Дыхательная система для водолаза Советский патент 1992 года по МПК B63C11/24 

Изобретение касается дыхательной системы, предназначенной для водолазов во время проведения водолазных работ на большой глубине.

Водолазный комплект для погружения содержит баллон со сжатым газом, который снабжен соединительным шлангом или шлангами, и регулирующий клапан, позволяющий водолазу вдыхать-газ из баллона. Такое оборудование представляет собой дыхательную систему с открытым циклом дыхания, причем вдыхаемый газ выходит из шлема или маски водолаза.

В известной дыхательной системе для водолаза имеется дыхательный аппарат с полузамкнутой схемой дыхания, включающий по меньшей мере один дыхательный мешок с травящим клапаном, поглотитель углекислого газа и влагоотделитель, включенные в дыхательную линию аппарата, шланги вдоха и выдоха которой соединены с переходником водолазного шлема, соединенного с основным источником дыхательного газа. Кроме того, в известной системе имеется дополнительный источник дыхательного газа под давлением, соединенный трубопроводом через .ограничитель с дыхательной линией, и клапан-переключатель.

Во время проведения водолазных работ на глубине (например, 450 м при давлении 45 бар) количество газа, необходимое для .дыхания водолаза, которое можно взять с собой (например, 4 л под давлением 300 . бар), является достаточным только на непродолжительное время, например примерно 20-90 с, причем оно зависит от скорости дыхания.

Известные дыхательные системы для водолазов действуют по принципу расхода газа, причем газ подается из источника, расположенного на расстоянии (с поверхности или из колокола). Водолазу требуется всплывать в случае возникновения повреждения в первичной системе подачи газа, например если повредился, отсоединился или запутался шланг для подачи газа. Время всплытия должно быть достаточным, чтобы

водолаз мог возвратиться в безопасное место (например, в водолазный колокол) и спастись.

В дыхательных аппаратах известной

конструкции для применения в стандартных водолазных работах (например, кислородные аппараты с замкнутым циклом дыхания) применяют двойные шланговые соединения со шлемом или маской, причем для вдыхания и выдыхания применяют отдельные шланги.

Однако известные системы обладают недостатком в отношении обеспечения необходимого времени для водолаза и не являются достаточно надежными в этом отношении.

Цель изобретения - увеличение времени автономного погружения при одновременном повышении эксплуатационной

надежности дыхательной системы.

Поставленная цель достигается тем, что в дыхательной системе для водолаза клапан-переключатель установлен на шлеме и выполнен двухпозиционным с возможностью подключения к переходнику одного, основного или дополнительного, источника дыхательного газа при одновременном отключении другого, при этом в дыхательный аппарат введен байпасный трубопровод,

соединяющий линию дыхания с основным источником дыхательного газа, причем в байпасном трубопроводе установлен регулятор давления и травящий клапан.

В предлагаемой дыхательной системе для водолаза в нерабочем режиме при обычных водолазных работах аппарат поддерживают под давлением, которое превышает внешнее давление окружающей среды, причем в аппарате по крайней мере один дыхательный мешок предназначен .для уравновшивания давления, абсорбер (влагоотделитель) для поглощения влаги, газоочиститель для поглощения углекислого

газа С02 и ограничитель для ограничения дыхательного газа, который может закрепляться на баллоне со сжатым газом, чтобы

при включении аппарата газ мог подаваться в аппарат с постоянной скоростью.

Избыточное давление может достигать примерно 4 бар, однако считается достаточным давление примерно 0,1-0,2 бара. Преимущества системы поддержания жизнедеятельности водолаза заключаются в следующем. Применение .дыхательного аппарата с полузамкнутым циклом дыхания увеличивает время для автономного погружения в сравнении с системой d открытым циклом дьГхания. Благодаря поддержанию избыточного давления в аппарате исключается возможность попадания в него морской воды. Работу аппарата в запасном режиме можно контролировать, таким образом, когда водолаз изменяет глубину погружения, то не происходит изменения плавучести и избыточного давления газа.

На фиг. 1 изображена схематически дыхательная система, общий вид; на фиг. 2 - график работы дыхательной системы во время погружения при различной скорости вдыхания на глубине 450 и 250 msw; на фиг. . 3 - конструктивная схема дыхательной системы.

