DE69934481T2

DE69934481T2 - Tragbare wärmeerzeugungs vorrichtung

Info

Publication number: DE69934481T2
Application number: DE69934481T
Authority: DE
Inventors: Clifford Pleasanton Welles
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2019-02-05
Also published as: EP1053436A4; DE69934481D1; US6062210A; US6289888B1; EP1053436B1; WO1999040377A1; EP1053436A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung zur gesteuerten Wärmeerzeugung durch katalytische Reaktion und insbesondere eine tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung, in der Wärme gleichmäßig über die Oberfläche einer dünnen, blattförmigen Elastomerstruktur erzeugt wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Es sind eine Reihe tragbarer chemischer Wärmeerzeugungsvorrichtungen bekannt, die z.B. in Ober- und anderer Bekleidung und Decken untergebracht werden können.
Eine Vorrichtung einer ersten Art wird im US-Patent Nr. 4,516,564 und im US-Patent Nr. 4,756,299 gelehrt. Die Vorrichtung dieser ersten Art umfasst ein pulverförmiges, exothermes Material wie z.B. oxidierbares Metall, das in blattartiger Form gehalten wird und mit einem porösen, luftdurchlässigen Blatt bedeckt ist. Die Menge an Luft, die durch das Blatt hindurchdringt, wird reguliert, um die Reaktionsgeschwindigkeit der exothermen Materialien und damit die Menge an erzeugter Wärme zu steuern.
Eine zweite Vorrichtung wird im US-Patent Nr. 5,425,975 gelehrt. In dieser zweiten Vorrichtung wird exothermes Material in einem blattartigen Substrat verteilt und von diesem getragen, wobei das blattartige Substrat aus einer Vielzahl von unregelmäßig angeordneten Fasern mit einer Mehrzahl von Zwischenräumen gebildet ist und die Zwischenräume das Einströmen von Luft in das exotherme Material ermöglichen. Das blattartige Substrat ist in einem Beutel mit Luftdurchlasslöchern angeordnet. Wie bei der Vorrichtung von der ersten Art wird die Luftmenge, die durch die Zwischenräume in das blattartige Substrat gelangt, in der Weise gesteuert, dass das exotherme Material eine gewünschte Wärmemenge erzeugt. Eine dritte Vorrichtung wird im US-Patent Nr. 5,125,392 gelehrt. Bei dieser Vorrichtung befindet sich exothermes Material in einer Mehrzahl von Löchern, die in einer zwischen einem Paar Tafeln angeordneten Matte aus thermogenem Material ausgebildet sind. Mit einer Pumpe wird dem exothermen Material durch eine erste Mehrzahl von Luftdurchlässen Luft zugeführt, und Abgase treten durch eine zweite Mehrzahl von Luftdurchlässen aus. Die durch das exotherme Material erzeugte Wärmemenge wird durch Regulieren des Luftstroms durch die Pumpe gesteuert.
Ein Problem im Zusammenhang mit den bekannten Vorrichtungen von der oben genannten ersten, zweiten und dritten Art besteht darin, dass das exotherme Material nach einer Gebrauchsperiode erschöpft ist, wodurch der Wärmeerzeugungsprozess beendet wird. Wenn das exotherme Material erschöpft ist, muss die Wärmevorrichtung teilweise oder vollständig entsorgt werden oder ein umständlicher und zeitaufwändiger Prozess des Austauschens oder Regenerierens des exothermen Materials durchgeführt werden. Durch diese Eigenschaften werden solche Vorrichtungen ungeeignet für mehrtägige Fußwanderungen in isolierten geographischen Regionen, wo Überlegungen hinsichtlich Gewichts, bequemen Einsatzes und Abfällen von Bedeutung sind.
Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit den oben genannten Vorrichtungen von der ersten und zweiten Art besteht darin, dass die Wärmeerzeugung relativ langsam an- und ausgeschaltet wird, da sie durch natürliche Diffusion von Luft durch permeable Membranen mit großer Oberfläche reguliert wird. Wenn diese Vorrichtungen zum Erwärmen von anderen Körperteilen als den Extremitäten verwendet werden, ist außerdem zum Abschalten dieser Vorrichtungen ein physisches Entfernen der Vorrichtungen vom Körper sowie ihr Lagern in einem luftdichten Fach erforderlich. Da diese Wärmevorrichtungen in diesen Fällen gewöhnlich unter passiver Oberbekleidung getragen werden, sind sie für "Wärme-bei-Bedarf"-Anwendungen nicht gut geeignet, wenn es umständlich oder nicht praktikabel ist, die äußeren Kleidungsschichten abzulegen.
Die oben genannten Vorrichtungen von der ersten und zweiten Art haben außerdem den Mangel, dass sie keine großes Spektrum an Wärmeleistung bieten. Damit gewährleistet ist, dass die Vorrichtungen keine unsichere Temperatur erzeugen, muss ihre maximale Produktion von Wärmeleistung selbst unter den besten Bedingungen notwendigerweise auf einen relativ geringen Wert festgelegt und begrenzt werden. Daher steht die potentiell hohe Leistungserzeugung der oben genannten chemischen Wärmevorrichtungen dem Anwender eigentlich nie zur Verfügung, wenn die Umgebungsbedingungen dies rechtfertigen würden.
Eine vierte tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung wird im US-Patent Nr. 4,685,442 gelehrt. Diese tragbare Wärmevorrichtung erzeugt Wärme in einem Wärmetauscher, der an einer von dem gewünschten Anwendungspunkt der Wärme entfernt gelegenen Stelle angebracht ist. Eine zirkulierendes Wärmeübertragungsmedium wird durch den Wärmetauscher gepumpt und dann an eine entfernte Stelle geleitet, um die wärmende Funktion auszuüben. Jedoch ist aufgrund des Wärmeverlustes des Wärmeübertragungsmediums auf seinem Weg zu dem gewünschten Punkt und aufgrund der Wärmetauschprozessen allgemein innewohnenden Eigenschaften der energetische Wirkungsgrad dieser Vorrichtung relativ niedrig. Zudem ist die Vorrichtung relativ schwer, da neben dem für die Bereitstellung von Wärmeenergie nötigen Brennstoff auch noch die Übertragungsflüssigkeit erforderlich ist, um die Wärme an den gewünschten Punkt zu bringen. Ein weiterer Nachteil der vierten Vorrichtung liegt darin, dass aufgrund der hohen Wärmekapazität von Flüssigkeiten (verglichen z.B. mit Gasen) das Wärmeübertragungsmedium Wärme nach dem Löschen der Wärmequelle noch für einen beträchtlichen Zeitraum speichert und so eine rasche Regulierung der Wärmezufuhr verhindert.
Eine fünfte tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung wird in US-Patent Nr. 2,764,969 gelehrt. Diese Vorrichtung nutzt das Prinzip der flammenlosen Verbrennung und ein Brennstoff-Luft-Gemisch auf Methanolbasis; für den sicheren Umgang mit unverbranntem Brennstoff oder Produkten aus unvollständiger Verbrennung wird dagegen keine Vorkehrung getroffen. Jede katalytische, tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung, die in nahem Kontakt mit dem menschlichen Körper oder in begrenzten Räumen wie z.B. einem Zelt, einem Fahrzeug oder einem kleinen Zimmer verwendet wird, würde als unzweckmäßig und unsicher angesehen, wenn Produkte aus unvollständiger Verbrennung oder flüchtige organische Verbindungen (VOCs) während des Erwärmungsvorgangs in die Umgebung freigesetzt würden. Darüber hinaus wird für die fünfte oben genannte Vorrichtung die Verwendung von Leitungen mit 7/8 Zoll Durchmesser in der Kleidung vorgeschlagen, was hinsichtlich einer Verwendung in der Oberbekleidung deutlich störend ist. Außerdem besteht das innere Leitungsmaterial aus starren und halbstarren Metallstrukturen, die die Möglichkeit eines bequemen Tragens weiter verringern. Zudem erfordert das bei der erwähnten Vorrichtung von der fünften Art verwendete Verbrennungsverfahren generell viel höhere Temperaturen an der Reaktionsoberfläche (der Oberfläche in direktem Kontakt mit dem katalytischen Material) als die vorliegende Erfindung, da die Übertragung der Wärme von der Reaktionsoberfläche auf die Außenfläche indirekt und über einen relativ großen Zwischenraum erfolgt. Außerdem scheint es, dass der äußere Leitungsdurchmesser (d.h. 7/8 Zoll) nicht deutlich unter den angegebenen Durchmesser verringert werden kann, um gefährliche Oberflächentemperaturen zu vermeiden. Jedenfalls würde eine deutliche Verringerung des Leitungsdurchmessers ebenfalls die Gesamtenergie verringern, die bei sicheren Oberflächentemperaturen (z.B. unter 120°F) abgestrahlt werden kann, und zwar aufgrund der geringen Oberfläche pro Einheitenlänge der zylindrischen Geometrie, verglichen mit einer blattartigen Geometrie.
Ein weiteres Problem mit der oben genannten Vorrichtung von der fünften Art besteht darin, dass keine Vorkehrung getroffen wird, um Probleme zu vermeiden, die während Teilen des Betriebszyklus auftreten können, wenn Kondensation von Wasserdampf (d.h. eines Nebenproduktes der Verbrennung) innerhalb der Leitung eine Selbstlöschung des Verbrennungsprozesses verursachen kann oder ein erneutes Starten nach dem Abschalten der Einrichtung verhindern kann. Es ist festgestellt worden, dass eine rasche Erwärmung des katalytischen Wärmeelementes, während die Kanalwand noch kühl ist, oder ein rasches Abkühlen der Hülle, die das Wärmeelement enthält, oder eine rasche Veränderung der Betriebsbedingungen (z.B. Durchflussrate, Brennstoff/Luft-Verhältnis, Umgebungstemperatur usw.) zu Kondensation innerhalb der Kanäle führen kann. Darüber hinaus ist es für viele Anwendungen wünschenswert, eine katalytische Wärmevorrichtung auf folgende Weise zu betreiben:

(a) Relativ niedrige Oberflächentemperatur des katalytischen Wärmeelements, damit im Aufbau des Wärmeblattes Elastomerkunststoffe als primäre Komponente verwendet werden können.
(b) Niedrige Brennstoff-Luft-Durchflussraten, damit die Größe, Gewicht und Leistungsbedarf der Luftpumpe minimiert werden.
(c) Relativ hohes Brennstoff/Luft-Verhältnis, um bei niedrigen Durchflussraten hohe Leistungsniveaus und Systemwirkungsgrade zu ermöglichen.

Jede der unter (a) bis (c) aufgezählten Einschränkungen des Betriebs kann potentielle Kondensationswirkungen verstärken und daher problematisch sein, wenn nicht Abhilfe geschaffen wird. Außerdem wird nirgends im Stand der Technik der Versuch unternommen, alle drei der oben genannten Punkte (a) bis (c) zu optimieren.
Katalytische Wärmevorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, wie sie z.B. in US-Patent Nr. 4,140,247, US-Patent Nr. 3,191,659, US-Patent Nr. 3,198,240 und US-Patent Nr. 5,282,740 gelehrt werden, funktionieren typischerweise bei hohen Temperaturen der Reaktionsoberfläche mit relativ hohen Gas-Durchflussraten setzen ihre erzeugten Abgase unmittelbar in die Atmosphäre frei, wodurch eine Beeinträchtigung der Funktion der Wärmevorrichtung durch Kondensation von Wasser keine Rolle spielt. Im US-Patent Nr. 4,662,352 wird das Brennstoff/Luft-Verhältnis niedrig gehalten, nämlich bei einem Brennstoff/Luft-Verhältnis zwischen 1% und 3% (nach Volumen), wodurch Probleme mit der Kondensation von Wasser und auch wesentliche räumliche Asymmetrien im Verbrennungsprozess (d.h. ein Auftreten der Verbrennung hauptsächlich in der Nähe der Stelle, wo der Brennstoff-Luft-Strom das katalytische Material zuerst berührt) vermieden werden. Dieser Ansatz wäre jedoch ineffizient, wenn er für eine Personenwärmevorrichtung angewandt würde, bei der beträchtliche Leistungsniveaus bei geringen Leistungsdichten und geringen Durchflussraten erwünscht sind.
Ein weiteres Problem mit katalytischen Wärmevorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, wie aus dem obigen Punkt (a) zu entnehmen, besteht darin, dass durch die relativ hohen Reaktionstemperaturen die Verwendung von Metallstrukturen und anderen starren Materialien für den Aufbau der Wärmevorrichtung erforderlich wird und dadurch die Umsetzung eines Aufbaus im Wesentlichen ganz aus vollsynthetischen Polymeren verhindert wird, die es ermöglichen würde, dass die optimalen taktilen, flexiblen und biegsamen Eigenschaften der Vorrichtung erreicht werden, welche für ein bequemes und unauffälliges Anbringen in der Oberbekleidung erforderlich wären.
All diese Nachteile, wie auch andere, die mit chemischen Wärmeerzeugungsvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik verbunden sind, begrenzen deren Anwendungs- oder Verwendungsbereiche. Die vorliegende Erfindung bietet einen neuen Ansatz, mit dem diese Schwierigkeiten überwunden und die Marktfähigkeit für die Verwendung z.B. in Ober- und anderer Bekleidung, Decken, Schlafsäcken und dergleichen deutlich verbessert wird.
Aufgabe der Erfindung
Angesichts dieser und anderer Probleme des Standes der Technik ist es allgemein eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Bau einer tragbaren Wärmeerzeugungsvorrichtung bereitzustellen, in der Brennstoffdampf (z.B. Methanol) und eine Zufuhr von Sauerstoff (z.B. Luft) durch Kanäle zugeleitet werden, die innerhalb einer blattförmigen Elastomerstruktur ausgebildet sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Katalysator bereitzustellen, der die spontane, flammenlose Verbrennung des Brennstoffdampfes und Sauerstoffs fördert, wobei die Notwendigkeit einer Regeneration oder Entsorgung von verbrauchtem pulverförmigem exothermem Material behoben wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Wärme im Wesentlichen gleichmäßig entlang der Länge von speziell konstruierten katalytischen Wärmeelementen freizusetzen, die bei relativ niedrigen Reaktionstemperaturen (z.B. zwischen 120°F und 350°F) funktionieren, so dass eine sehr dünne Elastomer-Wärmeblattkonstruktion ermöglicht wird (beispielsweise zwischen 1 und 4 Millimetern); wodurch es ermöglicht wird, beim Bau des Wärmeblatts auf die Verwendung von starren, harten Strukturen zu verzichten.
