压力激活装置和呼吸系统

摘要

本发明提供一种用于控制气体供给的压力激活装置和用于水下应用结合所述装置的呼吸系统。所述装置包括用于连接至加压气体源的输入口(64)、输出口(66)、室(62)和压力监测口(66)。流动控制装置设置成，在环境压力高于室内压力一大于预定量的量时有选择地打开室外部的在输入口和输出口之间的流体路径(65)。当压力监测口处的压力高于环境压力一大于预定量的量时，重置装置(80)有选择地打开压力监测口和室之间的流体路径(84、92)。所述装置可以用于控制稀释气体到水下呼吸系统的供给，或维持挠性外壳的体积基本上恒定，而不管环境压力变化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力激活装置和一种用于水下用途的呼吸系统。具体地，所述装置适于用在这种呼吸系统中。

背景技术

水下呼吸设备的一般形式是开路类型，在图1中示出一个示例。使用者通过具有管嘴6的自动需求阀4从压缩空气(或者其他可呼吸的气体)气罐2中吸气。需求阀包括一侧暴露到环境压力下、另一侧暴露到管嘴的挠性隔膜8，使得由于使用者吸气引起的管嘴处的压力减小使隔膜偏转朝向管嘴。这促进隔膜紧靠杠杆10，杠杆的偏转打开阀12，从而允许空气从气罐2流到使用者。使用者只通过排气阀14呼气到环境中。

图1中所示类型的开路类型虽然简单并且耐用，但具有许多缺点，包括：

-短暂、不确定的耐久性，其会由于增大深度和/或呼吸速率而进一步减小；

-大量浪费呼吸气体，需要使用者背负巨大且笨重的气罐(80％的空气是不想要的氮气，实际仅使用小比例的吸入氧气量)；

-在水深处氮气会被吸收到血液中，带来昏迷和减压病的风险；

-来自气罐的空气是干的和冷的，使得潜水者脱水和感到寒冷。

图1中显示的开路类型的可选方案是闭合的回路再呼吸装置，其中呼出的气体被净化掉二氧化碳，接收在袋子中，补充以氧气并返回给使用者。这种系统的早期例子如图2所示。所述系统限定呼吸回路并且包括位于管嘴24处只允许气体围绕回路沿一个方向流动的单向阀20和22。呼出的气体通过二氧化碳涤气器26进入呼吸袋或副肺(副肺)28。当使用者吸气时，回路中的压力减小，导致自动需求阀30打开，允许气体从压缩氧气罐32流到副肺28。

与图1中的开路系统相比，图2中的闭合的回路结构相对紧凑而且轻，因为不管呼吸速率如何，使用相对小的氧气罐也能够持续几个小时。在回路中的气体被使用者温暖并且没有气泡。

图2中系统的问题在于，超过一定的环境压力，氧气本身变得对身体有害，产生类似于癫痫发作的症状。不同的人对此具有不同的敏感度，因而使用纯氧气仅在小于六米的深度是安全的。为了安全地潜入水下更深，有必要用某些其他气体(例如空气)稀释氧气。

本领域更近的发展产生了全闭合回路混合气体再呼吸装置，如图3中的系统所举例说明的。供给到呼吸回路的氧气通过控制装置34来维持。这种控制可以用电来设置，例如通过在回路中设置氧气传感器(例如燃料电池)。如果它们的输出电压下降到预定电平之下，控制装置34中的电子阀打开以注入一股氧气。可替换地，控制装置可以简单地提供稳定的氧气供应，每分钟一升的量级。在那种情况下，控制装置可以是小孔的形式，例如由红宝石形成。在呼吸回路中的氧气通过来自合适的压缩稀释气体气罐36中的气体进行稀释。典型地，用在水下呼吸系统中的稀释气体是例如空气或氧气/氦气混合。这种气体通过自动需求阀30供应到回路。

当使用者游到更深处，并且回路中的气体被周围的水压挤压时，副肺28的体积由稀释气体加满，允许潜水者进行充分呼吸。因而，在水的表面给使用者以高百分比的氧气，而随着深度增加变得更稀释。

