ФИЛЬТРУЮЩИЙ ПАТРОН Российский патент 2001 года по МПК A62B19/00 A62B23/02 

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты органов дыхания в условиях вредных производств, в частности к газо- и пылегазозащитным патронам для респираторов.

Основные защитные и эргономические величины средств индивидуальной защиты, такие как время защитного действия фильтрующих патронов по вредным веществам (парам, газам), ограничение поля зрение, масса и др. нормированы ГОСТами. Габариты фильтрующих патронов хотя и не нормированы, также предопределяют время защитного действия и ограничение поля зрения пользователя.

Для уменьшения ограничения поля зрения патрубок для крепления фильтрующего патрона к полумаске средств защиты крепится эксцентрично относительно оси патрона, выполненного в виде кругового цилиндра, либо относительно оси, проходящей через центр тяжести поперечного сечения патрона овальной формы.

Время защитного действия зависит от степени отработки шихты, определяемой скоростью течения воздуха в шихту. Для обеспечения равномерного течения воздуха через шихту конструкция фильтрующего патрона содержит компенсационную камеру.

Размер компенсационной камеры влияет на защитные и эргономические величины средств защиты, а именно, увеличение высоты компенсационной камеры приводит к увеличению высоты фильтрующего патрона в целом и, как следствие, - к увеличению ограничения поля зрения пользователя. При фиксированной высоте фильтрующего патрона увеличение высоты компенсационной камеры приводит к уменьшению высоты слоя шихты и, следовательно, к снижению времени защитного действия средств защиты. Уменьшение высоты компенсационной камеры обуславливает рост сопротивления дыханию.

Известен фильтрующий патрон, содержащий фильтр, шихту, заключенную между ограничительными сетками, при этом с целью снижения аэродинамического сопротивления при сохранении длительности защитного действия, фильтр и обращенная к нему ограничительная сетка установлены на расстоянии друг от друга (SU 1762948 A1, 23.09.1992).

Недостатком такого фильтрующего патрона является увеличение его габаритов и снижение по этой причине поля зрения пользователя.

Наиболее близким к заявленному фильтрующему патрону является патрон респиратора, содержащий корпус с патрубком, размещенные в корпусе фильтр, шихту и сетки для их крепления, противопылевой тампон, закрепленный между сеткой и сетчатым дном/корпуса фильтрующего патрона, при этом фильтрующий патрон герметично крепится к полумаске респиратора с помощью съемной манжеты, патрубок смещен относительно оси симметрии цилиндрического патрона, между нижней сеткой и клапаном вдоха в корпусе манжеты устроена компенсационная камера, а для предотвращения смыкания пластмассовой манжеты и сетчатого дна фильтрующего патрона внутри компенсационной камеры на манжете выполнены приливы высотой до 5 мм и диаметром также до 5 мм (SU 223593 A1, 02.08.1968).

Такое конструктивное выполнение компенсационной камеры с учетом малого диаметра патрона и экцентриситета (порядка 13 мм) позволяет при сравнительно большой высоте камеры обеспечивать малые потери давления в камере, не влияющие на скорость течения вдыхаемого воздуха через шихту.

Недостатком известного фильтрующего патрона является большая высота компенсационной камеры, что увеличивает общую высоту фильтрующего патрона и ограничение поля зрения. Уменьшение же высоты компенсационной камеры в известном фильтрующем патроне может привести к перераспределению потоков скоростей течения воздуха через шихту и снижению времени защитного действия.

Технический результат заключается в повышении эксплуатационных характеристик фильтрующих патронов газо- и пылегазозащитных респираторов путем обеспечения максимально возможного времени защитного действия при фиксированных параметрах шихты (без изменения высоты слоя шихты) и воздействующих факторов за счет обеспечения одинаковой скорости течения вдыхаемого воздуха в плоскости сечения шихты, ортогональной обобщенному вектору скорости, и исключения тем самым преждевременной отработки отдельных ее объемов.

