DE2130035A1 - Verfahren zur Erhitzung von Gegenstaenden und Einrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BB-596

ELEKTROPHYSIKALISCHE ANSTALT Vaduz

BERNHARD BERGHAUS (Liechtenstein)

Verfahren zur Erhitzung von Gegenständen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Technik wird häufig die Aufgabe gestellt, Gegenstände, beispielsweise Metallteile, zu erhitzen und während einer bestimmten Zeitdauer auf einer vorgeschriebenen Temperatur zu halten. Je nach dem vorgesehenen Zweck kann die Erhitzung in einem weitgehend evakuierten Ofen oder auch in Luft bzw. in einem Schutzgas erfolgen. Solche Glühprozesse werden beispiels-

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weise zum sogenannten Blankglühen benützt, oder auch um innere Spannungen der Metallteile zu beseitigen, sowie für eine Reihe anderer Zwecke.

Die für solche Glühprozesse üblicherweise verwendeten Oefen können beispielsweise mit Gas beheizt sein, oder sind mit elektrischen Heizwicklungen versehen. Da bei derartigen Glühprozessen die Temperatur häufig für längere Zeit auf dem vorgeschriebenen Werk gehalten werden muss, ist die möglichst rationelle Erzeugung der erforderlichen Wärmeenergie von Bedeutung und ^A.ede Einsparung von Energie bei solchen Glühofen ist von Vorteil.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur

\itzung von Gegenständen, die in einem Ofen angeordnet sind. Dieser Ofen wird durch elektrische Energie auf eine besonders energiesparende Weise erhitzt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Aussenseite des Ofens in einer metallischen Unterdruckkammer in einer dort herrschenden Gasatmosphäre mit niedrigem Druck durch eine elektrische Glimmentladung beheizt wird, die von einer am Ofen einerseits und an den Innenwandungen der Kammer andererseits angelegten elektrischen Spannung erzeugt wird, bei der die Ofenaussenseite wenigstens zeitweise als Kathode arbeitet.

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Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch eine allseits geschlossene metallische Kammer, in deren Innenraum durch eine Pumpe und eine Gaszuleitung eine Gasatmosphäre mit vorgeschrie-. benem Druck aufrecht erhalten werden kann und deren Wandungen gegen Wärmeverluste an die Umgebung isoliert sind, durch einen in der Kammer in einem Abstand von deren Wandungen befindlichen und von diesen elektrisch isolierten Ofen zur Aufnahme der zu erhitzenden Gegenstände in seinem Inneren mit einer metallischen Aussenseite, und durch eine isolierte Stromzuführung in einer Wandung der Kammer zur Verbindung dieser metallischen Aussenseite mit dem einen Pol einer Spannungsquelle, deren anderer Pol an der Kammer angeschlossen ist.

Die Erfindung ist nachstehend in einem Ausführuhgsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung erläutert, die einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Einrichtung in schematischer Darstellung wiedergibt.

In diesem Ausführungsbeispiel ist eine doppelwandige Kammer, bestehend aus der Aussenwand 10 und der Innenwand 11 vorgesehen, die beide aus Eisen oder Stahl bestehen können und hier zylindrische Gestalt besitzen. Die Kammer ist auf der Obenseite ^urch einen ebenfalls doppelwandigen Deckel mit der Aussen-

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wand 12 und der Innenwand 13 gas- und luftdicht abgeschlossen. Der Raum zwischen den Kammerwandungen IO und 11, sowie den Deckelwandungen 12 und 13 steht über dem Durchgangskanal 14 miteinander in Verbindung. Die Innenwandung 11 der Kammer kann durch Stützen aus einem, die Wärme· schlecht leitenden Material gegen die Aussenwandung abgestützt sein, ebenso wie die Innenwandung 13 des Deckels gegen dessen Ausssenwandung 12„ Die Innenseiten der Innenwandung 11 und der Aussenwandung 10 sollen eine, die Wärmestrahlung reflektierende Oberfläche"besitzen, also beispielsweise eine blanke polierte Oberfläche aufweisen, oder wie im dargestellten Beispiel mit einer blanken Metallfolie 15 ausgekleidet sein. Auch die Innenseiten der Deckelwandungen 12 und 13 sind mit einer derartigen, die Wärmestrahlung reflektierenden Metallfolie 15 versehen. Der Innenraum der Kammer, in der Zeichnung mit 16_ bezeichnet, steht über eine durch die Innenwandung 11 und die Aussenwandung 10 der Kammer hindurchführende Rohrleitung 17 mit einer Pumpe 18 in Verbindung, kann also evakuiert werden. An dieser Rohrleitung ist über ein Ventil 20 und die Rohrleitung 19 auch der Raum zwischen den Kammerwandungen 10 und 11 bzw. den Deckelwandungen 12 und 13 angeschlossen, so dass in diesem Zwischenraum ebenfalls ein Unterdruck erzeugt werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel steht der Innenraum 16 der Kammer mit dem Zwischenraum zwischen den Kammerwandungen 10, 11, bzw. den Deckelwandungen

