Eines der Hauptkriterien für die
Qualität eines Lungenautomaten ist der Atemwiderstand. Ihn so klein wie möglich zu
machen, ist bei allen Eigenbauten das Bestreben und oft leider unerreichtes Ziel.
Der folgende Beitrag befaßt sich daher mit einigen Fragen des Atemwiderstandes bei
Lungenautomaten, beginnend mit der Messung bis zu Methoden seiner Verringerung durch
konstruktive Maßnahmen.
I. Prüfgerät für Lungenautomaten - selbstgebaut
Viel ist schon über Reglerprüfgeräte geschrieben
worden (poseidon 5/65, 5/68, 5/69), doch noch immer überprüfen die meisten Taucher ihre
Geräte vor dem Einstieg, nach Überholungen, manche sogar einen neuen Lungenautomaten
nach der Fertigstellung nur durch mehrmaliges Durchatmen. Dabei wird dann festgestellt,
daß bei einem tiefen Atemzug das Einatmen schwerer wird - objektive Werte aber erhält
man nicht. Im folgenden soll daher ein einfaches Prüfgerät für Lungenautomaten zum
Selbstbau mit einfachsten Mitteln beziehungsweise im Haushalt vorhandenen Geräten
beschrieben werden.
Doch zuvor noch einiges zu prinzipiellen Meßverfahren und Meßgrößen.
Unter "Atemwiderstand" verstehen wir den Druckabfall, dem ein bestimmter
Luftstrom beim Passieren der Atemwege unterliegt (anlog zur Elektrotechnik: An einem
Widerstand entsteht bei Fließen eines Stromes ein Spannungsabfall U = R x I, Bild 1).
Der Atemwiderstand eines PTG von 40mmWS bedeutet also, daß beim Einatmen in der
Mundstückkammer ein Unterdruck von 40mmWS erzeugt werden muß, damit eine bestimmte
Luftmenge je Zeiteinheit (Luftstrom) aus dem Regler durch Einatemschlauch, -Ventil und
Mundstückkammer in die Atemwege des Menschen gelangen kann.
Der Druckabfall läßt sich als Funktion des Luftstromes darstellen, er wächst mit
steigendem Luftstrom, aber nicht wie im einfachen Stromkreis dem Spannungsabfall
proportional, sondern wesentlich stärker (Bild 2).
Für Berechnungen (z.B. Tauchzeit) legen wir ein Atemminutenvolumen von 30l
zugrunde. Dieser Wert läßt aber keine Rückschlüsse auf die Luftmenge zu, die die
Atemwege in einem bestimmten Zeitpunkt passiert: Zu Beginn der Einatmung beträgt die
Strömungsmenge 0, steigt auf ein Maximum, um dann wieder auf 0 zurückzugehen, die
Ausatmung erfolgt genauso.
Wird zur Prüfung des Reglers ein gleichmäßiger Luftstrom verwendet (statische
Meßmethode), muß dieser so groß sein wie das Maximum bei der Atmung. Nehmen wir an,
daß der Verlauf des Luftstromes bei der Atmung etwa einer Sinus-Kurve folgt, läßt sich
ein Spitzenwert von 94,2 l/min errechnen [1]. In anderen Angaben wird von 85 bzw. 100
l/min gesprochen [2, 3]. Die bei einem Luftstrom von 100 l/min gemessenen Werte des
Atemwiderstandes eines Gerätes liegen dann im Bereich der Spitzenwerte des Druckabfalls
bei der Beatmung durch den Menschen.
Es ist also nicht ausreichend, den Regler mit einem konstanten Luftstrom von 30l/min zu
überprüfen, die so erhaltenen Werte sind wesentlich kleiner als die im Betrieb
auftretenden Spitzenwerte.
