DE2508585A1

DE2508585A1 - Einrichtung zum speichern der energie von einfallender elektromagnetischer strahlung, insbesondere von sonnenstrahlung

Info

Publication number: DE2508585A1
Application number: DE19752508585
Authority: DE
Inventors: Peter Brian Clampham; Michael Christopher Hutley
Original assignee: UK Secretary of State for Industry
Current assignee: UK Secretary of State for Industry
Priority date: 1974-02-28
Filing date: 1975-02-27
Publication date: 1975-09-04
Also published as: FR2262781B2; GB1505344A; US4006730A; FR2262781A2; JPS50141335A

Description

M. 555

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Augsburg, den 26. Februar 1975

The Secretary of State for Industry ;.; η Her Britannic Majesty^fs Government of the United Kingdom of Groat Britain and Northern Ireland, 1, Victoria Street, London S.W.I,, England

Einrichtung zum Speichern der Energie von einfallender elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Sonnenstrahlung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Speichern der Energie von einfallender elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Sonnenstrahlung,

Von der Sonne gelangt der elektromagnetischen Sonnen-

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strahlung aufgeprägte Energie zur Erde. Ein großer Teil der Sonnenstrahlung ist sichtbare Lichtstrahlung, Obwohl die Erde eine viel niedrigere Temperatur als die Sonne aufweist, strahlt sie wiederum Energie ab, jedoch im infraroten Bereich des Spektrums, dessen Mitte etwa bei einer Wellenlänge von 10 um liegt. Zwischen der empfangenen Energie und der abgestrahlten Energie ist ein Gleichgewicht vorhanden, welches die Oberflächentemperatur der Erde begrenzt.

Es sind bereits viele Versuche zur Nutzbarmachung der Sonnenenergie unternommen worden. Einige dieser Versuche waren erfolgreich und machten vom üblichen Treibhauseffekt Gebrauch, indem ein Energieabsorber, beispielsweise ein schwarzer Körper, beispielsweise Torfmull, unter einer transparenten Bedachung, beispielsweise aus Glas, angeordnet wurde, durch welche die Sonnenstrahlung zu dem Energieabsorber gelangt. Das Glas läßt die sichtbare Lichtstrahlung zum Absorber durch, welcher sie absorbiert und infrarote Strahlung emittiert. Die infrarote Strahlung wird vom Glas absorbiert, welches dadurch erwärmt wird, so daß es seinerseits, da es eine beträchtliche Emissionsfähigkeit besitzt, infrarote Strahlung emittiert, welche teilweise zum schwarzen Körper zurückgeworfen und teilweise in die Umgebung ausgestrahlt wird und daher einen Energie-

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verlust bedeutet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Speicherung der Energie von elektromagnetischer Strahlung so auszubilden, daß der Energie verlust durch Wiederabs trahlung sehr klein ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer solchen Einrichtung ein optisches Reflexionsfilter, welches für längerwellige Strahlung ein wesentlich größeres Reflexionsvermögen als für kürzerwellige Strahlung und für im Bereich sichtbaren Lichts liegende und kürzerwellige Strahlung eine wesentlich größere Durchlässigkeit als für bezüglich sichtbaren Lichts längerwellige Strahlung aufweist, vor einem Energieabsorber angeordnet ist, so daß die einfallende Strahlung durch das Filter hindurch den Energieabsorber erreicht, wobei jedoch vom Absorber in Richtung des Filters zurückgeworfene Strahlung vom Filter wieder im wesentlichen zum Absorber hin reflektiert wird, und daß ein Ausgangskanal zum Abziehen der vom Absorber aufgenommenen Energie und Mittel zur Verhinderung eines Energieabflusses vom Absorber außerhalb des Ausgangskanals vorgesehen sind.

