專利名稱：為潛水員獨立地制備、處理和供給呼吸用氣體的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在0～1000米的潛水深度為潛水員制備、處理和供給呼吸用氣體的方法和一種實施此方法的完全獨立的背馱式潛水設(shè)備。
背景技術(shù)：
在已知的敞開的或半封閉系統(tǒng)的潛水設(shè)備中，在深度從50～100米起氣體消耗急劇強加。完全避免呼吸用氣體的損失只有通過封閉系統(tǒng)才能做到。
DE-C834 201(Draegerwerk，Luebeck)描述了一種具有封閉回路的自混合的潛水設(shè)備。在這一方法中測量吸入空氣的量或呼出空氣的量，并根據(jù)兩個量的差值供給氧氣。
GB A-2208203(Carmellan researcw Ltd.)描述了RexnordCOR155型自混合潛水設(shè)備。這種潛水設(shè)備是根據(jù)市售的作為美國宇航副產(chǎn)品的氧氣傳感器設(shè)計的，它具有足夠的精度和可靠性來測量重要的氧氣分壓。在完全封閉的回路中，潛水設(shè)備借助于惰性氣體獲得潛水深度的環(huán)境壓力，然后根據(jù)氧氣傳感器的測量值只調(diào)節(jié)要求的O2分壓，也就是說，在繼續(xù)潛水過程中只補償潛水員實際需要的氧氣。
在這一方法中，呼吸用氣體中的氧氣分壓和CO2成分的數(shù)據(jù)借助于一臺安裝在表面上的個人計算機用相應(yīng)的軟件程序加以處理。
在深度超過50～100米時，出于安全原因幾乎不能使用這種具有封閉系統(tǒng)CCR(封閉回路潛水設(shè)備)的自混合潛水設(shè)備。這一最重要的缺點有三方面用來調(diào)節(jié)使用的氦氣-氧氣-混合氣中的精確氧氣分壓的呼吸用的混合氣的電氣沒有絕對的可靠性；潛水員用他自己的肺部來抽吸呼吸用氣體通過潛水設(shè)備，以便將呼出的CO2從設(shè)備回路中清除(在300米深度時氣體密度為31巴)；與敞開的回路相反，在封閉系統(tǒng)中取消了繼續(xù)洗滌許多侵入的雜質(zhì)的連續(xù)的氣體流。深度越深，氧氣和二氧化碳含量的允許范圍越小，CO2和O2中毒的危險增加。
其它的缺點是在200～500米深度時由于氣體的缺乏，使用時間被限制在15～20分鐘。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明旨在提出一種根據(jù)相應(yīng)的潛水深度來處理、凈化和制備呼吸用氣體的方法，同時保證相應(yīng)的氣體供給和儲存，以便在小的和大的深度為潛水員提供必要的呼吸用混合氣，以及按照這一方法的基本原理提出一種完全獨立的背馱式潛水設(shè)備。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案在一種獨立為潛水深度為0～1000米的潛水員制備、處理和供給呼吸用氣體的方法，其特征為，在一完全封閉回路的振蕩式儲存系統(tǒng)中，由惰性氣體(氦氣)和氧氣組成的一定量的混合氣體不斷在兩個高壓氣體瓶之間輸送，其中，在開始時必要的呼吸用氣體按過計量原則以恒定的計量到達由吸氣袋、潛水帽、呼氣袋、兩組CO2吸收過濾器組成的回路；呼吸用氣體在回路中的運動由一臺低壓隔膜泵加速；從呼吸氣體中去除CO2和其它的雜質(zhì)、干燥并加熱，此外按照相應(yīng)深度的允許的氧氣分壓根據(jù)恒定的計量和可能的惰性氣體損失補充純的氧氣和惰性氣體，然后由一臺高壓壓氣體抽吸過剩量的呼吸用混合氣，在220～450巴的高壓下儲存在兩個壓縮氣體容器之一中，在全部的呼吸用混合氣都儲存在壓縮氣體容器中后，電磁閥轉(zhuǎn)換，以相反的方向重新開始同一過程。
