利用者:JAlone/リブリーザー

閉回路電気リブリーザー (AP Diving Inspiration)
略語	CCUBA (closed circuit underwater breathing apparatus); CCR (closed circuit rebreather), SCR (semi-closed rebreather)
使用法	呼吸器
関連機器	Davis apparatus, Self-contained breathing apparatus, Escape hood

リブリーザーは、使用者の呼気の二酸化炭素を吸収し、各呼吸に含まれる実質的に未使用の酸素と未使用の不活性ガスを再呼吸（リサイクル）できるようにする呼吸器である。使用者が代謝した量を補充するために酸素が追加される。これは、呼気ガスが環境に直接排出される開回路呼吸装置とは異なる。

リブリーザーで少ない酸素で長い動作時間が得られると同時に、気泡が外に漏れるのを防ぐことが出来る。

気泡が出なくなることは、フロッグマンによる秘密の軍事作戦や、水中の野生生物の観察にとって望ましい。リブリーザーは一般に、使用者が持ち運ぶ携帯用装置であると理解されている。車両または定置設備における同じテクノロジーは、生命維持装置と呼ばれる場合が多い。

リブリーザー技術は、水中、宇宙、有毒または低酸素環境（消火活動など）、鉱山救助、高高度での作業など、呼吸ガスの供給が制限されている場所でよく使われる。また、ヘリウム希釈ガスや麻酔ガスなど高価なガスの節約にも使われる。

リブリーザーは多くの環境で使用される。水中潜水リブリーザーは、一次ガス供給と緊急ガス供給の両方を備えた自給式水中呼吸器の一種である。陸上では、有毒ガスが存在する、または酸素が存在しない可能性がある産業用途、消防士が生命と健康にとって直ちに危険な雰囲気で長時間活動する必要がある場合の消防、制御された供給を行うための病院の麻酔器で使用されます。スタッフが呼吸する空気を汚染することなく患者に麻酔ガスの濃度を下げることができ、また高地登山では酸素分圧が低い高地でも使用できる。航空宇宙分野では、非加圧航空機や高高度パラシュート降下、また地球の大気圏外での船外活動用の宇宙服などに応用されている。同様の技術は、潜水艦、潜水艇、大気圏潜水服、水中および地表の飽和環境、宇宙船、宇宙ステーションの生命維持装置や、飽和潜水で使用される大量のヘリウムを回収するために使用されるガス再生システムでも使用されている。

呼吸ガスの再生には技術的な複雑さと特定の危険が伴うが、その一部は使用するリブリーザーの用途と種類によって異なる。質量と体積は、状況に応じて開回路よりも大きくなる場合もあれば、小さくなる場合もある。電子制御ダイビングリブリーザーは、酸素分圧をプログラム可能な上限と下限、または設定値の間で自動的に維持し、減圧コンピュータと統合してダイバーの減圧状態を監視し、潜水プロファイルを記録する。

基本概念

人が呼吸すると、体は酸素を消費し、二酸化炭素を生成する。基礎代謝には、約 6 L/分の速度で呼吸するが、必要とする酸素は約 0.25 L/分しかない。激しく運動する場合、95 L/分の速度で呼吸するが、約 4 L/分の酸素しか代謝しない。代謝される酸素は通常、通常の大気圧では吸気量の約 4% ～ 5%、または海抜ゼロメートルの空気中に存在する利用可能な酸素の約 20% である。海抜ゼロメートルでの呼気には、約 13.5% ～ 16% の酸素が含まれている。

水中ダイビングでは 呼吸ガスの酸素分圧が高く、水圧によりガス密度が大きい場合、状況はさらに酸素の無駄になる。深さによる呼吸ガスの増加により、開回路ガスのさらに多くの部分が無駄になるため、呼気ガスの再循環がさらに望ましいものになる。同じガスを再呼吸し続けると、意識を維持できなくなり、最終的には生命を保てなくなるレベルまで酸素が枯渇してしまうため、必要な酸素濃度を維持するために呼吸ガスに酸素を含むガスを追加する必要がある。

