Респираторы: история появления и виды респираторов

Первые разработки

Первые упоминания о респираторах можно найти в XVI веке, в работах Леонардо да Винчи, который предлагал использовать для защиты от изобретённого им оружия — токсичного порошка — смоченную ткань.^[3] В 1799 году Александр Гумбольд разработал первый примитивный респиратор когда он работал в Пруссии горным инженером.

Респиратор Стенхауза

Практически все старинные респираторы состояли из мешка, который полностью закрывал голову, застёгивался на горле и имел окна, через которые можно было смотреть. Некоторые респираторы были сделаны из резины, некоторые — из прорезиненной ткани, другие — из пропитанной ткани, и в большинстве случаев рабочий переносил бак со «слабо сжатым» воздухом, который использовался для дыхания. В некоторых устройствах использовалась адсорбция углекислого газа, и воздух вдыхался неоднократно, в других выдыхаемый воздух выпускался наружу через клапан выдоха.

Первый патент на фильтрующий респиратор в США получил Льюис Хаслетт в 1848 году. Этот респиратор фильтровал воздух, очищая его от пыли. Для фильтрации использовались фильтры из смоченной шерсти или аналогичное пористое вещество. После этого было выдано много других патентов на респираторы, в которых для очистки воздуха использовалось хлопковое волокно, а также активированный уголь и известь для поглощения вредных газов, и были сделаны улучшения смотровых окон.

В истории респираторостроения 1853 г. является знаменательной датой.
В этом году профессором Льежского университета (Бельгия) Шванном был сконструирован регенеративный респиратор со сжатым кислородом, являющийся прототипом всех современных регенеративных изолирующих респираторов. Предложенный Шванном респиратор "Аэрофор" схематически изображен на фиг. 3. Его действие таково: выдохнутый воздух из мундштука 1 выходит через выдыхательный клапан 3 в выдыхательный шланг 4 и направляется в поглотительный (регенеративный) патрон 7, состоящий из двух серий камер, которые наполнены гидратом окиси кальция, пропитанным NaOH. Камеры последовательно "соединены таким образом, что проходящий воздух проделывает длинный зигзагообразный путь через поглотитель сперва крупного, затем мелкого зернения, основательно очищаясь при этом от углекислоты. К очищаемому воздуху из баллонов 8 действием регулировочного вентиля 10 добавляется кислород. Очищенный и обогащенный кислородом воздух силой легких засасывается через вдыхательный шланг 5, дыхательный мешок 6 и вдыхательный клапан 2 в легкие. Регулирование количества кислорода, подаваемого в систему респиратора, производится вручную. Емкость каждого баллона-7 л. Наполнялись они под давлением 4-5 ат. При запасе кислорода 60-70 л, т. е. при возможном сроке защитного действия 30-45 мин., респиратор весил 24 кг. Респиратор Шванна являлся синтезом почти всех знаний по респираторостроению, имевшихся в годы его изобретения. Он сконструирован па основе правильных представлений о сущности и механизме процессов дыхания. Эти представления, по вceй вероятности, базировались на физиологических экспериментах Лавуазье, который в отношении газообмена нашёл следующие величины: в состоянии покоя и натощак человек поглощает 0,4 л О 2 в минуту, во время работы и пищеварения-1,5 л/мин. Эти величины весьма близки к современным представлениям о газообмене.
В респираторе Шванна содержатся многие основные элементы современного регенеративного респиратора: круговая циркуляция воздуха в респираторе, направляемая системой клапанов со включением дыхательного мешка в качестве буфера; регулирование подачи кислорода для постоянного обогащения циркулирующего в респираторе воздуха; применение сухого зерненого поглотителя для очищения воздуха от СО 2; осуществление циркуляции воздуха в респираторе силой лёгких; присоединение системы респиратора к органам дыхания мундштуком.

