ФИЛЬТРУЮЩИЙ ПАТРОН Российский патент 2003 года по МПК A62B23/02 

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты органов дыхания, в частности к фильтрующим респираторам, и предназначается для использования в условиях вредных производств, в воздух рабочей зоны которых выделяются вредные вещества в газо-, парообразном и аэрозольном состоянии.

Известно, что при работе в условиях вредных производств существенную роль играют такие эргономические величины средств индивидуальной защиты органов дыхания, как ограничение поля зрения и перепад давления (сопротивление току вдыхаемого воздуха). Ограничение поля зрения затрудняет выполнение производственных операций в связи с ограничением сектора обзора. Возрастание же сопротивления току воздуха подавляет работу дыхательной мускулатуры. Ограничение поля зрения патронных респираторов зависит, главным образом, от конструкции и габаритов фильтрующих патронов; сопротивление току воздуха - от габаритов, свойств фильтрующих материалов и конструкции складок фильтра. Для снижения степени роста сопротивления току воздуха (увеличения пылеемкости) необходимо увеличивать устойчивость складок фильтра от механических и аэродинамических деформаций, снижать вероятность смыкания его складок.

Известен фильтрующий патрон респиратора, содержащий корпус с сетчатой крышкой и размещенный внутри корпуса складчатый тканевый фильтр, складки которого выполнены в двух взаимно перпендикулярных направлениях (см. авт.св. СССР 460874, 25.02.1975).

Хотя такое выполнение складок фильтра в патроне обеспечивает их устойчивость от смыкания в процессе работы, однако предложенное расположение складок определяет только прямоугольный контур корпуса фильтрующего патрона, что приводит к значительному увеличению ограничения поля зрения.

Известен противопылевой респиратор, фильтрующий элемент которого выполнен в виде концентрических складок, при этом соотношение высоты складок фильтрующего элемента и ширины между складками равно (3-5):1 (см., например, патент РФ 2031668, 27.03.1995).

Однако выполнение концентрических складок фильтра с одинаковым шагом (шириной между складками) может привести к смыканию складок в периферийной области фильтра, поскольку периферические складки наиболее подвержены внешним механическим воздействиям в процессе изготовления и обладают меньшей устойчивостью к воздействию аэродинамического давления проходящего через фильтр воздуха в связи с их большими размерами контура по сравнению со складками, расположенными вблизи от центра. Как следствие - неполное использование работающей поверхности фильтра, рост сопротивления току воздуха и необходимость замены фильтра на новый.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является фильтрующий патрон, содержащий корпус кругового сечения с патрубком, сетчатую крышку с кольцом, размещенные в корпусе шихту, закрепляющие ее верхнюю и нижнюю сетки и размещенный между крышкой и верхней сеткой складчатый фильтр, у которого складки выполнены концентрическими, периферийная складка закреплена на кольце крышки между кольцом и корпусом, а шаг складок выполнен одинаковым (см. авт.св. СССР 223593, 02.08.1968).

Однако известный фильтрующий патрон имеет недостаточную эффективность в связи с тем, что не обеспечивает основные эргономические величины средств индивидуальной защиты в условиях вредных производств, такие как ограничение поля зрения и сопротивление току вдыхаемого воздуха. Выполнение сечения корпуса фильтрующего патрона круговым (при соблюдении требуемой площади фильтрующего материала - шихты и фильтра) ограничивает поле зрения пользователя. Выполнение же складок фильтра концентрическими с одинаковым шагом снижает устойчивость периферийных складок, что увеличивает вероятность их смыкания. Как следствие - снижается пылеемкость, а значит и время эксплуатации фильтрующего патрона.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы фильтрующего патрона путем уменьшения ограничения поля зрения и увеличения пылеемкости за счет оптимального конструктивного выполнения корпуса и складчатого фильтра, а также максимального использования фильтрующего материала складчатого фильтра в процессе фильтрации.