這里是在一個完全封閉回路的振蕩式儲存系統(tǒng)中，在兩個高壓氣體瓶15、29之間不斷輸送一定量的由惰性氣體(氦氣)和氧氣組成的混合氣，其中，在開始時必要的呼吸用混合氣按過計量和恒定計量的原則到達由吸氣袋37、潛水帽6、呼氣袋11、雙組CO2吸收過濾器16、17組成的回路中。回路中的呼吸氣體的運動由一臺低壓隔膜泵13加速；清除吸呼氣體中的CO2和其它雜質(zhì)，干燥并加熱呼吸氣體，此外按照相應(yīng)深度根據(jù)恒定計量原理補充允許的氧氣分壓，在惰性氣體可能的損失時補充惰性氣體；接著，由一臺高壓壓氣機23(活塞式或隔膜式)抽吸過剩量的呼吸用混合氣，在220～450巴的高壓下分別儲存在兩個壓縮氣體瓶15、29中之一中；在全部量的呼吸用混合氣儲存在一個壓縮氣體瓶中后，電磁閥31轉(zhuǎn)換，按相反的方向重新開始這一過程。
按照這一方式和方法實際形成了一個完全封閉的回路，百分之百地利用了昂貴的惰性氣體(氦氣)和氧氣的混合氣，而沒有損失。在這一系統(tǒng)中原則上可以通過制成的混合氣按恒定計量的原理來供氣，即是機械式的而非電子式的；可能用到的電氣只起次要作用，這樣極大地提高了潛水員的安全性。按照允許的O2分壓對呼吸用混合氣富集氧氣也可以按恒定計量原理進行，一臺自混合的自動機只起作次要的作用。
由于壓氣機23由一臺或兩臺總功率為2～3千瓦12伏/24伏的直流電機驅(qū)動，直流電機由一個或幾個電容量為100～600安培小時或更高的蓄電池供電，因此，潛水員的潛水時間不再依賴于所攜帶的呼吸氣體量，而是與現(xiàn)有的電容量有關(guān)。按這一方式，潛水時間為在深度至700～800米的12個小時至相對小深度的24小時或更高，其前提是CO2過濾器定期更換。潛水員始終可以附加地通過電纜從表面、水下車輛或水下站供電，這要比軟管供給合理得多。潛水員可以隨時斷開這一連接并在以后接上并且用電纜供給，這要容易和緊湊得多，同時也比軟管供給更安全。
這一方法帶來許多其它的優(yōu)點壓氣機和電機用油冷卻，所產(chǎn)生的熱量借助于熱交換器被用來生產(chǎn)熱水，從而使?jié)撍畣T、呼吸氣體和潛水設(shè)備保持溫暖，這在深的潛水中極為重要。借助于一臺或兩臺總功率為0.3～0.5千瓦12伏/24伏的驅(qū)動電機能使?jié)撍畣T以4～6節(jié)的速度快速前述，根據(jù)所攜帶的蓄電池電容量其活動范圍為30～200公里。還能夠連續(xù)使用照明、照像、電視、視頻、導(dǎo)航、通話、潛水計算機、減壓站計算機和其它設(shè)備，以及所有至今已知類型的電氣、液壓和機械裝置和工具。也能夠?qū)⒃O(shè)備轉(zhuǎn)換到所有迄今已知的潛水設(shè)備類型的工作原理敞開的系統(tǒng)、半封閉系統(tǒng)、具有混合氣回路的封閉系統(tǒng)，甚至具有純氧氣回路的封閉系統(tǒng)，其中，在最后一種情況中，對于帶氧氣潛水設(shè)備的潛水中采取了所有的安全措施。這些系統(tǒng)可以隨意使用，視任務(wù)而定，可以接通和關(guān)掉與壓氣機的高壓連接，否則在電容量耗盡后必然損壞電機或壓氣機(作為應(yīng)急系統(tǒng))。
這一壓力振蕩式儲存系統(tǒng)能夠在0～700-800米的深度為潛水員提供不同的呼吸用混合氣很長時間。這一方法一旦在由科學(xué)排除700米潛水深度的迄今存在的呼吸生理極限后，甚至也能用于1000米和更深的深度。