Eine wiederum weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein tragbares, katalytisches Wärmesystem mit leichtem Gewicht und schlankem Profil zur Verfügung zu stellen, das unauffällig und komfortabel ist, wenn es in tragbaren Kleidungs- und Ausrüstungsstücken wie z.B. Ober- und anderer Bekleidung, Stiefeln, Handschuhen, Decken sowie von Outdoor-Begeisterten getragener Schlechtwetterausrüstung wie z.B. Parkas, Schlafsäcken, Bodenmatten und dergleichen untergebracht wird, und gleichzeitig für die längere Verwendung in freier Natur geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Beseitigen der Notwendigkeit der Zirkulation einer Wärmeübertragungsflüssigkeit mitsamt der daraus resultierenden energetischen Ineffizienz, dem zusätzlichen Gewicht und der Unhandlichkeit, indem ein Wärme erzeugendes Gas (Brennstoff-Luft-Dampf) an die Stelle geleitet wird, wo die Wärme gewünscht wird.
Wiederum eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Kombination der Vorteile eines katalytischen Wärmeelementes mit relativ niedriger Oberflächentemperatur und der Vorteile einer niedrigen Durchflussrate und hoher Brennstoff/Luftverhältnisse (z.B. eines Brennstoff/Luftverhältnisses nach Volumen von 10% bis 20% oder mehr), wobei gleichzeitig Wasserkondensationswirkungen vermieden werden, welche die Wärmereaktion beeinträchtigen oder beenden können. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger Ansatz verwendet, indem das katalytische, Wärme erzeugende Material mit einer mikroporösen, hydrophoben Membran umgeben wird. Diese mikroporösen Membranen ermöglichen ein Eindringen und Reagieren des Brennstoff-Luft-Dampfes und lassen dabei die Verbrennungsprodukte (d.h. CO₂, H₂O-Dampf) entweichen. Gleichzeitig wird kondensierter Wasserdampf, der während des Anfahrens, während rascher Umgebungsveränderungen oder beim Betrieb unterhalb der kritischen Dampfkurve aus irgendeinem Grund entstehen kann, daran gehindert, in das mikroporöse Material einzudringen und mit dem Katalysator in Berührung zu kommen.
Wiederum eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung einer Kontraktion der Verbrennungszone beim Betrieb unter Bedingungen mit relativ geringen Volumenstromraten und hohen Brennstoff/Luft-Verhältnissen. Der Bereich der flammenlosen Verbrennung wird im Wesentlichen über die gesamte Länge des katalytischen Wärmeelements ausgeweitet, wodurch eine relativ geringe Leistungsdichte (z.B. ungefähr 1 bis 2 Watt pro Zoll oder weniger) für das Wärmeelement ermöglicht wird. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von katalytischen Wärmeelementen in einem Elastomerblatt so verteilt werden, dass eine große Fläche abgedeckt wird, die insgesamt verteilte Energie immer noch beträchtlich ist und die Oberflächentemperatur des Wärmeblatts unter den Bedingungen des Kontaktes oder annähernden Kontaktes mit menschlicher Haut in einem sicheren Bereich liegt.
Wiederum eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine katalytische Wärmevorrichtung mit den beschriebenen Eigenschaften bereitzustellen, wobei der Abgasstrom aus dem katalytischen Wärmeelement vor dem Freisetzen in die Umgebung zu einer Gaswäscherzelle geleitet und von flüchtigen organischen Verbindungen befreit wird und es daher sicher ist, die Wärmevorrichtung in abgeschlossenen Räumen und in unmittelbarer Nähe zum menschlichen Körper zu verwenden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine katalytische Wärmevorrichtung mit den beschriebenen Eigenschaften bereitzustellen, wobei der Abgasstrom aus dem katalytischen Wärmeelement dazu verwendet wird, die Brennstofftemperatur zu erhöhen, damit ein relativ hoher gesättigter Dampfdruck beibehalten wird, wobei folglich die chemische Energie in einem gesättigten Brennstoff-Luft-Dampf-Volumen erhöht und der Wirkungsgrad des Systems weiter verbessert wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine vorbestimmte Brennstofftemperatur mit Hilfe eines thermisch gesteuerten Umleitventils zu regulieren, das den warmen Abgasstrom zwischen der Brennstoffkammer und der Wäscherzelle gemäß der Temperatur des flüssigen Brennstoffes in der Brennstoffkammer aufteilt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine tragbare katalytische Wärmevorrichtung mit den beschriebenen Eigenschaften bereitzustellen, bei der eine Dampftauschereinheit innerhalb der Brennstoffkammer das Trägergas mit einer ausreichenden Zufuhr von Methanoldampf oder anderem geeigneten Brennstoffdampf versieht, die durch eine Luftquelle, zum Beispiel eine elektrische Luftpumpe, zugeführt wird und damit die Verwendung der Brennstoffkammer in einer beliebigen räumlichen Ausrichtung, Mikrogravitation oder im Zustand der Schwerelosigkeit ermöglicht, ohne dass der Brennstoffdampffluss abgeschnitten würde oder die Gefahr eines Auslaufens oder Leckens der Brennstoffzufuhr bestünde.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich angesichts der Zeichnung und der folgenden Beschreibung.
Die Erfindung wird in dem als Anhang beigefügten Anspruch 1 bestimmt. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert die Herbeiführung einer im Wesentlichen gleichmäßigen, flammenlosen Verbrennungsreaktion über eine lange, schmale Länge einer katalytisch aktiven Struktur unter Verwendung einer einzelnen Brennstoff-Luft-Zuführungsanordnung, wobei Brennstoff-Luft an einem Ende des Wärmeelementes eintritt und an dem anderen Ende austritt, die Umsetzung besonderer Gestaltungsverfahren, die vorliegend offenbart werden. Es wird ein überraschendes Ergebnis in der Weise erzielt, dass, wenn die durchschnittliche axiale Wärmeleitfähigkeit des Wärmeelementes deutlich erhöht wird, die erkennbare Verbrennungszone (apparent combustion zone) sich entlang der Länge des Elementes erstreckt, wodurch die Leistungsdichte (z.B. Watt pro Zoll) gesenkt wird, die insgesamt erzeugte Leistung aber beibehalten wird. Dies gilt unter vielfältigen Strömungsbedingungen und Brennstoff/Luft-Verhältnissen. Eine erkennbare axiale Ausdehnung der Verbrennungszone kann auch durch eine räumliche [regionale] Modulation der katalytischen Aktivität entlang der Länge des Wärmeelementes hervorgerufen werden. Zum Beispiel kann, indem man die katalytische Aktivität an dem Brennstoff-Luft-Einlass als niedrigen Wert anlaufen lässt und sie zu dem gegenüberliegenden Ende hin ansteigen lässt, ein Wärmeelement mit einer normal komprimierten Verbrennungszone (d.h. ein solches, bei dem das Temperaturprofil in der Nähe des Brennstoff-Luft-Einlasses eine starke Spitze aufweist), dazu gebracht werden, sich entlang der Achse des Wärmeelementes in der Weise auszudehnen, dass die Spitzentemperatur in der Nähe des Zentrums des Wärmeelementes liegt. Die beiden Techniken können auch kombiniert werden, um eine optimale Mischung hinsichtlich der Leistung der Wärmeelemente bei vielfältigen Temperaturprofilen und Reaktivitäten zu erzielen.
Somit wird es aufgrund der durch Anwendung der hier beschriebenen Verfahren erzielten geringeren Leistungsdichte zweckmäßig, katalytische Wärmevorrichtungen aus Kunststoffen und Elastomeren in Form flexibler, biegsamer und sehr dünner Blätter (z.B. 1 bis 4 Millimeter) herzustellen, die sich dem menschlichen Körper anpassen und unauffällig und für den Benutzer unbemerkbar sind, wenn sie unter einem Kleidungsstück getragen werden. Die Struktur des Wärmeblatts wird mit einer Vielzahl von Strömungskanälen ausgestaltet, die in ihr ausgebildet sind. Die Kanäle leiten den Strom von Brennstoff-Luft-Dampf durch den ganzen Körper des Wärmeblatts. Katalytische Wärmeelemente sind in den Kanälen in der Weise strategisch angeordnet, dass bei Kontakt mit dem Brennstoff-Luft-Dampf eine spontane, flammenlose Verbrennungsreaktion auftritt, wobei Wärme freigesetzt wird, die durch den gesamten Körper der blattartigen Struktur geleitet wird.
Die thermischen Widerstands- und Wärmediffusionseigenschaften von Elastomeren können so gestaltet werden, dass sie eine sichere Oberflächentemperatur (z.B. 120°F) über die Oberfläche des Blattes bei einer Blattdicke von nur 2 oder 3 Millimetern ermöglichen, obwohl die Temperatur der Kanalwand innerhalb des Wärmeblattes 200°F oder mehr betragen kann. (Die Blattoberfläche ist definiert als der Bereich des Wärmeblattes, der mit der Haut in Berührung treten kann, und wird von der Oberfläche des katalytischen Wärmeelements unterschieden, die sich in dem Wärmeblatt befindet.) Die Möglichkeit, Strömungskanäle innerhalb des Körpers des Elastomer-Wärmeblattes frei und nahezu beliebig anzuordnen, bietet eine verbesserte Genauigkeit bei der Steuerung der Temperatur der Oberfläche des Wärmeblattes, da jedes Element so maßgefertigt werden kann, dass eine spezifische thermische Leistung erzielt wird, und überall in dem Wärmeblatt angeordnet werden kann, so dass jedes spezielle Oberflächentemperaturprofil über das Blatt erzielt werden kann.
Es ist eine große Vielfalt an Elastomermaterialien verfügbar, aus denen das Wärmeblatt je nach der Anwendung gestaltet werden kann. Dazu gehören, jedoch nicht ausschließlich: Polyurethan-RTV, geschlossenzelliger Polyurethanschaum, Silikon oder geschlossenzelliger Silikonschaum, Polyethylen oder geschlossenzelliger Polyethylenschaum, Polypropylen oder geschlossenzelliger Polypropylenschaum sowie Polyolefin oder geschlossenzelliger Polyolefinschaum.
Gemäß einer Ausführungsform sind die katalytischen Wärmeelemente lange, dünne Strukturen, die aus sehr flexiblen, mikroporösen Hohlkern-PTFE-Schläuchen bestehen. Der Kern des Schlauches enthält einen reaktionsfördernden Katalysator wie z.B. Platin, der bei Kontakt mit einem Brennstoff-Luft-Dampf spontan reagiert. Die Enden des Schlauches werden jeweils mit einem Epoxidverschluss abgedichtet. Die Außenfläche des PTFE-Schlauches wird dann zur Erhöhung der axialen Wärmeleitfähigkeit an einem Streifen aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit befestigt, wie zum Beispiel, jedoch nicht ausschließlich, Aluminiumfolie, Kupferfolie oder einer Struktur aus Metall mit gelenkigen Mikro-Gliedern, wie sie z.B. in feinen Schmuckketten verwendet wird. Die mikroporöse Membran ist insofern ein wichtiger Bestandteil des Wärmeelementes, als sie es ermöglicht, dass die Brennstoff-Luft den Katalysator erreicht und dass Reaktionsprodukte entweichen, dabei aber verhindert, dass kondensierter Wasserdampf in den Kanälen die Reaktion beendet oder vermindert.
Es sei darauf hingewiesen, dass mehrere Zufuhren zu einem einzelnen Wärmeelement oder mehrere Zufuhren zu mehreren Wärmeelementen als Teilmenge des hier für eine einzelne Zufuhr beschriebenen Verhaltens angesehen werden, da jeder Unterbereich durch Anwendung der hier beschriebenen Techniken optimiert werden kann.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird der Wärmeerzeugungsprozess gestartet, indem zuerst eine elektrische Miniatur-Luftpumpe angeschaltet wird. Die Pumpe bietet eine Quelle eines Luftstroms zu dem Brennstoffmodul, das flüssiges Methanol enthält. (Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass andere Brennstoffe, zum Beispiel Wasserstoff, Ameisensäure und Ethanol, ebenfalls spontane, flammenlose Verbrennung hervorrufen, wobei allerdings Methanol wegen seiner Eigenschaften der relativen Sicherheit und vollständigen Verbrennung bei den niedrigen Temperaturen, die erfindungsgemäß auftreten, bevorzugt wird). Die Luft fließt durch eine Dampfabscheideeinrichtung, die in das flüssige Methanol innerhalb der Brennstoffkammer eingetaucht ist. Die Dampfabscheidanordnung besteht aus einer dünnen Platte aus einem Material wie etwa Polyethylen, wobei eine Oberfläche in der Weise mit einer Nut in einem geschlängelten Muster versehen ist, dass ein Ende der Nut als Eingangsende und das andere Ende als Ausgangsende bestimmt ist. Dann wird ein flaches Blatt aus hydrophober, mikroporöser Membran (zum Beispiel etwa gestrecktes PTFE) über die Nut gelegt und mit Epoxid so mit der Polyethylenplatte versiegelt, dass nur der mit der Nut versehene Bereich frei bleibt, um als Luftdurchlass durch die Platte zu dienen. Die gesamte Einheit wird dann in der Brennstoffkammer angeordnet. Im Betrieb wird dem flüssigen Methanol-Brennstoff durch Hinzufügen von ca. 10% bis 15% Wasser eine vergrößerte Oberfläche verliehen. Die Kapillarkräfte und die hydrophoben Eigenschaften der Membran verhindern, dass die flüssige Methanol-/Wasserlösung in die Luftkanäle gelangt; dagegen tritt der Dampf aus dem flüssigen Methanol durch die Membran in die Luftkanäle ein. Die durch die Luftkanäle strömende Luft nimmt den Methanoldampf auf und trägt ihn. Diese einfache Technik ermöglicht einen Betrieb unabhängig von der Ausrichtung der Brennkammer und hat zusätzlich den Vorteil eines geringen Gegendrucks.
