温控服,故名思议,就是一种通过调控服装的温度来保持人体温度平衡的服装。目前现有温控服装的主要为制冷和制热功能分开的,功能比较单一。主要发热途径有:相变材料发热、导体半导体发热、自发热、太阳能发热、化学发热等。主要制冷途径有:相变材料制冷、气体制冷、液体制冷、导体或半导体制冷。制冷制热一体的途径主要有:蓄能剂制冷、制热、冷暖空气制冷、制热、金属导体制冷、制热。
已存在的温控服研究中对此有很多的应用,如:相变材料储能服装。此应用主要有三种方式,一是通过做成相变材料袋置于服装的腰部、背部、腹部来达到保暖的目的,二是通过利用将相变材料用微胶囊包裹置于普通纤维里面,用于包裹相变材料的微胶囊一般由酚醛树脂、环氧树脂、聚苯乙烯、三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂、明胶、聚乙烯醇等,再将相变调温纤维纺成调温纱线,随后制作成相变织物,最后制成相变服装来进行调温。陆笑、赵连英、何苗苗分别采用粘胶型调温纱线、粘胶型调温纤维和棉纤维混纺纱线、设计制作成t恤、内衣,毛衣等智能调温产品;蔡云蕾、季宋文、高翔、高营等通过研究相变针织物的热、湿性能来探究其与普通针织面料的调温效果的区别。
导体或半导体发热主要的特点是通过电源带动导体或者半导体发热元件进行发热。姚利生、韩光、王阳春、魏同强、高邮市润和制衣有限公司研发了可发热服装,几位学者采用在两层或多层面料里放置电热元件、碳纤维发热片、锗石和硅藻、涂有纳米金属稀土保温涂料的发热器通过电源和温度控制器连接达到发热的目的。上海中大科技发展有限公司开发了碳素发热服装,此发热服装的发热元件主要为碳素发热片。在服装后片腰脊椎的外侧设置一口袋,口袋中放置经纳米竹碳针织面料缝制包装后的碳素发热片、连接导线、智能聚合物锂电池组。马丽梅发明了一种碳纤维发热服装,该服装前襟和或后襟设有碳纤维发热织物元件,装在侧襟布袋上的电源和温控器分别为碳纤维发热织物原件提供电和控制温度。托马斯·s·格鲁克曼等发明了包括微型发电机的发热服装和装置,该服装包括附着于该服装的微型发电机和至少一个加热元件,该加热元件可与该微型发电机连接进行发热制暖。
通过调查最近几年关于发热服装的发明专利可知,导体或半导体发热服装都是通过电能转化为热能,达到升温的目的;不同之处在于,发热元件材料、安装部位以及电路设计的不同。导体或半导体服装一般有两种制作方法,一是将服装设置成两层结构,将导体或半导体置于面料和里料的夹层处,而是通过导电纤维与其他纤维混纺制成面料,然后再进行服装设计。
自发热材料的研究与应用主要有:2010年,孙蔼敬研制了一种自发热服装以及自发热片、套,自发热服装主要发热材料是自发热涂层,该自发热图层,可以根据需要,涂在服装的膝部,腰部。
太阳能材料应用方面主要有:2011年,宁波普罗帝电脑横机有限公司采用阳光蓄热保温材料碳化锆制成生热碳纤维、远红外物质纤维、芳香阻燃纤维等多种功能性纤维在电脑横机上进行复合化经纬配合及功能组合利用,从而开发新型阳光发热服装内衣及鞋。2016年,yasuhiroshimazaki等研究调查在日光照射的情况下,人——服装——环境系统的热传递。其研发的新热模型整合了服装的日光辐射吸收、大气层内的热行为以及服装表面的热传送。系统中的热传输以热行为方程为依据,太阳辐射产生的热源被当做热力资源添加在服装表面。
2004年,清华大学研发了一种相变材料降温服,主要通过在背心前身的胸部和肋部,后身的上背部和两侧部位,头套上的额、颞、颊部位,脖套的颈前部装有相变温度为25-27℃的相变材料的衣袋,从而使人体表面与贮冷袋表面之间维持合适的热流量。2013年,赵蒙蒙研究了两种调温服——pcm微胶囊调温织物及服装、风扇式通风服的吸热性能,对服装的吸热效应评价经历了从织物小样到暖体假人,再到真人试穿等程序。对比两种调温服装的吸热效应可知pcm调温织物具有一定的温度调控效果,但是其价格昂贵,用量有限,且湿阻较大,而风扇式通风服提高汗液蒸发率。2015年,中原工学院研制了一种消防降温背心,此背心包括两部分—背心本体和内胆。背心本体由外向内依次阻燃层、隔热层和舒适层,在舒适层上设置装有可发生固-固相变的石蜡基有机相变材料可拆卸的内胆,在相变材料发生相变时来改变服装内部的温度。
