CN112960084A - 一种水下呼吸装备 - Google Patents

Abstract

本发明属于潜水装备和水下体育用品技术领域，具体是一种水下呼吸装备。可以不用钢瓶，不使用有害又昂贵的超氧化物，让大部分空气在呼吸器内循环运作，达到使用成本低廉，有效使用时间增长的目标。这种潜水器，安全，轻便，体积小，供气时间长，使用成本低廉，初学者可以用它学游泳，可以用于浮潜，更适合浅海海底观光。专业潜水员加一个5升的小氧气瓶，可以供气48小时，可以彻底地从时间限制的压力下解放，彻底轻松地工作。

Description

一种水下呼吸装备

技术领域

本发明属于潜水装备和水下体育用品技术领域，尤其涉及一种水下呼吸装备。

背景技术

当今世界，具有实用性的个人水下呼吸装备主要有：空气瓶呼吸器和采用超氧化物的循环再生化学氧呼吸器这两种。空气瓶呼吸器体积大，装备复杂沉重，而且一个气瓶只能供气几十分钟，使用时间很短；超氧化物循环再生化学氧呼吸器使用成本高，超氧化物本身有强腐蚀性，使用不安全，使用时间也只有数小时。发明专利CN108116640A提出的：“以聚乙烯醇为载体材料固定血红蛋白，制成过滤膜，由血红蛋白从海水中吸附氧气。”方案的基础：聚乙烯醇血红蛋白膜并不成熟，目前只是进行了少数聚乙烯醇固定血红蛋白的原理实验，真正制成能发挥鱼鳃作用的膜，红蛋白的分解和变性问题很难解决，距离实用仍然很遥远。

发明内容

本发明的目的是：为解决现有潜水器的不足，提出一种不使用钢瓶，不使用昂贵又污染环境的超氧化物，通过自循环净化废气的切实可行的水下呼吸装备，达到以极低廉的使用成本，把有效使用时间提高到数十小时的目标。让专业潜水员轻松地作业，让潜水爱好者轻松地潜水观光，进行潜水活动。

本发明的原理依据是：

1. 空气和水的分界面存在张力，这种张力可以保证透水的多孔的物质薄层，既让空气和水充分直接接触，又可以隔离空气和水，不让空气以气泡形式向水里逃逸。当分离空气和水的多孔薄层物质孔径小于40μm时，理论上可以抗拒一万帕斯卡以上的压强差，阻止空气以气泡形式向水里渗透。附图6展现的就是沉浸在水中的透水的多孔物质薄层气囊14的工作原理。空气要透过透水的多孔物质薄层气囊14的小孔突进水里，就必须透过小孔向水里吹出小气泡，这会导致空气和水的分界面面积大幅增加，导致阻碍面积增大的很大水面张力，把气泡压回去，所以气囊内外即便有很大的压强差也不会漏气。：

2. 空气中，大多数气体不溶于水，但是二氧化碳很容易溶解于水（标准大气压下，0/℃的水，每克可以溶解1.713mL的二氧化碳），所以虽然人生产活动和动物呼吸产生的二氧化碳量非常大，但是自然界空气里二氧化碳的浓度只剩0.03—0.04%。潜水者呼出废气里二氧化碳浓度高达4—6%，当这些废气和自然水体接触时，废气里的二氧化碳会很快溶解进水里。：

3.氧气不容易溶于水，所以空气中氧气的百分比是21%。但是氧气在水中的溶解度与氧气的分压成正比。大气中氧气的分压很大，约为21千帕，因为强大的氧气分压，自然状态下始终有大量的氧气被强压溶解进了水里。氧气分压加强，水中氧气溶解量增加：氧气分压减小，水中氧气会迅速向空气逃逸。（比如大气压降低，鱼塘就会缺氧，鱼就会浮在水面呼吸。）标准大气压下氧气分压为21千帕，当氧气溶解与逃逸达到平衡时，自然水体中的氧气溶解量是0.049mL/g。潜水者呼出的废气氧气分压降至16千帕，当废气和自然水体接触时，因为氧气分压降低，水里的氧气会迅速地逃逸进废气。

