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スキューバダイビングにおけるガス混合（またはガスブレンド）とは、ナイトロックス、トライミックス、ヘリオックスなどの空気以外の呼吸用ガスをダイビングシリンダーに充填することです。これらのガスを使用する目的は、減圧症や窒素酔いのリスクを軽減し、計画されたダイビングの安全性を全体的に向上させることであり、呼吸のしやすさを改善する効果も期待できます。
混合ガスをシリンダーに充填する作業は、充填者とダイバーの両方にとって危険を伴います。充填中は、酸素の使用による火災の危険性と、高圧ガスの使用による爆発の危険性があります。混合ガスの組成は、計画された潜水深度と潜水時間に対して安全でなければなりません。酸素濃度が低すぎると、ダイバーは低酸素症で意識を失う可能性があり、高すぎると、酸素中毒を起こす可能性があります。窒素やヘリウムなどの不活性ガスの濃度は、窒素酔いや減圧症を避けるために計画され、チェックされます。
使用される方法には、分圧または質量分率によるバッチ混合、および連続混合プロセスが含まれます。完成した混合ガスは、使用者の安全のために組成分析されます。ガス混合業者は、他人のために充填する場合、法律により能力を証明することが求められる場合があります。
ダイビングによっては、通常の空気（酸素21%、窒素78% 、微量ガス1%）以外の混合ガスを有利に利用できる場合があるが、ダイバーがその使用に熟練していることが前提となる。 [ 1 ] [ 2 ]最も一般的に使用される混合ガスはナイトロックスで、エンリッチドエアナイトロックス（EAN）とも呼ばれ、酸素を多く含んだ空気であり、酸素濃度が32%または36%と高いため窒素濃度が低く、減圧症のリスクを軽減したり、同じ圧力で同じリスクでより長く潜水したりすることができる。窒素濃度が低いと、減圧停止を不要にしたり、減圧停止時間を短縮したり、潜水間の水面休息時間を短縮したりできる場合もある。ナイトロックスが窒素酔いを軽減できるという仮説にはある程度の妥当性があるかもしれない。研究によると、酸素にも麻酔作用がある場合、窒素とは異なる作用をし、明らかに効果は低いことが示されている。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
ナイトロックスの酸素含有量が高いため酸素分圧が上昇し、酸素中毒のリスクが高まります。このリスクは、混合ガスの最大潜水深度以下では許容できないレベルになります。酸素濃度を上昇させずに窒素を置換するには、他の希釈ガス（通常はヘリウム）を使用できます。この場合、結果として得られる3種類のガスの混合ガスはトリミックスと呼ばれ、窒素が完全にヘリウムに置き換えられるとヘリオックスと呼ばれます。
長時間の減圧停止を必要とするダイビングでは、ダイバーはダイビングの各段階に応じて異なるガス混合物が入ったシリンダーを携行することがあり、これらは通常、移動用ガス、潜水底用ガス、減圧用ガスとして指定されます。これらの異なるガス混合物を使用することで、潜水時間を延長したり、不活性ガスの麻酔作用を軽減したり、減圧時間を短縮したりすることができます。
ガス混合にはいくつかの危険が伴います。
ガス混合機は、ダイバーにとって有毒で危険な混合ガスを作り出す可能性があります。[ 8 ] [ 9 ]混合ガス中の酸素が多すぎても少なすぎても、ダイバーにとって致命的となる可能性があります。混合後の混合ガスの酸素含有量を測定するために酸素分析装置が使用されます。混合が不十分だと、分析結果が不正確になる可能性があります。ガスの組成が最終使用者に確実に伝わるように、内容物はダイバーの立ち会いのもとで分析され、ダイバーはログに署名することで内容物を確認します。
一酸化炭素や炭化水素系潤滑油などの有毒汚染物質が、潜水用空気圧縮機からシリンダー内に侵入する可能性がある。[ 8 ] [ 9 ]これは一般的に圧縮機のメンテナンスや圧縮機への空気供給口の位置の問題だが、他の供給源から発生することもある。[ 8 ]
混合弁やパイプ内の物質が燃焼した場合、例えば酸素の移送や増圧時に断熱加熱が発生した場合、有毒な汚染物質が呼吸混合ガスに混入することもある。[ 8 ] [ 9 ]
大量の高圧酸素が存在する状況では、火災の三要素のうちの一つが十分に成立する。残りの二つの要素が存在しないようにすることが極めて重要である。
