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Die
Erfindung betrifft ein Kreislauf-Tauchgerät (Rebreather) mit eigenem
Antriebssystem für
eine rationelle Fortbewegung eines Tauchers unter Wasser mit Möglichkeiten
in verschiedenen Tiefenbereichen unterschiedlichen Atemgasgemische
zu verwenden um den Tauchgang zu optimieren und die folgende Dekompressionszeit
zu verkürzen.
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Ein
derartiges Tauchgerät
mit eigenem Antriebssystem und Gasversorgung mit unterschiedlichen
Atemgasgemischen ist von großem
praktischem Interesse. Es ermöglicht
den Taucher nicht nur tief unter Wasser vorzudringen mit wenig Verlust von
Kraft und Atemgas, sondern nach Tauchtiefe und Grundzeit die entsprechende
Dekompressionszeit wesentlich zu verkürzen durch Gaswechsel von Inertgasen
wie Stickstoff, Argon, Helium, in unterschiedlicher Zusammensetzung
mit Sauerstoff.
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Der
Taucher hat auch die Möglichkeit
sich unter Wasser schnell zu bewegen und unterschiedlichen Unterwasser-Beobachtungen
oder Arbeiten durchzuführen.
Solche Geräte
sind umso notwendiger, wenn ein größerer Aktionsradius, umfangreiche Ausrüstung und
längere
Tauchzeit gebraucht werden.
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Es
ist bekannt, dass normales Sporttauchen mit Luft bei 40 Meter Tiefe
endet, wegen der Stickstoffnarkose.
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Für die modernen
Tech-Diver von heute ist es reizvoll in größeren Tiefen vorzudringen.
Bei dem Tieftauchen braucht der Taucher eine lange Dekompression,
die von dem Aufenthalt in der entsprechenden Tiefe abhängig ist.
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Eine
Möglichkeit
die Gasversorgung bei dem Tieftauchen zu optimieren und die Dekompressionszeit
zu verkürzen
liegt in Atemgaswechsel während des
Tauchgangs. In der Praxis können
Abstieg und Aufstieg bis zum bestimmten Punkt als eine Phase betrachtet
werden und hier findet Anwendung die Reise-Mischung (Travel-Mix).
In der Arbeitstiefe wird umgestiegen auf eine zweite Mischung-Grundgemisch
(Bottom-Mix).
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Nachher
wird wieder für
einen Teil des Aufstieges die Reise-Mischung benutzt, dann wechselt der
Taucherin geringerer Tiefe auf eine dritte Dekompressions-Mischung
mit möglichst
hohem Sauerstoffanteil und dann ab 9 Meter Tiefe auf reinem Sauerstoff.
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Auch
dem Kälteschutz
ist bei langen, tiefen Tauchgängen
verstärkt
Beachtung zu schenken, man braucht auch Heizung für das Tauchgerät und das Atemgas,
besonders bei dem Tauchen mit Helium-Sauerstoff-Gasgemisch.
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Es
existieren Tauchgeräte,
gebaut nach dem Prinzip des offenen Systems, wo das Atemgaswechsel
stattfindet durch mitnehmen von fünf, sechs oder mehr Tauchflaschen.
Nachteil von diesen Geräten
ist der enorme Gasverbrauch in größeren Tiefen, die Helium-Gasgemische
sind sehr teuer, der Taucher muss enormes Gewicht tragen (bis 120
und mehr Kilogramm). Das Tauchen mit diesen Geräten ist auch riskant da es
keine Heizung für
das Atemgas gibt.
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Es
existieren Tauchgeräte,
gebaut nach dem Prinzip deshalbgeschlossenem oder geschlossenen Kreislaufs,
wo
das teuere Inertgas weniger verbraucht wird. Diese Geräte im Prinzip
benutzen nur eine Sorte Inertgas
(Stickstoff oder Helium) und
erlauben nur das ändern von
Sauerstoff-Gehalt, nicht aber den Atemgaswechsel.
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Normalerweise
vergeudet ein Taucher auch viel kostbare Energie (Körperkraft,
Atemgas) und Zeit um von seiner Basis aus mit eigener Kraft zum
Einsatzort zu schwimmen.