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Gemäß einer Aus füh rungs form der Erfindung weist das optische Reflexionsfilter ein Wetz aus elektrischen Leitern auf, deren Abstände so gewählt sind, daß das Netz im Bereich sichtbaren Lichts liegende und kürzerwellige Strahlung durchläßt und einen wesentlichen Teil der mit Bezug auf sichtbares Licht längerwelligen Strahlung reflektiert. Das Netz kann aus zwei Gittern gebildet sein, welche im wesentlichen rechtwinklig zueinander verlaufend übereinander angeordnet sind, wobei jedes Gitter entlang .jeder seiner Gitterlinien metallisiert ist, so daß eine Reihe von einzelnen, im wesentlichen parallelen elektrischen Leitern gebildet ist. Die Gitter sind vorzugsweise eingeritzte Gitter und der Abstand zwischen den Leitern in der Ebene des Netzes liegt vorzugweise im Bereich von 2 um bis 3 Mm, Vorzugsweise hat jede Gitterlinie eines Gitters mit im wesentlichen allen anderen Linien des anderen Gitters elektrischen Kontakt,

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das optische Reflexionsfilter auf dem als Substrat dienenden Energieabsorber angeordnet. Das Substrat absorbiert elektromagnetische Strahlung im Bereich sichtbaren Lichts und im kürzerwelligen Bereich, Das optische Reflexionsfilter

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ist als regelmäßige Anordnung kleiner Flächenerhebungen ausgebildet.

Das Substrat mit den Flachem rhebungen ist vorzugsweise mit einem dünnen Film aus reflektierendem Metall, vorzugsweise Gold, überzogen.

Die Abstände der Flächenerhebungei sollten kleiner sein als die kürzeste Wellenlänge der sichtbaren Strahlung und die Höhe der Erhebungen sollte nicht kleiner als ein Drittel der Länge der längsten Wellenlänge der sichtbaren Strahlung sein. Demzufolge sollten die Abstände der Erhebungen im Bereich von 250 nm liegen und nicht größer als etwa 300 nm sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat ein Kunststoff, auf welchem die Erhebungen durch Pressen gebildet sind, was mit Hilfe einer Walze im Zuge eines kontinuierlichen Verfahrens erfolgen kann.

Vorzugsweise handelt es sich bei den Mitteln zur Verhinderung eines Energieabflusses vom Absorber außerhalb des Ausgangskanals um eine Ummantelung, beispielsweise aus Glaswolle oder Steinwolle oder eine Vakuumumhüllung, oder

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eine Kombination derartiger Mittel.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen in ihren Einzelheiten beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Pig. IA eine Frontansicht einer Ein

richtung nach der Erfindung,

Fig« IB einen Schnitt entlang der

Ebene IB-IB in Fig. IA,

Fig. 2A eine vergrößerte Stirnansicht

eines Teils eines eingeschnittenen Liniengitters, bei welchem jede Gitterlinie metallisiert ist,

Fig. 2B eine Teildraufsicht entsprechend

der Linie HB-IIB in Fig. 2A,

Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht eines

Teils eines Gitters eines optischen Re flexions filters, und

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Pig, 4 eine vergrößerte perspektivische

Ansicht einer anderen Ausführungsform eines optischen Reflexionsgitters.

Die Fig. IA und IB stellen eine Einrichtung zur Speicherung von Energie elektromagnetischer Strahlung dar. Ein Energieabsorber ist allgemein mit 10 bezeichnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich dabei um einen hohlen Behälter 12, Eine Wandung 14 dieses Behälters ist an ihrer Außenfläche 16 schwarz, so daß sie einen sehr hohen Anteil, annähernd 100 Prozent, der auftreffenden sichtbaren und infraroten elektromagnetischen Strahlung absorbieren kann. Diese Strahlung ist in der Zeichnung schematisch durch den Pfeil 18 angedeutet. Zwischen der Strahlungsquelle und der strahlenabsorbierenden Fläche 16 ist ein optisches Reflexionsfilter 20 angeordnet. Dieses optische Reflexionsfilter ist, wie unten beschrieben wird, so ausgebildet, daß es von der Strahlungsquelle, beispielsweise von der Sonne kommende elektromagnetische Strahlung im Bereich sichtbaren Lichts und im kürzerwelligen Bereich zum Energiespeicher 10 durchläßt, so daß sie von dessen Oberfläche 16 absorbiert werden kann. Die Konstruktion des optischen Reflexionsfilters verleiht diesem

