CN108116640B - 一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备，包括呼吸器、二氧化碳过滤装置、氧气制备装置、气体混合装置、空气压缩机、空气储气瓶及控制系统，氧气制备装置与气体混合装置相连并为气体混合装置供给氧气，空气压缩机用于压缩来自气体混合装置的混合气体并将压缩后的气体输送至空气储气瓶，二氧化碳过滤装置上或者二氧化碳过滤装置与气体混合装置之间的气体输送管路上设置有氧气浓度传感器，控制系统用于控制空气压缩机对混合气体的压缩量并根据氧气浓度传感器传输来的氧气浓度信号控制制氧量和输氧量。本发明制氧率高、气体利用率高，使用者使用该设备时不会产生外漏的气泡，避免了对海洋生物的干扰，利用本发明可实现长时间的水下作业。
Description
技术领域
本发明属于水下呼吸器技术领域，尤其涉及一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备。
背景技术
地球是水的星球，海洋占全球总面积的71％，海洋中蕴藏着丰富的资源。随着科技的发展和社会的进步，人类也认识到海洋有着丰富的资源和重大的战略意义，可是由于种种原因，直到今天人类也没能像鱼一样长时间在大海中探索和作业。近年来，随着新型材料膜的合成与制备，从海水过滤氧气的技术得以实现，于是出现了一些种类的水下呼吸器，但这些水下呼吸器都存在缺点和不可行性：首先人类呼吸和循环系统依赖的不是氧气含量，而是氧分压，大气中氧分压是0.2bar，而之前设计的水下呼吸器只制备氧气，并没有制造出有一定压强和足够量惰性气体的呼吸环境，这种条件下人是无法正常呼吸的；其次人类吸入的空气中氧气含量占了21％，呼出的空气中氧气含量占了17％，在本身制氧效率就不高的情况下，直接将珍贵的氧气和氮气不回收排入水中，是不科学不合理的；最后，呼气产生的气泡会惊扰鱼群等周围环境，不利于水下作业。
由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。
发明内容
本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种和鱼一样从海水中摄取氧气，安全高效的仿生鱼鳃式水下呼吸设备，利用该设备可实现长时间的水下作业，而不必担心耗氧量的问题。
本发明所采用的技术方案为：
一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备，包括呼吸器、二氧化碳过滤装置、氧气制备装置、气体混合装置及空气储气瓶，所述呼吸器、二氧化碳过滤装置、气体混合装置和空气储气瓶通过气体输送管路首尾相连组成一个气体回路，所述氧气制备装置与气体混合装置相连并为气体混合装置供给氧气，所述气体混合装置与空气储气瓶之间的气体输送管路上还设置有空气压缩机，该空气压缩机用于压缩来自气体混合装置的混合气体并将压缩后的气体输送至空气储气瓶，所述二氧化碳过滤装置上或者二氧化碳过滤装置与气体混合装置之间的气体输送管路上设置有用于检测氧气浓度的氧气浓度传感器，所述呼吸设备还包括控制系统，控制系统用于控制空气压缩机对混合气体的压缩量并根据氧气浓度传感器传输来的氧气浓度信号控制所述氧气制备装置的制氧量和氧气制备装置向气体混合装置的输氧量。
所述氧气制备装置通过氧气输送管路与气体混合装置相连，氧气输送管路上设置有储氧瓶和氧气阀，储氧瓶的进气口与氧气制备装置的出气口相连通，储氧瓶的出气口连通氧气阀的进气口，氧气阀的出气口连通气体混合装置；所述控制系统包括第一微处理器和第二微处理器，所述第一微处理器用于控制氧气制备装置的制氧量，第二微处理器用于通过控制氧气阀实现对输氧量的控制。
所述氧气制备装置与储氧瓶之间的氧气输送管路上还设置有微型空气压缩机。
