ТЕРМОСТАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ САМОРАЗОГРЕВАЮЩИХСЯ КОНТЕЙНЕРОВ
THERMOSTATIC TEMPERATURE CONTROL FOR SELF-HEATING CONTAINERS

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к одноразовым нагревательным устройствам и саморазогревающимся контейнерам для продуктов, использующим их для нагревания пищевых продуктов, напитков и других продуктов, предназначенных для потребления или использования, при инициировании потребителем экзотермической химической реакции.
Предшествующий уровень техники
Саморазогревающиеся контейнеры для продуктов с одноразовыми химическими нагревательными устройствами и использование инициируемого потребителем химического нагревания известны. Патенты США №№5,461,867 и 5,626,022, например, раскрывают одноразовые нагревательные устройства, использующие экзотермическую гидратацию оксида кальция. Патент США №5,035,230 раскрывает одноразовые нагревательные устройства, использующие реакцию топлива из полиола, такого как этиленгликоль, с окислителем типа перманганата калия. После активирования потребителем, чтобы вызвать смешивание компонентов реакции, химические нагревательные устройства производят установленное количество теплоты и таким образом вызывают подъем температуры, зависящий от интенсивности теплообразования за счет реакции и интенсивности теплоотдачи от нагревательного устройства к продуктам, подлежащим нагреванию, и до какой-то степени, в окружающую среду. В зависимости от используемой химической реакции имеются способы и материалы, которые можно использовать в производстве нагревательных устройств, чтобы спроектировать интенсивность и продолжительность экзотермической реакции для достижения желательной величины подъема температуры в продукте, подлежащем нагреванию.
Для некоторых применений известные химические нагревательные устройства имеют коммерческие недостатки и, в некоторых случаях, потенциальные проблемы безопасности. Например, саморазогревающийся контейнер, который увеличивает температуру продукта на установленную величину, производит конечную температуру продукта, начиная от 0°С окружающей среды, которая приблизительно на 20°С ниже, чем конечная температура продукта, достигаемая при условии начала реакции при 20°С окружающей среды. Если нагревательное устройство для этого контейнера и продукта установлено так, чтобы производить желательную температуру продукта, начиная от 20°С окружающей среды, температура продукта может быть неприемлемо низкой, если температура окружающей среды падает до 0°С. И наоборот, если нагревательное устройство установлено так, чтобы произвести желательную температуру продукта, начиная от 0°С окружающей среды, температура продукта может быть неприемлемо высокой, если температура окружающей среды повышается до 20°С. Неприемлемо высокая температура продукта может представлять риск обжигания. Неприемлемо высокие температуры продуктов и температуры контейнеров также могут быть результатом частичного или полного отсутствия продукта вследствие преждевременного удаления продукта или утечки, которая особенно опасна для жидкого продукта, такого как напиток или суп. Без теплоотведения, обеспечиваемого подлежащим нагреванию продуктом, температура в реакционной камере нагревательного устройства может подниматься до уровня, на котором реагенты или продукты реакции разлагаются. Уровень температуры в таких ситуациях может быть уменьшен до некоторой степени посредством включения воды в реакционную смесь, таким образом поддерживая температуру на точке кипения, пока вся вода не испарится. Даже в этом случае крайне резкий рост температуры может привести к тому, что контейнер станет достаточно горячим, чтобы представлять для потребителя риск ожога. Кроме того, включение достаточного количества воды в реакцию, чтобы абсорбировать вследствие ее кипения всю выделяемую теплоту, имеет тенденцию во время нормальной работы снижать интенсивность теплообразования до неприемлемо низкого уровня.
Объекты данного изобретения имеют применение в системах и способах, предназначенных для подавления экзотермических реакций одноразовых химических нагревательных устройств в жестких или полужестких саморазогревающихся контейнерах, то есть нагревательных устройств и контейнеров, которые удерживают форму, а также в гибких пакетах, содержащих термически связанные отсеки для нагрева и для продуктов.
Цель данного изобретения состоит в создании способа автоматического подавления экзотермической реакции в одноразовом химическом нагревательном устройстве, находящемся в термическом контакте с отсеком для продуктов саморазогревающегося контейнера, посредством выпускания, предпочтительно впрыскивания, в реакционную камеру нагревательного устройства подавляющего состава в ответ на выбранную температуру, достигаемую в отсеке для продуктов, таким образом замедляя или даже прекращая экзотермическую реакцию.
Другой целью данного изобретения является отведение пара, производимого во время крайне резкого роста температуры, в дополнение к автоматическому выпуску подавляющего средства в реакционную зону.
Дополнительным объектом данного изобретения является саморазогревающийся контейнер, имеющий одноразовое химическое нагревательное устройство, термически связанное с отсеком для продуктов, дополнительно содержащий автоматическую систему подавляющего средства, которая включает в себя изолированный отсек, содержащий подавляющий состав и средство, чувствительное к выбранному температурному режиму в отсеке для продуктов, для автоматического выпускания, предпочтительно впрыскивания, подавляющего состава в реакционную зону нагревательного устройства.
Еще одним объектом данного изобретения является саморазогревающийся контейнер, включающий в себя достаточное количество воды в системе подавляющего реакцию или просто подавляющего средства, чтобы ограничивать любой резкий рост температуры точкой парообразования в системе, и дополнительно включающий в себя средство для выпускания пара из нагревательного устройства, предпочтительно выпускания пара через диффузор.
