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潜水用リブリーザーは、ダイバーの呼気中の二酸化炭素を吸収し、各呼吸で実質的に未使用の酸素成分と、存在する場合は未使用の不活性成分を再呼吸（リサイクル）できるようにする水中呼吸装置です。酸素は、ダイバーが代謝した量を補充するために供給されます。これは、呼気ガスが直接環境に排出される開放回路式呼吸装置とは異なります。その目的は、限られたガス供給の呼吸持続時間を延ばすこと、そして潜水工作員による秘密裏の軍事利用や水中生物の観察において、開放回路式システムで発生する気泡を排除することです。
ダイビング用リブリーザーは一般的に、使用者が携帯する装置であり、自給式水中呼吸装置（スキューバ）の一種とみなされます。ダイバーが携帯する半閉鎖式リブリーザーは、ガスエクステンダーとも呼ばれます。潜水艇、水中居住施設、または水上設備に搭載された同様の技術は、生命維持システムと呼ばれることが多いでしょう。
潜水用リブリーザー技術は、呼吸ガスの供給が限られている場合、または呼吸ガスが特別に濃縮されている場合や、ヘリウム希釈剤などの高価な成分を含む場合に使用できます。潜水用リブリーザーは、主供給ガスと緊急ガスの供給の両方に使用できます。同様の技術は、潜水艦、潜水艇、水中および水面飽和潜水施設の生命維持システム、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回収システムにも使用されています。また、特定の野生動物の写真撮影など、開放回路システムの騒音が望ましくない用途もあります。
呼吸ガスのリサイクルには、技術的な複雑さと追加の危険性が伴いますが、これは特定の用途と使用するリブリーザーの種類によって異なります。質量と容積は、状況に応じて同等のオープンサーキットスキューバよりも大きくなる場合も小さくなる場合もあります。電子制御式ダイビングリブリーザーは、プログラム可能な上限と下限、または設定値の間で酸素分圧を自動的に維持し、減圧コンピューターと統合してダイバーの減圧状態を監視し、ダイビングプロファイルを記録することができます。
ダイビング用リブリーザーは、一般的にダイバーが携行する呼吸ガスの量が限られているスキューバダイビングで使用されますが、水面供給式ダイビングのガスエクステンダーや、スキューバダイビングまたは水面供給式ダイビングの緊急脱出システムとしても使用されることがあります。 [ 1 ] 深海ヘリオックスダイビングで使用されるガス回収システムは、飽和潜水用生命維持システムと同様に、リブリーザーと同様の技術を使用していますが、これらの用途では、ガスリサイクル装置はダイバーが携行しません。[ 2 ]大気圧潜水服にも、生命維持システムの一部として呼吸ガスをリサイクルするためのリブリーザー技術が搭載されています。[ 3 ]
リブリーザーは通常、オープンサーキットスキューバよりも操作が複雑で、故障の可能性のある箇所も多いため、安全に利用するには、より高いレベルのスキル、注意、状況認識が必要となります。これは通常、システムの理解、入念なメンテナンス、操作と故障復旧の実践的なスキルの習得によって得られます。耐故障設計により、リブリーザーが使用者を直ちに危険にさらすような故障を起こす可能性が低くなり、ダイバーの作業負荷が軽減されるため、オペレーターエラーのリスクも低下する可能性があります。[ 4 ] [ 5 ]
半閉鎖式リブリーザー技術は、主にヘリウムの使用量を減らすために、ダイバーが携行する水面供給式ガスエクステンダーにも使用されています。一部のユニットは、搭載されている救出用シリンダーを使用して緊急ガス供給としても機能します。米海軍のMK29リブリーザーは、支援船の元の混合ガス貯蔵スペースを維持しながら、フライアウェイ混合ガスシステムの潜水作業の持続時間を5倍に延長できます。 [ 6 ]ソ連のIDA-72半閉鎖式リブリーザーは、水面供給でスクラバーの持続時間が4時間、搭載ガスで200mでの救出持続時間が40分です。[ 7 ]米海軍のMark V Mod 1ヘリオックス混合ガスヘルメットは、ヘルメットの背面にスクラバーキャニスターが取り付けられており、吸気ガス噴射システムが呼吸ガスをスクラバーに再循環させて二酸化炭素を除去し、それによってヘリウムを節約します。[ 8 ]インジェクターノズルは、スクラバーを通して注入ガスの11倍の体積を吹き出すだろう。[ 9 ]
半閉鎖式リブリーザーは、閉鎖式ベルから潜水する飽和潜水士の緊急脱出装置としても使用されます。これは、開放式緊急脱出装置よりも長時間使用可能であり、潜水士が装着した状態でベルの下部ハッチを通す必要があるという制約があるためです。DIVEX COBRA（Compact Bailout Rebreathing Apparatus）は、最大450mswまでの飽和潜水用の緊急脱出装置として使用することを目的とした緊急リブリーザーシステムです。NORSOK U101（潜水用呼吸器）およびEN14143（自給式再呼吸装置）のCE認証を取得しています。呼吸仕事量は低いとされています。半閉鎖式リブリーザーは完全に機械式で、ケーシングに取り付けられた2本のシリンダーから供給される自給式ガスを使用して45分間使用可能で、制御弁を1回転させるだけで作動します。[ 10 ]
実用的な再呼吸器の最初の試みは、工業用金属加工技術の進歩により高圧ガス貯蔵ボンベが製造可能になった際に、単純な酸素再呼吸器が開発されたものでした。1878年以降、再呼吸器は工業や消防における呼吸不可能な雰囲気での作業、高地での作業、潜水艦からの脱出、そして時折水中での遊泳などに使用されました。しかし、水中での作業の一般的な方法は、標準的な潜水服を着用し、開放回路式の水面供給空気を呼吸することでした。
（ドレーガー社製およびマークVヘリウムヘルメット）
イタリアの第10艦隊MASは、戦闘潜水員の最初の部隊で、1938年に設立され、1940年に実戦投入されました。第二次世界大戦では、軍事関連のリブリーザー潜水の利用が大幅に拡大しました。第二次世界大戦中および戦後、軍隊では純酸素で可能な深度よりも深く潜る必要性が生じました。そのため、少なくともイギリスでは、潜水用酸素リブリーザー（現在「ナイトロックス」と呼ばれるもの）のシンプルな定流量「混合リブリーザー」のバリエーションが設計されました。SCBA（ Swimmer Canoeist's Breathing Apparatus ）からSCMBA 、 Siebe Gorman CDBAからCDMBAが、追加のガス供給シリンダーを追加して作られました。このようなセットで潜水する前に、ダイバーは潜水の最大深度または作業深度と、体が酸素供給をどれだけ速く消費するかを知り、それらからリブリーザーのガス流量を何に設定するかを計算する必要がありました。
現代の自動式スポーツナイトロックスリブリーザーが登場する以前の長い期間、主に米国には、スポーツ酸素ダイビングクラブがいくつか存在していた。
やがて冷戦は終結し、1989年には共産圏が崩壊した。その結果、戦闘潜水士による破壊工作の危険性は低下し、西側諸国の軍隊が民間用リブリーザーの特許を徴用する理由も減った。そして、 ppO2センサーを備えた自動式および半自動式のレクリエーション用リブリーザーが登場し始めた。
人が呼吸すると、体は酸素を消費し、二酸化炭素を生成します。基礎代謝には、約 6 L/分の呼吸速度から約 0.25 L/分の酸素が必要であり、健康で激しく運動する人は 95 L/分の速度で換気しますが、代謝される酸素は約 4 L/分だけです[ 11 ]代謝される酸素は、通常大気圧での吸入量の約 4% ～ 5% 、または海面で空気中の利用可能な酸素の約 20% です。海面での呼気には、およそ 13.5% ～ 16% の酸素が含まれています。[ 12 ]
呼吸ガスの酸素分率が高いほど酸素の無駄遣いはさらに大きくなり、水中潜水では、深度による呼吸ガスの圧縮により、開放回路ガスのより大きな割合が無駄になるため、呼気の再循環がさらに望ましい。同じガスを繰り返し再呼吸すると、酸素が意識を維持できないレベルまで減少し、最終的には生命も維持できなくなるため、酸素を含むガスをリサイクルされた呼吸ガスに追加して、必要な酸素濃度を維持しなければならない。[ 13 ] [ 14 ]
しかし、二酸化炭素を除去せずにこれを行うと、リサイクルされた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、急速に高炭酸ガス血症、つまり二酸化炭素中毒の次の段階へと進行します。代謝産物である二酸化炭素（CO 2）を除去するには、通常、高い換気率が必要です。呼吸反射は、酸素濃度ではなく、血液中の二酸化炭素濃度によって引き起こされるため、吸入ガス中の二酸化炭素がわずかに蓄積するだけでもすぐに耐えられなくなります。人が自分の呼気ガスを直接再呼吸しようとすると、すぐに強い窒息感を感じるため、再呼吸装置では、二酸化炭素スクラバーと呼ばれるコンポーネントで二酸化炭素を化学的に除去する必要があります。[ 13 ] [ 14 ]
代謝による消費を補うのに十分な酸素を加え、二酸化炭素を除去し、ガスを再呼吸することで、体積の大部分が維持されます。上昇中にガスが膨張して排出される際にわずかな損失が生じ、下降中にガスが圧縮される際に体積を補うために追加のガスが必要になります。[ 13 ]
潜水では、加圧下での呼吸がもたらす身体的・生理的な影響が要求を複雑化させるため、最も多様なリブリーザーが使用されています。用途や予算に応じて、幅広い設計オプションが用意されています。潜水用リブリーザーは、安全性が極めて重要な生命維持装置です。故障の種類によっては、警告なしにダイバーの命を奪う可能性があり、また、生存のためには迅速かつ適切な対応が必要となる場合もあります。
一般的な運用要件は以下のとおりです。
特別な申請には、以下の要件も必要となる場合があります。
純酸素は加圧下で吸入すると有毒であるため、レクリエーションダイバーの認定機関は酸素減圧の最大深度を6メートル（20フィート）に制限しており、この制限は酸素リブリーザーにも適用されています。以前はより深い深度（最大20メートル（66フィート））で使用されていましたが、そのような潜水は現在許容範囲とされているよりも危険でした。酸素リブリーザーは、深いオープンサーキット潜水からの減圧時にも使用されることがあります。純酸素を呼吸することで窒素が体組織からより速やかに拡散し、長時間の減圧停止にはリブリーザーの使用がより便利になる場合があるためです。
米海軍の酸素再呼吸器使用に関する制限: [ 16 ]
酸素再呼吸装置は、酸素中毒による深度制限のため、レクリエーションダイビングではもはや一般的に使用されていないが、その簡素さ、軽量性、コンパクトさから、より深い潜水深度を必要としない軍事攻撃潜水員の用途では広く使用されている。
ダイビングに使用されるセミクローズドサーキットリブリーザー（SCR）は、能動的または受動的なガス添加を使用することができ、ガス添加システムは深度補償される場合がある。これらは、定常状態のループガス混合物よりも酸素分率の高い混合供給ガスを使用する。通常は1種類のガス混合物のみを使用するが、一部のSCRでは、潜水中にガス混合物を切り替えることで使用可能な深度範囲を拡張できる。[ 14 ]
SCRの運用範囲と制限事項：
閉鎖回路式潜水用リブリーザーは、手動または電子制御が可能で、純酸素と呼吸可能な混合ガス希釈剤の両方を使用する。[ 17 ]
