CN102330563B - 矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统，包括制冷剂工质的闭式循环制冷系统和由发电机-蓄电池组成的电力储存系统，无需任何外接电源；循环制冷系统为闭式系统，包括压缩机、室内蒸发器、毛细管、室外冷凝器，并通过制冷剂管路连接。发电机-蓄电池组成的电力系统包括手动传动机构、直流发电机、蓄电池和风扇。在舱内人员做功时，发电机带动制冷循环系统中的风扇，并向蓄电池充电，而在舱内人员休息时，发电机作为动力机构，由蓄电池供电，带动压缩机运转，同时蓄电池也向风扇供电，维持循环制冷系统正常工作。所述的制冷循环和电力循环相互耦合，共同调节舱内空气温度。

Description

矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统

技术领域

本发明涉及一种空调制冷系统，具体应用于煤矿井下软体救生舱内的无外界电源的空调制冷系统，包括制冷剂工质的闭式循环制冷系统和由发电机-蓄电池组成的电力储存系统，无需任何外接电源。

背景技术

煤矿井下发生灾害性事故时，有不同级别的救生系统提供给井下作业人员。一般第一级为井下硐室，会有较为齐全的物资和设备，并且会从外部供电和水，矿难发生时，井下作业人员可以在此待较长时间，但是硐室的投资很大，而且要与外界有管路联通。第二级为救生舱硬舱，目前有移动式或固定式的，分布在矿井的主干道或者一些专设地点，能够在一段时间内为矿工提供必需的生存环境，而且能够在瓦斯爆炸的环境中应用，目前此类产品国内外都已逐步投入市场。第三级为救生舱软舱，分布在矿井工作第一线，在矿难发生并且工作人员无法及时离开工作现场时可以马上给软舱充气，并投入使用。所以软舱使用的独立性、即时性，以及矿井内的环境恶劣性，都对软舱制冷系统提出了很高的技术要求，比如完全与外界气体隔离，无外接电源供给，制冷设备体积小等。

目前，煤矿救生舱空气冷却装置可分为两类：一种是普通的分体式空调，空调主机置于救生舱内部，制冷压缩机置于舱外。因此，在瓦斯爆炸或透水时，必须面对制冷压缩机组等有源部件的防爆问题。二是蓄冷式防爆空调，该系统包括舱外防爆制冷机组和舱内空气调节装置。这两类空调都需要外部电力来维持系统的正常运行。当发生事故时外部电力切断，就只能依靠蓄电池供电。在灾害状态下要维持较长时间的制冷，就需要储备大量的电能，进而导致救生舱内蓄电池体积过大。

中国专利文献号CN101504176A中提到了一种用于煤矿的可移动式应急救生舱的空气调节系统，包括制冷压缩机、翅片换热器、冷凝风机、膨胀阀组成的舱外制冷机组和上蓄冰箱、下蓄冰箱及防爆风机等。主要作用是在矿井下发生事故时，利用最小的电量对救生舱内部的温湿度进行调节。但是该发明主要用于煤矿救生舱硬舱，而且必须要外部供电，不能很好解决工作线上的紧急避难软舱内的制冷问题。

中国专利文献号CN101761353A中公开了一种用于煤矿救生舱的空气冷却系统，包括液态二氧化碳制冷系统和喷射式制冷系统通过管路连接成联合制冷系统，在煤矿井下发生事故时，无需外部供电，无需内部储备蓄电池，利用液态二氧化碳的潜热吸收舱内的热量，再利用液态二氧化碳气化后的高压气体作为喷射式制冷的引射流体进行喷射式制冷，为救生舱提供必要的冷量。虽然该发明不需要外部供电，但是要长时间的维持舱室内的温度需要大量的液态二氧化碳，贮存液态二氧化碳需要高压钢瓶，而且外界温度较高时，极容易造成液态二氧化碳的升温气化。另外,高压钢瓶本身的安全性以及井下运输和定期检查都是目前存在的问题。另外，为了长时间地为舱内人员提供合适的环境，所需要的液态二氧化碳量也是很多的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统，采用改进的手动式或脚动式压缩机，由人力做功，并将多余的部分能量用蓄电池储存起来，克服了煤矿井下无电源的特殊情况。本发明中将制冷和发电过程一体化的总系统，不仅提高了能量的利用效率，同时使得空调系统在人休息时也能连续工作，从而保证了矿井中特殊环境下的空气温度始终处于人体较为合适的舒适区域。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于煤矿软体救生舱的空气调节制冷系统，包括制冷剂工质的循环制冷系统和发电机-蓄电池的电力系统。

