Дыхательный аппарат на химически связанном кислороде

 

Изобретение относится к изолирующим средствам защиты органов дыхания на основе химически связанного кислорода. Цель: увеличение времени защитного действия аппарата при его эксплуатации в условиях разбалансировки подачи кислорода из генератора кислорода и его потребления на дыхание. Аппарат содержит лицевую часть 1, поглотитель двуокиси углерода 2, генератор кислорода 3, дыхательный мешок 4, буферную емкость 5 и поглотитель кислорода 33. Дыхательный мешок разделен эластичной перегородкой 8 с перепускным клапаном 9 на основную 10 и резервную 11 части. В буферной емкости размещено регулирующее устройство. В основной части дыхательного мешка размещен натяжной элемент 23, взаимодействующий с клапаном 30 натяжного действия. Последний связан с генератором 3 и поглотителем кислорода 33. Поглотитель двуокиси углерода связан с основной, а поглотитель кислорода - с резервной частью дыхательного мешка. Аппарат работает по маятниковой схеме дыхания. Поступление кислорода в дыхательный контур из генератора задается регулирующим устройством в соответствии с потреблением кислорода на дыхание. При разбалансировке подачи и потребления кислорода избыток кислорода резервируется в поглотителе кислорода 33. После окончания подачи кислорода генератором в дыхательный контур аппарата поступает зарезервированный кислород из поглотителя кислорода. Выдыхаемая потребителем двуокись углерода связывается химически поглотителем 2 двуокиси углерода. 1 ил.

Изобретение относится к средствам защиты органов дыхания и может быть использовано в производстве изолирующих дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде.

Известен дыхательный аппарат, состоящий из лицевой части, поглотителя двуокиси углерода, дыхательного мешка, сообщенного через калиброванное отверстие с буферной емкостью, одна из стенок которой выполнена жесткой, регулятора в виде двухпозиционной заслонки, закрепленного в буферной емкости на жесткой стенке, и генератора кислорода с основным и дополнительным выходами, расположенными на противоположных торцах генератора и сообщенными с буферной емкостью через два взаимодействующих с заслонкой сопла.

Недостатком известного устройства является несоответствие потребления кислорода и подачи его из генератора при использовании известного аппарата при малых нагрузках (легочная вентиляция 10-15 л/мин, минутное потребление кислорода 0,7-1,0 л). В этом случае минимальная возможная производительность генератора кислорода (1,2-1,5 л/мин) в 1,5-2 раза превышает фактическую в нем потребность. Снижение кислородопроизводительности генератора кислорода ниже указанного минимального уровня связано с целым рядом технических трудностей и прежде всего с практической невозможностью обеспечить устойчивое горение источника кислорода малого (менее 20 мм в диаметре) поперечного сечения, с которым напрямую связана кислородопроизводительность последнего. В известном аппарате при его эксплуатации при малой нагрузке, наряду с постепенным закислороживанием дыхательной атмосферы, имеет место стравливание кислорода, поступающего в избытке в дыхательный контур через клапан избыточного давления в окружающую атмосферу. Это нежелательно по двум причинам. Во-первых, нерационально используется часть имеющегося в химическом генераторе запаса кислорода. Во-вторых, затрудняется, если вообще не исключается, эксплуатация известного аппарата в пожароопасной атмосфере, так как стравливаемый из аппарата кислород создает вокруг аппарата атмосферу с повышенным (по сравнению с другими участками зоны пожара, особенно при пожаре в замкнутом или полузамкнутом пространстве) содержанием газа, хорошо поддерживающего горение.

Целью изобретения является увеличение времени защитного действия аппарата при его эксплуатации в условиях разбалансировки подачи кислорода из генератора кислорода и его потребления на дыхание.

Это достигается тем, что дыхательный аппарат, содержащий лицевую часть, поглотитель двуокиси углерода, дыхательный мешок, сообщенную с дыхательным мешком через калиброванное отверстие буферную емкость, одна из стенок которой выполнена жесткой, регулятор в виде двухпозиционной заслонки, закрепленный в буферной емкости на жесткой стенке, и генератор кислорода с основным и дополнительным выходами, расположенными на противоположных торцах генератора и сообщенными с буферной емкостью через два взаимодействующих с заслонкой сопла, дополнительно содержит поглотитель кислорода, а дыхательный мешок разделен снабженной перепускным клапаном эластичной перегородкой на основную и резервную части. Поглотитель кислорода соединен патрубками с дополнительным выходом генератора кислорода через клапан натяжного действия, связанный с размещенным в основной части дыхательного мешка натяжным элементом, и с резервной частью дыхательного мешка, снабженной клапаном избыточного давления. Поглотитель двухокиси углерода соединен с основной частью дыхательного мешка.

