КОМПОЗИТНЫЙ ИСТОЧНИК ТЕПЛА ДЛЯ КУРИТЕЛЬНОГО ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2017 года по МПК A24B15/16 

Настоящее изобретение относится к источнику тепла, например источнику тепла, подходящему для использования в курительном изделии. Настоящее изобретение, кроме того, относится к курительному изделию, содержащему источник тепла по изобретению.

Курительные изделия, в которых аэрозоль генерируется при передаче тепла от сжигаемого источника тепла к физически отдельному аэрозоль-генерирующему материалу, известны в технике. Аэрозоль-генерирующий материал может быть расположен в, вокруг или по ходу после источника тепла. При использовании горючий источник тепла курительного изделия поджигается и летучие соединения высвобождаются из аэрозоль-генерирующего материала при теплопередаче от сжигаемого источника тепла. Высвободившиеся летучие соединения поступают в воздух и выводятся через курительное изделие при затягивании. Образованный аэрозоль вдыхается потребителем.

Желательно, чтобы горючий источник тепла, подходящий для использования в курительном изделии, имел некоторые характеристики для обеспечения или улучшения впечатления от курения.

Например, источник тепла должен давать достаточно тепла в процессе горения для обеспечения высвобождения душистого аэрозоля из аэрозоль-генерирующего материала, но достаточно небольшое количество, чтобы подходить курительному изделию, которое может иметь размер, подобный размеру традиционной сигареты, закуриваемой с конца.

Кроме того, источник тепла должен быть способен к горению с ограниченным количеством воздуха до тех пор, пока не израсходуется топливо в источнике тепла, и должен также давать как можно меньше или по существу не давать монооксид углерода, оксиды азота или другие потенциально нежелательные газы при горении.

Кроме того, температура воспламенения источника тепла должна быть достаточно низкой, чтобы источник тепла легко воспламенялся в обычных условиях закуривания для традиционной сигареты, закуриваемой с конца, например, с использованием спичек или традиционной сигаретной зажигалки.

Источник тепла также должен иметь соответствующую теплопроводность. Если слишком много тепла отводится из зоны горения источника тепла к другим частям источника тепла в процессе горения, горение в зоне горения источника тепла будет прекращаться, когда температура упадет ниже температуры затухания источника тепла. Поэтому источник тепла с слишком высокой теплопроводностью может быть неожиданно трудным для закуривания и после воспламенения подвергаться преждевременному самозатуханию. Теплопроводность источника тепла должна быть на таком уровне, который при использовании обеспечивает эффективную теплопередачу к аэрозоль-генерирующему материалу без проведения слишком большого количества тепла к любому устройству или конструкции, которыми он крепится, монтируется или иным образом вводится в курительное изделие.

Источник тепла также не должен разрушаться до и в процессе использования и должен быть способным выдерживать небольшие механические напряжения, которые могут иметь место в результате, например, того, что потребитель выронит курительное изделие.

Было бы желательно создать композитный источник тепла, подходящий для использования в курительных изделиях, который отвечает некоторым или всем из вышеуказанных требований.

Было бы, кроме того, желательно создать композитный источник тепла, способный катализировать разложение одного или более потенциально нежелательных газов, получаемых в процессе их горения.

Было бы также желательно создать композитный источник тепла, способный удерживать вещество в виде частиц, получаемое в процессе их горения.

Согласно настоящему изобретению предусматривается композитный источник тепла, например композитный источник тепла, подходящий для использования в курительном изделии, который композитный источник тепла содержит: пористую негорючую керамическую матрицу; и сжигаемое топливо в виде частиц, полностью включенное в пористую негорючую керамическую матрицу, где пористая негорючая керамическая матрица образована из одного или более твердых материалов в виде частиц, имеющих средний размер D50 по меньшей мере в пять раз меньше среднего размера D50 частиц сжигаемого топлива.

Как использовано здесь, термин «композитный источник тепла» (единственный или множественный) используется для обозначения источника тепла, содержащего по меньшей мере два различных компонента, которые в комбинации обеспечивают свойства, не присутствующие в по меньшей мере двух компонентах отдельно. Как рассмотрено дополнительно ниже, функции композитных источников тепла по изобретению, предпочтительно, делятся между пористой негорючей керамической матрицей и сжигаемым топливом, включенным в пористую негорючую керамическую матрицу.

Как использовано здесь, термин «керамика» используется для обозначения любого неметаллического материала, который остается твердым, когда нагревается.

Как использовано здесь, термин «полностью включенное» используется для обозначения того, что частицы сжигаемого топлива полностью окружены пористой негорючей керамической матрицей. Т.е., по существу отсутствует контакт между частицами сжигаемого топлива, включенными в пористую негорючую керамическую матрицу.

Как использовано здесь, термин «средний размер D50 частиц» используется для обозначения среднеобъемного значения распределения частиц по размеру и представляет собой значение диаметра частиц при 50% в совокупном распределении.

Предпочтительно, пористая негорючая керамическая матрица образована из одного или более твердых материалов в виде частиц, имеющих средний размер D50 частиц, который является по меньшей мере в десять раз меньше среднего размера D50 частиц сжигаемого топлива.

