CN105346355A - 地面装备舱室微环境一体化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地面装备舱室微环境一体化控制系统，其空气处理主机设于设备舱，综合控制器和空气环境传感器设于乘员舱；乘员舱风道与空气处理主机连接并通向乘员舱；空气环境传感器分别与综合控制器以及空气处理主机电连接，空气环境传感器对乘员舱的舱内空气环境参数进行监测，将监测数据上传至综合控制器，综合控制器接收到空气环境传感器的监测数据后，分析出空气处理主机应执行的相应调节功能并通过总线发出控制指令；空气处理主机在接收到控制指令后，启动相应的功能组件将处理过的空气送入与其连接的风道。本发明解决了现有车载空气调节设备体积、重量、能耗大和布局凌乱的问题，提高对舱室空气环境的控制能力和控制效果。

Description

地面装备舱室微环境一体化控制系统

技术领域

本发明属于地面装备舱室技术领域，涉及对舱室内的空气温度、湿度、有害气体浓度和粉尘浓度、氧气浓度具有主动感知与自动控制功能，具体是一种地面装备舱室微环境一体化控制系统。

背景技术

现代军用装备大多要求具有全天候、全地域作战功能，且舱室大多空间狭小，密闭性强，空气对流较差。在执行作战任务时，受自然环境影响，舱室内有时会出现高温、低温、高湿等环境状况，尤其在夏季沿海地区，在阳光直射条件下，舱内温度有时超过50℃，相对湿度达到75%以上，远远超过了人体生理承受能力。作训过程中，发动机烟气、火炮发射尾气以及燃油、液压油、内饰材料挥发出的有害气体在舱室蓄积，有时超出相关标准安全限值要求，强制通风虽然可在一定程度上降低有害成分的浓度，但仍不能有效解决这一问题。闭舱或高原作训条件下，舱内氧气供给不足，进一步削减了人员的作战能力。上述舱室微环境中存在的问题，在很大程度上影响着装备乘载员作战能力的发挥，亟需开展舱室微环境的控制技术研究。

目前我国以坦克装甲车辆为主的地面装备上大部分已安装排风扇和滤毒增压装置，部分车型安装了车载空调和供氧装置，但上述设备由不同厂家分头设计、独立安装，未进行功能集成、结构集成和控制集成，造成车载空气调节设备缺乏统一的控制管理，设备自动化程度低，安装分散不易检修，彼此之间缺少工作的协调性，总体积、总重量和总能耗存在叠加，不仅舱室环境控制效果不佳，还进一步加剧了舱内空间布局的凌乱，增加了舱室的狭小感和局促感。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，针对我国以坦克装甲车辆为主的地面装备舱室内空气调节设备由不同厂家分头研制、功能单一、独立安装、空气调节效果不佳、总体积、总重量和总能耗较大等问题，提供一种用于装甲车辆舱室微环境一体化控制系统，通过结构集成、动力集成和控制集成，将通风、供氧、调温、除湿、有害气体净化、三防等功能集成于一身，实现一机多能，同时能够自动监测舱室空气环境参数并自动运行，提高舱室环境控制的自动化水平和对舱室空气环境的控制能力，减少现有技术设备的总重量和占用的总空间并降低总能耗。

为此，本发明提供了一种地面装备舱室微环境一体化控制系统，其技术方案是：地面装备舱室微环境一体化控制系统，包括综合控制器、空气环境传感器、空气处理主机以及乘员舱风道；其中空气处理主机设于设备舱，综合控制器和空气环境传感器设于乘员舱；所述乘员舱风道与空气处理主机连接并通向乘员舱；所述空气环境传感器分别与综合控制器以及空气处理主机电连接，空气环境传感器对乘员舱的舱内空气环境参数进行监测，将监测数据上传至综合控制器，综合控制器接收到空气环境传感器的监测数据后，对乘员舱的舱内空气环境状况进行分析和逻辑判断，分析出空气处理主机应执行的相应调节功能并通过总线发出控制指令；空气处理主机在接收到控制指令后，启动相应的功能组件将处理过的空气送入与其连接的风道。

