СТЕЛЬКА ДЛЯ ОБУВИ С ПОДОГРЕВОМ

Полезная модель относится к согревающим многослойным изделиям, используемым без нагревательных элементов для индивидуального обогрева ног и защиты их от переохлаждения в процессе ходьбы.
Известно устройство для обогрева ног при ходьбе, представляющее собой ботинок с греющей подошвой и источником энергии, размещенном во внутренней полости каблука (патент США № 5956866, по кл. МПК A43B 7/02, опуб. 28.09.1999 г.). В греющую подошву вмонтированы электрические тепловыделяющие элементы. Источником энергии являются батареи питания, размещенные в корпусе внутри каблука и связанные с электрическими тепловыделяющими элементами при помощи токопроводов, вмонтированных в подошву. Корпус закрывается специальной заслонкой, которая изолирует его от попадания влаги и грязи.
Недостатками этого решения является потребность в индивидуальном источнике питания, низкая электробезопасность, а также сложность монтажа устройства. При монтаже источника питания в каблук могут возникнуть проблемы функционирования устройства ввиду вероятного попадания воды и грязи. Кроме этого, в случае нарушения изоляции, смонтированных в подошве электрических тепловыделяющих элементов или токопровода, существует опасность поражения ступни ноги электрическим током.
Известно устройство для обогрева ног при ходьбе, которое представляет собой ботинок, содержащий греющую стельку с установленными на ней нагревательными элементами и токопроводами, подошву и корпус, в котором находится генератор электрической энергии (патент РФ № 2122818, по кл. МПК А43В 7/02, опуб. 10.12.1998 г.). Корпус смонтирован внутри полого каблука. Под подошвой и корпусом установлена нажимная опора, несущая на себе приводной механизм к генератору электрической энергии. Он включает рабочие собачки и направляющие, размещенные в стойках и контактирующие верхними торцами с пружинами. Рабочие собачки взаимодействуют с храповым колесом, сидящим на валу и сочлененным с барабаном. Внутри барабана находится спиральная пружина, связанная с валом. Нажимная опора защищена от попадания пыли и грязи эластичным чехлом. При ходьбе или беге человек надавливает своим весом на нажимную опору. В результате этого происходит движение всех взаимосвязанных элементов и вырабатывается электрическая энергия, которая по токопроводам передается электрическим нагревательным элементам, вмонтированным в стельку.
Основным недостатком этого устройства является невысокий КПД преобразования механической энергии в электрическую, характерный для такого рода механизмов. Кроме этого, устройство имеет низкую надежность в работе, поскольку в условиях ударных и вибрационных нагрузок, которые характерны для процесса ходьбы или бега, используются электрогенератор, прецизионные храповые передачи и барабан со спиральной пружиной.
Наиболее близким к заявляемой является многослойная стелька с подогревом (см. патент РФ на полезную модель № 213812, МПК А43В 7/00, опуб. 29.09.2022 г). Стелька представляет собой многослойное изделие, которое содержит скреплённые между собой верхний, нижний и средний слои с подложками, расположенными на внешних поверхностях среднего слоя, замкнутые полости, заполненные выделяющими тепло материалом. Замкнутые полости расположены в среднем слое и отделены друг от друга гибкой силиконовой перегородкой, а в качестве выделяющего тепло материала стелька содержит барокалорийный материал, подложки представляют собой пластину с размещёнными на ней вплотную друг к другу конусообразными элементами давления, вершины которых ориентированы в сторону среднего слоя, при этом на внешней поверхности нижнего слоя расположен термоаккумулирующий слой из силиконового полимера.
К недостаткам известной конструкции относится невозможность перемешивания гранул барокалорийного материала, что приводит его к спрессованию при длительном использовании.
Технической проблемой полезной модели является разработка стельки для обуви с подогревом, обеспечивающей повышение срока эксплуатации.
Техническим результатом полезной модели является увеличение срока эксплуатации за счёт возможности перемешивания гранул барокалорийного материала во время ходьбы.
