JP4130866B2 - ゲル化冷パック - Google Patents
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Description
【０００１】
発明の背景
本発明は、材料が液体中に溶解する際に発生する溶液の負熱(negative heat)を利用する冷パックに関する。
【０００２】
材料が液体中に溶解する際の負熱により冷熱を発生するコンパクトな自己冷却デバイスは、当該分野において公知である。Williamsの米国特許第3,804,077号は、一方のゾーンに水溶性材料(硝酸アンモニウム)およびゲル化剤として作用するデンプン材料を含有し、他方のゾーンに水を含有する冷パックを開示している。使用者がゾーンの間の隔離板を破ると成分が混合される。硝酸アンモニウムの溶解は吸熱性で、周囲から熱を吸収し「冷熱を発生」する。デンプンゲルは、冷パックにある程度の硬度をもたらし、混合されたパック内容物の分布が、重力の影響によって不均一になるのを防止することが知られている。このような冷パックの有効な冷熱提供寿命は、ゲルが無い場合に起こるような、水の硝酸アンモニウムへの迅速な到達を妨げることができるため延長されている。
【０００３】
パック内の材料の粒子の大きさおよび密度がかなり異なるため、輸送の間にデンプンがパックの底に蓄積しがちである。このようなパックの成分は、ほとんど分散しない場合が多い。パックの一部の領域は過度にゲル化されるが、ゲルが水と硝酸アンモニウムとが互いに対して拡散するのを妨げるため冷たくならない。パックの別の領域ではゲル化が不十分で、過度に冷たいが、冷熱発生寿命が短くなる。使用前に、パックを攪拌してデンプンが均一に分布するようにしなければならない。均一な分布は常に可能なものではない。これにより、パック間でゲル化能力が一貫せず、その結果温度降下も一貫しない。
【０００４】
また、多くの従来デバイスでは粉末化デンプンが使用されている。粉末化デンプンは、冷溶液において迅速なゲル形成力を得るために使用される。粉末化デンプンは、非常に軽量で、冷パックを製造する間に粉塵が生じ易い。デンプン粉塵は、プラスチック製バッグ包装の封止領域を汚染して、不完全または弱い封止を形成させる。有意な量の粉末を粉塵制御システムにおいて損失し、個々の冷パックにかかる費用が増加する。さらに、粉末化デンプンは、極度な爆発危険物であり、冷パックを製造する工場において危険な労働条件の原因となる。
【０００５】
発明の概要
一態様において、本発明は、浸透性(好ましくは液体浸透性)かつ非連続的なコーティングとして、複合微粒子「冷熱発生」材料に接着したゲル化剤を含むゲル化冷パックを提供する。冷熱発生材料は、液体第２材料と相互作用して冷熱を発生できる。冷熱は、複合微粒子材料が液体第２材料(好ましくは水溶液)中に溶解する際の負熱により発生する。「冷熱発生」材料は、例えば、いくつかのアンモニウム塩の１つ、スズ、コバルトもしくはニッケル塩、アルカリ金属塩、または尿素などの有機化合物であってもよい。好ましい「冷熱発生」材料は、硝酸アンモニウム、特にプリル(prill)形態のもの、好ましくは低密度硝酸アンモニウムプリルである。ゲル化材料は、デンプンであることが好ましい。ゲル化材料は、噴霧、浸漬、ブラッシングまたは接着材料の使用により、硝酸アンモニウムプリルに塗布できる。また、冷パックは、デバイスの実用的な冷熱発生寿命を延長する相転移材料を含んでもよい。
【０００６】
これらの材料は、使い捨て容器の、隔離された液体不浸透性かつ熱伝導性ゾーンに収容される。一方のゾーンはゲル化剤で被覆された微粒子「冷熱発生」材料を含有し、他方のゾーンは液体材料を含有する。各タイプのゾーンの数は任意のものである。使い捨て容器は、周囲に一致するポリマー材料から作られてもよい。
【０００７】
本発明のゲル化冷パックは、上記ゾーンの間の隔離板にダメージを与えることを含むデバイスの活性化により冷熱を発生する。隔離板は、使い捨て用の脆性膜であってもよい。
【０００８】
別の態様において、本発明は、活性化の前または後のいずれかにおいて、対象物を本発明の冷パックと接触させることにより対象物を冷却する方法を提供する。デバイスの活性化により冷熱が発生し、動物、好ましくはヒトの身体の一部でありうる対象物を冷却する。あるいはまた、冷却対象物は、食品または飲料製品でもよい。
【０００９】
別の態様において、本発明は、硝酸アンモニウムプリルにゲル化剤を塗布して浸透性かつ非連続的なゲル化剤層を得て、プリル/ゲル化剤の組み合わせを乾燥させることにより、硝酸アンモニウムプリルを被覆する方法を提供する。
【００１０】
本発明の冷パックは、いくつかの利点を有する。ゲル化剤は、デバイスの操作時に均一に分散したゲルを形成する。このゲルの存在により、混合された冷熱発生材料が底に沈殿してデバイスの効率を低下させることを防止する。
【００１１】
また均一なゲルにより、デバイスの有効寿命が増大され、従来可能であったよりも延長された冷熱発生の時間プロフィールが得られる。
【００１２】
本発明の冷パックは、パック内でのゲル化剤の分散性が優れている。ゲル化剤を冷熱発生材料に接着させることで、パックを活性化してすぐにゲル化剤が「凝集(pill)」したり、または実質的に湿潤しなかったりするのを防ぐ。本発明の冷パックにおいて、接着したゲル化剤は、冷熱発生材料上で連続したコーティングを形成せず、従ってパックの活性化に伴う温度降下の開始を妨げることがない。
【００１３】
本発明の冷パックの製造は、粉末化ゲル化剤(典型的にデンプン)の粉塵発生が著しく少ない。パックの封止がより均一になり、封止部は欠陥となりにくい。
【００１４】
本発明はまた、成分の利用がより効率的であるために、従来可能であったよりも小さい冷パックの製造を可能にする。ゲル化剤全体を湿潤させることが可能であるため、湿潤されない部分を考慮して過剰なゲル化剤を添加する必要がない。
【００１５】
特に記載しない限り、本明細書で使用する技術用語および科学用語は全て、本発明が属する技術分野の当業者に一般に理解されているものと同じ意味をもつ。本明細書に記載の方法および材料に類似または等しい方法および材料も本発明の実施および試行のために使用できるが、以下には適した方法および材料を記載する。本明細書で挙げる文献、特許出願、特許および他の参考文献は全て、参照によりその全体を組み入れる。係争の場合には、定義を含む本明細書が優先する。さらに、材料、方法および実施例はあくまで例示のものであり、限定するものではない。
【００１６】
本発明のその他の特徴および利点は、以下の詳細な記載および特許請求の範囲から明確になるであろう。
【００１７】
好ましい実施形態の説明
本発明は、冷却開始を有意に妨げたり遅らせたりすることなく、また効率に悪影響を及ぼすことなく、ゲル化剤を、冷パックで使用される冷熱発生材料に接着できるという発見に基づいている。ゲル化剤および冷熱発生材料の両方が、実質的に粉塵を出さずに得られ、その結果冷パックの組立てが改善される。輸送および運搬の間のゲル化剤と冷熱発生材料との実質的な分離を回避して、冷パック能力の確実性および再現性を実質的に改善する。
【００１８】
冷熱発生材料
本発明は、互いと接触させると相互作用して冷熱を発生する２つの材料を利用する。これらの材料は、互いと化学的または物理的に反応して冷熱を発生しうる。
【００１９】
冷熱を発生する化学反応(吸熱反応)は、反応の負熱を生じるものである。例えば、水酸化バリウム水溶液とチオシアン酸アンモニウムとの間の化学反応は、吸熱性で、冷熱を発生する。
【００２０】
冷熱を発生する物理的相互作用は、溶液の負熱を生じるものである。例えば、硝酸アンモニウム、硝酸カリウム、硫酸アンモニウムおよび塩化アンモニウムなどの無機塩が水に溶解することで冷熱が発生する。さらに有用な冷熱発生材料は、尿素などの有機材料、ならびに臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、塩化カリウム、塩化スズ二水和物、ジアミンコバルト、ジクロロコバルト六水和物および硝酸ニッケル六水和物などのその他の無機塩である。
【００２１】
冷熱発生材料が相互作用する材料は液体である。該液体は、水性すなわち水でもよいし、またはその他の成分(例えば、アルコール、グリセロール、エチレングリコール、プロピレングリコールおよび同様の化合物などのヒドロキシル類およびポリヒドロキシル類)を含有する水でもよい。
【００２２】
以下に記載するように、本発明のゲル化冷パックの追加成分として、例えば、相転移材料でありうる。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態は、冷熱発生材料が物理的に相互作用して冷熱を発生するものである。好ましい冷熱発生材料として、硝酸アンモニウムが挙げられる。硝酸アンモニウムは、プリルと呼ばれる高密度または低密度のビーズ様ペレットの形態で広く入手可能である。プリルは、複合微粒子材料である。ゲル化冷パックのためには、低密度形態が、より溶解され易く、そのため望ましい急速な温度降下をもたらすため好ましい。低密度プリルはまた、低い重量パーセント(約0.5〜約5重量％、多くの場合約１〜３重量％)のカオリンなどのクレイ結合剤(clay binder)も含有する。しかし、低密度硝酸アンモニウムプリルは、高密度プリルと比べて粉塵を生成し易い。このため、ゲル化冷パックの製造者は、低密度硝酸アンモニウムの性能的な利点を捨てて、この材料に伴う製造する際の問題を避けてきた。
