МНОГОСЛОЙНЫЙ ЧЕХОЛ ДЛЯ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
MULTILAYER CASE FOR TEMPERATURE CONTROL OF COMPLEX GEOMETRIC CONFIGURATION PRODUCTS

Изобретение относится к электротермии, а именно к термостатированию изделий сложной геометрической формы, и может быть использовано в таких отраслях промышленности, как ракетостроение, для обогрева различных элементов конструкции, а также в быту, медицине, сельхозобъектах и других отраслях промышленности.
Известно устройство для проведения физико-терапевтических процедур, содержащее герметичный мешкообразный резервуар для лекарственных веществ с внутренним теплоизолирующим покрытием, в котором в упругие продольные ребра из эластичного материала введены нагревательные элементы (А.с. №914068, кл. A61F 7/00, 1982 г., СССР).
Известен многослойный пакет для термостатирования изделий сложной геометрической формы, содержащий наружный и внутренний защитные слои с размещенными между ними состыкованными теплоизоляционными прокладками и полосами токопроводящего материала с электроизоляционными слоями, соединенными на концах токопроводящими перемычками (А.с. №1496759, кл. A41D 13/00, 1989 г.).
Также известен многослойный пакет для термостатирования изделий сложной геометрической формы, содержащий наружный и внутренний защитные слои из пылевлагонепроницаемой ткани с размещенными между ними теплоизоляционными прокладками и полосами токопроводящего материала, который выполнен из отдельных секций, наружные слои которых в периферийных зонах снабжены текстильной застежкой, сцеплены между собой по линиям сопряжения и дополнительно зафиксированы механическими фиксаторами (см. патент №2225083, кл.7 Н05В 3/36, В32В 27/02, A41D 13/00).
Основным недостатком известных устройств является то, что в случае крупногабаритных изделий сложной геометрической формы демонтаж длинномерных секций на стартовом комплексе с термостатирующего изделия весьма сложен. Обусловлено это тем, что конструктивное исполнение длинномерных секций, в которых теплоизоляционные прокладки размещены между пылевлагонепроницаемой тканью, не позволяют их равномерно сворачивать в компактную паковку из-за разности толщин материалов.
Кроме того, на полосах токопроводящего материала длиной 4,0-4,5 м происходит падение напряжения по длине тоководов, а учитывая то, что напряжение питания на подобного рода устройствах равно 24-32 В, то падение напряжения в периферийных зонах тоководов весьма существенно (в 1,2-1,3 раза). Также необходимо отметить, что при эксплуатации многослойного пакета примерная мощность составляет порядка 10 кВт, суммарный ток составляет порядка 300 Вт, т.е. на каждую секцию приходится порядка 30А (в случае 10 секций), при этом ширина тоководов в каждой отдельной секции должна составлять 35-40 мм. Указанное обстоятельство снижает полезную площадь нагревательного элемента и ухудшает тепловые характеристики многослойного пакета.
Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является патент России №2225083, кл.7 Н05В 3/36, В32В 27/02, A41D 13/00, 2004.
Основной задачей разработки является создание такого многослойного пакета и изделий на его основе, в котором были бы исключены перечисленные недостатки, т.е. разработанное устройство должно обеспечить термостатирование изделий сложной геометрической формы и быть технологичным при эксплуатации.
Техническим результатом, который может быть получен от использования изобретения, является повышение работоспособности и эксплуатационной надежности многослойного пакета для термостатирования изделий сложной геометрической формы.
Основная задача решена и технический результат достигнут за счет того, что в многослойном пакете для термостатирования изделий сложной геометрической формы, содержащий наружный и внутренний защитные слои с размещенными между ними состыкованными теплоизоляционными прокладками и полосами токопроводящего материала с электроизоляционными слоями, причем многослойный пакет повторяет геометрию термостатируемого изделия и выполнен из отдельных секций, наружные и защитные слои которых из пылевлагонепроницаемой ткани в периферийных зонах снабжены текстильной застежкой, скреплены между собой по линиям сопряжения в узлах стыка теплоизоляционных прокладок и дополнительно зафиксированы механическими фиксаторами, при этом верхняя часть многослойного пакета, состоящая из конической части и колпака, закреплена на головной части изделия, а цилиндрическая часть, состоящая из отдельных секций, снабженных по завершающему периметру фартуком со сквозными отверстиями, скреплена с корпусом изделия, согласно изобретению теплозащитные прокладки выполнены из поролона повышенной плотности заданной расчетной толщины, при этом коническая часть многослойного пакета выполнена в виде книжки из отдельных секций, механически скрепленных между собой по линиям сопряжения и размещенных в виде отдельных поясов по периметру головной части термостатируемого изделия, а отдельные секции цилиндрической части многослойного пакета также выполнены в виде книжки из двух или более составных элементов, механически скрепленных между собой по линиям сопряжения и размещенные по образующей цилиндрической части теромостатирующего изделия, при этом завершающий секцию составной элемент снабжен фартуком со сквозными отверстиями или без них, выполнен с ним за одно целое и повторяет геометрию переходного отсека.