Beim Austreten aus der Dampfabscheideeinrichtung ist die Luft mit Methanoldampf gesättigt und tritt aus der Brennstoffkammer aus, wo der Methanol-Luft-Strom mit einem Strom reiner Luft aus der Luftpumpe verdünnt wird. Das Mischungsverhältnis (d.h. das Verhältnis von Brennstoff zu Luft) wird durch Veränderung der Einstellungen an zwei Miniaturventilen bestimmt, wobei ein Ventil die Durchflussrate in die Brennstoffkammer hinein und das andere den Verdünnungsvorgang steuert. Die Ventile sind in der Weise miteinander verkoppelt, dass nur ein Regler benötigt wird, um sowohl die Gesamt-Durchflussrate in das Wärmeblatt hinein als auch das Brennstoff/Luft-Verhältnis zu steuern. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit, mit der Wärmeenergie innerhalb des Wärmeblattes freigesetzt wird, durch Einstellung nur eines Leistungsreglers vollständig reguliert werden. Dies ist der Hauptmechanismus zum Regulieren der Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung innerhalb der Vorrichtung. Die durch Drehen des Leistungsreglers zu erzielende Wirkung kann durch geeignete Anordnung und Bemessung der beiden Ventile und der Verbindung zwischen ihnen als Voreinstellung variiert werden. Alternativ kann das Brennstoff/Luft-Verhältnis auf ein beliebiges vorgegebenes Niveau festgelegt werden und stattdessen die Durchflussrate der Luftquelle reguliert werden, etwa durch Erhöhen oder Verringern des elektrischen Stroms, der der Luftpumpe zugeführt wird. Durch eine Kombination der beiden Verfahren ergibt sich eine noch größere Leistungsvielfalt.
Nach der Verdünnung des Brennstoff-Luft-Gemisches wird dieses durch eine flexible Kunststoffleitung zu dem Einlass des Wärmeblattes geleitet, wo mehrere Kanäle innerhalb des Wärmeblattes das Brennstoff-Luft-Gemisch so leiten, dass es über mehrere katalytische Wärmeelemente fließt, womit durch Selbsterregung oder spontane Oxidation flammenlose Verbrennung und Wärmeerzeugung ausgelöst wird. Nach der Reaktion mit dem Katalysator besteht die Zusammensetzung des Stroms hauptsächlich aus den Verbrennungsprodukten CO₂ und H₂O, wobei während des Anfahrens und während rascher Veränderungen in den Betriebsbedingungen gelegentlich Rückstände von unverbrauchtem Methanoldampf verbleiben. Das Abgas wird zu einer Auslassdüse in dem Wärmeblatt geleitet. Eine mit der Auslassdüse verbundene flexible Kunststoffleitung leitet den Abgasstrom zurück in das Brennstoffmodul, wo er in ein thermisch geregeltes Umleitventil eintritt. Das Ventil erfasst die Brennstofftemperatur innerhalb der Brennstoffkammer. Liegt sie über einem vorgegebenen oberen Sollwert, so schickt das Ventil den warmen Abgasstrom direkt zu einer angrenzenden Wäscherzelle, die jedoch physikalisch von dem Brennstoff in der Brennstoffkammer isoliert ist. Die Wäscherzelle entfernt vorzugsweise alle flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), die gelegentlich einen Bestandteil des Abgasstroms bilden können. Die Verbrennungs-Nebenprodukte CO₂ und H₂O-Dampf werden in die Atmosphäre freigesetzt. Dem Fachmann auf dem Gebiet der Gaswäscher sind verschiedene Verfahren bekannt. Es hat sich erwiesen, dass diese Funktion angemessen durch Aktivkohle erfüllt wird, die selektiv eventuell nicht verbranntes Methanol absorbiert; allerdings funktionieren auch andere Ansätze wie z.B. chemische Umwandlung (z.B. das chemische oder elektrochemische Umwandeln von Methanol in eine weniger schädliche Verbindung). Die Menge des in der Wäscherzelle enthaltenen Waschmaterials ist proportional zu der Brennstoffmenge in der Brennstoffkammer. Wenn der Brennstoff vollständig verbraucht wird, wird das Brennstoffmodul (d.h. die Kombination aus Brennstoffkammer und Wäscherzelle) aus der Wärmevorrichtung entfernt und durch ein unverbrauchtes Brennstoffmodul ersetzt. Auf diese Weise wird immer sichergestellt, dass die Wäscherzelle ausreichend aktiv ist, um eine hinreichende Reinigung des Abgasstroms zu gewährleisten.
Sinkt die Temperatur des Brennstoffes in der Brennstoffkammer unter einen vorgegebenen Wert, so leitet das thermisch geregelte Umleitventil einen Teil des warmen Abgases in eine Wärmetauschervorrichtung, die in den Brennstoff getaucht ist. Beim Austreten aus der Wärmetauschervorrichtung wird das Abgas in die benachbarte Wäscherzelle geleitet. Das warme Abgas erhöht die Brennstofftemperatur, bis ein vorgegebener oberer Sollwert erreicht ist, woraufhin dann das Umleitventil den größten Teil des Abgasstroms von der Brennstoffkammer fort und in die Wäscherzelle umleitet. Auf diese Weise wird der gesättigte Dampfdruck des Brennstoffs auf einem Niveau gehalten, bei dem die chemische Energie pro Einheitsvolumen relativ hoch ist. Hierdurch kann in dem Wärmeblatt hohe Wärmeleistung erzeugt werden, wobei die Luftpumpe unter Bedingungen mit relativ geringer Strömung arbeitet. Beispielsweise liegt bei 85°F der gesättigte Dampfdruck von flüssigem Methanol bei ca. 155 mmHg. Ein Luftstrom von 300 cc/min, der in die Brennstoffkammer geleitet und mit dem Methanoldampf gesättigt wird, stellt eine äquivalente chemische Energie von ca. 30 Watt in dem Strom bereit. Da der Sättigungsdampfdruck über einer Flüssigkeit rasch mit der Temperatur ansteigt, kann durch geringfügige Erhöhung des thermostatischen Sollwertes auf Wunsch wesentlich mehr Leistung bereitgestellt werden. Diese Leistung wird dann in beliebiger Weise auf die Wärmeelemente verteilt, und zwar so, dass die Kanalwandtemperaturen nicht die Beschädigungsschwelle der speziellen Materialien überschreiten, die für das Wärmeblatt und die Wärmeelemente gewählt worden sind.
Jeder Übertemperaturzustand innerhalb des Wärmeblattes wird durch Verwendung integrierter Temperatursensoren verhindert, welche die Luftpumpe abstellen können, wenn ein solcher Zustand festgestellt wird. Gemäß einer Ausführungsform sind diese Sensoren als Dünnschichtleiter mit vorgegebenem Widerstandswert und bekanntem Temperatur-Widerstandskoeffizienten ausgestaltet. Sie können als integraler Teil des Wärmeelementes gestaltet sein und können eine doppelte Funktion erfüllen, indem sie vorübergehend auch als elektrische Impulswärmevorrichtungen dienen. In der Funktion als Impulswärmevorrichtung würden sie im Falle extrem kalter Anlaufbedingungen, oder falls durch lange Lagerung inaktiv gewordene katalytische Wärmeelemente regeneriert werden sollen, ein rasches Anfahren der einzelnen katalytischen Wärmeelemente ermöglichen.
Da die Kanäle in dem Wärmeblatt ein sehr geringes physikalisches Volumen aufweisen, endet der Wärmeerzeugungsprozess nach einigen Sekunden, wenn der Brennstoff-Luft-Strom unterbrochen wird, was beim Abschalten der Luftpumpe der Fall ist. In ähnlicher Weise endet der Wärmeprozess nach einigen Sekunden, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis auf zu vernachlässigende Niveaus reduziert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die folgende Beschreibung, die als Anhang beigefügten Ansprüche und die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Dabei gilt:
1 ist eine aufgeschnittene Draufsicht auf ein Wärme erzeugendes Elastomerblatt (Wärmeblatt);
2 ist eine batteriebetriebene elektrische Miniatur-Luftpumpe;
3 ist eine Querschnittsansicht eines kombinierten Luftstromregler- und Brensstoffmodul-Verbindungsstückes;
4 ist eine Seitenansicht eines Brennstoffmoduls mit einer Brennstoffkammer, einer Abgaswäscherzelle und einem Umleitventil;
5 ist eine aufgeschnittene Ansicht des in 4 dargestellten Brennstoffmoduls;
6 ist eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht der Brennstoffdampfabscheideeinrichtung innerhalb der in 5 dargestellten Brennstoffkammer;
7 ist eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Wärmeblatts;
8 ist eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines länglichen [ausgedehnten] katalytischen Wärmeelementes, die eine allgemeine Morphologie des Wärmeelementes zeigt;
9 ist eine Querschnittsansicht eines länglichen katalytischen Wärmeelementes mit einem Kern aus Aluminiumdraht, der mit einem Katalysator beschichtet ist;
10 ist eine Querschnittsansicht eines länglichen katalytischen Wärmeelements mit einem Kern aus Aluminiumgranulat, das mit Katalysator beschichtet ist;
11A und 11B sind eine perspektivische Ansicht der Ober- bzw. Unterseite einer alternativen Konstruktion für ein längliches katalytisches Wärmeelement mit einem dünnen Profil und einem unterseitigen Widerstand;
12 ist eine schematische Zeichnung eines elektrischen Schaltplans einer Wärmeelement-Starterschaltung;
13A und 13B und 13C sind Diagramme, welche die Temperatur im Verhältnis zu der axialen Position an dem Wärmeelement darstellen und die Wirkung axialer Wärmeleitfähigkeit auf Temperaturprofile der Verbrennungszone zeigen;
14A und 14B sind ein Diagramm, welches die Brennstoff-Luft-Durchflussrate im Verhältnis zu in dem Strom enthaltener äquivalenter chemischer Wärmeenergie darstellt und eine Region der Kontraktion der Verbrennungszone zeigt;
15 ist ein Diagramm, das die Brennstoff-Luft-Durchflussrate im Verhältnis zu in dem Strom enthaltener äquivalenter chemischer Energie darstellt und kritische H₂O-Dampfkurven zeigt; und
16 ist ein Diagramm, das die Temperatur im Verhältnis zur axialen Position darstellt und die Wirkung räumlicher Variation der katalytischen Aktivität auf das Verbrennungstemperaturprofil zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
1 und 7 zeigen eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Wärmeerzeugungsblattes, das Strömungskanäle 5 in einem Blattkern 1 enthält, der im Wesentlichen aus einem Elastomermaterial besteht. Brennstoff-Luft-Dampf wird aus einer Brennstoffkammer 20, die in 4 dargestellt ist, in Strömungskanäle 5 innerhalb des Blattkerns 1 gepumpt, die längliche katalytische Wärmeelemente 2 enthalten. Das Pumpen erfolgt durch eine elektrische Miniatur-Luftpumpe 6, die in 2 dargestellt ist und von einer Trockenbatterie 25 mit Strom versorgt wird.
Eine mögliche Alternative zur Verwendung der Trockenbatterie 25 ist der Einsatz direkter elektrolytischer Oxidation eines Brennstoffs 22 unter Verwendung einer Vorrichtung, die als Brennstoffelle bekannt ist. Zum Beispiel könnte, wenn der Brennstoff in der Brennstoffkammer 20 hauptsächlich Alkohol wie zum Beispiel Methanol ist, bei der vorliegenden Erfindung ein Teil davon zum Betrieb einer Miniatur-Brennstoffzellenstruktur verwendet werden, wodurch eine geringe Menge an elektrischer Leistung gewonnen würde (z.B. 1/4 bis 1/2 Watt), um die Luftpumpe 6 anzutreiben. Auf diese Weise könnte die gesamte zum Betrieb der vorliegenden Erfindung notwendige Energie aus einer einzigen erneuerbaren Energiequelle gewonnen werden. Für bestimmte Anwendungen wäre das eine sowohl kostengünstige als auch zweckmäßige Methode, ohne Batterien auszukommen.
Der Wärmeerzeugungsprozess beginnt mit dem Schließen des Pumpenschalters 26, wodurch Strom von der Batterie 25 in die elektrische Luftpumpe 6 geleitet wird, so dass der Luftstrom gestartet wird. Umgebungsluft tritt in eine Eingangsöffnung 7 ein und aus einer Ausgangsöffnung 8 aus, die durch eine Kunststoffleitung mit einem in 3 gezeigten Regulations-Zwischenstück verbunden ist. An dem Regulations-Zwischenstück wird der Luftstrom zwischen einem Brennstoffventil 9 und einem Verdünnungsventil 11 aufgeteilt. Das Ventil 9 regelt die Durchflussrate von Luft, die durch einen in dem Zwischenstück 13 angeordneten Durchlass und dann durch eine Schnellverschlussdichtung (quick-connect seal) 45 in eine Brennstoffkammer-Eingangsleitung 14 strömt. Die Brennstoffkammer-Einlassleitung 14 leitet den Luftstrom direkt in eine Brennstoffdampf-Abscheideeinrichtung 23, die in flüssigen Brennstoff 22 getaucht ist, wie in 5 gezeigt. Die Brennstoffkammer ist ein isolierter Unterbereich des Brennstoffmoduls 28, das sowohl die Brennstoffkammer 20 als auch eine Wäscherzelle 21 enthält.
In 6 wird eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht der Brennstoffdampf-Abscheideeinrichtung 23 gezeigt. Diese besteht aus einer Dampfabscheiderbasis 23B, in deren Fläche eine geschlängelte Nut 23C ausgebildet ist. Die Dampfabscheiderbasis 23B kann aus jedem Material gefertigt sein, das mit Brennstoff verträglich ist. Für einen flüssigen Brennstoff auf Methanolbasis hat sich ein Material wie etwa hochdichtes Polyethylen als geeignet erwiesen. Eine mikroporöse Membran 23A wird über die Dampfabscheiderbasis 23B gelegt, so dass sie die geschlängelte Nut 23C bedeckt, aber nicht ausfüllt, und unter Verwendung eines Klebemittels oder durch andere Mittel wie z.B. Heißverschweißen abdichtend mit der Basis verbunden. Das Ergebnis ist eine Anordnung, die einen geschlängelten Durchlass enthält, durch den Gase sich ungehindert bewegen können. In die Dampfabscheideeinrichtung 23 einströmende Luft bleibt von dem in der flüssigen Phase befindlichen Brennstoff 22 getrennt, weil die Membran in der Weise gewählt wird, dass Kapillarkräfte ein Eintreten von flüssigem Brennstoff 22 in die geschlängelte Nut 23C durch die Poren der Membran 23A verhindern. Die mikroporöse Membran kann aus gestrecktem PTFE gefertigt sein. Es hat sich erwiesen, dass ein internodaler Abstand von 20 Mikrometern oder weniger und eine Dicke von 1 Millimeter zufriedenstellend funktionieren. Andere Materialien, zum Beispiel Polyethylen, können ebenfalls verwendet werden, sofern die Membran ausreichend hydrophob und die Porengröße klein genug ist. Wird als flüssiger Brennstoff 22 Methanol gewählt, so muss dem Methanol eine geringe Menge entionisiertes Wasser hinzugefügt werden, um zu verhindern, dass das Methanol die Membran benetzt und in die geschlängelte Nut 23C einsickert. Durch die vollständige Mischbarkeit von Wasser in Methanol und durch seine hochpolaren Eigenschaften wird die Oberflächenspannung des Brennstoffes in der Weise erhöht, dass nur die Dampfphase des Brennstoffs in die kapillarartigen internodalen Zwischenräume der Membran 23A eindringen kann. Es hat sich erwiesen, dass eine Beifügung von 10% bis 15% Wasser pro Volumen ausreichend ist, um die Trennung der gasförmigen und der flüssigen Phase sicherzustellen. Die Verwendung von anderen Zusätzen zur Erhöhung der Gesamt-Oberflächenspannung des Brennstoffs dürfte ebenfalls gut funktionieren.
