2-1 呼吸調節器之二級頭介紹
一般二級呼吸調節器包含幾個主要部分(圖2.1)，包括本體 (housing)、需求閥(demand valve)、排氣閥(exhale valve)、咬嘴 (mouthpiece) 、隔膜(diaphragm) 、排氣紐(purge button)。其相 關位置如圖2.2，以及cad模型剖面圖2.3，含剖面線之右視圖。常見
能阻擋潛水者的視線，排氣後的氣泡由後方臉頰兩側通過，所以排氣 閥的出口角度通常會設置成往後側，也就是咬嘴的同一側。
2-1.1 動作原理
目前市面上的單管調節器其作用原理都大致相同，二級頭的功能 是將一級頭輸出穩壓氣流再一次降成適合潛水者使用的狀態，並且在 潛水者吸氣時開啟閥門提供氧氣，吐氣時順利排除含有較高二氧化碳 濃度的氣體。此時閥門的開啟與關閉就必須依靠本體內壓力的高低來 判斷。
當潛水者吸氣時，調節器本體內壓力降低，海水壓力促使隔膜凹 向內並且推動壓需求閥上的壓桿，進而將需求閥打開引入穩壓氣體。
直到吸氣結束閥門還未關上，一級頭持續供應的空氣足以回填腔內壓 力，使隔膜回到初始位置並將需求閥關上，完成吸氣動作(圖 2.5)。
當吐氣時本體內壓力上升使得隔膜凹向外，因此需求閥不作動，如果 持續吐氣壓力大過臨界點，排氣閥將會開啟並排出氣體，所以排氣閥 在運作上有如心臟內的瓣膜，只允許單方向的流動，因此排氣閥又有 止逆閥或單向閥的名稱。
2-1.2 內部元件 本體 housing
一般市售二級呼吸調節器的本體多如圖 2.6，其主要功能是結合 並架構其他零組件，並且提供內部氣道以及機構運作的空間。內部氣 道對於調節器特性影響很大，在設計本體之初已經被決定了。但是以 往設計者往往不知道設計參數或是內部氣道對於調節器有何種影 響，只能憑經驗或臆測大膽的設計，然後再經由測試機台驗證其性 能。因此本體內部的設計沒有比較統一或是制式的標準，只要能功能 性符合標準就可以。
隔膜 diaphragm
隔膜的種類及大小，有非常多的選擇，但還是以圓盤狀為主(圖 2.7)。其主要功能是用來反應內外壓差，因此必須要使用軟性的聚合 物材質，而部分的隔膜都是由矽膠材質以射出機製造。
為了增強與需求閥壓桿重複摩擦造成摩耗的抵抗力，隔膜的中心 部份會加以較硬的材質例如輕金屬或是塑膠。此一硬質耐磨步的形狀 會配合隔膜外型，在製作上會將此硬質圓盤置入射出機內與隔膜一同 射出，增加其耐用度。
需求閥 demand valve
需求閥(圖 2.8)是整個二級頭內最精密的零組件，其主要原理是 利用隔膜對於壓桿施力造成閥門的開啟或關閉(圖 2.9)。閥門內部有 數個主要元件，包括閥門主體、壓桿、閥門，O 型環、彈簧。閥門阻 擋住來自一級頭的空氣，等到吸氣時本體內壓力降低才由壓桿開啟。
為了提高氣瓶的使用時間，設計上是不允許閥門的漏氣，因此為了增 加閥門的封閉性，必須以彈簧施加預力封住閥門。
排氣閥 exhale valve
大部分的調節器設計，排氣閥絕本體的下方，除了可以排出氣體 外，也可以排除本體內的水氣，排氣閥的特性有如心臟的瓣膜，主要 由聚合材質做成。排氣閥有以下四個主要的功能:
能反應本體內部任何高於外部環境的壓力，並且將空氣排出平衡 本體內壓力。
防止本體外的海水進入本體內，也就是止逆閥或單向閥的功能。
提供一種較低阻力的方式來改變閥門的開合，並且達到排氣的功 能。
允許本體內的積水經由排氣閥排出。
排氣鈕 purge button
咬嘴 mouthpiece
咬嘴對於呼吸器的性能影響不大，但是其優劣與否有很大的主觀
呼吸功率
呼吸功率的單位是(J/l)，當吸氣與吐氣時平均每公升所耗費的 能量。
呼吸阻抗
呼吸阻抗可視為，潛水者在潛水狀態下吸吐氣時比在陸地上多提 供的壓力。例如當在潛水時為了順利透過調節器排出氣體，必須用胸 鏘及嘴巴施加壓力，強迫罰罰門開啟。而吸氣時一樣為了使閥門開啟 而必須產生額外的負壓來達到吸氣的效果，因此這些壓力即為呼吸阻 抗。呼吸阻抗值可以廣泛的應用在各種呼吸面罩的產品上，可以代表 其呼吸的難易度，例如高過濾型防塵口罩、防毒面具等。
理想呼吸調節器
理想呼吸調節器是可以在水中吸吐氣間不需要付出多餘的能量，
也就是趨近於零的呼吸功率與呼吸阻抗。但是依據呼吸調節器的運作 原理，閥門的開啟必須靠吸氣所造成的壓力差來產生推力，所以幾乎 無法達到理想化呼吸調節器的狀態。但是當吸氣流量夠大的時候，或 者本體內流速夠快，依據伯努力定律速度越快壓力越低，此時已經不 需靠吸氣負壓來維持閥門的開啟，除此之外還可以提供額外的正壓給
