CN104792946A - 水循环加热干态假人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的干态假人装置，主要包括骨架和关节，水循环加热系统，控制系统三个部分。骨架和关节从外形上模拟人体正常躯体的几何尺寸，以及肩、髋、膝三个关节的活动能力，作为与环境进行热交换的主要媒介。水循环加热系统是该发明的核心结构，主要通过控制恒定温度的冷水和热水的混合比例，并使其在循环管路中流动。在骨架和关节的辅助下，向环境释放热量。控制系统可以对假人的冷热水流量、体表温度进行实时测量，经过计算可以换算为散热量，辅助水循环加热系统进行温度控制。本发明可应用于模拟人体温度变化，室内空间温度舒适性评价的定标测量仪器。与传统的电加热假人相比，其主要优势在于可以在冷热宽温度区域内进行调节，且操作更简便。

Description

水循环加热干态假人

(一)技术领域

本发明涉及一种利用水循环加热方法模拟人体表面温度场的干态暖体假人装置，该装置可在站姿和坐姿之间切换。

(二)背景技术

用于室内环境舒适性评测的暖体假人需要假人具有和人体类似的发热特点和温度场分布。这需要假人在冷热宽温度区间内具有普适性。目前绝大多数暖体假人采用电加热的方法对假人体表进行加热，这种加热方法的主要缺点是不能进行降温过程的模拟。一种解决方法是增设一套冷却结构(一般为液冷)，但电和液体之间存在不兼容的问题，会导致假人的工作稳定性和寿命降低。本发明利用水的热特性，结合金属的导热特点，设计了一种水循环加热的干态假人，可以有效的解决一般假人温度调节的缺陷，提高了假人的模拟效果。

(三)发明内容

本发明是一种主要用于室内环境舒适性测试的暖体假人，其工作环境参数为温度20-35℃，湿度40-60％，风速小于0.1m/s。在此环境下，该发明可以模拟正常人体的发热情况(升降温均可)，精度可达到0.1℃。但是该假人不能出汗，不能进行更高温度的模拟，否则会失真。

该发明是一种模拟人体在舒适环境温度下体表温度的设备，如图1所示，本发明分为3个主要部分：骨架和关节A，水循环加热系统B，控制系统C。

骨架和关节A是模仿175cm身高标准男性人体的几何尺寸和解剖结构，利用金属制作的仿人体外壳，主要包括七个解剖节段1和六个活动关节2。七个解剖节段1包括：头颈、胸背、左(右)臂，左(右)腿，腰臀。每个解剖节段1具有相似的结构：最外层是厚度0.3mm的金属壳3，金属壳3的曲线根据人体的肌理构造，金属壳3的中央是直径10mm的不锈钢骨架4，起到结构支撑作用。二者之间通过支架5连接。水循环加热系统B使用的4mm内径金属管6用焊接的方式连接在金属壳内壁上，间距40mm，缝隙用导热胶封装。解剖节段1之间以及金属壳3内部空间用隔热材料进行处理，保证解剖节段1之间不产生热交换。六个活动关节2模拟三种人体关节的活动：肩关节、髋关节、膝关节。六个活动关节2的活动面平行于矢状面，活动角度为0-100°。

水循环加热干态假人的工作原理是利用水比金属更大的热容，作为积蓄热量的媒介。但由于水的比热大，温度的变化不如金属敏感。因此利用金属作为热量的散发介质，可以提高的温度的传导速度。另一方面，水可以积蓄热量，可以连续模拟升温和降温过程。水循环加热系统B是利用冷热水按比例混合的方法，配比出与所需的体表温度相同的水温，并使其在金属管6中进行流动。金属壳3吸收金属管6中液体的热量，使其达到目标皮肤温度，这种方法的控制精度在0.1℃以下。水循环加热系统B的主要结构包括：热水恒温水槽7、冷水恒温水槽8、微型泵9、电子流量计10、分流器11、金属管6、硅胶管12，除了热水恒温水槽7和冷水恒温水槽8之外，其他部件每个节段独立配置的。各结构的功能为：热水恒温水槽7和冷水恒温水槽8是分别提供40℃和20℃恒定温度热水和冷水的定标仪器。2台仪器规格相同，仅设定温度不同，在整个循环过程中2台仪器供应的水温是不变的。仪器的容积至少为10L，以保证温度不产生波动。在每个节段上配置两台微型泵9分别从热水恒温水槽8和冷水恒温水槽9中抽取液体，并通过电子流量器10对流量进行更精细的监控。微型泵9可以接受外界信号。配合控制系统C中的数字仪表14，可以在0.3-1.8L/s之间调节泵的流量，精度为10mL。冷热水经过合流在管路中均匀混合达到目标温度，并到达分流器11。分流器11是直径50mm-100mm的中空封闭球体，球壳厚度1mm。球壳上方与合流管路相连，下方根据各节段1分布的金属管6数量，设置输出管路。为了保证活动关节2的正常运动，管路之间所有的连接均采用对应尺寸的硅胶管12。