Dieses Verfahren der Dampfabscheidung weist gegenüber dem direkten Durchsprudeln von Luft durch den Brennstoff Vorteile auf. Ein Vorteil besteht in der Unanfälligkeit des Verfahrens für versehentliches Austreten und Rückflussprobleme, wenn das Brennstoffmodul umgekehrt angeordnet oder in ungewöhnliche Stellungen gebracht wird. Das dürfte auch unter Schwerelosigkeits- oder Mikrogravitationsbedingungen gelten. Die Technik, Luft direkt durch den Brennstoff sprudeln zu lassen, erfordert zur Vermeidung dieses Problems eine komplexere Gestaltung und hat außerdem den Nachteil, aufgrund der hydraulischen Höhe des flüssigen Brennstoffs etwas höheren Gegendruck zu erzeugen.
Beim Durchfließen der Dampfabscheideeinrichtung 23 wird der Luftstrom mit Brennstoffdampf gesättigt und tritt durch eine Brennstoffkammer-Auslassleitung 15 aus, von wo aus er zu dem Zwischenstück 13 zurückgeleitet und mit Luft aus dem Verdünnungsventil 11 gemischt wird. Das Zwischenstück 13 ist dafür ausgestaltet, mit dem Brennstoffmodul 28 verbunden und wieder von ihm getrennt zu werden. Auf diese Weise können Ersatz-Brennstoffmodule mit Hilfe von Zwischenstück-Schnellverschlusskupplungen 45 leicht und rasch entfernt und wieder eingesetzt werden. Die Einstellungen für das Brennstoffventil 9 und das Verdünnungsventil 11 bestimmen das Brennstoff/Luft-Verhältnis des in das Wärmeblatt-Einlassrohr 3 eintretenden Gasstroms. Ein Brennstoff-Luft-Regler 10 verbindet das Ventil 9 in der Weise mechanisch mit dem Ventil 11, dass der Drehregler 10 das Brennstoff/Luft-Verhältnis erhöht oder senkt. Auf diese Weise kann die in dem Wärmeblatt erzeugte Wärmeleistung vom Benutzer gewählt und gesteuert werden. Alternativ kann die Durchflussrate der Luftpumpe eingestellt werden, indem der elektrische Strom gesteuert wird, welcher dem die Luftpumpe 6 antreibenden Motor zugeführt wird, und das Brennstoff/Luft-Verhältnis auf einen vorgegebenen, festen Wert eingestellt wird.
Eine Kombination beider Verfahren (d.h. Steuerung des Verhältnisses von Brennstoff zu Luft und der Gesamt-Durchflussrate) ist am günstigsten, da hierdurch die größte Vielfalt an Betriebsbedingungen erzielt würde. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das katalytische Wärmeelement 2 entlang der günstigsten Abschnitte der Leistungskurve funktioniert. Diese wird hier nur als Beispiel, ohne einschränkende Bedeutung, in 15 dargestellt und als Kurven C1 und C2 bezeichnet. Diese Kurven, die unten im Einzelnen beschrieben werden, bilden die obere Grenze des Betriebs-Regimes, wobei die Wirkungen des kondensierten Wasserdampfes markant sind. Es ergeben sich für jede Gestaltung des Wärmeblatts unterschiedliche Kurven, die durch Bestimmung der Kanalwandtemperatur unter vorgegebenen Strömungs- und Leistungsbedingungen sowie die Feuchte des Stroms aufgrund der Produktionsrate des H₂O-Reaktionsproduktes errechnet werden.
Beim Eintritt in das Wärmeblatt wird der Brennstoff-Luft-Strom zu mehreren Strömungskanälen 5 geleitet, die längliche Wärmeelemente 2 enthalten, wobei der Brennstoff mit Sauerstoff bei Vorhandensein eines katalytischen Materials reagiert, so dass durch flammenlose Verbrennung Wärme erzeugt wird. Der Blattkern 1 des Wärmeblatts ist sandwichartig zwischen einem flexiblen oberen Blatt 30 und einem unteren Blatt 29 angeordnet, die wesentlich dünner sind als der Blattkern. Das untere Blatt hat unter anderem, jedoch nicht ausschließlich, den Zweck, den Blattkern 1 physisch zu stützen. Wenn beispielsweise die Kanäle in dem Blattkern im Präge- oder Formverfahren ausgebildet werden, so dass der dünnste Bereich des Blattkerns (der, wie in 7 gezeigt, in den Kanalabschnitten liegt) dafür ausreicht, zu verhindern, dass während des Betriebs des Wärmeblatts Brennstoffdampf nach außen in die Umgebung diffundiert, und die physikalische Integrität des Wärmeblatts nicht beeinträchtigt wird, so kann das untere Blatt als optional angesehen werden. Das untere Blatt 29 kann auch dazu verwendet werden, die Verbreitung von Wärme über die Oberfläche zu unterstützen, beispielsweise durch Verwendung einer wärmeleitenden Polymer- oder Metallfolie, oder es kann ausschließlich zu dem Zweck vorgesehen sein, die gesamte mechanische Festigkeit der ganzen Wärmeblattstruktur einzustellen. Wenn der Blattkern 1 aus einzelnen Stanzteilen aufgebaut ist, dient das untere Blatt 29 alternativ als Substrat, auf dem die Stanzteile in der Weise befestigt werden, dass eine einzige, integrale Einheit mit Strömungskanälen entsteht. In diesem Fall bildet das untere Blatt 29 eigentlich den Boden des Kanals. Das obere Blatt wird aufgesetzt, nachdem die katalytischen Wärmeelemente in die Strömungskanäle eingesetzt und dort gesichert worden sind. Seine Funktion ist unter anderem, aber nicht ausschließlich, die Eindämmung des Brennstoff-Luft-Stroms innerhalb der Strömungskanäle. Deshalb muss es ebenfalls für Brennstoffdampf undurchlässig sein. In jedem Fall ist die Wahl der Materialien für das obere und das untere Blatt abhängig von dem Material des Blattkerns, der Befestigungstechnik, der Brennstoffdampfverträglichkeit, den allgemeinen mechanischen Eigenschaften und der gewünschten Spitzen-Betriebstemperatur, die die Wärmeelemente aufweisen sollen.
Eine solche Ausführungsform eines Wärmeblatts mit Maßen, die als Beispiel genannt werden und nicht einschränkend zu verstehen sind, besteht aus: einem Blattkern aus RTV-Polyurethan 15 cm × 10 cm × 0,3 cm mit geformten Kanälen, ohne unteres Blatt 29, und mit einem oberen Blatt b aus Mylar von 0,127 Millimetern Dicke, das auf einer Seite aluminiert ist. Die Wärmeelemente 2 sind 12 cm lang, haben einen Durchmesser von 0,18 cm und sind so gestaltet, wie in 8 und 9 dargestellt. Jedes Wärmeelement hat einen mikroporösen Außenmantel 31 aus PTFE von International Polymer Engineering mit einem internodalen Abstand von weniger als 20 Mikrometern, einem Innendurchmesser von 1 mm und einem Außendurchmesser von 1,8 mm, wobei der Außenmantel einen katalytischen Kern 32 umgibt. Die mikroporöse Membran ermöglicht es, dass der Brennstoffdampf zum Katalysator gelangt und dass die Reaktionsprodukte entweichen, verhindert aber, dass kondensierter Wasserdampf in den Strömungskanälen mit dem Katalysator in Berührung kommt. Der in 9 umrissene Aufbau des katalytischen Kerns besteht aus einem Aluminiumdraht 35 mit einer farblos eloxierten Oberfläche 34 und einer reaktionsfördernden äußeren Katalysator-Außenschicht 33. Der Katalysator besteht aus Gamma-Aluminiumoxidpartikeln mit 50 Mikrometern Durchmesser, die mit ca. 40% Platin nach Gewicht beschichtet sind. (Gamma-Aluminiumoxid, das mit 20% bis 60% Platin nach Gewicht beschichtet ist, bewirkt eine Selbstentzündung von Methanoldampf bei Umgebungstemperaturen unter 40°F und bei Niveaus einer relativen Feuchte in der Nähe von 100%.) Die Partikel werden mit Hilfe einer gesättigten Aluminiumnitrat-Wasserlösung befestigt, die mit den platinierten Aluminiumoxidpartikeln zu einer wässrigen Mischung gebildet wird, und mit einem Pinsel auf die Oberfläche des Drahtes aufgetragen. Der Draht wird 2 Stunden lang bei 450°C ausgebacken. Die US-Patente 2,580,806, 2,742,437 und 2,814,599 beschreiben Details, die zur Erzeugung einer zufriedenstellenden Zusammensetzung von aktiven, platinbeschichteten Partikeln und zum Befestigen dieser Partikel an einer Oberfläche zweckmäßig sind. Aluminiumdraht 35 verleiht dem Wärmeelement 2 einen hohen Grad axialer Wärmeleitfähigkeit und trägt wesentlich zu der erkennbaren Gleichmäßigkeit des flammenlosen Verbrennungsprozesses entlang der Achse des Wärmeelementes bei. Die hohe axiale Wärmeleitfähigkeit sorgt auch für ein breites Betriebs-Regime mit einem relativ kleinen Bereich der Kontraktion der Verbrennungszone, wie in 14A gezeigt.
Dagegen zeigt 10 einen Aufbau eines Wärmeelemenes mit einem katalytischen Kern 32, der aus sehr kleinen Partikeln (z.B. mit einer Durchschnittsgröße von 50 Mikrometern bis zu 250 Mikrometern) von Gamma Aluminiumoxid besteht, die mit 20% bis 60% Platin nach Gewicht beschichtet sind, jedoch ohne einen zentralen Metalldraht. Dieser Aufbau weist deutlich geringere axiale Wärmeleitfähigkeit auf als der in 9 dargestellte. 14B zeigt die daraus entstehende wesentliche Einschränkung der Betriebsleistung. Der deutlich niedrigere Wert der axialen Wärmeleitfähigkeit hat zum Ergebnis, dass ein wesentlich größerer Bereich von Kontraktion der Verbrennungszone eingenommen wird. Die Grenze der Kontraktion der Verbrennungszone bestimmt einen Zustand, in dem die Temperatur an dem Zentrum des Wärmeelements gerade beginnt, der Temperatur des Wärmeelementes an dem Brennstoff-Luft-Einlass zu entsprechen. Sie ist willkürlich dafür gewählt, den Beginn einer Asymmetrie in dem Temperaturprofil entlang der Achse des Wärmeelementes darzustellen, die allmählich zu einem Zustand fortschreitet, bei dem der Großteil des Verbrennungsprozesses in einem kleinen Bereich an dem Brennstoff-Luft-Einlass abläuft. In 14A und 14B wird die Asymmetrie in dem Temperaturprofil für Betriebsbedingungen deutlicher, die sich in das Regime der Kontraktion der Verbrennungszone hinein und von dessen Obergrenze fortbewegen. 13C stellt ein typisches Ergebnis dar. Die primäre Schwierigkeit des Betriebs in diesem Bereich ergibt sich aus der hohen Leistungsdichte aufgrund örtlich begrenzter Verbrennung, wodurch eine hohe Temperatur in einem kleinen Bereich anstelle der gewünschten niedrigen Temperatur über einen großen Bereich erzielt wird. Um bei dieser Art der Wärmeelementgestaltung einen Betrieb in dem Regime der Kontraktion der Verbrennungszone zu vermeiden, ist eine deutliche Erhöhung der Durchflussraten und Verringerung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses erforderlich, was zu einem ineffizienten Betrieb führt (z.B. höhere Anforderungen hinsichtlich der Pumpleistung, größere Maße, höheres Gewicht).
Mit einem Wärmeelement, das so aufgebaut ist wie das in 10, kann eine ähnliche Leistung wie die des Wärmeelementes aus 9 erzielt werden, indem ein Streifen aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, der über die Länge des Elementes verläuft, an dem mikroporösen Außenmantel 31 angebracht wird, wie unter "Theorie des Wärmeelementbetriebes" unten erläutert. Vorzugsweise ist das Material flexibel und biegsam; zum Beispiel hat sich die Verwendung von Strukturen mit Miniatur-Metallgliedern, wie sie bei der Herstellung sehr feiner Schmuckketten verwendet werden, als wirksam erwiesen, wenn diese mit Epoxid in Intervallen an dem Außenmantel 31 befestigt werden. Das so entstehende Wärmeelement ist äußerst leicht und flexibel, behält dabei aber die erwünschte hohe durchschnittliche axiale Wärmeleitfähigkeit, um Kontraktion der Verbrennungszone zu vermeiden.
Die Wärmeelemente müssen keine geradlinige Geometrie aufweisen. Zum Beispiel können die Wärmeelemente zu einer geschlängelten Form oder einer anderen Form gebogen sein, um die Art und Weise zu ändern, wie Wärmeenergie über das Wärmeblatt fließt. Das ist zweckmäßig, weil die katalytischen Wärmeelemente aus nichtstarren Materialien aufgebaut sein können, wenn sie bei den erfindungsgemäß auftretenden, relativ niedrigen Temperaturen betrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Wärmeelemente in jedem der drei parallelen Strömungskanäle angeordnet, wie in 7 gezeigt, und mit einem Tropfen Epoxid an jedem Ende des Wärmeelements gesichert. Die aluminierte Seite des oberen Blattes aus Mylar wird durch Aufragen einer dünnen Schicht aus unvernetztem RTV-Polyurethan auf die oberen Flächen des Blattkerns mit dem Blattkern 1 verbunden, wonach das obere Blatt 30 auf die Oberfläche aufgebracht wird und dann eine Aushärten erfolgt. Die Aluminiumschicht auf dem Mylar-Blatt verringert die Durchlässigkeit für Brennstoffdampf bis auf vernachlässigbare Niveaus und verteilt gleichzeitig die erzeugte Wärme und reflektiert die Wärmestrahlung zurück in Strömungskanäle 5 und Blattkern 1. Es hat sich erwiesen, dass diese Materialkombination gut bei Wärmeelementen funktioniert, die kontinuierlich bei Temperaturen bis zu 250°F betrieben werden. In anderen Ausführungsformen sind andere Materialkombinationen möglich, die kontinuierliche Wärmeelementtemperaturen über 250°F ermöglichen (z.B. 300°F bis 400°F). Beispielsweise können Hochtemperatur-Polymermaterialien wie etwa Silikon-RTV von Dow oder blattförmiger, geschlossenzelliger Silikonschaum von Rogers Corporation verwendet werden und dennoch biegsame und flexible physikalische Eigenschaften des Wärmeblatts beibehalten werden. Zusätzlich bietet die Verwendung von geschlossenzelligem Schaum als Blattkernmaterial eine beträchtliche Gewichtsverringerung gegenüber nicht geschäumten Elastomer-Gegenstücken.
