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Die
Erfindung betrifft ein sich selbsterwärmendes Heizelement
mit einem Sorptionsmittel, das durch Benetzung mit einem flüssigen
Reaktionsmittel eine exotherme Reaktion durchläuft. Zum
Starten der Wärmeentwicklung wird das in einem separaten
Beutel gelagerte flüssige Reaktionsmittel in Kontakt mit dem
Sorptionsmittel gebracht.
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Selbsterwärmende
Heizelemente sind unter anderem aus der
DE 19860944 bekannt. Eine Konservendose
ist hier im Bodenbereich mit einer Wärmequelle versehen,
die zwei chemische Reaktionspartner enthält, die beim Zusammenwirken
den Inhalt der Konservendose erwärmen.
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Die
US 4 895 135 offenbart einen
sich selbst erwärmenden Behälter, der durch eine
exotherme Hydratationsreaktion Wärme erzeugt. Der Behälter umfasst
eine äußere Schale, einen Mantel, der das exotherme
Reaktionsmittel enthält, einen Wasser enthaltenden Wasserbeutel
und ein Behältnis für Nahrungsmittel. Als Reaktionsmittel
wird Calciumoxid verwendet, ein kostengünstiges und deshalb
häufig benutztes Reaktionsmittel.
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Ein
deutlich ungefährlicherer Reaktionspartner als Calciumoxid
ist in der
DE 20 2005 017
109 beschrieben. Hier enthält ein exothermer Einweg-Lockenwickler
in einer äußeren Metallhülle Zeolith
und eine in einer Glaskugel abgefüllte Wassermenge. Durch
Druck auf die zylindrische Metallhülle kann die innenliegende,
dünnwandige Glaskugel brechen und die Wassermenge in das
Zeolithgranulat auslaufen.
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Bei
allen Reaktionen ist darauf zu achten, dass die Wärmefreisetzung
homogen über das gesamte Element erfolgt und nicht einzelne
Wärmenester entstehen, deren Temperaturerhöhung
unter Umständen sogar das Hüllmaterial zum schmelzen
bringen kann. Es besteht dann die Gefahr, dass Teile des Reaktionsmaterials
mit dem zu erwärmendem Produkt in Kontakt kommen. Dieses
technische Problem versucht die
US
4 762 113 durch die Verwendung von zwei separaten und nacheinander
auslaufenden Wasserbehältern zu lindern.
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Ein
weiteres Problemfeld ist die nur mangelhafte Übertragung
der freigesetzten Wärme an das zu erwärmende Produkt.
In aller Regel geht mit dem Auslaufen des flüssigen Reaktionsmittels
aus seinem Behälter und dem Eintritt in das granulatförmige
Reaktionsmittel eine Volumenveränderungen einher. Die Reaktionspartner
werden weniger Volumen einnehmen und damit die Kontaktstellen zu
den Behälterwänden und damit zu dem zu erwärmenden
Produkt verringern.
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Um
eine homogene Vermengung der beiden Reaktionspartner zu erreichen,
wird in der Regel vom flüssigen Reaktionsmittel mehr eingefüllt
als für das Reaktionsgleichgewicht notwendig wäre.
Diese Methode führt zu mehr Volumen, mehr Gewicht und höheren
Kosten. Zudem ist das überschüssige, flüssige Reaktionsmittel
ebenfalls mit aufzuwärmen, was wiederum weiteres Sorptionsmittel
erfordert.
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Aufgabe
der Erfindung ist ein kostengünstiges Heizelement mit Sorptionsmittel
das die aufgezeigten Probleme umgeht.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1. Die abhängigen Ansprüche zeigen weitere erfinderische
Heizelemente auf.
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Durch
die Verwendung von Zeolith und Wasser als Reaktionsstoffpaar wird
das Gefahrenpotential beim Kontakt mit Lebensmitteln stark erniedrigt. Zeolithe
sind gesetzlich zugelassene Zusatzstoffe für Lebensmittel.
Sie haben hierfür eine eigene Zulassungsnummer (E 554)
erhalten.
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Zeolithe
können Wasserdampf selbständig ansaugen. Die Reaktion
läuft auch dann ab, wenn kein flüssiges Wasser
in alle Bereiche der Sorptionsmittelfüllung geleitet wird.
Dieser Saugprozess läuft allerdings nur im Vakuum ungehindert
ab. Bei Anwesenheit von nicht adsorbierbaren Gasen (hauptsächlich
Luft) wird die Wasserdampfströmung behindert.
