基于鸟类双重呼吸原理的呼吸系统换气装置

本技术属于仿生机械学，具体涉及一种基于鸟类双重呼吸原理的呼吸系统换气装置。

背景技术：

1、本实用新型的灵感来源于鸟类的双重呼吸系统，为适应飞翔生活，鸟类具有其独特的呼吸方式，其呼吸系统主要由气管、肺和气囊组成，呼吸的时候，吸入的空气先通过肺部，一部分气体在肺部进行气体交换，还有一部分气体没来得及进行气体交换，经肺进入气囊；呼气时，气囊中的气体会被压出，再次通过肺部进行气体交换。这种在吸气和呼气时都能在肺部进行气体交换的呼吸方式，称为“双重呼吸”。双重呼吸原理大大提高了换气效率，并且多气囊的特点使鸟类能够减轻自身重量、散发飞行时的大量热量。本实用新型可应用于各种坍塌事故的自我救援，在很多坍塌事故中受害者面临着缺氧造成的呼吸困难，尤其在井下作业发生坍塌时，在空间狭小密闭、氧气稀少的极端环境下如何利用辅助呼吸设备实施自我救援，争取救援时间，从而有效降低因窒息造成的死亡率变得意义非凡，而现有的制氧机和呼吸机等辅助呼吸设备无法满足高效制氧同时用于人体呼吸，并且需要配备固定交流电源、体积庞大、成本较高，无法用于极端环境下。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种基于鸟类双重呼吸原理的呼吸系统换气装置，解决了现有技术中存在的井下作业发生坍塌时，在空间狭小密闭、氧气稀少的极端环境下窒息造成的死亡率高的问题。

2、本实用新型所采用的技术方案是，一种基于鸟类双重呼吸原理的呼吸系统换气装置，包括固定在底座上的缸体，缸体内部为空腔，缸体内部左右对称设置有两组腹腔，缸体内部中间腔体为主腔，主腔的一端联通进气口，主腔的另一端联通排气口，气体由进气口进入缸体，在主腔和各个腹腔中流通，两组腹腔均与动力同步机构配合，动力同步机构又与往复直线运动机构、换气机构配合，实现气体交换，主腔中间装有反应滤芯，气体从进气口进入并与反应滤芯中的固体发生物理化学反应，再通过排气口排出。底座上设置有支座a、支座b、支座c、支座d四个支座，缸体通过螺栓组件e、螺栓组件f、螺栓组件g、螺栓组件h分别与支座a、支座b、支座c、支座d配合固定在底座上。

3、换气机构具体结构为：其中一侧的一组腹腔中依次设置有缸筒b、缸筒c、缸筒d，另一侧的一组腹腔中依次设置有缸筒a、缸筒e、缸筒f，缸筒a、缸筒b、缸筒c、缸筒d、缸筒e、缸筒f均通过过盈配合分别嵌在缸体两侧的6个腹腔中，每个腹腔中的缸筒轴向靠腹腔中的台阶面进行定位，6个腹腔内部均设计有台阶面，每个腹腔内对应的缸筒从腹腔大孔端嵌入，由孔肩处台阶面实现轴向定位，活塞a、活塞b、活塞c、活塞d、活塞e、活塞f均采用间隙配合的方式分别对应嵌入缸筒a、缸筒b、缸筒c、缸筒d、缸筒e、缸筒f中，活塞沿缸筒内壁做往复直线运动，活塞杆a、活塞杆f、活塞杆e的其中一端分别对应与活塞a、活塞f、活塞e相连，活塞杆b、活塞杆c、活塞杆d的其中一端分别对应与活塞b、活塞c、活塞d相连，活塞杆a、活塞杆f、活塞杆e的另一端通过螺母a、螺母f、螺母e与所在侧连接板a固定连接，连接板a通过螺栓组件c、螺栓组件d与所在侧轴承座a固定连接，活塞杆b、活塞杆c、活塞杆d的另一端通过螺母b、螺母c、螺母d与所在侧连接板b固定连接，连接板b通过螺栓组件a、螺栓组件b与所在侧轴承座b固定连接，上下连接杆a与轴承座a内孔之间为过渡配合，上下连接杆b与轴承座b内孔之间为过渡配合。

4、本实用新型的特点还在于，

5、两组腹腔结构相同，每组腹腔包括3个腹腔，3个腹腔a依次排列设置于主腔的其中一侧，3个腹腔b依次排列设置于主腔的另一侧，腹腔a和腹腔b均与主腔连通，且腹腔a的长轴线和腹腔b的长轴线均与主腔的长轴线垂直。

6、活塞a、活塞f、活塞e中分别对应设置有活塞销a、活塞销f、活塞销e，活塞销a、活塞销f、活塞销e各自通过对应的鱼眼轴承a、鱼眼轴承f、鱼眼轴承e与活塞杆a、活塞杆f、活塞杆e对应连接；

7、活塞b、活塞c、活塞d中分别设置有活塞销b、活塞销c、活塞销d，活塞销b、活塞销c、活塞销d各自通过对应的鱼眼轴承b、鱼眼轴承c、鱼眼轴承d与活塞杆b、活塞杆c、活塞杆d相连。

