CN102808648A - 封闭避难空间中用于维持人的生命的毒气去除和空调系统 - Google Patents

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Abstract

一种绝对安全的、用于地下矿区救生室的自备式毒气去除和空调系统，以从救生室中密封的空气中连续的去除室的占据者的呼吸所呼出的污染物CO2或CO或两者，系统包含：防爆和防燃烧的外壳，外壳适于承受15每平方英寸磅的外部爆炸力；内部的电池，内部的电池能够连续运行至少96小时，电池具有的水不足以在最坏条件下达到最低的氢气爆炸等级；风扇马达，风扇马达安装在外壳内侧并且由风扇马达/驱动器控制电路驱动，风扇马达可操作地耦接到驱动轴，驱动轴延伸到外壳的外部；和电源电路，电源电路与风扇马达/驱动器控制电路连通，电源电路包括交流电源损失电路，以检测外部提供的交流电源的损失，并且在检测到外部提供的交流电源损失时自动地起动风扇马达的操作。

Description

封闭避难空间中用于维持人的生命的毒气去除和空调系统
本申请要求05/31/2011（2011年5月31日）提交的美国临时专利申请序列号61/491,841为优先权。
技术领域
本发明涉及用于地下矿区中工作的矿工的安全系统。更特别地，本发明涉及一种当矿工救生室外的空气可能包含有害气体时，向矿工救生室的使用者提供安全和可呼吸的空气的有毒气体去除和空调系统。
背景技术
诸如洪水、原子核辐射事故、爆炸、火灾、化学溢漏、恐怖分子有毒气体攻击、和许多其他的这样的危险事件，需要人在受影响的区域采取避难措施。特别是在地下矿区中存在很多这样的危险。在地下采矿操作中存在许多的风险：火灾、井壁坍塌、瓦斯或者煤粉尘爆炸、渗水、窒息、采矿区域空气中存在有毒气体等等。
当任何人必须躲避诸如上面描述的那些事件的后果时，尤其是当矿工被困在地下，是否能够存活取决于能否发现幸存者安全室中的临时掩蔽所，直到危险过去，或者直到救援人员发现险情将矿工从该室中救出。特别设计的救生室因此被典型地布置在矿区的各个不同位置，并且矿工被训练并且练习以几乎下意识地知道这些位置。通过这样的方式，如果有采矿事故发生，矿工可以迅速地发现并且进入最近的救生室，矿工能够占据该室直到能够安全离开。
因为救生室是空气封闭的以防止该室之外的矿区空气中可能存在的危险气体的侵入，矿工可能仅有四个可能的氧气（O2）来源。包括：（1）在室被密封之前存在于室空气中的O2，这也包括在室内发现的压缩空气罐中包括的O2；和（2）能够从该室之外的其他氧气源导入该室的O2，其包括在（a）从外部压缩空气罐进入该室的空气管道；（b）围绕该室周围的矿区空气；和（c）从矿区之外的氧气源进入该室的空气管道。
矿工（或者一群矿工）在救生室中的存活时间长短，至少部分地，依赖于该室内部可利用的O2的数量。因为救援工作可能持续数天（甚至数个星期），极其重要的是该室内部空气中存在的可用于存活的O2水平要尽可能的保持长时间。
重要的是，要认识到人所占据的密封的室内部的空气会随着时间的推移而被污染，这是由于使用者的呼气会在该室的空气中引入额外的二氧化碳（CO2）和一氧化碳（CO）。
当CO2或者CO与O2的比率很大时，救生室使用者可能受到CO2或者CO中毒。为了防止这样的情况，在该室内使用空气净化系统，以从该室的空气中去除过剩的CO2和CO。空气净化系统必须在矿区环境中实质地安全，意思是，一定不能产生任何危险状况，诸如产生火花、或者散发足够量的爆炸气体或者毒气从而导致危险。其也必须是非常的坚固以在地下矿区的险恶环境特性下确保连续的运转。另外，当爆炸发生在室外面时，其必须能够承受该室内部的力。[为了用于即时应用，“绝对安全”将采取30CFRPt.18.2中设定的意思：“绝对安全意指不会在正常或非正常状态下释放足够的电能或热能，从而导致瓦斯或者天然气和具有易燃成分的空气的可燃混合气被点燃”]。
进一步，这样的系统将最佳地检测外部电源的损失，并且当这样的状态被检测到时自动开始操作，从而不需要矿工人工地开启或者操作该空气净化器。
空气净化系统产生的噪音也将被最小化。这是因为占据救生室的矿工必须长时间地听到该噪音，并且这样的长时间噪音暴露对于心理上的冲击式非常负面的。
为了救援队检验空气净化系统在操作（不进入救生室），空气净化系统将具有将其状态无线连通到该室外部的系统的通路。
当前的技术并没有对这些问题提出满意的解决方案，并且市场上没有能够满足所有需要的用于地下矿区的救生室使用的空气净化系统。因此，存在很迫切并且紧要的需要一种系统，以实质地改善被围困矿工能够从灾难性事件中存活的能力。
发明内容
在设计用于解决上述问题的解决方案过程中，需要考虑的一个原理是发明一种系统，其能够在为从可能威胁他们生命的灾难性事件寻求安全的人所占据的封闭的安全室或空间中产生和维持适当的空气。本发明的改进在于提供一种技术上可实行的和经济上可行的方式，其用于人安全地驻留在封闭的安全空间中一段时间，例如几天，并且采取自备的和电池供电的生命维持系统，当外面的危险状态缓解或者直到避难所使用者遇救。对于地下矿区的最具有挑战性的方面是空气经常爆炸，并且这需要所有的电力系统实质地安全或者在矿区具有防爆保护并且因此不会引爆爆燃性空气。
