DE2841787A1 - Atemgasabgaberegler - Google Patents
AtemgasabgabereglerInfo
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Description
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Dip[.-Ing. A. Wasmeier
DIpl.-Ing. H. Graf
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K/p 9629
5& 25. Sept. 1978 W/He
Anmelder: F0BM4MIE-GAESEDT (HOLDINGS) LIMITED, Westland Works,
Yeovil, Somerset, England
!Eitel: "Atemgasabgaberegler"
Priorit-ät: Großbritannien Fr. 40056/77 vom 26. September 1977
909814/0949
Konten: Bayerische Veremsbank (BLZ 75020073) 5839300
Postscheck München 89369-801
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"AtemgasabRaberegler"
Die Erfindung bezieht sich auf Atemgasabgaberegler vom Bedarfstyp (d.h. Regler, die ein Stromabgabeventil bzw. "Bedarfsventil11 aufweisen,
das auf den Atemzyklus eines Benutzers anspricht, um Atemgasjabzugeben,
wenn dies zum Einatmen erforderlich ist); während die Erfindung auf Regler dieser Art generell anwendbar ist, ist
sie insbes. anwendbar auf solche Regler, die zur Abgabe eines Gasgemisches geeignet sind.
Bei einem Atemgasabgaberegler 'vom Bedarfstyp ist es üblich, daß
das Bedarfsventil durch ein Servosystem betätigt wird und der Einatmungs-
und Ausatmungsdruck des Atemzyklus des Benutzers einer Membran aufgegeben wird, die ein Pilotventil betätigt, das einen
Schließdruck hinter dem Bedarfsventil in solcher Weise steuert, daß letzteres öffnet, damit Atemgas während der Einatmungsphase
des Atmungszyklus abgegeben wird.
Es ist übliche Praxis, Sauerstoff in einen Atemgasabgaberegler eines Flugzeugführers mit einem verhältnismäßig hohen Druck von
z.B. 4,9 kg/cm einzuspeisen. Ein derartiger Speisedruck ermöglicht
die Verwendung kleiner Leitungen und Bedarfsventilbestandteile, so daß der Regler ziemlich kleine räumliche Abmessungen
besitzt. Bestimmte erwünschte Sauerstoffquellen, z.B. Sauerstoff
erzeugende Bordsysteme mit Molekularsieb sehen eine Speisequelle
mit niedrigem Druck von z.B. 0,7 kg/cm vor, und wenn eine solche
Quelle mit einem Regler der vorliegenden Art verwendet werden soll, würde der Regler unannehmbar groß werden, um die Leitr-ungen
und Bestandteile ausreichender Größe aufzunehmen, damit der gewünschte Sauerstoffluß zum Benutzer während der Periode einer Jeden Einatmungsphase
geleitet wird.
Ziel der Erfindung ist es somit, einen Atemgasabgaberegler vom Bedarfstyp zu schaffen, der einwandfrei bei wesentlich geringeren
Gaseinspeisungdrücken arbeitet, als dies bisher üblich war.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Servomechanismus
einen ITuidikverstärker mit einem Ausgang an einen Betätiger für
das Bedarfsventil und eine Steueröffnung aufweist, die zum Ansprechen auf Atemdrucksignale aus denm Drucksensor geschaltet ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Drucksensor eine ventilbetätigte Membran aufweist, die auf
einer Seite dem Gasauslaß zum Abfühlen des Atemdruckes des Benutzers und auf der anderen Seite einer Vorspanndruckkammer ausgesetzt
ist, wobei der Regler eine Vorspanndruckeinstellvorrichtung zum Einstellen des Druckes in der Vorspanndruckkammer in Abhängigkeit
von .Änderungen im Umgebungsdruck besitzt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die vorspanndruckeinstellvorrichtung einen Sicherheitsdruckregler
aufweist, der auf Umgebungsdruck anspricht, um eine Druckleitung zur Vorspanndruckkammer zu öffnen, wenn der Umgebungs-Kiruck auf
einen ersten voreingestellten Wert fällt, wodurch ein Vorspanndruck auf die Vorspanndruckkammer aufgegeben wird, sowie einen
Druckatemregler, der auf Umgebungsdruck anspricht und der in der Lage ist, fortlaufend den Vorspanndruck mit abnehmendem Umgebungsdruck
zu erhöhen.
Der Druckatemregler nach der Erfindung ist beispielsweise so ausgelegt,
daß er mit der Erhöhung des Vorspanndruckes in Abhängigkeit davon beginnt, daß der Umgebngsdruck auf einen zweiten voreingestellten
Wert fällt, der niedriger ist als der erste Wert.
Vorzugsweise hat die Vorspanndruckkammer eine begrenzte öffnung
in die umgebende Atmosphäre, und der Druckatemregler steuert eine begrenzte öffnung in die umgebende Atmosphäre aus der Druckleitung
stromabwärts in bezug auf den Sicherheitsdruckregler.
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungs"beispieles eines Gasmisch- und -abgabereglers
für eien Flugzeugführer erläutert. Es zeigt:
Pig. 1 schematisch ein servobetätigtes Fluidik-Bedarfsventil und
zusätzliche Druckregeleinrichtungen des Reglers,
Fig. 2 schematisch eine Gasmischsteuereinrichtung, die an das Bedarf
sventil nach Jig. 1 angeschlossen wird und dieses speist, und
Fig. 3 schematisch den Zustand der auf Druck ansprechenden Elemente
und des Ventilkopfes des Mischventiles des Reglers während verschiedener
Flugbedingungen eines den Regler aufweisenden Flugzeuges.
Das Bedarfsventil und die Zusatzeinrichtungen nach Fig. 1 weisen drei Gaseinlaßverbindungen A, B und C auf, die mit ähnlich bezeichneten
Verbindungen der Gasmischsteuereinrichtung nach Fig. 2 verbunden sind. Die Verbindung A dient zum Anschluß des Gasgemischauslasses
der Gasmischeinrichtung nach Fig. 2 an den Gaseinlaß
zum Bedarfsventil, die Verbindung B stellt einen Einlaß für Druckluft
dar, die die Hauptenergie für den Servobetrieb des Bedarfsventile s ergibt, während die Verbindung 0 einen Einlaß für den
druckaufgeladenen Sauerstoff darstellt, der eine alternative Energie für den Servobetrieb des Bedarfsventiles darstellt.