In Wirklichkeit weicht die Luftstromkurve der Atmung wesentlich von der Sinusform ab, so
daß es günstiger wäre, den Lungenautomaten an einer künstlichen Lunge zu überprüfen,
gleichzeitig ließen sich dabei die Einschwingvorgänge des Reglers erfassen (dynamische
Meßmethode). Das ist jedoch apparativ wesentlich aufwendiger. Ein vereinfachtes Gerät
für solche Messungen wird in einer der folgenden Ausgaben beschrieben, hier wird dann
auch auf die Messung der zur Atmung aufzuwendenden Arbeit eingegangen.
Für
den Tauchsportler reicht im allgemeinen die statische Messung aus, selbst die mit
einfachsten Geräten erhaltenen Meßwerte sind hinreichend genau. Die zu erfassenden
Parameter sind Durchflußmenge und Atemwiderstand.
1. Das Flüssigkeitsmanometer
Zur Messung des Atemwiderstandes benötigt man ein
Manovakuummeter mit einem Meßbereich von etwa +/- 100mmWS. Zeigermanometer für diesen
Bereich sind meist teuer und schwer zu beschaffen, doch für unsere Zwecke reicht ein
Flüssigkeitsmanometer (U-Rohr) vollständig aus (Bild 3).
Hierzu wird ein Glasrohr (Innendurchmesser drei bis fünf Millimeter) U-förmig so
gebogen, daß die Schenkel eine Länge von 200 bis 250 mm haben. Neben einem Schenkel wird
eine Skala mit Millimeterteilung befestigt. Sie soll nach oben und unten verschiebbar
sein, damit der Nullpunkt nach dem Füllen des Rohres mit dem Wasserstand in
Übereinstimmung gebracht werden kann. Die Nullmarke soll sich in der Mitte der Skala
befinden, ausgehend davon trägt man den Unter- und Überdruckbereich auf. Um besser
ablesen zu können, färbt man das Wasser mit etwas Tusche oder ähnlichem an. Ein
Schenkel des Rohres wird über einen dünnen Gummischlauch mit dem Mundstück verbunden,
wer viele Geräte des gleichen Typs zu prüfen und eine Mundstückkammer übrig hat,
lötet in diese ein kurzes Anschlußrohr ein. Die Atemschläuche des zu prüfenden
Gerätes werden dann jeweils mit dieser Kammer verbunden. Wem das zu aufwendig ist, der
nimmt einfach das Mundstück in den Mund und schiebt den Schlauch mit zwischen die Lippen.
Beim gleichmäßigen, tiefen Atmen wird nun der Ein- und Ausatemwiderstand gemessen.
Vorsicht: Wer vergißt, die Flaschen
aufzudrehen, atmet die Meßflüssigkeit ein!
Wer kein Glasrohr zur Hand hat oder befürchtet, daß dies zu
leicht zerbricht, kann sich auch anders helfen: Er kauft im nächsten Kfz-Geschäft ein
Stück durchsichtigen Benzinschlauch und verwendet ihn in der gleichen Form. Das so
ausgeführte Gerät ist sehr robust und wird sich auch unter harten Bedingungen im
Taucherlager gut bewähren.
Diese "dynamische" Prüfmethode gestattet zwar hinreichend genau die Messung des
Ein- und Ausatemwiderstandes, doch ist das Ablesen durch das ständige Schwanken des
Wasserstandes nicht leicht, es kommt schnell zu Meßfehlern, und außerdem bleibt die
Durchflußmenge nicht bestimmt.
2. Das Gebläse
Um auch die Durchflußmenge messen zu können, ist es notwendig,
einen größenmäßig regelbaren Luftstrom aus dem Gerät abzusaugen.
Gut eignet sich dazu ein Staubsauger, seine Leistung reicht bei weitem aus und bei
schonender Behandlung ist er sogar anschließend im Haushalt noch zu verwenden.
