КУРТКА С АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ

Полезная модель относится к легкой промышленности, а именно к производству специальной теплозащитной одежды с «умными» функциями терморегуляции и может быть использована для обеспечения стабильной работоспособности человека в условиях низких температур длительное время.
Существуют различные разработки защитной одежды пассивного типа, которая проектируется на заданные условия холода. Все они основаны на расчетных параметрах толщины одежды из совокупности текстильных материалов с определенными теплофизическими характеристиками. Однако при воздействии ветра, движении и давлении самого человека на одежду расчетное тепловое сопротивление одежды снижается и не обеспечивает человеку стабильные комфортные условия. Для устранения таких рисков разработаны различные конструкции специальной электрообогреваемой одежды.
Известна конструкция обогреваемой одежды (патент DE 102011007419 F1 2012.10.18, A41D 13/005, 2011), включающая систему нагревательных элементов, представляющих собой параллельно закрепленные токопроводящие нагревательные кабели, соединенные в один узел, оснащенный сенсором температуры и сенсором ускорения, обеспеченные батареей питания. Принцип работы нагревательной системы элементов такой одежды основан на равномерной подаче тепла по поверхности элемента одежды в зависимости от установленного порога температуры и отключении источника нагревания в случае увеличения скорости движения человека относительно зафиксированной в первоначальный момент подачи тепла.
Предлагаемая система обогрева одежды обеспечивается посредством корреляции скорости перемещения человека и мощности нагрева токопроводящих элементов. При этом перемещение человека в такой одежде не подразумевает использование вспомогательных опорных движущихся поверхностей (типа эскалаторов, транспортных средств и т.п.), а учитывает только пешеходное движение, что приводит к некорректному режиму обогрева человека при непрерывном применении одежды в различных условиях передвижения. А общий режим обогрева всей поверхности тела человека выполнен без учета физиологических различий локальной температуры отдельных частей тела и формирует участки избытка или недостатка тепла, что приводит к дискомфорту и недостаточной эффективности энергообеспечения такой системы.
Для повышения эффективности предложена конструкция автономной одежды с активным тепловым контролем и питанием от солнечных батарей (патент ЕР 1679984 B1, A41D 13/05, 2008), основанная на применении эффекта Пельтье. Предлагаемая куртка оснащена системой токопроводящих каналов, расположенных в виде сетки, в узлах которой встроены ячейки Пельтье, преобразующие электрическую энергию в тепловую, где электрическая энергия получена от солнечных батарей, покрывающих большую часть поверхности одежды, соединенных с блоком сопротивления и контроллером.
Однако количество подаваемого тепла напрямую зависит от погодных условий, что представляет собой большую проблему при применении данной разработки в непрерывном режиме при различных условиях солнечной освещенности. Также не учтены физиологические особенности топографии тела человека, требующие обогрева с разной степенью интенсивности.
Известно, что температура комфортного состояния под одеждой определяется общими физиологическими нормами и особенностями топографии тела человека, требующими обогрева с разной степенью интенсивности отдельных зон в зависимости от физиологических различий в локальной температуре комфорта тела человека. (Сапин М.Р. Никитюк Д.Б. Нормальная и топографическая анатомия человека. В 3х томах: Учебник для студ. мед. вузов. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 448 с.)
На решение проблемы обеспечения неравномерного обогрева одежды направлено изделие для обогрева тела и конечностей человека посредством использования теплоизоляции с постепенно изменяющимися свойствами (патент RU №2441948). Изделие представляет собой конструкцию, выполненную из текстильных материалов, содержащих материал с градацией термических свойств и волокно без градации термических свойств, смешанное с волокном с градацией термических свойств таким образом, чтобы текстильный материал отвечал различным требованиям к теплоизоляции тела и конечностей человека. Данная конструкция обеспечивает линейно изменяющиеся теплоизоляционные свойства ткани, содержащей группы и/или схемы укладки различных типов, различного количества и качества текстильных материалов: тканных и/или не-тканных материалов, обладающих ступенчато или постепенно изменяющимися теплоизоляционными свойствами, и переходы от одних групп и/или схем укладки к другим.
Недостатком данного технического решения является то, что фактическое обеспечение теплом человека в различных зонах в заданный момент времени зависит только от резерва физического строения ткани, при этом не учитывается собственная теплопродукция человека. Данная разработка является пассивной, т.к. не имеет никаких элементов управления и реагирования на изменения в системе «человек-одежда-среда».
