CN103619416A - 用于自给式呼吸装置的高压空气筒 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自给式呼吸装置，其包括空气筒，该空气筒增压至大约5500psig，其中，空气筒可与结合空气筒使用的基础结构相容。自给式呼吸装置还包括第一调节器阀，用于使得来自空气筒的空气的压力降低至预定水平。第二调节器阀也提供为使得空气压力从预定水平降低至适合由操作人员使用的水平，其中，空气通过面罩而从第二调节器阀供给操作人员。自给式呼吸装置还包括框架，该框架用于将空气筒支承在操作人员的背上。还介绍和要求保护其它实施例。

Description

用于自给式呼吸装置的高压空气筒

相关申请的交叉引用

这是待审美国临时专利申请No.61/519603（申请日为2011年5月25日）和待审美国专利申请No.13/217703（申请日为2011年8月25日）的非临时申请，这两篇文献的全部内容结合到本申请中，作为参考。

技术领域

本发明通常涉及自给式呼吸装置，更特别是涉及具有改进空气筒结构的自给式呼吸装置，该空气筒结构比普通空气筒更轻和更小，同时提供所需的空气容量和与现有基础结构的相容性。

背景技术

由消防员使用的自给式呼吸装置（SCBA）通常包括用于供给可呼吸空气的增压空气筒、压力调节器、吸入连接件（接口件、口罩或面罩）以及安装在由消防员携带的框架上的其它装置。空气筒的结构通常是考虑多种设计因素的结果。这些因素包括以下项，例如尺寸、重量、所需的空气供给量、便携性、与其它标准化设备的相容性等。目前用于消防员的空气筒增压至大约2216磅每平方英寸（psi）或4500psi。

在使用中，希望SCBA提供足够的空气容量，以使得用户不会由于必须离开现场以获得替换空气筒而限制他/她的工作。不过，增加空气容量必须与可操纵的SCBA在重量和空间方面的要求进行平衡。在该方面，已经利用多种结构的空气筒来提供所需的空气容量。在一种结构中，两个标准尺寸的空气筒用于提供附加空气容量。在另一结构中，使用多个减小外形的空气筒，以便提高可操纵性，同时保持所需容量。不过，因为这些结构需要使用多于一个筒，因此它们能不合适地导致增加重量。它们还可能处理麻烦，并可能需要使用专用设备和对灭火部门人员进行再培训，以便保证正确操作。

在还一结构中，空气筒由专用材料（例如碳纤维复合材料）来制造，以便提供9500psi或更高的筒压力。这种结构尽管提供了希望增加的空气容量，但是也导致增加的制造成本。这种结构也可能导致增加重量。

因此，还希望提供一种改进的空气筒，该空气筒有减小的总空间外壳，同时保持现有空气容量。形成的筒应当容易使用、制造便宜，且应当适应当前的筒充装基础结构。

发明内容

这里公开了一种自给式呼吸装置。自给式呼吸装置包括空气筒，该空气筒能够增压至大约5400psi（37MPa）至大约6000psig（41MPa）。在一个示例实施例中，空气筒能够增压至大约5500psig（38MPa）。在另一示例实施例中，空气筒能够增压至大约5400psig（37MPa）至5600psig（39MPa）。空气筒优化了尺寸和重量，并可与结合普通空气筒使用的基础结构相容。自给式呼吸装置还包括第一调节器阀，用于使得从空气筒接收的空气的压力降低至预定水平。第二调节器阀提供为用于使得从第一调节器阀接收的空气的压力降低至适合由操作人员使用的水平。从第二调节器阀供给的空气通过面罩而供给操作人员。自给式呼吸装置还包括用于将空气筒支承在操作人员的背上的框架。

还公开了一种压缩气体筒。筒可以包括压力容积部分，该压力容积部分用于容纳一定体积的、增压至工作压力的气体。压力容积部分可以有根据以下公式来选择的长度、直径和水容积：

$L=\frac{4(V-\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6})}{{\mathrm{\πd}}^2}+d$

其中：L=长度；V=水容积；而d=直径。工作压力可以是从大约5000psig（34MPa）至大约6000psig（41MPa）。工作压力可以是从大约5400psig（37MPa）至大约5600psig（39MPa）。筒还可以包括用于与压力调节器组件连接的气体输送口。

