半閉式呼吸器二氧化碳吸收裝置的研究

毛龍，毛勝華，張毅, 胡曉，王夢(mèng)蕾，姚俊

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半閉式呼吸器二氧化碳吸收裝置的研究

毛龍1，毛勝華1，張毅2, 胡曉1，王夢(mèng)蕾2，姚俊2

（湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所, 湖北省應(yīng)急救生與安全防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 襄陽(yáng) 441000）

為了減小呼吸器二氧化碳吸收裝置的體積，對(duì)原有的二氧化碳吸收裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)。通過(guò)對(duì)吸收裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和吸收劑的重新選擇，并在呼吸機(jī)上進(jìn)行模擬試驗(yàn)表明：通過(guò)豎直隔板建立分隔空間，和采用吸收率38%的鈉石灰的吸收劑的改進(jìn)，吸收劑的重量由720 g 降低為300 g，有效減小了吸收劑的體積并且降低了呼吸器的呼氣阻力。

便攜式呼吸器；呼吸阻力；吸收效率；二氧化碳吸收裝置

小型便攜式呼吸器可以用作潛水員的備份呼吸器、船只沉沒(méi)時(shí)候的逃生呼吸器、潛艇潛水?dāng)R淺的逃生呼吸器。一般的水下呼吸器主要有氣瓶和一級(jí)減壓閥和二級(jí)減壓閥組成的開式呼吸器[1]，沒(méi)有CO2吸收裝置，一體式設(shè)計(jì)導(dǎo)致氣瓶整體體積較大，所以逃生時(shí)候在狹小空間內(nèi)難以移動(dòng)。所以需要一款體積小，方便攜帶組合式的水下呼吸器。小型便攜式呼吸器主要有：氧氣瓶、過(guò)濾器、口具、氣袋等組成[2]。過(guò)濾器是水下呼吸器的關(guān)鍵控制部件，用以吸收人體呼出的CO2，其性能直接影響水下呼吸器安全性和舒適性，在水下呼吸器供氣系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。呼吸阻力和CO2濃度和是過(guò)濾器性能的關(guān)鍵指標(biāo)，呼吸阻力偏大容易引發(fā)呼吸不適感，吸氣和呼氣困難，二氧化碳濃度超標(biāo)會(huì)造成人體的昏迷甚至死亡[3]。本文通過(guò)對(duì)吸收裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和吸收劑進(jìn)行選擇，減小過(guò)濾器的體積和重量。

1 過(guò)濾裝置的原理

半閉式呼吸器一般由供氧器、過(guò)濾器和氣袋組成，供氧器提供的氧氣供應(yīng)人體吸收，呼出的氣體為富氧氣體，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器內(nèi)部的CO2吸收劑，吸收人體呼出的CO2氣體，呼出氣體內(nèi)的氧氣混合供氧器釋放的氧氣，循環(huán)供人體呼吸[4]。半閉式呼吸器根據(jù)過(guò)濾裝置的位置不同設(shè)計(jì)出兩種氣路布置方案。方案1為往復(fù)式氣路，方案2為循環(huán)式氣路，如圖1，圖2所示。兩種氣路各具優(yōu)缺點(diǎn)。

往復(fù)式氣路優(yōu)點(diǎn)是：可以使呼出氣體在呼出和吸入過(guò)程中兩次經(jīng)過(guò)過(guò)濾層，吸收效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，過(guò)濾藥用量減小。

缺點(diǎn)是：呼氣和吸氣阻力都大，呼出水汽容易進(jìn)入吸收罐，吸收劑吸水后呼吸阻力更大，呼吸困難，氣袋內(nèi)存在死腔，氣體不能充分交換。循環(huán)式采用了兩個(gè)單向閥的設(shè)計(jì)，吸氣時(shí)候不經(jīng)過(guò)過(guò)濾罐，氣袋內(nèi)存有氣體，可以保證吸氣時(shí)正壓，所以吸氣時(shí)候呼吸阻力小，而且少量進(jìn)水不會(huì)影響吸氣阻力。半閉式呼吸器在水下使用需要考慮保證呼吸的通暢性，為了保證少量進(jìn)水后仍然可以工作，所以選擇呼吸阻力比較小的循環(huán)式氣路。

