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KR101965096B1 - 열적으로 조절되는 자가-가열 용기 - Google Patents

열적으로 조절되는 자가-가열 용기 Download PDF

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KR101965096B1
KR101965096B1 KR1020177033425A KR20177033425A KR101965096B1 KR 101965096 B1 KR101965096 B1 KR 101965096B1 KR 1020177033425 A KR1020177033425 A KR 1020177033425A KR 20177033425 A KR20177033425 A KR 20177033425A KR 101965096 B1 KR101965096 B1 KR 101965096B1
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passive
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브렌트 씨 포드
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히트제니, 아이엔씨
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Abstract

에너지가 소화될 수 없다면 과도한 열 증가 없이 가열기 또는 가열된 팩키지로부터 자동적으로 열적 에너지를 소멸시키는 모듈식 가열 시스템 및 방법이 존재한다. 결합될 때 열을 생성하는 반응물들을 함유하는 가열기가 수동적인 열적 조절 물질과 열적으로 접촉하여 위치되고, 이는 가열되는 물체를 함유하도록 구성된 용기와 열적으로 접촉한다. 상기 수동적인 열적 조절 물질은, 수동적인 열적 조절 물질을 통해 통과하는 열의 온도가 상기 물질의 활성화 온도를 초과하지 않는 동안, 가열기 및 용기 사이의 열을 이송시킨다. 수동적인 열적 조절 물질을 통해 통과하는 열의 온도가 상기 물질의 분해 온도를 초과한다면, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 분해하여 열을 소멸시킨다.

Description

열적으로 조절되는 자가-가열 용기
이 비-임시출원은 "열적으로 조절된 자가-가열 용기," 제목의 Brendan Coffey 및 Krzysztof Kwiatkowski 이름의 2015년 4월 20일에 제출된 선행된 미국 임시특허출원 일련번호 제62/149,825호를 기반으로 한 우선권을 주장하며, 이의 개시는 마치 본 명세서에 전부가 제시된 것과 같이 이의 전체가 본 명세서에서 참조로서 포함된다.
도 1a 및 1b는 음료 캔과 같은 용기의 바닥(base)에 실장되는(mounted) 모듈식 가열기(modular heater)의 하나의 형태를 도시한다. 상기 가열기는 활성화될 때까지 휴식상태에 있다. 상기 가열기는, 이의 유동적인 리드 101 상을 눌러서 활성화되는 데에 누르고, 이는 결국 블리스트 102를 압축한하여, 개시시작 펠렛 상의 개시시작 유동의 작은 액적을 방출한하기 위해 파열되는, 블리스트 102를 압축함으로써, 활성화된다. 개시 유동 및 펠렛 사이의 자발적인 발열 반응 105은 도 1b에 도시된 것과 같이, 열을 생성하고, 주요 가열반응을 개시하고 이는 이어서 고체 연료 혼합물을 통해 전개된되는, 열을 생성한다. 가열기에 의해 생성된 열적 에너지는 가열기의 접촉 표면 110을 및 통해 전달되고 음료수 캔 벽을 통해 전달되어은 차단하여 팩키지(package) 내용물을 가열할 수 있다.
다양한 고체-상 반응 화학은 본 발명의 모듈식 가열기에서 사용되어 압축된, 경중량의, 강력한 열 공급원을 제공할 수 있다. 에너지 함량 및 가열속도는 상이한하나 부분 유형 또는 크기에 따른 용도를 위한 내부 연료 혼합물의 질량 또는 조성물에 대한 조절을 통해 구성가능하다(configurable).
온도를 제공하여 용기 안에 함유된 음식 및 음료 내용물을 가열하기 위한 용기의 바닥을 조립한 모듈식 가열기는 당업계에 공지되어 있다. 예를 들면 미국 특허출원은 본 발명과 관련된 기술의 음식 캔 또는 다른 용기의 바닥에 삽입된 압축 모듈식 가열 구성요소를 설명한다: "가열 장치 기반의 고체-상 테르밋 조성물" 제목의 미국 특허출원 제12/419,917호, "가열 장치 팩키지 및 화학 조성물" 제목의 미국 특허출원 제12/570,822호, "가열 장치 팩키지" 제목의 미국 특허출원 제12/715,330호, "가열 장치 팩키지 및 이와 함께 사용을 위한 화학 조성물" 제목의 미국 특허출원 제13/177,502호, 및 "자동-셧다운을 갖는 가열 장치 및 방법" 제목의 미국 특허출원 제14/073,639호.
이러한 가열기 구성요소는 고체 상 화학 반응물들 내에 함유된 화학에너지를 효율적으로 저장하고 이의 표면의 버튼을 누름으로써 또는 다른 방법에 의해 간단히 활성화되어, 열적 에너지를 즉시 방출한다. 이러한 열적 에너지는 즉시 인접한 용기의 벽을 통해 전달되어 내용물 내부를 균등하게 가열시킨다. 가열기의 특징 및 기능성은 앞서 말한 출원들 내에 설명되어 있고, 이들의 각각은 본 발명자의 이름이 제출되어 있고, 본 출원에서 포함된다.
본질적인 안전은, 소비자 포장된 음식 및 음료 제품 내에서, 대량 소비자 시장에서 필수적이고, 소비자 포장된 음식 및 음료 제품 내에서 좋은 일반적인 디자인 지침은 용기 내용물이 주로 약 60 - 70 ℃의 바람직한 제공 온도를 초과하지 않아야 한다는 것이다. (약 140 - 160 ℉) 그리고 사용자의 편이 및 안전을 위해, 소비자에게 노출된 지점에서 팩키지의 접촉 표면은 합리적으로 기대되는 소비자 사용 또는 오용 조건 하에서 약 54℃ (130℉)를 초과하는 것이 없어야 한다.
