專利名稱：自調(diào)節(jié)熱包的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明涉及通過放熱化學反應(yīng)提供加熱的自加熱裝置。
通過放熱化學反應(yīng)產(chǎn)生熱量的小型自加熱裝置是該領(lǐng)域已知的。美國專利4,397,315公開了具有外包套和內(nèi)包套的裝置，其外包套裝有硫代硫酸鈉，內(nèi)包套裝有乙二醇。內(nèi)包套的壁是可破裂的，使得兩個包套內(nèi)裝有的物質(zhì)可以混合。美國專利5,035,230公開了一種有兩個通過易碎密封隔開的兩個室的熱包。在該熱包的一個區(qū)內(nèi)提供涂敷硅酸鈉的高錳酸鉀氧化劑，在另一個區(qū)內(nèi)提供水性乙二醇燃料。在該裝置運行時，破壞密封，使反應(yīng)物相互接觸。
通過稀釋熱而不是化學反應(yīng)熱產(chǎn)生加熱或冷卻的裝置也是已知的。美國專利3,804,077描述了一種熱包，其中在一個區(qū)中含有氯化鈣(一種水溶性化學試劑)和淀粉(膠凝劑)，另一個區(qū)內(nèi)含有水。
熱包的特征是獲得與熱包表面上測量的溫度相同的工作溫度。工作溫度取決于加熱速率(熱產(chǎn)生速度)和冷卻速率(熱傳遞到周圍環(huán)境中)之間的平衡。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的最好的熱包中，熱包外部存在吸熱體與否以及熱損失速度不影響放熱化學反應(yīng)的進行。因此，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱包在包內(nèi)產(chǎn)生的熱量與傳遞到包的周圍環(huán)境中的熱量之間達到穩(wěn)定的平衡僅考慮到所預(yù)計的或設(shè)計的熱損失速率。熱損失的設(shè)計速率并不在每一時刻中發(fā)生。特別地，如果傳遞到周圍環(huán)境中的熱量低于設(shè)計的預(yù)計速率(冷卻差的包)，在該時刻，包內(nèi)產(chǎn)生熱量的速率和相應(yīng)的溫度升高會過大。其中可能發(fā)生低于設(shè)計熱損失的情況是室溫高或者受熱器的熱質(zhì)量低(低ΔT)。另一種情況是與受熱器的物理接觸差(低傳熱系數(shù))。在冷卻差時，現(xiàn)有技術(shù)傾向于產(chǎn)生高于預(yù)計溫度的溫度，并且過大壓力的產(chǎn)生(例如來自水蒸汽的蒸汽壓力)可能引起包的破裂，有時爆炸。
本發(fā)明的概述本發(fā)明包括加熱的裝置和方法，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括一種通過在特定反應(yīng)物之間的自調(diào)節(jié)放熱反應(yīng)提供熱量的一次性熱包。該熱包包括分成兩種類型的液體密封性和氣密性區(qū)的一次性容器。第一種類型的區(qū)含有基本為固體的顆粒氧化劑，埋置并分散在可溶性結(jié)合劑的固體中，也可以含有基本為固體的顆粒狀可溶解的第二燃料。第二種類型的區(qū)含有一種液體混合物，它包含第一燃料、一種優(yōu)選為預(yù)先形成的可硬化凝膠和一種溶劑。在兩種區(qū)之間是隔板。操作或破壞該隔板，在兩種區(qū)之間建立連通。設(shè)計該容器使其在熱包的運行過程中包括在反應(yīng)介質(zhì)上方的蒸汽空間和冷凝表面。
在操作隔板或破壞它時，在所述兩個區(qū)之間建立連通，從而使兩個區(qū)的內(nèi)容物，即氧化劑和第一燃料，相互接觸。這引發(fā)了第一個放熱化學反應(yīng)，其反應(yīng)速率通過已知的裝置調(diào)節(jié)，以獲得希望的反應(yīng)速率和溫度升高量。通過在化學反應(yīng)物的一種或兩種周圍的結(jié)合劑的溶解，以預(yù)定速率控制化學反應(yīng)物的暴露，完成在預(yù)定周圍溫度和預(yù)定熱損失下的正常操作的調(diào)節(jié)。在兩個區(qū)之間的接觸還由溶劑引發(fā)了第二燃料的溶解。第二燃料溶解到其飽和濃度，并開始向氧化劑遷移。第一個放熱反應(yīng)提供足夠的能量來引發(fā)在溶解的第二燃料與通過結(jié)合劑溶解暴露的氧化劑之間的第二個放熱反應(yīng)。對于正常操作，類似于第一個放熱反應(yīng)來調(diào)節(jié)第二個放熱反應(yīng)。
然而，在由于熱包的熱損失低于預(yù)期的或設(shè)計的熱損失速度而導(dǎo)致高溫度偏移的情況下，還要進一步調(diào)節(jié)第二個放熱反應(yīng)。高溫導(dǎo)致溶劑的蒸發(fā)，然后冷凝在反應(yīng)混合物上方的暴露內(nèi)表面上。這導(dǎo)致預(yù)先形成的凝膠硬化，降低燃料向氧化劑的遷移，并降低該放熱反應(yīng)的放熱速度。因此，根據(jù)本發(fā)明的熱包是自調(diào)節(jié)的，以適應(yīng)外部條件，如反常的高環(huán)境溫度或熱包的熱損失速度低于設(shè)計速度的其它條件。該調(diào)節(jié)機理是可逆的。如果溫度降低，蒸發(fā)的溶解返回到凝膠中，降低其硬度并提高在第一和第二燃料與氧化劑之間的反應(yīng)速度。
一方面，本發(fā)明特征是一種一次性加熱裝置，包括一次性容器，它至少有一個液體-和氣體密封的第一個區(qū)，和至少一個液體-和氣體密封的第二個區(qū)，該容器可以包括適應(yīng)其周圍形狀的薄壁封套，并且可以用聚合物材料制成。該容器在兩個區(qū)之間還有隔板，可以操作該隔板使兩個區(qū)之間可以連通。例如，該隔板可以是一次使用的易碎薄膜。
第二個區(qū)的內(nèi)容物是第一燃料(例如，甘油等多羥基化合物)、預(yù)先形成的可硬化凝膠(例如淀粉等有機凝膠)、和可蒸發(fā)的溶劑(如水)。該凝膠是一種從中去除溶劑(例如通過溶劑的蒸發(fā))時硬化的凝膠，其存在量足以防止裝置溫度超出預(yù)定最高溫度。
第一個區(qū)的內(nèi)容物主要是一種固體和顆粒狀氧化劑(例如堿金屬的高錳酸鹽，如高錳酸鉀)、以及任選地，第二燃料(例如，蔗糖等多羥基化合物)。氧化劑埋置并分散在結(jié)合劑中，該結(jié)合劑在可揮發(fā)溶劑和第一燃料中的至少一種中是可溶的。
為了操作該裝置，操作隔板使兩個區(qū)的內(nèi)容物相通并混合。在該裝置的操作過程中，結(jié)合劑溶解，以預(yù)定速率可控地把氧化劑暴露于燃料。在室溫下引發(fā)放熱化學反應(yīng)(例如，氧化-還原反應(yīng))，產(chǎn)生熱量。該反應(yīng)可以在各種環(huán)境(例如在含水環(huán)境中)中進行。
所述容器包括向其中蒸發(fā)可蒸發(fā)溶劑的蒸汽空間，和在所述區(qū)域的內(nèi)容物上的冷凝表面，蒸發(fā)的溶劑冷凝到該冷凝表面上。這種設(shè)計在裝置的溫度接近預(yù)定的最高溫度時發(fā)生，從預(yù)先形成的可硬化凝膠中排出溶劑使其硬化。
該裝置也可以在所述區(qū)的任一個中含有溫度穩(wěn)定劑(例如，一種相變材料，如鏈烷烴)。
另一方面，本發(fā)明特征是一種用該裝置加熱物體的方法。這種方法涉及使本發(fā)明的裝置與待加熱物體接觸，如上所述，操作隔板啟動該裝置，并使其內(nèi)容物混合。在本發(fā)明的另一方面，在所述裝置和物體接觸之前操作隔板。待加熱的物體可以是食物或飲料、含有食物或飲料的容器、人或動物、包括人或動物患者(例如，外科患者)，或者衣物或鞋襪。
本發(fā)明的熱包與現(xiàn)有技術(shù)的熱包相比，有幾個優(yōu)點。
本發(fā)明的熱包，在提供用于加熱物體的放熱化學反應(yīng)的同時，在正常操作中，還提供在氧化劑與第一和第二燃料之間的放熱化學反應(yīng)的調(diào)節(jié)，并防止溫度偏移。這個優(yōu)點可以比以前更好地控制熱包的性能特性，特別地，控制最高溫度和發(fā)熱速率。
