ТЕПЛОКОМБИНЕЗОН ВОДОЛАЗА

Полезная модель относится к области подводной техники, может быть использована также для обогрева людей при низких температурах окружающей среды без риска переохлаждения организма.
Работа водолаза в условиях низких температур, относится к экстремальным видам деятельности человека. Проблема сохранения тепла тела водолаза весьма актуальна, однако все виды отечественной теплозащитной одежды водолазов морально устарели. Для создания современного теплозащитного комбинезона необходимо учитывать особенности процессов системы «человек - теплокомбинезон - окружающая среда».
Известен гидрокостюм водяного обогрева (патент RU №2094311, МПК B64C 11/28), состоящий из наружного и внутреннего комбинезонов, имеется система распределения теплоносителя, выполненная в виде трубок, закрепленных на размещенном в центре груди водолаза коллекторе с образованием четырех ветвей, охватывающих тело. Коллектор выполнен в виде корпуса с соосно установленным в нем регулятором подачи теплоносителя, выполненным с ограничителем поворота. В корпусе коллектора образованы подводящий и распределительный нагнетательные каналы, объединенные полостью нагнетания, и отводящий и всасывающий каналы, объединенные полостью всасывания, при этом обе полости образованы в регуляторе и сообщены между собой каналом. Наружный комбинезон снабжен размещенными на сапогах сливными клапанами.
Недостатком известного гидрокостюма является невозможность работы его в системы обогрева по замкнутому циклу и неравномерность обогрева водолаза, а также невозможность создания теплового комфорта водолаза, сложность управления системой водяного обогрева.
Известна индивидуальная система активной теплозащиты человека на море (патент RU №2182096, МПК B63C 11/28), содержащая гидрокомбинезон с размещенными в нем теплораспределительными каналами и замкнутый циркуляционный контур теплоносителя, включающий в себя теплообменник, соединенный трубопроводом с теплораспределительными каналами гидрокомбинезона, насос с электроприводом, подключенный к автономному источнику электроэнергии. Последний выполнен в виде батареи химических источников тока, преимущественно электрохимической системы магний - вода. В эту батарею встроен упомянутый теплообменник. Замкнутый циркуляционный контур теплоносителя снабжен устройством регулирования подачи теплоносителя в гидрокомбинезон, состоящим из двух вентилей и дополнительного теплообменника, омываемого морской водой. Один из этих вентилей установлен на трубопроводе теплоносителя, а второй вентиль и дополнительный теплообменник соединены последовательно и образуют линию, подключенную к замкнутому циркуляционному контуру теплоносителя параллельно теплораспределительным каналам гидрокомбинезона.
К недостаткам такой системы следует отнести ограничение перемещений водолаза, наличие соединений трубопроводов и как следствие низкая надежность, сложность управления обогревом в гидрокомбинезоне.
Известен водолазный обогреваемый костюм (патент SU №1448582, МПК B63C 11/28), содержащий два гидроизоляционных слоя, охватывающих тело водолаза, штуцера подвода жидкости в полость между слоями, источник энергии, с целью повышения комфорта водолаза при одновременном снижении энергозатрат на его обогрев, он снабжен тепловыделяющим слоем, расположенным между гидроизоляционными слоями и выполненным в виде водопроницаемой ткани с закрепленными на ней гибкими электронагревателями, электрически связанными с источником энергии.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность использования теплопередачи от жидкости к водолазу из-за малой односторонней теплоотдачи от них. Устройство не обеспечивает равномерности прогрева
Наиболее близким аналогом является электрообогреваемый водолазный костюм (патент №2072939, МПК B63C 11/28, H05B 3/36), выполненный из материала, способного удерживать тепло, и содержащий электронагревательные элементы, размещенные в герметичных секциях-пакетах из водонепроницаемого эластичного электроизоляционного материала, которые равномерно закреплены на поверхности костюма с зазором между собой, герметичные секции - пакеты снабжены пластинами из пористого материала толщиной 2-4 мм, между которыми расположен электронагревательный элемент, при этом пластины из пористого материала пропитаны термоаккумулирующим диэлектриком, а зазор между секциями составляет 2-3 мм, а термоаккумулирующий диэлектрик выполнен на основе парафина с температурой фазового перехода 35-38°C.
