作者：張仁良，陳金岳

氧氣呼吸器的防護性能主要取決于面罩的密貼性，而面罩的密貼性又與面罩內外的壓力差有關。如果吸氣時面罩內壓力高于外界大氣壓，有毒氣體就無法泄漏進去，從而提高了氧氣呼吸器的防護能力。這種在呼吸全過程中保證面罩內壓力始終大于外界大氣的氧氣呼吸器，被稱為正壓式氧氣呼吸器。

1正壓呼吸系統(tǒng)工作原理

氧氣呼吸器結構主要分成供氣系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)2個系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)由氣瓶、減壓器、壓力表、定量閥、自動補給閥、手動補給閥等組成；呼吸系統(tǒng)由面罩或口具鼻夾、呼吸軟管、吸收二氧化碳的清凈罐、氣囊或氣倉、排氣閥、冷卻器等組成。決定氧氣呼吸器防護能力大小的是氧氣呼吸器的呼吸系統(tǒng)。正壓式氧氣呼吸器與普通氧氣呼吸器的主要區(qū)別在于呼吸系統(tǒng)。

正壓呼吸系統(tǒng)與普通呼吸系統(tǒng)差別是在氣囊上增加一個彈簧力，加大了排氣閥的開啟壓力、還相應提高了自動補給閥的開啟壓力和關閉壓力。圖1為普通氧氣呼吸器和正壓式氧氣呼吸器的工作原理圖。



圖1呼吸器工作原理

從圖1中可以看出：在普通氧氣呼吸器中，吸氣閥是靠吸氣時面罩內產生的負壓來打開的，自動補給閥是在負壓下進行補氣。而在正壓氧氣呼吸器中，面罩內是不會產生負壓，吸氣時呼吸氣體能自動流入面罩。自動補給閥是在正壓下就開啟進行補氣；呼氣時面罩內壓力大于氣囊壓力，由于壓差使吸氣閥自動關閉，呼氣閥打開；為了保證呼出氣體不能直接從排氣閥流出，必須加大排氣閥的彈簧力。正壓呼吸系統(tǒng)就是用這種方法使面罩在呼吸全過程中保持正壓。

2正壓呼吸系統(tǒng)靜態(tài)應力分析

從上面的正壓呼吸系統(tǒng)工作原理分析得知：氧氣呼吸器產生正壓的主要部件是增加氣囊上的彈簧力，提高自動補給閥開啟壓力，加大排氣閥的開啟壓力。所以在分析正壓呼吸系統(tǒng)應力時可以把這3部件看成同一部件處理。

2.1普通呼吸器的靜態(tài)應力

肺部吸氣時，在面罩內產生相對于大氣壓負值的吸氣壓力P_x。面罩內的吸氣負壓是由于吸氣閥膜片開啟阻力、吸氣軟管的氣流阻力、冷卻罐的流動阻力、氣囊變形阻力、自動補給閥的功能阻力等引起。因此可以把面罩內吸氣負壓看成呼吸器的吸氣阻力、它的大小與呼吸量有關，一般在-200～-600Pa之間。吸氣壓力達到自動補給閥開啟壓力時自動補給閥就能自動打開，向氣囊充氣。如果吸氣量不超過自動補給所提供的呼吸氣體（60～80L/min），面罩內吸氣壓力就不會低于自動補給閥的開啟壓力P_b（300Pa）。如果吸氣量超過自動補給所提供的呼吸氣體，吸氣時就會感到供氣不足，甚至發(fā)生缺氧，這時吸氣負壓就會持續(xù)下降。所以，在正常使用條件下面罩內靜態(tài)應力的負壓值P_x應高于自動補給閥的開啟壓力P_b，即P_x≥P_b。肺部吸氣時，在面罩內產生一個相對于大氣壓P_a較高的呼氣壓力P_h是用于克服呼氣閥膜片開啟力、呼氣軟管的氣流阻力、清凈罐的流動阻力、氣囊變形阻力、自動補給閥的功能阻力、排氣閥的開啟阻力等。所以，也可以把呼氣壓力P_h看成呼氣阻力，它也與呼吸量大小有關。中等勞動強度下，呼吸阻力為200～300Pa；在50L/min呼吸量下，達到450Pa；一般在200～700Pa之間。當面罩內的呼吸氣壓力P_h達到排氣閥開啟壓力P_p時，自動排氣。如果呼氣量不超過排氣量，面罩內的呼氣壓力就不會大于排氣閥的開啟壓力P_p。如果人體呼氣量超過排氣量，就會感覺弊氣，這時呼氣正壓就會持續(xù)上升。因此，一般情況下面罩內靜態(tài)應力的正壓值Ph不應大于排氣閥的開啟壓力P_p即P_h≤P_p^[1]。