長的使用時間能實現(xiàn)無潛水艙在潛水深度300～350米的快速潛水和遵守上浮時間(減壓站)自由上浮至表面，或者在一定的深度例如300米從潛水車輛爬出，在600～700米深度工作，然后自己返回。配備有帶絞車的電纜滾筒使?jié)撍畣T能夠按愿望或必要時隨時與表面保持通話連接和電流連接。
根據(jù)此方法的原理制成的潛水設(shè)備的緊湊的結(jié)構(gòu)允許直接從海灘、小船、船只、潛艇、水下站、直升飛機、飛機，甚至通過跳傘直接進行潛水作業(yè)。這一潛水設(shè)備可用于商業(yè)、體育、軍事、科學(xué)、考古等目的。對于軍事和其它任務(wù)具有新的前景和應(yīng)用領(lǐng)域。例如第一次能夠組成用于偵探陰謀破壞的偵探小組和幾千人的潛水部隊。其潛水深度為0～1000米，活動半徑為100～200千米，可以攜帶和使用武器裝備，并以6～10節(jié)的大的速度運動。
同時，本發(fā)明能夠為每一人提供這種設(shè)備，能達到很深的深度，而毋需大的費用，以便尋找寶藏和用于體育、考古和科學(xué)目的。
本發(fā)明可以被有些海洋研究和工業(yè)部門作進一步發(fā)展，例如從水深為700m(將來可能至1000米或更深)處直接獲得錳結(jié)核，從這一深度進一步獲得石油和天然氣。


下面借助于

本發(fā)明。其中圖1原理圖；圖1a表示本發(fā)明的完全獨立的、背馱式潛水設(shè)備；圖2縱剖面；圖3側(cè)視圖。
具體實施例方式
借助于圖1進一步說明本方法的工作原理和實施該方法的完全獨立的、背馱式潛水設(shè)備。
在閥開啟時，氣體從壓縮氣體瓶29(混合氣鋼瓶)通過高壓接頭流至一級減壓器30，并在那里減壓至110巴的按照潛水深度的超臨界壓力，并通過劑量噴嘴39直接供給吸氣袋37或直接供給潛水帽6。從那里呼吸用氣體到達潛水員的呼吸器官。
在呼氣階段，氣體通過呼氣袋11回流或者直接從潛水帽6流入兩個CO2吸收過濾器16、17中，從那里由低壓隔膜泵吸入通過單向閥35再次供給吸氣袋37。這樣，這一回路是封閉的。低壓隔膜泵13通過電脈沖操縱，其任務(wù)是使呼吸用氣體不斷在回路中循環(huán)，從而使?jié)撍畣T很少感覺到呼吸阻力和呼吸壓縮氣體沒有阻礙。
根據(jù)潛水深度為10～100升/分數(shù)量級的過剩氣體不是通過過壓閥10從設(shè)備的回路排入周圍的水中(在半封閉系統(tǒng)中一般是這樣)，而是由壓氣機23吸入并在220～450巴的高壓下通過三位閥31壓入第二混合氣瓶15中儲存，其氣瓶15開始時是空的。
壓氣機23是一個活塞式壓縮機，最好是隔膜式低-高壓壓縮機，功率為220～450巴，吸氣和供氣率為10～100升/分，由兩臺總功率為2～3千瓦，12V/24V的直流電機21，24驅(qū)動。電機由一個或幾個12V/24V電流容量為100～600安或更高的蓄電池19、26供電，視輸出而定。蓄電池可以是鉛/酸、鎳/鎘或銀/鋅型，并安裝在油箱中以便壓力平衡。
壓氣機23壓縮過剩的呼吸用氣體通過由氣水分離器、油過濾器(在活塞式壓縮機時)，氣味過濾器和再干燥過濾器組成的過濾裝置18，這時呼吸用氣體被清潔并在高壓220～450巴下存儲在第二個混合氣瓶15中。
本設(shè)備被設(shè)計用于16或18個主潛水深度區(qū)。每一個潛水深度區(qū)配備一定的劑量和一定的混合氣體。定量的混合氣體量保持恒定，而與潛水深度無關(guān)。上述的16或18主潛水深度區(qū)表示在表I和II中。
氣體輸入吸氣袋37中是自動進行的，或者通過潛水員胸前的控制板1上的計量閥39可選擇地人工調(diào)節(jié)，并可以根據(jù)潛水深度從10升/分(潛水區(qū)0～50米)至95～100升/分(潛水區(qū)600～700米)加以調(diào)節(jié)。
