Atemregler – Aufbau und Funktion

Tauchen bedeutet, mit Hilfe technischer Mittel unser Leben unter Wasser fortzuführen. Was ist nun das Allerwichtigste in unserem Leben? Unsere Atmung. Nichts brauchen wir dringender als Luft. Die Luft transportieren wir in stark komprimierter Form, meist auf dem Rücken, in Pressluftflaschen. Die richtige Menge und den passenden Druck in jeder Tiefe liefert uns der Atemregler.

Tieftauchen

Einleitung

Der Atemregler, auch Lungenautomat oder kurz Regler bzw. Automat, amtlich auch atemgesteuerte Dosiereinrichtung genannt, ermöglicht dem Taucher das Atmen eines unter Druck stehenden Atemgases unter Wasser oder wie bei Feuerwehren im Brandeinsatz bei Rauchentwicklung und damit verbundenen giftigen Gasen. Atemregler werden mit Drucklufttauchgeräten, bei Rettungsorganisationen und in der Medizintechnik eingesetzt. Dazu wird das Atemgas aus der Druckluftflasche durch den Atemregler auf den in der Umgebung herrschenden Druck reduziert.
Der Atemregler bestand früher aus einer Stufe. Heute sind zwei Stufen gebräuchlich. Die erste Stufe (Druckminderer) reduziert den Flaschendruck von meist 200 bis 300bar auf einen Mitteldruck von rund 8 bis 15 bar (abhängig vom Hersteller) über dem Umgebungsdruck. Die zweite Stufe reduziert den Mitteldruck dann auf den jeweils herrschenden Umgebungsdruck, bei Tauchern also bestimmt durch die Tauchtiefe.

Entwicklungsgeschichte der Atemregler

Der erste Atemregler wurde 1942 und 1943 als Einschlauchautomat von Émile Gagnan, einem französischen Ingenieur, und Georges Comeinhes auf Anregung des bekannten französischen Meeresforschers Jacques-Yves Cousteau entwickelt und trug den Namen Aqualung. Er basierte in weiten Teilen auf früheren technischen Konzepten von Rouquayrol, einem Bergbauingenieur und Denayrouze, einem Marinetaucher.
In einer Weiterentwicklung besaßen die ersten Zweischlauchautomaten nur eine Druckminderstufe, die den Flaschendruck direkt auf den Umgebungsdruck reduzierte. Da diese Regelung zu einer hohen Ventilansteuerkraft führt, den der Taucher durch das Einatmen und den dadurch erzeugten leichten Unterdruck erreichen musste, wurde bald darauf ein zweistufiges Prinzip eingeführt. Dieses zweistufige Herunterregeln des Flaschendrucks auf Umgebungsdruck ermöglicht eine wesentlich feinfühligere Einstellung des Ventils, das durch den erzeugten Unterdruck beim Einatmen betätigt wird. Der Atemkomfort erhöht sich dadurch. Der Mitteldruck im System beträgt typisch etwa 8 bar über Umgebungsdruck. Ausgehend vom Bauprinzip des einstufigen Automaten wurden auch die ersten Zweistufenautomaten in einem Gehäuse direkt an dem Pressluftflaschenventil angeschraubt, beim Tauchen direkt hinter dem Kopf des Tauchers angeordnet.
Die Luft innerhalb dieses einen Gehäuses wird zunächst auf Mitteldruck und dann direkt auf Umgebungsdruck heruntergeregelt. Der Luftaustausch wurde dann über zwei weiche, nicht druckbeständige Faltenbalgschläuche aus Gummi hin bzw. weg vom Mundstück ermöglicht. Die Luftführung in diesen beiden Faltenbalgschläuchen war durch Ein-Weg-Ventile so gesteuert, dass die Einatemluft durch den einen Schlauch zugeführt und die Ausatemluft durch den anderen Schlauch nach hinten zum Atemregler abgeführt wurde, wo sie über das Gehäuse abgeblasen wurde und durch Öffnungen frei ins umgebende Wasser austreten konnte. Da bei diesem Typ zwei gleichförmige Faltenbalgschläuche vom Mundstück zum Automaten führten, wurde dieser Typ „Zweischlauchautomat“ genannt. Diese beiden voluminösen Schläuche haben lange Zeit das typische Bild eines Tauchers bestimmt.
Dieses Prinzip der zwei Schläuche hatte die Vorteile, dass das Mundstück sehr leicht war und dass keine störenden Blasen vor der Maske des Tauchers aufstiegen. Vor allem bei Unterwasserfotografen und -filmern war dies beliebt. Der Nachteil war, dass die zweite Stufe auf den Umgebungsdruck herunter regelte, an dem der Automat sich befand, also am Flaschenventil, und nicht auf den Umgebungsdruck des Mundstücks. Das hatte zur Folge, dass am Mundstück ein deutlicher Unterdruck entstand, wenn sich der Atemregler etwas höher befand und umgekehrt ein deutlich spürbarer Überdruck, wenn der Atemregler niedriger lag. Beim Tauchen hatte das den Effekt, dass man beim (kopfüber) Abtauchen stark saugen musste, während beim Aufstieg dem Taucher fast die Lunge aufgeblasen wurde.
Dieses Bauprinzip hat sich aus diesem Grund nicht weiter durchgesetzt. Bei der Weiterentwicklung wurde dann die zweite Stufe in das Mundstück integriert, so dass die Atemluft mit dem Druck geliefert wird, der in unmittelbarer Umgebung des Mundes herrscht. Da bei diesen Automaten nur noch ein Schlauch, der Mitteldruckschlauch, zum Mundstück führt, wird dieser Typ Einschlauchautomat genannt.

