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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkeitsbad mit konstanter
Temperatur, welches eine Flüssigkeit
in einem Bad unter Verwendung eines Thermomoduls heizt und kühlt, wobei
das Thermomodul die Temperatur durch den Peltier-Effekt einstellt.
Insbesondere kann in das Flüssigkeitsbad
ein Behälter
(Flasche), welcher eine chemische Flüssigkeit enthält, eingetaucht
und seine Temperatur auf eine konstante Temperatur eingestellt werden.
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Flüssigkeitsbäder zum
Halten eines Objektes auf einer konstanten Temperatur werden weithin eingesetzt.
In jüngerer
Zeit wird eine Wärmezufuhreinrichtung
mit einem Thermomodul, das die Temperatur durch den Peltier-Effekt
einstellt, in solchen Konstanttemperaturflüssigkeitsbädern eingesetzt (vgl. die japanischen
Offenlegungsschriften Nr. 7-308592 und 2000-75935). Da die Wärmezufuhreinrichtung
mit dem Thermomodul das Heizen und Kühlen durch Änderung einer Stromzufuhrrichtung durchführen kann,
ist es einfach, die Temperatur zu steuern. Die Wärmezufuhreinrichtung kann kleiner gebaut
werden, so dass eine solche Wärmezufuhreinrichtung
insbesondere für
kleine Konstanttemperaturbäder
sehr geeignet ist.
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Bei
der Verwendung einer Wärmezufuhreinrichtung
in dem Flüssigkeitsbad
wird Wärme
unterhalb des Flüssigkeitsbades
mit der Wärmezufuhreinrichtung
getauscht, wobei die Eigenschaften der Flüssigkeit, deren Temperatur
gesteuert werden soll, berücksichtigt
werden. Ein Rührflügelrad ist
am Boden des Flüssigkeitsbades
vorgesehen, oder es wird ein magnetischer Rotor durch einen Rührmotor
angetrieben, um die Flüssigkeit
zu rühren
und dadurch die Temperatur der Flüssigkeit konstant zu halten.
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Die
Flüssigkeit
wird jedoch im Wesentlichen in Umfangsrichtung und nicht gezielt
in vertikaler Richtung gerührt.
Wenn ein Objekt, das auf konstanter Temperatur gehalten werden soll,
in einem Behälter
(Flasche) aufgenommen und eingetaucht ist, besteht das Problem,
dass der vertikale Flüssigkeitsstrom
durch das Objekt stark behindert wird. Der Rühreffekt in einem oberen Bereich
des Bades wird verändert
und verlässt
einen vorhergesagten Bereich, die Temperaturverteilung in dem Bad
wird sehr ungleichmäßig und
es werden Temperaturunterschiede zwischen oberen und unteren Bereichen
des Bades erzeugt. Insbesondere liegt dann, wenn kein Behälter eingetaucht
ist, die Temperaturverteilung bzw. -abweichung im Bereich von 0,1°C. Ist aber
der Container eingetaucht, erreicht die Temperaturabweichung etwa
0,5°C.
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Aus
diesem Grund wird es bei dem Flüssigkeitsbad
mit dem Thermomodul angestrebt, dass immer ein gleichmäßiger Flüssigkeitsstrom
an einer Wärmeübertragungsfläche des
Thermomoduls erzeugt wird, auch wenn ein Gegenstand in das Flüssigkeitsbad
eingetaucht ist. Die Flüssigkeit
soll in dem gesamten Bad strömen
und gerührt
werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung dient der Lösung der oben beschriebenen
Probleme bei den herkömmlichen
Flüssigkeitsbädern und
hat insbesondere die Aufgabe, ein Konstanttemperaturflüssigkeitsbad
mit einem Thermomodul vorzuschlagen, bei dem Wärme zwischen einer Wärmequelle
und einer Flüssigkeit
wirksam ausgetauscht und die Temperatur der Flüssigkeit konstant gehalten
werden kann, auch wenn ein Gegenstand, dessen Temperatur gesteuert werden
soll, in das Bad eingetaucht ist. Die Temperatur soll einfach und
schnell einstellbar sein.
