JP5053994B2 - オープンサーキット呼吸装置と共に用いられる空気再循環装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイバー、修理員、消防士、又は当該機器の他のユーザによって使用される、濾過、圧縮、又は他の形での任意の呼吸可能なガスの有効範囲を延ばし且つ／又はその阻害を減らす装置、及び当該装置を使用する方法に関する。

［関連出願］
本願は、２００５年４月７日に出願された米国仮特許出願第６０／６６９，１５５号の利益を主張し、その本文の全体が参照により本明細書に援用される。

全てのリブリーザは、概して、特定の基本構成要素を共通して有する。通常、ダイバーが呼気すると膨張してダイバーが吸気すると収縮するカウンターラングと呼ばれる折り畳み式の袋（ダイバーの１回換気量以上の大きさ）、ＣＯ_２吸収化学物質（ソーダ石灰又は水酸化リチウム）を収容しているＣＯ_２吸収缶、及び代謝された酸素の補充を可能にする或る種の呼吸ガス注入システムが取り付けられる、呼吸ループをもつ設計で機能する。

オープンサーキットスキューバでは、ダイバーが呼吸可能であり既定の深度限界外にいない場合、呼吸ガスが生命維持を行うようになっている（シリンダが適切に充填されていた場合）。オープンサーキットシステムに問題がある場合、問題は通常ダイバーにはっきりと自覚されるため、ダイバーは少なくとも問題を意識して解決するための措置を取ることができる。

他方、リブリーザ内の呼吸ガスは動的であるため、酸素濃度が１回の潜水の間に生命維持範囲から外れる場合がある。酸素添加弁がトリガされる前にダイバーが気付かぬうちに呼吸ループ内の全酸素を呼吸し尽くしてしまうことで、窒素のみが残り、ダイバーが意識不明になる可能性がある。

セミクローズドリブリーザの場合、呼吸ループ内の酸素濃度はダイバーの作業負荷に応じて変わる。特定の状況下では、特に重労作業時及び／又は浮上時に、セミクローズドリブリーザの酸素濃度は危険なほど低いレベルに低下し得る。

クローズドサーキットリブリーザに固有の弱点は、呼吸ループ内の酸素濃度の制御を電子機器に依存していることである。水中写真家であれば知っているように、電子機器と水（特に塩水）とは相性が悪い。実際に、クローズドサーキットリブリーザは、電子Ｏ_２制御システムの故障（呼吸ループ内の酸素の過多又は過少につながる）を主な原因として、「信頼性がない」といういくぶん芳しくない評価を受けてきた。

［発明の概要］
本明細書で説明するように、１回換気量未満のリブリーザ（ＳＴＶＲ）を含む呼吸装置が示される。ユーザが持ち運んで消費する供給ガスを減らすことに加えて、本装置の種々の実施形態は、再循環ガス混合物内の酸素の分圧を監視、制御、又は表示する必要なく供給源から再循環された健常な生命維持レベルの酸素も提供する。

［発明の詳細な説明］
説明のために、本発明の１つ又は複数の実施形態によるＳＴＶＲは、例示的な一実施形態の以下の要素を説明すれば最もよく理解できる。示されるいくつかの要素は、本発明の他の態様に従ってさまざまに組み合わせ、省略、又は配置することができることを理解されたい。

１回換気量未満のカウンターラング（図１、図２、及び図３のＳＴＶｃｌ）

ＳＴＶＲは、クローズドサーキットＳＣＵＢＡシステムの呼吸ループよりもむしろ、１回換気量未満のカウンターラング（ＳＴＶｃｌ）を使用し、これは、呼気ごとにダイバーの１回換気量（ＲＴＶ）のうちＣＯ_２量が最も少ない最初の部分（front portion）（約１〜２リットル）のみをシステムが保持して再循環させるようにする。

作業負荷又は圧力の増加時にダイバーの分時換気量（ＲＭＶ）（１分間当たりにダイバーが消費するガスの容積）が増加しても一定のままであることで、ＳＴＶｃｌは、フレッシュガスが底をついたときに追加のフレッシュガスの要求がフレッシュ呼吸ガス添加システムによって解消されることを確実にする。