上述空气环境传感器包括一级气室和二级气室，其中一级气室内设有温度传感器、湿度传感器以及气压传感器；二级气室内设有粉尘浓度传感器，还设有分别监测O2、CO、NO2、SO2、NH3以及VOC浓度的气体成分测试传感器；上述各传感器采用便于维修的插拔方式集成于电路板上；所述一级气室的进气口处还设有将乘员舱的舱内空气吸入气室内的气泵。

上述空气处理主机由新风口、制氧器、空气净化器、三防滤毒器、具备降温及除湿功能的空调器、主风管以及多个单向阀组成；所述功能组件包括空气处理主机的制氧器、空气净化器、三防滤毒器、具备降温以及除湿功能的空调器；所述新风口与外界空气相通，新风口通过主风管的一端与三防滤毒器的进气口以及空调器的新风制冷入口连通；主风管的另一端与乘员舱所设的送风口相通；所述三防滤毒器的进气口以及出气口均与主风管连通，且位于三防滤毒器的进气口以及出气口之间的主风管上设有单向阀一；空调器的新风制冷出口与主风管相通，空调器的新风制冷入口以及新风制冷出口之间的主风管上设有单向阀二，且空调器的新风制冷入口处的管路上设有单向阀三；制氧器的入口与主风管连通，其出口通向乘员舱内所设的氧气出口；空气净化器的入风口与乘员舱所设的回风口相通，其出风口与主风管的连通乘员舱的送风口一端相通，空气净化器的入风口一端同时还经管路与空调器的新风制冷入口相通，该管路上还设有单向阀四。

上述乘员舱的送风口及回风口处均设有空气滤网。

上述新风口内设有提供新风输送动力的轴流风扇。

上述新风口内还设有旋风除尘器以及空气滤清器。

上述乘员舱的送风口与乘员舱风道相连通；所述乘员舱风道沿乘员舱的内侧壁顶部顺行到乘员所在的操控界面处乘员头面部前上方，且在操控界面上方每个乘员工作所在处开设出风口。

上述的每个乘员工作所在处开设的出风口设有方向可调的格栅页板，格栅页板内设有能提高空气中负氧离子含量的负氧离子发生器。

上述氧气出口为多个，且设于操控界面上方位，并对应于每个乘员的头面部。

上述综合控制器是单片机，该单片机的型号是ARM9。

本发明的有益效果：本发明所提供的地面装备舱室微环境一体化控制系统，集通风、供氧、调温、除湿、有害气体净化、三防等功能于一身，实现一机多能，可自动监测舱室空气环境参数并自动运行，提高了舱室环境控制的自动化水平，解决了现有车载空气调节设备体积、重量、能耗大和布局凌乱的问题，提高对舱室空气环境的控制能力和控制效果。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1本发明的舱室微环境一体化控制系统组成示意图；

图2本发明的舱室微环境一体化控制系统布局示意图；

图3空气环境传感器工作原理图；

图4（a）空气处理主机示意图；

图4（b）图4（a）的三防滤毒器一侧示意图；

图5空气处理主机工作流程图。

附图标记说明：1、综合控制器；2、空气环境传感器；3、空气处理主机；4、乘员舱风道；5、设备舱；6、乘员舱；7、一级气室；8、二级气室；9、温度传感器；10、湿度传感器；11、气压传感器；12、气泵；13、新风口；14、制氧器；15、空气净化器；16、三防滤毒器；17、空调器；18、主风管；19、送风口；20、单向阀一；21、单向阀二；22、单向阀三；23、氧气出口；24、回风口；25、单向阀四；26、空气滤网；27、空气滤清器。

