ИЗОЛИРУЮЩИЙ ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
SELF-CONTAINED BREATHING APPARATUS

Изобретение относится к изолирующим дыхательным аппаратам на химически связанном кислороде, предназначенным для защиты органов дыхания в непригодной для дыхания атмосфере в аварийной ситуации.
Аппарат предназначен для спасательных работ и может применяться в угольной промышленности при пожарах, взрывах в шахтах для вывода горнорабочих, может использоваться и в других отраслях промышленности при наличии в воздухе токсичных газов выше предельно допустимых концентраций и/или недостатке кислорода.
Анализ последних исследований и публикаций.
В результате научных исследований в области пожарной безопасности (П.Ю. Бородич, О.Е. Безуглов. Оценка показателя легочной вентиляции для работ разной степени тяжести. С. 64-67. Проблемы пожарной безопасности. Харьков: НУГЗУ, 2011. Вып. 30. - 284 с.] проведена оценка легочной вентиляции для работы различной тяжести. Показано, что ее значения даже при выполнении характерных упражнений на практических занятиях в защитных дыхательных аппаратах превышают показатели, предлагаемые в нормативно-технической литературе. Кроме того, для всех видов работ полученное в результате исследования среднее значение легочной вентиляции в 1,5 раза выше, чем предлагаемое в Системе стандартов безопасности труда.
Известно, что принята дискретная система дыхательных режимов для горнорабочих, включающая 15 режимов дыхания, таблица 1 [Изолирующие дыхательные аппараты и основы их проектирования: учебное пособие, раздел 5, пп. 5.2 / С.В. Гудков, С.И. Дворецкий, С.Б. Путин, В.П. Таров. - М.: Машиностроение, 2008. - 188 с., табл. 5].
3
Из таблицы 1 видно, что 12-й дыхательный режим (70 дм/мин), кроме уменьшенного и основного, имеет увеличенное значение параметра дыхания.
Так как новые опытные результаты [П.Ю. Бородич, О.Е. Безуглов. Оценка показателя легочной вентиляции для работ разной степени тяжести. С. 64-67. Проблемы пожарной безопасности. Харьков: НУГЗУ, 2011] подтвердили результаты таблицы 1, то увеличение времени защитного действия (ВЗД) при сохранении массы регенеративного продукта является актуальной задачей.
Известен изолирующий дыхательный аппарат (ИДА) с химически связанным кислородом (Патент РФ №2319526, МПК A62B 7/08, 19/00, 2008 г.), содержащий корпус с регенеративным продуктом, размещенный в дыхательном мешке и соединенный с колпаком, выполненным из полимера, в котором закреплена полумаска с патрубком, соединенным с переключателем потока, который в свою очередь соединен клапаном выхода с корпусом и клапаном вдоха с полостью дыхательного мешка.
рег.
Предложенное устройство характеризуется лучшей отработкой регенеративного продукта за счет увеличения продолжительности контакта очищаемой газодыхательной смеси (ГДС) с поверхностью регенеративного продукта, примерно в 10-30 раз, но не изменяет природы работы этого продукта, который имеет коэффициент регенерации (К) (отношение выделения кислорода по сравнению с поглощением диоксида углерода).
Считается, что для нормального функционирования ИДА коэффициент регенерации должен быть не менее 1,2 [Изолирующие дыхательные аппараты и основы их проектирования: учебное пособие, раздел 5, пл. 5.2 / С.В. Гудков, С.И. Дворецкий, С.Б. Путин, В.П. Таров. - М.: Машиностроение, 2008. - 188 с.].
Известно, что при достижении предельного значения концентрации диоксида углерода на вдохе в нижней части патрона остается значительная часть неотработанного регенеративного продукта.
Поэтому нужно иметь запас кислорода в регенеративном продукте больше необходимого для обеспечения надежной работы ИДА.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками изобретения, являются: корпус, лицевая часть, дыхательный мешок, регенеративный патрон, патрубок, переключатель потока, соединенный клапаном выдоха с входом корпуса и клапаном вдоха с полостью дыхательного мешка.
Недостатком, препятствующим достижению технического результата, является малая производительность по очистке ГДС, что уменьшает ВЗД.
рег.
Это уменьшает время работы аппарата, так как не позволяет полностью отрабатывать регенеративному продукту, ведь продукт изготавливают с К более 2,5-3,0 для обеспечения надежной работы в существующих аппаратах.
Известен также изолирующий дыхательный аппарат на химически связанном кислороде (Патент РФ №2472546, МПК А62В 7/08, 11/24, 2013 г.).
