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Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung, bestehend aus einer elektrochemischen Zelle mit einer Anode, einer Kathode und einem zwischen diesen befindlichen Elektrolytraum.
Zum Legen von Haar in Dauerwellen sind verschiedene Heizvorrichtungen bekannt. Bei einer bekannten Vorrichtung wird elektrischer Strom durch einen Widerstandsdraht geleitet, um eine benachbarte Haarlocke zu erwärmen. Bei einer andern Vorrichtung wird an Stelle des Widerstandsdrahtes eine Lösung durch elektrischen Strom erhitzt, die dabei verdampft und sowohl die Haarlocke erwärmt wie auch zur Befeuchtung des Haares dient. Elektrolytische Heizvorrichtungen dieser Art sind z. B. in den USA-Patentschriften Nr. 2, 118, 177 und Nr. 2, 055, 099 beschrieben. Diese Haben jedoch den Nachteil, dass sie eine Niederspannungsquelle erforderlich machen und bei einem versehentlichen Kurzschluss der Niederspannungselektroden eine Gefahr bilden. Weitere Erhitzungsvorrichtungen machen von der bei einer Reaktion chemischer Stoffe erzeugten Wärme Gebrauch (vgl.
USA-Patentschrift Nr. 2, 725, 060). Danach wird eine Aluminiumfolie in einem Sandwich-artigen Aufbau mit einer absorbierenden und mit trockenem Zinnchlorid imprägnierten Baumwollschicht oder-kissen angewendet. Das Gebilde ist in Aluminiumfolien eingeschlossen und besitzt geeignete Öffnungen zum Einführen von Wasser zwecks Aktivierung des Kissens. Das Wasser löst das Zinnchlorid und die Lösung kommt mit dem Aluminium in Kontakt, wodurch eine Wärme erzeugende chemische Reaktion ausgelöst wird. Bekannt sind zahlreiche weitere exotherme Heizkissen aus den verschiedensten Materialien (vgl. USA-Patentschrift Nr. 2, 132, 681). Exotherme Heizvorrichtungen haben den Nachteil einer möglichen Explosionsgefahr, einer schädlichen Dampfbildung sowie die Bildung giftiger und korrodierender Stoffe, welche Personen verletzten können.
Eine Kontrolle der exothermen Reaktionen ist sehr kompliziert, wie die der USA-Patentschrift Nr. 2, 727, 060 zugrundeliegende Reaktion zeigt. Ferner sind an Batterien anschliessbare Heizkreise bekannt.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung in der Entwicklung einer elektrischen Heizvorrichtung, welche unabhängig von äusseren Energiequellen und auf einfache Art und Weise zu betätigen und für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen zur Wärmeerzeugung geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Anode und Kathode innerhalb der Zelle durch Kurzschlusselemente miteinander verbunden sind und in der Zelle ein vor Gebrauch der Heizvorrichtung aktivierbarer Elektrolyt angeordnet ist. Aktivierbare Primärelemente sind an sich bekannt.
Diese neuartige Heizvorrichtung bildet eine elektrochemische Zelle, in welcher nach einer Aktivierung eine elektrochemische Reaktion entsteht, die chemische Energie unmittelbar in elektrische Energie umwandelt. Der Kurzschlussstrom durch den elektrischen Leiter befähigt die Zelle, diese elektrische Energie in einer sehr wirksamen Weise in Wärme umzuwandeln.
Die elektrochemische Heizvorrichtung der Erfindung entbindet vom Bedarf einer äusseren elektrischen Stromquelle, wie sie bei den bekannten elektrolytischen Heizvorrichtungen benötigt wird. Sie bildet ein kurzgeschlossenes System, welches sicher zu handhaben ist.
Die elektrochemische Erhitzungsvorrichtung kann aus ungiftigen Stoffen in einer sicheren Bauweise ausgeführt und in vorteilhafter Weise sehr lange gelagert werden. Bei einer sandwichartigen Bauweise der elektrochemischen Heizvorrichtung besteht die Kathode aus einer Luftsauerstoffelektrode aus Aktivkohle und die Anode besteht aus einer Metallfolie aus Aluminium oder deren Legierungen. Ein poröser nichtleitender Separator ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet und mit einer Kochsalzlösung imprägniert, so dass durch einfache Zugabe von Wasser ein wässeriger Natriumchlorid-Elektrolyt entsteht. Die Anode und Kathode sind mit metallischen Befestigungsorganen elektrisch kurzgeschlossen, z. B. durch einen beide verbindenden Bügel.