Недостатком этого костюма является быстрое охлаждение нагревательных элементов при отключении электроэнергии в аварийных ситуациях и, как следствие, быстрое переохлаждение водолаза, снижается подвижность водолаза.
Наиболее близким аналогом является терможилет (www.dieve.ru), использующий в качестве нагревательного элемента тепловолокно, а также встроенную систему терморегуляции и термоотключения, что частично исключает возможность перегрева водолаза, даже если условия эксплуатации были нарушены. Использование текстильной технологии при создании тепловолокон делает их мягкими, что позволяет располагать их у самого тела без дополнительной изоляции.
Питание жилетки осуществляется от аккумулятора, выполненного в виде плоского блока, который размещается прямо в карманах жилетки, т.е. под гидрокостюмом. Под гидрокостюмом находится и блок управления жилетом с одной большой кнопкой, которую легко нажать сквозь костюм, даже если на руки надеты толстые перчатки.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность использования нагревательных элементов из-за их локального размещения только в нагрудной и наспинной частях жилетки, что приводит к неравномерности разогрева тела водолаза и, как следствие, к неравномерности кровоснабжения, а следовательно, увеличивается вероятность возникновения декомпрессионной болезни.
Наиболее близким техническим решением, которое может быть принято в качестве прототипа, является жилет для работы в воде (патент АС №650489, МПК B63C 11/28) содержащий нагрудную, наспинную и набрюшную части из гибкого многослойного материала, между загерметизированными и электрически заизолированными слоями, которого вмонтированы нагревательные элементы с электродами, присоединенные свинцовым токопроводом к источнику тока, каждый из нагревательных элементов выполнен в виде плоской гибкой пластины с нанесенными на поверхности последней электропроводящим покрытием, при этом свинцовый токопровод установлен между загерметизированными и электрически заизолированными слоями гибкого многослойного материала, а нагрудная и наспинная части выполнены с наплечными ремнями.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность использования нагревательных элементов из-за малой локальной теплоотдачи от них, что приводит к неравномерности разогрева тела водолаза и как следствие к неравномерности кровоснабжения, и следовательно, увеличивается вероятность возникновения декомпрессионной болезни.
Размещение электрообогреваемых элементов увеличивает объем водолазной одежды и ухудшает подвижность водолаза.
Основная цель создание равномерного поля разогрева водолаза, комфортного существование человека в различных суровых экстремальных условиях, безопасных условий работы человека под водой, обеспечения нормальной работы водолаза на разных глубинах, увеличение времени работы водолаза под водой без риска его жизни в условиях пониженных температур окружающей среды, повышение удобства в эксплуатации, снижение пожароопасности нагревательных элементов.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание зональной электрообогреваемой водолазной одежды, которая надевается непосредственно на термобелье водолаза, для исключения перекоса в температурном балансе, с высокой функциональной надежностью, возможностью ступенчатого регулирования нагрева частей тела водолаза в зависимости от температуры воды при погружении. Это позволит создать оптимальное температурное поле нагрева тела водолаза и повысить эффективность использования нагревательных элементов, выполненных из тепловолокна и размещенных на поверхности эластичной ткани, что обеспечивает плотное прилегание водолазной одежды к телу водолаза, которое предотвращает потерю тепла.
Технический результат достигается тем, что в нагрудную и наспинную части обогреваемого жилета с внутренней стороны вставлены гибкие нагревательные пластины, выполненные из провода, изготовленного из тепловолокна, а руки и ноги водолаза обогреваются адаптированными съемными дополнительными секциями гибких нагревательных пластин с вмонтированными термодатчиками для различных частей тела человека, устанавливаемых при необходимости, что обеспечивает многофункциональность и зональность температурного поля электрообогреваемого теплокомбинезона.
Нагревательные элементы располагаются децентрализовано, т.е. со смещением, что позволяет подключать его ступенчато с учетом создания зонального адаптивного обогрева и имеют встроенную систему терморегуляции и термоотключения, что полностью исключает возможность перегрева, даже если условия эксплуатации были нарушены.
