冷却服发展进展yd20508

周觅，钱晓明，黄顺伟*    天津工业大学 纺织学院，天津 300387

收稿日期：2016-10-20

基金项目：国家科技支撑项目(2014BAE09B00)

作者简介：周 觅(1993-)，女，湖北仙桃人，在读硕士研究生，主要从事服装工效学的研究。

*通信作者：黄顺伟(1990-)，男，安徽淮南人，在读硕士研究生，主要从事非织造土工布结构与性能的研究，E-mail：985897189@qq.com。

原载：纺织科技进展2017

 

【摘要】冷却服具有抵御高温侵害、保障工人安全、提高工作效率的作用。根据冷却介质的不同，冷却服可分为液体冷却服、气体冷却服、相变冷却服及结合两个或两个以上冷却技术的混合冷却服，分别用实例对几种冷却服的发展现状进行阐述。

【关键词】冷却服；气体；液体；相变材料；混合

【中图分类号】TS941.7  文献标识码：A  文章编号：1673-0356(2017)02-0001-05

 

一般来说，在较热或炎热的环境中工作的人要比普通环境中做类似工作的人所承受的压力更大。体力负荷伴随暴露在高温环境中，会增加工人的安全和健康的风险[1]。热应力会导致如消防员、工厂工人、军事训练者、运动员的耐力和表现降低[2]。采取有效措施可减少这种不利影响，并提高工作性能。穿着冷却服是抵御高温侵害、提高工作效率的有效方法之一。

1962年，Burton和Collier为英国皇家空军研制出世界上第一件液冷服[3-4]，从而拉开了冷却服研究的序幕。早期研制的冷却服主要领域为军事与航空航天[5-7]，20世纪70年代中后期，冷却服开始应用在医疗、消防、矿山和冶金等领域。目前，科学家们已经广泛地考察了在炎热的环境条件下，冷却服装在缓解人体所受到热应力的有效性[8-10]。冷却服已经被广泛应用于军事训练、消防医疗和体育运动等特殊领域。

1  冷却服简介

在过去的15年里，在个人冷却系统设计上主要集中采用风机，循环液体或相变材料(PCM)作为工作中的微气候[11-15]。根据冷却介质的不同，冷却服可分为液体冷却服、气体冷却服[16-18]、相变冷却服和结合上述冷却技术的两个或两个以上的混合冷却服[19-20]。冷却服又可分为主动型冷却服和被动型冷却服，主动型冷却服包括气体冷却服和液体冷却服，被动型冷却服主要为相变冷却服。气体冷却服通常配备一个鼓风机，迫使空气进入背心的微气候。该冷却系统相当便宜，但冷却能力有限，能耗高，在炎热和潮湿的天气是无效的[21]。液冷服是衣服中含有细的导管，导管中含有循环冷的液体，有良好的散热能力，相对较长的有效时间。其缺点是重量大，妨碍工人的行动，从而降低了工作效率[22]。相变冷却服是在服装上封装相变材料包或者利用微胶囊技术将相变材料镶嵌在服装中，通过相变材料的相变改变来吸收人体热量，实现对人体的降温。相变冷却服[23]具有服装结构设计简单，穿脱方便，冷却效果好，不需要额外的致冷装置等优点，但也存在着有效工作时间较短的缺点。

2  气体冷却服

2.1  概述

气体冷却服一般由基础服装、空气压缩机和通风管等组成。工作原理是自然状态的空气，或者压缩空气，或者经制冷设备产生的冷空气，通过服装内的管道或夹层送入体表空间，以蒸发和对流换热的方式对人体降温。按冷气吹向人体表面的不同形式，气体冷却服可分为管道式气体冷却服和服装透过式气体冷却服。管道式气体冷却服是指空气压缩机先将空气预冷，预冷空气再通过分布在全身的管道系统排入服装内部，以对流和蒸发形式对人体进行冷却。服装透过式气体冷却服是指在基础服装的前胸和后背各设置一个气囊，在接触皮肤的一面设有均匀分布的小孔，压缩机将预冷空气压入气囊，气流从小孔吹向皮肤，对人体进行冷却。典型气体冷却服如图1所示。

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1-基础服装 2-通风管 3-空气压缩机

(b)服装透过式气体冷却服

(a)管道式气体冷却服

图1 气体冷却服

2.2  实例

乌克兰基辅国立工艺设计大学研制出的气体冷却“防热服”[24]，拥有一个自主的气体冷却系统，可使工作人员穿着它能在温度150 ℃或红外辐射高达25 kW/m2的环境中持续工作30 min。

杨兆生等人发明了一种用于保护冶炼工人的高温防护服[25]，该防护服是在防护靴底设有一个微型压缩制冷装置，通过工人走动对微型压缩制冷装置做功产生冷空气，进而对人体进行冷却。

美国陆军士兵系统研究中心开发的蜂窝状结构的“拦截者”风冷式战术背心，通过电动换气扇作为动力，促使空气在防护服和皮肤之间流动，实现制冷和辅助排汗的效果；美国海军航空兵系统司令部开发的“制冷盔甲”背心，通过一套过滤吹风管将周围的空气吸进位于进气口一侧的空气调节器，经过调节的空气从出气口进入飞行服内的导管，达到降低飞行员体温的目的。系统开始运转后，内部电扇就会打开，并释放冷气，可以将飞行员周围的温度降低18 ℃[26]。

以色列Rabintex公司研制了一款内设两个微型风扇的军用气冷服[27]，每个风扇供风量为180 L/min，电池可维持12 h，冷却服总重1.2 kg。通过对20名男性进行生理压力测试，结果表明该气冷服性能优良，对军事和体育人员非常适用。

