装甲部队是各国军队必不可少的一个兵种,在现代战争中发挥着重要的军事作用,其战斗力和军事地位至关重要。决定着装甲车战斗力能否充分发挥的关键因素是车内的驾乘人员,但他们所处的作战环境和条件却在严重影响和制约着他们战斗力的发挥。首先,装甲车辆乘员舱内部的空间十分狭小,而驾乘人员可能需要在狭小空间中长期闭窗操作,局部环境远远偏离乘员正常生理需求。其次,装甲车内部常常会出现异常的高温状态。在较为炎热的地区和季节中,装甲车在户外作战和训练过程中会吸收大量的太阳辐射等外部热量,再加上自身产生的热量和钢铁装甲造成的内部空间较为封闭,舱内热量得不到有效散发,使得舱内温度常常居高不下。最后,针对我国陆军装甲兵的冷却防护系统研究和热舒适性研究还远远不足,目前还无法完善解决舱内高温环境对乘员的影响。现有的装甲兵冷却防护系统还存在着许多问题,冷却技术和装备并无统一有效的模式,且普遍面临制冷效果差、装备后效果不明显的困境,无法完全满足部队的实用要求。因此,研发适合我军装甲部队的冷却防护系统,对提高我军装甲作战部队战斗力具有重要的实际意义。本文围绕着装甲兵个体冷却系统的系统设计和性能效果开展了一系列的研究,主要研究内容和研究成果包括:(1)分析了国内外装甲兵冷却防护方面的研究现状和最新进展,确定了个体冷却系统的基本技术路线和研究方案。本文在充分分析了现有的各种技术路线和研究方案的优缺点后,确定选用装甲兵个体的微环境冷却方案;然后对比了现有的个体微环境冷却方案的各种形式,确定采用冷却效率最高、舒适性和安全性最好的液体冷却服的形式;最后,在各种制冷技术中选择了热电制冷作为冷源装置的基本制冷技术方案。(2)设计开发了热电制冷装置稳态性能测试方法和测试系统,搭建了热电制冷装置性能测试实验台。经分析,实际的热电制冷系统稳态性能不仅与热电材料的优值系数、电偶的面长比等性能参数有关,还与热电元件的级数、接触电阻、接触热阻、冷热端温差等元件参数相关,也与制冷元件工况状态、冷热端换热方式、系统输入控制方案等许多系统因素有关。目前亟需一套能够有效地对以上影响因素进行全面有效的测试和评价的系统化测试方法和测试装置。针对实际工况下的热电制冷元件和装置性能测试需求现状,本文开发了一套有效的测试方法和测试系统。该方法和系统既能够实现在真空环境下对热电制冷元件塞贝克系数、优值系数等相关参数的测量,也能够模拟实际工况对热电制冷系统的工作电压、电流、输入功率、散热量、制冷量、制冷系数、制热能效比等参数进行测量,为热电制冷装置的综合性能测试和评价创造了条件。继而完成了测试实验台的搭建,为后续的个体冷却系统的设计选型和性能检测提供了依据。(3)研发了全身式个体冷却防系统,制作了实验样机并进行了系统性能测试。针对部分装甲兵活动较剧烈、散热量较大的情况,本文设计开发了一套全身式个体冷却系统,系统主要由冷源装置和全身式液冷服组成。主要的研究工作包括:确定系统设计要求、核算系统设计参数、冷源装置的设计和集成、液冷服的设计选用、热电制冷模块热端散热方式研究、系统样机的开发、样机性能测试等。在热电制冷模块热端散热方式研究中,本文研究了翅片强制对流、热管强制对流和水冷散热等散热方式对热电制冷系统制冷效果的影响,并分析了几种散热方式应用于装甲车舱内的可行性。最终在全身式冷却系统样机制作时采用了热管强制对流散热的散热方式,以保证样机工作性能的可靠和稳定。在对全身式冷却系统样机的性能测试研究显示,样机的制冷功率在40℃的环境温度下可达349W,在50℃下最大输出制冷功率为272W,能够满足最大负荷工况下300W和极限高温工况下150W的设计要求。