DE1650529C - Programmierter Hahn für den Anschluss eines Massenspektrometer-Lecksuchers an eine unter Vorvakuum stehende Hilfsbaugruppe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen programmierten Hahn für den Anschluß eines Massenspektrometer-Lecksuchers an eine unter Vorvakuum stehende Hilfsbaugruppe mit einer Anschlußöffnung für den Prüfling, einer Anschlußöffnung an eine Vorvakuumpumpe, einer AnschlußöfFnung für den Lecksucher und einer Belüftungsöffnung zum fnnenraum des im wesentlichen i|uaderförmigen Hahngehäuses, in dem drehbar ein Küken angeordnet ist mit einer mit der Priiflingsansehlußöffnung fluchtenden Axialbohrung sowie mit Radialdurchlässen, die mit der Axialbohrung kommunizieren und durch Drehen des Kükens in Kommunikation mit weiteren AnschlußöfTnungen bringbar sind, wobei in einem bestimmten Winkelbereich der möglichen Kükenstellungen zwei in zueinander senkrechten Ebenen angeordnete Anschluß-Öffnungen gleichzeitig über die Radialdurchlässe mit der Axialbohrung kommunizieren.

Bekanntlich müssen bei der Lecksuche mittels eines Massenspektrometer-Lecksuchers nacheinander verschiedene Verbindungen zwischen dem Prüfling und den verschiedenen Kanälen des Lecksuchers geschaffen werden. Diese Verbindungen werden in ganz bestimmter Reihenfolge durch das öffnen und Schließen dreier Ventile hergestellt, nämlich des Vorpumpenventils zum Anschluß des Prüflings an eine Vorvakuumpumpe, des Verbindungs"entils zum Lecksucher und des Lufteinlaßventils zur Belüftung des Prüflings.

Die verschiedenen Arbeitsgänge laufen dabei im allgemeinen wie folgt ab: Zunächst wird der Prüfling an einen Kanal angeschlossen, der mit den zugeordneten Öffnungen der drei genannten Ventile verbunden wird. Der erste Arbeitsgang besteht darin, daß der Prüfling durch öffnen des ersten Ventils mit einer Vorvakuumpumpe verbunden wird. Sobald das Vakuum beispielsweise 10~²Torr erreicht hat, wird das zweite Ventil geöffnet, um den Prüfling mit dem Massenspektrometer-Lecksuchgerät zu verbinden. SoDaId das Ventil zur Verbindung mit dem Lecksucher geöffnet ist, wird das Vorvakuumventil geschlossen. Bei einigen bekannten Lecksurhern erfolgt dieser Arbeitsgang gleichzeitig mit der Öffnung des Ventils zur Verbindung mit dem Lecksucher.

Nach Abschluß der Prüfung wird das Ventil zwischen Prüfling und Lecksucher geschlossen. Das Belüftungsventil wird daraufhin geöffnet, so daß der Prüfling dem Umgebungsdruck ausgesetzt ist.

Diese Arbeitsgänge erfolgen in genau festgelegter Reihenfolge, so daß der Betrieb des Lecksuchers programmgesteuert werden kann. Die Programmierung kann mechanisch erfolgen, wodurch eine sehr robuste und zuverlässige Funktion gewährleistet ist. Häufig wird jedoch auch eine elektrische Steuerung verwendet, bei der elektromagnetische Hähne mit Eintauchkern verwendet werden.

Ein Nachteil der bekannten Prüfeinrichtungen besteht darin, daß die Verbindung des Prüflings mit dem Masscnspcktrometer-Lecksuchgcrät häufig nicht allmählich, sondern schlagartig erfolgt. Die Verwendung elektromagnetischer Hähne führt ebenfalls zu einer sehr abrupten Herstellung der Verbindungen zwischen den verschiedenen Kanälen des Lecksuchers und dem Prüfling.

Dies« Nachteile machen sich im allgemeinen dann

f bemerkbar, wenn die verschiedenen Arbeitsgänge ungestört in der oben beschriebenen Abfolge ablaufen können, d. Ii. also dann, wenn die Vorvakuumpumpe schnell ein Vakuum in der Größenordnung von lO~²Torr erreicht. Dies ist jedoch nur der Fall, wenn der Prüfling kein oder höchstens ein sehr kleines Leck aufweist.