Развитие регенеративного респиратора

Сложность pегенеративного (поглотительного) патрона в респираторе Шванна вызывала попытки облегчить и упростить систему респиратора путем использования дыхательного мешка в качестве регенеративного устройства. Это осуществлялось путем помещения в мешок подушки из матерчатых или металлических сеток или пористых материалов, например, гранулированной пемзы, пропитывавшейся во время работы респиратора концентрированным щелочным раствором (респиратор д-ра Ренара во Франции, пневматофор Вальхер-Гертнера 1895 г. в Австрии, типа Шамрок 1897 г. в Германии), или насыпания в дыхательный мешок палочек или зерен едкого калия (респираторы Майер-Пилара 1897 г. в Австрии, Флейсса-Девиса 1907, 1912 и 1926 гг. в Англии). Такой способ регенерации хотя и упрощает конструкцию респиратора, но очистка воздуха от углекислоты получается при этом недостаточная; отмечены случаи, когда концентрация углекислоты в респираторе такого типа доходила до 7 - 8%. Кроме того, способ представляет значительные неудобства в отношении переснаряжения и чистки респиратора, а при использовании сухого поглотителя он менее надежен, так как качество снаряжения и мощность поглотительного устройства в респираторе каждый paз зависят от опытности лица, пользующегося респиратором. По этому способ этот широкого распространения не получил и сохранился лишь в одной из конструкций современных заграничных респираторов - в респираторе "Прото" Флейса-Девиса, модели 1926г. Большинство же современных регенеративных pеспиpаторов сконструировано на принципе выделения регенеративного патрона и снаряжения его сухим гранулированным (зерненым) поглотителем.
Одним из существенных недостатков респиратора Шванна была необходимость регулировать вручную подачу кислорода. Наряду с усовершенствованием регенеративных устройств, кислородно-распределительная система респиратора стала узловым вопросом улучшения качества и надежности работы регенеративных респираторов. Вопрос автоматизации питания кислородом был разрешен введением в конструкцию рспиратров редукционного клапана. На фиг. 4 показан прообраз современного редукционного клапана, сконструированного Рукейролем и применявшегося для автоматического регулирования подачи воздуха как в шланговых нагнетательных, так и в резервуарных респираторах со сжатым воздухом. Этот же прибор является прообразом и современного легочного автомата. Прибор состоял из двух камер. Сжатый воздух по воздухопроводу 6 попадал в камеру высокого давления 1 и затем через открытый клапан 5 в камеру 2, из которой он и расходовался. При избытке воздуха давление в камере 2 поднималось и выпучивало диафрагму 3, соединенную со штоком 4 и клапаном 5. Шток и клапан передвигались вправо и запирали отверстие, соединявшее обе камеры. При падении давления в камере 2 диафрагма возвращалась на место и клапан 5 снова открывался. При этих условиях регулятор Рукейроля работал в качестве редуктора давления. Когда регулятор конструировался в качестве легочного автомата, т. е. прибора, действующего в зависимости от потребности легких в воздухе, шток 4 и клапан 5 оставались разъединенными. В нормальном положении давление воздуха в камере 1 закрывало клапан 5, плотно прижимая его к седлу. При вдохе, в камере 2 возникало разрежение, благодаря чему диафрагма 3 вдавливалась, конец штока упирался в головку клапана 5, последний открывался и пропускал воздух из камеры 1 в камеру 2 до тех пор, пока давление в камере 2 не доходило до атмосферного. Тогда диафрагма возвращалась в исходное положение и клапан закрывался. Регулятор, таким образом, действовал только во время вдоха.
Устройство современного редукционного клапана и схема его работы описаны ниже. Назначением его является снижение давления газа, подаваемого из баллонов с запасом сжатого кислорода, до постоянной величины (например, до 3 ат) и посменная подача определенной дозы кислорода порядка 1,2-1,5 л/мин. В аппаратах с ручной подачей кислорода наполнение дыхательного мешка происходило только по мере убыли кислорода. Между тем из циркулировавшей в респираторе смеси газов (в основном кислород и азот) в процессе дыхания поглощался один кислород. Количество же азота, первоначально имевшееся в системе респиратора, постоянно увеличивалось в следствие того, что кислород в баллоне всегда был несколько загрязнен азотом. При длительном