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Technisches
Gebiet
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Moderne
Kreislaufatemgeräte
für Anwendung
im Katastrophenschutz, bei der Feuerwehr oder unter Wasser benutzen
als Atemgas statt reinem Sauerstoff ein Mischgas. Hier ist zur Überwachung der
Sauerstoffdosierung der Einsatz von Sauerstoffsensoren zweckmäßig. Zusätzlich können auch
Kohlendioxidsensoren vorhanden sein. Der langfristig zuverlässige Einsatz
von derartigen elektrischen Gassensoren erfordert aufgrund der Feuchte
im Atemkreislauf Schutzmaßnahmen
zur Abwehr der Kondensation an elektrischen und elektronischen Komponenten
des Atemgeräts.
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1 zeigt das vereinfachte
prinzipielle Aufbauschema eines Mischgas-Kreislaufatemgerätes nach
dem bekannten Stand der Technik [1] [2] [3] [4].
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Beginnend
mit der Gegenlunge (12) im oberen Teil der Figur gelangt
das darin enthaltene regenerierte Atemgas (30) über einen
Einatemschlauch (13) zu einer Mundstückeinheit (14). In
dieser sind Flatterventile enthalten, nicht dargestellt, die der Atemgaszirkulation
die angegebene Richtung aufzwingen. Über den Ausatemschlauch (15)
gelangt das ausgeatmete, verbrauchte Atemgas (28) in eine Atemkalkpatrone
(16). Der darin befindliche Atemkalk, als Kugeln dargestellt,
entzieht dem Atemgas Kohlendioxid und bindet es chemisch. Das vom
Kohlendioxid weitgehend befreite und aus der Atemkalkpatrone stammende
Atemgas (29) gelangt in eine Mischkammer (17),
wo ein Mischungsprozeß stattfindet,
um den Sauerstoffgehalt des Atemgases auf einen Sollwert zu bringen.
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Die
Vorrichtung zur Mischgaszufuhr in den Atemkreislauf besteht zumeist
aus einem automatischen Ventil für
Mischgas (22), dem ein aus einem Druckgasbehälter stammendes
und unter einem Mitteldruck stehendes Gasgemisch (21) zugeführt wird. Der
zugehörige
Druckgasbehälter
und der Druckminderer sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Das
Gasgemisch besteht im Falle von Tauchgeräten gewöhnlich aus einem oder mehreren Inertgasen,
etwa Helium oder Stickstoff, und einem geringen Sauerstoffanteil,
der so bemessen ist, daß auch
bei der maximalen Tauchtiefe ein physiologisch gefährlicher
zu hoher Sauerstoffpartialdruck nicht auftreten kann. Bei Mischgasatemgeräten für atmosphärische Bedingungen
wird als Gasgemisch gewöhnliche
weitgehend getrocknete und ölfreie
Preßluft
eingesetzt.
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Das
automatische Ventil (22) ist gewöhnlich als lungenautomatisches
Ventil ausgeführt,
das über eine
Membrane (24) gesteuert wird. Wenn im Atemgerät ein relativer
Unterdruck gegenüber
dem Umgebungsdruck herrscht, dann drückt die Membrane (24) über eine
Hebelmechanik eine Feder zusammen und hebt das Ventil vom Ventilsitz
ab, wodurch das an (21) zugeführte
Gasgemisch bei (23) in die Mischkammer (17) einströmt. Sobald
Druckausgleich hergestellt ist, drückt die Feder die Membrane
in die Ausgangslage zurück
und der Ventil schließt
sich wieder. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Benutzer
unabhängig
vom Füllgrad
der Gegenlunge stets einen vollen Atemzug aus dem Gerät entnehmen
kann. Bei Tauchgeräten
wird zudem beim Abtauchen stets ein relativer Unterdruck im Atemkreislauf
vermieden, ohne daß der
Benutzer eingreifen muß.
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Statt
des automatischen Ventils wird bei manchen bekannten Atemgeräten ein
manuell betätigtes
Ventil zur Mischgaszufuhr benutzt, dies erschwert aber die Bedienung
des Atemgeräts
und ist daher nachteilig.
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Im
Atemkreislauf kann – vor
allem in Tauchgeräten
beim Auftauchen – ein
relativer Überdruck entstehen.
Es ist bekannt, an einer Stelle des Atemkreislaufs ein selbsttätig wirkendes Überdruckventil einzusetzen,
das einen Überdruck
im Atemkreislauf nach außen
ableitet. Das Ablassen von Überdruck durch
die Nase ist billiger und zuverlässiger,
weshalb in den Figuren auf die Darstellung eines solchen optionalen Überdruckventils
verzichtet wurde.
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Die
bisher beschriebenen Komponenten reichen noch nicht aus, um stets
einen ausreichenden Sauerstoffanteil im Atemkreislauf sicherzustellen. Hierfür ist ein
zusätzliches
Dosierventil für
Sauerstoff (19) zuständig,
dem ein aus einem Druckgasbehälter stammendes
und unter einem Mitteldruck stehendes Sauerstoffgas (18)
zugeführt
wird. Der zugehörige Druckgasbehälter und
der Druckminderer sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
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Bei
elektronisch gesteuerten selbstmischenden Atemgeräten mit
geschlossenem Kreislauf [1][2][3][4] wird das Dosierventil (19)
aufgrund einer Messung des Sauerstoffpartialdrucks gesteuert, die mittels
elektrochemischen Gassensoren (1) erfolgt, die in der Mischkammer
(17) angeordnet sind. Manche frühere Atemgeräte hatten
die Gassensoren in der Gegenlunge untergebracht, was nachteilig
ist, da die Sensoren dort bei Lageänderungen von Kondenswasser
plötzlich
ersäuft
werden können.
Die Signale der Gassensoren gelangen über elektrische Leitungen (25)
zu einer Auswertungselektronik (26), welche im Bedarfsfall über eine
elektrische Steuerleitung (27) das Dosierventil (19)
aktiviert.
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Wenn
dieses öffnet,
gelangt daraus stammender Sauerstoff (20) in die Mischkammer.
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Bei
halbgeschlossenen Kreislaufatemgeräten [6] wird aus dem Dosierventil
(19) ein konstanter Gasstrom aus einem Mischgas statt Sauerstoff
in den Atemkreislauf geleitet, und der Überschuss wird regelmäßig über ein
automatisch wirkendes Überdruckventil
in die Umgebung abgelassen. Zwar benötigt diese Art von Kreislaufatemgeräten vom
Prinzip her an sich keine Messung des Sauerstoffpartialdrucks, bei
einer Störung
der Dosierung – etwa
durch ein Schmutzteilchen, das in die Dosierdüse gelangt und diese teilweise
verstopft – bliebe
der Benutzer des Geräts
jedoch ohne jede Warnung. Deshalb ist auch bei halbgeschlossenen
Kreislaufatemgeräten eine Überwachung
des Sauerstoffpartialdrucks durch Gassensoren zweckmäßig. Die
Auswertungelektronik (26) schlägt dann bei Unter- oder Überschreitung von
Grenzwerten lediglich Alarm, und die elektrische Steuerleitung (27)
zum Dosierventil (19) entfällt.
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Bei
beiden Atemgerätevarianten
wird durch diese bekannten Vorrichtungen sichergestellt, dass das
aus der Mischkammer in die Gegenlunge einströmende regenerierte Atemgas
(30) stets einen physiologisch einwandfreien Sauerstoffpartialdruck
aufweist. Ein Störfall
in der Dosierung kann fatal sein. Gerade bei Kreislauftauchgeräten führen Bewußtlosigkeit
oder Kontrollverlust aufgrund einer fehlerhaften Sauerstoffdosierung
regelmäßig zu tödlichen
Unfällen.
Hieraus ergibt sich die Forderung nach grösstmöglicher Zuverlässigkeit
des Dosier- und Überwachungsprozesses.
In der Fachwelt ist dieses Thema äußerst umstritten. Es gibt Gruppen,
die jedwede Elektronik in der Dosierung fast dogmatisch ablehnen.
Andere behaupten, es gäbe
gar kein Problem, man könne
mit wasserfesten Überzügen und
Beschichtungen sowie wasserfesten Anschlusskabeln und Kabeldurchführungen
auskommen. Dazu schwebt über
allen Herstellern solcher Atemgeräte das Damoklesschwert der
Produkthaftung. Das Ausmaß des
Produkthaftungsproblems im technischen und historischen Kontext
wird im folgenden kurz dargestellt, da es eine der wesentlichen
Motivationen ist, die zu der erfinderischen Tätigkeit des Anmelders auf dem
Gebiet der Kreislaufatemgeräte
geführt
hat.
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Erste
elektronisch gesteuerte selbstmischende Kreislauftauchgeräte kamen
Ende der 1960er Jahre in unter der Bezeichnung „Electrolung" [1] in geringen
Stückzahlen
auf den Markt. Anfangs enthusiastisch als Revolution des Tauchsports
gefeiert, wurden sie nach drei tödlichen
Unfällen
in den Jahren 1970 bis 1971, von denen zwei auf Fehlbedienung des
Geräts
zurückzuführen waren,
und einer ungeklärt
blieb, vom Hersteller vom Markt genommen, da die schwierige Produkthaftungslage
einen langfristigen kommerziellen Erfolg in Frage gestellt hat.
