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Die
Erfindung geht aus von einem 3/2-Wegeventil nach der Gattung des
Hauptanspruchs.
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Es
ist schon ein 3/2-Wegeventil aus der
DE 44 19 875 A1 bekannt mit einem Schließkörper, der mit
einem ersten Ventilsitz und einem zweiten Ventilsitz zusammenwirkt,
wobei am ersten Ventilsitz ein Einlaß vorgesehen ist. Nachteilig
ist, daß ein
Elektromagnet des 3/2-Wegeventils bei Vorliegen eines Unterdruckes
in dem Einlaß neben
der Federkraft einer Rückstellfeder
zusätzlich
den Unterdruck überwinden
muß, um
den Schließkörper vom
ersten Ventilsitz abzuheben. Dadurch ist der Elektromagnet mit einer großen Anzugsspannung
auszulegen, was das Gewicht des 3/2-Wegeventils nachteilig erhöht.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße 3/2-Wegeventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß auf
einfache Art und Weise eine Verbesserung dahingehend erzielt wird,
daß die
notwendige Anzugsspannung verringert wird, indem der Schließkörper zumindest eine Druckausgleichsöffnung aufweist,
die beim Anliegen des Schließkörpers an
dem ersten Ventilsitz einen Druckausgleich am Schließkörper derart
bewirkt, dass der Druck des Einlasses sowohl auf eine dem ersten
Ventilsitz zugewandte, erste Teilfläche des Schließkörpers als
auch auf eine dem ersten Ventilsitz abgewandte Teilfläche des
Schließkörpers wirkt.
Auf diese Weise wird ein Druckausgleich am Schließkörper erreicht,
so daß zum
Schalten des Ventils eine geringere Spannung benötigt wird.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen 3/2-Wegeventils möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die erste Teilfläche und die zweite Teilfläche gleich
groß ausgebildet
sind, da gemäß dieser
Ausführung
ein vollständiger
Druckausgleich erreicht wird.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, wenn der Schließkörper scheibenförmig ausgebildet
ist, da auf diese Weise eine geringe Masse des Schließkörpers erreicht
ist, so daß sehr
kurze Schaltzeiten erzielt werden.
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Sehr
vorteilhaft ist es, wenn der Schließkörper auf der dem ersten Ventilsitz
zugewandten Seite ein mit dem ersten Ventilsitz zusammenwirkendes Dichtungselement
aufweist, da auf diese Weise eine gute Abdichtung des ersten Ventilsitzes
erreicht ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführung
weist der Schließkörper auf
der dem ersten Ventilsitz abgewandten Seite ein Membranelement auf,
das von dem Schließkörper ausgehend
bis an einen Magnetkern eines den Schließkörper verstellenden Elektromagneten
verläuft.
Das Membranelement ermöglicht eine axiale,
zumindest nahezu reibungsfreie Bewegung des Schließkörpers und
dient zusätzlich
der Führung
der axialen Bewegung.
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Desweiteren
vorteilhaft ist, wenn der Schließkörper auf der dem ersten Ventilsitz
abgewandten Seite ein mit dem zweiten Ventilsitz zusammenwirkendes
weiteres Dichtungselement aufweist, da auf diese Weise eine gute
Abdichtung des zweiten Ventilsitzes erreicht ist.
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Darüber hinaus
vorteilhaft ist, wenn das Membranelement mit dem Schließkörper und
dem Magnetkern ein Ausgleichsvolumen bildet, das über die
Druckausgleichsöffnung
mit dem Einlaß strömungsverbunden
ist, da auf diese Weise ein Druckausgleich am Schließkörper ermöglicht wird.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, am zweiten Ventilsitz
ein Belüftungskanal
vorzusehen, der mit der Atmosphäre
strömungsverbunden
ist.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die
Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes 3/2-Wegeventil, das beispielsweise
der pneumatischen Steuerung eines Aggregates dient, indem das Aggregat über das
3/2-Wegeventil entweder mit einer Druckquelle oder beispielsweise
mit der Atmosphäre strömungsverbunden
wird. Auf diese Weise wird das Aggregat, beispielsweise ein Ventil,
geschaltet bzw. geöffnet
oder geschlossen.
