冷卻服發(fā)展進(jìn)展

周 覓，錢曉明，黃順偉

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

冷卻服發(fā)展進(jìn)展

周 覓，錢曉明，黃順偉*

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

冷卻服具有抵御高溫侵害、保障工人安全、提高工作效率的作用。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，冷卻服可分為液體冷卻服、氣體冷卻服、相變冷卻服及結(jié)合兩個(gè)或兩個(gè)以上冷卻技術(shù)的混合冷卻服，分別用實(shí)例對(duì)幾種冷卻服的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

冷卻服；氣體；液體；相變材料；混合

一般來說，在較熱或炎熱的環(huán)境中工作的人要比普通環(huán)境中做類似工作的人所承受的壓力更大。體力負(fù)荷伴隨暴露在高溫環(huán)境中，會(huì)增加工人的安全和健康的風(fēng)險(xiǎn)[1]。熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致如消防員、工廠工人、軍事訓(xùn)練者、運(yùn)動(dòng)員的耐力和表現(xiàn)降低[2]。采取有效措施可減少這種不利影響，并提高工作性能。穿著冷卻服是抵御高溫侵害、提高工作效率的有效方法之一。

1962年，Burton和Collier為英國皇家空軍研制出世界上第一件液冷服[3-4]，從而拉開了冷卻服研究的序幕。早期研制的冷卻服主要領(lǐng)域?yàn)檐娛屡c航空航天[5-7]，20世紀(jì)70年代中后期，冷卻服開始應(yīng)用在醫(yī)療、消防、礦山和冶金等領(lǐng)域。目前，科學(xué)家們已經(jīng)廣泛地考察了在炎熱的環(huán)境條件下，冷卻服裝在緩解人體所受到熱應(yīng)力的有效性[8-10]。冷卻服已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事訓(xùn)練、消防醫(yī)療和體育運(yùn)動(dòng)等特殊領(lǐng)域。

1 冷卻服簡(jiǎn)介

在過去的15年里，在個(gè)人冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)上主要集中采用風(fēng)機(jī)，循環(huán)液體或相變材料(PCM)作為工作中的微氣候[11-15]。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，冷卻服可分為液體冷卻服、氣體冷卻服[16-18]、相變冷卻服和結(jié)合上述冷卻技術(shù)的兩個(gè)或兩個(gè)以上的混合冷卻服[19-20]。冷卻服又可分為主動(dòng)型冷卻服和被動(dòng)型冷卻服，主動(dòng)型冷卻服包括氣體冷卻服和液體冷卻服，被動(dòng)型冷卻服主要為相變冷卻服。氣體冷卻服通常配備一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，迫使空氣進(jìn)入背心的微氣候。該冷卻系統(tǒng)相當(dāng)便宜，但冷卻能力有限，能耗高，在炎熱和潮濕的天氣是無效的[21]。液冷服是衣服中含有細(xì)的導(dǎo)管，導(dǎo)管中含有循環(huán)冷的液體，有良好的散熱能力，相對(duì)較長的有效時(shí)間。其缺點(diǎn)是重量大，妨礙工人的行動(dòng)，從而降低了工作效率[22]。相變冷卻服是在服裝上封裝相變材料包或者利用微膠囊技術(shù)將相變材料鑲嵌在服裝中，通過相變材料的相變改變來吸收人體熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的降溫。相變冷卻服[23]具有服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，穿脫方便，冷卻效果好，不需要額外的致冷裝置等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著有效工作時(shí)間較短的缺點(diǎn)。

2 氣體冷卻服

2.1 概述

氣體冷卻服一般由基礎(chǔ)服裝、空氣壓縮機(jī)和通風(fēng)管等組成。工作原理是自然狀態(tài)的空氣，或者壓縮空氣，或者經(jīng)制冷設(shè)備產(chǎn)生的冷空氣，通過服裝內(nèi)的管道或夾層送入體表空間，以蒸發(fā)和對(duì)流換熱的方式對(duì)人體降溫。按冷氣吹向人體表面的不同形式，氣體冷卻服可分為管道式氣體冷卻服和服裝透過式氣體冷卻服。管道式氣體冷卻服是指空氣壓縮機(jī)先將空氣預(yù)冷，預(yù)冷空氣再通過分布在全身的管道系統(tǒng)排入服裝內(nèi)部，以對(duì)流和蒸發(fā)形式對(duì)人體進(jìn)行冷卻。服裝透過式氣體冷卻服是指在基礎(chǔ)服裝的前胸和后背各設(shè)置一個(gè)氣囊，在接觸皮膚的一面設(shè)有均勻分布的小孔，壓縮機(jī)將預(yù)冷空氣壓入氣囊，氣流從小孔吹向皮膚，對(duì)人體進(jìn)行冷卻。典型氣體冷卻服如圖1所示。