Fig. 1 zeigt schematisch eine servobetätigte Bedarfsventilanordnung
10 mit einem Betätiger 11, der an einen zweistufigen Fluidikverstärker 12 angeschlossen ist, welcher durch Luft oder Sauerstoff
betrieben wird, die bzw. der über die Verbindung B oder C durch ein automatisch betätigbares Umwegventil 13 aufgenommen wird, das
den Verstärker 12 mit der Verbindung B verbindet, wenn ein entsprechender Luftdruck an dieser Verbindung herr-sht. Eine Steueröffnung
14 des Fluidikverstärkers 12 ist so ausgelegt, daß sie mit
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einer Eatl-üftungsöffnung über ein Ventil 15 (pad valve) in Verbindung
steht, das einen Teil einer Drucksensoreinheit 16 bildet, die an einer Auslaßleitung 17 der Bedarfsventilanordnung 10 positioniert
ist und die auf Druck in der Leitung 17 anspricht, der durch den Atemvorgang des Benutzers erzeugt wird. Sicherheitsdruck-
und Druckatemregler 18, 19 sind der Bedarfsventilanordnung 10 zugeordnet und erfüllen die Sicherheits- und physiologischen Anforderungen
des Benutzers während des Fluges über den Betriebshöhenbereich des den Regler aufnehmenden Flugzeuges.
Der Betätiger 11 der Bedarfsventilanordnung 10 weist eine Kammer
auf, die durch eine flexible Membran 22 in zwei Teilkammern 20, unterteilt ist; von der Membran 22 geht ein Stößel 23 aus, der in
Kontakt mit einem Bedarfsventil 24 steht. Das Ventil 24 steuert einen Gasfluß durch die Bedarfsventilanordnung 10 aus der Verbindung
A einer Einlaßleitung 25 zu der Auslaßleitung 17.
Der Fluidikverstärker 12 ist von bekannter zweistufiger Ausführung
und ist so ausgelegt, daß er druckaufgeladene Luft oder - falls die Lufteinspeisung ausfällt - druckaufgeladenen Sauerstoff aus
dem automatisch betätigbaren Umwegventil 13 aufnimmt. Dieses Ventil
13 stellt ein Membranventil dar, das so ausgelegt ist, daß es entweder den Sauerstoffdurchflußpfad oder den Luftdurchflußpfad
schließt, und ist mittels einer Feder gegen das Schließen des Sauerstoffdurchflußpfades vorgespannt. Der Luftdurchflußpfad weist
ein Rückschlagventil auf. Eine Auslaßleitung 26 aus dem Umwegventil 13 ist mit dem Fluidikverstärker 12 über eine Leitung 27
und über zwei Wege mit einer Vorspanndruckkammer 28 der Sensoreinheit 17 verbunden. Einer dieser beiden Wege verläuft über eine
Leitung 29, die die Sicherheitsdruck- und Druckatemregler 18, 19 sowie ein Rückschlagventil 30 enthält, während der andere Weg über
ein Bodenprüfventil 31 verläuft, das eine Umwegleitung 32 verschließt;
die Leitungen 27, 29 und 32 besitzen jeweils eine Einstellvorrichtung
33 für veränderlichen Durchfluß in der Leitung 27. Die Leitung 27 hat Zweige, die einen Leistungsstrahl 34- und
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Steueröffnungen 14, 35 der ersten Stufe des Fluidikverstärkers 12
sowie einen Leistungsstrahl 36 der zweiten Stufe speisen. Jeder
Zweig der Leitung 27 enthält eine Einstellvorrichtung für veränderlichen
Durchfluß. Der Verstärker 12 "besitzt zwei Ausgänge 37, 38, die mit den Teilkammern 20, 21 der Bedarf sventilbetätigungsvorrichtung
11 verbunden und mit einstellbaren oder starren Meßdüsenöffnungen, z.B. 39» versehen sind.
Der Sicherheitsdruckregler 18 und der Druckatemregler 19 sind von bekannter Art, und ihre Betriebsweise ist bekannt. Der Regler 18
spricht auf die Höhe,z.B. durch Abfühlen des Kabinendruckes an, und ist so ausgelegt, daß er die Leitung 29 öffnet oder schließt,
während der Segler 19 auch auf die Höhe (z.B. den Kabinendruck) auspicht, jedoch so ausgelegt ist, daß er einen begrenzten Entlüftungspfad
aus der Leitung 29 steuert.
Die Drucksensoreinheit 16 weist ein Gehäuse auf, das die Vorspanndruckkammer
28 enthält, welche zwischen einer Rollmembran 40, die dem Druck in der Auslaßleitung 17 der Bedarfsventilanordnung
ausgesetzt ist, und einer Wand 41, von der ein Teil flexibel ausgebildet ist und das Tentilelement 42 des Ventiles 15 aufnimmt,
ausgebildet ist. Die Rollmembran 40 wird durch eine !feder so beaufschlagt, daß sie an dem Ende des Stößels des Ventilelementes
42 anliegt, der sich durch den flexiblen Teil der Wand 41 erstreckt, wodurch das Ventil 15 geschlossen wird. Die Vorspanndruckkammer
28 besitzt eine einstellbare oder starre Meßdüsenöffnung
Ein Überdruckventil 43 ist vorgesehen, um das Auftreten eines Überdruckes in der Auslaßleitung 17 der Bedarfsventilanordnung 10
zu verhindern.
Die Gasmischsteuervosichtung, die schematisch in Fig. 2 dargestellt
ist, weist eine Mischventilanordnung 50 auf, die ein Proportionierventil
51 besitzt, das im einen Sinne durch Mittel betätigbar ist, die auf Signale ansprechen, welche durch eine Fluidik-Gaskonzentrationssensoranordnung
52 und durch eine Absolutdruckbezugswertvor-
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richtung 53 erzeugt werden, und im entgegengesetzten Sinne durch
eine Feder 89 mit niedriger Federkonstante "betätigbar ist.
