CN1009816B - 辅助生命维持系统 - Google Patents

Abstract

本文的潜水员辅助生命维持系统有一半闭式循环再呼吸器装置，通过一根或多根软管与截断阀和头盔或面罩-界面连接。再呼吸器装置在正常潜水作业处于备用状态时，保持压力高于周围环境压力，半闭式循环再呼吸装置用一根或多根软管(2)与截断阀(4)和头盔或面罩界面(17)连接，节至少包括一个辅助肺部呼吸器(1)、吸湿器(10)、CO₂洗涤器(11)，和半流阀(6)，节流阀(6)与压缩气瓶连接。启动时，气体可以固定速率流入装置。在备用状态下压力保持高于环境，避免海水漏入。

Description

本发明涉及专门为潜水员应急，特别是在深潜作业应急而设计的辅助生命维持系统（SLS）。

一般的应急装置包括压缩呼吸气体，能存在在一个用一根或多根软道连接并装有供气调节器阀门的钢瓶里，使潜水员能够从钢瓶中吸入氧气。这是一个开式循环系统，呼出的气体从潜水员头盔或面罩排出。在深潜作业（即450米深，45巴压力）时，可以携带的呼吸气体（即4升，300巴压力）根据呼吸速率只够短时间（即约20～90秒）使用。

一般潜水员的主生命维持系统是按耗气原理操作，并且在正常情况下是从远距气源供气（即从地面，或从潜水浮筒）。如果主生命维持系统发生故障，即其供应联系管线遭到损坏，断开或示出了差错时，潜水员则需要应急，应急时间应足以使潜水员安全返回（即回到潜水浮筒）或得到营救。

本发明的一个方面，潜水员辅助生命维持系统包括一个再呼吸装置，通过一根或多根软管经截断阀和头盔或面罩的界面连通。该再呼吸装置在正常潜水作业处于备用状态时，保持压力大于周围环境压力。本发明的另一个方面，潜水员辅助生命维持系统的再呼吸装置，通过一根或多根软管与截断阀和头盔或面罩界面连接。该装置至少由一个辅助肺部呼吸器、吸湿器、二氧化碳洗涤器、节流阀构成。节流阀与压缩气瓶连接，以便在装置启动时，气体能以基本恒定速率流入装置。具体地讲，该装置的一个特点是在它处于备用状态时可以保持压力大于周围环境压力。例如，超过压力或许多约为4巴，但一般认为超压为0.1～0.2巴就已经足够了。上述SLS系统的特点是：

ⅰ）使用再呼吸装置延长应急时间;

ⅱ）由于装置内保持超压，排除了海水渗入装置的可能性;

ⅲ）处于备用状态的装置在作业时可以受控潜深，因此在潜水员改变潜深时，既无浮力变化，也无气体超压现象。

具有上述特点的SLS应急再呼吸装置的具体情况，现仅用实例，并参考附图进行详述。

图1为本发明应急再呼吸装置的图解;

图2表示预测应急再呼吸装置在450MSW和250MSW深处以不同呼吸速率进行的呼吸操作;

图3为本发明另一种应急再呼吸装置图解。参考图1，潜水员辅助生命维持系统包括一个半闭式循环应急再呼吸装置，该装置有一辅助肺部呼吸器1。通过安在头盔上的截断阀4用一根软管2与头盔3连通。在以前的技术中，标准的潜水操作使用的再呼吸装置（即闭路循环氧气再呼吸装置），一般有两根软管与头盔或面罩连接，分别用于吸气和呼气。如图1所示，有一约4升（水体积）的普通钢瓶5用于储存补充气体，压力为200～300巴。补充气体的出口压力调节到高于周围环境压力，当装置启动进行应急时，气体可以通过节流阀6以一定的速率，即1～2升/分，进入辅助肺部呼吸器，从生理上看，补充气体最好是2.5巴分压以上的富氧气体。

在备用状态，装置可以保持比周围环境压力稍高的预定压力。装置在备用状态下，最好超压约为4巴，即一般的约为0.1～0.2巴。

在背负组件7中，软管2分成吸入管8和呼出管9，通过呼出管/循环管上的脱水器10和二氧化碳洗涤器11。在这个具体装置中，主要系统组件，包括二氧化碳洗涤器11，在正常操作时，由来自潜水员热水供给器的水流12加热。背负组件7最好保温防止外冷。二氧化碳洗涤器11在备用状态下加热，保持化学吸附剂（即硅胶）在一定温度。在该温度下只要装置启动时，化学吸附剂便能见效。热再生器，内装细金属丝网层，可以安装在辅 助肺部呼吸器的进气端，以防止通过辅助肺部呼吸器的大面积的表蹭造成热量散失。当装置启动时，从呼出气体中排出热量，而在吸气时，冷气回到热再生器，储存的热量由此再进入潜水员呼吸系统。

