CN104027901A - 一种面罩式碳-氧交换型自主呼吸器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种面罩式碳-氧交换型自主呼吸器由开口面罩、空气室、反应室、反应室连接套及呼气导管构成，气体分流是由设在空气室上方的带有三个单向阀阀片的隔板实现的，中央的单向阀只准气体出不准气体进，通过呼吸导管将呼气直接导入具有双层结构特别设计的反应室，与分层放置的金属超氧物反应，将呼出的CO₂吸收生成固体K₂CO₂，同时放出O₂，含充足氧气的气体从反应室的多孔盖子逸出，进入空气室，再经两个只准流入不准流出的单向阀吸入呼吸器官。本发明克服了混流式呼吸器，碳-氧交换反应滞后，需用氧烛提前制氧供呼吸用的弊端，可制成小巧、方便佩戴的自主供氧呼吸器，可防止有毒烟雾伤害，并作为缺氧条件下应急供氧的工具。

Description

一种面罩式碳-氧交换型自主呼吸器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种呼气与吸气分流的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器及其制备方法，该呼吸器是一种用于火灾中逃生的器材，属消防器材的一种。

背景技术

据统计，火灾致死的人数中约有80%以上是被有毒烟雾熏死的，只有不到20%是被直接烧死的。因此，如何防止被熏死是减少火灾死亡人数的重要措施之一。据了解消防主管部门已要求酒店、宾馆、娱乐场所等人群集中的地方配备防烟雾器材。但是，目前市场上供上述单位应用的防烟雾器材，主要有两种：一种是用活性炭吸附过滤有害物质的过滤型呼吸器；另一种是化学制氧的自供氧呼吸器。以过滤型呼吸器用得最普遍。实践证明，这种过滤型呼吸器不能有效地防止被毒烟熏死，主要原因是过滤型呼吸器在浓烟滚滚、毒烟雾高度饱和的火灾现场，有限活性炭的吸附过滤作用很快被毒烟饱和，三几分钟内便失去滤除毒烟雾的作用。而化学氧呼吸器虽也有用超氧化物吸收CO₂和放出O₂供呼吸用，但是未能按反应特点，进行气体分流设计，只是一个盛有超氧化物的大气囊，呼气与吸气都在这一大气囊中，呼出的CO₂要通过较慢的扩散作用，才能到达底部的反应区与超氧化物反应放出O₂，部分CO₂还未来得及扩散到底部又被吸入肺部。出于供氧与呼吸需要，常需要用氧烛提前产生氧气供氧。所谓氧烛就是一种可用于在缺氧环境中自救使用的通过加热氯酸钾（KClO₃）或氯酸钠（NaClO₃）产生氧气的装置。这种化学供氧呼吸器要附带KClO₃或NaClO₃制氧装置，体积较大，笨重，不便携带，成本和售价较高，不受用户欢迎，难于推广。

有鉴于此，本发明专门设计了一种可将呼气与吸气分流，让呼出气体先与超氧化物反应，吸收了呼出的CO₂，并放出O₂之后，再返回空气室，供吸气之用的呼气与吸气分流的面罩式碳～氧交换型自主呼吸器，此新型设计的呼吸器克服了现有的简单气囊设计的缺点，无需用氧烛提前制氧。装置紧凑轻便，便于做成个人佩戴式逃生呼吸器，成本较低，易于推广。

发明内容

本发明目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种呼气与吸气分流，可让呼出的气体先进入反应室，让超氧化物吸收呼出的CO₂，同时释放出O₂之后再供吸入之用的新型自主呼吸器,该新型自主呼吸器可确保呼出的CO₂基本被吸收清除，吸入的空气有充足的氧气。

本发明首先提供了一种面罩式碳-氧交换型自主呼吸器，为呼气与吸气分流的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器，包含下列部件：在开口处嵌有过滤纱布层且带有视窗的开口面罩；可让呼气和吸气分流的空气室；可吸收CO₂和放出O₂的碳-氧交换反应室，反应室内分层放置有超氧化物；套住并固定反应室、使与空气室紧密接合的反应室连接套；引导呼出气流直达碳-氧交换反应室的呼气导管。

