ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
PERSONAL BREATHING APPARATUS

Изобретение относится к области спасательной техники, а именно к средствам индивидуальной защиты органов дыхания, использующим химические продукты.
Основная проблема индивидуальных дыхательных аппаратов (респираторов) состоит в требовании минимальной массы (менее 8 кг) и большого времени защитного действия (более 4 часов). Требование минимальной массы дыхательного аппарата может быть не столь жесткое в отношении самоспасателей с малым временем работы (15-30 мин), приобретает особое значение и актуальность в отношении индивидуальных средств защиты с большим временем защитного действия (4-6 часов) в условиях тяжелой работы человека (респираторы для горноспасателей).
В настоящее время для защиты органов дыхания в зараженной атмосфере угольных шахт применяются аппараты изолирующего типа. Основная причина большой массы аппаратов изолирующего типа состоит в необходимости применения расходуемого регенеративного продукта. Время защитного действия такого аппарата прямо пропорционально массе регенеративного продукта.
Вопросы дыхания в горноспасательном деле на сегодня решают в стране респиратор P-30 и респиратор PX-90.
Известен регенеративный респиратор P-30 для горноспасателей (Диденко Н.С., Регенеративные респираторы для горноспасательных работ. М.: «Недра», 1984 г., с.156, Респиратор P-30). Респиратор включает патрон с поглотителем углекислого газа на основе гидроокиси кальция (продукт ХПИ). баллон с кислородом, дыхательный мешок и маску с клапанами вдоха и выдоха. Поглотитель работает по механизму хемосорбции в твердой фазе. Основным достоинством этого дыхательного аппарата является относительная простота его схемы.
Однако респиратор имеет большую массу (11,5 кг), связанную с большой массой и объемом расходуемых продуктов. Другие недостатки этих аппаратов - сложная в изготовлении и настройке кислородподающая система, включающая большое число узлов и деталей, а также обязательное наличие компрессорного оборудования для заполнения баллонов сжатым кислородом, в том числе для компенсации утечек кислорода при хранении.
Известен регенеративный респиратор PX-90 на химически связанном кислороде (патент РФ №2119366 МПК A62B 7/08, 1997 г.). Этот аппарат содержит маску с фильтром, дыхательный мешок, патрон с регенеративным продуктом на основе надпероксида калия и патрубок, соединяющий маску с патроном.
К недостаткам этого аппарата (12 кг) относятся также относительно большая масса (6,3 кг на 4 часа работы) и большой объем переснаряжаемой части аппарата. Требуется наличие пускового брикета для запуска аппарата в работу. Кроме того, в респираторе PX-90 непосредственно регулировать потребление кислорода невозможно. Выход кислорода и коэффициент дыхания запрограммированы составом хемосорбента. Респиратор PX-90 не допускает перерывов в работе.
Этот изолирующий дыхательный аппарат наиболее близок по технической сущности к предлагаемому и потому выбран в качестве прототипа.
Задачей изобретения является увеличение времени защитного действия аппарата и/или снижение общей массы расходуемого регенеративного продукта в дыхательном аппарате.
Задача решается применением дыхательного аппарата, содержащего патрон с регенеративным продуктом, отличающегося тем, что он дополнительно содержит фильтрующий патрон с катализатором глубокого окисления вредных газовых примесей и устройство автоматического управления работой аппарата.
На практике не всегда степень заражения воздуха требует полной изоляции от среды. Допустимо, по крайней мере, для части воздуха производить его очистку фильтрацией. В качестве горючих вредных примесей окружающая среда после пожара в угольных шахтах и карьерах содержит окись углерода, не полностью окисленные соединения азота, серы, метан и соединения органического происхождения. Не всегда, но часто зараженный воздух может быть очищен пропусканием его через каталитический фильтр для глубокого доокисления с последующим поглощением газовых окислов регенеративным продуктом щелочного характера (например, надпероксидом калия или натрия). Основное достоинство каталитического фильтра состоит в том, что он не содержит расходуемой массы продукта и таким образом его работа не связана напрямую со временем защитного действия. В качестве основы каталитического фильтра, как правило, используются окислы палладия или платины.
Человек (горноспасатель), сознательно вступающий в опасную зону, всегда имеет некоторое определенное (если не самое точное) представление о состоянии атмосферы зоны (степени ее зараженности). В соответствии с этим представлением он, таким образом, заранее комплектует свой аппарат из соответствующих блоков.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый дыхательный аппарат в зависимости от степени загрязненности атмосферы работает в режиме фильтрации, режиме изоляции или в смешанном режиме (первый отличительный признак), естественно, что смена режимов работы аппарата по необходимости происходит автоматически (второй отличительный признак). В совокупности перечисленных выше отличительных признаков выражается сущность изобретения.
Использование такого аппарата позволяет значительно увеличить его время защитного действия или при необходимости уменьшить массу используемого регенеративного продукта и, как следствие, массу всего аппарата.