还公开了一种自给式呼吸装置。该自给式呼吸装置可以包括压缩气体筒。压缩气体筒可以包括压力容积部分，该压力容积部分用于容纳一定体积的、增压至工作压力的气体。压力容积部分可以有根据以下公式来选择的长度、直径和水容积：

$L=\frac{4(V-\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6})}{{\mathrm{\πd}}^2}+d$

其中：L=长度；V=水容积；而d=直径。工作压力可以是从大约5000psig（34MPa）至大约6000psig（41MPa）。也可选择，工作压力可以是从大约5400psig（37MPa）至大约5600psig（39MPa）。筒还可以包括气体输送口。自给式呼吸装置还可以包括第一调节器阀，该第一调节器阀与气体输送口连接，用于从压力容积部分接收压缩气体。第一调节器阀可以设置成使得从压力容积部分接收的气体的压力降低至低于第一压力的第二压力。第二调节器阀可以提供为与第一调节器阀流体连通，用于从第一调节器阀接收压缩气体。第二调节器阀可以设置成使得从第一调节器阀接收的气体的压力降低至低于第二压力的第三压力。还可以提供面罩部分。面罩部分可以与第二调节器阀流体连通，用于在第三压力下向用户提供气体。自给式呼吸装置还可以包括框架部分，该框架部分有用户支承部分，以便使得用户能够携带该压缩气体筒。

附图说明

下面将通过示例参考附图介绍本发明装置的特殊实施例，附图中：

图1A-1D表示了本发明空气筒的第一、第二、第三和第四实施例。

图2是本发明空气筒的示例实施例和普通空气筒相对于用户的重心定位的剖视图。

图3是长度、直径、重量和质量的示例比较尺寸值的表格，用于本发明空气筒与普通4500psi空气筒比较，用于计算相对于普通用户的相对旋转惯量值。

图4是本发明空气筒的示例实施例和普通4500psig（31MPa）空气筒的外部尺寸的示意比较。

图5是用于本发明空气筒的示例实施例的压力相对于筒内部容积的曲线图。

图6是用于本发明空气筒的示例实施例的压力相对于筒内部容积的第二示例曲线图。

图7是用于本发明空气筒的示例实施例的压力相对于筒内部容积的一阶导数的曲线图。

图8是用于本发明空气筒的示例实施例的筒长度相对于筒直径的曲线图。

图9是用于本发明空气筒的示例实施例的筒长度相对于筒直径相对于筒重量的三维曲线图。

图10是长度、直径和重量的示例比较尺寸值的表格，用于本发明空气筒的示例实施例与普通4500psig（31MPa）空气筒比较。

图11是本发明空气筒的多个示例实施例与相应的普通4500psig（31MPa）空气筒的比较。

图12是与图1A-1D的公开空气筒一起使用的自给式呼吸装置的示意图。

具体实施方式

应当知道，本发明装置的应用并不局限于在下面的说明书中所述或在下面的附图中所示的部件结构和布置方式的细节。本发明装置能够有其它实施例，并能够以多种方式来实现或实施。还有，应当知道，这里使用的措辞和术语是为了说明目的，而不能认为是限制。这里使用“包括”、“包含”或“有”及其变型的意思是包含后面所列的项和它们的等效物以及另外的项。除非另外特别说明或限制，术语“安装”、“连接”、“支承”和“接合”以及它们的变化形式将广义地使用，并包括直接和间接地安装、连接、支承和接合。而且，“连接”和“接合”并不局限于物理或机械连接或接合。在下面的说明书中，相同的参考标号和标记用于在多个附图中表示相同、类似或相应的部件。

下面参考图1A-1D，图中表示了根据本发明的多个空气筒10、12、14、16。筒10-16设置成用于由消防员、第一急救者、危险物质小队成员、救生员等使用的自给式呼吸装置（SCBA）中。尽管下面对于由消防员使用本发明装置进行了说明，但是应当知道，本发明的筒同样可用于其它用户。

