СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ И КАМЕРА, ПОЛУЧЕННАЯ ТАКИМ СПОСОБОМ Российский патент 2012 года по МПК H05K5/06 B65B55/20 

Изобретение относится к способу изготовления защиты объектов в жестких условиях окружающей среды и к камере, изготовленной таким способом, в особенности к черному ящику для записи данных для анализа случаев аварии транспортных средств, или к камере для длительного хранения ценных объектов.

Настоящее изобретение относится к области теплоизоляции с помощью вещества на основе природного или искусственного гипса, обозначаемого общим понятием гипс.

Это вещество с химической формулой CaSO₄2H₂O обычно используется в строительстве. Кроме других своих качеств оно обладает способностью осуществлять теплоизоляцию благодаря эндотермическим реакциям, в которых оно участвует. Действительно, оно содержит примерно 20% воды в кристаллической форме и до 8% свободной остаточной воды. В процессе нагрева гипс является центром первой эндотермической реакции c удельной теплотой в 454 кДж/кг при давлении в 1 бар между 100 и 120°С (испарение 1,5 молекул воды, к которой добавляется свободная остаточная вода в изменяемом отношении), затем второй эндотермической реакции с 168 кДж/кг при давлении в 1 бар между 200 и 220°С (испарение 0,5 молекул воды).

Таким образом, из использования этого вещества в качестве теплоизолятора следует, что при повышенном количестве поглощенного при эндотермической реакции тепла наиболее энергоемкой является реакция, проходящая при относительно низкой температуре (100-120°С). Более того, оно не выделяет ни газ, ни пар токсичного характера, а только воду.

Таким образом, гипс является наиболее подходящим веществом для теплоизоляции объектов.

Первый известный способ для изготовления теплоизоляции состоит в заполнении ограниченного двумя стенками пространства и, в частности, между двумя перемежающимися слоями, одним или несколькими теплоизолирующими материалами.

Так, в документе FR 2423618 описан шкаф для испытаний, включающий заполнение пустот гипсом. Это заполнение пустот предусмотрено между наружной оболочкой и внутренней оболочкой и расположено таким образом, что в случае пожара недопустимые температуры не устанавливаются в полости, ограниченной внутренней оболочкой.

Во всяком случае, это решение является неудобным, так как требует наличия двух стенок - внутренней и внешней, для удержания изоляционного вещества на основе гипса. Кроме того, этот способ не позволяет защитить объекты ни от механических повреждений, таких как деформация, ни от внешнего затопления.

Кроме того, известно другое средство для получения теплоизоляции, заключающееся в покрытии защищаемого объекта веществом на основе гипса. Такой способ используется в области строительства для защиты стальных балок.

Однако этот способ требует использования специального гипса с целью получения хорошей механической прочности материала в случае пожара, а также исключения образования трещин или отделения от защищаемой подложки. Кроме того, этот способ не обеспечивает ни механической защиты от деформаций, ни герметичности при погружении в жидкости.

Следовательно, необходимо найти изолирующую структуру для эффективного подавления теплового потока и защиты объектов, простую в способе изготовления, с минимальными затратами, которая может соответствовать точным нормам огнестойкости и которая способна обеспечить защиту от деформации и герметичность при погружении в жидкости.

Настоящее изобретение направлено на решение, по меньшей мере, одной из этих задач с помощью жесткой оболочки из гипса, окружающей защищаемый объект.

Точнее, объектом изобретения является способ защиты, по меньшей мере, одного объекта, заключающийся в погружении без наличия воздуха одного или нескольких объектов в изолирующую массу с высоким тепловым сопротивлением на базе кристаллов гипса с известной эмпирической формулой CaSO_4,2H₂O, причем эта масса изолирующего вещества формуется в структуру с высоким механическим сопротивлением деформации. Эта структура не является полностью герметичной и обеспечивает удаление газа, в частности водяного пара, в процессе воздействия повышенных температур. Защита от затопления объектов также обеспечивается, в случае необходимости, путем герметичного капсулирования одного или нескольких объектов.

Достоинством способа по изобретению является соответствие нормам огнестойкости и температур, могущих достигать примерно 1100°С.