然而，图3所示形式的系统的安全记录很差，这些事故的主要原因是缺氧(也就是氧气不充分)，其原因是系统不能给潜水者充分的氧气。产生这种情况是由于系统中的一个故障(例如堵塞的孔、气罐用空或电池没电)、使用者的失误(例如偶然关掉氧气供给)、或例如高强度体力活动等挑战性环境、从水下深处快速上升(虽然氧气的百分比保持不变，但氧气浓度因为气体膨胀而下降)、恐慌(通过鼻子的沉重的呼吸和呼气)或这些因素的结合。当氧气消耗得比其替代的更快，呼吸回路体积下降，因为所产生的二氧化碳被涤气器去除，使用者不能充分吸气并且自动需求阀被激活，空气代替了“失去的”氧气。因为这种空气中如此少量的氧气也被用光，循环自己在重复，因而混合气体很快变得不能维持生命。而且，由于没有二氧化碳的存在(感觉不能呼吸的刺激因素)，潜水者不能意识到出了问题。

发明内容

本发明提供一种用于控制气体供给的压力激活装置，其包括：

输入口，所述输入口用于连接到压缩的气体源；

输出口；

室；

压力监测口；

流动控制装置，所述流动控制装置用于在环境压力高于室内压力超过预定量时有选择地打开室外部输入口和输出口之间的流体路径；和

重置装置，所述重置装置用于在压力监测口处的压力高于环境压力超过预定量时有选择地打开压力监测口和室之间的流体路径。

这样的装置可以形成如下所述的呼吸系统的稀释气体供给控制器。

优选地，所述输出口也形成所述压力监测口。

在优选的实施例中，流动控制装置包括：控制阀，所述控制阀用于有选择地打开所述输入口和所述输出口之间的所述流体路径；和压力敏感装置，所述压力敏感装置连接到所述控制阀，以便在环境压力高于所述室内压力超过预定量时打开所述控制阀。

所述压力敏感装置可以是例如挠性隔膜或活塞的形式。

所述重置装置可以包括响应于环境压力和所述压力监测口处的压力之间的差的重置压力敏感装置和重置阀装置，所述重置压力敏感装置连接到所述重置阀装置，使得当位于所述压力监测口处的所述压力高于环境压力超过预定量时，所述重置阀装置打开所述压力监测口和所述室之间的所述流体路径。

设置附加的重置装置，所述附加的重置装置包括响应于环境压力和所述室内的压力之间的差的附加的重置压力敏感装置以及附加的重置阀装置，所述附加的重置压力敏感装置连接到所述附加的重置阀装置，使得当所述室内的压力高于环境压力超过预定量时，所述附加的重置阀装置打开以从所述室排出气体。所述重置阀装置可以打开所述室和输出口，例如，或所述室可以通到周围环境，或通到压力监测口。

在优选的实施例中，上面所述的所述重置装置和所述附加的重置装置具有共同的部件。特别地，它们的压力敏感装置和重置阀可以由相同的部件提供，并且当所述室内或位于所述压力监测口处的压力超过环境压力时，所述重置阀装置有选择地打开所述压力监测口和所述室之间的流体路径。

更加优选地，所述重置压力敏感装置、所述附加的重置压力敏感装置、所述重置阀装置和所述附加的重置阀装置包括共同的挠性闭合器。所述挠性闭合器一侧暴露到环境压力，并且在闭合位置和打开位置之间是可动的，以便有选择地打开来自所述室的所述流体路径。

根据另一优选的实施例，当所述挠性闭合器在其闭合位置时，其另一侧的第一部分暴露到位于压力监测口处的压力，并且第二部分暴露到所述室的压力。有利地，所述第一部分的面积比所述第二部分的面积大。通过这种结构，需要比使所述输出口和室的压力相等时更大的压力来举起所述挠性闭合器以使所述室开通，防止由于环境压力的小改变导致的重置和激活的不必要的循环。

