DE2322036A1

DE2322036A1 - Mikrowellenofen

Info

Publication number: DE2322036A1
Application number: DE2322036A
Authority: DE
Inventors: Mattew Sam Miller; Theodore Shafick Saad
Original assignee: SAGE LABORATORIES
Current assignee: SAGE LABORATORIES
Priority date: 1972-05-03
Filing date: 1973-05-02
Publication date: 1973-12-13
Also published as: SE391857B; GB1433505A; JPS4954938A; US3764770A; FR2183250B1; FR2183250A1; JPS5313826B2; CA952198A; NL7306008A

Description

Sch/B.

Anmeldung zum Patent und Hilfsgebrauchsmuster^ mein Aktz.: 73.42 Sage/W/Dominant Oven

ANMELDER:

SAGE LABORATORIES, INC., 3 Huron Drive, Natick, Mass. OI76O

ERFINDER:

Theodore S. Saad, 343 High Street, Westwood, Mass.

Matthew S. Miller, 74 Wilklns Road, Holliston, Mass. 01746

VERTRETER gem. § l6 PatG.:

Dipl.-Ing. Martin Schumacher, Patentanwalt, 28 Bremen 1, Ellhornstr.

PRIORITÄT:

USA - Anmeldetag: 3. Mai I972 - Aktz.: 249,880

BEZEICHNUNG: Mikrowe11eno fen

OBERBEGRIFF:

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellenofen, dessen mit einem Zugang versehene Heizkammer über eine Anschlußöffnung und einen Wellenleiter an eine Mikrowellenquelle angeschlossen ist.

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ÜBERSICHT

Ein Mikrowellengenerator, wie z.B. ein Magnetron, liefert Mikrowellenenergie über einen Wellenleiter und eine Anschlußöffnung in die mit zu beheizendem Gut zu beschickende Heizkammer eines Mikrowellenofens. Mikrowellengenerator und Anschlußöffnung des Heizraumes sind durch einen Viertelwellenlängenwandler als Anpassungsglied derart miteinander gekoppelt, daß bei vorgegebener Arbeitsfrequenz nur die Dominantwelle TE₁ _ erregt wird. Durch die Erregung der Dominantwelle er-

gibt sich ein voraussehbarer und verhältnismäßig gleichmäßiger Heizeffekt über einen brauchbaren Raumbereich der Heizkammer .

STAND DER TECHNIK

Mikrowellenofen der bekannten Bauart haben den Nachteil, daß sich im Heizraum verschiedene Sehwingungstypen ausbilden und daß dadurch eine ungleichmäßige Beheizung des eingebrachten Gutes herbeigeführt wird. Um eine gleichmäßigere Verteilung der Heizenergie zu erzielen, ist es bekannt, in der Heizkammer Modenröhrer anzuordnen. Das amerikanische Patent 5*218,429 T. Lenart vom 16. November 19^5 zeigt einen typischen Vertreter einer solchen Bauart eines Mikrowellenofens mit Magnetron als Mikrowellengenerator. Theoretisch soll durch den Modenrührer eine veränderliche Impedanz für das Magnetron erzeugt werden, um ein Frequenzziehen des Magnetrons zu verursachen (Schwingen bei verschiedenen Frequenzen), so daß die stehenden Wellen wechseln und verschiede-

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ne Schwingungstypen entstehen. Der auf diese Weise hervorgerui'ene Prequenzwechsel ist jedoch im allgemeinen nicht ausreichend, zusätzliche Schwingungstypen zu erregen und der Modenrührer kann infolgedessen nur eine unvollkommene Ver-Vergieiehraäßigung der Heizenergieverteilung herbeiführen.

Die vorliegende Erfindung geht von der Vorstellung aus, daß die Heizkammer einen sekundären Wellenleiter mit dem Heizgut als Abschluß darstellt. Durch Anordnung eines anpassenden Viertelwellenlängenwandlers zwischen dem mit dem Magnetron verbundenen primären Wellenleiter und der Heizkammer als sekundärem Wellenleiter mit dem Heizgut als Abschluß läßt sich erreichen, daß in dem sekundären Wellenleiter vornehmlich nur die Dominantschwingung TE₁ _n erregt wird. Mit der Dominant-Schwingungstype läßt sich in einem mittleren Bereich des sekundären Wellenleiters eine verhältnismäßig gleichmäßige Heizenergieverteilung erzielen, besser als mit Modenrührern.