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Im
Vakuum ist die Temperaturverteilung innerhalb des Sorptionsmittels
homogen. Sobald an einer Reaktionsstelle die Temperatur ansteigt,
kann ungebundenes Wasser verdampfen und damit den Temperaturanstieg
an dieser Stelle kappen. Der abströmende Wasserdampf wird
an kälteren Sorptionsmittelpartien kondensieren oder vom
noch nicht mit Wasser benetztem Sorptionsmittel adsorbiert. Beim Adsorptionsprozess
wird nicht nur die Kondensationswärme des adsorbierten
Dampfes frei, sondern auch die Bindungswärme (Reaktionswärme)
des Wassers mit dem Zeolith. Es müssen nicht alle Bereiche
des Sorptionsmittels mit flüssigem Wasser in Kontakt kommen.
Sofern Wasserdampf ungehindert strömen kann, wird die gesamte
Sorptionsmittelfüllung genutzt. Die Wasserfüllung
kann deutlich geringer ausfallen, als es für eine homogene,
flüssige Benetzung der Sorptionsmittelfüllung
nötig wäre. Die Wassermenge lässt sich
auf ca. 40–60% der Sorptionsmittelmasse begrenzen.
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Aber
nicht nur entlegenere Sorptionsmittelpartien werden unter Vakuum
von der Dampfströmung erreicht. Auch die Wärmeübertragung über
die Außenhülle erfolgt mittels der Dampfkondensation viel
effizienter und schneller. An heißem Sorptionsmittel erzeugter
(Niederdruck)-Dampf kondensiert an den inneren Flächen
der Hülle so lange, bis das auf der äußeren
Seite anliegende Produkt auf die entsprechende Temperatur erwärmt
ist. Das erfindungsgemäße Heizelement wirkt somit
wie eine Dampfheizung, die das zu erwärmende Produkt in
allen Bereichen einheitlich erwärmt, ohne einzelne Bereiche
zu überhitzen.
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Ein
weiterer Vorteil des evakuierten Systems liegt darin, dass die äußere
Hülle optimal an der Zeolithfüllung anliegt. Es
bilden sich keine Hohlräume, z. B. durch ein Verrutschen
der Füllung. Die Form der Sorptionsmittelschüttung
innerhalb des Behälters bleibt erhalten. Auch ein Aufblasen
der äußeren Hülle muss nicht befürchtet
werden, weil keine Gase (Luft) innerhalb der Hülle vorhanden
sind, die sich durch die Erwärmung ausdehnen und die Hülle
aufblasen oder gar platzen lassen.
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Mit
Hilfe des Unterdrucks innerhalb der Hülle kann auch der
Wasserbeutel effizient ausgedrückt werden. Sobald die Peelnaht
des Beutels geöffnet ist, wird der Inhalt durch den von
außen über die flexible Hülle anstehenden
Luftdruck ohne weitere manuelle Eingriffe vollständig ausgepresst.
Es verbleibt kein Rest im Wasserbeutel. Die Wasserfüllung
wird komplett zum Sorptionsmittel gepresst. Folien mit Peeleffekt
eignen sich besonders effizient für den Wasser-Beutel.
Wenn er prall mit Wasser gefüllt ist, reicht ein kräftiger
Druck auf den Beutel aus, eine der Siegelnähte zum Platzen
zu bringen. Das eingefüllte Wasser läuft dann
aus und fließt in das Sorptionsmittel-Granulat. Durch den
von außen auf der Hülle anliegenden Luftdrucks
wird der Beutel vollständig leer gepresst.
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Sorptionsmittel,
insbesondere Zeolithe, können im Sorptionsprozess Temperaturen
von über 100°C erreichen. Für derartig
hohe Temperaturen sind die auf dem Verpackungssektor eingesetzten Mehrschicht-Folien
nicht immer geeignet. Insbesondere die üblicherweise verwendeten
Polyethylen-Siegelschichten werden bereits bei 80°C weich
und lassen die Hülle unter Vakuum undicht werden. Eine Siegelschicht
aus Polypropylen kann hingegen deutlich höheren Temperaturen
widerstehen. Ihr Schmelzpunkt liegt bei über 150°C.
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In
Kombination mit hohen Temperaturen können scharfe Kanten,
Ecken und Spitzen des Sorptionsmittelgranulats in den Folien unzulässige Leckagen
hervorrufen. Dieser Gefahr kann durch mindestens eine Polyester-
bzw. Polyamidschicht innerhalb der Mehrschicht-Folie begegnet werden.
