专利名称：动力空气净化呼吸器系统和呼吸设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种帮助人在恶劣环境中呼吸的设备。更具体地说，涉及这样一种设备，它能用于净化受污染的空气，并提供易携带的清洁空气。
背景技术：
目前有两种用于帮助受污染空气侵袭的人呼吸的系统。第一种为动力呼吸器(SCBA——自备呼吸设备)，它将压缩(例如瓶装)空气输送到紧密配合的面罩或通向嘴和/或鼻子的其它导管，供使用者吸入。这些系统根本不允许使用者接触环境的大气。第二种为以滤毒罐形式使用的过滤器/去污系统，它与依赖于净化环境空气以使其适合呼吸的呼吸器设备相连。这种过滤系统可以使用或者不使用辅助动力。在动力系统中，环境大气在动力风扇等的作用下通过合适的过滤器/去污装置或其它净化装置被吸入，从而使污染的环境空气重新成为可以呼吸的空气。净化得到的空气被送往某种头盔、例如紧密配合的面罩(整个系统被称为动力空气净化呼吸器(PAPR))。这两种呼吸辅助装置都可供必须呼吸环境大气的人员使用，而且这种空气被认为是受到严重污染的、不宜呼吸或危险的空气。
危险的或不宜呼吸的大气被认为是氧气的体积百分含量小于19.5的空气，或者虽然含有必需的氧气，但同时还含有大量有害污染物，如颗粒物或气体的空气也被认为是被污染的和有害的。不难理解，在某些情况下(其中氧气含量为至少19.5％)，佩戴者只需使用一过滤系统就能进入大气污染地区，假使该过滤器能够对付污染的挑战，由此净化大气，能让该使用者呼吸，并仍然使其保持健康。该过滤器可配备有能去除佩戴者环境大气中的有害成分的装置。特别是，以去污系统为基础的过滤器，就是那些可以净化被污染了的环境大气，并使其转化为可以呼吸的空气的系统。当这些系统将空气源在正压力下传送通过净化元件(如合适的过滤器)时工作最好。也就是说，使用泵/风扇吸取被污染的大气，使其通过一过滤器，与改善污染物的物质接触，且随后迫使净化了的，即过滤后的空气在正压力下进入面罩或与佩戴者的呼吸有关的其它装置，例如口夹、头罩或头盔。尽管可以优选动力驱动的空气供应装置，例如电池驱动的泵/风扇类装置，但也知道可以使用不用外部装置驱动的空气净化系统。在那些非动力系统中，使用者肺部的动力提供必要的推动力，从而迫使被污染的空气通过净化元件，然后输送给使用者。为了简便起见，净化环境大气的这种装置将被称为空气净化呼吸器(APR)。当由于使用电池、线电流或其它动力泵或风扇类装置迫使空气通过该系统时，这些操作系统被称为动力空气净化呼吸器(PAPR)。
只要净化过的空气中氧气的体积百分比在19.5以上，且只要污染物是可以通过过滤去除的污染物，如烟灰和烟尘，和/或可通过与合适的净化物质反应而改善的污染物，动力空气净化呼吸器(PAPR)就能保护佩戴者免受污染物之害。就实际效果而言，这些系统可被设计成使用可更换的过滤器和空气净化罐。然而，当环境大气中氧气的体积含量低于19.5％时，这些系统就会毫无价值。
还存在其它情况，例如环境大气污染严重，或者说污染如此严重，以至于过滤器和/或去污/净化系统无法处理这一问题；和/或环境空气中的氧气含量太低，以至于无法满足人的生存需要(也就是说，这里大气为IDLH，意思是环境大气为直接威胁生命和健康)。在这些情况下，人在进入具有如此污染水平和类型的区域时，必须随身携带自己的空气源。这类似于SCUBA潜水员用装有压缩清洁空气的容器(瓶子)来随身携带自己的空气。