其中空气室的壳体内部、靠近人嘴一侧设置了带有三个单向阀阀片的隔板，隔板中央处的单向阀阀片只准气体流出，不准气体流入，两侧的两个单向阀只准气体流入，不准气体流出，中央单向阀的出口有与呼气导管连接的接口，空气室同时具有可与开口面罩与反应室连接套连接的上接口与下接口；

其中反应室是一个具有上室和下室的双层结构罐体，两层之间设置了一个特别结构的挡板，该隔板中央开有一个直径1-3cm圆孔，圆孔边沿焊接一个与圆孔直径相同且向上伸出罐体1～2cm的小圆管，圆孔周围的隔板上按同心圆方式钻有许多均匀分布的小孔，罐体最上端还有一盖子，盖子中央开有一可插入上述小圆管的圆孔，圆孔周围的盖子上也按同心圆方式钻有多个均匀分布的小孔；下室空间较小，主要供气体分配到各小孔用；上室按一层玻璃纤维布、一层超氧化物颗粒的顺序叠置足量的超氧化物，最上一层为玻璃纤维布，加盖压紧。

其中开口面罩的边沿形态与人面部的形态基本匹配，用缚带或松紧带与面部扎紧，可形成密闭体系，并且在它的开口处设有一个可与空气室紧密接合的接口，接口内沿设有一个卡位，将夹有多层过滤纱布的塑胶网片嵌入卡位，另外，开口面罩上与人眼对应部位开有镶嵌透明塑胶片的视窗。

其中反应室连接套是一个底部能放入反应室并将其固定，上口能与空气室(d)紧密接合的一个塑胶套。

其中呼气导管是一条连接空气室上部中央单向阀出口的接口与反应室中央小圆管的塑胶软管。

其中反应室内放置的超氧化物优选KO₂或NaO₂。

其中反应室用镀锌铁皮制造，其余有关零件均为塑料加工制造。

本发明中的新型呼吸器的碳-氧交换是由超氧化物来完成，超氧化物（例如超氧化钾KO₂）与二氧化碳反应，生成固体碳酸钾而被吸收，同时放出氧气。超氧化物还可与呼出的水蒸气反应放出氧气。人们的呼吸需要吸入氧气，呼出二氧化碳，还有少量水蒸气，这样我们就通过超氧化物将呼出的二氧化碳和水蒸气变换为氧气供吸入之用。具体反应过程如下式所示：

1）超氧化物（例如KO₂）与呼出的CO₂反应：4KO₂+2CO₂=2K₂CO₃+3O₂ ↑

2）超氧化物（例如KO2）与呼出的水蒸气反应：2KO₂+2H₂O=2KOH+H₂O₂+O₂ ↑

本发明另外提供了一种呼气与吸气分流的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器的制备方法，包括如下步骤：

（1）设计开口面罩各零件用塑料成型模具，采用通用塑胶加工法制备出面罩各零件，将数层过滤纱布剪成网片大小，用两个塑胶网片夹紧并压入面罩卡位中，按视窗大小剪裁透明塑料胶片，镶嵌入视窗边沿，热压或粘牢，即得开口面罩；

（2）设计空气室各零件用塑料成型模具，用通用塑胶加工法制出空气室室体和单向阀阀片，将阀片固定在阀口上，即得带有三个单向阀的空气室；

（3）用镀锌铁皮分别冲压和焊制反应室的上室、下室、挡板和盖子，在上、下室之间的挡板中央开设一直径1～3cm的圆孔，在圆孔周围的挡板上按同心圆方式钻出多个均匀分布的小孔；另制备一直径与上述圆孔直径相同材质为塑料的小圆管，将小圆管向上焊接在圆孔边沿，小圆管长度以伸出上室1-2cm为准；在盖子中央处也开设一直径大于小圆管1～2mm的圆孔，圆孔周围也按同心圆方式钻有多个均匀分布的小孔；然后将上室和下室套合焊死，再用玻璃纤维布按上室尺寸大小剪成小片，并在剪成小片的玻璃纤维布的中央处开一直径略大于小圆管的小孔；接下来在挡板上铺一层玻璃纤维布，再放入一层超氧化物颗粒，再铺一层玻璃纤维布，再放一层超氧化物颗粒，如此顺序放满反应室的上室为止，超氧化物颗粒层的厚度以1-3cm为准，最上一层铺1-2片玻璃纤维布，加盖压紧，即得反应室；

