Tests de refroidissement par convection, de refroidissement par conduction et de distribution de pression des équipements de sauvetage

Introduction

Lors de l’analyse des choix d’équipements de sauvetage tels que les porte-plaques et les ceintures de service, ainsi que des accessoires qui les accompagnent tels que des semelles intérieures et des épaulettes, il peut être difficile de mesurer de manière quantifiable quelle serait la meilleure option pour le consommateur. De nombreuses caractéristiques et leurs combinaisons peuvent fortement influencer l'efficacité d'un certain équipement pour répondre aux besoins d'un individu, par exemple certaines capacités de charge, les caractéristiques de la ceinture, les rangées MOLLE à des endroits particuliers, la dissimulation, l'intégration avec des accessoires de rechange ou le confort général. Cependant, la répartition de la pression, le refroidissement par convection et par conduction sont des caractéristiques des articles portés sur le corps qui sont souvent négligées, une conception après coup, et n'ont pas eu de mesure de comparaison qui a été testée efficacement. Ce rapport présente un aperçu d'une vaste série de tests menés concernant la répartition de la pression des ceintures et des épaulettes, le refroidissement par convection des supports de plaques, des épaulettes, des semelles intérieures et des ceintures, ainsi que le refroidissement par conduction des supports de plaques et des épaulettes.

Répartition de la pression

 

But :

Les tests de répartition de la pression aident à comparer les porte-plaques, les ceintures, les semelles intérieures et les épaulettes sur le marché afin d'identifier les points de pression et d'améliorer la conception pour augmenter le confort de l'utilisateur. Un confort d'utilisation plus élevé entraîne une diminution de la fatigue et de la tension sur l'utilisateur final et peut donc allouer l'énergie perdue pour performer plus haut pendant une durée plus longue. Les effets de la fatigue augmentent considérablement avec des poids plus élevés sur des périodes plus longues, soulignant l'importance du confort grâce à la conception et au choix des matériaux.

 

Méthodologie:

Pour tester les différents produits impactés par la répartition de la pression, FujiFilm Prescale est utilisé pour mettre en évidence visuellement les points de pression. Pour garantir l'exactitude et le réalisme des tests, 2 mm de gel balistique sont placés entre le film de pression et le produit de test afin de mieux représenter la manière dont les récepteurs de pression humains sont stimulés, car ces récepteurs de pression se situent généralement à environ 2 mm sous la peau.

 

Résultats :

Les résultats de tous les tests de distribution de pression donneront la même métrique pour comparer les résultats : des images de film sous pression. Pour tous les tests d'épaulières/supports de plaques, 20 lb de plaques de protection ont été suspendues à la sangle. Pour tester des pressions variables/plus élevées sur les épaulettes spécifiées, le film 4ULW et plus doit être utilisé.

Épaulières/Porte-plaques :

Figure n°1 : Film de pression de support de plaque simulé

La figure n°1 montre les tests effectués sur 6 épaulettes disponibles sur le marché, ainsi que 3 options de prototypes. La rangée supérieure comprend, de gauche à droite, ICEVENTS® Classic , ICEVENTS® Aero , T.Rex Arms AC1, SHAW Concepts ARC V2, Crye Precision JPC 2.0 et Spiritus Systems LV-119, tous avec 20 lb appliqués. La rangée suivante présente les coussinets ICEVENTS® Aero et T.REX AC1 avec seulement 10 lb. La rangée du bas présente les options de prototypes, de gauche à droite, 2x ICEVENTS® entièrement fermés et ICEVENTS® entièrement fermés avec une couche de tegris placée sur les ICEVENTS® fermés. En interprétant les résultats des tests, plus la couleur est saturée. du magenta, plus la pression est élevée, donc plus la saturation est dispersée/faible, plus l'épaulière est efficace pour répartir la pression.

 

Sur la base des épaulettes testées, le Shaw Concepts ARC V2 semble avoir la répartition de pression la plus uniforme avec le moins de points de pression de pointe. ICEVENTS® semble avoir une répartition uniforme de la pression bien que ICEVENTS® Aero ait une zone de contact plus petite, ce qui équivaut à une contrainte plus importante. Les options de prototype montrent des résultats prometteurs avec une répartition plus uniforme de la pression lors de l'utilisation du stimulite inclus. Toutes les autres options semblent répartir décemment la pression, bien qu’il y ait plus de points de pression comme on peut s’y attendre avec une mousse très fine, voire aucun.

