一种基于热电制冷器阵列的防护服内分区精确热管理系统的制作方法

1.本发明属于制冷服技术领域，具体地说，涉及一种用于基于热电制冷器阵列的防护服内微环境的热电制冷器阵列式热管控温分区精确控温热管理系统。


背景技术：

2.当前，诸如医疗、采矿、冶金等行业的许多工作人员都需要穿着防护服进行工作。防护服具备隔热、防水及阻挡有害物等特性，能有效阻挡不利环境对人体的伤害，但也会妨碍人体正常散热和排湿的进行，这增加了人体热调节系统的负荷，严重时会导致工作人员产生热应激现象，降低工作效率，长期以往会导致慢性疾病。因此，防护服内微环境的散热问题越来越受到重视。为了增加防护服的热舒适度，降低工作人员热应激风险，开发用于防护服内温度控制的热管理系统势在必行。
3.目前防护服的控温系统多采用一体化主动式气体或液体降温服技术来收集人体产热，通过机械泵驱动管路中的冷却工质将人体废热传输至防护服外冷源，然后，冷却工质散热后再次进入降温服，如此循环实现人体躯干的长时间温度控制。降温服采用连续柔性管路以回路环绕的方式缝制在降温服布料上，回路可以任意变形，布置方式灵活，适合人体废热收集，便于穿戴，可增加回路对流接触面积，提高人体产热收集效率。但是，流体回路热管理控温系统仍存在以下几大问题：
4.1.流体回路在人体躯干外布置时，相邻管路之间存在间隙，当传热工质流过管路时，靠近管路的皮肤温度较低，而间隙处的皮肤温度较高，由于管路相间布置使得躯干皮肤表面的温度呈脉冲式波动，容易造成人体的过冷反应。
5.2.流体回路热管理控温系统在收集人体产热的过程中，由于管路的连续性，冷却工质在管路入口处温度低和躯干皮肤间的温差大，人体产热收集效果好，入口处的躯干皮肤温度较低；随着冷却工质在管路内流动，不断收集人体产热，温度越来越高，在回路出口处，温度升至最高，热收集效果变差，导致出口处躯干皮肤的温度远高于进口处的温度，影响温控的均匀性，影响降温服的热舒适性。
6.3.由于身体各部位的基础代谢率不一样，不同部位的产热不一致；各部位热敏感度不一致，对应的舒适温度值不一致，人体这些本能控温要求需要对各部位进行分别热管理控制。然而对于一体化的流体回路热管理温控系统，主要通过整体调节工质流量和温度来收集人体产热和完成温度控制，很难实现躯干的分区废热收集和分区温度精确控制。
7.有鉴于此特提出本发明。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于热电制冷器阵列的防护服内分区精确热管理系统，为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
9.一种基于热电制冷器阵列的防护服内分区精确热管理系统，包括热电制冷器阵列
分区热管理控温服本体、开环分区气冷辅助排热系统和分区分区控温服热管理控制系统；
10.所述热电制冷器阵列分区热管理温控服本体由自内到外的三层结构紧密层叠缝制组成，分别为内衬层、中间层和外衬层。所述内衬层为石墨烯薄膜分区内衬层，由若干石墨烯薄膜区块拼接而成，实现人体躯干分区低热阻热量传递；所述中间层为泡沫隔热中间层，所述中间层内部安装若干热电制冷器阵列组，各阵列组与内衬层的区块一一对应，热电制冷器阵列组完成人体躯干产热的分区转移，同时对躯干分区输出冷量，从而实现人体躯干分区温度控制，泡沫隔热中间层实现内衬层和外衬层的热隔离；所述外衬层为石墨烯薄膜外衬层，主要通过热辐射的方式完成人体躯干产热的向外排散。
11.所述开环分区气冷辅助排热系统由进风过滤器、微型压缩机、柔性气冷管路和出风过滤器通过管路串联连接组成，所述开环分区气冷辅助排热系统与外衬层形成组合排热系统。
12.所述分区控温服热管理控制系统由控制器、直流可调电源、躯干温度传感器、外衬层温度传感器、若干热电制冷器阵列组、带驱动的直流无刷电机组成，并用导线连接。
13.进一步地，所述内衬层由若干石墨烯布料块拼接而成，石墨烯布料块的拼接与人体躯干分区的划分相对应；所述石墨烯布料块之间通过窄条状的纯棉布料连接。
14.进一步地，所述泡沫隔热中间层内设有贯穿安装孔，热电制冷器模块卡接在安装孔内，所述热电制冷器模块冷端与内衬层接触，热端与外衬层接触，所述躯干温度传感器安装在中间层靠近内衬层一侧的温度传感器安装槽内，躯干温度传感器导线经由导线孔引出；所述泡沫隔热中间层为气凝胶。
15.进一步地，所述外衬层在远离中间层一侧设有外衬层温度传感器安装槽，所述外衬层温度传感器通过缝制固定在外衬层温度传感器安装槽内。