具体实施方式

实施例1：

如图1及图2所示，本发明提供了一种地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：包括综合控制器1、空气环境传感器2、空气处理主机3以及乘员舱风道4；其中空气处理主机3设于设备舱5，综合控制器1和空气环境传感器2设于乘员舱6；所述乘员舱风道4与空气处理主机3连接并通向乘员舱6；所述空气环境传感器2分别与综合控制器1以及空气处理主机3电连接，空气环境传感器2对乘员舱6的舱内空气环境参数进行监测，将监测数据上传至综合控制器1，综合控制器1接收到空气环境传感器2的监测数据后，对乘员舱6的舱内空气环境状况进行分析和逻辑判断，分析出空气处理主机3应执行的相应调节功能并通过总线发出控制指令；空气处理主机3在接收到控制指令后，启动相应的功能组件将处理过的空气送入与其连接的风道。所述空气处理主机3包括了如下各功能组件：制氧器14、空气净化器15、三防滤毒器16、具备降温以及除湿功能的空调器17。

本实施例所提供的地面装备舱室微环境一体化控制系统，集通风、供氧、调温、除湿、有害气体净化、三防等功能于一身，实现一机多能，可自动监测舱室空气环境参数并自动运行，提高了舱室环境控制的自动化水平，解决了现有车载空气调节设备体积、重量、能耗大和布局凌乱的问题，提高对舱室空气环境的控制能力和控制效果。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图3所示，所述空气环境传感器2包括一级气室7和二级气室8，其中一级气室7内设有温度传感器9、湿度传感器10以及气压传感器11；二级气室8内设有粉尘浓度传感器，还设有分别监测O2、CO、NO2、SO2、NH3以及VOC浓度的气体成分测试传感器；上述各传感器采用便于维修的插拔方式集成于电路板上；所述一级气室7的进气口处还设有将乘员舱6的舱内空气吸入气室内的气泵12。

如图4a及图4b，及图5所示，所述空气处理主机3由新风口13、制氧器14、空气净化器15、三防滤毒器16、具备降温及除湿功能的空调器17、主风管18以及多个单向阀组成；所述新风口13与外界空气相通，新风口13通过主风管18的一端与三防滤毒器16的进气口以及空调器17的新风制冷入口连通；主风管18的另一端与乘员舱6所设的送风口19相通；所述三防滤毒器16的进气口以及出气口均与主风管18连通，且位于三防滤毒器的进气口以及出气口之间的主风管18上设有单向阀一20；空调器17的新风制冷出口与主风管18相通，空调器17的新风制冷入口以及新风制冷出口之间的主风管18上设有单向阀二21，且空调器17的新风制冷入口处的管路上设有单向阀三22；制氧器14的入口与主风管18连通，其出口通向乘员舱6内所设的氧气出口23；空气净化器15的入风口与乘员舱6所设的回风口24相通，其出风口与主风管18的连通乘员舱的送风口19一端相通，空气净化器15的入风口一端同时还经管路与空调器17的新风制冷入口相通，该管路上还设有单向阀四25。其中乘员舱6的送风口19及回风口24处均设有空气滤网26。新风口13内设有提供新风输送动力的轴流风扇以及旋风除尘器和空气滤清器27。所述乘员舱6的送风口19与乘员舱风道4相连通；所述乘员舱风道4沿乘员舱6的内侧壁顶部顺行到乘员所在的操控界面处乘员头面部前上方，且在操控界面上方每个乘员工作所在处开设出风口。所述的每个乘员工作所在处开设的出风口设有方向可调的格栅页板，格栅页板内设有能提高空气中负氧离子含量的负氧离子发生器。所述氧气出口23为多个，且设于操控界面上方位，并对应于每个乘员的头面部。

所述综合控制器1是单片机，该单片机的型号是ARM9，即ARM9系列处理器，是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器。

下面进一步详细介绍本发明的整体工作流程及各功能组件的原理及工作流程：

1总体系统设计

1.1系统组成

本发明系统由空气环境传感器、综合控制器、空气处理主机（包括空调、除湿、制氧、空气净化和“三防”滤毒等组件）和乘员舱风道四部分组成，通过RS485总线实现系统的综合控制，空气处理主机安装于设备舱，综合控制器和空气环境传感器布置于乘员舱，本发明舱室微环境一体化控制系统组成图见图1。其系统布局示意图见图2。

