Bauformen und Funktionsweise
Die heute generell verwendete Bauform ist ein sog. zweistufiger Einschlauchatemregler, d. h. die Druckminderung vom Flaschen- auf den Umgebungsdruck wird in zwei Stufen durchgeführt: In der ersten Stufe wird der Flaschendruck auf den Mitteldruck, der ca. 9 - 11 bar über Umgebungsdruck liegt, reduziert. In der zweiten Stufe wird der Mitteldruck auf den Umgebungsdruck reduziert. Beide Stufen sind mit einem Mitteldruckschlauch verbunden. Atemregler arbeiten in allen Stufen mit Druckdifferenzen, die auf Membranen oder Kolben wirken und so das Öffnen und Schließen der Ventile und damit den Gasfluss steuern.
Membrangesteuerte erste Stufe
Im drucklosen Zustand ist das Hochdruckventil in der ersten Stufe offen, da die Mitteldruckfeder die Membran in der Abbildung nach links drückt und so den Ventilkegel vom Ventilsitz abhebt. Nach dem Öffnen des Flaschenventils strömt Luft durch den Sinterfilter in die Hochdruckkammer (rot). Der Sinterfilter soll verhindern, dass Verunreinigungen wie z.B. Rost aus der Flasche zum Hochdruckventil gelangen. Durch das geöffnete Hochdruckventil gelangt die Luft in die Mitteldruckkammer (rosa) und weiter zur zweiten Stufe. Ist diese geschlossen, weil gerade nicht geatmet wird, baut sich ein Druck auf, der die Membran in der Abbildung nach rechts durchbiegt. Ist der Mitteldruck erreicht, dichtet der Ventilkegel und der Luftstrom stoppt. Wird Luft aus der zweiten Stufe entnommen, sinkt der Mitteldruck und dadurch öffnet die Feder kurzzeitig das Hochdruckventil, bis sich die Druckverhältnisse wieder eingestellt haben. Beim Abtauchen drückt der zunehmende Umgebungsdruck in der Wasserkammer (blau) auf die Membran. Diese öffnet das Hochdruckventil bis die Druckdifferenz zwischen Mittel- und Umgebungsdruck wieder etwa 9 - 11 bar beträgt. Damit der Umgebungsdruck immer auf die Membran wirken kann, befinden sich Bohrungen in der Wasserkammer (Federstellraum). Maßgebend für die Höhe des Mitteldrucks ist die Federkonstante der Mitteldruckfeder. Je mehr Kraft sie auf die Membran ausübt, umso höher ist der Mitteldruck. Einige Atemregler haben daher zusätzlich eine Schraube zur genauen Einstellung des Mitteldrucks. Diese darf allerdings nur vom Servicebetrieb eingestellt werden. Wird die Schraube zu stark angezogen oder die erste Stufe undicht, könnte der Mitteldruck stark ansteigen. Für diesen Fall muss im System ein Überdruckventil vorgesehen werden. Da die meisten zweiten Stufen sog. Downstream-Ventile enthalten, wirken sie als Überdruckventil, d. h. sie beginnen abzublasen. Da das Hochdruckventil im drucklosen Zustand offen ist, darf kein Wasser in den Hochdruckeingang gelangen. Es kann von dort aus bis in die zweite Stufe gelangen und in beiden Stufen Korrosion und Undichtigkeit durch Salz und Kalk verursachen. Dies kann zum Totalausfall oder bei Wassertemperaturen unter +10°C zur Vereisung des Atemreglers führen.
Kolbengesteuerte erste Stufe
Bei dieser Bauform wird die Membran durch einen Kolben ersetzt, der durch die Mitteldruckfeder im drucklosen Zustand in der Abbildung nach rechts gedrückt wird und so das Hochdruckventil offen hält. Nach dem Öffnen des Flaschenventils strömt die Luft durch den Sinterfilter und das geöffnete Hochdruckventil in die Mitteldruckkammer und weiter zur zweiten Stufe. Ist diese geschlossen, weil gerade keine Luft entnommen wird, baut sich ein Druck in der Mitteldruckkammer auf. Der Druck gelangt durch die Steuerbohrung im Kolbenschaft auch auf die Kolbenoberseite (rosa) und erzeugt dort durch die große Kolbenfläche eine Kraft, die den Kolben gegen die Federkraft nach links drückt bis die Dichtung auf dem Ventilsitz aufliegt und den Luftstrom unterbricht. Wird Luft aus der zweiten Stufe entnommen, sinkt der Mitteldruck und dadurch öffnet die Feder kurzzeitig das Hochdruckventil, bis sich die Druckverhältnisse wieder eingestellt haben. Beim Abtauchen drückt der zunehmende Umgebungsdruck auf den Kolben. Diese öffnet das Hochdruckventil bis die Druckdifferenz zwischen Mittel- und Umgebungsdruck wieder etwa 9 - 11 bar beträgt. Damit der Umgebungsdruck immer auf den Kolben wirken kann, befinden sich Bohrungen in der Wasserkammer. Wie bei einer membrangesteuerten ersten Stufe muss ein Überdruckventil vorhanden sein und der Hochdruckeingang vor Wasser und Schmutz geschützt werden.
