（纺织工程专业论文）新型液冷服的研制与开发.pdf

摘要 本课题在结合国内外液冷服研究工作的基础上，自行设计开发新型高效液冷 服，其主要功能是吸收人体的热负荷，维持人体核心温度的恒定，以提高作业人 员在高温环境中的工作效率，延长工作时间。 本课题所设计的液冷服主要由基础服装、换热管路网、半导体制冷装置、液 体进出总管、泵、液体流量调节阀、开关及电源等组成。 本课题研制了四种冷却液，并对它们的各项性能进行了测试分析。将它们用 作冷却液，使用暖体假人“华特”对液冷服进行测试，结果表明，采用正十四烷相 变乳状液和正十六烷相变乳状液作为冷却液的液冷服，散热效果较好，冷凝水较 少。 本课题建立了液冷服传热模型，为液冷服的结构设计提供了理论依据，认为 液冷服的散热性能与进口液温、管长、管径、冷却液流速及液冷服与人体皮肤的 有效接触面积都有直接的关系。 本课题使用暖体假人“华特”对所研制的液冷服进行了散热性能测试，对实验 结果进行分析，得出结论： ( 1 ) 液冷服的散热性能与冷却液的选择有着很大的关系，实验证实，1 0 正十四烷相变乳状液和1 0 正十六烷相变乳状液的散热效果较好。 ( 2 ) 液冷服的各项设计参数，均会影响其散热性能，认为高密排管、适当 的管径、多管路循环设计可以有效地提高液冷服的散热性能，另外，选用隔热性 能好的织物做服装面料，选用高导热率及透湿透气性好的织物做服装里料，有助 于提高液冷服的穿着舒适性，同时对液冷服的散热性能也能起到积极的作用。 ( 3 ) 采用相变乳状液作为液冷服的冷却液，可以有效地减少冷凝水现象的 发生，极大地提高了液冷服的穿着舒适性。 关键词s 液冷服；暖体假人；相变乳状液；微胶囊相变乳状液；设计；测试 a b s t r a c t b a s e do nr e s e a r c h i n gt h ee x i s t i n gl i q u i dc o o l i n gg a r m e n t sa th o m ea n da b r o a d ， n e we f f i c i e n tl i q u i dc o o l i n gg a r m e n t sh a v eb e e nd e s i g n e da n dm a d ei nt h i sp a p e r i t s m a i nf u n c t i o ni st oa b s o r bt h eb o d y sh e a tl o a d ，a n dm a i n t a i nt h es t a b i l i t yo ft h e b o d y sc o r et e m p e r a t u r ef o rr a i s i n gp e r s o n n e l sw o r ka b i l i t ya n dp r o l o n g i n gt h ew o r k t i m ei ne x t r e m eh o te n v i r o n m e n t s t h i sl i q u i dc o o l i n gg a r m e n ti sc o m p o s e do ft h eb a s a ls u i t ，t h en e t t i n go fh e a t e x c h a n g et u b e ，t h es e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o nd e v i c e ，t h el i q u i di na n d o u tm a i np i p e ， t h ep u m p ，f l u i dd r a mf l o wr e g u l a t o r ，s w i t c ha n dp o w e rs u p p l ye t c f o u rk i n d sc o o l i n gl i q u i dh a v eb e e nm a d ei nt h i sr e s e a r c h ，a n dt h e i rp r o p e r t i e s w e r et e s t e da n da n a l y z e d t e s t i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h el i q u i dc o o l i n gg a r m e n tb y u s i n gt h e r m a lm a n i k i n ”w a l t e r ”，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h el i q u i dc o o l i n gg a r m e n t w i t ht e t r a d e c a n ep h a s ec h a n g ee m u l s i o na n dh e x a d e c a n ep h a s ec h a n g ee m u l s i o nh a d g o o dh e