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DE102024116496A1 - Device for reducing thermal stress and regulating the microclimate in a protective helmet and protective helmet equipped with the device - Google Patents

Device for reducing thermal stress and regulating the microclimate in a protective helmet and protective helmet equipped with the device

Info

Publication number
DE102024116496A1
DE102024116496A1 DE102024116496.4A DE102024116496A DE102024116496A1 DE 102024116496 A1 DE102024116496 A1 DE 102024116496A1 DE 102024116496 A DE102024116496 A DE 102024116496A DE 102024116496 A1 DE102024116496 A1 DE 102024116496A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
helmet
head
protective helmet
capsule
capsule arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102024116496.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Daniel Zipplies
Ramon Tirschmann
Thorsten Urbaneck
Carsten Scheibner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Original Assignee
Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts, Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts filed Critical Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority to DE102024116496.4A priority Critical patent/DE102024116496A1/en
Publication of DE102024116496A1 publication Critical patent/DE102024116496A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A42HEADWEAR
    • A42BHATS; HEAD COVERINGS
    • A42B3/00Helmets; Helmet covers ; Other protective head coverings
    • A42B3/04Parts, details or accessories of helmets
    • A42B3/28Ventilating arrangements
    • A42B3/285Ventilating arrangements with additional heating or cooling means

Landscapes

  • Helmets And Other Head Coverings (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung thermischer Belastungen und zur Regulierung des Mikroklimas in einem Schutzhelm (H), wobei in eine Helmschale (1) des Schutzhelms (H) wenigstens eine Kapselanordnung (3, 4) mit Phasenwechselmaterial (PCM) integriert ist und/oder dass zu der Helmschale (1) eine Druckgasleitung (5) führt, mit welcher eine Expansionskühlung mittels eines Kühlgases im Inneren des Schutzhelms (H) realisierbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen mit der Vorrichtung ausgestatteten Schutzhelm. The invention relates to a device for reducing thermal stress and regulating the microclimate in a protective helmet (H), wherein at least one capsule arrangement (3, 4) with phase change material (PCM) is integrated into a helmet shell (1) of the protective helmet (H) and/or a pressurized gas line (5) leads to the helmet shell (1), with which expansion cooling by means of a cooling gas inside the protective helmet (H) can be achieved. The invention further relates to a protective helmet equipped with the device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung thermischer Belastungen und zur Regulierung des Mikroklimas in einem Schutzhelm und einen mit der Vorrichtung ausgestatteten Schutzhelm, nach dem Oberbegriff des ersten und elften Patentanspruchs.The invention relates to a device for reducing thermal stresses and regulating the microclimate in a protective helmet and a protective helmet equipped with the device, according to the preamble of the first and eleventh claims.

Bekanntermaßen reduzieren sich bei hohen Umgebungstemperaturen und/oder hohen Luftfeuchten in Verbindung mit körperlicher Anstrengung schnell das Behaglichkeitsempfinden sowie die Leistungsfähigkeit von Personen. In derartigen Situationen sollen die Schweißbildung und das Verdunsten des Schweißes zur natürlichen Thermoregulation des Körpers führen, wodurch die Körperkerntemperatur bei ca. 37 °C gehalten wird. Ist es für den Körper nicht möglich, die Thermoregulation in der erforderlichen Intensität zu betreiben, stellen sich schnell Ermüdungserscheinungen bis hin zu lebensgefährlichen Werten der Vitalparameter ein.It is well known that high ambient temperatures and/or high humidity, combined with physical exertion, quickly reduce a person's comfort level and performance. In such situations, perspiration and its evaporation are meant to lead to the body's natural thermoregulation, maintaining a core body temperature of approximately 37°C. If the body is unable to regulate its temperature with the necessary intensity, fatigue can quickly set in, potentially leading to life-threatening changes in vital signs.

Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Möglichkeiten bekannt, um thermischen Lasten am Körper entgegenzuwirken und angenehmere Temperaturen zu gewährleisten. Diese Lösungen zielen sowohl auf Schutzhelmen als auch auf Oberbekleidung, wie in der Druckschrift EP 1 653 818 A4 beschrieben, sowie gemäß DE 10 2010 020 262 B4 auf medizinische Anwendungen ab. Als Lösung finden überwiegend verkapselte Phasenwechselmaterialien (PCM - Phase-Change-Material) Anwendung. Die anfallende Wärme führt bei nahezu konstanter Temperatur zum Schmelzen des PCM, anstatt die körpernahe Umgebungstemperatur zu erhöhen.Several methods are already known from the prior art to counteract thermal loads on the body and ensure more comfortable temperatures. These solutions target both protective helmets and outerwear, as described in the publication. EP 1 653 818 A4 described, as well as according to DE 10 2010 020 262 B4 This is geared towards medical applications. The solution predominantly used is encapsulated phase change materials (PCMs). The heat generated causes the PCM to melt at a nearly constant temperature, instead of increasing the ambient temperature near the body.

Weiterführend wird in der Druckschrift DE 10 2016 201 912 B4 vorgeschlagen, in einem Helm das PCM zusätzlich mit einem Wärmerohr auszustatten, das die vom PCM aufgenommene Körperwärme aktiv an die äußere, in dem beschriebenen Anwendungsfall wärmeabgebende Seite des Helms überträgt. Durch die aktive Wärmeabfuhr ist mit einem verlängerten Kühleffekt des PCM zu rechnen.The printed publication continues with further information. DE 10 2016 201 912 B4 It has been proposed to equip the PCM in a helmet with an additional heat pipe that actively transfers the body heat absorbed by the PCM to the outer, heat-emitting side of the helmet in the described application. This active heat dissipation is expected to result in a prolonged cooling effect of the PCM.

Bei einem in der Druckschrift WO2016/135529 A1 vorgestellten Schutzhelm mit Temperaturregulierungsvorrichtung wird das PCM als wärmeabsorbierendes Kissen in Verbindung mit einer Zwangsdurchlüftung des Helmes eingesetzt. Ziel ist es dabei, der angesaugten warmen Umgebungsluft durch das PCM Wärme zu entziehen und so eine kühlende Zirkulation um den Kopf zu generieren.In the case of one in the printed text WO2016/135529 A1 In the presented protective helmet with temperature regulation device, the PCM is used as a heat-absorbing cushion in conjunction with forced ventilation of the helmet. The aim is to extract heat from the warm ambient air drawn in by the PCM, thus generating a cooling circulation around the head.

Statt PCM findet in der Druckschrift DE 197 56 470 A1 der Einsatz von Peltierelementen zur Kühlung von Fahrrad-Helmen Anwendung, wobei die Stromversorgung über Batterien bzw. Solarzellen gewährleistet werden soll.Instead of PCM, the printed text uses... DE 197 56 470 A1 The use of Peltier elements for cooling bicycle helmets is an application, whereby the power supply is to be ensured via batteries or solar cells.

Die bekannten Lösungen im Stand der Technik weisen jedoch Nachteile auf. So ist der Einsatz von PCM aufgrund des zusätzlich zu applizierenden Gewichts insbesondere im Bereich des Kopfschutzes nur beschränkt möglich, da insbesondere in Schutzhelmen oder ähnlichem bereits wenige hundert Gramm an Zusatzgewicht zu deutlichen Beeinträchtigungen des Tragekomforts und des Leistungsvermögens der Person führen. Des Weiteren ist das Abkühlen von warmer Umgebungsluft durch PCM für eine kühlende Zirkulation wie in der Druckschrift EP 3 261 473 A4 nur für moderate Umgebungstemperaturen von < 50 °C möglich, da während der Durchströmung aufgrund der Gesetzmäßigkeiten der Wärmeübertragung (Wärmeübergangskoeffizient, treibende Temperaturdifferenz, Wärmeübertragungsfläche) der Luft nur eine begrenzte Wärmemenge entzogen werden kann. Darüber hinaus ist dafür Sorge zu tragen, dass die in den Helm strömende Umgebungsluft frei von Schadstoffen ist, was nicht generell vorausgesetzt werden kann.However, the known solutions in the prior art have disadvantages. For example, the use of PCM is limited, particularly in the area of head protection, due to the additional weight that must be applied. In helmets or similar devices, even a few hundred grams of additional weight can significantly impair comfort and performance. Furthermore, the cooling of warm ambient air by PCM for a cooling circulation, as described in the publication, is not feasible. EP 3 261 473 A4 This is only possible for moderate ambient temperatures below 50 °C, as only a limited amount of heat can be extracted from the air during airflow due to the laws of heat transfer (heat transfer coefficient, driving temperature difference, heat transfer surface area). Furthermore, it is essential to ensure that the ambient air flowing into the helmet is free of pollutants, which cannot generally be assumed.