这里所述形式的压力激活装置可以与外壳结合设置，以便保持所述外壳的体积基本上恒定，而不管环境压力的变化。合适的应用可以是例如与浮力控制装置、起重袋或潜水艇的调整舱相关。陆地应用包括(例如)高压舱。过压阀可以与所述外壳设置在一起，以当环境压力降低时减小内部压力。

本发明还提供一种呼吸系统，所述呼吸系统包括：

用于从外壳内的气体中去除二氧化碳的装置；

管嘴口；

氧气口，所述氧气口用于供给氧气到所述外壳；和

稀释剂口，所述稀释剂口连接到上面限定的压力激活装置的输出口。

因而，当所述系统在水下使用时，稀释气体响应于环境压力的升高而增加到所述外壳内的气体容积中。这使得所述系统能够在水深处保持稳定的氧气分压，而不用考虑使用者的活动。所述系统兼有闭合回路再呼吸系统的气体有效性和充分的简单性。

所述外壳体积通过稀释剂供给控制器来保持，所述稀释剂供给控制器直接响应于水深度的增加注入稀释剂，并且对任何由使用者产生的抽吸敏感。以这种方式将稀释气体供给到所述系统能够使浅水昏眩、呼吸用尽外壳内气体容量或缺氧等其他因素造成的任何风险最小化。

在优选的实施例中，公共的入口用作所述氧气口和所述稀释剂口。

优选地，所述外壳是回路的形式。在这种情况中，二氧化碳去除装置可以位于由所述回路限定的流动路径上，使得当呼出的空气围绕所述回路循环时，其通过所述二氧化碳去除装置并且存在的二氧化碳被吸收。

所述系统可以包括用于从压缩的氧气源将基本上恒定的氧气供给到氧气口的装置。在这种情况中，如果氧气由于某种原因不能供给到所述外壳，将会导致所述外壳体积的下降。使用者因而不能进行充分呼吸，发出非常明显的警告，系统出故障了。然后潜水者可以通过启动用于让使用者能够允许氧气进入所述外壳的装置(例如如果设置的话，通过氧气口)、或通过切换到备用呼吸系统、解决任何故障导致的问题、或仅通过结束潜水而作出反应。

可替换地，所述系统可以包括用于在所述外壳内的压力降低到环境压力以下超过预定量时将氧气供给到所述氧气口的装置。因而，当所述外壳体积下降并且使用者不能进行充分呼吸时，这种情况中产生的抽吸将自动引发利用氧气供给装置的氧气注入。因而，通过例如自动需求阀，响应于容积损耗添加氧气。因此，在该实施例中，氧气和空气的需求被区分开并且自动地响应。

即时供给氧气允许在没有电子输入的情况下保持基本上恒定的氧气水平，而不用考虑使用者的工作速率。替代地，它依赖于来自环境压力的机械暗示和使用者的氧气消耗。

能够提供这种不需要电子部件的系统是有利的，因为这样的系统有时候几年不用一次，在此期间电池电力会消尽并且传感器会老化。

如果所述系统包括一些电子部件，本发明允许关键方面机械地实施，因而允许在电子部件失效的情况下还能继续潜水。因而，可以提供对应电子控制系统的可靠备份，其即使在重的运用过程中也是气体有效的。

在可选择的结构中，压力敏感稀释阀的输出可以引导到自动需求阀，所述自动需求阀也用于供给氧气。因而，可以设置成：稀释剂的供给处于比氧气的供给高的压力下，在下沉过程中压力敏感稀释阀的激活将引起稀释剂通过自动需求阀代替氧气被供给，同时在恒定深度处或下沉时将仍然通过自动需求阀供给氧气。这允许更加精确地控制呼吸系统中的外壳体积。通过这种方式，这种形式的压力激活装置被用作将气体输入从一个源到另一个源地切换至第二装置的装置。

在优选的实施例中，外壳是回路的形式，其包括仅允许气体围绕所述回路沿一个方向流动的阀装置。优选地，在二氧化碳去除装置的上游和管嘴口的下游提供氧气口。类似地，优选在二氧化碳装置的下游和管嘴口的上游提供稀释剂口。这些结构最小化由于围绕回路的气体流动引起的外壳中的压力差异而带来的任一气体供给的不适当的激活。