Polyamidfolien sind besonders reiß- und stichfest. Die eigentliche
Gasbarriere wird durch eine Lage dünner Metallfolie oder
einer metallisierten Schicht sicher gestellt. Bewährt haben
sich hierfür dünne Aluminiumfolien mit einer Schichtdicke
ab 8 μm. Weniger dicht sind metallisierte Kunststofffolien.
Dennoch ist bei kurzen Lagerzeiträumen auch der Einsatz
dieser metallisierten Folien möglich, zumal sie gegenüber den
Metallfolien preiswerter herzustellen sind.
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Die
einzelnen Schichten einer Mehrschicht-Folie sind durch Kleber miteinander
verbunden. Übliche Kleber enthalten Lösungsmittel,
die beim Verkleben nicht restlos aus der Kleberschicht entfernt
werden. Über längere Zeiträume, diffundieren
diese Lösungsmittel dann durch die innenliegenden Schichten,
und beeinträchtigen das Vakuum innerhalb des Heizelementes.
Die Diffusion wird bei höheren Temperaturen, wie sie beim
Sorptionsprozess der Heizelemente auftreten, verstärkt.
Die zum Einsatz kommenden Kleber sollten deshalb ebenfalls für
hohe Temperaturen geeignet sein.
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Das
Verschweißen (Versiegeln) von Mehrschicht-Folien zu Beuteln
und das Abfüllen von Schüttgut sowie das anschließende
Evakuieren sind in der Lebensmittelbranche Stand der Technik.
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Unzählige
Beutelgrößen und -formen sind dort im Einsatz.
Besonders erwähnt seien Standbeutel, Beutel mit Ausgießöffnungen,
Beutel mit Kartonagenverstärkung, Aufreißbeutel,
Beutel mit Peeleffekt zum leichteren Öffnen und Beutel
mit Ventilen. Sie alle können mit Ihren spezifischen Eigenschaften
für die erfindungsgemäßen Heizelemente
von Vorteil sein.
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Beim
Abfüllen von festem Sorptionsmittel in Beuteln entsteht
Staub, der sich an den Folieninnenflächen ablagert. Staub
auf den späteren Siegelstellen kann zu Leckagen führen,
wenn die Staubschicht gegenüber der Siegelschicht zu dick
ist. Polypropylenschichtdicken von 50 bis 100 μm reichen
aus, um feine Staubkörnchen in die Polypropylenschicht
sicher und vakuumdicht einzuschmelzen.
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Als
Sorptionsmittel kommt vorteilhaft Zeolith zum Einsatz. Dieser kann
in seiner regelmäßigen Kristallstruktur bis zu
36 Massen-% Wasser reversibel sorbieren. Bei der erfindungsgemäßen
Anwendung muss zusätzliches Wasser bereitgestellt werden,
da zumindest das Sorptionsmittel in der Nähe des geöffneten
Beutels auch oberflächlich benetzt bleibt. Die theoretisch
notwendige Wassermenge von lediglich 36% wird sich somit auf 40
bis 60% der Sorptionsmittelmasse erhöhen.
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Zeolithe
haben auch bei relativ hohen Temperaturen (über 100°C)
noch ein beträchtliches Wasserdampf-Sorptionsvermögen
und eignen sich deshalb besonders für den erfindungsgemäßen
Einsatz.
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Zeolith
ist ein kristallines Mineral, das in einer Gerüststruktur
Silizium- und Aluminiumoxide enthält. Die sehr regelmäßige
Gerüststruktur enthält Hohlräume, in
welchen Wassermoleküle unter Wärmefreisetzung
sorbiert werden können. Innerhalb der Gerüststruktur
sind die Wassermoleküle starken Feldkräften ausgesetzt,
deren Stärke von der bereits in der Gerüststruktur
enthaltenen Wassermenge und der Temperatur des Zeolithen abhängt.
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In
der Natur vorkommende, natürliche Zeolithtypen nehmen deutlich
weniger Wasser auf. Pro 100 g natürlicher Zeolith werden
nur 7 bis 11 g Wasser sorbiert. Diese reduzierte Wasseraufnahmefähigkeit
liegt zum einen an deren spezifischen Kristallstrukturen und zum
anderen an nicht aktiven Verunreinigungen des Naturproduktes. Für
erfindungsgemäße Heizelemente sind deshalb synthetische
Zeolithe mit ihrem größeren Sorptionsvermögen
zu bevorzugen. Ökonomisch betrachtet wären für
diesen Einsatzfall jedoch die natürlichen Vertreter deutlich
im Vorteil, da deren Preis erheblich niedriger ist.
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Unter
den ca. 30 unterschiedlichen, natürlichen Zeolithen wären
die folgenden für die erfindungsgemäßen
Heizelemente vorteilhaft einzusetzen: Clinoptilolite, Chabazite,
Mordenite und Phillipsite.