AUFGABE

Es besteht somit eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Mikrowellenofen zu schaffen, in dessen Heizkammer vorwiegend nur die Dominantschwingungstype TE₁ _ erregt wird, und zwar mit einer voraussagbaren, verhältnismäßig gleichmäßigen Energieverteilung über eine für den Zweck der Einrichtung angemessen große Heizzone.

Durch die Erfindung soll weiterhin die Aufgabe gelöst werden, einen Mikrowellenofen zu schaffen, der mit geringem Aufwand

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eine gute gleichmäßige Energieverteilung in der Heiζkammer gewährleistet. Ferner soll die Möglichkeit gegeben sein, schon vorhandene Mikrowellenofen nachträglich auf einfache Weise zur Vergleichmäßigung der Energieverteilung in der Heizkammer gemäß der Erfindung umzubauen.

AUFGABENLÖSUNG

Zur Lösung der vorbezeichneten und weitere Aufgaben sind erfindungsgemäß der Mikrowellengenerator, der sich anschließende Wellenleiter und die Heizkammer so bemessen und es sind der genannte Wellenleiter und die Heizkammer durch ein Anpassungsglied so miteinander gekoppelt, daß vornehmlich nur die TE₁ ~-

Schwingungstype im Heizraum erregt wird. Vorzugsweise wird bei rechteckigem Querschnitt von Anschlußöffnung und Wellenleiter der Querschnitt der Anschlußöffnung größer bemessen als der Querschnitt des Wellenleiters und die Anpassung erfolgt in der Weise, daß zwischen den Wellenleiter und die Heizkammer ein Anpassungsglied in Form eines Viertelwellenlängen-Stufenwandlers eingeschaltet ist. Eine gute Anpassung mit gleichmäßiger Energieverteilung in einer brauchbaren Gutzone der Heizkammer läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß der mit dem Mikrowellengenerator verbundene Wellenleiter eine rechteckigen Querschnitt von 1,7" χ 3*7% die Heizkammer ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt von 12" χ 12" aufweist und beide durch ein Anpassungsglied mit drei Stufen von Viertelwellenlänge verbunden sind, wobei die rechteckige Anschlußöffnung zweckmäßig in der Kamraerdecke bzw. der Heizzone der Heizkammer gegenüberliegend angeordnet ist.

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Zur Anpassung kann auch ein geschlossener Kragen vorgesehen sein, der die rechteckige Anschlußöffnung umschließt und, gegen die Heizzone der Heizkammer gerichtet, in die Heizkammer hineinragt. Dabei ist der Kragen symmetrisch zwischen der Anschlußöffnung und den ihn umschließenden Wandungen der Heizkammer angeordnet, um die geeignete Viertelwellenlängenanpassung zu erreichen. Der Kragen kann auch kreis- bzw. ringförmig ausgebildet sein und statt aus einem geschlossenen Ring aus einer Ringgruppe von Pforten bestehen.

Zur Anpassung kann schließlicn auch die Anpassungsöffnung in einer SeLtenwandung nahe der Decke der Heizkammer angebracht und ein zungenförmiges Anpassungsglied vorgesehen sein, das sich vom unteren Randteil der Anpassungsöffnung zur Kammermitte und gegen die Kammerdecke hin erstreckt. Dadurch wird eine induktive oder kapazitive Kopplung erzielt, die bei entsprechender Bemessung eine bevorzugte Erregung des Dominant-Schwingungstyps TE₁ _ ergibt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind,der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele eines Mikrowellenofens nach der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Mikrowellenofens mit aufgebrochener Wandung, 309850/0821

Pig. 2 einen Querschnitt durch den Ofen nach Fig. 1 nach der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1,

Fig. 4 eine Ausführungsform mit einem Anpassungsglied in Form eines rechteckigen Kragens,

Fig. 5 eine Ausführungsform mit Anpassungsglied in Form eines kreisförmigen Kragens,

Fig. 6 eine Ausfuhrungsform mit Anpassungsglied in Gestalt einer ringförmigen Pfortengruppe,

Fig. 7 eine Ausführungsform mit seitlicher Anschlußöffnung und zungenförmigem Anpassungsglied,

Fig. 8 eine Ausführungsform ähnlich Fig. 7* in. einfachem Querschnitt, und

Fig. 9 eine Abwandlung der Ausführungsformen nach Fig. 7 oder 8.

