冷却服才能为低温作业人员提供降温保护，增强人体微气候区的舒适度。剖析了各种类型冷却服（二氧化碳冷却服、液体冷却服和相变冷却服）的降温形式、原理、特点及研究进展，注重阐明了相变冷却服的关键技术及发展方向：研究易塑性、耐腐蚀性的封装材料和相应的封装技术，解决气相相变材料存在的变型、泄露及水蚀问题；将纳米技术与相变材料微软膏结合，研发作用时间长、散热良好的复合相变材料，增强相变材料的导热系数；将相变冷却技术与其他技术相结合，开发作用疗效可调控的新型冷却服，同时研发可快速激活相变材料的设备或新型材料，使相变材料才能快速蓄冷。
目前，中国各种低温煤矿多达60多个，其中气温超过30℃的煤矿有38个。随着浅部煤焦资源日趋降低，未来的开采主体将转向深部煤焦资源。为此，低温热害已成为继煤矿瓦斯、火、煤尘、矿压、水以后第六大水灾，严重阻碍着深部煤焦资源的合理有效化开采。另一方面，像钢铁炼钢人员其周围的环境湿度有时可达到50℃。常年处于低温环境使人容易形成疲劳、精神不振，影响作业效率，同时体内水盐代谢衰弱，一些生理系统会因低温大量失水，害处作业人员的身心健康和人身安全。为此，研究适用于低温环境的冷却服具有重要意义。
冷却服的分类
按服饰结构分类
局部性冷却服。局部性冷却服是按照人体不同部位产热量、散热量差别而设计的。研究表明物理降温方式，身体基础代谢主要集中在背部和四肢，人体工作时，不同部位的多汗、散热硬度不同，四肢部位的基础代谢最大，潜热量最高。为此，在当前局部冷却服的研究中，针对脑部设计的降温帽、针对躯干设计的降温衣服或衬衫占了很大比列。初期德国空军服饰和织物研究所研发的适用于舰艇人员穿着的被动式降温衬衫，其降温原理是通过预先放在服饰外侧的冷藏凝胶，将人体形成的热量带走，达到增加温度的目的；短裤的冷藏凝胶由淀粉、水、酒精、活化剂等一系列原料按一定比列混合而成，-22~-18℃时为黄褐色液体，潜热量较大，厚实、贴身。郭宇称发明了一种无需另设电源的降温服，其主要实现方式是，首先设置冷源，在冷源与降温服之间布置导热介质流道，在导热介质流道与冷源之间设置温差发电片，一面朝向冷源，一面朝向导热介质流道；在导热介质流道中设置泵或电扇，导热介质可通过泵或直流电扇输送，泵或电扇通过导线与温差发电片联接，同时泵或电扇推进导热介质的能量由温差发电片提供。此装置借助冷源与导热介质之间的温差作为推进导热介质流动的能量，对于使用者而言无需另设电源，十分便捷。
局部性冷却服因其结构简单、适宜穿戴、降温疗效良好、实用性强等特征，普遍应用于生产与生活各个领域。
四肢性冷却服。四肢性冷却服的优点在于可以对四肢、四肢等部位全面降温，使人体整体处于较舒适状态。四肢性冷却服通常适用于特殊作业或特殊环境，如航天民航工作人员、极端高烧须要四肢保护的环境、有毒有害二氧化碳的环境等。比如，张吉洲设计的一种既适用于低温环境又适应于低温环境，同时还可在有害二氧化碳的环境中使用的恒温防护服，此防护服由4部份组成，分别为服饰本体、恒温源、空压机以及可在有害二氧化碳环境中使用的头盔，按人体造型特征在服饰内设置有若干块带S形排列和螺旋形盘绕的液流管线的恒温板，采用双室双四通结构的分配器，将胸与手臂、背与手指、两膝盖安放的恒温板管线串接呈3个支回路，恒温源、分配器、恒温板之间均用胶管联接，构成闭路循环系统，当恒温液体在闭路管线中循环流动时，服饰内的湿度保持平衡。并且，四肢性冷却服也存在缺点，如应用于消防、井下采矿、轧钢等工作范围大、强度大的低温作业人员，会影响其工作效率、工作便捷性、着装舒适性。
