CN106033651A - 一种模拟人体皮肤温度调节和出汗装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种模拟人体皮肤温度调节和出汗装置，包括四个部分：模拟皮肤、循环加热和出汗系统、测控系统和程控系统。其主要特征是：皮肤可以在15-45℃的环境之间，以近似人体体温调节的速率进行假人体表温度的调整，并在必要的条件下(高温区段)进行对应的出汗量的模拟。预测模型可以根据当前环境温度情况，预测下一时刻的体表温度变化，并进行连续的温湿度调整。皮肤即可进行从低温向高温的变化，也可进行从高温向低温的变化。利用此装置可进行服装舒适性测试，环境舒适性评价，空调效能测试等。

Description

一种模拟人体皮肤温度调节和出汗装置

(一)技术领域：

本发明涉及一种模拟人体皮肤因环境温度变化自行调节皮温和出汗装置。

(二)背景技术：

目前模拟皮肤模拟人体温度场以电加热为主要方式，升温段波动大，不易控制。而且变温模拟依赖人体试验的数据，超出暖体假人控制模型的适用范围，模拟效果会变差。本发明可根据环境的实际变化，自觉的完成体温和出汗量的调节，该过程是连续的。

(三)发明内容：

本发明的目的在于设计一种可以在高低温环境中，根据环境的实际变化，如同真实人体一样，进行连续体温和出汗量调节的模拟皮肤装置。用以进行连续环境温度点的模拟试验。根据测试的要求，可以在15～45℃的环境之中，以近似人体体温调节的速率进行模拟人体皮肤温度的调整，并在必要的条件下(高温区段)进行对应的出汗量的模拟。

本发明是一种新型的模拟人体皮肤因环境温度变化自行调节皮温和出汗装置，如图1所示，本装置主要分为四个部分：模拟皮肤1、循环加热和出汗系统A、测控系统B和程控系统C。

模拟皮肤1是厚度为5mm，中空的圆柱铜壳。铜壳的内径为50mm，长度230mm。

循环加热和出汗系统A由恒温热水箱2、恒温冷水箱3、热水控制阀4、冷水控制阀5、加压泵6、铜质水管7、乳胶管8、喷头9、废水收集箱10、热水补水阀门11、冷水补水阀门12组成。通过调节热水阀门4和冷水阀门5调整冷热水的比例，使其混合后温度达到试验模拟所需的条件。并通过加压泵6加压注入铜质水管7中，热量由铜质水管7向外扩散，加热模拟皮肤1，使模拟皮肤1达到所需温度，通过改变加压泵6的压力，可以调节喷头的液体泄漏速率，使达到实验的需要。

测控系统B由皮肤表面温度传感器13、环境温度传感器14、巡检仪15、液位计16、流量计17组成。主要功能是采集、实时监测并记录测温点的温度值、铜质水管7中流速、恒温热水箱2和恒温冷水箱3中的液位，用以调整模拟皮肤1表面的温度和出汗量，并为程控系统C提供计算所需的输入参数。

程控系统C是由包含主控软件和温度场预测模型的计算机18，配合测温系统B和循环加热系统A进行温湿调节。

如图1所示，模拟皮肤1是与外界环境发生热交换的核心元件。模拟皮肤1是厚度为5mm，中空的圆柱铜壳。铜壳的内径为50mm，长度230mm。循环加热和出汗系统A中的铜质水管7将与模拟皮肤1直接接触。

循环加热和出汗系统A是实现温湿度模拟的主要元件。如图2所示，其中铜质水管7固定在模拟皮肤1内表面，在铜质水管7弯曲处用乳胶管8连接铜质水管7。铜质水管7上设置了若干极小的喷头9，在铜质水管7中的压力不超过阈值时，喷头9不泄漏液体；当超出阈值后，根据实际压力，液体泄漏速率会产生变化。模拟皮肤1对应喷头9的部位有通孔，方便液体流至体表。除了铜质水管7、乳胶管8和喷头9之外，其他元件均设置在模拟皮肤1层外。为了达到所需要的温度，需要调节热水阀门4和冷水阀门5，使恒温热水箱2和恒温冷水箱3中的冷热水按照一定的比例进入铜管7混合，在通过泵6加压，注入铜质水管7中。当带有热量的液体流过铜质水管7时，热量会发生散失，并被模拟皮肤1吸收。由于模拟皮肤1铜壳的中央由隔热材料填充，可以近似地认为热量全部传递到模拟皮肤1表面，因此模拟皮肤1的温度近似等于液体的温度。因此可以随时调节阀门状态以调整液体温度。