当需要应急时，头盔阀打开，辅助肺部呼吸器立刻将超压排入头盔。根据紧急程度，这种直接供气也许对净化头盔会有益处。头盔菌形阀将排出由此方式进入的任何过量气体，并避免头盔产生超压。

在操作状态下，呼出的气体（主要含有稀释剂，一些残氧和二氧化碳），通过一根或多根软管，经过化学吸附剂（即硅胶），除去二氧化碳，然后进入辅助肺部呼吸器。在此，气体与补充的生理性富氧气体混合。潜水员再从辅助肺部呼吸器吸入气体。

很明显，装置的使用持续时间在很大程度上受进入辅助肺部呼吸器补充气体的流速的控制。如下所示，每分钟1-2升的流速对于每分钟达75升的呼吸速率已经足够，因为每次呼吸只消耗总含氧量的一小部分，氧气分压又较高，如果同一气体经过有效的二氧化碳净化便可以再呼吸多次。为了使装置达到最大可靠性和避免海上维修，控制充氧的电子装置已经不使用了。由于氧量范围相当大，呼吸良好，所以氧分压约为2.5巴的混合气体在各种呼吸速率下固定排放可以供给令人满意的氧量。

对于应急装置，在许多方面更详细地考虑特殊的设计标准，是适当的，例如：

（ⅰ）众所周知，氧开始生产毒性取决于许多因素，包括暴光时间。但为本目的，建议把最大氧分压2.5巴做为应急装置短时设计指算，高达3巴压力值是可以采用的。但应进一步试验。值得注意，美国Navy减压表（Navy    decompression    table）允许使用含2.5巴氧分压的混合治疗气体治疗减压病。

（ⅱ）最低氧量为0.4巴，虽然低于0.2巴也是允许的。

（ⅲ）关于二氧化碳量，建议应急装置设计指标为：吸入二氧化碳量 平均20毫巴，在净化器后吸入二氧化碳量为7毫巴。

下面叙述一系列计算结果，旨在预测建议的再呼吸装置的性能。为对下述作出估计，分别进行计算

-在不同操作条件下装置内的氧量;

-再吸入二氧化碳量作为呼吸速率的关系;

-呼吸阻力和呼吸操作情况。

下面列出计算方法和结果

氧分压除一些初步的人工计算外，计算机计算方法作为求取在不同操作条件下装置内氧量变化情况最好的方式而得到采用。该方法主要是使装置在操作期间取得氧平衡，即在操作开始时，假定辅助肺部呼吸器等充满与储气瓶中一样的混合气，在短时间内，氧气随着储气瓶中的气流进此系统，而又通过新陈代谢消耗和排出，离开此系统。这样，可以计算在短时间内氧量的变化。

表1表示在100米到450米深度4种呼吸速率条件下取得的结果。在不同情况下，氧量因呼吸速率的变化，从最初值降至一个稳定值。在整个过程中，操作开始时最大氧量约2.5巴。稳定量是不同的，从呼吸速率最低时的约2巴，降至呼吸速率最高时的0.4～0.8巴。装置的操作持续时间主要按储气瓶气体排空的速率测定，但是通过呼吸辅助肺部呼吸器里的气体还可增加一些时间。总的来看，因为在深处耗气量较大，装置使用持续时间要随深度增加而缩短。在450米深，以75升/分RMV速率连续呼吸计算出的最短持续时间16分钟。在同样深度，呼吸速率较低，持续时间可延长至24分钟。在浅水处，该装置持续操作时间一般超过25分钟。

对于更实际的不同的每分钟通气量的呼吸程序的氧气分布表明，装置内的氧量因操作速率而不同。整个的持续时间指标稍稍超过在最大RMV条件下的持续时间指标。

据此，装置在450MSW的最短持续时间达15分钟，在浅水处可以明 显地延长。虽然没有设置电子氧分压控制，可以看出，在整个时间内进气量保持在适中的范围内，至少对于应急装置所需的短持续时间是这样。

二氧化碳量

基于使用新的高性能的碱石灰（MP    united    Druy.CO.品级797）进行的试验，二氧化碳洗涤器对于所要求的持续时间，使用1～2升碱石灰效果是好的。但是，也有一些二氧化碳被再吸入，因为在下述部位存在死空间：

（ⅰ）口鼻面罩

（ⅱ）吸入/呼出软管

（ⅲ）末端的阀体。

二氧化碳分压作为呼吸速率的函数的计算结果表明，除了在呼吸速率最低的情况外，再吸入的二氧化碳量是合适的。毫不奇怪，在气流量比较小时，平均二氧化碳吸入量是增加的，尽管仍在设计指标20毫巴范围之内。在最坏的情况下，这将会造成很小程度的通气过量，但这并不是为短时应急担心的理由。在操作速度较快时，由于气流量增加，平均吸入二氧化碳量应该减少。

