JP2016504425A - 酸素活性式携帯型ヒータ向けの電解液の調製 - Google Patents

Abstract

【課題】より効率の良いヒータ及びより良いパッケージを提供し、生産の容易性、及び生産コストの低減を図る。【解決手段】酸素式ヒータ及び当該ヒータ向けの様々な電解液の調製を提供する。電解液の沸点及び／または相対湿度を、使用する電解液の判断基準とした。【選択図】 図１

Description

本発明は、主に、大気中の酸素を、熱を発生する反応の燃料源として用いるヒータに関し、より詳細には、当該ヒータ向けの様々な電解液の調製に関する。

携帯型の無炎ヒータは、現在、様々な用途、例えば、飲食物の加熱に用いられている。

例えば、アメリカ合衆国陸軍では、すでにパックされたＭＲＥ（インスタント食事）を加熱するのに、携帯型のキャンプストーブよりも、無炎配給ヒータ（「ＦＲＨ」）を使用しており、このＭＲＥは、８オンス（略２２７グラム）の軍用食である。ＦＲＨは、超腐食マグネシウム／鉄混合物を、耐水ポーチ内に含む（ＦＲＨの総重量は、略２２グラムである）。ＦＲＨを機能させるには、ＭＲＥを内部に含むポーチを開封し、略５８グラムの水を、ＦＲＨポーチの燃料含有部分に注ぐ。当該部分は、ＭＲＥを覆っており、以下の反応を開始する。

Ｍｇ＋２Ｈ_２ＯＭｇ（ＯＨ）_２＋Ｈ_２

燃料の上記の反応により、ＭＲＥ温度が１０分未満で略華氏１００度まで上昇する。このシステムの最高温度は、略華氏２１２度までに安全に制限されており、これは、水蒸気の蒸発及び凝縮によってなされている。

現在のＦＲＨは、その意図する目的においては有用であるが、副産物として水素ガスを発生する。そのため、安全性、持ち運び、ストック、及び廃棄に関して懸念を生じさせ、消費者分野における用途には向いておらず、当該用途においては、偶発性の不適切な使用によって出火及び爆発のおそれがある。

また、反応に必要な水は、典型的には、重く場所を取ることになる飲料水から得られているので、限りがある。また、水を加えるステップは、ＦＲＨを活性させるプロセスにおいて、不便な追加のステップである。

自己加熱式の食品パッケージ物が、消費者市場において利用可能である。これらの製品は、「クイックライム」（酸化カルシウム）と水との混合（ＣａＯ＋Ｈ_２ＯＣａ（ＯＨ）_２）から水和の熱を発生させるが、水素は発生させない。水がある状態でのピーク温度は、同様に略華氏２１２度に制限されている。しかしながら、パッケージ及び水の重さを無視しても、このシステムの比エネルギーは低い（ＣａＯ１グラムに対して略１．２ｋＪ）。

これら及び他の自立型のシステムは、さらに、分離された反応物を混合する何らかの手段を必要とし、これにより、さらに複雑及びかさばるようになってしまう。消費者市場向けの自己加熱式パッケージ食品についての測定結果を、表１に示す。

米国特許第５９８４９９５号公報 米国特許第５９１８５９０号公報 米国特許第４２０５９５７号公報 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１１／４８６４００号 米国特許出願第第１２／７１１９６３号

クイックライムを用いるヒータは、マグネシウムを用いるヒータよりもはるかに安全ではあるが、クイックライムヒータは、比エネルギーが非常に低い。また、ヒータの重さ及び寸法の増加（これは、低い比エネルギーを補うのに必要である）によって、ヒータが加熱対象物の寸法及び重さに近づくことになる。そのため、このようなヒータの携帯性が低くなってしまっていた。

上述した水を用いるヒータに加えて、酸素を利用するヒータも知られている。例えば、米国特許第５９８４９９５号、第５９１８５９０号、及び第４２０５９５７号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比べて、確かな利点を有している。

まず、酸素式ヒータは、熱を発生させるのに水を加えることを必要としない。次に、酸素式ヒータは、酸素が存在する場合にのみ熱を発生するので、発熱反応を、酸素の供給を停止することのみで停止することができる。また、かかるヒータは、後に酸素の供給を再開することで、発熱反応を再開することができる。さらに、酸素は大気中に豊富に存在するので、これらのヒータは、含有物の混合を必要としない。

本発明の譲受人は、酸素式ヒータ及び当該ヒータ向けの様々なパッケージをこれまで提供している。例えば、米国特許出願第１２／３７６９２７号及び第１２／８７４３３８号を参照のこと（それぞれ、２００９年２月９日及び２０１０年９月２日出願）。これらの文献の内容の全てを、参照として本明細書に取り込む。また、米国特許出願第１１／４８６４００号及び第１２／７１１９６３号を参照のこと（それぞれ、２００６年７月１２日及び２０１０年２月２４日に出願）。これらの文献の内容の全てを、参照として本明細書に取り込む。これらのヒータ及びパッケージは、酸素式ヒータ及びそのパッケージの提供において、成功を収めている。