按降温介质分类
二氧化碳冷却服。二氧化碳冷却服属于主动式降温。二氧化碳冷却服首先由制热装置将空气冷却，经过净化后，再通过管线或服饰夹层将冷气排入服饰内，流动的冷空气对人体进行散热降温，致使人体微气候区处于相对舒适的状态。其散热原理是加速体液的蒸发，提高空气对流，因而达到降温目的。
根据散热方法的不同，二氧化碳冷却服分为蒸发型二氧化碳冷却服和对流型二氧化碳冷却服。蒸发型二氧化碳冷却服对通风室温没有要求，主要借助水气压梯度推动体液蒸发散热。比如，美国的MK1、K2及日本的MA-3型蒸发式四肢通风服，人体在受热流汗时，其冷却疗效好。对流型二氧化碳冷却服主要借助风流在微小空间内的对流作用把热量带走，要求通风二氧化碳气温高于平均皮肤体温，因而需提早对风进行预冷。USN开发的“制冷盔甲”背心式空调系统，采用空气调节器将经过调节的高温空气输入飞行服内的导管，为人体降温，这套系统可以把飞行员周边气温增加18℃；系统采用电瓶独立供电，与客机的供电系统无关，虽然飞行员离开后也可以使用。但在一般情况下，通风系统更好地发挥其通风散热疗效是在人体流汗的状态下进行的，因而在冷源不充足时，通风室温不宜过高，应按照系统实际需求合理选定。而以微型吊扇、涡流管技术为核心的冷却服也是二氧化碳冷却服的一大特色，比如曾彦彰等研制的微型吊扇阵列系统人体降温服，柳源等等设计的气冷式个体防护服。
二氧化碳冷却服具有气源丰富、降温时间长、降温疗效良好等优点。并且，二氧化碳冷却服也有自身的局限性，比如，服饰夹层饱含空气影响作业人员的灵活性、可操作性，进而影响井下作业效率；另一方面井下装置设备对防爆要求十分高，二氧化碳冷却服及其附属武器存在这方面的危险性。为此，若要在井下推广二氧化碳冷却服，还需进行大量深入的研究工作。
液体冷却服。液体冷却服同二氧化碳冷却服一样，属于主动式降温，一般在服饰内部布置管道，之后将高温液体输入管道中，循环流动带走人体的热量，达到对衣内微环境降温的目的。液体冷却服的冷却介质主要有水、冰水混和物、相变黏稠液及微软膏黏稠液等。液体冷却服通常由基础服饰部分和预冷装置组成。
1962年，等开发研发出世界第一件以水作为降温介质的液体冷却服，如图1所示。此后，液体冷却服被应用到日本宇航局（NASA）的阿波罗登月计划，而阿波罗液冷服奠定了现代冷却服发展的基础。
图1第一件风冷服
从20世纪70年代到80年代末期，个体冷却系统迅速发展，日本、德国、英国等国家研发出各类特色的液冷服，比如，美国（西德）德来格尔公司的冷水降温衬衫，日本的个体微气候制热系统（IMCS）。在这以后，研发出以热管技术、半导体技术为核心的液体冷却服。诸如，邢道明等研发的两款不同的冷却服，其结构不同但原理相像，均采用支路热管技术，实现了对人体微环境的主动式、低煤耗、绿色环保的高效降温，结构如图2所示；文虎等发明的矿用半导体制热降温防护服，结构如图3所示，该冷却服采用半导体为人体降温、水冷散热盒为半导体降温的形式，即半导体制热片通过冷端制热带走人体形成的热量，风冷散热盒中温水循环流动带走半导体热端的热量，进而实现为井下作业人员降温的目的。经过几六年的发展，液体冷却服目前早已在多个领域得到应用。
图2用于炎热环境下的冷却服
图3矿用半导体制热冷却防护服