16.进一步地，与所述内衬层不同区块相对应的所述热电制冷器阵列组之间为并联，同一区块对应的所述热电制冷器阵列组内的热电制冷器模块之间为并联；所述控制器通过检测温度值完成对各热电制冷器阵列组的电流控制和对直流无刷电机的转速控制。
17.进一步地，所述柔性气冷管路安装在远离中间层一侧；所述微型压缩机、所述进风过滤器、所述出风过滤器设置在防护服外侧，并通过防护服内外转接口和管路与所述柔性气冷管路连接成开环气冷回路。
18.进一步地，所述防护服内外转接口安装在防护服的后腰位置，由内接口和外接口组成，内接口上依次设置了进气管接口、出气管接口、电源线接口和传感器导线接口；外接口上依次设置了进气管接口、出气管接口、电源线接口和传感器导线接口；内接口和外接口通过连接螺栓和连接螺母连接固定，在连接面上设置气路密封圈、导线密封圈和防护服密封圈实现防护服内外密封隔离。
19.进一步地，所述柔性气冷管路通过缝制嵌装在外衬层内，且呈蛇形或回路环绕设置，所述气冷管路设有进风总管、出风总管，进风总管分流为并行的四条支路分别冷却外衬层不同部位，最后分别汇集在出风总管，柔性气冷管路横截面为圆形的；所述柔性气冷管路通过制衣线缝制在外衬层外侧表面，且呈蛇形或回路环绕设置，所述气冷管路设有进风总管、出风总管，进风总管分流为并行的四条支路分别冷却外衬层不同部位，最后分别汇集在出风总管，柔性气冷管路横截面为矩形。
20.进一步地，所述柔性气冷管路的横截面为圆形、方形、矩形。
21.采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
22.本发明采用热电制冷器阵列对躯干的不同分区进行区块化温控热管理，根据身体不同部位的温度反馈信号，通过调节热电制冷器的电流大小和电流方向将躯干个分区的温度控制到舒适温度，并通过在内衬层设置高导热性、高韧性的石墨烯薄膜分区内衬层，可以更好的将人体躯干产生的热量传导至热电制冷器模块冷端，实现良好的热传递，确保人体躯干各分区内温度均匀，有效的避免了温度脉动分布对人体躯干造成的过冷反应，同时还能满足躯干某些分区因为基础代谢而需要更低温度进行快速降温的要求。分区精确温度控制更加全方位满足了身体的本能温控需求，更加人性化。
23.本发明在热电制冷器模块的热端设有石墨烯薄膜外衬层和开环分区气冷辅助排热系统，通过石墨烯薄膜外衬层可以将大部分的热电制冷器热端热量经热辐射散发出去，如果温度传感器检测外衬层温度超过设定温度值，可以通过控制无刷直流电机转速来控制空气的流量，实现更快的带走热端的热量，更好的散热降温。
24.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
25.附图作为本技术的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
26.图1是本发明一种基于热电制冷器阵列的防护服内分区精确热管理系统工作原理示意图；
27.图2是本发明内衬层区块划分及热电制冷器阵列组区块布置示意图；
28.图3是本发明制冷服电源分配线路示意图；
29.图4是本发明开环分区气冷辅助排热系统布局示意图；
30.图5是本发明热管理温控服内部结构剖面示意图；
31.图6是本发明防护服内外转接口主视图；
32.图7是本发明防护服内外转接口俯视图；
33.图8是图6中c
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c剖视图。
34.图中：1、热电制冷器阵列分区热管理控温服本体；2、开环分区气冷辅助排热系统；3、分区控温服热管理控制系统；101、内衬层；101a、石墨烯布料块；101b、窄条状纯棉布料；102、中间层；102a、泡沫隔热层；103、外衬层；201、进风过滤器；202、微型压缩机；203、防护服内外转接口；203a、外接口；203b、内接口；203a1、外进气管接口；203a2、外出气管接口；203a3、外电源线接口；203a4、外传感器导线接口；203b1、内进气管接口；203b2、内出气管接口；203b3、内电源线接口；203b4、内传感器导线接口；203c1、连接螺栓；203c2、连接螺母；203d1、气路密封圈；203d2、防护服密封圈；203d3、导线密封圈；204、柔性气冷管路；205、出风过滤器；206、出风总管；207、进风总管；301、控制器；302、直流可调电源；303、躯干温度传感器；303a、温度传感器安装槽；303b、导线孔；304、外衬层温度传感器；304a、外衬层温度传感器安装槽；305、直流无刷电机；306、热电制冷器阵列组；306a、热电制冷器模块；306b、安装孔；307、导线。
