Hand Cooling, Protection and Performance in Cold Environments

Abstract

This dissertation presents experimental data on hand/finger cooling responses and performance with and without gloves in cold environments. The first part concerned studies of hand/finger cooling behaviors under various cold conditions. It included 1) literature study; 2) experimental studies with human subjects; 3) development of an instrumentation for predicting contact temperature (TC) limits; 4) establishment of a database and 5) the preparation of a standard for touchable cold surfaces. The experimental results with human subjects indicate that a more rapid reduction of TC occurred when finger/hand contacted metallic surfaces, compared to non-metallic surfaces. A reduction in TC is a function of skin and material s surface temperature (TS), thermal properties of the materials and the nature of the contact as well. Manual performance (tactile sensitivity/finger dexterity) reduced after gripping the cold objects for 10-20 minutes. A decrease of the hand skin temperature causes performance loss. The safety criteria for TC are suggested to be 0 °C (freezing), 7 °C (numbness) and 15 °C (pain sensation). An electrically heated finger model was developed and used to derive additional cooling information for extremely cold metallic surfaces (< 20 °C). All results were utilized to establish relations between contact temperature, contact time and material used and compiled in an ergonomic database. The information can be used for risk assessment and for setting temperature limit values for products in appropriate standards for cold work. The data are applicable for all fields where cold surfaces cause a risk of hand/finger contact cooling. The second part presented studies of manual performance such as dexterity and tactile sensitivity of gloved hand in cold operations. The relation between physical properties of protective gloves and hand performance were evaluated objectively and subjectively. Human subjects wearing four different work gloves and three different types of gloving (outer, inner and double) participated in the experimental studies during cold exposure. It is indicated that wearing various work gloves gives impairment in both manual dexterity and tactile sensitivity in cold operations. The performance was affected both by glove design and by hand/finger cooling. In extremely cold exposures hand cooling overrides the effect of glove on tactile performance. Use of double gloving (outer-inner combination) is recommended to be an appropriate approach to use protective gloves in the cold, while inner glove can be used to perform some precision works. The inner glove may be used at 12 °C for 30 minutes since the finger skin temperature did not fall down to 15 °C. An electrically heated glove that improved maintenance of warmth could be considered for hand protection in a prolonged cold operation.

Denna avhandling presenterar experimentella data på hand : och fingernedkylning och funktionsförmåga hos handen med och utan handskar i kyla. Den första delen omfattar hand och fingernedkylning under olika kalla betingelser. Den innefattar 1) litteraturgenomgång, 2) experimentella studier med mätningar på människor, 3) utveckling av ett mätinstrument för bestämning av kontakttemperatur, 4) skapandet av en databas och 5) framtagandet av förslag till en standard för bestämning av temperaturgränsvärden för kontakt med kalla ytor. Resultaten med försökspersoner visade en snabbare minskning av kontakttemperaturen när finger/hand kom i kontakt med kalla metallytor jämfört med andra ytor. Temperaturminskning var en funktion av hud : och materialytornas initialtemperatur, materialens termiska egenskaper samt kontaktbetingelserna. Händernas känsel och fingermotorik försämrades efter 10-20 minuters grepp om en kall cylinder. En nedgång av hudtemperaturen är huvudorsaken till denna effekt. Som kriterier för kontakttemperatur har föreslagits 0 °C (innebärande risk för kylskada), 7 °C (risk för känselbortfall) samt 15 °C (risk för smärtupplevelse). En uppvärmd fingermodell har tillverkats för att härleda ytterligare information om nedkylningsreaktionen vid kontakt med extremt kalla metallytor (<-20 °C). Med hjälp av dessa resultat har generella samband mellan kontakttemperatur, kontakttid och material tagits fram och samlats i en ergonomisk databas. Informationen kan användas för riskbedömningar och för att sätta temperaturgränser för produkter i lämpliga standarder gällande kallt arbete. Dessa data är tillämpliga på alla områden där kalla ytor utgör en risk för hand /finger nedkylning. I den andra delen har fingerfärdighet och känsel med handskar utforskats under kallt arbete. Sambanden mellan olika fysiska egenskaper hos skyddshandskar och betydelse för handfunktion utvärderades objektivt och subjektivt. Försökspersoner bar fyra olika skyddshandskar med i tre olika kombination (ytter, inner : och dubbel) och exponerades för omgivningstemperaturer mellan 10 och 25 °C. Resultaten visade att alla arbetshandskar minskade både fingerfärdighet och känsel vid kallt arbete. Handfunktionen påverkades av såväl handskkonstruktion som hudtemperatur. I extrem kyla överskuggade handnedkylningen effekten av handske på känseln. Dubbla handskar (ytter och innerhandskar) rekommenderas i kallt klimat. Innerhandsken kan då användas för att genomföra vissa precisionsuppgifter. Innerhandsken kan användas vid 12 °C under 30 minuter utan att handens kyls ner till 15 °C. En elektriskt uppvärmd handske förbättrade värmbalansen och kan användas för att skydda händerna under långvarigt manuellt arbete i kyla.