しかしながら、これらのヒータ及びそのパッケージについては、改良することによって得られる利点がある。当該利点は、より効率の良いヒータ及びより良いパッケージを提供することができ、また生産の容易性、及び生産コストの低減を図ることができる。

本発明は、これらの種のヒータに関して、上述した利点及び他の利点を得ることを目的とするものである。

本発明の一の観点によれば、本発明は、酸素式のヒータに用いられる様々な電解液の調製に関するものである。

また、本発明の別の観点によれば、本発明は、ヒータ及び当該ヒータとともに用いられる電解液を製造する方法に関するものである。

発熱反応を持続させるため、この種の酸素式ヒータは、電解液を必要とする。電解液中の電解質の特性が、ヒータの特性に影響を与えることが判明した。

例えば、適切な電解質を選択することで、ヒータの最高温度を制御することが可能となる。特に、適切な沸点を有する電解液を生成することができる１以上の電解質を選択することで、ヒータに、特定の最高温度を持たせることができる。ヒータが電解液の沸点に到達すると、電解液が煮沸して温度は横ばい状態となる。利用できる電解液が減少するので、発生した熱の量が減少し、温度が下がり始める。ある時点で、電解液の量が、反応を維持するのに必要なレベル以下となり、それ以上発熱が行われなくなる。

最高温度を制御することに加え、電解液の蒸気圧（または相対湿度）は、ヒータのシェルフ寿命に影響を与える。特に、非常に高い蒸気圧／相対湿度を有する電解質は、ヒータのシェルフ寿命を短くする。これは、高い内部蒸気圧／相対湿度が、電解液の水分子が、封止したパッケージ中に揮発してしまうためである。上述したように、水を十分に失うことで、発熱反応が停止する。しかしながら、ヒータ内の蒸気圧／相対湿度が極端に低いと、パッケージに入り込む外気からの水分のマイグレーションによって電解液が希釈してしまい、ひいては、ヒータの性能を低下させる。

電解液の蒸気圧／相対湿度に基づくシェルフ寿命の制御に加えて、シェルフ寿命は、追加の電解質によって延ばすことができる。換言すると、製造プロセスは、追加の電解液を加えることで、電解質の喪失を防ぐことができる。そのため、水分がいくらか蒸発しても、ヒータを用いるのに十分な量が残ることになる。

電解質の沸点及び蒸気圧／相対湿度に加えて、結果物である水酸化物の溶解性及び陽イオン反応は、また、電解質の選択の際に考慮すべき事項である。

この目的を達成するため、本発明の実施形態は、所定の最高温度を有する酸素式ヒータを提供する。この最高温度は、電解液に基づくものである。また、本発明の実施形態は、所定のシェルフ寿命を備えた酸素式ヒータを提供する。電解液は１以上の異なる電解質化学物質を含有してよく、また、具体的には、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、臭化ナトリム、及び／またはヨウ化ナトリムを含有する。

本発明の複数の観点及び複数の目的は、組み合わせることが可能であり、図面についての以下の説明及び以下の詳細な説明を読むことで、本発明の他の有益な点及び観点が、当業者にとって明らかとなる。

本発明によれば、より効率の良いヒータ及びより良いパッケージを提供し、生産の容易性、及び生産コストの低減を図ることが可能となる。

本発明に係る電解液とともに用いられる酸素式ヒータであって、パッケージ内にある酸素式ヒータを示す正面斜視図である。 Ａ線に沿った酸素式ヒータの上部断面図であって、パッドが内部に設けられている酸素式ヒータの上部断面図である。

本発明は、異なる様々な態様で実施が可能なものではあるが、本明細書による開示は、本発明の原理を説明するためのものであって、本発明を実施の形態に限定することを意図するものではない、という理解のもと、１以上の実施形態を図示して以下に詳細に説明する。

以下の説明における特徴、有益な点、目的、及びそれらに類似の表現に関する参照については、本発明によって達成される特徴、及び有益な点の全てが、本発明の一の実施形態に含まれているものであることを示唆するものではない。また、特徴及び有益な点を参照する表現は、本発明とともに説明される特定の特徴、有益な点または特性が、少なくとも一の実施形態に含まれることを意味するものである。従って、特徴及び有益な点についての説明、及び類似の表現は、本明細書を通じ、同一の実施形態を参照するものであるが、必ずしもそうではない。