Allgemeine Funktionsweise

Das vorherrschende Bauprinzip besteht aus folgenden Elementen:
Die erste Stufe, der Druckminderer, wird direkt mittels eines DIN-Schraubanschlusses (DIN EN 144-2/3 und ISO 12209-2) oder INT-Bügelanschluss (ISO 12209-3) mit dem Abgang des Ventils der Flasche verbunden. Die erste Stufe hat mindestens Mitteldruckanschluss (MD oder LP, steht für Low Pressure) für die zweite Stufe, meist sind jedoch noch weitere Anschlüsse vorhanden, so z.B. für einen sogenannten Oktopus (einer zusätzlichen zweiten Stufe als Notersatz) und für den Anschluss des Inflator Mitteldruckschauches zum Aufblasen einer Tarierweste. Weiterhin ist auch noch mindestens ein Hochdruckabgang (HD oder HP, steht für High Pressure) für das Finimeter, das Instrument das den Flaschendruck und damit indirekt den Luftvorrat der Flasche anzeigt, vorhanden. Die erste Stufe besteht aus verchromtem Messing, rostfreiem Edelstahl oder Titan.
Die zweite Stufe, die über einen Mitteldruckschlauch (MD) mit der ersten verbunden ist, besteht entweder ebenfalls aus Metall (Messing, Edelstahl), aus Kunststoff oder aus einer Kombination beider Materialien. Sie ist der Teil des Automaten, der sich direkt vor dem Mund befindet und den Träger über ein Mundstück mit Atemgas versorgt.
Der im Mitteldruckschlauch anstehende Druck wird in der zweiten Stufe über ein federbelastetes Ventil zunächst abgeschlossen. Die Federkraft ist so eingestellt, dass das Ventil gerade geschlossen bleibt. Ein kleiner Kipphebel am Ventil kann dieses bei leichter Betätigung öffnen. Dieser Kipphebel wird über eine Membran betätigt, die den Umgebungsdruck mit dem Druck im Mundstück vergleicht. Atmet der Träger ein, so erzeugt er im Mundstück einen Unterdruck gegenüber der Umgebung. Hierdurch wird die Membran aus ihrer Ruhelage bewegt, über den Kipphebel öffnet sich das Ventil der zweiten Stufe, und Atemgas strömt ins Mundstück – der Benutzer kann einatmen. Diese Membransteuerung stellt sicher, dass der bereitgestellte Druck des Atemgases sich stets an den Druck der Umgebung anpasst und so ein leichtes Atmen ermöglicht. Bei Tauchern müsste der Brustkorb sonst beim Einatmen entgegen den mit der Tauchtiefe ansteigenden Wasserdruck arbeiten, was schon in wenigen Metern Tauchtiefe das Einatmen unmöglich machen würde.
Das Ausatmen wird über ein weiteres Ventil an der zweiten Stufe ermöglicht. Dieses besteht meist aus einer dünnen Gummi- oder Silikonmembran, die in ihrer Ruhestellung vor dem Ausblasloch liegt und es abdichtet. Der Ausatemschwall öffnet dieses Auslassventil. Eine Beschädigung dieser Membran kann beim Einatmen zum Einströmen des umgebenden Mediums in den Mundraum und die Lungen führen, was abhängig von Menge und Medium störend bis lebensgefährlich sein kann (Einatmen von Wasser, Einatmen von giftigen Gasen beim Feuerwehreinsatz).
Zwei weitere für Taucher wichtige Funktionen sind in die zweite Stufe integriert: der Blasenabweiser und die erwähnte Luftdusche. Der Blasenabweiser ist ein vergrößerter und an die Seite verlegter Abgang des Ausatemventils. Er bewirkt, dass die abgeatmete Luft seitlich hinter der Tauchmaske entweicht und nicht durchs Sichtfeld strömt.
Die Luftdusche besteht aus einer Taste am Gehäuse, über die man die Membran manuell eindrücken kann. Hierdurch strömt zusätzlich Luft durch die zweite Stufe in das Mundstück. Wird das Mundstück im Mund gehalten, entweicht der Luftüberschuss über das Ausatemventil und reißt dabei evtl. in der zweiten Stufe befindliches Wasser mit sich. Die Luftdusche findet außerdem Verwendung, um Hebesäcke und Signalbojen unter Wasser mit Luft zu befüllen.
Bei Atemregler moderner Tauchausrüstungen sind an der ersten Stufe mindestens folgende vier Zubehörteile angeschlossen:

