多功能恒溫救生衣設計

陳嘉龍

（重慶交通大學，重慶 400074）

0 引言

近年來，船舶失事時有發生，而救生衣就成為了失事人員求生的依靠，但傳統救生衣存在些許不足，例如保溫性能差，缺乏救援系統等。受此啟發，研究設計了一款多功能恒溫救生衣，它將搭載發電模塊、供熱模塊、集成電路模塊和求救模塊，希望能夠提高失事人員的獲救概率。未來的適用性廣闊，發展前景好。

1 研究背景

我國是一個航海大國，在乘船航行中，人們最害怕也最不愿意遇見的，莫過于船舶失事。穿好救生衣，等待救援是落水者唯一能做的，但十分不幸的是，有許多人等不到救援人員前來解救。除去極端的因素，低溫是威脅落水者生存的重要因素。大多數遇難人員不是在海水中溺水而死，而是在冰冷的水中凍死的，尤其是在夜晚，低溫會對人們產生不可逆的影響。據研究表明，一般人體在低溫水域中的生存極限如下：穿著普通的衣服并保持靜止，在海水中的存活時間為：0 ℃以下海水，只能耐受幾分鐘；1 ℃海水，7 min；2 ℃海水，15 min；2.5 ℃海水，30 min；5 ℃海水，60 min；10 ℃海水，3 h；10～15 ℃，少于6 h；15-20 ℃，少于12 h；超過20 ℃，不定（視疲勞程度而定），能在0～4 ℃冰水混合物中堅持30 min 的人是少數中的少數。這是因為人體溫度一般不低于35 ℃，長期處于低溫中，體細胞受不了就會發生紊亂，血液也流動不暢，造成缺氧，人會進入昏迷狀態。“泰坦尼克”號船上千人落入海水中，當時海水中有很多被撞碎的冰山冰塊，大部分人在10 min 內被凍死[1]。傳統的水上救生衣一般是由外部面料、內里浮力材料和配件組成，并不具備保溫性能，因而當落水人員浸泡在冰冷的海水中，長時間處于寒冷的狀態時，最終會導致能量耗盡而亡。恒溫救生衣的保溫功能就能解決這一問題。

2 設計方案

設計的救生衣主要由四個模塊組成，分別是太陽能發電儲電模塊、供電發熱模塊、集成式控制模塊、求救模塊[2]。太陽能發電儲電模塊是由薄膜式太陽能板和微型鉛蓄電池組成，實現太陽能的發電及儲存的功能，為后續的供熱模塊以及集成電路等模塊提供能源支持；集成式控制模塊由微控制器和外圍電路組成，實現保護電路及防止過充等功能；求救模塊由北斗導航全球定位、聲波發射器和高亮LED 燈組成，實現精準定位及無線求救，也提高了夜間救援獲救的概率[3]。這種新能源的恒溫救生衣主要是以太陽能為能量，幫助解決海上救生衣不能及時發出求救信號的困境。太陽能光伏發電可以有效的將太陽的輻射能量轉化為電能，通過太陽能電池組件、控制器、蓄電池組、直流-交流逆變器、直流負載和交流負載等部分，將光伏發電制造和儲蓄的能量，作為發熱模塊提供能源支持，從而減少人體體溫的流失。

關于恒溫救生衣的發熱，恒溫救生衣的發熱不能只靠太陽能，這是很難做到的。這款恒溫救生衣還采用了原電池原理，在救生衣內部加入化學試劑，在救生衣上通過手拉動充氣閥上的拉索使救生衣內部的化學試劑和外部空氣接觸，空氣透過救生衣表面與填充物接觸發生原電池化學反應放熱，利用原電池來加快氧化反應速度，將化學能轉變為熱能。為了使保溫效果更好，產品將采用礦物材料蛭石來保溫，受熱膨脹的蛭石有細小的空氣隔層，有很好的保溫效果。使用后的保暖層的反應廢料產物為少許黑褐色固體，幾乎沒有重量，不影響整體使用[4]。方程式如下所示。

