Результат интеллектуальной деятельности: ВАКУУМНОЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЕ ИЗДЕЛИЕ (ВАРИАНТЫ)

Группа изобретений относится к области теплотехники, а конкретно к теплоизоляционным изделиям, и может быть использовано в качестве теплоизоляции, например, пассажирских и рефрижераторных вагонов, изотермических контейнеров, холодильников, теплоэнергетического и технологического оборудования.

Известно теплоизоляционное изделие, выполненное в виде вакуумированного плоского корпуса, заполненного волокнистым материалом. Изделие имеет внутри промежуточные опоры в виде стержней, равномерно размещенных между плоскими стенками изделия и имеющими коэффициент теплопроводности, меньший, чем коэффициент теплопроводности корпуса. Их роль заключается в предотвращении смятия вакуумированного корпуса под действием атмосферного давления [патент DE №3900311 A1, Е04В 1/80; F16L 59/065, 12.07.90, Vacuum heat insulations / Hensberg Friedrich].

Недостаток данного изобретения заключается в относительно большом тепловом потоке, который передается через опорные элементы, установленные внутри изделия. Площадь суммарного поперечного сечения опор и соответственно передаваемый по ним тепловой поток оказывается большим. Недостатком является также малая прочность корпуса из-за того, что опорные элементы не фиксируются жестко на корпусе.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является изобретение, выполненное в виде вакуумированного плоского корпуса, верхняя и нижняя стенки корпуса с внутренней стороны снабжены ребрами жесткости, которые опираются на промежуточные опорные элементы, помещенные между ними и выполненные в виде несущей рамки с натянутой на нее сеткой, при этом ребра жесткости верхней стенки корпуса смещены по отношению к ребрам жесткости нижней стенки корпуса [патент РФ на изобретение №2144595, МПК Е04В 1/80, F16L 59/06. Опубл. 20.01.2000, Бюл. №2 «Вакуумное теплоизоляционное изделие» / авторы Кокоев М.Н., Федоров В.Т.].

Недостатком данного изобретения является малая устойчивость промежуточных опорных элементов, что снижает прочность всего изделия.

Данное устройство выбрано авторами в качестве прототипа.

Техническим результатом данного изобретения является повышение прочности и эксплуатационной надежности изделия, за счет увеличения устойчивости промежуточных опорных элементов вакуумного теплоизоляционного изделия.

Технический результат достигается тем, что в вакуумном теплоизоляционном изделии, состоящем из вакуумированного плоского корпуса с верхней и нижней стенками, ребрами жесткости, выполненными на их внутренних сторонах, промежуточными опорными элементами, которые помещены между ребрами жесткости, верхняя, нижняя и боковые стенки выполнены единым целым, а их торцевые поверхности герметично соединены с торцевыми стенками, в любой из стенок корпуса выполнено по крайней мере одно отверстие для вакуумирования, которое герметизируется после окончания вакуумирования, на внутренних поверхностях верхней и нижней стенок выполнены ребра жесткости, которые равномерно распределены по ширине верхней и нижней стенок корпуса и размещены напротив друг друга, промежуточные опорные элементы выполнены с пазами, которыми зафиксированы на ребрах жесткости, соединены между собой перемычками, с обеих сторон которых закреплено по крайней мере по одному радиационному экрану, которые направлены отражающей поверхностью или в одну сторону, или в противоположные стороны, причем, промежуточные опорные элементы выполнены с соотношением толщины, длины и максимального расстояния между ними в диапазоне от 1:50:600 до 1:10:20.

Ребра жесткости перпендикулярны верхней и нижней стенкам, а пазы промежуточных опорных элементов коллинеарны ребрам жесткости.

Соседние ребра жесткости верхней стенки корпуса попарно наклонены друг к другу под углом φ от 20 до 70 градусов между ребрами и верхней стенкой корпуса, ребра жесткости нижней стенки корпуса расположены симметрично относительно плоскости, которая проходит между стенками корпуса коллинеарно им, а промежуточные опорные элементы перекрещены, попарно соединены между собой и параллельны соответствующим ребрам жесткости.

