間歇性低氧訓練用常壓低氧艙及其調節低氧艙內氧氣濃度的方法
2023-09-21 01:29:30 1
專利名稱：間歇性低氧訓練用常壓低氧艙及其調節低氧艙內氧氣濃度的方法
技術領域：
本發明屬一種訓練裝置及其使用方法，具體涉及一種用於進行間歇性低氧訓練的裝置及其調節低氧艙內氧氣濃度的方法。
背景技術：
現有進行間歇性低氧訓練的方法通常有可以讓被訓人員在低壓艙環境中，採用間歇地改變來自氧分壓較低的低壓艙內氣體，或來自氧分壓較高的面罩呼吸的方法進行訓練；也可以讓被訓人員在非艙環境下，利用面罩內較低的氧濃度氣體與氧濃度較高的氣體之間進行間歇性變換的呼吸訓練。前一種利用低壓艙的訓練方法雖然會使訓練中的低氧生理反應較真實，但存在低壓艙造價較高，以及在艙內氣壓驟變時對人體中耳腔氣壓平衡存在安全性隱患的問題；後一種利用氧濃度較低氣體的面罩進行低氧訓練雖然造價便宜，但存在面罩呼氣阻力較高會造成低氧生理反應失真的問題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服上述不足，提供一種間歇性低氧訓練用常壓低氧艙及其調節低氧艙內氧氣濃度的方法，該裝置造價低，可避免由艙內氣壓驟變產生的安全性隱患，並能克服採用面罩低氧濃度呼吸時呼氣阻力較高、容易出現低氧生理反應失真的問題，該調節低氧艙內氧氣濃度的方法具有簡單易行的優點。解決上述問題的技術方案是本發明裝置設有具有氣體置換功能的常壓低氧艙， 該常壓低氧艙通過流量控制部件和流量測量部件與氮氣源連通，並與抽氣裝置連接；設有與中央控制單元連接的氧氣濃度測量裝置，用於測量常壓低氧艙內的氧氣濃度，所述的流量測量部件與中央控制單元輸入端連接，中央控制單元的控制端與流量控制部件電連接； 還設有具有氣體置換功能的封閉式氣源艙，常壓低氧艙內設有供被訓者呼吸用的面罩，面罩分別通過吸氣管單向閥和通斷閥，以及呼氣管單向閥和通斷閥與氣源艙連通，氣源艙設有氣源輸入管和氣流輸出管。進一步的，設有用於測量常壓低氧艙體內外氣壓差的壓差測量部件，壓差測量部件與中央控制單元連接；本發明裝置調節常壓低氧艙內氧氣濃度的方法是利用常壓低氧艙存在的漏氣點會在艙內外存在壓差的情況下產生氣體交換、且壓差大小可決定空氣洩漏量的特點，用控制輸入氮氣量與抽氣量之間相對大小的方法調節常壓低氧艙內與艙外的壓力差，從而實現通過調節艙內氮氣量和空氣量的比例來實現調節常壓低氧艙內氧濃度的功能。本發明裝置適用於單人或數人的間歇性低氧訓練，被訓人員可在常壓低氧艙內進行低氧訓練活動，艙內根據被訓人數設置相應數量的面罩，當被訓人員在低氧訓練過程中需要間歇性地呼吸氧濃度較高氣體時，氣源艙可通過面罩為其提供氧濃度較高的呼吸氣源。
本發明的氣源艙可設置在常壓低氧艙的外部，也可設置在常壓低氧艙的內部，兩艙內腔相互隔離，兩艙中的氣體來源和出口有各自獨立的路徑。氧氣濃度測量裝置可將常壓低氧艙內的氧氣濃度值輸入到中央控制單元，中央控制單元通過控制氮氣源的流量控制部件，達到自動調節常壓低氧艙內氧氣濃度的目的。常壓低氧艙設置的抽氣裝置可配合氮氣流量的控制，實現艙內壓力的控制和艙內外氣體的置換當輸入的氮氣流量小於抽氣量時，艙內呈負壓，反之，艙內呈正壓；本發明的常壓低氧艙雖然在結構上未設專門的環境空氣輸入管道，但實際上是利用了普通常壓艙體的艙體艙門等部位會不可避免地存在空氣洩漏點，當艙體內外存在壓差時，這些洩漏點會產生艙體內外之間的氣體交換。