本发明的目的是这样实现的：

如附图1一种水下呼吸装备工作原理图所示，提供一种水下呼吸装备，包含一个呼吸面具1，废气管2，空气净化背囊12，净气管4。潜水者通过呼吸面具1呼出的废气进入废气管10，经废气管10传送至空气净化背囊12，在空气净化背囊12通过透水的多孔物质薄层气囊14，既把废气和自然水体分隔，又让废气通过透水的多孔物质薄层和水充分接触。透水的多孔物质薄层气囊14的表面设计成多皱褶多管道的大表面积结构，帮助废气中的二氧化碳大面积地溶解进水里，帮助水里的氧气大面积逃逸进氧气分压降低的废气。让潜水者呼出的废气里的二氧化碳被净化，氧气得到补充，让潜水者呼出的废气被再生循环利用。

为了防止水中的氧气补充不足，可以再增加一个小氧气瓶，补充差额部分。正常情况下成人一小时，耗氧大约21L，同时产生21L二氧化碳。一个5L、20MPa的小氧气瓶可以容纳1000L纯氧。按照原理3的方案，1000÷21=47.6。即便没有自然水体的氧气补充，一个5升的小氧气瓶也可以供气48小时。

本发明的具体实施方式

为了证实本发明的实用性，在此提供两个具体实施方案。

附图说明

附图1一种水下呼吸装备工作原理图。

附图2是本发明一种水下呼吸装备具体实施方案一水肺潜水器的整体效果图。

附图3是本发明一种水下呼吸装备实施方案一和方案二的呼吸面具1的三视剖面结构图。

附图4是本发明一种水下呼吸装备净气管9和废气管10的示意图。

附图5是本发明一种水下呼吸装备具体实施方案一水肺潜水器空气净化背囊12的三视剖面结构图。

附图6是本发明一种水下呼吸装备透水的多孔物质薄层气囊14的工作原理图。

附图7是本发明一种水下呼吸装备具体实施方案二水肺潜水衣的整体效果图。

附图8是本发明一种水下呼吸装备具体实施方案二水肺潜水衣空气净化背囊12的主视图、左视图。

其中，1呼吸面具，2呼气口，3吸气口，4进气咬嘴，5呼气单向阀，6吸气单向阀，7鼻塞，8单向排水阀，9净气管，10废气管，11进气管，12空气净化背囊，13废气集气囊， 14透水的多孔物质薄层气囊，15氧气瓶，16净化空气集气囊，17出气管，18氧气调节阀，19氧气传感器，20二氧化碳传感器，21氧气、二氧化碳浓度监控耳机，22软管， 23潜水衣绳结。

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

具体实施方案一，一种水肺潜水器：

附图1是本发明一种水下呼吸装备具体实施方案一水肺潜水器整体效果图。一种水下呼吸装备，包括呼吸面具1，净气管9，废气管10空气净化背囊12氧气调节阀18，氧气、二氧化碳浓度监控耳机21。潜水者呼出的富含二氧化碳的废气通过呼吸面具1，由废气管10，引导至空气净化背囊12净化废气里的二氧化碳，补充消耗的氧气，使空气再生，再由净气管9引导至呼吸面具1，供潜水者呼吸。氧气调节阀18用于调节补充消耗的氧气的流量。氧气、二氧化碳浓度监控耳机21用于氧气、二氧化碳浓度失常告警。

附图3是本发明一种水下呼吸装备呼吸面具1的三视剖面结构图，呼吸面具1包括进气咬嘴4，呼气口2，吸气口3，呼气单向阀5，吸气单向阀6，单向排水阀8，呼吸面具1上方有鼻塞7。从咬嘴4呼进的废气经过呼气单向阀5呼气口2沿着废气管10呼出。净化的空气由净气管9引入，经过吸气口3进入呼吸面具1，经过吸气单向阀6进气咬嘴4，被潜水者吸入。呼吸面具1上方有鼻塞7可以堵住潜水者鼻子，防止呛水。呼吸面具1下方有单向排水阀8，可以积蓄少量渗漏水，并在加力呼气时排出。