Дыхательная система для водолаза содержит дыхательный аппарат с полузамкнутой схемой дыхания, включающий по меньшей мере один дыхательный мешок 1 с травящим клапаном 2, поглотитель 3 углекислого газа, влагопоглотитель 4, включенные в дыхательную линию 5 аппарата, шланги вдоха 6 и выдоха которой соединены с переходником 8 водолазного шлема 9, соединенного с основным источником 10 дыхательного газа, дополнительный источник 11 дыхательного газа под давлением, соединенный трубопроводом через ограничитель 12 с дыхательной линией, изолирующий клапан, клапан-переключатель 13.

При этом клапан-переключатель 13 установлен на шлеме и выполнен двухлозици- онным с возможностью подключения к переходнику 8 шлема 9 одного, основного или дополнительного, источника дыхательного газа при одновременном отключении другого. Дыхательный аппарат имеет также байпасный трубопровод 14, соединяющий дыхательную линию с основным источником 10 дыхательного газа, причем в байпас- ном трубопроводе установлен регулятор 15 давления и травящий клапан 16.

Для хранения газа под давлением, например, 200-300 бар применяют обычные баллоны объемом воды 4 л. Давление этого газа на выходе регулируют до величины., которая превышает внешнее давление окружающей среды, а когда аппарат находится в рабочем режиме для погружения газ может выходить через ограничитель 12 в мешок 1 с определенной скоростью, например 1-2 л/мин. Предпочтительно пополняемый газ имеет физиологически высокое содер- 5 жание кислорода при парциальном давлении примерно 2,5 бар.

В нерабочем режиме аппарат можно поддерживать при определенном давлении по отношению к внешнему давлению окру0 жающей среды; предпочтительно избыточное давление в нерабочем режиме аппарата достигает примерно 4 бар, обычно 0,1-0.2 бара.

Внутри заспинного мешка 1 шланг 5

5 разделяется на отдельные шланги 6 и 7 для вдыхания и выдыхания, которые проходят через поглотитель влаги (влагоотделитель) 4, поглотитель 3 углекислого газа во время цикла выдыхания. В данной конструкции ос0 новные детали системы, включая поглотитель 3, нагреваются при нормальной работе посредством отвода 18 от источника горячей, воды. Заспинный мешок 1 предпочтительно изолировать от наружного холодного

5 воздуха. Нагрев поглотителя 3 углекислого газа в нерабочем режиме поддерживает химический адсорбент(например, натронная известь) при температуре, при которой он работает эффективно, если аппарат уста0 новлен в рабочем режиме для погружения. Для исключения потерь тепла через большую площадь поверхности мешка в верхней части мешка можно поместить рекупераци- онный теплообменник 19, состоящий из сло5 ев тонкой проволочной сетки. Когда аппарат включается, из выдыхаемого газа удаляется тепло, а при вдыхании холодный газ втягивается назад через рекуперационный теплообменник 19, где он захватывает

0 накопленное тепло до его входа в дыхательный аппарат для водолаза. . Когда требуется всплытие, изолирующий клапан 13 на шлеме открывается и мешок, сразу выпускает любое избыточное

5 давление в шлеме. В зависимости от характера аварийной ситуации такая немедлен- ная подача газа может иметь значение для продувки шлема, Тарельчатый клапан, установленный в шлеме, выпускает любое избы0 точное количество вводимого газа, в результате исключается чрезмерное повышение давления в шлеме.

В выдыхаемом газе, который содержит, главным образом, разбавитель, часть оста5 точного кислорода и двуокись углерода проходят через один или несколько шлангов в химический сорбент (натронная известь) для удаления двуокиси углерода в мешок, где газ смешивается с вводимым газом, содержащим физиологически высокое содержание кислорода. Газ из мешка повторно вдыхается водолазом. Таким образом, продолжительность работы аппарата зависит в большой степени от скорости выпуска газа в мешок. Отвод со скоростью 1-2 л/мин соответствует скорости вдоха и выдоха вплоть до 75 л/мин RMV (вдоха и выдоха газа в минуту). Поскольку при каждом вдохе удаляется только часть общего содержания кислорода при высоком начальном парциальном давлении кислорода, то тот же газ можно повторно вдыхать много раз при условии, что обеспечивается эффективная очистка газа от С02.