呼吸操作

已经证明，产生呼吸阻力有四种来源：

在吸入/呼出软管中的磨擦损失;

在二氧化碳洗涤器中的摩擦损失;

菌形阀：

在围绕辅助肺部呼吸器周围水中的惯性（在端部流动的情况下）和阻滞（在最大速度情况下）作用。

再呼吸器软管计算是据一般管子磨擦理论进行的。二氧化碳洗涤器计算是根据在装有MPUD797碱石灰的救生器洗涤器进行的试验。结果放大到本装置450MSW和较高操作速率的条件。辅助肺部呼吸器的流体力 学损失是根据与其几何学性能有关的可取假定计算的。

图2为该计算的结果，图中开式和闭式循环代表装置分别在450和250    M    SW深处使用的结果。虚线表示推荐的呼吸操作极限，上面的实线表示上限，设有吸入/呼出阻力最大值数据，因为这决定于装置所承受的偏压。但是，关于呼吸操作，可以看出在一般低操作速率下予测值是适当的并且在75升/分RMV下较高操作速率是可采用的。有理由认为，该应急再呼吸器比一般的再呼吸器更易于达到满意的呼吸操作值，因为所需的二氧化碳的吸附剂量较小。

进行的技术鉴订已证实该应急再呼吸装置的可行性。尽管设有电子氧量控制系统，但在不同操作速率下的使用结果是满意的，至少对于短时间应急是适用的。同样，二氧化碳量和呼吸操作值均未发现过量。

表1

深度    储气瓶体积    储气瓶压力    储气瓶    气体    最长持续＊

（米）    （升）    （巴）    氧含量    流速    时间（分）

（%）    （升/分）

450    4    300    5.5    1.5    15

400    4    300    6.5    1.5    16.6

350    4    300    7.0    1.5    19.5

300    4    300    8.0    1.5    23.0

250    4    200    10    1.5    17.6

200    4    200    12    1.5    22.6

150    4    200    14    2.0    22.8

100    4    200    20    2.0    33.8

＊实际持续时间决定于呼吸速率。

最初氧分压    每分钟通气量    最终氧分压

（巴）    RWV22.5    40    62.5    75

2.5    1.9    1.5    0.9    0.5

2.6    2.1    1.6    1.0    0.8

2.5    1.9    1.5    0.9    0.5

2.5    1.9    1.5    0.9    0.5

2.6    2.0    1.6    1.0    0.6

2.5    1.9    1.5    0.9    0.5

2.24    1.8    1.5    1.0    0.8

2.2    1.8    1.5    0.9    0.8

第二种辅助生命维持系统实施方案见图3。该半闭式循环应急再呼吸 器装置，在处于潜水操作准备状态时，保持压力高于周围环境压力0.2巴。辅助肺部呼吸器1安在潜水员的肩部，用机械的方法控制，防止在备用状态下因超压而充气。这可在装置开开动时，使流体静力学对呼吸循环的影响减少到最小。开动时，辅助肺部呼吸器1排气，并利用装置内超压作用充气。在紧急情况下，潜水员需要通过以下两种非时序动作开动再呼吸器装置。

（ⅰ）转动头盔启动阀4，同时启动位于潜水员口前的口罩16，并

（ⅱ）露出和拨下启动杆13，使辅助肺部呼吸器1放气，而使SLS的阀节阀14转入操作状态，改变供气源，由潜水员的供应线15改成由储气瓶5供气。

随着再呼吸器装置启动并处于应急状态，气体以控制速率从储气瓶5，通过SLS调节阀14和注入孔板节流阀6，流入装在背负组件7中的洗涤器/热再生器，然后充满再呼吸器装置。

当装置启动后，潜水员将利用口罩16并用其进行自然呼吸。呼出的气体通过口罩16，头盔界面17，呼出气阀18而导入排出软管9。在背负组件7内，呼出气体流入脱除器罐11下面的气箱中，在此进行均匀地分配。气体然后通过装有碱石灰颗粒的净化碳洗涤器罐11，以除去呼吸气体中的二氧化碳。气体由此再经过装有细金属丝网层的热再生器19，由于其表面积很大而将热吸收，使较冷的气体通过软管20，流入安在肩部的辅助肺部呼吸器1。在吸入时，气体从辅助肺部呼吸器1中排出，流经软管20到热再生器19，将储存在环路呼出部分的热量返回。气体然后从背负组件7，通过吸入软管8，穿过吸入阀30，到头盔内面7，再通过口罩16供给潜水员。如果潜水员在使用备用状态的再呼吸器装置进行潜水作业时，要向上改变深度，便产生压差，由于这个原因再呼吸器装置内产生的超压便通过排气阀31被排放掉，在相反的情况下，即向下改变深度时，那么，通过SLS调节阀自动向装置内补充气体。

