PL 214445 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 214445 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 377789 (51) Int.Cl. B63C 11/00 (2006.01) B63C 11/18 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 21.10.2005 (54) Uniwersalny głębokowodny aparat nurkowy o obiegu półzamkniętym (43) Zgłoszenie ogłoszono: 30.04.2007 BUP 09/07 (73) Uprawniony z patentu: CZARNECKI RYSZARD STANISŁAW, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.08.2013 WUP 08/13 (72) Twórca(y) wynalazku: RYSZARD STANISŁAW CZARNECKI, Warszawa, PL RYSZARD BORYS CZARNECKI, Warszawa, PL
2 PL 214 445 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest uniwersalny głębokowodny aparat nurkowy o obiegu półzamkniętym, o stałym nadmiarze tlenu w każdym cyklu wentylacji, wytwarzającym czynnik oddechowy na drodze mechanicznej w procesie nurkowania o stałym ciśnieniu cząstkowym tlenu niezależnym od głębokości i wentylacji. W znanym rozwiązaniu US 4031887 jest butla dawkująca 18 przed nią element dławiący przepływ 15 do połączenia ogranicznika przepływu jest dołączony układ spustowy 16, sterowany układem zliczania wentylacji. W znanym rozwiązaniu US 4141353 jest butla dawkująca 14 dołączona do zespołu zaworów w urządzeniu 11, które jest sterowane układem zliczającym wentylację. Nadciśnienia w butlach dawkujących w obu tych rozwiązaniach, mają stałą wartość, względem ciśnienia zewnętrznego. W rozwiązaniu US 5813400 jest butla dawkująca 26 zasilana nadciśnieniem proporcjonalnym do wielkości poprzedniego wdechu. Wartość maksymalna jest również wielkością stałą względem ciśnienia zewnętrznego. Butla jest sterowana poprzez układ zatorowo tłokowy 12 który zlicza wielkość wdechu i dostosowuje ciśnienie do wielkości wdechu w zakresie ciśnienie maksymalne minus ciśnienie minimalne, w pozycji w pełni napełnionego miecha oddechowego. Wyjścia z układu przygotowania dawki regenerującej są połączone z obiegiem we wszystkich tych układach. Wszystkie te Szwedzkie rozwiązania posługują się wcześniej przygotowaną mieszaniną oddechową, popularna nazwa to premiks (wcześniej przygotowana mieszanina). Nie posługują się gazami czystymi. Innym rozwiązaniem które miesza gazy, w tym również czyste, jest rozwiązanie znane z Kanadyjskiego US 4454878, w którym czysty tlen jest podawany do dyszy o przepływie nadkrytycznym, gaz obojętny razem z tlenem na wyjściu z dyszy wchodzą do oporu laminarnego zrealizowanego na kapilarze. To rozwiązanie jest również opisane w Undersea and Hyperbaric Medical Society, Inc Phisiological and Human Engineering Aspects of Underwater Breathing Apparatus" Evaluation of Alternative Gas Delivery Systems for Semi-Closed Circut Underwater Breathing Apparatus str. 139. Jest opisana klasyfikacja obiegów półzamkniętych. Rozwiązania z 3 pierwszych opisów należą do rodziny Constant Mass Ratio, natomiast Kanadyjskie rozwiązanie jest rozwinięciem rozwiązania Constant Mass Flow. Nie wykorzystuje informacji o wielkości zliczonej wentylacji. Zaistniała potrzeba opracowania aparatu nurkowego głębokowodnego o obiegu półzamkniętym, wytwarzającym czynnik oddechowy na drodze fizycznej w procesie nurkowania o stałym ciśnieniu cząstkowym tlenu niezależnym od głębokości i wentylacji. O możliwie