1.2工作流程

1）空气环境传感器对乘员舱内空气环境参数进行监测，测试数据上传至综合控制器。

2）综合控制器接收到传感器的测试数据后，对舱内空气环境状况进行自动分析和逻辑判断，分析出空气处理主机应执行的调节功能，通过总线发出控制指令。

3）空气处理主机为一体化集成的空气调节设备，具有通风、调温、控湿、制氧、空气净化和三防滤毒功能，在接收到控制指令后，启动相应的功能组件，并通过单向阀控制气流的走向，将新风或处理过的空气送入风道。

4）新风或处理过的空气从空气处理主机的主风管进入乘员舱内风道，经风道导流到出风口进入乘员舱，氧气从出风口上端的输出口送出。

2分系统设计

2.1空气环境传感器

主要由传感器、主板（含信号调理与采集电路）、气泵、一级气室和二级气室组成，监测项目包括：O₂、CO、NO₂、SO₂、NH₃、VOC、粉尘、温度和湿度。

传感器采用插拔方式集成于一个主板上，便于维修和更换。气泵用于将舱室内空气吸入供传感器进行测试。为满足-43℃低温环境的使用，传感器分为一、二两级气室，一级气室主要用于气体温度、湿度和压力测试，并对低温气体进行加热，气体成分测试传感器安装于二级气室内，可对氧气、粉尘和有害气体的浓度进行测试。空气环境传感器的工作原理图见图3。

综合控制器

采用单片机完成数据读取和设备控制功能。控制器可实时读取环境传感器的测试数据，根据采集参数值和预设的控制策略，判断执行机构所需的工作状态，并输出指令控制其工作，同时在显示器上显示当前的舱室环境状况和设备运行状况，在环境参数超过正常范围时可自动报警。

空气处理主机

2.3.1主要组成

空气处理主机主要由风机、新风口、空调器、制氧器、三防滤毒增压器、空气净化器、除湿器和主风管及阀门构成，具有调温、除湿、制氧、空气净化和三防滤毒增压功能。主机设计图见图4（a）及图4（b）。

2.3.2空气处理主机各部件（以下各器件均为现有技术部件）

a.新风口

车体表面开新风口，作为舱内新风入口、三防进气口和空调的新风制冷入口，风口处安装轴流风扇作为新风输送动力，进气口安装旋风除尘器和HEPA滤纸组合的空气滤清器，滤除车外空气中的灰尘。

b.空调器

空调采用正升压空气压缩制冷方式，主要部件包括高速电机、压气机、气-气换热器、涡轮机和液-气换热器组成。

设计采用4～6万转/分钟的高速电机驱动压气机，压缩后的高压热空气通过气-气换热器与外界进行热量交换。高压气体对涡轮机膨胀做功后，压力降低至约200Pa，温度降至约24℃后，经主风管进入风道。该空调具备除湿功能，在湿热地区作战时，舱室内高温高湿环境会极大影响乘员的作战能力，在对舱内空气进行调温的同时还需对舱内空气进行除湿。本方案中采用小型转轮除湿工艺，除湿量为0.6kg/h。

c.供氧器

供氧采用分子筛制氧技术，主要包括空气压缩泵、吸附塔、空气滤清器和控制电路组成。由主风管引入进气，经空气压缩机加压后，由分子筛吸附塔对空气成分进行吸附分离，输出氧气浓度常压下可达93%，输出氧气以?10医用软管套入风道内输送至乘员头面部。

d.空气净化器

采用舱内空气内循环净化方式，将舱内空气从回风口引出，经净化机处理后经主风管进入乘员舱风道，往复循环净化。

净化工艺采用HEPA滤纸、复合气体吸收剂和贵金属CO蜂窝催化剂催化的方法实现对有害气体、烟/粉尘和油雾等的滤除与净化。

e.三防滤毒器

主要由滤毒罐、滤料和增压风机组成，滤料采用活性炭与催化剂混合后压制而成，增压风机内置于滤毒罐中。在三防地带作战时，舱室严格密闭，外界空气由增压风机吸入滤毒罐，空气中的放射性尘、化学毒剂和致病微生物被滤料吸附灭活，洁净空气经主风管进入乘员舱。