Этот аппарат содержит регенеративный патрон, маску, дыхательный мешок и устройство регулирования объема дыхательной смеси, причем маска содержит клапаны вдоха и выдоха. Устройство регенерации дыхательной смеси аппарата имеет пространственно разделенные блоки генерации кислорода и поглощения диоксида углерода, которые функционально связаны между собой циркулирующим между ними раствором щелочи с помощью насоса.
Этим достигается увеличенное время работы аппарата за счет разделения генерации кислорода и поглощения диоксида углерода и более высокой поглотительной способности раствора щелочи по сравнению с твердым гранулированным продуктом.
Недостатком является сложность конструкции из-за присутствия раствора щелочи, требующей коррозионно-стойких материалов, повышенной материалоемкости и стоимости аппарата. Кроме того, необходимо использовать дополнительно коррозионно-стойкий насос для перекачки щелочи и необходим дополнительный источник электрической энергии, имеющий определенный и ограниченный срок службы.
Все это увеличивает стоимость аппарата, усложняет его работу и снижает его надежность, так как все работающие элементы включены последовательно и отказ одного из них вызовет отказ работы всего аппарата.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками изобретения, являются: регенеративный патрон, лицевая часть, дыхательный мешок, патрубок, устройство регулирования объема дыхательной смеси, пространственно разделенные блоки регенерации кислорода и поглощения диоксида углерода.
По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано техническое решение по патенту РФ №2120812, МПК А62В 7/08, 1998 г.
Этот аппарат содержит лицевую часть, дыхательный мешок, регенеративный и поглотительный патроны, шланги вдоха и выдоха, распределительный клапан, регулирующий поток ГДС через регенеративный патрон. Распределительный клапан выполнен в виде воздуховода с клапаном, управляемым гибкой связью, закрепленной на противоположной клапану стороне дыхательного мешка, при этом поглотительный патрон установлен на шланге вдоха, а воздуховод соединен с дыхательным мешком.
Такое конструктивное выполнение позволяет снизить концентрацию диоксида углерода на вдохе в дыхательном аппарате и оптимизировать процесс выделения кислорода, увеличивая общее время ВЗД.
Однако это устройство характеризуется несбалансированностью работы аппарата из-за использования химического поглотителя (ХПИ), выполненного в виде гранулированного продукта, имеющего высокое входное сопротивление рабочего слоя и увеличивающего сопротивление дыханию во время работы. Это снижает эффективность предложенных конструктивных преимуществ.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками изобретения, являются: регенеративный патрон, лицевая часть, дыхательный мешок, патрубок, устройство регулирования в виде распределительного элемента, пространственно разделенные блоки регенерации кислорода и поглощения диоксида углерода, шланги вдоха и выдоха, установленный на шланге выдоха распределительный элемент, регулирующий поток выдыхаемого воздуха через регенеративный патрон, выполненный в виде воздуховода с клапаном, управляемым гибкой связью, закрепленной на противоположной клапану стороне дыхательного мешка, при этом поглотительный патрон установлен на шланге вдоха, а воздуховод соединен с дыхательным мешком.
Недостатком является сложность конструкции и использование для поглощения диоксида углерода ХПИ в виде гранулированного продукта с высоким сопротивлением дыханию.
Применение известного поглотительного блока (патрона) последовательно для дыхания увеличивает сопротивление дыханию, а параллельное - увеличивает стоимость за счет появления тонкой и точной настройки пружины устройства регулирования объема ГДС и необходимости сохранения параметров открытия/закрытия распределительного клапана при хранении.
3
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности работы дыхательного аппарата на химически связанном кислороде, позволяющей увеличить ВЗД на тяжелых режимах дыхания (70 дм/мин) с одновременным повышением комфортности дыхания за счет снижения температуры на вдохе и сопротивления дыханию, при этом поступление кислорода в дыхательный контур, как и у известного аппарата, регулируется потребностью в нем.
Технический результат достигается тем, что изолирующий дыхательный аппарат на химически связанном кислороде, содержащий лицевую часть, регенеративный патрон, пусковое устройство, клапанную коробку, дыхательный мешок, хемосорбент, шланги вдоха и выдоха, установленное на шланге выдоха устройство регулирования, выполненное в виде воздуховода с распределительным клапаном, управляемым гибкой связью, закрепленной на противоположной клапану стороне дыхательного мешка, причем хемосорбент выполнен с малым гидравлическим сопротивлением и расположен в дыхательном мешке.
Хемосорбент соединен параллельно на линии выдоха с регенеративным патроном через устройство регулирования, которое расположено внутри дыхательного мешка и осуществлено в виде воздуховода с распределительным клапаном, соединенным гибкой связью с дыхательным мешком.
Вход хемосорбента в дыхательном мешке соединен последовательно с клапаном вдоха клапанной коробки и лицевой частью, а выход - с регенеративным патроном.
