實用型散熱童裝的設計與性能

郭 虹

（湖南工程學院 紡織服裝學院，湘潭411104）

夏季天氣炎熱，加之兒童活動量大，如果不能及時散熱，就容易在皮膚表面滋生細菌，進而產生疾病，因此，散熱對夏季兒童服裝非常重要.傳統服裝通過選用輕薄面料、減少覆蓋面積、加大開口等方式進行散熱，但在短時間內散熱效果不明顯，于是人們開始著眼于智能散熱服裝的研究.目前用于智能服裝的散熱方式主要有相變材料、氣冷式和液冷式三種［1］.

相變材料（PCM-Phase Change Material）是材料本身能隨溫度變化實現從固態到液態的轉變，當溫度過熱時吸收并儲存熱量，過冷時釋放熱量，多用于空調服的研究與設計，目前的應用主要有以下幾種方式：（1）將相變材料裝入空調服口袋中［2］，典型的如Steele公司的“Steele vest”；（2）將含有相變材料的微膠囊編織在空調服中［2］；（3）將相變材料納米纖維埋藏在空調服織物中［3］；（4）直接采用相變材料制作，如張興祥［4］利用微膠囊技術將相變材料運用在恒溫夾克、恒溫襯衣等產品當中；Outlast技術公司的Outlast?相關材料，可有效減少出汗，一些用該面料制作的嬰幼兒產品已經開始在市場上進行銷售.液冷式和氣冷式的基本原理是在服裝內部加入相應的制冷裝置，最初多被用于航天、軍事、冶金等高溫作業相關領域，比較典型的如Veskimo公司的液體循環空調服［5］.有很多研究者也在持續推進該類服裝的改進，如牛麗等［6］在消防服中加入液冷循環管，并測試其降溫效果；毛雷武［7］同樣采用液冷式進行消防服的設計；孫曉陽［5］以及駱雯等［8］提出新型高效環保空調服；王麗麗等［9］則采用氣冷式設計并測試其熱舒適性.

上述智能服裝僅適用于特殊環境從業者，尚處于研究開發階段，經調查發現，目前真正進入普通消費市場的散熱服裝可以歸納為以下幾類：（1）通過持續不斷的渦流壓縮空氣達到降溫效果，適合戶外作業及活動；（2）通過在服裝上安裝風扇進行降溫，采用電池續航，可以根據需求調整風扇功率大小.上述方法主要針對成人，專門針對兒童日常穿著的研究主要集中在Outlast等相變材料，該材料雖然可以用于童裝制作，但與普通服裝面料相比價位較高.因此本文針對上述情況，提出一款適合兒童日常穿著的低價位散熱服裝.

1 散熱元件的選擇

針對日常穿著的散熱童裝，需具備以下幾個特點：價位低、重量輕、無安全隱患，且操作簡單，因此考慮采用風扇散熱的原理.目前市場上已有的風扇類服裝基本是針對成人，如果用于兒童，會出現以下問題：第一，重量大，由于現有風扇和電池本身具有一定的重量，再加上風扇以及面料的重量，遠超過普通兒童夏季服裝重量，詳見表1（表中數據以尺碼120 cm（身高）的童裝為依據進行測量）；因此需要配備專用的電池；第二，風扇體積大，且為保證散熱效果，風扇局部一般會外露，既影響外觀，又具有一定的安全隱患，黎仁林［10］雖然對風扇體積進行了優化，將直徑控制在70～80 mm之間，但風扇仍為外露狀態；第三，由于是基于戶外等特殊場合，如工裝、戶外服，因面料透氣性本身相對較差，使用風扇后，服裝會由于風力鼓起，整體較為臃腫，不適合兒童活動.

表1 常見童裝重量參考

綜上，要想應用于童裝散熱，必須選用體積小、重量輕的風扇，為降低成本，選擇市場上現有的微型散熱風扇，進行適當改進后運用于童裝.分別選擇三種風扇，測試其實際散熱效果，詳細參數如表2所示.

