CN1138676C - 为潜水员独立地制备、处理和供给呼吸用气体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在潜水深度0～1000米为潜水员独立地制备、处理和供给呼吸用气体的方法和实施此方法的完全独立的背驮式潜水设备，是在一个封闭回路的振荡式储存系统中将一定量的由惰性气体和氧气组成的混合气不断在两个高压气体瓶(15，29)之间输送，在开始时必要的呼吸用气体按过计量的原则以恒定计量到达由吸气袋(37)、潜水帽(6)、呼气袋(11)、双组的CO2吸收过滤器(16，17)组成的回路中。由一低压隔膜泵(13)加速呼吸用气体在回路中的运动。呼吸用气体去除CO2和其它杂质、干燥和加热，此外按照相应深度的允许的氧气分压以恒定计量使呼吸用气体添加纯氧气并在惰性气体损失时添加惰性气体；接着由一高压压气机(23)(活塞式或隔膜式)抽吸过剩的呼吸用混合气并在220～450巴的高压下储存在两个压缩气瓶(15或29)之一中。在全部呼吸用混合气储存在一个压缩气瓶(15或29中后，电磁阀(31)转换，并沿相反的方向重新开始同一过程。高压压气机(23)由一台或两台直流电机(21，24)驱动，后者由一个或几个蓄电池(19，26)供电。按这一方式潜水员不再依赖于现有的呼吸气体而是依赖于电容量。压气机(23)和电机(21，24)用油冷却，所产生的热量用热交换器(22)制成热水供给潜水员和此设备。该设备还具有两台或多台驱动电机(20，25)用来使潜水员以6节或更高的速度沿水平或竖直运动，活动范围为30～200公里。潜水员借助于电缆随时可以与表面保持连接，可以使用所有已知的电气、液压和机械工具，并在水下潜水时间24小时或更长的时间内一直提供照明、照像、视频、导航、计算机等等的设备。

Description

为潜水员独立地制备、处 理和供给呼吸用气体的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种在0～1000米的潜水深度为潜水员制备、处理和供给呼吸用气体的方法和一种实施此方法的完全独立的背驮式潜水设备。
背景技术
在已知的敞开的或半封闭系统的潜水设备中，在深度从50～100米起气体消耗急剧强加。完全避免呼吸用气体的损失只有通过封闭系统才能做到。
DE-C834 201(Draegerwerk，Luebeck)描述了一种具有封闭回路的自混合的潜水设备。在这一方法中测量吸入空气的量或呼出空气的量，并根据两个量的差值供给氧气。
GB A-2208203(Carmellan researcw Ltd.)描述了RexnordCOR155型自混合潜水设备。这种潜水设备是根据市售的作为美国宇航副产品的氧气传感器设计的，它具有足够的精度和可靠性来测量重要的氧气分压。在完全封闭的回路中，潜水设备借助于惰性气体获得潜水深度的环境压力，然后根据氧气传感器的测量值只调节要求的O2分压，也就是说，在继续潜水过程中只补偿潜水员实际需要的氧气。
在这一方法中，呼吸用气体中的氧气分压和CO2成分的数据借助于一台安装在表面上的个人计算机用相应的软件程序加以处理。
在深度超过50～100米时，出于安全原因几乎不能使用这种具有封闭系统CCR(封闭回路潜水设备)的自混合潜水设备。这一最重要的缺点有三方面：用来调节使用的氦气-氧气-混合气中的精确氧气分压的呼吸用的混合气的电气没有绝对的可靠性；潜水员用他自己的肺部来抽吸呼吸用气体通过潜水设备，以便将呼出的CO2从设备回路中清除(在300米深度时气体密度为31巴)；与敞开的回路相反，在封闭系统中取消了继续洗涤许多侵入的杂质的连续的气体流。深度越深，氧气和二氧化碳含量的允许范围越小，CO2和O2中毒的危险增加。