已知的在先技术避难室具有被本发明明确地指出的几个缺点或者限制。显著的限制是在现有系统中缺乏确定安全。这样的标准不是能容易地达到，并且在取得现代化技术水平的电力效率需要设置（1）可行数量的电池能量储备；（2）低水平的额外热，该附加热可能加重人中暑的风险；（3）低风险的氢气排放和伴随爆炸风险；和（4）系统中充分的冷却能力，从而不允许在爆燃性空气中使用大量的电能，爆燃性空气被假定存在于任何需要避难活动/占据的方案中。
本发明是新颖的自备式的空气净化系统，通过其自己的内部电池的电力能够使用超出96+小时的时间，能够连续地从密封的空气中移除最多30个成年人通过呼吸被导入救生室的CO2和CO的量。这种自备式的空气净化系统能够被构造以与外部管接口，从而CO2和CO过滤器能够被远程设置在能够适当地改善循环或者通风的位置。
本发明提供一种足够坚固的空气净化系统，以在地下矿区的险恶环境存在，具有当发生在其所存在的救生室外部发生爆炸时能够承受作用到其的力的能力。
本发明的空气清洁器被设计为经受得住发生在包含该空气清洁器的救生室外部发生的15每平方英寸磅数（psi）的爆炸的副效应。这样存在水平被通过矿场安全和健康管理（MSHA）制定的试验草案中规定。
本发明的这种自给自足的空气清洁系统是确定安全（“I.S.”），并且“许可”应用于地下矿区的环境。这是由于该单元的内部设计，并且利用了不含有即使在最差条件下也足够产生危险的足够数量的水（因此，氢原子）的电池，并且通过使用防爆的和防火的传动轴轴承和外壳。
本发明的空气净化系统在操作过程中产生最小的声音。这个是部分地通过使用非常小的并且更有效率的马达来实现，该非常小并且更有效率的马达比现有技术中的空气净化系统当前状态更加小和更有效率。
本发明的空气净化系统检测交流电源到系统的损失，并且等这样的能量损失情况被检测发现后，自动地开始操作。即使矿工仅仅在筋疲力尽或者无意识前才到达该室时，这也确保了运作。因此，矿工不需要人工地开始或者操作。
本发明的空气清洁系统能够从矿区内的附近位置远程监控，例如，如果MineTracer（矿区跟踪者）FASC被安装在室的外部，或者如果“步行巡视员”携带来自MineTracer系统的无线监控装置。这种监控能够通过空气清洁系统中的电路实现，该电路能够与MineTracer网络的元件无线通信。[MineTracer无线矿区监控、跟踪、和通信网络在申请号为No.11/775，831，名称为“无线矿区跟踪、监控、和营救通信系统”，2008年6月1日公开并且美国专利申请公开号为No.20080137589的美国专利申请中有详细介绍，其全部内容通过引用结合在本文中]。如果矿区中安装有MineTracer网络，本发明的空气清洁系统能够从矿区之外和矿区地面上方远程监控。这能够通过与MineTracer网络中的元件无线通信的空气清洁系统中的电路实现。
本发明的空气清洁系统不需要保持具有配电电线的庞大的铅酸电池组（lead acidbattery banks）。铅酸电池会散发危险气体，并且当爆炸性气体存在时，地下矿区环境中配电电线存在安全隐患。本发明的仪器具有其内部电池并且需要非常低的操作电流，对于矿区操作员来说成本非常低，并且更加安全。
本发明还实现创新的手段，用于利用自然对流以使得封闭区域通风并且充分循环。从CO2过滤器排出的耐热的高温气体被直接向上，以确保最清洁的气体到达顶部，并且风扇收集器被设置在地板水平上，以确保收集最脏的气体，从而最恰当地利用热梯度以及对流力以高效地、以最小消耗通风动力的方式清洁救生室的空气。这种热能的高效回收与再利用在化学清洁处理中存在，在最大效率闭环系统中作为通风能量的附加来源。实际上，化学清洁盒变得像是在避难所中存储能量的附加的虚拟电池。
马达的热量生产和散失被创新地设计，以避免向占据的环境增加热量，并且保证马达热在封闭空间中是可靠的。这通过利用特别小、并且具有低马达散失、极好的热传导率、和创新的热传导接受器的马达实现。该马达因此具有能够迅速消除热量的能力。这样的创新的低能量设计确保了对于操作系统所需要的铅酸电池的数量处于足够小的数量，以保证满足来自救生室的氢气的通风需要。基于电池中的水分不充分，并且因此氢原子太少而不能达到室体积中的低爆炸极限（“LEL”）的事实，这样的故障保护被绝对保证。无论在充电过程中出现什么种类的故障、或者电池失效或者热逃逸的结果，这都能保证。
该系统具有防燃烧驱动轴支撑组件，该组件允许非绝对安全的马达存在于电池舱内。防燃烧驱动轴支撑组件使用创新的并且低成本、高效率的填料压盖（packing gland）作为防燃烧支撑组件的一部分，或者可以利用类似构造的防燃烧滚珠轴承组件。
本发明还利用过载保护电路，以确保防止驱动轴抱轴、过载电流或其他故障。