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12, 13 nicht in Verbindung. Im Innenraum 16 kann aber über eine, durch die Innenwandung 11 und die Aussenwandung 10 hindurchführende Gaszuleitung 21 eine Gasatmosphäre beliebiger Art geschaffen werden, wobei durch Regelung der Pumpe 18 und der Gaszufuhr jeder vorgeschriebene Unterdruck im Innenraum 16 aufrecht erhalten werden kann.

Im Innenraum 16 dieser doppelwandigen, metallischen Kammer ist ein Glühofen 22 mit einem Deckel 23 angeordnet. Der Glühofen 22, 23 besteht hier beispielsweise ebenfalls aus Eisen. Er wird von den beiden, elektrisch isolierenden Stützen 24 getragen, die ihrerseits auf der Innenwandung 11 der Kammer stehen. Derartige isolierte Stützen für Verwendung in einem Innenraum 16, in welchem eine Glimmentladung im Unterdruck erzeugt werden soll, sind bereits bekannt und werden mit einem Schutzspaltsystem für alle, der Glimmentladung eventuell ausgesetzten Stosstellen von Metall und Isoliermaterial versehen, (el-Wa. Qerrräss a&m brihscbeiD feted" 917.7ZZ ), '.Im Ofenraum 36 sind

die zu erhitzenden Werkstücke 25, 26, 27 u;id 28 angeordnet, die teils am Deckel 23 aufgehängt sind, oder auch auf der Bodenfläche des Ofens 22 stehen.

Der Ofenraum 36 steht im vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine Oeffnung 29 mit dem Innenraum 16 der Kammer in Verbindung, sodass in beiden Räumen der gleiche Druck und die gleiche Gas-

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atmosphäre herrscht. Die Oeffhung 29 ist auf der Innenseite der Wandung des Ofens 22 mittels einer Metallplatte 30 derart elektrisch abgeschirmt, dass zwar ein unbehinderter Gasaustausch zwischen dem Ofenraum 36 und dem Innenraum 16 der Kammer stattfinden kann, aber eine auf der Aussenseite des Ofens 22 erzeugte elektrische Glimmentladung nicht in den Ofenraum 36 eindrin-

gen\ An der Wandung des Ofens 22 ist eine isolierte Stromzuführung angeschlossen, die hier aus einem Metallrohl 31 besteht, das elektrisch isoliert und gasdicht durch die Innenwandung 11 und die Aussenwandung 10 der Kammer hindurchgeführt ".st und am einen Pol 32 einer Stromquelle 33 angeschlossen ist, deren anderer Pol 34 an der Aussenwandung 10 des metallischen Gehäuses liegt. Durch die im vorliegenden Ausführungsbeispiel

Ie Stromzuführung 31 kann, falls erwünscht, über das Ventil 35 ein Behändlungsgas in den Ofenraum 36 und von dort über die Oeffnung 29 in den Innenraum 16 der Kammer eingeführt werden, in welchem Falle dann die Gaszufuhr über die Leitung 21 unnötig sein würde.

Das oben beschriebene und in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung ermöglicht die Durchführung des vorliegenden Verfahrens zur Erhitzung der Gegenstände 25, 26, 27 und 28, die im Ofen 22, 23 angeordnet sind. Hierbei wird die metallische Aussenseite des Ofens 22, 23

