JP3098538B2 - スモークダイビング等のための呼吸システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はスモークダイビング等のための密閉又は半密
閉呼吸システムに関し、それは、ユーザ用のマウスピー
スと吐き出されたCO₂の吸収手段とに連通する空気圧で
制御される呼吸バッグと、ユーザの呼吸パターンに従っ
て呼吸バッグを交互に膨張，収縮させる空気圧アクチュ
エータと、呼吸バッグに接続されてそこに呼吸ガスを供
給する加圧ガス源とからなっている。

自給式呼吸システムの実施例は多数知られている。ス
モークダイビング用の好ましい呼吸装置は、呼吸ガスを
呼吸バルブを介して供給するのを基礎とし、吐き出され
たガスはワンウェイバルブを介して周囲に直接“ダン
プ”される（“オープン呼吸システム”）。他型式の呼
吸装置は、吐き出されたガスを“密閉”又は“半密閉”
の循環回路内で回収するのを基礎としている。この装置
は、吐き出されたガスからCO₂を−部分的に又は完全に
−取り除き、再度呼吸ガスとして適合するように酸素を
供給することを含んでいる。この密閉又は半密閉呼吸シ
ステムを用いると、適度なガスを供給することで長いサ
ービスライフが達成されるが、ガスが肺の力によって再
循環するために、通常呼吸が重くなる。これと比較する
と、オープン呼吸システムは呼吸が楽であるが、重量を
軽くするのに基礎をおいているので、サービスライフが
相当短くなる。オープン呼吸システムを用いることの実
質的な利点は、呼吸マスクの中で安全な圧力（若干の加
圧状態）を維持することができる結果、健康に有害なガ
スの侵入が防止されることにある。

本発明の目的は、呼吸マスクの中で安全な加圧状態が
得られ、利用可能な呼吸ガスレザーバを最適に利用し、
これにより動作に信頼性があり、構造簡単で、製造し安
く、軽量で長いサービスライフを有する密閉又は半密閉
呼吸システムを提供することにある。

本発明によれば、冒頭に述べた形式の呼吸システムが
提供され、それは、呼吸バッグのアクチュエータの動作
を制御する一方、同時に環境に応じて呼吸マスク内の過
圧力を維持するモードレギュレータと、呼吸バッグにそ
の充満度に依存して一定の計量された量のガスを供給す
るドージング手段とを有することを特徴としている。

この呼吸システムでは、ユーザの呼吸パターンに従っ
て呼吸バッグを交互に膨張，収縮させる空気圧アクチュ
エータを介して酸素が供給されると、その供給された酸
素の圧力エネルギーが呼吸ガスの循環を補助するのに使
用されることにより、小さな呼吸動作が行われる。これ
は、水中ダイビング用の半密閉呼吸システムで既に使用
されている技術であり、これに関してはアメリカ特許第
4793340号が参照できる。しかし、この技術は従来、密
閉呼吸システムでは使用されなかった。この呼吸システ
ムにおいて重要な点は、前記技術がユーザ用の呼吸マウ
スピース又は呼吸マスクの中で“安全な圧力”を確立す
るために利用される、すなわち健康に有害なガスの侵入
を防止することである。これは安全の観点からすれば非
常に重要であり、知る限りにおいては、いかなる他の自
給式密閉呼吸システムにおいても達成されていない。

