一种多功能箱式人体冷却装置

技术领域

本发明涉及人体热防护技术和制冷技术。

背景技术

人在高温环境下工作或活动时，常常会受到热应激的威胁。热应激不仅会影响工作效率，使人的注意力和警觉性下降，动作灵活性和相互协调性降低，受伤和事故的发生机率大大增加，还极易出现恶心、头晕、呕吐、脱水等热应激或中暑的典型反应，严重时会造成热休克甚至死亡。减轻人员热应激的方法通常有两个：一是对人活动的整个空间进行空调冷却，二是对人体微环境进行冷却。对于密闭的房间通常可以进行空调冷却，但是对于室外大空间，以及当所处密闭空间的隔热性较差、发热源较多时，安装空调的能耗大且冷却效果不显著，此时就只能采取对人体进行微环境冷却的方法。

微环境冷却是指仅对人体皮肤表面与服装之间的衣内微环境进行冷却，使衣内的微气候，如温度、湿度、气流速度等符合人体生理舒适性要求。在过去的几十年里已经发展了多种微环境冷却系统，按照原理的不同分为相变式、液冷式和直接蒸发式微环境冷却系统等。相变式微环境冷却系统是在人体穿着的服装里填充相变温度和人体较接近的相变材料，通过相变材料融化时温度保持不变的特性来维持人体表面的温度，但由于相变材料的融化潜热有限，每次只能使用一两个小时就会全部融化，且每次使用前都要先将相变材料通过制冷的方法凝固并隔热保存，准备时间较长，因此应用受到限制。直接蒸发式微环境冷却系统是将制冷系统的蒸发器盘管直接置于人体穿着的服装内层，通过制冷剂在蒸发盘管内的直接蒸发来对人体进行降温，这种方式在实际使用时具有蒸发温度难以精确控制、容易将人冻伤、制冷剂压力高、对人体不安全等缺点，因此应用同样受到限制。液冷式微环境冷却装置即液冷服，它是一种在衣物的内表面缝有细小水管的防护服，通过使冷水在水管中循环，以带走人体代谢热及环境热。根据其冷水的来源通常又分为被动式和主动式两种：被动式的冷源通常是来自于冰块融化所产生的冷水，使用前要提前备好冰块，和相变式一样属于不具备自主冷源的微环境冷却系统；主动式是通过制冷的方式将冷水降温，然后将冷水输送到液冷服中，这种方式只要有电能就可以工作，不需要提前准备冰块，是目前主流的液冷式微环境冷却系统形式。但目前已有的液冷式微环境冷却系统存在诸多缺点，例如：水路系统是封闭的，加水和排气不方便；系统中循环的水量较少，漏热量大，水温不够恒定；使用前准备工作时间长，使用较为繁琐；功能单一，只能实现对人体进行冷却，不能兼做其它用途；装置重量大、不方便移动等。因此亟待改进。

发明内容

本发明针对现有的液冷式微环境冷却系统存在的水循环量较少、加水和排气不方便、功能单一、不方便移动等问题，提出了一种多功能的箱式人体冷却装置。

本发明所述的箱式人体冷却装置由可移动的且可制取冷水的冷水箱、与冷水箱相连接的水冷服、直流电源组成。使用时，在所述冷水箱中盛装适量的水，通过使所述冷水箱中的冷水在所述水冷服中循环流动，可以带走穿着水冷服的人体表面的热量。

所述冷水箱包括箱体、箱盖、铰链、脚轮、伸缩拉杆、控制面板、直流电源端子、出水阀、回水阀、排水阀，以及安装在箱体内部的微型直流制冷压缩机、冷凝器、风扇、节流元件、蒸发器、微型泵、单向阀、控制器及温度传感器。