附图4是本发明一种水下呼吸装备净气管9和废气管10的示意图。

附图5是本发明一种水下呼吸装备空气净化背囊12的三视剖面结构图。为了承担压铅的作用，空气净化背囊12外壳是不锈钢的，空气净化背囊12包括进气管11，废气集气囊13，孔径小于40μm的致密多孔纤维织物或透水的多孔物质薄层气囊14，氧气瓶15，净化空气集气囊16，氧气调节阀18，软管22，出气管17，氧气传感器19，二氧化碳传感器20，氧气、二氧化碳浓度监控耳机21。潜水者呼出的废气，经废气管10接入进气管11达到废气集气囊13，然后进入透水的多孔物质薄层气囊14，充分地和自然水体直接接触，废气里的二氧化碳溶解进入水里，水里的氧气补充进入透水的多孔物质薄层气囊14。净化后的空气存储在净化空气集气囊16，氧气瓶15与净化空气集气囊16通过氧气调节阀18和软管22相连，从氧气瓶15补充缺失的氧气，让废气得到净化再生。再生的新鲜的空气可以通过出气管17导进净气管9，供潜水者吸入。净化空气集气囊16内设置氧气传感器19和二氧化碳传感器20监控氧气、二氧化碳浓度，如果发生氧气浓度过低或二氧化碳浓度过高，会通过耳机21用不同的声音报警。提醒潜水者调节氧气调节阀18，保持氧气、二氧化碳浓度在正常范围。

附图6是本发明一种水下呼吸装备的透水多孔物质薄层气囊14的工作原理说明图。因为水表面的张力，当多孔纤维织物或多孔的物质薄层孔径小于40μm时，理论上一万帕斯卡的压强差也不能压迫空气以气泡形式透过多孔的物质薄层孔。所以致密多孔纤维织物或多孔的物质薄层既可以保证空气和水充分直接接触，又可以包裹空气，不让它以气泡形式逃逸。因为空气和水充分直接接触，所以可以最高效地交换氧气、二氧化碳。让废气里过浓的二氧化碳逃逸进水里，让大气压入水里的过饱和氧气，迅速逃逸进氧气分压降低的废气。

这样，就可以不用大体积的钢瓶，不使用有害又昂贵的超氧化物，让大部分空气在呼吸器内循环运作，达到使用成本低廉，有效使用时间增长的目标。这样的潜水器，安全，轻便，体积小，供气时间长，使用成本低廉，一个5升的小氧气瓶也可以供气48小时，让专业潜水员彻底地从时间控制的压力下解放，彻底轻松地工作。

具体实施方案二，一种用于浅水娱乐的水肺潜水衣：

附图7是本发明一种水下呼吸装备具体实施方案二水肺潜水衣整体效果图。一种水下呼吸装备，包括呼吸面具1，净气管9，废气管10，做成潜水衣状的空气净化背囊12，潜水者呼出的富含二氧化碳的废气，通过呼吸面具1，由废气管10，引导至潜水衣状的空气净化背囊12净化废气里的二氧化碳，补充消耗的氧气，使空气再生，再由净气管9引导至呼吸面具1，供潜水者呼吸。

附图3是本发明一种水下呼吸装备具体实施方案二的呼吸面具1的三视剖面结构图，呼吸面具1包括进气咬嘴4，呼气口2，吸气口3，呼气单向阀5，吸气单向阀6，单向排水阀8，呼吸面具1上方有鼻塞7。从咬嘴4呼进的废气经过呼气单向阀5呼气口2沿着废气管10呼出。净化的空气由净气管9引入，经过吸气口3进入呼吸面具1，经过吸气单向阀6进气咬嘴4，被潜水者吸入。呼吸面具1上方有鼻塞7可以堵住潜水者鼻子，防止呛水。呼吸面具1下方有单向排水阀8，可以积蓄少量渗漏水，并在加力呼气时排出。

