DE3650177T2

DE3650177T2 - Rauchartikel.

Info

Publication number: DE3650177T2
Application number: DE3650177T
Authority: DE
Inventors: Chandra Kumar Pfafftown North Carolina 27040 Banerjee; Ernest Gilbert Winston-Salem North Carolina 27105 Farrier; James Luther Westfield North Carolina 27053 Harris; Alan Benson Clemmons North Carolina 27012 Norman; James Lee Yadkinville North Carolina 27055 Resce; John Hughes Iv Winston-Salem North Carolina 27103 Reynolds; Henry Thomas Lewisville North Carolina 27023 Ridings; Andrew Jackson Jr. Winston-Salem North Carolina 27103 Sensabaugh; Michael David Lewisville North Carolina 27023 Shannon; Gary Roger Greensboro North Carolina 27410 Shelar
Original assignee: RJ Reynolds Tobacco Co
Current assignee: Japan Tobacco Inc
Priority date: 1985-08-26
Filing date: 1986-07-14
Publication date: 1995-06-29
Anticipated expiration: 2006-07-15
Also published as: JPH0419867B2; DE3689075D1; EP0337505A2; PH24056A; IL79124A; JPH03114471A; TR26427A; EP0337504B1; MA20757A1; CN86105536A; GR862184B; EP0337505A3; JPH03114473A; DK174431B1; IN166122B; AU6169686A; EP0212234A3; NO166566C; EP0337504A2; FI863428A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rauchartikel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Rauchartikel ist aus US-A-4 340 072 bekannt, worin ein vorgeschlagener zigarettenartiger Rauchartikel beschrieben wird, der hintereinander angeordnet ein stäbchenartiges Brennstoffelement mit einem zentralen axialen Durchlaß, durch eine Kammer definierte Aerosolerzeugungsmittel und eine kurze Filterspitze aufweist. Die Gesamtlänge des Rauchartikels beträgt 70 mm und sein Durchmesser 7 mm. Das Brennstoffelement ist ein aus rekonstituiertem Tabak und/oder Tabakersatz, z.B. einer Mischung aus Kohlenstoff und einem Bindemittel (NaCMC), geformtes oder extrudiertes Teil, und das vordere Ende seines axialen Durchlasses kann mit einem aus dem gleichen Material gefertigten Pfropfen verschlossen werden, um das Eindringen einer Zündflamme in den zentralen axialen Durchlaß des Brennstoffelements zu verhindern. Die Kammer der Aerosolerzeugungsmittel enthält ein Inhaliermaterial, welches, wenn es mit von dem brennenden Brennstoffelement erzeugten heilen Gasen in Berührung kommt und durch den axialen Durchlaß des Brennstoffelements und durch die Kammer der Aerosolerzeugungsmittel gesaugt wird, vorgeblich ein Aerosol zum Inhalieren durch den Raucher bildet. Gemäß den zu US-A-4 340 072 gehörenden Zeichnungen beträgt die Länge des stäbchenartigen Brennstoffelements etwa 73 % der Gesamtlänge des zigarettenartigen Rauchartikels, d.h. also circa 51 mm. Das stäbchenartige Brennstoffelement kann mit herkömmlichem Zigarettenpapier umwickelt sein.
EP-A-0 117 355 beschreibt einen vorgeschlagenen zigarettenartigen Rauchartikel, der eine Kohlenstoff-Wärmequelle mit einem axialen Durchlaß und einen getrennten Aroma-Erzeuger (Geschmacks- bzw. Geruchserzeuger) aufweist. 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 bis 27) weist nahe dem mundseitigen Ende liegend ein Substrat, zum Beispiel Tabak, Aluminiumoxid etc. auf, welches mit wenigstens einem durch Wärme freisetzbaren Aromastoff (Geruchs- bzw. Geschmacksstoff) 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 werden. Die vorgebliche Bildung eines Aerosols während des Gebrauchs wird auf Seite 8, Zeile 28, bis Seite 9, Zeile 8 beschrieben. Während der Pyrolyse erfährt das röhrenförmige ligninhaltige Zellstoffmaterial eine maximale Schrumpfung seiner Abmessungen von 37,5 % (siehe Seite 12, Zeilen 3 und 4), so daß aus einem röhrenförmigen ligninhaltigen Zellstoffmaterial mit einer Länge von 65 mm eine Kohlenstoff-Wärmequelle erhalten wird, die eine Länge von über 40 mm aufweist.
Ungeachtet jahrzehntelangen Interesses und jahrzehntelanger Bemühungen gibt es bislang noch keinen Rauchartikel auf dem Markt, der den Gewinn und die Vorzüge, die mit dem herkömmlichen Zigarettenrauchen verbunden sind, verschaffen kann, ohne erhebliche Mengen von aus unvollständiger Verbrennung und Pyrolyse resultierenden Produkten abzugeben, wie sie von einer herkömmlichen Zigarette gebildet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rauchartikel der Art zu schaffen, die ein Brennstoffelement und getrennte Aerosolerzeugungsmittel aufweist und beim Rauchen einen höheren Wirkungsgrad erbringt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei einem derartigen Rauchartikel wirkt die Lage wärmeisolierenden Materials als Isolierelement für das Brennstoffelement und/oder trägt dazu bei, daß sich der Rauchartikel wie eine herkömmliche Zigarette anfühlt, während die erfindungsgemäße Papierumhüllung die Luftmenge zum brennenden Brennstoffelement begrenzt und dadurch dazu beiträgt, die Temperatur, bei der das Brennstoffelement abbrennt und die darauf folgende Wärmeübertragung auf die Aerosolerzeugungsmittel steuern zu können.
US-A-2 890 704 offenbart eine Zigarette, die einen Tabakstrang mit einer Umhüllung in Form einer unbrennbaren, dünnen Schicht aus Glasfasern aufweist, die dazu dient, die beim Rauchen der Zigarette durch den Tabakstrang produzierte Asche zurückzuhalten.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen Rauchartikel, vorzugsweise in der Form einer Zigarette, in welchem ein kleines, brennbares Brennstoffelement hoher Dichte in Verbindung mit körperlich getrennten Aerosolerzeugungsmitteln Verwendung findet, wobei die aerosolerzeugenden Mittel einen oder mehrere aerosolbildende Stoffe umfassen. Vorzugsweise befinden sich die Aerosolerzeugungsmittel in einem auf Wärmeleitung beruhenden Wärmeaustausch mit dem Brennstoffelement und/oder umgibt ein nachgiebiger isolierender Mantel zumindest einen Teil des Brennstoffelements, um radialen Wärmeverlust zu reduzieren. Nach dem Anzünden erzeugt das Brennstoffelement Wärme, die dazu verwendet wird, die aerosolbildenden Stoffe in den Aerosolerzeugungsmitteln zu verflüchtigen. Diese flüchtigen Stoffe werden dann, insbesondere beim Ziehen, zum Mundende und in den Mund des Benutzers gezogen, ähnlich dem Rauch einer herkömmlichen Zigarette.
Erfindungsgemäße Rauchartikel sind in der Lage, sowohl zu Beginn als auch während der Nutzzeit des Produktes, beträchtliche Mengen an Aerosol zu bilden, und dem Benutzer die Empfindungen und Vorzüge des Zigarettenrauchens zu vermitteln. Das von den Aerosolerzeugungsmitteln produzierte Aerosol wird ohne nennenswerte thermische Zersetzung gebildet und vorteilhafterweise mit im Vergleich zu den von herkömmlichen Zigaretten gelieferten Werten wesentlich reduzierten Mengen an Pyrolyse- und unvollständig verbrannten Verbrennungsprodukten an den Benutzer abgegeben.
Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende kleine Brennstoffelement ist weniger als ungefähr 30 mm lang, vorzugsweise weniger als circa 20 mm, und hat eine Dichte von mindestens circa 0,5 g/cm³, im besonderen von mindestens circa 0,7 g/cm³, wie beispielsweise durch Quecksilberverdrängung ermittelt. Entsprechende Brennstoffelemente können aus einem feinzerkleinerten oder rekonstituierten Tabak und/oder einem Tabakersatzstoff geformt oder extrudiert sein und enthalten bevorzugterweise brennbaren Kohlenstoff. Bevorzugte Brennstoffelemente sind ferner mit einem oder mehreren, im besonderen 5 bis 9 oder mehr, Durchlässen versehen, die dazu beitragen, die Wärmeübertragung vom brennenden Brennstoffelement auf die aerosolbildenden Stoffe in den Aerosolerzeugungsmitteln zu steuern.
Vorteilhafterweise umfassen die Aerosolerzeugungsmittel ein Substrat oder einen Träger, vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Material, das/der eine oder mehrere aerosolbildende Substanzen trägt.
Ferner ist wenigstens ein Teil des Brennstoffelements mit einem am Umfang befindlichen Isolierelement ausgestattet, beispielsweise mit einer Hülse aus Isolierfasern, wobei die Hülse vorzugsweise aus einem nachgiebigen, nichtbrennenden Material mit einer Stärke von mindestens 0,5 mm gebildet ist. Dieses Element reduziert radialen Wärmeverlust und trägt dazu bei, die vom Brennstoffelement erzeugte Wärme zurückzuhalten und auf die Aerosolerzeugungsmittel zu richten und die Brandgefährlichkeit des Brennstoffs zu reduzieren. Das Isolierelement umgrenzt zumindest einen Teil des Brennstoffelements und vorteilhafterweise auch mindestens einen Teil der Aerosolerzeugungsmittel, was dazu beiträgt, den Griff einer herkömmlichen Zigarette zu simulieren. Die zur Isolierung des Brennstoffelements und der Aerosolerzeugungsmittel verwendeten Materialien können gleich- oder verschiedenartig sein.
