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Elektrische Rohrheizkörper sind eine seit vielen Jahren bekannte Variante elektrischer Heizvorrichtungen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass das elektrische Heizelement innerhalb eines rohförmigen Metallmantels angeordnet ist, wobei es in radialer Richtung zum rohrförmigen Metallmantel hin durch Einbettung in ein elektrisch isolierendes, aber gut wärmeleitendes Material, in vielen Fällen z.B. Magnesiumoxid, elektrisch isoliert ist, um einen unerwünschten Kurzschluss zu vermeiden.
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Dabei sind neben Ausführungsformen, in denen beide Enden des elektrischen Heizelements oder beide Anschlüsse, die mit diesen Enden verbunden sind, an derselben Stirnseite des Rohrheizkörpers aus dem rohrförmigen Metallmantel herausgeführt werden und Ausführungsformen, bei denen beide Enden des elektrischen Heizelements oder beide Anschlüsse, die mit diesen Enden verbunden sind, an unterschiedlichen Stirnseite des Rohrheizkörpers aus dem rohrförmigen Metallmantel herausgeführt werden auch solche Ausführungsformen bekannt, bei denen der rohrförmige Metallmantel als Rückleiter verwendet wird, um den Stromkreis für das elektrische Heizelement zu schließen.
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Anzumerken ist, dass in der Terminologie dieser Patentschrift der Begriff Rohrheizkörper breit verwendet wird und insbesondere auch Heizpatronen mit einschließt.
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Insbesondere bei kleinen Bauformen von Rohrheizkörpern, die mit geringer Spannung von z.B. 12V oder 48V betrieben werden, stellen eine hohe Stromdichte, eine hohe Oberflächenbelastung des Heizelements und seine mechanische Belastung durch thermische Effekte beim Durchlaufen der Heizzyklen ein erhebliches Problem dar, da diese Effekte die Lebensdauer des Rohrheizkörpers empfindlich beeinträchtigen können. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine elektrische Heizvorrichtung bereitzustellen, bei der die Belastung des Heizelements bei einer gegebenen Heizleistung reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst von einer elektrischen Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der erfindungsgemäße elektrischer Rohrheizkörper hat einen rohrförmigen Metallmantel, in dessen Innenraum ein elektrisches Heizelement angeordnet ist. Dabei ist ein erstes Ende des elektrischen Heizelements elektrisch leitend mit dem rohrförmigen Metallmantel verbunden, so dass der rohrförmige Metallmantel einen Rückleiter für elektrischen Strom, mit dem das elektrische Heizelement an einem zweiten Ende versorgt wird, bildet.
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Eine elektrisch leitende Verbindung mit dem rohrförmigen Metallmantel liegt im Sinne dieses Schutzrechts nicht nur dann vor, wenn ein direkter Kontakt zwischen den mit der elektrisch leitenden Verbindung miteinander verbundenen Bauteilen besteht, sondern auch dann, wenn diese unter Zwischenschaltung eines weiteren elektrisch leitenden Bauteils, z.B. eines Metallbodens, erfolgt.
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Erfindungswesentlich ist dabei, dass der rohrförmige Metallmantel derart dimensioniert und ausgestaltet ist, dass er einen eigenen Beitrag von mindestens 25%, bevorzugt 50%, besonders bevorzugt 75% zur Heizwirkung liefert. Dies kann insbesondere durch Materialwahl für den rohrförmigen Metallmantel und/oder für das elektrische Heizelement, wobei eine wichtige zu berücksichtigende Eigenschaft die elektrische Leitfähigkeit ist, und/oder durch Anpassung der Geometrie des rohrförmigen Metallmantels und/oder der elektrischen Heizelements geschehen.
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Ein solcher eigener Beitrag zur Heizwirkung im Sinne dieses Schutzrechts kann insbesondere in guter Näherung dadurch ermittelt werden, dass man die Heizleistung des elektrischen Rohrheizkörpers mit der eines ansonsten identisch aufgebauten elektrischen Rohrheizkörpers, bei dem beide Enden des elektrischen Heizelements oder beide Anschlüsse, die mit diesen Enden verbunden sind, an unterschiedlichen Stirnseite des Rohrheizkörpers aus dem rohrförmigen Metallmantel herausgeführt werden, vergleicht.