Wenn die Bedienungsperson bei der Durchführung der Lecksuche jedoch feststellt, daß das Vorvakuum-Meßgerüt nur langsam heruntergeht oder einen bestimmten Wert nicht unterschreitet (z. B. I Torr), oder daß nach der Öffnung des Ventils zum Lecksucher letzterer Vollausschlag zeigt, so ist eine Anzahl der ansonsten programmgesteuert ablaufenden Arbeitsgänge manuell durchzuführen. Dies ist umso schwieriger, je komplizierter die elektrische Programmierung ist, nach der die Prüfeinrichtung arbei-

tet.In dem einfachsten Fall ist es nach Ausschalten der programmgesteuerten Schaltkreise erforderlich, auf die Vorvakuumsteilung zurückzuschalten, bis bei laufender Vorvakuumpumpe in vorsichtigen, kleinen Schritten das Ventil zum Lecksucher geöffnet werden

kann. Durch genaue Verteilung der zirkulierenden Luftströmung zwischen dem Vorvakuum und dem Lecksucher läßt siih hierbei durch vorsichtige Dosierung in der Analysierzelle ein Innendruck von 10~⁴ Torr aufrechterhalten, wodurch die Lecksuche ermöglicht wird.

Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, ist es bei den bekannten Früfeinrichtungen zur Lecksuche leicht möglich, eine programmierte Arbeitsgangabfolge für die Dichtheitsprüfung aufzubauen, solange

keine wesentlichen Undichtigkeiten oder Lecks vorhanden sind. Die Verhältnisse werden jedoch sehr kompliziert und erfordern von der Bedienungsperson rasche Entscheidungen sowie eine erhebliche Fingerfertigkeit, sobald der Prüfling undicht ist und die

Gasströmung zwischen der Vorvakuumgruppe und dem Lecksucher optimal verteilt werden muß.

Insgesamt haftet den bekannten, mit komplizierten, programmgesteuerten Ventilanordnungen versehenen Lecksuchern der Nachteil an, daß sie nur so lange zuverlässig arbeiten, wie in den einzelnen Gliedern ihres oft recht komplexen Gefüges keine Fehler auftreten. Außerdem arbeiten die bekannten Anordnungen nur dann zufriedenstellend, wenn der Prüfling verhältnismäßig dicht ist und keine erheblichen Lecks

aufweist.

Es ist zwar bereits ein Hahn bekanntgeworden (USA.-Patentschrift 2 419 481), bei dem zur Vermeidung einer zu abrupten Herstellung der vollen Querschnittsverbindung zwischen Lecksucher und Prüf-

ling ein stufenweiser Anstieg bzw. Abfall des Durchtrittsöffnungsquerschnittes gewährleistet ist. Bei dieser Anordnung sind jedoch die Kükendichüingen stark beansprucht, wodurch bei Versagen der Dichtung eine Beschädigung des Lecksuchers zu befürch-

ten ist, da nicht gewährleistet ist, daß der Durchtrittsquerschnitt sich bei unsachgemäßer Bedienung nicht sehr plötzlich von einem geringen auf einen sehr großen Wert vergrößert.

Der Erfidung liegt die Aufgabe zugrunde, einen programmierten Hahn der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem der Prüfarbeitsgang so weit vereinfacht ist, daß eine gegen Bedienungsfehler unempfindliche Funktion des Massenspektrometer-Lecksuchers sowohl bei verhältnismäßig dichtem

"³ Prüfling als auch beim Auftreten erheblicher Lecks gewährleistet ist. Dabei sollen die verschiedenen PrUfarbeitsgÜ.ige so programmiert sein, daß alle Fehler oder Fernbedienungen vermieden werden, die