一个问题是SCBA的佩戴者必须支撑瓶装空气的全部重量，而在水中，潜水员的优势在于能借助水的浮力来支撑SCUBA罐的重量。即便如此，大多数SCBA系统都只能携带足够使用大约一个小时的瓶装压缩空气。当然，最理想的情况是瓶装空气既能增加使用者，如消防员在有害环境中工作的时间，同时又能使人所必须携带的重量最小，从而使他能够支撑得更久。
不难理解，气瓶很重，尤其在它们被装满的时候。对于消防员，他们总是随时准备随身携带工具进入恶劣的环境，并且火的热量使他们更难携带过重的压缩空气容器。此外，消防员必须通过佩戴某种形式的APR经常从某个区域外的安全环境空气行进相对较远的距离，到达污染严重到大气已无法被正常清洁的区域，在前一个区域内，空气仅仅在某种程度上被火污染，但还可以被清洁，而在后一个区域内，他必须呼吸随身携带的空气，否则会因缺氧而窒息，或受到其它污染物的侵害。
当随身携带空气源时，对于可以安全携带多少空气，有一个非常真实的实践限制。与在水下使用SCUBA装备进行操作相反，消防员所用的气瓶相当重，且必须由佩戴者完全支撑，而且也不能利用水的浮力来部分支撑它们的重量。将它们做得更大一点儿，从而能够携带更多空气，但这样却增加了它们的重量，降低了它们的便携性。重量和工作条件的这种结合严重限制了佩戴/携带自备空气源和工具的消防员能够有效灭火的时间。
因此，还存在这样的情况，例如，在部分灭火时间内，消防员不需要携带空气，而在其它部分灭火时间又需要便携式瓶装空气。然而，现有系统只适应其中的一种或另一种情况，即现有的系统要么提供正压力(泵送的)过滤和净化系统，以将污染的环境大气转化为清洁得足以安全呼吸的空气，要么提供压缩的瓶装空气，瓶装空气由人携带，用于代替环境大气。尽管两种系统都有缺点，但每种系统又各有优点，甚至在危急情况下，两者都是必需的。
上面和下面的注解都用消防员来例示将从使用本发明而获益的那类人。然而，本发明并非仅限于供消防员使用。化工厂和炼油厂的工人实际上也需要从本发明系统中受益。战场上正遭受化学或生物武器攻击的战士也会从本发明系统中大大受益。本领域普通技术人员将会明白，其他人也会得到本发明的类似帮助。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种呼吸辅助设备，包括一个紧密配合的面罩或将呼吸用的空气送给需要它的人的其它常规装置，它适于与人脸或嘴或鼻子(或它们的任意组合)紧密配合。为了便于理解，将进一步解释面罩的使用。然而，这种使用是解释性的而非限制性的。也可使用口罩实现将可吸入的空气送给使用者的功能。
在完全手动操作的情况下，PAPR和SCBA通过各自的呼吸软管被分别连接到面罩上，它们中每个都有各自的进入点，这是对双进口面罩而言；而如果使用单进口面罩，则通过“T”形元件或者类似的连接装置连接。在每个面罩上或面罩周围都带有一个止逆(单程)阀。面罩中有一个排气阀，以便将废气排放到大气中。还提供有阀门和/或开关系统，以便佩戴者可以控制是否接收清洁过的环境空气或者供应的(瓶装的)空气。该阀门和/或开关系统可由使用者手动操作，在这种情况下，使用者可以独立决定使用哪一种气源；该阀门和/或开关系统也可以在半自动控制条件下进行操作，此时来自SCBA和PAPR的气源都被连接到一个阀门总管上。一开始，SCBA气源处于断开状态，而PAPR气源处于接通状态。空气通过PAPR被输送到面罩。佩戴者或者根据自己的判断、或者根据声音和/或视觉警报，打开SCBA气源阀门，然后关闭PAPR，其中声音和/或视觉警报是在对环境空气进行采样和试验的基础上工作，并通过警报的方式指示系统应从PAPR切换到SCBA操作。在排气时，SCBA空气的压力会使总管阀门来回移动，自动切断PAPR，单独开着SCBA上的气源。在另一个方案中，可以根据与阀门装置有关的采样和测试装置自动决定是接受来自滤毒罐/过滤器的净化空气，还是需要从所提供的气瓶装置来的空气，其中阀门装置将被电动操作，从而打开到SCBA的通道，并关闭经总管阀门到PAPR的通道。
