РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПАТРОН ИЗОЛИРУЮЩЕГО ДЫХАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель принадлежит к устройствам защиты органов дыхания, в частности к изолирующим самоспасателям с химически связанным кислородом, которые применяются в горнодобывающей, химической и других отраслях промышленности для экстренной кратковременной защиты органов дыхания в аварийных ситуациях, связанных с образованием непригодной для дыхания среды.
Как правило, самоспасатель включает герметичный корпус со средствами для ношения (ремни, пряжки и другое), регенеративный патрон, фильтрующий элемент для очистки газовоздушной смеси от аэрозолей, пусковое устройство, которое обеспечивает выделение кислорода в начальный момент после включения пользователя в самоспасатель, узел изоляции органов дыхания человека, который в большинстве случаев выполнен в виде гофрированного шланга, соединенного с регенеративным патроном и с лицевой маской или загубником, эластичный дыхательный мешок, служащий емкостью для газовоздушной смеси и выделяемого кислорода и обеспечивающий вдох и выдох пользователя в замкнутом дыхательном контуре «легкие пользователя - самоспасатель». В регенеративном патроне в большинстве случаев размещена перфорированная обечайка, заполненная веществом с химически связанным кислородом (регенеративный продукт), обеспечивающим регенерацию газовоздушной смеси, и средства снижения температуры регенеративного продукта и газовоздушной смеси.
Указанная схема общеизвестна и является основой многих запатентованных самоспасателей.
Известны самоспасатели, в которых средства управления движением газовоздушной смеси выполнены в виде клапанных устройств. Примером таких решений является изолирующий дыхательный аппарат на химически связанном кислороде, известный по патенту Российской Федерации RU 2333777, МПК А62В 7/08, дата подачи заявки 05.09.2006.
Изолирующий дыхательный аппарат содержит регенеративный патрон, размещенный в корпусе. На верхней крышке патрона установлено пусковое устройство и выполнены патрубки вдоха и выдоха, на которых смонтированы дыхательный мешок и узел изоляции органов дыхания человека. Узел изоляции органов дыхания выполнен с клапанной коробкой, в которой смонтированы клапан вдоха, клапан выдоха и клапан избыточного давления в дыхательном мешке. Клапан вдоха соединяет узел изоляции органов дыхания человека с дыхательным мешком, клапан выдоха - с регенеративным патроном.
При включении пускового устройства пользователь обеспечивается кислородом для дыхания в начальный период. На фазе выдоха газовоздушная смесь из лицевой части узла изоляции органов дыхания человека поступает в полость клапанной коробки, дальше через клапан выдоха в регенеративный патрон, откуда очищенная от диоксида углерода и обогащенная кислородом газовоздушная смесь подается в дыхательный мешок. На фазе вдоха газовоздушная смесь из дыхательного мешка через клапан вдоха поступает в полость клапанной коробки и дальше по гофрированной трубке узла изоляции органов дыхания в лицевую часть на дыхание.
Выполнение средств управления движением газовоздушной смеси в виде клапанных устройств, усложняет конструкцию изолирующего дыхательного аппарата и снижает его надежность.
Известны самоспасатели, в которых схема движения газовоздушной смеси обеспечивается особенностями конструкции регенеративного патрона и его соединений с узлом изоляции органов дыхания человека и дыхательным мешком без использования клапанных устройств. Аппараты имеют простую конструкцию (отсутствуют подвижные элементы - клапаны вдоха и выдоха) и повышенную надежность. В таких аппаратах широкое использование нашла так называемая "маятниковая" схема движения газовоздушной смеси, в которой за один цикл “вдох-выдох” газовоздушная смесь два раза проходит через слой регенеративного продукта, что повышает степень регенерации газовоздушной смеси при тех же массогабаритных характеристиках самоспасателя. Выдыхаемая газовоздушная смесь поступает к регенеративному продукту, где происходит поглощение диоксида углерода и обогащение газовоздушной смеси кислородом. Очищенная газовоздушная смесь поступает в дыхательный мешок. При вдохе газовоздушная смесь из дыхательного мешка проходит в обратном направлении через регенеративный продукт, где дополнительно очищается от диоксида углерода, обогащается кислородом и поступает к органам дыхания.
