CN103303502A - 个人热调节系统 - Google Patents

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Abstract

一种个人热调节系统包括：个人液体冷却服装，其中，个人液体冷却服装构造成使工作流体在其中循环；膜蒸发器，膜蒸发器构造成从个人液体冷却服装接收循环的工作流体，其中，膜蒸发器还构造成蒸发接收到的循环工作流体的一部分；以及与膜蒸发器流体连通的化学吸收器，其中，化学吸收器构造成接收来自膜蒸发器的接收到的循环工作流体的蒸发部分的受控流量。

Description

个人热调节系统
技术领域
本发明涉及个人热调节系统，并且更具体地，本发明的示例性实施例涉及用于太空船外活动的集成的热调节系统。
背景技术
通常，穿着自主太空服的太空船外活动(“EVA”)依赖于水的蒸发来作为可消耗的冷源，以便获得热调节。然而，开环水蒸发导致水在EVA持续期间是有限可消耗的，以及太空服系统的重要设计驱动因素。当EVA频繁时，水也是重要的任务启动质量损失。辐射也已经被作为用于热调节的水蒸发的有吸引力的替代选择，但是其还没有在太空服系统中成功应用。辐射受限于太空服系统中的有限的实际和可用辐射表面积、源温度(即，本质上是人类皮肤温度)和辐射汇(radiation sink)温度，其在大部分的EVA情况期间提供小于所需的热调节能力。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，一种个人热调节系统包括个人液体冷却服装。个人液体冷却服装构造成使工作流体在其中循环。该系统还包括构造成从个人液体冷却服装接收循环工作流体的膜蒸发器。膜蒸发器还构造成蒸发接收到的循环工作流体的一部分。此外，该系统还包括与膜蒸发器流体连通的化学吸收器，并且化学吸收器构造成接收来自膜蒸发器的接收到的循环工作流体的蒸发部分的受控流量。
根据本发明的另一个示例性实施例，一种个人热调节方法包括初始化个人热调节系统。该个人热调节系统包括个人液体冷却服装、构造成从个人液体冷却服装接收循环工作流体的膜蒸发器、以及与膜蒸发器流体连通的化学吸收器。该方法还包括接收来自膜蒸发器的出口温度，以及响应于出口温度来调节膜蒸发器和化学吸收器之间的蒸发的工作流体的流量。
附图说明
被视作为本发明的主题在说明书结论处的权利要求中特别指出和明确要求。本发明的上述和其他特征和优点结合附图从以下详细描述变得明显，附图中：
图1是根据本发明示例性实施例的个人热调节系统；并且
图2是根据本发明示例性实施例的个人热调节方法。
具体实施方式
根据本发明的示例性实施例，提供了一种解决方案，其与传统热调节系统相比显著地增强了个人温度控制，同时对于总的太空服/系统质量、功能能力和可靠性而言是实用和有益的。在示例性实施例中，化学吸收器和辐射器与个人液体冷却服装和膜蒸发器集成一体，用于热获取和传输。来自蒸发器的蒸汽被高效地引导到辐射器，由此高效地调节温度。
转到图1，示出了个人热调节系统。系统100包括与EVA背包/生命支持系统120流体连通的个人液体冷却服装101。服装101可以例如是任何合适的液体冷却服装，其从管道113接收工作流体(例如水)，使工作流体从服装101内绕个人的身体(例如通过邻近皮肤/身体表面的管道系统)循环，并通过管道112输出循环的工作流体。例如，如图1所示，工作流体可以接收自并且输出到膜蒸发器102。
膜蒸发器102可以是这样的蒸发器，其构造成从服装101接收工作流体，将接收到的工作流体的一部分蒸发成流体蒸汽，将蒸汽输出到多个控制阀103-104，并且将未蒸发的工作流体输出回到服装101。
根据本发明的一个实施例，膜蒸发器是水膜蒸发器(“WME”)。
根据另一实施例，WME包括结构性支架、可透水蒸汽的并由结构性支架支撑的疏水性膜、以及构造成将从服装101接收到的水传输到疏水性膜的内表面的亲水性膜。
在操作中，接收到的水使亲水性膜饱和并被疏水性膜保留。疏水性膜处的液体/蒸汽界面使得水蒸发成蒸汽，其然后被输出。组成水(makeup water)通过结构性支架之间的间隙流回亲水性膜，并随后流回服装101中。
