DE1954250A1

DE1954250A1 - Thermodynamischer Behaelter

Info

Publication number: DE1954250A1
Application number: DE19691954250
Authority: DE
Inventors: Shapero Wallace H; Ryan John W
Original assignee: RYAN JOHN W; SHAPERO WALLACE H
Current assignee: RYAN JOHN W; SHAPERO WALLACE H
Priority date: 1969-03-27
Filing date: 1969-10-28
Publication date: 1970-10-01
Also published as: NL7002143A; BE743457A; DE1966296C3; IE33674B1; IE33674L; CH511012A; DE1966296A1; JPS4941065B1; DE1966296B2; US3603106A

Description

"Thermodynamischer Behälter"

Die Erfindung betrifft Nahrungsmittel- und Getränkebehälter und insbesondere Behälter, durch welche die Temperatur des im Behälterinneren befindlichen Getränks, insbesondere die Temperatur von Kaffee, Tee und dergleichen steuerbar ist.

Einer der grossen Nachteile beim Trinken heisser Getränke, wie z.B. Kaffee, besteht darin, dass man eine geraume Zeit warten muss, bis sich der Kaffee auf Trinktemperatur abkühlt. Personen, welche die Abkühlung nicht abwarten bzw, nicht abwarten wollen, riskieren, sich beim Trinken zu verbrennen. Andererseits stellt es ein Problem dar, das Getränk auf Trinkteraperatur zu halten, insbesondere dann, wenn Milch bzw, Sahne und Zucker zum Kaffee zugegeben werden; jedesmal, wenn der Kaffee durch frischen Kaffee wieder aufgewärmt wird, let

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wiftsch.-lng. Axel Hartmann, Dipi.-Phys. Sebastian Herrmann

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es erforderlich, das Gemisch neu einzuregeln, indem mehr Milch und Zucker hinzugegeben wird.

In dem US-Patent Nr. 2 876 634 eines "Thermodynamischen Behälters" wurde versucht, diesen Problemen gerecht zu werden. In der genannten Patentschrift ist eine Kaffeetasse dargestellt, zwischen deren Wänden ein Wärmespeichermaterial angeordnet ist; das Wärmespeiehermaterial dient zur Absorbierung der Hitze von in die Tasse eingegossenem, heissem Kaffee« Bienenwachs wurde als Wärmespeichermaterial für diese Zwecke ausgesucht, da dessen Schmelzpunkt von 64°C nahe der bevorzugten Trinktemperatur des Kaffees liegt. Durch Verwendung von Bienenwachs mit seiner latenten Schmelzwärme war es möglich, 45 zusätzliche Wärmekalorien pro Gramm zu speichern. Heisser Kaffee über 64⁰C schmilzt das Bienenwachs, wodurch der Kaffee abkühlt, bis seine Temperatur unterhalb 64⁰C gefallen ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die als latente Schmelzwärme im geschmolzenen Bienenwachs vorhandene Wärme zum Kaffee zurückgeführt und hält dessen Temperatur längere Zeit in der Nähe von 64⁰C.

Wenn der Kaffee durch Strahlung, Portleitung und Konvektion abkühlt, fällt seine Temperatur unter 64 C; durch die latente Schmelzwärme im verflüssigten Bienenwachs gespeicherte Wärme wird daraufhin zum Kaffee zurückgeleitet. Auf diese Weise wird Kaffee nahe dem Schmelzpunkt des Bienenwachses für längere Zeit als bislang üblich auf Trinktemperatur gehalten.

Umfangreiche Untersuchungen und der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Entwicklungsarbeiten haben zu einer wirksameren Anordnung geführt, um auf schnelle Weise die Wärme vom heissen Getränk zum Speichermaterial zu führen, um die Wärme schnell innerhalb des Speichermaterials selbst zu verteilen und um die Wärme innerhalb des Speichermaterials solange zu speichern, bis sie dem sich abkühlenden Getränk wieder zugeführt wird,

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Mit der vorliegenden Erfindung sollen Materialien für die genannten Zwecke geschaffen werden, welche in der Massenproduktion einfacher herzustellen sind. Es soll eine geeignetere Vorrichtung zur Lagerung des Wärmespeichermaterials geschaffen werden, um zu verhindern, dass Wärme durch die Aussenwände des Behälters abstrahlt bzw. abgeleitet wird.

Darüber hinaus sollen geeignete Wärmespeichermaterialien geschaffen werden, um den thermodynamischen Behälter zum Kühlen von Mahrungsmitteln und Getränken innerhalb eines breiten Bandbereiches der Temperatur einsetzen zu können. Die einzelnen Teile des Behälters sollen durch eine geeignete Verbindung bzw. ein Bindemittel so gehalten werden, dass trotz der verschiedenartigen Expansionskoeffizienten genügend Flexibilität erzielbar ist.

Lösung der
Die/Aufgabe nach der vorliegenden Erfindung als auch die Lösung von Problemen, welche in dem US-Patent Nr. 2 876 634 und in der US-Anmeldung Serial Nr. 14i 814 dargestellt sind, wurden in einer neuartigen Metalldose verwirklicht, in welcher die Wärmespeichersubstanz gelagert ist. Diese Metalldose ist gegenüber der durch ein flexibles Klebemittel an der Dose befestigten Aussenhaut vollkommen isoliert.

Die Erfindung betrifft Nahrungsmittel- und Getränkebehälter und insbesondere Behälter thermodynamischer Wirkungsweise, durch welche die Temperatur des im Behälter befindlichen Getränke bzw. Nahrungsmittels regelbar ist. Der im folgenden beschriebene, thermodynamische Behälter weist eine Aussenwand von niederer thermischer Leitfähigkeit auf, welche durch ein isolierendes Material von einer inneren Metalldose sehr hoher thermischer Leitfähigkeit getrennt ist; in der inneren, aus Metall bestehenden Dose befindet sich Wärmespeichermaterial. Getränke, welche zum Trinken zu helss sind, schmelzen das wUrmespeichermaterial, welches seinerseits das Getränk innerhalb von zwei Minuten auf Trinktemperatur abkühlt. Wäh-

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rend des Abkühlens des Getränks verlorene Wärme wird daraufhin dem Getränk wieder zugeführt, um es auf Trinktemperatur zu behalten, wenn das Wärmespeichermaterial sich wieder verfestigt.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. i der Zeichnungen ist eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht von Linie 2-2 in Fig. 1; und

Fig. 3 der Zeichnungen ist eine Teil-Schnittansicht zur Darstellung der flexiblen Klebemittelverbindung zwischen Aussenwandung und innerer Dose.

Mit Bezugsnummer 10 ist in den Figuren 1 und 2 die Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die innere Metalldose 12 besteht aus einer Innenwand 14 und einer Aussenwand i6, welche auf einer herkömmlichen Büehsenverschliess— maschine durch einen Doppelfalzverschluss miteinander verbunden werden können. Es ist auch möglich, die Wände der Metalldose 12 durch Kleben, Löten oder durch Abdichten mit Plastik— massen miteinander zu verbinden. Die Innenwand Ik der Dose besteht aus einer kaltgespritzten, nahtlosen Aluminiumbierbüchse mit einer Dicke von etwa 0,2 mm, welche aus Gründen eines gefälligeren Aussehens eloxiert ist. Die Aussenwand i6 der Dose besteht aus einem herkömmlichen BUchsenkörper mit einer Dicke von etwa 0,38 mm. Es kann jedes beliebige Metall Verwendung finden, welches stabil genug ist zur Handhabung; aus wirtschaftlichen Gründen wird jedoch zweckmässigerweise Aluminium oder Stahl für die Dosen verwendet.

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Obwohl die innere Dose 12 erfindungsgemäss doppelwandig ist, kann sie auch vor dem Einbau dreiteilig hergestellt sein. Aus Kostengründen ist es zweckmässig bzw. erwünscht, ein, zwei oder drei verschiedene Metalle zu verwenden. Der Austausch von Metall durch Plastik- oder andere nichtmetallische Materialien hat sich jedoch nicht als zufriedenstellend erwiesen.