Die Gesamtzahl der in einem Wärmeblatt enthaltenen separaten Strömungskanäle mit Wärmeelementen ist nur durch die Strömungskapazität der Luftpumpe und die Kapazität des Brennstoffmoduls zur Bereitstellung von gesättigtem Brennstoffdampf begrenzt. Eine kleine Querschnittsfläche des Strömungskanals ist vorzuziehen, da sie bewirkt, dass die Durchflussrate innerhalb des Kanals relativ hoch ist, auch wenn die Gesamtvolumen-Durchflussrate vielleicht relativ niedrig ist. Eine hohe Durchflussrate verringert das Verhältnis H₂/V (wie im Abschnitt über die "Theorie des Wärmeelementbetriebes" erläutert) und hat starken Einfluss auf die Symmetrie der Temperaturverteilung (Einheitlichkeit der Verbrennung) entlang der Länge des Wärmeelementes. Durch Gestaltung von Wärmeelementen mit sehr kleinen Querschnittsflächen ist daher ein Betrieb weit außerhalb des Bereiches der Kontraktion der Verbrennungszone möglich, während gleichzeitig ein Zustand mit niedriger Volumenflussrate aufrechterhalten wird. Dies wiederum ermöglicht eine effektive Verwendung von elektrischen Miniatur-Luftpumpen als Quelle von Sauerstoff und Trägergas für den Brennstoffdampf. Es kommt zu einem Ausgleich zwischen der Querschnittsfläche des Strömungskanals und dem zum Erreichen einer bestimmten Durchflussrate erforderlichen Pumpendruck, so dass die Querschnittsfläche des Strömungskanals sich nicht ad infinitum verringern lässt. Es kommt deshalb darauf an, hohe axiale Wärmeleitfähigkeit mit einem niedrigen H₂/V-Verhältnis zu verbinden (z.B. einem Verhältnis von weniger als eins, wenn H₂ als Einheit Watt und V als Einheit Zentimeter pro Sekunde hat).
Wärmeelemente, die ähnlich aufgebaut sind wie die in 11A und 11B, nutzen die Vorteile einer kleinen Strömungskanal-Querschnittsfläche dadurch aus, dass sie ein sehr dünnes Profil haben. Das Wärmeelement ist so aufgebaut, dass der Katalysator sandwichartig zwischen einem flachen, dünnen, nichtporösen Substrat wie z.B. Aluminiumfolie 39 und einer Membran 37 aus mikroporösem Blattmaterial angeordnet wird, so dass eine zweiseitige Struktur entsteht. Für die Membran 37 aus mikroporösem Blattmaterial können hydrophobe Materialien wie etwa PTFE, PVDF, Polyethylen, Polypropylen und andere verwendet werden. Die Verwendung von PTFE-Material hat den Vorteil, dass die Porenstruktur bis zu ca. 400°F bis 450°F unbeeinträchtigt bleibt.
Gemäß einer Ausführungsform bestehen eine obere Fläche 40 und eine untere Fläche 38 des in 11A gezeigten Wärmeelementes mit dünnem Profil aus eloxiertem Aluminium. Die obere Fläche 40 weist einen dünnen Streifen eines reaktionsfördernden Katalysators 41 auf der über die Länge des Wärmeelementes verläuft. Die blattartige mikroporöse Membran wird an den Kanten, wo sie die eloxierte Aluminiumfolie berührt, mit einer dünnen Epoxidschicht versiegelt. Der Befestigungs-Berührungsbereich muss in der Weise versiegelt werden, dass er gegen Eindringen von kondensiertem Wasserdampf dicht ist, der in den Strömungskanälen auftreten kann. Es können auch andere Befestigungsmittel verwendet werden, z.B. örtliche Wärme, mechanische oder andere Arten von Klebstoffen. Die rückseitige Fläche 38 weist einen Dünnfilmwiderstand 42 auf, der wie in 11B dargestellt angebracht ist. Beim Durchleiten von Strom durch den Dünnfilmwiderstand 42 erhöht eine Joulesche Erwärmungswirkung die Temperatur des verbundenen reaktionsfördernden Katalysators 41. Es ist beobachtet worden, dass eine lange Inaktivität der Wärmeelemente (z.B. drei bis vier Monate oder mehr zwischen Einsätzen) zu übermäßigen Selbstentzündungszeiten (z.B. 5 Minuten) oder gelegentlich zu einem Ausbleiben der Selbstentzündung führen kann. Ebenso kann auch ein Anfahren aus Temperaturen deutlich unter 40°F problematisch sein, obwohl allgemein gesprochen in den meisten vorstellbaren Situationen die Körpertemperatur ausreicht, um das Wärmeblatt über 40°F zu erwärmen. Um hierfür Abhilfe zu schaffen, wird ein elektrischer Dünnschichtleiter 42 mit geeignetem Widerstand an dem Wärmeelement befestigt und entlang dessen Länge angeordnet. Die Joulesche Erwärmung wird in Form eines vorübergehenden Wärmeimpulses erzielt, wenn kurzzeitig elektrischer Strom angelegt wird. Beispielsweise ist festgestellt worden, dass ein einsekündiger Stromimpuls von 1/3 A in einen 9-Ohm-Dünnschichtleiter, der entlang der Länge eines Streifens eloxierter Aluminiumfolie von 4 mm Breite × 150 mm Länge × 0,012 mm Dicke angeordnet ist, bewirkt, dass die Temperatur der Folie über 160°F steigt. Das reicht aus, um noch die inaktivsten Wärmeelemente zu starten. Gemäß einer Ausführungsform werden zwei in Reihe liegende Batterien der Größe AA von Element zu Element geschaltet, und zwar in Intervallen von einer Sekunde. Das Schalten von Element zu Element kann entweder manuell erfolgen, wie in 12 gezeigt, wo die Starterbatterie 44 mit Hilfe des Schalters 43 sequentiell mit jedem elektrischen Dünnfilmleiter 42 verbunden wird. Eine parallele Verbindung ist zwar möglich, jedoch verringert eine Verbindung in Serie die Anforderungen an die Batterie 44, so dass die Batterie 44 funktional mit der Batterie 25 vereint werden kann, welche die Luftpumpe 6 antreibt. Der Schaltvorgang kann bequemer durch Verwendung integrierter elektronischer Schaltmittel erfolgen, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Elektronik bekannt sind. Auf diese Weise werden durch Betätigen eines einzelnen Schalters die Luftpumpe 6 in Betrieb gesetzt und die Wärmeimpulse zu dem elektrischen Dünnfilmleiter 42 gestartet. Es hat sich erwiesen, dass ein einmal reaktiviertes katalytisches Wärmeelement aktiv bleibt, wenn es nicht wieder für lange Zeit deaktiviert wird. Daher ist der Leistungsverbrauch der Batterien normalerweise zu vernachlässigen, da die Wärmeimpulse nur selten gebraucht werden. Alternativ könnte der Dünnschichtwiderstand 42 als Standardverfahren zum Starten der Wärmeelemente verwendet werden. In dieser Betriebsart kann der Gewichtsanteil von in den katalytischen Wärmeelementen verwendetem Platin wesentlich verringert werden, um eine Verringerung der Kosten zu erreichen.
Dem Fachmann sind zahlreiche Verfahren zum Erzeugen einer dünnen, leitenden Schicht mit einem vorgegebenen Widerstand bekannt. Gemäß einer in 11A und 11B gezeigten Ausführungsform ist das Substrat eine 12,7 Mikrometer dicke Aluminiumfolie 39 mit einer Oberseite 40, die auf eine Dicke von ca. 2 Mikrometern eloxiert ist, und einer Unterseite 38, die in ähnlicher Weise eloxiert ist. Die Folie 39 ist 4 mm breit und 100 mm lang. Die Rückseite wird mit Fotolack (photoresist) beschichtet und mit einer Kontaktmaske belichtet. Der Fotolack wird entwickelt, wodurch die eloxierte Aluminiumoberfläche in einem Muster ähnlich dem in 11B gezeigten freigelegt wird. Als Nächstes wird eine dünne Schicht stromloses Palladium auf der Rückseite abgelagert. Dies geschieht durch Eintauchen der Folie in eine Palladiumchloridlösung und dann in eine Zinnchloridlösung, wodurch die Palladiumionen zu einer metallischen Form reduziert werden. Dann wird die Folie in ein Galvanisierbad gebracht, wo die Palladiumschicht gezogen wird. Der Widerstand des rückseitigen Palladiumleiters wird während des Ablagerungsprozesses geprüft, bis ein Wert von 9 Ohm erreicht ist. An diesem Punkt wird die Ablagerung abgebrochen und der restliche Fotolack entfernt. Die Folie wird fünf Minuten in kochendem, entionisiertem Wasser gewässert und dann getrocknet. Eine wässrige Lösung aus platinbeschichteten Gamma-Aluminiumoxidpartikeln (40% Platin nach Gewicht auf 50-Mikrometer-Partikeln) wird durch Mischen mit einer gesättigten Aluminiumnitratlösung erzeugt. Die Oberseite 40 der Folie wird dann mit der wässrigen Lösung lackiert und für zwei Stunden in einen Ofen mit einer Temperatur von 450°C gelegt. Die Folie wird aus dem Ofen genommen und auf Raumtemperatur abgekühlt. Ein 4 Millimeter breiter und 100 Millimeter langer Streifen aus gestrecktem und gesinterten mikroporösen PTFE mit internodalen Abständen von weniger als 20 Mikrometern wird über die Oberseite 40 gelegt, wobei reaktionsförmiger Katalysator 41 sandwichartig dazwischen angeordnet wird. Die Ränder der blattförmigen PTFE-Membran 37 werden mit einer dünnen Epoxidbeschichtung abdichtend mit der Aluminiumfolie verbunden, wobei darauf geachtet wird, dass der Katalysator nicht beschichtet wird, und aushärten gelassen. Die Gesamtdicke des fertiggestellten Wärmeelementes beträgt ca. 0,2 Millimeter. Andere hydrophobe, poröse Membranen wie etwa PVDF, Polyethylen, Polypropylen und dergleichen funktionieren ebenfalls, je nach Porengröße und maximal gewünschter Betriebstemperatur.
Die Verwendung von CVD (chemisches Aufdampfen), PVD (physikalisches Aufdampfen) bzw. Vakuumaufdampfen, im Siebdruckverfahren aufgebrachtem Leitlack und anderen Ablagerungs- und Musterübertragungstechniken wird für den Aufbau des Dünnschichtleiters 42 für geeignet erachtet. Die Verwendung einer Metallfolie als Substrat zum Aufnehmen des reaktionsfördernden Katalysators hat den Vorteil, dass sie eine hohe axiale Wärmeleitfähigkeit bietet, wodurch die Gleichmäßigkeit des flammenlosen Verbrennungsprozesses entlang des Wärmeelementes erhöht wird. Nichtporöse Substrate, die an sich keine guten Wärmeleiter sind, wie z.B. Polyimid oder PEEK, können nach Modifikation verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Laminierung mit oder ein Anlagern von Metallfilmstrukturen oder ein externes Anbringen von wärmeleitenden Materialstreifen in der Nähe des Substrates oder an dieses anliegend dazu dienen, die axiale Wärmeleitfähigkeit des Substrates effektiv zu erhöhen.
Der Dünnschichtleiter 42 kann gleichzeitig in der Funktion als Temperatursensor verwendet werden. Da elektrisch leitende Materialien einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten haben, ist es möglich, den Widerstandswert des Leiters mit seiner Temperatur zu kalibrieren. Während des Betriebes des Wärmeblattes kann die Temperatur jedes Wärmeelements unter Verwendung elektronischer Schaltungen festgestellt werden, die dem Fachmann bekannt sind und die den Widerstandswert messen können und die Luftpumpe abschalten, wenn ein vorgegebener Übertemperaturzustand festgestellt wird. Alternativ kann der Dünnschichtleiter 42 unter Verwendung zweier verschiedener Metalle in der Weise aufgebaut werden, dass der linke Bereich des Leiters in 11B eine Metallzusammensetzung mit einem anderen thermoelektrischen Potential aufweist als der rechte Bereich, so dass dort, wo sie aufeinandertreffen, ein überlagernder Übergang gebildet wird, wodurch ein Thermoelement-Sensor entsteht.