所述氧气制备装置包括吸水泵、海水容置腔和氧气收集腔，吸水泵设置在海水容置腔的进水口处，吸水泵与第一微处理器相连，海水容置腔的大部分腔体位于氧气收集腔内，海水容置腔位于氧气收集腔内的部分的腔壁上设置有用于溶解并吸附海水中的氧气的复合物聚合膜，且复合物聚合膜的外侧设置有弱电流层，吸附了氧气的复合物聚合膜受到弱电流层的弱电流将氧气释放到氧气收集腔内，氧气收集腔的出气口与所述储氧瓶相连通。
所述复合物聚合膜为聚乙烯醇包埋血红蛋白的聚合物膜，其以聚乙烯醇为载体材料固定血红蛋白，血红蛋白从海水中吸附氧气。
所述空气储气瓶的出气口处设置有压力调节阀，所述呼吸设备还包括压强传感器、压力表及与所述压力调节阀相连的压力调节器，压强传感器用于检测海水中、所述回路中及空气储气瓶内的压强，并将检测到的压强传输至压力表进行实时显示，潜水者根据压力表上的实时压强值通过手动调整压力调节器调节压力调节阀获得所需的气体压强。
所述控制系统包括第三微处理器，第三微处理器用于接收来自压强传感器的信号并根据该信号控制空气压缩机的压缩量。
所述呼吸设备还包括配电箱。
所述二氧化碳过滤装置中盛有用于过滤二氧化碳的过滤物。
所述过滤物为钠石灰。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：
1、本发明利用复合聚合物膜吸附海水中氧气并受弱电流释放氧气这一原理，模拟鱼鳃鳃丝毛细血管从海水中提取氧气的过程，并配合相应的电子设备达到在水下快速获取海水、制备氧的目的，并将氧气氮气回收、压缩、储存起来，拥有更出色的制氧能力和更高的气体利用率。
2、本发明拥有更轻的重量，使用时，不必携带大量的氧气和氮气。此外，本发明给使用者提供了更安静的工作条件，使用者呼吸时几乎不产生气泡，因此不会干扰海洋生物，也不会暴露潜水者的存在。
3、本发明结构简单紧凑、安全高效、操作方便、轻巧实用，在供人们正常呼吸的同时，将呼出的氧气氮气回收、压缩、储存起来再利用，为人们提供更持久的作业时间和更加安静的水下工作环境，它不仅可以应用于民间打捞、救援、施工、排险等，更有极高的军事用途。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中氧气制备装置的半剖示意图。
图3为本发明的原理示意图。
其中，
1、氧气制备装置2、微型空气压缩机3、储氧瓶4、氧气阀5、气体混合装置6、空气压缩机7、配电箱8、空气储气瓶9、压力调节阀10、压强传感器11、压力表12、压力调节器13、呼吸器14、二氧化碳过滤装置15、氧气浓度传感器16、吸水泵17、海水容置腔18、复合聚合物膜19、氧气收集腔20、弱电流层
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
如图1至图3所示，一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备，包括呼吸器13、二氧化碳过滤装置14、氧气制备装置1、气体混合装置5及空气储气瓶8。所述呼吸器13、二氧化碳过滤装置14、气体混合装置5和空气储气瓶8通过气体输送管路首尾相连组成一个气体回路。所述气体混合装置5与空气储气瓶8之间的气体输送管路上还设置有空气压缩机6，该空气压缩机6用于压缩来自气体混合装置5的混合气体并将压缩后的气体输送至空气储气瓶8。
所述二氧化碳过滤装置14上或者二氧化碳过滤装置14与气体混合装置5之间的气体输送管路上设置有用于检测氧气浓度的氧气浓度传感器15。
所述二氧化碳过滤装置14中盛有钠石灰等用于过滤二氧化碳的过滤物。
所述呼吸设备还包括控制系统，控制系统用于控制空气压缩机6对混合气体的压缩量并根据氧气浓度传感器15传输来的氧气浓度信号控制所述氧气制备装置1的制氧量和氧气制备装置1向气体混合装置5的输氧量。