Предпочтительно, способ тепловой защиты по изобретению заключается в выполнении изолирующей композиции путем распределения между количеством кристаллов гидрата сульфата кальция типа α и количеством кристаллов гидрата сульфата кальция типа β в зависимости от желаемой толщины изоляционного вещества и максимальной температуры, которую могут выдержать защищаемые объекты.

Полугидрат сульфата кальция является основой различных гипсов, в частности гипсов типа α и β, которые различаются по механическим и тепловым свойствам. Гипс типа α имеет большой удельный вес и обладает большим механическим сопротивлением в противовес гипсу типа β, более легкому, но более хрупкому. Повышенный удельный вес гипса α позволяет накопить больше воды в кристаллическом состоянии и обеспечивает, таким образом, лучшую тепловую защиту при равных объеме или толщине.

В соответствии с особыми характеристиками изоляционное вещество с высоким тепловым сопротивлением образовано, в основном, на основе кристаллов сульфата кальция типа α и включает связующие или дополнительные материалы, так же как минеральный инертный наполнитель.

Последние элементы могут облегчить затвердевание и изменить время схватывания гипса.

Степень затвердевания, то есть пропорция добавленной воды, уточняется в зависимости от природы гипса и его добавок для полной гидратации гипса, оставляя минимум воды в остатке. Легкая гранулированность облегчает его гидратацию. Таким образом, гипс, будучи сухим, обладает легкой пористостью, и количество воды в кристаллической форме является максимальным для заданного объема.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения способ состоит в заполнении изолирующим раствором с высоким тепловым сопротивлением оболочки, служащей структурой с высоким механическим сопротивлением, в которую помещены защищаемые объекты, предварительно введенные в оболочку через отверстие (3), затем в закрывании заполняющего отверстия оболочки при затвердевании раствора.

Альтернативно, временная форма служит конструкцией, и временная форма удаляется после затвердевания раствора и превращения его в изолирующий блок с высоким механическим сопротивлением, причем образованная, по меньшей мере, из двух частей оболочка размещается на месте временной формы для последующего закрывания изолирующего блока.

Предпочтительно, объекты размещены в центре изолирующего блока с высоким тепловым сопротивлением таким образом, чтобы тепловая защита объектов являлась изотропной.

Изобретение относится также к камере, выполненной в соответствии со способом. Такая камера содержит изолирующий блок с высоким механическим сопротивлением на основе кристаллического гипса, который, в основном, состоит из кристаллов гидрата сульфата кальция типа α, и оболочку с высоким механическим сопротивлением деформации, которая охватывает внешнюю форму теплоизолирующего блока, а также герметичный карман на основе силикона, в котором размещаются защищаемые объекты, при этом карман расположен, по существу, изотропным образом внутри изоляционного вещества с высоким тепловым сопротивлением. Этот герметичный карман позволяет защитить их при погружении в любую среду, в особенности в воду.

В соответствии с особыми вариантами воплощения:

- камера выполнена в соответствии с размерами черного ящика для записи данных, в котором защищаемые объекты могут являться блоками хранимой памяти и их интерфейсными компонентами, установленными на электронной карте, в частности преобразователь сигналов;

- материалы оболочки выбраны из материала на основе металла, металлических сплавов, кевлара и углеродных волокон;

- оболочка содержит, по меньшей мере, одно отверстие для удаления паров воды, в частности, по меньшей мере, прорезь, при этом молекулы воды высвобождаются в кристаллическом состоянии из изоляционного материала с высоким тепловым сопротивлением, когда последний подвергается воздействию высоких температур;

- внешняя оболочка и карман снабжены, по меньшей мере, герметичным трубопроводом для прохода электрических проводников, обеспечивающих электропитание и доступ к памяти электронной карты, содержащейся в герметичном кармане;

- камера соответствует размерам ящика для длительного хранения дорогостоящих объектов, защищаемых от механических напряжений, огня и высоких температур.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием примера детального изготовления черного ящика для записи на магнитную ленту в соответствии с термическими, механическими и погружными требованиями нормы IEEE 1482.1, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг.1 иллюстрирует пример способа изготовления по изобретению, включающий предварительное капсулирование защищаемой электронной карты;

- фиг.2 представляет кривые изменения температуры изоляционного вещества с высоким термическим сопротивлением и защищаемой электронной карты в черном ящике, полученном способом по изобретению, и

- фиг.3 изображает камеру, образующую черный ящик, выполненный в соответствии со способом.