本発明による呼吸システムにおいては、モードレギュ
レータは、アクチュエータに圧縮酸素が供給されたこ
と、あるいは供給された酸素が呼吸バッグに“排気”さ
れることを監視すると同時に、呼吸マスクの中に小さく
て安全な過圧力が息の吐出し中だけでなく吸込み中にお
いても維持されるということが保証される。アクチュエ
ータは、それによって受け入れられてその後に呼吸バッ
グに“排気”される酸素の量が、呼吸で吸収される量よ
りいくらか少なくなるように容量が定められている。し
たがって、呼吸ガス中の酸素レベルを維持するために、
ある一定量の酸素を直接システムの回路の中に注入する
ことが必要である。本発明によれば、これを達成するた
めに、ドージング手段は、息の吐出し中に呼吸バッグが
十分に満たされなくなる毎に、ある一定量のガスを呼吸
バッグに排気するようになっている。したがって、この
システムは、他の多くの密閉酸素装置のように、酸素に
富んだガスの固定的注入を基礎にしないが、利用可能な
ガスレザーバを最適に利用している。アクチュエータの
最大運転圧力が約±15cm水柱であるように容量を定める
ことが有利であることが見い出された。実際には、これ
は、システム中のワンーウェイバルブやホース、CO₂吸
収装置等を通過する摩擦損失に打ち勝つためにユーザの
肺が行わなければならない仕事をアクチュエータが補償
することができるということを暗示している。

発明に係る呼吸システムの有利な実施例では、システ
ムの回路は、外表面が比較的厚い多孔性材料で覆われた
導管からなり、該多孔性材料は水で満たされ、その水の
蒸発は運転中に回路内を循環する呼吸ガスの冷却に利用
されることを特徴としている。

それから、その呼吸システムは、周囲のガスがその表
面を通過して流れ、有効な蒸発が生じるように形成され
ている。蒸発熱はかなり冷却された濡れ表面から部分的
に奪われる。さらに、導管の濡れ表面及びシステムの他
の存在し得る冷却表面は、呼吸システムの内表面と良好
な熱交換を行う結果、呼吸ガスの有効な冷却が行われ
る。このような呼吸ガスの冷却構造は、吸込みガスの温
度が体温より上昇する虞れのある従来の呼吸システムに
比較して、かなりの利点が見られる。さらに、この解決
手段は、その蒸発が周囲温度とともに増加する結果、シ
ステムはむしろ暑い環境においても許容呼吸ガス温度を
首尾よく維持するという利点を有している。この解決手
段の他の利点は、水で濡らすことがまた防火技術上有利
であることにある。本システムは容器の水の中に浸漬す
ることで運転の準備が整うであろう。肉厚の多孔材料は
相当の水の量を吸収することができるので、その材料を
それ以上濡らさなくても相当長い期間、冷却が行われ
る。

以下、次の添付図面を参照し、典型的な実施例に関連
して本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明に係る呼吸システムの好ましい実施例
の部分断面概略図である。

図２は、図１に示すモードレギュレータの拡大断面図
である。

図３は、図１に示す呼吸バッグの中に配置された要素
やユニットの詳細を示す拡大断面図である。

図１に示された実施例は密閉呼吸システムを構成し、
ここで呼吸バッグ１、呼吸マスク２及びCO₂吸収手段３
は直列に接続されて密閉回路又は循環回路を形成し、前
記各ユニットは導管4,5,6を介して相互に接続されてい
る。呼吸ガスは呼吸バッグ１から呼吸マスク２を通って
吸い込まれる。呼吸マスク２は、吸込みガスと吐出しガ
スが混合しないことを保証するワン−ウェイバルブ7,8
を備えている。吐出しガスは、CO₂吸収剤を収容する容
器からなるCO₂吸収手段３を介して呼吸バッグ１に流入
する。

呼吸バッグ１の中には、該呼吸バッグの中央において
図に示すようにその側壁に回動可能に接続されたシリン
ダ／ピストンユニット（図３参照）からなる空気圧アク
チュエータ９が配置されている。このアクチュエータ
は、以下にさらに詳述するユーザの呼吸パターンに従っ
て呼吸バッグの膨張，収縮を交互に引き起こすようにな
っている。アクチュエータ９の制御のため、以下に詳述
するようにそのアクチュエータに圧縮酸素を供給し、あ
るいはその代わりに供給された酸素を呼吸バッグに排気
することを監視するモードレギュレータ10が設けられて
いる。圧縮酸素は供給源11から減圧弁12を介して供給さ
れる。

