關於潛水調節器的二三事
新年伊始，自然要巨制登場，這一期開門見山地直奔大蝰蛇最擅長的主題——呼吸調節器。對於如何選出一款最適於自己的好調節器，不應只停留在表象，最佳捷徑還是追本溯源，只有理解了構造原理，才不會在閱讀紛繁的產品資料時墜入雲霧之中，從而讓購買真正成為輕鬆的樂趣。
因此，今天就乾脆就潛下心來做研究，把一級頭結構一覽無餘地解剖開來，更加客觀而易懂地將不同類別的工作原理，以及設計的真實表現娓娓道來。
相信我，這十幾分鐘的閱讀你絕對不會白花，潛多了技術提升了自然也能有所謂的經驗。但唯獨在回歸物理本質這件事上無法從實踐中形成。沒錯，有多少知識儲備，全看大家鑽研與否。
呼吸調節器原理
說到呼吸調節器的鼻祖，可以追溯到1943年由Jacques-Yves Cousteau和émile Gagnan共同發明的隔膜式調節器。這種新式潛水裝備是一種活門系統，可以在潛水員呼吸時自動提供壓縮空氣。毫無疑問，它打開了水肺潛水的大門，讓我們能夠去更深入探索前所未見的海洋。
相信大家對水肺呼吸調節器的作用已經爛熟於心，即氣瓶中的高壓空氣通過減壓手段，被調節為與潛水者所在深度相適應的壓力。簡言之保持潛水者肺部的氣壓始終與水壓相等，控制高壓空氣的流量都是必不可缺的。
這種自攜式水下呼吸設備的原理一直沿用至今，在日後的產品接力賽中，多是在零部件的耐用度上做文章，或是對各項功能孜孜不倦地進行改良設計，得以日臻完善。
減壓類型與調節器
最初的調節器採用的是只用一個階段，便直接將高壓氣瓶壓力降至周圍的呼吸壓力的一段式（單段）減壓，代表有Mistral等。它屬於高壓氣體減壓結構早期的研發成果，對於氣量控制的零件很少、構造也極為簡單。
其特點是：調節器的氣瓶閥必須應付大範圍的氣瓶壓力，而使用時呼吸較為費力，至於多費力，則取決於氣瓶內還剩下多少空氣而定。當時沒有辦法顯示容器里還剩多少空氣，只有一個安全器，使潛水員在呼吸有困難時能夠得到備用氣。
Mistral（雙管）
接下來隨著減壓結構研究的進一步深入，調節器進化成雙段減壓方式，即分兩段將高壓氣瓶壓力降低至呼吸壓力，它的問世改善了調節器的供氣效率，使得潛水全程的呼吸效果也變得穩定，代表則是DA-Aqua-Master。
它的第一階段、第二段減壓部位分別採用了平衡隔膜式和順流式。除了一些特殊零部件，幾乎與現在的製品有著共通性。因此，如維護保養得當依舊可正常使用，不愧是王者級別。
DA-Aqua-Master（雙管）
單段減壓靠的是與氣瓶閥連接的調節器產生呼吸壓力，通過呼吸管將氣體送至咬嘴。彼時，粗大的波紋雙管結構一度為主流。
雙管調節器的需求閥安裝在氣瓶上之調節器的一部分但同時也需要我們有一個強健的肺。它的盛行直到被單管調節器的出現所取代，單管的最卓越進步在於：減少了一條會積水的排氣管，再加上排水按鈕，大幅簡化了排除積水的步驟。
Calypso（單管）
單段減壓
雙管呼吸調節器
氣瓶【高壓】調節器【高壓呼吸壓】波紋管【呼吸壓】咬嘴【呼吸壓】
雙段減壓
雙管呼吸調節器
氣瓶【高壓】 調節器【高壓中壓呼吸壓】波紋管【呼吸壓】咬嘴【呼吸壓】
單管呼吸調節器
氣瓶【高壓】 調節器一級頭【高壓中壓】軟管【中壓】調節器二級頭【中壓呼吸壓】咬嘴【呼吸壓】
高壓空氣的控制方式
我們這裡所指的調節器就是所謂的「需求式調節器」（Demand Regulators），在吸氣時供給空氣，吸氣停止即空氣停止流出，呼氣時空氣由排氣閥排到外部。為供應需求的氣量，對於高壓氣流量控制的閥門最基本有兩種形式。
逆流閥(Upstream Value)
高壓切斷閥隨著壓力增大力度不斷增強。排氣時從下至上推動氣閥座，空氣從開口處溢出。需要確保逆流閥的強度能應對氣瓶的最大壓力，若強度不足易出現劣化或爆裂的危險。一級頭YOKE部分的減壓結構一般採用逆流閥。
順流閥(Downstream Value)