Da das Brennstoffelement relativ kurz sind, 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, die mit einem mehrere Durchlässe aufweisenden Brennstoffelement und/oder mit einem Isolierelement ausgestattet sind. Als Brennstoff kommt ein Material von verhältnismäßig hoher Dichte zum Einsatz, womit leichter sichergestellt werden kann, daß das kleine Brennstoffelement lange genug brennt, um die Brenndauer einer herkömmlichen Zigarette zu simulieren, und daß es hinreichend Energie liefert, um die erforderlichen Aerosolmengen zu erzeugen. Da die aerosolbildende Substanz körperlich vom Brennstoffelement getrennt ist, wird sie wesentlich niedrigeren als den im brennenden Glutkegel herrschenden Temperaturen ausgesetzt, wodurch die Möglichkeit einer thermischen Zersetzung des Aerosolbildners auf ein Mindestmaß reduziert wird.
Der erfindungsgemäße Rauchartikel ist normalerweise mit einem Mundendestück versehen, welches Mittel aufweist, wie einen sich in Längsrichtung erstreckenden Durchlaß, über die die durch die Aerosolerzeugungsmittel erzeugten flüchtigen Substanzen an den Benutzer abgegeben werden. Alternativ dazu läßt sich der Rauchartikel auch ohne ein integriertes Mundendestück einschließlich Aerosolabgabemittel herstellen, um in Verbindung mit einem getrennten Mundendestück für ein- oder mehrmaligen Gebrauch verwendet zu werden.
Erfindungsgemäße Rauchartikel verwenden normalerweise volumenmäßig sowie vorzugsweise auch gewichtsmäßig wesentlich weniger Brennstoff als herkömmliche Zigaretten, um annehmbare Aerosolmengen zu erzeugen. Ferner enthält das an den Benutzer abgegebene Aerosol normalerweise weniger Pyrolyse- und unvollständig verbrannte Verbrennungsprodukte, was darauf zurückzuführen ist, daß das Aerosol ohne Zersetzung von den Aerosolerzeugungsmittel abgegeben wird und das kurze Brennstoffelement hoher Dichte, insbesondere dann, wenn es mit mehreren längsgerichteten Durchlässen ausgeführt ist, im Vergleich zu einer herkömmlichen Zigarette wesentlich weniger Pyrolyse- und/oder unvollständig verbrannte Verbrennungsprodukte erzeugt, selbst wenn das Brennstoffelement Tabak oder ein anderes Cellulosematerial enthält.
In der vorliegenden Beschreibung und ausschließlich im Sinne der vorliegenden Anmeldung 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 Einwirkung der vom brennenden Brennstoffelement erzeugten Wärme auf in den Aerosolerzeugungsmitteln oder einem anderen Teil des Rauchartikels enthaltene Substanzen erzeugt werden. Entsprechend dieser Definition umfaßt die Bezeichnung "Aerosol" auch flüchtige Aromastoffe und/oder pharmakologisch oder physiologisch aktive Stoffe, ungeachtet dessen, ob sie sichtbares Aerosol erzeugen oder nicht.
In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck "auf Wärmeleitung beruhender Wärmeaustausch" eine solche physische Anordnung der Aerosolerzeugungsmittel und des Brennstoffelements, bei der Wärme durch Leitung vom brennenden Brennstoffelement auf die Aerosolerzeugungsmittel im wesentlichen während der ganzen Brennzeit des Brennstoffelements übertragen wird. Auf Wärmeleitung beruhender Wärmeaustausch kann erreicht werden, indem die Aerosolerzeugungsmittel so angeordnet werden, daß sie mit dem Brennstoffelement in Berührung stehen und sich ganz nahe dem brennenden Teil des Brennstoffelements befinden.
In der vorliegenden Beschreibung steht die Bezeichnung "Isolierelement" für alle Materialien, die in der Hauptsache als Isolatoren wirken. Vorzugsweise brennen diese Materialien im Gebrauch nicht; sie können jedoch auch langsam brennende Kohlenstoffe und ähnliche, insbesondere im Gebrauch schmelzende Materialien, zum Beispiel Niedertemperatursorten von Glasfasern, umfassen. Geeignete Isolatoren besitzen eine Wärmeleitfähigkeit in gcal/(s) (cm²) (ºC/cm) von weniger als ungefähr 0,05, vorzugsweise weniger als ungefähr 0,02, am besten weniger als ungefähr 0,005. Siehe Hackhs Chemical Dictionary, 34 (4. Ausgabe 1969) und Langes Handbook of Chemistry, 10, 272-274 (11. Ausgabe 1973).
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Brennstoffelement einzusetzen, welches weniger als circa 30 mm lang ist.
Vorteilhafterweise besitzt das Brennstoffelement eine Dichte von mindestens circa 0,5 g/cm³.
Es ist von Vorteil, ein Brennstoffelement einzusetzen, welches mit mehreren längsgerichteten Durchlässen versehen ist.
Meistbevorzugte Brennstoffelemente weisen eine Länge von weniger als circa 20 mm und eine Dichte von mindestens circa 0,7 g/cm³ auf.
Die Lage wärmeisolierenden Materials ist vorzugsweise ein nachgiebiges, nichtbrennendes Element von mindestens 0,5 mm Stärke. In einer bevorzugten Ausführungsform schmilzt die Isolierschicht im Gebrauch.
Es wird vorgeschlagen, den Rauchartikel so auszubilden, daß ein nachgiebiges Isolierelement wenigstens einen Teil der Aerosolerzeugungsmittel umgrenzt.
Das Isolierelement ist vorzugsweise ein nachgiebiges, nichtbrennendes Material mit einer Dicke von wenigstens 1 mm.
In bevorzugten Ausführungsformen umfaßt das Isolierelement Keramik- oder Glasfasern.
Noch vorteilhafter ist es, wenn das Brennstoffelement eine Dichte von mindestens 0,5 g/cm³ besitzt, eine Länge von weniger als circa 30 mm aufweist und mindestens teilweise von einem nachgiebigen, isolierenden Material umgrenzt ist, welches mindestens etwa 0,5 mm dick ist. Der Isolierstoff weist vorzugsweise eine Erweichungstemperatur von circa 650 ºC oder darunter auf. Es empfiehlt sich die Verwendung eines nachgiebigen Materials, das bei Gebrauch des Rauchartikels schmilzt und eine Dicke von mindestens etwa 1 mm aufweist. In einer solchen Ausführungsform empfiehlt es sich ferner, ein nachgiebiges Isolierelement vorzusehen, das mindestens einen Teil der Aerosolerzeugungsmittel umgrenzt.
In bevorzugten Ausführungsformen ist mindestens ein Teil der Aerosolerzeugungsmittel von einem tabakhaltigen Material umgrenzt.
Bevorzugt kommt ein Brennstoffelement zum Einsatz, welches hauptsächlich Kohlenstoff als solchen enthält und eine Dichte aufweist, die bei über circa 0,7 g/cm³ liegt.
In solchen Ausführungsformen ist es ferner von Vorteil, wenn das Brennstoffelement weniger als circa 20 mm lang und mit mehreren längsgerichteten Durchlässen versehen ist.
Weitere vorteilhafte Merkmale sind Gegenstand der beigefügten Ansprüche 1 bis 25.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rauchartikels sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung näher erläutert.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Figuren 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung im Längsschnitt;
Figur 1A zeigt einen Schnitt durch die Ausführungsform nach Figur 1 entlang der Linie 1A-1A in Figur 1;
die Figuren 2A, 2B, 2C und 4A zeigen Ansichten des hinteren Endes mit verschiedenen, für Ausführungsformen der Erfindung geeigneten Konfigurationen der Durchlässe der Brennstoffelemente;
Figur 3B ist eine vergrößerte Ansicht des hinteren Endes des in der Ausführungsform nach Figur 3 verwendeten Metallbehälters; und
Figur 4B zeigt einen Längsschnitt durch ein Brennstoffelement mit einer bevorzugten Konfiguration der Durchlässe, wie sie für Ausführungsformen der Erfindung geeignet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung, die vorzugsweise die Außenabmessungen einer herkömmlichen Zigarette aufweist, umfaßt ein kurzes brennbares Brennstoffelement 10, daran anliegende Aerosolerzeugungsmittel 12 und ein Papierröhrchen 14, welches das Mundende 15 des Rauchartikels bildet. In dieser Ausführungsform ist das Brennstoffelement 10 mit drei sich in Längsrichtung erstreckenden Löchern 16 versehen.
Die Aerosolerzeugungsmittel 12 umfassen eine poröse Kohlenstoffmasse 13, die mit einem oder mehreren Durchlässen 17 versehen und mit einer oder mehreren aerosolbildenden Substanzen, wie Triethylenglycol, Propylenglycol, Glycerol oder Gemischen davon, imprägniert ist.