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auch die Eigenschaft, daß sr infrarote Strahlung, d.h. Strahlung mit bezüglich des sichtbaren Lichts größerer Wellenlänge, reflektiert. Das optische Reflexionsfilter kann sehr grob mit einem Sieb verglichen werden,, welches kleine Teilchen (kurze Wellenlängen) durchläßt ₃ jedoch große Teilchen (große Wellenlängen) zurückhält. Die durch das Filter hindurchgelangende Strahlung erhöht die Temperatur des Energieabsorbers, welcher infrarote Strahlung zurückwirft, jedoch wird diese infrarote Strahlung vom Filter im wesentlichen vollständig wieder zum Energieabsorber hin reflektiert. Da das Filter im Gegensatz zum Glas eines Treibhauses die infrarote Strahlung nicht absorbiert, wird seine Temperatur nicht erhöht und es kann keine Energie in die Umgebung abstrahlen. Die vor der Abstrahlung bewahrte Energie dient zur weiteren Anhebung der Temperatur des Energieabsorbers auf einen höheren Wert, als er mit der gleichen einfallenden Strahlungsmenge, jedoch ohne das optische Reflexionsfilter erreichen würde. Wenn der Energieabsorber außer gegen die einfallende Strahlung vollständig isoliert werden könnte, würde seine Temperatur auf einen Wert ansteigen, bei welchem die Strahlung eine so kurze Wellenlänge erreichen würde, daß sie durch das optische Refleionsfilter durchgelassen würde. Dies kann in der

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Praxis nicht auftreten, da die Temperatur des Energieabsorbers durch Wärmeleitung und Wärmekonvektion und und wegen des optischen Reflexionsfilters begrenzt ist, welch letzteres zwar hochwirksam, jedoch nicht völlig perfekt sein kann.

Bei der dargestellten Ausführmgsform ist der Energie absorber als hohler Behälter ausgebildet, durch welchen Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, durch Leitungen 22 und 24, welche einen Ausgangskanäl bilden, hindurchzirkuliert werden kann. Auf diese Weise kann Energie abgezogen werden, da das im Behälter befindliche Wasser von der absorbierten Strahlung erwärmt wird. Die dadurch erhaltene Energie kann beispielsweise für Haushalts- oder andere Heizzwecke verwendet werden. Das Bezugs zeichen 25 bezeichnet eine Ummantelung, welche beispielsweise aus Glaswolle bestehen oder durch eine Vakuumumhüllung oder eine Kombination dieser beiden Elemente gebildet sein kann.

Eine gemäß der Erfindung verwendbare Ausführungsform eines optischen Reflexionsfilters ist ein feines Netz aus elektrischen Leitern, wie es stark vergrößert in Fig. 3 dargestellt ist. Dieses Netz kann aus zwei über-

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lagerten Anordnungen von jeweils parallelen und gleichmäßige Abstände aufweisenden Leitern bestehen, wobei die beiden Leiteranordnungen rechtwinklig zueinander verlaufen. Jede Anordnung kann durch ein Gitter hergestellt sein, beispielsweise durch ein Beugungsgitter, das auf transparentem Werkstoff gebildet und entlang der erhabenen Gitterlinien durch Vakuumaufdampfung metallisiert ist.

