Патент на изобретение №2262965

(54) ГАЗООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДИФФУЗИОННОГО РЕСПИРАТОРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты органов дыхания человека от радиоактивных аэрозолей, аэрозолей биологического происхождения, различной пыли, микроэлементов, а также различных ядовитых газов. Газообменное устройство содержит каналы и клапаны вдоха и выдоха, дыхательный мешок, газообменный модуль из трековых мембран. Мембраны образуют чередующиеся между собой проточные каналы атмосферного и внутреннего воздуха одинаковой ширины с одинаковым перепадом давления по длине. Газообменное устройство содержит устройство создания избыточного давления в канале атмосферного воздуха, при этом размеры пор трековых мембран меньше опасных пылинок и микроорганизмов. Высота каналов атмосферного воздуха превышает высоту каналов внутреннего воздуха, при этом высоты каналов внутреннего и атмосферного воздуха и мощность устройства для создания избыточного давления выбраны, исходя из условий, что соотношение объемных расходов каналов атмосферного воздуха и каналов внутреннего воздуха – W₂/W₁ более 10, сохранения ламинарного режима потока в канале внутреннего воздуха, а также сохранения турбулентного режима потока в канале атмосферного воздуха. Обеспечивается регенерация выдыхаемого воздуха за один его проход через газообменный модуль, а также упрощение конструкции газообменного устройства и уменьшение его габаритов и веса. 3 ил.

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты органов дыхания человека от радиоактивных аэрозолей, аэрозолей биологического происхождения, различной пыли, микроэлементов, а также различных ядовитых газов.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) данного изобретения является газообменное устройство респиратора, описанное в патенте РФ №2168338, содержащее каналы и клапаны вдоха и выдоха, дыхательный мешок, газообменный модуль из трековых мембран, образующих чередующиеся между собой проточные каналы одинаковой высоты и ширины для атмосферного и внутреннего воздуха с одинаковым перепадом давления по длине, а также устройства создания избыточного давления в каналах атмосферного и внутреннего воздуха, при этом размеры пор трековых мембран меньше опасных пылинок и микроорганизмов.

Существенными признаками, совпадающими с предлагаемым техническим решением, являются те, что газообменное устройство содержит каналы и клапаны вдоха и выдоха, дыхательный мешок, газообменный модуль из трековых мембран, образующих чередующиеся между собой проточные каналы атмосферного и внутреннего воздуха одинаковой ширины с одинаковым перепадом давления по длине, а также устройство создания избыточного давления в канале атмосферного воздуха, при этом размеры пор трековых мембран меньше опасных пылинок и микроорганизмов.

Диффузионному газообменному устройству – прототипу свойственна относительно малая производительность, так как газообмен происходит в области с малой разностью концентраций регенерируемого воздуха во внутреннем и внешнем контуре газообменного устройства, одинаковая геометрия каналов внешнего и внутреннего контуров приводит к быстрому выравниванию концентраций вдоль каналов, и возникает необходимость многократной циркуляции воздушных потоков во внешнем и внутреннем контурах и, как следствие, необходимость установки в каждом из них отдельной газодувки.

Предлагаемым изобретением решается техническая задача регенерации выдыхаемого воздуха за один его проход через газообменный модуль, а также упрощение конструкции газообменного устройства и уменьшения его габаритов и веса.

