专利名称：：氧气激活的加热设备及其制造方法氧气激活的加热设备及其制造方法相关申请本非临时申请基于2006年8月IO日提交的美国临时申请号60/837，029的优先权，该文献的整体在此引入。发明领域本发明涉及在与氧气反应时产生热的便携式无焰加热设备及其制造和包装方法。
背景技术：
：便携式无焰加热设备目前用于各种应用，例如加热食品。例如，美国军队使用无焰食物加热设备(FRH)而非便携式露营炉加热预包装的MRE(现成膳食)8盎司(大约227克)野战食物。这种FRH由封入防水袋的超腐蚀镁/铁混合物构成(总FRH重量大约为22克)。为了操作FRH，打开MRE插入其中的袋子，并将大约58克水添加到包围MRE的FRH袋子的含燃料部分中以引发以下反应Mg+2H20—Mg(OH)2+H2基于燃料的上述反应，MRE温度在小于10分钟内提高大约IOOT。通过水蒸气的蒸发和冷凝，该体系的最高温度被安全地调节到大约212下。当前的FRH(虽然对其预期目的有效)产生氢气作为副产物，这产生安全、运输、存储和处置关注，并且使得不太适合用于当意外误用可能导致火灾或爆炸的消费者应用领域。此外，反应所要求的水(除了重和占空间之外)还通常从士兵的饮用水供应获得，该饮用水供应通常是有限的。水的添加还可能是激活FRH过程中的不方便的附加步骤。自加热食品包装产品也可在消费者市场中获得。这些产品使用来自混合"生石灰"(氧化钩)和水的水合热(CaO+H20—Ca(OH)2)，这不产生氢气。由于存在水，最高温度类似地限于212T,但是即使忽略包装和水的重量，该系统的比能仍较低(大约l.2kJ/克CaO)。这些和其它自备式系统还必须提供混合分开的反应物的一些装置，这进一步增加复杂性和体积。对一些商业自加热包装食品的测量在表l中示出。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>虽然生石灰基加热设备可以提供比Mg基加热设备更大的安全性，但是生石灰加热设备显著地降低比能并且引起加热设备的重量和尺寸接近被加热的物品的重量和尺寸，这降低可携带性。除了上述水基加热设备之外，使用氧气基加热设备是已知的。氧气基加热设备，例如美国专利号5，984，995、5，918，590和4，205，957中描述的那些，具有优于水基加热设备的某些利益。首先，氧气基加热设备不要求添加水来生热。其次，因为氧气基加热设备仅在氧气存在下生热，所以可以通过防止氧气进入终止反应并稍后重新启动。尽管氧气基加热设备有优点，但是仍需要改进的氧气基加热设备，以及它们的制造方法。发明概述在本发明的一个方面中，本发明包括便携式无焰加热设备，它包括形成所需形状的柔性多孔基材，该基材包括在氧化时提供放热反应的还原剂，氧气还原的促进剂和粘结剂。一旦添加电解质，该便携式无焰加热设备就将在与氧气反应时生热。与水基加热设备不同，本发明加热设备利用大气中存在的环境氧气。因此，用户无须以物理方式向该便携式无焰加热设备转移或添加试剂，因为所有要求的反应物存在于加热设备中，或存在于大气中。这种利益，以及其它利益将基于优选的实施方案的描述而变得明朗。在本发明的另一方面中，本发明总体上包括将还原剂、还原氧气用的促进剂和粘结剂混合而形成混合物的步骤。然后将该混合物形成具有所需形状的基材，然后储存在环境或另一种含氧气氛中。该方面在制造方法方面具有相当大的利益。例如，该方法能使基材制造并以商业上可接受的时间储存直到需要该基材产生具体的便携式无焰加热设备构造。此外，基材的所需形状最初可以是坯料形状，该形状经调整大小以便稍后重整或分割为供不同应用使用所需要的更小尺寸。