DE202024103134U1 - Device for reducing thermal stress and regulating the microclimate in a protective helmet and protective helmet equipped with the device - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Reduzierung thermischer Belastungen und zur Regulierung des Mikroklimas in einem Schutzhelm (H), dadurch gekennzeichnet, dass in eine Helmschale (1) des Schutzhelms (H) wenigstens eine Kapselanordnung (3, 4) mit Phasenwechselmaterial (PCM) integriert ist und/oder dass zu der Helmschale (1) eine Druckgasleitung (5) führt, mit welcher eine Expansionskühlung mittels eines Kühlgases im Inneren des Schutzhelms (H) realisierbar ist. Device for reducing thermal stress and for regulating the microclimate in a protective helmet (H), characterized in that at least one capsule arrangement (3, 4) with phase change material (PCM) is integrated into a helmet shell (1) of the protective helmet (H) and/or that a compressed gas line (5) leads to the helmet shell (1), with which expansion cooling can be realized by means of a cooling gas in the interior of the protective helmet (H).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung thermischer Belastungen und zur Regulierung des Mikroklimas in einem Schutzhelm und einen mit der Vorrichtung ausgestatteten Schutzhelm, nach dem Oberbegriff des ersten und elften Schutzanspruchs.The invention relates to a device for reducing thermal stress and for regulating the microclimate in a protective helmet and to a protective helmet equipped with the device, according to the preamble of the first and eleventh claims.
Bekanntermaßen reduzieren sich bei hohen Umgebungstemperaturen und/oder hohen Luftfeuchten in Verbindung mit körperlicher Anstrengung schnell das Behaglichkeitsempfinden sowie die Leistungsfähigkeit von Personen. In derartigen Situationen sollen die Schweißbildung und das Verdunsten des Schweißes zur natürlichen Thermoregulation des Körpers führen, wodurch die Körperkerntemperatur bei ca. 37 °C gehalten wird. Ist es für den Körper nicht möglich, die Thermoregulation in der erforderlichen Intensität zu betreiben, stellen sich schnell Ermüdungserscheinungen bis hin zu lebensgefährlichen Werten der Vitalparameter ein.It is well known that when the ambient temperature and/or humidity are high and the air is humid, people's sense of comfort and their performance are quickly reduced. In such situations, the production and evaporation of sweat are supposed to lead to the body's natural thermoregulation, which keeps the core body temperature at around 37 °C. If the body is unable to thermoregulate at the required intensity, fatigue quickly sets in, leading to life-threatening vital parameters.
Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Möglichkeiten bekannt, um thermischen Lasten am Körper entgegenzuwirken und angenehmere Temperaturen zu gewährleisten. Diese Lösungen zielen sowohl auf Schutzhelmen als auch auf Oberbekleidung, wie in der Druckschrift
Weiterführend wird in der Druckschrift
Bei einem in der Druckschrift
Statt PCM findet in der Druckschrift
Die bekannten Lösungen im Stand der Technik weisen jedoch Nachteile auf. So ist der Einsatz von PCM aufgrund des zusätzlich zu applizierenden Gewichts insbesondere im Bereich des Kopfschutzes nur beschränkt möglich, da insbesondere in Schutzhelmen oder ähnlichem bereits wenige hundert Gramm an Zusatzgewicht zu deutlichen Beeinträchtigungen des Tragekomforts und des Leistungsvermögens der Person führen. Des Weiteren ist das Abkühlen von warmer Umgebungsluft durch PCM für eine kühlende Zirkulation wie in der Druckschrift
Derartige Lösungen sind daher insbesondere für Schutzhelme für Rettungskräfte aufgrund der, bei der Brandbekämpfung auftretenden heißen und toxischen Gase ungeeignet. Auch die vorgeschlagenen Technologien des Wärmerohrs und des Peltierelements inklusive Stromversorgung sind hinsichtlich des zusätzlichen Gewichts als ungeeignet zu betrachten.However, the known solutions in the state of the art have disadvantages. For example, the use of PCM is only possible to a limited extent due to the additional weight that has to be applied, particularly in the area of head protection, since even a few hundred grams of additional weight in protective helmets or similar can lead to significant impairments in wearing comfort and the person's performance. Furthermore, the cooling of warm ambient air by PCM is not sufficient for cooling circulation as described in the publication
Such solutions are therefore particularly unsuitable for protective helmets for rescue workers due to the hot and toxic gases that arise during firefighting. The proposed technologies of the heat pipe and the Peltier element including power supply are also considered unsuitable due to the additional weight.
Die Druckschrift
Die Lösungen gemäß dem Stand der Technik sind darüber hinaus reine Maßnahmen zur Reduzierung der körpernahen Temperatur durch die latente Speicherung beziehungsweise Abführung der anfallenden Wärme. Für einen hohen Tragekomfort sowie zur Aufrechterhaltung der natürlichen Thermoregulation des Körpers ist jedoch ein möglichst trockenes körpernahes Mikroklima zu gewährleisten. Als problematisch erweist sich in diesem Zusammenhang insbesondere die Gegebenheit, dass Luft mit sinkenden Temperaturen weniger Feuchte aufnehmen kann. In der Folge stellt sich das feuchte Mikroklima eher ein, was die natürliche Thermoregulation hemmt und den Tragekomfort mindert.The state-of-the-art solutions are also purely measures to reduce the temperature close to the body by latently storing or dissipating the heat that is generated. However, to ensure a high level of comfort and to maintain the body's natural thermoregulation, the microclimate close to the body must be as dry as possible. The fact that air can absorb less moisture as temperatures drop is particularly problematic in this context. As a result, the humid microclimate is more likely to develop, which inhibits natural thermoregulation and reduces comfort.