Для решения данной технической задачи в газообменном устройстве, содержащем каналы и клапаны вдоха и выдоха, дыхательный мешок, газообменный модуль из трековых мембран, образующих чередующиеся между собой проточные каналы атмосферного и внутреннего воздуха одинаковой ширины с одинаковым перепадом давления по длине, а также устройство создания избыточного давления в канале атмосферного воздуха, при этом размеры пор трековых мембран меньше опасных пылинок и микроорганизмов, высота каналов атмосферного воздуха превышает высоту каналов внутреннего воздуха, при этом высоты каналов внутреннего и атмосферного воздуха и мощность устройства для создания избыточного давления выбраны, исходя из условий, что соотношение объемных расходов каналов атмосферного воздуха и каналов внутреннего воздуха – W₂/W₁ более 10, где W₂=V₂h₂, где V₂ – скорость воздуха в канале атмосферного воздуха, h₂ – высота канала атмосферного воздуха, W₁=V₁h₁, где V₁ – скорость воздуха в канале внутреннего воздуха, h₁ – высота канала внутреннего воздуха, сохранения ламинарного режима потока в канале внутреннего воздуха – число Рейнольдса Re=V₁de1/ менее 2000, где de1=4F1/Пe1 – эквивалентный диаметр канала внутреннего воздуха, где F1 – площадь сечения канала, Пе1 – периметр сечения канала внутреннего воздуха, a – кинематическая вязкость воздуха, а также сохранения турбулентного режима потока в канале атмосферного воздуха – число Рейнольдса Re=V₂de2/ более 2000, где de2=4F2/Пe2 – эквивалентный диаметр канала атмосферного воздуха, где F2 – площадь сечения канала, Пе2 – периметр сечения канала.

Отличительными признаками предлагаемого газообменного устройства от указанного выше известного являются следующие – высота каналов атмосферного воздуха превышает высоту каналов внутреннего воздуха, при этом высоты каналов внутреннего и атмосферного воздуха и мощность устройства для создания избыточного давления выбраны, исходя из условий, что соотношение объемных расходов каналов атмосферного воздуха и каналов внутреннего воздуха – W₂/W₁ более 10, где W₂=V₂h₂, где V₂ – скорость воздуха в канале атмосферного воздуха, h₂ – высота канала атмосферного воздуха, W₁=V₁h₁, где V₁ – скорость воздуха в канале внутреннего воздуха, h₁ – высота канала внутреннего воздуха, сохранения ламинарного режима потока в канале внутреннего воздуха – число Рейнольдса Re=V₁de1/ менее 2000, где de1=4F₁/Пe1 – эквивалентный диаметр канала внутреннего воздуха, где F1 – площадь сечения канала, Пе1 – периметр сечения канала внутреннего воздуха, a – кинематическая вязкость воздуха, а также сохранения турбулентного режима потока в канале атмосферного воздуха – число Рейнольдса Re=V₂de2/ более 2000, где de2=4F2/Пе2 – эквивалентный диаметр канала атмосферного воздуха, где F2 – площадь сечения канала, Пе2 – периметр сечения канала.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков предлагаемого технического решения в совокупности с известными достигается следующий технический результат: значительно повышается абсолютная величина разности концентраций диоксида углерода и кислорода между потоками регенерируемого и внешнего воздуха и повышается выброс диоксида углерода в атмосферу. Вполне достаточным оказывается всего один проход выдыхаемого воздуха сквозь каналы газообменного аппарата, чтобы регенерировать его до степени, пригодной для дыхания при работе различной тяжести в зависимости от отношения объемных расходов во внешнем W₁ и внутреннем контурах W₂. Это обстоятельство позволяет использовать только одну газодувку во внешнем контуре.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемое газообменное устройство, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности “новое”.

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности “изобретательский уровень”.

Предложенное изобретение может найти применение в любой области, где требуется защита органов дыхания человека от различных аэрозолей, пыли и ядовитых газов, например горнорудная и добывающая промышленность, атомная индустрия, различные техногенные катастрофы и природные катаклизмы, могут служить средствами индивидуальной защиты практически по всем направлениям применения и т.д., а следовательно, данное решение соответствует критерию “промышленно применимо”.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами фиг.1-3.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого газообменного аппарата для респиратора с одной газодувкой на стадии выдоха.

На фиг.2 представлена схема предлагаемого газообменного аппарата для респиратора с одной газодувкой на стадии вдоха.

На фиг.3 представлена схема расположения каналов газообменного устройства.

Представленный на фиг.1-3 газообменный аппарат содержит газодувку 1, внешний контур прокачиваемого атмосферного воздуха 2, высотою h₂, газообменное устройство 3, клапан выдоха 4, 5 – область регенерации выдыхаемого воздуха, клапан вдоха 6, дыхательный мешок 7.

