水中安全气囊（基于干冰固气快速转变）的制作方法

一、技术领域

1、干冰是二氧化碳固体，无毒无味无腐蚀性，在常温下将其暴露在空气中会缓缓变成气体，但其与生理盐水(0.9％nacl溶液)相遇，则迅速变成气体(常温常压下该过程速度急剧且不可逆转)；而同质量的干冰固体与其气体相比，体积差距极大(常温常压下相差近千倍)，如常温常压下10立方厘米干冰固体(重不到三十克)，变成气态，体积可达数千立方厘米(数升)。

2、干冰固体易储存。干冰固体是演艺生活中常见的物质，常温下储存所需的设备及材料易获得，尤其是小剂量干冰固体可储存在轻质铝合金材料或高强度塑料制成的容器中。

基于干冰上述特点，通过构建可携带干冰和生理盐水，并能够控制干冰和生理盐水接触的干冰固气快速转变、充气封闭系统，可制作成便于携带的水中安全气囊(即体积小巧且能够在与空气隔绝的水环境中完成快速自充)。

二、

背景技术：

1、现行个人水中救生设备存在体积大携带不便问题

(1)现行个人水中救生设备存在体积大或笨重携带不便问题

现行市场上，个人水中救生设备主要有两类：一类是采用可充气物品制成，如救生圈、救生气球等，需要下水前充好或提前充好备用，体积比较大；另一类是采用比重相对水小的固体填充物(如泡沫)制成，如救生衣，由于填充物比重相对空气大，若产生同样浮力，采用固体填充物制成的救生设备比充气类体积更大，穿起来更笨重。

(2)现行充气类个人水中救生设备不具有水下快速自充气功能难以解决体积大不便携带问题

现行充气类个人水中救生设备尽管重量不大，但由于不具有水下(与空气隔绝的环境)快速自充气功能，只能下水前充好或提前充好备用(不能在水中遇到紧急情况或有需要辅助浮力时即充)，因此，解决不了体积大携带不便问题。更何况，一旦事故出现，给自救或施救者的时间和机会极短，显然，以现行充气类个人水中救生设备若要临时充气可能救人也来不及。

由于携带不便，生活中普遍存在不带救生设备或器具下水游泳或到水边作业、活动等现象，而意外溺亡事故的产生带有不可预知性(具有偶然性或突发性)，甚至对于水性极佳者有时也难逃厄运(如在江河湖海畅游中突发腿脚抽筋或体力不支等状况)，这也是意外溺亡事件居高不降的重要原因，甚至经常上演一人落水，施救者陪葬的悲剧。

2、干冰作为气体发生剂比一般气体发生剂优点突出

干冰是二氧化碳固体，无毒无腐蚀性(无害)，其与生理盐水接触变成气态速度快，作为气体发生剂比一般气体发生剂优点突出。一般气体发生过程有化学反应过程或物理状态变化过程(没有产生新物质)，化学反应过程主要有置换反应(如铁条与盐酸反应生成氢气、钠与水接触生成氢气)、双水解反应(如三氯化铝与碳酸钠双水解反应生成二氧化碳气体)、盐与酸反应(如小苏打(碳酸氢钠)与盐酸反应生成二氧化碳气体、鸡蛋泡在醋中生成二氧化碳气体)，还有一些更为剧烈(类似爆炸)的化学反应过程，如汽车安全气囊气体发生过程，而物理状态变化过程主要有卡斯炉气瓶充气法(高压气体部分溶于有机溶剂中)。而干冰与生理盐水接触法固气转变过程也属于物理状态变化过程，与一般气体发生剂相比，其更适合作为水中安全气囊气体发生剂，除因该法所用物质均无毒无腐蚀性(无害)之外，其还有如下优势：

一是干冰与生理盐水接触转变成二氧化碳气体速度适中。据2016年中央电视台1套播出的由撒贝宁主持的《科学向未来》栏目现场演示：将可转变成10升(常温常压下)二氧化碳气体的干冰(颗粒直径约0.3～0.5cm)暴露在空气中(无生理盐水参与)，完全转变成二氧化碳气体用时约30至60秒；而同量干冰与生理盐水接触则转变成二氧化碳气体的速度迅速增快，并呈现“沸腾”现象，其完全转变成二氧化碳气体用时仅数秒钟。与一些化学反应过程(尤其是与汽车安全气囊气体发生过程)相比，尽管干冰与生理盐水接触转变成气体速度并不是最快的，但其已能够满足水中安全气囊之要求。特别要强调的是，制备同体积气体，卡斯炉气瓶充气法不仅装置体积较干冰与生理盐水接触法大，而且在充气过程因气压逐渐下降而呈现“先快后慢”现象，甚至因气囊承受外来压力而出现充气乏力现象。而汽车安全气囊气体发生原理主要是利用氧化剂和还原剂接触点火瞬间爆炸产生气体。当汽车受到一定程度撞击时，装在汽车特定部位的传感器(相当于点火开关)启动点火，瞬间产生巨大气流充满气囊，将车上对应位置的人从面临“碰硬”(刚性撞击)转为“碰软”(柔性撞击)，从而降低受伤程度，当然由于是瞬间爆炸产生的气流，尽管是柔性撞击，但其带来的冲击力对人伤害有时也是不可估量的，可以说，汽车安全气囊就是个火工品(为防止意外发生，汽车安全气囊的点火传感器通常装在人不易触及的特定部位)。将其应用于个人水中救生设备可能带来两方面问题：一是存在安全隐患，因为携带中一旦意外触发气囊瞬间膨胀可能冲击伤人；二是存在携带不便问题，由于爆炸瞬间产生气体冲击力极大，为确保强度，气囊需要采用较厚而坚韧的材质制作，同样容积气囊，折叠起来，该方法不及干冰与生理盐水接触法，也存在携带不便问题。