回到图1，系统100还包括与膜蒸发器102流体连通的控制阀103和104。控制阀104可构造成通过通道111(例如排出通道或喷嘴)将蒸发的工作流体直接释放到外部环境(例如太空)。控制阀104的释放功能被控制和调节成避免使穿着液体冷却服装101的个人过于寒冷。控制阀103可构造成控制流向化学吸收器106的蒸发的工作流体的流量。因此，化学吸收器106通过控制阀103与膜蒸发器流体连通。系统100还包括与化学吸收器106热连通的辐射器107。
根据本发明的一个实施例，化学吸收器106包括基于化学制品的吸附材料(例如氯化锂吸收材料)，其构造成吸收蒸发的工作流体并将相关的热量传送到辐射器107。此外，基于化学制品的吸附剂可在单个封装内与辐射器107固定地附接或集成为一体，以提供容易安装到EVA背包/生命支持系统120的吸收器/辐射器组件。
应该理解的是，当热量从在吸收器106处被吸收的蒸发的工作流体传输到辐射器107时，工作流体可冷凝。该冷凝的工作流体可在排液管110处排出，保留在流体池中用于将来的EVA使用，或者借助于其他部件被处理/再循环通过服装101。
回到图1，系统100还包括与膜蒸发器102和控制阀103-104信号通信的系统控制器105。控制器105可以是任何合适的控制器，其具有处理器和用于存储指令的存储器，并且构造成从膜蒸发器102接收温度信息，处理温度信息以确定必需的冷却动作，并且将必需的冷却动作转换成控制阀103和104的控制阀位置。控制器105也可以是计算机处理器、微处理器、微控制器、专用集成电路、或任何其他合适的控制器。
如图1所示，膜蒸发器102、控制阀103-104、控制器105、化学吸收器106和辐射器107中的一部分或全部可以布置在EVA背包120上或内。
根据示例性实施例，与目标蒸发器温度或出口温度相关的多个温度设定点可存储在控制器105中。如果接收到的膜蒸发器102的温度在第一目标阈值范围内，则控制阀104可保持关闭，并且控制阀103可稍微打开以开始将蒸发的工作流体从蒸发器102移除。如果接收的温度升高超过第一目标阈值范围到达第二目标阈值范围，则控制阀103可打开更多以增加从服装101到吸收器106/辐射器107的热传递的速度。此后，如果接收到的温度升高超过第二目标阈值范围，则控制阀104可打开以将蒸发的工作流体直接排放到外部环境，由此除去将膜蒸发器的出口温度降低到第一或第二目标温度阈值范围内所需除去的大量的热。
另外，上述的温度阈值可基于多个可能的变量而被动态地控制和/或调节。例如，可以基于从系统100的一部分接收到的系统数据来调节温度阈值，所述系统数据例如是从嵌入服装101的任何合适传感器测量到的穿着者的代谢率(即，工作率)，以及可以从用户输入装置(未示出)接收到的用户基于热舒适或不舒适的输入。
图2示出了描述这些和其他操作的方法的流程图。
转到图2，方法200包括在方框201初始化系统100。例如，初始化系统100可包括给服装101中的工作流体增压以确保流体在服装101和膜蒸发器102之间循环，关闭控制阀104以确保蒸汽不被释放到外部环境中，以及关闭或初始化控制阀103到平衡或初始位置。
方法200还包括在方框202处监测膜蒸发器102的出口温度。监测出口温度可借助于控制器105，例如通过请求和/或接收来自蒸发器102的出口温度。此后，或者在连续监测出口温度期间，方法200包括基于出口温度调节第一控制阀103。
例如，调节第一控制阀103可包括根据监测到的温度处于可调节阈值的任意数量的期望目标范围而执行任意的上述调节。控制阀103可被连续地调节(例如通过方框203-204的环路)直到在方框204确定已经超过了总阈值。总阈值可以是温度值或范围，在该温度值或范围，当控制阀103完全打开时，化学吸收器106和辐射器107的动作不再能保持或降低服装101的适当的温度水平。
在确定已经超过总温度阈值之后，方法200包括引导第二控制阀104以将蒸发的工作流体直接排到外部环境直到监测到的出口温度在预定或期望的限值内。此后，控制阀104可以关闭，并且控制阀103可以再次被连续地调节。
尽管仅结合有限的实施例详细地描述了本发明，但应该容易地理解的是本发明不限于所公开的实施例。相反，本发明可以被修改以包括此前没有描述但是与本发明的精神和范围相称的任意变化、替换、替代或等同布置。此外，尽管已经描述了本发明不同的实施例，应当理解的是本发明的方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应被看作受前面描述的限制，而是仅受所附权利要求的范围的限制。

