JP2018510814A - 熱調節式自己加熱容器 - Google Patents

Abstract

モジュール式加熱システム及び方法を提示する。かかるシステム及び方法は、過剰な温度上昇なしにエネルギを吸収することができない場合、熱エネルギをヒーター又は加熱されたパッケージから自動的に放散する。化学結合されるときに熱を発生させる反応剤を収容するヒーターは、受動熱制御材料に熱的に接触するように配置され、受動熱制御材料は、加熱すべき物質を収容するように構成された容器と熱的に接触している。受動熱制御材料は、それを通過する熱の温度が受動熱制御材料の活性化温度を越えない限り、ヒーターと容器の間の熱の伝達を可能にする。受動熱制御材料を通過する熱の温度が分解温度を越えると、受動熱制御材料は分解し、それにより、熱を放散させる。

Description

〔３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９及び３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１７８の下での優先権陳述〕
この仮特許出願でない出願は、Ｂｒｅｎｄａｎ Ｃｏｆｆｅｙ及びＫｒｚｙｓｚｔｏｆ Ｋｗｉａｔｋｏｗｓｋｉの名前で２０１５年４月２０日に出願した「熱調節式自己加熱容器」という名称の以前の米国仮特許出願第６２／１４９，８２５号に基づく優先権を主張し、その開示全体を、本明細書に完全に述べられているように本明細書に援用する。

図１Ａ及び図１Ｂは、飲料缶等の容器のベースに取付けられたモジュール式ヒーターの一形態を示している。ヒーターは、活性化されるまで休止状態である。ヒーターは、可撓性の蓋１０１を押すことによって活性化され、可撓性の蓋１０１を押すと、ブリスター１０２を圧縮して、それを破裂させ、開始流体の小さい液滴を開始ペレットの上に放出する。開始流体と開始ペレットの間の自然発熱反応１０５により、熱を発生させると、図１Ｂに示すように、熱は、主加熱反応を開始させ、次いで、固体燃料混合物を介して伝播する。ヒーターによって発生させた熱エネルギは、ヒーターと飲料缶の壁の接触面１１０を介して伝達され、パッケージ内容物を加熱する。

小型で軽量である強力な熱源を提供するために、種々の固体状態反応化学物質が本発明のモジュール式ヒーターに使用される。エネルギ量及び加熱速度は、様々な部分のタイプ又は寸法で使用される内部燃料混合物の質量又は組成の調節によって修正可能である。

容器のベースに組立てられ且つ容器に収容された食料及び飲料内容物を提供温度まで加熱するモジュール式ヒーターは、当該技術で既知である。例えば、複数の米国特許出願が、本発明に関連した技術を有する食料缶又は他の容器のベース内に挿入された小型のモジュール式加熱要素を記載しており、かかる米国特許出願は、「固体テルミット組成物ベースの加熱デバイス」と題する特許文献１、「パッケージ加熱装置及び化学組成物」と題する特許文献２、「パッケージ加熱装置」と題する特許文献３、「パッケージ加熱デバイス及びそれと共に使用される化学組成物」と題する特許文献４、及び「自動停止を有する加熱デバイス及び方法」と題する特許文献５である。

これらのヒーター要素は、化学エネルギを、収容された固体状態化学反応剤内に効率的に蓄積し、ヒーター要素の表面上のボタンを押すことによって又はその他の手段によって簡単に活性化され、熱エネルギを急速に放出する。熱エネルギは、直ぐに隣接した容器の壁を介して伝達され、内部内容物を一様に加熱する。上述した出願の各々は、本願発明者の名前で出願されており、上述した出願に記載されたヒーターの特徴及び機能を、本願に援用する。

本質的安全性は、大衆消費者市場に不可欠であり、消費者用のパッケージ食品及び飲料製品において、良好で一般的な設計ガイドラインは、容器内容物が、典型的には、約６０〜７０℃（約１４０〜１６０°Ｆ）の好ましい提供温度を越えては超えるべきでないこと、及び、ユーザの快適さと安全のために、パッケージの露出した消費者接触面上のどの点も、合理的に予想される消費者の使用又は誤使用の条件の下で約５４℃（１３０°Ｆ）を超えるべきではないことである。

通常の作動において、設計により、ヒーターのエネルギは、容器内の食料又は飲料部分に安全に伝達される。しかしながら、ヒートシンクとして作用する食料部分が存在せず（例えば、ヒーターを開始させる前、パッケージ内容物がこぼれており）、それを無効にする機構がなければ、空のパッケージは、容認できないほどの高温に到達するであろう。同様に、パッケージから取外された、従って、ヒートシンクのないヒーターは、極端な温度に達することがある。

米国特許出願第１２／４１９，９１７号明細書 米国特許出願第１２／５７０，８２２号明細書 米国特許出願第１２／７１５，３３０号明細書 米国特許出願第１３／１７７，５０２号明細書 米国特許出願第１４／０７３，６３９号明細書