Целью изобретения является увеличение времени защитного действия при эксплуатации аппарата в условиях разбалансировки подачи кислорода и его потребления на дыхание.

На чертеже показан предлагаемый аппарат.

Дыхательный аппарат состоит из лицевой части 1, поглотителя 2 двуокиси углерода, генеpатора 3 кислорода, дыхательного мешка 4 и буферной емкости 5. Лицевая часть 1 связана с поглотителем 2 патрубком 6, а поглотитель 2, в свою очередь - с дыхательным мешком 4 патрубком 7. Дыхательный мешок 4 разделен эластичной перегородкой 6, снабженной перепускным клапаном 9, на основную 10 и резервную 11 части, причем поглотитель 2 патрубком 7 сообщается с основной частью 10 дыхательного мешка 4. Основная часть 10 дыхательного мешка 4 снабжена клапаном 12 избыточного давления, а резервная часть 11 - клапаном 13 избыточного давления.

Основная часть 10 дыхательного мешка 4 и буферная емкость 5 соединены патрубком 14 ограниченного сечения. Внутри буферной емкости 5 размещено регулирующее устройство, состоящее из двухпозиционной заслонки 15 и пружин 16 и 17. Пружины 16 и 17 обеспечивают при своем сжатии (растяжении) вращение заслонки 15 вокруг оси, закрепленной на жесткой стенке 18 буферной емкости 5, и перекрытие пластинками 19 и 20 сопл 21 и 22, связанных соответственно с основным 23 и дополнительным 24 выходами генератора 3 с помощью патрубков 25 и 26.

Конструкция регулирующего устройства буферной емкости 5 обеспечивает одновременное перекрытие только одного из сопл 21, 22, что дает возможность подавать постоянно в буферную емкость 5 кислород из генератора 3 либо через основной 23, либо через дополнительный 24 его выходы. Одна из стенок 27 дыхательного мешка 4 выполнена жесткой. Внутри основной части 10 мешка 4 размещен натяжной элемент 28, один из концов которого закреплен на нежесткой стенке 29 дыхательного мешка 4, а второй связан через герметизируемое за счет уплотнения отверстие в жесткой стенке 27 (не показано) с установленным на ней клапаном 30 натяжного действия. Клапан 30 связан патрубком 31 с патрубком 26 вблизи соединения последнего с соплом 22, например, в точке 32. Уплотнение отверстия в жесткой стенке 27 мешка 4 исключает возможность утечки газа из основной части 10 дыхательного мешка 4 через это отверстие во внутреннюю полость клапана 30. Стравливание газа из основной части 10 дыхательного мешка 4 возможно только через клапан 12. Давление срабатывания клапанов 12 и 30 подбирается таким образом, чтобы открытие клапана 30 всегда предшествовало открытию клапана 12, т.е. стравливание избытка кислорода из генератора кислорода 3 по патрубку 31 через клапан 30 должно происходить еще до того, как этот избыток попадет в дыхательный контур аппарата, и только в том случае, когда в дыхательном контуре все-таки возрастает по той или иной причине давление газа, последний во избежание нанесения баротравмы потребителю, стравливается из дыхательного контура через расположенный в основной части 10 дыхательного мешка 4 клапан 12. Например, если клапан 12 срабатывает при избыточном давлении 50 мм вод.ст., то клапан 30 должен срабатывать при несколько меньшем давлении, например 30 мм вод.ст.

При правильно подобранном давлении срабатывания клапана 30 в основной части 10 дыхательного мешка 4 практически никогда не возрастает давление до величины, соответствующей открытию клапана 12. И только в том не характерном для нормальной эксплуатации аппарата случае, при котором может произойти либо закупорка патрубка 31, либо обрыв связи клапана 30 с натяжным элементом 28 и т.п., давление в основной части 10 дыхательного мешка 4 может возрасти до критической величины и привести к срабатыванию клапана 12.