정상 작동에서, 디자인에 의해 가열기의 에너지는 용기 내에서 안전하게 음식 또는 음료 부분으로 전달된다. 그러나, 음식 부분이 히트 싱크(heat sink)로 역할하는 것이 존재하지 않는다면(예를 들면, 팩키지 내용물이 가열기가 시작하기 전에 쏟아졌다), 이어서, 일부 무시하는 메커니즘 없이, 빈 팩키지가 높은 온도에 용납할 수 없게 도달된다. 유사하게, 가열기는 팩키지에서 제거되고 따라서 히트 싱크 없이 극심한 온도에 도달한다.
따라서, 특정한 상황에서, 팩키지 조립 또는 음식 또는 음료 제품의 초과가열을 방지하고 화상으로부터 사용자를 보호하기 위해, 가열 과정을 절제하는 즉각 반응하는 방법을 제공하는 것이 요구된다. 그러므로, 개시된 가열 장치를 이들의 의도된 제한을 넘는 가열로부터 중단하는, 효과적이고 효율적인 수동적인 열적 조절 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
발명의 요약
본 발명의 구현예는 큰 안전을 제공하기 위한 모듈식 가열기 안으로의 수동적인 열적 냉각 시스템 및 방법을 포함하며, 이는 가열기가 적절한 히트 싱크(예를 들면 채워진 용기)와 직접 접촉하지 않는 때에 활성화되면, 이는 초과 에너지를 시스템으로부터 안전하게 소멸시키도록 하는 것이다. 더 구체적으로, 수동적인 열적 조절 물질과 열적으로 접촉하도록 결합된 열을 생성하는 반응물들을 함유하는 가열기는, 결국 가열되는 물체(substance)를 함유하도록 구성되는 용기와 열적으로 접촉하도록 위치된다. 상기 수동적인 열적 조절 물질은, 상기 수동적인 열적 조절 물질을 통해 통과하는 열의 온도가 상기 물질의 활성화 온도를 초과하지 않는 동안, 상기 가열기 및 상기 용기 사이의 열을 전달한다. 만약 상기 수동적인 열적 조절 물질을 통해 통과하는 열의 온도가 상기 물질의 분해 온도를 넘는다면, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 분해되어 열을 소멸시킨다.
실제는, 용기 내의 물체는 히트 싱크로 역할할 것이고, 수동적인 열적 조절 물질의 온도를 이의 분해 온도 이상으로 올리는 것 없이, 열은 수동적인 열적 조절 물질을 통해 상기 물체로 흐를 것이다. 그러나, 용기가 비어있고 가열기에 의해 생성되는 열을 흡수할 히트 싱크가 없다면, 수동적인 열적 조절 물질 내의 온도는 이의 열적 분해 온도를 초과할 것이고 초과의 열적 에너지를 소멸시킬 것이며 따라서 가열기 및 용기의 온도를 완화시킬 것이다.
본 발명은 가열기 장치 내의 PTC 기능성을 제공한다. 생성된 열의 효과적인 전달의 불능에 의한 가열기 내의 빌드업된 과도한 내부 온도로 인한, 히트 싱크의 부재가 "감지되는(sensed)" 때에, 오직 PTC 기능성이 역할한다.
따라서 PTC는 "지능적인(intelligent)" 또는 "똑똑한(smart)" 팩키징의 형태이며, 즉 이는 제품의 속성을 감지 또는 측정하는 것과, 활성화된 포장 기능을 일으키는 것의 가능을 수반한다.
앞서 말한 것은 다음의 발명의 자세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 특정한 양태를 꽤 넓게 개요를 서술한 것이다. 본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 본 발명의 청구항의 주제로 형성되어 본 명세서 이후에 설명될 것이다. 통상의 기술을 가진 자에게 개시된 개념 및 구체화된 구현예는 본 발명과 동일한 목적을 수반하는 다른 구조 및 공정을 변형하거나 고안하는 것에 근거하여 용이하게 활용될 수 있음이 인정되어야 한다. 또한 동일한 구성이 첨부된 청구항에서 제시되는 발명의 본질 및 범위로부터 벗어나지 않도록 통상의 기술을 가진 자에게 실현되어야 한다.
본 발명 및 이의 이점의 더 완전한 이해를 위해, 다음의 동반된 도면과 함께 취해지는 다음의 설명에서 참고가 현재 만들어진다:
도 1a는 가열기의 개시 이전의 채워진 음료 용기의 바닥 내의 모듈식 가열기의 횡단면도이다;
도 1b는 가열기의 개시 이후의 채워진 음료 용기의 바닥 내의 모듈식 가열기의 횡단면도이다;
도 2a는 채워진 용기 내용물(히트 싱크)로의 열적 에너지의 이송을 나타내는 모듈식 가열기의 횡단면도이다;
도 2b는 빈 용기 (히트 싱크 없음) 내의 활성화된 가열기 내부의 열적 에너지를 잡는 것(trapping)을 나타내는 모듈식 가열기의 횡단면도이다;
도 3은 수동적인 열적 조절 기능성의 내부 구성성분이 없는 고체-상 모듈식 가열기의 개략적인 횡단면도이다;
도 4는 수동적인 열적 조절 기능성의 내부 구성성분을 갖는 고체-상 모듈식 가열기의 개략적인 횡단면도이다;
도 5는 제거된 리드내부 구성성분을 보여주기 위해 제거된 리드의, 도 4의 모듈식 가열기의 평면도이다;
도 6은 수동적인 열적 조절을 포함하는 활성화된 모듈식 가열기를 갖는 채워진 자가-가열 용기의 개략적인 횡단면도이다;
도 7은 수동적인 열적 조절을 포함하는 활성화된 모듈식 가열기를 갖는 빈 자가-가열 용기의 개략적인 횡단면도이다;
도 8은 수동적인 열적 조절을 실제 증명하기 위한 고체상 모듈식 가열기의 횡단면도이다;
도 9는 표로 만들어진 사용된 실험적 변수 및 번호된 실시예에서 얻어진 결과의 나열이다;
도 10은 활성화된 가열기에 대한 시간/온도 반응을 나타내는 그래프이다 (빈 용기 내 수동적인 열적 조절을 가짐 및 갖지 않음);
도 11은 활성화된 가열기에 대한 시간/온도 반응을 나타내는 그래프이다 (채워진 용기 내 수동적인 열적 조절을 가짐 및 갖지 않음); 및
도 12는 용기 내에 설치된 본 발명의 가열기의 일 구현예의 분해도를 나타낸다.