Für die
folgenden Jahrzehnte blieben elektronisch gesteuerte selbstmischende
Kreislauftauchgeräte
eine Domäne
der Militärs,
etwa in Form der Mk 15/Mk 16 Tauchgeräte der US-Navy. Das Grundlagenpatent
für jene
findet sich in [2], eine weiterentwickelte Form mit austauschbarem
Atemkreislauf in [3]. Erst in jüngster
Zeit gelangen elektronisch gesteuerte selbstmischende Kreislauftauchgeräte nach
[4] vermehrt in die Hände
von Sporttauchern, mit entsprechenden Unfallziffern [5], als wolle
sich die Geschichte wiederholen. Elektronisch gesteuerte selbstmischende
Kreislauftauchgeräte
sind auch bei manchen Streitkräften
umstritten. Die deutsche Bundesmarine setzt seit Jahrzehnten ein
halbgeschlossenes Kreislauftauchgerät mit Konstantflußdosierung
ein [6], und hat in jüngster
Zeit statt elektronisch gesteuerten Selbstmischern ein Nachfolgegerät beschafft, dessen
Dosiersystem ebenfalls rein mechanisch arbeitet.
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Ein
wesentlicher Grund für
diese Zurückhaltung
ist, dass auch in Fachkreisen berechtigte Zweifel darüber bestehen,
ob Gassensoren, ihre elektrischen Zuleitungen und ihre Auswertungselektronik sowie
ein elektrisches Dosierventil im feuchten Innenleben eines Kreislaufatemgeräts langfristig
zuverlässig
betrieben werden können,
ohne dass es dann und wann plötzlich
zu gefährlichen
Funktionsstörungen
kommt. Als Wurzel dieses Übels
wird die vom stets feuchten Atemgas verursachte Kondensation an
den inneren Teilen des Atemgeräts
angesehen.
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Ein
Beispiel für
das Ausmaß der
Kondensation findet sich in [7] auf einem Photo aus der Sensorkammer
eines Geräts
nach [4]. Ob diese so harmlos ist, wie im Text zum Photo behauptet
wird, kann angezweifelt werden, denn gewöhnlich greifen Konstrukteure
von Kreislaufatemgeräten
zu aufwendigen Massnahmen, um die Kondensationsnässe zumindest von den Gassensoren
und ihren elektrischen Zuleitungen fernzuhalten, und sie halten
das Problem der Kondensation daher bestimmt nicht für so harmlos
wie die Journalisten, die mit [7] offensichtlich einen Promotionsartikel
geschrieben haben. In diesem Licht sind auch Aussagen von Tauchbasisbetreibern
zu sehen, die dieses Gerät
angeschafft haben, und nun gewinnbringend vermieten wollen. Die öffentliche
Meinung ist angesichts der zahlreichen Todesfälle [5] gespalten und es werden
auch sehr kritische Stimmen laut.
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Es
ist nicht Aufgabe dieser Patentanmeldung, über den möglichen Ausgang von laufenden Gerichtsprozessen
zu spekulieren. Alleiniger Zweck dieser Ausführungen ist es zu verdeutlichen,
daß der Anmelder
unabhängig
von den technischen Qualitäten
dieses oder vergleichbarer Tauchgeräte genau in dieser Problematik
den entscheidenden Hinderungsgrund dafür sieht, daß sich elektronisch gesteuerte selbstmischende
Kreislauftauchgeräte
am Markt für Sporttaucher
bisher nicht in nennenswerten Stückzahlen
durchsetzen konnten, denn auch bei bester Qualität der Konstruktion und der
Herstellung des Tauchgeräts
wird es immer wieder Unfälle
geben, und einige davon werden tödlich
verlaufen. Dies liegt unvermeidlich in der Natur des Tauchsports.
Ein Mensch ist nun einmal kein Fisch und unter Wasser befindet er
sich in einer für
ihn an sich tödlichen
Umgebung. Und wenn das Unglück
zuschlägt,
dann sollte der Gerätehersteller
tunlichst in der Lage sein, dem Gericht ein einwandfreies Wirkprinzip
zur Verhinderung der Folgen von Kondensationsnässe an den elektrischen und
elektronischen Komponenten des Tauchgeräts zu präsentieren, dessen Funktion so
einfach und so klar ist, dass sie auch von Juristen geistig nachvollzogen
und verstanden werden kann. Bei den geringsten Zweifeln droht eine
langwierige und zermürbende
Auseinandersetzung mit Gutachtern und Gegengutachtern. Für den langfristigen
wirtschaftlichen Erfolg ist letzteres eher hinderlich.
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Der
bisherige Stand der Technik kennt verschiedene Wirkprinzipien zur
Lösung
des Kondensationsproblems an den elektrischen und elektronischen
Komponenten der Gassensoren.
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Die
naheliegenste Lösung,
die auch dann und wann von Laien im Internet verbreitet wird, wäre ein wasserdichten
Verguß der
rückwärtigen Anschlußöffnung des
Gassensors mit einem Kunstharz, nachdem der Sensor in das Atemgerät eingebaut
und angeschlossen ist. Leider ist dies beim Einsatz von handelsüblichen
Gassensoren [8], einer davon als Beispiel in 2 dargestellt, nicht zulässig.
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Es
zeigt sich nämlich,
daß der
Gassensor (1) eine gasempfindliche Vorderseite (2)
hat, an der sich eine empfindliche Diffusionsmembrane befindet (nicht
dargestellt), während
seine Rückseite
mit den elektrischen Anschlüssen
(4) eine Öffnung
(3) aufweist, die nicht verschlossen werden darf, denn
unterhalb der Leiterplatte (5) sitzt eine Druckausgleichsmembrane
(7), welche für
den Druckausgleich der Elektrolytkammer (6) notwendig ist.
Auf der rückseitigen
Anschlussöffnung
(3) des Gassensors muß zur
Sicherstellung seiner korrekten Funktion im wesentlichen derselbe
Druck herrschen wie auf seiner gasempfindlichen Vorderseite (2).
Wird dieser Druckausgleich behindert, etwa durch wasserdichten Verguß der Rückseite
der Sensoren mit einem Kunstharz, dann erfolgt der Druckausgleich
der Elektrolytkammer durch Deformation der empfindlichen Diffusionsmembrane
an der gasempfindlichen Vorderseite, was unmittelbar zu Meßfehlern
und langfristig zum Versagen des Gassensors führt. Zudem kann es bei handelsüblichen
Gassensoren der dargestellten Bauart kaum gelingen, die Druckausgleichskammer (10)
zwischen der Leiterplatte (5) und der Druckausgleichsmembrane
(7) vollständig
zu vergießen,
da in der Leiterplatte gewöhnlich
nur ein paar kleine Bohrungen vorhanden sind, meistens sind es Durchkontaktierungen
von Leiterbahnen, oder unbestückte Bauelementepositionen,
die gerade eben noch zum Druckausgleich der Druckausgleichskammer
durch ein gasförmiges
Medium ausreichen. Verbleibt jedoch in der Druckausgleichskammer
durch unvollständigen
Verguß auch
nur ein kleiner Hohlraum, dann entsteht gerade bei Tauchgeräten beim
Abtauchen darin ein relativer Unterdruck, der die Dichtung der Druckausgleichsmembrane
(8) zu Leckagen veranlasst, zumal diese Dichtung zumeist
nur mit einem eingepreßten
Metallring (9) fixiert ist. Durch so eine Leckage gelangt
dann die aggressive Elektrolytflüssigkeit
zur Leiterplatte und zerfrisst deren Leiterbahnen und darauf eingelötete elektronische
Bauelemente. Ein plötzlicher
Ausfall des Gassensors ist die Folge.
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Es
ist hiermit gezeigt, daß ein
Verguß handelsüblicher
Gassensoren der dargestellten Bauart zur Abwehr der Kondensation
an den elektrischen und elektronischen Komponenten der Gassensoren nicht
möglich
ist. Es muss den Gassensoren an ihrer rückseitigen Öffnung (3) stets ein
Gas zum Druckausgleich zugeführt
werden, das im wesentlichen denselben Druck aufweist wie das zu
analysierende Gas an ihrer gasempfindlichen Vorderseite (2).
Dabei soll möglichst
keine Feuchtigkeit und keine Kondensationsnässe an die elektrischen und
elektronischen Komponenten der Gassensoren gelangen. Insbesondere
bei Tauchgeräten
ist diese Aufgabe nicht trivial zu lösen.
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Das
historische Tauchgerät
nach [1] benutzte polarographische Sauerstoffsensoren, dort 3, die keine Druckausgleichsmembrane
benötigten. Hier
konnten die elektrischen Zuleitungen der Sensoren und die Auswertungselektronik
vollständig
wasserdicht vergossen werden. Nachteilig war, dass diese Sensoren
von jedem Tauchgang eine neue Elektrolytfüllung benötigten, und das erfolgreiche
Aufsetzen der Diffusionsmembrane ohne Einschluß von Gasblasen benötigte eine
spezielle Technik, geschickte Finger, und äußerste Sauberkeit, um keine Fremdionen
einzuschleppen. Auf einem schwankenden Boot umgeben von salzhaltiger
Seeluft war dies eine nahezu unlösbare
Aufgabe.
