вакуумное теплоизоляционное изделие

Формула изобретения

1. Вакуумное теплоизоляционное изделие, выполненное в виде вакуумированного плоского корпуса, отличающееся тем, что оно снабжено промежуточным опорным элементом, основание и крышка корпуса с внутренней стороны снабжены ребрами жесткости, которые своими выступами опираются на промежуточный опорный элемент, помещенный между ними, при этом ребра жесткости крышки корпуса смещены по отношению к ребрам жесткости основания корпуса так, что точки опоры ребер жесткости крышки корпуса на промежуточный опорный элемент располагаются между опорными точками ребер жесткости основания корпуса.

2. Изделие по п.2, отличающееся тем, что промежуточный опорный элемент выполнен в виде рамки с натянутой на нее сеткой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что промежуточный опорный элемент выполнен в виде сетки или ткани, изготовленной из волокон или нитей с применением трикотажного переплетения, обеспечивающего наибольшую беспрерывную длину нити, приходящуюся на единицу площади сетки или ткани.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что промежуточный опорный элемент выполнен в виде сетки или ткани, изготовленной с применением трикотажного переплетения, обеспечивающего наибольшее количество точечных контактов между нитями, приходящихся на единицу площади сетки или ткани.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что промежуточный опорный элемент выполнен в виде нескольких слоев высокопрочной сетки, ткани или пленочного материала.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус изделия выполнен с дополнительным ребром жесткости, охватывающим изделие по его большому периметру, при этом промежуточный опорный элемент закреплен в натянутом виде между верхней и нижней половинками корпуса.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ребра жесткости, размещенные по обе стороны промежуточного опорного элемента, выполнены в виде решеток с ячейками гексагональной или квадратной формы.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус изделия целиком или только по периметру помещен в материал, имеющий коэффициент теплопроводности ниже, чем материал корпуса.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ребра жесткости, размещенные по обе стороны промежуточного опорного элемента на крышке и основании корпуса выполнены в виде выступов, вдавленных внутрь корпуса.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что вдавленные внутрь корпуса выступы заполнены материалом, имеющим коэффициент теплопроводности ниже, чем у материала корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоизоляционным изделиям и предназначено для использования в строительстве, а также для теплоизоляции холодильников и различного промышленного оборудования.

Из применяемых в строительстве теплоизоляционных материалов высокими теплоизоляционными свойствами обладают пенопласты и легкие волокнистые материалы (1).

Однако подобные материалы не позволяют снизить теплопередачу без соответствующего увеличения толщины теплоизоляции.

Близки по техническому решению к предлагаемому изобретению различные виды теплоизоляции с применением вакуума, наиболее распространенный вид которой обычно выполняется в виде двойных жестких стенок, преимущественно из металла или стекла, с высоким вакуумом между ними (2).

Такой вид изоляции требует применения прочных жестких стенок, ограничивающих вакуумированное пространство. Это увеличивает массу и стоимость изделий, предназначенных для теплоизоляции больших поверхностей.

Известна теплоизоляция в виде вакуумированной полости, заполненной порошком, волокнами и др. дисперсными материалами, обладающими низкой теплопроводностью в вакууме (3). Недостаток подобной теплоизоляции заключается в том, что использование заполнителей не позволяет снизить удельную материалоемкость изоляции.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является изобретение по патенту DE 3900311, F 16 L 59/06, 12.07.90 (4), в котором теплоизоляционное изделие выполнено в виде вакуумированного плоского корпуса, заполненного волокнистым материалом. Кроме того, изделие имеет внутри промежуточные опоры в виде стержней, равномерно размещенных между плоскими стенками изделия. Их роль заключается в предотвращении смятия вакуумированного корпуса под действием атмосферного давления.

