Необратимый и невозвратный газонаполненный термоплавкий элемент и содержащий его термоиндикатор Российский патент 2024 года по МПК G01K11/18 G01K11/16 G01K11/06 

Область техники, к которой относится группа изобретений

Группа изобретений относится к необратимому и невозвратному термоиндикаторному комбинированному элементу, позволяющему регистрировать факты превышения, по меньшей мере, одной температуры с высокой скоростью и точностью, а также к содержащему его термоиндикаторному устройству.

Уровень техники

В настоящее время среди известных способов контроля температуры широкое применение приобрел термоиндикаторный способ. Он основан на применении тер мо индикаторов, позволяющих зарегистрировать факт происходящего или происходившего нагрева выше определенной (пороговой) температуры. Термоиндикаторы могут быть выполнены в виде самостоятельных составов (например, лаков и красок) или устройств, содержащих термочувствительные компоненты (например, наклейки, клипсы, наконечники и т.п.).

Преимуществами использования термоиндикаторных устройств (ТИ) по сравнению с термокрасками и термолаками являются, в частности, простота и удобство их установки и замены, отсутствие прямого контакта поверхности объекта контроля с термочувствительным компонентом, возможность применения нескольких компонентов с разными пороговыми температурами в одном устройстве, а также возможность указания на таком устройстве дополнительной информации (например, о температуре срабатывания). Кроме того, термочувствительный компонент наносят на основу таких устройств в заводских условиях, равномерно, тонким слоем, что повышает точность регистрации превышения пороговых температур.

ТИ могут быть обратимыми, то есть изменяющими внешний вид только в нагретом состоянии и возвращающие его при охлаждении, и необратимыми -изменяющими внешний вид после превышения заданной температуры и сохраняющими его после охлаждения.

Особенностью обратимых ТИ является то, что они позволяют проинформировать только о текущем перегреве, то есть превышении пороговых значений температуры в момент осмотра.

В отличие от обратимых индикаторов, необратимые индикаторы изменяют окраску в момент перегрева и сохраняют это изменение во времени. Необратимые тер мо индикаторы позволяют выявить факт перегрева за все время эксплуатации, независимо от нагрузки и температуры электрооборудования в момент осмотра.

Важность использования именно необратимых ТИ для диагностики электрооборудования раскрывается, в частности, в работе Львов М.Ю., Лесив А.В. Термоиндикаторный контроль контактов и контактных соединений электрооборудования и линий электропередачи. М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2023. С. 62. В статье Львов М.Ю., Никитина С.Д., Львов Ю.Н., Лесив А.В. О стандартизации требований к термоиндикаторному контролю состояния контактов и контактных соединений при эксплуатации электроустановок // Энергия единой сети. 2023. №1 (68). С. 67-74. приведены типовые требования к термоиндикаторам, принципы их выбора и методология оценки состояния контролируемых объектов с помощью тер мо индикаторов. Среди прочего отмечается, что для контроля состояния необходимо использовать только необратимые термоиндикаторные устройства.

Принцип действия большинства необратимых ТИ основан на фазовом переходе, и внешне проявляется в увеличении прозрачности термочувствительного компонента вследствие его плавления при достижении пороговой температуры. Преимущества необратимых термоиндикаторов, основанных на фазовом переходе, связаны с тем, что фазовый переход (в частном случае, плавление термочувствительного компонента) определяется температурой, и для индивидуальных веществ находится в узком температурном диапазоне, предпочтительно, менее одного градуса Цельсия. При этом фазовый переход не происходит при сколь угодно долгой выдержке термочувствительного компонента при температуре ниже, чем температура фазового перехода (температура плавления) и, напротив, гарантированно происходит при нагреве термочувствительного компонента выше температуры фазового перехода.

Однако даже термочувствительные материалы, принцип действия которых основан на плавлении, после расплавления и последующего затвердевания могут частично терять свою прозрачность вследствие кристаллизации при охлаждении, образования в них трещин из-за ломкости слоя затвердевшего расплава материала в условиях механических воздействий, например, вибрации. Это приводит к возвратности работы термочувствительного материала, т.е. к заметной потере прозрачности. В результате, из-за потери контрастности изменения окраски, сработавшие устройства могут приобретать внешний вид, визуально трудно отличимый от изначального вида несработавших устройств, и факт нагрева поверхности объекта контроля выше пороговой температуры не будет зарегистрирован.

Зависимости яркости (которая может быть оценена, например, с помощью коэффициента яркости) термочувствительного слоя от времени (логарифмическая шкала) при изменении температуры для различных типов термочувствительных элементов имеют принципиальные различия. Обратимые термочувствительные элементы изменяют яркость только в момент превышения пороговой температуры с возвращением яркости к исходному значению при охлаждении до температуры окружающей среды (фиг. 1а). Необратимые и невозвратные термочувствительные элементы изменяют яркость в момент превышения пороговой температуры и сохраняют ее при последующем охлаждении до температуры окружающей среды в течении длительного времени во всех условиях эксплуатации (фиг. 1в).

Однако при частичной потере прозрачности термочувствительного материала, нарастающей в течение длительного времени, по причинам, описанным выше, может произойти частичное возвращение яркости термочувствительного элемента к исходным значениям (фиг. 1б). ТИ с такими термочувствительными элементами характеризуются необратимостью, но возвратностью срабатывания.

Для точного и надежного выявления фактов перегревов необходимо, чтобы термочувствительный материал был необратимым и невозвратным, или чтобы возвратность не препятствовала выявлению фактов срабатывания устройств. Для этого достаточно, в частности, чтобы яркость окраски сработавшего тер мо индикатор а во времени не возрастала более, чем на 15% от минимального значения. Этот уровень яркости показан на фиг. 1б и фиг. 1в пунктирной линией. Выше него выявление превышения пороговой температуры становится ненадежным вследствие снижения прозрачности термоплавкого материала сработавшего термоиндикаторного устройства и уменьшения контрастности цветового перехода.

В известном уровне техники решению проблемы возвратности при разработке и усовершенствовании необратимых термоиндикаторов внимание не уделено. Для обеспечения необратимости термочувствительного состава, как правило, используют следующие способы:

(1) модифицирование термочувствительного материала и

(2) изменение структуры самого термоиндикатора и его принципа действия.

В частности, авторами настоящей группы изобретений ранее был реализован первый подход к достижению необратимости термоиндикаторов, основанный на модификации термочувствительных составов.

В описании полезной модели к патенту RU 220377 (опубл. 11.09.2023) раскрыт тер мо индикатор для необратимой визуальной регистрации превышения температуры выше порогового значения, включающий:

- непрозрачную по крайней мере для части видимого света основу;

- непрозрачный по крайней мере для части видимого света термочувствительный материал, нанесенный на лицевую поверхность основы, микроструктура которого в исходном состоянии включает частицы твердой фазы и преимущественно связанные между собой пустоты, заполненные газовой фазой;

- прозрачный защитный слой, покрывающий термочувствительный материал;

при этом термочувствительный материал выполнен с возможностью необратимого изменения прозрачности при достижении пороговой температуры за счет сплавления частиц, образующих его микроструктуру, и выхода газовой фазы из термочувствительного материала на поверхность.

В описании полезной модели к патенту RU 221997 (опубл. 05.12.2023) раскрыта тер мо индикаторная наклейка для необратимой регистрации превышения температуры выше по меньшей мере одного порогового значения, включающая: клеевой слой, обеспечивающий адгезию не менее 10 Н/25 мм к нержавеющей стали, измеренную методом FINAT ТМ1 после 24 ч; гибкую основу, на которую нанесены информационные элементы, включающие численное значение по меньшей мере одной пороговой температуры, и по меньшей мере один покрытый защитной полимерной пленкой термочувствительный материал, который:

- в исходном состоянии непрозрачен по крайней мере для части видимого света;

- выполнен с возможностью необратимо увеличивать прозрачность при нагреве выше пороговой температуры;

- включает полимерные вещества;

- содержит распределенные по объему пустоты, доля которых в термочувствительном материале составляет не менее 10 об. %.

В описании изобретения к патенту RU 2800396 (опубл. 21.07.2023) предложено устройство для визуальной регистрации превышения температуры выше по меньшей мере одного порогового значения, имеющее слоистую структуру, включающую:

- непрозрачную по крайней мере для части видимого света основу, на лицевую поверхность которой нанесены надписи с указанием по меньшей мере одного численного порогового значения температуры;

- по меньшей мере один непрозрачный по крайней мере для части видимого света термочувствительный материал, нанесенный на отдельные участки основы, микроструктура которого включает частицы твердого органического вещества и пустоты, заполненные газовой фазой;

- прозрачный защитный слой, частично или полностью покрывающий лицевую поверхность устройства;

при этом в исходном состоянии частицы твердого органического вещества преимущественно ориентированы параллельно поверхности основы, а устройство выполнено с возможностью необратимо изменять свой внешний вид при достижении указанной на нем по меньшей мере одной пороговой температуры за счет разрушения микроструктуры соответствующего термочувствительного материала, сопровождающегося сплавлением частиц твердого органического вещества, уменьшением доли пустот по меньшей мере в 2 раза относительно исходного состояния и увеличением его прозрачности с проявлением цвета основы.

В известных технических решениях при плавлении газонаполненного термоплавкого материала (ГТПМ) происходит разрушение структуры материала и разделение газовой и жидкой фазы с увеличением прозрачности. Укрывистость затвердевшего расплава твердой фазы, образующегося после охлаждения термоплавкого материала снижается по сравнению с исходным состоянием в силу уменьшения границ раздела фаз «газ-твердое», на которых происходит отражение и рассеивание цвета. Необратимость этих материалов, в том числе при длительной выдержке, достигается за счет того, что после разделения газовой и жидкой фазы, при последующем охлаждении, рекомбинация этих фаз с получением исходной непрозрачной структуры материала невозможна.

Однако, несмотря на существенные преимущества ГТПМ, его слой, образовавшийся после срабатывания термоиндикатора, является хрупким, особенно ввиду своей небольшой толщины. Поэтому при механическом воздействии, в частности, при вибрационных нагрузках, может происходить растрескивание слоя затвердевшего расплава термочувствительного материала, что визуально проявляется его белесостью, и снижением контрастности цветового перехода за счет образования новых границ раздела фаз «газ-твердое» (фиг. 3в и 4).

Примером реализации второго подхода к обеспечению необратимости могут служить устройства, в которых термоплавкий компонент при плавлении впитывается материалом основы, в результате чего происходит изменение цвета и обеспечивается необратимость срабатывания.

В описании изобретения к заявке US 20060011124 (опубл. 15.07.2004) раскрыт датчик температуры в виде этикетки, отличающийся тем, что чувствительная к температуре деталь имеет восковой слой, сформированный на окрашенной поверхности цветной бумаги произвольной плоской формы, при этом восковой слой образован из смеси требуемого количества вязкого материала и порошка нефтяного воска, плавящегося при заданной температуре, прикреплен к листовой основе, при этом восковой слой расположен близко к передней поверхности датчика температуры, и вся лицевая поверхность датчика температуры закрыта прозрачной пленкой. Воск, нанесенный на цветную бумажную основу, при достижении температуры плавления становится прозрачным и пропитывает бумажную основу, проявляя ее цвет.

В описании изобретения к заявке WO 83/01834 (опубл. 26.05.1983) раскрыто изделие для необратимого отображения визуальных свидетельств воздействия в заданном диапазоне температур в течение по меньшей мере заданного периода времени, содержащее в комбинации: а). непрозрачный микропористый диффузно светоотражающий слой с открытыми порами, имеющий первую и вторую поверхности и образованный из компонентов, которые не плавятся на верхней границе указанного заданного температурного диапазона; b). окрашенный слой, прочно соединенный с первой поверхностью указанного микропористого слоя; с), перекрывающее, по меньшей мере, часть второй поверхности указанного микропористого слоя, но не проникающее в него заметно, по существу прозрачное покрытие из композиции, содержащей твердый раствор (1) аморфного каучукового полимера, имеющего температуру стеклования ниже нижней границы указанного заданного температурного диапазона, растворенного в (2) способном к кристаллизации растворителе для указанного каучукового полимера, причем указанный растворитель имеет температуру плавления ниже нижней границы указанного заранее определенного температурного диапазона, соотношение растворитель:полимер выбирают так, чтобы контролировать вязкость и обеспечивать впитывание на всю глубину указанного микропористого слоя указанной композиции по истечении заданного периода времени в указанном диапазоне температур, чтобы тем самым сделать цветной слой видимым.

В описании изобретения к заявке WO 2019/090472 (опубл. 07.11.2017), выбранного в качестве прототипа, раскрыто изделие из композитного материала, указывающее температуру, содержащее: пористую пленку, непрозрачную по меньшей мере для части видимого излучения или непрозрачная по меньшей мере для части видимого излучения и по меньшей мере для части ультрафиолетового излучения; слой цветного композитного материала, расположенный на нижней поверхности пористой пленки, при этом слой цветного композитного материала содержит: макромолекулярный связующий материал; кристаллический материал; и краситель, при этом кристаллический материал и краситель диспергированы в макромолекулярном связующем материале, макромолекулярный связующий материал является аморфным материалом или имеет температуру плавления выше, чем у кристаллического материала, и когда кристаллический материал нагревается до температуры плавления макромолекулярный связующий материал и кристаллический материал разделены по фазам, так что при нагревании до плавления кристаллический материал может мигрировать в пористую пленку и заполнять в ней множество пор, делая пористую пленку прозрачной для видимого света. Затвердевший расплав, впитанный мембраной, будет защищен от изломов и вероятность образования трещин в нем будет снижена, что обеспечивает необратимость срабатывания и невозвратность окраски (фиг. 5).

Основным недостатком таких решений является большая толщина как термочувствительного материала, так и впитывающего материала, что существенно снижает скорость и точность регистрации перегревов оборудования.

Разница между температурой срабатывания ТИ (температурой плавления термоплавкого материала) и температурой контролируемой поверхности определяет погрешность термоиндикатора. В случае, если температура окружающей среды (Т_окр) приблизительно равна температуре поверхности объекта контроля (Т_пов), то срабатывание ТИ будет происходить при нагреве этой поверхности до температуры плавления термоплавкого материала, и погрешность срабатывания будет минимальной. Однако, если Т_окр значительно меньше Т_пов, то срабатывание ТИ будет происходить при температуре нагрева этой поверхности выше, чем температура плавления термоплавкого материала. Это связано со следующим обстоятельством.

В равновесном состоянии, когда температура всех элементов ТИ постоянна во времени, температура каждого следующего слоя термоиндикатора будет ниже, чем предыдущего. В итоге, срабатывание ТИ произойдет, когда температура термоплавкого материала (Т_тм) будет равна температуре плавления основного вещества ТИ. Погрешность срабатывания ТИ в равновесном режиме будет равна разности температуры поверхности объекта контроля и температуры верхнего слоя термочувствительного элемента, равной температуре плавления термоплавкого материала. В неравновесном режиме погрешность срабатывания ТИ будет больше, что будет показано далее.

На фиг. 2а изображено сечение элемента объема термочувствительного элемента, размещенного на поверхности объекта контроля. При температуре окружающей среды Т_окр в случае нагрева поверхности до температуры Т_пов температура верхней поверхности впитывающего материала (ВМ) может быть представлена как Т_пов-ΔТ_вм, а температура верхней поверхности термочувствительного материала может быть представлена как Т_пов-ΔТ_вм-ΔТ_тм. Тем самым, в случае, изображенном на фиг. 2а срабатывание ТИ и плавление термоплавкого материала произойдет при температуре поверхности объекта контроля равной Т_пл+ΔТ_вм+ΔТтм.

На фиг. 2б изображен ТИ в виде наклейки, размещенный на поверхности объекта контроля, слоистая структура которого включает клеевой слой, основу, впитывающий материал, термоплавкий материал, защитный слой. При температуре окружающей среды Т_окр в случае нагрева поверхности до температуры Т_пов:

(а) температура верхней поверхности клеевого слоя может быть представлена как

Т_пов-ΔТ_клей;

(б) температура верхней поверхности основы может быть представлена как

Т_пов-ΔТ_клей-ΔТ_осн;

(в) температура верхней поверхности впитывающего материала может быть представлена как

Т_пов-ΔТ_клей-ΔТ_осн-ΔТ_вм;

(г) температура верхней поверхности термочувствительного материала может быть представлена как

Т_пов-ΔТ_клей-ΔТ_осн-ΔТ_вм-ΔТ_тм;

(д) температура верхней поверхности защитного слоя может быть представлена как

Т_пов-ΔТ_клей-ΔТ_осн-ΔТ_вм-ΔТ_тм-ΔТ_зс,

где:

ΔТ_клей - разность температур на границах клеевого слоя;

ΔТ_осн - разность температур на границах основы;

ΔТ_вм - разность температур на границах ВМ;

ΔТ_тм - разность температур на границах ТМ;

ΔТ_зс - разность температур на границах защитного слоя.

Тем самым, в случае, показанном на фиг. 2б, срабатывание ТИ и плавление термоплавкого материала произойдет при температуре контролируемой поверхности равной

Т_пл+ΔТ_клей+ΔТ_осн+ΔТ_вм+ΔТ_тм.