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zu einer Feldmessung führen oder eine Beschädigung des Prüflings oder der Prüfeinrichtung hervorrufen könnten, wie sie insbesondere dann zu befürchten ist, wenn plötzlich starke Lufteinbrüche in das Hahngehäuseinnere erfolgen, oder wenn eine der Dichtungen, insbesondere die Dichtung zwischen der Außenatmosphärc und dem Lecksucher versagt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein an sich bekanntes sphärisches Küken mit einem rechteckigen und mehreren zylindrischen Radialdurchlässen, von denen der Radialdurchlaß rechteckigen Querschnitts in Umfangsrichtung des Kükens mindestens einen der zylindrichen Radialdurchlässe überlappt, so daß die beiden Anschlußöffnungen für ilen Anschluß des Lecksuchers bzw. der Vorvakuumpumpe nacheinander in durch die Form und Anordnung der Radialdurchlässe vorgegebener Weise allmählich mit der Axialbohung des Kükens durch dessen Drehung in Kommunikation bringbar sind und ein unter Federdruck stehendes Hubventil, das zwischen einer gesonderten, bezüglich der Radialdurchlässe axial versetzt angeordneten Belüftungsanschlußöffnung und dem Hahngehäuseinnern vorgesehen ist, welches Hubventil mittels eines, mit dem Küken bei dessen Drehung in Wirkverbindung tretenden Betätigungsgliedes betätigbar ist.

Zwar sind rechteckige Durchlässe bei Hähnen an sich bekannt (vgl. deutsche Patentschrift 1 172 913), jedoch wird es erst durch das erfindungsgemäße Zusammenwirken des einen rechteckigen mit den mehreren zylindrischen Durchlässen erreicht, daß der Anstieg bzw. Abfall des Durchtrittsöfrnungsquerschnittes so allmählich erfolgt, wie es zur Vermeidung von Beschädigungen des Lecksuchers bei Auftreten größerer Lecks oder Lufteinbrüche erforderlich ist.

Bei dem erfindungsgemaßen programmgesteuerten Hahn ist durch die zwangsweise erfolgende, fehleriunempfindliche Abfolge der verschiedenen Arbeitsgänge eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet. Die Abfolge der verschiedenen Arbeitsgänge erfolgt sowohl bei sehr kleinen als auch bei sehr großen Lecks vollständig fehlerfrei. Ist das Leck sehr groß, so vermeidet dii· allmähliche Querschnittserweiterung feinfühlig jede Beschädigung des Lecksuchers. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, sich sehr leicht und schnell bedienen zu lassen, so daß es der Bedienungsperson möglich ist, auf unterschiedliche Luftdruckverhältnisse im Prüfling rasch in der richtigen Weise zu reagieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei Lagerzapfen für das Küken vorgesehen, von denen der eine von der Axialbohrung durchsetzt ist und die in Nadellagern laufen, welche in runden Ausnehmungen des Hahngehäuses angeordnet sind. In vorteilhafter Weiterbildung des Erflndungsgcdankens wird hierdurch die Lcichtgängigkeit des erfindungsgemäßen programmierten Hahnes weiter gefördert, wodurch die Anpassung an unterschiedlich Luftdruckbedingungen im Inneren des Prüflings noch erleichtert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschriebe» ist. Dabei zeigt

F t g. 1 einen erfindungsgemäßen Hahn in der Seitenansicht.

Fig. 2 den Hahn von oben gesehen,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie IH-IlI in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Lime IV-IV in Fig. t,

F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in F i g. 4, F i g. 6 den Hahn von vorn,
Fig. 7 das Küken des Hahnes in einer der Fig. (i entsprechenden Ansicht und

if F i g. 8 das Küken, von der Seite der GasdurchtrittsülTnungen her seitlich gesehen.

Ein Hahngehäuse 1 (Fig. 1 bis 5) besitzt eine par· allel-epipedische Form mit einer zylindrischen Bohrung!, die in einer eiiie axiale Öffnung bildenden

'5 Bohrung 3 kleineren Durchmessers endet. Auf der oberen Seite des ''.ihngehauses befindet sich eine in der Bohrung 2 mundende AnschlußöfTnung 4. Von einer der Seitenflächen führt eine ebenfalls die Bohrung 2 treffende Anschlußöltnung5 durch das Hahn-

" gehäuse. Die Bohrung 2 ist durch einen Deckel 6 verschlossen, der mittels Schrauben 7 (Fig. 6) auf dem Hahngehäuse befestigt und von einer Axialbohrung 8 durchsetzt ist.