Die Saugleistung ist je nach Typ und Alter verschieden, aber im allgemeinen weit höher
als die für unseren Zweck erforderlichen 100 l/min. Daher ist es notwendig, ein
Manipulierventil (Dreiwegehahn) zwischenzuschalten, damit zusätzlich Luft aus der
Atmosphäre angesaugt werden kann (Bild 4).
Eine Drossel (Querschnittsverengung) ist zwar einfacher, überlastet aber den Staubsauger
(fehlende Kühlung durch zu geringen Luftstrom, Motorwicklungen können durchbrennen).
Bei Staubsaugern mit eingebauter Saugluftregulierung übernimmt diese die Funktion des
Dreiwegehahns (z. B. Omega-Handstaubsauger 7000.8).
Die Messung der Luftmenge kann auf verschiedene Weise erfolgen,
apparativ am einfachsten ist sie über das Gerätefinimeter. 100 l/min Luftdurchsatz
entsprechen bei einer 7-l-Flasche einem Absinken des Flaschendrucks um etwa 14 kp/cm2 in
der Minute. Diese Luftmenge mit dem Manipulierventil einzustellen, erfordert einiges
Fingerspitzengefühl. Vorteilhaft verwendet man statt des Gerätefinimeters ein
größeres, genaueres Manometer.
Einfacher wird das Messen bei dem in Bild 3 gezeigten Verfahren. Hier wird durch ein
zweites Flüssigkeitsmanometer der Druckunterschied, der beim Durchtritt der Luft durch
eine Drossel (Querschnittsverengung) entsteht, gemessen. Wird die Skala des U-Rohres
entsprechend geeicht, kann der Luftstrom direkt abgelesen werden.
Als Drossel kann ein Stück PVC-Rohr verwendet werden, das an einer Stelle erwärmt und
etwas zusammengedrückt wird. Stehen keine weiteren Meßgeräte zum Eichen des Gerätes
zur Verfügung, muß das Eichen wie oben beschrieben oder Zeit- und Flaschendruckmessung
mit Umrechnung erfolgen, die Skala wird dann entsprechend markiert.
Beim Einschalten des Gebläses müssen das Manipulierventil ganz
geöffnet und die Flaschenventile ebenfalls offen sein, sonst wird die Meßflüssigkeit in
die Leitung gesaugt. Das passiert auch, wenn beim Messen der Luftvorrat zu Ende geht und
nicht rechtzeitig abgeschaltet wird. Bei Durchflußmengen über 20 l/min kann der Regler
einfrieren! Mit diesem Aufbau läßt sich auch der Ausatemwiderstand messen, hier wird nur
der Anschluß am Gebläse geändert.
Es ist nun möglich, Reglerkennlinien - Atemwiderstand in
Abhängigkeit von Durchflußmenge und Flaschendruck - aufzunehmen und Widerstände von
Bauteilen, wie Atemschläuche und Ventile, einzeln zu messen.
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2. Teil, neue Bildnummerierung
Nachdem bisher einige grundlegende Fragen zum Begriff des
Atemwiderstandes behandelt und ein Gerät zur Messung des Atemwiderstandes für den
Selbstbau beschrieben wurde, sollen im Weiteren einige Gründe, die zur Entstehung des
Atemwiderstandes führen, untersucht werden.
II. Wege zur Verringerung des Atemwiderstandes
Um den Atemwiderstand bei gleich großer Durchflußmenge
(Luftstrom) zu verringern, müssen die im Luftweg Luftvorratsbehälter - Regler - Schlauch
- Ventil - Mundstück - Ventil - Schlauch - Wasser vorhandenen Widerstände so klein wie
möglich gemacht bzw. ausgeschaltet werden.
Prinzipiell ist es durch entsprechende konstruktive Maßnahmen
möglich, Tauchgeräte mit minimalem Atemwiderstand zu bauen. Doch auch aus fertigen
industriell hergestellten oder Eigenbaureglern läßt sich meist noch einiges
"herausholen". Dazu wird untersucht, in welchen Bauteilen und warum Druckabfall
entsteht.
