低压表面供应空气系统及方法技术方案

通过在呼吸的时间过程期间控制泵的动作，本发明专利技术的方法及系统在吸气期间在高出大气压不到25psi的压力下响应潜水员的呼吸而向该水下潜水员提供呼吸空气，而在呼气期间不输送空气或输送极少的空气。本发明专利技术的方法及系统感测潜水员呼吸空气的需求，确定吸气需求或呼气状态，并控制泵的操作，该泵通过管向潜水员输送呼吸气体。本发明专利技术揭露用于同样目的的集成系统，其包括至少一个能量源(26)、泵(28)、空气管(30)、呼吸孔(10)、传感器(20)，以及逻辑处理器(24)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低压表面供应空气系统及方法
本揭露涉及可呼吸气体输送。尤其，本揭露涉及向从事水下活动的水下潜水员输送可呼吸气体的系统及方法。
技术介绍
表面供气(surfacesuppliedair；SSA)或“Hookah”潜水是目前向水下潜水员提供可呼吸气体(例如，空气)的一种方式。SSA系统与SCUBA系统的不同之处在于通过柔性管将潜水员连接至水面，该柔性管输送来自压缩气体容器、泵或压缩机的可呼吸气体。当前的SSA泵送系统包括利用泵或压缩机在表面加压可呼吸气体，以将可呼吸气体压缩至在125psi(861kpa)的范围内的压力，接着通过管将气体输送至安装有咬嘴的压力调节器，该压力调节器在由潜水员的深度确定的压力下(例如，高于大气压0至75psi(0-517kpa))输送至潜水员的口时调节压降。当潜水员下潜至水面下方时，对于每英尺(0.3m)淡水水深，压力增加约0.43psi(2.9kpa)，而对于每英尺(0.3m)海水水深，压力增加约0.44psi(3.03kpa)。换句话说，当潜水员下潜至淡水水面下方约33.9英尺(10.3m)时，或者下潜至海水中约32.9英尺(10.0m)时，绝对压力将等于2大气压(atm)(203kpa)，在水面的空气压力导致1atm(101.3kpa)的压力且水压导致1atm(101.3kpa)的压力。依据额外的因素(例如，本地盐或其它矿物浓度的变化，水面的海拔高度等)，压力增加可能稍微大于或小于上面所提供的数值。基于上述，对于小于约100英尺(30.5m)的潜水深度，在潜水员的深度的压力将小于4atm(405.3kpa)绝对压力(约1atm(101.3kpa)的气压及3atm(304kpa)的水压)或3atm(304kpa)表压(也就是，高于大气压的压力)。因此，对于离海平面起点小于100英尺(30.5m)的潜水深度，不必要压缩气体超过约45psi(310kpa)。实际上，压缩至大于潜水员所需的压力导致浪费能量，因为必须通过压降阀消除“过压”(也就是，初始压缩超过潜水员所需)，以避免损害潜水员的肺及/或导致潜水员严重损伤或死亡。在SSA设备中使用较高的压力(也就是，高于50psi(345kpa)且通常高于100psi(689kpa))，因为用于Hookah潜水的安装有咬嘴的调节器是自SCUBA设计改造而成的，该SCUBA设计使用更高的压力，通常500-3000psi(3447-20684kpa)。几十年来，SCUBA系统的基本技术没有显著变化。由于所涉及的升压，必须提供能够在所涉及的高压下保持压缩可呼吸气体的一个或多个压力容器(在SCUBA系统中高达3000psi(20684kpa)且在SSA系统中高于50psi(345kpa))，以及用以将气体减压至潜水员所需的压力的调节器系统。因此，目前可用的SCUBA及SSA系统是笨重的、庞大的且需要高能量输入来形成所涉及的压力，许多输入能量作为随后被降低至潜水员实际需要的压力的多余压力(或过压)而被浪费。SCUBA及SSA系统的重量、体积、成本及能量要求严重限制休闲潜水对公众的可及性。