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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Getränkepackungsvorrichtung, welche
ermöglicht,
dass ihr Inhalt durch ein Sorptionskühlverfahren gekühlt wird.
Das Prinzip eines solchen Kühlverfahrens
besteht aus einem Verdampfen einer Flüssigkeit als Ergebnis eines
partiellen Vakuums, welches erhalten wird, indem der Dampf der Flüssigkeit
angesaugt wird. Die Erfindung ist am besten für das Kühlen eines Getränks anwendbar,
welches in einer Packung vom Dosen- oder Flaschentyp eingeschlossen
ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, den Verbrauch eines
Getränks
irgendwo und zu irgendeiner Zeit bei einer idealen Temperatur zu ermöglichen.
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Die
Durchführung
des Verfahrens eines Sorptionskühlens
ist bekannt und ist das Objekt zahlreicher Forschungen nach dem
Stand der Technik gewesen. Viele Vorrichtungen sind vorgeschlagen worden,
welche mit einem Wärmetauscher
verbunden sind, welcher eine Kühlmittelflüssigkeit
enthält, welche
mit einem Hohlraum, der einen Adsorptionsmittel enthält, verdampft,
insbesondere für
Anwendungen für
selbstkühlende
Getränkepackungen.
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Eine
der Schwierigkeiten einer Durchführung eines
solchen Verfahrens eines Sorptionskühlens besteht in einer Handhabung
der Hitze, welche in dem Adsorptionsmittel während der Adsorptionsreaktion aufgenommen
ist. Dies liegt daran, dass, wenn das Adsorptionsmittel, im Allgemeinen
ein Trocknungsmittel, wie z.B. Zeolithe, den Dampf der Kühlmittelflüssigkeit
adsorbiert, sich dieses aufheizt und daher nahezu seine gesamte
Adsorptionseigenschaft verliert. Ein Entfernen eines Teils dieser
Hitze, welche in dem Trocknungsmittel aufgenommen ist, verbessert die
Kühlleistung
der Vorrichtung wesentlich.
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Verschiedene
Lösungen
zum Begrenzen des Anstiegs der Temperatur des Adsorptionsmittels
sind bereits nach dem Stand der Technik vorgeschlagen worden.
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Eine
erste bekannte Lösung,
welche in dem Patent
US 4 759
191 beschrieben ist, besteht aus einem Abbau der Hitze,
welche in dem Adsorptionsmittel (einem Trocknungsmittel) aufgenommen
ist, mittels einer Wärmesenke,
welche aus einem Material in einem thermischen Kontakt mit dem Trocknungsmittel
besteht, wobei das Material entweder einen Phasenübergang
von fest zu flüssig
oder eine hohe Wärmekapazität oder eine
endotherme Reaktion aufweist. Das Patent
US 4 949 549 von denselben Erfindern
spezifiziert die eingesetzte Lösung,
nämlich
ein Material mit einem Phasenübergang,
wie z.B. Natriumacetat, dessen Phasenübergang von fest zu flüssig bei
58°C stattfindet.
Diese Lösung
erfordert dennoch die Realisierung eines bestimmten Behälters für das zugehörige Phasenübergangsmaterial
in dem Trocknungsmittelbehälter,
was das Verfahren einer Herstellung von solchen selbstkühlenden
Getränkepackungen
kompliziert, da es eine effiziente Wärmekopplung zwischen dem Trocknungsmittel
und dem Material der Wärmesenke
erfordert.
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Eine
Anpassung dieser Lösung,
welche in dem Patent
US 5 048
301 beschrieben ist, besteht aus einem thermischen Isolieren
des Adsorptionsmittels mit der Wärmesenke
in einer luftleer gemachten Kammer innerhalb der Getränkedose.
Dennoch ist diese Lösung
zu komplex, um sie durchzuführen.