Заполнение хемосорбентом дыхательного мешка осуществлено от одной до двух третей расчетного объема очистки диоксида углерода регенеративного патрона.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом показано в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что использование новых связей:
3
- заполнение дыхательного мешка хемосорбентом с малым гидравлическим сопротивлением обеспечивает рост ВЗД на тяжелых режимах дыхания (70 дм/мин), на 36% без увеличения массы регенеративного продукта за счет применения хемосорбента с малым сопротивлением дыханию и выбора объема заполнения хемосорбентом дыхательного мешка для тяжелых режимов дыхания;
3
- заполнение дыхательного мешка хемосорбентом с малым гидравлическим сопротивлением обеспечивает увеличение ВЗД при номинальных режимах (35 дм/мин), на 40-50% без увеличения массы регенеративного продукта за счет применения хемосорбента с малым сопротивлением дыханию и выбора объема заполнения хемосорбента дыхательного мешка для нормальных режимов дыхания;
- расположение поглотительного блока аппарата в дыхательном мешке, соединенном с клапанной коробкой и лицевой частью и с регенеративным патроном, снижает температуру вдыхаемой ГДС на номинальном режиме на 10°С (20%) за счет менее активной работы регенеративного патрона, так как часть ГДС проходит, минуя регенеративный патрон, через распределительный клапан устройства регулирования объема ГДС, расположенный в дыхательном мешке;
- снижение сопротивления дыханию на вдохе и выдохе на тяжелом и номинальном режимах дыхания обеспечивается расположением регенеративного патрона и поглотительного блока в дыхательном мешке с хемосорбентом параллельно через устройство регулирования, выполненное в виде воздуховода с клапаном и соединенное гибкой связью, при этом улучшение составляет 40%, полученное за счет хемосорбента с малым гидравлическим сопротивлением.
Следовательно, благодаря использованию в аппарате дыхательного мешка, внутри которого расположен поглотительный блок, выполненный из хемосорбента, с малым гидравлическим сопротивлением, заполненный от одной до двух третей расчетного объема диоксида углерода регенеративного патрона, работающие непрерывно и соединенные для дыхания параллельно на линии вдоха и выдоха с лицевой частью, через устройство регулирования объема ГДС, выполненное в виде воздуховода с клапаном и соединенное гибкой связью, причем поглотительный блок соединен с клапанной коробкой и лицевой частью, а выход - с регенеративным патроном. При этом достигается поставленная задача.
Техническим результатом изобретения является увеличение ВЗД на тяжелых и нормальных режимах дыхания с одновременным повышением комфортности использования за счет применения в дыхательном мешке хемосорбента с малым гидравлическим сопротивлением и подпружиненным распределительным клапаном с гибкой связью, образующим линию перепуска ГДС, по которой она может поступать в дыхательный мешок, минуя регенеративный патрон. Дополнительно упрощается замена регенеративного патрона.
Сущность заявляемого аппарата поясняется примером конкретного выполнения, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема действия предложенного аппарата.
Конструктивное выполнение аппарата представлено на чертеже.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображены:
1 - лицевая часть;
2 - клапанная коробка;
3 - клапан выдоха;
4 - шланг выдоха;
5 - регенеративный патрон;
6 - пусковое устройство;
7 - пусковой брикет;
8 - клапан вдоха;
9 - шланг вдоха;
10 - воздуховод;
11 - устройство регулирования объема ГДС;
12 - распределительный клапан;
13 - гибкая связь;
14 - дыхательный мешок;
15 - хемосорбент с малым гидравлическим сопротивлением;
16 - патрубок.
Предложенный аппарат содержит лицевую часть 1, соединенную с клапанной коробкой 2 через клапаны выдоха 3 со шлангом выдоха 4, закрепленным регенеративным патроном 5, запускаемым пусковым устройством 6 с пусковым брикетом 7, и клапан вдоха 8 со шлангом вдоха 9.
На шланге выдоха 4 закреплен воздуховод 10 с устройством регулирования объема ГДС 11, представляющий собой подпружиненный распределительный клапан 12 с гибкой связью 13, которая закреплена в устройство регулирования объема ГДС 11, а другим концом соединена к противоположной клапану стороной дыхательного мешка 14, в котором размещен хемосорбент с малым гидравлическим сопротивлением 15, выходы регенеративного патрона и дыхательного мешка с хемосорбентом соединены патрубком 16.
Один конец воздуховода 10 соединен со шлангом выдоха 4, а другой - с дыхательным мешком 14 и расположенным в нем хемосорбентом с малым гидравлическим сопротивлением 15 таким образом, что между шлангом 10 и дыхательным мешком 14 образуется линия перепуска ГДС, по которой она может поступать в дыхательный мешок 14 непосредственно из шланга 4 выдоха, минуя регенеративный патрон 5.
