专利名称：服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置及方法
技术领域：
本发明属服装技术领域，特别是涉及一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置及其方法。
背景技术：
热舒适性是人体对服装所有功能要求中最重要的功能。根据Fanger(1970)热平衡方程，只有当人体产生热量通过显热和潜热途径散失，着装者才会处于热舒适状态。着装人体的热散失途径主有三种形式(1)显热直接通过服装向外界环境传递，散热量取决于服装各层材料厚度以及最内层服装衣下空间间隙大小；( 显热先传递到衣下空间中(即皮肤与最外层服装之间的空间)，然后再通过服装向外界环境传递；(3)潜热以汗液蒸发的形式传递到衣下空间中，然后再以相同方式向外界环境传递。后两种散热途径都取决于衣下空间与外界环境之间是否有充分的气体交换。当外界空气与衣下空气之间缺乏交换时， 人体汗液蒸发的水蒸汽将会蓄积在衣下空间，人体就会产生热感；当外界空气与衣下空气之间交换气流过大时，人体显热散热量增大，人体就会产生冷感。因此，只有当进入服装衣下空间的气流量恰好使人体产生的显热和潜热全部散失时，人体才会达到热舒适性平衡。 服装衣下空间与外界环境之间的空气交换率就成为决定热舒适的重要指标。影响服装衣下空间与外界环境之间的空气交换率的因素主要有服装材料透气性、服装款式结构设计、外界环境风速以及着装者身体状态等。就服装而言，服装材料的透气性是决定服装衣下空间与外界环境之间空气交换率的主要因素。但对于一些功能防护服装(如采用不透气面料的防水服装)，只有通过在服装款式结构上进行适当的设计才能实现衣下空气与外界空气之间的交换，如在服装上增加可允许空气流通的开口设计等。但如何评价并选择能够促进空气流通的最佳设计在很大程度上取决于是否能够实现对服装衣下与外界环境之间的空气交换率进行直接测量，得到量化表征指标，从而为防护服装的功能设计提供依据。目前一些测试仪器仅能对服装材料的透气性能进行测试，而对于着装状态下服装衣下空间与外界环境之间的空气交换率尚没有适当的仪器能够直接进行量化测定。如果采用间接生理测试方法，通常需要花费大量时间和费用，增加了防护服装开发成本。因此，设计开发一种新型测试仪器装置，实现快速简单的测量外界环境与衣下空间之间的空气交换率，对服装整体或局部透气性能以及不同功能设计效果进行评价，广泛应用于各种类型服装的设计开发，特别对于个体防护服装的研发和评价，将起到很好的支持作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种服装衣下空间与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置和方法，该装置可以测量服装衣下空间与外界环境之间的空气交换率，实现量化表征服装整体或局部透气性能，以填补现有测试仪器中仅对服装材料透气性能进行测试，不能满足在着装状态下，综合服装材料和服装款式设计等因素对服装整体或局部透气性能以及功能设计效果进行量化评价的要求。该装置简单、灵敏，测试快速仅用数分钟即可完成，测量结果准确、可重复性强。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，包括示踪气体释放系统和衣下空气采集分析系统，所述的示踪气体释放系统由依次相连的氮气瓶、气体流量计以及第一 PVC塑料管组成；所述的衣下空气采集分析系统由相互连接的第二 PVC塑料管和便携式气体检测仪组成。所述的氮气瓶与气体流量计是通过一根内径为SmmPVC塑料管连接在一起，气体流量计与第一 PVC塑料管是通过一根内径为SmmPVC塑料管和多向阀连接在一起。所述的氮气瓶容积为401，氮气浓度为99.99%，接口处加配352乂-80型单级式高压气体减压器。所述的气体流量计为型号LZB-10WB玻璃转子流量计，最大量程为451/min。所述的第一 PVC塑料管是由2 6根内径为8mm，长度为Im的PVC塑料管组成，每根塑料管末端封闭，塑料管上钻双排直径为2mm的出气孔，出气孔间距为2cm。所述的示踪气体释放系统的氮气流量为301/min。所述的第一 PVC塑料管用胶带固定在人体或假人的前、后躯干、上肢或下肢部位皮肤表面或内衣上。所述的第二 PVC塑料管与便携式气体检测仪是通过多向阀和一根内径为4mmPVC
