JPH04367582A - 金属炭化物熱源の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は改良された金属炭化物熱
源及び熱源を製造する改良方法に関する。本発明の方法
及び熱源は特開平２−８４１６５号に記載された喫煙物
品の如き喫煙物品に使用するのに特に好適である。

【０００２】本発明の方法によって作った熱源は、喫煙
者による吸引のためフレーバー床からフレーバー付エア
ロゾールを放出するのに充分な熱を発生する高燃焼温度
及び低点火温度を有する。燃焼したとき、本発明の熱源
は実質的に一酸化炭素を生じない。

【０００３】本発明方法によれば、金属種を炭素源と混
合し、混合物を炭化物化雰囲気の存在下に加熱すること
によって金属炭化物に変換する。好ましい実施態様にお
いて、金属種／炭素源混合物は所望の形に前形成し、混
合物の形を実質的に変えることなく、その場で金属炭化
物に変換する。

【０００４】喫煙物品用熱源を提供するため従来より計
画があった。これらの計画は、熱源を供給したが、本発
明の利点の全てを有する熱源は提供されていない。

【０００５】例えばシーゲルの米国特許第２９０７６８
６号には燃焼中に不透過性層を形成する濃縮砂糖溶液で
被覆した木炭棒を記載している。この層は喫煙中形成さ
れるバスを含有し、かくして形成された熱を集中させる
と考えられた。

【０００６】エリス等の米国特許第３２５８０１５号及
びエリス等の米国特許第３３５６０９４号にはニコチン
源及び煙草熱源を含有する喫煙具が記載されている。

【０００７】ボイド等の米国特許第３９４３９４１号に
は、燃料及び燃料を含浸する少なくとも１種の揮発性物
質からなる煙草代替物が記載されている。燃料は少なく
とも８０重量％の炭素を含有する炭素質材料から作られ
た可燃性、可撓性かつ自己凝集性繊維から本質的になる
。炭素は、炭素、水素及び酸素のみを含有するセルロー
スベース繊維の制御された熱分解の生成物である。

【０００８】ボルト等の米国特許第４３４００７２号に
は、煙草、煙草代替物、煙草代替物及び炭素の混合物、
木材パルプ、ストロー及び熱処理したセルロースの如き
他の可燃性材料、又はカルボキシメチルセルロースナト
リウム（ＳＣＭＣ）　及び炭素混合物から押出し又は成
形した環状燃料棒が記載されている。

【０００９】シエラー等の米国特許第４７０８１５１号
には、炭素質熱源を有する置換しうるカートリッジを有
するパイプが記載されている。燃料源は少なくとも６０
〜７０％の炭素、最も好ましくは８０％以上の炭素を含
有し、木材、木綿、レーヨン、煙草、ココナッツ、紙等
の如きセルロース材料の熱分解又は炭化によって作られ
る。

【００１０】バナージー等の米国特許第４７１４０８２
号には、０．５ｇ／ｃｃより大なる密度を有する可燃性
燃料素子を記載している。この燃料素子は細断又は再構
成した煙草及び／又は煙草代替物からなり、好ましくは
２０〜４０重量％の炭素を含有する。

【００１１】ハーン等による公開されたヨーロッパ特許
出願第０１１７３５５号には、熱分解した煙草又は他の
炭素質材料例えばピーナツ殻、コーヒー豆殻、紙、カー
ドボード、竹又はオークの葉から形成した炭素熱源が記
載されている。

【００１２】ハーリアー等による公開されたヨーロッパ
特許出願第０２３６９９２号には、炭素燃料素子及び炭
素燃料素子の製造法が記載されている。炭素燃料素子は
炭素粉末、結合剤及び他の追加成分を含有し、６０〜７
０重量％の炭素からなる。

【００１３】ホワイト等による公開されたヨーロッパ特
許出願第０２４５７３２号には、種々の密度の炭素材料
を含有する急速燃焼セグメント及び低速燃焼セグメント
を利用した二重燃焼速度炭素質燃料素子が記載されてい
る。

【００１４】これらの熱源は、それらがフレーバー床へ
の満足できぬ熱伝達を与え、不満足な喫煙物品をもたら
す、即ち、フレーバー、感じ及び従来のシガレットの吸
引回数を刺戟することのできぬもののため、欠点がある
。

【００１５】特開平２−８６７５９号は、フレーバー床
への熱伝達を最大にし、喫煙者による吸引のためフレー
バー床からのフレーバー付エアロゾールを放出し、しか
も生成する一酸化炭素の量を最少にする木炭から形成し
た炭素質熱源を提供することによってこの問題を解決し
た。

【００１６】しかしながら全ての従来の炭素質熱源は、
点火したとき若干量の一酸化炭素ガスを分離する。更に
これらの熱源中に含有された炭素は比較的高い点火温度
を有し、従来のシガレットに対する通常の点火条件下で
は従来の炭素質熱源の点火を困難にする。

【００１７】熱を電気的に発生させるようにした喫煙物
品用の不燃性熱源を作る計画がなされた。例えばバーラ
ス・ジュニアーの米国特許第４３０３０８３号、第４１
４１３６９号、ギルバートの米国特許第３２００８１９
号、マックコーミックの米国特許第２１０４２６６号及
びワイス等の米国特許第１７７７１３６６号がある。こ
れらの装置は実際的でなく、工業的に成功していない。