Da die Innenwand Ik diejenige Fläche ist, welche mit dem Nahrungsmittel oder Getränk in Berührung gelangt, hat man es für möglich gehalten, die Aussenwand 16 auszutauschen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine als Einheit vorhandene Metallkapsel etwas schneller wirksam ist als eine, welche lediglich eine innere Metallwandung aufweist; um eine schnelle Abkühlung bis zum gewünschten Temperaturbereich zu erzielen, müssen die für Innen- und Aussenwand der Metalldose ausgewählten Materialien eine geringe Eigenwärme und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die Leitfähigkeit der Dose 12 ist grosser als diejenige der in der Dose befindlichen nahrungsmittel oder Getränke, um nicht das Ausmass bzw. die Geschwindigkeit der Wärmeleitung zwischen Nahrungsmittel oder Getränk und dem Wärmespeichermaterial 18 zu begrenzen.

Die Masse der Dose 12 wird auf einem Minimum gehalten, um einen Wärmeabfall zwischen Raumtemperatur und dem ausgewählten Temperaturbereich der Metalldose zu verhindern.

Das Wärmespeichermaterial 18 zwischen den Wänden der Dose kann aus verschiedenartigen Materialien bestehen. Es muss Wärme so gut leiten wie das innerhalb der Dose befindliche Nahrungsmittel oder Getränk und muss eine Änderung im physikalischen Zustand (von festem Zustand zu flüssigem Zustand oder von flüssigem Zustand zu festem Zustand) verwenden oder eine Veränderung von einem kristallinen Zustand zu einem anderen im gewünschten Temperaturbereich, um den Inhalt des thermodynamisehen Behälters für etwa 30 Minuten innerhalb dieses genannten Temperaturbereiches zu halten.

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Im folgenden werden die im einzelnen untersuchten Materialien aufgeführt. Die Übergangstemperatur wurde angegeben (Schmelzpunkt, Kristallisierungstemperatur, Temperatur der Hydradisierung). Es wurden auch die in der Literatur angegebenen Werte für die Übergangstemperatur angegeben.

Material	Bienenwachs	Übergangs
	Stearinsäure	temperatur
i.	Triglyceril- stearat	64⁰C
2.	Eisensulfat 7-hydrat	67°C
3.	Na₄B₄O₇.iO H₂O	54°C
4.	Ha₂B₂O₄.8 H₂O	_o
5.	6o°c
6.	54°C

7. Raffiniertes Paraffin

8. Cero-Legierungen

53C-54C 56°C-57°C 6l°C-62°C 65°C-66°C 7i C-74 C

59⁰C

h2 cal. pro g. 47 cal. pro g.

45 cal. pro g.

56 cal. pro g. 68 cal. pro g. 68 cal. pro g.

35 bis 58 cal.pro g. je nach Ölgehalt, Reinheit, Schmelzbereich u.dgl.

Mit diesen Materialien, welche einer Zustandsänderung unterliegen, ist ein weiteres Material erforderlich, um die Leitfähigkeit der Wärme durch das Wärmetauschermaterial zu verbessern. Da die Leitfähigkeit wenigstens derjenigen von Wasser zu entsprechen hat, welche gültig ist für die Leitfähigkeit von Nahrungsmitteln oder Getränken, wurde Wasser selbst zusammen mit kristallinen Hydraten verwendet. Im Falle von Paraffin wurde anstelle von Metallwolle, wie früher verwendet, Metallpulver zum Einsatz gebracht. Eine Metallpulverflocke wurde zu diesem Zweck ausgewählt, so dassweniger als 1 ^ in einem "325 meshⁿ-Sieb zurückgehalten wurde. Ee wurde eine Dispersion der Pulverflocken in einem Paraffingenisoh hergestellt, welches zuvor aus bestimmten Schmelzpunktfraktionen vorbereitet wurde.

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Die Paraffingemische, deren Wärmeleitfähigkeit durch Metallpulver verstärkt wurde, reagieren wesentlich schneller als die in der oben aufgezeigten Tabelle dargestellten Salze der Hydration und Kristallisation. Die Salze waren bei Berührung mit den Metallbehältern korrodierend. Bienenwachs war sehr teuer und hat sich als ein zu schlechter Wärmeleiter erwiesen, verglichen mit dem Paraffin- und Metallgemisch.