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Es
sind Antriebsagregate bekannt, die an einem SCUBA-Presslufttauchgerät-Flasche
zu befestigen sind, wie z. B.
U.S.Patent
3,329,118 , wo die Akkumulatoren, Elektromotoren und die
Flasche eine Einheit bilden, die sehr schwer und mit großen Volumen
ist, oder
U.S.Patent 5,984,739 ,
wo der Akkumulator und der Elektromotor an eine Pressluftflasche von
hinten befestigt sind.
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Nachteil
von diesen Geräten
ist dass sie entweder nur für
Tauchgeräte
mit offenem System prädestiniert
sind, oder sehr schwer zu tragen sind und bieten unter Wasser große Widderstands-Flächen. Es
sind keine Antriebsagregate bekannt, die in einem Kreislauf-Gerät integriert
sind.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe- die Gasversorgung bei dem Tieftauchen zu optimieren
und die Dekompressionszeit zu verkürzen durch Atemgaswechsel während des
Tauchgangs, weniger teueres Inertgas zu verbrauchen und zugleich
die Größe und das Gewicht
des Tauchgerätes
so wenig wie möglich
zu halten, nicht zuletzt eine interne Heizung für das Atemgas und ein Antriebsagregat
als Bewegungsmittel zu besitzen – ist in einem neuen Kreislauf-Tieftauchgerät zu schaffen.
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Das
neue Kreislauftauchgerät
zeichnet sich damit aus, dass auf der Basis von den bekannten bis jetzt
Tauchgeräte,
die auf dem Prinzip der halbgeschlossenem oder geschlossenem Kreislauf
mit selbst-mischende Elektronik eine weitere Entwicklung unternommen
ist, um diese Geräten
mit der Möglichkeit
zu versehen, unter Wasser bei dem Tauchen von mehr als 40 Meter
die folgende nachher lange Dekompressionszeit zu verkürzen durch
Gaswechsel und so erstens überhaupt
tiefere Tauchgänge
für Sporttaucher
möglich
zu machen und zweitens die Tauchsicherheit wesentlich zuerhöhen. Für diesen
Zweck sind zwei unterschiedliche Varianten möglich: die erste Variante basiert
auf dem Prinzip der halbgeschlossenem Kreislauf und besteht aus Mundstück oder
Helm, Einatemschlauch, Einatembeutel, Ausatemschlauch, Ausatembeutel,
CO-2 Absorption Filter, vier Konstantdosierungs-Düsen mit Möglichkeit
genau dosierte mengen Atemgas in diesem Kreislauf nach Wahl des
Tauchers einzuspeisen, zwei Eingänge
für Atemgas
um den Kreislauf durchzuspülen
bei Notwendigkeit, drei Sauerstoff-Sensoren um den Partialdruck
des Sauerstoffes zu messen, ein Sensor für Helium-Messung und ein Sensor für CO-2-Messung,
vier Stahldruckflaschen, davon drei gefüllt mit drei unterschiedliche
Atemgasmischungen aus Inertgasen, wie Stickstoff, Argon und Helium
mit unterschiedlichen Gehalt von Sauerstoff und eine Stahldruckflasche
gefüllt
mit reinem Sauerstoff.
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Die
zweite Variante basiert auf dem Prinzip der geschlossenem Kreislauf
und der Unterschied zu der erste Variante ist, dass statt vier Konstantdosierungs-Düsen alle Sensoren sind verbunden
mit zwei Mikroprozessoren, die den Sauerstoffgehalt kontrollieren
und bei Notwendigkeit in dem Kreislauf genau kontrollierten Mengen
rein- Sauerstoff oder unterschiedlichen Inertgasen, wie Stickstoff,
Argon oder Helium, gefüllt
in vier unterschiedlichen Stahldruckflaschen, durch vier Magnet-Solenoid-Ventile
einspeisen.
