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Die
Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zur Einstellung eines
Mediumstromes eines PCR-Gerätes.
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Ein
PCR-Gerät
dient zur Umtemperierung einer Materialprobe in Form von DNA-Sequenzen,
die durch einen auch als Polymerase-Chain-Reaction bezeichneten Vervielfältigungsprozess
auf nachweisbare Mengen vervielfältigt
werden. Hierzu ist ein vorgegebener Temperaturzyklus einzuhalten,
bei dem die Materialprobe zunächst
einer erhöhten
Temperatur mit der Folge einer Aufspaltung der DNA-Sequenzen und
anschließend
einer vergleichsweise geringen Temperatur zur Wiederherstellung
einer zweistrangigen DNA-Struktur auf der Basis der zuvor aufgespaltenen
Einzelstränge
unter Verwendung von der Materialprobe zugesetzten DNA-Bausteinen
unterworfen wird. Durch mehrfaches Wiederholen dieser thermischen
Zyklen wird eine exponentielle Vervielfältigung der in der Materialprobe
enthaltenen DNA-Sequenzen erreicht, was wiederum der Erhöhung der
Nachweisbarkeit solcher Gensequenzen dient.
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Aus
der
DE 195 12 368
A1 ist eine Vorrichtung zur Probentemperierung bekannt,
die ein Mehr-Wege-Ventil umfasst. Die Bauart dieses Mehr-Wege-Ventils
ist nicht näher
erläutert.
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Aus
der WO 00/29115 A1 ist eine Vorrichtung zur Probentemperierung bekannt,
die eine Vielzahl von einfachen, als Magnetventilen ausgeführten, einwegigen
Ventilen umfasst. Aus der WO 98/09728 A1 ist eine Vorrichtung zur
Probentemperierung bekannt, die ebenfalls eine Vielzahl von einwegigen Ventilen
umfasst.
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Aus
der
DE 199 03 460
A1 ist eine Ventileinrichtung mit elektromagnetischer Stelleinrichtung
für ein
Badegefäß oder eine
Armatur bekannt. Die Ventileinrichtung kann sowohl als mehrwegiges
als auch als einwegiges Ventil ausgeführt sein. Angesichts des Verwendungszwecks
im Sanitärbereich
werden keine erhöhten
Anforderungen an die genaue Einhaltung der jeweils eingestellten
Ventilstellung erfüllt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventileinrichtung zur
Einstellung eines Mediumstromes eines PCR-Gerätes anzugeben, mit dem ein möglichst
exaktes Mischen zweier Volumenströme eines gasförmigen oder
flüssigen
Mediums unterschiedlicher Temperatur ermöglicht ist. Insbesondere soll
mittels der Ventileinrichtung eine möglichst schnelle und genaue
Temperierung einer Probenkammer erreicht werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruches 1. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch
die Merkmale des Anspruches 3 gelöst.
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Gemäß der Lösung nach
Anspruch 1 umfasst die Ventileinrichtung in einem Ventilgehäuse eine
Ventilkammer, in die ein Einströmkanal
für das Medium
einmündet,
und aus der mindestens zwei Ausströmkanäle für unterschiedliche Teilströme des Mediums
ausmünden.
Zum einstellbaren Öffnen
und schließen
der Ausströmkanäle ist in
der Ventilkammer ein insbesondere elektromagnetisch angetriebener
Ventilkolben verschiebbar angeordnet, der mit einem Sensorkolben
eines Positionssensors gehäuseintern
gekoppelt ist.
