способ тепловой защиты, слоистая структура для его осуществления и защитный корпус из нее

Формула изобретения

1. Способ тепловой защиты, включающий создание внутреннего защищаемого объема и формирование вокруг него защитного барьера из слоистой структуры, состоящей из последовательно расположенных по меньшей мере трех слоев, из которых наружный слой выполнен ударожаропрочным, отличающийся тем, что промежуточный слой формируют из сухого огнеупорного пористоволокнистого материала, а внутренний слой формируют из пористо-волокнистого материала, пропитанного водосодержащим компонентом, или из водосодержащего геля.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наружный слой изготовляют из жаростойких металлов или композиционных материалов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пористо-волокнистого материала используют теплоизоляционный материал на основе минерального волокна.

4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что для формирования внутреннего слоя пористо-волокнистый материал пропитывают водой.

5. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что для формирования внутреннего слоя пористо-волокнистый материал пропитывают водосодержащим гелем.

6. Способ по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что внутренний слой с обеих сторон дополнительно покрывают защитной оболочкой.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что защитную оболочку выполняют из полимерного пленочного материала.

8. Слоистая структура для тепловой защиты, содержащая последовательно расположенные по меньшей мере три слоя, из которых наружный слой выполнен ударожаропрочным, отличающаяся тем, что промежуточный слой выполнен из сухого огнеупорного пористо-волокнистого материала, а внутренний слой - из того же пористо-волокнистого материала, пропитанного водосодержащим компонентом, или из водосодержащего геля.

9. Слоистая структура по п.8, отличающаяся тем, что промежуточный слой выполнен из теплоизоляционного материала на основе минерального волокна.

10. Слоистая структура по п.8, отличающаяся тем, что внутренний слой выполнен из пористо-волокнистого материала, пропитанного водой.

11. Слоистая структура по п.8, отличающаяся тем, что внутренний слой выполнен из пористо-волокнистого материала, пропитанного водосодержащим гелем.

12. Слоистая структура по п.8, отличающаяся тем, что внутренний слой выполнен из металла или композиционного материала.

13. Слоистая структура по п.8, отличающаяся тем, что внутренний слой с обеих сторон дополнительно снабжен защитной оболочкой.

14. Слоистая структура по п.13, отличающаяся тем, что защитная оболочка выполнена из полимерного пленочного материала.

15. Защитный корпус из слоистой структуры, содержащий внешний корпус, сформированный из наружного слоя, и размещенные внутри него по меньшей мере два слоя тепловой защиты, причем внешний корпус выполнен ударожаропрочным, отличающийся тем, что промежуточный слой выполнен из сухого огнеупорного пористо-волокнистого материала, а внутренний слой - из того же пористоволокнистого материала, пропитанного водосодержащим компонентом, или из водосодержащего геля.

16. Защитный корпус по п.15, отличающийся тем, что промежуточный слой выполнен из теплоизоляционного материала на основе минерального волокна.

17. Защитный корпус по п.15, отличающийся тем, что внутренний слой выполнен из пористо-волокнистого материала, пропитанного водой.

18. Защитный корпус по п.15, отличающийся тем, что внутренний слой выполнен из пористо-волокнистого материала, пропитанного водосодержащим гелем.

19. Защитный корпус по п.15, отличающийся тем, что наружный слой выполнен металлическим.

20. Защитный корпус по п.15, отличающийся тем, что внутренний слой с обеих сторон дополнительно снабжен защитной оболочкой.

21. Защитный корпус по п.20, отличающийся тем, что защитная оболочка выполнена из полимерного пленочного материала.

22. Защитный корпус по п.15, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным корпусом из слоистой структуры аналогичного строения, размещенным внутри основного корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам защиты внутренних объемов корпусов различного назначения от воздействия неблагоприятных условий окружающей среды, в том числе высоких температур, ударных нагрузок, статического давления и т.п., которые обычно возникают в аварийных ситуациях, и может быть использовано, например, при конструировании бортового оборудования транспортных средств (самолетов, локомотивов, судов, автомобилей), в частности, бортовых накопителей информации ("черных ящиков"), а также в производстве устойчивых к воздействию высокой температуры сейфов, кейсов, при строительстве огнеупорных перегородок зданий и т.п.