Derartige Lösungen sind daher insbesondere für Schutzhelme für Rettungskräfte aufgrund der, bei der Brandbekämpfung auftretenden heißen und toxischen Gase ungeeignet. Auch die vorgeschlagenen Technologien des Wärmerohrs und des Peltierelements inklusive Stromversorgung sind hinsichtlich des zusätzlichen Gewichts als ungeeignet zu betrachten.Such solutions are therefore particularly unsuitable for protective helmets for rescue workers due to the hot and toxic gases produced during firefighting. The proposed technologies of the heat pipe and the Peltier element, including the power supply, are also considered unsuitable due to the additional weight.

Die Druckschrift EP 2 249 672 B1 beschreibt eine Gehirnkühlvorrichtung welche zur Kühlung eine endotherme Reaktion nutzt. Die Vorrichtung findet insbesondere als Motorradhelm Anwendung. Die Vorrichtung weißt eine innerhalb des Helmes angeordnete innere und äußere Schicht auf, die voneinander mittels einer Membran getrennt sind, wobei durch einen Aufprall oder bevorstehenden Aufprall die Trennung durchstoßen und die Reaktion ausgelöst wird. In der äußeren Schicht kann beispielsweise Wasser angeordnet sein, dass durch den Aufprall in die innere Schicht fließt und eine Reaktion auslöst.The printed matter EP 2 249 672 B1 This describes a brain cooling device that utilizes an endothermic reaction for cooling. The device is particularly suitable for use in motorcycle helmets. It features an inner and outer layer located inside the helmet, separated by a membrane. An impact, or an impending impact, breaches this membrane and triggers the reaction. For example, water can be placed in the outer layer, which, upon impact, flows into the inner layer and initiates the reaction.

Die Lösungen gemäß dem Stand der Technik sind darüber hinaus reine Maßnahmen zur Reduzierung der körpernahen Temperatur durch die latente Speicherung beziehungsweise Abführung der anfallenden Wärme. Für einen hohen Tragekomfort sowie zur Aufrechterhaltung der natürlichen Thermoregulation des Körpers ist jedoch ein möglichst trockenes körpernahes Mikroklima zu gewährleisten. Als problematisch erweist sich in diesem Zusammenhang insbesondere die Gegebenheit, dass Luft mit sinkenden Temperaturen weniger Feuchte aufnehmen kann. In der Folge stellt sich das feuchte Mikroklima eher ein, was die natürliche Thermoregulation hemmt und den Tragekomfort mindert.Furthermore, state-of-the-art solutions are purely measures to reduce the temperature near the body through the latent storage or dissipation of the generated heat. However, for optimal comfort and to maintain the body's natural thermoregulation, a dry microclimate near the body is essential. A particular problem in this regard is that air can hold less moisture as temperatures decrease. Consequently, a humid microclimate arises. rather something that inhibits natural thermoregulation and reduces wearing comfort.

Aus der Druckschrift WO 2011/098761 A1 ist eine Expansionskühlung in einem Schutzhelm, insbesondere einem Motorradhelm bekannt, wobei der Helm eine Gaskartusche und im Helm verlaufende poröse Kanäle oder eine poröse Membran aufweist. Das Gas wird mittels eines Schalters oder thermostatisch freigegeben.From the printed text WO 2011/098761 A1 An expansion cooling system is known for use in a protective helmet, particularly a motorcycle helmet, wherein the helmet has a gas cartridge and porous channels or a porous membrane running inside the helmet. The gas is released by means of a switch or thermostatically.

Als weitere Kühlungsvorrichtung ist eine Gasexpansion bekannt, wobei das Gas aus einem Druckbehälter entlassen wird. Mit der offenbarten Vorrichtung ist eine Kühlung nur im Sturzfall und nicht während einer Tätigkeit zur Regulierung des Mikroklimas möglich. Die Vorrichtung dient der Kühlung einer Verletzung durch einen Aufprall und zur Reduzierung von Schwellungen im Kopfbereich.Another known cooling device involves gas expansion, in which the gas is released from a pressure vessel. With the disclosed device, cooling is only possible in the event of a fall and not during activities aimed at regulating the microclimate. The device serves to cool injuries caused by impact and to reduce swelling in the head area.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Reduzierung thermischer Belastungen und zur Regulierung des Mikroklimas in einem Schutzhelm für Rettungskräfte und einen damit ausgestatteten Schutzhelm bereitzustellen, welche einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und erhöhte Temperaturen und Luftfeuchten im Inneren der Schutzausrüstung als Folge der auftretenden thermischen Lasten verhindert beziehungsweise reduziert und somit ein angenehmeres Mikroklima zu gewährleisten mit dem Ziel, im Inneren der Schutzhelms zumindest für einen verlängerten Zeitraum ein angenehmes Mikroklima zu sichern, das den Tragekomfort erhöht und eine natürliche Thermoregulation ermöglicht, wodurch der Abbau des Leitungsvermögens verzögert, die Körperkerntemperatur gehalten, die Einsatzzeit verlängert und die Regenerationszeiten insbesondere von Rettungskräften reduziert werden können.The object of the invention is to provide a device for reducing thermal stress and regulating the microclimate in a protective helmet for rescue workers and a protective helmet equipped therewith, which has a simple structural design and prevents or reduces increased temperatures and humidity inside the protective equipment as a result of the thermal loads occurring, thus ensuring a more comfortable microclimate with the aim of ensuring a comfortable microclimate inside the protective helmet, at least for an extended period of time, which increases wearing comfort and enables natural thermoregulation, thereby delaying the decline in conductivity, maintaining core body temperature, extending the operating time and reducing the regeneration times, especially of rescue workers.

In diesem Zusammenhang gilt es aufgabengemäß, den äußeren Wärmeeintrag in das Innere der Schutzausrüstung bei Hitzeexpositionen (z.B. im Brandfall) zu reduzieren. Des Weiteren sind die körpereigene Abwärme sowie die durch das Schwitzen des Trägers anfallende Feuchte aus dem Inneren der Schutzausrüstung abzuführen, um die natürliche Thermoregulation aufrecht zu halten und so die Leistungsfähigkeit sowie die Einsatzzeit des Trägers, insbesondere von Rettungskräften zu verlängern.In this context, it is essential to reduce the external heat input into the interior of the protective equipment during heat exposure (e.g., in case of fire). Furthermore, the body's own heat loss and the moisture generated by the wearer's perspiration must be dissipated from the interior of the protective equipment to maintain natural thermoregulation and thus extend the wearer's performance and operational time, particularly for rescue workers.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten und elften Patentanspruchs gelöst.This problem is solved by the features of the first and eleventh patent claims.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments result from the dependent claims.

Die Vorrichtung zur Reduzierung thermischer Belastungen und zur Regulierung des Mikroklimas in einem Schutzhelm weist erfindungsgemäß in einer Helmschale des Schutzhelms wenigstens eine Kapselanordnung mit Phasenwechselmaterial (PCM) und/oder mindestens eine zu der bzw. in die Helmschale führende Druckgasleitung, mit welcher eine Expansionskühlung mittels eines Kühlgases im Inneren des Schutzhelms (H) realisierbar ist, auf.According to the invention, the device for reducing thermal stresses and regulating the microclimate in a protective helmet comprises at least one capsule arrangement with phase change material (PCM) and/or at least one pressurized gas line leading to or into the helmet shell, with which expansion cooling by means of a cooling gas inside the protective helmet (H) can be realized.

Dadurch ist es möglich, insbesondere bei hohen Temperaturen wie im Brandfall, die Temperatur im Schutzhelm zu senken und ein Mikroklima innerhalb des Schutzhelms zu erzeugen, welches auch bei hohen Temperaturen eine längere Tragezeit und damit Einsatzzeit ermöglicht und die Einsatzkräfte besser schützt und/oder die thermische Last bei gleichbleibender Einsatzzeit senkt um eine verkürzte Regenerationszeit nach dem Einsatz zu ermöglichen.This makes it possible, especially at high temperatures such as in the event of a fire, to lower the temperature inside the helmet and create a microclimate within the helmet which allows for a longer wearing time and thus a longer operating time even at high temperatures, better protecting the emergency personnel and/or reducing the thermal load while maintaining the same operating time in order to enable a shorter regeneration time after the operation.

Bekannte Schutzhelme weisen einen sogenannten Helmeinleger und eine Helmspinne auf, durch welche die Träger gegen von außen wirkende mechanische Beanspruchungen geschützt sind.Well-known protective helmets feature a so-called helmet liner and a helmet spider, which protect the wearer against external mechanical stresses.

