РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПАТРОН ИЗОЛИРУЮЩЕГО ДЫХАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к составным элементам конструкции средств индивидуальной защиты органов дыхания, используемых в горнодобывающей, химической и других отраслях промышленности, в частности к регенеративным патронам изолирующих самоспасателей с химически связанным кислородом.
Изолирующие самоспасатели предназначены для экстренной кратковременной защиты органов дыхания в аварийных ситуациях, связанных с образованием непригодной для дыхания среды, характеризующейся недостатком кислорода или чрезвычайной загазованностью, а также при неизвестном составе и концентрациях загрязняющих воздух примесей. Как правило, самоспасатель включает лицевую часть (маску или капюшон с полумаской, или загубник), служащую для изоляции органов дыхания человека от окружающей среды и соединенную с теплообменником, а также трубку гофрированную (дыхательный шланг), соединяющую теплообменник с регенеративным патроном, заполненным регенеративным продуктом, причем регенеративный патрон соединен с дыхательным мешком.
В общем виде принцип работы самоспасателя с «маятниковой» схемой циркуляцией газовой дыхательной смеси (далее - ГДС) в замкнутом дыхательном контуре характеризуется тем, что ГДС дважды проходит через регенеративный патрон, при этом существенно повышается температура вдыхаемой ГДС, однако в последней существенно понижается концентрация диоксида углерода. Напротив, принцип работы самоспасателя с «круговой» схемой дыхания предполагает однократное прохождение ГДС через регенеративный патрон, следствием чего являются низкая температура вдыхаемой ГДС, но более высокая концентрация в такой смеси диоксида углерода по сравнению с «маятниковой» схемой. Независимо от применяемой схемы циркуляции ГДС, функционирование известных самоспасателей основано на использовании для обеспечения дыхания химически связанного кислорода, источником которого в регенеративных патронах для регенерации дыхательной смеси является продукт, предпочтительно на основе надпероксида калия (далее - регенеративный продукт) (см., в частности, а.с. СССР №1677895).
Недостатки используемых в самоспасателях схем циркуляции ГДС упомянуты выше: взаимосвязь эффективности удаления из ГДС диоксида углерода и температурой вдыхаемой ГДС, а также зависимость этих параметров (ограничивающих время защитного действия дыхательного аппарата) от схемы циркуляции ГДС, определяемой, в свою очередь, его конструкцией.
Самоспасатель (патент РФ на ПМ 128112, МПК А62В 7/00, опубликовано: 20.05.2013) содержит регенеративный патрон с регенеративным продуктом; дыхательный шланг, связанный с регенеративным патроном через распределитель воздушного потока и снабженный узлом изоляции органов дыхания в виде загубника; дыхательный мешок с клапаном избыточного давления, соединенный с регенеративным патроном и с дыхательным шлангом посредством клапана, при этом регенеративный продукт выполнен в форме таблеток. Такая конструкция присуща самоспасателям с «маятниковой» схемой циркуляции ГДС.
Недостатком известной полезной модели является конструкция узла изоляции органов дыхания, который выполнен в виде загубника, для использования которого требуется дополнительно носовой зажим. Такой узел не обеспечивает защиту лица и головы пользователя от воздействия тепла при пожаре и токсичных веществ при различных авариях, затрудняет ведение переговоров и требует специальной подготовки пользователя.
Наиболее близким к заявляемому является выбранный в качестве прототипа регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата (пат. РФ 174 068, МПК А62В 7/08, опубликовано: 28.09.2017), который характеризуется тем, что содержит полый открытый корпус, на торцах которого установлены крышка с патрубком вдоха-выдоха и днище с патрубком дыхательного мешка, с торцевых сторон корпуса закреплены газопроницаемые перегородки, полость между которыми заполнена регенеративным продуктом, в слое которого установлен теплогазораспределитель с закрытыми вертикальными каналами с перфорированными стенками для отвода горячей газовоздушной смеси, при этом отношение площади поперечного сечения корпуса регенеративного патрона, выраженной в квадратных сантиметрах, к высоте слоя регенеративного продукта, выраженной в сантиметрах, составляет (9-12):1. При этом теплогазораспределитель содержит восемь закрытых вертикальных каналов, имеющих длину, равную 0,6-0,7 от толщины слоя регенеративного продукта, а суммарная площадь поперечного сечения всех каналов составляет 0,05-0,06 от площади поперечного сечения регенеративного патрона. Между газопроницаемой перегородкой и патрубком вдоха-выдоха дополнительно закреплен фильтр.