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Für eine vorteilhafte
Ausgestaltung der Ventileinrichtung wird von der Überlegung
ausgegangen, dass einerseits durch die Bereitstellung eines Ventils, das
in Umkehrung des Mischprinzips zweier Mediumströme unterschiedlicher Temperatur
einen Mediumstrom in zwei Teilströme aufteilt, und andererseits durch
ein Aufheizen eines der Teilströme
in Strömungsrichtung
des Mediums hinter dem Ventil in einfacher Art und Weise eine schnelle
Umtemperierung einer von beiden Teilströmen beaufschlagten Probenkammer
erreicht werden kann. Daher ist in vorteilhafter Weiterbildung der
erste Ausströmkanal
der Ventileinrichtung über
eine Heizeinrichtung an einer Probenkammer des PCR-Gerätes geführt, während der
zweite Ausströmkanal
unter Umgehung der Heizeinrichtung direkt an die Probekammer geführt ist. Die
Umkehrung des Mischprinzips hat den Vorteil, dass die erhitzte Luft
nicht durch die Ventileinrichtung strömt und diese daher nicht mit
aufheizt. Dadurch wirkt sich die Wärmekapazität der Ventileinrichtung beim
Aufheizen und Abkühlen
nicht auf die Temperatur des Mediums aus und bewirkt somit keine
thermische Trägheit
beim Umtemperieren. Darüber
hinaus braucht die Ventileinrichtung dadurch auch nicht an die möglicherweise
sehr hohen Temperaturen des erhitzten Mediums angepasst zu werden,
z. B. durch Materialen mit entsprechend hoher Hitzebeständigkeit
oder einen Aufbau mit geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass mittels eines einen Massenstrom in zwei Teilströme einstellbar
aufteilenden Ventils die Probentemperatur in einem PCR-Gerät besonders
genau und mit optimaler Ge schwindigkeit eingestellt und umtemperiert
sowie auf dem gewünschten
Temperaturniveau auch zuverlässig
gehalten werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird unter Verwendung des beschriebenen Verteilerventils
auch durch ein Verfahren zum Einstellen eines Mediumstromes gelöst, bei
dem zunächst
ein Mediumstrom erzeugt wird, der Mediumstrom dann einem Verteilerventil
zugeleitet und in dem Verteilerventil auf mindestens zwei Mediumströme verteilt
wird, die anschließend
beide einer Probenkammer zugeführt werden,
wobei mindestens einer der beiden Mediumströme der Probenkammer über eine
Heizeinrichtung zugeführt
wird.
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Gemäß der Lösung nach
Anspruch 3 umfasst die Ventileinrichtung in einem Ventilgehäuse eine
Ventilkammer, in die mindestens zwei Einströmkanäle für unterschiedliche Teilströme des Mediums einmünden, und
aus der ein Ausströmkanal
für den gemischten
Strom des Mediums ausmündet.
Zum einstellbaren Öffnen
und schließen
der Einströmkanäle ist in
der Ventilkammer ein insbesondere elektromagnetisch angetriebener
Ventilkolben verschiebbar angeordnet, der mit einem Sensorkolben
eines Positionssensors gehäuseintern
gekoppelt ist.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Ventileinrichtung ist der Ventilkolben
entlang dessen Verstellachse zwischen zwei Endpositionen innerhalb
der Ventilkammer verschiebbar. Dabei ist in der einen Endpositionen
einer der beiden Einström-
oder Ausströmkanäle zumindest
annähernd
vollständig
verschlossen, während
dann der andere Einström-
oder Ausströmkanal
zumindest annähernd
vollständig
offen ist. Entsprechend ist in der anderen Endposition der jeweils
andere Einström-
oder Ausströmkanal
zumindest annähernd
geöffnet
bzw. geschlossen.
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Um
diese Verstellung des Ventilkolbens innerhalb der Ventilkammer in
besonders einfacher sowie zuverlässiger
und reproduzierbarer Weise zu erreichen, ist der Ventilkolben entlang dessen
Verstellachse einerseits mit dem Sensorkolben des vorzugsweise als
Reflexlichtschranke ausgeführten
Positionssensors und andererseits mit einem Magnetkolben jeweils
gehäuseintern
gekoppelt. Dieser ist vorzugsweise gegen die Kraft einer Rückstellfeder von
einer Magnetspule in Abhängigkeit
von deren Strombeaufschlagung antreibbar. Mittels der Kopplung des
Magnetkolbens über
den Ventilkolben mit dem Sensorkolben kann jede Position des Ventilkolbens
entlang dessen Verstellweges oder -hubes mittels des Positionssensors
erfasst und durch eine geeignete Regelung oder Steuerung entsprechend
genau eingestellt werden.
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Eine
besonders genaue Probentemperatur kann dabei durch entsprechende
Zwischenstellungen des Ventils auch dann eingestellt werden, wenn das
Ventil selbst eher unlinear ist und die Ventileigenschaften einer
von der Temperatur abhängigen
Drift unterworfen sind. Eine solche Drift wird insbesondere durch
die Ankopplung des Positionssensors an den Ventilkolben unterbunden,
indem aufgrund einer hinreichend linearen Kennlinie des Positionssensors
die Position des Ventilkolbens zuverlässig erfasst oder ausgelesen
und auf einen Positions-Sollwert
geregelt oder gesteuert werden kann.