CCRの運用範囲と制限: クローズドサーキットリブリーザーは、主にダイバーの生理学的制限によって制限されます。例えば、水面まで呼吸可能な状態を維持できる希釈液混合液の最大動作深度などが挙げられますが、希釈液を切り替えることでこの問題を回避できます。深度での呼吸仕事量は制約となる可能性があります。代謝による二酸化炭素生成速度に対抗するために必要な呼吸努力がダイバーの作業能力を超えるポイントがあり、その後、高炭酸ガス血症が悪化し、苦痛、意識喪失、そして死に至ることは避けられません。呼吸仕事量はガス密度に影響されるため、低密度のヘリウムリッチ希釈液を使用すると、特定の構成で許容可能な呼吸仕事量での深度範囲を拡大できます。呼吸仕事量は乱流によっても増加し、乱流は流速（レイノルズ数）に影響されます。呼吸仕事量は、呼吸回路の設計によってある程度軽減または制限できますが、生理学的制限もあり、呼吸ループとスクラバーを通してガスを循環させる仕事量が、総呼吸仕事量の大部分を占める可能性があります。[ 18 ] [ 19 ]
レクリエーションダイビングの認定機関の中には、レクリエーションダイビングに適しているとみなすリブリーザーのクラスを区別しているところがあります。これらのリブリーザーは減圧潜水には適しておらず、電子制御式の場合、ダイバーは強制減圧を伴う潜水を行うことができません。そのため、計画された潜水のどの時点でも、症状を伴う減圧症を発症する過度のリスクなしに即座に浮上することができます。この制限により、船外用緊急脱出ガスを携行する必要性が減り、段階的減圧義務を伴う緊急脱出のスキルも不要になります。このクラスのリブリーザー潜水は、より複雑で難しいスキルの大部分を省略し、ダイバーが携行する必要のある器材の量を減らすトレーニングと認定を販売する機会を提供します。PADIの「R」クラスのリブリーザーの基準には、潜水前のチェックのための電子プロンプト、自動設定点制御、ステータス警告、警告用のヘッドアップディスプレイ、緊急脱出弁、事前パックされたスクラバーキャニスター、およびスクラバー持続時間を推定するシステムが含まれます。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]これらの制約により、レクリエーションクラスのリブリーザーは本質的に危険性が低くなりますが、同じ潜水プロファイルのオープンサーキット機器と同じレベルまでリスクを低減するわけではありません。[ 23 ]
大気圧潜水服は、おおよそ人型をした小型の1人用関節式潜水服で、関節部により外部圧力下で関節運動が可能でありながら、内部圧力を1気圧に維持します。呼吸ガスは、水面からアンビリカルケーブルで供給することもできますが、その場合、内部圧力を外部の周囲圧力より低く維持するために、ガスを水面に排出する必要があります。これは可能ですが、アンビリカルホースが損傷すると耐圧殻が破損する危険性があります。または、スーツに組み込まれた再呼吸システムから供給することもできます。余剰ガスの排出にも同様の問題があるため、シンプルで効率的な解決策は、消費された酸素を補充し、二酸化炭素を除去し、不活性ガス成分は変更せずに再循環させることです。事実上、生命維持システムとして使用されるシンプルな閉回路酸素再呼吸装置です。他のサービスには通常十分な電力が供給されているため、スクラバーを通した動力循環は通常のサービスでは問題にならず、顔面を清潔に保ち、音声通信を容易にするため、オペレーターにとってより快適です。内部圧力は 1 気圧に維持されるため、急性酸素中毒のリスクはありません。持続時間は、スクラバーの容量と酸素供給に依存します。スクラバーを通した循環はダイバーの呼吸によって動力を得ることができ、これはスーツに取り付けることもできる緊急バックアップ リブリーザーのオプションです。呼吸駆動システムでは、マウスピースとカウンターラングを使用して閉ループを形成することにより、機械的デッドスペースを減らす必要があります。
潜水用リブリーザーにはいくつかの設計上のバリエーションがありますが、どのタイプにも、ダイバーが吸い込み、吐き出す呼吸ガスを周囲圧力で保持するための気密リザーバーがあります。呼吸ガスリザーバーは、水密および気密ジョイントで接続された複数のコンポーネントで構成されています。ダイバーは、マウスピースまたは遮断弁（潜水/水面弁）付きのフルフェイス潜水マスクを通して呼吸します。この遮断弁は、装置が水中にある場合に浸水を防ぐために、ダイバーが装置から呼吸していないときは閉じられています。これは、ダイバーとカウンターラングまたは呼吸バッグの間で吸入および呼出ガスをダクトする1本または2本の呼吸ホースに接続されています。カウンターラングまたは呼吸バッグは、ダイバーの肺にガスがないときにガスを収容するために膨張します。リザーバーには、ダイバーが吐き出す二酸化炭素を除去するための吸収材を含むスクラバーも含まれています。また、酸素などのガス、多くの場合希釈ガスをガス貯蔵容器からリザーバーに追加するためのバルブが少なくとも1つあります。[ 17 ]
ガスを排出するためのバルブ、酸素分圧と場合によっては二酸化炭素分圧を測定するセンサー、および監視制御システムがあるかもしれない。重要なコンポーネントは、エンジニアリング上の冗長性のために重複している可能性がある。[ 17 ]
ガス通路の基本的な構成には、ループ型と振り子型の2種類がある。
ループ構成では、呼吸ガスの一方向循環が利用され、呼気時にマウスピースから出て、逆止弁を通って呼気ホースに入り、カウンターラングとスクラバーを通過し、ダイバーが吸気すると吸気ホースと別の逆止弁を通ってマウスピースに戻ります。[ 17 ]
振り子式呼吸器は双方向の流れを利用します。呼気はマウスピースから1本のホースを通ってスクラバー、そしてカウンターラングへと流れ、吸気時には同じホースを通ってスクラバーからマウスピースへと戻ります。振り子式呼吸器は構造的にシンプルですが、呼気と吸気を兼ねたチューブ内に未浄化ガスのデッドスペースが大きくなり、再呼吸されるという欠点があります。デッドスペースの容積を最小限に抑えつつ、呼吸経路の抵抗を最小限に抑えるという相反する要求が存在します。
振り子式リブリーザーには、呼吸ホースとは反対側のスクラバー側にカウンターラングが1つだけ備わっています。ダイバーは吐き出したガスをスクラバーに通し、吸気時に再び吸い込みます。スクラバーを通るガスの流量は、ダイバーの呼吸速度によって決まります。
ループリブリーザーのシングルカウンターラングは、呼気カウンターラング、吸気カウンターラング、または分割スクラバーキャニスターの間に装着することができます。[ 24 ]呼気カウンターラングの場合、呼気時に膨張しますが、吸気が始まるまでスクラバーにはガスが流れません。吸気が始まると、ダイバーは吸気速度によって強制される速度でガスを吸い込みます。吸気カウンターラングの場合、ダイバーは呼気中にスクラバーにガスを吹き込む必要がありますが、完全に膨らんだ吸気カウンターラングから吸い込み、それ以上スクラバーには流れません。分割スクラバーの間に装着されている場合、ダイバーは呼気中に呼気スクラバーにガスを吹き込み、吸気スクラバーにガスを吸い込む必要があります。これらのケースすべてにおいて緩衝材はなく、ピーク流量は比較的高く、これはピーク流量抵抗が比較的高く、呼吸サイクルの半分にあるか、振り子構成に類似して両方の半分に分かれている可能性があるが、大きなデッドスペースはないことを意味する。[ 24 ]
ツインカウンターラングリブリーザーは呼吸バッグが2つあるため、呼気ガスはスクラバーを通過し始め、吸気カウンターラングを膨らませながら呼気カウンターラングを膨らませ始めます。ダイバーが吸気を開始する頃には、吸気カウンターラングに容積バッファが蓄積されているため、吸気中にガスがスクラバーを通過する速度がカウンターラングが1つしかない場合よりも遅くなり、流れ抵抗が少なくなります。これにより呼吸仕事量が減り、また、呼気と吸気の両方でガスがスクラバーを通過するため、スクラバー内のガスの滞留時間も長くなります。ほとんどの混合ガス潜水リブリーザーはこの構成を採用しています。[ 21 ]
多くのリブリーザーは、サポート、保護、および/または流線型化のために、主要コンポーネントを硬質ケーシングに収めています。このケーシングは、カウンターラングの膨張と収縮に伴う体積変化に対応し、ダイバーが潜水する際に大量の浮力のある空気を閉じ込めたり、ダイバーが空気中に浮上する際に大量の水を閉じ込めたりしないように、周囲の水や空気を自由に出入りできるように十分に通気および排水する必要があります。[ 17 ]
コンポーネントは、フレームに取り付けるか、ケーシング内に収めて一緒に保持することができます。スクラバーキャニスターの構造がフレームワークの一部を形成する場合もあり、特にサイドマウント構成の場合によく見られます。ほとんどの部品の位置は機能にとって重要ではありませんが、カウンターラングは、水中でのほとんどの時間、その容積の重心がダイバーの肺の重心とほぼ同じ深さになるように配置する必要があり、マウスピースへの呼吸チューブはダイバーを必要以上に妨げず、できるだけ自由に頭を動かせるようにする必要があります。[ 17 ]
初期の酸素再呼吸装置は、フレームやケーシングなしで製造されることが多く、ハーネスと強力なカウンターラングによって各部品を固定していた。
潜水用リブリーザーの各部（カウンターラング、吸収剤キャニスター、ガスボンベ、それらを接続するチューブとホース）は、着用者の身体に4つの基本的な方法で配置することができ、カウンターラングの位置は呼吸仕事量に大きな影響を与える。
背部装着は、より大型で重量のあるユニットでよく見られます。これは、水面から離れた場所での重量を支えるのに適しており、水中での作業のためにダイバーの前面をすっきりと保つことができます。背部装着では通常、背中または肩越しに装着するカウンターラングを使用します。これらのカウンターラングは、ダイバーの一般的な姿勢において肺の上に重心があるため、わずかに負圧呼吸となります。
胸部装着は、軍用酸素リブリーザーでは比較的一般的で、通常は比較的コンパクトで軽量です。これにより、水中での部品への手の届きやすさが向上し、水陸両用作戦では背中に他の装備を装着できます。リブリーザーは、背中の荷物を邪魔することなく、一般的なハーネスから取り外すことができます。前面装着のカウンターラングは、重心が肺の重心よりわずかに下方に位置し、ダイバーの一般的な姿勢ではわずかな陽圧呼吸となります。
サイドマウントは、洞窟や沈船ダイビングで狭い場所を通り抜けるのに適した低いプロファイルを実現し、緊急用リブリーザーの携行にも便利です。メインの呼吸装置としてサイドマウントリブリーザーをダイバーの体の片側に装着し、反対側に大型の緊急用シリンダーをサイドマウントすることで重量と流体力学的にバランスを取ることができます。サイドマウントリブリーザーはダイバーの向きに敏感で、バックマウントやチェストマウントよりも広い範囲で静水圧呼吸仕事量が変化する可能性があり、また、長い呼吸ホースと、コンポーネントを細長い形状に収めるために必要な複数の曲がりがあるため、抵抗呼吸仕事量も比較的大きくなります。2019年現在、呼吸仕事量に関するCEテストに合格したサイドマウントリブリーザーはありません。サイドマウントリブリーザーは、ウォータートラップを形成するための便利な呼気カウンターラングポジションがないため、大規模なループ浸水に対してより脆弱である可能性もあります。[ 19 ]
サイドマウントリブリーザーは通常、単一のサイドマウントオープンサーキットシリンダーと同等の形状を使用しており、サイドマウントシリンダーの流線型を模倣していますが、ユニットが完全にリギングおよびマウントされていない場合、静水圧呼吸仕事量の変動の問題があります。呼吸仕事量は、ダイバーが正しくトリムされている場合にのみ最適化されます。[ 24 ]
KISS Sidewinderは、比較的小型のスクラバーキャニスター2個をダイバーの両側に装着し、8リットルのカウンターラング1本でダイバーの背中を横切って接続し、通常のサイドマウントハーネスで装着することでこの問題を軽減するサイドマウントMCCRです。この構成は、ほとんどのダイバーの姿勢で良好な呼吸仕事を提供するとされています。小型のバットマウント横向き酸素ボンベと標準的なサイドマウント希釈/緊急用ボンベ（通常2本）が携行されます。[ 24 ]