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Eine
Patentanmeldung WO 01/10738, auf welcher nach dem Stand der Technik
der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, beschreibt auch eine selbstkühlende Dose,
welche ein Sorptionskühlverfahren mit
einem Material einer Wärmesenke
verwendet. Da der Phasenübergang
des Materials der Wärmesenke bei
ungefähr
60°C auftritt,
sind das Trocknungsmittel und das Material der Wärmesenke in einem isolierten Behälter verpackt,
um den Verbraucher vor dem heißen
Material zu schützen.
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Eine
andere bekannte Lösung,
welche in dem Patent
US 4 928
495 beschrieben ist, schlägt ein Speichern der Wärme, welche
in dem Adsorptionsmittel (einem Trocknungsmittel) aufgenommen ist,
in Wasser vor, dessen Wärmekapazität relativ
hoch ist. Eine Alternative, welche in demselben Patent beschrieben
ist, besteht darin, die äußere Oberfläche des
Trocknungsmittelbehälters
zu befeuchten, um die Kalorien durch Verdampfen dieses Wassers abzubauen,
welches den Trocknungsmittelbehälter
befeuchtet. Dennoch ist die Realisierung einer solchen Vorrichtung
komplex und ein Schutz vor Verbrennungen ist nicht länger vorhanden,
wenn einmal das Wasser, welches die äußere Oberfläche des Behälters befeuchtet, vollständig verdampft
worden ist.
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Eine
andere Lösung,
welche in der Patentanmeldung FR 2 811 412 beschrieben ist, besteht
in einem Anordnen einer Wärmeisolierung
an dem Umfang eines Blocks eines Trocknungsmittels innerhalb des
Behälters,
welcher das Trocknungsmittel enthält. Diese Isolierung besteht
aus Zeolith, welches mit Harz imprägniert ist, um seine Porosität zu verstopfen
und zu verhindern, dass es den Dampf der Kühlmittelflüssigkeit adsorbiert. Indem
verhindert wird, dass das Zeolith seine Adsorptionsreaktion ausführt, wird
sein Aufheizen verhindert.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine alternative Lösung vorzuschlagen,
um die Hitze zu handhaben, welche in dem Adsorptionsmittel während einer
Durchführung
des vorab beschriebenen Sorptionskühlverfahrens aufgenommen wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
einfachste Lösung
wäre, dass
Adsorptionsmittel bis zu seiner Beharrungstemperatur aufheizen zu
lassen und für
genug Adsorptionsmittel zu sorgen, um die geeignete Kühlleistung
zu erreichen. Das Adsorptionsmittel, um den Kühlmittelflüssigkeitsdampf anzusaugen,
besteht vorteilhafter Weise aus einem Trocknungsmittel, wie zum
Beispiel einem Zeolith 13X. Während
der Adsorption von Wasserdampf durch solch ein Zeolith kann das
Adsorptionsmittel 200°C
für eine
Adsorptionskapazität
von ungefähr
5 Gewichtprozent des adsorbierten Wassers bezüglich der Masse des Trocknungsmittels
erreichen. Somit sind ungefähr
200g des Zeoliths ausreichend, um 10g Wasser zu adsorbieren, wobei
es die Verdampfung dieses Wassers ermöglicht, 330ml eines Getränks um 15°C zu kühlen. Es
ist daher nicht erforderlich, die Wärme abzubauen, welche in dem
Trocknungsmittel aufgenommen wird, da die Adsorptionskapazitätsgrenze
noch nicht erreicht ist.
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Bei
solch einer Lösung
besteht die größte Schwierigkeit
darin, für
die geeignete Isolierung für das
aufgeheizte Adsorptionsmittel (ungefähr 200°C für Zeolithe) zu sorgen. Zwei
Probleme müssen
berücksichtigt
werden:
- – Vermeiden
eines Aufheizens des gekühlten
Getränks
durch eine Wärme,
welche von dem Adsorptionsmittel zu dem Verdampfer und der Getränkedose
strömt;
- – Vermeiden
einer übermäßigen Außentemperatur
des Adsorptionsmittelbehälters
zur Sicherheit des Verbrauchers und zum Komfort.
