蓄冷式簡便液冷服的冷卻性能測試與分析*

金敬業 楊建忠 (西安工程大學紡織與材料學院，西安，710048)

高溫是日常生活和許多行業中不可避免的環境因素，它會引起人員缺氧、抗荷耐力降低、注意力分散、記憶力減弱、反應靈活性下降等一系列生理、心理問題，嚴重影響人員的心理情緒和身體健康，降低生活質量和工作效率。

人體在高溫環境中可以通過中樞神經系統調節有關機能，利用汗液分泌蒸發、輻射、對流等途徑散發熱量，以保持體溫的相對恒定。但是當人體長時間處于高溫環境時，這種調節功能的作用效果會大大降低，需要借助外部降溫措施。傳統的空調制冷系統不僅設備笨重、移動不便，而且需要以空間降溫的方式來實現個體冷卻，能耗巨大，效率低下;尤其難以滿足某些特殊人群，如交警、消防員等室外工作人員和封閉式防護服著裝人員亟需的個體冷卻要求。在這種背景下，源自宇航服系統的個體冷卻服裝日益受到人們的關注。

目前，個體冷卻系統按冷卻方式的不同一般分為氣體冷卻服、液冷服及相變冷卻服等。氣體冷卻服的原理是由空氣壓縮機將環境空氣或冷空氣通過通風管吹入冷卻服，空氣在人體表面流動，通過加速汗液蒸發帶走熱量，冷卻效率依賴排汗量。相變冷卻服有冰冷卻服、干冰冷卻服、凝膠冷卻服、石蠟相變冷卻服等，利用相變物質在相變過程中大量吸收熱量的特點為人體降溫。裝有相變材料的冷卻袋在使用前需置于冷環境中儲能，使用時取出并放置在冷卻服的前片和后片多個口袋里，能量釋放到一定程度后，必須重新置于冷環境中儲能。相變冷卻服結構簡單，無繁雜制冷裝置，但有效工作時間短，透氣性差，且冷卻初期往往存在溫度過低的問題。液冷服的基礎服裝上固定著屈曲排列的柔性液冷管道，冷卻介質在隨身攜帶的制冷裝置中被冷卻后流入液冷管道并循環流動，降低著裝者的體表溫度。液冷服的冷卻效果穩定，可以通過調整制冷裝置和冷卻介質來改善工作時長和冷卻溫度，適應性強，因此近年來獲得較大發展。

液冷服最常見的冷卻介質是水，此外還有乙二醇或丙二醇的水溶液等，也有人把相變微膠囊乳狀液或相變材料乳狀液用作冷卻介質，以避免溫度的劇烈變化而引起人體不適。液冷服的制冷裝置通常放在隨身攜帶的腰包或背包中，實際應用的長效制冷裝置主要是電力或微型內燃機驅動的蒸汽壓縮制冷系統，據報道最久可持續工作8 h。另外，還有電力驅動的半導體制冷裝置、微型內燃機驅動的LiBr/H2O吸收式微型熱泵系統等［1］。液冷服冷卻效果雖好，但設備復雜、費用昂貴，目前使用最多的還是軍事、航空航天等特殊領域，商業化難度較大。目前國內關于液冷服的理論研究屢見報端，然而商業化產品依然鳳毛麟角。

1 蓄冷式簡便液冷服的結構原理

本試驗以目前國內生產的一種蓄冷式簡便軀干液冷服(液冷背心)為研究對象，其結構如圖1所示。

圖1 蓄冷式簡便液冷服的結構示意圖

研究表明，軀干部位的基礎代謝和基礎血流分別占人體的74.4%和80.6%，因此軀干冷卻的效能很高［2］。制冷裝置的主要結構是一個儲液袋，水作為冷卻介質在儲液袋和換熱管路網之間循環流動，水的動力來自蓄電池驅動的微型電動泵。液冷服采用冰蓄冷方式，使用時把塑料冰盒放入儲液袋，水在儲液袋中被冷卻后流入換熱管路網，吸收熱量溫度升高后又返回儲液袋，再次被冷卻。如此往復循環，使著裝者獲得涼爽感覺，冰盒中的冰完全融化后可以方便地再次添加。

冰融化時的相變潛熱高達335 kJ/kg，且在生活中廣泛存在，因此這種冷卻方式簡單安全，極大地降低了設備價格和使用成本，有利于液冷服的日常使用。其缺點在于液冷服著裝初期水溫降低過快，降幅過大，容易引起人體不適。

2 試驗部分

2.1 試驗方法

本試驗在夏季室外進行，環境溫度約33℃，與體表溫度處于同一水平，微風，相對濕度60%(±5%)。著裝者為一健康男青年，穿貼身單薄棉織物和液冷服后以5 km/h的速度勻速行走。試驗采用不同蓄冷物，測量儲液袋出液口溫度隨時間的變化情況。研究表明，當外界溫度處于20～30℃時，人體在自身調節作用下感覺較舒適，基本沒有顯著的冷熱感［3］。本試驗將20℃以下時間稱為過冷時間，水溫在30℃以下持續時間稱為有效冷卻時間。