當常壓低氧艙要從常氧狀態向低氧狀態轉換時，本發明可先關閉抽氣裝置，利用輸入的氮氣及艙體存在的漏氣點置換艙內的空氣，使艙內的氧濃度降低(此時艙內呈正壓)，當低氧水平達到設定值時，再開啟抽氣裝置，使艙內呈一定程度的負壓，然後在保持負壓的狀態下，通過調節氮氣流量，使艙內氧氣濃度符合設定值。氣源艙的氣源輸入管用於為氣源艙輸入氧濃度比常壓低氧艙高的空氣或其它高氧氣源，滿足訓練人員需要間歇呼吸較高濃度氧氣的要求，氣流輸出管則配合氣源輸入管實現氣源艙的氣體置換的功能。本發明克服了傳統低壓艙造價高、存在安全隱患的不足，並克服了傳統低氧面罩呼吸阻力高的不足，具有結構簡單、造價低、安全性好的優點，本發明調節低氧艙內氧氣濃度的方法具有簡單易行的優點。
圖1、本發明裝置實施例結構示意2、本發明裝置實施例常壓低氧艙內氧濃度控制流程3、本發明裝置實施例氣源艙與高氧氣源連接的結構示意圖
具體實施例方式參見圖1，本例裝置設有足夠大的空間的常壓低氧艙，艙體設有可供被訓人員出入的艙門。本例低氧艙是鋼型材搭建成的框架再加蒙皮的結構，蒙皮可以是帆布，或者玻璃， 或者鋁板，或者鐵皮。低氧艙也可以是其它土木結構或者水泥結構。總之，本發明的低氧艙體是在較低成本安裝工藝下的存在漏氣點的常壓艙體。設有氮氣源，壓力高於常壓低氧艙內壓力的氮氣源通過氮氣輸入管、流量控制閥和流量測量部件與常壓低氧艙內腔連通，並設有抽氣管，抽氣管通過抽氣量控制閥與抽氣裝置連接，用於保證常壓低氧艙內壓力調節和氣體置換功能的實現。還設有用於測量常壓低氧艙內氧氣濃度的氧氣濃度測量裝置和用於檢測常壓低氧艙內與艙外氣壓差的壓差測量指示部件，氧氣濃度測量裝置和壓差測量指示部件的測量數據輸出端與中央控制單元輸入端連接，前述氮氣源流量測量部件的測量數據輸出端也與中央控制單元輸入端連接，中央控制單元的控制輸出端與氮氣源的流量控制閥連接，用於控制氮氣源的流量。
中央控制單元採用的是單片機，也可是微型計算機、CPLD等其它控制裝置。為實現常壓低氧艙內氣體壓力和氧濃度的平穩控制，可將艙內氣壓值控制在當地大氣壓的一個上下較小變化範圍值內，例如本例是將艙內氣壓值控制在當地大氣壓的士 2. 5mmHg以內(還可根據艙體大小適當改變該範圍值)，即當地海平面高度士 30米以內。低氧艙內的這種常壓控制性能設計可帶來如下效果(1)、由於壓差很小，艙內還是常壓，因此艙內的氧分壓和氧濃度基本是等效的。例如當該壓差值控制在當地大氣壓的士2. 5mmHg以內時，兩者相互表達的差異僅在0. 33以內 (2. 5/760 ^ 0. 33% ) (2)、由於艙內氣壓保持在常壓附近的控制性能設計，可使艙內氧分壓的控制變得僅僅調節氮氣輸入流量，即可達到艙內不同氧分壓的要求。這為艙內氣體氧濃度自動控制系統的設計提供了極有利的條件(單參數反饋控制)。(3)、這種常壓性能設計還簡化了艙體艙門的密閉性設計，因為成本相對低廉的艙體結構不可避免地會存在漏氣點，而這些漏氣點所造成的漏氣量，從工程觀點看是艙內外壓差的函數，在抽氣量一定的條件下，調節氮氣輸入量，就可以調節艙內外的差壓，也就等於調節了流入艙內的空氣量，而氮氣量和空氣量的比例，就決定了艙內氣體的氧濃度，常壓艙體漏氣點的這一性能正好可被利用作為艙內氣體氧濃度的調節因素。