Также согласно изобретению поролон повышенной плотности сдублирован с двумя слоями пенополиэтилена, между которыми размещен резистивный элемент в виде токопроводящей ткани, содержащей по основе силовые электроды из мишурных нитей и тепловыделяющие зоны в виде полос заданной ширины из электропроводящих нитей, при этом полосы из электропроводящих нитей изолированы от силовых электродов изоляционными нитями, а по утку токопроводящей ткани распределены изоляционные нити и с чередованием токораспределительные электроды из мишурных нитей, равномерно удаленные друг от друга и перекрещивающиеся с мишурными, изоляционными и электропроводящими нитями основы.
Также согласно изобретению в резистивном элементе периферийные зоны токораспределительных электродов, размещенные в массиве изоляционных нитей, с чередованием перерублены то с одной, то с другой стороны полосы из электропроводящих нитей и совместно с силовыми электродами образуют коммутационную гребенку заданного резистивного элемента, при этом на законцовки силовых и токораспределительных электродов припаяны медная фольга, облуженная оловом, и шнур питания с электрическими соединителями, причем шнуры питания пропущены через массу многослойного пакета, при этом каждый отдельный элемент и каждая отдельная секция по образующей изделия соединены между собой электрическими соединителями.
Отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата.
Использование в качестве теплоизоляционных прокладок поролона повышенной плотности расчетной толщины обеспечит термостатирование изделий сложной геометрической формы без встроенной в многослойный пакет системы обогрева при кратковременном воздействии климатических факторов, например при транспортировке ракеты-носителя из монтажно-испытательного комплекса на стартовый комплекс с последующими подъемами с демонтажем многослойного пакета для термостатирования головного обтекателя.
Наличие сдублированного поролона повышенной плотности с двумя слоями пенополиэтилена, между которыми размещен резистивный элемент в виде токопроводящей ткани на основе мишурных и электропроводящих нитей, позволит обеспечить термостатирование изделий сложной геометрической формы при длительном воздействии жестких климатических факторов без использования воздушной системы обеспечения термостатирования ракеты.
Использование в качестве резистивного элемента токопроводящей ткани, содержащей по основе силовые электроды из мишурных нитей и тепловыделяющие зоны в виде полос заданной ширины из электропроводящих нитей, а по утку - изоляционные нити и с чередованием токораспределительные электроды, равномерно удаленные друг от друга и перекрещивающиеся с мишурными, изоляционными и электропроводящими нитями основы, позволит создать резистивный элемент с продольно-поперечной коммутационной схемой и, как следствие, обеспечит параллельное электрическое соединение отдельных элементов каждой секции, а также повысить эксплуатационные характеристики и надежность многослойного пакета.
Указанные отличительные признаки являются новыми, т.к. их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение соответствующим критерию новизна.
Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, а это, в свою очередь, позволяет характеризовать новое техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники, аналогами и прототипами. Новое техническое решение является результатом научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы и творческого вклада, получено без использования стандартных проектировочных решений или каких-либо рекомендаций, по своей оригинальности и содержательности исполнения соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлен многослойный пакет для термостатирования изделий сложной геометрической формы в виде термочехла (далее по тексту ТЧ). На фиг.2 представлен колпак ТЧ. На фиг.3 представлена развертка верхнего конического пояса ТЧ. На фиг.4 представлена развертка среднего конического пояса ТЧ. На фиг.5 представлена развертка нижнего конического пояса ТЧ. На фиг.6 представлена развертка верхнего, среднего и нижнего цилиндрических поясов ТЧ. На фиг.7 представлена пассивная секция конического пояса ТЧ. На фиг.8 представлена пассивная секция цилиндрической части ТЧ. На фиг.9 представлен резистивный элемент для активной (с обогревом) секции цилиндрического пояса ТЧ. На фиг.10 представлена активная секция цилиндрического пояса ТЧ. На фиг.11 представлены вариантные исполнения ТЧ для разного рода изделий.