Фиг.1 изображает пример воплощения способа по изобретению для изготовления черного ящика из внешней металлической оболочки 1, задачей которой является обеспечение механической защиты. Эта оболочка снабжена отверстием 3, через которое вводится герметичный карман 4, в котором закапсулирована предназначенная для тепловой защиты электронная карта 6. Электрические проводники 7 электронной карты проходят через это отверстие 3.

Предпочтительно, устройство позиционирования, такое как зажим 5, удерживает карман 4 в центре формы для того, чтобы толщина массы изолирующего вещества была одинаковой вокруг нее и, следовательно, термическая защита была изотропной.

Масса изолирующего вещества 2 на основе сульфата кальция вливается в виде раствора между карманом 4 и оболочкой 1 до его заполнения для того, чтобы заполнить воздушные пустоты, первоначально имеющиеся внутри оболочки 1, и покрыть карман 4, погружаемый таким образом в раствор без воздушных включений. Предпочтительно, этот этап заливки осуществляется в два приема. Вначале оболочка заполняется до уровня удерживающего устройства 5. Затем, когда раствор схватится, удерживающее устройство 5 удаляется и оболочка заполняется раствором массы изолирующего вещества 2.

Как только масса изолирующего вещества 2 схватится внутри оболочки 1, отверстие заделывается пластиной, закрепляемой на оболочке 1, или металлическим дополнением, встроенным в толщину оболочки, эта пластина или дополнение имеет отверстие только для прохода электрических проводников 7.

Описанный выше вариант способа заключается в использовании временной формы вместо металлической оболочки 1 в процессе операций заливки. После отверждения раствора форма удаляется и добавляется состоящая, например, из двух частей металлическая оболочка.

Фиг.2 представляет кривые изменения температуры Е(t) массы изолирующего вещества с высоким тепловым сопротивлением на основе полугидрата сульфата кальция, используемого в описанном выше способе. Для лучшей плотности черного ящика удерживаемая масса изолирующего вещества была приготовлена из гипса, состоящего, в основном, из кристаллов полугидрата сульфата кальция типа α. Фиг.2 представляет также кривую температуры (t) защищенной таким образом электронной карты. Выполненный таким образом черный ящик был подвергнут тепловому испытанию в соответствии с нормой IEEE 1482.1.

Кривая изменения температуры E(t) дает температуру окружающей среды, в которую помещен черный ящик. Кривая I(t) дает температуру, измеренную на уровне электронной карты, размещенной в центре черного ящика. Последняя показывает удержание приемлемой температуры электронной карты, которая не превышает температур порядка 180°С, хотя температура окружающей среды Е(t) достигает 650°С, позволяя, таким образом, сохранить данные, записанные в ФЛЭШ-памяти.

На фиг.3 изображено, что камера 11 типа черного ящика, выполненная в соответствии с вышеописанным способом, расположена в наиболее безопасном месте локомотива поезда. Она содержит внешнюю металлическую обложку 1, слой 2 массы изолирующего вещества с высоким тепловым сопротивлением, залитого между оболочкой 1 и силиконовым карманом 4. Карман 4 заключает в себе блоки 8 памяти с записанными в них на электронную карту 6 данными, соединенную с преобразователем сигналов 9, передающим их c использованием электрических кабелей 7 к устройству записи данных, размещенному вне камеры.

Черный ящик 11 снабжен отверстиями 10 с обеих сторон внешней оболочки 1 для удаления водяных паров из массы изолирующего вещества 2, когда последний подвергается высоким температурам, а также для поддержания приемлемого давления внутри камеры 11. Таким образом, температура защищаемых объектов 8, 9 и 6 не повышается благодаря использованию этого феномена.

Кроме того, отверстие 3 закрыто вставкой из металлической пластины 12, закрепленной болтами 13 на оболочке 1. В металлической пластине 12 выполнены, например, калиброванные сверления для одного или нескольких герметичных проходов только для обеспечения размещения электрических проводов 7 между этой пластиной и оболочкой 1, что ничуть не влияет на термомеханическую защиту блоков памяти 8 и преобразователя сигналов 9.