这也认为对制造方法具有相当大的利益，例如允许多加热设备设计由一种库存材料制成。根据优选实施方案的描述将领会和理解本发明这一方面的其它利益。附图描述图l是根据本发明的便携式无焰加热设备的剖面侧视图。图2是根据本发明的便携式无焰加热设备的透视分解图。图3是根据本发明方法的一个实施方案的流程图。图4是根据本发明制得的便携式无焰加热设备的样品的试验结果的曲线图。图5是根据本发明制得的便携式无焰加热设备的另一个样品的试验结果的曲线图。图6是根据本发明制得的便携式无焰加热设备的部分分解图。图7是根据本发明制得的便携式无焰加热设备的另一个样品的试验结果的曲线图。示例性实施方案的详细说明虽然本发明容许有多种不同形式的实施方案，但在附图中所示出和将详细描述的具体实施方案的前提是本公开内容应视为是对本发明原理的举例说明，而不希望将本发明限于这些举例说明的实施方案。应当理解，本文涉及的相同或相似的元素和/或组分在整个7附图中等同于相同的参考符号。此外，应当理解，附图主要是象征性的并且仅用来帮助理解所公开的概念和构思。力口热设备在本发明的一个方面中，便携式无焰加热设备包括形成所需形状的柔性多孔基材，该基材包括在氧化时提供放热反应的还原剂，氧气还原的促进剂和粘结剂。该还原剂优选选自主要由以下物质构成的组锌、铝或镁。该促进剂是碳并且可以具有或可以不具有添加到其中的添加化学品或组合物。至少在操作期间(相对存储)，基材包括电解质。电解质是碱性电解质，优选氢氧化钾。粘结剂优选经选择帮助在基材中提供孔隙度并且根据本发明的一个方面还帮助允许基材是柔性的。在一个优选的实施方案中，粘结剂是帮助同时提供这些属性的聚四氟乙烯。聚四氟乙烯可以占基材总重量的1%-40%。粘结剂可以包括化合物的混合物。与简单地提供加热设备的化学成分的颗粒状混合物相反，形成具有整体形状的基材提供在产品设计中使用整体结构伴生的利益例如，加热设备的结构完整性。便携式无焰加热设备的柔性提供许多利益。例如，作为预成型的原料或包装的加热设备，便携式无焰加热设备可以弯曲或移位，以配合具有变化形状和尺寸的容器。当装有电解质时，便携式无焰加热设备还包括容器，该容器包围多孔基材以使该基材与该容器外部的气氛隔离。在一个实施方案中，该容器具有至少一个可再密封开口以选择性地允许环境大气进入该基材以便与该基材进行氧气反应。可再密封开口可以包括(但是当然不限于)压敏粘合剂、机械榫槽结构、弹性或扭曲锁或任何其它可以选择性地允许开口再密封的结构。在一个实施方案中，还认为开口包括覆盖基材的氧气可透性阻隔层，当开封该开口时，以维持该基材在容器内的物理隔绝或隔离，同时允许氧气进入。改变该阻隔层的可透性可用来控制产热速率。允许大量氧气流入的阻隔层将允许更快的反应速率，并且让少量氧气进入的阻隔层将允许更慢的反应速率。图1公开了便携式无焰加热设备5。便携式无焰加热设备5包括被容器7包围(用于与大气隔离)的基材6(呈厚或板状片材形式)，该容器7具有前挡板8和后挡板9，它们都是氧气不透性的(承认可以使用具有较低氧气渗透水平的材料)。前挡板8具有在其外缘边缘周围的压敏粘合剂IO。前挡板8(当封闭时)隔离基材6与氧气。前挡板8可以部分除去以暴露开口ll,它们又使基材6暴露于氧气中。在开口ll内存在氧气可透性阻隔层12。该氧气可透性阻隔层12将基材6固定在容器7中。氧气可透性阻隔层12具有孔14，它们允许氧气到达便携式无焰加热设备5的基材6。一旦待加热的物品已经被加热到所需的温度，前挡板8就可用来封闭开口11并且压敏粘合剂部分10可以保持前挡板8就位，同时提供空气闭塞性密封。