2007年,张军、刘杰通过采用制冷、送风空气管道研制制冷服装,可将人体周围空气循环制冷。上海理工大学、刘金罗、郑海坤利用涡流制冷装置,分别用电力和气力马达带动制冷装置,从而达到涡流制冷的效果。
刘静、任萍利用风扇与电源连接,改变服装内部空气流通速度来达到降温的目的。张起飞研制了一种电冷降温服,它利用高电压激发空气产生空气负离子冷风,在加风器的作用下形成冷风流,冷风流在服装上的导气通道中定向移动带走人体表面的热空气,从而达到降低人体表面温度的目的。也有学者通过电动或者气动压缩空气来制做制冷服装,如壮晓健等。
通过对比以上气体制冷方法可知,气体制冷主要有两种方式,一是,通过风扇来加速服装与人体之间的空气流动速度,通过流动的空气带走身体上的热量;二是利用通过涡流管的压缩空气而制冷。
此处所指的液体制冷,主要是指液态水流动或者蒸发时产生的制冷效果。此制冷方式主要分为两种,一是将水通过服装内部的管道,带走热量来达到制冷效果,如南通大学、华南理工大学、王琛焱研制的具有降温功能的服装均是采用这种方式;另一种是通过吸水面料,当水蒸发时吸收热量来到到制冷的目的,如中国人民解放军63963部队、柏鹰、陈宁研制的制冷服装,通过在不同部位放置吸水的面料来达到制冷的目的。
通过以上资料的调查可知,液体制冷的冷源主要是液态水,液体制冷的途径主要分为两种方法,一是液体流经所设在服装内部的管道,带走热量,二是通过液体蒸发制冷。
泰安市农业环境研究院研制的消除热害用空调服、范林浩研制的太阳能空调服利用导体元件,曹治猛、蒋玉新、倪江湖、卡孚特能源技术(深圳)有限公司利用半导体元件开发的制冷降温服均是采用此种方式。
通过以上资料的查阅可知,导体或半导体主要靠电源提供电力来发挥制冷效果,导体或者半导体制冷系统通常会安装散热装置,否则会因为热量堆积在导体、半导体表面导致其损坏。
谢春媚研制的口袋插入式冷热多用服装,它是在纺织面料缝制服装的前、后身适当的部位各缝制二个口袋,口袋中插入既可蓄冷,又可蓄热的蓄能袋,蓄能袋内充填蓄能剂,蓄能袋可放入冰箱中冷冻蓄冷,或放入微波炉/热水中加热蓄热,作为服装的冷(热)源。蓄能袋与服装分体,可随意从口袋中插入或取出,并可反复冷冻(加热),反复使用。
2015年,陕西豪派莱嘉服饰有限公司研制了一种具有降温和保温功能的衣服,此服装由太阳能电池板提供电源,带动温度控制装置、微型风扇。温度控制装置有制冷装开关和制暖开关,微型风扇通过特殊金属管使冷气从前襟和后领口排除,使暖空气在服装内部流动。
2012年,江苏汉龙环保科技有限公司研制了一种人体空调服,此空调服包括制冷、制热机箱、柔性输送管和夹层,夹层与服装两层之间设有通向胸背部及颈部的带有多个排气孔的导管,制冷、热机箱的冷风管接头或热风管接头通过柔性输送管与夹层服装的导管输入端相连。气体通过制冷、制热箱和制冷热机箱内的涡流管输出冷气、热气,达到制冷、制热的目的。
2015年,沈同文研制了一种空调服,其主要结构由空心装和相连接的裤套以及与之配套接合的便携式空调机、电暖器、充电电池组成。此服装主要利用便携式空调机制冷,用电暖气制暖,在不同的季节佩戴上空调机或者制暖器,产生制冷或制热空气流,达到温度控制的目的。
2015年,王强研制了一种冷暖空调服装,它的特征是以加热和降低密封在衣服和裤子内的空气使其在人体和环境之间形成一层几个毫米的,稳定而又快速循环的升降温气层。减缓环境气温对人体的直接影响。
