一种机械储能式应急无源相变控温系统
阅读说明：本技术 一种机械储能式应急无源相变控温系统 (Mechanical energy storage type emergency passive phase change temperature control system ) 是由 袁艳平 张祖涛 张楠 王浩 方正 曹晓玲 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机械储能式应急无源相变控温系统,属于温度控制技术领域。解决了地下空间应急通风降温装置结构复杂,可靠性和稳定性差的问题。本发明包括机械储能装置、可调通风装置和控温系统,所述可调通风装置用于对地下空间进行通风降温,在可调通风装置供电正常时,所述机械储能装置储能,在可调通风装置断电时,所述机械储能装置释放能量驱动可调通风装置工作,所述控温系统用于监测环境温度并根据环境温度控制机械储能装置、可调通风装置工作。本发明将机械储能和相变热集成一体化,采用模块化涡簧储能单元,系统可拓展性较好,可以提高系统稳定性和实现长时间控温效果。(The invention discloses a mechanical energy storage type emergency passive phase change temperature control system, and belongs to the technical field of temperature control. The problems of complex structure, poor reliability and poor stability of the underground space emergency aeration cooling device are solved. The underground ventilation system comprises a mechanical energy storage device, an adjustable ventilation device and a temperature control system, wherein the adjustable ventilation device is used for ventilating and cooling an underground space, the mechanical energy storage device stores energy when the adjustable ventilation device is powered normally, the mechanical energy storage device releases energy to drive the adjustable ventilation device to work when the adjustable ventilation device is powered off, and the temperature control system is used for monitoring the environment temperature and controlling the mechanical energy storage device and the adjustable ventilation device to work according to the environment temperature. The invention integrates mechanical energy storage and phase change heat, adopts the modularized vortex spring energy storage unit, has better expansibility of the system, and can improve the stability of the system and realize long-time temperature control effect.)
技术领域
本发明属于温度控制技术领域，具体涉及一种机械储能式应急无源相变控温系统。
背景技术
