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 греющую стельку, внутри которой имеется герметичная камера из эластичного материала, заполненная жидкостью (а.с. СССР № 1777790, по кл. МПК A43B 7/02, опуб. 12.11.1992 г.). Камера разделена на носочную и пяточную части, между которыми установлен дроссельный элемент. Она выполнена из резинокордного материала с утолщенными боковыми стенками и снабжена каркасным элементом в виде упругих жгутиков. При ходьбе попеременно нагружаются то пяточная, то носочная части камеры. В результате этого жидкость перетекает внутри стельки вперед и назад, выделяя тепло на дроссельном элементе.
Основными недостатками этого устройства для обогрева являются его низкая надежность и небольшой ресурс работы, которые обусловлены большим давлением, оказываемым ступней ноги на камеру стельки, и перегибами стенок камеры, возникающими в процессе ее периодической деформации.
Известно также устройство для обогрева ног при ходьбе, представляющее собой ботинок с греющей подошвой и источником энергии, размещенным во внутренней полости каблука (патент США № 5956866, по кл. МПК A43B 7/02, A43B 23/00, 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.
Известен ряд устройств, служащих для подогрева обуви, выполненных в виде стельки и включающих аккумулятор, электрические компоненты: нагревательные элементы, термостаты, устройства включения-выключения, при этом подключение устройств осуществляется механическим способом, а аккумулятор, связанный со стелькой посредством длинного провода, крепится или на голени, или на внешней стороне обуви, или помещается в карман пользователя (см. патент EP 1962024 «Auf Basis erneuerbaber Energietraeger arbeitendes Warmwasser-und Heizungssystem», дата подачи 26.02.2007 г., опубликовано 27.08.2008 г.; патент CN №2219606 «Electrothermal sole», дата публикации 1407.07.2003 г.; патент WO 2008006731 «Heater Device For Footwear Goves And The Like», дата приоритета 13.07.2006 г., опубликовано 7.01.2008 г.; патент CN №201199990 «Heating shoes», дата подачи 27.04.2001 г., опубликовано 20.08.2002 г.) Кроме того, известны стельки с подогревающим элементом Therm-ic Thermic-Sole Perform» (http://www.skimaster.ru) или «Thermosoles Rechargeable yeated insoles» (http://www.verseo.com/thermosoles.html), выполненные из полимерного материала, нагревательные элементы располагаются по всей ступне, при этом каждая стелька имеет свой блок управления, который крепится на голени или на внешней стороне ботинка, а механический (ручной) выключатель позволяет регулировать уровень подогрева.
Известно устройство для подогрева обуви в виде стельки, представляющее собой многослойную конструкцию, включающую верхнюю и нижнюю части, которые изготовлены из полимерного материала и снабженными защитными вставками из текстильного волокна. Между частями, верхней и нижней, размещены аккумулятор, связанный с устройством для подключения к внешнему источнику питания, и электрическая плата с электрическими компонентами, в состав которых входят устройство включения-выключения, термодатчик, транзисторы, нагревательные элементы - резисторы, светодиод (см. патент EP 2215918 «Electrical heated insoles for footware and control heating system for electrical insoles for footware», дата приоритета 23.01.2010 г.; дата публикации 11.08.2010 г.).
Недостатки приведенных известных конструкции обусловлены, прежде всего, дороговизной, необходимостью механического (ручного) запуска устройства в работу (включения - выключения), выполнением зарядки аккумулятора и сушки стельки с обязательным извлечением стельки из обуви.
Кроме того, запуск в работу подобных устройств осуществляется или механическим путем, или с помощью дистанционного управления - пульта.
Указанные конструкции не позволяют контролировать и регулировать температурный режим внутри обуви, так как функционирование происходит только при механическом включении, при этом нагрев осуществляется при участии всех нагревательных элементов - резисторов в том температурном интервале, который заранее задан.