Zweite Stufe
Die Funktion der zweiten Stufe ist ähnlich wie die der ersten Stufe, nur die Abmessungen der einzelnen Bauteile unterscheiden sich. Eine Membran wird einseitig mit dem Umgebungsdruck beaufschlagt, wozu sie über Öffnungen im Deckel mit dem Wasser in Verbindung stehen muss. Diese Öffnungen dürfen nicht blockiert sein, da ansonsten die Atmung komplett blockiert wird. Atmet der Taucher durch das Mundstück ein, erzeugt er einen Unterdruck auf der Unterseite der Membran, welche sich daraufhin durchbiegt. Diese Bewegung wirkt über den Kipphebel auf das Ventil, welches öffnet und Luft aus dem Mitteldruckschlauch nachströmen lässt. Nach dem Ende der Einatemphase strömt noch etwas Luft nach, die Membran geht wieder in die Ausgangslage zurück und das Ventil schließt. Das Ventil kann manuell geöffnet werden, indem die Luftdusche betätigt wird. Für die Ausatmung ist eine zusätzliche kleine Membran vorhanden, die nur bei einem Überdruck im Lungenautomaten öffnet. Somit ist ein Ausatmen möglich, aber es kann (bei korrekter Funktion und Verwendung) beim Einatem kein Wasser in die zweite Stufe gelangen. Steigt der Mitteldruck wegen einer Undichtigkeit in der ersten Stufe, wird die Kraft der Feder überschritten, die zweite Stufe bläst ab und wirkt so als Überdruckventil.
Kompensiert / Unkompensiert
Ein Lungenautomat ist dann kompensiert, wenn der durch Atmung aus der Pressluftflasche sich verringernde Flaschendruck durch den Lungenautomat ausgeglichen, eben „kompensiert“ wird. Die Kraft zum Öffnen des Ventils ist kompensiert und dadurch unabhängig vom Flaschendruck. Eine kompensierte erste Stufe hat unabhängig vom Flaschendruck immer den gleichen Atemkomfort.
Balanciert / Unbalanciert
Ein Lungenautomat ist dann balanciert, wenn der durch zunehmende Tiefe ansteigende Umgebungsdruck durch den Lungenautomat ausgeglichen, eben „balanciert“ wird. Die Kraft zum Öffnen des Ventils ist unabhängig vom Umgebungsdruck, eben balanciert und eine balancierte erste Stufe hat unabhängig vom Umgebungsdruck immer den gleichen Atemkomfort.
Mitteldruck
Der Mitteldruck ist der Druck, der zwischen den beiden Stufen herrscht. Der Flaschendruck wird in der 1. Stufe auf den Mitteldruck reduziert, und die 2. Stufe reduziert dann den Mitteldruck auf den Atemdruck. Je nach Modell und Hersteller ist der Mitteldruck bei 9 bis 11 Bar eingestellt.
Venturi Effekt / Injektoreffekt (Ejektor) beim Tauchen
Wenn der Taucher einatmet, muss er einen Unterdruck erzeugen um die Membran nach innen zu ziehen, den Kipphebel zu drücken um das Ventil zu öffnen. Wenn die Luft dann strömt, verringert der Venturi-Effekt die Atemarbeit, die nötig ist um den Luftfluß aufrecht zu erhalten. Beim Atemregler wird dieser Effekt in der 2. Stufe ausgenutzt, um die Atemarbeit zu vermindern. Da der Injektoreffekt abhängig ist von der Strömungsgeschwindigkeit und der Dichte des Strömungsmediums (Beim Tauchen die Pressluft), verstärkt sich dieser Effekt zur Atemarbeitserleichterung in der Tiefe. Beim Mares DFC-System wird der Injektoreffekt auch bei der 1. Stufe ausgenutzt und durch den relativen Unterdruck an der Düse wird die Luft unter der Membran durch die Bohrung abgesaugt, wodurch der Mitteldruck beim Einatmen weniger abfällt.