Уменьшение температуры на границах раздела от слоя к слою, выраженное через ΔТ, связано с разницей температур Т_пов-Т_окр, а также пропорционально толщинам слоев и термическим сопротивлениям материалов, из которых данные слои выполнены.

Представленные зависимости применимы только при достижении равновесного температурного режима, для восстановления которого требуется продолжительный нагрев до необходимой температуры. В случае неравновесного режима, например, при кратковременных перегревах, погрешность термоиндикатора будет еще больше. Температура поверхности, при которой термочувствительный материал будет прогрет до Т_пл, будет выше, чем в равновесном режиме, поскольку часть потока тепла будет расходоваться на нагревание всех слоев устройства и плавление термочувствительного компонента.

Если обобщить вышесказанное, уменьшение толщины слоев термоиндикатора (клеевого слоя, основы, впитывающего материала, термочувствительного материала) положительно влияет на точность и скорость регистрации превышения пороговых температур.

Все известные из уровня техники решения, основанные на впитывании расплава термочувствительного материала, не подразумевают использование ГТПМ. При этом, из-за отсутствия большого количества границ раздела фаз «газ-твердое», для обеспечения должной укрывистости основы или впитывающего материала необходимо использовать большую толщину термоиндикаторного слоя. Большая толщина термочувствительного материала требует увеличения толщины впитывающего материала, причем при использовании не ГТПМ, толщина впитывающего материала, необходимая для впитывания расплава термочувствительного материала может в несколько раз превышать толщину самого термочувствительного материала.

Снижение толщины впитывающего материал в описанных выше устройствах для решения проблемы скорости и точности срабатывания термоиндикаторов приведет к неполному впитыванию расплавленного термосостава. В результате этого может появиться белесость затвердевшего расплава, не впитавшегося в материал, за счет его растрескивания, что затруднит установление факта срабатывания устройства.

Уменьшение толщины термочувствительного состава приведет к недостаточной укрывистости, т.е. сквозь слой термосостава уже в исходном состоянии может просвечивать впитывающий материал, что снизит контрастность цветового перехода после срабатывания.

Кроме того, за счет своей пористости впитывающие материалы имеют низкую теплопроводность. Это связано с большим содержанием воздуха во впитывающем материале. Низкая теплопроводность воздуха уменьшает коэффициент теплопередачи от поверхности объекта контроля к термочувствительному материалу, увеличивая ΔТ_вэ. Таким образом, описываемые в уровне техники устройства, основанные на впитывании расплава термочувствительного материала, не могут регистрировать перегревы с должной точностью. Также они не позволяют регистрировать кратковременные перегревы и выявлять дефекты, возникающие, например, при кратковременном протекании токов короткого замыкания или при возникновении импульсных перенапряжений.

Таким образом, ни один из существующих подходов к обеспечению необратимости и невозвратности термоиндикаторов не обеспечивает одновременного сочетания полной невозвратности с достаточной скоростью и точностью регистрации превышения пороговой температуры.

Сочетание высокой скорости и точности срабатывания термоиндикаторов с хорошо заметным контрастным цветовым переходом, который сохраняется в течение, по существу, неограниченного времени после срабатывания при любых допустимых изменениях условий, является необходимым для выявления фактов нагрева контролируемых элементов выше пороговых температур. Особенно важен такой контроль в электроэнергетике, например, при выявлении межвитковых замыканий в обмотке электродвигателей, выхода из строя зарядных устройств или аккумуляторов в бытовых приборах, а также в электрощитах зданий и сооружений жилого, социального или производственного назначений или нарушения в работе подшипников в механике.

Тем самым, существует потребность в создании необратимого и невозвратного тер мо индикаторного материала на основе газонаполненного термоплавкого элемента, а также термоиндикаторного устройства, содержащего такой элемент, для необратимой регистрации факта превышения одной или нескольких пороговых температур поверхности объекта контроля с высокой скоростью и точностью, а также с сохранением контрастности цветового перехода в течении длительного времени даже при механических воздействиях, в том числе вибрации, и резких и/или значительных перепадах температуры.

Термины, определения и сокращения, используемые при описании настоящей группы изобретений

Следующие термины, определения и сокращения, используемые при описании настоящего группы изобретений, предназначены для лучшего и более точного понимания настоящей группы изобретений, однако не ограничивают данное изобретение указанными формулировками.

Термин «термоиндикатор (ТИ)» - устройство, изменяющее свой внешний вид (в частности, цвет) при нагреве выше одной или нескольких пороговых температур. Обычно термоиндикатор состоит из основы, предназначенной для закрепления тер мо индикатора на контролируемой поверхности, и с расположенными на лицевой стороне основы одним или несколькими термочувствительными элементами, изменяющими цвет при нагревании.

Изменение внешнего вида ТИ, произошедшее исключительно вследствие нагрева ТИ до любого из возможных пороговых значений температуры, называют «срабатыванием ТИ». В контексте описания настоящего изобретения срабатывание ТИ обеспечено плавлением действующего вещества термочувствительного элемента и проникновения расплава во впитывающий материал (ВМ).

К однотемпературным термоиндикаторам относят ТИ, имеющие один термочувствительный элемент или несколько термочувствительных элементов, которые срабатывают при достижении одной пороговой температуры.

К многотемпературым термоиндикаторам относят ТИ, имеющие несколько термочувствительных элементов, отличающихся по температуре срабатывания.

Изменение внешнего вида ТИ, в частности окраски и/или прозрачности в области термочувствительного элемента, произошедшее вследствие внешнего воздействия, отличного от нагрева ТИ выше соответствующих пороговых значений температуры называют «ложным срабатыванием ТИ».

Термин «необратимый термоиндикатор» определяет ТИ, который после нагревания до температуры срабатывания визуально изменяет внешний вид, в частности - окраску, таким образом, что после охлаждения ниже указанной температуры не происходит возвращения его внешнего вида к виду, визуально неотличимому от исходного.

Под термином «невозвратность срабатывания термоиндикатора» понимается длительное сохранение внешнего вида сработавшего ТИ во всех эксплуатационных режимах в течение всего срока службы. Предпочтительно, установленный срок службы ТИ по настоящему изобретению составляет 2 года, более предпочтительно он составляет 5 лет, еще более предпочтительно он составляет 10 лет.

«Скорость срабатывания ТИ» - максимальное время, требующееся на переход ТИ из исходного в сработавшее состояние после его нагрева до температуры срабатывания с учетом заданной точности регистрации превышения пороговой температуры.

Для целей заявленной группы изобретений термин «пороговая температура» обозначает значение температура, при которой происходит изменение внешнего вида тер мо индикатора, определенное с заданной точностью.

Под термином «точность регистрации превышения пороговой температуры» понимают границы интервала значений температуры, отвечающие следующим условиям (1)-(3):

(1) до достижения пороговой температуры за вычетом значения заданной точности соответствующий ГТПМ остается непрозрачным для, по меньшей мере, части видимого света, а ТИ в данной области не изменяет внешнего вида;

(2) при превышении пороговой температуры с учетом заданной точности, соответствующий ГТПМ визуально наблюдаемо увеличивает свою прозрачность, а ТИ в данной области приобретает внешний вид, отличный от исходного;

(3) точное значение температуры фазового перехода плавления основного вещества находится внутри заданного диапазона и дополнительно не устанавливается. Точность регистрации превышения пороговой температуры, определяемой настоящей группой изобретений, составляет не более 5°С, преимущественно не более 2°С.

Термин «впитывающий материал» относится к материалу, способному принимать и удерживать любым способом расплавленный термоплавкий материал, например, расплав действующего вещества или термоплавкой фазы. Удерживание может происходить за счет смачивания, адсорбции, абсорбции, проникновения расплава в поры или иные внутренние полости впитывающего материала. Частным случаем впитывающего материала является «сорбирующий материал» В качестве впитывающего материала в рамках настоящей группы изобретений можно применять «пористый материал», который представляет собой твердый материал, содержащий в своем объеме свободное пространство в виде полостей, каналов или пор и характеризующийся развитой поверхностью. Основными параметрами пористых материалов являются пористость, размер пор, распределение пор по размерам и удельная поверхность. Применительно к заявляемой группе изобретений предпочтительно использование «микропористых материалов», содержащих поры диаметром менее 2 мкм.

Термин «сорбция» следует понимать в наиболее обобщенном смысле как поглощение твердым телом различных веществ. Поглощаемое вещество называют «сорбатом», поглощающее твердое тело или жидкость - «сорбентом». В рамках настоящей группы изобретений сорбатом является ВМ, а сорбентом - расплав ГТПМ, т.е. жидкость. Предпочтительна «абсорбция» как частный случай сорбции, в результате которой происходит поглощение сорбата всем объемом сорбента с увеличением массы сорбента при незначительном увеличении его объема и изменениях его физических, особенно прочностных, характеристик.

Термин «сохранение функциональных характеристик», включает в себя сохранение термоиндикатором функциональных характеристик (например, пороговой температуры, непрозрачности и коэффициента яркости для ГТПМ, точности и скорости регистрации превышения пороговой температуры и пр) в установленных заводом-изготовителем границах на протяжении установленного срока эксплуатации во всех эксплуатационных режимах.

«Коэффициент яркости» определяют по ГОСТ 8784-75 как отношение яркости покрытия к яркости эталона, измеренных в одинаковых условиях освещения с углом падения света 45°.

Термин «потеря функциональных характеристик» включает в себя нарушение работоспособности одного или нескольких элементов ТИ, при которых он целиком или частично перестает выполнять свои функции. В частности, под потерей функциональных характеристик, понимают изменение пороговой температуры срабатывания ГТЭВМ, существенное снижение контрастности изменения окраски в области ГТЭВМ, изменение внешнего вида ТИ до или после срабатывания и другие дефекты, возникновение которых приведет к некорректной работе ГТЭВМ и ТИ в целом или неверной интерпретации результатов контроля температуры с помощью ТИ.

Термин «газонаполненный термоплавкий материал (ГТПМ)» определяет материал, включающий твердую фазу или фазы, а также газовую фазу, находящуюся в полостях твердой фазы. Как минимум одна из твердых фаз ГТПМ, называемая «термоплавкой фазой», выполнена с возможностью расплавления при нагревании до пороговой температуры. Преимущественно газовая фаза распределена равномерно внутри всего ГТПМ, причем большинство пор сообщаются между собой, обеспечивая возможность беспрепятственного распределения и выхода газа из них при нагревании материала и/или его плавлении. Давление газа внутри пор может быть меньше атмосферного давления, равно атмосферному давлению или больше атмосферного давления.

Термоплавкая фаза содержит «действующее (основное) вещество ГТПМ» - это вещество, в частности органическое вещество, определяющее температуру плавления ГТПМ (пороговую температуру срабатывания ГТЭВМ). Массовое содержание основного вещества в структуре ГТПМ преимущественно превышает содержание других компонентов ГТПМ. Термин также относится к смеси таких веществ.

Термин «органические вещества» ограничивает класс химических веществ, в состав которых входят атомы углерода, связанные с атомами других химических элементов, за исключением карбидов металлов, карбонатов металлов и аммония и оксидов углерода.

Термин «газовая фаза» по умолчанию относится к порам заполненным газом, находящимся внутри ГТПМ. Газовая фаза может представлять собой воздух, азот, инертные газы или другие вещества, находящиеся в агрегатном состоянии «газ» в условиях эксплуатации термоиндикатора.

Под термином «доля газовой фазы в ГТПМ» понимают отношение объема пор внутри ГПТМ к общему объему ГТПМ или отношение площади участков, заполненных газом, к общей площади участка ГТПМ в одном из срезов. Применительно к настоящей группе изобретений, доля газовой фазы может быть определена одним из названных ниже способов.

Первый способ включает сканирующую электронную микроскопию поверхности среза ГТПМ с применением программного обеспечения, позволяющего вычислять общую площадь внешней поверхности твердых частиц образца и их агломератов в срезе. Вычисляют площадь участков, заполненных газом, путем вычитания общей площади поверхности твердых частиц и их агломератов из площади анализируемого участка. Для определения доли газовой фазы делят полученное значение площади участков, заполненных газом, на площадь анализируемого участка. Измерения проводят на 5-7 участках ГТПМ и вычисляют среднее значение.

Второй способ основан на применении метода рентгеновской микротомографии. Пробоподготовку проводят аналогичным первому способу образом. Участок ГТПМ известного объема анализируют с помощью лабораторного цифрового рентгеновского томографа с программным обеспечением, позволяющим вычислять процентное содержание газа в заданном объеме образца. Проводят измерения 5-7 участков материала, получая среднее значение доли газовой фазы, выраженное в процентах.

Любой из способов определения доли газовой фазы можно применять к готовым изделиям, содержащим ГТПМ, таким как ТИ. При пробоподготовке, в частности, вырезают однородный участок изделия и снимают с него защитный слой так, чтобы обеспечить сохранность ГТПМ.

В контексте описания ГТПМ под «фазой» следует понимать гомогенную часть ГТПМ, отделенную от остальных частей видимой поверхностью раздела, на которой скачком меняются какие-либо характеристики фазы, например, плотность, состав, оптические свойства. При этом совокупность отдельных гомогенных частей системы, обладающих одинаковыми свойствами, считается одной фазой.

В состав ГТПМ могут дополнительно входить частицы твердого вещества с температурой плавления выше пороговой, прочность которых преимущественно превышает прочность термоплавкой фазы, а также иные включения.

Термин «структура ГТПМ» определяет пространственное взаиморасположение твердых частиц и пор, заполненных газовой фазой, в образце ГТПМ. Структура ГТПМ определяет его физические, оптические и механические свойства. При достижении пороговой температуры происходит расплавление как минимум одной из твердых фаз ГТПМ. В процессе расплавления изменяется структура ГТПМ, то есть пространственное взаиморасположение частиц и/или объемов отдельных фаз материала, их размер и форма. Разрушение структуры может включать следующие стадии: оплавление поверхности частиц ГТПМ, их уплотнение, уменьшение размера пор внутри ГТПМ и площади поверхности раздела фаз «газ-твердое», сплавление частиц вплоть до полного их слияния и образования монолитного слоя (плава) или единой фазы. Процесс разрушения структуры ГТПМ сопровождается необратимым уменьшением объемной доли газовой фазы внутри ГТПМ. Доля газовой фазы в материале, получившемся после срабатывания ТИ, меньше, чем в исходном состоянии ГТПМ.

Термин «газонаполненный термоплавкий элемент с впитывающим материалом (ГТЭВМ)» относится к комбинированному элементу, включающему:

- твердую термоплавкую фазу, содержащую органическое вещество или смесь веществ и выполненную с возможностью плавления при нагревании выше пороговой температуры;

- первое множество полостей, заполненных газовой фазой, распределенных в твердой термоплавкой фазе, предпочтительно равномерно, таким образом, что большинство полостей сообщаются между собой, обеспечивая возможность беспрепятственного распределения и выхода газа из полостей при нагревании ГТЭВМ и/или при плавлении термоплавкой фазы;

- твердый впитывающий материал или комбинацию таких материалов, выполненных с возможностью впитывать расплав термоплавкой фазы; и

- второе множество полостей, заполненных газовой фазой и распределенных в твердом впитывающем материале или комбинации материалов, предпочтительно равномерно, таким образом, что большинство полостей сообщаются между собой, обеспечивая возможность беспрепятственного распределения и выхода газа из полостей при нагревании ГТЭВМ и/или при заполнении части полостей расплавом термоплавкой фазы.

В настоящей группе изобретений ТИ может включать как один ГТЭВМ для регистрации факта превышения одной пороговой температуры, так и несколько ГТЭВМ для регистрации фактов превышения нескольких пороговых температур. При этом ТИ может иметь по одному или по несколько участков, на которых размещены одинаковые по составу ГТЭВМ. В частности, твердые термоплавкие фазы с разными пороговыми температурами могут чередоваться или располагаться на основе в любой другой комбинации. В случае, когда термоиндикатор предназначен для регистрации превышения нескольких температур, то есть содержит участки с различными ГТЭВМ, описанные ниже свойства предпочтительно относятся ко всем используемым твердым термоплавким фазам, однако, могут быть варианты, при которых отдельные термочувствительные элементы имеют другой принцип срабатывания.

Преимущественно полости внутри твердой термоплавкой фазы являются порами. Давление газа внутри пор может быть меньше атмосферного давления, равно атмосферному давлению или больше него.

В состав ГТЭВМ могут дополнительно входить частицы твердого вещества с температурой плавления выше пороговой, прочность которых преимущественно превышает прочность термоплавкой фазы, полимеры, полностью или частично покрывающие термоплавкую фазу, красители, а также связующие и/или иные включения, например, опорные элементы (ОЭ), применяемые для повышения механической прочности ГТЭВМ.

