液冷背心冷卻效果影響因素研究

王欣欣 盧業虎

摘要： 針對戰斗機飛行員低空大速度飛行時存在的熱應激問題，文章研制了一款液冷背心。采用暖體假人實驗對液冷背心的入口水溫、換熱管路參數及排布方式進行研究，探究入口水溫、換熱管路的排布密度、橫縱向排布、管徑大小對液冷服裝制冷性能的影響。實驗結果表明，液冷背心冷卻能力隨入口水溫的降低而顯著增加;換熱管路排布密度顯著影響液冷背心冷卻效果;換熱管路內外徑、橫縱向排布對液冷背心的冷卻效果的影響不顯著，但換熱管路為3×5 mm、換熱管路橫向排布的液冷背心具有較優制冷能力;換熱管路組合設計的液冷背心具有更好的冷卻效果。研究結果可為液冷背心的科學設計提供參考。

關鍵詞： 液冷背心;熱應激;出汗暖體假人;換熱管路;冷卻效果;人體體溫調節;個人熱管理

中圖分類號： TS941.731.3

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2023）03-0039-07

引用頁碼：

031106

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2023.03.006（篇序）

在高溫環境和輻射熱的綜合作用下，飛行員熱負荷快速增加，導致工作效能明顯下降，成為引發飛行事故的重要原因之一。然而，改善飛行員駕駛環境的座艙環境控制系統（Environmental control system，ECS）受多種因素制約不能提供令人滿意的制冷效果，因此各國都在發展個體降溫服裝緩解飛行員的熱應激問題［1-2］。飛行員個體降溫系統按制冷媒介可分通風服和液冷服兩種，均由降溫服裝、制冷介質、制冷技術三個部分組成［3-4］。液冷服與通風服相比具有更大的降溫量、更小體積動力裝置、低噪聲等突出優點，因此國內外專家更主張使用液冷服降溫系統［4］。世界上第一套液冷服裝原型是在1962年由英國皇家空軍制作完成用于航空領域，隨后各國開展液冷服（Liquid cooling garments，LCG）的研究［5］。LCG的冷卻能力受多種因素影響，如換熱管路特性、冷卻部位選擇、系統控制、人體生理等［6-7］。LCG的研發需要綜合考慮不斷發展的紡織技術、人體生理學、生物醫學、工程學等多個方面，從而實現最佳的設計［8］。本文以服裝工效學為基礎設計制作一款液冷背心，從服裝的換熱管路設計入手重點探究換熱管路參數、排布方式對液冷服裝冷卻效果的影響，以期獲得最佳設計效果。

1 液冷背心設計

從“人—機—環境”系統出發進行降溫裝置選擇［9］。根

據冷卻介質不同，個體冷卻服可分為液冷服、通風服、相變冷卻服和混合冷卻服。隨著中國軍事需求的發展，如南海島礁的警巡一次需要10 h，長航時的飛行需要具有長時間降溫功能的制冷裝備從而為飛行員提供舒適的駕駛條件，因此制冷技術的選擇上主要為可持續降溫的通風服和液冷服。為了滿足飛行環境的需求，本文選擇液冷服并配置小型蒸發循環制冷系統［4］。

影響液冷服裝冷卻性能的因素包括服裝設計、環境和穿著者的生理特征［5］。飛行員的生理特征相對固定，而飛行環境的改變需要付出較大代價，因此本文研制的液冷背心主要基于服裝設計過程中的幾個方面考慮。

1.1 合理的制冷量

理論上來說，所設計液冷背心應滿足著裝者在執行低空飛行任務時人體新陳代謝的散熱需求。高溫環境下，人體的熱平衡方程如下式所示：

S=M-W-R-K-C-E（1）

式中：S為人體蓄熱，W;M為人體代謝產熱，W;W為人體所做機械功，W;R為人體輻射散發的熱量，W;K為人體傳導散熱的熱量，W;C為人體對流散發的熱量，W;E為人體皮膚表面蒸發散發的熱量，W。

常規飛行與戰斗飛行活動時人體平均產熱量分別為127、252 W。該熱量除維持正常體溫及對外做功外，多余的熱量需借助外部手段如液冷服裝等及時散發到體外。人體靜坐時代