在工业船及水池清洗市场中，现有系统的重量、体积及成本被添加至潜水员用于清洗船或水池的工具的重量、体积及成本，工具本身常常庞大、笨重且昂贵，从而给潜水员带来显著的疲劳负荷以及显著的健康及安全风险。尤其亟需较轻、体积较小的设备。本文中所揭露的气体输送系统输送潜水员所需的相同体积的呼吸气体，但与SCUBA或SSA系统相比具有显著较小的最大系统压力。与现有SSA系统相比，通过在不形成高过压的情况下提供可呼吸气体，本揭露的系统提供较轻、较简单的系统，需要显著较低的能量。因此，与传统SSA系统相比，本揭露的系统可具有较低的成本、较小的体积、更便携，并针对任意给定的能量供应提供较长的泵运行时间。避免高压的现有技术系统也存在若干缺点。US7,159,528B1揭露一种具有泵的潜水系统，该泵操作于较低的系统压力下，但通过使泵送空气自由流过潜水员的口的方式操作。这样的系统提供降低的能量效率以及较差的性能，因为潜水员的体验及视力被流过用户的连续的、自由流动的气泡(在呼气期间加倍)影响。具有连续空气输送的SSA系统常用于工业应用例如清洗船舶及水池。在这些情况下，能见度可能被限制，因为围绕潜水员的局部区域包括与潜水员的清洗工作相关的污泥及残渣。持续不断的气泡给能见度造成的进一步限制使费力的工作变得更加困难。此外，此类系统是嘈杂的，形成引起休闲环境中的鱼及其它水生生物恐慌的压力波，提供不太自然的潜水体验，并在操作期间持续消耗能量-即使当潜水员不吸气时，未被吸入的排出空气包括浪费的系统资源。采用自由流动空气方法的浪费量不是立即可见的，而是可通过下面的情境示例了解：以平均速度游泳的潜水员的空气消耗速率总体为每分钟约30升，从而可推断每秒0.5升的泵送速率，但呼吸的动作包括吸气部分时间及呼气部分时间，因此，在吸气循环期间，自由流动系统的泵将需要以至少60升/分钟或每秒1升的速率输送，以维持平均游泳速度的新陈代谢。呼气使自肺释放的气泡被添加至自由流动泵送空气，从而以每秒2升的速率释放。那么，呼吸空气供应需要能够以也满足上述平均值或峰值需求的速率供应。国际标准EN250:2000要求能够以62.5升/分钟的速率供应呼吸气体。这相当于每秒2.08升的瞬时流率，或对于连续运行泵将近125升/分钟。在使用这样的自由流动系统时的呼气将使气泡以高于每秒4升的速率释放-剧烈、嘈杂、干扰视力的空气释放。本专利技术的实施例提供泵或压缩机，其按需(on-demand)操作以向潜水员提供空气。本文中所使用的“按需”是指一种系统，其中，泵或压缩机仅响应潜水员需要空气的确定而操作以向潜水员泵送空气。本文中所提供的实施例使用泵送系统，其感测潜水员的呼吸并仅响应潜水员需要空气的确定而操作泵或压缩机(例如，通过感测潜水员的吸气及呼气的其中之一或两者)。当潜水员不需要或要求空气时，关闭泵。更具体地说，在一些实施例中，当潜水员吸气时，开启泵。在一些实施例中，当潜水员呼气时或既不吸气也不呼气时，关闭泵。本文中所揭露的系统针对潜水员需要空气的确定而提供快速泵响应，并响应需要空气的信号操作以提供空气，所存在的延迟对于人类潜水员通常是感觉不到的。如此，与自由流动系统或将呼吸气体加压至50psi(345kpa)或更高的更传统的SSA系统相比，本文中所揭露的系统可针对任意给定的能量供应提供至少两倍(以及超过4倍)的运行时间。换句话说，本文中所揭露的按需系统可利用自由流动设置所需的能量(电池)容量的一半或甚至四分之一(通常小于加压SSA系统的1/10能量)实现同等的运行时间，且不需要与典型SSA系统相关的中间储存罐或专用高压设备。本文中所使用的“psi”是指超过大气压的压力，通常被称为“表压”或“psig”，以表示单位为磅/平方英寸，由0psi(0kpa)为大气压的压力表测量。若打算用绝对压力，则通常使用术语“绝对压力”或“psia”。
