CN114225248A - 一种高层建筑紧急逃生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高层建筑紧急逃生装置，属于消防逃生设备技术领域。包括保险缆绳、扣环、降落伞面、吊具、防护栏、缓冲坐垫、控制机构、喷气机构。未使用时所有装置被压缩于一件背心内。逃生人员只需要穿上背心、固定保险缆绳、背对着窗外坐于窗前、向后仰去这四个步骤便可以保障安全着陆。向后仰去之后由于失重会立即触发伞包内的控制机构，控制机构触发喷气机构，伞包内的缓冲坐垫、防护栏会被充气而展开，降落伞、吊具自动展开。本发明采用缓冲垫的缓冲作用、降落伞的减速作用、羽毛球状坐垫圈内气动姿态调整与危险隔离、金属缆绳保护设置、控制机构的灵活机动，帮助高层用户在紧急情况发生时简单快速并且安全地逃生。
Description
技术领域
本发明属于消防逃生设备技术领域，更具体地，涉及一种高层建筑紧急逃生装置。
背景技术
随着经济发展，国内大小城市都高楼林立。而对于高层建筑而言，如果发生火灾等险情，将会是一件非常棘手的事情。某一楼层发生火灾后可能阻断高层人员的火灾撤离通道，火势可在短时间内蔓延到附近的楼层，火灾逃生的难度就大大增加，造成严重的生命安全威胁。
对于高楼逃生产品的研究和开发来说，极为重要的一点就是安全性。传统的通过缆绳下落的方式由于不能确保逃生人员与危险源的隔离，不具备安全性，且由于极其耗时耗力，对逃生人员的逃生时机延误，逃生人员的体力与心理素质都具有极高的门槛，因而不适用于一般人员的逃生。因而，需要研发能够快速使逃生人员远离危险源的装备。对于通过快速降落的方式，一个关键因素是避免降落的落地速度过大以防止过于激烈的冲击，还需要将逃生人员与险情隔离开来，防止逃生中受到伤害。此外，在降落过程中还有一个非常重要的因素，就是确保逃生人员在降落装置中降落时不会出现翻转，从而保障平稳的降落。为解决上述问题，现有多项高层逃生降落伞专利公开，然而，它们或多或少都存在一定问题。例如，2019年发布的专利CN110681079A中所述的一种高空逃生救援设备，设备展开后顶端未封闭，这一设计使其在下降过程中所受阻力大大减小，设备在缓冲下降方面能力有限。又例如，2019年发布的专利CN110201324A中所述的高楼逃生装置，其设计并未考虑装置失效的情况，缺乏相应的处理方案。且对于大部分的高层逃生设备，都需要人工手动进行触发，而在紧急情况下，手动触发耗费时间精力，不利于人员快速逃生。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高层建筑紧急逃生装置，旨在解决高层逃生难度大、安全系数低的问题，帮助高层人员在紧急情况下实现安全逃生。
为实现上述目的，本发明提供了一种高层建筑紧急逃生装置，其特征在于，包括保险缆绳、扣环、降落伞面、吊具、防护栏、缓冲坐垫、控制机构、喷气机构；扣环的下端固定于降落伞面上，上端在装置使用时与保险缆绳相连；吊具的上端与降落伞面的边缘连接，下端与防护栏的上端连接；缓冲坐垫与防护栏的下端连接；控制机构、喷气机构设置在缓冲坐垫内，控制机构用于控制喷气机构的运行，下落时喷气机构用于对缓冲坐垫充气。
优选地，所述装置在未使用时被压缩于一件背心内，降落伞面和吊具未使用时被压缩存放于背心前部，防护栏未使用时一部分被压缩存放于背心两侧，另一部分(与缓冲坐垫相连端)被压缩存放于背心背部，缓冲坐垫未使用时被压缩存放于背心背部，使用时通过喷气机构充气展开，控制机构、喷气机构与缓冲坐垫一起存放于背心背部，在装置展开后控制机构、喷气机构位于缓冲坐垫底部。
优选地，缓冲坐垫与防护栏相连并相通，当缓冲坐垫充气后，带动防护栏完全张开，其自由端向远离缓冲坐垫中心线的方向倾斜。