работе респиратора с ручной подачей кислорода мог, наконец, наступить момент, когда полный, по видимости, дыхательный мешок оказался бы наполненным азотом, и человеку угрожала бы опасность аноксемии. При наличии редуктора опасность эта может быть устранена следующим образом расход кислорода регулируется в расчете на максимальную потребность в нем во время работы. Так как напряженная работа, соответствующая такому большому расходу кислорода, не может продолжаться непрерывно, то в периоды отдыха или легкой работы кислород будет поступать в избытке, выбрасываться из системы респиратора и увлекать примешанный к нему азот. Таким образом, может быть предупреждено опасное скопление азота в респираторе.
Практическая реализация идеи регенеративного респиратора с редукционным вентилем принадлежит горному инженеру Майеру (Австрия, респиратор Майер-Пилар, I897 г.). Наличие в системе регенеративного респиратора со сжатым кислородом потенциального источника энергии в виде сжатого газа, заключенного и баллонах, натолкнуло конструкторов на мысль использовать этот источник энергии для осуществления циркуляции воздуха в респираторе независимо от усилий легких и в помощь им. Энергия сжатого кислорода была использована путем введения в конструкцию респиратора инжектора с узкой (диаметр 0,1 мм) насадкой для выпуска кислорода. Для приведения инжектора в действие давление Кислорода в редукторе снижалось только до 6-7 ат; под этим, относительно высоким давлением кислород выходил из насадки, засасывая воздух из одной половины системы респиратора (зоны выдохнутого воздуха) и нагнетая очищенный воздух в другую (в зону вдыхаемого воздуха). Схематически принцип действия инжектора показан на фиг. 5.
Необходимость введения инжектора в систему респиратора в свое время явилась следствием высокого сопротивления дыханию в респираторе. Последнее, в свою очередь, было обусловлено следующими особенностями прежних конструкций респираторов: малым диаметром дыхательных шлангов и необходимостью усложнять конструкции регенеративных патронов посредством направления воздуха по длинному и извилистому пути для лучшей очистки его от углекислоты (например, в регенеративном патроне респиратора Шванна).
Несмотря на то, что в свое время введение инжектора было прогрессивным явлением, у него вскоре нашлись противники. В 1912г. профессор Бирмингамского университета Кедмен, производя расследование причин гибели главного инженера одной из каменноугольных шахт Южного Уэльса (Англия), спустившегося в шахту в инжекторном аппарате Дрегера, установил, что смерть явилась следствием не плотности регенеративного патрона. Так как патрон находился в зоне разрежения (фиг. 5), то инжектор засосал через не плотности патрона значительное количество отравленного воздуха. Таким образом, первопричиной несчастного случая был признан инжектор, создавший отрицательное давление. На этом основании комиссия в составе известного физиолога Холдена, Бриггса и Уокера (Англия), произвела детальное исследование инжекторных аппаратов и в 1918 г. признала использование инжектора в респираторах вредным.
Помимо указанного выше недостатка комиссия указала еще и на следующие дефекты инжекторных аппаратов. Количество воздуха, циркулирующее в респираторе благодаря инжектору, недостаточно в случаях работы большой напряженности. Вследствие малого диаметра выпускного канала инжектор может легко засориться, в результате чего может прекратиться доступ кислорода в аппарат. Первую опасность - наличие в респираторе зоны пониженного давления - пытались устранить путем уменьшения протяженности этой зоны; для этого инжектор помещался не позади регенеративного патрона, а впереди него, благодаря чему в зону отрицательного давления попадал только короткий воздухопровод и половина дыхательного мешка. На этом принципе построены аппараты Дрегера - модель 1913 г. и "Вестфалия" - модель 1913 г.
Однако, эти аппараты не получили распространение по следующим основным причинам.
Во-первых, усовершенствование дыхательных шлангов (увеличение их диаметра) и регенеративных патронов (уменьшение их сопротивления) сделали наличие инжектора излишним.
Во-вторых, на смену инжектора пришла более совершенная система обеспечения человека, работающего в респираторе, достаточным количеством воздуха - система легочно-автоматическая, подробно рассматриваемая ниже.