a te m i s s i o ne f f i c i e n c y , l e s sc o n d e n s e d w a t e r ， t h i st o p i ch a sb u i l tal i q u i dc o o l i n gg a r m e n th e a tt r a n s f e rm o d e l ，p r o v i d i n g t h e o r e t i c a lb a s i sf o rl i q u i dc o o l i n gg a r m e n t ss t r u c t u r ed e s i g n i ts e e m st h a tt h ec o o l i n g p e r f o r m a n c eo fl i q u i dc o o l i n gg a r m e n t si sr e l a t e dt ol i q u i di n l e tt e m p e r a t u r e ，p i p e l i n e d i a m e t e r c o o l a n tf l o wr a t ea n de f f e c t i v ec o n t a c ta r e ab e t w e e nl i q u i dc o o l i n gg a r m e n t a n dh u m a ns k i n w i t ht h ec a p a c i t yo fl i q u i dc o o l i n gg a r m e n t sw a st e s t e db yu s i n gt h et h e r m a l m a n i k i n ”w a l t e r ”a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e d ，t h i sp a p e rc o n c l u d e dt h a t ： ( 1 ) t h ec a p a c i t yo fl i q u i dc o o l i n gg a r m e n t si sc l o s e l yr e l a t e dt ot h et y p eo fc o o l a n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt e t r a d e c a n ep h a s ec h a n g ee m u l s i o n ( 1 0 ) a n d h e x a d e c a n ep h a s ec h a n g ee m u l s i o n ( 1 0 ) h a dg o o dh e a te m i s s i o ne f f i c i e n c y ( 2 ) t h e v a r i o u sd e s i g np a r a m e t e r so fl i q u i dc o o l i n gg a r m e n t sh a v ee f f e c to nt h e i rc o o l i n g p e r f o r m a n c e i ts e e m st h a th i g hd e n s i t yr a k ep i p e l i n e ，p r o p e rp i p ed i a m e t e r , a n d m u l t i p l ep i p e l i n ec i r c u l a t i o nc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec o o l i n gp e r f o r m a n c e i n a d d i t i o n ，s e l e c t i n gg a r m e n tf a b r i cw i t hh e a ti n s u l a t i o np r o p e r t ya n dg a r m e n tl i n i n g w i t hh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dg o o da i ra n dm o i s t u r ep e r m e a b i l i t ya r eh e l p f u lt o i m p r o v et h ew e a r i n gc o m f o r to fl i q u i dc o o l i n gg a r m e n t ，m e a n w h i l e ，i th a sp o s i t i v e i n f l u e n c eo nt h ec o o l i n gp e r f o r m a n c e ( 3 ) t h eu s eo fp h a s ec h a n g ee m u l s i o ns e r v e da s t h el i q u i dc