CN103656909B - 加压供氧面罩大流量呼气活门 - Google Patents

加压供氧面罩大流量呼气活门 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加压供氧面罩大流量呼气活门，包括呼气活门座、活门刀口和活门板，所述呼气活门座内设有面罩腔、排气腔和余压腔，所述中心座底部还设有补偿膜片，所述补偿膜片紧贴在所述余压腔的内壁上，所述余压腔内还设有压板，所述补偿膜片的下端固定在所述压板上，所述呼气活门座内还设有对抗压通道，所述对抗压通道连接所述余压腔和吸气活门。本发明取消了单独增压管路，呼气活门的补偿膜片压力是在面罩腔内从吸气活门下引出，即将吸气腔的压力引入补偿膜片产生对抗压，保证加压呼吸，简化了面罩结构、减轻面罩重量，减小了呼气活门总高度，改善了下视野，并且降低面罩在高过载时的扭矩，提高过载加压的气密性。

Description

加压供氧面罩大流量呼气活门
技术领域
本发明涉及供氧面罩，更具体地说，涉及一种加压供氧面罩大流量呼气活门。
背景技术
为了满足飞行员的供氧需求，现有的加压供氧面罩中的呼气活门有两种完全不同工作状态：1)正常供氧状态：在18km以下高度气密性座舱及12km以下非气密性座舱飞行时，保证飞行员正常供氧；2）应急供氧状态：在12km～18km非气密座舱或***减压时，在面罩内建立相应压力，保证对飞行员持续一段时间的加压供氧。
呼气活门是每开合一次，面罩腔就与外界通断一次。呼气活门在使用当中与飞行员呼吸同步工作，每呼吸一次呼气活门就工作循环一次，因此它的工作状态直接关系到整个面罩供氧功能实现与否。
现有呼气活门的高度尺寸偏大这样使得呼气活门安装在面罩上凸出面罩过高，使得其整个面罩重心远离头部重心，面罩在高过载时的扭矩过大，易导致过载稳定性变差。现有呼气活门采用单独的增压管路引气到呼气活门下腔形成对抗压，导致整个面罩重量偏大，影响面罩佩戴的舒适性。现有呼气活门呼气阻力偏大，导致飞行员长时间佩戴面罩飞行，易产生呼吸疲劳，影响面罩佩戴舒适性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种体积小、重量轻的加压供氧面罩大流量呼气活门。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种加压供氧面罩大流量呼气活门，包括呼气活门座、活门刀口和活门板，所述呼气活门座内设有面罩腔、排气腔和余压腔，所述呼气活门座上设有中心座，所述中心座顶部与所述活门板之间设有第一弹簧，所述中心座底部与所述呼气活门座之间设有第二弹簧，所述中心座底部还设有补偿膜片，所述补偿膜片紧贴在所述余压腔的内壁上，所述余压腔内还设有压板，所述补偿膜片的下端固定在所述压板上，所述呼气活门座内还设有对抗压通道，所述对抗压通道连接所述余压腔和吸气活门。
上述方案中，当呼气活门处于正常供氧时的平衡状态时，存在以下平衡：
F1=k1x1=Pp+m1g
F2=k2x2=Pp+m1g+mk1g+m2g+Ff
其中，F1、F2分别为第一弹簧和第二弹簧的弹力，Pp为预压缩力，m1为活门板的质量，mk1为弹簧第一弹簧的质量，m2为中心座的质量，Ff为补偿膜片的阻力，k1、k2分别为第一弹簧和第二弹簧的刚度，x1、x2分别为第一弹簧和第二弹簧的压缩距离。
上述方案中，当呼气活门处于加压供氧时的平衡状态时，存在以下平衡：
k2x2+P1=Pp+m1g+mk1g+m2g+Ff+k1x1+P2
P2=P*πd2/4
P1=P*π*（d2 2+d1d2+d1 2）/12