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Zu
diesem Zweck schlägt
die vorliegende Erfindung einen Entwurf einer Isolierungsschicht
vor, welche um den Adsorptionsmittelbehälter herum aufgetragen wird,
was diese zwei Probleme löst.
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Genauer
betrifft die Erfindung eine selbstkühlende Getränkepackungsvorrichtung, welche
einen ersten Hohlraum, welcher ein Getränk zum Verbrauch enthält, einen
zweiten Hohlraum, welcher einen Wärmetauscher ausbildet und eine
Kühlmittelflüssigkeit
und ihren Dampf enthält,
einen dritten Hohlraum, welcher ein Adsorptionsmittel zum Ansaugen
des Dampfes enthält,
und Mittel, um zum Betrieb der Vorrichtung den zweiten Hohlraum
mit dem dritten Hohlraum in Verbindung zu setzen, aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass der dritte Hohlraum eine äußere Wärmeisolierungsschicht aufweist,
welche derart entworfen ist, dass während des Betriebes der Vorrichtung
der Wärmestrom
von dem Adsorptionsmittel durch die Außenwand des dritten Hohlraums größer oder
gleich dem Wärmestrom
von dem Adsorptionsmittel zu dem zweiten oder ersten Hohlraum ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
steigt die Temperatur der äußeren Oberfläche der
Isolierungsschicht während
des Betriebs der Vorrichtung auf mehr als 70°C an.
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Gemäß einem
Merkmal weist die Wärmeisolierungsschicht
eine thermische Leitfähigkeit
auf, welche geringer oder gleich 500W·m–2·K–1 und
vorzugsweise zwischen 20 und 60W·m–2·K–1 liegt.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform weist
die Wärmeisolierungsschicht
ein Material auf, welches bei einer Temperatur zwischen 40°C und 80°C schmilzt.
Möglicherweise
besteht die Wärmeisolierungsschicht
aus mindestens zwei Schichten, wobei eine von diesen das schmelzende
Material aufweist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umgibt die Wärmeisolierungsschicht
den dritten Hohlraum, welcher aus einem Metallbehälter besteht,
oder die Wärmeisolierungsschicht
wird durch die Wände
eines Behälters
ausgebildet, welcher den dritten Hohlraum ausbildet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
erstreckt sich die Wärmeisolierungsschicht
um den ersten Hohlraum herum.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist die Wärmeisolierungsschicht
eine thermochrome Beschriftung auf.
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die
folgende Beschreibung deutlich, welche mittels eines verdeutlichenden
und nicht begrenzenden Beispiels gegeben wird und Bezug auf die
beigefügten
Figuren nimmt, wobei gilt:
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1 stellt
eine erfindungsgemäße selbstkühlende Getränkepackung
dar,
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2 stellt
die Isolierungsschicht gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
dar,
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3 stellt
die Isolierungsschicht gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform dar.
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Mit
Bezug auf 1 weist die erfindungsgemäße selbstkühlende Getränkepackung
auf einen ersten Hohlraum 10, welcher ein Getränk zum Verbrauch
enthält,
einen zweiten Hohlraum 20, welcher einen Wärmetauscher
ausbildet und eine Kühlmittelflüssigkeit,
wie z.B. Wasser, und seinen Dampf enthält, und einen dritten Hohlraum 30,
welcher ein Trocknungsmittel 31 zum Ansaugen des Dampfes bei
einer Adsorption enthält.
Der zweite Hohlraum 20 wird auch als der Verdampfer bezeichnet
und der dritte Hohlraum 30 wird auch als der Trocknungsmittelbehälter bezeichnet.
Mittel 50, um den zweiten Hohlraum 20 in Verbindung
mit dem dritten Hohlraum 30 zu setzen, sind auch für einen
Betrieb des Sorptionskühlverfahrens
vorhanden.