Es wurden verschiedene Metalle, deren Leitfähigkeit derjenigen von Kork entspricht, dem Paraffin beigesetzt. Gemische unter Verwendung von Kupferpulver waren schneller als diejenigen unter Verwendung von Aluminium. In einem Fall wurden 70 % Kupfer verwendet. Die Kosten von Kupfer sind jedoch untragbar, das Gewicht ist unerwünscht und die toxischen Wirkungen bei Einführung lassen es als nicht brauchbar erscheinen«

Es wurde Aluminium in verschiedener Form angesetzt. Dabei wurde ein Niederschlag erzielt mit sphärischen Partikeln und grossen Flocken in niedrig viskosen Gemischen. Eine feine Flocke, welche für Färbung verwendet wird, von welcher weniger als i % auf einem "325 mesh"-Sieb zurückgehalten wurden, wurde in geschmolzenem Paraffin 200 Stunden lang angesetzt, wobei bei einem Gemisch von 45 % Aluminiumpulver und 55 % Paraffin kein Niederschlag beobachtet wurde. Es hat sich herausgestellt, dass sich sphärische Aluminiumpartikel gleicher Maschengrösse niederschlugen.

Es wurde im einzelnen die Abkühlgeschwindigkeit der die verschiedenen Gemische aus Aluminium und Paraffin verwendenden Behälter aufgezeichnet. Das Gemisch aus 20 % Aluminium und 80 % Paraffin ergab nicht genügend Leitfähigkeit, um den Temperaturwechsel des Wärmespeichermaterials optimal zu gestalten. Bei einer geringeren Geschwindigkeit der Wärmeübertragung wurde das Plateau im gewünschten Bereich gleichfalls

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gekürzt. Über 50 tfo Aluminiumpulver waren nicht ausreichend, da das geschmolzene Paraffin die Neigung hatte, in amorphem Zustand zu bleiben, weniger beweglich war und nicht die gleiche Übergangswärme wiedergab, wie es dann möglich war, wenn das geschmolzene Paraffin in geschmolzenem Zustand genügend flüssig war, um in festem Zustand eine bessere Kristallstruktur einzunehmen. Die Zeit innerhab des gewünschten Temperaturbereiches nahm gleichfalls ab und offensichtlich unterlag die Kristallisierung des Paraffins einigen Störungen.

Die erwünschte Verbindung für ein schnelles Abkühlen auf 65°C innerhalb von maximaler Zeit im Bereich von 54⁰C bis 65⁰C besteht aus 45 % Aluminiumpulver (99 % Flockenform einer "325 mesh"-Grösse) und aus 55 % Paraffin (75 % mit einem Schmelzpunkt zwischen 56 C und 57 C und 25 % mit einem Schmelzpunkt zwischen 71°C und 74°C).

Es können in der Aussenhaut 20 Keramik- oder Plastikmaterialien verwendet werden.

Nachdem eine Anzahl von Klebemitteln der Wärme-Kältebehandlung, als auch der Behandlung mit Wasser, beispielsweise beim Abwaschen, ausgesetzt wurden, wurde ein Proxypolysulfid-Klebemittel ausgewählt, um die Metalldose mit der aus Plastik bestehenden Aussenwand zu verbinden. ABS und Polypropylen wurden wegen ihrer verhältnismässig geringen Kosten und ihrer geringen Verwerfung bzw. Verformung bei Hitze gleichfalls verwendet, um die Aussenhaut mit der inneren Dose zu verbinden. Ein flexibles Klebemittel ist erforderlich wegen der verschiedenen Expansionskoeffizienten der Dose und der Aussen— wand.

Um die durch die Atissenwand bedingten Wärmeverluste auf ein Mindestmass zu reduzieren, wird ein isolierender Belag bzw. Pilz aus Plastikschaum zwischen der Metalldose und der aus

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Plastikmaterial bestehenden Aussenwandung verwendet. Das isolierende Material 22 und seine Verteilung in dem thermodynamischen Behälter sind am besten aus Fig. 2 der Zeichnungen ersichtlich.