不僅如此，這款恒溫救生衣還與現代先進的通訊技術相結合，將一部分太陽能發電產生的電能來為相關的求救設備提供能量，在獨自遇難時可以向相關部門發出求救信號，在盡可能短的時間內得到相關部門的救援。救生衣的定位系統是我國研制的北斗衛星導航系統，是繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯之后第三個已經投入實際運行的衛星導航系統。我國的北斗三號全球衛星導航系統于2020 年7 月31 日正式開通，可為全球的客戶提供基本導航、定位、測速、授時、全球短報文通信和國際搜救等服務。地面指揮中心、北斗衛星、指揮型用戶機、救生型用戶機構成了我國北斗搜救體系。其中救生型用戶機是一種可以方便攜帶的終端設備，它具有小型化、工作待機時間長、方便被救人員攜帶等特點；指揮型用戶機一般被裝備在搜救直升機、搜救車輛或者搜救船只上。終端設備可依靠RNSS 實現精準定位，通過短報文將自己的位置快速發送到北斗衛星和指揮型用戶機上[5]，如圖1 所示。通過這一方式，使被困人員及時發出求救信號，避免錯過黃金救援期。

圖1 北斗搜救系統示意圖

助劃蛙類手套可以幫助落水者離開危險的海域，以尋求救援。有調查顯示在海上求生的時候尋常的游泳方式都可能對人造成很大的危害，如自由泳或蛙泳當頭在水下時看不清海上的風浪很容易受傷，也看不清前進的方向，最安全的就是狗刨式游泳，而助劃蛙類手套可以減少落水者游泳時的體力消耗，增加前行的距離，盡快逃離事故發生地，以免造成二次受傷。

一鍵穿戴按鈕。在海難事故發生時，如果落水人員能將救生衣穿戴規范，那他們至少有生存下來的可能，但現實情況是，由于事發突然，人們很難冷靜下來的，在這種情況下常常有人因為救生衣穿戴不規范、不及時而導致死亡。例如穿救生衣安全繩沒系緊或者沒系，跳入海中的瞬間，救生衣很容易順著水壓從人的頸部脫落；或者由于救生衣迅速浮起后，順著身體向上卡在人的頸部，這時人的身體還在下沉，這一上一下，容易造成遇難者呼吸困難，進而溺水[6]。現有的救生衣都是需要人員自行系帶或者扣安全扣，在危急情況下，存在穿戴不規范的問題，至此救生衣的保護功能并不能發揮作用。因此，此款新型救生衣增加了一鍵穿戴按鈕，幫助落水人員在危急情況下也能規范快速穿好救生衣。這款救生衣的一鍵穿戴按鈕與橡皮帶相結合，只要按下一鍵穿戴按鈕，按鈕帶動的外部的橡皮帶縮緊，根據人員的體形自動穿好救生衣。

這款新型救生衣還配備了便攜式可折疊海水淡化袋。這種可折疊式的海水淡化袋采用吸嘴袋設計，整體包括連接式旋蓋、袋體、吸嘴過濾器及進水口。旋蓋用于開合淡化袋，同時采用連接式設計，用將旋蓋和袋子連接在一起，防止蓋子在海水流動中遺失；袋體內設有容置腔，用于裝置需要淡化的海水；吸嘴過濾器設有與容置腔連通的出液腔，同時有類似針筒的小管與之連接，小管通過高選擇性的反滲透膜進行溶質和溶劑的分離，即將海水中的鹽和雜質膠體等分離出去，得到可以飲用的淡水；進水口位于海水淡化袋的底部，用于灌入海水。這種簡單的操作方式，使被困人員能很好的掌握這種可折疊海水淡化袋。在海上的暴曬會使人體水分快速流失，所以這種海水淡化裝置是必不可少的。