Прочность композитных источников тепла определенно регулируется пористой негорючей керамической матрицей. Нарушение прочности композитных источников тепла по изобретению от сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу, происходит, предпочтительно, когда сжигаемое топливо претерпевает большие изменения в процессе горения, делая трудным регулирование их механических характеристик.

Частицы сжигаемого топлива в композитных источниках тепла по изобретению по существу не имеют контакт друг с другом и являются включенными в отдельные полости в пористой негорючей керамической матрице. В процессе горения частицы сжигаемого топлива претерпевают изменения в указанных отдельных полостях, но структура пористой негорючей керамической матрицы преимущественно остается по существу неизменной.

Заделывание частиц топлива полностью в пористую негорючую керамическую матрицу по изобретению предпочтительным образом позволяет избежать ряда значительных недостатков в характеристиках горения, связанных с источниками тепла-прототипами, содержащими пористую негорючую керамическую матрицу и сжигаемое топливо в виде частиц, где частицы сжигаемого топлива находятся в контакте друг с другом.

В процессе горения новые пористые каналы с большими диаметрами могут быть образованы в таких источниках тепла-прототипах как результат горения соединенных частиц сжигаемого топлива. В результате горячие частицы сжигаемого топлива могут неблагоприятно выходить из таких источников тепла-прототипов через вновь образованные каналы.

Кроме того, механическая целостность таких источников тепла-прототипов может неблагоприятно снижаться до критического уровня в процессе горения благодаря образованию слабых зон как результат горения соединенных частиц сжигаемого топлива.

Предпочтительно, пористая негорючая керамическая матрица имеет прочность на сжатие, равную или более чем около 10 МПа, как измерено в стандартном устройстве для механических испытаний при сдавливании передней и задней поверхности образца с постоянной скоростью деформирования и измерении усилия, когда образец разрушается. Это позволяет композитному источнику тепла по изобретению выдерживать небольшие механические напряжения и предотвращает разрушение композитного источника тепла до и в процессе использования.

Поры в пористой негорючей керамической матрице композитных источников тепла по изобретению регулируют кинетику горения композитных источников тепла.

Предпочтительно, пористая негорючая керамическая матрица имеет по существу непрерывные пористые каналы. Использование пористой негорючей керамической матрицы, имеющей по существу непрерывные пористые каналы, в композитных источниках тепла по изобретению преимущественно обеспечивает поток кислорода через по существу непрерывные пористые каналы к сжигаемому топливу, включенному в пористую негорючую керамическую матрицу. Кроме того, это преимущественно позволяет монооксиду углерода или диоксиду углерода, получаемым в процессе горения сжигаемого топлива, выходить из композитных источников тепла по изобретению через по существу непрерывные пористые каналы.

В предпочтительных вариантах настоящего изобретения пористая негорючая керамическая матрица имеет поры, которые являются достаточно малыми, чтобы задерживать любой материал в виде частиц, получаемый в процессе горения топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

Предпочтительно, пористая негорючая керамическая матрица имеет поры с диаметрами в интервале от около 0,01 мкм до около 10 мкм, как определено ртутной порометрией.

Проводимость композитных источников тепла по изобретению определенно регулируется пористой негорючей керамической матрицей. Использование керамического материала с низкой теплопроводимостью преимущественно обеспечивает композитные источники тепла по изобретению, имеющие получаемую среднюю теплопроводимость, даже когда теплопроводимость сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу, является намного выше.

Предпочтительно, пористая негорючая керамическая матрица имеет теплопроводимость, равную или менее чем около 1⋅10^-6 м²/с, как определено методом лазерного испарения. Более предпочтительно, пористая негорючая керамическая матрица имеет теплопроводимость в интервале от около 0,4⋅10^-6 до около 1⋅10^-6 м²/с, как определено методом лазерного испарения. Использование пористой негорючей керамической матрицы, имеющей теплопроводимость, равную или менее чем около 1⋅10^-6 м²/с, в композитных источниках тепла по изобретению предпочтительным образом обеспечивает сжигаемое топливо, включенное в пористую негорючую керамическую матрицу, которое воспламеняется с использованием спичек, зажигалки или другого подходящего устройства воспламенения, в течение около 10 с.

В предпочтительных вариантах настоящего изобретения пористая негорючая керамическая матрица не имеет значительных объемных изменений в процессе горения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

Предпочтительно, коэффициент термического расширения пористой негорючей керамической матрицы является больше, чем коэффициент термического расширения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

Предпочтительно, пористая негорючая керамическая матрица имеет объемное изменение, равное или менее чем около 5%, как определено дилатометрией в процессе горения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу. Более предпочтительно, пористая негорючая керамическая матрица имеет объемное изменение, равное или менее чем около 1%, как определено неконтактной дилатометрией в процессе горения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

Материалы, подходящие для использования в пористой негорючей керамической матрице композитных источников тепла по изобретению, являются известными в технике и являются коммерчески доступными от различных поставщиков.