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Das
3/2-Wegeventil besteht beispielsweise aus einem zweiteiligen Gehäuse 1 mit
einem ersten Gehäuseteil 2,
das beispielsweise topfförmig
mit einem Gehäuseboden 8 ausgebildet
ist, und mit einem zweiten Gehäuseteil 3,
das beispielsweise deckelförmig
ausgebildet ist.
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Das
zweite Gehäuseteil 3 hat
beispielsweise einen Eingangsanschluß 4 zum zumindest
mittelbaren Anschließen
an eine beliebige Druckquelle 5. Als Druckquelle 5 wird
beispielsweise eine Unterdruckquelle oder eine Überdruckquelle genutzt. Bei
einer Brennkraftmaschine könnte
die Druckquelle 5 beispielsweise ein sogenanntes Ansaugrohr
stromabwärts
einer Drosselklappe sein. Der Eingangsanschluß 4 weist einen Einlaß 6 auf,
der über
eine Einlaßöffnung 9 in
einen von dem ersten Gehäuseteil 2 und
dem zweiten Gehäuseteil 3 eingegrenzten
Gehäuseinnenraum 10 des
Gehäuses 1 mündet.
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Der
erste Gehäuseteil 2 weist
beispielsweise an seinem Umfang einen einteilig mit dem ersten Gehäuseteil 2 verbundenen
Stecker 11 auf, der elektrische Anschlusselemente 12 zum
Anschluss an äußere Steckkontakte
aufweist.
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Das
zweite Gehäuseteil 3 ist
beispielsweise in einer Gehäuseaussparung 13 des
ersten Gehäuseteils 2 zentriert
angeordnet und mit dem ersten Gehäuseteil 2 dicht verbunden,
beispielsweise mittels Laserschweißen.
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In
dem Gehäuseinnenraum 10 des
topfförmigen
ersten Gehäuseteils 2 ist
beispielsweise ein topfförmiger Magnettopf 15 angeordnet,
in dem ein Aktor, beispielsweise ein Elektromagnet 16,
vorgesehen ist. Der topfförmige
Magnettopf 15 hat einen Topfboden 19, der in dem
ersten Gehäuseteil 2 dem
Gehäuseboden 8 zugewandt
ist, und auf der dem Topfboden 19 gegenüberliegenden Stirnseite einen
nach radial außen
zeigenden Topfkragen 20.
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Der
Elektromagnet 16 weist eine ringförmig um einen Magnetkern 17 angeordnete
Erregerspule 18 auf. Der Magnetkern 17 überragt
die Erregerspule 18 in seiner Längserstreckung bis zu dem Topfkragen 20.
Der Magnetkern 17 weist auf der dem Topfkragen 20 zugewandten
Stirnseite beispielsweise eine Aussparung 23 auf, in der
ein Federelement, beispielsweise eine schraubenförmige Druckfeder 24,
angeordnet ist.
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Auf
der dem Gehäuseinnenraum 10 zugewandten
Stirnseite des zweiten Gehäuseteils 3 ist
ein erster Ventilsitz 25 ringförmig um die Einlaßöffnung 9 herum
ausgebildet, der mit einem Schließkörper 32 zusammenwirkt.
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Das
3/2-Wegeventil weist beispielsweise an dem zweiten Gehäuseteil 3 einen
Ausgangsanschluß 26 zum
Steuern eines beliebigen Aggregates 27 auf. Das Aggregat 27 ist
beispielsweise ein Ventil, das durch das Öffnen der Einlaßöffnung 9 mit
der Druckquelle 5 strömungsverbunden
und dadurch gesteuert, beispielsweise geöffnet, geschlossen oder in
anderer Weise geschaltet, wird.
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Der
Ausgangsanschluß 26 hat
einen Auslaß 30,
der über
eine Auslaßöffnung 31 in
den Gehäuseinnenraum 10 führt und
an einem der Auslaßöffnung 31 abgewandten
Ende zumindest mittelbar mit dem Aggregat 27 verbunden
ist.
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Der
erste Ventilsitz 25 des zweiten Gehäuseteils 3 ist beabstandet
zum Topfkragen 20 des Magnettopfes 15 angeordnet.
