ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ТЕПЛОЗАЩИТНАЯ ОДЕЖДА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 1999 года по МПК F28D20/00 A41D13/00 

Настоящее изобретение относится к теплозащитной одежде, использующей теплоаккумулирующий материал с его теплозащитными свойствами при фазовом превращении.

Это изобретение может использоваться для различных нужд, связанных с предохранением объектов от переохлаждения, в частности для поддержания комфортных условий для человека, работающего или находящегося в условиях низких температур.

Теплоаккумулирующие материалы известны специалистам в области тепловых процессов, как материалы, способные обеспечивать теплозащиту различных объектов в течение некоторого, сравнительно непродолжительного периода времени (от нескольких часов до отдельных суток в зависимости от количества материала) (см. ж. "Технология" серия "Конструкции из композиционных материалов" изд. Орган н/с РАН N 3-4, М., 1995).

Конструктивно теплозащитные панели, выполненные с применением таких материалов, достаточно просты и представляют собой, как правило, расположенный в герметичном объеме теплоаккумулирующий материал. Перед эксплуатацией материал нагревают до температуры чуть выше температуры плавления наполнителя, после чего устанавливают перед защищаемым объектом. Действующая на такую панель неблагоприятная температура не попадает на объект благодаря теплоемкости и фазовому превращению материала. После возвращения теплоаккумулирующего материала в первоначальное состояние панели необходимо снимать для последующей зарядки.

Известно использование панелей, включающих в себя теплоаккумулирующий материал, для защиты различных конструкций от температурного перегрева или переохлаждения (см. пат. США N 4825939, кл. 165-53, 1989). Указанные панели, используя теплозащитные свойства теплоаккумулирующего материала при фазовом превращении под действием температуры, предохраняют от недопустимого заброса температуры различные строительные конструкции, такие как пол, стенка и т.д. На практике такие панели могут быть применены в этих целях для других защищаемых объектов, в том числе для защиты человека и для различных бытовых нужд. Известные панели, которые могут быть иметь различные габаритные размеры, например, могут быть выполнены в виде отдельных элементов, в совокупности образующих теплозащитную панель, как правило, представляют собой герметичную оболочку, в которой размещен теплоаккумулирующий материал.

Эксплуатация таких панелей вызывает ряд трудностей. Так для "зарядки" таких элементов, т.е. для приведения их в рабочее состояние, необходимо все элементы снимать с защищаемой конструкции, переносить к специальным зарядным устройствам, а затем опять монтировать их на прежнем месте. Кроме неудобства в обслуживании и необходимости иметь нагревающее стационарное устройство, такой процесс обслуживания приводит к снижению надежности элементов панели.

Известны также теплообогревающие серийно выпускаемые в нашей стране костюмы типа "Пингвин" и опытные партии костюма "Енот", в которых используются системы с электрообогревом. Однако эти костюмы не нашли широкого применения из-за неприятных последствий, связанных с применением чисто электрических систем, особенно сказывающихся при использовании таких систем человеком.

В последнее время более широкое применение нашли теплоаккумулирующие материалы, относящиеся к так называемым формоустойчивым (ФТАМ) (см. например, Тезисы докладов "Композиционные материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергии. Госкомитет РФ по оборонным отраслям промышленности, Москва, 1995, с. 12-14). Применяемость таких материалов возросла в силу их удачных эксплуатационных качеств, таких как нерассекаемость при фазовом превращении, что снижает требования по герметичности пакетов, в которых такой материал размещается. В принципе возможно применение ФТАМ и без герметичной оболочки. Но, в то же время, эти материалы в настоящее время не нашли широкого применения в конкретно выпускаемой продукции, используемой для человеческого бытия.

Известен теплозащитный элемент, содержащий теплоаккумулирующий материал и электронагреватель, установленный с возможностью подсоединения к источнику электропитания с обеспечением разогрева теплоаккумулирующего материала (US, патент 4817704, кл. F 28 D 20/00, 1989).

