正压式氧气呼吸系统的应力分析思维导图

氧气呼吸器结构主要分成供气系统和呼吸系统2个系统。供气系统由气瓶、减压器、压力表、定量阀、自动补给阀、手动补给阀等组成；呼吸系统由面罩或口具鼻夹、呼吸软管、吸收二氧化碳的清净罐、气囊或气仓、排气阀、冷却器等组成。决定氧气呼吸器防护能力大小的是氧气呼吸器的呼吸系统。正压式氧气呼吸器与普通氧气呼吸器的主要区别在于呼吸系统。

正压呼吸系统与普通呼吸系统差别是在气囊上增加一个弹簧力，加大了排气阀的开启压力、还相应提高了自动补给阀的开启压力和关闭压力。图1为普通氧气呼吸器和正压式氧气呼吸器的工作原理图。

从图1中可以看出：在普通氧气呼吸器中，吸气阀是靠吸气时面罩内产生的负压来打开的，自动补给阀是在负压下进行补气。而在正压氧气呼吸器中，面罩内是不会产生负压，吸气时呼吸气体能自动流入面罩。自动补给阀是在正压下就开启进行补气；呼气时面罩内压力大于气囊压力，由于压差使吸气阀自动关闭，呼气阀打开；为了保证呼出气体不能直接从排气阀流出，必须加大排气阀的弹簧力。正压呼吸系统就是用这种方法使面罩在呼吸全过程中保持正压。

从上面的正压呼吸系统工作原理分析得知：氧气呼吸器产生正压的主要部件是增加气囊上的弹簧力，提高自动补给阀开启压力，加大排气阀的开启压力。所以在分析正压呼吸系统应力时可以把这3部件看成同一部件处理。

肺部吸气时，在面罩内产生相对于大气压负值的吸气压力Px。面罩内的吸气负压是由于吸气阀膜片开启阻力、吸气软管的气流阻力、冷却罐的流动阻力、气囊变形阻力、自动补给阀的功能阻力等引起。因此可以把面罩内吸气负压看成呼吸器的吸气阻力、它的大小与呼吸量有关，一般在-200～-600Pa之间。吸气压力达到自动补给阀开启压力时自动补给阀就能自动打开，向气囊充气。如果吸气量不超过自动补给所提供的呼吸气体（60～80L/min），面罩内吸气压力就不会低于自动补给阀的开启压力Pb（300Pa）。如果吸气量超过自动补给所提供的呼吸气体，吸气时就会感到供气不足，甚至发生缺氧，这时吸气负压就会持续下降。所以，在正常使用条件下面罩内静态应力的负压值Px应高于自动补给阀的开启压力Pb，即Px≥Pb。肺部吸气时，在面罩内产生一个相对于大气压Pa较高的呼气压力Ph是用于克服呼气阀膜片开启力、呼气软管的气流阻力、清净罐的流动阻力、气囊变形阻力、自动补给阀的功能阻力、排气阀的开启阻力等。所以，也可以把呼气压力Ph看成呼气阻力，它也与呼吸量大小有关。中等劳动强度下，呼吸阻力为200～300Pa；在50L/min呼吸量下，达到450Pa；一般在200～700Pa之间。当面罩内的呼吸气压力Ph达到排气阀开启压力Pp时，自动排气。如果呼气量不超过排气量，面罩内的呼气压力就不会大于排气阀的开启压力Pp。如果人体呼气量超过排气量，就会感觉弊气，这时呼气正压就会持续上升。因此，一般情况下面罩内静态应力的正压值Ph不应大于排气阀的开启压力Pp即Ph≤Pp1。

在使用普通呼吸器时，如果打开气瓶后不进行呼吸，排气阀和自动补给阀都是处于关闭状态。正压呼吸器是在气囊上安装了一个增压弹簧，同时调整了自动补给的开启压力和排气阀的开启压力，使呼吸系统在呼吸时能获得更高的压力。从平衡观点分析，在气囊上增加的弹射力Ps可以看成面罩在静态下的正压。如果面罩佩带合适，不进行呼吸就会在呼吸系统内建立一个静态压力Ps。肺部吸气时，需要从气囊里获得呼吸气体，呼吸系统内静态压力Ps失去平衡，这时吸气阀膜片受到压差作用就立即打开。这样呼吸气体自动流进面罩。直至再一次达到压力平衡。所以在正压氧气呼吸器里，正压能够帮助送气，吸气时不需要做功。呼吸气体往面罩里流入的时候，是动态过程。虽然作用在吸气阀膜片上的压力Pzx比正压值Ps低，但在正常情况下总是比环境大气压高。所以，面罩内的吸气静态压力Pzx为：Pzx= Ps-Px> Pa。如果吸气量不超过自动补给阀的供气量，面罩内吸气静压就不会低于补给阀的开启压力，即Pzx≥Pzd。在普通呼吸器中，肺部呼吸气时会在面罩内形成正压Ph，这正压足以打开呼气阀。而在正压呼吸器中，呼气阀受到所以使用正压呼吸器,为了克服呼气阀开启阻力。肺部必须产生Ps和Pp之和的合力，在大流量呼吸气体内还需要克服相应呼吸气体流动阻力。所以，面罩内的呼气静态压力Pzh应是Pzh=Ps+ Ph。

