DE2427583A1 - Filterelement - Google Patents

Description

OR.-ΙΝβ. OI»L.-IN<3. M. SC. ΡΙ·| PHY» O*.

HÖGER- STELLRF.CHT - GRIESSBACH - HAECKER

PATE N Γ ANWAUTt IN STUT13AR1

575 b
26.1.1974

R-. J. Reynolds Ind., Inc. Winston-Salem, .N.C. 27102, U.S.A.

FILTERELEMENT

Die Erfindung betrifft ein Filterelement mit einem porösen Körper stabförmiger Gestalt, insbesondere für stabförmige Tabakerzeugnisse.

Einer der wichtigsten Zwecke von Filtern für Tabakrauch -" - nachfolgend durchgehend als Zigarettenfilter bezeichnet, obwohl derartige Filter auch bei Zigarren und insbesondere auch.bei Zigarillos Verwendung finden können,-besteht darin, den gesamten Feststoffgehalt des Rauchs zu reduzieren, welcher von dem Benutzer inhaliert wird. Zigarettenf liter dienen auch dazu, die Zusammensetzung des Rauchs dadurch zu verändern, daß sie bestimmte Verbindungen aus den Dämpfen des Tabakrauchs entfernen.

In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Typen von Zigarettenfiltern entwickelt, um den Feststoffgehalt des Zigarettenrauchs zu verringern. Zwei der in jüngster Zeit entwickelten Filtertypen sind dabei die sogenannten Vielströmungs (multi-jet)- bzw. Prallflächen^Fiiter sowie die ■ sogenannten HD-HS (high density-high surface area)- Filter,

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welche einerseits eine hohe Dichte, und andererseits eine große Oberfläche besitzen. ·

Bei den Prallflächenfiltern wird der Rauchstrom mit Hilfe von öffnungen und/oder Querschnittsbegrenzungen in mehrere kleine Rauchströme aufgeteilt, (daher auch die Bezeichnung Vielströmungsfilter), wodurch die Geschwindigkeit des Rauchs erhöht wird. Die Rauchströmungen werden gegen eine Prallfläche geleitet ( daher die.Bezeichnung Prallflächenfilter) so daß die Feststoffpartikel im Rauch- auf die Prallfläche auftreffen und sich an der Oberfläche derselben sammeln. Hierdurch werden Peststoffe aus dem zu inhalierenden Rauch entfernt. Beispiele für derartige Filter sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 612 06k; 3 626 952 und 3 631 867 beschrieben.

Eines der schwierigsten Probleme beim Einsatz von Prallflächenfiltern besteht in der Herstellung derselben. Die meisten Prallflächenfilter besitzen einen gegossenen oder extru«Lierten Kunststoff körper mit mehreren Rauchkanälen und Prallflächen. Di'e Verwendung der starren Kunststoff körper führt bei der derzeitigen Zigarettenproduktion zu zahlreichen Problemen in den einzelnen Vorrichtungen, und zwar infolge der Geschwindigkeit, mit welcher die Zigarettenmaschinen laufen müssen, um die Zigaretten bei annehmbaren Stückkosten herzustellen.

Der zweite Typ, der in jüngster Zeit entwickelten Zigarettenfilter, nämlich das sogenannte HD-HS-Filter, wird im allgemeinen aus Zelluloseazetat hergestellt, d.h. aus einem Filtermaterial, wie es heute hauptsächlich in der Zigaretten-

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Industrie Verwendung findet. Das Arbeitsprinzip des HD-HS-Filters besteht darin, die Geschwindigkeit des Rauchs zu verringern, und diesen durch ein dichteres Piltermedium zu leiten. Die verringerte Geschwindigkeit des Rauchs in HD-HS-Filtern wird erreicht j indem man die Fläche erhöht, durch welche der Zigarettenrauch hindurchgeleitet werden kann. Bei dieser niedrigeren Geschwindigkeit ergibt sich eine erhöhte Wahrscheinlichkeit dafür, daß in dem Rauch enthaltene Feststoffe beim Durchlaufen des dichteren Filtermediums an den Filterfasern hängen bleiben und damit aus dem zu inhallierenden Rauch entfernt werden. Verschiedene Beispiele für derartige HD-HS-Filter sind in den U.S. Patentschriften 3 533 416; 3 690 326 und 3 678 941 beschrieben.