ユーザの呼吸が深いほど、吸入されるフレッシュガスが多くなる。

システムの低酸素状態は、浅い自発呼吸がバイパスフレッシュガス注入と組み合わさることによってのみ生じ得る。しかしながら、これは、血液系のＣＯ_２増加（たとえカウンターラングの空気がＣＯ_２除去されていても）に続いて「反射性のあえぎ呼吸」（軽度の高炭酸ガス症によって誘発される）を引き起こし、低酸素状態の発生のかなり前にタンクから直接一連の深い酸素呼吸が行われる。

空気を使用し空気潜水の規則及び制限を守ることでダイバーが十分に許容限度内（０．１６＜ｐｐＯ２＜１．６）に保たれるため、ＣＮＳ（中枢神経系）酸素中毒は考慮対象にはならない。同じ規則が混合ガス潜水（ナイトロックス(Nitrox)、ヘリオックス(HeliOx）、トライミックス(TriMix)）にも当てはまる。

周囲圧力呼吸管又はコネクタ（図１及び図３のＡＰＢＴ）
ユーザインタフェースを過圧逃がし弁及びＣＯ_２吸収缶・隔離弁に接続する、約１０ｍｍ〜５０ｍｍの内径を有する可撓性の管又はコネクタ。平常安静呼吸時にほとんど又は全く抵抗なく呼吸ガスを流すことができることで、管の限られた内径が受動的システムバイパスとしての役割を果たす。呼吸ガスの流速が少しでも増加する（高ＲＭＶに伴って呼吸数が増える）と、システム内の呼吸抵抗が増して、フレッシュ呼吸ガス添加システムから直接のフレッシュガス流が自動的にトリガされる。

ユーザの呼吸が速くなるほど、吸入されるフレッシュガスが多くなる。

過圧逃がし弁（図１、図２、及び図３のＯＲＶ）
この弁は、周囲圧力呼吸管及びＣＯ_２吸収缶・隔離弁に接続され、ＳＴＶｃｌが最大に膨張すると、呼気ごとにダイバーのＲＴＶのうちＣＯ_２量が非常に多い終末部分（back portion）を、缶内に収容されているＣＯ_２吸収化学物質に達する前に水中に放出する。特定の実施形態では、ＯＲＶは、放出圧力を変えることができるように調整可能である。

ユーザインタフェース（図１、図２、図３、及び図４のＲｅｇ２、ＤＳＲｅｇ２、ＤＨＢＬ、並びにＢＧＦ）
周囲圧力呼吸管又はコネクタは、セカンドステージレギュレータの空気室、マウスピース、ダブルホース呼吸ループ、又はフィルタシステムと繋がって、ＳＴＶＲ及びユーザの主要フレッシュ呼吸ガス源との併用を可能にする。

一実施形態では、セカンドステージレギュレータは、ユーザが標準的なオープンサーキットＳＣＵＢＡモードとＳＴＶＲモードとの間での切り替えを行うことができるようにするＤＳＲｅｇ２である。いくつかの実施形態では、レギュレータは、ねじ込み式コネクタ、スピードコネクタ、選択ホイール、又は変換継手を備えることにより、ユーザが標準的なオープンサーキットＳＣＵＢＡの動作とＳＴＶＲ強化動作との間で動作モードの切り替えを行うことができるようにする。特定の実施形態が図４に示されている。他の実施形態では、ＯＲＶがレギュレータに取り付けられ、ＡＰＢＴの取り付け又は取り外しによって２つの動作モード間の切り替えが行われる。別の実施形態では、ＯＲＶがレギュレータに取り付けられ、２つの動作モード間の切り替えはＯＲＶとＳｃｒｕｂ／ＳＴＶｃｌとの間に位置付けられる遮断弁によって行われ、弁が遮断されるとガスがそれ以上Ｓｃｒｕｂ／ＳＴＶｃｌに流れ込まないようになっている。２つの動作モード間の選択は、目的を問わず（例えば、ＳＴＶＲが動作不可能になった場合、例えば詰まった、溢れた、又は不完全な場合に）いつでも又はいかなる状況下でも（例えば、水面又は水中で）行うことができる。