Известен способ защиты микроэлектронного оборудования от перегрева, заключающийся в том, что рабочий объем герметичного контейнера частично заполняют диэлектрической жидкостью, монтажные платы с полупроводниковыми кристаллами устанавливают в рабочем объеме в параллельных плоскостях выше уровня диэлектрической жидкости, а конденсатор выполняют в виде полой крышки и полых верхних частей боковых стенок герметичного контейнера, причем их полости сообщают между собой и соединяют с системой подачи и циркуляции охлаждающей жидкости (см. патент РФ N 2042294, H 05 К 7/20, H 01 L 25/04, 1995 г.). После включения нагревателей происходит закипание диэлектрической жидкости, конденсация ее паров на стенках конденсатора и формирование там же пленки жидкости, которая стекает по вертикальным стенкам контейнера, охлаждая полупроводниковые кристаллы и частично испаряясь на них. Такой способ защиты от перегрева основан на охлаждении устройства за счет конденсации жидкости на стенках рабочего объема. Однако для осуществления этого процесса охлаждающая жидкость подается в устройство с помощью трубопровода. Это существенно влияет на габариты устройства и усложняет его конструкцию, а также требует стационарной установки контейнера, что делает такую тепловую защиту неэффективной, например, для использования на транспортных средствах.

Известен способ тепловой защиты аппаратов и трубопроводов с помощью многослойной тепловой изоляции по патенту РФ N 2016348, F 16 L 59/00, выполненной в виде объемного пакета из основания и чередующихся слоев дискретных теплоизоляционных элементов, упорядоченных в слое, в которой слои основания выполняют из чередующихся слоев стеклоткани, прошитых попарно параллельными швами в пересекающихся направлениях, и металлической фольги, а теплоизоляционные элементы выполняют из высокопористой керамики. Однако такая многослойная тепловая изоляция может обеспечить тепловую защиту оборудования при температуре не выше 200-700^oC, что совершенно недостаточно для аварийных ситуаций, упомянутых выше.

Известен также способ защиты действующей электронной аппаратуры от воздействия окружающей среды, заключающийся в том, что плату с указанной аппаратурой устанавливают в чехол (корпус), который содержит как минимум два слоя стойкого к разрыву пластика, расположенных на противоположных сторонах металлического барьера, после чего плату герметизируют внутри указанного корпуса. При этом корпус выполняют в виде конструкции типа сандвича, т.е. многослойной, в которой каждый из слоев пластика, в свою очередь, содержит наружный и внутренний слои, причем первый из них выполняют из полиэтилена, а второй - из полиамида или полиэфира, а материал металлического барьера выбирают из группы, состоящей из алюминия, олова и сплавов, включающих алюминий и/или олово (см. заявку РФ на изобретение N 96121569/09, H 05 К 5/06, 1999 г. ). Однако использование такого защитного чехла (корпуса) не может обеспечить тепловую защиту электронных компонентов при повышенной температуре окружающей среды, например, до 1100^oC в аварийных ситуациях, так как материал наружного и внутреннего слоев (полиэтилен, полиамид) имеет температуру плавления не выше 200^oC, а температуры плавления алюминия и олова составляют, соответственно, 600 и 232^oC, то есть разрушение указанного чехла произойдет на первых минутах огневого воздействия.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ защиты от воздействия окружающей среды бортовых накопителей информации МСРП-12-96, МСРП-64-2 и МСРП-256, устанавливаемых на летательных аппаратах (см. , например, Михайлов О.И. и др. Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы. Ленинград, ОЛАГА, 1990 г., стр. 54-56), согласно которому аварийный накопитель информации (магнитное записывающее устройство) устанавливают в теплозащитный контейнер из слоистой структуры, имеющей три оболочки: ударожаропрочную, оболочку, поглощающую тепловую энергию, и теплоизоляционную. Обе последние оболочки представляют собой пассивную тепловую защиту, т. е. позволяют постепенно снижать температуру за счет низкой теплопроводности в течение относительно непродолжительного времени.