其中，Pp为预压缩力，m1为活门板的质量，mk1为第一弹簧的质量，m2为中心座的质量，Ff为补偿膜片的阻力，k1、k2分别为第一弹簧和第二弹簧的刚度，x1、x2分别为第一弹簧和第二弹簧的压缩距离，P1为通过补偿膜片作用于中心座上的轴向力，P2为作用于活门板的轴向力，P为加压供氧时的压强，d为活门刀口直径，d1为补偿膜片硬中心直径，d2为补偿膜片工作直径。
上述方案中，所述第一弹簧的刚度为0.016-0.024N/m，质量为2.4-3.6g，所述第二弹簧的刚度为0.024-0.036N/m，质量为6.4-9.6g。
上述方案中，所述补偿膜片的厚度为0.1-0.3mm。
上述方案中，所述活门刀口直径d=15-21mm所述补偿膜片硬中心直径d1=8-12mm，补偿膜片工作直径d2=6-10mm。
上述方案中，所述对抗压通道的出口处设有转接头，所述转接头通过过盈配合压接在所述呼气活门座上。
上述方案中，所述压板通过穿过所述呼气活门座的沉头螺钉固定。
上述方案中，所述第二弹簧包括锥形弹簧和圆柱弹簧，所述锥形弹簧与所述中心座连接，所述圆柱弹簧与所述呼气活门座连接。
上述方案中，所述呼气活门座内还设有堵住工艺孔的钢球，所述钢球与所述工艺孔过盈配合。
实施本发明的加压供氧面罩大流量呼气活门，具有以下有益效果：
本发明取消了单独增压管路，呼气活门的补偿膜片压力是在面罩腔内从吸气活门下引出，即将吸气腔的压力引入补偿膜片产生对抗压，保证加压呼吸，简化了面罩结构、减轻面罩重量，减小了呼气活门总高度，改善了下视野，并且降低面罩在高过载时的扭矩，提高过载加压的气密性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明加压供氧面罩大流量呼气活门的结构示意图；
图2是呼气活门正常供氧时平衡状态受力简化图；
图3是呼气活门加压供氧时平衡状态受力简化图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明加压供氧面罩大流量呼气活门包括呼气活门座1、活门刀口6和活门板5。呼气活门座1内设有面罩腔12、排气腔13和余压腔14，呼气时，活门板5打开，气体从排气腔13排出。呼气活门座1上设有中心座4，中心座4顶部与活门板5之间设有第一弹簧9，中心座4底部与呼气活门座1之间设有第二弹簧8。中心座4底部还设有补偿膜片3，补偿膜片3紧贴在余压腔14的内壁上，余压腔14内还设有压板2，补偿膜片3的下端固定在压板2上，呼气活门座1内还设有对抗压通道，对抗压通道连接余压腔14和吸气活门。呼气活门的补偿膜片3压力是在面罩腔12内从吸气活门下引出，即将吸气腔的压力引入补偿膜片3产生对抗压，保证加压呼吸。
本发明呼气活门存在以下两个平衡态；
1、呼气活门正常供氧时的平衡状态；
呼气活门在正常供氧时的受力平衡状态，可简化为弹簧受力原理简图，如图2所示。为计算平衡状态时，弹簧和膜片的受力情况，将活门板5、中心座4和补偿膜片3都进行了简化，由于补偿膜片3在工作状态主要是膜片发生材料变形，它的变形力可以近似的认为是一定值，因此将其简化为一个阻力Ff，补偿膜片3的阻力值可以通过实验来取得。因此可近似得到活门在正常供氧时的受力平衡公式：
F1=k1x1=Pp+m1g
F2=k2x2=Pp+m1g+mk1g+m2g+Ff
其中，F1、F2分别为第一弹簧9和第二弹簧8的弹力，Pp为预压缩力，m1为活门板5的质量，mk1为弹簧第一弹簧9的质量，m2为中心座4的质量，Ff为补偿膜片3的阻力，k1、k2分别为第一弹簧9和第二弹簧8的刚度，x1、x2分别为第一弹簧9和第二弹簧8的压缩距离，k为第一弹簧9和第二弹簧8的总刚度。
由于第一弹簧9和第二弹簧8采用串联结构，因此其总刚度为：
k=k1k2/(k1+k2)