【００２４】
本発明者らも利用した販売業者(Nitram Inc., Tampa Florida)から供給される高密度および低密度硝酸アンモニウムプリルはいずれも、同じ比重(すなわち、1.7 g/cc)を有すると記載されている。しかし、２種のプリルのかさ密度は無視できない程度に異なる。低密度硝酸アンモニウムプリルは、立方センチメートル当たり約0.60〜約0.90グラム(g/cc)、または約0.65〜約0.85 g/ccのかさ密度を有するものである。高密度硝酸アンモニウムプリルは、約0.90〜約1.10 g/cc、または約0.95〜約1.05 g/ccのものである。これらのかさ密度は、高密度および低密度硝酸アンモニウムプリルのサンプルの容積および重量を測定することで求められる。
【００２５】
本発明の水性基剤(aqueous-based)ゲル化冷パックには、水100 mL当たり約50〜約150グラム、好ましくは水100 mL当たり約75〜約140グラムの冷熱発生材料が存在する。
【００２６】
ゲル化剤
本発明において有用なゲル化剤は、有機物または無機物のいずれかである。本発明においては両者とも有用である。金属酸化物、金属アルコキシド、金属酸化物のアルカリ金属塩などの無機化合物が使用できる。これらには、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタニウム、酸化ジルコニウム、ならびに水およびアルコールなどの溶剤と組み合わせられたケイ酸塩およびアルミン酸塩が挙げられる。
【００２７】
本発明で使用するのに好ましいゲル化剤は、有機物である。有用な有機ゲル化剤としては、デンプンなどの炭化水素；ポリアクリルアミド；ペンタエリトリトールなどのポリオール；または乾燥ゼラチンなどのタンパク質性物質などの有機化合物が挙げられる。これらの作用物質は、水、アセトン、アルコール、ジメトキシテトラグリコールなどの溶剤と組み合わされてゲルを形成できる。その他の多くの有機および無機基剤ゲル系の例は、当業者に公知である。
【００２８】
特に好ましいのは、水溶液と反応するとゲルを形成する有機ゲル化剤である。ポリヒドロキシ含有有機ポリマーゲル化剤は、本発明の冷パックにおいて良好に作用することが見出されている。これには、様々な多糖が含まれる。デンプンは、本発明の一部の実施形態において特に有用であることが見出されている。
【００２９】
デンプンは、α-Ｄ-グルコピラノシル単位の線状ポリマー(アミロース)および分枝状ポリマー(アミロペクチン)の混合物を含む。アミロースは、(１→４)α-グルコシド結合により互いに結合したＤ-グルコピラノシル単位の線状ポリマーである。アミロペクチンは、主に(１→４)結合であるが、分枝点において(１→６)α-グルコシド結合も含むα-Ｄ-グルコピラノシル単位の高度に分枝したポリマーである。デンプンから単離可能なその他の非炭水化物材料としては、通常少量しか存在しない脂肪酸、タンパク質、酵素および無機材料が挙げられる。デンプンは、トウモロコシ、ロウ質トウモロコシ(waxy corn)、小麦、ライ麦、大麦、モロコシ類もしくはイネの種子、またはこのような植物の根(タピオカ、ジャガイモもしくはクズウコン)、あるいはサゴヤシの木の髄などを含む多くの供給源から単離されてもよい。
【００３０】
一般的に、デンプンは、初めは粘性のない不透明なデンプン懸濁液が、粘性を有して半不透明となり、最終的に透明になるゲル化温度により特徴をなす。アミロース含量は約０〜約85％の範囲にわたり、残りの部分は主にアミロペクチンからなる。一部のデンプンペーストは、アミロースの線状分子の会合により濃密化する。トウモロコシデンプンは、堅いゲルを形成する。アミロースが著しく低量または全く含まないロウ質デンプンは、希釈分散液中ではゲル化しないが、高濃度(30％)の場合には、50〜60℃において再分散する可逆性ゲルを形成する。
【００３１】
またデンプンは、その置換度によっても特徴をなす。置換基は、遊離ヒドロキシル基との反応を介して導入できる。導入される置換基の数は、分析により推定され、官能基(例えば、窒素基、リン基、塩素基、ヒドロキシアルキル基もしくはカルボキシル基)の割合（％）として、または好ましくは置換度として表される。置換度は、アンヒドログルコース単位あたりの置換基の数を示し、以下に示す等式から計算できる。
【００３２】
ＤＳ ＝ (162)(Ａ)/100(Ｂ) - (Ｃ - １) (Ａ)
式中、ＤＳは置換度、Ａは分析で求められた置換基の割合（％）、ＢはＡの式量、およびＣはＢと異なる場合の導入される置換基全体の式量である。置換度が３である場合、アンヒドログルコース単位上の全ての遊離ヒドロキシル部位が置換されていることを意味する。
【００３３】
本発明の冷パックでは、冷水ゲル化が望ましい。予備ゲル化デンプン(予備加熱デンプンを含む)は、ゲル化を生じるプロセスによって乾燥され、そのような用途に有用な製品である。この種のデンプンは、冷水中で膨張し分散する。これは、このデンプンの顆粒が破壊されて分子が高度に会合しないためである。この後者の影響は、分子が大量に整列および会合する前に、迅速に脱水するために生じる。噴霧乾燥、ドラム乾燥、吹き出し噴出(puff extrusion)および発泡加熱(foam heating)は、予備ゲル化デンプンを製造するのに適した方法である。
【００３４】
予備ゲル化デンプンを含むデンプンは、架橋により修飾して、剪断耐性、耐熱性、および極端に高いまたは低い水素イオン濃度に対する耐性を高めてもよい。デンプンを、部分的に酸化して、安定性を向上できる。窒素、硫酸、リン酸もしくはキサンタネートを用いた無機エステル化により、またはカルボン酸、酸無水物、酸塩化物もしくはビニルエステルによる有機エステル化によって、デンプンを誘導体化できる。また、デンプンエーテルを形成して、本発明に使用してもよい。
【００３５】
冷水膨張デンプンのその他の群は、高い置換度を有する親水性デンプン誘導体である。このようなデンプンでは、顆粒の構造は、水と接触した際に顆粒が水和し分散する程度まで、均質反応系において意図的に破壊されているか、または置換基により弱化されている。
【００３６】
ヒドロキシアルキルデンプンも、本発明の冷パックのゲル化剤として適している。このようなデンプンとしては、リン酸水素ヒドロキシエチルエーテルデンプンおよび２-リン酸水素ヒドロキシプロピルエーテルデンプンが挙げられる。0.15〜1.0の置換度においては、このようなヒドロキシアルキルデンプンは、冷水可溶性である。
【００３７】
デンプンゲル化についての詳細な情報は、Encyclopedia of Polymer Science and Technology, v.12, Interscience; John Wiley & Sons, Inc., New York, 1970, pp. 819-847に記載されている。デンプンの製造方法および誘導体化方法は、当業者に周知である。
【００３８】
本発明の冷パックに使用するのに好ましいデンプンは、約−５℃の温度に耐性な、冷水で水和するデンプンである。適切なデンプンは、Binasol 90C、Binasol 81、 SoftSet、 Mira-Thik 603、 Mira-Thik 606、 Mira-Thik 609、 Mira-Thik 468、Mira-Thik 469およびMira-Gel 463デンプン(A.E. Staley Mfg. Co., Decatur, IL)として入手可能である。特に好ましいのは、Binasol 90CおよびMira-Thik 468デンプンである。
【００３９】
本発明のゲル化冷パック中のゲル化剤の量は、水100mL当たりゲル化剤が約5〜約25グラムでありうる。この量を超えると、最大温度降下を達成できなくなり、この量より少ないと冷パックにおいて十分なゲル化が得られない。本発明のゲル化冷パック中のゲル化剤の好ましい量は、水100mL当たり約10〜約25グラムである。
【００４０】
接着方法
ゲル化剤を冷熱発生材料に接着させて、低粉塵複合材を生成する。これにより、パックの製造が大幅に簡易化される。なぜなら、ゲル化剤および冷熱発生材料は、それぞれ非常に粉塵を生じ易いからである。この粉塵性は、確実な包装封止の形成を困難にし、空気フィルタなどの粉塵制御システムを使用する必要性のために成分を大量に浪費してしまい、ゲル化冷パックを製造するための専用施設における爆発の危険性を大幅に高める。
【００４１】
ゲル化剤を冷熱発生材料に接着する方法は、いくつかの適切な方法から選択できる。これらの方法としては、冷熱発生材料にゲル化剤を噴霧すること、冷熱発生材料をゲル化剤に浸漬すること、接着材料を使用して冷熱発生材料に塗布して、その後接着剤の付いた冷熱発生材料をゲル化剤に流し込むかまたはゲル化剤を散布する。この方法は、運搬時にゲル化剤の粒子が冷熱発生材料から分離するのを実質的に防止するように接着して、十分な量のゲル化剤を冷熱発生材料と付着させる。
【００４２】
