新型低温化学氧自救呼吸器的防护性能研究

马云龙，马 龙，杨天天，黄启福

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；3.北京机械设备研究所，北京 100089）

随着我国城市化和工业化的快速发展，人员密集、空间密闭、存在较大火灾隐患的工作场景和建筑场所越来越多，一旦失火后救援逃生非常困难[1]，极有可能导致巨大的生命财产损失。因此配备专业的应急逃生呼吸防护装备至关重要[2-3]，其可大大提高人们的自救能力，增加逃生脱险机会[4-5]。尤其是在煤炭行业，作业人员必须随身携带自救呼吸器，以应对突发事故，自救器的防护性能直接决定了应急情况下人员的逃生效率[6-9]。化学氧自救呼吸器作为一种结构简单、易于维护的个体呼吸防护装备，能够适应多种存在有害气体污染及缺氧窒息性环境，通过生氧剂反应能够将人体呼出的二氧化碳转化为氧气，实现长时间的氧气循环供给，达到无源隔绝式空气再生目的[10-11]。

但目前无论是消防行业，还是煤炭行业，化学氧自救器产品的使用便捷性、舒适性都普遍有待提高，尤其是吸气温度偏高[12-14]，在实际作业场景下的可用性较差。为了提高自救呼吸器使用的安全性和舒适性，提高煤炭行业作业人员的生命安全保障，设计了一种新型的化学氧自救呼吸器，其通过单管融合式的呼吸循环设计，在保证二氧化碳体积分数较低且氧气体积分数满足要求的情况下，实现了较低的吸气温度，降低了使用过程中对人员行动的影响，大大提升了化学氧自救器的舒适性、便携性和可用性。

1 新型化学氧自救呼吸器总体设计

新型的化学氧自救呼吸器的设计综合考虑了使用防护性能和人体佩戴舒适性，能够给应急逃生人员在危险环境下提供0.5 h 及以上的安全呼吸环境，同时产品设计在人性化方面也进行了创新升级。

新型化学氧自救呼吸器的所有实验方法及设备均按照GB 24502—2009《煤矿用化学氧自救器》标准中的规定进行设计。

1.1 呼吸器整体组成

新型自救呼吸器由口鼻罩、药罐、气囊、通气管、初期生氧装置、三通管、直角管等组成，新型自救器组成图如图1。

图1 新型自救器组成图Fig.1 Composition diagram of the new self rescuer

口鼻罩采用软质硅胶替代传统咬具呼吸方式，以进一步贴合人体面部轮廓，提高密封性和佩戴舒适性。药罐采用半圆形设计，在左右两角处分别为进出气口。初期生氧装置固定在药罐的上平面，初期生氧的出气口与药罐的出气口连通，释放的气体可以直接通入气囊内部，保证初期氧气供应。通气管采用呼吸一体式结构设计，即呼气和吸气共用1条通气管，可减小对人员行动影响。同时呼气和吸气的气流路径在药罐和贮气袋内分离，两者互不干涉。气囊设计为U 形，在U 型顶端内侧分别设置出气口和进气口，气体沿单向流动，可加长气体流动行程，有助于进一步降低进入口鼻罩的气体温度。

1.2 气路结构

呼吸器结构示意图如图2，药罐左右两角处分别为进出气口，其中进气口连接含有单向阀片的三通管，三通管同时连接贮气袋出气口和通气管，药罐的出气口连接贮气袋的进气口。为实现呼气、吸气2 条气路分离、提高单位质量生氧剂的产氧效率与氧气的利用率，降低吸气温度，呼吸器采用U 型贮气袋复合式排气泄压气路结构设计。

循环式呼吸气路示意图如图3，在单向阀片的分流导向作用下，人体呼出的废气进入三通管以后仅能流入药罐，在药罐内废气重新反应变为新鲜空气，由出气口流入贮气袋中；新鲜空气从贮气袋的进气口流到出气口，从出气口进入三通管，人体吸气时新鲜空气在单向阀片的作用下流入通气管供人呼吸，而药罐内的气体无法直接进入通气管中。通过三通管的内部气流方向切换，可实现1 根通气管代替进气管和出气管，达到气体循环再生的目的。

图3 循环式呼吸气路示意图Fig.3 Schematic diagram of circulating breathing air circuit

药罐内部，人体呼出的废气通过圆柱管流至药罐底部，然后通过分流底板向上均匀流动通过产氧剂，同时圆柱管四周也设置有通气孔，可以使气体充分均匀流过产氧剂，废气被置换为富氧新鲜空气后流至药罐顶部，由出气口流出进入气囊。