内部的には、混合装置と潜水用シリンダーは酸素清浄でなければならず、発火源となる可能性のある燃料や粒子はすべて除去されなければならない。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]バルブ、ジョイント、コンプレッサーに使用する材料は酸素適合性でなければならず、高酸素環境下で容易に燃焼したり劣化したりしてはならない。[ 11 ]
ガス混合では、高圧ガスを低圧のパイプやシリンダーに注ぎ込むだけで、断熱加熱により容易に高温が得られます。[ 9 ]ガスが開いたバルブから出ると圧力は低下しますが、シリンダーや配管内の曲がり、狭窄、粒子などの障害物に遭遇すると圧力は上昇します。
デカンテーションの熱を軽減する簡単な方法の 1 つは、バルブをゆっくり開けることです。[ 9 ]ニードルバルブなどの感度の高いバルブでは、ガスをバルブにゆっくりと通すことで、低圧側の圧力上昇を緩やかにすることができます。混合システムの配管、ジョイント、バルブは、急な曲がりや急な狭窄を最小限に抑えるように設計する必要があります。振動を軽減するために、配管に 360 度のループが設けられている場合もあります。
ガスを混合する場所や酸素を貯蔵する場所は、酸素濃度が高くなり火災の危険性が高まるのを避けるため、十分な換気を行う必要がある。
ナイトロックスには、ガス混合の方法がいくつかある。[ 8 ] [ 9 ] [ 12 ]
ヘリウム混合物は、部分圧力混合、質量分率混合、または大気圧下で混合されたプレミックスを圧縮する（連続混合）ことによって製造することができる。
ガスは、成分ガスをデカンテーションまたは圧縮して高圧シリンダーに混合し、分圧を測定し、順番に加え、温度補正を行う。[ 9 ]
トリミックスでは、酸素とヘリウムの測定圧力がシリンダーにデカントされ、ダイビングガスコンプレッサーからの空気で「満たされる」ことで、酸素、ヘリウム、窒素の3種類のガスの混合物が作られます。[ 9 ]代替案として、まずヘリウムをシリンダーにデカントし、次に既知のナイトロックス混合物で作業圧力まで満たす方法があります。NAUIとTDIはどちらも、後者の方法で混合された「ヘリトロックス」と呼ばれるトリミックスを使用したコースを提供しており、ヘリウムの割合は約17～20%に制限されています。ヘリウムを、酸素が約3分の1含まれるナイトロックス（一般的なプレミックスナイトロックスであるEAN32など）と混合して作られた混合物は、酸素分圧が1.4バールの最大動作深度で、等価麻酔深度が常に約32メートル（105フィート）であり、安全な限界であるという望ましい特性を持っています。
ヘリオックスでは、酸素とヘリウムの圧力を測定、またはシリンダーに注入することで、酸素とヘリウムの2種類のガスの混合物が得られます。[ 9 ]
ヘリアーでは、測定された圧力のヘリウムがシリンダーに注入され、ダイビングガスコンプレッサーからの空気で「補充」され、酸素、ヘリウム、窒素の3種類のガスの混合物が生成され、窒素と酸素の比率は4:1に固定されます。[ 9 ]
質量分率混合には正確な秤が必要であり、できれば空のシリンダーを充填ノズルに接続した状態で秤の上に置いた状態でゼロに設定できるものが望ましい。
混合するガスの質量は、最終的な分圧比と全圧に基づいて計算し、各成分の添加重量に対応する適切な重量までシリンダーに充填する。このシステムの利点は、プロセス中に圧力を測定しないため、温度が精度に影響しないことである。欠点は、ヘリウムの密度が他の成分よりもはるかに低いため、ヘリウムの質量測定にわずかな誤差が生じると、組成に比較的大きな誤差が生じることである。
連続混合とは、混合物の構成ガスを連続的に添加し、その後、混合物を貯蔵シリンダーに圧縮するプロセスです。目的は、構成ガスを、コンプレッサーの設計に適した圧力で、適切な仕様に混合された状態で、連続流としてコンプレッサーの吸入口に供給することです。これには通常、入力ガスの流量を監視および制御する装置が必要であり、入力ガスは通常、高圧貯蔵シリンダーから供給されます[ 9 ]。ただし、空気は通常、周囲環境から取り込まれます。
ほとんどの高圧呼吸ガス圧縮機は、通常の気圧で吸入ガスを受け入れるように設計されています。ダイビング用の呼吸ガス混合物の一般的な成分の1つは大気圧の空気であるため、混合管または混合スティックと呼ばれる圧縮機の付属品で大気圧でガスを混合するのが便利です。混合管は静的ミキサーの一種であり、流れを過度に制限せず、分析前および圧縮機への吸入前にガスを適切に混合する限り、さまざまな方法で構築できます。市販および自作の混合管の幅広い種類が成功裏に使用されています。[ 9 ]