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Diese
Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein
Konstanttemperaturflüssigkeitsbad
vorgesehen, das ein Thermomodul zur Einstellung der Temperatur mit
Hilfe des Peltier-Effektes aufweist und die Temperatur der Flüssigkeit
in dem Bad durch eine Wärmezufuhreinrichtung einstellt.
Das Flüssigkeitsbad
umfasst ein äußeres Bad
zur Aufnahme der Flüssigkeit,
ein inneres Bad, das mit einem Spalt (Lücke) in dem äußeren Bad
angeordnet ist und an seiner Seitenwand einen Durchgang, durch den
die Flüssigkeit
von dem äußeren Bad
in das innere Bad fließt,
und an seinem zentralen Bodenbereich eine Öffnung aufweist, und ein Rührwerk,
welches die Flüssigkeit,
die von der Öffnung
im Boden des inneren Bades durch Seitenwände der inneren und äußeren Bäder fließt, mit
Hilfe eines Rotorblattes, welches an einem zentralen Bereich zwischen
dem äußeren Bad
und dem inneren Bad angeordnet ist, nach oben führt, wobei das Thermomodul der
Wärmezufuhrvorrichtung
an einer Außenfläche der
Seitenwand des äußeren Bades
angebracht ist und wobei die Temperatur der zwischen den inneren und äußeren Bädern fließenden Flüssigkeit
auf der Basis des Ausgangssignals eines Temperatursensors, der die
Temperatur der Flüssigkeit
erfasst, auf einen voreingestellten Wert gesteuert wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Durchgang
der Seitenwand des inneren Bades durch eine Vielzahl von Öffnungen
gebildet, die sich entlang des gesamten Umfangs der Seitenwand des
Innenbades öffnen. In
diesem Fall können
die Öffnungen
in einer Mehrzahl von Stufen in Vertikalrichtung der Seitenwand des
Innenbades ausgebildet sein.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
der Durchgang der Seitenwand des Innenbades an einer Überlaufkante
am oberen Ende des inneren Bades ausgebildet, welches niedriger
liegt als die Seitenwand des äußeren Bades.
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Außerdem ist
der Durchgang an der Seitenwand des inneren Bades vorzugsweise zu
einem oberen Bereich der Seitenwand, der dem Thermomodul gegenüberliegt,
verschoben. Hierdurch wird die Chance, dass die Flüssigkeit
durch das Thermomodul fließt,
erhöht.
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Die äußeren und
inneren Bäder
können
eine zylindrische Form aufweisen und konzentrisch angeordnet sein.
Das äußere Bad
kann aber auch eine polygonale Prismenform aufweisen, während das
innere Bad zylindrisch geformt ist. Zudem kann das Innenbad in der
Mitte des äußeren Bades
angeordnet sein. Die Erfindung ist jedoch auf diese Gestaltungen nicht
beschränkt.
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Wird
bei dem Flüssigkeitsbad
mit dem oben beschriebenen Aufbau das Rotorblatt des Rührwerks in
einem Zustand gedreht, in dem die Flüssigkeit in das äußere Bad
eingeführt
wird, so wird die Flüssigkeit
in dem inneren Bad durch die in dem Boden des inneren Bades ausgebildete Öffnung angesaugt,
die Flüssigkeit
wird durch das Rotorblatt gerührt,
fließt
in Umfangsrichtung, und gleichzeitig wird eine Aufwärtsströmung durch
den Spalt zwischen den Seitenwänden
der inneren und äußeren Bäder erzeugt.
Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit
ist relativ hoch. Während
die Flüssigkeit
nach oben fließt,
wird daher die Wärme
zwischen der Flüssigkeit
und dem Thermomodul wirksam ausgetauscht. Dann fließt die Flüssigkeit
durch den Durchgang in dem oberen Bereich der Seitenwand des Innenbades
in das innere Bad und dann in dem inneren Bad nach unten. Dadurch wird
die Flüssigkeit
in dem inneren Bad immer in vertikaler Richtung gerührt, und
die Temperatur der Flüssigkeit
wird effizient auf einen konstanten Wert eingestellt. Da ein Großteil der
durch das Rotorblatt gerührten Flüssigkeit
mit hoher Geschwindigkeit an dem Thermomodul vorbeitritt, wird zwischen
dem Thermomodul und der Flüssigkeit
ein effizienter Wärmeaustausch
bewirkt.