本发明提供合理的成本的实际应用解决方案，这将会引发全世界范围内在大量危险场所的封闭空间的避难所的广泛流传的工业利用。这将有可能挽救很多由于空气意外/危险导致处于危险的生命。
本发明为了实现上述目的，提供一种完全的自备式和自动化的系统，该系统用于从封闭的避难空间移除有毒气体，并且用于冷却和干燥该空间。该系统被设计用于避难空间，人类在该避难空间躲避威胁生命的事件。冷却系统创新地使用了人造冰（waterice），该人造冰在矿区意外之前已经是固态，其作为最大程度地大容量吸热装置，并且允许利用由非常小的电池提供的能够实际应用的非常小并且绝对安全的电力水平以使得气体通过冷却冰热量交换器，以形成独特并且特别高效/实用的电池供电冷却器，该冷却器能够提供理论上数百千瓦小时的冷却，用于96小时的占据持续时间，并且仅仅消耗1千瓦小时的绝对安全的电能。
必需的系统部件包括：（a）电池供电的排风扇以重复循环空气；（b）可再充电电池电源；（c）电池充电系统；（d）收容在防爆且防燃烧的封装物内的风扇马达；（e）风扇马达驱动器/控制器电路，具有与外部无线监控和/或控制装置的无线接口；（f）鼓风组件，该鼓风组件经过防爆/防燃烧驱动轴支撑组件由风扇马达机械地驱动；（g）天线；（h）一组化学过滤器，适合于去除特别的有毒气体，至少包括一氧化碳和二氧化碳；（i）风道系统，递送适当的空气压力和流速条件以高效地驱动污染空气通过化学过滤器；（j）绝缘吸热装置储存器，相变化热交换器和冷却冰保持在其中；（k）备用温度维持系统，用于在备用（非紧急）情况下将固体状态冰保持在吸热装置储存器内，温度维持系统包括一个或多个冷却能量的四电位电源，也就是，（k1）标准的120—240交流电冷却器，用于没有爆炸性空气的区域；（k2）绝对安全的电热泵（即，诸如Peltier热电冷却器），用于爆炸性空气可能存在的区域；（k3）利用预先存储的压缩气体的膨胀的非电热提取器，用于爆炸性空气可能存在的区域；和（k4）需要少量人工访问以补充安装少量干冰的非电热提取器，用于爆炸性空气可能存在的区域；（l）热交换器，包含嵌入吸热装置储存器中的金属壁空气管道；（m）空气阀，能够将高流速的空气引导到热交换器，因此大部分根据需要经过毒气过滤器，以在交替使用被认为是适当时提供推进冷却/干燥；和（n）控制系统，包括用于人操作控制生命保障处理（作为基础的最小）以及可选择的计算机自动的控制系统的指导指令，在其他方面中，其利用软件辅助控制提供计算机监控大气状况并且/或根据实时测量报告生命保障处理/条件。
在通过本发明的系统去除的有毒气体中，二氧化碳和一氧化碳是长期占据避难室中主要的最大问题。因此，本发明提供CO和CO2清洁器，其能够对最多30避难室占据者呼出的气体进行净化。该系统能够根据内部电池安全操作96个小时以上而不会有任何着火的危险。在具有爆炸性空气，例如甲烷和氢气的位置也适用。本系统避免利用具有配电电线的庞大的铅酸电池组。
该系统还对避难室中的空气进行冷却和除湿，因此弥补人体热量和来自毒气清洁处理的化学反应热。这个确保了大气温度/湿度条件，从而有助于超过96小时的人存活率，即使在高室温/潮湿的条件下也不会有中暑的风险，诸如在地下矿区的很深的位置。
这个单元能够被安装在一体的单元中，或者设置在其他的可操作的连接系统组件中，诸如通过使得风扇通风驱动器与毒气过滤器和/或利用管道和阀门的冷却/除湿器分离，以更好地通风和/或性能。
这个系统具有绝对安全备用电池充电特征，加上用于系统的所有非绝对安全电池电力驱动的电气部件的防爆/防燃烧封装物。系统的所有的非绝对安全部分在危险的高爆炸性空气中应用也是安全的，包括具有高可燃性的甲烷和氢气的气体的空气中。
马达的热量生产和消耗被以绝对极小值地设计，以避免向占据的环境增加热量，并且保证马达热在危险条件下在封闭空间中是可靠的。马达结合特殊的低马达散失加上特殊的小马达尺寸用于极好的热导率热传导性（即，能够使得热量散发出马达）加上创新的传导热接受器设计。被相信是世界上具有最小的形成部件、用于最低的热量产生和最高的热逃逸性能（热传导性）的最高效马达。
用于本发明的系统的低能量设计确保仅仅恰当数量的铅酸电池被使用，从而消除了从避难室对氢气进行通风的需要。这是完全的故障保护并且绝对地保证了不需要对氢气进行通风。这是因为，在电力系统中的水太少，从而氢原子的数量也太少，在室体积中不足以达到氢和空气的“爆炸下限”。因此，无论在充电系统、或者由于电池失效或者在热逃逸过程中中出现哪种故障，利用本发明的封装物将保持氢爆炸安全和氢燃烧安全。
本发明的毒气排除和交流系统使用防燃烧驱动轴支撑组件，其使非绝对安全的马达能够存在于电池舱内部。对于这个问题，这是个非常经济的解决方案。通过防氢气爆/防燃烧封装物，在封装物内部的着火危险被降低。
风扇驱动器还使用低成本-高效“填料压盖”作为建立防燃烧旋转驱动轴支撑组件的关键部件。这个填料压盖被正常用作通过防爆封装物的电缆入口。