壓氣機23的混合氣體的吸氣和供給率也可以自動調(diào)節(jié)，或者通過控制板1上的旋鈕開關(guān)2，40逐級調(diào)節(jié)兩臺電機的輸入電流進行人工調(diào)節(jié)，其中逐級輸入的安培為24～200安培/小時。因此，根據(jù)電機的輸入安培，壓氣機可以產(chǎn)生10～100升/分的吸氣和供給率。這一由壓氣機在高壓下儲存在第二混合氣瓶中的呼吸用氣體量約為全部呼吸用氣體量的10～15％。上述的全部呼吸用氣體量是潛水員在相應(yīng)的潛水深度每分鐘所需要的量，剩余的氣體保留在封閉回路中。按照這一方法和方式節(jié)省了將氣體再壓縮并為了再利用而儲所需要的電流。
為了避免緊急情況，從而使氣體輸入率和壓氣機的吸氣率之間不出現(xiàn)差別，要使計量閥39和旋鈕開關(guān)2，40同步。此外，在呼氣袋11上安裝有安全閥9。此安全閥在少量呼氣時阻止壓氣機23將氣體從潛水員的肺部吸出，這時壓氣機是接通的。同時安全閥9具有在緊急狀態(tài)斷開電機21，21的自動斷路器。在吸氣袋37上也安裝一個需求氣體調(diào)節(jié)器36，后者在緊急情況時提供額外呼吸用氣體，或者允許在特殊情況中將整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到敞開的回路設(shè)備。
根據(jù)潛水深度和所需的壓氣機的混合氣體供給率(相應(yīng)于電機的電流消耗)，作業(yè)時間或潛水時間在潛水深度600～700米時的3小時至潛水深度為0～100米時的24小時或更高，視所攜帶的蓄電池電容量而定。
壓氣機23和電機21，24安裝在鋼制殼體內(nèi)并用油冷卻。產(chǎn)生的熱借助于熱交換器22作為溫度為43～45℃的熱水供給潛水員，以保護潛水員、呼吸用氣體和設(shè)備抵抗深水的寒冷。
過壓閥10在迅速上浮或在壓氣機的氣體輸送率和吸氣率之間出現(xiàn)差異時接通。
一旦混合氣瓶15由壓氣機23充滿220～450巴高壓的凈化呼吸用氣體時，三位閥31就(自動或手動)換位，立即開始相同的過程，這一次是從混合氣瓶15將壓縮的呼吸用氣體減壓至超臨界的壓力，并通過控制板1上的計量噴嘴39供給吸氣袋或直接供給潛水帽。呼出的氣體又到達呼氣袋11，然后在CO2吸收過濾器16，17中由低壓隔膜泵13抽吸并通過單向閥35供入吸氣袋中。過剩的呼吸用氣體由高壓壓氣機23抽吸，通過過濾裝置18凈化并在220～450巴高壓下儲存入這次為空的混合氣瓶29中。只要存在一定的蓄電池電容量，上述過程一直重復(fù)。
此外，在這一過程中通過減壓器和計量噴嘴33將純凈的氧氣在恒定計量的基礎(chǔ)上從鋼瓶28輸入呼氣袋(11)中，這樣混合氣體中氧氣的成分在要求的允許極限內(nèi)保持恒定。類似于計量混合氣體，也設(shè)計和安裝有用于16個主潛水區(qū)的氧氣計量和輸送，因此，混合氣體的計量和氧氣的計量完全同步，氧氣在每一深度的特別壓力下在要求的極限內(nèi)保持恒定。
在壓氣機或電機由于各種原因不再工作的緊急情況中，回路只是由按電磁原理工作的低壓隔膜泵繼續(xù)運作，或者也可以由一臺小的電機工作，其前提是，蓄電池中尚有電容量，氧氣從鋼瓶28中的輸送繼續(xù)按恒定計量進行。這是可能的，因為在全部回路容積呼氣袋和吸氣袋、潛水帽、呼吸氣軟管、CO2吸收過濾器等中(總體約為25～30升體積加上深度的相應(yīng)壓力，例如在300米時為31巴，這相當于900升正常體積)有足夠的惰性氣體-氧化的混合氣維持一短的時間。然后設(shè)備可以由潛水員轉(zhuǎn)換到半封閉回路，并按這一方式利用現(xiàn)存的混合氣儲量。
