如何为不同关节设计加热服

为评估电加热服供电电源的可携带性，可直接采用市场上通用的输出电压为5V的手机移动电源加以测试［3］。因此，需要对打印掩膜板重新设计，通过将图15.12所对应的液态金属电加热丝两两串联，保证在串联后的电加热丝两端施加5V的电压后可以长时间有效工作。其中，电阻丝的宽度仍为1.2 mm，但长度增大到1 000 mm；加热丝的两个接头被移至同一侧，仍采取5.8mm×4.6mm的面积加宽设计。整个电阻丝以两段蛇形弯曲的形式布置在61.9mm×50.1mm的矩形区域内。

使用掩膜板打印出阻值低于14Ω的电阻丝，可以在5V的直流电压下长时间正常工作。因此，为实现电加热服在寒冷情况下能够提供人体背部所需的热量，即液态金属电加热丝的总电阻范围应在3～5 Ω，可将3个液态金属电加热丝同时并联在整个加热服的电路中，每个电加热丝的平均阻值为13Ω。实际的液态金属电加热丝如图15.14a所示。为了避免加热服在工作时出现局部过热的情况，可在液态金属电加热丝的布料基底背面贴附一个热电偶，并在电源前端增加一个温度控制模块，当热电偶监测到的液态金属电加热丝的温度超过设定的上限阈值时，电源会自动停止供电，待温度降到设定的下限阈值时，电源才会重新被接通。由于移动直流电源允许通过的最大电流为2 A，可以提供的最大功率为10 W，电源容量可达10000mA·h，因此在更严苛的条件下可以根据实际需要并联更多的液态金属电加热丝，并联后的成品图如图15.14b所示。对于平均阻值为13Ω的液态金属电加热丝，当并联数目为3～5个时，电源可持续供电5～8 h。

图15.14　喷雾打印的液态金属电加热丝［3］

a.带有热电偶温度监测的液态金属电加热丝；b.并联5个液态金属电加热丝的成品。(www.xing528.com)

选用图15.14a中的三个电加热丝一起构成液态金属电加热服。将3个电加热丝分别置于背部不同的区域，一个置于胸椎位置，另外两个置于左、右髋关节以上的腰部。使用红外摄像机（FLTR）对该加热服的工作情况进行观测，并记录下通电0～12 min范围内电加热服的温度变化，结果如图5.15所示［3］。可以发现，加热片在前8 min内从33℃上升到48℃，升温过程非常迅速。此外，从图中也可看出，由于衣服和身体贴合比较紧密，位于腰部的两个加热电阻丝是处于弯折变形状态的，但这对加热丝的工作并没有影响。在通电过程中，这两个弯折变形的电加热丝的温度范围，始终和在胸椎位置处于平整状态的电加热丝的温度范围保持一致。最后，液态金属电加热丝在服装内的位置还可根据需求不同进行个性化选择，图15.15只是展示了人体背部电加热最常用的3个位置。结合织物和液态金属均具有柔性和适形化的特点，液态金属电加热丝甚至可以直接弯曲成环形，直接适形化地包裹住肘关节、腕关节、膝关节等人体关节，进行持续性的局部热疗。

图15.15　液态金属电加热服通电工作时的红外观测图［3］

a.观测初始状态；b.观测4 min后；c.观测8 min后；d.观测12 min后。