CN113484464A - 一种用于环境热舒适性实验的暖体假人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于环境热舒适性实验的暖体假人，其采用16片经过合理设计、可以批量生产的电加热片，与传统的在假人模特上手工直接缠绕加热丝的方法相比，大大提高了制作效率、节省了成本；加热片的电加热丝厚度、宽度和间距根据各部位热流密度需求进行均匀设计，并采用铜片化学刻蚀方法一次性加工生成，可以避免传统人工铺设加热丝方式难以全面保证制作精度问题；每个加热片利用模型曲面展开方法获得的，借助双面导热胶膜，保证了加热片与假人表面良好的贴合性；加热片的电加热丝采用波纹式设计，使加热片具有一定的延展性；电加热丝输入电压为24V，在人体安全电压范围内；加热片采用三层膜式结构。

Description

一种用于环境热舒适性实验的暖体假人

技术领域

本发明涉及一种用于环境热舒适性实验的暖体假人。

背景技术

无论是飞机、汽车、轮船等商业交通工具还是载人航天器、潜水艇等科研或军用运输工具，其内部的热环境是影响成员生存的重要因素。为了保障在运输活动中乘员能够有效的执行所分配的任务，首先要确保运输工具能够为机内乘员提供一个适宜的人工环境(空气成分、温度、压力、湿度等)。因此，上述的人工环境在投入正常使用前都要进行必要的环境测试，而热环境测试中需要采用暖体假人来代替真人实现人体热载荷模拟。

现有技术中，暖体假人通常采用缠绕加热丝的方法来模拟复杂人体曲面外形结构的表面温度或向周围环境的散热量。如CN206756726U公开的暖体假人设计方案，其中：假人本体采用紫铜材质，在假人内部布置加热层，加热丝直接缠绕在假人表面。其中，缠绕加热丝过程需由手工操作，制作过程复杂，耗时大，且加热丝的均匀性及曲面贴合性严重依赖手工操作经验，制作过程人工成本极高。

目前市场上暖体假人主要有分别来自美国、德国和中国香港的三个供应商的产品，单个售价均在百万元人民币左右，成本高，难以推广应用于旅客机或高铁等多人舱室环境热热舒适性测试实验。

发明内容

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

本发明属于环境控制领域，具体涉及航空、航天、航海、高铁、汽车及家居等环境热舒适性实验所需人体热载荷模拟用暖体假人。

本发明针对人体不同部位外轮廓设计一种可批量生产的电加热片，该加热片可以较好的贴在人体模特表面，保障发热的均匀性，同时大大降低暖体假人加工成本。

为解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：

所述电热片式暖体假人模拟真人外轮廓，包含头部、躯干、左(右) 大臂、左(右)小臂、左(右)手、左(右)大腿、左(右)小腿和左 (右)足共14块；

所述的加热片根据暖体假人温度或热量模拟控制需求划分为16块，分别对应暖体假人的头部、前胸、后背、左大臂、左小臂、左手、右大臂、右小臂、右手、腰臀小腹、左大腿、左小腿、左足、右大腿、右小腿和右足共16个区域。

所述的16块加热片的几何外形采用三维几何建模软件，对暖体假人 16个区域三维计算机模型进行高精度曲面展开。

所述的加热片的电加热部分设计为均匀的波纹状电加热线路，加热线厚度、宽度和间距根据每个区域热流密度模拟要求设计，并采用铜片化学刻蚀方法一次性加工生成。

所述的加热片沿厚度方向包含三层结构，中间为电加热铜线路，下层为双面导热胶膜，上层为耐高温聚酯绝缘膜(PET膜)。

所述加热片三层结构通过真空热压方式形成一体。

所述16块加热片通过手工胶粘方式，铺敷到暖体假人模特对应16个区域。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护。

根据本发明的一个方面，提供了一种暖体假人，其具有模拟真人的外轮廓，并被分为14个部位，即头部、躯干、左大臂、左小臂、左手、右大臂、右小臂、右手、左大腿、左小腿、左足、右大腿、右小腿、右足，其特征在于进一步包括：

16块加热片，包括覆盖头部的头部加热片、覆盖躯干的前胸的前胸加热片、覆盖躯干的后背的后背加热片、覆盖左大臂的左大臂加热片、覆盖左小臂的左小臂加热片、覆盖左手的左手加热片、覆盖右大臂的右大臂加热片、覆盖右小臂的右小臂加热片、覆盖右手的右手加热片、覆盖躯干的腰臀小腹部位的腰臀小腹加热片、覆盖左大腿的左大腿加热片、覆盖左小腿的左小腿加热片、覆盖左足的左足加热片、覆盖右大腿的右大腿加热片、覆盖右小腿的右小腿加热片和覆盖右足的右足加热片，