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Die
Wärme kann
zwischen der Wärmequelle und
der Flüssigkeit
wirksam ausgetauscht werden, die Temperatur der Flüssigkeit
kann zuverlässig
konstant gehalten werden, und die Temperatur der Flüssigkeit
kann einfach und schnell auf einen konstanten Wert eingestellt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung
näher erläutert. Dabei
bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale
für sich
oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Schnitt durch einen wesentlichen Bereich einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Draufsicht auf den wesentlichen Bereich der ersten Ausführungsform;
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3 ist
eine Draufsicht auf den wesentlichen Bereich einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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4 ist
ein Schnitt durch den wesentlichen Bereich einer dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Eine
der Ausführungsformen
ist für
einen Fall geeignet, bei dem ein Objekt, das die Flüssigkeitsumwälzung behindert,
in ein Bad eingetaucht wird, um die Temperatur der chemischen Flüssigkeit
einzustellen, bspw. wenn eine chemische Flüssigkeit einer MO-CVD (metallorganische
chemische Dampfablagerung)-Vorrichtung
in einem Behälter
(Flasche) aufgenommen wird. Wie in den 1 und 2 dargestellt
ist, bezeichnet das Bezugszeichen 1A ein Konstanttemperaturflüssigkeitsbad,
nachfolgend kurz als Flüssigkeitsbad
bezeichnet. Das Flüssigkeitsbad 1A umfasst
ein äußeres Bad 3 zur
Aufnahme von Flüssigkeit
in einem Gehäuse 2,
ein inneres Bad 5, das innerhalb des äußeren Bades 3 angeordnet
ist, ein Rührwerk 7 mit
einem Rotorblatt 11, das an einem zentralen Bodenbereich
zwischen dem äußeren Bad 3 und
dem inneren Bad 5 angeordnet ist, und eine Wärmezufuhrvorrichtung 9,
welche die Temperatur der zwischen den inneren und äußeren Bädern 3, 5 fließenden Flüssigkeit
auf eine eingestellte Temperatur gesteuert. Die Wärmezufuhrvorrichtung 9 weist ein
Thermomodul 31 auf, das an einer Außenfläche des äußeren Bades 3 angebracht
ist.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, sind das äußere Bad 3 und das
innere Bad 5 konzentrische zylindrische Körper mit
Boden. Eine Rotorblattkammer 12 zur Aufnahme des Rotorblattes 11 des
Rührwerkes 7 ist
zwischen den Böden 8 und 23 des äußeren Bades 3 bzw.
des inneren Bades 5 ausgebildet. Das Rotorblatt 11 ist
durch eine Durchgangsöffnung
im Boden des äußeren Bades 3 mit
einem Motor 13 verbunden. Eine Öffnung 25, durch welche
Flüssigkeit
aus dem inneren Bad 5 in die Rotorblattkammer 12 fließt, ist
in einem zentralen Bereich des Bodens 23 des inneren Bades 5 ausgebildet.
Durch diesen Aufbau fließt Flüssigkeit
zu der Rotorblattkammer 12 zwischen den Böden 8 und 23 der
inneren und äußeren Bäder 3 und 5 und
wird durch die Bewegung des Rotorblattes 11 in Umfangsrichtung
gerührt.
Zur gleichen Zeit wird Flüssigkeit
durch eine Lücke
(Spalt) 17 zwischen einer Seitenwand 15 des äußeren Bades 3 und
einer Seitenwand 19 des inneren Bades 5 nach oben
geführt.
Das Rotorblatt 11 umfasst ein Zentrifugalblatt, welches
Flüssigkeit
in zentrifugaler Richtung fließen lässt. Die
Rotation des Zentrifugalblattes bewirkt, dass die Flüssigkeit
zu dem Spalt 17 fließt,
wie es in 1 durch Pfeile angedeutet ist.