為了控制呼吸混合氣體中氧氣的成分，本設(shè)備配有氧氣成分顯示器和CO2成分顯示器12和34。
根據(jù)需要從鋼瓶27通過減壓器和計量噴嘴32根據(jù)可能的損失附加將惰性氣體(氦氣)輸入呼氣袋11中。
為了克服強流或沿水平方向或豎直方向運動，設(shè)有電驅(qū)動電機20，25作為附加設(shè)備，它們以總功率為0.3～0.5千瓦12伏/24伏可以給予潛水員4～6節(jié)或更高的速度。根據(jù)所攜帶的蓄電池容量和必要的水深工作范圍可達30～200千米，這對潛水的總的新質(zhì)量作出了貢獻。
為了獲得小的流動阻力和較高的速度，作為附加裝備在不同的方案中設(shè)有特殊的流線形的外殼，該外殼可以附加安裝在設(shè)備的基礎(chǔ)上。殼體很輕并透光，由丙烯酸酯玻璃制成，分成兩部分，后部固定在潛水設(shè)備上，前部可以取下。
可以為潛水員配備一特別研制的計算機來幫助向他不斷提供所有必要參數(shù)的圖片，例如氣體的輸送，氣體的計量、氣體的儲存、氣體壓力和環(huán)境壓力、氣體溫度和水溫、潛水時間、減壓站、壓氣機的抽吸功率和供給率、電容量、O2成分和CO2成分、電機轉(zhuǎn)速、水加熱溫度、距離、流速、運動速度、航行參數(shù)等等。
設(shè)備的殼體還裝有兩個或更多的遠光燈、攝像機、電視機和照像機、安培表和伏特表、O2和CO2顯示器、水下通話設(shè)備、導(dǎo)航儀和定位儀。該設(shè)備可以附加地與電流電纜和光纖電纜連接，其優(yōu)點是，潛水員隨時可以斷開連接，并在以后按需求再次接上?？梢栽谒赂鼡QCO2過濾器，這時只有一個CO2過濾器繼續(xù)工作。在與上面的電纜連接和視頻連接時也有這一可能性，即直接控制潛水員的工作并提出意見。在可能的緊急情況時，該設(shè)備可以由一個遙控操作的車輛中的指揮中心直接改變運作，并在潛水員昏厥時借助于驅(qū)動電機將他運送到一水下車輛或工作站。
該設(shè)備可以產(chǎn)生多于10種不同的方案和模型，其具有不同的蓄電池容量和鋼瓶容量、電機和壓氣機的功率、尺寸、形狀和大小，視應(yīng)用目的而定。
該設(shè)備在水下具有中和的重量，在水上的重量為50～150公斤。該設(shè)備在水上只能用一臺小型起重機提起，或者安放在一條通入水中的小型滾道上。尺寸可以在長度450～800毫米、寬度450～500毫米、高度250～300毫米之間改變，并可以使?jié)撍畣T通過凈寬度為700～900毫米的入口爬出。該設(shè)備的所有部件均安裝在由玻璃纖維加強的聚酯樹脂制成的流線型殼體內(nèi)，以防機械損壞。
權(quán)利要求
1.獨立為潛水深度為0～1000米的潛水員制備、處理和供給呼吸用氣體的背馱式潛水設(shè)備，其特征為，可以在該設(shè)備上安裝一帶絞車的電纜滾筒作為附加裝備，潛水員隨時在任一深度可以主動與表面或指揮中心建立電流、視頻和通話連接，并借助于一個可吹脹的浮體裝備有閃光和快速探測天線。
全文摘要
在潛水深度0～1000米為潛水員獨立地制備、處理和供給呼吸用氣體的背馱式潛水設(shè)備，其中，在該設(shè)備上安裝一帶絞車的電纜滾筒作為附加裝備，潛水員隨時在任一深度可以主動與表面或指揮中心建立電流、視頻和通話連接，并借助于一個可吹脹的浮體裝備有閃光和快速探測天線。
文檔編號B63C11/24GK1530286SQ200310123948
公開日2004年9月22日 申請日期1998年4月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月11日
發(fā)明者格奧古伊·托多洛夫, 格奧古伊 托多洛夫 申請人:格奧古伊·托多洛夫, 格奧古伊 托多洛夫