为防止在余压腔14内出现负压时，出现中心座4下移而导致的活门板5打开的情况，需要在活门平衡状态时，第一弹簧9的压缩距离大于H，以保证中心座4下移到最低位置时，第一弹簧9伸长后仍能使活门板5贴住活门座，保证气密防止外界空气进入面罩腔12内。
由以上公式可知，如需降低呼气活门阻力，可以通过增大活门有效流通面积实现，而增大有效流通面积，可通过增大活门刀口6直径和活门的开启度来实现，还可以在保证呼气活门气密性的前提下，尽可能降低弹簧和补偿膜片3的预压缩力Pp以及弹簧的总刚度，而降低弹簧总刚度可以通过降低活门板5、中心座4以及第一弹簧9的重量以及补偿膜片3的阻力实现，而降低膜片的阻力可以采用减薄膜片厚度和降低膜片硬度等方法来实现。
根据上述原则，本发明第一弹簧9的刚度为0.016-0.024N/m，质量为2.4-3.6g，第二弹簧8的刚度为0.024-0.036N/m，质量为6.4-9.6g，补偿膜片3的厚度为0.1-0.3mm。在优选实施例中，第一弹簧9的刚度为0.02N/m，质量为3g，第二弹簧8的刚度为0.03N/m，质量为8g，补偿膜片3的厚度为0.2mm。
2、呼气活门加压供氧时的平衡状态：
呼气活门在加压供氧时的受力平衡状态，可简化为弹簧受力原理简图，如图3所示。为计算平衡状态时，弹簧和膜片的受力情况，将活门板5、中心座4和补偿膜片3都采用同样的方法进行了简化，因此可近似得到活门在加压供氧时的受力平衡公式：
k2x2+P1=Pp+m1g+mk1g+m2g+Ff+k1x1+P2
P2=P*πd2/4
其中，Pp为预压缩力，m1为活门板5的质量，mk1为第一弹簧9的质量，m2为中心座4的质量，Ff为补偿膜片3的阻力，k1、k2分别为第一弹簧9和第二弹簧8的刚度，x1、x2分别为第一弹簧9和第二弹簧8的压缩距离，P2为作用于活门板5的轴向力，P为加压供氧时的压强，d为活门刀口6直径，d1为补偿膜片3硬中心直径，d2为补偿膜片3工作直径。
由于膜片是通过压力使膜片产生膨胀变形而传递力的，因为压力在通过膜片传递集中力时必然会产生一定的力损失，因此作用在膜片上的压力转化为集中力的比例称为膜片的有效面积。中心传力的膜片有效面积公式如下：
F=π*（d2 2+d1d2+d1 2）/12
其中F为膜片有效面积，d1为补偿膜片3硬中心直径，d2为补偿膜片3工作直径。
通过补偿膜片3作用于中心座4上的轴向力P1=P*F=P*π*（d2 2+d1d2+d1 2）/12。
由以上公式，可计算出膜片关键参数即膜片工作直径和硬中心直径（即中心座4直径）之间的关系，并且可知在加压供氧条件下，通过膜片作用于中心座4上的轴向力值的大小。通过以上公式可知补偿膜片3的设计关键参数。
本实施例中补偿膜片3硬中心直径d1=8-12mm，补偿膜片3工作直径d2=6-10mm，活门刀口6直径d=15-21mm，优选的d1=10mm，d2=8mm，d=18mm。
按照上述公式和选定的部件参数可以使呼气活门高度由原高度38mm降低到19mm，安装后凸出面罩高度由28mm降低到7mm，这样使得活门重心尽量靠近脸部。这可以使面罩的重心靠近头部重心，降低面罩在高过载时的扭矩，提高过载加压的气密性。由于氧气***取消单独增压管路，呼气活门的补偿膜片3压力是在面罩腔12内从吸气活门下引出，即将吸气腔的压力引入补偿膜片3产生对抗压，保证加压呼吸，这种设计能简化面罩结构、减轻面罩重量。对呼气活门进行优化设计使得呼气阻力在60L/min下的阻力由0.32KPa降低到0.15KPa左右。
进一步的，对抗压通道的出口处设有转接头7，转接头7通过过盈配合压接在呼气活门座1上。转接头7用于与吸气活门的吸气腔连接。呼气活门座1内还设有堵住工艺孔的钢球10，钢球10与工艺孔过盈配合。