该系统包括自动开始的特征，从而不需要占据者参与以确保故障保护为受害者启动，该受害者可能在屈服于筋疲力尽或无意识之前到达该室。
该系统还包括过载保护电路，防止主动轴马达抱轴、过载电流或者其他故障。
特殊的低噪声风扇设计（小于0.3宋（sones）），以帮助支撑占据者的心理，占据者在占据该室时必然会听到该风扇单元的声音。
该系统还为步行监察/维修人员通过手持式无线监控单元提供完全的无线远程监控。
该系统可以包括用于从分离的MineTracer气体和大气监控/控制系统向系统无线传输指令的传输器，以通过自动的计算机辅助控制毒气消除比率和冷却/除湿。
结构上，系统被最大程度的坚固，防爆并且绝对安全。根据用于批准避难室的矿区安全和卫生管理（MSHA）检验规程，该设备将承受避难室外部的15每平方英寸磅（psi）的爆炸的次生效应。
从上述，显然本发明的目标是提供一种新颖的空气清洁系统，用于地下矿区的救生室。
本发明的进一步目标是提供一种新颖的空气清洁系统，其足够的坚固以存在于地下矿区的恶劣环境。
本发明的进一步目标是提供一种新颖的空气清洁系统，其能够承受当发生在收容该空气清洁系统的救生室外部发生的爆炸时施加到该空气清洁系统上的力。
本发明的进一步目标是提供一种新颖的空气清洁系统，其在地下矿区环境中是绝对安全。
本发明的进一步目标是提供一种新颖的空气清洁系统，为了帮助占据该室该室、必须听到该系统声音的受困矿工的心理健康，该空气清洁系统在操作时产生最小的声音。
本发明的另一个目的是提供一种新颖的空气清洁系统，该空气清洁系统检测到系统的交流电力的损失，并且当条件被检测到时自动地开始操作。这确保了系统的运转，即使当矿工仅仅是在屈服于筋疲力尽或不省人事之前到达该室（矿工不需要人工地开始或操作空气清洁系统）。
本发明的另一个目标是提供一种新颖的空气清洁系统，如果MineTracerFASC被安装在该室外部，该空气清洁系统能够从矿区内的附近位置被远程监控。
本发明的最后一个目标是提供一种新颖的空气清洁系统，如果MineTracer网络被安装在矿区中，该空气清洁系统能够从矿区外（地面上）通过MineTracer网络被远程监控。
附图说明
考虑到以下给出的详细说明，本发明能够被更好地理解并且没有提到的其他目的也变得明显。这些说明将参照附图进行说明，其中：
图1是前上左立体图，显示用于地下矿区的避难室中的本发明的毒气清洁器和空调系统的风扇驱动器和毒气清洁部分；
图2是左侧视图；
图3是其右侧视图；
图4是本发明的完整系统的侧视截面示意图，并且各个系统元件的位置与避难室的室壁相关；
图5是防爆/防火/防燃烧封装物的左上后立体视图，并且显示了电力电缆和风扇驱动轴的构造；
图6是其前上左立体视图；
图7是本发明的风扇驱动轴组件的俯视示意图，显示封装物盖去除的状态；
图7A是用于插在封装物孔的固体杆组件的详细横截面平面图；
图7B到7D分别是仰视状态中的侧视截面图、立体图、和分解立体图，显示可替换的风扇驱动轴支撑组件；
图8是风扇马达驱动器/控制部的配线示意图；
图9A是用于本发明的系统的热交换单元的优选实施例的右上前立体视图；并且
图9B是显示热交换单元的操作元件的细节的右前爆炸立体图。
具体实施方式
以下描述包括了本发明的细节-一种用于地下矿区的避难室的毒气净化器和空调系统。同时将参考上述视图。
参考附图1-3，其显示了有创造性的系统中的毒气净化器部分10。气体净化器部分包括底架12，底架12包括冲压或热轧成正方形和长方形的金属导管的框架14，金属导管被连接到基座16。被螺纹或通过螺栓固定到框架的各个安装架18a、18b和18c提供了用于具有空气输出部22的风扇20的安装元件、用于通过驱动轴26给风扇（优选地为鼠笼式风扇、鼓风机或者离心风扇））供应电能的风扇驱动组件24、和通过管道25与风扇流体连通的化学过滤器28。电能通过电力电缆30被供应到风扇驱动器，电力电缆30通过电力电缆压盖32进入风扇驱动组件封装物。这些是气体净化器的基本功能单元。然而，需要理解的是，气体净化器本身包括许多新颖的特征，这些特征使气体净化器完美地适于在设置在地下矿区的避难室中使用或与其结合。
例如，参考图4，在最基本的方面，从抽象程度最高的层面看，有创造力的系统40总体的包括位于避难室42内的元件和在避难室42外的元件，避难室42的内外通过避难室壁46区分。