o o l a n tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ep h e n o m e n o no fc o n d e n s e dw a t e ra n d g r e a t l ye n h a n c e t h ew e a r i n gc o m f o r to ft h el i q u i dc o o l i n gg a r m e n t s k e y w o r d s ：l i q u i dc o o l i n gg a r m e n t ；t h e r m a lm a n i k i n ；p h a s ec h a n g ee m u l s i o n ； m i c r o e n c a p s u l a t e dp h a s ec h a n g em a t e r i a le m u l s i o n ；d e s i g n ；t e s t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛 工业太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 学位论文作者签名：莲刹嘲产签字日期：7 年弓月e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论 文的规定。特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：座剁钢f ；导师签名：做i 墨诅 签字日期： 哆年弓月多日 签字日期： 口( 7 年3 月石日 学位论文的主要创新点 本课题在结合国内外相关研究工作的基础上，将当前研究与应 用热点的相变蓄冷技术与半导体制冷技术相结合，开发了新型 高效液冷服，在保证散热性能的前提下，提高了液冷服的穿着 舒适性。 研制了四种冷却液，并将它们应用于液冷服，试验证实，采用 1 0 正十四烷相变乳状液和1 0 正十六烷相变乳状液为冷却液 的液冷服，不仅具有较高的散热性能，而且大大地减小了冷凝 水现象的发生。 与传统压缩机制冷技术不同，本课题所研制的液冷服由半导体 制冷装置提供冷源，其制冷水量可达2 5 l h ，平均出水温度为 】0 。 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 人们在正常生活和工作时，由于体内物质的代谢作用，机体不断产生热量， 而产生热量的多少取决于劳动强度的大小。一个成年人在一般状态下的产热量约 为l o o k c a l h ，在进行重体力劳动时可达5 0 0 k c a l h 。对于环境温度变化具有平衡 功能的机体，通过中枢神经系统不断调节有关机能，通过各种途径散发热量以保 持体温的恒定( 3 6 5 c - - 3 7 c ) 。一般情况下，辐射和对流所占的比重较大( 7 0 8 0 ) ，蒸发散热所占比重较j , ( 2 0 一- 3 0 ) ，图1 1 是人体在不同气温下的散热 情况。当外界环境温度上升时，体内新陈代谢作用减弱，使产生的热量减少，皮 肤、血管扩张，促进散热，并通过汗腺活动增大发汗量，依靠汗液的蒸发来散发 人体热量。但是人体的这种调节功能在高温、高湿、高热的环境下便会失去保持 体温恒定的作用。当气温达到3 7 左右时，人体辐射和对流散热趋于零，人体 全部靠蒸发散热。若温度更高时，人体的蒸发散热不足以散发机体所产生的热量 时，体内开始蓄热。人体所产生的热量蓄积使体温升高、出汗过多，破坏了人体 内水盐平衡、皮肤血管过度扩张，使体内循环紊乱，结果使人出现中暑或热衰竭 症状，重者导致热痉挛，热射病等职业病的发生。若体温长时间持续在4 1 左 右时，就会使大脑发生某种程度的不可恢复的损伤。当体温超过4 3 5 时，即可 导致人体死亡。 1 4 0 1 2 0 二1 0 0 8 0 日 上6 0 蛐4 0 静0 。 - 2 0 么 代。谢产熟 ，- ， 又 一 1 蒸发散热 o 1 、 机币蓄 一，机体讨 、 羁射和对流i | 殳熟 天律工业天学硕士学位论文 劳动卫生调查说明，当气温达3 7 、辐射强度为1 5 c a l c m 2 - r a i n 、相对湿度 为6 5 、风速为0 6 m s 时，持续中劳动强度3 0 r a i n ，就很有可能出现先兆中暑症 状。高温辐射以及由于环境温度过高导致人体表面温度升高是损害高温作业人员 身体健康的主要原因。如果没有有效的防护，作业人员在4 0 7 0 的高温条 件下作业，由于体表灼烤和大量出汗导致神经系统、上呼吸道、上消化道、内分 泌系统发生素乱乃致休克“1 。特别是工业炉窑检修和炼钢地坑清渣等尽管工作 人员几分钟一换但还是经常发生中暑现象。长期的高温作业严重地损害高温岗 位工人们的肌体，许多人未老先衰，四十岁左右就要退出现岗。随着科学技术的 进步和人类对自身防护和舒适意识的提高，研制出一种适台高温作业人员使用的 液冷服具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国外研究进展 1 9 5 8 年，b i l l i n g h a m 。