2.2 液冷服參數

冷卻介質(循環水)1 000 mL;蓄電池，輸出電壓7.4 V，電量2 200 mAh;微型電動泵，送水速率0.5 L/min;液冷服工作時質量約4 kg。

2.3 蓄冷物

試驗所用6種蓄冷物描述如下：

(1)塑料冰盒，裝300 g冰。

(2)塑料冰盒，裝500 g冰。

(3)塑料冰盒，裝500 g冰晶，冷凍3 h。冰晶是丙烯酸樹脂在吸收超過自身質量數百倍的水后形成的一種凝膠狀物質，化學性質穩定，價格便宜，保水性能優越，被廣泛用于化妝品、膨脹玩具、紙尿褲、冰帽、空調扇冰晶等。冰晶冷凍后吸熱時，外層首先融化對內層起隔熱保護作用，整體表現為能量緩釋，可避免液冷服著裝初期的過冷現象。

(4)雙層塑料冰盒，內層裝500 g冰，內外層間隔5 mm，間隙中注水。試驗中稱為組合一。

(5)雙層塑料冰盒，內層裝500 g冰，內外層間隔5 mm，間隙中注入質量分數10%的相變微膠囊乳狀液，微膠囊理論相變溫度25℃。試驗中稱為組合二。

(6)雙層塑料冰盒，內層裝500 g冰，內外層間隔5 mm，間隙中注入質量分數10%的相變微膠囊乳狀液，微膠囊理論相變溫度35℃。試驗中稱為組合三。

3 結果與分析

圖2為不同蓄冷物時儲液袋出液口溫度隨時間變化曲線。由于冷卻水在儲液袋和體表周圍的換熱管路網中不間斷快速流動，儲液袋的出液口溫度直接關系到著裝者的熱舒適性。由圖2可見，不同蓄冷物對水溫的影響差異很大。特征數據統計見表1。

圖2 不同蓄冷物時儲液袋出液口溫度隨時間變化曲線

表1 不同蓄冷物時儲液袋出液口溫度各項特征數據

圖2(a)顯示的3種蓄冷物均為常規單層塑料冰盒，可見冰蓄冷時循環水的降溫速率和降溫幅度明顯大于冰晶蓄冷，其中500 g冰的降溫效果比300 g冰劇烈，表明在沒有任何緩釋措施的情況下，冰的能量能夠迅速釋放，且隨著冰質量的增加，循環水降溫的劇烈程度增加。500 g冰時循環水的溫度甚至降到20℃以下并持續了23 min，如此劇烈的溫度變化和持續的低溫會令人感覺嚴重不適。相比而言，由于能量釋放相對緩慢，冷凍3 h的500 g冰晶的降溫要緩和得多，最低溫度甚至高于25℃。當300 g冰和500 g冰消耗殆盡，它們的循環水以相似的較高速率升溫時，冰晶循環水的升溫速率明顯低于前兩者，也是由于冰晶能量緩釋的緣故。最終，冰晶蓄冷的30℃以下時間達60 min，略超過300 g冰，而500 g冰的30℃以下時間較長，但存在23 min的過冷時間。

圖2(b)中均為雙層冰盒蓄冷結構，3種蓄冷物的冷卻能量均為500 g冰，不同之處在于冰的外層存在不同的液態隔熱層，使得冰與循環水之間的能量交換不同程度減緩，三者的循環水降溫速率均小于單層冰盒500 g冰，且沒有過冷現象。相變微膠囊可以在循環水降溫時放熱并在循環水升溫時吸熱，進一步減緩水溫變化趨勢，因此組合二和組合三的降溫速率和降溫幅度均小于組合一。不同相變微膠囊的作用溫度區間不同，理論相變溫度為25℃的微膠囊的主要作用溫度在30℃以下，能夠緩沖循環水在30℃以下時的降溫和升溫趨勢，因此有助于延長有效冷卻時間;而理論相變溫度35℃的微膠囊的主要作用溫度區間在30℃以上，因此在本試驗的溫度范圍內，組合三的有效冷卻時間少于組合二。

4 結語

測試與分析表明，常規冰蓄冷能夠獲得較長的有效冷卻時間，但容易造成初期水溫過低，甚至持續低于20℃，嚴重影響著裝者的熱舒適性;吸水冰晶能夠有效減緩能量的釋放，但能量密度小于冰，有效冷卻時間相對較短，僅為60 min。本試驗中嘗試使用雙層冰盒，使冰的能量釋放得到減緩，液冷服的降溫效果和有效冷卻時間均得到改善，特別是冰盒間隙中注入質量分數為10%、理論相變溫度為25℃的相變微膠囊乳狀液時，改善程度相對較顯著，最低溫度22.9℃，有效冷卻時間達110 min。

蓄冷式液冷服能夠提供顯著的體表降溫和較長的冷卻時間，相對于其他制冷形式的液冷服，最大優點在于設備簡單，成本低廉，使用方便，有利于民用領域的推廣應用。

［1］張行周.液冷服系統研究［R］.北京：北京工業大學，2006：8-13.

［2］崔代秀，王憲章.液冷服裝備設計的生理基礎和醫學要求［J］.航天醫學與醫學工程，1994，7(3)：223-228.

［3］王步標.人體生理學［M］.北京：高等教育出版社，1994：3-10.