优选地，在装置使用前，保险缆绳被固定在室内墙面上。
优选地，降落伞面由纺织材料制成。
优选地，扣环由合金制成。
优选地，吊具包含六根绳索，六根绳索等角度间隔设置。
优选地，防护栏的横截面为正六边形，有六个角点，每个角点上设置有一个绳钩，绳索系在绳钩上面。
优选地，吊具中每根绳索由32股尼龙绳编织而成。
优选地，控制机构由压力传感器控制，在下落瞬间受失重影响，压力传感器所受压力瞬间降为零而被触发。
本发明通过空气动力原理设计了羽毛球式逃生降落伞，羽毛球在下落过程中的受力情况可简化为：受到自身的重力G、来自风的阻力FD和升力FL，相应的阻力系数CD和升力系数CL分别为：
其中，ρ为风的密度(Kg/m3)，V为风速(m/s)，A为羽毛球迎风面积(m2)。
2012年美国拉菲耶特学院的学者对羽毛球做了一系列风洞实验，通过控制无量纲参数——雷诺数来控制气流的特征。雷诺数的计算公式为：
其中，d为羽毛球的特征长度(m)，μ为实验中气流的动力粘度(Pa·s)。他们将雷诺数的大小控制在104-105量级之间。实验发现羽毛球所受的阻力系数CD随雷诺数的增加而微小降低，升力系数则保持稳定。这说明羽毛球在下落过程中的稳定性较强。
2015年法国的学者也对羽毛球做了一系列研究。他们将羽毛球的受力情况简化为受到重力和气动压力，如图1所示，羽毛球后半部分的受力情况简化至B点，受气动压力FD，后半部分质量为MB，前半部分的受力情况简化至C点，受气动压力FD，前半部分质量为MC，U为羽毛球此时的运动速度方向。运用理论力学以及空气动力学知识可以推导出羽毛球围绕其重心G的转矩平衡方程：
其中，
为羽毛球对称轴线与羽毛球运动速度方向的夹角，
和
分别为
对时间的一阶导数和二阶导数，S为羽毛球后半部分截面积(如图1中椭圆形区域所示，lGC为G点至C点的长度。基于此可以推导出羽毛球的翻转时间和稳定时间。通过羽毛球释放下落实验研究发现，保持其余参数不变，仅仅改变羽毛球的开口角度α，如图2所示，当α过大时，羽毛球的翻转时间和稳定时间都较长，而当α取值在60°至80°时其翻转时间和稳定时间均趋近于最小值，意味着羽毛球在运动过程中能够在较短的时间内达到稳定。
基于以上理论，本发明对相应的逃生装备进行了类似的理论分析，为了使逃生人员能够在短距离内获得确定的运动姿态，本发明将展开后的逃生装备设置为羽毛球状，并且其开口角度在60°至80°之间。
此外，众所周知，降落伞对起跳高度有着极高的要求，单凭降落伞减速，绝大多数楼房高度都难以完全满足其绝对安全性。因此，本发明采用羽毛球状防护栏与降落伞的双重气动阻力与最为可靠的阻尼缆绳多途径确保减速。此外，设计的高楼逃生装备在发生火灾时还要确保能够迅速打开。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于羽毛球式造型科学、有缆绳双重防护、充气垫缓冲作用强、控制机构方便灵活，能够取得减缓降落速度、帮助逃生人员安全平稳降落的有益效果。具体地，逃生装置采用羽毛球式造型，此造型能提供空气阻力，并加强其下落过程中的稳定性、保护逃生人员免受外界伤害；逃生伞伞面顶部连接有保险缆绳，在逃生人员下落过程中进一步通过弹性能吸收逃生人员重力势能，并通过预设长度，使得即便当逃生装置未能正常工作时也能起到牵制作用，从而可有效防止逃生人员下落过快而受到过大伤害；逃生装置的运行通过失重条件控制，不需要人工操作便可自动展开，灵敏度高，方便有效；逃生装置展开后底部的充气垫能够在着陆时起到缓冲的作用；逃生装置展开后顶部的降落伞能够在下落时起到减缓速度的作用。
附图说明
图1是羽毛球运动过程中受力示意图；
图2是羽毛球简略示意图；
