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レギュレーターの呼吸性能は、呼吸ガスレギュレーターが、さまざまな周囲圧力と温度、およびさまざまな呼吸負荷の下で、供給が想定される呼吸ガスの範囲において、要求を満たす能力の尺度です。性能は、あらゆる用途の呼吸レギュレーターの設計と選択において重要な要素ですが、特に水中ダイビングにおいては、周囲の作動圧力と温度の範囲、および呼吸ガスの種類がより広いため、重要です。ダイビングレギュレーターは、ダイビングシリンダーまたは水面供給ホース内の高圧を、ダイバーの周囲と同じ圧力に減圧する装置です。レギュレーターからの呼吸は、大量の呼吸ガスを供給する場合でも、少ない労力で済むことが望ましいです。これは、水中での運動を制限する要因となることが多く、ダイビングの緊急事態において非常に重要となる可能性があるためです。また、吸気または呼気中に抵抗が急激に変化することなくガスがスムーズに供給され、レギュレーターがロックしてガスを供給できなくなったり、フリーフローになったりしないことが望ましいです。これらの要素は主観的に判断される場合もあるが、様々な種類やメーカーのレギュレーターを客観的に比較するための基準があると便利である。
呼吸装置の性能評価のために、さまざまな呼吸測定装置が開発され、使用されてきました。[ 1 ] Ansti Test Systems は、レギュレーター使用時の吸気および呼気努力を測定し、設定された深度圧力での呼吸仕事量と、使用するガス混合物の呼吸分時量を示すグラフを作成するターンキーシステムを開発しました。 [ 2 ] ANSTI 試験機でのレギュレーターの性能結果を公表することで、性能の向上につながりました。[ 3 ]
レギュレーターの呼吸性能は、オンデマンド供給システムにおいて呼吸ガスの流量を制御するためにレギュレーターが使用されるあらゆる状況において重要です。こうした用途の中には、ごく基本的なレギュレーターでも十分な性能を発揮するものもあります。しかし、用途によっては、レギュレーターの性能が使用者の作業効率を制限する場合もあります。特定の混合ガスと周囲圧力の組み合わせにおいて、高性能レギュレーターとは、高いRMV（呼吸仕事量）でも呼吸仕事量が少なく、吸入によって作動した時のみガスを供給し、呼気を最小限の抵抗で排出できるものと定義されます。
呼吸性能のもう1つの側面は、冷水中でのデマンドレギュレーターの性能です。流量が多いと、氷で機構がロックされるほど冷却される可能性があり、その結果、激しいフリーフローが発生し、呼吸ガスが失われます。これは、シリンダーバルブを閉じることによってのみ止めることができます。[ 4 ]
健康な人が地表大気圧下で安静にしているときは、呼吸に使える労力はごくわずかです。周囲の圧力が高くなると呼吸ガスの密度が増加するため、この労力は大きく変化する可能性があります。二酸化炭素を除去するために消費されるエネルギーが、除去する二酸化炭素よりも多くの二酸化炭素を生成する場合、人は正のフィードバックサイクルで高炭酸ガス血症に苦しみ、最終的には意識を失い、死に至ります。[ 5 ]呼吸の仕事量は、呼吸速度、呼吸パターン、ガス密度、生理学的要因、および呼吸器系の流体力学的詳細、すなわち流れに対する摩擦抵抗、弁を開いて流れに保持するために必要な圧力差によって影響を受けます。[ 6 ]
呼吸ガスの密度は、基本成分としてヘリウムを使用し、状況に応じて十分な酸素を添加して意識を維持するのに十分な分圧を維持し、酸素中毒の問題を引き起こさないようにすることで低減できます。流れに対する摩擦抵抗は、ガス通路の形状とサイズ、およびガスの圧力、密度、粘度、速度によって影響を受けます。[ 6 ]バルブの開弁圧力は、バルブ機構の設計と設定の要因です。レギュレーターの呼吸性能は、ガス密度が指定されていることを前提とし、マウスピースと外部環境間の圧力降下として、所定の体積流量で呼吸サイクル全体にわたって流れに対する抵抗を測定します。
