfolgt daher im wesentlichen keine Zunahme der Filterleistung, d. h. keine Anpassung an die Sauglast.

Die Zigarettenfilier bekannter Art sind nur wirksam, wenn der Raucher schwach raucht, d. h. eine kleine Rauchmenge ansaugt, sie sind dagegen wenig wirksam, wenn eine große Rauchmenge eingesogen wird

Eine weitere charakteristische Eigenschaft des Tabakfilters besteht in der Absenkung der TabakbH-nntemperatur. Da der Tabakfilter Luft einströmen läßt, raucht der Raucher unwillkürlich langsamer als das sonst der Fall wäre. Dadurch brennt auch der Tabak langsamer, wodurch die Abkühlung der Tabaksglul durch die umgebende Luft stärker als gewöhnlich erfolgt. Durch das langsamere Brennen der Tabakglut und die erhöhte Abkühlung der Glut ergibt sich eine Gluttemperatur von etwa 600 bis 700° C gegenüber der Temperatur von 900° C bei bekannten Zigaretten. Es wird berichtet, daß die Erzeugung schädlicher Substanzen im Tabakrauch enorm vermindert wird, wenn die Gluttemperatur der Zigarette auf etwa 700 bis 800° C erniedrigt wird.

Eine weitere Eigenschaft des Tabakfilters besteht in der Fähigkeit, den Geschmack zu regulieren. Durch den erwähnten Lufteinströmeffekt F, und den Naßumwandlungseffekt F₂ des Zwischenfilters 9 und den Unterdruck-Extraktionseffekt Fi, die alle zwar verschiedene Substanzen extrahieren, lassen sich durch geschickte Kombination dieser drei Anteile F, bis F, der Geschmack des Tabakrauches in gewissem Grade variieren.

Nachfolgend werden weitere Vorteile des Tabakfiliers angegeben:

1. Der Tabakfilter macht das Raucher, leichi und angenehm, da kühle Außenluft einströmt, so daß kein hoher Saugwiderstand gespürt wird. Die Einströ-

niung kühler Außenlufl lallt die Zigarette natürlicher, milder, siilter und kühler schmecken.

2. I s lassen sich in einfachster V/eise ganz verschiedene T'bakfilter durch Variation der Anzahl und der Durchmesser der Löcher 5 herstellen.

.V Der Tabakfilier benötigt nur eine sehr geringe mechanische Festigkeit.

4. Der Tabakfilier benötigt eine Herstellungspriizision von nur etwa '"_]0 mm bis höchstens 'ion mm.

5. Der Tabakfiltcr läßl sich mit fast allen Materialien herstellen, von den Herstellungsniaterialien werden nur sehr kleine Mengen benötigt.

6. Der Tabakfilter ist leicht herzustellen, da sein Aufbau trot/ der erstaunlich vorteilhaften Funktionen und Eieenschaften sehr einfach ist.

7. Der Tabakfiltcr ist sehr billig In der Herstellung.

8. Der Tabakl'ilter steht /um Rauchen von etwa 2 bis 3 Zigaretten /ur Verfügung. Fr liißl sich also, da er ^:iußcrst preiswert ist. ständig erneuern und frisch

Geschmack einer neuen Zigarette ergibt. Eine Reinigung ist .-licht erforderlich, die Hände bleiben sauber, der Tabakfilter ist federleicht.
Der Tabakfilter ist elegant und stilvoll ausgebildet.
Das Aussehen des Tabakfilters kann durch äußerliches Hedrucken verschönert werden. Die Außenan-

sieht der Modelle läßt sich ohne großen Kostenaufwand leicht verändern.

Die durchsichtige Ausführungsform des Tabakfilters ermöglicht es cle:n Raucher, die Extraktlonsvorgiinge mit den Augen /u verfolgen. Als Material für den durchsichtigen Fllterbereich genügt ζ Β CeI-lophan. das eine ausreichende Festigkeit für den Hohlzylinder 2 besitzt.

12. Mit dem Tabakl'ilter läßt sich der Tabak einer Zigarette vollständig aufrauchen und genießen, denn aufgrund der dynamischen Lastanpassung, der Abkühlung der Rauchtemperatur und der Lufteinströmung bleibt die Zigarette relativ kühl und entsprechend geschmackvoll bis zu ihrem Ende.
Die Eigenschaften eines Tabakfilters lassen sich ladurch ein wenig vom Raucher verändern, indem Finger der die Zigarette haltenden Hand auf oen llohl/ylinder 2 gelegt werden und dadurch die Löcher 5 teilweise verschlossen werden können.

und läßt sich sowohl von Männern als auch von Frauen verwenden. Insbesondere schwangeren Frauen, bei denen eine Ge'ährdung durch das Tabakrauchen in besonderem Maße gegeben ist. rt die Verwendung des Tabakfilters besonders /u empfehlen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Filtrieren von Tabakrauch, wobei der Tabakrauch vor dem Eintreten In ein Mundstück durch strahlenförmig In den Rauchkanal zugefohrte Außenluft unter den Taupunkt mehrerer Rauchkomponenten gekühlt und gegen einen Im Rauchkanal vorgesehenen Kondensationsstab geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenluftstrahlen auf die gesamte Lange des Kondensationsstabs gerichtet sind, und daß der abgekühlte Tabakrauch teilweise gefiltert wird.

2. Tabakfilter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, mit einem Hohlzylinder und einem t-J Mundstück sowie einem kreisringförmigen Rauchkanal vor dem Mundstück, der zwischen dem Hohlzylinder und einem konzentrisch im Hohlzylinder angeordneten Kondensationsstab aus festem Material ausgebildet ist, und mit Löchern im Hohlzylinder zur strahlenförmigen Zufuhr von Außenluft in den Rauchkanal, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (5) am Umfang des Hohlzylinders (2) längs der gesamten Länge des Kondensationsstabs (6) verteilt angeordnet sind, und daß im Rauchkanal (12) zwischen dem Kondensationsstab (6) und der Innenwand des Hohlzylinders (2) ein Ringzwischenfilter (9) vorgesehen ist.

3. Tabakfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohlzylindrisches. Tabak aufnehmendes Teil (3) koaxial am Hohlzylinder (2) zur Aufnahme einer Zigarette angeordnet ist, daß der Kondensationsstab (6) an seinen S.rrnseiten zwei Ansätze (7. 8) besitzt, die einersehs in dem Mundstück (1) fest lagern und andererseits als Stoppjied (8) die Lage des eingeführten Zigarettenendes festlegen.

4. Tabakfilter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringzwischenfilter (9) in axialer Richtung etwa in der Mitte des Kondensationsstabes (6) im Rauchkanal (12) angeordnet ist und den *o Innenraum (4) des Hohlzylinders (2) in eine vordere Kammer (4") und eine hintere Kammer (4') teilt.

5. Tabakfilter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Kondensationsstabs (6) mehrere Ringzwischenfilter (9) geeignet beabstandet angeordnet sind.

6. Tabakfilier nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (2) aus durchsichtigem Material besieht.

7. Tabakfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (2) aus Zellophan oder ähnlichen Materialien besteht.

8. Tabakfilter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Inneren Oberfläche des Tabak aufnehmenden Teils (3) eine dünne. elastische Schicht (16) angeordnet und gegenüber der Öffnung (13) des Tabak aufnehmenden Teils (3) in axialer Richtung geringfügig zurückversetzt Ist.

9. Tabakfilter nach einem der Ansprüche 2 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß der Tabak aufnehmende Teil (3) aus Papier besteht.