图3是本发明提供的高层建筑紧急逃生装置的结构示意图；
图4是本发明提供的控制机构示意图；
图5是本发明提供的喷气机构示意图；
图6是本发明提供的背心示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
为了化解高层应急逃生困难的难题，本发明提供一种高层建筑紧急逃生装置，包括保险缆绳1、扣环2、降落伞面3、吊具4、防护栏5、缓冲坐垫6、控制机构7、喷气机构8。如图3所示，降落伞面3通过阻尼绳索作为吊具与防护栏连接，所述缓冲垫底部以及防护栏设有与其固定连接的气囊，气囊设有进气口，通过顶部的降落伞与装置整体的羽球状造型以及底部的缓冲垫同时减缓人员的下落速度以及逃生人员降落地时产生的冲击力。保险缆绳一头固定于室内，另一头固定于逃生伞的伞面顶部，目的是当人员下落过程中产生一定的阻尼，辅助降低落地速度，并通过其预设的最大拉伸长度避免逃生人员直接触地，从而形成多重保护，确保逃生人员安全。
本发明的控制机构设置如图4所示。控制机构由弹簧71、物块72、压力传感器73组成，弹簧71、物块72、压力传感器73置于一个封闭盒体中，弹簧71上端固定于盒体内部的顶部，下端与物块72相连，压力传感器73置于盒体内部的底部，装置未使用时物块72与盒体底部接触，整个盒体处于静止平衡的状态。本发明的喷气机构设置如图5所示。喷气机构在装置未使用情况下安装于伞包内，在伞包弹开后位于缓冲坐垫底部。所述喷气机构由充气管81、阀门82、高压罐83组成。充气管81上端通向缓冲坐垫与防护栏，下端与高压罐相连83，充气管81的开合由阀门82控制。高压罐83内充满高压气体。当逃生人员穿上背心，向窗外仰去时，盒体处于失重状态，物块对盒体底部压力瞬间变为零，此时触发盒体底部的压力传感器，传感器传送电信号给喷气装置喷气机构内的阀门自动打开，高压罐的高压气体通过充气管向上对缓冲坐垫以及防护栏充气，同时降落伞部分自动展开。通过控制机构的失重控制能够使装置立即自动展开，免去了人工操作的不便。
展开后的逃生装置采用羽毛球式造型，其底端开口γ的值在60°至80°之间。坐垫的位置类似于羽毛球的球拖位置，防护栏位置类似于羽毛球的羽毛，逃生人员应坐在坐垫上，即位于“羽毛球”的“球拖”和周围“羽毛”的保护之中，避免了使用者受到来自外界的伤害(例如燃烧的火苗、地面上的护栏等)。
本发明提供的高层建筑紧急逃生装置未使用时压缩于一件背心内，如图6所示。背心前侧(a)部分压缩存放降落伞伞面和吊具，前侧中心设置有扣环2，一端与压缩存储于(a)部分的降落伞伞面顶端相连。背心后侧(c)部分压缩存放缓冲坐垫、一部分防护栏以及控制机构、喷气机构。背心两侧压缩存放一部分防护栏，防护栏一端与压缩存放于背心前侧(a)部分的吊具相连，一部分与(c)部分缓冲坐垫相连。当受到失重影响，喷气机构被触发时，(c)部分带动(b)部分一起展开，同时(a)部分中的降落伞以及吊具自动张开，形成如图3所示最终状态。
装置使用步骤如下：1.逃生人员穿上背心。2.将安装于室内固定器械上的保险缆绳的自由端与背心正面的扣环相连。3.背对窗外坐在窗边。4.逃生人员后仰落下，逃生装置受到失重影响被触发，进行充气展开。