我国是世界上自然灾害和突发事故发生较为频繁的国家之一。人民防空工程、国防工程和避难硐室等紧急避险设施可为战时和灾后人员提供安全的避难场所，是保障人民群众生命安全的一道重要防线。在战时和灾后，人民防空工程、国防工程和避难硐室等紧急避难设施极有可能处于断水、断电、封闭等与外界环境相隔绝的状态，人员以及设备散热使室内温度持续升高，若不及时降温，将会威胁避难人员的生命安全和影响高性能设备的使用性。因此，在极端条件下的避难硐室控温问题成为了一个需要解决的问题。
据检索，目前已有相关的地下空间通风降温装置，如中国专利申请号为:202021796776.6名称为“一种煤矿降温装置”的中国发明专利，该装置包括破碎装置，干冰挥发收集组件。破碎装置可以将干冰破碎容器内的干冰进行搅拌粉碎，，再通过喷头将喷洒管中破碎后的干冰喷出，对煤矿井下机电设备进行冷却降温。该降温装置结构简单，但二氧化碳用量大，导致存储容器体积大，而且存在泄露风险，且二氧化碳属于温室气体。
又如中国专利申请号为202010865315 .8名称为“一种隧道通风制冷空调装置”的中国发明专利，该装置包括换热模块、进水集散腔室、出水集散腔室和支撑架。该装置通过循环冷水降温，清洁环保，但存在装置结构复杂，如发生事故，可靠性和稳定性较差，在无外界条件支持下难以发挥作用。
鉴于上述地下空间应急控温装置的情况，研发一种在无外部电源、可靠性和稳定性高且环境友好的应急无源相变控温系统是有必要的。
发明内容
针对现有技术中地下空间应急通风降温装置结构复杂，可靠性和稳定性差的问题，本发明提供一种机械储能式应急无源相变控温系统，其目的在于：实现应急避险无源状况下对环境的降温作用，提高应急通风降温装置的可靠性和稳定性。
本发明采用的技术方案如下：
一种机械储能式应急无源相变控温系统，包括机械储能装置、可调通风装置和控温系统，所述可调通风装置用于对地下空间进行通风降温，在可调通风装置供电正常时，所述机械储能装置储能，在可调通风装置断电时，所述机械储能装置释放能量驱动可调通风装置工作，所述控温系统用于监测环境温度并根据环境温度控制机械储能装置、可调通风装置工作。
优选的，所述可调通风装置包括通风电机、传动轮系、轴流风机和通风管道，所述通风电机通过转动轮系与轴流风机连接，所述轴流风机位于通风管道的进风口，所述通风管道中设置有多组相变单元。
优选的，所述相变单元交叉均布于通风管道中，相变单元由圆柱形不锈钢容器和内置相变材料组成，所述相变材料的相变温度为-℃之间，所述相变材料为相变石蜡、聚乙二醇、癸酸、十二水氯化钙中的一种。
优选的，所述传动轮系包括依次啮合的第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，所述通风电机的输出轴套设有第二单向轴承，第二单向轴承的外圈与第三齿轮固定连接，所述第二齿轮固定连接有第三转轴，所述第三转轴与轴流风机连接，所述第一齿轮的中部设置有第一单向齿轮，所述第一单向齿轮的内圈固定连接有第二转轴，所述第二转轴连接有增速机。
优选的，所述轴流风机与第三转轴之间设置有无级调速箱，所述第三转轴与无级调速箱固定连接，所述轴流风机与无级调速箱的输出轴固定连接。
优选的，所述机械储能装置包括低减速电机和数个涡簧储能单元，所述涡簧储能单元用于储存低减速电机输出的能量。
优选的，所述低减速电机的输出轴连接有第一锥齿轮，所述涡簧储能单元包括涡簧储能箱，所述涡簧储能箱包括外壳、中心轴和数个涡簧组，所述涡簧组的外环与外壳固定连接，内环与中心轴固定连接，所述中心轴连接有第二锥形齿轮，所述第二锥形齿轮与第一锥齿轮啮合。
优选的，所述涡簧储能单元还包括第一电磁离合器、第二电磁离合器、动态扭矩传感器、失电制动器和制动器支架，所述低减速电机的输出轴与第一电磁离合器一端固定连接，第一电磁离合器的另一端固定连接有第一转轴，所述第一转轴与第一锥齿轮固定连接，所述第二锥齿轮固定连接有第一齿轮轴，所述第一齿轮轴与第二电磁离合器的一端固定连接，电磁离合器另一端与中心轴一端固定，中心轴的另一端与动态扭矩传感器的一端固定连接，所述动态扭矩传感器的另一端与失电制动器轴孔固定连接，所述失电制动器固定于制动器支架上。
优选的，所述第一转轴转动连接有轴承架，所述第一转轴固定连接有棘轮，所述轴承架上设置有定轴和限位档杆，所述定轴上转动连接有棘爪，所述棘爪与棘轮配合。
优选的，所述控温系统包括系统控制单元，所述系统控制单元连接有动态扭矩传感器和温度传感器，所述温度传感器用于监测环境温度并将信号发送至系统控制单元，所述动态扭矩传感器用于监测涡簧储能单元产生的扭矩并将扭矩信息发送至系统控制单元，系统控制单元根据扭矩信息计算涡簧储能单元的剩余能量；当系统正常供电时，系统控制单元控制电机驱动风机运转通风，并根据温度信号控制风机的转速，同时根据扭矩信息判断是否需要控制低减速电机对涡簧储能单元蓄能；当系统供电异常时，系统控制单元控制数个涡簧储能单元依次释放能量驱动风机通风，同时根据温度信号控制风机的转速。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明将机械储能和相变热集成一体化，通过利用机械能的储存强化相变技术控温特性，从而起到在应急避险无源状况下对环境的控温作用。
