ОДЕЖДА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ КОМФОРТ, БЕЗОПАСНОСТЬ И НИЗКОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ
CLOTHES WHICH ENSURES COMFORT, SAFETY AND LOW ENERGY CONSUMPTION

Изобретение относится к конструированию специальных видов одежды и может быть использовано в экстремальных условиях, особенно при сильных перепадах температуры в качестве одежды, обеспечивающей безопасность и комфорт при минимальных затратах энергии, а также как средство закаливания организма, позволяющее строго дозировать тренирующее воздействие. Кроме того, в отличие от распространенных образцов рабочей одежды, толщина которой коррелирует с ожидаемыми перепадами температуры и может достигать неприемлемых для удобства перемещения и выполнения точных операций значений, предлагаемое решение позволяет конструировать тонкие и комфортные комбинезоны.
Известен датчик, формирующий сигнал, соответствующий ощущениям человека. Датчик состоит из нагревателя, внутренней и внешней оболочек, преобразователя температуры, встроенного во внешнюю оболочку (см. JP 4127026, G01K 13/00, 1992-04-28). Это устройство хорошо моделирует ощущение тепла, может явиться частью системы, обеспечивающей комфорт и безопасность, но само по себе их не обеспечивает.
Известна одежда со вставками в виде термоизолирующих камер переменной толщины (см. WO 2009115851, A41D 13/002, 2009-09-24). Микрокомпрессор создает воздушные потоки, которые изолируют или охлаждают отдельные участки тела оператора, система управления постоянно отслеживает температуру отдельных участков и обеспечивает перераспределение потоков сжатого воздуха с целью ее поддержания на заданном уровне.
К недостаткам известной системы следует отнести пассивный характер регулирования температуры, что не позволяет сгладить резкие перепады. Кроме того, программа процессора ориентирована на постоянное поддержание оптимальной температуры тела, что приводит к значительному расходу энергии, а значит, и к большому весу аккумуляторных батарей.
Наиболее близкой к предложенной является одежда из многослойной ткани, между слоями которой расположены нагревательные и охладительные элементы (см. WO 2009115851, A41D 13/002, 2001-04-24). Одежда рассчитана на экстремальные условия применения, в которых человек не может находиться длительное время (при наступлении термодинамического равновесия). А постоянное охлаждение или нагрев сопряжены со значительным расходом энергии.
Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является снижение расхода энергии, потребляемой одеждой, при сохранении комфортных ощущений от ее использования и безопасности при ее ношении. Дополнительным результатом от использования одежды является возможность дозирования тренирующих, закаливающих нагрузок.
Указанный результат достигается тем, что в одежде, обеспечивающей комфорт, безопасность и низкое потребление энергии и содержащей наружную и внутреннюю оболочки, между которыми расположены дополнительные средства термоизоляции, нагрева и охлаждения, а также систему управления температурой, выходы которой подключены к дополнительным средствам нагрева и охлаждения, система управления температурой выполнена с возможностью прогнозирования и компенсации быстрых перепадов температуры, возникающих между телом человека и окружающей средой, а ее третий выход соединен со средством термоизоляции.
Иными совами, предлагаемая одежда, как и известная, является многослойной и содержит, по меньшей мере, две оболочки - наружную и внутреннюю.
Между оболочками располагаются дополнительные слои, камеры с воздухом, в том числе подкачиваемые (т.е. средства термоизоляции), мембраны, нагревательные и охладительные элементы по отдельности и в сочетаниях. И хотя в описании известного решения дополнительные средства термоизоляции (дополнительные - значит не относящиеся к оболочкам, промежуточные) в явном виде не упомянуты, к ним можно отнести промежуточные слои многослойной ткани.
Предлагаемая одежда содержит также систему управления температурой, которая может быть выполнена в виде группы первичных преобразователей температуры (они могут располагаться на внутренней и внешней поверхности одежды в нескольких характерных точках), подключенных к процессору, управляющему работой нагревательных элементов, охладителей и средства термоизоляции, например, группы поддуваемых камер.