Представленный на фиг.1 многослойный пакет в виде термочехла 1 (далее по тексту ТЧ) выполняет функцию теплового барьера между космической головной частью 1 (далее по тексту КГЧ) и окружающей средой и состоит из колпака 2; верхнего конического пояса 3; среднего конического пояса 4; нижнего конического пояса 5 с клапанами 6 для подключения воздушной системы обеспечения термостатирования ракеты (далее по тексту ВСОТР) через люки 7; верхнего цилиндрического пояса 8; среднего цилиндрического пояса 9; нижнего цилиндрического пояса 10 с фартуком 11, выполненных за одно целое с нижним цилиндрическим поясом 10, клапанов 12, 13 для герметизации выступающих элементов 14, 15 КГЧ.
Для обеспечения возможности установки и снятия с КГЧ данной конструкции термочехла он расчленен на одиннадцать конических секций, тридцать шесть цилиндрических секций, двенадцать из которых содержат несъемный фартук, десять клапанов и два нарукавника (в материалах заявки не показаны), которые состыковываются с клапанами 6 нижнего конического пояса 5 и служат для герметизации подчехолного пространства в районе люков 7 космической головной части 1.
Колпак, секции и клапана выполнены из поролона толщиной 120 мм ТУ 2254-001-5393 8007-2001, помещенного в оболочки из пылевлагонепроницаемой ткани "Oxford" 2100SD (60) Quality. Фартуки выполнены из поролона толщиной 20 мм ТУ 2254-01-5393877-2001, помещенного в оболочку из пылевлагонепроницаемой ткани Oxford 2100SD Quality. Нарукавники выполнены из пылевлагонепроницаемой ткани Oxford. Количество секций конических и цилиндрических поясов для каждого типа термочехла зависит от геометрии той или иной конструкции КГЧ и может быть изменено.
Представленный на фиг.2 колпак 2 в разобранном виде представляет собой круг, по периметру которого имеется в виде лепестков 16 текстильных застежек контакт 17 (артикул 3С24-Г100 ТУ 17-0001-0406-111-92) для его крепления к верхнему коническому поясу 3. Дополнительно к текстильным застежкам колпак снабжен механическими фиксаторами 18 типа замок-пряжка артикул SRSO также для соединения с верхним коническим поясом 3. Кроме того, колпак снабжен такелажным ремнем 19CDO13 Black и такелажным полукольцом 20 для поддержания ТЧ при демонтаже с вертикально расположенной КГЧ. По своей структуре колпак состоит из поролона 21, размещенного в оболочке 22 из ткани Oxford.
Изображенный на фиг.3 верхний конический пояс 4 в разобранном виде представляет собой развернутый усеченный конус, состоящий из одной секции, по периметру которого расположены текстильные застежки 23 и механические фиксаторы 24 для крепления верхнего конического пояса 3 к колпаку 2 и к среднему коническому поясу 4. По своей структуре верхний конический пояс состоит из поролона 21, размещенного в оболочке 22 из ткани Oxford.
Изображенный на фиг.4 средний верхний конический пояс 4 в разобранном виде представляет собой развернутый усеченный конус, состоящий из нескольких секций 25 (в данном случае четыре секции), по периметру которых расположены текстильные застежки 26, которые служат для соединения секций между собой и с секциями верхнего и нижнего конических поясов 3, 4. Дополнительно к текстильным зажимам секции снабжены механическими фиксаторами 27 в количестве десяти штук на каждую. Шесть из них фиксируют продольные стыки между секциями, один предназначен для соединений с верхним коническим поясом 3, остальные - для соединения с нижним коническим поясом. Вдоль продольных стыков секций 25 между базами I-IV КГЧ и II-III КГЧ средний конический пояс снабжен такелажными полукольцами 28 в количестве шести штук.
Изображенный на фиг.5 нижний конический пояс 5 в разобранном виде представляет собой развернутый усеченный конус из шести 29-34 конических секций, четыре из которых снабжены клапанами 35-38 для подстыковки воздуховодов системы ВСОТР. По периметру секций и клапанов расположены текстильные застежки 39, 40. Дополнительно к текстильным застежкам колпак снабжен механическими фиксаторами типа замок-пряжка в количестве десяти штук на каждую, четыре из которых фиксируют продольные стыки между секциями, две предназначены для соединений со средним коническим поясом 4, остальные - для соединения с верхним цилиндрическим поясом. Вдоль продольных стыков секции по базам IV и V КГЧ нижний конический пояс снабжен такелажными полукольцами 41 в количестве четырех штук.