【００１８】可燃性の非炭素質熱源を作る計画がなされ
た。特開平２−２１５３７３号は金属炭化物熱源に関す
る。金属炭化物熱源の燃焼は、従来の炭素質熱源の燃焼
よりも１０倍以下少ない一酸化炭素を生ずるが、なお若
干の一酸化炭素を生成する。特願平２−３２８７５６号
は燃焼したとき一酸化炭素及び酸化窒素を実質的に生成
しない金属窒化物熱源に関する。特願平３−２０１２３
８号も燃焼したとき実質的に一酸化炭素を生成しない炭
素及び金属炭化物を含有する熱源に関する。

【００１９】赤外線追求ミサイル用減衰として使用する
ための金属アルミナイドを含有する発火性（ｐｙｒｏｐ
ｈｏｒｉｃ）材料を作る計画がなされた。例えばバルデ
イの米国特許第４７９９９７９号がある。しかしながら
これらの装置は急速に燃焼しすぎ、喫煙物品における熱
源として使用するためには強すぎる熱を生成する。

【００２０】金属炭化物を作る方法は知られている。グ
レイ等の米国特許第３８８５０２３号及びオカムラ等の
公開ヨーロッパ特許出願第０１８０１６２号には、一酸
化炭素雰囲気中で酸化鉄を還元することによって炭化鉄
を作ることが記載されている。ステリング等の米国特許
第２７８０５３７号、オカムラの米国特許第４８４２７
５９号及びシブヤ等の公開ヨーロッパ特許出願第０１２
３３１８号には、一酸化炭素／還元性ガス混合物中で酸
化鉄を還元することによって炭化鉄粒子を製造すること
が記載されている。ロジャースの米国特許第３５７２９
９３号には、一酸化炭素／水素雰囲気中で鉄カルボニル
を還元することによる超微粒の炭化鉄粒子の製造が記載
されている。

【００２１】更に金属炭化物は、元素状炭素での金属酸
化物の還元、メタン、エタン、エチレン又はプロパンの
如きガス状種での金属又は金属酸化物の炭化物、及び元
素状炭素と完全に還元された金属の直接反応によって作
ることができる（ロンドンのバターワース１９６７年発
行、Ｈ．　Ａ．　Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ　著、Ｉｎｔ
ｅｒｓｔｉｔｉａｌ　　Ａｌｌｏｙ　、第２１４〜２３
１頁参照）。

【００２２】これらの製造法の短所は、目的製品組成の
制御の欠如にある。上述した方法は、炭素質熱源におけ
るよりも低レベルであるにも拘らず、燃焼したとき不完
全に酸化して一酸化炭素を発生する炭素付着物を含有す
る多形質炭化鉄を生成する。

【００２３】前記方法の別の短所は、金属炭化物熱源を
作くるために要する工程の数にある。これらの工程には
金属炭化物プリカーサー材料の混合、プリカーサー材料
の還元、中間金属種の炭化物化、金属炭化物と結合剤の
混合、金属炭化物／結合剤混合物の所望の形への成形、
及び混合物の焼成を含む。

【００２４】金属炭化物を製造する既知の方法の別の短
所は金属炭化物が粒子形で作られることである。本来炭
化鉄は脆く、取扱い難い材料であり、これは一度形成さ
れると所望の形に成形することが難しく費用がかかる。

【００２５】本発明によれば、特に喫煙物品に有用であ
る熱源を提供する。熱源は実質的な金属炭化物含有率を
有する材料から形成する。一酸化炭素を発生せずに燃焼
できる任意の金属炭化物が本発明方法のために適切であ
る。好ましい金属炭化物は非化学量論的金属炭化物であ
り、炭化チタン、炭化タングステン、炭化マンガン、炭
化ニオブ、炭化アルミニウム又はそれらの混合物を含む
。更に好ましい金属炭化物は式ＦｅｘＣ（式中ｘは１〜
３である）を有する炭化鉄である。最も好ましい金属炭
化物はＦｅ５Ｃ２　又はＦｅ５Ｃ２　とＦｅ３Ｃの混合
物を含む。ここに使用するとき、非化学量論的金属炭化
物は、金属の結晶格子が炭素原子で部分的にのみ充填さ
れている任意の金属炭化物である。

【００２６】好ましくは熱源は少量の炭素及び金属酸化
物を有する金属炭化物を含む。

【００２７】本発明方法によれば、金属種と炭素源を組
合せる。金属種及び炭素源は次いで一酸化炭素／水素ガ
ス雰囲気に曝露し、一工程で金属種を還元し炭化物化す
る。好ましくは金属種／炭素源混合物は、還元／炭化物
化の前に所望の形に予備成形する。炭化物化反応の生成
物は金属炭化物及び少量の炭素及び金属酸化物を含有す
る熱源であり、これは金属種の元の形を実質的に維持す
る。

【００２８】燃焼したとき、本発明の金属炭化物熱源は
実質的に一酸化炭素を遊離しない。金属炭化物は、従来
の炭素質熱源の点火温度より実質的に低い点火温度を有
し、従って点火することが容易である。一度点火すると
熱源の炭素成分は燃焼時に追加の熱を発生し、これによ
って早すぎる自己消化を防止する。

【００２９】金属炭化物の燃焼は何ら著しい量の一酸化
炭素の形成をせずに、金属酸化物及び二酸化炭素を生成
する。燃焼中生成する金属酸化物は一酸化炭素（ＣＯ）
の二酸化炭素（ＣＯ２　）への変化を促進するための酸
化触媒として作用する。

【００３０】本発明の熱源は特に喫煙具において有用で
あるが、それらは、ここに説明した特性を有することが
望まれる他の用途のための熱源としても有用であること
を理解すべきである。