ＣＯ_２吸収缶・隔離弁（図１、図２、及び図３のＳｃｒｕｂ及びＩＶ）
ダイバーが呼出するＣＯ_２の大半は、水中に放出される。これにより、１回の潜水当たりの缶内に収容されているＣＯ_２吸収化学物質の使用を従来のリブリーザよりもはるかに少なく（約１／１０）することができる。ＣＯ_２吸収化学物質は、タンク補充ごとに交換されるため、潜水中及び次の潜水までの間の化学物質の寿命を計測する必要をなくし、高炭酸ガス症の危険を事実上なくす。

ＣＯ_２吸収缶を調整可能な過圧逃がし弁及び／又は周囲圧力呼吸管に接続する隔離弁は、システムの故障、浸水又は水面での水泳移動の場合にダイバーが（マウスピースの交換を必要とせずに）完全なオープンサーキットＳＣＵＢＡとの交互の切り替えを行うことを可能にする。

ＳＴＶＲは、ユーザのＲＴＶの容積よりも少ない容積のカウンターラングから構成することができ、ＣＯ_２吸収缶及び過圧逃がし弁を介してアダプタによってセカンドステージレギュレータの空気室、マウスピース、ダブルホース呼吸ループ、又はフィルタシステムに接続される。

また、一実施形態では、カウンターラングの容積は、最低が約１リットルで最高が海面位（１ＡＴＡ）での軽度又は平常の活動時のユーザのＲＴＶの約３／４であり得る。

別の実施形態では、周囲圧力呼吸ホース（複数可）は、緩やかな又は軽度の活動時のＲＭＶで自然な空気流を可能にするような内径（１０ｍｍ〜５０ｍｍ）、長さ、及び形状である。

さらに別の実施形態では、ＣＯ_２吸収缶は、過圧逃がし弁とカウンターラングとの間、又は当該カウンターラング内に位置付けられる。

１つの方法では、本発明の別の態様によれば、ユーザの平常のＲＭＶで自然な空気流を可能にするような断面及び／若しくは長さの周囲圧力呼吸管（ＡＰＢＴ）（図１及び図３）又はコネクタが、セカンドステージレギュレータの空気室（Ｒｅｇ２）（図１）、マウスピース、ダブルホース呼吸ループ（ＤＨＢＬ）（図２）、又は呼吸ガスフィルタ（ＢＧＦ）（図３）を、隔離弁（ＩＶ）、過圧逃がし弁（ＯＲＶ）、及びＣＯ_２吸収缶（Ｓｃｒｕｂ）を介してユーザのＲＴＶの容積よりも少ない容積の１回換気量未満のカウンターラング（ＳＴＶｃｌ）に接続する装置が提供される。カウンターラング（ＳＴＶｃｌ）は、ユーザの呼気時に完全に膨張すると、ユーザの１回呼気量（exhaled Respiratory Tidal Volume）のうちＣＯ_２量が非常に多い終末部分を、ＣＯ_２吸収缶（Ｓｃｒｕｂ）に収容されている消耗品に達し得る前に上述の過圧逃がし弁（ＯＲＶ）を介してシステムから押し出す。ユーザの吸気時に上記カウンターラング（ＳＴＶｃｌ）が完全に収縮すると、圧縮（ＢＧＴ／Ｒｅｇ１／ＭＰ／Ｒｅｇ２）（図１及び図２）源であろうと周囲（ＢＧＦ）（図３）源であろうとフレッシュガス注入をトリガし、ユーザの１回吸気量（inhaled RTV）を完成させる。

ＳＴＶＲを使用する方法
図１及び図４を例示的な一実施形態として用いて、ユーザの最初の吸気前にＳＴＶｃｌが底をついた（空になった）と仮定すると、上記ユーザは以下の手順を踏む。

この場合はＢＧＴ／Ｒｅｇ１／ＭＰ／Ｒｅｇ２（又はＤＳＲｅｇ２）から構成されるフレッシュ呼吸ガス添加システムによって完全に供給されたＲｅｇ２又はＤＳＲｅｇ２を通して、完全にＲＴＶがユーザーによって吸入される。

続いて、Ｒｅｇ２（又はＤＳＲｅｇ２）／ＡＰＢＴ／ＯＲＶ／ＩＶ／Ｓｃｒｕｂを通してＲＴＶの最初の部分がＳＴＶｃｌに呼出され始め、ＳＴＶｃｌは、完全に膨張すると、ユーザの１回呼気量のうちＣＯ_２量が非常に多い終末部分を、Ｓｃｒｕｂに収容されているＣＯ_２吸収化学物質に達する前にＯＲＶを介してシステムから押し出す。