Aus der Druckschrift
Als weitere Kühlungsvorrichtung ist eine Gasexpansion bekannt, wobei das Gas aus einem Druckbehälter entlassen wird. Mit der offenbarten Vorrichtung ist eine Kühlung nur im Sturzfall und nicht während einer Tätigkeit zur Regulierung des Mikroklimas möglich. Die Vorrichtung dient der Kühlung einer Verletzung durch einen Aufprall und zur Reduzierung von Schwellungen im Kopfbereich.Another known cooling device is a gas expansion, whereby the gas is released from a pressure vessel. With the disclosed device, cooling is only possible in the event of a fall and not during an activity to regulate the microclimate. The device is used to cool an injury caused by an impact and to reduce swelling in the head area.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Reduzierung thermischer Belastungen und zur Regulierung des Mikroklimas in einem Schutzhelm für Rettungskräfte und einen damit ausgestatteten Schutzhelm bereitzustellen, welche einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und erhöhte Temperaturen und Luftfeuchten im Inneren der Schutzausrüstung als Folge der auftretenden thermischen Lasten verhindert beziehungsweise reduziert und somit ein angenehmeres Mikroklima zu gewährleisten mit dem Ziel, im Inneren der Schutzhelms zumindest für einen verlängerten Zeitraum ein angenehmes Mikroklima zu sichern, das den Tragekomfort erhöht und eine natürliche Thermoregulation ermöglicht, wodurch der Abbau des Leitungsvermögens verzögert, die Körperkerntemperatur gehalten, die Einsatzzeit verlängert und die Regenerationszeiten insbesondere von Rettungskräften reduziert werden können.
In diesem Zusammenhang gilt es aufgabengemäß, den äußeren Wärmeeintrag in das Innere der Schutzausrüstung bei Hitzeexpositionen (z.B. im Brandfall) zu reduzieren. Des Weiteren sind die körpereigene Abwärme sowie die durch das Schwitzen des Trägers anfallende Feuchte aus dem Inneren der Schutzausrüstung abzuführen, um die natürliche Thermoregulation aufrecht zu halten und so die Leistungsfähigkeit sowie die Einsatzzeit des Trägers, insbesondere von Rettungskräften zu verlängern.The object of the invention is to provide a device for reducing thermal loads and for regulating the microclimate in a protective helmet for rescue workers and a protective helmet equipped therewith, which has a simple structural design and prevents or reduces increased temperatures and humidities inside the protective equipment as a result of the thermal loads that occur and thus ensures a more pleasant microclimate with the aim of ensuring a pleasant microclimate inside the protective helmet for at least an extended period of time, which increases wearing comfort and enables natural thermoregulation, whereby the deterioration of the conductivity can be delayed, the core body temperature can be maintained, the deployment time can be extended and the regeneration times, especially of rescue workers, can be reduced.
In this context, the task is to reduce the external heat input into the interior of the protective equipment in the event of heat exposure (e.g. in the event of a fire). In addition, the body's own waste heat and the moisture generated by the wearer's sweating must be removed from the interior of the protective equipment in order to maintain natural thermoregulation and thus extend the wearer's performance and deployment time, especially that of rescue workers.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten und elften Schutzanspruchs gelöst.This problem is solved with the features of the first and eleventh claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Die Vorrichtung zur Reduzierung thermischer Belastungen und zur Regulierung des Mikroklimas in einem Schutzhelm weist erfindungsgemäß in einer Helmschale des Schutzhelms wenigstens eine Kapselanordnung mit Phasenwechselmaterial (PCM) und/oder mindestens eine zu der bzw. in die Helmschale führende Druckgasleitung, mit welcher eine Expansionskühlung mittels eines Kühlgases im Inneren des Schutzhelms (H) realisierbar ist, auf.According to the invention, the device for reducing thermal stress and for regulating the microclimate in a protective helmet has at least one capsule arrangement with phase change material (PCM) and/or at least one compressed gas line leading to or into the helmet shell in a helmet shell of the protective helmet, with which expansion cooling can be realized by means of a cooling gas in the interior of the protective helmet (H).
Dadurch ist es möglich, insbesondere bei hohen Temperaturen wie im Brandfall, die Temperatur im Schutzhelm zu senken und ein Mikroklima innerhalb des Schutzhelms zu erzeugen, welches auch bei hohen Temperaturen eine längere Tragezeit und damit Einsatzzeit ermöglicht und die Einsatzkräfte besser schützt und/oder die thermische Last bei gleichbleibender Einsatzzeit senkt um eine verkürzte Regenerationszeit nach dem Einsatz zu ermöglichen.This makes it possible, particularly at high temperatures such as in the event of a fire, to reduce the temperature in the protective helmet and to create a microclimate within the protective helmet, which allows a longer wearing time and thus deployment time even at high temperatures and better protects the emergency services and/or reduces the thermal load while maintaining the same deployment time in order to enable a shortened regeneration time after deployment.
Bekannte Schutzhelme weisen einen sogenannten Helmeinleger und eine Helmspinne auf, durch welche die Träger gegen von außen wirkende mechanische Beanspruchungen geschützt sind.Known protective helmets have a so-called helmet insert and a helmet spider, through which the wearer is protected against external mechanical stress.
Erfindungsgemäß ist dabei wenigstens eine erste Kapselanordnung mit PCM-Material in dem Helmeinleger des Schutzhelms angeordnet.
Diese erste Kapselanordnung kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und bewirkt bereits eine Temperaturreduzierung im Inneren des Schutzhelms z.B. im Brandfall.According to the invention, at least a first capsule arrangement with PCM material is arranged in the helmet insert of the protective helmet.
This first capsule arrangement can be made up of one or more parts and already causes a reduction in temperature inside the protective helmet, for example in the event of a fire.
Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens eine zweite Kapselanordnung an der Kopfspinne des Schutzhelms angeordnet bzw. befestigt sein. Auch die zweite Kapselanordnung kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein.
Dabei bewirkt die im oberen Bereich des Schutzhelmes bevorzugt in den Helmeinleger integrierte erste Kapselanordnung insbesondere eine Reduzierung des äußeren Wärmeeintrags in das Helminnere.Alternatively or additionally, at least one second capsule arrangement can be arranged or attached to the headpiece of the protective helmet. The second capsule arrangement can also be made up of one or more parts.