圖1 往復(fù)式氣路

圖2 循環(huán)式氣路

小型便攜式呼吸器采用半閉式結(jié)構(gòu)，主要由氣瓶、氣袋、過(guò)濾裝置組成。口具處具備兩個(gè)單向閥，呼出的含有二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過(guò)口具處呼氣單向閥進(jìn)入波紋管，波紋管通向過(guò)濾盒底部，呼出氣體經(jīng)過(guò)二氧化碳吸收罐過(guò)濾人體呼出的CO2后進(jìn)入氣袋。經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的氣體和氧氣瓶釋放的純氧在氣袋內(nèi)混合，潛水員吸氣時(shí)通過(guò)單向閥吸入混合后的氣體，多余氣體從氣袋泄壓閥中排除，循環(huán)往復(fù)，完成呼吸器的工作。如圖3所示。由于吸收的是純氧，所以呼吸器的在水下使用深度在15 m以上[3]。

圖3 小型便攜式呼吸器的原理示意圖

2 過(guò)濾裝置的測(cè)試方法

2.1 二氧化碳濃度要求

二氧化碳過(guò)濾裝置是用來(lái)清除人體呼出氣體中的二氧化碳，使呼出氣體可以循環(huán)利用。研究表明[5]：人體正常呼吸吸入氧氣含量21%，二氧化碳含量0.032%，呼出氣體中氧氣含量16%，二氧化碳含量4%。 根據(jù)CO2含量對(duì)人體的危害顯示：二氧化碳濃度在2.5% 在1 h內(nèi)不會(huì)有中毒現(xiàn)象發(fā)生；在二氧化碳濃度達(dá)到3%人體的呼吸量增大兩倍；當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到20%就會(huì)出現(xiàn)肺部換氣不足，氧氣消耗量增大，呼吸器佩戴者很快出現(xiàn)疲倦窒息甚至死亡。根據(jù)自己閉路式壓縮氧呼吸器GB23394-09的規(guī)定，呼吸器中供應(yīng)氣體二氧化碳含量要求，吸入二氧化碳含量的平均測(cè)定小于1.5%，最大不超過(guò)3%。不同勞動(dòng)強(qiáng)度耗氧量與二氧化碳產(chǎn)生量 如表1所示。

表 1 不同勞動(dòng)強(qiáng)度耗氧量與二氧化碳產(chǎn)生量

2.2 二氧化碳濃度測(cè)試原理與方法

便攜式呼吸器可以看作是正壓呼吸器。吸氣阻力主要為單向閥阻力，呼氣阻力包括：?jiǎn)蜗蜷y阻力、管道阻力、藥劑層阻力、過(guò)濾層阻力，泄壓閥阻力與藥層阻力。其中藥劑層租賃和泄壓閥阻力為主要阻力。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的阻力超量程現(xiàn)象都與單向閥阻力和藥層阻力有關(guān)，優(yōu)化過(guò)濾罐結(jié)構(gòu)和選擇合理的單向閥可以減輕呼氣阻力。呼吸器的測(cè)試主要是接連呼吸測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中采集數(shù)據(jù)，測(cè)試方法需要盡可能的模擬人體呼吸，傳統(tǒng)的測(cè)試中沒(méi)有通入飽和水蒸氣，而人體呼出的水汽對(duì)吸收劑的阻力和吸收效率都有較大影響，所以在測(cè)試中需要加入人體呼出的水汽。

呼吸阻力和二氧化碳濃度的測(cè)試方法是，便攜式呼吸機(jī)連接到呼吸綜合檢測(cè)儀（上海全申HX-111型）進(jìn)行呼吸阻力與二氧化碳含量的測(cè)試。二氧化碳與氧氣的混合氣體通入40 ℃飽和水汽，進(jìn)行加溫增濕，模擬人體呼出的氣體。通入氧氣流量為4 L/min,通入二氧化碳流量為1.5 L/min。呼吸機(jī)設(shè)置20 L/min、20次/min 。測(cè)試的原理與方法，如圖4所示。

圖4 測(cè)試原理與方法

3 吸收罐設(shè)計(jì)與優(yōu)化

吸收罐的設(shè)計(jì)主要是呼吸阻力與吸收效率之間的平衡。在其它條件相同的情況下，吸收劑藥層厚度增大吸收效果越高，工作時(shí)間越長(zhǎng)，但是加大吸收劑厚度會(huì)增大通氣阻力。所以研制吸收罐的時(shí)候，必須在吸收時(shí)間、吸收厚度、通氣阻力之間達(dá)到一個(gè)平衡。