Для повышения надежности аппарата и исключения проблем с его ремонтом в открытом море электронные устройства для регулирования подачи кислорода не применяются. Благодаря сравнительно широкому диапазону уровня кислорода, при котором можно удовлетворительно дышать, постоянный выпуск смешанного газа, имеющего парциальное давление примерно 2,5 бар, может обеспечить приемлемые уровни кислорода при любой скорости дыхания.

Рассмотрим подробно конструктивные критерии для деталей аппарата. Известно, что начало токсичности кислорода зависит от многих факторов, включая продолжительность его действия. Максимальное парциальное давление 2,5 бар является приемлемым как конструктивный параметр для продолжительной работы погружаемого аппарата. Таблицы декомпрессии допускают назначение терапевтической газовой смеси, имеющей парциальное давление кислорода, для лечения от декомпрессии,

Минимальный требуемый уровень кислорода равен 0,4 бар, хотя являются допустимыми уровни до 0,2 бар.

Конструктивный параметр дыхательного аппарата для погружения водолаза определяет средний уровень давления вдыхаемого СОа, равный 20 мбар, и 7 мбар для уровня С02 в количестве газа, обмениваемого за одно дыхание, в конце очистки .газа канистровым способом.

Для оценки аппарата были проведены расчеты уровня содержания кислорода в аппарате при различных рабочих условиях; уровня содержания двуокиси углерода при повторном вдыхании в зависимости от скорости дыхания; сопротивления дыханию и работы во время дыхания. . Парциальное давление кислорода.

При расчетах уровня кислорода в аппарате при различных рабочих условиях в начале испытания было принято, что мешок для уравновешивания давления полностью загружен газовой смесью, которая соответствует газовой смеси в баллоне. Через непродолжительный отрезок времени кислород поступает в систему посредством выпуска газа из баллона, при этом учитывается как метаболический расход, так и утечка. Таким образом можно вычислить изменение в уровне кислорода во время непродолжительных периодов.

В таблице показаны результаты, пол0 ученные для четырех значений скорости вдыхания газа на глубине 100-450 м. В каждом случае уровень кислорода уменьшается от начального значения до максимального в зависимости от скорости дыхания. Автоном5 ность аппарата определяют в основном по скорости, с которой при отсосе газа расходуется хранимый объем газа. Однако увеличивается дополнительное время на подвод газа в мешок, т.е. автономность аппарата

0 уменьшается в зависимости от глубины, поскольку на глубине расходуется большое количество газа,

Самый короткий вычисленный срок службы был равен 16 мин на глубине 450 м

5 при непрерывном вдыхании газовой смеси со скоростью 75 л/мин RMV. При более низкой скорости вдыхания на такой же глубине автономность -аппарата достигает 24 мин. На небольшой глубине автономность аппа0 рата обычно превышает 25 мин.

Профили кислорода для цикла дыхания с переменными значениями RMV показывают, что уровень кислорода в аппарате изменяется в зависимости от рабочей скорости,

5 причем общий показатель автономности аппарата незначительно превышает значение, полученное при максимальном RMV (объем вдоха и выдоха). На этом основании аппарат может иметь минимальную автономность,

0 равную 15 мин при 450 nns« , и более продолжительную на небольшой глубине. Причем верхний уровень остается все время в допустимых пределах по крайней мере в течение непродолжительного времени, не5 обходимого для дыхательного аппарата, Уровни двуокиси углерода. На основе испытаний, проведенных с использованием натронной извести (марка 727 фирмы МР Юнайтид Драг КО), установ0 лено, что поглотитель углекислого газа работает эффективно в течение периода, когда требуется использовать 1-2 л натронной извести. Однако некоторое количество углекислого газа будет вдыхаться повторно

5 вследствие мертвого объема в носоглотке, шланге для вдоха/выдоха и изолирующем клапанном устройстве.