The first capsule arrangement, which is preferably integrated into the helmet insert in the upper area of the protective helmet, particularly reduces the external heat input into the helmet interior.
Die an der Innenausstattung in Form der Kopfspinne angeordnete zweite Kapselanordnung, die sich unmittelbar im Bereich bzw. Umfangsbereich des Kopfes bewirkt vorteilhafter Weise eine Aufnahme der über den Kopf abgegebenen Körperabwärme.The second capsule arrangement arranged on the interior in the form of the head spider, which is located directly in the area or peripheral area of the head, advantageously absorbs the body heat emitted via the head.
Weiterhin ist es möglich, dass sich an die Druckgasleitung, welche an oder in die Helmschale des Schutzhelms führt,
- - wenigstens eine perforierte Druckgasleitung
- - wenigstens ein Düsenkopf
- - wenigstens eine Luftdüse
- - at least one perforated pressure gas line
- - at least one nozzle head
- - at least one air nozzle
Dabei ist es beispielsweise möglich, die perforierte Druckgasleitung und/oder den Düsenkopf und/oder die Luftdüse an der Kopfspinne anzuordnen oder auch mit der ersten oder zweiten Kapselanordnung zu kombinieren.It is possible, for example, to arrange the perforated pressure gas line and/or the nozzle head and/or the air nozzle on the head spider or to combine them with the first or second capsule arrangement.
Der Düsenkopf wird bevorzugt an der Innenseite der Helmschale oder an der Kopfspinne befestigt.The nozzle head is preferably attached to the inside of the helmet shell or to the head spider.
Vorteilhafter Weise dienen die erste und/ zweite Kapselanordnung als Wärmespeicher.Advantageously, the first and/or second capsule arrangement serve as heat storage.
Die erste Kapselanordnung und/oder die zweite Kapselanordnung können aus Einzelteilen bestehen.The first capsule arrangement and/or the second capsule arrangement may consist of individual parts.
Dabei weisen die erste und/oder zweite Kapselanordnung oder deren Einzelteile jeweils eine Einfüllöffnung für das Phasenwechselmaterial (PCM) und eine Entlüftungsöffnung auf. Durch die Einfüllöffnung wird das Phasenwechselmaterial in die hohl ausgeführten Kapselanordnungen bzw. Einzelteile eingefüllt, wobei die Luft über die Entlüftungsöffnung entweichen kann.The first and/or second capsule arrangement or their individual parts each have a filling opening for the phase change material (PCM) and a vent opening. The phase change material is filled into the hollow capsule arrangements or individual parts through the filling opening, whereby the air can escape via the vent opening.
Nachdem die Kapselanordnungen mit PCM-Material gefüllt sind, werden die Einfüllöffnung und die Entlüftungsöffnung dicht verschlossen.After the capsule assemblies are filled with PCM material, the filling opening and the vent opening are tightly closed.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht somit erstmalig aus einer Vorrichtung zur Spülung des Helminneren mit einem expandierenden Gas (Expansionskühlung) und/oder an der inneren Helmschale angebrachten verkapselten Phasenwechselmaterialien, wobei beide Vorrichtungen allein oder in Kombination appliziert und angewandt werden können.
Zur Spülung des Helminneren wird ein verdichtetes Gas aus einem Druckbehälter entspannt, über ein Schlauchsystem in das Helminnere geleitet und über perforierte Schläuche zielgerichtet verteilt. Dabei wird durch das einströmende Gas die warme und feuchte Luft aus dem Helminneren in die Umgebungsatmosphäre verdrängt. Da Gase nach der Expansion bekanntermaßen eine geringe Feuchte aufweisen und zudem unterkühlt sind, wird dadurch das gewünschte Mikroklima im Helminneren gewährleistet. In der Folge kann die zur natürlichen Thermoregulierung erforderliche Verdunstung des Schweißes stattfinden, indem das trockene Gas über Diffusions- und/oder Konvektionsvorgänge die Feuchte aufnimmt und abtransportiert. Für eine zweckmäßige Dosierung der Gasspülung kann (manuell oder automatisiert) eine Steuerung und Regelung der Expansionskühlung über Drossel- und Sperrventile erfolgen.The solution according to the invention thus consists for the first time of a device for flushing the interior of the helmet with an expanding gas (expansion cooling) and/or encapsulated phase change materials attached to the inner helmet shell, whereby both devices can be applied and used alone or in combination.
To flush the inside of the helmet, a compressed gas is released from a pressure vessel, fed into the inside of the helmet via a hose system and distributed in a targeted manner via perforated hoses. The inflowing gas displaces the warm and moist air from the inside of the helmet into the ambient atmosphere. Since gases are known to have a low humidity after expansion and are also supercooled, this ensures the desired microclimate inside the helmet. As a result, the evaporation of sweat required for natural thermoregulation can take place as the dry gas absorbs and transports the moisture away via diffusion and/or convection processes. For appropriate dosing of the gas flush, the expansion cooling can be controlled and regulated (manually or automatically) using throttle and shut-off valves.
