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第2編 送気、潜降及び浮上

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送気、潜降及び浮上

 

第2編 送気・潜降及び浮上

水野 泳

 

この第2編「送気・潜降及び浮上」は、

 

計算問題などが出されるので、

 

ちょっとつらいけど、

 

がんばりましょうね。※1

がんばったら、あとで、ご褒美をあげますね。

 

海野 聖



 

え~。ご褒美?なんだろう?楽しみだな。

 

よろしくお願いします。



 


 

※1

ここでは計算問題、図や絵が問題に描かれており空欄となっている送気の流れや器具の部位の名称を入れる問題が出題されたりします。

 

計算問題は、空気容量を計算する問題、給気可能時間を求める計算問題などが出題されます。

 

平成27年4月の一部改正高圧則により、混合ガス潜水や減圧計算が全面的に見直されました。

 

以前の減圧表による計算とは全く異なり、あとで勉強しますが、初心者の人には、とても難しい内容である減圧理論・半飽和組織、M値の計算、空気潜水と混合ガス潜水の減圧表など、その内容も複雑で理解も計算も困難なものとなっております。

 

できるだけわかりやすく説明及び計算の方法を書いているつもりですが、中央労働災害防止協会「潜水士テキスト」も参考にして理解を深めることが重要です。

 

一部改正高圧則では、事業者はもちろん、潜水者自らも減圧計算をできるよう求められておりますので、しっかりと勉強することが必要です。

 

 


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給気及び送気

 潜水の業務に必要な給気及び送気

水野 泳


潜水にはいろいろな呼吸ガスの種類、潜水方式によって、給気や送気の方法が違うことを勉強したけど覚えてる?

 

どの潜水方式や給気及び送気方法でも、潜水者の活動に十分な呼吸ガス量を確保し、供給し、緊急用の呼吸源を準備しておくことが必要ですね。


法律の高圧則では、圧縮空気の品質、混合ガスの組成や混合精度などについて定められてはいないけれど、呼吸するものなので十分注意が必要だよ。

それらについて、これから勉強するよ。

 

あと、「給気」というのは、ボンベなどから呼吸ガスを供給することで、

「送気」というのは、送気ホースから呼吸ガスを供給することだからね。

 

海野 聖

え~と・・・空気潜水と混合ガス潜水・・・で、

 

空気潜水は、空気とナイトロックス

混合ガスは、ヘリオックス、トライミックスでした。

 

それと・・・送気式にスクーバ式(自給式)・・・で、

 

送気式は、定量式とデマンド式(応需式)、

 スクーバ式は、開放式と閉鎖循環式(リブリーザ)でしたね。

 

空気潜水における給気及び送気

水野 泳

「空気潜水」における給気及び送気は、コンプレッサーで必要な圧力まで空気を圧縮して使用する方法だよ。

 

きれいな空気を使用するよう、空気取り入れ口の設置場所、風の向き、変化に注意して、排気ガスなど(一酸化炭素)が入らないように十分注意しなければならないことは前にも勉強しましたね。

 

コンプレッサーは、最低でも1週間に1回以上の点検を行い、空気洗浄装置は1か月に1回以上、点検することが法律で義務付けられているからね(高圧則第37条)。

 

海野 聖

 

新鮮な空気の圧縮と

 

コンプレッサーは、1週間に1回以上、

 

空気洗浄装置は1か月に1回以上の点検ね。

 

スクーバ(自給気式)潜水方式に必要な給気

水野 泳

スクーバ式の場合の給気量は、

 

潜水者が携行する高圧ボンベの本数、高圧ボンベの充填圧力、又は空気圧力、潜水深度と潜水者の呼吸量(人によって消費量は異なります。)によって決定されるからね。

 

特に、深い水深の潜水を行う場合には、呼吸ガスを消費する量が多くなり、短時間で給気量を消失するので、給気能力を常に把握しておくことが必要だよ。

 

そして、ここでは、計算問題が大事なところだから良く覚えてね。

 

「給気量の計算」だよ。

 

給気量の計算は、ボイルの法則によって求められます。 

 

ボイルの法則、覚えてる?