冷熱発生材料の表面上にゲル化剤からなる連続被覆膜が形成されるのは望ましくない。なぜなら、冷熱発生材料とそれが溶解する液体との反応開始の望ましくない遅れが生じるためである。むしろ、接着方法は、冷パック内でゲル化剤が均一に分布するように働き、ゲル化剤が、パック内の冷熱発生反応が起こる領域に留まるようにする。ゲル化剤の溶解は、本発明のゲル化冷パック内の冷熱発生において限定する工程ではない。
【００４３】
従来のゲル化冷パックは、ゲル化剤が、輸送または保存の間に、例えばゲル化パックの隅などに局所化し、結果的に使用者が再度実質的に分布させること無しには機能を果たせないという欠陥問題を有していた。冷熱発生材料を懸濁および分散させる機能を全く果たさないのでゲル化剤の湿潤が不均一で、ゲル化剤の大部分が無駄になる。これは、ゲル化剤の浪費である。本発明の冷パックは、使用者によりゲル化冷パックが活性化される際に、ゲル化剤が容器全体にわたって分散するように留まらせる。
【００４４】
ゲル化剤粒子の冷熱発生材料への接着には、吸湿性の冷熱発生材料から水分がゲル化剤に再分布するのを防止するための乾燥工程が含まれることが好ましい。パックの活性化前のこのような再分布は、本発明の冷パックのゲル化能力、従って冷熱発生能力を低下させ易い。ゲル化剤が接着した冷熱発生材料の乾燥は、いくつかの方法により行うことができ、強制空気浴、外部加熱された回転乾燥機中での乾燥、または当業者に公知のその他の乾燥方法が挙げられる。
【００４５】
任意の成分
本発明のゲル化冷パックは、任意に追加の構成要素を含んでいても良い。追加構成要素としては相転移材料が挙げられる。相転移材料は、固相から液相へ、一方の固相から他方の固相へ、またはその逆に相が転移する際に潜熱を蓄積または放出する。
【００４６】
相転移材料は、温度安定剤として作用する。ゲル化冷パックが冷却を開始し始めると、相転移材料から熱が除去されて、相転移材料の相を転移、好ましくは凍結させる。この材料は、デバイスにより達成される温度範囲内で凍結する材料を選択することが好ましい。凍結した相転移材料は降下した温度を長時間維持するのを助ける。なぜなら、相転移材料の再融解は吸熱するからである。相転移材料の融解に必要な熱は、相転移材料が完全に融解するまで、冷パックの温度を上昇させることはない。これにより、本発明の冷パックの有効な機能寿命の延長がもたらされる。
【００４７】
相転移材料は、通常の周囲温度においては液体で、冷パックが安定することが望ましい温度付近では融解するものが適している。パラフィン系炭化水素の同族列の融点は、以下の表に示す炭素原子の数に直接関係する。
【００４８】
【表１】
【００４９】
上記材料はそれぞれ、別々にまたは組み合わされて、例えば約1〜約10ミクロンの大きさで、当業者に公知の参考文献のいずれかに記載の方法(Vandergaer, J.E., Microencapsulation; Processes and Applications, Plenum Press, New York, 1974; Nixon, J.R., Microencapsulation, Marcel Dekker, Inc., New York, 1976)に従って形成されるマイクロカプセルなどに封入することができる。上記化合物はそれぞれ、その融点付近に意図する冷却温度がある場合に最も有効である。前述の記載から、適切な相転移材料を選択してカプセル封入形態で本発明の冷パックに加えることにより、本発明の特定のゲル化冷パックの性能が有意に向上しうることが理解されるであろう。
【００５０】
容器
冷熱発生材料、ゲル化剤および任意の成分を収容する容器は、少なくとも１つの第１ゾーンおよび少なくとも１つの第２ゾーンを作るように形成する。第１ゾーンは複合冷熱発生材料/ゲル化剤を含む。第２ゾーンは溶剤を含む。これらのゾーンは、デバイスの操作の前後両方においてこれらの成分を保持しなければならないため、両ゾーンとも液体不浸透性でなければならない。また、この容器は、外部から内部に熱伝導可能で、容器の外側を冷却して、容器の外部にあるあらゆる所望の対象物を冷却させるものでなければならない。
【００５１】
冷熱発生相互作用を開始させるために、冷熱発生材料およびそれと相互作用する第２材料が互いに接触するようにしなければならない。これは、本発明においては、上記ゾーンの間の隔離板を開口、選択的に穿孔、破断、または他にダメージを与えることにより行われることが好ましい。好ましい実施形態では、溶剤は液体、より好ましくは水性の液体である。該水性液体は、隔離板にダメージを与えた後に、冷熱発生材料およびゲル化剤を含むゾーン内に移動できる。しかし、隔離板にダメージを与えた後に、冷熱発生材料およびゲル化剤を、水を含むゾーン内に移動させてもよいことも理解されるであろう。いずれかのゾーンが、任意に相転移材料を含んでも良い。
【００５２】
隔離板は、手で容器を変形させることにより、破断、穿孔またはダメージを与えることができる材料からなることが好ましい。１対を上回る容器ゾーンを含む実施形態では、本発明の冷パックは適切なより多数の隔離板を備えて、所望の冷熱を得るのに十分な各タイプのゾーン間の連絡を確立させることが理解されるであろう。１対のゾーンのみを使用する実施形態において複数の隔離板を使用することもできる。本発明は、冷パックにおけるゾーンの並置状態または立体配置によって限定されない。
【００５３】
隔離板に対する圧力または隔離板に沿った圧力は、容器の外面、ならびに容器、第１ゾーンおよび第２ゾーンを囲む表面は無傷のままで、隔離板を選択的に破断、穿孔またはダメージを与える。隔離板は、いくつかの機能性立体配置のいずれかからなっていてよい。好ましい実施形態では、隔離板は、第１ゾーンと第２ゾーンの間に施され、手で分離させて隔離板にダメージを与えることができる脆性壁または弱化壁からなる。別の好適な実施形態では、隔離板は、第２ゾーン内に内包されるのに適した第１ゾーンを含む容器(「バッグ内バッグ」構造)の脆性壁または弱化壁である。
【００５４】
別の実施形態では、プルタブを使用して、隔離板にダメージを与える。プルタブは、引っ張られると、隔離板にダメージを与えて、第１ゾーンと第２ゾーンの間を連絡させる。それほど好適ではない実施形態では、隔離板は、圧力をかけられると外れるストッパ付きの穴を備える。この場合も隔離板を介して連絡させる。別の実施形態では、隔離板は、圧力がかかった状態で破断し、ゾーンの内容物を互いに触れさせる、複数の孔を有する壁を含む。同様に、隔離板は、取外し可能ディスクまたはキャップからなるか、貫通されているか、弁(脆性弁など)からなる。
【００５５】
あるいはまた、隔離板は、隔離板が外部圧をかけられた際に１つまたは好ましくは複数の亀裂またはスリットを形成するように設定する。亀裂は、隔離板の端部または周囲部から内部に向けて広がるか、隔離板の端部または周囲部の中間に配置されてもよい。しかし、隔離板にダメージを与えるのに十分な手段であれば、本発明に使用することができる。当業者であれば、この他の可能性のある変更を認めるであろう。
【００５６】
容器は、個々のゾーンのいずれの内容物にも悪影響を受けず、遭遇する温度に耐性な、可撓性かつ熱伝導性の薄い材料からなることが好ましい。このような材料はポリマー材料であってよく、イオノマーフィルム(例えば、DuPontから入手可能なSurlyn(登録商標))、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル(DuPontから入手可能なMYLAR(登録商標)フィルムなど)、アルミニウム、アルミニウム処理されたポリマーフィルム、および冷却液体を収容するのに適したその他の従来プラスチックまたは他の包装材料(例えば、ゴム、ビニルもしくはビニル被覆繊維)などが挙げられる。ビニルの封止は、典型的に、当業者に公知の高周波封止プロセスを利用して行われる。透明ビニルを使用する場合、約0.02 mm〜約0.1 mmの厚みが適していることが見出されている。これにより、容器をその周囲の形状に一致する薄膜状エンベロープとして作用させる。
【００５７】
容器は、端部において結合されて、密閉された実質的に平面なエンベロープを形成する上層および下層を含むことが好ましい。隔離板が、圧力を加えられると破断する弱化領域または薄い領域を有する壁を含むことが最も好ましい。
【００５８】
好適な実施形態では、熱伝導性材料は、実質的にアルミニウムもしくは銅からなる金属製ホイル、またはアルミニウム処理されたポリエステルなどの金属化プラスチック製フィルムである。この材料の端部は、いずれかの適切な手段(例えば、はんだ付け、ヒートシール、超音波溶接、溶剤溶接、折畳み封止(fold sealing)または接着剤の使用)により結合される。別の好適な実施形態では、容器に使用される材料は、イオノマーフィルムである。
【００５９】
冷パックの製造の間、容器は、各ゾーンにおいて、冷熱発生材料/ゲル化剤および液体をそれぞれ導入するための開放端部または開放側部を備えることが好ましい。他の側部または端部は、この導入の前に封止される。容器の異なるゾーンへ成分を加えた後に、開放側部は封止される。容器の大きさおよび形状、ならびに容器内のゾーンの並置状態および立体配置は、意図する用途により異なる。冷パックを適切に組み立てるための他の組立て方法もある。例えば、一方のタイプのゾーンを、他方のタイプのゾーンを充填する前に真空封止してもよい(例えば、環状配置されているゾーン、またはバッグ内バッグ配置の場合)。特定の実施形態では、積み重ね配置されたゾーンを採用する。本発明は、容器内のゾーンの配置によって限定されない。