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Ein Grundgedanke, der der Erfindung zu Grunde liegt, ist dabei, die Tatsache, dass ein Stromfluss durch einen Widerstand im Regelfall stets zu einer Wärmeerzeugung führt, vor, sobald der rohrförmige Metallmantel von Strom durchflossen wird, bewusst zu nutzen und dadurch die Belastung des eigentlichen Heizelements zu reduzieren.
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Wird beispielsweise auf dem Mantel 50% der Heizleistung erzeugt, so liegt auf dem Heizleiter innen nur die Hälfte der Heizleistung an. Das ermöglicht die Verwendung eines Heizleiters mit doppelt so hohem Heizleiterquerschnitt, dessen Oberflächenbelastung deutlich reduziert ist und der mechanische Belastung bei Temperaturwechseln, die zudem noch durch das „Mitarbeiten“ des beheizten Mantels reduziert wird, deutlich besser verkraftet.
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Um eine solche Aufteilung der Heizleistung zu erreichen ist eine vorteilhafte Massnahme, dass das Material mindestens einer Lage des rohrförmigen Metallmantels einen mindestens ebenso hohen spezifischen Widerstand wie das Material, aus dem das elektrische Heizelement besteht, aufweist.
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Eine konkrete Möglichkeit, eine beispielsweise dadurch herbeigeführte Erhöhung der Heizwirkung kontrolliert zu beeinflussen besteht darin, dass der rohrförmige Metallmantel zumindest abschnittsweise mehrlagig ausgestaltet ist, wobei diese Lagen in elektrischem Kontakt miteinander stehen. Dadurch können die Leitungseigenschaften und insbesondere der Widerstand des rohrförmigen Metallmantels in gewünschter Weise beeinflusst werden.
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Vorsorglich sei darauf hingewiesen, dass dies bei der Verwendung elektrischer Rohrheizkörper oder Rohrwendelpatronen als elektrisches Heizelement nicht automatisch erfüllt ist, da in diesem Fall zwar ein weiterer rohrförmiger Metallmantel innerhalb des rohrförmigen Metallmantels angeordnet ist, aber der verlangte elektrische Kontakt zwischen diesen beiden Metallmänteln nicht besteht, so dass diese beiden Metallmäntel nicht den mehrlagigen rohrförmigen Metallmantel im Sinne der Erfindung bilden können.
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Wenn dabei mindestens eine der mehreren Lagen des rohrförmigen Metallmantels kürzer als andere Lagen des rohrförmigen Metallmantels ist, kann eine solche Beeinflussung auch rein lokal auf bestimmten Abschnitten des elektrischen Rohrheizkörpers vorgenommen werden, was z.B. dann, wenn unterschiedlich stark beheizte Zonen gewünscht sind, sinnvoll sein kann.
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Eine solche zumindest abschnittsweise Mehrlagigkeit des rohrförmigen Metallmantels kann insbesondere dadurch bewirkt sein, dass eine äußere oder innere Mantelfläche einer durch eine Hülse gebildeten kürzeren Lage flächig an einer inneren oder äußeren Mantelfläche einer längeren Lage anliegt. Insbesondere kann eine solche kürzere Hülse also in ein längeres Mantelrohr eingeschoben oder auf das längere Mantelrohr aufgeschoben sein, um den mehrlagigen rohrförmigen Metallmantel zu erzeugen.
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Eine erste bevorzugte Variante liegt dann vor, wenn ein Ende der kürzeren Lage des rohrförmigen Metallmantels bündig zur anschlussseitigen Stirnseite des rohrförmigen Metallmantels angeordnet ist.
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In anderen Situationen kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn die kürzere Lage des rohrförmigen Metallmantels im mittleren Bereich des rohrförmigen Metallmantels angeordnet ist.
