氣密型防護服氣流分配器的設(shè)計

游國強 蘧艷峰 劉俊杰 金 朝 杜旭紅

（1.中國輻射防護研究院，山西 太原 030006；2.太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008）

0 前言

事故災(zāi)害是影響當(dāng)今世界和平與發(fā)展的重大公共安全問題，還是當(dāng)前我國公共安全面臨的主要威脅之一。類似“8.12”天津濱海特大危險化學(xué)品生產(chǎn)安全事故，其現(xiàn)場環(huán)境惡劣，涉及?；返亩拘詮?、儲量多、種類雜、交互復(fù)雜，易對救援處置人員造成重大傷亡事故對于首批進入災(zāi)害現(xiàn)場的救援人員應(yīng)配備最高防護等級的化學(xué)防護裝備。將救援人員與外界環(huán)境隔離并提供呼吸氣體的氣密型防護服，是防護等級最高的個體防護裝備，其防護等級較高，防護譜系較寬，并對現(xiàn)有多數(shù)化學(xué)品具有良好的防護作用，可有效保護救援人的生命安全。

1 氣流分配的改進

按照送氣方式的不同，氣密型防護服分為攜帶氣瓶供氣、固定輔助系統(tǒng)供氣和動力送風(fēng)供氣等三類送風(fēng)方式。根據(jù)供氣速率的不同，氣密型防護服分為動力式和定量式。動力式是根據(jù)使用者呼吸需要供給所需的空氣；定量式不考慮使用者呼吸的需求，在使用過程中按一定的供氣速率向佩戴者供給所需的空氣。目前主要的供氣管道均采用電磁閥控制。實現(xiàn)四肢、軀干、頭部的供氣量同時增加或減少，無法根據(jù)實際使用情況，對四肢、軀干、頭部供氣量實現(xiàn)獨立增加或減少。

送風(fēng)量與人體工效學(xué)之間的關(guān)系是正壓防護亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，也是氣密型防護服主要研究內(nèi)容。需要系統(tǒng)研究各種送風(fēng)量條件下人體各種生理參數(shù)的變化規(guī)律，進而尋找出最為合適的送風(fēng)量范圍。無論采取哪種送風(fēng)方式，現(xiàn)有氣密型防護服均采用一個或兩個供氣閥對四肢、軀干、頭部供氣，一個或多個排氣閥排氣。在氣密型防護服內(nèi)部，四肢、軀干、頭部氣流分配流量在防護服定型設(shè)計中已進行設(shè)計，從理論和試驗室現(xiàn)場模擬角度設(shè)計出四肢、軀干、頭部最為合適的送風(fēng)量。然而在實際使用氣密型防護服過程中，由于不同作業(yè)條件、作業(yè)強度下四肢、軀干、頭部產(chǎn)生熱量不同，以及生理耐受程度各異，四肢、軀干、頭部對氣流的需求不同，需要根據(jù)人體工效學(xué)的要求對四肢、軀干、頭部送風(fēng)量分別單獨進行調(diào)節(jié)。即需要根據(jù)一定送風(fēng)量條件下人體各部位各種生理參數(shù)的變化情況，調(diào)節(jié)四肢、軀干、頭部較為合適的送風(fēng)量，滿足人體工效學(xué)的要求。

在對整個氣密型防護服內(nèi)供氣過程中氣體始終自上而下，自內(nèi)而外單向流動。針對現(xiàn)有供氣系統(tǒng)無法單獨調(diào)節(jié)四肢、軀干、頭部的送風(fēng)量的確點。該研究在控制閥后設(shè)置氣流分配器，實現(xiàn)作業(yè)人員單獨調(diào)節(jié)四肢、軀干、頭部的送風(fēng)量。

2 工作原理

氣流分配器的工作原理采用通過遮擋等物理手段，通過磁性材料吸附減少四肢、軀干、頭部等局部通風(fēng)量，增大其余部分通風(fēng)量。調(diào)節(jié)四肢、軀干、頭部較為合適的送風(fēng)量，滿足人體工效學(xué)的要求。

3 結(jié)構(gòu)與組成

該研究提供已獲得發(fā)明專利授權(quán)的2 種氣流分配器，A型氣流分配器、B 型氣流分配器。其中A 型氣流分配器利用孔隙間通風(fēng)量可以調(diào)節(jié)流量，出口氣流變化幅度較小。B 型氣流分配器利用擋板調(diào)節(jié)通風(fēng)量可以調(diào)節(jié)流量，出口氣流變化幅度較大。