 

Ceintures

Figure n°2 : Répartition de la pression de la courroie intérieure

La figure n°2 montre les résultats de distribution de pression issus des tests de l'AWS/Ronin, du BFG CHLK et de l'ICEVENTS® INNER BELT . Le haut de chacune des bandes correspond à la partie avant gauche de l’aine du mannequin. Il convient de noter les deux zones de l'aine avant, représentées aux deux extrémités des bandes, ainsi que le milieu de chaque bande, là où il y avait un contact limité avec le bas du dos du mannequin. Les zones intermédiaires sont celles où les zones de la courroie sont en contact avec le film sous pression. La configuration de la ceinture Ronin de Will a été utilisée dans les 3 tests.

Sur la base du test effectué, les résultats sont quelque peu peu concluants car les zones d'erreur sont très grandes ainsi que la sensibilité du film étant trop élevée pour la pression donnée par le pantalon et la ceinture. Un test plus concluant consisterait à poser les ceintures à plat, comme pour le test de répartition de la pression des épaulettes.

Semelles

Figure n°3 : Répartition de la pression des semelles intérieures

La figure n°3 montre les tests de répartition de la pression effectués sur les semelles ICEVENTS® et SuperFeet. Bien que le film de pression spécifique utilisé pour ce test soit trop sensible à la pression appliquée (poids du corps humain), il sert à représenter visuellement les sensations créées par le choix de différents matériaux entre le stimulite et une semelle en mousse traditionnelle + talon en plastique. Les entailles intactes visibles sur les différentes semelles intérieures proviennent du film plié/effondré sous le pied.

 

Refroidissement conducteur

 

But :

Le port de porte-plaques isole intrinsèquement une grande partie du torse. La sélection des matériaux, la surface et l'épaisseur sont tous des éléments importants de l'équation qui modélise le transfert de chaleur par conductivité thermique. Pour réduire la conductivité thermique, le support de plaque isolante aurait idéalement une surface et une épaisseur minimales et serait constitué d'un matériau avec une valeur K plus élevée. Cependant, tous les supports de plaques contiennent des plaques de blindage et, qu'ils soient construits en composites céramiques ou en acier, constituent une grande surface avec un matériau relativement épais avec une faible valeur K. De plus, d'autres zones du support de plaque, telles que les épaulettes et la ceinture de smoking, doivent trouver un équilibre entre la répartition de la pression, où la pression est atténuée grâce à une plus grande surface, la fonctionnalité et enfin les propriétés thermiques/transfert de chaleur.

 

Méthodologie :

Pour tester et mettre en évidence la conductivité thermique des porte-plaques, un torse de mannequin chauffé portant une chemise de combat et un porte-plaque sera photographié/vidéographié avec une caméra FLIR. Une fois que le support a été porté pendant une période suffisante pour que la température corporelle simulée du mannequin soit chauffée, le support de plaque sera retiré et la caméra thermique mettra en évidence les points chauds sur le torse ainsi que sur le support de plaque.

 

Test spécifique au matériau : De plus, un test de matériau plus spécifique peut être effectué pour identifier la valeur K de certains matériaux. Un coussin chauffant non absorbant chauffé à une température constante de 100 degrés Fahrenheit aura le matériau de test posé sur le dessus. Au-dessus du matériau de test, une couche de feuille contenant de la glace formée selon la forme du matériau de test sera placée en contact avec le matériau. Cela met en place un test pour identifier la valeur K spécifique du matériau de test, toutes les autres composantes de la loi de Fourier étant connues.

Figure n°4 : Loi de Fourier

L'épaisseur du matériau d'essai, les températures des deux côtés du matériau, la surface du matériau et le taux de transfert de chaleur avec la chaleur spécifique de fusion de la glace, la masse de glace, tout étant connu, la seule variable à enregistrer est le temps qu'il faut à la glace pour fondre. Avec toutes les variables connues ou enregistrées, une algèbre simple résout K, la dernière variable restante. C'est également la base de la vidéo de test des gilets de refroidissement où un mannequin chauffé avec des gilets de refroidissement placés sur le dessus et le temps nécessaire pour faire fondre la glace est utilisé pour atteindre des valeurs de transfert de chaleur. Pour plus d'informations sur cette expérience, référencez la deuxième source citée au bas de cet article.

 

Résultats :

Pour le test pratique des supports de plaques, l'imagerie thermique fournira un élément visuel permettant aux spectateurs et aux concepteurs/ingénieurs de produits d'identifier les points chauds sur les supports. Tous les transporteurs auront probablement des performances similaires avec des différences mineures, ce serait donc une bonne opportunité de commercialiser ICEVENTS® et ICEPLATE® Curve. ICEVENTS® décale les supports du corps, réduisant efficacement la surface des supports/plaques isolants chauds sur le corps et permettant des taux élevés de refroidissement par évaporation avec un débit d'air accru tout en étant également constitué d'un matériau avec une valeur K plus élevée. ICEPLATE® Curve ajoute un élément de refroidissement conducteur sur une grande surface, etc.

