JP2015507166A - 多孔質酸素式ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】十分な多孔率を有し、そのため性能を低下させることなく効率的で効果的なヒータを提供すること及びそれに関連して他の利点を有するヒータを提供する。【解決手段】基板型ヒータは、少なくとも１５−３５％の含水多孔率及び多孔率を有し、これにより、電解液が、基板内の還元剤と酸素とを十分に利用できるようにした。【選択図】 なし

Description

本発明は、酸素（主に、大気酸素）を発熱反応のための化学反応体として用いた多孔質ヒータに関する。

携帯型の無炎ヒータは、現在、食べ物、医療品、及び消費財の加熱等の様々な用途に用いられている。

ヒータの中には、マグネシウムと水の反応を利用して、発熱するものがある。この種のヒータは、十分な量の熱を発生し、発熱反応の生成物として水素ガスを発生する。これは、安全性、持ち運び、保管及び廃棄に関して考慮を必要とする。また、この発熱反応は、水を必要とし、常時持ち歩くのは煩雑である。

他のヒータは、「クイックライム（酸化カルシウム）」と水との反応による熱を利用する。この反応は、副産物として水素を発生しないが、上記と同様に水を反応物として利用するものである。従って、この種のヒータは、ユーザに、十分な量の水を常時携帯することを求めるものである。さらに、このシステムの比エネルギーは、低く（略１．２ｋＪ／１ｇの酸化カルシウム）、好適ではあるが、マグネシウム・水ヒータの非効率的な代替ヒータでもある。

上述した水を利用するヒータに加え、酸素式のヒータが知られている。例えば、以下の特許文献１−３に開示されている酸素式ヒータは、水を利用するヒータに対して、いくつかの利点を有する。

まず、酸素式ヒータは、熱を発生するために、水を追加する必要がない。次に、酸素式ヒータは、酸素が存在する場合のみ熱を発生するので、発熱反応を止めるには、単に酸素の供給を止めるのみでよい。また、この種のヒータの中には、酸素を再度導入することにより、後に発熱反応を再開することが可能とするものもある。さらに、酸素は大気中に豊富に含まれているので、このようなヒータは、（大気からの酸素が唯一の欠乏する反応物であるので）成分や追加の反応物の混合を必要としない。

本発明の譲受人は、酸素式ヒータ及び様々な酸素式ヒータ用の容器を、例えば、以下の特許文献４−１１において提案している。これらの文献の内容を本明細書に取り込むものとする。

米国特許第５９８４９９５号 米国特許第５９１８５９０号 米国特許第４２０５９５７号 米国特許第７７２２７８２号 米国特許出願第１２／３７６９２７号 米国特許出願第１２／８７４３３８号 米国特許出願第６１／５８３４１８号 米国特許出願第６１／７１４５２６号 米国特許出願第６１／７１６２２６号 米国特許出願第６１／７１６２７９号 米国特許出願第６１／７１６９０６号

上記ヒータ及び容器は、酸素式のヒータ、及び／またはその容器の提供において、成功を収めている。

これらのヒータは、典型的には、多孔質複合材料構造を採用しており、大気中の酸素とヒータの材料中の化学成分との反応に依拠するものであるため、複合ヒータの多孔率が、効率的及び効果的に熱を供給するために重要な要素であった。

本発明は、十分な多孔率を有し、そのため性能を低下させることなく効率的で効果的なヒータを提供すること及びそれに関連して他の利点を有するヒータを提供することを目的とする。

本発明の一の観点によれば、本発明は、含水多孔率が略１５−３５％の酸素式ヒータを提供する。また、ヒータは、略６０％の乾燥多孔率を有してもよい。

本発明の他の観点によれば、本発明は、容器内で略１５−３５％の含水多孔率を有するヒータを提供する。

ここで、乾燥多孔率とは、電解液が導入される前のヒータシートの多孔率を意味し、含水多孔率とは、電解液が添加された後のシートの多孔率を意味する。上述した多孔率の範囲を得るための、ヒータシート内の組成物の組織は、ヒータが酸素による反応を起こすためのミクロ環境として重要であり、上述した多孔率の範囲は、好適な微小構造の示唆である。

乾燥または含水多孔率がとても小さい場合、反応側への酸素の拡散が減少し、それにより、ヒータの性能が低下してしまう。

一方で、乾燥多孔率がとても高い場合、ヒータシートの完全性が損なわれ、これは、シートを製造して扱うことに悪影響を及ぼす。

同様に、含水多孔率がとても高い場合、反応をサポートする電解液の欠乏によってヒータシートの性能が低下してしまう。

そこで、本発明は、許容可能な時間内で好ましい温度に到達するのに十分な含水多孔率を有するヒータを提供する。

上述した効果及び他の硬化は、当業者にとって、本明細書の開示を見ることで明らかである。

上述した本発明の観点及び目的は、組み合わせ可能であり、本発明の他の利点及び観点が、当業者にとって、以下の実施の形態及び添付の図面並びにその詳細な説明を見ることによって明らかとなる。