正压呼吸器的呼吸阻力会直接影响到呼吸系统正压值Ps的确定。因为正压值设得太高会使呼气阻力太大，设得太低又不能保证呼吸器的保护能力。为了保证呼吸舒适，呼气不感到费劲，要求呼吸系统的正压值和呼气阻力，其和（Ps+ Ph）不得超过800 Pa。吸气阻力的最小值，决定着呼吸器保护能力，它与正压值之差（Ps－Ph）越大，呼吸保护能力就越高。因此，在正压氧气呼吸器中，降低呼吸阻力是提高保护性能的关键所在。选用氢氧化锂吸收剂，降低清净罐的通气阻力；增大气囊横截面，减小气囊变形阻力；应用硬壁气仓，减少外力对气囊变形的影响；实施双排气阀，保证排气稳定性；采用双气囊，减缓清净罐通气流量；改变冷却罐通气结构，减小吸气流通阻力等方法都可以有效地降低呼吸阻力，提高呼吸保护能力。

普通呼吸系统应力 正压值 正压呼吸系统应力

氧气呼吸器的呼气阻力和吸气阻力都是随着呼吸量而发生变化。它们之间的函数关系取决于呼吸器的结构特性。为了便于分析，把它们看成线性关系。

动态压力曲线的起始点是静态压力值。呼吸动态曲线可以这样确定，呼气量为零时呼气阀的开启压力为100Pa；呼吸量在50L/min，呼气阻力为300Pa。把坐标上这两点（0，1），（50，3）联成直线便成为呼气阻力随着呼吸量而变化的函数曲线。同理，吸气曲线的第一点是（0，-2），第二点是（50，-4.5）。这2点确定的直线表示吸气阻力随着呼吸量而变化的函数曲线。这2条直线近似反映出普通呼吸器动态压力变化。

如果要使呼吸系统在整个呼吸周期中都是正压，也就是呼吸量达到60L/min时，整个呼吸过程保持最低正压，这就要在气囊和自动补给阀上增加一个弹簧力。在这个弹簧力作用下能使自动补给阀以大于60L/min流量的氧气瞬间流出。我们可以在图3上作X轴的平行线，并与吸气直线交于60L/min点上。把这平行直线定为X1轴。可以看出：呼吸量达到60L/min后再进一步提高呼吸量，吸气就会出现负值。在普通呼吸器中。呼吸量达到60L/min时，面罩内静态压力为-500Pa。所以应该在气囊上相应施加500Pa弹簧力。当减小呼吸量时，为了避免呼吸气体直接从排气阀流走，所以排气阀的开启压力定为900Pa。由于Y轴表示外界大气压力，所以呼吸系统内动态压力就用右边的Y1轴表示，也就是把X1轴变成压力零线。在呼吸量0～60L/min时，呼气动态压力是在600～950Pa。在正压系统中，呼气阻力是由呼吸系统正压加上静态呼气波动压力。由于影响动态压力的附加阻力与普通呼吸器总体大致相同，所以呼气曲线的位置和方向没有什么变化。在小于规定的极限呼吸量时，吸气压力是正的。图3是氧气呼吸器呼吸系统动态应力条件示意图。其中，纵坐标Y表示普通呼吸器的呼吸阻力，纵坐标Y1表示正压呼吸器的呼吸阻力，横坐标X表示呼吸量。

正压呼吸器的呼吸阻力曲线是随着呼吸量而变化的，为了保证呼吸器在较大的呼吸量下还能维持面罩内正压，必须使呼吸阻力曲线趋势平坦，提高呼吸器的静态正压值。也就是说，要求呼吸器阻力受呼吸气体流量变化的影响越小越好。比如，德国DRANGER公司的BG4正压式氧气呼吸器和美国BAOMARINE公司的BAOPAK240正压式氧气呼吸器，面罩内呼吸静态压力分别是500Pa和418Pa；面罩内吸气静压分别是100Pa和197Pa。如果这两种呼吸器都能在60L/min的呼吸量下保证面罩正压，说明GB4的呼吸阻力曲线趋势比较平坦，正压值定的比较低，呼吸比较舒适。如果要把呼吸量取得更大，比如80L/min以上，保证呼吸器还是正压。唯一的办法是抬高正压值，但这样会把呼吸阻力提得很高，使用