Les images thermiques indiquent que les supports tels que le Crye Precision AVS, qui présentent une plus grande zone de contact sur le corps, isolent davantage de chaleur que ICEPLATE® Exo ou Crye Precision JPC 2.0. La conception de Shaw Concepts montre que même en utilisant un matériau tel qu'un treillis d'espacement, un entrefer/espacement réduit considérablement la zone de contact, ce qui isole moins et permet un refroidissement par convection beaucoup plus rapide que lorsque le corps est en contact avec le support et est une remarque importante, d'autant plus qu'il s'agit d'un support de plaque complet conçu pour un rôle similaire à celui du Crye Precision AVS.

Pour le test spécifique au matériau, les valeurs K sont une valeur scientifiquement acquise qui indique la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Ceci peut être réintégré dans la loi de Fourier avec différents paramètres pour illustrer l'impact des valeurs K sur le transfert de chaleur total.

 

	Épaulette	Coefficient de conductivité thermique "K"	ÉVÉNEMENTS SUR GLACE ® pour cent plus efficace
1	ICEVENTS ® Aéro	0,000440
2	Précision des cris	0,000188	134.15
3	Bras T.REX	0,000072	507.09
4	Systèmes Spiritus	0,000041	980.04

Figure n°5 : Valeurs de conductivité thermique du refroidissement conducteur des épaulettes

La figure n°5 indique à la fois les chiffres bruts obtenus pour les coefficients de conductivité thermique de chaque épaulière ainsi que le % d'efficacité supérieure fourni par ICEVENTS®. Notez que même si le pourcentage d'efficacité réel peut être élevé, le coefficient de conductivité thermique joue un rôle plutôt mineur dans la loi de Fourier.

 

Métrique de comparaison :

La première mesure de comparaison (épaulettes) est la valeur K brute atteinte par le test qui différencie la propriété matérielle spécifique de chaque échantillon de test qui a un impact sur la capacité des échantillons de test à transférer la chaleur.

 

La deuxième mesure de comparaison (supports de plaques) sont les images FLIR qui peuvent être vues ici .

Refroidissement par convection

 

But :

Un élément essentiel du processus de refroidissement naturel du corps est le refroidissement par évaporation de la sueur, qui est mieux facilité par un refroidissement par convection ou par un flux d'air à travers la région chauffée/transpirante. Pour tester la sélection des matériaux, la conception et la construction, les tests suivants sont effectués afin de déterminer les défauts de conception et les améliorations à apporter.

 

Méthodologie :

Deux méthodes de test différentes sont utilisées pour tester le refroidissement par évaporation. Les deux impliquent de tremper un tissu shammee jusqu'à un poids constant pour imiter la transpiration abondante ressentie lors d'une activité intense (0,5 kg/m^2/h). La première méthode consiste à enfermer un mannequin chauffé à une température constante du corps humain dans une chambre fermée et à surveiller l'augmentation de l'humidité au fil du temps suite à l'évaporation du shammee. La deuxième méthode consiste à peser le shammee trempé au fil du temps à mesure que l'eau s'évapore.

 

Supports de plaques : les supports de plaques seront testés dans la chambre acrylique tout en surveillant l'augmentation de l'humidité. Avec le mannequin réglé à la température corporelle (100F), le shammee trempé (pesé jusqu'à 3,78 oz trempé) est placé sur le mannequin avec le support testé chargé de plaques couvrant tout le shammee. Un capteur d'humidité Arduino est suspendu à l'intérieur de la chambre.

 

Ceintures, semelles intérieures, épaulettes : ces trois ensembles de vêtements sont tous testés sur le lit chauffant recouvert d'acrylique. Avec l'échantillon de test souhaité, un shammee imbibé est placé entre le coussin chauffant (réglé à 100F pour simuler la température corporelle à l'extérieur pendant une activité intense) et le matériau de test. L'échantillon testé et le shammee sont pesés toutes les 10 minutes pour mesurer l'évaporation au fil du temps. Les mesures sont prises toutes les 10 minutes jusqu'à ce que toute l'eau soit évaporée.