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Spätere Tauchgeräte [2][3][4]
benutzen ausnahmslos handelsübliche
Sauerstoffsensoren in der oben dargestellten Bauart mit einer Druckausgleichsmembrane,
die über
die rückwärtige Öffnung der Sensoren
einem druckausgleichenden Gas zugänglich ist. Es sind derzeit
keine anderen Bauarten von Sauerstoffsensoren bekannt, die für ein autonomes Atemgerät besser
geeignet wären,
und die diese Komplikation nicht mit sich bringen.
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Die
Tauchgeräte
nach [2][3] versuchen die Lösung
des Kondensationsproblems dadurch, indem der Atemkalk um die Gassensoren
herum angeordnet wird. Das Wirkprinzip besteht hier darin, die exotherme
Reaktion des Atemkalks zur Erwärmung
der Gassensoren zu nutzen, die vom Atemgas umspült werden. Durch die Erwärmung wird
eine Unterschreitung des Taupunkts an deren elektrischen und elektronischen
Komponenten, inclusive ihrer Anschlussleitungen, verhindert. Dieses
Wirkprinzip ist jedoch in [2][3] nicht explizit erwähnt, obwohl
die ganze eigentümliche
Gestaltung des Geräts
sich daraus ableitet. Kondensation an den kritischen Teilen wird
vermieden, solange der Atemkalk eine ausreichende Temperatur aufweist.
In der Aufwärmphase
und nach dem Tauchgang tritt leider dennoch eine geringfügige und
daher nicht unmittelbar funktionsgefährdende Kondensation auf, die
jedoch langfristig über
die als Litze wirkenden Anschlussleitungen in die unterhalb der
Sensorkammer im Gehäuse
vergossene sogenannte „Horseshoe" – Leiterplatte vordringt. Nach
einiger Zeit sind diese korrodiert und der betreffende Gehäuseteil
muss ausgetauscht werden. Auch die US-Navy empfindet die dadurch entstehenden
Wartungskosten als zu teuer. Allerdings gelten diese Geräte bei korrekter
Wartung, also rechtzeitigem Austausch der korrosionsgefährdeten
Teile, als zuverlässig
und sie sind im militärischen
Einsatz bewährt. Wegen
der eigentümlichen
Gestalt sind Geräte,
die das genannte Wirkprinzip zur Lösung des Kondensationsproblems
nutzen, teuer zu fertigen. Auch eine Variante mit abtrennbaren Atemkreislauf
[3], der Rest des Geräts
kann dann an einer Tauchbasis gemietet werden, brachte nicht die
zum kommerziellen Erfolg nötige
Verbilligung.
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Für Privatanwender
kommerziell durchsetzen konnte sich bisher nur das wesentlich preisgünstigere
Gerät nach
[4], bei dem eine Kondensation an den elektrischen und elektronischen
Komponenten der Gassensoren und an weiteren Teilen der Dosiereinrichtung
im wahrsten Sinne des Wortes billigend in Kauf genommen wird. Das
Ausmaß dieser
Kondensation zeigt das Photo aus [7]. Wie aus dem Photo ersichtlich
ist, sollen Abdichtungsmaßnahmen
wie wasserabweisende Beschichtungen („conformal coating"), Plastikkappen über den
elektrischen Anschlüssen
der Gassensoren, wasserfeste Verkabelung, und andere in [4] dargelegte
Maßnahmen
die Elektrik und Elektronik vor der Kondensationsnässe schützen, und
Funktionsstörungen
vermeiden. Gerade die Plastikkappen können aber den Druckausgleich
der Gassensoren behindern, was bei schnellen Tiefenwechseln zu Fehlmessungen
führen
kann, wodurch manche Benutzer veranlaßt sind, die Kappen mit einem
kleinen Bohrloch zu versehen. Aber dann kann Kondensationsnässe dort
wieder eindringen. Ob derartige eigenmächtige Basteleien die Ursache
für die zahlreichen
Todesopfer [5] sind, darüber
soll hier nicht spekuliert werden. Jedenfalls hat der Hersteller des
Geräts
das Problem, in Produkthaftungsprozessen einem Gericht die einwandfreie
Funktion seines Tauchgeräts
nachzuweisen. Bei dem gewählten Wirkprinzip
zur Abwehr der Kondensation ist das naturgemäß eher schwierig.
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Ein
weiteres bekanntes Wirkprinzip zur Abwehr der Kondensation in Atemgeräten besteht
darin, das zur Analyse bestimmte Gas in einer Trocknungsvorrichtung
zu trocknen, bevor des den gasempfindlichen Seiten der Gassensoren
oder einer anderen Analysevorrichtung zugeführt wird.
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Ein
Beispiel für
eine derartige Trocknungsvorrichtung befindet sich in [9]. Diese
benötigt
jedoch eine signifikante Hilfsenergie zur elektrischen Beheizung,
was für
autonome Atemgeräte
nicht praktikabel ist. Die von Trocknungsvorrichtungen dieser Art
nahegelegte Vorschaltung eines chemischen Trocknungsmittels vor
die gasempfindlichen Seiten der Gassensoren hätte zudem den Nachteil, dass
das Trocknungsmittel auf eine für
die Messung ausreichende Durchströmung überwacht werden müßte, und
dass es ohne weitere energieverbrauchende Mittel – wie etwa
Pumpen – auch
kaum möglich
wäre, das
analysierte Atemgas dem Kreislauf wieder zuzuführen oder es aus dem Atemgerät auszustoßen, wobei
letzteres auch eine nachteilige Verschwendung von Atemgas wäre.
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Zusammengefaßt kann
festgestellt werden, dass der bisherige Stand der Technik für Atemgeräte, insbesondere
für autonome
Atemgeräte,
keine absolut einwandfreie Lösung
für das
Kondensationsproblem an den elektrischen und elektronischen Komponenten
der Gassensoren oder an den weiteren elektrischen Komponenten der
Dosiereinrichtung kennt. Die bekannten Lösungen sind entweder teuer
zu realisieren, funktionieren nicht unter allen Betriebsbedingungen,
der Funktionsnachweis in Produkthaftungsprozessen ist schwierig,
oder sie sind für
autonome Atemgeräte
nicht praktikabel.
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Darstellung
der Erfindung
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Über diesen
veröffentlichten
bekannten Stand der Technik hinaus hat der Erfinder bereits gewisse
zum Patent angemeldete verbesserte Lösungen für das beschriebene Kondensationsproblem
gefunden. In [10] wird ein Gassensor offenbart, der wasserdicht
vergossen werden kann, ohne dass die oben dargestellten Probleme
für den
Druckausgleich des Gassensors auftreten. Allerdings müssen dann die
elektrischen Zuleitungen des Sensors in der Regel an die Anschlußstifte
(4) des Steckverbinders (11) angelötet werden.
Dies erschwert den Austausch von Gassensoren im Feld, was gerade
bei militärischen Geräten unerwünscht ist.
In [11] wird eine Gassensorvorrichtung offenbart, die ein Trocknungsmittel benutzt,
um das zum Druckausgleich der Sensoren benötigte, aus dem Atemkreislauf
entnommene Gas so weit zu trocknen, dass Kondensation vermieden wird.
Hier muss jedoch das Trocknungsmittel öfters getauscht werden, was
auch dann lästig
ist, wenn sich dieses in einer einschraubbaren Patrone befindet.
Trotz der genannten Nachteile konnten sich diese Lösungen in
der Praxis bewähren
und sie lösen das
Kondensationsproblem zuverlässiger
und vollständiger
als der oben dargestellte Stand der Technik.
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Im
Zuge der erfinderischen Tätigkeit
des Anmelders auf dem Gebiet der Kreislauftauchgeräte ergab
sich die Aufgabenstellung, eine weitere Lösung des Kondensationsproblems
an den elektrischen Komponenten der Gassensoren zu finden, die sich besonders
zum Einsatz in autonomen Mischgas-Kreislauftauchgeräten eignet, jedoch auch in
anderen Kreislaufatemgeräten
eingesetzt werden kann, und die gegenüber den bisher bekannten Lösungen des
vorherigen Standes der Technik und den früheren Lösungen des Erfinders die Vorteile
hat, über
ein sicher nachweisbares Wirkprinzip zu verfügen, dabei vom Prinzip her
ohne Verbrauchsstoffe wie Trocknungsmittel und ohne spezielle vergiessbare
Gassensoren auszukommen, und mit nur geringem Aufwand realisierbar
zu sein.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine neuartige Vorrichtung zur Mischgaszufuhr
in Kreislaufatemgeräten,
die ein neues Wirkprinzip zur Vermeidung des Kondensationsproblems
an den elektrischen und elektronischen Komponenten der Gassensoren
dieser Geräte
verkörpert.
