Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью
Полезная модель относится к изделиям, изготовленным с помощью энергии взрыва и предназначается для использования в криогенных, химических, энергетических установках и т.п.
Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью выполнен пятислойным и содержит верхнюю - фланцевую часть, центральную - в виде трубы и плоскую донную часть, наружный 1 и внутренний 2 слой экрана выполнены из меди, средний 3 - из алюминия, а расположенные между слоями меди и алюминия теплозащитные слои 4, 5 - из интерметаллидов системы алюминий-медь толщиной 15-20 мкм, все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом с последующим формированием теплозащитных интерметаллидных слоев термической обработкой, минимальный радиус округления r 1 в местах перехода от фланцевой части изделия к центральной цилиндрической, а также в местах перехода от центральной части к донной - r2 составляет (4-6)S, где S-суммарная толщина металлических слоев.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение теплозащитных свойств за счет сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев во всем объеме изделия, получение одинакового термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, обеспечение однородности материала, контактирующего с внутренней полостью изделия, повышение стойкости изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренней полости.
Полезная модель относится к изделиям, изготовленным с помощью энергии взрыва и предназначается для использования в криогенных, химических, энергетических установках и т.п.
Известна листовая конструкция теплозащитного элемента со сквозным внутренним каналом сложной формы для пропускания через него хладоносителя (Ю.П.Трыков, В.Г.Шморгун, Д.В.Проничев. Комплексные технологии изготовления композиционных теплозащитных элементов /Сварочное производство. 
6, 2000 г., С.40-43).
Недостатком данной конструкции является то, что теплозащитный интерметаллидный слой не является сплошным и образован лишь на межканальных (плоских) участках изделия, а на металлах, примыкающих к внутреннему каналу, теплозащитный слой отсутствует, внутренние полости изделия окружены разнородными материалами, поэтому теплообмен с окружающей средой неодинаков на разных участках изделия. Кроме того, эти изделия обладают повышенной склонностью к расслоению при динамических нагрузках, а это весьма ограничивает применение таких изделий в теплообменной аппаратуре.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция биметаллического теплообменника, в том числе из меди и алюминия, полученного локальной сваркой взрывом листов одинаковой толщины. В этой конструкции внутренние проходные каналы круглого профиля сформированы гидравлическим давлением в специальных приспособлениях. На межслойных границах высокотемпературным нагревом формируют диффузионные прослойки для снижения теплопередачи в поперечном направлении.
(Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий /Сварочное производство 6, 1998. С.34-37 - прототип).
Недостатком данной конструкции является то, что его теплозащитные слои сформированы лишь на межканальных участках изделия и отсутствуют на участках металлических слоев, контактирующих с внутренними каналами, термическое сопротивление на таких участках при направлении теплопередачи поперек слоев неодинаковое, при резких перепадах давления в жидкости теплоносителе, пропускаемой через внутренние каналы изделия, возможно разрушение изделия по хрупкой интерметаллидной прослойке, внутренние полости изделия контактируют с разнородными металлами, что снижает их коррозионную стойкость, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой, конструкции композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью сваркой взрывом со сплошными теплозащитными интерметаллидными слоями во всем объеме изделия, обеспечивающими его повышенные теплозащитные свойства, с одинаковым термическим сопротивлением при направлении теплопередачи поперек слоев, с однородным металлом, контактирующим с внутренней полостью изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления во внутренней полости изделия.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение теплозащитных свойств за счет сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев во всем объеме изделия, получение одинакового термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, обеспечение однородности материала, контактирующего с внутренней полостью изделия, повышение стойкости изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренней полости.
Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран выполнен пятислойным и содержит верхнюю - фланцевую часть, центральную - в виде трубы и плоскую донную часть, наружный и внутренний слой экрана выполнены из меди, средний - из алюминия, а расположенные между слоями меди и алюминия теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий-медь толщиной 15-20 мкм, все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом с последующим формированием теплозащитных интерметаллидных слоев термической обработкой, минимальный радиус скругления r1 в местах перехода от фланцевой части изделия к центральной цилиндрической, а также в местах перехода от центральной части к донной - r2 составляет (4-6) S, где S-суммарная толщина металлических слоев.