 

Résultats :

Ces tests mesurent la convectivité et les éléments de refroidissement par évaporation des échantillons de test donnés. La variable mesurée pour les tests de support de plaque et de ceinture/semelle intérieure/épaulière étant respectivement le taux d'évaporation dû à l'augmentation de l'humidité et à la perte d'eau, ces taux indiquent quels échantillons de test permettent à une plus grande surface du shammee d'être exposée au flux d'air et favorisent ainsi évaporation, représentant à la fois les propriétés de refroidissement par convection et par évaporation. Pour contextualiser les données par rapport à ICEPLATE® Curve, la puissance/J/s peut être utilisée comme comparaison avec la puissance de refroidissement par évaporation. Ce taux de transfert d'énergie est obtenu en multipliant la chaleur de vaporisation de l'eau (2,25x10^6 J/kg) par le taux d'évaporation de l'eau. Sur la base des données obtenues par ces tests, les chiffres suivants peuvent être obtenus.

 

Veuillez consulter la feuille de calcul de collecte de données sur le refroidissement par convection ici pour tous les points de données brutes.

Épaulettes

	Résultats : perte de sueur moyenne (oz/min)	Transfert d'énergie (W ou J/s)	ICEVENTS ® % plus efficace	Perte de sueur moyenne (oz/min)
1	ICEVENTS® Aéro	2.14		0,00202
2	Systèmes Spiritus LV-119	1,93	11h35	0,00181
3	SHAW Concepts ARC V2	1.26	70.42	0,00118
4	Bras T.REX AC1	0,85	152,58	0,00080
5	Crye Précision JPC 2.0	0,84	154.32	0,00079

Figure n°6 : Chiffres sur le transfert d'énergie de refroidissement par évaporation et la perte de sueur des épaulettes

Après que 3 essais aient été effectués pour chaque matériau de test, les changements de poids ont été calculés pour chaque différence de temps (toutes les 10 minutes), puis moyennés pour atteindre un chiffre moyen de perte de poids/min, puis à nouveau moyennés sur les trois essais pour atteindre les chiffres observés. dans la colonne la plus à droite. Pour trouver le taux de transfert d'énergie constant (Watts ou J/s), la perte de sueur moyenne trouvée est convertie de oz/min en kg/s puis multipliée par la chaleur de vaporisation de l'eau pour atteindre un taux de transfert de chaleur « Q » comme indiqué dans la colonne de données la plus à gauche de la figure ci-dessus. Enfin, le pourcentage d'augmentation de l'efficacité d'ICEVENTS® par rapport aux échantillons de test concurrents est indiqué dans la colonne de données du milieu ci-dessus.

 

Ceintures

	Résultats : perte de sueur moyenne (oz/min)	Transfert d'énergie (W ou J/s)	ÉVÉNEMENTS SUR GLACE ® % plus efficace	Perte de sueur moyenne (oz/min)
1	ICEVENTS® Aéro	2.14		0,00201
2	ICEVENTS® avec AWS/Ronin	1,68		0,00158
3	BFG CHLK	1,49	44.15	0,00140
4	AWS/Ronin	1,39	21.11	0,00131

Figure n°7 : Chiffres sur le transfert d'énergie de refroidissement par évaporation et la perte de sueur par ceinture de service

De la même manière que pour les tests des épaulettes, 3 essais ont été menés pour les ceintures répertoriées dans la figure n°6. Les changements de poids ont été calculés pour chaque différence de temps (toutes les 10 minutes), puis moyennés pour obtenir un chiffre moyen de perte de poids/min, puis à nouveau moyennés sur les trois essais pour atteindre les chiffres indiqués dans la colonne la plus à droite. Pour trouver le taux de transfert d'énergie constant (Watts ou J/s), la perte de sueur moyenne trouvée est convertie de oz/min en kg/s puis multipliée par la chaleur de vaporisation de l'eau pour atteindre un taux de transfert de chaleur « Q » comme indiqué dans la colonne de données la plus à gauche de la figure ci-dessus. Enfin, le pourcentage d'augmentation de l'efficacité d'ICEVENTS® par rapport aux échantillons de test concurrents est indiqué dans la colonne de données du milieu ci-dessus. Les résultats du test ont révélé des différences entre la conception de la courroie intérieure et le choix du matériau.