所述的循环制冷系统为闭式系统，包括压缩机、符合软体救生舱特殊要求的室内蒸发器、毛细管、室外冷凝器，并通过制冷剂管路连接。

所述的发电机-蓄电池的电力系统包括手动传动机构、直流发电机、蓄电池和风扇，所述风扇包括冷凝器风扇、蒸发器风扇。

手动传动机构连接压缩机以及直流发电机，直流发电机连接蓄电池，高温高压的制冷剂由压缩机出口流经一段绝热制冷剂管路进入室外冷凝器，在冷凝器风扇的作用下和室外空气强制对流换热，制冷剂温度降低，再通过一段绝热制冷剂管路，流入毛细管，经过节流降压降温之后进入舱内壁顶部的薄板式蒸发器，在蒸发器风扇的作用下与舱内空气强制对流换热，此时低温制冷剂迅速吸收救生舱内部的热量，降低舱内空气温度，之后制冷剂再次进入压缩机内开始下一个循环。

本发明中，在舱内人员做功时，发电机带动制冷循环系统中的风扇，并向蓄电池充电，而在舱内人员休息时，直流发电机作为动力机构，由蓄电池供电，带动压缩机运转，同时蓄电池也向风扇供电，维持循环制冷系统正常工作。所述的制冷循环和电力循环相互耦合，共同调节舱内空气温度。

本发明中，所述的压缩机，置于软体救生舱内部，以开启式压活塞缩机为原型，对原有皮带轮传送结构进行了改进，使其在正常运转情况下符合人体的劳动强度要求。本发明中，手柄安装在大带轮边缘处，正常转动时皮大带轮速度低至4.71m/s，满足人体劳动强度。

本发明中，所述的符合软体救生舱特殊要求的室内蒸发器，为薄板式蒸发器，紧贴救生舱内壁顶部，体积非常小，并采用柔性导热材料制作，可在一定范围内弯折、扭曲，最大程度保护舱内人员在极端情况下的人身安全。

本发明中，所述的毛细管的接头与制冷剂管路孔径相匹配，用毛细管代替普通空调系统中的电磁膨胀阀，减少电器控制元件，可以增加系统的可靠性。

本发明中，所述的室外冷凝器为管翅式换热器，置于软体救生舱外侧，通过制冷剂管路和内部设备连接，并设置防爆设施。

本发明中，所述的蓄电池在舱内人员做功时进行充电，在人员休息时对电机和风扇供电，维持整个循环制冷系统的正常工作。

与现有技术相比，本发明具有以下优势效果：

1、本发明中用于矿井软体救生舱内的空调制冷系统完全不用外部提供电源，仅依靠舱内人员做功调节室内空气温度，可在极端条件下为舱内提供必要的冷量。

2、本发明将循环制冷系统本身具有较高的制冷系数，与电力储存系统耦合后，充分利用了人体做功的能量，从而提高了系统整体的能量利用效率。

3、本发明利用蓄电池对能量输入进行储存、调配，维持系统在更长的时间段内平稳工作，使得舱内人员疲劳休息时，制冷系统依然能运行较长时间。

4、本发明中无电子控制器件和电子反馈系统，降低了因电火花引爆井底瓦斯气体的可能性，可靠性强，结构紧凑，更适合在紧急情况下软体救生舱的临时避难，同时依靠人体本身的温度及舒适度感知，来对室内温度自主控制。