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Der
dritte Hohlraum 30 besteht aus einem Behälter, welcher
eine gute Vakuumabdichtung garantiert, die für einen korrekten Betrieb der
Ansaugmittel notwendig ist. Im Allgemeinen ist dieser Behälter metallisch.
Das Risiko sich an diesem zu verbrennen ist am höchsten. Daher weist der dritte
Hohlraum 30 erfindungsgemäß eine Wärmeisolierungsschicht 35 auf.
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Erfindungsgemäß wird das
erste vorab identifizierte Problem (Vermeiden eines Aufheizens des gekühlten Getränks durch
eine Wärme,
welche von dem Adsorptionsmittelbehälter zu dem Verdampfer zurückfließt) durch
ein aktives Wärmeabschirmungskonzept
gelöst,
welches im Wesentlichen wie folgt arbeitet:
Wenn Wärme aus
dem Adsorptionsmittel 31 entweicht, wird es abgekühlt und
ist folglich in der Lage mehr Kühlmitteldampf
zu adsorbieren, was zu einem zusätzli chen
Kühlen
in dem Verdampfer 20 führt.
Für den
Fall dass Zeolithe als Adsorptionsmittel verwendet werden, liegt
dieses zusätzliche
Kühlen
ungefähr bei
oder über
50% des Wärmeverlustes
von dem Adsorptionsmittel. Die Isolierungsschicht 35, welche den
Trocknungsmittelbehälter 30 umgibt,
ist derart entworfen, dass der Wärmestrom
von dem Adsorptionsmittel durch die Außenwand des dritten Hohlraumes
mindestens so groß ist
wie der Wärmestrom
zu dem Verdampfer und der Getränkedose
(beziehungsweise dem zweiten 20 und ersten 10 Hohlraum).
Mit solch einer Isolierung ist der Nettoeffekt ein zusätzliches
Kühlen
des Getränks
und nicht ein Aufheizen durch die Hitze des Trocknungsmittels.
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Darüber hinaus
wird das zweite vorab identifizierte Problem (Vermeiden einer übermäßigen Außentemperatur
des Adsorptionsmittelbehälters
zur Verbrauchersicherheit und zum Komfort) auch durch die erfindungsgemäße Isolierungsschicht
gelöst.
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Gemäß einer
bevorzugten Lösung
ist die Wärmeisolierungsschicht 35 mit
einer Leitfähigkeit versehen,
damit eine äußere Oberfläche der
Isolierungsschicht während
des Sorptionskühlprozesses 70°C und bis
zu 90°C
erreichen kann. Diese relativ hohe äußere Oberflächentemperatur ermöglicht ein Abbauen
von ungefähr
0,1 W·cm–2 durch
natürliche Konvektion.
Diese äußere Oberflächentemperatur fällt auf
ungefähr
40–45°C bei einem
Kontakt mit Fingern. Dieser Temperaturabfall bei einem Kontakt mit Fingern
eines Verbrauchers liegt an dem höheren Wärmeabzug durch die Finger verglichen
mit der natürlichen
Luftkonvektion (ungefähr
dreimal mehr) kombiniert mit dem hohen thermischen Gradienten über der
Isolierungsschicht, welcher in einem Bereich von 20°C bis 50°C liegt.
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Diese
natürliche
Konvektion erhöht
die Adsorptionskapazität
des Trocknungsmittels und trägt vorteilhafter
Weise zu einer Verlängerung
des Getränkekühlprozesses
bei. Die Wärmeenergie,
welche entzogen wird, in der Größenordnung
von einigen Watt, ist kein bestimmender Faktor für das anfängliche Kühlen des Getränks, welches
typischerweise 15°C
in 3 Minuten beträgt,
aber es sorgt für
ein zusätzliches
Kühlen über eine
viel längere
Periode, typischerweise 2°C
in 30 Minuten, um das Getränk während seines
Verbrauchs kühl
zu halten.