В отличие от прототипа теплозащитный экран выполнен пятислойным в виде стакана, содержащего верхнюю - фланцевую часть, центральную - в виде трубы и плоскую донную часть, при этом сплошность всех слоев сохраняется во всем объеме изделия. Предложенная форма теплозащитного экрана позволяет закреплять его и использовать на многих образцах химического и энергетического оборудования. Наличие пяти непрерывных слоев в изделии обеспечивает у него постоянное и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. Внутренний и наружный слои изделия выполняют из меди, что придает экрану повышенную прочность и коррозионную стойкость. Слой из алюминия, помимо создания дополнительного термического сопротивления, придает интерметаллидным прослойкам большую стойкость к хрупкому разрушению при резких перепадах давления во внутренней полости. При термической обработке изделия слой алюминия в контакте с медью способствует образованию теплозащитных слоев с повышенными теплозащитными свойствами. Две сплошные интерметаллидные прослойки между слоями меди и алюминия толщиной 15-20 мкм способствуют существенному повышению теплозащитных свойств экрана. При толщине прослоек менее 15 мкм термическое сопротивление изделия оказывается недостаточным. При толщине прослоек более 20 мкм возникает склонность изделия к образованию трещин в интерметаллидных прослойках.
В предлагаемой конструкции все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям соприкосновения сваркой взрывом с последующим формированием теплозащитных интерметаллидных слоев термической обработкой. Сварка взрывом позволяет получать надежные соединения между металлами, которые не разрушаются при последующих операциях прокатки и формоизменения заготовки вытяжкой, а окончательная термическая обработка способствует формированию теплозащитных интерметаллидных слоев необходимой толщины с высокой прочностью сцепления их с металлическими слоями из меди и алюминия.
В предлагаемой конструкции минимальный радиус скругления r1 в местах перехода от фланцевой части изделия к цилиндрической, а также в местах перехода от центральной части к донной - r2 составляет (4-6)S, где S - суммарная толщина металлических слоев. При меньшей величине этих радиусов возможно нарушение сплошности металлических слоев в процессе формоизменения заготовки вытяжкой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен внешний вид теплозащитного экрана с вырезанной, для наглядности, четвертью, на фиг.2 - его продольный осевой разрез. Позиция 1 - наружный медный слой; 2 - внутренний медный слой; 3 - алюминиевый слой; 4, 5 - теплозащитные слои из интерметаллидов системы алюминий-медь; d1 и d2 - наружный и внутренний диаметры, d3 - диаметр фланца, r1 и r2 - радиусы скруглений.
Работа композиционного теплозащитного экрана осуществляется следующим образом. Экраном накрывают деталь химического или иного агрегата, которую необходимо защитить от термического воздействия окружающей среды, закрепляют его на изделии сваркой, пайкой или иным способом. Теплообмен с окружающей средой защищаемой детали осуществляется через вещество-теплоноситель, находящееся во внутренней полости изделия (газ, жидкость или иное вещество), а также через слои 1-5 теплозащитного экрана.
