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1、暖体假人在设计评价液冷服中的应用研究 张万欣陈景山李潭秋赵拥军 李志 ( 北京航天医学工程研究所1 0 0 0 9 4 ) ，要本文从工程实际应用的角度出发，综合国内外液挎服的特点，设计研制了具有自己特色的 多管路直通式垒身藏冷服并子国内首次利用暖体假 进行了r 相应的实验研究。证明了疆体假人 在设计和评价液冷服中的重要地位，同时也为服装设计参数的台理性提供了评价依据，为舱外航 天服液冷服的设计和研制奠定了基础。 关羹词暖体假人渡冷服实验 一、引言 目前国际上对各种防护服性能评价普遍采用五级步骤分析系统( AF i v e l e v e ls y s t 口f o r A a l 邓e s
2、) ，即织街皮肤模型的生物物理学分析；服装的生物物理学分析( 假人测量) 预测模型； 气候舱受控实验( 生理数据主观评分) ：有限的现场实验和现场实验。其中前两级属于装备实验， 第三级属于人体实验，均在实验室内完成。由此可知，第一级只能对材料的精热和透湿性能有一 个基本了解，该步骤只对材料的选择起到一定作用，不能评价服装的整体性能。第三级是在人工 控制模拟的气候舱内进行的穿着服装的人体实验，来获揭生理数据与主观感觉，验证第二级的模 型预测结果，对服装的舒适性、生理可接受性和耐受性作出评价，进一步提出服装的设计改进意 见。但是该级实验结果受生理和心理因素等个体差异及测量方法的影响较太。另外还存在
3、着实验 人次选定的问题，太样本实验会在人力物力方面造成大的浪费，而且实验时间长，影响工作进展。 而人次太少又会难以反映总体结论。因此人们在实践中逐步发展和完善了服装测试评价的第二 级，即服装假人的生物物理分析步骤。用假人技术测试服装的热传递特性，以获得整体结果，为 进一步服装设计与改进提供评价依据【l - o _ 】。 此外，在设计温度防护服装时，通常要强调不同部位要具有不同的隔热值分布。而结合暖 体最A 实验结果就可以对服装进行设汁和评价，并提供改进意见。由此通过瑷体假人着通风一液 冷服实验来解决通风一液冷服各部位流量分配和提高服装散热性能的问题H 5 。日。 二、液冷服方案设计与研制 第一
4、件液冷服是B u r t o D 和c o l l i e r 于1 9 6 2 年设计研制的，应用于英国空军的R A E ( R o y a l A i r c r a f tE s t a b l i I e n t ) ，为排除飞行员的代谢热而研制的。实践证明，渡冷服无论在工程技术还 是在生理效应等方面都具有很多优点，因此液冷服的应用范围不断扩丈，特别是在航天领域，由 于双子星座的五次出舱活动中都明显存在着人体代谢率超出了生命保障系统的热控制能力。因此 在阿波罗计划中为了解决上述问题，特研制了航天用的液冷服。从此确认液冷服应用于舱外航天 服的温度控制系统中“经过近3 0 多年的研制实践o
5、 - m “1 ，整个航天服温控性能发展己比较完 善，不仅满足了航天员高强度作业时芷常热交换的需要，并且减轻了出汗与疲劳的发生，使出舱 2 1 8 活动时间太大得到延长 本文在综合国外各类液冷服特点的基础上瓶“”，设计制作的液冷服是全身多管路直通 式液冷服。服装按结构分为：基础服装、进水总管、出水总管和换热管路网四部分，如图1 。 l 一迸水 4 出水总管 l _ 基础服装 基础服装的作用是固定管路，井保证管路与身体紧密贴台，增加管路与人体的接触面积，以 实现良好的传导性致冷。因此基础册装材科选用高弹性且剩余延伸率不大的氨纶( s p d e z ) 的 网状针织物，按照瑗体假人尺寸裁剪缝制而
