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Vorrichtung zum Atomisieren von Prochen durch elektrische Beheizung
für die flammenlose Atomabsorptions - Spektrometrie.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Atomisieren von Proben
durch elektrische Beheizung für die flammenlose Atomabsorptions-Spektrometrie.
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Es ist bekannt, eine Probe für die Atomabsorptions-Spektrometrie zu
aromisieren, indem die Probe in einen Hohlkörper aus elektrisch leitendem Material,
z.B. ein Graphitrohr, eingebracht und der Hohlköeper durch Hindurchleiten von elektrischem
Strom auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird. Die Aufheizung kann nach einem vorgegebenen
Programm erfolgen, derart, daß zunächst eine Trocknung, dann eine Veraschung der
Probe und schließlich in einem letzten Schritt eine Atomisierung der Probe stattfindet,
so daß die interessierenden Probenbestandteile in atomarer Form in einer Atomwolke
vorliegen. Ein Meßstrahlenbündel mit
einer den Resonanzlinien des
gesuchten Elements entsprechenden Strahlung wird durch diese Atomwolke hindurchgeleitet
und die Absorption als Maß für den Anteil des gesuchten Elements an der probe bestimmt.
Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art ist nachteilig der relativ kleine elektrische
Widerstand des Graphitrohres oder dergleichen, der zur Solg,e hat, daß mit sehr
hohen Stromstärken bei kleinen elektrischen Spannungen gearbeitet werden muß. Das
erfordert Zuleitungskabel mit sehr großem Querschnitt. Übergangswiderstände machen
sich in starkem Maße bemerkbar. Wenn solche Übergangswiderstände schwanken, ergeben
sich unreproduzierbare Meßbedingungen. Nachteilig ist auch die mit der hohen elektrischen
Leitfähigkeit verbundene hohe Wärmeleitfähigkeit, welche die Wärmeverluste und damit
auch die erforderliche elektrische Heizleistung vergrößern0 Der Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art elektrisch mit
im Vergleich zum Stand der technik kleinen Stromstärken und entsprechend höherer
Spannung aufzuheizen sowie die Wärmeverluste möglichst klein zu halten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Beheizung
ein stromdurchflossener Heizkörper aus einem porösen oder schaumartigen, elektrisch
leitenden Material vorgesehen ist.
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Bei Verwendung eines solchen porösen oder schaumartigen elektrisch
leitenden Materials ergibt sich gegenüber dem massiven Material ein wesentlich höherer
spezifischer elektrischer Widerstand. Es kann daher die gleiche
lHeizleistung
mit höherer Spannung und entsprechend 0.-ringerer Stromstärke erzielt werden. Die
wirksame Heizleistung wird durch die Übergangswiderstände praktisch nicht beeinflußt.
Gleichzeitig ist die Wärmeableitung in einem solchen porösen oder schaumartigen
Material stark vermindert, so daß die erforderlichen hohen 1emperaturen mit geringerer
Heizleistung erreichbar sind als dies beim Stande der Technik der Fall ist.
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Der Heizkörper kann aus porösem Graphit oder poröser kohle bestehen.
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Die Erfindung kann in der ei es verwirklicht werden, daß ein zur aufnahme
der zu beheizenden und zu atomisierenaen Probe und gegebenenfalls zum Zusarilmenhalten
der gebildeten Atomwolke eingerichteter Bauteil, z.B.
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ein Graphitrohr, so angeordnet ist, daß er ausschließlich indirekt
durch Wärmeleitung und/oder Strahlung von dem Heizkörper aufheizbar ist.
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Es kann natürlich auch vorgesehen sein, daß ein Teil des aeizstromes
oder sogar der ganze Heizstrom unmittelbar durch den besagten Bauteil geleitet wird
und zusätzlich eine direkte Aufheizung desselben bewirkt.
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Die Erfindung kann auf verschiedenste Weise verwiklicht werden0 Eine
lYIöglichlreit besteht darin, daß ein rohrförmiger Bauteil zur Aufnahme und Atomisierung
der Probe in einer horizontalen Bohrung des Heizkörpers liegt, deren Durchmmesser
etwas größer ist als der Außendurchmesser des rohrförmigen Bauteils. Der Heizkörper
kann
dabei die Form eines Rohres besitzen, welches die besaugte
horizontale Bohrung bildet und welches an diametral einander gegenüberliegenden
Saiten radiale Ansätze aufweist, über welche die Str-omzuleitung erfolgt, Bei einer
solchen Anordnung berührt der rohrförmige Bauteil den Heizkörper längs einer Linie
gleichen Potentials, so daß kein Heizstrom durch den: rohrförmigen Bauteil hindurchfließt.