かくして、いくつかの状況では、パッケージアセンブリ又は食料又は飲料製品の過熱を防止し且つユーザを火傷から保護するために、加熱プロセスを適度にする応答手段を提供することが望ましい。従って、開始された加熱デバイスをその意図したる制限越えて加熱しないように停止させるために、有効且つ効率的な受動熱制御システムの必要性がある。

本発明の実施形態は、より大きい安全性を提供するために、受動熱冷却システム及び方法をモジュール式ヒーターに組込み、その結果、ヒーターが適切なヒートシンク（例えば、充填された容器）と直接接触していないときに活性化されると、ヒーターが過剰なエネルギをシステムから安全に放散させる。より具体的には、化学結合されたときに熱を発生させる反応剤を収容するヒーターが、受動熱制御材料と熱的に接触するように配置され、受動熱制御材料は、加熱すべき物質を収容するように構成された容器と熱的に接触するように配置される。受動熱制御材料は、受動熱制御材料を通過する熱の温度が受動熱制御材料の活性化温度を越えない限り、ヒーターと容器の間の熱の伝達を可能にする。受動熱制御材料を通過する熱の温度が受動熱制御材料の分解温度を越えると、受動熱制御材料は分解し、それにより、熱を放散する。

実際には、容器内の物質は、ヒートシンクとして作用し、熱は、受動熱制御材料の温度をその分解温度よりも上昇させることなしに、受動熱制御材料の中を物質まで流れる。しかしながら、容器が空であり、且つ、ヒーターが発生させた熱を吸収するヒートシンクがなければ、受動熱制御材料内の温度は、その熱分解温度を越えて、過剰な熱エネルギを放散させ、それにより、ヒーター及び容器の温度を適度にする。

本発明は、ヒーターデバイス内の受動熱制御（ＰＴＣ）機能を提供する。受動熱制御（ＰＴＣ）機能は、ヒートシンクがないことが、発生した熱を有効に移送することができないことによって引起こされるヒーター内の過剰な内部温度の蓄積として「感知された」ときに作用するに過ぎない。かくして、受動熱制御（ＰＴＣ）は、「インテリジェント」又は「スマート」パッケージングの形態であり、すなわち、製品の属性を感知し又は測定して能動的なパッケージング機能を発揮する能力を伴う。

上記では、以下の本発明の詳細な説明をより良く理解することができるように、本発明のいくつかの側面をかなり大雑把に概説した。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明の追加の特徴及び利点を以下に説明する。開示する概念及び特定の実施形態は、本発明の同じ目的を実施するためのその他の構造又はプロセスを修正又は設計するための基礎として容易に利用してもよいことを、当業者は認識すべきである。そのような均等な構成が添付の特許請求の範囲に記載されているような本発明の精神及び範囲から逸脱しないことも、当業者は認識すべきである。

本発明及びその利点をより完全に理解するために、ここで添付図面と関連させて、以下の説明を述べる。

ヒーターの開始前における充填された飲料容器のベース内のモジュール式ヒーターの断面図である。 ヒーターの開始後における充填された飲料容器のベース内のモジュール式ヒーターの断面図である。 充填された容器内容物（ヒートシンク）への活性化されたヒーターの熱エネルギの伝達を示すモジュール式ヒーターの断面図である。 充填されていない容器（ヒートシンク無し）における活性化されたヒーター内の熱エネルギの取込みを示すモジュール式ヒーターの断面図である。 受動熱制御機能のための内部構成要素を有しない固体状態モジュール式ヒーターの概略的な断面図である。 受動熱制御機能のための内部構成要素を有する固体状態モジュール式ヒーターの概略的な断面図である。 内部構成要素を示すために蓋を除去した図４のモジュール式ヒーターの平面図である。 受動熱制御を組込んだ活性化されたモジュール式ヒーターを有する、充填された自己加熱容器の概略的な断面図である。 受動熱制御を組込んだ活性化されたモジュール式ヒーターを有する、空の自己加熱容器の概略的な断面図である。 受動熱制御の実際的な実演のための固体状態モジュール式ヒーターの断面図である。 番号が付された例の実施形態に使用された実験パラメータ及び得られた結果の表形式リストである。 （空の容器における受動熱制御有り及び無しの）活性化されたヒーターの時間／温度応答を示すグラフである。 （充填された容器における受動熱制御有り及び無しの）活性化されたヒーターの時間／温度応答を示すグラフである。 容器内に取付けられた本発明のヒーターの１つの実施形態の分解図である。