Указанный технический результат достигается тем, что в фильтрующем патроне, содержащем корпус с патрубком и размещенные в корпусе шихту, закрепляющие ее верхнюю и нижнюю сетки, противопылевой тампон и компенсационную камеру, согласно изобретению компенсационная камера снабжена сходящимися к патрубку ребрами, образующими каналы, при этом ребра закреплены по периметру патрубка в области стока воздуха с образованием дуг между ними, величина которых пропорциональна площади основания соответствующих каналов и определяется выражением:

где - длина дуги контура патрубка i-того канала, м;
S_i - площадь основания i-того канала, м²;
d_ст - внутренний диаметр патрубка, м;
S - площадь сечения шихты, м²,
- длина внутреннего контура патрубка, м².

Благодаря тому, что в компенсационной камере фильтрующего патрона выполнены по всей длине компенсационной камеры ребра, обеспечивается формирование каналов для равномерного распределения потоков вдыхаемого воздуха и одновременного поступления воздуха на всю площадь поперечного сечения шихты, что исключает неравномерную ее отработку.

Выполнение длины дуги между смежными ребрами пропорциональной площади основания соответствующего канала, согласно предложенному выражению, определяется выполнением условия изокинетичности течения вдыхаемого воздуха через шихту.

Изокинетичность течения вдыхаемого воздуха через шихту фильтрующих патронов обусловлена изотропностью пористого слоя шихты - зерненного сорбента. Для реализации этого условия необходимо обеспечить принцип изокинетичности стока, т. е. обеспечить одинаковую скорость истечения воздуха из каналов компенсационной камеры в патрубок. Для обеспечения принципа изокинетичности стока необходимо, чтобы потери давления на трение ( Δ p_тр и потери в местных сопротивлениях ( Δ p_мс) в каналах были одинаковыми порознь, следовательно, и суммарно.

Элементарный расчет показывает, что для каналов компенсационной камеры приемлемых размеров и объема легочной вентиляции V=0,5 м³/с потери давления на трение Δp_тр много меньше потерь давления в стоке при слиянии потоков воздуха из каналов Δp_мс, (Δp_тр/ Δp_мс < 0,05) и ими можно пренебречь.

Потери давления в стоке для всех каналов компенсационной камеры будут одинаковыми при одинаковой скорости истечения воздуха из каналов в патрубок, так как коэффициенты местных сопротивлений для всех каналов имеют одинаковые значения в связи с тождественностью их конструкции.

Из условия Δp_мс = ξН_д = ξρν2с

Из очевидных соотношений:

следует:

где U - скорость течения воздуха через шихту фильтрующего патрона, м/с;
ξ - коэффициент местного сопротивления в стоке;
ν_ст - скорость истечения воздуха из канала в сток, м/с:
h - высота компенсационной камеры, м;
- длина дуги контура патрубка i-того канала, м;
S_i - площадь основания i-того канала, м²;
d_ст - внутренний диаметр патрубка, м;
S - площадь сечения шихты, м²;
H_д - динамическое давление газа, Па [кг/(мс²)];
ρ - плотность газа, кг/м³.

- контур стока, м.

Построение каналов с учетом длин дуг между ребрами компенсационной камеры по условию (1) обеспечивает изокинетичность течения воздуха в стоке и равномерную скорость течения воздуха в шихте фильтрующего патрона. Как следствие, исключается преждевременная отработка отдельных объемов шихты, обеспечивается максимально возможное время защитного действия шихты, повышаются эксплуатационные характеристики фильтрующих патронов.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид фильтрующего патрона, на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Фильтрующий патрон содержит корпус 1, шихту 2 (зерненный сорбент), закрепляющие шихту 2 верхнюю 3 и нижнюю 4 сетки, противопылевой тампон 5 и силикатированную сетку 6. Корпус 1 может быть выполнен в виде кругового цилиндра либо овальным (см. фиг. 2).

Для уменьшения ограничения поля зрения патрубок 7, посредством которого фильтрующий патрон крепится к полумаске средств защиты, смещен относительно центра тяжести площади сечения овального корпуса 1 патрона. Для обеспечения равномерного течения воздуха через шихту 2 в корпусе 1 под противопылевым тампоном 5 выполнена компенсационная камера 8 с ребрами 9, образующими каналы 10, сужающиеся к патрубку 7. Снизу каналы 10 ограничены дном корпуса 1, а сверху - противопылевым тампоном 5, опирающимся на ребра 9. В области стока вдыхаемого воздуха в патрубок 7 ребра 9 закреплены по периметру патрубка 7 таким образом, что образующиеся длины дуг между смежными ребрами 9 пропорциональны площади основания S_i соответствующего канала и определяются из выражения:

где - длина дуги контура патрубка i-того канала, м;
S_i - площадь основания i-того канала, м²;
d_ст - внутренний диаметр патрубка, м;
S - площадь сечения шихты, м²;
- контур стока, м.