Erfindungsgemäß ist dabei wenigstens eine erste Kapselanordnung mit PCM-Material in dem Helmeinleger des Schutzhelms angeordnet.According to the invention, at least one first capsule arrangement with PCM material is arranged in the helmet insert of the protective helmet.

Diese erste Kapselanordnung kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und bewirkt bereits eine Temperaturreduzierung im Inneren des Schutzhelms z.B. im Brandfall.This first capsule arrangement can be designed in one or more parts and already causes a temperature reduction inside the protective helmet, e.g. in case of fire.

Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens eine zweite Kapselanordnung an der Kopfspinne des Schutzhelms angeordnet bzw. befestigt sein. Auch die zweite Kapselanordnung kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein.Alternatively or additionally, at least one second capsule assembly can be arranged or attached to the head spider of the protective helmet. This second capsule assembly can also be designed as a single unit or in multiple parts.

Dabei bewirkt die im oberen Bereich des Schutzhelmes bevorzugt in den Helmeinleger integrierte erste Kapselanordnung insbesondere eine Reduzierung des äußeren Wärmeeintrags in das Helminnere.The first capsule arrangement, preferably integrated into the helmet insert in the upper area of the protective helmet, particularly reduces the external heat input into the helmet interior.

Die an der Innenausstattung in Form der Kopfspinne angeordnete zweite Kapselanordnung, die sich unmittelbar im Bereich bzw. Umfangsbereich des Kopfes bewirkt vorteilhafter Weise eine Aufnahme der über den Kopf abgegebenen Körperabwärme.The second capsule arrangement, located on the interior in the form of the head spider and situated directly in the area or circumference of the head, advantageously absorbs the body heat emitted via the head.

Weiterhin ist es möglich, dass sich an die Druckgasleitung, welche an oder in die Helmschale des Schutzhelms führt,

  • - wenigstens eine perforierte Druckgasleitung und/oder
  • - wenigstens ein Düsenkopf und/oder
  • - wenigstens eine Luftdüse
anschließen, über welche das über die Druckgasleitung zugeführte Kühlgas in den Helm strömt und in dem Helm verteilt wird.Furthermore, it is possible that the pressurized gas line, which leads to or into the helmet shell of the protective helmet,
  • - at least one perforated pressurized gas line and/or
  • - at least one nozzle head and/or
  • - at least one air nozzle
connect, through which the cooling gas supplied via the pressurized gas line flows into the helmet and is distributed within the helmet.

Dabei ist es beispielsweise möglich, die perforierte Druckgasleitung und/oder den Düsenkopf und/oder die Luftdüse an der Kopfspinne anzuordnen oder auch mit der ersten oder zweiten Kapselanordnung zu kombinieren.For example, it is possible to arrange the perforated compressed gas line and/or the nozzle head and/or the air nozzle on the head spider or to combine them with the first or second capsule arrangement.

Der Düsenkopf wird bevorzugt an der Innenseite der Helmschale oder an der Kopfspinne befestigt.The nozzle head is preferably attached to the inside of the helmet shell or to the head spider.

Vorteilhafter Weise dienen die erste und/ zweite Kapselanordnung als Wärmespeicher.Advantageously, the first and/or second capsule arrangement serves as a heat storage medium.

Die erste Kapselanordnung und/oder die zweite Kapselanordnung können aus Einzelteilen bestehen.The first capsule assembly and/or the second capsule assembly can consist of individual parts.

Dabei weisen die erste und/oder zweite Kapselanordnung oder deren Einzelteile jeweils eine Einfüllöffnung für das Phasenwechselmaterial (PCM) und eine Entlüftungsöffnung auf. Durch die Einfüllöffnung wird das Phasenwechselmaterial in die hohl ausgeführten Kapselanordnungen bzw. Einzelteile eingefüllt, wobei die Luft über die Entlüftungsöffnung entweichen kann.The first and/or second capsule assembly, or its individual components, each have a filling opening for the phase change material (PCM) and a venting opening. The phase change material is filled into the hollow capsule assemblies or components through the filling opening, while the air can escape through the venting opening.

Nachdem die Kapselanordnungen mit PCM-Material gefüllt sind, werden die Einfüllöffnung und die Entlüftungsöffnung dicht verschlossen.After the capsule assemblies are filled with PCM material, the filling opening and the venting opening are tightly sealed.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht somit erstmalig aus einer Vorrichtung zur Spülung des Helminneren mit einem expandierenden Gas (Expansionskühlung) und/oder an der inneren Helmschale angebrachten verkapselten Phasenwechselmaterialien, wobei beide Vorrichtungen allein oder in Kombination appliziert und angewandt werden können. Zur Spülung des Helminneren wird ein verdichtetes Gas aus einem Druckbehälter entspannt, über ein Schlauchsystem in das Helminnere geleitet und über perforierte Schläuche zielgerichtet verteilt. Dabei wird durch das einströmende Gas die warme und feuchte Luft aus dem Helminneren in die Umgebungsatmosphäre verdrängt. Da Gase nach der Expansion bekanntermaßen eine geringe Feuchte aufweisen und zudem unterkühlt sind, wird dadurch das gewünschte Mikroklima im Helminneren gewährleistet. In der Folge kann die zur natürlichen Thermoregulierung erforderliche Verdunstung des Schweißes stattfinden, indem das trockene Gas über Diffusions- und/oder Konvektionsvorgänge die Feuchte aufnimmt und abtransportiert. Für eine zweckmäßige Dosierung der Gasspülung kann (manuell oder automatisiert) eine Steuerung und Regelung der Expansionskühlung über Drossel- und Sperrventile erfolgen.The solution according to the invention thus consists, for the first time, of a device for rinsing the helmet interior with an expanding gas (expansion cooling) and/or encapsulated phase-change materials attached to the inner helmet shell, whereby both devices can be applied and used alone or in combination. For rinsing the helmet interior, a compressed gas is expanded from a pressure vessel, guided into the helmet interior via a hose system, and distributed in a targeted manner via perforated hoses. The incoming gas displaces the warm and humid air from the helmet interior into the ambient atmosphere. Since gases are known to have low humidity and are also supercooled after expansion, this ensures the desired microclimate inside the helmet. Consequently, the evaporation of sweat necessary for natural thermoregulation can occur, as the dry gas absorbs and carries away the moisture via diffusion and/or convection processes. For appropriate metering of the gas purge, the expansion cooling can be controlled and regulated (manually or automatically) via throttle and shut-off valves.

Um insbesondere bei extremer Hitzeexposition der Umgebung, wie z.B. bei Brandfällen, den äußeren Wärmeeintrag sowie die innere Wärmelast (Körperabwärme) gering zu halten, wird erfindungsgemäß auf der Innenseite der Helmschale Phasenwechselmaterial (PCM) eingesetzt. Das PCM ist in der Lage, während des Phasenwechsels (hier i.d.R. von fester zur flüssigen Phase) bei annähernd gleichbleibender Temperatur Wärme zu speichern. Dies hat zur Folge, dass die Umgebungstemperatur (hier das Helminnere) des PCM sich erst erhöht, nachdem das gesamte PCM aufgeschmolzen ist. Für den Einsatz von Schutzhelmen sind je nach Anwendungsfall Schmelztemperaturen zwischen 35 und 65 °C geeignet. Damit das PCM auch in der flüssigen Phase örtlich gebunden bleibt, ist das PCM zu verkapseln, was erfindungsgemäß mittels 3D-gedruckten Kunststoffhohlkörpern, tiefgezogene und verklebte Kunststoffplatten, verschweißte Aluminiumverbundfolien oder Ähnlichem ausgeführt sein kann. Neben der Wärmespeicherung bewirkt insbesondere bei paraffinhaltigen PCM die schlechte Wärmeleitfähigkeit zu einer Dämpfung der von außen in das Helminnere eingebrachte Wärme und somit zu einer reduzierten äußeren Wärmelast.To minimize external heat input and internal heat load (body heat), particularly in extreme heat exposure, such as during fires, the invention utilizes a phase change material (PCM) on the inside of the helmet shell. The PCM is capable of storing heat at a nearly constant temperature during the phase change (typically from solid to liquid). As a result, the ambient temperature (in this case, the inside of the helmet) of the PCM only increases after the entire PCM has melted. Depending on the application, melting temperatures between 35 and 65 °C are suitable for use in protective helmets. To ensure that the PCM remains locally bound even in the liquid phase, it must be encapsulated. According to the invention, this can be achieved using 3D-printed hollow plastic bodies, deep-drawn and bonded plastic sheets, welded aluminum composite foils, or similar materials. In addition to heat storage, the poor thermal conductivity of paraffin-containing PCMs, in particular, dampens the heat introduced into the helmet interior from the outside, thus reducing the external heat load.