リブリーザーは、主に高圧環境で使用するダイビング用リブリーザーと、海面気圧よりわずかに高い圧力から高高度や宇宙空間の著しく低い周囲圧力まで、幅広い圧力環境で使用されるその他のリブリーザーに分類できます。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しなければならないことが多い一方、常圧および低圧環境で使用する場合は、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がない、比較的単純な酸素リブリーザー技術を使用できます。
酸素リブリーザー以外のすべてのリブリーザーは、混合ガスリブリーザーとみなすことができます。これらは、供給ガスが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、ループ内の呼吸可能な酸素分圧を維持するのに十分な量の混合ガスが酸素の消費に伴って補充される半閉鎖回路と、2つの並列ガス供給が使用される閉鎖回路リブリーザーに分類できます。希釈剤はガスの大部分を提供し、リサイクルされ、酸素は代謝によって消費されます。[ 14 ]
これらは、閉鎖式酸素リブリーザーよりもかさばり、重く、複雑なため、ほぼ水中ダイビング専用に使用されます。軍用ダイバーやレクリエーションダイバーは、開放式よりも水中での持続時間が長く、酸素リブリーザーよりも最大作動深度が深く、比較的シンプルで安価であることから、これらを使用しています。ガス組成の制御に電子機器は使用しませんが、安全性の向上と減圧効率の向上のために電子監視装置を使用する場合があります。この技術の別称として「ガスエクステンダー」があります。
半閉回路装置は通常、空気、ナイトロックス、トライミックスなどの呼吸ガスを一度に1種類ずつ供給します。ガスは、ダイバーがループから消費した酸素を補充するために、一定の速度でループに注入されます。余分なガスは、新鮮な酸素を豊富に含むガスのためのスペースを確保するために、ループから少量ずつ常に排出する必要があります。排出されたガス中の酸素は不活性ガスから分離できないため、半閉回路は酸素と不活性成分の両方を無駄にします。[ 25 ]
計画している潜水深度に対して安全な最大作動深度を持ち、水面で呼吸可能な混合ガスを提供する混合ガスを使用しなければならず、そうでない場合は潜水中に混合ガスを変更する必要が生じる。[ 17 ]
ダイバーが必要とする酸素量は作業速度とともに増加するため、低酸素症によるダイバーの意識喪失を防ぐために、ガス注入速度を慎重に選択し制御する必要がある。[ 26 ]ガス添加速度を高くすると低酸素症の可能性は低くなるが、ガスの無駄遣いが増える。
このタイプの再呼吸器は、呼吸回路内の容積減少を補うために新鮮なガスを追加するという原理に基づいて動作します。呼吸ガスの一部は、酸素消費量に比例して排出されます。一般的には呼吸流量の一定体積分率ですが、表面呼吸流量にほぼ比例する比率で排出する、より複雑なシステムも開発されています。これらは深度補償型または部分深度補償型システムと呼ばれます。ガスの追加は、カウンターラング容積の低下によってデマンドバルブが作動することで開始されます。
単純な定比率排出は、同心円状のベローズ式カウンターラングによって実現できます。呼気によって両方のカウンターラングが膨張し、ダイバーが次の呼吸を吸い込むと、容量の大きい外側のベローズはループに排出されますが、内側のベローズは逆止弁を使用して一方向の流れを確保しながら、内容物を周囲に排出します。各呼吸で処理される量は、その呼吸の1回換気量によって異なります。
吸気の終盤になると、ベローズが底付きし、レギュレーターのダイヤフラムがデマンドバルブを作動させるのとほぼ同じように、追加バルブが作動して、内側のベローズから排出されたガスを補充します。そのため、このタイプのリブリーザーは最小限の容量で動作する傾向があります。
固定比率システムでは、通常、各呼吸量の 10% (1/10) ～ 25% (1/4) を船外に排出します。その結果、ガスの持続時間はオープンサーキットの 10 倍から 4 倍になり、オープンサーキットと同様に呼吸速度と深度に依存します。ループ内の酸素分率は排出比率に依存し、ダイバーの呼吸速度と作業速度にも多少依存します。呼吸後に一部のガスがリサイクルされるため、酸素分率は常にメイクアップガスよりも低くなりますが、ループフラッシュ後にはメイクアップガスに非常に近い値になります。そのため、ガスは一般的に最大深度で呼吸可能な値に選択され、オープンサーキットの緊急脱出に使用できます。ループガスの酸素分率は深度とともに増加します。これは、深度の変化に関わらず代謝による酸素消費量がほぼ一定であるためです。これは、酸素分圧が潜水中に一定の範囲内でほぼ一定に保たれるクローズドサーキットリブリーザーとは逆の傾向です。固定比率システムは、DC55およびHalcyon RB80リブリーザーで使用されています。排出比率の小さい受動添加リブリーザーは、中程度または低酸素分率の供給ガスを使用すると、水面近くで低酸素状態になる可能性があり、深潜りと浅潜りの間でガスを切り替える必要があります。[ 27 ]
深度補償システムは、ダイバーの潮汐量の一部を排出しますが、その量は絶対圧力に反比例して変化します。水面では、通常、一回の呼吸の20%（1/5）から33%（1/3）を排出しますが、ループ内の酸素分率をほぼ一定に保ち、ガスの消費量を減らすために、深度が増すにつれてその量は減少します。完全深度補償システムは、圧力に反比例する量のガスを排出するため、水深90m（絶対圧力10バール）での排出量は、水面での排出量の10%になります。このシステムは、同じメイクアップガスを使用した場合、有効質量排出量が一定であるため、深度に関係なくほぼ一定の酸素分率を提供します。
部分的な深度補償システムは、固定比率システムと深度補償システムの中間的な位置づけです。水面付近では高い排出比率を実現しますが、排出比率は呼吸量または質量に対する割合として固定されていません。ガス中の酸素分率は計算がより困難ですが、固定比率システムと完全補償システムの限界値の間のどこかの値になります。Halcyon PVR-BASCは、可変容量の内部ベローズシステムを使用して深度を補償します。
能動添加システムは、呼吸回路に供給ガスを供給し、余剰ガスは環境中に排出する。これらの再呼吸装置は、最大容量に近い状態で稼働する傾向がある。
半閉鎖型リブリーザーでメイクアップガスを能動的に添加する最も一般的なシステムは、チョークフローとも呼ばれる定質量流量インジェクターを使用することです。これは、音速オリフィスを使用することで容易に実現できます。オリフィス上の圧力降下が音速流を確保するのに十分であれば、特定のガスの質量流量は下流圧力に依存しません。[ 28 ]音速オリフィスを通過する質量流量は上流圧力とガス混合物の関数であるため、呼吸回路で確実に予測可能な混合物を提供するには、リブリーザーの動作深度範囲で上流圧力を一定に保つ必要があり、周囲圧力の変化に影響されない改良型レギュレーターが使用されます。ガス添加は酸素の使用とは無関係であり、ループ内のガス分率はダイバーの運動量に大きく依存します。過度の運動によって酸素が危険なほど枯渇する可能性があります。
このガス混合制御原理を用いたモデルは、現在までに1機種のみが市販されている。それがInterspiro DCSCである。動作原理は、一回の呼吸量に比例した量の酸素を添加することである。このアプローチは、ダイバーの体積呼吸速度が代謝酸素消費量に直接比例するという仮定に基づいているが、実験的証拠によれば、これは十分に機能する。[ 29 ]
新鮮ガスの添加は、カウンターラングベローズの容積に比例した投与チャンバー内の圧力を制御することによって行われます。投与チャンバーは、ベローズの容積に比例した圧力まで新鮮ガスで満たされ、ベローズが空の位置にあるときに最も高い圧力になります。呼気中にベローズが満たされると、呼気中のベローズ内の容積に比例して、投与チャンバーから呼吸回路にガスが放出され、ベローズが満杯になると完全に放出されます。ベローズが満杯になった後、余剰ガスは過圧弁を通して環境に排出されます。[ 29 ]
その結果、換気量に比例した量のガスが加えられ、酸素濃度は通常の運動範囲において安定する。
投与チャンバーの容積は特定の供給ガス混合物に合わせて調整されており、ガスが変更されると容積も変更されます。DCSCは28%と46%の2種類の標準ナイトロックス混合物を使用します。[ 29 ]
これは最も初期のタイプの再呼吸器で、 20世紀初頭から海軍や機雷救助で一般的に使用されていました。酸素再呼吸器は驚くほどシンプルな設計で、オープンサーキットスキューバよりも前に発明されました。酸素のみを供給するため、使用前にパージして二酸化炭素を除去する以外にガス混合物を制御する必要はありません。[ 30 ]
Siebe Gorman Salvusなどの一部の再呼吸器では、酸素ボンベに並列に 2 つの酸素供給機構があります。1 つは定流量で、もう 1 つはバイパス バルブと呼ばれる手動のオン/オフ バルブです。どちらもカウンターラングに供給されます。[ 31 ] 2 段目は必要なく、ガスはボンベ バルブでオン/オフできます。
USN Mk25 UBAなどの他の機種では、カウンターラングのデマンドバルブを介して自動的に酸素が供給され、カウンターラングが空になりダイバーが吸入を続けるといつでもガスが追加されます。酸素は、オープンサーキットデマンドバルブのパージボタンに相当する、デマンドバルブを作動させるボタンによって手動で追加することもできます。[ 16 ]
単純な酸素再呼吸器の中には、自動供給システムがなく、手動供給バルブしかないものもあり、酸素量が快適なレベルを下回ると、ダイバーは定期的にバルブを操作して呼吸バッグに酸素を補充しなければなりませんでした。これは作業負荷ですが、ダイバーは酸素補充の必要性を意識せずにいることはできません。ループ内の酸素量を制御することで、浮力も制御できます。
軍事、写真、レクリエーションのダイバーは、長時間の潜水が可能で気泡が発生しないため、クローズドサーキットリブリーザーを使用します。[ 32 ]クローズドサーキットリブリーザーは、ループに2つの呼吸ガスを供給します。1つは純酸素で、もう1つは空気、ナイトロックス、ヘリオックス、トリミックスなどの希釈ガスです。[ 33 ]
閉鎖回路リブリーザーの主な機能は、ループ内の酸素分圧を制御し、危険なほど低くなったり高くなったりした場合にダイバーに警告することです。酸素濃度が低すぎると低酸素症になり、意識を失い、最終的には死に至ります。酸素濃度が高すぎると高酸素症になり、酸素中毒を引き起こします。酸素中毒は痙攣を引き起こし、水中ではマウスピースを失う可能性があり、溺死につながる可能性があります。モニタリングシステムは、酸素に敏感な電気ガルバニック燃料電池を使用して、ループ内の酸素分圧を測定します。ループ内の酸素分圧は、一般的に、固定値の妥当な許容範囲内で制御できます。この設定値は、計画された潜水プロファイルの減圧要件を最小限に抑えながら、長期および急性の酸素中毒の両方のリスクを許容できるものにするように選択されます。[ 33 ]
手動制御式閉鎖回路リブリーザーでは、ガス混合比はダイバーが制御します。ダイバーは希釈ガスまたは酸素を添加することで混合比を手動で調整できます。希釈ガスを添加することで、ループ内のガス混合比が酸素過剰になるのを防ぎ、酸素を添加することで酸素濃度を高めます。
完全自動閉回路システムでは、制御システムがループ内の酸素分圧が要求レベルを下回ったことを検出すると、電子制御ソレノイドバルブがループ内に酸素を注入します。電子制御CCRは、制御システムの故障が発生した場合に手動制御に切り替えることができます。[ 33 ]
降下中の圧縮を補償するためのガスの追加は、通常、自動希釈弁によって行われる。[ 17 ]