原有二氧化碳吸收罐，設(shè)計(jì)為扁平型的方形殼體，滿足狹窄空間內(nèi)的救生需求，工作十分鐘。原有吸收罐內(nèi)，加入吸收率27%的醫(yī)療用鈉石灰吸收劑，鈉石灰重量為750 g。分別對(duì)鈉石灰重量為500 g和750 g進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表 2 co2通過(guò)500與750 g過(guò)濾藥后的濃度與阻力

通過(guò)表2看出兩種過(guò)濾藥不能滿足二氧化碳含量低于3%的需求。原有吸收罐內(nèi)部直接裝藥，氣體路徑短，吸收劑利用率低。所以考慮改變吸收罐的結(jié)構(gòu)，提高吸收效率，設(shè)計(jì)出三種不同結(jié)構(gòu)的吸收測(cè)試罐。吸收罐體一：過(guò)濾藥均勻存放于過(guò)濾網(wǎng)與擋板之間，上下留有空層，氣體從進(jìn)氣管進(jìn)入過(guò)濾罐底部，然后均勻向上過(guò)濾后流出。吸收罐體二：隔板一半為實(shí)心一半留有孔，氣體從底部流出后受到隔板的阻擋改變方向沿著折線流出，增加氣體流經(jīng)路徑。吸收罐體三：隔板為豎直隔板，樹立隔板的作用為分割過(guò)濾藥為三個(gè)獨(dú)立空間，氣體只能在三個(gè)獨(dú)立空間內(nèi)流動(dòng)，如圖5所示。

圖5 三種不同吸收罐設(shè)計(jì)方式

三種不同結(jié)構(gòu)的吸收罐內(nèi)均裝720 g吸收率25%的鈉石灰吸收劑。其他條件相同，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同吸收罐的吸收效果

吸收罐二與吸收罐一測(cè)試結(jié)果比較看出，吸收罐二沒(méi)有起到較好的吸收效果，呼吸阻力反而增大，因?yàn)镃O2經(jīng)過(guò)的氣體路徑雖然增加，但是對(duì)吸附劑的利用卻不充分，在隔板與殼體連接轉(zhuǎn)角位置存在吸收死腔，氣流會(huì)沿著最短的路徑通過(guò)吸收劑，轉(zhuǎn)角位置的吸收劑并不會(huì)起到吸收左右，經(jīng)過(guò)拆解發(fā)現(xiàn)吸收劑變色不均勻，說(shuō)明部分吸收劑沒(méi)有作用，證明了測(cè)試結(jié)果。吸收罐體三與吸收罐一測(cè)試結(jié)果比較看出，吸收罐三起到了一定的吸收效果，呼吸阻力沒(méi)有增大，說(shuō)明把呼吸罐分隔為幾個(gè)單獨(dú)的區(qū)域可以增加吸收效果，隔片可以阻擋CO2氣體沿著吸收劑內(nèi)部的大空隙流動(dòng)，在單獨(dú)的區(qū)域內(nèi)，氣流分布更均勻，讓吸收劑作用更均勻高效，起到提高吸收效率的作用，而且不會(huì)增加呼吸阻力，所以采用吸收罐三增加豎直隔板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

雖然改變了吸收罐的形狀還是不能滿足GB23394-09標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用更高吸收效率的吸收劑來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用吸收率38%與吸收率68%的吸收劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在罐體三內(nèi)裝750 g吸收劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。

表4 不同吸收率吸收劑的吸收效果

測(cè)試結(jié)果可以看出提高吸收劑的吸附效率可以明顯的提升吸收劑對(duì)二氧化碳的吸收效果，呼吸阻力沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明吸收劑對(duì)呼吸阻力的影響較小，滿足了呼吸器對(duì)CO2的吸收要求。750 g吸收劑已經(jīng)滿足了設(shè)計(jì)要求，吸收劑使用重量并沒(méi)有減小，所以需要減少吸收劑用量來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。減少吸收劑的用量可以減小二氧化碳吸收裝置的體積和重量，中水下救生中優(yōu)勢(shì)更為明顯。采用吸收罐體三的結(jié)構(gòu)，吸收罐體三內(nèi)分別裝450 g吸收劑，300 g吸收劑進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果，如表5所示。