Downstream
Das Downstream Ventil, ist ein in Strömungsrichtung (Druckrichtung) des Gases sich öffnendes Ventil.
Vereisung
Innere und äußere Vereisung eines Atemreglers. Bei der Vereisung wird zwischen der inneren und äußeren Vereisung unterschieden. Die äußere Vereisung hat etwas mit dem Atemregler zu tun. Dort wo Kälte und Wasser zusammenkommen, kann eine Vereisung entstehen. Es ist Aufgabe des Atemreglerherstellers, hier die richtigen konstruktiven Maßnahmen zu treffen wie z. B. Zusatzmembranen, ölgefüllte Kappen, usw. Bei der inneren Vereisung ist der Taucher selbst oder der Kompressorbetreiber gefragt. Kommt Wasser in die Flasche - und hier ist nur ein Tropfen gemeint - kann die Feuchtigkeit am Ventil der ersten oder zweiten Stufe durch Eiskristalle zu einer Undichtigkeit und zu einem Abblasen führen. Die Flasche ist im ungünstigsten Fall in einer Minute leer.
Abkühlung von Luft an einer Drossel
Folgende drei Effekte führen zu einer Abkühlung der Luft:
- Die Abkühlung der Flasche durch das kalte Wasser.
- Die Abkühlung der Luft in der Flasche durch den fallenden Druck. Sie wird als adiabatische Abkühlung bezeichnet und kann Temperaturabsenkungen um bis zu 25°C verursachen.
- Der Joule-Thomson-Effekt: Wird Gas an einer Drossel entspannt, ändert sich die Gastemperatur. Bei Luft entsteht die stärkste Abkühlung bei einer Druckdifferenz von etwa 160 bar bis 180 bar. Also genau dann, wenn normalerweise die größte Tiefe und damit der größte Luftverbrauch erreicht ist. Helium hingegen erwärmt sich bei Entspannung. Das bedeutet, dass es bei Trimix nicht zu einer Vereisung kommen kann. Die Stärke der Abkühlung hängt auch mit der Menge der entspannten Luft zusammen. Bei hohem Luftverbrauch und zusätzlicher Benutzung des Inflators zur Tarierung ist die Gefahr größer. Bei Kaltwassertauchgängen sollte die primäre erste Stufe zur Atmung (Hauptautomat) und zur Tarierung des Trockentauchanzugs verwendet werden, an der zweiten ersten Stufe sollte die Jacketbefüllung und das Finimeter montiert sein.
Kaltwassertauglichkeit
Die Norm DIN EN 250 gibt Grenzwerte beispielsweise für die Atemarbeit und die maximalen Ein- und Ausatemdrücke vor, die nicht überschritten werden dürfen.
Soll ein Atemregler in Gewässern mit einer Temperatur von unter +10°C eingesetzt werden, muss er eine Zusatzprüfung bestehen. Er wird dabei in einem Wasserbad mit einer Temperatur unter 4°C 5 Minuten lang mit einem Atemminutenvolumen von 62,5 l/min bei einem Umgebungsdruck von 6 bar geatmet. Überschreitet er dabei die Grenzen bezüglich Atemarbeit und Ansprechdrücken nicht, darf er als kaltwassertauglich angeboten werden.
Andere Ausdrücke wie vereisungsgeschützt oder vereisungssicher sind Marketingausdrücke. Es gibt keine vereisungssicheren Atemregler, da dieses Problem nicht nur den Atemregler, sondern auch die Luft in den Druckluftflaschen betrifft. Ist die Luft zu feucht, kann auch der beste Atemregler vereisen.
Die Kaltwassergrenze von +10°C bedeutet, dass in Binnengewässern in Mitteleuropa grundsätzlich nur kaltwassertaugliche Atemregler eingesetzt werden dürfen, da die Temperatur auch im Sommer unterhalb der Sprungschicht nicht höher liegt. Bei solchen Tauchgängen sollte man deshalb zwei unabhängige Atemregler an einem doppelt absperrbaren Flaschenventil einsetzen.
Fail Safe
Ausfallsicher oder Fail Safe bezeichnet jede Eigenschaft eines Systems, die im Fall eines Fehlers zu möglichst geringem Schaden führt. Ein Lungenautomat, der Fail Safe ist, liefert auch im Vereisungsfall oder bei geplatztem O-Ring weiter Luft, wenn auch zu viel.
