CN102580448B - 一种气体过滤装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及过滤设备技术领域，具体涉及一种用于人体呼吸末采样气体的过滤装置。包括：过滤腔及与其连通的储水腔，所述过滤腔垂直于水平面布置，且与该储水腔相通，所述过滤腔包括：彼此连通的进气道、气液分离腔、出气道及排水道，所述进气道设置在气液分离腔的始端，所述出气道及排水道设置在气液分离腔的末端，所述排水道与所述的储水腔相连通；其特征在于，所述的气液分离腔中设置有疏水膜，该气液分离腔的腔体气路由始端至末端呈水平或下降趋势布置。本发明气体过滤装置可以进行单路抽气，提升了旁流气体采样***的可靠性和使用便利性，促进了***的集成化和小型化，并有较好的兼容性及良好的气流性能。

Description

一种气体过滤装置

技术领域

本发明涉及呼吸检测设备技术领域，具体涉及一种用于对人体呼吸末采样气体的过滤装置。

背景技术

医学领域有对人体呼吸末气体进行测量分析的应用需求，如ETCO2（呼气末二氧化碳监测）模块和麻醉模块。较为通常的应用方式为旁流式，即通过鼻管或面罩等采样人体的呼吸末气体，通过微管输运至机器中的测试模块进行测量分析。旁流式的采样气体随人体呼吸交替为人体呼吸出的气体和吸入的空气：人体呼出气体为37℃饱和湿度气体，含较多水汽，在微管输运中存在冷凝的可能；而人体呼出气体则会含有一定量的灰尘。以上杂质若积聚到测试模块气路中会严重影响模块内传感器的测试精度，并会对气泵造成损伤，所以对于旁流式气体检测装置，在其进入测试模块前必须进行干燥过滤。

为了解决上述问题，需要采用气体过滤装置对气体进行干燥过滤；原始的气体过滤装置为基于冷凝技术的脱气体过滤装置结构，即在微管内设计一个较大的空腔作为气液分离腔，采样气体在该处的流速压力剧减会出现水汽冷凝，并在重力作用下形成湿度梯度，空腔上部为干燥气体，而下部为含较多冷凝液滴。此时，腔体上部的干燥气体被抽取到模块进行测试，同时需要第二路抽气抽去腔体下部积聚的水汽以维持气液分离腔可持续性运行。第二路抽气将进入脱气体过滤装置储水腔，冷凝水将在这里积聚存储；该种结构的脱气体过滤装置除水不够彻底，同时对气流的等径性破坏较大，影响波形质量，而且难以对采样气体中的灰尘进行有效过滤。

为了解决上述问题，现有气体过滤装置普遍采用基于PTFE疏水膜的过滤除水技术，其具有较好的滤除水汽的效果，同时可兼顾滤尘，当前基于PTFE疏水膜技术的脱气体过滤装置，气液分离腔间隔PTFE疏水膜，为降低气路死区，气液分离腔通常空间狭小，需要借助传统的双路抽气技术来辅助排水，为保护第二路抽气气路后端，第二路抽气也采用了PTFE过滤保护。这种脱气体过滤装置的核心为气液分离腔的设计。

采用PTFE疏水膜气体过滤装置的气液分离腔，从结构上可分为管道型气液分离腔设计和碟形气液分离腔设计。

其中，管道型气液分离腔的主要特征为气液分离腔呈狭长管道状，PTFE疏水膜纵切间隔在管道中将其分为前腔和后腔，进气道位于管道前腔始端，抽气道位于管道后腔末端，排水道即第二抽气道位于前腔末端，这样可以实现在有限体积内实现较大的PTFE使用面积，同时有较好的气流等径性，这大大减低了脱气体过滤装置对于气体测试波形的影响。常见管道型气液分离腔可以采用：环状管道结构，蜗旋状管道；采用管道型气液分离腔结构制造工艺较为简单，但存在气流等经性较差，波形质量不佳的问题。

而采用碟形气液分离腔设计，其主要特征为气液分离腔呈碟形，PTFE疏水膜纵切间隔在管道中将其分为前腔和后腔，前腔连接进气道和排水道即第二抽气道，后腔联通抽气道，腔道的位置没有严格的约束。

采用以上结构气液分离腔的脱气体过滤装置均采用双路抽气设计，两路抽气的气流量还需要保持一定比例，这就要求ETCO2模块也要支持双路抽气而且要和气体过滤装置的气阻特性严格匹配，这对模块的精密程度提出了很高的要求；这一方面增加了模块的制造成本，同时局限了模块对于气体过滤装置的兼容性，与以上气体过滤装置相对应的后端测试模块均只能应用于该气体过滤装置；此外模块和气体过滤装置也需要两个可拆卸气路连接，对整个***的气密性和可靠性提出了很高要求。这对于旁流气体采样***的集成化和小型化造成制约。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种较好的兼容性及良好的气流性能、可单路抽气且可靠性高的气体过滤装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明提供一种气体过滤装置，包括：过滤腔及与其连通的储水腔，所述过滤腔垂直于水平面布置，且与该储水腔相通，所述过滤腔包括：彼此连通的进气道、气液分离腔、出气道及排水道，所述进气道设置在气液分离腔的始端，所述出气道及排水道设置在气液分离腔的末端，所述排水道与所述的储水腔相连通；其中，所述的气液分离腔中设置有疏水膜，该气液分离腔的腔体气路由始端至末端呈水平或下降趋势布置。