Gegenüber dem Stand der Technik weist die vorgestellte Lösung den Vorteil auf, durch Erzeugung und Aufrechterhaltung eines kühlen, trockenen Mikroklimas im Helminneren die natürliche Thermoregulation und somit längere Einsatzzeiten sowie höhere Leistungsfähigkeiten des Helmträgers ermöglichen. Demnach kann erfindungsgemäß nicht nur die Temperatur, sondern auch die Luftfeuchte im Helminneren reguliert werden. Dies ist insbesondere durch eine Kombination aus Expansionskühlung und PCM möglich wodurch sich im Einzelnen folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik ergeben.Compared to the prior art, the presented solution offers the advantage of enabling natural thermoregulation by generating and maintaining a cool, dry microclimate inside the helmet, thus allowing for longer operating times and improved performance for the helmet wearer. Accordingly, the invention allows not only the temperature but also the humidity inside the helmet to be regulated. This is made possible in particular by a combination of expansion cooling and PCM, resulting in the following specific advantages over the prior art.

Bei der Expansionskühlung wird expandierendes Gas, welches unterkühlt und sehr trocken ist, in den Helm eingeleitet und verdrängt die warme und feuchte Luft im Helminnern. Dadurch erfolgt auch das Vermeiden des Eindringens von ggf. toxischer, warmer und feuchter Umgebungsluft in das Helminnere durch aktives Einleiten des expandierten Gases. Eine bedarfsgerechte Regulierung kann durch eine zweckmäßige Dosierung des expandierenden Gases über Drossel- und Sperrventile erfolgen. Die in dem Schutzhelm angeordneten PCM-Kapsel/n bewirken gleichzeitig zur Expansionskühlung die Dämpfung der äußeren Wärmelasten (z.B. im Brandeinsatz) durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit und der Wärmespeicherung (während Phasenwechsel) der bevorzugt in der Nähe der Helmschale platzierten PCM-Kapsel/n.During expansion cooling, supercooled and very dry expanding gas is introduced into the helmet, displacing the warm, humid air inside. This also prevents potentially toxic, warm, and humid ambient air from entering the helmet interior by actively introducing the expanded gas. The amount of expanding gas can be precisely regulated by adjusting the dosage via throttle and shut-off valves. Simultaneously with expansion cooling, the PCM capsule(s) located within the helmet dampen external heat loads (e.g., during firefighting operations) due to their low thermal conductivity and heat storage capacity (during phase changes), which are preferably positioned close to the helmet shell.

Durch das während des Phasenwechsels hohe Wärmespeichervermögen der unmittelbar am Kopf des Helmträgers platzierten PCM-Kapsel/n erfolgt die Aufnahme der inneren Wärmelasten (Körperwärme), so dass nahezu konstante Temperaturen im Inneren des Helms auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen sichergestellt werden können.Due to the high heat storage capacity of the PCM capsule(s) placed directly on the head of the helmet wearer during the phase change The absorption of internal heat loads (body heat) ensures that almost constant temperatures inside the helmet can be maintained even at very high ambient temperatures.

Als technische Gase zur Spülung des Helmes können neben Atemluft beispielsweise N2, CO2, He, Ne, Ar, Kr, Xe eingesetzt werden. Im Allgemeinen sind alle nicht toxischen, nicht entflammbaren Gase, inerte Gase einsetzbar.Besides breathing air, technical gases such as N₂ , CO₂ , He, Ne, Ar, Kr, and Xe can be used to purge the helmet. Generally, all non-toxic, non-flammable, and inert gases can be used.

Beim Einströmen in den Helm sollte das expandierende Gas eine Temperatur zwischen 5-40 °C, insbesondere zwischen dem Kopf und dem Raum des Schutzhelms, der den Kopf umgibt, aufweisen.When flowing into the helmet, the expanding gas should have a temperature between 5-40 °C, especially between the head and the space of the protective helmet surrounding the head.

Die relative Luftfeuchte des expandierenden Gases, wenn es in den Helm einströmt, sollte bevorzugt zwischen 5-25 % relative Luftfeuchte liegen.The relative humidity of the expanding gas as it flows into the helmet should preferably be between 5-25% relative humidity.

Bevorzugt wird das Gas aus einem Gasdruckbehälter mittels eines Schlauchs zugeführt und über Perforierungen in dem Schlauch in das Innere des Helms abgegeben. Alternativ kann das Gas auch über eine flache Düse mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen in den Helm geleitet werden, bevorzugt in den oberen Bereich des Helms.Preferably, the gas is supplied from a pressurized gas cylinder via a hose and released into the interior of the helmet through perforations in the hose. Alternatively, the gas can also be directed into the helmet, preferably into the upper region of the helmet, via a flat nozzle with a plurality of outlet openings.

Eine weitere Variante ist die Anordnung einer sich im oberen Bereich des Schutzhelms befindlichen im Wesentlichen flächenhaften Luftverteilung mit mehreren Austrittsöffnungen, die über einen Schlauch an den Druckgasbehälter angeschlossen ist. Eine derartige Luftverteilung kann auch in eine PCM-Kapsel integriert sein.Another option is the arrangement of a largely surface-shaped air distribution system with multiple outlet openings, located in the upper area of the protective helmet and connected to the pressurized gas cylinder via a hose. Such an air distribution system can also be integrated into a PCM capsule.

Die PCM-Kapseln bestehen bevorzugt aus Kunststoff, beispielsweise aus TPU (Thermoplastische Polyurethan), PC (Polycarbonat), PA (Polyamid), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PVC (Polyvinylchlorid).The PCM capsules are preferably made of plastic, for example TPU (thermoplastic polyurethane), PC (polycarbonate), PA (polyamide), PP (polypropylene), PE (polyethylene), PVC (polyvinyl chloride).

Es sind insbesondere alle druckbaren, umformbaren, blasformbaren Kunststoffe für die PCM-Kapseln einsetzbar, aber auch Kapseln aus Aluminiumverbundfolie.In particular, all printable, moldable, and blow-moldable plastics can be used for the PCM capsules, but also capsules made of aluminum composite foil.

Die PCM-Kapseln können beispielsweise als schalenförmiger Hohlkörper aus zwei tiefgezogenen Polycarbonat-Schalen ausgebildet sein, die randseitig miteinander verbunden sind und in deren Hohlraum das PCM-Material eingebracht wurde.The PCM capsules can, for example, be designed as a shell-shaped hollow body made of two deep-drawn polycarbonate shells, which are connected to each other at the edges and into whose cavity the PCM material has been introduced.

Bevorzugt werden Schutzhelme mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung serienmäßig angefertigt.It is preferred that protective helmets be manufactured in series using the device according to the invention.

Es ist jedoch auch möglich, einen handelsüblichen Schutzhelm mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachzurüsten.However, it is also possible to retrofit a commercially available protective helmet with the device according to the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 Prinzipskizze einer Ausstattung eines Schutzhelms z.B. für Feuerwehreinsatzkräfte,
  • 2 Seitenansicht einer ersten PCM-Kapsel für einen Schutzhelm
  • 3 Längsschnitt A-A gemäß 2,
  • 4 Einzelheit B gemäß 3,
  • 5 Darstellung einer von vier einzelnen ersten Kapseln 3.1, in zwei unterschiedlichen Ansichten,
  • 6 Ansicht eines Helmeinlegers 2 aus Richtung seiner offenen Seite mit vier ersten Kapseln 3.1,
  • 7 Schnitt C-C gemäß 6,
  • 8 Darstellung einer Helmspinne 7 mit vier daran befestigten zweiten Kapseln 4.1,
  • 9 Darstellung einer zweiten Kapsel 4.1 aus Richtung der Innenseite des Helms (Vorderansicht),
  • 10 Vorderansicht einer zweiten Kapsel 4.1,
  • 11 beispielhafte schematische Darstellung einer perforierten Druckgasleitung 4 für die Zuführung von Kühlgas,
  • 12 dreidimensionale Darstellung einer ersten Ausführung eines Düsenkopfes für einen Schutzhelm,
  • 13 Längsschnitt durch einen Düsenkopf 4.2 gem. 12,
  • 14 Ausschnitt einer Kopfspinne 6 mit einem daran befestigten Düsenkopf 4.2 in einer weiteren Ausführung.
The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment and the accompanying drawings. These show:
  • 1 Schematic diagram of the equipment of a protective helmet, e.g. for firefighters,
  • 2 Side view of a first PCM capsule for a protective helmet
  • 3 Longitudinal section AA according to 2 ,
  • 4 Detail B according to 3 ,
  • 5 Representation of one of four individual first capsules 3.1, in two different views,
  • 6 View of a helmet insert 2 from the direction of its open side with four first capsules 3.1,
  • 7 Cut CC according to 6 ,
  • 8 Illustration of a helmet spider 7 with four second capsules attached to it 4.1,
  • 9 Illustration of a second capsule 4.1 from the direction of the inside of the helmet (front view),
  • 10 Front view of a second capsule 4.1,
  • 11 Exemplary schematic representation of a perforated pressurized gas line 4 for the supply of cooling gas,
  • 12 Three-dimensional representation of a first version of a nozzle head for a protective helmet,
  • 13 Longitudinal section through a nozzle head 4.2 acc. 12 ,
  • 14 Section of a head spider 6 with a nozzle head 4.2 attached to it in a further version.