控制系统C配合水循环加热系统B对流量和温度进行精确的测控，主要元件包括温度传感器13、数字仪表14、上位机15。温度传感器13布置在个节段1表面，测量体表的温度，并以此温度作为基准对假人进行调节。调节的主要参数是热水恒温水槽7和冷水恒温水槽8之间的流量比。不同节段1可为微型泵7的控制端设置不同的流量比数值以模拟肢体之间的温度差异。微型泵7的信息输入以及温度传感器13的信息输出均通过数字仪表14作为中转，与上位机15相连接。水循环加热干态假人的主要参数可通过上位机15调整。

(四)附图说明

图1水循环加热干态假人装置示意图

1 解剖节段            2 活动关节          3 金属壳

4 骨架                5 支架              6 金属管

7 热水恒温水槽        8 冷水恒温水槽      9 微型泵

10 电子流量计         11 分流器           12 硅胶管

13 温度传感器         14 数字仪表         15 上位机

A 骨架和关节          B 水循环加热系统    C 控制系统

(五) 具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

骨架和关节A是与外界产生直接接触和交互的平台。活动关节2的主要作用是让假人在站姿和坐姿之间进行切换，以适应环境评价测试的需求。骨架和关节A以解剖节段1为单位组成一个整体，每个解剖节段1外形以正式人体数据为基准进行复制。为了有效控制加热量和便于计算，解剖节段1是相互独立的。但解剖节段1包含的机构和功能是基本类似的：承重、散热、支撑。骨架和关节相互结合可以组成类似人体的骨骼系统，具有完整的承力结构，并可以保证假人结构完整性，金属壳3通过支架5依附在骨架4上，方便拆卸和维修，同时兼顾了美观。金属壳3更重要的功能是和金属管6一起组成一个散热结构体，在水循环加热系统B中，它是最主要的构件。骨架和关节A在设计中需要严格遵守人体生理尺寸和参数，以保证精确的散热面积。但是为了保证活动关节2具有足够的活动空间，必须在活动关节2部位适量削减假人体积。由于活动关节2活动角度和方向有一定限制，因此活动关节2采用轴承机构，操作简单便捷。

水循环加热系统B的散热结构是金属管3和金属壳6，通过液态水蓄热。可以有效解决电加热热散失过快的问题。同时水温可以随时调整，进一步解决了电加热散热方式单一，降温慢的问题。水温的调整即对混合前冷热水比例的调整，根据比热容的公式，

在已知混合后水温的前提下，冷热水的质量比是定值，液体质量在单位时间下即为流量，既混合后水温与冷热水的流量比直接相关。流量的调节依赖电子流量计10和微型泵9，前者以高精度测量冷热水各自流量，后者根据数字仪表14的输入信号，调整微型泵9的占空比，从而调节流量。为了保证假人活动中不会干扰水循环系统B的运行，连接水循环系统各组件的管路均采用硅胶管12连接。设定好流量比例后，每个节段配置的两台微型泵9将直接从热水恒温水槽7和冷水恒温水槽8中抽取热水与冷水，并在进入假人前混流。混合液体将首先进入分流器11，再分流到各个金属管6中，每个节段1的分流器11支路数量根据各节段1的金属管6数量决定。分流器11是中空球壳，各支路的分压可以保证一致，从而确保各个金属管6中流量相近，这便于维持不同节段1温度的均匀性。

控制系统C方便实验人员通过上位机15实时观测和调整试验参数，主要调整参数是冷热水流量比，测量参数是各节段温度。控制系统C需要将从假人上采集的数据上传至上位机15以及将上位机15的设定参数同步传输至微型泵9控制端。因此需要数字仪表14同时具有输入输出功能。根据温度传感器13测量到的假人体表温度，实验人员可以随时微调流量，以调整温度。如实验需要假人进行自动控温，也可以编写控制模型代替人工控制(例如等温控制、等加热量控制等)。

Claims (3)

1.一种利用水循环热交换方法模拟人体表面温度场的水循环加热干态假人装置，该装置可在站姿和坐姿之间切换。其特征在于：由骨架和关节作为模拟人外形，水循环加热系统和控制系统模拟人体皮肤温度变化。

2.根据权利要求1所述的模拟人体表面温度场的水循环加热干态假人装置，其主要特征是：通过控制冷热水流量比，并进行冷热水混合，获得需要的水温，并通过铜皮传导热量，达到设计皮肤温度。

3.根据权利要求1所述的模拟人体表面温度场的水循环加热干态假人装置，其主要特征是：由电子流量计，可调速微型泵，数字仪表组成的流量控制结构，可精确的控制流量，使模拟皮肤温度更精准。