附图说明

图1为用于矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统的结构示意图；

图中：1、矿井软体救生舱，2、手柄，3、手动传动机构，4、手动式压缩机，5、制冷剂管路，6、蒸发器风扇，7、冷凝器，8、冷凝器风扇，9、毛细管，10、薄板蒸发器，11、直流发电机，12、蓄电池。

图2为本发明手动传动机构结构示意图；

图中：13、小皮带轮，14、齿轮组，15、传动轴，16、V型带，17、大皮带轮。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种用于矿井软体救生舱1的无外界电源空调制冷系统，包括R134a作为工质的循环制冷系统、发电机-蓄电池的电力系统。所述的R134a制冷系统和电力系统通过相互耦合为一个总能系统，联合调节舱内空气的温度。

所述的R134a循环制冷系统为闭式系统，具体包括手柄2、手动式压缩机4、制冷剂管路5、冷凝器7、毛细管9、薄板式蒸发器10。

所述的发电机-蓄电池的电力系统具体包括手动传动机构3、直流发电机11、蓄电池12、蒸发器风扇6、冷凝器风扇8。蓄电池12通过导线直接与发电机相连，蒸发器风扇6和冷凝器风扇8并联后通过导线与发电机连接。当舱内人员手动驱动发电机发电时，电流一部分通过导线送入蓄电池12中储存，其余一小部分驱动蒸发器风扇6和冷凝器风扇8，使其促进制冷循环有效工作；当舱内人员疲劳，停止转动手柄2，或者蓄电池12充满时，蓄电池12通过导线带动直流发电机11，再经过手动传动机构3带动压缩机气缸工作，同时蓄电池12也通过导线连接蒸发器风扇6和冷凝器风扇8，使其正常工作。

如图2所示，所述的手动传动机构3，包括大皮带轮17、小皮带轮13、V型带16、传动轴15和齿轮组14，其中小皮带轮13、传动轴15和齿轮同轴，采用键连接；小皮带轮13和大皮带轮17之间由V型带16连接；大皮带轮上安装手柄2。大皮带轮17、小皮带轮13材料采用Z型V带，根据国家标准设计，小带轮基准直径150mm，大带轮基准直径630mm。配合轴间距为了使得结构紧凑，取设计值中的最小值660mm。

所述的手动式压缩机4，是基于2F4.8开启式活塞压缩机的改造机型，压缩机气缸部分不变，将原有的电机11分离，并安装传动机构3，使得舱内人员手动即可驱动其工作。本发明中，手柄2安装在大带轮17边缘处，正常转动时皮大带轮速度低至4.71m/s，满足人体劳动强度。

所述的制冷剂管路5为柔性绝热材料管，可在一定程度内弯折变形，沿软体救生舱壁面布置，平时可随舱体一起折叠储放。

所述的冷凝器7为防爆式管翅式换热器，置于救生舱外壁，一端通过制冷剂管路5与手动压缩机4连接，另一端通过制冷剂管路5与毛细管连接。

所述的薄板式蒸发器10由两片柔性导热薄板加工制成，薄板上分别轧制出制冷管线凹槽，两片薄板对贴粘合焊接，在其内部形成完整的制冷剂管路，薄板蒸发器有一定的柔性，分块布置于软体救生舱的内壁顶部，平时可随舱体折叠放置。

所述的直流发电机11，在舱内人员做功时，带动制冷系统的蒸发器风扇6和冷凝器风扇8，并同时向蓄电池12充电；在人员休息时，直流发电机11作为电动机，蓄电池12给其供电，带动压缩机4、蒸发器风扇6和冷凝器风扇8，维持制冷系统的正常运行。