Das Papierröhrchen 14 umschließt die Aerosolerzeugungsmittel 12 und einen Teil des Brennstoffelements 10. Ferner bildet das Röhrchen 14 einen Aerosolabgabedurchlaß 18 zwischen den Aerosolerzeugungsmitteln 12 und dem Mundende 15 des Rauchartikels.
Der in Figur 1 dargestellte Rauchartikel umfaßt ferner eine Tabakmenge oder einen Tabakpfropfen 20, die fakultativ vorgesehen werden können, um dem Aerosol Aroma hinzuzufügen. Diese Tabakladung 20 kann, wie in Figur 1 gezeigt, am mundseitigen Ende der Kohlenstoffmasse 13 angeordnet werden oder im Durchlag 18, an einer vom Aerosolerzeuger 12 beabstandeten Stelle. Aus optischen Gründen kann der Rauchartikel fakultativ auch einen am oder nahe dem Mundende 15 angeordneten Celluloseacetatfilter 22 mit niedrigem Wirkungsgrad umfassen.
Die in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen umfassen eine nachgiebige isolierende Hülse, die das Brennstoffelement umschließt oder umgrenzt und dazu dient, zu isolieren und dazu beizutragen, die Wärme im Brennstoffelement zu konzentrieren. Diese Ausführungsformen tragen auch dazu bei, eine potentielle Brandgefährlichkeit des brennenden Glutkegels zu reduzieren und tragen in manchen Fällen dazu bei, beim Anfassen das Gefühl einer herkömmlichen Zigarette zu vermitteln.
In der Ausführungsform nach Figur 1 ist das Brennstoffelement 10 von einer nachgiebigen, ungefähr 0,5 mm dicken Hülse 72 umgrenzt, wie in Figur 1A gezeigt. Diese Hülse ist aus Isolierfasern gebildet, wie Keramikfasern (z.B. Glasfasern) oder nichtbrennenden Kohlenstoff- oder Graphitfasern. In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform weisen die Aerosolerzeugungsmittel 12 ein einzelnes, axiales Loch 17 auf.
In der Ausführungsform gemäß Figur 2 umgibt die nachgiebige isolierende Glasfaser-Hülse 72 den Umfang sowohl des Brennstoffelements 10 als auch der Aerosolerzeugungsmittel 12 und besteht vorzugsweise aus einem Material geringer Temperaturbeständigkeit, das im Gebrauch schmilzt. Diese Hülse 72 ist mit einem nichtporösen Papier 73 umhüllt, beispielsweise der von der Firma Kimberly-Clark vertriebenen Sorte P 878-5. In dieser Ausführungsform ist das Brennstoffelement circa 15 bis 20 mm lang und hat vorzugsweise drei oder mehr Löcher 16, um die Luftdurchströmung des Brennstoffs zu erhöhen. Drei geeignete Anordnungen von Durchlässen sind in den Figuren 2A, 2B und 2C gezeigt.
In dieser Ausführungsform weisen die Aerosolerzeugungsmittel 12 einen metallischen Behälter 74 auf, der ein gekörntes Substrat 38 und/oder verdichteten Tabak 76 umschließt, wobei mindestens einer dieser Stoffe ein aerosolbildendes Material umfaßt. Wie dargestellt, überlappt das offene Ende 75 des Behälters 74 die hinteren 3 bis 5 mm des Brennstoffelements 10. Alternativ kann das offene Ende 75 gegen das hintere Ende des Brennstoffelements 10 anliegen. Das entgegengesetzte Ende des Behälters 74 ist so gebogen, daß es eine Wand 78 bildet, die mit mehreren Durchlässen 80 versehen ist, um Gase, Tabakaromastoffe und/oder aerosolbildendes Material durchtreten und in den Aerosolabgabedurchlaß 18 gelangen zu lassen.
Ein von einem Abschnitt eines nachgiebigen Celluloseacetatstrangs 42 hoher Dichte umgebenes Kunststoffröhrchen 44 ist so angeordnet, daß es gegen das von der Wand 78 gebildete Ende des metallischen Behälters 74 anliegt oder dieses - wie bevorzugt - überlappt. Auf das brennstoffseitige Ende des Strangs 42 kann eine Schicht Klebemittel 82 oder ein anderes Material aufgebracht werden, um den Strang zu versiegeln und zu verhindern, daß er von Luft durchströmt wird. Am Mundende des Rauchartikels ist ein Filterpfropfen 45 mit niedrigem Wirkungsgrad vorgesehen; vorzugsweise sind der Strang 42 und der Filterpfropfen 45 mit herkömmlichem Pfropfenumhüllungspapier 85 umwickelt. Eine weitere Lage 86 aus Zigarettenpapier kann dazu dienen, den hinteren Bereich der isolierenden Hülse 72 und den Strang/Filter-Abschnitt miteinander zu verbinden.
In einer abgewandelten Version der Ausführungsform gemäß Figur 2 kann die isolierende Hülse auch anstelle des Celluloseacetatstrangs 42 verwendet werden, so daß sich die Hülse vom anzuzündenden Ende bis zum Filterpfropfen 45 erstreckt. Bei Ausführungsformen dieser Art wird vorzugsweise eine Schicht Klebemittel auf den ringförmigen Bereich des Filterpfropfens aufgebracht, der gegen das Ende der isolierenden Hülse anliegt, oder es wird ein kurzer ringförmiger Abschnitt Strangmaterial zwischen der isolierenden Hülse und dem Filterstück angeordnet, wobei auf beide Enden Klebemittel aufgetragen wird.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein 10 bis 15 mm langes Brennstoffelement 10 von einer isolierenden Hülse 72 aus Glasfasern umhüllt ist und die Aerosolerzeugungsmittel von einer Hülse 88 aus Tabak umgrenzt sind. Die in dieser Ausführungsform verwendeten Glasfasern haben vorzugsweise eine Erweichungstemperatur von unter circa 650 ºC, wie dies bei den Versuchsfasern 6432 und 6437 der Firma Owens-Corning, Toledo, Ohio, der Fall ist, so daß die Fasern im Gebrauch schmelzen.
Die Glasfaser- und Tabakhülsen sind jeweils von einer Pfropfenumhüllung 85 umhüllt, beispielsweise mit "Ecusta 646", und werden durch eine Umhüllung 89 aus Zigarettenpapier, zum Beispiel der Sorte 780-63-5 oder P 878-16-2 der Firma Kimberly-Clark, miteinander verbunden. In dieser Ausführungsform überlappt die Metallkapsel 90 die hinteren 3 bis 4 mm des Brennstoffelements, so daß sie ungefähr 6 bis 12 mm vom anzuzündenden Ende beabstandet ist, und der hintere Teil der Kapsel 90 ist so umgebogen, daß er die in Figur 3B gezeigte gelappte Form aufweist. Im Zentrum des mundseitigen Endes der Kapsel befindet sich ein Durchlaß 91. An den Übergängen zwischen umgebogenem und nicht umgebogenem Bereich der Kapsel sind vier weitere Durchlässe 92 vorgesehen. Alternativ kann der hintere Teil der Kapsel anstelle des gelappten einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen; es kann auch eine einfache, röhrenförmige Kapsel mit einem umgebogenen mundseitigen Ende verwendet werden, und zwar mit oder ohne am Umfang befindlichen Durchlässen 92.
Am mundseitigen Ende der Tabakhülse 88 befindet sich ein Mundendestück 40, welches einen ringförmigen Abschnitt eines Celluloseacetatstrangs 42, ein Kunststoffröhrchen 44, ein Filterstück 45 mit niedrigem Wirkungsgrad sowie Zigarettenpapierlagen 85 und 89 umfaßt. Das Mundendestück 40 ist mit dem Ende der mit der Hülse versehenen Brennstoff/Kapsel-Einheit durch eine umhüllende Lage aus Mundstückbelagpapier 86 verbunden. Wie dargestellt, ist das kapselseitige Ende des Kunststoffröhrchens 44 von der Kapsel 90 beabstandet. Somit strömen die aus den Durchlässen 92 austretenden heißen Dämpfe durch die Tabakhülse 88, in der flüchtige Bestandteile des Tabaks verdampft oder extrahiert werden, und dann in den Durchlaß 18, wo die Tabakhülse gegen den Celluloseacetatstrang 42 anliegt. Bei Ausführungsformen dieser Art, die Isolierhülsen 72 niederer Dichte für den Brennstoff aufweisen, strömt ein Teil der Luft und Gase durch die Hülse 72 und in die Tabakhülse 88. Dementsprechend werden die Durchlässe 92 am Kapselumfang eventuell nicht unbedingt benötigt, um Tabakaroma aus der Tabakhülse 88 zu extrahieren.
In der Ausführungsform nach Figur 4 umfaßt die Hülse 94 Tabak oder eine Mischung aus Tabak und Isolierfasern, wie Glasfasern. Wie gezeigt, erstreckt sich die Tabakhülse 94 knapp über das mundseitige Ende des Metallbehälters 96 hinaus. Alternativ kann sie sich über die gesamte Länge des Rauchartikels bis zum mundseitigen Filterstück erstrecken. Bei Ausführungsformen dieser Art weist der Behälter 96 vorzugsweise einen oder mehrere Längsschlitze 99 (insbesondere zwei um 180º versetzte Schlitze) an seinem Umfang auf, so daß aus dem Aerosolerzeuger kommende Dämpfe durch die ringförmige Tabakzone strömen, welche den Aerosolerzeuger umgibt, um so Tabakaromastoffe zu extrahieren, bevor die Dämpfe in den Durchlaß 18 eintreten.