盡管熱損失異常低，本發(fā)明的熱包通過自調(diào)節(jié)，能夠獲得并保持由熱包內(nèi)容物決定的峰值溫度。通過這種自調(diào)節(jié)，根據(jù)本發(fā)明的熱包能夠在比以前已知的熱包更大的環(huán)境條件范圍內(nèi)獲得理想的峰值溫度。容易適應(yīng)變化的環(huán)境溫度的這個優(yōu)點對于一些用途是重要的，包括涉及生物系統(tǒng)加熱的用途，在約42.2℃以上的溫度下，生物系統(tǒng)容易產(chǎn)生細胞破壞。同時，例如，通過本發(fā)明的熱包具有的這種性能使得在遠距離地點進行的食物標準化制備更便利。為在軍隊中使用的即食用食物(MRE)提供熱量而設(shè)計的加熱器在該領(lǐng)域中是已知的。美國專利5,611,329公開了利用在水和鎂-鐵合金之間的放熱化學反應(yīng)的無焰食物加熱器。
本發(fā)明的熱包使用可流動液體形式的高粘度，優(yōu)選的是一種凝膠，它自動調(diào)節(jié)其粘度或硬度，以控制放熱化學反應(yīng)的發(fā)熱量。在熱包中使用的凝膠是預(yù)先形成的，即，在啟動裝置之前形成所述凝膠。這提供了立即調(diào)整放熱化學反應(yīng)的機會。
本發(fā)明熱包的優(yōu)選實施方案的產(chǎn)生熱量內(nèi)容物不會在重力作用下沉到熱包的底部。這意味著在本發(fā)明的熱包內(nèi)的熱量分布是均勻的，并且熱包不需要連續(xù)捏合來消除不均勻的熱分布。
在完成放熱反應(yīng)或在本發(fā)明的熱包內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)時，該熱包優(yōu)選的是不含任何可溶性的有毒的或?qū)Νh(huán)境有害的反應(yīng)物或反應(yīng)產(chǎn)物。因此，容器可安全地棄去填埋，而對環(huán)境沒有危險。這與一些其它自加熱裝置(含有可溶性有毒或?qū)Νh(huán)境有害的副產(chǎn)品)形成鮮明對比。
從下列詳細描述和權(quán)利要求書將會更清楚本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。
附圖的簡單描述

圖1是本發(fā)明熱包的特定實施方案的俯視圖，每種反應(yīng)物有單一區(qū)。
圖2是本發(fā)明熱包的另一個特定實施方案的俯視圖，具有多個反應(yīng)物區(qū)。
圖3是本發(fā)明熱包的一個特定實施方案的第一種類型區(qū)的橫截面圖。
圖4是本發(fā)明熱包的一個特定實施方案的橫截面圖。
本發(fā)明的詳細描述本發(fā)明的一次熱包是根據(jù)一對互補化學物質(zhì)之間的放出反應(yīng)熱的原理操作的類型的熱包。在優(yōu)選的實施方案中，所述放熱化學反應(yīng)是一種在氧化劑和還原劑相互接觸時產(chǎn)生的氧化/還原反應(yīng)。需要相容的化學物質(zhì)對，該對的一個成分作為氧化劑，該對的另一個成分作為還原劑，常稱為燃料。在本發(fā)明的熱包中還可以使用多種氧化劑和/或燃料。
用于產(chǎn)生熱量的化學反應(yīng)的使用存在明顯的困難。如果不能充分地保護，反應(yīng)劑本身可以是高反應(yīng)性的并引起燃燒。能產(chǎn)生典型應(yīng)用所需熱量的包的放熱反應(yīng)，如果不調(diào)節(jié)，將導(dǎo)致非常快速地產(chǎn)生熱量，引起過大的、不可控制的溫度升高，這可能是難以避免的嚴重缺點。熱量的快速產(chǎn)生對于許多應(yīng)用不是最理想的熱分布，可能是危險的。從這些困難來看，調(diào)節(jié)熱包中熱量的產(chǎn)生是重要的。
在美國專利5,0350230(″’230專利″)公開了利用氧化/還原反應(yīng)的熱包，該專利在本文中全部引作參考?！?30專利的裝置有兩個分開的區(qū)。一個區(qū)裝有干燥的反應(yīng)物，即包含在硅酸鈉結(jié)合劑內(nèi)的高錳酸鉀晶體的短筒。另一個區(qū)含有乙二醇/水溶液，作為燃料混合物。在一些實施方案中，該燃料作為溶劑，排除對單獨溶劑的需要。這兩個區(qū)例如通過一次性使用的易碎密封分開。在兩個區(qū)之間的密封被破壞時，燃料溶液流向氧化劑小球并發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)速率，以及因此所得的熱量產(chǎn)生速率通過結(jié)合劑的溶解速率調(diào)節(jié)，因為需要溶解以便把氧化劑暴露于燃料。
對于在預(yù)計用途通常遇到的給定的熱損失速率，可以設(shè)計根據(jù)’230專利的熱包以給定的速率產(chǎn)生熱量，并達到給定的峰值工作溫度。只要熱損失速度與預(yù)期的相同，溫度升高的速率、峰值溫度、加熱的時間都是可預(yù)知的。然而，如果熱損失速率與預(yù)計的不同，溫度升高也將改變，一般是不希望的。如果環(huán)境溫度和/或熱包的傳熱與預(yù)計的明顯不同，則不可預(yù)料性會提高。
在根據(jù)本發(fā)明的熱包中，利用’230專利說明的可溶解結(jié)合劑。此外，存在預(yù)形成的可硬化凝膠來影響反應(yīng)速率。通過調(diào)節(jié)這兩種速率控制特征，熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠選擇并獲得根據(jù)本發(fā)明的包內(nèi)的升溫速率和工作溫度。
為了在本發(fā)明的熱包中產(chǎn)生希望的自調(diào)節(jié)作用，放熱化學反應(yīng)的調(diào)節(jié)通過反應(yīng)介質(zhì)的一些可逆物理變化進行。必須進行調(diào)節(jié)，以防止放熱化學反應(yīng)把操作溫度提高到預(yù)定的最高溫度(Tmax)以上。當容器溫度降低到足以使反應(yīng)介質(zhì)的物理變化逆向進行時，調(diào)節(jié)還提高進行放熱反應(yīng)的速率。Tmax將位于設(shè)計峰值工作溫度之上，這取決于包的預(yù)計用途。本發(fā)明的熱包的Tmax將取決于特定用途能夠允許的高于設(shè)計峰值溫度的溫度并受其限制，一般高于希望的熱包峰值工作溫度約1℃-20℃。在選擇Tmax時，要考慮對于使用者的舒適性或安全性、容器的整體性、或熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚的其它因素。
本發(fā)明的熱包包括一次性容器，它分成兩種類型的區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的熱包包含物理上分開的區(qū)或隔室，它含有包括化學反應(yīng)物的成分。每種類型至少有一個區(qū)。第一種類型的區(qū)包含一種氧化劑，以及在某些優(yōu)選的實施方案中還含有一種燃料，稱為第二燃料。第二種類型的區(qū)包含一種燃料，稱為第一燃料，一種預(yù)先形成的可硬化凝膠和一種可揮發(fā)溶劑。所述區(qū)通過可破壞的隔板分開，如閥門或易碎密封。在隔板破壞時，建立區(qū)之間的連通，區(qū)的內(nèi)容物相互接觸。這種結(jié)觸使得氧化劑、燃料和溶劑形成反應(yīng)介質(zhì)。氧化劑優(yōu)選的是結(jié)合并分散在可溶解的結(jié)合劑中，所述結(jié)合劑選擇性地把氧化劑暴露于含有燃料的反應(yīng)介質(zhì)中。這提供了適中的放熱化學反應(yīng)。
參考圖1，表示了本發(fā)明熱包的一個實施方案的橫截面圖。熱包1由具有上板2和下板(未表示出)的容器組成。所述板通過邊緣密封3、4、5和6在邊緣密封在一起。這些邊緣密封優(yōu)選的是使得它們不容易被消費者打開?？善茐牡母舭?位于熱包的一個邊緣密封3到另一個邊緣密封5，因此把熱包1分成兩個區(qū)域，8和9。該隔板作成使其容易被用戶破壞。設(shè)計熱容器，使得當熱包在使用時包括一個在反應(yīng)物上方的蒸汽空間。