混合管の一般的な構成の一つは、注入点の後に混合物に乱流を発生させる一連の内部バッフルを備えた大口径管である。これにより、比較的速やかに均質な混合物が生成され、その後、さらなる処理の前に監視装置によって連続的に分析することも、貯蔵シリンダーから直接処理して後で分析することもできる。
連続分析では、添加ガスの流量を調整することで、混合比が仕様から逸脱した場合に補正できます。事後分析では補正がより困難になります。成分の添加は、順次行うことも、同時に行うことも可能です。同時に添加することで混合が一度で済むため、吸気系における圧力損失を低減できます。
分析前にガスを十分に混合することが重要です。そうすることで、分析結果の信頼性が向上します。また、安全上の理由から、吸入ガスの酸素含有量が時間とともに大きく変動しないようにすることも非常に重要です。コンプレッサーは、限られた酸素濃度に対してのみ安全に動作する可能性があるためです。
酸素とヘリウムを直列に添加する連続混合法では、酸素分圧の変化をヘリウム含有量の指標として用いることができます。まず酸素を添加し、混合後にPO₂を測定します。次に、別の混合管でヘリウムを添加し、混合後に出口でPO₂を測定します。PO₂の差を用いてPHeを計算できます。逆に、目的とするトリミックス生成物の分圧を用いて、混合ガスのナイトロックス段階とトリミックス段階のPO₂を計算することも可能です。
ガス流量は通常、ボンベに取り付けられた工業用ガスレギュレーターによって制御され、工業用流量計で測定されます。流量測定は混合ガスの分析の代替手段となり得ますが、温度やコンプレッサーのガス供給効率（供給圧力の変化に伴って変動する可能性がある）の変動により、供給される混合ガスの予測精度は一般的に低くなります。
コンプレッサー入口における混合ガスの圧力は、混合管での損失により、周囲圧力よりわずかに低くなります。そのため、測定対象ガスの圧力によって駆動されるガスの流れを利用する分析機器の中には、使用が困難になるものがあります。また、酸素セルは分圧を直接測定するため、圧力低下に敏感です。酸素流量が大気圧に適した分圧に設定されているにもかかわらず、測定対象の混合ガスの圧力が低い場合、意図したよりも混合ガス濃度が高くなる可能性があります。
これは、混合管からガスを吸引して計測器に送る小型サンプリングポンプを使用するか、インラインセンサーセルを用いて酸素分析時の入口圧力の低下を考慮に入れることで補正できます。この場合、センサーにおける圧力降下または絶対圧力を測定する真空計が必要になります。酸素分圧は、測定点における絶対圧力に対する割合として正確でなければなりません。
呼吸ガスに使用される高圧コンプレッサーの多くは、中程度の酸素とヘリウムを含む呼吸ガス混合物の圧縮に適していますが、両方のガスの制限については製造元に問い合わせる必要があります。酸素の割合が高い混合物の圧縮は火災の危険性が高まるため、このリスクを最小限に抑えるためにコンプレッサーの潤滑油は適合している必要があります。ヘリウムは完全に不活性で直接火災の危険性はありませんが、圧縮時に酸素や窒素よりも温度が上昇するため、空気用に設計されたコンプレッサーが過熱する可能性があるため、まったく異なる問題があります。[ 9 ]
これは最終的にコンプレッサーの潤滑油やベアリングに問題を引き起こす可能性があります。酸素分率も高い場合は、火災の危険性が高まります。幸いなことに、ほとんどのトライミックス混合ガスは酸素分率がヘリウム分率に反比例するため、この問題が発生する可能性が低くなります。[ 9 ]
混合ガスは使用前に分析する必要があります。組成の不正確な仮定は、酸素分析の場合は低酸素症や酸素中毒の問題につながる可能性があり、不活性ガス成分が計画された組成と異なる場合は減圧症につながる可能性があります。酸素分率の分析は通常、電気ガルバニック酸素センサーを使用して行われますが、ヘリウム分率は通常、分析対象ガスと標準サンプルとの間の熱伝達比較によって行われます。[ 9 ]
エアトップアップ、またはエアトップとは、混合ガスが入ったシリンダーに圧縮空気を充填し、シリンダーの作動圧力、または任意の低圧もしくは計算された低圧まで充填することです。これは原理的には部分圧力混合の最終段階と全く同じであり、得られる混合ガスの組成は、同様の方法を用いて事前に計算することも、充填後に分析することもできます。これは、正確な分析が潜水計画にとって重要かどうかによって異なります。