在一些情况中，用于感测外壳内的氧气分压的装置可以设置成例如氧气燃料电池的形式。它们可以与用于显示所感测的分压的显示器和/或用于在所测的分压降低到预定阀值以下时给使用者发出警告的装置结合。

正如上面提到的，可以提供用于让使用者能够将氧气注入到外壳中的装置。因而，使用者可以在被警告其中氧气不足时手动让氧气供给进入到外壳。

在上面所述的呼吸系统和压力激活装置中，各个调整装置可以与一个或多个压力敏感装置相关地为调整压力差(上面所说的“预定的量”)而设置。例如，所相关的阀可以通过弹簧装置被偏转朝向它们的闭合位置，并且调整装置可以运行以改变各个弹簧的张力。

附图说明

本发明已知的配置和实施例将通过示例的方式参照示意性的附图进行描述，其中：

图1示出了公知的开路呼吸系统；

图2示出了公知的纯氧气闭合回路呼吸系统；

图3示出了公知的闭合回路混合气体呼吸系统；

图4示出了根据本发明的实施例的呼吸系统；

图5示出了根据本发明的压力激活装置的第一实施例的截面视图；

图6-9依次示出了图5中示出的装置运行过程的连续的阶段；

图10和11分别示出了根据本发明的压力激活装置的第二和第三实施例的截面视图；和

图12示出了根据本发明的压力激活装置的第四实施例的截面视图。

具体实施方式

所有图都是示意性的并且没有按照比例绘制。为了图中的清楚和方便，附图的各部分的相对尺寸和比例被放大尺寸或缩小尺寸地示出。在修改的和不同的实施例中，相同的附图标记一般用来表示对应的或类似的特征。

图4示出了实施本发明的呼吸系统。其限定了一个回路形式的外壳。从管嘴24，呼出的气体能够通过单向阀20进入呼气副肺42，然后通过二氧化碳涤气器26进入吸气副肺42。然后，流动路径通过单向阀22返回到管嘴。优选地，副肺具有低的纵横比。

氧气通过在呼气副肺40的侧壁上的孔口供给到闭合的呼吸回路。这种供给通过氧气供给控制器44进行控制。在示出的实施例中，是自动需求阀的形式，其通过将氧气注入到副肺40中而响应于在呼气副肺中的压力相对于环境压力的减小。氧气供给控制器44可以在下面进一步的讨论中的电子控制下或以恒定的供给速率(典型地是每分钟大约1升)从气罐32中的压缩供给更换或额外地供给氧气。这种供给速率可以根据特定的使用者的需求进行调整。

还提供过压阀46与呼气副肺40相关。过压阀设置成当压力超过环境压力以上的预定量时允许气体从呼吸回路中排出。这种阀的设置是可选的。可替换地，例如过度的气压可以替代地通过使用者的鼻子排出。

气体传感器48延伸进入吸气副肺42以监测从这个副肺中吸入的气体的属性。传感器可以监测气体的成分，并且尤其是氧气的分压。如果氧气的分压降低到预设电平，传感器可以用来激活氧气到呼吸回路中的注入动作。气体传感器可以连接到显示器手持机50以为使用者显示信息，以能够让使用者监测气体的成分。使用者可以手动控制气体成分。优选地，传感器包括两个或更多个相同的、独立的传感器(优选地是三个或更多个)，如果单个传感器发生故障使使用者(或电子监测装置)能够意识到。

稀释气体通过限定在副肺壁上的孔口供给到吸气副肺。这种供给通过稀释剂供给控制器52进行调整。这个控制器对于环境压力和该控制器内的室中的压力敏感。其可以设置成当环境压力高于所述室内的压力并超过预定量时，允许稀释气体流入到吸气副肺。