Um insbesondere bei extremer Hitzeexposition der Umgebung, wie z.B. bei Brandfällen, den äußeren Wärmeeintrag sowie die innere Wärmelast (Körperabwärme) gering zu halten, wird erfindungsgemäß auf der Innenseite der Helmschale Phasenwechselmaterial (PCM) eingesetzt. Das PCM ist in der Lage, während des Phasenwechsels (hier i.d.R. von fester zur flüssigen Phase) bei annähernd gleichbleibender Temperatur Wärme zu speichern. Dies hat zur Folge, dass die Umgebungstemperatur (hier das Helminnere) des PCM sich erst erhöht, nachdem das gesamte PCM aufgeschmolzen ist. Für den Einsatz von Schutzhelmen sind je nach Anwendungsfall Schmelztemperaturen zwischen 35 und 65 °C geeignet. Damit das PCM auch in der flüssigen Phase örtlich gebunden bleibt, ist das PCM zu verkapseln, was erfindungsgemäß mittels 3D-gedruckten Kunststoffhohlkörpern, tiefgezogene und verklebte Kunststoffplatten, verschweißte Aluminiumverbundfolien oder Ähnlichem ausgeführt sein kann. Neben der Wärmespeicherung bewirkt insbesondere bei paraffinhaltigen PCM die schlechte Wärmeleitfähigkeit zu einer Dämpfung der von außen in das Helminnere eingebrachte Wärme und somit zu einer reduzierten äußeren Wärmelast.In order to keep the external heat input and the internal heat load (body waste heat) low, especially in the case of extreme heat exposure of the environment, such as in the event of a fire, phase change material (PCM) is used on the inside of the helmet shell. The PCM is able to store heat at a nearly constant temperature during the phase change (here usually from solid to liquid phase). This means that the ambient temperature (here the inside of the helmet) of the PCM only increases after the entire PCM has melted. Depending on the application, melting temperatures between 35 and 65 °C are suitable for the use of protective helmets. To ensure that the PCM remains locally bound even in the liquid phase, the PCM must be encapsulated, which according to the invention can be carried out using 3D-printed plastic hollow bodies, deep-drawn and glued plastic plates, welded aluminum composite films or similar. In addition to heat storage, the poor thermal conductivity of paraffin-containing PCMs in particular leads to an attenuation of the heat introduced into the helmet interior from the outside and thus to a reduced external heat load.
Gegenüber dem Stand der Technik weist die vorgestellte Lösung den Vorteil auf, durch Erzeugung und Aufrechterhaltung eines kühlen, trockenen Mikroklimas im Helminneren die natürliche Thermoregulation und somit längere Einsatzzeiten sowie höhere Leistungsfähigkeiten des Helmträgers ermöglichen. Demnach kann erfindungsgemäß nicht nur die Temperatur, sondern auch die Luftfeuchte im Helminneren reguliert werden. Dies ist insbesondere durch eine Kombination aus Expansionskühlung und PCM möglich wodurch sich im Einzelnen folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik ergeben.Compared to the state of the art, the solution presented has the advantage of enabling natural thermoregulation and thus longer usage times and higher performance of the helmet wearer by creating and maintaining a cool, dry microclimate inside the helmet. According to the invention, not only the temperature but also the humidity inside the helmet can be regulated. This is possible in particular through a combination of expansion cooling and PCM, which results in the following advantages over the state of the art.
Bei der Expansionskühlung wird expandierendes Gas, welches unterkühlt und sehr trocken ist, in den Helm eingeleitet und verdrängt die warme und feuchte Luft im Helminnern. Dadurch erfolgt auch das Vermeiden des Eindringens von ggf. toxischer, warmer und feuchter Umgebungsluft in das Helminnere durch aktives Einleiten des expandierten Gases. Eine bedarfsgerechte Regulierung kann durch eine zweckmäßige Dosierung des expandierenden Gases über Drossel- und Sperrventile erfolgen.
Die in dem Schutzhelm angeordneten PCM-Kapsel/n bewirken gleichzeitig zur Expansionskühlung die Dämpfung der äußeren Wärmelasten (z.B. im Brandeinsatz) durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit und der Wärmespeicherung (während Phasenwechsel) der bevorzugt in der Nähe der Helmschale platzierten PCM-Kapsel/n.With expansion cooling, expanding gas, which is supercooled and very dry, is introduced into the helmet and displaces the warm and humid air inside the helmet. This also prevents potentially toxic, warm and humid ambient air from entering the helmet by actively introducing the expanded gas. The expansion gas can be regulated as needed by appropriately dosing it using throttle and shut-off valves.
The PCM capsule(s) arranged in the protective helmet simultaneously provide expansion cooling and dampen the external heat loads (e.g. in fire operations) due to the poor thermal conductivity and heat storage (during phase changes) of the PCM capsule(s) preferably placed near the helmet shell.
Durch das während des Phasenwechsels hohe Wärmespeichervermögen der unmittelbar am Kopf des Helmträgers platzierten PCM-Kapsel/n erfolgt die Aufnahme der inneren Wärmelasten (Körperwärme), so dass nahezu konstante Temperaturen im Inneren des Helms auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen sichergestellt werden können.The high heat storage capacity of the PCM capsule(s) placed directly on the helmet wearer’s head during the phase change means that the internal heat loads (body heat) are absorbed, so that almost constant temperatures inside the helmet can be ensured even at very high ambient temperatures.
Als technische Gase zur Spülung des Helmes können neben Atemluft beispielsweise N2, CO2, He, Ne, Ar, Kr, Xe eingesetzt werden. Im Allgemeinen sind alle nicht toxischen, nicht entflammbaren Gase, inerte Gase einsetzbar.In addition to breathing air, technical gases such as N 2 , CO 2 , He, Ne, Ar, Kr and Xe can be used to flush the helmet. In general, all non-toxic, non-flammable and inert gases can be used.
Beim Einströmen in den Helm sollte das expandierende Gas eine Temperatur zwischen 5-40 °C, insbesondere zwischen dem Kopf und dem Raum des Schutzhelms, der den Kopf umgibt, aufweisen.When flowing into the helmet, the expanding gas should have a temperature between 5-40 °C, especially between the head and the space of the protective helmet surrounding the head.
Die relative Luftfeuchte des expandierenden Gases, wenn es in den Helm einströmt, sollte bevorzugt zwischen 5-25 % relative Luftfeuchte liegen.The relative humidity of the expanding gas as it flows into the helmet should preferably be between 5-25% relative humidity.
Bevorzugt wird das Gas aus einem Gasdruckbehälter mittels eines Schlauchs zugeführt und über Perforierungen in dem Schlauch in das Innere des Helms abgegeben. Alternativ kann das Gas auch über eine flache Düse mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen in den Helm geleitet werden, bevorzugt in den oberen Bereich des Helms.Preferably, the gas is supplied from a gas pressure container via a hose and released into the interior of the helmet via perforations in the hose. Alternatively, the gas can also be fed into the helmet via a flat nozzle with a large number of outlet openings, preferably into the upper area of the helmet.