Охлаждение организма в воде протекает интенсивнее, чем на воздухе. Расчеты показали, что теплоотдача организма в воде в 22.6 раза больше чем на воздухе. Кроме факторов увеличенной теплоотдачи с поверхности тела человека за счет большой теплопроводности воды, появляется эффект неравномерного обжатия конечностей тела водолаза. Неравномерность гидростатического давления, действующего на водолаза, приводит к увеличению сопротивления току крови в нижних конечностях. Поэтому к ногам поступает меньше крови, чем к верхним частям тела. В результате ноги быстро охлаждаются, появляется чувство общей усталости. Нарушение кровообращения в ногах особенно сильно проявляется, когда наряду с неравномерным давлением имеют место повышенное парциальное давление кислорода и низкая температура воды, так как оба эти фактора вызывают сужение кровеносных сосудов. Дальнейшее охлаждение организма проходит через поясницу и спину и, наконец, наступает во всем теле. При дальнейшем пребывании под водой появляются озноб, мышечная дрожь, непроизвольная зевота и т.д., при этом у водолаза постепенно падает температура тела. Делая вывод из полученных данных следует говорить о зональном теплокомбинезоне, свойства которого позволяют учитывать разные температуры поверхности тела человека.
Максимальная температура гибкой нагревательной пластины, выполненной из тепловолокна, не превышает плюс 38°C, а в случае перегорания (повреждения) электрического провода (тепловолокна), она не возгорается, что повышает пожаро- и взрывобезопасность устройства в целом.
Создание равномерного (без резких перепадов) температурного поля обогрева водолаза осуществляется применением съемных дополнительных секций гибких нагревательных пластин, устанавливаемых при необходимости, что обеспечивает многофункциональность и зональность температурного поля электрообогреваемого теплокомбинезона. Ядро нагревательных пластин может имеет форму в виде желаемого рисунка. В гибких нагревательных пластинах, тепловолокно выкладывается зигзагообразно или горизонтально, с использованием по крайней мере двух электрических проводников соединенных параллельно, что повышает надежность обогрева в процессе эксплуатации.
Для регулирования прогрева теплокомбинезона гибкие нагревательные пластины могут подключаться ступенчато и группами, в зависимости от температуры окружающей среды, что существенно снижает затраты энергии на обогрев водолаза до заданной температуры и позволяет максимально использовать тепловую энергию электронагревателей для нагрева.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованиям новизны
Сущность полезной модели поясняется на чертеже фиг. 1, фиг. 2 и фиг 3.
Теплокомбинезон водолаза состоит из нагрудной 1 и наспинной 2 частей обогреваемого жилета 3 под подклад которого вставлены гибкие нагревательные пластины 4, выполненные из провода, изготовленного из тепловолокна, а руки и ноги водолаза обогреваются адаптированными съемными дополнительными секциями нагревательных элементов для различных частей тела человека 5, 6, 7, 8 устанавливаемых при необходимости, что обеспечивает многофункциональность и зональность температурного поля электрообогреваемого теплокомбинезона.
Съемные дополнительные секции гибких нагревательных пластин для верхних конечностей содержат гибкие нагревательные пластины для обогрева дельтовидных мышц 5 и гибкие нагревательные пластины для обогрева предплечий 6, для нижних конечностей дополнительные нагревательные секции включают гибкие нагревательные пластины для обогрева бедер 7 и дополнительные гибкие нагревательные пластины для обогрева икр ног 8.
Размещение гибких нагревательных пластин 4, выполненных из провода, изготовленного из тепловолокна, для дополнительных съемных секций показано в соответствии с фиг. 2. Кроме гибких нагревательных пластин 4 в дополнительных секциях нагревательных элементов устанавливаются, датчики температуры 1 и соединительные колодки 2, позволяющие при необходимости включать или отключать дополнительные съемные секции 5, 6, 7, 8, обеспечивая многофункциональность и зональность температурного поля электрообогреваемого теплокомбинезона. Система "липучек" позволяет плотно закрепить дополнительные съемные секции на верхних и нижних конечностях водолаза.
