ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ТЕПЛОЗАЩИТНАЯ ОДЕЖДА Российский патент 2001 года по МПК F28D20/00 

Изобретение относится к теплозащитной одежде, используемой в тех отраслях, где трудовая деятельность человека протекает в условиях низких температур, а также к теплозащитным элементам, обеспечивающим защитные свойства этой одежды в результате фазового перехода наполнителя, входящего в состав материала элемента.

Известен теплозащитный элемент, содержащий капсулу с теплоаккумулирующим веществом. Определенное число таких капсул размещается на одежде и нагревается перед ее использованием (SU, авторское свидетельство, 1706543 кл. A 41 D 13/00, 09.08.89). Указанный элемент имеет небольшой срок использования.

Известен также теплозащитный элемент, содержащий пластину из формоустойчивого теплоаккумулирующего материала, и электронагреватель, установленный внутри этого материала с возможностью подсоединения к источнику электропитания (RU, патент, 2132031, кл. F 28 D 20\00 20.06.99). Настоящее решение принято в качестве ближайшего аналога. В этом известном элементе температура плавления наполнителя составляет 53-56 град.С, благодаря чему в нем аккумулируется тепла на 50% больше, чем в формоустойчивом теплоаккумулирующем материале с температурой наполнителя на уровне 37 град.С. Однако в этом случае необходимо применять дополнительный слой теплоизоляции, например синтепон, между элементами и подкладкой одежды. Это приводит к увеличению толщины одежды, что делает ее громоздкой и неудобной в пользовании. Кроме того, при особо низких температурах окружающей среды количество тепла, аккумулированное в этом материале, оказывается недостаточным.

Известна теплозащитная одежда, выполненная из пакета материалов, состоящего из наружного, внутреннего и утепляющего слоев. Последний образован ячейками с размещенными в них капсулами с теплоаккумулирующим веществом (SU, авторское свидетельство 1706543, кл. A 41 D 13\00, 09.08.89). Недостатком такой одежды является сравнительно низкий температурный диапазон теплоотдачи наполнителя, сохраняющего тепло, неравномерность распределения тепла по обогреваемой поверхности, а также невысокая надежность в эксплуатации.

Известна также теплозащитная одежда, содержащая набор установленных в ней теплозащитных элементов, на одном из которых смонтирован датчик температуры, выдающий информацию на систему управления процессом "зарядки" элементов теплом (RU, патент 2132031, кл. F 28 D 20\00 20.06.99). Данная одежда принята в качестве ближайшего аналога. Эта одежда имеет ограниченное использование.

Задачей настоящего изобретения является создание теплозащитного элемента, обеспечивающего аккумулирование тепла в широких температурных пределах, в зависимости от условий использования одежды. Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание теплозащитной одежды с широким диапазоном использования.

Для решения указанных задач в теплозащитном элементе, содержащем пластину из формоустойчивого теплоаккумулирующего материала и электронагреватель, установленный внутри этого материала с возможностью подсоединения к источнику электропитания, температура плавления наполнителя t_пл формоустойчивого теплоаккумулирующего материала находится в пределах 37 ≅ t_пл < 53 и 56 < t_пл ≅ 65 град.C , теплозащитная одежда, содержащая набор установленных в ней теплозащитных элементов, на одном из которых смонтирован датчик температуры, выдающий информацию на систему управления процессом "зарядки" элементов теплом; каждый теплозащитный элемент содержит пластину из формоустойчивого теплоаккумулирующего материала и электронагреватель, установленный внутри этого материала с возможностью подсоединения к источнику электропитания, температура плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала находится в пределах 37-53 и 56-65 град.С, а допустимое отклонение электрических сопротивлений электронагревателей теплозащитных элементов от номинала определяется по формуле:

где R₀ - сопротивление электронагревателя теплозащитного элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пл - температура плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала;
C₁ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре ниже t_пл;
C₂ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре выше t_пл;
r - теплота плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала, отнесенная к единице массы этого материала;
t_н - температура теплозащитных элементов перед началом "зарядки" их теплом;
t_д - пороговое значение температуры теплозащитного элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пр - предельная температура, до которой может быть разогрет теплоаккумулирующий материал в данной конструкции одежды, допустимое отклонение массы пластин из формоустойчивого теплоаккумулирующего материала от номинальной массы определяется по формуле:

где m₀ - масса пластины того элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пл - температура плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала;
C₁ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре ниже t_пл;
C₂ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре выше t_пл;
r - теплота плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала, отнесенная к единице массы этого материала;
t_н - температура теплозащитных элементов перед началом "зарядки" их теплом;
t_д - пороговое значение температуры теплозащитного элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пр - предельная температура, до которой может быть разогрет теплоаккумулирующий материал в одежде данной конструкции.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид теплозащитного элемента; на фиг. 2 - установка теплозащитного элемента в одежде в сечении; на фиг. 3 - схематичное изображение теплозащитной одежды с размещенными в ней теплозащитными элементами; на фиг. 4 - схема электропитания теплозащитных элементов одежды.