这样，稀释剂供给控制器52在环境压力增大时，在呼吸回路内保持基本上恒定的气体容积。该控制器是实施本发明的压力激活装置的形式。

根据本发明的压力激活装置的截面图如图5所示，其适于用作图4中的稀释剂供给控制器52。

挠性隔膜60，与所述装置52的主体结合，限定室62。所述装置具有输入口64和结合的输出和压力监测口66。阀68可操作地打开或闭合输入口64和输出口66之间的流体路径(其包括管道65)。阀包括安置在阀座72上的阀闭合器70，其在图5中由气体供应件74提供。阀闭合器70通过弹簧76被偏压朝向其闭合的位置。

阀闭合器70包括伸长的杆71，其穿过所述装置52的内部壁中的开口73进入室62。这个开口73不允许气体流入或流出室62。在图5中，这通过环形密封件75来保证。

当环境压力超过室62内的压力时，隔膜60被促使向内。隔膜顺次作用在杠杆78上，杠杆连接到阀闭合器杆71的端部。作用在杠杆上的足够的压力克服弹簧76的弹簧张力，将阀闭合器70从其阀座72上举起，并允许气体从连接到输入口64的压缩供给流入，通过管道65到输出口66。

装置52还包括重置装置80。其包括由挠性环形闭合器或部件82形成的阀。装置主体限定室62和重置装置80之间的孔形式的流体路径。挠性部件82通过弹簧86被偏压紧靠孔84的外部端。弹簧86的压缩可以通过改变弹簧保持件88的位置而进行调整，弹簧保持件接合弹簧86的外部端。在图5所示的实施例中，保持件88通过螺纹连接到装置52的主体，螺纹能够通过旋转保持件88来改变弹簧86的压缩。弹簧86的压缩控制呼吸回路或外壳内的气体容积。

由重置装置限定的内部容积通过保持件88内的开口90与周围环境流体连通。因此，挠性部件82的一侧暴露到环境压力，另一侧的一部分通过孔84暴露在室62内的压力中。压力激活装置52的主体还限定从输出口66延伸到重置装置80的内部的、通道92形式的流体路径。挠性部件82在通道92的末端之上延伸，通道开口进入重置装置80的内部容积。因此，挠性部件82其内部表面处还在结合的输出和压力监测口66处暴露到所述压力中。

正如这里说明的，实施本发明的压力激活装置具有许多应用，其中压力激活装置可操作地保持挠性外壳的体积基本上恒定，而不管环境压力的改变。通过图示的方式，其作为图4中所示类型的呼吸系统中的稀释剂供给控制器52而进行的运行过程在下面将参照图6到9进行描述。

当潜水者下沉，环境压力增大，朝内推挤隔膜60。这引起隔膜下压杠杆78、打开阀68，允许稀释剂通过输出口66进入呼吸回路，如图6所示。环境压力和激活阀所需的室62内压力之间的压力差的大小由隔膜60的表面面积进行控制并且可以通过改变弹簧76的弹簧张力进行调整。在这个阶段，环境压力比室62内或输出口66处的压力大，并因此重置装置80的挠性部件82位于其闭合位置。

当稀释气体流入到呼吸回路中，位于输出口66处的压力增大。最后，如图7所示，位于输出口66处的压力超过环境压力足够大，以将挠性部件82从孔84举起，因而形成从输出口到室62的打开的流体路径。当位于输出口处的压力比环境压力大时，输出口处的压力向外推挤挠性隔膜60，允许杠杆78升起并且依次闭合阀68，阻止稀释气体进一步注入。

当氧气被使用者消耗并且二氧化碳被二氧化碳涤气器吸收，呼吸回路内的气体容积下降。使用者因而不能进行充分的呼吸，因而在吸气时，引起呼吸回路内的压力相对于环境下降。这种情形在图8中示出。当位于输出口66处的压力低于环境压力时，挠性部件82密封孔84，防止这种被减小的压力引起室62内压力的类似的下降，并且防止不合适的稀释剂的注入来替代氧气。

但是呼吸回路和环境之间的压力差可以激活需求阀用作氧气供给控制器44，以补充呼吸回路中的氧气水平。

在潜水者的上升过程中，环境压力降低，室62中的气体膨胀并且举起挠性部件82使其离开孔84的外部端，通过孔84和通道92将室62通至(在这种情况下)呼吸回路。图9中示出了这种情形。呼吸回路中的过量的气体可以排出到系统内的其他部分，例如通过使用者的鼻子或(如果具有)过压阀46排出，