3.1 A 型氣流分配器

3.1.1 結(jié)構(gòu)與組成

A 型氣流分配器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。A 型氣流分配器由旋轉(zhuǎn)外殼、氣體進口、氣體出口、氣流調(diào)節(jié)器等組成。其中旋轉(zhuǎn)外殼頂部由聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等高分子材料組成，外殼側(cè)面由旋鈕整體或底部由釹鐵硼（NdFeB）等永磁材料組成，旋轉(zhuǎn)外殼底部由聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等高分子材料組成。氣流調(diào)節(jié)器整體采用鐵等金屬材料制成，或側(cè)面部分采用鐵等金屬材料。

3.1.2 氣流組織

調(diào)節(jié)各氣體出口氣流時，作業(yè)人員在氣流分配器頂部旋轉(zhuǎn)A 型氣流分配器氣體進口旋轉(zhuǎn)外殼，利用旋轉(zhuǎn)外殼的磁性，與氣流調(diào)節(jié)孔的磁性吸引，旋轉(zhuǎn)外殼產(chǎn)生的吸引力，帶動氣流調(diào)節(jié)器在氣流分配器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)。如圖3 所示。

氣流從氣體進口進入，經(jīng)過氣流調(diào)節(jié)器中的氣流調(diào)節(jié)孔，最后從氣體出口排出。由于氣流調(diào)節(jié)器中的氣流調(diào)節(jié)孔與氣體出口重疊程度不同，出口阻力不同，最終導(dǎo)致氣流調(diào)節(jié)孔與氣體出口重疊部分氣體出口的流量小于氣流調(diào)節(jié)孔與氣體出口非重疊部分氣體出口的流量，各氣體出口流量不同，實現(xiàn)簡易調(diào)節(jié)各出口氣體流量的目的。

圖1 A 型氣流分配器外觀簡圖

圖2 A 型氣流分配器A-A 剖面圖

圖3 A 型氣流分配器B-B 剖面圖

3.1.3 A 型氣流分配器各氣體出口氣流計算

A 型氣流分配器中通過調(diào)節(jié)氣孔的數(shù)量、氣孔間距，以及氣體出口的數(shù)量，在進口流量一定時，實現(xiàn)氣流分配器調(diào)節(jié)不同出口流量的目的。通過調(diào)節(jié)氣流調(diào)節(jié)孔與氣流出口的重合程度，調(diào)節(jié)各出口的氣流量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，單位時間內(nèi)，氣體通過任一截面的流量，m/h）。氣流調(diào)節(jié)孔與氣流出口的重合數(shù)量可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，其范圍如公式（1）所示。

式中：v 為氣流調(diào)節(jié)孔與氣流出口的重疊數(shù)量；a 為A 型氣流分配器氣流出口總數(shù)量。

A 型氣流分配器氣體出口分為重疊部分出口與非重疊部分出口。其中重疊部分出口氣流量調(diào)節(jié)范圍如公式（2）所示。

式中：I 為重疊部分出口氣流量；I為A 型氣流分配器氣體進口流量。

A 型氣流分配器中非重疊部分出口氣流量調(diào)節(jié)范圍如公式（3）所示。

式中：I為非重疊部分出口氣流量；a為A 型氣流分配器重疊部分氣體出口數(shù)量。

從公式（2）、公式（3）可以得出，A 型氣流分配器中非重疊部分出口氣流量與重疊部分出口氣流量存在明顯差異。非重疊部分出口氣流量明顯大于重疊部分出口氣流量。

3.2 B 型氣流分配器

3.2.1 結(jié)構(gòu)與組成

B 型氣流分配器是使用氣流擋板調(diào)節(jié)的氣體流量分配調(diào)節(jié)器。其外觀簡圖如圖4 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5 所示。B型氣流分配器由氣體進口、氣體出口、外殼、旋鈕、氣流調(diào)節(jié)擋板組成。其中氣流分配器由高分子材料組成。外殼由聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等高分子材料組成。旋鈕整體或底部由釹鐵硼（NdFeB）等永磁材料組成，頂部采用聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等高分子材料。氣流調(diào)節(jié)擋板采用鐵等金屬材料制成。