8、往复直线运动机构采用曲柄滑块机构实现运动转换，两个曲柄滑块机构分布于缸体左右两侧，具体结构为：其中一侧的曲柄滑块机构包括曲柄a，曲柄a与连杆a的一端之间通过轴销b相连，轴销b和连杆a之间设置有轴承b，连杆a的另一端通过轴销a与滑块结构a连接；另一侧的曲柄滑块机构包括曲柄b，曲柄b与连杆b的一端之间通过轴销d相连，轴销d和连杆b之间设置有轴承e，连杆b的另一端通过轴销c与滑块结构b连接。

9、滑块结构a包括与轴销a连接的滑块载物台a，连杆a与滑块载物台a之间通过轴销a和轴承a配合相连，滑块载物台a与滑块a粘接而成，滑块a底部设置有直线导轨a，直线导轨a通过螺钉a与立板a联接，滑块载物台a与所述换气机构连接；

10、滑块结构b包括与轴销c连接的滑块载物台b，连杆b与滑块载物台b之间通过轴销c和轴承d配合相连，滑块载物台b与滑块b粘接而成，滑块b底部设置有直线导轨b，直线导轨b通过螺钉b与立板b联接，滑块载物台b与换气机构连接。

11、动力同步机构具体结构为：包括减速电机，减速电机与双联同步带轮轴采用联轴器连接，以减速电机作为驱动件，双联同步带轮轴与双联同步带轮通过过盈配合联接，双联同步带轮通过同步带a、同步带b将动力输向两侧对应的单带轮a和单带轮b，单带轮a与同侧单带轮轴a之间通过过盈配合联接，单带轮b与同侧单带轮轴b之间通过过盈配合联接，单带轮轴a通过轴承f支撑在支撑板b上，支撑板b与底座之间通过焊接方式连接，单带轮轴b通过轴承c支撑在支撑板a上，支撑板a与底座之间通过焊接方式连接，中间的双联同步带轮轴通过轴承g支撑在支撑板c上，支撑板c与底座之间通过焊接方式连接，单带轮轴a、单带轮轴b与往复直线运动机构联结。

12、主腔腔体中内置有反应滤芯，反应滤芯其中一端通过卡槽与端盖相连，端盖与缸体1凸缘通过卡扣方式相连，端盖与缸体结合面处垫有垫圈，反应滤芯中加装有吸附剂。

13、反应滤芯为三层滤网结构，从外到内依次为初级滤网、中级滤网、高级滤网，高级滤网的中芯、高级滤网与中级滤网夹层、中级滤网与初级滤网夹层之间均放置有固体吸附剂或者固体反应物。

14、本实用新型的有益效果是，一种基于鸟类双重呼吸原理的呼吸系统换气装置，利用鸟类双重呼吸原理进行气体交换，换气效率高。缸体由主腔、腹腔、进排气口结构构成，缸体的腹腔与活塞配合，通过活塞运动实现气体交换，通过进排气口连接软管进行气体输送，主腔中间装有反应滤芯，气体从进气口进入并与反应滤芯中的固体发生物理化学反应，再通过排气口排出。当活塞进行一次往复运动时，气体两次通过主腔，产生两次气体交换，即利用了“双重呼吸”原理，提高了气体交换速率，实现高效换气。整体装置体积小巧，布置方案具有结构紧凑、可靠性强的特点，后期维修成本较低。结构方面，采用同步带轮机构实现两侧动力同步，同时采用曲柄滑块机构实现运动转换，缸体的两侧腹腔采用对置式布置，同步带装置置于缸体下面，缸体进行了结构轻量化设计，电机的动力通过联轴器传递给同步带轮，两侧同步带轮通过键连接与曲柄相连，动力通过曲柄滑块机构传递给活塞，运动可靠，制造成本低。本实用新型以鸟类双重呼吸原理为模拟对象，能够实现氧气高效再生，该换气装置的开发对呼吸机设备的改进、填埋气资源化利用技术体系的优化以及气固反应的高效反应等相关研究具有重要的作用，迄今国内外尚未见类似的报道和专利。该装置用于井下作业时的灾难救援时，将制氧和辅助呼吸功能集于一身，通过电机-同步带-曲柄滑块--活塞将旋转运动转换为活塞的往复运动，进而完成缸体中的进排气，进气口通过进气软管与呼吸面罩相连，人体呼出的气体通过呼吸面罩进气软管进入缸体，气体通过缸体中的反应滤芯完成制氧反应，制得的氧气再经过排气软管和呼吸面罩辅助人员进行呼吸。反应滤芯与端盖通过卡槽连接，端盖与缸体之间通过密封圈进行密封，人员在使用过程中可快速更换反应滤芯，延长救援时间。该装置用于垃圾填埋场填埋气的预处理环节时，可提高甲烷和二氧化碳的收集效率，具有减排除杂的功能，将填埋气集气管与进气口相连，滤芯中放置甲烷吸附剂或者二氧化碳吸附剂，排气口与后处理环节相连，通过电机-同步带-曲柄滑块--活塞将旋转运动转换为活塞的往复运动，使填埋混合气体充分与吸附剂进行接触，有用气体通过缸体中的滤芯完成充分吸附作用，从而达到高效减排、气体资源化利用的功能。