При этом процессор выполнен с возможностью определения градиента температуры между телом человека и окружающей средой или между внутренней и внешней поверхностью одежды на основании выходных сигналов первичных преобразователей, расчета, прогнозирования характера изменения температуры на внутренней поверхности одежды при текущих ее параметрах (характеристиках, состоянии) и управления средствами нагрева (охлаждения) и термоизоляции в соответствии с алгоритмом, обеспечивающим компенсацию наиболее быстрых, резких, «высокочастотных» колебаний температуры внутренних слоев одежды или тела человека и «пропускание» медленных, низкочастотных составляющих температурных колебаний, «недокомпенсацию» постоянной составляющей разницы температур тела и окружающей среды. При этом постоянную времени средств нагрева и охлаждения выбирают менее постоянной времени «высокочастотных» колебаний температуры, что обеспечивает их компенсацию. Что в данном случае считать высокочастотными, а что низкочастотными колебаниями, определяется исключительно усредненным или индивидуальным ощущением дискомфорта, возникающим при быстрых перепадах температуры кожи или степенью тренировочного воздействия, которое необходимо оказать на организм. Последнее определяется двумя факторами: величиной и скоростью изменения пропускаемого одеждой перепада температуры и величиной остаточного, нескомпенсированного перепада.
Система управления температурой включается на короткое время при возникновении градиента температуры достаточной величины и отключается после компенсации резкого перепада, после чего работает только средство термоизоляции.
На фиг.1 показана схема предлагаемой одежды, на фиг.2 - временная диаграмма ее работы.
Одежда (фиг.1) состоит из многослойной оболочки 1, на внутренней поверхности которой размещены первичные преобразователи температуры 2, а на наружной - первичные преобразователи температуры 3. Оболочка 1 включает слои 4-9: 4 - наружная оболочка, 9 - внутренняя оболочка, 8 - слой с подогревом, например с электроподогревом, 7 - охлаждаемый слой, например, путем прокачки хладагента, 6 - вентилируемая камера для удаления конденсата, 5 - камера переменной толщины (за счет поддува сжатым воздухом или изменения размера встроенных элементов).
Выход источника хладагента 10 подключен к трубкам охлаждаемого слоя 7, выход компрессора 11 - к патрубкам подачи сжатого воздуха камеры переменной толщины 5 и вентилируемой камеры 6, а входы источника хладагента 10 и компрессора 11 - к соответствующим выходам процессора (контроллера) 12. Третий выход процессора 12 соединен с элементами подогрева слоя 8.
Работу устройства поясним на примере переходов из помещения с комнатной температурой (18°С) в помещение с повышенной температурой (32°С) и от комнатной к наружной, пониженной (-5°С). Кривая 13 на фиг.2 показывает, как менялась бы температура внутренней поверхности многослойной оболочки 1 после скачка температуры на ее наружной поверхности от 18 до 32°С. При этом здесь и далее не учитывается генерация тепла человеческим организмом или его способность к самоохлаждению. Из рассмотрения фиг.2 видно, что на начальном этапе происходит наиболее быстрое изменение температуры, ее резкий рост. Это вызывает ответную реакцию организма: повышение давления, учащение пульса, потоотделение, стресс, что готовит организм к перегреву, но вызывает чувство дискомфорта.
Соответственно кривые 14 и 15 показывают две возможных реакции системы управления в предлагаемом техническом решении. Предположим сначала, что градиент температуры, зафиксированный первичными преобразователями температуры 2, 3 и измеренный процессором 12, составляет 32-18=14°C. Тепловой расчет многослойной оболочки 1 в процессоре 12 показывает, что прогнозируемая скорость изменения температуры на начальном участке выше приемлемой, комфортной величины. Далее процессор 12, управляя источником хладагента 11 (нагнетая хладагент в охлаждаемый слой 7), вентилируя камеру 6 и регулируя (уменьшая) толщину камеры 5, сглаживает эти высокочастотные составляющие кривой температурного режима и приводит последнюю к виду 15 или 16 в зависимости от выбранного режима работы. Это оказывается возможным благодаря наличию средств контроля температуры (первичных преобразователей температуры 2, 3), средств прогнозирования и управления (процессора 12) и средств изменения температуры (источника хладагента 10 и компрессора 11).