Для достижения заявляемого технического результата в стельке для обуви с подогревом, содержащей скреплённые между собой верхний, нижний и средний слои с подложками, расположенными на внешних поверхностях среднего слоя, в котором образованы замкнутые полости, отделенные друг от друга гибкой силиконовой перегородкой и заполненные барокалорийным материалом, нижняя подложка представляет собой пластину с размещёнными на ней вплотную друг к другу конусообразными элементами давления, вершины которых ориентированы в сторону среднего слоя, на внешней поверхности нижнего слоя расположен термоаккумулирующий слой из силиконового полимера, согласно полезной модели, верхняя подложка представляет собой пластину с размещёнными на ней на расстоянии друг от друга пикообразными элементами давления, каждый из которых имеет головку в виде конуса, древко и основание, выполненные в виде двутавра, вершины пикообразных элементов давления ориентированы в сторону среднего слоя, при этом основание каждого последующего пикообразного элемента давления повернуто относительно предыдущего на 90°.
Расстояние между пикообразными элементами давления составляет 2 мм. Головка и древко каждого пикообразного элемента выполнены высотой по 1 мм, а основание выполнено шириной и длиной по 0,6 мм. Барокалорийный материал выполнен из гранул мелкокристаллического порошка гидросульфата аммония диаметром не более 1,5 мм.
Элементы давления выполнены из полидициклопентадиена.
Пластина нижней подложки выполнена толщиной 1 мм с конусообразными элементами давления, выполненными из полиамидного полимера, при этом каждый из конусообразных элементов давления выполнен диаметром основания 2 мм и высотой 2 мм.
Стелька может дополнительно содержать на внешней поверхности термоаккумулирующего слоя теплоизолирующий слой.
Толщина среднего слоя составляет 5, 6 мм.
В качестве материала верхнего и нижнего слоя может быть использовано, например, полиэфирное нетканое полотно с антибактериальной пропиткой; гибкие перегородки замкнутых полостей могут быть изготовлены, например, из силикона.
Барокалорийный материал может быть выполнен из сегнетоэлектриков, например, гидросульфатов (NH4HSO4) и триглицинсульфатов, в частности из гранул мелкокристаллического порошка гидросульфата аммония диаметром не более 1,5 мм.
Известен также материал на основе фазовых переходов – Rb2KTiOF5 - кристалл, испытывающий фазовый переход сегнетоэластической природы (см. Теплоемкость, фазовая T-1.5pt--0.5ptp-диаграмма и структура Rb2KTiOF5 / В. Д. Фокина, И. Н. Флеров, М. С. Молокеев [и др.] // Физика твердого тела. – 2008. – Т. 50. – № 11. – С. 2084-2092]).
Таким образом, заявляемая многослойная согревающая стелька выполнена из материала с фазовым переходом (МФП).
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлено:
на фиг. 1 – внешний вид стельки;
на фиг. 2 – разрез по линии А-А;
на фиг. 3 – разрез по линии Б-Б;
на фиг. 4 – внешний вид пикообразного элемента давления.
На фиг. 2-4 позициями обозначено:
1 – верхний слой,
2 – нижний слой,
3 – средний слой,
4 – подложки,
5 – замкнутые полости (герметичные сегменты),
6 – гибкие перегородки,
7 – гранулы из порошкового барокалорийного материалы,
8 – конусообразные элементы давления,
9 – пикообразные элементы давления,
10 – термоаккумулирующий слой,
11 – теплоизолирующий слой,
12 – головка пикообразного элемента давления,
13 – древко пикообразного элемента давления,
14 – основание пикообразного элементов давления в виде двутавра.
Стелька содержит (см. фиг. 1, 2) скреплённые между собой верхний слой 1, нижний слой 2 и средний слой 3. На внешних поверхностях среднего слоя расположены подложки 4, а средний слой 3 содержит замкнутые полости (герметичные сегменты) 5, отделенные друг от друга гибкой силиконовой перегородкой 6. Полости заполнены барокалорийным материалом в виде гранул 7 диаметром не более 1,5 мм. Нижняя подложка представляет собой пластину с размещёнными на ней вплотную друг к другу конусообразными элементами давления 8, вершины которых ориентированы в сторону среднего слоя. Верхняя подложка представляет собой пластину с размещенными на ней пикообразными элементами давления 9, вершины которых ориентированы в сторону среднего слоя. При этом каждый пикообразный элемент давления 9 выполнен в виде головки 12, древка 13 и основания 14, выполненных в виде двутавра (фиг. 4).