（4）设计反应室连接套用塑料成型模具，用注射法或吹塑法制得反应室连接套；

（5）设计呼气导管用塑料成型模具，用模压法或挤塑法制得呼气导管；

（6）将开口面罩的接口与空气室上端接合密封，之后将反应室放入反应室连接套中固定，接下来在将呼气导管接合到空气室上部的中央单向阀出口后，再接合到反应室中央凸出的小圆管上，最后将反应室连接套上端接合到空气室下端，使之密封，即得本发明的呼气与吸气分流的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器。

其中通用塑胶加工法为注塑法、模压法、吹塑法或挤出法。

本发明的呼气与吸气分流的面罩式碳～氧交换型自主呼吸器还可小型化为口罩式（只罩住口鼻）的、更轻便、易于佩戴的小型呼吸器。至于眼睛部位可另配置潜水用的密封式眼镜。其中，面罩的形态要改成能罩住口鼻并且与面部紧贴形成密封状态的小型面罩，其余各部件的结构与大面罩的基本相同，只是规格尺寸按一定比例缩小，如缩小50%便可。还可将面罩与空气室与反应室连接的通道做成一定口径（如直径为5～6cm）的螺旋软管，可将空气室及反应室掛在颈上（胸前）。只是小型化后，装入超氧化物的量会减少，有效供氧时间会缩短些。理论计算表明，只需在反应室中装入150克超氧化物（例如KO₂），供氧一小时应不成问题。对于紧急逃生的要求，一小时已可基本满足需要。

本发明这一新型设计的呼气与吸气分流的面罩式碳～氧交换型自主呼吸器克服了现有呼吸器的简单气囊设计的缺点，无需用氧烛提前制氧，通过将呼气与吸气分流，让呼出气体先与超氧化物反应以吸收呼出的CO₂，并放出O₂之后再返回空气室供吸气之用。另外，装置紧凑轻便，便于做成个人佩戴式逃生呼吸器，成本较低，便于商业化推广。

附图说明

图1为本发明呼气与吸气分流的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器结构示意图；

图2为本发明呼气与吸气分流的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器的气体流动情况示意图；

图3 为开口面罩结构示意图；

图4 为空气室结构示意图；

图5 为反应室结构示意图；

图6 为装满超氧化物后的反应室示意图；

图7为开口面罩零件示意图；

图8 为空气室零件示意图；

图9 为反应室零件示意图(e3-上、下室之间的隔板及上盖俯视效果；e4-上、下室焊合后纵剖面；e5-上、下室焊合并加盖后纵剖面)；

图10为反应室连接套纵剖面图；

图11 为呼气管示意图；

图12为口罩式小型面罩示意图；

图13为口罩式小型呼气与吸气分流的碳-氧交换型自主呼吸器示意图。

图中：a-面罩；b-视窗；c-过滤纱布层；d-空气室；e-反应室；f-反应室连接套；g-呼气导管；h-单向阀阀片；d1-壳体；i-隔板；q-上接口（接合面罩）；r-下接口（接合反应室连接套）；m-卡位；n-夹过滤纱布用塑胶网片；p-与空气室连接的接口 ；l-松紧带或缚带；e1-上室；e2-下室；j-上下室档板；k-上盖； k1-小圆管；a1-玻璃纤维布；b1-超氧化物（例如KO₂）。

具体实施方式

接下来结合上述附图1-13说明本发明的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器的构成及制备方法。