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Das
neuartige Wirkprinzip basiert auf der Grundidee, in einer Vorrichtung
zur Mischgaszufuhr in Kreislaufatemgeräten zur Trockenhaltung der
elektrischen Anschlußseite
der Gassensoren das aus dem automatischen Ventil zugeführte Mischgas selbst
auszunutzen, da dieses vorschriftsbedingt absolut trocken sein muss,
um eine unerwünschte
Kondenswasserbildung im Druckgasbehälter und eine Vereisung des
Druckminderers und des automatischen Ventils zu vermeiden. Die Trocknung
des Mischgases erfolgt dabei gemäß dem bekannten Stand
der Technik regelmäßig schon
im Kompressor, der die Druckgasbehälter befüllt. Bei gewöhnlichen Tauchgeräten, die
verbrauchtes Atemgas in die Umgebung abführen statt es aufzubereiten,
bewirkt das trockene Atemgas regelmäßig eine Trockenheit im Munde
des Benutzers. Dennoch ist bisher offenbar niemand auf die Idee
gekommen, diese an sich lästige
Eigenschaft des aus einem lungenautomatischen Ventil stammenden
trockenen Atemgases in vorteilhafter Weise als neuartiges Wirkprinzip
zur Trockenhaltung der Anschlußseite
der Gassensoren in einem Kreislaufatemgerät auszunutzen.
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Dieses
neue Wirkprinzip kann auf die Trockenhaltung weiterer elektrischer
und elektronischer Komponenten des Atemgeräts ausgeweitet werden.
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Realisiert
wird dieses neuartige Wirkprinzip dadurch, dass in der neuartigen
Vorrichtung zur Mischgaszufuhr das aus dem automatischen Ventil stammende
absolut trockene Mischgas nicht wie beim bisherigen Stand der Technik
unmittelbar in den Atemgasstrom geleitet wird, sondern dass es zuerst den
Anschlußseiten
der Gassensoren – gegebenenfalls
auch weiteren elektrischen und elektronischen Komponenten des Atemgeräts – zugeführt wird,
um diese trockenzuhalten, und dass es erst danach über mindestens
ein erstes Druckausgleichsmittel in den Atemkreislauf abfließt.
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Erste
Druckausgleichsmittel sind durch die zwei Aufgaben gekennzeichnet,
erstens den überschüssigen Teil
des aus dem automatischen Ventil stammenden trockenen Mischgases
in den Atemkreislauf abzuleiten, so daß an den Druckausgleichsmembranen
der Gassensoren gegenüber
dem Atemkreislauf kein Überdruck
entsteht, und zweitens feuchtes Atemgas aus dem Atemkreislauf daran
zu hindern, zu den Anschlußseiten
der Gassensoren oder den weiteren trockenzuhaltenden elektrischen und
elektronischen Komponenten zu gelangen.
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Erste
Druckausgleichsmittel werden zwischen dem Auslass des automatischen
Ventils und dem Atemkreislauf angeordnet. Im einfachsten Fall genügt zur Realisierung
des ersten Druckausgleichsmittels ein einzelnes Richtungsventil.
Je nach den Anforderungen an das Atemgerät können auch Trockenpatronen mit
einem Trocknungsmittel oder eine Kombination aus mindestens einem
Richtungsventil und einer Trocknungspatrone als erstes Druckausgleichsmittel
eingesetzt werden. Die Verwendung eines Trocknungsmittels ist jedoch
stets optional, denn die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch ohne ein
solches auskommen.
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Auf
diese Weise gelingt es der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Mischgaszufuhr
auf verblüffend
einfache Weise, durch Ausnutzung des aus dem automatischen Ventil
zugeführten
trockenen Mischgases eine Kondenswasserbildung an den elektrischen
Anschlüssen
und Zuleitungen der Gassensoren oder an weiteren elektrischen oder
elektronischen Komponenten des Atemgeräts zuverlässig zu verhindern, wobei das
Zusammenwirken des automatischen Ventiles und der ersten Druckausgleichsmittel
stets einen perfekten Druckausgleich der Druckausgleichsmembrane
der Gassensoren gewährleistet.
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Die
Erfindung hat vergleichen mit früheren Lösungen [10][11]
desselben Erfinders den zusätzlichen
Vorteil, ohne Erschwerung der feldmäßigen Austauschbarkeit der
Gassensoren auf ein Trocknungsmittel ganz verzichten zu können, oder
ein solches zumindest so weitgehend zu schonen, dass es sehr viel
seltener ausgetauscht werden muss als bei der früheren Lösung [11].
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Gegenüber dem
bekannten Stand der Technik hat die Erfindung den Vorteil, über ein
neues Wirkprinzip zur Verhinderung der Kondensation an den elektrischen
Anschlüssen
der Gassensoren oder an den weiteren elektrischen oder elektronischen Komponenten
des Atemgeräts
zu verfügen,
dessen Funktion jederzeit nachgewiesen und auch von Juristen nachvollzogen
werden kann, und das deswegen über
jeden Verdacht als potentielle Unfallursache erhaben ist.
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Die
Erfindung entschärft
damit die Produkthaftungsproblematik erheblich und ebnet damit den Weg
zu einem Siegeszug der damit ausgestatteten elektronisch gesteuerten
Mischgaskreislauftauchgeräte
auf dem Weltmarkt.
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Aufzählung der
Zeichnungen
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1 zeigt
das vereinfachte prinzipielle Aufbauschema eines Mischgas-Kreislaufatemgerätes nach
dem bekannten Stand der Technik.
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2 zeigt
einen handelsüblichen
Gassensor nach dem bekannten Stand der Technik, zur Erläuterung
seiner inneren Bauteile teilweise aufgeschnitten.
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3 zeigt
schematisch die neuartige Vorrichtung zur Mischgaszufuhr gemäß dem Hauptanspruch.
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4 zeigt
schematisch eine weitergebildete neuartige Vorrichtung zur Mischgaszufuhr.
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5 zeigt
schematisch eine neuartige Vorrichtung zur Mischgaszufuhr, bei der
das erste Druckausgleichsmittel ein Richtungsventil ist.
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6 zeigt
schematisch eine neuartige Vorrichtung zur Mischgaszufuhr, bei der
das erste Druckausgleichsmittel eine Trockenpatrone ist.
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7 zeigt
schematisch eine neuartige Vorrichtung zur Mischgaszufuhr, bei der
die ersten Druckausgleichsmittel eine Kombination aus einem Richtungsventil
und einer Trockenpatrone sind.
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8 zeigt
beispielhaft den inneren Aufbau einer in Kombination mit einem Richtungsventil
als erstes Druckausgleichsmittel besonders geeigneten Trockenpatrone,
die selber ein weiteres Richtungsventil enthält.
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9 zeigt
beispielhaft einen Längsschnitt durch
eine praktische Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Mischgaszufuhr
in einem Kreislauftauchgerät,
bei der die Gassensoren in einer besonders vorteilhaften Sensoreinheit
untergebracht sind.
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10 zeigt
einen Querschnitt durch die Sensoreinheit der 9,
aus dem die Lage der Druckausgleichskanäle der Sensoreinheit vollständig erkenntlich
ist.
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Beschreibung
der Erfindung anhand der Figuren
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Das
prinzipielle Funktionsschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Mischgaszufuhr
ist in 3 beispielhaft dargestellt. Hierzu wurde aus der 1 der
für die
Erfindung relevante Ausschnitt nach dem bekannten Stand der Technik
kopiert und die kennzeichnenden Elemente der Erfindung wurden hinzugefügt. Die
aus der 1 unverändert übernommenen Komponenten sind
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht mehr bezeichnet, sofern dies für die folgende Erläuterung
der Erfindung nicht mehr notwendig ist.
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Gemäß dem bekannten
Stand der Technik von Kreislaufatemgeräten ist ein Atemkreislauf vorhanden,
in dem ein Atemgasstrom (29, 30) fließt, sowie
ein automatisches Ventil zur Mischgaszufuhr (22) und mindestens
ein Gassensor (1) mit trockenzuhaltenden elektrischen oder
elektronischen Komponenten, die über
seine rückseitige
Anschlussöffnung
(3) zugänglich
sind.
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Das
automatische Ventil dient zum Ausgleich eines Unterdrucks, es öffnet, wenn
im Atemgerät
ein relativer Unterdruck zur Umgebung auszugleichen ist, und es
schließt,
wenn der Unterdruck ausgeglichen ist.
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Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kreislaufatemgerät das aus
dem automatischen Ventil stammende trockene Mischgas (23) dazu
benutzt wird, um elektrische oder elektronische Komponenten der
Gassensoren trockenzuhalten.
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Dies
kann in einer Vorrichtung zur Mischgaszufuhr dadurch verwirklicht
werden, indem das aus dem automatischen Ventil stammende trockene Mischgas
(23) nicht unmittelbar, sondern über erste Druckausgleichsmittel
(31) in den Atemkreislauf gelangt, wobei ein Teil des aus
dem automatischen Ventil stammenden Mischgases vor ersten Druckausgleichsmitteln
abgezweigt und den trockenzuhaltenden elektrischen oder elektronischen
Komponenten der Gassensoren zugeführt wird.
