CN114158811B - 一种应用于高地热矿井相变降温智能防护头盔 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高地热井下防护设备技术领域，具体是一种利用相变降温防护的智能头盔。包括头盔内层、头盔外层以及设置在内外两侧之间的中间夹层，头盔外层设置有粉尘隔离装置和头顶风扇，头盔内层包括封闭内层的玻璃面罩，玻璃面罩上设置有进风口风筒和管道结构，进风口风筒连通粉尘隔离装置与玻璃面罩内部，管道结构连通头顶风扇与玻璃面罩内部，中间夹层内设置有降温循环结构。本发明利用头盔顶部的信号接收器将工作人员所处环境的实时数据都经过程序处理后反馈给井下佩戴人员和地面监测人员，降低了工作人员发生事故的可能性以及大大缩短了意外事件发生后对于受困人员的营救时间。
Description
技术领域
本发明属于高地热井下防护设备技术领域，具体是一种利用相变降温防护的智能头盔。
背景技术
高地热矿井的热量来源于从围岩散发出来的地球内部的热量，也是矿井热害的根源所在。随着矿井开采深度的逐年增加和设备机械化程度的提高，深部矿井高温热害成为矿井开采过程中一个越来越突出的问题。针对矿井热害问题，应当根据热害的严重程度，基于作业大小环境差别对待原理，有针对性的采取不同的降温措施。除了对作业大环境实施降温，个体防护措施也不容忽视，仅仅对人体进行降温处理，方便分散作业。
目前的降温防护头盔主要是针对消防队员，医护人员或其他在高温场所的作业人员提供降温保护的头盔。目前，降温防护头盔的降温效果一般是由加速头盔内部的空气流动，水在头盔内部流动带走人体所产生的热量，或者直接加入冰块或相变材料来实现的。但是此类头盔却不适用于高地热井下炎热的环境条件，如果长时间的作业，其身体自身热量无法排出，容易导致操作人员高温中暑、热晕以及中枢神经系统失调，严重影响操作人员的健康和生命安全。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种利用相变降温防护的智能头盔。
本发明采取以下技术方案：一种利用相变降温防护的智能头盔，包括头盔内层、头盔外层以及设置在内外两侧之间的中间夹层，头盔外层设置有粉尘隔离装置和头顶风扇，头盔内层包括封闭内层的玻璃面罩，玻璃面罩上设置有进风口风筒和管道结构，进风口风筒连通粉尘隔离装置与玻璃面罩内部，管道结构连通头顶风扇与玻璃面罩内部，中间夹层内设置有降温循环结构。
进一步的，降温循环结构包括降温容器，降温容器与受程序控制开关的泵连接，泵依次与单向阀门、缓冲容器、加压泵以及制冷容器内的储液罐连接，制冷容器通过依次连接的压气机、冷却器和膨胀机循环制冷，储液罐通过电磁阀与降温容器连接，降温循环结构内的循环降温介质为乙醚。
进一步的，降温容器内设置有带有孔隙结构的缓冲板，孔隙结构的缓冲板位于降温容器的出口和进口之间，孔隙结构的缓冲板一侧与弹簧结构连接。
进一步的，头盔内层上还设置有喇叭、话筒以及内部温度感应器。
进一步的，头盔外层上设置有信息收集器、气体感应器和外部温度感应器。
进一步的，还包括与头盔配合的智能手环和安全劳保防尘眼镜。
进一步的，头盔的信息都经过地面基站发送至应急指挥中心，信息包括指头盔的内部温度信息、外部环境温度信息、外部环境氧气含量、甲烷含量、一氧化碳含量和硫化氢气体含量的信息，智能手环测定的佩戴人员的心跳脉搏信息、体温信息、定位信息以及佩戴人员发出和接受的语音信息。
一种利用相变降温防护的智能头盔的使用方法，包括以下步骤，
S1～外部温度感应器、内部温度感应器、气体感应器以及智能手环的实时信息传递给头盔上的信息收集器，信息收集器经过判断后，再经过地面基站输送给应急指挥中心；