其它的缺点是在200～500米深度时由于气体的缺乏，使用时间被限制在15～20分钟。
发明内容
因此，本发明旨在提出一种根据相应的潜水深度来处理、净化和制备呼吸用气体的方法，同时保证相应的气体供给和储存，以便在小的和大的深度为潜水员提供必要的呼吸用混合气，以及按照这一方法的基本原理提出一种完全独立的背驮式潜水设备。
本发明的技术解决方案在一种独立为潜水深度为0～1000米的潜水员制备、处理和供给呼吸用气体的方法，其特征为，在一完全封闭回路的振荡式储存系统中，由惰性气体(氦气)和氧气组成的一定量的混合气体不断在两个高压气体瓶之间输送，其中，在开始时必要的呼吸用气体按过计量原则以恒定的计量到达由吸气袋、潜水帽、呼气袋、两组CO2吸收过滤器组成的回路；呼吸用气体在回路中的运动由一台低压隔膜泵加速；从呼吸气体中去除CO2和其它的杂质、干燥并加热，此外按照相应深度的允许的氧气分压根据恒定的计量和可能的惰性气体损失补充纯的氧气和惰性气体，然后由一台高压压气体抽吸过剩量的呼吸用混合气，在220～450巴的高压下储存在两个压缩气体容器之一中，在全部的呼吸用混合气都储存在压缩气体容器中后，电磁阀转换，以相反的方向重新开始同一过程。
这里是在一个完全封闭回路的振荡式储存系统中，在两个高压气体瓶15、29之间不断输送一定量的由惰性气体(氦气)和氧气组成的混合气，其中，在开始时必要的呼吸用混合气按过计量和恒定计量的原则到达由吸气袋37、潜水帽6、呼气袋11、双组CO2吸收过滤器16、17组成的回路中。回路中的呼吸气体的运动由一台低压隔膜泵13加速；清除吸呼气体中的CO2和其它杂质，干燥并加热呼吸气体，此外按照相应深度根据恒定计量原理补充允许的氧气分压，在惰性气体可能的损失时补充惰性气体；接着，由一台高压压气机23(活塞式或隔膜式)抽吸过剩量的呼吸用混合气，在220～450巴的高压下分别储存在两个压缩气体瓶15、29中之一中；在全部量的呼吸用混合气储存在一个压缩气体瓶中后，电磁阀31转换，按相反的方向重新开始这一过程。
按照这一方式和方法实际形成了一个完全封闭的回路，百分之百地利用了昂贵的惰性气体(氦气)和氧气的混合气，而没有损失。在这一系统中原则上可以通过制成的混合气按恒定计量的原理来供气，即是机械式的而非电子式的；可能用到的电气只起次要作用，这样极大地提高了潜水员的安全性。按照允许的O2分压对呼吸用混合气富集氧气也可以按恒定计量原理进行，一台自混合的自动机只起作次要的作用。
由于压气机23由一台或两台总功率为2～3千瓦12伏/24伏的直流电机驱动，直流电机由一个或几个电容量为100～600安培小时或更高的蓄电池供电，因此，潜水员的潜水时间不再依赖于所携带的呼吸气体量，而是与现有的电容量有关。按这一方式，潜水时间为在深度至700～800米的12个小时至相对小深度的24小时或更高，其前提是CO2过滤器定期更换。潜水员始终可以附加地通过电缆从表面、水下车辆或水下站供电，这要比软管供给合理得多。潜水员可以随时断开这一连接并在以后接上并且用电缆供给，这要容易和紧凑得多，同时也比软管供给更安全。
这一方法带来许多其它的优点：压气机和电机用油冷却，所产生的热量借助于热交换器被用来生产热水，从而使潜水员、呼吸气体和潜水设备保持温暖，这在深的潜水中极为重要。借助于一台或两台总功率为0.3～0.5千瓦12伏/24伏的驱动电机能使潜水员以4～6节的速度快速前述，根据所携带的蓄电池电容量其活动范围为30～200公里。还能够连续使用照明、照像、电视、视频、导航、通话、潜水计算机、减压站计算机和其它设备，以及所有至今已知类型的电气、液压和机械装置和工具。也能够将设备转换到所有迄今已知的潜水设备类型的工作原理：敞开的系统、半封闭系统、具有混合气回路的封闭系统，甚至具有纯氧气回路的封闭系统，其中，在最后一种情况中，对于带氧气潜水设备的潜水中采取了所有的安全措施。这些系统可以随意使用，视任务而定，可以接通和关掉与压气机的高压连接，否则在电容量耗尽后必然损坏电机或压气机(作为应急系统)。