Пример исполнения 1. Исходными материалами для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью были две пластины из меди Ml и пластина из алюминия АД1 длиной 375 мм, шириной 160 мм. Толщина каждой медной пластины была 
1=3 мм, алюминиевой - 2=0,8 мм. Пластины собирали в пакет и сваривали взрывом. После сварки взрывом заготовку прокатывали, вырубали из нее диск, который подвергали формоизменению вытяжкой, затем отформованную заготовку подвергали отжигу для формирования между слоями меди и алюминия теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-медь. В результате получают композиционное медно-алюминиевое изделие с внутренней полостью в виде стакана с фланцем, как на фиг.1-2, с двумя сплошными теплозащитными интерметаллидными прослойками во всем объеме изделия с толщиной 20 мкм, с одинаковым термическим сопротивлением при направлении теплопередачи поперек слоев, с однородным металлом, контактирующим с внутренней полостью изделия, с повышенной стойкостью изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренней полости. Его наружный диаметр d 1=85 мм, внутренний - d2=79 мм, диаметр фланцевой части d3=125 мм, высота Низ=120 мм. Толщина каждого медного слоя после вытяжки Cu=1,26 мм, алюминиевого - A1=0,2 мм, суммарная толщина металлических слоев S=2,72 мм, радиусы скруглений: r1=r2=16 мм, что составляет 6S. Толщина каждой интерметаллидной прослойки пр=20 мкм, коэффициент теплопроводности прослойки 
пр=37Вт/(м·К), ее термическое сопротивление Rпp=пр:пр=0,00002:37=0,54·10-6К/(Вт/м 2). Коэффициент теплопроводности меди Cu=410 Вт/(м·К). Термическое сопротивление одного медного слоя Rcu=3,1·10-6К/(Вт/м 2). Коэффициент теплопроводности алюминия A1=226 Вт/(м·К), термическое сопротивление алюминиевого слоя RA1=0,9·10-6К/(Вт/м 2). Термическое сопротивление стенки изделия при направлении теплопередачи поперек слоев Rком=8,18·10 -6К/(Вт/м). Для сравнения у прототипа принимали Cu=A1=3 мм. В сравнении с прототипом термическое сопротивление стенки изделия при направлении теплопередачи поперек слоев увеличилось на 9% при металлоемкости изделия в 2,2 раза меньшей, чем у изделия, полученного по прототипу.
Пример исполнения 2. То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения 1=2,5 мм, 2=1 мм, длина пластин перед сваркой взрывом 375 мм, ширина - 170 мм. Размеры полученного изделия: d1 =80 мм, d2=73 мм, d3=120 мм, толщина каждого медного слоя Cu=1,375 мм, алюминиевого - A1=0,55 мм. Суммарная толщина металлических слоев S=3,3 мм, радиусы скруглений: r1=r2 =16,5 мм, что составляет 6S. Толщина каждой интерметаллидной теплозащитной прослойки пр=18 мкм, RCu=3,4·10-6 К/(Вт/м2), RA1=2,4·10-6 К/(Вт/м2), Rпр=0,49·10-6 К/(Вт/м2). При этом Rком=10,18·10 -6К/(Вт/м2), что, в сравнении с прототипом, на 36% больше при металлоемкости изделия в 1,8 раза меньшей, чем у изделия, полученного по прототипу.
Пример исполнения 3. То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. 1=2 мм, 2=1,2 мм, ширина пластин перед сваркой взрывом - 250 мм. Размеры полученного изделия: d1=75 мм, d 2=68 мм. Толщина каждого медного слоя Cu=1,4 мм, алюминиевого - A1=0,6 мм. Суммарная толщина металлических слоев S=3,4 мм, радиусы скруглений:r1=r2=16,5 мм, что составляет 6S. Толщина каждой интерметаллидной теплозащитной прослойки пр=15 мкм, Rcu=3,5·10-6 К/(Вт/м2), RA1=2,6·10-6 К/(Вт/м2), Rпp=0,4·10-6 К/(Вт/м2). При этом Rком=10,4·10 -6К/(Вт/м2), что, в сравнении с прототипом, на 39% больше при металлоемкости изделия в 1,7 раза меньшей, чем у изделия, полученного по прототипу.
В сравнении с прототипом предложенная конструкция композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью обладает повышенным и однородным термическим сопротивлением при направлении теплопередачи поперек слоев, более высокой стойкостью изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренней полости, обеспечивается однородность материала, контактирующего с внутренней полостью изделия.
Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, содержащий медные слои, сдеформированные внешним давлением, отличающийся тем, что композиционный теплозащитный экран выполнен пятислойным и содержит верхнюю - фланцевую часть, центральную - в виде трубы и плоскую донную часть, наружный и внутренний слой экрана выполнены из меди, средний - из алюминия, а расположенные между слоями меди и алюминия теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий-медь толщиной 15-20 мкм, все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом с последующим формированием теплозащитных интерметаллидных слоев термической обработкой, минимальный радиус округления r1 в местах перехода от фланцевой части изделия к центральной цилиндрической, а также в местах перехода от центральной части к донной - r 2 составляет (4-6)S, где S-суммарная толщина металлических слоев.