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In
der Natur vorkommende Stoffe können auch ohne Umweltauflagen
wieder der Natur zugeführt werden. Natürliche
Zeolithe können nach ihrem Einsatz in Heizelementen z.
B. als Bodenverbesserer, als Flüssigkeitsbinder oder zur
Verbesserung der Wasserqualität in stehenden Gewässern
eingesetzt werden.
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Von
den synthetischen Zeolithtypen sind die Typen A, X und Y, jeweils
in ihrer preisgünstigen Na-Form zu empfehlen. Vor dem Einbringen
in die Heizelemente sind die Zeolithe bei Temperaturen von über
250°C stark zu trocknen und anschließend luftdicht
zu lagern. Eine Lagerung an Luft würde zu einer selbständigen
Wasserdampfaufnahme aus der Umbebungsluft führen.
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Neben
der Kombination Zeolith/Wasser sind auch alle anderen aus dem Stand
der Technik bekannten festen Reaktionsstoffspaarungen für
den Einsatz in den erfindungsgemäßen Heizelementen geeignet.
Es empfiehlt sich jedoch Stoffpaarungen mit Wasser zu verwenden,
da Wasser erst ab Temperaturen oberhalb von 100°C druckfeste
Hüllen benötigt. Solange die Reaktionstemperatur
unter 100°C bleibt, können die Heizelemente im
Unterdruck arbeiten und in erfindungsgemäßen Mehrschicht-Folien eingeschweißt
werden.
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Erfindungsgemäß ist
die Sorptionsmittel-Menge so zu dimensionieren und so anzuordnen, dass
für das einströmende Wasser bzw. den weiterströmenden
Wasserdampf nur ein minimaler Druckabfall innerhalb des Sorptionsmittels überwunden werden
muss. Zudem muss das Sorptionsmittel dem zuströmenden Wasserdampf
ausreichend Oberfläche zur Anlagerung bieten. Um eine gleichmäßige Sorption
innerhalb des Sorptionsmittels und einen geringen Druckabfall zu
gewährleisten, haben sich besonders Sorptionsmittel-Granulate
bewährt. Granulatdurchmesser zwischen 0,5 und 2 mm zeigen
dabei die besten Resultate. Diese sind problemlos abzupacken und
bilden nach dem Evakuieren einen harten, druck- und formstabilen
Sorptionsmittel-Formkörper, der die beim Evakuieren aufgezwungene
Form beibehält.
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Erfindungsgemäß kann
zusätzlich ein saugfähiges Material, vorzugsweise
im Bereich des Beutels, eingelegt werden. Das saugfähige
Material leitet das aus dem Beutel austretende Wasser gezielt in
diverse Sorptionsmittelpartien bevor es von dem nächstliegenden
Sorptionsmittel-Granulat aufgenommen wird.
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Als
saugfähige Materialien sind insbesondere saugfähige
Papiere, wie sie in großer Vielfalt für Haushalt
und Industrie zum Aufsaugen von Flüssigkeiten eingesetzt
werden, oder aber handelsübliche Mikrofasern aus Polypropylen
geeignet. Diese Fasern sind zur Wasseraufnahme präpariert
und geben keine das Vakuum störenden Gase ab.
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Vorteilhaft
sind auch aus Zeolithpulver vorgeformte, formbeständige
Zeolithformkörpter, in die bereits die Strömungskanäle
eingearbeitet sein können und deren Formgebung der gewünschten
Heizelement-Geometrie angepasst ist. Die stabilen Zeolithformkörper
können Hohlräume aufweisen, um die gewünschte
Strömung zu beeinflussen.
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Bei
der Sorptionsreaktion wird Sorptionswärme frei, die das
Sorptionsmittel erhitzt. Bei direktem Kontakt des Sorptionsmittels
mit der äußeren Hülle kann entstehende
Sorptionswärme ungehindert durch die Folie hindurch nach
außen an das zu erwärmende Produkt abgeführt
werden.
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Da
der Wärmeübergang von der Außenseite der äußeren
Hülle in der gleichen Größenordnung liegt
wie der Wärmeübergang eines Sorptionsmittel-Granulates
an die Innenseite der Hülle, empfehlen sich prinzipiell
große Folienoberflächen ohne Berippung, wie beispielsweise
Zylinder-, Platten- oder Rohrgeometrien. Da insbesondere Zeolithgranulate eine
geringe Wärmeleitung haben, sind die Heizelemente so auszulegen,
dass der durchschnittliche Wärmeleitungsweg innerhalb des
Sorptionsmittels 5 mm nicht übersteigt.