使用者。因此好的呼吸調節器雖然無法像理想化的調節器達到零呼吸 工率，但是能夠藉由主動提供正壓給使用者，來降低吸氣時的阻抗值。
一般情況下呼吸阻抗越低越好，但在某些特殊的情況下，潛水員 可暫時的增加調節器的呼吸阻抗，以防止調節器因阻抗過低，造成 Free-flow 的情況發生。如果潛水員想節省空氣的使用量時，也可以 些微增加調節器的呼吸阻抗，不過太長時間的高呼吸阻抗也會增加空 氣的消耗量，原因是潛水員的肺部必須費力的作動來克服增加的呼吸 阻抗，在長時間的呼吸阻抗下，為了補充氧氣的不足，以致增加了呼 吸頻率及呼吸量。增加呼吸阻抗可能會導致潛水意外的發生，大部分 情況為了安全以及初學者考量，多以低呼吸阻抗為設計目標
2-3 呼吸功率與阻抗的量測
呼吸功率與阻抗的量測是利用ANSTI測試機台如圖2.11，此測試 機可以模擬人體吸氣時的情況，記錄下咬嘴的壓力來反應潛水者使用 時的呼吸阻抗，並計算吸入一公升的氣體所耗費的能量。
2-4 影響呼吸阻抗與功率的因素
影響呼吸阻抗的因素可以歸納以下幾項
伯努力定律 依據伯努力定律中，在相同條流線下，或是能量相
同的流體，速度越快其壓力越小，反之速度越慢壓力越大。如果
Douglas J. [2]提出一種調節器用隔膜新的設計(圖2.12)。在調 節器上使用的隔膜改良其製造方法，將低摩擦阻抗的材料一起成形在 隔膜中間。而其低摩擦阻抗的材料使用金屬平板，並且在金屬平板上 電度一層耐氧化耐的材質。而隔膜在射出成型時，金屬平板將置於模 具內一同射出，並且包覆其隔膜裡外兩側，加強隔膜與金屬的固定。
Hansen[3] 利用平順的本體內部流道(圖 2.13)，降低呼吸阻抗。
其專利內容宣稱，調節器的本體內有曲形型的平面可以使氣體以層流 的方式流到吸氣端，並且降低紊流的發生。這曲形平面也可以降低吐 氣時，氣體回流的發生，除此之外還限制了氣體的分離層的產生。如 此設計可以大幅降低呼吸阻抗。
Christianson[4]提出一種新的半平衡式機械閥結構(圖 2.14)，
可以在高空氣流量不受到摩擦力的影響。需求閥內的彈簧機構被固定 在軸向的兩端，當壓縮時可以消除與壁面所產生的摩擦力。而其需求 閥內的動態閥門被固定在油封環以及壓桿間，可以避免與滑軌間的阻 抗。而在壓桿旋轉軸裝上球行軸承，可以提高壓桿運作的穩定性。
Ferguson[5]一種改良式的機械結構(圖 2.15)，可以調整需求閥 內彈簧預載，藉此改變呼吸阻抗。需求閥內的彈簧是為了施加預力在 關閉閥門上，當吸氣需開起閥門時，首先就要克服閥門上彈簧的壓 力。但是位了防止彈簧的疲勞，彈簧預載往往會大於所需要的量，而
增加了吸氣阻抗，為此在需求閥的另一端裝上一個調整彈簧預載的旋 鈕，並且將旋鈕延伸出本體外，藉此使用者可以自行調整適合自己的 彈簧預載。
Garraffa [6]利用海水壓力來推動內部機構(圖 2.16)，進而改變 內部氣道。當潛水者潛至越深的環境下，對於空氣的需求也會不一 樣。因此在本體內保留一獨立且隔絕的空間，並且用活塞與外界壓力 做平衡，當海水壓力增大就會向內推動活塞，而活塞再向內推動隔 板，此時就可以利用水壓來改變內部本體流道。
Belloni [7]將需求閥與吸氣出口端設置捷徑，以降低氣體流動 時的干擾(圖 2.17)。一般需求閥，閥門打開後氣體還需流經彈簧，
壓桿等機械結構，當氣體經過那麼多干擾組件後，流速與壓力皆會降 低。如果在需求閥與吸氣出口端設置一管道，可以將進氣閥的衝壓直 接傳遞至口腔前，以降低吸氣阻抗。
Brown [8]在調節器的咬嘴處直接設置單向閥以及排氣閥(圖 2.18)，傳統的排氣閥都設在整個調節器的最下方，因此當氣體從嘴 吐出要經過中間的壓桿等機械結構。為了提高排氣的順暢性，直接將 排氣閥設在咬嘴旁邊以降低排氣時的順暢性。
圖 2.1 調節器爆炸圖
圖 2.2 調節器內部示意圖
需求閥 咬嘴
排氣鈕 隔膜
本體
排氣閥
圖 2.3 調節器剖面圖 (a)含剖面線之右視圖
(c) 無剖面上視圖 (b) 剖面之上視圖
剖面線
圖 2.5 調節器做動示意圖
圖 2.6 本體之立體與三視圖 一級頭來
的空氣
隔膜
需求閥
需求 壓桿
吸氣 吐氣
關閉狀態
mouthpiece
排氣閥
圖 2.8 需求閥
圖 2.9 閥門做動示意圖 (a)閥門關閉
(b)閥門開啟
圖 2.10 排氣鈕
圖 2.11 ANSTI 呼吸調節器測試機台
圖 2.12 改良式隔膜 [2]
圖 2.13 特殊的曲面以降低紊流[3]
圖 2.14 半平衡式閥門結構[4]
圖 2.15 可調式需求閥[5]
圖 2.16 隨著環境水壓改變氣道[6]
圖 2.17 增加氣流捷徑[7]