najmniejszym dawkowaniu, zapewniającym stały nadmiar tlenu w każdym cyklu wentylacji. Umożliwiającego głębokie nurkowania, bez konieczności wymiany czynnika oddechowego, bezobsługowego w trakcie nurkowania, informującego nurka o prawidłowości działania, nie wymagającego wymiany elementów konstrukcji przy zmianach roboczych mieszanin oddechowych w trybie ppo 2 =1 at (tlenu), posiadającego możliwość realizacji dekompresji tlenowej, umożliwiające bezpieczne wyjście z zanurzonej łodzi podwodnej na dużej głębokości, bez zagrożenia zatrucia tlenem i umożliwiające szybkie sprężenie na mieszaninach trymiksowych o stałym stosunku azotu do helu, umożliwiającego optymalizację zużycia gazów poprzez zmniejszenie dawkowania i wprowadzeniu korekcji w zależności od pułapu tlenowego nurka, a także przejście w trakcie nurkowania na dużej głębokości z mieszaniny o stałym ciśnieniu cząstkowym tlenu na mieszaninę o stałej procentowej zawartości tlenu. Obniżającą dodatkowo zużycie gazu inertnego helu i skracające dekompresję, umożliwiającego podwyższenie wielkości ciśnienia cząstkowego tlenu na małych głębokościach skracające dekompresję, także zmniejszenie ciśnienia cząstkowego tlenu na małych głębokościach, umożliwiającego zmianę gazu inertnego na średnich głębokościach skracające dekompresję, dłuższe wykorzystanie sorbentu CO 2, poprzez wprowadzenie tlenowej ochrony termicznej, wykorzystującego czyste gazy, a nie wcześniej przygotowane mieszaniny z tlenem lub powietrze, w zakresie 0-40 m zamiast azotu, helu albo ich mieszanin, odpornego na puls magnetyczny i nie wymagający zasilania elektrycznego, posiadającego bardzo krótki czas uruchomienia a także umożliwiającego zmianę bazowego ciśnienia cząstkowego tlenu z poziomu 1 at w kierunku niższych lub wyższych wartości na dużych głębokościach, jeśli wymagają tego cele nurkowania, pozostawiającego bardzo mały ślad gazów wydobywających się z obiegu. Przedmiot wynalazku został ujawniony na figurze 1 i 2. Wykaz elementów składowych: 1 butla z tlenem, 2 butla z gazem inertnym helem lub azotem albo ich mieszaniną, 2a butla z azotem lub powietrzem, 3 manometry kontrolne wysokiego ciśnienia, 4a reduktor ciśnienia o regulowanej wielkości nadciśnienia względnego, 5 reduktor ciśnienia o regulowanej wielkości nadciśnienia względnego, 6 reduktor ciśnienia o stałej wielkości podciśnienia względnego z możliwością mechanicznego wymu-
PL 214 445 B1 3 szenia otwarcia, 7 reduktor ciśnienia o wielkości względnego nadciśnienia wprost proporcjonalnej do ciśnienia hydrostatycznego i współczynniku proporcjonalności większym od zera Fig. 1 i Fig. 2, 8 zawory odcinające, 9 multizawór rozdzielający bistabilny z możliwością mechanicznego wymuszenia zmiany stanu, 10 siłownik pneumatyczny sprężynowy pracujący na ciśnieniu zewnętrznym, 11 manometr kontrolny toru gazu inertnego lub powietrza, 12 manometr kontrolny toru tlenowego, 13 butla dawkowania tlenu, 14 butla dawkowania gazu inertnego lub powietrza, 15 zawór dodawczy gazu inertnego lub powietrza, 16 zawór dodawczy gazu inertnego lub powietrza, uruchamiany tylko w niskim położeniu miecha oddechowego, 17 zawory zwrotne, 18 miech oddechowy z wewnętrznym małym miechem, 19 zawór upustowy uruchamiany tylko w wysokim położeniu