В этом примере внешняя оболочка 1 выполнена из материала на основе стали достаточной толщины, примерно 5 мм, для обеспечения механической защиты. Внешние размеры черного ящика 11 составляют 17×8×11 см³. В других примерах эта толщина может изменяться в зависимости от используемых критериев механического сопротивления.

Материал на базе силикона кармана 4 позволяет, предпочтительно, обеспечивать герметичность содержимого кармана в случае погружения в воду черного ящика 11 или от водяных паров, исходящих из массы изолирующего вещества 2, в процессе фаз эндотермических реакций. Кроме того, непроницаемые отверстия (не представленные) предусмотрены в кармане 4 для прохода электрических проводов 7.

Учитывая ранее описанное, масса изолирующего вещества 2 с высоким термическим сопротивлением позволяет элементам 8, 9 и 6, которые должны быть защищены, и в особенности блоку памяти 8 не превышать температуру 150°С. Кроме того, черный ящик 11 может сопротивляться внешним температурам, превышающим 750°С, например, порядка от 900°С до 1000°С или 1100°С, при увеличении его размеров.

Альтернативно, защитная камера образует оболочку для длительного хранения, позволяющую защищать от огня, механических напряжений и значительных температур совокупность дорогостоящих для пользователя объектов. Размеры оболочки для хранения предпочтительно составляют от 5×5×5 см³ до 100×50×50 см³. Таким образом, объем и вес оболочки по изобретению дают пользователю большое удобство при транспортировке и хранении. Эта камера длительного хранения может, предпочтительно, содержать средства открывания/закрывания, выполненные в оболочке, например шарнирные, снабженные запором для безопасности таким образом, чтобы иметь легкий доступ к объектам и возможную их замену.

Изобретение не ограничено примерами воплощения, описанными и представленными выше. Действительно, форма внешней оболочки 1 и массы изолирующего вещества 2 с высоким тепловым сопротивлением, изображенная выше в виде параллелепипеда, может быть также цилиндрической или в виде тела вращения.

Кроме того, способ может быть осуществлен с изготовлением полости в массе изолирующего вещества с высоким тепловым сопротивлением путем введения изолирующего раствора с высоким термическим сопротивлением, содержащего термически защищаемые объекты, заливки полости раствором и просушки до отверждения раствора до получения однородности раствора и массы. Предпочтительно, полость для защищаемых объектов размещена в центре массы.

Внешняя оболочка 1 может быть образована из другого материала с высоким механическим сопротивлением, такого как кевлар или углерод. Толщина массы изолирующего вещества 2 с высоким термическим сопротивлением может, по существу, быть больше 5 мм, как описано выше, для того чтобы защитить элемент от еще более высоких температур для соблюдения более жестких требований, таких, которые касаются летательных аппаратов.

Кроме того, защитная камера не ограничена черным ящиком или сохраняющей оболочкой, но может также быть использована для тепловой защиты любого типа камер, таких как камеры для транспортировки имущества, продуктов или медикаментов или также камеры для транспортировки боеприпасов.

Предложенное изобретение относится к способу защиты объектов в жестких условиях окружающей среды и к камере защиты, в которой происходит эффективное подавление теплового потока и которая может обеспечить защиту от деформаций и затопления. Предложенный способ защиты, по меньшей мере, одного объекта (6) включает предварительное капсулирование его в герметичный карман (4), погружение без присутствия воздуха объекта в массу изолирующего вещества (2) с высоким тепловым сопротивлением на основе гипсовых кристаллов, причем масса изолирующего вещества (2) заливается в оболочку с высокой механической сопротивляемостью деформации, при этом упомянутая оболочка может быть промежуточной формой или непосредственно оболочкой (1). Полученная таким способом камера содержит блок массы изолирующего вещества (2) с высоким тепловым сопротивлением и оболочку (1) с высоким механическим сопротивлением деформации. Предпочтительно, такие объекты, как электронные карты (6), капсулированы в герметичный силиконовый карман (4), а оболочка (1) имеет щели (10) для удаления водяных паров, а также отверстие (3) для заливки массы изолирующего вещества (2), при этом такое отверстие закрывается пластиной (12), удерживаемой на оболочке болтами (13). В пластине (12), изолирующем веществе (2) и кармане (4) предусмотрены герметизированные проходы для электрических проводников (7). 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ защиты, по меньшей мере, одного объекта, отличающийся тем, что погружают без доступа воздуха один или несколько объектов (6, 8, 9) в массу изолирующего вещества (2) с высоким тепловым сопротивлением на основе гипсовых кристаллов, причем эта масса изолирующего вещества (2) залита в оболочку (1) с высоким механическим сопротивлением деформации, при этом предварительно обеспечивают защиту объектов от воздействия жидкости путем герметичного капсулирования одного или нескольких защищаемых объектов.