  1. Die zweite Stufe, der Hauptautomat
  2. Der Oktopus – eine weitere zweite Stufe als Notfallersatz für den Benutzer oder einen Partner.
  3. Ein oder mehrere Inflatorschläuche für die Tarierweste (Jacket) und/oder den Trockentauchanzug.
  4. Das Finimeter, dieses kann in einer Konsole mit weiteren Instrumenten kombiniert sein, z.B. mit dem Tiefenmesser, dem Kompass und dem Tauchcomputer.

Atemregler sind ausfallsicher aufgebaut. Wenn sie ausfallen, unterbrechen sie die Luftzufuhr nicht. Sie lassen in diesem Fall die Luft kontinuierlich ausströmen.
In kalten Gewässern (Wassertemperatur unter 10 °C) sollten wegen möglicher Vereisungsgefahr der ersten Stufe jedoch zwei vollständig voneinander getrennte Atemregler-Systeme an getrennt absperrbaren Flaschenventilen betrieben werden.

Varianten der ersten Stufe

Die erste Stufe wird zunächst mit dem Ventil der Druckluftflasche verbunden. Mit einem Dichtring, der sogenannte O-Ring, wird diese Verbindung abgedichtet.
In der ersten Stufe wird der Flaschendruck auf einen Mitteldruck von 8 bis 15 bar über dem Umgebungsdruck reduziert.
Dies kann durch eine kolbengesteuerte oder durch eine membrangesteuerte erste Stufe erfolgen.

