DE2648927A1 - Ausatemventil - Google Patents

Description

CN ._1Νβ DIPL.-INO. M.S;. ΟΙΓ..-·ΗΥ». D«. HÖGER - STELLRECHT - ÖRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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27. Okt. 1976

Mine Safety Appliances Company 400 Penn Center Boulevard Pittsburgh, Pa. / USA.

Ausaternventil

Die Erfindung'betrifft ein Ausateinventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Ein Atemsystem, welc?ies auf der Entwicklung eines bestimmten Bedarfsdrucks reagiert und arbeitet, schützt den Benutzer dadurch, daß während des Einatemvorgangs ein positiver Druck bzw. ein überdruck in der Gesichtsmaske aufrechterhalten wird, so daß die Verwendung eines Bedarfsreglers möglich wird, der den Gasverbrauch schont. Das bei einem solchen System verwendete Ausatemventil ist dann so ausgelegt und in Verbindung mit einem Bedarfsdruckregler ausgebildet, daß der Überdruck in der Gesichtsmaske aufrechterhalten wird. Es darf daher durch dieses Ventil kein Leckfluß auftreten, da dies zu einer Verringerung

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oder Erschöpfung des Gases in dem System führt. Zur gleichen Zeit muß ein solches Ausatemventil jedoch dem Fluß des Ausatemgases nur einen geringen Widerstand entgegensetzen. Mit anderen Worten muß ein beim Bedarfsdruck ansprechendes Ausatemventil _r wie es die vorliegende Erfindung zum Gegenstand hat, bei sämtlichen Drücken unterhalb eines voreingestellten Öffnungsdrucks fest schließen und so eine Dichtung gegenüber einem Leckgasfluß aus der Gesichtsmaske bei statischen Bedingungen bilden. Andererseits darf ein solches Ventil im Zustand eines hohen Ausatemflusses nur einen sehr geringen Fließwiderstand oder eine sehr geringe Einschränkung gegenüber dem Atemfluß darstellen (als Maß für eine Flußbegrenzung kann beispielsweise der Druck dienen, der erforderlich ist, um in .der Gesichtsmaske durch das Ausatemventil einen hohen Fluß, beispielsweise 300 Liter pro Minute, zu ermöglichen).'Das ideale, bei Druck nach Bedarf ansprechende Ausatemventil wäre daher ein Ventil, bei dem der Gesichtsmaskendruck bei hoher Ausatemflußrate der gleiche ist wie der öffnungsdruck (cracking pressure) des Ventils, so daß das zweckmäßigste und beste, tatsächlich realisierbare Ventil ein Ventil wäre, welches sich dieser Idealbedingung so eng wie möglich annähert.

Es sind schon eine Vielzahl verschiedener Versuche unternommen worden, um sich diesem Idealzustand anzunähern. Die einfachste Möglichkeit ist ein Ventil, welches über eine Feder verfügt, die ein Ventilelement gegen den Ventilsitz drückt. Die Federkraft ist dem Druck der Gesichtsmaske entgegengerichtet und hält daher einen gewissen Überdruck (positive pressure) in der Gesichtsmaske aufrecht. Allerdings weist ein solches Ventil verhältnismäßig starke Einschränkungen auf gegenüber einer hohen Ausatemflußrate, wobei das Ventilelement während des Ausatemvorgangs unstabil ist und daher auch ein Rattergeräusch von dem Benutzer gehört und gefühlt v/erden kann. Andere Möglichkei-

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ten zur Schaffung solcher Ausatemventile, die bei einem bestimmten Dedarfsdruck ansprechen, verfugen über komplexe Federsysteme und Druckausgleichsanordnungen, die helfen sollen, die Ventile zur Reduzierung des Flußwiderstandes voll zu öffnen; allerdings benötigen solche Ventile eine größere Anzahl verhältnismäßig komplexer Einzelbauteile, so daß man mit hohen Herstellungskosten rechnen muß.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Ausatemventil für ein Atemsystem zu schaffen, welches bei Bedarf auf Druckeinwirkung anspricht, im Aufbau und in der Herstellung einfach und preiswert ist und in der Läge ist, in der Gesichtsmaske ohne Leckfluß einen überdruck aufrechtzuerhalten; des weiteren soll ein solches Ventil bei vorliegendem Ausatemfluß, d.h. nach der öffnung, nur einen geringen Flußwiderstand bieten.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs.