 

 

海野 聖

 



圧力が増えると体積は減る・・・


圧力に対して体積は反比例するということでしたね。



 

水野 泳



そうね。公式は以下の通りだよ。


P×V= P2×V2 =一定 

P(大気圧): V(大気圧下での容積)

P2(高圧ボンベ内の空気圧力): V2(高圧ボンベの容積)

※ 高圧ボンベの圧力は、ゲージ圧力であることに注意してね。



じゃ、ちょっと例題をやってみるよ。

[check](例)19.6MPaで充填された容積14リットルの高圧ボンベの空気容量を大気圧に換算すると、何リットルになるか。

  • 0.1Mpa×大気圧下での容積 = 19.6MPa×14となり、
  • 大気圧下での容積は、=2,744リットルとなります。

 

 

海野 聖




うんうん。





 

水野 泳

つぎに、ボイル・シャルルの法則も、空気容量に関係してくるので、この公式も覚えておいてね。

気体の体積は、圧力のほかに温度にも影響を受けるということでしたね。

「ボイル・シャルルの法則」とは、「気体の法則」のページ参照

大気圧でのボンベの圧力をP、水中でのボンベの圧力をP2、絶対温度をT、水中での絶対温度をT2、大気圧のボンベの内容積をV、水中でのボンベの内容積をV2とすると、

ボイル・シャルルの法則
温度の変化と気体の圧力と体積の変化の関係



 PV    P2V2
ーーー = ーーー 
 T     T2

低い水温によって、高圧ボンベ内の空気が冷やされると、圧力が低下し、空気容量も影響を受けるよ。

じゃあ、ここでも例題をやってみよう。


空気温度が50℃であったものが、このボンベを使用して、水温20℃の水に潜水し、タンク圧力がに19.6MP(メガパスカル)であった場合、水中でのボンベの圧力は、


19.6×14   P2×14
ーーーーーー = ーーーーー  
273+50   273+20


274.4     14P2
ーーーーーー = ーーーーーー 
 323      293

80399.2 = 4522P2 = P2 =17.77


潜水者が空気を消費したわけではないのに、19.6MPaから17.8MPaまで圧力が減少します。

 

この時のボンベの容量が14リットルのとき、この圧力を空気容量に換算すると、ボイルの法則から

 

0.1MPa×V=19.6MPa×14=2,744リットル

0.1MPa×V2=17.8MPa×14=2,492リットル 

 

となり、約252リットルも減少したことになります。

気温と水温にも空気容量が影響されることを覚えておきましょう。

 

 

海野 聖

 

はい。そっか、炎天下にボンベを

 

外に放置しないように習ったのは

つまり・・・

今の逆で、空気容量が増えるから

 

ボンベが危険になるからだね。

 

給気可能時間(潜水可能時間の算出) 

水野 泳

 

 

給気可能時間(潜水可能時間の算出)というのは、

 

例えば、一つの空気ボンベで、どのくらいの時間潜っていられるか?ということで、

 

ここの計算も、よく試験に出題されるし、実際の潜水でもとても大事なところだからよく覚えて。

  

 

 

海野 聖




はい。





 

水野 泳

 

さっき、勉強した空気ボンベの空気容量がわかれば、潜水者の空気消費量から給気可能時間(潜水可能時間)がわかるよね。

 

潜水者の呼吸量は、作業・運動内容により異なり、個人差もあるけど、

スクーバ式潜水の場合は、毎分13リットルから、重労働では50リットル、

 

平均では毎分約20リットル程度消費すると言われているんだ。

潜水者の呼吸量の平均値と、潜水深度に相当する圧力がわかれば、平均的な空気消費量を求めることができるね。

潜水では、潜水深度に相当する圧力に応じた空気を呼吸することになるので、

 

[check](例)水面上で20リットルの空気を消費するダイバーが、水深20mで潜水する空気消費量は何リットルか?

 

3気圧(水深20m)×20リットル=毎分60リットル

となるよ。

 

 

そして、高圧ボンベの空気容量を、平均の空気消費量で割ると給気可能時間(潜水可能時間)を求めることができるね。

 

通常、求める場合には、緊急用の空気量を確保しておくために、5MPaを実際の圧力からあらかじめ差し引いて計算し、安全を確保しておくように計算するよ。

 

[check](例)空気消費量が毎分20リットル消費する潜水者が、水深20mで、容量14リットル、圧力19MPaの空気ボンベを使用しました。この潜水者の給気可能時間はどのくらいか。ただし、安全のためあらかじめ5MPaは残しておくものとする。

 

0.1×V(高圧ボンベの空気容量)=(19ー5)×14となり、

V=1,960リットル

 

この容量を水深20mでの消費量60リットルで割ると、

1960÷60=32.66   約32分となるよ。

 

スクーバ潜水では、状況により空気消費量が変化するので、常に潜水時間と残圧計による空気圧力を把握しておいてね。  

 

海野 聖

 なるほど。呼吸の空気消費量と水深の圧力、

 