ユーザがＳＴＶＲに収容されているＣＯ_２除去された空気を吸入すると、ＳＴＶｃｌが底をつくことでフレッシュ呼吸ガス添加システム、この場合はＢＧＴ／Ｒｅｇ１／ＭＰ／Ｒｅｇ２（またはＤＳＲｅｇ２）がトリガされ、１回吸気量を補完するというユーザによるシステムへの要求が解消される。

範囲、材料、及び変形形態
上掲の例は、特定の値、材料、及び要素の向き及び場所を含んでいるが、他の可能性もあり、本発明の種々の実施形態の精神内にある。

例えば、周囲空気ホース手段の断面は、丸形、楕円形、矩形、三角形、又は平坦なテープ状であり得る。ホースの断面積及び全容積は、概して、考えられる最大の量の呼気が缶又はスクラバ手段によって処理されるようにできる限り小さくすべきである。ホース又は管の外形が非常に狭いと、空気が肺によって押し出されるとき（ストローから吹き出そうとするとき等）にホース又は管を通る量及び速度が制限されることは、当業者には認識されるであろう。したがって、本発明の１つ又は複数の実施形態によるホースは、１０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲の直径又は１ｃｍ^２〜１０ｃｍ^２の断面積を有する。このようなホース又は管は、システム内の死腔(dead-air space)が最少量になることを確実にするようにできる限り小さな内部容積を有するべきである。さらに、別の特定の実施形態では、ホースが省かれて、スクラバ及びカウンターラングをマウスピースに直接接続するための接続部材又は接続手段で置き換えられる。別の実施形態では、スクラバがカウンターラング内に同心状に収納され、過圧弁がマウスピースの近位にある。

スクラバ、缶、及びＣＯ_２除去手段又は処理デバイスは、当該技術分野で既知であり、本明細書に記載されている実施形態はソーダ石灰を利用するが、本方法及び装置に従って他の化学物質及びデバイスを利用してもよい。

カウンターラング又はブラダ状デバイス又は手段は、当該技術分野で既知の種々の可撓性材料製であってもよく、又は折り畳まれて容積を変える能力を有する半剛性のアコーディオン状デバイスであってもよい。カウンターラング又はブラダの容積は、ユーザが種々の深度で再循環させるべき空気の量を微調整すること若しくは種々の肺気量を有する個人に対応させることを可能にするように設定されるか又は調整可能であり得る。

上述のように、リブリーザデバイスは、タンクから供給される圧縮空気又は混合ガスと共に用いられ得る。しかしながら、水上のコンプレッサ等の他の供給源からの圧縮空気を用いる他の構成も可能である。代替的に、再循環させるべき主要空気源は、圧縮源からである必要はなく、例えば、本発明の一実施形態による１回換気量未満のカウンターラング及び缶機構をガスマスク又はフィルタマスクと共に用いるように構成して、フィルタを長持ちさせるか又は吸入される毒性空気の量を制限することもできる。

本明細書全体にわたって、ユーザをダイバーと呼んでいる。これは、この種の機器の需要が最も多い標準的ユーザがダイバーであるため、例示を目的としたものである。さらに、本発明の１つ又は複数の方法は、クローズド又はセミクローズドサーキットＳＣＵＢＡ、ガスマスク、及び他の非圧縮空気呼吸装置と共に用いるようになっていてもよい。

［例１］
表１は、ＳＴＶＲを用いずに同じ試験条件下でユーザを１時間５分維持した標準的なエアタンク（この場合はＳｃｕｂａｐｒｏ 最大８．８９リットルで２３０バール）の性能の向上を示す。これは、４１５％の性能向上に相当する。

本発明は、その好適な実施形態に関して特に図示及び説明したが、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱せずに、形態及び詳細に種々の変更を加えることができることが、当業者には理解されるであろう。

セカンドステージレギュレータの空気室に取り付けられる装置のシングルホースペンデュラム式の実施形態の正面図である。 ダブルホース呼吸ループに含まれる本発明の一形態の正面図である。 濾過された非圧縮ガス源を利用する本発明の一態様による装置の正面図である。 標準的なオープンサーキット機器の代替的な使用を可能にするＳＴＶＲ専用セカンドステージレギュレータの上面図である。