相变冷却服。相变冷却服属于被动式降温，一般将相变材料放在服饰内，通过材料相态的变化吸收人体的热量，实现对人体降温。以固-气相变材料为例，当穿着相变材料冷却服时，相变材料周围的体温（包括人体体温和外界气温）低于材料的相变气温时，相变材料熔化从固态变为液态吸收热量，为人体降温；相反，当液态的相变材料周围湿度高于其相变气温时，材料从液态变为固态放出热量，以保持人体正常温度，为人体提供舒适的“衣内微气候”环境，使人体一直处于舒适状态。为此，相变冷却服既可起到制热作用，又能起到御寒作用。应用于冷却服的相变材料有冰、干冰、石蜡、水凝胶、吸水树脂等，其中以冰、水凝胶和石蜡的应用较为广泛。
相变冷却服具有成本低、结构简单、穿戴便捷、制冷疗效好等优点，同时相变材料种类多，包括有机相变材料、无机相变材料以及有机-无机混和相变材料，可以应用到工业、制冷、采矿冶金等各个领域，成为国外外学者研究的热点。据悉，相变微乳膏在个体防护服中应用的研究也日趋增多，它是一种具有核壳结构的复合相变材料，而核壳结构就是应用微乳膏技术在固-气相变材料微粒表面包覆一层性能稳定的膜而制成的，微乳膏的储热、传热应用范围广，同时极大地提升了储热率和传质率。
以上是根据服饰结构和降温介质对冷却服进行分类，还有根据制热形式、应用范围、应用领域等进行界定，但基本包含在以上界定之内。各种冷却服特点对诸如表1所示。
表1各种冷却服特点对比
相变冷却服的发展
相变冷却服研究进展
相变冷却服在开发早期，研究者借助冰作为相变材料，待其凝固后为人体降温。诸如，金曼蓉等研发的高分子冰防护服，该防护服采用无卤布或圆领布制做物理降温方式，内层用布片缝制有若干个呈条纹状排列的口袋，高分子冰袋装入其中；高分子冰袋为单层结构，装有含水蓄冰的高分子化合物，其结构如图4所示。20世纪90年代，韩国公司申请了一项关于可逆相变材料纤维的专利，此专利所述的纤维本质是石蜡类碳溴化合物，借助微乳膏技术将此化合物包覆在半径为1.0～10.0μm的微乳膏里，之后与聚合物碱液一起纺纱制得。等在空军消防服的口袋中倒入凝胶，进行了降温研究。公司和公司借助微乳膏与聚合物碱液纺纱技术生产出化纤纺织品，因而使蓄热调温微乳膏被广泛应用到纤维、织物和泡沫中，并进行量产和销售，实现了微乳膏织物技术的商业化。
图4高分子冰防低温服饰
近些年来，相变冷却服包括相变材料、服装结构得到了全方位、多方面的发展。Yang等基于真空干燥冷却技术，提出一种新型冷却服，其降温能力可达373.1W/m2。开发了一种蒸发冷却装置及与该装置连用的冷却服，被冷却的液体通过毛细作用被吸水材料吸收，之后通过容器壁进行散热，容器壁为肋条状可加以吊扇辅助散热，冷却服的出水口、出水口分别与冷却装置的进水口、进水口相连，经测试该冷却服的降温疗效良好。发明了一种新型相变冷却服，其相变材料主要应用于全身，可快速拆卸。该冷却服的创新在于有一个用于指示相变材料冷却能力的传感和一个具有活化物质的便携式容器，传感可依照材料气温不同显示不同的颜色，因而更科学地为使用者提示是否须要更换材料；便携式容器是独立呼吸装置的一部份，使用者可以把材料溶入其中促使相变材料再度活化制热。据悉，美国开发的降温衬衫，其外表与普通运动短裤无较大差别，但衬衫夹层短发布排列着细小的水管，水管中降温介质气温为17℃，可以起到抵挡低温、同时帮助运动员保持体能的作用，而关键在于衬衫内层采用隔热材料，可以制止外界热量步入人体，延长降温时间。Ayers等发明了一种具有防寒性和冷却性的可逆服饰，当人体穿着服饰的一面时，通过捕获空气和人体的热量给人体加热，而当穿着另一面时，通过加速织物上的水份运动提供冷量，给人体降温。等研发出供消防员使用的相变冷却服，其降温疗效良好，使用的相变材料为丙烯酸树脂高吸水性聚合物。