测控系统B主要通过体表温度传感器13、环境温度传感器14、流量计16和液位计17测量假人体表温度、环境温度、加压泵6出水端流速、恒温热水箱2、恒温冷水箱3的液位。同时根据程控系统C的输出指令，调控热水阀门4和冷水阀门5的开启比例和加压泵6的出水口压力。

程控系统C将测控系统B测量的参数收集和整理并表示在计算机18屏幕上，方便试验人员实时测量，程控系统C中包含温度场预测模型，其原型为二维人体温度场数学模型。径向剖面对应假人只有两层：加热层和体表层，内部为不导热区，如图3所示。预测模型可根据当前的假人体表温度和环境温度，预测下一时刻的温湿度变化情况。并由主控程序转化为操作命令下达给测控系统完成。该设计的主要优点为：高低温均可模拟并且是连续模拟，温湿度的预测模型计算速度快，可在温度变化前得到结果，因此模拟皮肤1的体温调节速率接近真实人体状况。

(四)附图说明：

图1模拟人体皮肤温度调节和出汗装置示意图

A循环加热和出汗系统B测控系统C程控系统

1模拟皮肤 2恒温热水箱 3恒温冷水箱 4热水阀门 5冷水阀门

6加压泵 7铜质水管 8乳胶管 9喷头 10废水收集箱

11热水补水阀 12冷水补水阀 13皮肤表面温度传感器

14环境温度传感器 15巡检仪 16液位计 17流量计

18计算机

图2预测模型节段径向剖面示意图

19蒙皮区 20加热区 21隔热区

(五)具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明为一种模拟人体皮肤温度调节和出汗装置，如图1所示，本装置分为四个部分：模拟皮肤1、循环加热和出汗系统A、测控系统B和程控系统C。测控系统B的体表测温传感器11以及环境温度传感器12测量得到当前时刻的皮肤表面温度和环境温度，并将其作为输入参数输入程控系统C的预测模型中，模型会给出下一时刻的体表温度值和出汗量。主控软件会根据比热公式换算冷热水的混合比例，并计算达到该数值所需的阀门开放程度和泵的出水口压力(可根据试验测得)。程控系统C向测控系统B中的热水阀门4、冷水阀门5和加压泵6发出指令，使其按照需求开启。此时恒温热水箱2和恒温冷水箱3中的冷水和热水就会按照相应的比例通过冷热水阀门45流入管道中混合，然后流经加压泵6，由加压泵6加压注入铜质水管7中，通过调整加压泵6，可以得到不同的温度和出汗量。铜质水管7沿皮肤1铜壳内表面的轴向密布，水管间的缝隙由隔热材料填充。铜质水管7焊接在蒙皮上，因此热量会近似全部传递到皮肤表面。在通过流量计16监控铜质水管7中液体流速的前提下，皮肤的温度可认为等同于铜质水管7中液体温度。在管道弯曲处，用乳胶管8代替铜质水管7，以保证液体流速稳定。液体完成循环过程后统一回流至废水收集箱10再利用。通过液位计17监控恒温热水箱2和恒温冷水箱3剩余液体的容量，并调节热水补水阀门11和冷水补水阀门12的开闭，使恒温水箱中的液位基本一致。

假人的出汗依赖于铜质水管7上密布的喷头9，当压力增大到一定值时，铜质水管7中的液体会由喷头9流出，并经过模拟皮肤1上的对应位置的通孔释放至模拟皮肤1表面。

Claims (5)

1.一种模拟人体皮肤温度调节和出汗装置，用于模拟人体体表温度，其特征在于：有模拟皮肤、循环加热和出汗系统、测控系统和程控系统组成一个整体。

2.根据权利要求1所述的模拟人体皮肤温度调节和出汗装置，其主要特征是：可以根据当前环境温度情况，预测下一时刻的体表温度变化，并进行连续的温湿度调整。温湿度的变化速率与人体接近。

3.根据权利要求1所述的模拟人体皮肤温度调节和出汗装置，其主要特征是：皮肤即可进行从低温向高温的变化，也可进行从高温向低温的变化。

4.根据权利要求1所述的模拟人体皮肤温度调节和出汗装置，其特征是：循环加热和出汗系统加热方式为水循环加热，皮肤吸收铜管中液体热量被动变温。假人的出汗方式为主动出汗方式，出汗的诱因是铜管中的液体压力变化。

5.根据权利要求1所述的模拟人体皮肤温度调节和出汗装置，其的特征在于：预测模型径向剖面分为两层：体表层和加热层，内部是不导热的。预测模型的输入参数为体表温度和环境温度，输出量为体表温度、出汗量。