Kolbengesteuerte erste Stufe

Atemregler - Kolbengesteuerte erste StufeBei der kolbengesteuerten ersten Stufe drückt im drucklosen Zustand die starke Feder den Kolben empor und hält so das Ventil der ersten Stufe offen. Fließt nun Luft aus der Flasche über den Hochdruckanschluss über Hochdruckkammer, Kolbenstößel, Mitteldruckraum und Mitteldruckschlauch zur zweiten Stufe, so wird sie dort durch einen auf das Ventil wirkenden Federdruck von 8 bis 15 bar + Umgebungsdruck gestaut. Der Rückstau drückt nun seinerseits den Kolben der ersten Stufe hinunter und sperrt den Luftstrom ab. Atmet nun der Taucher, so entsteht im Mitteldruckraum ein relativer Unterdruck, wodurch die Feder den Kolben emporstoßen kann. Die Luft strömt nach, bis der Einatemsog aufhört. Dann schließt das Ventil wieder ab.

Membrangesteuerte erste Stufe

Atemregler - Membrangesteuerte erste StufeBei der membrangesteuerten ersten Stufe strömt Luft über den Anschluss in die Hochdruckkammer der ersten Stufe. Von dort fließt sie weiter durch das offene Ventil in die Mitteldruckkammer und über den Mitteldruckschlauch zur zweiten Stufe. Durch einen Federdruck im Ventil der zweiten Stufe wird die Luft gestaut, wodurch die Membrane der ersten Stufe so weit zurückgedrückt wird, bis das Ventil schließt. Atmet nun der Taucher, so entsteht im Mitteldruckraum ein Unterdruck. Die Membrane wird durch die auf sie wirkende Federkraft wieder einwärts gedrückt, sodass das Ventil betätigt wird und Luft aus dem Hochdruckraum nachströmen kann.

Nicht balancierte / kompensierte erste Stufe

Bei einer nicht balancierten oder kompensierten ersten Stufe wird das Ventil von der Hochdruckseite her durch Flaschen- und Federdruck auf seinen Sitz gedrückt. Da der Flaschendruck im Gegensatz zur Federkraft eine variable Größe darstellt, ist die Ventilöffnungskraft direkt von seiner Höhe abhängig. Der Mitteldruck, und als Folge davon die Luftlieferleistung, erhöhen sich mit abnehmenden Flaschendruck, wenn, wie bei diesem Prinzip, das Ventil gegen den Druck öffnet (sogenanntes Up-Stream-Ventil, d.h. gegen den Druck öffnend).
Der Einatemwiderstand wird umso geringer, je niedriger der Flaschendruck wird.

Balancierte / kompensierte erste Stufe

Mit einer balancierten oder kompensierten ersten Stufe wird eine vom Flaschendruck völlig unabhängige Ventilöffnungskraft erreicht. Die meisten heutigen für den Unterwassereinsatz konzipierten Atemregler sind kompensiert. Bei steigendem Umgebungsdruck, also zunehmender Tauchtiefe, passt sich der Mitteldruck automatisch den veränderten Druckverhältnissen an. Diese Kompensation bewirkt dementsprechend einen konstanten Überdruck und benötigt dazu eine Druckübertragung zwischen Umgebung und Membrane bzw. Kolben der ersten Stufe.

Kolbengesteuerte, kompensierte erste Stufe
Atemregler - Kolbengesteuerte, kompensierte erste Stufe
Membrangesteuerte, kompensierte erste Stufe
Atemregler - Membrangesteuerte, kompensierte erste Stufe
Membrangesteuerte, kompensierte erste Stufe, Ruhezustand
Atemregler - Membrangesteuerte, kompensierte erste Stufe, Ruhezustand
Membrangesteuerte, kompensierte erste Stufe, Luft strömt
Atemregler - Membrangesteuerte, kompensierte erste Stufe, Luft strömt