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Außerdem besitzen
die beiden Varianten von dem neuen Tauchgerät auch eine keramische Heizpatrone,
die mit Gleichstrom 12 V–24
V versorgt ist und 50–150
Watt oder mehr Leistung hat mit Ausschaltautomatik. Diese Heizpatrone
hat die Aufgabe das Atemgas zu erwärmen, besonders bei Benuzung von
Helium-Sauerstoff-Gasgemisch bis eine Temperatur von 32°–33°C. Das Tauchgerät hat auch
eine eigene Antriebseinheit, bestehend von eine oder mehreren Batterien
von Typ Blei-Säure,
Nickel-Kadmium, Nikel-Metalhydrid,
Lithium-Zonen oder anderen Typen, wobei die Batterien mit einer
Brenstoffzelle ersetzt oder unterstützt werden können, verbunden
mit ein Gehäuse
mit Elektromotor für
Gleichstrom 12 V–48
V/0.7 bis 3 KW und eine kompakte Turbine mit Düse für schnellen Antrieb. Diese
Antriebseinheit wird mit dem Kreislaufgerät erst unter Wasser ein- und
ausgekopelt und von dem Taucher beim verlassen des Wassers mit der
Hand getragen, um das Gewicht des Tauchgerätes auf dem Rücken des
Tauchers zu minimieren Alle anderen Teile bilden eine kompakte,
rückentragbare,
relativ leichte Einheit mit Gewicht 20 bis 30 Kilogramm.
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Eine
ganz elementare Variante von der selben Konstruktion, bestehend
nur von dem Hauptteil mit zwei Konstantdosierungs-Düsen, CO-2
Absorptions-Filter,
Druckausgleichbeutel und Schläuche
mit Mundstück
kann als Aushilfsmittel für
Aufrüstung
von bestehenden Presslufttauchgeräte Anwendung finden, für bessere
Nutzung der Luftvorrat und Verlängerung
der Tauchzeit.
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Die
Erweiterung von Tauchtiefe und Grundzeit sowie die Verwendung anderer
Atemgase als Druckluft und das Tauchen ohne die Möglichkeit
des direkten Aufstiegs verlangen eine neue Definition der Tauchsicherheit.
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Das
neue Kreislauf-Tauchgerät
bietet neue Möglichkeiten
und neue Sicherheitsaspekte in dem modernen Technischen Tauchen.
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Die
Erfindung wird beispielsweise dargestellt durch die Zeichnungen:
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1 – Funktionsschema
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2 – Ansicht
der Hauptteilen
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3 – Gesamt-Ansicht
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4 – Aushilfsvariante
für Pressluftgerät
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Das
neue Kreislauf-Tauchgerät
mit Möglichkeiten
für Atemgaswechsel
unter Wasser und eigenem Antriebssystem funktioniert in folgender
Weise:
Bei der Variante gebaut nach dem Prinzip von halbgeschlossenem
Kreislauf werden vor dem Tauchen in der Stahlflaschen (9, 10 und 56)
drei unterschiedlichen Zusammensetzungen von Inertgasen mit unterschiedlichen Sauerstoff-Gehalt
gefüllt
unter Hochdruck 220–300
bar. In der Stahlflasche (9) wird z. B. 10% Sauerstoff,
30% Stickstoff und 60% Helium gefüllt. In der Stahlflasche (56)
wird 10% Sauerstoff und 90% Helium gefüllt. Die Stahlflasche (10)
wird mit Luft und die Stahlflasche (55) mit 100% Sauerstoff gefüllt. Die
vier Stahlflaschen (9, 10, 56 und 55)
besitzen eigene Druck-Reduzierventile
(25, 27, 40, 42) wo der Druck
des Atemgases auf 10 bar über
dem Umgebungsdruck reduziert wird. Die Stahlflaschen (9, 10 und 56)
sind einzeln verbunden mit dem Regulator-Ventil (19). Bei
dem Tauch-Vorgang öffnet
der Taucher zuerst die Stahldruckflasche (10), gefüllt mit Luft,
um bis einer Tiefe von 40–50
Meter zu tauchen. Durch Verbindung (17) ist die Flasche
(10) verbunden mit der Konstantdosierungs-Düse (14)
und durch diese Düse
kommt Luft in die Kammer (7), genau dosiert, z. B. 10–12 Liter
pro Minute.