還可以考慮所述裝置的另一個實施方案。例如，可能有一個以上的易碎密封，產(chǎn)生一種分成兩個以上區(qū)的裝置。這種裝置的一個實施例表示于圖2中，這是本發(fā)明熱包的另一個實施方案。熱包11由具有上板12和下板(未表示出)的容器組成。所述板在其邊緣通過邊緣密封13、14、15和16密封。這些邊緣密封優(yōu)選的是使得它們不易被消費者打開。一對可破壞的隔板17和18布置在熱包的一個邊緣密封13到另一個邊緣密封15，因此，把熱包11分成三個區(qū)域，19、20和21。該隔板作成使其容易被用戶破壞。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明熱包的一個實施方案的第一種類型區(qū)的內(nèi)容物。區(qū)30含有氧化劑、可溶性結(jié)合劑或結(jié)合劑、以及第二燃料。固體結(jié)合劑32的顆粒含有基本為固體氧化劑的分散顆粒34。同樣，在區(qū)30內(nèi)有固體顆粒，即可溶性第二燃料36。
圖4表示本發(fā)明熱包的另一個實施方案，所述熱包包含一般為矩形的容器，具有上板41和底板42。板41和42用周邊密封密封在一起，在43和44表示了其中的部分(其它部分未表示出)。邊緣密封優(yōu)選的是使其不容易被消費者打開。可破壞的隔板45從邊緣密封的一側(cè)到邊緣密封的另一側(cè)延伸通過容器40，因此，把熱包容器40分成兩個區(qū)46和47。隔板45作成使其容易被用戶破壞。區(qū)47含有氧化劑48和第二燃料49，并且在其構(gòu)造時真空密封。在該熱包的制造過程中，氧化劑48(可以分散在結(jié)合劑中，見圖3)和第二燃料49的混合物以一系列條的形式分布延伸通過容器40。真空包裝產(chǎn)生區(qū)47的區(qū)51，其中沒有氧化劑或第二燃料的混合物。這些區(qū)使得頂板41和底板42相互接觸。在該裝置的操作過程中，即在打開或破壞隔板45之后，從放熱化學反應(yīng)在容器內(nèi)產(chǎn)生的微小氣壓導(dǎo)致所述板相互分開，有效地增大區(qū)47的體積。這產(chǎn)生了蒸汽空間和在反應(yīng)介質(zhì)之上的表面，這是本發(fā)明的熱包所要求的。
在可能遇到的一定環(huán)境溫度范圍內(nèi)，例如-10-50℃的溫度范圍內(nèi)，在氧化劑與第一燃料接觸時，容易引發(fā)氧化劑與第一燃料之間的反應(yīng)的第一或初始階段。如果有與一種或兩種反應(yīng)伙伴結(jié)合的速率影響阻擋層，這些環(huán)境溫度足以使得第一個放熱化學反應(yīng)立即進行，或者相當迅速進行。這種阻擋層的實例是在包圍一種或兩種反應(yīng)伙伴的可溶性結(jié)合劑。第一個反應(yīng)優(yōu)選的是通過可溶解的結(jié)合劑或凝膠調(diào)節(jié)。
許多氧化劑在與用于本發(fā)明的熱包和方法的相應(yīng)燃料反應(yīng)時，能夠產(chǎn)生合適的能量。優(yōu)選的氧化劑是包含錳和鉻的氧化物的堿金屬鹽，如高錳酸鉀，和鉻酸鉀。其它合適的氧化劑是重鉻酸吡啶鹽，四氧化釕和鉻酸，以及熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它氧化劑主體。優(yōu)選的是以可廢棄性作為高優(yōu)先權(quán)進行氧化劑的選擇。在熱包使用后，優(yōu)選的是，殘渣不含任何可溶性有毒的或?qū)Νh(huán)境有害的成分。我們最優(yōu)選的氧化劑是高錳酸鉀。
氧化劑的可用表面積在反應(yīng)介質(zhì)中氧化劑的反應(yīng)性方面是一個重要因素。固體的表面積高度依賴于固體的物理形式。在第一種類型的區(qū)內(nèi)存在的氧化劑的物理形式是可變的，但是，基本為顆粒形式的氧化劑是優(yōu)選的。細磨的氧化劑粉末是特別優(yōu)選的。
本發(fā)明的裝置在設(shè)計條件下產(chǎn)生熱量的速率通過可控地使反應(yīng)物相互暴露來設(shè)計。通過可控地暴露有限量的燃料到全部量的氧化劑中，或者通過可控地暴露有限量的氧化劑到全部量的燃料中，或者通過可控地暴露有限量的氧化劑到有限量的燃料中來完成這一控制。在每種情況下，隨著反應(yīng)進行，由于缺少反應(yīng)成分之一，直到反應(yīng)結(jié)束，控制的暴露才結(jié)束。在優(yōu)選的實施方案中，在放熱化學反應(yīng)過程中，可溶性的結(jié)合劑溶解在溶劑中和/或燃料中，以便以預(yù)定速率可控地把氧化劑暴露于燃料中。在一個優(yōu)選的實施方案中，使用過量的燃料。在氧化劑的反應(yīng)完成時，沒有可溶性的有毒或?qū)Νh(huán)境有害的殘渣保留在容器中。這個特征使得有可能把容器廢棄掩埋。
在可溶性結(jié)合劑中分散氧化劑提供一種把氧化劑選擇性暴露于燃料中的有效方法。如果反應(yīng)在用有機溶劑的有機環(huán)境中發(fā)生，所述結(jié)合劑優(yōu)選是基于有機的。如果反應(yīng)在用水作溶劑的無機環(huán)境中發(fā)生，所述結(jié)合劑優(yōu)選是基于無機的。
硅酸鹽是合適的無機結(jié)合劑。在一個優(yōu)選的實施方案中，氧化劑結(jié)合在包含硅酸鈉水溶液(Na2SiO3)的結(jié)合劑中，例如從J.T.Baker(Stock No.3877-01)或Aldrich Chemical Co.,Inc.(Stock No.33,844-3)購得的。
氧化劑在結(jié)合劑中的均勻分布是優(yōu)選的，它通過結(jié)合劑的增溶向燃料提供恒定的、均勻的氧化劑供給。本發(fā)明的結(jié)合氧化劑的結(jié)構(gòu)和幾何形狀在提供速率和反應(yīng)時間的控制方面是重要的因素。在一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，結(jié)合的氧化劑是固體形式的，在整個要求的反應(yīng)時間內(nèi)，并在整個結(jié)合劑增溶期間內(nèi)，即使接近氧化劑耗盡時，仍然為燃料提供較恒定的氧化劑活性表面。優(yōu)選的幾何形狀也會在反應(yīng)過程中一直在暴露的氧化劑周圍提供必須的燃料。優(yōu)選的是，不需要到達氧化劑的大量燃料遷移通道。應(yīng)該稀釋結(jié)合劑，以便均勻地潤濕氧化劑晶體。在本發(fā)明中可以使用約1∶1-1∶7的結(jié)合劑與氧化劑的比例。優(yōu)選的比例約為1∶1.5-1∶5。在一些優(yōu)選的實施方案中使用約1克結(jié)合劑約3克氧化劑的比例。該比例產(chǎn)生一種均勻的混合物，既不會有過量結(jié)合劑的匯集，也不會有沒有完全被液體包圍的氧化劑。然而，對于熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員，明顯的是可以在很大范圍內(nèi)變化結(jié)合劑與氧化劑的比例。
涂敷氧化劑的技術(shù)包括噴霧干燥和流化床干燥。這些技術(shù)對于熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員是熟知的。熟悉該領(lǐng)域的那些技術(shù)人員能通過用于常規(guī)試驗的這些裝置確定生產(chǎn)涂敷氧化劑的合適條件和相關(guān)參數(shù)。在’230專利中還給出了在該領(lǐng)域內(nèi)的合適方向。
本發(fā)明的一些應(yīng)用可能要求快速的起始加熱。通過向第一種類型的區(qū)內(nèi)加入少量未結(jié)合的氧化劑晶體或與稀結(jié)合劑溶液結(jié)合的氧化劑，可以完成這一點。選擇其用量以提高加熱系統(tǒng)的內(nèi)容物的溫度到要求的預(yù)熱溫度，此時開始與燃料接觸。當本發(fā)明用于食物加熱裝置時，快速預(yù)熱法是特別希望的。