Die zweite Stufe

Die Luft fließt über den Mitteldruckschlauch von der ersten Stufe zur zweiten Stufe, wo sie auf das federbelastete Ventil trifft. Atmet der Taucher, so entsteht im Luftraum der zweiten Stufe ein Unterdruck. Dies hat zur Folge, dass die Membrane eingewölbt und damit der Hebel des Ventils betätigt wird. Nun strömt so lange Luft nach, bis der Druck der jeweiligen Tiefe erreicht ist. Dies ist gleichzeitig auch das Ende des Atemzuges. Atmet der Taucher aus, so drückt die Ausatemluft das Gummiplättchen des Ausatemventils gegen den Wasserdruck auf und entweicht durch den Blasenabweiser zur Wasseroberfläche. Das Ventil der zweiten Stufe öffnet üblicherweise mit dem Druck (Down-Stream-Ventil). Damit dient es gleichzeitig als Sicherheitsventil, wenn bei einer fehlerhaften ersten Stufe der Mitteldruck zu sehr ansteigt. Dann wird das Ventil aufgedrückt, und der zu hohe Mitteldruck kann entweichen. Ist dagegen in der zweiten Stufe ein Up-Stream-Ventil, so muss ein zusätzliches Sicherheitsventil vorgesehen sein.

Nicht kompensierte zweite Stufe
Atemregler - Nicht kompensierte zweite Stufe
Kompensierte zweite Stufe
Atemregler - Kompensierte zweite Stufe
Kompensierte zweite Stufe, Ruhezustand
Atemregler - Kompensierte zweite Stufe, Ruhezustand
Kompensierte zweite Stufe, Luft strömt
Atemregler - Kompensierte zweite Stufe, Luft strömt

Unterschiede 200 / 300 bar für Pressluft und Nitrox

In der DIN (Gewinde G5/8″) sind Anschlüsse für 200-bar-Pressluft und 300 bar beschrieben. Auch bei der neuen Nitrox-Norm (Gewinde M26x2) nach EN144-3 gibt es Ausführungen für 200 und 300 bar. Auch hier sind die Anschlüsse so ausgebildet, dass sich ein 200-bar-Atemregler nicht an eine 300-bar-Flasche und ein 300-bar-Füllschlauch nicht an eine 200-bar-Flasche anschließen lassen.

Ein 200-bar- Atemregler passt in ein 200-bar-Ventil.
Ein 200-bar- Atemregler passt in ein 200-bar-Ventil
Ein 300-bar- Atemregler passt in ein 300-bar-Ventil.
 
Ein 300-bar- Atemregler passt in ein 300-bar-Ventil
Ein 300-bar-Atemregler passt aber auch in ein 200-bar- Ventil. Die schmale Nase passt in die größere Bohrung; das Gewinde greift nicht so tief und der Atemregler steht etwas ab.
Ein 300-bar-Atemregler passt aber auch in ein 200-bar- Ventil
Ein 200-bar-Atemregler passt aber nicht in ein 300-bar-Ventil. Im Bild sind die Stellen, die kollidieren, rot eingezeichnet. Die breite Nase passt nicht in die kleine Bohrung. In der Praxis würde sich der Atemregler nicht dichtschrauben lassen.
Ein 200-bar-Atemregler passt aber nicht in ein 300-bar-Ventil

Prinzip Up- und Down-Stream-Ventile

Bei den vorangegangenen Skizzen sind verschiedene Ventilarten abgebildet. Diese sind hier nun kurz erklärt:

Down-Stream, SicherheitsventilMit dem Druck öffnendes Ventil (Down-Stream, Sicherheitsventil). Beim Überschreiten des eingestellten Druckes hebt der Kolben vom Dichtsitz ab, der Druck kann sich gefahrlos entspannen.
Up-Stream VentilGegen den Druck öffnendes Ventil (Up-Stream). Bei Überschreiten des eingestellten Druckes schließt das Ventil immer stärker.