酸素中毒や窒素酔いを避けるため、ダイバーは混合する必要な混合ガスを計画し、潜水前に混合ガス中の酸素と不活性ガスの割合をチェックする必要があります。[ 9 ] [ 12 ]一般的に、各最終成分ガスの割合の許容範囲は、必要な割合の±1%以内である必要があります。レクリエーション/テクニカルダイビングのガス混合業者が一般的に使用する分析機器は、通常、酸素とヘリウムの両方について0.1%の分解能を備えています。
約230 bar (3,300 psi)までの圧力で混合する場合、理想気体の法則は妥当な近似値を提供し、簡単な方程式を使用して、混合を作成するために必要な各構成ガスの圧力を計算できます。この圧力と通常の温度では、空気は直線性から約 5% ずれます。たとえば、230 bar まで空気で満たされた 10 リットルのシリンダーには、予想される 2300 リットルの自由空気の約 95% しか含まれていません。この圧力を超えると、最終的な混合物の組成は簡単な方程式では予測が難しく、より複雑なファン デル ワールスの方程式が必要になります。
理想気体計算を用いた分圧混合は比較的簡単です。必要な混合ガスは、計画された潜水プロファイルに基づいて許容可能な酸素曝露量に対する減圧の利点を最適化する最適な混合ガスとして選択されるか、さまざまな深度と時間に適した標準化された混合ガスの範囲から選択されるか、または利用可能なガスストックやその他の制約に合わせて最適化されます。混合ガスは構成ガスのガス分率で指定され、慣例として、酸素、存在する場合はヘリウム、および窒素の体積パーセントで、種類（ナイトロックス、トライミックス、またはヘリオックス）と組成を指定します。残りの窒素は必ずしも明示的に指定されず、残量であるとみなされます。
混合ガス中の窒素は、ほぼ常にシリンダーに空気を充填して所定の圧力まで満たすことで供給される。ヘリウムはすべて、また酸素の一部は、大型シリンダーから移送または加圧することで供給される。
デカンテーションする必要のあるヘリウムの量は簡単に計算できます。必要なヘリウムのガス分率 (F He ) に全充填圧力 (P tot ) を掛けて、ヘリウムの分圧 (P He )を求めます。Tx 20/40 の場合、230 bar のシリンダーでは、230 bar × 40% = 92 bar となります (または、3,000 psi の充填では、3,000 × 40% = 1,200 psi のヘリウムが必要になります)。
酸素の量は、添加酸素と補充空気の2つの供給源から得られるため、計算がより困難です。しかし、窒素はすべて補充空気から供給されるため、窒素の分圧はヘリウムの場合と同様の方法で計算され、空気の79%が窒素であると仮定して空気の圧力を計算できます。Tx 20/40の例では、窒素の割合は100% - (20% + 40%) = 40%です。したがって、必要な窒素の分圧は230 bar x 40% = 92 barとなり、補充空気の圧力は92 bar/79% = 116 barとなります（3,000 psiの充填の場合、これは3,000 x 40% / 79% = 1,500 psiの空気 になります）。 残りの圧力230 バール - 92 バール - 116 バール = 22 バールは、混合に必要な追加酸素圧力です（3,000psi充填の場合、これは3,000 - 1,200 - 1,500 = 300psiの酸素 になります）。
約200バールを超える圧力では、気体の圧縮は理想気体の法則から逸脱し始めるため、分圧混合においては、高圧で添加された気体は低圧で添加された気体よりも体積比率が低くなることを考慮する必要があり、これらの線形性からの逸脱は気体の種類によって異なります。高圧分圧混合の計算には、ファンデルワールス方程式の使用が必要となる場合があります。これは、あらゆる圧力で混合比を維持する予混合ガスには影響しないため、連続混合はこの問題の影響を受けません。
窒素と酸素はどちらも比較的直線的に圧縮され、ヘリウムよりもはるかに高い圧力まで理想気体に近い状態を保ちます。ヘリウムは200バール以下でも理想気体から大きく逸脱します。空気とナイトロックスの混合気体は、常温では約230バールまで大きな誤差なく理想気体と近似できます。
充填時の温度上昇により、圧力測定に基づいて測定量のガスを正確にデカントまたはポンプで移送することが困難になります。[ 8 ] [ 9 ]シリンダーにガスを素早く充填する場合、通常ダイビング充填ステーションで10～60分で充填すると、内部のガスが熱くなり、ガスの質量に対する圧力が上昇します。シリンダーが冷えると、ガスの圧力が低下し、ダイバーが使用できる呼吸可能なガスの量が減少します。
この問題にはいくつかの解決策があります。