Выполнение одной из стенок дыхательного мешка 4 жесткой (в данном примере - стенки 27) необходимо с одной стороны для обеспечения нормальной работы натяжного элемента 28 (при этом с возрастанием давления в основной части 10 мешка 4 натяжной элемент 28 должен растягиваться и обеспечивать открытие клапана 30, и наоборот) и с другой стороны для обеспечения возможности монтажа на жесткой стенке 27 клапана 30 и соединения его через герметизируемое отверстие в жесткой стенке 27 с натяжным элементом 28.

Предлагаемый дыхательный аппарат, кроме рассмотренных выше элементов конструкции, включает также поглотитель 33 кислорода, соединенный патрубком 34 с клапаном 30 и патрубком 35 с резервной частью 11 дыхательного мешка 4. Поглотитель 33 кислорода снабжен входным 36 и выходным 37 штуцерами, выполнен в виде полого цилиндра, внутренний диаметр которого несколько превышает внешний диаметр генератора 3, что позволяет при необходимости разместить генератор 3 полностью или частично (наиболее горячую его часть) внутри поглотителя кислорода 33, например, при необходимости прогрева поглотителя 33 и обеспечения десорбции из него предварительно сорбированного кислорода. На чертеже расположение генератора 3 внутри поглотителя кислорода 33 показано пунктиром. Патрубок 35 сообщается с резервной частью 11 дыхательного мешка 4 через штуцер 38, расположенный на жесткой стенке 27 дыхательного мешка 4.

Давление открытия клапана 13 и перепускного клапана 9 примерно равны. Это дает возможность при эксплуатации аппарата обеспечить требуемое направление движения газа через резервную часть 11 мешка 4. Так, например, когда в основной части 10 мешка 4 давление выше давления окружающей среды, то за счет этого перепускной клапан 9 закрыт и не может открыться раньше, чем это сделает клапан 13, испытывающий меньшее противодействие со стороны окружающей среды, чем клапан 9 со стороны внутреннего давления основной части 10 мешка 4. Это приводит к тому, что, если в резервной части 11 за счет поступления в нее кислорода (если таковое имеет место) давление постепенно возрастает, то рано или поздно оно достигает уровня, достаточного для открытия клапана 13, через который часть кислорода стравливается в атмосферу. Напротив, если в основной части 10 мешка 4 давление меньше атмосферного (такое может произойти после окончания подачи кислорода в дыхательный контур из генератора кислорода 3 и постепенного обжатия основной части 10 мешка 4 за счет расходования кислорода на дыхание потребителя), то перепускной клапан 9, испытывающий со стороны основной части 10 мешка 4 меньшее противодействие, чем клапан 13 со стороны внешней атмосферы, откроется раньше, чем это сможет сделать клапан 13, и клапан 9 обеспечит тем самым перепускание кислорода из резервной 11 в основную 10 часть мешка 4. Это произойдет в том случае, если в резервную часть 11 поступает кислород по патрубку 35 из поглотителя 33.

Наличие в дыхательном мешке эластичной перегородки 8 обеспечивает возможность варьировать в некоторых пределах объем основной 10 и резервной 11 частей мешка 4, при этом общий объем мешка 4 практически постоянен. Такое варьирование объемом резервной и основной частей дыхательного мешка позволяет с одной стороны уменьшить до минимума выброс кислорода из резервной части 11 через клапан 13 в атмосферу, что нежелательно по приведенным выше причинам, а с другой стороны исключить увеличение габаритных размеров дыхательного мешка 4 и, следовательно, габаритных размеров аппарата в целом. Так как наполнение обеих частей 10 и 11 мешка 4 взаимосвязано, то на практике имеет место либо одна из крайних ситуаций, либо какая-то промежуточная между крайними ситуация.

В одной крайней ситуации имеет место хорошее наполнение основной части 10 мешка 4 кислородом, поступающим из генератора кислорода 3 в необходимом количестве, но не в избытке. Клапан 30 при этом закрыт, резервный кислород не поступает ни в поглотитель кислорода 33, ни в резервную часть 11 мешка 4. Эластичная перегородка 8 прогнута в сторону резервной части 11 мешка 4 и объем основной части 10 приближается к общему объему мешка 4. Это обеспечивает нормальное дыхание потребителя, а резервная часть 11 мешка 4 вообще как бы отсутствует.