Технический результат также заключается в том, что вакуумное теплоизоляционное изделие, состоящее из вакуумированного плоского корпуса с верхней, нижней и боковыми стенками и промежуточных опорных элементов, которые помещены между верхней и нижней стенками, верхняя, нижняя и боковые стенки выполнены единым целым, а их торцевые поверхности герметично соединены с торцевыми стенками, в любой из стенок корпуса выполнено по крайней мере одно отверстие для вакуумирования, которое герметизируется после окончания вакуумирования, на внутренней поверхности верхней и нижней стенок корпуса выполнены пазы, в которых промежуточные опорные элементы зафиксированы с зазором, соединены между собой перемычками, с обеих сторон которых закреплено по крайней мере по одному радиационному экрану, которые направлены отражающей поверхностью или в одну сторону, или в противоположные стороны, причем промежуточные опорные элементы выполнены с соотношением толщины, длины и максимального расстояния между ними в диапазоне от 1:50:600 до 1:10:20.

На внутренней поверхности верхней и нижней стенок корпуса выполнены наклонные пазы, соседние пазы попарно наклонены друг к другу и выполнены с углом φ от 20 до 70 градусов между стенками наклонных пазов и верхней стенки корпуса, наклонные пазы нижней стенки симметричны наклонным пазам верхней стенки, а промежуточные опорные элементы без пазов попарно соединены между собой, перекрещены, коллинеарны соответствующим наклонным пазам, зафиксированы в наклонных пазах стенок корпуса.

Выполнение вакуумного теплоизоляционного изделия с фиксацией промежуточных опорных элементов на ребрах жесткости стенок корпуса повышает устойчивость промежуточных опорных элементов и прочность всего вакуумного теплоизоляционного изделия, которое в этом случае может служить несущей конструкцией.

Выполнение вакуумного теплоизоляционного изделия с заданным соотношением толщины (а), длины промежуточных опорных элементов (b) и расстояния между ними (с) обеспечивает необходимую прочность конструкции при минимуме суммарного потока теплоты через эти элементы. Подобранное расчетным путем из этого условия соотношение а:b:с находится в диапазоне от 1:50:600 до 1:10:20.

Выполнение вакуумного теплоизоляционного изделия с меньшим количеством сварных швов по сравнению с прототипом снижает вероятность разгерметизации вакуумированного корпуса и повышает его эксплуатационную надежность.

Выполнение соседних ребер жесткости верхней стенки корпуса попарно наклоненными друг к другу под углом от 20 до 70 градусов между ребрами и верхней стенкой корпуса, ребер жесткости нижней стенки корпуса, расположенных симметрично относительно плоскости, проходящих между стенками корпуса параллельно им, перекрещенных промежуточных опорных элементов попарно соединенными между собой в виде перекрестия и параллельными соответствующим ребрам жесткости, повышает прочность всего изделия за счет того, что перекрещенные промежуточные опорные элементы представляют собой конструкцию типа «ферма», которая при закреплении перекрещенных промежуточных опорных элементов на наклонных ребрах жесткости стенок корпуса составляет жесткие треугольники. Выбор угла наклона стенок перекрещенных промежуточных опорных элементов и наклонных ребер жесткости к стенкам корпуса в диапазоне от 20 до 70 градусов перекрывает диапазон оптимальных соотношений между прочностью изделия и его массой для различных областей применения изделий (например, к теплоизоляционному изделию, применяемому на транспорте, предъявляются повышенные требования к весу).

Выполнение вакуумного теплоизоляционного изделия с фиксацией промежуточных опорных элементов без пазов в пазах стенок корпуса также повышает устойчивость промежуточных опорных элементов без пазов, однако отсутствие ребер жесткости несколько снижает прочность верхней и нижней стенок корпуса, но при этом повышаются теплоизоляционные свойства изделия, так как при равной толщине увеличивается длина опор, что увеличивает их тепловое сопротивление. Отсутствие ребер жесткости также увеличивает тепловое сопротивление изделия, так как ребра жесткости выполняются из материала, например, алюминиевого сплава, с коэффициентом теплопроводности, большим, чем у промежуточных опорных элементов без пазов.