3 提出了以水作为冷却介质研制个体冷却系统的设计思 想，并首次提出“水冷服( w a l t e r c o o l e d g a r m e n t ) ”这一概念。 1 9 6 2 年，b u r t o n 和c o l l i e r “1 成功地研制出第一件以水作为冷却介质的水冷 服，如图1 2 所示，并将其应用于英国皇家航空研究中心( r o y a la i r c r a f t e s t a b l i s h m e n t ) ，目的是为了在高温环境中( 如受阳光直射的直升飞机驾驶室等) 防护工作人员免受热伤害。整个水冷服可以看作是与人体体形相吻合的热变换 器，换热管路网缝于基础服装里层，经过冷却后的水在换热管路中循环，流经人 体皮肤表而，带走体表多余热量。此后，研究人员发现这种液冷服不仅可以应用 于航空领域，还可以应用于其它领域。 图1 - 2 第一件水冷服 第一章绪论 1 9 6 5 年3 月，人类首次进行太空行走，当时的g e m i n i 宇航服内的散热系统 为气体冷却系统，冷却介质是预冷气体。其原理是经压缩机预冷后的气体通入宇 航服内都冷气在宇航员身体周围循环，以对流方式带走宇航员的代谢产热。实 践证明这种冷却系统存在诸多不足，如制冷效率低，服装内压力大等。 鉴于气体冷却系统的不足，1 9 6 9 年7 月，a p o l l o 登月计划中，美国宇航局 ( n a s a ) 将a p o l l o 宇航服内的散热系统设计成液冷系统，也称液冷服( l i q u i d c o o l i n gg a r m e n t ) ，其原理是将冷却后的水作为循环介质，冷却水在宇航服内循 环，以传导方式带走宇航员体表多余热量，制冷效率最高可达5 0 0 k c a l h 。由于 液冷服的散热效果好、穿着舒适，所以自a p o l l o 登月计划以后，p i s s 、s k y l a b 、 e m u 、o d a n m 等宇航服的散热系统均采用了液体冷却的形式“”。 2 0 世纪7 0 年代以后。个体冷却系统得到了迅速的发展，各种形式的冷却服 层出不穷，出现了气体冷却服、液冷服及相变冷却服等，应用领域从航空航天扩 展到航海、军用、采矿、炼钢等领域m “。 2 0 世纪9 0 年代初期，美国陆军纳提克( n a l l c k ) 士兵中心、a s p e n 系统公 司、f o s t e r - m i u e r 公司和p n n l 国家实验室等相继开始从事个体冷却方面的研究 工作o “”1 。1 9 9 4 年，n a t i c k 士兵中心开发出个体微气候制冷系统( i m c s ) ，它 采用微型内燃机驱动蒸气压缩制冷系统，制冷量为3 0 0 w 。1 9 9 6 年，n a t i c k 士兵 中心又开发出便携式蒸气压缩制冷系统( p v c s ) ，制冷量为3 0 0 w ，已经被直 升机驾驶人员使用。1 9 9 8 年，n a t i c k 兵中心又开发出高级轻型微气候制冷系 统( a l m c s ) ，在3 5 c 的环境中制冷量为2 3 0 w 。a l m c s 系统通过采用微型滚 动活塞压缩机和新颖的背包设计在减轻质量和减小体积上取得了重大突破，已达 到商业生产的要求。此间，a s p e n 系统公司研制出个人冷却系统( p c s ) ( 见图 1 3 ) ，它采用回转式压缩机制冷，能够在3 8 环境中提供3 0 0 w 制冷量，该系统 能连续运行3 h 。 国1 0a s p e n 的个人冷却系统 带 蛾一 鞴，漩 。蠹 天津工业大学硕士学位论文 f o s t e r m i l l e r 公司为美国陆军研制了紧凑式蒸气压缩制冷系统，该系统在 3 5 环境下的制冷量为1 1 5 w ，其输入的电功率为5 0 w ，电源为2 4 v 直流电，系统 质量为1 8 k g ，系统体积为2 7 8 8 c m 3 。f o s t e r m i l l e r 公司还研发了“空中勇士”微气候 水冷式降温背心，其目的是为了给飞行人员创造一种可以承受的适宜温度环境， 由此延长他们在机舱内的停留时间。冷却水由直升机上的一种特制压缩机灌入缝 制在背心上的1 3 1 英寸长的细管内，借此保持穿着者在高温外界环境下，体温仍 能调节到合适的水平。这套系统在美国军用直升机上进行了全面测试，结果表明， 穿着降温背心的飞行人员在m o p p 4 ( 以任务为中心的防护姿势的最高等级) 的状 态下，飞行时间由原来的1 6 h 延长至5 h 以上。该系统在5 24 c 的炎热环境中能提供 3 2 4 w 的制冷量。制冷机依靠2 8 v 直流电源供电，最大工作电流不超过1 2 a ，系统 质量为5 8 9 k g ，该系统已经在伊拉克战争中使用。 美国国家实验室( p n n l ) 研发出一种l i b 棚2 0 吸收式微型热泵，它主要由 液体燃料燃烧产生的热能驱动，但也需要少量的电能驱动液体泵和风扇，它能提 供3 5 0 w 的制冷量，可以连续运行8 h ，其系统质量为4 9 9 k g ，几何尺寸为 2 8 0 m m x 2 5 0 m m x 2 5 0 m m 。 