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Unter
dem Druck des Wassers der Regulator-Ventil (19) öffnet sich
auch und füllt
mit dem entsprechendem Atemgas die Misch-Kammer (7) bis zum
Ausgleich des Druckes. Für
diesen Zweck dienen auch die beiden Druck-Ausgleich Beutel (20). Die
Kammer (7) kann geöffnet
werden durch trennen von dem unteren Teil (49), um den
CO-2 Absorption Filter (6) vor dem Tauchgang auszuwechseln.
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Nachher
schließt
sich der Regulator-Ventil (19).
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Bei
Erreichen von einer Tiefe von 50–60 Meter der Taucher schließt mit den
Drehgriff die Stahlflasche (10) und öffnet durch Drehgriff de Stahlflasche (9),
gefüllt
mit Atemgasmischung 10% Sauerstoff, 30% Stickstoff und 60% Helium.
In dieser Weise schaltet er das Gerät auf diese Atemgasmischung und
führt den
Gaswechsel für
eine Tiefe bis 160–180 Meter.
Durch Verbindung (18) speist er die Kammer (7)
durch Konstantdosierungs-Düse
(15) ständig
mit der Atemgasmischung mit einer Flow-Rate von 18–20 Liter
per Minute. Der Regulator-Ventil (19) wird weiter mit derselben
Atemgasmischung gespeist.
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In
Tiefe von 180 Meter der Taucher schließt durch Drehgrif die Flasche
(9) und öffnet
die Stahlflasche (56), gefüllt mit Atemgasmischung von
10% Sauerstoff und 90% Helium. Durch das Reduzierventil (40)
strömt
das Atemgas durch Verbindung (47) zu der Konstantdosierungs-Düse (51)
und von dort mit einer Flow-Rate von 30–40 Liter pro Minute in die Kammer
(7). In dieser Kammer befindet sich der CO-2 Absorptions-Filter
(6) und der Keramik-Heizkörper (8, 57)
mit Ausschaltautomatik. Der Heizkörper kann für eine bestimmte Atemgas-Temperatur eingestellt
werden, z. B. 32°C,
die ständig
gehalten wird. Der Heizkörper
wird mit Gleichstrom 12 V/24 V von der Batterie (21) versorgt.
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Der
Taucher atmet durch den Einatem-Schlauch (2) und Einatembeutel
(5) ein und durch den Ausatemschlauch (3) und
Ausatembeutel (58) aus in die Kammer (7), dort
schließt
sich der Kreislauf. Der Druck-Ausgleich Beutel (20) ist
versehen mit einem Überdruckventil
(59), auch Ausatembeutel (58), wo das überschüssige Atemgas
in das umgebenden Wasser entweicht. Ein oder mehreren Sauerstoff-Sensoren
(4) messen ständig
den Sauerstoff-Gehalt
des Atemgases in die Kammer (7) und geben dem Taucher Information
am Display (37), auch Licht- oder akustisches Signal bei
Störungen. Die
CO-2 Sensoren (11) geben dem Taucher Information über den
CO-2 Gehältern,
der Helium-Sensor (54) gibt Information über dem
Helium-Gehalt in die Kammer (7). Diese Kammer ist hermetisch
abgeschlossen. In Falle eines Falles, sollte aus welchem Grund auch
immer Wasser in dieser Kammer (7) eindringen, es ist wichtig
für die
Gesundheit des Tauchers dass dieses Wasser entfernt wird, sonst
kann der CO-2 Filter beschädigt
werden oder giftiger Gase entstehen. Dafür dient die Entwässerungs-Anlage mit
Abschließventil
(46), wo das Wasser aus der Kammer (7) ausgedrückt wird,
nachdem das Ventil geöffnet
und dann wieder geschlossen wird.
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Nach
erreichen von einer Arbeits- und Einsatztiefe von 200 Meter und
getaner Arbeit, der Taucher steigt in einer Tiefe von 140 Meter
auf, macht einen Dekompressions-Stopp, wobei er von einem Tauch-
und Dekompressions-Stopp Computer unterstütz wird. Auf dieser Tiefe schließt er die
Stahlflasche (56) und öffnet
die Stahlflasche (9). Dann steigt er in einer Tiefe von
80 Meter, schließt
die Stahlflasche (9) und öffnet die Stahlflasche (10).