しかし、二酸化炭素を除去せずにこれを行うと、再循環ガス中に二酸化炭素が急速に蓄積し、ほぼ即座に軽度の呼吸困難を引き起こし、高炭酸ガス血症、つまり二酸化炭素毒性の次の段階に急速に発展する。 通常、代謝産物である二酸化炭素 (CO₂) を除去するには、高い換気率が必要である。 呼吸反射 は、酸素濃度ではなく、血液中の CO₂ 濃度によって引き起こされるため、たとえ少量の CO₂ の蓄積であってもすぐに耐えられなくなる。人が吐き出した呼吸ガスを直接再呼吸しようとすると、すぐに 窒息 の激しい感覚を感じることになるため、再呼吸する人は 二酸化炭素を炭酸ガス吸収装置によって除去する必要がある。

代謝使用量を補うために十分な酸素を追加し、二酸化炭素を除去し、ガスを再循環することにより、ガスの大部分が保存される。

生理学的影響と二酸化炭素濃度および曝露期間の関係

酸素分圧のさまざまなレベルの影響

PO2 (bar)	用途と影響
<0.08	昏睡 最終的に死亡する
0.08-0.10	殆どの人間が意識喪失
0.09-0.10	低酸素 の重篤な兆候/症状
0.14-0.16	低酸素症の初期の兆候/症状 (一部の非常に高地地域では通常の環境酸素)
0.21	通常環境酸素（海面大気）
0.35–0.40	通常 の飽和潜水 PO2 レベル
0.50	全身への影響の閾値;飽和潜水における最大レベル
1.0–1.20	レクリエーションダイビング用閉回路呼吸器の設定値
1.40	レクリエーション用開回路ボトムセクターの推奨制限
1.60	NOAA による作業中のダイバーの最大暴露の制限値
2.20	12 msw (海水メートル) で 100% O2ガス を使用する商業/軍用「Sur-D」チャンバー
2.40	40% O2 ナイトロックス 再圧治療 ガス チャンバー を 50 mswで使用した場合
2.80	100% O2 再圧治療ガスを18 msw で使用した場合
3.00	50% O2 nitrox再圧治療ガスを50 msw で使用した場合

動作時間

リブリーザーの動作時間、つまり安全かつ快適に使用できる期間は、使用者の酸素消費速度での酸素供給量と、スクラバーが生成する速度で二酸化炭素を除去するスクラバーの能力に依存する。使用時間は、ガス密度の増加による呼吸仕事量の増加を除いて、深さには依存しない。

構造

振り子式リブリーザーとループリブリーザーのアーキテクチャの比較

• 1 ダイビング/サーフェスバルブ付きマウスピース
• 2 双方向呼吸ホース
• 2a 逆止弁付き呼気ホース
• 2b 逆止弁付き吸気ホース
• 3 スクラバー
• 4 カウンターラング
• 5 自動メイクアップバルブ
• 6 手動バイパスバルブ
• 7 呼吸ガス貯蔵シリンダー
• 8 シリンダーバルブ
• 9 1段目レギュレータ
• 10 シリンダー圧力計
• 11 圧力逃し弁

リブリーザー内の呼吸ガスの流れを制御する基本的な構成は 2 つあり、振り子式とループ式として知られている。

振り子式

振り子構成では、ユーザーは呼吸ホースを通して カウンターラング からガスを吸入し、吐き出されたガスは同じホースを通って逆流してカウンターラングに戻る。スクラバーは通常、呼吸ホースと対肺バッグの間にあり、ガスの流れは双方向である。ユーザーとスクラバー内の活性吸収剤の間の流路はす​​べて 生理学的死腔 – 再ブリーザーによってそのまま再呼吸されるガスを含む体積である。吸収剤が消耗すると死腔が増加する。死腔を制限するには、呼吸ホースの体積を最小限に抑える必要がある。

ループ式

ループ構成では、ユーザーは 1 本のホースを通じてガスを吸入し、2 番目のホースを通じて吐き出す。 呼気ガスは一方の側からスクラバーに流入し、もう一方の側から排出する。スクラバーの両側に 1 つの大きなカウンターラングが存在する場合もあれば、スクラバーの両側に 1 つずつ、2 つの小さなカウンターラングが存在する場合もある。流れは一方向で、逆止弁によって強制される。逆止弁は通常、マウスピースと接続する呼吸ホース内にあります。死腔となるのは吸気ホースと呼気ホースに分かれる前のマウスピース内の流路だけであり、ホースの体積の影響を受けない。