Преимущественно ГТЭВМ выполнен в виде двух слоев. Верхний (лицевой) слой представлен термоплавкой фазой с распределенной внутри нее газовой фазой, а нижний слой представлен впитывающим материалом (ВМ), с возможностью его дальнейшего прикрепления основе ТИ или размещения на контролируемом объекте. В этом случае цвет термоплавкой фазы и впитывающего материала предпочтительно различаются. Преимущественно, термоплавкая фаза не содержит красителей, является непрозрачной для, по меньшей мере, части видимого света за счет содержащихся в ней полостей, заполненных газовой фазой. Твердая впитывающая фаза, предпочтительно, окрашена в черный цвет, для обеспечения цветового перехода "белый-черный" при срабатывании.

Для целей заявленной группы изобретений термин «пороговая температура» обозначает значение температура, при которой происходит изменение внешнего вида тер мо индикатора, определенное с заданной точностью.

Термин «видимый свет» определяет узкую область в спектре электромагнитных волн в интервале частот 3,8⋅10¹⁴ - 7,9⋅10¹⁴ Гц, что соответствует длинам волн в вакууме от ~400 до ~760 нм, которую различает человеческий глаз.

Под термином «непрозрачный, по меньшей мере, для части видимого света» понимается материал, не пропускающий сквозь себя весь спектр видимого света или его часть.

Под термином «прозрачный, по меньшей мере, для части видимого света» понимают материал, пропускающий сквозь себя весь спектр видимого света или его часть.

Термин «опорный элемент» или «элемент опоры (ОЭ)» определяет произвольный элемент, расположенный в области ГТПМ, который имеет температуру плавления больше, чем температура срабатывания ГТЭВМ, и который может принимать на себя большую часть механического напряжения, воздействующего на ГТПМ в поперечном направлении, предотвращая тем самым существенное разрушение структуры ГТПМ. В случае с настоящей группой изобретений впитывающая подложка может играть роль ОЭ.

Под «герметичным защитным слоем» понимают защитный слой непроницаемый при атмосферном давлении в отсутствии механического воздействия для воздуха и воды, выполненный без зазоров и отверстий и плотно соединенный с основой свариванием или склеиванием таким образом, что место соединения также является непроницаемым для воздуха и воды при атмосферном давлении и в отсутствии механического воздействия.

«Изолированный ГТЭВМ» означает ГТЭВМ, покрытый защитным слоем таким образом, что при погружении ТИ в воду на глубину до 1 метра при атмосферном давлении и в отсутствии механических воздействий не происходит непосредственного контакта ГТЭВМ с водой в течение как минимум одного дня.

Под термином «приваренный к основе защитный слой» понимается скрепление материалов защитного слоя и основы за счет взаимного растворения. Приваривание может происходить за счет использования растворителя, сплавления, нагревания, сдавливания или других воздействий.

Термин «эластичность» относится к способности материала или изделия при изгибе вокруг цилиндрической поверхности повторять ее форму без потери функциональных свойств.

Термины «эластичная основа» и «эластичный защитный слой» характеризуют материал основы или защитного слоя, способный изменять свою форму без разрыва под внешним воздействием.

Термин «дефект» указывает на несоответствие объекта контроля требованиям, установленным документацией, хотя бы по одному показателю.

«Коэффициент дефектности» является отношением измеренного превышения температуры контактного соединения к превышению температуры, измеренному на целом участке шины или провода, отстоящем от контактного соединения на расстоянии не менее 1 м.

«Избыточная температура» является превышением измеренной температуры объекта контроля над температурой аналогичных узлов других фаз, находящихся в одинаковых условиях.

Термин «пожароопасный нагрев» указывает на нагрев элемента электроустановки до температуры, при которой возникает опасность возгорания одного или более материалов, из которых элемент изготовлен.

Термин «гибкий» относится к материалам, обладающим способностью изменять свою форму под внешним воздействием таким образом, что после возвращения в изначальную форму их функциональные свойства остаются прежними.

Термины «гибкая / эластичная основа» и «гибкий / эластичный защитный слой» характеризуют материал основы или защитного слоя, относящийся к материалам, обладающим способностью изменять свою форму без разрыва под внешним воздействием.

Под «связующим» понимают материал или вещество, предпочтительно, высокомолекулярное органическое соединение, которое обеспечивает возможность фиксации твердых частиц друг относительно друга. Связующее твердой термоплавкой фазы, в частности, повышает прочность ГТПМ и снижает его истираемость, а также может обеспечивать приклеивание термоплавкой фазы к основе или впитывающему материалу.

Сущность группы изобретений

Задачей заявленной группы изобретений является создание необратимого и невозвратного термоиндикаторного элемента и содержащего его термоиндикаторного устройства для необратимой регистрации факта превышения одной или нескольких пороговых температур поверхности объекта контроля, выполняемой с высокой скоростью и точностью.

Технический результат заявленной группы изобретений заключается в повышении надежности выявления дефектов, связанных с нагревами, за счет невозвратности термоиндикаторного элемента и/или термоиндикаторного устройства в течение длительного срока службы во всех режимах эксплуатации, а также увеличение точности и скорости регистрации перегрева поверхности. Также техническим результатом является расширение арсенала средств регистрации факта превышения порогового значения температуры.

При осуществлении первого изобретения группы указанный технический результат достигается за счет применения газонаполненного термоплавкого элемента с впитывающим материалом (ГТЭВМ), выполненного с возможностью необратимого изменения цвета при превышении пороговой температуры, включающего:

- слой, непрозрачный для, по меньшей мере, части видимого света, выполненный из газонаполненного термоплавкого материала (ГТПМ), содержащего полости, заполненные газовой фазой, а также вещество или смесь веществ с температурой плавления близкой к температуре срабатывания ГТЭВМ;

- впитывающий материал (ВМ), соединенный с ГТПМ и выполненный с возможностью впитывать расплавленный термоплавкий материал.

Достижение технического результата обеспечивается за счет сочетания в ГТЭВМ преимуществ применения газонаполненного термоплавкого материала (ГТПМ), содержащего полости, заполненные газом, и впитывающего материала, который впитывает расплав ГТПМ во время срабатывания. Заполняя пустоты впитывающего материала, газонаполненный термоплавкий материал может проявлять цвет впитывающего материала. Альтернативно, впитывающий материал, например, представленный силикагелем или аэросилом, становится прозрачным при впитывании расплава и проявляет цвет основы, на который нанесен ГТЭВМ.

Газонаполненные термоплавкие материалы сами по себе обладают необратимостью срабатывания, однако, как было отмечено при рассмотрении уровня техники, после срабатывания, например, при вибрационных нагрузках, или температурных перепадах может происходить растрескивание слоя термочувствительного материала с появлением белесости и снижением контрастности цветового перехода за счет образования границ раздела фаз «газ-твердое» (фиг. 3в и 4). Частичная или полная возвратность непрозрачности ГТПМ негативно сказывается на достоверности регистрации превышения пороговой температуры, поскольку может быть расценена как отсутствие срабатывания термоиндикатора. Использование впитывающего материала позволяет избежать возвратности сработавшего термочувствительного материала (фиг. 5-7).

В ходе обширных исследований авторами группы изобретений было неожиданно установлено, что комбинация ГТПМ с ВМ не только обеспечивает невозвратность после срабатывания и нахождения в условиях механических воздействий, но и позволяет существенно снизить общую толщину ГТЭВМ по сравнению с термочувствительными элементами, которые не содержат ГТПМ. Последнее позволяет увеличить точность и скорость срабатывания и уменьшить погрешность измерения температуры тер мо индикатором по сравнению с решениями, известными из уровня техники. Заявленный результат достигается за счет снижения термических сопротивлений в слоях ГТПМ и ВМ (ΔТ_вм и ΔТ_гтпм) при уменьшении их общей толщины.

Структура ГТПМ, помимо фазы термоплавкого материала, включает пустоты, заполненные газовой фазой. До момента превышения пороговой температуры газ внутри термоплавкой фазы распределен преимущественно равномерно. Это обеспечивает множественные границы раздела фаз «газ-твердое», на которых происходит преломление и отражение света. Такое строение термоплавкой фазы делает ее непрозрачной для, по меньшей мере, части видимого света при много меньшей толщине слоя по сравнению с толщиной слоя аналогичного вещества, не содержащего газовую фазу (фиг. 5а и 6а), следовательно, термическое сопротивление слоя ГТПМ (ΔТ_гтпм) будет значительно меньше такового для слоя гомогенного термоплавкого материала (ΔТ_тм). Наличие заполненных воздухом пустот ускоряет плавление ГТПМ, по сравнению со скоростью расплавления того же объема негазонаполненного материала, за счет меньшей массы расплавляемого вещества (снижение количества тепла, затрачиваемого на фазовый переход), и дополнительной теплоизоляции верхним газонаполненным слоем. Отметим, что передача тепла для расплавления материала в обоих случаях осуществляется через нижний, расплавленный слой, теплопроводность которого равна теплопроводности жидкого (а не твердого газонаполненого) действующего вещества.

Известные из уровня техники термоплавкие материалы, не содержащие полости с газом, обладают низкой укрывистостью, что требует нанесения слоя материала большой толщины для перекрытия цвета основы и/или впитывающего материала. Одновременно с этим, для впитывания большой массы расплавленного термоплавкого материала, необходимо использование более толстого слоя впитывающего материала. Это значительно увеличивает общую толщину устройства (фиг. 5а), и значения термических сопротивлений слоев, ΔТ_тм и ΔТ_вм. Использование толстого слоя термочувствительного материала не позволяет обеспечить должную точность и скорость срабатывания термо индикатора. Кроме того, поскольку впитывающий материал имеет высокую пористость, а воздух, заполняющий эти поры, является хорошим теплоизолятором, увеличение толщины слоя впитывающего материал дополнительно увеличивает рассеивание тепла, идущего от нагретой контролируемой поверхности к термоиндикаторному слою, повышая термическое сопротивление впитывающего элемента (значение ΔТ_вм). Таким образом, плавление термоплавкого материала и срабатывание ТИ произойдет при температуре поверхности объекта контроля, значительно превышающей температуру плавления термоплавкого материала. Тем самым, факт превышения температуры будет зафиксирован с с высокой погрешностью или не зафиксирован вовсе, если нагрев был кратковременным. Кроме того, известные из уровня техники термоиндикаторные устройства с впитывающей подложкой без газонаполненного термоплавкого материала, вследствие их большой толщины, не обладают гибкостью, требуемой для их установки на изогнутые поверхности.

Комбинация впитывающего материала, который способен впитывать расплав термоплавкого материала при его срабатывании, и ГТПМ, позволяет значительно уменьшить толщину ГТЭВМ (фиг. 6), поскольку позволяет одновременно значительно уменьшить h_гтпм относительно h_тм, и кратно уменьшить h_вм за счет маленькой h_гтпм и пористости ГТПМ. Такая комбинация обеспечивает высокую скорость срабатывания ГТЭВМ и увеличивает точность регистрации пороговой температуры.

Применение ГТПМ также увеличивает скорость срабатывания ГТЭВМ за счет того, что нерасплавленная часть слоя ГТПМ, наиболее удаленная от нагретой поверхности объекта контроля, обеспечивает дополнительную теплоизоляцию уже расплавленной части от окружающей среды, тем самым снижая потери тепла, требуемого для плавления ГТПМ.

Таким образом, создание комбинированного материала, содержащего слои ГТПМ и ВМ, позволило авторам разработать необратимые и невозвратные, особенно в условиях вибрационных нагрузок, ГТЭВМ, обладающие высокой точностью, скоростью и достоверностью регистрации перегревов.

В частных случаях впитывающий материал является пористым, предпочтительно микропористым, или волокнистым. Материал ВМ может быть без ограничения выбран из бумаги, микроцеллюлозы, шерсти, шелка, войлока, хлопка, льна, молекулярных сит, цеолитов, силикагеля, аэросила, микросфер и керамики. Наиболее предпочтительно использование микропористых материалов с диаметром пор не более 2 мкм. Это позволит максимально уменьшить монолитные участки застывшего расплава ГТПМ, не разделенные структурными элементами впитывающего материала. Впитывание материалом расплавленного ГТПМ подчиняется физико-химическим законам, описывающим процессы смачивания, адсорбции, абсорбции и другие процессы нехимического взаимодействия жидких и твердых веществ.

Толщина слоя ВМ в предпочтительных вариантах составляет не более 100 мкм, предпочтительно не более 50 мкм, что, с одной стороны, является достаточным для впитывания всего объема твердой газонаполненной термоплавкой фазы, а с другой стороны, незначительно увеличивает общую толщину устройства и обеспечивает низкие значения термического сопротивления (ΔТ_вм).

В предпочтительных вариантах осуществления ГТПМ включает в себя, по меньшей мере, одно твердое органическое вещество с молекулярной массой меньше 2 кДа (2000 а.е.м). Термочувствительные элементы, содержащие низкомолекулярные органические вещества, имеют более узкий диапазон температур срабатывания, что приводит к увеличению точности регистрации фактов превышения пороговых температур. Использование низкомолекулярных веществ в термочувствительных материалах для необратимой регистрации превышения пороговых температур возможно только при использовании газонаполненных материалов. В отсутствии газовой фазы внутри термочувствительных материалах при остывании может возникнуть множество центров кристаллизации, что приведет к потере прозрачности материала и возвращению внешнего вида, подобного исходному виду, т.е. обратимость срабатывания.

По меньшей мере одно твердое органическое вещество ГТПМ может содержать структурный фрагмент C_nH_(2n+1), где n≥5. Преимущественно, по меньшей мере, одно твердое органическое вещество ГТПМ выбрано из группы, состоящей из жирных алифатических кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥12, солей жирных алифатических кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥5, алканов, содержащих не менее 20 атомов углерода; диалкилфосфиновых кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥5, амидов жирных алифатических кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥5; ангидридов жирных алифатических кислот, содержащие структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥10, жирных алифатических спиртов, содержащих структурные фрагменты С_пН_(2n+1) с n≥14, жирных алифатических аминов, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥17, нитрилов жирных алифатических кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥19. Предпочтительными неограничивающими примерами действующего вещества ГТПМ являются пальмитиновая кислота, стеариновая кислота, бегеновая кислота, тетракозан, эрукамид, стеариновый спирт, цетиловый спирт, соли насыщенных жирных карбоновых кислот редкоземельных металлов, в частности лантана, иттрия, иттербия, скандия.

Применение действующих веществ, в состав которых входит одна алифатическая углеводородная цепь или более, предпочтительно в связи с тем, что такие органические вещества имеют кристаллическую упаковку, в которой вытянутые структурные фрагменты линейных углеводородов ориентируются параллельно друг другу, что обеспечивает формирование в основном плоских частиц, таких как чешуйки, пластинки или волокна (Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы: монография. М.: Наука. 1971. 424 с. С. 228-232). Подобная кристаллическая упаковка обуславливает анизотропность твердого органического вещества, в результате которой свойства материала в направлении, параллельном поверхности основы и защитного покрытия, отличаются от свойств материала в направлении, перпендикулярном поверхности основы и защитного покрытия. Анизотропность свойств термоплавкого материала влияет на прочность материала при изгибе и механических воздействиях: приложение воздействия в направлениях, близких к перпендикулярным относительно поверхности основы, не будет приводить к повреждению материала (Китайгородский А.И. Органическая кристаллохимия: монография. М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1955. 558 с. С. 134-136).

Описываемые форма и характеристики частиц действующего вещества являются предпочтительными, но не ограничивают заявленную группу изобретений. Они могут быть достигнуты также и при использовании замещенных ароматических и гетероароматических соединений. При этом, в качестве заместителей могут выступать как длинные углеводородные фрагменты, что дополнительно способствует формированию плоско ориентированных частиц, так и гетероатомные заместители, которые способствуют слоистой упаковке молекул, при которой объемные гетероатомы располагаются в межслойном пространстве (Бокий Г.Б.. Кристаллохимия: монография. 3-е изд. Перераб. и доп.М.: Наука, 1971. 401 с. С. 362-365).

Также следует отметить, что заявленная группа изобретений не ограничивается исключительно применением веществ с молекулярной массой менее 2 кДа, в состав которых входит одна или более алифатическая углеводородная цепь со структурным фрагментом C_nH_(2n+1), где n≥5. В частности, термоплавкий материал может включать, по меньшей мере, одно твердое полимерное органическое вещество, без ограничения выбранное из полиэтилена, фенольных и фенол-ацетиленовых смол, восков, парафинов и других веществ, обеспечивающих увеличение прозрачности материала при достижении пороговой температуры и обладающих необходимыми свойствами.

В предпочтительных вариантах исполнения объемное содержание газовой фазы в ГТПМ составляет не менее 10%, наиболее предпочтительно, не менее 50%. Использование ГТПМ с указанным объемным содержанием газовой фазы позволяет значимо уменьшить толщину слоя термоплавкого материала, необходимого для перекрытия цвета ВМ или основы, по сравнению с толщиной слоя материала, не наполненного газом, необходимой для обеспечения такой же укрывистости. Чтобы предотвратить расслоение твердой ГТПМ при его нагревании за счет теплового расширения газовой фазы предпочтительно, чтобы большинство полостей, заполненных газом, не были изолированными, то есть сообщались друг с другом.