S2～当外部温度感应器监测到外部环境温度呈急剧上升趋势时，将由与信息收集器相连接的程序启动语音提醒，由工作人员判断是否继续前进，同时也会向地面基站发送预警，再传输到应急指挥中心连接到自组网的电脑上，应急指挥中心同样可以判断工作人员是否应该继续前进，并通过喇叭给井下工作人员发出语音预警；
S3～头盔内部温度感应器检测到内部温度升高且高于T0值时，驱动电磁阀和泵，加速介质循环，给头盔内部降温；
S4～气体感应器装在头盔外部，实时监测外部环境中的有关气体浓度，若气体浓度超过了设定的最大容许浓度值Mi，通过喇叭发出语音提示，并向地面基站传输信息，由地面基站向应急指挥中心传递信息；
S5～井下工作人员之间也可以进行语音信息传递，由头盔内部的话筒收集语音信息，传送给头盔的信息收集器，通过地面基站再重新发送给井下其他工作人员，由喇叭传递。
进一步的，步骤S1中，判断的具体方法为：内部温度感应器所测的内部温度是否超过规定的最高值T0，外部温度感应器所测的外部环境温度是否超过规定的最高允许值T1，气体感应器所测的外部环境中的氧气含量是否低于容许值M0，甲烷含量是否高于容许值M2，一氧化碳含量是否高于容许值M3，硫化氢气体含量是否高于容许值M4，智能手环所测的佩戴人员的心跳脉搏是否低于H0高于H1。
本发明涉及的降温防护头盔使技术人员在井下工作时头盔内的温度维持在人体能接受的范围内，帮助工作人员在井下完成作业。佩戴人员之间的联系以及佩戴人员与地面应急中心的联系依赖于自组网，头盔上配有温度传感器、有毒有害气体传感器、氧气传感器、湿度传感器，手环监测心跳、脉搏、体温等生命体征，这些装置能够对头盔内温度、环境温度、湿度、氧气含量、佩戴人员的心跳脉搏、佩戴人员的地理位置进行实时监测，并且利用自组网将实时监测到的信息立即反馈至地面应急中心。头盔之间也能进行语音连接，便于进行两人或多人合作。头盔的信号接收器收集以上所有信息，每间隔一分钟向地面指挥中心传递信息，并且伴有回执语音提示，代表信息被顺利接收。一旦佩戴人员发生事故能立即向地面救援指挥中心发出预警，以便应急预案能及时启动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、利用工质乙醚在整个循环系统中由液态变成气态的吸热过程，将头盔内夹层中人体本身产生的热量和高地热矿井中空气的热量吸收，保持头盔内夹层中的温度始终在人体的接受范围之内。乙醚在常压下沸点是34.6℃，但是经过加压泵之后，乙醚的沸点升高，在有压缩机制冷的储液罐中放热液化，形成一个只需要电功的子降温循环。
2、由于井下工作难度和危险性比较大，工作人员除了需要适宜的环境温度以及充足的氧气，还需要跟地面人员保持联系，有时可能需要多人合作。本发明利用头盔顶部的信号接收器将工作人员所处环境的实时数据都经过程序处理后反馈给井下佩戴人员和地面监测人员，降低了工作人员发生事故的可能性以及大大缩短了意外事件发生后对于受困人员的营救时间。避免井下信号丢失问题，会有信息回执语音提示，如果没有语音提示信息发送至地面成功，佩戴人员应立即停止前进。
附图说明
图1为本发明头盔内夹层后视图；
图2为本发明头盔降温结构示意图；
图3为本发明头盔内夹层左斜视图；
图4为本发明头盔外层俯视图；
图5为本发明内夹层右斜视图；
图6为本发明安全劳保防尘眼镜示意图；
图7为本发明手环示意图；
图8为本发明工作原理图；
图9为本发明智能部分信号传递图；