Предпочтительно, пористая негорючая керамическая матрица содержит один или более оксидов. Предпочтительно, пористая негорючая керамическая матрица содержит по меньшей мере один оксид переходного металла, более предпочтительно по меньшей мере один оксид переходного металла с высокой каталитической активностью для превращения монооксида углерода в диоксид углерода. Подходящие оксиды переходного металла известны в технике и включают (без ограничения этим) оксид железа, оксид марганца и их смеси.

Альтернативно или дополнительно пористая негорючая керамическая матрица может содержать один или более оксидов низкой теплопроводности. Подходящие оксиды низкой теплопроводности включают (без ограничения этим) диоксид циркония, кварц, аморфный диоксид кремния и их смеси.

Пористая негорючая керамическая матрица, имеющая низкую теплопроводность, для использования в композитных источниках тепла по изобретению может быть формована из одного или более твердых материалов в виде частиц, таких как, например, диоксид циркония (ZrO₂) и оксид железа (Fe₂O₃).

Прочность пористой негорючей керамической матрицы может быть обеспечена связующим, обработкой уплотнения или их комбинацией. Способы уплотнения известны в технике. Обработка уплотнения может включать тепловой способ, когда образуются контакты между частицами пористой негорючей керамической матрицы, например, поверхностной диффузией. Термообработка может содержать постепенное или ступенчатое нагревание до желаемой максимальной температуры, например, до около 750°C и последующее охлаждение. Нагревание, охлаждение или преимущественно как нагревание, так и охлаждение, предпочтительно, осуществляются в атмосфере инертного газа, такой как атмосфера аргона или азота. Альтернативно, обработка уплотнения может быть способом, подобным описанному в DE-A-10 2004 055 900.

Обработка уплотнения, предпочтительно, сохраняет достаточно пор в пористой негорючей керамической матрице для потока газа к топливу и от топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

Обработка уплотнения должна также сохранять термостойкость смежных частиц пористой негорючей керамической матрицы, чтобы сжигаемое топливо, включенное в пористую негорючую керамическую матрицу, было способно воспламеняться при использовании спичек, зажигалки или другого подходящего устройства воспламенения в течение около 10 с.

Предпочтительно, композитные источники тепла по изобретению содержат по меньшей мере один катализатор для разложения газа, получаемого в процессе горения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

Пористая негорючая керамическая матрица может содержать катализатор для разложения газа, получаемого в процессе горения сжигаемого топлива. Например, как описано выше, пористая негорючая керамическая матрица может содержать один или более оксидов переходного металла с высокой каталитической активностью для превращения монооксида углерода в диоксид углерода, таких как, например, оксид железа или оксид марганца.

В таких вариантах настоящего изобретения при использовании, т.к. молекулы газа, получаемые в процессе горения топлива, выходят из источника тепла через поры в пористой негорючей керамической матрице, они имеют множественные контакты со стенками пористых каналов. Использование в композитных источниках тепла настоящего изобретения пористой негорючей керамической матрицы, имеющей каталитическую активность, может поэтому преимущественно способствовать обеспечению эффективного удаления любых потенциально нежелательных газов, получаемых в процессе горения сжигаемого топлива.

Альтернативно или дополнительно композитные источники тепла по изобретению могут содержать по меньшей мере один катализатор, включенный в пористую негорючую керамическую матрицу, для разложения газа, получаемого в процессе горения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

Альтернативно или дополнительно по меньшей мере часть поверхности пористой негорючей керамической матрицы может быть покрыта слоем катализатора для разложения газа, получаемого в процессе горения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

Теплопроводность, конструкция и размеры композитных источников тепла по изобретению и тепловой контакт между композитными источниками тепла по изобретению и любым устройством или конструкцией, которыми композитные источники тепла крепятся, монтируются или иным образом вводятся в курительное изделие, должны регулироваться так, чтобы при использовании температура поверхности композитных источников тепла оставалась в температурном интервале для оптимальной работы любых катализаторов, введенных в них.

При использовании композитные источники тепла по изобретению, предпочтительно, достигают рабочей температуры в период около 30 с или менее после воспламенения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

Для снижения времени, затрачиваемого на достижение рабочей температуры, композитные источники тепла по изобретению могут дополнительно содержать один или более окислителей, включенных в пористую негорючую керамическую матрицу, которые обеспечивают дополнительный кислород в процессе воспламенения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу. Подходящие окислители включают в себя (без ограничения этим) нитраты, хлораты, перхлораты, перманганаты и их смеси.

Указанный один или более окислителей могут быть распределены по существу равномерно по пористой негорючей керамической матрице.

Альтернативно смесь одного или более окислителей и сжигаемого топлива может быть локализована в канале или другой части композитного источника тепла, которые действуют как «запал» при воспламенении композитного источника тепла. Например, когда пористая негорючая керамическая матрица содержит по меньшей мере один проточный воздушный канал, смесь одного или более окислителей и сжигаемого топлива может быть локализована в по меньшей мере одном проточном воздушном канале.