6、成。同时为了便于穿脱，服装整体采用前襟带有拉链 的全身式结构换热管路直接穿插在网眼中，如附图7 。这样保证了服装良好的适体性和贴台 性。 2 进水总管与出水总管 进水总管与出水总管是模拟人体腰部曲线，由1 0 的硬聚氯己烯管弯制而成，它的作用相当 于流量分配盘，在结构上把两根管同定为一体。延管子轴向均匀分布着与管子垂直的凸台，用于 粘接换热管路。通常进水总管与出水总管被固定在基础服装的后腰部，冷却液由进水总管流八， 分别流经备换热管路网，再汇入进水总管流出，从而提高了服装的可靠性。 3 换热管路阏 换热管路网是液冷服的核心部分。由于在液冷服的穿脱过程中，穿插在基础服装上的换热 管路与基础服装都
7、要受到各种力的作用，因此从可靠性方面出发，同时为了保证冷却液在管路中 流动阻力小，则要求换热管路网较坚固，但从服装穿着舒适性和适体性考虑，则要求管路越柔软 越好。聚氯乙烯不仅有足够的强度，而且还有很好的热稳定性和定弹性，同耐具有较好的溶和 性。因此选用特制的聚氯乙烯软管作为换热管路。 此外，舱外航天服的液冷系统引导冷却液在身体各部位循环流动是由一定的管路结构来实现 的管路的直径和长度决定着系统阻力的大小、服装导热性能和管路与皮肤的接触面积。而这些 指标直接影响着服装的数热性能因此确定管路的粗细、长短成为设计液冷服过程中很关键的一 步 管路的直径决定着系统阻力，为减小换热管路网的流动阻力应选择内
8、径较大而长度较短 的管路但是大内径的短管路又会降低液冷服与人体的抉热效率，并且其与皮肤的接触面积也不 相应增加对于给定的疆盖面积，捧刊密集的小直径管同比排列稀疏的大直径管网的导热性能好 n “并且在同样的管路长度下外径尺寸较大的管路增加了整个管网在布置上的困难。 换热管路的长度则由人体代谢率即服装的敖热量来确定根据参考文献可知在进行舱外活 动中人体平均代谢率为相当于3 0 肌，但是E v 过程中出现短期f I 谢率的峰值会达到鹋0 w ，因此 2 1 9 在尽可能减少服装重量的同时尽可能地提高服装的散热量。再者还应适当选取管路长度，保证既 能满足敖热需要，又要降低流阻。而换热营路的数量与管子的
9、布局则由服装致冷量的分配原则决 定。本文对人体致冷量分配方案为：头颈部2 8 气躯干部3 傩，臂部2 0 腿部2 5 。利用管子缠绕的 方式不同来调节服装对人体的致冷量分配。 在此综合上述条件，选定设计参数为： a ) 服装对人体的敢热量为4 5 0 _ ： b ) 换热管路长度：7 0 1 2 0 米： c ) 换热管路根数：2 0 根。 当航天员E v 强度改变，导致人体代谢率改变时，则依靠调节进口液温来调整服装的散热 量。 4 液冷服韵型号 根据上述设计方案我们制作了三种型号的液冷服，具体设计参数见表l 。 袁l 渍冷服的结构参数 I 管子长度( _ )6 37 2 8 8 蕾子外径(
10、)5 2 5246 管子内径f ) 3 03O28 臂子数量t 根)2 0 2 02 0 三、利用暖体假人评定液冷服设计的实验研究 1 实验目的 在不同的温度环境下，利用暖体假人，在不同代谢率的状态下。实际测得液冷服的散热量， 以考察该掖冷服的设计参数选取的台理性。 在相同的环境和代谢率的情况下，改变服装设计参数，从而找到进口液温、液体流率与液冷 服教热量及散热效率之间的关系。为工程设计提供依据。 2 实验方法 本实验选择致冷量分配较典型的I I 型液冷服为研究对象。 本实验在温度室内进行如图2 ，暖体假人着浓冷服和隔热服，保证环境温度恒定，并与假人 体表温度相近，尽量减小与环境问的热交换，使
11、得假人的代谢热全部由液冷服带走，即在忽略漏 热的情况下液冷服的散热量等于假人的输入功率。这样每次实验时将暖体假人的代谢率设为定 值，分别调节液体流率和进口液温当假人热量得失平衡时，测量冷却液的进出口温度和假人的 体表温度。同时在隔热服表面贴上人体热流计，以铡得假人与环境间的换热量。计算出服装的实 际散热量和漏热，以此计算出服装设计参数与散热量投敌热效率的关系。 1 ) 利用暖体假人测试液冷服散热特性的可行性 人体体表经服装与环境间的热交换存在着两种形式，即潜热和显热。前者是以汗液蒸发途径 进行的热交换，后者则是通过对流、传导和辐射的形式进行的。液冷服与人体间的热交换彤式便 属于后者，而暖体假人