図示された実施例では、アクチュエータ９は、吸入さ
れてその後に呼吸バッグに排気される酸素量がユーザの
呼吸で吸収される量よりある程度少なくなるように、容
量が決められている。呼吸ガス中の酸素レベルを維持す
るために、一定量の酸素を直接循環回路に注入すること
が必要である。この目的のためにドージング手段13が設
けられ、該ドージング手段は、吐出し中に、呼吸バッグ
が十分に充満しなくなる毎に、計量された一定量の酸素
を呼吸バッグ１に吐出するようになっている。

吐出し（呼吸バッグの膨張）毎に呼吸バッグの充満度
を記録するために、呼吸バッグの運動に追従する一対の
アーム15,16と組み合わせられた検出手段14が設けられ
ている。各アームの一端は互いに回動可能に連結され、
他端はアクチュエータ９と同じ位置で呼吸バッグの側壁
に回動可能に接続されている。検出手段は、一方のアー
ム15に固定され、他方のアーム16の方向に延びて当該ア
ーム16を横切る保持部材17と、該保持部材17の自由端に
回動可能に接続されたレバー18と、アーム16に固定され
てレバー18と協働するピン19と、保持部材に設けられ、
レバー18によって駆動するように配置されたバルブ20
（図３参照）とを備えている。前記バルブ20は、呼吸バ
ッグ１がある充満度を越えて満たされてレバー18がピン
19によって持ち上げられた時に開き、以下に詳述するよ
うに、ドージング手段13に“遮断信号”を送信するよう
になっている。

図１から明らかなように、導管4,5,6の外表面は、多
孔性でかつ吸水性のある材料からなる比較的厚い層21で
被覆されている。この層21には運転中に水を含ませるよ
うになっており、その水は蒸発して、上述の循環回路内
を循環する呼吸ガスの冷却に供される。また容器３も吸
水性材料で被覆され、特に容器３の下流側に位置する部
分は、周辺の大気に対して広くて有効な蒸発面積を得る
目的のために、適当な方法で延長されてもよい。

モードレギュレータ10の構造は図２にさらに詳細に示
されている。それはセンシングダイヤフラム23を収容す
るハウジング22からなり、該センシングイダイヤフラム
はハウジングを一対のチャンバー24,25に区画してい
る。チャンバー24は一対のアパーチャー26,27を介して
外側の大気と連通し、これに対しチャンバー25は導管４
を介して呼吸マスク２と連通し、呼吸バッグ１からワン
−ウェイバルブ28を介して呼吸ガスが供給される。チャ
ンバー24の中には、センシングダイヤフラム23に作用す
るスプリング29が設けられ、これによりチャンバー24に
は大気圧に加えてスプリング力が作用する。この構造で
は、スプリングが作用すると、ある過度の圧力又は安全
な圧力がシステムの中に得られる。スプリング29は、ハ
ウジング22にねじ込まれたキャップ30の中に配置されて
いる。当該ハウジングは、所望の初期スプリング力すな
わち過圧力の設定のために、最大量あるいは最小量ねじ
込むことができる。ダイヤフラム影響手段は図示された
スプリング及びキャップ以外の他の多くの方法で実施さ
れてもよいことは明らかであるが、その手段はユーザー
にとって容易に接近できることが必要である。

センシングダイヤフラム23は、第１バルブ32と第２バ
ルブ33を交番動作させるためのレバー31に機械的に連結
されている。第１バルブは導管34を介してアクチュエー
タ９と連通し、第２バルブ33は図３に示すようにアクチ
ュエータ９とともに加圧ガス源11と（減圧弁を介して）
連通する導管35に連結されている。