В другой крайней ситуации имеет место слабое наполнение основной части 10 мешка 4, так как поступление кислорода в нее из генератора 3 прекращено. Но за счет реализации процесса десорбции предварительно сорбированного кислорода из поглотителя 33 кислород поступает в резервную часть 11 мешка 4, повышает в ней давление, эластичная перегородка прогибается в сторону основной части 10 мешка 4, а кислород перепускается через клапан 9 из резервной 11 в основную 10 часть мешка 4. За счет открытого состояния клапана 9 обе части мешка 4 сообщаются одна с другой, образуя единый объем, достаточный для нормального дыхания потребителя. При промежуточной ситуации, когда клапан 30 периодически открывается, поступающий через него в поглотитель 33 кислород сорбируется, а несорбированная его часть поступает в резервную 11 часть мешка 4 и там накапливается. В мешке 4 имеется эластичная перегородка 8 с перепускным клапаном 9, что дает возможность кислороду, переполняющему резервную часть 11, попытаться удержаться в пределах аппарата как за счет прогиба перегородки 8 в сторону основной части 10 мешка 4, так и за счет перепуска кислорода через клапан 9 в основную часть 10 мешка 4. И только в том случае, если такая попытка не удается, кислород все же стравливается из резервной части 11 мешка 4 через клапан избыточного давления 13 в атмосферу.

Предлагаемый аппарат может работать в условиях средней, среднетяжелой или тяжелой нагрузки (легочная вентиляция 30-60 л/мин), когда кислородопроизводительность генератора 3 приводится в соответствие с фактически потребляемым количеством кислорода.

В том случае, когда потребление кислорода незначительно (легочная вентиляция 10-15 л/мин, потребление кислорода 0,7-1,0 л/мин) и оно не может быть приведено в соответствие с кислородопроизводительностью генератора кислорода (последняя превышает потребление), часть кислорода необходимо зарезервировать, исключив тем самым ее попадание в дыхательный контур. Резервированию подлежит только избыточная часть генерируемого кислорода. Другая его часть, соответствующая потреблению на дыхание, должна по-прежнему поступать в дыхательный контур обычным, характерным для известного аппарата путем.

В исходном состоянии элементы конструкции предлагаемого аппарата, обеспечивающие возможность отвода части генерируемого кислорода на резервирование, занимают такое положение, при котором клапан 30 закрыт, натяжной элемент 28 сжат. Условием для начала отвода кислорода из генератора 3 является такое повышение давления в основной части 10, которое характерно для разбалансировки процесса "подача кислорода - потребление кислорода" в сторону превышения подачей потребления с соответствующим постепенным накоплением нерасходуемого избытка кислорода в дыхательном контуре (основной части 10 мешка 4). Повышение давления в основной части 10 мешка 4 приводит к изменению положения натяжного элемента 28 (он растягивается до некоторого предела, после чего оказывает однонаправленное воздействие на клапан 30 и открывает его). После открытия клапана 30 кислород, поступающий через дополнительный выход 24 генератора 3 по патрубку 26 в сторону сопла 22, в точке 32 имеет возможность далее поступать либо как обычно через сопло 22 в буферную емкость 5 и далее в дыхательную контур аппарата, либо по патрубку 31 на вход клапана 30 и далее в поглотитель 33 по патрубку 34. Так как конструктивно можно всегда обеспечить требуемое сопротивление сопла 22 и сделать его большим по сравнению с сопротивлением участка резервирования кислорода (он включает патрубки 31, 34, 35, клапан 30, поглотитель 33 и заканчивается резервной частью 11 мешка 4), то кислород от точки 32 преимущественно будет поступать на участок резервирования кислорода, вплоть до закрытия клапана 30.

Кислород, поступающий в поглотитель 30, сорбируется в нем и чем ниже температура поглотителя в этот момент, тем эффективнее будет проходить в нем связывание кислорода. Несорбированная часть кислорода поступает из поглотителя 33 по патрубку 35 в резервную часть 11 мешка 4 и накапливается там. Так как при работе аппарата в условиях небольшой легочной вентиляции (10-15 л/мин) кислород поступает из генератора 3 через дополнительный выход 24 с минимальной объемной скоростью (1,2-1,5 л/мин), при этом часть кислорода расходуется на дыхание потребителя (0,7-1,0 л/мин), то на резервирование поступает также ограниченное количество кислорода (0,2-0,8 л/мин). Такая скорость подачи резервируемого кислорода в поглотитель 33, а также развитая поверхность сорбента кислорода (в качестве последнего могут использоваться некоторые соли кобальта, например, хелаты - металлоорганические соединения) способствуют хорошей сорбции кислорода. Теоретически одна из таких солей - салкомин - может адсорбировать 4,92 мас.% кислорода. Даже приняв величину адсорбции 4,2 мас.% кислорода, каждый 1 кг сорбента может сорбировать до 30 л кислорода.