본 발명은 가열 장치에 수동적인 열적 조절 가능성을 제공하는 장치 및 방법을 가리킨다. 현재 바람직한 구현예의 구조 및 이용은 하기에서 자세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 음식 및 음료를 가열하는 장치보다 매우 다양한 환경에서 구현될 수 있는 많은 적용가능한 독창적인 개념을 제공한다는 것이 인정되어야 한다. 따라서, 설명된 구체적인 구현예는 단지 본 발명의 만들고 이용하는 구체적인 방법을 예시하는 것이고, 본 발명을 제한하지 않는다. 또한, 다음의 용어는 본 명세서에서 사용될 때 관련된 의미를 가질 것이다:
"용기(container)"는 물질이 수용되고 운반될 수 있는 어떠한 용기를 의미하고 포함하며, 이는 캔, 갑(carton), 보울, 병 또는 다른 용기를 포함하나, 이에 제한되지 않는다; 및
"가열기(heater)" 및 "반응 챔버"는 반응물들이 반응하여 열을 생성하는 어떠한 장치를 의미하고 포함한다.
통상의 기술을 가진 자에게 분명하기 때문에, 많은 가열 장치는 완전한 기능성을 요구하는 각각의 모든 구성 요소 없이, 예를 들면, 유동적인 리드 또는 블리스터 조립의 작동시키는 것 없이 보여진 장치, 본 명세서에서 묘사된다, 각각의 경우에 묘사는 본 발명을 더 좋은 이해를 위한 가열기의 기능적인 양태를 보여지도록 목적된 것이고, 반드시 완전히 작동 가능한 장치의 모든 구성요소를 포함하는 것으로 고려되어서는 안 된다.
설명 및 도면에서, 동일하거나 실질적으로 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호로 표지될 수 있다는 것이 주의되어야 한다. 그러나, 때때로 이러한 구성요소는 다른 숫자로 표지될 수 있으며, 예를 들면 더 명확한 설명을 가능하게 하기는 그러한 표지인 경우에 그러할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 제시된 도면은 반드시 비례되어 드려진 것이 아니며, 일부 예시에서 비율은 특정한 특징을 더 분명하게 도시하기 위해 과장될 수 있을 것이다. 이러한 표지 및 도면 실시는 근본적이고 실질적인 목적을 반드시 시사하는 것은 아니다. 본 명세서는 전체로 간주되는 것으로 의도되고, 당해 기술분야의 통상적인 기술을 가진 자에게 본 명세서에서 제시되고 이해될 본 발명의 원리에 따라 설명된다.
도 2a 및 2b를 이제 보면, 가열기는 활성화되고, 그에 따라 이의 내부를 통해 및 이어서 가열기 벽을 통해 외부로 열적 에너지를 전달하는 것을 가능하게 한다. 팩키지로 전달되는 열이 도 2a에 나타난 것과 같이 유동 냉각수 주변으로 꾸준히 전달된다면, 이어서 가열기의 설계 내부 온도 프로파일이 성립된다. 냉각수가 도 2b에 나타난 것과 같이 존재하지 않는다면, 에너지는 꾸준히 전달될 수 없고 가열기의 내부 온도는 더 높은 수준에 도달한다. 따라서 활성화된 가열기의 내부 온도가 뜻밖의 위험한 조건을 구성할 수 있는 인접한 열 공급원의 존재 또는 부재를 "감지하는"수단을 효과적으로 제공한다.
충분한 히트 싱크가 존재하지 않는다면, 정상보다 높은 온도가 가열기 내부에 빌드업되고, 본 명세서에 나타난 방법 및 시스템은 초과 열적 에너지를 소멸시키기 위한 수동적인 열적 조절(passive thermal control; PTC) 메커니즘이 활성화할 것이고 그로 인해 가열기 및 팩키지의 온도가 완화될 것이다.
주로 존재하는 히트 싱크(팩키지의 유체 내용물)의 열적 특성을 아는 것은 목적된 적용의 PTC 메커니즘의 냉각 필요를 정의하는 데에 유용하다. 예를 들면, 2분 내에 240mL의 음료의 온도를 40℃까지의 올리는 효과적인 고체 상 가열기는 대략 650 와트의 평균적인 파워 출력에서 액체로 약 40 kJ의 에너제를 전달한다. 많은 다른 물체에 대해 상대적으로 물의 높은 열용량(4.18 J/g- ℃)은 이러한 강력한 에너지 흐름으로부터 유체 내용물의 상대적으로 작은 합리적인 온도 상승으로 옮긴다.
PTC 기능성이 가열기 내로 매우 효과적인 방법으로 새로운 구성성분을 도입함으로써 달성된다면, 이어서 첨가된 구성성분은 히트 싱크가 주로 존재하는 것에 비해 상대적으로 높은 전체 비열 흡수 용량을 가져야만 한다. 이의 높은 비열 용량에 더하여, 또 다른 물의 구별되는 특성은 이의 높은 증발의 잠열이다(2260 J/g). 물의 필요한 잠열 및 현열(sensible heat)을 더하면, 닫힌 단열조건 하에서, 실시예 40kJ 초과의 가열기는 16g 미만의 물만이 스팀으로 변환될 것이고, 단지 약 100 ℃의 완전한 시스템의 최종 온도를 유발한다. 열린 계에서, 이 실시예의 스팀 (주위 조건 하에서 20 리터 미만으로 점유함)는 자신의 압력 압력 하에서 탈출하여 이의 높은 에너지 함량을 가져가 버릴 수 있다. 이 실시예는 어떻게 상대적을 적은 질량의 물질이, 열의 흡수 및 시스템으로부터 퇴출에 의해, 큰 냉각 효과를 가질 수 있는 지를 설명한다.