12、恰恰是模拟丁人体的显热传热。可见利用暖体假人模拟人体进行的液冷服 散热特性实验是台理的 2 ) 暖体假人与人体的差异 虽然暖体假人能够根好地模拟人体的代谢产热，但是它与人体之I 霞人体之间仍存在着一定的 差异。首先，假人的体表是由铜制材料囝成的，它的硬度比人 车皮肤高，导致渡冷服散热管路与 体表接触面积较皮肤表面减小，影响渡冷服的教热量。其次，人体的皮肤温度随环境温度变化较 小，一般可以认为是常数但假人的体裹温度则随环境温度变化较大因此在实验中取T s n 瑚 作为研究参数 3 ) 假人体表温度测点分布 根据人体生理学要求人体的体表平均温度由头部、胸部、背部、太腿、小腿和上臂的温度 加权平均确
13、定。因此很人的体表温度测量点也分布于上述部位，具体见图3 。 ) 实验状态设定 本实验状态具体分组如表2 。 表2 实验条件与分组 序号代谢率( w ) 齄内沮度( )涟体汽串( “h ) t7 03 23 0 ，蚋5 0 ，5 0 ，7 0 ，毗鲫，I o o 21 2 03 23 0 ，4 0 5 0 ，6 0 ，7 0 ，8 0 ，9 0 ，1 0 0 01 7 03 23 0 ，4 0 5 0 ，6 0 ，7 0 ，8 0 ，9 0 1 0 0 42 2 03 23 0 ，4 0 5 0 6 0 ，阳，触9 0 ，I 52 7 03 23 0 ，4 0 5 0 ，6 0 ，7 0 ，帅
14、，1 。o 63 2 03 23 0 4 0 5 0 6 0 ，7 0 ，8 0 ，9 0 I 73 7 03 23 0 4 0 ，5 0 ，6 0 ，7 0 ，8 0 9 0 ，1 0 0 84 2 03 23 0 4 0 ，5 0 6 0 ，7 0 ，8 0 ，9 0 ，1 0 0 图2 实验装置连接图 图3 暖体假A 体表温度潮点分布图 2 2 l 3 实验结果 实验结果如图4 、5 、6 和7 。 5 0 0 4 0 0 3 0 0 d 2 0 0 1 0 0 0 0 盼1 0 0 k h - R 铋叽 2 03 04 0 下s 下i n R - 9 0 k “h R = 5 0 k
15、g ，h x 肛舯k g h x R = 4 0 k h 豳4 不同R 时Q 与T s _ T i 的关系图 + R = 7 0 k h 0R = 3 0 k h O2 0 4 06 08 01 0 01 2 0 R ( k g h ) + p 4 2 4 w+ p 3 7 。r士。一2 7 知十扣2 2 7 w - 铲17 5 w+ 睁1 2 + 。- 8 嘶 图5 不同代谢事情况下T s _ T i n 与R 关系图 虿盯 蛎嬲如坫加o o 。 1 t E 恤I ，吣 0 ：l75 W 一一一0 = l27 冒 一Q = 3 2 4 W O = 4 2 4 W 剧 赠 噼 蛙 O【23I5
16、6 7 B9 【O I l 1 21 3l 温度测点 P 时刻l 一时刻2 图6 不同q 情况下q R 关系图图7 不同时刻暖体瑕人的体表温度分布图 4 结果分析 1 ) 散热量与进口液温的关系 图4 是液体流量分别为3 0 4 0 ，5 0 。6 0 ，7 0 ，8 0 ，9 0 和l o o k g h 时散热量随体表平均温度 与进口渣温间温差变化的关系曲线。一般认为皮肤的舒适温度为3 3 时由图可知散热量与进 口液温呈线性关系，散热量随进口液温的降低而增加但是当流量改变时，直线的斜率却变化很 小可见教热量受进口液温影响较大，受流量的影响较小。因此通过调节进口液温来控制服装敦 热量是很有效的方法。 2 ) 进口最温与流量的关系 图5 是散热量分别为8
