CN110996700A - 液体冷却的身体护甲 - Google Patents

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Abstract

一种身体护甲系统，包括具有多个护甲板的现有身体护甲背心、粘附层、绝缘层和多个热交换器，其中所述多个护甲板经由所述粘附层与所述多个热交换器附接；所述多个热交换器包括优选地由铜或铝制成的多个金属板以及铜焊到所述金属板的背侧的管线。

Description

液体冷却的身体护甲
技术领域
本发明涉及液体冷却的身体护甲系统。更具体地，本发明涉及包括柔性金属热交换器的身体护甲，所述柔性金属热交换器允许冷却流体循环通过其中。
背景技术
已经使用液体冷却的服装来调节身体的温度，这可以追溯到1950年代并首次在太空中使用以调节穿着太空服的宇航员的体温。液体冷却的服装(liquid-cooled-garment，LCG)的工作原理是冷却流体通过薄柔性聚合物管的网在身体周围循环，所述柔性聚合物管紧密地抵压着皮肤。这些管抵靠皮肤的物理接触导致向管的传导热传递，且流体通过与管的内壁的对流热传递而带走热量。因此，从身体移除热量且穿戴此服装的人保持凉爽。
使用聚合物管用于从冷却流体到皮肤的热传递的方法为穿戴者带来良好舒适度，因为管通常是由柔性塑料或橡胶制成，并且可以在穿戴者处于运动的同时与身体一起移动和拉伸。然而，柔性塑料和橡胶的导热性是低的。管壁的此低导热性充当绝缘体，且需要管内部的热传递流体与皮肤之间的较高温度差，以便传递热量。作为参考，标称体温是近似37摄氏度，且液体冷却的服装内的水温通常必须设置于15到20摄氏度的范围内以使穿戴者感觉凉爽。供应冷水在太空应用中不是问题，但对于水冷设备必须由用户携带的便携式陆地应用，在高环境温度条件下供应冷水的任务变得困难：水冷设备在高环境温度条件下是更大的，更重的，且提供较冷的水更消耗功率。改进从身体到冷却流体的热传递减少了对此类冷水的需要，因此减少功率消耗且使得冷水供应设备更小且更轻。
用于皮肤到流体热传递的理想热交换器具有高导热性且也是柔性的。液体冷却的服装中通常使用的聚合物管的导热性范围是从0.1到0.3瓦每米开尔文。对改进柔性聚合物的导热性的研究已完成，其中最佳的市售导热聚合物实现高达3瓦每米开尔文的导热性。金属具有比聚合物好得多的导热性；作为参考，铝的导热性是205W/mK且铜是401W/mK。铜比液体冷却的服装中常用的管路的导热性好超过1,000倍，且比现有技术聚合物的导热性好100倍以上。
在液体冷却的服装中使用例如铜等金属的挑战是金属的柔性比聚合物低得多，且此柔性的缺乏造成穿戴者在移动时的不适。如果有可能创建符合身体形状的柔性热交换器，同时仍允许流体通过其中，那么可以实现具有较好热传递系数的许多益处。此柔性还允许采取穿戴于其上的身体护甲的形状。
最重要的是，较好的热传递使得提供被泵送通过液体冷却的服装的冷却流体的致冷系统的冷侧与热侧之间的总温度差较低。此较低总温度差改善了致冷系统的性能系数，从而得到较小、较轻、还消耗较少功率的冷水供应系统，这也使得用于运行所述冷水供应系统的能量储存系统较轻。
此外，液体冷却的服装的应用是无穷尽的；然而应用的最重要领域之一是防御。防弹背心始终是笨重的，直到发现了突破性的纤维聚-p-伸苯基-对苯二甲酸酯和聚苯甲酰胺。此类纤维是优选的，因为它提供了高强度和轻重量，以及对切割、刮擦或燃烧的额外防护。此外，它在个人保护设备中的应用已经增加高拉伸模量和低断裂伸长率以及极好的耐化学性，从而使其成为用于各种应用中的不同复合结构部分的正确选择。然而，这些纤维的主要缺陷在于所述纤维往往吸收水分；因此应用例如环氧树脂的防湿材料。因此总而言之，将许多层纤维包裹于厚塑料中以保持其干燥和有效。这使得身体护甲温度和水分管理极为困难。
尽管存在基于蒸发和通风的原理工作的可用身体护甲冷却系统，可用作填充物，例如在ArmorventTM中。然而，已发现这些系统都不是有效的，因为这些系统并不直接冷却身体，而是通过出汗来促进自然身体冷却机制。在战斗情形中，这可能意味着严重的矿物质损失和疲劳。
因此，存在对制作舒适的可穿戴柔性金属热交换器的技术需要，所述热交换器可以接合到现有身体护甲且减少人必须穿戴的层的数目，进而减少在紧急情况下的穿戴时间或应用时间。
或者，具有可以闩锁到现有身体护甲系统上的柔性金属热交换器的身体护甲冷却系统，它们是可逆的且可快速附接的。
本发明的目的
本发明的主要目的是提供一种液体冷却的身体护甲系统，其包括具有多个护甲板的现有身体护甲背心、粘附层和多个热交换器。
本发明的又一目的是提供一种液体冷却的身体护甲系统，其具有经由粘附层与多个热交换器附接的多个护甲板。
本发明的又一目的是提供多个热交换器，其包括优选地为铜或铝的多个金属板以及铜焊到所述金属板的背侧的管线。
本发明的又一目的是提供一种液体冷却的身体护甲系统，用于在集成到现有身体护甲中时避免背心织物和额外组件的重量。
发明内容