Известная полезная модель характеризуется следующими недостатками:
повышенной материалоемкостью, обусловленной использованием теплогазораспределителя и крышки для соединения с дыхательным мешком, пускового устройства;
«избыточностью» конструкции (повышенная механическая прочность самого изделия), которая предполагает жесткие условия эксплуатации, в частности, механические нагрузки при падении самоспасателей, постоянном ношении, вибронагрузки при размещении самоспасателей в подвижной технике, хотя в ряде случаев этого потребителю не требуется (пример тому: самоспасатели для школ, учреждений, предприятий, где потенциальные пользователи самоспасателей нуждаются в защите органов дыхания из-за непригодности атмосферы для дыхания и им требуется защита только для выхода из аварийной зоны).
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в упрощении конструкции и технологии сборки и минимизации массогабаритных характеристик за счет снижения материалоемкости, а именно исключения из конструкции теплогазораспределителя, крышки для соединения с дыхательным мешком, пускового устройства.
Технический результат достигается тем, что регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата с химически связанным кислородом, включающий узел изоляции органов дыхания, дыхательный мешок с клапаном избыточного давления, трубку гофрированную и воздуховод, содержащий обечайку, в которой помещен регенеративный продукт на основе надпероксида калия, согласно полезной модели, кромки обечайки снабжены выступами и выполненными на обоих торцах развальцовками, в которых установлены отбортованные перфорированные крышки, установленные своими отбортовками наружу по отношению к регенеративному продукту и закрепленные в развальцовках подгибанием выступов обечайки, причем в развальцовке, выполненной с возможностью примыкания к воздуховоду, установлена отбортованная решетка, между которой и отбортованной перфорированной крышкой помещен аэрозольный фильтр, между отбортованными перфорированными крышками и регенеративным продуктом установлены сетки, на внешней по отношению к регенеративному продукту поверхности развальцовок установлены технологические заглушки, одна из которых при снаряжении изолирующего дыхательного аппарата выполнена с возможностью замены на воздуховод, соединенный посредством трубки гофрированной с узлом изоляции органов дыхания, присоединяемый со стороны обечайки, снабженной аэрозольным фильтром, а вторая технологическая заглушка выполнена с возможностью замены на дыхательный мешок.
Отношение площади поперечного сечения обечайки регенеративного патрона, выраженной в квадратных сантиметрах, к высоте слоя регенеративного продукта, выраженной в сантиметрах, может составлять (18…23) к 1.
В качестве аэрозольного фильтра может использоваться стеклобумага из супертонкого штапельного волокна.
На обечайке регенеративного патрона может быть установлен защитный пояс для защиты от воздействия на пользователя высокой температуры обечайки.
Перфорированные крышки могут быть соединены между собой шпильками с упругими стяжками.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Выполнение корпуса регенеративного патрона в виде обечайки, кромки которой снабжены выступами и выполненными на обоих торцах развальцовками, в которых установлены отбортованные перфорированные крышки, установленные своими отбортовками наружу (по отношению к регенеративному продукту) и закрепленные в развальцовках подгибанием выступов обечайки, обеспечивает
упрощение сборки патрона, так как проведение сварочных работ требуется только на этапе подготовки сборочных единиц до снаряжения регенеративным продуктом, при этом достижение герметичности сопрягаемых деталей ведется без сварочных операций;
снижение материалоемкости на 10-15 % за счет исключения крышки патрона со стороны дыхательного мешка и пускового устройства;
уменьшение сопротивления дыханию на 15-25 % при использовании регенеративного патрона в составе самоспасателя за счет увеличения проходного сечения на входе в дыхательный мешок и исключения пускового устройства.
Установка в одной из развальцовок решетки с отбортовкой, между которой и отбортованной перфорированной крышкой помещен аэрозольный фильтр, а также установка между отбортованными перфорированными крышками и регенеративным продуктом сеток обеспечивает
уменьшение сопротивления и повышение комфортности дыхания за счет применения плоского фильтра с поверхностью, равной рабочему сечению обечайки регенеративного патрона;
простоту сборки узла фильтрации и сопрягаемых деталей (обечайка, перфорированная крышка, отбортованная решетка, аэрозольный фильтр).