这一压力振荡式储存系统能够在0～700-800米的深度为潜水员提供不同的呼吸用混合气很长时间。这一方法一旦在由科学排除700米潜水深度的迄今存在的呼吸生理极限后，甚至也能用于1000米和更深的深度。
长的使用时间能实现无潜水舱在潜水深度300～350米的快速潜水和遵守上浮时间(减压站)自由上浮至表面，或者在一定的深度例如300米从潜水车辆爬出，在600～700米深度工作，然后自己返回。配备有带绞车的电缆滚筒使潜水员能够按愿望或必要时随时与表面保持通话连接和电流连接。
根据此方法的原理制成的潜水设备的紧凑的结构允许直接从海滩、小船、船只、潜艇、水下站、直升飞机、飞机，甚至通过跳伞直接进行潜水作业。这一潜水设备可用于商业、体育、军事、科学、考古等目的。对于军事和其它任务具有新的前景和应用领域。例如第一次能够组成用于侦探阴谋破坏的侦探小组和几千人的潜水部队。其潜水深度为0～1000米，活动半径为100～200千米，可以携带和使用武器装备，并以6～10节的大的速度运动。
同时，本发明能够为每一人提供这种设备，能达到很深的深度，而毋需大的费用，以便寻找宝藏和用于体育、考古和科学目的。
本发明可以被有些海洋研究和工业部门作进一步发展，例如从水深为700m(将来可能至1000米或更深)处直接获得锰结核，从这一深度进一步获得石油和天然气。
附图说明
下面借助于附图说明本发明。其中：
图1和图1a为本发明设备的原理图；
图2为本发明设备的纵剖面图；
图3为本发明设备的例视图。
具体实施方式
借助于图1进一步说明本方法的工作原理和实施该方法的完全独立的、背驮式潜水设备。
在阀开启时，气体从压缩气体瓶29(混合气钢瓶)通过高压接头流至一级减压器30，并在那里减压至110巴的按照潜水深度的超临界压力，并通过剂量喷嘴39直接供给吸气袋37或直接供给潜水帽6。从那里呼吸用气体到达潜水员的呼吸器官。
在呼气阶段，气体通过呼气袋11回流或者直接从潜水帽6流入两个CO2吸收过滤器16、17中，从那里由低压隔膜泵吸入通过单向阀35再次供给吸气袋37。这样，这一回路是封闭的。低压隔膜泵13通过电脉冲操纵，其任务是使呼吸用气体不断在回路中循环，从而使潜水员很少感觉到呼吸阻力和呼吸压缩气体没有阻碍。
根据潜水深度为10～100升/分数量级的过剩气体不是通过过压阀10从设备的回路排入周围的水中(在半封闭系统中一般是这样)，而是由压气机23吸入并在220～450巴的高压下通过三位阀31压入第二混合气瓶15中储存，其气瓶15开始时是空的。
压气机23是一个活塞式压缩机，最好是隔膜式低-高压压缩机，功率为220～450巴，吸气和供气率为10～100升/分，由两台总功率为2～3千瓦，12V/24V的直流电机21，24驱动。电机由一个或几个12V/24V电流容量为100～600安或更高的蓄电池19、26供电，视输出而定。蓄电池可以是铅/酸、镍/镉或银/锌型，并安装在油箱中以便压力平衡。
压气机23压缩过剩的呼吸用气体通过由气水分离器、油过滤器(在活塞式压缩机时)，气味过滤器和再干燥过滤器组成的过滤装置18，这时呼吸用气体被清洁并在高压220～450巴下存储在第二个混合气瓶15中。
本设备被设计用于16或18个主潜水深度区。每一个潜水深度区配备一定的剂量和一定的混合气体。定量的混合气体量保持恒定，而与潜水深度无关。上述的16或18主潜水深度区表示在表I和II中。