Наиболее близким решением, является куртка с нагревательным элементом, описанная в патенте RU №137805. Куртка с нагревательным элементом содержит основные составные части: греющие инфракрасные модули; соединительный шнур электропитания; распределительный элемент; электрический соединитель (штекер); зарядное устройство с батареей; кармашки для греющих инфракрасных модулей; кармашки для зарядного устройства с батареей. При этом греющий инфракрасный модуль, на который подается напряжение, излучает инфракрасные лучи с длиной волны 6-15 мкм, проникающие внутрь тела человека. Регулировка температурного нагрева имеет пять установленных режимов.
К недостаткам данного решения следует отнести отсутствие в конструкции куртки возможности автоматического регулирования тепловых режимов в зависимости от конкретного сочетания факторов среды и физиологической активности человека. Изменение интенсивности подачи тепла в данной куртке установлено в ограниченных интервалах и регулируется вручную. Это приводит к затяжным периодам охлаждения и/или перегрева, и, как следствие, к неэффективному расходованию энергии. Также не учтены физиологические особенности топографии тела человека, требующие обогрева с разной степенью интенсивности. Кроме того, инфракрасные модули, используемые в качестве источников обогрева, обладают свойством глубокого проникновения излучения в ткани человека и имеют физиологические ограничения по времени непрерывного использования.
Технической задачей данной полезной модели является создание конструкции специальной теплозащитной одежды - куртки со встроенной системой обогрева и «умными» функциями терморегуляции для комфортной работы в условиях низких температур, обеспечивающей создание пододежного микроклимата человека в автоматическом режиме на основе непрерывного мониторинга и неравномерной подачи тепла в различные зоны куртки в зависимости от особенностей внутренней общей и локальной теплопродукции человека, интенсивности его деятельности.
Эта задача решается посредством предлагаемой конструкции куртки с автоматической системой терморегуляции, состоящей из деталей переда, спинки, рукавов с манжетами и регулирующими хлястиками, карманов, воротника и съемной утепляющей подкладки. Подкладка оснащена системой автоматического обогрева и включает нагревательные элементы со встроенными сенсорами температуры, контроллер, датчики частоты сердечных сокращений, расположенные на внутренних поверхностях манжет рукавов и воротника и датчик температуры внешней среды, размещенный на внешнем хлястике манжеты рукава. Энергоснабжение осуществляется съемными батареями с общей кнопкой запуска/отключения, размещенными во внутреннем кармане подкладки с термоизолирующей отражательной защитной прокладкой, направленной к внешней стороне куртки. Все элементы системы связаны с контроллером, причем подача напряжения на нагревательные элементы производится с неравномерной интенсивностью в зависимости от физиологических различий локальной температуры комфорта частей тела человека и интенсивности его деятельности.
Преимущество данного технического решения состоит в том, что в отличие от известных решений, где используется нерегулируемый обогрев или обогрев, регулируемый вручную, разработана активная ("умная") одежда, в которую внедрены источники тепла, управляемые в автоматическом режиме.
Отличительной особенностью нового решения является активное регулирование теплового баланса пододежного пространства на основе информации о распределении температуры на поверхности тела человека с учетом локализации теплотворных органов и его физической активности. С помощью математической модели и экспериментальных исследований для конкретных температурных условий внешней среды, описывающей процессы теплообмена человека со средой через слои теплозащитной одежды со встроенной системой обогрева, произведен расчет локального распределения мощностей нагревательных элементов, встроенных в куртку. Полученные данные послужили основой для разработки принципиальной схемы конструктивного решения «умной» одежды и установления температурного и совокупного климатического индекса, которому соответствует показатель комфортности представленной схемы терморегуляции в одежде.
Технический результат предлагаемой конструкции терморегулируемой куртки заключается в создании комфортных условий для обеспечения стабильной работоспособности человека в условиях низких температур. Предлагаемая куртка «приспосабливается» к окружающим условиям и эффективна в широком интервале температур от +10°С до -50°С, обеспечивая создание пододежного микроклимата человека в автоматическом режиме за счет неравномерной подачи тепла в различные зоны куртки, на основе результатов непрерывного мониторинга внутренней локальной температуры различных частей тела человека, интенсивности его деятельности и внешней температуры.
Предложенная конструкция терморегулируемой куртки поясняется чертежами. Фиг. 1а - Схематическое изображение модели терморегулируемой куртки и Фиг. 1б - Функциональная схема автоматической системы обогрева, где 1 - нагревательный элемент со встроенным сенсором температуры; 2 - контроллер; 3 - датчик частоты сердечных сокращений; 4 - датчик температуры внешней среды; 5 - батареи энергоснабжения системы. Фиг. 2 - Схема расположения нагревательных элементов на деталях куртки. Фиг. 3 - Схема локального распределения мощностей нагревательных элементов на куртке.