Wie gezeigt, ist der Tabak am brennstoffelementseitigen Ende der Hülse 94 komprimiert. Dies trägt dazu bei, den Luftstrom durch den Tabak und damit das Risiko, daß dieser brennt, zu reduzieren. Zusätzlich trägt der Behälter 96 dazu bei, den Tabak zum Erlöschen zu bringen, indem er als Wärmesenke wirkt. Diese Wirkung als Wärmesenke trägt dazu bei, jegliches Brennen des die Kapsel umgebenden Tabaks zum Erlöschen zu bringen, und hilft ferner, die Wärme gleichmäßig auf den die Aerosolerzeugungsmittel umgebenden Tabak zu verteilen, wodurch die Freisetzung von Tabakaromakomponenten unterstützt wird. Zusätzlich kann es wünschenswert sein, den nahe dem hinteren Ende des Brennstoffs liegenden Bereich der Zigarettenpapierumhüllungen 85, 89 mit einem Material, wie Natriumsilicat, zu behandeln, um das Auslöschen des Tabaks zu unterstützen, so daß dieser nicht wesentlich über den freiliegenden Bereich des Brennstoffelements hinaus abbrennt. Alternativ kann der Tabak selbst mit einem den Abbrand modifizierenden Mittel behandelt werden, um ein Brennen des den Aerosolerzeuger umgebenden Tabaks zu verhindern.
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. Diese flüchtigen Stoffe werden dann, insbesondere beim Ziehen, zum Mundende und in den Mund des Benutzers gezogen, ähnlich dem Rauch einer herkömmlichen Zigarette.
Da das Brennstoffelement relativ kurz ist, befindet sich der heiße, brennende Glutkegel stets dicht beim aerosolerzeugenden Körper, wodurch der Wärmeübergang auf die Aerosolerzeugungsmittel und jegliche eventuell vorhandene Tabakladung sowie die daraus resultierende Aerosol- und gegebenenfalls Tabakaromaerzeugung maximiert wird, insbesondere dann, wenn das bevorzugte wärmeleitende Element eingesetzt wird. 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. Ferner zeigt die kleine Brennstoffquelle die Neigung, die Menge der Produkte aus unvollständiger Verbrennung oder Pyrolyse auf ein Minimum zu reduzieren, insbesondere bei den Ausführungsformen, die Kohlenstoff enthalten und/oder mehrfache Durchlässe aufweisen.
Der Wärmeübergang und damit die Aerosolabgabe wird auch durch die Verwendung von Durchlässen im Brennstoff gefördert, durch die, insbesondere beim Ziehen, heile Luft zum Aerosolerzeuger gesaugt wird. Außerdem zeigt das bevorzugte Isolierelement die Neigung, die Wärme auf den zentralen Kern des Rauchartikels zu begrenzen, zu lenken und zu konzentrieren, wodurch der Wärmeübergang auf die aerosolbildende Substanz gesteigert wird.
Da die aerosolbildende Substanz körperlich vom Brennstoffelement getrennt ist, ist sie wesentlich niedrigeren als den im brennenden Glutkegel herrschenden Temperaturen ausgesetzt. Dadurch wird die Möglichkeit einer thermischen Zersetzung des Aerosolbildners und eines damit verbundenen Fehlgeschmacks bzw. Fehlgeruchs auf ein Minimum reduziert. Ferner hat dies zur Folge, daß Aerosol zwar beim Ziehen produziert wird, beim Glosten jedoch nur eine minimale Aerosolentwicklung aus den Aerosolerzeugungsmitteln entsteht
Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wirken das kurze Brennstoffelement, das zurückgesetzte wärmeleitende Element, das Isolierelement und/oder die Durchlässe im Brennstoff mit dem Aerosolerzeuger zusammen, um ein System zu ergeben, welches praktisch bei jedem Zug beträchtliche Mengen Aerosol und gegebenenfalls Tabakaroma erzeugen kann. Dadurch, daß sich der Glutkegel nach einigen Zügen ganz nahe dem Aerosolerzeuger befindet, ergibt sich in Verbindung mit dem leitfähigen Element, dem Isolierelement und/oder mehreren Durchlässen im Brennstoffelement 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 die bevorzugten Durchlässe im Brennstoffelement deutlich gesteigert wird, in erster Linie dazu genutzt wird, die aerosolbildende Substanz zu verdampfen. Dieser erhöhte Wärmeübergang führt zu einer wirkungsgradgünstigeren Nutzung der verfügbaren Brennstoffenergie, reduziert den erforderlichen Brennstoffbedarf und unterstützt die frühe Aerosolabgabe.
Außerdem ist es möglich, durch entsprechende Wahl der Zusammensetzung des Brennstoffelements, der Anzahl, Größe, Konfiguration und Anordnung der Durchlässe im Brennstoffelement, der isolierenden Hülse sowie der Papierumhüllung die Brenneigenschaften der Brennstoffquelle in beträchtlichem Grade zu steuern. Dadurch läßt sich ein bedeutendes Maß an Kontrolle über die Wärmeübertragung auf den Aerosolerzeuger gewinnen, die ihrerseits dazu verwendet werden kann, die Anzahl der Züge und/oder die Menge des an den Benutzer abgegebenen Aerosols zu variieren.
Im allgemeinen sind die brennbaren Brennstoffelemente, die erfindungsgemäß Verwendung finden können, weniger als ungefähr 30 mm lang. Vorzugsweise weist das Brennstoffelement eine Länge von ungefähr 20 mm oder weniger auf, besser ungefähr 15 mm oder weniger. Vorteilhafterweise hat das Brennstoffelement einen Durchmesser von circa 8 mm oder weniger, vorzugsweise zwischen ungefähr 3 und 7 mm, im besonderen zwischen ungefähr 4 bis 6 mm. Die Dichte der Brennstoffelemente, die hier Verwendung finden können, liegt in einem Bereich von ungefähr 0,5 g/cm³ bis ungefähr 1,5 g/cm³, gemessen beispielsweise durch Quecksilberverdrängung. Vorzugsweise ist die Dichte größer als 0,7 g/cm³, noch besser größer als 0,8 g/cm³. In den meisten Fällen ist ein Material hoher Dichte wünschenswert, da dies dazu beiträgt, sicherzustellen, daß das Brennstoffelement lange genug brennt, um die Brennzeit einer herkömmlichen Zigarette zu simulieren, und daß es hinreichend Energie liefert, um die erforderliche Aerosolmenge zu erzeugen.
Für die Erfindung vorteilhafte Brennstoffelemente sind aus Tabakersatzstoffen geformt oder extrudiert, beispielsweise aus einem modifizierten Cellulosematerial, zersetztem oder vorpyrolysiertem Tabak und ähnlichem. Geeignete Stoffe umfassen die in den U.S.-Patenten Nr. 4 347 855 (Lanzilotti et al.), Nr. 3 931 824 (Miano et al.), Nr. 3 885 574 und 4 008 723 (Borthwick et al.) sowie die in Sittig, Tobacco Substitutes, Noyes Data Corp. (1976) beschriebenen. Es können auch andere geeignete brennbare Materialien verwendet werden, vorausgesetzt sie brennen lange genug, um die Brennzeit einer herkömmlichen Zigarette zu simulieren, und erzeugen ausreichend Wärme, um den gewünschten Aerosolgehalt aus dem aerosolbildenden Material zu entwickeln.
Bevorzugte Brennstoffelemente umfassen normalerweise brennbare Kohlenstoffmaterialien, wie sie aus der Pyrolyse oder Carbonisation von Cellulosematerial, zum Beispiel von Holz, Baumwolle, Reyon, Tabak, Kokosnuß, Papier und ähnlichem, gewonnen werden. In den meisten Fällen ist es wünschenswert, brennbaren Kohlenstoff zu verwenden, weil er eine hohe Wärmeerzeugungskapazität besitzt und unvollständig verbrannte Verbrennungsprodukte nur in minimalen Mengen entstehen läßt.
Für die Erfindung geeignete Brennstoffelemente sind kohlenstoffartige Brennstoffelemente (d.h. Brennstoffelemente, die hauptsächlich Kohlenstoff enthalten). Kohlenstoffartige Brennstoffelemente sind deshalb besonders vorteilhaft, weil sie Pyrolyse- und unvollständig verbrannte Verbrennungsprodukte nur in geringsten Mengen erzeugen, wenig oder keinen sichtbaren Nebenstromrauch entstehen lassen, minimalen Ascheanfall und eine hohe Wärmekapazität haben. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen weist das an den Benutzer abgegebene Aerosol nach dem Ames-Testverfahren keine signifikante mutagene Aktivität auf. Siehe Ames et al., Mut. Res., 31:347-364 (1975); Nagas et al., Mut. Res., 42:335 (1977).
Zur Erzielung der geeigneten Brenn- und Glosteigenschaften können dem Brennstoff Zusätze zur Brandverbesserung oder abbrandmodifizierende Zusätze beigegeben werden. Gegebenenfalls können dem Brennstoff auch Füllstoffe, wie Kieselgur, sowie Bindemittel, beispielsweise Natriumcarboxymethylcellulose (NaCMC), zugegeben werden. Um dem Aerosol ein Tabak- oder anderes Aroma hinzuzufügen, können dem Brennstoff auch Aromastoffe, wie Tabakextrakte, zugegeben werden.