本发明的一实施例中，本发明提供一种液体冷却的身体护甲系统，其包括具有多个护甲板的现有身体护甲背心、粘附绝缘层和多个热交换器，其中所述多个护甲板经由所述粘附层与所述多个热交换器附接；所述多个热交换器包括优选地由铜或铝制成的多个金属板以及铜焊到所述金属板的背侧的管线。所述绝缘层安置于护甲板的内表面上以防止护甲板的冷却，以避免冷凝。此外，在护甲板与金属板之间使用例如泡沫等绝缘材料以改进系统的总效率。
在替代实施例中，本发明提供一种液体冷却的身体护甲系统，其包括具有多个护甲板的现有身体护甲背心、多个闩锁装备和多个热交换器，其中所述多个护甲板经由所述闩锁装备与所述多个热交换器附接；所述多个热交换器包括优选地由铜或铝制成的多个金属板以及铜焊到所述金属板的背侧的管线。所述绝缘层安置于护甲板的内表面上以防止护甲板的冷却，以避免冷凝。此外，在护甲板与金属板之间使用例如泡沫等绝缘材料以改进系统的总效率。
在本发明的另一实施例中，所述闩锁或扣紧装备包含(但不限于)磁性闩锁、机械闩锁、
Figure BDA0002372361920000031
扣件、夹持扣件等。
在又一实施例中，本发明提供多个热交换器，优选地为具有0.05mm与10mm之间的厚度的薄柔性金属片，具有0.5mm与10mm之间的外径的一系列薄柔性金属管焊接、铜焊或粘结到所述薄柔性金属片。
在又一实施例中，本发明提供流过所述一系列薄柔性金属管的流体，所述流体通过对流与薄柔性金属管的壁交换热量，所述薄柔性金属管又通过传导与薄柔性金属片交换热量，所述薄柔性金属片又通过传导与穿戴者的皮肤交换热量。
附图说明
参照附图可以获得对本发明方法的完全理解：
图1示出液体冷却的身体护甲系统，包含冷却层的前板和背板穿戴于人体周围；
图2隔离地示出身体护甲组合件；
图3是身体护甲、冷却板和管路组合件的透视图；
图4是液体冷却的身体护甲系统的分解视图；以及
图5示出根据本发明的实施例的液体冷却的身体护甲系统和外部冷却液泵送装置。
具体实施方式
现将更充分描述本发明。然而，本发明可以按许多不同形式实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例。而是提供实施例以使得本公开将是详尽的，并且将完全传达本发明的范围给本领域的技术人员。
图1示出具有穿戴于人体周围的包含冷却层(未示出)的前护甲板和后护甲板的液体冷却的身体护甲系统。水通过示出的柔性管进行循环。
图2隔离地示出液体冷却的身体护甲系统。
图3是身体护甲背心10、护甲板12、14、粘附层和热交换器20、22的透视图。热交换器20、22包括优选地由铜或铝制成的金属板以及铜焊到金属板12、14的背侧的金属管线。水流过到达肩部上方的柔性聚合物管16、18。在护甲板12、14和热交换器20、22之间的金属管线24、26是金属的，且铜焊到最接近于皮肤的热交换板20、22。护甲板12、14是在防弹设备中使用的防弹打击钢板或其它聚合物。在护甲板12、14和金属管线24、26之间是绝缘层(未示出)，所述绝缘层阻止从冷却回路到防弹钢板的热传递。这防止防弹板变冷以及水冷凝。柔性聚合物管16、18将水递送到夹在护甲板12、14与热交换板20、22之间的金属管线24、26。优选地，在防弹设备中使用的由钢或其它聚合物制成的护甲板12、14具有从2mm到4mm的厚度，且热交换板20、22是金属的(例如，铜或铝)，具有从0.1mm到2mm的厚度，其中对于大多数应用理想的优选厚度是0.2到0.4mm。使用泡沫或绝热材料来填充护甲板12、14和热交换板20、22之间的间隙，以防止水在这些间隙中冷凝，且还提供针对较冷的热传递板的绝热。这通过防止人将从不会感觉到的防弹板的冷却而改善系统的能量效率。
图4是包括护甲板12、绝缘层28、金属管线24和热交换器20的液体冷却的身体护甲系统的分解视图。
图5示出液体冷却的身体护甲系统与外部冷却液泵送装置34的接合。液体冷却的身体护甲系统在管30、32的远端具有例如(但不限于)快速连接器等装备，以连接系统与外部冷却液泵送装置34，所述外部冷却液泵送装置以至多400ml/min的速率循环冷却液，即，使冷却液进出液体冷却的身体护甲系统。冷却液以15.1℃的温度泵送进入系统且以15.6℃的温度泵送出系统。
出于说明和描述的目的，已经呈现本发明的实施例的前述描述。并不希望为详尽的或限制本发明为所公开的精确形式，且鉴于以上教示，修改和变化是可能的或可从本发明的实践获得所述修改和变化。实施例经挑选和描述以便说明本发明的原理及其实际应用，以由此使得所属领域的技术人员能够在各种实施例中利用本发明及具有适合于所预期的特定用途的各种修改。
得益于前文描述和相关联图式中呈现的教示的本发明所相关的领域中的技术人员将容易了解本文阐述的本发明的许多修改和其它实施例。因此，应理解，本发明不限于所公开的具体实施例并且希望修改和其它实施例包含在所附权利要求书的范围内。虽然本文中采用特定术语，但所述术语仅在通用意义和描述性意义上使用，而不用于限制目的。