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Eine andere Möglichkeit, gezielt die Aufteilung der Heizleistung einzustellen besteht darin, dass der rohrförmige Metallmantel Wände aufweist, welche insbesondere hinsichtlich ihrer Wandstärke, des Verlaufs der Wände oder hinsichtlich des Materials, aus dem die Wände gefertigt sind im Vergleich zu einem homogenen Rohrmantel aus einem Material konstanter Dicke modifiziert sind. Sie können beispielsweise gestuft verlaufen, aus mehreren Rohrabschnitten unterschiedlichen Materials bestehen, gewellt sein, was zu einer Erhöhung der effektiven Länge führt, oder eine Oberflächenstruktur aufweisen. Natürlich kann diese Möglichkeit auch mit der Variante mit aufgeschobenen Rohren kombiniert werden.
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Besonders bevorzugt ist der elektrische Rohrheizkörper zumindest abschnittsweise verdichtet. Sinnvoll kann es insbesondere sein, wenn der elektrische Rohrheizkörper in Bereichen, in denen die Zahl der Lagen des zumindest abschnitts-weise mehrlagigen rohrförmigen Metallmantels unterschiedlich ist, unterschiedlich stark verdichtet ist.
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Besonders zweckmäßig ist die Erfindung bei elektrischen Rohrheizkörpern einsetzbar, bei denen das elektrische Heizelement ein Draht oder ein modifizierter, beispielsweise rohrförmig ausgestalteter Draht ist, der innerhalb des rohrförmigen Metallmantels in elektrisch isolierendem Material eingebettet ist, und zwar vorzugsweise so, dass der gesamte Innenraum des rohrförmigen Metallmantels durch das elektrisch isolierende Material und den Widerstandsdraht oder modifizierten Widerstandsdraht gefüllt ist. Dabei kann es sich sogar um einen Draht aus einem elektrisch gut leitenden Material, z.B. Kupfer oder Nickel handeln, wenn die Heizleistung primär vom rohrförmigen Metallmantel erbracht wird, was gegebenenfalls den minimalen realisierbaren Durchmesser für einen gegebenen Rohrheizkörper verringern kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt:
- 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers,
- 2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers,
- 3: ein drittes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers,
- 4: ein viertes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers,
- 5: ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers,
- 6: ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers,
- 7: ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers,
- 8: ein achtes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers,
- 9: ein neuntes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers, und
- Fig,10: ein zehntes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers.
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1 zeigt einen elektrischen Rohrheizkörper 10, der durch ein durch einen gewendelten Heizdraht gebildetes elektrisches Heizelement 11 beheizt wird. Das erste Ende 11a des elektrischen Heizelements 11 durchsetzt ein Zentrierelement 12 und ist über eine elektrisch leitende Bodenplatte 13 mit dem rohrförmigen Metallmantel 14 elektrisch leitend verbunden. Das zweite Ende 11b des elektrischen Heizelements 11 ist mit einem Anschlussbolzen 15 verbunden, der in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 14 hineingeführt ist. Der verbleibende Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 14 ist mit elektrisch isolierendem aber gut wärmeleitendem Material 16, z.B. Magnesiumoxid, gefüllt.
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Beachtenswert ist, dass der rohrförmige Metallmantel 14 zumindest abschnittsweise zweilagig ausgeführt ist, in diesem Fall mit einer längeren, die elektrisch leitende Bodenplatte 13 umgreifenden Lage 14a und einer kürzeren, auf der elektrisch leitenden Bodenplatte 13 aufstehenden, aber anschlussseitig bündig mit der ersten Lage 14a abschließenden zweiten Lage 14b, die mit der ersten Lage 14a in flächigem mechanischem und elektrischem Kontakt steht.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines elektrischen Rohrheizkörpers 20 weist strukturell hohe Ähnlichkeit zum elektrischen Rohrheizkörper 10 aus 1 auf. Insbesondere ist auch hier das elektrische Heizelement 21 durch einen gewendelten Heizdraht gebildet, dessen erstes Ende 21a des ein Zentrierelement 22 durchsetzt und über eine elektrisch leitende Bodenplatte 23 mit dem rohrförmigen Metallmantel 24 elektrisch leitend verbunden ist. Ebenfalls ist, wie in 1, das zweite Ende 21b des elektrischen Heizelements 21 mit einem Anschlussbolzen 25 verbunden, der in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 24 hineingeführt ist und der verbleibende Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 24 mit elektrisch isolierendem aber gut wärmeleitendem Material 26, z.B. Magnesiumoxid, gefüllt.