Es ist möglich, entweder ein Liniengitter oder ein Interferenzgitter zu verwenden, jedoch lassen sich in jedem Falle besser begrenzte Leiter erhalten, wenn das Gitter der geschnittenen Art angehört«

Einen stark vergrößerten Querschnitt eines geschnittenen Gitters ist in Pig, 2A dargestellt. Dabei handelt es sich um ein Gitter, bei welchem die Gitterlinien 26 im Querschnitt asymmetrisch sind, da eine Seite steiler als die andere mit Bezug auf die Gitterhauptebene verläuft. Wenn ein derartiges Gitter durch einen im wesentlichen in Richtung des Pfeiles 28 gerichteten Metalldampfstrahl metallisiert wird, so ergeben sich scharf begrenzte schmale Leiter 30, wie sie auch in den Fig. 2B und 3 ersichtlich sind.

Der Zweckmäßigkeit halber und zur Vermeidung der

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Kosten können die verwendeten Gitter Kunstharzkopien eines geschnittenen Original-Glasgitters oder Interferenzgitters sein.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, können zwei Gitter übereinander angeordnet sein, wobei die Leiter des einen Gitters an diejenigen des anderen angrenzen. Bei einer alternativen Konstruktion wird eine erste Gitterkopie auf einer transparenten Basis gebildet und metallisiert. Eine dünne Kunstharzschicht wird auf diese erste Kopie aufgebracht und sodann wird in dieser Schicht eine zweite Gitterkopie gebildet, welche rechtwinklig zur ersten Gitterkopie ausgerichtet ist, und wird ebenfalls metallisiert, so daß ein untrennbares Netz entsteht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Strahlung, welche eines dieser Gitter passiert, von der Kunstharzschicht absorbiert werden kann, bevor sie durch das andere Gitter reflektiert werden kann. Die Temperatur des Harzes steigt dann an und strahlt zurück, was einen Energie verlust bedeutet. Dieser Effekt kann dadurch möglichst klein gemacht werden, daß die Kunstharzschicht so dünn wie möglich gemacht wird. Im Idealfall stehen die beiden metallisierten Gitter in unmittelbarem Kontakt miteinander, was sich durch Kopieren eines Bildes eines Gitters erreichen läßt, welches in

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der oben beschriebenen Weise auf eine lichtempfindliche Schicht aufgebracht worden ist. Das Bild kann dann durch herkömmliches Entwickeln und Ätzen in ein elektrisch leitendes Gitter umgewandelt werden.

Das Gitter ist vorzugsweise so ausgebildet, daß seine in Fig. 3 angegebenen Abmessungen X und Y gleich sind und im Bereich von etwa 2 um. bis 3 /ttm liegen, wobei eine geringe Ungleichförmigkeit toleriert werden kann.

Große Flächen von kopierten Gittern müssen im allgemeinen stückweise unter Verwendung einer verhältnismäßig kleinen Originalgitterfläche aufgebaut werden. Es ist jedoch nicht wesentlich, daß aneinander angrenzende Gitterstücke optisch kohärent sind.

Bei einer anderen Aus führungsform der Erfindung weist das optische Reflexionsfilter ein Substrat auf, welches mindestens für sichtbare Strahlung undurchlässig ist, und auf welchem eine regelmäßige Anordnung von kleinen Flächenerhebungen gebildet ist, die vorzugsweise eine kegelige oder kegelstumpfförmige oder pyramidenartige Form aufweisen und sich vom Substrat aus verjüngen,

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wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Das Substrat ist mit 32 und die Erhebungen sind mit 3^ bezeichnet. Der Abstand S der Erhebungen ist kleiner als die kürzeste V/ellenlange der sichtbaren Strahlung, und die Höhe H ist nicht geringer als etwa ein Drittel der größten Wellenlänge der sichtbaren Strahlung. Diese Anordnung von Flächenerhebungen erzeugt eine allmähliche Änderung des Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem angrenzenden Medium mit der Folge, daß Oberflächenreflexionen beträchtlich vermindert sind. Verfahren zur Erzeugung solcher Erhebungen sind bereits vorgeschlagen worden.