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Zweckmäßigerweise
ist daher zur Einstellung der Position des Ventilkolbens ein Regler
oder eine Regeleinrichtung vorgesehen. Dieser ermittelt aus einer
Abweichung des über
den Positionssensor erfassten Positions-Istwertes von einem zweckmäßigerweise
aus einer Temperaturabweichung ermittelten Positions-Sollwert eine
Stellgröße für den Spulenstrom
des den Ventilkolben antreibenden Elektromagneten.
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In
der Ausgestaltung der Ventileinrichtung mit einem Einströmkanal und
zwei Ausströmkanälen liefert
der Regler bzw. die Regeleinrichtung zudem vorzugsweise auch eine
Stellgröße zur Einstellung der
Heizleistung der Heizeinrichtung, über die einer der aus dem Ventil
abströmenden
Teilströme
geführt ist.
Zudem liefert die Regeleinrichtung zweckmäßigerweise ei ne weitere Stellgröße, mit
der in Abhängigkeit
von der gewünschten
Probentemperatur der über
die Einströmöffnung in
die Ventilkammer geführte
Volumenstrom des Mediums, das vorzugsweise aus der Umgebung angesaugte
Luft ist, eingestellt wird.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass durch die
Kopplung des die entsprechenden Teilströme einstellenden Ventilkolbens
mit einem Positionssensor, vorzugsweise über einen diesem zugeordneten
Sensorkolben, ist auch im Bereich der Endpositionen, d. h. in den
beiden Endbereichen des Ventilweges eine genaue Positionierung des
Ventilkolbens möglich,
so dass mittels des Positionssensors eine zuverlässige Positionsermittlung und
-einstellung des Ventilkolbens in beliebigen Zwischenstellungen
zwischen den Endpositionen erreicht wird. Die Ventileinrichtung
zeichnet sich zudem durch deren konstruktiv einfachen Aufbau aus
und ist schon deshalb kostengünstig
herstellbar.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
eine erfindungsgemäße Ventileinrichtung
und deren Einbindung in ein PCR-Gerät, und
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2 in
einem Temperatur-Zeit-Diagramm den Temperaturverlauf eines PCR-Zyklus
(obere Diagrammhälfte)
und den geregelten Stellgrößenverlauf
der Ventileinstellung (untere Diagrammhälfte).
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In 1 ist
eine Ausgestaltung der Ventileinrichtung 1 mit einem Einströmkanal 7 und
zwei Ausströmkanälen 8, 9 dargestellt.
Diese nachfolgend als Verteilventil bezeichnete Ventileinrichtung 1 umfasst in
einem Ventilkorpus oder Ventilgehäuse 2 eine Ventilkammer 3,
in der ein Ventilkolben 4 in Axialrichtung 5 entlang
einer Verstellachse 6a verstellbar angeordnet ist. In die
Ventilkammer 3 mündet
ein einzelner Einströmkanal 7 ein.
Aus der Ventilkammer 3 münden ein erster Ausströmkanal 8 und
ein zweiter Ausströmkanal 9 aus.
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Der
Ventilkolben 4 ist auf der dem zweiten Ausströmkanal 9 zugewandten
Seite über
eine beispielsweise durch eine Gewindestange realisierte Verstellachse 6b mit
einem Sensorkolben 10 eines Positionssensors 11 gekoppelt.
Dieser ist beispielsweise als Reflexionslichtschranke ausgeführt. Auf der
gegenüberliegenden,
dem ersten Ausströmkanal 8 zugewandten
Seite ist der Ventilkolben 4 über die wiederum z. B. als
Gewindestange ausgeführte
Verstellachse 6 mit einem Magnetkolben 12 gekoppelt. Der
Magnetkolben 12 ist zusammen mit einer diesen umgebenden
Magnetspule 13 Bestandteil eines Elektromagneten 14.
Der Magnetkolben 12 ist innerhalb eines Antriebsgehäuses 15 des
Elektromagneten 14 mit einem als Rückstellfeder dienenden Federelement 16 verbunden,
das auf der dem Magnetkolben 12 gegenüberliegenden Seite im Antriebsgehäuse 15 gehalten
ist.