Примером регенеративного патрона с "маятниковой" схемой движения газовоздушной смеси без использования клапанных устройств по типу клапанной коробки является регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата, известный по патенту Российской Федерации RU 2205670, МПК А62В 7/08 А62В 19/02, дата подачи заявки 06.06.2002.
Регенеративный патрон включает герметичный корпус, перфорированную обечайку, заполненную регенеративным продуктом и установленную в корпусе с зазором относительно стенок корпуса, средства сжатия регенеративного продукта в процессе эксплуатации аппарата, фильтр для очистки газовоздушной смеси от аэрозолей, пусковое устройство, обеспечивающее пользователя кислородом в начальный период подключения к дыхательному аппарату, узел изоляции органов дыхания, дыхательный мешок.
Корпус в поперечном сечении имеет овальную форму и выполнен с крышкой, на которой закреплены патрубок вдоха-выдоха для присоединения узла изоляции органов дыхания и пусковой механизм пускового устройства. Нижняя часть корпуса перекрыта днищем с центральным отверстием, сообщающимся с полостью дыхательного мешка.
Перфорированная обечайка имеет овальную форму, концентричную форме корпуса. Верхний торец перфорированной обечайки перекрыт, а нижний торец обечайки выполнен с центральным отверстием. На нижнем торце перфорированной обечайки соосно с ее центральным отверстием закреплена перфорированная центральная трубка. На перфорированной центральной трубе попарно установлены перфорированные нижняя и верхняя радиальные вставки, которые выполнены из упругого материала и образуют с центральной трубой замкнутые полости. Внешний периметр перфорированных вставок концентричен перфорированной обечайке. Нижняя радиальная вставка установлена на трубе с зазором, величина которого выбирается меньше величины зерен регенеративного продукта. Верхняя вставка закреплена неподвижно на перфорированной трубе. Нижняя и верхняя вставки соединены между собой по внешней кромке. Наличие указанных вставок и форма их выполнения обеспечивают необходимое сжатие регенеративного продукта. Сжатие регенеративного продукта осуществляется перфорированными вставками, которые работают аналогично тарельчатым пружинам. Перфорированные вставки, по утверждению заявителя, также обеспечивают уменьшение сопротивления потоку газовоздушной смеси, равномерность отработки массы регенеративного продукта, снижение температуры газовоздушной смеси после регенерации за счет участия в процессе регенерации всего объема регенеративного продукта, что приводит к снижению температуры газовоздушной смеси за счет теплоемкости регенеративного продукта.
Фильтр выполнен в виде ленты из фильтрующего материала, плотно охватывающей перфорированную обечайку снаружи.
Пусковое устройство состоит из пускового брикета, расположенного в перфорированной обечайке, и пускового механизма, закрепленного на крышке корпуса.
Дыхательный мешок герметично присоединен к нижней части корпуса. Полость дыхательного мешка сообщается с полостью центральной перфорированной трубы через центральное отверстие в днище корпуса.
Общими признаками аналога и заявляемого решения являются: регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата, включающий герметичный корпус, перфорированную обечайку, установленную в корпусе с зазором относительно стенок корпуса и выполненную с перфорированным каналом вдоль продольной оси обечайки, патрубок вдоха-выдоха, патрубок дыхательного мешка, регенеративный продукт, засыпанный в полость перфорированной обечайки, средства снижения температуры газовоздушной смеси, размещенные в объеме регенеративного продукта, средства сжатия регенеративного продукта в процессе эксплуатации патрона.