Установка на внешней по отношению к регенеративному продукту поверхности развальцовок технологических заглушек, одна из которых при снаряжении изолирующего дыхательного аппарата заменяется на воздуховод, соединенный посредством трубки гофрированной с узлом изоляции органов дыхания, присоединяемый со стороны обечайки, снабженной аэрозольным фильтром, а вторая технологическая заглушка заменяется на дыхательный мешок, обеспечивает простоту сборки регенеративного патрона и соединения его с другими элементами конструкции самоспасателя.
Выполнение отношения площади поперечного сечения обечайки регенеративного патрона, выраженной в квадратных сантиметрах, к высоте слоя регенеративного продукта, выраженной в сантиметрах, как (18…23) к 1, представляет собой оптимальную величину, при которой будет обеспечиваться достаточная скорость активизации химических реакций в регенеративном продукте и образования разогретых зон в нем, и, в то же время, постепенный рост температуры и сопротивление дыханию не будут превышать допустимые пределы. Уменьшение площади поперечного сечения обечайки при большей высоте слоя регенеративного продукта, в целях обеспечения сокращения времени активизации химических реакций, приводит к быстрому и чрезмерному по температуре разогреву регенеративного продукта с повышением температуры ГДС на вдохе и сопротивления дыханию. Увеличение же площади поперечного сечения обечайки при тонком слое регенеративного продукта приводит к низкой скорости активизации химических реакций, неравномерному распределению потока ГДС по поперечному сечению обечайки и раннему превышению объемной доли диоксида углерода во вдыхаемой ГДС установленного предела.
То есть за пределами указанного диапазона значений отношения площади поперечного сечения обечайки регенеративного патрона, выраженной в квадратных сантиметрах, к высоте слоя регенеративного продукта, выраженной в сантиметрах, происходит неполное использование ресурса регенеративного продукта по выделению кислорода и связыванию диоксида углерода. Выбранное оптимальное соотношение позволяет обеспечить повышение эффективности работы регенеративного патрона после запуска.
Кроме того, изготовление регенеративного патрона в виде плоского «диска» позволяет улучшить эргономические свойства самоспасателя, в том числе уменьшить его габариты и упростить конструкцию посредством исключения пускового устройства, необходимость в котором исчезает вследствие обеспечения достаточной скорости активизации химических реакций в регенеративном продукте за счет описанных особенностей конструкции регенеративного патрона.
Использование в качестве аэрозольного фильтра стеклобумаги из супертонкого штапельного волокна обеспечивает при работе патрона надежную фильтрацию ГДС на вдохе от пыли и аэрозолей регенеративного продукта и побочных продуктов химических реакций в нем.
Установка на боковой поверхности обечайки регенеративного патрона защитного пояса обеспечивает исключение термических ожогов пользователя при работе регенеративного патрона и дополнительно защищает его корпус от механических повреждений при незначительном увеличении массы регенеративного патрона.
Соединение перфорированных крышек между собой шпильками с упругими стяжками обеспечивает компенсацию уменьшения объема регенеративного продукта за счет смещения перфорированных крышек при истирании регенеративного продукта под действием динамических нагрузок при транспортировании регенеративного патрона или самоспасателя различными видами транспорта, что существенно снижает разрушение регенеративного продукта.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна 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, вид спереди;
на фиг. 2 показан общий вид самоспасателя, вид сбоку;
на фиг. 3 показана конструкция регенеративного патрона, вид сбоку;
на фиг. 4 показана конструкция регенеративного патрона, вид А;
на фиг. 5 показана конструкция регенеративного патрона, вид Б;
на фиг. 6 показана выноска В, фиг. 3;
на фиг. 7 показан вариант фиг. 5 с использованием упругих стяжек; на фиг. 8 показана конструкция регенеративного патрона, вид сбоку, вариант с использованием упругих стяжек.
Перечень позиций, указанных на чертежах
1 - обечайка;
2 - выступ;
3 - развальцовка;
4 - отбортованная перфорированная крышка;
5 - отбортованная решетка;
6 - аэрозольный фильтр;
7 - регенеративный продукт;
8 - сетка;
9 - заглушка технологическая;
10 - воздуховод;
11 - трубка гофрированная;
12 - узел изоляции органов дыхания;
13 - дыхательный мешок;
14 - клапан избыточного давления;
15 - защитный пояс;
16 - упругая стяжка;
17 - шпилька;
18 - гайка;
19 - пружина сжатия.
Регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата с химически связанным кислородом содержит обечайку 1, торцевые кромки которой снабжены выступами 2 и выполненными на обоих торцах развальцовками 3, в которых размещены отбортованные перфорированные крышки 4, установленные своими отбортовками наружу (по отношению к регенеративному продукту 7) и закрепленные в развальцовках подгибанием выступов 2 обечайки, причем в одной из развальцовок установлена отбортованная решетка 5, между которой и отбортованной перфорированной крышкой 4 помещен аэрозольный фильтр 6, в качестве аэрозольного фильтра используется стеклобумага из супертонкого штапельного волокна марки БмД-Ф. Между отбортованными перфорированными крышками 4 и регенеративным продуктом 7 установлены сетки 8, на внешней поверхности развальцовок 3 установлены технологические заглушки 9, одна из которых при снаряжении изолирующего дыхательного аппарата заменяется на воздуховод 10, соединенный посредством трубки гофрированной 11 с узлом изоляции органов дыхания, присоединяемый со стороны регенеративного патрона, снабженной аэрозольным фильтром 6, а вторая заменяется на дыхательный мешок 13 с клапаном избыточного давления 14. На обечайке 1 регенеративного патрона установлен защитный пояс 15. Отбортованные перфорированные крышки 4 соединены между собой упругими стяжками 16, выполненными в виде шпилек 17, закрепленных на отбортованной перфорированной крышке 4, и гаек 18, взаимодействующих с пружинами сжатия 19 (на чертеже показаны в виде набора тарельчатых пружин).
Отношение площади поперечного сечения обечайки регенеративного патрона, выраженной в квадратных сантиметрах, к высоте слоя регенеративного продукта, выраженной в сантиметрах, составляет (18…23) к 1.
Регенеративный патрон работает в составе самоспасателя следующим образом.
Перед началом работы из регенеративного патрона удаляются технологические заглушки 9, вместо которых к патрону подсоединяются воздуховод 10 и дыхательный мешок 13, как показано на фиг. 2.
При возникновении опасной ситуации пользователь включается в самоспасатель в соответствии с инструкцией, при этом при еще не полностью надетом узле изоляции органов дыхания 12 пользователем производится 2-3 выдоха в узел изоляции органов дыхания 12 до срабатывания клапана избыточного давления 14 для первичного заполнения дыхательного мешка 13. При этом выдыхаемый воздух поступает в дыхательный мешок 13 по трубке гофрированной 11, затем через воздуховод 10, отбортованную перфорированную крышку 4, аэрозольный фильтр 6, регенеративный продукт 7 и вторую отбортованную перфорированную крышку в дыхательный мешок 13. При прохождении выдыхаемого воздуха через регенеративный патрон влага воздуха поглощается регенеративным продуктом 7, что ускоряет запуск регенеративного патрона и переход его в рабочий режим.
После завершения установки узла изоляции органов дыхания 12 на голове пользователя самоспасатель готов к работе.
При выдохе воздух из узла изоляции органов дыхания 12 через трубку гофрированную 11 и воздуховод 10 поступает в регенеративный патрон через отбортованную перфорированную крышку 4, аэрозольный фильтр 6, регенеративный продукт 7, в котором поглощается диоксид углерода и влага, выделяется кислород в объеме, пропорциональном объему поглощенных веществ. Через отбортованную перфорированную крышку 4 на выходе из обечайки 1 ГДС поступает в дыхательный мешок 13. При вдохе обогащенная кислородом ГДС из дыхательного мешка 13 вторично поступает в регенеративный патрон и проходит через регенеративный продукт 7, где дополнительно очищается от диоксида углерода, и, проходя в обратном направлении через аэрозольный фильтр 6, воздуховод 10, трубку гофрированную 11, узел изоляции органов дыхания 12, поступает на вдох пользователя. В процессе регенерации воздуха в контуре дыхательного аппарата происходит увеличение количества ГДС, так как средний коэффициент регенерации надпероксида калия равен 1,2, т.е. кислорода регенеративный продукт выделяет по объему в среднем на 20% больше поглощенного диоксида углерода. Поэтому избыток ГДС автоматически удаляется из дыхательного мешка 13 через клапан избыточного давления (КИД) 14. Процесс поглощения диоксида углерода и влаги регенеративным продуктом 7 сопровождается выделением тепла, поэтому при работе происходит нагрев обечайки 1 регенеративного патрона и проходящей через него ГДС. Нагрев обечайки 1 купируется поясом защитным 15, а нагрев ГДС - теплообменником (не показан), который при выдохе принимает температуру выдыхаемого воздуха, а при вдохе поглощает тепло ГДС, т.е. работает в рекуперативном режиме.