更详细地，该系统包括：（a）由电池供电的排风扇20以使空气循环；（b）可再充电的电池48；（c）电池充电系统50；（d）包含在防爆的和防燃烧的封装物24内的风扇马达52；（e）具有联接到外部无线监控和/或控制装置56的无线接口的风扇马达驱动器/控制器电路54；（f）通过防爆／防燃烧的驱动轴支撑组件58被风扇马达机械驱动的鼓风机组件；（g）天线60；（h）适于去除特定的有毒气体的一组化学过滤器28，有毒气体至少包括一氧化碳和二氧化碳；（i）提供适当的空气压力和流速条件以有效地驱使受污染的空气通过必要的化学过滤器的风道系统25；（j）绝缘的吸热装置储存器66，其中保持有相改变热交换器68和冷却冰70（在这种情况下的冰优选地为由水制成的常见的冰）;（k）备用温度保持系统72，其用于在备用情况（非紧急）下保持在吸热装置储存器内的固态的冰，温度保持系统由冷却能量源的四个电位源中的一个或多个组成，即(k1)标准的120-240交流电冷却器74，其用于没有爆炸性气体的区域，（k2）绝对安全的电热泵76(例如，Peltier热电冷却器)，其用于可能存在爆炸性气体的区域；（k3）利用预存的压缩气体的扩张的非电动的热抽取设备78，用于可能存在爆炸性气体的区域；和(k4)另一个非电动的热抽取方法，其涉及对少量的干冰71不常见的手动维护，干冰71用于爆炸性气体可能存在的装置（该装置防止冰70融化）；（1）热交换器80由具有金属壁的空气管道组成，该空气管道被嵌入吸热装置储存器中；（m）空气阀82，其能够将高流速的空气引导到热交换器中，因此当达到适当的平衡时，根据需要大量地通过有毒气体过滤器以提供促进冷却/脱水；和（n）控制系统56，其由用于生命维持处理的人员操作控制的指导手册（作为基本的最低要求）和可选择的电脑自动化控制系统（例如，以软件辅助控制的大气条件的计算机监控，和/或根据实时测量的生命维持处理／条件的报告）。
参考图5-7A,显示了本发明中使用的风扇驱动组件。这个组件是完全地自备式并且电池供电的马达驱动单元，被用来使外部的机械鼠笼式风扇叶片组件旋转，叶片使再循环的空气通过二氧化碳洗净化器／通风机系统。整个组件位于MSHA认可的防爆和防燃烧的封装物内。风扇驱动组件经由整体的驱动轴自动地供应大约10瓦的旋转机械能，驱动轴伸到防爆壳外。该单元连接到矿区交流电气系统，矿区交流电气系统在矿区事故和通风故障中关闭。该单元将内部电池保持在充满电的状态，并当单元检测到矿区交流电力损失（或因为电力在矿区范围内被关闭，或因为当电力输入到单元时已被断开），它自动地给马达提供能量，使马达依靠内部电池的能量驱动和运转96小时以上。可选择的位于封装物内部的无线设备能够被用来远程地（无线地）监控关心的工作参数。风扇驱动组件和任何外部无线装置的通讯是100%的无线通讯，这样相互的通信不会给系统的固有安全和可容许性带来负担，如果使用可选的无线装置，无线电以较低的能量(例如，小于1毫瓦ERP)传送，以便能在靠近（无缝隙）火雷管和爆破电路的位置安全使用。
封装物：风扇驱动组件首先包括被证实为防爆和防燃烧的封装物24。在优选实施例中，封装物可以是模型#S9318-R Adalet防爆封装物，其由俄亥俄克利夫兰的Adalet制造。当然，其他类似的封装物，如果也得到核准，则也是合适的。封装物的内部甲烷/空气体积小于或等于产品的已被批准的情况，全功耗（小于20瓦）也小于或等于产品的已被批准情况。封装物的温度上升不超过环境温度以上的3摄氏度。延伸进和延伸出箱的导体与现有批准的那些导体（只有交流电源线）相同。封装物包括安装架84，其用于将封装物的基座86通过螺栓固定到基座16。封装物的顶88被用螺栓固定到基座。当顶被除去，能够检查风扇驱动组件的马达驱动单元。
马达驱动：风扇驱动组件24使用小型的10瓦直流马达90，10瓦直流马达90由瑞士的Maxon Motor制造。该马达通过内部电压调节板92提供能量。马达和齿轮减速组件的尺寸大致为传统的D-碱性电池。马达被安装在大块的导电的铝散热器94的内部，以有效地将热排到防爆封装物的外部。该组件的热效率被测量为2摄氏度每瓦。绝缘的U型万向节轴联结器96将马达轴连接到不锈钢驱动轴98。被焊接到驱动轴的开口销或者不锈钢垫圈100保证杆不能从封装物脱离，如果杆从轴连接器松开。防燃烧的旋转支撑组件101（圆柱型的连接口）为填料压盖组件，其被设置成穿过封装物基座86的壁（参见图7A），防燃烧的旋转轴承组件101具有可螺纹插入封装物基座的螺纹连接器（或锁紧螺母）102、具有凸缘的铜衬套114（优选地为一种套筒轴承），其被设置在包含填料的填料箱102a、和具有凸缘的填料跟随器102c，其通过锁紧螺母102压靠填料箱102a并将填料箱102a保持在封装物基座86。钢杆驱动轴98在轴向上被设置成穿过防燃烧旋转支撑组件的所有元件。
在替代实施例中，如图7B-7D所示，防燃烧的旋转支撑组件120包括压盖外壳122，其具有近端124和远端126，每个近端124和远端126分别具有滚动元件轴承128、130，垫圈132、134被设置在轴承和压盖外壳之间，保持环136、138将轴承和垫圈保持在压盖外壳中。锁销140防止组件的不需要的旋转。
可选的同轴电缆天线103（参见图8）能够以另一种穿透度被设置在封装物中，否则就与填料压盖105和不锈钢管塞107一起密封。
供电电源：同样参考图5-7A，直流电源106、UPS控制器108和备份电源系统110使用连续维持充电方式（浮动充电）以将电池保持在接近满载容量，在交流电通过矿区交流电气系统被提供时。来自矿区交流电气系统的供电通过电力电缆30被输送给电源，电力电缆30通过电缆压盖112穿透封装物基座86。通过使用夹具和链组件114，该电力电缆防止被拉出封装物外。