Основание 14 каждого последующего пикообразного элемента давления повернуто относительно предыдущего на 90° (фиг. 3).
На внешней поверхности нижнего слоя 2 расположен термоаккумулирующий слой 10 из силиконового полимера, на внешней поверхности которого может быть размещён для дополнительной теплоизоляции теплоизолирующий слой 11, в качестве которого может быть использована, например, алюминизированная пленка.
При этом, термоаккумулирующий слой 10 может быть выполнен из силиконового полимера (например, на основе этиленвинилацетата).
Предлагаемая стелька для обуви с подогревом функционирует следующим образом.
Нагревание стельки осуществляется при ходьбе при периодическом надавливании стопы силой F (см. фиг. 2) через верхний слой специального материала 1 и элементы давлении 8 и 9, расположенные на верхней и нижней внутренних поверхностях сегментов, на гранулы барокалорийного материала 7, размещенные в герметичных сегментах 5. За счет барокалорического эффекта давление, оказываемое на гранулы 7 конусообразными 8 и пикообразными 9 элементами давления, превышает давление стопы в несколько раз, что приводит к выделению тепла, избыток которого аккумулируется в термоаккумулирующем слое 10. При снятии давления стопы (силы F, см. фиг. 2) гранулы барокалорийного материала 7, захваченные основаниями головки 12 пикообразных элементов давления 9, перемещаются из средних в верхние уровни среднего слоя, тем самым осуществляя перемешивание барокалорийного материала и исключая его спрессование при длительном и интенсивном (при беге) использовании.
Средняя величина давления, определяемая как частное от деления массы человека на площадь стопы, действующая на поверхность стельки при ходьбе, составляет 0,4…0,6 кг/см 2; (то есть, примерно 50 кПа). Известно, что основная нагрузка стопы приходится на пяточную кость - около 33%, что составляет 16,5 кПа от средней величины давления, и головки плюсневых костей - 40%, что составляет 20 кПа, следовательно, замкнутые полости под этими областями будут претерпевать наибольшую деформацию при длительной эксплуатации. При периодическом надавливании через верхний слой и элементы давления на гранулы барокалорического материала, размещенные в герметичных сегментах (замкнутых полостях), с течением времени гранулы истираются и измельчаются в порошкообразное состояние, что приводит к снижению барокалорического эффекта и сокращению срока службы данного слоя.
Для увеличения срока службы стельки конструкция верхней подложки изменена с конусообразных элементов на пикообразные с основанием в виде двутавра. Пикообразные элементы давления расположены друг от друга на расстоянии 2 мм, общая высота их составляет 2 мм. Головка 12 пикообразных элементов 9 представляет собой конус с высотой и основанием 1 мм, древко 13 пикообразных элементов высотой 1 мм, основание 14 шириной и длиной 0,6 мм.
Такая форма пикообразных элементов позволяет при давлении на поверхность стельки, с последующим сжатием среднего слоя, захватывать гранулы барокалорийного материала из нижних и средних уровней среднего слоя, в пространство между основанием конусной головки 12 и древком 13 пикообразных элементов. При снятии нагрузки, т.е. подъёма стопы от поверхности, средний слой разжимается, а захваченные гранулы, расположенные в пространстве оснований пикообразных элементов, перемещаются в верхние уровни среднего слоя, тем самым осуществляя постоянное перемешивание материала. Такое перемешивание позволяет увеличить срок службы изделия, т.к. при постоянных нагрузках исключается полное измельчение гранул в порошок, что способствует сохранению барокалорического эффекта.
Форма основания 14 в виде двутавра выполняет две функции. Первая заключается в том, что такая конфигурация основания позволяет лучше удерживать гранулы в пространстве между соседними пикообразными элементами давления. Вторая – это повышение жесткости конструкции пикообразных элементов давления, т.к. оказываемое давление (~50 кПа) способно деформировать сам элемент давления, если он будет иметь цилиндрическое или прямоугольное основание.