Das Brennstoffelement ist vorzugsweise mit einem oder mehreren sich in Längsrichtung erstreckenden Durchlässen versehen. Diese Durchlässe tragen zu einer kontrollierten Wärmeübertragung vom Brennstoffelement auf die Aerosolerzeugungsmittel bei; von Bedeutung ist dies sowohl mit Hinblick darauf, genug Wärme zu übertragen, um ausreichend Aerosol zu entwickeln, als auch mit Hinblick darauf, nicht so viel Wärme zu übertragen, daß die Zersetzung des Aerosolbildners eintritt. Ganz allgemein verleihen diese Durchlässe Porosität und steigern den frühen Wärmeübergang auf das Substrat, indem sie die Menge an heilen Gasen, die das Substrat erreichen, erhöhen. Ferner tragen sie dazu bei, die Verbrennungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
In der Regel bewirkt eine große Anzahl von Durchlässen, z.B. circa 5 bis 9 oder mehr, insbesondere bei relativ weitem Abstand zwischen den Durchlässen wie in Figur 1A, 2A und 4A, eine hohe Wärmeübertragung durch Konvektion, die zu einer hohen Aerosolabgabe führt. Eine große Anzahl von Durchlässen trägt im allgemeinen auch dazu bei, die leichte Anzündbarkeit sicherzustellen.
Ein hoher konvektiver Wärmeübergang führt oft zu einem höheren CO-Ausstoß im Hauptstrom. Um den CO-Gehalt zu reduzieren, kann die Anzahl der Durchlässe verringert oder ein Brennstoffelement mit einer höheren Dichte verwendet werden, wobei jedoch derartige Änderungen gewöhnlich dazu führen, das Brennstoffelement schwerer anzündbar zu machen und die konvektive Wärmeübertragung herabzusetzen, wodurch die Aerosolabgabegeschwindigkeit und -menge gemindert wird. Es wurde jedoch festgestellt, daß bei Anordnungen wie in Figur 2B, bei denen die Durchlässe so dicht beieinander liegen, daß sie zumindest am anzuzündenden Ende zu einem einzigen Durchlaß abbrennen oder sich zu einem solchen vereinigen, der CO-Anteil der Verbrennungsprodukte in der Regel niedriger ist als bei gleicher, jedoch weiter auseinanderliegender Anordnung der Durchlässe.
In ihrer optimalen Anordnung, Konfiguration und Anzahl sollten die Durchlässe des Brennstoffelements eine gleichmäßige und hohe Aerosolabgabe aufweisen, ein leichtes Anzünden gestatten und niedrige CO-Werte liefern. Die Anordnung/Konfiguration und/oder Anzahl von Durchlässen in kohlenstoffartigen Brennstoffelementen, die in diversen erfindungsgemäßen Ausführungsformen zur Verwendung kommen, wurde in verschiedenen Kombinationen untersucht. Ganz allgemein wurde festgestellt, daß Brennstoffelemente mit ungefähr 5 bis 9 Durchlässen, die in relativ dichtem Abstand zueinander liegen, so daß sie sich beim Abbrennen zumindest am anzuzündenden Ende des Brennstoffelements zu einem einzigen, großen Durchlaß vereinigen, den Anforderungen an ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Brennstoffelement offenbar am nächsten kommen, wobei dies insbesondere für die bevorzugten kohlenstoffartigen Brennstoffelemente gilt.
Zu den Variablen, die die Geschwindigkeit, mit der sich die Durchlässe des Brennstoffelements beim Abbrennen vereinigen, beeinflussen, gehören die Dichte und Zusammensetzung des Brennstoffelements, die Größe, Gestalt und Anzahl der Durchlässe, der Abstand zwischen den Durchlässen und deren Anordnung. Beispielsweise sollten bei einer kohlenstoffartigen Brennstoffquelle mit einer Dichte von 0,85 g/cm³ und sieben Durchlässen von circa 0,5 mm die Durchlässe innerhalb eines Kerndurchmessers (d.i. der Durchmesser des kleinsten Kreises, der die äußeren Begrenzungen der Durchlässe umschließt) angeordnet sein, der zwischen circa 1,6 mm und 2,5 mm liegt, damit sich die Durchlässe beim Abbrennen zu einem einzigen Durchlaß vereinigen. Erhöht man jedoch den Durchmesser der sieben Durchlässe auf circa 0,6 mm, dann erhöht sich der Kerndurchmesser, der beim Abbrennen zu einer Vereinigung führt, auf circa 2,1 mm bis circa 3,0 mm.
Eine andere bevorzugte Anordnung der Durchlässe des Brennstoffelements, die erfindungsgemäß Verwendung finden kann, ist die in Figur 4B gezeigte Konfiguration, die sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich niedriger CO-Werte und leichter Anzündbarkeit erwiesen hat. Bei dieser bevorzugten Anordnung ist ein kurzes Stück des anzuzündenden Endes des Brennstoffelements mit mehreren, vorzugsweise ungefähr 5 bis 9 Durchlässen versehen, die in einen groben Hohlraum 97 zusammenlaufen, der sich bis zum mundseitigen Ende des Brennstoffelements erstreckt. Durch das Vorhandensein mehrerer Durchlässe am anzuzündenden Ende entsteht die große Oberfläche, die im Hinblick auf leichte Anzündbarkeit und frühzeitige Aerosolabgabe erwünscht ist. Der Hohlraum, der eine Länge von circa 30 % bis 95 %, vorzugsweise von über 50 % der Länge des Brennstoffelements aufweisen kann, ist förderlich, um eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf die Aerosolerzeugungsmittel sicherzustellen und trägt zu niedrigen CO-Werten im Hauptstrom bei.
Die erfindungsgemäß Verwendung findenden Aerosolerzeugungsmittel sind körperlich getrennt vom Brennstoffelement angeordnet.
Körperlich getrennt bedeutet, daß das Substrat, das Behältnis oder die Kammer, die die aerosolbildenden Substanzen enthalten, nicht mit dem brennenden Brennstoffelement vermischt sind oder einen Teil dessen bilden. Wie bereits erwähnt, trägt diese Anordnung dazu bei, die thermische Zersetzung der aerosolbildenden Substanz und das Auftreten von Nebenstromrauch zu reduzieren oder auszuschließen. Obgleich nicht Teil des Brennstoffs, befinden sich die Aerosolerzeugungsmittel vorzugsweise in auf Wärmeleitung beruhendem Wärmeaustausch mit dem Brennstoffelement und sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie gegen das Brennstoffelement anliegen oder daran angrenzen. Im besonderen wird der auf Wärmeleitung beruhende Wärmeaustausch mittels eines wärmeleitenden Elements erreicht, beispielsweise mittels eines Metallröhrchens oder einer Metallfolie, wobei das wärmeleitende Element vorzugsweise vom anzuzündenden Ende des Brennstoffs abgesetzt oder beabstandet ist.
Vorzugsweise umfassen die Aerosolerzeugungsmittel einen oder mehrere wärmebeständige Stoffe, welche eine oder mehrere aerosolbildende Substanzen tragen. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist ein wärmebeständiger Stoff ein Material, welches in der Lage ist, den hohen, in der Nähe des Brennstoffs herrschenden Temperaturen, z.B. 400 ºC - 600 ºC, zu widerstehen, ohne sich zu zersetzen oder zu brennen. Ebenso liegen andere, wenn auch nicht bevorzugte Aerosolerzeugungsmittel, wie durch Wärmebeanspruchung berstende Mikrokapseln oder feste aerosolbildende Substanzen, im Bereich der Erfindung, sofern sie in der Lage sind, hinreichend aerosolbildende Dämpfe freizusetzen derart, daß sich ein befriedigendes tabakrauchähnliches Bild ergibt.
Die als Substrat oder Träger für die aerosolbildenden Substanzen brauchbaren wärmebeständigen Stoffe sind dem Fachmann wohlbekannt. Entsprechende Substanzen sollten porös sein und müssen in der Lage sein, bei Nichtgebrauch ein aerosolbildendes Material zurückzuhalten und bei Erwärmung durch das Brennstoffelement einen Dampf freizusetzen, der ein potentieller Aerosolbildner ist. Substrate, insbesondere solche in Form von Partikeln, können in einem vorzugsweise aus einem leitfähigen Material geformten Behältnis untergebracht werden.
Geeignete wärmebeständige Stoffe umfassen wärmebeständige adsorbierende Kohlenstoffe, wie Kohlenstoffe der porösen Sorte, Graphit, Aktivkohle oder nichtaktivierte Kohlenstoffe und ähnliche. Andere geeignete Stoffe umfassen anorganische Feststoffe, wie Keramik, Glas, Aluminiumoxid, Vermiculit, Tone, wie Bentonit, und ähnliche. Bevorzugte Kohlenstoff-Trägermaterialien umfassen poröse Kohlenstoffe, wie die von der Firma Union Carbide vertriebenen Sorten PC-25 und PG-60, sowie der von der Firma Calgon vertriebene Kohlenstoff SGL. Ein bevorzugter Träger aus Aluminiumoxid ist SMR-14-1896 von der Davidson Chemical Division der Firma W.R. Grace & Co., welches bei hohen Temperaturen, z.B. über circa 1000 ºC, gesintert und vor Gebrauch gewaschen und getrocknet wird.
Es wurde festgestellt, daß sich geeignete teilchenförmige Substrate auch aus Kohlenstoff, Tabak oder Gemischen von Kohlenstoff und Tabak bilden lassen, die mittels einer von der japanischen Firma Fuji Paudal KK hergestellten und unter der Handelsbezeichnung "Marumerizer" vertriebenen Vorrichtung in einem Einstufen-Verfahren in die verdichtete Teilchenform überführt werden. Diese Vorrichtung ist in dem deutschen Patent Nr. 1 294 351 und dem U.S.-Patent Nr. 3 277 520 (jetzt unter der Nr. 27 214 wiederausgegeben) sowie in der japanischen Patentschriftveröffentlichung Nr. 8684/1967 beschrieben.