二是与一般气体发生过程相比，制备同体积气体所需物质总质量及所需物质总体积，干冰与生理盐水接触法均最小(轻)。据2016年中央电视台1套播出的由撒贝宁主持的《科学向未来》栏目现场演示结果显示，除干冰颗粒100％转变成气体(在封闭系统中只需少量生理盐水即可而且其质量前后不变)外，其余方法在生成气体过程均存在物质残留问题，而且残留率相对较高(根据质量守恒定律：将反应前反应物的总质量扣减生成气体的质量即为残留物)，显然，若作为水中安全气囊气体发生剂，残留率高不仅影响水中安全气囊重量和体积(影响到个人水中救生设备实现体积小携带方便的目标)，而且所用反应物或残留物可能具有强腐蚀性(如酸、碱等)而带来安全隐患，尤其是游泳者体肤暴露面比较大，一旦意外泄露将给使用者带来危害。

3、现代制造业为制备水中安全气囊部件提供了强大保障。本水中安全气囊的关键部件——可携带干冰和生理盐水的气体发生(充气)装置，借助一般现代工业机床即可加工生产。

4、干冰和生理盐水以及水中安全气囊关键部件所需轻质材料来源渠道均广泛，而且价格相对低廉，这为制造物美价廉、能够进入寻常百姓家的水中安全气囊提供了机会。

三、

技术实现要素：

为解决个人水中救生设备体积大携带不便问题，本解决方案是利用干冰体积小、与生理盐水接触转变成气态速度快等特性，构建可携带干冰和生理盐水并能在水下(与空气隔离的环境)快速完成干冰固气转变而自行向气囊充气的封闭系统——水中安全气囊(图1)。其核心部件是采用轻质耐压材质(如铝合金或高强度塑料等)制作的可携带干冰和生理盐水的气体发生(充气)装置。其它部件有气囊、安全带等。这样不仅体积小、轻便，而且能够在水中遇到紧急情况或有需要时快速完成自充并达到所设定的体积(浮力)。

气体发生(充气)装置采用双容器串通结构，其外形呈管状(图2)，主要由两部分组成：一是容器(图3)，分a、b两部分且容器a比容器b长，分别用于存储干冰和生理盐水；a与b之间的连接部间隔层上有一通道(b孔)是控制生理盐水流向容器a接触干冰(启动干冰固气转变)的闸门。此外，a盖上设有充气孔(a孔)、b盖上设有拉索通道(c孔)和安全孔。二是控制干冰和生理盐水接触(启动干冰固气转变)和向气囊快速充气的机关，采用拉动式双塞(a孔塞和b孔塞)串接结构(图4)，手动拉起拉环即能同时启动干冰固气转变和向气囊充气的功能(装上干冰颗粒的容器a内存在固气平衡，当拉索拉出时，生理盐水将顺着a塞与b塞间连接线流入容器a内与干冰接触，致干冰快速变为气体，而直径小于充气孔径的部分干冰会被冲到气囊中，同样也有部分生理盐水被冲到气囊内，与落入此中的干冰接触，致其继续迅速变为气体)。

四、附图说明

图1所示是可携带干冰和生理盐水并能在水下(与空气隔离的环境)快速完成干冰固气转变而自行向气囊充气的封闭系统——水中安全气囊，该图中所示气体发生(充气)装置是纵向半剖结构图；

图2所示是气体发生(充气)装置外观；

图3所示是气体发生(充气)装置(双容器串通结构)纵向半剖图；

图4所示是拉动式双塞串接结构；

图5所示是气囊结构；

图6所示是8升量水中安全气囊的气体发生(充气)装置(纵向半剖图)结构；

图7所示是8升量水中安全气囊的充气展开状态；

图8所示是8升量水中安全气囊折叠状态。

五、具体实施方式

为使水中安全气囊在使用时操作起来省力方便、生理盐水与干冰接触更加充分、充气更加快捷、更加安全，根据容器a和容器b的布局特点，对其结构和部件作以下设计：

1、孔(塞)外形及大小(图3、图4)