表5 450 g不同吸收劑的吸收效果

從測(cè)試結(jié)果看出，兩種不同吸收效率的吸收劑都可以滿足指標(biāo)要求，但是內(nèi)裝68%的吸收罐發(fā)熱現(xiàn)象比較明顯，罐體表面溫度達(dá)到65 ℃。68%吸收劑成分含有大量的氫氧化鋰。

氫氧化鋰粉塵容易灼傷呼吸道，輕微的粉末也會(huì)引起人體不適，發(fā)熱也會(huì)導(dǎo)致喉嚨干燥[6],在實(shí)際使用中，在裝配的過(guò)程中，存在較大的粉塵，藥劑采用的是擠出工藝生產(chǎn)，為多空的疏松結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較差，在裝配過(guò)程和運(yùn)輸過(guò)程中，氫氧化鋰顆粒之間會(huì)相互擠壓，產(chǎn)生粉末，過(guò)濾網(wǎng)對(duì)粉末過(guò)濾不徹底，少量的粉末也會(huì)引起咳嗽和噴嚏嚴(yán)重的影響呼吸器的使用。所以選用吸收效率38%的鈉石灰吸附劑。表5可以看出，300 g吸收效率38%的鈉石灰吸收劑可以滿足要求。

4 結(jié)論

通過(guò)在采用呼吸機(jī)模擬人體呼吸的試驗(yàn)方法，針對(duì)對(duì)便攜式呼吸器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)后，采用吸收罐三的豎直隔板結(jié)構(gòu)把吸收劑隔離獨(dú)立的空間，對(duì)吸收效率有提高效果。選用300 g吸收率為38%的鈉石灰吸收劑，吸收劑的重量由720 g 降低為300 g，呼吸阻力由-200～700 Pa降低至-200～500 Pa。表明二氧化碳吸收裝置通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)和選用高效的吸收劑，少量的鈉石灰吸收劑就可以滿足二氧化碳濃度的要求，有效的減小了二氧化碳吸收裝置的體積重量和呼吸阻力。

［1］王正華. 海豚02直升機(jī)乘員水下呼吸器設(shè)計(jì)[C]. 第二十屆全國(guó)直升機(jī)年會(huì)論文，2004：275-278

［2］魯 剛，金仲賢.國(guó)內(nèi)外潛水裝具現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].海軍醫(yī)學(xué)雜志，2006,27[9]:260-261.

［3］劉平小，張 劍，張和祥.SCNR型潛水裝具的研制[J].海軍醫(yī)學(xué)雜志，2005,26[4]:352-35.3

［4］張志強(qiáng),毛 欣.化學(xué)氧自救器藥罐氣路結(jié)構(gòu)與防護(hù)性能的關(guān)系[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2007,34(4):21-25

［5］李謙.呼吸器應(yīng)用技術(shù) [M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2007：24.

［6］顧靖華，方以群.氫氧化鋰吸收劑用于吸收閉式/半閉式呼吸器二氧化碳的實(shí)驗(yàn)研究[J].中華航海醫(yī)學(xué)與高氣壓雜志，2011,18(2):102-103.

Research On CO2Absorption Device in semi-closed Respirator

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（Hubei Institute of Aerospace Chemotechnology, the Key Laboratory of Emergency Rescue and Safety Protection Technology of Hubei Province, HubeiXiangyang441000，China）

In order to reduce the volume of CO2absorption device,original CO2absorption device was redesigned, its structure plant was improved and the absorbent was reselected,and then the simulation test was carried out in semi-closed respirator. The results show that the weight of absorbent is reduced from 720 g to 300 g by establishing the separate space with vertical septum and using soda lime with absorbility of 38% as the absorbent, and the volume of CO2absorption device and the breathing resistance are successfully reduced.

Portable respirator;Breathing resistance;Absorption effect; CO2absorption device

TB 664

B

1671-0460（2017）08-1709-03

2017-05-30

毛龍 （1985- ），男，湖北襄陽(yáng)人，工程師，2011年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)，研究方向: 氮?dú)?、氧氣發(fā)生器的研制。E-mail：maolong825@163.com。

姚?。?973-），男，研究員，研究方向：應(yīng)急救生與安全防護(hù)研究。E-mail:inflatorglobal@163.com。