由於常壓低氧艙的漏氣程度過大時，易造成氮氣量的浪費；過小時會造成艙內氣體置換過慢，有可能使被訓者在艙內呼出的二氧化碳積累濃度過高，所以在進行常壓低氧艙的製備時，可在氮氣源和抽氣裝置運行的情況下配合C02含量的檢測使常壓低氧艙的漏氣程度控制在適當的範圍內，以實現本發明的優化運行。對於常壓低氧艙設置的抽氣裝置，當低氧艙內的壓差值的穩定水平要求不高時， 可以將其抽氣量控制閥人工設定在一個位置上就不動了，這樣，低氧艙內與艙外的壓差值就主要隨氮氣流量的變化而變化，不過，由於壓差值變化很小，所以，對低氧程度影響不大(如果需要精確控制壓差值，也可由中央控制單元依據測量的壓差信號精細控制抽氣量控制閥)。圖2是本例中央控制單元控制常壓低氧艙內氧氣濃度的流程圖。本例在實際運行中，通過控制輸入的氮氣量與抽氣量之間的相對大小，使常壓低氧艙內的氣壓控制並保持在當地氣壓的士2. 5mmHg以內，在該壓力差範圍內，再通過調節氮氣流量控制常壓低氧艙內的氧濃度；具體調節過程是當常壓低氧艙要從常氧狀態向低氧轉換時，先關閉抽氣裝置，利用輸入的氮氣及艙體存在的漏氣點置換艙內的空氣，使艙內的氧濃度降低(此時艙內呈正壓)，當低氧水平達到設定值時，再開啟抽氣裝置，使艙內呈一定程度的負壓，然後在維持負壓的條件下，通過調節氮氣流入量，使艙內氧氣濃度符合設定值，上述整個調節過程的艙內氣壓值是控制在當地氣壓的士2. 5mmHg以內。常壓低氧艙內的面罩呼吸氣源由容積足夠大的氣源艙提供，氣源艙設有氣源輸入管、氣流輸出管和面罩連接口，本例氣源艙設置在常壓低氧艙內，其氣源輸入管和氣流輸出管分別通過各自的管路通到常壓低氧艙外，其中氣源輸入管用於從低氧艙外輸入氧濃度高於常壓低氧艙內氧濃度的呼吸氣體，本例是直接與大氣連通，輸入常壓低氧艙外的環境空氣，氣流輸出管是與艙體外的功率較小的抽氣裝置連接，以保證氣源艙內的氣體置換。
氣源艙設有檢測氣源艙內腔與常壓低氧艙內腔氣壓差的壓差測量顯示裝置，該裝置可供人工觀察，也可與中央控制單元連接，由中央控制單元根據壓差顯示控制氣源艙抽氣裝置的抽氣量，以使二艙的壓差不要過大，同時保證氣源艙內的二氧化碳濃度不要過高。如果要求輸入氣源的氧濃度高於21%，則需要將氣源艙的氣源輸入管連接到艙外的高氧氣源設備(參見圖3)，因高氧氣源有正壓，所以此時氣源艙的氣流輸出管直接與大氣連通即可實現氣源艙內的氣體置換。常壓低氧艙內的面罩分別通過吸氣管和呼氣管與氣源艙連接，吸氣管和呼氣管路上分別設有吸氣管單向閥和呼氣管單向閥，並分別設有通斷閥門，通斷閥門只有在需要從面罩呼吸時才被打開。在實際運行中，常壓低氧艙和氣源艙設置的抽氣裝置可用於調節兩艙中的壓力， 通過氣體置換功能使被訓者呼氣中所含C02成份在兩艙中的積累量分別低於規定的標準， 本例的規定是兩艙中C02積累量應低於0. 5%，當檢測到C02高於該值時，可加大抽氣量，提高氣體的置換流量。
權利要求