Die Mischventilanordnung 50 weist eine Mischkammer 54- zwischen
den Einlaßkammern 55» 57 auf, mit denen die Mischkammer über entsprechende
Zutrittsöffnungen verbunden ist, die inUmfangsrichtung
verlaufende Ventilsitze haben, welche dem Inneren der Mischkammer 54 ausgesetzt sind. Die Abfühlkammern 81, 83 sind außerhalb der
Einlaßkammern 57 und 55 angeordnet. Die Einlaßkammer 55 steht mit
einer Iiuftzuführleitung 56 in Verbindung, während die Einlaßkammer
57 mit einer Sauerstoffspeiseleitung 58 in Verbindung steht. Die
Leitungen 56, 58 weisen jeweils ein Druckreduzierventil 59 auf
und besitzen Zweigleitungen 60, 61, die zu den Verbindungen B, C zu dem Umwegventil 13 führen (Fig. 1). Eine Auslaßleitung 62 verbindet
die Mischkammer 54 mit der Einlaßleitung 25 der Bedarfsventilanordnung
10 über eine Verbindung A (Fig. 1) und ergibt auch einen Gasgemischprüfauslaß 63, der eine Kapillar-Meßdüsensensoranordnung
64 der Gaskonzentrationssensoranordnung 52 speist. Die Kapillare der Anordnung 64 ist über ihre ganze Länge mit Hilfe
einer rohrförmigen Haube abgeschirmt.
Die Gaskonzentrationssensoranordnung 52 ist von bekannter Art und
weist eine zweite Kapillar-Meßdüsensensoranordnung 65 auf, die
so ausgelegt ist, daß sie ümgebungsluft (Kabinenluft) für den Bezug
mit Hilfe einer Filtervorrichtung 66 prüft, die beispielsweise Molekularsieb-4A-Material verwendet, um Wasser und Kohlendioxyd
aus der geprüften Luft zu entfernen. Die beiden Sens oranordnungen
64, 65 werden durch Strömungsmittelleitungen 67, 68 miteinander verbunden, die über eine T-Verbindung an eine Saugleitung 69 der
Absaugvorrichtung 70 angeschlossen sind. Die Strömungsmittelleitung
67 besitzt eine Begrenzungsvorrichtung 71 mit veränderlichem Durchfluß. Die Abfühlleitungen 72, 73 erstrecken sich von den entsprechenden
Sensoranordnungen 64, 65 zu einem Fluidikverstärker mit laminarem Durchfluß, der so ausgelegt ist, daß er Umgebungsluft
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über eine Leitung 75 aufnimmt, die aus der Filtervorrichtung 66 abgeht.
Eine Saugleitung 76, die eine Meßdüse mit festem Durchfluß enthält, verbindet den Verstärker 74- mit der Absaugvorrichtung 70,
und Signalausgangsleitungen 77» 78 des Verstärkers stehen mit den
Teilkammern 84, 88 der beiden Abfühlkammern 83, 81 der Mischventilanordnung
50 in Verbindung. Die Absaugvorrichtung 70 ist über eine
Zweigleitung 56a mit der Luftspeiseleitung 56 verbunden.
Die Teilkammer 80 wird durch Unterteilung der Abföhlkammer81 mit
einer flexiblen oder Rollmembran 82 ausgebildet, und die Teilkammer 84 durch Unterteilung der Abfühlkammer 83 mit einer flexiblen
oder Rollmembran 86. Ein Doppelventilkopf 87 wirkt mit den beiden Ventilsitzen zusammen, die innerhalb der Mischkammer 54-angeordnet"sind.
Der Ventilkopf 87 ist auf einer Spindel 88 aufgenommen, die sich durch die Kammer 54, 55» 57 erstreckt und mit
den Membranen 82, 86 in den Abfühlkammern 81, 83 in Kontakt steht. Die leder 89, die eine mit Schraubgewinde versehene Einstellvorrichtung
20 aufweist, ist so angeordnet, daß sie den Ventilkopf 87 in Schließstellung der Lufteinlaßzutrittsöffnung drückt (in
i"ig. 2 nach links). Die Teilkammer 79 in. der Abfühlkammer 83 ist
für den Umgebungsdruck (Kabinendruck) geöffnet, während die Teilkammer 85 über eine begrenzte Leitung 91 mit einer statischen
Druckverbindung der Absolutdruckbezugsvorrichtung 53 verbunden ist.
Die Absolutdruckbezugsvorrichtung 53 ist für den Betrieb durch eine Niederdruckstrahlpumpe 92 ausgelegt und weist insoweit einen
rohrförmigen Körper mit einem Venturirohr 93 hoher Ausbeute auf, das so ausgelegt ist, daß es in einem gedrosselten Zustand arbeitet.
Antriebsluft wird in die Strahlpumpe 92, die am stromabwärts gelegenen Ende der Vorrichtung 53 angeordnet ist, aus der Luftspeiseleitung
56 über eine Zweigleitung 56b eingespeist. Ein Absolutdruckanschluß 94, der eine einstellbare Anzapfung hat, verbindet
die Vorrichtung 53 mit der Leitung 91 und ferner mit einem
Entlüftungsventil 95> das auf einer Wand der Teilkammer 80 angeordnet
ist. Das Entlüftungsventil 95 weist eine Membrananordnung
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auf, die auf den Unterschied zwischen absoluten und Umgebungs-(Kabinen)
drücken anspricht.
Ein weiteres Entlüftungsventil 96 ist in ähnlicher Weise auf der
Wandung der Teilkammer 80 angeordnet und über eine begrenzte Leitung 97 mit der Luftspeisezweigleitung 56b verbunden. Das Entlüftungsventil
96 weist eine Membrananordnung auf, die auf die Differenz zwischen Umgebungs-(Kabinen-)druck und dem reduzi-erten
Speieeluftdruck anspricht.
Ein Übersteuerungsauswählventil 98 ist in einer Entlüftungsleitung
99 vorgesehen, die mit dem Absolutdruckanschluß 94· verbunden
ist, um eine 100%ige Sauerstoffabgabe aus dem Regler zu erzielen, falls dies erwünscht ist.