呼吸仕事量 (WOB) は、呼吸ガスを吸入および呼出するために消費されるエネルギーです。通常、単位体積あたりの仕事量 (例えば、ジュール/リットル) または仕事率 (パワー) (例えば、ジュール/分または同等の単位) で表されます。これは、体積または時間の参照がないとあまり役に立たないためです。肺圧に肺容積の変化を乗じるか、呼吸に起因する酸素消費量で計算できます。[ 7 ] [ 8 ]
呼吸装置を使用する際の呼吸の総仕事量は、生理的な呼吸仕事量と装置の機械的な呼吸仕事量の合計です。通常の安静状態では、生理的な呼吸仕事量は全身の酸素消費量の約 5% を占めます。病気[ 9 ]や呼吸装置、周囲圧力、呼吸ガスの組成によってガス流量が制限されると、呼吸仕事量は大幅に増加する可能性があります。[ 5 ] [ 6 ]
レギュレーターの性能とは、レギュレーターの機械的な呼吸仕事量を指し、生理的な呼吸仕事量は含まれません。機械的な呼吸仕事量は呼吸数に大きく影響され、呼吸数は規格で規定されています。
一定時間における一定量の呼吸に対して、全呼吸サイクルおよび吸気部分の呼吸仕事量は、レギュレーターケーシングの内側と外側で測定された瞬間圧力から計算されます。体積の変化は、容積式呼吸サイクルシミュレータの特性から既知です。ピーク圧力と過渡的な圧力スパイクも測定され、分析のために記録されます。これらの値には規格で制限が定められているためです。呼吸仕事量は、瞬間圧力×体積変化をサイクル全体にわたって積分したものであり、吸気呼吸仕事量は、サイクルの吸気部分の呼吸仕事量です。
試験機の呼吸サイクルは、実際の人間の呼吸における流量を正確に反映しているとは限りません。ANSTI試験機は正弦波状の容積変化を利用しており、これは解析が容易です。しかし、人間の呼吸は非常に変動しやすいものです。
アメリカ海軍実験潜水部隊の無人冷水試験手順（1994年）は、さまざまな軍事ユーザーや主要な機器メーカーによって冷水試験の非公式標準として使用されてきました。[ 4 ]
1993 年の欧州 CE オープンサーキット規格 EN 250 は、呼吸性能、冷水試験、耐圧性、機械的特性、保管温度、および CO 2ウォッシュアウト試験に関するオープンサーキット スキューバ試験のより高いレベルを設定しました。この規格はまた、故障モードと影響の分析、および製造、品質保証、文書化に関連するその他の問題に関する要件も設定しました。この規格は、既存の多くの機器の問題点に注目し、オープンサーキット レギュレーターの性能の大幅な改善につながりました。[ 4 ]
1970年代後半、米国海軍が行った初期の試験が水中呼吸装置シミュレーション試験の起源となった。スティーブン・ライマーズが構築した呼吸シミュレーターシステムは、英国国防省やカービー・モーガン・ダイビング・システムズなどの民間機器メーカーに購入され、1990年代初頭の欧州規格の開発に貢献したが、英国のANSTIテストシステムズ社による完全な呼吸シミュレーターシステムの導入により、現在行われているような正確な呼吸シミュレーター試験が可能になった。コンピュータ化されたANSTI呼吸シミュレーターシステムは、より速く、より簡単で、より正確な試験を可能にし、あらゆる現実的な水温での試験用に設計されている。[ 4 ]
このシステムには、精密な湿度と呼気温度の制御、0～50 ℃（32～122 °F）の環境水温制御、呼吸ごとのCO2分析機能、閉回路リブリーザー設定点制御、スクラバー耐久試験機能が含まれています。[ 4 ] EN250規格も米国海軍の無人試験手順も、冷水試験を含む、実際の人間の潜水シナリオを試験の基礎として使用していません。米国海軍の手順では、レギュレーターを主に水深 190 fsw (58 msw)、水温28 ～ 29 °F (-2 ～ -2 °C)で、62.5 lpm という非常に高い呼吸速度で最低 30 分間テストし、第 1 段への入口圧力を1,500 ポンド/平方インチ (100 bar)に設定することで、第 2 段の入口温度は平均で約7 °F (-14 °C)になります。これは、 3,000 ポンド/平方インチ (210 bar)を使用した場合の平均-13 °F (-25 °C)と比較したものです。[ 4 ] 米国海軍の冷水テスト基準と EU EN250 テスト基準は、レギュレーターが最低限の呼吸性能要件を満たしているかどうか、およびフリーフローが開始されるかどうかに基づいています。極端な試験条件下ではすべてのレギュレーターが第2段で氷を形成するため、この試験に合格できるレギュレーターはごくわずかです。ただし、これによりレギュレーターがフリーフローしたり、性能基準から外れたりするとは限りません。[ 4 ]