2.2正壓呼吸器的靜態(tài)應力

在使用普通呼吸器時，如果打開氣瓶后不進行呼吸，排氣閥和自動補給閥都是處于關閉狀態(tài)。正壓呼吸器是在氣囊上安裝了一個增壓彈簧，同時調整了自動補給的開啟壓力和排氣閥的開啟壓力，使呼吸系統(tǒng)在呼吸時能獲得更高的壓力。從平衡觀點分析，在氣囊上增加的彈射力P_s可以看成面罩在靜態(tài)下的正壓。如果面罩佩帶合適，不進行呼吸就會在呼吸系統(tǒng)內建立一個靜態(tài)壓力P_s。肺部吸氣時，需要從氣囊里獲得呼吸氣體，呼吸系統(tǒng)內靜態(tài)壓力P_s失去平衡，這時吸氣閥膜片受到壓差作用就立即打開。這樣呼吸氣體自動流進面罩。直至再一次達到壓力平衡。所以在正壓氧氣呼吸器里，正壓能夠幫助送氣，吸氣時不需要做功。呼吸氣體往面罩里流入的時候，是動態(tài)過程。雖然作用在吸氣閥膜片上的壓力P_zx比正壓值P_s低，但在正常情況下總是比環(huán)境大氣壓高。所以，面罩內的吸氣靜態(tài)壓力P_zx為：P_zx= P_s-P_x> P_a。如果吸氣量不超過自動補給閥的供氣量，面罩內吸氣靜壓就不會低于補給閥的開啟壓力，即P_zx≥P_zd。在普通呼吸器中，肺部呼吸氣時會在面罩內形成正壓P_h，這正壓足以打開呼氣閥。而在正壓呼吸器中，呼氣閥受到所以使用正壓呼吸器,為了克服呼氣閥開啟阻力。肺部必須產生P_s和P_p之和的合力，在大流量呼吸氣體內還需要克服相應呼吸氣體流動阻力。所以，面罩內的呼氣靜態(tài)壓力P_zh應是P_zh=P_s+ P_h。

圖2為普通呼吸器和正壓呼吸器呼吸系統(tǒng)在30L/min呼吸量時的靜態(tài)應力，它是下面動態(tài)應力分析的基礎。

2.3正壓呼吸系統(tǒng)靜態(tài)應力分析

正壓呼吸器的呼吸阻力會直接影響到呼吸系統(tǒng)正壓值P_s的確定。因為正壓值設得太高會使呼氣阻力太大，設得太低又不能保證呼吸器的保護能力。為了保證呼吸舒適，呼氣不感到費勁，要求呼吸系統(tǒng)的正壓值和呼氣阻力，其和（P_s+ P_h）不得超過800 Pa。吸氣阻力的最小值，決定著呼吸器保護能力，它與正壓值之差（P_s－P_h）越大，呼吸保護能力就越高。因此，在正壓氧氣呼吸器中，降低呼吸阻力是提高保護性能的關鍵所在。選用氫氧化鋰吸收劑，降低清凈罐的通氣阻力；增大氣囊橫截面，減小氣囊變形阻力；應用硬壁氣倉，減少外力對氣囊變形的影響；實施雙排氣閥，保證排氣穩(wěn)定性；采用雙氣囊，減緩清凈罐通氣流量；改變冷卻罐通氣結構，減小吸氣流通阻力等方法都可以有效地降低呼吸阻力，提高呼吸保護能力。



普通呼吸系統(tǒng)應力 正壓值 正壓呼吸系統(tǒng)應力

P_a——外界環(huán)境大氣壓； P_x——普通面罩內的吸氣靜壓； P_zx——正壓面罩內的吸氣靜壓； P_b——普通自動補給閥開啟壓力； P_zb——正壓自動補給閥開啟壓力； P_h——普通面罩內的呼氣靜壓； P_zh——正壓面罩內的呼氣靜壓； P_p——普通排氣閥開啟壓力； P_zp——正壓排氣閥開啟壓力； P_s——作用在氣囊上的彈簧力，也就是呼吸系統(tǒng)的正壓值。