1 zeigt die Prinzipskizze einer Schutzausrüstung in einem Schutzhelm H, der bekannter weise eine Helmschale 1 mit einem Helmeinleger 2 (als Dämpfer) aufweist. In dem Helmeinleger 2 befindet sich in Richtung zum angedeuteten Kopf 8 eine Aussparung/Vertiefung 2.1, in welcher wenigstens eine erste Kapselanordnung 3 befindet, welche mit PCM-Material gefüllt ist. Wenigstens eine zweite Kapselanordnung 4 mit PCM-Material ist (hier von der ersten Kapsel 3 beabstandet) in Richtung zum Kopf 8 positioniert. 1 Figure 1 shows a schematic diagram of protective equipment in a protective helmet H, which, as is known, has a helmet shell 1 with a helmet insert 2 (as a shock absorber). In the helmet insert 2, facing towards the indicated head 8, there is a recess 2.1 in which at least one first capsule assembly 3 is located, filled with PCM material. At least one second capsule assembly 4, also containing PCM material, is positioned (here spaced apart from the first capsule 3) facing towards the head 8.

Die zweite Kapselanordnung 4 ist umringt von einer perforierten Druckgasleitung 5.1 als Kühleinrichtung zur Zuführung von Kühlgas in das Innere des Helms H. Zu der perforierten Druckgasleitung 5.1 führt von einem nicht dargestellten Druckbehälter eine gestrichelt angedeutete Druckgasleitung 5.The second capsule arrangement 4 is surrounded by a perforated pressurized gas line 5.1 as a cooling device for supplying cooling gas into the interior. of the helmet H. A pressure gas line 5, indicated by dashed lines, leads from a pressure vessel (not shown) to the perforated pressure gas line 5.1.

Die zweite Kapselanordnung 4 und die perforierte Druckgasleitung 5.1 sind bevorzugt an einer an Befestigungspunkten 6 befestigten sogenannten Kopfspinne 7 angeordnet bzw. aufgenommen.The second capsule arrangement 4 and the perforated pressurized gas line 5.1 are preferably arranged or mounted on a so-called head spider 7 which is attached to fastening points 6.

Die Kopfspinne 7 ist eine übliche Ausstattung eines Schutzhelms H für Sondereinsatzkräfte und sitzt im angelegten Zustand des Schutzhelms H auf dem Kopf 8 und umhüllt und schützt diesen seitlich und oberhalb.The head spider 7 is a standard feature of a protective helmet H for special forces and sits on the head 8 when the protective helmet H is worn, enclosing and protecting it laterally and above.

Die Zuführung des Kühlgases über die Leitung 5 und die perforierte Druckgasleitung 5.1 sorgt durch eine Expansionskühlung für ein kühles, trockenes Mikroklima im Helminneren, da durch das Kühlgas die im Helminneren vorhandene warme und feuchte Luft durch dieses verdrängt und somit „herausgespült“ wird.The supply of cooling gas via line 5 and the perforated pressurized gas line 5.1 ensures a cool, dry microclimate inside the helmet through expansion cooling, as the cooling gas displaces the warm and humid air present inside the helmet and thus "flushes it out".

Die erste und zweite Kapselanordnung 3, 4 dienen als Wärmespeicher, wobei die Kapselanordnungen 3, 4 mit Phasenwechselmaterial PCM gefüllt sind und die äußere Schicht der Kapselanordnungen 3, 4 eine diffusionsdichte Schutzhülle bildet.The first and second capsule arrangements 3, 4 serve as heat storage units, wherein the capsule arrangements 3, 4 are filled with phase change material PCM and the outer layer of the capsule arrangements 3, 4 forms a diffusion-tight protective shell.

Die erste Kapselanordnung 3 kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und auch die zweite Kapselanordnung 4 kann aus mehreren Teilen bestehen.The first capsule arrangement 3 can be made up of one or more parts, and the second capsule arrangement 4 can also consist of several parts.

Die Expansionskühlung besteht aus einem hier nicht dargestellten Druckspeicher mit verdichtetem Gas, Drossel-/ Sperrventilen, einer Druckgasleitung 5 in das Helminnere und der in 1 dargestellten perforierten Druckgasleitung 5.1 mit Ausströmöffnungen 5.2 zur Verteilung des expandierenden Gases im Helminneren.The expansion cooling system consists of a pressure accumulator (not shown here) containing compressed gas, throttle/shut-off valves, a pressurized gas line 5 into the helmet interior, and the [unclear text]. 1 The perforated pressurized gas line 5.1 shown with outlet openings 5.2 for distributing the expanding gas inside the helmet.

Alternativ kann das Kühlgas auch über eine oder mehrere Düsenköpfe 12 oder eine oder mehrere Luftdüsen 13, die an die Druckgasleitung 5 angeschlossen sind, in den Schutzhelm H geleitet werden (siehe auch 12-14).Alternatively, the cooling gas can also be directed into the protective helmet H via one or more nozzle heads 12 or one or more air nozzles 13 connected to the pressurized gas line 5 (see also 12-14 ).

Die im oberen Bereich des Schutzhelmes H bevorzugt in den dämpfenden Helmeinleger 2 integrierte erste Kapselanordnung 3 dient insbesondere zur Reduzierung des äußeren Wärmeeintrags in das Helminnere.The first capsule arrangement 3, preferably integrated into the damping helmet insert 2 in the upper area of the protective helmet H, serves in particular to reduce the external heat input into the interior of the helmet.

Die an der Innenausstattung (Kopfspinne 7) angeordnete zweite Kapselanordnung 4 befindet sich unmittelbar am Kopf 7 und dient vorrangig zur Aufnahme der über den Kopf 7 abgegebenen Körperabwärme.The second capsule arrangement 4, located on the internal components (head spider 7), is situated directly on the head 7 and primarily serves to absorb the body heat emitted via the head 7.

Bevorzugt werden sowohl die erste und zweite Kapselanordnung 3, 4 und die Expansionskühlung (perforierten Druckgasleitung 5.1 mit Ausströmöffnungen 5.2 bzw. eine oder mehrere Düsenköpfe 12 oder eine oder mehrere Luftdüsen 13 in einen Helm H integriert, da damit die besten Ergebnisse erzielt werden.Preferably, both the first and second capsule arrangements 3, 4 and the expansion cooling (perforated compressed gas line 5.1 with outlet openings 5.2 or one or more nozzle heads 12 or one or more air nozzles 13) are integrated into a helmet H, as this achieves the best results.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die vorgenannten Komponenten einzeln oder in beliebigen Kombinationen im Helm H anzuordnen.However, it is also possible to arrange the aforementioned components individually or in any combination within helmet H.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Druckluftzuführung in eine oder beide Kapseln bzw. Kapselanordnungen zu integrieren.Furthermore, it is possible to integrate the compressed air supply into one or both capsules or capsule arrangements.

In 2 ist die Seitenansicht eines Beispiels einer ersten Kapselanordnung 3 für einen Schutzhelm H dargestellt.In 2 The side view of an example of a first capsule arrangement 3 for a protective helmet H is shown.

Diese ist schalenartig ausgebildet und kann in einer korrespondierenden Aussparung/Vertiefung 2.1 eines Helmeinlegers 2 positioniert werden, wie in 1 angedeutet.This is shaped like a shell and can be positioned in a corresponding recess/recess 2.1 of a helmet insert 2, as shown in 1 hinted at.

Der Längsschnitt der 2 ist in 3 dargestellt. Daraus ist erkennbar, dass die erste Kapselanordnung 3 aus zwei Schalen 3a und 3b besteht, zwischen welchen sich das Phasenwechselmaterial PCM befindet.The longitudinal section of the 2 is in 3 This shows that the first capsule arrangement 3 consists of two shells 3a and 3b, between which the phase change material PCM is located.

Die Schalen 3a und 3b bestehen hier beispielsweise aus tiefgezogenen Polycarbonatschalen, die umfangsseitig miteinander verklebt sind und in denen das Phasenwechselmaterial PCM eingeschlossen ist.Shells 3a and 3b, for example, consist of deep-drawn polycarbonate shells that are bonded together around their circumference and in which the phase change material PCM is enclosed.