Композитные источники тепла по изобретению для использования в курительных изделиях, предпочтительно, способны генерировать тепло в течение около 10 мин при горении сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

Пористая негорючая керамическая матрица может содержать один или более проточных воздушных каналов для одного или обоих из газообмена и теплообмена.

Предпочтительно, композитные источники тепла по изобретению имеют максимальную температуру горения в интервале от около 400°C до около 800°C.

При использовании кинетика горения композитных источников тепла по изобретению регулируется потоком кислорода к сжигаемому топливу, включенному в пористую негорючую керамическую матрицу. В предпочтительных вариантах изобретения механизмом, регулирующим длительность, является скорость диффузии молекул кислорода через пористые каналы в пористой негорючей керамической матрице.

Скорость диффузии молекул кислорода через пористые каналы в пористой негорючей керамической матрице увеличивается слегка с увеличением температуры. Поэтому для получения стабильной температуры горения в интервале от около 400°C до около 800°C, композитные источники тепла по изобретению могут иметь дополнительный механизм для ограничения скорости горении сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу, при высоких температурах.

В некоторых вариантах настоящего изобретения дополнительным механизмом ограничения скорости может быть противоток молекул газа, который получается при высоких температурах. Например, в вариантах настоящего изобретения, в которых сжигаемое топливо, включенное в пористую негорючую керамическую матрицу, содержит углерод, получение монооксида углерода благодаря горению углерода увеличивается при высокой температуре. Каждая молекула кислорода, идущего через пористые каналы к сжигаемому топливу, включенному в пористую негорючую керамическую матрицу, дает в результате получение двух молекул монооксида углерода, который затем выходит из композитного источника тепла через пористые каналы. Диффузия дополнительных молекул кислорода в пористую негорючую керамическую матрицу замедляется противотоком молекул монооксида углерода из пористой негорючей керамической матрицы.

Альтернативно или дополнительно противоток молекул монооксида углерода может быть получен при высоких температурах при высвобождении газа из дополнительного компонента, введенного в пористую негорючую керамическую матрицу. Например, карбонат или гидрат, который термически разлагается при соответствующей высокой температуре, может быть введен в пористую негорючую керамическую матрицу.

В других вариантах настоящего изобретения дополнительным механизмом ограничения скорости альтернативно может быть термически активированное изменение пористости пористой негорючей керамической матрицы композитного источника тепла. Например, спекание пористой негорючей аморфной керамической матрицы может снизить размер пор пористой негорючей аморфной керамической матрицы в процессе горения.

В еще других вариантах настоящего изобретения перераспределение расплава, образовавшегося в процессе горения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу композитного источника тепла, может быть использовано для регулирования кинетики его горения. Например, композитный источник тепла может содержать сжигаемое топливо, имеющее низкую температуру плавления (такое как, например, алюминий или магний), которое при использовании впитывается пористыми каналами пористой негорючей керамической матрицы капиллярными силами, поэтому изменяя реакционную способность пористой негорючей керамической матрицы и поперечное сечение пористых каналов.

Предпочтительно, сжигаемое топливо, включенное в пористую негорючую керамическую матрицу, имеет энтальпию окисления более или равно 40×10⁹ Дж/м³, как определено динамической сканирующей калориметрией ((ДСК)(DSC)).

Подходящее сжигаемое топливо для использования в композитных источниках тепла по изобретению включает (без ограничения этим) углерод (такой как, например, древесный уголь (включая порошкообразный древесный уголь из твердой древесины) или углеродная сажа), металлы с низким атомным весом (такие как, например, алюминий или магний), карбиды (такие как, например, карбид алюминия (Al₄C₃) и карбид кальция (СаС₂), нитриды и их смеси. Сжигаемое топливо, подходящее для использования в композитных источниках тепла по изобретению, является коммерчески доступным.

Предпочтительно, объемная фракция сжигаемого топлива в виде частиц, включенных в пористую негорючую керамическую матрицу, равна или более чем около 20% композитного источника тепла.

Предпочтительно, объемная фракция сжигаемого топлива в виде частиц, включенных в пористую негорючую керамическую матрицу, равна или менее чем около 50% композитного источника тепла.

Предпочтительно, сжигаемое топливо для использования в композитных источниках тепла по изобретению состоит по существу из одного или более соединений углерода.

Воспламеняемость композитных источников тепла по изобретению регулируется размером частиц и активностью поверхности сжигаемого топлива. Обычно сжигаемое топливо в виде частиц небольшого размера легче воспламеняется. Однако труднее вводить высокообъемную фракцию частиц топлива, имеющих небольшие размеры частиц, в пористую негорючую керамическую матрицу. Для решения указанной сложной задачи композитные источники тепла по изобретению могут содержать сжигаемые топливные смеси частиц различного размера.

Когда композитные источники тепла по изобретению содержат два или более сжигаемых топлива в виде частиц, имеющих различные средние размеры D50, пористая негорючая керамическая матрица образована из одного или более твердых материалов в виде частиц, имеющих средний размер D50, который по меньшей мере в пять раз меньше среднего размера D50 частиц сжигаемого топлива, присутствующего в самом большом весовом количестве.