Основной недостаток данного изобретения заключается в относительно большом тепловом потеке, который передается через опорные элементы, установленные внутри изделия. Площадь суммарного поперечного сечения опор и соответственно передаваемый по ним тепловой поток оказываются большими. Это обусловлено тем, что опора, работающая на сжатие, может сохранить свою продольную устойчивость только при соответствующем моменте инерции поперечного сечения стержня. Следовательно, даже при оптимальной форме опор, например в виде тонкостенного цилиндра, сечение опор существенно уменьшить нельзя.

Цель предлагаемого изобретения - снизить удельную материалоемкость и стоимость вакуумной теплоизоляции с одновременным повышением ее теплоизоляционной эффективности.

Указанная цель достигается тем, что вакуумное теплоизоляционное изделие выполнено в виде вакуумированного плоского корпуса, оно снабжено промежуточным опорным элементом, а основание и крышка корпуса с внутренней стороны снабжены ребрами жесткости, которые своими выступами опираются на промежуточный опорный элемент, помещенный между ними, при этом ребра жесткости крышки корпуса смещены по отношению к ребрам жесткости основания корпуса так, что точки опоры ребер жесткости крышки корпуса на промежуточный опорный элемент располагаются между опорными точками ребер жесткости основания корпуса.

Промежуточный опорный элемент может быть выполнен в виде рамки с натянутой на нее сеткой.

Кроме того, промежуточный опорный элемент выполнен в виде сетки или ткани, изготовленной из волокон или нитей с применением трикотажного переплетения, обеспечивающего наибольшую беспрерывную длину нити, приходящуюся на единицу площади сетки или ткани, или в виде сетки или ткани, изготовленной с применением трикотажного переплетения, обеспечивающего наибольшее количество точечных контактов между нитями, приходящихся на единицу площади сетки или ткани.

Промежуточный опорный элемент может быть выполнен в виде нескольких слоев высокопрочной ткани, сетки или пленочного материала.

Корпус изделия может быть выполнен с дополнительным ребром жесткости, охватывающим изделие по его большому периметру, а промежуточный опорный элемент закреплен в натянутом виде между верхней и нижней половинками корпуса.

Ребра жесткости, размещенные по обе стороны промежуточного опорного элемента, могут быть выполнены в виде решеток с ячейками гексагональной или квадратной формы.

Корпус изделия целиком или только по периметру может быть помещен в материал, имеющий коэффициент теплопроводности ниже, чем материал корпуса.

Ребра жесткости, размещенные ко обе стороны промежуточного опорного элемента на крышке и основании корпуса, могут быть выполнены в виде выступов, вдавленных внутрь корпуса, которые заполнены материалами, имеющими коэффициент теплопроводности ниже, чем у материала корпуса.

На фиг.1 представлен общий вид вакуумного теплоизоляционного изделия, на фиг. 2 - его поперечный разрез и схема действия сил на промежуточный опорный элемент, выполненный в виде прочной сетки, ткани или пленки, на фиг.3 показано взаимное положение промежуточного опорного элемента и корпуса изделия, а также опоры, равномерно размещенные по обеим сторонам сетки, посредством которых внешнее давление передается на промежуточный опорный элемент, на фиг.4 и 5 изображены варианты сочетания обычных теплоизоляторов с вакуумным теплоизоляционным изделием, на фиг.6 и 7 представлены примеры переплетения волокон или нитей сетки, используемой в промежуточном опорном элементе теплоизоляционного изделия, на фиг.8 показан вариант выполнения опор в виде решеток с выступами на их ребрах для передачи усилия на промежуточный опорный элемент (сетку или ткань).

Основные детали и узлы изделия: 1 - корпус, 2- несущая рамка промежуточного опорного элемента, 3 - заклепки, соединяющие детали рамки, 4 - промежуточный опорный элемент в виде сетки, ткани или пленки, 5 - опоры, размещенные по обе стороны промежуточного опорного элемента, 6 - сварочный или клееный шов, герметизирующий корпус, 7 - металлизированная пленка или фольга, 8 - материал с низкой теплопроводностью, в который замоноличен корпус вакуумного изделия, 9 - обрамление корпуса из материала с низкой теплопроводностью, охватывающее корпус изделия по периметру, 10- вариант выполнения опор, заполненных снаружи теплоизоляционным материалом (фиг.5).