Bei der Erfindung ist vorteilhaft, daß sich gegenüber den anderen, verhältnismäßig einfachen Ventilsystemen eine wesentlich verbesserte Wirkungsweise ergibt und daß dennoch keine komplizierten Bauelemente und Wirkungssysteme verwendet v/erden müssen.

Im einzelnen verfügt das erfindungsgemäße Ausatemventil über eine Ventilkammer innerhalb eines Ventilgehäuses mit einer Einlaßöffnung in einer Abschlußwand des Ventilgehäuses, durch welche die ausgeatmete Luft eindringt. Zur umgebenden Seitenwand im Abstand und nach innen versetzt innerhalb des Ventilkammergehäuses befindet sich ein Ventilsitz, der die Einlaßöffnung umgibt und mit einem Dichtelement in Wirkverbindung steht, dessen

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andere Fläche von einer steifen Scheibe erfaßt ist, die ihrerseits wieder an einem Ventilstößel oder an einer Ventilstange befestigt ist, die sich durch die Einlaßöffnung erstreckt und dort von Halteelementen geführt ist. Der Durchmesser dieser über der Dichtungsscheibe liegenden steifen Scheibe ist nahezu so groß wie der Durchmesser der zweckmäßigerweise kreisförmig ausgebildeten Ventilkammer. Zwischen der Scheibe und der anderen Abschlußwand des Ventilgehäuses befindet sich eine Druckfeder, die durch ihre Druckwirkung auf die Scheibe gleichzeitig auch die Dichtungsscheibe gegen den Ventilsitz preßt. Dabei ist die steife, gegen die Dichtungsscheibe anliegende Scheibe zu der die Einlaßöffnung aufweisenden Abschlußwand der Venti1-kammer so weit im Abstand gehalten, daß sich ein Scheibenrandbereich über die Abmessungen der Dichtungsscheibe und damit auch des Ventilsitzes hinaus erstreckt und in Richtung auf die Abschlußwand geneigt ausgebildet ist, zu dieser jedoch noch einen Abstand einhält. Die Seitenwand des Ventilkammergehäuses ist mit einer Vielzahl von Auslaßöffnungen versehen, die sich um die feste Scheibe herumerstrecken und deren innere, d.h. der Gesichtsmaske zugewandte Wandbereiche angrenzend an die eine Abschlußwand in einer Ebene liegen, die im wesentlichen übereinstimmt mit der Ebene, in welcher der sich geneigt erstreckende Scheibenrandbereich endet; schließlich ist der Raum zwischen dem Ventilsitz und der Seitenwand des Gehäuses gegenüber den Auslaßschlitzen geöffnet.

Anhand der Zeichnung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung im einzelnen genauer erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des an einer Gesichtsmaske befestigten Ausatemventils,

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Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf das Ventil entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 zeigt einen Ilorizontalschnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3 und

Fig. 5 zeigt in einer teilweisen Schnittdarstellung die Position der beweglichen Ventilelemente während eines Ausatemvorgangs.