所述箱盖通过所述铰链与所述箱体铰接并可以自由开启，所述脚轮安装于所述箱体的底部，所述伸缩拉杆安装在所述箱体上并且其长度可以自由伸缩。

所述箱体由保温外壳、非保温外壳、中隔板、水箱内胆、发泡保温层构成。所述保温外壳和非保温外壳连接在一起，中间被所述中隔板隔开，所述保温外壳和非保温外壳共同构成所述箱体的外围护结构。所述水箱内胆位于所述保温外壳的内部，所述水箱内胆为向上敞口的容器，所述水箱内胆的敞口正好被所述箱盖盖住，箱盖通过所述铰链可以自由旋转打开。所述发泡保温层以多孔泡沫的形式填充在所述水箱内胆的外表面与所述保温外壳的内表面之间，以及所述水箱内胆的外表面与所述中隔板之间。

在所述箱体的保温外壳的正面开有排水孔，所述排水孔穿过保温外壳、发泡保温层、水箱内胆，与水箱内胆的内部连通，所述排水阀安装在所述箱体正面且位于所述排水孔中。

在所述箱体的中隔板的底部开有内胆回水孔、内胆出水孔以及测温孔，所述内胆回水孔、内胆出水孔、测温孔穿过中隔板、发泡保温层与水箱内胆，与水箱内胆的内部连通。所述温度传感器安装在所述测温孔中，温度传感器的一端伸入水箱内胆中以感测水箱内胆中的水温，温度传感器的另一端堵住所述测温孔以防止水从测温孔中泄露。

在所述箱体的非保温外壳的上部开有控制面板安装孔，在所述控制面板安装孔中安装有所述控制面板；在所述箱体的非保温外壳的侧面开有一个或多个进风口；在所述箱体的非保温外壳的背面开有电源端子安装孔，在电源端子安装孔中安装有所述直流电源端子，所述直流电源通过所述直流电源端子向所述箱体内部引入直流电，以分别供给所述控制器、控制面板、微型直流制冷压缩机、风扇、微型泵；在所述箱体的非保温外壳的背面设有一个或多个出风口；在所述箱体的非保温外壳的背面还开有出水阀安装孔和回水阀安装孔，在出水阀安装孔和回水阀安装孔中分别安装有所述出水阀和所述回水阀。

所述水冷服由水冷服进水快速接头、水冷服出水快速接头、水冷服进水管、水冷服出水管、水管保护套、服装织物层，以及附着在所述服装织物层的内表面上的微细水管所组成。所述微细水管通过缝线、粘贴等方式附着在所述水冷服的服装织物层的内表面上。所述水冷服进水快速接头、水冷服进水管、微细水管、水冷服出水管、水冷服出水快速接头依次相连。所述水管保护套为柔性且具有保温功能的管状材料，它套在水冷服进水管和水冷服出水管的外面，以保护内部的水冷服进水管和水冷服出水管不易折断并避免冷量损失。

所述出水阀和回水阀优选地为具有自动截止功能的阀门，当所述水冷服进水快速接头和出水阀对接时出水阀导通，当所述水冷服进水快速接头和出水阀脱离时出水阀自动截止。同样地，当所述水冷服出水快速接头和回水阀对接时回水阀导通，当所述水冷服出水快速接头和回水阀脱离时回水阀自动截止。

所述微型直流制冷压缩机具有压缩机吸气口和压缩机排气口，所述冷凝器具有冷凝器进口和冷凝器出口，所述节流元件具有节流进口和节流出口，所述蒸发器具有蒸发进口、蒸发出口、水侧进口、水侧出口；所述压缩机排气口、冷凝器进口、冷凝器出口、节流进口、节流出口、蒸发器的蒸发进口、蒸发器的蒸发出口、压缩机吸气口依次相连构成闭合的制冷回路，在制冷回路中充注有制冷剂。

所述蒸发器的水侧进口和所述回水阀相连，所述蒸发器的水侧出口和所述内胆回水孔相连。所述微型泵的泵入口和所述内胆出水孔相连，所述微型泵的泵出口和所述出水阀相连。在所述微型泵的泵出口与所述蒸发器的水侧进口之间还安装有单向阀，所述单向阀的安装方向使得水流只能由微型泵的泵出口流向蒸发器的水侧进口，且所述单向阀具有一定的开启压力阈值。当所述微型泵的泵出口处的水压高于单向阀的开启压力阈值时水流可由微型泵的泵出口直接流向蒸发器的水侧进口，当所述微型泵的泵出口处的水压低于单向阀的开启压力阈值时所述单向阀关闭。