Провода из тепловолокна могут быть размещены двумя параллельными или зигзагообразными линиями, что повышает надежность обогрева в процессе эксплуатации.
Питание жилета 3 и дополнительных съемных секций 5, 6, 7, 8 осуществляется от аккумулятора 9 (литий-ионной полимерной батареи), выполненного в виде плоского блока, который размещается прямо в карманах жилета (фиг. 1), чтобы закрепить положение аккумулятора 9 в кармане используется клапан (не показан) закрываемый на "липучке", чтобы закрыть внутренние карманы. Все это размещается под гидрокостюмом.
Размещение аккумуляторных батарей 9 на боковых поверхностях жилета 3 гарантирует, что аккумуляторы 9 не мешают водолазу при работе. Например, внешние карманы для аккумуляторов 9 могут быть размещены более вперед для удобства водолаза. Размещение батареи аккумуляторов 9 также предусматривает легкий доступ к ним. Например, водолаз может использовать одну руку, чтобы легко удалить аккумуляторные батареи. Следует отметить, что аккумуляторы 9 могут быть размещены там, где это необходимо.
Аккумуляторные батареи 9, соединены проводами с гибкими нагревательными пластинами 4, подключены к блоку управления обогревом (не показан).
Под гидрокостюмом находится и блок управления обогревом жилета 3 и съемными дополнительными секциями нагревательных пластин 5, 6, 7, 8 с кнопкой управления режимами обогрева (на фиг. 1 не показан). Предварительная зарядка аккумулятора 9 осуществляется с помощью зарядного устройства от сети 220 V при нахождении на суше (на фиг. 1 не показано). После включения гибких нагревательных пластин 4, подогрев работает не непрерывно, а только в случае необходимости.
В обогреваемом жилете 3 предусмотрены внутренние полости (карманы), закрываемые клапанами на "липучках", для размещения нагрудных 1 и наспинных 2 гибких нагревательных пластин 4.
Съемные дополнительные секции нагревательных элементов, изготовлены из эластичных материалов с вшитыми нагревательными проводами (тепловолокном) и закрепляются на теле водолаза с помощью "липучек" 3 (фиг. 2) и соединяются с аккумуляторными батареями с помощью коммутационных колодок 2.
Гибкие нагревательные пластины 4, в том числе и съемные дополнительные секции нагревательных элементов, выполнены из четырех слоев, расположенных в следующей последовательности (сверху вниз) в соответствии с фиг. 3:
- первый слой 1 - предназначен для интенсивной передачи тепла к телу водолаза, а также обеспечивает плотное прилегание нагревательных пластин к обогреваемой поверхности, достаточно тонкая часть первого слоя нагревательных элементов обеспечивает минимальный тепловой зазор;
второй слой 2 - слой с размещенными нагревательными элементами, которые могут подключаться ступенчато и группами, на этом же слое размещаются датчики температуры 2 (фиг. 2) гибких нагревательных пластин 4;
третий слой 3 - защитный изолирующий слой, с малой теплопроводностью и высокой проницаемостью для теплового излучения;
четвертый слой 4 - отражающий слой размещен с наружной стороны гибкого нагревательного элемента. Отражающая поверхность слоя сопряжена непосредственно с материалом изолирующего слоя, например, путем наложения металлической фольги на изолирующий слой способом вакуумного испарения. Этот слой предназначен для уменьшения теплопередачи тепла от нагревательного элемента к внешней среде, с размещением по его периметру заземляющего контура (на рисунке не показан).
Использование адиабатической прокладки обеспечивает удержание тепла и увеличивает выделение тепловых лучей гибкими нагревательными пластинами.
Свойства каждого из слоев гибкой нагревательной пластины в совокупности позволяют обеспечить заявленный технический результат.
Тепловолокно в съемных дополнительных секциях гибких нагревательных пластин 4 размещено в основном горизонтально. Горизонтальный характер размещения тепловолокна приводит к более эффективному нагреванию водолаза. В частности, горизонтальное размещение тепловолокна в гибких нагревательных пластинах 4 создает более равномерное температурное поле, чем другие конфигурации размещения тепловолокна. Тепловолокно вшито во внутренний слой гибких нагревательных пластин 4.