作为一种改进，所述气液分离腔垂直布置，其腔体呈管道状，该气液分离腔包括：由疏水膜分割第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的始端与所述进气道相连接，其末端与所述排水道连接，所述第二腔体的末端与所述出气道相连接；所述气液分离腔的始端和末端均设有整流段。

进一步的，所述气液分离腔第一腔体和第二腔体在始端和末端均交错布置，所述第一腔体的始端错开部分密封形成进气整流段，第二腔体末端错开部分密封形成抽气整流段；所述排水道与所述储水腔呈垂直布置。

在上述机构的基础上，所述第一腔体截面为矩形，所述第二腔体截面为圆弧形，所述进气道与抽气道的内径一致，所述进气整流段及抽气整流段的均为刚性侧壁。

进一步，所述的进气道和抽气道与所述气液分离腔分别垂直连通。

作为一种改进，所述的气液分离腔的腔体呈蛇形管道状，所述出气道设置有保护滤芯。

作为再一种改进，所述气液分离腔的始端和中段位置设置有水平段。

作为又一种改进，所述第一腔体末段为弧形下降段。

作为一种改进，所述的气液分离腔的腔体呈“W”形管道状，所述气液分离腔具有倾斜向下的直管道段。

本发明的气体过滤装置的气液分离腔腔体气路采用了由始端至末端呈水平或下降趋势布置，气液分离腔始终蜿蜒向下，气液分离腔的前腔凝聚的液滴在气流和本身重力的作用下不断向管道末端流动，越接近末端重力的作用越为主导，最终积聚到气液分离腔前腔末端。此处直通储水腔，液滴将在重力的作用下流入储水腔。本发明气体过滤装置可以进行单路抽气，提升了旁流气体采样***的可靠性和使用便利性，促进了***的集成化和小型化，并有较好的兼容性及良好的气流性能。同时本发明的气液分离腔前后进抽气道均设计有气流整流，这有效避免了气流高速转向对疏水膜的冲击，减少了乱流。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明气路原理示意图；

图2为本发明蛇形管道型气液分离腔未安装疏水膜的结构示意图；

图3为本发明蛇形管道型气液分离腔安装疏水膜后的结构示意图；

图4为本发明蛇形管道气液分离腔按图3中A-A方向剖视图；

图5为本发明另一实施例的结构示意图；

图6为本发明最佳实施例结构示意图；

图7为本发明过滤装置与现有过滤装置的上升时间对比情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图4，本发明提供一种气体过滤装置，包括：包括过滤腔及储水腔5，过滤腔包括管道状气液分离腔、进气道2、出气道3，排水道4，保护滤芯6和疏水膜7。气液分离腔与进气道2、出气道3及排水道4相连通，排水道4与储水腔5相连通，保护滤芯6设置于出气道3中，疏水膜7设置于气液分离腔内，本实施例中气液分离腔垂直布置，气液分离腔由始端到末端始终处于水平或下降过程，没有抬升段。

其中气液分离腔被疏水膜7分割为第一腔体1a和第二腔体1b。第一腔体1a始端连接进气道2，末端连接排水道4。如图4中剖面，第一腔体1a为方形截面，因为其内会有水滴流动，而腔体内，特别是第一腔体1a的始端的水汽流动速度较高，特别前腔前端，此时若有腔体转向，腔内水汽将会以极高的转向加速度作用在腔体侧壁上，设计为方形以减缓水汽对疏水膜的冲击。第二腔体1b只在管道末端连接出气道3，其截面为圆弧状截面，因为后腔内流动的为已经过干燥的洁净气体，采用弧形截面可以有效提升气体的等径性流动，同时减少气体低速区。

如图2所示，本发明气液分离腔第一腔体1a和第二腔体1b在始端和末端均交错开一定距离，第一腔体1a的始端错开部分密封形成进气整流段8，第二腔体1b末端错开部分密封形成抽气整流段9，进气整流段8及抽气整流段9均为刚性侧壁；在气液分离腔始端，第二腔体1b较第一腔体1a短，避开了第一腔体1a的和进气道2的连接处；而在末端，第一腔体1a较第二腔体1b短，同样避开了第二腔体1b和抽气道3的连接处。本发明进气道2和抽气道3均与气液分离管腔都为垂直连通，进气道2和抽气道3的内径保持一致，同时第一腔体1a和第二腔体1b的横截面面积和上述通气道也非常接近，结合气体整流段，本发明气体过滤装置内气体基本保持了等径性流动。