Результаты расчетов парциального давления СОа в зависимости от скорости дыха- ьия указывают, что за исключением самых

низких скоростей дыхания уровень повтор - но вдыхаемого С02 является удовлетворительным. При низких объемах воздуха, обмениваемого за одно дыхание, средний уровень вдыхаемого С02 повышается, хотя все еще находится в указанных пределах (20 Мбар для конструкции), В противном случае это выражается в меньшей гипервентиляции и не создает причин для беспокойства в течение коротких периодов времени при всплывании. При более высоких скоростях работы вследствие повышенного объема воздуха, обмениваемого за одно дыхание, средние уровни вдыхаемого СОа должны быть низкими.

Работа механизма дыхания.

Установлены четыре источника сопротивления дыханию: потери от трения в шланге вдоха/выдоха; потери от трения в поглотителе СОг; тарельчатые клапаны; инерционный эффект (в условиях завершения обмена воздуха при дыхании) и эффект торможения (при максимальной скорости) в воде, окружающей мешок дыхательного аппарата.

Расчет размера шланга дыхательного аппарата основан на теории трения в обычных трубах. Расчеты поглотителя СОа основаны на испытаниях, проводимых для газоочистителя системы жизнеобеспечения, заряжаемого натронной известью МРИД 797. Результаты, отсчитываемые до 450 msw, относятся к более высоким скоростям работы, связанным с существующим оборудованием. Гидродинамические потери в дыхательном мешке основаны на допущениях, относящихся к его геометрии.

На фиг. 2 даны результаты расчета для дыхательного аппарата при глубине 450 и 250 msw. Пунктирными линиями обозначен рекомендованный уровень для работы во время дыхания, верхняя сплошная линия представляет собой верхний предел. Прогнозируемые величины являются умеренными при низких скоростях работы и приемлемыми при наивысшей скорости работы 75 л/мин.

Удовлетворительные величины работы дыхания в предлагаемом дыхательном аппарате получить легче, чем в обычном дыхательном аппарате, вследствие меньшего количества применяемого сорбента СОг.

Проведенная техническая оценка подтвердила гибкость дыхательного аппарата для плавного погружения. Несмотря на отсутствие систем электронного управления, уровень кислорода приемлем при всех-скоростях работы, по меньшей мере во время коротких выдержек. Таким же образом найдено, что уровни С02 и работа дыхания не являются избыточными.

Дыхательный аппарат (фиг. 3) с полузамкнутым циклом дыхания, когда он нахо- 5 дится в нерабочем режиме во время проведения вододазных работ, поддерживают под давлением 0,2 бар, которое превышает внешнее давление окружающей среды. Уравновешивающие мешки 1, кото0 рые физически сжаты для предупреждения их наполнения газом при избыточном давлении, размещаются на плечах водолаза в нерабочем режиме. Это уменьшает эффект гидростатического давления на дыхатель5 ный аппарат, когда аппарат находится в рабочем режиме. При работе мешки 1 освобождаются и надуваются (или частично надуваются) в результате создания избыточного давления внутри аппарата. При ава0 рийной ситуации водолазу необходимо включить дыхательный аппарат, выполнив два непоследовательных действия:

провернуть изолирующий клапан 13, при этом загубник 20 одновременно разме5 щается перед ртом водолаза;

освободить и вытянуть шнур, который освободит мешки 1 и приведет в действие регулятор 15 для изменения источника подачи газа от шланга 10 к газовым баллонам

0 2.1.При включении дыхательного аппарата в режиме погружения газ будет проходить с контролируемой скоростью на газовых баллонах 21 через регулятор 15 и ограничитель

5 12 в корпусе газоочистителя, регенератор тепла, расположенный в заспинном мешке 1, для пополнения газа внутри дыхательного аппарата.

При работе дыхательного аппарата во0 долаз захватывает ртом загубник и дышит в него. Выдыхаемый газ проходит через загубник 20, шлем 9 и направляется через выпускной клапан 22 и шланг 7 для выдоха. Внутри заспинного мешка 1 выдыхаемый

.5 газ проходит в нагнетательную камеру 23, расположенную под баллоном поглотителя 3, где достигается его равномерное распределение. Затем газ проходит, через баллон поглотителя 3, который загружен гранулами

0 натронной извести для удаления С02 из выдыхаемого газа. Отсюда газ проходит через регенератор 19 тепла, состоящий из множества слоев тонкой проволочной сетки, которая благодаря большой площади

5 поверхности поглощает тепло, позволяя сравнительно холодному газу проходить по шлангам 24 в размещенные на плечах водолаза мешки 1. При вдыхании газ проходит один из мешков 1 по шлангам 24 в рекупе- оатор 19 тепла, который возвращает тепло.