其中：

各所述加热片包括膜状的三个层：

包括加热丝中间层，用于在通电后产生热流；

包括双面导热硅胶的下层，用于粘贴在相应的部位的表面上；

包括耐高温聚酯绝缘膜的上层，用于对加热丝进行绝缘和/或保护，

所述加热丝为导电金属制成。

本发明的特点及有益效果包括：

1)暖体假人采用16片经过合理设计、可以批量生产的电加热膜胶粘方式，与传统的在假人模特上手工直接缠绕加热丝的方法相比，可以大大提高制作效率、节省成本；

2)加热片的电加热丝厚度、宽度和间距根据各部位热流密度需求进行均匀设计，并采用铜片化学刻蚀方法一次性加工生成，可以避免传统人工铺设加热丝方式难以全面保证制作精度问题；

3)每片加热片几何外形利用三维计算机模型曲面展开方法获得的，保证展开图的形变率低于5％，同时借助双面导热胶片，保证了加热片与假人表面良好的贴合性，避免了传统人工铺设加热丝方式常常发生局部粘贴不牢脱丝现象和进而引起的温度不均匀问题；

4)加热片的电加热丝采用波纹式设计，使加热片具有一定的延展性，可以承受一定的拉伸形变，不易因为拉伸而产生的断裂或不可恢复性形变，且能有效弥补加热片与假人曲面结构的贴合性；

5)加热片的电加热丝输入电压为24V，在人体安全电压范围内；

6)加热片采用三层膜式结构，下层的导热硅胶膜加强加热表面的温度均匀性，上层PET耐高温聚酯绝缘膜对加热丝起到很好的绝缘保护作用。

附图说明

图1根据本发明的一个实施例的假人外轮廓及14块组成示意图；

图2根据本发明的一个实施例的假人16块加热片区域划分示意图；

图3根据本发明的一个实施例的各人体部位二维平面图展开设计流程图；

图4根据本发明的一个实施例的假人后背部位二维平面展开图；

图5根据本发明的一个实施例的假人后背部位电加热线路设计结果；

图6根据本发明的一个实施例的加热片三层组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案：

如图1所示，根据本发明的一个实施例的暖体假人具有模拟真人的外轮廓，并划分为14块(部位)，即头部101、躯干102、左大臂103、左小臂104、左手105、右大臂106、右小臂107、右手108、左大腿109、左小腿110、左足111、右大腿112、右小腿113、右足114。

假人的上述14个部位(结合在一起的)可商业获得。

如图1所示，作为一个例子，假人的上述14个部位可以具有如下连接方式：头部101底部有金属柱，直接插入躯干102上端的孔中；左大臂103与躯干102之间采用螺栓连接；左小臂104与左大臂103之间采用螺栓连接；右大臂106与躯干102之间采用螺栓连接；右小臂107与右大臂106之间采用螺栓连接；左大腿109与躯干102之间采用螺栓连接；左小腿110与左大腿109之间采用螺栓连接；右大腿112与躯干102 之间采用螺栓连接；右小腿113与右大腿114之间采用螺栓连接。

根据本发明的一个实施例的暖体假人的假人壳体可采用市场中常见的玻璃纤维铸造的假人模型，玻璃纤维壳体厚度2～3mm。

如图2所示，加热片根据暖体假人温度或热量模拟控制需求划分为 16块，分别为暖体假人的头部加热片1、前胸加热片2、后背加热片3、左大臂加热片4、左小臂加热片5、左手加热片6、右大臂加热片7、右小臂加热片8、右手加热片9、腰臀小腹加热片10、左大腿加热片11、左小腿加热片12、左足加热片13、右大腿加热片14、右小腿加热片15 和右足加热片16共16个加热片。

如图3所示，以后背部位加热片的二维平面图为例，根据一个具体实施例，所述假人每部分对应平面展开图生成方法包括：(1)将不同部位的三维模型导入CAD软件；(2)在曲率大的地方对曲面进行切分，即沿曲率梯度方向将曲面分割开来，但保留整个曲面的连通性；(3)执行CAD 的曲面展开命令，将曲面铺展成平面；(4)在CAD软件中执行检查命令，检查展开平面的形变率，所述形变率指曲面展开成平面后的面积与实际面积之比。根据CAD软件计算结果，若展开图某区域形变率大于5％，则对该区域进行二次切分，重复(2)～(4)的过程，直到形变率小于 5％；(5)输出平面展开图(如图4所示)。

如图6所示，根据本发明的一个实施例的各所述加热片包括三层膜状结构，其中：中间层包括加热丝，通电后产生热流；下层为双面导热硅胶，用于粘贴假人表面；上层为耐高温聚酯绝缘膜(PET膜)，用于对加热丝进行绝缘和保护。

如图5所示，根据本发明的一个实施例的所述加热片中的电加热丝采用黄铜材料；在一个优选实施例中，加热丝的电阻率为0.065Ω*mm²/m。加热丝具有波纹式的构造。图5右侧给出了加热片的局部放大图，显示出了加热丝的波纹式的构造；该波纹式构造使得加热片可以承受一定的拉伸变形，而不至于引起加热丝(如黄铜丝)的断裂或者不可回复的变形。

