邊防部隊電加熱服的研制與功能評價

佟 玫， 張雅麗， 唐世君

(軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010)

目前，軍隊在極寒地區(qū)的防寒服裝主要是皮大衣、皮褲、皮帽和毛皮鞋、外套靴，官兵在-30～45 ℃的環(huán)境下，執(zhí)行巡邏、潛伏等任務(wù)時，人體與環(huán)境的溫差可達(dá)70 ℃，單靠傳統(tǒng)防寒服裝難以滿足保暖要求，需要研制一款能夠主動制熱的服裝，有效合理利用體外的能量(如電能、太陽能、化學(xué)能等)在服裝內(nèi)轉(zhuǎn)換成熱能，以達(dá)到對身體加熱保暖的目的。此加熱服可減少官兵在極冷環(huán)境條件下著裝的厚度和質(zhì)量，提高人體著裝的舒適度和靈活性[1]。

根據(jù)外接熱源的不同，加熱服主要分為電加熱服、化學(xué)加熱服、相變材料加熱服、流體加熱服和太陽能加熱服[2-3]5種。其中，化學(xué)加熱防寒服溫度不可控，易發(fā)生化學(xué)泄露；相變材料受相變溫度的影響使用范圍受限，在極端情況下無法達(dá)到加熱保暖效果[4]；流體加熱裝置較復(fù)雜且限制人體活動；太陽能加熱成本較高，且受太陽光強度的制約無法持續(xù)為人體供熱[5]。電加熱防寒服因其發(fā)熱速度快，散熱均勻性好、效率高[6]等特性成為學(xué)者研究的熱點。文中采用電熱技術(shù)研制一款面向邊防部隊的電加熱服，主要研究其發(fā)熱載體的舒適性、電池使用的實效性(耐低溫、充放電時間)、著裝后的舒適性和紅外偽裝效果。

1 電加熱服的研制

電熱服是利用電能驅(qū)動衣服內(nèi)電熱元件工作的一類服裝的總稱，一般由電源、發(fā)熱元件、控溫裝置和安全保護裝置等構(gòu)成，相互之間通過導(dǎo)線連接[7-9]。根據(jù)電加熱服的結(jié)構(gòu)特點和部隊的勤務(wù)需求，擬研制的加熱服裝主要由3部分組成，即背心、發(fā)熱載體和電池及其配套電子產(chǎn)品，重點開展了服裝結(jié)構(gòu)、發(fā)熱載體和高分子鋰電池的研究[10]。

1.1 服裝結(jié)構(gòu)

加熱服采用西服背心款式，前身2個挖袋，袋口用尼龍搭扣結(jié)合，用于攜帶電池，左胸部設(shè)一假挖袋。加熱服是公用物資，采用這種款式不僅方便貼身穿著，提高保暖效率，而且可以與冬作訓(xùn)服、冬常服配套穿用，提高應(yīng)用率。背心腋下兩側(cè)采用5 cm寬的羅紋布，使每一型號的衣服胸圍有一定的調(diào)節(jié)量，盡可能滿足不同胖瘦人群穿用。

背心面料采用毛滌嗶嘰，里子采用防靜電滌絲綢里子布。里子后背中間處橫向設(shè)一隱形拉鏈，以此為界，上下分別設(shè)有一個口袋，用于安裝加熱載體，袋口用尼龍搭扣系合。背心前身腹部左右分別設(shè)有一個暗袋，大小與腹部加熱片一致。背心外形及安裝示意如圖1所示。

圖1 背心外形及安裝示意 Fig.1 Outline and installation diagram of vest

由于加熱背心屬于公用物資，號型設(shè)置不能過多，因此設(shè)計了3個號型，分別為165～170，175，180～185，胸圍分別對應(yīng)92～96,96～100,100～104 cm。

1.2 發(fā)熱載體

發(fā)熱載體是電熱服最重要的元件之一，要符合人體穿著需要，具備柔軟透氣、無異物感，發(fā)熱效率高，便于拆裝等特性。

1.2.1發(fā)熱材料的選擇 現(xiàn)有發(fā)熱材料主要有3類：金屬發(fā)熱材料(金屬絲或金屬片)、電熱膜(碳基油墨或涂層)和碳纖維發(fā)熱材料[11]。金屬發(fā)熱材料一般質(zhì)地較硬，不易彎曲，不能同人體很好地貼合，不適用于紡織服裝產(chǎn)品。電熱膜容易加工、成本較低，但手感太硬，透氣性差易使人產(chǎn)生悶熱感，一般應(yīng)用于發(fā)熱地板等[12]。目前應(yīng)用較普遍的是碳纖維及石墨烯纖維材料，碳纖維發(fā)熱元件靈活、質(zhì)輕、耐用、可洗且具有較好的電能轉(zhuǎn)換率，便于嵌入服裝中使用[13-14]。

