CN110313658A - 一种双层相变蓄冷式空调衣 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双层相变蓄冷式空调衣，包括衣体和蓄冷材料，衣体由背心形的外层、蓄冷材料储存层、相变薄膜层和与外层形状相同的内层缝合在一起构成，所述外层的内面与蓄冷材料储存层的外面接触，蓄冷材料储存层的内面与相变薄膜层的外面接触，相变薄膜层的内面与内层的外面接触，内层与人体接触，蓄冷材料储存层内放置蓄冷材料，本发明结构简单，解决了炎热环境中人体在开放空间下的不舒适性，降低了蓄冷材料的重量，且在向人体释放冷量时，避免了人体皮肤表面出现的极度不舒适，延长了空调衣的使用时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种空调衣，尤其是一种双层相变蓄冷式空调衣。
背景技术
交警、消防员等室外工作人员和封闭式防护服着装人员等不可避免的会在开放空间下的高温环境中工作。高温环境会引起人员缺氧、抗荷耐力降低、注意力分散等一系列生理、心理变化，严重影响人员的心理情绪和身体健康，降低工作效率。因此，人体在开放空间、高温环境下的冷却需求需要得到迫切解决。传统的空调是以空间降温的方式来使个体降温，无法在室外开放空间通过调节空气来改变人体周围环境参数，因而无法解决上述问题中人体的冷却需求。
针对上述问题，以人体为直接调节对象，将人体所穿服装作为小型制冷单元的空调衣技术得到广泛关注。现有的空调衣包括气体冷却服、液体冷却服、相变式冷却服等。其中，相变式冷却服，是将储存冷量的相变材料放置在服装中，逐渐释放冷量冷却人体，当蓄冷材料储存的冷量释放完毕后，被取出来进行更换，该冷却服因不需要随身携带微型压缩制冷模块和运动部件而被广泛采用。在常规的相变材料中，冰的蓄冷密度最大，为335kJ/kg，采用冰作为蓄冷材料，能在不过度增加人体负重的情况下获得较大的蓄冷密度和冷量续航时间。但是，由于冰的相变温度为0℃，在冰向人体释放冷量时，一方面引起人体皮肤表面的极度不舒适，另外一方面会造成冷量在初始阶段快速释放、无法确保均匀释放的情况。其他相变材料，如石蜡或者烷烃等有机相变材料，虽然相变温度与人体皮肤表面温度较为接近，但是蓄冷密度为100~200 kJ/kg，约为冰的1/3~1/2，蓄冷密度较低。这就造成了为确保足够的蓄冷量，人体随身携带的相变材料重量需增加2~3倍，而过重的负荷会加大人体产热、增加人体热负荷。因此，需要对现有空调衣的结构进行改进和创新，达到在采用高蓄冷量相变材料的同时又能满足人体热舒适性的空调衣。
发明内容
针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种双层相变蓄冷式空调衣，可满足在采用高蓄冷量相变材料的同时又能满足人体热舒适性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是，一种双层相变蓄冷式空调衣，包括衣体和蓄冷材料，所述衣体由背心形的外层、蓄冷材料储存层、相变薄膜层和与外层形状相同的内层缝合在一起构成，所述外层的内面与蓄冷材料储存层的外面接触，蓄冷材料储存层的内面与相变薄膜层的外面接触，相变薄膜层的内面与内层的外面接触，内层与人体接触，蓄冷材料储存层内放置蓄冷材料。
本发明结构简单，解决了炎热环境中人体在开放空间下的不舒适性，降低了蓄冷材料的重量，且在向人体释放冷量时，避免了人体皮肤表面出现的极度不舒适，延长了空调衣的使用时间。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明图1中A-A面剖视图（放大图）。
图3是本发明的蓄冷材料储存层（管网状）。
图4是本发明的蓄冷材料储存层（条缝状）。
图5是本发明的传热物理模型。
图6是本发明在人体皮肤表面传热温差时间变化示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。