1912年、リューベックのドイツ企業ドレーガーヴェルク社は、酸素再呼吸器からのガス供給を使用し、水面からの供給を使用しない標準的な潜水服のバージョンを発表しました。このシステムは、銅製の潜水ヘルメットと、背中にシリンダーとスクラバーが取り付けられた標準的な重潜水服を使用していました。呼吸ガスは、追加されたガスによって駆動されるループ内のインジェクターシステムを使用して循環されました。これは、深度20mまでのモデル1915「ブビコップ」 ヘルメットとDM20酸素再呼吸器システム、およびガス供給に酸素シリンダーと空気シリンダーを使用してナイトロックス混合ガスを生成し、深度40mまでのDM40混合ガス再呼吸器でさらに発展しました 。[ 34 ]
アメリカ海軍は、ヘリオックス潜水用にマークVシステムの派生型を開発した。これらは1939年のUSSスクアラスの乗組員の救助とサルベージの際に成功裏に使用された。アメリカ海軍マークV Mod 1ヘリオックス混合ガスヘルメットは、標準マークVヘルメットをベースにしており、ヘルメットの後ろにスクラバーキャニスターが取り付けられ、吸気ガス噴射システムが呼吸ガスをスクラバーを通して再循環させて二酸化炭素を除去し、それによってヘリウムを節約する。ヘリウムヘルメットは、ロック機構が前面に移設され、スピットコックがなく、加熱下着用の追加の電気接続があり、後のバージョンではスクラバーへの浸水リスクを軽減するために2段階または3段階の排気バルブが取り付けられている点を除いて、標準マークVと同じ胸当てを使用している。[ 8 ]ダイバーへのガス供給は2つのバルブで制御された。 「ホークバルブ」は、インジェクターから「アスピレーター」への流量を制御し、アスピレーターはヘルメットからスクラバーを通してガスを循環させ、メインコントロールバルブは、回路を開放してヘルメットを洗浄したり、激しい作業や降下時に追加のガスを供給するために使用されました。インジェクターノズルの流量は、 周囲圧力より100psi高い圧力で公称0.5立方フィート/分であり、これは、スクラバーを通して注入ガスの11倍の体積を吹き出すことになります。[ 9 ]
これらのシステムはいずれも半閉鎖式で、酸素分圧を監視する機能は備えていなかった。また、どちらもインジェクターシステムを用いて呼吸ガスを再循環させており、呼吸仕事量を増加させることはなかった。
吸収性キャニスターに過酸化カリウムが充填されたリブリーザー設計（例：オキシライト）がいくつかあり、過酸化カリウムは二酸化炭素を吸収しながら酸素を放出します：4KO 2 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 3O 2。潜水開始時にループを満たすための非常に小さな酸素ボンベが備えられていました。[ 35 ]このシステムは、過酸化カリウムに水が触れると爆発的に高温になる反応が起こるため危険です。ロシアの軍用および海軍用リブリーザーIDA71は、このモードまたは通常のリブリーザーとして動作するように設計されていました。
フロリダ州パナマシティにある米国海軍実験潜水部隊でのIDA71のテストでは、IDA71は、キャニスターの1つにスーパーオキシドを入れると、入れない場合よりも大幅に長い潜水時間を提供できることが示されました。[ 35 ]
この技術は酸素式および混合ガス式リブリーザーの両方に適用可能であり、ダイビングをはじめとする様々な用途に利用できる。
液体酸素供給装置は、酸素または混合ガス式リブリーザーに使用できます。水中で使用する場合は、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ります。この種の工業用装置は潜水には適さない場合があり、またこの種の潜水用装置は、熱伝達に関する要件が相反するため、水上での使用には適さない場合があります。装置の液体酸素タンクは、使用直前に充填する必要があります。
極低温再呼吸装置は、使用された酸素を補充するために液体酸素が蒸発する際に発生する低温によって、「スノーボックス」内で二酸化炭素を凍結させることで、二酸化炭素を除去する。
サブマリン・システムズ社は、S-1000と呼ばれる極低温リブリーザーのプロトタイプを製作した。稼働時間は6時間、最大潜水深度は200メートル（660フィート）であった。液体酸素の温度を制御することで、液体上の酸素ガスの平衡圧力を制御し、電子制御なしでppO2を0.2～2バール（3～30psi ）の範囲で設定できた。希釈ガスは、潜水深度に応じて窒素またはヘリウムのいずれかを使用できた。酸素分圧は温度によって制御され、温度は液体窒素の沸騰圧力を制御することで制御され、沸騰圧力は調整可能な圧力リリーフバルブによって制御された。窒素圧力リリーフバルブ以外の制御バルブは必要なかった。また、低温を利用して、ループから毎時最大230グラムの二酸化炭素を凍結除去した。これは、二酸化炭素が-43.3 ℃以下で気体状態から凍結するため、毎分2リットルの酸素消費量に相当する。作業負荷が高いために酸素の消費が速くなった場合は、通常のスクラバーが必要でした。冷却ユニットからの窒素放出圧力の設定にすべてが従うため、電子機器は不要で、液体窒素の蒸発による冷却により、液体窒素がなくなるまで一定の温度が維持されました。ループガスの流れは対向流熱交換器を通過し、スノーボックス（極低温スクラバー）に向かうガスを冷却することで、ダイバーに戻るガスを再加熱しました。最初のプロトタイプであるS-600Gは1967年10月に完成し、浅水域でテストされました。S1000は1969年に発表されましたが[ 36 ] [ 37 ]、システムは市販されませんでした[ 38 ] 。
極低温再呼吸装置は、1980年から1990年の期間、ソ連の海洋学で広く使用されました。 [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]
ダイバーは、バイトグリップマウスピースまたはフルフェイスマスクやダイビングヘルメットの一部であるオーロノーザルマスクを通して、リブリーザー回路から呼吸します。マウスピースは、フレキシブル呼吸ホースでリブリーザーの残りの部分に接続されています。ダイビングリブリーザーのマウスピースには通常、遮断弁が含まれており、潜水/水面弁または緊急脱出弁、あるいはその両方が組み込まれている場合があります。ループ構成のリブリーザーでは、マウスピースは通常、ループの逆止弁が取り付けられる場所です。 [ 17 ]
潜水/水面バルブ（DSV）は、マウスピースにあるバルブで、ループと周囲の環境を切り替えることができます。水面でループを閉じてダイバーが大気を呼吸できるようにするため、また、マウスピースを口から外したときにループが浸水しないように、水中でループを隔離するためにも使用できます。[ 17 ]
ループを閉じると同時にオープンサーキットデマンドバルブへの接続を開くことができる潜水/水面バルブは、マウスピースを取り外すことなくオープンサーキットベイルアウトに切り替える機能があるため、ベイルアウトバルブ（BOV）として知られています。二酸化炭素中毒が発生した場合の重要な安全装置です。[ 41 ]
マウスピース保持ストラップ（MRS）は、欧州リブリーザー規格EN14143:2013に従い、EUおよび英国で販売されるリブリーザーに必須の設計機能となっている安全装備品です。マウスピース保持ストラップは、長年にわたる海軍の経験から、フルフェイスマスクの代替として、意識不明のリブリーザーダイバーの気道を保護するのに効果的であることが示されています。この装置は、マウスピースをユーザーの口にしっかりと快適に保持し、密閉性を維持するために、調整可能または自動調整可能である必要があります。MRSはまた、潜水中の顎へのストレスを軽減します。[ 42 ]
マウスピースと呼吸回路の残りの部分を接続するために、柔軟な波状の合成ゴムホースが使用されます。これにより、ダイバーの頭が自由に動くことができます。これらのホースは、高い耐潰れ性を維持しながら、より高い柔軟性を実現するために波状になっています。ホースは、呼吸ガスの流れに対する抵抗を低くするように設計されています。振り子（プッシュプル）構成には1本の呼吸ホースが使用され、一方向ループ構成には2本のホースが使用されます。[ 17 ]過剰な浮力を軽減するために、ホースウェイトが使用される場合があります。
カウンターラングは、呼吸時に使用者の一回換気量と同じ量だけ容積が変化するように設計されたループの一部です。これにより、使用者が呼吸するとループが膨張および収縮し、呼吸サイクル全体を通して肺とループ内のガスの総容積が一定に保たれます。カウンターラングの容積は、使用者の最大呼吸量に対応できる必要がありますが、一般的にはすべての使用者の肺活量に一致させる必要はありません。[ 43 ] [ 17 ]
水中では、カウンターラングの位置（胸の上、肩の上、または背中）によって呼吸の静水圧仕事に影響が出る。これは、カウンターラングとダイバーの肺の間の垂直距離によって生じる圧力差によるものである。[ 43 ]
レクリエーションダイバー、テクニカルダイバー、そして多くのプロダイバーは、水中での時間のほとんどをうつ伏せで水平に体を傾けて泳ぎます。カウンターラングは、この姿勢で呼吸負荷が少なく、ダイバーが直立している状態でも十分に機能する必要があります。
カウンターラングがケーシングに収められていない場合、その位置や形状によって、水泳ダイバーの流線型形状にも影響を与える可能性がある。
密閉されたケーシングに入っていないゴム製カウンターラングを使用する再呼吸器は、紫外線によるゴムの劣化を防ぐため、使用しないときは日光から保護する必要があります。
ほとんどのパッシブ添加式セミクローズド潜水リブリーザーは、呼気中の一定体積の割合を除去し、カウンターラングの容量低下によって作動するデマンドバルブから供給される新鮮な供給ガスと置き換えることで、ガスの混合比を制御します。
これは同心円状のベローズ型カウンターラングを用いることで実現されます。カウンターラングは、上下が剛性のあるベローズ形状で、側壁は柔軟な波状膜で構成されています。内部には、カウンターラングの剛性のある上下面に接続された、より小型のベローズがもう一つあります。そのため、剛性のある上下面が互いに近づいたり離れたりすると、内側と外側のベローズの容積が同じ割合で変化します。
呼気によってカウンターラングが膨張し、その一部が内側のベローズに流れ込みます。吸気時には、ダイバーは外側のカウンターラングからのみ呼吸し、内側のベローズからの逆流は逆止弁によって遮断されます。内側のベローズは、外部環境に開口する別の逆止弁にも接続されており、そのため、内側のベローズからのガスは、吸気量の一定割合で回路から排出されます。カウンターラングの容積が十分に減少し、硬質カバーが給ガス要求弁を作動させると、ダイバーが吸気を終えるまでガスが供給されます。
呼気は化学スクラバー（ソーダ石灰などの適切な二酸化炭素吸収剤が入った容器）に送られ、ガス混合物から二酸化炭素が除去され、酸素やその他のガスが再呼吸のために残される。[ 44 ]
吸収性化学物質の中には、Atrasorb Dive、Sofnolime、Dragersorb、Sodasorbなどのように、ダイビング用途向けに顆粒状で製造されているものもあります。他のシステムでは、あらかじめパッケージ化された反応性プラスチックカーテン（RPC）ベースのカートリッジを使用しています。[ 45 ]反応性プラスチックカーテンという用語は、もともと米国海軍の緊急潜水艦使用のためのMicroporeの吸収性カーテンを説明するために使用されていましたが、最近では、同じ体積の顆粒状吸収材よりも優れた、より信頼性の高い性能を提供するとされている同社の反応性プラスチックカートリッジを指すのにRPCが使用されています。[ 46 ]