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Das
Versiegeln der äußeren Hülle erfolgt
in aller Regel thermisch durch Anpressen heißer Siegelbalken
auf die äußere Folienoberflächen bis
die aufeinanderliegenden Siegelschichten flüssig werden
und miteinander verschmelzen.
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Der
Verschweißungsvorgang kann innerhalb einer Vakuumkammer
unter Vakuum erfolgen. In diesem Fall werden in der Vakuumkammer
auch aus den Sorptionsmittelporen alle den späteren Adsorptionsprozess
behindernde Gase mit abgesaugt.
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Vorteilhaft
ist aber auch, das vorgesiegelte Heizelement ohne den Einsatz einer
Vakuumkammer an einer noch offenen Stelle der Siegelnaht mittels
einer Saugvorrichtung zu evakuieren. Um dabei den Absaugkanal offen
zu halten, ist zwischen den Folienflächen ein Abstandhalter
eingelegt. Sobald die Evakuierung abgeschlossen ist, werden die
Folienflächen einschließlich des Abstandhalters
durch Siegelbalken erhitzt, bis die Siegelschicht und das identische
Material des Abstandhalters ineinander verschmelzen und nach dem
Erkalten eine gasdichte Verbindung eingehen.
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Die
Zeichnung zeigt in:
-
1 ein
erfindungsgemäßes Heizelement und in
-
2 ein
erfindungsgemäßes Heizelement zusammen mit einem
zu erwärmendem Produkt in einer Umverpackung.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Heizelement dargestellt.
Die äußere Hülle 1 (durchsichtig dargestellt)
besteht aus einem Mehrschicht-Folienbeutel, der eine umlaufende
Siegelnaht 2 aufweist. Im auf ca. 20 mbar abs. evakuierten
Innenbereich der Hülle 1 befinden sich 10 g eines
trockenen Zeolithgranulats 3 (nicht durchgehend gezeichnet),
ein saufähiges Material 6 aus einem Polypropylen-Vlies
und darüber liegend ein Beutel 4, prall gefüllt
mit 5 ml entgastem Wasser 5. Der Beutel 4 ist
aus einer Peelfolie gefertigt und ebenfalls umlaufend versiegelt.
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Zum
Starten des Heizelementes wird auf die Hülle 1 im
Bereich des innen liegenden Beutels 4 gedrückt.
Bei ausreichendem Druck öffnet sich eine Siegelnaht. Durch
den äußeren Luftdruck wird der Beutel 4 ohne
weitere manuelle Unterstützung völlig leer gepresst.
Das auslaufende Wasser 5 wird vom saugfähigen
Material 6 abtransportiert und kommt auch mit weiter entfernteren
Zeolith-Granulatschichten in Kontakt. Sofort beginnt eine heftige,
exotherme Reaktion. Bedingt durch das herrschende Vakuum wird noch
nicht adsorbiertes Wasser von der Oberfläche des warmen
Zeolith-Granulats 3 verdampfen und zu kälteren
Bereichen strömen und dort kondensieren. Dies sind zum
einen noch nicht vom Wasser kontaktierte Zeolith-Partien und zum
anderen die noch kalten Innenflächen der Hülle 1.
Noch trockene Zeolith-Granulate adsorbieren den Wasserdampf, verflüssigen
ihn in der Kristallstruktur und geben sowohl die Verflüssigungswärme
als auch die Reaktionswärme an die Hülle 1 weiter.
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In 2 befindet
sich ein Heizelement nach Bauart 1 zusammen
mit 20 ml eines zähflüssigen Produktes 8 in
einer Umverpackung 7, die hier ebenfalls aus einem Folienbeutel
gefertigt ist. Das Heizelement ist vom Produkt 8 auf beiden
Seiten kontaktiert. Das Produkt wird durch die Erwärmung fließfähiger
und kann durch eine (nicht dargestellte) Aufreißöffnung
ausgedrückt und verwendet werden. Das Heizelement selbst
kann in der Umverpackung 7 verbleiben und zusammen mit
dieser im Restmüll entsorgt werden. Das Produkt 8 können
kosmetische Produkte wie beispielsweise Reinigungsmilch, Gesichtsmasken,
Haarmasken, Lotionen sowie Reinigungs- und Pflegemittel sein aber
auch Flüssigkeiten wie fertiger Tee, Kaffee oder auch Instant-Suppen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19860944 [0002]
- - US 4895135 [0003]
- - DE 202005017109 [0004]
- - US 4762113 [0005]