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Verfahren zum Betrieb von Atemgeräten, insbesondere von Tauchgeräten
Es ist bekannt, Atemgeräte mit einer konstanten Dosierung des zufließenden Sauerstoffes
zu versehen. Da diese Sauerstoffdosierung u. a. auch den Bedarf bei schwerster körperlicher
Arbeit decken muß, ist sie für normale Verhältnisse überdimensioniert. Daher besteht
der Nachteil, daß Sauerstoff ungenutzt aus dem Gerät entweicht. Für Tauchgeräte,
die zum Tauchen in größere Tiefen verwendet werden sollen, ist die Zufuhr einer
konstanten Sauerstoffmenge noch aus dem Grunde für den Gerätträger nicht tragbar,
da bei einem unter der Sauerstoffdosierung liegenden Bedarf in dem Tauchgerät die
Sauerstoffanreicherung die Grenze des ertragbaren Sauerstoffte.iledruCkes überschreiten
kann, der bei etwa r bis 1,5 atü liegt.
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Es sind weiterhin Atemgeräte mit lungengesteuerter Sauerstoffzufuhr:
bekannt, bei denen die Sauerstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Füllung des Atembeutels
gesteuert wird. Die Art dieser Steuerung ist unterschiedlich. Bei einer Gruppe derartiger
Geräte wird bei Verminderung des Atembeutelinhaltes unter ein gewisses Maß ein Sauerstoffzusatzventil
geöffnet. Bei einer anderen Gruppe von lungenselbsttätigen: Atemgeräten wird der
Sauerstoff in den Atembeutel über ein Rück-.chlagventil aus einem an .das Drurkminderventil
angeschlossenen,
in seinem Rauminhalt veränderbaren Zwischenbehälter gedrückt, dessen bewegliche
Wand durch die Wand des Atembeutels bewegt wird. Schließlich ist auch noch ein Sauerstoffatemgerät
bekannt, bei dem eine von der das Gerät durchströmenden Luftmenge abhängige Sauerstoffmenge
zugeführt wird, wobei das Sauerstoffzuführungsventil in Abhängigkeit vom Umsatz
der Atemluft gesteuert wird. Alle diese Geräte haben zunächst den Nachteil, den
Sauerstoffzusatz entweder von dem Gasinhalt des Atemsackes oder von dem Luftumsatz
zu steuern. Der tatsächliche Sauerstoffverbrauch selbst aber wird nicht berücksichtigt.
Die die Sauerstoffzufuhr regelnde Veränderung der Atemsackfüllung ist z. B. abhängig
von der Tiefe des Atemzuges des Gerätträgers, die jedoch kein Maß für den tatsächlichen
Sauerstoffbedarf sein muß. Weiterhin kann bei gleichem Luftumsatz der Sauerstoffverbrauch
unterschiedlich hoch sein. Da jedoch die den Geräten zugeführten Sauerstoffmengen
nur von den Veränderungen in der Füllung des Atemsackes bzw. des, Luftumsatzes bestimmt
-,verden, können in diesen Geräten entweder Sauerstoffüberfluß oder Sauerstoffmangel
eintreten.