气体输入吸气袋37中是自动进行的，或者通过潜水员胸前的控制板1上的计量阀39可选择地人工调节，并可以根据潜水深度从10升/分(潜水区0～50米)至95～100升/分(潜水区600～700米)加以调节。
压气机23的混合气体的吸气和供给率也可以自动调节，或者通过控制板1上的旋钮开关2，40逐级调节两台电机的输入电流进行人工调节，其中逐级输入的安培为24～200安培/小时。因此，根据电机的输入安培，压气机可以产生10～100升/分的吸气和供给率。这一由压气机在高压下储存在第二混合气瓶中的呼吸用气体量约为全部呼吸用气体量的10～15％。上述的全部呼吸用气体量是潜水员在相应的潜水深度每分钟所需要的量，剩余的气体保留在封闭回路中。按照这一方法和方式节省了将气体再压缩并为了再利用而储所需要的电流。
为了避免紧急情况，从而使气体输入率和压气机的吸气率之间不出现差别，要使计量阀39和旋钮开关2，40同步。此外，在呼气袋11上安装有安全阀9。此安全阀在少量呼气时阻止压气机23将气体从潜水员的肺部吸出，这时压气机是接通的。同时安全阀9具有在紧急状态断开电机21，21的自动断路器。在吸气袋37上也安装一个需求气体调节器36，后者在紧急情况时提供额外呼吸用气体，或者允许在特殊情况中将整个系统转换到敞开的回路设备。
根据潜水深度和所需的压气机的混合气体供给率(相应于电机的电流消耗)，作业时间或潜水时间在潜水深度600～700米时的3小时至潜水深度为0～100米时的24小时或更高，视所携带的蓄电池电容量而定。
压气机23和电机21，24安装在钢制壳体内并用油冷却。产生的热借助于热交换器22作为温度为43～45℃的热水供给潜水员，以保护潜水员、呼吸用气体和设备抵抗深水的寒冷。
过压阀10在迅速上浮或在压气机的气体输送率和吸气率之间出现差异时接通。
一旦混合气瓶15由压气机23充满220～450巴高压的净化呼吸用气体时，三位阀31就(自动或手动)换位，立即开始相同的过程，这一次是从混合气瓶15将压缩的呼吸用气体减压至超临界的压力，并通过控制板1上的计量喷嘴39供给吸气袋或直接供给潜水帽。呼出的气体又到达呼气袋11，然后在CO2吸收过滤器16，17中由低压隔膜泵13抽吸并通过单向阀35供入吸气袋中。过剩的呼吸用气体由高压压气机23抽吸，通过过滤装置18净化并在220～450巴高压下储存入这次为空的混合气瓶29中。只要存在一定的蓄电池电容量，上述过程一直重复。
此外，在这一过程中通过减压器和计量喷嘴33将纯净的氧气在恒定计量的基础上从钢瓶28输入呼气袋(11)中，这样混合气体中氧气的成分在要求的允许极限内保持恒定。类似于计量混合气体，也设计和安装有用于16个主潜水区的氧气计量和输送，因此，混合气体的计量和氧气的计量完全同步，氧气在每一深度的特别压力下在要求的极限内保持恒定。
在压气机或电机由于各种原因不再工作的紧急情况中，回路只是由按电磁原理工作的低压隔膜泵继续运作，或者也可以由一台小的电机工作，其前提是，蓄电池中尚有电容量，氧气从钢瓶28中的输送继续按恒定计量进行。这是可能的，因为在全部回路容积：呼气袋和吸气袋、潜水帽、呼吸气软管、CO2吸收过滤器等中(总体约为25～30升体积加上深度的相应压力，例如在300米时为31巴，这相当于900升正常体积)有足够的惰性气体-氧化的混合气维持一短的时间。然后设备可以由潜水员转换到半封闭回路，并按这一方式利用现存的混合气储量。
为了控制呼吸混合气体中氧气的成分，本设备配有氧气成分显示器和CO2成分显示器12和34。
根据需要从钢瓶27通过减压器和计量喷嘴32根据可能的损失附加将惰性气体(氦气)输入呼气袋11中。