Сущность изобретения
Данное изобретение включает в себя способы и системы для подавления интенсивности теплообразования и последующего подъема температуры активированных одноразовых химических нагревательных устройств и применяющих их жестких, полужестких или гибких саморазогревающихся контейнеров. Способы и системы согласно этому изобретению могут быть предназначены для обеспечения различных величин подавления, от умеренного замедления до полного подавления, и для действия в ответ на выбранный температурный режим, чтобы приспосабливать их к конкретным нагревательным устройствам, контейнерам и продуктам. В соответствии с данным изобретением предложен способ подавления экзотермической реакции в саморазогревающемся контейнере, который включает в себя одноразовое химическое нагревательное устройстве, в котором реагенты генерируют тепло в реакционной камере, термически связанной с отсеком для продуктов, при котором
(a) обеспечивают контейнер с выпускаемым составом, подавляющим реакцию, и
(b) в соответствии с выбранной температурой, возникающей в отсеке для продуктов, автоматически выпускают подавляющий состав в реакционную камеру, таким образом подавляя экзотермическую реакцию.
При этом экзотермическую реакцию могут прервать с помощью выпущенного подавляющего состава, подавляющий состав может включать в себя воду, подавляющий состав может включать в себя по меньшей мере один ингредиент, выбираемый из группы, состоящей из каталитического яда, комплексообразующего реагента, средства кристаллизации, противовспенивающего средства, гелеобразователя и осадителя, при автоматическом выпускании подавляющего состава впрыскивают подавляющий состав в реакционную камеру, автоматическое выпускание подавляющего состава осуществляют в зависимости от температуры, подавляющий состав могут подавать в эластомерном растянутом пакете и при автоматическом выпускании подавляющего состава прокалывать упомянутый пакет, при автоматическом выпускании подавляющего состава могут расплавлять легкоплавкий компонент, термически связанный с отсеком для продуктов, и при этом подавляющий состав могут диспергировать в легкоплавкий компонент, применяемый внутри реакционной камеры. Из реакционной камеры могут удалять пар, создаваемый в ходе экзотермической реакции, и при удалении пара его рассеивают, фильтруют.
В данном изобретении предложен также саморазогревающийся контейнер, включающий в себя отсек для продуктов, физически отделенный от реакционной камеры одноразового химического нагревательного устройства, но находящийся с ней в термическом контакте, контейнер дополнительно включает в себя систему подавления реакции, содержащую
(a) подавляющий состав в закрытом с возможностью выпуска отсеке, сообщающемся по текучей среде с реакционной камерой, и
(b) средство для автоматического выпуска подавляющего состава в реакционную камеру в зависимости от выбранной температуры, достигаемой отсеком для продуктов. При этом подавляющий состав предназначен для подавления экзотермической реакции в реакционной камере, если он выпущен. При этом контейнер может быть выполнен с возможностью выпуска подавляющего состава для прерывания экзотермической реакции, подавляющий состав может включать в себя воду или, по меньшей мере, один ингредиент, выбираемый из группы, состоящей из каталитического яда, комплексообразующего реагента, средства кристаллизации, противовспенивающего средства, гелеобразователя и осадителя, или один ингредиент, выбираемый из группы, состоящей из каталитического яда, комплексообразующего реагента, средства кристаллизации, противовспенивающего средства, гелеобразователя и осадителя и воды. Контейнер может быть выполнен с возможностью выпуска подавляющего состава для прерывания экзотермической реакции. Средство для автоматического выпуска подавляющего состава дополнительно содержит средство для впрыскивания подавляющего состава в реакционную камеру независимо от ориентации контейнера, а средство для впрыскивания подавляющего состава может быть выполнено термочувствительным и может содержать растянутый эластомерный пакет, прокалываемый для осуществления впрыскивания подавляющего состава. Средство для автоматического выпуска подавляющего состава может быть выполнено термочувствительным. Средство для выпуска подавляющего состава может включать в себя легкоплавкий компонент, термически связанный с отсеком для продуктов. Легкоплавкий компонент может быть нанесен на внутреннюю сторону реакционной камеры. Контейнер может дополнительно содержать средство для удаления пара из реакционной камеры, которое, в свою очередь, может содержать рассеиватель пара, выполненный с возможностью рассеивания удаляемого пара. Средство для удаления пара может содержать фильтр, выполненный с возможностью фильтрации удаляемого пара. Средство для удаления пара может включать в себя вентиляционную трубку, проходящую в реакционную камеру, и отклоняющее устройство для предотвращения попадания пены в вентиляционную трубку. Контейнер может дополнительно содержать вентиляционное отверстие для выпуска пара из реакционной камеры, рассеиватель, выполненный с возможностью рассеивания удаляемого пара из реакционной камеры, фильтр, выполненный с возможностью фильтрации удаляемого пара из реакционной камеры. Химическое нагревательное устройство и система подавления реакции могут представлять собой единую цельную конструкцию, с уплотнением вставляемую в контейнер для продуктов.