고체상 가열기 내의 유동적인 물을 직접 포함하고 고립시키는 것과 관련된 현저한 현실의 어려움이 있다. 심지어 가열기 내부의 물 증기의 부분 압력이 연로/산화제 반응 혼합물의 구성성분과 부반응을 유발할 수 있다. 유체 형태에서 물은 가열기 내부로 또는 외부로 샐 수 있다. 따라서, 고체상 가열기 내부에 액체 형태 내의 자유로운 물을 가지지 않는 것이 바람직할 것이다. 건조된 고체 형태에서, 특정 무기 화합물 및 염은 현저한 수준의 고정된 물을 함유하며, 이들은 큰 흡열 에너지 흡수와 함께 특징적인 한계점 분해온도를 넘어 가열되어 증기로 방출한다. 이러한 물질의 일부 실시예가 표 1에 주어진다.
물질 화학식 몰.Wt. 물 함량(%) 분해온도(℃)
수화된 황산 칼륨 알루미늄 (ALUM) KAl(SO4)2 12H2O 474.36 45.5 92-93
수산화알루미늄(알루미나 삼수화물, ATH) Al(OH)3 78.00 34.6 >200
소듐 포스페이트 트리베이직 도데카하이드레이트 (SPT) Na3(PO4)2 12H2O 379.94 56.9 >80
표 1: 일부 수화된 무기 화합물의 특성
이러한 물질은 흡수되거나 자유로운 물보다 결합된 물을 화학적으로 함유하므로 수동적인 열적 조절을 위해 높은 전체 비열 흡수 용량을 가진 물질을 도입함으로써 "건조" 방법으르 제공한다. 분해를 위한 바람직한 한계점 온도를 갖는 물질을 선택하는 것은 PTC가 활성화 된 것 하의 조건을 조절하는 데에 유익하다.
다른 흡열적으로 분해하는 화학적 화합물, 즉 열적으로 분해되어 다양한 활성 온도에서 기체를 방출하고 에너지를 흡수하는 물질이 있고, 특정 구현예는 또한 화학적 가열기의 수동적인 열적 조절을 위한 열적으로 반응성인 물질로 사용될 수 있다. 흡열 분해는 넓은 범위의 흔하고 저가인 물질에서 내재된 것이다. 이들은 다음을 포함한다: 다양한 수화물 및 카보네이트와 함께, 마그네슘 및 알루미늄 하이드록사이드. 이러한 많은 화합물은, 열적으로 분해될 때, 기체의 부산물로서 이산화탄소 및/또는 물을 내보낸다.
우리는 이전에 특정 한계점 온도로 가열될 때, 흡열적으로 분해하는 화합물이 어떻게 빠르게 분해되어 일정 부피의 기체를 방출하고, 이의 에너지가 가열 장치의 기계적인 자동-셧다운을 가져오도록 작동하는 지를 설명했다. 가열기로부터 방출된 이러한 기체들을 간단히 허여하는 것은 또한 냉각을 초래할 것이다.
하기 실시예에서 나타나는 것과 같이, 수동적인 열적 조절 기능성은 가열 장치 구조의 특정 구역 내에 표 1 내에 설명된 물질 또는 유사한 물질을 도입함으로써 달성될 수 있다. 역학적인 구성요소의 작동보다는, 온도로 물질의 물리적인 특성 상의 수동적인 열적 조절 메커니즘 작동에 기초하는 것이, 간단하고 저가로 성취될 수 있다. 전도할 수 있는 에너지 유동과 연결된 열적학적으로 정의된 반응은 본질적으로 수동적인 반응을 전달하는 높은 신뢰성 있는 방법이다.
도 3은 수동적인 열적 조절 기능성 없는 선행 기술의 가열기 구조의 다이어그램이다. 이 구조에서, 기-혼합된 연료-산화제 반응 혼합물 301은 원통형의 가열기 컵 302의 바닥에서 하우스된다. 반응물들 301의 혼합물은 당해 기술 분야에 알려진 다양한 수단, 예를 들면, 시작 펠렛 303과 같은 수단에 의해서 이의 중심 근처에 점화된다, 화학 반응을 생산하는 에너지는 고체 불꽃 앞면처럼 가열기로 내부적으로 진행한다. 도 3에 나타난 것과 같이, 반응 진로 304는 시작 펠렛 303로부터 외부로 일반적으로 빠르게 퍼지고, 반응물들 301의 전체 혼합물이 반응하여 가열기의 전체 에너지 함량을 생산할 때까지 내부를 통해 전파가 계속된다.
도 4 및 도 5는 수동적인 열적 조절 기능성이 변화된 가열기 설계 내부에 포함되는 현재 발명의 일 구현예를 나타낸다. 이 구현예에서, 수동적인 열적 조절 통제는 가열기의 온보드(onboard) 특성이 되고, 가열기가 노출되었는지 빈 용기 내에 설치되었는지를 야기하게 된다. 도 4 및 5에서, 도 3의 기초적인 고체상 가열기 설계가 장치의 핵심적인 구조로서 지금까지 유지되고, 가열기 컵 벽 302 및 가열기 장치의 외부 벽 311의 사이에 팩킹된 "활성" 수동적인 열적 조절 층 307에 의해 둘러쌓인다. 여기에서 용어 "활성(active)"는 활성 수동적인 열적 조절 층 307을 포함하는 물질의 물리적(가열 및 상 변화) 및/또는 화학적 (열적 분해) 민감성을 가리킨다. 상기 도면들은 보여진 특징들의 상대적인 크기를 나타내지 않고 실제로 열적 조절 층 308 및 외부 벽 311을 부가적으로 둘러싸는 실시가 얇고 열 흐름에 대한 이들의 결합된 열적 저항을 최소화하는 좋은 열적 전도성을 갖는 물질로 구성된 것에 의해 선택된다는 것이 주의된다. 작동하는 용기 리드 271은 연료 매트릭스 301 및 열적으로 전달되는 PTC 층 307 구역 모두에 걸치고 둘러싸고, 통풍구 502를 가져 PTC가 작동될 때 필요한 만큼 증기를 방출한다.