2.3.3工作流程

空气处理主机的工作流程示意图见图5。

a.新风补充

当舱室内进行正常新风补充时，单向阀一和单向阀二打开，空调器的高速电机和三防滤毒器停止工作，车外空气从进气口进入，经空气滤清器过滤后，经单向阀一和单向阀二直接进入舱内风道，为乘员舱补充新风。

b.舱室调温

◆制冷

当舱室内空气温度较高时，单向阀一和单向阀三打开，单向阀二和四关闭，空调器中的高速电机开启，车外空气经单向阀一和三进入压气机，经压气机压缩后成为温度较高的压缩空气，进入空-空换热器进行热交换后变成温度相对较低的压缩空气，进入涡轮机进行膨胀，变成温度更低的空气后进入主风管，送入乘员舱内风道。

当舱内进行内循环制冷时，单向阀一、二、三关闭，单向阀四开启，舱内空气既可进行内循环制冷。

当装备在三防地域作战时，单向阀一、二、四关闭，三防滤毒器工作，外界空气经滤毒后进入空调压气机，经压缩——散热——膨胀（制冷）后，进入乘员舱。

◆制热

从发动机散热器引用热水至液-气换热器，利用发动机余热为乘员舱供暖风。

c.舱室滤毒增压

当处于三防地带，需要对乘员舱进行滤毒增压时，单向阀一、三、四关闭，单向阀二打开，三防滤毒器开启，车外空气经滤毒增压后通过主管道进入乘员舱内风道；或关闭单向阀一、二、四，经滤毒后的空气通过空调器调温后进入乘员舱。

d.供氧

采用分子筛制氧技术。当乘员需要氧气供应时，无论是通风、调温还是三防滤毒装置工作状态下，空气从主管道中进入制氧压缩机，经分子筛吸附塔吸附后输出氧气，通过专用管路输送进入乘员舱。

e.空气净化

当乘员舱内有害气体或烟/粉尘浓度超标时，乘员舱内空气由回风口进入空气净化机，处理后的空气进入主风管和乘员舱风道，往复循环净化。

乘员舱风道

乘员舱内风道沿侧壁顶部顺行到乘员头面部前上方，在操控界面上方开设出风口，每个乘员前方一个，风口安装方向可调的格栅页板，格栅内安装负氧离子发生器，提高空气中负氧离子含量。

出风口中间设计有氧气输出口，分子筛制氧机输出的氧气通过?10医用软管输送到氧气输出口，从乘员头面部上方喷出，可提高氧气的利用率。

本发明涉及的舱室微环境一体化自动控制系统，首次提出了将舱室空气调节设备集成为系统，可自动检测舱室空气环境，根据检测结果自动控制空气调节设备运行，与现役地面装备配备的空气处理设备相比，不仅自动化程度大幅提高，设备控制的协调性也有很大改善，舱室环境调节效果更佳。

系统中的空气处理主机，通过结构集成、动力集成和控制集成，将通风、调温、供氧、有害气体净化、三防滤毒增压功能集成于一身，实现了一机多能，改变了现役装备中空气调节设备各自独立安装，分头工作，彼此协调性差的现状，同时大幅减少了现有空气调节设备占用的总空间，减轻了总重量，降低了总功率。

