冷卻服發展進展

周 覓，錢曉明，黃順偉

(天津工業大學 紡織學院，天津 300387)

冷卻服發展進展

周 覓，錢曉明，黃順偉*

(天津工業大學 紡織學院，天津 300387)

冷卻服具有抵御高溫侵害、保障工人安全、提高工作效率的作用。根據冷卻介質的不同，冷卻服可分為液體冷卻服、氣體冷卻服、相變冷卻服及結合兩個或兩個以上冷卻技術的混合冷卻服，分別用實例對幾種冷卻服的發展現狀進行闡述。

冷卻服；氣體；液體；相變材料；混合

一般來說，在較熱或炎熱的環境中工作的人要比普通環境中做類似工作的人所承受的壓力更大。體力負荷伴隨暴露在高溫環境中，會增加工人的安全和健康的風險[1]。熱應力會導致如消防員、工廠工人、軍事訓練者、運動員的耐力和表現降低[2]。采取有效措施可減少這種不利影響，并提高工作性能。穿著冷卻服是抵御高溫侵害、提高工作效率的有效方法之一。

1962年，Burton和Collier為英國皇家空軍研制出世界上第一件液冷服[3-4]，從而拉開了冷卻服研究的序幕。早期研制的冷卻服主要領域為軍事與航空航天[5-7]，20世紀70年代中后期，冷卻服開始應用在醫療、消防、礦山和冶金等領域。目前，科學家們已經廣泛地考察了在炎熱的環境條件下，冷卻服裝在緩解人體所受到熱應力的有效性[8-10]。冷卻服已經被廣泛應用于軍事訓練、消防醫療和體育運動等特殊領域。

1 冷卻服簡介

在過去的15年里，在個人冷卻系統設計上主要集中采用風機，循環液體或相變材料(PCM)作為工作中的微氣候[11-15]。根據冷卻介質的不同，冷卻服可分為液體冷卻服、氣體冷卻服[16-18]、相變冷卻服和結合上述冷卻技術的兩個或兩個以上的混合冷卻服[19-20]。冷卻服又可分為主動型冷卻服和被動型冷卻服，主動型冷卻服包括氣體冷卻服和液體冷卻服，被動型冷卻服主要為相變冷卻服。氣體冷卻服通常配備一個鼓風機，迫使空氣進入背心的微氣候。該冷卻系統相當便宜，但冷卻能力有限，能耗高，在炎熱和潮濕的天氣是無效的[21]。液冷服是衣服中含有細的導管，導管中含有循環冷的液體，有良好的散熱能力，相對較長的有效時間。其缺點是重量大，妨礙工人的行動，從而降低了工作效率[22]。相變冷卻服是在服裝上封裝相變材料包或者利用微膠囊技術將相變材料鑲嵌在服裝中，通過相變材料的相變改變來吸收人體熱量，實現對人體的降溫。相變冷卻服[23]具有服裝結構設計簡單，穿脫方便，冷卻效果好，不需要額外的致冷裝置等優點，但也存在著有效工作時間較短的缺點。

2 氣體冷卻服

2.1 概述

氣體冷卻服一般由基礎服裝、空氣壓縮機和通風管等組成。工作原理是自然狀態的空氣，或者壓縮空氣，或者經制冷設備產生的冷空氣，通過服裝內的管道或夾層送入體表空間，以蒸發和對流換熱的方式對人體降溫。按冷氣吹向人體表面的不同形式，氣體冷卻服可分為管道式氣體冷卻服和服裝透過式氣體冷卻服。管道式氣體冷卻服是指空氣壓縮機先將空氣預冷，預冷空氣再通過分布在全身的管道系統排入服裝內部，以對流和蒸發形式對人體進行冷卻。服裝透過式氣體冷卻服是指在基礎服裝的前胸和后背各設置一個氣囊，在接觸皮膚的一面設有均勻分布的小孔，壓縮機將預冷空氣壓入氣囊，氣流從小孔吹向皮膚，對人體進行冷卻。典型氣體冷卻服如圖1所示。

1-基礎服裝 2-通風管 3-空氣壓縮機(a)管道式氣體冷卻服

(b)服裝透過式氣體冷卻服圖1 氣體冷卻服

2.2 實例

烏克蘭基輔國立工藝設計大學研制出的氣體冷卻“防熱服”[24]，擁有一個自主的氣體冷卻系統，可使工作人員穿著它能在溫度150 ℃或紅外輻射高達25 kW/m2的環境中持續工作30 min。

楊兆生等人發明了一種用于保護冶煉工人的高溫防護服[25]，該防護服是在防護靴底設有一個微型壓縮制冷裝置，通過工人走動對微型壓縮制冷裝置做功產生冷空氣，進而對人體進行冷卻。

