作者：張仁良，陳金岳

氧氣呼吸器的防護(hù)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(nèi)外的壓力差有關(guān)。如果吸氣時(shí)面罩內(nèi)壓力高于外界大氣壓，有毒氣體就無法泄漏進(jìn)去，從而提高了氧氣呼吸器的防護(hù)能力。這種在呼吸全過程中保證面罩內(nèi)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(jié)構(gòu)主要分成供氣系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)2個(gè)系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)由氣瓶、減壓器、壓力表、定量閥、自動(dòng)補(bǔ)給閥、手動(dòng)補(bǔ)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(hù)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(gè)彈簧力，加大了排氣閥的開啟壓力、還相應(yīng)提高了自動(dòng)補(bǔ)給閥的開啟壓力和關(guān)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(shí)面罩內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓來打開的，自動(dòng)補(bǔ)給閥是在負(fù)壓下進(jìn)行補(bǔ)氣。而在正壓氧氣呼吸器中，面罩內(nèi)是不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，吸氣時(shí)呼吸氣體能自動(dòng)流入面罩。自動(dòng)補(bǔ)給閥是在正壓下就開啟進(jìn)行補(bǔ)氣；呼氣時(shí)面罩內(nèi)壓力大于氣囊壓力，由于壓差使吸氣閥自動(dòng)關(guān)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(yīng)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(chǎn)生正壓的主要部件是增加氣囊上的彈簧力，提高自動(dòng)補(bǔ)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(yīng)力時(shí)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(yīng)力

肺部吸氣時(shí)，在面罩內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)于大氣壓負(fù)值的吸氣壓力P_x。面罩內(nèi)的吸氣負(fù)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(dòng)阻力、氣囊變形阻力、自動(dòng)補(bǔ)給閥的功能阻力等引起。因此可以把面罩內(nèi)吸氣負(fù)壓看成呼吸器的吸氣阻力、它的大小與呼吸量有關(guān)，一般在-200～-600Pa之間。吸氣壓力達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)給閥開啟壓力時(shí)自動(dòng)補(bǔ)給閥就能自動(dòng)打開，向氣囊充氣。如果吸氣量不超過自動(dòng)補(bǔ)給所提供的呼吸氣體（60～80L/min），面罩內(nèi)吸氣壓力就不會(huì)低于自動(dòng)補(bǔ)給閥的開啟壓力P_b（300Pa）。如果吸氣量超過自動(dòng)補(bǔ)給所提供的呼吸氣體，吸氣時(shí)就會(huì)感到供氣不足，甚至發(fā)生缺氧，這時(shí)吸氣負(fù)壓就會(huì)持續(xù)下降。所以，在正常使用條件下面罩內(nèi)靜態(tài)應(yīng)力的負(fù)壓值P_x應(yīng)高于自動(dòng)補(bǔ)給閥的開啟壓力P_b，即P_x≥P_b。肺部吸氣時(shí)，在面罩內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)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(dòng)阻力、氣囊變形阻力、自動(dòng)補(bǔ)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(guān)。中等勞動(dòng)強(qiáng)度下，呼吸阻力為200～300Pa；在50L/min呼吸量下，達(dá)到450Pa；一般在200～700Pa之間。當(dāng)面罩內(nèi)的呼吸氣壓力P_h達(dá)到排氣閥開啟壓力P_p時(shí)，自動(dòng)排氣。如果呼氣量不超過排氣量，面罩內(nèi)的呼氣壓力就不會(huì)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(huì)感覺弊氣，這時(shí)呼氣正壓就會(huì)持續(xù)上升。因此，一般情況下面罩內(nèi)靜態(tài)應(yīng)力的正壓值Ph不應(yīng)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(yīng)力