不间断供电控制器的充电电路（优选地为由宾夕法尼亚，Middletown的PhoenixContact制造）为温度补偿型，并明显地设计以保证电池被缓慢充电并且不会过量充电，并且保证电池充电特性渐近线达到13.6伏最大浮动电压（<10毫安）而且不会接近气化阈值14.4伏。在任何情况下充电电流都不允许超过1.0安；然而，对于基本用完的电池可以出现这样一个变化范围：当使用选择的3.4安/小时设定在UPS控制部上时，3.4安/小时远低于电池的C—比率（C比率的5%）。使用密封铅酸电池，并且目前充电率被保持在气化阀值以下，在电池中只有可忽略的量的氢气和氧气产生。这些气体分子迅速地与电池内的水再结合。通过测量，氢气在封装物内没有累计到爆炸等级，但是，在任何情况下氢气的存在都不会造成危险，因为其中有用来收容这些电池的特别铸造的铝纸的防爆封装物，其被鉴定为能够安全地收纳氢气的爆燃过程（用于氢气的防爆和防燃烧）。
备份电池系统：参考图8，当矿区交流电源被切断，或当进入风扇驱动组件的交流电流116被切断，系统自动地通过内部电池为马达提供动力。在交流电流被切断后，24伏直流电流电池源将给风扇驱动组件提供96小时的能量。交流电流电线外结合有MSHA核准的防燃烧护套。
电压调节器板（马达控制调节器）：电压调节器92允许马达驱动电压和电力在工厂中被设定。与马达转速成正比的电压可以被调整，并能够被设定在2-28V直流电压，并被一般调整为18V直流电压。即使在短路状态下，电压调节器还将最大电流/功率限制到750毫安或15瓦。超温关闭也结合在其中，在任何情况下：对于15瓦的故障情况下的功率损耗而以引起防爆封装物的温度上升到周围温度（计算出和测量出的）以上的10度。驱动系统的转轴的常规转速在输出功率为10瓦时为684转每分钟。外部的机械鼠笼式风扇叶片组件（不是上述组件的一部分）是完全机械的并且不会对固有的安全性带来负担。在水柱压力计静压为0.25英寸时，当风扇叶片组件被马达驱动时，其产生～70立方英尺每分钟的气流。
图9A和9B显示了用于有创造性的空气净化和空调系统中的热交换单元的优选实施例。单元150包括25立方英尺的盒152，其安装在平板架或单元基座154上。盘绕的一段铝管156以类似螺旋的构型穿过多个竖直设置的支架158并被设置在支架158上，支架158通过冻结室的泡沫塑料块料160间隔开，支架158还包含管脚手架，管脚手架通过压具或支柱162被紧固在盒152中。柔性软管进气口164被设置成经由盒盖166通过盘绕的管将来自之前描述的吹风机组空气馈入。包围管的体积168中充满了冰或其它制冷剂，从而提供了热交换介质以除去和吸收来自管中的循环的空气的热量。也如之前所述，位于盒的下部分的出气口170将被冷却的空气送回避难室。
对于产生氢气的注意事项，由于其涉及到避难室的安全：与正在生产和开发的具有铅酸电力系统的现有避难室不同，本发明的高效的电子系统被设计来使避难室可以维持至少96小时，其只依靠很少量的铅-酸电池的能量。利用其它设计的铅-酸电池的重量/体积至少大100倍。在本发明的风扇驱动组件中的铅-酸电池相比较是极小的，并限制能够产生的氢气的总量充分地位于安全阀值之下。这样的设计被用于防故障措施，因为电解法产生的氢气被自我限制，该自我限制通过限制在电池内部可用来被转换为氢气的水（H2O）的量来实现。优选的电池为日本松下公司的VRLA电池。其包括770g的水，86g的H2分子能够被用来转化为氢气（18克H2O包含2克氢气和16克氧气）。但是因为水的渗入、正栅极的锈蚀和氧气再度结合进水中（请见参考文件），在超电流/超温的最坏条件下，只有水的四分之一能够被电解为氢气。因此，对于氢气的释放的25%的水的损失将引起释放的氢气的总体积为239公升。因此，如果电池被完全的破坏，以便所有可转变的氢气从电解液释放进空气中，239公升的氢气能够通过电解产生。239公升的氢气与避难室中的30，000公升的空气体混合，使总体积浓度为～0.8%。这个非常保守的分析是基于电池中的所有水载氢气都完全地转换，但在本避难室的应用中，即使在极端情况下，就算是在有几个故障的情况下，上述的完全转换也是不可能出现的。计算出的最差情况的体积比0.8%充分的满足IEEE484的用于封闭空间的设计目标2%，和用于氢气设计目标4%。重要的是，在任何条件下都不可能达到LEL，因为在电池系统中没有足够的水（氢气的来源），即使每个水分子都可以被完全地转化为氢气和氧气。
进一步推测的分析表明，即使在最坏的极端条件下，气体的产生速度很慢，所以自然扩散和氢气/气体混合将会很慢、均匀和完全。在65度时的严重过分充电（即使是在多个故障发生的情况下，该现象也永远不会出现）被计算，为了以0.4升/每小时的该系统的最高速率释放氢气（在以下参考资料中实际测量为0.288升每小时)，如果这个速率持续，将需要543小时（理论上）或830小时（通过极端试验已证实的）来释放239升的H2。游离氢没有在空气中层化，和自然扩散过程将会使氢气和空气彻底地混合在上述时间端中，最终，额外的安全特征将被建造在充电控制部中，以每180小时执行对电池健康的自动测试。该测试将自动地报告在此描述的情况或将会引起电池严重退化（严重的脱气和水分损失）的情况。