【００６０】
冷パックは、組立て後かつ使用前は静的状態にあり、１回使用されると使い捨て可能であることが好ましい。本発明の他の実施形態では、本発明の冷パックに、複数の第１ゾーンおよび/または第２ゾーンが意図される。上述したように、これらの実施形態では、一対のゾーンのみを有する実施形態と同様に１つ以上の隔離板を使用することができる。
【００６１】
本発明を使用するためには、使用者は、隔離板にダメージを与えるまたは開封する。次いで、使用者は、一方のゾーンの内容物を他方のゾーン内に、またはその逆に分布させる。好ましい実施形態では、第２の液体含有ゾーンが、第１の冷熱発生材料/ゲル化剤ゾーン内に分布される。
【００６２】
本発明の冷パックが有用な用途は多数ある。冷熱は、熱流と逆方向に移動して、冷パック内の液体媒体を通る対流によりデバイスの外面へと伝達され、熱パックが採用される特定の用途に応じてさらに別の物体に伝達されると考えることができる。このような用途では、冷パックは、それらの使用に適した形状をとるように設計される。例えば、冷パックは、特定の実施形態では食物または飲料を冷却するように設計される。食物または飲料を冷却するために使用される冷パックは、所定の時間内で所定の処理温度を得るなどの特定の性能基準を満たすように設計されうる。
【００６３】
また本発明の冷パックは、医療施設、家庭または娯楽地において、治療用途または過熱を和らげるために使用されうる。冷パックは、痛めた筋肉、関節もしくは靭帯を冷却するために、または熱射病を治療もしくは予防するために使用してもよい。
【００６４】
本発明の冷パックは、ヒトまたは獣医外科などの外科や他の医療用途での使用に容易に適合する。本発明の冷パックは、優れた温度安定特性を有しているため、過剰冷却による患者の不快およびそれに起因する組織苦痛を有意に最小限におさえる。
【００６５】
上記および他の用途のため、冷パックは、冷パックの開始時の位置決め(例えば、手足へ)を可能にする固定手段を備えることが好ましい。つまり、それ以上位置調整することなくその後のデバイスの活性化が行われる。適した固定手段としては、ストラップ、接着テープまたは再利用可能な接着ストリップ(例えばVELCRO(登録商標)ストリップ)が挙げられる。冷パックは、手足(ヒト、ウマ、イヌまたはその他のあらゆる動物の脚など)の周囲に取り付けられるように寸法を合わせたスリーブとして設定してもよい。平坦な冷パックを、繊維スリーブまたはラップに挿入してもよい。スリーブの直径を調節可能にし、様々な患者に対して同じスリーブを使用できるようにしてもよい。あるいはまた、冷パックをパッドとして設定して、ヒトまたは動物の背中または胸などの広い範囲の身体表面を冷却できるようにしてもよい。冷パックは、冷却対象物と接触する前または後に活性化されうる。本明細書で使用する「活性化」という用語は、隔離板にダメージを与えるまたはその他の処理を指し、これにより使い捨て容器のゾーンの内容物を混合させてゾーン内容物の相互作用を開始させるか、冷パックの内容物を共に手で混合またはその他の手段で混合させることを指し、これにより内容物の均一な分布、そして均一な冷却を確実にする。
【００６６】
本発明の冷パックは、治療用途で使用するのに適合させ易い。多種の外傷は、冷熱を当てて治療することが最も望ましい。これには、筋肉および靭帯の挫傷および捻挫、ならびにリウマチおよび関節炎などの苦痛が挙げられる。またこのような冷パックの用途のために、冷パックは、スリーブまたはパッドのように作られ、上記したような固定手段が備えられることを必要とする場合がある。
【００６７】
また本発明は、自己冷却型使い捨てゲル化冷パックを使用して対象物を冷却する方法を特徴とする。この方法は、上述したような冷パックを用意し、隔離板にダメージを与えて該冷パックを活性化し、手でもしくは他の手法で第１および第２ゾーンの内容物を共に混合してその内容物を確実に接触させて、該冷パックを対象物を冷却するために実際に使用することからなる。これは、対象物と冷パックとの間の熱接触を確立し維持することにより最も有効に達成できる。一部の実施形態では、冷パックは、食物および飲料用容器など冷却対象の容器と一体化される。別の実施形態では、冷パックは、冷却すべき対象物に単に載せられるか、または冷却すべき対象物とフィットするように適合される。
【００６８】
本発明を、特許請求の範囲に記載する本発明の範囲を限定しない以下の実施例においてさらに記載する。
【００６９】
実施例
以下の実施例では、本願発明の一部の特定の実施形態の一部の特性について記載する。
【００７０】
実施例１：低密度硝酸アンモニウムを使用したゲル化冷パック
一実施例においては、本発明のゲル化冷パックを以下のように製造した。Surlyn(登録商標)容器の一方のゾーンには、110 mLの脱イオン水を含有させた。他方のゾーンには、21グラムのBinasol 90Cデンプン(A.E. Staley Mfg. Co., Decatur, IL)を接着させた115グラムの低密度硝酸アンモニウムプリル(Nitram Inc., Tampa FL)を含有させた。これは、硝酸アンモニウムプリルをわずかに湿潤させてデンプン粉末に流し込むことにより行った。ゾーンの間の隔離板は、Surlyn(登録商標)から作製した。
【００７１】
実施例２：高密度硝酸アンモニウムを使用したゲル化冷パック
別の実施例では、本発明のゲル化冷パックを、以下の変更を加えて、実施例１に記載のように製造した。Surlyn(登録商標)容器の一方のゾーンには、120 mLの脱イオン水を含有させた。他方のゾーンは、16グラムのBinasol 90Cデンプンを接着させた115グラムの高密度硝酸アンモニウムプリルを含有させた。
【００７２】
実施例３：ゲル化冷パックと非ゲル化冷パックとの性能比較
実施例１に記載した成分の冷パックを、以下のように製造した非ゲル化冷パックと性能比較した。130グラムの低密度硝酸アンモニウムプリルを、Surlyn(登録商標)容器の一方のゾーンに入れ、他方のゾーンには120 mLの脱イオン水を含有させた。両方の容器には、脆性封止型の隔離板にダメージを与えた。周囲温度は24℃であった。ゼロの時点において、実施例１によるゲル化冷パックおよび上述の非ゲル化冷パックの脆性封止に同時にダメージを与えた。その後、２つのデバイスについて40分間にわたり得られた表面温度を、図１にプロットしている。実施例１によるパックの時間-温度プロット１、および非ゲル化パックの時間-温度プロット２の両方を図１に示す。
【００７３】
図１から分かるように、本発明のゲル化冷パックは、活性化後６分から活性化後少なくとも40分まで、非ゲル化冷パックよりも低温度を達成することができる。２つのパックで得られた最低温度の最大差は、活性化後２分における華氏3.1度(1.7℃)である。本発明のゲル化冷パックは、上記時間にわたり、非ゲル化冷パックよりも優れた冷却効果寿命を明らかに示す。本発明のゲル化冷パックにおけるゲル化剤の分散がさらに向上しているため、ゲル化の確実性および低温度能力が実質的に向上する。
【００７４】
本発明を上述の詳細な説明において記載してきたが、上述した記載は例示であり、添付する特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を限定するものではない。その他の態様、利点および改変も特許請求の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明のゲル化冷パックの一実施形態および類似の非ゲル化冷パックについての、パック表面にて測定した温度対時間の比較プロットである。
発明の背景
本発明は、材料が液体中に溶解する際に発生する溶液の負熱(negative heat)を利用する冷パックに関する。
【０００２】
材料が液体中に溶解する際の負熱により冷熱を発生するコンパクトな自己冷却デバイスは、当該分野において公知である。Williamsの米国特許第3,804,077号は、一方のゾーンに水溶性材料(硝酸アンモニウム)およびゲル化剤として作用するデンプン材料を含有し、他方のゾーンに水を含有する冷パックを開示している。使用者がゾーンの間の隔離板を破ると成分が混合される。硝酸アンモニウムの溶解は吸熱性で、周囲から熱を吸収し「冷熱を発生」する。デンプンゲルは、冷パックにある程度の硬度をもたらし、混合されたパック内容物の分布が、重力の影響によって不均一になるのを防止することが知られている。このような冷パックの有効な冷熱提供寿命は、ゲルが無い場合に起こるような、水の硝酸アンモニウムへの迅速な到達を妨げることができるため延長されている。
【０００３】
パック内の材料の粒子の大きさおよび密度がかなり異なるため、輸送の間にデンプンがパックの底に蓄積しがちである。このようなパックの成分は、ほとんど分散しない場合が多い。パックの一部の領域は過度にゲル化されるが、ゲルが水と硝酸アンモニウムとが互いに対して拡散するのを妨げるため冷たくならない。パックの別の領域ではゲル化が不十分で、過度に冷たいが、冷熱発生寿命が短くなる。使用前に、パックを攪拌してデンプンが均一に分布するようにしなければならない。均一な分布は常に可能なものではない。これにより、パック間でゲル化能力が一貫せず、その結果温度降下も一貫しない。