Саморазогревающиеся контейнеры, для которых можно применять данное изобретение, включают в себя одноразовое нагревательное устройство, как описано выше, и по меньшей мере один отсек для продуктов для содержания напитка, пищевого продукта или другого продукта, подлежащего нагреванию. Для простоты понимания данное изобретение будет описано на примере единственного отсека для продуктов, но должно быть понятно, что можно использовать множество отсеков для продуктов, и что каждый из множества отсеков может обслуживаться по меньшей мере одним химическим нагревательным устройством, или одно нагревательное устройство может обслуживать множество отсеков для продуктов. Отсек для продуктов представляет собой закрытый или закрывающийся отсек, который может быть открыт потребителем. Это может быть, например, цилиндрический контейнер для напитка или пищевого продукта, изготовленный из металла или пластмассы пищевого сорта или из слоистых материалов. Он может также иметь другие формы, такие как чашка, тарелка или коробка, как может быть подходящим для конкретного продукта. Он может быть гибким или удерживающим форму. Нагревательное устройство может быть сконструировано из любого материала, который будет надежно удерживать нагревающую реакцию. Его реакционная камера предпочтительно является удерживающей форму, то есть жесткой или полужесткой конструкцией, но в некоторых вариантах осуществления она может быть гибкой. В нагревательные устройства могут быть включены гибкие отсеки, такие как эластомерные пакеты, как будет описано ниже. Нагревательные устройства, включающие в себя нагревательные устройства с системами подавляющего средства в соответствии с данным изобретением, могут быть изготовлены отдельно от отсеков для продуктов, а затем физически присоединены, чтобы образовать саморазогревающийся контейнер. В качестве альтернативы нагревательные устройства и отсеки для продуктов могут быть изготовлены, например, формованными полностью или частично в комплекте. В любом случае реакционная камера включает в себя поверхность, обычно главную поверхность, находящуюся в термическом контакте с поверхностью отсека для продуктов, которая термически связана с отсеком для продуктов, посредством чего выделяемое тепло протекает в отсек для продуктов и в продукт, подлежащий нагреванию. Обычно тепловая связь достигается либо посредством примыкающих теплопроводящих стенок реакционной камеры нагревательного устройства и отсека для продуктов, либо посредством использования единственной теплопроводящей стенки, отделяющей отсек для продуктов от реакционной камеры. Выпускание подавляющего средства связано с температурой продукта, а не с температурой реакции. Нагревающая реакция обычно быстро достигает высокой температуры, и подавляющее средство, выпускаемое, когда эта температура достигнута, может иметь тенденцию подавлять реакцию в течение такого же общего затраченного времени, давая постоянный нагрев, независимо от температуры продукта. В некоторых вариантах осуществления другие поверхности нагревательного устройства могут иметь изолирующую способность или снабжаться изоляционным материалом, по меньшей мере поверхности, открытые для нормального контакта потребителя.
Саморазогревающиеся контейнеры в соответствии с данным изобретением включают в себя отсек для подавляющего средства, предназначенный для хранения подавляющего состава, из которого подавляющий состав может автоматически выпускаться в реакционную смесь, когда температура в отсеке для продуктов достигнет заданного значения. Отсек для подавляющего средства может быть закрытым отсеком или отдельной камерой, размещенной внутри реакционной камеры нагревательного устройства. Это может быть легкоплавкое твердое тело, которое окружает пространство для подавляющего состава, или в которое может быть диспергирован подавляющий состав. В последнем случае легкоплавкое твердое тело, служащее в качестве расплавляемого отсека, содержащего подавляющее средство, может применяться, например, как покрытие для внутренней части реакционной камеры, термически связанной с отсеком для продуктов. Как вариант, отсек для подавляющего средства может быть размещен снаружи реакционной камеры, но находиться в связи по текучей среде с этой камерой и, следовательно, с реакционной смесью при выпускании. Во всех случаях отсек для подавляющего средства служит для физического отделения подавляющего состава от реакционной смеси нагревательного устройства до выпускания.
Саморазогревающиеся контейнеры в соответствии с данным изобретением включают в себя механизм выпускания, предназначенный для автоматического выпускания хранящегося подавляющего состава в реакционную камеру в ответ на состояние перегрева, происходящего или возникающего в процессе возникновения или, возможно, возникающего на поверхности отсека для продуктов, термически связанного с реакционной камерой нагревательного устройства. Например, если нагревательное устройство предназначено для нагревания продукта до желательной конечной температуры, составляющей приблизительно 60°С, начиная от температуры окружающей среды 0°С, когда температура окружающей среды выше, будет необходимо подавлять экзотермическую реакцию. Поскольку подавление не является мгновенным, предпочтительно проектировать систему подавления так, чтобы выпускать подавляющий состав, когда температура на обозначенной поверхности отсека для продуктов приближается к уровню, соответствующему желательной конечной температуре продукта, чтобы продолжающееся нагревание, следующее за выпусканием подавляющего состава, достигало желательной конечной температуры продукта. Выпущенный подавляющий состав мог бы замедлить или остановить реакцию, чтобы удержать конечную температуру продукта, если начальная температура выше, например, 20°С, таким образом поддерживая одинаковую или почти одинаковую конечную температуру продукта, начиная с довольно различных температур окружающей среды. Соответствующая контролируемая температура для конкретного контейнера и продукта может быть установлена эмпирически.
В предпочтительных вариантах осуществления выпускание подавляющего средства является термочувствительным. Наше предпочтительное автоматическое чувствительное к температуре средство управления представляет собой легкоплавкий компонент, который термически связан с поверхностью отсека для продуктов и плавится при выбранной температуре. Легкоплавкий компонент может содержать весь или часть отсека для подавляющего средства или средства, удерживающего выпускание подавляющего средства. Это может быть металлический сплав, который плавится при выбранной температуре. Такие сплавы и их конструктивное исполнение известны из их использования в спринклерных системах пожаротушения. Легкоплавкий металлический сплав можно использовать как пережигаемую перемычку, которая предотвращает выпускание подавляющего состава, в то время как он является твердым, но вызывает или позволяет выпускание после расплавления. Например, пережигаемую перемычку, термически связанную с поверхностью отсека для продуктов, можно использовать, чтобы удерживать подпружиненную стрелку или закупоривать линию нагнетания от отсека для подавляющего средства. Парафин, который плавится при выбранной температуре, представляет собой другой пример легкоплавкого компонента, который обычно используется в предохранительных клапанах в водонагревателях. Парафин может использоваться в качестве пережигаемой перемычки или использоваться для содержания подавляющего состава и выпускания его после расплавления. Также можно использовать другое чувствительное к температуре средство управления. Например, можно использовать тепловое расширение биметаллического элемента, как обычно используется в термостатах, в частности защелкивающегося биметаллического элемента кругового, куполообразного вида. Как вариант, автоматическое разъединение может быть косвенно чувствительно к состоянию перегрева, то есть непосредственно чувствительно к другому физическому параметру, соответствующему такому состоянию. Например, в некоторых вариантах осуществления повышение давления реакционной камеры можно соотносить с температурой продукта, и в этом случае для выпускания подавляющего состава может использоваться механизм, чувствительный к давлению.