总之，不同于大的铅-酸电池，小的铅-酸电池具有内置的自我限制的安全特征，其能限制在极端的和/或故障条件下，能够产生的氢气的总量。该特征是由小的铅-酸电池中包含的受限的水量和以下事实所带来的：内部的水是所有可以在电解期间从电池中释放的氢气分子的来源。
以上公开的内容足以让本领域的技术人员实施本发明，并提供了本发明人所能预期的最好的实施方式。但应考虑的是，对本发明的优选实施例的全部完整的公开，并不是希望将本发明限制为一个所显示和描述的特定的结构、尺寸关系和操作。本领域的技术人员在不背离本发明的精神和范围的情况下可以想到或使用各种变型、替代结构、改变和等效物。这种改变可能包括替代的材料、组件、结构配置、尺寸、形状、形式、功能、操作特征等等。
因此，以上描述和说明被应当被理解为是对本发明的范围的限制，本发明的范围是由后附的权利要求限定。

Claims (24)

1.一种绝对安全的、用于地下矿区救生室的自备式毒气去除和空调系统，以从所述救生室中密封的空气中连续的去除所述室的占据者的呼吸所呼出的污染物CO2或CO或两者，所述系统包含：
防爆和防燃烧的外壳，所述外壳适于承受15每平方英寸磅的外部爆炸力；
内部的电池，所述内部的电池能够连续运行至少96小时，所述电池具有的水不足以在最坏条件下达到最低的氢气爆炸等级；
风扇马达，所述风扇马达安装在所述外壳内侧并且由风扇马达/驱动器控制电路驱动，所述风扇马达可操作地耦接到驱动轴，所述驱动轴延伸到所述外壳的外部；和
电源电路，所述电源电路与所述风扇马达/驱动器控制电路连通，所述电源电路包括交流电源损失电路，以检测外部提供的交流电源的损失，并且在检测到外部提供的交流电源损失时自动地起动所述风扇马达的操作。
2.如权利要求1所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述风扇驱动电路被连接到无线通信收发器，并且与所述收发器的无线电波段内的收发器保持通讯。
3.如权利要求1所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述系统与外部导管流体连通，以使得所述二氧化碳过滤器能够被远程地定位于适于改善循环或通风的位置。
4.如权利要求1所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，进一步包括监控电路和用于向远程监控系统进行无线通信的传输器，所述远程监控系统位于地下矿区的救生室外部，用于从矿区内部的附近位置或者在矿区外部的地面上监控。
5.如权利要求4所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述远程监控系统是无线矿区跟踪、监控、和营救通信系统。
6.如权利要求1所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，进一步包括可操作地连接到所述风扇驱动轴上的风扇，其中，所述风扇包括用于去除有毒气体的化学过滤器，所述有毒气体至少包括一氧化碳和二氧化碳，并且其中，所述风扇将风扇排出的地下矿区的救生室中的气体向上推动，以利用自然对流以使得救生室内封闭区域重复循环和通风。
7.如权利要求6所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述风扇包括位于所述风扇下方的底面平面的风扇收集器。
8.如权利要求1所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述风扇马达的尺寸相对于所述救生室封装物足够小，以使得马达的热量产生和散失在封闭空间中得到保证，并且其中，进行毒气去除和空调系统所需的所述铅酸电池的数量和尺寸足够小，从而消除了从救生室对氢气进行通风的需要，并且在所述电池中存在的水不足以达到所述室封装物内氢气的爆炸下限。
9.如权利要求1所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述风扇驱动轴被轴向地设置，穿过防燃烧的驱动轴支撑组件中的填料压盖。
10.如权利要求9所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，进一步包括过载保护电路，以防止驱动轴抱轴和过载电流。
11.如权利要求1所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述风扇马达驱动器/控制器电路具有与外部无线监控和/或控制装置联接的无线接口。