Obwohl jetzt aus dieser Flasche in die Kammer (7) Luft
einströmt, die
Reste von der vorherigen Gasmischung vermischen sich mit der Luft
und die Gefahr für
Stickstoffnarkose ist niedrig.
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Nach
notwendigem Dekompressions-Stopp in der entsprechenden Tiefe und
bei dem Erreichen von einer Tiefe von 60 Meter schließt der Taucher
die Stahlflasche (10) und öffnet die Stahlflasche (55),
die mit 100% Sauerstoff gefüllt
ist. Durch das Reduzierventil (42) strömt der Sauerstoff zu der Konstantdosierungs-Düse (50)
und mit einer Flow-Rate von 1,4 Liter pro Minute in die Kammer (7)
wo er sich mit dem übrig
gebliebenen Atemgasgemisch anschließt. Der Taucher hat die Möglichkeit
den Sauerstoff-Gehalt
in der Kammer (7) langsam zu erhöhen bei der entsprechenden
Tiefe 50, 40, 30, 20, 15, 10 Meter- durch Betätigung der direkte Verbindung
(53) zu der Kammer (7). Ab einer Tiefe von 9 Meter
der Taucher kann durch die Verbindung (53) die Kammer (7)
mit Rein-Sauerstoff durchzuspülen
und füllen
bis zu der Ende der Dekompressions-Zeit und erreichen der Oberfläche.
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Mit
diesem Atemgaswechsel wird die Dekompressions-Zeit mit mehreren
Stunden wesentlich verkürzt,
da die gelöste
in die Blutbahnen des Tauchers Atemgasmoleküle der unterschiedlichen Inertgasen
leichter aus dem Körpergewebe
ausscheiden. In dieser Weise ist sich die Tauchsicherheit wesentlich
verbessert und der Tauchdauer verkürzt, wobei Zeit und Atemgas
gespart werden.
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Bei
Notwendigkeit kann der Taucher zu jeder Zeit das Atemgas aus der
Stahlflaschen (9, 10 und 56) direkt nutzen
auf dem Prinzip des offenen Systems mit einem Atem-Automaten.
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Bei
einer Variante des Tauchgerätes
auf dem Prinzip des völlig
geschlossenem Kreislauf mit Selbstmischende Elektronik, die wesentlich
teuerer in Preis ist, wird in der Stahlflasche (9) rein
Inertgas Helium, in der Stahlflasche (10) rein Stickstoff,
in der Stahlflasche (56) Gas Argon und in der Stahlflasche (55)
rein Sauerstoff gespeichert. Zwei Mikroprozessoren (30, 36)
regulieren den Prozess der Entstehung des Atemgasgemisches in der
Kammer (7) mit Hilfe der Sauerstoff-Sensoren (4)
und Helium-Sensor (54), wobei die Mikroprozessoren den
Magnet Solenoid-Ventil (43) für Sauerstoff-Zufuhr, Magnet
Solenoid-Ventil (29) für
Helium-Zufuhr, Magnet Solenoid-Ventil (24) für Luft oder
Stickstoff und Magnet-Solenoid-Ventil (38) für Argon
oder Argon-Sauerstoffgasmischung steuern. Eigentlich der Gaswechsel
mit unterschiedlichen Inertgasen wird von den Mikroprozessoren (30, 36)
selber durchgeführt,
nach vorbereitetes und gespeichertes Programm. Die drei Verbindungen
von Stahldruckflaschen (9, 10 und 56)
zwischen den entsprechenden Magnet-Ventile und der Misch-Kammer
(7) speisen mit Gas auch das Regulator-Ventil (19)
zum Druck-Ausgleich. Für
den Abstieg bis zu einer Tiefe von 60 Meter und der Aufstieg ab
80 Meter Tiefe schalten die Mikroprozessoren (30, 36)
beide Magnet-Ventile (24) – für Stickstoff und (43) für Sauerstoff,
wobei von beiden Gasen bestimmten Mengen in der Kammer (7)
einfließen,
entsprechend den zulässigen
Sauerstoff-Partialdruck der Tiefe.