スクラバー吸収剤を通過する二酸化炭素は、キャニスター内の吸収剤と反応して除去されます。この化学反応は発熱反応です。この反応の大部分は、キャニスター内のソーダ石灰を通過するガスの流れに沿った領域である「フロント」に沿って発生します。このフロントは、反応によって活性成分が消費されるにつれて、ガス入力端からガス出力端まで、スクラバーキャニスター内を移動します。このフロントの厚さは、粒径、反応性、ガス流速によって異なります。これは、キャニスターを通過するガス中の二酸化炭素が吸収剤の粒子の表面に到達するのに時間がかかり、その後、粒子の外側が消耗するにつれて、各吸収剤粒子の内部に浸透するのに時間がかかるためです。最終的に、二酸化炭素が残ったガスがキャニスターの遠端に到達し、「突破」が発生します。その後、スクラバーの有効性が低下するにつれて、洗浄されたガスの二酸化炭素含有量が上昇する傾向があり、最終的には使用者が感知できるようになり、呼吸できなくなります。[ 17 ]
リブリーザー潜水では、スクラバーの一般的な有効持続時間は、吸収剤の粒度分布と組成、周囲温度、キャニスターのサイズ、吸収剤内でのガスの滞留時間、およびダイバーによる二酸化炭素の生成量に応じて、30分から数時間の呼吸となる。
スクラバーの設計とサイズは、かさばり、消耗品のコスト、呼吸仕事量の間の妥協点となる。かさばりは装置のサイズと必要なバラスト重量に影響し、潜水作業のロジスティクスに影響を与える。呼吸仕事量は、より深い水深では安全上非常に重要になる可能性があり、潜水士の有酸素運動能力のかなりの部分を占めるようになり、潜水士の限界を超えると耐え難いものとなる可能性がある。
通常の配置はスクラバー1つですが、IDA71のようにスクラバーを並列に配置した構成も使用されています（用途によっては、一方のスクラバーにスーパーオキシドタイプの吸収剤を充填し、二酸化炭素を置き換える酸素を生成する場合があります）。また、KISS Sidewinderのようにスクラバーを直列に配置し、呼吸サイクル中に横方向の浮力移動が発生しないように、スクラバー間に背面に取り付けられたカウンターラングを1つ配置した構成もあります。[ 47 ]
スクラバーのガス流路は、ガスが一方の端から流入し、もう一方の端から流出する軸方向、またはガスがスクラバーの中心から外周に向かって流れる（通常）か、あるいはその逆の方向に向かう放射状である。[ 48 ]流路は、スクラバーの一部が早期に突破するのを最小限に抑えるために、一定の長さである必要があり、そのため放射状設計では長さと直径の比率が変化する円筒形に、軸方向スクラバーでは流れ（長さ）軸に沿って断面形状がほぼ一定になるように制約される。
吸着剤の粒径分布は、充填キャニスターの多孔度に影響します。粒径分布が広いほど多孔度は低くなります。多孔度は、均一なサイズ（よく選別された）ほぼ球形の粒子の場合約 32% から、標準偏差が大きく選別が不十分な粒径の場合の 12% 未満まで変化します。後者の場合、小さな粒子が大きな粒子の間の空間の大部分を占めます。同じスクラバーキャニスターで同じ体積流量を得るには、多孔度が低いほど流速を高くする必要があります。流速が高いと摩擦抵抗が高くなり、滞留時間（滞留時間）が短くなります。抵抗が高いと呼吸仕事量が増え、滞留時間が短いと吸着剤の反対側から二酸化炭素が早く突破するため、キャニスターの寿命が短くなります。[ 48 ]
スクラバー吸収剤（吸着剤）の反応速度は、ガス分子の運動エネルギーが低くなり、反応物質との接触までの平均時間が短くなるため、低温では低下します（アレニウス式）。吸着反応は熱を放出し、冷たい水環境がキャニスター壁を通して熱を吸収するため、反応前線は入口端から出口端に移動し、吸着剤を加熱し、軸流キャニスターの側面にある壁を通して熱が失われます。二酸化炭素は吸収される前に吸着剤のより冷たい部分をより遠くまで通過するため、最初に壁に沿って突破する傾向があります。実際には、1.7 °C の水中で理論上のキャニスター耐久性の約 50% で突破が発生します。この影響は、吸着剤と接触するキャニスター壁を断熱することで軽減できます[ 48 ]
浮上中、呼吸回路内のガスは膨張し、圧力差によってダイバーが負傷したり、ループが損傷したりする前に、何らかの方法でガスを逃がす必要があります。最も簡単な方法は、ダイバーがマウスピースの周りまたは鼻から余分なガスを逃がすことですが、単純な過圧弁は信頼性が高く、許容過圧を制御するように調整できます。過圧弁は通常、カウンターラングに取り付けられ、軍用潜水リブリーザーでは、気泡を検知しにくいサイズに分割することで気泡の放出を隠蔽し、ダイバーの存在を隠すのに役立つディフューザーが取り付けられている場合があります。ディフューザーは気泡の音も低減します。[ 49 ] [ 43 ]
多くのリブリーザーには、ダイバーがバルブを閉じずに水中でマウスピースを外した場合や、ダイバーの唇が緩んで水が漏れた場合に、大量の水がスクラバー媒体に入るのを防ぐために、カウンターラングまたはスクラバーケーシングに「ウォータートラップ」があります。[ 43 ]一部のリブリーザーには、ウォータートラップから水を取り除くための手動ポンプがあり、パッシブ付加SCRのいくつかは、ベローズカウンターラングの排気ストローク中にガスとともに水を自動的に排出します。[ 29 ] [ 50 ]その他は、手動オーバーライドダンプバルブが低い位置にあるときに、内部圧力を使用して水を排出します。[ 51 ]
リブリーザーには、ダイバーが消費した酸素を補充するための酸素源が必要です。リブリーザーの設計バリエーションによって、酸素源は純酸素または呼吸ガス混合物のいずれかであり、ほとんどの場合、ガスボンベに貯蔵されます。ごくまれに、酸素は液体酸素または化学反応によって供給されます。[ 17 ]
純酸素は水深6メートルを超えるレクリエーションダイビングには安全とは考えられていないため、より深い場所での使用を目的とした閉鎖回路式リブリーザーには希釈ガスのシリンダーも備えられています。この希釈ガスシリンダーには、圧縮空気またはナイトロックス、トライミックス、ヘリオックスなどの他のダイビングガス混合物が充填されます。希釈ガスは呼吸する酸素の割合を減らし、リブリーザーの最大作動深度を増加させます。希釈ガスは通常、純窒素やヘリウムなどの酸素を含まないガスではなく、呼吸可能なガスであるため、緊急時には既知の組成の呼吸可能なガスでループをフラッシュしたり、緊急脱出ガスとして使用したりできます。希釈ガスは、ダイバーの間では一般的に希釈ガス、希釈剤、または単に「dil」と呼ばれます。[ 17 ]希釈ガスの組成はガス密度にも影響し、それによって深度での呼吸仕事量にも影響します。[ 18 ]
呼吸ループの容量が小さくなりすぎた場合、またはガスの組成を変更する必要がある場合は、ガスを追加する必要があります。[ 17 ]
これはオープンサーキットデマンドバルブと同様の機能を持ち、多くの場合、市販のオープンサーキットデマンドバルブの機構を使用します。回路内の容積が少なすぎる場合に回路にガスを追加します。この機構は、スキューバのセカンドステージのように専用のダイヤフラムによって作動するか、ベローズタイプのカウンターラングの上端が移動範囲の最下点に達することによって作動します。[ 43 ]
閉回路リブリーザーでは、通常、ダイバーが手動でガスを追加できます。酸素リブリーザーでは酸素のみですが、混合ガスリブリーザーでは、通常、酸素と希釈ガス用の別々の手動追加バルブがあります。これは、手動制御のCCRの標準的な操作方法として、または電子制御のCCRのバックアップシステムとして、ループ混合液の組成を修正するためにどちらかが必要になる可能性があるためです。 [ 43 ]手動希釈ガスの追加は、ADVのパージボタンで行われる場合もあります。
定流量ガス添加は、アクティブ添加式セミクローズドリブリーザーで使用され、一定深度での通常の添加方法となっています。また、多くのクローズドサーキットリブリーザーでも使用され、酸素添加の主要な方法として用いられています。この場合、添加される酸素量は、ダイバーが安静時に代謝的に必要とする量よりも少なく、残りはソレノイドバルブを介して制御システムによって、またはダイバーによって手動で補充されます。
オリフィスを通過する音速流によって、一定の質量流量が実現されます。圧縮性流体のオリフィスを通過する流量は、オリフィス内の音速での流量に制限されます。これは上流側の圧力、オリフィスのサイズと形状によって制御できますが、オリフィス内で流量が音速に達すると、下流側の圧力をさらに下げても流量には影響しません。この方式では、一定圧力のガス源が必要であり、オリフィス内で音速流を発生させるのに十分な低い周囲圧力の深さでのみ機能します。
制御装置が周囲圧力から隔離されているレギュレーターは、深度に関係なく一定の圧力でガスを供給するために使用される。
受動添加半閉鎖型リブリーザーでは、通常、ベローズが空になったときにベローズカウンターラングによって作動するデマンド型バルブによってガスが添加されます。これは、あらゆるリブリーザーの自動希釈バルブと同じ作動条件ですが、実際のトリガー機構は若干異なります。このタイプの受動添加リブリーザーは、受動添加バルブが既にこの機能を果たしているため、別の ADV は必要ありませんが、エンジニアリング上の冗長性のために、同時に作動する 2 つのデマンドバルブを取り付けることができます。[ 52 ] [ 53 ]
電子制御式閉回路混合ガス再呼吸器では、酸素供給の一部は定流量オリフィスによって行われるが、分圧の微調整は制御回路によって作動するソレノイドバルブによって行われる。ループ内の混合ガスの酸素分圧が設定下限値を下回ると、ソレノイドバルブが時間制御で開く。
定流量オリフィスに不具合が生じ、適切な流量が得られない場合、制御回路はソレノイドバルブの作動頻度を増やすことで補正を行います。
テクニカルダイビング用リブリーザーの中には、ウェットクイックコネクトシステムを使用して、代替ガス供給源をリブリーザーに接続するものもある。これは通常、リブリーザーユニットをできるだけコンパクトにするために意図的に設計され、利便性とバランスのためにガス供給源をダイバーの反対側に吊り下げるベイルアウトリブリーザーやその他のサイドマウントリブリーザーの特徴である。この機能により、ダイバーが携行するすべてのガスをリブリーザー経由で供給することも可能になる。[ 54 ]
救援ガスと救援手順は密接に関連しています。手順はガス供給構成に適したものでなければなりません。救援リブリーザーを携行している場合でも、最初のステップとしてオープンサーキットへの初期救援が行われることがよくあります。これはシンプルで堅牢であり、救援リブリーザーを使用できるように準備するのに時間がかかるためです。[ 55 ] 救援ガス供給は、必要な減圧を含め、計画された潜水中のどの地点からでも安全に水面に戻るのに十分な量でなければなりません。そのため、2本の救援シリンダーを携行し、希釈ガスシリンダーを最初の救援ガスとして使用して、もう一方のガスを使用できる深度に到達することは珍しくありません。深い潜水や長時間の潜水では、オープンサーキット救援はリブリーザーよりも重くかさばることが多く、一部の潜水では救援リブリーザーの方がより実用的な選択肢となります。[ 56 ]
あらゆるリブリーザー用途において、呼吸回路内のガス混合物を制御するための基本的な要件は、二酸化炭素を除去して許容レベルに維持すること、および酸素分圧を安全な範囲内に維持することです。常圧または低圧で使用されるリブリーザーの場合、これは十分な酸素が存在することのみを必要とし、酸素リブリーザーでは容易に実現できます。ダイビングなどの高圧用途では、酸素中毒を避けるために最大酸素分圧を制限する必要があり、これは技術的にはより複雑なプロセスであり、代謝的に不活性なガスで酸素を希釈する必要がある場合があります。