本発明は、受動熱制御機能を加熱デバイスに付与するための装置及び方法に向けられる。現在好ましい実施形態の形態及び使用を以下に詳細に説明する。しかしながら、本発明が、食料及び飲料を加熱するためのデバイス以外の広範な状況において実施化され得るという多くの適用可能な発明概念を提供することを認識すべきである。従って、議論される特定の実施形態は、本発明を製造及び使用する特定の方法の単なる例示であり、本発明の範囲を限定しない。加えて、以下の用語は、本明細書に使用する時、関連した意味を有する。

用語「容器」は、材料を保持又は運んでもよい任意の受容体を意味し且つ含み、缶、カートン、ボウル、ジャー、又はその他の受容体を含むが、それに限定されない。

用語「ヒーター」は、反応剤が反応して熱を発生させる任意のデバイスを意味し且つ含む。

当業者に明らかなように、加熱デバイスの多くは、完全な機能に必要とされる各及び全ての構成要素なしで本明細書に示され、例えば、デバイスは、可撓性の作動用蓋又はブリスターアセンブリなしに示される。各場合において、図は、本発明のより良い理解のためにヒーターの機能的側面を示すことを意図し、完全に作動するデバイスの全ての要素を含んでいるように必ずしも解釈すべきではない。

明細書及び図面において、同等の又は実質的に類似する要素は、同じ参照番号でラベル付けされることがあることに注意すべきである。しかしながら、これらの要素は、ときどき、異なる番号でラベル付けされることがあり、例えば、かかるラベル付けが、より明確な記載を容易にする場合である。加えて、本明細書で言及する図面は、必ずしも尺度通りに描かれておらず、いくつかの例では、比率は、いくつかの特徴をより明確に示すために誇張されていることがある。かかるラベル付け及び図面の実務は、根底にある実質的な目的を必ずしも暗示するわけではない。本明細書は、全体として把握されること、及び、本明細書で教示され且つ当業者に理解されるように本発明の原理に従って解釈されるべきであることを意図している。

図２Ａ及び図２Ｂをここで参照すると、ヒーターは活性化され、それにより、ヒーターがその内部を通して熱エネルギを伝達し、次いで、ヒーター壁を通して外部に熱エネルギを伝達することを可能にする。パッケージに伝達された熱が、図２Ａに示すように、周囲の流体冷却材に定常的に伝達されると、ヒーターの設計内部温度プロファイルが達成される。図２Ｂに示すように、冷却材が存在しなければ、エネルギをそれほど容易に伝達することができず、ヒーターの内部温度は、遥かに高いレベルに到達する。かくして、能動ヒーターの内部温度は、不利な危険な状態を構成することがある隣接した熱源の有無を「感知する」手段を効果的に構成する。

十分なヒートシンクが存在せず、通常よりも高い温度がヒーターの内部に蓄積すると、本明細書に示す方法及びシステムは、受動熱制御（ＰＴＣ）機構を活性化させ、過剰な熱エネルギを放散させ、それにより、ヒーター及びパッケージの温度を適度にする。

通常存在するヒートシンク（パッケージの流体内容物）の熱的特性を知ることは、意図した適用例のための受動熱制御（ＰＴＣ）機構の冷却要件を定めるのに有用である。例えば、２４０ｍＬの飲料の温度を２分で４０℃上昇させる効率的な固体状態ヒーターは、約４０ｋＪのエネルギを約６５０ワットの平均電力出力で液体に供給する。多くの他の物質に対する水の高い熱容量（４．１８Ｊ／ｇ・℃）は、この強力なエネルギ流束からの流体内容物の比較的小さい知覚温度上昇に変換される。

もしも新しい構成要素をヒーターに質量効率の高い方法で導入することによって、受動熱制御（ＰＴＣ）機能を達成すべきであれば、追加される構成要素は、通常存在するヒートシンクよりも高い全体比熱吸収容量を有しなければならない。高い比熱容量に加えて、水の別の特徴的特性は、高い蒸発潜熱（２２６０Ｊ／ｇ）である。閉じた断熱条件の下で、水に不可欠な潜熱及び顕熱を合計すると、上述した例の４０ｋＪヒーターは、１６ｇ未満の水を蒸気に変換するにすぎず、結果として、完全なシステムの約１００℃の最終温度にしかならないことが示される。開いたシステムでは、この例の蒸気（周囲条件の下で２０リットル未満を占める）は、それ自体の圧力の下で逃げて、その高いエネルギ内容物を運び去る。この例は、比較的小さい質量の材料が、熱を吸収してシステムから放出されることによって大きい冷却効果を有することができる方法を示している。

流体の水を固体状態ヒーターに直接に組込み且つ隔離することに関連した著しい実際的な困難がある。ヒーターの内側の水蒸気の分圧さえも、燃料／酸化剤反応剤混合物の成分との副反応を引起こすことがある。水は、流体形態では、ヒーターの内部に又はその外側に漏れることがある。かくして、液体形態の自由水を固体ヒーターの内側に有しないことが好ましい。ある無機化合物及び塩は、乾燥固体形態では、著しいレベルの結合水を含み、無機化合物は、特徴的な閾値分解温度よりも高く加熱されるとき、大きい吸熱エネルギ吸収によって、結合水を蒸気として放出する。これらの材料のいくつかの例を表１に示す。