Die Beheizung erfolgt ausschließlich indirekt durch den Heizkörper.
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Um eine einwandfreie Halterung des Heizkörpers ohne Zwängungen und
mit tragbaren Toleranzem zu ermöglichen kann veogesehen sein, daß die radialen Ansätze
mit verdickten Endteilen versehen sind, welche außen konvex-sphärische Kontaktflächen
aufweisen, und daß die konvex-sphärischen Kontaktflächen an entsprechend konkav-sphärische
Flächen je eines Kontaktkonus anliegen. Es kann auf diese Weise jeder Kontaktbonus
fest in einem entsprechend ksnischen Sitz: gehaltert sein und einen einwandfreien
Kontakt ohne undefinierte Übergangswiderstände bilden. Durch die sphärischen Kontaktflächen
kann andererseits eine Ausrichtung des Heizkörpers gegen über dem Kontaktkonus erfolgen,
die einen Ansgleich von Toleranen ermöglicht und wiederum einen definierten Übergangswiderstand
gewährleistetg Um; die Abstrahlungsverluste zu verringern, kann weiterhin vorgesehen
sein, daß der Heizkörper mit Abstand von einem Formkörper oder Formkörpern aus porösem
oder schaumartigen Material umgeben isto Eine andere ähnliche Ausführung besteht
darin, daß der Heizkörper blockartig ausgebildet ist und seitlich von der Bohrung
mit Einschnitten im wesentlichen
quer zu der Stromdurchgangsrichtung
versehen ist. Die Einschnitte verhindern, daß sich der durch den Heizkörper fließende
Strom gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Heizkörpers verteilt. Vielmehr
wird die Stromdichte auf den Mittelteil mit der Bohrung konzentriert, so daß dort
eine starke Anfheizung stattfindet. In dem Bereich der Einschnitte fließt kein Strom.
Dieser Teil des blockartigen Heizkörpers dient als Wärmeisolierung irnd hat etwa
die gleiche Funktion, wie der vorerwähnte, den Heizkörper umgebende Formkörper aus
porösem oder schaumartigem Ma-Material Eine andere Ausführungsform der Erfindung
besteht darin, daß der Heizkörper schalenförmig mit nachunten gezogenen Randteilen
ausgebildet ist und die Stromzuleitung über einen rohrförmigen Stromleiter erfolgt,
der mit den Randteilen in Kontakt ist, und einen stabförmigen Stromleiter, der zentral
an dem Boden des schalenförmigen Heizkörpers anliegt. abei kenn ein schalenförmiges
Probengefäß mit seinem Rand auf dem Rand des schalenförmigen Heizkörpers aufliegen
aber einen Spalt zwischen seinem Boden und der Innenfläche des Heizkörpers bilden.
Auch bei einer solchen Anordnung berührt das Probengefmß den Heizkörper auf einer
Linie gleichen Sotentials, so daß das Probengefäß nicht von Strom durchflossen wird
und der den Heizkörper enthaltende Stromkreis nicht durch das Probengefäß kurzgeschlossen
wird1 Wenn der elektrische Widerstand des Probengefäßes hinreichend hoch ist, kann
das Probengefäß natürlich auch elektrisch parallel zu d-em Heizkörper
oder
einem Teil des Heizkörpers liegen, so daß es von einem eil des Heizstromes direkt
durchflossen wird. Beispielsweise ,,ann ein schalen- oder tiegelformiges Probengefäß
in eirle entsprechend geformte Vertiefung des Heizkörpers eingesetzt sein.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, d&ß
ein rohrförmiger Bauteil aus elektrisch leitendem Material, z.B. ein Graphitrohr,
von zwei scheibenförmigen Heizkörperteilen umgeben und mit diesen in elektrisch
leitendem Kontakt ist, zwischen denen ein Spalt gebildet wird und deren Mantelflächen
Kontakte für die Stromzuführung bilden. Auch hier wird der rohrförmige Bauteil im
wesentlichen indirekt von den beiden scheibenförmigen Heizkörperteilen beheizt.