混合ガスが混合ステーションを出る前、そしてダイバーがそこから呼吸する前に、混合ガス中の酸素の割合をチェックする必要があります。通常、酸素の割合を測定するために電気ガルバニック酸素センサーが使用されます。 [ 9 ] [ 12 ]ヘリウム分析装置も存在しますが、現状では高価であり、これによりトライミックスダイバーは混合ガス中のヘリウムの割合を知ることができます。[ 9 ] [ 14 ]
分析前にシリンダー内のガス混合物を十分に混合することが重要です。そうしないと結果が不正確になります。低流量で分圧または質量混合を行う場合、シリンダーに入るガスは十分に速く動かないため、良好な混合が保証されません。特に混合ガスにヘリウムが含まれている場合、密度の違いにより層状に残る傾向があります。これは層状化と呼ばれ、十分に長く放置すれば拡散によって完全な混合が保証されます。ただし、混合後すぐにガスを分析する場合は、機械的攪拌が推奨されます。これは、単一のシリンダーを平らな面に置いて短時間転がすことによって行うことができますが、通常はツインシリンダーを数回反転させます。層状化はヘリウムを含む混合ガスでより顕著ですが、ナイトロックス混合ガスの分析の不正確さにもつながる可能性があります。[ 9 ] PSI/PCIの Mark Gresham によると、ハンマーでシリンダーを叩くと、転がすよりも効果的な音波エネルギーによる混合が起こります。定量的効果に関する実験データは提示されていないが、分析にそれ以上の変化がない場合、混合は完了していると考えられる。[ 15 ]
完全混合に必要な撹拌量に関する信頼できる仕様は入手できませんが、撹拌前後で分析結果が同じであれば、ガスは完全に混合されていると考えられます。一度混合されたガスは、時間の経過とともに層状化することはありません。
ガス種と構成比率によってシリンダーの内容物を識別するラベルは法律で義務付けられている場合があり、シリンダー内で最後に分析された混合物の記録としてユーザーにとって有用です。[ 13 ]ラベルの形式とシリンダーの色分けの詳細は管轄区域によって異なります。[ 13 ] [ 9 ]
英国と南アフリカでは、酸素とヘリウムは商業用および医療用ガス供給業者から購入され、通常は最大200バールの50リットル「J」シリンダーで配送されます。ガスの費用に加えて、シリンダーのレンタル料と配送料が発生する場合があります。
カスケード充填システムは、貯蔵シリンダー群から経済的にガスを移し替えることで、バンクから可能な限り多くのガスを取り出すために使用されます。[ 9 ]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ガスを移し替え、次に圧力の高いバンクシリンダーから順に移し替えてダイビングシリンダーを満タンにするというものです。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限に抑えます。
ハスケルポンプなどのブースターポンプを使用すると、ほぼ空のシリンダー内の高価なガスの残留物を回収し、低圧ガスを既に高圧ガスが入っているシリンダーに安全に送り込むことができます。[ 9 ]
スキューバガスの混合に関するトレーニングと認定は、一部のダイバートレーニング機関によって提供されており、[ 16 ]国の法律や基準で義務付けられている場合もあります。[ 13 ] ISO 13293 は、レクリエーションダイビングサービスのガスブレンダーの最低限のトレーニング基準を 2 つのレベルで規定しています。レベル 1 のガスブレンダーは、ナイトロックスを混合し、酸素、空気、ナイトロックスを扱う能力があり、つまりナイトロックスガスブレンダーであり、レベル 2 のガスブレンダーは、ヘリウムとアルゴンを含むガスを混合する能力もあり、つまりトリミックスガスブレンダーです。[ 17 ]
ISO 13293 レベル 1 のガス混合業者は、ナイトロックス呼吸ガスを混合する能力を有していなければならず、レベル 2 のガス混合業者は、主にトリミックス呼吸ガスを含む、規格でカバーされているあらゆるガスを混合する能力を有していなければならない。混合、組成の測定、シリンダーへのマーキング、および適合する高圧シリンダー内の組成と圧力の仕様に従って特定の混合ガスを記録する能力を有していなければならない。酸素の洗浄と機器の整備、ガスの使用に関するダイバーへの助言、およびガスの運用パラメータの設定は、この特定の能力の範囲外である。[ 17 ]
ウィキメディア・コモンズにある、スキューバダイビング用ガス混合に関するメディア