Предпочтительные способы и системы согласно данному изобретению заставляют выпускаемый подавляющий состав течь в реакционную камеру независимо от ориентации саморазогревающегося контейнера. Если рассматривать выпускание, которое включает в себя, например, открывание окна или отверстия в нижней части отсека для подавляющего средства, подавляющий состав не будет течь, если контейнер находится в перевернутом положении. Мы рассматриваем предпочтительные системы, которые заставляют подавляющий состав "вводиться" в реакционную камеру, и предпочтительные способы, такие как "впрыскивающие" подавляющий состав в эту камеру, с помощью которых предполагается, что выпускаемое подавляющее средство направляется в камеру, где оно может входить в контакт по меньшей мере с жидкими реагентами, независимо от ориентации контейнера. Предпочтительный вариант осуществления включает в себя хранение подавляющего состава в эластомерном пакете, который находится под растяжением как отдельный отсек внутри реакционной камеры, и прокалывание пакета, чтобы выпустить состав, посредством чего пакет прорывается внезапно подобно лопающемуся шару, гарантируя, что состав покинет пакет и войдет в реакционную камеру. Другое средство для впрыскивания состава подавления заключается в его хранении под давлением в отсеке, имеющем выпускную трубку, идущую в реакционную камеру, которая блокирована освобождаемым образом, например пережигаемой перемычкой, функционирующей как заглушка. В таком варианте осуществления отсек не обязательно должен быть эластомерным. Это может быть, например, жесткий цилиндр, который содержит подпружиненный поршень, способный принудительно выталкивать подавляющий состав, как только блокирование выхода удалено. Другой предпочтительный вариант осуществления включает в себя хранение подавляющего состава в легкоплавком материале, таком как парафин, который находится внутри реакционной камеры и термически связан с отсеком для продуктов, посредством чего выпускание в реакционную камеру производится автоматически.
Подавляющие составы могут содержать жидкость, которая не вступает в реакцию с генерирующими тепло реагентами нагревательного устройства и поэтому добавление которой к реакционной смеси разбавляет смесь, замедляя реакцию, и абсорбирует тепло. Предпочтительным разбавляющим компонентом для подавляющих составов является вода. В случаях крайне резкого роста температуры, как происходит, когда продукт удаляют до инициирования экзотермической реакции или вскоре после этого, добавляемая вода также обеспечивает большой теплоотвод, а именно ее скрытую теплоту парообразования. Таким образом, вода в подавляющем составе не только замедляет экзотермическую реакцию, но также обеспечивает замещающий теплоотвод для отсутствующих продуктов, когда необходимо. Как можно оценить, добавляемая вода устанавливает зависимый от давления верхний предел для температуры реакционной камеры до тех пор, пока она не испаряется. Для подавления кипения включают достаточное количество воды, при этом некоторое количество воды все еще остается, таким образом ограничивая величину резкого роста температуры.
Подавляющие составы могут включать в себя вещества, которые образуют комплексное соединение с реагентами. Например, борная кислота или бура быстро образуют комплексное соединение с полигидроксильными соединениями, такими как глицерин, используемый с перманганатами в окислительно-восстановительной реакции. Как только реагенты образуют комплексное соединение, они не будут реагировать так быстро. Комплексное соединение, которое находится в равновесии с его составляющими компонентами, будет медленно выпускать реагенты так, чтобы все или выбранный реагент могли надежно использоваться, полностью дезактивируя нагревательное устройство для утилизации. Подавляющим средством может быть осадитель, который заставляет один из реагентов выпадать в осадок из взаимодействующего раствора. Подавляющим средством может быть каталитический яд, который останавливает активность катализатора в катализируемой реакции, оставляя реагенты для реагирования с их значительно более медленной некатализированной скоростью. Подавляющее средство может препятствовать диффузии и таким образом предотвращать контактирование реагентов друг с другом, например: гелеобразователи, средства кристаллизации или противовспенивающие средства. Выбор подавляющих составов находится в пределах квалификации специалистов в данной области техники. Подавляющий состав может иметь тип и количество, достаточное для прекращения экзотермической реакции в реакционной камере. Однако, в зависимости от применения, подавляющий состав может иметь тип и количество, достаточное для замедления экзотермической реакции до желательной степени, но не прекращать реакцию полностью. Например, может быть желательно, чтобы реакция была значительно замедлена, даже почти остановлена, но медленно продолжалась, чтобы израсходовать по меньшей мере один из реагентов при генерировании тепла на скорости достаточно низкой, чтобы не привести к неприемлемо высокой температуре.
Для вариантов осуществления, предназначенных для защиты от крайне резкого роста температуры, который приводит к образованию пара, нагревательные устройства и саморазогревающиеся контейнеры в соответствии с данным изобретением включают в себя средство для выпускания пара из реакционной камеры. Такое средство может включать в себя предохранительный клапан, который может быть столь же прост, как окно, блокированное легкоплавким предохранителем, чувствительным к температуре реакционной камеры, или заглушку, или ослабленную область стенки, чувствительную к повышенному давлению. Вентиляционное средство для саморазогревающихся контейнеров для напитков может включать в себя вентиляционную трубку, продолжающуюся от местоположения в реакционной камере над смесью экзотермической реакции, при добавлении подавляющего состава, через стенку реакционной камеры и предпочтительно в паровой диффузор, который распределяет выходящий пар, замедляя его скорость и, если желательно, пропуская его через фильтр, чтобы удалить захваченные твердые частицы и жидкости. Если саморазогревающийся контейнер включает в себя внешний изоляционный слой, пар можно пропускать в этот слой. Поскольку кипение имеет тенденцию образовывать пену, нагревательное устройство для саморазогревающегося контейнера для напитка может включать в себя паровую область повышенного давления, в которой размещен загрузочный конец вентиляционной трубки, и может дополнительно включать в себя диффузор, чтобы отводить пену от загрузочного конца трубки.