冷暖空气制暖主要有是采用制冷装置或者制暖装置,将输进去的空气加热,然后通过管道输送至全身的方法。
2015年,重庆大学研制了一种在沙漠中使用的升降温衣服,服装包括降温内层和可拆卸的保暖外层,在内外层之间设置有绝热电路板以及帕尔贴元件的温度调节单元。可以利用帕尔贴效应在两种金属的连接交界处同上电流时,热量从一边的金属向另一边金属传导的现象,通直流电流时,界面的一面吸热另一面可以放热,因此,对于衣服的使用者来说,可以实现在穿着衣服的同时运行冷气和暖气,从而可以应用在户外或者高温作业的环境下,并且只是对人体的身部进行降温。
通过阅读温控服有关文献可知,温控服款式主要有背心式,对襟外套式,连体服,温控服的形式一般采用双层结构,在里料和面料的夹层之间安装制冷制冷器件,也有单层或多层结构,但是较少;而制热元件主要放在侧腰、后腰、后背等易冻区域,制冷元件主要置于下摆、后背中心、腋下等。制热、制冷功能在服装上一般是一分为二的,同时实现制热、制冷两种功能的服装较少。但是已有的温控服装多处于拆卸制冷制热外源式,体积较大,携带不便,且制冷制热功能分开。温控材料的安装部位也都是固定的几个部位,没有考虑其他部位是否也需要制冷、制热。
本发明所要解决的技术问题是提供一种温度调控服装,可根据人体运动前后自身温度变化自动调控温度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种温度调控服装,包括服装本体,所述服装本体分为服装表面温度高区和服装表面温度低区、或主观热感觉数值高区和主观热感觉数值低区、或服装表面温度变化高区和服装表面温度变化低区、或主观热感觉数值变化高区和主观热感觉数值变化低区;所述服装表面温度低区、主观热感觉数值低区、服装表面温度变化低区、主观热感觉数值变化低区采用保温面料制成;所述服装表面温度高区、主观热感觉数值高区、服装表面温度变化高区、主观热感觉数值变化高区采用降温面料制成。
所述服装表面温度高区包括人体左胸腔处、人体右胸腔处、左肩胛骨处和右肩胛骨处;所述服装表面温度低区包括人体左胸部、人体右胸部和人体腹部。
所述主观热感觉数值高区包括人体左胸腔处、左上肢肘部正面处、左肩胛骨处、人体脊椎中部和人体脊椎下部;所述主观热感觉数值低区包括人体左胁肋处、人体腹部左侧、人体腹部、右肩胛骨处和人体脊椎上部。
所述服装表面温度变化高区包括人体脊椎上部、人体脊椎中部和人体脊椎下部;所述服装表面温度变化低区包括人体左胸部、人体右胸部、右手腕正面处、左手腕正面处、右手腕背面处和左手腕背面处。
所述主观热感觉数值变化高区包括左肩胛骨处、右肩胛骨处、人体脊椎上部、人体脊椎中部和人体脊椎下部;所述所述主观热感觉数值变化低区包括人体左胸部、人体右胸部、右手腕正面处、右手腕背面处。
由于采用了上述的技术方案,本发明与现有技术相比,具有以下的优点和积极效果:本发明同时具有制冷制热功能相变材料制成的微胶囊纱线,其织成的面料质量与普通面料无异,携带方便,可穿戴性较强。相变面料缝制部位是根据通过对人体的表面客观温度和主观热感觉同时进行测量后得出的温度较高、温度较低的几个部位,部位与面料进行搭配,达到调温效果较优的搭配方式。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
受试者穿着统一的贴身服装,在环境温度为15℃,相对湿度为50%的实验室中静坐10min,用红外热像仪拍摄其服装正、背面表面红外图像。在同一环境中,先选用3位受试者分别在跑步机上以6km/h匀速运动运动10min、20min、30min后,再分别用红外热像仪拍摄其服装正、背面表面红外图像,根据此三人的温度分布情况将人体划分为30个区域,随后再对13个受试者进行相同的操作,并让此13位受试者在四种状态下对30个部位主观热感觉进行五级评分,在正式实验前对受试者进行主观热感觉评分培训。红外热像仪根据不同的温度显示出不同的色彩,因此通过分析预实验种的3位受试者运动前后人体表面红外热像图可知,人体红外热像图有以下两个特点:①人体某个区域温度呈以某一区域为中心向外发散且发散的温度由内而外逐渐减弱,发散的面积有限。②胸腔、乳房、肩胛骨处温度发散呈接近椭圆的形状。