4 zeigt die randseitige Einzelheit B gemäß 3 aus welcher ersichtlich ist, dass die beiden Schalen 3a, 3b in dem Randbereich 3R der ersten Kapselanordnung 3 miteinander verbunden sind. Die Verbindung ist insbesondere gas- und flüssigkeitsdicht ausgebildet, so dass kein Phasenwechselmaterial PCM austreten kann. 4 shows the edge detail B according to 3 from which it can be seen that the two shells 3a, 3b are connected to each other in the edge region 3R of the first capsule arrangement 3. The connection is designed to be gas- and liquid-tight, so that no phase change material (PCM) can escape.

Die erste Kapselanordnung 3 verfügt über mindestens eine Einfüllöffnung zum Einfüllen des Phasenwechselmaterials PCM und eine Entlüftungsöffnung (in den 2 bis 4 nicht dargestellt).The first capsule arrangement 3 has at least one filling opening for filling the phase change material PCM and a venting opening (in the 2 to 4 (not shown).

Es ist vorteilhaft, die Kapselanordnungen 3, 4 aus mehreren Teilen auszubilden, beispielsweise aus vier Einzelteilen 3.1 bei der ersten Kapselanordnung 3, wie in den 5 bis 7 angedeutet ist.It is advantageous to form the capsule arrangements 3, 4 from several parts, for example from four individual parts 3.1 in the first capsule arrangement 3, as in the 5 to 7 as indicated.

5 zeigt die Darstellung eines Teils 3.1 von vier Teilen einer mehrteiligen/vierteiligen ersten Kapselanordnung 3 in einer Vorderansicht (Darstellung a) und in einem Längsschnitt (Darstellung b). 5 Figure 3 shows the representation of part 3.1 of four parts of a multi-part/four-part first capsule arrangement 3 in a front view (Figure a) and in a longitudinal section (Figure b).

Es ist hier ersichtlich, dass eine Einfüllöffnung 9 für das Phasenwechselmaterial PCM und eine Entlüftungsöffnung 10 vorhanden sind. Der Teil 3.1 der ersten Kapselanordnung 3 weist eine äußere Schale 3a und eine innere Schale 3b auf, die randseitig miteinander verbunden sind und zwischen welchen ein Raum zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials PCM vorhanden ist (siehe Darstellung b).It can be seen here that a filling opening 9 for the phase change material PCM and a venting opening 10 are provided. Part 3.1 of the first capsule arrangement 3 has an outer shell 3a and an inner shell 3b, which are connected to each other at their edges and between which there is a space for receiving the phase change material PCM (see figure b).

6 zeigt eine Ansicht des Einlegers 2 eines Schutzhelms aus Richtung seiner offenen Seite mit einer ersten Kapselanordnung 3 aus vier Teilen 3.1 und 7 den Schnitt A-A gemäß 6, 6 shows a view of the insert 2 of a protective helmet from the direction of its open side with a first capsule arrangement 3 of four parts 3.1 and 7 the AA cut according to 6 ,

Die vier Teile 3.1 grenzen bevorzugt aneinander an und werden in einer Vertiefung 2.1 des Heimeinlegers 2 aufgenommen.The four parts 3.1 preferably border each other and are received in a recess 2.1 of the home insert 2.

Aus den 5, Darstellung b und 7 ist erkennbar, dass die Teile 3.1 der ersten Kapselanordnung 3 eine äußere Schale 3a und eine innere Schale 3b aufweisen, die randseitig miteinander verbunden sind. Zwischen diesen befindet sich das Phasenwechselmaterial PCM.From the 5 , representation b and 7 It can be seen that the parts 3.1 of the first capsule arrangement 3 have an outer shell 3a and an inner shell 3b, which are connected to each other at their edges. The phase change material PCM is located between these.

Die Teile 3.1 der Kapselanordnung 3 können beispielsweise im 3D-Druck aus Kunststoff gefertigt sein.For example, parts 3.1 of the capsule assembly 3 can be manufactured from plastic using 3D printing.

8 zeigt eine zweite Kapselanordnung 4 aus vier Teilen 4.1, mit je einer Einfüllöffnung 9 und einer Entlüftungsöffnung 10 in jedem Teil 4.1, die zu einem in dem Teil. 4.1 ausgebildeten Hohlraum für das Phasenwechselmaterial führen. 8 Figure 4 shows a second capsule arrangement 4 consisting of four parts 4.1, each with a filling opening 9 and a venting opening 10 in each part 4.1, leading to a cavity formed in the part 4.1 for the phase change material.

Jeweils vier Teile 4.1 sind an einem Metallband 7.1 einer Kopfspinne 7 aufgenommen.Four parts 4.1 each are recorded on a metal band 7.1 of a head spider 7.

Die Einzeldarstellung eines Teils 4.1 ist in 9 in der Vorderansicht und in 10 in der Seitenansicht dargestellt. Die Teile 4.1 weisen eine nicht bezeichnete Krümmung auf, die einer Kopfform angepasst ist. Es sind in den 9 und 10 auch die Einfüllöffnung 9 und die Entlüftungsöffnung 10 ersichtlich. Weiterhin weist jedes Teil 4.1 mindestens ein Klemmelement 11 zur bevorzugt lösbaren Befestigung an dem Metallband 7.1 der Kopfspinne 7 auf (siehe auch 8).The individual presentation of part 4.1 is in 9 in the front view and in 10 shown in side view. Parts 4.1 have an unlabeled curvature adapted to a head shape. These are in the 9 and 10 The filling opening 9 and the venting opening 10 are also visible. Furthermore, each part 4.1 has at least one clamping element 11 for preferably detachable attachment to the metal band 7.1 of the head spider 7 (see also 8 ).

Die Kapselanordnungen 3, 4 oder deren Teile 3.1, 4.1 können aus zwei schalenförmigen miteinander randseitig verbundenen Einzelschalen bestehen oder beispielsweise auch einteilig ausgebildet und durch Blasformen oder durch 3D-Druck hergestellt sein. Wichtig ist, dass diese einen Hohlraum für das Phasenwechselmaterial PCM aufweisen.The capsule arrangements 3, 4, or their parts 3.1, 4.1, can consist of two shell-shaped individual shells connected at their edges, or, for example, can be manufactured as a single piece by blow molding or 3D printing. It is important that they have a cavity for the phase change material PCM.

Als Materialien für die Kapselanordnungen 3, 4 oder deren Teile 3.1, 4.1 kommen insbesondere jegliche druckbaren, umformbaren, blasformbaren Kunststoffe, bevorzugt TPU (Thermoplastische Polyurethan), PC (Polycarbonat), PA (Polyamid), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PVC (Polyvinylchlorid) zur Anwendung.Materials suitable for the capsule arrangements 3, 4 or their parts 3.1, 4.1 include in particular any printable, formable, blow-moldable plastics, preferably TPU (thermoplastic polyurethane), PC (polycarbonate), PA (polyamide), PP (polypropylene), PE (polyethylene), PVC (polyvinyl chloride).

Es können jedoch auch anderweitig hergestellte Kunststoffkapseln oder auch Kapseln aus verschweißten Aluminiumverbundfolien verwendet werden.However, other types of plastic capsules or capsules made of welded aluminum composite foil can also be used.

Die beispielhafte schematische Darstellung einer perforierten Druckgasleitung 5.1 für die Zuführung von Kühlgas ist in 11 dargestellt. Die Ausströmöffnungen sind dabei nicht ersichtlich.The exemplary schematic representation of a perforated pressurized gas line 5.1 for the supply of cooling gas is shown in 11 The outlet openings are not visible.

Ein Leitungsabschnitt führt um den nicht dargestellten Kopf und ein zweiter Leitungsabschnitt über den Kopf. Die Verzweigung der Leitungsabschnitte erfolgt über Verbinder 5.3. Zu einem Verbinder 5.3 führt auch von einem Depot des Druckgases, z.B. von einer Druckgasflasche eine Druckgasleitung 5.One pipe section runs around the head (not shown), and a second pipe section runs over the head. The pipe sections branch via connector 5.3. A pressurized gas line 5 also leads to a connector 5.3 from a pressurized gas reservoir, e.g., from a pressurized gas cylinder.

Mit den Pfeilen soll angedeutet werden, wie das Kühlgas aus der perforierten Druckgasleitung 5.1 in Richtung zum nicht dargestellten Kopf austritt.The arrows are intended to indicate how the cooling gas escapes from the perforated pressurized gas line 5.1 in the direction of the head not shown.

Die perforierte Druckgasleitung 5.1 wird bevorzugt an der Helmspinne befestigt.The perforated pressurized gas line 5.1 is preferably attached to the helmet spider.