Указанный технический результат достигается тем, что в фильтрующем патроне, содержащем корпус с патрубком, сетчатую крышку с кольцом, размещенные в корпусе шихту, закрепляющие ее верхнюю и нижнюю сетки и размещенный между крышкой и верхней сеткой складчатый фильтр, у которого периферийная складка закреплена на кольце крышки между кольцом и корпусом, согласно изобретению контур сечения корпуса фильтрующего патрона выполнен с одной плоскостью симметрии и сформирован двумя дугами окружностей неравных радиусов, соединенных дугами малой кривизны или отрезками касательных прямых, причем контур складок фильтра повторяет контур корпуса, шаг складок фильтра выполнен уменьшающимся от периферии к центру, при этом радиусы дуг вершин складок определяются выражениями:


где радиус дуги вершины складки, обращенной в сторону шихты, м;
радиус дуги вершины складки, обращенной в сторону крышки, м;
R₀ - внутренний радиус кольца крышки, м;
Δ_i - шаг складки (от Δ_max до Δ_min), м;
q_i - приращение радиусов, n - число складок,
и центры дуг окружностей, формирующих вершины складок фильтра, расположены на оси симметрии, находящейся в плоскости симметрии корпуса.

Благодаря тому что контур сечения корпуса фильтрующего патрона сформирован двумя дугами окружностей неравных радиусов, соединенных дугами малой кривизны или отрезками касательных прямых, появилась возможность выполнить корпус фильтрующего патрона удлиненным, имеющим одну плоскость симметрии, и так закрепить каждый из двух фильтрующих патронов на полумаске респиратора, чтобы часть корпуса, сформированная дугой меньшего радиуса, была направлена вперед, а часть корпуса с дугой большего радиуса направлена назад. Как следствие - значительно увеличивается сектор обозрения, уменьшается значение ограничения поля зрения (в отличие от фильтрующих патронов с круговым сечением контура или патронов с любой формой сечения контура, имеющей две плоскости симметрии).

Выполнение контура складок фильтра, размещенного в корпусе предлагаемой конфигурации, повторяющим контур корпуса, следовательно, и контур кольца крышки фильтрующего патрона предопределяет перераспределение складок в сечении фильтра для более эффективного использования площади фильтрующего материала (без увеличения этой площади).

Для уменьшения ограничения поля зрения пользователя необходимо сформировать такой контур сечения корпуса, который бы в меньшей степени ограничивал поле зрения, и при этом не должны ухудшаться фильтрующие свойства фильтра, находящегося в корпусе фильтрующего патрона.

Оптимальным вариантом выполнения контура сечения корпуса фильтрующего патрона является предложенное соединение дуг окружностей неравных радиусов отрезком касательной прямой или дугой малой кривизны, приближающейся по форме к прямой. Оба варианта выполнения этого признака позволяют решить поставленную техническую задачу в равной степени. Таким образом, только такое выполнение контура сечения корпуса не увеличит поперечных размеров корпуса и сократит до минимума ограничение поля зрения пользователя без снижения качества фильтрующих свойств фильтра.

Благодаря тому что шаг складок фильтра выполнен уменьшающимся от периферии к центру фильтра, уменьшается вероятность смыкания складок в периферийной области фильтра. А поскольку периферийная область фильтра составляет основную долю площади фильтрующего материала (порядка 70% от общей площади), то обеспечивается максимальное использование фильтрующего материала складчатого фильтра. Как следствие - увеличивается пылеемкость фильтрующего патрона, следовательно, и время эксплуатации фильтра. При этом для исключения смыкания складок фильтра необходимо радиусы дуг вершин складок выполнять по предложенным соотношениям, предусматривающим больший шаг складок в периферийной области относительно среднего и меньший шаг относительно среднего в центральной области фильтра.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид фильтрующего патрона; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 - контур складчатого фильтра (пунктирными линиями показаны контуры вершин складок, обращенные к крышке).