Downstream Lungenautomaten können Fail Safe sein.
Upstream Lungenautomaten können nie Fail Safe sein.
Wirbelinjektor
Die Pressluft wird durch ein Bypassröhrchen der 2. Stufe so vor die Luftkammer eingeblasen, dass ein Wirbel entsteht. Im Zentrum des Wirbels entsteht ein Unterdruck, der den durch Saugen erzeugten Unterdruck verstärkt. Dadurch braucht es eine geringere Einatemarbeit durch den Taucher. Dieser Wirbelinjektor wird vor allem bei der Firma Mares eingesetzt. Zu erkennen ist er an einem Bypassröhrchen.
DIN / INT
DIN oder INT (Yoke) bezeichnet die beiden verbreitetesten Anschlussmöglichkeiten eines Lungenautomaten an die Pressluftflasche. Hierbei wird beim DIN- Anschluss der Lungenautomat in das Ventil an der Pressluftflasche eingeschraubt wohingegen beim INT-Anschluss (Korrekt wäre „Yoke“, „A-clamp“ oder „Bügelanschluss“) mittels eines Bügels der Lungenautomat am Ventil der Pressluftflasche festgemacht wird. Beim DIN – Anschluss befindet sich der Dichtungs-O-Ring im Lungenautomatenteil und beim INT – Anschluss befindet sich eben dieser O-Ring auf der Flaschenseite und der Lungenautomatenteil ist Dichtungsfrei.
Membran oder Kolben, was ist besser?
Diese Frage wird viel diskutiert und diese Entscheidung kann auch ich Euch natürlich nicht abnehmen. Aber ich kann nochmal einige Gedanken dazu festhalten:
Wie eingangs bereits formuliert, kann prinzipiell jeder Regler einfrieren. Auch bei kaltwassertauglichen Lungenautomaten ist dies möglich, die Gefahr ist hier durch besondere Bauweisen nur deutlich geringer. Weit verbreitet ist die Annahme, dass kolbengesteuerte Atemregler nicht so gut fürs Kaltwassertauchen geeignet seien, da hier ja ein Teilbereich der Hochdruckstufe direkten Kontakt zum Wasser hat. Ja, dieser bauartbedingte Wasserkontakt ist, wie oben beschrieben, die Ursache für die Möglichkeit der äußeren Vereisung. Jedoch ist vor der generellen Verurteilung dieser Bauweise zu bedenken, dass die Wassertemperatur nie unter dem Gefrierpunkt liegen wird und deshalb eher als "Wärmespender" für die Bereiche in der Hochdruckstufe angesehen werden kann, welche durch die hohe Durchströmgeschwindigkeit der Atemgase Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt standhalten müssen. Hinzu kommen viele technische Lösungen, wie z.B. der Einsatz besonderer Materialien an kritischen Stellen, welche die Gefahr der äußeren Vereisung wirksam minimieren. Membrangesteuerte Regler sind hermetisch gekapselt, es dringt also kein Wasser in die 1. Stufe ein. Damit auch kein Salz und Schmutz, was natürlich positiv zu bewerten ist. Beachte aber folgendes: Einige membrangesteuerte Atemregler erfüllen die Normen für die Kaltwassertauglichkeit erst dann, wenn sie mit einem zusätzlichen Kaltwasserkit ausgerüstet wurden. Diese Info steht meist nur im Kleingedruckten einer Betriebsanleitung. Die Werbung könnte man jedoch oft auch so verstehen, dass sie bereits im ausgelieferten Zustand vereisungsgeschätzt sind. Schaut Euch also sicherheitshalber einfach mal ganz genau in der Anleitung nach. Ansonsten sprechen nur die mitunter höheren Kosten für den Unterhalt gegen einen membrangesteuerten Atemregler: Es sind mehr bewegliche Teile vorhanden, die jährlich gewechselt werden müssen.
Fazit: Zumindest vor der inneren Vereisung (siehe oben) ist keines der beiden Systeme sicher. Entscheide Dich deshalb in jedem Falle für einen Regler, der mindestens die geltenden Bestimmungen für die Kaltwassertauglichkeit erfüllt und beachte zusätzlich die Praxishinweise, um die Vereisungsgefahr zu minimieren.
Euch immer genügend Luft
Euer Uwe
Quelle(n)
VDST