为了克服强流或沿水平方向或竖直方向运动，设有电驱动电机20，25作为附加设备，它们以总功率为0.3～0.5千瓦12伏/24伏可以给予潜水员4～6节或更高的速度。根据所携带的蓄电池容量和必要的水深工作范围可达30～200千米，这对潜水的总的新质量作出了贡献。
为了获得小的流动阻力和较高的速度，作为附加装备在不同的方案中设有特殊的流线形的外壳，该外壳可以附加安装在设备的基础上。壳体很轻并透光，由丙烯酸酯玻璃制成，分成两部分，后部固定在潜水设备上，前部可以取下。
可以为潜水员配备一特别研制的计算机来帮助向他不断提供所有必要参数的图片，例如气体的输送，气体的计量、气体的储存、气体压力和环境压力、气体温度和水温、潜水时间、减压站、压气机的抽吸功率和供给率、电容量、O2成分和CO2成分、电机转速、水加热温度、距离、流速、运动速度、航行参数等等。
设备的壳体还装有两个或更多的远光灯、摄像机、电视机和照像机、安培表和伏特表、O2和CO2显示器、水下通话设备、导航仪和定位仪。该设备可以附加地与电流电缆和光纤电缆连接，其优点是，潜水员随时可以断开连接，并在以后按需求再次接上。可以在水下更换CO2过滤器，这时只有一个CO2过滤器继续工作。在与上面的电缆连接和视频连接时也有这一可能性，即直接控制潜水员的工作并提出意见。在可能的紧急情况时，该设备可以由一个遥控操作的车辆中的指挥中心直接改变运作，并在潜水员昏厥时借助于驱动电机将他运送到一水下车辆或工作站。
该设备可以产生多于10种不同的方案和模型，其具有不同的蓄电池容量和钢瓶容量、电机和压气机的功率、尺寸、形状和大小，视应用目的而定。
该设备在水下具有中和的重量，在水上的重量为50～150公斤。该设备在水上只能用一台小型起重机提起，或者安放在一条通入水中的小型滚道上。尺寸可以在长度450～800毫米、宽度450～500毫米、高度250～300毫米之间改变，并可以使潜水员通过净宽度为700～900毫米的入口爬出。该设备的所有部件均安装在由玻璃纤维加强的聚酯树脂制成的流线型壳体内，以防机械损坏。

Claims (12)

1.独立为潜水深度为0～1000米的潜水员制备、处理和供给呼吸用气体的方法，其特征为，在一完全封闭回路的振荡式储存系统中，由惰性气体(氦气)和氧气组成的一定量的混合气体不断在两个高压气体瓶(15，29)之间输送，其中，在开始时必要的呼吸用气体按过计量原则以恒定的计量到达由吸气袋(37)、潜水帽(6)、呼气袋(11)、两组CO2吸收过滤器(16，17)组成的回路；呼吸用气体在回路中的运动由一台低压隔膜泵(13)加速；从呼吸气体中去除CO2和其它的杂质、干燥并加热，此外按照相应深度的允许的氧气分压根据恒定的计量和可能的惰性气体损失补充纯的氧气和惰性气体，然后由一台高压压气体(23)抽吸过剩量的呼吸用混合气，在220～450巴的高压下储存在两个压缩气体容器(15，29)之一中，在全部的呼吸用混合气都储存在压缩气体容器(15或29)中后，电磁阀(31)转换，以相反的方向重新开始同一过程。
2.用于实施如权利要求1所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，由一台低压隔膜泵(13)产生并加速在一个完全封闭的回路中呼吸用气体的运动；泵本身由一个电磁根据电脉冲或由一台12伏/24伏的电机驱动。
3.用于实施如权利要求1的所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，过剩的呼吸用气体由一台高压压气机(23)在220～450巴的高压下储存在第二压缩气体瓶(15或29)中；上述的压气机为活塞式或隔膜式小型压缩机，其吸气和供气率为10～100升/分。