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durch eine elektrische Glimmentladung beheizt, die im Innenraum 16 der metallischen Kammer durch eine elektrische Spannung erzeugt wird, die zwischen dem Ofen 22, 23 einerseits und der Innenwandung 11 der Kammer andererseits liegt und wenigstens zeitweise die Aussertseite des Ofens 22, 23 als Kathode arbeiten lässt. Wird beispielsweise eine Gleichstromquelle· mit einer regelbaren Spannung von etwa 400 bis 1500 Volt verwendet, deren negativer Pol 32 an der isolierten Stromdurchführung 31 zum Ofen 22, 23 angeschlossen ist, während der positive Pol 34 mit der Aussenwand 10 der metallischen Kammer verbunden ist, also auch an der metallischen Innenwandung liegt, so entsteht im Innenraum 16 der Kammer eine elektrische Glimmentladung, falls dort beispielsweise eine Stickstoffatmosphäre mit einem Druck im Bereich von 0,1 bis 10 mm HG:aufrecht erhalten wird. Eine solche Glimmentladung verursacht ein, die Aussenseite des Ofens 22 und 23 überziehendes negatives GlimmlicTrt^und der zwischen der metallischen Aussenseite des Ofens und diesem Glimmlicht herrschende sogenannte Kathodenfall verursacht ein heftiges Bombardement dieser Aussenseite mit Gasionen, deren Energie an fliese Metallwandung abgegeben wird und dieselbe erhitzt. Dabei ist für das vorliegende Verfahren von Vorteil, dass der Energie-Umsatz in diesem Glimmentladungsprozess praktisch ausschliesslich im sogenannten Kuthodenfallraum stattfindet, also unmittelbar an der metalli-

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sehen Aussenseite des Ofens 22, 23, während im Innenraum 16 selbst und an .der Kammerinnenwandung 11 bzw. der Deckelinnenwandung 13 kein merklicher Energie-Umsatz erfolgt. Dementsprechend findet der Umsatz der elektrischen in thermische Energie praktisch ohne Verluste statt, worauf der Vorteil des vorliegenden Verfahrens zur Beheizung des Ofens 22, 23 zwecks Erhitzung der in demselben angeordneten Gegenstände 25, 26, 27 und 28 beruht.

Die Einleitung und Aufrechterhaltung einer stromstarken und energiereichen Glimmentladung an der metallischen Aussenseite des Ofens 22, 23 und die Einstellung der Betriebsspannung, sowie des Gasdruckes und der Gasatmosphäre sind bereits aus anderen Anwendungen der elektrischen Glimmentladung für metallische Prozesse bekannt, (T>BP Λ.058.806/ Ä.AS6.VL\ _t Λ,ΙΖΙ Λ33 )

,sodass eine genauere Beschreibung nicht erforderlich ist.

Um die Vorteile der praktisch verlustfreien Umwandlung von elektrischer in thermische Energie durch die Glimmentladung an der metallischen Aussenseite des Ofens 22, 23 wirksam auszunützen und nicht durch Wärmeverluste der metallischen Kammer an die Umgebung zu verschlechtern, ist im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel einer solchen Kammer ein über die Rohrleitung 19 evakuierbarer Zwischenraum zwischen der Innen-

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wandung 11 und der Aussenwandung 10, sowie der Deckel innenwandung 13 und dessen Aussenwandung 12 vorgesehen. Dadurch wird die Wärmeleitung von den Innenwandungen 11 bzw. 13 an die Aussenwandungen IO bzw. 12 weitgehend vermindert. Auch der Wärmeübergang durch Strahlung von den Innenwandungen 11, 13 an die Aussenwandungen 10, 12 ist durch die wärmereflektierende blanke Oberfläche der Metallfolie 15 auf der Innenseite der Aussenwandungen 10 und 12 und auf der diesen gegenüberliegenden Seiten der Aussenwandungen 11 und 13 stark verringert. Bei einer derart ausgebildeten doppelwandigen Kammer mit entsprechendem Deckel kann dann erfahrungsgemäss auf eine äussere Wärmeisolierung der Aussenwandungen IO bzw. 12 gegenüber der Umgebung verzichtet werden, da beim Betrieb keine wesentliche Erwärmung dieser Aussenwandungen 10 bzw. 12 auftritt. Im Innenraum 16 befindet sich eine verdünnte Gasatmosphäre, sodass die Wärmeleitung von der erhitzten Aussenseite des Ofens 22, 23 an die Innenwandungen 11, 13 nur gering ist und die Wärmeverluste des Ofens 22, 23, lediglich durch Wärmestrahlung an die Innenwandungen 11, 13 bedingt sind. Da aber diese Innenwandungen 11, 13 gegenüber den Aussenwandungen 10, 12 wärmeisoliert sind durch die doppelwandige Ausbildung der Kammer, entstehen nur sehr geringe Wärmeverlu,ste. Natürlich muss dafür gesorgt sein, dass die eventuell erforderliche Abstützung der Innenwandungen 11, 13 gegenüber den entsprechenden Aussenwandungen 10, 12 aus einem, die Wärme schlecht isolierenden Material, etwa Porzellan, bestehen. Ausserdem müssen

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in bekannter Weise die durch den Zwischenraum zwischen der Innenwandung 11 und der Aussenwandung 10 hindurchführenden Leitungen 17, 21 und 31 derart ausgebildet sein, dass eine unerwünschte Wärmeleitung von der Innenwandung 11 zu der Aussenwandung IO unterbleibt.