如图1所示，本发明呼气与吸气分流的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器，由如下部件构成：在开口处嵌有过滤纱布层c且带有视窗b的开口面罩a；可让呼气和吸气分流的空气室d；可吸收CO₂和放出O₂的碳～氧交换反应室e，反应室内分层放置有超氧化物b1；套住并固定反应室e、使与空气室d紧密接合的反应室连接套f；引导呼出气流直达碳-氧交换反应室的呼气导管g。图2显示了本发明呼气与吸气分流的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器在佩带使用时的气体流动情况。

从图3可以看出，面罩a的眼部位置镶嵌有透明视窗b，面罩的边沿形态与人面部的结构相对应，用松紧带或缚带1将面罩扎紧，可与面部成密闭状态，将眼、口、鼻密封其中,它的开口处设有一个可与空气室紧密接合的接口p。接口p内沿设有一个卡位m。过滤纱布层就是由两块网状塑胶片n夹着数层口罩用过滤纱布，卡紧在卡位m上构成。

图4显示了具有三个单向阀阀片h的空气室d的结构，在空气室d的壳体d1内部靠近人嘴一侧设置了一块隔板i，隔板i上开有三个单向阀孔口，隔板i的中央孔口的单向阀是只准气体流出，不准气体流入的，且还设置了一个与呼气导管g连接的接口，两侧的单向阀只准气体流入，不准气体流出。空气室d的上接口q能够与面罩相接，下接口r可与反应室连接套f接合。空气室d的壳体d1可用软性塑料制造，在重力作用下，可弯曲变形，紧贴胸部，外加吊带可悬掛于胸前，佩戴十分方便。

如图5所示，反应室e是一个双层结构的罐体，两层之间设置了一个特别结构的挡板j。挡板j中央开着一直径1～3cm的圆孔。圆孔边沿焊接有一与圆孔直径一致的小圆管k，向上伸出罐体1～2cm。圆孔周围按同心圆排布钻有许多小孔，见图8所示。罐的底层空间较小，是供气体分配到各小孔用的，上层用于放置超氧化物。按一层玻璃纤维布a1，一层超氧化物b1（如KO2）颗粒的程序放入足量的超氧化物b1。最上一层铺上玻璃纤维布，再盖上中央开有圆孔，圆孔周围按同心圆钻有许多小孔的上盖k，压紧即成图6所示的反应室e。

如图7所示，开口面罩的各零件包括面罩a、夹过滤纱布用塑胶网片 n及透明塑胶片o。如图8所示，空气室d各零件包括壳体d1、隔板i及若干单向阀阀片h。如图9所示，反应室e各零件包括上室e1、下室e2、开孔挡板j、中央小圆管k1和开孔上盖k等。如图10所示，反应室连接套f是一个底部能放入反应室e并将其固定，上口能与空气室d紧密接合的一个塑胶套。如图11所示，呼气导管g是一条连接空气室d上部中央单向阀出口的接口与反应室中央小圆管e的塑胶软管。

本图12和图13显示了本发明的呼气与吸气分流的面罩式碳～氧交换型自主呼吸器小型化为口罩式（只罩住口鼻）的小型呼吸器，此时面罩的形态要改成能罩住口鼻并且与面部紧贴形成密封状态的小型面罩，其余各部件的结构与大面罩的基本相同，只是规格尺寸按一定比例缩小，如缩小50%便可。