Предпочтительно, композитные источники тепла по изобретению содержат одно или более сжигаемых топлив в виде частиц, имеющих размер частиц в интервале от около 1 мкм до около 200 мкм.

Сжигаемое топливо может содержать одну или более добавок для снижения температуры воспламенения сжигаемого топлива.

Альтернативно или дополнительно сжигаемое топливо может содержать одну или более добавок для снижения выделения потенциально нежелательных газов из сжигаемого топлива в процессе его горения.

При использовании сжигаемое топливо, включенное в пористую негорючую керамическую матрицу композитных источников тепла по изобретению, поставляет требуемое тепло горения.

Помимо сжигаемого топлива часть пористой негорючей керамической матрицы может также вносить вклад в генерирование тепла. Например, пористая негорючая керамическая матрица композитных источников тепла по изобретению может содержать один или более оксидов в восстановленном состоянии (таких как, например, Fe₃O₄), которые поддерживают воспламенение композитных источников тепла путем экзотермического окисления.

Композитные источники тепла по изобретению могут иметь любую желательную форму. Преимущественно форма композитных источников тепла по изобретению разрабатывается для обеспечения требуемой доступной площади поверхности, принимая в расчет, например, соображения изготовления и требования к характеристикам.

Предпочтительно, композитные источники тепла по изобретению являются по существу цилиндрическими.

Предпочтительно, композитные источники тепла по изобретению являются по существу круглого поперечного сечения.

Композитные источники тепла по изобретению могут быть получены с использованием подходящих известных способов формования керамики, таких как, например, шликерное литье, экструзия, литьевое формование и штамповочное уплотнение. Могут также использоваться соэкструзия и другие подходящие известные технологии, когда в композитных источниках тепла требуются, например, градиенты концентрации. Композитные источники тепла по изобретению могут быть получены из крупных заготовок операциями пробивания и резания.

Сжигаемое топливо в виде частиц может быть включено в пористую негорючую керамическую матрицу при смешивании одного или более сжигаемых топлив с подходящим количеством одного или более исходных твердых материалов в виде частиц для образования пористой негорючей керамической матрицы, имеющих подходящий относительный размер частиц.

Чтобы избежать или снизить образование агломератов, частицы одного или более сжигаемых топлив, предпочтительно, не прикреплены друг к другу.

Альтернативно или дополнительно, чтобы избежать или снизить образование агломератов, частицы одного или более исходных твердых материалов в виде частиц для образования пористой негорючей керамической матрицы, предпочтительно, не прикреплены друг к другу.

Предпочтительно, частицы одного или более сжигаемых топлив прикреплены к частицам одного или более исходных твердых материалов в виде частиц для образования пористой негорючей керамической матрицы.

В ходе способа формования могут использоваться органические связующие. Также могут быть введены другие добавки, например, для облегчения переработки (технологические добавки), такие как, например, смазки, для облегчения уплотнения (добавки спекания), горения или удаления потенциально нежелательных газов горения. Такие добавки и их использование известны в технике.

Когда уплотнение композитных источников тепла по изобретению осуществляется термообработкой, атмосфера печи должно быть приспособлена к требованиям композитного источника тепла. Обычно инертная или восстановительная атмосфера должна использоваться для предотвращения преждевременного горения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу.

В процессе термообработки фазовые изменения могут быть использованы для улучшения активности некоторых их компонентов композитных источников тепла по изобретению или для улучшения их других свойств.

Например, композитные источники тепла по изобретению могут содержать Fe₂O₃, который восстанавливается с образованием Fe₃O₄, который имеет очень низкую температуру горения, или FeO, который имеет низкую теплопроводность. Такие фазовые изменения могут регулироваться регулированием атмосферы печи (парциального давления кислорода), а также длительности и температуры цикла в печи.

Добавки, которые не выдерживают ни одну из предыдущих стадий способа, могут быть введены в композитные источники тепла по изобретению дополнительной стадией инфильтрации. Например, окислители, которые разлагаются в процессе термообработки, могут быть введены в композитные источники тепла по изобретению инфильтрацией из растворов солей и последующей сушкой композитных источников тепла.

Когда композитные источники тепла по изобретению содержат углерод в качестве сжигаемого топлива, концентрация углерода вблизи поверхности композитных источников тепла может преимущественно снижаться при конечной обработке со снижением выделений монооксида углерода в процессе горения. Например, наружная поверхность композитных источников тепла может быстро нагреваться пламенем или другим подходящим способом, чтобы выжигать углерод локально без зажигания композитных источников тепла.

Согласно настоящему изобретению также предусматривается курительное изделие, которое содержит: композитный источник тепла по изобретению; и аэрозоль-генерирующую основу.

Как использовано здесь, термин «аэрозоль-генерирующая основа» обозначает основу, способную высвобождать летучие соединения при нагревании с генерированием аэрозоля.

Композитный источник тепла и аэрозоль-генерирующая основа курительных изделий по изобретению могут примыкать друг к другу. Альтернативно композитный источник тепла и аэрозоль-генерирующая основа курительных изделий по изобретению могут быть разделены подходящим средством (таким как, например, теплоизоляция или воздушный зазор) для предотвращения воспламенения аэрозоль-генерирующей основы в процессе горения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу композитного источника тепла.