Der Strom wird über die als Kontaktflächen wirkenden Mantelflächen der scheibenförmigen
Heizkörperteile zugeleitet, fließt in dem einen Heizkörperteil radial einwärts zu
dem rohrförmigen Bauteil, durch den rohrförmigen Bauteil hindurch und dann wieder
radial auswärts durch den anderen rohrförmigen Bauteil.
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Ein Schutzgas kann mindestens zusätzlich in einer eine Schutzgasströmung
durch den porösen Heizkörper hindurch bewirkenden weise einleitbar sein. Auf diese
Weise erfolgt eine Vorerwärmung des Schutzgases, was insbesondere von Vorteil ist,
wenn das Schutzgas mit der gebildeten Atomwolke in Berührung kommt. Außerdem werden
Verunreinigungen, die möglicherweise in den lieizkörper gelangen durch das Schutzgas
ständig herausgespült. Wenn die Schutzgasströmung nach Beendigung der Messung und
Abschaltung der Heizung
aufrechterhalten bleibt, wird durch diese
Schutzgasströmung eine schnelle Abkühlung des Heizkörpers ermöglicht.
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Zu diesem Zweck kann auch diese spezielle Schutzgasströmung nach Beendigung
der Messung verstärkt oder gar uberhaupt erst eingeschaltet werden. Im letzteren
Fall ist mindestens während der vorhergehenden Schritte eine andere Schutzgasströmung
unbedingt erforderlich, die aber auch in anderen Fällen vorgesehen sein kann.
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Zur Reduzierung der Wärmeabstrahlung nach außen kann ein Strahlungsschutzmantel
aus porösem, strahlungsabsorbierendem Material, beispielsweise aus porösem Graphit,
vorgesehen sein, der die Heizvorrichtung mit Abstand ungibt. Zur Erzeugung der genannten
Schutzgasströ-mung, welche die poröse Heizvorrichtung durchdringt, kann vorgesehen
sein, daß der - evtl. aus mehreren eilen bestehende - Strahlungsschutzmantel nach
der Messung gegen die Heizvorrichtung gedrückt wird und das Schutzgas durch den
Strahlungsschutzmantel in die Heizvorrichtung geleitet wird.
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Als Probenaufnahme und/oder Atomisierung'skammer -können gesonderte
Bauteile vorgesehen werden, beispielsweise ein Gra)hitrohr oder eine Schale oder
ein Tiegel. Es ist aber auch möglich, daß eine Probenaufnahme una/oder Atomisierungskammer
mit geschlossener glatter Oberflache'durch Verdichtung einer Oberflächenschicht
des porösen oder schwammartigen itaterials des Hohlkörpers gebildet ist.
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Die Erfindung wird nachstehend an einigen Ausfü.hrungs beispielen
unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:
Fig.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Fig0 2 zeigt einen Querschnitt ähnlich Fig. 1 durch eine abgewandelte
Ausführung, Figo. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Fig. 4 zeigt im Längsschnitt, eine weitere Ausführungsform.
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Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform
der Erfindung,
Erfindungsgemäß besteht der Heizkörper aus einem
porösen oder schaumartigen Material. Vorzugsweise wird dafür poroste Kohle oder
poröser Graphit verwendet. rer spezifische Widerstand des porösen Graphits liegt
zOB. um zwei bis drei Größenordnungen über-dem spezifischen Widerstand von festem
Graphit. Eins zu fünfzig ist ein typisches Verhältnis der beiden spezifischen Widerstände.
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Dadurch ergeben sich im Vergleich zu einem vorbekannten Graphitrohr
günstige Betriebsbedingungen. Ein Graphitrohr wird z.B. mit 10 V und 500 A betrieben.
Ein Heizkörper aus porösem Graphit mit den gleichen Abmessungen würde dann 500 V
und 10 A benötigen. Macht man die Wandstärke des Rohres um den Faktor 2,3 dicker,
dann erhält man die elektrischen Betriebsdaten 220 V und 23 A. Eine solche Heizvorrichtung
kann also direkt aus dem Netz gespeist werden, wobei natürlich Vorgehrungen für
eine Temperaturvariation getroffen sein müssen. Die maximale Stromstärke von 23
A erfordert wesentliche dünnere Kabel als eine solche von 500 Ao Fig. 1 zeigt eine
erfindungsgemäße Heizvorrichtung im Querschnitt. Der Heizkörper aus porösem Graphit
ist generell mit 10 bezeichnet. Er zeigt einen mittleren rohrförmigen Teil 12 und
zwei sich radial von diesem rohrförmigen Teil 12 erstreckende Ansätze 14, 16 für
die Stromzuleitung. Die Ansätze 14, 16 gehen außen in sich erweiternde Teile 18,
20 über. Die Teile 18, 20 besitzen konvex-sphärische-Kontaktflächen 22, 24, auf
welche je ein Kontaktkonus 26 bzw. 28 aus festem Graphit mit einer entsprechenden
konkavsphärischen Kontaktfläche aufgesetzt ist.
