蓄冷式简便液冷服的冷却性能测试与分析*

金敬业 杨建忠 (西安工程大学纺织与材料学院，西安，710048)

高温是日常生活和许多行业中不可避免的环境因素，它会引起人员缺氧、抗荷耐力降低、注意力分散、记忆力减弱、反应灵活性下降等一系列生理、心理问题，严重影响人员的心理情绪和身体健康，降低生活质量和工作效率。

人体在高温环境中可以通过中枢神经系统调节有关机能，利用汗液分泌蒸发、辐射、对流等途径散发热量，以保持体温的相对恒定。但是当人体长时间处于高温环境时，这种调节功能的作用效果会大大降低，需要借助外部降温措施。传统的空调制冷系统不仅设备笨重、移动不便，而且需要以空间降温的方式来实现个体冷却，能耗巨大，效率低下;尤其难以满足某些特殊人群，如交警、消防员等室外工作人员和封闭式防护服着装人员亟需的个体冷却要求。在这种背景下，源自宇航服系统的个体冷却服装日益受到人们的关注。

目前，个体冷却系统按冷却方式的不同一般分为气体冷却服、液冷服及相变冷却服等。气体冷却服的原理是由空气压缩机将环境空气或冷空气通过通风管吹入冷却服，空气在人体表面流动，通过加速汗液蒸发带走热量，冷却效率依赖排汗量。相变冷却服有冰冷却服、干冰冷却服、凝胶冷却服、石蜡相变冷却服等，利用相变物质在相变过程中大量吸收热量的特点为人体降温。装有相变材料的冷却袋在使用前需置于冷环境中储能，使用时取出并放置在冷却服的前片和后片多个口袋里，能量释放到一定程度后，必须重新置于冷环境中储能。相变冷却服结构简单，无繁杂制冷装置，但有效工作时间短，透气性差，且冷却初期往往存在温度过低的问题。液冷服的基础服装上固定着屈曲排列的柔性液冷管道，冷却介质在随身携带的制冷装置中被冷却后流入液冷管道并循环流动，降低着装者的体表温度。液冷服的冷却效果稳定，可以通过调整制冷装置和冷却介质来改善工作时长和冷却温度，适应性强，因此近年来获得较大发展。

液冷服最常见的冷却介质是水，此外还有乙二醇或丙二醇的水溶液等，也有人把相变微胶囊乳状液或相变材料乳状液用作冷却介质，以避免温度的剧烈变化而引起人体不适。液冷服的制冷装置通常放在随身携带的腰包或背包中，实际应用的长效制冷装置主要是电力或微型内燃机驱动的蒸汽压缩制冷系统，据报道最久可持续工作8 h。另外，还有电力驱动的半导体制冷装置、微型内燃机驱动的LiBr/H2O吸收式微型热泵系统等［1］。液冷服冷却效果虽好，但设备复杂、费用昂贵，目前使用最多的还是军事、航空航天等特殊领域，商业化难度较大。目前国内关于液冷服的理论研究屡见报端，然而商业化产品依然凤毛麟角。

1 蓄冷式简便液冷服的结构原理

本试验以目前国内生产的一种蓄冷式简便躯干液冷服(液冷背心)为研究对象，其结构如图1所示。

图1 蓄冷式简便液冷服的结构示意图

研究表明，躯干部位的基础代谢和基础血流分别占人体的74.4%和80.6%，因此躯干冷却的效能很高［2］。制冷装置的主要结构是一个储液袋，水作为冷却介质在储液袋和换热管路网之间循环流动，水的动力来自蓄电池驱动的微型电动泵。液冷服采用冰蓄冷方式，使用时把塑料冰盒放入储液袋，水在储液袋中被冷却后流入换热管路网，吸收热量温度升高后又返回储液袋，再次被冷却。如此往复循环，使着装者获得凉爽感觉，冰盒中的冰完全融化后可以方便地再次添加。

冰融化时的相变潜热高达335 kJ/kg，且在生活中广泛存在，因此这种冷却方式简单安全，极大地降低了设备价格和使用成本，有利于液冷服的日常使用。其缺点在于液冷服着装初期水温降低过快，降幅过大，容易引起人体不适。

2 试验部分

2.1 试验方法

本试验在夏季室外进行，环境温度约33℃，与体表温度处于同一水平，微风，相对湿度60%(±5%)。着装者为一健康男青年，穿贴身单薄棉织物和液冷服后以5 km/h的速度匀速行走。试验采用不同蓄冷物，测量储液袋出液口温度随时间的变化情况。研究表明，当外界温度处于20～30℃时，人体在自身调节作用下感觉较舒适，基本没有显著的冷热感［3］。本试验将20℃以下时间称为过冷时间，水温在30℃以下持续时间称为有效冷却时间。