所述风扇安装在所述非保温外壳的出风口处，空气由所述非保温外壳的进风口流入所述非保温外壳的内部后，须先流经冷凝器并带走冷凝器的热量后，再经由风扇、非保温外壳上的出风口而流出到所述箱体之外。

使用时，在所述水箱内胆里盛放适量的水，将所述直流电源连接至所述直流电源端子，并使所述水冷服进水快速接头和所述出水阀对接，所述水冷服出水快速接头和所述回水阀对接。使用所述控制面板向所述控制器发送运行指令，以启动所述微型直流制冷压缩机、风扇、微型泵运转。在所述微型制冷压缩机和风扇运转时，制冷剂在所述蒸发器中蒸发吸热，使流经蒸发器的水降温，并逐渐使水箱内胆内的水都变成冷水，此冷水被微型泵驱动而在水箱内胆和水冷服的微细水管之间不断循环，从而使穿着水冷服的人体被冷却。

本发明所述的箱式人体冷却装置由于采用隔热保温箱作为冷水的储存装置，具有加水方便、储水量较大、热损失小且无需排气的优点；采用以微型直流制冷压缩机为核心的蒸气压缩式制冷循环直接制取冷水，具有制冷量大，制冷效率高，设备紧凑的优点；可由电池供电，且自带脚轮和伸缩拉杆，方便移动式应用。在不连接所述水冷服时，所述冷水箱可以兼作其它多种用途：如可将瓶装或罐装饮料、瓜果蔬菜等放入其中进行冷却降温，可以作为低温水族箱用于对鱼类的暂养和转运，也可以作为科学实验用的恒温水槽，或更简单地，在不装水也不制冷时仅作为移动式储物箱使用等。

附图说明

图1是本发明所述的箱式人体冷却装置的组成示意图，其由冷水箱100、水冷服200和直流电源300三个部分组成。

图2是所述冷水箱的透视图（背面）。

图3是所述冷水箱的透视图（正面）。

图4是所述冷水箱的箱体外部结构示意图。

图5是所述冷水箱的箱体内部结构示意图。

图6是所述冷水箱的箱盖打开时的内部透视图。

图7是所述水冷服200的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种可移动的箱式人体冷却装置，其由可移动的且可制取冷水的冷水箱100、冷水箱相连接的水冷服200，以及直流电源300组成，通过使冷水箱100中的冷水在水冷服200中循环流动，可以带走穿着水冷服的人体表面的热量。

所述冷水箱100包括箱体1、箱盖2、铰链3、脚轮4、伸缩拉杆5、控制面板6、直流电源端子7、出水阀8、回水阀9、排水阀10（参见图2及图3），以及安装在箱体1内部的微型直流制冷压缩机11、冷凝器12、风扇13、节流元件14、蒸发器15、微型泵16、单向阀17、控制器18及温度传感器19（参见图5）。

所述箱盖2通过铰链3与所述箱体1铰接并可以自由开启，所述脚轮4安装于所述箱体1的底部，所述伸缩拉杆5安装在所述箱体1上并且其长度可以自由伸缩。

由图4和图5可见，所述箱体1由保温外壳1b、非保温外壳1c、中隔板1m、水箱内胆1d、发泡保温层1g构成。所述保温外壳1b和非保温外壳1c连接在一起，中间被所述中隔板1m隔开，所述保温外壳1b和非保温外壳1c共同构成所述箱体1的外围护结构。所述水箱内胆1d位于所述保温外壳1b的内部，所述水箱内胆1d为向上敞口的容器，且所述水箱内胆1d的敞口正好被所述箱盖2覆盖住，所述箱盖2通过所述铰链3可以自由旋转打开。所述发泡保温层1g以多孔泡沫的形式填充在所述水箱内胆1d的外表面与所述保温外壳1b的内表面之间，以及所述水箱内胆1d的外表面与所述中隔板1m之间。