至少为一个气瓶提供与面罩上至少一个端口的连接，并提供一个控制阀，用来控制是否从瓶中抽出空气。至少为一个与气瓶分开的过滤器或滤毒罐也提供一个控制阀系统，该系统可允许控制是否通过PAPR吸收环境空气，并将其输送到面罩。为电池或其它动力电动机驱动的风扇提供诸如开关或手柄之类的装置，从而使该电机驱动的风扇工作或停止。该风扇在操作中被连接到过滤器或滤毒罐与使用者之间，这样，当环境空气具有充足的氧气含量、且污染物适合通过过滤或在滤毒罐中进行化学处理而去除时，可以操作开关来激活风扇，并带动环境空气通过过滤器或滤毒罐，然后在那里将空气中的有害成分，如烟灰和其它有害颗粒、蒸汽或气体净化掉。在手动操作条件下，当环境空气中的氧气不足、或污染物如此之多以至于无法通过过滤器或滤毒罐的过滤或其它处理而去除时，佩戴者可打开SCBA的阀门，并切断PAPR。环境空气就不再通过过滤器或滤毒罐而被吸入。相反，现在由SCBA来供应空气。
在使用面罩的地方，适合为面罩安装一单程阀，该单程阀能使呼出的废气排出，而不管吸入的空气是通过过滤器/滤毒罐而来还是来自瓶装的压缩空气。当它与闭合电路设备结合使用时，认为它也在本发明的范围之内。
与常规的一样，压力相当大的瓶装空气必须将其压力减小到能够被使用者呼吸的程度，而且不会损害他们的呼吸系统。这种方法以及实现这种方法的设备本身是已知的。合适的是，市售的第一和第二级调节器可以用作这一目的。这样，在气瓶和面罩之间实际上有两个连续的阀门系统第一阀门，它是一个简单的开闭阀，被连接到气瓶上或离气瓶非常近的地方；和调节器，即减压阀系统，它位于第一阀门和面罩之间的直线上。
图1为根据本发明的设备的分解透视图，为了便于理解，省略了一些部件；图2为根据本发明的处于完全组装状态的设备的一个方面的透视图，在这里，PAPR和SCBA使用一根共用的软管连接到面罩上；图3为根据本发明的空气供应系统的第一实施例的示意图；图4为根据本发明的空气供应系统的第二实施例的示意图；图5为根据本发明的空气供应系统的第三实施例的示意图；和图6为根据本发明的空气供应系统的第四实施例的示意图。
具体实施例方式
现在参见附图，图1和图2示出一种设备，该设备包括面罩10，面罩10适合与佩戴者的面部紧密配合，从而防止环境大气的侵入(为了清楚起见，未示出佩戴面罩的使用者。此外，为了清楚起见，也未示出备用的嘴和/或鼻呼吸元素)。软管14将面罩10直接连接到可吸入空气源上，如已经被净化过的且在鼓风机马达和风扇组件15(见图1、2和6)的作用下被迫进入面罩的空气。在这个实施例中，面罩10还经软管27被直接连接到压缩空气瓶22上。需要注意的是，在该实施例中，面罩本身是增压室，瓶装空气以及净化过的环境空气都被迫进入其中。
鼓风机马达和风扇组件15在操作中被连接到增压室组件18上，在该增压室组件18上连有多个过滤器元件16。启动叶轮式风扇25将会使环境空气通过过滤器或滤毒罐被抽出，过滤器或滤毒罐包含合适的去污部件16，从而除去固体颗粒物质、有害的气体和/或气味，得到清洁空气19。根据所安装滤毒罐的分类以及在污染区域所使用的时间，滤毒罐可以在化学、生物或核污染环境中提供可吸入的空气。
净化过的空气可能具有充足的氧气含量，该净化过的空气通过风扇25与面罩10形成操作关系，从而为佩戴者提供可吸入的空气。如图6所示，净化过的空气19可以被直接输送到面罩10；或者如图3、4和5所示，通过第二增压室21被调往面罩10。