进一步的，压板2通过穿过呼气活门座1的沉头螺钉11固定，活门刀口6与呼气活门座1通过螺纹连接。
进一步的，第二弹簧8包括锥形弹簧和圆柱弹簧，锥形弹簧与中心座4连接，圆柱弹簧与呼气活门座1连接。锥形弹簧定位于中心座4的外侧，圆柱弹簧定位于压板2内侧。活门板5打开时，圆柱弹簧先发生形变，活门板5关闭时，锥形弹簧先发生形变，锥形弹簧的刚度大于圆柱弹簧的刚度，因此可以实现活门板5的快速打开和快速关闭。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种加压供氧面罩大流量呼气活门，包括呼气活门座、活门刀口和活门板，所述呼气活门座内设有面罩腔、排气腔和余压腔，其特征在于，所述呼气活门座上设有中心座，所述中心座顶部与所述活门板之间设有第一弹簧，所述中心座底部与所述呼气活门座之间设有第二弹簧，所述中心座底部还设有补偿膜片，所述补偿膜片紧贴在所述余压腔的内壁上，所述余压腔内还设有压板，所述补偿膜片的下端固定在所述压板上，所述呼气活门座内还设有对抗压通道，所述对抗压通道连接所述余压腔和吸气活门。
2.根据权利要求1所述的加压供氧面罩大流量呼气活门，其特征在于，当呼气活门处于正常供氧时的平衡状态时，存在以下平衡：
F1＝k1x1＝Pp+m1g
F2＝k2x2＝Pp+m1g+mk1g+m2g+Ff
其中，F1、F2分别为第一弹簧和第二弹簧的弹力，Pp为预压缩力，m1为活门板的质量，mk1为第一弹簧的质量，m2为中心座的质量，Ff为补偿膜片的阻力，k1、k2分别为第一弹簧和第二弹簧的刚度，x1、x2分别为第一弹簧和第二弹簧的压缩距离。
3.根据权利要求2所述的加压供氧面罩大流量呼气活门，其特征在于，当呼气活门处于加压供氧时的平衡状态时，存在以下平衡：
k2x2+P1＝Pp+m1g+mk1g+m2g+Ff+k1x1+P2
P2＝P*πd2/4
P1＝P*π*(d2 2+d1d2+d1 2)/12
其中，Pp为预压缩力，m1为活门板的质量，mk1为第一弹簧的质量，m2为中心座的质量，Ff为补偿膜片的阻力，k1、k2分别为第一弹簧和第二弹簧的刚度，x1、x2分别为第一弹簧和第二弹簧的压缩距离，P1为通过补偿膜片作用于中心座上的轴向力，P2为作用于活门板的轴向力，P为加压供氧时的压强，d为活门刀口直径，d1为中心座直径，d2为补偿膜片工作直径。
4.根据权利要求3所述的加压供氧面罩大流量呼气活门，其特征在于，所述第一弹簧的刚度为0.016-0.024N/m，质量为2.4-3.6g，所述第二弹簧的刚度为0.024-0.036N/m，质量为6.4-9.6g。
5.根据权利要求3所述的加压供氧面罩大流量呼气活门，其特征在于，所述补偿膜片的厚度为0.1-0.3mm。
6.根据权利要求3所述的加压供氧面罩大流量呼气活门，其特征在于，所述活门刀口直径d＝15-21mm，所述中心座直径d1＝8-12mm，补偿膜片工作直径d2＝6-10mm。
7.根据权利要求1所述的加压供氧面罩大流量呼气活门，其特征在于，所述对抗压通道的出口处设有转接头，所述转接头通过过盈配合压接在所述呼气活门座上。
8.根据权利要求1所述的加压供氧面罩大流量呼气活门，其特征在于，所述压板通过穿过所述呼气活门座的沉头螺钉固定。
9.根据权利要求1所述的加压供氧面罩大流量呼气活门，其特征在于，所述第二弹簧包括锥形弹簧和圆柱弹簧，所述锥形弹簧与所述中心座连接，所述圆柱弹簧与所述呼气活门座连接。
10.根据权利要求1所述的加压供氧面罩大流量呼气活门，其特征在于，所述呼气活门座内还设有堵住工艺孔的钢球，所述钢球与所述工艺孔过盈配合。
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