1.2.2發(fā)熱載體的設(shè)置 發(fā)熱元件通常布置在前胸、前腹、后腰、后背、關(guān)節(jié)等人體熱敏感部位[1]，本款加熱服在后背和前腹部設(shè)置發(fā)熱元件。其中背部加熱片內(nèi)置3塊發(fā)熱元件，由導(dǎo)線并聯(lián)；2個腹部加熱片各內(nèi)置1塊發(fā)熱元件。加熱載體的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 加熱載體結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of heating carrier

1.2.3發(fā)熱載體發(fā)熱效果測試 電源一般采用12 V以下人體安全直流電壓，電熱服裝正常工作電壓設(shè)置為7.4 V，每個發(fā)熱元件的電阻為28 Ω，背部、腹部發(fā)熱片的發(fā)熱功率分別為5.8，2.0 W，整個發(fā)熱載體的最大發(fā)熱功率為9.8 W。在25 ℃模擬環(huán)境下，施加7.4 V直流電壓，測試發(fā)熱載體的溫度變化。發(fā)熱載體的溫度變化曲線如圖3所示。結(jié)果表明發(fā)熱載體升溫速度快且能穩(wěn)定在72 ℃左右。采用紅外熱像儀觀察發(fā)熱載體的溫度均勻性[15]，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，發(fā)熱載體升溫比較均勻，無局部熱島現(xiàn)象，避免了連接結(jié)點局部過熱而燒壞服裝或者燙傷人體的問題。

圖3 發(fā)熱載體的溫度變化曲線 Fig.3 Temperature curve of heating carrier

圖4 紅外熱像儀實測過程Fig.4 Measurement process of infrared thermal imager

1.3 高分子鋰電池

鋰離子以其高能量密度、高工作電壓、長循環(huán)壽命、環(huán)保安全等優(yōu)點，在便攜式電子產(chǎn)品中得到普遍使用。目前市場上傳統(tǒng)的電池材料和電壓平臺，對電池的能量密度提升比較緩慢，因此有必要研發(fā)一種耐低溫高分子鋰電池。

1.3.1技術(shù)需求 根據(jù)7.4 V，4 A電池使用特點，確定該系列電池應(yīng)該具備如下要求：具有較高的質(zhì)量比能，良好的-40 ℃低溫放電能力和循環(huán)充電次數(shù)。因此，規(guī)定了組成該電池的單電芯技術(shù)指標(biāo)，具體見表1。

表1 單電芯技術(shù)指標(biāo)要求

1.3.2提高電池性能的技術(shù) 采用獨有的負(fù)極技術(shù)，結(jié)合創(chuàng)新的極片制作工藝，從而提高電池能量密度；采用第4代電解液，能更好地匹配高壓實高能量負(fù)極材料，提升倍率性能和循環(huán)壽命。

根據(jù)-40 ℃低溫放電的要求，在配方設(shè)計上提高了導(dǎo)電劑的含量，改善活性物質(zhì)的導(dǎo)電性；選用較大比表面積的正極顆粒材料，提高電子和離子導(dǎo)電能力；采用黏結(jié)性較好的黏結(jié)劑，減小顆粒之間的絕緣性；采用超低溫型電解液、軟包裝疊片設(shè)計，減小電池內(nèi)阻，增加電池的比能量。改進后的電池，低溫放電性能由-20 ℃放電70%提高至-40 ℃放電80%。

根據(jù)軍人執(zhí)勤時長和服裝使用時間計算，電池充電時間需不超過1.5 h，循環(huán)壽命應(yīng)達(dá)800次以上，因此電池必須同時具有更高的倍率性能和長壽命性能。這些與材料選擇、混料方式、電極配方、隔膜、電解液等有關(guān)。選擇磷酸鐵鋰和負(fù)極材料制成電池后，可進行高倍率充放電，且具有較高的穩(wěn)定性。電極配方中，采用黏結(jié)性較好的黏結(jié)劑可降低其含量；采用較小粒徑的導(dǎo)電劑、同時增加導(dǎo)電劑的含量，可延緩活性物質(zhì)容量的衰減。經(jīng)實驗驗證，采用孔隙率高、強度大的某型號隔膜可明顯提高倍率放電性能和循環(huán)性能。電解液配方中添加了專用導(dǎo)電添加劑，有效提高了電解液的離子導(dǎo)電能力和高倍率充放電條件下的電池壽命。任選兩個高比能軟包電池測試其循環(huán)次數(shù)的實驗，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，高比能軟包電池性能相對穩(wěn)定。