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Diese bekannten, in Abhängigkeit von der Füllung des Atembeutels gesteuerten
Atemgeräte sind für Tiefseetauchgeräte auch aus dem Grunde nicht brauchbar, daß
die einzuhaltenden Sauerstoffgrenzen bei großen Tiefen so eng liegen, daß sie voll
dem Gerät nicht mit Sicherheit eingehalten werden können. Es m.uß z. B. bei einer
Tiefe von i 5o ni der Sauerstoffgehalt zwischen i und 120,'o und demgemäß die Atemsackfüllung
zwischen 89 und iooo/o des größten Sackinhaltes liegen. Die Differenzen in der Atemsackfüllung
reichen dann für eine einwandfreie Steuerung der Sauerstoffzufuhr nicht aus.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Geräte und besteht
darin, daß die von dem Gerätträger verbrauchte Sauerstoffmenge gemessen und davon
in Anhängigkeit der Atemleitung \ ährgas zugeführt wird. Dieses Verfahren kann auf
jede beliebige Art und Weise durchgeführt werden. Es kann z. B. die Menge der Einatemluft
und die von Kohlensäure und gegebenenfalls auch von Wasserdampf befreite Aasatemluft
bestimmt und in :Anthängigkeit von der Diff,°renz dieser :Mengen der Atemleitung
Sauerstoff zugeführt werden, wobei dann diese Sauerstoffmenge dem tatsächlichen
Sauerstoffverbrauch des Gerätträgers entspricht.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens kann eine X'orrichtun.g dienen,
bei der in den Weg bzw. die Wege der Ein- und der von Kohlensäure, gegebenenfalls
auch von Wasserdampf befreiten \usatemluft ein bzw. mehrere eine Nährgas- bzw. I'umpvorrichtung
steuernde, vorzugsweise als Differentialgasmengenmeßvorrichtung ausgebildete Gasmengenmesser
eingeschaltet sind. Diese bestimmen die Mengen der Einatemluft und der von Kohlensäure
und gegebenenfalls auch von Wasserdampf befreiten Aasatemluft. Sie steuern die :N
ährgaszumeß- bzw. Pumpvorrichtung, die aus dem Nährgasbehälter die dem tatsächlichen
Sauerstoffverbrauch entsprechende Nährgasmenge in das Atemkreislaufsvstem einführt.
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Als Gasmengenmeßvorrichtung kann jede bekannte Vorrichtung dieser
Art dienen. Im Interesse der Einfachheit können die Gasmengenmesser vorteilhaft
als rotierende Messer, insbesondere als Drehkolbengasmesser, ausgebildet sein. Desgleichen
kann auch die N ährgaszumeß- bzw. Pumpvorrichtung als Drehkolbenpumpe ausgebildet
sein; andere Pumpformeil sind jedoch ebenfalls verwendbar.
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Eine besonders einfache Bauform des Gerätes ergibt sich, wenn ein
einziger vor- und rückwärts laufender, insbesondere rotierender Gasmengenmesser
sowohl in die Ein- als auch in die Ausatemleitun.g eingeschaltet ist. Naturgemäß
muß dann die Kapselung des Gasmengenmessers so ausgebildet sein, daß die Ein- und
Ausatemleitungen nicht ineinander iiliergehen. Eine ebenfalls einfache Bauform wird
erreicht, wenn in den pendelnd durchströmten Weg der Ein- und Aasatemluft ein Gasmengeninesser
eingeschaltet ist.
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Die Kupplung der Gasnieirgenmesser bzw. der Differentialgasmengeiimeßvorric'htting
mit der Nährgaszumeß- bzw. Pumpvorric'htung kann unterschiedlicher :Art sein. So
kann z. B. der Gasmengenmesser über ein Getriebe mit einem Mitnehmer verbunden sein,
der die Gaszumeßvorrichtung betätigt. Bei Verwendung eines rotierenden Gasmengenmessers
kann dieser einen Mitnehmer tragen, der die Gaszumeß- bzw. Pumpvorrichtung betreibt.
Der Mitnehmer kann mittelbar oder unmittelbar die Sauerstoffnährgasfördervorrichtung,
wie z. B. eine Kolben-. @Iemliran- oder Drehkolhenpumpe, antreiben.
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Um die Messung von der bei Kohlensäureabsorption, insbesondere bei
der Absorption in mit Alkalihydroxyd beschickten Patronen, eintretenden Temperaturänderung
der Aasatemluft unabhängig zu machen, wenn dies nicht in anderer Form bei Messungen
berücksichtigt werden soll, kann in der Ausatemleitung zwischen Kdhlensäureabsorptionspatrone
und Gasmengenmesser ein die Temperaturen der Ein- und Aasatemluft angleichender
Wärmeaustauscher angeordnet sein. Dieser kann z. B. darin bestellen, claß Ein- und
Ausatemleitung konzentrisch ineinander- oder nebeneinandergefiihrt sind. wobei die
Trennwände in an sich bekannter Weise mit Rippen od. d-1. versehen sind. Bei Tauchgeräten
genügt es. die Ein- und Ausatemleitung eitle bestimmte Strecke in das umgebende
Wasser zti führen, uni dadurch eine völlige Gleichheit der Temperatur der .1tis-
und Finateniltift zu erreichen.