Таким образом, нагревательные пластины из тепловолокна не только являются мягкими, легкими и гибкими, но и абсолютно безопасны с точки зрения возможности поражения электротоком и пожароопасности.
Теплокомбинезон водолаза работает следующим образом.
Жилет со съемными дополнительными секциями одевается как можно ближе к нательному белью.
При подаче напряжения на гибкие нагревательные пластины жилета 3 и (или) дополнительные съемные секции 5, 6, 7, 8 электрический ток проходит через тепловолокно, размещенное в дополнительных секциях гибких нагревательных пластин, они нагреваются до расчетной температуры, тем самым нагревательный элемент выделяет тепло для обогрева водолаза.
Гибкие нагревательные пластины жилета 3 и съемных дополнительных секции 5, 6, 7, 8 при нагреве обеспечивают оптимальное температурное поле нагрева тела водолаза. Плотное прилегание водолазной одежды к телу водолаза предотвращает потерю тепла, обеспечивая поддержание постоянной температуры в водолазной одежде.
Децентрализованное размещение гибких нагревательных пластины 4 обеспечивают возможность ступенчатого регулирования нагрева частей тела водолаза в зависимости от температуры воды при погружении. Создание равномерного (без резких перепадов) температурного поля обогрева водолаза осуществляется применением съемных дополнительных секций гибких нагревательных пластин жилета 3 и съемных дополнительных секции 5, 6, 7, 8, устанавливаемых при необходимости, что обеспечивает многофункциональность и зональность температурного поля электрообогреваемого теплокомбинезона. Ядро нагревательных пластин может имеет форму в виде желаемого рисунка.
При достижении заданной температуры нагрева жилета 3 или дополнительных съемных секций 5, 6, 7, 8 срабатывают датчики температуры 1 (фиг. 2) и отключаются дополнительные съемные секции 5, 6, 7, 8, обеспечивая многофункциональность и зональность температурного поля электрообогреваемого теплокомбинезона.
Под гидрокостюмом находится и блок управления обогревом жилета 3 и съемными дополнительными секциями нагревательных пластин 5, 6, 7, 8 с кнопкой управления режимами обогрева (на фиг. 1 не показан).
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить зональность температурного поля обогрева и повысить эффективность использования гибких нагревательных пластин 4 за счет эффективной теплоотдачи от них и увеличения теплообменной поверхности.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в том, что применение обогреваемого жилета 3 и съемных дополнительных секций нагревательных пластин 5, 6, 7, 8 такой конструкции позволяет обеспечить лучший термический контакт между двумя средами и соответственно повысить коэффициент полезного действия гибких нагревательных пластин 4.
Повышение КПД устройства для обогрева водолаза достигается тем, что в конструкции теплокомбинезона для создания дополнительных поверхностей теплообмена применены дополнительные секций нагревательных пластин, что позволяет существенно увеличить площадь зонального температурного поля, обеспечивая создание более комфортного существование человека в различных суровых экстремальных условиях.
Достигается эффективное использование теплоты выделяемой нагревательными пластинами, улучшаются экономические и экологические условия работы человека под водой, обеспечивая нормальную работу водолаза на разных глубинах, увеличение времени работы водолаза под водой без риска для его жизни в условиях пониженных температур окружающей среды, повышается удобство эксплуатации водолазного снаряжения, снижается пожароопасность нагревательных элементов.
Технический результат: с учетом физиологии теплообмена человека создание специальных условий работы человека, а также более полное и эффективное использование теплоты выделяемой нагревательными элементами, повышается физическая активность водолаза в климатических условиях, в которых предполагается ее эксплуатация.
Данный вариант теплокомбинезона водолаза отличается мобильностью процесса одевания за счет применения застежек на "липучках". Очень удобен при вынужденном длительном пребывании на холоде. Это касается таких профессий, как водолазы, буровики, нефтяники, газовики, сотрудники ГАИ, военнослужащие, охранники и др. Используется спортсменами - экстремалами, охотниками и рыболовами.