多功能恒溫救生衣除了以上功能和配件，還對傳統救生衣的浮力材料進行了改進，來提高穿戴救生衣時的舒適度。市面上現有救生衣的浮力材料主要是聚乙烯泡沫塑料，通過將裁剪或切割好的泡沫塊填充到包覆面料中，但是由于泡沫多采用裁剪或切割方式，邊角各處厚度一致，和人體的貼合性能差適體性差，不便于人體彎腰、下蹲或進行其他活動[7]。穿戴救生衣時間過長，舒適度、靈活的也會有所降低，這就對于被困人員來說又是一種肉體和精神的雙重折磨，良好的體驗感可以給被困人員提供一種鼓勵與安慰，通過良好的設計體驗，提升人員的穿戴意愿，從而減少海上遇難的發生，這也是設計這款多功能恒溫救生衣時著重考慮的。這款多功能恒溫救生衣上采用了NBR/PVC 軟質閉孔泡沫塑料，這是一款回彈性好、手感柔軟、吸水性小的NBR/PVC 共混泡沫塑料，這種材料就非常適合應用于救生衣中。良好的回彈性可以提升穿戴人員的舒適性和靈活性，較小的吸水性就可以盡可能的提高救生衣的浮力，提高救生衣的使用時長。針對傳統救生衣各邊角厚度一致、貼合性差的情況，這款多功能恒溫救生衣采用人體結構設計、其厚度從中間到邊角是逐漸過渡由厚變薄，穿用后和人體貼合為一體，整體結構簡單、美觀大方，適合水上作業使用也適合落水人員的自救。

在此基礎上，救生衣的兩面貼了多條反光條，在救生衣的側邊配備了爆閃燈，這有利于夜晚救援人員的施救，也能引起過往船只和人員的注意，提高獲救的可能性。

3 創新點

（1）在傳統救生衣與太陽能板相結合，采用原電池原理為恒溫救生衣，提供一定的熱源。

（2）海上的光照十分充足，可以很好利用太陽能，為恒溫救生衣提供一定的能量，綠色環保，符合我國現階段的發展理念。

（3）采用原電池原理的恒溫救生衣安全，環保，高效。

（4）采取了先進的北斗導航定位系統，可以避免將來的技術壟斷。

（5）提出助劃蛙類腳蹼手套與新型救生衣相結合，提高落水人員的獲救概率和存活率。

（6）將新型救生衣和可折疊海水淡化水瓶相結合，為遇難人員提供了一定的淡水有效維持著遇難人員的生命，提高他們的存活概率。

（7）采用了NBR/PVC 軟質閉孔泡沫塑料，使穿戴人員的靈活度和舒適度得到了全面的提高，它吸水性小的特點使救生衣的效用時間更長、更安全。

（8）與目前市面上已有的多功能救生衣相比，這款救生衣功能更多，更齊全。

4 產品前景

（1）中國是一個海洋大國，船舶業十分發達。船舶業的日益蓬勃發展，使遠洋船舶的事故發生率會不斷增加，因此，這款新型的救生衣可以有很好的市場和應用前景。除了可以應用在遠洋船舶中，也可以將它應用到現階段的體育運動當中，也可以運用到江河流域，適用性非常廣闊。

（2）目前市面上的恒溫類救生衣品種少，價格昂貴，供暖保暖性能一般，國內市場存在很大的空缺。本產品價格相對較低，原料安全易于推廣，易于批量化生產具有非常大的應用前景。

（3）本產品綠色，安全，環保，符合我國的綠色生態發展理念。

（4）在往后本產品還可以增加很多附屬的性能在不同的場合發揮著不同的作用。

5 結語

文章設計的恒溫救生衣結合了太陽能發電技術，海水原電池技術，北斗導航定位系統技術，蛙類手蹼手套，可折疊海水淡化水瓶，NBR/PVC 軟質閉孔泡沫塑料，和現在的傳統救生衣相比，不僅提高了海難存活率和獲救成功率，還可以應用到海上和生活的抗洪救災當中，甚至可將其應用于軍事方面，為未來的海上安全提供保障。由于其使用范圍非常廣泛，市場前景十分廣泛，在救援當中更加高效便捷安全。