Die Nützlichkeit und Bedeutung einer mikroporösen Membran, die einen reaktionsfördernden Katalysator umschließt, wird aus 15 verständlich. Diese Figur zeigt eine empirisch abgeleitete Beziehung zwischen der gesamten Gasdurchflussrate und zwei kritischen Dampfkurven für den Durchfluss in einem Kanal von 4 Millimetern Durchmesser. Die kritische Dampfkurve ist hier als die Grenze der Region definiert, wo merkliche Kondensation in unmittelbarer Nähe des Wärmeelementes zuerst beobachtet werden kann (d.h. jede Region unterhalb der Kurve führt zu merklicher H₂O-Kondensation). Die geraden Kurven, die radial von dem Zentrum der 15 ausgehen, sind die Kurven des konstanten Brennstoff/Luft-Verhältnisses. Sie sind hinsichtlich des Brennstoff/Luft-Verhältnisses definiert, das in dem Zustand gesättigten Dampfes im Gleichgewicht mit flüssigem Methanol bei 25°C bestehen würde, was willkürlich als 100% definiert ist. (Die Kurve für 5% entspricht ca. 1% Methanoldampf in Luft nach Volumen). Es sei darauf hingewiesen, dass die Kurve für 5% die Bedingung für das Auftreten von Wasserkondensation beschreibt, wenn die Durchschnittstemperatur der Kanalwand ca. 30°C beträgt und die Durchflussrate sich so verhält, wie im Diagramm dargestellt. Indem ermöglicht wird, dass der Strom und die Kanalwand des Wärmeelementes höhere Durchschnittstemperaturen erreichen, die aber noch deutlich unter der Beschädigungsschwelle des gewählten Materials liegen, entstehen Kurven wie C1 und C2. Die Kurve C1 stellt eine Situation dar, in der das Wärmeelement thermisch sehr gut "geerdet" ist (d.h. relativ geringer Wärmewiderstand zum Wärmefluss in die äußere Umgebung), so dass nicht zugelassen wird, das die Durchschnittstemperatur der Kanalwand-Innenflächen ca. 125°F übersteigt. Die Kurve C2 entsteht, wenn die Betriebsbedingungen so eingestellt sind, dass höhere durchschnittliche Kanaltemperaturen von vielleicht 150°F oder mehr möglich sind. (Durchschnittliche Kanalwandtemperaturen von 250°F oder mehr sind z.B. dann zweckmäßig, wenn für den Blattkern 1 ein Hochtemperatur-Elastomer gewählt wird.) Da Wasser bei Atmosphärendruck bei 212°F die Phase wechselt, verhindern Wandtemperaturen oberhalb dieses Wertes eine Kondensation um das Wärmeelement, und zwar unabhängig vom Brennstoff/Luft-Verhältnis. In der Praxis ergeben sich jedoch Einsatzbedingungen, bei denen der Betriebspunkt der Wärmevorrichtung in die Region unterhalb der Grenze der kritischen Dampfkurve wechselt, was zu Kondensationswasser in den Strömungskanälen führt.
Ebenso ist ein Betrieb unter Bedingungen mit niedriger Durchflussrate wünschenswert (z.B. 50 cc/Minute oder weniger pro Wärmeelement), um den Energieverbrauch, die Größe, das Gewicht und die Geräuschentwicklung der Luftpumpe zu verringern. Um unter diesen Bedingungen hohe Leistungsniveaus aufrechtzuerhalten, können relativ fette Gemische erforderlich sein, z.B. Werte von über 50% oder mehr. Wie in 14A und 14B zu sehen ist, wird dadurch leicht der Betriebspunkt in die Region der Kontraktion der Verbrennungszone verschoben. Gleichzeitig tendiert, wie in 15 zu sehen, der Betriebspunkt in Richtung einer kritischen Dampfkurve. Daher wird durch Verwendung einer mikroporösen Membran, mit der ein Beenden der Reaktion des Katalysators verhindert wird, in Kombination mit den ermittelten Verfahren zum Fördern eines symmetrischen axialen Temperaturprofils der größte Spielraum für zuverlässigen Betrieb, Nützlichkeit und optimale Leistung der vorliegenden Erfindung eröffnet.
Die Wirkung der axialen Wärmeleitfähigkeit auf den Verbrennungsprozess kann durch Messen des Temperaturverteilungsprofils des Wärmeelementes erschlossen werden. Es ist zweckmäßig, das flammenlose Verbrennungsverhalten grob in drei Arten einzuteilen, wie in 13A bis 13C gezeigt. (Zu Vergleichszwecken wurden die Gesamtleistungsniveaus angepasst, um die Spitzentemperaturen ähnlich zu halten.) Zu Beginn in 13A illustriert die grafische Darstellung einen Betriebszustand, in dem die Verbrennungszone nahezu gleichmäßig über die Länge des Wärmeelementes verteilt erscheint. Im zweiten Zustand ist erkennbar, dass die Reaktionszone sich in der Weise verlagert, dass das Temperaturprofil weniger symmetrisch ist, wie in 13B gezeigt. Dies wird als Verlagerung des Verbrennungsprozesses in Richtung des Brennstoff-Luft-Einlasses interpretiert, der sich bei einer Position von null Zentimetern befindet. In dem dritten Zustand (13C) ist erkennbar, dass sich die Verbrennungszone in der Weise kontrahiert hat, dass der Großteil der Wärmeleistung in einem kleinen Bereich des Wärmeelementes in der Nähe des Brennstoff-Luft-Einlasses entsteht. In diesem Zustand kann die Temperatur an dem Bereich des Brennstoff-Luft-Einlasses des Wärmeelementes rasch Niveaus erreichen (z.B. > 600°F), auf denen bekannte Elastomermaterialien beschädigt werden, und zwar selbst bei äquivalenten Brennstoff-Luft-Leistungsniveaus von nur einigen Watt.
Die in 13A bis 13C gezeigten Kurven sind aus der Lösung der in Eq. 1 gezeigten Differentialgleichung abgeleitet. Die Parameter wurden in naher Annäherung an empirische Daten aus Wärmeelementen mit unterschiedlicher axialer Wärmeleitfähigkeit gewählt. Zum Beispiel ist 13A die Lösung von Eq. 1, wobei die Parameter in Annäherung an das Wärmeelement mit Aluminiumkern eingestellt sind (d.h. hohe axiale Wärmeleitfähigkeit), das so aufgebaut ist, wie in 9 gezeigt. 13C ist ebenfalls eine Lösung von Eq. 1, wobei die Parameter aber so gesetzt sind, dass sie zu den Daten für eine Wärmeelementstruktur wie die in 10 gezeigte passen. Der in 10 dargestellte Aufbau senkt deutlich die axiale Wärmeleitfähigkeit, und zwar aufgrund der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid im Verhältnis zu reinem Aluminium sowie des signifikanten thermischen Kontaktwiderstandes zwischen Partikeln.
Ich habe festgestellt, dass es durch ausreichende Erhöhung der axialen Wärmeleitfähigkeit (d.h. des durchschnittlichen Wärmeleitfähigkeitswertes für leitenden Wärmefluss entlang der Länge des Elementes) möglich ist, ein Wärmeelement, das mit einer kontrahierten Verbrennungszone funktioniert, in ein solches mit einer deutlich symmetrischeren und weiter ausgedehnten Reaktionsregion umzuwandeln. Zum Beispiel wird durch Befestigen eines kleinen Streifens Kupferfolie (mit 0,001 Zoll Dicke, 10 cm Länge und 0,4 cm Breite) außen an dem Wärmeelement, welches das Profil aus 13C erzeugt hat, ein neues Profil erzielt, welches wie das in 13A aussieht. Die durchschnittliche axiale Wärmeleitfähigkeit des in 13A gezeigten Wärmeelementes weist ungefähr den 10-fachen Wert auf wie die in 13C.
Außerdem ist festgestellt worden, dass durch räumliche Modulation der effektiven katalytischen Aktivität entlang der Länge des Wärmeelementes bewirkt werden kann, dass die axiale Temperaturverteilung ein wesentlich symmetrischeres Temperaturprofil (gleichmäßigerer Verbrennungsprozess) annimmt. Dies kann durch verschiedene Mittel erreicht werden, zum Beispiel durch Veränderung der Porosität der mikroporösen PTFE-Membran in der Weise, dass sie an dem Ende mit dem Brennstoff-Luft-Einlass weniger porös ist und ihre Porosität in Richtung des gegenüberliegenden Endes des Wärmeelementes allmählich zunimmt. Erreicht werden könnte dies zum Beispiel durch selektives Auftragen einer dünnen Epoxidschicht zum Blockieren bestimmter Poren in der Weise, dass in manchen Regionen mehr Poren blockiert werden als in anderen. Alternativ kann die Aktivität des katalytischen Materials (pro Einheitenlänge) selbst verändert werden, zum Beispiel durch Mischen träger Aluminiumoxidkörner mit aktivierten, platinbeschichteten Aluminiumoxidkörnern in wechselnden Anteilen entlang der axialen Richtung, so dass eine ähnliche räumliche Modulation der katalytischen Aktivität erreicht wird. 16 zeigt die erwartete Wirkung einer räumlichen Modulation der katalytischen Aktivität in der Weise, dass sie von der Brennstoff-Luft-Eingangsseite zu dem gegenüberliegenden Ende des Wärmeelementes quadratisch ansteigt. Die Kombination von hoher Wärmeleitfähigkeit und räumlich modulierter katalytischer Aktivität bietet ein breites Spektrum hinsichtlich der Leistung des Wärmeelementes und der Handhabung der axialen Temperaturverteilung.
Es wird nun wieder auf den Betrieb der tragbaren Wärmeerzeugungsvorrichtung eingegangen. Das warme Abgas aus jedem der katalytischen Wärmeelemente tritt aus dem Wärmeblatt durch eine gemeinsame Düse aus, wo es durch eine Wärmeblatt-Abgasschleitung 4 aus flexiblem Kunststoff abgeleitet wird. Der Abgasleitung 4 leitet das Abgas zu dem Zwischenstück 13, wo das Gas durch einen Durchlass in dem Zwischenstück fließt und in ein Umleitventil-Einlassrohr 16 eintritt, wo es von einem thermischen Umleitventil 12 aufgenommen wird. Das thermische Umleitventil, wie in 5 gezeigt, ist ein Zweirichtungsventil, das den Abgasstrom entsprechend der Temperatur des Brennstoffs 22 in der Brennstoffkammer 20 zwischen zwei Umleitventil-Auslassleitungen 17 und 18 aufteilt. Ein Mittel, um dies zu bewerkstelligen, ist der Einsatz einer Bimetallspirale aus Metall, die in Reaktion auf die Temperatur des Brennstoffes 20 eine Ventilschaftsteuerung bewegt. Die Temperatur des Brennstoffes kann dem Ventil 12 durch eine wärmeleitende (z.B. metallische) Auslassleitung 17 übermittelt werden, die mit einem Abgas-Wärmetauscher 24 verbunden ist. Auch die Verwendung von Formgedächtnislegierungen, die ihre physikalische Form verändern, wenn sie eine vorgegebene Temperatur überschreiten, könnte ein effizientes Mittel zum Betreiben des Umleitventils bieten. Alternativ ist auch der Einsatz eines elektronischen Mittels zum Erfassen der Brennstofftemperatur (z.B. Thermoelement) und zum Schalten von Strom auf einen elektromechanischen Aktuator möglich, der mit dem Umleitventil verbunden ist.
Wenn die Brennstofftemperatur unterhalb eines vorgegebenen Sollwertes liegt, leitet das Umleitventil das warme Abgas in den Wärmetauscher 24. Der Wärmetauscher kann aus einer Metallleitungsspirale bestehen oder auf jede Weise ausgebildet sein, die den Austausch von Wärme zwischen dem warmen Abgas und dem flüssigen Brennstoff optimiert. Das Abgas tritt nach dem Durchfließen des Wärmetauschers 24 in eine Wäscherzelle 21 ein, wo es von allen flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) befreit wird, die in dem Abgasstrom enthalten sind. Die unschädlichen Bestandteile des Abgases, CO₂ und H₂O-Dampf, werden aus der Wäscher-Auslassleitung 19 direkt in die Umgebungsatmosphäre freigesetzt.
Liegt die Brennstofftemperatur über einem vorbestimmten Sollwert, so leitet das Umleitventil 12 das Abgas zu der Umleiter-Auslassleitung 18. Die Umleiter-Auslassleitung 18 umgeht die Brennstoffkammer und den Wärmetauscher und mündet direkt in die Wäscherzelle 21, wo ein Reinigen von allen flüchtigen organischen Verbindungen und ein Freisetzen in die Atmosphäre erfolgen.
Die Wäscherzelle enthält Absorptionsmittel, die VOCs selektiv absorbieren und dabei das CO₂ und den Wasserdampf durchlassen. Dem Fachmann sind viele Techniken zum Reinigen von Abgas bekannt. Es hat sich erwiesen, dass die Verwendung eines allgemein als Aktivkohle bekannten Trockenabsorptionsmittels 27, z.B. des von ADCOA Inc. gelieferten Typs auf Kokosschalenbasis, eine akzeptable Leistung erbringt. Eine Kombination aus einem Durchleiten des Abgases durch Wasser, woran sich ein Trockenabsorptionsmittel anschließt, ist noch wirksamer und kann 25% bis 50% seines Gewichtes an VOCs absorbieren, ohne dass eine nachweisbare Menge in die Atmosphäre freigesetzt würde.
Theorie des Wärmeelementbetriebes
Eine qualitative und quantitative Annäherung an die Beobachtung, dass axiale Wärmeleitfähigkeit eine Wirkung auf das Verhalten der Verbrennungszone und die Temperaturprofile hat, kann durch Modellierung des Phänomens als eindimensionale Wärmefluss-Differentialgleichung erfolgen. Dieser vereinfachte Ansatz enthält zwar nicht ausdrücklich alle Parameter, die zur Entwicklung katalytischer Reaktoren normalerweise herangezogen werden (z.B. H. H. Lee: "Heterogeneous Reactor Design", Butterworth Publishers, 1985), es ist jedoch festgestellt worden, dass er ausreichende Vorhersagekraft besitzt, um diesen Bereich des bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Gestaltungsschemas zu erklären. (K/σρ)∇2T + c dT/dx + (H2 – H1)T = –H2 Eq. 1wobei
H₁ = Rate des Wärmeenergieverlustes an der Oberfläche des Wärmeelementes durch erzwungene Konvektion des Brennstoff-Luft-Stroms. Für die Zwecke dieses Modells wird der Strahlungsverlust als vernachlässigbar angesehen, und Leitungsverlust erfolgt nur axial (x-Richtung).
H₂ = im Brennstoff-Luft-Strom mitgeführte äquivalente chemische Wärmeenergie, von der angenommen wird, dass sie in ihrer Gesamtheit an der Oberfläche des Wärmeelementes reagiert, wo der Katalysator mit dem Gasfluss in Kontakt steht.
x = axiale Position entlang des Wärmeelementes,
T = Temperatur als Funktion der axialen Position,
σ, ρ = spezifische Wärme und Dichte des Wärmeelementes,
c = Konstante, proportional zu dem Verhältnis von H₂/V, wobei V die Geschwindigkeit des Gasflusses ist.
Die Konstante c steht für den aus dem Gegendruck an dem Wärmeelement entstehenden Transportwiderstand. Alternativ kann sie als Term für den virtuellen Gegenstrom angesehen werden, der Wärme in der der Hauptströmung entgegengesetzten Richtung transportiert. Dieser Term ist hauptsächlich verantwortlich für die Asymmetrie in den Temperaturprofilen (d.h. Kontraktion oder Ausdehnung der Verbrennungszone), die in 13A, 13B, 13C sowie 14A und 14B zu sehen sind. Er verdeutlicht die Notwendigkeit eines Strömungskanalbereiches mit kleinem Querschnitt, A, um V hoch zu halten (z.B. V = f/A).