2. Способ защиты по п.1, в котором оболочка (1) обеспечивает удаление газа в процессе воздействия на нее повышенных температур.

3. Способ защиты по п.1 или 2, отличающийся тем, что композицию массы изолирующего вещества (2) уравновешивают путем распределения между количеством гидрата сульфата кальция типа α и количеством гидрата сульфата кальция типа β в зависимости от желаемой толщины упомянутой массы изолирующего вещества (2) и максимальной температуры, которой могут быть подвергнуты защищаемые объекты (6, 8, 9).

4. Способ защиты по п.3, отличающийся тем, что масса изолирующего вещества (2) с высоким термическим сопротивлением состоит в своем большинстве из кристаллов гидрата сульфата кальция типа α.

5. Способ защиты по п.1, отличающийся тем, что масса изолирующего вещества (2) с высоким тепловым сопротивлением дополнительно содержит связующие и/или добавки.

6. Способ защиты по п.1 или 5, отличающийся тем, что изолирующее вещество (2) с высоким тепловым сопротивлением дополнительно включает в себя инертный минеральный наполнитель.

7. Способ защиты по п.1, отличающийся тем, что заполняют раствором изолирующего вещества (2) с высоким тепловым сопротивлением оболочку (1), являющуюся конструкцией с высоким механическим сопротивлением, в которой размещены защищаемые объекты (6, 8, 9), предварительно капсулированные в герметичный карман (4) и введенные в оболочку через отверстие (3), с последующим закрыванием заполняющего отверстия оболочки после отверждения раствора.

8. Способ защиты по п.1, отличающийся тем, что заполняют раствором изолирующего вещества (2) с высоким тепловым сопротивлением временную форму, являющуюся конструкцией, в которой размещены защищаемые объекты (6, 8, 9), предварительно капсулированные в герметичный карман (4), затем после отверждения раствора удаляют временную форму в изолирующий блок с высоким тепловым сопротивлением и размещают оболочку (1), образованную, по меньшей мере, из двух частей, на место формы для схватывания изолирующего блока.

9. Способ защиты по п.1, в котором защищаемые объекты размещены, по существу, в центре массы изолирующего вещества с высоким тепловым сопротивлением так, чтобы тепловая защита объектов являлась изотропной.

10. Камера для защиты, по меньшей мере, одного объекта в соответствии со способом по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит изолирующий блок (2) с высоким механическим сопротивлением на основе гипсовых кристаллов, в большинстве своем состоящих из гидрата сульфата кальция типа α, оболочку (1) с высоким механическим сопротивлением к деформации, которая соответствует внешней форме теплоизолирующего блока (2), и герметичный карман (4) на основе силикона, капсулирующий защищаемые объекты, при этом карман размещен, по существу, изотропно внутри массы изолирующего вещества с высоким тепловым сопротивлением.

11. Камера для защиты по п.10, в которой материал оболочки выбран на основе металла, кевлара и углеродных волокон.

12. Камера для защиты по п.10 или 11, в которой оболочка содержит отверстия (10) для удаления паров воды.

13. Камера для защиты по п.10, отличающаяся тем, что она соответствует размерам черного ящика (11) для записи данных.

14. Камера, образующая черный ящик по предыдущему пункту, отличающаяся тем, что упомянутые защищаемые объекты (6, 8, 9) являются соответственно блоками памяти (8) для хранения и преобразователем (9) сигналов, установленными на электронной карте.

15. Камера, образующая черный ящик, по предыдущему пункту, отличающаяся тем, что внешняя оболочка (1) и карман (4) снабжены, по меньшей мере, одним герметичным проходом для электрических проводов (7).

16. Камера для хранения по п.10, отличающаяся тем, что она соответствует размерам ящика для длительного хранения дорогостоящих защищаемых объектов.