На немногочисленных горноспасательных станциях дореволюционной России применялись инжекторные аппараты "Вестфалия" и Дрегера (главным образом модели 1904-1909 гг.).

Основным недостатком респираторов с постоянной дозировкой кислорода редуктором (в том числе и инжекторных аппаратов) была неприспособленность этих аппаратов ни к индивидуальным особенностям дыхания людей, ни к изменяющимся во время работы требованиям к респиратору.

Как уже указывалось выше, потребность человека в кислороде, в зависимости от его конституции, степени натренированности и напряженности выполняемой работы, колеблется в пределах от 0,3 до 3,2 л/мин. В респираторах с постоянной подачей кислорода, подача О 2 устанавливалась ранее, обычно, на величину от 2 до 2,5 л/мин. Между тем, опыты показали, что даже при выполнении работ значительной напряженности средний расход кислорода не превосходит 1,3- 1,5 л/мин. Из сказанного видно, что при установке редуктора на постоянную подачу кислорода на величину от 2 до 2,,5 л/мин этого количества при выполнении работы очень высокой (приближающейся к предельной) напряженности может не хватить. С другой стороны, постоянный расход в 2-2,5 л/мин, при выполнении нормальной работы или во время отдыха, оказывается чрезмерным и приводит к ненужной затрате кислорода и сокращению времени защитного действия респиратора. Отсюда возникло требование предусмотреть, в респираторе такое устройство, которое давало бы возможность впускать в систему респиратора ровно столько кислорода, сколько человеку необходимо в данный момент nребование это было удовлетворено введением клапана - легочного автомата, названного так потому, что он действует под влиянием разряжения, вызванного легкими при вдохе.

Первый легочный автомат был предложен в 1907 г, Гарфортом (Англия, респиратор В.Е.Г.). Затем в США, Франции и Германии почти одновременно (1917-1924) появились легочно-автоматические респираторы оригинальных конструкций. К ним относятся респираторы Гиббса (США), Пауля (США), Фанзи (Франция), Аудос (фирмы Дегеа) и Дрегера (Германия).
Принцип действия легочного автомата состоит в том, что кислородопровод, идущий от камеры редуктора, запирается специальным клапаном, шток которого, непосредственно или посредством рычажной передачи, находится под действием стенок дыхательного мешка. Когда мешок полон воздуха и стенки его раздуты, головка штока или длинное плечо рычага ("перо") клапана-автомата висит свободно и сам клапан закрыт благодаря давлению запорной пружины. Как только дыхательный мешок опустошается, стенки его спадаются, производят нажим на шток клапана-автомата, последний преодолевает сопротивление запорной пружины, клапан открывается и кислород поступает в мешок до тех пор, пока стенки его снова не раздуются. Так как разрежение в системе респиратора образуется во время вдоха, то и кислород в респиратор добавляется по мере надобности, т. е., когда во время вдоха в респираторе ощущается недостаток кислорода. Соответствующим подбором и натяжением пружины можно отрегулировать клапан-автомат таким образом, чтобы он действовал при определенном разрежении в системе респиратора. В случае же возникновения в системе респиратора избыточного давления (при избытке воздуха в респираторе) излишний воздух выпускается через специальный избыточный клапан. Последний действует наподобие клапана-автомата, т. е. в прямой зависимости от состояния стенок дыхательного мешка. Когда стенки дыхательного мешка под влиянием избыточного давления чрезмерно раздуты, шток избыточного клапана преодолевает сопротивления запорной пружины, клапан открывается и выпускает воздух из респиратора наружу до тех пор, пока в респираторе не установится давление ниже определенного предела и стенки дыхательного мешка несколько спадутся. Таким образом, в перечисленных выше конструкциях легочно-автоматических респираторов дыхательный мешок находится во время работы в состоянии неустойчивого равновесия. Давление и разрежение в нем, при применении легочного автомата и избыточного клапана, колеблется в сравнительно небольших пределах (обычно - 25 мм вод. столба), что ограничивает и величину максимального положительного или отрицательного давления в системе респиратора в целом. Для иллюстрации системы неустойчивого равновесия дыхательного мешка приведены две типичные схемы регулирования давления и разрежения в респираторах системы Фанзи (фиг. 6) и Дрегера (фиг. 7).