Beim Betrieb der erf indungs gemäßen Regeleinrichtung werden druckaufgeladene
Luft und druckaufgeladener Sauerstoff getrennt dem Regler aus entsprechenden Speisequellen zugeführt, z.B. der Kompressorstufe
eines Flugzeugmotors und einer Flüssigsauerstoffkonverteranlage
oder eine Sauerstofferzeugungsanlage an Bord des Flugzeuges.
Sowohl die Luft als der Sauerstoff werden auf einen Druck von etwa 0,7 kg/cm über die Druckreduzierventile 59 reduziert, die in den
entsprechenden Luft- und Speiseleitungen 56, 59 angoerdnet sind. Luft wird in die Einlaßkammer 55 'und' Sauerstoff in die Einlaßkammer
57 eingeführt, von diesen beiden Kammern können die Gase in die Mischkammer 54· über Zugangsöffnungen in den Wandungen, die
die Kammern trennen, unter Steuerung des Doppelventilkopfes 87 strömen. Luft und Sauerstoff werden bei den Drücken in den Leitungen
56, 58 auch getrennt über Zweigleitungen 60, 61 in das
Umwegventil 13 eingeführt, in welchem aufgrund der durch die
Jeder in diesem Ventil erzeugten Vorspannkraft Sauerstoff am Durchfluß gehindert wird, während Luft zur Verfügung steht. Die
Luft gelangt in normalem Betrieb von dem Umlenkventil 13 über
das Rückschlagventil, die Auslaßleitung 26 und die Leitung 27 zur Speisung des zweistufigen Pluidikverstärkers 12, und über
die Leitung 29 zur Vorspanndruckkammer 28 der Drucksensoreinheit 16, die der Bedarfsventilauslaßleitung 17 zugeordnet ist; Luft
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wird jedoch daran gehindert, daß sie die Kammer 28 erreicht, und
zwar durch den Sicherheitsdruckregler 18, wenn dessen Ventil geschlossen ist, "beispielsweise, wenn die Umgebungsdruckhöhe (Kabinendruck)
z.B. unter 3.600 m beträgt, und (mit Ausnahme für Testzwecke) durch das Bodentestventil 31 in der Nebenschlußleitung 32.
Ferner wird Luft über die Zweiglufteinspeiseleitungen 56a, 56b zugeführt, um die Absaugvorrichtung 70 und die Strahlpumpe 92 der
Absolutdruckbezugsvomchtung 53 anzutreiben, und wird ferner über die begrenzte Leitung 97 geführt, um dem Eatlüftungsventil 96 einen
Schließdruck aufzugeben.
Die Ansaugvorrichtung 70 führt eine Saugwirkung in den Leitungen
69 und 76 ein, die Saugwirkung in der Leitung 76 induziert einen
Leistungsstrahl, der in der laminaren Strömung des Fluidikverstärkers
74- auftritt und aus der Kabinenluft abgeleitet wird, die durch
das Filter 66 und die Leitung 75 gezogen wird. Die Saugwirkung in der Leitung 69 zieht Kabinenluft als ein Bezugsgas durch die Kapillar-Meßdüsensensoranordnung
65 über die Leitung 68, und eine Probe des Mischgases durch die entsprechende Anordnung 64- über die Leitung
67. Die rohrförmige Haube über der Mischgasprobenkapillare verhindert den Eintritt von Luft, während Umgebungsdruck (Kabinendruck)
dar-um herum aufrechterhalten wird. Die Abfühlleitungen 72,
73 ί die von den kleinen Kammern in den Kapillar-Meßdü sensensoranordnungen
ausgehen, ergeben eine Steuerung der reduzierten Drücke, die in die Signalausgangsleitungen 77» 78 induziert werden. Die
Gaskonzentrationsseneoranordnung 52 wird so voreingestellt, daß
sie abgeglichene Abgabesignale beim Vergleich identischer Gase, z.B. Luft, durch Einstellung der Drosselstelle 71 mit veränderlichem
Durchfluß ergibt.
Die Absolutdrucksensorvorrichtung 53 b^firkt durch ihre Strahlpumpe
92, daß Umgebungsluft (Kabinenluft) bei der Erzeugung eines Absolutdruckbezugs
signales durch sie hindurch strömt. Das Bezugssignal
wird als Negativdruck oder Saugwirkung erzeugt, der bzw. die durch den Abfühldruck im Anschluß 94· in einem parallelen Abschnitt der
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Vorrichtung 53 erhalten wird, welche zwischen dem glockenförmigen
Eintritt und dem Venturirohr 95 angeordnet ist, wobei das Venturirohr
in einem gedrosselten Zustand arbeitet. Das Absolutdruckbezugssignal wird in der Steuerkammer des Anzapfventiles 95 über den
Anschluß 94- und in der Teilkammer 85 durch Verbindung mit dem Anschluß
94- über die Leitung 91 abgefühlt, während Umgebungsdruck
in der Teilkammer 79 herrscht. Die äußeren Teilkammem80, 84 führen
die Drücke in den Signalausgangsleitungen 78, 77 des Gaskonzentrationssensors
52 ab. Während des Betriebes herrscht somit ein Saugdruck in der Teilkammer 85 und ein positiver Druck im Vergleich
dazu in der Teilkammer 79, während in den Kammern 80, 84ein Saugdruck
besteht. Die Drücke in den Kammern 80, 84 sind gleich, wenn die Mischventilanordnung 50 nur Luft durchläßt, werden jedoch verschieden,
wenn auch Sauerstoff durchgelassen wird, und die Kammer 80 fühlt dann den niedrigeren Druck ab.
Bei Bedingungen in Bodennähe und in geringen Höhen, wo eine Sauerstoff
anreicherung nicht erforderlich ist, überwindet der kombinierte Druckeffekt des Absolutdruckbezuges in der Teilkammer 85 die
von der Feder 89 ausgeübte Kraft, so daß die Sauerstoffzugangsöffnung
zur Mischkammer 54- durch den Ventilkopf 87 geschlossen
wird und. nur Luft in den Bedarfsregler 10 aus der Mischventilanordnung
50 eingespeist wird.