Zwischen dem ersten Ventilsitz 25 und dem Topfkragen 20 ist
der Schließkörper 32 in
axialer Richtung beweglich vorgesehen. Der Topfkragen 20 dient
als Anschlag zur Begrenzung der Hubbewegung des Schließkörpers 32.
Der Schließkörper 32 überdeckt
die Einlaßöffnung 9 beim Anliegen
am ersten Ventilsitz 25 und schließt dabei die Einlaßöffnung 9 dicht
ab. Hebt der Schließkörper 32 vom
ersten Ventilsitz 25 ab, ist die Einlaßöffnung 9 geöffnet.
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Das
Gehäuse 1 hat
beispielsweise eine Ventilachse 33. Der Eingangsanschluß 4 mit
dem Einlaß 6,
der erste Gehäuseteil 2,
der zweite Gehäuseteil 3, der
Magnettopf 15 mit dem Magnetkern 17 und der Erregerspule 18 und
der Schließkörper 32 sind
beispielsweise konzentrisch zu der Ventilachse 33 angeordnet.
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Der
Schließkörper 32 weist
einen metallischen Grundkörper 36 auf,
der beispielsweise scheibenförmig
ausgebildet und aus einem magnetisierbaren Metall hergestellt ist.
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An
dem metallischen Grundkörper 36 des Schließkörpers 32 ist
im Bereich des ersten Ventilsitzes 25 auf der dem ersten
Ventilsitz 25 zugewandten Seite ein elastisches Dichtungselement 40 vorgesehen,
das für
ein dichtes Anliegen des Schließkörpers 32 an
dem ersten Ventilsitz 25 sorgt.
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Der
Grundkörper 36 des
Schließkörpers 32 hat
im Bereich des Topfkragens 20 auf der dem ersten Ventilsitz 25 abgewandten
Seite ein elastisches Dämpfungselement 41.
Das Dämpfungselement 41 dämpft das
Aufprallen des Grundkörpers 36 auf
den Topfkragen 20 beim Öffnen
der Einlaßöffnung 9 ab, so
daß keine
störenden
Geräusche
entstehen. Das Dämpfungselement 41 weist
beispielsweise noppenförmige,
in Richtung Topfkragen 20 ragende Erhebungen 42 auf,
die den Topfkragen 20 bei Annäherung des Grundkörpers 32 an
den Topfkragen 20 zeitlich vor dem Grundkörper 32 berühren.
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Am
Grundkörper 36 des
Schließkörpers 32 ist
im Bereich des Magnetkerns 17 auf der dem ersten Ventilsitz 25 abgewandten
Seite ein elastisches Membranelement 44 angeordnet, das
ringförmig
vom Grundkörper 36 ausgehend
in Richtung des Topfbodens 19 verläuft, zumindest abschnittsweise
den Magnetkern 17 ringförmig
umgreift und mit einer wulstförmigen
Verdickung 48 in einer weiteren Aussparung 45 des
Magnetkerns 17 angeordnet ist. Die weitere Aussparung 45 ist
beispielsweise als ringförmig umlaufende
Nut an dem Magnetkern 17 vorgesehen. Das elastische Membranelement 44 schließt auf der dem
ersten Ventilsitz 25 abgewandten Seite des Grundkörpers 36 zusammen
mit dem Magnetkern 17 und dem Grundkörper 36 ein Ausgleichsvolumen 50 ein.
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Erfindungsgemäß weist
der Schließkörper 32 zumindest
eine Druckausgleichsöffnung 49 auf, die
beim Anliegen des Schließkörpers 32 an
dem ersten Ventilsitz 25 einen Druckausgleich am Schließkörper 32 derart
bewirkt, dass der Druck des Einlasses 6 sowohl auf eine
dem ersten Ventilsitz 25 zugewandte, erste Teilfläche 37 des
Schließkörpers 32 als auch
auf eine dem ersten Ventilsitz 25 abgewandte Teilfläche 38 des
Schließkörpers 32 wirkt.