1-基礎(chǔ)服裝 2-通風(fēng)管 3-空氣壓縮機(jī)(a)管道式氣體冷卻服

(b)服裝透過式氣體冷卻服圖1 氣體冷卻服

2.2 實(shí)例

烏克蘭基輔國立工藝設(shè)計(jì)大學(xué)研制出的氣體冷卻“防熱服”[24]，擁有一個(gè)自主的氣體冷卻系統(tǒng)，可使工作人員穿著它能在溫度150 ℃或紅外輻射高達(dá)25 kW/m2的環(huán)境中持續(xù)工作30 min。

楊兆生等人發(fā)明了一種用于保護(hù)冶煉工人的高溫防護(hù)服[25]，該防護(hù)服是在防護(hù)靴底設(shè)有一個(gè)微型壓縮制冷裝置，通過工人走動(dòng)對(duì)微型壓縮制冷裝置做功產(chǎn)生冷空氣，進(jìn)而對(duì)人體進(jìn)行冷卻。

美國陸軍士兵系統(tǒng)研究中心開發(fā)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的“攔截者”風(fēng)冷式戰(zhàn)術(shù)背心，通過電動(dòng)換氣扇作為動(dòng)力，促使空氣在防護(hù)服和皮膚之間流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)制冷和輔助排汗的效果；美國海軍航空兵系統(tǒng)司令部開發(fā)的“制冷盔甲”背心，通過一套過濾吹風(fēng)管將周圍的空氣吸進(jìn)位于進(jìn)氣口一側(cè)的空氣調(diào)節(jié)器，經(jīng)過調(diào)節(jié)的空氣從出氣口進(jìn)入飛行服內(nèi)的導(dǎo)管，達(dá)到降低飛行員體溫的目的。系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)后，內(nèi)部電扇就會(huì)打開，并釋放冷氣，可以將飛行員周圍的溫度降低18 ℃[26]。

以色列Rabintex公司研制了一款內(nèi)設(shè)兩個(gè)微型風(fēng)扇的軍用氣冷服[27]，每個(gè)風(fēng)扇供風(fēng)量為180 L/min，電池可維持12 h，冷卻服總重1.2 kg。通過對(duì)20名男性進(jìn)行生理壓力測(cè)試，結(jié)果表明該氣冷服性能優(yōu)良，對(duì)軍事和體育人員非常適用。

3 液體冷卻服

3.1 概述

液體冷卻服一般由服裝主體、微型制冷系統(tǒng)及液體載冷劑循環(huán)管路組成。其冷卻原理首先是微型制冷系統(tǒng)生產(chǎn)出低溫載冷劑液體，再通過水泵將液體壓入布置在液冷服內(nèi)部的循環(huán)管路，輸送到服裝的各個(gè)部位，吸收服裝內(nèi)部的熱量；吸收熱量后的載冷劑液體再返回到微型制冷系統(tǒng)將液體降溫到設(shè)計(jì)溫度，循環(huán)往復(fù)。液體冷卻服的致冷裝置分為兩種，分別是移動(dòng)式和固定式。對(duì)于移動(dòng)式來說，冷卻服的致冷裝置和水泵都在服裝之外，彼此之間靠管道連接。對(duì)于固定式來說，冷卻服的致冷裝置和水泵放置在一個(gè)小背包內(nèi)，固定在液冷服背部，依靠電池供應(yīng)能量。根據(jù)實(shí)際使用的需要通常將液冷服分為3種，分別是液冷頭盔、液冷背心和全身式液冷服。全身式液冷服又分為片式液冷服、單管回轉(zhuǎn)式液冷服和多管路直通式液冷服。液冷背心如圖2所示。