Für eine feste Volumenstromrate f ist der Term H₂ proportional zu dem Brennstoff/Luft-Verhältnis und erklärt damit, warum relativ hohe Brennstoff/Luft-Verhältnisse dazu neigen, sehr unsymmetrische Temperaturverteilungen aufzuweisen, wenn sie nicht durch die beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren kompensiert werden; etwa durch Erhöhung der axialen Wärmeleitfähigkeit und/oder räumliches Modulieren der katalytischen Aktivität.
Die Lösung dieser Gleichung mit konstanten Koeffizienten und Grenzbedingungen T(0) = 0 und T(I) = 0 kann ausgedrückt werden als T(x) = –(H2/γ) + exp(c/2K)[A1exp(c2/4K2- γ)1/2 + A2exp – (c2/4K2 – γ)1/2] Eq. 2wobei A2 = H2/γ – A1 A1 = (H2/γ) [exp(– cl/2) – exp(– rl)]/[exp(rl) – exp(– rl)]und
l = Länge des Wärmeelementes r = (c2/4K2 – γ)1/2 γ = (H2 – H1)/K
Eine Annäherung an die Temperaturabhängigkeit der Katalysator-Reaktionsratenkonstante erfolgt durch Verwendung lediglich des Terms erster Ordnung einer angenommenen Arrhenius-Temperatur-Abhängigkeit. In diesem Fall ergibt sich H_total = H₂ [1 + α T]. Bei den relativ niedrigen Temperaturen und Betriebsbedingungen, die erfindungsgemäß auftreten, erscheint dies als Näherung zufriedenstellend.
Des Weiteren kann, da H₂ zu dem chemischen Wärmeenergiegehalt des Brennstoff-Luft-Stroms proportional ist und H₁ zu der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist, der Koeffizient γ umformuliert werden als (a P – s fn) Eq. 2wobei
P = in dem Brennstoff-Luft-Strom enthaltene äquivalente chemische Wärmeenergie und angenommene vollständige Verbrennung,
f = Volumenstromrate des Brennstoff-Luft-Stroms, wobei f = Strömungsgeschwindigkeit mal Kanalquerschnittsfläche A,
K = äquivalente axiale Wärmeleitfähigkeit des Wärmeelementes,
a, s = Proportionalitätskonstanten,
wobei n nominal auf 1,0 gesetzt ist, da die beste Wahl von der Geometrie des Wärmeelementes abhängt.
14A und 14B wurden gezeichnet, indem Eq. 2 in die Lösung für Eq. 1 eingesetzt wurde und eine Lösung für Konstanten vorgenommen wurde, die empirischen Werten für P und f am besten entsprechen. Physikalisch bezieht sich der Term s fⁿ auf die Kühlwirkung des Brennstoff-Luft-Stroms auf das Wärmeelement. Die Kühlrate ist unter anderem z.B. von der Temperatur, laminarer oder turbulenter Strömung und den Eigenschaften des Gases selbst abhängig. Diese Kühlwirkung konkurriert mit der Wärmeerzeugungswirkung der katalytischen Reaktion (d.h. a P).
Die Wirkung des Wertes K (axiale Wärmeleitfähigkeit) auf die Verbrennungszonen-Temperaturprofile ist in 13A bis 13C grafisch dargestellt. In 14A erfolgt eine starke Annäherung an tatsächliche Leistungsdaten des in 9 gezeigten Wärmeelementes mit Aluminiumkern, und 14B ist typischerweise das Ergebnis, wenn der Aufbau des Wärmeelementes dem in 10 ähnelt. Die in 14A und 14B gezeigten Temperaturkonturen stellen die beste Anpassung der theoretischen Lösung für Gleichung 1 an die für diese Strukturen ermittelten tatsächlichen Daten dar und stimmen bis auf ±15% mit dem gezeigten Bereich von Durchflussraten und äquivalenten Wärmeenergien überein. Die Kontur-Temperaturen sind die an der zentralen axialen Position entlang des Wärmeelementes erzielten Werte und sind hinsichtlich eines Anstieges über die Umgebungstemperatur dargestellt. Zum Sammeln von Daten ruhte das Wärmeelement in einem 20 cm langen Glasrohr mit 4 mm I.D., wobei ein Ende des Glaskanals mit einer Brennstoff-Luft-Zufuhr verbunden und das andere Ende zur Atmosphäre offen war. Die Obergrenze der in 14A mit "Kontraktion der Verbrennungszone" bezeichneten Region steht für den Punkt, an dem das Eintrittsende und der mittlere Abschnitt des Wärmeelementes gleiche Temperaturen erreichen, wodurch angezeigt wird, dass das Temperaturprofil deutlich asymmetrisch wird, wie zum Beispiel in 13C zu sehen ist. Die Grenze und die Größe dieser Region verlagern sich mit der Veränderung der axialen Wärmeleitfähigkeit. In 14A verschiebt ein Anstieg der Wärmeleitfähigkeit die Kontraktionszone nach rechts, wodurch ein merkliches Schrumpfen des Bereiches bewirkt wird, in dem eine Kontraktion der Verbrennungszone auftritt. Ein Rückgang der durchschnittlichen axialen Wärmeleitfähigkeit hat die umgekehrte Wirkung, was zu einem Zustand führt, in dem sehr magere Gemische verwendet werden müssen, um eine Kontraktion der Verbrennungszone zu vermeiden. Sehr magere Gemische erfordern höhere Durchflussraten (d.h. Pumpenleistung, -größe und -gewicht), damit dieselbe Wärmeleistung erreicht wird.
Eine qualitative und quantitative Annäherung an die Beobachtung hinsichtlich der Wirkung von axialer räumlicher Modulation der katalytischen Aktivität auf das Verhalten der Verbrennungszone und die Temperaturprofile kann durch Modellieren des Phänomens als eindimensionale Wärmefluss-Differentialgleichung der folgenden Art erfolgen. (K/σρ)∇2T + c dT/dx + (∊xn – b)T = –ηxn + a Eq. 3x = axialer Abstand entlang der Wärmeelementachse, wobei der Nullpunkt an der Brennstoff-Luft-Eingangsseite definiert ist,
∈, b, η, a = Konstanten,
n = Exponent, der für eine Annäherung an die tatsächliche räumliche Variation der Katalysator- Aktivität gewählt ist.
Diese Gleichung ähnelt Eq. 1, nur dass der Koeffizient des Temperatur-Terms von der axialen Position entlang des Wärmeelementes abhängig ist und die Störfunktion auf der rechten Seite der Gleichung sich in ähnlicher Weise verändert. Sie ergibt sich durch Ersetzen der Relation H₂ = ηx – a in der Gleichung H_total = H₂ [1 + α T]. Eine numerische Lösung der Gleichung Eq. 3 mit n = 2 und n = 0 mit geeigneten Grenzbedingungen ist in 16 dargestellt.
Es hat sich erwiesen, dass diese einfachen Modelle in zufriedenstellender Weise eine angemessene Annäherung für katalytische Wärmeelement-Temperaturverteilung über ein breites Spektrum an Eingangsbedingungen bieten und eine gute qualitative Richtschnur bieten, um das allgemeine Verhalten vorherzusagen. Sie haben die überraschenden Resultate bestätigt, die hinsichtlich der Wirkung von Wärmeleitfähigkeit und katalytischer räumlicher Modulation auf das Verhalten der flammenlosen Verbrennungszone ermittelt wurden.
Schlussfolgerungen, Auswirkungen und Umfang
Es ist zwar die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden, es dürfte für den Fachmann jedoch ersichtlich sein, dass viele weitere Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch von dem hier beschriebenen erfinderischen Konzept abgewichen würde. So kann zum Beispiel ein gasförmiges Brennstoff-Luft-Gemisch in einem oder mehreren unter Druck stehenden Zylindern (Brennstoffquellen) gelagert und (ohne Pumpen) zu dem Wärmeblatt transportiert werden. Alternativ kann die Luftpumpe durch eine komprimierte und regulierte Luftquelle, die gemeinhin in SCUBA-Ausrüstung verwendet wird, oder eine chemisch erzeugte Quelle für sauerstoffreiches Gas ersetzt werden, was dennoch innerhalb des Umfangs der Erfindung liegt. Ebenso kann der Brennstoff ein anderer als Methanol sein. Außerdem kann der Elastomerkörper des Wärmeblattes eingebettete wärmeleitende Schichten enthalten, um die Leitung und Verteilung von Wärme aus den Kanälen heraus und über die Oberfläche des Blattes weiter zu verbessern. Zum Beispiel könnten Streifen aus dünner Metallfolie in das Kunststoffmaterial des Wärmeblattes eingeformt sein, wodurch die Art der Wärmeübertragung zwischen den Wärmeelementen und dem Körper des Wärmeblattes ohne Auswirkung auf die Flexibilität des Wärmeblattes verändert würde. Alternativ könnte das Kunststoffmaterial des Wärmeblattes selbst so formuliert sein, dass durch Verwendung von Zusätzen wie etwa Metallpartikeln und dergleichen die Wärmeleitung verbessert würde. In ähnlicher Weise könnte der Körper des Wärmeblattes aus einem Schichtstoff aus verschiedenen Elastomermaterialien gefertigt werden, die jeweils eigene, einzigartige Wärmeleiteigenschaften aufweisen.
Die als Anhang beigefügten Ansprüche verstehen sich daher so, dass sie in ihrem Umfang alle solchen Änderungen und Abwandlungen umfassen, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.

Claims

Eine tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung mit: (a) einer Hülle (1), welche im Wesentlichen aus Polymermaterial hergestellt ist, das Material ist aus einer Gruppe ausgewählt, welche synthetische, fluoridhaltige Polymere und synthetische, nicht-fluoridhaltige Polymere umfasst, mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4), welche eine Vielzahl von internen Kanälen zum Führen des Stroms einer gasförmigen Brennstoffmischung zu spezifischen Seiten der Hülle aufweist, eine Vielzahl dieser Kanäle enthält ein ausgedehntes Wärmeelement (2); (b) das ausgedehnte Wärmeelement umfasst einen reaktionsfördernden Katalysator, welcher mit einer gasförmigen Brennstoffmischung reagiert, um Wärme durch einen flammenlosen Abbrand zu erzeugen; (c) eine Brennstoffquelle (20), welche mit dem Einlass der Hülle verbunden ist; und (d) eine Sauerstoffquelle zum Mischen mit der Brennstoffquelle zum Bilden der gasförmigen Brennstoffmischung und Transport der Brennstoffmischung zu dem Einlass der Hülle, wobei die Brennstoffmischung mit dem ausgedehnten Wärmeelement zur Erzeugung eines gasförmigen Abbrandproduktes reagiert, welches durch den Auslass der Hülle ausgetrieben wird, gekennzeichnet durch (e) ein Mittel zum Bereitstellen eines im Wesentlichen symmetrischen axialen Temperaturprofils des ausgedehnten Wärmeelements über die Länge des ausgedehnten Wärmeelements, wobei die Energieerzeugung pro linearem Axialeinheitsabstand und an jeder Position entlang des Wärmeelements reduziert wird, um einen vorgegebenen Gesamtenergieeintrag in dem Wärmeelement zu erhalten, wenn dieser mit einer nicht symmetrischen, axialen Temperaturverteilung mit dem selben gesamten Energieeintrag verglichen wird.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein Mittel zum Bereitstellen eines im Wesentlichen symmetrischen, axialen Temperaturprofils des ausgedehnten Wärmeelements über die Länge des ausgedehnten Wärmeelements folgendes umfasst: einen ausgedehnten hochtemperaturleitenden Streifen (42) aus Material, das wenigstens die ungefähre Länge des wärmeerzeugenden Abschnitts des ausgedehnten Wärmeelementes hat und ungefähr mit dem ausgedehnten Wärmeelement übereinstimmt, der im Wesentlichen aus Material hergestellt wird, welches aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche Metallfolie und Metallfilm und Metalldraht und Metallfilm-Polymerlaminate und Metallverbindungen und metallgefüllte Polymere und Metalloxide und metalloxidgefüllte Polymere umfasst, wobei die durchschnittliche axiale Wärmeleitfähigkeit des ausgedehnten Wärmeelements im Wesentlichen über der inhärenten thermischen Leitfähigkeit des reaktionsfördernden Katalysators liegt.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein Mittel zum Bereitstellen eines im Wesentlichen symmetrischen axialen Temperaturprofils des ausgedehnten Wärmeelements über die Länge des ausgedehnten Wärmeelements folgendes umfasst: eine regionale Modulation der effektiven, katalytischen Reaktivität des reaktionsfördernden Katalysators des ausgedehnten Wärmeelements, die effektive katalytische Reaktivität erweist sich entsprechend zu der axialen Position entlang der Länge des Wärmeelements, die Änderung wird durch Ummantelung des reaktionsfördernden Katalysators mit einer mikroporösen Membran (31) bewirkt, die Poren der Membran werden selektiv durch Auftrag einer nicht porösen Schicht auf die Oberfläche in der Art blockiert, um ein Durchströmen des Gases durch die Poren zu verhindern, so dass die effektive katalytische Reaktivität im Bereich der Eingangsseite der gasförmigen Brennstoffmischung niedrig ist und in Richtung zu der Ausgangsseite der gasförmigen Brennstoffmischung sich erhöht, wobei sich die Symmetrie der axialen Temperaturverteilung entlang der Länge des ausgedehnten Wärmeelements im Wesentlichen ändert.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein Mittel zum Bereitstellen eines im Wesentlichen symmetrischen axialen Temperaturprofils des ausgedehnten Wärmeelements über die Länge des ausgedehnten Wärmeelements folgendes umfasst: eine vorbestimmte Querschnittsfläche eines Kanals mit dem ausgedehnten Wärmeelement, so dass das Verhältnis H2/V kleiner als 1 ist, wobei H2 die äquivalente chemische Wärmeenergie, in der Einheit Watt, des Brennstoffmischungsstroms in dem Kanal ist und V die axiale Geschwindigkeit des Brennstoffmischungsstroms in der Einheit Zentimeter pro Sekunde in dem Kanal ist, wobei das Verhältnis im Wesentlichen die Symmetrie der axialen Temperaturverteilung des ausgedehnten Wärmeelements beeinflusst.