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Die
zumindest eine Druckausgleichsöffnung 49 ist
an dem metallischen Grundkörper 36 des Schließkörpers 32 im
Bereich der Einlaßöffnung 9 als Durchgangsöffnung ausgebildet
und verläuft
in Richtung des Magnetkerns 17, so daß das Ausgleichsvolumen 50 über die
zumindest eine Druckausgleichsöffnung 49 mit
dem Einlaß 6 strömungsverbunden
ist. Auf diese Weise herrscht beim Anliegen des Schließkörpers 32 an
dem ersten Ventilsitz 25 im Ausgleichsvolumen 50 der
gleiche Druck vor wie im Einlaß 6,
so daß der
Elektromagnet 16 nur die Federkraft der Druckfeder 24 und
nicht die Druckdifferenz am Schließkörper 32 zum Öffnen der
Einlaßöffnung 9 überwinden
muß. Daher
benötigt
der Elektromagnet 16 zum Öffnen der Einlaßöffnung 9 eine
geringere Anzugsspannung beziehungsweise weniger Strom zum Schalten
als beim Stand der Technik und kann daher kleiner ausgelegt werden.
Dadurch wird eine Gewichtsersparnis erzielt.
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Der
Druck der Druckquelle 5 wirkt über den Einlaß 6 sowohl
auf die beispielsweise durch das Dichtungselement 40 begrenzte
erste Teilfläche 37 als
auch über
die Druckausgleichsöffnung 49 auf
die durch das Membranelement 44 begrenzte Teilfläche 38 des
Schließkörpers 32,
so daß der
Elektromagnet 16 beim Öffnen
der Einlaßöffnung 9 nicht
zusätzlich eine
beispielsweise in Richtung des ersten Ventilsitzes 25 wirkende
Ansaugkraft zu überwinden
hat. Die erste Teilfläche 37 und
die zweite Teilfläche 38 sind vorzugsweise
gleich groß ausgebildet,
um einen vollständigen
Druckausgleich zu erhalten.
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Der
Grundkörper 36 des
Schließkörpers 32 weist
Durchgangsöffnungen 47 auf, über die
das Dichtungselement 40 mit dem Membranelement 44 beispielsweise
einteilig verbunden ist.
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Das
Membranelement 44 weist zwischen der Verdickung 48 und
der dem ersten Ventilsitz 25 abgewandten Seite des Grundkörpers 36 beispielsweise eine
Membranfalte 46 auf, die eine Bewegung des Schließkörpers 32 zwischen
dem ersten Ventilsitz 25 und dem Topfkragen 20 ermöglicht.
Der Schließkörper 32 ist
mittels des Membranelements 44 beweglich am Magnetkern 17 gelagert
und wird durch das Membranelement 44 axial und radial geführt.
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Durch
die Gehäuseaussparung 13 an
dem ersten Gehäuseteil 2 ist
eine Schulter 53 gebildet, an der ein zweiter Ventilsitz 54 vorgesehen
ist, der mit dem Schließkörper 32 zusammenwirkt.
Ein beispielsweise mit der Atmosphäre strömungsverbundener Belüftungskanal 55 mündet mit
einer Belüftungsöffnung 56 in
den Gehäuseinnenraum 10,
wobei die Belüftungsöffnung 56 ringförmig von
dem zweiten Ventilsitz 54 umgeben ist. Der Belüftungskanal 55 weist beispielsweise
einen Schutzfilter 60 auf, der das Eindringen von Schmutzpartikeln
durch den Belüftungskanal 55 in
den Gehäuseinnenraum 10 verhindert.
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Der
zweite Ventilsitz 54 wirkt mit einem weiteren elastischen
Dichtungselement 57 des Schließkörpers 32 zusammen,
das auf der dem ersten Ventilsitz 25 abgewandten und der
dem zweiten Ventilsitz 54 zugewandten Seite des Schließkörpers 32 angeordnet
ist und die Belüftungsöffnung 56 beim
Anliegen des Schließkörpers 32 an
dem Topfkragen 20 überdeckt
und dadurch dicht abschließt.
Das weitere elastische Dichtungselement 57 ist beispielsweise aus
Gummi oder Kunststoff hergestellt.