Ein elektrischer Kurzschluss kann ebenso durch einen Streifen der Anodenfolie gebildet sein, welcher um den Separator gelegt ist und gegen die Kathode anliegt. Diese elektrochemische Heizvorrichtung liefert eine sichere und kontrollierbare Wärmequelle mit relativ billigen Stoffen.
Der Gegenstand der Erfindung ist in den Zeichnungen in mehreren Beispielen erläutert, u. zw. zeigt Fig. 1 eine elektrochemische Heizvorrichtung in einer schematischen Darstellung, Fig. 2 eine elektrochemische Heizvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht von unten, Fig. 3 den Gegenstand der Fig. 2 in einem mittleren Querschnitt, Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel in einem mittleren Querschnitt, Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einem mittleren Querschnitt, Fig. 6 eine elektrochemische Heizvorrichtung für einen Haarwickler in einer perspektivischen Ansicht, Fig. 7 eine elektrische Heizvorrichtung für eine medizinische Heizkompresse in einer perspektivischen Ansicht und Fig. 8 eine elektrische Heizvorrichtung für eine Speisepfanne in einer perspektivischen Ansicht.
In Fig. 1 ist eine elektrochemische Heizvorrichtung --10-- schematisch dargestellt, die aus einer Anode --12--, einem Separator--14--, einer Kathode--16--und einem unmittelbar eingebauten Kurzschlusselement --18-- besteht. Die Anode besteht aus einer elektrochemisch oxydierbaren Masse, welche elektrisch leitend ist und aus leicht erhältlichen Metallen und ihren Legierungen wie beispielsweise Magnesium, Zink, Aluminium oder Eisen gefertigt sein kann.
Die Kathode--16--besteht aus einer elektrochemisch reduzierbaren Masse, welche leitend ist. Die Kathode braucht nicht selbst eine reduzierbare Masse darzustellen, sondern kann aus einer elektrochemisch aktiven Oberfläche bestehen, auf welcher ein anderer Stoff, z. B. Sauerstoff, auf einer Luftsauerstoffelektrode aus Aktivkohle reduziert wird. Kathodische Massen können aus verschiedenartigen Stoffen wie Mangandioxyd,
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m-Dinitrobenzol, Silberchlorid, AgCl ; Silberoxyd, AgO ; Kupferfluorid, Kupferchlorid und Luftsauerstoffelektroden aus Kohlenstoff und Metall bestehen.
Der Separator--14--besteht aus einem nichtleitenden porösen Material wie Baumwolle, Filz oder Saugpapier, welche einen freien Durchgang von Elektrolyt-Ionen zwischen Anode und Kathode ermöglichen.
Innerhalb des Separators--14--befindet sich ein Elektrolyt, aus einer Ionen leitenden Masse. Er kann aus einer wässerigen Salzlösung von z. B. Kochsalz, NaCI, bestehen, oder unter den bekannten andern Elektrolytstoffen, die mit den ausgewählten Anoden und Kathoden verträglich sind, ausgewählt werden.
Das Kurzschlusselement --18-- besteht aus einem elektrischen Leitungsdraht, welcher derart bemessen ist, dass er den bei einer Aktivierung der elektrochemischen Heizvorrichtung erzeugten Strom zu führen vermag.
Das Kurzschlusselement ist weiterhin unmittelbarer Bestandteil der Vorrichtung.
In den Fig. 2 und 3 ist eine elektrochemische Heizvorrichtung--10--in einem Sandwich-artigen Aufbau gezeigt, wobei eine Luftsauerstoffelektrode --20-- aus Aktivkohle als Kathode verwendet ist. Die Luftsauerstoffelektrode--20--ist in an sich bekannter Weise hergestellt. Sie besteht aus einem Metallgitter - -22--, aus Nickel oder Eisen und bildet mit einer Schicht--24--aus hydrophober Aktivkohle eine Kontaktelektrode.
Eine elektrisch leitende Metallfolie aus einem chemisch nicht giftigem Material wie
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--28-- ausVerbindungselemente--32--wie Niete oder Klammern verbinden die Anode--26--und Kathode - -20--. Das hiebei gebildete elektrische Kurzschlusselement ist sowohl durch Überlappung an den Rändern - als auch den Verbindungselementen --32-- hergestellt, welche so ebenfalls eine mechanische Verbindung der Teile des Erhitzers bilden.