1. Die Lageabhängigkeit der Lungenautomaten
Der Atemwiderstand jedes Lungenautomaten setzt sich im Grunde aus zwei
Komponenten zusammen:
a) dem Druckabfall, verursacht durch mechanische und
strömungstechnische Einflüsse, wie Federdruck und Druck des Atemgasvorrates auf Ventile
und Hebel, mechanische Reibung in Lagern, Masse und Trägheit der Hebel, Wirbelbildung in
Faltenschläuchen u. a. m.
Dieser Atemwiderstand wird bei der Prüfung des Reglers an der
Wasseroberfläche mit dem Meßgerät gemessen.
b) dem Atemwiderstand unter Wasser, verursacht durch den
Höhenunterschied zwischen Lungenmittelpunkt und Regler oder genauer gesagt der
Reglermembrane.
Bei den herkömmlichen Tauchgerätetypen (MEDI 713, Hydromat TB
01 bis 03, Ukraina, Atlantik) befindet sich der Regler auf dem Rücken des Tauchers in
Höhe der Schulterblätter, liegt also h = 250...300 mm über dem Lungenmittelpunkt, wenn
sich der Taucher in Schwimmlage befindet.
Der Einatemwiderstand wird in diesem Fall 250...300mmWS größer als der an der Luft
gemessene Atemwiderstand sein [1]. Diese Vergrößerung wird allerdings von einem geübten
Taucher meist nicht wahrgenommen, da sie der Zunahme des Atemwiderstandes beim
Schnorcheltauchen entspricht, also zum Aufenthalt unter Wasser "dazugehört".
Bei dieser Anordnung des Lungenautomaten wird das Verhältnis bei einem aufrecht stehenden
Taucher besser (h wird kleiner) und kehrt sich in Rückenlage des Tauchers um. Ist h (mm)
dann größer als der Ansprechdruck des Reglers (Mindestdruck, bei dem der Regler Luft
abgibt) - und das wird meist der Fall sein -, "schiebt" der Lungenautomat.
Günstigere Werte sind mit Reglern zu erreichen, die auf der Brust des Tauchers getragen
werden, oder mit sogenannten "Einschlauchreglern" (MEDI Hydromat 66 (Bild II-1).
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Dieser Reglertyp besitzt gegenüber dem
herkömmlichen Lungenautomaten eine Reihe Vorteile, die ihn immer breitere Anwendung
finden lassen. Da er aber gegenüber dem Zwei-Schlauch-Automaten keine zusätzlichen
Bauteile aufweist, soll er im Rahmen dieses Beitrages nicht näher untersucht werden. Es gibt eine Reihe von Versuchen, die Lageabhängigkeit der
Zwei-Schlauch-Regler zu kompensieren (Anordnung zusätzlicher Ventile im Regler,
gewichtsbelastete Membranen). Breiten Eingang in die Praxis hat bisher keine dieser
Methoden gefunden.
2. Druckabfall in Atemschläuchen, Ventilen und
Mundstückkammern
Einige grundlegende Fragen zur Strömung von Gasen wurden von
PADELT [2] behandelt und sollen hier nicht weiter berücksichtigt werden.
Bei der in den Faltenschläuchen vorhandenen turbulenten Strömung ist die je Zeiteinheit
durchfließende Luftmenge abhängig von Druckdifferenz, Gasdichte und Innendurchmesser des
Schlauches. Die Luftmenge resultiert aus der Arbeitsleistung des Tauchers, die Gasdichte
ist durch das verwendete Gasgemisch (im allgemeinen Preßluft) und die Tauchtiefe gegeben,
die Druckdifferenz soll möglichst klein werden - so bleibt nur der Ausweg,
Faltenschläuche mit großem Innendurchmesser zu verwenden.