3.2.2 氣流組織

氣流分配器旋鈕在外殼的槽內(nèi)、氣流分配器頂部。外殼設(shè)有固定旋鈕的旋轉(zhuǎn)路線軌跡。調(diào)節(jié)各氣體出口氣流時，作業(yè)人員旋轉(zhuǎn)B 型氣流分配器旋鈕，引起氣流調(diào)節(jié)擋板在氣流分配器內(nèi)部圍繞氣體進口旋轉(zhuǎn)。

利用旋轉(zhuǎn)旋鈕的磁性，通過旋轉(zhuǎn)磁性旋鈕，與氣流調(diào)節(jié)擋板磁性吸引，帶動氣流分配器中氣流調(diào)節(jié)擋板旋轉(zhuǎn)，氣流分配器中的側(cè)板阻擋部分氣體出口的氣流。由于氣流調(diào)節(jié)擋板阻擋部分氣體出口的氣流，被阻擋氣體出口與未被阻擋部分氣體出口的氣體阻力不同，實現(xiàn)部分被阻擋氣體出口的阻力增加，被阻擋氣體出口氣流減少，在總進氣量不變情況下，進而未被阻擋部分的氣體出口氣流增加，被阻擋氣體出口的氣體流量小于未被阻擋部分氣體出口的流量，實現(xiàn)簡易調(diào)節(jié)氣流的目的。

圖4 B 型氣流分配器外觀簡圖

圖5 B 型氣流分配器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 B 型氣流分配器各氣體出口氣流計算

B 型氣流分配器中通過調(diào)節(jié)氣流擋板的長度、氣體出口的數(shù)量，在進口流量一定時，實現(xiàn)氣流分配器調(diào)節(jié)不同出口流量的目的。氣流調(diào)節(jié)擋板弧長可以根據(jù)出口氣流流量需要進行調(diào)節(jié)，考慮到實際使用情況，氣流調(diào)節(jié)擋板的弧長范圍如公式（4）所示。

式中：L 為氣流調(diào)節(jié)擋板弧長；C 為氣流分配器周長；n 為試驗值。

根據(jù)試驗值測算，公式（4）中n 取值范圍介于2 與4之間。

B 型氣流分配器氣體出口分為未遮擋部分出口與遮擋部分出口。遮擋部分出口氣流量范圍如公式（5）所示。

式中：I為遮擋部分出口氣流量；I為B 型氣流分配器氣體進口流量；b 為B 型氣流分配器氣體出口總數(shù)量。

未遮擋部分出口氣流量范圍如公式（6）所示。

式中：I為未遮擋部分出口氣流量；I為B 型氣流分配器氣體進口流量；b為B 型氣流分配器被遮擋氣體出口數(shù)量。

從公式（5）、公式（6）可以得出，B 型氣流分配器中未遮擋出口氣流量與遮擋部分出口氣流量明顯存在差異，且未遮擋出口氣流量明顯大于遮擋部分出口氣流量。

4 技術(shù)特點

4.1 體積小、質(zhì)量輕

A 型氣流分配器與B 型氣流分配器均在總供氣閥后設(shè)置，質(zhì)量≤100g，直徑≤6cm，厚度≤3cm，具有質(zhì)量輕、體積小的特點。

4.2 可靠性好

A 型氣流分配器與B 型氣流分配器設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，零件少，需要精密加工的零部件少，即可保證組裝后無調(diào)試，均為機加工件，加工精度可以得到保證。

4.3 通用性強

A 型氣流分配器與B 型氣流分配器適用于攜帶氣瓶供氣、固定輔助系統(tǒng)供氣和動力送風(fēng)供氣等3 類送風(fēng)方式，也適用于動力式和定量式供氣方式。適用于氣密型防護服中氣體壓力≤1.0Mpa，進口氣體流量≤100m/h 的條件。

4.4 成本低

這2 種氣流分配器主要部件均為注塑件成型件，簡化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.5 模塊化集成，方便安裝、使用和更換

這2 種氣流分配器采用模塊化集成設(shè)計，直接安裝在供氣管路上，放置于防護服外，作業(yè)者單手可以操作，便于安裝、使用和更換。

5 結(jié)論

A 型氣流分配器與B 型氣流分配器均是自行設(shè)計、研制的氣體調(diào)節(jié)裝置，用于單獨控制氣密型防護服內(nèi)四肢、軀干、頭部送風(fēng)量。使用時作業(yè)者自行微調(diào)，改善微氣候，提高作業(yè)效率，提高安全防護和應(yīng)急救援能力。具有操作簡單、快速調(diào)節(jié)的特點。不適用于氣流的精準(zhǔn)分配。