進氣時通過彈簧張力關閉閥門，阻斷氣流；排氣時則利用閥座與噴嘴間的開口通氣。當萬一第一級調節器發生故障大量出氣，彈簧無法承受來自管線內的過大中壓時，將迫使第二級調節器的順流閥保持打開，允許高壓空氣自由流出，起到泄壓閥的作用。為保證安全，二級頭的呼吸減壓裝置普遍採用的是順流閥形式。
調節器將氣瓶內的高壓（150~200Bar）通過一級頭轉化為中壓，因此需使用能承受高壓強度的逆流閥。
而二級頭將中壓空氣再進一步降低成可供我們呼吸的壓力程度，使用的是操作輕便的順流閥。
若一級頭減壓失靈，導致高壓氣體直接流向二級頭時，裝置於二級頭中的順流閥可自行排出氣體，降低設備內的過高壓，有效防止內部壓力超過限度而發生爆裂或破損。
調節器的類型和結構
調節器最重要有兩大功能，其一是轉換中壓（環境壓力＋約10氣壓）。特別是對於單管調節器而言，一級頭的低壓埠直接連接二級頭/備用二級頭、BC管、乾衣充氣管或其他附件，以中壓供給空氣。
其二是滿足呼吸需求進行第二次減壓，中壓空氣在二級頭經減壓至周圍壓力，供潛水者呼吸。由於會產生呼吸阻抗，需注意提升吸氣的流暢度。
調節器雖同為調整壓力與流量的功能，但有各種不同的機械結構。其中壓力感應機械結構有活塞式和隔膜式，而閥的結構又分為非平衡式（標準）與平衡式。可見，兩兩組合便可分成四種類型，其為非平衡活塞式、平衡活塞式、非平衡隔膜式、平衡隔膜式。
註：現今大多數調節器都採用了平衡式一級頭，在此將其作為重點解析對象。
平衡活塞式
零件數較少、故障率較低的一級頭形式。平衡閥是將高壓氣瓶內的空氣引導至閥門開口的兩側，由於直接受到殘壓影響的橫截面積很小，因此即使氣瓶壓力下降，也可提供相對穩定的中壓出氣量。只是，活塞管本身的加工工藝、強度等因素，決定了平衡氣瓶壓力的能力仍有限度，多少略微影響功效。
基本結構
將平衡活塞式的內部結構拆分來看，主要有高壓室、中壓室環境壓室三大部分，且導入海水的環境孔部分位於高壓室和中壓室之間。各部分特徵如下：
高壓室：內部壓力與氣瓶相同，殘壓表或儀錶組的高壓管線與此處的高壓出氣口連接。
中壓室：內部壓力隨周圍環境密切聯動，始終保持一種動態平衡。二級頭/備用二級、供BC或乾衣充氣的低壓管線與此處的低壓出氣口連接。設定值為環境壓力＋約10氣壓。
環境壓室 ：有別於上述兩大部分，取決於所處位置的外界壓力（受水深影響）。由設置於艙內的彈簧及環境壓力控制另一端的閥門開啟，當中壓室與環境壓室的壓力差大到抵消彈簧張力（決定中壓值）時，活塞推回關閉進氣口。如此往複運動，來調整壓縮空氣的流量。
工作原理
為了更加淺顯易懂，接下去就逐步演示活塞是如何運動的。建議把圖放大了看，細水長流地仔細看。［ ］內の箭頭代表壓力方向，而氣體顏色（黃）的深淺則示意壓力的強弱。
陸地上
step 1
首先，陸上的環境壓力為「大氣壓」。
一級頭與氣瓶連接時，環境壓力室的壓力『彈簧張力［］＋環境壓力（大氣壓）［］』拉開活塞，使其偏向中壓室一側。此時，高壓室氣體與中壓室直通，活塞桿頂的進氣口呈打開狀態。
step 2
開啟氣瓶閥後，壓縮空氣開始經由高壓室直通中壓室。此時，由於中壓室的壓力［］仍低於『彈簧張力［］＋大氣壓［］』，活塞不會被推回。
step 3
隨著流入的壓縮空氣增加，中壓室壓力不斷上升，當足以抵消環境壓力室的壓力『彈簧張力［］＋大氣壓［］』時，兩室的壓力差（約10氣壓）將活塞向環境壓室一側推回，關閉進氣口，高壓空氣通路被阻斷。這時中壓室壓力即達到了「一段減壓值」。
step 4
隨著二級頭、充氣管等設備耗氣量增加，中壓室壓力降低。環境壓力室與中壓室的壓力差拉開活塞向中壓室一側移動，活塞桿頂與氣閥座之間形成開口。
如此一來，被阻斷的高壓氣流再次進入中壓室。在中壓室的壓力［］未達到『彈簧張力［］＋大氣壓［］』值時，壓縮空氣會持續流進中壓室。
簡言之，利用活塞的來回移動來開啟/關閉來自高壓室的進氣，壓縮空氣會瞬間填補進入中壓室，以此保證中壓室壓力維持在較高數值（一般在9~11氣壓之間）。