Выполнение вакуумного теплоизоляционного изделия с фиксацией перекрещенных промежуточных опорных элементов без пазов в наклонных пазах стенок корпуса повышает устойчивость промежуточных опорных элементов без пазов по сравнению с конструкцией, выполненной по третьему пункту формулы изобретения, за счет того, что перекрещенные промежуточные опорные элементы без пазов представляют собой конструкцию типа «ферма», которая при закреплении перекрещенных промежуточных опорных элементов без пазов в наклонных пазах стенок корпуса составляет жесткие треугольники, при этом также повышаются теплоизоляционные свойства изделия за счет большей длины стенок перекрещенных промежуточных опорных элементов без пазов. Жесткость конструкции вакуумного теплоизоляционного изделия по четвертому пункту формулы изобретения выше, чем конструкции вакуумного теплоизоляционного изделия по третьему пункту формулы изобретения, однако масса перекрещенных промежуточных опорных элементов при одинаковой толщине изделия больше, что является негативным фактором. Выбор угла наклона стенок перекрещенных промежуточных опорных элементов и наклонных ребер жесткости к стенкам корпуса в диапазоне от 20 до 70 градусов перекрывает диапазон оптимальных соотношений между прочностью изделия и его массой для различных областей применения изделий.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение корпуса вакуумного теплоизоляционного изделия; фиг. 2 - корпус вакуумного теплоизоляционного изделия, сечение А-А на фиг. 1; фиг. 3 - корпус вакуумного теплоизоляционного изделия, разрез Б на фиг. 1; фиг. 4 - поперечное сечение корпуса вакуумного теплоизоляционного изделия с ребрами жесткости, расположенными под углом к стенкам корпуса; фиг. 5 - корпус вакуумного теплоизоляционного изделия, разрез В на фиг. 4; фиг. 6 - поперечное сечение корпуса вакуумного теплоизоляционного изделия с пазами на внутренней поверхности стенок корпуса; фиг. 7 - корпус вакуумного теплоизоляционного изделия, разрез Г на фиг. 6; фиг. 8 - поперечное сечение корпуса вакуумного теплоизоляционного изделия с пазами на внутренней поверхности стенок корпуса, выполненными под углом к стенкам корпуса; фиг. 9 - корпус вакуумного теплоизоляционного изделия, разрез Д на фиг. 8.

Вакуумное теплоизоляционное изделие содержит верхнюю стенку корпуса 7, нижнюю стенку корпуса 2, боковые стенки корпуса 3, ребра жесткости 4, промежуточные опорные элементы 5, перемычки 6, радиационные экраны 7, торцевые стенки 8, отверстие для вакуумирования 9, пазы в промежуточных опорных элементах 10. Изделие может содержать наклонные ребра жесткости 11, перекрещенные промежуточные опорные элементы 12, промежуточные опорные элементы без пазов 13, пазы на внутренней поверхности верхней и нижней стенках корпуса 14, перекрещенные промежуточные опорные элементы без пазов 15, наклонные пазы 16 на внутренней поверхности верхней и нижней стенках корпуса.

