SCUBA(self contained underwater breathing apparatus :自給式水中呼吸装置)は、ダイバーの吸気に合わせて 必要な量の空気を常に周囲圧で供給します。これを可能にしているのが、レギュレーターを構成している ファーストステージ(一次減圧部)とセカンドステージ(二次減圧部)です。

 ここでは バランスピストン式ファーストステージの基本構造と作動原理について イラストを交えて解り易く説明致します。

    * 左の断面図は 圧縮空気の流れを説明するためのもので、実際の部品形状とは異なります。(末記参照)

 

 

 

【基本構造】

ファーストステージの内部は、3つの部屋に分かれています。

  高圧室   : 内圧は タンク圧と同じです。エアモニター用高圧ホースは ここに接続。

  中圧室   : 内圧は 周囲圧の変化に連動します。セカンドステージやパワーインフレーター(BCD、ドライスーツ)用中圧ホースは ここに接続。

 周囲圧室 : 上記二室とは異なり、常に周囲と繋がっています。室内にあるスプリングは、ピストン中圧室側に押しています。

  ピストン  : 可動領域を持ち、その動きにより 高圧室から中圧室へ流入する圧縮空気の量を調整し、中圧室内の圧力を 周囲圧に応じて一定に保ちます。また O-リング(●)を用いることで 上記三室を分離しています。

 

 

 

【作動原理 (陸上)】

 

《左図》および文中[ ]内の矢印は、その向きで圧力のかかる方向を、大きさや数 色の濃淡で圧力の強弱を表しています。

 

陸上における周囲圧は、『大気圧』です。

  ファーストステージをタンクに取り付けた時、その内部にあるピストンには 中圧室側からは『周囲圧(大気圧)』が、周囲圧室側からは『スプリングの張力[⇒]周囲圧(大気圧)』が作用しています。《図1》

    * 高圧室中圧室は繋がった[開放された]状態にあります。

 

タンクのバルブを開けると、タンク内の圧縮空気が(高圧室を経て)中圧室流入し始めます←2。《図2》

    * この時 中圧室内の圧力は『スプリングの張力[⇒]周囲圧(大気圧)』よりも低いので、ピストン周囲圧室側に移動しません。

 

 圧縮空気の流入は続き、中圧室内の圧力は 更に上昇します。そして 中圧室内の圧力が『スプリングの張力[⇒]周囲圧(大気圧)』よりも高くなる←3と、その圧力差により ピストン周囲圧室側に移動《して、ピストンバルブシートHPシートは密着します。

  これにより 『高圧室から中圧室への圧縮空気の流入』は遮断されます。この時の中圧室内の圧力が「一次減圧値」です。

 

セカンドステージやパワーインフレーター等の使用により 中圧室内にある圧縮空気が消費されると、中圧室内の圧力は下がります。

  この時 中圧室内の圧力←2は『スプリングの張力[⇒]周囲圧(大気圧)』よりも低くなるので、その圧力差により ピストン中圧室側に移動《して、ピストンバルブシートHPシートの間に隙間が生じます。

  これにより 遮断されていた『高圧室から中圧室への圧縮空気の流入』は再開されます。そして再び 中圧室内の圧力が『スプリングの張力[⇒]周囲圧(大気圧)』よりも高くなる←3《図3》と同じ状態になる)まで、『中圧室内への圧縮空気の流入』は続きます。

 

ダイバーの空気消費に伴い 中圧室内の圧力が下がっても、上記の様にピストンが振動《》して圧縮空気が瞬時に補填されるので、中圧室内の圧力(一次減圧値)←3は『周囲圧(大気圧)』に応じて  一定の高い値に保たれます

    * この値は、各器材によって異なりますが、概ね 9〜11気圧です。

 

 

 

【作動原理 (水中)】

 

水中における周囲圧は、『大気圧+水圧』です。

  陸上であれば 《図3》の様にピストン周囲圧室側に移動させた中圧室内の圧力←3も、水中では『スプリングの張力[⇒]周囲圧(大気圧+水圧)』より低いので、 ピストン周囲圧室側に移動しません。

