Дыхательная система для водолаза

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (gg)g В 63 С 11/24

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4027986/23 (86) РСТ/ОВ 85/00540 (22,11.85) (22) 23.07.86 (31) 8429706 (32) 23.11.84 (33) GB (46) 23.03.92 Бюл, М 11 (71) ГЭС сервисиз оффшор лимитед (GB) (72) Виллиям Дерек Кларк, Брайан Муррей и

Линн Дональд Родоккер (GB) (53) 626.025 (088.8) (56) Патент США

М 3680556, кл. 128 — 142.2, 1974, Патент CLUA .М 4362154, кл. 128-204.22,1979.

„„Я „„1722222АЗ (54) ДЫХАТЕЛЪНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ВОДОЛАЗА (57) 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 установ1722222 лен двухпоэиционный клапан-переключатель 13 основного и дополнительных источников дыхательного газа, Байпасный трубопровод 14 соединяет дыхательную линию аппарата с основным источником дыхательного газа и имеет регулятор давления 15 и травящий клапан 16. Дыхательная система снабжена рекуперационным теплообИзобретение 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 иэ 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 иэ 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 менником 1, установленным в дыхательной линии, рубашкой водяного обогрева

26 поглотителя углекислого газа 3, Дыхательный мешок выполнен с ограничителем объема при наддуве, а эагубник 20 установлен с возможностью поворота. 4 з.п,флы, 3 ил„1 табл, водолаз мог возвратиться в безопасное место(например, в водолазный колокол) и спастись.

В дыхателЬных аппаратах известной

5 конструкции для применения в стандартных водолазных работах (например, кислородные аппараты с замкнутым циклом дыхания) применяют двойные шланговые соединения со шлемом или маской, причем для вды10 хания и выдыхания применяют отдельные шланги.

Однако известные системы обладают недостатком в отношении обеспечения необходимого времени для водолаза и не яв15 ляются достаточно надежными в этом отношении.

Цель изобретения — увеличение времени автономного погружения при одновременном повышении эксплуатационной

20 надежности дыхательной системы.

Поставленная цель достигается тем, что в дыхательной системе для водолаза клапан-переключатель установлен на шлеме и выполнен двухпозиционным с возможно25 стью подключения к переходнику одного, основного или дополнительного, источника дыхательного газа при одновременном отключении другого, при этом в дыхательный аппарат введен байпасный трубопровод, 30 соединяющий линию дыхания с основным источником дыхательного газа, причем в байпасном трубопроводе установлен регулятор давления и травящий клапан.

35 В предлагаемой дыхательной системе для водолаза в нерабочем режиме при обычных водолазных работах аппарат поддерживают под давлением, которое превышает внешнее давление окружающей среды, при40 чем в аппарате по крайней мере один дыхательный мешок предназначен .для уравновшивания давления, абсорбер (влагоотделитель) для поглощения влаги, газоочиститель для поглощения углекислого

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

1722222

10 бара

20

35

50

55 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 с открытым циклом дыхания, 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 ITlsw; 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 7 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 двухпозиционным с возможностью подключения к переходник 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 основйым источником 10 дыхательного газа. причем в байпасном 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 гаэ может выходить через ограничитель 12 в мешок 1 с определенной скоростью, например

1 — 2 л/мин. Предпочтительно пополняемый газ имеет физиологически высокое содержание кислорода при парциальном давлении примерно 2,5 бар.

В нерабочем режиме аппарат можно поддерживать при определенном давлении по отношению к внешнему давлению окружающей среды; предпочтительно избыточное давление в нерабочем режиме аппарата достигает примерно 4 бар, обычно 0.1-0.2

Внутри заспинного мешка 1 шланг 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 основные детали системы, включая поглотитель 3, нагреваются при нормальной работе посредством отвода 18 от источника горячей, воды. Заспинный мешок 1 предпочтительно изолировать от наружного холодного воздуха, Нагрев поглотителя 3 углекислого газа в нерабочем режиме поддерживает химический адсорбент (например. натронная известь) при температуре, при которой он работает эффективно, если аппарат устан )ence в рабочем режиме для погружения.

Для исключения потерь тепла через большую площадь поверхности мешка в верхней части мешка можно поместить рекуперационный теплообменник 19, состоящий из слоев 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 накопленное тепло до его входа в дыхательный аппарат для водолаза, Когда требуется всплытие, изолирующий клапан 13 нэ шлеме открывается и мешок. сразу выпускает любое избыточное давление в шлеме, В зависимости от характера аварийной ситуации такая немедленная подача газа может иметь значение для продувки шлема, Гарельчатый клапан; установленный в шлеме, выпускает любое избыточное количество вводимого газа, в результате исключается черезмерное повышение давления в шлеме.

В выдыхаемом газе, который содержит, главным образом, разбавитель, часть остаточного 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 содер1722222 жание 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 n/ìèí 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 СО2, Для повышения надежности аппарата и исключения проблем с его ремонтом в m-. крытом 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 пэрциальное давление кислорода, для лечения от декомпрессии.