Можно использовать ряд механизмов, чтобы выпускать подавляющие составы, и данное изобретение не ограничено каким-либо конкретным механизмом. Один подходящий механизм представляет собой подпружиненную заостренную режущую пластину, например стрелку, которая может быть выпущена для прокалывания отсека или камеры, содержащей подавляющий состав, включая, но не ограничиваясь этим, растянутый эластомерный пакет. Управление таким механизмом представляет собой предпочтительно пережигаемую перемычку, удерживающую выпускание. Другой механизм представляет собой пережигаемую перемычку из сплава легкоплавких металлов, используемую в качестве заглушки, чтобы предотвращать выпускание подавляющего состава и выпускать состав при расплавлении, то есть управляемый температурой вентиль или заглушку. Точно так же можно использовать ряд средств управления, чтобы вызывать выпускание подавляющего состава. Наш предпочтительный механизм представляет собой легкоплавкий материал, термически связанный с отсеком для продуктов. Твердая перемычка может предотвращать действие механизма выпускания до ее расплавления или, как отмечено выше, перемычка сама может быть механизмом выпускания. Можно использовать легкоплавкие элементы на основе парафина.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления сам отсек для подавляющего средства может быть механизмом выпускания таким образом, чтобы когда сам отсек разрушится, например расплавится при расчетной температуре, подавляющий состав выпускался. Подавляющее средство может быть смешано с нереакционноспособным низкоплавким материалом, например парафином, чтобы при расплавлении этого материала захваченное подавляющее средство выпускалось. Это особенно полезно для твердых подавляющих средств, поскольку смесь парафина и подавляющего средства может быть помещена непосредственно внутрь реакционной камеры в термическом контакте с продуктом, подлежащим нагреванию, где она останется отделенной, и следовательно, неактивной до расплавления парафина. В вариантах осуществления этого типа парафин или другой материал с низкой температурой плавления служит как отсек для подавляющего средства, а также как зависящий от температуры легкоплавкий компонент и механизм выпускания. Термический контакт с продуктом, подлежащим нагреванию, может быть достигнут, например, при применении отсека из парафина, содержащего подавляющий состав, в качестве покрытия на внутренней поверхности нагревательного устройства, смежной с отсеком для продуктов. Поскольку расплавление такого отсека выпускает подавляющее средство в реакционной камере, это представляет собой пример инжекционного способа и устройства. Другая возможность для управляемого выпускания представляет собой защелкивающийся биметаллический элемент. Все вышеупомянутые примеры являются зависящими от температуры и реагируют непосредственно на температуру. Однако в некоторых случаях можно использовать механизм выпускания, работа которого косвенно зависит от температуры, такой как управляемый давлением механизм, где давление в реакционной камере соотнесено с температурой продукта.
Подробности одного или более вариантов осуществления изобретения сформулированы на прилагаемых чертежах и в описании ниже. Другие признаки, цели и преимущества изобретения станут очевидными из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - упрощенный вертикальный вид в поперечном разрезе саморазогревающегося контейнера в соответствии с данным изобретением.
Фиг.2а и 2b - виды сбоку в разрезе механизма выпускания для подавляющего средства в соответствии с данным изобретением перед активированием и после активирования соответственно.
Фиг.3 - упрощенный вертикальный вид в поперечном разрезе саморазогревающегося контейнера, используемого в примерах.
Фиг.4 - график, показывающий температуру, считываемую на протяжении некоторого времени для продуктов, подлежащих нагреванию, в примерах 1-12.
Фиг.5 - график температуры на протяжении некоторого времени имитируемого нагревательного устройства на оксиде кальция с выпуском подавляющего состава и без него.
Подобные ссылочные позиции на различных чертежах обозначают подобные элементы.
Подробное описание изобретения
Фиг.1 представляет упрощенный вид саморазогревающегося контейнера, который включает в себя систему подавляющего средства в соответствии с данным изобретением. Контейнер содержит внешнюю стенку 1 и верхнюю часть 2 со средством 3 для открывания. Внутри контейнера находится стенка 4. Стенка 4 герметизирована относительно внешней стенки 1, образуя закрытую камеру 5 для напитка, которая содержит напиток 6, и стенка 4 образует закрытую реакционную камеру 7. Первый реагент 8 помещен внутри закрытой камеры 7. Второй реагент 9 помещен внутри герметизированного пакета 10.
Имеется режущая кромка 11 для прокалывания пакета 10. Режущая кромка 11 приводится в действие при нажимании на внешний купол 12 на нижней части контейнера. Он, в свою очередь, нажимает на внутренний купол 13, который содержит нижнюю часть реакционной камеры 7. Когда внутренний купол 13 нажимается вверх, режущая кромка 11 разрывает пакет 10. Рамка 14 прижимается вниз пружиной 15, и это заставляет второй реагент 9 выходить из пакета 10, принуждая эти два реагента 8 и 9 войти в контакт и вступить в реакцию. Элементы 16 жесткости предотвращают подъем пакета 10, когда поднимается режущая кромка 11, в результате которого пакет 10 может не прорваться.
Когда эти два реагента 8 и 9 вступают в реакцию, они генерируют тепло, которое переносится через стенку 4, нагревая напиток 6 внутри камеры 5.
Когда содержимое реакционной камеры 7 нагревается, растет давление газа. Он выпускается через вентиляционный канал 17. Фильтр 18 препятствует попаданию жидкостей и твердых частиц и загораживает вентиляционный канал 17. В конце вентиляционного канала 17 находится область 19 повышенного давления между двумя куполами 12 и 13, где распределяется газ вентиляционного канала. Затем газ проходит через второй фильтр 20 и наконец выпускается в атмосферу через множество вентиляционных проходов 21. Фильтр 20 также предотвращает попадание внешних загрязняющих веществ в область 19 повышенного давления, вентиляционный канал 17 или реакционную камеру 7.
