半闭式呼吸器二氧化碳吸收装置的研究

毛龙，毛胜华，张毅, 胡晓，王梦蕾，姚俊



半闭式呼吸器二氧化碳吸收装置的研究

毛龙1，毛胜华1，张毅2, 胡晓1，王梦蕾2，姚俊2

（湖北航天化学技术研究所, 湖北省应急救生与安全防护重点实验室, 湖北 襄阳 441000）

为了减小呼吸器二氧化碳吸收装置的体积，对原有的二氧化碳吸收装置进行设计和改进。通过对吸收装置结构的改进和吸收剂的重新选择，并在呼吸机上进行模拟试验表明：通过竖直隔板建立分隔空间，和采用吸收率38%的钠石灰的吸收剂的改进，吸收剂的重量由720 g 降低为300 g，有效减小了吸收剂的体积并且降低了呼吸器的呼气阻力。

便携式呼吸器；呼吸阻力；吸收效率；二氧化碳吸收装置

小型便携式呼吸器可以用作潜水员的备份呼吸器、船只沉没时候的逃生呼吸器、潜艇潜水搁浅的逃生呼吸器。一般的水下呼吸器主要有气瓶和一级减压阀和二级减压阀组成的开式呼吸器[1]，没有CO2吸收装置，一体式设计导致气瓶整体体积较大，所以逃生时候在狭小空间内难以移动。所以需要一款体积小，方便携带组合式的水下呼吸器。小型便携式呼吸器主要有：氧气瓶、过滤器、口具、气袋等组成[2]。过滤器是水下呼吸器的关键控制部件，用以吸收人体呼出的CO2，其性能直接影响水下呼吸器安全性和舒适性，在水下呼吸器供气系统中的作用至关重要。呼吸阻力和CO2浓度和是过滤器性能的关键指标，呼吸阻力偏大容易引发呼吸不适感，吸气和呼气困难，二氧化碳浓度超标会造成人体的昏迷甚至死亡[3]。本文通过对吸收装置结构进行设计和吸收剂进行选择，减小过滤器的体积和重量。

1 过滤装置的原理

半闭式呼吸器一般由供氧器、过滤器和气袋组成，供氧器提供的氧气供应人体吸收，呼出的气体为富氧气体，经过过滤器内部的CO2吸收剂，吸收人体呼出的CO2气体，呼出气体内的氧气混合供氧器释放的氧气，循环供人体呼吸[4]。半闭式呼吸器根据过滤装置的位置不同设计出两种气路布置方案。方案1为往复式气路，方案2为循环式气路，如图1，图2所示。两种气路各具优缺点。

往复式气路优点是：可以使呼出气体在呼出和吸入过程中两次经过过滤层，吸收效率高，结构简单，过滤药用量减小。

缺点是：呼气和吸气阻力都大，呼出水汽容易进入吸收罐，吸收剂吸水后呼吸阻力更大，呼吸困难，气袋内存在死腔，气体不能充分交换。循环式采用了两个单向阀的设计，吸气时候不经过过滤罐，气袋内存有气体，可以保证吸气时正压，所以吸气时候呼吸阻力小，而且少量进水不会影响吸气阻力。半闭式呼吸器在水下使用需要考虑保证呼吸的通畅性，为了保证少量进水后仍然可以工作，所以选择呼吸阻力比较小的循环式气路。

图1 往复式气路

图2 循环式气路

小型便携式呼吸器采用半闭式结构，主要由气瓶、气袋、过滤装置组成。口具处具备两个单向阀，呼出的含有二氧化碳气体经过口具处呼气单向阀进入波纹管，波纹管通向过滤盒底部，呼出气体经过二氧化碳吸收罐过滤人体呼出的CO2后进入气袋。经过过滤后的气体和氧气瓶释放的纯氧在气袋内混合，潜水员吸气时通过单向阀吸入混合后的气体，多余气体从气袋泄压阀中排除，循环往复，完成呼吸器的工作。如图3所示。由于吸收的是纯氧，所以呼吸器的在水下使用深度在15 m以上[3]。