В процессе регенерации газовоздушной смеси в регенеративном продукте протекают экзотермические реакции с выделением большого количества тепла. В результате в объеме регенеративного продукта возникают локальные зоны с высокой температурой, в которых возможно плавление компонентов регенеративного продукта. Возникновение таких зон ухудшает газодинамику прохождения газов через объем регенеративного продукта, уменьшает степень отработки регенеративного продукта, увеличивает сопротивление дыханию и температуру газовоздушной смеси.
Перфорированные упругие радиальные вставки, которые попарно закреплены на перфорированной центральной трубке с образованием замкнутых полостей, обеспечивают сжатие регенеративного продукта и только частично улучшают динамику процесса регенерации газовоздушной смеси. То есть указанные радиальные вставки не решают проблемы равномерного распределения температур в объеме регенеративного продукта, предупреждения возникновения локальных высокотемпературных зон и отвода избыточного тепла за границы патрона.
Для равномерного распределения температуры в объеме регенеративного продукта, предупреждения локальных зон с высокой температурой и отвода избыточного тепла за границы патрона используют теплогазораспределители, которые размещают в объеме регенеративного продукта.
В качестве прототипа выбран регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата по патенту РФ на полезную модель №133742, МПК А62В 7/00, дата подачи заявки 7.01.2013.
Регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата включает цилиндрический корпус, торцы которого перекрыты крышкой и днищем, патрубки вдоха-выдоха и дыхательного мешка, перфорированную обечайку, установленную в корпусе с кольцевым зазором относительно боковой стенки корпуса и выполненную с крышкой, перекрывающей один торец обечайки, и с перфорированным каналом, выполненным вдоль продольной оси обечайки и перекрытым со стороны днища корпуса, регенеративный продукт, засыпанный в полость перфорированной обечайки, теплогазораспределитель, размещенный в объеме регенеративного продукта и выполненный в виде пластин, радиально установленных между перфорированной обечайкой и перфорированным каналом, пружину сжатия регенеративного продукта, расположенную между крышкой корпуса и крышкой перфорированной обечайки, перфорированный канал перекрыт тампоном, выполненным из газопроницаемого материала, сминаемого под действием механических усилий, и установленным с возможностью упора в днище корпуса.
Недостатками известного устройства являются
ложность конструкции и повышенная материалоемкость, обусловленная наличием мембраны в верхней части перфорированной обечайки;
сложность сборки, связанной с большим объемом контактной сварки;
применение недостаточно надежных элементов, так герметичность перекрытия тампоном из газонепроницаемого материала перфорированного канала после сборки патрона проверить невозможно, и можно констатировать негерметичность данного узла, только обнаружив уменьшение времени защитного действия в процессе использования изделия;
внецентренное расположение пружины не обеспечивает перемещение сетчатого корпуса с регенеративным продуктом при изменении объема регенеративного продукта под действием пружины, так как даже при незначительных деформациях внешнего корпуса (а они неизбежны при постоянном ношении самоспасателя) произойдет заклинивание сетчатого корпуса;
в известном патенте не указано размещение пускового устройства (оно упоминается в тексте, но на чертеже не показано). Анализ графических материалов показывает, что при установке пускового устройства на верхней крышке патрона весь генерируемый кислород будет поступать в дыхательный мешок, что затруднит дыхание пользователя при запуске самоспасателя;
проблематичным является совмещение патрубка дыхательного мешка с патрубком сетчатого корпуса, а также отработка герметизации данного соединения.
Следует также отметить, что соединение патрубка вдоха-выдоха с полостью, образованной крышкой перфорированной обечайки и мембраной, увеличивает объем газовоздушной смеси, которая не принимает участие в процессе регенерации (так называемый «вредный объем»), что приводит к увеличению содержания диоксида углерода в газовоздушной смеси, вдыхаемой пользователем, сокращая продолжительность времени защитного действия.