雖然不希望受任何特別的理論限制，我們認為，在通過無機氧化劑氧化多羥基燃料時，含水環(huán)境的pH值降低到酸性值。我們認為，這種pH值引發(fā)優(yōu)選的無機結(jié)合劑(硅酸鈉)向凝膠的轉(zhuǎn)變。這種凝膠化過程在某種程度上在預(yù)定或設(shè)計的條件下調(diào)節(jié)放熱化學反應(yīng)。
燃料與氧化劑是互補的。對于大多數(shù)用途，氧化劑和燃料應(yīng)該符合生效的政府標準，以防發(fā)生任何向環(huán)境的泄漏，包括偶然的泄漏。
合適的燃料是可溶的固體或液體有機化合物。特別合適的有機化合物是含有羥基的化合物。這樣的基團容易被本文所述的氧化劑氧化成含羰基化合物。優(yōu)選的燃料是糖類或醇類，以及含有至少兩個羥基的含多羥基化合物。這樣的含多羥基化合物也容易被氧化成醛、酮和羧酸。含多羥基化合物的這種氧化和氧化劑的同時還原，伴隨顯著量的熱能釋放。
在第二種類型區(qū)內(nèi)優(yōu)選的可氧化的第一燃料是液體。實例包括甘油、乙二醇、丙二醇、聚乙二醇等。優(yōu)選的第一燃料是甘油。
根據(jù)調(diào)節(jié)在本發(fā)明的熱包內(nèi)發(fā)生的放熱化學反應(yīng)的方法，要求至少一種燃料的含量至少導(dǎo)致溶劑的飽和。這種燃料可以是唯一的燃料或第二燃料。這種燃料的優(yōu)選量是產(chǎn)生不在溶液中的燃料蓄積的量。這個判據(jù)與該燃料的溶解特性密切相關(guān)。同時，要求的是在反應(yīng)介質(zhì)上方存在蒸汽空間和容器表面，在其壁上可能發(fā)生溶劑的冷凝。由于熱損失速率低導(dǎo)致的容器溫度升高從反應(yīng)介質(zhì)中蒸發(fā)溶劑。燃料飽和的條件導(dǎo)致從反應(yīng)介質(zhì)中排出燃料。
在某些情況下，第一燃料可以進行這個過程。然而，在某些優(yōu)選的實施方案中，第一燃料(如甘油)在寬濃度范圍內(nèi)在反應(yīng)介質(zhì)中是高可溶性的，并且不會從反應(yīng)介質(zhì)中排出。在這樣的情況下，溶劑的蒸發(fā)不會導(dǎo)致反應(yīng)介質(zhì)中第一燃料量的減少。在這些實施方案中，使用第二燃料的飽和條件來調(diào)節(jié)放熱反應(yīng)。
在第一種類型的區(qū)內(nèi)使用的第二燃料優(yōu)選的是含羥基燃料。由于這種燃料將與氧化劑位于相同的區(qū)，它將以在與氧化劑接觸時不會導(dǎo)致立即的放熱化學反應(yīng)的形式提供。防止在氧化劑和第二燃料之間立即的放熱化學反應(yīng)的一種方法是以固體形式提供這些燃料。用這種方法，放熱化學反應(yīng)的引發(fā)開始取決于液體反應(yīng)介質(zhì)的產(chǎn)生，以及隨后進行的第二燃料的增溶。
直到在熱包容器內(nèi)的溫度超過預(yù)計的周圍溫度范圍時，第二個放熱化學反應(yīng)才會明顯發(fā)生。這防止了太早的反應(yīng)。如果反應(yīng)介質(zhì)是含水溶劑，那么第二燃料是水溶性的。希望的是每個燃料分子有多個羥基，以提高燃料的效率。由于氧化劑與第一燃料的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的升溫引發(fā)第二階段或第二個放熱化學反應(yīng)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)適用于第一種類型區(qū)的含有多羥基的可溶性有機第二燃料是糖類。它們?nèi)芙庠谒?，并且如上所述，用量?yōu)選的是超過其在液體反應(yīng)介質(zhì)中的溶解度。所有單糖和許多低聚糖是一般的糖類。發(fā)現(xiàn)用作本發(fā)明熱包中的第二燃料的糖類是單糖和低聚糖，以及用其它基團改性和取代的糖。適用于本發(fā)明熱包中的第一種類型區(qū)內(nèi)的第二燃料的糖包括蔗糖、果糖、麥芽糖、乳糖、木糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖、樹膠醛醣等，以及這些糖的改性或取代衍生物。用于第一種類型區(qū)的優(yōu)選的第二燃料是蔗糖。蔗糖可以從許多來源并以許多形式獲得，包括顆粒狀餐桌糖、粉末狀糖果用糖、紅糖、和來自甘蔗和甜菜的蔗糖。對于其熱量的產(chǎn)生，由于放熱化學反應(yīng)不依賴于燃料的立體化學，燃料分子的任何可以獲得的立體化學結(jié)構(gòu)都是合適的。
第二燃料的可用表面積對這種燃料在反應(yīng)介質(zhì)中的待用溶解度是一種重要因素。固體的表面積高度依賴于固體的物理形式。在第一種類型區(qū)內(nèi)存在的第二燃料的物理形式是可變的，但是，燃料是顆粒形式是優(yōu)選的。例如，尺寸類似于餐桌糖的晶體是相當合適的。使用粉末狀第二燃料也是相當令人滿意的。熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員通過簡單的試驗和修正將會理解如何選擇特定的第二燃料和顆粒尺寸，以獲得用于特定用途的理想加熱特性。
將會理解，雖然用單一的氧化劑和一些燃料之間的反應(yīng)描述了這個特征，但是，本發(fā)明通過單一燃料和一些氧化劑之間的反應(yīng)投入使用也是同樣有效的。還會理解，在第一個和第二個反應(yīng)之外，第三個、第四個和其它反應(yīng)也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。這些反應(yīng)可以用第三、第四和其它燃料和/或氧化劑進行。在本發(fā)明優(yōu)選的實施方案之一中，在本發(fā)明的容器內(nèi)存在可以作為第三燃料的另一種物質(zhì)，參與第三階段的反應(yīng)，第三階段的反應(yīng)僅在更高的溫度下有效地進行。
本發(fā)明的熱包提供有第二種類型區(qū)內(nèi)存在的凝膠，該凝膠在不同類型的區(qū)之間的任何隔板破環(huán)之前預(yù)先形成。反應(yīng)一開始，預(yù)先形成的凝膠的存在就有助于調(diào)節(jié)放熱化學反應(yīng)。不需要等待通過產(chǎn)生凝膠成分的溶解或通過這些成分形成凝膠的反應(yīng)來形成凝膠。也不需要依賴于快速提高溫度來進行產(chǎn)生凝膠成分的溶解或形成凝膠反應(yīng)。調(diào)節(jié)與第二燃料量相對應(yīng)的凝膠量，使得達到，優(yōu)選超過第二燃料的最大溶解度。這使得更大量的化學反應(yīng)物載入容器的各個區(qū)內(nèi)，因為反應(yīng)物相互之間的暴露由凝膠限制。這種更大的裝載容量使得持續(xù)峰值工作溫度的時間更長。預(yù)先形成的凝膠具有也可能調(diào)節(jié)第一個放熱化學反應(yīng)的硬度。
用于本發(fā)明的凝膠是有機的或無機的；兩種類型都可以用于本發(fā)明。用于第二種類型區(qū)優(yōu)選的凝膠是有機凝膠?？捎玫哪z可以用在溶劑(如水、丙酮、醇類、二甲氧基四甘醇)中的有機化合物(如碳水化合物包括淀粉、聚丙烯酰胺；如季戊四醇等多羥基化合物；或如白明膠等蛋白質(zhì)材料)形成。從無機化合物(如金屬氧化物、金屬醇鹽、或金屬氧化物的堿金屬鹽)也可以形成凝膠。這些包括在水和醇等溶劑中的氧化鋅、氧化錫、氧化鈦、氧化鋯、以及硅酸鹽和鋁酸鹽。有機和無機基凝膠體系的許多其它實例是熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的。在排出一些溶劑時(例如通過蒸發(fā))，有用的凝膠硬度提高。
在優(yōu)選的實施方案之一中，在第二種類型區(qū)中存在的凝膠是有機基凝膠。特別優(yōu)選的是含水有機基凝膠。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，含多羥基有機聚合物基凝膠在本發(fā)明的熱包中能很好工作。因此，多種多糖可以用于本發(fā)明。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，淀粉凝膠在本發(fā)明的一些實施方案中是有用的。淀粉包含α-D-吡喃葡萄糖基單元的線形(直鏈淀粉)和分支的(支鏈淀粉)聚合物的混合物。直鏈淀粉是通過(1-4)個α-糖苷鏈接相互連接的α-D-吡喃葡萄糖單元的線形聚合物。支鏈淀粉是主要為(1-4)鏈接的α-D-吡喃葡萄糖基單元的高度分支的聚合物，但是，還含有位于分支點的(1-6)個α-糖苷鏈接。認為(1-6)個α-糖苷鏈接比(1-4)個α-糖苷鏈接更耐熱。其它可與淀粉分離的非碳水化合物材料包括脂肪酸、蛋白質(zhì)、酶、和無機材料，它們一般少量存在。淀粉可以從許多來源中分離出來，包括玉米、糯性玉米、小麥、黑麥、大麥、高粱、稻米的種子，或者如木薯、馬鈴薯或竹芋的根，或者西谷椰子樹的木髓。