miecha oddechowego, 20 układ rozpraszania gazów wydychanych, 21 zawór zwrotny o małym nadciśnieniu otwarcia, 22 pochłaniacz dwutlenku węgla z tlenowym płaszczem izolacji termicznej, 23 oddzielacz wody, skroplin pary i gazów wydychanych z zaworem zwrotnym, 24 urządzenie ustnikowe z zaworami zwrotnymi. Na schemacie oznaczono skrzyżowania torów gazowych nie łącząc się bez kropki a połączenia z kropką. Opis działania: czynnik oddechowy jest pobierany do płuc nurka poprzez urządzenie ustnikowe 24, miech oddechowy 18 zmniejsza swoją objętość i ściska mały wewnętrzny miech. Czynnik oddechowy jest wyciskany poprzez górny zawór zwrotny 17 do miecha dużego. Nurek wykonuje wydech, mieszanina oddechowa poprzez urządzenie ustnikowe 24 wraca do obiegu, przechodząc przez oddzielacz wody 23, i dalej poprzez pochłaniacz CO 2 wraca do miecha oddechowego, zwiększając jego objętość i rozciągając miech wewnętrzny, który wysysa czynnik oddechowy poprzez dolny zawór zwrotny 17 z siłownika 10, który przesuwa multizawór 9 w górne położenie. Po osiągnięciu tego położenia multizawór przełącza się i łączy komorę siłownika z wnętrzem miecha oddechowego i pod działaniem sprężyny napełnia się komora mieszaniną oddechową i przełącza multizawór w dolne położenie, odcinając połączenie z miechem. Jeśli objętość wydechu jest większa niż może się zmieścić w miechu oddechowym to poprzez oddzielacz wody 23 i otwarty zawór 19, nadmiar czynnika oddechowego uchodzi z systemu poprzez rozpraszacz 20, trafia do wody. Rozpraszacz można usunąć i zamocować worek do regulacji obiegu, określając pułap tlenowy nurka. Obieg półzamknięty składa się z elementów przygotowania świeżej mieszaniny oddechowej w tym rozwiązaniu wykorzystujemy tlen i gaz obojętny lub powietrze opcjonalnie, nowością jest zastosowanie nowego typu reduktora ciśnienia 7. O wielkości względnego nadciśnienia wprost proporcjonalnej do ciśnienia hydrostatycznego i współczynniku proporcjonalności większym od zera Fig. 2 składającego się ze sztywnej komory 3, zamkniętej tłokiem różnicowym o dużej powierzchni skierowanej do wody a małej do zaworu przeciwbieżnego wysokiego ciśnienia, posiadającym zawór do ustalenia ciśnienia wewnątrz komory. Na figurze 2: a) to reduktor w którym możemy łatwo zmieniać ustawienia, b) taki w którym potrzebujemy wstępne podawanie inertu w czynniku oddechowym już na powierzchni. Ostatnie c) to układ który ma opóźnione działanie, podwyższa to ciśnienie cząstkowe tlenu na małych głębokościach. Opis działania przygotowania świeżej mieszaniny oddechowej, tlen z butli 1 poprzez zawór odcinający 8. dostaje się do reduktora 5. wielkość zapasu tlenu jest kontrolowana poprzez manometr 3. tlen trafia do multizaworu 9 w górnym jego położeniu, napełnia butlę dawkowania 13. Opis działania przygotowania świeżej mieszaniny oddechowej, tlen z butli 1 poprzez zawór odcinający 8 dostaje się do reduktora 5, wielkość zapasu tlenu jest kontrolowana poprzez manometr 3, tlen trafia do multizaworu w górnym jego położeniu, napełnia butlę dawkowania 13 i zmienia wskazanie manometru 12 ponieważ butla ma stałą objętość i jest zasilana z reduktora 5 o stałym względnym nadciśnieniu to w każdym zliczonym cyklu wentylacji dostarczamy dawkę tlenu o stałej masie. W