Wenn mit zunehmender Flughöhe eine Sauerstoffanreicherung erforderlich
wird, nimmt das Absolutdruckbezugssignal im Wert ab (d.h. wird weniger negativ) und hat infolgedessen einen reduzierenden
Einfluß bei der Überwindung der KÄt der Feder 89, so daß die
Feder sich zu defcren begiant und dadurch allmählich das Proportionierventil
51 in der Weise bewegt, daß der Ventilkopf 87 die Säuerst off Zugangs öffnung zur Mischkammer 54- öffnet. Bei einer Abgabe
der mit Sauerstoff angereicherten Luft erzeugt die Kapillar-Meßdü^sensensoranordnung
64 ein Steuersignal, das verschieden von dem der Anordnung 65 ist, wodurch eine Druckdifferenz in den Ausgangsleitungen
77, 78 des Fluidikverstärkers 74- auftritt und der Druck in der Teilkammer 84 im Vergleich zu der Teilkammer 80
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zunimmt (d.h. weniger negativ wird), so daß die Feder 89 in einen druckabgeglichenen Zustand gebracht wird und die Bewegung des Ventilkopfes
in Richtung des öffnens der SäuerstoffZutrittsöffnung geprüft
und dem überschüssigen Anteil von Sauerstoff im Gasgemisch, der sonst auftreten würde, entgegengewirkt wird.
Bei Umgebungshöhen (Kabinenhöhen), bei denen es erforderlich ist, daß nur Sauerstoff in den■Bedarfsregler 10 eingespeist wird, ist
das Absolutdruckbezugssignal im Wert des negativen Druckes so niedrig, daß der Saugdruck in der Teilkammer 85 und in der Steuerkammer
des Entlüftungsventils 95 <üe auf das Proportionierventil 51 einwirkende
Feder 89 und auch^nicht^die Feder des Entlüftungsventiles
/—^zurückhalten kann. Wenn das Entlüftungsventil 95 die Teilkammer 80
zur Umgebung öffnet, wirkt der Druck auf die Membran 82 und unterstützt die'Kompressionsfeder 89 beim Antrieb des Proportionierventiles
51, um den Ventilkopf 87 fest über der Luftzutrittsöffnung
zur Mischkammer 54- zu schließen.
Die Rollmembranen 82, 86 sind in bezug auf die Federkonstante der Feder 89 so bemessen, daß für solche Höhen, bei denen mit Sauerstoff
angereicherte Luft in die Bedarfsventilanordnung 10 eingeführt werden muß, die Mischventilanordnung in Abhängigkeit von dem
Höhenaignal aus dem Absolutdruckbezugssensor dahin tendiert, etwas
mehr Sauerstoff als erforderlich im Gasgemisch abzugeben. Diesem Überschuß wird dann durch die Gaskonzentrationssensoranordnung 52
entgegengewirkt, und der überschüssige Sauerstoff im Gemisch im Vergleich zu luft bewirkt, daß die Steuersignale in den Abfühlleitungen
72, 73 nicht mehr im Gleichgewicht sind, so daß die Ausgangssignale des Verstärkers JM- ebenfalls nicht mehr im Gleichgewicht
sind, eine Druckdifferenz in den Ausgangsleitungen 77» 78 und infolgedessen in den Teilkaramern 80, 84 auftritt, so daß die Rollmembranen
82, 86 dem Einfluß dieser Druckdifferenz ausgesetzt sind, um die höhenbezogene, der Feder 89 entgegenwirkende Kraft zu unterstützen
und damit die Bewegung des Ventilkopfes 87, etwas weniger Sauerstoff als dies sonst der Fall wäre, zur Mischkammer 54 durchzu-lassen?
zu begrenzen.
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Während des normalen Betriebes des Reglers wird druckaufgeladene
Luft in die Steuerkammer des Entlüftungsventiles 96 über eine
Drosselleitung 97 eingeführt und in der Steuerkammer aufrechterhalten, während die Saugwirkung, wie bereits erwähnt, in der
Steuerkammer des Entlüftungsventiles 95 mit Hilfe des Anschlusses
94- aufrechterhalten wird, der den Absolutdruckbezug abfühlt, wobei
die beiden Entlüftungsöffnungen der Teilkammer 80 der Abfühlkammer 81 geschlossen gehalten werden. Im Falle des Verlustes oder Teilverlustes
des Absolutdruckbezugssignales, beispielsweise aufgrund eines schadhaften Leckens, verringert sich nicht nur die Saugwirkung
in der Teilkammer 85 der Abfühlkammer 83 und ermöglicht,
daß die Feder 89 den Ventilkopf 87 in Richtung eines vollen Öffnens
des SauerstoffZutritts zur Mischkammer 54- bewegt, wie entsprechend
einer normalen Zunahme in der Höhe, sondern die Saugwirkung in der Steuerkammer des Entlüftungsventiles 95 wird auch
reduziert, so daß das Entlüftungsventil geöffnet wird und der Signaldruck in der Teilkammer 80 rasch durch das Eintreten von
Umgebungsluft (Kabinenluft)abgebaut wird, wodurch die Bewegung des Ventilkopfes 87 beschleunigt und damit eine höhere Ansprechgeschwindigkeit
auf den Abfall im Absolutdrucksignalwert erhalten wird.
Im Falle des Verlustes oder Teilverlustes der Drucklufteinspeisung
wird, obgleich das Absolutdruckbezugssignal bei ähnlichen Ergebnissen wie den soeben beschriebenen beeinflußt wird, eine direkte
und raschere Ansprechwirkung durch den Druckverlust in der Steuerkammer des Entlüftungsventiles 96 erzielt, wodurch das Ventil geöffnet
wird und den gleichen Effekt ergibt, wie das öffnen des Entlüftungsventiles 95·
Durch Betätigung des Übersteuerungsauswählventiles 98 zum Anzapfen,
des Absolutdruckabfühlanschlusses 94- wird das Entlüftungsventil geöffnet und bewirkt, daß der Ventilkopf 87 sich in die Position
bewegt, die durch maximalen Sauerstoff zutritt zur Mischkammer 54·
gegeben ist.