【０００４】
また、多くの従来デバイスでは粉末化デンプンが使用されている。粉末化デンプンは、冷溶液において迅速なゲル形成力を得るために使用される。粉末化デンプンは、非常に軽量で、冷パックを製造する間に粉塵が生じ易い。デンプン粉塵は、プラスチック製バッグ包装の封止領域を汚染して、不完全または弱い封止を形成させる。有意な量の粉末を粉塵制御システムにおいて損失し、個々の冷パックにかかる費用が増加する。さらに、粉末化デンプンは、極度な爆発危険物であり、冷パックを製造する工場において危険な労働条件の原因となる。
【０００５】
発明の概要
一態様において、本発明は、浸透性(好ましくは液体浸透性)かつ非連続的なコーティングとして、複合微粒子「冷熱発生」材料に接着したゲル化剤を含むゲル化冷パックを提供する。冷熱発生材料は、液体第２材料と相互作用して冷熱を発生できる。冷熱は、複合微粒子材料が液体第２材料(好ましくは水溶液)中に溶解する際の負熱により発生する。「冷熱発生」材料は、例えば、いくつかのアンモニウム塩の１つ、スズ、コバルトもしくはニッケル塩、アルカリ金属塩、または尿素などの有機化合物であってもよい。好ましい「冷熱発生」材料は、硝酸アンモニウム、特にプリル(prill)形態のもの、好ましくは低密度硝酸アンモニウムプリルである。ゲル化材料は、デンプンであることが好ましい。ゲル化材料は、噴霧、浸漬、ブラッシングまたは接着材料の使用により、硝酸アンモニウムプリルに塗布できる。また、冷パックは、デバイスの実用的な冷熱発生寿命を延長する相転移材料を含んでもよい。
【０００６】
これらの材料は、使い捨て容器の、隔離された液体不浸透性かつ熱伝導性ゾーンに収容される。一方のゾーンはゲル化剤で被覆された微粒子「冷熱発生」材料を含有し、他方のゾーンは液体材料を含有する。各タイプのゾーンの数は任意のものである。使い捨て容器は、周囲に一致するポリマー材料から作られてもよい。
【０００７】
本発明のゲル化冷パックは、上記ゾーンの間の隔離板にダメージを与えることを含むデバイスの活性化により冷熱を発生する。隔離板は、使い捨て用の脆性膜であってもよい。
【０００８】
別の態様において、本発明は、活性化の前または後のいずれかにおいて、対象物を本発明の冷パックと接触させることにより対象物を冷却する方法を提供する。デバイスの活性化により冷熱が発生し、動物、好ましくはヒトの身体の一部でありうる対象物を冷却する。あるいはまた、冷却対象物は、食品または飲料製品でもよい。
【０００９】
別の態様において、本発明は、硝酸アンモニウムプリルにゲル化剤を塗布して浸透性かつ非連続的なゲル化剤層を得て、プリル/ゲル化剤の組み合わせを乾燥させることにより、硝酸アンモニウムプリルを被覆する方法を提供する。
【００１０】
本発明の冷パックは、いくつかの利点を有する。ゲル化剤は、デバイスの操作時に均一に分散したゲルを形成する。このゲルの存在により、混合された冷熱発生材料が底に沈殿してデバイスの効率を低下させることを防止する。
【００１１】
また均一なゲルにより、デバイスの有効寿命が増大され、従来可能であったよりも延長された冷熱発生の時間プロフィールが得られる。
【００１２】
本発明の冷パックは、パック内でのゲル化剤の分散性が優れている。ゲル化剤を冷熱発生材料に接着させることで、パックを活性化してすぐにゲル化剤が「凝集(pill)」したり、または実質的に湿潤しなかったりするのを防ぐ。本発明の冷パックにおいて、接着したゲル化剤は、冷熱発生材料上で連続したコーティングを形成せず、従ってパックの活性化に伴う温度降下の開始を妨げることがない。
【００１３】
本発明の冷パックの製造は、粉末化ゲル化剤(典型的にデンプン)の粉塵発生が著しく少ない。パックの封止がより均一になり、封止部は欠陥となりにくい。
【００１４】
本発明はまた、成分の利用がより効率的であるために、従来可能であったよりも小さい冷パックの製造を可能にする。ゲル化剤全体を湿潤させることが可能であるため、湿潤されない部分を考慮して過剰なゲル化剤を添加する必要がない。
【００１５】
特に記載しない限り、本明細書で使用する技術用語および科学用語は全て、本発明が属する技術分野の当業者に一般に理解されているものと同じ意味をもつ。本明細書に記載の方法および材料に類似または等しい方法および材料も本発明の実施および試行のために使用できるが、以下には適した方法および材料を記載する。本明細書で挙げる文献、特許出願、特許および他の参考文献は全て、参照によりその全体を組み入れる。係争の場合には、定義を含む本明細書が優先する。さらに、材料、方法および実施例はあくまで例示のものであり、限定するものではない。
【００１６】
本発明のその他の特徴および利点は、以下の詳細な記載および特許請求の範囲から明確になるであろう。
【００１７】
好ましい実施形態の説明
本発明は、冷却開始を有意に妨げたり遅らせたりすることなく、また効率に悪影響を及ぼすことなく、ゲル化剤を、冷パックで使用される冷熱発生材料に接着できるという発見に基づいている。ゲル化剤および冷熱発生材料の両方が、実質的に粉塵を出さずに得られ、その結果冷パックの組立てが改善される。輸送および運搬の間のゲル化剤と冷熱発生材料との実質的な分離を回避して、冷パック能力の確実性および再現性を実質的に改善する。
【００１８】
冷熱発生材料
本発明は、互いと接触させると相互作用して冷熱を発生する２つの材料を利用する。これらの材料は、互いと化学的または物理的に反応して冷熱を発生しうる。
【００１９】
冷熱を発生する化学反応(吸熱反応)は、反応の負熱を生じるものである。例えば、水酸化バリウム水溶液とチオシアン酸アンモニウムとの間の化学反応は、吸熱性で、冷熱を発生する。
【００２０】
冷熱を発生する物理的相互作用は、溶液の負熱を生じるものである。例えば、硝酸アンモニウム、硝酸カリウム、硫酸アンモニウムおよび塩化アンモニウムなどの無機塩が水に溶解することで冷熱が発生する。さらに有用な冷熱発生材料は、尿素などの有機材料、ならびに臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、塩化カリウム、塩化スズ二水和物、ジアミンコバルト、ジクロロコバルト六水和物および硝酸ニッケル六水和物などのその他の無機塩である。
【００２１】
冷熱発生材料が相互作用する材料は液体である。該液体は、水性すなわち水でもよいし、またはその他の成分(例えば、アルコール、グリセロール、エチレングリコール、プロピレングリコールおよび同様の化合物などのヒドロキシル類およびポリヒドロキシル類)を含有する水でもよい。
【００２２】
以下に記載するように、本発明のゲル化冷パックの追加成分として、例えば、相転移材料でありうる。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態は、冷熱発生材料が物理的に相互作用して冷熱を発生するものである。好ましい冷熱発生材料として、硝酸アンモニウムが挙げられる。硝酸アンモニウムは、プリルと呼ばれる高密度または低密度のビーズ様ペレットの形態で広く入手可能である。プリルは、複合微粒子材料である。ゲル化冷パックのためには、低密度形態が、より溶解され易く、そのため望ましい急速な温度降下をもたらすため好ましい。低密度プリルはまた、低い重量パーセント(約0.5〜約5重量％、多くの場合約１〜３重量％)のカオリンなどのクレイ結合剤(clay binder)も含有する。しかし、低密度硝酸アンモニウムプリルは、高密度プリルと比べて粉塵を生成し易い。このため、ゲル化冷パックの製造者は、低密度硝酸アンモニウムの性能的な利点を捨てて、この材料に伴う製造する際の問題を避けてきた。
【００２４】
本発明者らも利用した販売業者(Nitram Inc., Tampa Florida)から供給される高密度および低密度硝酸アンモニウムプリルはいずれも、同じ比重(すなわち、1.7 g/cc)を有すると記載されている。しかし、２種のプリルのかさ密度は無視できない程度に異なる。低密度硝酸アンモニウムプリルは、立方センチメートル当たり約0.60〜約0.90グラム(g/cc)、または約0.65〜約0.85 g/ccのかさ密度を有するものである。高密度硝酸アンモニウムプリルは、約0.90〜約1.10 g/cc、または約0.95〜約1.05 g/ccのものである。これらのかさ密度は、高密度および低密度硝酸アンモニウムプリルのサンプルの容積および重量を測定することで求められる。
【００２５】
本発明の水性基剤(aqueous-based)ゲル化冷パックには、水100 mL当たり約50〜約150グラム、好ましくは水100 mL当たり約75〜約140グラムの冷熱発生材料が存在する。
【００２６】
ゲル化剤
本発明において有用なゲル化剤は、有機物または無機物のいずれかである。本発明においては両者とも有用である。金属酸化物、金属アルコキシド、金属酸化物のアルカリ金属塩などの無機化合物が使用できる。これらには、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタニウム、酸化ジルコニウム、ならびに水およびアルコールなどの溶剤と組み合わせられたケイ酸塩およびアルミン酸塩が挙げられる。
【００２７】