本発明によれば、十分な多孔率を有し、そのため性能を低下させることなく効率的で効果的なヒータを提供すること及びそれに関連して他の利点を有するヒータを提供することが可能となる。

本発明に係る様々なヒータの５分後の温度を示すグラフである。 本発明に係る様々なヒータにおいて、（華氏４０度からスタートして）華氏１００度の温度上昇を達成するまでの時間を示すグラフである。 本発明に係る様々なヒータにおいて、それぞれの最高温度に達するまでの時間を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る、容器に収容されたヒータの側部断面図である。

本発明は、異なる様々な態様による実施形態が可能であるが、以下に１以上の実施形態の詳細を説明するとともに、図示する。以下の開示は、本発明の原理を例示するものであり、本発明を以下に説明する実施形態に限定するためのものではない。

特徴、効果、及び目的の説明における参照及びその類義の言語は、本発明による特徴及び効果の全てが、本発明の単一の実施形態に含まれることを示唆するものではない。むしろ、特徴及び効果を参照する記載は、実施形態とともに説明する特定の特徴、効果、または特徴が、本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれていることを意味するものである。従って、本明細書における特徴及び効果の説明、及び、類義の言語は、同一の実施形態を参照することを必要としない。

様々な複合ヒータが、表１に示す方法による一般的な混合及び回転プロセスを利用した材料シートから用意された。ヒータは、Ｚｎを還元剤として含む。また、ヒータは、ＫＭｎＯ_４で処理したカーボンを促進剤として含むとともに、ポリテトラフルオロエチレンを結合剤として含む。このポリテトラフルオロエチレンは、化学成分を一つに保持し、柔軟性のある複合ヒータの製造を可能とする。好ましいカーボンは、アクゾノーベルポリマーケミカルによって製造されたＫｅｔｊｅｎｂｌａｃｋＫＢ３００Ｊであり、好ましいポリテトラフルオロエチレンは、紛体ポリテトラフルオロエチレン、例えば、ローレル製のＭａｒｚｏｎ−１０である。他の化学成分が含まれていてもよく、これは、本発明の範囲内の事項である。例えば、ヒータは、安定性を向上するために添加物を含んでもよく、この添加物の一例は、インジウム、ビスマス、スズ酸塩、またはシリケートである。

製造された複合ヒータの特性を、表２に示す。乾燥多孔率については、乾燥したヒータシートの材料の論理上の密度を計算し、そして論理上の密度から見かけの密度を引いた。その差を、論理上の密度で割り、乾燥多孔性を得た。

複合ヒータは、様々な量の２０％（重量）塩化カリウム溶液とともに活性化され、容器に収容された。表３に、異なる量の電解溶液を示す。様々な量の適用により結果として様々な含水多孔率が得られ、これらを表３に示す。含水多孔率は、乾燥状態のヒータシートの自由体積を求め、シートに添加した活性剤溶液の体積を引き、最終的な自由体積を求め、そしてシート体積で割ることによって求めた。

各複合ヒータの性能は、標準８オンス水袋テストによって評価した。当該テストにおいて、加熱プロセス中の水の温度をモニターした。

テストにおいて計測したパラメータは、以下のとおりである。すなわち、５分間での温度上昇と、初期温度華氏４０度から華氏１００度の水温上昇に要した時間と、最高温度に到達するまでの時間と、得られた最高温度と、である。これらのテストでは、華氏１４０度が望ましい温度として選択された。これは、華氏１４０度が、冷間温度から加熱された時の食べ物にとって好ましい温度だからである。本明細書において、「好ましい温度」とは、ヒータの目的（すなわち、食べ物を加熱し、水を沸騰し、氷を溶かす、など）を達成するのに十分な温度の典型として選択されたものである。

図１−３は、含水多孔率がヒータポーチの性能に及ぼした影響を示す。

より具体的には、図１は、様々な複合ヒータにおける５分間での温度上昇を示す。図１に示すとともに実証するように、多孔率が低ければ低いほど、（初期の５分間で）温度上昇は遅い。これは、複合ヒータにおいて、反応側への酸素の供給が不十分であることを示す。含水多孔率を向上することにより、ヒータ構造において反応側への連通がより多くなり、これにより、反応速度が速くなり、また５分間での温度が高くなると考えられる。

図２は、含水多孔率が、８オンス水袋テストにおける華氏１００度の温度上昇を得るためにヒータポーチが必要とした時間に与えた影響を示す。図示するように、１５−３０％の含水多孔率の範囲で、華氏１００度の温度上昇のための時間に与えた影響は小さかった。
しかしながら、含水多孔率を１０％未満とした場合、同様の温度上昇を得るために必要な時間が大幅に増加した。この影響は、反応側への酸素供給が減少したことにより、反応速度が遅くなり、従って温度上昇の時間が長くなったことを示すものと考えられる。この結果、好ましい温度に到達するまで約１２分以上という時間は許容できないものであると考えられる。「許容できる時間」は、ヒータが好ましい温度に到達するまでの時間（従ってその機能を十分に発揮できるようになる時間）である。