Применение по меньшей мере одного ГТПМ с указанным объемным содержанием газа позволяет увеличить срок эксплуатации и повысить достоверность определения перегрева за счет невозможности агрегирования частиц твердого органического вещества, разделенных газовой фазой. При этом практически полностью исключается возможность возврата внешнего вида ГТЭВМ в исходное состояние при выдержке сработавшего устройства при низких температурах и при перепадах температур.

Также, чем больше объемное содержание газа в используемых ГТПМ, тем выше изначальный коэффициент преломления, контрастнее изменение внешнего вида при превышении соответствующей пороговой температуры за счет сильного снижения коэффициента преломления и значительнее перераспределение твердой фазы и газа после срабатывания ГТЭВМ. При этом практически полностью исключается возможность возврата внешнего вида ГТЭВМ в исходное состояние при выдержке сработавшего элемента при низких температурах и при перепадах температур. В предпочтительных вариантах осуществления, при достижении соответствующей пороговой температуры происходит уменьшение объемной доли газа в ГТПМ, предпочтительно, не менее чем в два раза.

За счет описанной структуры ГТПМ также обеспечивается возможность регистрации локальных перегревов поверхности за счет изменения цвета только той части ГТЭВМ, которая нагревалась выше соответствующих пороговых температур, и сохранения исходного цвета той части ГТЭВМ, которая не была нагрета выше соответствующей пороговой температуры.

В частных случаях ГТПМ дополнительно включает в себя прозрачное, по меньшей мере, для части видимого света полимерное связующее. В этом случае ГТПМ содержит границы раздела фаз «твердое-твердое-газ». При плавлении также происходит необратимое уменьшение объемной доли газовой фазы относительно исходного состояния за счет выхода газа к поверхности материала. В результате разделения газовой и твердой фаз наблюдается уменьшение площади контакта твердой фазы и газовой фазы, заполняющей полости. В процессе выхода к поверхности материала газ, заполняющий полости, обеспечивает более высокую скорость диффузионных процессов в твердых телах и вязких жидкостях, чем в системах «твердое-твердое», что не только ускоряет изменение внешнего вида ГТЭВМ, но и обеспечивает необратимость этого изменения при охлаждении. Предпочтительно, полимерное связующее присутствует в ГТПМ в количестве 1-30 масс. %. Указанный признак обеспечивает увеличенное количество границ раздела фаз, тем самым положительно влияет на достижение технического результата.

Толщина ГТПМ, преимущественно, составляет менее 150 мкм. В преимущественных вариантах осуществления группы изобретений толщина ГТПМ составляет менее 75 мкм. Такая толщина ГТПМ, с одной стороны, обеспечивает высокую укрывистость термоплавкого слоя и высокий коэффициент яркости, а с другой стороны, снижает значение термического сопротивления (ΔТ_гтпм), позволяет быстрее и равномернее нагревать весь объем ГТПМ и переводить его в расплав с необратимым изменением внешнего вида при температуре поверхности объекта контроля, незначительно превышающей температуру плавления ГТПМ. В предпочтительных вариантах осуществления группы изобретений становится возможным сократить время срабатывания ГТЭВМ при превышении пороговой температуры до 2 секунд. Также использование слоя ГТПМ такой толщины дополнительно исключает стекание расплава материала в таком количестве, которое может привести к возгоранию, потере электрической прочности изоляции, заклиниванию и прочим авариям.

В одном из вариантов осуществления ГТЭВМ прикрепляют к полимерной основе для повышения прочности, а также для удобства размещения на поверхностях объекта контроля.

Второе изобретение группы обеспечивает достижение указанного технического результата за счет обеспечения термоиндикатора для регистрации превышения температуры выше, по меньшей мере, одного порогового значения, включающего

- основу;

- по меньшей мере один газонаполненный термочувствительный элемент с впитывающим материалом (ГТЭВМ), раскрытый в первом изобретении группы;

- прикрепленный к основе защитный слой, закрывающий поверхность ГТЭВМ, причем, по меньшей мере, часть защитного слоя, расположенная над ГТЭВМ, является прозрачной для, по меньшей мере, части видимого света.

В данном случае описанный выше ГТЭВМ может быть использован в тер мо индикаторах любого типа и формы (наклейки, ленты, клипсы, наконечники и т.д.), включающие помимо ГТЭВМ основу и прикрепленный к основе защитный слой. Использование ГТЭВМ в составе термоиндикаторного устройства обеспечивает увеличение прочностных свойств термоиндикатора, возможность выбирать впитывающую подложку из более широкого круга материалов, а также предотвращает прямой контакт ГТЭВМ с поверхностью объекта контроля. Использование защитного слоя, прикрепленного к основе и закрывающего поверхность ГТЭВМ, обеспечивает защиту ГТЭВМ от паров и капель жидкостей, проникновение которых в ГТЭВМ может привести к преждевременному изменению прозрачности ГТПМ и ложному срабатыванию термоиндикатора.

В преимущественных вариантах исполнения термоиндикатор в заявленной группе изобретений имеет основу с толщиной не более 100 мкм, предпочтительно, не более 50 мкм. Это обеспечит возможность плотного прилегания термо индикатор а к поверхностям сложной геометрии, в том числе с малым радиусом кривизны, например, к токопроводящим элементам электрооборудования. Также использование основы указанной толщины обеспечивает низкие значение термического сопротивления (ΔТ_осн) и позволяет быстро нагревать ГТЭВМ и переводить его в сработавшее состояние по всему объему при возникновении кратковременных перегревов и перегревов, незначительно превышающих температуру плавления ГТПМ. Это позволяет зафиксировать кратковременные аварийные перегревы, вызванные пусковыми токами или прохождением токов короткого замыкания, избыточной стартовой нагрузкой двигателей, холодным ходом электролизера, переключением или прочими процессами.

В предпочтительных вариантах осуществления гибкая основа термо индикатора выполнена из полимерного материала, включающего атомы галогена, преимущественно атомы хлора в составе поливинилхлорида, наиболее предпочтительно литого поливинилхлорида. Использование галогенсодержащей полимерной основы обеспечивает возможность применения заявленного ТИ для визуальной регистрации, по меньшей мере, одного порогового значения температуры поверхностей токопроводящих элементов электроустановок, поскольку указанная основа обладает диэлектрическими свойствами, имея диэлектрическую прочность не менее 5 кВ/мм и устойчивостью к возгоранию. Полимерные материалы, в структуре которых присутствуют атомы галогенов, обладают одними из наиболее высоких показателей гибкости и эластичности среди известных полимеров. Введение атомов галогенов в использующиеся в качестве исходного сырья для полимеризации мономеры нарушает их симметрию и создает множество хиральных центров в полимере. Полимеризация или поликонденсация таких мономеров как друг с другом, так и с другими галогенсодержащими или не включающими атомы галогенов мономерами, приводит к образованию полимерных цепей с большим количеством стереоцентров. Регулярные полимеры, получаемые из негалогенированных мономеров без хиральных центров, склонны к образованию кристаллических структур, что снижает их эластичность, в то время как большое число диастереомеров, возникающих при галогенировании мономеров, придают галогенсодержащим полимерам стереохимическую неупорядоченность, которая предотвращает кристаллизацию. Таким образом, галогенсодержащие полимерные материалы обладают высокой эластичностью и гибкостью в силу особенностей химического строения, обусловленных наличием атомов галогенов в структуре полимеров. Кроме того, галогенсодержащие материалы обладают хорошей адгезией и низкой горючестью, что служит дополнительным обеспечением безопасности эксплуатации заявленного устройства.

Как указано выше, защитный слой обеспечивает защиту термо индикатор а и самого ГТЭВМ от воздействия неблагоприятных внешних факторов, в том числе, жидкостей. Защитный слой предпочтительно выполняют из эластичных полимерных материалов, что обеспечивает не только защиту от воздействия окружающей среды, но и исключает растекание и стекание термоплавких материалов после срабатывания ГТЭВМ. Эластичность защитного слоя дополнительно обеспечивает возможность установки термоиндикатора на поверхности сложной формы с сохранением функциональных характеристик устройства. Защитный слой предпочтительно выполняют из полимерного материала, включающего атомы галогена, преимущественно из поливинилхлорида, наиболее предпочтительно из литого поливинилхлорида. Защитный слой может быть прикреплен к основе сплавлением, свариванием, склеиванием или другими способами.

Также эластичность защитного слоя способствует поддержанию определенного давления газа внутри ГТЭВМ. В различных вариантах реализации группы изобретений давление внутри ГТЭВМ может быть ниже атмосферного давления, равно атмосферному давлению или выше него. В частных случаях, давление внутри ГТЭВМ составляет менее 53,3 кПа (400 мм. рт.ст.), предпочтительно менее 26,7 кПа (200 мм рт.ст.). При использовании ГТЭВМ с пониженным давлением внутри пустот увеличивается скорость срабатывания термо индикатор а за счет давления воздуха, находящегося снаружи защитного слоя, на ГТЭВМ при плавлении твердой термоплавкой фазы. В других вариантах осуществления избыточное давление внутри ГТЭВМ составляет не менее 29,4 кПа (0,3 атм), предпочтительно не менее 49,0 кПа (0,5 атм). При использовании повышенного давления защитный слой изначально приподнимается над ГТЭВМ, обеспечивая его защиту от механических воздействий.

В частных вариантах исполнения на основу и/или защитный слой могут быть нанесены информационные элементы, которые включают информацию для маркировки элементов электрооборудования или цветовую маркировку фаз. В частности, нанесенные на лицевую поверхность основы и/или поверхность защитного слоя информационные элементы могут включать надписи, содержащие цветовую, буквенную, цифровую или буквенно-цифровую маркировочную информацию. В одном из случаев информационные элементы на основе и/или защитном слое могут содержать информацию о дате окончания срока эксплуатации термоиндикатора. Также основа и/или защитный слой могут иметь окраску, соответствующую установленным правилам маркировки элементов электрооборудования. Перечисленные выше признаки служат для придания устройству для регистрации превышения пороговой температуры свойства элементов маркировки электрооборудования.

Для увеличения заметности как самого ТИ, так и факта его срабатывания, и, как следствие, дополнительного увеличения безопасности эксплуатации оборудования, основа может обладать светоотражающими или люминесцентными свойствами.

В частных случаях основа может быть окрашена с использованием вещества, выполненного с возможностью необратимо изменять цвет при нагревании.

Использование при окраске основы веществ, выполненных с возможностью необратимо изменять цвет при нагревании до температуры, ниже пороговой температуры основного или основных веществ ГТПМ, например, на 10-30°С, позволяет проинформировать персонал о риске возникновения аварийного дефекта в дальнейшем, и тем самым, обеспечивает возможность его предотвращения, при должном реагировании персонала, ответственного за данное оборудование. Так, изменение внешнего вида такого вещества, при отсутствии срабатывания основного ГТЭВМ с минимальной пороговой температурой, свидетельствует о наличии перегрева оборудования, не достигшего предельно допустимых значений, соответствующих пороговым температурам основных ГТЭВМ, и необходимости его осмотра с целью выявления и устранения неполадок, которые в дальнейшем могли бы привести к развитию аварийного дефекта. Таким образом, наличие вещества, выполненного с возможностью необратимо изменять цвет при нагревании, до температуры, ниже пороговой температуры основного ГТЭВМ с минимальной пороговой температурой, в частности, на 10-30°С, дополнительно повышает безопасность эксплуатации как заявленного устройства, так и оборудования в целом.

Также, основа или некоторая ее часть может быть окрашена с использованием вещества, выполненного с возможностью обратимо изменять цвет при нагревании. К примеру, на лицевую поверхность может быть нанесен слой термочувствительной краски, обладающей вышеуказанными свойствами.

Присутствие вещества, выполненного с возможностью обратимо изменять цвет при нагревании, позволяет проинформировать персонал не только о превышении порогового значения температуры в прошлом, но и о перегревах в момент осмотра. Срабатывание такого вещества в момент осмотра свидетельствует, что оборудование находится в аварийном режиме в текущий момент и может быть источником повышенной опасности. Таким образом, наличие вещества, выполненного с возможностью обратимо изменять цвет при нагревании, дополнительно повышает безопасность эксплуатации как заявленного устройства, так и оборудования в целом.

Использование в заявленном термоиндикаторе, по меньшей мере, одного описанного ГТЭВМ обеспечивает срок эксплуатации ТИ, предпочтительно, не менее 5 лет, более предпочтительно, не менее 10 лет, за счет невозможности агрегирования и слипания частиц ГТПМ, разделенных большим количеством распределенных по объему полостей, заполненных газом. При превышении соответствующей пороговой температуры и последующем охлаждении внешний вид ТИ сохраняется в течение не менее одного года, предпочтительно, не менее 10 лет после срабатывания, за счет впитывания и невозможности кристаллизации расплавленного материала в порах и пустотах впитывающего материала, а также предотвращения растрескивания затвердевшего состава при механических воздействиях.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлены графики зависимостей яркости термочувствительного материала от времени (логарифмическая шкала) при изменении температуры: 1а - для обратимого термочувствительного материала; 1б - для необратимого возвратного термочувствительного материала; 1в - для необратимого невозвратного термочувствительного материала (по настоящей группе изобретений).

На фиг. 2 показана структура слоев термоиндикаторного элемента со впитывающим элементом (2а) и термоиндикатора в варианте исполнения в виде наклейки (2б) в состоянии температурного равновесия.

На фиг. 3 дано схематическое изображение одного из возможных вариантов исполнения ГТЭВМ с ГТПМ, имеющим плоско ориентированные частицы органического вещества: 3а - в исходном состоянии; 3б - после превышения соответствующей пороговой температуры; 3в - после охлаждения и приложения вибрационной нагрузки.

На фиг. 4 представлен внешний вид ТИ с ГТПМ без впитывающего материала, выполненного с возможностью регистрации превышения одной пороговой температуры: 4а - первоначальный вид ТИ, 4б - сработавший ТИ после превышения пороговой температуры, 4в - сработавший ТИ после охлаждения и приложения вибрационной нагрузки.

Фиг. 5 содержит схематическое изображение термоплавкого материала с впитывающим материалом: 5а - в исходном состоянии; 5б - после превышения соответствующей пороговой температуры и после вибрационной нагрузки (без существенных изменений).

На фиг. 6 дано схематическое изображение ГТЭВМ: 6а - в исходном состоянии; 6б - после превышения соответствующей пороговой температуры и после вибрационной нагрузки (без существенных изменений).

На фиг. 7 показан внешний вид ТИ, содержащего ГТЭВМ, выполненного с возможностью регистрации превышения одной пороговой температуры: 7а - первоначальный вид ТИ, 7б - сработавший ТИ после превышения пороговой температуры, 7в - сработавший ТИ после охлаждения и приложения вибрационной нагрузки.

Фиг. 8 дает схематическое изображение ТИ с ГТЭВМ, содержащего впитывающий материал на основе силикагеля, до (8а) и после превышения пороговой температуры данного ГТЭВМ (8б).

Фиг. 9 дает схематическое изображение ТИ с ГТЭВМ, содержащего впитывающий материал на основе волокнистого материала (войлок), до (9а) и после превышения пороговой температуры данного ГТЭВМ (9б).

На фиг. 10 показана структура слоев ТИ для регистрации превышения одного порогового значения температуры, выполненного в виде наклейки, основа которой представляет собой двустороннюю клейкую ленту, тыльная сторона которой закрыта релизом.

На Фиг. 11 показана структура слоев ТИ для регистрации превышения одного порогового значения температуры, выполненного в виде наклейки, основа которой представляет собой самоклеющуюся пленку, тыльная сторона которой закрыта релизом.

Фиг. 12 показывает вид ТИ, выполненного с возможностью регистрации превышения одной пороговой температуры, основа которого обладает люминесцентными / светоотражающими свойствами: 12а - первоначальный вид ТИ, 12б - сработавший ТИ после превышения пороговой температуры ГТЭВМ.

На фиг. 13 показан вид ТИ, выполненного с возможностью регистрации превышения двух пороговых температур, в варианте с нанесением обратимого термочувствительного материала в областях, свободных от ГТЭВМ: 13а - первоначальный вид ТИ, 13б - частично сработавший ТИ после превышения пороговой температуры первого ГТЭВМ, 13в - полностью сработавший ТИ после превышения пороговой температуры второго ГТЭВМ и пороговой температуры обратимого термочувствительного материала, 13г - сработавший ТИ после охлаждения ниже пороговой температуры первого ГТЭВМ.

Подробное описание чертежей

На фиг. 1 показаны графики зависимости яркости термочувствительного материала от времени (логарифмическая шкала) при изменении температуры: 1а - для обратимого термочувствительного материала показано отсутствие изменение яркости при температуре ниже пороговой, резкое снижение яркости при достижении пороговой температуры при срабатывании термочувствительного элемента и быстрое возвращение яркости к исходному значению при снижении температуры до комнатной; 1б - для необратимого возвратного термочувствительного материала показано отсутствие изменение яркости при температуре ниже пороговой, резкое снижение яркости при достижении пороговой температуры при срабатывании термочувствительного элемента, постепенное возвращение яркости к исходному значению при снижении температуры до комнатной и длительной выдержке при этой температуре; 1в - для необратимого невозвратного термочувствительного материала настоящей группы изобретений показано отсутствие изменение яркости при температуре ниже пороговой, резкое снижение яркости при достижении пороговой температуры при срабатывании термочувствительного элемента, отсутствие или незначительное возвращение яркости при снижении температуры до комнатной и длительной выдержке при этой температуре.