Наличие указанных оболочек в шаровом контейнере обеспечивает сохранность записи информации при воздействии ударной перегрузки до 1000 g и теплового удара до 1100^oC в течение 15 минут. Температура внутри контейнера при таком способе защиты достигает 250^oC. Однако этот способ защиты оказывается малоэффективным для применяемых в последние годы твердотельных бортовых накопителей информации, для которых такая температура слишком высока. Кроме того, защитный корпус для накопителя информации должен удовлетворять требованиям выдерживать температуру до 1100^oC в течение 30 минут на 100% его поверхности и ударные перегрузки до 3400 g. Указанный способ с применением только пассивной тепловой защиты оказывается также неэффективным и для сохранения от воздействия высоких температур деловых бумаг и денежных купюр внутри кейсов, сейфов и других объемов.

Изобретение решает задачу повышения эффективности защиты внутренних объемов различного назначения от воздействия окружающей среды, особенно от воздействия высоких температур, за счет использования материалов, обеспечивающих поддержание во внутреннем объеме постоянной заданной температуры в течение заданного времени.

Для этого согласно способу, включающему создание внутреннего защищаемого объема и формирование вокруг него защитного барьера из слоистой структуры, состоящей из последовательно расположенных по меньшей мере трех слоев, из которых наружный слой выполнен ударожаропрочным, промежуточный слой формируют из сухого огнеупорного пористо-волокнистого материала, а внутренний слой формируют из пористо-волокнистого материала, пропитанного водосодержащим компонентом, или из водосодержащего геля. При этом наружный слой изготовляют из жаростойких металлов или композиционных материалов, в качестве пористо - волокнистого материала используют теплоизоляционный материал на основе минерального волокна, а для формирования внутреннего слоя пористо-волокнистый материал пропитывают водой или водосодержащим гелем. Внутренний слой с обеих сторон дополнительно покрывают защитной оболочкой, которую выполняют из полимерного пленочного материала.

Слоистая структура согласно изобретению, содержащая последовательно расположенные по меньшей мере три слоя, из которых наружный слой выполнен ударожаропрочным, отличается тем, что промежуточный слой выполнен из сухого огнеупорного пористо-волокнистого материала, а внутренний слой - из того же пористо-волокнистого материала, пропитанного водосодержащим компонентом, или из водосодержащего геля. При этом промежуточный слой выполнен из теплоизоляционного материала на основе минерального волокна, а внутренний слой выполнен из пористо-волокнистого материала, пропитанного водой или водосодержащим гелем. Наружный слой слоистой структуры выполнен из металла или композиционного материала, а внутренний слой с обеих сторон дополнительно снабжен защитной оболочкой из полимерного пленочного материала.

Защитный корпус из слоистой структуры, содержащий внешний корпус, сформированный из наружного слоя, и размещенные внутри него по меньшей мере два слоя тепловой защиты, причем внешний корпус выполнен ударожаропрочным, отличается тем, что промежуточный слой в нем выполнен из сухого огнеупорного пористо- волокнистого материала, а внутренний слой - из того же пористо-волокнистого материала, пропитанного водосодержащим компонентом, или водосодержащего геля. При этом промежуточный слой выполнен из теплоизоляционного материала на основе минерального волокна, а внутренний слой выполнен из пористо-волокнистого материала, пропитанного водой или водосодержащим гелем. Наружный слой защитного корпуса выполнен металлическим, а внутренний слой с обеих сторон дополнительно снабжен защитной оболочкой из полимерного пленочного материала.

Защитный корпус может быть снабжен дополнительным корпусом из слоистой структуры аналогичного строения, размещенным внутри основного корпуса.