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Wichtig ist, dass der rohrförmige Metallmantel 24 hier auf andere Weise abschnittsweise zweilagig ausgeführt ist. Auch hier ist eine längere, die elektrisch leitende Bodenplatte 23 umgreifenden Lage 24a vorhanden sowie eine kürzere, anschlussseitig bündig mit der ersten Lage 24a abschließenden zweiten Lage 24b, die mit der ersten Lage 24a in flächigem mechanischem und elektrischem Kontakt steht, sich aber nur bis etwa zur Mitte des elektrischen Rohrheizkörpers 20 erstreckt. Zudem ist in diesem Bereich das elektrisch isolierende aber gut wärmeleitende Material 26 stärker verdichtet.
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Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines elektrischen Rohrheizkörpers 30 zeigt im Hinblick auf seinen Aufbau eine Variante der elektrischen Rohrheizkörper 10,20 aus 1 bzw. 2, die mit sehr geringem Querschnitt realisiert werden kann. Hier wird das elektrische Heizelement 31 durch einen gerade verlaufenden zentralen Heizdraht gebildet, dessen erstes Ende 31a mit einer elektrisch leitenden Bodenplatte 33 verlötet oder verschweißt ist, die ihrerseits mit dem rohrförmigen Metallmantel 34 elektrisch leitend verbunden ist.
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Ebenfalls anders als bei den elektrischen Rohrheizkörpern 10,20 aus 1 bzw.2 ist hier das zweite Ende 31b des elektrischen Heizelements 31 aus der anschlussseitigen Stirnfläche des rohrförmigen Metallmantels 34 herausgeführt, aber in diesem Bereich in die Bohrung eines Anschlussbolzens 35 aufgenommen. Der verbleibende Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 34 ist auch hier mit elektrisch isolierendem aber gut wärmeleitendem Material 36, z.B. Magnesiumoxid, gefüllt.
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Wichtig ist erneut, dass der rohrförmige Metallmantel 34 hier abschnittsweise zweilagig ausgeführt ist, wobei dies wieder auch eine andere Weise geschieht als bei den in 1 bzw. 2 gezeigten Ausführungsbeispielen. Zwar ist auch hier wieder eine längere, die elektrisch leitende Bodenplatte 33 umgreifenden erste Lage 34a vorhanden, die kürzere, anschlussseitig bündig mit der ersten Lage 34a abschließende zweite Lage 34b, die mit der ersten Lage 34a in flächigem mechanischem und elektrischem Kontakt steht, und sich nur bis etwa zur Mitte des elektrischen Rohrheizkörpers 30 erstreckt ist aber von außen auf den elektrischen Rohrheizkörper 30 aufgeschoben.
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Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines elektrischen Rohrheizkörpers 40 ist bis auf die Ausgestaltung des abschnittsweise zweilagigen rohrförmigen Metallmantels 44 gleich zum elektrischen Rohrheizkörper 40 aufgebaut. Wie dort ist das elektrische Heizelement 41 durch einen zentralen Heizdraht und mit dem ersten Ende 41a über eine elektrisch leitende Bodenplatte 43 mit dem rohrförmigen Metallmantel 44 elektrisch leitend verbunden, während das zweite Ende 41b des elektrischen Heizelements 41 in eine Bohrung eines Anschlussbolzens 45 aufgenommen aus der anschlussseitigen Stirnfläche des rohrförmigen Metallmantels 44 herausgeführt ist und der verbleibende Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 44 ist auch hier mit elektrisch isolierendem aber gut wärmeleitendem Material 46, z.B. Magnesiumoxid, gefüllt.