Согласно ГОСТ 12.4.292-2015 время защитного действия самоспасателя определяется при испытаниях на установке «Искусственные легкие» при легочной вентиляции 35 л/мин. При этом сопротивление вдоху/выдоху не должно превышать 980 Па, температура вдыхаемой ГДС не должна превышать 55°С, в условиях отрицательных температур в первые 6 минут работы допускается повышение объемной доли диоксида углерода во вдыхаемой ГДС до 5% (не более 3 мин), в начальный период испытаний допускается уменьшение объемной доли кислорода до 19% (не более чем на 3 мин). В процессе испытаний контролируются следующие параметры: объемная доля диоксида углерода и объемная доля кислорода во вдыхаемой ГДС, температура вдыхаемой ГДС, сопротивление дыханию. Испытания прекращаются, когда хотя бы один из указанных параметров превысит установленные стандартом значения. Следует отметить, что при полной отработке регенеративного продукта происходит резкое повышение объемной доли диоксида углерода. Соответственно, можно считать, что самоспасатель полностью исчерпал заложенный в нем ресурс, когда объемная доля диоксида углерода превысит установленный предел. Если же температура вдыхаемой ГДС или сопротивление дыханию превысят допустимые значения раньше, чем объемная доля диоксида углерода превысит установленный предел (3% по ГОСТ 12.4.292-2015), то это означает неполную отработку регенеративного продукта и, соответственно, лишний вес и размеры самоспасателя, что нарушает жесткие требования по массе самоспасателя, предъявляемые стандартом.
Пример 1
Испытания заявленного регенеративного патрона в составе изолирующего дыхательного аппарата проведены на установке «Искусственные легкие» (ГОСТ 12.4.292-2015). По результатам испытаний установлено, что регенеративный патрон без пускового устройства, содержащий 360 г регенеративного продукта, и имеющий размеры, исходя из отношения площади поперечного сечения обечайки к высоте слоя регенеративного продукта, равным 18, а именно:
высота патрона 5,7 см;
высота слоя продукта 4,9 см;
диаметр 10,6 см;
2
площадь поперечного сечения обечайки 88,20 см,
3
обладает следующими характеристиками. При легочной вентиляции 35 дм/мин сопротивление дыханию на вдохе/выдохе составляет 45/50 мм вод.ст.(450/500 Па). Температура вдыхаемой ГДС составляет 48°С. Время защитного действия (ВЗД) составляет 16-18 минут.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что заявляемый регенеративный патрон обеспечивает полноту отработки регенеративного продукта, при этом в конце работы регенеративного патрона параметры дыхания с некоторым избытком удовлетворяют требованиям ГОСТ 12.4.292-2015. В конце ВЗД, т.е. на 15-16 минуте, сопротивление дыханию и температура вдыхаемой ГДС имеют запас относительно предельных значений указанных в ГОСТ 12.4.292-2015.
Пример 2
Испытания проводились аналогично примеру 1.
По результатам испытаний установлено, что регенеративный патрон без пускового устройства, содержащий 330 г регенеративного продукта, и имеющий размеры, исходя из отношения площади поперечного сечения обечайки к высоте слоя регенеративного продукта, равным 23, а именно
высота патрона 5,7 см;
высота слоя продукта 3,7 см;
диаметр 10,6 см;
2
3
площадь поперечного сечения обечайки 88,20 см, обладает следующими характеристиками. При легочной вентиляции 35 дм/мин сопротивление дыханию на вдохе/выдохе составляет 40/50 мм вод.ст. (400/500 Па). Температура вдыхаемой ГДС составляет 47°С. Время защитного действия составляет 15-16 мин.
Таким образом, заявленный регенеративный патрон обладает высокой технологичностью за счет упрощения конструкции и технологии сборки, а также и высокими эксплуатационными характеристиками при минимизации массогабаритных характеристик за счет снижения материалоемкости и исключения из конструкции пускового устройства.