Конструктивно система состоит из двух контуров: внешнего 2 и внутреннего 5, разделенных трековыми мембранами толщиной 10-20 мкм с цилиндрическими порами диаметром ˜0,20 мкм и пористостью 10-15%.

Внешний контур 2 включает в себя воздуходувку 1 и часть газообменного устройства 3, связан с внешнем пространством с помощью воздуходувки 1 и выходного сечения контура.

Внутренний контур состоит из клапанов вдоха 4 и выдоха 6, части газообменного устройства 5, ограниченной стенкой и трековой мембраной 3, дыхательного мешка 7. На фиг.1, 2 набор трековых мембран газообменного устройства представлен только одной трековой мембраной. В реальной конструкции необходимая для жизнеобеспечения площадь мембран S представляет собой набор чередующихся каналов h₂, соединенных распределителем воздуха газодувкой 1 и каналов h₁, питающихся выдыхаемым воздухом пользователя респиратора (см. фиг.3).

Устройство работает следующим образом.

Первая стадия – выдох (см. фиг.1). Клапан 4 открывается, выдыхаемый воздух проходит внутренний контур, попадая в газообменное устройство 5, при выходе из него обогащенный кислородом и освобожденный от диоксида углерода в необходимой степени для жизнеобеспечения воздух попадает в дыхательный мешок 7.

Вторая стадия – вдох. Закрывается клапан выдоха 4 (см. фиг.2), открывается клапан вдоха 6 и воздух из дыхательного мешка 7 поступает в дыхательные органы человека.

Одновременно с этим непрерывно работает газодувка 1 и во внешнем контуре 2 циркулирует воздух, поступающий из атмосферы.

Обеспечение нормальных условий жизнедеятельности человека происходит за счет разности концентраций диоксида углерода по разные стороны мембран газообменного устройства. Скорость массопереноса через участок трековой мембраны кислорода и диоксида углерода пропорциональна разности концентраций этих компонент воздуха на данном участке, проводимости воздушных пристеночных слоев мембраны, зависящих от аэродинамических характеристик тангенциальных потоков вдоль мембраны, и собственно диффузионной проводимости самой мембраны. Полные вынос углекислого газа через атмосферный контур и обогащение кислородом выдыхаемого воздуха пропорционально произведению площади трековых мембран S всех щелевых каналов на среднюю разность концентраций по длине каналов.

Если принять концентрацию диоксида углерода в выдыхаемом воздухе С_выд=5%, то на выходе внутренних каналов в дыхательный мешок она должна лежать в интервале 0,5%-0,1%. При концентрации вдыхаемого воздуха С_вд=0,5% человек находится в комфортных условиях в спокойном состоянии. При концентрации диоксида углерода С_вд=1% человек в комфортных условиях может выполнять работу любой тяжести.

В выдыхаемом в дыхательный мешок воздухе после прохождения внутренних каналов, когда отношение объемного расхода воздуха во внешнем канале W₂ к объемному расходу во внутреннем канале W₁, – W₂/W₁>1, а именно это условие соблюдается в интервале 0,5%-0,1%, концентрация диоксида углерода на выходе из внутреннего контура в дыхательный мешок в хорошем приближении уменьшается в W₂/W₁ раз. При одинаковой ширине каналов, что всегда имеет место в газообменных устройствах, Здесь V₁ и V₂ – скорости воздушных потоков во внутренних и внешних каналах. Если С_выд=5% и W₂/W₁=10, то С_вд=0,5%. Если W₂/W₁=50, то С_вд=0,1%

Следовательно, локализация выдыхаемого воздуха в области регенерации 4 и использование системы чередующихся разновысоких каналов позволяют создать малогабаритный газообменный аппарат на трековых мембранах для применения в диффузионных респираторах, защищающих от аэрозолей, включая частицы наноразмеров. Мощность, затрачиваемая на прокачку в атмосферном контуре, порядка нескольких десятых Вт.

Приведем пример практического подбора параметров, например скорости воздуха в канале атмосферного воздуха.