Eine weitere Variante ist die Anordnung einer sich im oberen Bereich des Schutzhelms befindlichen im Wesentlichen flächenhaften Luftverteilung mit mehreren Austrittsöffnungen, die über einen Schlauch an den Druckgasbehälter angeschlossen ist. Eine derartige Luftverteilung kann auch in eine PCM-Kapsel integriert sein.Another variant is the arrangement of an essentially flat air distribution with several outlet openings in the upper area of the protective helmet, which is connected to the compressed gas container via a hose. Such an air distribution can also be integrated into a PCM capsule.
Die PCM-Kapseln bestehen bevorzugt aus Kunststoff, beispielsweise aus TPU (Thermoplastische Polyurethan), PC (Polycarbonat), PA (Polyamid), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PVC (Polyvinylchlorid).The PCM capsules are preferably made of plastic, for example TPU (thermoplastic polyurethane), PC (polycarbonate), PA (polyamide), PP (polypropylene), PE (polyethylene), PVC (polyvinyl chloride).
Es sind insbesondere alle druckbaren, umformbaren, blasformbaren Kunststoffe für die PCM-Kapseln einsetzbar, aber auch Kapseln aus Aluminiumverbundfolie.In particular, all printable, formable, blow-moldable plastics can be used for PCM capsules, but also capsules made of aluminum composite foil.
Die PCM-Kapseln können beispielsweise als schalenförmiger Hohlkörper aus zwei tiefgezogenen Polycarbonat-Schalen ausgebildet sein, die randseitig miteinander verbunden sind und in deren Hohlraum das PCM-Material eingebracht wurde.The PCM capsules can, for example, be designed as a shell-shaped hollow body made of two deep-drawn polycarbonate shells that are connected to each other at the edges and into whose cavity the PCM material has been introduced.
Bevorzugt werden Schutzhelme mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung serienmäßig angefertigt.Preferably, protective helmets with the device according to the invention are manufactured in series.
Es ist jedoch auch möglich, einen handelsüblichen Schutzhelm mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachzurüsten.However, it is also possible to retrofit a commercially available protective helmet with the device according to the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 Prinzipskizze einer Ausstattung eines Schutzhelms z.B. für Feuerwehreinsatzkräfte, -
2 Seitenansicht einer ersten PCM-Kapsel für einen Schutzhelm -
3 Längsschnitt A-A gemäß 2 , -
4 Einzelheit B gemäß 3 , -
5 Darstellung einer von vier einzelnen ersten Kapseln 3.1, in zwei unterschiedlichen Ansichten, -
6 Ansicht eines Helmeinlegers 2 aus Richtung seiner offenen Seite mit vier ersten Kapseln 3.1, -
7 Schnitt C-C gemäß6 , -
8 Darstellung einer Helmspinne 7 mit vier daran befestigten zweiten Kapseln 4.1, -
9 Darstellung einer zweiten Kapsel 4.1 aus Richtung der Innenseite des Helms (Vorderansicht), -
10 Vorderansicht einer zweiten Kapsel 4.1, -
11 beispielhafte schematische Darstellung einer perforierten Druckgasleitung 4 für die Zuführung von Kühlgas, -
12 dreidimensionale Darstellung einer ersten Ausführung eines Düsenkopfes für einen Schutzhelm, -
13 Längsschnitt durch einen Düsenkopf 4.2 gem.12 , -
14 Ausschnitt einer Kopfspinne 6 mit einem daran befestigten Düsenkopf 4.2 in einer weiteren Ausführung.
-
1 Schematic diagram of a protective helmet equipment, e.g. for firefighters, -
2 Side view of a first PCM capsule for a protective helmet -
3 Longitudinal section AA according to2 , -
4 Detail B according to3 , -
5 Representation of one of four individual first capsules 3.1, in two different views, -
6 View of ahelmet insert 2 from the direction of its open side with four first capsules 3.1, -
7 Section CC according to6 , -
8th Representation of ahelmet spider 7 with four attached second capsules 4.1, -
9 Representation of a second capsule 4.1 from the inside of the helmet (front view), -
10 Front view of a second capsule 4.1, -
11 exemplary schematic representation of a perforatedpressure gas line 4 for the supply of cooling gas, -
12 three-dimensional representation of a first embodiment of a nozzle head for a protective helmet, -
13 Longitudinal section through a nozzle head 4.2 acc.12 , -
14 Detail of a head spider 6 with a nozzle head 4.2 attached to it in another version.
In dem Helmeinleger 2 befindet sich in Richtung zum angedeuteten Kopf 8 eine Aussparung/Vertiefung 2.1, in welcher wenigstens eine erste Kapselanordnung 3 befindet, welche mit PCM-Material gefüllt ist.
Wenigstens eine zweite Kapselanordnung 4 mit PCM-Material ist (hier von der ersten Kapsel 3 beabstandet) in Richtung zum Kopf 8 positioniert.