【００３１】本発明の上述した及びその他の目的及び利
点は図との関連における以下の説明から明らかになるで
あろう、図において同様の参照番号は同様の部分を示す
。

【００３２】図１は本発明の熱源の一実施例の端面図を
示す。

【００３３】図２は本発明の熱源が使用できる喫煙物品
の長手方向断面図である。

【００３４】図３は鉄種の炭化鉄への化学変換の反応分
布描写に対する熱を表わす。

【００３５】喫煙物品１０は、シガレット包装紙１４に
て包まれた活性素子１１、膨張質チューブ１２、及び吸
口素子１３からなっている。活性素子１１は、熱源２０
を通って流れる熱ガスによって接触されたとき、フレー
バー付蒸気を遊離するフレーバー床２１及び金属炭化物
熱源２０を含む。蒸気は膨張室１２中に通り、吸口素子
１３へ通るエアロゾールを形成し、次いで喫煙者の口へ
と通る。

【００３６】熱源２０は喫煙物品１０のための満足度を
果すための幾つかの要件に合致すべきである。それは喫
煙物品１０内に嵌合するのに充分な小さいものであるべ
きであり、更にそれを通って流れるガスが喫煙者にフレ
ーバーを与えるためフレーバー床２１から充分なフレー
バーを放出するため充分に加熱されることを確実にする
のに充分な熱で燃焼すべきである。又熱源２０は、熱源
中で燃焼する金属が消費されるまで空気の限定された量
で燃焼することができなければならない。燃焼したとき
、熱源２０は実質的に一酸化炭素を生成してはならない
。燃焼、即ち熱を発生するための熱源と酸素の相互反応
は無炎であり、赤熱発光性である。

【００３７】熱源２０は好ましくは約０．２５ｍ２　／
ｇ〜約２５０ｍ２　／ｇ、更に好ましくは約１０ｍ２　
／ｇ〜約１５０ｍ２　／ｇの範囲の表面積を有すべきで
ある。更に本発明のよって作られる熱源は大孔（大きさ
において約１μ〜約５μの孔）、中孔（大きさにおいて
約２０オングストローム〜約５００オングストロームの
孔）及び微孔（大きさにおいて約２０オングストローム
以下の孔）を含有する。熱源２０のための平均孔半径は
約１０オングストローム〜約３００オングストロームで
あるべきである。

【００３８】熱源２０は適切な熱導率を有すべきである
。多すぎる熱が燃焼帯域から熱源の他の部分に伝えられ
ると、その点での燃焼は、温度が熱源の消火温度以下に
下ったとき止まり、点火することが困難であり、そして
点火後早すぎる自己消化を受ける喫煙物品となる。かか
る消火は本質的に１００％燃焼を受ける熱源を持つこと
によっても防止される。熱伝導率は、燃焼したとき熱源
が取付け構造物２４に熱を伝導することなく、それを通
って流れる空気に熱を伝達できるような程度であるべき
ある。燃焼する熱源と接触するように入って来る酸素は
殆ど完全に熱源を完全に酸化し、膨張室１２中に戻る酸
素を制限する。取付け構造物２４は酸素を熱源の後部分
に達することを抑制すべきである、これによってフレー
バー床２１が消費された後熱源を消化することを助ける
。これは又喫煙物品の端から熱源が落下するのを防ぐ。

【００３９】本発明方法によれば、金属種は：（１）金
属種を炭素源と混合すること；（２）混合物に熱を供給
すること；及び（３）混合物を還元性／炭化物化ガス雰
囲気と接触させて金属炭化物を形成すること によって金属炭化物に変換される。

【００４０】金属種は金属炭化物に変換されうる任意の
金属含有分子であることができる。好ましくは金属種は
酸化チタン、酸化タングステン、酸化マンガン、酸化ニ
オブ、又はそれらの混合物である。更に好ましくは金属
種は酸化鉄、金属鉄、又はそれらの混合物である。更に
好ましくは金属種はオキシ水酸化鉄、Ｆｅ３Ｃ４　，Ｆ
ｅＯ　又はそれらの混合物であり、最も好ましくはＦｅ
２Ｏ３　（酸化第二鉄）である。各種金属種の異なる相
を使用でき、本発明の方法又は炭化物化反応の工程に実
質的な影響はない。天然産又は合成金属酸化物の何れも
使用できる。

【００４１】炭素源は実質的に純粋な炭素の形で加える
べきである、しかし続いて炭素に変換されうる材料も使
用できる。炭素は高度に結晶質のグラフアイト又は準結
晶質の形の何れでも良く、これには性質においてアモル
フアス又はターボストラテイツク（ｔｕｒｂｏｓｔｒａ
ｔｉｃ）であるのものを含む。好ましくは炭素源はコロ
イド状グラフアイトであり、更に好ましくは活性炭であ
る。

【００４２】金属種を炭素源と組合せるに当って、僅か
の量の炭素が炭化物化工程に続いて組成物中に残るよう
充分な量の炭素を金属種に加えるべきである。好ましく
は約２〜約２０重量％、更に好ましくは約５〜約１８重
量％炭素を加えて金属種／炭素源混合物を形成すべきで
ある。

【００４３】金属種／炭素源混合物は粒子の形であるべ
きである。金属種及び炭素源の粒度は約３００μ以下の
範囲であるべきである。更に好ましくは金属の粒度は約
サブミクロンないし約２０μの粒度範囲であるべきであ
る、一方炭素源の粒度は約サアブミクロンないし約４０
μの粒度範囲であるべきである。粒子は所望の粒度で作
ってもよく、或いは大きな粒度で作り、所望の粒度に粉
砕してもよい。