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Die
Seitenwand 19 des inneren Bades 5 liegt einer
Innenfläche
der Seitenwand 15 des äußeren Bades 3 mit
einem im Wesentlichen konstanten Spalt 17 gegenüber. Eine
Vielzahl von Öffnungen 21 ist
in dem gesamten Umfang der Seitenwand 19 an einer Vielzahl
von (in der Zeichnung 2) Höhenstufen
ausgebildet. Die Öffnungen 21 bilden
Durchgänge,
durch welche Flüssigkeit,
die in dem Spalt 17 nach oben strömt, von dem äußeren Bad 3 in
das innere Bad 5 fließt.
Die Öffnungen 21 der
Seitenwand 19 des inneren Bades 5 können gleichmäßig über den
Umfang der Seitenwand 19 vorgesehen sein. Alternativ können die Öffnungen
in höherer
Zahl an einem Bereich der Seitenwand 19 ausgebildet sein,
der dem Thermomodul 31 gegenüberliegt, oder an einem oberen Bereich
der Seitenwand. Durch diese Gestaltung wird die Chance erhöht, dass
die Flüssigkeit
um das Thermomodul 31 fließt. Hierdurch lässt sich
der Temperatureinstelleffekt verstärken.
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Der
Boden 23 des inneren Bades 5 weist eine Öffnung 25 auf,
durch welche Flüssigkeit
durch die Rotorblattkammer 12 in das äußere Bad 3 fließt.
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Die
Wärmezufuhrvorrichtung 9 umfasst
das Thermomodul 31, welches die Temperatur mit Hilfe des
Peltier-Effektes einstellt, eine Wärmeabsorptionsplatte 33,
welche Wärme
durch die Seitenwand 15 des äußeren Bades 3 zuführt, und
einen Radiatorabschnitt 35, der an der der Wärmeabsorptionsplatte 33 gegenüberliegenden
Seite vorgesehen ist. Das Thermomodul 31, die Wärmeabsorptionsplatte 33 und
der Radiatorabschnitt 35 sind aneinandergeschichtet. Ein
Temperatursensor 36, der die Temperatur der Flüssigkeit
in dem Bad erfasst, ist in dem inneren Bad 5 vorgesehen.
Das Thermomodul 31 und der Temperatur sensor 36 sind
mit einer Steuervorrichtung verbunden, welche die Flüssigkeitstemperatur
in dem Bad auf der Basis des Ausgangswertes des Temperatursensors 36 auf
eine festgelegte eingestellte Temperatur steuert. Anstelle des Temperatursensors 36 in
dem inneren Bad 5 kann auch ein Temperatursensor 37 in
dem äußeren Bad 3 vorgesehen
sein, wie es in 1 dargestellt ist.
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Bei
der ersten Ausführungsform
sind vier Thermomodule 31 der Wärmezufuhrvorrichtung 9 an der
Außenfläche der
Seitenwand 15 des äußeren Bades 3 mit
Abständen
von jeweils 90° angebracht.
Obwohl die Thermomodule 31 hier über den im Wesentlichen gesamten
vertikalen Bereich der Seitenwand angebracht sind, kann die Anordnung
auch entsprechend den Temperatureinstellbedingungen angepasst werden.
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Wenn
das Flüssigkeitsbad 1A mit
dem oben beschriebenen Aufbau in einer MO-CVD-Vorrichtung eingesetzt wird, wird üblicherweise
eine Flüssigkeit auf
Fluorbasis als die chemische Flüssigkeit,
die die Temperatur der Flüssigkeit
auf einen konstanten Wert einstellt, eingesetzt und dem äußeren Bad 3 zugeführt.
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Wird
die Wärmezufuhrvorrichtung 9 betrieben
und das Rotorblatt 11 durch den Motor 13 gedreht,
wobei die Temperatur der Thermomodule 31 gesteuert wird,
wird die Flüssigkeit
in dem inneren Bad durch die in dem Boden 23 des inneren
Bades 5 ausgebildete Öffnung 25 in
die Rotorblattkammer 12 gesaugt. Die aus der Rotorblattkammer 12 austretende
Flüssigkeit
wird in Umfangsrichtung gerührt,
und gleichzeitig wird eine Aufwärtsströmung durch
den Spalt 17 erzeugt. Da diese Flüssigkeitsströmung relativ
schnell ist, wird die Wärme
wirksam mit den Thermomodulen 31 getauscht, während die
Flüssigkeit
nach oben strömt.