In the
At least a
Die zweite Kapselanordnung 4 ist umringt von einer perforierten Druckgasleitung 5.1 als Kühleinrichtung zur Zuführung von Kühlgas in das Innere des Helms H. Zu der perforierten Druckgasleitung 5.1 führt von einem nicht dargestellten Druckbehälter eine gestrichelt angedeutete Druckgasleitung 5.The
Die zweite Kapselanordnung 4 und die perforierte Druckgasleitung 5.1 sind bevorzugt an einer an Befestigungspunkten 6 befestigten sogenannten Kopfspinne 7 angeordnet bzw. aufgenommen.The
Die Kopfspinne 7 ist eine übliche Ausstattung eines Schutzhelms H für Sondereinsatzkräfte und sitzt im angelegten Zustand des Schutzhelms H auf dem Kopf 8 und umhüllt und schützt diesen seitlich und oberhalb.The
Die Zuführung des Kühlgases über die Leitung 5 und die perforierte Druckgasleitung 5.1 sorgt durch eine Expansionskühlung für ein kühles, trockenes Mikroklima im Helminneren, da durch das Kühlgas die im Helminneren vorhandene warme und feuchte Luft durch dieses verdrängt und somit „herausgespült“ wird.The supply of the cooling gas via
Die erste und zweite Kapselanordnung 3, 4 dienen als Wärmespeicher, wobei die Kapselanordnungen 3, 4 mit Phasenwechselmaterial PCM gefüllt sind und die äußere Schicht der Kapselanordnungen 3, 4 eine diffusionsdichte Schutzhülle bildet.The first and
Die erste Kapselanordnung 3 kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und auch die zweite Kapselanordnung 4 kann aus mehreren Teilen bestehen.The
Die Expansionskühlung besteht aus einem hier nicht dargestellten Druckspeicher mit verdichtetem Gas, Drossel-/ Sperrventilen, einer Druckgasleitung 5 in das Helminnere und der in
Alternativ kann das Kühlgas auch über eine oder mehrere Düsenköpfe 12 oder eine oder mehrere Luftdüsen 13, die an die Druckgasleitung 5 angeschlossen sind, in den Schutzhelm H geleitet werden (siehe auch
Alternatively, the cooling gas can also be fed into the protective helmet H via one or more nozzle heads 12 or one or more air nozzles 13 connected to the pressure gas line 5 (see also
Die im oberen Bereich des Schutzhelmes H bevorzugt in den dämpfenden Helmeinleger 2 integrierte erste Kapselanordnung 3 dient insbesondere zur Reduzierung des äußeren Wärmeeintrags in das Helminnere.The
Die an der Innenausstattung (Kopfspinne 7) angeordnete zweite Kapselanordnung 4 befindet sich unmittelbar am Kopf 7 und dient vorrangig zur Aufnahme der über den Kopf 7 abgegebenen Körperabwärme.The
Bevorzugt werden sowohl die erste und zweite Kapselanordnung 3, 4 und die Expansionskühlung (perforierten Druckgasleitung 5.1 mit Ausströmöffnungen 5.2 bzw. eine oder mehrere Düsenköpfe 12 oder eine oder mehrere Luftdüsen 13 in einen Helm H integriert, da damit die besten Ergebnisse erzielt werden.Preferably, both the first and
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die vorgenannten Komponenten einzeln oder in beliebigen Kombinationen im Helm H anzuordnen.However, it is also possible to arrange the aforementioned components individually or in any combination in the helmet H.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Druckluftzuführung in eine oder beide Kapseln bzw. Kapselanordnungen zu integrieren.
In
In
Diese ist schalenartig ausgebildet und kann in einer korrespondierenden Aussparung/Vertiefung 2.1 eines Helmeinlegers 2 positioniert werden, wie in
Der Längsschnitt der
Die Schalen 3a und 3b bestehen hier beispielsweise aus tiefgezogenen Polycarbonatschalen, die umfangsseitig miteinander verklebt sind und in denen das Phasenwechselmaterial PCM eingeschlossen ist.The
Die erste Kapselanordnung 3 verfügt über mindestens eine Einfüllöffnung zum Einfüllen des Phasenwechselmaterials PCM und eine Entlüftungsöffnung (in den
Es ist vorteilhaft, die Kapselanordnungen 3, 4 aus mehreren Teilen auszubilden, beispielsweise aus vier Einzelteilen 3.1 bei der ersten Kapselanordnung 3, wie in den
Es ist hier ersichtlich, dass eine Einfüllöffnung 9 für das Phasenwechselmaterial PCM und eine Entlüftungsöffnung 10 vorhanden sind. Der Teil 3.1 der ersten Kapselanordnung 3 weist eine äußere Schale 3a und eine innere Schale 3b auf, die randseitig miteinander verbunden sind und zwischen welchen ein Raum zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials PCM vorhanden ist (siehe Darstellung b).It can be seen here that there is a filling
Die vier Teile 3.1 grenzen bevorzugt aneinander an und werden in einer Vertiefung 2.1 des Heimeinlegers 2 aufgenommen.The four parts 3.1 preferably adjoin one another and are accommodated in a recess 2.1 of the
Aus den
Die Teile 3.1 der Kapselanordnung 3 können beispielsweise im 3D-Druck aus Kunststoff gefertigt sein.The parts 3.1 of the
Jeweils vier Teile 4.1 sind an einem Metallband 7.1 einer Kopfspinne 7 aufgenommen.Four parts 4.1 are attached to a metal band 7.1 of a
Die Einzeldarstellung eines Teils 4.1 ist in
Die Kapselanordnungen 3, 4 oder deren Teile 3.1, 4.1 können aus zwei schalenförmigen miteinander randseitig verbundenen Einzelschalen bestehen oder beispielsweise auch einteilig ausgebildet und durch Blasformen oder durch 3D-Druck hergestellt sein. Wichtig ist, dass diese einen Hohlraum für das Phasenwechselmaterial PCM aufweisen.The
Als Materialien für die Kapselanordnungen 3, 4 oder deren Teile 3.1, 4.1 kommen insbesondere jegliche druckbaren, umformbaren, blasformbaren Kunststoffe, bevorzugt TPU (Thermoplastische Polyurethan), PC (Polycarbonat), PA (Polyamid), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PVC (Polyvinylchlorid) zur Anwendung.In particular, any printable, formable, blow-moldable plastics, preferably TPU (thermoplastic polyurethane), PC (polycarbonate), PA (polyamide), PP (polypropylene), PE (polyethylene), PVC (polyvinyl chloride) are used as materials for the
Es können jedoch auch anderweitig hergestellte Kunststoffkapseln oder auch Kapseln aus verschweißten Aluminiumverbundfolien verwendet werden.However, plastic capsules manufactured in other ways or capsules made of welded aluminum composite foils can also be used.
