一種智能溫控服裝的研究與應(yīng)用

陳 峰，江柳清

（北海藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣西 北海 536000）

服裝是衣、帽、鞋、襪等的總稱，多指衣服，其最初的作用是蔽體和御寒保暖。前者是為了滿足人類文明需求，后者是為了滿足人類生理需要。對(duì)現(xiàn)代社會(huì)而言，服裝不僅是蔽體、御寒的生活必需品，還是個(gè)性的表達(dá)、個(gè)人魅力的展現(xiàn)。對(duì)于某些特殊行業(yè)群體，服裝的防護(hù)功能顯得更為重要。

近年來，極端氣象的出現(xiàn)越來越頻繁，酷熱與極寒天氣越來越多，具有體溫調(diào)節(jié)功能的服裝能夠幫助戶外工作人員更好地調(diào)節(jié)溫度，避免高溫中暑和低溫凍傷等危害生命安全的事件發(fā)生[1]。目前，市面上銷售的冬季服裝主要靠服裝材料來隔絕或減少與外界的熱量交換，起到防寒保暖的效果。由于人體主要是通過軀干產(chǎn)生熱量，四肢產(chǎn)生的熱量較少，穿著普通服裝時(shí)，四肢溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軀干溫度，在嚴(yán)寒的環(huán)境中易產(chǎn)生手腳凍傷的情況[2]。

1 人類保暖技術(shù)的發(fā)展歷程

四季變化是自然現(xiàn)象，四季的溫度也會(huì)有規(guī)律地變化，或冷或熱，在極端情況下還會(huì)出現(xiàn)極冷、極熱的現(xiàn)象。自然界中的動(dòng)植物可以依靠自身的皮毛、調(diào)節(jié)水分蒸發(fā)量等方式來維持自身的溫度，而在原始社會(huì)，人類最先使用樹葉和動(dòng)物皮毛進(jìn)行保暖。到了新石器時(shí)代，開始出現(xiàn)紡織品，而人類也開始利用紡織品制成衣物，達(dá)到保溫的效果，這也是服裝形成的一大因素?，F(xiàn)如今，人類最主要的保暖方式還是穿著服裝，隨著紡織技術(shù)的更新?lián)Q代以及科技的不斷進(jìn)步，服裝保暖作用的發(fā)揮從單純依賴面料本身的特性轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚茖W(xué)技術(shù)。

20世紀(jì)40年代，有人開發(fā)出幾乎覆蓋全身的點(diǎn)發(fā)熱衣，當(dāng)時(shí)使用的發(fā)熱材料是發(fā)熱線，為了防止發(fā)熱材料損壞，紡織品中添加了大量填充物，可以提高可彎曲性并防止電氣元件破壞。2009年，Ozan Kayacan設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種將導(dǎo)電紗線編織到紡織品中制造的加熱組件。

目前市面上出現(xiàn)的耐寒紡織品可以大致分為兩大類：一種是被動(dòng)生熱保暖衣，即被動(dòng)生熱型，通過增加靜態(tài)空氣含量阻隔熱量的傳遞，提高保暖性能；另一種是主動(dòng)產(chǎn)熱保暖服，即主動(dòng)產(chǎn)熱型，通過增加能量主動(dòng)為人體提供額外的熱量。前者只是依靠人體的肌肉血管收縮來調(diào)節(jié)體溫[3]，但是，當(dāng)人體處于極冷的環(huán)境或者人體受傷時(shí)，則不能很好地為人體供熱，而后者更能體現(xiàn)產(chǎn)品本身帶有熱源的好處。

2 現(xiàn)有保暖技術(shù)的短板

現(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)有了一部分關(guān)于保暖技術(shù)的研究，已有相關(guān)專利和論文設(shè)計(jì)了不同的保溫和降溫衣物。隨著社會(huì)高速發(fā)展，人們的生活水平逐漸提高，對(duì)服裝的要求也逐漸提高，單一的服裝已經(jīng)不能滿足人們的需求，更注重服裝的性能。