由图1-6给出，一种双层相变蓄冷式空调衣，包括衣体和蓄冷材料，所述衣体1由背心形的外层6、蓄冷材料储存层5、相变薄膜层4和与外层6形状相同的内层3缝合在一起构成，所述外层6的内面与蓄冷材料储存层5的外面接触，蓄冷材料储存层5的内面与相变薄膜层4的外面接触，相变薄膜层4的内面与内层3的外面接触，内层3与人体接触，蓄冷材料储存层5内放置蓄冷材料2。
为保证更好的实施效果，所述蓄冷材料储存层5为为管网7或条缝10，所述管网7上端和下端设有相连通的横向的主干管，进口管8设在上主干管上部，出口管9设在下主干管上，所述管网7在衣体1的前后各竖向均布有16~30条，内管径为2~10mm，所述条缝10为均布的长条形，每个条缝10上端设有开口。
所述进口管8设在衣体1的肩部，下主干管的管径为不小于8mm。
所述蓄冷材料2为颗粒状的冰球或球形有机相变材料。
所述相变薄膜层4是由厚度为0.5~3mm的有机复合相变材料制成。
所述的有机复合相变材料是由烷烃或烯烃等有机相变材料与高分子聚合物通过化学方法混合制备而成的复合体或由质量百分比计的：石蜡80%、高密度聚乙烯均匀熔融在一起构成。
所述的有机复合相变材料在制备过程中添加石墨导热增强剂。
所述外层6为不小于2mm厚的莱卡棉布或低热导布料制成的保温层，内层3为0.1~1mm的纯棉布料制成的贴身层。
本发明一个实施例，内层采用纯棉布料，厚度范围为0.1~1mm，内层一方面作为基础服饰与人体皮肤直接接触，另外一方面作为缝制层，便于其他层的固定，如相变薄膜层的缝制或粘接等，相变薄膜层是由十八烷-烯烃嵌段共聚物-膨胀石墨在110℃下熔融混合后置于室温下冷却制备而成的定形复合相变材料，厚度为1mm，其相变温度范围为25~28℃，相变潜热为166.4kJ/kg，热导率为1.8W/m×K，显热热阻为5.56×10-4m2×K/W，外层采用厚度为2mm的莱卡棉布，其热阻较大，便于防止蓄冷材料的冷量向外界散失，同时便于蓄冷材料在该层上的固定。
蓄冷材料储存层采用管网状分布，管网沿相变薄膜层均匀分布，管网的布置避开人体腰腹部，以免储存的冷量直接释放到人体重要器官。管网的进口管设在服装肩部，由进口下端横向延伸一条主干管，沿主干管依次向服装的前片和后片向下延伸小管径的垂直支管，前片和后片各延伸30条，垂直管网的管径为5mm。服装前片和后片的底部，各自设置有一根8mm的水平干管，两干管在侧腰处汇合形成出口管。
蓄冷材料采用含冰率为80%的流态冰，该流态冰可以采用外部冷量补给设备进行蓄冷，该流态冰由专用泵经由空调衣进口管输送至蓄冷材料储存层。流态冰经由进口管后，沿着横向的上主干管沿途向下输送至各个垂直管网，在重力的作用下，流态冰向下流动至服装底部。当流态冰填满蓄冷材料储存层时，封闭管路的进口管和出口管。当流态冰将冷量释放完毕后，将管网的进出口管打开，由抽取水泵抽取并重新置换为新的流态冰，能够实现＜2min的操作时间。
本发明在填充流态冰时的填充量通过公式：m=ρv计算出为2.52kg，人体在室外35℃轻度活动时，上半身的热负荷取为150W，若空调衣的有效制冷时间为1h，则人体热负荷为540kJ，所需流态冰的质量由公式：m=QL/∆h计算出为2.58kg，由上述计算表明，该蓄冷材料储存层管网的设置能满足人们在35℃高温下轻度运动1h的热负荷。
本发明另一个实施例，相变薄膜层采用石蜡-烯烃嵌段共聚物-膨胀石墨在110℃下熔融混合后置于室温下冷却制备而成的定形复合相变材料，厚度为1mm，其相变温度范围为20~26℃，相变潜热为150kJ/kg。热导率为1.5W/m×K，显热热阻为6.67×10-4m2×K/W，蓄冷材料储存层采用条缝状均布排列，将与条缝形状大小相近的冰块从条缝上端的开口放入，可以人工直接置换冰块无需额外增加泵等输送设备，条缝的布置避开人体腰腹部，以免储存的冷量直接释放到人体重要器官。