Пусть теперь градиент температуры, зафиксированный первичными преобразователями температуры 2, 3 и измеренный процессором 12, составляет 18+5=23°С. Процессор 12 действует по тому же алгоритму: прогнозирует (производя тепловой расчет многослойной оболочки 1) скорость изменения температуры на начальном участке (кривая 16), определяет, что она выше приемлемой, комфортной величины и включает систему компенсации быстрых перепадов температуры, возникающих между телом человека и окружающей средой, то есть в данном случае на короткое время включает нагревательные элементы, размещенные в слое 8, и включает компрессор 11, подающий сжатый воздух в камеру переменной толщины 5, выполняющую в данном варианте роль средства термоизоляции. Если сглаживание, т.е. переход от кривой 16 к кривым 17, 18, может быть осуществлено только за счет увеличения объема камеры переменной толщины 5, процессор 11 не включает нагревательные элементы, размещенные в слое 8.
В качестве средств нагрева, охлаждения и термоизоляции может использоваться подкачка воздуха, теплого, охлажденного или с температурой окружающей среды соответственно. Но лучший результат получается при использовании мембраны (слоя с малой теплоемкостью и малой постоянной времени разогрева), которая динамично меняет свою температуру в соответствии с импульсными внешними воздействиями и перепадами температуры, создавая наиболее комфортную обстановку для сенсоров человеческой кожи под управлением процессора (контроллера) с термодатчиками (первичными преобразователями температуры) и с возможностью всевозможных индивидуальных подстроек, включая режим закаливания и плавного изменения глубины компенсации - вплоть до выключения такой защитной функции.
Измерение наружной температуры необходимо проводить именно на наружной поверхности одежды, поскольку быстро меняющийся градиент температуры между внешним и внутренним слоем одежды возникает не только вследствие изменения окружающей температуры, но и характеристик теплообмена (например, при увеличении влажности с переходом в другое, такое же холодное, помещение, охлаждение увеличивается, как и при прохождении мимо вентилятора, тогда как солнце и излучение от отопительных агрегатов, наоборот, дополнительно прогревают поверхности независимо от окружающей температуры).
Целесообразно использовать перестраиваемую теплопроводность слоев одежды, например, наличие наполнителя с низкой теплопроводностью (синтетический пух и т.п.) между двумя плотными слоями позволяет существенно менять теплопроводность такого пирога, просто смыкая эти слои каким-либо внешним давлением (хотя бы в ограниченном количестве точек соприкосновения), или наоборот, позволяя наполнителю расправиться, отдаляя слои и образуя "термос".
Еще раз необходимо подчеркнуть, что в предложении используется именно особенность восприятия человеком температуры - когда регистрируются именно относительные перепады (даже очень небольшие - в доли градуса), тогда как к медленным изменениям даже в 10 и более градусов адаптация происходит почти незаметно. Позволяя, несмотря на наличие одежды, самому организму осуществлять такую адаптацию в требуемом широком диапазоне, мы существенно снижаем риск заболеваний и добиваемся эффекта закаливания.
Таким образом, предлагаемая одежда содержит систему управления температурой, которая не пропускает (активно компенсирует, сглаживает) быстрые колебания температуры внутренних слоев, прилегающих к телу человека, обеспечивая в результате комфортное для рецепторов медленное изменение температуры, мало зависящее от быстрых перепадов характеристик окружающей среды. Поскольку описанная система компенсации перепадов температуры работает только при возникновении градиентов температуры выше определенной величины, то есть не осуществляет постоянную компенсацию разницы температур (постоянно работает только перестраиваемое средство термоизоляции, например), расход энергии в предложении существенно ниже, чем в известных решениях, в то время как безопасность и ощущение комфорта практически те же. Тем не менее, это не исключает возможность, например, в аварийной ситуации, при опасности переохлаждения, а также в случае ранения и т.п. переключения одежды в специальный режим с использованием всех энергетических ресурсов для поддержания заданной температуры.