構成要素

基本コンポーネントを示す酸素リブリーザー KIP-8 の内部

ロシアの消防用リブリーザー KIP-8 の外観

ほぼすべての個人用ポータブルリブリーザーに共通するコンポーネントがいくつかある。これらには、通常、循環流リブリーザーの呼吸ループと呼ばれる周囲圧力の呼吸量コンポーネントと、メイクアップ ガスの供給および制御システムが含まれる。

カウンターラング

カウンターラングは、再度吸入されるまで吐き出されたガスの量を保持する、強力で柔軟な素材で作られた気密性の袋である。カウンタラングが 1 つ、またはスクラバーの両側に 1 つずつある場合があります。これにより、スクラバーを通過するガスの流量がより均一になり、呼吸仕事が低下するとともにスクラバーの吸収能力を高め動作時間の延長につながる。

スクラバー

→詳細は「炭酸ガス吸収装置」を参照

スクラバーは、二酸化炭素吸収材、主に 強塩基 で満たされた容器で、呼気ガスがそこを通過して二酸化炭素が除去される。吸収剤は粒状でも、成形カートリッジの形状でもよい。 粒状吸収剤は、石灰の塊を砕き、粒をサイズごとに選別することによって、または粒を一定の条件で成形することによって一貫したサイズと形状に製造される。 スクラバーを通るガスの流れは、ループ式リブリーザーでは一方向、または振り子式リブリーザーでは双方向になる。スクラバーキャニスターには通常、一方の側に入口があり、もう一方の側に出口がある。

典型的な吸収剤は ソーダ石灰 で、水酸化カルシウム Ca(OH)₂ と 水酸化ナトリウム NaOH で構成される。ソーダ石灰の主成分は水酸化カルシウムであり、比較的安価で容易に入手できる。他の成分が吸収剤中に存在してもよい。水酸化ナトリウムは、二酸化炭素との反応を促進するために添加される。標準的なハロゲン化吸入麻酔薬と併用する場合、望ましくない分解生成物を防ぐために他の化学物質が使用される場合がある。二酸化炭素がソーダ石灰の水に溶解して炭酸を形成し、pH が塩基性から酸性に変化したことを示すために pH インジケーター が含まれる場合がある。色の変化により吸収剤が飽和し、交換すべきことを示す。

二酸化炭素は水または水蒸気と結合して弱炭酸を生成する: CO₂ + H₂O –> H₂CO₃。これは水酸化物と反応して、発熱反応で炭酸塩と水を生成する。 中間反応では、炭酸が水酸化ナトリウムと発熱反応して、炭酸ナトリウムと水が生成される: H₂CO₃ + 2NaOH –> Na₂CO₃ + 2H₂O + 熱。最終反応では、炭酸ナトリウムが消石灰 (水酸化カルシウム) と反応して、炭酸カルシウムと水酸化ナトリウムが形成される: Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ –> CaCO₃ + 2NaOH。その後、水酸化ナトリウムはさらに多くの炭酸と反応するために再び利用可能になる。 この吸収剤の 100グラム (3.5 oz) で標準気圧で15〜25Lの二酸化炭素 を除去できる。 このプロセスは空気を加熱し加湿する。これは冷水でのダイビングや高地での登山には望ましいが、暑い環境での作業には適していない。

特別な状況では他の物質が使用される場合がある。 水酸化リチウム、特に 過酸化リチウム は、宇宙ステーションや宇宙服など、軽量化が重要な場合に使用される。過酸化リチウム、超酸化カリウムは、吸収反応中に酸素も生成する。

呼吸ホース呼吸チューブ

スキューバ マウスピース付き Draeger Ray ダイビング/サーフェス バルブ、逆止弁、および呼吸ホース

呼吸ホース、または場合によってはリブリーザーの「呼吸チューブ」は、周囲圧力で呼吸ガスを通過させるための柔軟なチューブである。これらは、リブリーザー装置の一部である低圧、中圧、高圧ホースとは区別される。それらは、機器の動作範囲内の周囲圧力での流れ抵抗を最小限に抑えるのに十分な幅の断面積を備えており、通常は断面が円形で、チューブがよじれ部分で潰れることなくユーザーの頭が動き回れるように波形にすることもできる。