Claims (17)

1.一种个人热调节系统，包括：
个人液体冷却服装，其中，所述个人液体冷却服装构造成使工作流体在其中循环；
膜蒸发器，所述膜蒸发器构造成从所述个人液体冷却服装接收循环的工作流体，其中，所述膜蒸发器还构造成蒸发接收到的循环工作流体的一部分；以及
化学吸收器，所述化学吸收器与所述膜蒸发器流体连通，其中，所述化学吸收器构造成接收来自所述膜蒸发器的接收到的循环工作流体的蒸发部分的受控流量。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
第一控制阀，所述第一控制阀设置成控制所述膜蒸发器和所述化学吸收器之间的蒸发部分的流量。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括：
第二控制阀，所述第二控制阀设置成基于所述膜蒸发器的出口温度将蒸发部分排出到外部环境。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括：
与所述第一控制阀、所述第二控制阀和所述膜蒸发器进行信号通信的控制器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器构造成响应于接收到的所述膜蒸发器的出口温度而改变所述第一控制阀和所述第二控制阀的位置。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括：
与所述化学吸收器热连通的辐射器，其中，所述辐射器设置成与由所述化学吸收器吸收的蒸发部分进行换热。
7.根据权利要求6的系统，其中，所述化学吸收器和所述辐射器集成到单个封装中。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述化学吸收器和所述膜蒸发器布置在太空服的个人生命支持系统中。
9.根据权利要求8述的系统，其中，所述个人液体冷却服装布置在太空服内。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述膜蒸发器是水膜蒸发器。
11.根据权利要求10述的系统，其中，所述水膜蒸发器包括：
结构性支架；
疏水性膜，所述疏水性膜可透水蒸汽并由所述结构性支架支撑；和
亲水性膜，所述亲水性膜构造成将接收到的循环工作流体传输到所述疏水性膜的内表面。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述疏水性膜处的液体/蒸汽界面使得工作流体蒸发成蒸汽以输出到所述化学吸收器。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述化学吸收器包括：
氯化锂吸收材料，所述氯化锂吸收材料构造成吸收蒸发的工作流体。
14.一种个人热调节方法，包括：
初始化个人热调节系统，其中，所述个人热调节系统包括个人液体冷却服装、构造成从所述个人液体冷却服装接收循环的工作流体的膜蒸发器、以及与所述膜蒸发器流体连通的化学吸收器；
从所述膜蒸发器接收出口温度；和
响应于所述出口温度调节所述膜蒸发器和所述化学吸收器之间的蒸发的工作流体的流量。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，调节蒸发的工作流体的流量包括调节布置在所述膜蒸发器和所述化学吸收器之间的第一控制阀。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
确定是否已经超过了总温度阈值；和
响应于确定已经超过了总温度阈值而将蒸发的工作流体排出到外部环境。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，排出蒸发的工作流体包括打开与所述膜蒸发器和所述外部环境流体连通的第二控制阀。
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