2.本发明采用模块化涡簧储能单元，系统可拓展性较好，可以提高系统稳定性和实现长时间控温效果。
3.本发明所涉及风机具有两套供能系统，在正常条件和应急无源情况下均可工作，无需额外空间单独存放应急设备。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明系统结构布置示意图；
图2是本发明涡簧储能单元示意图；
图3是本发明涡簧箱内部结构示意图；
图4是本发明棘轮棘爪安装示意图；
图5是本发明可调风机装置示意图；
图6是本发明系统控制单元示意图；
图7是本发明系统工作流程示意图。
其中，1-底板，2-低减速电机，3-第一离合器支架，4-第二锥齿轮，5-第二离合器支架，6-第二电磁离合器，7-涡簧储能箱，8-动态扭矩传感器，9-失电制动器，10-制动器支架，11-第一轴承，12-棘轮，13-增速机，14-第一齿轮，15-第二转轴，16-第二轴承，17-第三转轴，18-第四轴承，19-轴流风机，20-通风管道，21-相变单元，22-无级调速箱，23-第二齿轮，24-第五轴承，25-第四转轴，26-第二侧板，27-第三齿轮，28-第三轴承，29-第一侧板，30-通风电机，31-棘爪，32-轴承架，33-第一转轴，34-第一锥齿轮，35-第一电磁离合器，36-支撑架，37-中心轴，38-第一齿轮轴，39-涡簧组，40-外壳，41-定轴，42-限位档杆，43-第一单向齿轮，44-输入轴，45-输出轴，46-第二单向轴承，47-温度传感器，48-系统控制单元，49-独立电源，50-外部电网。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合图1-7对本发明作详细说明。
一种机械储能式应急无源相变控温系统，包括机械储能装置、可调通风装置和控温系统。
如图1和2所示，所述机械储能装置设有低减速电机2、涡簧储能单元、电磁离合器、锥齿轮、和棘轮棘爪，低减速电机2通过螺栓固定于底板1上，其输出轴与第一电磁离合器35一孔固定连接，第一电磁离合器35通过螺栓固定于离合器支架3上，第一电磁离合器35另一孔与第一转轴33一端固定连接，第一转轴33通过键与第一锥齿轮34固定连接，第一锥齿轮34与第二锥齿轮4垂直啮合，第二锥齿轮4与第一齿轮轴38一端过盈配合，第一齿轮轴38另一端与第二电磁离合器6一孔固定连接，第二电磁离合器6通过螺栓固定于第二离合器支架5，第二电磁离合器6另一孔与涡簧储能箱7中心轴37一端固定连接。涡簧储能箱7中心轴37另一端与动态扭矩传感器8一端通过联轴器固定连接，动态扭矩传感器8另一端与失电制动器9轴孔固定连接，失电制动器9通过螺栓固定于制动器支架10。
所述第一离合器支架3、第二离合器支架5、制动器支架10均通过螺栓固定于底板1上。
所述第二锥齿轮4、第一齿轮轴38、第二电磁离合器6、第二离合器支架5、涡簧储能箱7、动态扭矩传感器8、失电制动器9、制动器支架10构成涡簧储能单元，涡簧储能单元成组设置，对称阵列均布于第一转轴33两侧，通过第二锥齿轮4与固定连接于第一转轴33上的对应第一锥齿轮34啮合。
所述涡簧储能箱7内设有涡簧组39，涡簧组39外环与涡簧箱外壳40固定连接，内环与涡簧储能箱7的中心轴37固定连接，涡簧箱外壳40设有支撑架36，支撑架36底部通过螺栓固定于底板1上。
所述第一转轴33与第一轴承11内圈过盈配合，第一轴承11外圈与第一轴承架32中部的轴孔过盈配合，第一轴承架32通过螺栓固定于底板1上，第一轴承架32上端设有定轴41和限位档杆42。定轴41与棘爪31孔间隙配合，与棘爪31配套的棘轮12固定连接于第一转轴33。第一转轴33另一端通过联轴器与增速机13的轴一端固定连接。
所述可调通风装置包括增速机13、通风电机30、传动轮系、无级调速箱22、轴流风机19和设有相变单元21的通风管道20。所述增速机13固定于第一侧板29外右侧，增速机13轴另一端穿过第一侧板29外右侧通孔通过联轴器与第一转轴15一端固定连接，第一转轴15另一端通过第二轴承16与第二侧板26右侧通孔连接，第一转轴15中部与第一单向轴承43内圈通过键固定连接，第一单向轴承43外圈与第一齿轮14通过键固定连接，第一齿轮14与第二齿轮23啮合，第二齿轮23通过键固定连接于第二转轴17中部，所述通风电机30固定于第一侧板外左侧，通风电机30轴穿过第一侧板29左侧通孔通过联轴器与第四转轴25一端固定连接，第四转轴25另一端通过第五轴承24与第二侧板26左侧通孔连接。第四转轴25中部与第二单向轴承46内圈通过键固定连接，第二单向轴承46外圈与第三齿轮27通过键固定连接，第三齿轮27与第二齿轮23啮合。