塑料管连接在一起。所述的第二 PVC塑料管是由1 4根内径为4mm，长度为Im的PVC塑料管组成，每根塑料管仅末端开口。所述的便携式气体检测仪型号为PGM-1600，安装有检测氧气的电化学传感器，内置泵抽气；检测范围为0 30% VOL，精度为0. 1% VOL，抽气泵速度为0. 31/min。所述的第二 PVC塑料管用胶带固定在人体或假人的胸部、背部、手臂或腿部位皮肤表面。一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量的方法，包括下列步骤(1)由人体或假人穿着实验服装保持静态站立，将2 6根输气用的第一 PVC塑料管用胶带分别固定在人体或假人的前后躯干、上肢或下肢部位皮肤表面或内衣上，可根据测量服装类型选择适当数量输气管；将1 4根采集气体用的第二 PVC塑料管用胶带固定在人体或假人的胸部、背部、手臂或大腿部位皮肤表面，可根据测量服装整体或局部透气性能选择适当数量采集管和测量部位；(2)开启氮气瓶控制阀，以301/min流量向服装衣下输入氮气，开启便携式气体检测仪采集分析服装衣下空间各部位或局部衣下空气氧气浓度；(3)当服装衣下空气中的氧气浓度低于10 15%时关闭氮气控制阀，停止输入氮气；(4)人体或假人可保持静态站立或可进行运动，外界环境也可为不同风速状态，便携式气体检测仪持续采集分析服装衣下氧气浓度，直至服装衣下氧气浓度恢复到正常大气水平；
(5)绘制出时间-服装衣下空间氧气浓度数据图，找到氧气浓度恢复时间区域，即氧气浓度由10 15%恢复到正常大气水平20. 9%的区域，在此时间区域内根据如下公式计算服装衣下与外界环境之间的空气交换率P(t) = P0-Piexp (-Rt)其中P(t)是t时刻氧气浓度，P0是最终氧气浓度20. 9%，P1是t = 0时Ptl-Pa)之差，R是该指数函数衰退系数，用以表征服装衣下与外界环境之间空气交换率，单位mirT1。有益效果本发明能对着装状态下对服装衣下空间与外界环境之间的空气交换率进行测量， 填补现有测试仪器中仅对服装材料透气性能进行测试的空白，实现量化表征服装整体或局部透气性能，综合评价服装材料、服装款式设计、环境风速以及着装者身体状态等多种因素对服装衣下空间与外界环境之间空气交换率的影响，有助于确定需要进一步优化的服装部位，为各种类型服装的设计开发以及服装功能设计提供依据，满足着装舒适性的要求。本发明提供的示踪气体实验装置简单、灵敏，测试快速仅用数分钟即可完成，实验设备轻便，非常便于操作，测量结果准确、可重复性强，可广泛应用于实地现场或实验室模拟环境下对不同类型服装整体或局部透气性能进行测量，以及对服装不同功能设计进行评价。
图1本发明的结构示意图。图2为本发明的示踪气体释放系统输气PVC塑料管构造示意图。图3本发明的衣下空气采集分析系统典型氧气浓度变化曲线示意图。图4为本发明在不同风速下低温防护服服装整体空气交换率数据分析图。图5为本发明透气型运动T恤局部服装空气交换率数据分析图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1如图1、2、3所示，为本发明提供的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置的示意图。选取三款低温防护服作为实验服装，服装材料和款式特征描述如下A.冷库防寒服——面料100%尼龙+PU涂层，填充物100%涤纶棉；款式上下装分开，较贴体，帽领，袖口脚口部位均束紧。B.棉套装——面料100%棉，填充物100%棉絮；款式上下装分开，宽松，翻领，下摆袖口脚口均敞开。C.军大衣——面料100%棉，填充物100%棉絮款式单件外套，宽松，长度过膝，下摆袖口脚口均敞开。实验环境条件人工气候室，温度20°C，相对湿度50%，风速为0. 2m/s (无风)、风速0. 9m/s、风速1. 5m/s和风速2. 2m/s四种状态。实验过程受试者穿着实验服装保持静态站立，示踪气体释放系统I六根输气管即第一 PVC塑料管3分别固定在内层服装的前后躯干、左右手臂和左右大腿等部位，衣下空气采集分析系统II四根采集管即第二 PVC塑料管4分别固定在人体胸部、背部、上臂和大腿皮肤表面，开启氮气瓶1控制阀，以301/min流量向服装衣下输入氮气，同时开启便携式气体检测仪5采集分析服装衣下空间4个部位的氧气浓度，当氧气浓度低于10%时关闭氮气控制阀，停止输入氮气，受试者保持静态站立，外界环境风速分别为无风、风速lm/s、风速 2m/s和风速3m/s四种状态，便携式气体检测仪5持续采集分析服装衣下氧气浓度，直至服装衣下氧气浓度恢复到正常大气水平。实验结论根据公式分别计算服装整体空气交换率如图4所示，评价不同风速对服装整体空气交换率的影响和差异。无风状态下，不同款式低温防护服空气交换率均较低，表明三款低温防护服在无风状态下的透气性能均较差，保暖性能较好；当环境风速增大到0. 