美國陸軍士兵系統研究中心開發的蜂窩狀結構的“攔截者”風冷式戰術背心，通過電動換氣扇作為動力，促使空氣在防護服和皮膚之間流動，實現制冷和輔助排汗的效果；美國海軍航空兵系統司令部開發的“制冷盔甲”背心，通過一套過濾吹風管將周圍的空氣吸進位于進氣口一側的空氣調節器，經過調節的空氣從出氣口進入飛行服內的導管，達到降低飛行員體溫的目的。系統開始運轉后，內部電扇就會打開，并釋放冷氣，可以將飛行員周圍的溫度降低18 ℃[26]。

以色列Rabintex公司研制了一款內設兩個微型風扇的軍用氣冷服[27]，每個風扇供風量為180 L/min，電池可維持12 h，冷卻服總重1.2 kg。通過對20名男性進行生理壓力測試，結果表明該氣冷服性能優良，對軍事和體育人員非常適用。

3 液體冷卻服

3.1 概述

液體冷卻服一般由服裝主體、微型制冷系統及液體載冷劑循環管路組成。其冷卻原理首先是微型制冷系統生產出低溫載冷劑液體，再通過水泵將液體壓入布置在液冷服內部的循環管路，輸送到服裝的各個部位，吸收服裝內部的熱量；吸收熱量后的載冷劑液體再返回到微型制冷系統將液體降溫到設計溫度，循環往復。液體冷卻服的致冷裝置分為兩種，分別是移動式和固定式。對于移動式來說，冷卻服的致冷裝置和水泵都在服裝之外，彼此之間靠管道連接。對于固定式來說，冷卻服的致冷裝置和水泵放置在一個小背包內，固定在液冷服背部，依靠電池供應能量。根據實際使用的需要通常將液冷服分為3種，分別是液冷頭盔、液冷背心和全身式液冷服。全身式液冷服又分為片式液冷服、單管回轉式液冷服和多管路直通式液冷服。液冷背心如圖2所示。

圖2 液冷背心

3.2 實例

明尼蘇達州大學設計了一款液體冷卻、加溫兩用液冷服[28]，該液冷服的冷卻管道只分布在人體散熱較大的區域，比如軀干部。該液冷服具有輕便、高效的優點。

張萬欣等[29]通過對暖體假人各部位散熱量比例分析，設計出供宇航員使用的全身多管路直通式液冷服。

王亮等[30]基于Pennes生物熱方程建立人體軀干穿著液冷服的傳熱模型方法，進行潛熱型功能熱流體液冷服的性能分析。結果表明：相比水冷卻液，潛熱型功能熱流體可以顯著提高液冷服散熱能力，減小所需冷卻液流量以及泵功。

岳豐田等[31]針對礦山高溫環境發明了一種礦用全身性冷卻服，該冷卻服由外保溫層、制冷層、內保溫層組成。冷卻原理為:首先在裝冰口袋內裝入一定量的冰塊，冰的融化帶走人體部分熱量，隨后冰水流入管道進入人體其他部位，帶走其他部位的熱量，最后冰水由褲腳排出。

4 相變冷卻服

4.1 概述

相變材料(PCM)是一種潛熱儲存材料，具有較高的熔解熱，相比顯熱儲存材料，具有高熱能存儲密度，發生相變時在恒定溫度條件下吸收和釋放熱量。PCM主要分為有機相變材料、無機相變材料和混合(共晶)相變材料。相變冷卻服在服裝上封裝相變材料包或者利用微膠囊技術將相變材料鑲嵌在服裝中，通過相變材料的相變改變來吸收人體熱量，實現對人體的降溫。根據冷卻服使用相變儲冷材料和儲冷方式的不同，又可分為傳統相變冷卻服和新型相變冷卻服。傳統相變冷卻服主要使用無機、有機及其混合物的相變材料，將其封裝在冷卻服的口袋里。新型相變冷卻服則利用微膠囊技術將相變材料制作成微型膠囊，并將微膠囊內嵌到服裝面料中。圖3為傳統相變冷卻服(冷卻背心)。

圖3 傳統相變冷卻服(冷卻背心)