图中1-降温容器；2-泵；3-单向阀门；4-缓冲容器；5-加压泵；6-制冷容器；7-通风扇风筒；8-外部温度感应器；9-气体感应器；10-进风口风筒；11-内夹层；12-储液罐；13-电磁阀；14-压气机；15-冷却器；16-膨胀机；17-缓冲板；18-弹簧；19-喇叭；20-内部温度感应器；21-玻璃面罩；22-风扇；23-信息收集器；24-粉尘过滤装置；25-话筒；26-微型压缩机；27-电池；28-手环；29-安全劳保防尘眼镜；30-应急指挥中心；31-地面基站；32-头盔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种应用于高地热矿井相变降温智能防护头盔，包括两层结构：外层、内层和中间夹层。如图1所示，中间夹层中的装置包括降温循环结构、与外层进风口相连接的进风管道10以及与头盔顶部通风口相连接的通风管口7，其中降温循环结构包括降温容器1、与降温容器相连接且受程序控制开关的泵2、控制受热气体流向的单向阀门3、缓冲容器4、将气体加压的加压泵5、利用压缩机制冷的制冷容器6、给制冷容器输送冷气的微型压缩机26、受程序控制开关的电磁阀13、给泵2以及加压泵5还有压缩机26和电磁阀13提供电能的电池27。
如图2所示，降温容器1包括有孔隙结构的缓冲板17和弹簧结构18。制冷容器6包括储液罐12和内部制冷空间，热空气通过上方排气孔经管道流向微型压缩机26内的压气机14，再进入冷却器15与冷却水进行热量交换，再流经管道进入膨胀机16，形成一个子制冷循环。
如图3和图5所示，头盔内层11结构包括与外层相连的进风口风筒10、与顶部通风口相连接管道结构7、封闭内层的玻璃面罩21、向佩戴人员传递语音信息的喇叭19、佩戴人员向外部传输语音信息的话筒25以及测量头盔内部温度的内部温度感应器20。
如图4所示，头盔外层结构包括信息收集器23、气体感应器9、粉尘隔离装置24、外部温度感应器8以及头顶风扇22。
如图6所示，与头盔相配合的智能手环28和安全劳保防尘眼镜29。
如图9所示，头盔32的所有信息都经过地面基站31发送至应急指挥中心30。
此发明装置的工作原理是佩戴人员在高地热井下炎热的环境进行工作时，人体会产生水汽和热量积聚，头盔的左右开进风口，顶部有一个风扇22，气体从头盔两个孔进入，经过进风风筒10，气体入口处装有粉尘过滤装置24，防止粉尘进入头盔接触皮肤，顶部风扇22持续运转将人体产生的水汽和部分热量送出头盔。人同时在头盔内部佩戴安全劳保防尘眼镜29，防止未过滤粉尘以及有毒有害气体接触眼睛。进一步，头盔内的反应降温容器内部有乙醚工质吸收头盔内部热量汽化，反应降温容器外接绝热管通向可由温度感应程序控制开关的泵2，当头盔内部温度过高时，控制泵运转，加速循环给头盔内部降温。高温气体再经过单向阀门3进入缓冲容器4中，再由电动泵5抽出，泵给气态工质增压到能使气态工质液化的压强，高压气态工质进入有局部制冷的储液罐12中。局部制冷的工作原理是利用压缩机制冷，气体进入压气机14后被绝热压缩，此时气体压力升高，温度升高，进入冷却器15，在定压下将热量传给冷却水，温度到达冷却水温度，再导入膨胀机16中绝热膨胀，使其温度低于进入压缩机之前的温度，将低温气体送到跟外界隔热的制冷容器6中与储液罐12发生热量交换。对于储液罐12中的气态工质，压强与温度都达到了液化条件，就会发生相变，液态介质经过电磁阀13回到最初的降温容器1中，由于经过电磁阀13的液体压强较大，所以在降温容器中设立有缓冲板17，接上弹簧18做缓冲装置。由于经过电磁阀的液体在进入反应降温容器的一瞬间就会吸热变成气态。