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Wenai die Nälirgaszumeßvorrichtung nur unter einem geringen Druckgefälle
arbeiten soll, kann in der Leitung vom \ ährgasvorratsbeliälter zur Gasmetigenmeßvorrichtung
hzw. -pumpe ein vorzugsweise als Hilfssack ausgebildeter und auf einem in einem
bestimmten X'erli:iltnis zum Außendruck stehenden Druck gehaltener --\'ährgashehälter
eingebaut
sein. Eine derartige Vorrichtung ist insh:sondere bei Tauchgeräten vonVorteil, ria
gerade bei diesen der Druck in der i#,temluftleitung, entsprechend den Tiefenunterschieden,
erheblichen Sclin anktingen unterworfen ist.
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Uni bei einem Druckanstieg im Atembeutel, inshesondere bei Tauchergeräten,
zu vermeiden, daß (las Nährgas in die Gasmengenmeßvorrichtung bzt\. in den der Gasinengenmeßvorrichtung
gegebenenfalls vorgeschalteten Niederdruckbehälter zurückgedrückt i% itd, kann in
der Nährgaszuführungsleitung, vorzugsweise hinter der Gasmengenineßvorrichtuit,g
bzw. -pumpe, ein Rückschlagventil angeordnet sein.
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13ei Atemgeräten, die Druckschwankungen unter-\\-orfen sind, wie z.13.
bei Tauchgeräten oder liöhenfahrtgeräten, können vorzugsweise vor oder hinter den
Gasmengenmessern in die Atemluftleitung je ein ins Freie mündendes Rückschlagventil
gleicher \Viderstände angeordnet sein. Derart tv ird vermieden, claß bei auftretenden
Druckschwankungen, die zu einem Gasaustritt aus dem Gerät führen, die Messung der
Gasmengenmesser durch den Gasaustritt beeinträchtigt wird. Dabei kann (las an der
Lungenseite des Gasmengeninessers liegende Rückschlagventil an der Atemlcitung hinter
dem Ausatemventil angeordnet sein. Derart wird die in der Kohlensäureal)sorptions-1>atrone
enthaltene Luftmenge bei einer Expansion infolge einer -Minderung des Außendruckes
nicht durch den Gasmengenmesser geleitet, sondern kann unmittelbar ins Freie austreten,
so daß die \lessting des Gasrnengenmessers nicht beeinträchtigt @@ir(l. Die beiden
ins Freie mündenden Rück-:clilagveritile können unmittelbar vor und hinter (lern
Gastnengenm-esser angeordnet sein.
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Um insbesondere bei Tauohgeräten einen gleichen (lflnu:ugsdrtick der
Rückschlagventile zu gewähren, I«innen die vorzugsweise in ein gemeinsames Gasaustrittsrohr
mündenden Riickschlagventile etwa in gleicher Höhe liegen.
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Für Tieftauchgeräte, hei denen in der Atemluft zusätzlich ein inertes
Gas zugegeben werdien muß, uni den Sauerstoffpartialdruck in den für die menschliche
:\tmung notwendigen Grenzen zu Balten. kann in die Atemluftleitung über ein
von. dem Außendruck selbsttätig gesteuertes Ventil ein Vorratsbehälter für niedermolekulare
Gase, insbesOndere 1?delgase, angeschlossen sein. Vorteilhaft kann dabei die N iederdruckzufuhr
von inertem Gas .ich gabelnd über je ein Rückschlagventil gleicher \\'iderstiinde
vor und hinter dem Gasmengenmesser in die .\teniltiftleitun:g einmünden. Dadurch
wird! erreicht, daß hei der Zugabe von inertem Gas die \lessu.ng des Gasinengenmessers
nicht beeinträchtigt \\-ircl.