謝率為58 W/m2，由式（1）計算可知飛行環境下液冷背心的散熱量設計理論上應高于100 W。

1.2 液冷背心、換熱管路的材質

液冷背心的面料選擇單面磨毛錦氨混紡針織面料，具有良好的彈性、耐磨性、吸濕性能，能夠很好地滿足液冷背心的穿著需求［10］。此外，將磨毛面作為背心內里縫制換熱管路，可提高液冷背心穿著過程中面料對換熱管路上冷凝水的吸收能力，緩解人體潮濕感。面料的特性參數如表1所示。換熱管路的材質選擇硅膠管，與大部分液冷服裝使用的聚氯乙烯管和聚氨酯管相比，硅膠管除了滿足液冷服裝換熱管路需具有的耐高溫、耐用性外還具有更優良的柔韌性，能夠很好地提升使用者的穿著舒適度。

1.3 換熱管路尺寸

換熱管路內外徑為3×5 mm和4×6 mm兩種。3×5 mm的換熱管路為液冷服裝市場上常用尺寸，而4×6 mm為李利娜等［11］在對液冷背心換熱管粗細的研究中獲得的較優尺寸。本文采用上述兩種尺寸分別制作兩套液冷背心，從而獲得適合本文液冷背心的較優換熱管路參數。

1.4 制冷部位的選擇

通過對人體各部位基礎代謝量、血流量、熱存儲量、局部組織隔熱值分布及飛行環境的分析，確定液冷服裝覆蓋部位為人體軀干部［12-13］。大部分液冷背心不在頸部排布換熱管路，然而頸部分布大量溫度接收器可較快獲得降溫帶來的舒適感而不會產生過冷反應，且頸部制冷效率最高，制冷1%體表可降低身體熱積量的21.5%。因此，本文在靠近頸部區域設計換熱管路。

1.5 回路數

多回路冷卻在提高熱舒適性和保持熱平衡方面優于單回路冷卻，液冷背心回路數一般在2～4路較為合適［14-15］。因此，本文設計的液冷背心采用四回路設計。

1.6 一體化設計

由于飛行員的配套服裝包括汗背心和連體飛行服，汗背心穿著在液冷背心內部可緩解過冷現象，而飛行服穿著在液冷背心外部起到一定的隔熱作用，因此飛行員穿著的液冷背心不必再添加內外層。出于飛行員裝備一體化考慮，本文將液冷背心與連體飛行服裝通過魔術貼制成可拆卸組合，可減少穿著時間且方便洗護。為了方便飛行員穿脫，背心采用前中開襟式拉鏈設計。

1.7 液冷背心尺寸

依據GJB 4856—2003《中國男性飛行員人體尺寸》進行設計。由于液冷背心所用面料彈性較大，因此松量設計較小。在對液冷服進行出汗暖體假人測試時，為了較準確測出液冷服的制冷效果，實驗服裝依據暖體假人尺寸設計制作而成。暖體假人尺寸為：身高170 cm，胸圍91 cm，腰圍74 cm，頸圍39.5 cm，腰背長44 cm。為保證關鍵部位具有相似松量，實驗所用液冷服（170/92 Y）的具體規格尺寸如表2所示。

2 影響因素探究

入口水溫、換熱管路的參數及排布是影響液冷服裝冷卻效果的重要因素之一，本文對入口水溫、換熱管路參數與排布進行研究。通過探索換熱管路排布密度、內外徑尺寸、橫縱向排布對液冷背心散熱性能的影響，最終獲取最佳的液冷背心換熱管路排布方案。液冷背心水流量為2 L/min，換熱管路排布方案具體參數如表3所示。其中，液冷背心Ⅲ&Ⅳ是通過對液冷背心Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的實驗結果綜合分析設計制作。所制五件液冷背心實物如圖1所示。

研究表明，入口水溫過低會導致軀干處皮膚出現冷刺激反應，因此本文綜合前人研究后選擇入口水溫12 ℃作為最低入口水溫，并在此基礎上增加16、20 ℃兩個實驗水溫進行研究。

2.1 測試方法與實驗步驟

使用34區段出汗暖體假人“Newton”（Thmetrics，美國）測試液冷背心的散熱性能。實驗在人工氣候室（ESPEC，日本）內進行，依據標準ASTM F2371-10《使用出汗暖體假人測試個體冷卻系統散熱率的測試方法》，采用恒溫模式將假人皮膚溫度設定為34 ℃，出汗量設定為800 mL/（hr·m2），氣候室環境溫度設為（34±0.2） ℃、相對濕度為（40±5）%。實驗前將織物皮膚衣完全浸濕后穿在假人身上。ThermDac軟件設定為每1 min記錄一次實驗數據。