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Der abschnittsweise zweilagig ausgeführte rohrförmige Metallmantel 44 weist war auch hier wieder eine längere, die elektrisch leitende Bodenplatte 43 umgreifende erste Lage 44a auf, die kürzere, anschlussseitig bündig mit der ersten Lage 44a abschließende zweite Lage 44b, die mit der ersten Lage 44a in flächigem mechanischem und elektrischem Kontakt steht, ist aber hier lediglich außen auf dem Zentralbereich des elektrischen Rohrheizkörpers 40 angeordnet.
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Der elektrische Rohrheizkörper 50 gemäß 5 bzw. der elektrische Rohrheizkörper 60 gemäß 6 weisen ebenfalls strukturell hohe Ähnlichkeit zum elektrischen Rohrheizkörper 10 aus 1 auf. Insbesondere ist auch hier das elektrische Heizelement 51,61 durch einen gewendelten Heizdraht, der aber einen deutlich höheren Querschnitt hat, um anzudeuten, das das elektrische Heizelement 51,61 nur einen geringen Anteil der Heizleistung des Rohrheizkörpers 50,60 erzeugt und auch aus Kupfer oder Nickel gefertigt sein kann. Das erste Ende 51a bzw. 61a ist jeweils über eine elektrisch leitende Bodenplatte 53,63 mit dem rohrförmigen Metallmantel 54,64 elektrisch leitend verbunden, während das zweite Ende 51b,61b des elektrischen Heizelements 51,61 mit einem Anschlussbolzen 55,65 verbunden ist, der in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 54,64 hineingeführt ist und der verbleibende Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 54 ist -auch wenn dies in den 5 bis 10 anders dargestellt ist als in den 1 bis 4- mit elektrisch isolierendem aber gut wärmeleitendem Material 56,66 z.B. Magnesiumoxid, gefüllt.
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Eine Besonderheit bei den Rohrheizkörpern 50 bzw. 60 ist, dass der rohrförmige Metallmantel 54,64 jeweils aus zwei Abschnitten 54a,54b bzw. 64a,64b aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt ist. Im unbeheizten Bereich, in dem auch der Anschlussbolzen 55,65 liegt, kann der Abschnitt 54b,64b des Metallmantels 54,64 beispielsweise aus Kupfer oder Nickel bestehen, so dass keine hohe Heizleistung in diesem Bereich erzeugt wird. Hier ist auch ein Anschlussbolzen 57,67 angeschweißt. Der im beheizten Bereich liegende bzw. diesen bildende Abschnitt 54a,64a hingegen ist beipielsweise aus Normalstahl oder einer Widerstandsdrahtlegierung gefertigt.
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Der Unterschied zwischen den Ausführungsformen gemäß 5 und 6 liegt darin, dass in 5 ein Übergangsbereich, in dem sich die Abschnitte 54a und 54b der rohrförmigen Metallmantels 54 überlappen vorgesehen ist, während in 6 die Abschnitte 64a und 64b miteinander auf Stoß verschweißt sind.
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Der in 7 dargestellte elektrische Rohrheizkörper 70 mit elektrischem Heizelement 71 mit Ende 71a, mit elektrisch leitender Bodenplatte 73 und rohrförmigem Metallmantel 74 sowie elektrisch isolierendem Material 76 ist im Wesentlichen wie der elektrische Rohrheizkörper 30 gemäß 3 ausgeführt, unterscheidet sich aber dadurch, dass hier unterschiedlich stark heizenden Abschnitte 74a,74b der rohrförmigen Metallmantels 74 durch verschiedene Dicke der Rohrwand der rohrförmigen Metallmantels 74 realisiert werden.