В некоторых вариантах настоящего изобретения композитный источник тепла аксиально выровнен с аэрозоль-генерирующей основой, которая расположена по ходу после композитного источника тепла. Например, композитный источник тепла по изобретению может быть использован в курительных изделиях типа, рассмотренного в WO-A-2009/022232, которые содержат горючий источник тепла, аэрозоль-генерирующую основу по ходу после источника тепла и теплопроводящий элемент вокруг и в контакте с задней частью сжигаемого источника тепла и смежной передней частью аэрозоль-генерирующей основы. Однако, должно быть отмечено, что композитные источники тепла по изобретению могут также использоваться в курительных изделиях, имеющих другие конструкции.

Как использовано здесь, термины «по ходу перед» и «по ходу после» используются для описания относительных положений компонентов или частей компонентов курительных изделий по изобретению относительно направления всасывания воздуха через курительные изделия в процессе их использования.

В альтернативных вариантах настоящего изобретения композитный источник тепла окружен аэрозоль-генерирующей основой.

В альтернативных вариантах настоящего изобретения аэрозоль-генерирующая основа окружена композитным источником тепла. Например, курительные изделия по изобретению могут содержать полый по существу цилиндрический композитный источник тепла, который ограничивает аэрозоль-генерирующую основу.

Курительные изделия по изобретению могут дополнительно содержать камеру расширения по ходу после композитного источника тепла и аэрозоль-генерирующей основы.

Курительные изделия по изобретению могут дополнительно содержать мундштук по ходу после композитного источника тепла, аэрозоль-генерирующей основы и, когда присутствует, камеры расширения.

Аэрозоль-генерирующая основа курительных изделий по изобретению может содержать любой материал, способный высвобождать летучие соединения при контактировании с горячими газами, идущими через композитный источник тепла. Предпочтительно, аэрозоль-генерирующая основа содержит табак.

Настоящее изобретение будет дополнительно описано только путем примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематичный вид в продольном сечении курительного изделия согласно первому варианту выполнения;

Фиг. 2 - схематичный вид в продольном сечении курительного изделия согласно второму варианту выполнения;

Фиг. 3 - схематичный вид в продольном сечении композитного источника тепла согласно первому варианту выполнения;

Фиг. 4 - схематичный вид в продольном сечении композитного источника тепла согласно второму варианту выполнения;

Фиг. 5а - композитный источник тепла по изобретению, полученный по примеру 1;

Фиг. 5b - композитный источник тепла по изобретению, полученный по примеру 2.

Курительные изделия согласно первому и второму вариантам, показанным на Фиг. 1 и 2, соответственно, имеют несколько компонентов вообще; указанные компоненты представлены одинаковыми ссылочными номерами везде.

Каждое курительное изделие обычно содержит удлиненный цилиндрический стержень 2, который присоединен к одному концу аксиально выровненного цилиндрического фильтра 4. Удлиненный цилиндрический стержень 2 содержит цилиндрический композитный источник 6 тепла и аэрозоль-генерирующую основу 8, которые обернуты в наружную обертку сигаретной бумаги (не показано). Композитный источник 6 тепла выполнен, как описано ниже в разделах «Композитные источники тепла. Пример 1» и «Композитные источники тепла. Пример 2».

В курительном изделии согласно первому варианту выполнения, показанному на Фиг. 1, композитный источник 6 тепла и аэрозоль-генерирующая основа 8 аксиально выровнены. Как показано на Фиг. 1, композитный источник 6 тепла расположен на конце стержня 2, отстоящего от фильтра 4, а аэрозоль-генерирующая основа 8 расположена по ходу после композитного источника 6 тепла на конце стержня 2, смежного с фильтром 4.

В курительном изделии согласно второму варианту выполнения, показанному на Фиг. 2, композитный источник 6 тепла расположен в и окружен аэрозоль-генерирующей основой 8.

В третьем варианте настоящего изобретения, который не показан на чертежах, композитный источник 6 тепла является полой цилиндрической трубкой, а аэрозоль-генерирующая основа 8 расположена в и окружена композитным источником 6 тепла.

Во всех трех вариантах теплоизоляция или воздушный зазор 10 предусматривается между композитным источником 6 тепла и аэрозоль-генерирующей основой 8, чтобы предотвратить воспламенение аэрозоль-генерирующей основы 8 в процессе горения сжигаемого топлива, включенного в пористую негорючую керамическую матрицу композитного источника 6 тепла.

При использовании потребитель зажигает сжигаемое топливо, включенное в пористую негорючую керамическую матрицу композитного источника 6 тепла, и затем втягивает воздух по ходу после через стержень 2 курительного изделия к фильтру 4. Когда он проходит через стержень 2, втянутый воздух нагревается композитным источником 6 тепла, и нагретый воздух идет через аэрозоль-генерирующую основу 8, высвобождая душистые пары, например, из наполнителя резаного табака в аэрозоль-генерирующей основе 8. Когда душистые пары, высвободившиеся из аэрозоль-генерирующей основы 8, проходят по ходу после через стержень 2, они конденсируются с образованием аэрозоля, который проходит через фильтр 4 в рот потребителя.

