一种多散热模式耦合的制冷测试装置及方法

本发明涉及一种多散热模式耦合的制冷测试装置及方法，属于织物制冷性能测试。

背景技术：

1、人体在高温环境中主要通过三种方式进行散热：辐射散热、汗液蒸发和对流散热。

2、随着科技的进步和环境保护意识的增强，辐射制冷技术作为一种绿色、节能的制冷方式，逐渐引起了人们的广泛关注和研究。辐射制冷技术利用材料通过辐射散热达到降温的目的，不依赖传统制冷剂，具有显著的环保优势。特别是在织物领域，开发能够实现辐射制冷的功能性织物，不仅能提升服装的舒适性，还能在节能等方面发挥重要作用。当人穿着具有辐射制冷功能的织物时，织物表面的特殊材料能够通过选择性地反射太阳光和辐射热量来降低体表温度。这些织物通过对中红外波段的高效辐射散热，将人体散发的热量以红外线的形式辐射到外太空，从而实现人体降温。这种降温方式不依赖空气对流和导热，而是通过辐射热量的方式直接降低穿着者的皮肤温度，提供凉爽的穿着体验。一般来说，辐射制冷织物采用了一种高发射率的纳米材料涂层，能够在8-13微米的中红外波段范围内，高效地发射热辐射。这一波段恰好是大气窗口区域，能够使得热辐射穿透大气层直接向外太空辐射，从而实现有效的热量散失。此外，这种材料还能够反射可见光和近红外光，减少外界太阳辐射对人体的加热效果。通过这种双重机制，辐射制冷织物可以显著降低人体表面温度，提升穿着者的舒适感。开发一种能够准确评估织物辐射制冷性能的室内测试装置，不仅能够推动该技术的研究和应用，还能够为新型制冷织物的开发提供重要的技术支持。这种装置在不同的环境条件下，模拟外界辐射，系统性地测试织物的辐射制冷效果，为织物性能的优化和新材料的创新提供了可靠的数据基础。

3、人体在炎热天气下，为了维持正常的体温，会通过出汗来进行自我调节。汗液蒸发时，会吸收大量的热量，从而使皮肤表面及体温下降。这一过程被称为蒸发散热，是人体在高温环境下维持热平衡的重要机制之一。然而，出汗带来的冷却效果受到环境温度、湿度以及空气流动情况的影响。

4、对流散热是指通过空气流动将热量从人体表面带走的过程。在静止空气环境中，对流散热的效果有限，但在有风的环境中，空气流动能够显著增强散热效果。这是因为流动的空气能够不断带走人体表面的热空气，换来较凉的空气，从而加速热量的散发。对流散热在炎热天气中的重要性不容忽视，特别是在自然通风或使用风扇的情况下，其散热效果显著提升。尽管对流散热在实际应用中起到重要作用，现有的织物辐射制冷测试装置通常未能充分考虑对流散热的影响。这些装置多在静止空气环境中进行测试，无法模拟真实的风速和空气流动条件，导致测试结果与实际使用情况存在差距。缺乏对流散热的综合测试，使得研究人员难以全面了解织物在不同风速条件下的散热性能，特别是在户外使用时的综合降温效果。

5、尽管织物辐射制冷技术的发展潜力巨大，现有的技术手段和测试装置仍然存在诸多不足和挑战。首先，目前市场上缺乏专门用于测试织物辐射制冷性能的装置，这限制了研究人员对不同织物材料进行系统性和准确性的性能评估。现有的测试设备多用于固体材料的辐射制冷测试，无法满足柔性和多孔性织物的测试需求。其次，已有的辐射制冷测试装置普遍依赖于自然环境，特别是需要在白天阳光充足的条件下进行测试。这种依赖自然天气条件的方法，不仅测试时间受限，还容易受到环境温度、湿度等外界因素的干扰，导致测试结果的可靠性和重复性较差。特别是在阴天或夜间，测试工作无法正常进行，进一步限制了研究和应用的进展。因此，开发一种能够在室内环境中模拟外界辐射条件的织物辐射制冷测试装置，显得尤为重要。尽管织物辐射制冷技术可以有效地补充和增强人体的散热效果，当前市场上缺乏将辐射制冷、汗液蒸发和对流散热多种制冷方式耦合测试的装置。多散热模式耦合测试装置的缺失，使得研究人员难以全面评估织物在不同环境条件下的综合散热性能。

