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Dokumentenidentifikation DE102004004358A1 14.10.2004
Titel Kolbenpumpe mit einem eine Leckageöffnung aufweisenden Zylinder
Anmelder Thomas Industries, Inc., Sheboygan, Wis., US
Erfinder Hueppchen, Gary S., Plymouth, Wis., US
Vertreter JUNG HML, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 29.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004004358
Offenlegungstag 14.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.10.2004
IPC-Hauptklasse F04B 39/12
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Druck-/Vakuum-Kolbenpumpe mit einem hin- und herlaufenden Kolben in einem Zylinder, der eine Leckageöffnung aufweist, der einen kleinen Durchmesser, bevorzugt einen Durchmesser von etwa 0,05 Inch, aufweist und es erlaubt, dass ein Teil der Arbeitsluft in das Pumpengehäuse während zumindest eines Teils des Kolbenhubs ausleckt. Die Leckageöffnung verläuft koplanar zur Antriebswelle und der Mittenlinie des Zylinders. Außerdem kommt sie zwischen dem Kolbenkopf und dem Ventilkopf während des größten Teils des Kolbenhubs, jedoch unter der Kolbenbodendichtung und abgeschlossen von der Arbeitskammer zu liegen, wenn der Kolben sich im oberen Totpunkt befindet. Während vorübergehender Ausschaltperioden der Pumpe lässt der Leckage-Pfad Hochdruck- oder Vakuumgas in den Zylinder ausströmen, wodurch ein Motor mit geringem Drehmoment die Pumpe zuverlässig erneut zu starten vermag.

Beschreibung[de]

Diese Anmeldung beansprucht Priorität aus der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/446 322, eingereicht am 6. Februar 2003.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Kolbenpumpen und insbesondere betrifft sie Hochdruck- bzw. Vakuumpumpen mit verbesserter Wiederstartbarkeit.

Bestimmte Pumpanwendungen erfordern, dass die Pumpe in Ein-/Ausschalt-Zyklen arbeiten. Bei Hochdruck- oder Vakuumanwendungen kann in der Größenordnung von 100 psi oder mehr das Luftvolumen in der Arbeitskammer bzw. den Arbeitskammern des Pumpzylinders bzw. der Pumpzylinder den Hin- und Herlauf des Kolbens bzw. der Kolben signifikant derart beeinträchtigen, dass ein Wiederstarten der Pumpe ein großes Drehmoment erfordert. Hierbei eingesperrte Luft kann den Pumpenantriebsmotor übermäßig belasten und vorschnellen Motorverschleiß hervorrufen, ein schwieriges, inkonsistentes und gestörtes Wiederstarten hervorrufen oder teure Motoren mit höherem Startdrehmoment notwendig machen.

Es sind auch zahlreiche Versuche unternommen worden, das Wiederstarten problemloser oder konsistenter zu machen. Eine technische Lösung sieht vor, einen größeren Motor zu verwenden, der für den normalen Betrieb signifikant zu groß ist, der jedoch ein hohes Startdrehmoment bereitstellt, das ausreicht, den Widerstand der eingesperrten Zylinderluft zu überwinden. Eine weitere signifikant wirksamere Technik besteht darin, einen Leckage-Pfad an der Ansaugöffnung (oder der Auslassöffnung, wenn Vakuum angesaugt wird) in der Ventilplatte der Pumpe zu erzeugen. Dies kann dadurch erfolgen, eine Innenseite der Ventilplatte an der Ansaugöffnung schräg zu stellen, so dass das Klappenventil zur Steuerung der Strömung durch die Öffnung nicht vollständig schließt und die Ansaugöffnung verschließt, woraufhin ein Zylinder-Schwellendruck erreicht wird. Diese Technik erlaubt es, dass ein Antriebsmotor mit relativ geringem Drehmoment (der dadurch kostengünstiger ist) verwendet werden kann. Dies erfordert jedoch eine ziemlich teure und zeitaufwendige maschinelle Bearbeitung der Ventilplatte zur Bildung der Schrägfläche. Außerdem kann hierdurch das Klappenventil am Ansaugende ermüden und der Durchsatz der Abluftströmung kann signifikant verringert werden, was für bestimmte Anwendungen ungeeignet ist, die spezifische bzw. minimale Durchsätze erfordern.