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Die elektrischen Rohrheizkörper 80,90, die in den 8 bzw. 9 gezeigt sind, weisen auch wieder den Grundaufbau des elekrischen Rohrheizkörpers 30 aus 3 auf und haben ein elektrisches Heizelement 81,91 mit Ende 81a,91a, eine elektrisch leitende Bodenplatte 83,93 und einen rohrförmigen Metallmantel 84,94 sowie elektrisch isolierendes Material 86,96. Ihr unbeheizter Bereich wird dadurch gebildet, das das elektrische Heizelement 81,91 dort in einen Anschlussbolzen 85,95 , z.B, aus Kupfer, aufgeschoben ist, während in demselben Bereich eine abschnittsweise als zweite Lage auf den rohrförmigen Metallmantel 84,94 aufgeschobenen Hülse 84b,94b aus Kupfer eine signifikante Heizwirkuzng des rohrförmigen Metallmantels 84,94 unterbindet.
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Speziell an den elektrischen Rohrheizkörpern 80,90 sind die jeweiligen rohrförmigen Metallmäntel 84,94. Im Fall des elektrischen Rohrheizkörpers 80 ist der rohrförmigen Metallmantel 84 wellschlauchartig gestaltet, was insbesondere zu einer Erhöhung der Weglänge für den elektrischen Strom führt. Während üblicherweise die Längsstabilität eines elektrischen Rohrheizkörpers maßgeblich durch dessen rohrförmigen Metallmantel gegeben ist, kann hier das elektrische Heizelement 81 diese Funktion erfüllen, was dann zu einem sehr hohen Anteil des rohrförmigen Metallmantels 84 an der Heizleistung führt.
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Im Fall des elektrischen Rohrheizkörpers 90 ist der Rohrförmigen Metallmantel 94 mit Nuten 94a versehen, was spanabhebend, mit einem Laser oder auch durch Einwalzen der Nuten 94a realisiert werden kann. Auch hierdurch erhält man einen hohen Anteil des rohrförmigen Metallmantels 94 an der Heizleistung.
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Der in 10 dargestellte elektrische Rohrheizkörper 100 mit elektrischem Heizelement 101 mit Ende 101a, mit elektrisch leitender Bodenplatte 103 und rohrförmigem Metallmantel 104 mit einer abschnittsweise als zweite Lage aufgeschobenen Hülse 104b sowie elektrisch isolierendem Material 106 ist im Wesentlichen wie der elektrische Rohrheizkörper 40 gemäß 4 ausgeführt, unterscheidet sich aber dadurch, dass hier eine weitere zweite Lage 104c vorgesehen ist, so dass der elektrische Rohrheizkörper 100 drei unterschiedliche Heizstufen aufweist.
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Diese Beispiele illustrieren lediglich exemplarisch, wie durch eine Anpassung der Dimensionierung und des Aufbaus des rohrförmigen Metallmantels eine Variation der Heizwirkung eines elektrischen Rohrheizkörpers bewirkt werden kann. Natürlich sind eine Vielzahl weiterer Varianten und Kombinationenbeispielsweise des Aufbaus eines zumindest abschnittsweise mehrlagigen Metallmantels denkbar, um dem elektrischen Rohrheizkörper ein gewünschtes Eigenschaftsprofil zu verleihen.
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Bezugszeichenliste
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- 10,20,30,40,50,
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- 60,70,80,90,100
- Rohrheizkörper
- 11,21,31,41,51,
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- 61,71,81,91,101
- Heizelement
- 12,22
- Zentrierelement
- 13,23,33,43,53,
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- 63,73,83,93,103
- Bodenplatte
- 14,24,34,44,54,
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- 64,74,84,94,104
- Metallmantel
- 14a,24a,34a,44a
- erste Lage
- 14b,24b,34b,44b,
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- 54b,64b,84b,94b,104b
- zweite Lage
- 15,25,35,45,55,57,65,
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- 67,77,85,87,95,97
- Anschlussbolzen
- 16, 26, 36, 46, 56, 66, 76,
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- 86,96,106
- elektrisch isolierendes Material
- 54a,64a,74a
- erster Abschnitt
- 54b,64b,74b
- zweiter Abschnitt
- 104c
- dritte Lage