Громадными преимуществами описанных выше систем, по сравнению с респираторами с одной только постоянной дозировкой кислорода (в том числе с инжекторными респираторами), были экономное расходование кислорода и приспособляемость респиратора к любым требованиям, предъявляемым во время работы органами дыхания. Однако респираторам легочно-автоматического типа был свойствен тот же недостаток, что и респираторам с ручной подачей кислорода, - опасность накопления азота. В респираторах Дрегера и Дегеа (Аудос) для устранения опасности азота, начиная с 1923 г., начали предусматривать комбинированную подачу кислорода с помощью легочного автомата и дозировочного устройства - редуктора (фиг. 8). В этих моделях редуктор регулируется на постоянную подачу кислорода в количестве 1,5 л/мин, чего с избытком хватает на покрытие потребности в кислороде человека, выполняющего не особенно напряженную работу. При увеличении интенсивности работы, связанной с увеличением легочной вентиляции, при резких вдохах, вызывающих спадание стенок дыхательного мешка, открывается клапан легочного автомата и в систему респиратора подается добавочное количество кислорода. Во время отдыха, когда потребность в кислороде может снизиться до 0,3-0,5 л/мин, избыточный кислород выбрасывается в наружную атмосферу через избыточный клапан, увлекая с собой имеющийся в респираторе азот. То же самое происходит и в моменты перехода от тяжелой работы к легкой, когда в результате усиленной работы легочного атомам в респираторе образуется избыток воздуха. В обычных условиях работы горно-спасательных частей такое устройство респиратора в достаточной мере гарантирует бойцов от опасности скопления азота в респираторе. Эта опасность могла бы быть только в том случае, если бы бойцы длительное время и без перерывов выполняли работу постоянной напряженности, которая требовала бы постоянного расхода кислорода в количестве, не меньшем 1,5 л/мин. При таких условиях в респираторе не могло бы образовываться излишка воздуха, избыточный клапан должен был бы бездействовать и в респираторе могло бы скопиться значительное количество азота. Хотя в практических условиях ведения горно-спасательных работ случаи длительной, равномерной, беспрерывной и напряженной работы могут иметь место лишь как исключение, но все же с возможностью таких случаев следует считаться.

В современных респираторах, помимо легочного автомата и постоянной дозировки, предусматривается ещё третий способ подачи кислорода - посредством так называемого байпасаили аварийного клапана. Этот клапан расположен на кислородопроводе, соединяющем непосредственно кислородным баллон с дыхательным мешком или воздухопроводами респиратора и открывается вручную нажимом кнопки. Благодаря наличию этого клапана можно продолжать дышать в респираторе даже в случае порчи или выхода из строя легочного автомата, дозирующего отверстия или всего редукционного клапана. В тех случаях, когда после длительной, непрерывной работы в респираторе предполагается опасность скопления в нем азота, действием этого же аварийного клапана можно прополаскивать систему респиратора кратковременным нажимом кнопки клапана. Даже при самых неблагоприятных условиях работы респиратора достаточно прополаскивать систему воздухопроводов и мешка не чаще одного раза в полчаса. Обычно же, во избежание излишнего расхода кислорода, аварийным клапаном пользуются лишь при аварии с редуктором или с легочным автоматом, и вообще в случаях, когда ощущается недостаток воздуха в респираторе.

Система комбинированной подачи кислорода - легочным автоматом, дозировочным устройством - редуктором и аварийным клапаном - байпасом - для регенеративных респираторов со сжатым кислородом в настоящий момент может считаться технически наиболее совершенной. Эта система принята за основу и при конструировании советских регенеративных респираторов.

Схема современного респиратора, снабженного вышеописанным кислородно-распределительным устройством, показана на фиг. 8.

Химическое оружие

Первым применением химического оружия было использование хлора под Ипром во время I Мировой войны. 22 апреля 1915 года немецкая армия выпустила 168 тонн хлора на участке фронта длиной 6 км. В течение 10 минут около 6000 человек погибло от удушья. Газ воздействовал на лёгкие и глаза, не давая дышать и ослепляя. Так как плотность газообразного хлора больше, чем у воздуха, он стремился спускаться в низины, заставляя солдат покидать окопы.

Первым зарегистрированным случаем использования респираторов для защиты от химического оружия стало использование канадскими солдатами, находившимися вдали от места его применения, пропитанной мочой ткани. Они поняли, что аммиак будет вступать в реакцию с хлором, а вода будет поглощать хлор, и это позволит дышать.

А в мае 1915 года химическое оружие применили против русской армии. Сначала для защиты использовали повязки со специальной пропиткой, а затем стали разрабатывать и применять различные противогазы.

О классификации современных респираторов можно узнать в статье Классификация респираторов, а ссылки на ГОСТы РФ для разных респираторов есть в СИЗОД.