これらの材料は、吸収された水又は自由水ではない化学的に結合された水を含有し、かくして、受動熱制御のための比較的高い全体比熱吸収容量を有する材料を導入する「乾式」方法を提供する。分解のための好ましい閾値温度を有する材料を選択することは、受動熱制御（ＰＴＣ）が活性化される条件を制御するのに有益であることがある。

他の吸熱分解する化学化合物、すなわち、種々の活性化温度で熱分解されて、ガスを放出し且つエネルギを吸収する材料があり、かかる材料は、いくつかの実施形態において、化学ヒーターの受動熱制御のための熱応答性材料としても使用される。吸熱分解は、広範囲の一般的で廉価な材料に本来備わっている。かかる材料は、種々の水和物及び炭酸塩と共に、水酸化マグネシウム及び水酸化アルミニウムを含む。これらの化合物の多くは、熱分解されるとき、二酸化炭素及び／又は水をガス状副生成物として放出する。

吸熱分解する化合物が、ある閾値温度まで加熱されるとき、急速に分解されて、ある容積のガスを放出し、ガスのエネルギが、ヒーターデバイスの機械的な自動停止を行うように作動する仕方を前に述べた。単にこれらのガスをヒーターから放出させることはまた、冷却を行う。

後で示す例のように、受動熱制御機能を、表１に記載した材料又はそれと類似した材料成分をヒーターデバイス構造のいくつかの領域に導入することによって達成することができる。受動熱制御機構の作動を、機械的要素の作動ではなく、温度に対する材料の物理特性応答に基づくようにすることは、システム信頼度を改善し、簡単にかつ低コストで達成される。伝達可能なエネルギッシュな流体に結合され且つ熱力学的に定められる応答は、本質的には、受動応答を送出する非常に信頼性が高い方法である。

図３は、受動熱制御機能を有しない従来技術のヒーター形態の図を示している。この形態において、予め混合された燃料−酸化剤反応混合物３０１は、円筒形ヒーターカップ３０２のベース内に収容される。反応剤混合物３０１は、その中心の近くで、当該技術で知られている種々の手段によって点火され、かかる手段は、例えば、開始ペレット３０３である。化学反応を生成するエネルギは、ソリッドな火炎前面としてヒーターまで内部に進む。図３に示すように、反応経路３０４は、開始ペレット３０３からほぼ半径方向外向きに広がり、反応剤混合物３０１全体が反応して、ヒーターの全エネルギ量を発生させるまで、内部全体にわたって伝播し続ける。

図４及び図５は、受動熱制御機能を修正ヒーター設計内に組込んだ本発明の１つの実施形態を示している。この実施形態において、受動熱制御調節は、ヒーターが裸であるか又は空の容器内に設置されるかにかかわらず、ヒーターの内蔵特性になる。図４及び図５において、図３の基本的な固体状態ヒーター設計は、装置の中心的構造として保持され、ヒーターカップ壁３０２とヒーターデバイスの外壁３１１の間に充填された「能動的な」受動熱制御層３０７によって包囲される。用語「能動的な」は、能動的な受動熱制御層３０７を含む材料の物理的（加熱及び相変化）及び／又は化学的（熱分解）な反応性を指す。注意すべきことは、図面は、図示の特徴の相対的な尺度を表しておらず、実際の例では、追加の周囲熱制御層３０７及び外壁３１１は、設計上、熱流に対する組合せ耐熱性を最小にするために薄いものであり、良好な熱伝導度を有する材料から構成されるように選択される。作動用の容器蓋２７１は、燃料マトリクス３０１領域と熱伝達受動熱制御（ＰＴＣ）層３０７領域の両方にまたがり且つそれらを包囲し、受動熱制御（ＰＴＣ）が作動された時に必要に応じて蒸気を放出する通気孔５０２を有する。

図６は、活性化されたモジュール式ヒーターを有する充填された自己加熱容器の下側部分の垂直断面図であり、モジュール式ヒーターは、そのベースに搭載された受動熱制御部を組込み、通常作動（充填された飲料缶）中の受動熱制御（ＰＴＣ）機構の作用を示している。

缶が充填されているので、流体は、熱をインタフェースから運び去る熱シンクとして作用する。飲料内への熱エネルギの流れの良好な熱伝達係数を有していれば、ヒーターの熱エネルギは、受動熱制御（ＰＴＣ）層を介して伝達され、この領域内のエネルギ蓄積及び温度上昇を最小にする。受動熱制御（ＰＴＣ）層材料の大半は、水がマトリクスから押し出される分解温度よりも下に保たれる。幾分小さい部分的な程度の分解があることがあるけれども、全体的には、気体又は蒸気を発生させ且つ熱をシステムの外に放散させる有意な吸熱活動はない。