如图1所示，本发明所述的空气调节系统以R134a为工质，其具体工作情况如下：当进入舱内人员（一般情况根据软体救生舱的大小，可容纳6-8人）觉得温度过高需要制冷时，转动大皮带轮17上的手柄2，由V型带16带动压缩机4上的小皮带轮13，以及直流发电机11上的齿轮组14。此时压缩机4运转，高压高温的制冷剂R134a，由压缩机11出口流经一段绝热制冷剂管路5进入室外冷凝器7，在冷凝器风扇8的作用下和室外空气强制对流换热，制冷剂温度降低，再通过一段绝热制冷剂管路5，流入毛细管9，经过节流降压降温之后进入舱内壁顶部的薄板式蒸发器10，在蒸发器风扇6的作用下与舱内空气强制对流换热，此时低温制冷剂R134a迅速吸收救生舱内部的热量，降低舱内空气温度，维持舱内的舒适度。之后制冷剂R134a再次进入压缩机4内开始下一个循环。当人体转动手柄一段时间，感觉疲劳时，即可停止做功，此时蓄电池12已经充有部分电量，可以带动压缩机4和风扇运转，维持制冷系统持续工作，直至电量耗光。

Claims (6)

1.一种矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统，包括制冷剂工质的循环制冷系统和发电机-蓄电池的电力系统，制冷系统和电力系统通过相互耦合为一个总能系统，联合调节舱内空气的温度；其特征在于：

所述的循环制冷系统为闭式系统，包括压缩机、手动传动机构、室内蒸发器、毛细管、室外冷凝器，压缩机、室内蒸发器、毛细管以及室外冷凝器通过制冷剂管路连接；所述室内蒸发器为薄板式蒸发器；

所述的发电机-蓄电池的电力系统包括直流发电机、蓄电池和风扇；所述风扇包括冷凝器风扇、蒸发器风扇；

所述的手动传动机构连接压缩机以及直流发电机，直流发电机连接蓄电池和风扇，高温高压的制冷剂由压缩机出口流经一段绝热制冷剂管路进入室外的冷凝器，在冷凝器风扇的作用下和室外空气强制对流换热，制冷剂温度降低，再通过一段绝热制冷剂管路，流入毛细管，经过节流降压降温之后进入舱内壁顶部的薄板式蒸发器，在蒸发器风扇的作用下与舱内空气强制对流换热，此时低温制冷剂迅速吸收救生舱内部的热量，降低舱内空气温度，之后制冷剂再次进入压缩机内开始下一个循环；

所述的薄板式蒸发器由两片柔性导热薄板加工制成，薄板上分别轧制出制冷管线凹槽，两片薄板对贴粘合焊接，在其内部形成完整的制冷剂管路，薄板蒸发器有一定的柔性，分块布置于软体救生舱的内壁顶部，平时随舱体折叠放置。

2.根据权利要求1所述的矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统，其特征在于：所述的手动传动机构包括大皮带轮、小皮带轮、V型带、传动轴和齿轮组，其中小皮带轮、传动轴和齿轮同轴，采用键连接；小皮带轮和大皮带轮之间由V型带连接；大皮带轮上安装手柄。

3.根据权利要求1或2所述的矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统，其特征在于：所述的压缩机，其手柄安装在大带轮边缘处。

4.根据权利要求1所述的矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统，其特征在于：所述的制冷剂管路为柔性绝热材料管，能弯折变形，沿软体救生舱壁面布置，平时随舱体一起折叠储放。

5.根据权利要求1所述的矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统，其特征在于：所述的室外冷凝器为防爆式管翅式换热器，置于救生舱外壁，一端通过制冷剂管路与压缩机连接，另一端通过制冷剂管路与毛细管连接。

6.根据权利要求1所述的矿井软体救生舱用无外界电源空调制冷系统，其特征在于：所述的直流发电机，在舱内人员做功时，带动制冷系统的蒸发器风扇和冷凝器风扇，并同时向蓄电池充电；在人员休息时，直流发电机作为电动机，蓄电池给其供电，带动压缩机、蒸发器风扇和冷凝器风扇，维持制冷系统的正常运行。

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