도 6은 정상적인 작동 동안 PTC 메커니즘의 활동을 증명하는 이의 바닥 내에 설치된 수동적인 열적 조절을 포함하는 활성화된 모듈식 가열기를 갖는 채워진 자가-가열 용기의 낮은 부분의 수직의 횡단면도이다(채워진 음료 캔).
캔이 채워진 때, 유체는 경계면으로부터 열을 가져가는 열적 싱크로서 작용한다. 음료 내로 열적 에너지의 흐름에 대한 좋은 열 전달 계수로, 가열기의 열적 에너지는 PTC 층을 통해 전달되고, 에너지 축적 및 이 구역 내의 온도 빌드업을 최소화한다. 많은 PTC 층 물질은 매트릭스로부터 유도된 물에서 분해 온도 미만으로 유지된다. 분해의 일부의 적은 부분적 정도가 있더라도, 기체 또는 증기를 생산하고 시스템 밖으로 열을 소멸시키는 현저한 흡열 활성은 전반적으로 없다.
도 7은 범위 밖의 조건 동안 수동적인 열적 조절 메터니즘의 활동을 증명하는 이의 바닥 내에 설치된 수동적인 열적 조절을 포함하는 활성화된 모듈식 가열기를 갖는 빈 자가-가열 용기의 낮은 부분의 수직의 횡단면도이다(빈 음료 캔). 이러한 조건 하에서 빈 캔은 열적 장벽으로 역할하고 가열기에 의해 방출된 에너지가 PTC 및 가열기 중심 내에 축적한다. PTC 층의 활성 물질의 주요한 부분의 열적 분해가 일어나고 물 증기(스팀)는 가열기 통풍구로부터 및 팩키지로부터 방출된다.
따라서 가열기 및 가열기 팩키지로부터 방출되어 생성되는 스팀은 시스템으로부터 현저한 에너지가 제거되고, 수동적인 열적 조절의 부재 하에서 실현되는 때의 온도와 비교할 때, 시스템의 전반적인 온도의 실질적인 감소를 위한 매우 많은 냉각 효과를 야기할 수 있다. 스팀 수준의 온도가 방출된 스팀의 적은 부피의 구역 내에서 존재하는 동안, 이는 그렇지 않으면 일어났을 극도의 온도 일탈보다 실질적으로 덜 위험하다.
도 8은 다음의 실시예에서 수동적인 열적 조절의 실질적인 증명을 위해 사용된 고체 상 모듈식 가열기의 일 구현예의 수직 횡단면도이다. 다음의 실시예 1 내지 7에서, 11g의 수동적인 열적 조절 혼합물 244가 25 mm 금속 가열기 컵 245 및 가열기를 둘러싸는 외부 금속 컵 246 사이에 고리 모양의 공간 내에 압축된다. 실시예 8 및 9에서 사용된 수동적인 열적 조절 혼합물의 질량은 9g이다. 용된 PTC 혼합물의 포뮬레이션(formulation)은 다음 및 도 9에서 주어진다. 실시예 10에서 수동적인 열적 조절 혼합물 244 및 내부 가열기 컵 245은, 비교의 근거를 제공하기 위해, 포함되지 않는다.
다음의 실시예 1 내지 7의 각각에서, 21g의 열-생성 연료/산화제 포뮬레이션 243은 내부 가열기 컵 245 내로 압축된다. 실시예 8 및 9에서 사용된 수동적인 열적 조절 혼합물의 질량은 24g이다. 실시예 10에서 열-생성 연료/산화제 포뮬레이션 243이 외부 가열기 컵 246 내로 압축된다. 다른 포뮬레이션이 사용될 수 있더라도, 이 실시예들에서 사용된 열-생성 포뮬레이션 243은 15-25% 알루미늄과, 20-30% 실리콘다이옥사이드, 25-45% 알루미나, 및 첨가제 및 반응 보조제, 예를 들면 포타슘 클로레이트, 칼슘 플루오라이드, 및 바륨 퍼옥사이드인, 2-30 마이크론 크기의 입자를 함유하는 혼합물이다.
개시 펠렛 242는 연료/산화제 혼합물 243의 표면 내 중심으로 눌리고, 가열기 활성 메커니즘 250은 펠렛 242의 꼭대기에 위치되고 단열재 248 및 작동기 버튼 249로 덮힌다. 금속 리드 241은 외부 컵 246상에 클림프된다(crimped). 따라서 조립된 가열기 모듈은 시험을 위한 음료 캔의 바닥 내에 설치된다. 캔 바닥, 중간 및 꼭대기의 온도에 대한 온도 시간 프로파일이 기록되었다. 방출된 스팀(있다면) 의 흐름이 주목되었다. 각각의 실시예 가열기 구조는 288 mL의 물을 함유하는 음료 캔뿐 아니라 빈 음료 캔으로 시험되었다. 노출된 가열기 모듈 또한 시험되었다. 도 9는 표로 만들어진 사용된 실험적 변수 및 다음의 번호된 실시예에서 얻어진 결과의 나열이다.
실시예 1 - 칼슘 하이드록사이드 / 포타슘 알룸 (Potassium Alum) (50:50) 혼합물이 PTC 층 포뮬레이션을 위해 이용되었다.
실시예 2 - 칼슘 하이드록사이드 혼합물이 PTC 층 포뮬레이션을 위해 이용되었다.
