ダイビング用エアコンプレッサー

ダイビング用エアコンプレッサー

小型固定式高圧ダイビング空気圧縮機設備
その他の名前	呼吸用空気圧縮機
用途	ダイビングシリンダーの充填（高圧） 水面供給呼吸空気の供給（低圧）

ダイビング用空気圧縮機は、水面から空気を補給するダイバーに直接呼吸用の空気を供給したり、高圧呼吸ガスとして使用できるほど純度の高い高圧空気をダイビング シリンダーに充填したりできる呼吸用空気圧縮機です。低圧ダイビング用空気圧縮機の吐出圧力は通常 30 bar までで、潜水深度に合わせて調整されます。高圧ダイビング用空気圧縮機の吐出圧力は通常 150 bar を超え、一般的には 200 ～ 300 bar です。圧力は、調整可能な過圧弁によって制限されます。

高圧ダイビング用空気圧縮機のほとんどは、中間冷却および凝縮トラップを備えたオイル潤滑式多段ピストン圧縮機です。低圧圧縮機は単段または二段式で、往復ピストン以外の機構を使用する場合もあります。入口圧力が周囲圧力より高い場合、この機械はガス ブースター ポンプと呼ばれます。

出力空気は通常、フィルター処理して、該当する潜水深度での呼吸ガスに適した純度に制御する必要があります。呼吸ガスの純度基準は、ガスの安全性を確保するために公開されています。また、吸入空気をフィルター処理して粒子を除去する必要がある場合もあります。また、環境によっては、スクラバーを使用して二酸化炭素を除去する必要がある場合もあります。多くの種類の不純物は圧縮後に除去するのが現実的ではないため、吸入空気の品質は製品の品​​質にとって非常に重要です。凝縮した水蒸気は通常、圧縮空気を冷却した後、段階間で除去して圧縮効率を改善します。

高圧コンプレッサーは、大型の貯蔵シリンダーとポータブルシリンダー用の充填パネルを備え、ガス混合装置と連動している場合があります。低圧ダイビングコンプレッサーは通常、圧縮空気をボリュームタンクを介してガス分配パネルに供給し、供給と需要の変動を補正するのに役立ちます。^[1]ガスパネルからの空気は、ダイバーの臍帯を介してダイバーに供給されます。

高圧潜水用コンプレッサーは、一般的に3段または4段の往復式空気圧縮機で、毒性添加物を含まない高級鉱物油または合成コンプレッサー油で潤滑されます（ピストンリングではなくOリング付きのセラミックライニングシリンダーを使用するものもあり、潤滑は不要です）。^[要出典]オイル潤滑式コンプレッサーでは、コンプレッサーの製造元が呼吸用空気での使用に適していると指定した潤滑剤のみを使用する必要があります。ほとんどの残留油分と水分を空気から除去するために、特殊なフィルターが使用されます（「空気の純度」を参照）。^[2]

小型コンプレッサーは、多くの場合、飛沫潤滑方式（クランクシャフトとコネクティングロッドの衝撃でクランクケース内にオイルが飛び散る）だが、大型コンプレッサーは、パイプや鋳物の通路を通じて重要な部分にオイルを供給するオイルポンプを使用した加圧潤滑方式を採用していることが多い。ほとんどのオイル潤滑コンプレッサーは、クランクケースの底にウェットサンプを備えており、適切な潤滑のためには、オイルレベルがサイトグラスまたはディップスティックで示される範囲内にあることが必要である。^[2]また、コンプレッサーは、動作中にメーカーの仕様範囲内で水平に保たれている必要がある。これらの制約により、潤滑剤が、飛沫潤滑のために可動部品が潤滑剤に接触するか、オイルポンプへの確実な吸引のために適切な場所にあることが保証される。これらの仕様に従わないと、過度の摩擦と過熱によりコンプレッサーが損傷したり、潤滑剤の有毒な分解生成物によって呼吸空気が汚​​染される可能性がある。^[2]

圧縮プロセスによりガスから水分が除去され、乾燥するためダイビングシリンダーの腐食やダイビングレギュレーターの凍結を減らすのに効果的であるが、ガスを吸入するダイバーの脱水症状を引き起こし、減圧症の原因となる。^[3]