Данное решение принято в качестве ближайшего аналога, однако и оно не свободно от вышеперечисленных недостатков. Известна теплозащитная одежда, содержащая установленные в определенном порядке на поверхности одежды теплозащитные элементы, включающие в себя теплоаккумулирующий материал (SU, а. с. 1708265, кл. A 41 D 13/00, 1989).

Указанное решение принято в качестве ближайшего аналога для объекта "Теплозащитная одежда". Однако эта одежда недостаточно удобна в эксплуатации и надежна в работе.

Известен способ изготовления теплозащитного элемента, заключающийся в получении готового к применению теплоаккумулирующего материала путем вулканизации заготовки из сырой смеси ("Технология" межотраслевой Научно-технический сборник, серия "Конструкции из композиционных материалов" N 3-4, М. , 1995, с. 39-43).

Этот способ не предусматривает возможность изготовления теплозащитного элемента из различных частей с расположением между ними функционирующих при эксплуатации элементов, например нагревательных.

Задачей настоящего изобретения является создание теплозащитного элемента, включающего в себя теплоаккумулирующий материал, который можно было просто и эффективно использовать для различных теплозащитных нужд и который был бы удобен в эксплуатации и надежен в работе.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание теплозащитной одежды, например, для человека, которая поддерживает комфортные условия в течение 3-4 ч при температуре от минус 35 до минус 40^oC и при этом была бы удобна и не мешала выполнять необходимые действия, в частности рабочие функции. Одежда согласно настоящему изобретению удобна при подзарядке элементов, т.к. ее конструкция позволяет, не снимая с нее теплозащитные элементы, нагревать их за счет соединения с источником электропитания, а при пользовании одеждой этот источник отсоединен и находится отдельно от нее.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления теплозащитного элемента, выполненного с расположенным внутри него электронагревательным элементом, при этом способ достаточно прост и не требует больших затрат на используемое в нем оборудование.

Для достижения указанных задач теплозащитный элемент, содержащий теплоаккумулирующий материал, снабжен расположенным внутри указанного теплоаккумулирующего материала электронагревателем, установленным с возможностью подсоединения к источнику электропитания с обеспечением разогрева теплоаккумулирующего материала.

Теплоаккумулирующий материал предпочтительно является формоустойчивым с температурой плавления 53-56^oC, а его время разогрева до температуры плавления в этом элементе составляет 10-20 мин при питании электронагревателей переменным напряжением 220 В, теплозащитный элемент имеет предпочтительно длину 90-150 мм, ширину 25-35 и толщину 6-8 мм.

Еще одним аспектом настоящего изобретения является теплозащитная одежда, которая для достижения указанных задач содержит установленные в определенном порядке на поверхности одежды теплозащитные элементы, включающие в себя теплоаккумулирующий материал и электронагреватель, установленный с возможностью подсоединения к источнику электропитания с обеспечением разогрева теплоаккумулирующего материала, при этом электронагреватель расположен внутри теплоаккумулирующего материала, который является формоустойчивым.

Предпочтительно, теплозащитные элементы установлены на ней в карманах и расположены группами по 3-5 элементов на уровне груди - предплечья, спины и поясницы. Электронагреватели теплозащитных элементов соединены при зарядке теплозащитных элементов с источником электропитания через терморегулятор, регулирующий температуру нагрева посредством соединения с датчиком температуры, установленным в одном из теплозащитных элементов, при этом электронагреватели различных теплозащитных элементов связаны между собой.

При этом на одежде в ее нижней части установлен электроразъем для подсоединения при зарядке терморегулятора. В разных частях одежды установлены полуразъемы, соединяющиеся между собой при зарядке теплозащитных элементов, и разъединенные между собой при расположении на пользователе, один из полуразъемов связан с разъемом для терморегулятора. В линию электропитания в предпочтительном варианте установлен тепловой предохранитель, а с внутренней и наружной стороны одежды размещены слои теплозащитного материала, между которыми расположены указанные теплозащитные элементы. Одежда выполнена с обеспечением поддержания комфортной для человека температуры в течение 3-4 ч при температуре окружающей среды от минус 35 до минус 40^oC.