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Die
Wärmeleitfähigkeit
der Isolierungsschicht, welche diese Bedingungen erzielt, ist geringer
als 100W·cm–2·K–1 und
liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20 bis 60 W·cm–2·K–1.
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Die
Temperaturverteilung (von dem Inneren des Trocknungsmittelmaterials 31,
an der Adsorptionsmittelbehälterwand 30,
zu der Außenseite
der äußeren Isolierung 35)
kann auch durch die Wärmekopplung
zwischen dem Trocknungsmittel 31 und der Behälterwand 30 beeinflusst
werden, indem für
eine zusätzliche
Isolierung innerhalb des Behälters
gesorgt wird.
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Solch
eine innere Isolierung kann durch ein Verfahren, welches in der
vorher genannten Patentanmeldung
FR
2 811 412 beschrieben ist, oder durch ein angemessenes
geometrisches Strukturieren des Trocknungsmittels
31 in
der Nähe
der Wand des Behälters
30,
wie z.B. Wellen
39, wie es in
2 dargestellt
ist, erzielt werden.
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In
dieser Ausführungsform
wird die Beharrungstemperatur der Trocknungsmittelbehälterwand 30 abgesenkt
und die erforderliche Leitfähigkeit
der äußeren Isolierungsschicht 35 muss
höher sein,
um den benötigten
Wärmestrom
zu der äußeren Atmosphäre zu erzielen.
In dieser Konfiguration liegt die Leitfähigkeit der äußeren Isolierungsschicht 35 in
einem Bereich von 100 bis 500 W·cm–2·K–1.
Da die Temperatur der Trocknungsmittelbehälterwände abgesenkt wird, wird der
Wärmestrom
zu der Getränkedose
und dem Verdampfer (ersten 10 und zweiten 20 Hohlraum)
verringert.
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Gemäß einer
alternativen Lösung,
wobei eine Darstellung davon in 3 gegeben
ist, weist die Isolierungsschicht 35 ein Material auf,
welches bei einer Temperatur zwischen 40°C und 80°C schmilzt. Dieses Phasenübergangsmaterial
sorgt für einen
aktiven Hitzeschutz zwischen dem Trocknungsmittelbehälter 30 und
der äußeren Atmosphäre, so dass
die Energie, welche zu der äußeren Atmosphäre übertragen
wird, geringer ist, als die Energie, welche von dem Trocknungsmittelbehälter wegströmt. Die
Differenz der Energien entspricht im Wesentlichen der Wärme des
schmelzenden Materials. Gemäß dieser
Ausführungsform
besteht die Isolierungsschicht 35 aus mindestens zwei Schichten 36, 37,
wobei eine von diesen 36 das schmelzende Material aufweist.
Ein typisches Material, welches in der Isolierungsschicht 36 enthalten
sein kann, ist Natriumsacetattrihydrat, welches bei 58°C schmilzt.
Eine zusätzliche
Schicht 37 einer Isolierung ohne ein schmelzendes Material
ist erforderlich, um als ein Wärmeschutz
zu fungieren. Diese zusätzliche Schicht 37 weist
eine Wärmeleitfähigkeit
auf, welche geringer als 100 W·cm– 2·K–1,
typischerweise 50, ist. Das Phasenübergangsmaterial kann in Hohlräumen der
Isolierungsschicht 36 enthalten sein.
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Die
Wärmeisolierungsschicht 35 umgibt
den metallischen dritten Hohlraum 30 und kann durch eine
Schicht einer Pappe und/oder eine Anzahl von Schichten eines sich überlagernden
Papiers und/oder einem Kunststoff ausgebildet sein. Sie kann auf
die äußere Oberfläche des
dritten Hohlraumes 30 geklebt werden oder durch ein unter
Hitze schrumpfendes Kunststoffrohr gehalten werden. Typischerweise
beträgt
eine Dicke zwischen 0,5 und 1,5mm bei der ersten beschriebenen Ausführungsform
und kann 3 bis 5 oder sogar 10mm bei der Ausführungsform, welche das schmelzende
Material aufweist, erreichen. Die Wärmeisolierungsschicht wird
vorteilhafter Weise nach dem Einfüllen des Getränks aufgebracht,
insbesondere im Fall von pasteurisierten Getränken, wo sie nach einer Pasteurisierung
aufgebracht wird.