如图5和图6所示，在所述箱体1的保温外壳1b的正面开有排水孔1p，所述排水孔1p穿过保温外壳1b、发泡保温层1g与水箱内胆1d，从而与水箱内胆1d的内部连通，所述排水阀10安装在所述箱体1的正面且位于所述排水孔1p中。

在所述中隔板1m的底部开有内胆回水孔1h、内胆出水孔1x以及测温孔1t，所述内胆回水孔1h、内胆出水孔1x、测温孔1t穿过所述中隔板1m、发泡保温层1g、水箱内胆1d，与水箱内胆1d的内部连通。所述温度传感器19安装在所述测温孔1t中，温度传感器19的一端伸入水箱内胆1d中以感测水箱内胆1d中的水温，温度传感器19的另一端堵住所述测温孔1t以防止水从测温孔1t中泄露。

如图4和图5所示，在所述箱体1的非保温外壳1c的上部开有控制面板安装孔1k，在所述控制面板安装孔1k中安装有所述控制面板6；在所述箱体1的非保温外壳1c的侧面开有一个或多个进风口1a；在所述箱体的非保温外壳1c的背面开有电源端子安装孔1y，在电源端子安装孔中安装有所述直流电源端子7，所述直流电源300通过所述直流电源端子7向所述箱体1内部引入直流电；在所述箱体1的非保温外壳1c的背面还设有一个或多个出风口1f；在所述箱体1的非保温外壳1c的背面还开有出水阀安装孔1s和回水阀安装孔1r，在出水阀安装孔1s和回水阀安装孔1r中分别安装有所述出水阀8和所述回水阀9。

由图7可见，所述水冷服由水冷服进水快速接头20、水冷服出水快速接头21、水冷服进水管22、水冷服出水管23、水管保护套24、服装织物层25，以及附着在服装织物层25的内表面上的微细水管26所组成。微细水管26通过缝线、粘贴等方式附着在水冷服的服装织物层25的内表面上。所述水冷服进水快速接头20、水冷服进水管22、微细水管26、水冷服出水管23、水冷服出水快速接头21依次相连。所述水管保护套24为柔性且具有保温功能的管状材料，它套在水冷服进水管22和水冷服出水管23的外面，以保护内部的水冷服进水管22和水冷服出水管23不易折断并避免冷量损失。

图7中仅示意画出了微细水管26的单一一个流路，但应理解，微细水管26的流路形式是灵活多变的，例如，它可以是由多个流路并联的形式，或是并联和串联的组合形式。

所述出水阀8和回水阀9为具有自动截止功能的阀门，当所述水冷服进水快速接头20和出水阀8对接时出水阀8导通，当所述水冷服进水快速接头20和出水阀8脱离时出水阀8自动截止。同样地，当所述水冷服出水快速接头21和回水阀9对接时回水阀9导通，当所述水冷服出水快速接头21和回水阀9脱离时回水阀9自动截止。

由图5可见，所述微型直流制冷压缩机11具有压缩机吸气口11a和压缩机排气口11b，所述冷凝器12具有冷凝器进口12a和冷凝器出口12b，所述节流元件14具有节流进口14a和节流出口14b，所述蒸发器具有蒸发进口15a、蒸发出口15b、水侧进口15c、水侧出口15d，所述微型泵16具有泵入口16a与泵出口16b。所述压缩机排气口11b、冷凝器进口12a、冷凝器出口12b、节流进口14a、节流出口14b、蒸发器15的蒸发进口15a、蒸发器15的蒸发出口15b、压缩机吸气口11a依次相连构成闭合的制冷回路，在制冷回路中充注有制冷剂。