На фиг. 2 показана структура слоев термоиндикаторного элемента со впитывающим материалом 3 (2а) и термоиндикатора в варианте исполнения в виде наклейки (26) в состоянии температурного равновесия. На Фиг. 2б показано, что в случае нагрева поверхности 17 до температуры Т_пов и температуры окружающей среды Т_окр, температура верхней поверхности впитывающего материала 3 (ВМ) может быть представлена как Т_пов-ΔТ_вм, а температура верхней поверхности термочувствительного материала (ТМ) может быть представлена как Т_пов-ΔТ_вм-ΔТ_тм. В этом случае срабатывание термоиндикатора (плавление термоплавкого материала) произойдет при температуре контролируемой поверхности равной Т_пл+ΔТ_вм+ΔТ_тм. На фиг. 2б показано, что в случае нагрева поверхности 17 до температуры Т_пов и температуры окружающей среды Т_окр: температура верхней поверхности клеевого слоя 18 может быть представлена как Т_пов-ΔТ_клей; температура верхней поверхности основы 4 может быть представлена как Т_пов-ΔТ_клей-ΔТ_осн; температура верхней поверхности впитывающего материала 3 может быть представлена как Т_пов-ΔТ_клей-ΔТ_осн-ΔТ_вм; температура верхней поверхности термочувствительного материала ТМ может быть представлена как Т_пов-ΔТ_клей-ΔТ_осн-ΔТ_вм-ΔТ_тм; температура верхней поверхности защитного слоя 5 может быть представлена как Т_пов-ΔТ_клей-ΔТ_осн-ΔТ_вм-ΔТ_тм-ΔТ_зс. В этом случае, срабатывание тер мо индикатора (плавление термоплавкого материала) произойдет при температуре контролируемой поверхности 17 равной Т_пл+ΔТ_клей+ΔТ_осн+ΔТ_вм+ΔТ_тм.

На фиг. 3 показано схематическое изображение одного из возможных вариантов исполнения ГТПМ 2 с плоско ориентированными частицами органического вещества, не содержащего впитывающий материал: 3а - в исходном состоянии с высотой h_гтпм, достаточной для обеспечения необходимой укрывистости; 3б - прозрачный слой сработавшего термочувствительного материала после превышения соответствующей пороговой температуры, с высотой h_гтпм’, которая меньше h_гтпм; 3в - сработавший термочувствительный материал после приложения вибрационной нагрузки, частично потерявший свою прозрачность из-за растрескивания.

На фиг. 4 показан внешний вид ТИ с ГТПМ 2 без впитывающего материала, выполненного с возможностью регистрации превышения одной пороговой температуры: 4а - первоначальный вид ТИ, 4б - сработавший ТИ после превышения пороговой температуры, 4в - сработавший ТИ после охлаждения и приложения вибрационной нагрузки, показано снижение контрастности изменения окраски из-за растрескивания слоя термочувствительного материала после срабатывания. Информационные элементы, включающие численные значения пороговой температуры 13, нанесены на основу 4 или защитный слой 5 в области ГТПМ 2.

На фиг. 5 показано схематическое изображение термоплавкого элемента с впитывающим материалом 3, окрашенным в черный цвет: 5а - в исходном состоянии с высотой термоплавкого материала (ТМ) h_ТМ, достаточной для обеспечения необходимой укрывистости, и высотой впитывающего материала h_ВМ, достаточной для впитывания всего расплава термоплавкого материала, причем h_ВМ много больше h_ТМ, а также с показанными ΔТвм и ΔТтм; 5б - слой впитывающего материала 3 после превышения соответствующей пороговой температуры и впитывания ТМ, а также после вибрационной нагрузки, без потери контрастности цветового перехода.

На фиг. 6 показано схематическое изображение ГТЭВМ 1, с впитывающим материалом 3, окрашенным в черный цвет: 6а - в исходном состоянии с высотой ГТПМ 2 h_ГТПМ, достаточной для обеспечения необходимой укрывистости, и значительно меньшей чем h_ТМ, и высотой впитывающего материала h_ВМ, достаточной для впитывания всего расплава термоплавкого материала, причем в этом случае и h_ВМ сопоставима с h_ГТПМ, а также с показанными ΔТ_вп и ΔТ_гтпм, которые значительно меньше, чем в случае использования термоплавкого материала, не содержащего газовой фазы и впитывающего материала; 6б - слой впитывающего материала 3 после превышения соответствующей пороговой температуры и впитывания ГТПМ 2 и после вибрационной нагрузки, без потери контрастности цветового перехода.

На фиг. 7 показан внешний ТИ с газонаполненным термочувствительным элементом со впитывающей подложкой (ГТЭВМ) 1, выполненного с возможностью регистрации превышения одной пороговой температуры: 7а - первоначальный вид ТИ, 7б - сработавший ТИ после превышения пороговой температуры, 7в - сработавший ТИ после охлаждения и приложения вибрационной нагрузки, без потери контрастности цветового перехода. Информационные элементы, включающие численные значения пороговой температуры 13, нанесены на основу 4 или защитный слой 5 в области ГТЭВМ 1.

На фиг. 8 показано схематическое изображение ТИ с газонаполненным термочувствительным элементом с впитывающим материалом (ГТЭВМ) 1, включающий ГТПМ 2, содержащий полости, заполненные газовой фазой 15, органическое вещество или смесь органических веществ 14 с температурой плавления близкой к температуре срабатывания ГТЭВМ 1, а также ВМ 3, соединенный с ГТПМ. ГТЭВМ размещен на основе 4 и сверху закрыт прозрачным защитным слоем 5. Показан вариант термоиндикатора с впитывающим материалом 3 из силикагеля до (8а) и после превышения пороговой температуры данного ГТЭВМ (8б) и впитывания ГТПМ в ВМ. При использовании силикагеля возможен вариант, когда после впитывания ГТПМ силикагелем проявляется цвет основы под ГТЭВМ.

На фиг. 9 показано схематическое изображение ТИ с газонаполненным термочувствительным элементом с впитывающим материалом (ГТЭВМ) 1, включающий ГТПМ 2, содержащий полости, заполненные газовой фазой 15, органическое вещество или смесь органических веществ 14 с температурой плавления близкой к температуре срабатывания ГТЭВМ 1, а также ВМ 3, соединенную с ГТПМ. ГТЭВМ размещен на основе 4 и сверху закрыт прозрачным защитным слоем 5. Показан вариант термоиндикатора с впитывающим материалом 3 из волокнистого материала (войлок) до (9а) и после превышения пороговой температуры данного ГТЭВМ (9б) и впитывания ГТПМ в ВМ. При использовании волокнистого материала возможен вариант, когда после впитывания ГТПМ волокнистым материалом проявляется цвет волокнистого материала.

На фиг. 10 показана слоистая структура ТИ для регистрации превышения одного порогового значения температуры, выполненного в виде наклейки, основа которой представляет собой двустороннюю клейкую ленту 6, тыльная сторона которой закрыта релизом 7. Показан вариант, в котором впитывающий материал 3 окрашен в черный цвет. Защитный слой окрашен в красный цвет 8, при этом часть 9 защитного слоя, расположенная над ГТЭВМ, является прозрачной для, по меньшей мере, части видимого света.

На фиг. 11 показана структура слоев ТИ для регистрации превышения одного порогового значения температуры, выполненного в виде наклейки, основа которой представляет собой самоклеющуюся пленку 10, тыльная сторона которой закрыта релизом 7. Показан вариант, в котором впитывающий материал 3 представлен прозрачным силикагелем, основа имеет зеленый цвет для маркировки фаз электрооборудования, а в области ГТЭВМ окрашена в черный цвет 12. Защитный слой 5 приварен в основе 4 в областях 11.

На фиг. 12 показан внешний вид ТИ, выполненного с возможностью регистрации превышения одной пороговой температуры, основа 4 которого обладает люминесцентными / светоотражающими свойствами: 12а - первоначальный вид ТИ, 12б - сработавший ТИ после превышения пороговой температуры ГТЭВМ 1. Информационные элементы, включающие численные значения пороговой температуры 13, нанесены на основу 4 или защитный слой 5 в области ГТЭВМ 1.

На фиг. 13 показан внешний вид ТИ, выполненного с возможностью регистрации превышения двух пороговых температур, в варианте, при котором в областях, свободных от ГТЭВМ 1, нанесен обратимый термочувствительный материал 16: 13а - первоначальный вид ТИ, 13б - частично сработавший ТИ после превышения пороговой температуры первого ГТЭВМ, 13в - полностью сработавший ТИ после превышения пороговой температуры второго ГТЭВМ и пороговой температуры обратимого термочувствительного материала 16, 13г - сработавший ТИ после охлаждения ниже пороговой температуры первого ГТЭВМ. Показано сохранение контрастности цветового перехода.

Осуществление группы изобретений

Выбор основы и защитного слоя

В качестве основы 4 заявленного ТИ предпочтительно использование полимерных материалов. В случае использования полимерных материалов, устройства приобретают эластичность, упругость, прочность. Преимущественно в заявленном изобретении используются галогенсодержащие полимерные материалы, в частности, хлорсодержащие полимеры, например, сополимеры винилхлорида, а именно: сополимер С-15 (сополимер винилхлорида и винилацетата), сополимер ВХВД-40 (сополимер винилхлорида и винилиденхлорида), поливинилхлорид (ПВХ), литой ПВХ, поливинилиденфторид PVDF, фторопласт М-40, а также полиэфиры с добавками 6,5% гексабромциклододекана или полиэфиры, модифицированные 15% трихлоризопропилфосфата, но не ограничиваться ими. При использовании галогенсодержащей полимерной основы диэлектрическая прочность устройств предпочтительно составляет не менее 5 кВ/мм, что является предпочтительным при использовании устройств в энергетике. Также, галогенсодержащие материалы обладают низкой горючестью.

При выборе материала основы 4 необходимо учитывать его температуру плавления или разложения, которая должна быть выше пороговой температуры для ГТЭВМ 1. При этом предпочтительно, чтобы прочность на сжатие материала основы 4 была выше прочности на сжатие ГТЭВМ 1.

В случае выполнения ТИ в виде наклейки, стакера или ленты не исключается использование таких материалов как бумага, целлюлоза, тканевые материалы. Однако, такие материалы будут обладать недостаточной прочностью и высокой горючестью, тем самым их использование не является предпочтительным.

Поскольку в некоторых вариантах основа 4 ТИ покрыта с тыльной стороны клеем постоянной липкости, в качестве основы можно изначально использовать самоклеящуюся пленку 10 (фиг. 11), обладающую необходимыми свойствами, двухстороннюю клеевую ленту 6 (фиг. 10), а также использовать пленку без клеевого состава с последующем его нанесением при изготовлении ТИ. Клеевые составы будут подробнее рассмотрены в следующем разделе.

Также основа ТИ может представлять собой полый цилиндр с разрезом или без него для получения устройств, представляющих собой термоиндикаторные клипсы, кембрики или наконечники. В этом случае основу предпочтительно выполняют из полимерных материалов, обладающих упругостью и эластичностью, для обеспечения прочного крепления на проводах и других элементов электрооборудования круглого сечения без использования клеевых составов и других способов крепления.

При изготовлении заявленного ТИ используют защитный слой 5, который защищает ГТЭВМ 1 и само устройство от воздействий окружающей среды, влажности, УФ-излучения и механических повреждений, увеличивает срок службы ТИ, не дает термочувствительному материалу стекать во время фазового перехода.

Материал защитного слоя 5 предпочтительно выбирают из прозрачных эластичных полимеров, предпочтительно, из галогенсодержащих полимеров, в частности, из поливинилхлорида, наиболее предпочтительно из литого поливинилхлорида. В качестве материалов для защитного слоя 5 предпочтительно используют гибкие эластичные полимерные пленки из поливинилхлорида, полиуретана, полимочевины и других полимеров.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения за счет использования эластичного материала для защитного слоя 5 достигают не только гибкости термоиндикатора, но и сохранности устройства при срабатывании ГТЭВМ 1. Поскольку при срабатывании ГТЭВМ 1 будет происходить расширение газа 15 и его выход в область между термочувствительным материалом и защитным слоем 5, эластичность последнего обеспечит целостность устройства. Также, эластичность защитного слоя 5 важна при использовании давления газа в ГТЭВМ 1 отличного от атмосферного. При выборе материала защитного слоя 5 также необходимо учитывать его температуру плавления и прочность на сжатие, которые должны быть выше соответствующих параметров ГТЭВМ 1.

Основа 4 и/или защитный слой 5 могут обладать светоотражающими или люминесцентными свойствами для увеличения заметности как самого ТИ, так и факта его срабатывания и повышения безопасности эксплуатации оборудования, на котором установлен ТИ.

В частном случае основа 4 и/или защитный слой 5 или их часть, могут быть окрашены, в частности, для выполнения функции маркировки фаз кабелей, монтажных проводов, жгутов и других элементов электрооборудования, причем цвет основы может выбираться в соответствии с ГОСТ 28763-90, устанавливающим, в частности, цветовую маркировку в области электротехники.

Для увеличения контрастности цветового перехода, а также в случае использования прозрачного впитывающего материала, основа в области, по меньшей мере, одного ГТЭВМ может быть окрашена, например, в черный цвет 12. В этом случае в исходном состоянии ГТПМ 2 имеет, предпочтительно, белый цвет, тем самым, при срабатывании ГТЭВМ и впитывании расплава в ВМ 3 обеспечивается визуальный переход «белый-черный».

На поверхность основы 4 и/или защитного слоя 5 также может быть нанесена информация, включающая значения пороговых температур 12, срок годности ТИ и другие данные.

Выбор клеевого слоя

При изготовлении ТИ в виде наклейки в качестве клеевого слоя используют клеевые составы постоянной липкости, в частности могут быть использованы клеи на основе акриловых, полиуретановых, каучуковых, силиконовых, ПВХ полимеров. Предпочтительно адгезия клеевого слоя к нержавеющей стали, измеренная методом FINAT ТМ1 после 24 ч, составляет не менее 10 Н/25 мм.

Клеевой слой может быть нанесен на тыльную сторону основы различными способами, в частности, с использованием микродозаторов, пневмоэлектрических дозаторов, методом отпечатка, ручным нанесением с применением кистей, шпателей, ракелей, щеток, мелкодисперсным распылением. Клеевой слой должен обеспечивать надежное и плотное прилегание ТИ к различным поверхностям, в том числе к поверхностям сложной формы.

Приготовление газонаполненного термоплавкого материала

В заявленном изобретении, по меньшей мере, один ГТПМ 2 включает твердое органическое вещество 14 или их смесь и выполнен с возможностью необратимого изменения прозрачности при достижении соответствующей пороговой температуры за счет плавления ГТПМ 2.

Предпочтительно, по меньшей мере, одно твердое органическое вещество 14 ГТПМ 2 (действующее вещество ГТПМ) имеет молекулярную массу меньше 2 кДа (2000 а.е.м), содержит структурный фрагмент C_nH_(2n+1), где n≥5 и преимущественно выбрано из группы, состоящей из жирных алифатических кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥12; солей жирных алифатических кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥5; алканов, содержащих не менее 20 атомов углерода; диалкилфосфиновых кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥5; амидов жирных алифатических кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥5; ангидридов жирных алифатических кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥10; жирных алифатических спиртов, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥14; жирных алифатических аминов, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥17; нитрилов жирных алифатических кислот, содержащих структурные фрагменты C_nH_(2n+1) с n≥19. Неограничивающими примерами являются пальмитиновая кислота, стеариновая кислота, бегеновая кислота, тетракозан, эрукамид, стеариновый спирт, цетиловый спирт, полиэтилен, воск, парафин, соли насыщенных жирных карбоновых кислот редкоземельных металлов, в частности лантана, иттрия, иттербия, скандия, или их смесь с температурой плавления, отличающейся от пороговой температуры не более чем на 5°С.