Fig. 1 bis 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines Mikrowellenofens nach der Erfindung mit einer Heizkammer 10, einem Anpassungsglied in Form eines stufenförmigen Wandlers 12 und einem speisenden Wellenleiter 14. Die Heizkammer besteht aus Metall, z.B. aus Aluminium oder rostfreiem Stahl, und enthält Seitenwandungen 16,18, eine Rückwand 20, eine Kammerdecke 22, einen Kammerboden 24, eine Vorderwand in Gestalt einer Tür mit Handgriff 28, durch welche die Heizkammer zur Be-

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Schickung und zur Entnahme von Heizgut zugänglich ist und einen vorzugsweise gitterförmigen Gutträger j50, der als Einsatz, wie in Fig. 2 dargestellt, ausgebildet sein kann.

Das Anpassungsglied 12 enthält drei Stufen 32,3^ und 36, die aus einem Stück bezogen sein können. Die Wandungen der Stufen haben beispielsweise eine Stärke von 3/8 Zoll. Die Stufen sind durch ihre Breiten W-,g,-, und ihre Höhen L₁^₂,^ bestimmt.

Der rechteckige Wellenleiter hat einen Querschnitt von 1>7 x 3*^ Zoll, die Heizkammer einen Querschnitt von 10 χ 10 Zoll

und eine Höhe von 12".

Die Stufenhöhen sind durch folgende Gleichungen bestimmt:

^Hl =	'/h_o	^H2 .
Hg =	ν H₁	^H3
H,	ν Hg

In entsprechender Weise sind die Breiten der Stufen miteinander durch folgende Gleichungen verknüpft:

W₂

Wg - f W₁

^W2 \

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In den obigen Gleichungen sind die Abmessungen H , W , H und W bekannt, so daß- sich durch Auflösung der Gleichungen folgende Werte ergeben:

H₁ = 2,77 Zoll,

W₁ = 4,66 Zoll,

H₂ = 4,52 Zoll,

W„ = 6,40 Zoll,

H₃ = 7,36 Zoll,

W = 8,76 Zoll»

Aus diesen Werten lassen sich nunmehr die Stufenhöhen L , Lp und L„ unter Anwendung der folgenden Gleichung ableiten:

worin Kq = c/f, c = Lichtgeschwindigkeit, f = Frequenz und somit XQ = 5,20 Zoll und ^q = 5,01 Zoll ist. Die zugehörigen Werte von L , L und L ergeben sich damit wie folgt:

^L1 ⁼	f\	= 1	,405	Zoll,
	4
^L2 ⁼	λ		,300	Zoll,

^L3 ⁼	\_	= 1	,253	Zoll.

1 fm*

2
4
3
4

Die Mikrowellenenergie wird von einem Magnetron als Mikrowellengenerator (in der Zeichnung nicht dargestellt) über den Wellenleiter 14 und das stufenförmige Anpassungsglied auf die Heizkammer 10 übertragen, um hierin den Grundwellen—

typ TE _n zu erzeugen, ι, υ

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Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines Mikrowellenofens nach der Erfindung mit Heizkammer 40, Wellenleiter 42 und einem Anpassungsglied 44 in Form eines geschlossenen Kragens, der, die rechteckige Anschlußöffnung des Wellenleiters 42 mit rechteckigem Querschnitt von 1,7 x 3,4 Zoll umschließend, von der Decke 46 in die Heizkammer 40 hineinragt. Bei sonst gleichen Abmessungen von Heizkammer und Wellenleiter (Vgl. Fig. 1) erhalten die Seitenlängen H, W und die Höhe L des rechteckigen kragenförmigen Anpassungsgliedes folgende Werte:

H = 4,70 Zoll,
W = 6,56 Zoll,
L = 1,3 Zoll.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Mikrowellenofens nach der Erfindung mit Heizkammer 50, Wellenleiter 52 und einem Anpassungsglied 54 in Form eines von der Decke 56 der Heizkammer herabhängenden kreisförmigen Kragens. Eine gute Anpassung ergibt sich in diesem Fall bei sonst gleichen Abmessungen der übrigen Teile mit einem Kragendurchmesser von 5,5 Zoll und einer Kragenhöhe von 1,3 Zoll. Es kann ferner vorteilhaft sein, dem kragenförmigen Anpassungsglied 54 eine elliptische Gestalt zu geben,. wobei die Längsachse der Ellipse parallel zur Längsseite des Wellenleiterquerschnittes liegt.

Anstelle eines kragenförmigen Anpassungsgliedes in Form eines geschlossenen Ringes kann der Kragen auch aus einer Ringgruppe

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von Pfosten bestehen» Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Anordnung mit einem Anpassungsglied 58 in Form einer Ringgruppe von Pfosten, die an der Kammerdecke 59 · angeordnet sind. Mit einer Pfostenhöhe von 1,3 Zoll lassen sich gute Ergebnisse erzielen.