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Nach S1Ig. 1 gelangt Luft oder ein Gemisch aus Luft und Sauerstoff
oder reiner Sauerstoff, entsprechend der jeweiligen Umgebungshöhe (Kabine*-nhöhe), oder entsprechend der Auswahl durch die Einstellung
des Ventiles 98 an die stromaufwärts gelegene Seite des Bedarfsventiles 24 aus der Mischventilanordnung 50 über die Auslaßleitung
62 und die Verbindung A zum Einlaß 25 der Bedarfsventilanordnung 10, wo die Luft oder das Gemisch aus Luft und Sauerstoff
oder der raine Sauerstoff gehalten wird, bis durch, den Benutzer
ein Bedarf entsteht. Der Fluidikverstärker 12 wird mit Druckluft aus der Leitung 26 über die Leitung 27 zu den Leistungsdüsen und
Steueröffnungen des Verstärkers gespeist. Während die Drucksensoreinheit 16 im Ruhezustand ist, wird das Ventil 15 in dieser Einheit
unter dem Einfluß der auf dieMembran 4.0 wirkenden Feder geschlossen,
so daß Luft, die in die Steueröffnung 14 eingeführt wird, gezwungen wird, die Leistungsdüse 34- in der ersten Stufe
nach rechts in der Zeichnung abzulenken, wodurch die Leistungsdüse 36 entgegengesetzt nach links in der zweiten Stufe abgelenkt
wird und somit Luftenergie in die Teilkammer 21 auf der Unterseite der flexiblen Membran 22 im Betätiger 11 zum Bedarfsventil 24- in
der geschlossenen Position aufgegeben wird.
Nimmt man eine geringe Umgebungshöhe (Eabinenhöhe), z.B. unterhalb
3.600 mm an, wenn die beiden Leitungen 29, 32, die druckaufgeladene Luft in die Vorspanndruckkammer 28 in der Drucksensoreinheit
16 durch den unwirksam bleibenden Sicherheitsdruckregler 18 und durch das Bodentestventil 31 geschlossen sind, spricht beim Einatmen
durch den Benutzer die Membran 14 der Drucksensoreinheit auf die Druckreduzierung in der Auslaßleitung 17 stromabwärts in
bezug auf das Bedarfsventil 24 durch Bewegung nach links in der
Zeichnung an. Diese Wirkung öffnet das Ventil 15, das eine Anzapfung der Steueröffnung 14 ermglicht, und damit zuläßt, daß
der Druck an der Steueröffnung 35 auf die Leistungsdüse 34-ersten
Stufe wirksamer wird und sie nach links ablenkt, wodurch, ein. Steuerstrahl in der zweiten Stufe erzeugt wird, der den
Leistungsstrahl 36 nach rechts allenkt und damit einen Betätigungsdruck in der Teilkammer 20 ergibt, der bewirkt, daß das Bedarfs-
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ventil 24 öffnet und das Gasgemisch an den Benutzer gibt. Wenn der
Benutzer dann aufhört, einzuatmen, schließt die Membran 41 des .Drucksensors 16 unter dem Einfluß seiner Feder das Ventil 15,
wodurch der Steuerstrahl aus der Steueröffnung 14 wieder aufgebaut wird, und das Bedarfsventil schließt entsprechend erneut.
Dieser Vorgang wird entsprechend dem Atmungszyklus des Benutzers wiederholt.
Wenn die Umge~bungshöhe (Kabinenhöhe) über etwa 3.600 m Sicherheitsdruckpegel
liegt, dehnt sich die Kapsel des Sicherheitsdruckreglers 18 aus und öffnet die Leitung 29, so daß Druckluft die Vorspanndruckkamer
28 erreicht. Die relativen Durchflußflächen des Heglers 18 und der Entlüftungsöffnungen zum Druckatmungsregler 19 und der
Vorspannkammer 28 sind so ausgelegt, daß ein kleiner positiver Druck in der Kammer 28 auftritt, um die Membran 40 nach links
gegen die Federwirkung vorzuspannen. Dies vergrößert den Abfluß aus der Steueröffnung 14, wodurch eine geringe Auslenkung des
Leistungsstrahles 34- der ersten Stufe nach links auftrittund das
Bedarfsventil 24 geringfügig öffnet und einen Druck von 1" WG in der Auslaßleitung 17 und der Maske des Benutzers aufrechterhält.
Bei Umgebungshöhen (Kabinenhöhen), bei denen Druckatmung erforderlich
ist, d.h. bei Höhen über etwa 12.000 m, expandiert die Kapsel des Druckatmungsreglers und begrenzt den Ausfluß aus der Leitung
29 zu den Entlüftungsöffnungen des Druckatmungsreglers, wodurch
ein Druck in der Vorspannkammer 28 erzeugt wird, der mit zunehmender Höhe zunimmt. Die Resultate sind ähnlich denen der Arbeitsweise
des Sicherheitsdruckreglers, es ergibt sich jedoch ein Druck^trom-aufwärts in bezug auf das Bedarfsventil 24, der mit
zunehmender Höhe zunimmt, und der Druck steigt auf beispielsweise 16" WG bei einer Höhe von 15*000 m.
Die verschiedenen Drosselstellen, z.B. 33, mit einstellbarem
Durchfluß ermöglichen die Einstellung der Schaltungen des Reglers zur Erzielung einer optimalen Reglerleistung.
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Pig. 3 zeigt die Beziehungen der Kräfte, die sich, aus der Feder
89 mit niedriger Federkonstante und aus den auf die Rollmembranen 82, 86 (Mischventilantrieb) wirkenden Drücke ergeben, und die
Position des Doppelventilkopfes 87 in der Mischkammer 54 während
verschiedener Betriebsbedingungen.
1. Wenn der Regler nicht in Betrieb ist, ist die einzige ausgeübte
Kraft die der Feder 89, die den Ventilkopf 87 in einer Position hält, in der der Luftzutritt zur Mischkammer 54- geschlossen ist.