低圧ダイビングコンプレッサーは、吐出圧力が比較的低いため、通常は単段コンプレッサーです。^[要出典]

コンプレッサーから出力される圧縮空気は、呼吸ガスとして使用できるようにフィルター処理する必要があります。 ^[4]コンプレッサーによって生成された空気は、定期的にテストして、空気の純度基準を満たしていることを確認する必要があります。テストの頻度、分析する必要がある汚染物質、および許容限度は、アプリケーションと管轄によって異なります。次の不純物がチェックされる場合があります。^{[引用が必要]}

• 二酸化炭素–
• 一酸化炭素– 内燃機関の排気ガスに含まれるガス。コンプレッサーの駆動によく使用されるものも含む。コンプレッサーが過熱すると潤滑油が分解して発生する。一酸化炭素は無臭、無色、無味である。少量でも致命的である。赤血球のヘモグロビンと容易に結合し、血液の酸素運搬能力を破壊するからである。呼吸用空気コンプレッサーは、コンプレッサーの吸気口がエンジン排気口から十分に離れた上流の新鮮な空気になるように、慎重に設計および配置する必要がある。^{[5] [6]}
• 潤滑油蒸気 – コンプレッサーの内部部品を潤滑するために使用する必要があるオイルは、呼吸ガスを汚染し、ミストとして吸入されると有害となる可能性があります。石油ベースのオイルは体内に吸収および代謝されず、肺の内面を覆い、脂肪性肺炎と呼ばれる状態を引き起こし、窒息や死につながります。このため、コンプレッサーは、呼吸ガスのオイル汚染が安全範囲内であることを保証するために、慎重に設計および保守する必要があります。使用するオイルは、コンプレッサーメーカーによって承認され、呼吸用空気コンプレッサーに安全であると評価されている必要があります。この用途向けに、いくつかの潤滑剤メーカーがさまざまな鉱物ベースおよび合成オイルを供給しています。^[7]
• 総炭化水素 –
• 二酸化窒素–
• 匂いと味 –
• 固体粒子 –
• 水蒸気– 水分含有量の許容限度は圧力によって異なります。湿った空気はダイバーに害はなく、脱水症状を軽減するため、結露による腐食が問題となり、レギュレーターの凍結が発生する可能性がある高圧シリンダーでの保管よりもはるかに高い濃度で、低圧呼吸用空気の水面供給に使用できます。^{[5] [6]}

フィルター削除: ^{[5] [6]}

• 紙フィルターを使用した吸入空気からの固形粒子
• 水、水分離器、シリカゲル、活性アルミナ、または分子ふるいを使用
• 活性炭または分子ふるいを使用した油
• 一酸化炭素、触媒（ホプカライト）使用
• 吸入空気の質によっては、プレフィルター（スクラバー）を使用した二酸化炭素除去が必要になる場合があります。

高圧コンプレッサーの吸入空気は、クリーンで二酸化炭素含有量が低いものでなければなりません。粒子汚染の除去は、通常、第 1 段階の吸入口にある紙タイプのダスト フィルターによって行われます。二酸化炭素は、必要に応じてスクラバーで除去できます。現在、クリーンな新鮮な空気をスクラビングする必要はありませんが、都心の空気は二酸化炭素含有量が過度に高い可能性があり、標準大気中の二酸化炭素含有量は徐々に増加しています。二酸化炭素のスクラビングでは、吸収材が効果的に機能するために水分が必要であり、湿気のある空気は他のフィルター メディアにとって望ましくないため、空気が圧縮される前にプレフィルター システムによって二酸化炭素のスクラビングが除去されることがよくあります。^{[5] [6]}

空気が圧縮されると、水蒸気の分圧も比例して増加する。空気は圧縮によって加熱され、インタークーラーコイルのステージ間で冷却されると相対湿度が上昇し、100%を超えるとチューブの表面に凝縮し、気流によって運ばれる液滴となる傾向がある。インタークーラーコイルからの空気は、セパレーターの大口径垂直軸チューブに導かれ、そこで方向が約90度変わり、大幅に減速される。気流がセパレーターケース上部の出口に向かって方向を変えると、密度の高い液滴は壁にぶつかって膜状に凝集する傾向があり、膜はセパレーターの底部に向かって流れ、そこで集まり、定期的に排水弁から排出される。これにより、出口空気の水分含有量が減少し、次のステージシリンダーで再び圧縮され、再び冷却され、凝縮した水は再び次のセパレーターによって除去される。^{[5] [6]}