アクチュエータ９とドージング手段13の構成は図３に
さらに詳細に示されている。

図に示すように、アクチュエータ９はシリンダ36とピ
ストン37からなっている。ピストン37は、図３に見られ
るように、上圧力面37aを有し、該上圧力面はピストン
の下圧力面37bよりも実質的に小さい。上部シリンダ隔
室36aは導管38を介して加圧ガス源11に接続され、下部
シリンダ隔室36bは（ドージング手段13内を通過する）
導管39及び導管34を介してモードレギュレータのバルブ
32,33に接続されている。したがって、ピストンの最小
圧力面37aが圧力ガス源１からある一定の圧力の影響を
受ける結果、アクチュエータ９は、その下部シリンダ隔
室36bに加圧ガス源から（モードレギュレータバルブ33
を介して）ガスが供給され、あるいは（バルブ32を介し
て）排気されるに従って、圧力の方向を変更する。加圧
ガス源を上部シリンダ隔室に接続する代わりに、ピスト
ンの上端に連続的に作用するスプリング力を負荷させて
もよい。

ドージング手段13は小型のガスレザーバ40を有し、該
ガスレザーバは、導管42及び導管38を介して加圧ガス源
に接続されている第１バルブ又は入口バルブ41を通って
酸素で満たされるように配置され、さらに第２バルブ又
は出口バルブ43を通って呼吸バッグに排気されるように
配置されている。バルブ41,43は駆動手段によって交互
に開閉するようになっている。当該駆動手段はスプリン
グ荷重が負荷されたレバー44で構成され、初期状態では
バルブ41を開に保持している。モードレギュレータ10の
バルブ32,33とアクチュエータ９の下部シリンダ隔室と
の間の導管39には、逆向きに並列接続され、スプリング
が負荷された一対のワンーウェイバルブ45,46と、これ
らのバルブに並列に接続され、図３に示すようにコント
ロールダイヤフラム48によって二つに区画されたチャン
バー47とからなるユニットが設けられている。導管39内
の流れの方向に従って、ワンーウェイバルブ45,46のう
ち一方又は他方を介してガスが流れると、当該ワンーウ
ェイバルブの圧力損失によりダイヤフラム48がガスの流
れ方向に押圧される。これを利用してドージング手段13
が制御される。すなわち、それは、呼吸の吐出し中に呼
吸バッグが十分に満たされなくる毎に、レザーバ40内の
ガス量を呼吸バッグ１に（バルブ43を介して）吐き出
す。このために、コントロールダイヤフラム48は駆動ロ
ッド49に接続されている。該駆動ロッド49は、センシン
グ手段14から“遮断信号”が送信されたことによりその
移動が妨げられなければ、ダイヤフラム48が右方向に押
圧されると右方向に移動してレバー44に作用し、バルブ
43を開く。上述したように、この遮断信号はバルブ20か
ら出力される。このバルブは、導管50、駆動シリンダ36
の上部シリンダ隔室36a及び導管38を介して加圧ガス源1
1に接続され、さらに導管51を介してシリンダ／ピスト
ンユニット52に接続されている。該シリンダ／ピストン
ユニットはドージング手段13の中に配置され、スプリン
グで負荷されたブロッキングピストン53と、そのベント
バルブ54とを有している。遮断信号は、バルブ20の開放
によりブロッキングピストン53が圧力で駆動する結果、
そのピストンが左方に移動してブロッキングレバー55を
駆動し、たとえコントロールダイヤフラム48が右方向に
押圧されたとしても駆動ロッド49の移動を阻止するとい
う構成になっている。遮断信号は、コントロールダイヤ
フラム48が左方向に押圧され、これによりブロッキング
レバー55が駆動ロッド49に駆動されて回動し、ベントバ
ルブ54を開く結果、ブロッキングピストン53がスプリン
グの付勢力によって初期状態に復帰することで、無効に
される。

呼吸システムの動作をさらに以下に説明する。

このシステムのユーザが息の吸入みを始めると、モー
ドレギュレータ10のチャンバー25内の圧力が低下し、セ
ンシングダイヤフラム23がチャンバーに向かって押圧さ
れてバルブ32を開く。これにより、アクチュエータ９の
下部シリンダ隔室36bからのガスの排気が始まり、アク
チュエータが呼吸バッグ１の側壁を引き締める結果、呼
吸マスク２の中である安全な過圧力が維持される。息が
吐き出されると、呼吸マスクの中の圧力が上昇し、この
圧力増加は導管5,6を介してモードレギュレータのチャ
ンバー25に伝達される結果、センシングダイヤフラム23
はチャンバー24に向かって外側に押圧される。これによ
り、バルブ33が開かれ、アクチュエータ９の下部シリン
ダ隔室に加圧ガス源から圧縮ガス（酸素）が供給され
る。