Claims (7)

1.一种液体冷却的身体护甲系统，其包括：
身体护甲背心(10)，其具有多个护甲板(12、14)和多个柔性聚合物管(16、18)；
粘附绝缘层(28)；以及
多个热交换器(20、22)；
其中，
所述多个护甲板(12、14)经由所述粘附绝缘层(32)与所述多个热交换器(20、22)附接；
所述多个热交换器(20、22)包括优选地由铜或铝制成的多个柔性金属板，其中所述柔性金属管/管线(26、24)铜焊到所述金属板的背侧；且
所述绝缘层(28)安置于所述护甲板(12、14)的内表面上以防止所述护甲板(12、14)的冷却，因此避免冷凝。
2.根据权利要求1所述的液体冷却的身体护甲系统，其中所述绝缘层(28)安置于所述护甲板(12、14)与所述热交换器(20、22)的所述柔性金属板之间以改进所述系统的效率。
3.根据权利要求1所述的液体冷却的身体护甲系统，其中所述热交换器(20、22)包括具有0.05mm与10mm之间的厚度的薄柔性金属板，具有0.5mm与10mm之间的外径的一系列薄柔性金属管(26、24)焊接、铜焊或粘结到所述薄柔性金属板。
4.根据权利要求1所述的液体冷却的身体护甲系统，其中所述柔性聚合物管(16、18)具有流过其中的流体，所述流体通过对流与所述薄柔性金属管(26、24)的壁交换热量，所述薄柔性金属管又通过传导与所述热交换器(20、22)的所述薄柔性金属板交换热量，所述薄柔性金属板又通过传导与穿戴者的皮肤交换热量。
5.一种液体冷却的身体护甲系统，其包括：
身体护甲背心(10)，其具有多个护甲板(12、14)和多个柔性聚合物管(16、18)；
多个闩锁构件；以及
多个热交换器(20、22)；
其中，
所述多个护甲板(12、14)经由所述闩锁构件与所述多个热交换器(20、22)附接；以及
所述多个热交换器(20、22)包括优选地由铜或铝制成的多个柔性金属板以及铜焊到所述金属板的背侧的柔性管/管线(26、24)。
6.根据权利要求5所述的液体冷却的身体护甲系统，其中在所述护甲板(12、14)与所述热交换器(20、22)的所述柔性金属板之间使用绝缘材料以改进所述系统的效率。
7.根据权利要求5所述的液体冷却的身体护甲系统，其中所述闩锁构件包含但不限于磁性闩锁、机械闩锁、
Figure FDA0002372361910000021
扣件、夹持扣件等。
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