最後に、図３に、含水多孔率が、テストにおいて、最高水温に達するまでに要した時間に与えた影響を示す。図３に実証するように、最高温度までの時間は、含水多孔率が減少すると増加した。この傾向は、ヒータシートにおいて、利用可能な孔の減少による反応側への連通が減少したことを反映しているものと考えられる。

図４に示すように、ヒータ６は、容器５内に配置されてもよい。この容器５は、第１のシート９と第２のシート１２とからなるポーチであってもよい。第２のシート１２は、多数の開口１４が形成され、これらが、酸素供給部１１を形成する。少なくとも酸素供給部１１上に、フラップ８（または他の同様の構成であって、選択的に開き、また好適に閉じることができる構成）が配置されてもよい。フラップ８は、接着部１０を有してもよく、これにより、発熱が望まれない場合あるいはこれ以上望まれない場合にフラップ８が酸素供給部１１上に固定される。図示するように、容器５は開口１４が形成されていない側部７を有してもよい。しかしながら、図示する容器は、あくまでもヒータ６と大気酸素との間の発熱反応を制御するためにヒータ６への酸素供給を選択的に停止する容器の一例である。

ヒータ６は、本発明によれば、上述したように多孔性のフレキシブル基板から形成され、還元剤、結合剤、促進剤を含む。ヒータ６は、また、電解液によっても活性化される。さらに、ヒータ６は、略１５−３５％の間の含水多孔率を有する。

このようなヒータは、十分な量の熱を供給し、ヒータ自体の多孔率に部分的に基づいて、許容可能な時間内に好ましい温度に達する。

以下に説明する、本発明の追加の実施形態が、当業者にとって予測可能であり、本発明の技術的範囲は、説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の特定の実施形態について説明して図示したが、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲で、様々な変更が可能である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって定義されるものである。

本出願は、２０１２年１月５日になされた米国仮特許出願第６１／５８３４１０号及び２０１２年１月５日になされた米国仮特許出願第６１／５８３４１８号に基づく優先権を主張する。これら文献の全内容を、参照として本明細書に取り込む。

５ 容器
６ ヒータ
７ 側部
８ フラップ
９ 第１のシート
１０ 接着部
１１ 酸素供給部
１２ 第２のシート
１４ 開口

Claims (17)

1. 酸素と発熱反応をする複合ヒータ構造であって、１５−３５％の間の含水多孔率を有する複合ヒータ構造を備えたことを特徴とするヒータ。
2. 前記複合ヒータ構造は、略６０％の乾燥多孔率を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. 前記複合ヒータ構造は、略６０−６５％の間の乾燥多孔率を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
4. さらに、還元剤と、結合剤と、促進剤と、電解液とを含む、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒータ。
5. 多孔性のフレキシブル基板であって、還元剤と、結合剤と、促進剤とを含み、電解液によって活性化される多孔性フレキシブル基板と、
   前記多孔性フレキシブル基板を囲み、当該多孔性フレキシブル基板への酸素供給を選択的に防止して当該多孔性フレキシブル基板と大気酸素との間の発熱反応を制御する容器と、
   を備え、
   前記多孔性フレキシブル基板は、略１５−３５％の含水多孔率を有する、
   ことを特徴とするヒータ。
6. 前記多孔性フレキシブル基板は、略６０％の乾燥多孔率を有する、ことを特徴とする請求項５に記載のヒータ。
7. 前記多孔性フレキシブル基板は、略６０−６５％の間の乾燥多孔率を有する、ことを特徴とする請求項５に記載のヒータ。
8. 略８２重量％の還元剤と、略６．５重量％の促進剤と、略１２％の結合剤を含む、ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載のヒータ。
9. 略６０％の乾燥多孔率を有する、ことを特徴とする請求項８に記載のヒータ。
10. 略５−８グラムの電解液を含む、ことを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１項に記載のヒータ。
11. 前記電解液は、２０重量％の塩化カリウム溶液である、ことを特徴とする請求項１０に記載のヒータ。
12. 酸素の存在下で発熱する結合剤と還元剤とを含むフレキシブル基板を備え、
    前記フレキシブル基板は、多孔性であり、
    前記フレキシブル基板は、許容可能な時間内に好ましい温度に達するのに十分な含水多孔率を有するように、電解液によって活性化される、
    ことを特徴とするヒータ。
13. 前記好ましい温度は、華氏１４０度である、ことを特徴とする請求項１２に記載のヒータ。
14. 前記許容可能な時間は、１５分未満である、ことを特徴とする請求項１２または１３に記載のヒータ。
15. 前記含水多孔率は、略１５−３５％の間である、ことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載のヒータ。
16. 前記好ましい温度は、ヒータの初期温度よりも略華氏１００度高い、ことを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載のヒータ。
17. 以上に記載したヒータ。