首先，呼出气体样本通过进气道2进入气液分离腔的第一腔体1a，高速气流在联通处剧烈转向时气流会非常剧烈紊乱，经过进气整流段8整流后气流已非常齐整，同时主要流向和疏水膜7平行，这不仅避免了对柔性疏水膜7的冲击，同时气流在气液分离腔内保持了较好的等径性流动，气流紊乱区和死区有一定减少；接着，采样气体沿第一腔体1a腔体向末端流动并透过疏水膜7向第二腔体1b流动，第一腔体1a的内气体不断减少而水汽不变，使得越往后端腔内气流速度越低，湿度越高。而第二腔体1b内干燥气体越来越多，使其越往后端气流速度越快。最后，在气液分离腔末端，第一腔体1a内已没有稳定的气流，水汽和液滴在此处积聚，在自身重力的作用下通过排水道4流入储水腔5储存起来。而第二腔体1b内经过过滤的干燥气体速度达到最高，通过出气道抽出。同时，本发明出气道3中设置保护滤芯6，其遭遇水汽便会堵塞。若气液分离腔出现灾难性损伤，水汽被抽入出气道3时，保护滤芯将会有效的堵塞封闭管道，避免水汽进入后端模块造成损伤。

如图5为本发明另一种实施例，该种的气液分离腔呈类似W形状，气液分离腔有倾斜向下的直管道段10，这样可以实现在较小高程内较长的气液分离腔长度。

图6为本发明之最佳实施例。气液分离腔整体蛇形蜿蜒向下，我们在气液分离腔的始段和中段设计有水平的只管道段10，同时整个腔体集中在直径16mm以内的圆中以便于生产制造，实现了在较小高程内较长的腔体以保证足够的PTFE疏水膜过滤面积。根据我们的研究表明，气液分离腔第一腔体1a在始段和中段具有较高的气流速度，足够带动液体向后短移动，所以本发明之最佳实施例中在气液分离腔前端和中段设计有水平段10以便于气体过滤装置的加长距离设计。而在第一腔体1a末段内气流速度较低，本实施例将其设计为弧形下降段11以更多利用重力来辅助排水，同时弧形段中气流的离心作用使得水汽积聚在管道侧壁上，便于集中流动，最终水汽汇聚到第一腔体1a的末端，流入排水道4。

本实施例的气液分离腔前端和后端均设计有整流段。其中第二腔体1b的末端还微微翘起，更有效的避免的液体误吸入。

如图7为在相同情况和抽气速率下，本发明气体过滤装置和现有气体过滤装置的上升时间对比，该项参数为气体过滤装置性能的重要评判指标，本测试的方法为在相同条件下，测试流经气体过滤装置的较高浓度CO2气体的浓度上升时间。由图中可以看出：波形上升量达到100%时，本发明耗时最少，其次为传统双路抽气管道型气液分离腔方案，最后为传统碟形气液分离腔方案；在相同时间内，本发明的波形上升量最大。同时长期抽气测试表明，本发明气体过滤装置可持续性运行至储水腔水满。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气体过滤装置，包括：过滤腔及与其连通的储水腔，所述过滤腔垂直于水平面布置，且与该储水腔相通，所述过滤腔包括：彼此连通的进气道、气液分离腔、出气道及排水道，所述进气道设置在气液分离腔的始端，所述出气道及排水道设置在气液分离腔的末端，所述排水道与所述的储水腔相连通；其特征在于，所述的气液分离腔中设置有疏水膜，该气液分离腔的腔体气路由始端至末端呈水平或下降趋势布置；所述气液分离腔包括由疏水膜分割第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的始端与所述进气道相连接，其末端与所述排水道连接，所述第二腔体的末端与所述出气道相连接，所述气液分离腔垂直布置，其腔体呈管道状，所述气液分离腔的始端和末端均设有整流段。

2.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述气液分离腔第一腔体和第二腔体在始端和末端均交错布置，所述第一腔体的始端错开部分密封形成进气整流段，第二腔体末端错开部分密封形成抽气整流段；所述排水道与所述储水腔呈垂直布置。

3.根据权利要求2所述的过滤装置，其特征在于，所述第一腔体截面为矩形，所述第二腔体截面为圆弧形，所述进气道与出气道的内径一致，所述进气整流段及抽气整流段的均为刚性侧壁。

4.根据权利要求3所述的过滤装置，其特征在于，所述的进气道和出气道与所述气液分离腔分别垂直连通。

5.根据权利要求4所述的过滤装置，其特征在于，所述的气液分离腔的腔体呈蛇形管道状，所述出气道设置有保护滤芯。

6.根据权利要求5所述的过滤装置，其特征在于，所述气液分离腔的始端和中段位置设置有水平段。

7.根据权利要求6所述的过滤装置，其特征在于，所述第一腔体末段为弧形下降段。

8.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述的气液分离腔的腔体呈“W”形管道状，所述气液分离腔具有倾斜向下的直管道段。

Images