Es besteht deshalb ein Bedarf an einer Hochdruck-/Vakuumpumpe mit verbesserter Wiederstartbarkeit.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt eine Kolbenpumpe mit einem Gehäuse bereit, das einen internen Hohlraum festlegt, in welchem ein Zylinder angeordnet ist, der einen zylindrischen Durchsatz festlegt, in welchem ein Kopf eines Zylinders hin- und herläuft, um das Volumen einer Arbeitskammer des Zylinders zu verändern. Der Zylinder weist eine Leckageöffnung auf, die eine Kommunikation zwischen der Arbeitskammer und einem Umgebungsatmosphärendruck während zumindest eines Teils eines Kolbenhubs bereitstellt.

Die Leckageöffnung ist derart angeordnet, dass sie zwischen dem Kolbenkopf und dem Ventilkopf während des größten Teils des Kolbenhubs zu liegen kommt. Bevorzugt weist die Leckageöffnung eine Mittenlinie auf, die in einer Ebene liegt, welche die Wellenachse und die Mittenlinie des Zylinders bevorzugt parallel zur Wellenachse und senkrecht zur Zylinder-Mittenlinie schneidet. Die Leckageöffnung ist außerdem neben einem oberen Ende des Zylinders innerhalb eines Abstands von weniger als etwa 0,2 Inch angeordnet; stärker bevorzugt liegt ihre Mitte etwa 0,05 Inch vom oberen Ende des Zylinders entfernt. Der Kolbenkopf umfasst eine Dichtung, die mit einem Innendurchmesser des Zylinders gleitend zusammenpasst. Das Zentrum der Leckageöffnung sollte nicht mehr als etwa 0,1 Inch, bevorzugt etwa 0,05 Inch, unter der Kolbenbodendichtung zu liegen kommen, wenn der Kolben sich im oberen Totpunkt befindet, so dass der Kolbenboden an der Öffnung vorbei läuft, und diese in der Nähe des Totpunkts vorübergehend verschließt.

Die Leckageöffnung kann unterschiedlich groß sein und unter einer mehr weniger großen Distanz vom Oberende des Zylinders für verschieden bemessene Zylinder angeordnet sein. Größe und Ort der Leckageöffnung sind üblicherweise unabhängig von dem Kolbenhub. Üblicherweise erhöht eine Vergrößerung der Leckageöffnung die zuverlässige Wiederstartbarkeit und verringert den Durchsatz der Pumpe, während eine Anordnung der Leckageöffnung weiter entfernt von der Oberseite des Zylinders (wobei in diesem Fall die Kolbendichtung im Totpunkt zu liegen kommt) die zuverlässige Wiederstartbarkeit verringert und den Durchsatz erhöht. Ungeachtet der Zylindergröße sollte die Leckageöffnung eine ähnliche Größenordnung aufweisen und näher zum oberen Ende des Zylinders als zum unteren Ende zu liegen kommen.

Die erfindungsgemäße Pumpe mit der Leckageöffnung in dem Zylinder ermöglicht ein Ausströmenlassen des Arbeitsgases aus dem Zylinder zur Außenseite des Zylinders. Das Ausströmenlassen erfolgt diskontinuierlich derart, dass der bevorzugte Ort für die Leckageöffnung ein solcher ist, dass der Kolbenboden an der Leckageöffnung von unten nach oben bei jedem Hub zum Totpunkt hin vorbeiläuft. Dieses diskontinuierliche Ausströmenlassen verläuft derart, dass während vorübergehend belastungsfreier Perioden der Pumpe der Zylinder ausreichend druckfrei gemacht werden kann, um ein rasches Wiederstarten der Pumpe mit einem Antriebsmotor relativen geringen Drehmoments zu ermöglichen. Die Leckageöffnung kann außerdem eine einfache Durchgangsbohrung sein, die durch einen raschen und kostengünstigen Bohrvorgang gebildet werden kann.