日前，美国还研制出一种特种高效液冷军服，用聚氨基甲酸酯涂层尼龙制作， 其中夹有数块输液片，由一些细小的管道把这些输液片连接起来。穿着时，由一 个小型泵把冷却液从软壳容器中打出，通过输液管道流入军服，冷却液降低了军 服的温度后流进一个热交换器，热交换器和一个小型制冷器相通，冷却液在此处 被冷却后又进入循环。这种液冷军服可以把局部温度降低至1 2 ，温度的高低可 通过控制冷却液的循环速度来调节。另外，人的头部血管丰富，在高温环境作业 往往容易大汗淋漓，特别是戴防毒面具的情况下，更容易降低战斗力。为此，他 们还专门研制了一种微气候液冷头盔。这样，液冷头盔和液冷军服配合使用，就 可以有效解决在非正常的酷热环境中人体的热负荷问题。 1 2 2 国内研究进展 近5 0 年来，国外在个体冷却方面作了大量的研究工作，已经研制出适合宇 航员、直升飞机驾驶员、野外作战部队、甲板上的船员、烈日下的交警、采矿工 人、炼钢工人、玻璃制造工人、高烧病人等穿着要求的冷却服装。我国在这方面 的研究工作起步较晚，但也取得了一定的进展，已研制出不同形式的降温背心、 全身式液冷服、液冷头盔等，多用于航空航天、军用等领域，而医用和民用较少。 中国空军航空医学研究所研制出一种管式液冷降温防暑背心n 3 1 ，它主要由进 液总管、回液总管、分流液管与进、出液总管连接结构、制冷箱的热交换器、储 液瓶、稳压电源、微型电动循环泵、密封连接器、连接软管组成。其原理是利用 第一章绪论 冰的溶解热作为热沉，以微型电动循环泵驱使液体经过热交换器带走人体躯干和 大腿上部的热量，在4 0 左右的高温环境中，可降低人体热负荷，增加工效。 主要由液冷背心和便携式制冷箱两部分组成，其特点是液冷背心为管式单向流动 式设计，可覆盖躯干和大腿上部，冷却面积为全身皮肤面积的4 0 ，便携式制 冷箱的主要材料为塑料制品，具有直流6 伏稳压电源。 在2 0 0 3 年非典期间，医护人员穿着的隔离服都是密不透气的，长时间穿用的 人只能通过大量排汗释放体内热量，以致于医护人员常常处于脱水状态。为了解 决医护人员的热负荷问题，中国航天医学工程研究所利用国家8 6 3 高科技项目中 的航天液冷服技术，研制出一种液冷服，并赠送给小汤山医院和解放军3 0 9 医院 的医护人员，有效地解决了防护服的散热问题n 钔。这种液冷服的头部、胳膊、躯 干部位都有规则地分布着笔芯粗的塑料管，管道中有流动的冷却液。整个液冷服 由冷却循环系统、冷源、电源及控制装置组成，重约4 公斤左右。 1 3 冷却服的分类与结构 根据冷却介质的不同，冷却服可分为气体冷却服、液冷服和相变冷却服。根 据冷源供给方式的不同，冷却服又可分为主动型和被动型n 酗。主动型冷却服可以 连续不断地提供冷源，包括气体冷却服和液冷服。被动型冷却服则不能提供连续 不断的冷源，包括各种形式的相变冷却服，其特点是当储冷介质的能量释放到一 定程度后( 2 - - 4 h ) ，必须置于冷环境中重新蓄冷( 2 3 h ) ，需要按时更换储冷 剂。 1 3 1 气体冷却服( c i r c u l a t i n ga i rc o o l i n gg a r m e n t ) 气体冷却服n 吼1 7 3 的冷却介质是环境空气或压缩空气。主要由基础服装、空气 压缩机、通风管等组成。按冷气吹向人体表面的形式分，气体冷却服主要有两种 类型：一种是管道式，另一种是服装透过式。 管道式气体冷却服( 图1 4 ) 就是首先由空气压缩机将空气预冷，再通过涡 流管将预冷空气通过分布在全身的管道系统排入服装内部，以对流和蒸发冷却人 体，包括全身性气体冷却服和局部性气体冷却服。全身性气体冷却服就是冷空气 对整个人体进行散热降温。这种气体冷却服一般要在着装者的面部装一个防风 罩，以保证人在较大气流下呼吸顺畅。局部性气体冷却服就是通过一根单管或树 状管将预冷空气排入服装内部，对不包括头部在内的躯干和四肢部位进行散热降 温。对于非气密性的冷却服，完成冷却作用的空气从织物中的孔隙及衣服领口、 袖口、裤脚处排出；而对于气密性冷却服，则需要一个专门的排气阀将循环后的 天津工业大学硕士学位论文 空气排出体外。 1 - 基础服装 2 一通风管 3 一空气压缩机 图1 - 4 管道式气体冷却服 气体冷却服重量较轻，致冷效果好，但活动时易受到送气管长度的限制。另 外，空气压缩机内有许多可拆卸部件，需要定期维护。散热效率依赖于排汗量的 多少，在没有排汗的情况下，冷却效果不明显 1 3 2 液冷服( l i q u i dc o o l i n gg a r m e n t ) 液冷服的冷却介质主要有水、冰水混合物、水与乙烯基乙二醇组成的低于零 度的冷冻液、液体相变材料等。根据实际使用的需要，液冷服可分为液冷头盔、 液冷背心和全身式液冷服。全身式液冷服又分为片式液冷服、单管回转式液冷服 和多管路直通式液冷服。多管路直通式液冷服( 如图1 5 所示) 因其流阻低、透 气性好、散热效率高、可靠性好等优点，广泛应用于舱外航天服的散热系统u 引。 多管路直通式液冷服n 钔主要由基础服装、聚氯乙烯换热管路网、液体进出口 管、制冷装置、泵、电子流率控制装置及一件薄尼龙绸舒适衬里等组成。