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Die
einfachste Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält eine
Vorkammer (34), die über
die ersten Druckausgleichsmittel (31) mit dem Atemkreislauf
(29, 30) so in Verbindung steht, dass das in der
Vorkammer befindliche Gas durch die ersten Druckausgleichsmittel
hindurch in den Atemkreislauf entweichen kann, sobald in der Vorkammer ein
größerer Druck
herrscht als im Atemkreislauf. Würde
in der Vorkammer dagegen ein kleinerer Druck herrschen als im Atemkreislauf,
dann öffnet das
automatische Ventil und es erfolgt ein Druckausgleich, indem das
aus dem automatische Ventil stammende trockene Mischgas (23)
in die Vorkammer einströmt.
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Die
ersten Druckausgleichsmittel können
auf der Seite des Atemkreislaufs an jeder beliebigen Stelle mit
diesem verbunden werden. Sie könnten beispielsweise
auch in den deformierbaren Sack der Gegenlunge münden. Aus Gründen der
Robustheit und der bestmöglichen
Funktion des Mischvorgangs sind jedoch Realisierungen zu bevorzugen,
wo die ersten Druckausgleichsmittel den Druckausgleich zwischen
der Vorkammer und einer festen Mischkammer (17) bewirken.
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Die
trockenzuhaltenden elektrischen oder elektronischen Komponenten
an den Anschlußseiten (3)
der Gassensoren (1) stehen dabei mit der Vorkammer (34)
in Verbindung, was am einfachsten dadurch realisiert werden kann,
dass die Gassensoren in einem Teil der Vorkammer untergebracht werden, wobei
sie in Gewindebohrungen abgedichtet eingeschraubt sind, die sich
in der Wand zwischen der Mischkammer und der Vorkammer befinden.
Als Dichtmittel eignet sich ein O-Ring, der gewöhnlich bei handelsüblichen
Gassensoren serienmäßig am Fuß des Gewindes
an ihrer gasempfindlichen Vorderseite (2) bereits vorhanden
ist.
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Auf
diese Weise stehen die gasempfindlichen Vorderseiten (2)
der Gassensoren mit den Atemgasstrom (30) aus der Mischkammer
(17) unmittelbar in Verbindung, was ihrer Funktion entgegenkommt,
während
sich ihre feuchteempfindlichen Rückseiten
und ihre elektrischen Anschlussleitungen in der trockengehaltenen
Vorkammer (34) befinden. Einwandfreie Lösungen zur wasserdichten Durchführung der
elektrischen Anschlussleitungen durch Gehäusewände zur Auswertungselektronik sind
dem Stand der Technik längst
bekannt. Die Auswertungselektronik und die weiteren elektrischen
Komponenten der Dosiereinrichtung können aber auch in der trockengehaltenen
Vorkammer untergebracht werden, wenn diese groß genug ausgeführt wird.
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Erste
Druckausgleichsmittel können
realisiert sein als ein Richtungsventil, eine Trockenpatrone, oder
eine Kombination aus Richtungsventilen und einer Trockenpatrone.
Darüber
hinaus eignet sich jedes denkbare Mittel als erstes Druckausgleichsmittel,
solange es die Aufgaben des ersten Druckausgleichsmittels, bereits
weiter oben dargestellt, erfüllen
kann.
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Abhängig von
der Realisierung erster Druckausgleichsmittel und der Ansprechempfindlichkeit des
automatischen Ventils kann nicht immer völlig ausgeschlossen werden,
dass bei Störfällen, ausgelöst durch
extremste Betriebsbedingungen oder bei Versagen eines Richtungsventiles
oder bei totaler Erschöpfung
des Mischgasvorrates, nicht doch ein feuchtes Atemgas aus der Mischkammer
zurück
in die Vorkammer gelangen könnte.
Dieses eindringende feuchte Atemgas könnte dann zu den Anschlußseiten
der Gassensoren gelangen, dort kondensieren, und Schaden anrichten.
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4 zeigt
schematisch eine weitergebildete neuartige Vorrichtung zur Mischgaszufuhr,
die mit den genannten Störfällen besser
zurecht kommt, und die zudem bei einer besonders vorteilhaften Realisierung
eine optimale Temperaturkompensation der Gassensoren erzielen kann.
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Bei
der weitergebildeten Vorrichtung gelangt das aus dem automatischen
Ventil (22) stammende trockene Mischgas (23) zunächst in
eine Vorkammer (34). Das in der Vorkammer befindliche Gas
kann wie zuvor beschrieben über
erste Druckausgleichsmittel (31) in den Atemkreislauf (29, 30)
gelangen, gelangt jedoch erst über
zweite Druckausgleichsmittel (36) zu den trockenzuhaltenden
elektrischen und elektronischen Komponenten an den Anschlußseiten
(3) der Gassensoren (1). Diese Teile der Gassensoren
befinden sich in einer eigenen Sensorkammer (35). Die Sensorkammer
kann für
alle Gassensoren gemeinsam sein. Es kann aber auch jeder Gassensor
in einer eigenen Sensorkammer untergebracht sein. Die zweiten Druckausgleichsmittel
(36) verbinden das Innere der Vorkammer mit dem Inneren
der Sensorkammer/n und sie erlauben einen bidirektionalen Druckausgleich
der Sensorkammer/n mit der Vorkammer, dieser Druckausgleichvorgang
ist in der Figur mit den Gasflußpfeilen
durch das zweite Druckausgleichsmittel verdeutlicht.
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Zweite
Druckausgleichsmittel haben den Zweck, den Anschlußseiten
der Gassensoren einen weitergehenden Schutz gegen Feuchtigkeit oder Kondensationsnässe für den Fall
zu bieten, dass in der Vorrichtung ein Störfall auftritt, der insbesondere die
Sollwirkung der ersten Druckausgleichsmittel vermindert oder aufhebt,
so dass entgegen der Intentionen der Erfindung dennoch feuchtes
Atemgas oder gar Kondensationsnässe
aus dem Atemkreislauf zurück
in die Vorkammer gelangt.
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Jedes
diesem Zweck dienliche zweite Druckausgleichmittel kann eingesetzt
werden. Mögliche Realisierungen
zweiter Druckausgleichsmittel sind Druckausgleichskanäle von kleinem
Querschnitt, die den Gasaustausch zwischen der Vorkammer und der Sensorkammer
auf das zum Druckausgleich nötige Maß beschränken, oder
Trockenpatronen, die ein Trocknungsmittel enthalten, oder eine Kombination aus
den genannten Mitteln. Die Anwendung von Richtungsventilen wäre hier
zwar ebenfalls denkbar, scheint aber eher eine unnötige Komplikation
zu sein.
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Wenn
es durch eine besondere Ausführung der
Sensorkammern gelingt, ein besonders kleines Gasinhaltsvolumen der
Sensorkammern bei einem besonders guten Wärmeaustausch mit dem in der Mischkammer
befindlichen Atemgas zu erzielen, dann können als zweites Druckausgleichsmittel
einfache Druckausgleichskanäle
von kleinem Querschnitt durchaus genügen, um bei einem Störfall des ersten
Druckausgleichmittels dennoch ein sicheres Beenden des Einsatzes
zu gewährleisten.
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Eine
derartige Realisierung der Erfindung, die ohne ein Trockenmittel
auskommt, wird später noch
beschrieben werden.
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Zunächst werden
anhand der 5 bis 8 mögliche Realisierungen
erster. Druckausgleichsmittel im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Art der 3 beispielhaft dargestellt.
Es versteht sich, dass die hierbei gezeigten ersten Druckausgleichsmittel
auch in der weitergebildeten Vorrichtung in Art der 4 eingesetzt werden
können.
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In
der 5 ist beispielhaft die einfachstmögliche Realisierung
des ersten Druckausgleichsmittels (31) als Richtungsventil
(32) veranschaulicht. Dieses Richtungsventil erlaubt es
dem in der Vorkammer (34) befindlichen Gas, in die Mischkammer (17)
und damit in den Atemkreislauf zu entweichen, falls in der Vorkammer
gegenüber
dem Atemkreislauf ein relativer Überdruck
herrscht. Einen relativen Unterdruck in der Vorkammer gleicht das
automatische Ventil (22) aus, wie schon weiter oben ausführlich dargelegt
wurde. Ein nahezu perfekter Druckausgleich der in den Gassensoren
befindlichen Druckausgleichsmembrane ist dadurch gegeben, dass sowohl
handelsübliche
Richtungsventile als auch handelsübliche automatische Ventile
schon bei einigen zehn Millibar Druckunterschied ansprechen können. Als
Richtungsventil eignen sich sogenannte Pilzventile aus einem Elastomermaterial,
oder jedes andere zu diesem Zweck geeignete Ventil.
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In
dieser Variante funktioniert der Druckausgleich jedoch nur dann,
wenn das dem automatische Ventil zugeführte Mischgasvorrat beim Einsatz
des Geräts
nicht völlig
erschöpft
wird.