Die erfindungsgemäß zur Verwendung kommenden Aerosolerzeugungsmittel befinden sich vorteilhafterweise nicht mehr als etwa 40 mm, vorzugsweise nicht mehr als 30 mm, meistbevorzugt nicht mehr als 20 mm vom anzuzündenden Ende des Brennstoffelements entfernt. Die Länge des Aerosolerzeugers kann in einem Bereich von ungefähr 2 mm bis ungefähr 60 mm, vorzugsweise von circa 5 mm bis 40 mm und meistbevorzugt von etwa 20 mm bis 35 mm variieren. Der Durchmesser der Aerosolerzeugungsmittel kann in einem Bereich von circa 2 mm bis circa 8 mm liegen, vorzugsweise von circa 3 bis 6 mm. Bei Verwendung eines nicht in Partikelform vorliegenden Substrats kann dieses mit einem oder mehreren Löchern versehen werden, um seine Oberfläche zu vergrößern und die Luftmenge sowie den Wärmeübergang zu steigern.
Die erfindungsgemäße/n aerosolbildende/n Substanz/en muß/müssen in der Lage sein, bei den in den Aerosolerzeugungsmitteln beim Erhitzen durch das brennende Brennstoffelement herrschenden Temperaturen ein Aerosol zu entwickeln. Vorzugsweise werden solche Substanzen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, sie können jedoch auch andere Stoffe umfassen. Die aerosolbildenden Substanzen können in fester, halbfester oder flüssiger Form vorliegen. Der Siedepunkt der Substanz und/oder des Substanzgemisches kann in einem Bereich bis zu circa 500 ºC liegen. Diese Eigenschaften aufweisenden Substanzen umfassen mehrwertige Alkohole, wie Glycerol und Propylenglycol, sowie aliphatische Ester von Mono-, Di- oder Polycarbonsäuren, wie Methylstearat, Dodecandioat, Dimethyltetradodecandioat und andere.
Die bevorzugten aerosolbildenden Substanzen sind mehrwertige Alkohole oder Gemische von mehrwertigen Alkoholen. Besonders bevorzugte Aerosolbildner sind Glycerol, Propylenglycol, Triethylenglycol oder Gemische davon.
Die aerosolbildende Substanz kann auf oder in den Aerosolerzeugungsmitteln dispergiert sein, und zwar in einer ausreichenden Konzentration, um das Substrat, den Träger oder den Behälter zu durchdringen oder zu bedecken. Beispielsweise kann die aerosolbildende Substanz unverdünnt oder in einer verdünnten Lösung durch Eintauchen, Aufsprühen, Aufdampfen oder ähnliche Techniken aufgebracht werden. Vor der Formung können dem Substrat feste aerosolbildende Komponenten zugemischt und gleichmäßig darin verteilt werden.
Während die Beladung mit der aerosolbildenden Substanz je nach Träger und aerosolbildender Substanz unterschiedlich ist, kann bei flüssigen aerosolbildenden Substanzen die Menge in der Regel von etwa 20 mg bis circa 120 mg variieren, vorzugsweise von circa 35 mg bis circa 85 mg und meistbevorzugt von etwa 45 mg bis etwa 65 mg. Möglichst viel des von den Aerosolerzeugungsmitteln getragenen Aerosolbildners sollte an den Benutzer in Form von WTPM (Rohkondensat bzw. Gesamtmenge feuchter Teilchen) abgegeben werden. Vorzugsweise werden über ungefähr 2 Gewichtsprozent, noch bevorzugter über ungefähr 15 Gewichtsprozent und meistbevorzugt über circa 20 Gewichtsprozent des von den Aerosolerzeugungsmitteln getragenen Aerosolbildners als WTPM an den Benutzer abgegeben.
Die Aerosolerzeugungsmittel können ferner einen oder mehrere flüchtige Aromastoffe umfassen, beispielsweise Menthol, Vanillin, künstlichen Kaffee, Tabakextrakte, Nicotin, Coffein, Alkoholika und andere Stoffe, die dem Aerosol Aroma verleihen. Die Aerosolerzeugungsmittel können auch andere erwünschte flüchtige feste oder flüssige Stoffe umfassen. Alternativ lassen sich diese fakultativen Stoffe zwischen den Aerosolerzeugungsmitteln und dem Mundende anordnen, zum Beispiel an einem getrennten Substrat oder in einer getrennten Kammer in dem von den Aerosolerzeugungsmitteln zum Mundende führenden Durchlaß oder in der fakultativen Tabakladung. Falls gewünscht, können diese flüchtigen Stoffe dazu verwendet werden, die aerosolbildende Substanz ganz oder teilweise zu ersetzen, so daß der Rauchartikel ein nicht in Aerosolform vorliegendes Aroma oder einen anderen Stoff an den Benutzer abgibt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform von Aerosolerzeugungsmitteln umfaßt das vorerwähnte Substrat aus Aluminiumoxid, welches sprühgetrockneten Tabakextrakt, Tabakaromamodifikationsmittel, wie Lävulinsäure, einen oder mehrere Aromastoffe und ein aerosolbildendes Material, wie Glycerol, enthält. Dieses Substrat kann mit verdichteten Tabakpartikeln, wie sie mit einer "Marumerizer" hergestellt werden können, vermischt werden, wobei die Partikel auch mit einem aerosolbildenden Material imprägniert sein können.
Rauchartikel der in der vorliegenden Beschreibung offenbarten Art können auch als Artikel zur Abgabe von Arzneimittelstoffen verwendet oder zur Verwendung als solche modifiziert werden, um flüchtige pharmakologisch oder physiologisch aktive Stoffe, wie Ephedrin, Metaproterenol, Terbutalin oder ähnliche abzugeben.
Wie aus den dargestellten Ausführungsformen ersichtlich, kann der erfindungsgemäße Rauchartikel auch eine Tabakladung oder ein tabakhaltiges Material hinter dem Brennstoffelement umfassen, um dem Aerosol gegebenenfalls ein Tabakaroma hinzuzufügen. In diesem Fall werden heiße Dämpfe durch den Tabak geleitet, um die flüchtigen Komponenten des Tabaks zu extrahieren und zu verdampfen, ohne daß eine Verbrennung oder nennenswerte Pyrolyse stattfindet. Die Tabakladung wird bevorzugt rund um den Umfang der Aerosolerzeugungsmittel angeordnet, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, wobei der Wärmeübergang auf den Tabak gesteigert wird, insbesondere in Ausführungsformen mit einem wärmeleitenden Element oder einem leitfähigen Behälter zwischen dem aerosolbildenden Material und der am Umfang befindlichen Tabakhülse. Bei diesen Ausführungsformen wirkt der Tabak auch als Isolierelement für den Aerosolerzeuger und trägt dazu bei, das Gefühl und Aroma einer herkömmlichen Zigarette zu vermitteln.
Das tabakhaltige Material kann einen beliebigen, für den Fachmann verfügbaren Tabak enthalten, beispielsweise Burley-Tabak, heißluftgetrockneten Tabak, türkischen Tabak, rekonstituierten Tabak, extrudierte oder verdichtete Tabakgemische, Tabakfolien und dergleichen. Vorteilhafterweise kann eine Tabakmischung ("Blend") eingesetzt werden, um eine größere Aromavielfalt einzubringen. Das tabakhaltige Material kann auch herkömmliche Tabakzusatz- bzw. -hilfstoffe, wie Füllmittel, Casingstoffe, Verstärkungsstoffe, wie Glasfasern, Feuchthaltemittel und dergleichen, enthalten. Ebenso können dem Tabakmaterial Aromastoffe sowie Aromamodifikationsmittel zugegeben werden.
Die Isolierelemente, die erfindungsgemäß Verwendung finden können, werden vorzugsweise als nachgiebige Hülse aus einer oder mehreren Lagen eines Isolierstoffs ausgebildet. Diese Hülse ist vorteilhafterweise mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm und meistbevorzugt von circa 1,5 bis circa 2 mm dick. Vorzugsweise erstreckt sich die Hülse über mehr als die Hälfte der Länge des Brennstoffelements. Im besonderen erstreckt sich die Hülse über im wesentlichen die gesamte äußere Begrenzungsfläche des Brennstoffelements sowie über die Gesamtheit der Aerosolerzeugungsmittel oder einen Teil davon. Wie in der Ausführungsform nach Figur 3 gezeigt, lassen sich zur Isolierung dieser beiden Bestandteile des Rauchartikels unterschiedliche Materialien verwenden.