Semelles

	Résultats : perte de sueur moyenne (oz/min)	Transfert d'énergie (W ou J/s)	ÉVÉNEMENTS SUR GLACE ® % plus efficace	Perte de sueur moyenne (oz/min)
1	Semelles ICEVENTS®	1.16		0,00109
2	Semelles intérieures en mousse sans nom	0,87	32,76	0,00082

Figure n°8 : Chiffres de transfert d'énergie de refroidissement par évaporation et de perte de sueur des semelles intérieures ICEVENTS®

À l’instar des tests de refroidissement par convection des épaulettes et des ceintures, 3 essais ont été menés pour les semelles ICEVENTS®. Le changement de poids a été calculé pour chaque différence de temps (toutes les 10 minutes), puis moyenné pour atteindre un chiffre moyen de perte de poids/min, puis à nouveau moyenné sur les trois essais. Pour trouver le taux de transfert d'énergie constant (Watts ou J/s), la perte de sueur moyenne trouvée est convertie de oz/min en kg/s puis multipliée par la chaleur de vaporisation de l'eau pour atteindre un taux de transfert de chaleur « Q », résultant avec un taux de transfert d'énergie de 1,16 J/s et un taux d'évaporation moyen de 0,00109 oz/min. Une autre option du marché dont la construction comportait de la mousse comme matériau de renforcement et une doublure en feutre comme matériau de contact présentait un taux de perte de sueur plus faible car l'eau pénétrait à travers le matériau, ce qui prolongeait le processus d'évaporation.

 

Porte-plaques

Figure n°9 : Augmentation de l'humidité normalisée des supports de plaques au fil du temps

Après 3 essais de collecte de données par configuration de support de plaque, une augmentation moyenne de l'humidité a été calculée par essai, puis l'augmentation d'humidité/min a été calculée à partir de cela pour normaliser les données à partir de zéro afin de comparer correctement les augmentations d'humidité entre les supports à mesure que les valeurs d'humidité initiales varient. d'essai en essai et de transporteur en transporteur. L’augmentation initiale de l’humidité avant que la courbe ne commence à s’aplatir/atteindre l’équilibre est la plus significative. Plus la pente initiale est raide, plus le taux d'évaporation par minute du support donné est élevé. L'augmentation globale de l'humidité sur les 60 minutes entières n'est pas en mesure de montrer la quantité totale d'évaporation puisque la chambre a atteint son humidité d'équilibre à laquelle le temps nécessaire pour que plus d'eau s'évapore et sature l'air augmente considérablement ou ne se produit pas à tous. Pour normaliser le point de départ de chaque augmentation d'humidité, le delta moyen entre chaque minute moyenne est calculé et ajouté à zéro.

 

Il existe plusieurs façons d’interpréter les données collectées à partir de cet ensemble de tests. Tout d’abord, il y a l’interprétation graphique. Dans la figure n°9, les 25 premières minutes sont les plus importantes car elles mettent en évidence l'augmentation initiale de l'humidité avant que tous les appareils n'atteignent une humidité d'équilibre. Une résolution plus élevée de la figure n°9 peut être vue sur la feuille de calcul ainsi que sur d'autres comparaisons et graphiques de données brutes.

 

	Refroidissement par évaporation total, Q	J.
1	ICEPLATE® EXO avec ICEVENTS ®	53,84
2	SHAW Concepts ARC V2 avec ICEVENTS®	38.53
3	Crye Precision AVS avec ICEVENTS®	36.56
4	PLAQUE À GLACE EXO®	32.91
5	Crye Précision JPC 2.0	30.87
6	Crye Précision AVS	28.69
7	Systèmes Spiritus LV-119	27,88
8	SHAW Concepts ARC V2	26h32
9	Bras T.REX AC1	13.82
dix	Crye Precision AVS avec coussinets Crye	10h42

Figure n° 10 : Chiffres de transfert d'énergie brute de refroidissement par évaporation sur support à plaques

La figure n° 10 indique l'emplacement des supports de plaques et leurs configurations ainsi que leurs valeurs de refroidissement par évaporation respectives. Il convient de noter l'augmentation de la puissance de refroidissement fournie par ICEVENTS® et la diminution de la puissance de refroidissement fournie par les coussinets Crye Precision AVS, qui ont réduit la puissance de refroidissement de l'AVS par rapport à sa configuration de base. Bien que les Crye Pads aient légèrement décalé le support du corps, le matériau à partir duquel les coussinets sont fabriqués est très efficace pour absorber l'eau et donc extrêmement inefficace pour accueillir l'évaporation.

Figure n°11 : Comparaison humidité/temps ICEVENTS®

Figure #12 : % de différence de comparaison ICEVENTS® dans le refroidissement par évaporation

Les figures 11 et 12 indiquent la différence en pourcentage qu'ICEVENTS® fait pour augmenter le refroidissement par évaporation ainsi que le pourcentage d'augmentation moyen du refroidissement par évaporation fourni par ICEVENTS®. ICEVENTS® fournit également une puissance de refroidissement par convection 250,68 % supérieure à celle des coussinets Crye AVS Pad, qui, dans le contexte du nombre total de Joules, est de 36,56 J contre 10,42 J.