Die vorliegende Erfindung stellt demnach eine Pumpe mit hochgradig zuverlässiger Wiederstartbarkeit bereit, die für Hochdruck- oder Vakuumanwendungen mit Ein-/Ausschalt-Zyklen besonders geeignet ist. Die verbesserte Wiederstartbarkeit der Pumpe wird durch einen einfachen Bohrvorgang ohne Notwendigkeit teurer Maschinen-Bearbeitungsvorgänge bereitgestellt. Da der Leckagepfad in dem Zylinder an einem geeigneten Ort zu liegen kommt, werden Durchsatzverluste ebenso verringert wie eine Ventilermüdung.

Die vorstehend genannten sowie weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden Beschreibung. In dieser Beschreibung wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die Teil der Beschreibung bilden und in denen illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist. Diese Ausführungsform definiert nicht notwendigerweise den vollen Umfang der Erfindung dar, der durch die Ansprüche festgelegt ist, die den Umfang der Erfindung festlegen.

1 zeigt eine aufgeschnittene Seitenansicht einer Kolbenpumpe in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bei entfernter Gehäuseabdeckung, um innere Bestandteile freizulegen,

2 zeigt eine Teilschnittansicht entlang der Linie 2-2 unter Darstellung eines Kolbens in einem Zylinder der Pumpe in der Nähe des Hubbeginns, und

3 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 2 unter Darstellung des Kolbens im Totpunkt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

1 und 2 zeigen eine Hochdruck-/Vakuum-Kolbenpumpe 10 mit einem einzigen Zylinder mit verbesserter Wiederstartbarkeit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Pumpe 10 umfasst allgemein ein Gehäuse 12 zur Aufnahme eines Motors 14 mit einer drehbaren Antriebswelle 16, die sich entlang einer Wellenachse 17 in die Kurbelkammer 18 in dem Gehäuse 12 hinein erstreckt. Auf der Welle 16 ist ein Lüfter 20 angebracht, und eine Verbindungsstange 22 eines Kolbens 24, der einen vergrößerten kreisförmigen Kopf 26 aufweist, der im Innern des Zylinders 28 in dem Gehäuse so angeordnet ist, dass er allgemein senkrecht zur Welle 16 verläuft; d.h., die Wellenachse 17 verläuft im wesentlichen senkrecht zur Mittenlinie 29 des Zylinders 28. Eine Kolbenbodendichtung 30 ist zwischen dem Kopf 26 und einem Halter 32 eingeschlossen. Die Kolbenbodendichtung 30 ist so bemessen, dass sie am Innendurchmesser des Zylinders 28 gleitverschiebbar dicht anliegt, wenn der Kolben 24 durch Drehung der Welle 16 in Auf- und Abwärtsrichtung hin- und herläuft. Eine Ventilplatte 34 mit geeigneten Ansaug- und Auslassventilen (nicht gezeigt), gesteuert durch dünne Metallklappenventilen (nicht gezeigt), ist an der Oberseite des Gehäuses 12 angebracht und gegenüber einem oberen Ende 36 des Zylinders 28 abgedichtet. Ein Ventilkopf 38 ist auf der Ventilplatte 34 angebracht und weist Ansaug- und Auslassanschlüsse 40 und 42 zur Verbindung mit Ansaug- und Auslassleitungen (nicht gezeigt) auf, die für die gewünschte Anwendung erforderlich sind.