12.如权利要求1所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，进一步包括绝缘的吸热装置储存器，与所述风扇流体连通的管道，并且流经所述绝缘吸热装置储存器并返回所述救生室，所述吸热装置储存器容纳相改变热交换器和制冷材料。
13.如权利要求12所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，进一步包括备用温度保持系统，用于在备用状态时保持所述吸热装置储存器内部的冰的固体状态。
14.如权利要求13所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述温度保持系统包括冷却能量源，所述冷却能量源从包含标准的120-240交流电冷却器、绝对安全电热泵、非电热提取器的组中选取。
15.如权利要求14所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，进一步包括空气阀，所述空气阀用于有选择性的引导高流速空气到所述热交换器和并且经过所述化学过滤器，以满足提供提高冷却和除湿的需要。
16.如权利要求1所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，进一步包括控制系统，所述控制系统包括用于生命支持过程中的人操作控制和计算机自动控制系统的部件，所述计算机自动控制系统利用软件辅助控制提供大气状况的计算计监控并且/或根据实际的时间测量报告生命保障处理/条件。
17.一种用于避难室的毒气去除和空调系统，其特征在于，包括：
防爆和防燃烧封装物，风扇驱动组件设置在所述防爆和防燃烧封装物中，所述风扇驱动组件包括风扇马达、风扇马达驱动器/控制器电路、可再充电电池、和电池充电系统，其中所述风扇马达驱动器/控制器电路具有与外部无线监控或控制装置联接的无线接口；
鼓风机，所述鼓风机通过风扇驱动轴机械地联接到所述风扇马达，所述风扇驱动轴设置穿过防爆和防燃烧驱动轴支撑组件；
监控器，所述监控器无线地连接到所述风扇马达驱动器/控制器无线接口，并且具有天线；
一个或多个化学过滤器用于去除有毒气体，所述有毒气体至少包括一氧化碳和二氧化碳；
与所述鼓风机流体连通的空气管道系统，所述气体管道系统用于以适当的气压和流速运送空气，以使得污染的空气通过所述化学过滤器；
绝缘的吸热装置储存器，包括热交换器；
与所述鼓风机流体连通的空气管道，所述空气管道途径所述吸热装置储存器，用于有选择性的冷却和干燥循环通过所述空气管道的空气，所述空气管道具有用于将冷却了的空气排进所述避难室的出气口；
进一步包括备用温度保持系统，用于在备用状态时保持所述吸热装置储存器内部的冰的固体状态；
空气阀，用于有选择性的将空气引导到所述热交换器；
控制系统，所述控制系统具有手动控制部件和计算机自动控制系统，所述手动控制部件用于操作员输入，并且计算机自动控制系统用于自动监控避难室内部的状态。
18.如权利要求17所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述风扇驱动组件是自备式电池电力马达驱动单元，并且所述鼓风机是机械鼠笼式的风扇叶片组件。
19.如权利要求17所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述风扇驱动组件被电连接到交流电源的外部源，并且保持所述可再充电电池处于满充状态，并且当所述风扇驱动组件马达/驱动器控制器检测到外部交流电力损失时，所述马达/驱动器控制器自动地使所述风扇马达驱动组件通电。
20.如权利要求17所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述防爆和防燃烧驱动轴支撑组件包括压盖外壳，所述压盖外壳具有近端和远端，所述近端和远端中的每个包括滚动元件轴承和布置在所述滚动元件轴承与压盖外壳之间的环形垫圈，以及在所述各端分别保持所述滚动元件轴承和所述垫圈的保持环。
21.如权利要求17所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，进一步包括电缆天线，所述电缆天线穿过设置为横跨所述防爆和防燃烧封装物中的透明部件的填料压盖，并且电连接到所述风扇马达/驱动器控制器电路。
22.如权利要求17所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述备用温度保持系统设置有能量源，所述能量源根据在所述避难室周围存在爆炸性空气的可能性被构造。
23.如权利要求17所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述热交换器是相改变热交换器。
24.如权利要求23所述的毒气去除和空调系统，其特征在于，其中，所述相改变热交换器定位于所述避难室之外。
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