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Die
Einlaßöffnung 9 ist
beispielsweise bei stromlosem Elektromagneten 16 geschlossen
und die Belüftungsöffnung 56 geöffnet, da
die Druckfeder 24 den Schließkörper 32 mit dem Dichtungselement 40 gegen
den ersten Ventilsitz 25 drückt.
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Wird
die Erregerspule 18 des Elektromagneten 16 über die
Anschlußelemente 12 bestromt,
entsteht im Magnettopf 15 ein Magnetfeld, das den Schließkörper 32 vom
ersten Ventilsitz 25 abhebt und in Richtung Topfkragen 20 zieht,
bis das weitere elastische Dichtungselement 57 an dem zweiten
Ventilsitz 54 dicht anliegt. Der Hub des Schließkörpers 32 beträgt beispielsweise
0,6 Millimeter. Durch diese von dem Magnetfeld bewirkte Hubbewegung
wird die Einlaßöffnung 9 geöffnet und
die Belüftungsöffnung 56 geschlossen,
so daß sich
der Druck der Druckquelle 5 über den Einlaß 6,
die Einlaßöffnung 9,
den Gehäuseinnenraum 10,
die Auslaßöffnung 31 und den
Auslaß 30 bis
zum Aggregat 27 ausbreitet und am Aggregat 27 ein
Ansteuern oder Schalten bewirkt. Beispielsweise wird durch den Druck
der Druckquelle 5 ein Ventil oder eine Klappe geöffnet oder
geschlossen.
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Wird
die Erregerspule 18 des Elektromagneten 16 wieder
stromlos geschaltet, legt sich der Schließkörper 32 wieder an
den ersten Ventilsitz 25 an, schließt dabei die Einlaßöffnung 9 und öffnet die Belüftungsöffnung 56,
so daß sich
der Atmosphärendruck über den
Belüftungskanal 55,
die Belüftungsöffnung 56,
den Gehäuseinnenraum 10,
die Auslaßöffnung 31 und
den Auslaß 30 bis
zum Aggregat 27 ausbreitet und durch das Belüften oder
Entlüften
des Aggregates 27 ein Ansteuern oder Schalten des Aggregates 27 in
einer zum vorherigen Schaltvorgang entgegengesetzten Richtung bewirkt.
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Das
erfindungsgemäße 3/2-Wegeventil
kann gemäß einer
möglichen
Ausführung
durch getaktetes Ansteuern des Elektromagneten 16 mit vorbestimmter
Frequenz getaktet geschaltet werden, so daß abwechselnd die Einlaßöffnung 9 oder
die Belüftungsöffnung 56 mit
dem Aggregat 27 verbunden ist und sich ein vorbestimmter,
mittlerer Druck im Bereich zwischen dem Druck der Atmosphäre und dem
der Druckquelle 5 am Aggregat 27 einstellt. Auf
diese Weise wirkt das erfindungsgemäße 3/2-Wegeventil als pneumatischer
Wandler, der einen gewünschten, zur
Steuerung des Aggregates 27 benötigten Druck ausgehend vom
Druck der Druckquelle 5 am Aggregat einstellt oder einregelt.
Hierzu ist ein Drucksensor zwischen Auslaß 30 und Aggregat 27 anzuordnen, wobei
der Drucksensor ein Drucksignal als Regelgröße an eine elektrische Steuerung
liefert, die die Taktfrequenz des 3/2-Wegeventils bestimmt.
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Das
erfindungsgemäße 3/2-Wegeventil
kann selbstverständlich
auch ungetaktet geschaltet werden, so daß entweder der Druck der Druckquelle 5 oder
der Atmosphärendruck
in voller Höhe
am Aggregat 27 zur Verfügung
steht.
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Das
erfindungsgemäße 3/2-Wegeventil weist
drei Anschlüsse,
die durch den Eingangsanschluß 4,
den Ausgangsanschluß 26 und
den Belüftungskanal 55 gebildet
sind, und zwei Wege auf. Der erste Weg ist durch die Verbindung
des Belüftungskanals 55 mit
dem Auslaß 30 und
der zweite Weg durch die Verbindung des Einlasses 6 mit
dem Auslaß 30 gebildet.