Die Separatorschicht--28--ist mit einem trockenen Salz wie Natriumchlorid, imprägniert oder alternativ kann das Salz in trockener Form zwischen der Anode und Kathode verteilt sein. Die Folie der Anode --26-- ist in geeigneter Weise mit einer Reihe Löcher --34-- versehen, durch welche Wasser in den Raum zwischen Anode und Kathode zur Bildung eines Salzelektrolyten eindringen kann.
Zur Aktivierung der elektrochemischen Heizvorrichtung --10-- wird lediglich Wasser zugegeben. Sobald das Wasser mit dem Salz eine Elektrolytlösung gebildet hat, ist eine elektrochemische Zelle entstanden, deren Ausgangsspannung durch die Art der für die Anode und Kathode verwendeten Masse bestimmt ist. Der durch die Ränder --30-- und Verbindungselemente --32-- gebildete Kurzschlussweg ermöglicht dann, die Umwandlung der elektrischen Energie in Wärmeenergie mit einem Wirkungsgrad von annähernd 100%.
Die erzeugte Wärmeleistung ist dem Quadrat des Stromes und dem inneren Widerstand der Zelle direkt proportional. Man kann soweit den Stromfluss durch die Wahl der Dicke des Separators--28--steuern und die Wärmeleistung festlegen. Der Stromfluss kann ebenfalls durch eine Änderung des Widerstandes des Querschnittes der Kurzschlusselemente festgelegt werden. Beispielsweise kann, wie Fig. 3 zeigt, der Kurzschlussweg allein durch die Anzahl und Form der Verbindungselemente--32-- (z. B. Klammern), für die Anode--26-- und Kathode --20-- bestimmt werden, ohne dass die in Fig. 3 dargestellten Ränder --30-- vorgesehen sind.
Wahlweise kann ein Kurzschlusselement--18--entsprechend Fig. 5 zur Anwendung gelangen. Bei dieser Ausführung ist der Aussenrand-36-der Anode-26-mit einem entsprechend geformten Aussenrand --48-- des Gitters --22-- in Deckung gebracht und mit diesem durch Verbindungselemente-32--, Punktschweissung od. dgl. verbunden.
Bei der Ausführung nach Fig. 5 bildet der Kontakt zwischen den Aussenwänden-36 und 38-einen elektrischen Kurzschluss der Zelle. Die elektrischen Kurzschlussleiter können also als unmittelbarer Bestandteil einer unabhängigen elektrochemischen Heizvorrichtung ausgebildet sein und eine wirksame Umwandlung der chemischen Energie in Wärme herbeiführen.
Die elektrochemische Heizvorrichtung erlaubt in vorteilhafter Weise eine verschiedenartige Gestaltung. Die Dicke der Zelle lässt sich zur Bildung einer flexiblen Ausführung verringern, welche in der Ausnehmung des Schutzzylinders--42--, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, angeordnet ist, oder welche den Konturen einer Körperfläche für eine Heizkompresse--43--entsprechend Fig. 7 angepasst ist.
Der Schutzzylinder--42--der Haarheizvorrichtung ist aus Kunststoff gefertigt und hat Öffnungen --44--, die sich bis in den zylindrischen Hohlraum--40--erstrecken, in dem eine elektrochemische Zelle entsprechend den Fig. 2 und 3 angeordnet ist. Die Aluminiumfolie der Anode --26-- liegt an der Zylinderwandung--46--, so dass die der Luftsauerstoffelektrode--20--der Luft ausgesetzt bleibt. Nach dem Einsetzen der elektrochemischen Heizvorrichtung --10-- in den Hohlraum --40-- und nach Eintauchung in Wasser wird die Wärme zur Bildung einer Dauerwelle über die Zylinderwandung--46--auf das um den Zylinder gewickelte Haar übertragen. Die Öffnungen--44--erlauben es, dass vom Wasserelektrolyt Wasser für eine Haarabsorption geliefert wird.
Nach einem Verbrauch der chemischen Energie kann die elektrochemische Heizvorrichtung--10--aus der Ausnehmung--40--herausgenommen und durch eine andere ersetzt werden, so dass der Schutzzylinder-42--weiterhin zur Anwendung kommt.