最終段階での分離後、比較的液滴の少ない湿った空気がフィルターを通過し、さらに水分とフィルターメディアが吸着するその他の汚染物質が除去されます。除湿と濾過の効率は、かなりの圧縮と限られた流速に依存しており、充填圧力が低い場合は、最終段階の出口で流れに抵抗するために背圧が必要です。最終フィルタースタックの出口に装備されている背圧バルブは、フィルターの有効性に影響します。^{[5] [6]}

空気処理の最終段階は、残留水分、油分、炭化水素の濾過と、必要に応じて一酸化炭素の触媒変換です。これらすべては、フィルター媒体との接触時間が十分であること（「滞留時間」と呼ばれる）に依存しているため、フィルターの空気経路が長いか、空気の流れが遅い必要があります。空気の流れを遅くすることは、高圧縮によって簡単に実現できるため、濾過はコンプレッサーの作動出力圧力またはその近くで最も効果的に機能します。これは、設定圧力を超える空気のみがフィルターから流出できるようにする背圧弁によって実現されます。^{[5] [6]}

フィルターシステムは、カートリッジ式またはルーズ式のフィルターメディアがあらかじめ詰め込まれたフィルタータワーと呼ばれる 1 つ以上の圧力容器、背圧弁、1 つ以上の圧力計、および凝集分離器で構成されています。^[6]圧縮空気は、最終のインタークーラーコイルを通過した後、分離器を通過して凝縮した水と油滴を機械的に除去し、その後、フィルター内で化学結合、吸収、触媒作用によって他の汚染物質を除去します。^[6]最初のフィルターメディアは乾燥剤です。水による汚染により、他のメディアの有効性が低下する可能性があるためです。次に、一酸化炭素変換触媒 (使用する場合)、次に活性炭、最後に微粒子フィルターが続きます。微粒子フィルターは、フィルターメディアからほこりも捕らえます。乾燥剤と活性炭の比率は、約 70/30 です。^[6]

濾過媒体を通過する空気から不純物を除去する能力は、フィルタースタックを通過する際に空気が媒体と接触する時間（滞留時間）に大きく依存します。フィルター内の滞留時間を長くすることは接触時間を長くする効果的な方法であり、これはフィルターハウジング内の空気の圧力に比例します。背圧弁を使用すると、空気がフィルターを通過するのにかかる時間は常にほぼ同じになり、濾過は一定になります（動作速度が一定であると仮定）。背圧弁は通常、コンプレッサーの動作圧力に近い値に設定され、フィルターが効果的に機能するように空気が十分に圧縮されるようにします。^[6]

供給される空気の露点は、シリンダーの動作温度よりも低くなければなりません。シリンダーの動作温度は、通常、水中では 0°C を超えますが、輸送中はそれより低くなることがあります。使用中にレギュレーターを膨張させると空気の温度も下がります。この温度が凝縮液が凍結するほど低い場合、レギュレーターの可動部品がロックされ、内部結氷と呼ばれる自由流が発生する可能性があります。また、正しい背圧により、コンプレッサー段の負荷が比較的均一になり、不均衡による振動が軽減され、コンプレッサーの耐用年数が延びます。^{[5] [6]}

活性炭フィルターは乾燥しているときに最もよく機能するため、通常はフィルタースタックに装填され、空気はまず乾燥剤（通常は分子ふるい）を通ります。ホプカライト触媒は一酸化炭素を二酸化炭素に変換しますが、非常に乾燥した空気（相対湿度が50％未満）を必要とするため、ホプカライトは乾燥剤の下流に装填されます。二酸化炭素吸収剤はホプカライトの下流に装填されることがあります。^{[5] [6]}

乾燥剤は水蒸気を吸収することを目的としています。HP呼吸用空気フィルターに使用される乾燥剤には、活性アルミナ、シリカゲル、ソルビード、分子ふるいなどがあります。分子ふるいのグレードによっては、自重の最大23%の水分を吸収でき、露点を-75℃（-103℉）にすることができ、炭化水素、二酸化炭素、その他の有機物を吸収する追加能力があり、最高49℃（120℉）120℉まで機能します。^[6]

