氣密型防護服氣流分配器的設計

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.太原工業學院，山西 太原 030008）

0 前言

事故災害是影響當今世界和平與發展的重大公共安全問題，還是當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品生產安全事故，其現場環境惡劣，涉及危化品的毒性強、儲量多、種類雜、交互復雜，易對救援處置人員造成重大傷亡事故對于首批進入災害現場的救援人員應配備最高防護等級的化學防護裝備。將救援人員與外界環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，并對現有多數化學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、固定輔助系統供氣和動力送風供氣等三類送風方式。根據供氣速率的不同，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。實現四肢、軀干、頭部的供氣量同時增加或減少，無法根據實際使用情況，對四肢、軀干、頭部供氣量實現獨立增加或減少。

送風量與人體工效學之間的關系是正壓防護亟待解決的關鍵技術，也是氣密型防護服主要研究內容。需要系統研究各種送風量條件下人體各種生理參數的變化規律，進而尋找出最為合適的送風量范圍。無論采取哪種送風方式，現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。在氣密型防護服內部，四肢、軀干、頭部氣流分配流量在防護服定型設計中已進行設計，從理論和試驗室現場模擬角度設計出四肢、軀干、頭部最為合適的送風量。然而在實際使用氣密型防護服過程中，由于不同作業條件、作業強度下四肢、軀干、頭部產生熱量不同，以及生理耐受程度各異，四肢、軀干、頭部對氣流的需求不同，需要根據人體工效學的要求對四肢、軀干、頭部送風量分別單獨進行調節。即需要根據一定送風量條件下人體各部位各種生理參數的變化情況，調節四肢、軀干、頭部較為合適的送風量，滿足人體工效學的要求。

在對整個氣密型防護服內供氣過程中氣體始終自上而下，自內而外單向流動。針對現有供氣系統無法單獨調節四肢、軀干、頭部的送風量的確點。該研究在控制閥后設置氣流分配器，實現作業人員單獨調節四肢、軀干、頭部的送風量。

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、頭部等局部通風量，增大其余部分通風量。調節四肢、軀干、頭部較為合適的送風量，滿足人體工效學的要求。

3 結構與組成

該研究提供已獲得發明專利授權的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量可以調節流量，出口氣流變化幅度較小。B 型氣流分配器利用擋板調節通風量可以調節流量，出口氣流變化幅度較大。

3.1 A 型氣流分配器

3.1.1 結構與組成

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

3.1.2 氣流組織

調節各氣體出口氣流時，作業人員在氣流分配器頂部旋轉A 型氣流分配器氣體進口旋轉外殼，利用旋轉外殼的磁性，與氣流調節孔的磁性吸引，旋轉外殼產生的吸引力，帶動氣流調節器在氣流分配器內部旋轉。如圖3 所示。

氣流從氣體進口進入，經過氣流調節器中的氣流調節孔，最后從氣體出口排出。由于氣流調節器中的氣流調節孔與氣體出口重疊程度不同，出口阻力不同，最終導致氣流調節孔與氣體出口重疊部分氣體出口的流量小于氣流調節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，實現簡易調節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節氣孔的數量、氣孔間距，以及氣體出口的數量，在進口流量一定時，實現氣流分配器調節不同出口流量的目的。通過調節氣流調節孔與氣流出口的重合程度，調節各出口的氣流量（標準狀態下，單位時間內，氣體通過任一截面的流量，m/h）。氣流調節孔與氣流出口的重合數量可以根據需要進行調節，其范圍如公式（1）所示。

式中：v 為氣流調節孔與氣流出口的重疊數量；a 為A 型氣流分配器氣流出口總數量。

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節范圍如公式（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節范圍如公式（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 結構與組成

B 型氣流分配器是使用氣流擋板調節的氣體流量分配調節器。其外觀簡圖如圖4 所示，內部結構如圖5 所示。B型氣流分配器由氣體進口、氣體出口、外殼、旋鈕、氣流調節擋板組成。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。氣流調節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、氣流分配器頂部。外殼設有固定旋鈕的旋轉路線軌跡。調節各氣體出口氣流時，作業人員旋轉B 型氣流分配器旋鈕，引起氣流調節擋板在氣流分配器內部圍繞氣體進口旋轉。

利用旋轉旋鈕的磁性，通過旋轉磁性旋鈕，與氣流調節擋板磁性吸引，帶動氣流分配器中氣流調節擋板旋轉，氣流分配器中的側板阻擋部分氣體出口的氣流。由于氣流調節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，實現簡易調節氣流的目的。

圖4 B 型氣流分配器外觀簡圖

圖5 B 型氣流分配器內部結構圖

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節氣流擋板的長度、氣體出口的數量，在進口流量一定時，實現氣流分配器調節不同出口流量的目的。氣流調節擋板弧長可以根據出口氣流流量需要進行調節，考慮到實際使用情況，氣流調節擋板的弧長范圍如公式（4）所示。

式中：L 為氣流調節擋板弧長；C 為氣流分配器周長；n 為試驗值。

根據試驗值測算，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 技術特點

4.1 體積小、質量輕

A 型氣流分配器與B 型氣流分配器均在總供氣閥后設置，質量≤100g，直徑≤6cm，厚度≤3cm，具有質量輕、體積小的特點。

4.2 可靠性好

A 型氣流分配器與B 型氣流分配器設計結構簡單，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、固定輔助系統供氣和動力送風供氣等3 類送風方式，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，簡化了生產工藝，降低了生產成本和產品質量。

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計，直接安裝在供氣管路上，放置于防護服外，作業者單手可以操作，便于安裝、使用和更換。

5 結論

A 型氣流分配器與B 型氣流分配器均是自行設計、研制的氣體調節裝置，用于單獨控制氣密型防護服內四肢、軀干、頭部送風量。使用時作業者自行微調，改善微氣候，提高作業效率，提高安全防護和應急救援能力。具有操作簡單、快速調節的特點。不適用于氣流的精準分配。