1.間歇性低氧訓練用常壓低氧艙，設有具有氣體置換功能的常壓低氧艙，該常壓低氧艙通過流量控制部件和流量測量部件與氮氣源連通，並與抽氣裝置連接；設有與中央控制單元連接的氧氣濃度測量裝置，用於測量常壓低氧艙內的氧氣濃度，所述的流量測量部件與中央控制單元輸入端連接，中央控制單元的控制端與流量控制部件電連接；還設有具有氣體置換功能的封閉式氣源艙，常壓低氧艙內設有供被訓者呼吸用的面罩，面罩分別通過吸氣管單向閥和通斷閥，以及呼氣管單向閥和通斷閥與氣源艙連通，氣源艙設有氣源輸入管和氣流輸出管。
2.根據權利要求1所述的間歇性低氧訓練用常壓低氧艙，其特徵在於，設有用於測量常壓低氧艙體內外氣壓差的壓差測量部件，壓差測量部件與中央控制單元連接。
3.根據權利要求1所述的間歇性低氧訓練用常壓低氧艙，其特徵在於，所述的氣源艙設有檢測氣源艙內腔與常壓低氧艙內腔氣壓差的壓差測量裝置。
4.根據權利要求1、2或3所述的間歇性低氧訓練用常壓低氧艙，其特徵在於，所述氣源艙氣源輸入管與大氣連通，氣流輸出管與抽氣裝置連接。
5.根據權利要求1、2或3所述的間歇性低氧訓練用常壓低氧艙，其特徵在於，所述氣源艙氣源輸入管與高氧氣源連接，氣流輸出管與大氣連通。
6.權利要求1-5所述裝置調節低氧艙內氧氣濃度的方法，其特徵在於利用常壓低氧艙存在的漏氣點會在艙內外存在壓差的情況下產生氣體交換、且壓差大小可決定空氣洩漏量的特點，用控制輸入氮氣量與抽氣量之間相對大小的方法調節常壓低氧艙內與艙外的壓力差，從而實現通過調節艙內氮氣量和空氣量的比例來實現調節常壓低氧艙內氧濃度的功能。
7.根據權利要求6所述的調節低氧艙內氧氣濃度的方法，其特徵在於通過控制輸入的氮氣量與抽氣量之間的相對大小，將常壓低氧艙內的氣壓控制在當地大氣壓的一個上下較小變化範圍值內，在該壓力差範圍內，通過調節氮氣流量控制常壓低氧艙內的氧濃度。
8.根據權利要求6所述的調節低氧艙內氧氣濃度的方法，其特徵在於當常壓低氧艙要從常氧狀態向低氧狀態轉換時，先關閉抽氣裝置，利用輸入的氮氣及艙體存在的漏氣點置換艙內的空氣，使艙內的氧濃度降低，當低氧水平達到設定值時，再開啟抽氣裝置，使艙內呈一定程度的負壓，然後在保持負壓的狀態下，通過調節氮氣流量，使艙內氧氣濃度符合設定值。
全文摘要
間歇性低氧訓練用常壓低氧艙及其調節低氧艙內氧氣濃度的方法，設有常壓低氧艙，常壓低氧艙通過流量控制部件和流量測量部件與氮氣源連通，並與抽氣裝置連接；設有與中央控制單元連接的氧氣濃度測量裝置，流量測量部件與中央控制單元輸入端連接，中央控制單元與流量控制部件電連接；還設有具有氣體置換功能的氣源艙，常壓低氧艙內設有面罩，面罩分別通過吸氣管單向閥和通斷閥，以及呼氣管單向閥和通斷閥與氣源艙連通，氣源艙設有氣源輸入管和氣流輸出管，具有結構簡單、造價低、安全性好的優點，本發明方法通過控制輸入的氮氣量與抽氣量之間的相對大小調節低氧艙內外的壓力差，實現調節常壓低氧艙內氧濃度的功能，具有簡單易行的優點。
文檔編號G05D16/04GK102198321SQ20111006462
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月17日 優先權日2011年3月17日
發明者俞夢孫, 李曄, 楊軍, 王乃中, 王海濤, 苗毅 申請人:中國人民解放軍空軍航空醫學研究所, 北京新興陽升科技有限公司