Wie in 1 bis 3 gezeigt, erstreckt sich eine Leckageöffnung 44, bevorzugt eine einfache Bohrung, quer durch die Wandung des Zylinders 28 unter Bereitstellung einer Verbindung zwischen dem Innern des Zylinders 28 und dem Innern des Gehäuses 12. Die Leckageöffnung 44 ist in der Nähe des oberen Endes 36 des Zylinders 28 derart angeordnet, dass sie zwischen dem Kolben 24 und der Ventilplatte 34 während des größten Teils des Kolbenhubs, tatsächlich während nahezu des gesamten Kolbenhubs zu liegen kommt, wie in 2 gezeigt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leckageöffnung 44 derart angeordnet, dass ihre Mittenlinie 45 in einer Ebene zu liegen kommt, welche die Wellenachse 17 ebenso wie die Mittenlinie 29 des Zylinders 28 enthält, parallel zur Wellenachse 17 und senkrecht zur Mittenlinie 29 verlaufend. Die Leckageöffnung 44 ist außerdem bevorzugt so angeordnet, dass die Kolbenbodendichtung 30 unter ihr zu liegen kommt, mit der Ausnahme, wenn der Kolben 24 sich dem oberen Totpunkt (seiner höchsten Position) nähert, wie in 3 gezeigt, in welcher Position der Kolbenboden 30 über die Leckageöffnung 44 hinaus läuft und die Verbindung zur Arbeitskammer schließt. In dieser Weise befindet sich die Leckageöffnung 44 während dem größten Teil der Zeit auf der Arbeitsseite des Kolbenkopfs 26 und sie kommt ausschließlich auf der arbeitsfreien Seite des Kolbenkopfs 26 zu liegen, während er sich in der Nähe des oberen Totpunkts befindet. Mit anderen Worten liegt die Leckageöffnung 44 über dem Kolbenkopf 26, wenn der Kurbelwinkel in etwa zwischen 10 und 350° liegt. Dies erlaubt es, dass die Leckageöffnung 44 die Arbeitsluft aus dem Zylinder 28 während nahezu des gesamten Kolbenhubs ausströmen lässt. Das Auslecken bzw. Ausströmen erfolgt diskontinuierlich, insofern als keine Leckage bei Kurbelwinkeln bei oder in der Nähe des Totpunkts stattfindet.

Die Leckageöffnung 44 ist relativ klein (im Vergleich zum Volumen des Zylinders 28), so dass während des stabilen Betriebs der Pumpe 10 mit hohen Drehzahlen ausreichend Druck oder Vakuum zur Bereitstellung hoher Durchsätze erzielt werden kann. Wenn die Pumpe 10 ausgeschaltet wird oder mit geringer Drehzahl arbeitet, wie etwa beim Starten, erlaubt die Leckageöffnung 24 ein rasches Ausströmen der Arbeitsluft in den Zylinder 28 und aus dem Zylinder 28 heraus, so dass die hin- und herlaufende Bewegung des Kolbens 24 weniger beeinträchtigt wird, was ein rasches Wiederstarten mit einem Motor geringen Drehmoments ermöglicht. Da die Leckageöffnung 44 sich auf der Arbeitsseite des Kolbens während nahezu seines vollständigen Hubs befindet, kommt dann, wenn die Pumpe 10 gestoppt wird, der Kolbenboden 30 mit größter Wahrscheinlichkeit unter der Leckageöffnung 44 zu liegen, was ein Ausströmenlassen der komprimierten Luft in dem Zylinder 28 ermöglicht, um den nächsten Wiederstart vorzubereiten. Wenn die Pumpte 10 gestoppt wird und der Kolben 24 aufhört, durch den Motor angetrieben zu werden, wirkt die restliche Arbeitsluft in dem Zylinder 28 dahingehend, den Kolben 24 hinunter zum unteren Totpunkt oder in die Nähe des unteren Totpunkts zwangsweise zu bewegen. Die macht es noch wahrscheinlicher, dass die Leckageöffnung 44 mit der Arbeitskammer des Zylinders 28 in Verbindung steht. Dadurch stellt die Leckageöffnung 44 konsistent die erforderliche Ausströmfunktion bereit, um ein konsistenes Wiederstarten der Pumpe selbst dann zu gewährleisten, wenn ein Motor geringen Drehmoments verwendet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform nutzt die Pumpe 10 einen Motor mit geringem Drehmoment, der ein Startdrehmoment von 8 Unzen-Fuß bereitstellt und die Pumpe 10 stellt mit etwa 60 psi eine Durchsatzleistung von ungefähr 0,5 CFM bereit. Der Zylinder 28 weist einen Innendurchmesser von 2,25 Inch und eine Wandungsdicke von 0,125 Inch auf. Der Kolbenhub beträgt etwa 0,32 Inch. In diesem Fall misst der Durchmesser der Leckageöffnung bevorzugt nicht mehr als 0,1 Inch, stärker bevorzugt etwa 0,05 Inch. Die Leckageöffnung 44 kommt bevorzugt innerhalb von etwa 0,5 Inch vom oberen Ende 36 des Zylinders 28 zu liegen, stärker bevorzugt nicht weniger als etwa 0,2 Inch vom oberen Ende 36 und nicht mehr als etwa 0,1 Inch, bevorzugt etwa 0,05 Inch, unter der Kolbenbodendichtung 30, wenn der Kolben 24 sich im oberen Totpunkt befindet. Die vorstehend genannten Abmessungen sind von der horizontalen Mittenlinie der Leckageöffnung 44 aus genommen.