该系统的制冷效果会受到环境温度的影响,在其它条件相同的情况下,环境温度越低,输出制冷功率和系统效率就越大。同时,系统的制冷效果还受到输入工况和循环水流速等因素的影响。(4)研发了分体式个体冷却系统,包括热电制冷头盔和热电制冷背心两种系统,分别制作了样机并且进行了样机性能测试。本文针对部分装甲兵活动灵活性要求较高、人体散热量较小的情况,开发了分体式个体冷却装置,包括热电制冷头盔和热电制冷背心。主要研究工作包括:确定每个装置的设计参数、核算单个模块的制冷量、完成装置的结构设计、样机的开发和集成、进行样机性能测试等。其中热电制冷头盔能够包裹佩戴者头部和颈部,使用了风冷制冷模块提供冷风吹向佩戴者面部,用水冷制冷模块提供冷水送往佩戴者颈部的循环管路吸热,以风冷和水冷相结合的方式满足佩戴者的舒适性需求。对分体式冷却系统样机的性能测试研究显示,两种样机的制冷功率能够分别满足最大负荷工况和极限高温工况的设计要求。在进一步的测试中还发现,分体式个体冷却系统的制冷效果同样也会受到环境温度、输入工况、循环水流速等因素的影响,其中热电制冷背心的制冷性能还会受到热电制冷模块放置方向的影响。(5)采用了人体客观生理参数和主观感受相结合的评价方法,对本文研究开发的个体冷却装置的工作效果进行更加全面、有效的评价。生理参数和主观感受的测试是同时进行的,5名实验人员在模拟装甲车驾驶舱内高温环境条件的实验室中,共计进行了15人次的生理参数测试,其中有10人次的测试过程中进行了主观舒适度感受的调查问卷测试。实验人员佩戴个体冷却装置,在120min内进行了特定的脑力和体力活动。通过测量实验人员的体表温度、出汗量、心率等客观生理指标,与不佩戴冷却装置的参数进行对比,对个体冷却装置的客观降温效果进行评价。通过统计实验人员热舒适感受的主观调查问卷结果,评价了穿戴不同个体冷却装置的人体热舒适性效果。(6)本文探索了微纳尺度强化换热技术应用于热电制冷个体冷却系统中的强化换热特性。在对热电制冷头盔的研究中,研究人员发现水冷模块使用的微型循环水泵会在佩戴者脑后不断产生震动和噪音,严重影响佩戴者的舒适性和注意力。为了彻底解决水泵的震动和噪音问题,本文研究了用纳米流体自然循环换热代替水泵强制对流换热的可行性。本文配置了不同材质、浓度和粒径的纳米流体作为循环工质,设计了纳米流体自然对流循环流动与换热特性实验装置,用实验的方法研究了纳米流体自然对流循环换热特性,为纳米流体在人体冷却装置中的应用提供了理论依据。另外,大量系统测试研究结果表明,提高热电制冷系统制冷能力和效率的关键因素是提高热电制冷热端的散热强度。因此本文开发了新型的微纳米尺度热端散热结构,进行了热电制冷模块热端的强化换热散热方式研究。本文采用电镀的方法制作了一种微纳尺度多孔表面和一种基于泡沫金属的微纳尺度多孔表面,将这两种表面结构分别制作在热电制冷元件的热端,形成了两种微纳米多孔结构的热电制冷元件相变散热表面。然后将这两种表面结构的相变散热特性与传统的翅片强制对流、热管强制对流和水冷散热等方式进行了实验比较。研究结果显示,在两种微纳米尺度多孔表面相变换热的有效沸腾工作的区间,热电制冷模块的制冷功率输出能力和系统的制冷系数要明显优于其它几种散热方式,但目前的散热器结构和循环工质还有一些不足,导致在大功率散热时出现了工质全部蒸发来不及冷却回流的情况,所以现有结构在大功率散热时无法满足使用要求,有待进一步的研究和改进。以上研究结果表明,本文研发的个体冷却系统能够满足装甲兵实际使用的需要,为解决我军装甲兵种的热应激和热损伤问题提供了一种新的技术方法和相关的装置,也为基于热电制冷的人体冷却技术的发展提供了参考依据。