淀粉的一般特征在于它們的凝膠化溫度，該溫度是原始的、不透明的淀粉懸浮液變成粘性的、半透明的并且最后變?yōu)橥该鲿r的溫度。直鏈淀粉含量范圍為幾乎為零到約85％，其余主要由支鏈淀粉組成。一些淀粉糊的厚化由直鏈淀粉的線形分子的結(jié)合引起。玉米淀粉形成一種剛性凝膠。馬鈴薯淀粉、木薯、和西谷具有較小凝膠化的趨勢。糯性谷物淀粉(具有異常低的或沒有直鏈淀粉)在稀懸浮液中不產(chǎn)生凝膠，但是在高濃度(30％)形成可逆凝膠，這種可逆凝膠在50-60℃重新分散。
淀粉可以通過交聯(lián)改性，來增大抗剪切性、耐熱性，并且能夠抗極高或低氫離子濃度。淀粉可以部分氧化產(chǎn)生改善的穩(wěn)定性。淀粉可以通過用硝酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽或黃原酸鹽的無機酯化作用或通過羧酸、酸酐、?；?、或乙烯基酯的有機酯化作用衍生。也可以形成淀粉醚用于本發(fā)明。
一些有機凝膠由于在凝膠分子上存在可氧化官能團如羥基，可以用作用于氧化劑的燃料。如果是這種情況，選擇與氧化劑的反應(yīng)速率低于氧化劑與用于本發(fā)明選擇的第一和第二燃料的反應(yīng)速率的凝膠。因此，在本發(fā)明的熱包中所用凝膠劑的一般要求是它們不能與燃料一樣與氧化劑發(fā)生化學反應(yīng)。最希望的是在氧化劑和凝膠之間的反應(yīng)在熱包的設(shè)計工作溫度下不會發(fā)生，或者在熱包的設(shè)計工作的時間范圍內(nèi)緩慢發(fā)生。如果不考慮這個要求，所述凝膠可能被放熱化學反應(yīng)消耗，所述凝膠賦予本發(fā)明熱包的優(yōu)點將會失去。淀粉溶膠也容易被酸侵蝕，這趨于使糖酐鏈接水解，并導(dǎo)致淀粉的部分解聚或者，在更劇烈的條件下的完全解聚。類似地，淀粉與酸性反應(yīng)介質(zhì)的高反應(yīng)活性(認為在本發(fā)明熱包的某些實施方案中發(fā)現(xiàn)的)是選擇特定淀粉的理由。
在凝膠化技術(shù)方面的詳細信息，例如，在科技出版物中獲得，如Livage,J等人，Prog.Solid St.Chem.,18:259(1988)，該出版物整體在本文中引作參考。在聚合物科學技術(shù)百科全書，第12卷，交叉科學；John Wiley &Sons,Inc.,New York,1970,第819-847頁描述了淀粉的凝膠化。
用于本發(fā)明熱包的優(yōu)選的淀粉是冷水合的淀粉，它可以抵抗酸性條件和最高達100℃的溫度。特別優(yōu)選的淀粉是起始時在95℃的粘度至少為300布拉班德爾單位(Brabender Units)(BU)，在該溫度下15分鐘后，在95℃的粘度至少為400BU。更優(yōu)選的是，所述淀粉起始時在95℃的粘度至少為350BU，在該溫度下15分鐘以后，至少為450BU。合適的淀粉可以以MIRATHIK(r)468淀粉(A.E.Staley Mfg.Co.,Decatur,IL)得到。
由于反應(yīng)介質(zhì)(包括預(yù)先形成的凝膠)機械性質(zhì)的可逆變化，在本發(fā)明的熱包中發(fā)生的放熱反應(yīng)是自調(diào)節(jié)的。發(fā)生這些變化以適應(yīng)向環(huán)境的熱損失的變化速度，或者適應(yīng)非最佳的周圍溫度。在熱包的操作過程中，通過蒸發(fā)從凝膠中排出溶劑以及隨后在容器內(nèi)存在的冷凝表面上的冷凝使凝膠硬化。這種硬化降低了化學反應(yīng)物相互之間的擴散速率，從而降低在氧化劑和燃料之間的放熱化學反應(yīng)速率。向凝膠中加入溶劑使這種硬化逆向進行并提高擴散速率，從而提高放熱化學反應(yīng)的速率。
溶劑的選擇基本上基于熱容、閃點、蒸氣壓和腐蝕性，因為可以設(shè)計所述裝置用于相當高的溫度。該溶劑不應(yīng)該作為本發(fā)明所用氧化劑的燃料。對于高效率操作，高熱容是所希望的。由于安全方面的原因，高閃點是所希望的。蒸氣壓必須足以允許溶劑在達到接近熱包的最高工作溫度(Tmax)時可以蒸發(fā)。另一方面，由于安全方面的原因，過高的蒸氣壓是不合乎需要的，因為在這種情況下可能發(fā)生容器的爆裂。低腐蝕性溶劑是所希望的，以便不會過度限制容器材料的選擇。對于許多優(yōu)選的實施方案，合適的溶劑將是水。
在第二種類型區(qū)內(nèi)包含的溶劑，優(yōu)選的是其蒸氣壓和沸點使得在該裝置使用時預(yù)期達到的溫度范圍內(nèi)開始發(fā)生溶劑蒸發(fā)的那些溶劑。如下所述，該溶劑的這種性質(zhì)用作一種溫度調(diào)節(jié)手段。例如，優(yōu)選的是，當熱包的溫度升高到接近預(yù)定最高工作溫度時，所述溶劑開始蒸發(fā)。這個預(yù)定最高工作溫度一般也是在氧化劑與第二種燃料之間高效進行放熱化學反應(yīng)的溫度。對于預(yù)定的熱損失，通過改變氧化劑、燃料和凝膠的濃度，把熱包的工作溫度調(diào)節(jié)到希望的水平。這種調(diào)節(jié)是熟悉該領(lǐng)域的專業(yè)人員所能作的。只需要常規(guī)的實驗即可選擇特定用途的合適濃度。對于大多數(shù)用途，合適的工作溫度在約30℃-120℃范圍內(nèi)。對于特定的應(yīng)用可以選擇更高或更低的工作溫度。如下面更詳細地描述的那樣，溶劑的蒸發(fā)作用是降低在氧化劑和燃料之間的反應(yīng)速率。溶劑不應(yīng)該作為氧化劑的一種燃料。合適的溶劑是水。
對于本發(fā)明的裝置，所述溶劑是能夠增溶氧化劑和燃料，以及支持預(yù)先形成并可逆硬化的凝膠的任何溶劑。對于無機氧化劑，如堿金屬的高錳酸鹽、多羥基燃料和淀粉基凝膠，如本文所述，優(yōu)選的溶劑是水。在本發(fā)明中，水還作為優(yōu)異的傳熱介質(zhì)。本發(fā)明中所用的水可以是自來水，雖然優(yōu)選的是使用可控質(zhì)量的水，如蒸餾水或去離子水。用于本發(fā)明的最優(yōu)選的水是去離子水。
選擇反應(yīng)物的濃度，以獲得要求的發(fā)熱速率、峰值工作溫度和Tmax。熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員將知道如何改變濃度，直到獲得設(shè)計參數(shù)。反應(yīng)物在溶劑中的稀釋以及因此降低其濃度限制氧化劑與燃料(或多種燃料)的接觸。降低溶劑中氧化劑或者燃料的濃度將降低總反應(yīng)速率，并降低最高溫度。由于溶劑的熱質(zhì)，稀釋還會延長產(chǎn)生熱量的時間長度。
在所述熱包中可以包括溫度穩(wěn)定劑。即使傳熱低于設(shè)計值，或者室溫高于設(shè)計值，這樣的溫度穩(wěn)定劑也將使得熱包保持在給定溫度。例如，要保持的給定溫度可以是工作溫度。
合適的溫度穩(wěn)定劑包括相變材料。設(shè)計相變材料，以便利用伴隨可逆相變，例如固-液相變產(chǎn)生的潛熱吸收。一些相變材料在固-固相變時也吸收或放出熱量。本發(fā)明優(yōu)選的相變材料是利用可逆的固-液相變。