Es wird bemerkt, dass dies lediglich ein Beispiel einer bevorzugten Pumpenanwendung ist. Die Leckageöffnung 24 kann unterschiedlich bemessen sein und kann mit einer größeren oder kleineren Distanz vom oberen Ende des Zylinders 28 für unterschiedlich bemessene Zylinder, Betriebsdrücke und/oder Durchsatzerfordernisse zu liegen kommen. Ungeachtet dieser Parameter sollte die Leckageöffnung 44 in derselben Größenordnung liegen und näher zum oberen Ende des Zylinders als zum gegenüberliegenden (unteren) Ende zu liegen kommen.

Wie vorstehend angeführt, fluchtet die Leckageöffnung 44 mit der Antriebswellenachse 17. Es hat sich herausgestellt, dass dies den größten Durchsatz ergibt (dieser ist etwa 25% größer als dann, wenn die Leckageöffnung senkrecht zur Wellenachse zu liegen kommt). Außerdem wurde empirisch ermittelt, dass, während die zuverlässige Wiederstartbarkeit verbessert ist, eine tiefer liegende Anordnung der Leckageöffnung 44 (weiter entfernt von der Oberseite des Zylinders 28 und der Kolbenbodendichtung 30 im Totpunkt) die Durchsatzleistung signifikant verringert wird. Die Position der Leckageöffnung 44 ist üblicherweise unabhängig vom Kolbenhub. Der Durchmesser der Leckageöffnung 44 kann abhängig von den Strömungsanforderungen der Anwendung variieren, wobei bevorzugt ein minimaler Durchmesser beibehalten wird, um zu verhindern, dass Schmutz die Leckageöffnung 44 verstopft. Eine Vergrößerung des Durchmessers der Leckageöffnung 44 führt üblicherweise zu einer Verbesserung der zuverlässigen Wiederstartbarkeit, jedoch zu einer Verringerung des Durchsatzes der Pumpe.

Die Erfindung ist anhand einer illustrativen Ausführungsform zur Offenbarung ihres praktikablen betriebsmäßigen Aufbaus im einzelnen erläutert worden, durch welchen Aufbau die Erfindung in vorteilhafter Weise in die Praxis umgesetzt werden kann. Die erläuterte Vorrichtung ist jedoch ausschließlich illustrativen Charakters und die neuartigen Merkmale der Erfindung können in anderen strukturellen Formen verkörpert sein, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die präzise Größe und der genaue Ort der Leckageöffnung abhängig von den Durchsatz- und Druckanforderungen der Anwendung variieren. Während lediglich eine einzige Leckageöffnung vorstehend erläutert und vorliegende gezeigt ist, liegt es im Umfang der Erfindung, dass der Zylinder mehrere Leckageöffnungen in unterschiedlichen Positionen in dem Zylinder aufweisen. Während eine Anwendung bei 60 psi erläutert wurde, kann die Verbesserung der zuverlässigen Wiederstartbarkeit und des Durchsatzes bei Anwendungen mit höherem Druck und höherem Vakuum von 100 psi oder einem noch höheren Druck verwirklicht werden. Um die Öffentlichkeit vom vollen Umfang der Erfindung zu unterrichten, wird auf die nachfolgenden Ansprüche verwiesen.