在使用初期，产氧量不大，呼入“贫氧”气体全部进入药罐参与反应后进入贮气袋储存。但是，产氧过程中二氧化碳与氧气的“置换”体积比（0.67）与人体呼吸商（0.90）不匹配，使用一段时间后，贮气袋中的氧气越积越多，呼吸器内部压力逐渐增大。所以，在气路通道上设计单向泄压阀，当贮气袋内部到达到一定压力时，泄压阀开启，排出一部分气体，以保障人体呼吸舒适，当呼吸器内部压力下降到一定值后，泄压阀自动关闭。

2 关键技术参数及结构综合最优确定

呼吸器的核心防护性能主要包括氧气体积分数、二氧化碳体积分数、吸气温度等方面。由于生氧反应要放出大量热[15]，使气体温度急剧上升，而过高温度的气体会造成使用人员呼吸道的灼伤，因此为提高化学氧自救呼吸器佩戴的安全性和舒适度，控制呼吸温度至关重要。应使气囊中吸气温度、氧气体积分数、二氧化碳体积分数等参数之间达到综合最优平衡，其中产氧剂反应放热量[16-17]、呼吸气路结构[18-19]、气体循环路径[20]是主要可能影响因素，针对以上因素进行具体分析。

2.1 产氧剂

气体温度的升高很大部分来源于产氧剂的化学反应放热，反应放热量主要由产氧剂配方决定。为了确保自救呼吸器在30 min 甚至更长时间内二氧化碳体积分数和呼吸温度都符合标准要求，首先分别考察了不同产氧剂配方对吸气温度、二氧化碳体积分数的影响，采用市面成熟产品的产氧罐进行45 min 测试。

试验通过调整药剂中活性组分氢氧化钠、硅酸铝含量初步确定药剂配比。在装药量一定、呼吸器容积和结构一定的前提下，设计了2 组对比试验，2组试验都按GA 411—2003 标准，以1.26 L/min 持续通入二氧化碳，呼吸量为28 L/min，进气温度为37 ℃，呼吸频率为20 min-1，进气湿度大于95%，抽氧量为1.42 L/min，对比试验各配方的吸气温度和CO2体积分数变化。氢氧化钠含量对吸气温度及CO2体积分数的影响如图4，硅酸铝含量对吸气温度及CO2体积分数的影响如图5。

图4 氢氧化钠含量对吸气温度及CO2 体积分数的影响Fig.4 Effect of NaOH content on inspiratory temperature and CO2 volume fraction

图5 硅酸铝含量对吸气温度及CO2 体积分数的影响Fig.5 Effect of Al2SiO5 content on suction temperature and CO2 volume fraction

图4（a）为药剂中活性组分氢氧化钠含量分别为5%、8%、13%时测得的吸气温度随时间变化的曲线图，当氢氧化钠含量为5%时，平均吸气温度为43.56 ℃；当氢氧化钠含量为8%，平均吸气温度升高为45 ℃；当氢氧化钠含量增加到13%时，平均吸气温度达45.44 ℃。由3 组数据可以看出随着氢氧化钠含量增加，吸气温度逐渐增高。图4（b）为药剂中活性组分氢氧化钠含量对二氧化碳体积分数的影响，其中当氢氧化钠含量为5%时，二氧化碳平均体积分数为0.48%，最高体积分数为1.09%；当氢氧化钠含量为8%，二氧化碳平均体积分数为0.44%，最高体积分数为1.0%；而当氢氧化钠含量增加到13%时，二氧化碳平均体积分数降为0.43%，最高体积分数为1.01%。可见随着氢氧化钠含量的增加，吸气温度呈上升趋势、二氧化碳体积分数呈降低趋势，说明氢氧化钠可加快反应速度。

图5（a）为药剂中硅酸铝含量分别为1%、3%、5%时测得的吸气温度随时间变化的曲线图，当硅酸铝含量为1%时，平均吸气温度为46.11 ℃；当硅酸铝含量为3%，平均吸气温度降为45.22 ℃；当硅酸铝含量增加到5%时，平均吸气温度达44.4 ℃。由3组数据可以看出硅酸铝含量增加，吸气温度降低。图5（b）为药剂中硅酸铝含量对二氧化碳体积分数的影响，其中当硅酸铝含量为1%时，二氧化碳平均体积分数为0.41%，最高体积分数为0.9%；当硅酸铝含量为3%，二氧化碳平均体积分数为0.44%，最高体积分数为1.0%；而当硅酸铝含量增加到5%时，二氧化碳平均体积分数增加为0.45%，最高体积分数增加为1.05%。结果表明硅酸铝含量越高，二氧化碳体积分数越高，吸气温度越低，说明硅酸铝可以抑制反应进行。