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In den rohrförmigen Teil 12 wird ein Rohr 30 aus festem Graphit eingelegt.
Der Außendurchmesser des Rohres 30 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des
rohrförmigen Teiles 12o Das Rohr 30 ist etwa so lang wie der rohrförmige Teil 12
in Richtung senkrecht zur Zeichenebene. Das Rohr 30 liegt im wesentlichen nur unten
in der Bohrung 32 des rohrförmigen Teiles 12 auf, und zwar auf einer Linie konstanten
elektrischen PotentialsO Das Rohr 30 wird also nicht vom Heizstrom durchflossen,
Der elektrische Strom fließt von dem einen Sontaktkonus 26 über die Kontaktfläche
22 in das sich erweiternde Ende 18 des Heizkörpers 10, Die Stromdichte wird infolge
einer Querschnittsverengung im Bereich des Ansatzes 14 erhöht0 Der Ansatz 14 wird
also aufgeheizt0 Wegen der geringen Wärmeleitung brauchen die Ansätze 14 und 16
nicht sehr lang zu sein. Der Strom teilt sich und läuft auf zwei Wegen durch den
rohrförmigen Teil 12, dessen Wanddicke so bemessen ist, daß eine ausreichende Aufheizung
erzielt wird0 Schließlich fließt der Strom mit den gleichen Wirkungen wie oben beschrieben
durch den Ansatz 16, das Ende 20 und den Kontaktkonus 28 weiter, Der elektrische
Strom wird den Kontaktkonen 26 und 28 über entsprechende konisch ausgebohrte Metallstücke
zugeführt, die nicht dargestellt sind. Durch ebenfalls nicht dargestellte federnde
Elemente werden diese Metallstücke gegen die Kontaktkonen 26 bzw.
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28 gedrückt, Damit werden die Kontaktkonen 26 bzw 28 gegen die konvex-sphärischen
Flächen 22, 24 gedrückt.
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Zur Verminderung der Wärmeabstrahlung des Heizkörpers 10 nach außen
können zwei Formkörper 34 und 36 aus porösem Graphit vorgesehen sein, die in^Fig.
1 gestrichelt eingezeichnet sind0 Diese umgeben den Heizkörper 10 unter Bildung
von Spalten 38, 40.
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Die Formteile 34 und 36 können in waagerechter Richtung verschiebbar
angeordnet sein. Sie können dann nach der Messung gegen den Heizkörper 10 gedrückt
werden. Dabei wird den Formteilen 34 und 36 Schutzgas von außen zugeführt, das dann
den Heizkörper durchdringt, ihn abkühlt und durch den Spalt 32 nach außen austritt,
wobei auch die Atomisierungsvorrichtung 30 abgekühlt wird.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann als eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels
nach Fig. 1 angesehen werden, insofern als der Heizkörper 10 und die Formkörper
54, 36 zu einem einzigen Block 42 vereinigt sind. Dieser Block weist wieder eine
horizontale Bohrung 44 auf, in welcher ein Graphitrohr 46 von gegenüber dem Innendufflchmesser
der Bohrung 4-4 verminderten Außendurchmesser eingelegt ist. Die Stromzuführung
erfolgt über Sontaktstücke 48, 50 an der oberen und unteren Stirnseite des Blockes
42. An den, Seiten des Blockes 42 sind quer zur Burchflußrichtung des Heizstromes
Einschnitte 52 vorgesehen. Durch diese Einschnitte wird der elektrische Strom in
die gewünschten Bahnen gezwungen. Die zwischen den Einschnitten 52 verbleibenden
Rippen 54 dienen hauptsächlich zur Verminderung der Abstrahlung, ähnlich wie die
9'ormkörper 34 und 36. Sie werden nicht vom Heizstrom durchflossen und wegen der
geringen Wärmeleitung auch nur geringfügig aufgeheizt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 hat der Heizkörper 56 aus
porösen Graphit die Gestalt einer Schale mit nach unten gezogenem Rand 58. Der elektrische
Heizstrom wird dem Heizkörper 56 über einen rohrförmigen Stromleiter 60 aus festem