Задачей полезной модели является уменьшение газодинамического сопротивления, повышение качества очистки воздуха, снижение температуры воздуха после регенерации, повышение степени использования ресурса регенеративного продукта.
Технический результат заключается в увеличении времени защитного действия и снижении массогабаритных характеристик.
Технический результат достигается тем, что в регенеративном патроне изолирующего дыхательного аппарата, включающем корпус, торцы которого перекрыты крышкой и днищем, патрубки вдоха-выдоха и дыхательного мешка, перфорированную обечайку, установленную в корпусе с образованием относительно боковой стенки корпуса канала овальной формы в поперечном сечении, теплогазораспределитель, размещенный в объеме помещенного в перфорированную обечайку регенеративного продукта и выполненный в виде пластин, радиально закрепленных на перфорированной центральной обечайке, расположенной с внешней стороны перфорированной центральной трубки, фильтр, пружину сжатия регенеративного продукта, пусковой брикет, пусковое устройство, согласно полезной модели фильтр установлен на перфорированной центральной трубке, соединенной с патрубком вдоха-выдоха и снабженной заглушкой на нижнем торце, перфорация на стенках перфорированной обечайки выполнена на изогнутой по дуге поверхности, пружина сжатия регенеративного продукта установлена между крышкой корпуса и пусковым брикетом пускового устройства, между пусковым брикетом и регенеративным продуктом последовательно установлены сетка и прокладка, пусковое устройство установлено на крышке корпуса, при этом его вертикальная ось перпендикулярна продольной оси концентрической канавки, выполненной на верхнем торце пускового брикета.
Перфорация на стенках перфорированной обечайки выполнена в виде колотых отверстий.
Перфорированная центральная обечайка закреплена на днище перфорированной обечайки
Указанные признаки являются существенными признаками полезной модели.
Существенные признаки полезной модели находятся в причинно-следственной связи с достигаемым результатом.
Установка фильтра на перфорированной центральной трубке, соединенной с патрубком вдоха-выдоха и снабженной заглушкой на нижнем торце, обеспечивает улучшение конструкции при одновременном упрощении технологии сборки регенеративного патрона за счет исключения вредного объема, который не участвует в процессе регенерации выдыхаемого воздуха, что обеспечивает увеличение времени защитного действия и снижение массогабаритных характеристик регенеративного патрона и самоспасателя в целом.
Выполнение перфорации на стенках перфорированной обечайки на изогнутой по дуге поверхности и придание корпусу патрона овальной формы, обеспечивает последнему большую эргономичность, чем у патрона цилиндрической формы. При этом обеспечивается отработка регенеративного продукта по всей площади сечения патрона, что обеспечивает увеличение времени его защитного действия.
Установка пружины сжатия регенеративного продукта между крышкой корпуса и пусковым брикетом пускового устройства, закрепленного на крышке корпуса, установка между пусковым брикетом и регенеративным продуктом последовательно сетки и прокладки обеспечивают снижение массогабаритных характеристик регенеративного патрона за счет исключения металлических деталей, образующих в прототипе камеру с фильтром.
Установка пускового устройства на крышке корпуса, при этом его вертикальная ось перпендикулярна продольной оси концентрической канавки, выполненной на верхнем торце пускового брикета обеспечивает отработку пускового брикета (за счет прохождения горячего генерируемого кислорода по канавке) с одновременной подачей генерируемого кислорода пользователю и на заполнение дыхательного мешка, что обеспечивает увеличение времени защитного действия.
Выполнение перфорации на стенках перфорированной обечайки в виде колотых отверстий обеспечивает большее отведение тепла от регенеративного продукта и снижение массовых характеристик регенеративного патрона.
Закрепление перфорированной центральной обечайки теплогазораспределителя на днище перфорированной обечайки обеспечивает упрощение сборки патрона и повышает надежность конструкции.