在装置备用状态下进行潜水作业时，向再呼吸器供给热水，直接送入环绕洗涤器/热再生器的热水夹套21中进行预热，并使洗涤器/热再生器内温度保持适中。在装置开动以后，甚至在再呼吸器装置热水供应中断的最坏情况下，热量将从热再生器洗涤器传输呼吸气体。

开始，当再呼吸气器装置为了急救而刚刚启动时，由于潜水员吸气，装置稍带负压，这样促使供气阀27开始操作，立刻将气体导入背负组件7，并提供装置最佳操作所需的正压。

除水器安在背负组7内，主要用于捕集潜水员呼出的气体中悬浮的水份。

SLS系统的另一个改进是包括一个气球，它在备用状态下通过预定超压作用而被充满。在正常潜水作业情况下使其置于包封的辅助肺部呼吸器的下面，这样，当装置启动时，在气球和正在打开的辅助肺部呼吸器之间的静压差将气球中的气体通过逆止阀而送入装置，使辅助肺部呼吸器完全膨胀。另一方法是使用一个高压小气瓶，在启动时将气体送入装置，使辅助肺部呼吸器完全膨胀。

图3所示辅助生命维持系统应急再呼吸器装置的另一些特征如下：还没有压力计22，过滤器23，消头24，下沉管25，充气连接器26，主生命维持系统放空阀28和口鼻面罩29。

Claims (7)

1、一种在正常操作时处于备用状态，在潜水员主生命维持系统的主呼吸气体源遭到破坏时启动潜水员辅助生命维持系统，其中主生命维持系统包括潜水员头盔，上有接口(17)，辅助生命维持系统包括：

一个半闭式回路再呼吸装置，它包括一个呼吸回路，上述呼吸回路包括吸气和呼气软管(8、9)连接在潜水员头盔的接口(17)上，至少有一个辅助肺呼吸器(1)，吸湿器(10)和二氧化碳消除器(11)，而上述辅助肺呼吸器，吸湿器和二氧化碳清除器至少与一个软管相连接；

一个加压呼吸气瓶(5)的第二气源；

把第二气源连通到再呼吸器的呼吸管上的导管装置；

在上述导管装置上的一个气体节流阀(6)；

备用状态下把第二气源与再呼吸器的呼吸回路隔绝开的装置，并且该装置在起动状态下能把第二气源与再呼吸器相连接，使气体流通提供可控制的呼吸气，其特征是：

在呼吸回路和接口(17)之间有一个阀(4)，备用状态下潜水员能靠主呼吸维持生命，而阀能将呼吸器呼吸回路与潜水员头盔接口隔开，以防止潜水员通过再呼吸器呼吸，在启动状态下，阀可以将上述再呼吸器与上述接口相连通，断开潜水员主呼吸维持系统的气体供应，使潜水员能通过再呼吸器呼吸；

能在备用状态下把呼吸回路连接到潜水员主呼吸供气源上的装置，它通过

一个阀压器(14)，不论在外界气压如何变化，该调压器能在再呼吸器内保持予定呼吸气压超过环境压力。

卸压阀装置(31)，当压力超过规定呼吸气压时可以从再呼吸器排出呼吸气。

2、根据权利要求1所述的潜水员辅助生命维持系统，其中辅助肺是可充气的，包括人体可以控制该辅助肺呼吸器的装置，能利用预定气压防止在备用状态下充气，和在启动状态下为之充气。

3、根据权利要求2所述的辅助生命维持系统，包括把辅助肺固定在潜水员肩上的装置。

4、根据权利要求1所述的潜水员辅助生命维持系统，其中包括在启动状态下辅助气流的气体通过气体节流阀以恒定流速流入再呼吸装置的呼吸回路中的装置。

5、根据权利要求1所述的潜水员辅助生命维持系统，其中包括一个热水循环的夹套（21），在备用状态下使再呼吸器保持在较高温度。

6、根据权利要求1所述的潜水员辅助生命维持系统，有一个热回收器，它由多层金属丝网组成，配置在呼吸回路中，从呼出气体中移走热量並加热吸入气体。

7、根据权利要求1所述的潜水员辅助生命维持系统，其中包括一个连接上述软管（8、9）的口罩（16）和响应阀（4）启动把口罩保持在潜水员嘴前的装置，它能使辅助生命维持系统处于启动状态。

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