酸素が十分に供給されない場合、ループ内の酸素濃度が生命維持に不十分になる可能性がある。人間の場合、呼吸したいという衝動は通常、酸素不足ではなく、血液中の二酸化炭素の蓄積によって引き起こされる。低酸素症は、ほとんどまたは全く前兆なく意識喪失を引き起こし、その後死に至る可能性がある。[ 17 ]
呼吸ループ内の酸素分圧範囲を制御する方法は、再呼吸器の種類によって異なります。
ループ内の容量は通常、圧力または容量によって作動する自動希釈弁と過圧リリーフ弁によって制御されます。自動希釈弁は、降下中やループからガスが失われたときなど、ループ内の圧力が周囲圧力より低下したときに希釈液を追加するという、需要弁と同じ原理で動作します。セットには、バイパスと呼ばれることもある手動追加弁も備わっている場合があります。初期の酸素再呼吸器の中には、容量が少なくなるたびに、ユーザーが酸素ボンベへの弁を手動で開閉してカウンターラングを補充する必要があったものもありました。[ 17 ]
電子制御式閉回路リブリーザーの機能要件は、リブリーザー潜水用のテクニカルダイビング減圧コンピュータの機能と容量に非常に似ており、一部のリブリーザーメーカーは、ダイブコンピュータメーカーがリブリーザー制御および監視ユニットとして再パッケージ化したダイブコンピュータハードウェアを使用しています。ソフトウェアは、複数の酸素セル読み取り値、警告、アラーム、および投票ロジックを表示するように変更することができ、ダイブコンピュータハードウェアはリブリーザー制御ハードウェアにハードワイヤリングすることができます。[ 57 ]
Shearwater Researchがダイブコンピュータとリブリーザー間の接続に使用している通信システムはDiveCANであり、これは、認知され、汎用性があり、堅牢で、広く使用されている業界標準のCANバスに基づく物理的な接続標準と通信プロトコルを備えています。[ 58 ]
計測機器は、閉鎖回路式酸素リブリーザーや半閉鎖式ナイトロックスリブリーザーに必要な最小深度、時間、残留ガス圧から、複数の酸素センサー、冗長構成の減圧コンピューター、二酸化炭素モニタリングセンサー、警告灯と警報灯、音と振動による警報を備えたヘッドアップディスプレイを備えた冗長電子コントローラーまで多岐にわたる。
いくつかの不具合に対してアラームが作動する場合があります。アラームは電子的に制御され、センサーからの入力と制御回路による処理に依存する場合があります。これには以下が含まれます。[ 17 ]
アラーム表示: [ 17 ]
リブリーザーのアラームが鳴った場合、ガスの混合比が設定値からずれている可能性が高い。リブリーザーのループ内のガスが意識を維持するのに適さなくなるリスクが高い。一般的な対応策としては、呼吸可能な希釈ガスをループに加えることである。これにより、二酸化炭素濃度が高い場合も濃度を下げることができる。[ 17 ]
呼吸仕事とは、呼吸に必要な労力のことです。呼吸仕事の一部は、固有の生理学的要因によるものであり、一部は外部呼吸装置の力学的要因によるものであり、一部は呼吸ガスの特性によるものです。呼吸仕事が高いと、ダイバーの体内に二酸化炭素が蓄積し、ダイバーの有効な身体的労力を生み出す能力が低下する可能性があります。極端な場合、呼吸仕事がダイバーの有酸素運動能力を超え、致命的な結果を招く可能性があります。[ 18 ]
リブリーザーの呼吸仕事には主に2つの要素があります。抵抗性呼吸仕事は、ガス通路の流れ制限によって呼吸ガスの流れに抵抗が生じるためであり、外部動力による換気がないすべての用途で存在します。静水圧性呼吸仕事はダイビング用途にのみ適用され、ダイバーの肺とリブリーザーのカウンターラング間の圧力差によるものです。この圧力差は一般的に、肺とカウンターラング間の深度の違いによって生じる静水圧の差によるものですが、ベローズカウンターラングの可動側にバラストを入れることで調整できます。[ 29 ]
抵抗性呼吸仕事量は、曲がり、波状、流れ方向の変化、バルブの開弁圧力、スクラバー媒体を通過する流れなどによる流れの制限と、密度によって影響を受ける慣性および粘性によるガスの流れの抵抗の合計であり、密度は分子量と圧力の関数です。リブリーザーの設計は、特にスクラバー、カウンターラング、呼吸ホースの設計によって、流れ抵抗の機械的側面を制限することができます。ダイビング用リブリーザーは、ガス混合物の選択と深度による呼吸仕事量の変化の影響を受けます。ヘリウム含有量は呼吸仕事量を減らし、深度の増加は呼吸仕事量を増やします。呼吸仕事量は、スクラバー媒体の過剰な湿潤によっても増加する可能性があり、これは通常、呼吸ループの漏れの結果、または吸収剤の粒径が小さすぎる場合に発生します。[ 18 ]
20世紀初頭にドレーガーヴェルク社が標準潜水服用のスキューバガス供給装置として開発した半閉鎖式リブリーザーシステム（酸素またはナイトロックスを使用）と、1930年代に深海潜水用に開発された米国海軍のマークVヘリオックスヘルメットは、注入器システムを使用してヘルメットとスクラバーを通して呼吸ガスを循環させ、追加されたガスがループガスを巻き込み、ヘルメット内部で潜水士のそばを通過するスクラバー処理されたガスの流れを生成することで、外部デッドスペースと呼吸抵抗仕事を排除したが、高呼吸速度には適していなかった。[ 60 ]
リブリーザー装置には特有の安全上の問題があり、ダイビング用リブリーザーではこれらの問題がより深刻になる傾向があります。これらの問題に対処する方法は、工学的アプローチと運用上のアプローチに分類できます。これらの問題に対する工学的解決策の開発は継続中で、比較的急速に進んでいますが、適切な技術が手頃な価格で入手できるかどうかに依存しており、酸素分圧測定の信頼性などの工学的問題の一部は比較的解決が困難です。[ 61 ]スクラバーのブレークスルー監視やガス混合物の自動制御などの他の問題は、21世紀にかなり進歩しましたが、依然として比較的高価です。呼吸仕事量も改善の余地がある問題であり、スクラバーを通るガスの循環はほぼ常にダイバーの肺によって駆動されるため、許容される最大動作深度を著しく制限します。フォールトトレラント設計は、故障を生存可能にするのに役立ちます。[ 5 ]
危険の中には、機器の動作方法に起因するものもあれば、機器が使用される環境に関連するものもある。
十分な不活性ガスを含み、自動ガス添加を作動させずに呼吸を可能にするリブリーザーであれば、どのリブリーザーでも低酸素症が発生する可能性がある。
酸素再呼吸器では、使用開始時にループが十分にパージされていない場合にこのような現象が発生することがあります。パージは、使用者の肺から不活性ガスもシステムから除去できるよう、装置から呼吸しながら行う必要があります。
呼吸回路内で危険なほど高い酸素分圧が発生する理由はいくつかあります。
スクラバー媒体が欠落している、充填が不十分である、不足している、または枯渇している場合、二酸化炭素が蓄積します。通常の人体は二酸化炭素分圧にかなり敏感であるため、蓄積すると使用者はそれに気づきます。しかし、スクラバーを再充填できるまで別の呼吸ガス供給源に切り替える以外に、この問題を解決するためにできることはほとんどありません。効果のないスクラバーを備えたリブリーザーを長時間使用し続けることは不可能です。二酸化炭素濃度が有毒レベルに達し、使用者は極度の呼吸困難に陥り、意識を失い、死に至ります。これらの問題が発生する速度は、回路の容量と使用者の代謝率によって異なります。
二酸化炭素の蓄積は、運動と呼吸仕事の組み合わせが使用者の能力を超えた場合にも発生する可能性があります。使用者が運動を十分に減らすことができない場合にこれが発生すると、修正が不可能になる場合があります。この場合、二酸化炭素を除去できないのはスクラバーではなく、回路の摩擦抵抗に逆らってダイバーがスクラバーを通してガスを効率的に循環させることができないことが問題の原因です。これは、呼吸ガスの密度が著しく高い深度でのダイビングリブリーザー、またはスクラバー内の水がガスの流れを妨げる場合に発生する可能性が高くなります。[ 18 ]
酸素分圧が高いと火災の危険性が大幅に高まり、大気中では自然消火する多くの物質も、高酸素濃度下では燃焼し続ける。これは、発火リスクが比較的低いダイビングよりも、救助活動や消火活動といった地上での用途において、より大きなリスクとなる。
ループフラッディングがスクラバーに到達すると、二酸化炭素吸収材のアルカリ成分が水と混ざり合い、「腐食性カクテル」が発生することがあります。この混合物は腐食性があり、粘膜や皮膚に化学火傷を引き起こす可能性があります。この混合物は一般的に液体または水っぽいスラリー状で、チョークのような苦味があり、ダイバーはすぐに別の呼吸ガス源に切り替え、口を水でよくすすぐ必要があります。最新のダイビング用リブリーザーの吸収材の中には、濡れても「腐食性カクテル」が発生しないように設計されているものもあります。
潜水用リブリーザーは、他の呼吸装置では発生しないような故障モードを起こしやすい。
「ブレークスルー」とは、スクラバーが循環ガスから十分な二酸化炭素を除去し続けられなくなる状態を指します。スクラバーを長期間使用すると必然的に発生しますが、状況によっては早期に発生することもあります。スクラバーが故障したり、効率が低下したりする原因はいくつか考えられます。
呼吸ループへの浸水は、ループ内の低い位置で内部ガス圧が外部水圧よりも低い場合に発生する可能性があります。このような浸水が発生する一般的な原因の 1 つは、潜水/水面バルブを閉じたり、緊急脱出に切り替えたりせずに、マウスピースがダイバーの口から外れたり取り外されたりする場合です。これは、偶発的な衝撃や、一瞬の不注意によって発生する可能性があります。ループのレイアウトと水中でのリブリーザーの姿勢によって、浸入する水の量や、呼吸ループの空気通路に水が到達する距離が異なります。一部のリブリーザーモデルでは、中程度の量の水がカウンターラングまたはスクラバーハウジングの低い位置に閉じ込められ、スクラバー内の吸収剤に到達するのを防ぎます。一部のリブリーザーには、このように閉じ込められた水を排出するシステムがあり、Halcyon RB80やInterspiro DCSC [ 29 ]のようにベントバルブを通して自動的に排出するものと、小型ポンプを使用して手動で排出するものがあります。
リブリーザーには、ガス漏れによって問題が発生する可能性のある箇所がいくつかあります。漏れは、高圧部、中圧部、そして周囲圧力よりわずかに高い圧力のループ部から発生する可能性があります。システム全体の健全性への影響は、漏れの程度によって異なります。少量のガス漏れであれば、残りの潜水中は許容範囲内かもしれませんが、漏れの原因によっては、漏れが深刻化し、場合によっては壊滅的な事態に陥る可能性もあります。
酸素モニタリングの不具合は、呼吸ガス中の酸素分圧の誤った値を示す原因となります。その結果、低酸素症、高酸素症、および減圧情報の誤りといった事態が生じ、これら3つはいずれも生命を脅かす可能性があります。
スクラバーの状態を監視し、差し迫った突破を予測および特定するために利用できる方法には、次のものがあります。
フォールトトレランスとは、システムの一部コンポーネントが故障した場合でも、システムが正常に動作し続けることを可能にする特性です。動作品質が少しでも低下する場合、その低下は故障の深刻度に比例します。これは、小さな故障でもシステム全体が停止してしまうような、単純に設計されたシステムとは対照的です。フォールトトレランスは、高可用性システムや安全性が重要なシステムにおいて特に重要です。システムの一部が故障した場合でも機能を維持できる能力は、グレースフルデグラデーションと呼ばれます。[ 65 ]
基本的な閉鎖回路式酸素リブリーザーは非常にシンプルで機械的に信頼性の高い装置ですが、酸素毒性のため動作に重大な制限があります。安全に深度範囲を拡張するには、可変呼吸ガス混合物が必要です。半閉鎖式リブリーザーは減圧効率が悪く、精密に制御された閉鎖回路式リブリーザーと比較してガス組成を完全に予測することはできません。呼吸ループ内のガス組成の監視は電気センサーによってのみ可能であり、電子センシングシステムの水中での信頼性は安全上重要なコンポーネントのカテゴリに分類されます。[ 5 ]