通过对比以上数据，综合考虑温度和二氧化碳体积分数要求，可初步确定药剂主要成分中氢氧化钠、硅酸铝、超氧化钾占比。为进一步筛选出适合本文化学氧自救呼吸器结构的药剂配方，在该配比的基础上制备了防护时间为30 min 的4 种药剂，编号为1#、2#、3#、4#药剂，并依次用该呼吸器样机等量装填测试，在相同条件下进行防护指标的试验测试。4种药剂吸气温度和O2体积分数及CO2体积分数变化曲线如图6。

图6 4 种药剂吸气温度和O2 体积分数及CO2 体积分数变化曲线Fig.6 Variation curves of inspiratory temperature, O2 volume fraction and CO2 volume fraction of four agents

由图6（a）可知，4 种型号药剂对应的吸气温度总体随防护时间的延长不断升高，其中3#型药剂平均温度较低，最高未超过39 ℃；由图6（b）可知，4 种型号药剂对应的氧气浓度在初始2 min 后均高于21%，然后随防护时间的延续氧气体积分数逐渐上升后趋于平稳，其中3#型药剂平稳后的氧气体积分数最高，约93.26%；由图6（c）可知，4 种型号药剂对应的二氧化碳体积分数均在初始5 min 内逐渐升高，随后逐渐降低（4#型药剂出现2 次峰值，是正常现象，可能由于药剂结块阻碍反应进行），然后随防护时间的延续逐渐回升，其中3#型药剂整体平均体积分数最低，约1.35%。

综合本次试验结果表明，3#型药剂作为产氧剂时化学氧自救呼吸器样机的氧气体积分数较高、二氧化碳体积分数较低、吸气温度较低并且防护时间符合要求，综合来看，3#型药剂为最佳产氧剂。

2.2 呼吸气路

目前化学氧自救化学器的呼吸气路结构主要分为往复式、循环式和复合式[10]。往复式气路，即呼出气体进入生氧罐，与生氧剂反应后的“富氧”气体进入贮气袋，吸气时气体从贮气袋再次经过生氧罐进入口鼻罩，在1 次呼吸循环中气体会经过药剂层2次。这种气路结构简单、对生氧剂的利用率较高，放氧速率均匀，呼吸阻力较小。但是由于吸气时气体再次通过药剂层，并且气体在气囊内的散热行程有限，使得吸气温度过高。循环式气路，即在1 次呼吸循环中，气流只经过药剂层1 次，“富氧”气体进入气囊后流动至进气口供人体呼吸。这种气路结构可有效降低吸气温度，但药剂反应不及往复式充分。复合式气路即将上述2 种气路结构相结合，一部分气体经过药剂层2 次，一部分气体经过药剂层1 次即进入气囊。

新型自救呼吸器的呼吸气路设计为循环式（图3），呼出的气体进入三通管以后仅能通过单向呼气阀进入到药罐，在药罐内废气与生氧剂重新反应变为新鲜空气，由单向出气口流入贮气袋中；新鲜空气从贮气袋的进气口流到出气口，从出气口进入三通管，人体吸气时新鲜空气在单向阀片的作用下流入通气管供人呼吸，而药罐内的气体无法直接进入通气管中。

为进一步提高药剂反应效率，降低二氧化碳体积分数，对取消单向呼气阀的气路结构进行了研究。在此状态下，呼气时气体路径不变，但吸气时，一部分药剂层的气体在吸气压力下会直接返回三通管再到通气管供人呼吸，另一部分仍从气囊单向阀流入通气管，即将往复式和循环式结构相结合。

为了确定适应该呼吸器结构的呼吸气路，确定单向呼吸阀的作用，利用呼吸机在相同条件下分别对安装单向呼气阀和去掉单向呼气阀的化学氧呼吸器样机（U 型气囊）进行防护指标的测试，有无单向呼气阀情况下吸气温度和O2体积分数及CO2体积分数变化曲线如图7。

图7 有无单向呼气阀情况下吸气温度和O2 体积分数及CO2 体积分数变化曲线Fig.7 Curves of inspiratory temperature, O2 volume fraction and CO2 volume fraction with or without one-way expiratory valve