呼吸バッグへの酸素の主な供給は、モードレギュレー
タのベントバルブ32を介して行われる。アクチュエータ
は上述のように少量の酸素を供給するように容量が定め
られているので、ドージング手段13も、息の吐き出しが
終わって呼吸バッグが呼吸ガスで十分に満たされなくな
る毎に、レザーバ40から呼吸バッグ１に所定量の酸素を
注入する。酸素がアクチュエータから排気され、コント
ロールダイヤフラム48が右方向に押圧されて駆動ロッド
49及びレバー44によってバルブ43が開かれると同時に、
すなわち、吸込み状態が始まった直後に、酸素の注入が
起こる。バルブ43の開放の条件は、センシング手段14が
“遮断信号”を送信しなかったことである。その遮断信
号は、レバー18がアーム16のピン19によって持ち上げら
れた時にバルブ20から送信される。上述したように、遮
断信号は、コントロールダイヤフラム48にレバー44を右
方向に移動させてバルブ43を開かせるということを引き
起こす。遮断信号は、呼吸バッグが再び吐出しモードに
なってダイヤフラム48が左方向に押圧されてベントバル
ブ54を開くときに、自動的に無効にされる。

上述の実施例では、装置が完全に“密閉”されている
ことが強調され、引火性の環境において安全であるとい
う利点を与えている。基本的には、これは装置を例えば
スポーツダイビングの観点で“半密閉”に構成すること
を妨げるものではない。その場合、空気圧アクチュエー
タを介する酸素の供給が消費よりも多いこと、そして呼
吸バッグが吐出し中に所定レベルを越えて満たされる毎
にガスをダンプする自動的手段が構成されることを基準
として採用することが自然である。さらに、構造の実質
的な変化を伴うことなく、空気圧の補助が一つのガスレ
ザーバからのガスの供給に基づき、酸素の補償が他のガ
スレザーバから行われることが考えられる。

本発明に係るシステムがガスが充満した大気中で使用
される場合、図示及び上述したように、重量，サイズの
ために、モードレギュレータを呼吸バッグの中に組み込
むことが自然である。例えばダイビングに関しては、モ
ードレギュレータを呼吸マウスピース又は呼吸マスクに
組み込むことで流体条件が自然となる。呼吸システム
は、減圧バルブがガスをシステムの空気路に供給するや
いなや作動する。

呼吸ガスの冷却のための構造に関しては、これは事実
上ガスが充満した環境の中で使用されるあらゆる形式の
呼吸システムに適用されてもよいことは明らかである。

フロントページの続き (56)参考文献 特公 平３−49269（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭60−56502（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平１−502403（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開87034（ＥＰ，Ａ１) 米国特許5072728（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A62B 7/00 - 7/14