Einer der Hauptnachteile der HD-HS-Filter ist .darin zu sehen, daß größere Mengen an Zelluloseazetat benötigt werden, um eine höhere Dichte des Filterstoffes zu erreichen. Man sieht leicht, daß bei Erhöhung der Menge des für die Filter benötigten Materials die Stückkosten stark ansteigen.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement vorzuschlagen, welches bei zumindest gleicher Filterleistung wie die Prallflächen- und die HD-HS-Filter bei der Herstellung der Tabakerzeugnisse, speziell der Zigaretten, keine Schwierigkeiten mehr mit sich bringt bzw. im Vergleich zu den HD-HS-Filtern zu einem günstigeren Preis herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der'Erfindung durch ein Filterelement der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches dadurch

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gekennzeichnet ist, daß ausgehend von jeder Stirnfläche des Körpers jeweils mindestens ein Hohlraum in demselben vorgesehen ist, und daß von verschiedenen Stirnflächen ausgehende Hohlräume in Richtung der Längsachse des Faserkörpers gegeneinander versetzt sind.

Das Filterelement gemäß vorliegender Erfindung, besitzt eine hervorragende Filterwirkung, und kann mit annähernd der gleichen Menge Zelluloseazetat hergestellt werden, wie sie für übliche Zigarettenfilter aus Zelluloseazetat erforderlich ist.

Ein" weiterer Vorteil des Filterelements gemäß der Erfindung besteht darin, daß bei guter Filterwirkung der Druckabfall längs des Filterelements einen akzeptablen Wert besitzt. Ein wesentlicher Vorteil des Filterelements gemäß der Erfindung besteht schließlich auch darin, daß es mit den bisher üblichen Maschinen zur Fertigung von Filterelementen herstellbar ist, ohne daß an den Maschinen größere Änderungen durchgeführt werden müßten.

Obwohl die Ursachen der hervorragenden Filterwirkung der Filterelemente gemäß der Erfindung noch nicht abschließend erforscht sind, scheint diese gute Filterwirkung darauf zurückzuführen sein, daß sich bei dem erfindungsgemäßen Filterelement eine Kombination der Prinzipien der vorstehend beschriebenen Prallflächenfilter und HD-HS-Filter ergibt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Filterelement einen porösen Filterkörper mit einer Außenfläche und mit Stirnflächen. Der Filterkörper ist mit einer Anzahl von langgestreckten Bohrungen bzw. Kammern

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versehen, die sich ausgehend von der einen Stirnfläche etwa über die halbe Länge des Filterkörpers erstrecken. Die Bohrungen sind im wesentlichen parallel zur Längsachse des Filterkörpers und radial im Abstand von der Längsachse angeordnet. Von der anderen Stirnfläche erstreckt sich eine Mittelkammer bzw. Mittelbohrung, welche konzentrisch zur Längsachse des zylindrischen Filterkörpers ausgebildet .ist, ebenfalls etwa über die halbe Länge des Filterkörpers. Es sit möglich, das eine oder das andere Ende des Filterelements an das Tabakwarenerzeugnis bzw. den Tabak angrenzen zu lassen, wobei die Verbindung mit Hilfe eines äußeren, röhrenförmigen Elements, bzw. einer Mundstückhülse erfolgt, und zwar derart, daß entweder die mehreren Bohrungen oder die einzige Mittelbohrung sich auf der frei zugänglichen Seite des Filterelements befindet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert, und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen: '

Fig. 1 eine vergrößerte Detaildarstellung einer Filterzigarette mit einem Filterelement gemäß der Erfindung, wobei Teile der. Mundstückhülse zur Verdeutlichung weggebrochen sind;

Fig. 2 eine Stirnansicht des Filterendes der Zigarette gemäß Fig. Ii

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in

Fig. M einen Längsschnitt längs der Linie 4-

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in Pig. 3;

Pig. 5 eine Stirnansicht einer abgewandelten

Ausführungsform eines Filterelements gemäß der Erfindung]

Fig. 6 einen Teil eines Längsschnitts längs der Linie 6-6 in Fig. 5;

Fig. 7 einen schematischen LÄngsschnitt durch ein Filterelement gemäß der Erfindung zur Verdeutlichung des Verlaufs der Rauchströme;