図７は、活性化されたモジュール式ヒーターを有する空の自己加熱容器の下側部分の垂直断面図であり、モジュール式ヒーターは、そのベース内に搭載された受動熱制御を組込み、範囲外の条件（空の飲料缶）中の受動熱制御機構の作用を示している。これらの条件下で、空き缶は、熱的バリアとして作用し、ヒーターによって放出されるエネルギは、受動熱制御（ＰＴＣ）層及びヒーターコア内に蓄積される。受動熱制御（ＰＴＣ）層の能動材料の主要部分の熱分解が行われ、水蒸気（蒸気）が、ヒーターの通気孔から放出され、パッケージから離れる。

発生した蒸気をヒーター及び加熱されたパッケージから放出し、それにより、かなりのエネルギをシステムから除去することを可能にすることにより、受動熱制御がない場合に実現される温度と比較して、システムの全体的な温度を実質的な低減させるための非常に大きい冷却効果を生み出す。蒸気レベルの温度が、放出された蒸気の小容積の領域に存在することがあるけれども、これは、そうではない場合に起こることがある極端な温度暴走よりも危険ではない。

図８は、以下の例における受動熱制御の実際的な証明に使用された固体状態モジュール式ヒーターの１つの実施形態の垂直断面図を示している。以下の例１〜例７において、１１ｇの受動熱制御混合物２４４は、２５ｍｍの金属ヒーターカップ２４５とヒーターを包囲する外側金属カップ２４６の間の環状空間内に詰められる。例８及び例９において、使用された受動熱制御混合物の質量は、９ｇである。使用された受動熱制御（ＰＴＣ）混合物の調合物を以下に及び図９に示す。例１０において、比較の基礎をもたらすように、受動熱制御混合物２４４及び内ヒーターカップ２４５は含まれていない。

以下の例１〜例７の各々において、２１ｇの発熱燃料／酸化剤調合物２４３が内側ヒーターカップ２４５に詰められる。例８〜例９において、使用される受動熱制御混合物の質量は、２４ｇである。例１０において、２１ｇの発熱燃料／酸化剤調合物２４３が外側ヒーターカップ２４６に詰められる。他の調合物を使用してもよいが、これらの例に使用される発熱調製物２４３は、２〜３０ミクロンの粒子寸法を有する１５〜２５％のアルミニウム、２０〜３０％の二酸化珪素、２５〜４５％のアルミナ、及び塩素酸カリウム、フッ化カルシウム、及び過酸化バリウム等の添加剤及び反応助剤を含有する混合物である。

開始ペレット２４２を燃料／酸化剤混合物２４３の表面の中心に押込め、ヒーター活性化機構２５０をペレット２４２の上面に配置し、断熱体２４８及びアクチュエータボタン２４９で覆う。金属蓋２４１を外側カップ２４６の上にクリンプ止めする。このように組立てたヒーターモジュールを、試験のために飲料缶のベースに装着した。缶の底部、中間部及び上部の温度の温度時間プロファイルを記録した。放出された蒸気（もしあれば）の流束に注目した。各例のヒーター形態を、２８８ｍＬの水を含む飲料缶並びに空の飲料缶と一緒に試験した。裸のヒーターモジュールも試験した。図９は、以下の番号が付された例示の実施形態に使用された実験パラメータ及び得られた結果の表リストである。

例１：水酸化カルシウム／カリウムミョウバン（５０：５０）混合物を受動熱制御（ＰＴＣ）層調合物として使用する。

例２：水酸化カルシウム混合物を受動熱制御（ＰＴＣ）層調合物として使用する。

例３：水酸化カルシウム：アルミナ（５０：５０）混合物を受動熱制御（ＰＴＣ）層調合物として使用する。

例４：水酸化カルシウム：無水硫酸カルシウム（５０：５０）混合物を受動熱制御（ＰＴＣ）層調合物として使用する。

例５：水酸化カルシウム：硫酸カルシウム半水和物（５０：５０）混合物を受動熱制御（ＰＴＣ）層調合物として使用する。

例６：酸化カルシウム：カリウムミョウバン（５０：５０）混合物を受動熱制御（ＰＴＣ）層調合物として使用する。

例７：無水硫酸カルシウム：カリウムミョウバン（５０：５０）混合物を受動熱制御（ＰＴＣ）層調合物として使用する。

例８：この例は、例１の変形であり、３４ｍｍの直径のヒーターカップ２４５、受動熱制御（ＰＴＣ）層調合物２４４としての９ｇの水酸化カルシウム／カリウムミョウバン（５０：５０）混合物、及び２４ｇの燃料／酸化剤混合物２４３を使用する。