На фиг.6 представлена развертка цилиндрической части ТЧ КГЧ, которая состоит из верхнего цилиндрического пояса 8, среднего цилиндрического пояса 9 и нижнего цилиндрического пояса 10, выполненного за одно целое с фартуком 11.
Верхний цилиндрический пояс 8 ТЧ в разобранном виде представляет собой развернутый цилиндр, состоящий из двенадцати секций 42, по периметру которых расположены текстильные застежки 43, используемые для соединения секций при сборке между собой, а также с секциями нижнего конического пояса 7 и с секциями среднего цилиндрического пояса 8. Дополнительно к текстильным застежкам секции снабжены механическими фиксаторами 44 типа замок-пряжка в количестве шести штук на каждую. Две из них фиксируют продольные стыки между секциями, две предназначены для соединений с нижним коническим поясом 7, остальные - для соединения со средним цилиндрическим поясом 9. Вдоль продольных стыков секций между базами IV-I КГЧ и 1-11 КГЧ верхний цилиндрический пояс снабжен такелажными полукольцами 45. Для дополнительного прилегания ТЧ к КГЧ секции 46 снабжены опоясывающим ремнем 46 типа CDO13 Black.
Средний цилиндрический пояс 8 ТЧ в разобранном виде представляет собой развернутый цилиндр, состоящий из двенадцати секций 47, по периметру которых расположены текстильные застежки 48, используемые для соединения секций при сборке между собой, а также с секциями верхнего и нижнего цилиндрических поясов. Дополнительно к текстильным застежкам секции снабжены механическими фиксаторами типа замок-пряжка 49 в количестве восьми штук на каждую. Четыре из них фиксируют продольные стыки между секциями, две предназначены для соединений с верхним цилиндрическим поясом, остальные - для соединения со нижним цилиндрическим поясом. Для дополнительного прилегания к КГЧ секции снабжены опоясывающим ремнем 50. Вдоль продольных стыков секций между базами IV-I КГЧ и I-II КГЧ снабжены такелажными полукольцами 51.
Нижний цилиндрический пояс 10 ТЧ в разобранном виде представляет собой развернутый цилиндр, также состоящий из двенадцати секций, по периметру которых (кроме нижней стороны) расположены текстильные застежки 53, используемые для соединения секций между собой, а также с секциями среднего цилиндрического пояса 9 ТЧ. Дополнительно к текстильным застежкам секции снабжены механическими фиксаторами типа замок-пряжка 54 в количестве шести штук на каждую. Четыре из них фиксируют продольные стыки между секциями, а остальные - для соединения со средним цилиндрическим поясом 9. Для дополнительного прилегания ТЧ к КГЧ секции 52 снабжены опоясывающими ремнями 55. Кроме того, нижний цилиндрический пояс снабжен клапанами 56, 57 в количестве четырех штук для данной конструкции.
Все секции нижнего цилиндрического пояса 10 содержат фартуки 57 в виде обратных конусов, выполненных с ними за одно целое. По периметру фартуки (кроме нижней и верхней стороны) содержат текстильные застежки 58 для соединения их между собой при сборке ТЧ на КГЧ. Для дополнительного прилегания секций нижнего цилиндрического пояса и фартуков конического пояса они снабжены опоясывающими ремнями 59, 60.
Для удобства сочленения отдельных элементов ТЧ между собой при сборке в монтажно-испытательном комплексе секции среднего, нижнего конических поясов и секции верхнего, среднего и нижнего цилиндрических поясов содержат цветовые метки (см. фиг.4-6), которые на эскизах имеют вид 1…12. При сборке цвет меток на сочленяемых секциях должен совпадать.
На фиг.7 представлена коническая секция 61, которая выполнена из отдельных элементов 62-64 в виде книжки, механически скрепленных между собой по линиям сопряжения 65. По периметру конической секции размещена текстильная застежка, причем верх и одна из боковых сторон - «петля» 66, а низ и другая боковая сторона - «крючок» 67. Дополнительно коническая секция содержит механические фиксаторы типа замок-пряжка 68 в количестве десяти штук. Отдельные элементы 62-64 выполнены на основе поролона 69 заданной расчетной величины, размещены в оболочке из пылевлагонепроницаемой ткани Oxford 70.