人体首 先穿一件薄的纯棉内衣，内衣外为液冷服，人体皮肤并不直接接触换热管路网， 提高了液冷服穿着的舒适性。基础服装为紧身服形式，以保证液冷服与人体皮肤 之间的良好换热。换热管路材料为聚氯乙稀管，通常缝在基础服装上，分布在人 体除头、颈、手及足以外的部位，总长约9 1 米。液冷服的制冷装置有移动式和固 定式两种。对于移动式，制冷装置和水泵均独立于服装之外，它们之间靠管道连 接，好像中间有一条“脐带”连接。对于固定式，研究人员将制冷装置和水泵等置 于一个小型背包内，固定于液冷服背部，使穿着者可以自由活动，依靠电池供应 第一章绪论 能量。其原理是利用在管路中流动的冷却液与人体接触换热，以防止人体过热。 进口温度可以通过调节冷却液的流速来控制，这一工作主要由电子流率控制装置 来完成。 闰1 - 5 多管路直通式液冷服 液冷服的优点在于，冷却效果显著，能有效处理人体产生的大量代谢热，平 均散热量可达6 2 5 k c a l h 。通过调整冷却液进口温度或流速，可以控制液冷服的 温度，以适合不同穿着要求。其缺点是存在冷却液泄漏问题。对于移动式制冷装 置液冷服来说，其管道长度限制了着装者的自由活动范围；而对于固定式的来说， 虽然穿着者的活动范围不受限制，但背包给人体增加了负重，加上水箱大小有限， 又缩短了有效制冷时间。另外，最大冷却功率出现在着装初期，造成初期皮肤温 度下降过快过大，出现冷凝水现象，导致人体产生不适感。如何处理冷凝水问题， 是现阶段液冷服研究人员攻关的难题。 1 3 3 相变冷却服( p h a s ec h a n g ec o o l i n gg a r m e n t ) 相变冷却服又称为被动型冷却服，根据冷却介质的不同，相变冷却服可分为 冰冷却服、千冰冷却服、凝胶冷却服、相变材料冷却服、微胶囊相变材料冷却服 等。相变冷却服( 如图1 6 所示) 通常是把服装设计成类似于防弹农的铠甲形式， 天津工业大学硕士学位论文 在服装的前片和后片并排布置多个用于装降温袋的口袋。使用前需要将降温袋预 先置于冷环境下进行储能，待使用时取出装进服装上的口袋里。当降温袋的能量 释放到一定程度后，必须重新置于冷环境下储能。被动型冷却服的冷却作用时间 主要取决于冷却介质本身，如冰块完全溶化成水，干冰完全升华成二氧化碳，相 交材料完全从固态变为液态等，冷却服的制冷作用便宣告结束。一般情况下，冷 却作用时间为2 - - - 4 d x 时。 3 1 一基础服装 2 一尼龙搭扣 3 一拉锁 4 一装降温袋的口袋 图1 - 6 相变冷却服 相变冷却服的优点在于服装设计简单，穿脱方便；冷却效果好：不需要额外 的制冷装置。其缺点在于有效工作时间短；不可以直接使用；需要按时更换降温 袋；重量较重；透气性差。还存在泄漏问题。对于干冰冷却服来讲，还存在过冷 现象，当干冰的升华温度在7 8 c 时，就会对人体造成伤害，而且其价格昂贵【1 6 】。 1 4 当前液冷服研究中存在的问题及发展方向 液冷服的评价指标通常包括散热效率、有效工作时间、热舒适性、运动舒适 性、重量及成本等。为了提高散热效率和有效工作时间，绝大多数液冷服的蓄冷 介质都是各种形式的冷却液，常见的如水、冰水混合物、水与乙烯基乙二醇混合 而成的低于零度的冷冻液等。目前，国外最新研制的冷却液是2 0 的丙二醇和8 0 的水的混合液。为提高热传导效率，液冷服的换热管网通常是紧贴皮肤或相隔 一层薄的夏季面料，在零度或更低冷却液温度下，便会造成人体皮肤温度过低， 穿着不舒适嘲。美国宇航员杰瑞m 利宁杰在回忆其太空漫游经历时写道：“在宇 航服里，我实际上是一艘完全自我包容的飞船。我能够听到自己的呼吸； 我能够感觉到在我里层的冷却服里循环水的那种令人难受的冰凉。 现代生理学认为，当人体的核心温度处于3 3 - - 3 5 时，人会产生冷紧张感 和严重的不自主寒颤，过低的皮肤温度会加大机体组织内的热传递，造成机体组 第一章绪论 织振颤，从而引起人体生理及心理的不适感阻。 另外，绝大多数液冷服都存在冷凝水问题，冷凝水的存在，不仅会影响液冷 服的散热效率，而且大大地降低了液冷服的穿着舒适性。因此，在保证液冷服传 热效率的前提下，提高其穿着舒适性，是国内外很多相关研究人员攻关的难题。 1 5 本课题的目的及意义 当外界环境温度在一定范围内变动时，人体热调节系统可以通过各种调解 手段( 如排汗、血管扩张和收缩、肌肉运动等) 来维持体内温度的相对稳定，从 而保证人类生命活动的正常进行。但需要指出的是，人类自身的温度调节能力是 有一定限度的，当外界环境温度的变化超过一定范围时，仅依靠人类自身的热调 节系统不能保持体温的相对稳定。对于高温环境，特别是长时间在高温环境下作 业时，严重的热应激会使人们的工作效率降低，甚至会发生中暑，危及生命安全。 为了避免由于过大的热应激、热负荷对人体造成热伤害，人们必须采用多种降温 措施来维护自身的安全。最常用的办法就是采用空调制冷，但在一些特殊情况下 不适合采用这种方式，如直升飞机的座舱内、沙漠地区野外作战、甲板上的船员、 金属冶炼车间、烈日下的交通岗等。在这些情况下，本课题所研制的液冷服就是 帮助人们解决高温问题的有效途径之一。目前，国内尚无一种降温效果好，有效 工作时间长，又无附加热负荷，穿着舒适的液冷服。