В частных вариантах осуществления изобретения, действующее (основное) вещество 14 ГТПМ 2 или их смесь, обусловливающее изменение прозрачности ГТПМ 2 при нагреве выше пороговой температуры, выбрано из группы, состоящей из капроната иттрия, бегената иттрия, ундеканата иттрия, лаурата иттрия, тридеканлаурата иттрия, тридеканпентадеканата иттрия, тридеканата иттрия, пентадеканата иттрия, пальмитата иттрия, каприлата иттербия, пальмитата лантана, нонадецината лантана, капроната лантана, ундеканата эрбия, нонадеканоата цинка, пальмитата цинка, капроната цинка, миристината цинка, стеарата цинка, лаурата кадмия, лауринмиристината кадмия, каприната свинца, стеарата свинца, лаурата свинца, лауринмиристината свинца, стеарата меди, стеарата кальция, стеарата лития, стеариновой кислоты, лауриновой кислоты, докозановой кислоты, эйкозановой кислоты, кротоновой кислоты, арахиновой кислоты, миристиновой кислоты, пальмитиновой кислоты, адипиновой кислоты, октановой кислоты, каприновой кислоты, трикозановой кислоты, тетратриаконтановой кислоты, 2,3-диметилнонановой кислоты, брассидиновой кислоты, 2-метил-2-додеценовой кислоты, элеостеариновой кислоты, бегенолевой кислоты, бегеновой кислоты, олеамида, стеарамида, лаурамида, эруциламида, амида каприновой кислоты, амида миристиновой кислоты, амида каприловой кислоты, анилида пальмитиновой кислоты, анилида салициловой кислоты, _ера-нафтиламида капроновой кислоты, фенилгидразида энантовой кислоты, гексиламида, октакозиламида, N-метилгептакозиламида, салициламида, гексадеканола, экукамида, 1-докозонола, трилаурина, трикозил амина, диоктадецил амина, N,N-диметилоктиламина, диоктилфосфиновой кислоты, тритриаконтана, тетракозана, стеаринового спирта, цетилового спирта, хлористого ангидрида стеариновой кислоты, ангидрида пальмитиновой кислоты, ангидрида стеариновой и уксусной кислот, ангидрида лауриновой кислоты или их смесей.

В предпочтительных вариантах исполнения объемное содержание газа 15 внутри, по меньшей мере, одного ГТПМ 2 составляет не менее 10%, наиболее предпочтительно, не менее 50%, и газ 15 распределен внутри ГТПМ 2 равномерно. Применение, по меньшей мере, одного ГТПМ 2 с указанным содержанием газа позволяет значимо уменьшить толщину слоя ГТПМ 2, необходимого для достижения необходимой укрывистости, по сравнению с толщиной слоя материала, не содержащего газовую фазу, при обеспечении такой же укрывистости. Это достигается за счет множественного преломления света на границе поверхности раздела фаз «газ-твердое». Уменьшение толщины слоя ГТПМ 2 положительно сказывается на таких характеристиках как скорость срабатывания ТИ, необратимость, возможность использования низко молекулярных веществ, что в свою очередь повышает достоверность и точность выявления фактов перегревов.

Предпочтительно, чтобы при достижении соответствующей пороговой температуры происходило уменьшение объемной доли газа 15 внутри ГТПМ 2 не менее чем в два раза. Это обеспечивает необратимость изменения прозрачности ГТПМ 2 при превышении соответствующей пороговой температуры.

Применение, по меньшей мере, одного ГТПМ 2 с указанным объемным содержанием газа также позволяет увеличить срок эксплуатации и повысить достоверность определения перегрева за счет невозможности агрегирования твердого органического вещества через газовую фазу. Также, чем больше доля газа в используемых ГТПМ 2, тем выше изначальный коэффициент преломления, контрастнее изменение внешнего вида за счет сильного снижения коэффициента преломления при превышении соответствующей пороговой температуры и значительнее разделение газовой и твердой фаз после срабатывания ТИ, с исключением возможности возврата материала в исходное газонаполненное состояние при выдержке сработавшего ТИ при низких температурах и при перепадах температур.

Основное вещество ГТПМ 2 или их смесь подбирают таким образом, чтобы при достижении соответствующей пороговой температуры в интервале не более 5°С, предпочтительно не более 2°С, оно плавилось с визуальным переходом «непрозрачный-прозрачный» в течение не более 5 секунд, предпочтительно не более 2 секунд.

В различных вариантах осуществления, основное вещество ГТПМ 2 или их смесь подбираются таким образом, что пороговые температуры выбраны из диапазона от 50 до 210°С. При этом численные значения пороговой температуры ТМ могут быть выбраны, в частности, из группы 50°С, 55°С, 60°С, 70°С, 80°С, 90°С, 100°С, 110°С, 120°С, 130°С, 140°С, 150°С.

Для изготовления, по меньшей мере, одного ГТПМ 2 твердое органическое вещество 14 измельчают в шаровой мельнице до размера 2-3 мкм, последовательно добавляют жидкую фазу, представленную водой или органическим растворителем с температурой кипения менее 180°С, и размешивают полученную суспензию, при этом преимущественно обеспечивается периодическое диспергирование смеси с доступом воздуха до постоянной плотности смеси. Жидкая фаза, предпочтительно, представляет собой воду или органический растворитель, растворимость в котором твердого органического вещества ГТПМ 2 не превышает 100 г/кг.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения жидкую фазу добавляют в количестве не менее 50 масс. %, наиболее предпочтительно от 50 масс. % до 90 масс. %.

Разница плотностей жидкой фазы и твердого органического вещества предпочтительно составляет менее 0,2 г/см³. С этой целью жидкая фаза может быть выбрана из группы, состоящей из изопропанола, воды, метанола, 1-пропанола, изобутанола, монометилового эфира этиленгликоля, 1-бутанола, ацетонитрила, уксусной кислоты, гексана, гептана, октана, нонана, 1,1,1-трифторэтанола, 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропанола, N,N-диметилформамида, толуола, ксилола, этанола, бутилацетата, ацетона или их смеси, но не ограничивается ими.

При таком способе обеспечивается получение ГТПМ 2, включающего твердое органическое вещество 14, предпочтительно представленное в виде частиц, ориентированных преимущественно параллельно поверхности основы с равномерно распределенными пустотами, заполненными газом 15. В зависимости от природы твердого органического вещества, вид получающихся частиц преимущественно может представлять собой зерна, кристаллы, волокна, чешуйки или их конгломераты.

Использование связующего

В частных случаях, по меньшей мере, один ГТПМ 2 дополнительно содержит прозрачное, по меньшей мере, для части видимого света полимерное связующее, температура фазового перехода которого выше температуры фазового перехода твердого органического вещества. В этом случае измельченное твердое органическое вещество суспендируют в растворе прозрачного, по меньшей мере, для части видимого света связующего в жидкой фазе. В предпочтительных вариантах изобретения связующее присутствует в получаемом ГТПМ 2 в количестве 1-30 масс. %, для обеспечения эффекта глазирования твердого органического вещества 14.

В частных случаях прозрачное полимерное связующее может быть выбрано из группы, состоящей из фенолформальдегидной смолы, бутилметакриловой смолы, меламинформальдегидной смолы, поливинилбутираля, полибутилметакрилата, полиизобутилметакрилата, полибутилакрилата, феноксисмолы, полистирольно-акриловой эмульсии, полиолефина, полистирола, полиакрилата, полиэфирсульфона, полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливинилиденфторида, политетрафторэтилена, полиэфирсульфона, полиизопрена, полипропилена, полибутадиена, полиизобутилена, поливинил ацетата, полиметакрилата, этилцеллюлозы, поливинилхлорида, поливинил ид енхлорида, поликарбоната, поликапролактона, полиэтилентерефталатной смолы, полибутилентерефталатной смолы, полиамидной смолы, поливинилиденфторида, полиэфира, полиэфирных смол, гидроксиэтилцеллюлозы, метилцеллюлозы, этилцеллюлозы, нитроцеллюлозы, карбоксиметилцеллюлозы, желатина, агар-агара, казеина, гуммиарабика, поливинилового спирта, полиэтиленоксида или их смесей, но не ограничиваться ими.

Использование опорных элементов (ОЭ)

Также ГТПМ 2 может содержать множественные опорные элементы (ОЭ), расположенные внутри ГТПМ 2, эти ОЭ могут быть добавлены к суспензии твердого органического вещества в жидкой фазе с последующим перемешиванием до достижения равномерного распределения ОЭ в суспензии. Такое их расположение позволит при механических воздействиях сохранить структуру ГТПМ 2 и, как следствие, его функциональные характеристики.

При использовании ОЭ, по меньшей мере, часть ГТПМ, преимущественно основная часть ГТПМ 2, располагается в матрице, образованной ОЭ. В частности, при поперечном нажиме на ГТПМ 2, возникающим, например, при установке ТИ, основная часть приложенной нагрузки придется на ОЭ, а не на ГТПМ 2. Это позволит предотвратить разрушение структуры ГТПМ 2 при механических воздействиях и сохранить его функциональные характеристики.

В качестве ОЭ могут использоваться элементы, выполненные из материала, температура плавления которого выше температуры плавления ГТПМ 2, а прочность на сжатие ОЭ выше прочности на сжатие ГТПМ 2. В качестве материалов для ОЭ в данном варианте осуществления изобретения могут быть выбраны полимерные материалы, в частности, галогенсодержащие полимеры, такие как поливинилхлорид и литой поливинилхлорид, а также стекло, керамика, металлы, неметаллы и изделия на их основе, например, сетки, волокна, микросферы, тканые или нетканые материалы обладающие указанными выше характеристиками.

Впитывающий или микропористый материал

Впитывающий материал 3, который впитывает расплав термоплавкого материала во время срабатывания, может быть выполнен из пористых, предпочтительно микропористых, или волокнистых материалов. В частности, впитывающий материал может быть без ограничений выбран из группы, состоящей из бумаги, микроцеллюлозы, шерсти, шелка, войлока, хлопка, льна, молекулярных сит, цеолитов, силикагеля, микросфер. Наиболее предпочтительно применение микропористых материалов с диаметром пор не более 2 мкм. Это позволит максимально уменьшить монолитные участки застывшего расплава ГТПМ, не разделенные материалом впитывающей подложки 3. Впитывание расплава ГТПМ 2 подчиняется физико-химическким законам, описывающим процессы смачивания, адсорбции, абсорбции и другие процессы нехимического взаимодействия жидких и твердых веществ.

Толщина впитывающего материала 3 в предпочтительных вариантах осуществления изобретения составляет не более 100 мкм, предпочтительно не более 50 мкм, что, с одной стороны, является достаточным для впитывания всего объема ГТПМ 2, а с другой стороны, незначительно увеличивает общую толщину устройства и обеспечивает хорошую теплопроводность от нагретой поверхности объекта контроля к тер мо индикаторному слою.

Впитывающий слой 3 может быть окрашен, в таком случае при впитывании расправленного ГТПМ 2 проявляется окраска впитывающего материала, или впитывающий материал может быть прозрачным, в таком случае при впитывании ГТПМ 2 будет проявляться окраска основы под ним.

Также следует отметить, что впитывающий материал 3 может выполнять функцию опорных элементов, описанных выше.

Общая технология изготовления устройства.

Толщина основы, по меньшей мере, в области ГТЭВМ 1 составляет менее 100 микрон, предпочтительно менее 50 микрон.

Лицевую поверхность основы 4 при необходимости окрашивают для придания желаемых свойств и/или характеристик (см. раздел Выбор основы и защитного слоя), или наносят информационные элементы (дату изготовления, дата окончания срока эксплуатации, значения пороговой температуры).

На отдельные участки основы наносят впитывающий материал 3. В частных случаях, впитывающий материал 3 закрепляют на основе с применением адгезива. На впитывающий материал наносят один или более слой суспензии, по меньшей мере, одного твердого органического вещества 14 в жидкой фазе для каждого ГТПМ 2 и удаляют жидкую фазу из нанесенных слоев суспензии. Указанное удаление жидкой фазы из совокупности нанесенных слоев или из каждого слоя в отдельности с получением ГТЭВМ 1 можно проводить как при давлении ниже атмосферного, так и при атмосферном давлении.

Также возможно изготовление ГТЭВМ 1 отдельно от основы 4, и при необходимости его дальнейшее размещение и закрепление на лицевой поверхности основы 4.

Для получения необходимой структуры, по меньшей мере, одного ГТПМ 2, можно использовать, в частности, следующие приемы:

- по меньшей мере, один из этапов: нанесение суспензии твердого органического вещества в жидкой фазе, удаление жидкой фазы из нанесенных слоев суспензии, покрытие лицевой поверхности заготовки прозрачным защитным слоем проводият при давлении ниже атмосферного;

- проводят не менее 3 циклов нанесения слоев суспензии твердого органического вещества в жидкой фазе и удаления жидкой фазы из нанесенных слоев этой суспензии, при этом нанесение суспензии твердого органического вещества в жидкой фазе проводят методом, выбираемым из группы, состоящей из трафаретной печати, флексографской печати, тампонной печати, шелкографии, с получением ГТПМ, в котором твердое органическое вещество предпочтительно присутствует в виде частиц, ориентированных преимущественно параллельно плоскости поверхности основы.

Толщина полученного ГТПМ 2 предпочтительно составляет менее 150 мкм, предпочтительно менее 75 мкм. А толщина впитывающего материала 3 составляет не более 100 мкм, предпочтительно не более 50 мкм.

При изготовлении ТИ с несколькими одинаковыми или различными участками ГТЭВМ 1 последовательно повторяют нанесения на впитывающий материал 3 второго и последующих суспензий твердого органического вещества 14 или их смесей в жидкой фазе с получением нескольких участков ГТЭВМ 1. Также нанесение суспензии можно проводить способом шелкографии, трафаретной, тампонной печати, заливкой или другими способами.

В случае использования разных ГТЭВМ 1 с отличающимися пороговыми температурами соответствующие составы можно располагать на участках основы, чередуя их между собой или используя любую необходимую комбинацию, удовлетворяющую требуемым характеристикам устройства. Выбор температурных комбинаций для ТИ, содержащего несколько ГТЭВМ 1 с различными температурами срабатывания, также зависит от конкретной задачи, на решение которой направлено устройство. К примеру, для устройства, содержащего два различных ГТЭВМ 1, пороговые температуры могут составлять 50°С, 55°С, или 60°С, 80°С, или 70°С, 90°С, или 90°С, 110°С, или 80°С, 100°С, или 80°С, 90°С, или 90°С, 100°С, или 100°С, 120°С, или 110°С, 130°С, или 100°С, 110°С, или 120°С, 140°С, или 120°С, 150°С.

Для устройства, содержащего три различных ГТЭВМ 1, пороговые температуры могут составлять 50°С, 55°С, 60°С, то есть, первый ГТЭВМ 1 изменяет прозрачность при достижении 50°С, второй ГТЭВМ 1 изменяет прозрачность при достижении 55°С, а третий при достижении температуры 60°С, с точностью 5°С. В других вариантах, пороговые температуры могут составлять 50°С, 60°С, 70°С, или 50°С, 70°С, 80°С, или 60°С, 70°С, 80°С, или 60°С, 80°С, 100°С, или 60°С, 90°С, 110°С, или 70°С, 80°С, 90°С, или 70°С, 90°С, 110°С, или 70°С, 100°С, 120°С, или 70°С, 110°С, 130°С, или 80°С, 90°С, 100°С, или 80°С, 120°С, 140°С, или 80°С, 120°С, 150°С, или 90°С, 100°С, 110°С, или 90°С, 110°С, 130°С, или 100°С, 120°С, 140°С.

Для устройства, содержащего четыре различных ГТЭВМ 1, пороговые температуры могут составлять 50°С, 55°С, 60°С, 70°С, или 50°С, 60°С, 70°С, 80°С, или 50°С, 70°С, 90°С, 110°С, или 60°С, 70°С, 80°С, 90°С, или 60°С, 70°С, 80°С, 100°С, или 60°С, 80°С, 90°С, 110°С, или 70°С, 80°С, 90°С, 100°С, или 70°С, 90°С, 100°С, 120°С, или 70°С, 90°С, 110°С, 130°С, или 80°С, 90°С, 100°С, 110°С, или 80°С, 100°С, 120°С, 140°С, или 80°С, 100°С, 120°С, 150°С.

После получения соответствующей структуры ГТЭВМ 1 на основе 4 лицевую поверхность заготовки покрывают защитным слоем 5. Предпочтительно, защитный слой 5 выполнен с возможностью герметично изолировать ГТЭВМ 1 от окружающей среды, а также позволять сохранять давление газа в ГТЭВМ 1 ниже или выше атмосферного. Толщина защитного слоя 5 предпочтительно составляет менее 100 мкм, предпочтительно менее 50 мкм.

Основа 4 и защитный слой 5 могут быть соединены между собой свариванием или склеиванием с использованием адгезива.

Защитный слой 5 при необходимости также может быть окрашен 8 для придания желаемых свойств и/или характеристик (см. раздел Выбор основы и защитного слоя), или на защитном слое могут быть размещены информационные элементы (дата изготовления, дата окончания срока эксплуатации, значения пороговой температуры 13). Однако, следует учитывать, что, по меньшей мере, часть защитного слоя 9, расположенного над ГТЭВМ 1, должна быть прозрачной для, по меньшей мере, части видимого света.

Площадь поверхности основы 4, покрытой участками ГТЭВМ 1, предпочтительно составляет от 3 до 97% площади лицевой поверхности основы 4, предпочтительно, не менее 30%, что позволяет выявлять сработавшие ТИ с дальнего расстояния, а также позволяет выявлять точечные нагревы большой поверхности установок.

Количество ГТЭВМ 1 не ограничено верхним пределом, и зависит от практической задачи, реализуемой при использовании заявленного устройства (типа оборудования, необходимого шага определяемой температуры перегрева, площади поверхности объекта контроля и т.д.).

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения ГТЭВМ 1 выполнены с возможностью регистрации локальных перегревов поверхности за счет изменения цвета только тех частей тех ГТЭВМ, которые нагревались выше соответствующих пороговых температур, и сохранения исходного цвета остальных ГТЭВМ, которые не были нагреты выше соответствующей пороговой температуры при неравномерном нагревании.