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6 zeigt
beispielhaft eine Realisierung des ersten Druckausgleichsmittels
(31), bei dem auch im Falle der Erschöpfung des Mischgasvorrates ein
Druckausgleich der Vorkammer und damit der Gassensoren stets gewährleistet
ist, indem das erste Druckausgleichsmittel (31) als Trockenpatrone
(33) realisiert ist, in der sich ein Trocknungsmittel befindet,
das in der Figur als kleine Kugeln innerhalb der teilweise aufgeschnittenen
Trockenpatrone dargestellt ist. Vor der Erschöpfung des Mischgasvorrates wird
die Trockenpatrone bei Druckausgleichsvorgängen zumeist von trockenem,
aus dem automatischen Ventil (22) stammenden Mischgas (23)
in Richtung der Mischkammer (17) durchströmt, und
das Trocknungsmittel wird dabei geschont. Einige Arten von Trocknungsmittel
(beispielsweise auf Basis von Bentonit) werden durch das sie durchströmende trockene Mischgas
sogar etwas regeneriert. Nur wenn der an (21) zugeführte Mischgasvorrat
erschöpft
ist, oder das automatische Ventil verzögert anspricht, und der Umgebungsdruck
steigt, dann kann eine geringe Menge Atemgas aus dem Atemkreislauf
von der Mischkammer (17) durch die Trockenpatrone hindurch
zurück
in die Vorkammer gelangen, was in der Figur durch den von der Mischkammer
(17) in die Vorkammer (34) zeigenden Gasflusspfeil
symbolisiert ist. Das in der Trockenpatrone befindliche Trocknungsmittel
entzieht dem es durchströmende
Atemgas die Feuchtigkeit weitgehend, so dass gemäß der Aufgabe des ersten Druckausgleichsmittels
kein feuchtes Atemgas aus dem Atemkreislauf zurück in die Vorkammer gelangt,
sondern nur ein weitgehend getrocknetes Atemgas, wodurch die Kondensationsgefahr
an den elektrischen Anschlußseiten
der Gassensoren ebenfalls gebannt ist. Aus Gründen des Atemwiderstandes muss
die Trockenpatrone in diesem Fall jedoch einen relativ großen Querschnitt
aufweisen. Bei Tauchgeräten
ist eine derartige Realisierung eher nicht praktikabel, da in großen Tiefen
das Atemgas eine viel größere Dichte
aufweist als unter atmosphärischen
Bedingungen. Bei Atemgeräten
für atmosphärische Bedingungen
hat die Realisierung nach 6 jedoch
den Vorteil, ohne Richtungsventile auszukommen, die bekanntlich
störanfälliger sind als
Trockenpatronen. Eine solche für
die letztere Anwendung ist etwa so groß wie ein gewöhnlicher
Gasmaskenfilter.
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7 zeigt
schematisch und beispielhaft eine auch für Tauchgeräte geeignete Abwandlung der
Vorrichtung von 6. Hier sind erste Druckausgleichsmittel
(31) realisiert durch eine Kombination aus Richtungsventilen
(32) und einer Trockenpatrone (33), die ein Trocknungsmittel
enthält.
Bei einem Überdruck
in der Vorkammer (34) kann das darin befindliche Gas über das
Richtungsventil (32) in die Mischkammer (17) und
damit in den Atemkreislauf gelangen. Dieser Gasfluß, symbolisiert
durch den unteren Pfeil von (34) nach (17), unterliegt
dabei nur dem geringen Widerstand durch das Richtungsventil. Bei
einem Unterdruck in der Vorkammer kann Atemgas aus dem Atemkreislauf
von der Mischkammer über
die Trockenpatrone mit dem Trocknungsmittel hindurch in die Vorkammer
gelangen. Symbolisiert ist dieser Gasfluß durch den oberen Pfeil, von
(17) nach (34). Unterdruck in der Vorkammer kann
bei ordnungsgemäßer Funktion
des automatischen Ventils an sich nicht auftreten. Spricht dieses
jedoch zu unempfindlich oder verzögert an, oder ist der an (21)
zugeführte
Mischgasvorrat total erschöpft,
dann sorgt die Trockenpatrone dafür, dass dennoch ein Druckausgleich
erfolgt, und dass die Gassensoren nicht durch einen zu großen Unterdruck
in der Vorkammer geschädigt
werden.
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8 zeigt
beispielhaft den Querschnitt durch eine eine Trockenpatrone (33),
die ein eigenes Richtungsventil (32) enthält. Eine
derartige Trockenpatrone, bei der dem Trocknungsmittel ein Richtungsventil
vorschaltet ist, ist für
eine Vorrichtung nach 7 besonders geeignet, da das
Trocknungsmittel bestmöglich
geschont wird. Ein zweckmäßiger Aufbau
einer derartigen Trockenpatrone, von links nach rechts, besteht
aus einem Federring (57), der eine Ventilkapsel (58)
in der Trockenpatrone arretiert und gegen federnde gewölbte Siebscheiben
(59) drückt,
die das Trocknungsmittel (60) an seinem Platz halten. Um
einen aus dem Trocknungsmittel stammenden Staub von dem Richtungsventil
fernzuhalten, ist ein gasdurchlässiges
Filtermaterial (61) vorgesehen, beispielsweise Watte. Eine
derartige Trockenpatrone kann mit ihrem Gewinde, am rechten Ende
erkenntlich, in einer Vorrichtung in Art der 7 in der
Trennwand zwischen der Mischkammer (17) und der Vorkammer
(34) lösbar
und abgedichtet befestigt werden. Als Dichtmittel eignet sich ein O-Ring.
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Als
Trocknungsmittel in dieser und auch den anderen Trockenpatronen
eignen sich handelsübliche
Trocknungsmittel, die einem sie durchströmendes Gas die darin als Wasserdampf
enthaltene Feuchtigkeit entziehen und an sich binden können, zum
Beispiel ein Silicagel in kugeliger Gestalt.
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9 zeigt
zeigt beispielhaft einen Längsschnitt
durch eine praktische Realisierung der weitergebildeten Vorrichtung
zur Mischgaszufuhr in einem elektronisch gesteuerten selbstmischenden
Kreislauftauchgerät,
dessen Sensoreinheit in besonders vorteilhafter Weise ausgeführt ist,
wodurch bei zweckmäßiger Anordnung
der Sensoreinheit innerhalb des Atemgeräts und bei Wahl eines Materials mit
guter Wärmeleitfähigkeit
eine bestmögliche
Funktion der Temperaturkompensation der Gassensoren gewährleistet
werden kann. Dies gelingt vor allem dann, wenn die Sensoreinheit
vom Atemgasstrom umspült
wird.
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Beginnend
auf der rechten Seite in der Mitte der Figur gelangt das ausgeatmete
Atemgas (28) aus dem Ausatemschlauch (15), der
an einen Stutzen einer Mittelsektion (37) angeschlossen
ist, zunächst
in eine umlaufende Verteilungskammer (38) und dann über an deren
Radius verteilte Bohnungen in die Absorberkammer (39).
Dabei wird die Atemkalkpatrone (16) vom Atemgasstrom umspült und dadurch
gegenüber
der Wand der Absorberkammer thermisch isoliert. Am Boden der Absorberkammer
sich sammelndes Kondenswasser oder durch kurzzeitigen Verlust des
Mundstücks
eingedrungenes Seewasser kann über
ein Ablassventil (51) aus dem Atemgerät ausgedrückt werden, indem mit Hilfe
eines manuellen Betätigungsknopfes
(41) am automatischen Ventil (22) ein Überdruck
im Atemgerät
hergestellt wird. Um beim Kopfstand des Tauchers das Eindringen von
Kondenswasser in den Atemkalk zu verhindern, sind die Zuführungsbohrungen
der Atemkalkpatrone (16) mit einer wasserabweisenden, aber
gasdurchlässigen
Membrane (40) abgedeckt. Die Konstruktion von Atemkalkpatronen
ist nicht Aufgabe dieser Erfindung, aber es sei angemerkt, dass
anstelle der hier symbolisch und vereinfacht dargestellten axial
durchströmten
Atemkalkpatrone auch eine radial durchströmte Atemkalkpatrone benutzt
werden kann. In einer solchen würden
sich die Zuführungsbohrungen dann
am Umfang befinden, und im Zentrum der Patrone würde sich ein durchlochtes Zentralrohr
befinden. Das aus der Atemkalkpatrone stammende weitgehend kohlendioxidbefreite
Atemgas (29) gelangt in eine zentrale Kammer (42)
der Mittelsektion (37) und von dort aus über Bohrungen,
die unterhalb der Gassensoren (1) platziert sind, in die
Mischkammer (17). Bis zu diesem Punkt entspricht das vorgestellte Atemgerät dem Stand
der Technik.