실시예 3 - 칼슘 하이드록사이드: 알루미나 (50:50) 혼합물이 PTC 층 포뮬레이션을 위해 이용되었다.
실시예 4 - 칼슘 하이드록사이드: 무수 칼슘 설페이트 (50:50) 혼합물이 PTC 층 포뮬레이션을 위해 이용되었다.
실시예 5 - 칼슘 하이드록사이드: 칼슘 설페이트 세미-하이드레이트 (50:50) 혼합물이 PTC 층 포뮬레이션을 위해 이용되었다.
실시예 6 - 칼슘 옥사이드: 포타슘 알룸 (50:50) 혼합물이 PTC 층 포뮬레이션을 위해 이용되었다.
실시예 7 - 무수 칼슘 설페이트: 포타슘 알룸 (50:50) 혼합물이 PTC 층 포뮬레이션을 위해 이용되었다.
실시예 8 - 이 실시예는 PTC 층 포뮬레이션 244로서 9g의 칼슘 하이드록사이드 / 포타슘 알룸 (50:50) 혼합물, 및 24g의 연료/산화제 혼합물 243 34 mm 직경 가열기 컵 245을 이용한 실시예 1의 변형이다.
실시예 9 - 이 실시예는 PTC 층 포뮬레이션 244로서 9g의 칼슘 옥사이드 / 포타슘 알룸 (50:50) 혼합물, 및 24g의 연료/산화제 혼합물 243 34 mm 직경 가열기 컵 245을 이용한 실시예 1의 변형이다.
실시예 10 - 이 대조군 구조에서 내부 가열기 컵 245 및 PTC 층 244는 존재하지 않는다.
도 10은 빈 용기 내의 실시예 1(수동적인 열적 조절을 갖는) 및 실시예 10(수동적인 열적 조절을 갖지 않는)의 활성화된 가열기에 대한 시간/온도 반응을 나타내는 그래프이다. 도 10에 나타난 온도는 이의 중간점에서의 금속 캔의 표면 온도이다. 도 10은 실시예 10 가열기 (PTC 없음)의 표면 온도가 2분 내에 거의 500 ℉ 근처의 절정 온도로 증가되는 반면, PTC를 포함하는 실시예 1 가열기의 표면 온도는 낮은 속도로 증가하여 약 220 ℉의 더 한계가 있는(bounded) 최대 온도로 증가하는 것을 증명한다.
도 11은 채워진 용기 내의 실시예 1(수동적인 열적 조절을 갖는) 및 실시예 10(수동적인 열적 조절을 갖지 않는)의 활성화된 가열기에 대한 시간/온도 반응을 나타내는 그래프이다. 도 11에 나타난 온도는 이의 중간점에서의 금속 캔의 표면 온도이다. 가열 속도가 실시예 1 가열기에서 살짝 낮았음에도 불구하고, 실시예 1 및 실시예 10 가열기 모두 140 ℉의 동일한 종점 생산 표적 온도(endpoint product target temperature)을 내었다,
채워지지 않은 및 채워진 캔 조건 내의 실시예 1 가열기의 도 10 및 도 11로부터 온도 반응의 비교는 PTC 냉각 구현이 채워진 팩키지 가열의 정상 작동 내에서 바람직한 냉각을 유발하지 않지만, 빈 팩키지 내에서 선택적으로 활성화되어 매우 효과적인 냉각을 유발한다는 것을 보여준다.
설명된 원리에 따른 수동적인 열적 조절을 실제로 달성하기 위해, 일부 시스템 개발 및 최적화가 필요하다. 설계에 의해서 PTC는 정상 기능이 가열인 장치 내에 포함되고, PTC는 이러한 기능을 방해할 수 없다. 그러나, 또한 상기 반응이 필요한 때에 안전한 방법으로 효과적인 냉각을 신뢰성 있게 수행하여야만 한다. PTC는 질량 또는 복잡성으로 가열기에 과도하게 부담을 주어서는 안 된다.
PTC 층을 위한 가열기 설계 및 물질 선택은 가열기 장치를 위한 적절한 PTC 기능성을 달성하기 위해 사용될 수 있는 2가지 요인이다. 중심 열 생성 공급원 및 인접한 가열기 가장 바깥쪽 벽의 사이에 PTC 층을 위치시키는 것은 감지 및 PTC 메커니즘의 작동을 가능하게 하는 열적 에너지 균형을 마련한다. 열 이송률은 다음과 같은 시스템의 물리적 변수에 의존하고, 이를 통해 조절될 수 있다: 구성성분 부분의 기하학적 구조, 혼합물의 입자 크기 및 밀도, 물질 열적 특성, 및 열 이송 계수. 내부 가열기 컵 벽은 얇은 호일로 형성되어 최소의 열적 저항을 갖는 화학적 장벽을 제공할 수 있다.
PTC 층의 활성 구성성분은 높은 화학적으로 결합된 물 함량을 갖는 물질이며, 이는 일부 특징적인 한계 온도 넘어 가열될 때 분자적 물을 방출하고, 추가로 스팀으로 변화하여 가열하는 물질이다. 열적 분해 및 물 증발의 상 변화로부터 흡수된 에너지는 상대적으로 적은 양을 허여하여, 많은 양의 에너지를 흡수하고 시스템의 온도를 현저하게 낮춘다.
많은 다른 화합물이 사용될 수 있지만, 적절한 활성 물질의 일부 실시예가 표 1에 주어져 있다. 각각은 자신의 특징적인 열적 반응을 갖는다. 예를 들면 알루미늄 하이드록사이드는 단일 분해 단계에서 빠르게 방출되는 모든 분자당 1.5 물의 수화를 함유하고, 포타슘 알룸은 다-단계 분해 반응 과정에서 차후 방출되는 분자 당 12 물의 수화를 함유한다. 포타슘 알룸은 또한 각 추가적인 물 분자의 열적 분해에 대한 시작 온도를 증가시키는 밴드를 가지고, 특성들의 이러한 조합은 스팀의 낮은 꾸준한 흐름을 갖는 시간-방출 반응을 유발한다.
실시예 1 내지 9에서 설명된 것과 같이, PTC 포뮬레이션은 단일 화학적 구성성분으로 포함되거나, 또한 몇 개의 다른 물질의 혼합물일 수 있고, 이의 일부는 이 점과 관련하여 비활성인 다른 것과 결합된 PTC 특성을 가질 수 있다. 낮은 가격, 친환경적인 소비자에 안전한 물질이 바람직하다.
비활성 물질 덩어리의 일부 덩어리는 PTC 층 내에 있어서, 온도를 완화시키고 및 열적 분해율을 누그러뜨릴 수 있다. PTC 층이 또한 열적 흐름을 일부 낮추는 것을 제공하도록 설계되었음에도, 비활성 첨가제는 또한 PTC 층의 열적 전도성을 유리하게 증가시켜, 열적 에너지의 전달을 강화시킬 수 있다. 팩킹된 PTC 층의 입자 크기 및 밀도를 변화시키는 것이 사용되어 층으로부터 가열된 증기의 시간 및 부피를 조절할 수 있다.
PCT 층 자체는 선택적이고, 조정되고, 조절된 반응을 가져야만 한다. 실시예 1 내지 10의 다양한 PTC 층 조성물의 PTC 반응 특징은 도 9의 표에 설명되어 있다. 도 9의 2 내지 6행은 정상적인 가열 모드에서 어떻게 가열시간, 가열된 흐름의 최대 온도, 방출된 증기의 시간 및 양, 유용한 에너지 함량이 조성물에 따라 변화할 수 있는지를 보여준다. 일반적으로 최대 가열 이송 효율, 최소화된 열적 분해 및 증기의 방출을 갖는 짧은 가열 시간이 바람직하다.
도 9의 7 내지 10행은 빈 캔에서 어떻게 금속 용기(바닥, 중간, 꼭대기)의 상의 다양한 지점에서의 온도 및 방출된 증기의 부피가 조성물에 따라 변화할 수 있는지를 보여준다. 일반적으로 낮은 표면 온도 및 완화된 증기 흐름이 바람직하다.
도 9의 도 11 내지 13은 어떻게 노출된 가열기에서 이의 표면(바닥, 중간, 꼭대기) 상의 다양한 지점에서의 온도가 조성물에 따라 변화할 수 있는지를 보여준다. 이러한 조건에서, 다시 낮은 표면 온도가 바람직하다.
본 발명의 PTC는 본 발명 및 선행 발명의 기술의 존재하는 자가-가열의 유익한 특성을 실질적으로 벗어나거나 부정하지 않으므로, 가열 장치 구조는 상대적으로 작고, 간단하고, 튼튼하고, 만들기 용이하고, 경제적으로 저가로 유지될 것이다. 본 발명의 구현예는 또한, 예를 들면 가열기 또는 이것이 포함될 수 있는 팩키지의 표면에서 실현된, 정의되고 수용 가능한 최대 온도를 설계하는 것을 가능하게 하는 제어가능한 결과를 제공한다.
다양한 구현예에서 가열기는 수동적인 열적 조절이 활성화된 때 초과 압력의 안전하고 조심스럽게 방출되도록 설계된다. 예를 들면, 가열기 컵 및 리드 사이의 클림프된 실(seal)은 살짝 완화된 압박을 받게 되어 실을 통해 압력이 빠지도록 설계되었다. 가열기 구조는 어떠한 방출된 기체 증기를 제공하여 다공성 단열재를 통해 여과되어 새로운 증기 또는 미립자가 없을 수 있다.
본 명세서에서 설명된 완전한 자가-가열 팩키지는 모듈식 고체 상 가열기 옆에 추가적인 구성성분으로 구성된다. 완전한 팩키지 조립의 일 구현예는 도 12에 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 자가-가열 팩키지는 3-피스(3-piece) 이름의 12 oz. 음료 용기이다. 그러나, 본 발명의 구현예는 대안적으로 2-피스 음료 용기 또는 다른 팩키지 형태로 실현될 수 있다.
도 12를 참고하여, 적어도 일 구현예에서, 편의를 위해 용이한 개구 리드로 구성되는 캔 몸체 1603 및 꼭대기 말단 1602은 종래의 캔 팩키지 구성요소이다. 비-용이한-개구 (non-easy-opening; NEO) 말단 1605는 팩키지 및 가열기의 역학적이고 열적인 인터페이싱을 위해 설계되었다. 단열하는 플라스틱 리드 가드 1601 및 종이 또는 플라스틱 열적 표지 1604는 열적 안전성을 제공한다.
가열기(1606)가 NEO 내에 설치되면, 캔의 가열된 말단에서 추가적인 구성성분이 있다; 이들은 외부 단열재 1607를 포함할 수 있고, 이는 비-직조된 고분자 또는 섬유유리 매트 및 플라스틱 바닥 캡 1608일 수 있다. 외부 단열재는 또한 활성탄소 또는 베이킹 소다와 같은 물질을 포함하여 활성화된 가열기로부터 방출되는 어떠한 트레이스 오더(trace odor)를 흡수할 수 있다. 수동적인 열적 조절의 효과적인 실시를 위해, 이러한 구성성분은 팩키지로부터 순조롭고 안전하고 방출되고 열적 에너지를 수반하는 가열된 기체 및 증기를 허여하도록 실시되어야 한다, 예를 들면 다공성이거나 또는 통풍되어 실시되어야 한다.
본 장치가 본 발명의 바람직한 구현예에 따라 개시되는 동안, 당해 기술 뷴야의 통상의 기술을 가진 자는 다른 구현예 또한 가능하다는 것을 이해할 것이다.