Твердая смесь 22 из легкоплавкого соединения и подавляющего средства обеспечена в реакционной камере 7 в контакте с внутренней поверхностью стенки 4 реакционного сосуда. Когда инициируется реакция, эта смесь 22 находится наверху, а не в контакте с реагентами 8 и 9. В то время как напиток 6 нагревается, тепло переносится через стенку 4 обратно в ту часть реакционной камеры 7, где реакция не происходит. Оно нагревает смесь 22 до тех пор, пока легкоплавкий компонент не достигает своей точки плавления. Тогда смесь 22 отделяется от стенки 4, и подавляющее средство входит в контакт с реагентами, подавляя реакцию.
Фиг.2а и 2b показывают механизм выпускания для подавляющего средства: фиг.2а изображает положение перед активированием, а фиг.2b изображает положение после активирования. На фиг.2а подавляющее средство 31 находится внутри камеры 32, образованной куполом 33 и уплотнением 34 из фольги. Купол 33 представляет собой часть стенки 35, формирующей реакционную камеру 36. Купол 33 и стенка 35 находятся в контакте с материалом, подлежащим нагреванию, аналогично стенке 4, показанной на фиг.1. Между этими двумя камерами 32 и 36 перед активированием нет никакой связи. Режущая кромка 37 прикреплена к пружине 38. Пружина 38 удерживается в сжатой конфигурации легкоплавким средством или перемычкой 39, которая находится в контакте с куполом 33.
На фиг.2b, когда купол 33 нагревается, легкоплавкое средство 39 расплавляется, освобождая пружину 38. Пружина 38 вдавливает режущую кромку 37 через уплотнение 34 из фольги. Плоское основание 40 режущей кромки 37 выталкивает подавляющее средство 31 в реакционную камеру 36. Легкоплавкое средство 39 остается в камере 32.
Фиг.3 изображает экспериментальное устройство саморазогревающегося контейнера, используемое в описанных ниже примерах. Оно образовано из медного цилиндра с нижней частью 51. Внутренний цилиндр 51 представляет собой второй цилиндр 52, прикрепленный к нижней части цилиндра 51, чтобы образовать водонепроницаемое уплотнение. Стенка цилиндра 52 является гофрированной, чтобы увеличить площадь поверхности теплопередачи. Имеется вентиляционный стояк 53, прикрепленный к верхней части цилиндра 52, чтобы образовать водонепроницаемое уплотнение. Внутри цилиндра 52 показан твердый реагент 54. Твердая смесь 55 подавляющего средства (например, паста из борной кислоты-парафина или паста из буры-парафина) прижата к внутренним стенкам цилиндра 52 наверху так, что она не входит в контакт с твердым телом 54. Продукт, например напиток 56, подлежащий нагреванию (или имитируемый продукт, такой как вода), помещен в пространство 50 между этими двумя цилиндрами 51 и 52, которые образуют отсек для продуктов.
Подавляющие составы, пригодные для систем и способов по данному изобретению, включают в себя воду, растворы на основе воды и дисперсии на основе воды. Подавляющие составы, пригодные для данного изобретения, также включают в себя сухой состав, такой как гранулы и порошки. Предпочтительные составы включают в себя борную кислоту в соотношении с компонентом полигидроксильного топлива между приблизительно 0,1 и приблизительно 2,0, предпочтительно между 0,5 и 1,0; или буры в соотношении с компонентом полигидроксильного топлива между приблизительно 0,1 и приблизительно 2,0, предпочтительно между 0,5 и 1,0. Мы предпочитаем, чтобы, в составе и количестве, состав подавляющего средства останавливал кипение смеси экзотермической реакции и значительно замедлял, но полностью не останавливал реакцию таким образом, чтобы на протяжении некоторого времени весь выбранный по меньшей мере один из реагентов был использован. Предпочтительные конструкции производят достаточное тепло, чтобы поднять температуру продукта до желательного уровня, начиная от самой низкой ожидаемой температуры окружающей среды, или, иначе, выбираемой как параметр конструкции. Если желательно, чтобы конечная температура продукта была такой же, начиная от более высоких температур окружающей среды, выпускание подавляющего состава должно будет произойти, когда продукт достигнет температуры, которая несколько ниже, чем конечная расчетная температура, потому что реакция остановится не мгновенно. Подъем температуры не будет остановлен немедленно. Потребуются некоторое отставание и регулирование, чтобы оптимизировать систему подавления для конкретной комбинации продукта и саморазогревающегося контейнера.
ПРИМЕРЫ
Термостатическое регулирование температуры в соответствии с данным изобретением было продемонстрировано с использованием корпуса цилиндрической консервной банки, модуля нагревательного устройства, вставляемого вверх в корпус консервной банки, и воды в качестве продукта в отсеке для продуктов, образованном корпусом консервной банки и внешней стороной модуля нагревательного устройства. Как показано последующими примерами, и твердые, и жидкие подавляющие составы можно выпускать в генерирующую тепло химическую реакцию при выбранных температурах, чтобы уменьшить на конечную температуру продукта влияние, вызываемое вариацией в начальной температуре.
Пример 1
4
z
4
7
2
В модуль 52 нагревательного устройства испытательной консервной банки в соответствии с фиг.3 добавили 34 г твердого перманганата калия (КМnO) 54. 210 мл воды 56 поместили внутрь камеры для напитка консервной банки 50. Никакое подавляющее средство 55 включено не было. Консервная банка и ее содержимое были охлаждены в холодильнике до 7°С. Тридцать два мл 30% глицерина в воде было помещено в спринцовку, и она была помещена в холодильник и охлаждена. Консервная банка и спринцовка были извлечены из холодильника, и два термоэлемента были помещены в воду 56. Содержимое спринцовки было введено в модуль нагревательного устройства через вентиляционный канал 53 для смачивания перманганата. Глицерин вступил в реакцию с перманганатом и нагревал консервную банку и воду. Когда вода 56 достигла 43°С, в реакционную камеру добавили 5 г буры (NaBO·10НО) через вентиляционный канал 53. Температура воды после прохождения 8 минут составляла 64°С.