Der Darstellung der Fig. 1 läßt sich eine Gesichtsmaske 1 entnehmen, die streng und straff über das Gesicht geführt ist und fest anliegt, so daß an ihren Randkanten kein Leckfluß auftreten kann. Die Gesichtsmaske bzw. der Teil eines Atemgerätes, der zur Befestigung am vorderen Kopfteil des Trägers in Fig. 1 dargestellt ist, verfügt über einen Einlaß 2, der zur Aufrechterhaltung eines Überdrucks, beispielsweise von 38 mm Wassersäule, innerhalb der Gesichtsmaske mit einem geeigneten, nicht dargestellten Bedarfsdruckregler verbunden ist. Die Gesichtsmaske verfügt weiterhin über einen Auslaß, in welchem das die wesentlichen Maßnahmen der Erfindung verkörpernde Bedarfsdruck-Ausatemventil 3 montiert ist. Dieses Ventil öffnet sich nicht, bevor nicht der "gewünschte vorgegebene Druck in der Gesichtsmaske überschritten ist. Entsprechend vorliegender Erfindung verfügt das Ausatemventil, wie am besten der Fig. 3 entnommen werden kann, über ein Gehäuse, welches gebildet ist aus einem Ventilköjrperteil 5 und einer Abdeckung 6, die in geeigneter Weise fest zusammengespannt sind, beispielsweise mittels Schrauben 7, von denen bevorzugt nicht mehr als vier verwendet.sind. Der Ventilkörperteil vind die Abdeckung sind von solcher Form, daß

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im Inneren des Gehäuses eine Ventilkammer 8 gebildet ist. Bevorzugt ist diese Ventilkammer kreisförmig ausgebildet und verfügt über zwei Endwände bzw. über eine in der Darstellung der Fig. 3 angegebene untere und eine obere Abschlußwand, die von einer Seitenwand 11 umgeben sind. Die Abschlußwand 9 befindet sich dem Gesichtsstück bzw. der Gesichtsmaske am nächsten und wird daher im folgenden als innere Wand bezeichnet; sie verfügt über einen zentralen Einlaßmündungsbereich 12 für die Aufnahme von aus der Gesichtsmaske ausgeatmeter Luft. Dieser Einlaßbereich ist von einem Flansch 13 umgeben, der sich von der umgebenden Wand wegerstreckt und zum Auslaß der Gesichtsmaske führt. Die Außenseite des Flansches kann mit einem Schraubengewinde versehen sein, so daß eine Haltemutter 14 von der Innenseite der Gesichtsmaske aufgenommen werden kann. Der untere Endbereich der Haltemutter ist von einem nach außen fortstehenden Flansch 15 umgeben, der in eine kreisförmige Ausnehmung eines Halterings 16 vorspringt. Verschraubt man daher durch festes Anziehen die Mutter mit dem Ventil, dann v/ird der Haltering dazu veranlaßt, die Gesichtsmaske zur Bildung einer Abdichtung fest und dicht mit dem'Ventilgehäuse zu verbinden und an dieses zu pressen. Verfügt der Flansch 13 über kein Außengev/inde, dann kann er in der Gesichtsmaske mit Hilfe eines Klemmringes gehalten sein, der den Teil der Gesichtsmaske umgibt, der um den Flansch herumliegt.

Der innere, d.h. der auf die Gesichtsmaske gerichtete Endbereich des Flansches 13 verfügt über nach innen verlaufende, radiale Rippen 18 (s. die Figuren 2 und 3), die eine zentrale Hülse oder Büchse 19 tragen, in v/elcher ein Ventilstößel 20 gleiten kann. Der Darstellung der Fig. 4 läßt sich entnehmen, daß das Innere der Hülse kreisförmig ausgebildet ist, der Ventilstößel ist aber bevorzugt viereckig oder rechteckförmig ausgebildet, um die Reibung mit der Hülse zu reduzieren und einen

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möglichen Aufbau von Fremdstoffen zwischen Ventilstößel und Hülse zu verhindern, der die Arbeitsweise des Ventils beeinträchtigen könnte. Der Ventilstößel erstreckt sich durch den Einlaßbereich des Ventils bis in die Ventilkammer 8 innerhalb des Gehäuses.