所述氧气制备装置1与气体混合装置5相连并为气体混合装置5供给氧气。所述气体混合装置5采用气体混合球的结构方式。所述氧气制备装置1通过氧气输送管路与气体混合装置5相连，氧气输送管路上设置有储氧瓶3和氧气阀4，储氧瓶3的进气口与氧气制备装置1的出气口相连通，储氧瓶3的出气口连通氧气阀4的进气口，氧气阀4的出气口连通气体混合装置5；所述控制系统包括第一微处理器和第二微处理器，所述第一微处理器用于控制氧气制备装置1的制氧量，第二微处理器用于通过控制氧气阀4实现对输氧量的控制。通过所述第一微处理器、第二微处理器及氧气浓度传感器15的相互配合，使得气体输送管路中的氧气浓度维持在32％左右。所述氧气制备装置1与储氧瓶4之间的氧气输送管路上还设置有微型空气压缩机2。
具体地来说，所述氧气制备装置1包括吸水泵16、海水容置腔17和氧气收集腔19，吸水泵16设置在海水容置腔17的进水口处用于抽取海水进入海水容置腔17，吸水泵16与第一微处理器相连，第一微处理器用于控制吸水泵16的转速或功率来控制进水速度从而实现对制氧量的调节。所述海水容置腔17的大部分腔体位于氧气收集腔19内，海水容置腔17位于氧气收集腔19内的部分的腔壁上设置有用于溶解并吸附海水中的氧气的复合物聚合膜18，且复合物聚合膜18的外侧设置有弱电流层20，吸附了氧气的复合物聚合膜18受到弱电流层20的弱电流将氧气释放到氧气收集腔19内，氧气收集腔19的出气口与所述储氧瓶3相连通。
优选地，所述复合物聚合膜18为聚乙烯醇包埋血红蛋白的聚合物膜，其以聚乙烯醇为载体材料固定血红蛋白，血红蛋白从海水中吸附氧气。
需要说明的是，所述海水容置腔17上设置复合物聚合膜18的部分的腔体内径远大于海水容置腔17顶端进水口处的内径以及海水容置腔17底端的内径，这样设计的目的是为了增大复合物聚合膜18和弱电流层20的铺设面积，从而提高制氧效率。
所述空气储气瓶8的出气口处设置有压力调节阀9，所述呼吸设备还包括压强传感器10、压力表11及与所述压力调节阀9相连的压力调节器12。所述压强传感器10用于检测海水中、所述回路中及空气储气瓶8内的压强，并将检测到的压强传输至压力表11进行实时显示。潜水者根据压力表11上的实时压强值通过手动调整压力调节器12以使整个气体输送管路中的空气压强调节至最佳呼吸压强。
所述控制系统包括第三微处理器，第三微处理器用于接收来自压强传感器10的信号并根据该信号控制空气压缩机6的压缩量，将32％左右的氧气和68％左右的氮气压缩到一定压强下送入到空气储气瓶8中。潜水者从空气储气瓶8中吸入空气，将呼出的空气送至二氧化碳过滤装置14中，二氧化碳过滤装置14将过滤后的空气与氧气制备装置1产生的氧气在气体混合装置中混合，完成一个呼吸过程。
所述呼吸设备还包括为整个设备提供控制和电能的配电箱7。配电箱7内设置有电机驱动模块、传感器模块、稳压模块及电源等，电机驱动模块用于控制所述吸水泵16的运转，传感器模块用于接收氧气传感器15和压强传感器10的信号并分别对各微处理器发出控制信号。
在潜水准备前，将本发明所述的仿生鱼鳃式水下呼吸设备固定在专业潜水包上，潜水者背着潜水包，嘴巴咬住呼吸器13，调节压力调节器12使回路中的气体压强到达最适宜呼吸压强。打开电源后，潜水者潜入水中，各装置开始工作，潜水者从空气储备瓶8中吸入氧气，呼出的空气经过二氧化碳过滤装置14后过滤掉二氧化碳，此时氧气浓度传感器15检测回路中的氧气浓度并将信息传送给用于控制氧气制备装置1的第一微处理器和用于控制氧气阀4的第二微处理器，第一微处理器控制氧气制备装置1制备氧气，第二微处理器控制氧气阀4将一定量的氧气送入气体混合装置中，保持气体输送管路中的氧含量基本不变。来自二氧化碳过滤装置14和氧气制备装置1的气体在气体混合装置5中充分混合。此时混合的空气和氧气被一同送入到空气压缩机6中压缩，压缩完的空气被送入到空气储备瓶8中，空气压缩机6对空气的压缩率受第三微处理器的控制，第三微处理器接受压强传感器10传来的信号。因为随着下潜深度的不同，空气储备瓶8内的气体压强也要做出相应改变。