П р и м е р. Допустим, что генератор 3, работая с минимальной кислородопроизводительностью 1,3 л/мин, выделяет кислород в течение 40 мин. При потреблении кислорода на дыхание 0,8 л/мин на резервирование поступает 0,5 л/мин или за 40 мин - 20 л. Принимаем массу сорбента кислорода 0,5 кг, т.е. сорбентом может быть поглощено до 15 л кислорода (при емкости 30 л О₂/1 кг сорбента) из 20 л, подлежащих резервированию. Часть несорбированного кислорода, например 3 л, поступает в резервную часть 11 мешка 4 и сохраняется в ней, а остальные 2 л через клапан 13 стравливаются в атмосферу. Таким образом, зарезервировано для последующего использования 18 л кислорода. При той же легочной вентиляции и расходе кислорода на дыхание на уровне 0,8 л/мин такого запаса кислорода может хватить еще на 20 мин (с учетом неполноты десорбции части сорбированного кислорода), т.е. время защитного действия предлагаемого аппарата в рассмотренном примере может быть увеличено в 1,5 раза (40 мин + 20 мин). Так как основные узлы предлагаемого аппарата, ответственные за регенерацию дыхательной атмосферы - поглотитель двуокиси углерода 2 и генератор кислорода 3 - сбалансированы друг с другом (запас общего выделяемого кислорода из генератора 3 соответствует сорбционной емкости по двуокиси углерода поглотителя 2 применительно к физиологии дыхания человека), то сорбционной емкости поглотителя двуокиси углерода 2 вполне достаточно для обеспечения связывания двуокиси углерода, выделяемой потребителем при дыхании в период пользования резервного кислорода, т.е. после прекращения выделения кислорода генератором 3. Для обеспечения эффективного прогрева поглотителя 33 с целью реализации процесса десорбции из него кислорода после окончания работы генератора 3 он помещается в поглотитель 33 и собственным теплом прогревает последний. Скорость десорбции зависит от ряда факторов, но прежде всего от температуры, поэтому ее можно в некоторой степени регулировать за счет варьирования как времени нахождения генератора кислорода 3 внутри поглотителя кислорода 33, так и размещения в поглотителе кислорода преимущественно той или иной части генератора 3 (либо более горячей, либо менее). Так или иначе, но желательно исключить стравливание резервного кислорода из дыхательного контура через клапаны 12 и 13, что может иметь место при чрезмерно высокой десорбции кислорода из поглотителя кислорода 33, связанной с интенсивностью прогрева последнего генератором кислорода 3.

Таким образом, в предлагаемом аппарате обеспечивается резервирование, а также последующее использование на дыхание избыточного кислорода, поступающего в аппарат в условиях его эксплуатации, характеризующихся разбалансировкой подачи кислорода из генератора кислорода и его потребления на дыхание. Это дает возможность значительно увеличить время защитного действия аппарата при его эксплуатации в указанных условиях.

Формула изобретения

ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ НА ХИМИЧЕСКИ СВЯЗАННОМ КИСЛОРОДЕ, содержащий лицевую часть, поглотитель двуокиси углерода, дыхательный мешок, сообщенную с дыхательным мешком через калиброванное отверстие буферную емкость, одна из стенок которой выполнена жесткой, регулятор в виде двухпозиционной заслонки, закрепленный в буферной емкости на жесткой стенке, и генератор кислорода с основным и дополнительным выходами, расположенными на противоположных торцах генератора и сообщенными с буферной емкостью через два взаимодействующих с заслонкой сопла, отличающийся тем, что, с целью увеличения времени защитного действия при эксплуатации аппарата в условиях разбалансировки подачи кислорода из генератора кислорода и его потребления на дыхание, он снабжен поглотителем кислорода, дыхательный мешок разделен на основную и резервную части установленной в нем эластичной перегородкой с перепускным клапаном, при этом поглотитель кислорода соединен патрубком с дополнительным выходом генератора кислорода через клапан натяжного действия, связанный с размещенным в основной части дыхательного мешка натяжным элементом, и с резервной частью дыхательного мешка, снабженной клапаном избыточного давления, причем поглотитель двуокиси углерода соединен с основной частью дыхательного мешка.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 11.06.2007

Извещение опубликовано: 27.01.2009        БИ: 03/2009

---