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Der
Tauchgang von 60 Meter bis 200 Meter und zurück bis 80 Meter Tiefe kann
mit der Selbstmischende Elektronik durchgeführt werden mit Inertgas Helium
aus Stahlflasche (9) in Verbindung mit Sauerstoff aus der
Stahlflasche (55).
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Bei
einem Aufstieg ab einer Tiefe von 80 Meter und für de notwendige Dekompression
bis 60 Meter kann das Gerät
mit Inertgas von Stahlflasche (10) – Stickstoff und Sauerstoff
von Flasche (55) gespeist werden, wobei die Mikroprozessoren
(30, 36) langsam den vorherigen Inertgas mit neuen
austauschen.
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Ab
60 Meter Tiefe bis 9 Meter Tiefe für die Dekompression wird Inertgas
Argon von Flasche (56) und Sauerstoff von der Flasche (55)
in die Kammer (7) gespeist, wobei die Mikroprozessoren
den Sauerstoff Anteil von 30% langsam auf die entsprechende Tiefe
bis 70%, 80% und 90% erhöhen.
Ab einer Tiefe von 9 Meter wird das Gerät auf Nutzung von rein Sauerstoff
von der Stahlflasche (55) umgeschaltet werden, bis erreichen
der Oberfläche.
Bei Unterwasser-Arbeiten, die mit Suchaktionen oder Inspektionen verbunden
sind, um kostbare Energie (Körperkraft und
Atemgas) zu sparen, kann der Taucher den eigenen Antriebsagregat,
bestehend aus Akkumulatoren-, bzw. Brennstoffzellen-Box (21),
verbunden mit Gehauste mit Elektromotor (33) 12 V/48 V
mit einer Leistung von 0.7 bis 3 KW und versehen mit einer Turbine
(34) und Düse
(35), benutzen.
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Die
Akkumulatoren können
von Typ Blei-saure, Nickel-Kadmium, Nikel-Metal-Hydrid, Lithium-Ionen oder anderen Typ
sein, die einerseits genug Leistungsfähig, andererseits kompakt und
mit wenig Gewicht sind.
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Die
können
ersetzt oder unterstützt
werden von einer PEM-Brennstoffzelle oder anderen Typ Brennstoffzelle
mit Wasserkühlung
und gespeist von rein Sauerstoff von der Stahlflasche (55)
und rein Wasserstoff, mitgebracht in Metall-Hydrid Behälter oder
Stahlflasche. Um das Gewicht des Tauchgerätes an der Oberfläche zu reduzieren,
kann der Antriebsagregat Unterwasser ein- und ausgekoppelt werden mit Abschließmechanismus
und mit Hilfe von einem Tragegriff (60) in der Hand getragen
werden. Das Gewicht des Antriebsagregat kann zwischen 15 bis 25
Kilogramm betragen.
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Unterwasser
hat das gesamte Tauchgerät
inklusive die Antriebseinheit neutrale Schwimmfähigkeit.
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Alle
Teile des Tauchgerätes
können
in einer Hülle
aus GFK-Faser untergebracht werden in einer Strömungslinien-Form für besseren
Schutz und Design.
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Eine
ganz einfache und billige Variante des Gerätes, dargestellt in 4,
konstruiert mit dem möglichst
kleineren Diameter in Querschnitt (eventuell 14–16 cm) bestehend nur aus dem
Mundstück
(1), Ein- und Ausatemschläucher (2, 3),
die Kammer (7), den CO-2 Filter (6), und den unteren
Teil (49) mit Druck-Ausgleichs-Beutel (20) mit Überdruck-Ventil (59),
zwei Konstantdosierungs-Düsen
(14, 50) und Regulator-Ventil (19), nach
Wahl auch Batterie-Pack (21) und Antriebs-Einheit (32),
kann als Zusatzgerät von
allen Taucher erworben und benutzt werden, die einen Presslufttauchgerät besitzen
mit Doppel-Pack Stahlflaschen. Diese Taucher können ihre Geräte modernisieren
und Aufrüsten
für längere Tauchgänge und
höhere
Tauchsicherheit, wobei sie diese Variante des neuen Tauchgerätes über ihre
normale Tauchflaschen befestigen und verbinden.