在国外，关平等、朱颖心等设计了以NaCl、KCl、CaCl2和水的混和物作为相变材料的冷却服，供鞋厂和医疗机构使用，为防止人体脏脏器受冷，在腹部、颈部、胸和肋部左侧将口袋布置成“门”字形。曹光荣设计了一种抗低温多功能消防服，该防护服将头套和短裤套联接在一起，借助禁锢弹簧联接内裤套和短裤套，通过在不同夹层内添加石棉纤维、玻璃纤维达到抵抗低温的目的。杨猪笼草等、王先鹏等通过将蓄冷模块放入口袋的方式，再结合不同的布料或样式结构，研发出各色个体降温防护服。周孟颖等设计了一种煤矿用多功能防护服，其外侧设有隔冷板、隔冷袋，能去除蓄冷材料与人体直接接触时的不适感。该防护服结构如图5所示，防护服的衣服外侧均匀布置4个以上用于装相变材料的口袋，相变蓄冷材料为一种聚合物水凝胶，材料放冷均匀并且高温时较厚实。王云仪等以暖体假人的方式研究钢铁工人在热幅射下的人体体温变化情况，设计了一种以凝胶为蓄能降温材料的降温衬衫。于小航设计了一种带冰贴的水循环降温服，该降温服将冰贴缝制在服饰中的固定位置，整个服饰的上端布置电机以及与电机联接的出水口，电机左右侧分别联接导线和出水口，整体结构如图6所示；主要应用于医疗行业，可有效地减少低温受寒人员温度和施行救治。洪凯设计了一种适用于医疗领域的数学降温服，有效地将服饰与降温水袋相结合，以冷热交换的形式为发烧患者降温，其特征是在颈部的水袋中增设温度感应探头，患者温度显示在降温服的气温显示屏上，这样就可以对儿童在穿衣时就进行化学降温，但是降温疗效显著。
图5一种煤矿用多功能防护服
图6一种带冰贴的水循环降温服
在研发和开发冷却服的过程中，服饰的舒适性、合理智必须加以考虑。目前，早已产生了微气候测试评价、暖体假人评价、真人衣着评价三阶段的评价系统。众多研究者对服饰及服饰材质的舒适性、合理智进行了测试和评价。Choi等研究了在不同环境下相变材料药量对人体舒适性的影响。Ying等通过剖析冷却服的热、湿的传递机制，提出相应的指数及测试方式来表征服装的热性能，因而考虑其舒适性及应用性。Wang、Zhao等对降温服的热舒适性进行了较深入的探究。反正，对于冷却服从设计到生产，国外外早已产生了较健全的评价机制。
相变冷却服关键技术
相变冷却服因其系统简单、使用便捷、没有电源、无防爆要求、材料相变范围宽、制冷疗效好以及污染小等优势具有广泛的应用前景，成为国外外学者研究的热点。
相变材料在服饰上的应用源于20世纪70年代的英国，以CO2为相变材料发生气-液相变为人体保温。20世纪80年代之后，研究人员通过不断的探求、尝试，将CaCl2·6H2O、SrCl2·6H2O、聚乙二醇等应用于服饰中，研究表明其具有一定的调温疗效，并且因为经济可行性、穿着舒适性、可携带性等各类诱因使其推广和应用方面仍具有一定困难。20世纪90年代之后，日本众多公司将相变材料合成微软膏应用于服饰表面，能有效地为人体降温使人处于舒适状态；法国、日本等一些发达国家也进行了相关研究。中国也是在20世纪90年代之后开始进行将相变材料应用于服饰上的研究，其中以复旦学院、天津工业学院、东华学院的研究较为突出。张寅平等不仅开发出相变材料冷却服外，还研究了怎样增强相变材料的导热性等问题。20世纪末国外外研社究者在相变材料开发应用上，取得了优异的成绩，相变材料早已在服饰上有众多应用。
