原创 对“个人外挂空调”的突发奇想

今天看到索尼做了个能穿在身上的“外挂个人空调 ”，这个想法是好的，也有很多的参考价值，为了让我们生活的更舒适。在一些危险的场合，比如消防员，进入火场就是采取了类似的做法。降低危险工作人员的热应力可以提高工作效率和允许的任务持续时间，减少疲劳，并创造一个更安全的工作环境。在高温环境下，可通过便携式冷却系统降低热应力。现在天气这么热，开发一个独立的便携式冷却系统非常必要。发展这种便携式冷却系统的三个主要挑战：提供输入功率、部件小型化和向环境空气散热。对于便携式操作，一个尽可能轻和紧凑的系统是必不可少的。该系统旨在独立于任何外部（固定）电源或输入使用，这要求冷却系统能够提供输入电源，并在用户工作的环境中独立运行。这种环境处于高温下，这进一步增加了排热挑战。

通过对压缩机测试结束后，设计并建造最终系统，作为个人冷却系统。图1显示了便携式冷却系统的系统布局。图2显示了发动机起动、发电、制冷剂压缩和流量控制、空气流量控制和燃料储存所需的部件。朝向底部中心的是发动机，它为系统提供输入功率。右侧是对进气管和曲轴箱进行了改装的压缩机。后面的冷凝器建立了系统的横截面包络线。通过齿轮传动系统向压缩机和冷凝器风扇提供动力。冷却系统的输入动力由冲程压燃式发动机提供，排量为2.5cm3，转速高达30000 rpm。它通过一个离心离合器将动力传递给齿轮传动系，使发动机能够独立于齿轮传动、压缩机和风扇的负载而起动。发动机起动后，节气门加大，导致离心离合器接合并转动传动系。传动系由三个平行轴和一个垂直轴组成，输入首先以3.5:1的比例从发动机减速到轴，然后以4.4:1的比例减速带动压缩机旋转。这导致从发动机到压缩机的速度降低了15.4:1。发动机以甲烷（78%）、硝基甲烷（10%）和蓖麻油（12%）的混合物运行。由于它是一个二冲程发动机，燃油中含有运动部件的润滑油（蓖麻油）。燃油箱由发动机排气管稍微加压，以保持燃油流向发动机，柔性软管连接消声器和燃油箱（图1）。

整个系统由许多用于压缩机测试的相同部件组成，必要时进行修改。冷凝器保持不变，除了空气流量的围带几何结构变化。作为进气阀制冷剂储液罐的压缩机外壳被取消。使用固定在曲轴箱开口上的铝塞密封曲轴箱，从而向活塞提供背压。这个塞子使曲轴箱向外延伸，以增加润滑油和制冷剂的体积。压缩机轴穿过一个黄铜轮毂，该轮毂固定两个轴承和两个特氟隆密封件，防止轴旋转期间泄漏。制冷剂通过密封在压缩机头上的圆柱形增压器输送到进气阀。增压室有用于压力表的端口、来自蒸发器的制冷剂流和曲轴箱增压。最后一根管子连接到曲轴箱塞上，使活塞具有适当操作所需的背面压力。这些改进减少了重量和尺寸，增加了简单性，并增加了直接从压缩机排出周围空气热量的能力。与密封压缩机周围的整个容积不同，曲轴箱是密封的，压缩机机体本身成为压力容器，从而大大减轻了重量和尺寸。通过重新设计的系统，压缩机本身暴露在空气中，从而提高了散热能力。

为了测试便携式冷却系统，发动机被用作风扇和重新配置的压缩机的电源。整个系统被放置在一个在受控高温下提供空气的房间内。一个外壳确保了冷凝器的气流完全由与冷却系统集成的风扇产生。空气被吸入冷凝器的表面，并通过压缩机和发动机排出，这使得两个部件都能被经过的空气冷却。发动机转速由延伸到外壳外部的油门连杆控制。燃油箱也位于外部，以便重新加注。发动机的排气管通向通风柜。电气连接也连接到外部，以便将蓄电池组连接到发动机的起动电路上。由于整个系统在使用过程中处于较高的环境温度，因此大多数冷却系统部件都包含在冷却室内。但是，为了控制蒸发器的热负荷，制冷剂管路从室中引出，进入蒸发器。针阀用作膨胀装置，位于阀室外部，以便在测试和控制低压侧压力期间进行调整。膨胀阀上游的透明软管使系统充注和冷凝器出口的过冷状态得以验证。进出蒸发器的管路进行了隔热处理，以减少不必要的热传递。50/50乙二醇/水溶液用作蒸发器耦合液。蒸发器的热负荷是通过使用数字电压表和数字电流表测量通向筒式加热器的电压和电流来获得的。使用一个可变变压器改变加热器的电压。根据冷却液温差和流量计算的蒸发器热负荷用于验证该加热器输入。转子流量计用于测量由变速泵提供的冷却液流量。在8L冷却液罐内，制冷剂管具有前面描述的相同螺旋缠绕模式，冷却液以逆流方式流向制冷剂。制冷剂从蒸发器流过一根透明软管，以检查它是否过热。然后，它通过另一根软管返回到压缩室内的压缩机吸入侧。

本研究设计、制造并测试了一种可穿戴式个人冷却系统。根据简单性、性能和组件数量等标准选择蒸汽压缩系统。同样，基于燃料电池和锂电池等选项中较高的总能量密度，选择了基于液体燃料的小型发动机，以向蒸汽压缩冷却系统供电。发动机通过适当的齿轮系为蒸汽压缩系统压缩机和冷凝器风扇提供动力。对现成的便携式空气压缩机进行了几次改进，并在内部进行了设计和制造，以将其转化为该应用所需的制冷剂压缩机。首先对独立压缩机试验台进行了详细试验，以确定该压缩机对制冷剂压缩的可行性。将压缩机集成到整个冷却系统中，并在各种受控、升高的环境温度、蒸发器温度和发动机转速下对系统性能进行了研究。冷却系统成功地提供了相当于典型受试者在相当于健美操或高环境温度下适度运动水平下所产生热量的冷却。因此，在37.7-47.5摄氏度的环境温度、10500到13300转/分的发动机转速和26-30 摄氏度的蒸发器冷却液温度范围内，该系统的热去除率在100到300 W之间。在相同条件下，燃油消耗率在0.269到0.340 kg 每小时之间变化。在较高的发动机转速下，冷却负荷增加，但在较高的环境温度和较低的蒸发器温度下，冷却负荷降低。在较高发动机转速（13300）下进行的附加试验表明，压缩机转速的增加导致了更高的冷却能力。本研究中开发的背包式可穿戴式冷却系统总质量为5.31千克，可在43.3摄氏度的额定环境温度下以约178瓦的速度提供5.7小时的冷却。这消除了需要连接到输入电源或冷却水槽的需要一些系统。因此，该系统将有助于减少热耗竭和疲劳的影响，从而降低人体的应力水平，同时提高生产率和安全性。