图3 小型便携式呼吸器的原理示意图

2 过滤装置的测试方法

2.1 二氧化碳浓度要求

二氧化碳过滤装置是用来清除人体呼出气体中的二氧化碳，使呼出气体可以循环利用。研究表明[5]：人体正常呼吸吸入氧气含量21%，二氧化碳含量0.032%，呼出气体中氧气含量16%，二氧化碳含量4%。 根据CO2含量对人体的危害显示：二氧化碳浓度在2.5% 在1 h内不会有中毒现象发生；在二氧化碳浓度达到3%人体的呼吸量增大两倍；当二氧化碳浓度达到20%就会出现肺部换气不足，氧气消耗量增大，呼吸器佩戴者很快出现疲倦窒息甚至死亡。根据自己闭路式压缩氧呼吸器GB23394-09的规定，呼吸器中供应气体二氧化碳含量要求，吸入二氧化碳含量的平均测定小于1.5%，最大不超过3%。不同劳动强度耗氧量与二氧化碳产生量 如表1所示。

表 1 不同劳动强度耗氧量与二氧化碳产生量

2.2 二氧化碳浓度测试原理与方法

便携式呼吸器可以看作是正压呼吸器。吸气阻力主要为单向阀阻力，呼气阻力包括：单向阀阻力、管道阻力、药剂层阻力、过滤层阻力，泄压阀阻力与药层阻力。其中药剂层租赁和泄压阀阻力为主要阻力。实验中出现的阻力超量程现象都与单向阀阻力和药层阻力有关，优化过滤罐结构和选择合理的单向阀可以减轻呼气阻力。呼吸器的测试主要是接连呼吸测试仪进行测试，在测试过程中采集数据，测试方法需要尽可能的模拟人体呼吸，传统的测试中没有通入饱和水蒸气，而人体呼出的水汽对吸收剂的阻力和吸收效率都有较大影响，所以在测试中需要加入人体呼出的水汽。

呼吸阻力和二氧化碳浓度的测试方法是，便携式呼吸机连接到呼吸综合检测仪（上海全申HX-111型）进行呼吸阻力与二氧化碳含量的测试。二氧化碳与氧气的混合气体通入40 ℃饱和水汽，进行加温增湿，模拟人体呼出的气体。通入氧气流量为4 L/min,通入二氧化碳流量为1.5 L/min。呼吸机设置20 L/min、20次/min 。测试的原理与方法，如图4所示。

图4 测试原理与方法

3 吸收罐设计与优化

吸收罐的设计主要是呼吸阻力与吸收效率之间的平衡。在其它条件相同的情况下，吸收剂药层厚度增大吸收效果越高，工作时间越长，但是加大吸收剂厚度会增大通气阻力。所以研制吸收罐的时候，必须在吸收时间、吸收厚度、通气阻力之间达到一个平衡。

原有二氧化碳吸收罐，设计为扁平型的方形壳体，满足狭窄空间内的救生需求，工作十分钟。原有吸收罐内，加入吸收率27%的医疗用钠石灰吸收剂，钠石灰重量为750 g。分别对钠石灰重量为500 g和750 g进行模拟实验。实验结果，如表2所示。

表 2 co2通过500与750 g过滤药后的浓度与阻力

通过表2看出两种过滤药不能满足二氧化碳含量低于3%的需求。原有吸收罐内部直接装药，气体路径短，吸收剂利用率低。所以考虑改变吸收罐的结构，提高吸收效率，设计出三种不同结构的吸收测试罐。吸收罐体一：过滤药均匀存放于过滤网与挡板之间，上下留有空层，气体从进气管进入过滤罐底部，然后均匀向上过滤后流出。吸收罐体二：隔板一半为实心一半留有孔，气体从底部流出后受到隔板的阻挡改变方向沿着折线流出，增加气体流经路径。吸收罐体三：隔板为竖直隔板，树立隔板的作用为分割过滤药为三个独立空间，气体只能在三个独立空间内流动，如图5所示。

图5 三种不同吸收罐设计方式

三种不同结构的吸收罐内均装720 g吸收率25%的钠石灰吸收剂。其他条件相同，测试结果如表3所示。

表3 不同吸收罐的吸收效果

吸收罐二与吸收罐一测试结果比较看出，吸收罐二没有起到较好的吸收效果，呼吸阻力反而增大，因为CO2经过的气体路径虽然增加，但是对吸附剂的利用却不充分，在隔板与壳体连接转角位置存在吸收死腔，气流会沿着最短的路径通过吸收剂，转角位置的吸收剂并不会起到吸收左右，经过拆解发现吸收剂变色不均匀，说明部分吸收剂没有作用，证明了测试结果。吸收罐体三与吸收罐一测试结果比较看出，吸收罐三起到了一定的吸收效果，呼吸阻力没有增大，说明把呼吸罐分隔为几个单独的区域可以增加吸收效果，隔片可以阻挡CO2气体沿着吸收剂内部的大空隙流动，在单独的区域内，气流分布更均匀，让吸收剂作用更均匀高效，起到提高吸收效率的作用，而且不会增加呼吸阻力，所以采用吸收罐三增加竖直隔板的结构进行设计。