如后面更详细所述，空气筒10-16设置成具有与普通筒相比减小的总体空间外壳，同时还保持所需的标准可呼吸空气容积。如图所示，各筒10-16包括压力容积部分，该压力容积部分有长度“L”和直径“d”，该长度“L”和直径“d”一起限定了各筒的总体空间外壳。普通的SCBA筒设置成在多个时间增量（例如30分钟、45分钟、60分钟和75分钟）中的一个中提供可呼吸空气容量。应当知道，这些持续时间基于40升每分钟的额定空气消耗率。为了获得足以提供根据这些时间增量的可呼吸空气的自由空气容积，普通的SCBA筒增压至大约4500psig（31MPa）。这种增压设计导致普通的筒具有特殊的长度和直径（取决于选定的增量自由空气容量），该长度和直径形成总体普通空间外壳和重量。本发明的空气筒10-16提供了与普通的筒相同的空气增量容量（分别为30分钟、45分钟、60分钟和75分钟）。不过，本发明的筒与普通筒相比具有减小的空间外壳（例如长度和/或直径）和/或重量。应当知道，SCBA的这种减小空间外壳和/或重量导致SCBA更容易操纵和更不可能由建筑物结构和内容物缠住，被建筑物结构和内容物缠住通常可能在与消防工作相连的限定空间中发生。另外，包括本发明筒的SCBA将比具有相应自由空气容积的普通空气筒更轻，因此提高了便携性，并降低了消防员的重量应力。而且，通过使得空气筒具有减小的直径，SCBA的重心更靠近消防员的背，这进一步降低了工作应力。例如，图2表示了由于本发明空气筒12和普通筒45A相对于用户100的位置（更特别是它们相对于用户的重心“GG”的位置）而引起的SCBA的旋转惯性效应的比较。当用户试图在他们的旋转运动范围的末端处停止腰部/胸部的旋转时，在未对齐的脊柱上的扭转负载最大。需要来自上面的轴向力矩（τ）来停止旋转，并在扭转/未对齐的脊柱上施加负载，因为肌肉收缩通常相对于旋转轴线成一定角度。

轴向力矩τ可以由以下公式表示：

$\mathrm{\τ}=\frac{I({\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1)}{\mathrm{\Δt}}$

其中，

ω2=最终角速度；

ω1=初始角速度；

Δt=作用的时间长度；

I=旋转惯量，其中，

I＝m(r₁+r₂)²

其中：

m=质量

r1=在空气筒边缘和人的重心之间的距离；以及

r2=空气筒半径；其中

$r_2=\frac{d_{\mathrm{cylinder}}}{2},$ 和

d_cylinder=空气筒直径。

图3是表示用于确定本发明筒10、12、14以及相同自由空气容积的相应普通4500psig（31MPa）筒的旋转惯量“I”的筒水容积、筒重量、筒质量、空气质量、r1和r2的比较值。该比较假定“r1”（在用户的CG与筒的边缘之间的距离）为4英寸（10.16厘米）。由此可见，本发明筒10、12和14的旋转惯量小于具有相同自由空气容积的相应普通筒的旋转惯量。具体地说，对于本发明的30分钟筒10，旋转惯量降低16.4%，对于本发明的45分钟筒12，旋转惯量降低11.1%，对于本发明的60分钟筒14，旋转惯量降低12.6%。

因此，本发明的筒降低了旋转惯性效应，同时保持所需的自由空气容量。应当知道，通过降低SCBA的旋转惯性效应，过早疲劳和可能受伤的机率减小。而且，通过使得用户能够在携带和操纵SCBA时施加更少能量，用户可以消耗更少空气，并因此增加他/她在紧急情况位置的停留时间。

在一些实施例中，优先是可以尽可能地减小筒的直径“d”，同时保持所需空气容量，以便降低SCBA的重心和增加可操纵性。其它实施例可以着重于减小筒的长度“L”或重量“W”，而其它实施例可以提供降低尺寸“L”、“d”和重量“W”的组合。

为了获得这样减小的空间和/或重量，本发明的筒设置成具有从5000psig（34MPa）至大约6000psig（41MPa）的“工作压力”。在一些实施例中，本发明的筒具有从5400psig（37MPa）至大约5600psig（39MPa）的工作压力。在其它实施例中，本发明的筒具有从5000psig（34MPa）至5600psig（39MPa）的工作压力。在还一些实施例中，本发明的筒具有从5600psig（39MPa）至6000psig（41MPa）的工作压力。在一个特别优选的实施例中，本发明的筒具有5500psig（38MPa）的工作压力。

对于本发明，术语“工作压力”如在49C.F.R.§173.115（标题为“Shippers—General Requirements for Shipments and Packagings”，该文献的全部内容结合到本申请中，作为参考）中详细说明。因此，术语“工作压力”的意思应该是在包装件（筒可以转载在该包装件上）上的认可压力标记。例如，对于标记为“DOT3A1800”的筒，工作压力为12410kPa（1800psig）。