由表2可以看出，風扇重量和體積都比傳統風扇小很多，根據GB 50118-2010《民用建筑隔聲設計規范》［11］、GB3096-2008《聲環境質量標準》［12］等的相關規定，風扇的噪音基本屬于最低級別，較適合兒童穿著.

表2 風扇參數表

2 散熱性實驗

2.1 熱阻測試

服裝層中因溫度而產生的熱流阻力稱為熱阻，熱阻反映了服裝及其材料具有的隔熱保暖能力，有時也稱隔熱值或保暖值.表征服裝隔熱性能有多種方法，其中Clo（克羅）是目前國際上的一個通用指標［13］，克羅值越大表明服裝的隔熱性越好，反之，則表明服裝的散熱性越好.

2.1.1 測試方法

測試不同風扇的熱阻大小，進而選擇合適的風扇進行試穿實驗.考慮到服裝是在炎熱天氣穿著，故將實驗條件設計為：溫度29℃±2℃，濕度76%±2%.

測試方法如下：測試設備選用LD—1型服裝保溫及冷感性能測試儀，先將實驗設備預熱至35℃，放置試樣，穩定1800 s，而后進行測試，測試時間設定為600 s，每個試樣分別進行3次試驗，最后取測試結果的均值.測試樣品制作統一采用純色人造棉（100%粘纖），幅寬140 cm，克重158 g/m2，經緯密度為112×70.

考慮到人體不同部位對冷熱敏感程度的不同，再結合穿著的方便性，最終確定在1～7號位置分別開口或安裝風扇，如圖1所示，并測試其Clo值大小.

圖1 測試樣品說明

2.1.2 實驗結果分析

實驗表明，三種不同風量的風扇，隨著風量的增大，散熱量會有所提高，如表3所示，總體Clo值1號風扇＞2號風扇＞3號風扇，表明散熱情況3號風扇＞2號風扇＞1號風扇.7號位置的散熱明顯弱于其他位置，對比4號試樣，腋下位置的直接開口有助于提高散熱，但在腋下加風扇（7號位置）相比在其他更為平面的位置（如3、4、5、6號位置）散熱效果卻不明顯，說明風扇加在較為平面的位置更易于散熱.增加開口會提高散熱效果，比如3號和4號試樣，腋下位置開口（4號試樣）散熱效果尤其明顯，但過大的開口會影響穿著，只能在不影響外觀的情況下適當采用.

表3 熱阻實驗結果記錄

18 19備注6號位置安裝3號風扇7號位置安裝3號風扇位置說明詳見圖1，風扇編號見表2 2.795 3.200試樣編號 試樣說明 Clo值

2.2 試穿實驗

2.2.1 樣衣說明

在熱阻實驗的基礎上進行兒童試穿實驗，經初步感覺實驗，1號風扇的風量感覺不明顯，2號和3號風扇有明顯感覺，因此，分別選取2號和3號風扇進行進一步的測試.由熱阻實驗可知，風扇安裝在較為平面的部位散熱效果相對較好，考慮穿著舒適性及活動的方便性，最終確定將風扇安裝在前后腰附近，如圖2所示，并制作樣衣進行試穿實驗，樣衣規格如表4所示.

表4 樣衣規格表

圖2 樣衣說明

連衣裙面料采用與同熱阻實驗相同的面料，可以用于夏季日常穿著，在此基礎上，增加可拆卸的散熱裝置，就可以具備散熱功能.散熱裝置包括調節開關、移動電源和連接線路，以及微型風扇，移動電源輸出端通過USB接口和連接線與調節開關進行連接，調節開關通過USB接口與連接線和風扇進行連接，一個開關控制兩個風扇.由于有USB的連接，散熱裝置本身各個部位也可以拆卸.