Hierdurch steigt allerdings das Schlauchvolumen, wodurch der Wasserwiderstand beim
Schwimmen und Auftrieb größer werden, und daraus resultiert stärkerer Zug am
Mundstück. |
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Auf einen weiteren Nachteil, der mit dem größeren
Volumen in Verbindung steht, wird später eingegangen. Messungen an verschiedenen in Tauchgeräten verwendeten Faltenschläuchen
zeigen, daß die in den Schläuchen auftretenden Atemwiderstände beträchtliche Werte
erreichen können (Bild 2).
Brauchbare Werte werden mit dem Hydromat-Schlauch erzielt (IV). Bessere Ergebnisse sind
mit innen glatten Schläuchen zu erreichen (V).
Bild 3
Diese besitzen eine in Bild 3 dargestellte Form und werden z.B. in Höhenatmern von
Flugzeugen verwendet.
Eine andere, oft recht erhebliche Quelle für den Atemwiderstand stellen Mundstückkammer
und Ventile dar. Durch richtige Bemessung und Formgebung ist auch hier einiges zu
erreichen. |
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Hauptmangel vieler Mundstückkammern sind die zu
geringen Querschnitte des Luftweges (besonders des Ventilhalters, z. B. MEDI 713), enge,
winklige Kanäle (Ukraina) sowie die scharfkantigen Übergänge zwischen verschiedenen
Durchmessern (Hydromat). Ein weiterer Nachteil der Hydromat-Mundstückkammer ist ihre
Größe und das zu hohe Gewicht. Die Ventilquerschnitte sind ausreichend (Bild 4 und 5).
Die Schlauchstutzen der Mundstückkammer sollen unbedingt V-förmig angeordnet sein, um
damit einer Knickung des Faltenschlauches vorzubeugen und geringere Faltenschlauchlängen
zu ermöglichen. |
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Gute Ergebnisse bei der Senkung des Atemwiderstandes
der Mundstückkammer erreichte Netzel durch den Einbau von Leitblechen (3). Die
Widerstände der Ausatemventile (Bild 6) liegen in brauchbaren Grenzen, gute Werte wurden
mit dem Hydromat-Entenschnabelventil erreicht (II).
Das bei einer bestimmten Durchflußmenge beginnende Flattern des Ventils III (AWM,
Ukraina) wird durch die Form des Ventils begünstigt (Bild 7). Neben dem stärkeren
Ansteigen des Atemwiderstandes treten Schwingungen auf, die sich beim Atmen sehr
unangenehm bemerkbar machen. |
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3. Einflüsse mechanischer Größen
Ein Teil des Atemwiderstandes entsteht im Regler selbst. Seine Größe ist
meßbar, wenn das Meßgerät direkt mit dem Reglerinneren verbunden wird.
In diesem Fall wird die Vielzahl der Einflüsse erfaßt, die in der Reglerkonstruktion
begründet sind. Einige der hauptsächlichsten "Schwächen" sollen hier
untersucht werden.
Bei vielen Eigenbauten, aber auch bei industriell hergestellten und
"reparierten" Reglern wird der zu hohe Atemwiderstand durch falsche Formgebung
der Membrane verursacht. Keinesfalls darf hierfür einfach irgend ein Stück Gummi
verwendet werden. Die Membrane muß eine solche Form haben, daß sie dem ganzen Hebelweg
leicht folgen kann, ohne sich dehnen zu müssen. Ausführlich wurde dieses Problem von
MÖNKE (4) behandelt.
Da es für den Bastler gar nicht so einfach ist, gute Membranen selbst herzustellen,
sollte man bei allen Eigenkonstruktionen auf industriell hergestellte zurückgreifen, also
Form und Abmessung der Reglertöpfe denen industrieller Automaten anpassen.