圖2呼吸系統(tǒng)在30L/min呼吸量時的靜態(tài)應力。

3正壓呼吸系統(tǒng)動態(tài)應力分析

氧氣呼吸器的呼氣阻力和吸氣阻力都是隨著呼吸量而發(fā)生變化。它們之間的函數(shù)關系取決于呼吸器的結構特性。為了便于分析，把它們看成線性關系。

3.1普通呼吸器的動態(tài)壓力

動態(tài)壓力曲線的起始點是靜態(tài)壓力值。呼吸動態(tài)曲線可以這樣確定，呼氣量為零時呼氣閥的開啟壓力為100Pa；呼吸量在50L/min，呼氣阻力為300Pa。把坐標上這兩點（0，1），（50，3）聯(lián)成直線便成為呼氣阻力隨著呼吸量而變化的函數(shù)曲線。同理，吸氣曲線的第一點是（0，-2），第二點是（50，-4.5）。這2點確定的直線表示吸氣阻力隨著呼吸量而變化的函數(shù)曲線。這2條直線近似反映出普通呼吸器動態(tài)壓力變化。

3.2正壓呼吸器的動態(tài)壓力

如果要使呼吸系統(tǒng)在整個呼吸周期中都是正壓，也就是呼吸量達到60L/min時，整個呼吸過程保持最低正壓，這就要在氣囊和自動補給閥上增加一個彈簧力。在這個彈簧力作用下能使自動補給閥以大于60L/min流量的氧氣瞬間流出。我們可以在圖3上作X軸的平行線，并與吸氣直線交于60L/min點上。把這平行直線定為X₁軸?？梢钥闯觯汉粑窟_到60L/min后再進一步提高呼吸量，吸氣就會出現(xiàn)負值。在普通呼吸器中。呼吸量達到60L/min時，面罩內靜態(tài)壓力為-500Pa。所以應該在氣囊上相應施加500Pa彈簧力。當減小呼吸量時，為了避免呼吸氣體直接從排氣閥流走，所以排氣閥的開啟壓力定為900Pa。由于Y軸表示外界大氣壓力，所以呼吸系統(tǒng)內動態(tài)壓力就用右邊的Y₁軸表示，也就是把X₁軸變成壓力零線。在呼吸量0～60L/min時，呼氣動態(tài)壓力是在600～950Pa。在正壓系統(tǒng)中，呼氣阻力是由呼吸系統(tǒng)正壓加上靜態(tài)呼氣波動壓力。由于影響動態(tài)壓力的附加阻力與普通呼吸器總體大致相同，所以呼氣曲線的位置和方向沒有什么變化。在小于規(guī)定的極限呼吸量時，吸氣壓力是正的。圖3是氧氣呼吸器呼吸系統(tǒng)動態(tài)應力條件示意圖。其中，縱坐標Y表示普通呼吸器的呼吸阻力，縱坐標Y₁表示正壓呼吸器的呼吸阻力，橫坐標X表示呼吸量。



圖3呼吸系統(tǒng)動態(tài)壓力

3.3正壓呼吸系統(tǒng)的動態(tài)應力分析

正壓呼吸器的呼吸阻力曲線是隨著呼吸量而變化的，為了保證呼吸器在較大的呼吸量下還能維持面罩內正壓，必須使呼吸阻力曲線趨勢平坦，提高呼吸器的靜態(tài)正壓值。也就是說，要求呼吸器阻力受呼吸氣體流量變化的影響越小越好。比如，德國DRANGER公司的BG4正壓式氧氣呼吸器和美國BAOMARINE公司的BAOPAK240正壓式氧氣呼吸器，面罩內呼吸靜態(tài)壓力分別是500Pa和418Pa；面罩內吸氣靜壓分別是100Pa和197Pa。如果這兩種呼吸器都能在60L/min的呼吸量下保證面罩正壓，說明GB4的呼吸阻力曲線趨勢比較平坦，正壓值定的比較低，呼吸比較舒適。如果要把呼吸量取得更大，比如80L/min以上，保證呼吸器還是正壓。唯一的辦法是抬高正壓值，但這樣會把呼吸阻力提得很高，使用