根据本发明的一个优选实施例，中间层采用金属片化学刻蚀方法一次性加工生成。其金属(黄铜)片厚度、宽度和间距根据各部位热流密度模拟需求进行调整。作为一个具体实施例，可根据需要，把加热片上的加热丝布置成并联电路，其中，当需要保证所有线路的电流保持一致以均匀加热时，可把各并联电路的电阻设置为相等。

如图5所示，根据本发明的一个实施例，所述每块加热片均配置单独的接线端子，以便与供电电源直接连接，实现单独控制。

根据本发明的一个实施例，电源线的一端焊接在铜鸡眼铆钉(未显示)上，另一端与电源接线端子(未显示)相连。铜鸡眼铆钉穿过加热片上的接线端子的预留的孔，铜鸡眼铆钉的后盖与加热片上的接线端子充分接触并用锡焊焊接牢固。在假人部位上与加热片上的接线端子对应的位置钻孔，使铜鸡眼铆钉扣在假人部位上，电源线从假人部位的内部穿过，再从设置在后背3的总出线孔穿出。

根据本发明的一个实施例，加热片上的接线端子也是和加热丝一起化学腐蚀生成的。

如图5所示，根据本发明的一个实施例，所述每块加热片的输入电压均为24V直流电压，在人体安全电压范围之内。

发热功率是按需要的热流密度乘以该块加热片的面积得到的。例如，模拟人体发热的热流密度为300W/m²，后背面积为0.167m²，乘积就是 50W。加热片后背的面积可以通过CAD软件确定。

在一个具体实施例中，加热丝的成分是黄铜，电阻率0.065Ω*mm²/m；在一个优选实施例中，加热丝的电阻是11.52Ω，加热电压为12伏。

根据本发明的一个实施例，加热丝的厚度均匀，都是0.05mm，电阻值(如11.52Ω)对应的加热丝长度跟电路的串并联有关和/或通过串并联设置进行控制。例如在一个具体实施例中，后背采用并联，各支路电阻是23.04Ω，长度为23.68m。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种暖体假人，其具有模拟真人的外轮廓，并被分为14个部位，即头部、躯干、左大臂、左小臂、左手、右大臂、右小臂、右手、左大腿、左小腿、左足、右大腿、右小腿、右足，其特征在于进一步包括：

16块加热片，包括覆盖头部的头部加热片、覆盖躯干的前胸的前胸加热片、覆盖躯干的后背的后背加热片、覆盖左大臂的左大臂加热片、覆盖左小臂的左小臂加热片、覆盖左手的左手加热片、覆盖右大臂的右大臂加热片、覆盖右小臂的右小臂加热片、覆盖右手的右手加热片、覆盖躯干的腰臀小腹部位的腰臀小腹加热片、覆盖左大腿的左大腿加热片、覆盖左小腿的左小腿加热片、覆盖左足的左足加热片、覆盖右大腿的右大腿加热片、覆盖右小腿的右小腿加热片和覆盖右足的右足加热片，

其中：

各所述加热片包括膜状的三个层：

包括加热丝的中间层，用于在通电后产生热流；

包括双面导热硅胶的下层，用于粘贴在相应的部位的表面上；

包括耐高温聚酯绝缘膜的上层，用于对加热丝进行绝缘和/或保护，

所述加热丝为导电金属制成。

2.根据权利要求1所述的暖体假人，其特征在于各加热片的曲面通过平面展开生成操作确定。

3.根据权利要求2所述的暖体假人，其特征在于所述曲面通过平面展开生成操作包括如下步骤：

A)在曲面上曲率大的地方对曲面进行切分，即沿曲率梯度方向将曲面分割开来，但保留该加热片的整个曲面的连通性；

B)执行曲面展开，将曲面铺展成平面；

C)确定并检查展开平面的各区域的形变率，所述形变率为曲面展开成平面后的面积与曲面的实际面积之比，若展开的平面的某区域的形变率大于一个预设值，则对该区域进行二次切分，

重复上述步骤A)至步骤C)的操作，直到各区域的形变率均小于所述预设值。

4.根据权利要求2所述的暖体假人，其特征在于所述平面展开生成操作借助CAD软件进行，且进一步包括：

在所述切分操作之前，将所述曲面的三维模型导入CAD软件；

所述曲面展开操作包括执行CAD的曲面展开命令，

所述确定并检查展开平面的各区域的形变率的操作包括：在在CAD软件中执行检查命令，和根据CAD软件计算结果判断展开的平面的某区域的形变率大于所述预设值。

5.根据权利要求1所述的暖体假人，其特征在于：

加热丝具有波纹式的构造。

6.根据权利要求1-5之一所述的暖体假人，其特征在于：

中间层采用金属化学刻蚀方法一次性加工制成。

7.根据权利要求1-5之一所述的暖体假人，其特征在于：

电加热丝采用黄铜材料。

8.根据权利要求1-5之一所述的暖体假人，其特征在于：

加热丝的电阻率为0.065Ω*mm²/m。

9.根据权利要求1-5之一所述的暖体假人，其特征在于：

每块加热片的输入电压均为24V直流电压。

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