DE102006004484A1 - Technische Lösung zum Betreiben von rauchfreien Zigaretten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt verschiedene Lösungswege zur technischen Ausgestaltung des wiederverwendbaren Teils einer rauchfreien Zigarette nach Patent DE10321379. In diesem befinden sich unter anderem ein Akku (11), ein Glühfaden (14), ein Luftstromsensor (13) und ein Filtersensor (12), der das Vorheizen des Glühfadens (14) veranlasst, sobald ein Filter (2) eingesteckt wird. Der Luftstromsensor (13) detektiert das Ziehen des Rauchers an der Zigarettennachbildung und bringt den Glühfaden auf Betriebstemperatur, so dass der gewünschte Effekt des Aufheizens des Luftstroms zur Freisetzung der Inhaltsstoffe des Wirkstoffdepots im Filter (2) eintritt.

Description

• Die hier dargestellte technische Lösung beschreibt einen alternativen Weg zur Umsetzung der gewünschten Eigenschaften einer rauchfreien Zigarette, wie sie in der Patentanmeldung WO 2004098324 ( DE 10321379 ) beschrieben wird.
• Der Lösungsansatz obigen Bezugspatents beruht auf einem wiederverwendbaren Teil (Patentanspruch 1), der als Wärmespeicher zur Erwärmung der durch den Raucher inhalierten Luft dienen soll. Dem Wärmespeicher selbst wird Wärme entweder wie in Patentanspruch 2 oder wie in Patentanspruch 5 beschrieben zugeführt.
• Der Wärmespeicher soll die notwendige Wärme für 1...3 Minuten vorhalten, die benötigt wird, um die vom Raucher inhaliert Luft zu erwärmen.
• Die spezifische Wärmekapazität der Luft beträgt 1,01 kJ·kg^–1 grd^–1.
• Mit einem Zigarettenzug nimmt der Raucher etwa 300ml Luft auf.
• Wird diese Luftmenge von z.B. 20°C auf 70°C (bei dem sich das Nikotin aus dem Depot löst) erwärmt, speichern 300ml Luft eine Wärmemenge von ca. 20J.
• Geht man von mindestens 5 Zigarettenzügen aus, die ein Raucher für das Rauchen einer Zigarette benötigt, so muss der Luftmenge von 1500ml eine Energiemenge von ca. 100J zugeführt werden, die ohne größeren technischen Aufwand in einem zigarettengroßen Wärmespeicher vorgehalten werden kann.
• Bei der Erfindung wurde jedoch nicht bedacht, dass Luft eine extrem schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt, d.h. der Energieaufwand um ein vielfaches höher ist, um der Luft die notwendige Energiemenge zuzuführen.
• Die spezifische Wärmleitfähigkeit eines Stoffes schlägt sich in der spezifischen Wärmeleitzahl wieder.
• Diese beträgt für Luft 0,025 W/mK, für Kupfer 402 W/mK.
• D.h. die Energiemenge muss um 4 Zehnerpotenzen höher als die des hier benannten Metalls sein, um den Widerstand auszugleichen, den die Luft der Erwärmung durch einem anderen Stoff entgegensetzt.
• Dies ist auch der Grund dafür, warum die Luft, die durch eine echte Zigarette strömt, überhaupt eingeatmet werden kann, obwohl die Gluttemperatur zwischen 700°C und 1000°C beträgt.
• Setzt man voraus, dass man eine Temperatur von mindestens 700°C erzeugen muss, um mindestens 1500ml Luft auf „Betriebstemperatur" zu bringen, so müsste man den Wärmespeicher auf mehrere 1000°C aufheizen, damit dieser für 1...3 Minuten genügend Wärmeenergie vorrätig hat, um insgesamt 1500ml Luft auf 70°C zu erwärmen.
• Eine gleichmäßige Wärmeabgabe, wie unter Absatz 4. des Bezugspatents erläutert, erscheint unter Verwendung eines Wärmespeichers im wiederverwendbaren Teil einer rauchfreien Zigarette nicht realisierbar.
• Die im Folgenden beschriebene Alternativlösung A lehnt sich möglichst nah an der Funktionsfähigkeit einer echten Zigarette an.
• D.h. der wiederverwendbare Teil einer rauchfreien Zigarette (1) I dient nicht als Wärmespeicher sondern beherbergt einen Akku (11), einen Filtersensor (12), einen Luftstromsensor (13), einen Glühfaden (14), eine Zeitsteuerung (15) und Luftlöcher (16). Eine aufwendige Gestaltung von Luftströmungskanälen oder die Anbringung einer aufgedampften rückstrahlenden Beschichtung sind nicht erforderlich.