相變材料在核心材料熔化或冷凍或者經(jīng)過固-固相變時，以狀態(tài)的物理變化形式儲存熱能。為了保持相變材料在固相和液相之間循環(huán)的能力，重要的是防止當相變材料為液體形式時在整個溶劑(或載體流體)中的分散。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種成功的方法是把相變材料包封在薄膜或殼中。這種薄膜或殼理想的是不應(yīng)該明顯阻礙熱量傳入或傳出所述包封。所述包封理想的是足夠小，以便獲得相當高的表面積。這使得熱量可以快速傳入和傳出載體流體。這樣的包封稱為微膠囊。微膠囊的尺寸范圍約為1.0-1000微米，并根據(jù)熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的方法形成。
對于給定的溫度范圍，可以改變相變材料的組成，以獲得最佳熱性能。例如，對于一系列鏈烷烴(通常是分子式為CnH2n+2的直鏈碳氫化合物)的熔點與碳原子數(shù)直接相關(guān)，如下表所示。
表1
除了這里列出的碳氫化合物以外，在實施本發(fā)明時，也可以使用具有更高(或更低)熔點的碳原子數(shù)更大(或更小)的鏈烷烴。此外，塑料晶體如2,2-二甲基-1,3-丙二醇(DMP)和2-羥甲基-2-甲基-1,3-丙二醇(HMP)等也可以設(shè)想作為溫度穩(wěn)定劑。在塑料晶體吸收熱能時，改變分子結(jié)構(gòu)而不離開固相。也可以利用任何相變材料的組合。為了能引發(fā)放熱氧化反應(yīng)，第一種燃料和氧化劑必須相互接觸。在本發(fā)明中通過開口，選擇穿孔、破裂或其它破壞在含有氧化劑和第一燃料/凝膠混合物區(qū)之間的隔板，使得氧化反應(yīng)伙伴可以接觸。在一個優(yōu)選的實施方案中，在隔板破壞后，第一燃料/凝膠混合物傳遞到含有氧化劑和第二燃料的區(qū)域。然而，也可以考慮，在隔板破壞后，使氧化劑和第二燃料傳遞到含有第一燃料/凝膠混合物的區(qū)域內(nèi)。兩個區(qū)域的任一個都可以含有相變材料。
優(yōu)選的是隔板包含一種在手動使容器變形時使其斷裂、穿孔、或破壞的材料。在包含一對以上容器區(qū)的實施方案中，考慮了本發(fā)明的熱包包含適當增加數(shù)量的隔板，使得可以建立在每種類型的區(qū)之間的連通，充分地提供要求的熱量。在只利用一對區(qū)的實施方案中，多個隔板也是可能的。本發(fā)明不受熱包內(nèi)區(qū)的排列或結(jié)構(gòu)的限制。
對著隔板或沿著隔板施加的壓力選擇性地破裂、穿孔、或其它方式破壞該隔板，同時留下容器的外表面，和包圍容器以及第一種和第二種類型區(qū)的表面完整無缺。隔板可能由一些起作用結(jié)構(gòu)的任一種構(gòu)成。在一個優(yōu)選的實施方案中，所述隔板包括在第一種類型的區(qū)與第二種類型的區(qū)之間延伸的脆性或弱化的壁，它可以手工分開，從而破壞該隔板。在另一個實施方案中，所述隔板是包括第一種類型區(qū)的容器的脆性或弱化的壁，其中，采用包含在第二種類型區(qū)內(nèi)的第一種類型區(qū)。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，使用拉環(huán)破片隔板。在拉動時，拉片破壞隔板，在氧化劑區(qū)與第一燃料/凝膠區(qū)之間提供連通。在一個較不優(yōu)選的實施方案中，隔板由帶有塞子的孔構(gòu)成，在對其施加壓力可以去掉該塞子。通過隔板再提供連通。我們最優(yōu)選的是隔板包含具有已經(jīng)弱化的或薄區(qū)的壁，所述區(qū)在對其施加壓力時斷裂。在另一個實施方案中，隔板包含有多個孔的壁，所述壁在外力作用下斷裂，使所述區(qū)的內(nèi)容物相互暴露。類似地，隔板可以由穿孔的或其它形式的可移動的盤或帽，或者閥如易碎的閥組成。
另外，構(gòu)造所述隔板使得當隔板受到外力時，形成一個或優(yōu)選為多個裂縫或裂口。所述裂縫可以從邊緣或隔板的周邊向內(nèi)延伸，或者它們可以位于隔板的邊緣或周邊中間。然而，破壞所述隔板的任何合適的方法都可以用于本發(fā)明。熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到其它可能的變化。
所述容器優(yōu)選的是含有能變形的材料，它不會受到各個區(qū)的任何內(nèi)容物的不利影響，并且能耐將要達到的溫度。這樣的材料可以是聚合物，包括聚乙烯、聚丙烯、聚酯(如MYLAR(r)，從Dupont獲得)、鋁、涂鋁的聚合物薄膜、和其它傳統(tǒng)塑料或其它適用于裝有加熱液體的包裝材料如橡膠、乙烯、乙烯涂敷的織物和聚乙烯。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用透明乙烯，約0.02mm-0.1mm的厚度是令人滿意的。這使得所述容器可以作為適應(yīng)其周圍形狀的薄壁包封。
所述容器優(yōu)選的是用薄的、撓性的、導(dǎo)熱材料構(gòu)成的，包括上層和下層，它們在邊緣結(jié)合在一起形成氣密性的、基本為平面的包封。
更優(yōu)選的是，所述容器是真空密封的，把上層和下層拉在一起。對于含有結(jié)合的氧化劑(在一些實施方案中，含有固體第二燃料)的第一種類型區(qū)，這是特別希望的。在一些實施方案中，這些干燥的成分在所述區(qū)域真空包裝時均勻分布在整個區(qū)內(nèi)。在另一個實施方案中，這些成分以結(jié)合的氧化劑和任選的第二燃料的總量的一些較小的束組合在一起。這些束本身在所述區(qū)真空包裝時均勻分布在整個區(qū)內(nèi)。在所述區(qū)內(nèi)的這些均勻分布的成分或成分束導(dǎo)致在所述裝置操作過程中的均勻發(fā)熱。在優(yōu)選的實施方案中，真空包裝還使得在熱包的內(nèi)容物相互反應(yīng)并產(chǎn)生微正壓時，所述區(qū)可以略微膨脹。這種膨脹產(chǎn)生本發(fā)明所要求的、在反應(yīng)介質(zhì)之上的蒸氣空間和容器的表面。通過一些其它包裝結(jié)構(gòu)，在所述裝置操作時，可以產(chǎn)生該空間或者使該空間可以產(chǎn)生。這種其它的包裝結(jié)構(gòu)是該領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的。
在一個優(yōu)選的實施方案中，所述導(dǎo)熱材料是金屬箔，如基本由鋁或銅構(gòu)成的金屬箔，或者金屬化的塑料薄膜如涂鋁的聚酯，例如MYLAR(r)。所述材料的邊緣通過任何合適的方法結(jié)合在一起，例如，焊接、熱封、超聲波焊接、溶劑焊接、折疊焊、或使用粘合劑。
在熱包的制造過程中，所述容器優(yōu)選的是包含一個開口端或者在每個區(qū)上包含一個開口邊，分別用于引入第一燃料/凝膠混合物和氧化劑/第二燃料。其它的邊或邊緣在該引入之前密封。在向所述容器的不同區(qū)內(nèi)加入第一燃料/凝膠和氧化劑之后，密封所述開口邊，使得所述容器成為流體密封性的和氣密性的。所述容器的尺寸和形狀、以及容器內(nèi)的區(qū)的排列和結(jié)構(gòu)，將根據(jù)其使用用途而變化。所以，另外的組裝過程是可用的，以便合適地組合所述熱包。例如，在某些優(yōu)選的實施方案中，一種類型的區(qū)可以在另一種類型的區(qū)裝載之前真空密封，例如，在所述區(qū)的環(huán)形布置中，或者一個包在另一個包中的排列。一個特定的實施方案使用區(qū)的疊層排列。本發(fā)明不受容器內(nèi)區(qū)的排列限制。
在組裝之后，使用之前，所述熱包處于靜止條件中，所述熱包優(yōu)選的是在一次使用之后廢棄。在本發(fā)明的另一個實施方案中，多個第一種類型和/或第二種類型的區(qū)可以用于本發(fā)明的熱包中。如前所述，一個以上的隔板可以用于這些實施方案以及只有一對區(qū)的實施方案中。
為了使用本發(fā)明，用戶破壞或者用其它方式打開所述隔板。用戶手動或者用其它方式把一個區(qū)的內(nèi)容物分布到另一個區(qū)中，或反之。在優(yōu)選的實施方案中，把含有第一燃料/預(yù)先形成的凝膠/溶劑的區(qū)的內(nèi)容物分布到含有結(jié)合的氧化劑/任選的第二燃料的區(qū)中。