例９：この例は、例１の変形であり、３４ｍｍの直径のヒーターカップ２４５、受動熱制御（ＰＴＣ）層調合物２４４としての９ｇの酸化カルシウム／カリウムミョウバン（５０：５０）混合物、及び２４ｇの燃料／酸化剤混合物２４３を使用する。

例１０：この制御形態において、内側ヒーターカップ２４５及び受動熱制御（ＰＴＣ）層２４４は存在しない。

図１０は、空の容器内の例１（受動熱制御あり）及び例１０（受動熱制御なし）の活性化されたヒーターの時間／温度応答を示すグラフである。図１０においてプロットされた温度は、金属缶の中間部における表面温度である。図１０は、例１０のヒーター（受動熱制御なし）の表面温度が、２分以内に５００°Ｆ（２６０℃）近くのピーク温度まで増大し、受動熱制御（ＰＴＣ）を組込んだ例１のヒーターの表面温度が、比較的遅い速度で約２２０°Ｆ（１０４．４℃）の比較的限定された最高温度まで増加することを示す。

図１１は、充填された容器内の例１（受動熱制御あり）及び例１０（受動熱制御なし）の活性化されたヒーターの時間／温度応答を示すグラフである。図１１においてプロットされた温度は、金属缶の中間部における表面温度である。例１及び例１０のヒーターは両方とも、１４０°Ｆ（６０℃）の同じ終点製品ターゲット温度を送出するが、加熱速度は、例１のヒーターの方が僅かに遅い。

図１０及び図１１から、充填されていない缶及び充填されている缶の条件における例１のヒーターの温度応答を比較することは、受動熱制御（ＰＴＣ）冷却式実施形態が、充填されたパッケージの加熱の通常作動において望ましくない冷却を引き起こさないが、空のパッケージにおいて選択的に活性化されて非常に有効な冷却を行うことを示す。

説明した原理に従って受動熱制御を実際に達成するために、いくらかのシステム展開及び最適化が必要である。設計により、受動熱制御（ＰＴＣ）は、通常の機能が加熱であるデバイスに組込まれ、受動熱制御（ＰＴＣ）は、その機能と干渉することができない。しかし、受動熱制御（ＰＴＣ）はまた、効率的な冷却を安全に且つ信頼できるように実行しなければならない。受動熱制御（ＰＴＣ）は、質量又は複雑性により、ヒーターに過度に負担を掛けるべきではない。

受動熱制御（ＰＴＣ）層のヒーター設計及び材料選択は、ヒーターデバイスのための適当な受動熱制御（ＰＴＣ）機能を達成するのに使用され得る２つの要因である。受動熱制御（ＰＴＣ）層をコア発熱源とヒーターの最外壁の近くの間に配置することにより、受動熱制御（ＰＴＣ）機構の感知及び作動を可能にする熱エネルギバランスを設定する。熱伝達率は、システムの物理パラメータに依存し、また、物理パラメータを介して調節され、かかる物理パラメータは、構成要素の幾何学的形状、混合物の粒子寸法及び密度、材料温度特性、及び熱伝達係数等である。内側ヒーターカップの壁は、最小の耐熱性を化学的障壁に与えるために薄い箔で構成されるのがよい。

受動熱制御（ＰＴＣ）層の能動成分は、化学結合された高い水分含有量を有する材料であり、水分含有量は、いくつかの特徴的な閾値温度を越えると分解して、分子水が放出され、分子水は、追加の加熱によって蒸気に変換される。熱分解及び水の蒸気化の相変化によって吸収されたエネルギにより、比較的小さい質量が大量のエネルギを吸収して、システム温度を著しく下げることを可能にする。

適切な能動材料のいくつかの例を表１に示したが、多くの他の化合物を使用してもよい。各々は、その固有の特徴的な熱的な応答を有する。例えば、水酸化アルミニウムは、１分子当たり１．５水和水を含有し、水和水の全てが、単一の分解段階で急速に放出され、カリウムミョウバンは、１分子当たり１２水和水を含有し、水和水は、多段階分解反応プロセスにおいて順番に放出される。カリウムミョウバンはまた、追加の水分子の各々の熱分解のための増大する開始温度の帯域を有し、特性のこの組合せは、低い定常蒸気流束を伴った徐放性応答を生成する。

例１〜例９に示すように、受動熱制御（ＰＴＣ）調合物は、単一化学成分で構成されてもよいし、いくつかの異なる材料の混合物であってもよく、そのいくつかは、この点において不活性である他のものと組合せた受動熱制御（ＰＴＣ）特性を有する。廉価で環境にやさしく、消費者に安全な材料が好ましい。