図１及び２に示すように、ヒータ１０は、主に、パッケージ１４内に配置されたヒータ基板１２（図１において破線で示す）を備える。

ヒータ基板１２は、酸素（好ましくは、大気中の酸素）と反応して熱を発する。そこで、ヒータ基板１２の一例は、アルミニウムまたは亜鉛等の還元剤と、ポリテトラフルオロエチレンまたはポリオレフィン等の結合剤とを少なくとも含む。当業者にとっては明らかであるが、ヒータ基板１２を実現するために他の種の化学物質を利用したり、含有させてもよい。ここで、「基板」という語は、ヒータ基板１２が、粉末化学物質の塊であることはもちろん、固体であることも意味する。

パッケージ１４は、典型的には、封１８（例えば、フラップ）を備える。封１８は、再度取り付けが可能（または、パッケージに封をして熱の発生を停止し、これによってヒータ１０を再利用可能とする）であることが好ましいが、少なくとも、封１８がパッケージ１４から取り除かれるまで、ヒータ基板１２に到達する酸素を制限するように着脱可能となっている。

持続的な熱反応を生じるようにするため、この種のヒータ１０は、電解液を必要とする。電解液は、図２に示すように、ヒータ基板１２に隣接して配置されたパッド１６に含浸されていてもよい。このパッド１６は、ポリエステルとセルロースファイバー、ポリプロピレンファイバー、または他の不織ポリマー材料とのブレンドのような不織材料からなる。

電解液中の電解質の少なくとも１種は、その相対的な湿度及び／またはその沸点に基づいて選択されている。パッケージ内の相対湿度がとても高いような場合（周囲の外気の相対湿度よりも高いような場合）、当該製品がストックされた場合、電解液からの水分が外へ逃げてしまう。一方で、相対湿度が周囲の外気よりも低い場合、外気からの水分が、パッケージ内に移動してしまう。

適切な電解質を選択するため、摂氏５６Ｃを最初の目標所定温度とした（しかしながら、ヒータの使用に応じて他の温度を設定してもよい）。また、目標とする相対湿度は、２５Ｃで４０−５０％に設定し、８０Ｃで略５０％の相対湿度目標を初期値として初期の所定シェルフ寿命を６か月から３年、より具体的には、（他の値としてもよいことは、当業者にとって明らかである）１から２年の間とした。さらに、当業者にとって明らかであるが、パッケージの材料は、システムのデザインに影響を与える。これは、異なる材料が、異なる水分透過率を有していて、従って、相対湿度に加え、電解質の選択及び望ましいシェルフ寿命の決定は、ヒータのパッケージの材料を考慮する必要があることは、当業者にとって明らかである。

以下の表に、いくつかの実験結果を示す。

上記目標は、複数の規制に渡って、様々な製品についての加熱及びシェルフ寿命要求を満たすように選択された。そのため、当該目標は、本発明の１以上の実施形態の原理を証明するために用いられるに過ぎない。湿度データは、米国規格標準局研究ジャーナルから得た、ルイスグリーンスパン著「二元飽和水溶液の湿度固定点」に基づく。

表２のデータから明らかなように、水酸化カリウム５０％の電解質は、略８−９％の相対湿度を有している。これは、当該電解質にとって、大気への水分の消失が問題とはならないことを意味する。しかしながら、電解質の基本的性質から、よりニュートラル、あるいは苛性の少ない電解液が望ましく、かかる電解液は、人が扱うのに安全で、食物電解液と相互作用し、あるいは、当該電解液に近い。

表２のデータに基づいて、臭化カリウムを電解質として選択し、様々な濃度で試験を行った。濃度試験及びその結果を以下の表３に示す。

表から明らかなように、グループＣは、比較的低い相対湿度であり、持続的なシェルフ寿命を得ることができる。しかしながら、溶液中の電解質の濃度のため、水分が蒸発してパッケージから逃げると、ＫＢｒは基板上に析出してしまう。これは、酸素と反応して熱を発するヒータの能力に悪影響を与えるので、望ましくない。

また、表３に示すように、低濃度のＫＢｒ（グループＢ）は、いくぶん高い相対湿度であったが、望ましいシェルフ寿命の観点において許容範囲であった。また、濃度が低いため、水分の揮発による基板上への電解質の析出の発生は多くなかった。

さらに、ヨウ化カリウムは、電解液中で適切な電解質として機能し、塩化カリウム（または塩化ナトリウム）のみを含有する電解液と比較して高い最高温度を得ることができた。しかしながら、ヨウ化カリウムは、臭化カリウムよりも高価で、また効率が低い。そのような要因があるが、特定の相対湿度を得るための電解液として許容できる材料で得ある。