Теплозащитный элемент 1 содержит пластину 1а (фиг. 1) из формоустойчивого теплоаккумулирующего материала и электронагреватель 2, установленный внутри этого материала с возможностью подсоединения к источнику электропитания посредством проводов 3. Температура плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала находится в пределах 37-53 и 56-65 град. С. Первый предел используется для получения облегченного варианта обогревающей одежды, второй - в тех случаях, когда необходимо аккумулировать много тепла и возможно применение громоздкой одежды.

При использовании наполнителя с температурой плавления 37-53 град. С сохраняется эффективность обогрева на уровне ближайшего аналога за счет снижения тепловых потерь (при снижении рабочей температуры снижаются и тепловые потери) и выбора наполнителя с повышенным значением теплоты плавления.

При использовании наполнителя с температурой плавления 56-65 град.С громоздкость одежды может быть уменьшена за счет применения дополнительной теплоизоляции из новых высокоэффективных по теплозащите материалов (шерстипон, материалы с прослойками из фольги и т.п.).

Нижняя граница предела температур 37 град. С определяется температурой тела человека (более низкая температура плавления приведет к охлаждению человека). Верхняя граница предела температур 65 град. С определяется тем, что при более высокой температуре плавления потери в окружающую среду уже не могут быть компенсированы увеличением количества аккумулируемого тепла, поэтому продолжительность обогрева с помощью такой одежды начинает снижаться.

На фиг. 3 представлена одежда в виде жилета с установленными в нем теплозащитными элементами 1. На одном из них смонтирован датчик температуры 4, выдающий информацию на систему управления процессом "зарядки" элементов теплом. Одежда имеет основу 5 (фиг. 2) из прочной и маловытягивающейся ткани. На внутренней, обращенной к человеку стороне пришиты карманы 6, в которых размещены элементы 1. Карманы сверху закрыты клапанами 7 с тканным замком, например липучкой. С наружной стороны к основе 5 пришиты два слоя утеплителя 8, например, из синтепона, которые закрыты снаружи отделочной тканью 9, пришитой к основе 5 жилета. С внутренней стороны основы 5 пришита подкладка 10, на которую нашит простегиванием еще один слой утеплителя 11. Для достижения теплового комфорта человека теплоизоляционные свойства утеплителя 11 подбираются в зависимости от t_пл теплоаккумулирующего материала.

Питание электронагревателей 2 (фиг. 1) осуществляется от бытовой электросети переменного тока напряжением 220 B через терморегулятор 12 (фиг. 4), входящий в комплект одежды. Этот терморегулятор соединен с электросхемой одежды через разъем 13, вилка которого вшита в нижнюю кромку одежды, и с датчиком температуры 4. При определенном для данной одежды пороговом значении температуры t_д элемента 1 терморегулятор 12 выключает цепь питания нагревателей. По двум проводам (штыри А и В) осуществляется соединение с датчиком температуры 4, а по двум другим проводам (штыри С и D) выполнена подводка электропитания к дополнительному разъему 14, части которого пришиты к нижней кромке одежды - жилета в районе спины и живота. От разъема 14 один из проводов (со штыря F) подключен непосредственно к каждой группе элементов 1, а второй - (со штыря Е) соединен с этими элементами через тепловой предохранитель 15 цепи питания, установленный на одном из элементов 1. Допустимое отклонение электрических сопротивлений электронагревателей теплозащитных элементов от номинала определяется по формуле:

где R₀ - сопротивление электронагревателя теплозащитного элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пл - температура плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала;
C₁ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре ниже t_пл;
C₂ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре выше t_пл;
r - теплота плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала, отнесенная к единице массы этого материала;
t_н - температура теплозащитных элементов перед началом "зарядки" их теплом;
t_д - пороговое значение температуры теплозащитного элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пр - предельная температура, до которой может быть разогрет теплоаккумулирующий материал в данной конструкции одежды.

Допустимое отклонение массы пластин из формоустойчивого теплоаккумулирующего материала от номинальной массы определяется по формуле:

где m₀ - масса пластины того элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пл - температура плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала;
C₁ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре ниже tпл;
C₂ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре выше t_пл;
r - теплота плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала, отнесенная к единице массы этого материала;
t_н - температура теплозащитных элементов перед началом "зарядки" их теплом;
t_д - пороговое значение температуры теплозащитного элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пр - предельная температура, до которой может быть разогрет теплоаккумулирующий материал в одежде данной конструкции
Работа теплозащитной одежды осуществляется следующим образом: непосредственно перед надеванием одежды (жилета) производится "зарядка" элементов 1 теплом. Для этого на жилете обеспечивается соединение схемы питания с помощью разъема 14. К жилету подключается терморегулятор 12 через разъем 13, а затем вилка электропитания терморегулятора включается в электросеть.

Для получения более высоких эксплуатационных характеристик одежды необходимо производить "зарядку" теплом за 15-20 минут. Это приводит к большим удельным тепловым потокам от нагревателя к теплоаккумулирующему материалу, что налагает жесткие ограничения на колебания величины мощности отдельных электронагревателей в конкретном экземпляре одежды и на колебания массы теплоаккумулирующего материала в элементах одного обогревающего изделия. Если отклонения этих величин выходят за допустимые пределы, то возможен перегрев или недогрев отдельных элементов одежды. Мощность электронагревателя соединения определяется его электрическим сопротивлением.