Fig. 8 eine vergrößerte perspektivische Detaildarstellung einer Filterzigarette mit einem Filterelement gemäß der Erfindung, dessen mit einer einzigen Mittelbohrung versehenes Ende dem Tabak zugewandt ist;

•Fig. 9 eine Stirnansicht einer abgewandelten Aus-' führungsform eines Filterelements, und

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung des Filterelements gemäß Fig. S. ■

¹In Fig.1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 die gesamte dort teilweise dargestellte Filterzigarette, welche im wesentlichen aus einem Tabakteil 12 und einem Filterteil 14 besteht. Der Tabakteil 12 umfasst eine Tabaksäule 16, welche in üblicher Weise nit einem Zigarettenpapier 18 umhüllt ist. Der Filter teil 14 r der in Fig.1 gezeigten Filterzigarette besteht aus einem Filterelement 20 mit einem

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im wesentlichen zylindrischen Körper 24., welcher eine Länge zwischen etwa 20 und 30 mm besitzen kann, und vorzugsweise 25 mm lang ist, und dessen Umfang annähernd 24,5 mm beträgt. Der zylindrische Körper 24 besteht aus einem Filtermaterial, wie z.B. faserförmigem Zelluloseazetatmaterial, mit einem Denier- Faden titer-Verhältnis zwischen 1,6/45 und 1,6/60 000 bei Verwendung von üblichen Fasern ( mit Y-förmigem Querschnitt ), welches einen geeigneten Weichmacher enthält, um einen Zusammenhalt zwischen den gebündelten .Fasern zu erzielen.

Als optimales Denier- Faden titer-Verhältnis hat sich ein Wert von 1,6/ 52 000 erwiesen. Das Gewicht eines 100-mm-Abschnitts des Filterelements, liegt zwischen 0,7 und 0,8 g, wobei sich bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 0,74 g als Optimalwert ergeben haben. Hierdurch wird die Menge des in dem erfindungsgemäßen Filter verwendeten Zelluloseazetatmaterials etwa 40£ geringer als bei den derzeit bekannten HD-HS-Filtern.

Mit dem äußeren Umfang des Körpers 24 ist eine röhrenförmige Filterhülse 26 üblicher Art verbunden. Die Filterhülse 26 besteht aus einem undurchlässigen, blattförmigen Material, und es kann jedes gewünschte Klebemittel bzw. jeder gewünschte Leim, der auch sonst bei der Fertigung von Zigaretten verwendet wird, auf das Material der Filterhülse 26 aufgebracht werden, um .eine luftdichte Verklebung· zwischen dem Körper 24 und der Filterhülse 26 zu schaffen, so daß der Rauch durch die gesamte Länge des Körpers 24 hindurchlaufen muß und nicht längs des äußere'n Umfangs desselben austreten kann. Das Filterteil 20 ist mit dem Tabakteil 12 über ein Mundstückpapier 22 verbunden.

Wie aus den Fig. 3 und 4 deutlich wird, sind in dem

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Körper 24 mehrere Hohlräume in Form von länglichen Kammern 28, 30 und 32 vorgesehen, die von der einen Stirnwand 34 des Körpers 24 ausgehen welche bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1-4 der Tabaksäule benachbart ist. Die. Kammern verlaufen alle parallel zur Längsachse des zylindrischen Körpers 24 und sind in radialer Richtung gegenüber dem Mittelpunkt der Stirnseite 34 versetzt. Es versteht sich, daß obwohl bei dem bevorzugten Ausführungsbeipiel drei Bohrungen bzw. Kammern 28, 30, 32 vorgesehen sind, welche an einem Ende des Körpers 24 in regelmäßigen Abständen längs eines Kreises angeordnet sind, auch eine andere Anzahl von Bohrungen vorhanden sein kann, welche unregelmäßig angeordnet sein können, wenn dies erwünscht ist, solange nur eirie Bedingung eingehalten wird, auf die weiter unten noch eingegangen werden soll. Die Figuren 3 und 4 zeigen Hohlräume bzw. Kammern oder Bohrungen zylindrischer Gestalt; die Hohlräume können jedoch eine beliebige Form besitzen. Die Bohrungen 28, 30 und 32 sind ungefähr 12 mm tief und besitzen einen Durchmesser von etwa 1,27 mm. Der Kreis, auf welchem die Mittelpunkte der Bohrungen liegen, besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 5j7 nun.

Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist an der der Stirnseite 34 gegenüberliegenden Stirnseite 38 des Körpers 24 ein einziger Hohlraum bzw. eine Mittelbohrung 36 vorgesehen, die konzentrisch zur Längsachse des Körpers angeordnet ist. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Mittelbohrung 36 im Bereich der Stirnfläche 38 etwa 4 mm und verringert sich in Richtung auf das Innere des Körpers 24, wo die sich kegelförmig zuspitzende Mittelbohrung 36 in einer Tiefe von etwa 12 mm endet. Bei den angegebenen Abmessungen ergibt sich ein Abstand von etwa 1 mm zwischen den Enden der von den beiden Stirnflächen 34 bzw. 38 in den zylindrischen Körper 24 hineinragenden Hohlräume, Kammern,

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bzw. Bohrungen.

Die beschriebene Ausfuhrungsform eines Filterelements gemäß der Erfindung kann, wie dies die Figuren 5 und 6 zeigen, dadurch modifiziert werden, daß man ein Mittelstück 40 des Körpers 24 im Bereich der Stirnseite 34 so formt, daß sich eine gewölbte Oberfläche 42 ergibt. Die gewölbte Oberfläche 42 fördert die Umlenkung des Rauchstromes in die Bohrungen 28 bis 32. "

Ohne daß die Verhältnisse bis jetzt im einzelnen genau untersuch worden wären, besteht doch Grund zu der Annahme, daß bei Filterelementen gemäß der Erfindung, sowohl das Arbeitsprinzip der Prallflächenfilter als auch das Arbeitsprinzip der HD-HS-Filter wirksam ist. Wie aus der schematischen Darstellung gemäß.Fig. 7 deutlich wird, tritt der Rauch in die Bohrungen 28 bis 32 ein, und wird dort wegen des geringen Querschnitts dieser Bohrungen beschleunigt. Der Rauch trifft dann auf die Endflächen 46 und 48 der Bohrungen auf, und es beginnen sich Feststoffpartikel in diesem Bereich des Fasermaterials zusammenzuballen. Die Rauchströme verlaufen zunächst von den Endflächen 46 und 48 der Bohrungen 28 bis 32 längs der Pfade 50 und 52 zu der Mittelbohrung 36. Wenn die Konzentration von Feststoffen am Ende der Bohrungen ansteigt, besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, daß Feststoffpartikel im Rauch auf andere Feststoffpartikel treffen, die bereits an den Fasern des Filtermaterials hängen, so daß sich eine verbesserte Filterwirkung ergibt. Ferner wird angenommen, daß dann, wenn die Konzentration der Feststoffpartikel am Ende der Bohrungen so groß wird, daß der Rauch kaum noch durch diese Bereiche zu dringen vermag, die Rauchströme sich einen anderen Pfad geringeren Widerstandes suchen, indem sie durch die Seitenwandungen der Bohrungen 28 bis 32 ausströmen.

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Diese neuen Pfade für die Rauchströme sind in Fig. 7 mit den Bezugszeichen 56 und 58 bezeichnet. Dabei verringert sich die Geschwindigkeit des Rauchs, so daß eine höhere Wahrscheinlichkeit besteht, daß die Feststoffpartikel im Rauch längs der quer zu den Fasern verlaufenden Pfade 56, 58 in Kontakt mit dem Fasermaterial gelangt. Es wird ferner angenommen, daß ein' Teil des Rauchs den Mittelteil 40 des Filterelements durchläuft bzw. daß der Rauch außer in die Bohrungen 28, 32 auch in die übrigen Teile der Stirnfläche eintritt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Mittelbohrung 36 werden einerseits die Pfade für die Rauchströme festgelegt und außerdem wird der Druckabfall über dem Filterelement innerhalb der zulässigen Grenzen gehalten.