Im Deckel 6 sowie am Grund der Bohrung 2 sind

as Ausnehmungen für Nadellager 9 bzw. 10 oder äquivalente Einrichtungen angebracht. In diesen Lagern kann sich das sphärische Küken Il drehen, das mit seinen Lagerzapfen 12 und 13 in den Lagern 9 und 10 gelagert ist. Das Küken weist eine Axialbohrung

14 auf, die den Zapfen 13 durchsetzt und sich im Zapfen 12 um eine Bohrung 14 a kleineren Durchmessers verlängert. Der Zapfen 12 ist mit Zinken 15 versehen, die, wie Fig. 3 und 4 zeigen, mit Nuten einer Endplatte 16a zusammenwirken, welche einen

Betätigungsknebel 16 für die Drehung des Kükens 11 in der Bohrung 2 abschließt.

Zwei torusförmige Dichtungen 17 und 18 dichten den Deckel 6 ab, während zwei weitere torusförmige Dichtungen 19 und 20 der Abdichtung des Knebels

16 dienen. Am Ende des Knebels greift ein Betätigungsgriff 21 ein, der mit einander gegenüberliegenden Anschlägen 21a, 21 b versehen ist.

In die öffnung 4 des Hahngehäuses ist ein Rohrkragen 22a eines Anschlußflansches 22 eingepaßt,

der auf dem Hahngehäuse mittels Schrauben 23 nach Einsetzen einer Dichtung 24 angeschraubt ist. Ui;\r dem Rohrkragen 22a des Anschlußflansches 22 ist ein in der AnschlußöfTnung 4 verschieblicher Ring 25 angeordnet, der an seinem unteren Teile eine in Kon-

takt mit dem Küken 11 stehende torusförmige Dichtung 26 irägt. Der Ring 25 ist mit einer Dichtung 27 umgürtet und dem Druck mehrerer elastischer Stoßscheiben 28 ausgesetzt, welche sich am Rohrkragen 22a des Anschlußflansches 22 abstützen.

In der öffnungS (Fig.4 und 5) des Schiebergehäuses 1 ist ein anderer Anschlußflansch — oder eine äquivalente Anordnung — 29 befestigt, auf der sich mrhrere elastische Stoßscheiben 30 abstützen. Diese üben Druck auf einen in der öffnung 5 verschieblich angeordneten Ring 31 aus, der mit einer tonuförmigen Dichtung 32 an dem Küken 11 anliegt und von einer Dichtung 33 umgeben ist.

In das Küken 11 sind, wie F i g. 8 zeigt, mehrere Gasdurchtrittsöffnungen oder Radialdurthlässc 34

gebohrt, die einen zylindrischen Querschnitt aufweisen und im wesentlichen radial angeordnet sind. Fer ner ist ein mit rechteckigem Querschnitt versehener Radialduichlaß35 vorgesehen, der teilweise die Ra-

dialdurchlässe 34 (hier sind nur zwei Paare vorgesehen) überlappt. Alle Radialclurchlässe münden in die Axialbohrung 14 des Kükens 11. Der Zapfen 12 (Fig. 7 und 8) ist zur Aufnahme eines Schaftes 36 eines Rollenhalters 37 mit Rolle 38 durchbohrt. Die Rolle 38 kann beim Verdrehen des Kükens 11 mit dem Kopf 40 (Fig. 4) eines Hubventils 41 mit Dichtung 42 in Wirkverbindung treten. Da« Hubventil wird normalerweise unter dem Druck von elastischen StoDscheiben 43 gegen die Wandung des Hahngehäuses 1 gepreßt, das an dieser Stelle eine Bohrung 44 zum Durchführen des Kopfe« 40 aufweist.