Вакуумированный плоский корпус 1 противостоит атмосферному давлению P (фиг. 2) вследствие того, что нагрузка на корпус изделия от воздействия внешнего давления передается на промежуточный опорный элемент 4 через опоры 5. Как видно на фиг. 2, растягивающие усилия Т₁ в элементах сетки на ее большей части взаимно компенсируются и только усилия Т₂ на периферийных участках сетки передаются на рамку промежуточного опорного элемента либо непосредственно на периметр корпуса.

Такое решение позволяет свести толщину стенок корпуса изделия до минимума, при этом корпус способен противостоять атмосферному давлению, так как внешнее давление равномерно воспринимается опорами и передается ими на промежуточный опорный элемент, работающий на растяжение.

Промежуточный опорный элемент, то есть сетка или ткань, изготавливается из высокомодульных полимидных, арамидных, углеродных, стеклянных или базальтовых волокон или другого прочного материала с невысокой теплопроводностью.

В отдельных случаях промежуточный опорный элемент может быть изготовлен из высокопрочной металлизированной пленки. Обычная толщина металла, наносимого на материалы методом вакуумного напыления, не превышает 0,1 мкм, поэтому вклад напыленного покрытия в общую теплопроводность изделия весьма незначителен.

Теплопередача через изделие уменьшена за счет того, что тепловой контакт между противолежащими опорами сведен до минимума, определяемого сеточной структурой промежуточного опорного элемента и его высокими механическими и теплофизическими свойствами. В конечном итоге механическая связь между противоположными стенками корпуса изделия осуществляется через последовательные точечные контакты, существующие между волокнами сетки или ткани. Известно, что контактное тепловое сопротивление между волокнами сетки или ткани в вакууме очень велико.

Промежуточный опорный элемент 4 закрепляется в натянутом виде на несущей рамке 2, которая закладывается при сборке внутрь изделия (фиг.1). Возможен вариант выполнения изделия, когда промежуточный опорный элемент выполняется без рамки и закрепляется непосредственно между снованием и крышкой теплоизоляционного изделия.

Если в промежуточном опорном элементе используют рамку 2, то она может быть литой, штампованной или собранной из отдельных однотипных деталей, скрепляемых заклепками 3, сваркой, пайкой или клеем, пригодным для работы в вакууме.

Для уменьшения теплопередачи за счет теплового излучения промежуточный опорный элемент помешают между слоями металлизированной пленки или фольги 7. Кроме того, может быть металлизирован материал сетки или ткани. С этой же целью внутренняя сторона стенок корпуса может иметь поверхность с высоким коэффициентом отражения теплового излучения.

Возможен вариант выполнения промежуточного опорного элемента в виде нескольких слоев сетки, ткани или пленки, перемещающихся в различных сочетаниях. В этом случае тепловое сопротивление промежуточного элемента возрастает за счет увеличения количества последовательных контактных тепловых сопротивлений между слоями материала.

Возможен вариант изделия, когда промежуточный опорный элемент в виде сетки изготовляют без несущей рамки, при этом сетка закрепляется в натянутом виде между верхней и нижней половинками корпуса.

Сетку промежуточного опорного элемента изготавливают из волокна или нитей с применением одного из видов трикотажного переплетения, обеспечивающего наибольшую беспрерывную длину нити, приходящуюся на единицу площади сетки или ткани. Возможен также вариант, когда для увеличения теплового сопротивления опорного элемента сетка изготовлена с применением переплетения с наибольшим количеством точечных контактов между различными нитями, приходящимися на единицу площади сетки.