Принцип работы устройства

Газонаполненный термочувствительный элемент с впитывающим материалом (ГТЭВМ) можно применять, в том числе, как самостоятельное устройство, которое работает следующим образом. ГТЭВМ 1 в исходном состоянии является непрозрачным, по меньшей мере, для части видимого света и, в преимущественных вариантах осуществления изобретения, имеет белый цвет. До момента нагрева всей поверхности ГТЭВМ 1 или отдельных участков поверхности, расположенных под ГТЭВМ 1, до порогового значения температуры ГТЭВМ 1 остается непрозрачным, по крайней мере, для части видимого света, тем самым сохраняется его первоначальный вид. При нагреве поверхности выше пороговой температуры по всей площади ГТЭВМ 1 или частичное части в соответствующих местах происходит необратимое изменение его прозрачности. Этот процесс сопровождается плавлением твердого органического вещества 14, уменьшением доли газа 15 не менее, чем в два раза, и увеличением кажущейся плотности материала. При этом полученный расплав проникает в поры и полости впитывающего материала 3, частично или полностью заполняя их. ГТЭВМ 1 после срабатывания является прозрачным и, в случае использования ВМ 3, который становится прозрачным при впитывании расплава, проявляет цвет нагретой поверхности 13 под данным ГТЭВМ 1 или, в случае использования непрозрачного ВМ 3, цвет самого впитывающего материала 3. При последующем охлаждении контролируемой поверхности, ГТЭВМ 1 или его часть остается прозрачным и его внешний вид не возвращается в первоначальное состояние. Тем самым обеспечивается возможность визуальной регистрации превышения порогового значения температуры, как в момент перегрева, так и по истечении длительного времени.

За счет наличия газа 15 при плавлении происходит разрушение структуры ГТПМ 2 и разделение газовой и расплавленной фазы с увеличением прозрачности, а также проникновение расплавленной фазы в поры и полости ВМ 3. При последующем охлаждении рекомбинация этих фаз с получением исходной непрозрачной газонаполненной структуры материала невозможна. Поэтому при последующем охлаждении до 20°С и выдержке при этой температуре в течение, по меньшей мере, одного месяца, преимущественно одного года и более, прозрачность ГТЭВМ 1 не возвращается к исходным значениям.

ТИ с одним ГТЭВМ 1, включающим основу 4 и защитный слой 5, работает аналогичным образом. В зависимости от формы основы и наличия клеевого слоя и элементов крепления на ней, ТИ размещают на поверхности с обеспечением плотного прилегания устройства либо за счет адгезионных свойств клеевого слоя основы, либо за счет упругих свойств материала основы 4. При достижении пороговой температуры ГТЭВМ 1 в случае использования ВМ 3, который становится прозрачным при впитывании расплава, такой как аэросил, проявляется цвет основы 4 под данным материалом или цвет краски 12, нанесенной на основу 4 в области ГТЭВМ 1. В случае использования непрозрачного ВМ 3, проявляется цвет самого ВМ 3.

В том случае, если ТИ имеет несколько (n) зон с различными ГТЭВМ 1, имеющими соответственно разные пороговые температуры T₁…T_n, то до момента нагрева поверхности оборудования, расположенных под ГТЭВМ 1, до пороговой температуры T₁ все ГТЭВМ 1 остаются непрозрачными, тем самым сохраняется первоначальный вид устройства. При достижении пороговой температуры T₁ твердое органическое вещество или их смесь 14 первого ГТЭВМ 1, имеющего пороговую температуру T₁, начинает плавиться с уменьшением доли газа 15 и, как следствие, с увеличением прозрачности соответствующего ГТЭВМ 1. В случае использования ВМ 3, который становится прозрачным при впитывании расплава, такой как аэросил, проявляется цвет основы 4 под данным материалом, цвет краски 12, нанесенной на основу 4 в области ГТЭВМ 1, или, в случае использования непрозрачного ВМ 3, цвета самого впитывающего материала. При этом, другие области ГТЭВМ 1, имеющими пороговые температуры Т_2…T_n>T₁, сохраняют свой первоначальный вид. Дальнейшее повышение температуры поверхности, на которой размещено устройство, до температуры Т_2…T_n приведет к последовательному необратимому изменению прозрачности соответствующих ГТЭВМ 1 с пороговыми температурами Т_2…T_n. При этом, если максимальная температура поверхности оборудования будет ниже хотя бы одной из пороговых температур T_n, то соответствующие зоны ГТЭВМ 1 сохранят свою исходную непрозрачность.

При последующем охлаждении поверхности оборудования зоны со сработавшими ГТЭВМ 1 остаются прозрачными и внешний вид устройства не возвращается в первоначальное состояние. При возникновении повторного перегрева поверхности оборудования до пороговой температуры не сработавших ранее ТИ с ГТЭВМ 1 с заданной точностью, произойдет необратимое изменение прозрачности соответствующих ГТЭВМ 1 с проявлением цвета основы под ними или цвета ВМ 2.

При точечном нагреве контролируемой поверхности прозрачной становится только та область ГТЭВМ 1, которая подверглась нагреву выше соответствующей пороговой температуры, при сохранении исходного внешнего вида области данного ГТЭВМ в его остальной зоне, которая не подвергалась нагреву.

Варианты исполнения ТИ, в которых состав ГТЭВМ 1 включает твердое органическое вещество 14 и связующее, имеют схожий принцип работы. При превышении соответствующего порогового значения температуры происходит плавление твердого органического вещества 14, глазированного связующим, с высвобождением газа, разделением газовой 15 и твердой фаз и впитыванием образующегося расплава в поры и полости ВМ 3. В результате также происходит необратимое изменение прозрачности ГТЭВМ 1, сопровождающееся уменьшением доли газа.

Таким образом, все варианты исполнения устройства имеют принцип работы, основанный на необратимом изменении прозрачности ГТПМ 2, впитывании расплава ГТПМ 2 в ВМ 3 и, как следствие, изменением внешнего вида устройства. Причем при охлаждении устройства до 20°С и выдержке при этой температуре в течение, по меньшей мере, одного месяца, преимущественно одного года и более, внешний вид не возвращается к исходному состоянию. В преимущественных вариантах исполнения ТИ имеет срок службы не менее пяти лет, предпочтительно, не менее десяти лет.

ТИ из заявленной группы изобретений можно применять как в электротехнике для контроля температуры поверхности электрооборудования (комплектные распределительные устройства, коробки БРНО, электрощитки и т.п.) и его отдельных элементов (провода, кабели, контактные соединения и т.п.), так и других устройств промышленного или бытового назначения, температуру которых требуется контролировать.

При визуальном осмотре ТИ можно достоверно и с высокой точностью зарегистрировать факт превышения, по меньшей мере, одного порогового значения температуры на всей поверхности или на ее участке, что обеспечит повышение безопасности эксплуатации электрооборудования.

Ниже представлены предпочтительные варианты осуществления заявленной группы изобретений, которые являются иллюстрирующими и никак не ограничивают объем испрашиваемой правовой охраны.

Примеры

Пример 1.

Приготовление ГТПМ. Твердое органическое вещество, в качестве которого использовали н-докозиламин с температурой плавления 65°С, массой 100 г измельчают до достижения размеров частиц 2-3 мкм, добавляют 300 г жидкой фазы, в качестве которой используют раствор акриловой дисперсии в воде, и перемешивают, обеспечивая периодическое диспергирование смеси с доступом воздуха, до постоянной плотности смеси. Суспензию используют для нанесения сразу после получения.

Изготовление ГТЭВМ. На подложку из впитывающего материала, представляющего собой белую бумагу толщиной 50 мкм, с помощью сольвентных красителей наносят черную краску. Затем методом шелкографии наносят суспензию действующего вещества в 7 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в вакуумной камере при давлении 13,3 кПа (100 мм рт. ст.) и температуре 20°С в течение одного часа. Средняя толщина ГТПМ составляет 75 мкм. В исходном состоянии ГТЭВМ имеет белый цвет.

Срабатывание ГТЭВМ. ГТЭВМ устанавливают на нагреваемую поверхность подложкой вниз. Поверхность контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 65°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ГТЭВМ по изменению внешнего вида и проявлению цвета ВМ. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ГТЭВМ, составляет 1,2 с. После охлаждения ГТЭВМ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ГТЭВМ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,83. Сработавший ГТЭВМ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ГТЭВМ и повторно определяют коэффициент яркости после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,82. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по следующей формуле:

Предельно допустимое значение Δk может быть определено производителем при изготовлении ГТЭВМ на основании условий, в которых ГТЭВМ будет эксплуатироваться. Применительно к настоящей группе изобретений, ГТЭВМ можно считать выдержавшим испытание, если Δk≤10%.

Таким образом, Δk=1,2% для ГТЭВМ по примеру 1, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 2.

Приготовление ГТПМ. Твердое органическое вещество, в качестве которого используют пальмитат лантана с температурой фазового перехода 100°С, массой 100 г измельчают до достижения размеров частиц 2-3 мкм, последовательно добавляют 300 г жидкой фазы, в качестве которой используют смесь метанола с метиловым эфиром этиленгликоля (50/50 об. %), и 50 г подготовленных ОЭ, в качестве которых используют стеклянные шарики диаметром 0,06-0,07 мм. Смесь перемешивают, обеспечивая периодическое диспергирование смеси с доступом воздуха, до постоянной плотности смеси. Суспензию используют для нанесения сразу после получения.

Изготовление ГТЭВМ. На подложку из впитывающего материала, представляющего собой микроцеллюлозу белого цвета толщиной 75 мкм, с помощью сольвентных красителей черного цвета наносят информацию о пороговой температуре. Затем методом шелкографии наносят суспензию ГТПМ в 5 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в течение 24 часов при комнатной температуре. Средняя толщина ГТПМ составляет 100 мкм. В исходном состоянии ГТЭВМ имеет белую цвет.

Срабатывание ГТЭВМ. ГТЭВМ устанавливают на нагреваемую поверхность подложкой вниз. Поверхность контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 100°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ГТЭВМ по изменению внешнего вида и проявлению цвета ВМ. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ГТЭВМ, составляет 0,7 с. После охлаждения ГТЭВМ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ГТЭВМ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ГТЭВМ в области нанесения красителя после охлаждения: k₁=0,80. Сработавший ГТЭВМ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ГТЭВМ и повторно определяют коэффициент яркости после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,79. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=1,2% для ГТЭВМ по примеру 2, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 3.

Приготовление ГТПМ. Твердое органическое вещество, в качестве которого используют нонадецинат лантана с температурой фазового перехода 110°С, массой 100 г измельчают до достижения размеров частиц 2-3 мкм, добавляют 300 г жидкой фазы, в качестве которой использовали 3% раствор поливинилбутираля в этаноле, и перемешивают, обеспечивая периодическое диспергирование смеси с доступом воздуха, до постоянной плотности смеси. Суспензию используют для нанесения сразу после получения.

Изготовление ГТЭВМ. На подложку из впитывающего материала, представляющего собой войлок толщиной 100 мкм, методом шелкографии наносят суспензию ГТПМ в 5 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в термостате при температуре 60°С в течение трех часов. Средняя толщина ГТПМ составляет150 мкм. В исходном состоянии ГТЭВМ имеет белый цвет.

Срабатывание ГТЭВМ. ГТЭВМ устанавливают на нагреваемую поверхность подложкой вниз. Поверхность контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 110°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ГТЭВМ по изменению внешнего вида и проявления цвета ВМ. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ГТЭВМ, составляет 1,1 с. После охлаждения ГТЭВМ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ГТЭВМ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,78. Сработавший ГТЭВМ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ГТЭВМ и повторно определяют коэффициент яркости после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,77. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=1,5% для ГТЭВМ по примеру 3, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 4.

Приготовление ГТПМ. Твердое органическое вещество, в качестве которого используют пальмитат цинка с температурой фазового перехода 140°С, массой 100 г измельчают до достижения размеров частиц 2-3 мкм, добавляют 300 г жидкой фазы, в качестве которой используют 30% раствор нитроцеллюлозы в этаноле, и перемешивают, обеспечивая периодическое диспергирование смеси с доступом воздуха, до постоянной плотности смеси. Суспензию используют для нанесения сразу после получения.

Изготовление ГТЭВМ. На подложку из впитывающего материала, представляющего собой шерсть толщиной 100 мкм, методом шелкографии наносят суспензию ГТПМ в 6 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в вакуумной камере при давлении 26,7 кПа (200 мм рт. ст.) и температуре 20°С в течение одного часа. Средняя толщина ГТПМ составляет 125 мкм. В исходном состоянии ГТЭВМ имеет белую окраску.

Срабатывание ГТЭВМ. ГТЭВМ устанавливают на нагреваемую поверхность подложкой вниз. Поверхность контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 140°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ГТЭВМ по изменению внешнего вида и проявлению цвета ВМ. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ГТЭВМ, составляет 0,8 с. После охлаждения ГТЭВМ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ГТЭВМ не происходит. ополнительно определяют коэффициент яркости ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,74. Сработавший ГТЭВМ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ГТЭВМ и повторно определяют коэффициент яркости после приложения вибрационной нагрузки: k2=0,74. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=0,0% для ГТЭВМ по примеру 4, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 5.

Приготовление ГТПМ. Твердое органическое вещество, в качестве которого используют бегенат иттрия с температурой фазового перехода 90°С, массой 100 г измельчают до достижения размеров частиц 2-3 мкм, добавляют 300 г жидкой фазы, в качестве которой используют 3% раствор акриловой дисперсии в воде, и перемешивают, обеспечивая периодическое диспергирование смеси с доступом воздуха, до постоянной плотности смеси. Суспензию используют для нанесения сразу после получения.

Изготовление ГТЭВМ. На подложку из впитывающего материала, представляющего собой шелк толщиной 50 мкм, методом шелкографии наносят суспензию ГТПМ в 6 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в вакуумной камере при давлении 26,7 кПа (200 мм рт. ст.) и температуре 20°С в течение одного часа. Средняя толщина ГТПМ составляет 50 мкм. В исходном состоянии ГТЭВМ имеет белый цвет.

Срабатывание ГТЭВМ. ГТЭВМ устанавливают на нагреваемую поверхность подложкой вниз. Поверхность контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 90°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ГТЭВМ по изменению внешнего вида и проявлению цвета ВМ. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ГТЭВМ, составляет 0,4 с. После охлаждения ГТЭВМ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ГТЭВМ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,79. Сработавший ГТЭВМ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ГТЭВМ и повторно определяют коэффициент яркости после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,78. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=1,4% для ГТЭВМ по примеру 5, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 6.

Приготовление ГТПМ. Твердое органическое вещество, в качестве которого используют капронат иттрия с температурой фазового перехода 55°С, массой 100 г измельчают до достижения размеров частиц 2-3 мкм, добавляют 300 г жидкой фазы, в качестве которой используют 3% раствор фенолформальдегидной смолы в метаноле, и перемешивают, обеспечивая периодическое диспергирование смеси с доступом воздуха, до постоянной плотности смеси. Суспензию используют для нанесения сразу после получения.

Изготовление ГТЭВМ. На подложку из впитывающего материала, представляющего собой шелк толщиной 50 мкм, методом шелкографии наносят суспензию ГТПМ в 5 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в вакуумной камере при давлении 26,7 кПа (200 мм рт. ст.) и температуре 20°С в течение одного часа. Средняя толщина ГТПМ составляет 75 мкм. В исходном состоянии ГТЭВМ имеет белый цвет.

Срабатывание ГТЭВМ. ГТЭВМ устанавливают на нагреваемую поверхность подложкой вниз. Поверхность контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 55°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ГТЭВМ по изменению внешнего вида и проявлению цвета ВМ. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ГТЭВМ, составляет 0,9 с. После охлаждения ГТЭВМ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ГТЭВМ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,81. Сработавший ГТЭВМ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ГТЭВМ и повторно определяют коэффициент яркости после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,80. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=1,4% для ГТЭВМ по примеру 6, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 7.

Приготовление ГТПМ. Твердое органическое вещество, в качестве которого используют ангидрид пальмитиновой кислоты (100 г) с температурой фазового перехода 60°С, массой 100 г измельчают до достижения размеров частиц 2-3 мкм, добавляют 300 г жидкой фазы, в качестве которой используют 1% раствор бутилметакриловой смолы в 1-пропаноле, и перемешивают, обеспечивая периодическое диспергирование смеси с доступом воздуха, до постоянной плотности смеси. Суспензию используют для нанесения сразу после получения.

Изготовление ГТЭВМ. На подложку из впитывающего материала, представляющего собой хлопок толщиной 80 мкм, методом шелкографии наносят суспензию ГТПМ в 5 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в термостате при температуре 40°С в течение трех часов. Средняя толщина ГТПМ составляет 75 мкм. В исходном состоянии ГТЭВМ имеет белый цвет.