Die oben beschriebene Einrichtung zur Erhitzung des Ofens 22, 23 mittels einer an dessen Aussenseite erzeugten elektrischen Glimmentladung kann derart betrieben werden, dass zunächst über die Rohrleitung 17 und die Pumpe 18 der Innenraum 16 evakuiert und dann über die Rohrleitung.21 ein Behandlungsgas zugeführt wird, bis im Innenraum 16 ein für die Aufrechterhaltung der elektrischen Glimmentladung erwünschter Unterdruck herrscht. Ueber die Oeffnung 29 ist dabei gewährleistet, dass im Ofenraum 36 die gleiche Gasatmosphäre wie im Innenraum 16 herrscht. Das Ventil 35 für die hohle Stromzuführung 31 ist dabei geschlossen. Der Zwischenraum zwischen den Innehwändungen 11, 13 und den Aussenwandungen 10 bzw. 12 wird, nach Oeffnung des Ventils 20, über die Roh&eitung 19 evakuiert. Es ist vorteilhaft, den Betrieb dieser Einrichtung und die Erhitzung des Ofens 22, 23 in einer Schutzgasatmosphäre im Innenraum 16 bzw. im Ofenraum 36 vorzunehmen, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist, denn eine elektrische Glimmentladung ausreichende Energie kann auch dann erzeugt werden, wenn der Innenraum 16 und damit der Ofenraum 36 seitens der Pumpe 18 auf

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den gewünschten Unterdruck von etwa 0,1 bis 10 mm HG gebracht werden, also auf die Zuführung eines besonderen Schutzgases über die Leitung 21 verzichtet wird. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, auf die Rohrleitung 17 ganz zu verzichten, wenn durch entsprechende Oeffnungen in der Innenwandung 11 eine Verbindung zwischen dem Innenraum 16 und dem Zwischenraum zwischen der Innenwandung 11 und der Aussenwandung 10 hergestellt wird. Dann erfolgt einfach die Evakuierung dieses Zwischenraums und des Innenraums 16, sowie des Ofenraums 36 über die Rohrleitung 19 und die Pumpe 18. Diese Betriebsweise ist aber weniger empfehlenswert, da es zweckmässig ist, den Zwischenraum zwischen der Innenwandung 11 und der Aussenwandung IO möglichst stark zu evakuieren, unabhängig von dem im Innenraum 16 herrschenden Gasdruck, der sich nach den Betriebsbedingungen der elektrischen Glimmentladung richten muss.

Falls im Innenraum 16 und im Ofenraum 36 eine Gasatmosphäre geschaffen werden soll, besteht auch die Möglichkeit, das betreffende Gas über das Ventil 35 und die hohle Stromzuführung 31 in den Ofenraum 36 und über dessen Oeffnung 29 in den Innenraum 16 der Kammer einzuleiten. Es kann dann eventuell auf die Gaszuleitung 21 verzichtet werden. Hierbei ist aber zu beachten, dass die Stromzuführung 31 und das Ventil 35 auf relativ hohem, negativem Potential gegenüber der Aussenwandung 10 der metalli-

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sehen Kammer liegen, sodass für die Gaszuführung entsprechende Massnahmen getroffen werden müssen, also etwa der Anschluss des Ventils 35, an die Gasversorgungsanlage über eine Rohrleitung aus Isoliermaterial erfolgt.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Erhitzung der Gegenstände 25, 26, 27 und 28 in einer Unterdruckatmosphäre erfolgt, die im Ofen 36 herrscht und derjenigen im Innenraum 16 entspricht. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, auf eine Oeffnung 29 im Ofen 22 zu verzichten und den Deckel 23 gas- und druckfest zu verschliessen, sodass der Ofenraum 36 vom Innenraum 16 der Kammer getrennt ist. Dann kann im Innenraum 16 eine Gasatmosphäre erzeugt werden, wie sie für die Einleitung und Aufrechterhaltung der elektrischen Glimmentladung zwecks Erhitzung des Ofens 22, 23 erwünscht ist, während der Innenraum des Ofens 36 über die hohle Stromzuführung 31 und das Ventil 35 entweder evakuiert oder mit einer Gasatmosphäre anderer Zusammensetzung versorgt werden kann. In diesem Falle besteht auch die Möglichkeit, im Ofenraum 36 über die hohle Stromzuführung 31 und das Ventil 35 eine Atmosphäre viel höheren Druckes aufrecht zu erhalten, als im Innenraum 16 der metallischen Kammer, wo für die Aufrechterhaltung der elektrischen Glimmentladung ein gewisser Unterdruck herr-

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sehen muss. Der Abschluss des Ofenraums 36 gegenüber dem Innenraum 16 ist auch für solche Anwendungen der vorliegenden Einrichtung erwünscht, bei denen während des Glühprozesses der Gegenstände 25, 26, 27 und 28 eine Beeinflussung deren Oberfläche vorgenommen werden soll, beispielsweise durch eine chemische Reaktion mit der Gasatmosphäre im Ofenraum 36, oder durch einen zusätzlichen Stoff, der im Ofenraum 36 sich befindet und bei der Glühtemperatur verdampft.

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Claims (14)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erhitzung von Gegenständen, die in einem Ofen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Aussenseite des Ofens in einer metallischen Unterdruckkammer in einer dort herrschenden Gasatmosphäre mit niedrigem Druck durch eine elektrische Glimmentladung beheizt wird, die von einer am Ofen einerseits und an den Innenwandungen der Kammer andererseits angelegten elektrischen Spannung erzeugt wird, bei der die Ofenaussenseite wenigstens zeitweise als Kathode arbeitet.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch eine allseits geschlossene metallische Kammer in deren Innenraum (16) durch eine Pumpe

(18) und eine Gaszuleitung (17 bzw. 18) eine Gasatmosphäre mit vorgeschriebenem Druck aufrecht erhalten werden kann und deren Wandungen (10,11) gegen Wärmeverluste an die Umgebung isoliert ist, durch einen in der Kammer in einem Abstand von deren Wandungen befindlichen und von diesen elektrisch isolierten Ofen (22, 23) zur Aufnahme der zu erhitzenden Gegenstände (25, 26, 27, 28) in seinem Inneren mit einer metallischen Aussenseite, und durch eine isolierte Stromzuführung (31) in einer Wandung der Kammer zur Verbindung dieser metallischen Aussenseite (22, 23) mit dem einen Pol (32) einer Spannungsquelle (33), deren anderer Pol (34) an der Kammer angeschlossen ist.

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3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung der Gegenstände im Ofen in einer Gasatmosphäre vorgenommen wird, die mit derjenigen in der Kammer in Verbindung steht.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung der Gegenstände in einer im Ofen eingeschlossenen und nicht mit der Kammer in Verbindung stehenden Gasatmosphäre vorgenommen wird.

5.Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Innenraum des Ofens über eine, von der Wandung der Kammer isolierten Zuleitung ein Gas zugeführt wird.

6. Einrichtung nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Ofen (22, 23) mindestens eine Oeffnung (29) aufweist, die einen Gasaustausch mit dem Innenraum (16) der Kammer, nicht aber ein Eindringen der Glimmentladung in den Ofen ermöglicht.

7. Einrichtung nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch einen allseits gasdicht verschlossenen, druckfesten Ofen.

8. Einrichtung nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch Stützisolatoren mit einem Schutzspaltsystem für alle der Glimmentladung ausgesetzten Stosstellen von Metall und Isoliermaterial zwischen dem Ofen (22, 23) und der Innenwandung (11) der Kammer.

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9. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (22, 23) mindestens eine Gaszuleitung (31) in seinem Innenraum (36) aufweist und dass eine elektrisch isolierte, mit einem Schutzspaltsystem für alle der Glimmentladung ausgesetzten Stosstellen Metall/Isoliermaterial versehene gasdichte Durchführung dieser Gaszuleitung durch die Wandung der Kammer vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuleitung aus Metall besteht und gleichzeitig die Stromzuführung zum Ofen bildet.

11. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine doppelwandige Kammer, deren Innenwandung (11) mit wärmeisolierenden Stützen an der Aussenwandung (10) befestigt ist, während die einander zugekehrten inneren Flächen der Innen- und Aussenwandung eine die Wärmestrahlung reflektierende Oberfläche besitzen.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an den genannten inneren Flächen eine polierte Folie (15) vorgesehen ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Verbindung des Raumes zwischen den beiden Wandungen (10,11) der Kammer mit der Pumpe (18).

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14. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Verbindung des Raumes zwischen den beiden Wandungen (10,11) der Kaitimer mit dem Innenraum (16) derselben.

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