圖5 兩個高比能軟包電池1 C 100%DOD充放電循環(huán)曲線 Fig.5 1C 100%DOD charge-discharge cycle diagram of two high specific energy soft batterys

除此之外，對電池的安全性能也進行了相關(guān)研究，包括電池過充電、過放電、短路、擠壓和跌落實驗5個方面，總體而言，該系列電池達(dá)到了安全、快充放、高比能量密度的技術(shù)要求，具體情況見表2。

表2 電池主要技術(shù)指標(biāo)完成情況

2 部隊試穿實驗

部隊適應(yīng)性實驗是衡量科研成果綜合性能和質(zhì)量最直接、最真實、最有說服力的方法。因此，本項目在研究過程中，針對發(fā)熱材料性能、服裝尺寸結(jié)構(gòu)、電池性能和冬服配套性能等要求，組織進行了部隊適應(yīng)性實驗。

2.1 試穿實驗組織安排

試穿所處地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市境內(nèi)，該地區(qū)屬于寒溫帶大陸性氣候，冬季寒冷漫長，冬季最冷月在-18～ -30 ℃之間，試穿的第1個月最高氣溫為-18 ℃，最低氣溫為-41 ℃。發(fā)放加熱背心60件，安排3個單位共60名官兵承擔(dān)此次試穿任務(wù)。

實驗前，為參加試穿的官兵講解了加熱服裝的性能特點和使用方法，并對試穿提出了具體要求，提供了試穿實驗大綱。試穿部隊在營執(zhí)勤、邊防潛伏、邊防巡邏等不同作訓(xùn)環(huán)境條件下進行試穿實驗。

2.2 現(xiàn)場人體測溫實驗

針對部隊穿著時的任務(wù)要求，進行野外條件下的服裝表面紅外測溫實驗。采用多點溫度測量儀和紅外熱像儀，測試加熱服裝在全套冬服配套穿著條件下各層服裝的表面溫度變化，研究加熱條件下對冬服紅外隱身的影響，分析官兵在潛伏、站崗等執(zhí)勤條件的紅外泄露情況。

2.2.1現(xiàn)場實驗方法

1)環(huán)境溫度： 實驗環(huán)境溫度設(shè)置為 -40 ～

-35 ℃。

2)實驗儀器：ZJ1064便攜式溫度采集儀，眾佳科技有限公司制造；Ti450紅外熱像儀，福祿克測試儀器(上海)有限公司制造。

3)服裝配套：參試人員分兩組，分別為實驗組、對比組。冬服穿著配套品種見表3。

表3 兩組受試者穿著配套品種

4)溫度傳感器安放位置： 在背部對應(yīng)加熱服的位置。分別于秋衣外側(cè)、絨衣外側(cè)和棉衣外側(cè)設(shè)置3個溫度傳感器，同時研究人員手工測試環(huán)境溫度。各測量位置對應(yīng)的傳感器編號見表4。

表4 各測量位置傳感器編號

5)主觀感覺心理量值測試： 人體的主觀冷暖感覺量值見表5。在現(xiàn)場對比實驗過程中，研究人員每30 min詢問一次被測試人員的主觀冷暖感受，并填寫在相應(yīng)表格上。

表5 人體主觀冷暖感受等級表

Tab.5 Grade table of human subjective cold and warm sensation

6)冬服配套各層溫度變化的測試： 實驗組和對比組按照表3的配套穿著服裝，在相應(yīng)位置安放好傳感器，在環(huán)境溫度低于-35 ℃的室外雪地中執(zhí)行站崗任務(wù)。溫度采集儀每10 s采集一組溫度數(shù)據(jù)，研究人員每10 min用紅外熱像儀測量一次服裝表面溫度(正反面)，同時每30 min填寫一次冷暖主觀感受值，實驗時間為1 h。鑒于文章篇幅有限及研究需要，只記錄11個不同時間段衣內(nèi)各點溫度數(shù)據(jù)，具體見表6。