如本领域普通技术人员所知，在筒充装操作中，特殊筒的工作压力可以超过少量（例如10%）。这样少量超载可以是故意的，以便补偿当空气在筒中压缩时产生的热量。在充装后，当充装的筒中的空气返回周围环境温度时，在筒中的压力稍微降低。因此，考虑到这种压力降，筒可以充装成压力稍微大于工作压力，使得当筒中的空气的温度返回周围环境温度时，筒保持充装至工作压力值（或非常接近该工作压力值）。因此，在一个示例中，具有1800psig（12MPa）工作压力的筒可以充装至大约1980psig（14MPa）的压力。对于本发明的筒10-16，具有5500psig（38MPa）工作压力的实施例将充装高达大约6050psig（42MPa）的值，以便保证当筒中的空气的温度返回周围环境温度时筒10-16返回至大约5500psig（38MPa）的内部压力。本发明的设计还使得筒10-16可与现有的充装基础结构（即压缩机）相容，该现有充装基础结构（压缩机）大致能够充装至大约6000psig（41MPa）。

这种基础结构相容性还包括当前对于普通4500psig（31MPa）空气筒平台目前已有的尺寸、重量和结构限制。因此，本发明的空气筒10-16可与现有的空气充装站相容，该空气充装站利用容器或破碎装置来防止筒破裂。预计普通的基础结构平台将用于支持本发明的空气筒10-16。

另外，消防车通常包括弹跳座位，其中，包括空气筒的SCBA通过保持夹而保持在座位中，以方便由消防员取出SCBA。本发明的空气筒10-16能够与用于这种弹跳座位的现有基础结构相容。本发明的筒10-16还可与由消防员用于携带SCBA的现有背部框架相容。而且，本发明的筒还可与在消防站和消防车中用于装载空气筒的现有储存管相容。

参考图4，图中表示了在本发明的筒12（具有45分钟的容量，或者1800升的自由空气容积）和两个普通“45分钟”筒45A和45B之间的示例定性比较。如图所示，与传统的筒45A、45B相比，本发明的筒12具有总体减小的空间外壳。与传统的筒45A相比，本发明的筒12具有稍微更大的长度“L”，但是有明显更小的直径“d”。因此，筒12在操作过程中将不会离开用户的背部凸出得像传统的筒45A那样远（见图2）。与传统的筒45B相比，本发明的筒12具有明显更小的长度“L”，同时保持类似的直径“d”。因此，筒12在操作过程中将不会在用户的背部上方凸出得像传统的筒45B那样远。由于这些减小的尺寸，本发明的45分钟筒12还明显比传统的45分钟筒45A、45B更轻。通过本发明的筒10、14和16也获得类似的优点（与它们的普通4500psig（31MPa）对应部件相比）。

因此，本发明人发现，本发明的筒10-16提供了用于SCBA中的尺寸、重量和空气容量的最佳组合，同时还与结合空气筒使用的现有设备基础结构相容。本发明的筒10-16的直径、长度和/或重量小于具有相应30、45、60和75分钟空气容量的普通空气筒。如前所述，这样减小尺寸通过将本发明的筒10-16增压至5000-6000psig（34MPa-41MPa）而实现，且在大约5500psig（38MPa）的示例实施例中，这导致相对于普通空气筒（该普通空气筒增压至4500psig（31MPa））减小尺寸和重量。

应当知道，尽管能够设计这样的空气筒，该空气筒能够增压至远大于本发明筒的5000-6000psig（34MPa-41MPa），但是形成的筒将不希望地增加筒的总体重量（由于明显增加的壁厚），而没有成比例的有利的容量增加或尺寸减小。因此，已经发现5500psig（38MPa）提供了在消防环境中使用的空气筒的尺寸、重量和附加空气容量的最佳组合，还将保持与现有充装基础结构的相容性。这能够在图5中可见，图5表示了压力相对于筒内部容积的曲线图。这样的示例曲线图表示了对于45分钟（即1800升的自由空气）筒的曲线。可以看见，传统的45分钟筒必须有大约418立方英寸的内部容积，以便在充装至4500psig（31MPa）时容纳1800升的自由空气。通过使得充装压力变化至5500psig（38MPa），筒内部容积能够减小大约69立方英寸（或者17%），同时保持所需的1800升自由容积。通过使筒容积减少17%，能够获得筒外部尺寸的成比例减小（例如见图4）。在一个示例实施例中，充装至大约5500psig（38MPa）的本发明45分钟筒12能够有与增压至4500psig（31MPa）的传统30分钟筒相同的外部尺寸。