不活性物質質量の一部の質量は、受動熱制御（ＰＴＣ）層内にあり、温度を緩和し、熱分解の速度を適度にする。不活性添加剤も、受動熱制御（ＰＴＣ）層の熱伝導度を有益に増大させ、その熱エネルギ伝達を促進させるが、受動熱制御（ＰＴＣ）層はまた、熱流束のいくらかの低下をもたらすように設計される。パックされる受動熱制御（ＰＴＣ）層の粒子寸法及び密度を変えることを、層から出る加熱蒸気のタイミング及び容積を調節するのに使用してもよい。

受動熱制御（ＰＴＣ）層自体は、選択式、同調式、及び制御式応答を有しなければならない。例１〜例１０の種々の受動熱制御（ＰＴＣ）層組成の受動熱制御（ＰＴＣ）応答特性を図９の表に示す。図９の２番目から６番目の縦列は、通常の加熱モードにおける加熱時間、加熱流体の最高温度、放出蒸気の時間及び量、及び有効エネルギ含有量が、組成と共にどのように変化するのかを示している。一般的に、最大熱伝達効率による加熱時間の短縮、最小熱分解及び蒸気放出が好ましい。

図９の７番目から１０番目の縦列は、空の缶において、金属容器の表面の種々の点（底部、中間部、上部）における温度及び放出蒸気の容積が、組成と共にどのように変化するのかを示す。一般的に、より低い面温度及び中程度の蒸気流束が好ましい。

図９の１１番目から１３番目縦列は、裸のヒーターの表面の種々の点（底部、中間部、上部）における温度が、組成と共にどのように変化するのかを示す。この条件においても、より低い面温度が好ましい。

本発明の受動熱制御（ＰＴＣ）は、加熱デバイスの構成が比較的小型、簡単、堅牢、製造容易、経済的に低コストに留まることになるように、本発明及び従来の発明の自己加熱技術の既存の有益な特性を実質的に損なわず又は無効にしない。本発明の実施形態はまた、制御可能な出力を提供し、例えば、ヒーター又はそれを収容するパッケージの表面で実現される所定の受容可能な最高温度になるように設計することを可能にする。

種々の実施形態におけるヒーターは、受動熱制御が活性化されたときに過剰の圧力の安全かつ緩やかな放出を可能にするように設計される。例えば、ヒーターカップと蓋の間のクリンプシールは、シールを通して圧力を僅かに放出するために応力緩和するように設計されるのがよい。ヒーター構成は、任意の放出ガスの流れが多孔質断熱体を介してフィルタリングされ、従って、出現する蒸気又は粒子がないように設けられるのがよい。

本明細書で説明した完全自己加熱パッケージは、モジュール式固体ヒーター以外に追加の構成要素から構成される。完全パッケージアセンブリの１つの実施形態を図１２に示す。これらの例では、自己加熱パッケージは、３ピースの公称１２オンスの飲料容器である。しかしながら、変形例として、本発明の実施形態は、２ピースの飲料容器又は他のパッケージ形態で実現されてもよい。

図１２を参照すると、少なくとも１つの実施形態では、缶本体１６０３と、利便性のために簡単に開く蓋で構成された上端部１６０２は、従来の缶パッケージ構成要素である。簡単に開かない（ＮＥＯ）端部１６０５は、パッケージ及びヒーターの機械的及び熱的インタフェースのために特に設計される。断熱プラスチックリップガード１６０１及び紙又はプラスチック熱ラベル１６０４は、熱的安全性を提供する。ヒーターを簡単に開かない（ＮＥＯ）ように設置したら、追加の構成要素が、缶の加熱された端部にあり、追加の構成要素は、外部断熱体１６０７を含み、外部断熱体１６０７は、不織ポリマー又は不織ガラス繊維のマット及びプラスチックのベースキャップ１６０８であるのがよい。外部断熱体はまた、活性炭又は重曹等の材料を組込み、活性化されたヒーターによって放出される任意の微量の臭いを吸収する。受動熱制御の有効な実施のために、これらの構成要素は、例えば、多孔性又は通気性であるように実施それなければならず、それにより、加熱されたガス及び蒸気がパッケージから容易に且つ安全に放出され、熱エネルギを運び去ることを可能にする。

本発明のデバイスを本発明の好ましい実施形態によって開示したけれども、当業者は、他の実施形態も可能であることを理解すべきである。たとえ上述した議論が特定の実施形態に焦点があてられていたとしても、他の形態も考えられることを理解すべきである。特に、たとえ「１つの実施形態では」又は「別の実施形態では」という表現が本明細書に使用されていたとしても、これらの語句は、一般的に参照する実施形態の可能性を意味し、本発明をそれらの特定の実施形態に限定する意図ではない。これらの用語は、同じ実施形態を参照してもよいし、異なる実施形態を参照してもよく、特に断らない限り、集合実施形態に結合可能である。用語「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、明示的に特に断らない限り「１又は２以上」を意味する。