同时，潜水者也要调节压力调节器12控制压力调节阀9来改变回路中的空气压强，让潜水者更好地呼吸。潜水者此时吸入空气，完成一个呼吸过程。潜水者使用该设备后可以像鱼一样在水中自由呼吸。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备，其特征在于，包括呼吸器、二氧化碳过滤装置、氧气制备装置、气体混合装置及空气储气瓶，所述呼吸器、二氧化碳过滤装置、气体混合装置和空气储气瓶通过气体输送管路首尾相连组成一个气体回路，所述氧气制备装置与气体混合装置相连并为气体混合装置供给氧气，所述气体混合装置与空气储气瓶之间的气体输送管路上还设置有空气压缩机，该空气压缩机用于压缩来自气体混合装置的混合气体并将压缩后的气体输送至空气储气瓶，所述二氧化碳过滤装置上或者二氧化碳过滤装置与气体混合装置之间的气体输送管路上设置有用于检测氧气浓度的氧气浓度传感器，所述呼吸设备还包括控制系统，控制系统用于控制空气压缩机对混合气体的压缩量并根据氧气浓度传感器传输来的氧气浓度信号控制所述氧气制备装置的制氧量和氧气制备装置向气体混合装置的输氧量；
所述氧气制备装置通过氧气输送管路与气体混合装置相连，氧气输送管路上设置有储氧瓶和氧气阀，储氧瓶的进气口与氧气制备装置的出气口相连通，储氧瓶的出气口连通氧气阀的进气口，氧气阀的出气口连通气体混合装置；所述控制系统包括第一微处理器和第二微处理器，所述第一微处理器用于控制氧气制备装置的制氧量，第二微处理器用于通过控制氧气阀实现对输氧量的控制；
所述氧气制备装置与储氧瓶之间的氧气输送管路上还设置有微型空气压缩机；
所述氧气制备装置包括吸水泵、海水容置腔和氧气收集腔，吸水泵设置在海水容置腔的进水口处，吸水泵与第一微处理器相连，海水容置腔的大部分腔体位于氧气收集腔内，海水容置腔位于氧气收集腔内的部分的腔壁上设置有用于溶解并吸附海水中的氧气的复合物聚合膜，且复合物聚合膜的外侧设置有弱电流层，吸附了氧气的复合物聚合膜受到弱电流层的弱电流将氧气释放到氧气收集腔内，氧气收集腔的出气口与所述储氧瓶相连通。
2.根据权利要求1所述的一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备，其特征在于，所述复合物聚合膜为聚乙烯醇包埋血红蛋白的聚合物膜，其以聚乙烯醇为载体材料固定血红蛋白，血红蛋白从海水中吸附氧气。
3.根据权利要求1所述的一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备，其特征在于，所述空气储气瓶的出气口处设置有压力调节阀，所述呼吸设备还包括压强传感器、压力表及与所述压力调节阀相连的压力调节器，压强传感器用于检测海水中、所述回路中及空气储气瓶内的压强，并将检测到的压强传输至压力表进行实时显示，潜水者根据压力表上的实时压强值通过手动调整压力调节器调节压力调节阀获得所需的气体压强。
4.根据权利要求3所述的一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备，其特征在于，所述控制系统包括第三微处理器，第三微处理器用于接收来自压强传感器的信号并根据该信号控制空气压缩机的压缩量。
5.根据权利要求1所述的一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备，其特征在于，所述呼吸设备还包括配电箱。
6.根据权利要求1所述的一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备，其特征在于，所述二氧化碳过滤装置中盛有用于过滤二氧化碳的过滤物。
7.根据权利要求6所述的一种仿生鱼鳃式水下呼吸设备，其特征在于，所述过滤物为钠石灰。
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