35.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.实施例一
40.如图1
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图8所示，本实施例所述一种基于热电制冷器阵列的防护服内分区精确热管理系统，包括热电制冷器阵列分区热管理控温服本体1、分区控温服热管理控制系统3、开环分区气冷辅助排热系统2。人体躯干产生的热量主要通过热电制冷器阵列分区热管理温控服本体1在分区控温服热管理控制系统3作用下完成收集、传递、排散，开环分区气冷辅助排热系统2实现组合式热排散。
41.热电制冷器阵列分区热管理控温服本体1由内衬层101、中间层102、外衬层103三层结构组成，为了降低热阻，三层结构应紧密层叠设置。内衬层101由若干区块拼接而成，区块分别对应身体不同的部位，因为每个部位对冷刺激的敏感程度不同，进行区块的划分是为了实现不同部位能够针对性的降温。中间层102为泡沫隔热层102a，目的在于在身体进行不同区块不同降温时，减少各区块间的热量传递，降低相邻区块之间的温度影响。同时内衬层101与外衬层103之间的距离较小，设置泡沫隔热层102a能够抑制内衬层101和外衬层103之间的热量传递，其中外衬层103是一个整体结构。
42.分区控温服热管理控制系统3包括控制器301、直流可调电源302、躯干温度传感器303、若干热电制冷器阵列组306，控制器301与直流可调电源302、躯干温度传感器303、热电制冷器阵列组306电连接，若干热电制冷器阵列组306之间为并联关系。中间层102内安装若干热电制冷器阵列组306，为实现对人体不同部位的温度控制，使热电制冷器阵列组306与内衬层101的若干区块一一对应，通过控制各热电制冷器阵列组306的电流大小，实现相对应的内衬层101温度的控制。可以为每一热电制冷器阵列组306分配一套可调直流电源，也可以在满足舒适度指标的前提下，对于所需温度相同的躯干区块所对应的几个热电制冷器阵列组306分配同一套可调直流电源，实现控制系统的简化。躯干温度传感器303安装在泡沫隔热层102a靠近内衬层101的一侧，与内衬层101接触。躯干温度传感器303实时监测身体不同部位的温度变化，并将温度信息传递给控制器301，控制器301分析处理温度大小的变化，并将信号传递直流可调电源302，调节输入热电制冷器阵列组306的电流大小，实现根据
不同需要进行不同程度的降温，更加人性化。开环分区气冷辅助排热系统2包括柔性气冷管路204、驱动装置，柔性气冷管路204安装在外衬层103远离中间层102的一侧上，驱动装置串联在柔性气冷管上，以驱动空气在柔性气冷管路204内流动，驱动装置与控制器301电连接。开环分区气冷辅助排热系统2利用周围环境中的空气作为冷源，把外衬层103表面的热量通过空气流动排散至周围环境。
43.温控服管理控制系统还包括外衬层温度传感器304、带驱动的直流无刷电机305，外衬层103远离中间层102一侧设有外衬层温度传感器安装槽304a，外衬层温度传感器304固定在外衬层温度传感器安装槽304a内，外衬层温度传感器304与控制器301电连接，直流无刷电机305串联在驱动装置与控制器301之间。外衬层温度传感器304检测外衬层103表面的温度，若温度高于控制器301设定的可排散温度，温度传感器将信号传递给控制器301，控制器301分析处理信号后，将信号传递给直流无刷电机305，直流无刷电机305加大对驱动装置的动力，从而加快柔性气冷管路204内的空气流动，使外衬层103表面的温度降低。
44.热电制冷器阵列组306包括若干热电制冷器模块306a，泡沫隔热层102a上设有若干贯穿的安装孔306b，热电制冷器模块306a卡接在安装孔306b内，热电制冷器模块306a的冷端与内衬层101接触，热端与外衬层103接触。可以通过导热硅脂与内衬层101和外衬层103接触，可在导热硅脂周围涂热熔胶防止导热硅脂溢流。泡沫隔热层102a靠近内衬层101一侧还设有温度传感器安装槽303a、导线孔303b，躯干温度传感器303安装在温度传感器安装槽303a内，躯干温度传感器303的导线307通过导线孔303b引出。同一热电制冷器阵列组306的若干热电制冷器模块306a为并联关系，每个热电制冷器模块306a的电阻大小相同，在需要相同电流的情况下，并联关系需要的电压远远小于串联关系需要的电压，同时，并联关系能够避免一个热电制冷器模块306a损坏，影响其他模块工作的情况出现。