符号の説明

ＡＰＢＴ 周囲圧力呼吸管
ＢＧＦ 呼吸ガスフィルタ
ＢＧＴ 呼吸ガスタンク
ＤＨＢＬ ダブルホース呼吸ループ
ＩＶ 隔離弁
ＭＰ 中間圧力ホース
ＯＲＶ 過圧逃がし弁
Ｒｅｇ１ ファーストステージレギュレータ
Ｒｅｇ２ セカンドステージレギュレータ
Ｓｃｒｕｂ ＣＯ_２呼吸缶
ＳＴＶｃｌ １回換気量未満のカウンターラグ
ＳＴＶＲ １回換気量未満のリブリーザ
ＲＴＶ １回換気量
ＲＭＶ 分時換気量
ＤＳＲｅｇ２ 専用セカンドステージレギュレータ

Claims (7)

1. オープンサーキット呼吸装置と共に用いられる空気再循環装置であって、
   第１の端及び第２の端を有する周囲圧力ホースであって、該第１の端は、セカンドステージレギュレータの入口に結合されるようになっている、周囲圧力ホースと、
   前記周囲圧力ホースの前記第２の端と結合される１回換気量未満のカウンターラングと、
   前記周囲圧力ホースに接続される、周囲圧力よりも大きな閾値を有する過圧逃がし弁と
   を備え、
   前記周囲圧力ホースは、１０ｍｍ〜５０ｍｍの内径を有することを特徴とする空気再循環装置。
2. オープンサーキット呼吸装置と共に用いられる空気再循環装置であって、
   第１の端及び第２の端を有する周囲圧力ホースであって、該第１の端は、セカンドステージレギュレータの入口に結合されるようになっている、周囲圧力ホースと、
   前記周囲圧力ホースの前記第２の端と結合される１回換気量未満のカウンターラングと、
   前記周囲圧力ホースに接続される、周囲圧力よりも大きな閾値を有する過圧逃がし弁と
   を備え、
   前記カウンターラングの容積は、１ＡＴＭでの軽度又は平常の活動時のユーザの１回換気量の約３／４である、請求項１に記載の空気再循環装置。
3. 前記周囲圧力ホースに沿って接続される、ＣＯ₂ガスを消耗させるように動作可能なスクラバをさらに備える、請求項１又は２に記載の空気再循環装置。
4. オープンサーキット呼吸装置と共に用いられる空気再循環装置であって、
   第１の端及び第２の端を有する周囲圧力ホースであって、該第１の端は、セカンドステージレギュレータの入口に結合されるようになっている、周囲圧力ホースと、
   前記周囲圧力ホースの前記第２の端と結合される１回換気量未満のカウンターラングと、
   前記周囲圧力ホースに沿って接続される、ＣＯ₂ガスを消耗させるように動作可能なスクラバと、
   前記周囲圧力ホースに接続される、周囲圧力よりも大きな閾値を有する過圧逃がし弁と
   を備え、
   前記スクラバは、前記カウンターラングと同心状に位置付けられることを特徴とする空気再循環装置。
5. オープンサーキット呼吸装置と共に用いられる空気再循環装置であって、
   第１の端及び第２の端を有する周囲圧力ホースであって、該第１の端は、セカンドステージレギュレータの入口に結合されるようになっている、周囲圧力ホースと、
   前記周囲圧力ホースの前記第２の端と結合される１回換気量未満のカウンターラングと、
   前記周囲圧力ホースに沿って接続される、ＣＯ₂ガスを消耗させるように動作可能なスクラバと、
   前記周囲圧力ホースに接続される、周囲圧力よりも大きな閾値を有する過圧逃がし弁と
   を備え、
   前記過圧逃がし弁は、前記周囲圧力ホースの前記第１の端と前記スクラバとの間に位置付けられることを特徴とする空気再循環装置。
6. 前記カウンターラングは、可変且つ調整可能な容積を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の空気再循環装置。
7. 前記周囲圧力ホースは、０．５ｃｍ〜１００ｃｍの長さである、請求項１〜６のいずれかに記載の空気再循環装置。

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