Эскиз модели куртки предлагаемой конструкции показан на Фиг. 1а. Куртка зимняя с автоматической системой терморегуляции из синтетической курточной ткани с составом волокон из 100% полиэфира, утепленная синтетическим утеплителем и электроподогревом. Выполнена прямым силуэтом большого объема с втачным покроем рукава и центральной застежкой на тесьму «молния». Объем переда регулируется с помощью потайной кулисы по линии талии. Застежка центральная на разъемную тесьму «молния», формы «тракторная», с ветрозащитной внешней планкой до верха воротника, фиксируемая деталями застежки Velkro. Рукав втачной с налокотником, низ рукава на манжете, регулируемой с помощью хлястика с Velkro.
Куртка выполнена с отстегивающейся утепляющей подкладкой-подстежкой со встроенной системой обогрева (Фиг. 16). Схема расположения нагревательных элементов со встроенными сенсорами температуры 1 на деталях куртки представлена на Фиг. 2. Все нагревательные элементы 1 системы связанны с контроллером 2. На внутренних частях воротника и манжет закреплены датчики частоты сердечных сокращений 3, контролирующие интенсивность физической активности человека, а на хлястике манжеты одного из рукавов закреплен датчик температуры внешней среды 4, изолированный текстильной патой от внешнего охлаждения. Энергоснабжение системы обогрева куртки обеспечивается съемными батареями 5, размещенными во внутреннем кармане подкладки куртки, изолированном со стороны внешней среды слоем отражательного синтетического утеплителя для сохранения емкости батарей и защиты их от воздействий внешней низкой температуры.
Оперативная терморегуляция пододежного пространства решается с помощью встроенных в куртку 12 нагревательных элементов (Фиг 2) и приводится в активное состояние кнопкой А, размещенной во внутреннем кармане подкладки. Текущим запуском и отключением системы обогрева непрерывно управляет контроллер 2 в зависимости от напряженности организма человека, определяемой средними показаниями частоты сердечных сокращений, контролируемых датчиками 3 в трех местах контакта с телом на внутренних поверхностях манжет рукавов и воротника, от средней температуры, установленной сенсорами нагревательных элементов 1, от температуры внешней среды, контролируемой соответствующим датчиком 4, встроенным на внешнем хлястике манжеты одного рукава.
В предлагаемой конструкции нагревательные элементы, в частности, представляют собой специальное текстильное полотно, выполненное из мягких теплопроводящих полимерных волокон с частичной металлизацией, оснащенных встроенными микросенсорами температуры, расположенными на расстоянии 5,0 мм друг от друга по всей длине нитей-проводников, передающих информацию на контроллер о величине температуры во всех участках под одеждой. Отдельный канал непрерывной передачи данных об интенсивности деятельности человека передает на контроллер 2 информацию о соответствующем среднем значении частоты сердечных сокращений (ЧСС), мониторинг которой производится с помощью трех встроенных датчиков 3 на внутренних поверхностях манжет рукавов и стойки воротника куртки. Итоговое значение порога температуры комфорта под одеждой (К) определяется уравнением корреляции, полученным на основе математического моделирования процессов тепломассообмена, и зависит от средней текущей величины ЧСС человека, характеризующей уровень физиологической напряженности:
2
К=32,5832-0,04796859⋅(-0,00347⋅(ЧСС)+2,98306⋅(ЧСС)-261,81916).
Данное значение находится в режиме непрерывного сравнения с величиной фактического значения средней температуры с 12-ти участков пододежного пространства (Т). При условии Т<К, где К=f (ЧСС) производится запуск системы обогрева.
Мощность нагревательных элементов, расположенных на различных деталях куртки (Фиг. 2) имеет локальное значение в зависимости от физиологических особенностей теплотворной деятельности организма человека и температуры внешней среды, контролируемой и передаваемой к контроллеру с датчика температуры внешней среды 4, размещенного на хлястике манжеты одного из рукавов куртки.
На Фиг. 3 представлен один из вариантов режима подачи тепла на различные участки обогрева куртки, полученный на основе математического моделирования и экспериментальных исследований для конкретных температурных условий внешней среды.
Таким образом, предложенная модель куртки позволяет обеспечить человека, находящегося в условиях низких температур, своевременным нормированным количеством тепла в отдельных участках изделия с учетом физиологических различий локальной температуры комфорта частей тела человека, за счет непрерывного получения информации о распределенной температуре под одеждой, его физиологической напряженности и внешних температурных условий, опираясь на требуемые в совокупных условиях параметры температурного комфорта.
Эффективность терморегуляции и обогрева куртки достигается тем, что количество нагревательных элементов, размеры, схема размещения и мощность обоснованы физиологическими и эргономическими особенностями тела человека, приведенными к функции корреляции управляющих команд работы системы обогрева, где учитываются различия в локальной температуре комфорта для отдельных частей тела человека и его физиологическая напряженность.