Согласно способу изготовления теплозащитного элемента, включающему в себя получение готового к применению теплоаккумулирующего материала путем вулканизации заготовки, из сырой смеси, из последней изготавливают заготовки, равные приблизительно половине по толщине теплозащитного элемента, а окончательное изготовление теплозащитного элемента осуществляют путем накладывания одна на другую половинчатых заготовок, при расположении между ними электронагревателей электроводами наружу, и вулканизации указанных контактируемых между собой элементов.

Кроме того, одну половинчатую заготовку получают путем вулканизаци в пресс-форме вулканизированной заготовки со слоем сырой смеси, толщиной приблизительно 0,3 мм, на открытом конце которого располагают электронагреватель, а затем полученную таким образом заготовку соединяют с другой завулканизированной половинчатой заготовкой с расположением между ними электронагревателя и обе заготовки вулканизируют в пресс-форме до получения теплозащитного элемента.

Альтернативно обе завулканизированные половинчатые заготовки соединяют между собой с расположением между ними электронагревателя путем вулканизации в пресс-форме.

Кроме того, обе половинчатые заготовки из сырой смеси соединяют между собой с расположением между ними электронагревателя путем вулканизации в пресс-форме.

Настоящее изобретение будет рассмотрено в подробном описании со ссылками на сопроводительные чертежи, где:
на фиг. 1 - общий вид теплозащитного элемента; на фиг. 2 - установка теплозащитного элемента в одежде в сечении; на фиг. 3 - схема раскроя теплозащитной одежды; на фиг. 4 - схема электропитания элементов одежды; на фиг. 5-7 - последовательность выполнения предпочтительного варианта способа изготовления теплозащитного элемента.

Как видно из фиг. 1, теплозащитный элемент 1 представляет собой пластину, например, прямоугольной формы, в предпочтительном варианте которая имеет размеры: длина 90-150 мм, ширина - 25-35 мм и толщина - 6-8 мм. Теплозащитный элемент 1 может быть выполнен в виде герметичной оболочки 2, в которой размещен теплоаккумулирующий материал 3 (ТАМ). В предпочтительном варианте ТАМ является формоустойчивым (в этом случае герметичная оболочка 2 не обязательна). Он может состоять из бутил-каучука - 30%, вулканизирующий агент в виде хинолового эфира - 1%, сажи 0,5% и остальное наполнитель-высокоочищенный парафин, например, марки В-2 (см. ж. "Технология", "Конструкции из композиционных материалов", изд. Орган н/с РАН N 3-4, с. 16-52, М., 1995). Температура плавления ТАМ, что определяется наполнителем, может быть в диапазоне 53-56^oC.

Внутри ТАМ запрессован электронагреватель 4, имеющий выходящие из теплозащитного элемента 1 провода 5 для подсоединения к источнику питания (способ запрессовки нагревателя описывается ниже). В таком виде теплозащитный элемент 1, как правило, с группой таких же элементов предназначен для предохранения от низких температур окружающей среды.

В теплозащитной одежде 6, выполненной, например, в виде жилета, упрощенная схема раскроя которого представлена на фиг. 3, теплозащитные элементы расположены группами 7, 8 и 9 по 5 элементов 1 (может быть и другое число элементов). Две группы 7 элементов 1 расположены на груди и предплечье, две группы 8 расположены в верхней части спины и две группы 9 - на пояснице.

На фиг. 2 показано сечение по месту размещения элемента 1 в теплозащитной одежде 6. Одежда имеет основу 10, сшитую из прочной и маловытягивающейся ткани. На внутренней, обращенной к человеку, стороне этой основы пришиты карманы 11, в которых размещены элементы 1. Карманы сверху закрыты клапанами 12 с тканым замком, например липучкой. С наружной стороны к основе 10 жилета пришиты два слоя утеплителя 13, например, из синтипона, которые закрыты снаружи отделочной тканью 14, пришитой к основе 10 жилета. С внутренней стороны основы 10 пришита подкладка 15, на которую нашит простегиванием еще один слой утеплителя 16.