一旦容器7内的所有氧气已经反应掉，反应就将停止产生热。因为反应是基于氧气的，所以可以通过关闭开口和切断氧气进入终止反应。如果不是所有还原剂已经反应，则该便携式无焰加热设备(与水基加热设备不同)可以重新启动并用来随后加热相同或第二种物品。在另一个实施方案中，便携式无焰加热设备包括形成所需形状的柔性多孔基材，该基材包括在氧化时提供放热反应的选自主要由锌、铝或镁构成的组的还原剂，作为氧气还原促进剂的碳，碱性电解质和聚四氟乙烯粘结剂，和包围该基材以将该基材与容器外部的大气隔离的容器，该容器具有至少一个可再密封开口以选择性地允许环境大气进入该基材以便与该基材进行氧气反应。进一步认为，基材的所需形状可以经形成具有预成型的轮廓，它基本上与容器(例如容納将加热的物质例如食物的容器)外表面的从该设备到该容器内容物的所需热传递所要求的那部分的轮廓配合。所使用的术语预成型是指例如，基材可以被模塑、压入模具或巻绕容器的外表面。图2公开了预成型成所需形状22的便携式无焰加热设备20。所需形状22与可以容纳食物的容器30的外表面28的部分26的轮廓24配合。基材的另一种所需形状是坯料形状，该形状经调整大小以便稍后重整或分割为供不同应用使用所需要的更小尺寸。据信，任何适合的方法可用来制造坯料形状，包括但不限于，辊压、挤出、压制、成型、拉伸等。坯料形状可以是任何形状，包括但不限于常规片坯、杆坯、棒坯和管坯。片坯可以是厚片，例如"板"，或它可以是薄片，例如"膜"。杆坯也可以是厚杆，或薄杆，如索或线。类似地，棒坯和管坯可以是厚或薄的，这取决于所需应用。此外，坯料可以是挤出圆柱体、三角板、正方形管或任何其它形状。调整坯料大小以便稍后重整或分割为供使用的更小尺寸或根据不同应用使用所需要进一步重整。使用更薄的所需形状和更薄的坯料形状认为具有附加利益。例如，更薄的片材可以巻绕容器多次，而不是使用用厚坯的单次包覆。类似地，更薄的杆或"线"也可以巻绕容器，例如绕組。更薄的形状认为具有提高的柔性。此外，通过使用更薄的形状，认为便携式无焰加热设备可以不需要粘合剂或其它结构或组合物来帮助保持它与将加热的容器或物品邻接布置。方法本发明的另一个方面提供构造便携式无焰加热设备的新型方法。图3公开了根据本发明的这一方面的优选方法31。该方法包括以下步骤将还原剂、还原氧气的促进剂和粘结剂混合(32)以形成混合物，将该混合物形成(33)具有所需形状的基材；和然后将该基材储存(34)在环境或其它含氧气氛中。所谓的储存是指基材可以储存商业上可接受的时期，或"保存限期"，满足基于浓度，该基材的孔隙度，包括该基材的化学品和其它因素，当将该基材集成到最终用途例如加热设备中时，该基材仍将能够产生所要求的热。优选所需形状是柔性的。在步骤(33)中，可以将该基材的所需形状预成型为轮廓，该轮廓基本上与容纳食物的容器外表面的从该设备到该食物的所需热10传递所要求的部分的轮廓相配合，例如参见图2。或者在步骤(33)中，可以将基材的所需形状形成为坯料形状，如上所述，这可以包括稍后的步骤(35):将该坯料重整或分割为供不同应用使用所需要的更小尺寸基材。坯料形状可以是任何形状，包括但不限于片坯、杆坯、棒坯和管坯。片坯可以是厚片，例如"板"，或它可以是薄片，例如"膜"。杆坯也可以是厚杆，或薄杆，如线。类似地，棒坯和管坯可以是厚或薄的，这取决于所需应用。此外，坯料可以是挤出圆柱体、三角板、正方形管或任何其它形状。调整坯料大小以便稍后重整或分割为供使用的更小尺寸或根据不同应用使用所需要进一步重整。如上所述，认为更薄的所需形状和更薄的坯料形状与厚坯相比在制造和设计灵活性和可量测性方面可能具有附加利益。