Die beispielhafte schematische Darstellung einer perforierten Druckgasleitung 5.1 für die Zuführung von Kühlgas ist in
Ein Leitungsabschnitt führt um den nicht dargestellten Kopf und ein zweiter Leitungsabschnitt über den Kopf. Die Verzweigung der Leitungsabschnitte erfolgt über Verbinder 5.3. Zu einem Verbinder 5.3 führt auch von einem Depot des Druckgases, z.B. von einer Druckgasflasche eine Druckgasleitung 5.One line section leads around the head (not shown) and a second line section over the head. The line sections are branched via connectors 5.3. A
Mit den Pfeilen soll angedeutet werden, wie das Kühlgas aus der perforierten Druckgasleitung 5.1 in Richtung zum nicht dargestellten Kopf austritt.The arrows indicate how the cooling gas exits from the perforated pressure gas line 5.1 in the direction of the head (not shown).
Die perforierte Druckgasleitung 5.1 wird bevorzugt an der Helmspinne befestigt.The perforated pressure gas line 5.1 is preferably attached to the helmet spider.
Eine weitere Variante für die Zuführung des Kühlgases besteht in der Ausbildung eines Düsenkopfes 12 (in etwa ausgebildet wie ein Duschkopf), der einen Anschluss 12.1 für eine gestrichelt angedeutete Druckgasleitung 5 und Luftführungen 12.2 aufweist.
Dieser wird beispielsweise in die Helmschale 2 luftdicht eingeklebt und weist eine Abflachung 12.3 auf. Zwischen der Abflachung 12.3 und der Innenseite des Helmschale 2 (in
This is glued, for example, into the
Alternativ kann dieser Düsenkopf 12 auch an der Helmspinne befestigt sein, wobei dann der Kanal 12.4 und der Bereich über der Abflachung 12.3 nach oben geschlossen sind. Selbstverständlich kann diese Möglichkeit der Expansionskühlung auch mit einer ersten und/oder zweiten Kapselanordnung mit PCM-Material kombiniert werden.Alternatively, this nozzle head 12 can also be attached to the helmet spider, in which case the channel 12.4 and the area above the flattened portion 12.3 are closed at the top. Of course, this expansion cooling option can also be combined with a first and/or second capsule arrangement with PCM material.
Als Kühlgas können beliebige Gase, welche keine toxischen Eigenschaften für den menschlichen Organismus aufweisen und nicht brandbeschleunigend wirken, eingesetzt werden, wobei die Gase in Druckbehältern speicherbar sein sollten.Any gas that does not have toxic properties for the human organism and does not accelerate fire can be used as a cooling gas, whereby the gases should be able to be stored in pressure vessels.
Die als Gasvorrat verwendeten Druckbehälter sollten so ausgeführt sein, dass diese separat z.B. auf dem Rücken und/oder am Helm und/oder anderweitig mitgeführt werden können. Alternativ ist ggf. die Versorgung über ein Atemschutzgerät möglich.The pressure vessels used as gas supplies should be designed in such a way that they can be carried separately, e.g. on the back and/or on the helmet and/or in some other way. Alternatively, they can be supplied via a breathing apparatus.
Es sollte eine bedarfsgerechte Steuerung und Regelung der Expansionskühlung auf Grundlage der im Helm gemessenen Parameter erfolgen.The expansion cooling should be controlled and regulated as required based on the parameters measured in the helmet.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Schalldämpfung erfolgt, mit welcher eine Reduzierung von Strömungsgeräuschen beim Eintritt des expandierenden Gases in das Helminnere erfolgt (z.B. durch Schalldämpfer, Austrittsdüsen, geeignete Öffnungsgeometrien an der Druckgasleitung im Helminneren).Furthermore, it is advantageous if sound dampening is used to reduce flow noise when the expanding gas enters the helmet interior (e.g. by means of silencers, outlet nozzles, suitable opening geometries on the compressed gas line inside the helmet).
Als Phasenwechselmaterialien PCM kommen bevorzugt Paraffine oder Salzhydrate zur Anwendung, welche u.a. mit Schmelztemperaturen zwischen 25 und 80 °C, gesundheitsverträglich, und nicht entflammbar (bis mind. 100 °C) sind.Paraffins or salt hydrates are preferably used as phase change materials (PCM), which have melting temperatures between 25 and 80 °C, are harmless to health, and are non-flammable (up to at least 100 °C).
Weiterhin kann modifiziertes Phasenwechselmaterial PCM z.B. zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zur Anwendung kommen. Dazu können beispielsweise gut wärmeleitfähige Additive dem Phasenwechselmaterial beigemengt sein.Furthermore, modified phase change material (PCM) can be used, for example, to improve thermal conductivity. For this purpose, additives with good thermal conductivity can be added to the phase change material.
Eine optimale Mischung/Zusammensetzung kann beispielsweise über Simulationsrechnungen oder durch Versuche ermittelt werden.An optimal mixture/composition can be determined, for example, through simulation calculations or through experiments.
PCM ist beim Einfüllen flüssig und verfestigt sich dann wieder bei Temperaturen unterhalb der Erstarrungstemperatur.PCM is liquid when poured in and then solidifies again at temperatures below the solidification temperature.
Vorteilhafter Weise sollte eine Einrichtung zur Messung und Auswertung von Vitalparameter und Zustandsgrößen im Helminneren vorgesehen sein. Dabei wird vorteilhafter Weise auch der Beladezustand des PCM-Materials gemessen und somit festgestellt, wieviel Wärme noch gespeichert werden kann.It is advantageous to provide a device for measuring and evaluating vital parameters and state variables inside the helmet. This also advantageously measures the loading level of the PCM material and thus determines how much heat can still be stored.
Diese Messung erfolgt bevorzugt über einen oder mehrere Temperatursensoren in oder an der ersten und/oder zweiten Kapselanordnung mit PCM-Material. Andere Messprinzipien sind auch möglich.This measurement is preferably carried out using one or more temperature sensors in or on the first and/or second capsule arrangement with PCM material. Other measurement principles are also possible.
Die Vitalparameter der Einsatzkräfte werden beispielsweise über Pulsoximetrie oder Infrarotthermometrie erfasst.The vital parameters of the emergency personnel are recorded, for example, using pulse oximetry or infrared thermometry.