Zu den erfindungsgemäß geeigneten Isolierelementen gehören in der Regel anorganische oder organische Fasern, zum Beispiel solche aus Glas, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, glasartigen Stoffen, Mineralwolle, Kohlenstoffen, Silicium, Bor, organischen Polymeren, Cellulosederivaten und ähnlichen, einschließlich deren Gemische. Ebenso können als Matten, Streifen oder in anderer Form ausgebildete nichtfaserige Isolierstoffe, wie Kieselaerogel, Perlit, Glas und ähnliche verwendet werden. Bevorzugte Isolierelemente sind elastisch, was dazu beiträgt, beim Anfassen das Gefühl einer herkömmlichen Zigarette zu vermitteln. Bevorzugte Isolierstoffe sollten im Gebrauch schmelzen und eine Erweichungstemperatur aufweisen, die unter circa 650-700 ºC liegt. Ferner sollten bevorzugte Isolierstoffe beim Gebrauch nicht brennen. Es können jedoch auch langsam brennende Kohlenstoffe und ähnliches Material verwendet werden. Diese Stoffe wirken in erster Linie als eine isolierende Hülse, die einen beträchtlichen Teil der durch das brennende Brennstoffelement gebildeten Wärme zurückhält und auf die Aerosolerzeugungsmittel lenkt. Da sich die isolierende Hülse in der Nachbarschaft des brennenden Brennstoffelements erwärmt, kann sie - in begrenztem Umfang - auch Wärme durch Leitung auf die Aerosolerzeugungsmittel übertragen.
Derzeit bevorzugte Isolierstoffe für das Brennstoffelement umfassen Keramikfasern, z.B. Glasfasern. Zwei geeignete Glasfasern sind von der Firma Manning Paper Company in Troy, New York, unter der Bezeichnung Manniglas 1000 und Manniglas 1200 lieferbar. Bevorzugte Glasfasermaterialien weisen einen niedrigen Erweichungspunkt auf, beispielsweise unter circa 650 ºC gemäß ASTM-Prüfverfahren C 338-73. Bevorzugte Glasfasern umfassen auch die von der Firma Owens-Corning, Toledo, Ohio, unter den Bezeichnungen 6432 und 6437 hergestellten Versuchsmaterialien, die einen Erweichungspunkt von circa 640 ºC haben und im Gebrauch schmelzen.
Diverse im Handel erhältliche anorganische Fasern werden unter Verwendung eines Bindemittels hergestellt, z.B. PVA, dessen Funktion darin besteht, die Unversehrtheit des strukturellen Aufbaus bei der Handhabung bzw. Verarbeitung zu erhalten. Diese Bindemittel, die bei Erwärmung einen strengen Geruch bzw. Geschmack entwickeln würden, sollten vor Gebrauch entfernt werden, z.B. durch Erhitzen in Luft bei circa 650 ºC für die Dauer von bis zu circa 15 Minuten. Falls gewünscht, kann den Fasern Pektin zu einem Anteil von etwa 3 Gew.% zugegeben werden, um der Hülse mechanische Festigkeit zu verleihen, ohne dabei einen strengen Geruch bzw. Geschmack einzubringen.
Alternativ kann das Isoliermaterial ganz oder teilweise durch Tabak in entweder lose oder dicht gepackter Form ersetzt werden. Zusätzlich zu seiner Wirkung als Isolierstoff dient der Tabak in seiner Verwendung als Ersatz für die isolierende Hülse oder einen Teil davon dazu, dem Hauptstromaerosol Tabakaromastoffe bei zugeben und ein Tabakaroma im Nebenstrom zu erzeugen. In bevorzugten Ausführungsformen, bei denen die Tabak-Hülse die Aerosolerzeugungsmittel umschließt, wirkt die Hülse als nichtbrennender Isolator und bringt gleichzeitig Tabakaromen in das Hauptstromaerosol ein. Bei Ausführungsformen, in denen der Tabak den Brennstoff umgibt, wird der Tabak vorzugsweise nur in dem Umfang aufgebraucht, wie auch die Brennstoffquelle verbraucht wird, d.h. etwa bis zu dem Punkt, an dem sich das Brennstoffelement und die Aerosolerzeugungsmittel berühren. Dies kann erreicht werden, indem der das Brennstoffelement umgebende Tabak komprimiert wird, und/oder durch Verwendung einer wärmeleitenden Wärmesenke wie in der Ausführungsform gemäß Figur 4. Der gleiche Effekt läßt sich auch erzielen, indem die Zigarettenpapierumhüllung und/oder der Tabak mit Materialien behandelt wird, die dazu beitragen, den Tabak an dem Punkt zum Erlöschen zu bringen, an dem er die Aerosolerzeugungsmittel überlappt.
Wenn das Isolierelement faseriges Material umfaßt, welches kein Tabak ist, kann zwischen Isolierelement und Mundende des Rauchartikels ein Sperrmittel vorgesehen werden. Ein solches Sperrmittel umfaßt beispielsweise ein ringförmiges Element aus einem Celluloseacetatstrangmaterial hoher Dichte, welches gegen das faserige Isoliermittel anliegt und an beiden Enden z.B. mit Klebstoff versiegelt ist, um die Luftdurchströmung des Strangs zu verhindern.
Bei den meisten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die Brennstoff/Aerosolerzeugungsmittel-Kombination an einem Mundendestück angebracht, beispielsweise an einem mit Folie ausgekleideten Papier- oder Celluloseacetat/Plastik-Röhrchen, wie in den Figuren gezeigt, wobei jedoch auch ein getrenntes Mundendestück vorgesehen werden kann, z.B. in Form eines Zigarettenhalters. Dieses Element des Rauchartikels bildet den Durchlaß, der die dampfförmigen aerosolbildenden Substanzen in den Mund des Benutzers lenkt. Aufgrund seiner Länge, die vorzugsweise circa 35 bis 50 mm oder mehr beträgt, hält es auch den heilen Glutkegel von Mund und Fingern des Benutzers fern und läßt ausreichend Zeit dafür, daß sich das heiße Aerosol bilden und abkühlen kann, bevor es den Benutzer erreicht.
Für erfindungsgemäße Rauchartikel geeignete Mundendestücke können z.B. eine fakultative "Filter" -Spitze aufweisen, die eingesetzt wird, um dem Rauchartikel das Aussehen einer herkömmlichen Filterzigarette zu geben. Derartige Filter umfassen Celluloseacetatfilter niedrigen Wirkungsgrades und hohle oder mit Leiteinrichtungen versehene Kunststoffilter, zum Beispiel Filter aus Polypropylen. Diese Filter haben keinen merklich störenden Einfluß auf die Aerosolabgabe.
Der Rauchartikel kann über seine ganze Länge oder einen beliebigen Teil davon mit Zigarettenpapier umhüllt sein. Für das brennstoffelementseitige Ende zu bevorzugende Papiere sollten während des Brennens des Brennstoffelements keine sichtbare Flamme bilden. Ferner sollte das Papier beherrschbare Glimmeigenschaften haben und eine graue, zigarettenartige Asche erzeugen.
Bei einem Rauchartikel, der eine isolierende Hülse aufweist und bei dem das Papier von dem mit der Hülse versehenen Brennstoffelement wegbrennt, wird ein maximaler Wärmeübergang erzielt, weil der Zutritt von Luft zur Brennstoffquelle nicht behindert ist. Die Papiere können jedoch auch so ausgebildet sein, daß sie ganz oder teilweise unversehrt bleiben, wenn sie der durch das brennende Brennstoffelement erzeugten Wärme ausgesetzt werden. Bei derartigen Papieren ist der Zutritt von Luft zum brennenden Brennstoffelement eingeschränkt wodurch die Temperatur, bei der das Brennstoffelement abbrennt, und die darauf folgende Wärmeübertragung auf die Aerosolerzeugungsmittel leichter kontrollierbar gemacht wird.
Um die Verbrennungsgeschwindigkeit und -temperatur des Brennstoffelements zu reduzieren und dabei gleichzeitig ein niedriges CO/CO&sub2;-Verhältnis beizubehalten, kann als die umhüllende Lage ein nichtporöses oder porenloses Papier verwendet werden, welches durch entsprechende Aufbereitung etwas Porosität erlangt hat, z.B. nichtbrennbares, mehrfach durchlöchertes Glimmerpapier. Mit einem solchen Papier wird eine kontrollierte Wärmeabgabe erreicht, insbesondere bei den mittleren Zügen (d.h. bei den Zügen 4 bis 6).
Zur Maximierung der Aerosolabgabe, deren Konzentration andernfalls durch radialen Lufteinbruch (d.h. von außen) in den Rauchartikel herabgesetzt würde, kann ein von den Aerosolerzeugungsmitteln bis zum Mundende reichendes nichtporöses Papier benützt werden.
Derartige Papiere sind in der Zigarettenpapiertechnik bekannt und lassen sich auch in Kombination verwenden, um verschiedene funktionelle Effekte zu erzielen. Für die erfindungsgemäßen Rauchartikel bevorzugte Papiere umfassen die Pfropfenumhüllungen Ecusta 01788 und 646 der Firma Ecusta, Pisgah Forest, North Carolina, und die Papiersorten KC-63-5, P 878-5, P 878-16-2 und 780-63-5 der Firma Kimberly-Clark.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Lage, bei den ersten 3 Zügen unter FTC-Abrauchbedingungen wenigstens 0,6 mg Aerosol abzugeben, gemessen als Rohkondensat (WTPM). (FTC-Abrauchbedingungen bestehen aus Zügen von 2 Sekunden Dauer (35 ml Gesamtvolumen), die durch 58 Sekunden des Glostens voneinander getrennt sind.) Noch bevorzugtere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Lage, 1,5 mg oder mehr Aerosol bei den ersten 3 Zügen zu liefern. Die meistbevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Lage, 3 mg oder mehr Aerosol bei den ersten 3 Zügen unter FTC-Abrauchbedingungen abzugeben. Ferner liefern bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter FTC-Abrauchbedingungen im Durchschnitt eine Rohkondensatmenge von wenigstens ungefähr 0,8 mg pro Zug über wenigstens ungefähr 6 Züge, vorzugsweise über wenigstens ungefähr 10 Züge.