2. Wenn der Regler in Betrieb bei Erdbodennähe oder bei Flughöhen bis zu einer Umgebungshöhe (Kabinenhöhe), bei der die Sauerstoffanreicherung
beginnen soll, in Betrieb ist, wirkt das Höhensignal, daß heißt die Saugwirkung, die durch die Absolutdruckbezugseinrichtung
53 erzeugt wird, in der Teilkammer 85 auf die Rollmembran 86 und erzeugt eine Kraft, die die der Feder 89 übersteigt oder
ihr entspricht, so daß der Ventilkopf 87 in einer Position gehalten wird, in der der Sauerstoffzutritt zur Mischkammer 54- geschlossen
ist, und nicht angereicherte Luft das Bedarfsventil 24 erreichen kann.
Bei diesem Betriebszustand fühlen die beiden Kapillar-Meßdü-sensensoranordnungen
64, 65 Luft ab, d.h. die druckaufgeladene Luft, wie sie in den. Regler eingespeist wird, und die Luft, die von ihm
abgegeben wird, so daß die zwei Signalausgänge 77, 78 aus dem Verstärker 74 laminarer Strömung weitgehend die gleichen sind und
somit keinen nutzbaren Einfluß auf die Rollmembranen 82 und 86
ausüben.
3. Wenn der Regler bei etwas größeren Umgebungshöhen (Kabinenhöhen)
in Betrieb ist, ist ein geringer Anteil an Sauerstoff erforderlich, um die durch den Regler abgegebene Luft anzureichern. Bei solchen
Höhen ist jedoch das Signal, d.h. die Saugwirkung, die durch die Absolutdruckbezugseinrxchtung 53 erzeugt wird, kleiner als das
Signal, das bei geringeren Höhen erhalten wird, und infolgedessen wird der Einfluß dieses Signales auf die Rollmembran 86 reduziert,
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wodurch die Feder 89 (fen Ventilkopf 87 geringfügig bewegt, um den
Sauerstoff zutritt zur Kammer 54- zu öffnen und den Zutritt für
Luft zu reduzieren. Die Gaskonzentrationssensoranordnung 54 fühlt
den SauerstoffÜberschuß im Gemisch ab und es tritt eine Differenz
im Drucksignalausgang aus dem Verstärker 74- auf und ergibt eine
nutzbare Kraft auf die Rollmembran 82, 86, die teilweise der Bewegung des Ventilkopfes 87 in Abhängigkeit von dem Fallen des
Höhensignales entgegenwirkt. Wenn die Umgebungshöhe zunimmt, führt die fortschreitende Reduzierung im Absolutdruckbezugssignal zu
einer fortschreitenden Bewegung des Ventilkopfes 87 zur Erzielung
eines höheren SauerstoffZutritts und niedrigeren Luftzutritts zur
Mischkammer 54·.
4. Bei großen Umgebungshöhen, bei denen ein Maximum an Sauerstoff an den Regler abgegeben werden soll, wird das Absolutdruckbezugshöhensignal
so gering, daß eine so geringe Saugwirkung erzeugt wird, daß die Rollmembran 86 die Fder 89 nicht sperren kann, welche
den Ventilkopf 87 in die Position bewegt, die den Luftzutritt schließt. Bei den höchsten Höhen reicht das Höhensignal nicht aus,
um das Entlüftungsventil 95 zu schließen, so daß dieses öffnet, damit der Umgebungsdruck in der Teilkammer 20 auftreten kann,
der dadurch in beiden Teilkammern 79 und 80 wirksam wird, wobei der Einfluß des Signales in der Leitung 78 aus der Membran 82
aufgehoben wird und die Feder 89 in der Weise unterstützt wird, daß der Ventilkopf 87 den Luftzutritt zur Mischkammer schließt.
5. Eine Handauswahl einer maximalen Sauerstoffabgabe wird dadurch erzielt, daß das Übersteuerungsauswählventil so betätigt wird,
daß das Absolutdruckbezugssignal durch Verbinden des Anschlusses 94 mit der umgebenden Atmosphäre zerstört wird, woraufhin das
Entlüftungsventil 95 öffnet und der Umgebungsdruck auf beiden Seiten der Rollmembran 82 wirksam wird, damit der Ventilkopf 87
den Luftzutritt fest schließt und den Sauerstoffzutritt zur
Mischkammer 54 vollständig öffnet, wie dies bei den größten Höhen der Fall ist.
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Im Rahmen vorliegender Erfindung sind verschiedene Modifikationen und Abänderungen der beschriebenen Ausführungsform möglich. Beispielsweise
können die Entlüftungsventile 95 und 96 weggelassen werden, während eine bekannte Nachlaufmembradanordnung in die
Drucks ens or einheit 16 eingebaut werden kann. Ferner kann durch entsprechende Orientierung des Reglers in einem Flugzeug und
durch geeignete Modifizierung der Rollmembran 86 die Anordnung so gewählt werden, daß ein erhöhter Anteil an Sauerstoff in
dem abgegebenen Gemisch während Flugmanöver erzielt wird, die hohe g-Belastungen erzeugen. Der Sicherheitsdruckregler 18
kann in der Weise modifiziert werden, daß die Verwendung einer Kapsel nicht erforderlich ist, indem eine Membrananordnung verwendet
wird, die auf die Differenz zwischen dem Umgebungsdruck (Kabinendruck)- und dem Absolutdruckbezugssignal anspricht. Die
verschiedenen Druckverbindungen zu den Teilkammern können unterschiedlich ausgebildet sein: Beispielsweise können die Drucksignale
aus dem Gaskonzentrationssensor (Verstärker 74-) Jeweils einer
jeder Seite einer Membran zugeführt werden, wobei das Absolutdruckbezugssignal und der Umgebungsiruck entgegengesetzten Seiten
einer anderen Membran aufgegeben werden.