Fest an dem freien Ende des Ventilstößels im Inneren des Gehäuses ist der zentrale Bereich einer steifen Scheibe 22 angeordnet, die über einen Durchmesser verfügt, der nahezu so groß ist wie der Durchmesser der Ventilkammer, so daß zwischen deren Innenwandung und der Scheibe lediglich ein geringer Abstand oder ein geringes Spiel, etwa in der Größenordnung von 0,0635 cm, besteht. Die Scheibe liegt über einem Ventilsitz 23, der die Einlaßöffnung 12 umgibt und zur Seitenwand 11 der Ventilkammer im Abstand gehalten ist, so daß um den Ventilsitz herum ein ringförmiger Bereich 2 4 gebildet ist. Des v/eiteren ist zwischen dem Ventilsitz und der steifen Scheibe eine Dichtung, bevorzugt eine Scheibe 25 aus einem Elastomer, beispielsweise aus Gummi, angeordnet, und kann sich mit der Scheibe bewegen. Um die Dichtscheibe an ihrer Stelle zu halten, kann der Ventilstößel mit einem radialen Flansch 26 versehen sein, wobei sich die Dichtscheibe zwischen, der steifen festen Scheibe 22 und diesem Radialflansch 26 befindet. Unter Federspannung ist schließlich noch zwischen der festen Scheibe und der äußeren, d.h. unteren Abschlußwand 10 des Gehäuses eine Schraubenfeder 27 eingespannt, die so ausgebildet ist, daß im Normalfall auf die Scheibe 22 ein Druck ausgeübt wird, so daß die Dichtscheibe gegen den Ventilsitz gepreßt ist.

Der Darstellung der Fig. 3 läßt sich entnehmen, daß der zentrale Bereich der steifen Scheibe 22 zur inneren Abschlußwand 9 der Ventilkammer in einem Abstand angeordnet ist, der groß genug ist, daß sich der Scheibenrandbereich seitlich über den Ventil-

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sitz hinaus und quer durch den ringförmigen Bereich 6 4 erstrekken kann, wobei eine Neigung in Richtung auf die innere Abschlußwand 9 gegeben ist. Der zweckmäßigste Weg, diesen Abstand (zwischen Scheibe und Abschlußwand) zu schaffen, besteht darin, den Ventilsitz 23, wie in Fig. 3 gezeigt, erhaben auszubilden. Der Randkantenbereich der steifen Scheibe befindet sich dann in einem Abstand zur inneren Abschlußwand 9, der etv/a halb so groß ist wie die Tiefe des Ventilsitzes, d.h. halb so groß wie der Abstand, um welchen sich der äußere Endbereich des Ventilsitzes über der Abschlußwand 9 erhebt. Bevorzugt schließt der geneigte Randbereich der steifen Scheibe einen Winkel von etwa 15 mit der Achse des Ventilstößels ein.

Die Gehäuseseite ist mit einer Vielzahl von Auslaßschlitzen 30 versehen, die sich um die Scheibe herumerstrecken und deren innere Wände an die innere Wand des Gehäuses angrenzen (auch hier ist der Begriff innen und außen richtungsbezogen und so zu verstehen, daß mit inneren Teilen die Teile bezeichnet sind, die der Gesichtsmaske, an welcher das Ventil befestigt ist, näher sind). Die äußeren Wände der Schlitze befinden sich natürlich näher an der äußeren Abschlußwand der Ventilkammer. Bevorzugt sind in die Seitenwand des Gehäuses lediglich so viele Schlitze eingearbeitet, wie Schrauben 7 zur Verbindung der beiden Gehäuseteile vorhanden sind, wobei sich jeder Schlitz soweit wie möglich zwischen diesen Schrauben erstreckt. Wie der Fig. 3 entnommen werden kann, verlaufen die inneren Wände der Schlitze im wesentlichen geradlinig, und sie befinden sich in einer Ebene, die übereinstimmt oder nahezu übereinstimmt mit der Ebene, in welcher sich die Randkante der Scheibe 22 befindet, die der inneren Abschlußwand 9 des Ventilgehäuses am nächsten ist. Dementsprechend sind sowohl die Randkante als auch die inneren Wandbereiche der Schlitze 30 im wesentlichen im gleichen Abstand zur inneren Wand der Ventilkammer angeordnet.

