降溫背心的關鍵技術和新型研究（內附此論文內容）
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深圳優(yōu)普泰近期發(fā)表了一篇《降溫背心的關鍵技術和新型研究》的論文，刊登在《產業(yè)用紡織品》雜志2018年特種紡織品?？?。為了讓降溫背心能更好地達到降溫效果，從而能在消防員滅火服、消防員隔熱服、消防員避火服等熱防護服搭配著使用，提高特種作業(yè)人員的安全系數，深圳優(yōu)普泰對該方面進行了深入研究，現已取得技術上的突破性進展。
本文介紹了降溫背心的幾種質量技術路線，指出了其各自的關鍵技術，及存在的優(yōu)缺點，提出了新型降溫背心研究方案，及適用領域和未來展望。可移步到《產業(yè)用紡織品》雜志2018年特種紡織品專刊上的108~109頁閱讀，也可繼續(xù)閱讀本文。
【關鍵詞】降溫背心制冷技術相變儲能纖維
1 前言
目前市場上的消防員滅火防護服、消防員避火服、消防員隔熱服等熱防護服裝，其作用是保護消防員身體免受外界火源、高熱、輻射等各種傷害。然而，由于高防護性能的要求，熱防護服在將外界熱危害阻隔在外的同時，也阻礙了人體蒸發(fā)散熱，給作業(yè)人員帶來嚴重的熱應力[1]，受熱應力的影響，人體會產生一系列熱疾病，如抽筋、虛脫、熱枯竭及熱中風等，如果沒有及時的治療和冷卻，最終可能會導致死亡。因而應該采取有效的措施來降低熱應激對消防員的影響，以保證消防員的職業(yè)安全與健康。降溫系統(tǒng)應用于防護服中時其中的一項有效措施。
2 降溫背心的分類
人體的散熱途徑有4類：傳導、對流、輻射和蒸發(fā)。能夠解決上述因素的任何一種途徑均可能用于開發(fā)新的降溫服裝[2]。
2.1 氣體降溫背心
氣體降溫背心的冷卻介質是環(huán)境空氣和壓縮空氣，主要由基礎服裝、通風管、空氣壓縮機等組成。其工作原理是首先空氣壓縮機將空氣預冷，再通過渦流管將預冷空氣通過管道系統(tǒng)排入服裝內部，流動的冷空氣增強了體表汗液的蒸發(fā)，汗液汽化吸熱，與人體進行潛熱熱交換，降低體表溫度；另外冷氣在服裝內部形成空氣對流，與人體進行顯熱熱交換，也可以達到降溫的目的。
氣體降溫背心的優(yōu)點：1.冷卻效果較好，穿著舒適。2.重量輕。3.耗能少。其缺點在于：1.需要制冷裝置和空氣過濾裝置。2.需要設計一個合適的排風扇。3.冷卻效率依賴于排汗量的多少，在沒有排汗的情況下，冷卻效果不明顯。4.空氣壓縮機內有諸多可拆卸部件，需要定期維護。
2.2液體降溫背心
液體降溫背心的冷卻介質主要有水、冰水混合物、水與乙烯基乙二醇組成的低于零度的冷凍液、相變乳狀液和微膠囊乳狀液等，制冷系統(tǒng)和循環(huán)降溫背心使用快速接頭和軟管連接，通過制冷系統(tǒng)將循環(huán)水注入背心的循環(huán)管道中，在工作過程中，循環(huán)水導入冷源（一般為蓄冷劑或冰塊）的冷量，并通過微型水泵使其在管道背心內循環(huán)，利用在管道中流動的冷卻液與人體接觸換熱，從而使背心產生降溫效果。
液體降溫背心的優(yōu)點：1.冷卻效果好，穿著舒適。2.全密封裝置。3.具有較高的傳熱效率。4.通過調整冷卻液進口溫度或流速，可以控制液冷服的溫度。5.能有效處理人體產生的大量代謝熱。其缺點在于：1.存在過冷現象，多數冷卻液的溫度都在零度或零度以下，影響人體的穿著舒適性。2.存在冷卻液泄漏風險。3.重量重。4.需與制冷裝置相連接，限制了穿著者的行動。
2.3相變降溫背心
相變降溫背心的冷卻介質主要有冰、干冰、冷凝膠、相變材料等。相變降溫背心就是把背心設計成類似于防彈衣的鎧甲形式，在冷卻服的前片和后片并排布置多個裝降溫袋的口袋，每個口袋均有封口，使用時將降溫袋裝進背心的口袋里。降溫袋通常要預先置于冷凍室進行儲能，待使用時再取出。其制冷原理是：含有相變材料的降溫背心在外界環(huán)境溫度升高時，相變材料吸收熱量，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)（熔化蓄勢過程），降低人體的體表溫度。相反，當外界環(huán)境溫度降低時，相變材料放出熱量，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)（凝固放熱過程）[3]，減少人體向周圍散發(fā)熱量，以保持人體正常體溫，為人體提供舒適的“衣內微氣候”環(huán)境[4]，使人體始終處于一種舒適的狀態(tài)。