Die in Fig. 7 dargestellte Heizkompresse--43-besteht aus Baumwollkompresse-48-oder aus einem saugfähigen Stoff, welcher auf die zu behandelnden Körperteile gelegt wird (z. B. in Fig. 7 ein Unterarm).
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über die Baumwollkompresse-48--ist eine flexible elektrochemische Heizvorrichtung --10-- gelegt. welche vorher durchfeuchtet werden kann. Die elektrochemische Heizvorrichtung kann ebenso mit flüssigem Elektrolyt gefüllt oder das Wasser zur Bildung eines Elektrolyten von der durchfeuchteten Baumwollkompresse --48-- aufgenommen werden.
Mit einem geeigneten Band oder einer andern Befestigungsvorrichtung (nicht dargestellt) kann die heisse Kompresse--43--auf der zu behandelnden Körperstelle festgehalten werden. Der wässerige Elektrolyt verhindert in vorteilhafter Weise eine Überhitzung, da erhöhte Temperaturen eine Verdampfung des Wassers verursachen würden. Die Anode aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die Luftsauerstoffelektrode aus Aktivkohle und Elektrolyt aus Kochsalz bilden eine ungiftige, sichere, unabhängig und begrenzte Heizvorrichtung, die für solche medizinischen Zwecke geeignet ist.
Bei der Ausführung nach Fig. 8 ist eine elektrochemische Heizvorrichtung mit vergrösserter Oberfläche vorgesehen, die auswechselbar am Boden--51--einer Speisepfanne-50-zu befestigen ist. Feststellbare Klammern--52--halten die Heizvorrichtung --10-- fest. welche für eine geeignete Erhitzung der Pfanne --50-- von kreisförmigem Grundriss ist.
Die elektrochemische Heizvorrichtung entsprechend Fig. 8 kann entsprechend den Fig. 2 und 3 mit einem überlappenden Rand--30--der Anode versehen sein. Die Anode befindet sich unter dem Boden der Pfanne --50--, während die Luftsauerstoffelektrode--20--der Luft ausgesetzt ist, sogar dann, wenn die Pfanne auf den Klammern --52-- steht. Nachdem die Heizvorrichtung --10-- an der Pfanne befestigt ist, wird diese mit ihrem Boden--51--schnell in Wasser getaucht, um die elektrochemische Heizvorrichtung zu durchfeuchten, welche dann aktiviert ist und die Beheizung der Pfanne--50--und der darin befindlichen Nahrungsmittel auslöst.
Die beschriebene elektrochemische Heizvorrichtung kann verschiedene Ausführungsformen erhalten.
Beispielsweise kann sie eine abgekapselte Form mit einer Anode und einer Kathode und einem flüssigen Elektrolyten erhalten. Die Anode und Kathode kann auch von aussen zum Anschluss eines separaten Kurzschlusselementes zugänglich sein. Sobald das Kurzschlusselement Anode und Kathode verbindet, beginnt die elektrochemische Erhitzung in der beschriebenen Art entsprechend den vorstehenden Ausführungsformen.
Die elektrochemische Heizvorrichtung hat zahlreiche Vorteile. Sie kann aus ungiftigen, ungefährlichen Stoffen hergestellt werden, die zur Erwärmung für medizinische Zwecke oder im Lebensmittelbereich geeignet sind. Die elektrochemische Heizvorrichtung lässt sich lange Zeit lagern und kann leicht durch einfache Zugabe von Wasser aktiviert werden, wenn ein trockenes Elektrolytmaterial eingeschlossen ist. Die Anode aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen und die Luftsauerstoffelektrode der elektrochemischen Heizvorrichtung lassen sich mit einer Kochsalzlösung aktivieren. Die elektrochemische Heizvorrichtung kann durch eine Grössenbemessung den Erfordernissen angepasst werden. Beispielsweise lässt sie sich bei einer dünnen Sandwich-Struktur mit Scheren auf die gewünschte Grösse und Form schneiden.
Die erzeugte Wärmemenge kann durch Begrenzung der dem porösen Separator zugegebenen Wassermenge gesteuert werden. Für die Auswahl der gewünschten elektrochemischen Heizvorrichtung können zahlreiche Stoffe verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Heizvorrichtung, bestehend aus einer elektrochemischen Zelle mit einer Anode, einer
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Anode und Kathode innerhalb der Zelle durch Kurzschlusselemente miteinander verbunden sind und in der Zelle ein vor Gebrauch der Heizvorrichtung aktivierbarer Elektrolyt angeordnet ist.
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