本発明で使用するのに好ましいゲル化剤は、有機物である。有用な有機ゲル化剤としては、デンプンなどの炭化水素；ポリアクリルアミド；ペンタエリトリトールなどのポリオール；または乾燥ゼラチンなどのタンパク質性物質などの有機化合物が挙げられる。これらの作用物質は、水、アセトン、アルコール、ジメトキシテトラグリコールなどの溶剤と組み合わされてゲルを形成できる。その他の多くの有機および無機基剤ゲル系の例は、当業者に公知である。
【００２８】
特に好ましいのは、水溶液と反応するとゲルを形成する有機ゲル化剤である。ポリヒドロキシ含有有機ポリマーゲル化剤は、本発明の冷パックにおいて良好に作用することが見出されている。これには、様々な多糖が含まれる。デンプンは、本発明の一部の実施形態において特に有用であることが見出されている。
【００２９】
デンプンは、α-Ｄ-グルコピラノシル単位の線状ポリマー(アミロース)および分枝状ポリマー(アミロペクチン)の混合物を含む。アミロースは、(１→４)α-グルコシド結合により互いに結合したＤ-グルコピラノシル単位の線状ポリマーである。アミロペクチンは、主に(１→４)結合であるが、分枝点において(１→６)α-グルコシド結合も含むα-Ｄ-グルコピラノシル単位の高度に分枝したポリマーである。デンプンから単離可能なその他の非炭水化物材料としては、通常少量しか存在しない脂肪酸、タンパク質、酵素および無機材料が挙げられる。デンプンは、トウモロコシ、ロウ質トウモロコシ(waxy corn)、小麦、ライ麦、大麦、モロコシ類もしくはイネの種子、またはこのような植物の根(タピオカ、ジャガイモもしくはクズウコン)、あるいはサゴヤシの木の髄などを含む多くの供給源から単離されてもよい。
【００３０】
一般的に、デンプンは、初めは粘性のない不透明なデンプン懸濁液が、粘性を有して半不透明となり、最終的に透明になるゲル化温度により特徴をなす。アミロース含量は約０〜約85％の範囲にわたり、残りの部分は主にアミロペクチンからなる。一部のデンプンペーストは、アミロースの線状分子の会合により濃密化する。トウモロコシデンプンは、堅いゲルを形成する。アミロースが著しく低量または全く含まないロウ質デンプンは、希釈分散液中ではゲル化しないが、高濃度(30％)の場合には、50〜60℃において再分散する可逆性ゲルを形成する。
【００３１】
またデンプンは、その置換度によっても特徴をなす。置換基は、遊離ヒドロキシル基との反応を介して導入できる。導入される置換基の数は、分析により推定され、官能基(例えば、窒素基、リン基、塩素基、ヒドロキシアルキル基もしくはカルボキシル基)の割合（％）として、または好ましくは置換度として表される。置換度は、アンヒドログルコース単位あたりの置換基の数を示し、以下に示す等式から計算できる。
【００３２】
ＤＳ ＝ (162)(Ａ)/100(Ｂ) - (Ｃ - １) (Ａ)
式中、ＤＳは置換度、Ａは分析で求められた置換基の割合（％）、ＢはＡの式量、およびＣはＢと異なる場合の導入される置換基全体の式量である。置換度が３である場合、アンヒドログルコース単位上の全ての遊離ヒドロキシル部位が置換されていることを意味する。
【００３３】
本発明の冷パックでは、冷水ゲル化が望ましい。予備ゲル化デンプン(予備加熱デンプンを含む)は、ゲル化を生じるプロセスによって乾燥され、そのような用途に有用な製品である。この種のデンプンは、冷水中で膨張し分散する。これは、このデンプンの顆粒が破壊されて分子が高度に会合しないためである。この後者の影響は、分子が大量に整列および会合する前に、迅速に脱水するために生じる。噴霧乾燥、ドラム乾燥、吹き出し噴出(puff extrusion)および発泡加熱(foam heating)は、予備ゲル化デンプンを製造するのに適した方法である。
【００３４】
予備ゲル化デンプンを含むデンプンは、架橋により修飾して、剪断耐性、耐熱性、および極端に高いまたは低い水素イオン濃度に対する耐性を高めてもよい。デンプンを、部分的に酸化して、安定性を向上できる。窒素、硫酸、リン酸もしくはキサンタネートを用いた無機エステル化により、またはカルボン酸、酸無水物、酸塩化物もしくはビニルエステルによる有機エステル化によって、デンプンを誘導体化できる。また、デンプンエーテルを形成して、本発明に使用してもよい。
【００３５】
冷水膨張デンプンのその他の群は、高い置換度を有する親水性デンプン誘導体である。このようなデンプンでは、顆粒の構造は、水と接触した際に顆粒が水和し分散する程度まで、均質反応系において意図的に破壊されているか、または置換基により弱化されている。
【００３６】
ヒドロキシアルキルデンプンも、本発明の冷パックのゲル化剤として適している。このようなデンプンとしては、リン酸水素ヒドロキシエチルエーテルデンプンおよび２-リン酸水素ヒドロキシプロピルエーテルデンプンが挙げられる。0.15〜1.0の置換度においては、このようなヒドロキシアルキルデンプンは、冷水可溶性である。
【００３７】
デンプンゲル化についての詳細な情報は、Encyclopedia of Polymer Science and Technology, v.12, Interscience; John Wiley & Sons, Inc., New York, 1970, pp. 819-847に記載されている。デンプンの製造方法および誘導体化方法は、当業者に周知である。
【００３８】
本発明の冷パックに使用するのに好ましいデンプンは、約−５℃の温度に耐性な、冷水で水和するデンプンである。適切なデンプンは、Binasol 90C、Binasol 81、 SoftSet、 Mira-Thik 603、 Mira-Thik 606、 Mira-Thik 609、 Mira-Thik 468、Mira-Thik 469およびMira-Gel 463デンプン(A.E. Staley Mfg. Co., Decatur, IL)として入手可能である。特に好ましいのは、Binasol 90CおよびMira-Thik 468デンプンである。
【００３９】
本発明のゲル化冷パック中のゲル化剤の量は、水100mL当たりゲル化剤が約5〜約25グラムでありうる。この量を超えると、最大温度降下を達成できなくなり、この量より少ないと冷パックにおいて十分なゲル化が得られない。本発明のゲル化冷パック中のゲル化剤の好ましい量は、水100mL当たり約10〜約25グラムである。
【００４０】
接着方法
ゲル化剤を冷熱発生材料に接着させて、低粉塵複合材を生成する。これにより、パックの製造が大幅に簡易化される。なぜなら、ゲル化剤および冷熱発生材料は、それぞれ非常に粉塵を生じ易いからである。この粉塵性は、確実な包装封止の形成を困難にし、空気フィルタなどの粉塵制御システムを使用する必要性のために成分を大量に浪費してしまい、ゲル化冷パックを製造するための専用施設における爆発の危険性を大幅に高める。
【００４１】
ゲル化剤を冷熱発生材料に接着する方法は、いくつかの適切な方法から選択できる。これらの方法としては、冷熱発生材料にゲル化剤を噴霧すること、冷熱発生材料をゲル化剤に浸漬すること、接着材料を使用して冷熱発生材料に塗布して、その後接着剤の付いた冷熱発生材料をゲル化剤に流し込むかまたはゲル化剤を散布する。この方法は、運搬時にゲル化剤の粒子が冷熱発生材料から分離するのを実質的に防止するように接着して、十分な量のゲル化剤を冷熱発生材料と付着させる。
【００４２】
冷熱発生材料の表面上にゲル化剤からなる連続被覆膜が形成されるのは望ましくない。なぜなら、冷熱発生材料とそれが溶解する液体との反応開始の望ましくない遅れが生じるためである。むしろ、接着方法は、冷パック内でゲル化剤が均一に分布するように働き、ゲル化剤が、パック内の冷熱発生反応が起こる領域に留まるようにする。ゲル化剤の溶解は、本発明のゲル化冷パック内の冷熱発生において限定する工程ではない。
【００４３】
従来のゲル化冷パックは、ゲル化剤が、輸送または保存の間に、例えばゲル化パックの隅などに局所化し、結果的に使用者が再度実質的に分布させること無しには機能を果たせないという欠陥問題を有していた。冷熱発生材料を懸濁および分散させる機能を全く果たさないのでゲル化剤の湿潤が不均一で、ゲル化剤の大部分が無駄になる。これは、ゲル化剤の浪費である。本発明の冷パックは、使用者によりゲル化冷パックが活性化される際に、ゲル化剤が容器全体にわたって分散するように留まらせる。
【００４４】
ゲル化剤粒子の冷熱発生材料への接着には、吸湿性の冷熱発生材料から水分がゲル化剤に再分布するのを防止するための乾燥工程が含まれることが好ましい。パックの活性化前のこのような再分布は、本発明の冷パックのゲル化能力、従って冷熱発生能力を低下させ易い。ゲル化剤が接着した冷熱発生材料の乾燥は、いくつかの方法により行うことができ、強制空気浴、外部加熱された回転乾燥機中での乾燥、または当業者に公知のその他の乾燥方法が挙げられる。
【００４５】
任意の成分
本発明のゲル化冷パックは、任意に追加の構成要素を含んでいても良い。追加構成要素としては相転移材料が挙げられる。相転移材料は、固相から液相へ、一方の固相から他方の固相へ、またはその逆に相が転移する際に潜熱を蓄積または放出する。
【００４６】