4.用于实施如权利要求1所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，高压压气机(23)由两台总功率为12伏/24伏，2～3千瓦，2000～3000转/分的直流电机(21，24)驱动。
5.用于实施如权利要求1所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，这两台驱动高压压气机(23)的直流电机(21，24)由一个或几个电容量为100～600安或更高的蓄电池12伏/24伏(19，26)供电，其中，蓄电池(19，26)可以是铅/酸、镍/镉或银/锌型并安装在油箱中。
6.用于实施如权利要求1所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，高压压气机(23)和两台电机(21，24)安装在钢制壳体内并用油冷却；所产生的热量借助于热交换器(22)用来制备热水，被加热到约45～50℃的水输送给潜水员并用于加热呼吸用气体和潜水设备。
7.用于实施如权利要求1所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，在吸气袋(37)上安装一调节器(36)，其任务是在必要时提供附加的呼吸用气体，在呼气袋(11)上安装一过压阀(10)，其任务是在必要时将过剩的呼吸用气体排入周围水中。
8.用于实施如权利要求1所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，在呼气袋(11)上安装一安全阀(9)，该阀在呼吸用气体不够时阻止压气机(23)从潜水员的肺部抽气；安装在吸气袋(37)上的单向阀(35)也阻止这一危险；安全阀(9)设有自动断路器，也可以断开压气机(23)的电机(21，24)。
9.用于实施如权利要求1所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，安装两台总功率为0.3～0.5千瓦或更高，12伏/24伏的驱动电机(20，25)作为运动机构；这两台电机(20，25)由蓄电池(19，26)供电，并可以使潜水员沿水平或竖直方向以4～6节或更高的速度运动，根据现有的电容量活动范围为30～200公里。
10.用于实施如权利要求1所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，该设备所有重要的功能通过控制板(1)由潜水员自己控制，例如呼吸用混合气的恒定计量、氧气输送的恒定计量、惰性气体输送计量、呼吸用气体的储量、氧气储量、惰性气体储量、高压压气机(23)的抽吸和供给率，低压隔膜泵的抽吸频率、驱动压气机的电机(21，24)的转速和安培消耗、运动用的电机(20，25)的转速和安培消耗、电容量的使用和储存，远光灯、视频设备和通话设备的接通和断开。
11.用于实施如权利要求1所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，一台为该设备研究的潜水计算机不断将所有必要参数的图像传给潜水员，即气体输送、气体计量、气体储存、气体和环境压力、气温和水温、潜水时间、减压站、高压压气机(23)的抽吸和供给率、尚有的电容量、O2和CO2的成分、电机转速、水加热的温度、供给量、距离、流速、运动速度、导航参数。
12.用于实施如权利要求1所述方法的独立的背驮式潜水设备，其特征为，为了获得小的流动阻力和较高的速度，作为附加设备设有不同结构的特殊流线型壳体，它可以安装在设备的基础上(图3)，壳体很轻并透光，由丙烯酸酯玻璃制成，分成两部分，后部固定在潜水设备上，前部可以取下。
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