7)不同勤務(wù)狀態(tài)下人體紅外泄露分布研究： 實驗組和對比組按表3配套穿著服裝，分別模擬雪地潛伏和雪地站崗兩種勤務(wù)狀態(tài)，研究人員用紅外熱像儀從不同角度檢測服裝表面的紅外熱圖像，以分析不同部位的熱泄露情況。

表6 不同時間段衣內(nèi)各點溫度

2.2.2實驗結(jié)果分析

1)衣內(nèi)溫度對人體冷暖感覺的影響。從表6數(shù)據(jù)可以看出，實驗開始后，穿著加熱服的實驗組衣內(nèi)溫度快速上升，在10 min時達(dá)到最高值，與對比組秋衣外側(cè)的溫度(1#和9#傳感器)相差16.1 ℃。隨著熱平衡的發(fā)展，衣內(nèi)溫度緩慢下降，到60 min時，實驗組溫度仍在43 ℃左右，比對比組溫度高12.6 ℃。在60 min時，對比組的人體感覺已經(jīng)達(dá)到寒冷的耐受極限，而實驗組還處在較為舒適的狀態(tài)，具體見表7。

表7 不同時間段人體的冷暖感覺

Tab.7 Cold and warm feeling of human body in different time periods

2 )加熱服對衣服表面溫度的影響。實驗開始與結(jié)束時的紅外熱像如圖6和圖7所示。從表6的數(shù)據(jù)可以看出，第60 min熱平衡時，3#與11#傳感器的溫差即棉衣外側(cè)溫度差為6 ℃;從紅外熱像圖6和圖7可以看出，在實驗開始和結(jié)束時，兩組之間最外層服裝表面溫度基本一致。因此，在冬服多層配套的穿著條件下，衣內(nèi)的熱量很難傳遞到外層服裝，對外層服裝表面溫度的影響極小。

圖6 實驗開始時的紅外分布Fig.6 Infrared distribution at the beginning of the experiment

圖7 實驗結(jié)束時的紅外分布Fig.7 Infrared distribution at the end of the experiment

3 ) 不同姿勢人體對紅外輻射量的影響。為研究不同勤務(wù)條件下人體姿勢對紅外輻射的影響，參試人員按照表3的配套穿著，分別以站姿、坐姿和潛伏狀態(tài)進行實驗。人體不同狀態(tài)下的紅外熱像如圖8所示。

(a)站姿

(b)坐姿

(c)潛伏時前部

(d)潛伏時后部圖8 人體不同狀態(tài)的紅外熱像Fig.8 Infrared thermal imaging of human body in different states

從圖7～圖8可以看出，人體各部位的散熱量明顯不同。站姿條件下，人體頸部、腋下、小腿和腳部散熱量明顯較大；坐姿條件下，人體頸部、腋下、腰部、腳部散熱量較大；潛伏條件下，從前面觀察，頸部和腳踝處散熱顯著，從后面觀察，腋下、腰部和腳部散熱明顯。說明這些部位保暖不夠，也證明這些部位的散熱對紅外偽裝影響巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出加熱服裝對紅外偽裝的影響。

2.2.3實驗結(jié)論 由上述實驗過程及結(jié)果分析可以得出，加熱背心對寒冷條件下人體的輔助保暖效果明顯，可以大大延長官兵的野外執(zhí)勤時間。影響單兵中遠(yuǎn)紅外偽裝的因素主要有溫度和材料的發(fā)射率，加熱服對厚型的冬服外表面溫度影響較小，不會顯著影響紅外偽裝效果；同時通過紅外熱像儀的觀察研究，現(xiàn)行冬服配套的局部保暖性能不平衡，需在今后加以改進。

3 結(jié) 語

電加熱服由發(fā)熱載體、服裝和電池等構(gòu)成，相互之間通過導(dǎo)線連接。發(fā)熱載體布置在后背、前腹部，可拆卸，可水洗。服裝是背心結(jié)構(gòu)，兩腋下側(cè)縫采用羅紋材料，適合不同體型人員穿用。電池具有溫度保護、電流控制功能及3檔電壓脈沖輸出，穿用者可以根據(jù)保暖需要調(diào)節(jié)發(fā)熱功率。經(jīng)過部隊試穿實驗，加熱背心在寒冷條件下對人體的輔助保暖效果明顯，全功率發(fā)熱時間大于2 h，衣內(nèi)表面溫度不低于 50 ℃，能夠有效滿足官兵需求；加熱服對厚型的冬服外表面溫度影響較小、不會顯著影響紅外偽裝效果；但現(xiàn)行冬服配套的局部保暖性能不平衡，需在今后加以改進。