現(xiàn)有的保暖技術(shù)除了利用服裝材料的厚薄以及材料本身的保暖性能，還可通過一些化學(xué)品短時(shí)間的加熱進(jìn)行保暖。第一種是使用合成纖維，其工作原理是當(dāng)外界溫度下降時(shí)，合成纖維里的溶液會(huì)受冷收縮凝固，而纖維會(huì)因膨脹導(dǎo)致密度增大，熱量的流失就會(huì)減少，達(dá)到提高織物保暖性的目的。當(dāng)氣溫上升時(shí)，溶劑便會(huì)變成液體，纖維則變得稀疏，密度減小，通透性提高，可以達(dá)到降溫的目的。第二種是將有恒溫作用的化學(xué)物質(zhì)添加到織物上，這種化學(xué)物質(zhì)會(huì)自動(dòng)根據(jù)外界的溫度變化調(diào)節(jié)自身的溫度，不過這種化學(xué)物質(zhì)多用于天然纖維和合成纖維織物上。第三種是安裝“微型空調(diào)”，原理是衣服本體內(nèi)有一個(gè)微型的制冷裝置，這個(gè)裝置連接著一根輕質(zhì)柔性軟管，軟管纏繞在人體上，制冷裝置制造的冷空氣則會(huì)通過軟管輸送到衣服內(nèi)，此外，著裝者還可以根據(jù)自身需求來調(diào)節(jié)溫度。同時(shí)，還有一種比較高級(jí)的材料叫相變儲(chǔ)能材料，是利用某些物質(zhì)在相轉(zhuǎn)變過程中的吸熱和放熱現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)存和溫度調(diào)控的一類材料，利用其制成的服裝稱為“相變服”。目前，國內(nèi)外的研究者主要是通過微膠囊織物填充法、相變材料直接填充法等加工方法，將相變材料制成紡織品并應(yīng)用于調(diào)溫服制作領(lǐng)域中[4]。

但是，上述保暖技術(shù)都過于單一，而且非常考究服裝的材料，一些服裝材料的保暖效果雖然足夠好，但是透氣性能較差，做不到二者兼具。再者，保暖面料過于厚重，穿起來很笨重，人體穿著舒適感較差。雖然可以使用暖寶寶，但成本較高，保暖時(shí)效根本不足以維持長時(shí)間、高強(qiáng)度的工作，并且暖寶寶的材料基本都是化學(xué)品，若不慎將其外包裝劃破，里面的化學(xué)品外溢，對(duì)人體安全和環(huán)境都會(huì)造成一定影響。

現(xiàn)有的保暖技術(shù)對(duì)地域的針對(duì)性不強(qiáng)。我國北方地區(qū)的一些城市常年低溫，比較干燥，而南方地區(qū)較為濕冷，同一款保暖服裝的保暖性無法同時(shí)適應(yīng)這兩個(gè)地區(qū)。因此，針對(duì)潮濕和干燥的冷，保暖技術(shù)針對(duì)性不強(qiáng)也是目前智能溫控服裝設(shè)計(jì)的短板。

目前市面上有一種電加熱服裝，此款服裝需要消耗大量的電能產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致電池供電續(xù)航時(shí)間較短。此款電加熱服裝只能在特定區(qū)域加熱，而非全身加熱，且不能形成全身的熱量循環(huán)，導(dǎo)致服裝整體溫度分布不均，影響穿著的舒適性[2]。當(dāng)前，高溫防護(hù)服、多功能防護(hù)服、智能電子調(diào)溫服都已經(jīng)相繼問世，這些能調(diào)節(jié)溫度的服裝主要存在以下問題：（1）對(duì)材料的要求高，適用范圍受到一定的限制；（2）通過風(fēng)扇送風(fēng)使人體表面汗液蒸發(fā)來達(dá)到降溫目的，長時(shí)間工作會(huì)消耗人體內(nèi)大量水分，工作人員易產(chǎn)生不適[1]；（3）不能自動(dòng)調(diào)溫度；（4）只能在某些特定的位置進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)；（5）通過化學(xué)物質(zhì)來調(diào)節(jié)溫度的方式雖然有不錯(cuò)的效果，但是長期使用對(duì)人體也會(huì)產(chǎn)生一定的危害。

3 特種行業(yè)對(duì)保暖和降溫服裝的需求

當(dāng)前，高危險(xiǎn)性的職業(yè)存在許多環(huán)境危害因素，包括爆炸、沖擊、摩擦、鈍擊等機(jī)械因素；具有腐蝕性、氧化性的強(qiáng)酸強(qiáng)堿等化學(xué)因素；高溫火焰、低溫嚴(yán)寒、高氣壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等物理因素。因此，防護(hù)服防御的對(duì)象繁多，并且有些因素?zé)o法實(shí)現(xiàn)有效防護(hù)，社會(huì)對(duì)特種防護(hù)服的需求越來越強(qiáng)烈[5]。