Композитные источники тепла согласно первому и второму вариантам настоящего изобретения для использования в курительных изделиях, показанных на Фиг. 1 и 2, показаны на Фиг. 3 и 4, соответственно. Композитные источники тепла, показанные на Фиг. 3 и 4, имеют несколько компонентов вообще; указанные компоненты представлены одинаковыми ссылочными номерами везде.

Каждый композитный источник тепла представляет собой цилиндр по существу круглого поперечного сечения и обычно содержит пористую негорючую керамическую матрицу 16 и множество частиц сжигаемого топлива 18, включенных в пористую негорючую керамическую матрицу 16.

Композитный источник тепла согласно первому варианту изобретения, показанный на Фиг. 3, дополнительно содержит наружный изоляционный слой 20, который окружает пористую негорючую керамическую матрицу 16 и может быть формован из такого же или различного материала, как пористая негорючая керамическая матрица 16.

Композитный источник тепла согласно второму варианту изобретения, показанный на Фиг. 4, содержит центральный цилиндрический проточный воздушный канал 22, который продолжается аксиально через пористую негорючую керамическую матрицу 16. Как показано на Фиг. 4, слой 24 каталитического материала (такого как, например, оксид железа или оксид марганца) расположен между внутренней поверхностью пористой негорючей керамической матрицы 16 и проточным воздушным каналом 22.

Должно быть отмечено, что в альтернативных вариантах настоящего изобретения, не показанных на чертежах, наружный изоляционный слой 20 и слой 24 каталитического материала, показанные на Фиг. 3 и 4, соответственно, могут быть опущены.

Также должно быть отмечено, что в других вариантах настоящего изобретения, не показанных на чертежах, композитные источники тепла по изобретению могут содержать как наружный изоляционный слой, так и слой каталитического материала.

КОМПОЗИТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА

ПРИМЕР 1

Композитные источники тепла по изобретению получают смещением 236 г оксида железа (Fe₂O₃), имеющего средний размер D50 частиц 0,140 мкм, коммерчески доступного от Alfa Aesar of Massachusetts, США, 52 г порошкообразного активированного угля NORIT A Special E153, имеющего средний размер D50 частиц 4 мкм, коммерчески доступного от Norit Nederland BV of Amersfoort, Нидерланды, 104 г порошкообразного древесного угля из твердой древесины, имеющего средний размер D50 частиц 45 мкм, коммерчески доступного от Holzkohlewerk Lϋneburg of Hamburg, Германия и 190 г диоксида циркония (ZrO₂), имеющего средний размер D50 частиц 0,6 мкм, коммерчески доступного от Wilhelm Priem GmbH & Co., KG of Bielefeld Germany, в планетарной мешалке. Смешение выполняют с добавлением 125 г муки, 64 г сахара, 14 г кукурузного масла и 24 г цитрата калия. В смесь медленно добавляют воду с получением экструдируемой пасты.

Пасту затем экструдируют через фильеру с использованием лабораторного шнекового экструдера с формованием цилиндрических стержней круглого поперечного сечения, имеющих длину около 30 см и диаметр около 7,8 мм. Три продольных проточных воздушных канала, имеющих диаметр около 1,66 мм, формуют в цилиндрических стержнях дорнами круглого поперечного сечения, установленными в отверстие фильеры.

После экструзии цилиндрические стержни сушат на рифленых плитах. После сушки цилиндрические стержни режут на куски, имеющие длину около 10 см. Куски нагревают в печи в атмосфере аргона от комнатной температуры до 100°C в течение 1,3 ч и затем от 100°C до 700°C в течение 2 ч. После выдержки в течение 0,3 ч при 700°C печь охлаждают до комнатной температуры.

Формованные композитные источники тепла могут воспламеняться с использованием зажигалки желтого пламени, и установлено, что горят в течение периода 12 мин с максимальной температурой горения 780°C.

После горения композитные источники тепла являются механически прочными и, например, не могут быть разрушены пальцами. Пылеобразование является низким. После горения с композитными источниками тепла можно обращаться без особой предосторожности.

КОМПОЗИТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА

ПРИМЕР 2

Композитные источники тепла по изобретению получают смещением 236 г оксида железа (Fe₂O₃), имеющего средний размер D50 частиц 0,140 мкм, коммерчески доступного от Alfa Aesar of Massachusetts, США, 52 г порошкообразного активированного угля NORIT A Special E153, имеющего средний размер D50 частиц 4 мкм, коммерчески доступного от Norit Nederland BV of Amersfoort, Нидерланды, 104 г порошкообразного древесного угля из твердой древесины, имеющего средний размер D50 частиц 45 мкм, коммерчески доступного от Holzkohlewerk Lüneburg of Hamburg, Германия, и 190 г диоксида циркония (ZrO₂), имеющего средний размер D50 частиц 0,6 мкм, коммерчески доступного от Wilhelm Priem GmbH & Co., KG of Bielefeld Germany, в планетарной мешалке. Смешение выполняют с добавлением 125 г муки, 64 г сахара, 14 г кукурузного масла и 24 г цитрата калия. В смесь медленно добавляют воду с получением экструдируемой пасты.