二酸化マンガンベースの触媒（モノキシコンおよびホプカライト300）は、一酸化炭素を毒性のはるかに低い二酸化炭素に酸化するために使用されます。一酸化炭素は非常に有毒であるため、汚染のリスクがある場合に重要です。^[6]触媒層に入る空気は乾燥している必要があります（露点は約-46°C（-51°F）-50度）。水分は触媒を中和するためです。触媒の後、吸収剤を使用してCO2を除去できます_。 [ ^6]

活性炭は凝縮性炭化水素と気体炭化水素の両方を吸収し、臭気、有機化合物、ハロゲン化溶剤の除去に効果的です。^[6]

コンプレッサーガス回路の最後の部分は背圧弁です。これはスプリング式の弁で、圧力が設定圧力に達した後にのみ開いて空気の流れを許可します。通常、コンプレッサーの動作圧力に近い圧力に設定され、2つの基本的な機能があります。^[6] まず、短い始動期間の後に、すべてのコンプレッサーステージが設計された吐出圧力で動作し、ピストンの負荷が安定し、クランクシャフトの周りに均等に分散されるようにします。これは、設計された動作速度でコンプレッサーがバランスする負荷です。いずれかのシリンダーの圧力が公称圧力と異なる場合、負荷が不均衡になり、バランスが取れているときよりもコンプレッサーが振動し、シャフトベアリングがより厳しく負荷されて摩耗が早くなります。起動時に、コンプレッサーは最初に第1ステージで圧力を上昇させますが、そのシリンダーのピストンに大きな負荷がかかって不均衡になり、他のステージのピストンには同等の負荷がないため、通常よりも振動します。その後、他のステージの圧力が順番に上昇し、すべてのシリンダーがそれぞれの作動圧力で動作し、すべてのピストンの負荷が同じになり、背圧バルブが開き、圧縮ガスが分配パネルに流れ始めます。^[6]

ダイビング コンプレッサーは、一般的に、水面補給ダイビング用と、スキューバ ダイビング シリンダーおよび水面補給貯蔵シリンダー の充填用という 2 つのカテゴリに分類されます。

表面から空気を供給するダイビング用コンプレッサーは、低圧で大容量です。このコンプレッサーは、通常「アンビリカル」と呼ばれるホースとケーブルのグループの一部であるホースを介して、 「ラック」と呼ばれるガス制御パネルを通じてダイバーに直接呼吸用の空気を供給します。出力は通常 6 ～ 20 バール (100 ～ 300 psi) です。これらのコンプレッサーは、最大約 60 メートル (200 フィート) の深さで作業する複数のダイバーに十分な圧力と量のガスを供給できるほど強力でなければなりません。^[8]

スキューバ シリンダーの充填に使用されるコンプレッサーは、吐出圧力が高く、吐出量が少ない場合があります。これらは、ダイビング シリンダーや貯蔵シリンダー、または貯蔵シリンダー バンクの充填に使用されます。これらのコンプレッサーは、ダイバーが直接使用しないため、吐出するガスの量はそれほど重要ではないため、小型で低出力である場合があります。需要が低い期間には、容量の少ないコンプレッサーを使用して大型貯蔵シリンダーを充填できます。この貯蔵された圧縮空気は、必要に応じてダイビング シリンダーに注入できます。一般的なスキューバ ダイビング シリンダーの圧力は、200 bar (2940 psi)、3000 psi (207 bar)、232 bar (3400 psi)、300 bar (4500 psi) です。^[2]

ダイビングシリンダーにガスが充填されると、断熱加熱により内部のガスが温まる。ガスが周囲に熱を奪われて冷却されると、一般気体方程式とゲイ＝リュサックの法則で説明されているように圧力が低下する。ダイバーは、潜水時間を最大限にするために、通常、シリンダーを安全な容量、つまり作動圧力まで充填することを希望する。公称温度 15 または 20 °C で作動圧力まで充填されたシリンダーをダイバーに提供するには、充填中にシリンダーとガスを冷たい状態にしておくか、冷却すると作動圧力になる圧力まで充填する必要がある。これは充填温度に対する発生圧力として知られている。健康および安全規制と圧力容器設計基準により、シリンダーの作動温度が一般に 65 °C に制限される場合があり、その場合、シリンダーは最大作動温度を超えないようにゆっくりと充填する必要がある。^[9]

