新型热电制冷人体冷却系统及其制冷特性研究

摘要

高温环境一般指的是35℃以上的生活环境与32℃以上的生产环境。人体在高温环境下会引起热应激效应，造成体能消耗过快而导致注意力不集中、作业能力下降等问题，严重时会危害人体健康。为了保障高温环境作业人员的身体健康并提高工作效率，需要对高温作业人员采取有效的热防护措施。因此，穿戴人体冷却系统已成为高温环境作业人员的重要热防护措施之一。热电制冷又称为半导体制冷、帕尔帖制冷或温差电制冷，是在帕尔贴(Peltier)效应的基础上发展起来的一门新型制冷技术。在当今发展绿色科技，坚持可持续发展的背景下，热电制冷系统结构简单、无运动部件、安全可靠、无污染等特点使其拥有广阔的应用和市场前景，尤其适用于人体冷却系统。随着材料的和相关研究的拓展，热电制冷系统的研究也越来越深入。
　　本文在热电制冷原理的基础上设计了一种包括制冷头盔和液冷服的新型人体冷却系统，其中制冷头盔采用风冷和水冷两种方式，通过热电制冷原理对人体头部和颈部同时制冷，并且利用自制暖体假人对冷却系统的制冷特性进行了实验研究和评价分析。首先，通过改变环境温度、人体冷却系统散热工况等条件，得到不同实验条件下制冷功率、液体流速、散热风速、制冷量、制冷效率之间的关系，进而得到冷却系统的最佳散热工况;然后，令测试者穿戴冷却系统，通过调节试验工况，对冷却系统舒适性进行评价分析。
　　本文研究得出以下结论:
　　1.制冷头盔和液冷服的制冷量和系统COP与制冷片功率、循环水流量和风扇风速有关。热电制冷片存在一个最佳功率，制冷头盔和液冷服在最佳功率区域中运行可以得到良好的制冷能效。其中，制冷头盔最佳功率区域为19.2～37.4W，最大制冷能效可达0.55;液冷服最佳功率区域为16.8～46W，系统总体最大制冷能效可达0.5以上。头盔微型水泵流量、系统风扇风速的增加均可以增强散热，提高人体冷却系的能效;液冷服水泵流量存在一个最佳值66.7mL/min，使得其制冷能效达到最大。
　　2.随着外界环境温度的升高，冷却系统制冷能效降低。当环境温度小于40℃时，冷却系统的制冷头盔和液冷服内部温度均在24～30℃之间，根据室外温度舒
　　3.适度分级标准，能够保证人体穿着的舒适性。
　　4.制冷头盔液冷模块的换热效果优于风冷模块，可为人体提供更多冷量，而风冷模块可以增强头盔内部的空气流动，有助于增加人体佩戴的舒适性。
　　5.利用成年健康男性对人体冷却系统进行性能测试，结果表明，在温度为30～40℃的高温环境下，冷却系统能够保证人体降温温度在舒适范围内。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 人体冷却系统研究现状

1．2．1 压缩式人体冷却系统

1．2．2 相变式人体冷却系统

1．2．3 微型风扇式人体冷却系统

1．3 热电制冷技术的研究及应用现状

1．3．1 热电制冷系统研究现状

1．3．2 热电制冷技术的国内外应用现状

1．4 本文的主要研究内容

第二章 热电制冷原理及分析

2．1 热电效应

2．1．1 塞贝克(Seebeck)效应

2．1．2 帕尔贴(Peltier)效应

2．1．3 汤姆逊(Thomson)效应

2．1．4 焦耳(Joule)效应

2．1．5 傅里叶(Fourier)效应

2．2 制冷工况分析

2．2．1 一般工况

2．2．2 最大制冷量工况

2．2．3 最大制冷双率工况

2．2．4 最大温差工况

2．2．5 热电制冷工况设计

2．3 热电制冷器散热方式

2．4 小结

第三章 人体冷却系统结构设计

3．1 冷却系统设计要求

3．2 制冷头盔结构设计

3．2．1 风冷制冷模块设计

3．2．2 液冷制冷模块设计

3．3 液冷服结构设计

3．3．1 制冷模块设计

3．3．2 服装结构设计

3．3．3 液冷服材料选择

3．4 小结

第四章 人体冷却系统实验设计

4．1 实验目的

4．2 实验装置

4．2．1 暖体假人系统的设计选型

4．2．2 恒温室的设计选型

4．2．3 实验段系统选型

4．2．4 数据采集系统选型

4．2．5 电源选型

4．3 实验假设

4．4 小结

第五章 冷却系统制冷特性实验研究

5．1 实验方法

5．2 数据处理方法

5．3 实验结果与分析

5．3．1 头盔制冷特性分析

5．3．2 液冷服制冷特性分析

5．4 人体冷却系统性能测试

5．5 实验误差分析

5．5．1 制冷特性实验误差分析

5．5．2 性能测试实验误差分析

5．6 小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 不足及展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况