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Der
erste Ausströmkanal 8 des
Verteilventils 1 ist mit einem Heizkanal 17 verbunden,
der über eine
Heizeinrichtung 18 zu einer vor oder in einer Probekammer 19 vorgesehenen
Mischstelle 20 geführt
ist. Der zweite Ausströmkanal 9 des
Verteilventils 1 ist über
einen Kühlkanal 21 unter
Umgehung der Heizeinrichtung 18 direkt an die Mischstelle 20 geführt. Die
Probenkammer 19 mit einer darin befindlichen Materialprobe 22 in
Form einer Gensequenz ist Bestandteil eines PCR-Gerätes.
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Das
Verteilventil 1 dient zur Aufteilung eines gasförmigen oder
flüssigen
Mediumstromes, vorzugsweise eines über eine Pumpenvorrichtung 23 in den
Einströmkanal 7 geförderten
Volumenstromes von Umgebungsluft L in zwei Teilströme L1 und L2. Je nach
Stellung des Ventilkolbens 4 innerhalb der Ventilkammer 3 wird
der über
den Einstömkanal 7 in
die Ventilkammer 4 geführte
Luftstrom L von dort über die
Ausströmkanäle 8, 9 in
die beiden Teilströme
L1 bzw. L2 aufgeteilt.
Dabei ist der Ventilkolben 4 innerhalb der Ventilkammer 3 zwi schen
einer dem Elektromagneten 14 zugewandten ersten Endposition
und einer dem Positionssensor 11 zugewandten zweiten Endposition
entlang der Verstellachse 6a, 6b in Axialrichtung 5 verschiebbar.
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Dabei
kann der mittels des Elektromagneten 14 über den
Magnetkolben 12 angetriebene Ventilkolben 4 praktisch
jede beliebige Zwischenstellung zwischen diesen beiden Endpositionen
einnehmen. Demzufolge sind die Durchlassquerschnitte der beiden
Ausströmkanäle 8, 9 in
Abhängigkeit
von der jeweiligen Position des Ventilkolbens 4 innerhalb
der Ventilkammer 3 gleich oder unterschiedlich groß, wobei
in der ersten Endposition der erste Ausströmkanal 8 zumindest
annähernd
vollständig
geschlossen und der zweite Ausströmkanal 9 zumindest
annähernd
vollständig
geöffnet
ist. Umgekehrt ist in der zweiten Endposition der erste Ausströmkanal geöffnet, während dann
der zweite Ausströmkanal 9 geschlossen
ist. Die jeweilige Position oder Stellung des Ventilkolbens 4 wird
infolge dessen starrer Kopplung mit dem Sensorkolben 10 vom
Positionssensor 11 positionsgenau erfasst. Der Hub- oder
Verstellweg des Ventilkolbens 4 und somit auch der Verschiebeweg
des Sensorkolbens 10 liegt zweckmäßigerweise im Bereich weniger
Millimeter und kann 1 mm bis 3 mm, z. B. 1, 5 mm bis 2 mm, betragen.
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Die
jeweilige Position des Ventilkolbens 4 wird über eine
vom Positionssensor 11 abführende Signalleitung 24 als
Positions-Istwert
PIST an einen Vergleicher 25 geführt und
dort mit einem Positions-Sollwert PSOLL verglichen.
Aus einer Abweichung ΔP
wird in einem ersten Reglerbaustein 26 eine Stellgröße SP generiert. Anhand dieser Stellgröße SP wird von einer Strom- oder Spannungsquelle 27 ein
entsprechender Spulenstrom IS für die Magnetspule 14 erzeugt
oder bereitgestellt. Je nach dem Stromwert dieses Spulenstroms IS wird der Magnetkolben 12 und somit
der mit diesem starr gekoppelte Ventilkolben 4 entlang
der Verstellachse 6a in Axialrichtung 5 bewegt.
Dabei wird die als Zug- und/oder Druckfeder ausgeführte Rückstellfeder 16 je
nach Bewegungsrichtung vorgespannt. Die Rückstellfeder 16 weist
bei deren Ausführung
als Zug- und Druckfeder eine Neutralposition auf, jenseits derer
bei absinkendem oder abgeschaltetem Spulenstrom IS der
Ventilkolben 4 in dessen neutraler Ausgangsposition automatisch
zurückgeführt wird.