Если температура элементов 1 ниже температуры t_д выключения электронагревателей 2, терморегулятор 12 начинает подавать питание на электронагреватели 2 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. При этом слои 8 и 11 утеплителя выполняют роль теплоизоляторов, уменьшая потери тепла в окружающую среду. Когда температура формоустойчивого теплоаккумулирующего материала, из которого выполнены элементы 1, достигает температуры плавления наполнителя этого материала, начинается основной этап накопления тепла в этих элементах. После окончания плавления 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 t_д терморегулятор 12 по сигналу датчика температуры 4 выключает питание электросхемы одежды и снова ее включает после остывания элемента 1 на 1-2 град.С (этот диапазон регулирования обеспечивается технологическими параметрами терморегулятора 12). Благодаря этому процессу одежда поддерживается в заряженном теплом состоянии в течение всего времени, пока она подключена к электросети.

При выходе из строя терморегулятора 12, датчика температуры 4 или других неисправностях может начаться неуправляемый разогрев теплоаккумулирующих элементов. На этот случай предусмотрен аварийный тепловой предохранитель 15, который при достижении на поверхности элемента 1 температуры 75-85 град. С разомкнет цепь питания нагревателей
2. Возможность функционирования электросхемы одежды только при замкнутом разъеме 14 исключает проведение "зарядки" теплом на жилете, одетом на человеке, что дополнительно предохраняет от опасности поражения электротоком. Перед одеванием одежды отключается питание размыканием разъема 13, размыкается разъем 14. Поверх жилета одевается теплая зимняя одежда.

Работа жилета при обогревании человека осуществляется следующим образом. Элементы 1 разогреты до температуры t_д, поэтому они выделяют тепло в окружающее пространство (слои утеплителей 8 имеют более низкую температуру). В процессе остывания элементов 1 сначала используется тепло, аккумулированное в них за счет теплоемкости, затем тепло фазового превращения наполнителя (переход жидкости в 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 8 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.

Изобретение предназначено для применения в теплозащитной одежде, использующей теплозащитные элементы для придания ей защитных свойств. Теплозащитный элемент содержит пластину из формоустойчивого теплоаккумулирующего материала и электронагреватель, установленный внутри этого материала с возможностью подсоединения к источнику электропитания. Температура плавления наполнителя (t_пл) теплоаккумулирующего материала находится в пределах 37≅t_пл<53 град. C и 56<t_пл≅ 65. Теплозащитная одежда содержит набор установленных в ней теплозащитных элементов, на одном из которых смонтирован датчик температуры, связанный с системой управления процессом "зарядки" элементов теплом. Допустимые отклонения электрического сопротивления нагревателей и массы пластин набора теплозащитных элементов в одном изделии определяются по математическим зависимостям. Изобретение обеспечивает аккумулирование тепла в широких температурных пределах и создание одежды с широким диапазоном использования. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Теплозащитный элемент, содержащий пластину из формоустойчивого теплоаккумулирующего материала и электронагреватель, установленный внутри этого материала с возможностью подсоединения к источнику электропитания, отличающийся тем, что температура плавления наполнителя t_пл формоустойчивого теплоаккумулирующего материала находится в пределах 37≅t_пл<53град.С и 56<t_пл≅65 град.С. 2. Теплозащитная одежда, содержащая набор установленных в ней теплозащитных элементов, на одном из которых смонтирован датчик температуры, выдающий информацию на систему управления процессом "зарядки" элементов теплом, отличающаяся тем, что каждый теплозащитный элемент выполнен согласно п.1, а допустимое отклонение электрических сопротивлений электронагревателей теплозащитных элементов от номинала определяется по формуле

где R_о - сопротивление электронагревателя теплозащитного элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пл - температуры плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала;
С₁ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре ниже t_пл;
C₂ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре выше t_пл;
r - теплота плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала, отнесенная к единице массы этого материала;
t_н - температура теплозащитных элементов перед началом "зарядки" их теплом;
t_д - пороговое значение температуры теплозащитного элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пр - предельная температура, до которой может быть разогрет теплоаккумулирующий материал в данной конструкции одежды,
а допустимое отклонение массы пластин из формоустойчивого теплоаккумулирующего материала от номинальной массы определяется по формуле

где m_о - масса пластины того элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пл - температура плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала;
C₁ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре ниже t_пл;
C₂ - теплоемкость формоустойчивого теплоаккумулирующего материала при температуре выше t_пл;
r - теплота плавления наполнителя формоустойчивого теплоаккумулирующего материала, отнесенная к единице массы этого материала;
t_н - температура теплозащитных элементов перед началом "зарядки" их теплом;
t_д - пороговое значение температуры теплозащитного элемента, на котором смонтирован датчик температуры;
t_пр - предельная температура, до которой может быть разогрет теплоаккумулирующий материал в одежде данной конструкции.