特種服裝在各種特種行業(yè)都起至關(guān)重要的作用，在工作中沒有做好防護(hù)可能會(huì)造成嚴(yán)重后果。

3.1 耐熱性能

以公共安全事件為例（工礦企業(yè)燃燒爆炸等），由此產(chǎn)生的大火可以在短時(shí)間內(nèi)迅速升溫。就算是普通的房間失火，溫度也會(huì)高達(dá)300 ℃左右，足以對(duì)人們的生命安全構(gòu)成威脅。因此，耐高溫的服裝就變得非常重要，要求服裝的面料在高溫下具有較好的吸熱性，這樣會(huì)減緩人體皮膚的升溫速度，調(diào)節(jié)人體的溫度，減輕高溫對(duì)人體皮膚的傷害。

3.2 阻燃性能

阻燃性是指衣物在接觸到高溫火焰時(shí)，能有效地減緩火焰的燃燒速度或者無法燃燒。因?yàn)榛馂?zāi)發(fā)生時(shí)最嚴(yán)重的燒傷基本是由服裝著火引起的，這就需要應(yīng)用到耐高溫的阻燃面料，現(xiàn)有的阻燃服裝是用各種阻燃纖維混合制成，能有效延長阻燃時(shí)間，所以服裝的阻燃性能非常重要。

3.3 隔熱性能

在高溫環(huán)境下工作時(shí)，因?yàn)榉雷o(hù)服最先接觸到外界溫度，然后熱量通過防護(hù)服傳遞給人體，所以要求服裝的面料必須具備良好的隔熱性能，能夠減緩熱量向人體傳遞的速度?，F(xiàn)在有不少職業(yè)需要直接面對(duì)高溫環(huán)境，這便對(duì)隔熱性能較好的防護(hù)服裝產(chǎn)生了極大需求。

3.4 保暖性能

在氣溫較低的工作地區(qū)，由于外界氣溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人的體溫，為了保障工作順利進(jìn)行，必須將體溫維持在正常范圍內(nèi)，這就要求服裝具有良好的密閉性、保溫性，減緩身體熱氣分散速度。

4 針對(duì)特種行業(yè)需求提出解決方案

由于社會(huì)發(fā)展的需要，一部分人不得不在極其惡劣的環(huán)境下工作，這本身就會(huì)對(duì)人的生理和心理造成很大傷害，甚至?xí)霈F(xiàn)生命安全事故，造成不小的人才、經(jīng)濟(jì)損失。

首先在宏觀層面，應(yīng)該建立特種行業(yè)特種防護(hù)服裝體系。其次在科研領(lǐng)域，一是大力研發(fā)特殊且具有相變儲(chǔ)能性的材料，能夠吸收外界熱量以及釋放儲(chǔ)存的能量，通過吸熱和放熱來達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的；二是運(yùn)用科學(xué)技術(shù)研發(fā)相關(guān)智能系統(tǒng)。最后在法律層面，應(yīng)完善相關(guān)法律法規(guī)，加大對(duì)這類特殊職業(yè)人員的生命和福利保障力度，提高他們的榮譽(yù)感和幸福指數(shù)，真正讓特殊防護(hù)服裝成為保護(hù)職業(yè)人員生命安全的最后一道有效屏障。

5 方案技術(shù)說明

本方案公開了一種服裝用水循環(huán)熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括服裝本體、硅膠導(dǎo)管、微型水泵、儲(chǔ)水袋。硅膠導(dǎo)管設(shè)置在服裝本體的內(nèi)部，按照預(yù)定線路鋪排在服裝本體中，呈蛇形蜿蜒設(shè)置，其中一端與微型水泵固定接通，另一端與儲(chǔ)水袋固定接通。微型水泵遠(yuǎn)離硅膠導(dǎo)管的一端與儲(chǔ)水袋固定接通，硅膠導(dǎo)管、儲(chǔ)水袋形成以微型水泵為驅(qū)動(dòng)的密閉水循環(huán)系統(tǒng)。儲(chǔ)水袋內(nèi)固定設(shè)置電熱絲，服裝本體的內(nèi)部固定設(shè)置容納腔，微型水泵和儲(chǔ)水袋均位于容納腔內(nèi)，硅膠導(dǎo)管和儲(chǔ)水袋內(nèi)裝有循環(huán)水。該系統(tǒng)在使用過程中，電路內(nèi)電壓較低，使用較為安全。

5.1 材料配件

該系統(tǒng)所包含的材料配件分別為硅膠導(dǎo)管、微型水泵、儲(chǔ)水袋、導(dǎo)電線、電池倉、電熱絲等。服裝結(jié)構(gòu)款式如圖1所示，1是指服裝本體，2是指硅膠導(dǎo)管；而圖2是圖1中A處的放大圖。

圖1 服裝結(jié)構(gòu)款式

圖2 放大細(xì)節(jié)展示

5.2 工作原理

容納腔、儲(chǔ)水袋、服裝本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖3、圖4、圖5所示。圖3中的2是指硅膠導(dǎo)管，3是指微型水泵，4是指儲(chǔ)水袋，5是指電熱絲，7是指供電線，8是指接頭。圖4中的4和5與圖3一致。圖5中的101是指外層面料，102是指中層輔棉。