Die Masse der Hebel und ihre Lagerung üben einen nicht zu unterschätzenden Einfluß auf
den Atemwiderstand aus. Da im Rahmen dieses Beitrages keine Fragen der Berechnung von
Lungenautomaten behandelt werden sollen, hier nur soviel: Masse und Reibung so gering wie
möglich! Ein gutes Beispiel dazu ist das in Bild 8 gezeigte Hebelsystem eines einstufigen
Reglers.
Ein weiteres Problem ist das der
verwendeten Federn. In der lungenautomatischen Stufe hat die Hilfsfeder des Ventils (Bild
9) die Aufgabe, sicheres Abdichten zu gewährleisten. Bei mit dem Druck dichtenden
Ventilen ist der von ihr auszuübende Druck abhängig von Qualität der
Oberflächenverarbeitung, von Ventilstein und Kraterrand und dem Material des
Ventilsteins. In gegen den Druck dichtenden Ventilen (Hydromat 2. Stufe, MEDI 713) muß
sie auch noch den auf den Ventilstein wirkenden Luftdruck mit überwinden. Aus diesem
Grund sind einstufige Lungenautomaten, bei denen das Ventil gegen den Druck dichtet,
abzulehnen. Bei ihnen muß die Federkraft bei maximalem Druck des Luftvorrates für
sichere Abdichtung sorgen.
Der Atemwiderstand steigt stark an, da zum Öffnen des Ventils ein größerer Unterdruck
auf die Membrane wirken muß (MEDI 713). Bei mit dem Druck dichtenden Ventilen ist die
Feder für den Minimaldruck zu berechnen, da der hohe Druck zu Beginn die Abdichtung
unterstützt. Einstufige Regler mit einer solchen Ventilkonstruktion haben bei vollem
Flaschendruck einen etwas höheren Atemwiderstand, liegen aber insgesamt in einem
günstigeren Bereich.
Die Berechnung der Federkraft kann nach folgender Formel erfolgen
: FFeder > PLuft x AVentil
Sinkt der Druck in den Vorratsbehältern, wird
FFeder >> PLuft
x AVentil
Ff = As x ro + p x Av x 1,2
Hierin sind:
Ff - Federkraft, die zum sicheren Schließen des
Ventils benötigt wird (kp)
As - Berührungsfläche des Ventilkraters mit Ventilstein,
zu berechnen wie ein Kreisring mit dem
Innendurchmesser = Ventilbohrung und einer Wandstärke von 0,2 bis 0,3 mm (cm2)
ro - benötigter Anpreßdruck (kp/cm2)
p - Gasdruck vor dem Ventil (kp/cm2)
Av - Ventilfläche (cm2)
ro wird für das als Ventilstein verwendete Material berechnet:
a) Für hartes Dichtungsmaterial ro = a x p + c
b) für weiches Dichtungsmaterial ro = a x pb
Dichtungsmaterial
weich |
a |
b |
hart |
a |
b |
Gummi |
1,70 |
52 |
Blei |
5400 |
-0,667 |
weiches, fiber-ähnliches
Mat. |
0,90 |
90 |
Rotkupfer
geglüht |
2100 |
-0,168 |
Leder |
1,75 |
52 |
Ebonit |
200 |
-0,121 |
Für diese Ventile finden Federn mit kleiner
Federkonstante Verwendung, so daß die aufzuwendende Kraft über den Federweg bei der
Öffnung des Ventils annähernd gleich bleibt. Keinesfalls sollte man bei im Laufe der
Zeit entstehenden Undichtigkeiten des Ventils diese durch Verstärkung der Feder zu
beseitigen versuchen. Meist ist die Ursache nicht im Erschlaffen der Feder zu suchen,
sondern in der Abnutzung oder Beschädigung des Ventilsteines oder des Kraters.
Hier hilft nur sorgfältiges Nacharbeiten der Teile - Erhöhen
des Federdruckes bedeutet in jedem Fall Ansteigen des Atemwiderstandes.