Eine weitere Variante für die Zuführung des Kühlgases besteht in der Ausbildung eines Düsenkopfes 12 (in etwa ausgebildet wie ein Duschkopf), der einen Anschluss 12.1 für eine gestrichelt angedeutete Druckgasleitung 5 und Luftführungen 12.2 aufweist. 12 zeigt eine dreidimensionale Darstellung und 13 einen Längsschnitt dieses Düsenkopfes 12.Another option for supplying the cooling gas is the design of a nozzle head 12 (approximately shaped like a shower head) which has a connection 12.1 for a pressurized gas line 5 (indicated by dashed lines) and air guides 12.2. 12 shows a three-dimensional representation and 13 a longitudinal section of this nozzle head 12.

Dieser wird beispielsweise in die Helmschale 2 luftdicht eingeklebt und weist eine Abflachung 12.3 auf. Zwischen der Abflachung 12.3 und der Innenseite des Helmschale 2 (in 13 gestrichelt angedeutet) wird dadurch ein Luftreservoir 12.5 ausgebildet. Von dem Anschluss 12.1 zum Luftreservoir 12.5 über dem Bereich 12.3 führt ein Kanal 12.4. Das Kühlgas strömt von dem Anschluss 12.1 durch den Kanal 12.4 zum Luftreservoir 12.5 und von dort über Luftführungen 12.2 in Richtung zum Kopf.This is, for example, glued airtight into the helmet shell 2 and has a flattened section 12.3. Between the flattened section 12.3 and the inside of the helmet shell 2 (in 13 (Indicated by dashed lines) an air reservoir 12.5 is formed. A channel 12.4 leads from the connection 12.1 to the air reservoir 12.5 above the area 12.3. The cooling gas flows from the connection 12.1 through the channel 12.4 to the air reservoir 12.5 and from there via air ducts 12.2 towards the head.

Alternativ kann dieser Düsenkopf 12 auch an der Helmspinne befestigt sein, wobei dann der Kanal 12.4 und der Bereich über der Abflachung 12.3 nach oben geschlossen sind. Selbstverständlich kann diese Möglichkeit der Expansionskühlung auch mit einer ersten und/oder zweiten Kapselanordnung mit PCM-Material kombiniert werden.Alternatively, this nozzle head 12 can also be attached to the helmet spider, in which case the channel 12.4 and the area above the flattened section 12.3 are closed at the top. Naturally, this expansion cooling option can also be combined with a first and/or second capsule arrangement containing PCM material.

14 zeigt einen Ausschnitt einer Kopfspinne 7 mit einer daran befestigten Luftdüse 13 zur Zuführung des Kühlgases in das Helminnere. Die Luftdüse 13 wird bevorzugt im Nackenbereich befestigt und weist einen Anschluss 13.1 für eine Druckgasleitung 5 auf, die zu einer nicht dargestellten Druckgasflasche führt. 14 shows a section of a head spider 7 with an attached air nozzle 13 for Supply of cooling gas into the helmet interior. The air nozzle 13 is preferably attached in the neck area and has a connection 13.1 for a pressurized gas line 5, which leads to a pressurized gas cylinder (not shown).

Als Kühlgas können beliebige Gase, welche keine toxischen Eigenschaften für den menschlichen Organismus aufweisen und nicht brandbeschleunigend wirken, eingesetzt werden, wobei die Gase in Druckbehältern speicherbar sein sollten.Any gas that is not toxic to the human body and does not accelerate fire can be used as a cooling gas, provided that the gases can be stored in pressure vessels.

Die als Gasvorrat verwendeten Druckbehälter sollten so ausgeführt sein, dass diese separat z.B. auf dem Rücken und/oder am Helm und/oder anderweitig mitgeführt werden können. Alternativ ist ggf. die Versorgung über ein Atemschutzgerät möglich.The pressurized containers used as gas supplies should be designed so that they can be carried separately, e.g., on the back and/or helmet and/or otherwise. Alternatively, supply via a breathing apparatus may be possible.

Es sollte eine bedarfsgerechte Steuerung und Regelung der Expansionskühlung auf Grundlage der im Helm gemessenen Parameter erfolgen.The expansion cooling should be controlled and regulated according to demand, based on the parameters measured in the helmet.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Schalldämpfung erfolgt, mit welcher eine Reduzierung von Strömungsgeräuschen beim Eintritt des expandierenden Gases in das Helminnere erfolgt (z.B. durch Schalldämpfer, Austrittsdüsen, geeignete Öffnungsgeometrien an der Druckgasleitung im Helminneren).Furthermore, it is advantageous to implement sound attenuation to reduce flow noise when the expanding gas enters the helmet interior (e.g., through silencers, outlet nozzles, suitable opening geometries on the pressurized gas line inside the helmet).

Als Phasenwechselmaterialien PCM kommen bevorzugt Paraffine oder Salzhydrate zur Anwendung, welche u.a. mit Schmelztemperaturen zwischen 25 und 80 °C, gesundheitsverträglich, und nicht entflammbar (bis mind. 100 °C) sind.Phase change materials (PCMs) preferably consist of paraffins or salt hydrates, which, among other things, have melting temperatures between 25 and 80 °C, are compatible with health, and are non-flammable (up to at least 100 °C).

Weiterhin kann modifiziertes Phasenwechselmaterial PCM z.B. zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zur Anwendung kommen. Dazu können beispielsweise gut wärmeleitfähige Additive dem Phasenwechselmaterial beigemengt sein.Furthermore, modified phase change materials (PCMs) can be used, for example, to improve thermal conductivity. This can be achieved, for instance, by adding highly thermally conductive additives to the phase change material.

Eine optimale Mischung/Zusammensetzung kann beispielsweise über Simulationsrechnungen oder durch Versuche ermittelt werden.An optimal mixture/composition can be determined, for example, through simulation calculations or experiments.

PCM ist beim Einfüllen flüssig und verfestigt sich dann wieder bei Temperaturen unterhalb der Erstarrungstemperatur.PCM is liquid when poured and then solidifies again at temperatures below its solidification temperature.

Vorteilhafter Weise sollte eine Einrichtung zur Messung und Auswertung von Vitalparameter und Zustandsgrößen im Helminneren vorgesehen sein. Dabei wird vorteilhafter Weise auch der Beladezustand des PCM-Materials gemessen und somit festgestellt, wieviel Wärme noch gespeichert werden kann.Advantageously, a system for measuring and evaluating vital parameters and condition variables should be provided inside the helmet. This system also advantageously measures the charge level of the PCM material and thus determines how much heat can still be stored.

Diese Messung erfolgt bevorzugt über einen oder mehrere Temperatursensoren in oder an der ersten und/oder zweiten Kapselanordnung mit PCM-Material. Andere Messprinzipien sind auch möglich.This measurement is preferably performed using one or more temperature sensors in or on the first and/or second capsule assembly containing PCM material. Other measurement principles are also possible.

Die Vitalparameter der Einsatzkräfte werden beispielsweise über Pulsoximetrie oder Infrarotthermometrie erfasst.The vital parameters of the emergency personnel are recorded, for example, via pulse oximetry or infrared thermometry.

Es ist möglich, zur Warnung des Helmträgers, von Begleitpersonen und/oder der Einsatzleitung optische und/oder akustische und/oder haptische Warnsignale auszusenden. Die Signale können an/im Helm oder an Kleidungs- bzw. Ausrüstungsgegenständen angezeigt werden. Jedoch können die Signale auch kabellos (z.B. über Funk) an eine Einsatzzentrale weitergeleitet werden, über welche dann entsprechend reagiert werden kann.It is possible to send out visual, audible, and/or haptic warning signals to alert the helmet wearer, accompanying persons, and/or the incident command. The signals can be displayed on/in the helmet or on clothing or equipment. However, the signals can also be transmitted wirelessly (e.g., via radio) to an operations center, which can then respond accordingly.

Bei Tests im Labormaßstab wurden im Helmzwischenraum ohne die erfindungsgemäße Ausstattung 85°C gemessen und bei Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung

  • - mit Phasenwechselmaterial eine ca. 15°C geringere Temperatur
  • - mit Expansionskühlung mit Kühlgas (hier Luft - zugeführt mit ca. 20 °C) eine bis zu 24 °C geringere Temperatur und
  • - mit Phasenwechselmaterial und Expansionskühlung in Kombination eine bis zu 27 °C geringere Temperatur erzielt werden.
In laboratory-scale tests, 85°C was measured in the helmet space without the inventive equipment and when the inventive solution was used.
  • - with phase change material, a temperature approximately 15°C lower
  • - with expansion cooling using cooling gas (here air - supplied at approx. 20 °C) a temperature up to 24 °C lower and
  • - a temperature reduction of up to 27 °C can be achieved by combining phase change material and expansion cooling.