在图5到9示出的压力激活装置52的实施例中，挠性部件82包括平面的、由环形剖面部分96围绕的中心区域94(如图5示出的)。中心区域94形成阀闭合器，位于孔84的外部端上面。当区域94位于其闭合位置时，环形区域96是穹状凸起形的，离开装置52的主体的外表面。特别地，其可以形成基本上与螺环的表面的一部分相对应的形状。环形部分96在通道92的外部端上面延伸。孔84、通道92和挠性部件82的相对尺寸优选地选择成使得挠性部件82在其闭合位置上通过通道92暴露到位于输出口66处的压力下的表面面积比其通过孔84暴露到室62内的压力下的面积明显地更大。其配置成使得，当重置系统来填充肺时，室62内需要比结合的输出和压力监测口66处的压力更大的压力来举起挠性部件，以防止不必要的通过小的深度变化而引起的重置并激活的循环。

图5中的压力激活装置的另一实施例在图10中示出。代替挠性隔膜60，设置活塞100，包括活塞头102和活塞杆104。活塞头的外部端部暴露到环境压力中，并且其内部端部暴露到室62的压力中。

阀闭合器70通过活塞杆104的端部接合。阻止件105设置在活塞杆的端部处，活塞杆限定活塞的最大朝外位移。可替换地，阀闭合器70可以安装在活塞杆的端部上，并用作用于活塞的限制阻止件。阀闭合器通过弹簧76被偏压紧靠由装置52的主体限定的阀座70。弹簧76的外部端部接合稀释剂供应件74。通道106通过活塞杆104进行限定，从活塞头的外部端部向活塞杆的内部端部延伸。通道的内部端部暴露到输出口66处的压力下并且外部端部与挠性部件82的环形部分96流体连通。设置另一孔107，其延伸穿过活塞头，在其内部端部处开口到室62，并且在其外部端部处通过挠性部件82的平面的中心区域94进行闭合。图10中示出的压力激活装置以与上面所述的图5中示出的结构类似的方式进行运行。

图10的实施例有利地允许使用者通过手动按压活塞100的外部端部开始稀释剂的注入。此外，它容易地允许通过改变稀释剂供应件74的位置来调整其激活阀值。在图5的结构中，虽然稀释剂供应件74的移动也影响这个阀值，但是它必须紧固保持杠杆78以将其保持与隔膜60接合的螺栓。由于访问该螺栓需要部分拆开所述装置，因而这种调整对于使用者不方便。

图10的装置比图5的装置涉及更少的移动部件，改善了其可靠性，简化了其制造过程。

根据本发明的压力激活装置的另一实施例在图11中示出。它与图5中的结构不同，其中重置装置80与所述装置的主体分离地设置，并且通过管110和112连接。在这种方式中，重置装置可以位于与主体相离较远的位置处，例如使用者容易够到、以进行调整的位置。

图12显示了根据本发明的压力激活装置的还一实施例。其与图5(与图10、11)的结构不同，其中输出口66’与压力监测或重置口不同，并且被引导到已知的自动需求阀113的输入，或其他的用来在副肺容积耗尽时供给氧气的等同阀。

倘若稀释剂供应件74处于比氧气供给件114高的压力下，参照图6所述的压力激活装置的激活引起稀释剂代替氧气被供给到阀113。稀释剂到氧气供给的入口通过单向阀115阻止。如果副肺40和42的可变动容积下降到低于使用者的吸气作用，自动需求阀113本身将由使用者呼吸的抽吸激活。因而，在下沉过程中，阀113的激活将会引起稀释气体被增加填入到副肺，同时氧气将响应于在恒定深度或上升时容积的耗尽而进行增加。

图12中的结构提供比图5中示出的结构更精确的副肺容积控制，因为气体注入充满副肺，以配合使用者的呼吸量。

图12中示出的变更实施方式还可以与图10、11中所示的装置结合起来使用。