На практике становится крайне важным иметь объем предварительной информации и последующий мониторинг состояния атмосферы опасной зоны, так как приходится осуществлять индивидуальную сборку гибридного респиратора для конкретной ситуации. Аналогично тому, как наложенная смазка лыж аккумулирует информацию о погоде и качестве снега, так индивидуальная сборка гибридного респиратора перед входом должна аккумулировать имеющуюся информацию о состоянии атмосферы опасной зоны. В результате мы оптимизируем работу изделия в отношении времени защитного действия.
Общая схема дыхательного аппарата показана на чертеже (фиг.1).
Аппарат включает изолирующую и фильтрующую части. Изолирующая часть аппарата содержит патрон 1 с регенеративным продуктом и дыхательный мешок 2. Фильтрующая часть аппарата содержит патрон 3 с катализатором 4 и регенеративным продуктом 5, а также регулятор 6 сброса выдыхаемого воздуха. В процессе работы величина сброса выдоха автоматически регулируется устройством управления работой аппарата. Лицевая часть аппарата 7 с клапанной коробкой объединяет изолирующую и фильтрующую части. Обратные клапаны 8 и 9 определяют направление воздушного потока при работе аппарата в режиме изоляции, а обратные клапаны 8, 10 и 11 определяют направление воздушного потока при работе в режиме фильтрации.
Дыхательный аппарат работает следующим образом.
При запуске в работу винтовой регулятор 6 сброса выдоха открыт полностью. При вдохе воздух среды через обратный клапан 11 поступает в патрон 3 на слой катализатора 4. При наличии в воздухе вредных примесей на катализаторе 4 происходит их полное окисление до окислов и воды. Затем эти окислы, в том числе и углекислый газ, поглощаются слоем регенеративного продукта 5 и очищенный воздух поступает в дыхательный мешок 2 и далее через обратный клапан 8 в лицевую часть 7 на дыхание. При выдохе воздух сбрасывается во внешнюю среду через обратный клапан 10 и регулятор сброса 6. Содержание в воздухе вредных примесей незначительно (однако требующее включения человека в аппарат) и расход регенеративного продукта относительно мал. Таким образом, дыхательный аппарат работает в режиме фильтрации. В режиме полной изоляции воздух при выдохе проходит через клапан 9 и наполняет дыхательный мешок 2. При вдохе воздух из дыхательного мешка поступает через клапан 8. При работе аппарата в смешанном режиме сбрасывается только часть выдыхаемого воздуха, другая его часть поступает через клапан 9 на регенеративный патрон 1 в дыхательный мешок 2. Уменьшение общей массы регенеративного продукта осуществляется за счет уменьшения массы продукта в патроне 1.
В случае высокого содержания в воздухе вредных примесей реакция окисления и поглощения идет с повышенным тепловыделением, приводящим в действие устройство автоматического управления работой аппарата.
На чертеже (фиг.2) показана схема устройства автоматического управления работой аппарата. Направление сброса выдыхаемого воздуха показано стрелкой 1. Величина сброса регулируется движением запирающей части 2 устройства. В патроне 3 фильтрующей части аппарата размещена ампула 4 с жидкостью. Меньшая часть этой жидкости находится в изменяемом (гофрированном) объеме 5. Объемы соединены трубкой 6. Винтовой регулятор 7 служит для дополнительного периодического регулирования сброса по ходу работы аппарата. Ампула 4 выполнена из жесткого материала (металла), а изменяемый объем 5 выполнен из эластичного гофрированного материала, обеспечивающего изменение длины и запирающее действие в процессе работы.
-4
-1
.
Суть действия устройства (фиг.2) состоит в объемном расширении жидкости с температурой и последующем преобразовании этого расширения в увеличение длины изменяемого гофрированного объема, выполненного из гибкого материала. В качестве жидкости используется толуол (возможно применение воды или глицерина). Коэффициент объемного расширения толуола составляет 10,8·10 К
Устройство автоматического управления работой аппарата работает следующим образом. С повышением температуры (большое содержание горючих примесей) в патроне 3 происходит нагрев и расширение жидкости в ампуле 4. Поскольку объем ампулы ограничен ее жесткостью, создаваемое давление в ампуле 4 передается через трубку 6 на изменяемый объем 5. В результате гофрированный объем увеличивается в длине и с помощью запора 2 уменьшает площадь проходного сечения выхода газа. В этом случае часть выдыхаемого воздуха перетекает через обратный клапан 9 (фиг.1). Работа аппарата в этом случае происходит в смешанном режиме. При сильном разогреве фильтрующего патрона 3 и ампулы 4 происходит полное закрытие выхода и работа аппарата автоматически переходит в режим полной изоляции.
Практически большую часть времени дыхательный аппарат работает в смешанном режиме или режиме фильтрации, когда расход регенеративного продукта резко уменьшен. Таким образом, как следствие, значительно увеличивается общее время защитного действия.
Специальное пусковое устройство для приведения (запуска) аппарата в действие не требуется, так как человек вступает в зараженную (рабочую) зону уже подготовленным (включенным в работу аппарата).
Таким образом, решаются все поставленные выше задачи.
Работоспособность дыхательного аппарата и устройства автоматического управления работой аппарата доказана экспериментально.