有一些可以使用本發(fā)明熱包的用途。根據(jù)使用熱包的特定用途，通過熱包內(nèi)液體介質(zhì)的對流把熱量傳遞到所述裝置的外表面，在所述外表面，熱量進一步傳遞到其它物體上。在這種用途中，設(shè)計所述熱包以確定適用于這些用途的合適形狀。例如，在一些實施方案中，設(shè)計所述熱包用于加熱食物或飲料?？梢栽O(shè)計用于加熱食物或飲料的熱包，來滿足某些性能要求，如在某一時間內(nèi)獲得某一工作溫度。例如，可以設(shè)計所述熱包在12分鐘內(nèi)達到60℃。對于某些軍事用途，這種性能要求是重要的。
本發(fā)明的熱包在需要小型自加熱裝置的遠距離荒原區(qū)域(為了娛樂)中或在任何區(qū)域的救護操作中也找到了用途。所述熱包容易地用來溫暖休克的受難者，或者處理或防止凍傷。還可以預(yù)計用于其它用途，如衣物，包括手套、靴子或其它鞋襪的加熱。
本發(fā)明的熱包可以容易地用于外科或其它醫(yī)療用途中，如人體外科手術(shù)或獸醫(yī)外科手術(shù)中。在外科手術(shù)中，中心體溫度經(jīng)常降低到不希望的水平。本發(fā)明的熱包可以容易地用于加熱患者。因為本發(fā)明的熱包具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定特性，可以明顯地使由于過熱導(dǎo)致的患者不舒適和最終的組織傷害最小化。
對于這些和其它用途，所述熱包優(yōu)選的是包括捆扎物，它可以使得所述熱包起始時定位在例如肢體上。然后，啟動該裝置而無需進一步的定位調(diào)整。合適的捆扎物包括帶子、膠帶、或可重復(fù)使用的帶如VELCRO(r)帶。如果把所述熱包設(shè)計成可以放在肢體如人、馬、狗、或進行獸醫(yī)外科手術(shù)的任何其它動物的的腿上的袖套，可以容易地滿足這樣的外科用途?；蛘?，可以把平板熱包插入織物袖套或包裹中。希望的是，袖套直徑是可調(diào)的，允許相同的袖套用于不同的患者。此外，所述熱包可以設(shè)計成墊子，使其可以加熱寬的體表面如人或動物的背或胸。在任何可以使用所述熱包的用途中，根據(jù)用戶的方便，所述熱包可以在與待加熱物體接觸之前或之后啟動。本文所用的術(shù)語″啟動″是指隔板的破壞或?qū)ζ涞钠渌僮鳎曰旌纤鲆淮涡匀萜鞯膬?nèi)容物，從而引發(fā)放熱化學反應(yīng)，以及手動或用其它方式把所述熱包的內(nèi)容物混合在一起，以保證所述內(nèi)容物的均勻分布并因此產(chǎn)生均勻加熱。
本發(fā)明的熱包可以容易地用于治療用途。許多類型的損害最希望通過熱的利用來處理。這些包括肌肉和韌帶拉傷和扭傷，以及風濕、關(guān)節(jié)炎等痛苦。熱包的這種應(yīng)用也要求熱包的形式為袖套或墊子，并包括捆扎物，如上所述。
本發(fā)明的特征還在于一種用自加熱的、一次性液體熱包加熱物體的方法。該方法包括提供一種如上所述的熱包，通過破壞隔板啟動該熱包，手動或其它方式把第一種和第二種類型區(qū)的內(nèi)容物混合在一起，以保證其內(nèi)容物的接觸，隨后使從而引發(fā)的放熱反應(yīng)投入加熱物體的實用過程中。通過建立并保持在所述物體和熱包之間的熱接觸可以有效地實現(xiàn)這一方法。在一些實施方案中，熱包與待加熱物質(zhì)的容器是整體的，例如用于食物或飲料的容器。在另一些實施方案中，只把熱包加到待加熱物體上面，或者使熱包裝配在待加熱物體上。
在下列實施例中將進一步描述本發(fā)明，這些實施例不限制權(quán)利要求書所述的本發(fā)明的范圍。
實施例下列實施例是本發(fā)明的一些特定實施方案的說明，以及本發(fā)明的性能特征。
實施例用于即食膳食的熱包用于可攜膳食的熱包制備如下。制備約8×10英寸的乙烯容器，在填充和密封時，該容器的厚度明顯比其其它尺寸更薄。該容器有一個第一種類型的區(qū)，用于結(jié)合的氧化劑和第二燃料，和一個第二種類型的區(qū)，用于第一燃料和淀粉凝膠溶液，以及一個在所述氧化劑區(qū)域和所述燃料區(qū)域之間的易碎密封。所述區(qū)域含有下列成分第一種類型的區(qū)含有20克粉末狀糖和27克100目顆粒的結(jié)合氧化劑，制備如下。
把氧化劑(23.7克高錳酸鉀粉末)與13毫升25重量％的硅酸鈉溶液混合，所述硅酸鈉溶液通過用水稀釋42玻美度(Baume)的硅酸鈉溶液，使沉淀的固體溶解而制得。把該混合物鋪展在一個平面上，干燥成板，然后重新研磨成用于本發(fā)明的100目顆粒。
把干燥的結(jié)合氧化劑(高錳酸鉀/硅酸鈉)和粉末狀糖充分混合并均勻地鋪展在小袋一面的內(nèi)表面上。在另一實施方案中，這些干燥的成分被分成幾個多孔的容易潤濕的內(nèi)袋，而不是鋪展在水平表面上。這些袋經(jīng)由能向每個內(nèi)袋傳遞流體成分的薄吸附劑材料，相互之間能夠流體相通。流體能夠借助毛細作用通過吸附劑材料并潤濕每個內(nèi)袋的內(nèi)容物。所述內(nèi)袋構(gòu)成第一種類型的區(qū)。
把16.7體積％的甘油和1.5克Mira-Thik(r)468淀粉溶解在68毫升的去離子水中，用于第二種類型的區(qū)。把該區(qū)密封并沿著袋的一端放置。然后把整個外袋抽真空，以保持干燥的成分在原位上，以及幫助液體成分分布在所述區(qū)之間的密封的裂口上。把所述容器密封并備用。
在通過破壞易碎的密封啟動所述熱包時，在2分鐘內(nèi)所述熱包達到約95℃的工作溫度。該工作溫度保持約90分鐘，其后，在180分鐘的時間內(nèi)，所述裝置冷卻回到環(huán)境溫度。
我們已經(jīng)成功地試驗了本發(fā)明的熱包的其它實施方案用于其它用途。對于人體治療，設(shè)計并生產(chǎn)相同尺寸的熱包。對于這種熱包，除了使用3克淀粉以外，成分和制備方法是相同的。在操作時，這種熱包在2分鐘內(nèi)顯示出40℃的工作溫度。該操作溫度保持約200分鐘。當然，其它密封材料和排列是可能的。
本發(fā)明的另一個實施方案在第一個區(qū)域內(nèi)使用27克涂敷的氧化劑粉末，和20克粉末狀的糖，和在第二個區(qū)域內(nèi)使用68毫升33體積％甘油溶液，和1.5克淀粉。這種熱包在5分鐘內(nèi)達到約105℃，并在該溫度保持穩(wěn)定超過一個小時。
其它實施方案將要理解的是，雖然結(jié)合其詳細描述敘述了本發(fā)明，上述描述意欲說明并且不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書的范圍確定。其它方面、優(yōu)點和改進在下列權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種一次性加熱裝置，包括一次性容器，它具有至少一個不滲透液體的第一區(qū)和至少一個不滲透液體的第二區(qū)；在所述至少一個第一區(qū)和所述至少一個第二區(qū)之間布置的隔板，可以操作所述隔板，提供在所述區(qū)之間的連通；在所述至少一個第二區(qū)內(nèi)的包含第一燃料、預(yù)先形成的可硬化凝膠、和一種可蒸發(fā)的溶劑的混合物；以及在所述至少一個第一區(qū)內(nèi)的基本為固體的顆粒狀氧化劑，所述氧化劑被包埋且分散在一種結(jié)合劑的固體中，所述結(jié)合劑可以溶解在所述溶劑和所述第一燃料的至少一種中，其中，第一和第二區(qū)之間的連通使得其中的內(nèi)容物可以混合，并且在室溫引發(fā)產(chǎn)生熱量的第一個放熱化學反應(yīng)，在所述容器內(nèi)產(chǎn)生熱量，其中，在所述放熱化學反應(yīng)過程中，所述可溶性結(jié)合劑溶解，以便以預(yù)定的速率可控地暴露所述顆粒狀氧化劑，其中，所述容器在所述區(qū)之間連通后，包括在所述區(qū)的內(nèi)容物之上的一個蒸氣空間和一個冷凝表面，其中，在該裝置的操作過程中，當所述裝置的溫度接近預(yù)定的最高溫度時，可蒸發(fā)的溶劑蒸發(fā)進入所述蒸發(fā)空間并在所述冷凝表面上冷凝，引起所述凝膠的硬化，并且其中，所述預(yù)先形成的可硬化凝膠的量足以防止所述放熱化學反應(yīng)引起所述容器的溫度在所述裝置的操作過程中超過預(yù)定的最高溫度。