6、总之，现有的测试装置主要关注织物单一的制冷方式，未能充分考虑织物在实际使用过程中，辐射制冷与汗液蒸发、对流散热等多种散热模式共同作用的复杂情况。这种单一模式的测试手段，无法全面反映织物在实际穿着过程中对人体热舒适性的影响。因此，亟需开发一种能够模拟多种散热模式耦合的测试装置，以便在室内可控环境中，系统性地评估织物的辐射制冷性能和综合散热效果。通过这种测试装置，可以更准确地反映织物在实际使用环境中的散热性能，为新型辐射制冷织物的研发提供更科学的依据。综合以上分析，开发一种室内环境下可模拟外界辐射条件并具备多种散热模式耦合测试功能的装置，对于推动织物辐射制冷技术的研究与应用，具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、为克服现有技术中存在的缺乏专门测试装置和依赖自然天气条件的不足，本发明的目的在于提供一种多散热模式耦合的制冷测试装置及方法，通过在室内环境中模拟外界太阳光，外太空冷源条件和模拟汗液蒸发过程，精确测量织物材料的制冷性能。本发明能够独立于自然天气条件，全天候进行测试，保证测试结果的可靠性和重复性。本发明能够在室内环境中进行日间被动辐射、汗液蒸发和对流散热多种方式耦合的制冷测试，实现对织物制冷性能的系统性和精确性评估。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的一种多散热模式耦合的制冷测试装置，包括测试系统空间、太阳光源模拟装置、冷源模拟装置、模拟皮肤单元、汗液模拟单元和样品测试单元。

4、测试系统空间用于实现对系统空间装置内部环境的温度、湿度和风速精确控制。测试系统空间由一个绝热的恒温恒湿箱构成。环境条件的控制通过恒温恒湿箱的鼓风机、加湿器、加热器、传感器和控制器进行调节，在测试系统空间模拟不同条件下的真实的室外环境。鼓风单元控制风速，加湿器调节湿度，加热器调节温度，传感器实时监测环境参数，控制器根据传感器数据自动调整工作状态，确保整体测试环境参数的稳定和精确。测试系统空间按照设定的温度、湿度和风速的环境参数进行配置，实现对于不同户外环境条件进行模拟。通过温度、湿度和风速的环境参数的调节实现对流传热过程的测试条件。

5、太阳光源模拟装置用于模拟日间太阳光照，由氙灯光源、电流控制器和可装卸窗口组成。氙灯光源发出与太阳光谱相似的光，电流控制器通过调节光照强度，模拟不同时间和天气条件下的太阳辐射强度，满足模拟不同天气条件的测试要求。可装卸窗口用于更换不同材质的窗口镜片，以适应不同滤波需求，通过插入的方式与下面的冷源模拟装置的相连接。氙灯光源产生的平行光通过可拆卸窗口垂直照射样品测试单元中样品平台上的待测样品。太阳光源模拟装置为测试环境提供模拟日间测试的不同的光源条件。

6、冷源模拟装置用于模拟外太空的深冷环境，为环形容器。通过环形容器顶部的两个开口向其中注入液氮，确保测试期间的冷源稳定。环形容器底部涂装成黑色以提升大气窗口吸收率，提高测试材料的辐射效率。冷源模拟装置用于模拟织物向外太空的辐射制冷条件，提供深冷的测试环境。

7、模拟皮肤单元是用来模拟人体皮肤温度，主要由电流电压控制器、电加热板、多孔板组成。模拟皮肤单元放置在样品测试单元的样品平台的顶部中心位置。多孔板由多孔材料制成，在多孔板底部放置电加热板，通过控制器设定电加热板的热功率为人体代谢热功率，以模拟人体代谢热量。

8、汗液模拟单元用于给模拟皮肤单元提供汗液，实现汗液蒸发制冷的测试条件。汗液模拟单元由进水管，出水管，盛放容器，计量泵构成。通过计量泵控制汗液流速，汗液通过进水管进入盛放容器，盛放容器中放置模拟皮肤单元的多孔板，汗液流经多孔板后从出水管流出。汗液模拟单元模拟皮肤的汗液蒸发过程和人体皮肤的热交换行为。

9、优选地，汗液模拟单元中的汗液为0.9％的生理盐水。

10、样品测试单元用于样品的放置及监测温度变化。样品测试单元由圆柱体底座，支撑柱，样品平台，热电偶和温度数据记录仪组成。圆柱体底座的上面布置支撑柱，样品平台和热电偶。支撑柱通过焊接的方式上下两端分别与圆柱体底座和冷源模拟装置相连接。样品平台位于圆柱体底座中心位置，用于放置模拟皮肤单元、汗液模拟单元和织物样品。热电偶用来监测环境温度和模拟皮肤的温度变化，所有温度数据均通过温度数据记录仪实时记录和分析，用来实时分析，确保测试结果的准确性和可追溯性。

11、优选地，样品测试单元中的样品平台为绝热的聚苯乙烯泡沫。

12、基于太阳光模拟装置实现室外日间环境条件，测试系统空间的风速温度和湿度的调节实现对流传热条件，冷源模拟装置实现辐射传热条件，汗液模拟单元实现汗液蒸发散热条件，通过室外日间环境条件、对流传热条件、汗液蒸发散热条件三种模式的耦合实现整体制冷效果的评价，具有系统性、稳定性和定制化。