相転移材料は、温度安定剤として作用する。ゲル化冷パックが冷却を開始し始めると、相転移材料から熱が除去されて、相転移材料の相を転移、好ましくは凍結させる。この材料は、デバイスにより達成される温度範囲内で凍結する材料を選択することが好ましい。凍結した相転移材料は降下した温度を長時間維持するのを助ける。なぜなら、相転移材料の再融解は吸熱するからである。相転移材料の融解に必要な熱は、相転移材料が完全に融解するまで、冷パックの温度を上昇させることはない。これにより、本発明の冷パックの有効な機能寿命の延長がもたらされる。
【００４７】
相転移材料は、通常の周囲温度においては液体で、冷パックが安定することが望ましい温度付近では融解するものが適している。パラフィン系炭化水素の同族列の融点は、以下の表に示す炭素原子の数に直接関係する。
【００４８】
【表１】
上記材料はそれぞれ、別々にまたは組み合わされて、例えば約1〜約10ミクロンの大きさで、当業者に公知の参考文献のいずれかに記載の方法(Vandergaer, J.E., Microencapsulation; Processes and Applications, Plenum Press, New York, 1974; Nixon, J.R., Microencapsulation, Marcel Dekker, Inc., New York, 1976)に従って形成されるマイクロカプセルなどに封入することができる。上記化合物はそれぞれ、その融点付近に意図する冷却温度がある場合に最も有効である。前述の記載から、適切な相転移材料を選択してカプセル封入形態で本発明の冷パックに加えることにより、本発明の特定のゲル化冷パックの性能が有意に向上しうることが理解されるであろう。
【００５０】
容器
冷熱発生材料、ゲル化剤および任意の成分を収容する容器は、少なくとも１つの第１ゾーンおよび少なくとも１つの第２ゾーンを作るように形成する。第１ゾーンは複合冷熱発生材料/ゲル化剤を含む。第２ゾーンは溶剤を含む。これらのゾーンは、デバイスの操作の前後両方においてこれらの成分を保持しなければならないため、両ゾーンとも液体不浸透性でなければならない。また、この容器は、外部から内部に熱伝導可能で、容器の外側を冷却して、容器の外部にあるあらゆる所望の対象物を冷却させるものでなければならない。
【００５１】
冷熱発生相互作用を開始させるために、冷熱発生材料およびそれと相互作用する第２材料が互いに接触するようにしなければならない。これは、本発明においては、上記ゾーンの間の隔離板を開口、選択的に穿孔、破断、または他にダメージを与えることにより行われることが好ましい。好ましい実施形態では、溶剤は液体、より好ましくは水性の液体である。該水性液体は、隔離板にダメージを与えた後に、冷熱発生材料およびゲル化剤を含むゾーン内に移動できる。しかし、隔離板にダメージを与えた後に、冷熱発生材料およびゲル化剤を、水を含むゾーン内に移動させてもよいことも理解されるであろう。いずれかのゾーンが、任意に相転移材料を含んでも良い。
【００５２】
隔離板は、手で容器を変形させることにより、破断、穿孔またはダメージを与えることができる材料からなることが好ましい。１対を上回る容器ゾーンを含む実施形態では、本発明の冷パックは適切なより多数の隔離板を備えて、所望の冷熱を得るのに十分な各タイプのゾーン間の連絡を確立させることが理解されるであろう。１対のゾーンのみを使用する実施形態において複数の隔離板を使用することもできる。本発明は、冷パックにおけるゾーンの並置状態または立体配置によって限定されない。
【００５３】
隔離板に対する圧力または隔離板に沿った圧力は、容器の外面、ならびに容器、第１ゾーンおよび第２ゾーンを囲む表面は無傷のままで、隔離板を選択的に破断、穿孔またはダメージを与える。隔離板は、いくつかの機能性立体配置のいずれかからなっていてよい。好ましい実施形態では、隔離板は、第１ゾーンと第２ゾーンの間に施され、手で分離させて隔離板にダメージを与えることができる脆性壁または弱化壁からなる。別の好適な実施形態では、隔離板は、第２ゾーン内に内包されるのに適した第１ゾーンを含む容器(「バッグ内バッグ」構造)の脆性壁または弱化壁である。
【００５４】
別の実施形態では、プルタブを使用して、隔離板にダメージを与える。プルタブは、引っ張られると、隔離板にダメージを与えて、第１ゾーンと第２ゾーンの間を連絡させる。それほど好適ではない実施形態では、隔離板は、圧力をかけられると外れるストッパ付きの穴を備える。この場合も隔離板を介して連絡させる。別の実施形態では、隔離板は、圧力がかかった状態で破断し、ゾーンの内容物を互いに触れさせる、複数の孔を有する壁を含む。同様に、隔離板は、取外し可能ディスクまたはキャップからなるか、貫通されているか、弁(脆性弁など)からなる。
【００５５】
あるいはまた、隔離板は、隔離板が外部圧をかけられた際に１つまたは好ましくは複数の亀裂またはスリットを形成するように設定する。亀裂は、隔離板の端部または周囲部から内部に向けて広がるか、隔離板の端部または周囲部の中間に配置されてもよい。しかし、隔離板にダメージを与えるのに十分な手段であれば、本発明に使用することができる。当業者であれば、この他の可能性のある変更を認めるであろう。
【００５６】
容器は、個々のゾーンのいずれの内容物にも悪影響を受けず、遭遇する温度に耐性な、可撓性かつ熱伝導性の薄い材料からなることが好ましい。このような材料はポリマー材料であってよく、イオノマーフィルム(例えば、DuPontから入手可能なSurlyn(登録商標))、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル(DuPontから入手可能なMYLAR(登録商標)フィルムなど)、アルミニウム、アルミニウム処理されたポリマーフィルム、および冷却液体を収容するのに適したその他の従来プラスチックまたは他の包装材料(例えば、ゴム、ビニルもしくはビニル被覆繊維)などが挙げられる。ビニルの封止は、典型的に、当業者に公知の高周波封止プロセスを利用して行われる。透明ビニルを使用する場合、約0.02 mm〜約0.1 mmの厚みが適していることが見出されている。これにより、容器をその周囲の形状に一致する薄膜状エンベロープとして作用させる。
【００５７】
容器は、端部において結合されて、密閉された実質的に平面なエンベロープを形成する上層および下層を含むことが好ましい。隔離板が、圧力を加えられると破断する弱化領域または薄い領域を有する壁を含むことが最も好ましい。
【００５８】
好適な実施形態では、熱伝導性材料は、実質的にアルミニウムもしくは銅からなる金属製ホイル、またはアルミニウム処理されたポリエステルなどの金属化プラスチック製フィルムである。この材料の端部は、いずれかの適切な手段(例えば、はんだ付け、ヒートシール、超音波溶接、溶剤溶接、折畳み封止(fold sealing)または接着剤の使用)により結合される。別の好適な実施形態では、容器に使用される材料は、イオノマーフィルムである。
【００５９】
冷パックの製造の間、容器は、各ゾーンにおいて、冷熱発生材料/ゲル化剤および液体をそれぞれ導入するための開放端部または開放側部を備えることが好ましい。他の側部または端部は、この導入の前に封止される。容器の異なるゾーンへ成分を加えた後に、開放側部は封止される。容器の大きさおよび形状、ならびに容器内のゾーンの並置状態および立体配置は、意図する用途により異なる。冷パックを適切に組み立てるための他の組立て方法もある。例えば、一方のタイプのゾーンを、他方のタイプのゾーンを充填する前に真空封止してもよい(例えば、環状配置されているゾーン、またはバッグ内バッグ配置の場合)。特定の実施形態では、積み重ね配置されたゾーンを採用する。本発明は、容器内のゾーンの配置によって限定されない。
【００６０】
冷パックは、組立て後かつ使用前は静的状態にあり、１回使用されると使い捨て可能であることが好ましい。本発明の他の実施形態では、本発明の冷パックに、複数の第１ゾーンおよび/または第２ゾーンが意図される。上述したように、これらの実施形態では、一対のゾーンのみを有する実施形態と同様に１つ以上の隔離板を使用することができる。
【００６１】
本発明を使用するためには、使用者は、隔離板にダメージを与えるまたは開封する。次いで、使用者は、一方のゾーンの内容物を他方のゾーン内に、またはその逆に分布させる。好ましい実施形態では、第２の液体含有ゾーンが、第１の冷熱発生材料/ゲル化剤ゾーン内に分布される。
【００６２】
本発明の冷パックが有用な用途は多数ある。冷熱は、熱流と逆方向に移動して、冷パック内の液体媒体を通る対流によりデバイスの外面へと伝達され、熱パックが採用される特定の用途に応じてさらに別の物体に伝達されると考えることができる。このような用途では、冷パックは、それらの使用に適した形状をとるように設計される。例えば、冷パックは、特定の実施形態では食物または飲料を冷却するように設計される。食物または飲料を冷却するために使用される冷パックは、所定の時間内で所定の処理温度を得るなどの特定の性能基準を満たすように設計されうる。
【００６３】
また本発明の冷パックは、医療施設、家庭または娯楽地において、治療用途または過熱を和らげるために使用されうる。冷パックは、痛めた筋肉、関節もしくは靭帯を冷却するために、または熱射病を治療もしくは予防するために使用してもよい。
【００６４】
本発明の冷パックは、ヒトまたは獣医外科などの外科や他の医療用途での使用に容易に適合する。本発明の冷パックは、優れた温度安定特性を有しているため、過剰冷却による患者の不快およびそれに起因する組織苦痛を有意に最小限におさえる。