的速率。例如z如果所需应用需要热的更快更立即的需i:更高的:度或通量)，如按可接受的时间帧适合地加热食物容器可能要求的那样，则可以使用具有相对更高浓度的电解质。然而，如果待加热的物质要求更长，更延期的生热或更低的温度，则可以使用具有更低浓度的电解质。将这种状况用于制造方法可能对可量测性和减少的部分数具有相当大的利益，在此公开的本发明的其它方面也如此，即基材的柔性，制造基材的坯料形状和制造和在环境空气中存储基材。例如，在基材制造之后选择电解质的浓度允许制造者大量生产坯料，可以在其中存在氧气的环境大气中生产，然后，根据需要，可以将坯料重整或分割，然后在添加电解质之前重整成用于各种应用的更小的便携式基材。然后可以选择电解质并与基材匹配以便进一步包装用于各种不同应用。相应地，如图3公开的那样，便携式无焰加热设备的制造方法可以进一步包括选择被电解质影响的所需反应速率，和/或选择电解溶液以提供所选反应速率的步骤(36),并然后，提供向该基材添加所选电解溶液的步骤(37)。这样，至少部分地通过使用适当的电解质浓度控制反应速率。此外，因为该反应由氧气驱动，并且仅在添加电解质后才开始，所以可以在含氧的大气中添加电解质。这在制造方法中具有附加利益。例如，将无需对制造方法创造无氧气氛。一旦已经添加电解质并且基材已经开始生热，就可以按以致仅允许可忽略的反应量的方式，例如通过改变包装时间，所使用的试剂的量等进行便携式基材例如在包装中的隔离或装入。一旦装入，反应将产生负压(在容器内)，这将有利地帮助当用户稍后将该加热设备投入使用和暴露于氧气中时最初吸入氧气。相应地，如图3公开的那样，制造方法可以进一步包括隔离步骤(38)，例如通过将基材包围在容器中以使该基材与该容器外部的气氛隔离，其中该容器具有至少一个可再密封开口以选择性地允许环境大气进入该基材以便与该基材进行氧气反应。实施例以下实施例公开了根据本发明的原型加热设备及其制造方法。将三升去离子水加入配备有搅拌桨的反应容器中。然后，将O.345gKMn04添加到该水中并搅拌直到溶解。随后，将40g乙炔炭黑添加到该水中，同时緩慢地搅拌该水，并且搅拌该混合物大约30分钟。然后使用真空辅助使该混合物滤过过滤漏斗。然后将过滤的碳材料放入干燥容器并在95。C下干燥。此外，将lgIn(OH)3和1gIn2(S(U3与200ml去离子水混合并搅拌以形成悬浮液。然后将100g锌合金，例如由Umicore制造的BI100230d70，放入混合碗中。将三十八毫升饱和铟溶液添加到含该锌合金的混合碗中并搅拌大约l分钟。然后允许该混合物静置大约15分钟。然后将八克经处理的碳添加到该混合物中并以中速搅拌该混合物大约1分钟。敲击该混合碗，然后再进行30秒的混合，接着敲击该碗。将十五克聚四氟乙烯悬浮液添加到该混合物中并在低速下混合l分钟，接着敲击并再混合30秒。然后将该混合物形成类似于面团球的球形并取出进一步加工。12将该球形成矩形型砖。然后经由辊轧过程将该矩形形状加工以形成越来越薄的片材，在为特别类型的加热设备片材最终希望的厚度时停止。然后将该片材放入烘箱中在95。C下干燥。在从该烘箱取出该片材之后，所得的加热设备片材是多孔、有粘聚性和柔性的，并且可以切割成任何为特定应用希望的尺寸。认为，干燥的未激活加热设备片材可以无限期地保存在常规大气条件中，以便以后用作加热设备。加热设备的其它适合的构造方法可以包括本领域的技术人员已知的类似的挤出、辊涂、浇铸或粘贴方法。将上述制备的便携式无焰加热设备放入惰性气体手套箱。然后用9NKOH溶液(大约37wt。/。)湿润该材料。将大约23wt。/。