Фильтрующий патрон содержит корпус 1 с патрубком 2 и сетчатую крышку 3 с кольцом 4. В корпусе 1 размещены шихта 5, закрепляющие ее верхняя 6 и нижняя 7 сетки, а также складчатый фильтр 8, размещенный между крышкой 3 и сеткой 6, периферийная складка 9 которого закреплена на кольце 4 между стенкой корпуса 1 и кольцом 4. Центральная складка 9 фильтра 8 закреплена посредством установленных по центру корпуса 1 наружного 10 и внутреннего 11 колпачков.

Контур сечения корпуса 1 фильтрующего патрона сформирован двумя дугами окружностей разных радиусов R₁ и R₂, соединенных дугами малой кривизны или отрезками касательных прямых, и имеет одну плоскость симметрии. Патрубок 2 смещен в область контура, образованного дугой меньшего радиуса, что также снижает ограничение поля зрения.

Закрепленные на кольце 4 складки 9 фильтра 8 повторяют контур корпуса 1 и кольца 4. Для увеличения пылеемкости фильтра шаг Δ_i складок 9 выполнен уменьшающимся от периферии к центру. Для рационального размещения фильтрующего материала в ограниченном пространстве корпуса 1 предложенной конфигурации радиусы дуг вершин складок определяются выражениями:


где радиус дуги вершины складки, обращенной в сторону шихты, м;
радиус дуги вершины складки, обращенной в сторону крышки, м;
R₀ - внутренний радиус кольца крышки, м;
Δ_i - шаг складки (от Δ_max до Δ_min), м;
q_i - приращение радиусов.

При этом центры О_1,i и O_2,i дуг окружностей, формирующих вершины складок фильтра, расположены по обе стороны от центра О на оси симметрии ВВ (фиг.2), находящейся в плоскости симметрии корпуса.

За условный центр площади сечения фильтра принята срединная точка О (фиг. 2) на прямой ВВ. Центры О_1,i и O_2,i дуг, формирующих контуры сечения корпуса 1, а также контуры складок, расположены на оси симметрии ВВ, и так как эти радиусы дуг не равны между собой, то центры О_1,i и О_2,i отстоят от условного центра О в обе стороны на разных расстояниях. Для обеспечения большей равномерности шага Δ_i складок по всему контуру центры О_1,i и О_2,i радиусов вершин складок 9 перемещаются дискретно в области отрезков OO₁(Q₁) и OO₂(Q₂). Шаг этих перемещений равен: q₁=Q₁/n и q₂=Q₂/n, где n - число складок.

Принимая во внимание, что
Δ_ср = (L-δ-R_n),
где Δ_ср - средний шаг складок;
L - половина размера фильтрующего патрона по оси ВВ;
δ - сумма толщин: корпуса 1, кольца 4 и материала фильтра 8;
R_n - внешний радиус наружного колпачка 10 (радиус вершины последней складки);
n - число складок,
имеем: радиус дуги вершины складок, обращенных в сторону шихты 5, определится из выражения

a обращенных в сторону сетчатой крышки 3 определится из выражения

где радиус дуги вершины складки, обращенной в сторону шихты, м;
радиус дуги вершины складки, обращенной в сторону крышки, м;
R₀ - внутренний радиус кольца крышки, м;
Δ_i - шаг складки (от Δ_max до Δ_min), м;
q_i - приращение радиусов,
при этом Δ_i = Δ_ср±γ, γ- малая величина, для периферической области берется со знаком +, для центральной области берется со знаком -.

Пример. На полумаске респиратора закреплены два фильтрующих патрона, при этом контур меньшего радиуса у патронов обращен вперед, в сторону обозреваемого сектора пользователя, а контур корпуса большего радиуса обращен назад и не оказывает влияния на обозреваемый сектор.