9m/s时，所有防护服的空气交换率均显著增加，其中B款防护服的空气交换率变化最大，表明在风速作用下B款防护服透气性能增强，服装保暖性能下降，这主要是由于该款防护服较宽松，衣下空间间隙量较大，因而在风速作用下使衣下空气对流增强造成的；而C款防护服的空气交换率变化较小，这主要是由于该款服装较厚重，因而风速对衣下空气的影响不是非常显著；随着环境风速进一步增大，所有服装空气交换率均增加，但变化幅度趋缓，表明服装与外界环境之间的空气交换率并非随环境风速非呈线性增长，而是呈指数函数增长趋势，其中C款防护服的空气交换率在风速1. 5m/s时显著增大，表明对于该款防护服在该风速条件时才对衣下空气的状态产生显著影响。通过本实例分析可知，示踪气体实验法可对不同风速下防护服装的空气交换率进行量化测评，实现比较分析风速对服装透气性能的影响规律，同时通过该实验方法也能够测评不同结构特征对服装整体透气性能差异化的影响。实验结果具有较高可重复性和准确性。实施例2如图1、2、3所示，为本发明提供的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置的示意图。选取八款运动T恤作为实验服装，服装材料和款式特征描述如下服装材料均为100%涤纶网眼双面罗纹，款式特征在于T恤的领口和下摆尺寸不同，具体描述如下A.中领口中下摆T恤(标准T恤10)——领口大56cm ；下摆大102cmB.紧领口紧下摆T恤(I 1)——领口大40cm ；下摆大75cmC.紧领口中下摆T恤(12)——领口大40cm ；下摆大102cmD.紧领口大下摆T恤(13)——领口大40cm ；下摆大146cmΕ.中领口大下摆T恤(14)——领口大56cm ；下摆大146cmF.中领口紧下摆T恤(15)——领口大56cm ；下摆大75cmG.大领口大下摆T恤(16)——领口大78cm ；下摆大146cmH.大领口紧下摆T恤(17)——领口大78cm ；下摆大75cm
实验环境条件人工气候室，温度20°C，相对湿度50%，风速0. 9m/s。实验过程受试者穿着实验服装保持静态站立，示踪气体释放系统I两根输气管即第一 PVC塑料管3固定在人体前后躯干皮肤表面，衣下空气采集分析系统II，；两根采集管即第二 PVC塑料管4固定在人体胸部和背部，各连接1个便携式气体检测仪5，开启氮气瓶1控制阀，以301/min流量向服装衣下输入氮气，同时开启便携式气体检测仪5分别采集分析服装衣下空间2个部位的氧气浓度，当氧气浓度低于15%时关闭氮气控制阀，停止输入氮气，受试者保持静态站立，便携式气体检测仪5持续采集分析服装衣下氧气浓度，直至服装衣下氧气浓度恢复到正常大气水平。实验结论根据公式分别计算服装整体空气交换率如图5所示，评价不同款式结构对对服装局部空气交换率的影响和差异。在风速0. 9m/s下，对每件T恤在胸部和后腰部位的空气交换率测试三次，图5显示为三次测量值。结论显示领口大小不同的T恤之间胸部空气交换率具有显著差异，领口大为40cm的T恤的空气交换率显著低于其他两种领口大小T恤，较低的空气交换率充分表明领口束紧状态严重限制了服装衣下空间与外界环境之间的空气流通；同时，当领口大小相同时，下摆越小的T恤相对空气交换率越低，体现出下摆大小对空气交换率的影响； 腰部空气交换率呈现出于胸部基本一致的变化规律，但不同领口和下摆T恤之间的差异较小；总体上，胸部的空气交换率大于后腰部位，说明领口大小变化对于服装空气交换率的影响更加显著，是服装功能设计的重点部位。
通过本实例分析可知，示踪气体实验法可对透气型服装的空气交换率进行评价， 能够测评服装不同结构特征的透气性能差异。实验结果具有较高可重复性和准确性。
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权利要求
1.一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，包括示踪气体释放系统(I)和衣下空气采集分析系统(II)，其特征在于所述的示踪气体释放系统(I)由依次相连的氮气瓶(1)、气体流量计⑵以及第一 PVC塑料管(3)组成；所述的衣下空气采集分析系统(II)由相互连接的第二 PVC塑料管(4)和便携式气体检测仪( 组成。
2.根据权利要求1所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，其特征在于所述的氮气瓶(1)与气体流量计( 是通过一根内径为SmmPVC塑料管连接在一起，气体流量计( 与第一 PVC塑料管C3)是通过一根内径为SmmPVC塑料管和多向阀连接在一起。
3.根据权利要求1或2所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，其特征在于所述的氮气瓶(1)容积为401，氮气浓度为99. 99 %，接口处加配 352X-80型单级式高压气体减压器。
4.根据权利要求1或2所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，其特征在于所述的气体流量计( 为型号LZB-10WB玻璃转子流量计，最大量程为 451/min。