各端には隣接するコンポーネントへの気密接続があり、ループ システム内でガスを正しい方向に循環させる 逆止弁 が含まれる場合がある。サービスに応じて、柔軟なポリマー、エラストマー、繊維または布で強化されたエラストマー、または強化または耐摩耗性のために織布で覆われたエラストマーで作られている場合がある。織物層を外面に接着することで、ゴムを擦り傷による損傷から保護できるが、汚染物質を洗い流すのがより困難になる。 呼吸ホースには通常 2 種類の波形がある。写真に示されているように、環状の波形は裂け目や穴があった場合に現場で簡単に修理できる利点があり、らせん状の波形は洗浄後の効率的な排水を可能にする。

マウスピース、フェイスマスク

バイトグリップ付きマウスピース、口鼻マスク、フルフェイスマスク、または密閉ヘルメットにより、使用者はハンズフリーで呼吸できる。

酸素源

通常は高圧シリンダー内の圧縮ガスまたは 液体酸素 が用いられる。連続的に、またはユーザーが酸素添加バルブを操作したときに周囲圧力でガス状の酸素を供給する。酸素リブリーザーでは、呼吸回路内のガス量が減少して圧力が低下したときにデマンドバルブを介して、または電子制御混合ガスリブリーザーでは、センサーが不十分な酸素分圧を検出した後、ソレノイドバルブを作動させる。

バルブ

バルブは、呼吸容積内のガスの流れと、保管容器からのガス供給を制御するために必要です。それらには次のものが含まれる。

• ループリブリーザーの呼吸ループ内の逆止弁は、一方向の流れを強制してデッドスペースを最小限に抑える。
• ダイビングリブリーザーの潜水/水面バルブ。マウスピースが取り外されたとき、または使用者が水面で周囲の空気を呼吸することを選択したときに、水が呼吸容積に入るのを防ぐ。

• ボンベから高圧ガスを出すガス供給弁（ボンベバルブなど）。これはユーザーが手動で操作してメイクアップガスを直接供給することも、周囲圧力よりも数バール高い圧力まで減圧する圧力調整器にガスを供給して、この中間圧ガスをガス供給システムに供給することもできる。以下の 1 つ以上が含まれる場合がある
  • 手動供給バルブ
  • 一定質量流量オリフィスまたはニードルバルブ、連続供給を提供する。
  • カウンターラングの容積が低すぎて、呼吸容積内の圧力が周囲圧力を下回った場合に、自動的にガスを追加するデマンドバルブ。
• 過剰なガスを放出するための圧力逃し弁。これは主に、浮上中の膨張を補うためにダイビング リブリーザーで使用される。過剰なガスは、フルフェイスマスクのスカートシールを通過したり、マウスピースの使用時に鼻から排出されることもある。

酸素センサー

酸素センサーは、混合ガスリブリーザー内の酸素分圧を監視して、安全限界を超えていないことを確認するために使用できるが、酸素リブリーザーでは酸素含有量は 100% に固定されており通常使用されない。この場合酸素分圧は周囲圧力によってのみ変化する。

装置の種類

圧力による分類

潜水リブリーザー ː 高圧での使用を目的とする。ダイビング用リブリーザーは、高圧酸素中毒を回避するという複雑な問題に対処する必要があることがよくある。 常圧・低圧リブリーザー ː 海面での通常の大気圧よりわずかに高い圧力から高高度や宇宙での大幅に低い周囲圧力までの圧力で使用される。この場合、周囲圧力が十分であれば、使用中に酸素分圧を監視する必要はない。

構造による分類

• 閉回路リブリーザーː ループガスに酸素を追加して、代謝プロセスで使用される酸素を補う。これらのプロセスでは希釈ガスを使用しないため、意図的なダンプ、フラッシング、または周囲圧力の変化などの他の理由でループの容積が減少しない限り、何も追加されない。ガスは、減圧中に膨張するか、追加されすぎるとループから放出される。

• 半閉回路リブリーザー（ガスエクステンダーとも呼ばれる）ː ループガスをほぼ常に放出するか、ループにガスを常に追加するため、それを補うために希釈剤と酸素の両方の流入が必要になる。周囲圧力が変化すると、作動容積を維持するためにループ内のガス（質量）も変化する必要がある。