这样，本发明的一个实施例通过为面罩10提供单独的通道30和32，从而将净化过的环境空气源与瓶装空气源(适合由正常的大气供应)分开。这些单独的进入点中的每一个都适合由单程阀或止逆阀34和36关闭。也就是说，这些阀门30和32以及气源的气压暂时允许空气流进面罩10，但不允许面罩内的空气流出面罩并回流到另一个空气源和净化系统。还提供一个单独的阀门38，它也是单程阀，它允许面罩10内的气体从面罩10排放到环境大气中。这个排气阀38被设计成只有当面罩10内的气体压力大于环境压力时才会打开。
在本发明的另一个实施例中，面罩10通过软管14a被连接到增压室21上。该增压室21适合从空气瓶22中通过软管27并经调节器12和切断阀24输入空气。增压室21也适合从过滤器/滤毒罐16中通过风扇25并经软管29输入净化过的空气19。增压室21可以被交替输入瓶装空气或净化过的空气。
在图3、4和5中，所示面罩10经软管14a被连接到增压室21上，接着增压室21经软管27被连接到压缩空气瓶22上。增压室21还经软管29并通过鼓风机推进器25连接到增压室18上，进而连接到过滤器/滤毒罐16上，以及连接到环境空气入口31上。空气瓶22经软管27、调节器12和切断阀24被连接到增压室21上。增压室21具有合适的适用于控制来自气瓶22或过滤器/滤毒罐16的空气流的阀门装置34和36。叶轮式风扇25提供了使环境空气通过入口31以及通过过滤器/滤毒罐16进入面罩的装置。
过滤器/滤毒罐增压室18支持至少一个，优选多个过滤器或滤毒罐16。每个滤毒罐的出口19优选在操作中与面罩增压室21的开口21相通，以便当由马达驱动风扇25抽入每个过滤器/滤毒罐16中的污染空气被清洁后，再由该风扇25提供动力，使之通过软管14a和调节器阀门系统21进入面罩10。
在图1和2中示出了三个滤毒罐16，其中每个都含有过滤介质。一个或多个滤毒罐也可含有用于通过去除无法过滤的有害成分来净化环境大气的物质。
在一优选实施例中，可以将多个滤毒罐组装在一起，以便每个滤毒罐都有一个单独的进口20和一个单独的出口19。所有通过任何一个以及全部特定过滤器/滤毒罐出来的空气都进入总管增压室18，该总管增压室18具有一空气收集室33，它在操作中与上述风扇装置25相连。单个过滤器/滤毒罐可以单独使用，也可以多个一起使用，并可全部安装在过滤器增压室18的一侧，也可以根据所需的数量，将一些安装在一侧，而将另一些安装在另一侧。
一根杠杆手柄或转动手柄43被连接到过滤器盖44和马达开关45上。在半自动或自动模式下，杠杆43可以通过电磁开关操作。在马达关闭位置，过滤器盖位于过滤器/滤毒罐的空气进口上方，从而防止任何空气进入过滤器/滤毒罐。当该设备在受到污染的大气中于SCBA模式下进行操作时，这一功能可使过滤器/滤毒罐不会吸收任何污染了的空气，因此也不会受到不必要的污染。连接到开关上可确保当接通PAPR时，过滤器/滤毒罐的气路被打开。
气缸22被安装在常规的护套17内，并在操作时与PAPR总管增压室21相连，从而使得从该气缸释放出的空气绕过滤毒罐内的过滤介质，而直接进入增压室21，然后通过软管14a进入面罩10。气体压力调节器12需要和瓶装空气一起使用，以便使瓶子的压力降低到可由使用者控制的压力。