技术实现思路
在一个实施例中，本专利技术包括一种在包括泵、耦接有压力传感器的可呼吸空气调节器、以及耦接该泵与该调节器的管的系统中向水下潜水员提供可呼吸空气的方法，该方法包括：利用该压力传感器感测与潜水员呼吸相关的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在包括泵、耦接有压力传感器的可呼吸空气调节器、以及耦接该泵与该调节器的管的系统中向水下潜水员提供可呼吸空气的方法，该方法包括：利用该压力传感器感测与潜水员呼吸相关的该调节器中的压力变化；基于该感测而确定潜水员吸气及潜水员呼气的至少其中之一；响应所述确定潜水员吸气及潜水员呼气的至少其中之一，以第一泵速在潜水员吸气的至少一部分期间操作该泵，从而在高于大气压不超过25psi(172kpa)的压力下向该水下潜水员输送可呼吸空气；以及以不大于该第一速度的一半的第二速度在潜水员呼气的至少一部分期间操作该泵。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.24 US 62/299,1191.一种在包括泵、耦接有压力传感器的可呼吸空气调节器、以及耦接该泵与该调节器的管的系统中向水下潜水员提供可呼吸空气的方法，该方法包括：利用该压力传感器感测与潜水员呼吸相关的该调节器中的压力变化；基于该感测而确定潜水员吸气及潜水员呼气的至少其中之一；响应所述确定潜水员吸气及潜水员呼气的至少其中之一，以第一泵速在潜水员吸气的至少一部分期间操作该泵，从而在高于大气压不超过25psi(172kpa)的压力下向该水下潜水员输送可呼吸空气；以及以不大于该第一速度的一半的第二速度在潜水员呼气的至少一部分期间操作该泵。2.如权利要求1所述的方法，其中，在潜水员吸气的至少一部分期间操作该泵包括使该泵在潜水员吸气开始之前0.5秒至潜水员吸气开始以后0.5秒的范围内的时间点以该第一泵速开始操作。3.如权利要求1所述的方法，其中，在潜水员呼气的至少一部分期间操作该泵包括使该泵在潜水员呼气确定之前0.5秒至潜水员呼气确定以后0.5秒的范围内的时间点以零的第二速度开始操作。4.如权利要求3所述的方法，还包括继续以零的第二速度操作该泵，直到在潜水员吸气开始之前0.5秒至潜水员吸气开始以后0.5秒的范围内的时间点。5.如权利要求1所述的方法，其中，在潜水员呼气的至少一部分期间操作该泵包括在潜水员呼气开始之前0.5秒至潜水员呼气开始以后0.5秒的范围内的时间点开始，将该泵从该第一速度减慢至该第二速度。6.如权利要求1所述的方法，其中，在潜水员呼气的至少一部分期间操作该泵包括在潜水员呼气确定之前0.25秒至潜水员呼气确定以后0.25秒的范围内的时间点开始，使该泵从该第一速度减慢至该第二速度。7.如权利要求1所述的方法，还包括提供浮泵组件，该浮泵组件包括浮力元件，该泵与该浮力元件耦接。8.如权利要求1所述的方法，还包括使该泵响应来自该潜水员的手动输入而向该潜水员泵送可呼吸空气。9.如权利要求1所述的方法，其中，在潜水员吸气的至少一部分期间操作该泵包括以第一速度操作该泵，从而在高于大气压不超过15psi(103kpa)的压力下向该水下潜水员输送可呼吸空气。10.如权利要求1所述的方法，还包括：提供泵，该泵具有与该大气耦接的泵进口以及泵出口；提供可呼吸空气管，该可呼吸空气管具有与该泵出口耦接的近端以及远端；提供可呼吸空气调节器，该可呼吸空气调节器具有与该可呼吸空气管的该远端耦接的调节器进口...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·C·科尔伯恩，
申请(专利权)人：J·C·科尔伯恩，
类型：发明
国别省市：美国,US