Вакуумное теплоизоляционное изделие работает следующим образом. При помещении изделия в среду с различными значениями температуры вблизи верхней и нижней стенок корпуса между ними возникают следующие тепловые потоки: поток теплоты за счет теплопроводности через боковые стенки 3, поток теплоты за счет естественной конвекции внутри корпуса от более нагретых частей корпуса к менее нагретым его частям, радиационный поток теплоты от более нагретых частей корпуса к менее нагретым его частям и поток теплоты за счет теплопроводности через ребра жесткости 4 и промежуточные опорные элементы 5 (либо через наклонные ребра жесткости 11 и перекрещенные промежуточные опорные элементы 12, либо через промежуточные опорные элементы без пазов 13, либо через перекрещенные промежуточные опорные элементы без пазов 15). В предлагаемом устройстве величина тепловых потоков сводится к минимуму за счет следующих особенностей конструкции. Во-первых, снижение конвективных потоков теплоты происходит за счет вакуумирования корпуса до низких величин остаточного вакуума, которое становится возможным из-за герметичности корпуса, обеспечиваемой исполнением как единого целого верхней стенки 1, нижней стенки 2 и боковых стен 3 корпуса, неразъемного соединения с корпусом торцевых стен 8 и наличия отверстия 9, герметизируемого под вакуумом после вакуумирования корпуса. Во-вторых, снижение радиационных потоков теплоты за счет наличия с обеих сторон перемычек 6 нескольких или, по крайней мере, одного радиационного экрана 7, причем, экраны 7, располагаемые по обе стороны перемычек 6, ориентируются своей отражательной поверхностью либо в одну стороны (всегда более нагретую в процессе эксплуатации, например, при хранении криогенных жидкостей), либо в противоположные стороны. В третьих, снижение потока теплоты за счет теплопроводности, так как ребра жесткости 4 крышки и основания (или наклонные ребра жесткости 11) разделены между собой промежуточными опорными элементами 5 (или перекрещенными промежуточными опорными элементами 12), выполненными из материала с высокой прочностью, но малой теплопроводностью, например, текстолита. Длина элементов 5 или 12 при заданной их толщине выбирается максимально возможной из условия обеспечения заданной прочности конструкции.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает большей прочностью и эксплуатационной надежностью, что позволяет его использовать, например, в качестве стенок кузова пассажирского или рефрижераторного вагона.

Наклонные ребра жесткости 11 совместно с перекрещенными промежуточными опорными элементами 12 составляют треугольную конструкцию, обладающую большей устойчивостью, чем ребра жесткости 4 и промежуточные элементы 5, составляющие прямой угол с верхней стенкой 1 и нижней стенкой 2 корпуса. Кроме того, из-за наклона перекрещенных промежуточных опорных элементов 12 их длина увеличивается, следовательно, увеличивается их тепловое сопротивление.

Однако масса перекрещенных промежуточных опорных элементов 12 больше из-за их большей длины.

При исполнении изделия без ребер жесткости 4 (или ребер жесткости 11), но с пазами 14 (или с наклонными пазами 16), фиксирующими положение промежуточных опорных элементов без пазов 13 (или перекрещенных промежуточных опорных элементов без пазов 15), уменьшается тепловой поток за счет теплопроводности, так как теплопроводность материала промежуточных опорных элементов без пазов 13 (или перекрещенных промежуточных опорных элементов без пазов 15) меньше теплопроводности материала ребер жесткости 4. При этом снижается масса промежуточных опорных элементов без пазов 13 (или перекрещенных промежуточных опорных элементов без пазов 15) и упрощается их конструкция за счет отсутствия в них пазов 10. Однако при отсутствии ребер жесткости 4 снижается прочность и устойчивость верхней стенки 1 и нижней стенки 2 корпуса.

В предлагаемом устройстве прочность повышается за счет фиксации ребер жесткости 4 (или ребер жесткости 11) в пазах 10 промежуточных опорных элементов 5 (или перекрещенных промежуточных опорных элементов 12) или за счет фиксации выступов промежуточных опорных элементов без пазов 13 (или выступов перекрещенных промежуточных опорных элементов без пазов 15) в пазах 14 (или наклонных пазах 16).

Выполнение ребер жесткости 11 (или наклонных пазов 16) под углом к стенкам корпуса φ в диапазоне от 20 до 70 градусов и перекрещенных промежуточных опорных элементов 12 (или перекрещенных промежуточных опорных элементов без пазов 15) повышает устойчивость конструкции, однако увеличивает ее массу.

Предлагаемое вакуумное теплоизоляционное изделие позволяет получить высокий уровень прочности и эксплуатационной надежности, низкую величину эффективного коэффициента теплопроводности, а также использовать его в качестве несущих элементов, например стенок кузовов пассажирских и рефрижераторных вагонов, объединяя в них две функции: несущей бескаркасной конструкции кузова и теплоизоляции.