накопленное во время выдоха при дыхательном цикле.

Затем газ направляется из заспинного мешка 1, по шлангу 6 проходит через клапан 25 в шлем 9 через загубник 20 к водолазу. Если водолаз, применяющий дыхательный аппарат в запасном режиме для водолазных работ, изменяет глубину в направлении вверх, то создается перепад давления и избыточное давление в дыхательном аппарате, которое возникает в результате этого, будет уменьшаться через предохранительный клапан 16. В случае, если глубина изменяется в направлении вниз, дополнительный газ автоматически поступает в дыхательный аппарат через регулятор 15.

В запасном режиме для водолазных работ горячая вода подается в дыхательный аппарат и направляется в рубашку 26 вокруг газопоглотителя и рекуператор тепла для предварительного нагрева и поддержания температуры внутри газоочистителя и регенератора тепла в пределах допустимых уровней. Тепло передается дыхательному газу из рекуператора тепла и поглотителя СОа после выбора рабочего режима даже в ситуации, когда прекращается подача горячей воды.

Сначала, когда дыхательный аппарат включен для погружения водолаза, может создаваться небольшое отрицательное давление ввиду вдыхания водолазом газа, и это заставляет срабатывать аварийный (травящий) клапан 2, который подает газ в заспин- ный мешок 1 и обеспечивает требуемое положительное давление для оптимальной работы дыхательного аппарата.

Внутри мешка расположен влагопогло- титель 4, который предназначен для сбора влаги во взвешенном состоянии из выдыхаемого водолазом газа.

Дополнительными отличительными признаками дыхательной системы для водолаза при применении дыхательного аппарата, показанного на фиг. 3, являются .манометр 27, фильтр 28, продувочная пробка 29, погружная трубка 30, загрузочное соединение 31, выпускной клапан 32 для

основной системы поддержания жизнеобеспечения и маска 17 для носа и рта. Формула изобретения

1.Дыхательная система для водолаза, содержащая дыхательный аппарат с полузамкнутой схемой дыхания, включающий по меньшей мере один дыхательный мешок с травящим клапаном, поглотитель углекислого газа, влагоотделитель, включенные в дыхательную линию аппарата, шланги вдоха и выдоха которой соединены с переходником водолазного шлема, соединенного трубопроводом с основным источником дыхательного газа, дополнительный источник

дыхательного газа под давлением, соединенный трубопроводом через ограничитель с дыхательной линией, клапан-переключатель, отличающаяся тем, что, с целью увеличения времени автономного погружения при одновременном повышении эксплуатационной надежности, клапан-переключатель установлен на шлеме и выполнен двухпозицион- ным с возможностью подключения к переходнику шлема одного, основного или

дополнительного, источника дыхательного газа при одновременном отключении другого, при этом в дыхательный аппарат введен байпасный .трубопровод, соединяющий дыхательную линию аппарата с основным источником дыхательного газа, причем в байпасном трубопроводе установлены регулятор давления и травящий клапан.

2.Система по п. 1, отличающаяся тем, что дыхательный мешок выполнен с

ограничителем наддува,

3.Система по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что она снабжена рекуперационным теплообменником, выполненным из слоев проволочной сетки и установленным в дыхательной линии в верхней части заспинного мешка.

4.Система по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена рубашкой водяного

обогрева поглотителя углекислого газа.

5.Система по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что загубник установлен с возможностью поворота.

1-0

фиг.1

Изобретение относится к дыхательным системам для водолазов во время проведения водолазных работ на большой глубине. Целью изобретения является увеличение времени автономного погружения при одновременном повышении эксплуатационной надежности. Дыхательная система для водолаза содержит дыхательный аппарат с полузамкнутой схемой дыхания, включающий по меньшей мере один дыхательный мешок 1, поглотитель углекислого газа 3, влагоотделитель, включенные в дыхательную линию аппарата. На шлеме 9 установ