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Der
Positions-Sollwert PSOLL wird von einem zweiten
Reglerbaustein 28 generiert. Hierzu wird diesem eine Temperaturabweichung ΔP als Ergebnis
eines Vergleiches zwischen einem Temperatur-Sollwert TSOLL und
einem Temperatur-Istwert TIST an einem Vergleicher 29 zugeführt. Der
Temperatur-Istwert TIST wird von einem Temperatursensor 30 erfasst,
der die Mediumstemperatur T an oder in der Probenkammer 19 und
somit in zumindest annähernd
unmittelbarer Nähe
der Probe 22 erfasst.
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Der
entsprechende Temperatur-Istwert TIST stellt
sich dabei ein infolge des Zusammenführens des über den Heizkanal 17 strömenden und
in der Heizeinrichtung 18 aufgeheizten ersten Teilstroms
L1 und des über den Kühlkanal 21 geführten zweiten Teilstrom
L2. Um dabei die Temperatur des über den Heizkanal 17 geführten Teilstroms
L1 auf einen gewünschten Wert oder Sollwert
einzustellen, liefert der zweite Reglerbaustein 28 eine
entsprechende Stellgröße ST über
eine Signalleitung 31 an die Heizeinrichtung 18.
Die Heizleistung der Heizeinrichtung 18 kann dabei auch
geregelt werden. Dazu wird einem dritten Regelbaustein 32 die
mittels eines Temperatursensors 33 erfasste Heizleistung
als Ist-Wert HIST über eine Signalleitung 34 zugeführt.
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Die
Heizleistung der Heizeinrichtung 18 wird vorzugsweise proportional
zur pro Zeiteinheit über den
Heizkanal 17 geführten
Menge des ersten Teilstroms L1 eingestellt.
Ist dieser erste Teilstrom L1 im Vergleich
zum über
den Kühlkanal 21 geführten zweiten
Teilstrom L2 gering, so wird auch die Heizleistung der
Heizvorrichtung 18 entsprechend gering eingestellt, zumal
diese dann nicht oder vergleichsweise gering mittels des ersten
Teilstroms L1 gekühlt wird.
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2 zeigt
in einem Temperatur-Zeit-Diagramm in der oberen Diagrammhälfte den
typischen Verlauf eines PCR-Zyklus TPCR(t).
In der unteren Diagrammhälfte
der 2 ist der typische Verlauf der infolge der Regelung
eingestellten Stellgröße SP und ST für die Position
des Ventilkolbens 4 bzw. die Heizleistung der Heizeinrichtung 18 veranschaulicht.
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Zum
Zeitpunkt tx ist die Regelung auf maximale
Heizung eingestellt, wobei die Heizleistung der Heizeinrichtung 18 entsprechen
hoch und die Position des Ventilkolbens 4 auf einen möglichst
großen Teilstrom
L1 und damit auf einen möglichst großen über den Heizkanal 17 geführten Heißluftstrom
LH eingestellt sind. Analog ist zum Zeitpunkt
tY die Regelung auf maximale Kühlung eingestellt,
wobei die Heizleistung der Heizvorrichtung 18 entsprechend gering
und die Position des Ventilkolbens 4 auf einen möglichst
großen
zweiten Teilstrom L2 und demzufolge einen
möglichst
großen über den
Kühlkanal 21 geführten Kühlluftstrom
LK eingestellt sind.
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Eine
Ausgestaltung der Ventileinrichtung 1 mit zwei Einströmkanälen und
einem Ausströmkanal ist
nicht eigens als Figur dargestellt. Eine solche, als Mischventil
zu bezeichnende, Ventileinrichtung umfasst ebenso wie vorangehend
beschrieben in einem Ventilkorpus oder Ventilgehäuse 2 eine Ventilkammer 3,
in der ein Ventilkolben 4 in Axialrichtung 5 entlang
einer Verstellachse 6a verstellbar angeordnet ist. In die
Ventilkammer 3 münden
in der Ausgestaltung als Mischventil jedoch zwei Einströmkanäle ein, während nur
ein einzelner Ausstromkanal ausmündet.
Die Ausgestaltung als Mischventil entspricht grundsätzlich derjenigen
als Verteilerventil, wie sie in der vorangehend beschriebenen 1 erläutert ist, mit
dem Unterschied, dass das Medium in umgekehrter Richtung hindurch
strömt
und dadurch der Einströmkanal 7 der 1 zu
einem Ausströmkanal
wird und umgekehrt die Ausströmkanäle 8, 9 der 1 zu Einströmkanälen.