KOH添加到该便携式无焰加热设备中。在该溶液已经渗透入该片材的孔隙之后，将该片材形成为金属汤罐的外部周边。然后将该罐子放置在具有外壁的更大罐子内部，该外壁提供开口。然后将该罐子组件放入密封的氧气不透性膜中以防止它接触氧气。然后从该手套箱取出该组件。从塑料袋取出该组件并将待加热的大约290毫升水添加到该内汤罐中。将两个热电偶放置在该汤罐内部并在该罐子上放置盖子。将一个附加的热电偶放置在该片加热设备材料的表面上。图4公开了在暴露于空气中之后该便携式无焰加热设备立即开始生热。加热设备表面上达到的最高温度40大约为260T。汤罐内部的水温42、44从70T的起始温度提高到191T。图5公开了第二个样品，其中测量加热设备表面50温度并且水温52、54提高到201下。如上所述制备便携式无焰加热设备的第三个实例并用来加热类似于MRE袋子的柔性袋子中的水。将该便携式无焰加热设备放置在该袋子的外表面上并与空气密封。在该袋子内部直接与该便携式无焰加热设备相对的每一面上是用水湿润的吸收性材料。从惰性气氛中取出该袋子。将水填充的MRE袋子放置在该加热设备袋子内部。用热电偶监测该水填充的袋子以测定水随着时间的温度变化。然后通过除去密封将该便携式无焰加热设备暴露于空气中并允许周围空气中的氧气进入该加热设备。该便携式无焰加热设备开始发热并且产生足够的热而使水温在大约9分钟内提高至170T。还试验第四个实施例。图6公开了使用粘合剂将通过本文描述的方法制造的单片形状的基材60(重量大约56.7克)附着于金属罐64的外周壁62。该罐子64能够容纳6.5盎司(190ral)流体。在将该基材60附着到外周壁62之后，将该罐子64和外容器66放入惰性气体手套箱。然后用KOH的50wt。/。溶液处理该基材60。大约ll.3克溶液涂在该片材上并允许吸收到该片材60中。在该湿润和吸收过程完成之后，将附着了便携式无焰加热设备60的罐子64放置在外容器66内。该外容器66具有开口68。然后将整个组件放入氧气不透性容器中并从该惰性气体手套箱取出。然后从该氧气不透性容器取出该组件并迅速地将190ml水添加到该罐子64中。将热电偶放入内罐的中部以监测水的温度。将附加的热电偶附着于便携式无焰加热设备60以监测该加热设备的外表面温度。监测和记录温升。如图7公开的那样，水温80和便携式无焰加热设备温度82开始在大约74下。在小于两分钟内便携式无焰加热设备温度82迅速地上升越过235T。水温80在3.6分钟内更緩慢地上升达到160下。水温80在IO.8分钟内达到最大188下并且保持大于180下，直到在15分钟停止试验。附权利要求书给出本发明范围。阅读了本公开内容的本领域技术人员将能在不脱离本发明范围的情况下作出修改。权利要求1.便携式无焰加热设备，包括形成所需形状的柔性多孔基材，该基材包括在氧化时提供放热反应的还原剂，氧气还原用的促进剂和粘结剂。2.权利要求l的便携式无焰加热设备，其中该还原剂选自主要由以下物质构成的组锌、铝或镁。3.权利要求1至2中任一项的便携式无焰加热设备，其中该促进剂是碳。4.权利要求1至3中任一项的便携式无焰加热设备，其中该基材包括电解质。5.权利要求1至4中任一项的便携式无焰加热设备，其中该粘结剂是聚四氟乙烯。6.权利要求1至5中任一项的便携式无焰加热设备，还包括包围该多孔基材以将该基材与容器外部的大气隔离的容器，该容器具有至少一个可再密封开口以选择性地允许环境大气进入该基材以便与该基材进行氧气反应。7.权利要求6的便携式无焰加热设备，其中该开口包括氧气可透性阻隔层。8.权利要求4的便携式无焰加热设备，电解质是氢氧化钾。9.