相變降溫背心的優(yōu)點：1.服裝設計簡單，穿脫方便。2.降溫效果好。3.不需要額外的制冷裝置。缺點：1.有效工作時間短。2.需預先在低溫環(huán)境下儲能，待使用時再拿出，封裝于背心的口袋內。3.存在泄漏風險。4.重量較重[5]。
3新型降溫背心應用研究
基于以上三類降溫背心的優(yōu)缺點和消防部隊對穿著舒適性和功能性的需求，優(yōu)普泰的產品方案是褡褳式水循環(huán)降溫背心，背心上布滿冷卻水管，經降溫的水在水泵驅動下在水管中循環(huán)，快速吸走人體熱量，達到降溫的目的。
本方案的技術特征為：1.采用褡褳式結構，穿脫快捷、方便，可滿足消防員快速出警的需要。2.馬甲面料為芳綸+相變粘膠纖維+導電纖維混紡，具有永久性阻燃、耐高溫、防靜電、防水特性；具有極強的機械性能，抗撕裂、抗沖擊、拒油污作用；同時具有防電磁輻射功能。里料采用相變粘膠纖維+導電纖維混紡面料，具有良好的調溫作用和抗輻射作用。3.循環(huán)水的降溫采用二級冷卻方式，由兩只水罐降溫，水溫更低，降溫效果更好。4.采用蓄冷袋對循環(huán)水降溫。不需要每次使用前調節(jié)水量，使用更方便、快捷。5.貯水降溫系統(tǒng)與馬甲合體，不僅穿脫快速方便，更便于開展滅火作業(yè)，行動自如。6.循環(huán)水泵在運行中會產生電磁輻射，背心的選材具有抗電磁輻射功能，更加保障了消防員的安全。
本次方案的創(chuàng)新性在于兩點：其一是采用蓄冷袋對循環(huán)水降溫，可隨身攜帶，避免了與制冷裝置連接，活動受限的情況。其二是采用了新型纖維混紡的面料，即相變儲能粘膠纖維，通過在紡絲液中加入粒徑適中的相變儲能微膠囊，適當調整紡制過程和緩和的后處理工藝，可紡制出性能良好的相變儲能纖維。該相變纖維織制的面料在外界溫度過高時可以吸收一定的熱量，最高可達15J/g。同時，由于里料也是采用的相變儲能面料，可以緩解剛開始放入蓄冷袋產生的過冷現象。
4應用領域
降溫背心通常是貼身穿著的，所以它可以和其他防護服（如消防服、生化防護服、賽車服等）配套穿著，一般情況下是穿著在防護服的里面。適合高溫、高熱環(huán)境下作業(yè)的熱防護，不僅適用于消防員在執(zhí)行滅火任務時穿著，也適用于鑄造、司爐、冶金、玻璃制造、石棉清潔等工業(yè)作業(yè)[6]。另外，在民用方面，也可用于野外環(huán)境中作業(yè)和活動的人群，如交警、特警、地質勘查、環(huán)衛(wèi)、運輸司機和廚師等。
5未來展望
隨著科學技術的進步和人類在認識和改造自然的過程中對自身的防護和舒適意識的提高，降溫服將在航空航天、軍用、民用、醫(yī)療、體育等領域得到廣泛的普及和應用，可以說是具有非常廣闊的應用前景和研究價值。但是目前市場上常見的降溫服裝都存在些許缺點，技術還不夠完善，如冷卻溫度過低、作用時間短、重量重、維護不方便、價格昂貴等，這些因素嚴重制約著降溫服的發(fā)展和推廣應用。因此，我們在降溫服的開發(fā)研制上還需付出更多的努力。
參考文獻
[1]NUNNELEY S A. Heat stress in protective clothing: interactionsamong physical and physiological factors[J].Scandinavian Journal of Work:Environment and Health,1989,15(Suppl.1):52-57.
[2]袁修干.人體熱調節(jié)系統(tǒng)的的數學模擬[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.5.
[3]韓增旺, 唐世君, 賴軍. 國內外冷卻服的發(fā)展現狀及關鍵技術[J]. 中國個體防護裝備, 2009(4):11-14.
[4]李利娜, 錢曉明, 樊樸. 冷卻服裝的發(fā)展狀況及應用前景[C]// 功能性紡織品及納米技術應用研討會. 2007.
[5]李利娜, 錢曉明, 徐杰. 冷卻服裝的發(fā)展現狀及應用[J]. 中國個體防護裝備, 2008(2):24-28.
[6]王云儀, 趙蒙蒙. 高溫強輻射下相變降溫背心的熱調節(jié)作用客觀測評[J]. 紡織學報, 2012, 33(5):101-105.
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