ГОЛОВНОЙ УБОР С ПОДДЕРЖАНИЕМ БЛАГОПРИЯТНОГО МИКРОКЛИМАТА ВО ВНУТРЕННЕМ ОБЪЕМЕ
HEADGEAR MAINTAINING FAVOURABLE MICROCLIMATE IN INNER VOLUME

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к головным уборам (включая защитные приспособления для головы), обеспечивающим благоприятный микроклимат во внутреннем объеме головного убора (защитного приспособления).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Тело человека постоянно генерирует тепловую энергию, которую необходимо отводить в окружающую среду. В условиях жаркой погоды организм подвергается дополнительному нагреву за счет высокой температуры окружающей среды и воздействия солнечного излучения, что повышает нагрузку на терморегулирующие системы организма. Традиционные головные уборы обеспечивают защиту от солнечного излучения и отчасти от повышенной температуры окружающей среды, что однако затрудняет отвод собственного тепла тела.
Был предложен ряд устройств, работающих по принципу теплового насоса (как правило, на основе термоэлектрических явлений, например, эффекта Пельтье) для дополнительного охлаждения тела человека: в головной убор встроен тепловой насос, причем его холодная сторона обращена к телу человека, а горячая - наружу, в окружающую среду. Для улучшения теплообмена на холодной и (или) горячей стороне, как правило, предусматривают теплообменники (обычно из металла с большой площадью поверхности благодаря оребрению), а также иногда вентиляторы.
Недостатком существующих устройств является то, что они не дают оптимального решения основной задачи - создания благоприятного микроклимата при умеренной массе головного убора и надежной работе устройства.
Так, во многих устройствах использовано контактное охлаждение. Например, патент US 4551857 А предусматривает прямой контакт холодной металлической полосы со лбом пользователя. В патенте ЕР 0050473 А2 с телом человека контактируют холодные стороны элементов Пельтье либо теплопроводящие трубки (heat pipes). Однако большая часть головы у большинства людей покрыта волосяным покровом, и контакт с небольшой площадью (лоб) либо не обеспечивает значимого охлаждения, либо - при очень низкой температуре охлаждающей поверхности - может быть вреден для здоровья.
В патенте US 9175887 в качестве теплообменника с холодной стороны предложено использовать графитовую ткань. Однако в данном случае площадь контакта охлаждающей поверхности с кожей пользователя может меняться в широких пределах, так как у разных людей (а также у одного человека в зависимости от стрижки) волосяной покров может быть разным - от полного отсутствия до очень густого покрова. Условия охлаждения на участках, где прямой контакт есть, существенно отличаются от условий охлаждения на участках, где прямого контакта охлаждающей поверхности с кожей пользователя нет. Результатом являются неравномерное охлаждение и, возможно, вред для здоровья.
Еще один недостаток контактных устройств заключается в том, что при отключении питания модуля Пельтье контактирующая с кожей поверхность может нагреваться за счет естественного переноса тепла с горячей стороны на холодную, что может создавать неприятные ощущения или повреждать кожу пользователя.
Бесконтактное охлаждающее устройство описано в патенте RU 2235490 С1 (по данному признаку это устройство является наиболее близким аналогом изобретения): термоэлектрическое устройство, в данном патенте названное «термобатареей», размещено между слоями двухслойной шляпы-сомбреро. Одним из недостатков данного устройства является отсутствие теплообменников на горячей и холодной стороне термобатареи.
Для эффективной работы термоэлектрического устройства обычно необходимы эффективные теплообменники с холодной и горячей стороны (как правило, металлические с большой площадью поверхности), что увеличивает массу головного убора. В некоторых устройствах (см., например, патент US 7571615) для охлаждения теплообменника на горячей стороне термоэлектрического устройства используется вентилятор. Это дает возможность использовать теплообменник меньшего размера и массы, однако наличие движущихся деталей снижает надежность, особенно в условиях, когда в окружающей среде присутствуют пыль или влага, а также ухудшает эстетические свойства головного убора.
Наличие массивных деталей требует прочной несущей конструкции головного убора. Прочные элементы несущей конструкции вносят дополнительный вклад в общую массу головного убора.