dolnym położeniu multizaworu tlen dopływa do systemu, dostarczając tlen który został zużyty na procesy etaboliczne i część niezbędną do tworzenia mieszaniny o wymaganych parametrach. Gaz inertny: azot, hel, neon lub ich dowolna mieszanina, zgromadzony w butli 2, poprzez zawór odcinający 8 trafia do opcjonalnego reduktora 4a. Wielkość zapasu jest kontrolowana manometrem 3, następnie trafia do reduktora specjalnego 7 (Fig. 2) i trafia poprzez multizawór w górnym położeniu do butli dawkującej 14 i zmienia stan manometru 11. W dolnym położeniu multizaworu gaz inertny dopływa do systemu budując odpowiednią mieszaninę oddechową dla głębokości nurkowania. Ponieważ reduktor 7 w podstawowym wariancie podaje gaz inertny o ciśnieniu względnym wprost proporcjonalnym do ciśnienia hydrostatycznego, to masa gazu inertnego jest również wprost proporcjonalna do ciśnienia hydrostatycznego, bo objętość butli jest stała. Złożenie gazu inertnego i tlenu w części niezbędnej do tworzenia mieszaniny oddechowej o żądanych własnościach do głębokości, tworzymy ją w urządzeniu. Dla odpowiednich relacji objętości butli 13 i 14 a także współczynnika proporcjonalności reduktora 7 i ciśnienia atmosferycznego, także wielkości nadciśnienia reduktora 5, po odjęciu ilości tlenu zużytej na me-
4 PL 214 445 B1 tabolizm, otrzymujemy stałą wielkość ciśnienia cząstkowego tlenu równą 1 at. Niezależnie od głębokości i typu gazu inertnego również wysiłku (wentylacji). Opis działania podsystemu chroniącego przed zapadaniem się miecha oddechowego i chroniącego przed wzrostem ciśnienia cząstkowego tlenu przy szybkim zanurzaniu, po napełnieniu obiegu tlenem na powierzchni przy pomocy reduktora 6 (zwykle jest wykonywane kilka cykli płukania obiegu). Nurek zanurza się, czynnik oddechowy ulega sprężeniu i miech otwiera zawór dodawczy 16 ale tylko w skrajnie dolnym położeniu, gaz inertny dociera do obiegu, w korzystnym miejscu na wejście pochłaniacza CO 2. Można dopełnić obieg przy pomocy zaworu dodawczego 15 (nie zalecana procedura). Na powierzchni tor gazu inertnego nie działa (w podstawowym trybie pracy) więc nie możemy popełnić błędu letalnego i napełnić obieg gazem inertnym. Opisany powyżej system zliczania wentylacji i dawkowania, zapewnia stałe ciśnienie cząstkowe tlenu, niezależnie od wentylacji i głębokości. Powstał obieg z systemem chroniącym przy szybkim zanurzaniu. Opis podsystemu ochrony cieplnej pochłaniacza CO 2. Reakcja wiązania CO 2 na sorbentach typu wapna sodowanego jest egzotermiczna, ale efektywność wykorzystania sorbentu jest zależna od temperatury, zmniejsza się ze spadkiem temperatury. W rozwiązaniu zastosowano podwójne ścianki na pochłaniaczu CO 2, wypełnione tlenem, który ma korzystne własności termiczne w porównaniu do innych składników mieszaniny oddechowej a zwłaszcza helu. Tlen dopływa do przestrzeni ograniczonej podwójnymi ściankami z reduktora 6, który utrzymuje niewielkie podciśnienie w stosunku do otoczenia, chroni to nurka przed nie kontrolowanym wypływem i zatruciem tlenem nurka. Dołączony jest również tor dawkowania, cały tlen przechodzi przez płaszcz tlenowej ochrony cieplnej. Tlen z płaszcza przechodzi do zaworu zwrotnego 21, o niedużym nadciśnieniu otwarcia, chroniąc płaszcz