Vereisungsgefahr

Die allgemeine Annahme, dass dies nur im Winter oder bei Eistauchgängen ein Risiko darstellt, ist nicht korrekt. Sicher ist die Gefahr hier größer, aber man spricht schon bei Wassertemperaturen unter 10°C von Kaltwassertauchen. Ebenso ist die mögliche Aussage: „Dies ist ein vereisungssicherer Automat“ eines Fachhändlers im Verkaufsgespräch nicht ganz korrekt. Jeder Atemregler kann einfrieren, der eine ist dann besonders konstruiert und daher besser zum Kaltwassertauchen geeignet als ein anderer.
Da eine Vereisung oft am Abblasen der 2. Stufe zu erkennen ist, sehen viele Taucher auch hier die Ursache. Das ist aber falsch! Zwar ist das Einfrieren einer 2. Stufe prinzipiell möglich, doch fast immer ist die Hochdruckstufe betroffen. Durch physikalische Gesetze (Joule-Thompson Effekt, zusätzliche Abkühlung durch vorbeiströmende oder sich entspannende Luft, das Prinzip des Kühlschranks) kommt es im Einatemvorgang zu einem Abkühlen in den Stufen. Dabei kann die Temperatur im Regler auch bei 20°C Umgebungstemperatur an einigen Stellen der Hochdruckstufe kurzzeitig auf minus 20°C fallen. Das Problem ist also der Wärmebedarf der Gase beim Entspannen. An Stellen, an der die kalte Atemluft mit Feuchtigkeit in Berührung kommt, könnten sich Eiskristalle bilden und diese sorgen für die folgenden unerwünschten Effekte.
Äußere Vereisung
Äußere Vereisung meint ein Einfrieren des Atemreglers in den Bereichen, die während des Tauchgangs vom Wasser umspült sind. Über Öffnungen tritt Wasser in den Federstellraum einer kolbengesteuerten Hochdruckstufe ein. Sind empfindliche Bereiche des Kolbens nicht entsprechend gegen Vereisung geschützt, so kann der Kolben hierdurch das Eis in geöffneter Position festgehalten werden. Der Atemregler bläst in diesem Fall durch die „Fail Safe“-Bauweise ab. Von der Gefahr einer äußeren Vereisung sind fast alle kolbengesteuerten Hochdruckstufen betroffen.
Innere Vereisung
Die Ursache dafür liegt in einer zu feuchten Luft in der Pressluftflasche (ein Wassertropfen kann da schon reichen), die im Falle einer Vereisung das Ventil oder den Sinterfilter der 1. Stufe komplett verschließen kann. In diesem Fall bekommt der Taucher gar keine Luft mehr. Betrifft es andere Bereiche der Hochdruckstufe, dann wird ein moderner Atemregler in aller Regel abblasen. Hier ist also prinzipiell beides möglich.
Die Gefahr der „inneren Vereisung“ besteht für kolben- wie auch membrangesteuerte Automaten gleichermaßen. Die dazu notwendige Feuchtigkeit kommt z.B. über einen unzureichend gewarteten Kompressor in die Flasche.
Eine weitere Ursache für dieses Problem ist die Tatsache, dass viele Taucher beim Spülen des Lungenautomaten nach dem Tauchgang nicht darauf achten, dass dabei kein Wasser in die Hochdruckstufe kommen darf. Dies ist sowohl über den Flaschenanschluss der 1. Stufe, als auch auf dem Weg über die 2. Stufe möglich. Wenn der Atemregler mit Frischwasser abgespült wird, dann muss die Öffnung am Handrad verschlossen werden. Also nicht reinlegen und „einweichen“! Das Aufsetzen der Schutzkappe auf das Anschlussgewinde reicht hier oftmals nicht, da sich diese lösen könnte bzw. auch von vornherein keinen wasserdichten Verschluss darstellt. Außerdem ist es zu vermeiden, beim Spülen der 2. Stufe die Luftdusche zu drücken. Dadurch wird das Ventil geöffnet und Wasser kann durch den Niederdruckschlauch seinen Weg in die 1. Stufe finden.
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. Dieser bauartbedingte Wasserkontakt ist, wie vorab 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 Durchströmungsgeschwindigkeit des Atemgases 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, daher dringt kein Wasser in die 1. Stufe ein, damit auch kein Salz oder Schmutz, was natürlich positiv zu bewerten ist. Zu beachten ist jedoch, dass einige membrangesteuerte Atemregler die Normen für die Kaltwassertauglichkeit erst dann erfüllen, wenn sie mit einem zusätzlichen Kaltwasser-Kit ausgerüstet wurden. 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.

Kommentare sind geschlossen.