如前所述，本发明人发现只是继续增加充装压力（例如6000psig（41MPa）和更高）并不能导致相当地节省空间和重量。这能够在图6中可见，图6表示了为了使得筒容积另外降低69立方英寸（17%）（在通过5500psig（38MPa）充装压力获得的筒容积之上）将需要大约7250psig（50MPa）的筒充装压力（充装压力增加大约32%）。在图10中对各本发明筒10、12、14进行了表示（将在后面更详细介绍）。由这些数据可以看见，筒充装压力增加超过6000psig（41MPa）将导致充装效率连续降低（即筒容积的附加降低需要较大的充装压力增加）。另外，使得充装压力增加超过6000psig（41MPa）也导致重量不希望地大大增加（由于容纳这样较高压力所需的较大壁厚）。

图7是图5和6的曲线的一阶导数的曲线图，表示了作为充装压力的函数的容积变化率（立方英寸/psi）。该曲线图还表示了曲线怎样在大约6000psig（41MPa）处开始基本扁平，这支持以下陈述，即充装筒高于大约6000psig（41MPa）将导致筒容积（和因此尺寸）的减小大大降低。

应当知道，尽管图5-7的曲线图提供了关于1800升（即45分钟）筒的特定值，对于其它尺寸（即30分钟、60分钟和75分钟）的筒将获得类似结果。另外，应当知道，本发明的筒不需要提供于前述离散容量，而是可以根据需要以多种其它增量容量来提供（例如35分钟、50分钟、62分钟等）。

下面参考图8，图8表示了对于本发明的筒10-16的、筒长度（L）相对于直径（d）的示例曲线图。尽管在图6中示例说明的特定值涉及45分钟的筒（1800升自由空气容积），但是该公式也可用于30分钟、60分钟和75分钟的筒。曲线图表示了通过根据以下等式来选择长度或直径，能够在筒12-16中获得所需的筒尺寸和重量减小：

$L=\frac{4(V-\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6})}{{\mathrm{\πd}}^2}+d---\left(1\right)$

其中：

L=长度

V=筒的水容积；以及

d=直径。

应当知道，在上面的公式中使用的“水容积”是指相关筒10-16的内部物理容积，而不是筒的压缩“自由空气”容积。同样，应当知道，Lmax、Lmin、dmax和dmin（以及导致选择的“L”和“d”）的值表示筒12的压力容积部分的内部尺寸。应当知道，图8的曲线由等式（1）表示，由Lmax、Lmin、dmax和dmin的值来限制，因此，本发明的筒12可以有在Lmax/dmin和Lmin/dmax之间落在曲线上的长度“L”和直径“d”。利用该曲线和公式，能够获得筒12的尺寸，以便形成筒，该筒在充装至5500psig（38MPa）时容纳大约1800升的自由空气容积（即45分钟的可呼吸空气供给）。应当知道，等式（1）用于具有半球形头部（即端部）的筒。因此，当筒包括正方形、椭圆体形或准球形头部时，可以采用与这里所述不同的Lmin/Lmax和dmin/dmax值。

在可用于45分钟的筒（即第二筒12）的一个示例实施例中，Lmax可以为大约19.5英寸，Lmin可以为大约16.9英寸，dmax可以为大约5.4英寸，dmin可以为大约5.0英寸，其中，Lmax、Lmin、dmax和dmin表示筒12的压力容积部分的内部尺寸。在一个示例实施例中，Lmax和dmax定义为普通（即4500psig（31MPa））45分钟筒的长度和直径。本发明的筒12可以选择为具有等于Lmax的长度，根据等式（1）和图8，这将导致直径等于dmin。形成的筒12将有比传统的45分钟筒小的直径。也可选择，本发明的筒12可以选择为具有等于dmax的直径，根据等式（1）和图8，这将导致长度等于Lmin。形成的筒12将有比传统的45分钟筒小的长度。可以考虑多个其它实施例，其中，本发明的筒12的长度和直径将是在Lmax、Lmin、dmax和dmin的一些组合之间曲线的点上。