2.2 計算公式

熱損耗是衡量液冷背心散熱性能的主要指標，計算公式如下［16］：

ΔHhi=∑ni=1（H1-H0）（2）

式中：H0、H1分別為不穿著液冷背心、穿著五種換熱管路不同排布的液冷背心在模擬飛行員駕駛環境的人工氣候室內測得的暖體假人第i區段上的表面熱流量，W/m2。

2.3 統計分析

使用SPSS 17.0軟件，采用單因素方差分析判斷換熱管路的平行或密集排布、橫向或縱向排布、內外徑大小是否顯著影響液冷背心熱損耗。p＜0.05認為差異具有統計學意義。

3 結果與分析

3.1 換熱管路不同排布方式下服裝熱損耗

3.1.1 服裝總熱損耗

由圖2可知，四種排布方式下液冷背心的總熱損耗隨著

入口水溫的增加而減少，入口水溫越低則總熱損耗越高，液冷背心制冷效果越好。在不同入口水溫下，不同排布方式的液冷背心的總熱損耗值按照大小均為液冷背心Ⅲ＞液冷背心Ⅱ＞液冷背心Ⅳ＞液冷背心Ⅰ。

液冷背心Ⅰ與液冷背心Ⅱ的區別在于換熱管路排布密度不同。由圖2可知，三種入口水溫下，換熱管路排布密度均對液冷背心總熱損耗具有顯著性影響（p＜0.05）。為了使液冷背心的熱損耗保持在較高水平，液冷背心Ⅲ、Ⅳ均采用換熱管路密集排布的方式，并在此排布方式的基礎上探究換熱管路內外徑大小及橫縱向排布對制冷效果的影響。因此，液冷背心Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的總熱損耗值顯著大于液冷服裝Ⅰ。液冷背心Ⅲ的換熱管路內外徑小于液冷背心Ⅱ，因此在同一尺寸液冷背心上的排布間隔稍小。雖然液冷背心Ⅱ與液冷背心Ⅲ的排布方式對總熱損耗無顯著性影響（p＞0.05），但是液冷背心Ⅲ的總熱損耗在三種入口水溫下均大于液冷背心Ⅱ，且入口水溫越低，差距越明顯。液冷背心Ⅱ與液冷背心Ⅳ的區別在于換熱管路橫縱向排布不同，雖然橫縱向排布方式對總熱損耗值無顯著性影響（p＞0.05），但是橫向排布的總熱損耗值在三種入口水溫下均略大于縱向排布，且入口水溫越低差距越明顯。

3.1.2 服裝局部熱損耗

由圖3可知，每種液冷背心各部位的制冷能力不同，但其熱損耗均隨著入口水溫降低而增大。入口水溫12 ℃時，四件服裝的局部熱損耗不低于150 W/m2;入口水溫16、20 ℃時，局部熱損耗分別不低于120、75 W/m2左右。

四件液冷背心在不同入口水溫下各部位制冷效果間的大小關系不變。例如上胸部在12 ℃入口水溫下，熱損耗大小關系為液冷背心Ⅳ＞液冷背心Ⅱ＞液冷背心Ⅲ＞液冷背心Ⅰ，當入口水溫為16 ℃或20 ℃時，四件液冷背心的排序相同。由圖3中液冷背心Ⅰ與液冷背心Ⅱ的對比可知，不同入口水溫下，換熱管路排布密度對不同部位制冷效果的影響程度不同。入口水溫12 ℃時，換熱管路排布密度對液冷背心的上胸部、肩部、腹部及下背部的熱損耗具有顯著性影響（p＜0.05），對中背部和腰部無顯著性影響;入口水溫16、20 ℃時，換熱管路排布密度對液冷背心的上胸部、肩部及下背部的熱損耗具有顯著性影響（p＜0.05），對腹部、中背部和腰部無顯著性影響。即隨著入口水溫降低，換熱管路排布密度對更多的部位制冷效果具有顯著性影響。

由圖3中液冷背心Ⅱ與液冷背心Ⅲ對比可知，換熱管路內外徑大小對液冷背心局部熱損耗無顯著性影響（p＞0.05），但液冷背心Ⅲ即較細換熱管路排布的液冷背心在中背部具有更優制冷能力。由液冷背心Ⅱ與液冷背心Ⅳ對比可知，換熱管路橫縱排布對液冷背心局部熱損耗無顯著性影響（p＞0.05），但液冷背心Ⅱ即換熱管路橫向排布的液冷背心在中背部、下背部具有較優的制冷能力;液冷背心Ⅳ即換熱管路縱向排布的液冷液冷背心在上胸部、腰部具有較優的制冷能力。