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ユーザ用の呼吸マウスピース又は呼吸マス
   ク（２）と吐き出されたCO₂の吸収手段（３）とを備え
   た回路（4,5,6）に連通する空気圧で制御される呼吸バ
   ッグ（１）と、ユーザの呼吸パターンに従って呼吸バッ
   グ（１）を交互に膨張，収縮させる空気圧アクチュエー
   タ（９）と、呼吸バッグ（１）に接続されてそこに呼吸
   ガスを供給する加圧ガス源（11）とからなるスモークダ
   イビング等のための密閉又は半密閉呼吸システムにおい
   て、 呼吸バッグ（１）のアクチュエータの動作を制御する一
   方、同時に環境に応じて呼吸マスク（２）内の過圧力を
   維持するモードレギュレータ（10）と、 呼吸バッグ（１）にその充満度に依存して一定の計量さ
   れた量のガスを供給するドージング手段（13）とを有す
   ることを特徴とする呼吸システム。
2. 【請求項２】前記回路は、外表面が比較的厚い多孔性材
   料（21）で覆われた導管（4,5,6）からなり、該多孔性
   材料は水で満たされ、その水の蒸発は運転中に回路内を
   循環する呼吸ガスの冷却に利用されることを特徴とする
   請求項１に記載の呼吸システム。
3. 【請求項３】前記モードレギュレータ（10）は、バルブ
   手段（32,33）と、これらと協働するセンシングダイヤ
   フラム（23）とを備え、 当該センシングダイヤフラムの一方の側は、システム中
   の過圧力を維持するために、周囲の大気圧及びスプリン
   グ手段（29,30）が作用し、他方の側は呼吸マスク
   （２）中のガス圧力が作用し、 センシングダイヤフラム（23）の中央位置からの移動は
   バルブ手段（32,33）に伝達され、 該バルブ手段は、ダイヤフラム（23）の移動方向に依存
   して、アクチュエータ（９）への加圧ガスの供給のため
   に開き、あるいは、アクチュエータ（９）を排気するこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載の呼吸システム。
4. 【請求項４】アクチュエータ（９）は、モードレギュレ
   ータ（10）を介して加圧ガス源（11）に接続されたシリ
   ンダ／ピストンユニット（36,37）を有し、 そのバルブ手段（32,33）は、アクチュエータ（９）の
   排気のために開かれる第１バルブ（32）と、アクチュエ
   ータ（９）に加圧ガスを供給するために開かれる第２バ
   ルブ（33）とからなることを特徴とする請求項３に記載
   の呼吸バルブ。
5. 【請求項５】前記バルブアクチュエータ（９）のピスト
   ン（37）は、実質的に異なった面積を有する背中合わせ
   の圧力面（37a,37b）を備え、 小さい方の圧力面（37a）は、加圧ガス源（11）からの
   一定の圧力を受け、 これによりアクチュエータ（９）は、反対側の圧力面が
   加圧ガス源（11）からガスが供給されるかあるいは排気
   されるに従って、圧力の方向を変えることを特徴とする
   請求項４に記載の呼吸システム。
6. 【請求項６】前記スプリング手段（29,30）のスプリン
   グ力は、システムの過圧力の調整のために、調整可能で
   あることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載
   の呼吸システム。
7. 【請求項７】前記ドージング手段（13）は、第１バルブ
   （41）を介して加圧ガス源（11）に接続されるととも
   に、第２バルブ（43）を介して呼吸バッグ（１）の内側
   に接続されたガスレザーバを有し、 前記各バルブは、共通の駆動手段（44）によって駆動さ
   れるようになっていることを特徴とし、 さらに、モードレギュレータ（10）のバルブ手段（32,3
   3）とアクチュエータ（９）との間の導管（39）に、コ
   ントロールダイヤフラム（48）が配置され、 該ダイヤフラムは、駆動手段（44）に接続され、アクチ
   ュエータ（９）の排気中に第２バルブ（43）の開放をも
   たらすことを特徴とする請求項３及び４に記載の呼吸装
   置。
8. 【請求項８】呼吸システムの中に十分なガスが存在する
   か否かを検出する検出手段（14）を有し、 該検出手段は、呼吸バッグ（１）の所定の充満度を越え
   た場合に、ブロッキング手段（52,53）を駆動し、ドー
   ジング手段（13）の駆動部材（44）が前記第２バルブ
   （43）を開くのを阻止するようにしたことを特徴とする
   請求項７に記載の呼吸システム。
9. 【請求項９】前記ブロッキング手段は、検出手段（14）
   の中のバルブ手段（20）を介して加圧ガス源（11）に接
   続された空気圧ピストン（53）で構成されていることを
   特徴とする請求項８に記載の呼吸システム。