単一の実施形態が明細書に説明されるとき、１よりも多い実施形態を単一の実施形態の代わりに使用されてもよいことは容易に明らかであろう。同様に、１よりも多い実施形態が明細書に説明されるとき、単一の実施形態をその１つのデバイスに置換してもよいことは容易に明らかであろう。

利用できる広範な可能な加熱方法及びシステムに鑑みて、詳述した実施形態は、単なる例示であることを意図し、本発明の範囲を限定するように取るべきではない。むしろ、発明として特許を請求するものは、以下の特許請求の範囲及びその均等物の精神及び範囲に該当すると考えられるようなそのような全ての修正である。

本明細書における説明のいずれも、任意特定の要素、段階、又は機能が特許請求の範囲に含まれるべきである不可欠な要素であることを意味すると読み取るべきではない。特許請求する主題の範囲は、許可された特許請求の範囲及びそれらの均等物によってのみ定められる。明示的な記載がない限り、本明細書に上述したような本発明の他の態様は、特許請求の範囲を制限しない。

Claims (20)

1. 熱調節式容器であって、
   加熱すべき物質を収容するように構成された容器と、
   化学結合される時に熱を発生させる反応剤を収容する反応チャンバと、
   前記反応チャンバと前記容器の間に位置決めされた受動熱制御材料と、を有し、
   前記反応チャンバは、前記受動熱制御材料と熱的に接触し、前記受動熱制御材料は、前記容器と熱的に接触し、
   前記受動熱制御材料は、その分解温度に到達する前、熱が前記受動熱制御材料を通過することを可能にし、ヒーターが、前記受動熱制御材料の分解温度を越えたら、前記受動熱制御材料は分解し、それにより、熱を放散させる、熱調節式容器。
2. 前記受動熱制御材料は、前記加熱すべき物質よりも高い全体比熱吸収容量を有する、請求項１に記載の熱調節式容器。
3. 前記受動熱制御材料はカリウムミョウバンである、請求項１に記載の熱調節式容器。
4. 前記受動熱制御材料はカリウムミョウバン及び水酸化カルシウムを含む、請求項１に記載の熱調節式容器。
5. 前記反応剤は固体状態の反応剤である、請求項１に記載の熱調節式容器。
6. 前記加熱すべき物質は食品である、請求項１に記載の熱調節式容器。
7. 前記分解の副生成物が水であり、熱が、蒸気の形成を介して放散される、請求項１に記載の熱調節式容器。
8. 前記反応チャンバの少なくとも一部分は、前記容器の内側に配置され、前記受動熱制御材料は、前記容器と前記容器の内側に配置された前記反応チャンバの前記一部分の少なくともいくらかとの間に位置決めされる、請求項１に記載の熱調節式容器。
9. 容器内の熱を制御する方法であって、
   ヒーターを受動熱制御材料と熱的に接触するように配置する段階と、
   前記受動熱制御材料を、加熱すべき物質を収容するように構成された容器と熱的に接触するように配置する段階と、を有し、
   前記受動熱制御材料は、その分解温度に到達する時間まで、前記ヒーターから前記容器への熱の伝達を可能にし、前記受動熱制御材料がその分解温度を越えたら、前記受動熱制御材料は分解し、それにより、熱を放散する、方法。
10. 前記受動熱制御材料は、前記加熱すべき物質よりも高い全体比熱吸収容量を有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記受動熱制御材料はカリウムミョウバンである、請求項９に記載の方法。
12. 前記受動熱制御材料はカリウムミョウバン及び水酸化カルシウムを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記加熱すべき物質は食品である、請求項９に記載の方法。
14. 前記分解の副生成物が水であり、熱が、蒸気の形成を介して放散される、請求項９に記載の方法。
15. 容器であって、
    加熱すべき物質を収容するように構成された容器と、
    受動熱制御材料と熱的に接触しているヒーターと、を有し、
    前記受動熱制御材料は、前記容器と熱的に接触し、
    前記受動熱制御材料は、その分解温度に到達する時間まで、前記ヒーターから前記容器への熱の伝達を可能にし、前記受動熱制御材料がその分解温度を越えたら、前記受動熱制御材料は分解し、それにより、熱を放散する、容器。
16. 前記受動熱制御材料は、前記加熱すべき物質よりも高い全体比熱吸収容量を有する、請求項１５に記載の容器。
17. 前記受動熱制御材料はカリウムミョウバンである、請求項１５に記載の容器。
18. 前記受動熱制御材料はカリウムミョウバン及び水酸化カルシウムを含む、請求項１５に記載の容器。
19. 前記加熱すべき物質は食品である、請求項１５に記載の容器。
20. 前記分解の副生成物が水であり、熱が、蒸気の形成を介して放散される、請求項１５に記載の容器。