本发明自主呼吸器的制备方法很简单，除反应室按图5图9所示用铁皮加工外，其余均为塑料加工制造。按图3、图4、图7、图8、图10、图11所示的有关零件，设计塑料加工模具，分别制出各有关零件，再按图1所示的整体结构组装、接合、密封即可制得，具体包括如下步骤：（1）设计开口面罩a各零件用塑料成型模具，采用通用塑胶加工法制备出面罩各零件，将数层过滤纱布剪成网片大小，用两个塑胶网片n夹紧并压入面罩卡位m中，按视窗b大小剪裁透明塑料胶片o，镶嵌入视窗b边沿，热压或粘牢，即得开口面罩a；（2）设计空气室d各零件用塑料成型模具，用通用塑胶加工法制出空气室室体和单向阀阀片h，将阀片h固定在阀口上，即得带有三个单向阀的空气室d；（3）用镀锌铁皮分别冲压和焊制反应室e的上室e1、下室e2、挡板j和盖子k，在上、下室之间的挡板j中央开设一直径1～3cm的圆孔，在圆孔周围的挡板j上按同心圆方式钻出多个均匀分布的小孔；另制备一直径与上述圆孔直径相同材质为塑料的小圆管k1，将小圆管k1向上焊接在圆孔边沿，小圆管k1长度以伸出上室1-2cm为准；在盖子中央处也开设一直径大于小圆管1～2mm的圆孔，圆孔周围也按同心圆方式钻有多个均匀分布的小孔；然后将上室和下室套合焊死，再用玻璃纤维布按上室e1尺寸大小剪成小片，并在剪成小片的玻璃纤维布的中央处开一直径略大于小圆管k1的小孔；接下来在挡板j上铺一层玻璃纤维布，再放入一层超氧化物颗粒，再铺一层玻璃纤维布，再放一层超氧化物颗粒，如此顺序放满反应室e的上室e1为止，超氧化物颗粒层的厚度以1-3cm为准，最上一层铺1-2片玻璃纤维布，加盖压紧，即得反应室e；（4）设计反应室连接套f用塑料成型模具，用注射法或吹塑法制得反应室连接套f；（5）设计呼气导管g用塑料成型模具，用模压法或挤塑法制得呼气导管g；（6）将开口面罩a的接口p与空气室上端的上接口q接合密封，之后将反应室e放入反应室连接套f中固定，接下来在将呼气导管g接合到空气室d上部的中央单向阀出口后，再接合到反应室中央凸出的小圆管k1上，最后将反应室连接套f上端接合到空气室d下端的下接口r处，使之密封，即得本发明的呼气与吸气分流的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器。

Claims (9)

1.一种面罩式碳-氧交换型自主呼吸器，包含下列部件：

在开口处嵌有过滤纱布层(c)且带有视窗（b）的开口面罩（a）；

可让呼气和吸气分流的空气室(d)；

可吸收CO₂和放出O₂的碳-氧交换反应室（e），反应室内分层放置有超氧化物；

套住并固定反应室(e)、使与空气室（d）紧密接合的反应室连接套(f)；

引导呼出气流直达碳-氧交换反应室的呼气导管（g）；

其特征在于：

空气室（d）的壳体（d1）内部、靠近人嘴一侧设置了带有三个单向阀阀片（h）的隔板（i），隔板（i）中央处的单向阀阀片只准气体流出，不准气体流入，两侧的两个单向阀只准气体流入，不准气体流出，中央单向阀的出口有与呼气导管（g）连接的接口，空气室（d）同时具有可与开口面罩（a）与反应室连接套(f)连接的上接口（q）与下接口（r）；

反应室（e）是一个具有上室（e1）和下室（e2）的双层结构罐体，两层之间设置了一个特别结构的挡板（j），该挡板（j）中央开有一个直径1-3cm圆孔，圆孔边沿焊接一个与圆孔直径相同且向上伸出罐体1～2cm的小圆管（k1），圆孔周围的挡板（j）上按同心圆方式钻有多个均匀分布的小孔，罐体最上端还有一盖子（k），盖子（k）中央开有一可插入上述小圆管（k1）的圆孔，圆孔周围的盖子（k）上也按同心圆方式钻有多个均匀分布的小孔；下室（e2）空间较小，主要供气体分配到各小孔用；上室（e1）按一层玻璃纤维布、一层超氧化物颗粒的顺序叠置足量的超氧化物，最上一层为玻璃纤维布，加盖压紧。