Claims

1. Rauchartikel, welcher ein Brennstoffelement (10), das hauptsächlich Kohlenstoff als solchen enthält, körperlich gesonderte Aerosolerzeugungsmittel (74, 38, 76; 90; 96), die mindestens ein Aerosolbildendes Material enthalten, sowie eine körperlich gesonderte Papierumhüllung (14; 73; 85, 89) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffelement (10) so ausgebildet und angeordnet ist, daß es während des gesamten Rauchvorgangs brennt, um Wärme zur Verflüchtigung Aerosol-bildenden Materials beim Ziehen während des gesamten Rauchvorgangs des Rauchartikels zu erzeugen, daß mindestens ein Teil des Brennstoffelements (10) durch eine Lage wärmeisolierenden Materials (72; 94) umschlossen ist, und dar die Papierumhüllung (14; 73; 85, 89) diese Isolierlage (72; 94) umgibt und so gestaltet ist, daß sie während des Rauchvorgangs zumindest teilweise intakt bleibt, um den Luftzustrom zu dem brennenden Brennstoffelement einzuschränken.

2. Artikel nach Anspruch 1, bei dem die Umhüllung (14; 73; 85, 89) ein nicht-brennbares anorganisches Material enthält.

3. Artikel nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Umhüllung (14; 73; 85, 89) ein nicht-poröses Papier oder ein keinerlei Porosität aufweisendes, durch Behandlung geringfügig porös gemachtes Papier enthält.

4. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Umhüllung (14; 73; 85, 89) ein nicht-brennbares Glimmerpapier enthält, welches eine Vielzahl von Löchern hat.

5. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine nicht-poröse Papierumhüllung (14; 73; 85, 89) von den Aerosol-Erzeugungsmitteln (74, 38, 76; 90; 96) bis zum Mundende (15; 45) verwendet ist.

6. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Isolierlage (72; 94) mindestens 0,5 mm dick ist.

7. Artikel nach Anspruch 6, dessen Isolierlage (72; 94) mindestens 1 mm dick ist.

8. Artikel nach Anspruch 7, dessen Isolierlage (72; 94) eine Dicke von ungefähr 1,5 mm bis ungefähr 2 mm aufweist.

9. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Isoliermaterial (72; 94) anorganische Fasern enthält.

10. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Brennstoffelement (10) am anzuzündenden Ende des Artikels angeordnet ist.

11. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Brennstoffelement (10) mindestens einen sich in Längsrichtung erstreckenden Durchlaß (16) aufweist.

12. Artikel nach Anspruch 11, dessen Brennstoffelement (10) mehrere solche Durchlässe (16) hat.

13. Artikel nach Anspruch 11 oder 12, bei dem mindestens ein Durchlaß (16) die Form eines Loches hat.

14. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Brennstoffelement (10) vor dem Rauchen eine Länge von ungefähr 30 mm oder weniger hat.

15. Artikel nach Anspruch 14, dessen Brennstoffelement (10) vor dem Rauchen eine Länge von ungefähr 20 mm oder weniger hat.

16. Artikel nach Anspruch 15, dessen Brennstoffelement (10) vor dem Rauchen eine Länge von ungefähr 15 mm oder weniger hat.

17. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Brennstoffelement (10) einen Durchmesser zwischen ungefähr 3 mm und 8 mm hat.

18. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Durchmesser des Brennstoffelements (10) ungefähr 4 mm bis ungefähr 6 mm beträgt.

19. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Brennstoffelement (10) eine Dichte von mindestens 0,5 g/cm³ hat.

20. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Brennstoffelement (10) eine Dichte im Bereich von ungefähr 0,5 g/cm³ bis ungefähr 1,5 g/cm³ hat.

21. Artikel nach Anspruch 20, dessen Brennstoffelement (10) eine Dichte von mehr als ungefähr 0,7 g/cm³ hat.

22. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Brennstoffelement (10) eine Dichte von mindestens ungefähr 0,8 g/cm³ hat.

23. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Brennstoffelement (10) eine gepreßte oder extrudierte Masse ist.

24. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Brennstoffelement (10) im wesentlichen frei ist von flüchtigem organischem Material.

25. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestandteile der das Brennstoffelement (10) bildenden Masse so ausgewählt sind, daß während des Glostens kein wesentlicher sichtbarer Nebenstromrauch entsteht.