przed rozerwaniem, a wnętrze przed mieszaniem się z czynnikiem oddechowym z systemu. Tlen jest korzystnie doprowadzony na wyjście z pochłaniacza CO 2. Reduktor 6 chroni płaszcz przed zgnieceniem także pełni funkcję zaworu dodawczego. W systemie są dwa elementy opcjonalne, butla 2a, służąca do dalszego skracania czasu dekompresji poprzez zastosowanie innego gazu inertnego i powiększenia gradienu koncentracji gazu odsycanego, można stosować powietrze które jest tańsze od helu, azotu czy ich mieszanin. Nurek w trakcie dekompresji zamyka butlę 2 i otwiera butlę 2a. Korzystnie wykonuje płukanie przy pomocy zaworu dodawczego 15 ale tylko gdy w butli jest powietrze i jesteśmy na głębokości 30 m. Jeśli w buli jest azot, to przejście na butlę 2a, musi być wykonane bez płukania obiegu. Drugim elementem opcjonalnym jest reduktor 4a, pełni on funkcję sterowania na jakiej głębokości system przejdzie w sposób ciągły bez udziału nurka, na mieszaninę oddechową o stałej procentowej zawartości tlenu. Zmniejsza to zużycie inertu i skraca dekompresję, podwyższając ciśnienie cząstkowe tlenu na maksymalnych głębokościach nurkowania. Zmniejsza to nasycenie inertem i skraca dekompresję. Można jeszcze optymalizować dekompresję poprzez zastosowanie przesterowania reduktora specjalnego 7 (Fig. 1 i 2) i przesterować od jakiej głębokości reduktor podaje gaz inertny o składowej wprost proporcjonalnej do różnicy głębokości, podwyższa to ciśnienie cząstkowe tlenu w całym zakresie głębokości, ale wpływ ten maleje asymptotycznie na dużych głębokościach. Stosując rozwiązanie b) Fig. 2 możemy uzyskać ciśnienie cząstkowe tlenu niższe niż 1 at na małych głębokościach. Inną metodą skracania dekompresji jest zmniejszenie pojemności butli 14, podwyższa to ciśnienie cząstkowe tlenu na dużych głębokościach, zwiększenie pojemności butli zmniejsza ciśnienie cząstkowe tlenu na dużych głębokościach. Reduktor 5 umożliwia wprowadzenie zmian wielkości nadciśnienia względnego i dostosowanie ilości podawanego tlenu do pułapu tlenowego nurka i zmniejszenia dawkowania w obiegu, co podwyższa ekonomiczność głębokowodnych nurkowań. Bezpieczeństwo jest podniesione poprzez zastosowanie manometrów 11 i 12, które w trakcie pracy informują o poprawności pracy systemu, w niskich poziomach wskazań informują o głębokości nurkowania. Wszystkie manometry znajdują się w polu widzenia nurka dając szeroką informację o zapasie czynnika oddechowego i funkcjonowania obiegu. Opis związków występujących w pracy obiegu. Pojemność butli dawkowania inertu Vi 14. Fig. 1, pojemność dawkowania butli tlenowej Vt 13. Nadciśnienie w układzie tlenowym Pt=Pm+Pr gdzie Pm-wielkość dawki tlenu zużywana na metabolizm w cyklu oddechowem, Pr-wielkość reszty dawki, nadciśnienie w torze inertu Pi=krgh gdzie r-gęstość wody, g-przyspieszenie ziemskie, h-głębokość, k-bezwymiarowy współczynnik wprost proporcjonalności nadciśnienia względnego wynikający z konstrukcji reduktora specjalnego 7. Po-ciśnienie atmosferyczne. Iloczyn PtVt reprezentuje masę dawki tlenu, odpowiednio iloczyn PmVt masę dawki zużytej a PrVt masę dawki pozostającej w obiegu. Dla związku **Pr/Po=kVi/Vt układ realizuje stałe ciśnienie cząstkowe tlenu, niezależnie od głębokości i wentylacji równe Po.