Конструктивно каналы 10 оформляются методом итераций, методом последовательных приближений путем повторения измерений и расчетов.

Пример. Положим, что для крепления противопылевого тампона 5 необходимо устроить 12 ребер. Разбивают площадь сечения патрона визуально на примерно равновеликие по площади каналы справа и слева от плоскости cd. Наложим условие приближения

где - постоянная величина.

Если площадь S симметрична, итерацию следует проводить для одной половины, вторая - идентична.

Измерив S_i и записывают ряд:

Условия приближения к единице достаточны для следует увеличить, а уменьшить (изменение активно, S_i - консервативно).

Операции измерения и S_i и расчет всего ряда повторяются до достижения условия приближения.

Для каналов большой протяженности следует принимать = 10±3 мм, для коротких каналов - = 5±2 мм.

Посредством дыхательной мускулатуры в подмасочном пространстве создается разрежение. Под действием избыточного давления (барометрического над давлением в подмасочном пространстве) воздух перемещается через слой зерненного сорбента (шихту 2). Одинаковая по площади шихты скорость течения воздуха обусловлена изотропностью слоя 2 - шихты. Пройдя нижнюю сетку 4 и пористый волокнистый слой противопылевого тампона 5, воздух микроструями вливается в каналы 10 компенсационной камеры 8 с малой скоростью (U=0,042 м/с) и, далее, перемещаясь по каналу 10, сливается в стоке (в патрубке 7) в единый поток; далее, пройдя клапаны вдоха, поступает в подмасочное пространство и органы дыхания.

Предложенная конструкция фильтрующего патрона для средств защиты органов дыхания, например газо- и пылегазозащитных респираторов, позволяет обеспечить одинаковую скорость течения вдыхаемого воздуха по всему сечению шихты и тем самым обеспечить максимально возможное время защитного действия при фиксированных параметрах шихты.

С учетом решаемых задач заявляемое устройство позволяет:
- при фиксированной высоте фильтрующего патрона увеличить высоту слоя шихты на 1,5-2,5 мм путем уменьшения высоты компенсационной камеры с 5 мм до 2,5-3,5 мм и увеличить время защитного действия для малых слоев шихты на 20-25%, например, для универсального респиратора РУ-60М:
- при фиксированом времени защитного действия (без изменения высоты слоя шихты) уменьшить ограничение поля зрения респиратора РУ-60М с 20-25% до 17-20% в связи с уменьшением общей высоты фильтрующих патронов на 2 мм.

Заявляемое устройство позволяет исключить одну деталь - сетку для крепления противопылевого тампона со стороны компенсационной камеры или сетчатое дно у патронов респираторов РУ-60М и РПГ-67.

Фильтрующий патрон относится к средствам индивидуальной защиты органов дыхания, в частности к пылегазозащитным патронам для респираторов, и может использоваться в условиях вредных производств. Содержит корпус с патрубком и размещенные в корпусе шихту, закрепляющие ее верхнюю и нижнюю сетки, противопылевой тампон и компенсационную камеру. При этом компенсационная камера снабжена сходящимися к патрубку ребрами, образующими каналы. Ребра закреплены по периметру патрубка в области стока воздуха в патрубок с образованием дуг между ними, величина которых пропорциональна площади основания соответствующих каналов. Данное выполнение патрона позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики. 2 ил.

Фильтрующий патрон, содержащий корпус с патрубком и размещенные в корпусе шихту, закрепляющие ее верхнюю и нижнюю сетки, противопылевой тампон и компенсационную камеру, отличающийся тем, что компенсационная камера снабжена сходящимися к патрубку ребрами, образующими каналы, при этом ребра закреплены по периметру патрубка в области стока воздуха в патрубок с образованием дуг между ними, величина которых пропорциональна площади основания соответствующих каналов и определяется выражением

l_i - длина дуги контура патрубка i-того канала, м;
S_i - площадь основания i-того канала, м²;
d_ст - внутренний диаметр патрубка, м;
S - площадь сечения шихты, м²;
- длина внутреннего контура патрубка, м.