水下
step 5
與陸地不同，水中的環境壓力為「大氣壓＋水壓」。
同理，當開啟氣瓶時，中壓室的壓力［］低於『彈簧張力［］＋環境壓力（大氣壓＋水壓）［］』，拉開的活塞不會被推回。
step 6
隨著流入的壓縮空氣進一步增加，中壓室壓力［］高於環境壓力室的壓力『彈簧張力［］＋環境壓力（大氣壓＋水壓）［］』時，兩室的壓力差將活塞向環境壓室一側推回，活塞桿頂開口關閉，關閉來自高壓室的進氣。
敲黑板！在水中，中壓室壓力（一段減壓值）會隨水深的變化對應產生浮動。但與外界環境水壓的壓力差（彈簧張力）始終維持在約10氣壓，保證我們仍像在陸地上一樣能順暢呼吸。
簡單計算如下表所示：
環境
陸地0m
水深10m
水深20m
水深30m
環境壓力
1氣壓
2氣壓
3氣壓
4氣壓
中壓室
10氣壓
11氣壓
12氣壓
13氣壓
step 7
隨著二級頭、充氣管等設備耗氣量增加，中壓室內的壓力降低。此時，中壓室壓力［］低於環境壓室中的壓力『彈簧張力［］＋環境壓力（大氣壓＋水壓）［］』，兩室的壓力差拉開活塞向中壓室一側移動，活塞桿頂與氣閥座之間形成開口。
如此一來，被阻斷的高壓氣流再次進入中壓室。在中壓室的壓力［］未達到『彈簧張力［］＋大氣壓［］』值時，壓縮空氣會持續流入填補，直到活塞推回關閉高壓室進氣。
非平衡活塞式
非平衡活塞式儘管零件少價格低廉，維護需求低，但最突出的特點是中壓的輸出會受氣瓶殘壓影響而產生較大變化。氣瓶壓力減小後，讓我們感到呼吸也變得更加困難。
基本結構
工作原理
由於氣瓶的壓力會直接作用在閥門上，使得活塞的移動需抵抗氣瓶壓力。當氣瓶內的空氣即將用完時，氣瓶壓力變小，因而無助於開啟閥門。此類型屬於較早期的設計。
平衡隔膜式
比起活塞式而言，隔膜式一級頭的零件多、結構相對複雜，但對於各零件的加工精度要求，並沒有活塞式高。它易於調整設定中壓值，並且在構造上幾乎不受殘壓影響，中壓輸出十分穩定且反應快速。因此，近年來平衡隔膜式一級頭的使用越來越普遍。
基本結構
同樣可分為為高壓室、中壓室、環境壓室。敲黑板，隔膜式和活塞式一級頭結構上的最大區別在於，導入海水的環境孔部分位於高壓室與中壓室之外，即隔膜將一級頭內部與環境壓室劃分隔離，使其能適應較為惡劣的水環境。
工作原理
利用中壓室和環境壓室之間產生的壓力差，使靈敏的隔膜產生一定範圍內的變形，並由隔膜內的連桿傳遞隔膜受壓後的運動控制閥門的動作，開啟/關閉來自高壓室的進氣。
當一級頭連接於氣瓶時，隔膜所受的壓力差向上推動連桿，使得高壓室和中壓室中間保持開口。開啟氣瓶閥後，壓縮空氣開始經由高壓室直通中壓室。
高壓空氣不斷充入，隔膜因中壓上升而膨脹，抵消彈簧張力和環境壓力，拉動連桿下移，使提升閥阻關閉高壓室和中壓室中間的開口。
伴隨中壓室氣體消耗，隔膜的形變復原，通過連桿傳遞至提升閥組向上運動，使得高壓室和中壓室中間形成開口，被阻斷的高壓氣流再次進入中壓室。
非平衡隔膜式
市面上幾乎很少看到的一級頭類型。由於中壓隨氣瓶壓力下降而上升，以致開始下潛時感到較大的呼吸阻抗。
基本結構
各類一級頭的中壓特性
我們下潛後氣瓶壓力在不斷減小，一級頭中的中壓也會隨之變化，從而影響呼吸的順暢度。最後就來整理一下上述四種類型一級頭的中壓特性。
非平衡活塞式
伴隨氣瓶壓力減少中壓值成比例下降，因此尤其是在潛水後半段過程中，會感到吸氣阻抗明顯增加。
平衡活塞式
伴隨氣瓶壓力減少中壓值稍許波動，但使用時不會像非平衡式一級頭一樣感到呼吸困難。
非平衡隔膜式
伴隨氣瓶壓力減少中壓值上升。開始下潛時呼吸阻抗較大，耗氣後呼吸阻抗反之減低。
平衡隔膜式
幾乎能抵消或平衡氣瓶壓力變化，使得在整個潛水過程中獲得穩定的呼吸。
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