2.2 液冷服参数

冷却介质(循环水)1 000 mL;蓄电池，输出电压7.4 V，电量2 200 mAh;微型电动泵，送水速率0.5 L/min;液冷服工作时质量约4 kg。

2.3 蓄冷物

试验所用6种蓄冷物描述如下：

(1)塑料冰盒，装300 g冰。

(2)塑料冰盒，装500 g冰。

(3)塑料冰盒，装500 g冰晶，冷冻3 h。冰晶是丙烯酸树脂在吸收超过自身质量数百倍的水后形成的一种凝胶状物质，化学性质稳定，价格便宜，保水性能优越，被广泛用于化妆品、膨胀玩具、纸尿裤、冰帽、空调扇冰晶等。冰晶冷冻后吸热时，外层首先融化对内层起隔热保护作用，整体表现为能量缓释，可避免液冷服着装初期的过冷现象。

(4)双层塑料冰盒，内层装500 g冰，内外层间隔5 mm，间隙中注水。试验中称为组合一。

(5)双层塑料冰盒，内层装500 g冰，内外层间隔5 mm，间隙中注入质量分数10%的相变微胶囊乳状液，微胶囊理论相变温度25℃。试验中称为组合二。

(6)双层塑料冰盒，内层装500 g冰，内外层间隔5 mm，间隙中注入质量分数10%的相变微胶囊乳状液，微胶囊理论相变温度35℃。试验中称为组合三。

3 结果与分析

图2为不同蓄冷物时储液袋出液口温度随时间变化曲线。由于冷却水在储液袋和体表周围的换热管路网中不间断快速流动，储液袋的出液口温度直接关系到着装者的热舒适性。由图2可见，不同蓄冷物对水温的影响差异很大。特征数据统计见表1。

图2 不同蓄冷物时储液袋出液口温度随时间变化曲线

表1 不同蓄冷物时储液袋出液口温度各项特征数据

图2(a)显示的3种蓄冷物均为常规单层塑料冰盒，可见冰蓄冷时循环水的降温速率和降温幅度明显大于冰晶蓄冷，其中500 g冰的降温效果比300 g冰剧烈，表明在没有任何缓释措施的情况下，冰的能量能够迅速释放，且随着冰质量的增加，循环水降温的剧烈程度增加。500 g冰时循环水的温度甚至降到20℃以下并持续了23 min，如此剧烈的温度变化和持续的低温会令人感觉严重不适。相比而言，由于能量释放相对缓慢，冷冻3 h的500 g冰晶的降温要缓和得多，最低温度甚至高于25℃。当300 g冰和500 g冰消耗殆尽，它们的循环水以相似的较高速率升温时，冰晶循环水的升温速率明显低于前两者，也是由于冰晶能量缓释的缘故。最终，冰晶蓄冷的30℃以下时间达60 min，略超过300 g冰，而500 g冰的30℃以下时间较长，但存在23 min的过冷时间。

图2(b)中均为双层冰盒蓄冷结构，3种蓄冷物的冷却能量均为500 g冰，不同之处在于冰的外层存在不同的液态隔热层，使得冰与循环水之间的能量交换不同程度减缓，三者的循环水降温速率均小于单层冰盒500 g冰，且没有过冷现象。相变微胶囊可以在循环水降温时放热并在循环水升温时吸热，进一步减缓水温变化趋势，因此组合二和组合三的降温速率和降温幅度均小于组合一。不同相变微胶囊的作用温度区间不同，理论相变温度为25℃的微胶囊的主要作用温度在30℃以下，能够缓冲循环水在30℃以下时的降温和升温趋势，因此有助于延长有效冷却时间;而理论相变温度35℃的微胶囊的主要作用温度区间在30℃以上，因此在本试验的温度范围内，组合三的有效冷却时间少于组合二。

4 结语

测试与分析表明，常规冰蓄冷能够获得较长的有效冷却时间，但容易造成初期水温过低，甚至持续低于20℃，严重影响着装者的热舒适性;吸水冰晶能够有效减缓能量的释放，但能量密度小于冰，有效冷却时间相对较短，仅为60 min。本试验中尝试使用双层冰盒，使冰的能量释放得到减缓，液冷服的降温效果和有效冷却时间均得到改善，特别是冰盒间隙中注入质量分数为10%、理论相变温度为25℃的相变微胶囊乳状液时，改善程度相对较显著，最低温度22.9℃，有效冷却时间达110 min。

蓄冷式液冷服能够提供显著的体表降温和较长的冷却时间，相对于其他制冷形式的液冷服，最大优点在于设备简单，成本低廉，使用方便，有利于民用领域的推广应用。

［1］张行周.液冷服系统研究［R］.北京：北京工业大学，2006：8-13.

［2］崔代秀，王宪章.液冷服装备设计的生理基础和医学要求［J］.航天医学与医学工程，1994，7(3)：223-228.

［3］王步标.人体生理学［M］.北京：高等教育出版社，1994：3-10.