それにボンベの空気容量がわかれば簡単にでますね。

 

初心者の場合は、空気消費量が多くなるし、

 

深いところへ潜れば、それだけ消費量も増えるし、

 

大まかな目安ですね。 

高圧ボンベへの圧縮空気の充填 

水野 泳

 

ここは直接的には、潜水者とは係わりが薄いけど、使用する空気ボンベについても、いろいろな法律の規制を受けているということを覚えておいてね。

 

ゲージ圧力1Mpa以上の気体は、すべて高圧ガス保安法の適用対象となるんだ。

 

気体となっているので、もちろん空気を充填する場合も該当するんだよ。


充填する場合だけど、製造する場合には、1日(24時間)の処理容積によって、都道府県知事の「許可」や「届出」、有資格者の配置も求められるんだ。※1

 

 

※1

1日(24時間)の処理容積によって、高圧ガス保安法第5条第1項、同法施行令第3条の適用を受け、圧縮空気の容積が300立法メートル以上のコンプレサーを使用する場合には、都道府県知事の「許可」を受け、有資格者の配置も求められます。

 

また、300立法メートル未満の場合には、製造開始の20日前までに「届出」なければなりません。


 

送気式潜水における送気 

水野 泳

 

つぎは、空気潜水の送気式だよ。

 

送気式は、送気ホースを使用している潜水方法ということでしたね。

 

この場合だけど、送気式潜水における空気の送気は、コンプレッサー、高圧ボンベ、若しくはその両方を使用して行われます。

 

ヘルメット潜水器などの定量送気式潜水器と、
全面マスク潜水器などのデマンド式(応需式)潜水器では、送気量及び送気圧力が法律(高圧則第28条)で定められているよ。

 

それと、送気設備に求められるものとして、次の事項があるけど、潜水士のことを考えれば当たり前のことだよね。

 

1 潜水者の呼吸変化に十分対応できる送気容量を有すること。
2 ヘルメットや全面マスク内に炭酸ガスが滞留しないように、十分に換気することができる送気量であること。
3 送気ホースや継手による圧力損失、および潜水深度での水圧に打ち勝つ送気圧力であること。送気系統

 

 

 送気式は、前にもイラストで勉強したけど、高圧ボンベなどと一緒に使う場合もあるよ。

送気系統2-1

 

定量送気式潜水方式に必要な送気 

水野 泳

送気量 なんだけど、

定量送気式潜水器では、呼気がヘルメット内に吐き出されてヘルメット内の空気と混ざり、炭酸ガスが潜水服のなかに溜まって濃度が濃くなります。

 

そうすると、あとで、「高気圧障害」で勉強するけど、呼気中の炭酸ガス分圧が1.5kPa(大気圧下で1.5%の濃度)を越えると炭酸ガス中毒になるおそれがあるんだ。



この炭酸ガスの蓄積は、減圧症のリスクを高めることにもなるので、そのためにも炭酸ガス濃度が濃くならないよう常に新鮮な空気を送り続けることが必要だね。

また、潜水者ごとに、その水深の圧力下で、毎分60リットル以上の送気量とするよう高圧則第28条で規定されているんだ。

この60という数字、「潜水業務の計画・管理」のところでの計算問題にも使用されていたよね。

定量送気式(圧力調整器を使用しない場合)の60、圧力調整器(レギュレーター)を使用する場合は、40という数字が使われてたけど覚えてる?

 

海野 聖

 

定量送気のヘルメットは60、勉強しましたね。

なんか、だんだん難しくなってきたけど・・・

本当にご褒美くれるのかな?・・・

 

水野 泳

まだまだこれからどんどん難しくなるからがんばって。

さてと、送気圧力にいくよ。

 

空気をホースで送るのだから、ホースと空気の摩擦で抵抗が出てくるし、ホースが長くなればなるほど、抵抗も増えるよね。

 

定量式送気式潜水は、送気ホースや配管類、継手、バルブ等の抵抗により送気圧力は失われるので、その失われた圧力を加えた圧力以上がなければ、潜水者に適量な空気は送られないことになるよね。

 

配管方式や送気するホースの長さなどによって、圧力損失の度合いは違ってくるけど、

一般的には100kPa~300kPa(0.1~0.3MPa)程度が失われると言われているよ。だから、次の例を見てみると

 

[check](例)水深15mでの送気圧力は?