  この間 『高圧室から中圧室への圧縮空気の流入』は続き、中圧室内の圧力は 更に上昇します。

 

圧縮空気の流入は更に続き、中圧室内の圧力が『スプリングの張力[⇒]周囲圧(大気圧+水圧)』よりも高くなる[←3]と、その圧力差により ピストン周囲圧室側に移動《して、ピストンバルブシートHPシートは密着します。

  これにより 『高圧室から中圧室への圧縮空気の流入』は遮断されます。

 

水中における中圧室内の圧力(一次減圧値)は周囲圧の増加に伴い 陸上よりも高い値になりますが、この時の周囲圧と比較すると その値は一定に保たれています。

    * 水中でも陸上と同じ様に吸気ができます。

周囲圧

陸上(水深0m)

1気圧

(水深10m)

2気圧

(水深20m)

3気圧

(水深30m)

4気圧

中圧室内圧

10気圧(仮定)

11気圧

12気圧

13気圧

  (備考) 周囲圧=絶対圧

        中圧室内圧=ゲージ圧 (絶対圧−大気圧)

 

セカンドステージやパワーインフレーター等の使用により 中圧室内にある圧縮空気が消費されると、中圧室内の圧力は下がります。

  この時 中圧室内の圧力[←2]は『スプリングの張力[⇒]周囲圧(大気圧+水圧)』よりも低くなるので、その圧力差により ピストン中圧室側に移動《して、ピストンバルブシートHPシート)の間に隙間が生じます。

  これにより 遮断されていた『高圧室から中圧室への圧縮空気の流入』は再開されます。そして再び 中圧室内の圧力が『スプリングの張力[⇒]周囲圧(大気圧+水圧)』よりも高くなる[←3]《図6》と同じ状態になる)まで 、『中圧室内への圧縮空気の流入』は続きます。

 

ダイバーの空気消費に伴い 中圧室内の圧力が下がっても、上記の様にピストンが振動《して 瞬時に圧縮空気が補填されるので、中圧室内の圧力(一次減圧値)[←3]は『周囲圧(大気圧+水圧)』に応じて 一定の高い値に保たれます

    * この値は、各器材によって若干異なります。

 

 

   セカンドステージ赤枠内》は この一次減圧値に基づき、ダイバーの吸気に合わせて 必要な量の空気を常に周囲圧で供給するのですが、それについては 別項で説明致します。

         ご存知ですか 『レギュレーターの基本構造と作動原理 供

 

 

 

ちなみに バランスピストン式ファーストステージの実際の形状は、左図の様になります。

  ピストンのシャフト部分はパイプ状に加工され、圧縮空気はここを通って中圧室内に流入します。

    * アンバランスピストン式ファーストステージについては、こちらをご覧下さい。

 

 

 

 

 

 

(参考)バランスダイアフラム式ファーストステージ

 ダイアフラム : シリコンまたは合成ゴム製。膜状で容器に密着固定され、二室(中圧室周囲圧室)を分割しています。二室間に圧力差が生じると、素材の持つ柔軟性を利用して 二室が同圧になる様に 一定範囲内で変形します。

 プッシュロッドダイアフラムの動きをデマンドバルブ・ピストンに伝えます。

 デマンドバルブ・ピストン

                  ダイアフラムと連動して開閉。高圧室から中圧室への圧縮空気の流入量を制限することで 中圧室内の圧力(一次減圧値)を周囲圧に応じて一定圧に保ちます。

 構成部品がピストン式とは若干異なりますが、作動原理は同じです。

    * 『基本構造と作動原理』について、また アンバランスダイアフラム式ファーストステージについては、こちらをご覧下さい。

 

 

 

     ☆ ご意見・ご質問等ございましたら、下記アドレスまでお送り下さい。

                  scuba@piston-diaphragm.com