Срабатывание ГТЭВМ. ГТЭВМ устанавливают на нагреваемую поверхность подложкой вниз. Поверхность контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 60°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ГТЭВМ по изменению внешнего вида и проявлению цвета ВМ. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ГТЭВМ, составляет 1,0 с. После охлаждения ГТЭВМ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ГТЭВМ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,82. Сработавший ГТЭВМ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ГТЭВМ и повторно определяют коэффициент яркости после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,82. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=0,0% для ГТЭВМ по примеру 7, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 8.

Приготовление ГТПМ. Твердое органическое вещество, в качестве которого используют эйкозановую кислоту (100 г) с температурой фазового перехода 70°С, массой 100 г измельчают до достижения размеров частиц 2-3 мкм, добавляют 300 г жидкой фазы, в качестве которой используют 10% раствор меламинформальдегидной смолы в изобутаноле, и перемешивают, обеспечивая периодическое диспергирование смеси с доступом воздуха, до постоянной плотности смеси. Суспензию используют для нанесения сразу после получения.

Изготовление ГТЭВМ. На подложку из впитывающего материала, представляющего собой лен толщиной 60 мкм, методом шелкографии наносят суспензию ГТПМ в 5 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в течение 24 часов при комнатной температуре. Средняя толщина ГТПМ составляет 50 мкм. В исходном состоянии ГТЭВМ имеет белый цвет.

Срабатывание ГТЭВМ. ГТЭВМ устанавливают на нагреваемую поверхность подложкой вниз. Поверхность контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 70°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ГТЭВМ по изменению внешнего вида и проявления цвета ВМ. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ГТЭВМ, составляет 1,5 с. После охлаждения ГТЭВМ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ГТЭВМ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,78. Сработавший ГТЭВМ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ГТЭВМ и повторно определяют коэффициент яркости после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,77. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=1,7% для ГТЭВМ по примеру 8, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 9.

Изготовление ТИ. ГТЭВМ готовят способом, раскрытым в примере 1. В качестве материала основы используют пленку из фторопласта М-40 красного цвета со светоотражающими свойствами. Тыльная поверхность основы покрыта силиконовым акриловым клеевым слоем и защищена силиконизированным релизом. Лицевую поверхность основы покрывают акриловым клеевым слоем и закрепляют на ней ГТЭВМ подложкой к основе. Заготовку ТИ покрывают прозрачным бесцветным защитным слоем, выполненным из ПВХ, толщиной 0,015 мм, скрепляя основу и защитный слой за счет адгезионных свойств клеевого слоя основы.

Срабатывание ТИ. ТИ устанавливают на нагреваемую поверхность подложкой вниз. Поверхность контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 65°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания термоиндикатора по изменению внешнего вида и проявлению цвета ВМ. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида термоиндикатора, составляет 1,3 с. После охлаждения ТИ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ТИ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ТИ в области ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,82. Сработавший ТИ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ТИ и повторно определяют коэффициент яркости в области ГТЭВМ после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,81. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=1,2% для ТИ по примеру 9, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 10.

Изготовление ТИ. ГТПМ готовят способом, раскрытым в примере 1, используя в качестве твердого органического вещества олеамид (100 г) с температурой фазового перехода 75°С. В качестве материала основы используют пленку из сополимера винилхлорида и винилиденхлорида зеленого цвета толщиной 0,1 мм. Тыльная поверхность основы покрыта силиконовым акриловым клеевым слоем и защищена силиконизированным релизом. На лицевую поверхность основы в областях, на которых не будет располагаться ГТЭВМ, с помощью сольвентных красителей наносят информацию о пороговой температуре. Основу покрывают акриловым клеевым слоем и на область, на которой будет располагаться ГТЭВМ, наносят впитывающий материал, представляющий собой слой молекулярных сит толщиной 50 мкм. На поверхность ВМ методом шелкографии наносят суспензию ГТПМ в 5 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в термостате при температуре 60°С в течение трех часов. Заготовку устройства покрывают прозрачным бесцветным защитным слоем, выполненным из ПВХ толщиной 0,015 мм, скрепляя основу и защитный слой за счет адгезионных свойств клеевого слоя основы.

Срабатывание ТИ. ТИ устанавливают на нагреваемую поверхность, которую контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 75°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ТИ по изменению внешнего вида и проявления цвета ВМ. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ТИ, составляет 1,5 с. После охлаждения ТИ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ТИ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ТИ в области ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,83. Сработавший ТИ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ТИ и повторно определяют коэффициент яркости в области ГТЭВМ после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,82. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=1,2% для ТИ по примеру 10, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 11.

Изготовление ТИ. ГТПМ готовят способом, раскрытым в примере 1, используя в качестве твердого органического вещества 1,1’-[1,2-этандиилбис(окси)]бис-бензол (100 г) с температурой фазового перехода 100°С. В качестве материала основы используют самоклеящуюся эластомерную пленку Optibelt желтого цвета, обладающую люминесцентными свойствами толщиной 0,4 мм. На лицевую поверхность основы в областях, на которых будет располагаться ГТЭВМ, с помощью сольвентных красителей наносят информацию о пороговой температуре. Основу покрывают каучуковым клеевым слоем и на область, на которой будет располагаться ГТЭВМ, наносят впитывающий материал, представляющий собой слой силикагеля толщиной 50 мкм. На поверхность ВМ методом шелкографии наносят суспензию ГТПМ в 5 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в течение 24 часов при комнатной температуре. Заготовку ТИ покрывают прозрачным бесцветным защитным слоем, выполненным из ПВХ толщиной 0,025 мм, скрепляя основу и защитный слой за счет адгезионных свойств клеевого слоя основы.

Срабатывание ТИ. ТИ устанавливают на нагревательную поверхность, которую контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 100°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ТИ по изменению внешнего вида и проявлению цвета основы. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ТИ, составляет 1,7 с. После охлаждения ТИ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида ТИ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ТИ в области ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,80. Сработавший ТИ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ТИ и повторно определяют коэффициент яркости в области ГТЭВМ после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,80. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=0,0% для ТИ по примеру 11, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 12.

Изготовление ТИ. ГТПМ готовят способом, раскрытым в примере 1, используя в качестве твердого органического вещества капронат лантана (100 г) с температурой фазового перехода 120°С. В качестве материала основы используют метилметакрилатную пленку ORALITE 5500 желтого цвета толщиной 0,2 мм. Область основы, на которой будет располагаться ГТЭВМ, заклеивают защитной полиэтиленовой пленкой, свободную часть области покрывают пигментированной желтой термокраской Tempilaq обратимого действия с температурой изменения цвета 113°С. Защитную пленку удаляют и область основы, на которой будет располагаться ГТЭВМ, покрывают клеевым слоем, на который наносят впитывающий материал, представляющий собой слой цеолитов толщиной 75 мкм. На поверхность ВМ методом шелкографии наносят суспензию ГТПМ в 5 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в течение 24 часов при комнатной температуре. Заготовку устройства покрывают прозрачным бесцветным защитным слоем, выполненным из ПВХ толщиной 0,025 мм, скрепляя основу и защитный слой методом ламинации.

Срабатывание ТИ. ТИ устанавливают на нагреваемую поверхность, которую контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 120°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания ТИ по изменению внешнего вида и проявлению окраски ВМ и изменения цвета обратимого термочувствительного материала. Время, за которое произошло изменение внешнего вида ТИ, составило 1,3 с. При этом весь расплав ГТПМ впитывается в ВМ. После охлаждения термоиндикатора до комнатной температуры визуально фиксируют возвращение исходной окраски обратимого термочувствительного материала и то, что возвращения исходного внешнего вида ТИ не происходит. Дополнительно определяют коэффициент яркости ТИ в области ГТЭВМ после охлаждения: k₁=0,81. Сработавший ТИ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ТИ и повторно определяют коэффициент яркости в области ГТЭВМ после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,81. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=0,0% для ТИ по примеру 12, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 13.

Изготовление ТИ. Готовят три ГТПМ способом, раскрытым в примере 1, используя в качестве твердых органических веществ бегенат иттрия с температурой фазового перехода 90°С, пальмитат лантана с температурой фазового перехода 100°С и нонадецинат лантана с температурой фазового перехода 110°С. В качестве жидкой фазы используют смесь метанола с метиловым эфиром этиленгликоля (50/50 об. %). В качестве материала основы используют ПВХ пленку Oramask 831 черного цвета толщиной 0,3 мм. Области основы, на которых не будут располагаться ГТЭВМ, заклеивают полиэтиленовой пленкой. На свободную область основы наносят клеевой слой и впитывающий материал, представляющий собой слой микросфер толщиной 50 мкм. Область с ВМ, на которую не должен быть нанесен первый ГТПМ, заклеивают полиэтиленовой пленкой. На свободную от пленки область методом шелкографии наносят первую суспензию ГТПМ в 5 слоев. После нанесения каждого слоя проводят сушку в течение 24 часов при комнатной температуре. После полного высыхания и формирования ГТПМ пленку удаляют. Указанные операции повторяют для всех последующих суспензий ГТПМ. Средняя толщина каждого ГТПМ составляет 0,05 мм. Заготовку устройства покрывают прозрачным бесцветным защитным слоем, выполненным из ПВХ 0,025 мм, скрепляя основу и защитный слой методом холодной сварки.

Срабатывание ТИ. ТИ устанавливают на нагреваемую поверхность, которую контролируемо нагревают со скоростью 5°С/мин до температуры 90°С с заданной точностью, прекращают нагрев и визуально фиксируют факт срабатывания соответствующей зоны ТИ по изменению внешнего вида первого ГТЭВМ при сохранении внешнего вида других ГТЭВМ. При этом весь расплав первого ГТПМ впитывается в ВМ. После охлаждения устройства до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида первого ГТЭВМ не происходит. Время, за которое происходит изменение внешнего вида первого ГТЭВМ, составляет 0,8 с

Затем циклы нагрева и охлаждения повторяют дважды (до температур 100°С и 110°С с заданной точностью). Фиксируют время, за которое происходит изменение внешнего вида каждого ГТЭВМ: для второго ГТЭВМ оно равно 1,1 секунды, для третьего ГТЭВМ составило 0,9 с. После каждого охлаждения ТИ до комнатной температуры визуально фиксируют, что возвращения исходного внешнего вида второго и третьего ГТЭВМ не происходит.

Дополнительно определяют коэффициент яркости ТИ в области каждого ГТЭВМ после охлаждения: k₁(T1)=0,82; k₁(T2)=0,81; k₁(T3)=0,83. Сработавший ТИ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ТИ и повторно определяют коэффициент яркости в области каждого ГТЭВМ после приложения вибрационной нагрузки: k₂(T1)=0,81; k₂(T2)=0,81; k₂(T3)=0,82. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk(Т1)=1,2%; Δk(Т2)=0,0%; Δk(Т3)=1,2% для ТИ по примеру 13, что означает выдерживание данным образцом испытания вибрационной нагрузкой.

Пример 14.

Для проведения сравнительных испытаний изготавливают ТИ сравнения способами, известными из уровня техники. В качестве термоплавкого компонента используют воск с температурой фазового перехода 60°С, структура слоя которого не содержит газовой фазы. В качестве впитывающего материала используют бумагу, окрашенную в черный цвет, толщиной 0,1 мм. Средняя толщина слоя термоплавкого компонента, при которой удается перекрыть цвет впитывающего материала, составляет 0,85 мм. Определяют температуру срабатывания полученного ТИ, которая составляет 60±5°С при скорости нагрева нагреваемой поверхности 5°С/мин. При этом визуально фиксируют, что в бумагу впитывается только часть термоплавкого компонента, а остающаяся часть после охлаждения затвердевает, образуя слой над подложкой. Время, за которое происходит изменение внешнего вида ТИ сравнения, составляет 5,5 с.

Дополнительно определяют коэффициент яркости ТИ в области термоплавкого компонента после охлаждения: k₁=0,75. Сработавший ТИ закрепляют на лабораторном орбитальном встряхивателе и выдерживают образец при комнатной температуре при скорости 250 об/мин в течение 2 часов. После проведения испытания визуально фиксируют сохранение внешнего вида сработавшего ТИ и повторно определяют коэффициент яркости в области термоплавкого компонента после приложения вибрационной нагрузки: k₂=0,21. Сравнивают полученные значения k₁ и k₂ по формуле (1). Таким образом, Δk=72,0% для ТИ, изготовленного способами, известными из уровня техники, что означает, что данный образец не выдержал испытания вибрационной нагрузкой.

Группа изобретений относится к необратимому и невозвратному термоиндикаторному элементу, позволяющему регистрировать факты превышения по меньшей мере одной температуры с высокой скоростью и точностью, а также к термоиндикаторному устройству, содержащему указанный элемент. Предложен газонаполненный термочувствительный элемент с впитывающим материалом (ГТЭВМ), выполненный с возможностью необратимого изменения цвета при превышении пороговой температуры, и включающий в себя: непрозрачный для по меньшей мере части видимого света слой, выполненный из газонаполненного термоплавкого материала (ГТПМ), содержащего полости, заполненные газовой фазой, а также вещество или смесь веществ с температурой плавления, близкой к температуре срабатывания ГТЭВМ; соединенный с ГТПМ впитывающий материал (ВМ), выполненный с возможностью впитывать расплавленную термоплавкую фазу ГТПМ. Также раскрывается термоиндикаторное устройство с использованием данного элемента. Технический результат - повышение точности и скорости регистрации превышения по меньшей мере одной пороговой температуры, с сохранением невозвратности внешнего вида ГТЭВМ, в широких условиях эксплуатации, в том числе при вибрационных нагрузках. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 13 ил., 14 пр.

1. Газонаполненный термочувствительный элемент с по меньшей мере одним впитывающим материалом (ГТЭВМ), выполненный с возможностью необратимого изменения цвета при превышении пороговой температуры, включающий:

- слой, выполненный из газонаполненного термоплавкого материала (ГТПМ), непрозрачный для по меньшей мере части видимого света, содержащий полости, заполненные газовой фазой, а также вещество или смесь веществ с температурой плавления, близкой к температуре срабатывания ГТЭВМ; и

- впитывающий материал (ВМ), соединенный со слоем ГТПМ и выполненный с возможностью впитывать расплав плавких компонентов ГТПМ,

отличающийся тем, что толщина ВМ не более 100 мкм.

2. ГТЭВМ по п. 1, отличающийся тем, что ВМ выбран из пористых материалов, предпочтительно из микропористых материалов, или волокнистых материалов; предпочтительно ВМ выбран из группы, состоящей из бумаги, микрокристаллической целлюлозы, шерсти, шелка, войлока, хлопка, льна, молекулярных сит, цеолитов, силикагеля, микросфер и керамики; и/или толщина ВМ составляет предпочтительно не более 50 мкм.

3. ГТЭВМ по п. 1, отличающийся тем, что ГТПМ, входящий в его состав, обладает по меньшей мере одним свойством, выбранным из группы свойств (1)-(5):

(1) содержит по меньшей мере одно твердое органическое вещество, предпочтительно содержащее структурный фрагмент C_nH_(2n+1), где n≥5;

(2) толщина ГТПМ составляет менее 150 мкм, предпочтительно менее 75 мкм;

(3) доля газовой фазы в ГТПМ составляет не менее 10 об. %, предпочтительно не менее 50 об. %;

(4) при превышении пороговой температуры ГТПМ объемная доля газовой фазы уменьшается, по меньшей мере, в два раза;

(5) дополнительно содержит полимерное связующее, прозрачное для по меньшей мере части видимого света.

4. ГТЭВМ по п. 1, отличающийся тем, что скорость его срабатывания при превышении пороговой температуры ГТПМ составляет не более 2 с.

5. ГТЭВМ по п. 1, отличающийся тем, что нанесен на полимерную основу.

6. Термоиндикатор (ТИ) для регистрации превышения по меньшей мере одного порогового значения температуры, включающий:

- основу;

- по меньшей мере один ГТЭВМ по п. 1;

- защитный слой, прикрепленный к основе и закрывающий поверхность ГТЭВМ, при этом по меньшей мере часть защитного слоя, расположенная над ГТЭВМ, является прозрачной для по меньшей мере части видимого света.

7. Термоиндикатор по п. 6, в котором выполняется по меньшей мере одно из условий (1-3):

(1) основа имеет толщину не более 100 мкм;

(2) защитный слой имеет толщину не более 50 мкм;

(3) основа и/или защитный слой выполнены из галогенсодержащих полимеров, предпочтительно из поливинилхлорида, наиболее предпочтительно из литого поливинилхлорида.

8. Термоиндикатор по п. 6, в котором выполняется по меньшей мере одно из условий (1-3):

(1) на основу и/или защитный слой нанесены информационные элементы;

(2) основа и/или защитный слой окрашены для маркировки фаз электрооборудования;

(3) основа и/или защитный слой окрашены для придания ТИ светоотражающих/люминесцентных свойств.

9. Термоиндикатор по п. 6, отличающийся тем, что время необратимого изменения цвета ГТЭВМ при его нагреве выше пороговой температуры составляет не более 5 с, предпочтительно не более 2 с.

10. Термоиндикатор по п. 6, отличающийся тем, что выполнен с возможностью сохранять внешний вид ГТЭВМ после срабатывания в течение не менее одного года, предпочтительно не менее десяти лет.