Рассмотренный предпочтительный вариант одежды 6, включающий в себя в совокупности тканевую одежду и теплозащитные элементы, представляет собой систему индивидуальной теплозащиты для человека от холода в особо неблагоприятных условиях, когда обеспечение теплового комфорта с помощью обычной теплозащитной одежды становится невозможным.

Можно представить и другие варианты такой системы теплозащиты согласно настоящему изобретению, которые по существу не будут отличаться от указанного варианта.

На фиг. 4 показана электрическая схема одежды. Питание электронагревателей 4 осуществляется от бытовой электросети переменного тока напряжением 220 В через терморегулятор 17, входящий в комплект жилета. Этот терморегулятор соединен с электросхемой одежды через разъем 18, вилка которого вшита в нижнюю кромку одежды. По двум проводам (штыри A и B) осуществляется соединение с датчиком температуры 19, установленным на одном из элементов 1, а по двум другим проводам (штыри C и D) выполнена подводка электропитания к дополнительному разъему 20, части которого пришиты к нижней кромке одежды - жилета в районе спины и живота. От разъема 20 один из проводов (со штыря F) подключен непосредственно к каждой группе элементов 1, а второй - (со штыря E) соединен с этими элементами через аварийный размыкатель 21 цепи питания, установленный на одном из элементов 1. Пять элементов 1 в каждой группе 7, 8 и 9 соединены между собой последовательно (на схеме эти соединения не показаны).

На фиг. 5-7 показаны этапы изготовления теплозащитного элемента 1. На фиг. 5 изображена пресс-форма 22, в которой помещены заготовка 23 из вулканизированного теплоаккумулирующего материала, слой 24 сырой смеси и электронагреватель 4.

На фиг. 7 представлены полученная перед этим заготовка 25 отвулканизированного материала пресс-формы 26 для окончательного получения теплозащитного элемента и заготовка 27 из сырой смеси.

Изготовление теплозащитного элемента в предпочтительном варианте осуществляется следующим образом.

Изготавливается на вальцах известным способом сырая смесь ТАМа необходимой марки, в частности формоустойчивой. Из приготовленной известными способами сырой смеси изготавливаются:
- пластины 23 ТАМ толщиной, равной примерно половине толщины теплозащитного элемента за вычетом толщины электронагревателя (процесс происходит в термопрессе);
- заготовка 24 сырой смеси толщиной приблизительно 0,3 мм (на вальцах);
- заготовка сырой смеси толщиной на 5% больше, чем половина толщины теплозащитного элемента (на вальцах).

На дно пресс-формы 22 в виде рамки с крышками укладываются токовыводами вниз электронагреватели 4.

Поверх электронагревателей укладывают заготовку 24 сырой смеси, толщиной 0,3 мм.

На эту заготовку укладывают пластину 23 вулканизованного ТАМ.

После этого пресс-форма закрывается и проводится вулканизация полученного пакета в термопрессе по известному режиму с температурой вулканизации порядка 140^oC и давлением ≈ 200 атм.

Затем из полученного листа вырубаются заготовки теплозащитных элементов, состоящие из пластины ТАМ, на поверхности которых привулканизованы электронагреватели 4.

К токовыводам электронагревателей 4 (не показаны) припаиваются провода 5 с фторопластовой электроизоляцией.

После этого в пресс-форму 26 с индивидуальными ячейками полученные перед этим заготовки 25 укладываются нагревателями вверх.

Поверх этих элементов укладываются пластинчатые заготовки 27 из сырой смеси, толщиной примерно на 5% больше, чем половина теплозащитного элемента, при этом провода 5 от нагревателя 4 выводятся наружу сквозь специальные прорези в торцевой стенке пресс-формы.

Закрывается крышка пресс-формы и проводится вулканизация полученного набора в термопрессе по известному режиму изготовления материала ТАМ. После этого открывается крышка пресс-формы 26 и из нее извлекаются готовые теплозащитные элементы 1.

При выполнении процессов в пресс-форму в качестве антиадгезионных средств используется пленка из лавсана или масло, например, силиконовое.