Описанная выше конструкция регенеративного патрона обеспечивает улучшение условий тепломассопереноса в регенеративном продукте, повышение степени его использования и снижение газодинамического сопротивления дыханию.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели неизвестна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций самоспасателей с получением технического результата, заключающегося в повышении эффективности и надежности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами:
На фиг. 1 показан общий вид самоспасателя;
На фиг. 2 показана конструкция регенеративного патрона, вид спереди (движение газовоздушной смеси обогащенной диоксидом углерода показано черными стрелками, движение газовоздушной смеси частично очищенной от диоксида углерода показано серыми стрелками, движение газовоздушной смеси очищенной от диоксида углерода и обогащенной кислородом показано белыми стрелками);
На фиг. 3 показана конструкция регенеративного патрона, вид сверху;
На фиг. 4 показано сечение по А-А фиг. 2, расположение пластин перфорированных и перфорированной центральной обечайки теплогазораспределителя;
На фиг. 5 показано соединение корпуса с днищем корпуса;
На фиг. 6 показана конструкция перфорированной центральной трубки;
На фиг. 7 показан разрез перфорированной обечайки;
На фиг. 8 показана перфорированная обечайка, вид по стрелке Б;
На фиг. 9 показан участок перфорированной обечайка в виде колотой сетки, вид по стрелке В.
Перечень позиций, указанных на чертежах:
1. регенеративный патрон;
2. корпус;
3. крышка;
4. днище корпуса;
5. патрубок вдоха-выдоха;
6. патрубок дыхательного мешка;
7. перфорированная обечайка;
8. перфорированная центральная трубка;
9. теплогазораспределитель;
10. регенеративный продукт;
11. пластина перфорированная;
12. перфорированная центральная обечайка;
13. пружина;
14. фильтр;
15. заглушка;
16. перфорация;
17. пусковой брикет;
18. пусковое устройство;
19. сетка;
20. прокладка;
21. концентрическая канавка;
22. планка;
23. днище перфорированной обечайки;
24. втулка;
25. технологическая заглушка;
26. гофрированная трубка;
27. теплообменник;
28. узел изоляции органов дыхания;
29. дыхательный мешок;
30. клапан избыточного давления.
Регенеративный патрон 1 изолирующего дыхательного аппарата содержит корпус 2, торцы которого перекрыты крышкой 3 и днищем 4. Крышка 3 снабжена патрубком вдоха-выдоха 5 и патрубком дыхательного мешка 6. Внутри корпуса 2 установлена перфорированная обечайка 7 с образованием канала овальной формы относительно боковой стенки корпуса 2 в поперечном сечении, и установлена перфорированная центральная трубка 8, соединенная с патрубком вдоха-выдоха 5. Внутри перфорированной обечайки 7 установлен теплогазораспределитель 9 и помещен регенеративный продукт 10, представляющий собой гранулы содержащие надперексид калия. Теплогазораспределитель 9 выполнен в виде перфорированных пластин 11, радиально закрепленных на перфорированной центральной обечайке 12, расположенной с внешней стороны перфорированной центральной трубки 8. Непосредственно под крышкой 3 установлена пружина 13, предназначенная для сжатия регенеративного продукта 10. На перфорированной центральной трубке 8 установлен фильтр 14, выполненный в виде намотанной на корпус фильтра (не показан) ленты из стекло-бумаги марки БмД-Ф ТУ 6-48-93-92, соединенной по торцам силикатным клеем. На нижней части перфорированной центральной трубки 8 установлена заглушка 15. На стенках перфорированной обечайки 7 на изогнутой по дуге поверхности выполнена перфорация 16, как показано на фиг. 8 и 9. Пружина 13 сжатия регенеративного продукта 10 установлена между крышкой 3 корпуса 2 и пусковым брикетом 17 пускового устройства 18. Пусковой брикет 17 размещен внутри перфорированной обечайки 7, в верхней ее части, над регенеративным продуктом 10. Между пусковым брикетом 17 и регенеративным продуктом 10 