Graphit vom Rande her und über einen stabförmigen Stromleiter 62 aus festem Graphit
in der çIitte von unten her zugeführt. Die
Kontaktflächen 64 zwischen
dem Heizkörper 56 und dem Stromleiter 60 sind konisch, die zwischen dem neizkörper
56 und dem Stromleiter 62 sphärisch ausgebildet0 Den beiden Strömleitern 60, 62
wird der elektrische Strom über weitere konische Kontaktflächen 66 bzw, 68 zugeführt0
Ein schalenförmiges Probengefäß 70 aus festem Graphit liegt mit seinem flachen Rand
72 auf dem Rand des Heizkörpers 56 auf, bildet aber in dem Mittelteil mit dem Heizkörper
56 einen Spalt 74. Wegen der rotationssymmetrischen Stromverteilung ergibt sich
eine ringförmige Auflagefläche gleichen elektrischen PotentialsO Es fließt also
kein Strom durch das Probengefäß 70. Der Wärmeübergang von dem Heizkörper 56 zu
dem Probengefäß 70 geschieht hauptsächlich durch Strahlung Das Probengefäß 70 ist
leicht auswechselbar0 Das Auswechseln läßt sich gut automatisieren.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein schalen- oder
tiegelförmiges Probengefåß 76 einen elektrischen Nebenschluß zu dem Heizkörper 78
darstellt Der Heizkörper 78 aus porösem Graphit hat die Form eines flachen Stabes
mit verdickten StromzuSührungsenden 80, 82. Oben in der iiitte besitzt er eine Vertiefung
84, in die das schalenförmige probengefäB 76 eingesetzt ist.
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Das Probengefäß 76 kann auch dadurch gebildet werden, daß man dem
porösem Graphitstab in der Vertiefung 84 eine feste Oberflächenschicht gibt.
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In Figo 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem der elektrische
Heizstrom in voller Starke auch durch das zur Aufnahme der probe und zum Zusammenhalten
der gebildeten Atomwolke dienende Graphitrohr 86 fließt. Zu diesem Zweck sind zwei
scheibenförmige Heizkörper 88, 90 über die Enden des Graphitrohres 86 geschoben.
Graphitrohr 86 und Heizkörperteile 88, 90 befahren sich auf konischen Flächen 92
bzwO 94. Die Heizkörperteile 88, 90 sind in ihrem Jmfangsbereich 96 bzw. 98 verdickt
bzwO in ihren mittleren Teil mit Ausnehmungen 100, 102 versehen. Die Mantelflächen
104 bzwO 106 sind konisch ausgeführt und als Kontaktflächen für die Stromzuführung
ausgebildet0 Der elektrische Heizstrom tritt über die Kontaktfläche 104 in den einen
Heizkörperteil 88 ein, fließt radial einwärts und heizt den Heizkörperteil 88 insbesondere
in dem inneren dünneren Bereich auf. Der Strom fließt dann durch das Graphitrohr
86 und in umgekehrter Richtung durch den anderen Heizkörperteil 90.
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Der elektrische Widerstand des Graphitrohres 86 ist klein gegenüber
dem elektrischen Widerstand der Heizkörperteile 88 und 90, so daß in dem Graphitrohr
86 selbst kaum Stromwärme erzeugt wird und die Aufheizung des Graphitrohres 86 hauptsächlich
durch Wärmeleitung in den Endzonen und Wärmestrahlung in der mittleren Zone erfolgt,
Selbstverständlich kann auch der elektrische Widerstand des Graphitrohres 86 durch
entsprechende Dimensionierung so groß gewählt werden, daß in dem Graphitrohr 86
selbst noch ein merklicher zusätzlicher Wärmeanteil erzeugt wird. Man kann mindestens
einen Teil des Schutzgases in den ringförmigen
Hohlraum zwischen
den beiden Heizkörperteilen 88, 90 einleiten und die Heizkörper nach außen durchdringen
lassen. Wird diese Schutzgasströmung erst nach Beendigung der 1--lessung eingeschaltet
odr verstärkt, dann wird die Abkühlung der Heizkörperteile 88, 90 beschleunigtO
Wie die verschiedenen Ausführungsbeispiele zeigen, läßt die Erfindung eine Vielzahl
verschiedener Pormen und Ausführungen zu.