综合以上两种特点,选用椭圆形状将人体按照色彩显示(即中心温度高低情况)以及人体对称特点分为30个区域。其中区域1、2分别位于人体左、右胸腔处;区域3、4分别位于人体右、左胸部;区域5、6分别位于人体左、右胁肋处;区域7、8、9分别位于人体腹部左侧、人体腹部、人体腹部右侧,区域10、11、12、13、14、15、25、26、27、28、29、30位于人体上肢处,其中区域10、28分别位于右上肢上臂正、背面处,区域13、25分别位于左上肢上臂正、背面处,区域11、29分别位于右上肢肘部正、背面处,区域14、26分别位于左上肢肘部正、背面处,区域12、30分别位于上肢右手腕正、背面处,区域15、27分别位于上肢左手腕正、背面处,区域16、17分别位于右、左肩胛骨处,区域18、19、20分别位于人体脊椎上部、人体脊椎中部和人体脊椎下部;区域21、23分别位于人体右、左背部,区域22、24分别位于人体右、左腰部。人体温度区域划分,见图1。
选取服装表面温度高区(部位1、2、16、17)、服装表面温度低区(部位3、4、8)、主观热感觉数值高区(部位1、14、16、19、20)、主观热感觉数值低区(部位5、7、8、17、18)服装表面温度变化高区(18、19、20)、服装表面温度变化低区(部位3、4、12、15、27、30)主观热感觉数值变化高区(部位16、17、18、19、20)、主观热感觉数值变化低区(部位3、4、12、30)的部位。
在市场上选用上海美纤公司的两种相变纱线(此处称为相变纱线、相变纱线是相变纱线是相变纱线吸放热曲线。
选择热阻相对较高,用量相对较少的面料(3股相变纱线,不加捻,针织平纹织造)做保温面料(相变面料1)放在相对需要保暖的部位,即服装表面温度低区、主观热感觉数值低区、服装表面温度变化低区、主观热感觉数值变化低区;选择热阻相对较低,用量相对较少的面料(2股相变纱线,不加捻,针织平纹织造)做降温面料(相变面料2)放在相对需要降温的部位,即服装表面温度高区、主观热感觉数值高区、服装表面温度变化高区、主观热感觉数值变化高区。
设计相变服装款式和结构,将相变面料1、相变面料2放置在选定的部位,通过面料和部位的匹配,制作1款普通服装和4款相变服装(如图4-图7所示,其中,斜线部分为降温面料制成的降温区域,画点部分为保温面料制成的保温区域,空白部分为普通面料),共5款服装。选取三名受试者,分别穿着普通针织面料服装与4件相变服装,使其在环境温度为15%,相对湿度为50%的人工环境仓内分别静止10min,运动10min,运动20min,运动30min,用红外枪在普通针织面料服装的30个部位,相变服装放置相变织物的部位测量其服装表面温度,并对所选部位进行主观评价。对比服装表面温度,主观热感觉数值得知,放置相变面料的部位,相变服装2的调温性能最好,其服装表面温度相对普通面料服装相应部位温度变化1~2摄氏度,主观热感觉数值变化在1左右,即由不加捻的三股相变纱线经针织平纹织造的相变面料1与部位5、7、8、17、18结合,由不加捻的两股相变纱线经针织平纹织造的相变面料2与部位1、4、16、19、20结合具有最好的调温性能。
不难发现,本发明的相变服装穿着方便,在局部放置相变面料相比于在全身使用相变面料,成本较低,可在人体运动时调控人体温度,有较强的实用价值。
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