(1)孔(塞)外形：拉动式双塞串接结构是将a孔塞(控制对气囊充气)和b孔塞(控制干冰和生理盐水接触)串接在一起，拉动拉索(拉环)时双塞同步移动。a孔是充气孔，为防止塞体脱落或被顶出a盖而致干冰气体泄漏(装上干冰的容器内存在固气平衡而且有一定压强)，将其设为漏斗形，而一端大、一端小，在充气时还能够起到密集气流增压，抵抗气囊壁上水压阻力，从而达到快速充气的作用；b孔是控制生理盐水流向容器a与干冰接触的闸门，为有利于塞体顺利通过，将其设为直管状。此外，由于干冰和生理盐水接触时干冰固体变成气体的速度极快，容器内压急剧上升，而将a孔设为漏斗形(塞体为铅垂形)、b孔设为直管状(塞体为柱状)，还利于安全，因为拉起拉索时，可做到a孔比b孔先打开(在打开孔时漏斗形塞体相对柱状塞所需移动的水平距离明显小)能起到泄压作用。

(2)孔(塞)大小：为便于操作，实现手动轻拉即能同时控制干冰固气转变和充气的功能，对各孔(塞)大小作一定要求。根据相关力学原理：

fa＝pπra²fb＝pπrb²f拉＝fa-fb＝pπ(ra²-rb²)

fa代表a孔塞所承受压力；fb代表b孔塞所承受压力；f拉代表拉动拉索所需的拉力；

p代表容器a内气压(装上干冰的容器a内存在固气平衡)；

ra、rb分别代表a孔(塞)上(大)端口半径、b孔(塞)半径。

根据上述公式，当孔大小与塞体恰好吻合时，若a孔漏斗上(大)端口径略大于b孔管径，则一方面可确保a孔塞牵制b孔塞不发生脱落而驻留b孔，另一方面在拉动拉索时较省力。同时考虑到生理盐水流向容器a更加顺畅，b孔管径大小要适中(在孔深确定的情况下，b孔径越大、塞体周沿越长，密封难度越大，但若孔径太小则将影响生理盐水通过)。

此外，位于b盖上c孔和安全孔无需封塞，其中，安全孔是为了在未启动水中安全气囊或日常保存时，发生容器a与容器b之间的孔塞意外脱落导致干冰和生理盐水接触而产生高压气体时应急泄气泄压之用(此时高压气体将从橡胶垫拉索穿越处挤出)。同时为防止因a、b连接线断裂，b孔塞冲破橡胶垫飞出，要求b孔管径(b孔塞直径)大于c孔径(拉索通道)。

2、拉索(图4)

a孔塞与b孔塞间连接线承受力(fb)较大，因此该段所用线材既要坚固且粗细适中(可用金属线或高强度尼龙线)，穿越c孔段承受的是拉动拉索力(f拉＝fa-fb)较小，因此该段线材略细(可用尼龙线)，a孔塞下端为调位线，在填装干冰固体时将其穿越a盖，在盖上盖时可调整塞体准确入驻a孔，由于其不承受大的力，同时为不影响充气，其用细丝线即可且长度以不超过容器b深(l2)与a孔深之差为宜。a盖和b盖下分别垫有橡胶圈和橡胶片(饼状)以确保气密性，其中b盖下橡胶垫(饼状)是拉索穿越处(安装时借助穿针将拉索穿过橡胶垫及b盖上的c孔然后系上拉环)，其材质应选择类似医用注射液瓶口封塞材质且厚薄适中，以确保在充气时和平时存放不漏气不漏液。

3、凹槽(图3)

在容器a内设有2个凹槽。凹槽1位于a盖上，当拉出拉索启动干冰固气转变充气时，受来自容器a气压的压迫，生理盐水将顺着a塞与b塞间连接线流入容器a内，而该槽位于底部可接收从上流下的生理盐水，促进生理盐水的有效利用和与干冰的充分接触；凹槽2位于容器a内、b孔周围，在固气快速转变时其可起到调整气流方向使其集中冲向充气口(气囊)方向。

4、气囊(图5)

为增强安全性可靠性，将气囊设成3层。外层是气囊的支撑和保护层，采用类似伞布材质制作；中层是备用囊层，采用气密性良好的薄膜制作，尺寸与外层一致；内层是储气囊层，采用伸缩性良好的类似乳胶材质制作，尺寸适中。

为便于理解，本文同时标示了8升量水中安全气囊各部件图(见图6、图7、图8)，图6中容器a、b容积分别约为25cm³、16cm³，但考虑到塞体移动空间及容器a储存干冰时存在固气平衡需要空间，在本设计中对容器a、b的最大有效载荷按其容积80％计，分别是不超过20cm³、12.8cm³(ml)。在不超过最大载荷值的前提下，干冰实际装填量应按所需气体量(气囊大小)定，而生理盐水量越多越有利于干冰固气转变，因此可统一按最大载荷值装(12.8cm³)。8升量水中安全气囊备用时折叠起来长约15cm、直径约3.5～5cm，体积小非常适合随身携带。此外，由于放气后，该产品可重新利用，只需重新填装干冰和生理盐水即可，而安装步骤及操作也简便，尤其是装后其气密性也容易检测(填装干冰时，应在低温＜4℃环境中(如冰箱或冰浴中)将其破碎成颗粒后装入，在使用前采用定期称重或水中观察法即可判断气体发生装置是否漏气，而采用向气囊中滴入挥发性芳香油则可判断气囊口捆绑是否气密)。