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Der Ringbereich 24 zwischen dem Ventilsitz und der Seitenwand der Ventilkammer ist daher stets gegenüber den Auslaßschlitzen geöffnet und befindet sich somit auf atmosphärischem Druck.

Bei einem entsprechend den erfindungsgemäßen Grundlagen hergestellten Ventil beläuft sich der Durchmesser des Ventilsitzes auf 2,54 cm, so daß die Fläche des beweglichen Ventilelementes, welches bei geschlossenem Ventil dem Druck in der Gesichtsmaske ausgesetzt ist, 5,06 cm beträgt. Da der Durchmesser der steifen Scheibe 22 bei annähernd 3,81 cm liegt, ergibt sich eine Scheibenfläche, die dem Luftfluß bei geöffnetem Ventil ausgesetzt ist, von annähernd 10,97 cm . Dadurch wird es dem Druck der Gesichtsmaske ermöglicht, auf eine wesentlich größere Fläche der Ventilscheibe nach dem Aufspringen bzw. Aufbrechen des Ventils zu wirken, wodurch sich die Hebekraft oder die Wirkungskraft zum Anheben des Ventils gegen die einwirkende Federkraft verstärkt. Tatsächlich wird der verhältnismäßig kleine Flächenbereich innerhalb des Ventilsitzes, der den Überwindungsdruck für die Ventilöffnung bestimmt, im wesentlichen verdoppelt, sobald sich das Ventil geöffnet hat. Im Moment der Öffnung des Ventils trägt dann die Kraft, das Moment oder die Geschwindigkeit der nach außen dringenden ausgeatmeten Luft zur Öffnung des Ventils, wie in Fig. 5 gezeigt, bei. Aufgrund der Form der Ventilscheibe und ihrer Beziehung zur inneren Wand der« Ventilkammer wird in dem Bereich 2 4 unter der Scheibe eine kleine Lufttasche erzeugt, die für einen v/eichen und glatten Betrieb des Ventils während der Ausatmung sorgt. Da die Auslaßschlitze zur inneren Abschlußwand der Ventilkammer im Abstand gehalten sind, ist der Bereich 24 von einer kurzen Seitenwand umgeben^ die in diesem Bereich für eine Luftturbulenz sorgt. Die Folge hiervon ist, daß die schnell entweichende ausgeatmete Luft die Hebekraft oder die Einwirkungskraft gegen das Ventil vergrößert, indem ein Antriebsvektor oder ein Schwungvektor zusätzlich

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erzeugt wird beim Ausströmen der Luft durch die Auslaßschlitze. Dieser Antriebsvektor wirkt in einer der Schließkraft der Ventilfeder entgegengesetzten Richtung. Da sich der Umfängsbereich der Ventilscheibe nahe an der Seitenwand der Ventilkammer befindet, ergibt sich durch die geringe Einschränkung oder Drosselung , die zwischen der Scheibenrandkante und den inneren Wänden der Ventilschlitze gebildet ist, die Tendenz, oberhalb der Scheibe eine Lufttasche festzuhalten. Die Wirkung dieses Ventils ist so, daß es nicht unmittelbar vor Beendigung des Ausatemvorgangs in seine Schließstellung zurückschnappt und den Ausatemvorgang beendet, bevor der Benutzer selbst voll ausgeatmet hat. Ein solcher Machteil ergibt sich beispielsweise bei dem Regelventil in dem US-Patent 1 964 616, falls dieses als Ausatemventil verwendet werden würde. Die flache Scheibe 55 bei dem Ventil des erwähnten US-Patents ist während einer erheblichen Bewegungsdauer von einer festen Wand umgeben, die für einen Druckaufbau nach dem öffnen das Ventils sorgt, wodurch das Ventil vollständig in seine offene Stellung umspringt, Sobald der Druck hinter der Scheibe abnimmt, springt das Ventil wieder in seine Schließstellung. Diese Wirkungsart ist bei einem Entlastungsventil erwünscht, kann jedoch nicht bei einem Ausatemventil angewendet werden, und zwar deshalb, v/eil das Rückschnappen in die Schließstellung auftritt, sobald der Fluß der Ausatemluft abnimmt. Das erfindungsgemäße Ventil arbeitet nicht in dieser, in dem genannten US-Patent beschriebenen Weise, sondern schließt sich allmählich', wenn der Ausatemvorgang abnimmt.