Es ist möglich, zur Warnung des Helmträgers, von Begleitpersonen und/oder der Einsatzleitung optische und/oder akustische und/oder haptische Warnsignale auszusenden. Die Signale können an/im Helm oder an Kleidungs- bzw. Ausrüstungsgegenständen angezeigt werden. Jedoch können die Signale auch kabellos (z.B. über Funk) an eine Einsatzzentrale weitergeleitet werden, über welche dann entsprechend reagiert werden kann.It is possible to send out visual and/or acoustic and/or haptic warning signals to warn the helmet wearer, accompanying persons and/or the operations manager. The signals can be displayed on/in the helmet or on clothing or equipment. However, the signals can also be transmitted wirelessly (e.g. via radio) to an operations center, which can then respond accordingly.
Bei Tests im Labormaßstab wurden im Helmzwischenraum ohne die erfindungsgemäße Ausstattung 85°C gemessen und bei Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung
- - mit Phasenwechselmaterial eine ca. 15°C geringere Temperatur
- - mit Expansionskühlung mit Kühlgas (hier Luft - zugeführt mit ca. 20 °C) eine bis zu 24 °C geringere Temperatur und
- - mit Phasenwechselmaterial und Expansionskühlung in Kombination eine bis zu 27 °C geringere Temperatur erzielt werden.
- - with phase change material a temperature about 15°C lower
- - with expansion cooling with cooling gas (here air - supplied at approx. 20 °C) a temperature up to 24 °C lower and
- - using phase change material and expansion cooling in combination, a temperature of up to 27 °C lower can be achieved.
Bei praxisnahen Versuchen im Brandcontainer wurde mit einem Feuerwehr-Schutzhelm ohne die erfindungsgemäße Ausstattung 80-95 °C bei 40-50 % rel. Feuchte gemessen.In practical tests in the fire container, temperatures of 80-95 °C at 40-50% relative humidity were measured using a firefighter's protective helmet without the equipment according to the invention.
Mit Phasenwechselmaterial in einer ersten und einer zweiten Kapselanordnung 3, 4 und einer perforierten Druckgasleitung 5 wurden noch 65 °C bei lediglich 10-15 % rel. Feuchte gemessen.With phase change material in a first and a
Die Versuchspersonen, welche die Schutzhelme im Brandcontainer getragen haben, äußerten sich positiv über die geringere Temperatur und das bessere Klima im Helm durch die geringere Luftfeuchtigkeit.The test subjects who wore the protective helmets in the fire container commented positively on the lower temperature and the better climate in the helmet due to the lower humidity.
Durch die Spülung des Schutzhelms mit dem durch Expansionskühlung abgekühlten Kühlgas konnte die sonst durch das Schwitzen erzeugte hohe Luftfeuchtigkeit drastisch reduziert werden. Die Luftströmung des Kühlgases über den Kopf wirkt sich somit sehr positiv aus. Die Anordnung der ersten und zweiten Kapselanordnung reduziert die Temperatur im Helm weiter.By flushing the protective helmet with the cooling gas cooled by expansion cooling, the high humidity that would otherwise be caused by sweating could be drastically reduced. The air flow of the cooling gas over the head therefore has a very positive effect. The arrangement of the first and second capsule arrangement further reduces the temperature in the helmet.
Dadurch können gesundheitliche Beeinträchtigungen der Sondereinsatzkräfte bei Einsätzen im Brandfall drastisch reduziert werden.This can drastically reduce the health risks to special forces during fire operations.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- HelmschaleHelmet shell
- 22
- Helmeinleger 2 (als Dämpfer)Helmet insert 2 (as a damper)
- 2.12.1
- Vertiefungdeepening
- 33
- erste Kapselanordnungfirst capsule arrangement
- 3.13.1
- Teile der ersten KapselanordnungParts of the first capsule assembly
- 3a3a
- äußere Schaleouter shell
- 3b3b
- innere Schaleinner shell
- 3R3R
- RandbereichEdge area
- 44
- zweite Kapselanordnungsecond capsule arrangement
- 4.14.1
- Teile der zweiten KapselanordnungParts of the second capsule assembly
- 55
- DruckgasleitungCompressed gas line
- 5.15.1
- perforierte Druckgasleitungperforated pressure gas line
- 5.25.2
- AusströmöffnungenOutlet openings
- 5.35.3
- VerbinderInterconnects
- 5.45.4
- DüsenköpfeNozzle heads
- 5.55.5
- AustrittsdüsenOutlet nozzles
- 66
- BefestigungspunkteAttachment points
- 77
- KopfspinneHead spider
- 88th
- KopfHead
- 99
- EinfüllöffnungFilling opening
- 1010
- EntlüftungsöffnungVent opening
- 1111
- KlemmelementClamping element
- 1212
- DüsenkopfNozzle head
- 12.112.1
- AnschlussConnection
- 12.212.2
- LuftführungenAir ducts
- 12.312.3
- BereichArea
- 12.412.4
- Kanalchannel
- 12.512.5
- LuftreservoirAir reservoir
- 1313
- LuftdüseAir nozzle
- 13.113.1
- Anschluss Connection
- HH
- Helmhelmet
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1653818 A4 [0003]EP1653818A4 [0003]
- DE 102010020262 B4 [0003]DE 102010020262 B4 [0003]
- DE 102016201912 B4 [0004]DE 102016201912 B4 [0004]
- WO 2016135529 A1 [0005]WO 2016135529 A1 [0005]
- DE 19756470 A1 [0006]DE 19756470 A1 [0006]
- EP 3261473 A4 [0007]EP3261473A4 [0007]
- EP 2249672 B1 [0008]EP 2249672 B1 [0008]
- WO 2011098761 A1 [0010]WO 2011098761 A1 [0010]
Claims (11)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE202024103134.2U DE202024103134U1 (en) | 2024-06-12 | 2024-06-12 | Device for reducing thermal stress and regulating the microclimate in a protective helmet and protective helmet equipped with the device |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE202024103134.2U DE202024103134U1 (en) | 2024-06-12 | 2024-06-12 | Device for reducing thermal stress and regulating the microclimate in a protective helmet and protective helmet equipped with the device |
Publications (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |