用于热交换单元的压实装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及一种用于在自冷食品或饮料的容器中使用的热交换单元，并且更具体地涉及用于在热交换单元(HEU)中使用的压实活性碳的形成，在所述类型的热交换单元中，温度降低是由从布置在热交换单元内的压实活性碳脱附气体导致的。
【背景技术】
[0002]许多在便携式容器中贩售的食物或饮料最好在它们被冷却时食用。例如，碳酸软饮料、果汁饮料、啤酒、布丁、松软干酪等优选地在33华氏度(0.555摄氏度)与50华氏度(10摄氏度)之间变化的温度下食用。当不能提供冰箱或冰的便利时，诸如当钓鱼、露营等时，在食用前冷却这些食品或饮料的任务变得更加困难，在这种情况下，非常希望的是有用于在食用之前快速冷却容器的内容物的方法。由此，自冷容器，即不需要外部低温条件的容器是理想的。
[0003]本领域中充斥着结合无需暴露于外部低温条件而能够冷却内容物的冷却剂的容器设计。这些容器中的绝大多数结合或以其它方式使用制冷剂气体，其在释放或活化时吸收热量，以便冷却容器的内容物。其它技术已经验证了使用吸热化学反应作为吸收热量从而冷却容器内容物的机制。这样的吸热化学反应设备的例子是在美国专利编号1，897，723、2，746，265、2，882，691 和 4，802，343 中公开的那些。
[0004]利用气态制冷剂的典型设备是在美国专利编号2，460, 765,3, 373，581、3636726、3，726，106、4，584，848、4，656，838、4，784，678、5，214，933、5，285，812、5，325，680、5，331，817,5, 606，866,5, 692，381和5，692，391中公开的那些。在许多情况下，在一种结构(诸如那些在前述美国专利中示出的)中使用的制冷剂气体不能起到适当地降低温度的作用，或者即使它们起到所述作用，它们也含有可能促进温室效应的制冷剂气态物质，并由此对环境并不利。
[0005]为了解决诸如在现有技术中阐述的那些问题，申请人利用吸附剂-脱附剂系统作为本发明的一部分，其包括用作二氧化碳的吸附剂的活性碳。这种类型的系统在美国专利编号5，692，381中公开，其通过引用并入本文。
[0006]在这些设备中，吸附材料布置在器皿内，其外表面与待冷却的食物或饮料热接触。通常，所述器皿被连接到外容器，其以这样的方式容纳待冷却的食品或饮料，使得所述食品或饮料与含有吸附材料的器皿的外表面处于热接触。此器皿或热交换单元被固附到外容器，典型地被固附到其底部，并包括阀或类似机构，其作用是释放一定量的气体，诸如已经被包含在内部器皿内的吸附材料吸附的二氧化碳。当被打开时，诸如二氧化碳的气体脱附，并且气体从活性碳吸附剂脱附的吸热过程导致与所述内器皿的外表面热接触的食品或饮料的温度降低，从而降低包含在其中的食品或饮料的温度。
[0007]为了实现这种冷却，至关重要的是将尽可能多的二氧化碳吸附到包含在内部器皿内的碳粒子上，并且进一步将包含在食品或饮料中的热能从那里通过所述内部器皿的壁并且通过吸附材料传送，以连同脱附的二氧化碳气体一起被带离热交换单元。在本领域中已知的是，大多数吸附剂是热能的不良导体。例如，活性碳可以被描述为无定形材料，因此具有低的热导率。通过最大限度地压实活性碳同时仍允许二氧化碳气体在其上的最大吸附确实有助于热能传导。
[0008]重要的是，将诸如活性碳颗粒的吸附材料尽可能高程度地压实，而没有将吸附材料体的孔隙率大幅降低到这样的程度，使得吸附二氧化碳气体的能力或从吸附材料体内的脱附率(rate of desorpt1n)的阻滞未受有害影响。
[0009]优选地，吸附材料是活性碳，而要被吸附的气体是二氧化碳。在本公开的上下文中，“活性碳”涉及被明确地活化以发展强吸附性的含碳材料族，据此，即使是痕量的液体或气体也可以被吸附到碳上。这样的活性碳可以由各种来源产生，例如煤、木材、坚果(如椰子)和骨骼，并且可以由诸如聚丙烯腈的合成源生成。存在各种活化方法，诸如水汽、二氧化碳或其他气体在升高的温度下的选择性氧化，或者使用例如氯化锌或磷酸的化学活化。吸附剂还包括以重量计在总组分中占0.01至80%的石墨材料，和粘结剂的材料。
[0010]任何可用形式的石墨-天然的或合成的-都可以掺入活性碳中，例如可使用粉末状或薄片状石墨。优选地，所包括的石墨按重量计在从10%至50%的范围内，更优选地为按重量计20 %至45 %，特别是按重量计40 %。
[0011]诸如聚四氟乙烯的粘结剂材料被包括在内从而为它的处理提高配方的生坯强度。有石墨和粘结剂的活性碳组合物在美国专利7，185，511中公开，其通过引用并入本文。
[0012]由此存在对装置及一种方法的需要，通过所述装置和方法，包括石墨和粘结剂的吸附材料可以被尽可能地高度压实，以便增加可以吸附在其上的二氧化碳的量。
【发明内容】