圖2 液冷背心

3.2 實(shí)例

明尼蘇達(dá)州大學(xué)設(shè)計(jì)了一款液體冷卻、加溫兩用液冷服[28]，該液冷服的冷卻管道只分布在人體散熱較大的區(qū)域，比如軀干部。該液冷服具有輕便、高效的優(yōu)點(diǎn)。

張萬欣等[29]通過對(duì)暖體假人各部位散熱量比例分析，設(shè)計(jì)出供宇航員使用的全身多管路直通式液冷服。

王亮等[30]基于Pennes生物熱方程建立人體軀干穿著液冷服的傳熱模型方法，進(jìn)行潛熱型功能熱流體液冷服的性能分析。結(jié)果表明：相比水冷卻液，潛熱型功能熱流體可以顯著提高液冷服散熱能力，減小所需冷卻液流量以及泵功。

岳豐田等[31]針對(duì)礦山高溫環(huán)境發(fā)明了一種礦用全身性冷卻服，該冷卻服由外保溫層、制冷層、內(nèi)保溫層組成。冷卻原理為:首先在裝冰口袋內(nèi)裝入一定量的冰塊，冰的融化帶走人體部分熱量，隨后冰水流入管道進(jìn)入人體其他部位，帶走其他部位的熱量，最后冰水由褲腳排出。

4 相變冷卻服

4.1 概述

相變材料(PCM)是一種潛熱儲(chǔ)存材料，具有較高的熔解熱，相比顯熱儲(chǔ)存材料，具有高熱能存儲(chǔ)密度，發(fā)生相變時(shí)在恒定溫度條件下吸收和釋放熱量。PCM主要分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和混合(共晶)相變材料。相變冷卻服在服裝上封裝相變材料包或者利用微膠囊技術(shù)將相變材料鑲嵌在服裝中，通過相變材料的相變改變來吸收人體熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的降溫。根據(jù)冷卻服使用相變儲(chǔ)冷材料和儲(chǔ)冷方式的不同，又可分為傳統(tǒng)相變冷卻服和新型相變冷卻服。傳統(tǒng)相變冷卻服主要使用無機(jī)、有機(jī)及其混合物的相變材料，將其封裝在冷卻服的口袋里。新型相變冷卻服則利用微膠囊技術(shù)將相變材料制作成微型膠囊，并將微膠囊內(nèi)嵌到服裝面料中。圖3為傳統(tǒng)相變冷卻服(冷卻背心)。

圖3 傳統(tǒng)相變冷卻服(冷卻背心)

4.2 實(shí)例

Bennett等[32]于1995年在海軍消防員服裝的6個(gè)口袋中放入凝膠進(jìn)行降溫研究。

Chuansi Gao等[33]以十水硫酸鈉及其添加物為相變材料制作出供消防員使用的冷卻服。

Lennart等[34]使用丙烯酸樹脂高吸水性聚合物作為相變材料制作出供消防員使用的冷卻服。

20世紀(jì)末美國的TRDC公司[35-36]將直徑3～100 μm的相變微膠囊密封入服裝研制具有調(diào)溫功能的智能服裝。

美國Triangle公司[37]將直徑15～40 μm的微膠囊編織到紡織物中研制出調(diào)溫服。

Tao Wang等[38]研究用相變材料微膠囊懸浮液代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷卻液作為新的工作流體的液冷服。

秦長春[39]利用一種高分子水凝膠(藍(lán)冰)，研制出供消防員使用的藍(lán)冰降溫避火服，該服裝是在傳統(tǒng)消防服中以藍(lán)冰為內(nèi)膽放置在服裝夾層內(nèi)改進(jìn)而來，可以同時(shí)起到防火與高效降溫的作用。

王云儀等[40]以凝膠為蓄能降溫材料研制了局部性相變冷卻服，主要供鋼鐵工人使用。

5 混合冷卻服

5.1 概述

混合冷卻服是指結(jié)合氣體冷卻服、液體冷卻服、相變冷卻服的冷卻技術(shù)兩個(gè)或兩個(gè)以上的冷卻服。該冷卻服兼顧兩者或兩者以上冷卻服的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，其綜合性能優(yōu)良，逐漸成為科學(xué)家們熱衷研究的對(duì)象。圖4為氣體-相變混合冷卻服。