通过根据等式（1）来选择筒10-16的长度和直径，与标准4500psig（31MPa）空气筒相比，利用本发明的筒10-16可以获得从大约百分之五（5%）至大约百分之十二（12%）或更多的重量减小（见图10）。

图9是对于充装至5500psig（38MPa）的示例45分钟（1800升）筒12的筒长度相对于筒直径相对于筒重量的示例性3维曲线图。如前所述，筒直径和筒长度的值表示筒12的压力容积部分的内部尺寸。对于图8的曲线，图9的所示3维表面能够根据特殊选择的长度、直径和重量的最大值和最小值来选择合适的筒。因此，本发明的筒12可以有长度“L”、直径“d”和重量“W”，该长度“L”、直径“d”和重量“W”落在表面上并在由点dmin、Lmax、Wmax；dmin、Lmax、Wmin；dmax、Lmin、Wmin；和dmax、Lmin、Wmax限定的区域内。示例点120表示为在图8中的、表示长度、直径和重量的合适组合的该区域内。在一个实施例中，“Wmax”并不大于具有相同空气容量的普通4500psig（31MPa）筒的重量。

使用图9的表面，能够获得筒12的尺寸，以便形成筒，该筒在充装至5500psig（38MPa）时容纳大约1800升的自由空气容积（即45分钟的可呼吸空气供给）。

图10的图表表示对于30、45和60分钟筒的“水容积”、“长度”、“直径”、“半径”、“长度”和“重量”的比较值。应当知道，本发明筒10-16的重量（W、Wax、Wmin）值这样计算，即对于本发明的30分钟筒10，使用大约0.322英寸（0.818cm）的假设壁厚，对于本发明的45分钟筒12，使用大约0.337英寸（0.866cm）的假设壁厚，对于本发明的60分钟筒，使用大约0.362英寸（0.919cm）的假设壁厚，对于本发明的75分钟筒16，使用大约0.398英寸（1.01cm）的假设壁厚。4500psig（31MPa）筒的重量值这样计算，即对于普通4500psig（31MPa）30分钟筒，使用大约0.263英寸（0.668cm）的假设壁厚，对于普通4500psig（31MPa）45分钟筒，使用大约0.317英寸（0.805cm）的假设壁厚，对于普通4500psig（31MPa）60分钟筒，使用大约0.351英寸（0.892cm）的假设壁厚。这些壁厚可以包括可以用于构成这种筒的内部衬垫、外壳和任意其它层的组合。

应当知道，与类似自由空气容量的相应普通空气筒相比，与各本发明筒10、12、14相关的水容积减小导致明显的重量减小。因此，由于容纳更高压力（与普通4500psig（31MPa）筒相比）所需的加强而加在本发明的筒10-16上的任何重量也仍然导致筒的重量小于相应的普通筒。还示意表示了较大的长度和/或直径降低。

图10还包括对于充装至不同工作压力（例如5000psig（34MPa）、5500psig（38MPa）、6000psig（41MPa））的本发明筒10、12、14的多个实施例的“比较容积变化”列表，都为立方英寸降低和百分数降低。如前所述，该数据表示本发明的筒提供了在筒内部容积降低、外部尺寸降低、重量降低和充装压力之间的合适平衡。数据表明，只是继续增加充装压力至高于约6000psig（41MPa）将导致不希望地降低充装效率。

而且，对于30分钟（1200升）、45分钟（1800升）、60分钟（2400升）和75分钟（3000升）的筒10、12、14和16的特殊实施例，提出了特殊的示例Lmax、Lmin、Dmax、Dmin、Wmax和Wmin值。Lmax、Lmin、Dmax和Dmin值表示相应筒10-16的压力容积部分的内部尺寸。如前所述，通过提供希望的长度、直径和重量值的范围，能够设计特殊的筒，该筒包括所需的自由空气容积、所需的重量和所需的外部空间外壳。在一些实施例中，可能希望重量最小。在这种情况下，Wmin值能够选择为用于重量的值，且长度和直径值能够根据等式（1）保持在Lmin/Lmax、dmin/dmax内。在其它实施例中，可能希望使得直径最小（例如以便降低旋转惯性效应）。在这种情况下，dmin值能够选择为直径，而长度和重量值能够根据等式（1）而调节成保持在Lmin/Lmax、Wmin/Wmax内。应当知道，等式（1）用于具有半球形头部（即端部）的筒。因此，当筒包括正方形、椭圆体形或准球形头部时，可以采用与图10中所示不同的Lmin/Lmax和dmin/dmax值。