4.2 實例

Bennett等[32]于1995年在海軍消防員服裝的6個口袋中放入凝膠進行降溫研究。

Chuansi Gao等[33]以十水硫酸鈉及其添加物為相變材料制作出供消防員使用的冷卻服。

Lennart等[34]使用丙烯酸樹脂高吸水性聚合物作為相變材料制作出供消防員使用的冷卻服。

20世紀末美國的TRDC公司[35-36]將直徑3～100 μm的相變微膠囊密封入服裝研制具有調溫功能的智能服裝。

美國Triangle公司[37]將直徑15～40 μm的微膠囊編織到紡織物中研制出調溫服。

Tao Wang等[38]研究用相變材料微膠囊懸浮液代替傳統冷卻液作為新的工作流體的液冷服。

秦長春[39]利用一種高分子水凝膠(藍冰)，研制出供消防員使用的藍冰降溫避火服，該服裝是在傳統消防服中以藍冰為內膽放置在服裝夾層內改進而來，可以同時起到防火與高效降溫的作用。

王云儀等[40]以凝膠為蓄能降溫材料研制了局部性相變冷卻服，主要供鋼鐵工人使用。

5 混合冷卻服

5.1 概述

混合冷卻服是指結合氣體冷卻服、液體冷卻服、相變冷卻服的冷卻技術兩個或兩個以上的冷卻服。該冷卻服兼顧兩者或兩者以上冷卻服的優勢和特點，其綜合性能優良，逐漸成為科學家們熱衷研究的對象。圖4為氣體-相變混合冷卻服。

圖4 氣體-相變混合冷卻服

5.2 實例

Wenfang Song等[41]為辦公室工作人員設計出上衣和褲子復合PCM包和空氣通風風扇的混合式個人冷卻服裝。在空氣溫度34 ℃、相對濕度65%、空氣流速0.15 m/s的條件下，11名男性分別穿上混合冷卻服和不穿冷卻服進行對比試驗，結果發現，混合冷卻服能顯著提高全身熱感覺、皮膚濕潤感覺和舒適感覺。

6 結語

隨著科學技術的發展和人類在生產生活過程中對自身的防護和舒適意識的提高,冷卻服的發展取得明顯成效。但是,目前市場上常見的冷卻服均存在一定的不足,技術還不夠完善,如冷卻溫度過低、冷卻時間短、穿著不便、制冷過程中經常出現過冷現象等。

未來冷卻服發展趨勢主要體現在減輕負荷、溫度范圍易調節、穿著舒適、操作方便、功能多樣化等方面。需要克服在制造冷卻服過程中遇到的難題，主要包括：(1)微型壓縮機的制造技術，為了減輕重量，因此壓縮機比較小，部件也就相應微型化，設計制造便有了更高的要求，同時還要避免制冷劑泄漏。(2)蒸發器冷凝器的設計，整個系統縮小的關鍵是如何提高蒸發器冷凝器的換熱系數，減小這兩個器件的體積和重量。(3)相變材料的封裝和復合技術，相變冷卻服在工作過程中，相變材料會受到形變和水的作用，因此設計制造要解決液相泄露、水蝕、過冷、傳熱不良等問題。

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2016紡織行業重拳治污，轉換發展新動能

2016年是“十三五”的開局之年，生態文明建設被首次寫進了國家五年規劃目標任務，是國家“十三五”五大發展理念之一，成為了中國經濟社會發展的主流，這既是印染行業加強環境保護的強大動力，也使其面臨著巨大壓力和挑戰。

2016年，印染行業集全行業之力，對“十三五”期間行業綠色發展和節能環保政策進行了深入解析，就印染企業當前關注的廢水、廢氣排放標準，廢水深度處理及回用，資源節約與高效利用，國際環保法規新進展等熱點問題進行了深入探討和實踐。

也因此，為了進一步發揮技術進步在行業轉型升級、可持續發展中的關鍵作用，促進印染行業的健康發展，中國印染行業協會在已有工作基礎上，組織申報了印染行業節能減排先進技術，發布了《第十批中國印染行業節能減排先進技術推薦目錄》。

The Development Progress of Cooling Garments

ZHOU Mi, QIAN Xiao-ming, HUANG Shun-wei*

(School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

The cooling garment could resist the high temperature damage, ensure the safety of workers and improve the work efficiency. The cooling garments were divided into four categories based on the types of cooling medium including liquid cooling garments, air cooling garments, garments incorporated with phase change materials and hybrid cooling garments that combined with two or more of the aforementioned cooling techniques. The development status of several kinds of cooling garments was summarized.

cooling garment; gas; liquid; phase-change materials; hybrid

2016-10-20

國家科技支撐項目(2014BAE09B00)

周 覓(1993-)，女，湖北仙桃人，在讀碩士研究生，主要從事服裝工效學的研究。

*通信作者：黃順偉(1990-)，男，安徽淮南人，在讀碩士研究生，主要從事非織造土工布結構與性能的研究，E-mail：985897189@qq.com。

TS941.7

A

1673-0356(2017)02-0001-05