4. Ermüdung durch CO2
Bisher sprachen wir über Größen, die direkt den Atemwiderstand
betrafen. Ein anderer Grund, der zur vorzeitigen Ermüdung des Tauchers führen kann, ist
das ständige Einatmen einer gewissen CO2-Menge aus seiner eigenen Ausatemluft. Die
Ausatemluft des Menschen enthält etwa 16% O2 und 5% CO2. Dabei wird die größte
CO2-Menge nicht zu Beginn, sondern in der zweiten Hälfte des Ausatemvorganges abgegeben.
Dieses Gas füllt die Mundstückkammer und bei Fehlen des Einatemventils in der
Mundstückkammer auch einen Teil des Einatemschlauches aus. Bei erneuter Einatmung wird
diese CO2-reiche Luft wieder eingeatmet, erst danach strömt frische Luft aus dem Regler
nach. Besitzt die Mundstückkammer kein Ausatemventil, wird auch Luft aus dem
Ausatemschlauch zurückgesaugt. Dies führt besonders bei unökonomischer, flacher,
schneller Atmung zu höherem Luftverbrauch und zur vorzeitigen Ermüdung, hat also die
gleiche Wirkung wie zu hoher Atemwiderstand.
5. Atemarbeit
Nachdem einige Ursachen für den
Atemwiderstand untersucht wurden und mit ihrer Beseitigung bzw. Einschränkung eine
gewisse Verringerung erreicht wurde, bleibt festzustellen, daß eine generelle
Verbesserung so nicht zu erzielen ist. Bei allen Lungenautomaten muß die Lunge des
Tauchers einen - wenn auch noch so geringen - Unterdruck erzeugen, damit die Einatmung
stattfinden kann, durch den Unterdruck wird der Regler gesteuert.
Die Größe dieses Unterdruckes wurde dabei bisher als Kriterium
angesehen.
Betrachtet man in diesem Zusammenhang die Oszillogramme des
Druckverlaufes eines Einatemvorganges aus zwei verschiedenen Lungenautomaten (Bild 10),
wird weiter sichtbar
a) Lungenautomat ohne Ejektordüse
P? auf der Ordinate entspricht dem Einatemwiderstand, der
Unterdruck bleibt während des ganzen Einatemvorganges annähernd gleich groß.
b) Lungenautomat mit Ejektordüse
P? ist zu Beginn des Einatemvorganges etwa genau so groß wie im
ersten Fall, sinkt dann aber stark ab. Am Ende der Einatmung entsteht eine kurzzeitige
Druckspitze im Überdruckbereich. Die Zeit für die Einatmung ist geringer (trotz gleicher
Luftmenge).
Rufen wir uns kurz die Wirkungsweise einer Ejektordüse ins
Gedächtnis:
- Beim Einatmen erzeugt der Taucher einen Unterdruck im
Lungenautomaten, dadurch wird der Regelvorgang eingeleitet. Nun reißt ein starker, aus
der Ejektordüse austretender Luftstrom Luft aus dem Reglerinneren in den Einatemstutzen
mit und erzeugt so künstlich einen zusätzlichen Unterdruck. Die Membran wird dadurch
weiter in durchgebogener Stellung gehalten, und der Regler gibt selbsttätig Luft ab -
erzeugt also eine ähnliche Erscheinung wie beim "Schieben" in Rückenlage. Die
Ejektordüse erleichtert dem Taucher die Atmung, indem sie einen Teil der Arbeit seiner
Lunge zur Erzeugung des Unterdrucks abnimmt.
Jeder Taucher weiß, daß es sich aus einem Lungenautomaten mit
Ejektoreinrichtung "leichter" atmen läßt. Andererseits zeigen die
Oszillogramme, daß der zu erzeugende Unterdruck zur Einleitung des Einatemvorganges in
beiden Fällen etwa gleich ist.