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Die Beweglichen Teile der Rückschlagventüle können vott einem gemeinsamen
Spannmittel giespannt sein, dadurch Nvird ein einwandfrei gleichartiger (`Sffnurrgsdruc
@k der Rückschlagventile sichergestellt.
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Uni heim :liilegen des Gerätes diieses schnell mit reinem Sauerstoff
füllen zu können, kann von dem 1Vährgasventiil eine mit einem Absperrventil- versehene
Leitung zur Ate.mluftleitung führen, die bei Tauchgeräten vorzugsweise ür der Niederdruckz.uführungsleiturtg
vom inertem Gas mündet.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Erfindung für Tauchgeräte
in Abb. i bis 3 schematisch dargestellt.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. i führt von dem Mundstück oder der
Maske i ein die Ausatem'leitung bildender Strang -der sich gabelnden Leitung 2 über
das Ausatemventil 3 und die Alkalipatronc 4 zu dem Gasmengenmesser 5. Der die Einatemleitung
bildendie Zweig 6 der Leitung 2 führt über das Einatemventil7 ebenfalls zu deren
,gleichen Anschlußstück des Gasmengenmessers@ 5: An dessen anderer Seite ist über
die Leitung 8 der Atemsack 9 angeschlossen. Zwischen dem Gasmengen@messer 5 und
der Alkalipatrone 4 ist außerdem noch ein Wärmeaustauscher io angeordnet, der die
in der Alkalipatrane 4 erwärmte Luft #auf die gleiche Temperatur bringt, die die
Atetnluftleitung im übrigen besitzt.
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Bei der Einatmung der Luft wird der als Drehkoll)engasmesser ausgebildete
Messer 5 entsprechend dem Einatemvolumen nach rechts ge-.dreht. Die Abmessungen
.dies Gasmengenmessers 5 können derart klein gewählt sein, daß bei der Einatmung
der Gwmengenimesser mehrere Umdrehungen durchläuft. Bei der Ausatm-unig durchströmt
.die in der Alkalipatrone 4 von Kohlensäure und Wasserdampf befreite und in dem
Wänrteau.stauscher io auf die gleiche Temperatur wie die Einatemluft gebrachte Ausatemluft
den Gasmengenmesser in umgekehrter Richtung, wobei dessen Trommel zurückgedreht
wird, ebenfalls entsprechend dem Atemvolumen. Da das Volumen, der von der Kohlensäure
befreiten Ausatemluft kleiner ist als das der Eiaiatemluft, wird der Gasmengeninesser
nicht auf dien Anfangswert zurüdkgelangen, sondern entsprechend der Differenz zwischen
Ein-und Ausaternvolumen eine geringere linksgerichtete als rechtsgerichtete Umdrehung
haben. Diese Differenz entspricht dem tatsächlichen Sauerstoffverbrauch.
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Die Welle i i des Gasmengenmessers treibt- über ein Ritzel 12 ein
Za'hrnrad 13- an, so däß dieses der Pilgerschrittbewegung des Gasmen@genmessers
5 entsprechend bewegt wird. Die Übersetzung kann dabei so gewählt sein, daß der
Drehwinkel des Zahnrades 13 bei der größtmöglichen Einatmung etwa 300° nicht überschreitet.
Der Mitnehmer 14, der mit dem Zahnrad verbunden ist, minnrnt, während der Einatmung
,dien koaxial rnit der Achse des Zahnrades 13 aber unabhängig von ihm direhbaren
Daumen i.5 mit. Bei der Ausatmung läuft der Mitnehmer 14 rückläufig, ohne den Daumen
15 mitzunehmen.. Bei erneuter Einatmung .durchläuft dieser Mdtnehmer 14 zunächst
diesen Sektor, ohne dien Daumen 15 zu beeinflussen, um dann entsprechend der Differenz
der Umdrehung bei dler Ein- und Ausatmung den Daumen 15 wieder mitzunehmen. Die
absatzweise Drehbewegung dies Daumens 15 ist also ein direktes Maß dies tatsächlichen
Sauerstoffverbraucbes.