さらにまた、臭化ナトリウム及びヨウ化ナトリムはその共通の陰イオン及び類似の陽イオン特性から、温度及び相対湿度特性がヨウ化カリウム及び臭化カリウムと類似すると考えられる。従って、本発明の一の実施形態においては、電解液は、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、臭化ナトリウム、及びヨウ化ナトリムからなるグループから選ばれた少なくとも一の電解質を含有する。また、他の金属ハロゲン化物塩（例えば、Ｌｉ、Ｍｇ，Ｎａ，Ｚｎ，Ｃｓ、またはＡｌとＣｌ，ＢｒまたはＩとの組み合わせ）を単独あるいは既に説明した電解質と組み合わせて用いることも可能である。さらに、電解液は、相対湿度モディファイヤ、例えば、グリセロールを含有してもよい。

本発明の別の実施形態においては、選択した電解質を用いて、２５Ｃで６０−８０％の間の相対湿度を少なくとも有する電解液を生成する。この溶液は、また、８０Ｃで６０−７０％の間の相対湿度を有する。ヒータは、少なくとも５０Ｃの最高温度を有する。しかしながら、ヒータは、その目的とする用途に応じて異なる値の最高温度を有してもよい。例えば、ヒータは、紙が発火する温度（略２３１Ｃ）よりも低い最高温度を有し、及び／または電解液の沸点よりも低い最高温度を有する。加えて、ヒータは、６０Ｃの最高温度を有し、この温度は、ヒータが人と接触する場合の最高温度と考えられている。

本発明のさらに別の観点によれば、本発明は、ヒータを製造する様々な方法を提供する。これらの方法は、概して、ヒータ基板を用意し、ヒータ基板に電解液を供給し、ヒータ基板に封をするステップを含む。

一の実施形態においては、本発明は、電解液の相対湿度に基づいて電解液を選択するステップを含む方法を提供する。

また、別の実施形態によれば、本発明は、電解液の沸点に基づいて電解液を選択するステップを含む方法を提供する。

当業者にとっては明らかであるが、本明細書に開示した本発明は、追加の実施形態が可能であり、また、本発明は本明細書に開示した実施形態によって限定されるものではない。本発明の具体的な実施形態を図示して開示したが、本発明の技術的範囲から大幅に逸脱することなく、様々な応用、変形が可能であり、保護を求める範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定められるものである。

本願は、２０１２年１０月１９日になされた米国仮特許出願第６１／７１６２２６号に基づく優先権を主張するものであり、この米国仮特許出願の内容の全てを、参照として本明細書に取り込む。

１０ ヒータ
１２ ヒータ基板
１４ パッケージ
１６ パッド
１８ 封

Claims (16)

1. 酸素の存在下において熱を生じる基板と、
   電解液と、
   を備え、
   前記電解液は、２５Ｃで６０−８５％の相対湿度を有する、
   ことを特徴とするヒータ。
2. 前記電解液は、１以上の電解質を含有する、ことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. 前記電解液は、少なくとも１の電解質を含有し、当該電解質は、金属ハロゲン化物塩である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のヒータ。
4. 前記金属ハロゲン化物塩は、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、臭化ナトリム、ヨウ化ナトリムを含むグループから選択されたものである、ことを特徴とする請求項３に記載のヒータ。
5. 前記基板及び前記電解液を覆うパッケージをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒータ。
6. 前記基板に隣接して配置され、当該基板と接触しているパッドをさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載のヒータ。
7. 前記ヒータは、さらに、略２３１Ｃまたはそれ未満の最高温度を有する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒータ。
8. シェルフ寿命が６か月から３年の間である、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヒータ。
9. ヒータを製造する方法であって、
   ヒータ基板を用意し、
   電解液の相対湿度を決定し、
   前記電解液の前記相対湿度が、所定のシェルフ寿命を満たすことができる場合のみ、当該電解液を前記ヒータ基板に供給し、
   前記ヒータ基板をパッケージ内に封入する、
   ことを特徴とする方法。
10. 前記電解液は、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、臭化ナトリム、ヨウ化ナトリムを含むグループから選択されたものである、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記電解液は、２５Ｃで６０−８５％の間の相対湿度を有する、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記所定のシェルフ寿命は６か月から３年の間である、ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記電解液は、少なくとも１の電解質を含有し、当該電解質は、金属ハロゲン化物塩である、ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記ヒータは、略２３１Ｃまたはそれ未満の最高温度を有する、ことを特徴とする請求項１３に記載のヒータ。
15. ヒータを製造する方法であって、
    ヒータ基板を用意し、
    電解液の沸点に基づいて当該電解液を選択し、
    前記ヒータ基板に前記電解液を供給し、
    前記ヒータ基板をパッケージ内に封入する、
    ことを特徴とする方法。
16. 前記電解液は、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、臭化ナトリム、ヨウ化ナトリムを含むグループから選択されたものである、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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