由图7（a）可知，有单向呼气阀的呼吸器的吸气温度最高不超过36.3 ℃，没有单向呼气阀的呼吸器的吸气温度最高达到55.7 ℃，可见配备单向呼气阀显著避免了往复式气路产品中产氧剂2 次加热气体的问题，使气体单向流经贮气袋，加长气体流动行程，有利于高温气体散热；由图7（b）可知，单向呼气阀对于氧气体积分数影响不大；由图7（c）可知，去掉呼气阀可使气囊中二氧化碳体积分数进一步减少，有单向呼气阀的呼吸器的平均二氧化碳体积分数为1.19%，去掉呼气阀的平均二氧化碳体积分数为0.75%，这是由于气体2 次经过药剂使反应更充分，但有单向阀的呼吸器的二氧化碳体积分数也可满足要求，这也源于前期研发的高效产氧剂配方。

综合来看单向呼气阀是必要的，循环式结构对降低吸气温度效果显著。

2.3 气体循环路径

生氧罐中反应生成的氧气从进气口进入贮气袋，气体在气囊中单向流动。为进一步探究气体循环路径对降低气体温度的影响，分别设计了U 形和L 型的贮气袋，贮气袋两端分别设置进气口和出气口。贮气袋展开外形图如图8。

图8 贮气袋展开外形图Fig.8 Expanded outline drawing of air storage bag

利用呼吸机在相同条件下分别对配备了U 型和L 型贮气袋的化学氧呼吸器样机进行防护指标的测试，U 型和L 型贮气袋吸气温度和O2体积分数及CO2体积分数变化曲线如图9。

由图9（a）可知，配备L 型贮气袋的呼吸器的吸气温度可高达37.2 ℃，配备U 型贮气袋的呼吸器的吸气温度最高不超过33.3 ℃，可见配备U 型贮气袋的呼吸器的吸气温度要明显低于配备L 型贮气袋的呼吸器。这首先是由于U 型的贮气袋可加长气体流动行程，有助于进一步降低气体温度；另一方面，U 型贮气袋可以将产氧罐镶嵌于U 形凹陷内，产氧罐产生的热量不会直接传递到贮气袋，但L 型贮气袋由于进出气口位置不对称，导致贮气袋和产氧罐接触，反应释放的热量会直接对贮气袋内的气体行程加热作用，导致温度进一步升高，该情况与现有循环式产品结构类似，现有产品中贮气袋一般位于产氧罐上方，产氧罐反应释放的热空气上升会直接加热贮气袋，导致呼气温度过高。

图9 U 型和L 型贮气袋吸气温度和O2 体积分数及CO2 体积分数变化曲线Fig.9 Variation curves of inspiratory temperature,O2 volume fraction and CO2 volume fraction of U-shaped and L-shaped air storage bags

由图9（b）、图9（c）可知，贮气袋形态对于氧气体积分数和二氧化碳体积分数的影响差别不大。

综上，U 型贮气袋的设计可起到降低吸气温度的作用。

3 样机综合性能

对新型低温化学氧自救呼吸器的成型样机进行综合性能测试，设置呼吸机工作状态为：配入二氧化碳量1.26 L/min，呼吸量为28 L/min，进气温度为37℃，呼吸频率为20 min-1，进气湿度大于95%，抽氧量为1.42 L/min。呼吸器防护性能检测数据见表1。

表1 呼吸器防护性能检测数据Table 1 Test data of respirator protection performance

由表1 可知，在30 min 内，气囊中氧气、二氧化碳体积分数均满足要求，吸气温度维持在40 ℃左右，呼吸阻力控制在较低水平，结果表明该呼吸器设计合理、性能优异。

4 结 语

1）新型化学氧自救呼吸器采用了创新的扁状半圆形产氧罐，气囊采用U 型设计，加长气体行程，和产氧罐形成有效分离，有助于降低气体温度。采用单管气路循环技术，通过三通管实现进出气在药罐和气囊间的分流导向，仅利用1 根软管即实现了人体呼出的气体经产氧罐进入气囊，再从气囊绕过产氧罐直接进入人体呼吸系统的循环式产氧，进一步简化了传统两管或三管式实现循环式产氧的结构，使用过程更为便捷，对人员的行动影响更小。

2）产氧剂是影响温度的关键因素，通过筛选试验选定了适合该呼吸器结构的最佳配方，使气囊中吸气温度、氧气体积分数、二氧化碳体积分数等参数之间达到综合最优平衡。

3）化学氧呼吸器的气路结构中循环式气路可显著降低吸气温度，虽然会导致二氧化碳体积分数略高于往复式结构，但装载研发的高效产氧剂，平均二氧化碳体积分数可控制在1.5%以下。

4）贮气袋的形态对吸气温度也有一定影响，利用U 型贮气袋加长气体循环路径并与产氧罐有效隔离可进一步降低吸气温度。