【００４４】金属種及び炭素源粒子の表面積には厳密な
規制がある。表面積が大となればなる程、金属種と炭素
源の反応性は大となり、より効率的な還元／炭化物化反
応を生ぜしめる。金属種粒子の表面積は好ましくは約０
．２ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇの範囲である。更に好
ましくは金属種粒子は約１ｍ２　／ｇ〜約１５０ｍ２　
／ｇの表面積を有する。好ましくは活性炭粒子は約０．
５ｍ２　／ｇ〜約２０００ｍ２　／ｇの表面積範囲であ
る。更に好ましくは活性炭表面積は約１００ｍ２　／ｇ
〜約６００ｍ２　／ｇの範囲である。

【００４５】金属種及び炭素源は溶媒中で一緒にすると
よい。金属種／炭素源混合物の流動性を増大し、個々の
成分の化学的反応性に影響を与えない任意の溶媒が使用
できる。好ましい溶媒には、例えばメタノール、エタノ
ール及びアセトンを含み最も好ましくは水である極性溶
媒である。

【００４６】金属種／炭素源混合物は次に炭素質結合剤
と組合せる、これは金属種／炭素源混合物に更に大なる
機械的安定性を与える。混合物の金属炭化物への変換中
、結合剤は分解して主たる炭素、二酸化炭素及び一酸化
炭素を生成する。金属種／炭素源混合物は当業者に知ら
れている任意の好都合な方法を用いて結合剤と組合せる
。

【００４７】金属種／炭素源混合物の粒子を結合するた
め任意の数の結合剤が使用できる。結合剤材料は、他の
添加剤例えばクエン酸カリウム、塩化ナトリウム、バー
ミキユル石、ベントナイト、又は炭酸カルシウムと組合
せて使用できる。好ましい結合剤は約６００℃以下でガ
スに分解するものであり、これには炭素質結合剤例えば
グアーガム、セルロース誘導体例えばメチルセルロース
、カルボキシメチルセルロース及びヒドロキシプロピル
セルロース、小麦粉及びコニャック（ｃｏｎｊａｃ）粉
誘導体例えばＦａｃｔｏｒｙ　　Ｍｕｔｕａｌ　　Ｃｏ
ｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手できるＮｕｔｒｉｃｏｌ、
　澱粉、糖、アルギン酸塩、ポリビニルアルコール、植
物油又はそれらの混合物を含む。更に好ましい結合剤は
無機結合剤である。最も好ましい結合剤はＤｏｗ　　Ｃ
ｈｅｍｏｃａｌのＸＵＳ　４０３０３．００Ｅｘｐｅｒ
ｉｍｅｎｔａｌ　　Ｃｅｒａｍｉｃ　　Ｂｉｎｄｅｒ　
である。金属種／炭素源混合物は溶媒と共に結合剤と組
合せる、かくすると混合物は押出しに好適な粘稠度を有
する。

【００４８】次いで金属種／炭素源混合物は所望の形に
予備成形するとよい。所望の形に混合物を予備成形でき
る任意の方法を使用できる。好ましい製造方法はスリッ
プキャステイング、射出成形、及びダイ圧縮、そして最
も好ましくは押出しを含む。

【００４９】熱源を製造する方法は、金属種／炭素源混
合物に加えるべき結合剤の量を決定する。例えば所望の
形に混合物を形成するため主として圧力に依存する製造
法は比較的少ない量の結合剤を必要とする。これらの方
法はスリップキャステイング、射出成形及びダイ圧縮を
含む。所望の形に混合物を形成するため圧力に依存しな
い製造法、例えば押出しは、比較的大量の結合剤を必要
とする。好ましくは可燃性材料の重量を基準にして、約
２〜約２０％の結合剤を金属種／炭素源混合物に加える
。更に好ましくは約３〜約１０％の結合剤を金属種／炭
素源混合物に加える。

【００５０】金属種／炭素源は任意の所望の形に形成で
きる。当業者には、個々の用途がそれぞれの形を要求し
うることは判るであろう。好ましい実施態様において、
混合物は細長棒に形成する。好ましくは棒は長さ約３０
ｃｍである。熱源の直径は約３．０ｍｍ〜約８．０ｍｍ
の範囲であることができる。好ましくは熱源は約４．０
ｍｍ〜約５．０ｍｍの直径を有する。約４．０ｍｍの最
終直径が、通常のシガレットの直径より喫煙物品の直径
を大にすることなく熱源の周囲に環状空気空隙を可能に
する。

【００５１】焼成する前の棒は生棒と称する。焼成中棒
の直径の変動が生ずるため（後述する説明参照）、熱源
の最終直径より僅かに大きい直径で生棒を形成するのが
好ましい。

【００５２】熱源２０からフレーバー床２１への熱の伝
達を最大にするため、一つ以上の空気流通路２２を特開
平２−８６７５９号に記載されている如く、熱源２０の
周囲に沿って又はそれを通って形成するとよい。空気流
通路は、熱源を通って流れる空気への熱伝達を改良する
ため大きな幾何学的表面積を有すべきである。或いは熱
源は、熱源を通って熱を流れさせるために充分な多孔度
をもって形成してもよい。熱源が点火され、空気が喫煙
物品を通って引かれるとき、空気はそれが熱源の周囲又
はそれを通って通過するに従い、又は空気流通路を通り
、又はその上又はその周囲を通過するに従って加熱され
る。加熱された空気がフレーバー床を通って流れ、喫煙
者による吸入のためのフレーバー付エアロゾールを放出
する。