Die in Fig„ 7 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorgängig beschriebenen dadurch, daß die Anschlußöffnung für den Wellenleiter 60 in einer Seitenkammer 62 der Heizkammer 64 angeordnet ist und das Anpassungsglied 66 durch eine Zunge aus Leitermaterial gebildet wird, die mit einem Zungenhauptteil 68 an die Unterseite des Wellenleiters 60 bzw. der Anschluß-Öffnung des Wellenleiters angeschlossen ist und deren Zungenende 70 nah aufwärts gegen etwa die Mitte der Kammerdecke 74 hin umgebogen ist„ Dabei kann die Zungenspitze 72 mit der Kammerdecke 74 durch eine Schraube verbunden sein, die beispielsweise durch eine Schlaufe oder Öse im Zungenende 70 hindurchgeht und von einer Gewindebohrung in der Decke aufgenommen wird. Die Zunge 66 kann aus einem geschlossenen Blechstreifen, einer Drahtgitter oder aus einer Gruppe von im Abstand angeordneten Stäben bestehen,

Fig. -8 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform ähnlich derjenigen von Fig. 7. Dabei besteht das Anpassungsglied 80 ebenfalls aus einer Zunge, deren Ende 82 jedoch nicht mit der Kammerdecke 84 fest verbunden ist, sondern mit der Kammerdecke einen Spalt 86 von z.B. 0,5 Zoll Weite bildet.

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Fig. 9 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsform. Hier-

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bei handelt es sich um eine Abwandlung der Anordnung nach Fig.7 bzw. 8. Sie zeigt ein Anpassungsglied in Form einer stabförmi— gen Zunge 90, die mit ihrer Wurzel 93 an einen Querstab 94 in der Anschlußöffnung des Wellenleiters 92 angeschlossen ist»
Der die Zunge tragende Querstab 94 ist mit seinen Enden einstellbar an den Seitenwandungen 95,96 des Wellenleiters 92
angebracht und wird vorzugsweise durch eine Verriegelung fixiert,

Es wurden vergleichende Versuche mit herkömmlichen Mikrowellen-Öfen nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde ein Temperaturmeßtrager verwendet, wie er in der US-Patentanmeldung Serial No₀ 214,095 beschrieben ist. Dieser Träger enthält 25 getrennte Temperaturfühlabteilungen in einer 5 χ 5-Matrix. Tabelle I und II zeigen die Temperaturverteilung vergleichsweise für einen Mikrowellenofen nach der Erfindung und einen herkömmlichen Mikrowellenofen«

10

10 18

ι r

ίο ίο !

20

16

8 10

I 18

20

22

10 16 10 10

30 18 10 10

18

14 !

8 !

21	21 28	18	18
"~18	14 20	15	16
23	20 i 14	16	25
18	11 11	12	18
28	30 ' 28	31	28

In die Tabellen I und II ist jeweils der Temperaturanstieg
eingetragen, der in den entsprechenden Abteilungen des Gutträgers gemessen wurde, wenn der Gutträger mit einer vorbe-

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stimmten Menge Wasser gefüllt und der Mikrowellenofen über eine vorgegebene Zeitspanne betrieben wurde. Die Anfangstemperatur betrug in allen Abteilungen etwa 70 « Die aus der Tabelle I ersichtlichen Werte wurden mit einer Ausführungsforin nach Fig.- 4 gemessen»

Die vergleichende Bewertung der Versuchsergebnisse aus den Tabellen I und II läßt sich durch Bildung der drei folgenden Verhältniswerte durchführen:

_ Höchste Temperatur in allen Abteilungen

1 ~

Niedrigste Temperatur in allen Abteilungen

_ Summe der Temperaturen in den mittleren Abteilungen

2 ~

Summe aller Temperaturen

_ Höchste Temperatur in den mittleren Abteilungen

Niedrigste Temperatur in den mittleren Abteilungen

Mit den Meßwerten aus Tabelle I und II ergeben sich für diese Verhältnisgrößen folgende Werte:

Tabelle	I
J^₁ — J)	75
R₂ = O,	52
^Ko - I *	87

Tabelle	II
^₁ - ^»	82
R₂ = O,	27
^o - U	82

Der Verhältniswert E ist nicht kritisch und mag einen Wert von 4,0 oder weniger betragen. Kritisch dagegen ist die Größe des Verhältniswertes R„» Dieser Verhältniswert zeigt an, daß im Fall I 52 % der fünfundzwanzig Abteilungen in den