应该指出的是，增压室21可以在三种模式中的任何一种模式下进行操作。当手动控制时，在PAPR模式下开始，该PAPR被启动，气缸22的主阀门将被打开，第二阶段调节器12将被关闭，增压室21上的阀门34也会关闭，而阀门36则会因来自鼓风机马达组件15的空气压力而打开。当佩戴者认为大气危险到不可呼吸或者说受到严重污染以至于佩戴的被设计用来吸收污染物的过滤器/滤毒罐无法应付时，佩戴者将打开第二阶段调节器12，产生的气压会打开阀门34，并且空气会进入增压室21。增压室21内所产生的气压将会关闭阀门36，从而切断来自PAPR的空气。这时，佩戴者将会只呼吸瓶装的空气。佩戴者可以切断PAPR鼓风机马达15的动力源。
在半自动或自动模式下，在PAPR模式下开始，该PAPR被启动，气缸22的主阀门会打开，而第二阶段调节器12则会关闭，增压室21上的阀门34也会关闭，而阀门36则会因来自鼓风机马达组件15的空气压力而打开。当借助传感器测得大气危险到不可呼吸或者说受到严重污染以至于所佩戴的被设计用来吸收污染物的过滤器/滤毒罐无法应付时，系统会发出声音警报，指示佩戴者打开第二阶段调节器12，产生的气压会打开阀门34，并且空气会进入增压室21；或者系统会自动打开阀门34。阀门36会关闭，并切断PAPR。
在全自动模式下，在PAPR模式下开始，该PAPR被启动，气缸22的主阀门将被打开，第二阶段调节器12也会打开，增压室内的阀门34会通过电动或电磁方式保持关闭，且阀门36将会因来自鼓风机马达组件15的空气压力而打开。当借助传感器测得大气危险到不可呼吸或者说受到严重污染以至于所佩戴的被设计用来吸收污染物的过滤器/滤毒罐无法应付时，系统会接通阀门34的控制器，然后将该阀门34打开，接着空气会进入增压室21，关闭阀门36，然后切断PAPR。
权利要求
1.一种呼吸设备，包括适于容纳压缩空气的罐，该罐在操作中与调节装置相连，以将所述压缩空气输送给所述设备的使用者；过滤器/滤毒罐系统，适于使环境空气通过具有网孔足以捕获环境空气中固体颗粒的过滤介质，和/或使需要净化的环境空气具有足够的停留时间与介质接触，从而充分净化所述环境空气中的污染性蒸汽和气体，以得到清洁空气；适于使所述环境空气通过所述过滤器系统内的所述过滤介质移动到所述过滤器系统中，然后与该设备的使用者形成操作关系的装置；在操作中与所述过滤器系统和所述罐相连的阀门组合装置，该阀门组合装置适于控制来自所述过滤器系统的清洁过的空气流以及来自所述压力罐的新鲜空气流，从而使得使用者可以决定是呼吸清洁过的空气还是呼吸压缩空气；以及位于使所述环境空气移动的所述装置和与所述设备的使用者直接相连的装置之间，且与两者操作上相连的导管装置，空气则通过该导管装置被供应给所述设备的使用者。
2.如权利要求1所述的设备，进一步包括多个过滤器/去污元件。
3.如权利要求1所述的设备，进一步包括适于和佩戴者紧密配合的面罩。
4.如权利要求3所述的设备，进一步包括位于所述罐和所述面罩之间的第一导管装置、位于所述过滤器/去污装置和所述面罩之间的第二导管装置、以及在操作中与所述导管装置相连的阀门，所述阀门适于控制从所述过滤器/去污装置到所述使用者的清洁过的空气流，或从所述压力罐到所述使用者的空气流。
5.如权利要求3所述的设备，具有在操作中与所述面罩相连的单程排气阀门装置。
全文摘要
将用于向使用者提供瓶装空气的SCBA系统和用于净化环境空气以供使用者使用的PAPR系统结合起来，其中这两个系统可根据环境空气的污染情况以及环境空气中的氧气含量而交替使用。
文档编号A62B7/00GK1802188SQ200480009825
公开日2006年7月12日 申请日期2004年2月25日 优先权日2003年3月21日
发明者迈克尔·J·布鲁克曼 申请人:英特斯普罗公司