一種智能溫控服裝的研究與應用

陳 峰，江柳清

（北海藝術設計學院，廣西 北海 536000）

服裝是衣、帽、鞋、襪等的總稱，多指衣服，其最初的作用是蔽體和御寒保暖。前者是為了滿足人類文明需求，后者是為了滿足人類生理需要。對現代社會而言，服裝不僅是蔽體、御寒的生活必需品，還是個性的表達、個人魅力的展現。對于某些特殊行業群體，服裝的防護功能顯得更為重要。

近年來，極端氣象的出現越來越頻繁，酷熱與極寒天氣越來越多，具有體溫調節功能的服裝能夠幫助戶外工作人員更好地調節溫度，避免高溫中暑和低溫凍傷等危害生命安全的事件發生[1]。目前，市面上銷售的冬季服裝主要靠服裝材料來隔絕或減少與外界的熱量交換，起到防寒保暖的效果。由于人體主要是通過軀干產生熱量，四肢產生的熱量較少，穿著普通服裝時，四肢溫度遠遠低于軀干溫度，在嚴寒的環境中易產生手腳凍傷的情況[2]。

1 人類保暖技術的發展歷程

四季變化是自然現象，四季的溫度也會有規律地變化，或冷或熱，在極端情況下還會出現極冷、極熱的現象。自然界中的動植物可以依靠自身的皮毛、調節水分蒸發量等方式來維持自身的溫度，而在原始社會，人類最先使用樹葉和動物皮毛進行保暖。到了新石器時代，開始出現紡織品，而人類也開始利用紡織品制成衣物，達到保溫的效果，這也是服裝形成的一大因素。現如今，人類最主要的保暖方式還是穿著服裝，隨著紡織技術的更新換代以及科技的不斷進步，服裝保暖作用的發揮從單純依賴面料本身的特性轉變為借助科學技術。

20世紀40年代，有人開發出幾乎覆蓋全身的點發熱衣，當時使用的發熱材料是發熱線，為了防止發熱材料損壞，紡織品中添加了大量填充物，可以提高可彎曲性并防止電氣元件破壞。2009年，Ozan Kayacan設計并開發了一種將導電紗線編織到紡織品中制造的加熱組件。

目前市面上出現的耐寒紡織品可以大致分為兩大類：一種是被動生熱保暖衣，即被動生熱型，通過增加靜態空氣含量阻隔熱量的傳遞，提高保暖性能；另一種是主動產熱保暖服，即主動產熱型，通過增加能量主動為人體提供額外的熱量。前者只是依靠人體的肌肉血管收縮來調節體溫[3]，但是，當人體處于極冷的環境或者人體受傷時，則不能很好地為人體供熱，而后者更能體現產品本身帶有熱源的好處。

2 現有保暖技術的短板

現在國內外已經有了一部分關于保暖技術的研究，已有相關專利和論文設計了不同的保溫和降溫衣物。隨著社會高速發展，人們的生活水平逐漸提高，對服裝的要求也逐漸提高，單一的服裝已經不能滿足人們的需求，更注重服裝的性能。

現有的保暖技術除了利用服裝材料的厚薄以及材料本身的保暖性能，還可通過一些化學品短時間的加熱進行保暖。第一種是使用合成纖維，其工作原理是當外界溫度下降時，合成纖維里的溶液會受冷收縮凝固，而纖維會因膨脹導致密度增大，熱量的流失就會減少，達到提高織物保暖性的目的。當氣溫上升時，溶劑便會變成液體，纖維則變得稀疏，密度減小，通透性提高，可以達到降溫的目的。第二種是將有恒溫作用的化學物質添加到織物上，這種化學物質會自動根據外界的溫度變化調節自身的溫度，不過這種化學物質多用于天然纖維和合成纖維織物上。第三種是安裝“微型空調”，原理是衣服本體內有一個微型的制冷裝置，這個裝置連接著一根輕質柔性軟管，軟管纏繞在人體上，制冷裝置制造的冷空氣則會通過軟管輸送到衣服內，此外，著裝者還可以根據自身需求來調節溫度。同時，還有一種比較高級的材料叫相變儲能材料，是利用某些物質在相轉變過程中的吸熱和放熱現象實現熱能儲存和溫度調控的一類材料，利用其制成的服裝稱為“相變服”。目前，國內外的研究者主要是通過微膠囊織物填充法、相變材料直接填充法等加工方法，將相變材料制成紡織品并應用于調溫服制作領域中[4]。