酸素リブリーザー

Siebe Gorman Proto 1 mine 救助リブリーザー シンプルな酸素リブリーザーである

これは最も初期のタイプのリブリーザーであり、20 世紀初頭から 海軍 によって潜水艦脱出や浅瀬潜水作業、機雷救助、高地登山や飛行、そして産業用途に一般的に使用された。酸素リブリーザーは非常にシンプルで機械的に信頼性が高く、オープンサーキット スキューバダイビングよりも前に発明された。酸素を供給するだけなので、二酸化炭素を除去する以外にガス組成を制御する必要はない。

酸素供給量制御

一部のリブリーザーでは、酸素ボンベに並行して酸素供給機構が備わっている。 1つは低流量、もう1つはバイパスバルブと呼ばれる手動開閉バルブである。どちらも、カウンター肺に供給する同じホースに供給される。 他のものは、カウンター肺のデマンド バルブを介して供給される。これにより、カウンター肺が空になり、ダイバーが吸入を続けるたびにガスが追加される。デマンドバルブを作動させるボタンを使って手動で酸素を追加することもできる。 一部の単純な酸素リブリーザーには自動供給システムがなく、手動供給バルブのみが装備されており、ダイバーは酸素量が快適なレベルを下回った場合に、バルブを操作して呼吸バッグを補充する間隔を調整する必要があった。

混合ガスリブリーザー

混合ガス電子制御閉回路ダイビングリブリーザー

酸素リブリーザー以外のすべてのリブリーザーは、呼吸ガスが酸素と代謝的に不活性な希釈ガスの混合物であるため、混合ガスリブリーザーとみなすことができる。供給ガスは、酸素と不活性希釈剤、通常は窒素とヘリウムを含む呼吸可能な混合物であり、酸素が使い果たされると、酸素を維持するのに十分な混合物を追加することで補充される。ループ内の酸素の呼吸可能な分圧、および閉回路リブリーザーでは、2 つの並列ガス供給源が使用される。つまり、ガスの大部分を提供する希釈剤と、リサイクルされる酸素と、代謝的に消費される酸素です。二酸化炭素は老廃物とみなされ、リブリーザーが正しく機能していれば、ガスがスクラバーを通過するときに効果的に除去される。

酸素を放出する吸収剤を使用したリブリーザー

ロシアの多目的リブリーザー IDA-71 ケーシングの蓋を開いて内部を示した状態 – スクラバー キャニスターの 1 つには、オプションでスーパーオキシドを充填できる。

二酸化炭素吸収剤として、二酸化炭素を吸収する際に酸素を放出する 過酸化リチウム、超酸化カリウム を使用するリブリーザーの設計がいくつかある: 4KO₂ + 2CO₂ = 2K<sub​​>2CO₃ + 3O₂。使用開始時にループを充填してパージするには、少量の酸素ボンベが必要である。 この技術は、酸素リブリーザーと混合ガスリブリーザーの両方に適用でき、ダイビングやその他の用途に使用できます。超酸化カリウムは液体の水と激しく反応し、かなりの熱と酸素を放出し、火災の危険を引き起こすため、ダイビングより宇宙服、消火活動、鉱山救助への応用が成功している。<ref name="Holquist et al 2014" / >

液体酸素を使用したリブリーザー

石炭鉱山博物館にある Aerorlox 液体酸素リブリーザー

液体酸素は、酸素または混合ガスのリブリーザーに使用できる。水中で使用する場合、液体酸素容器は水からの熱伝達に対して十分に断熱されている必要がある。このタイプのダイビング セットは熱伝達要件が大きく異なるため、水外での使用には適していない可能性がある。液体酸素タンクは使用直前に充填する必要がある。 製品例ː

• Blackett's Aerophor
• Aerorlox

Cryogenic rebreather

極低温リブリーザーは、使用された酸素を置き換えるために液体酸素が蒸発する際に生じる低温によって「スノーボックス」内で二酸化炭素を凍結させ、二酸化炭素を除去する。

External links

• ウィキメディア・コモンズには、JAlone/リブリーザーに関するカテゴリがあります。
• Anesthesia breathing systems
• NIOSH Docket # 123, titled "Reevaluation of NIOSH limitations on and precaution for safe use of positive-pressure closed-circuit SCBA" is available at web.archive.org