Die vorstehend beschriebene Baugruppe befindet sich in einem Ansatzgehäuse 49, das am Hahnge häuse 1 mittels Schrauben 46 befestigt ist (Fig. 6) In diesem Ansatzgehäuse sind auch ein Filter 47 (Fig.4) sowie eine Andruckhülse48 für die elastischen Stoßscheiben 43 angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht den Wiedereintritt von Luft in die Bohrung 14 des Hahngehäuses 1. sobald die Rolle 38 das normalerwehe die Bohrung 44 verschließende Hubventil 41 zurückdrückt.

Der Betätigungsgriff 21 weist eine Ausnehmung 49 auf. in der sich eine Kugel 50 befindet, welche von einer sich gegen eine Schraube 52 abstützenden Feder 51 unter Druck gesetzt ist. Mittels der Schraube 52 läßt sich der Druck der Feder 51 einstellen. Die Kugel 50 kann bei Verdrehen des Betätigungsgriffes 21 in Sacklöcher 53,54 und 55 einfallen, die in den Deckel f gebohrt sind und drei orthogonalen Stellungen des Betätigungsgriffes 21 entsprechen, der durch das Zusammenwirken der Kugel 50 mit den Sacktöchern in diesen Stellungen einrastet.

Dies zeigt, daß der erfindungsgemäße Hahn die drei Ventile und die zugeordneten Kanäle ersetzt, die gewöhnlich für die gleiche Aufgabe angewendet werden. Dank dem einstöckigen Hahngehäuse sind alle erforderlichen Arbeitsgänge in einer vorbestimmten Reihenfolge angeordnet, wobei für die verschiedenen Manöver und unterschiedlichen Einstellungen nur ein einziger Betätigungsgriff oder eine äquivalente Einrichtung betätigt wird, der mit seinen beiden Drehanschlägen 21 α und 21 b jeweils auf den im Deckel 6 befestigten Anschlagstift 56 trifft.

Der Hahn arbeitet wie folgt: Die öffnung 4 des Hahngehäuses 1 ist normalerweise an den Massenspektrometer-Lecksucher und die öffnung 5 an die Vorvakuumpumpe angeschlossen, während der Prüf ling mit der öffnung 3 verbunden wird. Die Arbeitsgänge laufen dann folgendermaßen ab:

1. Der Betätigungsgriff wird aus der Schließstellung heraus, in der ein Anschlag 21a am Anschlagstift 56 anliegt und die Kugel 50 in das Sackloch 53 eingefallen ist. in die orthogonale Stellung gedreht, wodurch der Prüfling an die Vorvakuumpumpe angeschlossen wird. Dabei fällt die Kugel 50 in das Sackloch 54 ein.

2. Die Bedienungsperson liest das Vonakuum-Meßgerät ab und verfährt, je nach der Anzeige, wie folgtT

a) Zeigt das Meßgerät ein befriedigendes Vorvakuum an (z.B. 10~²Torr). so wird der Betä'tigunesgriff rasch bis zum Anschlag des Anschlages 21 b an dem Anschlagstift 56 gedreht. Dabei fällt die Kugel 50 in das Sackloch 55 ein: während dieser Drehung wird der Prüfling allmählich an den Lecksucher angeschlossen. Die Arbeitsgänge für die Auffindung kleiner Lecks oder die Feststellung des Nichtvorhandenveins von I.ecks laufen danach wie üblich ab.

b) Zeigt das Meßgerät dagegen ein erhebliches Leck an, so wird der Betätigungsgriff 21 langsam in Richtung auf die Lecksuchstellung verdreht, derart, daß der Prüfling noch immer teilweise an der Vorvakuumpumpe hängt und nur in kleinsten Schritten mit dem Spektrometer-Lccksucher in Verbindung ge bracht wird, und zwar über den Schlitz bzw. einen Teil des Radialdurchlasses 35, wobei ein Absinken des Analysierrohrvakuums unter einen Mindestwert (z.B. If)-'Torr) vermieden wird. Die Bedienungsperson unterbricht demzufolge die Hahndrehung und führt die Lecksucharbeitsgänge durch. Wenn diese Arbeitsgänge mit der Abdichtung der Lecks beendet worden sind, kann der Hetätigungsgriff 21 weiter bis

•5 zum Anschlag (21 b an 56) gedreht werden, dann werden die bei kleinen Lecks erforderlichen Arbeitsgänge zu Ende geführt. Wird dagegen die Abdichtung nicht vorgenommen, so können die einmal festgestellten Lecks auch später beseitigt werden.

