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Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung zur Temperierung eines Probenmediums in einem chemischen Analysegerät, mit einem Aufnahmerohr, und mit mindestens einer Temperiermittelführeinrichtung, wobei das Aufnahmerohr zur Aufnahme eines das Probenmedium führenden Injektorrohres ausgebildet ist, wobei die Temperiermittelführeinrichtung mindestens ein Volumen mit mindestens einer Temperiermittelzuleitung aufweist, und wobei das Aufnahmerohr zumindest teilweise innerhalb des Volumens der Temperiermittelführeinrichtung verläuft, so dass das Aufnahmerohr mit einem Temperiermittel umspülbar ist.
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Temperiereinrichtungen für chemische Analysegeräte sind im Stand der Technik in einer Vielzahl von Ausgestaltungen bekannt. Zur Analyse von Bestandteilen eines Stoffes oder eines Stoffgemisches wird eine Stoffprobe mittels eines Injektors in eine Trennsäule geleitet und strömt anschließend mit dem über den Trägergasanschluss eingeleiteten Trägergas durch die Trennsäule. Die unterschiedlichen Bestandteile des dann in der Gasphase befindlichen Stoffgemisches wechselwirken unterschiedlich stark mit hier nicht näher erläuterten Bestandteilen der Trennsäule und zeichnen sich so durch verschiedene Durchgangszeiten durch die Trennsäule aus. Diese charakteristischen Retentionszeiten sind mit einem am Ausgang der Trennsäule angeschlossenen Detektor bestimmbar. Mit einer Wiedergabeeinrichtung können diese Zeiten und die Menge der Substanz grafisch dargestellt und mit Standardsubstanzen verglichen werden.
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Bei der Gaschromatographie werden üblicherweise bestimmte Temperaturprofile – von niedrigen zu höheren Temperaturen – gefahren, um die Trennung der verschiedenen Stoffbestandteile voneinander zu beschleunigen und die Retentionszeit von erst bei höheren Temperaturen siedenden Stoffbestandteilen zu verkürzen. Das Temperaturprofil muss exakt reproduzierbar sein, um ein zuverlässiges Analyseergebnis zu erhalten. Bei der Kaltaufgabetechnik, die auch unter programmed temperature vaporizing (PTV) bekannt ist, werden die zu analysierenden Substanzen in ein Injektorrohr eingegeben. Als zu analysierende Substanzen sind sowohl die Analyten unmittelbar als auch Mischungen aus Analyten und mindestens einem Lösungsmittel vorgesehen. Die Temperatur des Injektorrohrs hat zu Beginn des Prozesses eine Temperatur, die unterhalb der Siedetemperatur des Lösungsmittels der zu analysierenden Substanz liegt. Anschließend wird das Injektorrohr aufgeheizt, so dass zunächst das Lösungsmittel verdampft und anschließend die Analyten in die Trennsäule gelangen. Das Temperaturprogramm ist abhängig von der zu analysierenden Substanz und kann beispielsweise eine Aufheizung von 25°C auf 400°C innerhalb von 40 s umfassen. Um verschiedene Temperaturprogramme erzeugen zu können, wird das Injektorrohr mit einer Temperiereinrichtung temperiert.
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Die
DE 101 30 382 offenbart einen temperaturgesteuerten Injektor für ein chemisches Analysegerät, bei dem eine Temperierung des Injektorrohres einerseits über eine bifilar oder mäanderartig auf einem Aufnahmerohr befestigte Rohrleitung erfolgt, indem die Rohrleitung beispielsweise von einem Kühlmittel durchströmt wird. Andererseits kann das Aufnahmerohr mit einem Kühlmittel, vorzugsweise flüssiger Stickstoff oder flüssiges Kohlendioxid, unmittelbar umspült werden, indem der Zwischenraum zwischen einem Isolierblock und dem Aufnahmerohr von dem verflüssigten Kühlmittel durchströmt wird, wobei es anschließend als Gas aus dem Injektor in die Umgebung, z. B. zumindest teilweise in einen Ofen, entweicht.
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Eine Temperiereinrichtung für die Gaschromatographie offenbart die
WO 2006/127455 A2 . Die
US 6,248,997 B1 zeigt die Analyse eines Gasstroms mit einem von einer Heizeinrichtung umgebenen Aufgaberohr. Aus der
US 5,954,862 A ist eine gasanalysevorrichtung bekannt mit einer Probenaufgabevorrichtung, die ihrerseits eine Temperiermittelführeinrichtung und eine Heizeinrichtung umfasst. Die
DE 195 20 715 C1 zeigt eine Temperiervorrichtung für eine gaschromatographische Überführungsleitung. Schließlich offenbart die
WO 2010/040619 A1 eine Probenaufgabeeinrichtung, die eine elektrisch beheizbare Baugruppe umfasst.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Temperiereinrichtung anzugeben, die eine große Temperaturspanne bei hohen Temperaturänderungsraten zur Verfügung stellt.
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Die vorgenannte Aufgabe ist gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass die Temperiermittelführeinrichtung mindestens eine Temperiermittelableitung aufweist, dass die Temperiermittelführeinrichtung Teil eines geschlossenen Temperiermittelkreislaufs ist und dass die Temperiermittelführeinrichtung stoffschlüssig am Aufnahmerohr befestigt ist.. Das Aufnahmerohr verläuft folglich zumindest teilweise innerhalb des Volumens der Temperiermittelführeinrichtung, so dass das Aufnahmerohr, insbesondere die Oberfläche des Aufnahmerohrs, von einem Temperiermittel umspülbar ist. Das Volumen der Temperiermittelführeinrichtung umgibt das Aufnahmerohr dabei bevorzugt derart, dass innerhalb des Volumens ein Strömungspfad für das Temperiermittel realisierbar ist, dessen Länge der kürzesten Entfernung zwischen Temperiermittelzuleitung und Temperiermittelableitung entspricht. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die kürzeste Entfernung zwischen Temperiermittelzuleitung und Temperiermittelableitung geringfügig verlängern kann, wenn das Aufnahmerohr durch das Temperiermittel umströmt werden muss.
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Die erfindungsgemäße Temperiereinrichtung weist den Vorteil auf, dass durch den geschlossenen Temperiermittelkreislauf auf flüssige Kühlmittel, beispielsweise flüssigen Stickstoff, verzichtet werden kann. Ein bevorzugter Temperaturbereich, der etwa zwischen 22°C und –30°C liegt, kann dabei besonders zuverlässig abgedeckt werden, wodurch sich die Temperiereinrichtung insbesondere für die Gasanalytik eignet.
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Die Temperiermittelführeinrichtung ist vorzugsweise derart angeordnet, dass das Volumen parallel zur Längserstreckung des Aufnahmerohres ausgerichtet ist. Das Volumen kann zur Temperierung des Aufnahmerohrs vollständig mit einem Temperiermittel, das in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, gefüllt werden, so dass das Aufnahmerohr auf der gesamten Länge der Temperiermittelführeinrichtung von dem Temperiermittel umgeben ist.
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Die Temperiermittelzuleitung und die Temperiermittelableitung dienen zum Anschluss der Temperiermittelführeinrichtung an den geschlossenen Temperiermittelkreislauf. Das Temperiermittel wird über die Temperiermittelzuleitung in das Volumen der Temperiermittelführeinrichtung hineingeführt, umströmt das Aufnahmerohr und tritt über die Temperiermittelableitung wieder aus der Temperiermittelführeinrichtung hinaus, beispielsweise um in einer Kühleinrichtung erneut gekühlt zu werden.
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Als Temperiermittel sind sämtliche Fluide denkbar, die als Heizmedium oder als Kühlmedium in einem geschlossenen Kreislauf verwendbar sind. Besonders vorteilhaft eignet sich die Temperiereinrichtung zur Kühlung, wobei verschiedene – im Stand der Technik bekannte – Kältemittel verwendet werden. Die Wärmeübertragung zwischen dem Temperiermittel und dem Aufnahmerohr erfolgt vorzugsweise durch Konvektion.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Aufnahmerohr vollständig von der Temperiermittelführeinrichtung umgeben ist, wobei lediglich die zum Anschluss und zur Befestigung erforderlichen Übergangsbereiche am Anfang und am Ende des Aufnahmerohrs nicht von der Temperiermittelführeinrichtung umschlossen sind und aus dieser herausragen. Das Aufnahmerohr ist vorzugsweise zur Aufnahme eines das Probenmedium führenden Injektorrohrs eines chemischen Analysegeräts, insbesondere eines Injektorrohrs für einen Gaschromatographen, geeignet. Eine Temperiereinrichtung mit eingesetztem Injektorrohr wird auch als Injektor bezeichnet.
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Die Oberfläche des Aufnahmerohrs ist durch die umschließend angeordnete Temperiermittelführeinrichtung mit einem Temperiermittel vorzugsweise vollflächig beaufschlagbar, so dass ein guter Wärmeübergang zwischen dem Temperiermittel und dem Aufnahmerohr erfolgen kann. Vollflächig bedeutet dabei, dass das Temperiermittel in der Temperiermittelführeinrichtung das Aufnahmerohr radial und auch entlang der gesamten Längserstreckung der Temperiermittelführeinrichtung nahezu vollständig umspült. Vorgesehen sind auch Einbauten zwischen dem Aufnahmerohr und der Temperiermittelführeinrichtung, die parallel zur Längserstreckung des Aufnahmerohrs orientiert sind und zur Führung des Temperiermittels dienen.
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Die erfindungsgemäße Temperiereinrichtung weist den Vorteil auf, dass aufgrund des unmittelbaren Kontakts zwischen Temperiermittel und dem Aufnahmerohr ein guter Wärmeübergang realisiert wird, der ein Temperieren des im Aufnahmerohr geführten Probenmediums – und somit der zu analysierenden Substanz – mit hohen Temperaturänderungsraten ermöglicht. Das Probenmedium kann vom Aufnahmerohr entweder direkt oder mittelbar durch ein in dem Aufnahmerohr gehaltenes Injektorrohr geleitet werden. Ferner ist die Temperatur der Temperiereinrichtung auf nahezu jede beliebige Temperatur einstellbar, wodurch eine große Temperaturspanne erreicht wird. Aufgrund des geschlossenen Kreislaufs wird das Temperiermittel nicht verbraucht. Die erfindungsgemäße Temperiereinrichtung weist ein besonderes agiles Temperaturwechselverhalten auf, so dass sowohl sehr niedrige Temperaturen als auch erhöhte Temperaturen mit hohen Temperaturänderungsraten erreicht werden können. Durch eine große Temperaturspanne können nahezu alle Anwendungen abgedeckt werden.
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Um eine besonders effektive Temperierung zu realisieren, ist gemäß einer ersten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Temperiermittelführeinrichtung das Aufnahmerohr koaxial umgibt, so dass ein Ringspalt zur Führung des Temperiermittels zwischen dem Aufnahmerohr und der Temperiermittelführeinrichtung ausgebildet ist. Sowohl die Temperiermittelführeinrichtung als auch das Aufnahmerohr umfassen wenigstens einen kreisrundes Rohrabschnitt, wobei der Durchmesser der Temperiermittelführeinrichtung größer ist als der Durchmesser des Aufnahmerohrs. Dadurch verbleibt von dem Volumen der Temperiermittelführeinrichtung ein Ringspalt zwischen dem Aufnahmerohr und der Temperiermittelführeinrichtung, in dem im Betrieb ein Temperiermittel führbar ist. Das Aufnahmerohr ist dabei in radialer Richtung gleichmäßig von dem Temperiermittel umgeben, so dass eine vorteilhafte Temperierung des Aufnahmerohrs und damit der im Aufnahmerohr zumindest mittelbar geführten Substanz erfolgen kann.
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Ein besonders agiles Temperaturwechselverhalten der Temperiereinrichtung wird erreicht, indem gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen ist, dass das Aufnahmerohr zumindest teilweise von einer Heizeinrichtung umgeben ist. Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise unmittelbar auf der Oberfläche des Aufnahmerohrs vorgesehen, so dass ein bestmöglicher Wärmeübergang zwischen der Heizeinrichtung und dem Aufnahmerohr realisiert ist. Vorteilhaft ist die Heizeinrichtung derart mit dem Aufnahmerohr verbunden, dass die Heizeinrichtung zumindest teilweise die äußere Oberfläche des Aufnahmerohres bildet. Alternativ ist die Heizeinrichtung nur teilweise auf das Aufnahmerohr aufgebracht.
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Um das Temperieren zusätzlich zu verbessern, hat sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Heizeinrichtung als Widerstandsheizdraht ausgebildet ist, insbesondere der Widerstandsheizdraht zumindest teilweise stoffschlüssig auf dem Aufnahmerohr befestigt ist, insbesondere durch Löten. Der Widerstandsheizdraht ermöglicht ein kontrolliertes und kurzfristiges Aufheizen des Aufnahmerohrs mit einer sehr großen Heizrate. Die stoffschlüssige Befestigung des Widerstandsheizdrahts auf dem Aufnahmerohr verbessert den Wärmeübergang zwischen dem Widerstandsheizdraht und dem Aufnahmerohr, wodurch auch der mittelbare Wärmeübergang auf das Probenmedium und damit auf die zu analysierende Substanz verbessert wird. Es ist sowohl vorgesehen, dass der Widerstandsheizdraht gleichmäßig um das Aufnahmerohr gewickelt ist als auch, dass der Widerstandsheizdraht ungleichmäßig um das Aufnahmerohr gewickelt ist. Dabei sind beispielsweise die Windungen des Widerstandsheizdrahtes auf dem Aufnahmerohr zu Beginn und am Ende der Wicklung enger gewickelt als im Zwischenbereich.
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Vorzugsweise ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Heizeinrichtung innerhalb der Temperiermittelführeinrichtung angeordnet ist. Die Anordnung der Heizeinrichtung innerhalb des Volumens der Temperiermittelführeinrichtung hat den Vorteil, dass bei einem Temperaturwechsel ein Aufwärmen der Temperiermittelführeinrichtung nicht abgewartet werden muss, sondern die Temperiermittelführeinrichtung automatisch mittelbar über die Heizeinrichtung aufgewärmt wird. Die Wärmeübertragung innerhalb der Temperiermittelführeinrichtung von dem Temperiermittel auf das Aufnahmerohr erfolgt bei installierter Heizeinrichtung zumindest teilweise über die Heizeinrichtung auf das Aufnahmerohr. Da die Heizeinrichtung vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Aufnahmerohr verbunden ist, hat die Heizeinrichtung nur einen sehr geringen Einfluss auf den Wärmeübergang zwischen dem Temperiermittel und dem Aufnahmerohr. Wenn die Heizeinrichtung beispielsweise als Widerstandsheizdraht ausgebildet ist, erfolgt eine Wärmeübertragung vorzugsweise sowohl über den Widerstandsheizdraht als auch unmittelbar auf das Aufnahmerohr, sofern zwischen den Windungen Zwischenräume verbleiben.
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Eine kompakte Temperiereinrichtung lässt sich erfindungsgemäß dadurch erzielen, dass die Temperiermittelführeinrichtung stoffschlüssig am Aufnahmerohr befestigt ist. Durch die stoffschlüssige Verbindung wird der Übergangsbereich zwischen Aufnahmerohr und Temperiermittelführeinrichtung abgedichtet, so dass kein Temperiermittel unbeabsichtigt aus der Temperiermittelführeinrichtung hinaustreten kann. Vorzugsweise werden das Aufnahmerohr und die Temperiermittelführeinrichtung aus zwei Rohrsegmenten mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt, wobei die Temperiermittelführeinrichtung an das Aufnahmerohr angefügt wird. Der Abstand zwischen den Rohrsegmenten, und damit der Ringspalt des verbleibenden Volumens der Temperiermittelführeinrichtung, wird durch stirnseitig befestigte Stirnplatten bestimmt.
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Die Verwendung der Temperiereinrichtung in einem chemischen Analysegerät lässt sich ferner dadurch vereinfachen, dass gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen ist, dass das Aufnahmerohr auf der Innenseite zumindest teilweise mit einer Beschichtung aus einem chemisch inerten Material beschichtet ist, insbesondere aus Glas oder aus einer Keramik, so dass das Aufnahmerohr zur Verwendung als Injektorrohr geeignet ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auf ein separates Injektorrohr verzichtet werden kann, da das Aufnahmerohr die Funktionalität des Injektorrohrs erfüllt.
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Eine Kühlung des Aufnahmerohres lässt sich besonders vorteilhaft dadurch erreichen, dass gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen ist, dass der geschlossene Temperiermittelkreislauf einen Kompressorkühler umfasst. Der Kompressorkühler dient zur Förderung und Temperierung des Temperiermittels innerhalb des Kreislaufs. Vorzugsweise wird ein Kältemittel innerhalb des geschlossenen Kreislaufs gefördert, das sich innerhalb der Temperiereinrichtung oder auch schon vorher, z. B. im Kompressorkühler, entspannt. Die Einstellung der gewünschten Temperatur oder des Temperaturprogramms der Temperiereinrichtung erfolgt dabei beispielsweise durch gleichzeitiges Heizen mittels einer Heizeinrichtung. Durch die Verwendung eines geschlossenen Temperiermittelkreislaufs kann das Temperiermittel kontinuierlich weiterverwendet werden, wobei ferner eine exakte Einstellung der Temperatur der Temperiereinrichtung möglich ist.
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Als besonders vorteilhaft hat sich die erfindungsgemäße Temperiereinrichtung als Temperiereinrichtung für ein Injektorrohr eines Gaschromatographen herausgestellt.
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In Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten die Temperiereinrichtung weiterzubilden und auszugestalten. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Temperiereinrichtung in perspektivischer Seitenansicht, und
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2 das Ausführungsbeispiel einer Temperiereinrichtung gemäß 1 in geschnittener Seitenansicht.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Temperiereinrichtung 1 in perspektivischer Seitenansicht. Die Temperiervorrichtung dient zur Temperierung eines Probenmediums in einem chemischen Analysegerät, insbesondere zur Temperierung eines in einem – nicht dargestellten – Injektorrohr eines Gaschromatographen geführten Probenmediums. Ein Injektorrohr ist durch die Temperiereinrichtung 1 innerhalb eines Aufnahmerohrs 2 aufnehmbar. Das Aufnahmerohr 2 ist von einer Temperiermittelführeinrichtung 3 entlang nahezu seiner gesamten Länge umgeben, so dass lediglich die Endbereiche des Aufnahmerohrs 2 aus der Temperiermittelführeinrichtung 3 herausragen. Die Temperiermittelführeinrichtung 3 dient zur Führung eines Temperiermittels. Das Aufnahmerohr 2 ist innerhalb eines Volumens 4 der Temperiermittelführeinrichtung 3 derart geführt, dass das Aufnahmerohr 2 unmittelbar von einem innerhalb der Temperiermittelführeinrichtung 3 geführten Temperiermittel umspülbar ist. Das Temperiermittel wird über eine im Kopfbereich der Temperiermittelführeinrichtung 3 angeordnete Temperiermittelzuleitung 5 im Betrieb mit einem Temperiermittel gespeist. Innerhalb der Temperiermittelführeinrichtung 3 erfolgt eine Wärmeübertragung zwischen dem Temperiermittel und dem Aufnahmerohr 2, bevor das Temperiermittel über eine Temperiermittelableitung 6, die im Fußbereich der Temperiermittelführeinrichtung 3 angeordnet ist, wieder aus der Temperiermittelführeinrichtung 3 heraustritt. Die Temperiermittelzuleitung 5, die Temperiermittelführeinrichtung 3 und die Temperiermittelableitung 6 sind Teil eines geschlossenen Temperiermittelkreislaufs.
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Gemäß 2, die das Ausführungsbeispiel gemäß 1 in geschnittener Seitenansicht zeigt, ist die Temperiermittelführeinrichtung 3 koaxial um das Aufnahmerohr 2 herum angeordnet, so dass innerhalb des Volumens 4 ein Ringspalt zwischen Aufnahmerohr 2 und Temperiermittelführeinrichtung 3 gebildet ist. Der Ringspalt ist im Betriebszustand zumindest teilweise mit einem Temperiermittel gefüllt.
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Das Aufnahmerohr 2 ist von einer Heizeinrichtung 7 umgeben, die bei diesem Ausführungsbeispiel als Widerstandsheizdraht ausgebildet ist. Die Heizeinrichtung 7 in Form des Widerstandsheizdrahts ist gleichmäßig um das Aufnahmerohr 2 gewickelt und auf der Oberfläche des Aufnahmerohrs 2 durch Löten befestigt. Die Heizeinrichtung 7 ist gemäß 2 innerhalb der Temperiermittelführeinrichtung 3 angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Länge der Temperiermittelführeinrichtung 3. Im Betrieb der Temperiereinrichtung erfolgt die Wärmeübertragung zwischen dem Temperiermittel und dem Aufnahmerohr 2 somit zumindest teilweise über die Heizeinrichtung 7. Dadurch, dass die Heizeinrichtung 7 stoffschlüssig mit dem Aufnahmerohr 2 verbunden ist und die Heizeinrichtung 7 als Widerstandsheizdraht ausgebildet ist, wird die Wärmeübertragung durch die Heizeinrichtung 7 nur in sehr geringem Umfang beeinflusst.
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Der geschlossene Ringspalt im Volumen 4 der Temperiermittelführeinrichtung 3 erstreckt sich entlang des Aufnahmerohrs 2. Das Volumen 4 ist folglich im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung des Aufnahmerohrs 2 zwischen der Temperiermittelzuleitung 5 und der Temperiermittelableitung 6 angeordnet. Die Temperiermittelzuleitung 5 und die Temperiermittelableitung 6 sind auf dem Umfang der Temperiermittelführeinrichtung 3 versetzt angeordnet, wodurch die Strömungsverhältnisse innerhalb des Ringspalts verbessert werden und eine gleichmäßige Umspülung des Aufnahmerohrs 2 durch das Temperiermittel erfolgt. Das Aufnahmerohr 2 und die Temperiermittelführeinrichtung sind im Wesentlichen aus zwei Rohrsegmenten mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt, die miteinander verbunden wurden. Die Temperiermittelführeinrichtung 3 bildet somit einen das Aufnahmerohr umschließenden Zylinder, der stoffschlüssig am Aufnahmerohr 2 befestigt ist.