因此，本课题开发一种散热 性能好、穿着舒适的液冷服，具有重要的现实意义和应用价值。 本课题的目的就是依据人体生理学和人类工效学，开发新型高效液冷服。研 究液冷服的冷却机理，探讨相变储热技术与半导体制冷技术相结合的实用价值， 找出各种因素对液冷服的散热性能的影响水平，为直升机的飞行员、坦克车驾驶 员、大型运输汽车的司机、高温车间的吊车司机和固定点劳动的工人、烈日下站 岗的交通警、特殊实验室的操作人员、野战外科医生以及丧失体温调节机能的病 人，提供一种更适合人类的生理特点，换热效率更高，舒适性更好，新型高效液 冷服。通过选择在零度以上仍具有较大储热密度的冷却液，合理地分配冷却能量， 减少冷凝水，从而作到既防护人体免受热伤害，又能满足人体对热舒适和运动舒 适的要求。同时，建立液冷服传热模型，为液冷服优化结构设计提供理论指导。 1 6 本课题的研究内容 在综合国内外相关研究工作的基础上，设计开发新型高效液冷服。本文的研 究内容包括： 天津工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 冷却介质的选择及冷却源的设计 将当前研究热点的相变储热技术与半导体制冷技术相结合，以半导体制冷器 件作为制冷源，以相变乳状液及微胶囊相变乳状液作为冷却液，通过半导体制冷 器件对冷却液强制制冷，使其冷却温度低于p c m 的相变点( 冷却并再生) ，随后 潜热型功能热流体在泵送的条件下流经液冷服中的冷却网管，与人体皮肤接触换 热，从而达到降低身体热负荷目的。另外，还需要选择合适的水泵( 如外形、尺 寸、流量及水头) 。 ( 2 ) 基础服装结构、面料及换热管路网的优化设计 基础服装为高弹紧身式背心，采用侧开尼龙搭扣式结构，优选服装面料及里 料，换热管路网采用单管路循环和双管路循环的排列方式。 ( 3 ) 建立液冷服传热模型 建立液冷服传热模型，找出影响液冷服散热性能的各个因素，为优化液冷服 结构设计提供理论依据。 ( 4 ) 对所研制的液冷服进行测试与分析 使用暖体假人“华特”对所研制的液冷服进行性能测试，并对实验结果进行分 析，客观地评价液冷服的散热性能。 第二章新型液冷服的结构设计 2 1 液冷服 2 1 1 液冷服简介 第二章新型液冷服的结构设计 液冷服，也叫热防护服，属于个体热防护装备，用于在高温高湿环境中或穿 着密闭式防护服时保护人的生命安全，它可以强制加大人体的散热，降低人体的 热负荷，维持人体核心温度的恒定，从而延长人体在热环境中的工作时间，提高 工效，减小需水量，提高大脑清醒度，减少人为事故的发生。 液冷服起源于二十世纪六十年代末美国宇航局的阿波罗登月计划，属于舱外 航天服的一部分。由于外太空环境非常恶劣，如高真空、强辐射、温度变化剧烈 等，航天员在这样的环境中无法生存和工作，必须保护在舱外航天服这一密闭 绝热的微环境内。液冷服用于排出航天员舱外活动时产生的大部分热量( 7 s 8 0 ) ，主要解决航天员自身的代谢散热问题，避免由于过大热应激、热负荷而 造成热伤害埋到。 液冷服根据覆盖人体表面部位的不同，可分为全身性液冷服和局部性液冷 服。全身性液冷服可覆盖除头、手、足的身体各部位体表，局部性液冷服主要是 液冷背心、液冷裤、液冷头盔和液冷手套等。根据冷却网管的排布方式不同，又 可分为片式液冷服、单管回转式液冷服和多管路直通式液冷服。多管路直通式液 冷服因其流阻低、透气性好、散热效率高、可靠性好等优点，得到了广泛应用。 2 1 2 液冷服的工作原理 液冷服主要由基础服装、换热管路网、冷却液、泵、制冷装置、液体流量控 制装置、开关及电源等组成，结构简图如图2 1 所示。其工作原理是，制冷装置 首先对冷却液进行制冷，随后经过降温处理的冷却液在泵送的条件下，流入内置 于基础服装中的换热管路网，冷却液带走人体热量后又流回制冷装置中，冷却液 在此处被致冷后又进入循环，周而复始，循环致冷。冷却液沿人体表面循环，与 人体皮肤接触换热，从而对人体进行冷热调节，制造一种“微气候环境”，使人如 同置身于一个凉爽世界。 目前，液冷服常用的冷却液主要有水、冰水混合物、水与乙烯基乙二醇组成 天津工业大学硕士学位论文 的低于零度的冷冻液等。 2 2 理论分析 图2 - 1 液冷服服结构简图 表2 1 身体各部位基础代谢、基础血流及热容量的分布 基础代谢基础血流热容量 生理指标 w r e , h l 【j 头部 1 3 61 7 95 0 o1 6 61 7 39 1 躯干5 6 47 4 32 4 2 28 0 61 2 6 06 6 5 臂1 5 2 o 1 4o 51 1 25 9 手0 1 o 1 1 10 40 9o 5 腿 4 15 44 41 43 2 81 7 3 脚0 20 31 60 51 30 7 为了使液冷服具有较高的散热效率及穿着舒适性，必须对液冷服制冷量进行 合理分配，这就需要清楚知道身体各部位组织的热传导特点以及与外界环境进行 第二章新型浪冷厦的结构设计 热交换的规律。表各1 是人体各部位基础代谢、基础血流及热容量的数值及所占 身体的百分数。从表中可以看出，身体的基础代谢、基础血流及热容量主要集中 在躯干部位，分别占到全身的7 4 3 、8 0 6 和6 6 5 。