Пример 2
2
4
7
2
Вторая консервная банка и спринцовка были заполнены, как в примере 1, но они не были помещены в холодильник. Они оставались при температуре окружающей среды, которая составляла 23°С. Когда был введен раствор жидкого топлива, глицерин вступил в реакцию с перманганатом и нагревал консервную банку и воду. Когда вода достигла температуры 43°С, в реакционную камеру добавили 5 г буры (NaВO·10НО) через вентиляционный канал. Вода нагрелась от температуры 23°С до 66°С.
Пример 3
2
4
7
2
Третья консервная банка была заполнена, как в примере 1, за исключением того, что вода 56 была нагрета. После того как вода была помещена в консервную банку, она была оставлена так стоять, чтобы консервная банка и перманганат могли уравновеситься с водой до одинаковой температуры: 38°С. Был введен раствор жидкого топлива комнатной температуры, и глицерин вступил в реакцию с перманганатом и нагревал консервную банку и воду. Когда вода 56 достигла 43°С, в реакционную камеру добавили 5 г буры (NaBO·10НО) через вентиляционный канал. Вода нагрелась от температуры 38°С до 66°С.
Температуры этих двух термоэлементов в воде контролировали в ходе нагревания в примерах 1, 2 и 3. Фиг.4 изображает температуры этих двух термоэлементов в воде в ходе нагревания в примерах 1, 2 и 3. Температуры в примере 1 представляют ссылочные позиции 61 и 62; температуры в примере 2 представляют ссылочные позиции 63 и 64 и температуры в примере 3 представляют ссылочные позиции 65 и 66. Хотя эти три консервные банки начинали действие с разницей в температуре приблизительно 31°С, они закончили действие с разницей в температуре, составлявшей только приблизительно 2°С.
Пример 4
4
2
4
7
2
Модуль нагревательного устройства консервной банки в соответствии с фиг.3 был заполнен 40 г перманганата калия (КМnO) 54. 5 г буры (NaВO·10НО) и 5 г твердого парафина с точкой плавления 53°С были смешаны в пасту. Пасту применили в качестве покрытия 55 для верхней половины внутренней части модуля нагревательного устройства, где она находилась в термическом контакте с напитком 56. 210 мл воды 56 было помещено в камеру для напитка консервной банки. Консервная банка и ее содержимое были охлаждены в холодильнике до 7°С. Тридцать два мл 30% глицерина в воде и 2 мл кремнийорганического противовспенивающего средства были помещены в спринцовку, и она была помещена в холодильник и также охлаждена. Консервная банка и спринцовка были извлечены из холодильника, и два термоэлемента были помещены в воду 56. Содержимое спринцовки было введено в модуль нагревательного устройства через вентиляционный канал 53, смачивая перманганат. Глицерин вступил в реакцию с перманганатом и нагревал консервную банку и воду. Температура воды после прохождения 10 минут составляла 68°С.
Пример 5
Вторая консервная банка и спринцовка были заполнены, как в примере 4, но они не были помещены в холодильник. Когда раствор жидкого топлива был введен, вода нагрелась от температуры окружающей среды 21°С до температуры 68°С.
Пример 6
Третья консервная банка была заполнена, как в примере 4, за исключением того, что вода была нагрета. После того как вода была помещена в консервную банку, она была оставлена стоять так, чтобы консервная банка и перманганат могли уравновеситься с водой до одинаковой температуры: 38°С. Был введен раствор жидкости комнатной температуры, и вода нагрелась от температуры 38°С до 73°С.
Температуры этих двух термоэлементов в воде контролировали в ходе нагревания в примерах 4, 5 и 6. Хотя эти три консервные банки начинали действие с разницей в температуре приблизительно 31°С, они закончили действие с разницей в температуре, составлявшей только приблизительно 5°С.
Пример 7
4
3
3
Модуль нагревательного устройства консервной банки в соответствии с фиг.3 был заполнен 36 г перманганата калия (КМnO) 54. 7,5 г борной кислоты (НВО) и 7,5 г твердого парафина с точкой плавления 46°С были смешаны в пасту. Пасту применили как покрытие 55 для верхней половины внутренней части модуля нагревательного устройства, где она находилась в термическом контакте с напитком 56. 210 мл воды 56 было помещено в камеру для напитка консервной банки. Консервная банка и ее содержимое были охлаждены в холодильнике до 7°С. Тридцать два мл 33% глицерина в воде было помещено в спринцовку, и она была помещена в холодильник и охлаждена. Консервная банка и спринцовка были извлечены из холодильника, и два термоэлемента были помещены внутрь воды 56. Содержимое спринцовки было введено в модуль нагревательного устройства через вентиляционный канал 53, смачивая перманганат. Глицерин вступил в реакцию с перманганатом и нагревал консервную банку и воду. Температура воды после прохождения 8 минут составляла 64°С.
Пример 8
Вторая консервная банка и спринцовка были заполнены, как в примере 7, но они не были помещены в холодильник. Когда жидкий раствор был введен, вода нагрелась от температуры окружающей среды 22°С до температуры 68°С.
Пример 9
Третья консервная банка была заполнена, как в примере 7, за исключением того, что вода 56 была нагрета. После того как вода была помещена в консервную банку, она была оставлена стоять так, чтобы консервная банка и перманганат могли уравновеситься с водой до одинаковой температуры: 38°С. Был введен раствор жидкости комнатной температуры, и вода нагрелась от температуры 38°С до 78°С.