本发明在具体工作时，蓄冷材料首先向相变薄膜层传递冷量，相变薄膜层再向人体传递热量。人体皮肤表面的适宜温度为32℃左右，因此相变薄膜层的温度介于0℃与32℃之间。蓄冷材料的冷量先传递给相变薄膜层，变薄膜层先吸收冷量，达到相变温度时开始凝固，以相变潜热的形式暂时将一部分冷量储存起来，从而避免了蓄冷材料在初始阶段向人体快速释放大量冷量的情况。由于相变薄膜层与人体皮肤存在温差，相变薄膜层发生相变的同时会将一部分冷量释放给人体。当蓄冷材料、相变薄膜层、人体达到平衡传热时，三者的温度分布始终处于递增的状态。
本发明与传统冰块蓄冷空调衣相比，人体皮肤表面的传热温差随时间的变化情况明显不同，对于现有蓄冷空调衣，人体皮肤表面传热温差初始时可高达30℃，之后随着时间快速递减。而对于本发明的双层相变蓄冷空调衣，制冷初始，相变薄膜层与人体皮肤温差近似为0，当蓄冷材料开始释放冷量时，相变薄膜层先吸收冷量温度降低，此时人体皮肤表面传热温差逐渐增加，至25℃时开始相变并且温度维持在25℃左右，此时，人体皮肤表面的传热温差约保持在一个恒定的值，当相变薄膜层相变结束，相变薄膜层温度开始降低，此时人体皮肤表面传热温差逐渐增加，直至蓄冷材料冷量释放完毕，由此可知，人体皮肤表面的传热温差初始较小，中间保持恒定，后期逐渐增大，这样有效降低了冰蓄冷源冷量释放的不均匀性。相变薄膜层作为热阻层，防止了蓄冷材料直接向人体表面释放冷量，进而避免了人体皮肤温度过低的极不舒适现象，保证了空调衣的调控和使用效果，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）解决了炎热环境中人体在开放空间下的热不舒适性问题；
（2）采用双层相变蓄冷系统，能够以最低的重量实现最高的蓄冷量；
（3）加设相变薄膜层，能够降低相变蓄冷材料向人体的传热温差，预防人体皮肤表面出现冷应激，确保人体热舒适性，同时相变薄膜层具有一定的柔性，防水透气，可防止服装内层发生结露；
（4）采用相变温度不同的双层相变层，能够延缓冷量的快速释放，确保较长的续航时间；
（5）蓄冷材料储存层设置成管网状或者条缝状，便于快速更换蓄冷材料。
Claims (8)
1.一种双层相变蓄冷式空调衣，包括衣体和蓄冷材料，其特征在于，所述衣体（1）由背心形的外层（6）、蓄冷材料储存层（5）、相变薄膜层（4）和与外层（6）形状相同的内层（3）缝合在一起构成，所述外层（6）的内面与蓄冷材料储存层（5）的外面接触，蓄冷材料储存层（5）的内面与相变薄膜层（4）的外面接触，相变薄膜层（4）的内面与内层（3）的外面接触，内层（3）与人体接触，蓄冷材料储存层（5）内放置蓄冷材料（2）。
2.根据权利要求1所述的双层相变蓄冷式空调衣，其特征在于，所述蓄冷材料储存层（5）为管网（7）或条缝（10），所述管网（7）上端和下端设有相连通的横向的主干管，进口管（8）设在上主干管上部，出口管（9）设在下主干管上，所述管网（7）在衣体（1）的前后各竖向均布有16~30条，内管径为2~10mm，所述条缝（10）为均布的长条形，每个条缝（10）上端设有开口。
3.根据权利要求2所述的双层相变蓄冷式空调衣，其特征在于，所述进口管（8）设在衣体（1）的肩部，下主干管的管径为不小于8mm。
4.根据权利要求1所述的双层相变蓄冷式空调衣，其特征在于，所述蓄冷材料（2）为颗粒状的冰球或球形有机相变材料。
5.根据权利要求1所述的双层相变蓄冷式空调衣，其特征在于，所述相变薄膜层（4）是由厚度为0.5~3mm的有机复合相变材料制成。
6.根据权利要求5所述的双层相变蓄冷式空调衣，其特征在于，所述的有机复合相变材料是由烷烃或烯烃等有机相变材料与高分子聚合物通过化学方法混合制备而成的复合体或由质量百分比计的：石蜡80%、高密度聚乙烯均匀熔融在一起构成。
7.根据权利要求6所述的双层相变蓄冷式空调衣，其特征在于，所述的有机复合相变材料在制备过程中添加石墨导热增强剂。
8.根据权利要求1所述的双层相变蓄冷式空调衣，其特征在于，所述外层（6）为不小于2mm厚的莱卡棉布或低热导布料制成的保温层，内层（3）为0.1~1mm的纯棉布料制成的贴身层。
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