【００６５】
上記および他の用途のため、冷パックは、冷パックの開始時の位置決め(例えば、手足へ)を可能にする固定手段を備えることが好ましい。つまり、それ以上位置調整することなくその後のデバイスの活性化が行われる。適した固定手段としては、ストラップ、接着テープまたは再利用可能な接着ストリップ(例えばVELCRO(登録商標)ストリップ)が挙げられる。冷パックは、手足(ヒト、ウマ、イヌまたはその他のあらゆる動物の脚など)の周囲に取り付けられるように寸法を合わせたスリーブとして設定してもよい。平坦な冷パックを、繊維スリーブまたはラップに挿入してもよい。スリーブの直径を調節可能にし、様々な患者に対して同じスリーブを使用できるようにしてもよい。あるいはまた、冷パックをパッドとして設定して、ヒトまたは動物の背中または胸などの広い範囲の身体表面を冷却できるようにしてもよい。冷パックは、冷却対象物と接触する前または後に活性化されうる。本明細書で使用する「活性化」という用語は、隔離板にダメージを与えるまたはその他の処理を指し、これにより使い捨て容器のゾーンの内容物を混合させてゾーン内容物の相互作用を開始させるか、冷パックの内容物を共に手で混合またはその他の手段で混合させることを指し、これにより内容物の均一な分布、そして均一な冷却を確実にする。
【００６６】
本発明の冷パックは、治療用途で使用するのに適合させ易い。多種の外傷は、冷熱を当てて治療することが最も望ましい。これには、筋肉および靭帯の挫傷および捻挫、ならびにリウマチおよび関節炎などの苦痛が挙げられる。またこのような冷パックの用途のために、冷パックは、スリーブまたはパッドのように作られ、上記したような固定手段が備えられることを必要とする場合がある。
【００６７】
また本発明は、自己冷却型使い捨てゲル化冷パックを使用して対象物を冷却する方法を特徴とする。この方法は、上述したような冷パックを用意し、隔離板にダメージを与えて該冷パックを活性化し、手でもしくは他の手法で第１および第２ゾーンの内容物を共に混合してその内容物を確実に接触させて、該冷パックを対象物を冷却するために実際に使用することからなる。これは、対象物と冷パックとの間の熱接触を確立し維持することにより最も有効に達成できる。一部の実施形態では、冷パックは、食物および飲料用容器など冷却対象の容器と一体化される。別の実施形態では、冷パックは、冷却すべき対象物に単に載せられるか、または冷却すべき対象物とフィットするように適合される。
【００６８】
本発明を、特許請求の範囲に記載する本発明の範囲を限定しない以下の実施例においてさらに記載する。
【００６９】
実施例
以下の実施例では、本願発明の一部の特定の実施形態の一部の特性について記載する。
【００７０】
実施例１：低密度硝酸アンモニウムを使用したゲル化冷パック
一実施例においては、本発明のゲル化冷パックを以下のように製造した。Surlyn(登録商標)容器の一方のゾーンには、110 mLの脱イオン水を含有させた。他方のゾーンには、21グラムのBinasol 90Cデンプン(A.E. Staley Mfg. Co., Decatur, IL)を接着させた115グラムの低密度硝酸アンモニウムプリル(Nitram Inc., Tampa FL)を含有させた。これは、硝酸アンモニウムプリルをわずかに湿潤させてデンプン粉末に流し込むことにより行った。ゾーンの間の隔離板は、Surlyn(登録商標)から作製した。
【００７１】
実施例２：高密度硝酸アンモニウムを使用したゲル化冷パック
別の実施例では、本発明のゲル化冷パックを、以下の変更を加えて、実施例１に記載のように製造した。Surlyn(登録商標)容器の一方のゾーンには、120 mLの脱イオン水を含有させた。他方のゾーンは、16グラムのBinasol 90Cデンプンを接着させた115グラムの高密度硝酸アンモニウムプリルを含有させた。
【００７２】
実施例３：ゲル化冷パックと非ゲル化冷パックとの性能比較
実施例１に記載した成分の冷パックを、以下のように製造した非ゲル化冷パックと性能比較した。130グラムの低密度硝酸アンモニウムプリルを、Surlyn(登録商標)容器の一方のゾーンに入れ、他方のゾーンには120 mLの脱イオン水を含有させた。両方の容器には、脆性封止型の隔離板にダメージを与えた。周囲温度は24℃であった。ゼロの時点において、実施例１によるゲル化冷パックおよび上述の非ゲル化冷パックの脆性封止に同時にダメージを与えた。その後、２つのデバイスについて40分間にわたり得られた表面温度を、図１にプロットしている。実施例１によるパックの時間-温度プロット１、および非ゲル化パックの時間-温度プロット２の両方を図１に示す。
【００７３】
図１から分かるように、本発明のゲル化冷パックは、活性化後６分から活性化後少なくとも40分まで、非ゲル化冷パックよりも低温度を達成することができる。２つのパックで得られた最低温度の最大差は、活性化後２分における華氏3.1度(1.7℃)である。本発明のゲル化冷パックは、上記時間にわたり、非ゲル化冷パックよりも優れた冷却効果寿命を明らかに示す。本発明のゲル化冷パックにおけるゲル化剤の分散がさらに向上しているため、ゲル化の確実性および低温度能力が実質的に向上する。
【００７４】
本発明を上述の詳細な説明において記載してきたが、上述した記載は例示であり、添付する特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を限定するものではない。その他の態様、利点および改変も特許請求の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明のゲル化冷パックの一実施形態および類似の非ゲル化冷パックについての、パック表面にて測定した温度対時間の比較プロットである。
Claims (17)
- 浸透性の非連続的コーティングとしてゲル化剤の粒子を接着させた、液体第２材料と相互作用して冷熱を発生することができる複合微粒子材料を含有する、少なくとも１つの液体不浸透性かつ熱伝導性の第１ゾーン、
第１タイプのゾーン内の第１材料と相互作用して冷熱を発生する第２材料を含有する、少なくとも１つの液体不浸透性かつ熱伝導性の第２ゾーン、
第1ゾーンと第2ゾーンの間に配置され、該ゾーン間を連絡させるように手で操作可能な隔離板、
を含む使い捨て容器を備えるゲル化冷パックであって、
該ゾーンの間の連絡によりゲル化剤のゲル化が開始して該容器内にゲルを生成し、また該連絡により第１材料と第２材料の相互作用が開始して、該容器内において冷熱を発生する、上記ゲル化冷パック。 - 前記第２材料が水溶液である、請求項１に記載のゲル化冷パック。
- 前記第１材料が、硝酸アンモニウム、尿素、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、塩化カリウム、塩化スズ二水和物、ジアミンコバルト、ジクロロコバルト六水和物および硝酸ニッケル六水和物からなる群より選択される、請求項１に記載のゲル化冷パック。
- 前記第１材料が硝酸アンモニウムである、請求項３に記載のゲル化冷パック。
- 前記硝酸アンモニウムが、少なくとも１つの低密度プリルの形態である、請求項４に記載のゲル化冷パック。
- 前記ゲル化剤がデンプンである、請求項１に記載のゲル化冷パック。
- 前記ゲル化剤が第１材料に噴霧される、請求項６に記載のゲル化冷パック。
- 前記ゲル化剤を第１材料に接着するための接着剤をさらに包含する、請求項６に記載のゲル化冷パック。
- 前記容器が、周囲の形状と一致する薄膜状エンベロープを包含する、請求項１に記載のゲル化冷パック。
- 前記容器がポリマー材料を包含する、請求項９に記載のゲル化冷パック。
- 複数の第１ゾーンおよび第２ゾーンをさらに包含する、請求項１に記載のゲル化冷パック。
- 前記隔離板が使い捨て用の脆性膜である、請求項１に記載のゲル化冷パック。
- カプセル封入された相転移材料をさらに包含する、請求項１に記載のゲル化冷パック。
- 低密度硝酸アンモニウムに接着したデンプンを含有する、少なくとも１つの液体不浸透性かつ熱伝導性の第１ゾーン、
水を含有する、少なくとも１つの液体不浸透性かつ熱伝導性の第２ゾーン、
第１ゾーンと第２ゾーンの間に配置され、該ゾーン間を連絡させるように操作可能な隔離板である、使い捨て用の脆性膜、
を含む使い捨てポリマー容器を備えるゲル化冷パックであって、
該ゾーン間の連絡により該容器内のデンプンのゲル化が開始して該容器内にデンプンゲルを生成し、また硝酸アンモニウムと水との相互作用を開始させて、該容器内で冷熱が発生する、上記ゲル化冷パック。 - 以下に示す工程：
ａ）請求項１に記載のゲル化冷パックを、冷却すべき対象物（人間を除く）と接触させる工程、
および
ｂ）隔離板にダメージを与え、ゾーン間の連絡を得ることにより、第１材料と第２材料の相互作用を開始させ、容器内において冷熱を発生させる工程、
を含む、人間を除く対象物を冷却する方法。 - 前記冷却すべき対象物が食品または飲料製品である、請求項１５に記載の方法。
- 前記冷却すべき対象物が人間を除く動物の身体の一部である、請求項１５に記載の方法。
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