In der Beschreibung werden die Vorteile offenbart, welche die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stande der Technik aufweist, wie es sich insbesondere aus der US-Patentanmeldung Nr. 141,814 der Anmelder und aus der US-Patentschrift Nr. 2 876 634 ergibt. Mit Hilfe einer Metalldose zur Speicherung des Wärmetauschermaterials, weichesauf einer Seite durch isolierendes Material umgeben ist und mit Hilfe von Klebemitteln an einer Aussenwandung angebracht ist, kann die Wärme schnell von dem heissen Getränk in die Wandung der Dose gelangen und somit von allen Seiten her von dem Wärmetauschermaterial aufgenommen werden. Durch im Wärmetauschermaterial dispergierte Metallflocken ist eine Wärmeleitung mit grösserer Geschwindigkeit möglich, als es durch bislang bekannte Systeme der Fall war.

Das Abbinden der inneren Dose mit der Aussenwandung unter Zuhilfenahme von Klebemitteln ermöglicht eine grössere Flexibilität als es durch Schraubverschlüsse oder Schraubverbindungen möglich ist.

Durch Verwendung einer einfachen Weissblechdose, welche über ein Klebemittel mit einer Aussenwandung verbunden ist, ist es möglich, die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in Massenproduktion herzustellen» Die die innere Metalldose von der Aussenwandung trennende Isolierung löst im wesentlichen das Problem der Wärmeverluste durch die Aussenwand, welche Ausführungsformen bekannter Art vor allem zu eigen waren.

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Durch Auswahl verschiedener Verbindungen für Wärmetauschermaterialien können Getränke einer Temperatur von 87 C his 93 C innerhalb von 2 Minuten auf einen Temperaturbereich von 43°C bis 49°C, 49°C bis 54°C, 54°C*bis 59°C und dergleichen abgekühlt und innerhalb dieses Temperaturbereiches 30 Minuten lang gehalten verflen.

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Claims

Patentanmeldung; "Thermodynamischer Behälter"

PATENTANSPRÜCHE

1.) Thermodynamischer Behälter, gekennzeichnet durch eine Aussenwand (20), eine im Inneren des Behälters angeordnet^ hohle Dose (12), welche derart mit der Aussenwand (20) verbunden ist, dass zwischen Aussenwand (20) und innerer Dose (12) ein Zwischenraum gebildet ist, und ein innerhalb der Wände (lk_t l6) der Dose angeordnetes Wärmetauschermaterial (18).

2. Thermodynamischer Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Inneren des Behälters befindliche Dose (12) mit Hilfe eines Klebemittels an der Aussenwand (20) des Behälters angebracht ist.

3. Thermodynamischer Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen innerer Dose (i2) und Aussenwand (20) mit einem isolierenden Material (22) aufgefüllt ist.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phyi. Sebastian Herrmann

β MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon: 281202 · Telegramm-Adresse: Lipatli/München Bayer. Vereinibonk München, Zweigit. Oikar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 682495 · Postscheck-Konto: München Nr. 1633 97

Oppenauer BOroi PATENTANWALT DX. REINHOLD SCHMIDT

h. Thprrrodynamischer Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Trneren des Behälters befind— Ii ehe Dose (3 2) ans Alunirtiun besteht.

5. Thermodynamik eher Behälter nach Anspruch 1, dadnrch gekennzeichnet j dass die im Inneren befindliche Dose (12) ein ^T'^rerjnetaTisoher;neterial (18) enthält, welches innerhalb des Bereiches der Trinktemperatur heisser Getränke einen Übpr<ran.'^r von einem Bereich i.n einen anderen unterließt.

6. Thermodynamscher Behälter nach Anspruch 5> dadnrch gekennzeichnet, dass das Wärmetausehermaterial (¹S) ans im wesentlichen k$ f_c Aluminiumpulver und 55 ^fM Paraffin besteht,

7. Thermodynamiseher Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Flehemittel Pro:xypolysulfid Verwendung findet.

8. Tbermodynamischer Behälter nach Anspruch 1, 2, 3j ^ und 5j dadurch gekennzeichnet, dass als Isoliernaterial Plastikschauni Verwendung findet,

9. Thermodynamischer Behälter nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5j dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial Filz ist.

10. Thermodynamischer Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenwand aus einem Material niederer thermischer Leitfähigkeit besteht, und dass die im Inneren befindliche Dose aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit besteht,

11. Wärmetauschermaterial, welches bei seinem Wechsel zwischen flüssigem und festem Zustand schnell Wärme absorbiert und emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass es iffl wesentlichen aus 45 tfo AluminiumpulYer «nd 55 *£ Paraffin besteht.

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