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，其中，所述容器包含一種薄壁包封，所述包封能適應(yīng)其周圍的形狀。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的加熱裝置，其中，所述容器包含一種聚合物材料。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，其中，所述氧化劑包含一種堿金屬的高錳酸鹽。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，其中，所述可蒸發(fā)的溶劑是水，所述第一種放熱化學反應(yīng)在含水環(huán)境內(nèi)發(fā)生。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，還包含一種在所述區(qū)域的至少一個中的溫度穩(wěn)定劑。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的加熱裝置，其中，所述溫度穩(wěn)定劑包含一種相變材料。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，其中，所述預(yù)先形成的凝膠包含一種有機材料。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的加熱裝置，其中，所述有機材料是淀粉。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，其中，所述第一燃料包含甘油。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，還包含多個第一種類型的區(qū)和多個第二種類型的區(qū)。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，其中，所述隔板是一次使用的易碎薄膜。
13．根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，其中，所述放熱化學反應(yīng)是一種還原一氧化反應(yīng)。
14．根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，在所述至少一個第一區(qū)內(nèi)還包含第二燃料，其中，所述第二燃料可溶于所述溶劑中，并且，其中，所述第一個放熱化學反應(yīng)加熱所述裝置到引發(fā)第二個放熱化學反應(yīng)的溫度。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的加熱裝置，其中，所述第二燃料基本是固體的且是顆粒狀的。
16．根據(jù)權(quán)利要求14的加熱裝置，其中，所述容器包含一個適應(yīng)其周圍形狀的薄壁包封。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的加熱裝置，其中，所述容器包含一種聚合物材料。
18．根據(jù)權(quán)利要求14的加熱裝置，其中，所述氧化劑包含一種堿金屬的高錳酸鹽。
19．根據(jù)權(quán)利要求14的加熱裝置，其中，所述結(jié)合劑是硅酸鈉。
20．根據(jù)權(quán)利要求14的加熱裝置，其中，所述可蒸發(fā)的溶劑是水，所述第一和第二個放熱化學反應(yīng)在水中發(fā)生。
21．根據(jù)權(quán)利要求14的加熱裝置，在至少一個區(qū)內(nèi)還含有一種溫度穩(wěn)定劑。
22．根據(jù)權(quán)利要求21的加熱裝置，其中，所述溫度穩(wěn)定劑包含一種相變材料。
23．根據(jù)權(quán)利要求14的加熱裝置，其中，所述預(yù)先形成的可硬化凝膠包含一種有機材料。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的加熱裝置，其中，所述有機材料是淀粉。
25．根據(jù)權(quán)利要求14的加熱裝置，其中，所述第一燃料包含一種多羥基化合物，所述第二燃料包含一種多羥基化合物。
26．根據(jù)權(quán)利要求25的加熱裝置，其中，所述第一燃料包含甘油。
27．根據(jù)權(quán)利要求25的加熱裝置，其中，所述第二燃料包含一種糖。
28．一種一次性加熱裝置，包括一次性容器，具有至少一個不滲透液體的第一區(qū)和至少一個不滲透液體的第二區(qū)；在所述至少一個第一區(qū)和所述至少一個第二區(qū)之間布置的隔板，可以操作所述隔板，提供在所述區(qū)之間的連通；在所述至少一個第二區(qū)內(nèi)的包含甘油、預(yù)先形成的可硬化的淀粉凝膠和水的混合物；以及在所述至少一個第一區(qū)內(nèi)的高錳酸鉀和糖的顆粒，所述高錳酸鉀顆粒被包埋且分散在硅酸鈉固體中，其中，在第一和第二區(qū)之間的連通使得其中的內(nèi)容物可以混合，并且引發(fā)一種放熱的還原/氧化反應(yīng)，在所述容器內(nèi)產(chǎn)生熱量，其中，在所述放熱反應(yīng)過程中，所述硅酸納固體溶解，以便以預(yù)定的速率可控地暴露所述高錳酸鉀顆粒，其中，所述容器在所述區(qū)之間連通后，包括在所述區(qū)域的內(nèi)容物之上的一個蒸氣空間和一個冷凝表面，其中，在該裝置的操作過程中，當所述裝置的溫度接近預(yù)定的最高溫度時，水蒸發(fā)進入所述蒸發(fā)空間并在所述冷凝表面上冷凝，引起所述凝膠的硬化，并且其中，所述預(yù)先形成的可硬化淀粉凝膠的量足以防止所述放熱化學反應(yīng)引起所述容器的溫度在所述裝置的操作過程中超過預(yù)定的最高溫度。
29．根據(jù)權(quán)利要求28的的加熱裝置，其中，所述隔板包含一種一次使用的易碎薄膜。
30．一種加熱物體的方法，包括下列步驟a)提供一種根據(jù)權(quán)利要求1的一次性加熱裝置；b)使所述裝置與待加熱物體接觸；c)破壞所述隔板使得所述區(qū)之間可以接觸；并且d)把第一和第二區(qū)的內(nèi)容物混合在一起，以保證其內(nèi)容物接觸，從而引發(fā)一種放熱化學反應(yīng)。
31．根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中，步驟c)和d)在步驟b)進行之前進行。
32．根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中，所述待加熱的物體是裝有食物和飲料的容器。
33．根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中，所述待加熱的物體是人體或動物體的一部分。
34．根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中，所述人或動物是患者。
35．根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中，所述待加熱的物體是衣物或鞋襪。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用放熱化學反應(yīng)的自加熱的、一次性的熱包(1)。通過使用預(yù)先形成的可逆硬化的凝膠改變放熱化學反應(yīng)速率來提供熱包的自調(diào)節(jié)。使用可蒸發(fā)的溶劑調(diào)整凝膠的硬度。該熱包可以用于不同于預(yù)計設(shè)計條件的傳熱或周圍溫度條件下。
文檔編號C09K5/00GK1310600SQ99808977
公開日2001年8月29日 申請日期1999年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月21日
發(fā)明者M·W·薩賓, C·M·薩賓 申請人:坦普拉技術(shù)公司