Пасту затем экструдируют через фильеру с использованием лабораторного шнекового экструдера с формованием цилиндрических стержней круглого поперечного сечения, имеющих длину около 30 см и диаметр около 7,8 мм. Три продольных проточных воздушных канала, имеющих диаметр около 1,66 мм, формуют в цилиндрических стержнях дорнами круглого поперечного сечения, установленными в отверстие фильеры.

После экструзии цилиндрические стержни сушат на рифленых плитах. После сушки цилиндрические стержни режут на куски, имеющие длину около 10 см. Куски нагревают в печи в атмосфере азота от комнатной температуры до 100°C в течение 1,3 ч и затем от 100°C до 680°C в течение 1,9 ч. После выдержки в течение 0,2 ч при 680°C печь охлаждают до комнатной температуры.

Формованные композитные источники тепла могут воспламеняться с использованием зажигалки голубого пламени, и установлено, что горят в течение периода 12 мин с максимальной температурой горения 800°C.

После горения композитные источники тепла являются механически прочными и, например, не могут быть разрушены пальцами. Пылеобразование является низким.

Изобретение относится к источнику тепла, например источнику тепла, подходящему для использования в курительном изделии, а также относится к курительному изделию, содержащему источник тепла. Композитный источник тепла (6) для курительного изделия содержит пористую негорючую керамическую матрицу (16); и сжигаемое топливо (18) в виде частиц, включенных в пористую негорючую керамическую матрицу (16), причем пористая негорючая керамическая матрица образована из одного или более твердых материалов в виде частиц, имеющих средний размер D50 по меньшей мере в пять раз меньше среднего размера D50 частиц сжигаемого топлива, и при этом объемная фракция сжигаемого топлива (18) в виде частиц, включенных в пористую негорючую керамическую матрицу (16), равна или менее чем около 50% композитного источника тепла (6). Техническими результатами изобретения являются предотвращение образования новых каналов большого диаметра и предотвращение нежелательного уменьшения прочности матрицы. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 пр.

1. Композитный источник тепла (6) для курительного изделия, который содержит:

пористую негорючую керамическую матрицу (16); и

сжигаемое топливо (18) в виде частиц, включенных в пористую негорючую керамическую матрицу (16),

причем пористая негорючая керамическая матрица образована из одного или более твердых материалов в виде частиц, имеющих средний размер D50 по меньшей мере в пять раз меньше среднего размера D50 частиц сжигаемого топлива, и

при этом объемная фракция сжигаемого топлива (18) в виде частиц, включенных в пористую негорючую керамическую матрицу (16), равна или менее чем около 50% композитного источника тепла (6).

2. Композитный источник тепла (6) по п. 1, в котором пористая негорючая керамическая матрица (16) содержит один или более оксидов.

3. Композитный источник тепла (6) по п. 2, в котором пористая негорючая керамическая матрица (16) содержит один или более оксидов переходного металла.

4. Композитный источник тепла (6) по п. 2, в котором пористая негорючая керамическая матрица (16) содержит один или более оксидов, выбранных из группы, состоящей из оксида железа, оксида марганца, диоксида циркония, кварца и аморфного диоксида кремния.

5. Композитный источник тепла (6) по п. 1, в котором

пористая негорючая керамическая матрица (16) имеет поры с диаметрами в интервале от около 0,01 мкм до около 10 мкм.

6. Композитный источник тепла (6) по любому из пп. 1-5, в котором пористая негорючая керамическая матрица (16) имеет теплопроводимость, равную или менее чем около 1×10^-6 м²/с.

7. Композитный источник тепла (6) по любому из пп. 1-5, в котором сжигаемое топливо (18) имеет энтальпию окисления, равную или более чем около 40×10⁹ Дж/м³.

8. Композитный источник тепла (6) по любому из пп. 1-5, в котором сжигаемое топливо (18) содержит углерод, алюминий, магний, один или более карбидов металла, один или более нитридов металла или их комбинацию.

9. Композитный источник тепла (6) по любому из пп. 1-5, который дополнительно содержит по меньшей мере один катализатор для разложения газа, получаемого при горении топлива.

10. Композитный источник тепла (6) по п. 9, в котором указанный по меньшей мере один катализатор заделан в пористую негорючую керамическую матрицу (16).

11. Композитный источник тепла (6) по любому из пп. 1-5, который дополнительно содержит один или более окислителей.

12. Композитный источник тепла (6) по п. 11, в котором указанный один или более окислителей выбраны из группы, состоящей из нитратов, хлоратов, перхлоратов и перманганатов.

13. Композитный источник тепла (6) по любому из пп. 1-5, который дополнительно содержит по меньшей мере один проточный воздушный канал (22).

14. Курительное изделие, которое содержит:

композитный источник тепла (6) по любому из пп. 1-13; и

аэрозоль-генерирующую основу (8).