[0013]一种用于压实吸附材料的装置，包括预定量的未压实吸附材料可以沉积在其内的空腔、适于被插入到空腔底部以支撑吸附材料的第一柱塞、适于被插入到所述空腔顶部的第二柱塞、用于将压力施加到所述第一和第二柱塞以压实在其间的吸附材料的装置、将压实的碳从空腔转移到HEU壳体的附加柱塞。
[0014]一种压实吸附材料的方法，包括将吸附材料称重、将吸附材料沉积到空腔内、将柱塞插入到空腔底部、将柱塞插入到空腔顶部、将压力施加到顶部柱塞以压实吸附材料，将HEU罐放置在空腔之下，以及将压实的吸附材料转移到HEU罐。
【附图说明】
[0015]图1是示出空腔以及其中吸附材料的压实的示意图；
[0016]图2是示出将压实的吸附材料转移到HEU罐内的示意图；
[0017]图3是示出本发明的方法的流程图；
[0018]图4是一种用于压实吸附材料并将该吸附材料转移到HEU罐的四空腔装置的正视图；
[0019]图5是图4所示的结构的左侧视图；
[0020]图6是其俯视图；以及
[0021]图7是示出压实装置的一种可选实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0022]现在参考图1，其以限定空腔14的金属材料块12的形式示意性地示出了一种机构。空腔14适于接收预定量的吸附材料，其如上所述优选地是活性碳、石墨和粘结剂的混合物，其整体以16示出。如将在下面更全面地描述的，沉积在空腔14内的材料的量是这样确定的，当在压实后放置于HEU内时，所述量足够吸附足够量的二氧化碳以实现所期望的包含在容器内的食品或饮料的自冷却，热交换单元(HEU)位于所述容器内。第一柱塞18在内部被由箭头20所示的适当力定位在空腔14的底部，所述力诸如通过液压致动器施加的。柱塞18以足以支撑被压实的吸附材料16的距离定位在空腔14内。
[0023]第二柱塞22在空腔14的顶部插入，并如箭头24所示地施加力，从而以所需的量压缩吸附材料16，以确保它是被高度压实的，所述力将通过适当的机构产生，诸如液压致动器或类似物。柱塞22还包括活塞状构件26，其突出到所述吸附材料16内以在其被压实后在其中提供空腔。该空腔适于容纳一个阀的一部分，当需要冷却在容纳热交换单元的容器内的食物或饮料时，所述阀在启动时将允许气体(优选地是二氧化碳)从吸附材料脱附。此夕卜，在压实的吸附材料内应用开口还提供了用于吸附二氧化碳的额外表面区域。本领域的技术人员将理解的是，如果需要的话，由此提供的空腔可以完全地延伸贯穿吸附材料16。
[0024]施加在两个柱塞18与22之间以实现吸附材料16的所需压实的压力量产生大约17吨的力。已经发现的是，各空腔需要这种量级的力来实现吸附材料的所需压实，以提供所需的足够量的二氧化碳吸附，从而实现容纳在容器内与HEU接触的食品或饮料的所需冷却。
[0025]一旦吸附材料16的所需压实已经被实现，两个柱塞18和22从空腔14缩回。当这种情况发生时，压实的吸附材料将会自然膨胀，但是，因为柱塞18和22延伸到空腔14内的距离，如图1所示，压实的碳的膨胀只能是纵向的，即向上或向下或两者，并且它不能横向膨胀。本领域技术人员将理解的是，所发生的膨胀量是比较小的，但有些膨胀会自然地发生。
[0026]现在参考图2，定位在空腔14内的压实吸附材料16现在有HEU罐28定位在出现于材料块12中的空腔14的底部。HEU罐28的体积和尺寸足够使它能够接收压实的吸附材料16。其结果是，附加柱塞30具有如箭头32所示地施加到其上的少量压力，因此它将压实的吸附材料16向下移出空腔14，并进入HEU罐28内部。足够量的力被施加到柱塞30，以确保压实的吸附材料16牢固地坐靠在HEU罐28的底部，但不会损坏吸附材料或HEU罐。一旦这样的情况发生，柱塞30被移走，并且有压实的吸附材料牢固地坐靠在其中的HEU罐28被移走并输送到期望的位置，以包括在用于容纳待冷却食物或饮料的容器内，如在通过引用并入本文并在上面提及的专利中更全面地描述的。
[0027]现在更具体地参考图3，用于完成吸附材料压实的过程被进行阐述。图3中的吸附材料被称为碳，但应理解的是，它是活性碳与石墨和上述粘结剂的混合物。如在图3中的34处所示，第一步骤是对吸附材料称重，使得对于如上所述的插入空腔内足够的量是可用的。取决于HEU的尺寸和要实现的所需冷却量，吸附材料的量可以变化。其结果是，吸附材料的量可根据经验为各应用确定。一旦吸附材料被称重，如在36处所示，它随后被沉积到空腔内。一旦吸附材料被沉积到空腔内，第一柱塞则被插入该空腔的底部，并且在空腔内插入得足够远，以提供吸附材料在它已被压实且柱塞被移走时所期望的膨胀能力。如在38处所示，在柱塞被插入到空腔底部之后，第二柱塞则如在40处所示地被插入到空腔顶部。一旦这种情况发生，则足够的压力特别地通过插入到空腔内的顶柱塞施加，以如在42处所示地压实吸附材料。如上面所指出的，在底柱塞与顶柱塞之间施加(特别是通过将压力施加到顶