13、本发明公开的一种多散热模式耦合的制冷测试方法，基于所述本发明公开的多散热模式耦合的制冷测试方法实现。多散热模式耦合的制冷测试方法包括如下步骤：

14、步骤一：设定测试系统空间的环境条件参数，通过加热器、加湿器和鼓风机对环境的温度、湿度和风速进行调节，提供模拟皮肤与测试空间的对流传热的环境条件。

15、步骤二：开启太阳光源模拟装置的电流控制器，设定电流大小从而实现设定太阳光强，达到模拟室外环境真实光照条件的目的。

16、步骤三：从冷源模拟装置开口处向其中注入液氮，住满后将进出口关闭，防止液氮汽化溢出。在测试过程中提供辐射传热的深冷源，提供织物进行辐射制冷环境条件。

17、步骤四：打开模拟皮肤单元的电流电压控制器，设定加热片的工作功率，从而模拟人体的代谢功率。

18、步骤五：开启汗液模拟单元的计量泵，设定汗液的流速，使汗液流经模拟皮肤单元的多孔板，提供模拟皮肤进行汗液蒸发散热条件。

19、步骤六：打开样品测试单元的温度数据记录仪开始温度数据采集，两个热电偶分别开始测定环境温度和模拟皮肤温度。等待两个温度数据稳定，在温度数据记录仪上读取此时的模拟皮肤温度，记为t1，标志着空载条件下环境处于设定的状态。

20、步骤七：打开测试系统空间，将待测织物样品放置在模拟皮肤上面，使其完全覆盖模拟皮肤，持续记录温度的变化，直至温度达到稳定，在温度数据记录仪上读取此时的模拟皮肤温度，记为t2，标志着待测织物样品的综合制冷性能测试结束。

21、步骤八：对流传热，辐射制冷和汗液蒸发散热三种模式的综合制冷效果可以由公式(1)进行计算。

22、δt＝t1-t2                            (1)

23、δt的数值代表织物在设定的温度、湿度、风速，、光照强度和汗液流速下的综合制冷效果，δt越大，表示传热过程中大量的热量从人体散出，三种模式耦合的制冷效果越好。

24、有益效果：

25、1、本发明公开的多散热模式耦合的制冷测试装置，基于太阳光模拟装置实现室外日间环境条件，测试系统空间的风速温度和湿度的调节实现对流传热条件，冷源模拟装置实现辐射传热条件，汗液模拟单元实现汗液蒸发散热条件，能够同时模拟辐射制冷、汗液蒸发和对流散热三种散热方式，通过室外日间环境条件、对流传热条件、汗液蒸发散热条件三种模式的耦合整体制冷效果的评价，更准确地评估织物在实际使用环境中的散热性能，从而提高测试结果的准确性和可靠性。

26、2、本发明公开的多散热模式耦合的制冷测试装置，能够独立于自然天气条件，通过模拟太阳光源和外太空冷源，该装置能够在室内环境中全天候进行测试，不再依赖于自然天气条件，克服了现有技术中受限于自然天气的不足，保证测试工作的连续性和测试结果的重复性。

27、3、本发明公开的多散热模式耦合的制冷测试装置实现精确控制测试环境，测试系统空间内能够精确控制温度、湿度和风速，实现不同环境条件下的真实模拟，提供对流传热测试条件，通过精确控制能力确保测试环境的稳定性，减少外界干扰，提高测试数据的准确性。

28、4、本发明公开的多散热模式耦合的制冷测试装置及方法，实现模拟真实人体散热过程，通过模拟皮肤单元和汗液模拟单元，该装置能够准确模拟人体的代谢热量和汗液蒸发过程，提供更贴近实际的测试条件。

29、5、本发明公开的多散热模式耦合的制冷测试装置及方法，定制化测试条件，太阳光源模拟装置和冷源模拟装置能够调节光照强度和冷源条件，测试系统空间可以调节温度、湿度和风速，从而满足不同测试需求，具有高度的灵活性和定制化能力。

30、6、本发明公开的多散热模式耦合的制冷测试装置及方法，系统性和稳定性的测试平台，通过控制器、传感器和数据记录仪的配合工作，确保测试过程的系统性和数据采集的连续性，为新型辐射制冷织物的研发提供了科学依据。

31、7、本发明公开的多散热模式耦合的制冷测试装置及方法，实现织物综合制冷性能的高效评估，通过温度数据记录仪实时记录和分析环境温度、模拟皮肤温度和织物上方温度的变化，能够快速、准确地评估织物的制冷性能，提升测试效率和数据分析能力。

32、8、本发明公开的多散热模式耦合的制冷测试装置及方法，在实现上述有益效果基础上，具有系统性、稳定性和定制化能力的多散热模式耦合的制冷测试优点，能够在室内环境中模拟外界辐射条件，准确评估织物的辐射制冷性能和综合散热效果，为织物制冷技术的研究与应用提供重要的技术支持和数据基础。