Известна стелька с подогревом (см. патент РФ № 2700761, МПК А47В 7/34, 19.02.2016 г), содержащая слой с микрокапсулами из материала с фазовым переходом, имеющие температуру затвердевания в интервале от 18 до 23°C, а температураплавления составляет от 24 до 32°C. При этом стелька является элементом обуви.
Основным недостатком такой стельки является её цельнокройность с обувью.
Наиболее близкой к заявляемой является многослойная стелька с подогревом, нагрев которой осуществляется за счет химической реакции (см. патент РФ № 65756, МПК А61F 7/00, 27.08.2007 г.). Стелька представляет собой многослойное изделие, которое содержит три скрепленных между собой слоя, средний из которых изготовлен из двух гидрофильных газопроницаемых подложек, имеющих параллельные продольные и поперечные швы с образованием замкнутых полостей, заполненных сухим порошкообразным абсорбционным материалом, поглощающим влагу, запах и выделяющим тепло. Нагрев осуществляется за счёт химической реакции, т.е. без использования специальных нагревательных элементов.
К недостаткам известной конструкции относится невозможность корректировки температуры и ограниченное время использования.
Технической проблемой полезной модели является разработка многослойных стелек с подогревом, обеспечивающих комфортные условия и длительные сроки эксплуатации.
Техническим результатом является расширение арсенала многослойных стелек с подогревом, обладающих возможностью корректировки температуры за счет использования барокалорического эффекта.
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, замкнутые полости, заполненные выделяющими тепло материалом, согласно полезной модели,  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.
Стелька может дополнительно содержать на внешней поверхности термоаккумулирующего слоя теплоизолирующий слой.
Толщина среднего слоя составляет 5-6 мм. Пластина подложки выполнена толщиной порядка 1 мм с конусообразными элементами давления диаметром основания 2 мм и высотой 2 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; а элементы давления, например, конусообразной формы из полиамидного полимера.
4
4
Барокалорийный материал может быть выполнен из сегнетоэлектриков, например, гидросульфатов (NHHSO) и триглицинсульфатов, в частности из гранул мелкокристаллического порошка гидросульфата аммония диаметром 0,5-3 мм.
2
5
Известен также материал на основе фазовых переходов - RbKTiOF - 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. 2 - разрез по линии А-А
на фиг. 2 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 материала,
8 - элементы давления,
9 - термоаккумулирующий слой,
10 - теплоизолирующий слой.
Стелька содержит (см. фиг. 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 0,5-3 мм. Подложки представляют собой пластину с размещёнными на ней вплотную друг к другу конусообразными элементами давления 8, вершины которых ориентированы в сторону среднего слоя. На внешней поверхности нижнего слоя 2 расположен термоаккумулирующий слой 9 из силиконового полимера, на внешней поверхности которого может быть размещён для дополнительной теплоизоляции теплоизолирующий слой 10, в качестве которого может быть использована, например, алюминизированная пленка.
При этом термоаккумулирующий слой 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, 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, конусообразными элементами давления 8, превышает давление стопы в несколько раз, что приводит к выделению тепла, избыток которого аккумулируется в термоаккумулирующем слое 9.
Оценим величину тепловыделения в предлагаемой конструкции стельки при ходьбе - то есть, при периодическом надавливании через верхний слой и элементы давления на гранулы барокалорийного материала, размещенные в герметичных сегментах (замкнутых полостях).
2
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; (то есть, примерно 0,5 МПа).