头盔智能程序的工作原理是头盔上的外部温度感应器8和内部温度感应器20、气体感应器9，监测心跳、脉搏、体温等生命体征的手环28，将实时信息传递给头盔上的信息收集器23，信息收集器23经过程序判断后，再经过地面基站31输送给应急指挥中心30。当温度感应器8监测到外部环境温度呈急剧上升趋势时，将由与信息收集器相连接的程序启动语音提醒，由工作人员判断是否继续前进，同时也会向地面基站31发送预警，再传输到应急指挥中心30连接到自组网的相关程序的电脑上，应急指挥中心30同样可以判断工作人员是否应该继续前进，并通过喇叭19给井下工作人员发出语音预警。
进一步的，内部温度感应器20检测到内部温度升高且高于值时，可驱动与程序相连接的电磁阀13和泵2，加速介质循环，给头盔内部降温。
进一步的，气体感应器9装在头盔外部，实时监测外部环境中的有关气体浓度，若任一气体浓度超过了程序原本设定的最大容许浓度值，程序通过头盔内部喇叭19发出语音提示，并向地面基站31传输信息，由地面基站31向应急指挥中心30传递。
进一步的，井下工作人员之间也可以进行语音信息传递，由头盔内部的话筒25收集语音信息，传送给头盔的信息收集器23，通过地面基站31再重新发送给井下其他工作人员，由头盔内部喇叭传递。
以上所有信息都应该先传输给头盔的信息接收器23，再由与信息接收器23相连接的程序判断是否需要语音提示工作人员，发出预警信息，并将所有信息传递到地面基站31，由基站31传输至应急指挥中心30，并且伴有回执语音提示，代表信息被顺利接收。
一种利用相变降温防护的智能头盔的使用方法，包括以下步骤，
S1～外部温度感应器8、内部温度感应器20、气体感应器9以及智能手环28的实时信息传递给头盔上的信息收集器23，信息收集器23经过判断后，再经过地面基站31输送给应急指挥中心30；判断的具体方法为：内部温度感应器20所测的内部温度是否超过规定的最高值T0，外部温度感应器8所测的外部环境温度是否超过规定的最高允许值T1，气体感应器9所测的外部环境中的氧气含量是否低于容许值M0，甲烷含量是否高于容许值M2，一氧化碳含量是否高于容许值M3，硫化氢气体含量是否高于容许值M4，智能手环28所测的佩戴人员的心跳脉搏是否低于H0高于H1。T0、 T1、M0、 M2、M3、M4、H0、H1这些参数由人工设定。
S2～当温度感应器9监测到外部环境温度呈急剧上升趋势时，将由与信息收集器相连接的程序启动语音提醒，由工作人员判断是否继续前进，同时也会向地面基站31发送预警，再传输到应急指挥中心30连接到自组网的电脑上，应急指挥中心30同样可以判断工作人员是否应该继续前进，并通过扬声器19给井下工作人员发出语音预警。
S3～头盔内部温度传感器20检测到内部温度升高且高于T0值时，驱动电磁阀13和泵2，加速工质循环，给头盔内部降温。
S4～气体浓度传感器9装在头盔外部，实时监测外部环境中的有关气体浓度，若气体浓度超过了设定的最大容许浓度值Mi，通过头盔内部扬声器19发出语音提示，并向地面基站31传输信息，由地面基站31向应急指挥中心30传递信息。
S5～井下工作人员之间也可以进行语音信息传递，由头盔内部的话筒25收集语音信息，传送给头盔的信息收集器23，通过地面基站31再重新发送给井下其他工作人员，由头盔内部扬声器传递。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种利用相变降温防护的智能头盔，其特征在于：包括头盔内层、头盔外层以及设置在内外两侧之间的中间夹层，头盔外层设置有粉尘隔离装置（24）和头顶风扇（22），头盔内层（11）包括封闭内层的玻璃面罩（21），玻璃面罩（21）上设置有进风口风筒（10）和管道结构（7），进风口风筒（10）连通粉尘隔离装置（24）与玻璃面罩（21）内部，管道结构（7）连通头顶风扇（22）与玻璃面罩（21）内部，中间夹层内设置有降温循环结构；