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neun mittleren Abteilungen konzentriert ist, wo der Hauptteil des Heizgutes, beispielsweise der zu erwärmenden Speisen, sich befindet und wo daher die Erwärmung erwünscht ist. Im Fall II dagegen sind nur 25 % der Wärmesteigerung auf die mittleren Abteilungen konzentriert, was einer ungünstigen Wärmekonzentration entspricht. Der Verhältniswert R„ ist in beiden Fällen etwa gleich groß»

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BEZUGSZEICHENLISTE

10	Heiζkammer	oven enclosure
12	.Anpassungsglied,	Stufenwand- step transformer
	ler
14	Speiseleiter	feeding wave guide
16,18	Seitenwandungen	von 10 side walls
20	Rückwand von 10	back wall
22	Decke von 10	top wall
24	Boden von 1O	bottom wall
26	Tür von 10	door
28	Handgriff	handle
30	Gutträger	food retaining screen, tray
32,34, 36	Stufen	steps
Fig. 4:
40	Heizkammer	oven enclosure
42	Wellenleiter	wave guide
44	Anpassungsglied,	Kragen ridge
46	Decke von 40	top wall
Fig. 5:
50	Heiζkammer	enclosure
52	Wellenleiter	wave guide
54	Anpassungsglied,	Kragen matching ridge
56	Decke von 50	top wall
Fig. 6:
58	Anpassungsglied,	Pfosten ports
59	Decke	top wall
Fig. 7:
60	Wellenleiter	wave guide
62	Seitenwandung	side wall
64	Heizkammer	enclosure
66	Anpassungsglied,	Zunge strap
68	Zungenhauptteil	bottom edge
70	Zungenende '	end

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72	Zungenspitze	point
74	Decke von 64	top wall
Fig. 8:
80	' Anpassungsglied, Zunge	strap
82	Zungenende	end
84	Kammerdecke	top wall
86	Spalt	gap
Fig. 9:
90	Anpassungsglied, Zunge	strap
92	Wellenleiter	wave guide
93	Wurzel	end
94	Querstab	bar, rod
95,96	Wandungen von 92	■walls

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

Mikrowellenofen, dessen mit einem Zugang für das zu beheizende Gut versehene Heizkammer über eine Anschlußöffnung und einen Wellenleiter an eine Mikrowellenquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator, der sich anschließende Wellenleiter (14,42,52,60,92) und die Heizkammer (10,40,50,64) so bemessen und daß Wellenleiter und Heizkammer durch ein Anpassungsglied (12,44,54,58,66,80,90) so gekoppelt sind, daß hauptsächlich nur der TE₁ „-Schwingungstyp im Heizraum erregt wird.

2„ Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß be^rechteckigem Querschnitt von Anschlußöffnung und Wellenleiter der Querschnitt der Anschlußleitung größer bemessen ist als der Querschnitt des Wellenleiters»

3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungsglied (12) einen Viertelwellenlängen-Stufenwandler enthält. (Fig. 1-3)

4. Ofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungsglied (12) mehrere Viertelwellenlängen-Stufen aufweist. (Fig. 1-3)

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5. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungsglied (44,54,58) einen geschlossenen Kragen enthält, der die Anschlußöffnung umschließt und in die Heizkammer
(40,50) ragt. (Fig* 4-6)

6. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen des Anpassungsgliedes (44) rechteckig ausgebildet ist und sich in bestimmtem Abstand vom Rand der Anschlußöffnung einerseits und der gegenüberliegenden, ihn umschließenden Wandungen der Heizkammer andererseits befindet. (Fig. 4)

7. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen des Anpassungsgliedes (54) kreisförmig ausgebildet ist,
(Fig. 5,6)

8. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen des Anpassungsgliedes elliptisch ausgebildet ist.

9. Ofen nach Anspruch 6,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kragen des Anpassungsgliedes (44,54) aus einem geschlossenen Ring oder Zylinder besteht. (Fig. 4,5)

10. Ofen nach Anspruch 6,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kragen^les Anpassungsgliedes (58) aus einer Ringgruppe
von Pfosten besteht. (Fig. 6)

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ο Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungsglied (66) eine Zunge enthält, die sich von einem Randteil der Anpassungsöffnung in die Heizkammer (64) erstreckt» (Fig_o 7,8,9)

12« Ofen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungs öffnung in einer Seitenwandung (62) nahe der Decke (74,84) der Heizkammer (64) angeordnet ist und das zungenförmige Anpassungsglied (66) sich vom unteren Randteil der Anschlußöffnung zur Kammermitte und gegen die Kammerdecke . (74,84) erstreckt.

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