通過對比不同入口水溫下不同部位的熱損耗，可發現不同部位的較優換熱管路排布方式，如表4所示。綜合考慮人體生理舒適性并選取部位制冷效果較優的換熱管路排列方式進行組合，最終將液冷背心Ⅲ與液冷背心Ⅳ組合為液冷背心Ⅲ&Ⅳ：軀干前部（上胸部、腹部、腰部）采用換熱管路縱向排列、內外徑4×6 mm、密集排布，軀干后部（肩部、中背部、下背部）采用換熱管路橫向排列、內外徑3×5 mm、密集排布，實物如圖1（e）所示。對組合液冷背心Ⅲ&Ⅳ的制冷性能測試方法與服裝Ⅰ～Ⅳ一致。

3.2 換熱管路組合排列方式下服裝的熱損耗

3.2.1 服裝總熱損耗

由圖4可知，組合液冷背心Ⅲ&Ⅳ的總熱損耗在三個入口水溫下均優于服裝Ⅱ和服裝Ⅲ。在入口水溫為12 ℃和16 ℃時，液冷背心Ⅲ&Ⅳ的總熱損耗顯著優于服裝Ⅳ（p＜0.05）。由此可見，針對不同部位使用不同的換熱管路排布方式能夠顯著提高液冷背心的總體降溫效果。在實驗環境34 ℃、相對濕度40%、入口水溫12 ℃條件下，本文所制四回路式液冷背心Ⅲ&Ⅳ的制冷功率約為140 W，能夠滿足飛行員在高溫環境中的制冷需求。

3.2.2 服裝局部熱損耗

由圖5可知，組合液冷背心Ⅲ&Ⅳ與液冷背心Ⅳ相比，入口水溫越高，熱損耗出現顯著性差異的部位越少。液冷背心Ⅲ&Ⅳ與液冷背心Ⅳ相比，入口水溫為12 ℃時，在中背部、腰部、下背部的熱損耗具有顯著性差異（p＜0.05）;水溫升高為16 ℃時，顯著性差異的部位減少為腰部和下背部;水溫升至20 ℃時，僅下背部具有顯著性差異。液冷背心Ⅲ&Ⅳ與液冷背心Ⅲ相比，在12 ℃入口水溫下時上胸部的熱損耗具有顯著性差異（p＜0.05），其余情況不存在顯著性差異，但總體呈現出在上胸部、腹部、腰部、下背部的熱損耗偏大現象。

將組合液冷背心Ⅲ&Ⅳ分別與液冷背心Ⅲ、Ⅳ的制冷效果對比，分析不同入口水溫下不同部位的熱損耗可發現不同部位的較優換熱管路排布方式，如表5所示。由圖4可知，組合液冷背心Ⅲ&Ⅳ的總熱損耗均大于服裝Ⅲ、Ⅳ，結合表5可直觀地看到提高冷卻效果的具體部位。組合液冷背心Ⅲ&Ⅳ與液冷背心Ⅲ相比，在上胸部、腹部、腰部及下背部具有更優制冷效果;組合液冷背心Ⅲ&Ⅳ與液冷背心Ⅳ相比，在中背部、腰部及下背部具有更優制冷效果。

4 結 論

本文設計了一種適用于飛行員個體防護裝備使用的液冷背心，通過暖體假人實驗研究了不同換熱管路參數及排布方式下液冷背心的冷卻效果，并對液冷背心的換熱管路進行組合設計與探究，最終研制出一款四回路式液冷背心，在環境為34 ℃、相對濕度40%條件下有近140 W制冷量，具有較優降溫能力，能夠滿足飛行人員在高溫環境下的降溫需求。

1） 入口水溫的降低可提高液冷背心的冷卻能力，入口水溫越低則不同熱管路設計的液冷背心熱損耗和制冷功率越大。但服裝間總熱損耗的大小關系不會隨入口水溫的變化而改變，在三個入口水溫下均為液冷背心Ⅲ&Ⅳ＞液冷背心Ⅴ＞液冷背心Ⅱ＞液冷背心Ⅳ＞液冷背心Ⅰ;液冷背心間局部熱損耗的大小關系也不會受入口水溫的影響。

2） 換熱管路排布密度顯著影響液冷背心的整體與局部冷卻效果;相差不大的內外徑尺寸、換熱管路橫縱向排布不會顯著影響液冷服裝的冷卻效果，但換熱管路為3×5 mm的液冷背心總制冷能力較優于換熱管路為4×6 mm的液冷背心，換熱管路橫向排布的液冷背心總制冷能力較優于縱向排布的液冷背心。不同參數及排布方式的換熱管路其有效制冷面積及與人體的貼合度不同，導致制冷效果不一。