2.根据权利要求1所述的自主呼吸器，其特征在于：开口面罩（a）的边沿形态与人面部的形态基本匹配，用松紧带或缚带（l）与面部扎紧，可形成密闭体系，并且在它的开口处设有一个可与空气室紧密接合的接口（p），接口p内沿设有一个卡位（m），将夹有多层过滤纱布的塑胶网片（n）嵌入卡位（m），另外，开口面罩（a）上与人眼对应部位开有镶嵌透明塑胶片（o）的视窗（b）。

3.根据权利要求2所述的自主呼吸器，其特征在于：反应室连接套(f)是一个底部能放入反应室（e）并将其固定，上口能与空气室(d)紧密接合的一个塑胶套。

4.根据权利要求3所述的自主呼吸器，其特征在于：呼气导管（g）是一条连接空气室(d)上部中央单向阀出口的接口与反应室中央小圆管（e）的塑胶软管。

5.根据权利要求4所述的自主呼吸器，其特征在于：反应室（e）内放置的超氧化物优选KO₂或NaO₂。

6.根据权利要求5所述的自主呼吸器，其特征在于：反应室（e）用镀锌铁皮制造，其余相关零件均为塑料加工制造。

7.一种制备如权利要求6所述的自主呼吸器的方法，包括如下步骤：

（1）设计开口面罩（a）各零件用塑料成型模具，采用通用塑胶加工法制备出面罩各零件，将数层过滤纱布剪成网片大小，用两个塑胶网片（n）夹紧并压入面罩卡位（m）中，按视窗（b）大小剪裁透明塑料胶片（o），镶嵌入视窗（b）边沿，热压或粘牢，即得开口面罩（a）；

（2）设计空气室（d）各零件用塑料成型模具，用通用塑胶加工法制出空气室室体和单向阀阀片（h），将阀片（h）固定在阀口上，即得带有三个单向阀的空气室（d）；

（3）用镀锌铁皮分别冲压和焊制反应室（e）的上室（e1）、下室（e2）、挡板（j）和盖子（k），在上、下室之间的挡板（j）中央开设一直径1～3cm的圆孔，在圆孔周围的挡板（j）上按同心圆方式钻出多个均匀分布的小孔；另制备一直径与上述圆孔直径相同材质为塑料的小圆管（k1），将小圆管（k1）向上焊接在圆孔边沿，小圆管（k1）长度以伸出上室（e1）1-2cm为准；在盖子中央处也开设一直径大于小圆管（k1）1～2mm的圆孔，圆孔周围也按同心圆方式钻有多个均匀分布的小孔；然后将上室和下室套合焊死，再用玻璃纤维布按上室（e1）尺寸大小剪成小片，并在剪成小片的玻璃纤维布的中央处开一直径略大于小圆管（k1）的小孔；接下来在挡板（j）上铺一层玻璃纤维布，再放入一层超氧化物颗粒，再铺一层玻璃纤维布，再放一层超氧化物颗粒，如此顺序放满反应室（e）的上室（e1）为止，超氧化物颗粒层的厚度以1-3cm为准，最上一层铺1-2片玻璃纤维布，加盖压紧，即得反应室（e）；

（4）设计反应室连接套（f）用塑料成型模具，用注射法或吹塑法制得反应室连接套（f）；

（5）设计呼气导管（g）用塑料成型模具，用模压法或挤塑法制得呼气导管（g）；

（6）将开口面罩（a）的接口（p）与空气室上端的上接口（q）接合密封，之后将反应室（e）放入反应室连接套（f）中固定，接下来在将呼气导管（g）接合到空气室（d）上部的中央单向阀出口后，再接合到反应室中央凸出的小圆管（k1）上，最后将反应室连接套（f）上端接合到空气室（d）下端的下接口（r）处，使之密封，即得本发明的呼气与吸气分流的面罩式碳-氧交换型自主呼吸器。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述通用塑胶加工法为注塑法、模压法、吹塑法或挤出法。

9.一种如权利要求1～6任一所述的自主呼吸器的用途，可用作火灾中防止有毒烟雾伤害以及在缺氧条件下应急供氧的有效工具。