在使用普通呼吸器時(shí)，如果打開氣瓶后不進(jìn)行呼吸，排氣閥和自動(dòng)補(bǔ)給閥都是處于關(guān)閉狀態(tài)。正壓呼吸器是在氣囊上安裝了一個(gè)增壓彈簧，同時(shí)調(diào)整了自動(dòng)補(bǔ)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(shí)能獲得更高的壓力。從平衡觀點(diǎn)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(jìn)行呼吸就會(huì)在呼吸系統(tǒng)內(nèi)建立一個(gè)靜態(tài)壓力P_s。肺部吸氣時(shí)，需要從氣囊里獲得呼吸氣體，呼吸系統(tǒng)內(nèi)靜態(tài)壓力P_s失去平衡，這時(shí)吸氣閥膜片受到壓差作用就立即打開。這樣呼吸氣體自動(dòng)流進(jìn)面罩。直至再一次達(dá)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(shí)不需要做功。呼吸氣體往面罩里流入的時(shí)候，是動(dòng)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(nèi)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(dòng)補(bǔ)給閥的供氣量，面罩內(nèi)吸氣靜壓就不會(huì)低于補(bǔ)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(shí)會(huì)在面罩內(nèi)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(chǎn)生P_s和P_p之和的合力，在大流量呼吸氣體內(nèi)還需要克服相應(yīng)呼吸氣體流動(dòng)阻力。所以，面罩內(nèi)的呼氣靜態(tài)壓力P_zh應(yīng)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(shí)的靜態(tài)應(yīng)力，它是下面動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析的基礎(chǔ)。

2.3正壓呼吸系統(tǒng)靜態(tài)應(yīng)力分析

正壓呼吸器的呼吸阻力會(huì)直接影響到呼吸系統(tǒng)正壓值P_s的確定。因?yàn)檎龎褐翟O(shè)得太高會(huì)使呼氣阻力太大，設(shè)得太低又不能保證呼吸器的保護(hù)能力。為了保證呼吸舒適，呼氣不感到費(fèi)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(hù)能力，它與正壓值之差（P_s－P_h）越大，呼吸保護(hù)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(hù)性能的關(guān)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(yīng)用硬壁氣倉，減少外力對(duì)氣囊變形的影響；實(shí)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(jié)構(gòu)，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(hù)能力。



普通呼吸系統(tǒng)應(yīng)力 正壓值 正壓呼吸系統(tǒng)應(yīng)力

P_a——外界環(huán)境大氣壓； P_x——普通面罩內(nèi)的吸氣靜壓； P_zx——正壓面罩內(nèi)的吸氣靜壓； P_b——普通自動(dòng)補(bǔ)給閥開啟壓力； P_zb——正壓自動(dòng)補(bǔ)給閥開啟壓力； P_h——普通面罩內(nèi)的呼氣靜壓； P_zh——正壓面罩內(nèi)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(shí)的靜態(tài)應(yīng)力。

3正壓呼吸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)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(guān)系取決于呼吸器的結(jié)構(gòu)特性。為了便于分析，把它們看成線性關(guān)系。

3.1普通呼吸器的動(dòng)態(tài)壓力

動(dòng)態(tài)壓力曲線的起始點(diǎn)是靜態(tài)壓力值。呼吸動(dòng)態(tài)曲線可以這樣確定，呼氣量為零時(shí)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(biāo)上這兩點(diǎn)（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(diǎn)是（0，-2），第二點(diǎn)是（50，-4.5）。這2點(diǎn)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(dòng)態(tài)壓力變化。

3.2正壓呼吸器的動(dòng)態(tài)壓力

如果要使呼吸系統(tǒng)在整個(gè)呼吸周期中都是正壓，也就是呼吸量達(dá)到60L/min時(shí)，整個(gè)呼吸過程保持最低正壓，這就要在氣囊和自動(dòng)補(bǔ)給閥上增加一個(gè)彈簧力。在這個(gè)彈簧力作用下能使自動(dòng)補(bǔ)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(diǎn)上。把這平行直線定為X₁軸?？梢钥闯觯汉粑窟_(dá)到60L/min后再進(jìn)一步提高呼吸量，吸氣就會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。在普通呼吸器中。呼吸量達(dá)到60L/min時(shí)，面罩內(nèi)靜態(tài)壓力為-500Pa。所以應(yīng)該在氣囊上相應(yīng)施加500Pa彈簧力。當(dāng)減小呼吸量時(shí)，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(nèi)動(dòng)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(shí)，呼氣動(dòng)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(dòng)壓力。由于影響動(dòng)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(shí)，吸氣壓力是正的。圖3是氧氣呼吸器呼吸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)力條件示意圖。其中，縱坐標(biāo)Y表示普通呼吸器的呼吸阻力，縱坐標(biāo)Y₁表示正壓呼吸器的呼吸阻力，橫坐標(biāo)X表示呼吸量。



圖3呼吸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)壓力

3.3正壓呼吸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)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(nèi)正壓，必須使呼吸阻力曲線趨勢(shì)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(nèi)呼吸靜態(tài)壓力分別是500Pa和418Pa；面罩內(nèi)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(shì)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(huì)把呼吸阻力提得很高，使用