该系统的设计与应用，对于改善地面装备舱室空气环境，提高操作人员的持续作战能力具有重要意义。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：包括综合控制器（1）、空气环境传感器（2）、空气处理主机（3）以及乘员舱风道（4）；其中空气处理主机（3）设于设备舱（5），综合控制器（1）和空气环境传感器（2）设于乘员舱（6）；所述乘员舱风道（4）与空气处理主机（3）连接并通向乘员舱（6）；所述空气环境传感器（2）分别与综合控制器（1）以及空气处理主机（3）电连接，空气环境传感器（2）对乘员舱（6）的舱内空气环境参数进行监测，将监测数据上传至综合控制器（1），综合控制器（1）接收到空气环境传感器（2）的监测数据后，对乘员舱（6）的舱内空气环境状况进行分析和逻辑判断，分析出空气处理主机（3）应执行的相应调节功能并通过总线发出控制指令；空气处理主机（3）在接收到控制指令后，启动相应的功能组件将处理过的空气送入与其连接的风道。

2.如权利要求1所述的地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：所述空气环境传感器（2）包括一级气室（7）和二级气室（8），其中一级气室（7）内设有温度传感器（9）、湿度传感器（10）以及气压传感器（11）；二级气室（8）内设有粉尘浓度传感器，还设有分别监测O2、CO、NO2、SO2、NH3以及VOC浓度的气体成分测试传感器；上述各传感器采用便于维修的插拔方式集成于电路板上；所述一级气室（7）的进气口处还设有将乘员舱（6）的舱内空气吸入气室内的气泵（12）。

3.如权利要求1所述的地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：所述空气处理主机（3）由新风口（13）、制氧器（14）、空气净化器（15）、三防滤毒器（16）、具备降温及除湿功能的空调器（17）、主风管（18）以及多个单向阀组成；所述功能组件包括空气处理主机（3）的制氧器（14）、空气净化器（15）、三防滤毒器（16）、具备降温以及除湿功能的空调器（17）；所述新风口（13）与外界空气相通，新风口（13）通过主风管（18）的一端与三防滤毒器（16）的进气口以及空调器（17）的新风制冷入口连通；主风管（18）的另一端与乘员舱（6）所设的送风口（19）相通；所述三防滤毒器（16）的进气口以及出气口均与主风管（18）连通，且位于三防滤毒器的进气口以及出气口之间的主风管（18）上设有单向阀一（20）；空调器（17）的新风制冷出口与主风管（18）相通，空调器（17）的新风制冷入口以及新风制冷出口之间的主风管（18）上设有单向阀二（21），且空调器（17）的新风制冷入口处的管路上设有单向阀三（22）；制氧器（14）的入口与主风管（18）连通，其出口通向乘员舱（6）内所设的氧气出口（23）；空气净化器（15）的入风口与乘员舱（6）所设的回风口（24）相通，其出风口与主风管（18）的连通乘员舱的送风口（19）一端相通，空气净化器（15）的入风口一端同时还经管路与空调器（17）的新风制冷入口相通，该管路上还设有单向阀四（25）。

4.如权利要求3所述的地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：所述乘员舱（6）的送风口（19）及回风口（24）处均设有空气滤网（26）。

5.如权利要求3所述的地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：所述新风口（13）内设有提供新风输送动力的轴流风扇。

6.如权利要求5所述的地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：所述新风口（13）内还设有旋风除尘器以及空气滤清器（27）。

7.如权利要求3所述的地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：所述乘员舱（6）的送风口（19）与乘员舱风道（4）相连通；所述乘员舱风道（4）沿乘员舱（6）的内侧壁顶部顺行到乘员所在的操控界面处乘员头面部前上方，且在操控界面上方每个乘员工作所在处开设出风口。

8.如权利要求7所述的地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：所述的每个乘员工作所在处开设的出风口设有方向可调的格栅页板，格栅页板内设有能提高空气中负氧离子含量的负氧离子发生器。

9.如权利要求7或8所述的地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：所述氧气出口（23）为多个，且设于操控界面上方位，并对应于每个乘员的头面部。

10.如权利要求1所述的地面装备舱室微环境一体化控制系统，其特征在于：所述综合控制器（1）是单片机，该单片机的型号是ARM9。