3  液体冷却服

3.1  概述

液体冷却服一般由服装主体、微型制冷系统及液体载冷剂循环管路组成。其冷却原理首先是微型制冷系统生产出低温载冷剂液体，再通过水泵将液体压入布置在液冷服内部的循环管路，输送到服装的各个部位，吸收服装内部的热量；吸收热量后的载冷剂液体再返回到微型制冷系统将液体降温到设计温度，循环往复。液体冷却服的致冷装置分为两种，分别是移动式和固定式。对于移动式来说，冷却服的致冷装置和水泵都在服装之外，彼此之间靠管道连接。对于固定式来说，冷却服的致冷装置和水泵放置在一个小背包内，固定在液冷服背部，依靠电池供应能量。根据实际使用的需要通常将液冷服分为3种，分别是液冷头盔、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。液冷背心如图2所示。

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图2 液冷背心

3.2  实例

明尼苏达州大学设计了一款液体冷却、加温两用液冷服[28]，该液冷服的冷却管道只分布在人体散热较大的区域，比如躯干部。该液冷服具有轻便、高效的优点。

张万欣等[29]通过对暖体假人各部位散热量比例分析，设计出供宇航员使用的全身多管路直通式液冷服。

王亮等[30]基于Pennes生物热方程建立人体躯干穿着液冷服的传热模型方法，进行潜热型功能热流体液冷服的性能分析。结果表明：相比水冷却液，潜热型功能热流体可以显著提高液冷服散热能力，减小所需冷却液流量以及泵功。

岳丰田等[31]针对矿山高温环境发明了一种矿用全身性冷却服，该冷却服由外保温层、制冷层、内保温层组成。冷却原理为:首先在装冰口袋内装入一定量的冰块，冰的融化带走人体部分热量，随后冰水流入管道进入人体其他部位，带走其他部位的热量，最后冰水由裤脚排出。

4  相变冷却服

4.1  概述

相变材料(PCM)是一种潜热储存材料，具有较高的熔解热，相比显热储存材料，具有高热能存储密度，发生相变时在恒定温度条件下吸收和释放热量。PCM主要分为有机相变材料、无机相变材料和混合(共晶)相变材料。相变冷却服在服装上封装相变材料包或者利用微胶囊技术将相变材料镶嵌在服装中，通过相变材料的相变改变来吸收人体热量，实现对人体的降温。根据冷却服使用相变储冷材料和储冷方式的不同，又可分为传统相变冷却服和新型相变冷却服。传统相变冷却服主要使用无机、有机及其混合物的相变材料，将其封装在冷却服的口袋里。新型相变冷却服则利用微胶囊技术将相变材料制作成微型胶囊，并将微胶囊内嵌到服装面料中。图3为传统相变冷却服(冷却背心)。

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图3 传统相变冷却服(冷却背心)

4.2  实例

Bennett等[32]于1995年在海军消防员服装的6个口袋中放入凝胶进行降温研究。

Chuansi Gao等[33]以十水硫酸钠及其添加物为相变材料制作出供消防员使用的冷却服。

Lennart等[34]使用丙烯酸树脂高吸水性聚合物作为相变材料制作出供消防员使用的冷却服。

20世纪末美国的TRDC公司[35-36]将直径3～100 μm的相变微胶囊密封入服装研制具有调温功能的智能服装。

美国Triangle公司[37]将直径15～40 μm的微胶囊编织到纺织物中研制出调温服。

Tao Wang等[38]研究用相变材料微胶囊悬浮液代替传统冷却液作为新的工作流体的液冷服。

秦长春[39]利用一种高分子水凝胶(蓝冰)，研制出供消防员使用的蓝冰降温避火服，该服装是在传统消防服中以蓝冰为内胆放置在服装夹层内改进而来，可以同时起到防火与高效降温的作用。

王云仪等[40]以凝胶为蓄能降温材料研制了局部性相变冷却服，主要供钢铁工人使用。

5  混合冷却服

5.1  概述

混合冷却服是指结合气体冷却服、液体冷却服、相变冷却服的冷却技术两个或两个以上的冷却服。该冷却服兼顾两者或两者以上冷却服的优势和特点，其综合性能优良，逐渐成为科学家们热衷研究的对象。图4为气体-相变混合冷却服。

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图4 气体-相变混合冷却服

5.2  实例

Wenfang Song等[41]为办公室工作人员设计出上衣和裤子复合PCM包和空气通风风扇的混合式个人冷却服装。在空气温度34 ℃、相对湿度65%、空气流速0.15 m/s的条件下，11名男性分别穿上混合冷却服和不穿冷却服进行对比试验，结果发现，混合冷却服能显著提高全身热感觉、皮肤湿润感觉和舒适感觉。

6  结语

随着科学技术的发展和人类在生产生活过程中对自身的防护和舒适意识的提高,冷却服的发展取得明显成效。但是,目前市场上常见的冷却服均存在一定的不足,技术还不够完善,如冷却温度过低、冷却时间短、穿着不便、制冷过程中经常出现过冷现象等。

未来冷却服发展趋势主要体现在减轻负荷、温度范围易调节、穿着舒适、操作方便、功能多样化等方面。需要克服在制造冷却服过程中遇到的难题，主要包括：(1)微型压缩机的制造技术，为了减轻重量，因此压缩机比较小，部件也就相应微型化，设计制造便有了更高的要求，同时还要避免制冷剂泄漏。(2)蒸发器冷凝器的设计，整个系统缩小的关键是如何提高蒸发器冷凝器的换热系数，减小这两个器件的体积和重量。(3)相变材料的封装和复合技术，相变冷却服在工作过程中，相变材料会受到形变和水的作用，因此设计制造要解决液相泄露、水蚀、过冷、传热不良等问题。

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