Поворот на 90 градусов каждого последующего пикообразного элемента давления относительно предыдущего позволяет равномерно перемешивать гранулы барокалорийного материала, тем самым создавая однородный тепловой поток в процессе длительной эксплуатации, а также такое расположение позволяет в целом увеличить жесткость подложки и, как следствие, стельки, исключая её деформирование.
Кроме того, такая форма обеспечивает легкость конструкции, т.е. снижение ее массы без потери жесткости. Поэтому в качестве материала пикообразных элементов давления с основанием в форме двутавра выбран материал полидициклопентадиен, который позволяет повысить жесткость и, как следствие, увеличить срока эксплуатации таких элементов давления.
3
Отметим, что полидициклопентадиен - это новый тип материала, который может заменять металл, стеклопластик и ряд полимеров в силу своих уникальных свойств. Полидициклопентадиен имеет низкую плотность - 1,03 г/см, высокую ударопрочность, которая сохраняется при низких температурах (до минус 600 С), высокую химическую и термическую стабильность в широком диапазоне рабочих температур и высокую устойчивость к воздействию агрессивных сред, а также стойкость к ультрафиолету, воде, бензо-маслостойкость (в частности, прочность при растяжении 46 МПа, прочность на изгиб 80 МПа, твердость по Роквеллу HRC 115), практически нет ограничений по размерам и толщине изделий [Та Куанг Кыонг, В.Г. Бондалетов, В.И. Куцук Физико-механические свойства композиций полидициклопентадиена с хлорированным поливинилхлоридом // Вестник ТвГУ. Серия «Химия». 2017. № 2. С. 33–38; Куцук, В. И. Изнашивание полидициклопентадиена в условиях сухого трения / В. И. Куцук, Д. Ю. Герман, М. К. Заманова // Химия и химическая технология в XXI веке: материалы XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени профессора Л.П. Кулёва, посвященной 120-летию Томского политехнического университета, Томск, 17–20 мая 2016 года. Томск: НИТПУ, 2016. – С. 548-549.]. Кроме того, материал легко обрабатывается, склеивается и окрашивается.
Макет стельки для обуви с подогревом изготовлен из прошитого прорезиненного брезента по форме стопы в виде закрытой емкости размерами 260×70×12 мм, разделенного дополнительными швами по длине и ширине на четыре отдельных сегмента. По виду элементы давления представляют собой плоскую пластину толщиной порядка 1 мм с размещёнными на ней для нижней подложки вплотную друг к другу конусами с диаметром основания 2 мм и высотой 2 мм, для верхней подложки на расстоянии 2 мм друг от друга пикообразны элементы высотой 2 мм. Сегменты внутри между элементами давления заполнены барокалорийным материалом – гранулами мелкокристаллического порошка гидросульфата аммония (NH4HSO4) диаметром не более 1,5 мм, причем величина его слоя 5, 6 мм; а суммарное количество для заполнения всех четырех сегментов порядка 87 г. На нижнюю сторону макета стельки для обуви установлен плоский термоаккумулирующий слой толщиной 1,5 (мм) из этиленвинилацетата и алюминизированная пленка.
Таким образом, подбором типа и формы элементов давления (количество, площадь контактирования), обеспечивается длительное использование стельки, с сохранением достаточной температуры для обогрева ног и защиты их от переохлаждения в процессе ходьбы или бега (без образования конденсата внутри обуви), что решает поставленную техническую проблему заявленной полезной модели.
Таким образом, предлагаемая форма элементов давления (сочетание нижней конусообразной подложки с верхней пикообразной с двутаворм), выбор их размеров и специального материала элементов давления обеспечивают длительную эксплуатацию стельки за счет повышения жесткости конструкции.
Заявляемая многослойная согревающая стелька удовлетворяет условиям изделий, использующих материалы с фазовым переходом, а именно соответствует температурам, совместимым с хорошим самочувствием человека. В изделии отсутствует токсичность, оно не подвержено коррозии, отсутствует гигроскопичность.