因此，加强躯干部位的 致冷，有利于提高液冷服的制冷效能。对躯干致冷的优势还在于该部位有较大的 身体表面积同时可致冷心前区。它除了能够直接减轻心脏熟负荷外，还能够有 效地通过传导和对流致冷体内循环血量，从而降低身体核心温度。大腿由于大的 肌肉群的存在，阻碍了动脉血管与液冷服换热管网之间的热交换，因而致冷效率 较低。在许多高温环境的个体热防护装备使用中，对大面积体表致冷会受很多方 面的条件限制，如服装的穿着舒适性、灵活性、制冷功率、制作成本等，因此对 身体采用局部性致冷的方法，则显得更为经济、有效。 综合以上分析，本课题决定设计局部性液冷服，即基础服装为背心式。 2 3 新型液冷服结构设计 23 1 总体设计 本课题属于创新型应用研究，在综合国内外各类液冷服研究工作的基础上， 自行设计开发的新型高效液冷服。本课题所设计的液冷服为双管路循环式液冷背 心主要由基础服装、换热管路网、冷却液、泵、半导体制冷装置、液体流率控 制阀、开关及电源等组成，实物图如图2 - 2 所示。 圈2 - 2 藏冷服实物图 天津工业大学硕士学位论文 此新型高效液冷服的突出特点是将当前讨论热点的相变储热技术与半导体 制冷技术相结合，以半导体制冷装置作为冷源，以相变乳状液和微胶囊相变乳状 液作为冷却液，通过半导体制冷装置对冷却液强制致冷，使其温度低于乳液中相 变材料的相变点，随后冷却液在泵送的条件下流入液冷服中的换热管路网，换热 管路网与人体皮肤接触换热，从而达到降低身体热负荷目的。 2 3 2 基础服装 2 3 2 1 基础服装面料的选择 液冷服是一种热防护装备，属于功能性服装，因此在服装面料及里料的选择 上应考虑实际穿着情况和使用环境。服装面料的选择应遵循以下原则：( 1 ) 具 有一定的阻燃、隔热性能，以减少外界高温环境向服装内部传递热量；( 2 ) 具 有一定的弹性，因为弹性面料可以使基础服装具有更好的贴体性，从而提高液冷 服的制冷效率；( 3 ) 透湿、透气性能好，以使液冷服获得较好的穿着舒适性； ( 4 ) 密度小、强度高，以提高液冷服的使用寿命。服装里料的选择，除了遵循 第二、三及四项原则外，还应具备导热性好、质地轻薄、柔软的特点。 表2 - 2 所选面料的基本参数 密度 克重厚度 名称成分 ( 线圈个数5 c m ) ( g m 2 )( m m ) 纵密横密 里料棉氨纶轻薄弹性针织面料 9 5 8 32 1 2 4 61 0 4 面料1棉氨纶高弹弹性针织面料8 07 63 8 9 0 92 1 6 面料2棉氨纶绒面弹性针织面料 1 1 07 0 2 7 2 2 02 0 6 表2 - 3 所选面料的各项服用性能参数 强力 伸长率( ) 透气性透湿性 名称 ( l m z s ) ( g m s d ) 纵向横向纵向横向 里料1 8 7 0 51 6 4 9 39 5 4 81 3 8 4 83 2 0 8 1 91 0 7 2 6 4 面料12 9 4 5 72 8 7 2 12 8 5 6 32 9 3 5 41 2 1 1 39 7 7 9 0 面料21 9 5 3 32 3 3 2 52 0 6 6 31 7 9 0 64 4 1 6 51 0 0 6 0 8 第二章新型液冷服的结构设计 2 3 2 2 基础服装的结构设计 考虑到液冷服的实际穿着情况、使用环境、可操作性及生产成本等因素，在 基础服装设计上，采用背心式结构，可覆盖胸、腹、背和腰等部位。为了使基础 服装能够紧贴人体皮肤，保证换热管路网与人体皮肤之间的良好换热，本课题将 基础服装设计成紧身服形式。基础服装的左侧采用尼龙搭扣联接，通过尼龙搭扣 可调节服装的松紧度，左肩上部装有拉锁，可方便穿脱，同时，也有利于暖体假 人对液冷服的制冷效果进行测试。为了使液冷服获得更好的适体性和贴合性，基 础服装的面料及里料均采用棉氨纶弹性针织织物。因最终的液冷服要在暖体假 人“w a l t e r 上进行冷却性能测试，所以本课题所研制的液冷服是根据暖体假人的 身体尺寸制作的，“w a l t e r ”的身体各部位尺寸见表2 4 所示。液冷服基础服装纸 样图，如图2 3 所示。 表2 - 4 “w a l t e r 身体主要部位的尺寸 _ 7 胸围c = 9 5 e m ( c 6 ) + 5 背长b = 5 5 e m 腰围w = 8 9 e m 一 c 6 5 e _ c 前片 f后茂 w 4 1 、w 4 - _ _ 一 一7 亡_ 图2 3 基础服装纸样图 天津工业大学硕士学位论文 为了使换热管路能够按照预先设计好的冷量分配要求，牢周地分布于基础服 装内部，在缝制基础服装时，预先在服装上缝制出用于固定管路的通道，之后将 换热管路穿入其中。基础服装实物图，如图2 4 所示。 图2 4 基础服装实物图 液冷服基础服装的作用主要表现在两方面：一是，基础服装在换热管路与人 体皮肤之间，人体皮肤并不直接接触换热管路，避免了换热管路由于表面温度与 人体皮肤温度的差异，而导致对人体皮肤的刺激，提高了液冷服的穿着舒适性。 二是，由于换热管路穿插在基础服装内部，所以基础服装对换热管路起着固定的 作用，避免了液冷服在穿脱的过程中换热管路网的布局发生改变。 2 33 换热管路网 换热管路网是液冷服的核心部分正是由于冷却液在其中流动的同时与人