Задача изобретения - создание однородного благоприятного микроклимата во внутреннем объеме головного убора без угрозы для здоровья при умеренной массе головного убора и надежной работе устройства.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поставленная задача решается путем использования головного убора, снабженного одним или несколькими тепловыми насосами, на холодной и горячей стороне которых предусмотрены теплообменники, причем теплообменники горячей или холодной стороны либо обеих сторон совмещены с несущей конструкцией головного убора и путем создания зазора между головой пользователя и теплообменниками. Данная конструкция также может быть использована для защиты головы от механических воздействий. Под «стороной» здесь понимается часть теплового насоса, предназначенная для теплопередачи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры возможных вариантов реализации данного изобретения показаны на рис. 1 и рис. 2.
На рис. 1 показан схематичный разрез головного убора с охлаждающим устройством в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения.
На рис. 2 показан схематичный разрез головного убора с охлаждающим устройством в соответствии с другим возможным вариантом реализации настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Согласно одному варианту реализации изобретения, схематично показанному на рис. 1, несущая конструкция 1 головного убора выполнена из материала с высокой теплопроводностью либо имеет части, обращенные к голове пользователя, из материала с высокой теплопроводностью. Приспособления 2 создают зазор между несущей конструкцией 1 и головой пользователя (не показана), обеспечивая при этом свободный теплообмен между головой и несущей конструкцией 1.
Снаружи несущая конструкция 1 отделена от окружающей среды материалом 3 с низкой теплопроводностью. В материале 3 предусмотрен проем для установки теплового насоса 4, холодная сторона которого находится в тепловом контакте с несущей конструкцией 1 либо с ее частями, имеющими высокую теплопроводность. В тепловом контакте с горячей стороной теплового насоса 4 находится теплообменник 5. Для защиты от прикосновений к горячему теплообменнику 5 предусмотрено устройство 6, обеспечивающее свободную циркуляцию воздуха, но не допускающее прямого контакта с горячим теплообменником 5. Устройство 6 может быть выполнено в виде сетки или в ином виде, обеспечивающим выполнение указанной функции. Для снабжения энергией теплового насоса может быть использована аккумуляторная либо солнечная батарея (на рисунке не показана) либо иной источник питания.
Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения, схематично показанному на рис. 2, несущая конструкция 1 головного убора выполнена из материала с высокой теплопроводностью либо имеет внутренний слой из материала с высокой теплопроводностью. Приспособления 2 создают зазор между несущей конструкцией 1 и головой пользователя (на рисунке не показана), обеспечивая при этом свободный теплообмен между головой и несущей конструкцией 1.
Снаружи несущей конструкции 1 расположен материал 3 с низкой теплопроводностью. В материале 3 предусмотрен проем для установки теплового насоса 4, холодная сторона которого находится в тепловом контакте с несущей конструкцией 1 либо с ее частями, имеющими высокую теплопроводность. В тепловом контакте с горячей стороной теплового насоса 4 находится теплообменник 5, форма которого похожа на форму несущей конструкции 1. Таким образом, наружная поверхность несущей конструкции 1 и внутренняя поверхность теплообменника 5 полностью разделены материалом с низкой теплопроводностью 3. Теплообменник 5 также может участвовать в обеспечении прочности головного убора вместе с несущей поверхностью 1. Для снабжения энергией теплового насоса может быть использована аккумуляторная либо солнечная батарея (на рисунке не показана) либо иной источник питания.
Согласно еще одному варианту реализации (на рисунках не показан) с несущей конструкцией головного убора совмещен теплообменник, находящийся в тепловом контакте с горячей стороной теплового насоса.
Настоящее изобретение также может быть использовано в качестве средства защиты головы от механических воздействий (в качестве каски, шлема).
При отключении питания изобретение функционирует как обычный головной убор.
При работе теплового насоса в обратном направлении (при противоположном направлении теплового потока, создаваемого тепловым насосом) изобретение может быть использовано для обогрева.
Головной убор также может иметь средства защиты от солнца (козырек, поля) и прочие необходимые части (на рисунках не показаны).
Изложенные выше варианты реализации изобретения имеют не ограничительный, а лишь иллюстративный характер, и возможны другие реализации настоящего изобретения без отступления от его сущности и объема.