Опоры 5 могут быть выполнены также в виде литых, штампованных или сборных решеток (фиг. 8). При этом промежуточный опорный элемент закрепляется в натянутом виде между решетками и вместе с ними устанавливается в корпус, при этом крышка и основание корпуса опираются на свободные стороны решеток. Стороны решеток, обращенные к промежуточному опорному элементу, имеют выступы для передачи усилия на сетку. Предпочтительно использовать решетки с гексагональной формой ячеек.

Опоры 5, располагаемые по обе стороны промежуточного опорного элемента могут быть выполнены заодно со стенками корпуса в виде штампованных или литых выступов, обращенных внутрь изделия.

Тепловой поток, обусловленный теплопроводностью твердотельных элементов конструкции, передается через вакуумированное изделие следующим путем: по материалу корпуса, далее по выступам к контактному переходу "выступ-материал сетки", далее по нитям сетки к следующему выступу, снова по переходу "материал сетки - выступ" и далее по корпусу тепло рассеивается на другой стороне теплоизоляционного изделия (фиг.2). Кроме того, часть теплового потока передается по твердому телу в местах соединения основания и крышки корпуса между собой по внешнему периметру издания.

Как видно из приводимых фиг.6 и 7, трикотажное переплетение увеличивает длину пути теплового истока по волокнам сетки так, что этот путь становится намного больше, чем прямое расстояние между двумя соседними выступами корпуса. Таким образом, основное тепловое сопротивление указанной цепи - это сопротивление, обусловленное теплопроводностью сетки, которое зависит от толщины и длины волокон, типа переплетения волокон, от количества контактных тепловых сопротивлении между волокнами, а также от теплофизических характеристик материала волокон.

Для снижения теплопередачи по стенкам изделия и удобства его монтажа в сборных конструкциях корпус может быть замоноличен целиком в оболочку 8 из материала с низкой теплопроводностью (фиг. 4) или из подобного материала может быть выполнено только наружное обрамление корпуса (поз.9 на фиг.5).

Материалом с низкой теплопроводностью могут быть заполнены также вдавленные в корпус выступы 10 (фиг.5).

Как известно, высокие теплоизолирующие свойства вакуумной теплоизоляции практически не зависят от размера вакуумного промежутка, начиная с толщины 3-5 мм. Чем ниже остаточное давление газа в вакуумной полости, тем меньше может быть расстояние между стенками вакуумной изоляции. Следовательно, заявляемое вакуумное теплоизоляционное изделие, обеспечивая высокую эффективность, характерную вообще для вакуумной изоляции, может иметь малую толщину, которая определяется лишь конструктивными особенностями ее элементов. Например, толщина закладных теплоизоляционных модулей строительного назначения, выполненных в соответствии с данной заявкой, может быть 25-30 мм при размере изделий в плане 0,5-1 м². При этом обеспечивается теплоизоляция стен, равноценная слою пенополистирола толщиной 250 мм.

В существующих холодильниках толщина изоляции из пенополистирола равна 40-50 мм. Толщина закладных модулей вакуумной теплоизоляции для холодильников может быть 10-15 мм. Малая толщина предлагаемой теплоизоляции холодильника обеспечит увеличение его полезного объема на 8-10% при сохранении внешних габаритов, а высокая эффективность вакуумной изоляции позволит снизить удельный расход электроэнергии на 25-40%.

Проведенные теплофизические и механические расчеты подтверждают, что устройство работоспособно и поставленная в изобретении цель достигается.

Источники информации.

1. Деменцов В. Н. Практическое применение высокоэффективного теплоизоляционного материала.

Строительные материалы, 1996, N6, c.18.

2. Архаров А.М. Беляков В.П. Микулин Е.И. и Др. Криогенные системы, М, Машиностроение, 1987, с.536.

3. Патент ЕР 184415 В1, F 16 L 59/08. 11.06.86.

4. Патент DE 3900311 Al, F 16 L 59/06, 12.07.90 - прототип.