Daraus ist zu schlußfolgern, daß die bisherige Voraussetzung -
Atemwiderstand - Druckabfall = zu erzeugender Unterdruck, um einen bestimmten Luftstrom
zum Fließen zu bringen - nicht ausreichend ist.
Tatsächlich ist die durch den Taucher zu Ieistende Atemarbeit
der ausschlaggebende Faktor.
Die Atemarbeit ist dabei proportional der Fläche unter der
Kurve.
Bei einem Vergleich der Kurven wird sichtbar, daß die Atemarbeit
bei dem Lungenautomaten mit Ejektordüse nur etwa 1/3 der des Reglers ohne
Ejektoreinrichtung beträgt.
Die Druckspitze zum Ende der Einatmung entsteht dadurch, daß der
Einatemvorgang des Tauchers beendet ist, der Lungenautomat aber noch Luft abgibt, bis die
Trägheit des Systems überwunden und das Ventil geschlossen ist.
Aus den Oszillogrammen lassen sich einige weitere
Schlußfolgerungen ableiten:
Die Lungenarbeit ist um so geringer, je
früher die Ejektordüse die Förderung der Luft übernimmt. Dieser Moment tritt ein, wenn
der Unterdruck so groß ist, daß der Regler eine genügend große Luftmenge abgibt. Das
wird um so eher der Fall sein, je kleiner das in Regler und Schläuchen vorhandene
Luftvolumen und je stärker die Einatmung des Tauchers ist. Es ist also ungünstig, lange
Faltenschläuche mit großem Innendurchmesser zu verwenden. Die Falten begünstigen
einerseits die Turbulenz der Strömung, andererseits stellen sie einen nicht unerheblichen
Totraum dar. Für den in Bild 11 gezeigten Schlauch beträgt er bei 40 Falten etwa 200
cm3. Auch hieraus ist wieder die Forderung nach glatten Schläuchen abzuleiten.
Einen weiteren Totraum stellt der Reglertopf dar. Eine
Verkleinerung des Durchmessers ist indiskutabel, da hierdurch die Kraft der Membrane bei
gleichen Druckverhältnissen sinken und damit der Atemwiderstand steigen würde. Gut
möglich ist aber eine Formänderung. Flache abgerundete Töpfe kommen dieser Forderung
nach und sind zudem auch technologisch leichter zu fertigen.
Die Vorteile, die eine Ejektoreinrichtung bietet, sind natürlich
nur dann auszunutzen, wenn Ejektordüse und Luftwege gut aufeinander abgestimmt sind.
Erprobung und Einstellng müssen daher immer mit dem Schlauch- und Mundstücktyp erfolgen,
mit denen der Lungenautomat später ausgerüstet werden soll. Eine weitere Bedingung ist
die richtige Atmung. Flaches Atmen läßt die Ejektoreinrichtung nicht ansprechen und ihre
Vorteile nicht ausnutzen. Wer aber einmal unter Wasser schwer arbeiten mußte, weiß ihre
Vorteile zu schätzen...
Zusammenfassung
- Die vorhandenen Lungenautomaten gewährleisten nicht in allen
Fällen eine genügend freie Atmung unter Wasser.
- Unter dem Begriff "Atemwiderstand" ist nicht nur der zur
Atmung zu erzeugende Unter- bzw. Überdruck zu verstehen, sondern eine komplexe Größe,
die in erster Linie durch die zur Atmung aufzuwendende Arbeit der Lunge zur Erzeugung
dieses Druckes charakterisiert wird.
- Zur Verringerung der Atemarbeit ist der Lungenautomat mit einer
Ejektoreinrichtung auszurüsten. Reglervolumen und Schlauchinhalt sind möglichst klein zu
halten.
- Als Aus- und Einatemschlauch sind möglichst glatte Schläuche zu
verwenden.
Die Mundstückkammer soll ein Aus- und
Einatem-Ventil besitzen.
...und so könnte man die
Messungen heute machen, natürlich mit Computer ;-)) |
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