图11中表示了本发明的筒10-16与传统4500psig（31MPa）筒比较的示例并排尺寸对比。

示例1-30分钟空气筒比较

普通的30分钟空气筒30A制造成具有4500psig（31MPa）的工作压力。普通的空气筒30A具有6.6磅（2.99kg）的重量、18.55英寸（47.12cm）的外部长度和5.53英寸（14.05cm）的外径。根据本发明的30分钟空气筒10制造成具有5500psig（38MPa）的工作压力。空气筒10具有5.8磅（2.63kg）的重量、18.9英寸（48.00cm）的外部长度和4.94英寸（12.55cm）的外径。

示例2-45分钟空气筒比较

普通的45分钟空气筒45A制造成具有4500psig（31MPa）的工作压力。普通的空气筒45A具有9.0磅（4.08kg）的重量、18.20英寸（46.23cm）的外部长度和6.84英寸（17.37cm）的外径。第二种普通的空气筒45B制造成具有20.80英寸（52.83cm）的外部长度和6.32英寸（16.05cm）的外径。根据本发明的45分钟空气筒12制造成具有5500psig（38MPa）的工作压力。空气筒12具有7.8磅（3.54kg）的重量、18.8英寸（47.75cm）的外部长度和6.10英寸（15.49cm）的外径。

示例3-60分钟空气筒比较

普通的60分钟空气筒60A制造成具有4500psig（31MPa）的工作压力。普通的空气筒60A具有11.6磅（5.26kg）的重量、21.70英寸（55.12cm）的外部长度和7.05英寸（17.91cm）的外径。根据本发明的60分钟空气筒14制造成具有5500psig（38MPa）的工作压力。60分钟的筒14具有10.0磅（4.54kg）的重量、21.21英寸（53.87cm）的外部长度和6.53英寸（16.59cm）的外径。

示例4-75分钟空气筒比较

并不制造普通的75分钟空气筒（4500psig（31MPa）的工作压力），因为所需的长度和直径尺寸对于SCBA用途来说太大。根据本发明的75分钟空气筒16制造成具有5500psig（38MPa）的工作压力。75分钟的筒具有12.5磅（5.67kg）的重量、21.95英寸（55.75cm）的外部长度和7.15英寸（18.16cm）的外径。尽管没有用于普通75分钟筒的比较数据，但是能够看见，本发明的75分钟筒16在直径和长度方面与普通的60分钟筒（4500psig（31MPa）的工作压力）相当。

本发明的筒10-16能够使用多种材料来制造，包括铝、钢、碳纤维和/或玻璃纤维包裹的铝或钢等。另外，也可以使用其它复合材料。

通过这样限定尺寸，本发明的空气筒可以向用户提供增加的可操纵性、更长的空气供给持续时间、更低的重心（用于更短的筒）、使得重心离用户的背更近（对于具有更小直径的筒）。最终，本发明的筒能够使得用户在限定空间中更舒服和更可运动。

下面参考图12，示例的SCBA18示意表示为包括单个空气筒12，该空气筒12安装在背带或框架26上，以便使得空气筒12能够携带在消防员的背上。空气筒12与第一调节器阀20连接，该第一调节器阀20再与第二调节器阀22连接。第二调节器阀22与面罩24连接，该面罩24能够由消防员佩戴。空气筒12、第一调节器阀20、第二调节器阀22和面罩24通过一个或多个软管25而相互流体连通。

第一调节器阀20使得来自空气筒12的空气压力降低至预定水平。第二调节器阀22通过面罩24以低于预定水平的非常低压力向消防员提供调节流量的空气。第二调节器阀22以需求模式（其中，第二调节器阀22只在消防员吸气时起动）或者以连续正模式（其中，第二调节器阀22向面罩24提供恒定空气流）来操作。

应当知道，任意的本发明空气筒10-16都可以用于上述SCBA18。还应当知道，本发明的结构有利地允许SCBA能够使用具有所需自由空气容量的单个空气筒，同时与具有类似自由空气容量的普通（即4500psig（31MPa））空气筒相比降低了总体空间外壳和重量。