Аппарат работает следующим образом. Пользователь включает пусковое устройство с пусковым брикетом, надевает лицевую часть и делает первый выдох. При этом выдыхаемая ГДС через клапан выдоха 3 поступает через шланг выдоха 4 и проходит через регенеративный патрон 5, где она очищается от диоксида углерода, паров воды и обогащается кислородом, поступая далее в дыхательный мешок 14 с расположенным в нем хемосорбентом с малым гидравлическим сопротивлением 15, где дополнительно очищается от диоксида углерода. Так как хемосорбент, расположенный в дыхательном мешке, имеет меньшее гидравлическое сопротивление, чем регенеративный патрон 5, то часть выдоха ГДС через воздуховод 10, устройство регулирования объема ГДС 11 и подпружиненный распределительный клапан 12 с гибкой связью 13, через хемосорбент попадает в клапан вдоха 8 со шлангом вдоха 9 в лицевую часть 1.
При вдохе газовая смесь от пускового брикета 7 и выдыхаемой ГДС через воздуховод 10, распределительный клапан 12, одновременно с этим из дыхательного мешка 14 проходит через хемосорбент с малым гидравлическим сопротивлением 15, шланг вдоха 9 и поступает в лицевую часть 1 через клапан вдоха 8.
По мере наполнения дыхательного мешка 14, за счет работы регенеративного патрона 5, распределительный клапан 12 устройства регулирования объема 11 открывается за счет натяжения гибкой связи 13 и часть выдыхаемой газовой смеси из клапана выдоха 3 проходит в дыхательный мешок 14 по воздуховоду 10, минуя регенеративный патрон 5.
Это приводит к уменьшению количества кислорода, выделяемого регенеративным продуктом, уменьшению коэффициента регенерации и, соответственно, к уменьшению степени наполнения дыхательного мешка 5.
Уменьшение объема дыхательного мешка в свою очередь вызывает ослабление натяжения гибкой связи 13 и распределительный клапан 12 начинает закрываться, тем самым направляя поток выдыхаемого воздуха через регенеративный патрон 5. Таким образом, одновременно с регулированием величины потока выдыхаемой ГДС через регенеративный патрон, по степени наполнения дыхательного мешка, обеспечивается эффективная очистка вдыхаемого воздуха от диоксида углерода, поскольку воздух на дыхание проходит дополнительно через хемосорбент с малым гидравлическим сопротивлением.
При работе аппарата ГДС на вдохе постоянно проходит через поглотительный блок независимо от распределения потоков, при этом обеспечивается дополнительная очистка вдыхаемой ГДС от диоксида углерода. Поступление кислорода в дыхательный мешок регулируется по степени наполнения дыхательного мешка, то есть поступление кислорода для человека в дыхательный контур регулируется потребностью в нем, причем количество выделенного кислорода определяется в том числе и соотношением гидравлических сопротивлений регенеративного патрона и поглотительного блока, что обеспечивает автоматическое подержание концентрации ГДС (кислорода и диоксида углерода) в заданных пределах, за время его работы.
Изобретение обеспечивает дополнительное повышение комфортности дыхания в аппарате, обеспечиваемой за счет снижения температуры на вдохе, одновременным снижением сопротивления дыханию, и обеспечивая основную задачу - увеличение его ВЗД, при этом поступление кислорода в дыхательный контур, как и у известного аппарата, регулируется потребностью в нем.
В предложенной конструкции появилась возможность оперативной замены отработанного регенеративного патрона в условиях атмосферы, непригодной для дыхания, за счет применения трех имеющихся клапанов:
- клана выдоха - 3,
- клапана вдоха - 8,
- распределительного клапана - 12.
Они обеспечивают при остаточном выделении кислорода из регенеративного патрона замену регенеративного патрона на новый.
По имеющимся у заявителей сведениям, совокупность существенных признаков заявляемого изобретения не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию «новизна».
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в производстве различных модификаций устройств с различным ВЗД для защиты органов дыхания с получением технического результата, заключающегося в увеличение ВЗД и повышении комфортности работы в аппарате за счет снижения сопротивления дыханию и снижения температуры вдыхаемой ГДС, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию «промышленная применимость».
Дополнительно, при предложенном техническом решении, появляется возможность замены регенеративного патрона, по окончании его работы, на новый регенеративный патрон без снятия лицевой части за счет расположения хемосорбента с малым гидравлическим сопротивлением в дыхательном мешке с хемосорбентом с малым гидравлическим сопротивлением, расположенным на вдохе, что повышает надежность аппарата за счет более длительного времени эвакуации, не прерывая защиты.