Ein Filterelement der vorstehend beschriebenen Art kann wie dies Fig. 8 zeigt, auch so mit dem Tabakteil 18 verbunden werden, daß die Mittelöffnung 36 der Tabaksäule 16 zugewandt ist. Bei dieser Anordnung erfolgt die Filtration im wesentlichen in der gleichen Weise wie dies vorstehend beschrieben wurde. Der Rauch tritt in die Mittelöffnung 36 ein, -und wird in dieser beschleunigt, bis er auch die Endflächen auftrifft. Der Rauch strömt dann quer zum Fasermaterial in die kleineren Bohrungen 28 bis 32, die sich am anderen Ende des Körpers 24 befinden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche in den Figuren 9 und 10 dargestellt ist, sind an dem einen Endes des Körpers 24 wieder drei Bohrungen 28, 30 und 32 vorgesehen. Am anderen Ende des Körpers 24 sind wiederum drei Bohrungen 28', 30' und 32' vorgesehen. Die beiden Sätze von Bohrungen 28 bis 32 bzw. 28· bis 32^f sind wie die Figuren 9 und 10 zeigen winkelmäßig gegeneinander verdreht, um die Filterwirkung quer zu den Fasern des Filtermaterials zu erhöhen. Die Bedingung,daß Bohrungen an gegenüberliegenden

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Enden des Körpers 2¹J nicht miteinander fluchten, ist auch die einzige Bedingung, welche zu beachten ist, wenn die Bohrungen unregelmäßig angebracht werden. Eine Betrachtung des Ausführungsbeispxels gemäß Fig. 9 und 10 läßt ohne weiteres erkennen, daß auch hier die Filterung in ähnlicher Weise erfolgt, wie dies oben besprechen wurde. Es ergibt sich wiederum sowohl eine Pra.llflächenfilterung als auch eine Filterung durch quer zum Fasermaterial verlaufende Rauchströme.

Aus der vorstehenden Beschreibung und aus den Zeichnungen wird deutlich, daß das verbesserte Filterelement gemäß der Erfindung einen Rauchfilter darstellt, welcher Feststoffpartikel wirksam aus dem Rauch entfernt. Das äußerst wirksame Filterelement gemäß der Erfindung kann mit Vorteil aus Zelluloseazetatmaterial hergestellt werden, wobei die Menge des erforderlichen Zelluloseazetats gegenüber bekannten Filtern mit hoher Leistungsfähigkeit noch beträchtlich verringert ist.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsformen in manigfacher Weise abgeändert werden können, beispielsweise durch Änderung des Musters für die Hohlräume bzw. Bohrungen, durch Abänderung der Zahl der Bohrungen, durch Änderung der Tiefe und der Form der Bohrungen ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.

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Claims (12)

Patentansprüche

1. Filterelement mit einem porösen Körper stabförmiger Gestalt insbesondere für stabförmige Tabakerzeugnisse, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von jeder Stirnfläche (34,38) des Körpers (24), jeweils mindestens ein Hohlraum (28 - 32, 36) vorgesehen ist, und daß von verschiedenen Stirnflächen (34, 38) ausgehende Hohlräume (28 - 32, 36) in Richtung der Längsachse des Körpers (24) gegeneinander versetzt sind.

2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest von einer Stirnfläche (34, 38) mehrere Hohlräume (28 - 32, 28» - 32') ausgehen.

3· Filterelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (24) ein zylindrischer Körper ist.

4. Filterelement nach Anspruch 1 bis 3₃ dadurch gekennzeichnet, daß sich von einer der Stirnflächen ein Hohlraum in Form einer zur Längsachse des Körpers (24) koaxialen Mittelbohrung in den Körper (24) erstreckt.

5· Filterelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich von beiden Stirnflächen (34, 38) jeweils mehrere Bohrungen (28 - 32, 28· - 32') in das innere des Körpers (24) erstrecken.

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6. Filterelement nach einem öderen mehreren der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper(24)von einer röhrenförmigen Hülse umgeben ist, über welche er mit dem Tabakteil des' Tabakerzeugnisses verbindbar ist.

7. Filterelement nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die der Mittelbohrung (36) gegenüberliegenden Hohlräume (28 -'32) dem Tabakteil (18) des Tabakerzeugnisses zugewandt sind.

8. Filterelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelteil 40) des Körpers (24) an einem mit mehreren Hohlräumen (28-32) versehenen Ende desselben eine gewölbte Oberfläche (42) besitzt.

9. Filterelement nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Mittelbohrung (36) dem Tabakteil (18) des Tabakerzeugnisses zugewandt ist.

10. Filterelement nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (24) kreisförmige Stirnflächen (34, 38) besitzt.

11. Filterelement nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (24) aus einem Fasermaterial besteht.

12. Filterelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus faserförmigem Zelluloseazetatma*· terial besteht.

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