所述第一侧板29与第二侧板26均通过螺栓固定在底板1上。
所述第二转轴17一端通过第三轴承28与第一侧板29中间通孔连接，第二转轴17输出端内侧通过第四轴承18与第二侧板26中间通孔连接。第二转轴17输出端与无级调速箱22输入轴44通过联轴器固定连接，无级调速箱22输出轴45与轴流风机19固定连接，轴流风机19位于通风管道20入口，通风管道20内部设有多组相变单元21。
所述相变单元21交叉均布于轴流风机20前部，相变单元由圆柱形不锈钢容器和内置相变材料组成。本实施例中，相变材料的相变温度为25-35℃之间，可以是相变石蜡、聚乙二醇、癸酸、十二水氯化钙中的一种或多种。
所述控温系统包括系统控制单元48，系统控制单元48与动态扭矩传感器8、温度传感器47连接，系统控制单元48自动控制低减速电机2、第一电磁离合器35、第二电磁离合器6、失电制动器9、通风电机30和无级调速箱22的运行。
所述系统控制单元48内设有独立电源49供电。
所述低减速电机2、通风电机30、独立电源49与外部电网50连接。
本发明的工作过程和工作原理：
在外部供电正常时，系统控制单元48通过温度传感器47监测环境温度，系统控制单元48控制通风电机30工作，带动第四转轴25顺时针旋转，第二单向轴承46内外环锁紧，带动第三齿轮27顺时针旋转，与第三齿轮27啮合的第二齿轮23带动第二转轴17逆时针旋转。此时，与第二齿轮23啮合的第一齿轮14顺时针旋转，第一单向轴承43内外环自由转动，不对第一转轴15传递扭矩。第二转轴17通过无级调速箱22将动力传至轴流风机19，轴流风机19工作，保持环境温度低于相变材料21的熔点，相变材料21保持固态，不改变系统降温效果。
同时，系统控制单元48通过动态扭矩传感器8定时监测各组涡簧储能箱7的状态。在储能状态时，系统控制单元48控制第二电磁离合器6断开，失电制动器9制动，第一电磁离合器35断开。在蓄能状态时，系统控制单元48控制第二电磁离合器6闭合，失电制动器9松开，将涡簧储能箱7连接至第一转轴33，并控制第一电磁离合器35闭合，低减速电机2开始工作，带动第一转轴33逆时针旋转，与第一转轴33固定连接的第一锥齿轮34逆时针旋转，带动第二锥齿轮4顺时针旋转，齿轮轴38通过第二电磁离合器6带动涡簧储能箱7中心轴37顺时针旋转，涡簧39收紧，储存能量。蓄能完毕后，系统控制单元48恢复储能状态。在蓄能状态时，第一转轴33逆时针旋转，通过增速机13带动第一转轴15逆时针旋转，第一单向轴承43内外环自由转动，不对第一齿轮14传递扭矩，与第一转轴33固定连接的棘轮12在棘爪31限制下防止第一转轴33反转导致涡簧箱7释能。
发生紧急情况断电时，避难人员进入地下空间避难，此时通风电机30停止工作，环境温度上升。避难人员扳开棘爪31，使第一转轴33不受棘轮12限制，系统进入释能状态。在释能状态时，系统控制单元48控制机械储能单元的第二电磁离合器6闭合，失电制动器9松开，将涡簧储能箱7连接至第一转轴33。在涡簧39驱动下涡簧储能箱7中心轴37逆时针旋转，通过第二电磁离合器6与齿轮轴38带动第二锥齿轮4逆时针旋转，与第二锥齿轮5啮合的第一锥齿轮34带动第一转轴33顺时针旋转，并通过增速机13带动第一转轴15顺时针旋转，第一单向轴承43内外环锁紧，带动第一齿轮14顺时针旋转。与第一齿轮14啮合的第二齿轮23带动第二转轴17逆时针旋转。此时，与第二齿轮23啮合的第三齿轮27顺时针旋转，第二单向轴承46内外环自由转动，不对第四转轴25传递扭矩。第二转轴17通过无级调速箱22将动力传至轴流风机19，轴流风机19工作。当第一组涡簧储能单元释能结束后，系统控制单元48控制该组的第二电磁离合器6断开，将涡簧储能箱7与第一转轴33脱离，并依次控制各组涡簧储能单元进入释能状态。
为了延长系统工作时间，系统控制单元48根据环境温度调节无级调速箱22，控制轴流风机19转速，将温度控制在35度内。当环境温度逐渐高于相变材料的熔点时，相变材料逐渐熔化并吸收热量，以强化系统降温能力。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
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