Ein Verfahren zum Erzeugen von Wärme in einer tragbaren Wärmeerzeugungsvorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Transportieren einer Brennstoffmischung in eine Vielzahl von Kanälen (5), wenigstens einige der Kanäle weisen ein ausgedehntes Wärmeelement (2) auf, das ausgedehnte Wärmeelement umfasst einen reaktionsfördernden Katalysator, welcher mit der Brennstoffmischung zur Erzeugung von Wärme durch einen flammenlosen Abbrand reagiert; (b) Bereitstellen einer Brennstoffquelle (20), welche mit dem Einlass der Hülle verbunden ist; (c) Bereitstellen einer Sauerstoffquelle zum Mischen mit der Brennstoffquelle zum Bilden der gasförmigen Brennstoffmischung und Transport der Brennstoffmischung zu dem Einlass der Hülle, wo die Brennstoffmischung mit dem ausgedehnten Wärmeelement gasförmige Abbrandprodukte erzeugt, welche durch den Hüllenauslass ausgetrieben werden; dadurch gekennzeichnet, dass (d) der Kanal bereitgestellt wird, welcher das ausgedehnte Wärmeelement umfasst, mit einer vorgegebenen Querschnittsfläche in der Art, dass das Verhältnis H2/V kleiner als 1 ist, wobei H2 die äquivalente chemische Wärmeenergie in der Einheit Watt des Brennstoffmischungsstroms in dem Kanal ist und V die axiale Geschwindigkeit des Brennstoffmischungsstroms in der Einheit Zentimeter pro Sekunde in dem Kanal ist, wobei das Verhältnis im Wesentlichen die Symmetrie der axialen Temperaturverteilung des ausgedehnten Wärmeelements beeinflusst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5 umfasst ferner den Schritt: regionale Modulation der effektiven katalytischen Reaktivität des reaktionsfördernden Katalysators des ausgedehnten Wärmeelements, wobei die effektive Reaktivität sich entsprechend der axialen Position entlang der Länge des Wärmeelements ändert, die Änderung durch Ummantelung des reaktionsfördernden Katalysators mit einer mikroporösen Membran bewirkt wird, die Poren der Membran werden selektiv durch Auftrag einer nicht porösen Schicht auf die Oberfläche der Membran (37) in der Art blockiert, um das Durchströmen des Gases durch die Poren zu verhindern, so dass die effektive katalytische Reaktivität im Bereich der Eingangsseite der gasförmigen Brennstoffmischung niedriger ist und in Richtung zu der Ausgangsseite des gasförmigen Brennstoffgemisches sich erhöht, wobei die axiale Temperaturverteilung sich entlang der Länge des ausgedehnten Wärmeelements ändert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5 umfasst ferner den Schritt: Bereitstellen eines ausgedehnten, hochtemperaturleitenden Streifens (42) aus Material, das wenigstens die ungefähre Länge des wärmeerzeugenden Abschnitts des ausgedehnten Wärmeelements hat und ungefähr mit dem ausgedehnten Wärmeelement übereinstimmt, das im Wesentlichen aus Material hergestellt wird, welches aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche Metallfolie und Metallfilm und Metalldraht und Metallfilm-Polymerlaminate und Metallverbindungen und metallgefüllte Polymere und Metalloxide und metalloxidgefüllte Polymere umfasst, wobei die durchschnittliche axiale Wärmeleitfähigkeit des ausgedehnten Wärmeelements im Wesentlichen über der inhärenten thermischen Leitfähigkeit des reaktionsfördernden Katalysators liegt.
Eine tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung wie mit Anspruch 1 beansprucht, mit einer mikroporösen hydrophoben Membran (37), welche den reaktionsfördernden Katalysator ummantelt, wobei die mikroporöse hydrophobe Membran verhindert, dass kondensierter Wasserdampf innerhalb der Kanäle den reaktionsfördernden Katalysator berührt, aber es erlaubt, dass die gasförmige Brennstoffmischung in die mikroporöse hydrophobe Membran eindringt und den reaktionsfördernden Katalysator berührt mit dem Ergebnis eines gasförmigen Abbrandprodukts und Wärme, wobei das gasförmige Abbrandprodukt das ausgedehnte Wärmeelement durch die mikroporöse hydrophobe Membran verlässt.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei das ausgedehnte Wärmeelement folgendes umfasst: einen reaktionsfördernden Katalysator, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche Platin und Palladium und Rhodium und die Familie der seltenen Erden umfasst, um ein Mittel zur Erhöhung der durchschnittlichen axialen thermischen Leitfähigkeit des ausgedehnten Wärmeelements, im Wesentlichen über die inhärente thermische Leitfähigkeit des reaktionsfördernden Katalysators, wobei das axiale Temperaturprofil im Wesentlichen symmetrisch entlang der Länge des ausgedehnten Wärmeelements hergestellt wird.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 8 umfasst ferner: ein regional modulierendes, ausgedehntes, katalytisches Wärmeelement, wobei sich die katalytische Reaktivität des reaktionsfördernden Katalysators des modulierenden ausgedehnten Wärmeelements in einer Funktion der axialen Position entlang der Länge des modulierenden Wärmeelements ändert, wobei die axiale Temperaturverteilung im Wesentlichen ungefähr symmetrisch entlang der Länge des ausgedehnten Wärmeelements hergestellt wird, und ein Mittel zur räumlichen Modulation der katalytischen Reaktivität des ausgedehnten Wärmeelements so, dass die katalytische Reaktivität auf der Eingangsseite der gasförmigen Brennstoffmischung niedriger ist und in Richtung auf die Ausgangsseite der gasförmigen Brennstoffmischung ansteigt.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Sauerstoffquelle folgendes umfasst: eine Pumpe (6) mit einer Einlassöffnung (7) und einer Auslassöffnung (8), die Sauerstoffquelle betritt die Einlassöffnung und verlässt die Ausgangsöffnung, die Sauerstoffquelle, welche die Ausgangsöffnung verlässt, wird über eine Leitung zu einer Gasstromsteuerung transportiert, die Gasstromsteuerung nimmt einen Gasstrom von der Sauerstoffquelle auf und führt den Gasstrom in die Brennstoffkammer (20), welche die Brennstoffquelle umfasst, das Verhältnis des Gasstroms in die Brennstoffkammer wird durch ein erstes Ventil (9) gesteuert, und der Gasstrom, welcher die Brennstoffkammer verlässt, und im Wesentlichen Brennstoffdampf aufweist, wird wieder von der Gasstromsteuerung aufgenommen, mit der Sauerstoffquelle vermischt, um ein vorgegebenes Brennstoff-zu-Sauerstoff-Verhältnis zu erzielen, wobei der Wert der Vermischung durch ein zweites Ventil (11) gesteuert wird.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 8 umfasst ferner: einen Wärmetauscher (24) mit einem Einlass, Auslass und wenigstens einem internen Strömungsweg, durch welchen die gasförmigen Abbrandprodukte hindurchströmen, der Einlass nimmt warmes Ausgangsgas von der Hülle auf und leitet das warme Abgas zu dem Strömungsweg, der Strömungsweg ist in thermischem Kontakt mit der Brennstoffquelle, der Auslass entlässt die Abgase nach dem Übertragen der Wärmeenergie an die Brennstoffquelle, und ein Mittel zum Umleiten des Weges der warmen Abgase weg von dem Einlass des Wärmetauschers, wenn die Brennstoffquellentemperatur einen vorgegebenen Wert erreicht, wobei die Brennstoffquellentemperatur gesteuert wird.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Mittel zum Erhöhen der durchschnittlichen axialen Wärmeleitfähigkeit des ausgedehnten Wärmeelements folgendes umfassen: einen ausgedehnten, hochtemperaturleitenden Streifen (42) aus Material, das wenigstens die ungefähre Länge des wärmeerzeugenden Abschnitts des ausgedehnten Wärmeelements hat und ungefähr mit dem ausgedehnten Wärmeelement übereinstimmt, welche im Wesentlichen aus Material hergestellt ist, welches aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche Metallfolie und Metallfilm und Metalldraht und Metallfilm-Polymerlaminate und Metallverbindungen und metallgefüllte Polymere und Metalloxide und metalloxidgefüllte Polymere umfasst, wobei die durchschnittliche axiale Wärmeleitfähigkeit des ausgedehnten Wärmeelements im Wesentlichen über der inhärenten thermischen Leitfähigkeit des reaktionsfördernden Katalysators liegt.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 11 umfasst ferner eine Brennstoffdampfabscheideeinrichtung (23), welche innerhalb der Brennstoffkammer (20) angeordnet ist, mit: einem Basisteil (23B) und einer Nut oder Ausnehmung (23C) in der Oberfläche der Basis, einer blattförmigen, mikroporösen, hydrophoben Membran (23A), welche im Wesentlichen von Natur aus hydrophob ist und eine ähnliche Form und Fläche wie das Basisteil aufweist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, wobei die mikroporöse, hydrophobe Membran über der Nutoberfläche des Basisteils angeordnet ist, die untere Fläche der mikroporösen, hydrophoben Membran mit dem Basisteil (23b) durch ein Dichtungsmittel derart verbunden ist, dass nur die nutförmige Oberfläche kontaktfrei mit der mikroporösen hydrophoben Membran ist, die Kombination des Basisteils mit der mikroporösen Membran bilden eine Leitung oder Kanal, ein Abschnitt des Kanals ist porös entlang der Kanallänge, ein Ende der Leitung nimmt einen Gasstrom von der Sauerstoffquelle auf, welcher in die Brennkammer eintritt, das andere Ende der Leitung ist mit einem Auslass der Brennkammer verbunden, wobei eine flüssige Brennstoffquelle, welche in der Brennstoffkammer aufgenommen ist, nahe an der äußeren Oberfläche der mikroporösen hydrophoben Membran angeordnet ist, die flüssige Phase des Brennstoffs durch die hydrophobe Natur und den Kapillarkräften der mikroporösen hydrophoben Membran abgehalten werden, um in die Leitung einzudringen, Brennstoff in einer dampfförmigen Phase strömt durch die Poren in der Membran und tritt in die Leitung ein, Gas strömt durch die Leitung, die Sauerstoffquelle wird mit dem Brennstoffdampf gemischt und trägt diesen zu dem Brennstoffkammernausgang; ein Hilfsmittel zum Vergrößern der Oberflächenspannung der flüssigen Brennstoffphase, wobei die Kapillarkräfte verhindern, dass die flüssige Phase des Brennstoffs in die Leitung eindringen, in der die dampfförmige Phase abscheidenden Einheit, wird durch die Poren der mikroporösen hydrophoben Membran der inhärente Wert der flüssigen Phase des Brennstoffs im Wesentlichen vergrößert.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 8 umfasst ferner einen Abgaswäscher (21) mit: einer luftdichten Zelle oder Kammer mit einem Einlass (18) und Auslass (19), welche zwischen der Abgasdüse der Hülle und dem angrenzenden Umfeld angeordnet ist, wobei der Einlass mit der Abgasdüse der Hülle verbunden ist, der Auslass die Abgase zu dem angrenzenden Umfeld behandelt; einen Abgasbehandlungsmittel (27), worin flüchtige organische Bestandteile in dem Abgas, welche durch den Einlass in die Gaswäscherzelle eintreten, von dem Abgas entfernt werden, wobei das behandelte Abgas im Wesentlichen frei von gefährlichen Komponenten erzeugt wird.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei das Abgasbehandlungsmittel folgendes umfasst: Aktivkohlekörner, welche in der luftdichten Zelle aufgenommen sind und derart angeordnet werden, dass das Abgas, welches über den Einlass in den Gaswäscher eingeführt wird, durch die aktivierte Kohle hindurchströmen muss, bevor es durch den Auslass der luftdichten Zelle diese in die angrenzende Umwelt verlässt.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das ausgedehnte Wärmeelement folgendes umfasst: ein flaches, ausgedehntes nichtporöses Substrat (39) mit einer oberen Fläche (40) und einer unteren Fläche (38), der reaktionsfördernde Katalysator (41) ist mit der oberen Fläche (40) verbunden, ein mikroporöses, hydrophobes Plastikmembranmaterial (37), dessen Porengröße ausreichend klein ist, um ein Durchströmen der flüssigen Phase von Wasser durch die mikroporöse hydrophobe Membran zu verhindern, und ausreichend porös ist, um Gasen den Durchstrom durch die Membran mit geringem Widerstand zu ermöglichen; die mikroporöse hydrophobe Membran in der Form eines dünnen flachen mikroporösen Blatts ist über der oberen Fläche angeordnet, so dass der reaktionsfördernde Katalysator zwischen dem mikroporösen Blatt (37) und dem nicht porösen Substrat (39) angeordnet ist, die äußeren Ränder des mikroporösen hydrophoben Blatts sind mit dem äußeren Rand der oberen Fläche des nichtporösen Substrates durch ein Dichtmittel verbunden, wobei die Zwischenschicht der äußeren Ränder des mikroporösen Blatts und des nicht porösen Substrates im Wesentlichen dicht zum Durchleiten von Gasen und flüssigem Wasser hergestellt sind.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 17 umfasst ferner: einen elektrischen Leitungsweg (42), in Fortführung mit dem ausgedehnten Substrat und einem vorgegebenen elektrischen Widerstand; eine elektrische Stromquelle (44), welche den Wert und die zeitliche Abfolge des elektrischen Stroms in dem elektrischen Leitungsweg steuert, wobei ein Wärmeeffekt auftritt, welcher einen kurzlebigen Wärmeimpuls bereitstellt, um die Reaktivität des reaktionsfördernden Katalysators zu erhöhen.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 17 umfasst ferner: einen elektrischen Leitungsweg (42) in Fortführung mit dem ausgedehnten Substrat mit elektrischen Eigenschaften, die sich messbar mit der Temperatur ändern, die elektrischen Eigenschaften werden aus einer Gruppe ausgewählt, welche den Temperaturkoeffizient des Widerstandes um das thermoelektrische Potential und das Halbleiterübergangspotential umfasst, ein Temperaturbestimmungsmittel, das mit Änderungen in den elektrischen Eigenschaften des elektrischen Leitungsweges mit Temperaturänderungen des ausgedehnten Substrates korreliert, wobei Änderungen in den elektrischen Eigenschaften ausgenutzt werden, um anzuzeigen, dass das ausgedehnte Wärmeelement eine vorgegebene Temperatur übersteigt.
Die tragbare Wärmeerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei die mikroporöse, hydrophobe Membran aus einem Material hergestellt ist, welches aus einer Gruppe ausgewählt ist, die synthetische, fluoridhaltige Polymere mit einer im Wesentlichen hydrophoben Eigenschaft und synthetische, nichtfluoridhaltige Polymere mit einer im Wesentlichen hydrophoben Eigenschaft und synthetische, nichtfluoridhaltige Polymere mit einer im Wesentlichen hydrophoben Eigenschaft umfasst.