45.为了方便连接，在后腰位置处设置了防护服内外转接口203，后腰位置处可以借助腰部的力量，并且不会妨碍工作人员工作。防护服内外转接口203包括进气管接口、出气管接口、电源线接口、传感器接线接口，直流可调电源302通过电源线接口与热电制冷器阵列组306连接，控制器301通过传感器接线口与躯干温度传感器303、外衬层温度传感器304电连接。开环分区气冷辅助排热系统2还包括进风过滤器201、出风过滤器205，进风过滤器201通过进风管接口与柔性气冷管路204的一端连接，出风过滤器205通过出气管接口与柔性气冷管路204的另一端连接。柔性气冷管路204设有进风总管、出风总管，进风总管分流为并行的四条支路分别冷却外衬层103不同部位，最后分别汇集在出风总管。当柔性气冷管路204的横截面为圆形时，将柔性气冷管路204嵌装在外衬层103内，使得外衬层103表面没有更加的平整，同时保护了柔性气冷管路204不会刮坏。柔性气冷管路204横截面除了是圆形，还可以矩形或方形。当柔性气冷管路204为矩形或者方形时柔性气冷管路204用绳子捆绑或制衣线缝制在外衬层103外侧表面，增加与外衬层103接触的表面积，从而更快的进行热量交换。
46.内衬层101由若干石墨烯布料块101a拼接而成，石墨烯不仅弹性好、吸湿排汗、抗静电、抗菌，而且导热性能强、穿着舒适。石墨烯布料块101a能够使热电制冷器模块306a不直接与皮肤接触，并使热电制冷器模块306a的温度均匀扩散在石墨烯布料块101a上，降低了温度局部太低造成不适感。为了阻止不同石墨烯布料块101a间的热量传递，在拼接间隙处用窄条状纯棉布料101b隔离连接。外衬层103为石墨烯薄膜外衬层103，为一整体结构实现对热电制冷器模块306a热端产生热量的对外辐射，外衬层103表面适当粗糙些，可以增加
热辐射率。泡沫隔热层102a填充物为气凝胶，不仅能起到很好地隔热作用，同时重量也是十分的轻，不会过多的增加防护服的重量，穿着更加舒适。
47.为了方便内外连接，设置了防护服内外转接口203，在防护服内外转接口203上设置快换接头实现系统的快速组装和拆分，方便穿戴使用。防护服内外转接口203可以安装在防护服的后腰位置，方便使用者工作，轻便省力，活动自如。防护服内外转接口203包括内接口203b、外接口203a，内接口203b包括内进气管接口203b1、内出气管接口203b2、内电源线接口203b3、内传感器导线接口203b4，外接口203a包括外进气管接口203a1、外出气管接口203a2、外电源线接口203a3、外传感器导线接口203a4。柔性气冷管路204的进风总管与内进气管接口203b1连接，出风总管与内出气管接口203b2连接，外进气管接口203a1依次串联驱动装置、进风过滤器201，驱动装置可以选择微型压缩机202，外出气管接口203a2与出风过滤器205连接。热电制冷器模块306a与内电源线接口203b3连接，直流可调电源302与外电源线接口203a3连接，躯干温度传感器303、外衬层温度传感器304的导线307与内传感器导线接口203b4连接，控制器301与外传感器导线接口203a4连接。内接口203b和外接口203a通过连接螺栓203c1和连接螺母203c2连接固定，在连接面上设置气路密封圈203d1、导线密封圈203d3和防护服密封圈203d2实现防护服内外密封隔离。
48.在控制器301内根据不同的区域设定温度可以调节的范围，同时通过躯干温度传感器303检测身体相应区块的实时温度，并判断身体相应区块温度是否在设定的范围内。当身体某一区块温度升高，温度传感器检测到这一变化，将信号传递给控制器301，控制器301分析信号后，开始调节相应区块进入热电制冷器模块306a的电流大小，从而实现针对性的温控。根据外衬层103的最佳辐射温度，在控制器301内设定外衬层103的最佳辐射温度范围，通过外衬层温度传感器304实时监测外衬层103的温度，当外衬层103温度高于最佳温度范围时，求取高出的差值，并根据此来调节直流无刷电机305的电压，控制电机转速，控制开环分区气冷辅助排热系统2中空气流量，实现对流空气散热，使外衬层103保持在最佳温度范围以内，避免对环境和其他工作者的影响。
49.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。