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

Конструктивный параметр.дыхательного аппарата для погружения водолаза определяет средний уровень давления вдыхаемого С02, 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 урэвновешйвания 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 учитыва5 ется как метаболический расход, так и утечка, Таким образом можно вычислить изменение в уровне кислорода во время непродолжительных периодов, В таблице показаны результаты, пол10 ученные для четырех значений скорости вдыхэния газа на глубине 100 — 450 м. В каждом случае уровень кислорода уменьшается от начального значения до максимального в зависимости от скорости дыхания. Автоном15 ность аппарата определяют в основном по скорости, с которой при отсосе газа расходуется хранимый объем газа, Однако увеличивается дополнительное время нэ подвод газа в мешок, т.е. автономность аппарата

20 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

25 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 àïnà30 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, 35 причем общий показатель автономности аппарата незначительно превышает значение, полученное при максимальном RMV (объем вдоха и выдоха). На этом основании аппарат может иметь минимальную, автономность, 40 равную 15 мин при 450 ыи, и более продолжительную на небольшой глубине. Причем верхний уровень остается все время в допустимых пределах по крайней мере в течение непродолжительного времени, не45 обходимого для дыхательного аппарата, Уровни двуокиси углерода.

На основе испытаний, проведенных с использованием натронной извести (марка

727 фирмы MP Юнайтид Драг КО), установ50 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

55 вследствие мертвого объема в носоглотке, шланге для вдоха/выдоха и изолирующем клапанном устройстве, Результаты расчетов парциального давления C(h в зависимости от скорости дыхания указывают, что за исключением самых

l722222

10

20

30

40

50 низких скоростей дыхания уровень повторно вдыхаемого COz является удовлетворительным. При низких объемах воздуха, обмениваемого за одно дыхание, средний уровень вдыхаемого COz 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 COz должны быть низкими.

Работа механизма дыхания.

Установлены четыре источника сопротивления дыханию: потери от трения в шланге вдоха/выдоха; потери от трения в поглотителе COz; 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 COz основаны на испытаниях, проводимых для газоочистителя системы жизнеобеспечения, заряжаемого натронной известью

МРИД 797. Результаты, отсчитываемые до

450 ms, относятся к более высоким скоростям работы, связанным с существующим оборудованием. Гидродинамические потери в дыхательном мешке основаны íà 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 n/Mèí, Удовлетворительные величины работы дыхания в предлагаемом дыхательном аппарате получить легче. чем в обычном дыхательном аппарате, вследствие меньшего количества применяемого сорбента СОр.

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 COz и работа дыхания не являются избыточными.

Дыхательный аппарат (фиг. 3) с полузамкнутым циклом дыхания, когда он находится в нерабочем режиме во время проведения водолазных работ, поддерживают под давлением 0,2 бар, которое превышает внешнее давление окружающей среды. Уравновешивающие мешки 1, которые физически сжаты для предупреждения их наполнения газом при избыточном давлении, размещаются на плечах водолаза в нерабочем режиме. Это уменьшает эффект гидростатическога давления на дыхательный аппарат, когда аппарат находится в рабочем режиме, При работе мешки освобождаются и надуваются (или частично надуваются) в результате создания избыточного давления внутри аппарата. При аварийной ситуации водолазу необходимо включить дыхательный аппарат, выполнив два непоследовательных действия: провернуть изолирующий клапан 13, при этом загубник 20 одновременно размещается 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

21.

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

12 в корпусе газоочистителя, регенератор тепла, расположенный в,заспинном мешке

1, для пополнения газа внутри дыхательного аппарата.

При работе дыхательного аппарата водолаз захватывает ртом загубник и дышит в него. Выдыхаемый гаэ проходит через эа.губник 20, шлем 9 и направляется через выпускной клапан 22 и шланг 7 для.выдоха, Внутри заспинного мешка 1 выдыхаемый 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 натронной извести для удаления COz из выдыхаемого газа. Отсюда газ проходит через регенератор 19 тепла, состоящий из множества слоев тонкой проволочной сетки, которая благодаря большой площади 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 рекупезатор 19 тепла, который возвращает тепло, 1722222

12 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. 8 случае, если глубина изменяется в направлении вниз, 5

10 дополнительный газ автоматически поступает в дыхательный аппарат через регуля-. тор 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 гаэоочистителя и pere20 нератора. тепла в пределах допустимых

25 уровней, Тепло передается дыхательному газу из рекуператорэ тепла и поглотителя

СОг после выбора рабочего режима даже в ситуации, когда прекращается подача горячей воды, Сначала, когда дыхательный аппарат 30 включен для погружения водолаза, может создаваться небольшое отрицательное дав ление ввиду вдыхания водолазом газа, и зто заставляет срабатывать аварийный (травящий) клапан 2, который подает газ в заспинный мешок 1 и обеспечивает требуемое положительное давление для оптимальной работы дыхательного аппарата.

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

Дополнительными отличительными признаками дыхательной системы для водо-. лаза 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 стравящим клапайбм, 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 двухпоэиционным 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 и. 1, отличающаяся тем, что дыхательный мешок выполнен с ограничителем наддува.

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

4. Система по и. 1, отличающаяся тем, что она снабжена рубашкой водяного обогрева поглотителя углекислого газа.

5. Система по пп, 1-4, отличающаяся тем, что загубник установлен с возможностью поворота.

1722222 л Истинная продолжительность зависит юг. 1 ао..з тт

G0 00 100 йМЧ

Фи . 2

Составитель И,Цамерян

Техред М,Моргентал

20 40

Корректор Т. Палий

Редактор В.Петраш

Заказ 1695 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101