虽然改变了吸收罐的形状还是不能满足GB23394-09标准的要求，采用更高吸收效率的吸收剂来进行试验。实验采用吸收率38%与吸收率68%的吸收剂进行实验，在罐体三内装750 g吸收剂。实验结果，如表4所示。

表4 不同吸收率吸收剂的吸收效果

测试结果可以看出提高吸收剂的吸附效率可以明显的提升吸收剂对二氧化碳的吸收效果，呼吸阻力没有明显变化，说明吸收剂对呼吸阻力的影响较小，满足了呼吸器对CO2的吸收要求。750 g吸收剂已经满足了设计要求，吸收剂使用重量并没有减小，所以需要减少吸收剂用量来进行试验。减少吸收剂的用量可以减小二氧化碳吸收装置的体积和重量，中水下救生中优势更为明显。采用吸收罐体三的结构，吸收罐体三内分别装450 g吸收剂，300 g吸收剂进行测试。测试结果，如表5所示。

表5 450 g不同吸收剂的吸收效果

从测试结果看出，两种不同吸收效率的吸收剂都可以满足指标要求，但是内装68%的吸收罐发热现象比较明显，罐体表面温度达到65 ℃。68%吸收剂成分含有大量的氢氧化锂。

氢氧化锂粉尘容易灼伤呼吸道，轻微的粉末也会引起人体不适，发热也会导致喉咙干燥[6],在实际使用中，在装配的过程中，存在较大的粉尘，药剂采用的是挤出工艺生产，为多空的疏松结构，强度较差，在装配过程和运输过程中，氢氧化锂颗粒之间会相互挤压，产生粉末，过滤网对粉末过滤不彻底，少量的粉末也会引起咳嗽和喷嚏严重的影响呼吸器的使用。所以选用吸收效率38%的钠石灰吸附剂。表5可以看出，300 g吸收效率38%的钠石灰吸收剂可以满足要求。

4 结论

通过在采用呼吸机模拟人体呼吸的试验方法，针对对便携式呼吸器的结构进行设计改进后，采用吸收罐三的竖直隔板结构把吸收剂隔离独立的空间，对吸收效率有提高效果。选用300 g吸收率为38%的钠石灰吸收剂，吸收剂的重量由720 g 降低为300 g，呼吸阻力由-200～700 Pa降低至-200～500 Pa。表明二氧化碳吸收装置通过优化内部结构和选用高效的吸收剂，少量的钠石灰吸收剂就可以满足二氧化碳浓度的要求，有效的减小了二氧化碳吸收装置的体积重量和呼吸阻力。

［1］王正华. 海豚02直升机乘员水下呼吸器设计[C]. 第二十届全国直升机年会论文，2004：275-278

［2］鲁 刚，金仲贤.国内外潜水装具现状及发展趋势[J].海军医学杂志，2006,27[9]:260-261.

［3］刘平小，张 剑，张和祥.SCNR型潜水装具的研制[J].海军医学杂志，2005,26[4]:352-35.3

［4］张志强,毛 欣.化学氧自救器药罐气路结构与防护性能的关系[J].矿业安全与环保，2007,34(4):21-25

［5］李谦.呼吸器应用技术 [M].北京：中国科学技术出版社，2007：24.

［6］顾靖华，方以群.氢氧化锂吸收剂用于吸收闭式/半闭式呼吸器二氧化碳的实验研究[J].中华航海医学与高气压杂志，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

毛龙 （1985- ），男，湖北襄阳人，工程师，2011年毕业于武汉理工大学机械设计及其自动化专业，研究方向: 氮气、氧气发生器的研制。E-mail：maolong825@163.com。

姚俊（1973-），男，研究员，研究方向：应急救生与安全防护研究。E-mail:inflatorglobal@163.com。