電池和調節開關均隱藏于腰下部或者胸部口袋里側（口袋具體部位可根據款式需要調整），口袋里側設有開關固定裝置以及開口，移動電源、調節開關等均可通過此開口進行拆卸或安裝，在服裝反面腰圍線附近，前后片兩側均設有風扇固定部位，便于對風扇進行拆卸和安裝，同時，腰圍下方反面設有線路隱藏部位，以防止兒童直接接觸線路和風扇，如圖2所示.為增加舒適性又不影響散熱效果，風扇表面覆蓋一層網眼布.為方便重復使用，電池可以選擇用于手機充電的移動電源，目前市場有很多小巧輕便的移動電源可供選擇，如膠囊型電池，長度接近一枚5號電池，重量約在15～30 g左右，以尺碼120 cm的樣衣為例，如表4所示，安裝散熱裝置后的總重量約為200 g，由表1可以看出，重量符合日常夏季童裝的重量.

2.2.2 實驗結果分析

通過真人穿著測試樣衣的散熱效果，分別采用2號風扇和3號風扇進行兩組實驗，每組實驗分兩輪進行.選擇6～8歲的兒童10名，每名兒童在相同溫度環境下進行兩輪測試.第一輪實驗，測試者進行一定量運動后，休息一段時間（約10 min）讓體溫上升后開始測量（因為運動后體溫不會立即上升），穿著沒有安裝風扇的樣衣，采用電子體溫表測量腋下溫度的變化，每隔3 min記錄一次，共記錄30 min；第二輪實驗，進行與第一輪實驗相同的運動，休息一段時間待體溫與第一輪實驗的初始記錄溫度一致時，開始測試并記錄腋下溫度，同樣記錄30 min.待所有測試者測完之后，將所有時間間隔點的數據取均值，產生兩組數據，不散熱情況下的溫度變化數據以及風扇散熱情況下的溫度變化數據.由圖3可以看出，利用2號風扇散熱在前12 min散熱速度明顯，后18 min雖然速度有所下降，但整體溫度還是低于不散熱的情況.

圖3 2號風扇溫度變化趨勢

進一步分析上述數據，由于上述兩組數據均不屬于正態分布，故采非參數檢驗中的兩個相關樣本檢驗，非參數檢驗是指在總體不服從正態分布，且分布情況不明時，用來檢驗不同樣本是否來自同一個總體的統計推斷方法［14］.原假設H0為：增加風扇前后的溫度變化來自同一分布的總體；備擇假設H1為：增加風扇前后的溫度變化不是來自同一分布的總體.以2號風扇為例，通過SPSS22.0軟件分析，由于Wilcoxon檢驗和Sign檢驗的顯著性取值分別是0.007和0.004，均小于0.05，故否定原假設，認為增加風扇前后的溫度變化不是來自同一分布的總體，3號風扇的結果與2號風扇一致，即增加風扇后散熱效果顯著.同時，在整個實驗過程中，樣衣未出現由于風力產生的鼓起現象.另外，通過對測試者的問卷調查：采用2號風扇穿著較為舒適，3號風扇由于體積略大，對穿著有一定影響.

3 結論

通過上述兩種實驗表明：

（1）在傳統連衣裙上增加風扇散熱裝置，隨著風量的增加，散熱效果會明顯增加，如3號風扇＞2號風扇＞1號風扇.風扇的體積大小會對人體舒適性產生影響，如2號風扇舒適性優于3號風扇，總體而言，在風扇體積在40×40×10至60×60×15之間，風扇重量14～35 g左右，由于風扇和電池的重量輕，不會對兒童穿著造成負擔，非常適合兒童在夏季穿著.

（2）風扇安裝在較為平面的部位，其散熱效果會好于非平面部位.

（3）針對夏季服裝面料，風扇不外露也可以達到良好的散熱效果.

（4）散熱裝置可以拆卸，便于重復利用.

（5）可拆卸的散熱裝置，雖然便于服裝的養護，但拆卸過程具有一定的難度.另外，散熱設置的安全性也有待進一步完善.