【００５３】通路の形及び数は熱源２０の内部幾何学的
表面積を最大にするよう選択すべきである。図１に示し
た如き縦方向空気流通路を使用するとき、フレーバー床
への熱伝達の最大化は、多頂点星形で各縦方向空気流通
路２２を形成することによって達成される。更に好まし
くは図１に示す如く、各多頂点星形は長く狭い頂点を有
し、星の最内部縁によって規定される小さい内側円周を
有すべきである。縦方向空気流通路は燃焼のために利用
できる熱源２０の大きな面積を提供し、燃焼に当って含
まれる組成物の大なる容量をもたらし、従ってより熱い
燃焼熱源をもたらす。

【００５４】生棒は次いで不銹鋼フレーム中で他の上に
一つを重ねたグラフアイトシート上に置く。積重したグ
ラフアイトシートを含有する容器は次いでマッフル炉の
如き加熱又は焼成装置中に置く。加熱装置内においたら
、棒は金属種を金属炭化物へ変換させる雰囲気に曝露す
る。好ましくは加熱装置は、外部雰囲気から加熱装置内
へのガスの拡散を防ぐため僅かに１気圧より上に加圧す
る。

【００５５】金属種の金属炭化物への化学的変換は生棒
に熱を供給することによって達成できる。熱は下記の如
き種々の方法で供給できる：（１）一定温度を保つよう
に；（２）一連の間隔で；（３）増大する速度で；又は
（４）それらの組合せで供給できる。更に棒を冷却させ
る如き工程を使用できる。しかしながら好ましくは熱は
、結合剤を焼きつくし、続いての炭化物化を含む多段階
焼成法で図３に示す如く供給する。当業者は広い温度及
び圧力の変動で、熱的工程（溶媒蒸発及び結合剤燃焼の
如き）が生ずることは判るであろう。

【００５６】結合剤焼きつくしは、棒中に存在する溶媒
の蒸発のみならず炭素質結合剤の蒸発及び炭化を含む。 結合剤焼きつくしは棒に熱を徐々に供給することによっ
て達成する。一定速度での温度を上昇させることが結合
剤焼きつくしを達成するが、始め第一低速温度上昇で、
続いて第二の大なる上昇速度で棒に熱を供給するのが好
ましい。

【００５７】第一の低速温度上昇は棒中に存在する溶媒
を蒸発させる、一方で溶媒が蒸発するとき棒中に破壊及
び亀裂を形成するのを防止する。更に棒の反り形成及び
曲げ形成が実質的に避けられる。初期上昇速度は約０．
１℃／分〜約１０℃／分、好ましくは約０．２℃／分〜
約５℃／分とすべきである。この上昇速度は、約１００
〜約２００℃又は更に好ましくは約１２５℃の温度に到
達し、全ての溶媒が蒸発するまで維持する。

【００５８】一度棒中の溶媒が蒸発したら、棒中の結合
剤を分解するため加熱速度を増大させる。炭素質結合剤
を使用したとき、約２００℃〜約３００℃の範囲の温度
で、一酸化炭素及び二酸化炭素の如きガス状生成物に分
解し始める。従って加熱速度は、棒の一体的構造に悪影
響を与えることのあるガス状生成物の小さい爆発を最少
にするに充分な遅さで棒からガス状生成物の放出をする
ようにすべきである。好ましくは温度上昇速度は約１℃
／分〜約２０℃／分の範囲である。更に好ましくは温度
上昇速度は約５℃／分〜約１０℃／分の範囲である。温
度は、最高温度に到達し、炭素質結合剤が分解するまで
、この速度で上昇させる。好ましくは最高温度は約２５
０℃〜約６５０℃である。

【００５９】最高温度及び最高温度で棒を保つ時間の長
さが棒の強度及びその化学的組成を決定する。棒の強度
は個々の用途にマッチするよう調整できるが、棒の強度
は高速製造方法に耐えるに充分にすべきである。

【００６０】金属種の還元は加熱工程中還元性ガスと接
触させることによって生ずる。加熱中炭素質結合剤は分
解して還元性ガス中でも一酸化炭素を発生する。更に炭
素源として活性炭を用いたとき、それは金属種と反応し
て一酸化炭素を発生し、部分的に還元された金属種を発
生する。例えば金属種が酸化鉄であるとき、ＣＯが順次
Ｆｅ２Ｏ３　をＦｅ３Ｏ４　に、そしてＦｅ３Ｏ４　を
Ｆｅに還元する。金属種の各還元と共に、ＣＯはＣＯ２
　に酸化される。

【００６１】金属種を還元するため、炭素及び結合剤か
ら発生したＣＯ及び炭素に全面的に依存すること以外に
、加熱装置の雰囲気中に追加の還元剤を加えることがで
きる。好ましくは追加の還元剤は水素ガス、一酸化炭素
、ＣＨ４　，Ｃ２Ｈ４又はそれらの混合物である。更に
好ましくは雰囲気は約１部のＣＯと１０部のＨ２から約
１０部のＣＯと１部のＨ２の間の比でのＣＯ／Ｈ２ガス
混合物を含む。最も好ましくは雰囲気は約１部のＣＯと
約７部の水素ガスを含有する。

【００６２】結合剤焼きつくし工程中の金属種の還元の
程度は又焼成温度及び焼成時間によって制御する。例え
ば金属種の還元は一度最高温度に到達すると完了できる
。そうでないときには、金属種が充分に還元されるまで
最高温度を維持すべきである。結合剤焼きつくし段階の
終わったとき、好ましい金属生成物は実質的に低原子価
の金属酸化物及び完全に還元された金属の混合物である
。低原価金属酸化物は、金属が完全に酸化された状態で
ない金属酸化物である。低原子価酸化鉄の例にはＦｅ３
Ｏ４　及びＦｅＯ　を含む。

【００６３】還元された金属生成物は次いで炭化物化を
受け、金属炭化物を生成する。炭化物化は、金属炭化物
が生成されるまで約２５０℃〜約６００℃、好ましくは
約３００℃〜約４５０℃で金属生成物を加熱することに
よって生ぜしめる。一般に炭化物化温度が高ければ高い
程金属炭化物を生成するのに要する時間は短くなる。例
えば金属炭化物が炭化鉄であるとき、約３００℃の炭化
物化温度が約４時間で炭化鉄を生成する、一方約３５０
℃の炭化物化温度は鉄生成物を炭化鉄に変えるために約
３時間のみを必要とする。温度が低すぎると、即ち約２
５０℃未満であると、炭化物化段階は望ましくない長時
間行うことが必要である。

【００６４】どの長さの時間に対しても、約４５０℃の
炭化物化温度は金属炭化物の混合物を生ぜしめる、例え
ば炭化鉄と、Ｆｅ５Ｃ２　及びＦｅ３Ｃの混合物を生成
するであろう。形成される炭素の量も、温度上昇と共に
そして焼成時間中に増大するであろう。

【００６５】好ましくは炭化物化は、低点火温度、高燃
焼温度、及び炭素の最少付着を生ぜしめるため、前述し
た還元ガスの如き還元／炭化物化ガスの存在下に約３０
０℃〜約４５０℃の好ましい温度範囲で行う。

【００６６】前述した方法によって作られた金属炭化物
は、増大した反応性を有する局在した発火性部位を含有
することがある、これは不動態化しなければならぬ。不
動態化は酸化剤に対する熱源の制御された曝露をするこ
とを含む。好ましい酸化剤には稀薄酸素を含み、更に好
ましくは稀薄空気を含む。理論に拘束されることは望ま
ぬのであるが、低濃度の酸化剤は、熱源の制御されない
燃焼を防止しながら、発火性部位を除くと信ぜられる。

【００６７】前述した如く、棒の寸法における変動が焼
成中に生ずる。一般に結合剤燃えつきの結果として容量
で約１０％〜約２０％の変化が生ずる。この容量変化は
反り又は曲げを生ぜしめうる。棒は直径において不一致
に悩まされることがある。従って棒は焼成に続いて、前
述した寸法に加工又は研削するとよい。次に細長い棒を
約８ｍｍ〜約２０ｍｍ、好ましくは約１０ｍｍ〜約１４
ｍｍのセグメントに切断する。

【００６８】この方法で作った棒は、（１）約５０％〜
約８５％の金属炭化物；（２）約１０％〜３０％の炭素
；及び（３）約５％〜２０％の低原子価金属酸化物を含
む。棒は更に痕跡量の高原子価金属酸化物を含有しても
よい。金属炭化物成分は、通常のシガレットを点火する
ための条件で点火できる充分に低い点火温度を有する。 燃焼した時炭素成分は追加熱を提供し、従って熱源が早
すぎる自己消火をしない。低原子価金属酸化物成分は燃
焼した時熱を提供し、ＣＯのＣＯ２　への酸化を促進す
る触媒として作用する。

【００６９】熱源の点火温度は好ましくは約１７５℃〜
約４５０℃、更に好ましくは約１９０℃〜約４００℃の
範囲である。点火したとき、熱源は好ましくは約６００
℃〜約９５０℃、更に好ましくは約６５０℃〜約８５０
℃の最高温度に到達する。最高温度は一部喫煙条件に、
そして酸素の利用可能性に影響を与える熱源と接触する
材料によって決まる。従って本発明の方法によって作っ
た金属炭化物は従来の炭素質熱源よりも実質的に点火す
ることが容易であり、自己消火性になることが少ない、
しかし同時に低い温度でくすぶるようにすることができ
る、これによって火災の危険を最少にすることができる
。

【００７０】本発明の方法によって作った熱源は広い範
囲の相対湿度条件下及び老化時間の下で安定である。例
えば約０％の相対湿度ないし約１００％の相対湿度の範
囲の種々の相対湿度条件下で３ケ月迄熱源の老化は、燃
焼生成物に実質的な影響を有しない。更に熱源は老化し
たとき寸法において実質的に変化を受けない。

【００７１】実施例　　１ ９１６ｇのＦｅ２Ｏ３　、５４ｇのグラフアイト炭素、
３０ｇのペクチン及び水を混合した。混合物を単一円形
孔ダイを有する押出機で押出して、直径４．６ｍｍを有
する生棒を形成した。生棒を空気乾燥し、次いで１０ｍ
ｍの長さの筒に切った。次に筒を石英板上に置き、石英
管反応器（直径８０ｍｍ、長さ５０ｃｍ）中に入れた。 次いで反応器をガスマニホールドに接続した炉中に入れ
た。炉を、その中に１０００ｓｃｃ／ｍの流速でＣＯ／
Ｈ２ガス混合物を通しながら、２．３℃／分の上昇速度
で２時間で３００℃迄加熱した。ＣＯ／Ｈ２比は、３０
０℃で３時間ＣＯ１部対Ｈ２７部で保った。流れるガス
中のＣＯのレベルをＣＯ１部対Ｈ２２部の比に増大させ
た。ＣＯ／Ｈ２雰囲気をＮ２で置換し、次いで反応器を
室温に冷却した。室温で流動Ｎ２に空気を加えて、筒状
熱源を不動態化した。

【００７２】熱源の組成は、実質的にＦｅ５Ｃ２　の形
での炭化鉄５４％、炭素１０％、及び実質的にＦｅ３Ｏ
４　の形での酸化鉄３６％であった。燃焼したときこの
方法で作った筒状熱源は熱源１ｍｇについてＣＯ２．２
μｇを発生した。