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Der
Wärmeverlust
durch die Dosenwand der Getränkedose
(erster Hohlraum 10) erzeugt einen thermischen Gradienten
entlang der Adsorptionsmittelbehälterwand 30.
Um den Wärmeverlust
zu der äußeren Atmosphäre zu optimieren
während
ein angemessener Schutz für
den Verbraucher beibehalten wird, kann die Dicke der Isolierungsschicht 35 verringert
werden, je näher
man sich an der Grenze zwischen der Getränkedose 10 und dem
Adsorptionsmittelbehälter 30 befindet.
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Gemäß einer
bestimmten Ausführungsform kann
sich die Wärmeisolierungsschicht
von dem dritten Hohlraum 30, welcher das Trocknungsmittel
enthält,
zu dem ersten Hohlraum 10 erstrecken, welcher das Getränk zum Verbrauch
enthält.
Sie kann daher dazu beitragen, das Getränk während seines Verbrauchs kalt
zu halten.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist die Wärmeisolierungsschicht 35 eine
thermochrome Beschriftung 36 auf, zum Beispiel indem mit
thermochromer Tinte direkt auf die Isolierungsschicht geschrieben
wird. Dieses Schreiben kann gegenüber dem Trocknungsmittelbehälter 30,
zum Beispiel auf dem heißesten
Teil der selbstkühlenden
Packung, ausgeführt
werden. Das Erscheinen der thermochromen Tinte bei einem vorgegebenen
Temperaturschwellenwert, zum Beispiel 60°C, kann einen Indikator für einen
korrekten Betrieb der selbstkühlenden Vorrichtung
darstellen.
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Es
kann auch vorgesehen werden, die thermochrome Beschriftung gegenüber dem
Hohlraum 10 anzuordnen, welcher das Getränk zum Verbrauch enthält, und
sie unter einem bestimmten Schwellenwert, zum Beispiel 10°C, zu aktivieren,
um einen Indikator für
einen idealen Verbrauch des Getränks
zu erzeugen.
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Eine
mögliche
Alternative besteht darin, die Wärmeisolierungsschicht 35 direkt
durch die Wände eines
Behälters
zu realisieren, welche den dritten Hohlraum 30 ausbilden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt selbstkühlende Getränkepackungen mit einem effektiven
physiologischen Schutz gegen die Risiken einer Verbrennung aufgrund
des Anstiegs der Temperatur des Adsorptionsmittels bereit. Um einen äquivalenten Schutz
zu erzielen, welcher sich innerhalb des metallischen Adsorptionsmittelbehälters befindet,
müsste eine
Wärmeisolierung
eine fünfmal
größere Wärmewiderstandsfähigkeit
aufweisen, was ein größeres Volumen
in der Vorrichtung und mehr Material erfordern würde.
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Die
erfindungsgemäße Wärmeisolierungsschicht
ermöglicht
die Verwendung eines effizienten Adsorptionsmittels, wie z.B. Zeolith,
ohne Rückgriff auf
eine Wärmesenke
zu benötigen,
welche die Herstellung der Vorrichtung deutlich kompliziert.
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Darüber hinaus
macht es die erfindungsgemäße Wärmeisolierungsschicht
möglich,
den Kühlprozess
natürlich
fortzusetzen und sorgt daher für eine
Zugabe zu dem anfänglichen
raschen Kühlen, um
das Getränk
während
seines Verbrauchs kalt zu halten.