5.根据权利要求1或2所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，其特征在于所述的第一 PVC塑料管(3)是由2 6根内径为8mm，长度为Im的 PVC塑料管组成，每根塑料管末端封闭，塑料管上钻双排直径为2mm的出气孔，气孔间距为 2cm0
6.根据权利要求1所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，其特征在于所述的示踪气体释放系统(I)的氮气流量为301/min。
7.根据权利要求1所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，其特征在于所述的第一PVC塑料管(3)用胶带固定在人体或假人(6)的前、后躯干、 上肢或下肢部位皮肤表面或内衣上。
8.根据权利要求1所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，其特征在于所述的第二 PVC塑料管(4)与便携式气体检测仪( 是通过多向阀和一根内径为4mmPVC塑料管连接在一起。
9.根据权利要求1所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，其特征在于所述的第二 PVC塑料管(4)是由1 4根内径为4mm，长度为Im的PVC 塑料管组成，每根塑料管仅末端开口。
10.根据权利要求1所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，其特征在于所述的便携式气体检测仪( 型号为PGM-1600，安装有检测氧气的电化学传感器，内置泵抽气；检测范围为0 30% VOL，精度为0. 1% VOL，抽气泵速度为0. 31/min。
11.根据权利要求1所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置，其特征在于所述的第二 PVC塑料管(4)用胶带固定在人体或假人(6)的胸部、背部、 手臂或腿部位皮肤表面。
12.一种使用权利要求1所述的一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置的方法，其特征在于，包括下列步骤(1)由人体或假人(6)穿着实验服装保持静态站立，将2 6根输气用的第一PVC塑料管(3)用胶带分别固定在人体或假人(6)的前后躯干、上肢或下肢部位皮肤表面或内衣上， 可根据测量服装类型选择适当数量输气管；将1 4根采集气体用的第二 PVC塑料管(4) 用胶带固定在人体或假人(6)的胸部、背部、手臂或大腿部位皮肤表面，可根据测量服装整体或局部透气性能选择适当数量和测量部位；(2)开启氮气瓶(1)控制阀，以301/min流量向服装衣下输入氮气，开启便携式气体检测仪( 采集分析服装衣下空间各部位或局部衣下空气氧气浓度；(3)当服装衣下空气中的氧气浓度低于10 15%时关闭氮气控制阀，停止输入氮气；(4)人体或假人(6)可保持静态站立或可进行运动，外界环境也可为不同风速状态，便携式气体检测仪( 持续采集分析服装衣下氧气浓度，直至服装衣下氧气浓度恢复到正常大气水平；(5)绘制出时间-服装衣下空间氧气浓度数据图，找到氧气浓度恢复时间区域，即氧气浓度由10 15%恢复到正常大气水平20. 9%的区域，在此时间区域内根据如下公式计算服装衣下与外界环境之间的空气交换率P(t) = P0-Piexp (-Rt)其中P(t)是t时刻氧气浓度，Ptl是最终氧气浓度20. 9 %，P1是t = 0时Ptl-P (t)之差，R是该指数函数衰退系数，用以表征服装衣下与外界环境之间空气交换率，单位mirT1。
全文摘要
本发明涉及一种服装衣下与外界环境之间空气交换率的示踪气体测量装置和方法，包括示踪气体释放系统和衣下空气采集分析系统，所述的示踪气体释放系统由依次相连的氮气瓶、气体流量计以及第一PVC塑料管组成；所述的衣下空气采集分析系统由相互连接的第二PVC塑料管和便携式气体检测仪组成。通过输气管向服装衣下空间输入氮气，开启气体检测仪采集分析服装衣下空间氧气浓度，当氧气浓度低于10～15％时停止输入氮气，记录服装衣下空间氧气浓度由10～15％恢复到正常大气水平的浓度变化过程。该测量装置可实现量化表征服装衣下空间与外界环境之间的空气交换率，其装置简单、灵敏，测试快速仅用数分钟即可完成，测量结果准确、可重复性强。
文档编号G01N27/26GK102253185SQ20111007133
公开日2011年11月23日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者张向辉, 李俊 申请人:东华大学