CN104203873A - 多孔氧活化的加热器 - Google Patents

Abstract

一种基材加热器，其包括至少湿孔隙率，所述湿孔隙率为15-35％，以接纳充足的电解质溶液，以及使基材内的还原剂和氧通过的孔隙率。

Description

多孔氧活化的加热器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年1月5日提交的美国临时专利申请61/583,410以及于2012年1月5日提交的美国临时专利申请61/583,418的优先权，二者通过参考在此整体引入。

发明领域

本发明涉及使用氧(通常是大气的氧)作为放热反应的化学反应物源的多孔加热器。

发明背景

便携无焰加热器目前用于多种应用中，例如加热食品、药品和消费品。

一些加热器利用镁和水反应产生热量。当这类加热器产生足够热量时，氢气是放热反应的产物。这可能产生安全、运输、储存和处置问题。另外，放热反应需要水，这需要随身携带，会很麻烦。

其他反应器利用“生石灰(氧化钙)”与水反应的热量。尽管该反应不产生作为副产物的氢气，但是它仍然基于使用水作为反应物。相应地，这种类型的加热器还要求使用者经常具有足量的水。而且，体系的比能量低(约1.2kJ每克氧化钙)，用它替代镁和水加热器是适合的，但不是有效的。

除了上述水基加热器，还已知利用氧基加热器。氧基加热器，例如美国专利5,984,995、5,918,590和4,205,957中所述的那些，相对于水基加热器具有某些优势。

首先，氧基加热器不需要添加水产生热量。其次，由于氧基加热器仅在氧气存在下产生热量，放热反应可以通过简单地阻止氧接触而停止。另外，一些这类加热器可以通过重新引入氧使放热反应在稍后的时间重启。而且，由于氧在大气中很丰富，这些加热器不需要混合组分或额外的反应物(因为来自大气的氧是唯一缺少的反应物)。

本发明的申请人提供了氧基加热器和多种用于此类加热器的包装，参见，例如于2010年5月25日公布的美国专利7,722,782；于2009年2月9日提交的美国专利序列号12/376,927；于2010年9月2日提交的美国专利序列号12/874,338；于2012年1月5日提交的美国专利序列号61/583,418；于2012年10月16日提交的美国专利序列号61/714,526；于2012年10月19日提交的美国专利序列号61/716,226；于2012年10月19日提交的美国专利序列号61/716,279；以及于2012年10月22日提交的美国专利序列号61/716,906，所有这些通过参考在此整体引入。

这些所公开的加热器和包装成功地提供了氧基加热器和/或用于这些加热器的包装。

由于这些加热器通常是多孔复合结构，并且依赖于大气的氧与加热器复合材料的化学成分的反应，所以复合加热器的孔隙率对于提供高效有用的加热器是重要的特征。

本发明涉及提供一种加热器，其具有足够的孔隙率从而高效有用但不损失性能，以及具有其他优势。

发明概述

在本发明的一个方面，本发明涉及湿孔隙率为约15-35％的氧基加热器。该加热器还可以具有约60％的干孔隙率。

在本发明的另一方面，本发明涉及在包装内的湿孔隙率为约15-35％的加热器。

干孔隙率表示在引入电解质之前的加热器片的孔隙率，以及湿孔隙率表示添加电解质后的加热器片的孔隙率。为了获得这些孔隙率范围，加热器片内的组分的组织结构对于确保加热器包括用于发生氧气引发的反应的正确微环境而言是重要贡献，而且这些孔隙率范围是形成正确微结构的指标。

如果干或湿孔隙率太小，氧向反应位的扩散减少，因此加热器性能降低。

另一方面，如果干孔隙率过高，加热器片的整体性受到损害，这可能影响制造和处理加热器片的能力。

类似地，如果湿孔隙率过高，由于缺乏支持反应的电解质，加热器片的性能降低。

相应地，本发明还涉及提供一种加热器，其具有足以在可接受的时间内达到所需温度的湿孔隙率。

基于本公开，本领域的普通技术人员应当清楚这些和其他优势。

应当理解，上述本发明的方面和目标可以结合，并且在阅读下述附图说明和附图详述之后，本领域的普通技术人员将清楚本发明的其他优势和方面。

附图说明

从以下说明和所附权利要求书，结合附图，本发明将变得更充分地清楚。应当理解，附图仅描述了典型的实施方案，因此不应理解为对本公开范围的限制，将参考下面提供的附图具体详细地描述和解释这些实施方案。

图1的图显示了本发明的不同加热器5分钟后的温度。

图2的图显示了本发明的不同加热器获得100°F的温度上升所花费的时间(从40°F的温度开始)。

图3的图显示了本发明的加热器到达各自的最大温度所花费的时间。

图4是在包装内的本发明加热器的实施方案的侧面剖视图。

附图详述

本发明可以接受许多不同形式的实施方案，如附图中所示，并且将在此详细描述一个或多个实施方案，应当理解，本公开应被认为是本发明原则的举例说明，而不用于将本发明限制为所述的实施方案。

整个说明书中特征，优势、目标或类似语言的附图标记不表示可以用本发明实现的所有特征和优势应当在或者在本发明的任意单个实施方案中。相反，表示特征和优势的语言应当理解为就一个实施方案所述的特定的特征、优势或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，整个说明书中特征和优势的任何讨论以及类似语言可以但不必表示同一实施方案。

不同的复合加热器通过以下方式制备：通过和使用表1中所示的配方，使用标准的混合和轧制方法来形成材料片。加热器包括Zn作为还原剂。加热器还包括用KMnO₄处理的碳作为促进剂，以及聚四氟乙烯作为粘合剂，该粘合剂将化学成分结合在一起并且允许制备柔性复合加热器。优选的碳是由AkzoNobelPolymer Chemicals生产的Ketjenblack KB300J，并且优选的聚四氟乙烯是粉末状的聚四氟乙烯，例如Laurel Product的Marzon-10。还可以包括其他化学成分并且仍然落入本发明的范围，例如，加热器还可以包括用来提高稳定性的添加剂，例如铟、铋、锡酸盐或硅酸盐。

表1

片配方	g	w/w％
			Zn	3375	81.70％
KMnO4	1.9	0.04％
			碳	268.1	6.49％
聚四氟乙烯	486	11.76％
			总量	4131.0	100.0％

所制备的复合加热器的性质示于表2中。通过计算干加热器片中组分的理论密度，然后从该理论密度中减去表观密度，来确定干孔隙率。然后差值除以该理论密度，从而确定得到干孔隙率。

表2

复合加热器用不同量的20wt％的氯化钾溶液活化，并装入袋中。电解质溶液的不同量示于表3中。使用不同量还使得湿孔隙率不同，也示于表3中，通过计算干加热器片的自由体积，减去添加到加热器片的活化剂溶液的体积，以确定最终自由体积，然后除以加热器片体积，来确定湿孔隙率。

表3

各复合加热器的性能在标准的8盎司水袋测试中进行评价，其中在加热过程中监测水温。

测量的测试参数如下：在五分钟内的温度上升；从40°F的初始温度将水温提升100°F的时间；到达最大温度的时间；以及所达到的最大温度。在这些测试中，选择140°F的所需温度作为所需温度，因为对于从低温加热的食品来说140°F的温度是所需温度。此处使用的“所需温度”表示被选择并且表示足以实现加热器目标(即加热食品，烧水，融冰等)的温度。

图1-3表示湿孔隙率对于加热器袋性能的影响。

更具体地，图1显示了不同复合加热器在5分钟内的温度上升。如图1显示和证实的，(在最初的5分钟内)孔隙率越低，温度上升越慢。这表示在复合加热器内缺少到反应位的氧通路。通过提高湿孔隙率，据信在加热器结构内存在更多到反应位的通路，使得反应速率更快，并且5分钟内的温度高高。

湿孔隙率对于在8盎司水袋测试中加热器袋获得100°F的温度上升所花的时间起到的效果示于图2中。可以看到，15-35％范围的湿孔隙率对于100°F上升的时间仅有小的影响。然而，将湿孔隙率减少到低于10％，显著增加了获得同样温度上升所需的时间，据信这种效应还表明到反应位的氧通路减少，导致反应速率变慢，因而温度上升所需时间更长。结果是，据信到达所需温度花费高于约12分钟是不可接受的。“可接受的时间”是加热器到达期望温度(因而可以充分实现它的所需功能)的时间。

最后，湿孔隙率对于在测试中达到最大水温所花费的时间起到的效果示于图3中。如图3所证实的，随着湿孔隙率减少，到达最大温度的时间增加。据信这种倾向反映出由于加热器片中的可用孔隙率降低，到反应位的通路减少。

如图4所示，加热器6可以放置在包装5之内。这种包装5可以是包括第一片9和第二片12的袋。第二片12包括形成氧通路部分11的多个开孔14。位于至少氧通路部分11之上的可以是翼片(flap)8(或者其他能够选择性开放和优选再闭合的类似结构)。当不需要或不再需要产生热量时，翼片8可以包括粘合剂10以将翼片8固定到氧通路部分11。如图所示，包装5可以包括没有任何开孔14的侧部7；然而，所描述的包装仅是代表性的包装，其选择性阻止氧气通向加热器6，从而控制加热器6和大气的氧之间的放热反应。

加热器6根据本发明制造，并且如上所述，是包含还原剂、粘合剂和促进剂的多孔柔性基材。加热器6还使用电解质溶液活化。而且加热器6的湿孔隙率为约15-35％。

部分地基于加热器自身的孔隙率，这种加热器将提供足够的热量并且在可接受的时间内达到所需温度。

应当理解，此处所述的本发明另外的实施方案可以被本领域的普通技术人员所理解，并且本发明的范围不限于所公开的实施方案。尽管已经阐释和描述了本发明的具体实施方案，但是在不显著背离本发明精神的情况下，可以做出多种变形，并且保护范围仅由所附权利要求书的限定。

Claims (17)

1.一种加热器，其包括：

与氧发生放热反应的复合加热器基材，其中所述复合加热器基材的湿孔隙率为15-35％。

2.根据权利要求1所述的加热器，其中所述复合加热器基材的干孔隙率为约60％。

3.根据权利要求1所述的加热器，其中所述复合加热器基材的干孔隙率为约60-65％。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的加热器，其中所述加热器包括：还原剂、粘合剂、促进剂和电解质。

5.一种加热器，其包括：

多孔柔性基材，其包含还原剂、粘合剂和促进剂，所述多孔柔性基材用电解质溶液活化；和

包装，其围绕着所述多孔柔性基材以选择性阻止氧通向所述多孔柔性基材，从而控制所述多孔柔性基材与大气的氧之间的放热反应，

其中所述多孔柔性基材的湿孔隙率为约15-35％。

6.根据权利要求5所述的加热器，其中所述多孔柔性基材的干孔隙率为约60％。

7.根据权利要求5所述的加热器，其中所述多孔柔性基材的干孔隙率为约60-65％。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的加热器，其中所述加热器包括：约82wt％的还原剂，约6.5wt％的促进剂，和约12％的粘合剂。

9.根据权利要求8所述的加热器，其中所述加热器的干孔隙率为约60％。

10.根据权利要求5-9中任一项所述的加热器，其中所述加热器包括约5-8克的电解质溶液。

11.根据权利要求10所述的加热器，其中所述电解质溶液是20wt％的氯化钾溶液。

12.一种加热器，其包括：

柔性基材，其包含粘合剂和在氧气存在下产生热量的还原剂；

所述柔性基材是多孔的；

所述柔性基材用电解质溶液活化，以使所述柔性基材具有足够的湿孔隙率，从而在可接受的时间内获得所需温度。

13.根据权利要求12所述的加热器，其中所述所需温度是140°F。

14.根据权利要求12或13所述的加热器，其中所述可接受的时间少于15分钟。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的加热器，其中所述湿孔隙率为约15-35％。

16.根据权利要求12-15中任一项所述的加热器，其中所述所需温度为比加热器的初始温度高约100°F。

17.本文所述的加热器。