Dann tritt die Flüssigkeit
durch die Vielzahl von Öffnungen 21,
die in der Seitenwand 19 des inneren Bades 5 ausgebildet
sind, fließt
in das innere Bad 5 und in diesem nach unten. Die Flüssigkeit
fließt
dann erneut durch die Öffnung 25 in
der Bodenplatte des inneren Bades 5 in die Rotorblattkammer 12.
Ein Flüssig keitsstrom,
der durch das äußere Bad 3 und
das innere Bad 5 zirkuliert, wird gebildet, wie er durch
die Pfeile in 1 angedeutet ist. Durch den
zirkulierenden Flüssigkeitsstrom
wird ein konstanter Wärmetausch
erreicht. Die Flüssigkeitstemperatur
in dem Bad wird auf einen konstanten Wert eingestellt.
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Auch
wenn die Flasche 38 mit chemischer Flüssigkeit, deren Temperatur
gesteuert werden soll, in das innere Bad 5 eingetaucht
wird, wird die Flüssigkeit
in dem inneren Bad 5 immer in vertikaler Richtung gerührt und
die Temperatur der Flüssigkeit
wird effizient auf den konstanten Wert eingestellt. Da außerdem ein
Großteil
der durch das Rotorblatt 11 gerührten Flüssigkeit in der Nähe der Thermomodule 31 mit
hoher Geschwindigkeit fließt,
wenn die Flüssigkeit
durch den Spalt 17 nach oben strömt, wird außerdem ein wirksamer Wärmetausch
zwischen den Thermomodulen 31 und der Flüssigkeit
gewährleistet.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Ein Konstanttemperaturflüssigkeitsbad 1B gemäß der zweiten
Ausführungsform unterscheidet
sich von dem Konstanttemperaturflüssigkeitsbad 1A der
ersten Ausführungsform
in der Gestaltung des äußeren Bades.
Das äußere Bad 43 der
zweiten Ausführungsform
ist ein gleichmäßig oktagonales
Prisma, und Wärmezufuhrvorrichtungen 49 sind
jeweils abwechselnd an vier der acht Oberflächen der Außenwand vorgesehen. Der übrige Aufbau,
die Betriebs- und Wirkungsweise sind die gleiche wie bei der ersten
Ausführungsform,
so dass sie nicht erneut erläutert
werden müssen.
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4 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Konstanttemperaturflüssigkeitsbad 1C der
dritten Ausführungsform
unterscheidet sich von dem Konstanttemperaturflüssigkeitsbad 1A der
ersten Ausführungsform
hinsichtlich der Gestaltung des inneren Bades. Bei der dritten Ausführungsform
ist das innere Bad 45 ein zylindrischer Körper mit
Boden. Eine Seitenwand 59 des inneren Bades 45 ist
niedriger als eine Seitenwand 55 eines äußeren Bades 53. Eine
Umfangskante des oberen Endes des inneren Bades 45 ist
als Überlaufkante 45a ausgebildet.
Ein Durchgang, durch den Flüssigkeit
von dem äußeren Bad 53 in
das innere Bad 45 fließt,
wird oberhalb der Überlaufkante 45a gebildet.
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Die
Höhe der Überlaufkante 45a kann
teilweise variiert werden. So kann ein oberer Bereich der Überlaufkante 45a,
der dem Thermomodul 31 gegenüberliegt, eine geringere Höhe aufweisen,
so dass die Chance, dass die Flüssigkeit
in der Nähe
des Thermomoduls 31 fließt, erhöht wird. Dies verbessert den
Temperatureinstelleffekt.
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Der übrige Aufbau,
die Betriebs- und Wirkungsweise dieser Ausführungsform sind wiederum die
gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
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Das äußere Bad
ist bei sämtlichen
Ausführungsformen
nicht auf den zylindrischen Körper
oder das gleichmäßig oktagonale
Prisma beschränkt.
Vielmehr können
auch andere Prismenformen, bspw. ein gleichmäßig rechteckiges Prisma oder
ein gleichmäßig hexagonales
Prisma eingesetzt werden.