Сущность изобретения заключается в совместном использовании сухого и пропитанного водосодержащим компонентом слоев огнеупорного теплоизоляционного материала. Сухой теплоизоляционный материал за счет низкой теплопроводности позволяет постепенно снизить температуру окружающей среды при аварийной ситуации до некоторой величины. Напитанный водой или водосодержащим гелем, удерживаемый в порах материала капиллярными силами, этот материал служит своего рода резервуаром, содержащим воду, кипение которой, как известно, сопровождается поддержанием постоянной температуры, равной 100^oC. При однонаправленном тепловом потоке, бездействующем на защищаемый объект, кипение воды в материале происходит в тонком слое, а не во всей массе. При этом освободившийся после испарения жидкости слой материала начинает выполнять функцию дополнительной теплоизоляции, препятствуя проникновению тепла внутрь, замедляя тем самым процесс кипения и увеличивая время поддержания постоянной температуры, необходимой для сохранения защищаемого объекта, в частности, бортовых накопителей информации.

Изобретение поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 показана схематически слоистая структура для осуществления способа по изобретению; на фиг. 2 - конструкция защитного корпуса из слоистой структуры для размещения в нем, например, твердотельного бортового накопителя информации. Изобретение осуществляют следующим образом. Вокруг внутреннего объема 1, предназначенного для размещения в нем защищаемого объекта, формируют защитный барьер 2 из слоистой структуры, состоящей по меньшей мере из трех последовательно расположенных слоев: наружного слоя 3 для защиты от ударных нагрузок и непосредственного огневого воздействия, на внутренней поверхности которого размещают промежуточный слой 4 из сухого огнеупорного теплоизоляционного материала, обеспечивающий первичную (пассивную) тепловую защиту, и внутренний слой 5 из того же теплоизоляционного материала, но пропитанного водосодержащим компонентом и обеспечивающего вторичную, так называемую активную тепловую защиту.

В зависимости от области применения и вида защищаемого объекта защитный барьер 2 формируют в виде корпуса нужной конфигурации и размеров, перегородки или стенки.

Наружный слой 3 слоистой структуры выполняют из жаростойких противоударных материалов, например из металлов (титана или его сплавов, алюминия или его сплавов, стали и т.п.) или композиционных материалов на металлической или неметаллической основе (армированного стекла, стеклоткани, керамики).

Промежуточный слой 4 изготовляют из сухого огнеупорного пористо- волокнистого материала, например теплоизоляционного материала на основе минерального (муллитокремнеземистого) волокна по патенту РФ N 2127712, C 04 B 28/24, 1999 г., обладающего высокими огнеупорными свойствами (как показали исследования, материал не изменяет своих свойств до температур 1300^oC), низкой теплопроводностью и высокой пористостью материала, составляющей примерно 92% от общего объема. Может быть использован и другой огнеупорный пористо-волокнистый материал, например высокопористая керамика.

Внутренний слой 5 слоистой структуры размещают с внутренней стороны слоя 4 и формируют из того же пористо-волокнистого материала, что и слой 4, но напитанного водосодержащим компонентом до содержания в нем влаги не менее 80- 85% его объема (процентное содержание влаги определяется технологией процесса насыщения пористо-волокнистого материала). В качестве водосодержащего компонента используют воду или водосодержащие гели, полученные на основе водорастворимых полимеров растительного и животного происхождения, или синтетических, например, на основе сополимера акриловой кислоты аллилового эфира и пентаэритрита, или полиакриламида.

Для предотвращения преждевременного испарения воды слой 5 заключают в защитную оболочку 6, с обеих сторон охватывающую слой 5. Оболочку 6 при этом изготовляют из полимерного пленочного материала, например полиэтилена, который является наиболее термостойким из всех углеводородных полимеров, без дополнительного покрытия либо металлизированной. В последнем случае оболочка 6 будет выполнять также функцию экрана, отражающего тепловой поток.

Как вариант изготовления, слой 5 может быть также сформирован непосредственно из водосодержащего геля более густой консистенции, помещенного в защитную оболочку 6.