水中電子機器の故障率に関する正式な統計はないが、複数の情報源から情報を処理し、酸素注入ソレノイドを制御するアルゴリズムを備えたリブリーザー制御電子機器の基本コンポーネントである電子ダイブコンピュータのエラー率よりも、人間のエラーの方が頻繁に発生している可能性が高い。密閉型ダイブコンピュータパッケージは、より高品質のモデルが設計と構造において信頼性と堅牢性を備えるようになるまで十分に長い間使用されてきた。[ 5 ]
電子制御式リブリーザーは複雑なシステムです。制御ユニットは複数のセンサーから入力を受け取り、データを評価し、適切な次の動作を計算し、システムの状態を更新して表示し、動作を実行します。場合によっては、リアルタイムのフィードバックを使用して制御信号を調整します。[ 5 ]入力には、圧力、酸素、温度センサーの1つ以上からの信号、時計、場合によってはヘリウムと二酸化炭素センサーからの信号が含まれます。また、バッテリー電源、視覚表示のユーザーインターフェース、ボタンスイッチのユーザー入力インターフェース、場合によっては音声および振動アラームもあります。[ 5 ]
最小限のeCCRでは、システムは非常に脆弱です。重大な故障が1つ発生すると、故障復旧のための手動手順が必要になったり、代替の呼吸ガス供給源に切り替えたりする必要が生じます。一部の故障は、発見されて迅速に対処されないと、致命的な結果を招く可能性があります。重大な故障には、電源、冗長性のない酸素センサー、電磁弁、または制御ユニットが含まれます。[ 5 ]
純粋に機械的な部品は比較的頑丈で信頼性が高く、壊滅的な劣化は起こらない傾向があり、かさばって重いため、電子センサーや制御システムは一般的に耐故障性の向上が求められてきた部品である。酸素セルの故障は特に問題であり、予想通り深刻な結果を招くため、酸素分圧監視における多重冗長性の使用は信頼性向上のための重要な開発分野となっている。この点における問題は、酸素センサーのコストと比較的短い寿命、故障までの時間の予測の難しさ、および環境に対する感度である。[ 5 ]
酸素センサーの故障を自動的に検出および識別するには、センサーを既知のガスで校正する必要があります。これは、ダイビング中はほとんどの場合非常に不便ですが、故障が疑われる場合に時折テストとして実行することは可能です。または、複数のセルを比較し、出力がほぼ同じセルは正しく機能していると仮定することもできます。この投票ロジックには最低 3 つのセルが必要で、信頼性は数が増えるにつれて向上します。[ 5 ]セル冗長性を監視回路、制御回路、および表示冗長性と組み合わせるには、通常の状態ですべての監視回路と制御回路ですべてのセル信号が利用可能である必要があります。これは、アナログまたはデジタル段階で信号を共有することによって実現できます。セル出力電圧をすべての監視ユニットの入力に供給するか、一部のセルの電圧を各モニターに供給して、処理されたデジタル信号を共有することができます。デジタル信号を共有することで、短絡が発生した場合に欠陥のあるコンポーネントをより簡単に分離できる可能性があります。このアーキテクチャの最小セル数は、監視ユニットごとに 2 つで、冗長性のために 2 つの監視ユニットがあり、これは基本的な投票ロジック機能の最小 3 つよりも多いです。[ 5 ]
耐障害性リブリーザーの3つの側面は、ハードウェアの冗長性、堅牢なソフトウェア、および故障検出システムです。ソフトウェアは複雑で、酸素分圧測定、周囲圧力測定、酸素注入制御、減圧状態計算、状態および情報表示とユーザー入力のユーザーインターフェースなど、それぞれ独自のタスクを持つ複数のモジュールで構成されています。比較的脆弱なユーザーインターフェースが侵害された場合でも制御システムが動作を継続できるように、ユーザーインターフェースのハードウェアを制御および監視ユニットから分離することが可能です。[ 5 ]
安全性を向上させる特性には以下が含まれます。[ 4 ]
潜水用リブリーザーは、欧州連合で合法的に製造または販売されるためには、EN 14143: 呼吸器 - 自給式再呼吸潜水装置に準拠する必要があります。欧州規格EN 14143は、潜水用リブリーザーの安全な操作を保証するための性能要件を規定しています。最大深度は、酸素リブリーザーの場合は6m、ナイトロックスリブリーザーの場合は40m、ヘリウムベースの呼吸ガスを使用するリブリーザーの場合は100mと規定されています。水温範囲は、製造業者がより広い範囲を指定しない限り、4 ℃から34 ℃です。[ 66 ]
ダイビング用リブリーザーは、中立的な認定第三者による製品品質保証と試験済み製品性能の認証を必要とする欧州個人用保護具指令の対象となります。これは費用と時間がかかるプロセスであり、イノベーションを阻害する可能性がありますが、製品の安全性と製造業者の責任制限に重要な影響を与えるものとしても認識されています。[ 67 ]
リブリーザーはオープンサーキット式スキューバよりも操作が複雑で、故障の可能性のある箇所も多いため、安全に利用するには、より高度なスキル、注意力、状況認識能力が求められます。これらは通常、システムの理解、入念なメンテナンス、操作と故障復旧に関する実践的なスキルの習得によって得られます。耐故障設計により、リブリーザーが使用者を直ちに危険にさらすような故障を起こす可能性が低くなり、ダイバーの作業負荷が軽減されるため、オペレーターのミスによるリスクも低減される可能性があります。
リブリーザー技術は、レクリエーションダイビング器材市場、特に水中洞窟探検市場の拡大に牽引され、著しく進歩してきた。主な革新技術は以下のとおりである。
正確で信頼性の高い酸素分圧測定は、リブリーザー潜水における安全性の最も問題となる要素の 1 つです。このデータを使用する制御システムは、堅牢で信頼性の高いものへと発展しており、独立したバックアップを使用することで、信頼性は他のどのコンポーネントとほぼ同等に向上します。最も弱い点はセンサーであり、センサーはいくつかの故障モードが発生しやすく、その中には比較的気づきにくいものもあります。例えば、セルは常圧校正を通過しても、分圧が許容動作範囲の上限付近にあるときに故障する可能性があります。この上限付近は、定圧潜水が最大の効果を発揮する範囲でもあります。原因を推測できた場合、リブリーザーによる死亡事故の主な原因は低酸素症で、約 17% を占め、さらに 4% のケースでは高酸素症が原因と推定されています。これらの傾向が原因不明のケースの範囲にまで及ぶとすれば、不適切な酸素含有量がリブリーザーによる死亡事故の 30% に関係している可能性があります。[ 68 ]
酸素モニタリングの信頼性を向上させる標準的な方法は、多重冗長性（3つ以上のセンサーの使用）と、複数のデータ入力を投票ロジックシステムで使用して、センサーの故障を時間内に特定し、制御された安全な潜水終了を行うことである。投票ロジックは通常、同じ環境にさらされたときに1つのセンサーが他の2つ以上のセンサーと著しく異なる読み取り値を生成した場合、外れ値は故障しており、他の入力は正確であると想定する。残念ながら、これは常に当てはまるわけではなく、外れ値センサーが最も正しかったケースもある。このシステムの信頼性は、3つのセンサーの統計的独立性が不十分であるため、当初予想されていたよりも低いことが示されており、結果は対称的ではない。つまり、誤った低または高分圧読み取り値の影響は深度にも依存する。[ 68 ]
センサーが深度や温度の変化、使用、ガス添加、不完全な混合、ループの乱流によるガス組成の変化に対してほとんど反応せず、比較的静的な出力を示す場合、センサーが正しく応答していない可能性があり、2 つのセンサーが同様の応答パターンを示す場合は、両方とも欠陥がある可能性があるという警告となります。既知の変化を考慮して期待される出力と比較してセンサー出力を追跡するアルゴリズムは、センサーの信頼性を示すことができます。このセンサー監視方法は受動センサー検証 (PSV) として知られており、センサーの完全性評価の信頼性を向上させるために使用でき、センサーの校正値のみに基づく投票ロジックと比較して、どのセンサーが最も信頼できる出力を出力している可能性が高いかについて、より信頼性の高い決定を下すために制御システムで使用できます。PSV は単純な投票ロジックよりも改善されていますが、コンポーネントの統計的独立性に関連するエラーの影響を受けやすいです。[ 68 ]
自動センサー検証システムの設計に関する初期の作業は2002年に開始され、Poseidon/Cis-Lunar MK-VIリブリーザーで使用するためにさらに開発されました。この「アクティブセンサー検証」（ASV）システムは、さまざまな条件下での数千時間に及ぶフィールドテストダイビングを通じて改良されてきました[ 68 ] 。
ASVシステムは、Cis-Lunar MK-5Pの手動実装よりも高度化している。センサーで測定されたPO2値を現在の深度での希釈液の計算されたPO2と比較する以上のことが含まれる。Poseidonリブリーザーでの実装では、コンピューターがダイビング中に5分ごとに希釈液または酸素を単一のプライマリ酸素センサーに直接自動的に注入する。アルゴリズムは、現在の深度、注入ガスのFO2、周囲温度、ガス注入時間、およびそのダイビングのセンサーの校正値を考慮して、各ガス注入後の次の数秒間にセンサーがどのように応答するかを予測し、それを測定結果と比較して、センサーの正しいパフォーマンスの信頼レベルを生成する。[ 68 ]
このタイプのセンサー検証テストでは、テストガスの計算された分圧の変化に伴う測定値が期待値からどのようにずれるかによって、いくつかの故障モードを特定できます。また、不正確な温度読み取り、酸素センサー上の希釈剤凝縮のFO 2の入力の誤り、欠陥のある酸素センサー、検証ガス供給の失敗、および投票ロジックでは検出されないその他の理由による故障を検出できます。[ 68 ]
ほとんどのリブリーザーの酸素センサーは、潜水前に水面で通常の気圧下で空気または100%酸素を使用して校正されます。これらは信頼できる校正ポイントですが、動作分圧の範囲はこれらの校正ポイントを超える可能性があり、センサーがこれらの条件間で線形応答するように校正され、応答が外挿される場合、標準的な慣行である1バールを超える設定ポイントでは、制御システムは応答が線形であることがわかっている範囲外で動作する必要があります。最も一般的な故障モードの1つは、セルが経年劣化により電流制限を受けることです。出力電流を生成する反応によって陽極が消費されると内部インピーダンスが変化し、酸素分圧が高くなると応答が非線形になります。信号はより低い分圧を示し、酸素が追加されても比例して増加しないため、警告なしに危険なレベルまで上昇するループ酸素分圧につながる可能性があります。高分圧下でのセンサーの検証方法としては、潜水中に水深6mで純酸素に曝露してPO2を1.6バールにするか、校正用圧力ポットで1.6バール以上にしてセンサーを上限設定値よりも高いPO2に曝露する方法がある。 これらの方法はどちらも面倒で、水中での方法は潜降中にPO2が急上昇する可能性がある。酸素を使用したASVシステムのバリエーションである高酸素線形性試験（HLT）では、水深6mでフラッシングガスとして酸素を使用し、センサーが1.6バールPO2まで線形であるかどうかを確認できる。もし線形性を満たさない場合は、校正時に確立された線形範囲内に自動的に設定値を下げることができる。PSVとASVを備えた単一のセンサーは、従来の投票ロジックを備えた3つのセンサーよりも信頼性が高いことが示されている。セル検証アルゴリズムの有効性は、リブリーザー制御システムによって収集されるフィールドデータの取得によって向上すると予想される。[ 68 ]