последовательно установлены сетка 19 и прокладка 20. Пусковое устройство 18 установлено на крышке 3, при этом его вертикальная ось перпендикулярна продольной оси концентрической канавки 21 на верхнем торце пускового брикета 17. Перфорация 16 на стенках перфорированной обечайки 7 выполнена в виде колотых отверстий, как показано на фиг. 9. Пусковой брикет 17 фиксируется внутри перфорированной обечайки 7 планками 22 путем их подгибания к поверхности пускового брикета 17. Перфорированная центральная обечайка 12 теплогазораспределителя 9 закреплена на днище 23 перфорированной обечайки 7 через втулку 24. После сборки регенеративного патрона 1 на патрубок вдоха-выдоха 5 и патрубок дыхательного мешка 6 устанавливаются технологические заглушки 25. При сборке регенеративного патрона вместо технологической заглушки 25 на патрубок вдоха - выдоха 5 устанавливается гофрированная трубка 26, соединенная через теплообменник 27 с узлом изоляции органов дыхания 28. На фиг. 1 показан узел изоляции органов дыхания 28 в виде загубника и носового зажима, в зависимости от назначения аппарата могут использоваться также маски или полумаски (не показаны). При сборке дыхательного аппарата технологическая заглушка 25 извлекается, и патрубок дыхательного мешка 6 соединяется с дыхательным мешком 29 с клапаном избыточного давления 30 натяжного действия.
Регенеративный патрон в составе изолирующего дыхательного аппарата работает следующим образом.
При возникновении аварийной ситуации пользователь приводит в действие пусковое устройство 18, которое инициирует запуск пускового брикета 17, выделяющего кислород для первоначального обеспечения дыхания пользователя, пока под воздействием диоксида углерода и паров воды, выдыхаемых пользователем, в регенеративном продукте 10 не начнутся реакции поглощения диоксида углерода и выделения кислорода.
Во время выдоха газовоздушная смесь с большим содержанием диоксида углерода из узла изоляции органов дыхания проходит через теплообменник 27, гофрированную трубку 26, патрубок вдоха-выдоха 5, перфорированную центральную трубку 8 и фильтр 14, перфорированная центральную обечайку 12, теплогазораспределитель 9, регенеративный продукт 10, перфорацию 16 перфорированной обечайки 7, направляется в канал овальной формы между ней и корпусом 2, из которого поступает через патрубок 6 в дыхательный мешок 29. Проходя через слой регенеративного продукта 10, выдыхаемый воздух участвует в реакции поглощения диоксида углерода и выделения кислорода. Перфорированные пластины 1 1 теплогазораспределителя 9 способствуют равномерному распределению тепла в объеме регенеративного продукта 10, предупреждают возникновение локальных высокотемпературных зон, отводят тепло к перфорированной обечайке 7 и дальше в окружающую среду. Часть газовоздушной смеси поступает вглубь объема регенеративного продукта 10 вдоль перфорированных пластин 11, что улучшает газодинамику процесса регенерации газовоздушной смеси.
Во время вдоха газовоздушная смесь, в которой уже частично прошли реакции регенерации при ее прохождении через регенеративный продукт 10, поступает из дыхательного мешка в обратном направлении, то есть в направлении патрубок 6 - канал овальной формы между перфорированной обечайкой 7 и далее в порядке, обратном описанному выше. При этом газовоздушная смесь, проходя повторно через регенеративный продукт 10, дополнительно подвергается регенерации. Проходя через фильтр 14, газовоздушная смесь очищается от щелочных аэрозолей, а в теплообменнике 27 охлаждается до комфортной для дыхания температуры.
Особенности конструктивного выполнения заявляемого регенеративного патрона обеспечивают увеличение времени защитного действия изолирующего дыхательного аппарата, степени использования ресурса регенеративного продукта по поглощению диоксида углерода и выделению кислорода и улучшение комфортности дыхания пользователя.