2
2
При превышении теплопродукции над теплоотдачей на величину, более чем на 2 Вт, микроклимат человека оценивается как нагревающий. В холодных климатических условиях - в том числе, зимой, для поддержания температуры тела человека на постоянном уровне физиологические механизмы системы терморегуляции организма  обеспечивают увеличение теплопродукции и уменьшение теплопотерь. Теплопродукция является результатом обмена веществ и энергии в организме вследствие экзотермических химических и биохимических реакций. Изменение теплопродукции осуществляется сокращением или расслаблением скелетных мышц (ведущий механизм выделения тепла), а также - повышением или снижением уровня метаболизма в тканях организма. При мышечных сокращениях большая часть вырабатываемой энергии (до 70…80%) переходит в тепло. Кроме того, выделение тепла - теплопродукция - при физической работе может увеличиваться по сравнению с ее уровнем в состоянии покоя в среднем в  4…5 раз. На основе теплового баланса человека с окружающей средой физиологами рассчитано тепловыделение при ходьбе средним темпом (60…90 шагов в минуту), равное 94 Вт/м - при температуре окружающей среды до минус 35°С (см.  Индексы теплового комфорта: Учеб.-метод. пособие / А.Б. Сулин, Т.В. Рябова, А.К. Рубцов, А.А. Никитин; Под ред. А.Б. Сулина и Т.В. Рябовой. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 36 с.). В то же время теплоотдача от барокалорийного материала (например, при использовании материала с фазовым переходом) - см. Электрокалорический и барокалорический эффект в некоторых сегнетоэлектрических гидросульфатах и триглицинсульфате / В.С. Бондарев, А.Н. Втюрин, А.С. Крылов, Е.М. Колесникова // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. - 2012. - № 5(45). - С. 152-155; Барокалорический эффект в области структурного фазового перехода в оксифториде Rb2KTiOF5 / М.В. Горев, И.Н. Флеров, Е.В. Богданов [и др.] // Физика твердого тела. - 2010. - Т. 52. - № 2. - С. 351-357) - в зависимости от величины действующего давления - находится в пределах 100…4000 Вт/м.
Проведенные специалистами в области физики твердого тела исследования барокалорического эффекта позволяют сделать заключение о том, что внешнее давление является довольно эффективным инструментом изменения энтропии и температуры соединений с фазовыми переходами. В частности, оказалось, что для кристалла NH4HSO4 достаточно давления всего лишь 40 МПа для реализации гигантского изменения температуры ~18 К (см. Калорические эффекты в ферроиках и мультиферроиках. Михалева Е.А., Флеров И.Н. ФГБУН Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН. Красноярск. 2013 - 40 с.).
4
4
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 размещенными на ней вплотную друг к другу конусами с диаметром основания 2 мм и высотой 2 мм.Сегменты внутри между элементами давления заполнены барокалорийным материалом - гранулами мелкокристаллического порошка гидросульфата аммония (NHHSO), причем величина его слоя между верхними и нижними элементами давления 5-6 мм; а суммарное количество для заполнения всех четырех сегментов порядка 85 г. На нижнюю сторону макета стельки для обуви установлен плоский термоаккумулирующий слой толщиной 1,5 мм из этиленвинилацетата  и алюминизированная пленка.
Проверка функционирования макета стельки для обуви с подогревом осуществлялась следующим образом. Бесконтактным термометром измерялась начальная температура наружной поверхности стельки Т=18°С. Далее на макет стельки для обуви через изолирующую прокладку испытуемый стоя наступал ногой в течение 3 мин, имитирую ходьбу средним темпом (60…90 шагов/мин), после чего повторно измерялась бесконтактным термометром наружная поверхность стельки, которая составила  Т=22°С; что свидетельствует о работоспособности предложенной авторами стельки для обуви с подогревом.
Таким образом, подбором типа и массы барокалорийным материалом, обеспечения требуемой величины давления при ходьбе на него через параметры элементов давления - (количество, геометрическая форма, площадь контактирования), геометрических размеров герметичных сегментов (замкнутых полостей) с барокалорийным материалом и термоаккумулирующего слоя можно обеспечить повышение температуры стельки на 4…6°С; что является минимально достаточным для обогрева ног и защиты их от переохлаждения в процессе ходьбы (без образования конденсата внутри обуви), а также возможность многоразового использования стельки для ног с подогревом, что решает поставленную техническую проблему заявленной полезной модели.
Таким образом, используемые в заявляемой стельке материалы обеспечивают эффективное сохранение комфортной температуры в течение длительного периода за счет создания для ноги наиболее хороших возможных условий на каждом ее участке как при переходе из тепла в холод, так и наоборот.
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.