尽管已经结合特殊实施例介绍了本发明，但是显然，本领域技术人员根据前述说明将清楚多种替换、变化、置换和改变。因此，本发明将包含所有这些替换、变化和改变。

尽管这里已经介绍了本发明的特定实施例，但是本发明并不局限于此，本发明将有如本领域允许的较宽范围，且说明书也同样阅读。因此，上述说明并不认为是限制，而只是特殊实施例的示例说明。本领域技术人员可以设想在附加权利要求的范围和精神内的其它变化形式。

Claims (20)

1.一种压缩气体筒，包括：

压力容积部分，所述压力容积部分用于容纳增压至工作压力的气体体积，压力容积部分具有根据以下公式来选择的长度、直径和水容积：

$L=\frac{4(V-\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6})}{{\mathrm{\πd}}^2}+d$

其中：

L=长度；

V=水容积；以及

d=直径；

工作压力为从大约5400psig至大约5600psig；以及

其中，压缩气体筒还包括用于与压力调节器组件连接的气体输送口。

2.根据权利要求1所述的压缩气体筒，其中：工作压力为从大约5400psig至大约5500psig。

3.根据权利要求1所述的压缩气体筒，其中：工作压力为大约5500psig。

4.根据权利要求1所述的压缩气体筒，其中：工作压力为从大约5500psig至大约5600psig。

5.根据权利要求1所述的压缩气体筒，其中：水容积为大约349立方英寸。

6.根据权利要求1所述的压缩气体筒，其中：压力容积部分设置成容纳大约1200升的自由空气。

7.根据权利要求6所述的压缩气体筒，其中：压缩气体筒的重量为大约5.7磅至大约6.6磅。

8.根据权利要求7所述的压缩气体筒，其中：压力容积部分的长度为大约14.8英寸至大约17.3英寸，压力容积部分的直径为大约4.3英寸至大约4.7英寸。

9.根据权利要求1所述的压缩气体筒，其中：压力容积部分设置成容纳大约1800升的自由空气。

10.根据权利要求9所述的压缩气体筒，其中：压缩气体筒具有大约7.8磅至大约9.0磅的重量。

11.根据权利要求10所述的压缩气体筒，其中：压力容积部分的长度为大约16.9英寸至大约19.5英寸，压力容积部分的直径为大约5.0英寸至大约5.4英寸。

12.根据权利要求1所述的压缩气体筒，其中：压力容积部分设置成容纳大约2400升的自由空气。

13.根据权利要求12所述的压缩气体筒，其中：压缩气体筒具有大约10.0磅至大约11.6磅的重量。

14.根据权利要求13所述的压缩气体筒，其中：压力容积部分的长度为大约17.9英寸至大约20.3英寸，压力容积部分的直径为大约5.7英寸至大约6.1英寸。

15.根据权利要求1所述的压缩气体筒，其中：压力容积部分设置成容纳大约3000升的自由空气。

16.根据权利要求15所述的压缩气体筒，其中：压缩气体筒具有大约12.5磅的重量。

17.根据权利要求16所述的压缩气体筒，其中：压力容积部分的长度为大约18.4英寸至大约21.0英寸，压力容积部分的直径为大约6.2英寸至大约6.8英寸。

18.一种自给式呼吸装置，包括：

压缩气体筒，压缩气体筒包括压力容积部分，所述压力容积部分用于容纳增压至工作压力的气体体积，压力容积部分具有根据以下公式来选择的长度、直径和水容积：

$L=\frac{4(V-\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6})}{{\mathrm{\πd}}^2}+d$

其中：

L=长度；

V=水容积；以及

d=直径；

其中，工作压力是从大约5400psig至大约5600psig；以及

压缩气体筒还包括气体输送口；

第一调节器阀，所述第一调节器阀与气体输送口连接，用于从压力容积部分接收压缩气体，第一调节器阀用于使得从压力容积部分接收的气体的第一压力降低至低于第一压力的第二压力；

第二调节器阀，所述第二调节器阀与第一调节器阀流体连通，用于从第一调节器阀接收压缩气体，第二调节器阀用于使得从第一调节器阀接收的气体的压力降低至低于第二压力的第三压力；

面罩部分，所述面罩部分与第二调节器阀流体连通，所述面罩部分用于向用户提供在第三压力下的气体；以及

框架部分，所述框架部分具有用户支承部分，以便使得用户能够携带所述压缩气体筒。

19.根据权利要求18所述的自给式呼吸装置，其中：工作压力为大约5500psig。

20.根据权利要求18所述的自给式呼吸装置，其中：工作压力为大约5400psig至大约5600psig。

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