Защитный корпус согласно изобретению содержит внешний корпус, сформированный из наружного слоя 3 слоистой структуры, на внутренней поверхности которого, например, с помощью огнеупорного клея, размещены один за другим промежуточный слой 4, выполненный из сухого огнеупорного пористо-волокнистого материала, и внутренний слой 5 из того же огнеупорного пористо-волокнистого материала, но напитанного водосодержащим компонентом и заключенного в защитную оболочку 6 из металлизированной полиэтиленовой пленки либо из полиэтиленовой пленки без покрытия. С внутренней стороны слоя 5 установлен герметичный контейнер 7, охватывающий со всех сторон защищаемый объем, в котором могут быть закреплены микросхема твердотельного бортового накопителя информации или другое регистрирующее устройство. Контейнер 7 позволяет предохранить сохраняемый объект от влияния процесса парообразования.

Для повышения эффективности тепловой защиты защитный корпус может быть дополнительно снабжен второй слоистой структурой, размещенной внутри первой и имеющей аналогичное строение, т.е. содержащей наружный слой 8, выполненный, например, из нержавеющей стали, в виде промежуточного контейнера, и расположенные внутри него слой 9 из сухого теплоизоляционного материала и внутренний слой 10 из водонасыщенного теплоизоляционного материала, помещенный в защитную оболочку 11. В этом случае герметичный контейнер 7 устанавливается внутри второй слоистой структуры.

В момент наступления аварийной ситуации внешний корпус 3 устройства осуществляет защиту заключенного внутри него объекта от механических повреждений и ударных нагрузок. В то же время он подвергается огневому воздействию, температура которого может достигать более 1100^oC на 100% его поверхности. Скорость и температура прогрева корпуса при этом зависят от его массы и материала, из которого он изготовлен. При дальнейшем воздействии теплового потока происходит постепенное прогревание слоя 4 из сухого теплоизоляционного материала за счет его низкой теплопроводности. Одновременно температура слоя 5 из водонасыщенного теплоизоляционного материала повышается до критической температуры, при которой начинается процесс парообразования, температура в активном слое устанавливается равной 100^oC и остается стабильной до того момента, пока не будет израсходована вся жидкая фаза. Освободившийся после испарения жидкости слой материала начинает выполнять функцию теплоизоляции, препятствуя проникновению тепла внутрь корпуса. Если тепловое воздействие продолжается, через нагретый наружный слой 8 второй слоистой структуры начинает прогреваться слой 9 из сухого теплоизоляционного материала, и когда его температура достигает критической, начинается процесс парообразования во внутреннем слое 10 из водонасыщенного теплоизоляционного материала аналогично такому же процессу в первой слоистой структуре. Применение многослойной конструкции, т.е. повторение пассивного и активного слоев, позволяет обеспечить равномерное течение процесса испарения.

Таким образом, заявленный способ тепловой защиты с использованием слоистой структуры определенного строения, включающей последовательно размещенные слои из пористо-волокнистого материала, сухого и пропитанного водосодержащим компонентом, обеспечивает повышение эффективности защиты внутренних объемов различного назначения от воздействия высоких температур в течение заданного времени, позволяющего устранить аварийную ситуацию. Защитный корпус из слоистой структуры, предназначенный для использования, преимущественно, на различных транспортных средствах, позволяет наиболее эффективно защищать бортовые накопители информации от воздействия неблагоприятных условий окружающей среды (огневого воздействия, ударных нагрузок и статических перегрузок) и тем самым максимально сохранять записанные в них данные. А своевременное выявление момента и причины аварийной ситуации на транспорте позволит предотвратить повторение происшествий, связанных с техническими неполадками, что увеличит безопасность на транспорте и даст экономический эффект благодаря сбережению материальных ресурсов. Кроме того, такой защитный корпус может быть использован для сохранения ценных бумаг при пожаре, так как температура внутри защищаемого объема существенно ниже температуры горения бумаги. Для осуществления способа применяются экологически чистые негорючие материалы, что позволит в случае пожара в зданиях и сооружениях не только предотвратить проникновение огня в смежные помещения, но и сохранить человеческие жизни.