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In
der Mischkammer befindet sich eine besonders vorteilhafte Sensoreinheit
(43), die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gassensoren
in einem Grundkörper
(44) befestigt sind, wobei ihre gasempfindlichen Vorderseiten
(2) in eine Zentralbohrung (45) des Grundkörpers weisen,
und wobei die Gassensoren (1) jeweils in einzelnen Sensorkammern (35)
sitzen, die durch die lösbare
Verbindung von Sensordomen (46) mit dem Grundkörper (44)
gebildet sind. Diese lösbare
Verbindung kann eine Schraubverbindung sein. Der Spalt zwischen
Sensordom und Grundkörper
ist abgedichtet, beispielsweise mit einem O-Ring. Damit in den Sensorkammern
ein Druckausgleich hergestellt werden kann, befinden sich in dem
Grundkörper
Druckausgleichskanäle
(47), in der 8 aufgrund der Lage des Schnittes
nur teilweise sichtbar, mit denen die Sensorkammern verbunden sind
und durch die auch die elektrischen Zuleitungen der Gassensoren
(25) geführt
werden können.
Diese Druckausgleichskanäle im
Grundkörper
der Sensoreinheit, später
in 9 näher
beschrieben, werden über
Zuleitungsrohre (48) mit der Vorkammer (34) verbunden.
Dann wirken die Druckausgleichskanäle und die Zuleitungsrohre als
zweite Druckausgleichsmittel gemäß den Kennzeichen
der Erfindung, denn sie stellen den Druckausgleich zwischen der
Vorkammer und der Sensorkammer her.
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Die
Vorkammer wird dadurch gebildet, dass ein geeignet abgedichteter
Zwischenboden (56) in das Gehäuserohr (54) des Atemgeräts eingesetzt
ist. Dieser Zwischenboden trennt die Vorkammer (34) von
der Mischkammer (17) ab. Sollten die Zuleitungsrohre (48)
nicht stabil genug sein, um den Zwischenboden über die Sensoreinheit mit der
Mittelsektion zu verbinden, können
zwischen dem Zwischenboden und der Mittelsektion zusätzliche
stabile Stehbolzen vorgesehen werden. In der Regel ist solch eine Massnahme
jedoch nicht nötig,
da der Grundkörper (44)
und die Sensordome (46) der Sensoreinheit (43) sowie
die Zuleitungsrohre (48) vorzugsweise aus Metall gefertigt
und daher stabil genug sind.
-
Metall
leitet Wärme
gut, und die beschriebene Anordnung stellt durch Umspülung der
Sensoreinheit mit dem Atemgasstrom sicher, dass das Metall der Sensoreinheit
und damit das Gas in den Sensorkammern im wesentlichen dieselbe
Temperatur wie das Atemgas annimmt. Wird zudem die Mittelsektion vorzugsweise
aus einem stabilen Kunststoff gefertigt, dann entsteht auch keine
Kältebrücke zwischen
der Umgebung und der Sensoreinheit.
-
Diese
Massnahmen zusammengenommen ergeben vorteilhaft die bestmögliche Funktion
der Temperaturkompensationselektronik in den Gassensoren, obwohl
diese im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik nicht direkt
vom Atemgasstrom umspült
werden, sondern sich erfindungsgemäß jeweils in einer mit trockenem
Mischgas gefüllten
Sensorkammer befinden.
-
Eine
weitere Variante zur Realisierung des zweiten Druckausgleichsmittels
wäre die,
daß eines der
aus dem Grundkörper
stammenden Zuleitungsrohre in eine Trockenpatrone mündet, die
damit das zwischen der Sensorkammer und der Vorkammer beim Druckausgleich
strömende
Gas zusätzlich trocknet,
während
die anderen Zuleitungsrohre, die dann nur zur Führung der elektrischen Zuleitungen zu
den Sensoren benutzt werden, mit einer Dichtmasse abgedichtet werden
können,
so dass sie selbst nicht mehr als zweites Druckausgleichsmittel wirken.
Diese Variante ist dann zu bevorzugen, wenn als erste Druckausgleichsmittel
eine Trockenpatrone oder eine Kombination aus einer Trockenpatrone
und aus Richtungsventilen benutzt wird, denn wenn schon ein Trocknungsmittel
vorhanden ist und Wartungsaufwand bringt, dann ist ein zweites Trocknungsmittel
zur weiteren Erhöhung
des Feuchtigkeitsschutzes kein wesentlicher Mehraufwand.
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Bei
der in 9 dargestellten Ausführung der Erfindung ist das
erste Druckausgleichsmittel (31) jedoch nur als ein Richtungsventil
(32) realisiert. Dies erlaubt dem dargestellten Tauchgerät in vorteilhafter
Weise, völlig
ohne ein Trocknungsmittel auszukommen, bedingt jedoch eine gewisse
Sorgfalt des Benutzers, der den an (21) zugeführten Mischgasvorrat
nie erschöpfen
darf. Bei einem Tauchgerät
sollte dies selbstverständlich
sein, da ein völlig
erschöpfter
Mischgasvorrat zum sofortigen Notaufstieg zwingen würde. Während des
Notaufstiegs kann aber in der Vorkammer gegenüber dem Atemkreislauf nur noch
ein relativer Überdruck
entstehen, der dann über
das Richtungsventil in den Atemkreislauf entweicht.
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Die
Kennzeichen der Erfindung sind dadurch verwirklicht, indem das aus
dem automatischen Ventil (22) stammende Mischgas (23)
zunächst
in die Vorkammer (34) einströmt, was dann geschieht, wenn
im Atemgerät
gegenüber
der Umgebung ein relativer Unterdruck herrscht, der das automatische Ventil öffnet. Aus
der Vorkammer gelangt das eingeströmte trockene Mischgas (34)
zu den Anschlusseiten der Gassensoren und damit auf deren Druckausgleichsmembranen.
Dies erfolgt gemäß Anspruch
5 über
zweite Druckausgleichsmittel (36, 47, 48),
wobei die Gassensoren in einzelnen Sensorkammern (35) untergebracht
sind. Diese Sensorkammern sind innerhalb einer besonders vorteilhaften
Sensoreinheit (43) gemäß Anspruch
11 dadurch gebildet, dass Sensordome (46) in einen Grundkörper (44)
der Sensoreinheit lösbar
befestigt werden, der eine Zentralbohrung (45) aufweist,
die vom zu analysierenden Atemgas durchströmt wird. Aus der Vorkammer
wird das aus dem automatischen Ventil stammende Mischgas (23) über das
erste Druckausgleichsmittel (31), das hier als Richtungsventil
(32) ausgeführt
ist, in die Mischkammer (17) und damit dem Atemkreislauf
zugeführt.
Die trockengehaltene Vorkammer enthält in diesem praktischen Ausführungsbeispiel
auch die Auswertungselektronik (26) und das Dosierventil (19)
für den
Sauerstoff. Dies erlaubt den Verzicht auf wasserdichte Kabeldurchführungen.
-
Die
restlichen Komponenten in der 9 folgen
wieder weitgehend dem bisher bekannten Stand der Technik. Das Dosierventil
(19) leitet den aus ihm stammenden Sauerstoff in die Mischkammer
(17), wo es sich mit dem dort befindlichen Atemgas mischt. Das
so regenerierte Atemgas (30) gelangt durch die Sensoreinheit
hindurch an den gasempfindlichen Seiten der Gassensoren (2)
vorbei über
einen Rohrkrümmer
(49) und ein Durchführungsrohr
(50) in den Einatemschlauch (13). Das Durchführungsrohr durchstößt dabei
die das verbrauchte Ausatemgas führende
umlaufende Verteilungskammer (38) und ist gegen diese abgedichtet.
Wie schon bei [1] wird der Körper
des Atemgeräts
aus Gehäuserrohren
(54) gebildet, die lösbar,
aber abgedichtet mit der Mittelsektion (37) verbunden sind,
wobei die Enden des Geräts
mit Deckeln (55) verschlossen sind. Das Gerät wird mittels
einer entlang der Mittelachse verlaufenden Zugstange (52)
zusammengehalten, die am oberen Ende mittels eines Gewindes in den
oberen Deckel eingeschraubt ist, und die am unteren Ende mit einem
Handrad (53) verbunden ist.
-
10 zeigt
einen Querschnitt durch die besonders vorteilhafte Sensoreinheit
der 9 in Höhe der
Mittelachse der Gassensoren (1). Im Grundkörper (44)
der Sensoreinheit befindet sich eine Zentralbohrung (54),
durch die das regenerierte Atemgas strömt und somit an die gasempfindlichen
Vorderseiten (2) der Gassensoren gelangt. Die Gassensoren sind
mit dem Grundkörper
lösbar
und abgedichtet verbunden. Über
den Gassensoren sind Sensordome (46) ebenfalls mit dem
Grundkörper
lösbar
und abgedichtet verbunden, um für
jeden Gassensor eine eigene Sensorkammer (35) zu bilden.
-
Für die lösbaren Verbindungen
eignen sich Gewinde und für
die Abdichtung O-Ringe.
-
Im
Grundkörper
sind Druckausgleichskanäle (47)
vorhanden. Diese können
so ausgeführt
sein, dass sie schon innerhalb der Sensoreinheit das Innere der
Sensorkammern untereinander verbinden. Derartige Druckausgleichskanäle können als
aus den Sensorkammern führende
Bohrungen kleinen Querschnitts, die in größere senkrechte Bohrungen im
Grundkörper
münden,
ausgeführt
werden.
