CN108801871A - 一种利用膜分离技术模拟皮肤发汗的装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型的暖体出汗假人主动发汗模拟皮肤，可用于调节假人的发汗速率，同时保证发汗均匀。本发明的核心部件是由反渗透压膜、金属导热薄膜、防水布料、电加热片、橡胶软管、金属支架编制和组合而成的符合人体体表尺寸的水囊。其他配套部件还包括：加压罐、橡胶导管、压力计、电磁阀和上位机。相比于过去的发汗假人，本发明的主要技术特点是：利用反渗透压膜(RO膜)的反渗透特性制作成的水囊。通过调整水囊中液态水的压力使RO膜表面的液体渗透速度产生变化。压力和渗透速率呈良好的线性关系，因此水囊模拟的皮肤出汗量可控。且各部位的发汗速率是基本一致的。此发明可应用于纺织行业测量服装湿阻的测试。

Description

一种利用膜分离技术模拟皮肤发汗的装置

(一)技术领域

本发明是一种在暖体假人上模拟人体皮肤汗液分泌随室温实时调节和均匀扩散的装置。装置示意图见说明书附图1。

(二)背景技术

暖体假人的发汗模拟是暖体假人设计中的关键技术环节。假人的两种发汗模式中，主动发汗比被动发汗的环境适应性更好，模拟更复合实际。但目前绝大部分的假人的主动式发汗结构只能将汗液短时间、一次性分泌到体表，且汗液会在排泄口附近堆积，造成体表潮湿度不均匀。导致湿阻的测量不准确。另一方面，假人发汗装置容易被液体中的杂质堵塞，维修难度大，增加了维护的成本。本发明根据反渗透压膜的可以分离溶液中溶剂的特性，将其作为核心元件应用于新型的假人发汗装置的设计。

(三)发明内容

本发明采用反渗透压膜(简称：RO膜)作为发汗装置的皮肤，以RO膜膜元件一侧的纯净水的水压作为膜渗透的推动力。来模拟不同室温下，皮肤连续、实时、均匀的汗液分泌模式。

如图1、2所示，本装置包括三部分：水囊A，保温结构B，加压结构C。

水囊A由金属框架1、RO膜2、防水布3、乳胶管(进水管4，排水管5)、金属导热薄膜6、加热片7组成。如图2所示，金属框架1主要功能是支撑膜结构，防止过度变形，对抗重力造成的液体向下堆积。RO膜2模拟皮肤层分泌汗液，防水布3可以防止液体向内部渗漏。液体由进水管4流入，水囊中的多余气体和液体，由排水管5排出，正常使用时扎紧。金属导热薄膜6可以增强加热片7的加热效果，用来加热水囊A中的液体，使其温度维持稳定。

保温结构B由可调压直流电源8，温度传感器9，温度采集模块10和上位机11组成。保温结构B的主要功能是测量水囊A中液体温度是否达到目标温度，如果没有，则通过可调压直流电源8为加热片7通电，使其发热。

加压结构C包括：加压密封罐12、管路13、压力传感器14、压力采集模块15、可编程电磁阀16、氮气瓶17。加压结构C的主要功能是补充水囊A因液体分泌而流失的水分，并且通过将水囊A和加压结构C相连，加压结构承受的压力可以传递到水囊的液体中，使RO膜表面的驱动力产生变化，增强或减弱RO膜的分离效果，从而达到调节液体分泌速度的目的。

本发明利用RO膜以水压为驱动力，分离溶液中溶剂的特性设计了新型的假人发汗装置，它的优点是：随水压的增大，RO膜的渗透率会线性增大，发汗的精度容易控制。RO膜的孔径极小，且分布均匀致密，水分离时的效果与人体发汗类似，模拟效果好。发汗装置整体结构更加简单，材料成本低，控制简单，能耗小。对水的纯净度要求低，可以用自来水进行试验，RO膜容易更换，装置维护方便，成本低廉。

附图说明：

图1为水囊A分解结构图：

1.金属框架 2.反渗透压膜(RO膜)