圖4 氣體-相變混合冷卻服

5.2 實(shí)例

Wenfang Song等[41]為辦公室工作人員設(shè)計(jì)出上衣和褲子復(fù)合PCM包和空氣通風(fēng)風(fēng)扇的混合式個(gè)人冷卻服裝。在空氣溫度34 ℃、相對(duì)濕度65%、空氣流速0.15 m/s的條件下，11名男性分別穿上混合冷卻服和不穿冷卻服進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合冷卻服能顯著提高全身熱感覺、皮膚濕潤感覺和舒適感覺。

6 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類在生產(chǎn)生活過程中對(duì)自身的防護(hù)和舒適意識(shí)的提高,冷卻服的發(fā)展取得明顯成效。但是,目前市場(chǎng)上常見的冷卻服均存在一定的不足,技術(shù)還不夠完善,如冷卻溫度過低、冷卻時(shí)間短、穿著不便、制冷過程中經(jīng)常出現(xiàn)過冷現(xiàn)象等。

未來冷卻服發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在減輕負(fù)荷、溫度范圍易調(diào)節(jié)、穿著舒適、操作方便、功能多樣化等方面。需要克服在制造冷卻服過程中遇到的難題，主要包括：(1)微型壓縮機(jī)的制造技術(shù)，為了減輕重量，因此壓縮機(jī)比較小，部件也就相應(yīng)微型化，設(shè)計(jì)制造便有了更高的要求，同時(shí)還要避免制冷劑泄漏。(2)蒸發(fā)器冷凝器的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)縮小的關(guān)鍵是如何提高蒸發(fā)器冷凝器的換熱系數(shù)，減小這兩個(gè)器件的體積和重量。(3)相變材料的封裝和復(fù)合技術(shù)，相變冷卻服在工作過程中，相變材料會(huì)受到形變和水的作用，因此設(shè)計(jì)制造要解決液相泄露、水蝕、過冷、傳熱不良等問題。

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2016紡織行業(yè)重拳治污，轉(zhuǎn)換發(fā)展新動(dòng)能

2016年是“十三五”的開局之年，生態(tài)文明建設(shè)被首次寫進(jìn)了國家五年規(guī)劃目標(biāo)任務(wù)，是國家“十三五”五大發(fā)展理念之一，成為了中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主流，這既是印染行業(yè)加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的強(qiáng)大動(dòng)力，也使其面臨著巨大壓力和挑戰(zhàn)。

2016年，印染行業(yè)集全行業(yè)之力，對(duì)“十三五”期間行業(yè)綠色發(fā)展和節(jié)能環(huán)保政策進(jìn)行了深入解析，就印染企業(yè)當(dāng)前關(guān)注的廢水、廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，廢水深度處理及回用，資源節(jié)約與高效利用，國際環(huán)保法規(guī)新進(jìn)展等熱點(diǎn)問題進(jìn)行了深入探討和實(shí)踐。

也因此，為了進(jìn)一步發(fā)揮技術(shù)進(jìn)步在行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、可持續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵作用，促進(jìn)印染行業(yè)的健康發(fā)展，中國印染行業(yè)協(xié)會(huì)在已有工作基礎(chǔ)上，組織申報(bào)了印染行業(yè)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)，發(fā)布了《第十批中國印染行業(yè)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)推薦目錄》。

The Development Progress of Cooling Garments

ZHOU Mi, QIAN Xiao-ming, HUANG Shun-wei*

(School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

The cooling garment could resist the high temperature damage, ensure the safety of workers and improve the work efficiency. The cooling garments were divided into four categories based on the types of cooling medium including liquid cooling garments, air cooling garments, garments incorporated with phase change materials and hybrid cooling garments that combined with two or more of the aforementioned cooling techniques. The development status of several kinds of cooling garments was summarized.

cooling garment; gas; liquid; phase-change materials; hybrid

2016-10-20

國家科技支撐項(xiàng)目(2014BAE09B00)

周 覓(1993-)，女，湖北仙桃人，在讀碩士研究生，主要從事服裝工效學(xué)的研究。

*通信作者：黃順偉(1990-)，男，安徽淮南人，在讀碩士研究生，主要從事非織造土工布結(jié)構(gòu)與性能的研究，E-mail：985897189@qq.com。

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