但是，上述保暖技術都過于單一，而且非常考究服裝的材料，一些服裝材料的保暖效果雖然足夠好，但是透氣性能較差，做不到二者兼具。再者，保暖面料過于厚重，穿起來很笨重，人體穿著舒適感較差。雖然可以使用暖寶寶，但成本較高，保暖時效根本不足以維持長時間、高強度的工作，并且暖寶寶的材料基本都是化學品，若不慎將其外包裝劃破，里面的化學品外溢，對人體安全和環境都會造成一定影響。

現有的保暖技術對地域的針對性不強。我國北方地區的一些城市常年低溫，比較干燥，而南方地區較為濕冷，同一款保暖服裝的保暖性無法同時適應這兩個地區。因此，針對潮濕和干燥的冷，保暖技術針對性不強也是目前智能溫控服裝設計的短板。

目前市面上有一種電加熱服裝，此款服裝需要消耗大量的電能產生熱量，導致電池供電續航時間較短。此款電加熱服裝只能在特定區域加熱，而非全身加熱，且不能形成全身的熱量循環，導致服裝整體溫度分布不均，影響穿著的舒適性[2]。當前，高溫防護服、多功能防護服、智能電子調溫服都已經相繼問世，這些能調節溫度的服裝主要存在以下問題：（1）對材料的要求高，適用范圍受到一定的限制；（2）通過風扇送風使人體表面汗液蒸發來達到降溫目的，長時間工作會消耗人體內大量水分，工作人員易產生不適[1]；（3）不能自動調溫度；（4）只能在某些特定的位置進行溫度調節；（5）通過化學物質來調節溫度的方式雖然有不錯的效果，但是長期使用對人體也會產生一定的危害。

3 特種行業對保暖和降溫服裝的需求

當前，高危險性的職業存在許多環境危害因素，包括爆炸、沖擊、摩擦、鈍擊等機械因素；具有腐蝕性、氧化性的強酸強堿等化學因素；高溫火焰、低溫嚴寒、高氣壓、強磁場等物理因素。因此，防護服防御的對象繁多，并且有些因素無法實現有效防護，社會對特種防護服的需求越來越強烈[5]。

特種服裝在各種特種行業都起至關重要的作用，在工作中沒有做好防護可能會造成嚴重后果。

3.1 耐熱性能

以公共安全事件為例（工礦企業燃燒爆炸等），由此產生的大火可以在短時間內迅速升溫。就算是普通的房間失火，溫度也會高達300 ℃左右，足以對人們的生命安全構成威脅。因此，耐高溫的服裝就變得非常重要，要求服裝的面料在高溫下具有較好的吸熱性，這樣會減緩人體皮膚的升溫速度，調節人體的溫度，減輕高溫對人體皮膚的傷害。

3.2 阻燃性能

阻燃性是指衣物在接觸到高溫火焰時，能有效地減緩火焰的燃燒速度或者無法燃燒。因為火災發生時最嚴重的燒傷基本是由服裝著火引起的，這就需要應用到耐高溫的阻燃面料，現有的阻燃服裝是用各種阻燃纖維混合制成，能有效延長阻燃時間，所以服裝的阻燃性能非常重要。

3.3 隔熱性能

在高溫環境下工作時，因為防護服最先接觸到外界溫度，然后熱量通過防護服傳遞給人體，所以要求服裝的面料必須具備良好的隔熱性能，能夠減緩熱量向人體傳遞的速度。現在有不少職業需要直接面對高溫環境，這便對隔熱性能較好的防護服裝產生了極大需求。

3.4 保暖性能

在氣溫較低的工作地區，由于外界氣溫遠遠低于人的體溫，為了保障工作順利進行，必須將體溫維持在正常范圍內，這就要求服裝具有良好的密閉性、保溫性，減緩身體熱氣分散速度。

4 針對特種行業需求提出解決方案

由于社會發展的需要，一部分人不得不在極其惡劣的環境下工作，這本身就會對人的生理和心理造成很大傷害，甚至會出現生命安全事故，造成不小的人才、經濟損失。

首先在宏觀層面，應該建立特種行業特種防護服裝體系。其次在科研領域，一是大力研發特殊且具有相變儲能性的材料，能夠吸收外界熱量以及釋放儲存的能量，通過吸熱和放熱來達到調節溫度的目的；二是運用科學技術研發相關智能系統。最后在法律層面，應完善相關法律法規，加大對這類特殊職業人員的生命和福利保障力度，提高他們的榮譽感和幸福指數，真正讓特殊防護服裝成為保護職業人員生命安全的最后一道有效屏障。