Bei praxisnahen Versuchen im Brandcontainer wurde mit einem Feuerwehr-Schutzhelm ohne die erfindungsgemäße Ausstattung 80-95 °C bei 40-50 % rel. Feuchte gemessen.In practical tests in a fire container, temperatures of 80-95 °C at 40-50 % relative humidity were measured using a firefighter's protective helmet without the equipment according to the invention.

Mit Phasenwechselmaterial in einer ersten und einer zweiten Kapselanordnung 3, 4 und einer perforierten Druckgasleitung 5 wurden noch 65 °C bei lediglich 10-15 % rel. Feuchte gemessen.With phase change material in a first and a second capsule arrangement 3, 4 and a perforated pressurized gas line 5, temperatures of 65 °C were still measured at only 10-15 % relative humidity.

Die Versuchspersonen, welche die Schutzhelme im Brandcontainer getragen haben, äußerten sich positiv über die geringere Temperatur und das bessere Klima im Helm durch die geringere Luftfeuchtigkeit.The test subjects who wore the protective helmets in the fire container commented positively on the lower temperature and the improved climate inside the helmet due to the lower humidity.

Durch die Spülung des Schutzhelms mit dem durch Expansionskühlung abgekühlten Kühlgas konnte die sonst durch das Schwitzen erzeugte hohe Luftfeuchtigkeit drastisch reduziert werden. Die Luftströmung des Kühlgases über den Kopf wirkt sich somit sehr positiv aus. Die Anordnung der ersten und zweiten Kapselanordnung reduziert die Temperatur im Helm weiter.By flushing the helmet with the cooling gas, cooled by expansion cooling, the high humidity otherwise generated by perspiration could be drastically reduced. The airflow of the cooling gas over the head thus has a very positive effect. The arrangement of the first and second capsules further reduces the temperature inside the helmet.

Dadurch können gesundheitliche Beeinträchtigungen der Sondereinsatzkräfte bei Einsätzen im Brandfall drastisch reduziert werden.This can drastically reduce health problems for special forces during fire operations.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
Helmschalehelmet shell
22
Helmeinleger 2 (als Dämpfer)Helmet insert 2 (as a damper)
2.12.1
Vertiefungin-depth
33
erste Kapselanordnungfirst capsule arrangement
3.13.1
Teile der ersten KapselanordnungParts of the first capsule assembly
3a3a
äußere Schaleouter shell
3b3b
innere Schaleinner shell
3R3R
RandbereichEdge area
44
zweite Kapselanordnungsecond capsule arrangement
4.14.1
Teile der zweiten KapselanordnungParts of the second capsule arrangement
55
DruckgasleitungCompressed gas line
5.15.1
perforierte Druckgasleitungperforated pressurized gas line
5.25.2
AusströmöffnungenOutlet openings
5.35.3
Verbinderconnector
5.45.4
DüsenköpfeNozzle heads
5.55.5
AustrittsdüsenOutlet nozzles
66
BefestigungspunkteMounting points
77
KopfspinneHead spider
88
KopfHead
99
EinfüllöffnungFilling opening
1010
Entlüftungsöffnungvent
1111
KlemmelementClamping element
1212
DüsenkopfNozzle head
12.112.1
AnschlussConnection
12.212.2
LuftführungenAir ducts
12.312.3
BereichArea
12.412.4
Kanalchannel
12.512.5
Luftreservoirair reservoir
1313
Luftdüseair nozzle
13.113.1
AnschlussConnection
HH
Helmhelmet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1 653 818 A4 [0003]EP 1 653 818 A4 [0003]
  • DE 10 2010 020 262 B4 [0003]DE 10 2010 020 262 B4 [0003]
  • DE 10 2016 201 912 B4 [0004]DE 10 2016 201 912 B4 [0004]
  • WO 2016/135529 A1 [0005]WO 2016/135529 A1 [0005]
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  • EP 2 249 672 B1 [0009]EP 2 249 672 B1 [0009]
  • WO 2011/098761 A1 [0011]WO 2011/098761 A1 [0011]

Claims (11)

Vorrichtung zur Reduzierung thermischer Belastungen und zur Regulierung des Mikroklimas in einem Schutzhelm (H), dadurch gekennzeichnet, dass in eine Helmschale (1) des Schutzhelms (H) wenigstens eine Kapselanordnung (3, 4) mit Phasenwechselmaterial (PCM) integriert ist und/oder dass zu der Helmschale (1) eine Druckgasleitung (5) führt, mit welcher eine Expansionskühlung mittels eines Kühlgases im Inneren des Schutzhelms (H) realisierbar ist.Device for reducing thermal stresses and regulating the microclimate in a protective helmet (H), characterized in that at least one capsule arrangement (3, 4) with phase change material (PCM) is integrated into a helmet shell (1) of the protective helmet (H) and/or that a pressurized gas line (5) leads to the helmet shell (1), with which expansion cooling by means of a cooling gas inside the protective helmet (H) can be realized. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste Kapselanordnung (3) in einem Helmeinleger (2) des Schutzhelms (H) angeordnet ist.Device according to Claim 1 , characterized in that at least one first capsule arrangement (3) is arranged in a helmet insert (2) of the protective helmet (H). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Kapselanordnung (4) an einer Kopfspinne (7) des Schutzhelms (H) angeordnet ist.Device according to Claim 1 , characterized in that at least a second capsule arrangement (4) is arranged on a head spider (7) of the protective helmet (H). Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, - dass die im oberen Bereich des Schutzhelmes (H) bevorzugt in den Helmeinleger (2) integrierte erste Kapselanordnung (3) eine Reduzierung des äußeren Wärmeeintrags in das Helminnere bewirkt und/oder - dass die an der Innenausstattung (Kopfspinne 7) angeordnete zweite Kapselanordnung (4) sich unmittelbar im Bereich des Kopfes (7) befindet eine Aufnahme der über den Kopf (7) abgegebenen Körperabwärme bewirkt.Device according to Claim 1 until 3 , characterized in that - the first capsule arrangement (3) preferably integrated into the helmet insert (2) in the upper area of the protective helmet (H) causes a reduction of the external heat input into the interior of the helmet and/or - the second capsule arrangement (4) arranged on the inner fitting (head spider 7) is located directly in the area of the head (7) and causes the absorption of body heat emitted via the head (7). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Druckgasleitung (5) in der Helmschale (1) - wenigstens eine perforierte Druckgasleitung (5) und/oder - wenigstens ein Düsenkopf (12) und/oder - wenigstens eine Luftdüse (13) anschließen, über welche das Kühlgas in dem Helm (H) verteilt wird.Device according to Claim 1 , characterized in that at least one perforated compressed gas line (5) and/or at least one nozzle head (12) and/or at least one air nozzle (13) are connected to the compressed gas line (5) in the helmet shell (1), through which the cooling gas is distributed in the helmet (H). Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierte Druckgasleitung (5.1) und/oder der Düsenkopf (12) und/oder die Luftdüse (13) an der Kopfspinne (7) angeordnet sind.Device according to Claim 5 , characterized in that the perforated pressurised gas line (5.1) and/or the nozzle head (12) and/or the air nozzle (13) are arranged on the head spider (7). Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf an der Innenseite der Helmschale (1) oder an der Kopfspinne (7) befestigt ist.Device according to Claim 6 , characterized in that the nozzle head is attached to the inside of the helmet shell (1) or to the head spider (7). Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/ zweite Kapselanordnung (3, 4) als Wärmespeicher dienen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first and/or second capsule arrangement (3, 4) serve as heat storage devices. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kapselanordnung (3) und/oder die zweite Kapselanordnung (4) ein- oder mehrteilig ausgeführt sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first capsule arrangement (3) and/or the second capsule arrangement (4) are designed in one or more parts. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kapselanordnung (3) aus Einzelteilen (3.1) und/oder die zweite Kapselanordnung (4) aus Einzelteilen (4.1) besteht und dass die erste und zweite Kapselanordnung (3, 4) oder deren Einzelteile (3.1, 4.1) jeweils eine Einfüllöffnung (9) für das Phasenwechselmaterial (PCM) und eine Entlüftungsöffnung (10) aufweisen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first capsule arrangement (3) consists of individual parts (3.1) and/or the second capsule arrangement (4) consists of individual parts (4.1) and that the first and second capsule arrangement (3, 4) or their individual parts (3.1, 4.1) each have a filling opening (9) for the phase change material (PCM) and a venting opening (10). Schutzhelm aufweisend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Protective helmet having a device according to one of the Claims 1 until 10 .
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