所述微型泵16的泵出口16b与所述出水阀8相连，所述微型泵16的泵入口16a与所述内胆出水孔1x相连，所述内胆回水孔1h与所述蒸发器的水侧出口15d相连，所述蒸发器的水侧进口15c与所述回水阀相9相连。所述单向阀17安装在所述微型泵16的泵出口16b与所述蒸发器的水侧进口15c之间的管路上，所述单向阀17的安装方向使得水流只能由泵出口16b流向水侧进口15c，且所述单向阀17具有一定的单向开启压力阈值。当所述微型泵16的泵出口16b处的水压高于单向阀17的单向开启压力阈值时，例如当微型泵16在运转而出水阀8处于自动截止状态时，所述单向阀17开启，水流可由微型泵16的泵出口16b直接流向蒸发器的水侧进口15c，从而避免微型泵16因出口水压过高而损坏；当所述微型泵16的泵出口16b处的水压低于单向阀17的单向开启压力阈值时所述单向阀17关闭。

所述风扇13安装在所述箱体1的非保温外壳1c的出风口1f处，空气由所述非保温外壳1c的进风口1a流入所述非保温外壳1c的内部后，先流经冷凝器12并带走冷凝器12的热量后，再经由风扇13、出风口1f而流出到所述箱体1的非保温外壳1c之外。

使用时，在所述水箱内胆1d里盛装适量的水，使水冷服进口快速接头20和出水阀8对接，水冷服出口快速接头21和回水阀9对接，通过控制面板6发送指令给控制器18，控制器18开启微型直流制冷压缩机11、风扇13、微型泵16运转，使水箱内胆1d内的水降温变成冷水，冷水被微型泵16驱动而在水箱内胆1d和水冷服200的微细水管26之间不断循环，从而使穿着水冷服200的人体被冷却。

具体工作过程为：所述直流电源300提供的直流电由箱体上的直流电源端子7引入，分别供给控制面板6、控制器18和微型直流制冷压缩机11、风扇13和微型泵16。控制器18通过温度传感器11实时检测水箱内胆1d中的水温，并将实时水温显示在控制面板6上。在控制面板6上可设定水温。控制器18根据实时水温、设定水温以及内部的控制逻辑来进行判断，以分别控制微型直流制冷压缩机11、风扇13和微型泵16的运转。微型直流制冷压缩机11运转时，由压缩机吸气口11a进入压缩机的制冷剂气体被压缩成高温高压的气体，从压缩机排气口11b排出，并进入冷凝器12。在冷凝器12中，高温高压的制冷剂气体向由风扇13所强迫对流的空气放热，制冷剂冷凝，变成高温高压的液体。此高温高压的制冷剂液体经过节流元件14时压力降低，部分制冷剂液体闪发出来，变成低压的气液混和物。低压的制冷剂混和物由制冷剂进口15a进入蒸发器15，在蒸发器15中，低压制冷剂混和物吸收水侧的热量，使水侧的温度降低，而吸收了热量的制冷剂混和物则全部蒸发，变成完全气态的制冷剂。气态制冷剂从蒸发出口15c流出蒸发器15，又从压缩机吸气口11a被吸入微型直流制冷压缩机11，重新被压缩。如此循环往复。

当微型直流制冷压缩机11、风扇13、微型泵16在工作，同时水冷服进水快速接头20和出水阀8对接、水冷服出水快速接头21和回水阀9对接时，水流的流动路径是：水箱内胆1d中的水经过底部的内胆出水孔1x进入微型泵16，在微型泵16中水被加压，然后水流依次经过出水阀8、水冷服进水快速接头20、水冷服进水管22，进入水冷服200内层的微细水管26，带走穿着水冷服200的人体的热量后，再依次经过水冷服出水管23、水冷服出水快速接头21、回水阀9、蒸发器15的水侧进口15c，进入蒸发器15，在蒸发器15中，水被制冷回路中处于蒸发状态的制冷剂冷却，温度降低，温度降低后的水从蒸发器15的水侧出口15d流出蒸发器15，最后经由水箱内胆1d底部的内胆回水孔1h返回水箱内胆1d。在这种情况下，水箱内胆1d中的水不断被输送到水冷服中，从而不断带走穿着水冷服的人体的热量，而水又不断地被蒸发器所冷却，从而可持续对人体进行降温。