Зададим ряд параметров каналов: ширина b=1 см, длина L=30 см, высота h₁=0,15 см и h₂=0,6 см (как показали эксперименты, высота канала атмосферного воздуха должна быть в 3-4 раза больше высоты канала внутреннего воздуха, дальнейшее увеличение h₂ технически нецелесообразно из-за существенного увеличения габаритов газообменного устройства).

Зададим V₁ скорость потока в канале 1 равной 1,2 м/с. Эквивалентный диаметр канала 1, de1=4F/Пe1=0,26 см. Здесь F – площадь сечения канала перпендикулярного направлению потока h₁b, а Пе – периметр этого сечения равный 2(h₁+b). Если принять кинематическую вязкость воздуха при нормальных условиях =0,15 см²/с, то в этом случае число Рейнольдса Re=V₁de1/=208. Столь малое число Рейнольдса означает, что в канале 1 протекает ламинарный поток и перепад давления на его длине L можно вычислять по формуле

где =64/Re – коэффициент, учитывающий характер потока (в данном случае ламинарный), – плотность воздуха при нормальных условиях равная 1,2 кг/м³.

В результате p₁=28,6 Па.

Чтобы исключить прямую фильтрацию на трековых мембранах, перепад давления на мембране каналов должен быть равен нулю, т.е. p₁–р₂=0 или

р=p₁=р₂

Для выполнения данного условия определим скорость V₂, при которой в канале 2 перепад равен р. Значение de2=0,75 см указывает на большое число Рейнольдса в этом канале, соответствующее турбулентному протеканию в нем воздушного потока. В случае турбулентного потока коэффициент определяют по формуле ₂=0,316/Re^0,25. В результате для высокого канала h₂

Полученное ранее для канала h₁ значение перепада р=р₂=28,6 Па подставим в (2) и найдем V₂=5,36 м/с.

Проверим характер протекания воздуха в канале h₂. С этой целью вычислим число Рейнольдса Re₂=V₂de2/=2680. Здесь – кинематическая вязкость воздуха при нормальных условиях. Таким образом подтверждается сделанное выше предположение о турбулентном течении воздуха во втором канале. Следовательно, при скорости потока 1,2 м/с в первом канале h₁=1,5 мм и скорости V₂=5,36 м/с во втором канале h₂=6 мм перепад давления на самой мембране равен нулю.

Формула изобретения

Газообменное устройство, содержащее каналы и клапаны вдоха и выдоха, дыхательный мешок, газообменный модуль из трековых мембран, образующих чередующиеся между собой проточные каналы атмосферного и внутреннего воздуха одинаковой ширины с одинаковым перепадом давления по длине, а также устройство создания избыточного давления в канале атмосферного воздуха, при этом размеры пор трековых мембран меньше опасных пылинок и микроорганизмов, отличающееся тем, что высота каналов атмосферного воздуха превышает высоту каналов внутреннего воздуха, при этом высоты каналов внутреннего и атмосферного воздуха и мощность устройства для создания избыточного давления выбраны, исходя из условий, что соотношение объемных расходов каналов атмосферного воздуха и каналов внутреннего воздуха W₂/W₁ более 10, где

W₂=V₂h₂,

где V₂ – скорость воздуха в канале атмосферного воздуха;

h₂– высота канала атмосферного воздуха;

W₁=V₁h₁, где

V₁ – скорость воздуха в канале внутреннего воздуха;

h₁ – высота канала внутреннего воздуха;

сохранения ламинарного режима потока в канале внутреннего воздуха – число Рейнольдса Re=V₁de1/ менее 2000, где

de1=4F1/Пе1 – эквивалентный диаметр канала внутреннего воздуха, где

F1 – площадь сечения канала;

Пе1- периметр сечения канала внутреннего воздуха;

– кинематическая вязкость воздуха;

а также сохранения турбулентного режима потока в канале атмосферного воздуха – число Рейнольдса Re=V₂de2/ более 2000, где de2=4F2/Пе2 – эквивалентный диаметр канала атмосферного воздуха, где F2 – площадь сечения канала;

Пе2 – периметр сечения канала.

РИСУНКИ