本发明采用如下四种方式保障逃生人员的生命安全：1.逃生装置展开后底部的充气垫能够在着陆时起到缓冲的作用。2.逃生装置展开后顶部的降落伞能够在下落时起到减缓速度的作用。3.逃生装置采用羽毛球式造型，此造型能提供空气阻力，并加强其下落过程中的稳定性、保护逃生人员免受外界伤害。4.逃生伞伞面顶部连接有保险缆绳，在逃生人员下落过程中进一步通过弹性能吸收逃生人员重力势能，并通过预设长度，使得即便当逃生装置未能正常工作时也能起到牵制作用，从而可有效防止逃生人员下落过快而受到过大伤害。5.逃生装置的运行通过失重条件控制，不需要人工操作便可自动展开，灵敏度高，方便有效。失重触发了控制机构的传感器，其传送电信号给喷气机构，喷气机构通过阀门对背包内的气囊充气，背包的气囊充气膨胀并弹出，形成一个巨大的降落伞骨架。装置展开后整体外形为类羽毛球状，通过其气动特征确保逃生时运动姿态为预设的安全姿态。在本发明的底部设置了缓冲坐垫，具有性能优良的减震效果，能够承载一定着地速度的冲击并形成缓冲保护逃生人员的安全，故而允许承载更重的人员逃生。此外，本发明由于采用了羽毛球式状防护栏，使用者处于这个羽毛球状防护栏的内部“球托”处，在周围防护栏的保护之中，避免了使用者由于与外部高温物或尖锐物直接接触而导致的伤害，羽毛球状装置造型的“球头先着地”的气动特征也保证了逃生装置可以安稳落地。源于羽毛球和降落伞的设计，在空中下落时拥有接近自身重力大小的空气阻力，减小了落地速度，消耗掉大部分的逃生人员的重力势能。此外，本发明还为逃生装置设置了保险缆绳，它可以提高安全性，在装置未能正常打开时起到牵制逃生人员的作用。从而能为高楼火灾逃生这一问题提供安全可靠的方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高层建筑紧急逃生装置，其特征在于，包括保险缆绳(1)、扣环(2)、降落伞面(3)、吊具(4)、防护栏(5)、缓冲坐垫(6)、控制机构(7)、喷气机构(8)；所述扣环(2)的下端固定于所述降落伞面(3)上，上端在装置使用时与所述保险缆绳(1)相连；所述吊具(4)的上端与所述降落伞面(3)的边缘连接，下端与所述防护栏(5)的上端连接；所述缓冲坐垫(6)与防护栏(5)的下端连接；所述控制机构(7)、喷气机构(8)设置在所述缓冲坐垫(6)内，控制机构(7)用于控制喷气机构(8)的运行，下落时喷气机构(8)用于对所述缓冲坐垫(6)充气。
2.根据权利要求1所述的高层逃生装置，其特征在于，所述装置在未使用时被压缩于一件背心内，降落伞面(3)和吊具(4)未使用时被压缩存放于背心前部，所述防护栏(5)未使用时被压缩存放于背心背部和两侧，所述缓冲坐垫(6)未使用时被压缩存放于背心背部，使用时通过喷气机构充气展开，所述控制机构(7)、喷气机构(8)与缓冲坐垫(6)一起存放于背心背部，在装置展开后所述控制机构(7)、喷气机构(8)位于缓冲坐垫底部。
3.根据权利要求1所述的高层逃生装置，其特征在于，所述缓冲坐垫(6)与所述防护栏(5)相连并相通，当缓冲坐垫(6)充气后，带动防护栏(5)完全张开，其自由端向远离缓冲坐垫(6)中心线的方向倾斜，倾斜的角度为30°至40°之间。
4.根据权利要求1所述的高层逃生装置，其特征在于，在装置使用前，保险缆绳(1)被固定在室内墙面上。
5.根据权利要求1所述的高层逃生装置，其特征在于，所述降落伞面(3)由纺织材料制成。
6.根据权利要求1所述的高层逃生装置，其特征在于，所述扣环(2)由合金制成。
7.根据权利要求1所述的高层逃生装置，其特征在于，所述吊具(4)包含六根绳索，六根绳索等角度间隔设置。
8.根据权利要求7所述的高层逃生装置，其特征在于，所述防护栏(5)的横截面为正六边形，有六个角点，每个角点上设置有一个绳钩，绳索系在绳钩上面。
9.根据权利要求8所述的高层逃生装置，其特征在于，所述吊具(4)中每根绳索由32股尼龙绳编织而成。
10.根据权利要求1所述的高层逃生装置，其特征在于，所述控制机构(7)由压力传感器控制，在下落瞬间受失重影响，压力传感器所受压力瞬间降为零而被触发。
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