EN250:2000 で規定されている冷水試験では、スキューバ レギュレーターを4 °C (39 °F)以下の水温で試験します。レギュレーターは、前向きと下向きの両方の姿勢で試験されます。試験は (50 msw) 165 fsw から開始され、レギュレーターは 62.5 lpm で 5 分間呼吸されます。合格するには、レギュレーターは呼吸仕事量の制限内に留まり、フリーフローを起こしてはなりません。氷の形成は、氷が呼吸性能を最低性能要件以下に低下させず、フリーフローを起こさない限り考慮されません。[ 4 ]
CEテストでは、レギュレーターの定格圧力の最高値から始まる空気供給を使用し、呼気温度28±2℃（82.4±3.6°F）、呼気相対湿度90%以上で62.5 lpmの流量で5分間呼吸します。[ 4 ]
ANSTI呼吸シミュレーターは、最大動作圧力100mswまで対応しています 。ピストン機構と正弦波駆動機構により、正確で再現性のある容積変位を実現します。調整可能な一回換気量と呼吸数設定により、 1分間に10～180リットルの換気量を提供できます。 [ 10 ]
欧州連合では、規格EN250:2000 「呼吸器。開放回路式自給式圧縮空気潜水装置。要求事項、試験、マーキング」が「開放回路式自給式圧縮空気潜水装置」の最低性能基準を規定しており[ 17 ]、BS 8547:2016は50mを超える深度で使用するデマンドレギュレータの要求事項を規定している[ 18 ]。EN 13949:2003「呼吸器 – 圧縮ナイトロックスおよび酸素で使用する開放回路式自給式潜水装置 – 要求事項、試験、マーキング」は、高濃度の酸素で使用するレギュレータの要求事項を規定している[ 19 ] 。
この規格には、吸気圧と呼気圧、および呼吸仕事量全体の制限が含まれています。呼吸速度が毎分62.5 リットル (2.2 ft 3 ) 、周囲圧力が6 バール (600 kPa)の試験条件下で、次のことが規定されています。[ 17 ]
上記の制限を満たすレギュレーターは、第１段が単一の第２段に空気を供給する場合には十分な空気を供給しますが、単一の第１段が同時に２つの第２段に空気を供給する場合には、必ずしもすべての状況で十分な空気を供給できるとは限りません。[ 20 ]
ヨーロッパでは、EN 250: 2014 –呼吸器 – 開放回路自給式圧縮空気潜水装置 – 要求事項、試験およびマーキングでレギュレーターの呼吸性能の最低要求事項が定義されており、[ 19 ] BS 8547:2016 では 50 m を超える深度で使用されるデマンド レギュレーターの要求事項が定義されています 。[ 18 ] EN 13949: 2003 –呼吸器 – 圧縮ナイトロックスおよび酸素で使用する開放回路自給式潜水装置 – 要求事項、試験およびマーキング では、高濃度の酸素で使用されるレギュレーターの要求事項が定義されています。[ 19 ]
EN 15333 – 1: 2008 COR 2009 –呼吸器 – 開放回路式アンビリカル供給圧縮ガス潜水装置 – パート 1: デマンド装置および EN 15333 – 2: 2009 –呼吸器 – 開放回路式アンビリカル供給圧縮ガス潜水装置 – パート 2: フリーフロー装置[ 19 ]
IS EN 14143: 2013 –呼吸器 – 自給式再呼吸潜水装置では、再呼吸装置の最低要件が規定されています。[ 19 ]
アメリカ軍では、シングルホース式スキューバレギュレーターの規格はMIl-R-24169Bでしたが、現在は廃止されています。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]