На фиг.8 представлена пассивная секция 71 цилиндрического пояса ТЧ, которая выполнена из отдельных элементов 72, 73 в виде книжки, механически скрепленных между собой по линиям сопряжения 74. По периметру цилиндрической секции размещена текстильная застежка, причем верх и одна из боковых сторон - «петля» 75, а низ и другая боковая сторона - «крючок» 76. Дополнительно цилиндрическая секция содержит фиксаторы 77 типа замок-пряжка в количестве восьми штук. Отдельные элементы 72, 73 выполнены на основе поролона 78 заданной расчетной толщины, размещенной в оболочке из пылевлагонепроницаемой ткани Oxford. Для полного прилегания цилиндрической секции к наружной поверхности КГЧ она снабжена опоясывающими ремнями 80.
На фиг.9 показан резистивный элемент 81 в виде токопроводящей ткани, который содержит по основе силовые электроды 82 из мишурных нитей, тепловыделяющие полосы 83 из комплексных тепловыделяющих нитей 84 и изоляционные зоны 85 из массива электроизоляционных нитей, а по утку изоляционные зоны 86 и токораспределительные электроды 87 из мишурных нитей, равномерно удаленные друг от друга и перекрещивающиеся с силовыми электродами 82, комплексными тепловыделяющими 84 и электроизоляционными нитями изоляционной зоны 85. Для образования заданной коммутационной схемы токораспределительные электроды 87, размещенные в массиве электроизоляционных нитей изоляционной зоны 85, перерублены (на чертеже зона вырубки 88) с чередованием то с одной, то с другой стороны полосы 83 из комплексных тепловыделяющих нитей 84. На законцовки электродов припаивают пластинку 89 из медной фольги, облущенной оловом.
На фиг.10 показана активная секция 90 цилиндрического пояса ТЧ. По своей структуре указанная секция в основном идентична пассивной секции за исключением того, что поролон 78 сдублирован с двумя слоями 91 пенополиэтилена, между которыми размещен резистивный элемент 81. На законцовки 89 силовых и токораспределительных электродов 82, 86 припаяны шнуры питания 92, которые пропущены через массу многослойного пакета, отдельный элемент и каждая отдельная секция по образующей параллельно или последовательно соединенные между собой электрическими соединителями. Все электрические соединители размещены в чехле 93 из пылевлагонепроницаемой ткани Oxford.
На фиг.11 представлены вариантные наполнения термочехлов для различного назначения, например медицинский коврик 94 для детей и взрослых (отличается габаритами и размерами), накидки на автомобильные сиденья съемные 95 (устанавливаются на сиденье автомобиля и могут удаляться на летнее хранение) и несъемные 96 (скрепляют с поролоном сиденья автомобиля и помещения под стационарный чехол), чехлы для трубопроводов 97.
Испытания разработанного многослойного пакета в виде многосекционного для обеспечения требуемой температуры воздуха под ГО при транспортировке собранного РН из монтажно-испытательного комплекса (далее по патенту МИК) на транспортно-установочном агрегате на стартовый комплекс (далее по патенту СК), установке и эксплуатации в предстартовый период показали положительные результаты, практически совпадающие с расчетными. При этом необходимо отметить, что: вес изделия с системой управления и контроля температуры - не более 200 кг; потребляемая мощность - от 9,8 до 10,0 кВт; напряжение питания 32 В; температура внутреннего объема ГО при температуре окружающей среды -25°С составляла от +10 до +15°С.
Разработанная конструкция многослойного многосекционного пакета с электроподогревом может также использоваться в качестве системы термостатирования:
- в космической отрасли для обогрева головных обтекателей ракет-носителей;
- в топливно-энергетической отрасли для обогрева резервуаров (стационарных цистерн, железнодорожных цистерн) любой емкости с содержанием дизельного топлива и мазута, эксплуатируемых в жестких климатических условиях;
- в автомобильной отрасли для обогрева различных узлов автомобиля (картер двигателя, бочок омывателя ветрового стекла, подогрев сидений);
- в строительной отрасли для обогрева изделий из бетона (фундаментные блоки, мостовые опоры и т.д.) в зимнее время года;
- в медицинской промышленности для локального обогрева различных частей человеческого тела в процессе реабилитации.
Использование разработанного многослойного пакета в качестве термочехла позволит обеспечить функцию термостатирования для КГЧ как в летний период времени (пассивные термочехлы), как и в зимний период времени (активный электротермочехол).
Таким образом, предложенное новое техническое решение в указанной совокупности существенных признаков соответствует критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.