【００７３】実施例　　２ 還元／炭化物化雰囲気がＨ２２部に対してＣＯ１部の比
で含有していたこと以外は実施例１に記載した方法を繰
返した。この比は製造中全体にわたり一定に保った。生
棒を０．８℃／分の速度で６時間で３００℃に加熱した
。ＣＯ／Ｈ２雰囲気の流速は１３５０ｓｃｃ／ｍであっ
た。

【００７４】熱源の組成は実質的にＦｅ５Ｃ２　の形で
の炭化鉄６０％、炭素１０％、及び実質的にＦｅ３Ｏ４
　の形での酸化鉄３０％であった。燃焼したときこの方
法で作った筒状熱源は熱源１ｍｇについて１．６μｇの
ＣＯを発生した。

【００７５】実施例　　３ ５４ｇのグラフアイト炭素、６０ｇのペクチン、８８６
ｇのオキシ水酸化鉄（ＦｅＯＯＨ　）及び水を混合した
。この混合物を７個の孔通路ダイで押出し、直径４．６
ｍｍを有する生棒を形成した。生棒を空気乾燥し、長さ
１０ｍｍの筒に切断した。筒を実施例１に記載した方法
と同じ方法で反応器中に入れた。反応器をＮ２の連続流
の下で５℃／分の速度で４００℃に加熱した。この温度
を２時間保った。次いで温度を３４０℃に下げ、Ｎ２を
、１２００ｓｃｃ／ｍの流速で、１部のＣＯ、７部のＨ
２の比でのＣＯ／Ｈ２ガス混合物で置換した。温度を８
時間３４０℃で保った。次に混合物をＮ２中で室温まで
冷却した。次に空気を流動Ｎ２に徐々に加え筒状熱源を
不動態化した。

【００７６】熱源の組成は、実質的にＦｅ５Ｃ２　の形
での炭化鉄８６％、炭素５％、及び実質的にＦｅ３Ｏ４
　の形での酸化鉄９％であった。燃焼したとき、この方
法で作った筒状熱源は熱源１ｍｇについて１４．６μｇ
のＣＯを発生した。

【００７７】実施例　　４ ７１０ｇのＦｅ２Ｏ３　、２５０ｇの活性炭、１７５ｇ
の水、及び３７．５９ｇのクエン酸カリウムを、２００
ｇの小麦粉、１０３ｇの砂糖及び２２ｇのトウモロコシ
油から作った結合剤と混合した。混合物を、単一星形空
気流通路を有する直径５．０５ｍｍ及び長さ３０ｃｍの
生棒を形成するため押出した。生棒を実施例１で使用し
た反応器と同じ反応器中に入れた。次の如く炭化物化工
程を行った：反応器を１０００ｓｃｃ／ｍの流速で、空
気中で１．２５℃／分の上昇速度で３時間で２５０℃ま
で加熱した。次に１０００ｓｃｃ／ｍの流速で空気中で
２．８３℃／分の上昇速度で２．５時間で４５０℃まで
反応器を加熱した。次に１０００ｓｃｃ／ｍの流速でＮ
２ガスの流れの下で３８０℃まで反応器温度を下げた。 次に反応器を５００ｓｃｃ／ｍの流速でＨ２で３時間３
８０℃で保った。反応器温度を２８０℃に下げ、それを
３００ｓｃｃ／ｍの流速でＣＯ流の下で２４時間一定に
保った。次にＮ２中で反応器を冷却し、筒状熱源を空気
で不動態化した。

【００７８】熱源の組成は実質的にＦｅ５Ｃ２　の形で
の炭化鉄４９％、炭素３０％及び実質的にＦｅ３Ｏ４　
の形での酸化鉄２１％であった。熱源の点火温度は約２
００℃であった。

【００７９】燃焼したとき、筒状熱源は、熱源１ｇにつ
いて７４．０μｇのＣＯを発生した。燃焼中、熱源中心
での温度は７１０℃に達し、約４．０分間５００℃以上
のままであった。

【００８０】従って本発明は、従来の炭素質熱源よりも
著しく低い点火温度を有し、燃焼したとき実施的に一酸
化炭素ガスを形成しない、少量の炭素及び酸化鉄を有す
る金属炭化物を含有する熱源を提供することが判る、一
方同時にフレーバー床への熱伝達を最大にすることが判
る。当業者は本発明が更に最終製品の制御を可能にし、
既知の方法より少ない工程を必要とする金属炭化物の製
造法を提供することを認めるであろう。それは出発材料
を所望の形に予備形成し、その場で金属炭化物に変換で
きる金属炭化物を製造する方法を提供する。

【００８１】形成される熱源は、通常のシガレットにと
って代表的な条件の下で容易に点火することができる低
い点火温度を有することができ、それと同時にフレーバ
ー床からフレーバーを遊離するのに充分な熱を与えるの
に充分に高い燃焼温度を有することができる。更にそれ
は早すぎる自己消火がなく、常温及び湿度で安定である
熱源を提供することを可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱源の一実施態様の端面図を示す。