• Der Glühfaden (14) befindet sich unmittelbar vor dem auswechselbaren Filter (2), so dass die durch den Glühfaden zu erzeugende Temperatur und damit der Energieverbrauch geringer ausfällt, als dies am Ende der Zigarette der Fall wäre. Wird der Filter (2) in den wiederverwendbaren Teil der Zigarette (1) eingesteckt, registriert dies der Filtersensor (12) und schaltet den Glühfaden (14) zu, der damit zum Vorglühen gebracht wird. Diese Funktion ist vergleichbar mit der Glut einer Zigarette ohne Inhalation und dient einem schnelleren Erreichen der Arbeitstemperatur des Glühfadens bei der Inhalation. Erst beim Zigarettenzug, der eine Luftströmung erzeugt und vom Luftstromsensor (13) erfasst wird, wird der Glühfaden (14) auf Betriebstemperatur gebracht. Dies spart zum Einen Energie und verhindert zum Anderen die bei echten Zigaretten bekannten Gefährdungen durch Überhitzung/Verbrennungen.
• Vergisst der Raucher nach Nutzung der Zigarette den Filter (2) zu entfernen, übernimmt die Zeitsteuerung (15) die Trennung des Stromkreises, z.B. nach 3 Minuten.
• Der Filtersensor (12) ist als normaler elektromechanischer Kontakt auslegbar.
• Als Luftstromsensor (13) ist ein herkömmlicher Luftdrucksensor verwendbar, der auf einen plötzlichen Druckabfall innerhalb des wiederverwendbaren Teils der Zigarette (1) reagiert.
• Akkus (11) in Li-Ion-Technologie haben eine Leistungsdichte von bis zu 350Wh/l und können in individuellen Bauformen gefertigt werden. Sie kommen heute mit sehr kleinen Abmessungen z.B. in Bluetooth-Headsets zum Einsatz.
• Geht man davon aus, dass man 2/3 des Volumens des wiederverwendbaren Teils der Zigarette (1) für den Akku (11) zur Verfügung hat, so entspricht dies einem Volumen von etwa 2ml und damit einer theoretischen Kapazität von 0,2Ah bei einer Nennspannung von 3,6V.
• Verwendet man einen wenige μm dicke Glühfaden, so lassen sich bei 3,6V mit weniger als 100mA Stromverbrauch Glühtemperaturen von 1000°C und mehr erreichen.
• Die Akkukapazität reicht somit für einen mehrfachen Zigarettengebrauch (mehrere Filter), wenn man von einer durchschnittlichen Nutzungsdauer von 3 Minuten pro Zigarette (Filter) ausgeht.
• Ist die Kapazität des Akkus (11) erschöpft, kann er über ein externes Ladegerät an den Ladekontakten (17) wieder aufgeladen werden. Die notwendige Ladeintelligenz steckt im Ladegerät.
• Die nun beschriebene Alternativlösung B zeigt eine weitere Möglichkeit, die im Bezugspatent unter Verzicht des Anspruches auf Schaffung des beim Inhalieren entstehenden Wärmegefühls gesteckten Ziele zu erreichen.
• Dies erfolgt ohne den Umweg der Erwärmung der Luft auf etwa 70°C, bei der die Inhaltsstoffe des Wirkstoffdepots gelöst werden, in dem das Wirkstoffdepot im Filter direkt erwärmt wird. Hat das Wirkstoffdepot die Arbeitstemperatur erreicht, so reißt der durch den Raucher erzeugte Luftstrom die Inhaltsstoffe mit sich, die dann von ihm inhaliert werden.
• Die Zigarette besteht wiederum aus einem wiederverwendbaren Teil (3) II und einem austauschbaren Filter mit Wirkstoffdepot (4). Der wiederverwendbare Teil (3) beherbergt einen Akku (31), Ladekontakte (32), eine Zeitsteuerung (33), Luftlöcher (34) und zwei elektrische Filterkontakte (35).
• Diese elektrischen Filterkontakte (35) stellen eine elektrische Verbindung zum Filter mit Wirkstoffdepot (4) her. In diesem ist ein elektrisches Heizelement (41) eingebaut, welches über die elektrischen Filterkontakte (42) mit den elektrischen Filterkontakten (35) des wiederverwendbaren Teils (3) verbunden wird. Nach Anstecken des Filters mit Wirkstoffdepot (4) wird dieses auf Betriebstemperatur gebracht.