Wenn die Lecksucharbeitsgänge bzw. die Prüfung auf Dichtheit abgeschlossen sind, dreht die Bedic nungsperson den Betätigungsgriff 21 in beiden Fällen a) und b) bis zum Anschlagstift 56 in die Ausgangs stellung zurück. In dieser Stellung drückt die Rolle

*S 38 den Kopf 40 des Hubventils 41 zurück, und dieses gibt die öffnung 44 für den Wiedewinlaß von Luft in die Bohrung 2 und damit in den Prüfling frei, so daß dieser vom Anschlußstutzen des Hahnes gelöst werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Programmierter Hahn für den Anschluß eines Massenspektrometer-Lecksuchers an eine unter Vorvakuum stehende Hilfsbaugruppe mit einer Anschlußöffnung für den Prüfling, einer Anschlußöffnung an eine Vorvakuumpi;mrw;. einer Anschlußöffnung für den Lecksucher und einer Belüftungsöffnung zum Innenraum des im wesentlichen quaderförmigen Hahngehäuses, in dem drehbar ein Küken angeordnet ist mit einer mit der PriiflingsanschluBöffnung fluchtenden Axialbohrung sowie mit Radialdurchlässen, die mit der Axialbohrung kommunizieren und durch Drehen des Kükens in Kommunikation mit weiteren Anschlußöffnungen bringbar sind, wobei in einem bestimmten Winkelbereich der möglichen Kükenstellungen zwei in zueinander senkrechten Ebenen angeordnete Anschlußöffnungen gleichzeitig über die Radialdurchlässe mit der Axialbohrung kommunizieren, gekennzeichnet durch ein an sich bekanntes sphärisches Küken (II) mit einem rechteckigen (35) und mehreren zylindrischen (34) Radialdurchlässen, von denen der Radialdurchlaß rechteckigen Querschnitte in Umfangsrichtung des Kükens mindestens einen der zylindrischen Radialdurchlässe überlappt, so daß die beiden Anschlußöffnungen (4. 5) für den Anschluß des Lecksuchers bzw. der Vorvakuumpumpe nacheinander in durch die Form und Anordnung der Radialdurchlässe vorgegebener Weise allmählich mit der Axialbohrune des Kükens durch dessen Drehung in Kommunikation bringbar <-ind. und ein unter Federdruck stehendes Hubventil (41). das zwischen einer gesonderten, bezüglich der Radialdurdilä^e axial vcr-

setzt angeordneten BelüftungsanschlußöfTnung und dem Hahngehäuseinnern vorgesehen ist, welches Hubventil mittels eines, mit dem Küken bei dessen Drehung in Wirkverbindung tretenden Betiitigungsgliedes (40) betätigbar ist.

2. Programmierter Hahn nach Anspruch 1, ge-

Snnzeichnet durch zwei Lagerzapfen (12, 13) für s Küken (11), von denen der eine (13) von der Axialbohrung (14) durchsetzt ist und die in Nadellagern (9,10) laufen, welche in runden Austehmungen des Hahngehäuses (1) angeordnet Und.

3. Programmierter Hahn nach Anspruch 1 oder

i, dadurch gekennzeichnet, daß das Hahngehäuse I) außen einen festen Anschlag (56) für das Zusammenwirken mit zwei Oegenanschlägen (21a,

üb) am Betätigungsgriff (21) des Kükenknebels (16) aufweist.

4. Programmierter Hahn nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstutzen (22a, 29) für die Verbindung des Hahngehäuses (1) mit dem Lecksucher bzw. der Vorvakuumpumpe als Abstützung für verschiebHche Druckringe (25, 31) dienen, die torusförmige Dichtungen (26, 32) tragen und in Kontakt mit dem sphärischen Küken (11) bringen und daß zwischen den Ringen und den Anschlußstutzen elastische Stoßscheiben (28, 30) angeordnet sind.

5. Programmierter Hahn nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Filter (47) in der Belüftungsöffnung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen