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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer dielektrischen Barriere-Entladungslampe
mit einem ein Entladungsmedium umfassenden rohrförmigen
Entladungsgefäß.
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Diese
Art von Entladungslampen weist typischerweise eine erste längliche
Elektrode auf, die in der Längsachse des rohrförmigen
Entladungsgefäßes angeordnet ist – im
Folgenden auch Innenelektrode genannt –, sowie eine zweite
längliche Elektrode, die üblicherweise auf der
Außenseite des rohrförmigen Entladungsgefäßes
angeordnet ist – im Folgenden auch Außenelektrode
genannt. Die Innenelektrode ist beispielsweise stab-, rohr- oder
wendelförmig. Bei der Ausgestaltung der Außenelektrode
ist zu beachten, dass ausreichend Nutzstrahlung nach Außen
treten kann. Die Außenelektrode besteht deshalb typischerweise
aus einer Mehrzahl dünner Streifen, die parallel zur Längsachse
angeordnet sind, einem weitmaschigen Drahtnetz oder auch einer transparenten
elektrisch leitenden Schicht.
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Falls
die Innenelektrode in direktem Kontakt mit dem Entladungsmedium
steht, handelt es sich um eine einseitig dielektrisch behinderte
Entladung, da dann nur die Außenelektrode durch die Wand
des Entladungsgefäßes dielektrisch behindert ist.
Falls die Innenelektrode ebenfalls durch ein Dielektrikum von dem
Entladungsmedium getrennt ist, handelt es sich um eine zweiseitig
dielektrisch behinderte Entladung. Dies kann beispielsweise dadurch
realisiert sein, dass die Innenelektrode inner halb eines Innenrohrs
angeordnet ist. Das Innenrohr ist koaxial innerhalb des rohrförmigen
Entladungsgefäßes angeordnet. Mit anderen Worten
weist das Entladungsgefäß in dieser so genannten
koaxialen Doppelrohranordnung ein innerhalb eines Außenrohrs
koaxial angeordnetes Innenrohr auf, wobei beide Rohre zumindest
an einer ihrer beiden Stirnseiten miteinander verbunden sind und
so das gasdichte Entladungsgefäß bilden. Der vom
Entladungsgefäß umschlossene Entladungsraum erstreckt
sich in diesem Fall also ringspaltförmig zwischen Innen-
und Außenrohr.
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In
jedem Fall ist für einen effizienten Lampenbetrieb eine
konstante Schlagweite zwischen Außen- und Innenelektrode
längs der rohrförmigen dielektrischen Barriere-Entladungslampe
sicher zu stellen, um – entlang der Lampenlängsachse
und des Lampenumfangs betrachtet – eine gleichförmige
Entladung und folglich Strahlungsdichte zu erreichen. Deshalb muss
die Innenelektrode und gegebenenfalls das Innenrohr radial möglichst
zentrisch innerhalb des Außenrohrs, d. h. koaxial zu dessen
Längsachse, angeordnet sein. Insbesondere bei langen Lampen,
typisch länger als 500 mm, besteht zudem das Problem des
Durchhängens der Innenelektrode bzw. gegebenenfalls des
Innenrohrs, da letzteres naturgemäß einen kleineren
Durchmesser hat als das Außenrohr. Im Extremfall kann dies,
beispielsweise beim Transport, zur Beschädigung der Lampe
führen.
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Anwendung
findet dieser Lampentyp insbesondere für die Ultraviolett(UV)-Bestrahlung
in der Prozesstechnik, beispielsweise für die Oberflächenreinigung
und -aktivierung, Photolytik, Ozonerzeugung, Trinkwasserreinigung,
Metallisierung, und UV-Härten. In diesem Zusammen hang ist
auch die Bezeichnung Strahler oder UV-Strahler gebräuchlich.
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Stand der Technik
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In
der Schrift
EP 1 147
535 B1 ist eine einseitig dielektrisch behinderte Entladungslampe
offenbart. Dabei ist eine erste wendelförmige Innenelektrode
6 auf
ein Innenrohr
9 gewickelt (siehe dort
1).
Das Innenrohr
9 ist koaxial innerhalb eines Außenrohres
3 angeordnet,
auf dessen Außenseite streifenförmige Außenelektroden
7 parallel
zueinander und mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Zur Stützung
des Innenrohrs
9 wird beispielsweise eine Haltescheibe
15 vorgeschlagen,
die über die Innenelektrode
6 geschoben ist. Über
eine an sich notwendige Befestigung der Haltescheibe
15 an
der Innenseite des Außenrohres
3 findet sich keine
Offenbarung.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine rohrförmige
dielektrische Barrieren-Entladungslampe mit einer verbesserten Halterung
für die Innenelektrode bzw. gegebenenfalls das die Innenelektrode
umgebende Innenrohr anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine dielektrische Barrieren-Entladungslampe
mit einem Entladungsgefäß, das ein Außenrohr
aufweist, welches einen mit einem Entladungsmedium gefüllten
Entladungsraum umschließt, einer Außenelektrode,
die auf der Außenseite des Außenrohrs angeordnet
ist, einer länglichen Innenelektrode, die innerhalb des Außenrohrs
axial angeordnet ist, zumindest einem Zentrierelement mit einer
axialen Öffnung, durch die hindurch die längliche
Innenelektrode verläuft, wobei sich das Zentrierelement
im wesentlichen von der Innenelektrode bis zur Innenseite des Außenrohrs
erstreckt, wodurch die Innenelektrode zumindest mittelbar innerhalb
des Entladungsgefäßes zentriert ist, wobei das
Zentrierelement mittels eines Stützmittels lose gestützt
ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützmittel im wesentlichen
durch einen radial in Richtung der Innenelektrode ausgeformten Teil
der Wand des Außenrohrs gebildet ist.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Zentrierelement, beispielsweise
eine Zentrierscheibe, für die Zentrierung der Innenelektrode bzw.
gegebenenfalls des Innenrohrs mit darin befindlicher Innenelektrode
nicht fest mit dem Entladungsgefäß zu verbinden
sondern mit Hilfe eines geeigneten Stützmittels nur lose
zu stützen, um dadurch ein Verrutschen des Zentrierelements
entlang der Lampenlängsachse zuverlässig zu verhindern.
Als Stützmittel ist erfindungsgemäß vorgesehen,
einen Teil der Wand des Außenrohrs radial in Richtung der
Innenelektrode auszuformen. Diese Ausformung ragt dabei derart in
das Innere des Entladungsgefäß, das sie das Zentrierelement
lose stützt.
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Dabei
kann die lose Stützung unter Umständen auch nur
einseitig erfolgen, nämlich beispielsweise wenn das Zentrierelement
relativ nahe an einem Ende des rohrförmigen Entladungsgefäßes
angeordnet ist. Dann reicht es mögli cherweise aus, wenn
dieses Zentrierelement nur gegen ein Verrutschen in Richtung zur
Gefäßmitte gesichert ist.
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Wichtig
ist jedenfalls, dass das Zentrierelement nicht mit der Entladungsgefäßwand
bzw. den Ausformungen verklemmt ist. Es hat sich nämlich
gezeigt, dass eine starre Verbindung zwischen Zentrierelement und
Entladungsgefäß einige Nachteile hat. Zum einen
breiten sich Spannungen und/oder Risse in einem Zentrierelement,
die entweder bereits bei der Herstellung des Zentrierelements oder
im Verlaufe des Lampenbetriebs durch Solarisation entstehen, auf
das Entladungsgefäß aus und können zu
dessen mechanischer Zerstörung führen. Dies ist
insbesondere bei hohen elektrischen Leistungsdichten, beispielsweise
von mehr als 150 W oder gar mehr als 500 W pro Meter Strahlerlänge,
ein Problem, da dann die Solarisation aufgrund des sehr hohen UV-
bzw. Vakuumultraviolett(VUV)-Strahlungsflusses besonders ausgeprägt
ist. Außerdem verformt sich das Entladungsgefäß beim
direkten Verschweißen mit dem Zentrierelement. An der Verbindungsstelle
ist das Material des Entladungsgefäßes, das wegen
der erforderlich guten Transparenz für elektromagnetische Strahlung
im UV-Bereich üblicherweise aus Quarzglas besteht, geschwächt.
Bei mechanischer Belastung, beispielsweise durch Stöße
beim Transport oder durch Schwingungen beim Betrieb der Entladungslampe,
wirkt diese lokale Schwächung des Quarzglases wie eine
Sollbruchstelle, was schlussendlich zum Bruch des Entladungsgefäßes
führen kann. Auch der Versuch des Anpunktens des Zentrierelements
am Außen- oder, sofern vorhanden, am Innenrohr des Entladungsgefäßes
hat zu keinen befriedigenden Ergebnissen geführt. Zwar
lassen sich durch das Anpunkten die Beeinträchtigungen
des Ent ladungsgefäßes in akzeptablen Grenzen halten. Allerdings
lösen sich die Schweißpunkte bei Belastung, so
dass eine dauerhafte Befestigung des Zentrierelements durch Anpunkten
nicht gewährleistet ist. Durch die erfindungsgemäße
lose Stützung hingegen erhöht sich die Lebensdauer
der Lampen bei hoher Leistung und damit hoher VUV-Belastung erfahrungsgemäß signifikant,
nämlich um mindestens den Faktor 2–3.
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Die
Art der Ausformung richtet sich unter anderem nach der konkreten
Form des Zentrierelements und kann insbesondere auch mehrteilig
sein. Um einerseits eine zwar lose aber ausreichende Stützung
zu erreichen, andererseits das Entladungsgefäß nur
soweit wie nötig zu verformen ist es vorteilhaft die Ausformung
nur lokal vorzunehmen, beispielsweise in Form einer oder mehrerer
sich konisch in Richtung zur Innenelektrode verjüngender,
in etwa kegelstumpfförmiger Noppen. Zur Ausbildung der Noppen
wird das Außenrohr punktuell erwärmt und mit einer
Nadel vorsichtig nach Innen gedrückt. Bei Bedarf kann auch
zusätzliches Gefäßmaterial auf das Außenrohr
aufgebracht und so zu einem Noppen mitgeformt werden. Alternative
kann die Ausformung auch durch eine in Richtung des Umfanges längliche, in
etwa wulstartige Verformung des Außenrohrs erfolgen. Die
wulstartige Vertiefung kann sich prinzipiell auch über
den gesamten Umfang des Außenrohres erstrecken. Allerdings
bleibt das Außenrohr glatter und verzieht sich nicht, wenn
die Stützung des Zentrierelements anhand der eingangs erläuterten
Noppen erfolgt.
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Das
Zentrierelement selbst kann beispielsweise scheibenförmig
ausgebildet sein. Wichtig ist, dass der Durchmesser einer derartigen
Zentrierscheibe etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Außenrohrs,
um ein Verklemmen der Zentrierscheibe und folglich die damit einhergehenden
Probleme wie bei einer starren Verbindung (siehe oben) zu vermeiden.
In der Mitte der Zentrierscheibe befindet sich ein Loch, durch das
die Innenelektrode bzw. gegebenenfalls das Innenrohr geführt
wird. Falls ein Verrutschen der Zentrierscheibe in beide Richtungen längs
der Achse verhindert werden soll, ist mindestens je eine Noppe vor
und hinter der Zentrierscheibe erforderlich. Die Zahl der Noppen
beträgt in diesem Fall also mindestens zwei, vorzugsweise
sechs, die in drei Gruppen paarweise vis-a-vis angeordnet sind, da
drei Fixierungen eine ebene Position optimal bestimmen. Allerdings
kann unter Umständen auch ein einzelner Noppen ausreichend
sein, wenn die Position nur in einer Richtung begrenzt werden soll.
Für eine beidseitige Sicherung der Zentrierscheibe der Dicke
D gegen Verrutschen kann der ungefähre Mindestabstand dmin der Noppen durch folgende Formel abgeschätzt
werden: dmin = D·xmit
x = 0,6 bis 7, vorzugsweise x = 4.
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Außerdem
wird die Noppentiefe passend zum Noppenabstand so gewählt,
dass sich die Zentrierscheibe noch frei und ohne Verklemmen bewegen
kann, typisch ein bis einige wenige Millimeter.
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Um
eine ausreichende Gasverteilung innerhalb des Entladungsgefäßes
zu ermöglichen, ist die Zentrierscheibe, außer
mit der zentralen Bohrung für die Innenelektrode bzw. das
Innenrohr, bevorzugt mit mindestens einer weiteren Öffnung,
beispielsweise Bohrung versehen. Diese Öffnungen können
auch so groß sein, dass das Zentrierelement in der Art
eines Rades mit Speichen ausgebildet ist. Im Prinzip reicht auch
eine Art Stern mit mindestens drei Armen aus, d. h. dass im Bild
des Rades betrachtet auf die Felge verzichtet werden kann und nur
mindestens drei Speichen samt Nabe als Zentrierelement dienen. Die Zentrierspeichen
sind dann vorzugsweise rohrförmig ausgebildet, so dass
je eine passende Noppe in das Ende jeder rohrförmigen Zentrierspeiche
lose hineingreifen kann.
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Da
das Zentrierelement jedenfalls nicht mehr starr mit dem Außenrohr
verbunden wird, muss es nicht mehr aus dem gleichen Material wie
das Außenrohr, üblicherweise Quarzglas, bestehen.
Vielmehr kann es auch aus einem anderen Material, z. B. Keramik,
bestehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1a eine
Teillängsschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen dielektrischen Barriere-Entladungslampe,
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1b eine
vereinfachte Querschnittsdarstellung der Lampe aus 1a,
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2 eine
vereinfachte Querschnittsdarstellung einer Variante der Lampe aus 1a,
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3 eine
Teillängsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen dielektrischen Barriere-Entladungslampe,
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4 eine
vereinfachte Querschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
mit alternativer Ausführung für das Zentrierelement.
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Bevorzugte Ausführung
der Erfindung
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In
den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
1a und
1b zeigen
in stark schematisierter Darstellung eine Teillängsschnitt-
bzw. eine vereinfachte Querschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen dielelektrischen Barriere-Entladungslampe.
In der vereinfachten Querschnittdarstellung sind der Einfachheit
halber nur die für die Zentrierung der Innenelektrode wesentlichen
Elemente dargestellt. Die dielelektrische Barriere-Entladungslampe
ist für Leistungsdichten von typisch einigen Hundert Watt,
insbesondere ca. 500 W pro Meter Lampenlänge vorgesehen.
Es handelt sich hierbei um einen UV-Strahler von dem in der eingangs
erwähnten
EP
1 147 535 B1 offenbarten einseitig dielektrisch behinderten
Typ. Im Folgenden sind die Erläuterungen im wesentlichen auf
die Zentrierung der Innenelektrode konzentriert. Weitere Details
des Strahlers können der
EP 1 147 535 B1 sowie der darin in Bezug
genommenen
DE 196
36 965 A1 entnommen werden.
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Der
in den 1a, 1b ausschnittsweise gezeigte
Strahler weist unter anderem ein an beiden Enden verschlossenes
Außenrohr 1 als Entladungsgefäß auf
sowie eine Zentrierscheibe 2, die innerhalb des Außenrohres 1 mit
Hilfe von sechs Noppen 3, je drei auf beiden Seiten der
Zentrierscheibe und im gegenseitigen Winkelabstand von ca. 120°, befestigt ist.
Bei den Noppen 3 handelt es sich um radiale in das Entladungsgefäß hineinragende
und sich konisch verjüngende, in etwa kegelstumpfförmige
Verformungen der Entladungsgefäßwand. Die Tiefe
der Noppen beträgt ca. 1–2 mm. Dazu wird das Außenrohr 1,
dessen Durchmesser ca. 40 mm beträgt, an den entsprechenden
Stellen erwärmt und mit einer Metallnadel nach Innen gedrückt.
Dann wird die Zentrierscheibe 2 in das Außenrohr 1 eingebaut,
gegen Umfallen gesichert und dann auf der anderen Seite der Zentrierscheibe 2 das
Verfahren wiederholt. Dabei wird die zweite Reihe Noppen so positioniert, dass
die Zentrierscheibe 2 zwar nicht mehr verrutschen kann,
aber auch nicht verklemmt ist. Auf diese Weise kann sich die Zentrierscheibe 2 bei
thermischen Wechseln dehnen, ohne das Außenrohr zu sprengen.
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Der
Durchmesser der Zentrierscheibe 2 ist etwas kleiner als
der Innendurchmesser des Außenrohrs 1, d. h. es
bleibt ein umlaufender Spalt 13. Außerdem ist
die Zentrierscheibe 2 durch die Noppen 3 nur lose
gestützt. Dadurch kann sich die Zentrierscheibe 2 relativ
frei bewegen bzw. bei Temperaturänderungen ausdehnen. Folglich
können sich Risse aus der Zentrierscheibe 2 nicht
bis in die Wand des Außenrohrs 1 fortsetzen und
Dehnungen im Außenrohrs 1 bzw. der Zentrierscheibe 2 die
Konstruktion nicht durch übermäßige Spannungen
zerstören. Die Funktion der Zentrierscheibe 2 ist
es, eine wendelförmige Innenelektrode 9, in dieser
Ausführung um einen Haltestab 8 gewickelt, axial
innerhalb Außenrohrs 1 des Strahlers zu halten
und mechanisch zu unterstützen. Zu diesem Zweck weist die
Zentrierscheibe 2 eine zentrische Bohrung 4 auf,
durch die die Innenelektrode 9 hindurch ragt. Außerdem
ist in der Bohrung 4 der Zentrierscheibe 2 ein
kurzer Abschnitt eines Innenrohrs 11 eingesetzt, das die
Innenelektrode 9 an dieser Stelle umgibt und gegen das sich
die Zentrierscheibe 2 abstützt. Darüber
hinaus weist die Zentrierscheibe 2 sechs weitere Bohrungen 5 auf,
die den Gasaustausch zwischen den Abschnitten des Entladungsraums 7 links
und rechts der Zentrierscheibe 2 erleichtern. Auf der Außenwand
des Außenrohrs 1 ist eine Außenelektrode 6 aus
längs der Strahlerachse aufgebrachten dünnen Metallstreifen
angeordnet.