所述的降温循环结构包括降温容器（1），降温容器（1）与受程序控制开关的泵（2）连接，泵（2）依次与单向阀门（3）、缓冲容器（4）、加压泵（5）以及制冷容器（6）内的储液罐（12）连接，制冷容器（6）通过依次连接的压气机（14）、冷却器（15）和膨胀机（16）循环制冷，储液罐（12）通过电磁阀（13）与降温容器（1）连接，降温循环结构内的循环降温介质为乙醚；
所述的降温容器（1）内设置有带有孔隙结构的缓冲板（17），孔隙结构的缓冲板（17）位于降温容器（1）的出口和进口之间，孔隙结构的缓冲板一侧与弹簧结构（18）连接。
2.根据权利要求1所述的利用相变降温防护的智能头盔，其特征在于：所述的头盔内层（11）上还设置有喇叭（19）、话筒（25）以及内部温度感应器（20）。
3.根据权利要求2所述的利用相变降温防护的智能头盔，其特征在于：所述的头盔外层上设置有信息收集器（23）、气体感应器（9）和外部温度感应器（8）。
4.根据权利要求3所述的利用相变降温防护的智能头盔，其特征在于：还包括与头盔（32）配合的智能手环（28）和安全劳保防尘眼镜（29）。
5.根据权利要求4所述的利用相变降温防护的智能头盔，其特征在于：头盔（32）的信息都经过地面基站（31）发送至应急指挥中心（30），信息包括指头盔的内部温度信息、外部环境温度信息、外部环境氧气含量、甲烷含量、一氧化碳含量和硫化氢气体含量的信息，智能手环测定的佩戴人员的心跳脉搏信息、体温信息、定位信息以及佩戴人员发出和接受的语音信息。
6.一种如权利要求5所述的利用相变降温防护的智能头盔的使用方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1～外部温度感应器（8）、内部温度感应器（20）、气体感应器（9）以及智能手环（28）的实时信息传递给头盔上的信息收集器（23），信息收集器（23）经过判断后，再经过地面基站（31）输送给应急指挥中心（30）；
S2～当外部温度感应器（8）监测到外部环境温度呈急剧上升趋势时，将由与信息收集器相连接的程序启动语音提醒，由工作人员判断是否继续前进，同时也会向地面基站（31）发送预警，再传输到应急指挥中心（30）连接到自组网的电脑上，应急指挥中心（30）同样可以判断工作人员是否应该继续前进，并通过喇叭（19）给井下工作人员发出语音预警；
S3～头盔内部温度感应器（20）检测到内部温度升高且高于T0值时，驱动电磁阀（13）和泵（2），加速介质循环，给头盔内部降温；
S4～气体感应器（9）装在头盔外部，实时监测外部环境中的有关气体浓度，若气体浓度超过了设定的最大容许浓度值Mi，通过喇叭（19）发出语音提示，并向地面基站（31）传输信息，由地面基站（31）向应急指挥中心（30）传递信息；
S5～井下工作人员之间也可以进行语音信息传递，由头盔内部的话筒（25）收集语音信息，传送给头盔的信息收集器（23），通过地面基站（31）再重新发送给井下其他工作人员，由喇叭（19）传递。
7.根据权利要求6所述的利用相变降温防护的智能头盔的使用方法，其特征在于：所述的步骤S1中，判断的具体方法为：内部温度感应器（20）所测的内部温度是否超过规定的最高值T0，外部温度感应器（8）所测的外部环境温度是否超过规定的最高允许值T1，气体感应器（9）所测的外部环境中的氧气含量是否低于容许值M0，甲烷含量是否高于容许值M2，一氧化碳含量是否高于容许值M3，硫化氢气体含量是否高于容许值M4，智能手环（28）所测的佩戴人员的心跳脉搏是否低于H0高于H1。
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