シリンダーは、周囲への熱伝達による温度上昇を抑えるために、1秒あたり1バール（100 kPaまたは15 lbf/in² ）未満の速度で充填されることが多い。シリンダー充填時に熱をより早く除去する方法として、一部の充填所では冷水に浸したシリンダーを「ウェット充填」する。ウェット充填中に充填ホースを接続する際の汚染により、湿った環境からの水分がシリンダーに入り込み、シリンダー内部が腐食するリスクが高まる。^[10]

圧縮機は、ピーク時に使用するために、圧縮ガスを貯蔵する大型の高圧シリンダーバンクに接続されることがある。これにより、ガスの汲み上げが比較的遅い、より安価で低出力の圧縮機が、アイドル期間中に自動的にシリンダーバンクを充填し、大量の加圧空気を貯蔵することができるため、ピーク需要時にシリンダーバッチをより迅速に充填することができ、低速で稼働する圧縮機によって遅延されることはない。水面給気ダイビングでは、高圧シリンダーバンクは、主圧縮機が故障した場合の緊急バックアップとして使用したり、呼吸ガスの主源として使用したりすることができ、このシステムは「スキューバ交換」としても知られている。^[8]

シリンダーへの充填は、コンプレッサー出口から直接行うか、充填バルブと充填ホイップと呼ばれるパージバルブを備えたフレキシブル高圧ホースを介して充填マニホールドから行うことができます。充填中のシリンダー内の圧力を監視するために圧力計が備えられています。充填するシリンダーの作動圧力よりも高い圧力にコンプレッサーが設定されている場合には、過圧バルブまたは電気圧力スイッチを使用して充填圧力を制限することができます。^[2]

コンプレッサーはガス混合パネルに接続され、ナイトロックス、トライミックス、ヘリエア、ヘリオックスミックスを作ることができます。 ^{[11]このパネルは、商業ガス供給業者から購入したボンベからの}酸素とヘリウムのデカンテーションを制御します。

ダイビングシリンダーよりも低い圧力でガスを保持する貯蔵シリンダーからダイビングシリンダーにガスを移すことはできないため、低圧貯蔵シリンダー内の高価なガスは簡単には消費されず、貯蔵シリンダーをサプライヤーに返却する際に無駄になる可能性がある。カスケードシステムは貯蔵シリンダーバンクとともに使用して、これらの高価なガスを経済的に消費し、経済的に最大限のガスがバンクから使用されるようにすることができる。^[11]これは、ダイビングシリンダーの圧力よりも高い最低圧力のバンクシリンダーから最初にガスを移し、次にダイビングシリンダーがいっぱいになるまで次のより高い圧力のバンクシリンダーから連続してガスを移すことによってダイビングシリンダーを充填することを含む。このシステムは低圧バンクガスの使用を最大化し、高圧バンクガスの使用を最小化する。^[2]

高価な低圧ガスを除去する別の方法としては、ハスケルポンプなどのガスブースターポンプでガスを送り込む方法や、ブレンディングスティックと呼ばれるミキサーで大気圧の適切なコンプレッサーの吸入空気にガスを追加する方法がある。^[11]

ダイビング用空気圧縮機のオペレーターは、ダイビング用空気圧縮機の操作と高圧シリンダーの充填を行う能力について正式な認定を受ける必要がある場合があります。他の管轄区域では、オペレーターは機器の使用とシリンダーの適合性の外部検査を行う能力が求められる場合がありますが、正式なライセンスや登録は必要ない場合があります。^[9]さらに他の管轄区域では、まったく規制がない場合があります。通常は、国および/または州の労働安全衛生法が適用されます。

考慮すべき基本的な側面は2つあります。危険な機器を操作し、コンプレッサー機械、高圧機器、シリンダーからの機械的および騒音の危険にさらされるオペレーターの健康と安全、および品質保証をコンプレッサーオペレーターに頼っている呼吸ガスの使用者の健康と安全です。^{[9] [2]}

• ブースターポンプ – 流体の圧力を高める機械