전술한 논의가 특정 구현예에 집중되었더라도, 다른 구조가 고려되는 것으로 이해된다. 특히, 표현 "일 구현예에서" 또는 "다른 구현예에서"이 본 명세서에서 사용되었더라도, 이 문구는 일반적으로 참조 구현예의 가능성을 의미하는 것이고 본 발명을 특정 구현예 구조로 제한하는 목적이 아니다. 이러한 용어는 동일한 또는 다른 구현예를 인용할 수 있고, 다른 지시가 없는 한, 종합한 구현예로 결합 가능하다. 용어 "a", "an" 및 "그(the)"는 다른 특별히 구체화되지 않는 한 "하나 이상"을 의미한다.
하나의 구현예가 본 명세서에서 설명되었을 때, 용이하게 분명한 하나 이상의 구현예가 하나의 구현예를 대신하여 사용될 수 있을 것이다. 유사하게, 하나 이상의 구현예가 본 명세서에서 설명된 경우, 하나의 구현예가 하나의 장치에서 치환될 수 있다는 것이 용이하게 분명할 것이다.
다양한 범위의 가능한 이용 가능한 가열 방법 및 시스템을 고려하여, 자세한 구현예가 오직 예시적으로 의도되었고, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 여겨져서는 안 된다. 오히려, 본 발명의 청구된 것은 다음의 청구항의 본질 및 범위 및 이의 균등물 내에 올 수 있는 모든 이러한 변형이다.
본 명세세 내의 설명의 어느 것도, 어떠한 특정한 구성요소, 단계 또는 기능이 청구항 범위 내에 포함되어야 하는 필수적인 구성 요소임을 암시하는 것으로 읽혀여만 하지 않는다. 특허된(patented) 주제의 범위는 허여된 청구항 및 이들의 균등물에 의해서만 오직 정의된다. 분명하게 기재되지 않는 한, 본 명세서 내에 설명된 것과 같이 본 발명의 다른 양태가 청구범위를 제한하지 않는다.

Claims (20)

  1. 열적으로 조절되는 용기로서,
    가열되는 물체를 함유하기 위해 구성된 용기;
    결합될 때 열을 생성하는 반응물들을 함유하는 가열기;
    상기 가열기 및 상기 용기 사이에 위치한 수동적인 열적 조절 물질로서, 상기 가열기는 상기 수동적인 열적 조절 물질과 열적으로 접촉하고 상기 수동적인 열적 조절 물질은 상기 용기와 열적으로 접촉하는 것인, 수동적인 열적 조절 물질;을 포함하고,
    상기 수동적인 열적 조절 물질은 수동적인 열적 조절 물질의 분해 온도에 도달하기 전에 이를 통해 열을 통과시키는 것이고, 가열기가 수동적인 열적 조절 물질의 분해 온도를 초과하는 경우 상기 수동적인 열적 조절 물질은 분해됨으로써 열을 소멸시키는 것인, 용기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 가열되는 물체보다 높은 전체 열 흡수 비열(total specific heat absorption capacity)을 갖는 것인, 용기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 칼륨 명반(potassium alum)인, 용기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 칼륨 명반 및 수산화칼슘을 포함하는 것인, 용기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반응물들은 고체 상태 반응물들인, 용기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가열되는 물체는 음식 제품인, 용기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 분해의 부생성물은 물이고 열이 증기의 형성을 통해 소멸되는 것인, 용기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 가열기의 적어도 일부분은 용기의 내부에 위치하고 상기 수동적인 열적 조절 물질은 상기 용기, 및 용기 내부에 위치하는 가열기의 부분의 적어도 일부의 사이에 위치하는 것인, 용기.
  9. 용기 내의 열을 조절하는 방법으로서,
    가열기를, 수동적인 열적 조절 물질과 열적으로 접촉되게 위치시키는 단계; 및
    상기 수동적인 열적 조절 물질을, 가열되는 물체를 함유하게 구성되는 용기와 열적으로 접촉되도록 놓는 단계로서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 수동적인 열적 조절 물질이 이의 분해 온도에 도달하는 시점까지 가열기로부터 용기로의 열 전달을 허용하고, 수동적인 열적 조절 물질이 이의 분해 온도를 초과하는 경우 상기 수동적인 열적 조절 물질은 분해됨으로써 열을 소멸시키는 것인, 단계를 포함하는, 용기 내의 열을 조절하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 가열되는 물체보다 높은 전체 열 흡수 비열을 갖는 것인, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 칼륨 명반인, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 칼륨 명반 및 수산화칼슘을 포함하는 것인, 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 가열되는 물체는 음식 제품인, 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 분해의 부생성물은 물이고 열이 증기의 형성을 통해 소멸되는 것인, 방법.
  15. 용기로서,
    가열되는 물체를 함유하기 위해 구성된 용기;
    수동적인 열적 조절 물질과 열적으로 접촉되는 가열기로서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 상기 용기와 열적으로 접촉되는 것인, 가열기;를 포함하고,
    상기 수동적인 열적 조절 물질은, 수동적인 열적 조절 물질이 이의 분해 온도에 도달하는 시점까지 가열기로부터 용기로 열 전달을 허용하고, 수동적인 열적 조절 물질이 이의 분해 온도를 초과하는 경우 상기 수동적인 열적 조절 물질은 분해됨으로써 열을 소멸시키는 것인, 용기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 가열되는 물체보다 높은 전체 열 흡수 비열을 갖는 것인, 용기.
  17. 제15항에 있어서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 칼륨 명반인, 용기
  18. 제15항에 있어서, 상기 수동적인 열적 조절 물질은 칼륨 명반 및 수산화칼슘을 포함하는 것인, 용기.
  19. 제15항에 있어서, 상기 가열되는 물체는 음식 제품인, 용기.
  20. 제15항에 있어서, 상기 분해의 부생성물은 물이고 열이 증기의 형성을 통해 소멸되는 것인, 용기.
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