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Claims (1)
- 25.9.1978 W/Ee - 1 -Patentansprüche:Γll Atemgasabgaberegler mit einem Gaseinlaß zur Aufnahme eines TLtemgases und einem Gasauslaß zum Anschluß an einen Benutzer, mit einem Bedarfsventil, das die Verbindung zwischen dem Gaseinlaß und dem Gasauslaß steuert, mit einem Drucksensor zum Abfühlen des Atemdruckes des Benutzers, und mit einem Servomechanismus zur Betätigung des Bedarf sventiles in Abhängigkeit von Atemdrucksignalen aus dem Drucksensor, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomechanismus einen Fluidikverstärker mit einem Ausgang an einen Betätiger für das Bedarf sventil und eine Steueröffnung aufweist, die zum Ansprechen auf Atemdrucksignale aus dem Drucksensor geschaltet ist.2. Atemgasabgaberegler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor eine ventilbetätigte Membran aufweist, die auf einer Seite dem Gasauslaß zum Abfühlen des Atemdruckes des Benutzers und auf der anderen Seite einer Vorspanndruckkammer ausgesetzt ist, wobei der Regler eine Vorspanndruckeinstellvorrichtung zum Einstellen des Druckes in der Vorspanndruckkammer in Abhängigkeit von Änderungen im Umgebungsdruck besitzt.3. Atemgasabgaberegler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanndruckeinstellvorrichtung einen Sicherheitsdruckregler aufweist, der auf Umgebungsdruck anspricht, um eine Druckleitung zur Vorspanndruckkammer zu öffnen, wenn der Umgebungsdruck auf einen ersten voreingestellten Wert fällt, wodurch ein Vorspanndruck auf die Vorspanndruckkammer aufgegeben wird, sowie einen Druckatemregler, der auf Umgebungsdruck anspricht und der in der Lage ist, fortlaufend den Vorspanndruck mit abnehmendem Umgebungsdruck zu erhöhen.4. Atemgasabgaberegler nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Druckatemregler den Vorspanndruck in Abhängigkeit davon vergrößert, daß der Umgebungsdruck auf einen zweiten voreingestelten Wert fällt, der niedriger ist als der erste Wert.9098U/0949inspect»25.9.1978 W/He - 2 - F/p 96295. Atemgasabgaberegler nach Anspruch 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspann druckkammer eine "begrenzte Entlüftungsöffnung in die umgehende Atmosphäre aufweist, und daß der Druckatemregler eine begrenzte Entlüftungsöffnung in die umgebende Atmosphäre aus der Druckleitung stromabwärts in bezug auf den Sicherheitsdruckregler steuert.6. Atemgasabgaberegler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umwegventil Einlaßverbindungen für die Haupt- und alternativeDruckgaseinspeisung aufweist und daß ein Gasauslaß so geschaltet ist, daß er Antriebsgas an den BLuidikverstärker abgibt, wobei das Umwegventil normalerweise das aus der Haupteinspeisung in den Gasauslaß richtet, jedoch die Haupteinspeisungseinlaßverbindung isoliert und Gas aus der alternativen Einspeisung in den Gasauslaß richtet, wenn der Druck der alternativen Einspeisung den der Haupteinspeisung um einen vorbestimmten Betrag übersteigt.7. Atemgasabgaberegler nach einem der Ansprüche3j 4-, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung mit dem Gasauslaß des Umwegventiles verbunden ist.8. Atemgasabgaberegler nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine Atemgasauswählvorrichtung mit dem Gaseinlaß verbunden ist und zwei unterschiedliche Atemgase aus entsprechenden Quellen aufnimmt sowie das eine oder das andere Atemgas oder ein Gemisch aus den beiden Atemgasen in den Gaseinlaß abgibt.9. Atemgasabgaberegler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlvorrichtung eine Vorrichtung aufweist, die auf den Umgebungsdruck anspricht ,um das Gas oder Gasgemisch, das in den Gaseinlaß abgegeben werden ist, zu bestimmen.10. Atemgasabgaberegler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswählvorrichtung eine Mischkammer besitzt, die einen mit9098U/094825.9.1978 W/He - 3 - Ν/ρ 9629dem Gaseinlaß verbundenen Auslaß und einen Zugang zu jeder der Quellen aufweist, der durch ein Proportionierventil gesteuert ist, das nachgiebig zum Schließen des Zutrittes in eine Quelle vorgespannt ist und gegen das Schließen des Zutrittes zur anderen Quelle verschiebbar ist, während der Zutritt zur einen Quelle durch eine auf Druck ansprechende bewegliche Wandanordnung geöffnet ist, die einer Druckdifferenz ausgesetzt ist, die für den Umgebungsdruck maßgebend ist.11. Atemgasabgaberegler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Druckansprechende bewegliche Wandanordnung auf die Differenz zwischen Umgebungsdruck und einem Absolutdruck-Bezugsdruck anspricht.12. Atemgasabgaberegler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absolutdrucksensor eine Venturidüse hoher Ausbeute sowie eine Vorrichtung zum Induzieren eines gedrosselten Durchflusses umgebender Luft über einen Durchgang mit konstantem Querschnitt aufweist, der einen Anschluß zur Anzeige des Druckes in den Kanal als der Absolutdruck-Bezugsdruck besitzt.15. Atemgasabgaberegler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die den lluß induzierende Vorrichtung eine Ejektorpumpe aufweist, die stromabwärts in bezug auf die Venturidüse angeordnet ist und die durch einen Gasstrahl betätigt wird, der von einer Atemgasspeisequelle abgeleitet wird.IM-. Atemgasabgaberegler nach einem der Ansprüche 9 bis I3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Anze-ige der Zusammensetzung des Gasgemisches, das in den Gaseinlaß abgegeben wird, zur Erzeugung eines Drucksignales, der den Gasgehalt von der einen Qu-elle in dem Gemisch bezeichnet, und zum Aufgeben dieses Signales als regulierendes Eückkopplungssignal an die auf den Umgebungsdruck ansprechende Vorrichtung zur Bestimmung der Gasgemischzusammensetzung .9098U/094825.9.1978 W/He - 4 - Ν/ρ 962915. Atemgasabgaberegler nach Anspruch. 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Anzeige der Gasgemischzusammensetzung einen Fluidikgaszusammensetzungssensor aufweist.16. Atemgasabgaberegler nach einem der Ansprüche 10 "bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die "bewegliche Wandanordnung die Druckdifferenz summiert, die für den Umgebungsdruck "bezeichnend ist, wobei das Drucksignal den Gasinhalt aus der einen Speisequelle im Gasgemisch bezeichnet.9098U/0949
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