圖3 容納腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 儲(chǔ)水袋內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 服裝本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

參考圖1～5，服裝用水循環(huán)熱傳導(dǎo)系統(tǒng)由圖1中的服裝本體1、硅膠導(dǎo)管2，圖3中的微型水泵3、儲(chǔ)水袋4組成，硅膠導(dǎo)管設(shè)置在服裝內(nèi)部，按照設(shè)計(jì)的排列方式鋪設(shè)，硅膠導(dǎo)管的一個(gè)端口連接微型水泵的一個(gè)端口，硅膠導(dǎo)管的另一個(gè)端口則與儲(chǔ)水袋相連，微型水泵遠(yuǎn)離硅膠導(dǎo)管的一端與儲(chǔ)水袋固定接通。

綜上，硅膠導(dǎo)管、儲(chǔ)水袋和微型水泵形成以水泵為驅(qū)動(dòng)力的密閉循環(huán)系統(tǒng)。儲(chǔ)水袋內(nèi)設(shè)置圖4中的電熱絲5，服裝本體內(nèi)設(shè)有容納腔，微型水泵和儲(chǔ)水袋均位于容納腔內(nèi)，容納腔上設(shè)有開口，可用于取出微型水泵和儲(chǔ)水袋，微型水泵和電熱絲相互串聯(lián)，電熱絲在儲(chǔ)水袋內(nèi)曲折設(shè)置，微型水泵的驅(qū)動(dòng)力可以是移動(dòng)電源，儲(chǔ)水袋上面設(shè)有按扣。

參考圖3，圖中微型水泵設(shè)置供電線7，微型水泵和電熱絲均與供電線連接，供電線設(shè)有接頭8（USB-A接頭），接頭延伸至口袋內(nèi)。

參考圖5，圖中服裝結(jié)構(gòu)由外層面料101、中層輔棉102組成，中層輔棉根據(jù)服裝款式要求裁剪出相應(yīng)的裁片形狀，硅膠導(dǎo)管按設(shè)計(jì)的線路排列在中層輔棉上。

通過上述技術(shù)方案，在使用時(shí)，將移動(dòng)電源放置于口袋內(nèi)，與圖3中的接頭8連接，此時(shí)，圖3中的微型水泵3和電熱絲5啟動(dòng)，電熱絲對(duì)水加熱，微型水泵驅(qū)動(dòng)循環(huán)水進(jìn)入導(dǎo)管循環(huán)流動(dòng)，通過服裝本體與人體進(jìn)行熱量交換，達(dá)到升溫的作用。

綜上，本實(shí)用新型系統(tǒng)主要有以下效果：導(dǎo)線不會(huì)遍布全身，且由于系統(tǒng)僅設(shè)置一個(gè)微型水泵和電熱絲，電路內(nèi)的電流和電壓相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)來說較低。同時(shí)，由于硅膠導(dǎo)管在服裝本體內(nèi)均勻且有規(guī)則地排列，循環(huán)水最大限度地參與全身的熱量交換，使人體體溫均勻。

6 結(jié)語

即使現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，但仍然有很多工作需要人工操作完成，不能使用機(jī)器代替。社會(huì)對(duì)特種防護(hù)服的需求越來越強(qiáng)烈，要求也越來越高，現(xiàn)代人在追求美好幸福生活的同時(shí)，越來越重視生命財(cái)產(chǎn)安全，但背后離不開一群默默付出的人，例如消防員、高寒地區(qū)執(zhí)勤官兵等。由此可見，開發(fā)智能溫控服裝為從事特殊職業(yè)的人群提供有效的生命安全保護(hù)，是社會(huì)的呼吁，也是普通群眾的一種心愿。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，未來人類對(duì)服裝的性能需求和要求會(huì)越來越高，普通的服裝無法滿足人類的需求，尤其是消防、軍事、航空航天、生化等領(lǐng)域需要接觸惡劣或特殊環(huán)境的職業(yè)，因此，更具功能性的智能服裝成為重點(diǎn)科研領(lǐng)域。本研究所闡述的采用水循環(huán)熱傳導(dǎo)系統(tǒng)的服裝產(chǎn)品能有效保護(hù)從事特殊職業(yè)的工作人員的生命安全，同時(shí)還能提高著裝的舒適度，提高工作效率，所以研發(fā)一種智能溫控服裝具有良好的社會(huì)效益和較高的經(jīng)濟(jì)效益。