• Vergisst der Raucher nach Nutzung der Zigarette den Filter (4) zu entfernen, übernimmt die Zeitsteuerung (33) die Trennung des Stromkreises, z.B. nach 3 Minuten.
• Ist die Kapazität des Akkus (31) erschöpft, kann er über ein externes Ladegerät an den Ladekontakten (32) wieder aufgeladen werden. Die notwendige Ladeintelligenz steckt im Ladegerät.
• Aufgrund der geringeren Arbeitstemperatur des Heizelements (41) sinkt der Energieverbrauch und die Nutungsdauer bis zur nächsten Ladung des Akkus (31) erhöht sich.
• Möchte man die Nachteile einer kontaktbehafteten Wärmeerzeugung im Wirkstoffdepot des Filters vermeiden, kann folgende Bauform gewählt werden.
• Die Zigarette besteht wiederum aus einem wiederverwendbaren Teil (5) III und einem austauschbaren Filter mit Wirkstoffdepot (6). Der wiederverwendbare Teil (5) beherbergt einen Akku (51), Ladekontakte (52), eine Zeitsteuerung (53), Luftlöcher (54), eine elektronische Schwingungserzeugungseinheit (55), eine Spule (56) und einen Filtersensor (57).
• Den Wirkstoffen des Wirkstoffdepots (61) im Filters (6) wird feines Metallpulver, vornehmlich eisenhaltig, beigemengt. Dieses kann das Wirkstoffdepot nicht verlassen.
• Wird der Filter (6) in den wiederverwendbaren Teil der Zigarette (5) eingesteckt, registriert dies der Filtersensor (57) und schaltet die Schwingungserzeugungseinheit (55) zu. Die erzeugte niederfrequente Schwingung wird an die Spule (56) geleitet und ruft durch die in dem Metallpulver induzierten Wirbelströme eine Erwärmung des Metallpulvers und damit des gesamten Wirkstoffdepots hervor. Die erzeugte Temperatur lässt sich durch die Auswahl der Größe, Form und Materialbeschaffenheit des beigemengten Metalls sowie durch die zugeführte Energie steuern.
• Wird der auswechselbare Filter (6) entnommen, so trennt der Filtersensor (57) den Stromkreis zur elektronischen Schwingungserzeugungseinheit (55).
• Vergisst der Raucher dies nach Nutzung der Zigarette, übernimmt die Zeitsteuerung (53) die Trennung des Stromkreises, z.B. nach 3 Minuten.
• Diese Methode ist besonders energieeffizient, da die Leistungsübertragung durch Induktion etwa um das 1.000fache effektiver ist, als die Leistungsübertragung durch Berührung mit einer Heizquelle.

Claims (3)

1. Wiederverwendbarer Teil für eine rauchfreie Zigarette, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Akku (11), einen Filtersensor (12), einen Luftstromsensor (13), einen Glühfaden (14), eine Zeitsteuerung (15), Luftlöcher (16) und Ladekontakte (17) enthält, bei der durch Anstecken eines Filters der Glühfaden vorgeheizt wird und beim Ziehen an der Gesamtkonstruktion der Zigarette der Glühfaden auf Arbeitstemperatur gebracht wird.
2. Wiederverwendbarer Teil für eine rauchfreie Zigarette, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Akku (31), Ladekontakte (32), eine Zeitsteuerung (33), Luftlöcher (34) und zwei elektrische Filterkontakte (35) enthält sowie ein Filter mit Wirkstoffdepot (4), dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein elektrisches Heizelement (41) und elektrische Filterkontakte (42) enthält, so dass durch Zusammenstecken beider Teile ein elektrischer Kontakt hergestellt und das Heizelement und somit der Wirkstoff auf Arbeitstemperatur gebracht wird.
3. Wiederverwendbarer Teil für eine rauchfreie Zigarette, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Akku (51), Ladekontakte (52), eine Zeitsteuerung (53), Luftlöcher (54), eine elektronische Schwingungserzeugungseinheit (55), eine Spule (56) und eine Filtersensor (57) enthält sowie ein Filter mit Wirkstoffdepot, dadurch gekennzeichnet, dass diesem feines Metallpulver beigemengt ist, so dass bei Anstecken des Filters eine niederfrequente Spannung erzeugt wird, die – übertragen durch die Spule (56) – Wirbelstromverluste in dem beigemengten Metallpulver hervorruft und somit den Wirkstoff im Wirkstoffdepot (61) des Filters (6) auf Betriebstemperatur bringt.