RU2262965C1 - Газообменное устройство диффузионного респиратора - Google Patents
Газообменное устройство диффузионного респиратора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2262965C1 RU2262965C1 RU2004112881/12A RU2004112881A RU2262965C1 RU 2262965 C1 RU2262965 C1 RU 2262965C1 RU 2004112881/12 A RU2004112881/12 A RU 2004112881/12A RU 2004112881 A RU2004112881 A RU 2004112881A RU 2262965 C1 RU2262965 C1 RU 2262965C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- air
- channels
- atmospheric
- internal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
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.
Description
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/ν менее 2000, где de1=4F1/Пe1 - эквивалентный диаметр канала внутреннего воздуха, где F1 - площадь сечения канала, Пе1 - периметр сечения канала внутреннего воздуха, a ν - кинематическая вязкость воздуха, а также сохранения турбулентного режима потока в канале атмосферного воздуха - число Рейнольдса Re=V2de2/ν 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/ν менее 2000, где de1=4F1/Пe1 - эквивалентный диаметр канала внутреннего воздуха, где F1 - площадь сечения канала, Пе1 - периметр сечения канала внутреннего воздуха, a ν - кинематическая вязкость воздуха, а также сохранения турбулентного режима потока в канале атмосферного воздуха - число Рейнольдса Re=V2de2/ν 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 Свыд=5%, то на выходе внутренних каналов в дыхательный мешок она должна лежать в интервале 0,5%-0,1%. При концентрации вдыхаемого воздуха Свд=0,5% человек находится в комфортных условиях в спокойном состоянии. При концентрации диоксида углерода Свд=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 Свыд=5% и W2/W1=10, то Свд=0,5%. Если W2/W1=50, то Свд=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 ν=0,15 см2/с, то в этом случае число Рейнольдса Re=V1de1/ν=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 ξ=64/Re - коэффициент, учитывающий характер потока (в данном случае ламинарный), ρ - плотность воздуха при нормальных условиях равная 1,2 кг/м3.
В результате Δp1=28,6 Па.
Чтобы исключить прямую фильтрацию на трековых мембранах, перепад давления на мембране каналов должен быть равен нулю, т.е. Δp1-Δр2=0 или
Δр=Δp1=Δр2
Для выполнения данного условия определим скорость V2, при которой в канале 2 перепад равен Δр. 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 ξ определяют по формуле ξ2=0,316/Re0,25. В результате для высокого канала h2
Полученное ранее для канала h1 значение перепада Δр=Δр2=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/ν=2680. Здесь ν - 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.
Claims (1)
- 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, гдеW2=V2h2,где V2 - скорость воздуха в канале атмосферного воздуха;h2- высота канала атмосферного воздуха;W1=V1h1, гдеV1 - скорость воздуха в канале внутреннего воздуха;h1 - высота канала внутреннего воздуха;сохранения ламинарного режима потока в канале внутреннего воздуха - число Рейнольдса Re=V1de1/ν менее 2000, гдеde1=4F1/Пе1 - эквивалентный диаметр канала внутреннего воздуха, гдеF1 - площадь сечения канала;Пе1- периметр сечения канала внутреннего воздуха;ν - кинематическая вязкость воздуха;а также сохранения турбулентного режима потока в канале атмосферного воздуха - число Рейнольдса Re=V2de2/ν более 2000, где de2=4F2/Пе2 - эквивалентный диаметр канала атмосферного воздуха, где F2 - площадь сечения канала;Пе2 - периметр сечения канала.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004112881/12A RU2262965C1 (ru) | 2004-04-28 | 2004-04-28 | Газообменное устройство диффузионного респиратора |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004112881/12A RU2262965C1 (ru) | 2004-04-28 | 2004-04-28 | Газообменное устройство диффузионного респиратора |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2262965C1 true RU2262965C1 (ru) | 2005-10-27 |
Family
ID=35864210
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004112881/12A RU2262965C1 (ru) | 2004-04-28 | 2004-04-28 | Газообменное устройство диффузионного респиратора |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2262965C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NL1035190C2 (nl) * | 2008-03-18 | 2009-09-21 | Redstack B V | Membraan, cel, inrichting en werkwijze voor (omgekeerde) elektrodialyse. |
RU2655237C2 (ru) * | 2013-06-12 | 2018-05-24 | Л'Эр Ликид, Сосьете Аноним Пур Л'Этюд Э Л'Эксплуатасьон Де Проседе Жорж Клод | Средство для защиты органов дыхания |
-
2004
- 2004-04-28 RU RU2004112881/12A patent/RU2262965C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NL1035190C2 (nl) * | 2008-03-18 | 2009-09-21 | Redstack B V | Membraan, cel, inrichting en werkwijze voor (omgekeerde) elektrodialyse. |
WO2009116855A1 (en) * | 2008-03-18 | 2009-09-24 | Redstack B.V. | Membrane, cell, device and method for (reverse) electrodialysis |
US8932448B2 (en) | 2008-03-18 | 2015-01-13 | Redstack B.V. | Membrane, cell, device and method for (reverse) electrodialysis |
RU2655237C2 (ru) * | 2013-06-12 | 2018-05-24 | Л'Эр Ликид, Сосьете Аноним Пур Л'Этюд Э Л'Эксплуатасьон Де Проседе Жорж Клод | Средство для защиты органов дыхания |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3489144A (en) | Closed rebreather - respirator circuit for renovation and supply of oxygen/nitrogen gas mixture | |
US11389676B2 (en) | Air purifier apparatus with flexible filter modules | |
US11376451B2 (en) | Air purifier apparatus with flexible filter modules | |
EP2688626B1 (en) | System for collecting nitrous oxide in exhalation air | |
JP2006512946A (ja) | 空気中の二酸化炭素濃度を低減させるための方法および装置 | |
GB2453134A (en) | Compact filter mask | |
US20190329076A1 (en) | Oxygen concentrating self-rescuer device | |
EP2590703B1 (en) | Transportable medical air compressor | |
US3923053A (en) | Respiratory protective device | |
CN108042942A (zh) | 一种新型生氧式呼吸器 | |
Ramirez et al. | Filter penetration and breathing resistance evaluation of respirators and dust masks | |
RU2262965C1 (ru) | Газообменное устройство диффузионного респиратора | |
WO2002011816A8 (en) | Respirators | |
US20040079367A1 (en) | CO2 sorbent for inhalation drug therapy system | |
RU40901U1 (ru) | Газообменное устройство диффузионного респиратора | |
WO2018051053A1 (en) | Turbocharger for a fluid separation device | |
CN111760210A (zh) | 用于呼吸器的散热器和呼吸器 | |
CN2686651Y (zh) | 正压空气呼吸器 | |
ES2126172T3 (es) | Aparato para la produccion de oxigeno por via quimica. | |
US9597532B2 (en) | Breathing apparatus, and method for controlling temperature fluctuations | |
RU2320384C2 (ru) | Изолирующий дыхательный аппарат | |
EP0301732A2 (en) | Breathing apparatus | |
CN206587514U (zh) | 呼吸机呼出气净化处理装置 | |
RU2463093C1 (ru) | Устройство для защиты органов дыхания человека | |
RU2290236C1 (ru) | Фильтрующий самоспасатель |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090429 |