水圧150kPa+(100kPa~300kPa)=250~450kPa以上が必要となるということだよ。 ※ ゲージ圧であることに注意

 

海野 聖




ふむふむ。




 

デマンド式(応需送気式)潜水方式に必要な送気 

水野 泳

デマンド式の送気量だけど、全面マスク式は、潜水者が呼気するごとに空気が送気されるため、潜水作業の状況により、送気量は大きく変わりますね。

 

陸上でもそうだけど、激しい作業・運動を行っているときは呼吸量は多くなるよね。

 

水中でも同じで、送気量は多くなり、減圧時の浮上停止など身体を動かさず、安静な状態にあるときは少なくなるよ。

呼吸量の変化が大きいので、潜水者の呼吸における瞬間的な最大呼気量に対応できる送気量が必要なんだね。

 

さっきの40という数字は、激しい運動・作業は、毎分40リットル程度の空気を消費するので(安静状態では8~10リットル程度)、この空気消費量を基準としたものなんだ。

 

例えば

[check](例)水深20mで、激しい作業を行う場合のデマンド式の送気量は、海面上、大気圧に換算すると、

3(絶対圧)×40=120リットル以上の送気能力が必要となるよ。

 

この圧力調整器を使用するデマンド式潜水の場合、潜水者ごとにその水深の圧力下で、毎分40リットル以上の送気量とするよう高圧則第28条で規定もされているからね。

 

後で勉強する「関係法令」にも同じことが出てくるよ。

 

海野 聖

 

デマンド式(応需式)

圧力調整期(レギュレーター)を使用する場合は、

 

40ね。



 

水野 泳

デマンド式の送気圧力だけど、さっき勉強した、水圧やホース等による抵抗のため送気圧力が減るけど、

 

さらに圧力調整器(レギュレーター)が作動するのに必要な送気圧力を加えたものとしなければならないんだ。

 

もちろん、作動する圧力はレギュレーターの種類により異なるけど、

 

 

例えば、
[check](例)作動圧力が500kPa(0.5MPa)のレギュレーターを使用して水深20mで作業を行う場合のゲージでの送気圧力はいくらか。

 

200kPa(水深ゲージ圧)+100kPa~300kPa+500kPa=800~1000kPa以上(0.8~1.0MPa)となります。

 

それと、「全面マスク式」の「設備と器具」のところで勉強したけど、全面マスク式又はフーカー式のコンプレッサーは、その水深の圧力下において、毎分40リットル以上を送気できるものを使用し、かつ、送気圧をその水深の圧力に0.7MPaを加えた値以上としなければならないと高圧則第28条で規定されているから、

 

800~1000kPa以上(0.8~1.0MPa)の範囲内でいいのだけれども、実際には、水圧+0.7MPaなので、

 

 

0.2MPa(200kPa)+0.7MPa=0.9MPa

 となり、0.9以上が必要となるんだ。

 

なお、1.0MPa以上となると、高圧ガス保安法の適用を受けることになるよ。※2

 

※2

炭酸ガスによる反応には個人差があり、同一人物でも日によって変化します。

 

また、作業が激しいほど呼吸量が増大し、排出される炭酸ガス量も増えるのでそれに見合った送気能力を有するものが必要です。


 

 混合ガス潜水における給気及び送気

水野 泳

ここは、今回、新たに法律で定められた混合ガスの給気と送気について勉強するよ。

 

混合ガスは、酸素と窒素とヘリウムを組み合わせたものが使用され、高圧ボンベ内の混合ガスを送気又は給気して行われるのが通常だよ。

 

厳密に言えば、空気もナイトロックスも混合ガスの仲間で、前にも勉強したけれど、潜水では、空気は、空気潜水の仲間に入るので含まれないからね。

混合ガス潜水の計画と立案と実施には、専門的な知識と専用の設備、多くの支援人員が必要なことを、「混合ガス・飽和潜水」のところで勉強したように、簡単に「混合ガス潜水」は行えないし、あらかじめ関係者に周知し、潜水作業計画に明記しておかなければならないよ。

 

また、混合ガス潜水は、深い長時間の潜水だから、呼吸ガスの消費量が多いため、通常は送気式潜水で行われますが、リブリーザー(閉鎖回路式)を使えばスクーバ式でも可能なんだ。

リブリーザも精密な器具で高価なものなので、簡単には使えないけどね。

 

混合ガスの入手は、混合ガスの混合比の精度の関係から、ガス製造会社に製造を依頼するのが一般的ですが、潜水作業現場で製造を行うこともあるよ。

混合ガス製造の作り方だけど、今のところ、次の3つの作り方だよ。※3

1 高圧混合方式
2 低圧混合方式
3 質量比混合方式

 