Работа теплозащитной одежды 6 осуществляется следующим образом. Непосредственно перед надеванием одежды (жилета) или заранее, за сколь угодно большой срок, производится "зарядка" элементов 1 теплом. Для этого на жилете обеспечивается соединение схемы питания с помощью разъема 20. К жилету подключается терморегулятор 17 через разъем 18 и включается в электросеть.

Если температура на поверхности элементов 1 ниже температуры +60^oC, терморегулятор 17 начинает подавать питание на нагреватели 4 элементов 1. В связи с этим начинается повышение температуры этих теплозащитных элементов и наступает первый этап аккумулирования тепла в них за счет теплоемкости формоустойчивого теплоаккумулирующего материала (ФТАМ).

При этом слои 13 и 16 утеплителя выполняют роль теплоизоляторов, уменьшая потери тепла в окружающую среду. Когда температура ФТАМ, из которого выполнены элементы 1, достигает температуры плавления рабочего наполнителя этого материала, начинается основной этап накопления (аккумулирования) тепла в этих элементах. После окончания плавления рабочего наполнителя продолжается рост температуры элемента 1 и идет третий этап аккумулирования тепла (снова за счет теплоемкости материала, из которого изготовлены эти элементы).

При достижении температуры +60^oC терморегулятор 17 по сигналу датчика 19 температуры выключает питание электросхемы жилета и снова ее включает после остывания элемента 1 на 1-2^oC. (Этот диапазон регулирования обеспечивается технологическими параметрами терморегулятора 17). Благодаря этому процессу одежда поддерживается в заряженном теплом состоянии в течение всего времени, пока она подключена к электросети.

При выходе из строя терморегулятора датчика температуры 19 или обрыва цепи датчика и достижения температуры 75-80^oC на элементах 1 аварийный размыкатель 21 размыкает электроцепь питания нагревателей 4.

Возможность функционирования электросхемы одежды только при замкнутом разъеме 20 исключает проведение "зарядки" теплом на жилете, одетом на человеке, что дополнительно предохраняет от опасности вследствие поражения электротоком.

Перед одеванием одежды отключается питание размыканием разъема 18, размыкается разъем 20. Поверх жилета одевается теплая зимняя одежда. Работа жилета при обогревании человека осуществляется следующим образом.

Элементы 1 разогреты до температуры около +60^oC, поэтому они выделяют тепло в окружающее пространство (слои утеплителей 13 и 16 имеют более низкую температуру). В процессе остывания элементов 1 сначала используется тепло, аккумулированное в них за счет теплоемкости, затем тепло фазового превращения рабочего наполнителя (переход жидкости - твердое тело), затем тепло, аккумулированное снова за счет теплоемкости. Расходование аккумулированного тепла происходит экономно благодаря хорошей теплоизоляции элементов 1 от окружающей среды с помощью слоев 13 и 16 утеплителя и за счет теплой одежды, одетой поверх жилета. После остывания элементов 1 до температуры поверхности тела человека, обогревание одеждой прекращается, и может быть возобновлено после повторной "зарядки" теплом.

Раскрытый подробно предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения не ограничивает возможность использования других альтернативных вариантов, не выходящих за рамки существа изобретения, описываемого прилагаемой формулой изобретения. Так понятно, что способ изготовления теплозащитного элемента может состоять из соединения путем вулканизации двух вулканизированных половин теплозащитного элемента с расположением между ними электронагревателя, или аналогичным способом изготавляется теплозащитный элемент, но из половинчатых заготовок из сырой смеси.