-
Über die
größeren senkrechten
Bohrungen kann den Sensorkammern das zum Druckausgleich der Gassensoren
benötigte
Gas zugeführt
werden. Durch die Druckausgleichskanäle können auch die elektrischen
Anschlussleitungen der Gassensoren geführt werden.
-
Es
versteht sich auf Grund der obigen Beschreibung, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung zur
Mischgaszufuhr in Kreislaufatemgeräten weitgehend unabhängig von
der Art des Atemgeräts
sehr vielseitig verwendbar und wandelbar ist. Sie kann abhängig vom
Einsatzgebiet und den speziellen Anforderungen des jeweiligen Atemgeräts durch
eine Wahl von mehr oder weniger aufwendigen Druckausgleichsmitteln
in optimaler Weise ausgelegt werden, wodurch sich eine Vielzahl
möglicher
Varianten ergibt, die im Rahmen der Beschreibung nicht alle aufgeführt werden
können,
so dass die Beschreibung keinesfalls als eine erschöpfende Abhandlung
aller möglichen
Varianten anzusehen ist. Die möglichen Varianten
und Wandlungen der Erfindung ergeben sich alleine aus den Ansprüchen der
Erfindung. Insbesondere können
die Ventile, auch das automatische Ventil, auf jede zweckmäßige Art
und Weise realisiert werden. Beispielsweise kann das automatische
Ventil statt mit einer Membrane auch über einen Drucksensor elektronisch
gesteuert werden. Die Richtungsventile können federbelastete Scheiben aus
einem geeigneten Material sein. Ersten Druckausgleichmitteln kann
auf ihren der Mischkammer zugewandten Seite eine wasserabweisende,
aber gasdurchlässige
Membrane von hinreichendem Querschnitt vorgeschaltet werden, um
herumschwappendes Kondenswasser, das sich im Atemkreislauf befinden
kann, von den ersten Druckausgleichsmitteln fernzuhalten.
-
Die
neue Vorrichtung zur Mischgaszufuhr in Kreislaufatemgeräten erreicht
durch erfinderische Ausnutzung des zugeführten trockenen Mischgases zur
Trockenhaltung der elektrischen und elektronischen Komponenten der
Gassensoren eine gegenüber
dem bekannten Stand der Technik verbesserte Trocknungswirkung und
sie ist von ihrem verblüffend einfachen
Wirkprinzip her auch für
Juristen verständlich
und daher über
jeden Zweifel erhaben.
-
Gegenüber den
früheren
zum Patent angemeldeten Lösungen
desselben Erfinders erzielt die neue Vorrichtung eine mindestens
ebensogute Trocknungswirkung, ohne dass ein Trocknungsmittel eingesetzt
werden müßte, und
vermeidet Vergussmaßnahmen
[10] an den Gassensoren, welche die Austauschbarkeit der Gassensoren
unter feldmäßigen Bedingungen
erschweren würden.
-
Die
neue Vorrichtung kann zwar optional Trockenpatronen mit einem Trocknungsmittel
benutzen, erzielt dann aber gegenüber der früheren Lösung [11] eine wesentlich höhere Standzeit
des Trocknungsmittels. Werden als erstes Druckausgleichsmittel Richtungsventile
zusammen mit einer Trockenpatrone eingesetzt, so dass das Trocknungsmittel
nur bei Versagen des Druckausgleichs der Vorkammer über das
automatische Ventil durchströmt
wird, wird das Trockenmittel nur bei derartigen Störfällen verbraucht,
und muss im Regelfall nicht häufiger ausgetauscht
werden als die Gassensoren selbst, was etwa einmal im Jahr bei einer
Routinewartung erfolgen kann.
-
Wird
zudem die weitergebildete Vorrichtung mit einer weiteren Trockenpatrone
als zweites Druckausgleichsmittel benutzt, dann erreicht diese Variante
der Vorrichtung das bestmögliche
Funktionspotential unter allen Bedingungen, jedoch erkauft mit entsprechenden
Aufwand.
-
Die
Beschreibung offenbart auch ein Kreislauftauchgerät, bei dem
die erfindunggemäße Vorrichtung
zur Mischgaszufuhr in einer Variante benutzt wird, die ohne Trocknungsmittel
auszukommen sucht. Dies basiert auf der Überlegung, daß ein Ausfall
der Mischgaszufuhr den Taucher in jedem Fall zu einem sofortigen
Aufstieg zwingt, so dass ein Unterdruck in der Vorkammer auch nicht
mehr entsteht und daher auch nicht mehr über ein Trockenmittel ausgeglichen
werden muss. Dieses Kreislauftauchgerät verwendet eine für die Temperaturkompensation
der Gassensoren besonders vorteilhafte Sensoreinheit in einem Gesamtaufbau,
bei der Trockenpatronen als erste und zweite Druckausgleichsmittel
bei Bedarf auch noch nachträglich
nachgerüstet
werden könnten,
was ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist.
-
- 1
- Gassensor
(meist Sauerstoffsensor)
- 2
- gasempfindliche
Vorderseite des Gassensors
- 3
- rückseitige
Anschlussöffnung
des Gassensors
- 4
- elektrische
Anschlüsse
des Gassensors
- 5
- Leiterplatte
- 6
- Elektrolytkammer
- 7
- Druckausgleichsmembrane
- 8
- Dichtung
der Druckausgleichsmembrane
- 9
- eingepresster
Metallring
- 10
- Druckausgleichskammer
des Gassensors
- 11
- Steckverbinder
- 12
- Gegenlunge
- 13
- Einatemschlauch
- 14
- Mundstückeinheit
- 15
- Ausatemschlauch
- 16
- Atemkalkpatrone
- 17
- Mischkammer
- 18
- Mitteldruck-Sauerstoff
- 19
- Dosierventil
für Sauerstoff
- 20
- aus
dem Dosierventil stammender Sauerstoff
- 21
- Mitteldruck-Mischgas
- 22
- automatisches
Ventil für
Mischgas
- 23
- aus
dem automatischen Ventil stammendes Mischgas
- 24
- Membrane
des automatischen Ventils
- 25
- elektrische
Leitungen der Sauerstoffsensoren
- 26
- Auswertungselektronik
- 27
- elektrische
Steuerleitung des Dosierventils
- 28
- ausgeatmetes
Atemgas
- 29
- aus
der Atemkalkpatrone stammendes Atemgas (weitgehend
-
- kohlendioxidbefreit)
- 30
- regeneriertes
Atemgas
- 31
- erstes
Druckausgleichsmittel (zwischen Vorkammer und
-
- Mischkammer)
- 32
- Richtungsventil
- 33
- Trockenpatrone
- 34
- Vorkammer
- 35
- Sensorkammer
- 36
- zweites
Druckausgleichsmittel (zwischen Vorkammer und
-
- Sensorkammer)
- 37
- Mittelsektion
- 38
- umlaufende
Verteilungskammer
- 39
- Absorberkammer
- 40
- wasserabweisende,
gasdurchlässige
Membrane
- 41
- Betätigungsknopf
für automatisches
Ventil
- 42
- zentrale
Kammer
- 43
- Sensoreinheit
- 44
- Grundkörper der
Sensoreinheit
- 45
- Zentralbohrung
des Grundkörpers
- 46
- Sensordom
- 47
- Druckausgleichskanäle (im Grundkörper der Sensoreinheit)
- 48
- Zuleitungsrohr
- 49
- Rohrkrümmer
- 50
- Durchführungsrohr
(durchstößt 38)
- 51
- Ablassventil
- 52
- Zugstange
- 53
- Handrad
- 54
- Gehäuserohr
- 55
- Deckel
- 56
- Zwischenboden
- 57
- Federring
- 58
- Ventilkapsel
- 59
- Siebscheibe
- 60
- Trocknungsmittel
- 61
- gasdurchlässiges Filtermaterial
-
Literatur
-
- [1] Kanwisher/Starck, „Apparatus for controlling
environmental conditions, suitable for use underwater", US 3 556 098
- [2] F. Parker et al, „Carbon
dioxide scrubber and breathing diaphragm assembly for diving apparatus", US 3 710 553
- [3] Wible, „Closed
circuit diving system with interchangeable gas conditioning packs
for personal use", WO
99/07442 A2
- [4] M. Parker et al, „Self-contained
breathing apparatus",
WO 99/13944 A1
- [5] www.cdnn.info/industry/i030304b/i030304b.html
- [6] Unbenannt, „Tauchgerät mit Kreislauf", DE 2 104 153
- [7] Zeitschrift „Tauchen", Nr. 10, Oktober
2002, S.95, Jahr-Verlag Hamburg
- [8] A. Naim et al, „An
improved temperature compensated electrochemical gas sensor and
method for closely tracking the temperature variations of a gas
to be sensed", EP 0 819 936
- [9] W. Vogeser et al., „Fluidtrocknungsvorrichtung", DE 37 90 537 C2
- [10] Engl, „Vergiessbarer
Gassensor und Vergussverfahren dafür", DPA 10328356.0
- [11] Engl, „Gassensorvorrichtung
für Atemgeräte", DPA10259988.2