Zusammenfassend ist zugunsten der Erfindung festzustellen: Eine Hochdruck-/Vakuum-Kolbenpumpe weist einen hin- und herlaufenden Kolben in einem Zylinder auf, der eine kleine Leckageöffnung bevorzugt mit einem Durchmesser von 0,05 Inch aufweist, die es erlaubt, dass ein Teil der Arbeitsluft während zumindest eines Teils des Kolbenhubs zum Pumpengehäuse ausleckt. Die Leckageöffnung verläuft koplanar mit der Antriebswelle und der Mittenlinie des Zylinders. Außerdem kommt sie zwischen dem Kolbenkopf und dem Ventilkopf während des größten Teils des Kolbenhubs zu liegen, jedoch unter der Kolbenbodendichtung und abgeschlossen von der Arbeitskammer, wenn er sich im oberen Totpunkt befindet. Während vorübergehender Ausschaltperioden der Pumpe lässt der Leckage-Pfad Hochdruck- oder Vakuumgas in den Zylinder ausströmen, wodurch ein Motor mit geringem Drehmoment die Pumpe zuverlässig wieder zu starten vermag.


Anspruch[de]
  1. Kolbenpumpe mit einem Gehäuse, das einen internen Hohlraum festlegt, in welchem ein Zylinder angeordnet ist, der einen zylindrischen Durchlass festlegt, in welchem ein Kopf eines Zylinders hin- und herläuft, um das Volumen der Arbeitskammer des Zylinders zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder eine Leckageöffnung aufweist, die eine Verbindung zwischen der Arbeitskammer und dem Umgebungsatmosphärendruck während zumindest eines Teils des Kolbenhubs bereitstellt.
  2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, wobei die Leckageöffnung derart angeordnet ist, dass sie zwischen dem Kolbenkopf und dem Ventilkopf während des größten Teils des Kolbenhubs zu liegen kommt.
  3. Kolbenpumpe nach Anspruch 2, wobei die Leckageöffnung neben bzw. in der Nähe des oberen Endes des Zylinders angeordnet ist.
  4. Kolbenpumpe nach Anspruch 3, wobei die Leckageöffnung weniger als etwa 0,2 Inch vom oberen Ende des Zylinders angeordnet ist.
  5. Kolbenpumpe nach Anspruch 4, wobei der Kolbenkopf eine Bodendichtung aufweist, die mit einem Innendurchmesser des Zylinders gleitbeweglich zusammenpasst, und wobei ein Zentrum der Leckageöffnung nicht mehr als etwa 0,1 Inch unter der Kolbenbodendichtung zu liegen kommt, wenn der Kolben sich im oberen Totpunkt befindet.
  6. Kolbenpumpe nach Anspruch 5, wobei das Zentrum der Leckageöffnung etwa 0,05 Inch über dem Kolbenboden zu liegen kommt, wenn der Kolben sich im oberen Totpunkt befindet.
  7. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, wobei die Leckageöffnung einen kleineren Durchmesser als etwa 0,1 Inch aufweist.
  8. Kolbenpumpe nach Anspruch 7, wobei die Leckageöffnung einen Durchmesser von etwa 0,05 Inch aufweist.
  9. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, wobei der Kolben mit einer Antriebswelle verbunden ist, die sich entlang einer Wellenachse erstreckt, und wobei die Leckageöffnung eine Mittenlinie aufweist, die in einer Ebene angeordnet ist, welche die Wellenachse und eine Mittenlinie des Zylinders enthält.
  10. Kolbenpumpe nach Anspruch 9, wobei die Leckageöffnungs-Mittenlinie parallel zur Wellenachse und senkrecht zur Zylinder-Mittenlinie verläuft.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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