Sie kann unmittelbar zur Förderung des Sauerstoffes
aus dem Vorratsbehälter in das Atmungssystem dienen, in dem diie Daumenwelle 16
eine Kolbenpumpe, Membranpumpe oder, wie in der Abbifd'unig dargestellt, eine
17 antreibt.
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Wenn der Gasmengenmesser 5 so groß gebaut wird, daß dessen größter
Winkelweg während! der Einatmung nicht über 36o° beträgt, kann der Mitneluner 14
unmittelbar auf der Gasmengenmesserwelle i i befestigt sein, ,so daß der Antrieb
12, 13 entfällt.
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Der Sauerstoff stömt aus dem Hochdrwckbohälter 18 über dis Druckminderventil
i9 zti &m äls Hilfssack ausgebildetenVorratsbehälter2o. Das Druckminderventil
i9 ist so ausgebildet, daß der Druck in dem Hilfssack 20 stets in einem bestimmten
Verhältnis zum Außendruek steht. Dabei kann das Druckminderventil i9 entsprechend
dem _N/faß der Füllung dies Hilfssackes 2o in gleicher Weise wie die bekannten,
von denn Atemsack hei Atemgeräten gesteuerten Druckminderventil gesteuert sein..
Von den stets auf einer bestimmten Füllung gehaltenen Hilfssack 20 führt die Leitung
22 über die Sauerstoffördervorrichtung 17 und dies Rückschlagventil 21 zu
der Leitung 27, die in; die Atemluiftleitung mündet. Von diern Druckmin@derventi,l
i9 führt weiterhin eine Leitung 23 über das von Hand zu bedienende Absperrventil
24 in die Leitung 22.
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An das Gerät ist weiterhin eine Druckgasflasche 25 für inerte Gase,
insbesondere für Helli:um@, .angeschlossen, die ihrenseits über ei-n Druckmindervent'il
26 und die Leitung 27 mit den beiden Rückschlagventi'len 28 in Verbindung steht.
Diese sind irber je eine Leitung 35, 36 an die Ateinluftleitung vor und' hinter
dem Gasmengenmesser 5 angeschlossen, wobei die Leitungen 35 und' 36 mit je einem
ins Freie mündenden Überdruckventil 29 versehen sind. Das an der Leitung 35 befindliche
Ventil kann auch unmittelbar an dem Atemsack 9 angebracht sein.
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Die Betriebsart des Gerätes ist folgende: Beim Anleg-en des Gerätes
ist es zweckmäßig, die Atem'luftleitungen zunächst leer zu atmen, um den Stickstoff
der atmosphärischen Luft zu entfernen. Darauf wird das Ventil der Flasche18 geöffnet
unddurchÖffnen des Handventils 24 die Atemluftleitungen mit reinem Sauerstoff aufgefüllt.
Das Gerät kann zweckmäßig zweimal leer geatmet und neu mit reinem Sauerstoff gefüllt
werden, so .daß d_.e Geräteluft etwa go% Sauerstoff enthält. Nach dem Öffnen des
Ventils der Flasche 18 füllt sich der Hilfssack 20 automatisch auf. Nachdem das
Gerät angelegt ist, wird das Ventil der Heliumflasche 25 geöffnet und der Tauchabstieg
kann beginnen. Entsprechend dem steigenden Wasserdruck werden der Atemsack 9 und
der Hilfssack 20 vusammengepreßt. In beiden Fällen wird jedoch durch die selbsttätigen
Reduzierventile erreicht, daß dies Helium in den Atemluftkreislauf und damit in
-dien Atemsack 9 bzw. Sauerstoff in den Hilfssack 20 nachströmen. Das Rückschlagventil21
verhindert hierbei den Übertritt von heliumhaltiger Luft in den Hilfssack 20, so
daß sich in diesem stets nur reiner Sauerstoff befindet, während sich im Atemsack
9 ein Sauerstoff-Helium-Gemisch bildet, dessen Sauerstoffgehalt mit zunehmender
Tiefe fortlaufend sinkt. Dies aus dem Grunde, da die Sauerstoffzuifuhr nur genau
dem Verbrauch entsprechend erfolgt, -während das Helium entsprechend der Druckzunahme
leim Abstieg zuströmt. Der Sauerstoffteildruck bleibt also konstant und beträgt
etwa i atü, wobei eine geringe Verunreinigung des Sauerstoffes u-nd Luftreste im
Atemluftkreislauf vernachlässigt werden können. Der Teildruck des Sauerstoffes kann
nicht wesentlich gering°r werden, da der anfangs prall mit Sauerstoff gefüllte -Atembeutel
iiti Wasser sein Volumen etwas verringert. den Druck aber relativ erhöht.