3） 不同換熱管路設計的服裝在人體同一部位處具不同的制冷能力。其中，換熱管路密集排布的液冷背心在軀干各部位的制冷能力均顯著優于平行排布的液冷背心;換熱管路橫向排列的液冷背心在中背部、下背部具有更優的冷卻能力，換熱管路縱向排列的液冷背心在上胸部、腰部具有更優的冷卻能力。因此，對換熱管路進行組合設計的液冷背心具有更好的冷卻效果。

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Study on influencing factors of the cooling effect of a liquid-cooling vest

WANG Xinxin1， LU Yehu1，2

（1.College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215021， China; 2.Nantong Textile & SilkIndustrial Technology Research Institute， Nantong 226300， China）

Abstract：

In the field of modern aviation， the cockpit temperature is too high due to solar radiation heat， avionics heat generation and aerodynamics heat of aircraft surface， and the cooling capacity of the cockpit environmental control system （ECS） of Chinese fighter aircraft cannot meet the requirements of human thermal comfort. The long-term heat stress of flight personnel not only affects the operational efficiency， but also becomes one of the important causes of plane crash. The improvement of cockpit environmental control system requires expensive cost and time， and is restricted by a variety of factors. Developing individual cooling suits for pilots is a cost-effective way to solve the problem of heat stress. Therefore， domestic and foreign scholars are developing individual cooling suits.

A liquid-cooling vest for fighter pilots was developed to solve thermal stress problems in the scenarios of low altitude and high speed flights. Based on the garment ergonomics principle， factors were considered from the perspectives of cooling technology selection， design of the cooling capacity， cooling cover selection， basic properties of the surface and auxiliary materials， parameters of the heat exchange tube， loop number and arrangement， clothing style and structure and other aspects. The sweating thermal manikin tests were used to analyze the parameters and arrangement of heat exchange tubes of the liquid-cooling vest. The experiment was carried out in the artificial climate room， the ambient temperature was （34±0.2） ℃， the relative humidity was （40±5）%， the skin temperature of the sweating thermal manikin was set at 34 ℃， and the sweat volume was set at 800 mL/（h · m2）. Based on the four-loop design of the heat exchange tube circuit， the influence of the inlet water temperature， heat exchange tube layout density， horizontal and vertical arrangement and pipe diameter on the cooling performance of the liquid cooling vest was explored. The experimental results of the sweating thermal manikin show that the lower the inlet water temperature is， the greater heat loss and cooling power of the liquid-cooling vests with different tube circuit designs are. Therefore， the decrease of the inlet water temperature can significantly improve the cooling capacity of the liquid-cooling vests. The cooling effect of the liquid cooling vest is significantly affected by the layout density of heat exchange tubes. The cooling capacity of the liquid cooling vest with dense arrangement of heat exchange tubes is significantly better than that with parallel arrangement of heat exchange tubes. The heat exchange tube with a size of 3×5 mm or 4×6 mm has no significant effect on the cooling capacity， while the cooling vest with a 3×5 mm heat exchange tube has slightly higher cooling capacity. The horizontal or vertical arrangement of the heat exchange tube has no significant effects on the liquid cooling vest， while the liquid cooling vest with horizontal arrangement of the heat exchange tube exhibits better cooling ability. The liquid cooling vests with different heat exchange tube layouts have different cooling capacities at the same part of the human torso， so the liquid cooling vests with the combination design of a heat exchange tube have better cooling effect. Specifically， the cooling capacity of the liquid cooling vest with dense arrangement of heat exchange tubes is significantly better than that with parallel arrangement in all parts of the body. The liquid cooling vest with horizontal arrangement of heat exchange tubes has higher cooling capacity in the middle back and lower back， and the liquid cooling vest with vertical arrangement of heat exchange tubes has better cooling capacity in the upper chest and waist.

The liquid-cooling vest developed in this paper uses the combination design and four-loop of the heat exchange tube， exhibits better cooling effect and can improve the thermal comfort of human body in high temperature environments. The research findings will enrich the practical research of liquid cooling equipment in the flight field and provide reference for the scientific design and application of liquid cooling clothing.

Key words：

liquid-cooling vests; heat stress; sweating thermal manikin; heat exchange tube; cooling effect; body thermoregulation; personal thermal management

收稿日期：

2022-07-01;

修回日期：

2023-01-17

基金項目：

作者簡介：

王欣欣（1997），女，碩士研究生，研究方向為功能服裝研發。通信作者：盧業虎，教授，yhlu@suda.edu.cn。