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Das
Entladungsgefäß des Strahlers umschließt
ein Entladungsvolumen 7 der Lampe, in dem sich ein Edelgas,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel Xenon, oder eine Gasmischung
befindet. Damit lässt sich zwischen Innen- 9 und
Außenelektrode 6 eine dielektrische Barrieren-Entladung
zünden, die zur Erzeugung von UV-Strahlung dient. Das Entladungsgefäß besteht
vorzugsweise aus Quarzglas oder einem anderen für die Nutzstrahlung
transparenten bzw. transluzenten Dielektrikum.
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Die 2 zeigt
eine vereinfachte Querschnittdarstellung einer Variante der Lampe
aus 1a, bei der das Befestigungsmittel für
die Zentrierscheibe 2 nicht wie in 1a als
Noppen sondern als insgesamt sechs längliche Wulste 10 ausgebildet
ist. Dazu wurde das Außenrohr 1 an den entsprechenden
Stellen erwärmt und mit Hilfe eines wulstartig geformten
Stempels nach Innen gedrückt. Alternativ kann auch auf
beiden Seiten der Zentrierscheibe 2 je ein komplett umlaufender
Wulst vorgesehen sein (nicht dargestellt).
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
dielektrischen Barriere-Entladungslampe in einem schematischen Teillängsschnitt
dargestellt. Hier handelt sich um einen UV-Strahler vom beidseitig
dielektrisch behinderten Typ. Dieser Strahler besteht aus zwei ineinander koaxial
angeordneten Rohren aus einem transparenten bzw. transluzenten Dielektrikum,
vorzugsweise Quarzglas. Zwischen dem Außenrohr 1 und
dem Innenrohr 15 ist das Entladungsvolumen 7 eingeschlossen.
Hierzu sind die beiden Rohre an ihren jeweiligen Enden miteinander
gasdicht verbunden (nicht dargestellt). Auf der Innenseite des Innenrohrs 15 ist
eine rohrförmige Innenelektrode 14 und auf der Außenseite
des Außenrohrs 1 ist eine netzartige Außenelektrode 12 montiert.
Die netzartige Ausbildung der Außenelektrode 12 dient
dem Zweck, die im Entladungsvolumen 7 erzeugte Strahlung
nach Außen dringen zu lassen. Die Ausbildung des Zentrierelements
als Zentrierscheibe 2 sowie des Stützmittels als
Noppen 3 entsprechen hingegen im wesentlichen denen des
in den 1a, 1b gezeigten
Ausführungsbeispiels, so dass sich weitere Erläuterungen hierzu
erübrigen. Die dortigen Ausführungen hinsichtlich
der Vorteile der losen Stützung gelten hier selbstverständlich
entsprechend.
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Die 4 zeigt
in einer vereinfachten schematischen Querschnittdarstellung ein
Außenrohr 1 mit einer alternativen Ausführung
für das Zentrierelement. Der Einfachheit halber sind auch
hier nur die für die Zentrierung der Innenelektrode wesentlichen Elemente
dargestellt. Bei dem Zentrierelement handelt es sich in diesem Fall
nicht wie zuvor um eine Scheibe, sondern ein Gebilde 18 aus
vier Rohrabschnitten 16, 17. Dieses Gebilde 18 umfasst
ein axiales Innenrohr 16, das nach der komplettierten Montage
des Strahlers die Innenelektrode hält, und drei daran radial
angesetzte Rohre 17. Je eine Noppe 3 drückt
in das offene Ende jeweils einer der drei radialen Rohre 17 und
stützt so das Gebilde 18 lose gegen Verrutschen
im Außenrohr 1. Zwar sind drei radiale Rohre für
eine Zentrierung ausreichend, allerdings können auch mehr
als drei radiale Rohre verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1147535
B1 [0006, 0025, 0025]
- - DE 19636965 A1 [0025]