5 方案技術說明

本方案公開了一種服裝用水循環熱傳導系統，系統包括服裝本體、硅膠導管、微型水泵、儲水袋。硅膠導管設置在服裝本體的內部，按照預定線路鋪排在服裝本體中，呈蛇形蜿蜒設置，其中一端與微型水泵固定接通，另一端與儲水袋固定接通。微型水泵遠離硅膠導管的一端與儲水袋固定接通，硅膠導管、儲水袋形成以微型水泵為驅動的密閉水循環系統。儲水袋內固定設置電熱絲，服裝本體的內部固定設置容納腔，微型水泵和儲水袋均位于容納腔內，硅膠導管和儲水袋內裝有循環水。該系統在使用過程中，電路內電壓較低，使用較為安全。

5.1 材料配件

該系統所包含的材料配件分別為硅膠導管、微型水泵、儲水袋、導電線、電池倉、電熱絲等。服裝結構款式如圖1所示，1是指服裝本體，2是指硅膠導管；而圖2是圖1中A處的放大圖。

圖1 服裝結構款式

圖2 放大細節展示

5.2 工作原理

容納腔、儲水袋、服裝本體的內部結構分別如圖3、圖4、圖5所示。圖3中的2是指硅膠導管，3是指微型水泵，4是指儲水袋，5是指電熱絲，7是指供電線，8是指接頭。圖4中的4和5與圖3一致。圖5中的101是指外層面料，102是指中層輔棉。

圖3 容納腔內部結構

圖4 儲水袋內部結構

圖5 服裝本體內部結構

參考圖1～5，服裝用水循環熱傳導系統由圖1中的服裝本體1、硅膠導管2，圖3中的微型水泵3、儲水袋4組成，硅膠導管設置在服裝內部，按照設計的排列方式鋪設，硅膠導管的一個端口連接微型水泵的一個端口，硅膠導管的另一個端口則與儲水袋相連，微型水泵遠離硅膠導管的一端與儲水袋固定接通。

綜上，硅膠導管、儲水袋和微型水泵形成以水泵為驅動力的密閉循環系統。儲水袋內設置圖4中的電熱絲5，服裝本體內設有容納腔，微型水泵和儲水袋均位于容納腔內，容納腔上設有開口，可用于取出微型水泵和儲水袋，微型水泵和電熱絲相互串聯，電熱絲在儲水袋內曲折設置，微型水泵的驅動力可以是移動電源，儲水袋上面設有按扣。

參考圖3，圖中微型水泵設置供電線7，微型水泵和電熱絲均與供電線連接，供電線設有接頭8（USB-A接頭），接頭延伸至口袋內。

參考圖5，圖中服裝結構由外層面料101、中層輔棉102組成，中層輔棉根據服裝款式要求裁剪出相應的裁片形狀，硅膠導管按設計的線路排列在中層輔棉上。

通過上述技術方案，在使用時，將移動電源放置于口袋內，與圖3中的接頭8連接，此時，圖3中的微型水泵3和電熱絲5啟動，電熱絲對水加熱，微型水泵驅動循環水進入導管循環流動，通過服裝本體與人體進行熱量交換，達到升溫的作用。

綜上，本實用新型系統主要有以下效果：導線不會遍布全身，且由于系統僅設置一個微型水泵和電熱絲，電路內的電流和電壓相對于現有技術來說較低。同時，由于硅膠導管在服裝本體內均勻且有規則地排列，循環水最大限度地參與全身的熱量交換，使人體體溫均勻。

6 結語

即使現代技術發展已經十分成熟，但仍然有很多工作需要人工操作完成，不能使用機器代替。社會對特種防護服的需求越來越強烈，要求也越來越高，現代人在追求美好幸福生活的同時，越來越重視生命財產安全，但背后離不開一群默默付出的人，例如消防員、高寒地區執勤官兵等。由此可見，開發智能溫控服裝為從事特殊職業的人群提供有效的生命安全保護，是社會的呼吁，也是普通群眾的一種心愿。隨著社會經濟不斷發展和科學技術的進步，未來人類對服裝的性能需求和要求會越來越高，普通的服裝無法滿足人類的需求，尤其是消防、軍事、航空航天、生化等領域需要接觸惡劣或特殊環境的職業，因此，更具功能性的智能服裝成為重點科研領域。本研究所闡述的采用水循環熱傳導系統的服裝產品能有效保護從事特殊職業的工作人員的生命安全，同時還能提高著裝的舒適度，提高工作效率，所以研發一種智能溫控服裝具有良好的社會效益和較高的經濟效益。