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Auch für den Fall. daß der Sauerstoff bis zu 2% Freinidgase, insbesondere
Stickstoff enthält, \\ ird der Sauerstoffpartialdruck noch nicht unter die erträgliche
Grenze ge<Lriicl;t.
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Beim I@ufstieg expandiert das iii der Atemluftleitung eingeschlossene
Gasgemisch und entweicht durch die Rückschlagv entile 29 ins Freie. Der im Hilfssack
20 enthaltene Sauerstoff wird bei der l-xpandlierung über das Ventil 21 in den Atemluftkreislauf
eingedrückt, da der Sauerstoff nur über den Sauerstofförderer 17 abfließen kann.
Das Gasgemisch in der Atemluftleitung wird dadurch mit Sauerstoff automatisch angereichert.
Die Sauerstoffanreicherung ist al>liängig von dem Verhältnis des Volumens der Atemluftleitungen
zti dein Volumen des Hllfss2lCkeS20. Naturgemäß ist dieses Volumverhältnis so zu
wälfen, claß der Satierstoffpartialdruck in den für die Erhaltung dien Atmung notwendigen
Grenzen bleibt. Der aus dein Hilfssack 20 entweichende Sauerstoff dreht den Sauerstofförderer
17; damit dessen Bewegungen keinen Einfluß auf :eine Steuerung ausüben können. kann
zwischen den Daumen 15 und den Sauerstofförderer 17 ein Klinkentrieb geschaltet
sein.
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Die Ausführungsform der Abb. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform
der Abb. i zunächst dadurch, d'aß die Ein- und Ausatmungswege getrennt durch den
gemeinsamen Gasmengenmesser 5 geführt sind. Des weiteren ist in dem von dem Atemsack
9 zum Gasmengenmesser 5 führenden Teil der Einatemleitung der Wärmeaustauscher 30
angeordnet, der mit dem Wärmeaustauscher io der Ausatemleitu:ng vereint sein kann.
Im übrigen genügt es bei Tauchgeräten, daß die `Värineaustausc'her unabhängig voneinander
durch das umgebende Wasser geführt sind.
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Die von der Gasfördervorriclitung 17 über das Rückschlagventil21 führende
Leitung mündet unmittelbar in der Nähe des Atemsackes 9.
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Farne weitere Änderung dein in Abb. i @dargiestellten Gerät gegenüber
besteht darin, daß zwischen denn Ausatemventil 3 und der.llka'lipatrone4 das eine
ins Freie niiind°ride Rückschlagventil 31 angeschlossen ist, während das andere
Rückschlagventi132 ähnlich wie hei der .\usführungsform
nach Abb.
i angeordnet ist. Die beidien Rückschlagventile münden in ein gemeinsames Gasaustrittsrohr
33 und' liegen etwa in gleicher Höhe. Außerdem werden die beweglichen Teile der
Rückschlagventile von einer gemeinsamen Spannfeder gegen den Ventilkrater gedrückt;
hierdurch wird erreicht, ilaß der C)ffnungsdruck der beiden 'Ventile gleich groll
ist.