便携式无焰加热设备，包括形成所需形状的柔性多孔基材，该基材包括(i)在氧化时提供放热反应的还原剂，它选自主要由以下物质构成的组锌、铝或镁；(iii)作为氧气还原促进剂的碳；(iv)碱性电解质；和(v)聚四氟乙烯粘结剂；和包围该基材以将该基材与容器外部的大气隔离的容器，该容器具有至少一个可再密封开口以选择性地允许环境大气进入该基材以便与该基材进行氧气反应。10.权利要求1至8中任一项的便携式无焰加热设备，其中该基材的所需形状是预成型的轮廓，它基本上与用于容纳食物的容器外表面的从该设备到该食物的所需热传递所要求的那部分的轮廓相配合。11.权利要求9的便携式无焰加热设备，其中该基材的所需形状是预成型的轮廓，它基本上与用于容纳食物的容器外表面的从该设备到该食物的所需热传递所要求的那部分的轮廓相配合。12.权利要求1至8中任一项的便携式无焰加热设备，其中该基材的所需形状是坯料形状，该形状经调整大小以便稍后重整或分割为供不同应用使用所需要的更小尺寸。13.权利要求12的便携式无焰加热设备，其中该坯料形状选自主要由以下构成的组片坯、杆坯、棒坯、管坯。14.权利要求9的便携式无焰加热设备，其中该基材的所需形状是坯料形状，该形状经调整大小以便稍后重整或分割为供不同应用使用所需要的更小尺寸。15.权利要求14的便携式无焰加热设备，其中该坯料形状选自主要由以下构成的组片坯、杆坯、才奉坯、管坯。16.便携式无焰加热设备的制造方法，包括以下步骤将还原剂、还原氧气用的促进剂和粘结剂混合以形成混合物；将该混合物形成具有所需形状的基材；和然后将该基材储存在环境或其它含氧气氛中。17.权利要求16的方法，其中该基材的所需形状是预成型的轮廓，它基本上与容纳食物的容器外表面的从该设备到该食物的所需热传递所要求的部分的轮廓相配合。18.权利要求16的方法，其中该基材的所需形状是坯料形状，该形状经调整大小以便稍后重整或分割为供不同应用使用所需要的更小尺寸。19.权利要求18的方法，其中该坯料形状选自主要由以下构成的组片坯、杆坯、棒坯、管坯。20.权利要求16至19中任一项的便携式无焰加热设备的制造方法，还包括以下步骤选择所需的反应速率；选择电解溶液以提供该所选的反应速率；然后将该所选的电解溶液添加到该基材中。21.权利要求20的便携式无焰加热设备的制造方法，其中将该电解溶液添加到该基材中的步骤在环境或其它含氧气氛中进行。22.权利要求18或19的便携式无焰加热设备的制造方法，还包括以下步骤将该坯料基材分割成为进一步重整或包装所需要的更小基材形状。23.权利要求20或21中任一项的便携式无焰加热设备的制造方法，还包括以下步骤将该基材包围在容器中以使该基材与该容器外部的气氛隔离，该容器具有至少一个可再密封开口以选择性地允许环境大气进入该基材以便与该基材进行氧气反应。24.权利要求16至23中任一项的便携式无焰加热设备的制造方法，其中所需形状是柔性的。25.通过方法16-24中任一项制得的便携式无焰加热设备。26.本文所述的便携式无焰加热设备的制造方法。27.本文所述的便携式无焰加热设备。28.通过本文所述的任一制造方法制得的便携式无焰加热设备。全文摘要无焰便携式加热设备(1)包含还原剂、促进剂和形成具有所需形状的柔性基材的粘结剂。反应是氧气基的；碱性电解质。氧气基无焰便携式加热设备的制造方法(31)。文档编号F24J1/00GK101523125SQ200780036681公开日2009年9月2日申请日期2007年8月10日优先权日2006年8月10日发明者B·帕特尔,C·E·塞索克,L·A·廷克尔,R·卡因斯拉申请人:充电电池公司