附图4是本发明一种水下呼吸装备具体实施方案二的净气管9和废气管10的示意图。

附图8是本发明一种水下呼吸装备具体实施方案二水肺潜水衣空气净化背囊12的主视图、左视图。空气净化背囊12包括进气管11，废气集气囊13，孔径小于40μm的透水的多孔物质薄层气囊14，净化空气集气囊16，出气管17。潜水者呼出的废气沿着废气管10经进气管11达到废气集气囊13，然后进入透水的多孔物质薄层气囊14，充分地和自然水体直接接触，废气里的二氧化碳溶解进入水里，水里的氧气补充进入透水的多孔物质薄层气囊14。净化后的空气存储在净化空气集气囊16，废气就得到了净化再生，再生的新鲜的空气可以通过出气管17导出，进入净气管9，由净气管9传输至呼吸面具1供潜水者吸入。

使用这样的潜水衣，娱乐潜水时，就可以不用钢瓶，不用有害又昂贵的超氧化物，让空气在水肺潜水衣内循环净化在自然水体补充氧气，没有使用成本，使用时间增长。这样的潜水衣，安全，轻便，体积小，供气时间长，使用成本为零。初学者可以用它学游泳，可以用于浮潜，更适合浅海海底观光。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述， 显然本发明的实现并不受上述方式的限制， 只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的， 均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种水下呼吸装备，包含一个呼吸面具（1）连接废气管（10），空气净化背囊（12），亲水透水的多孔物质薄层气囊（14），净气管（9），其特征在于，潜水者呼出的废气通过呼吸面具（1）进入废气管（10），经废气管（10）传送至空气净化背囊（12），在空气净化背囊（12）内，通过亲水透水的多孔物质薄层气囊（14），既把废气和自然水体分隔，又让废气通过亲水透水的多孔物质薄层和自然水体充分接触，让废气里的二氧化碳溶解进自然水体，让自然水体里的氧气逃逸进氧气分压降低的亲水透水的多孔物质薄层气囊（14）空气中，再生的空气通过净气管（9）传输到呼吸面具（1），被潜水者循环呼吸。

2.根据权利要求1所述的水下呼吸装备，其特征在于，亲水透水的多孔物质薄层气囊（14）的结构是多管道、多皱褶的大比表面积结构，帮助废气里高分压的二氧化碳大面积溶解进自然水体，帮助自然水体里的氧气大面积逃逸进氧气分压降低的废气。

3.根据权利要求1所述的水下呼吸装备，其特征在于，亲水透水的多孔物质薄层气囊（14）的材料是多致密通透小孔的薄膜或致密的纤维编织物，孔径小于100μm。

4.根据权利要求1所述的水下呼吸装备，其特征在于，废气经过亲水透水的多孔物质薄层气囊（14），二氧化碳被净化，补充消耗的氧气，然后进入净化空气集气囊（16），净化空气集气囊（16）内设置氧气传感器（19）和二氧化碳传感器（20），监测氧气、二氧化碳浓度。

5.根据权利要求1和权利要求4所述的水下呼吸装备，其特征在于，净化空气集气囊（16）内的氧气传感器（19）和二氧化碳传感器（20）连接空气净化背囊（12）外的监控耳机（21），如果发生氧气浓度过低或二氧化碳浓度过高的状况，会通过监控耳机（21）用不同的声音报警。

6.根据权利要求1和权利要求5所述的水下呼吸装备，其特征在于，空气净化背囊（12）内有氧气瓶（15）与净化空气集气囊（16）通过氧气调节阀（18）和软管（22）相连，控制氧气调节阀（18），可以从氧气瓶（15）向净化空气集气囊（16）补充缺失的氧气。

7.根据权利要求1所述的水下呼吸装备，其特征在于，空气净化背囊（12）可以做成潜水衣形状。

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