但是，相变材料在应用过程中存在一些缺点和问题，因而在研究相变冷却过程中存在一些关键技术，假如才能把这种技术改进、结合、应用上去，对于相变降温服将会是重要突破。第一，相变材料在使用过程中从始态到末态，发生相变变型，同时相变材料存在气相泄漏、水蚀、过冷、导热系数小等问题，这取决于相变材料的多功能封装和复合。第二，将纳米技术与微乳膏相结合，制备出纳米微乳膏材料，同时提升微软膏本身的导热性和降温时间。第三，相变材料降温过程中气温通常不可调，因而找寻调温疗效好的相变材料特别重要。第四，目前的相变冷却服抵达冷却使用时间后，都是去专门地点或由专人更换材料，程序复杂，浪费时间。
基于以上所述，在研究相变冷却服的过程中可以从以下几个方面着手。第一，找寻耐腐蚀性、易塑性的封装材料，与良好的封装技术相结合，从封装技术上避免材料变型、泄露。第二，从封装袋研究，如对封装带进行特定打孔、塑封，降低材料散热面积，提升降温疗效；据悉依照不同场合选择不同的封装袋，在急需降温的环境中，采用导热较好的封装袋，致使材料加速凝固，快速为人体降温，在热冲击适中但须要降温的环境中，采用具有隔热作用的封装袋，减低材料熔化延长降温时间。第三，寻求更高效实用的方式提升相变材料的导热系数，如在纳米乳膏里添加粒径更小的金属纳米粉末等；另一方面研发散热疗效良好、续航时间长的复合相变材料。第四，研制能快速激活相变材料的新型材料或设备，当材料正式失效时快速将其激活，重新投入使用，既可以节省时间、又可增强作业效率。第五，将相变材料进行固封，即寻求与相变材料才能较好结合、又有不同导热系数的固体材料，它还能将熔化后的液体相变材料包覆其中，虽然为液体也不会外露；同时按照相变材料导热系数选择不同的应用场合。第六，研制基于相变材料的一种新型综合冷却服，既能结合相变材料的各项优点，又可加以辅助系统对气温也能进行调控及检测。据悉，新型冷却服研究要结合热力学、服装卫生学、人机工程学等学科，以满足减少负荷、冷却时间适合、穿着舒适、容易操作、功能多元化等方面的要求，注重人性化的设计，突出彰显以人为本的理念。
结论
国外外对于冷却服的研究早已取得丰硕的成果，应用于航天、军工、厂矿等多个领域，但目前问世的冷却服存在各自缺点，如系统复杂、携带不便、成本较高、热电制热效率低、过冷及降温时间短等问题，要进一步在工业和民用方面的普及还须要进一步研究创新。
局部冷却服和四肢性冷却服因其各自的特征，应用于不同的场所、不同的工作环境，为不同的人群提供个体降温防护装置。但它们各自的缺点也促使其在全面推广上比较困难，所以开发即易穿卸又易清除且活动范围广的综合性冷却服很有必要。
二氧化碳冷却服其实具有降温疗效好、气源丰富的优点，但其要在井下推广还须要做大量的研究工作。首先，二氧化碳冷却服服饰夹层饱含空气，影响井下人员作业；其次，井下武器的防爆工作要求较高，二氧化碳冷却服及其附属武器存在爆燃的可能性。
相变冷却服有着宽广的应用前景。寻求良好的封装材料和封装方式、提高相变材料的导热系数、研制散热疗效好、续航时间长的复合相变材料，同时开发能快速激活相变材料的新型材料或设备，在基于相变材料的基础上研制既有良好降温疗效又有湿度控制功能的新型综合冷却服，进一步推动相变冷却服的发展。
参考文献（略）