В таблице приведены значения радиусов дуг вершин складок фильтра в заявляемой конструкции фильтрующего патрона при следующих параметрах конструктивных элементов корпуса фильтрующего патрона и фильтра: L = 50 мм; δ = 3 мм; R_1,0 = 27 мм; R_2,0 = 37 мм - внутренние размеры радиусов дуг кольца 4; R_n=5 = 7 мм - наружный радиус наружного колпачка 10; n = 5; Q₁ = (50-3-27) = 20 мм; q₁ = Q₁/n = 4 мм; Q₂ = (50-3-37) = 10 мм; q₂ = Q₂/n = 2 мм.

Процесс изготовления фильтрующих патронов предлагаемой конструкции осуществляется по известной технологии изготовления пластмассовых деталей (корпуса, крышки и т.д.), известной технологии размещения в корпусе шихты (зерненного сорбента) и принятой технологии изготовления складчатых фильтров из полимерных материалов на ступенчатой конусной заготовке (пирамидке) с кольцами предлагаемого контура сечения корпуса с учетом значений геометрических величин параметров фильтра, взятых из таблицы.

Таким образом, предложенная конструкция фильтрующего патрона позволяет достичь следующих результатов:
- улучшить эргономику труда путем снижения ограничения поля зрения на 25-30% по отношению к значениям этой величины для равновеликих по площади фильтрующих патронов с круговым контуром;
- увеличить пылеемкость фильтра патрона, следовательно, увеличить ресурс его работы на 25% без замены фильтра.

Патрон используется в респираторах и предназначается для индивидуальной защиты органов дыхания человека от вредных газов, паров, аэрозолей. Фильтрующий патрон содержит корпус с патрубком, сетчатую крышку с кольцом, размещенные в корпусе шихту, закрепляющие ее верхнюю и нижнюю сетки и размещенный между крышкой и верхней сеткой складчатый фильтр, у которого периферийная складка закреплена на кольце крышки между кольцом и корпусом. Контур сечения корпуса фильтрующего патрона выполнен с одной плоскостью симметрии и сформирован двумя дугами окружностей неравных радиусов, соединенных дугами малой кривизны или отрезками касательных прямых. Контур складок фильтра повторяет контур корпуса. Шаг складок фильтра выполнен уменьшающимся от периферии к центру. Радиусы дуг вершин складок определяются выражениями


где радиус дуги вершины складки, обращенной в сторону шихты, м; радиус дуги вершины складки, обращенной в сторону крышки, м; R₀ - внутренний радиус кольца крышки, м; Δ_i- шаг складки, м; q_i - приращение радиусов; n - число складок. Центры дуг окружностей, формирующих вершины складок фильтра, расположены на оси симметрии, находящейся в плоскости симметрии корпуса. Патрон отличается повышенной эффективностью в работе. 2 ил., 1 табл.

Фильтрующий патрон, содержащий корпус с патрубком, сетчатую крышку с кольцом, размещенные в корпусе шихту, закрепляющие ее верхнюю и нижнюю сетки и размещенный между крышкой и верхней сеткой складчатый фильтр, у которого периферийная складка закреплена на кольце крышки между кольцом и корпусом, отличающийся тем, что контур сечения корпуса фильтрующего патрона выполнен с одной плоскостью симметрии и сформирован двумя дугами окружностей неравных радиусов, соединенных дугами малой кривизны или отрезками касательных прямых, причем контур складок фильтра повторяет контур корпуса, шаг складок фильтра выполнен уменьшающимся от периферии к центру, при этом радиусы дуг вершин складок определяются выражениями


где радиус дуги вершины складки, обращенной в сторону шихты, м;
радиус дуги вершины складки, обращенной в сторону крышки, м;
R₀ - внутренний радиус кольца крышки, м;
Δ_i- шаг складки, м;
q_i - приращение радиусов;
n - число складок,
и центры дуг окружностей, формирующих вершины складок фильтра, расположены на оси симметрии, находящейся в плоскости симметрии корпуса.