Температуры этих двух термоэлементов в воде контролировали в ходе нагревания в примерах 7, 8, и 9. Хотя эти три консервные банки начинали действие с разницей в температуре приблизительно 31°С, они закончили действие с разницей в температуре, составлявшей только приблизительно 14°С.
Пример 10
4
Модуль нагревательного устройства консервной банки, в соответствии с фиг.3, был заполнен 36 г перманганата калия (KMnO). 210 мл воды было помещено в камеру для напитка консервной банки. Консервная банка и ее содержимое были охлаждены в холодильнике до 8°С. Тридцать два мл 33% глицерина в воде было помещено в спринцовку, и она была помещена в холодильник и охлаждена. Консервная банка и спринцовка были извлечены из холодильника, и два термоэлемента были помещены в воду. Содержимое спринцовки было введено в модуль нагревательного устройства через вентиляционный канал 53, смачивая перманганат. Глицерин вступил в реакцию с перманганатом и нагревал консервную банку и воду. Когда вода достигла температуры 43°С, в реакционную камеру добавили 20 мл воды через вентиляционный канал 53. Температура воды после прохождения 8 минут составляла 69°С.
Пример 11
Вторая консервная банка и спринцовка были заполнены, как в примере 10, но они не были помещены в холодильник. Когда был введен раствор жидкого топлива, глицерин вступил в реакцию с перманганатом и нагревал консервную банку и воду. Когда вода достигла температуры 43°С, в реакционную камеру добавили 20 мл воды через вентиляционный канал. Вода нагрелась от температуры окружающей среды 22°С до температуры 71°С.
Пример 12
Третья консервная банка была заполнена, как в примере 10, за исключением того, что вода 56 была нагрета. После того как вода была помещена в консервную банку, она была оставлена стоять так, чтобы консервная банка и перманганат могли уравновеситься с водой до одинаковой температуры: 38°С. Был введен раствор жидкого топлива комнатной температуры, и глицерин вступил в реакцию с перманганатом и нагревал консервную банку и воду. Когда вода достигла температуры 43°С, в реакционную камеру добавили 20 мл воды через вентиляционный канал. Вода нагрелась от температуры 38°С до 83°С.
Температуры этих двух термоэлементов в воде контролировали в ходе нагревания в примерах 10, 11, и 12. Хотя эти три консервные банки начинали действие с разницей в температуре приблизительно 30°С, они закончили действие с разницей в температуре, составлявшей только приблизительно 14°С.
Пример 13
Оксид кальция был приготовлен с помощью разложения в печи углекислого кальция в форме 6-10 мм натуральных частиц горной породы. Вода, используемая для проверок, была деионизирована. Материал, который использовали для подавления реакции гидратации между оксидом кальция и водой, был насыщенным раствором кремнекислого натрия, 41 градус Боме.
Реакция происходила в стеклянном химическом стакане 100 куб. см, который был помещен на подкладку из ткани, чтобы уменьшить тепловые потери относительно лабораторного стола. Верхняя часть была накрыта алюминиевой фольгой, пробитой для введения термоэлемента. Иным способом реакционный сосуд изолирован не был.
Были проведены два опыта. В обоих опытах приблизительно 20 граммов оксида кальция вступали в реакцию с 20 куб. см воды. Это отношение ингредиентов давало продукт, который был влажным и подобным замазке, но который не имел никакой свободной воды, остающейся в нем. Во втором опыте 5 куб. см насыщенного раствора кремнекислого натрия были добавлены, когда реакционный сосуд достиг температуры приблизительно 38°С.
Результаты этих проверок показаны на фиг.5. Данные температур на протяжении некоторого времени от термоэлемента, помещенного в реакционный сосуд, в первом опыте показаны на линии 71. Данные температур на протяжении некоторого времени от термоэлемента во втором опыте показаны как линия 72. Можно заметить, что в первом опыте реакция продолжалась, производя тепло, после прохождения температуры 38°С, ведя к конечной температуре, составляющей 64°С. Можно заметить, напротив, что реакция во втором опыте, в котором был добавлен раствор кремнекислого натрия, прекращалась после прохождения короткого периода времени, как обозначено установлением температуры на величине 52°С. В конце второго опыта в реакционном сосуде все еще было неопределенное количество жидкой воды.
Эксперименты, представленные в этом примере, демонстрируют подавление реакции нагревательного устройства на оксиде кальция. Выпускание подавляющего состава может быть сделано чувствительным к температуре продуктов с помощью средства и способа по данному изобретению. При нежелании быть связанным с какой-либо теорией, мы полагаем, что механизм, с помощью которого раствор кремнекислого натрия останавливает реакцию, вероятно, представляет собой следующее. Насыщенный раствор кремнекислого натрия, который является очень вязким при комнатной температуре, быстро разводится в горячей воде. Когда раствор добавляют в реакционный сосуд, он быстро смешивается, и смесь входит в зону, из которой оксид кальция вытягивает свою воду. Затем реакция вытягивает воду из кремнекислого раствора. Раствор дегидратирует, оставляя покрытие из кремнекислого натрия на поверхности частиц оксида - гидроксида кальция. Реакция нагрева, лишенная воды, необходимой для ее продолжения, прекращается. Линия 72 на фиг.5 изображает, что реакция продолжается в течение короткого времени после добавления раствора. Это объясняется тем, что слой вступающей в реакцию воды продолжает быть доступным для реакции до тех пор, пока не сможет образоваться кремнекислый слой.
Было описано некоторое количество вариантов осуществления изобретения. Однако должно быть понятно, что могут быть сделаны различные модификации, не выходя при этом за рамки сущности и объема изобретения. Соответственно другие варианты осуществления находятся в пределах объема последующей формулы изобретения.