PL 214 445 B1 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Uniwersalny głębokowodny aparat nurkowy o obiegu półzamkniętym, połączony z drogami oddechowymi, działający pod wodą i w atmosferze trującej lub hipoksycznej, złożony z: obiegu zamkniętego, miecha oddechowego, rozpraszacza wydychanych gazów, węży oddechowych zaworów zwrotnych, pochłaniacza dwutlenku węgla, układu stopni reduktorów, reduktora do tlenu posiadającego regulację wielkości nadciśnienia, reduktora łącznie z reduktorami i gazu obojętnego lub mieszanin również nisko tlenowych wieloskładnikowych, z układem zliczania części wentylacji, gdzie po zliczeniu do ustalonego poziomu jest uwalniana dawka regenerująca, znamienny tym, że tlen jest podawany poprzez opróżnianie butli 13 zasilanej stałym względnym nadciśnieniem z reduktora 5, po zliczeniu wentylacji do określonego poziomu, natomiast gaz inertny lub dowolna mieszanina gazów inertnych jest podawana poprzez opróżnianie butli 14 zasilanej ciśnieniem wprost proporcjonalnym do głębokości (ciśnienia hydrostatycznego), ze stopnia redukcyjnego 7 z tłokiem różnicowym, w jednej pozycji multizaworu 9, butle dawkujące tlenowa i gazu obojętnego są połączone ze źródłami gazów czystych, odpowiednio dla tlenu: butli 1 z zaworem odcinającym 8, reduktorem 5 połączonym z sekcją multizaworu 8, gaz obojętny z butlami 2 i 2a reduktor 4a i 7 do drugiej sekcji multizaworu 9, w drugim położeniu multizawór łączy układ przygotowania dawki z obiegiem, multizawór 9 posiada sekcję przełączającą dla tlenu i drugą dla gazu obojętnego. 2. Aparat nurkowy według zastrz. 1, znamienny tym, że reduktor 5, posiada regulację wielkości nadciśnienia która łącznie z pojemnością butli 13 stanowi miarę masy dawki tlenu, służącą do dostrojenia obiegu do osobniczego pułapu tlenowego. 3. Aparat nurkowy według zastrz. 1, znamienny tym, że reduktor 4a podaje gaz obojętny do reduktora 7, gdzie ciśnienie z reduktora 4a jest wyższe niż ciśnienie reduktora 7, w zakresie głębokości w którym ciśnienie cząstkowe tlenu ma być stałe, co zapewnia ograniczenie zużycia inertu. 4. Aparat nurkowy według zastrz. 1, znamienny tym, że pojemność butli 14 dawkującej inert, nie jest większa niż czterokrotność pojemności wynikająca ze związku Pr/Po=kVi/Vt i nie może być mniejsza niż połowa tej wielkości, Pr musi być większa od 1/4 całkowitej dawki tlenu wyrażonej nadciśnieniem. 5. Aparat nurkowy według zastrz. 1, znamienny tym, że reduktor 7 połączony szeregowo z reduktorem 4a, posiada regulację wielkości ciśnienia i podciśnienia początkowego, natomiast powierzchnia tłoka stykająca się z wodą 1 jest większa niż powierzenia tłoka w części ciśnienia zredukowanego 2, posiada szczelną komorę 3 w której panuje ciśnienie atmosferyczne. 6. Aparat nurkowy według zastrz. 1, znamienny tym, że butle dawkowania tlenowa 13 i gazu inertnego 14, posiadają manometry kontrolujące pracę układu dawkowania 11 i 12 w trakcie nurkowania. 7. Aparat nurkowy według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada płaszcz z podwójnymi ściankami na pochłaniaczu dwutlenku węgla 22, przestrzeń między ściankami jest wypełniona czystym tlenem zasilanym z reduktora 6, z niewielkim podciśnieniem w stosunku do otoczenia, reduktor 6 ma możliwość mechanicznego otwarcia. 8. Aparat nurkowy według zastrz. 1 i 7, znamienny tym, że tlen z systemu dawkowania 9 jest dostarczany do płaszcza tlenowego 22 i dostaje się do obiegu poprzez zawór zwrotny 21 na wyjściu z pochłaniacza. 9. Aparat nurkowy według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że rozpraszacz 20 można zdemontować i zamontować elastyczny nie rozciągliwy worek o znanej pojemności, do określenia pułapu tlenowego nurka.
6 PL 214 445 B1 Rysunki
PL 214 445 B1 7
8 PL 214 445 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)