3.防水布 4.金属管

5.排水管 6.金属导热薄膜

7.加热片

图2为利用膜分离技术模拟皮肤发汗的装置结构示意图：

A.水囊 B.保温结构 C.加压结构

8.可调压直流电源 9.温度传感器 10.温度采集模块

11.上位机 12.加压密封罐 13.管路

14.压力传感器 15.压力采集模块 16.可编程电磁阀

17.氮气瓶

(四)具体实施

如图1所示，金属框架1整体为一个弧面结构。外周是钛合金制造的边框，边框宽度2cm。长和宽根据模拟的人体部位定制。边框内部连接高分子材料制作的加强筋，提高边框的结构强度。定义弧面突出一侧为外侧，内凹一侧为内侧。防水布3的上方边缘位置并列安装了进水管4和排水管5，乳胶管(4、5)和防水布3之间用丁基胶密封缝隙。RO膜2固定在金属框架1的外侧，防水布3固定在金属框架1内侧，并用热熔胶对RO膜2和防水布3的结合部位进行密封。金属导热薄膜6贴附在防水布3上，提高防水布3的吸热速度，加快水囊A内水的升温速度。加热片7余金属薄膜6直接接触，主要功能是加热水囊A。

可调压直接电源8直接向加热片7供电，温度采集模块10收集防水布3表面的温度传感器9采集的温度信号(精度0.1℃)，并上传给上位机11，上位机11程序根据设定温度和当前采集温度的差值，调节直流电源8的输出电压，使水囊A内液体温度保持稳定。

加压密封罐12通过管路13与水囊A的进水管5相连，加压密封罐12与水囊A组成了一个连通器结构。加压密封罐12主要有两个作用，一是当水囊A分泌液体时，及时向水囊A补充水分，二是通过调节加压密封罐12的压力，使RO膜2表面的液体压力产生持续稳定的变化。压力传感器14连接在加压密封罐12上方，负责测量加压密封罐12内部的气体压力(量程0-0.4MPa，精度2‰)。压力信号通过压力采集模块15传输到上位机11中。加压密封罐12与氮气瓶17通过可编程电磁阀16相连，可编程电磁阀16根据上位机11得到的压力数据，自动打开或关闭电磁阀16，使氮气瓶17里的氮气进入加压密封罐12，并保持指定的压力值不变。

本发明的实施步骤如下：

步骤一，向加压密封罐中注入水5Kg左右。按照图2所示组装好装置。

步骤二，检查管路13是否通畅，打开排水管5，启动可编程电磁阀16，维持加压密封罐12内气体压力50Pa左右。排水管5会首先排出水囊A内的空气，直至液体稳定流出时为止。

步骤三，关闭可编程电磁阀16，排出加压密封罐12内多余气体，使压力传感器14的读数为0Pa。将加压密封罐12和水囊A的水平高度(均以上沿为准)调整到基本一致。观察排水管5的排水速度，当排水管5液体流速减小到即将断流时，扎紧排水管5。

步骤四，根据发汗装置在不同压力下分泌速率的线性公式，换算出当前装置分泌量所需的气压值。调整上位机11参数，使可编程电磁阀16打开，开始向加压密封罐12内充入氮气瓶17中的氮气。在此过程中，压力传感器14实时监控加压密封罐12内的气压值，当气压达到设定值时，可编程电磁阀16立即关闭。当产生漏气，气压值比设定值降低超过2Pa，可编程电磁阀16会短暂打开为加压密封罐12补气。

步骤五，通过上位机11，打开可调压直流电源8的开关，并调节输出电压值。使加热片升温，开始对水囊A进行加热，温度传感器9实时测量防水布3上的温度数据，并通过温度采集模块10上传给上位机11。上位机编写的DIP电路控制程序根据设定温度调整可调压直流电源8的输出电压，使温度保持稳定。

步骤六，使保温机构B和加压结构C维持工作状态8-12小时以上，等待RO膜2的渗透速率稳定，且水囊A中的水得到充分加压后，即可开始正式测试。

步骤七，实验结束，关闭可调压直流电源8，关闭可编程电磁阀16，释放加压密封罐12内气体。待压力传感器14示数为0后，断开管路13与进水管4的连接，打开排水管5，挤压RO膜2一面，将水囊A中液体挤出排空。使RO膜的膜表面微孔收缩恢复，防止寿命迅速下降。

Claims (2)

1.本发明的核心元件是水囊，水囊由反渗透压膜、防水布料、金属导热薄膜、电加热片、金属支架和乳胶管组成。所述水囊的核心特征是：利用反渗透压膜以压力差为推动力，从溶液中分离溶剂的特点。将其作为暖体出汗假人的皮肤层，模拟汗液的分泌过程。利用电加热片维持水囊内的水温达到人体体表温度。

2.水囊的压力差由水囊内的纯净水提供，水囊连接的金属压力罐在不加压时和水囊液位差为0。增压方式是向加压罐中充入定压氮气。反渗透压膜表面各个位置的液体压力基本一致，可以保证液体渗透速率稳定、可控、均匀。