※3

混合ガスの製造方法は、次の3種類があります。

1 高圧混合方式

「ダルトンの法則(分圧)」を利用した混合方式で、高圧ボンベにあらかじめ原料ガスを充填しておき、それに目標とする混合比(分圧)に相当する圧力で成分ガスを重ねて充填する方法で、広く用いられている方法です。

 

2 低圧混合方式

比較的圧力の低い原料ガスと成分ガスを用意し、混合器を用いて製造する方法で、短時間での混合が可能なことから潜水作業現場での製造に適している。

混合精度が低く、混合異常や製造ロスが多いこと、混合比を変更できないなどの欠点があります。

 

3 質量比混合方式

高圧ボンベに充填したガスの質量を高精度な天秤を使って測定しガスの分子量と純度から濃度を正確にして精密な混合ガスを作る方法です。

質量計測に超精密天秤はかりを使用するので、大量生産には向いていません。

 

現場で混合ガスを製造するときは、ガス分析器等によって確認し、ガス会社で製造されたガスカードルは、ガスコントロールパネル(ガス送気調整操作盤)などを使用して、高圧ガスを潜水深度及び潜水器に見合った圧力まで減圧します。

 

海野 聖




高圧、低圧、質量の混合方式があるのね。




 

水野 泳


混合ガス潜水に必要なこととして、あとから「浮上(減圧)速度」や「高気圧障害」さらに「関係法令」でも勉強するけど、 

混合ガスのそれぞれの気体の割合などについては、呼吸ガス中のガスの分圧の上限が定められていることだよ。 

「分圧」については、「気体の法則」の「ダルトンの法則」で勉強したよね。

 

次のそれぞれの上限の値を越えることのないような範囲で使用するガスの割合を決めなければならないんだ(高圧則第15条) 

酸 素 18kPa以上160kPa以下
(潜水作業者が溺水しないよう必要な措置を
講じて浮上を行わせる場合にあっては、
18kPa以上220kPa以下)
窒 素 400kPa以下
ヘリウム 制限なし
炭酸ガス 0.5kPa以下

 

 

これはね、高い分圧のガスについて、

 

1 酸素は急性酸素中毒のおそれがあること、

2 窒素は窒素酔いのおそれがあること、

3 炭酸ガス(二酸化炭素)は炭酸ガス中毒のおそれがあること、

 

これらを防ぐために決められているもので、品質・規格も厳しく規定されているので、その規定に沿ってきちんと製造・管理されたものを使用しなければならないよ。

 

ヘリウムについては、中毒などのおそれはないから、規定されていないんだ。※4

 

※4

混合ガスの割合は、潜水深度等によって変わりますが、誤差をできるだけ小さくすることが安全な潜水につながり、その誤差は、プラスマイナス1%程度が求められます。

 


 

海野 聖

 

酸 素、18kPa以上160kPa以下(又は220kPa以下)

 

窒 素、400kPa以下

 

炭酸ガス(二酸化炭素)、0.5kPa以下

 

ヘリウムは、制限なしね。

 

水野 泳

 

混合ガスの送気・給気方法だけど、

送気は、混合ガスが充填された高圧ボンベから送気・給気されるよ。

 

送気式では、高圧ボンベを数本から30本程度まとめた集合体、ガスカードル(混合ガス潜水参照)から送気されるけど、

 

トラブルに備えて主送気と予備送気の2系統を用意しておくことが必要なんだ。 

 

混合ガスカードル1

混合ガス潜水では、デマンド式潜水器が使用されるので、送気量は高圧則により、最高の潜水の深度下で毎分40リットル以上を送気しなければならないよ。

 

潜水者や作業内容によって呼吸量が異なるため、計画通りの潜水業務にならないこともあるから、事故防止のためや安全のためにも、混合ガス量は、計画のおおむね1.3~1.5倍程度用意しておくことが必要だね。

 

スクーバ式ではリブリーザー(閉鎖回路型:スクーバ潜水を参照)が、潜水深度での変化に応じて呼吸ガスが調整され給気されるよ。

 

ということで、ここまで、よくがんばりましたね。

だから、約束どおりご褒美ね。

 

海野 聖




 

やった~。何かな?





 

 

 

水圧でつぶれた缶

 

水野 泳

 

はい。お疲れ様。水圧でつぶれた缶コーヒー(笑)

 

人の身体は、水圧に押しつぶされないのは、

 

どうしてだったかな?





 

海野 聖




 

はあ~・・・。「パスカルの法則」・・・。





 

 


潜降及び浮上

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