【図２】本発明の熱源を使用できる喫煙物品の長手方向
断面図を示す。

【図３】鉄種の炭化鉄への化学変換の熱対反応分布説明
を示す。

【符号の説明】

１０　　喫煙物品 １１　　活性素子 １２　　膨張室チューブ １３　　吸口素子 １４　　包装紙 ２０　　金属炭化物熱源 ２１　　フレーバー床 ２４　　取付構造物

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　金属炭化物、低原子価金属酸化物、及
   び炭素を含有することを特徴とする熱源。
2. 【請求項２】　　金属炭化物がＦｅ５Ｃ２　を含み、低
   原子化金属酸化物がＦｅＯ　であることを特徴とする請
   求項１の熱源。
3. 【請求項３】　　金属炭化物がＦｅ５Ｃ２　及びＦｅ３
   Ｃの混合物を含むことを特徴とする請求項１又は２の熱
   源。
4. 【請求項４】　　喫煙物品に使用するための形で用いる
   ことを特徴とする請求項１，２又は３の熱源。
5. 【請求項５】　　熱源が一つ以上の長手方向流体通路を
   有する実質的に筒状棒の形であることを特徴とする請求
   項４の熱源。
6. 【請求項６】　　流体通路が筒状棒の円周の近くに間隔
   を置いた溝として形成されていることを特徴とする請求
   項５の熱源。
7. 【請求項７】　　流体通路が多頂点星形で形成されてい
   ることを特徴とする請求項５の熱源。
8. 【請求項８】　　筒状棒が３．０ｍｍ〜８．０ｍｍ、好
   ましくは４．０〜５．０ｍｍの直径及び１０ｍｍ〜１４
   ｍｍの長さを有することを特徴とする請求項５，６又は
   ７の熱源。
9. 【請求項９】　　（ａ）金属種及び炭素源を混合し、（
   ｂ）混合物に熱を供給し、（ｃ）混合物を還元性／炭化
   物化雰囲気と接触する工程を含むことを特徴とする金属
   炭化物を製造する方法。
10. 【請求項１０】　　結合剤を金属種及び炭素源の混合物
    に混入し、熱を供給する前に混合物を所望の形に形成す
    ることを特徴とする造形された熱源を作るための請求項
    ９の方法。
11. 【請求項１１】　　金属種が鉄種、好ましくはオキシ水
    酸化鉄、Ｆｅ２Ｏ３　，Ｆｅ３Ｏ４　，ＦｅＯ　又はそ
    れらの混合物であることを特徴とする請求項１０の方法
    。
12. 【請求項１２】　　炭素源をコロイド状グラフアイト及
    び活性炭から選択することを特徴とする請求項１０又は
    １１の方法。
13. 【請求項１３】　　還元性／炭化物化雰囲気が一酸化炭
    素及び水素、好ましくは一酸化炭素約１部及び水素約７
    部を含有することを特徴とする請求項１０，１１又は１
    ２の方法。
14. 【請求項１４】　　結合剤が炭素質材料を含有すること
    を特徴とする請求項１０〜１３の何れか１項の方法。
15. 【請求項１５】　　結合剤が無機材料を含有することを
    特徴とする請求項１０〜１３の何れか１項の方法。
16. 【請求項１６】　　熱を一定速度の温度上昇で混合物に
    供給することを特徴とする請求項１０〜１５の何れか１
    項の方法。
17. 【請求項１７】　　熱を複数の間隔で混合物に供給し、
    熱を好ましくは各間隔内で一定速度の温度上昇で供給す
    ることを特徴とする請求項１０〜１５の何れか１項の方
    法。
18. 【請求項１８】　　温度上昇速度が２０℃／分以下であ
    ることを特徴とする請求項１６又は１７の方法。
19. 【請求項１９】　　熱を、２５０℃〜６５０℃の温度に
    到達するまで混合物に供給することを特徴とする請求項
    １６又は１７の方法。
20. 【請求項２０】　　熱を二つの間隔で混合物に供給し、
    第一間隔において第一温度上昇で、第二間隔において第
    二温度上昇で供給することを特徴とする請求項１７の方
    法。
21. 【請求項２１】　　第一上昇速度が０．１℃／分〜１０
    ℃／分であることを特徴とする請求項２０の方法。
22. 【請求項２２】　　熱を第一間隔で１００℃〜２００℃
    の温度に到達するまで混合物に供給し、好ましくは約１
    ２５℃の温度に到達するまで０．２℃／分〜５℃／分の
    第一上昇速度で供給することを特徴とする請求項２０又
    は２１の方法。
23. 【請求項２３】　　第二上昇速度が１℃／分〜２０℃／
    分であることを特徴とする請求項２０〜２２の方法。
24. 【請求項２４】　　熱を第二間隔で、２５０℃〜６５０
    ℃の温度に到達するまで混合物に供給し、好ましくは第
    二上昇速度で５℃／分〜１０℃／分で供給することを特
    徴とする請求項２０の方法。
25. 【請求項２５】　　金属種及び炭素源を極性溶媒中、好
    ましくは水、アセトン、メタノール及びエタノールから
    選択した溶媒中で一緒に混合することを特徴とする請求
    項１０〜２４の何れか１項の方法。
26. 【請求項２６】　　金属種が３００μ以下の粒度、好ま
    しくはサブミクロンないし２０μの粒度を有する粒子形
    であることを特徴とする請求項１０〜２５の何れか１項
    の方法。
27. 【請求項２７】　　金属種が０．２ｍ２　／ｇ〜３００
    ｍ２　／ｇ、好ましくは１ｍ２　／ｇ〜１５０ｍ２　／
    ｇの表面積を有することを特徴とする請求項１０〜２６
    の何れか１項の方法。
28. 【請求項２８】　　炭素源が３００μ以下の粒度、好ま
    しくはサブミクロンないし４０μの粒度を有する粒子形
    であることを特徴とする請求項１０〜２７の何れか１項
    の方法。
29. 【請求項２９】　　炭素源が０．５ｍ２　／ｇ〜２００
    ０ｍ２／ｇ、好ましくは１００〜６００ｍ２　／ｇの表
    面積を有することを特徴とする請求項１０〜２８の何れ
    か１項の方法。