高炭酸ガス血症は、リブリーザー潜水における死亡事故の最も一般的な要因の1つとして特定されています。これは一般的に、スクラバーが二酸化炭素の生成速度に追いつかず除去できないことが原因で、使用済み、湿った、または不適切に充填された吸収材、設計または組み立てが不適切なキャニスター、吸収材とキャニスターの設計の不一致、または使用範囲を超えた吸収材の使用のいずれか、またはそれらの組み合わせによって引き起こされる可能性があります。ループ内の二酸化炭素分圧が高くなると、血液および組織中の二酸化炭素濃度が高くなり、呼吸困難、中枢神経系酸素毒性に対する感受性の増加、見当識障害、意識喪失など、さまざまな症状を引き起こす可能性があります。[ 68 ]
ほとんどのリブリーザー設計は、低温条件、高負荷、高深度圧力を用いた実験的試験に基づいて、吸収剤の持続時間に関する非常に保守的な時間ベースの制限に依存してきました。通常、不必要に高い保守性は、ダイバーに吸収剤の持続時間を延長することを促しますが、これは、警告なしに機能しなくなるまで十分に機能し、深刻な結果を招く可能性があります。より洗練された方法は、代謝性二酸化炭素生成の代理指標として代謝性酸素消費量に基づいて吸収剤の持続時間制限を設定することです。これは、ほとんどの人にとってほとんどの場合かなり安定しており、運動と基礎代謝の変動をかなりうまく補償できますが、吸収剤の機能に対する深度と圧力の影響を確実に補償することはできません。[ 68 ]
より直接的で経験的なアプローチは、スクラバー内の吸収剤の活性ゾーンの熱の発生と温度上昇を利用することです。呼吸ガスがスクラバーを通過する際、比較的未使用の最初の吸収剤ゾーンに到達すると、より多くの二酸化炭素が吸収され、この比較的活性なゾーンは、ガスが最初に到達したゾーンが消耗するにつれてキャニスター内を進み、さらに先で反応が起こります。この反応前線は、使用済みの吸収剤やまだ高濃度の二酸化炭素にさらされていない吸収剤よりも高温であり、前線はスクラバーに沿って進み、その一部が吸収剤の端に達すると、未洗浄のガスがループの反対側に突破し、その後、吸入二酸化炭素がほぼ一定かつ不可逆的に増加します。[ 68 ]一部のリブリーザーメーカーは、反応前線の位置を特定する線形温度プローブを開発しており、これによりユーザーはキャニスターの残りの期間を推定できます。
これらの方法はいずれもキャニスターバイパスを検出できず、完全に使い果たされた吸収材、チャネリング、不適切に詰められた吸収材、または不適切な吸収材を識別する能力はほとんどありませんが、ループの吸入側の二酸化炭素分圧を直接測定することでこれが可能になります。[ 68 ]
二酸化炭素センサーの研究開発は、少なくとも1990年代初頭にまで遡り、Teledyne Analytical InstrumentsとCis-Lunar Development LaboratoriesがCis-Lunar MK-IIIリブリーザー用のセンサーの開発に取り組んでいました。このセンサーは実験室環境では正確でしたが、現場では高湿度や結露の影響を受けやすく、信頼性の低い測定値を示すことがありました。これはリアルタイムの二酸化炭素測定における繰り返しの問題でした。高圧も深度補正に問題を引き起こしました。2009年、VR Technologiesは、センサーへのガス流量を過度に低下させることなくセンサーを乾燥状態に保つために疎水性膜を使用した市販のCO2センサーを発売しました。[ 68 ]
それ以来、他のメーカーも製品を市場に投入してきたが、広く普及するには至っていない。それらは比較的高価であり、状況によっては信頼性の低い測定値を示し、スクラバーの故障しか検出できず、残りの期間を予測することはできない。温度測定とスクラバー後のCO2測定を組み合わせることで、予測と故障警告の両方が可能になるが、コストと複雑さが増す。[ 68 ]
ループ内でのセンサーの配置は、吸入ガスの実際の CO 2含有量に対する感度に影響を与える可能性があります。マウスピース内のガスを測定するとデッドスペースの問題があり、マウスピース近くの吸入ホースにセンサーを取り付けると、センサーは吸入チェックバルブの小さな漏れに敏感になり、また、デッドスペースの大幅な増加を引き起こす大きなチェックバルブの漏れによる高 CO 2も検出できます。センサーがループの上流にある場合は、このような高 CO 2 は検出されません。[ 68 ]
さらに、吸入ガス中の CO 2レベルの上昇は、高炭酸ガス血症の原因の 1 つにすぎません。呼吸仕事量、ダイバーの体力、呼吸換気パターン、その他の行動的、生理学的、機械的要因も影響します。より良い選択肢は、吸入および呼出の CO 2レベルの両方を測定することですが、そのためには、湿潤条件下で高速かつ信頼性が高く、比較的安価なセンサーが必要です[ 68 ] 。
リブリーザーフォーラム3が安全性向上のためのチェックリストの使用を強く推奨したことを受け、シス・ルナ開発研究所は、ユーザーが使用前に推奨チェックを怠ることを防ぐため、MK-5Pリブリーザーのオペレーティングシステムに電子的な潜水前チェックリストをプログラムしました。これは成功したとみなされ、後の世代のポセイドンMK-VIおよびSE7ENリブリーザーにも実装され、コア電子部品とソフトウェアの堅牢な内部診断機能、および常圧での酸素センサーセルの自動校正機能を含むように開発されました。チェックリストをすべて完了せずにユーザーがユニットを使用して潜水しようとすると、さまざまなアラームが発生します。完全に万全とは言えませんが（酸素セルは高圧作動圧力で校正されていないため）、安全上重要なエラーのいくつかが検出され、ダイバーに通知されます。ソフトウェアは潜水前チェックの手順とデータも記録し、これは事故分析に役立っています。潜水前のチェックも時間が短縮され、紙やユーザーによる記録作業も不要になります。このシステムはリスクを軽減することが実証されており、複数のメーカーに採用されています。[ 68 ]
リブリーザー制御システムのユーザーインターフェースは、ダイバーと電子制御システムの間で情報が交換される場所であり、ユーザー入力とデータ解釈の両方において、いくつかのエラーが発生する可能性があり、その中には深刻な、あるいは致命的な結果を招くものもある。複雑性の高さから機械的故障のリスクが本質的に高くなるが、制御システムと緊急ガス供給の両方のエンジニアリング冗長性と適切なトレーニングによって補償することができる。ヒューマンマシンインターフェース（HMI）の設計を改善することで、誤解やエラーのリスクを低減でき、トレーニングでは情報の正しい解釈と適切な対応に重点を置くことができる。HMIは通常、ディスプレイとアラームという2つの主要なコンポーネントで構成されており、アラームの多くは特定の視覚情報に関連付けられている。[ 68 ]
効果的な警報装置を設計する上での課題は、ダイバーが無関係な情報に気を取られないようにすること、そして警報装置が簡単に作動しすぎないようにすることです。簡単に作動すると、ダイバーは注意力が散漫になり、警告や警報に関する法的要件を満たすことはできても、装置の機能的な安全性が低下する可能性があります。この問題を回避する戦略の一つは、マウスピースへの振動出力に基づいて、聴覚、視覚、触覚といった異なる感覚をターゲットにすることです。[ 68 ]
効果的な表示とは、ユーザーが必要な情報を必要な時に、また欲しい情報を欲しい時に、即座に認識でき、曖昧さなく理解できる形式で提供することを保証するものです。ストレスを感じている時に情報が多すぎると、ユーザーは混乱したり、有用な情報を効果的に活用するのに十分な時間内に区別できなくなったりする可能性があります。また、より詳細な情報が、正しい判断を下すために有用または必要な場合もあります。複数のディスプレイ、または同じディスプレイ上の複数のビューは、この問題を解決するのに役立ちます。[ 68 ]
リブリーザーディスプレイのトレンドとして、今後さらに普及すると予測されているのが、高度なヘッドアップディスプレイの使用である[ 68 ]。これは、様々な色のライトや、より複雑なグラフィックや英数字表示を用いて、より幅広い情報を提供できる。これらの表示は常にダイバーの視界の周辺に表示され、完全に読み取るには目の動きだけで済む。[ 68 ]
長時間の深度リブリーザー潜水における主要な物流上の問題は、主システムが回復不能な故障を起こした後、潜水のどの地点からでも安全に水面に戻ることができるように携行しなければならない緊急用装備の量である。オープンサーキット方式は非常にかさばり、管理が困難になる可能性があり、よりコンパクトで効率的ではあるものの、リブリーザー方式には独自の物流上の課題がある。[ 68 ]
リブリーザー用の閉回路式緊急脱出システムを開発する際の主な設計上の課題の一つは、あらゆる深度において緊急脱出装置を使用可能な状態に維持することです。これは、深度に応じた呼吸可能なガス（必ずしも最適化されている必要はありません。緊急脱出後には混合ガスをかなり急激に設定値に戻すことができるため）と、浮力制御が過度に複雑にならないようガス量が過度に変化しないことを意味します。システム全体は扱いやすく、緊急脱出装置のマウスピースは容易にアクセスできると同時に安全でなければなりません。緊急脱出用リブリーザーは、減圧義務の大きい潜水で使用されることが多いため、減圧管理システムは緊急脱出への切り替えに対応できる必要があります。減圧計算に酸素分圧のリアルタイム監視が含まれる場合、各装置の独立性を損なうことなく、この機能を装置間で転送できる必要があります。 2つのループを管理するダイバーのタスク負荷は過度であってはならず、ダイバーは作戦の中で最も信頼性の低い部分として認識されており、脱出が必要になったときに大きなストレスにさらされる可能性がある。[ 68 ]
リブリーザー潜水から記録されたデータは、事故分析、リブリーザーのテストと開発、およびダイバーの教育目的に役立ちます。統合減圧コンピュータによる潜水プロファイルの記録は、減圧スケジュールの有効性の研究にも役立ちます。このようなデータの集計により、ユーザー集団全体の潜水パターンに関する洞察が得られ、リスク分析に役立ちます。[ 68 ]
電子式リブリーザーの制御システムは、処理能力とストレージ容量が継続的に向上しており、それに伴い、より詳細なデータと高精度のデータを取得する能力も向上しています。1994 年、Cis-Lunar Mk-IV データロギングシステムは、潜水時間 1 時間あたり数百ポイントのデータを記録し、1997 年までに Cis-Lunar Mk-5P は 1 時間あたり 1,000 ポイント以上を記録していました。2007 年までに Poseidon MK-VI Discovery は 1 時間あたり 15,000 ～ 25,000 ポイントを記録し、2016 年には Poseidon SE7EN がその 2 倍以上の量を記録し、Rebreather Forum 3 の推奨事項と一致しています。Rebreather Forum 3 では、次のように述べています。[ 68 ]
このフォーラムでは、すべてのリブリーザーに、特定のユニットと潜水データに関連する機能パラメータを記録し、これらのデータをダウンロードできるデータロギングシステムを組み込むことを推奨しています。この取り組みの目標は、可能な限り多くの関連パラメータを使用して潜水の診断的再構築を行うことです。理想的な目標は、データロギングシステムに冗長性を組み込み、可能な限り収集するデータを標準化することです[ 68 ]。
記録されたデータの中には、リブリーザーモデルに特有のものがあり、一般的な分析には適さないものもありますが、一部のデータは、ユーザー集団やダイビングの実践に関する外部分析に役立ち、行動や安全分析の理解を深めることができます。[ 68 ]
ウィキメディア・コモンズにある、ダイビング用リブリーザーに関連するメディア