Теплозащитный элемент содержит теплоаккумулирующий материал и электронагреватель, установленный с возможностью подсоединения к источнику электропитания с обеспечением разогрева теплоаккумулирующего материала. Электронагреватель расположен внутри теплоаккумулирующего материала. Температура плавления последнего 53 - 56^oС, а его время разогрева до температуры плавления в этом элементе составляет 10 - 20 мин при питании электронагревателей переменным напряжением 220 В. Теплозащитная одежда содержит установленные в определенном порядке на ее поверхности теплозащитные элементы. Способ предусматривает изготовление теплозащитных элементов, которые используются для различных теплозащитных нужд, в частности для создания одежды, поддерживающей комфортные условия для человека, работающего в условиях низких температур. 3 с. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Теплозащитный элемент, содержащий теплоаккумулирующий материал и электронагреватель, установленный с возможностью подсоединения к источнику электропитания с обеспечением разогрева теплоаккумулирующего материала, отличающийся тем, что электронагреватель расположен внутри теплоаккумулирующего материала, температура плавления последнего 53 - 56^oC, а его время разогрева до температуры плавления в этом элементе 10 - 20 мин при питании электронагревателей переменным напряжением 220 В. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что теплоаккумулирующий материал является формоустойчивым. 3. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он имеет длину 90 - 150 мм, ширину 25 - 35 мм и толщину 6 - 8 мм. 4. Теплозащитная одежда, содержащая установленные в определенном порядке на поверхности одежды теплозащитные элементы, включающие в себя теплоаккумулирующий материал, отличающаяся тем, что теплозащитные элементы выполнены согласно п.1. 5. Одежда по п.4, отличающаяся тем, что указанный теплоаккумулирующий материал является формоустойчивым. 6. Одежда по пп.4 и 5, отличающаяся тем, что теплозащитные элементы установлены на ней в карманах и расположены группами по 3 - 5 элементов на уровне груди-предплечья, спины и поясницы. 7. Одежда по пп.4 - 6, отличающаяся тем, что электронагреватели теплозащитных элементов соединены при зарядке теплозащитных элементов с источником электропитания через терморегулятор, регулирующий температуру нагрева посредством соединения с датчиком температуры, установленным в одном из теплозащитных элементов, при этом электронагреватели различных теплозащитных элементов связаны между собой. 8. Одежда по пп.4 - 7, отличающаяся тем, что в ее нижней части закреплен электроразъем для подсоединения указанного терморегулятора. 9. Одежда по п.8, отличающаяся тем, что в ее разных частях установлены полуразъемы, разъединенные между собой при расположении на пользователе и соединяемые между собой при зарядке теплозащитных элементов, а один из указанных полуразъемов связан с разъемом для терморегулятора. 10. Одежда по пп.8 и 9, отличающаяся тем, что в электролинии между электронагревателями установлен тепловой предохранитель. 11. Одежда по пп.4 - 10, отличающаяся тем, что с ее внутренней и наружной стороны размещены слои теплозащитного материала, между которыми расположены указанные теплозащитные элементы. 12. Одежда по пп.4 - 11, отличающаяся тем, что она выполнена с обеспечением поддержания комфортной для человека температуры в течение 3 - 4 ч при температуре окружающей среды от минус 35 до минус 40^oC. 13. Способ изготовления теплозащитного элемента, заключающийся в получении готового к применению теплоаккумулирующего материала путем вулканизации заготовки из сырой смеси, отличающийся тем, что из сырой смеси изготавливают заготовки, равные приблизительно половине по толщине теплозащитного элемента, а окончательное изготовление теплозащитного элемента осуществляют путем накладывания одна на другую половинчатых заготовок при расположении между ними электронагревателей электровыводами наружу и вулканизации указанных контактируемых между собой элементов. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что одну половинчатую заготовку получают путем вулканизации в пресс-форме вулканизированной заготовки со слоем сырой смеси, толщиной приблизительно 0,3 мм, на открытом конце которого располагают электронагреватель, а затем полученную таким образом заготовку соединяют с другой завулканизированной половинчатой заготовкой с расположением между ними электронагревателя, и обе заготовки вулканизируют в пресс-форме до получения теплозащитного элемента. 15. Способ по п.13, отличающийся тем, что обе завулканизированные половинчатые заготовки соединяют между собой с расположением между ними электронагревателя путем вулканизации в пресс-форме. 16. Способ по п.13, отличающийся тем, что обе половинчатые заготовки из сырой смеси соединяют между собой с расположением между ними электронагревателя путем вулканизации в пресс-форме.