当微型直流制冷压缩机11、风扇13、微型泵16在工作，而所述冷水箱100未连接所述水冷服200，即当水冷服进水快速接头20和出水阀8断开、水冷服出水快速接头21和回水阀9断开时，所述冷水箱100可当作一个仅用于制取冷水的装置。此时，由于出水阀8和回水阀9处于自动截止状态，泵出口16b处的水压将高于单向阀17的开启压力阈值，此时水流的流动路径是：水箱内胆1d中的水经过内胆出水孔1x进入微型泵16，在微型泵16中增压后从泵出口16b流出，然后依次经过单向阀17、蒸发器15的水侧进口15c，进入蒸发器15，在蒸发器15中，水被制冷回路中处于蒸发状态的制冷剂冷却，温度降低，温度降低后的水从蒸发器15的水侧出口15d流出蒸发器15，最后经由水箱内胆1d底部的内胆回水孔1h返回水箱内胆1d。在这种情况下，由于没有连接水冷服，冷水箱中的冷水可以另做他用。

由以上技术方案可知，本发明所述的箱式人体冷却装置是一种多功能制冷装置，除可连接水冷服用于高温密闭环境下的人体冷却、炎热天气户外活动人群的人体冷却、医用亚低温治疗以外，在不连接水冷服的情况下，也可用于其它多种用途。如可用于瓶装或罐装饮料的降温，在将瓶装或罐装饮料置于所述冷水箱中的冷水中进行降温时，所需的降温时间比常规的冰箱或冰柜内的冷空气自然对流降温方式要短得多。当将冷水箱中的水替换为饮用水或其它饮料时，所述冷水箱也可以直接作为冷饮机使用。所述的箱式人体冷却装置还可以作为自带冷源的水族箱使用，用于暂养或转运鱼虾等水产，因为低温冷水有利于降低鱼虾的代谢活动，可提高鱼虾在转运过程中的存活率。或者更简单地，在所述箱式人体冷却装置在不装水时，也可以单纯作为可移动的储物箱或行李箱使用。

本发明所述的直流电源300可以是可充电电池、直流电源适配器、超级电容、光伏电池等电源中的任一种。当所述直流电源300为可充电电池时，所述直流电源300也可以直接内置所述箱体1中，而不影响本发明所述的技术方案。

根据本发明的一个简化实施例，当所述冷水箱100的体积较小、质量较轻时，所述冷水箱100可以省去脚轮和伸缩拉杆，仅通过设在箱体1的适当位置处的拉手或提手来实现箱体的移动。

本发明所提供的箱式人体冷却装置由于采用敞口的并具有隔热层的水箱作为储水容器，水路为半开放式结构，因而具有漏热损失小，储水容量大，加水和排水方便，使用前不需要进行排气操作，水温能够精确控制的优点，一种装置多种用途，且方便携带，解决了现有的人体冷却装置所具有的水路封闭、循环水量少、水温不够恒定、加水排水和排气不方便、使用前准备工作繁琐、功能单一、不方便携带等诸多缺点，因而具有较高的应用价值。

本发明图示的水冷服为半身的水冷背心形式，但应理解，此种图示仅是为了清楚描述本发明的技术发案而采用的一种简化图示，本发明所述的水冷服对于外形和可冷却的人体部位没有任何限制，除半身的水冷背心以外，所述的水冷服也可以包括对人体不同部位进行冷却的水冷夹克、水冷裤、水冷帽、水冷毯、全身水冷服等。

在上文中，凡涉及到制冷回路或水路的“相连”，是指通过中空的管路进行相连；凡涉及和电路有关的“连接”，是指通过导线进行连接。

在本文中，所涉及的前面、后面、正面、背面、侧面、上、下、内部、外部等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。