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   Patentansprüche.

   1. Ausatemventil für die Gesichtsmaske eines Atemgeräts, insbesondere auf Druckeinwirkung bei Bedarf ansprechendes
   Ventil, bestehend aus einem eine Ventilkammer bildenden
   Gehäuse mit Abschlußwänden und einer Seitenwand, wobei in
   einer Abschlußwand eine Einlaßöffnung für die ausgeatmete
   Luft angeordnet ist, die von einem nach innen von der Seitenwand im Abstand angeordneten Ventilsitz umgeben ist, an dem im Normalzustand des geschlossenen Ventils ein Dichtungselement anliegt, wobei ferner die gegenüberliegende
   Seite des Dichtungselements von einer steifen Scheibe erfaßt ist, an deren zentralen Bereich ein sich durch die Einlaßöffnung erstreckender und in dieser geführter Ventilstößel befestigt ist,

   dadurch gekennzeichnet,
   daß der Durchmesser der festen Scheibe (22) nahezu so groß ist wie der Durchmesser der Ventilkammer (8), daß die Scheibe (22) so weit von der einen Abschlußwand (9) der Ventilkammer (8) entfernt ist, daß ihr seitlich über den Ventilsitz (23) hinausragender Scheibenrandbereich zu dieser Abschlußwand (9) geneigt, jedoch im Abschluß verläuft, daß in der Seitenwand (11) der Ventilkammer (8) eine Vielzahl von sich um die feste Scheibe (22) erstreckender Auslaßschlitze angeordnet ist, deren innere, an die eine Abschlußwand (9) des Gehäuses angrenzende Wände in einer Ebene liegen, die im wesentlichen übereinstimmt mit der Ebene, in welcher die
   diese Abschlußwand (9) nahe Scheibenrandkante verläuft und daß der Raum (2 4) zwischen dem Ventilsitz (23) und der Seitenwand (11) zu den Auslaßschlitzen (30) offen ist.

   2. Ausatemventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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   der Ventilsitz (23) zur Bildung dos Abstandes der Scheibe (22) zur einen Abschlußwand (9) der Ventilkammer (8) gegenüber dieser erhaben ausgebildet ist.

   3. Ausatemventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Schlitze (30) größer ist als der maximale
   Bewegungsabstand, den die Ventilscheibe bei der Öffnungsbewegung des Ventils zurücklegt.

   4. Ausatemventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein radial vom Ventilstößel (20) ausgehender Flansch (26) vorgesehen ist, zv/ischen welchem und der steifen Scheibe (22) das Dichtungselement (Dichtscheibe 25) sandwichartig angeordnet ist.

   5. Ausatemventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenrandbereich gegenüber der Ventilstößelachse um etwa 15° geneigt ist.

   6. Ausatemventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibendurchmesser um etwa 1,27 mm geringer ist als der Durchmesser der Ventilkammer (3).

   7. Ausatemventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse über einen die Einlaßöffnung (12) umgebenden, sich von der einen Abschlußwand (9) nach außen erstreckenden Flansch (13) verfügt, der in die öffnung der Gesichtsmaske einschiebbar ist und daß zur Führung des Ventilstößels (20) im Inneren des Flansches und von diesem getragen eine Aufnahmehülse (19) angeordnet ist.

   8. Ausatemventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

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   der Flansch (13) ein äußeres Schraubgewinde zur Aufnahme einer üaltemutter (14) bei der Befestigung des Ventils an der Gesichtsmaske aufweist.

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