'denn eine solche Flächenerhebungen aufweisende Oberfläche mit einem Metallfilm, vorzugsweise Gold, überzogen ist, so ist das Reflexionsvermögen dieser Fläche im Vergleich zu einer ebenen Metallfläche für Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts vermindert. Für Strahlung mit viel größerer Wellenlänge, beispielsweise infrarote Strahlung, ist jedoch die Höhe der Erhebungen klein im Verhältnis zur Wellenlänge. Die Fläche wirkt also, insbesondere, wenn sie mit Gold überzogen ist, bei Strahlungen mit langer Wellenlänge ebenso wie eine Fläche mit scharf definierter Grenze zwischen zwei optischen Medien mit einer plötzlichen Änderung des Brechungsindex. Das

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Reflexionsvermögen für diese langen Wellenlängen ist deshalb hoch. Wenn das Reflexionsvermögen einer Fläche hoch ist, so folgt daraus, daß ihre Emissionsfähigkeit niedrig ist. Das bedeutet, daß eine stark reflektierende Fläche eine viel höhere Temperatur erreichen kann als eine absorbierende Fläche ohne Abstrahlung von viel Energie,, Der Abstand S der Erhebungen sollte nicht größer als etwa 250 nm sein und die Höhe H sollte nicht weniger als etwa 23Ο nm betragen. Eine derartige Erhebungen aufweisende und mit einem Goldfilm überzogene Fläche reflektiert etwa 97 Prozent der einfallenden infraroten Strahlung und nur 2 Prozent bis 3 Prozent der sichtbaren Strahlung. Hier ist das optische Reflexionsfilter mit dem Energieabsorber integriert und erreicht bei gegebenem Strahlungseinfall eine höhere Temperatur, da die Wiederabstrahlung von infrarotem Licht wegen der niedrigen Emissionsfähigkeit beträchtlich verringert ist.

Zur Herstellung eines optischen Reflexionsfilters der in Fig. 4 dargestellten Art in kommerziellem Maßstab wird zunächst, beispielsweise durch Ionenätzung in Glas, eine einige Quadratzentimeter umfassende Fläche als Matrix hergestellt. Von dieser wird, um zwei Möglichkeiten anzugeben, beispielsweise eine Kunstharzkopie durch

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Gießen oder eine Metallkopie durch Elektroformung hergestellt. Von der Kunstharzkopie können weitere Kopien durch Gießen hergestellt werden. Die harte Metallkopie kann zum Prägen von Kopien in Kunststoff verwendet werden. Es ist möglich, eine harte Metallkopie in Form einer
Walze herzustellen, so daß großflächige Kopien mit dem Bild der Matrix beispielsweise auf einer Kunststoffläche im Zuge eines kontinuierlichen Verfahrens herstellbar
sind.

Ebenso wie bei der Reflexionsfilterbauart mit dem elektrisch leitenden Gitter ist es beim abschnittsweisen Aufbau eines Filters der Bauart mit Flächenerhebungen nicht von Bedeutung, daß die anexnandergrenzenden Abschnitte optisch kohärent sind.

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Claims

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Pate ntansprüche

il. Einrichtung zum Speichern der Energie von einfallender elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Sonnenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Reflexionsfilter (20), welches für längerwellige Strahlung ein wesentlich größeres Reflexionsvermögen als für kürzerwellige Strahlung und für im Bereich sichtbaren Lichts liegende und kürzerwellige Strahlung eine wesentlich größere Durchlässigkeit als für bezüglich sichtbaren Lichts längerwellige Strahlung aufweist, vor einem Energieabsorber (10) angeordnet ist, so daß die einfallende Strahlung durch das Filter hindurch den Energieabsorber erreicht, wobei jedoch vom Absorber in Richtung des Filters zurückgeworfene Strahlung vom Filter wieder im wesentlichen zum Absorber hin reflektiert wird, und daß ein Ausgangskanal (22, 24) zum Abziehen der vom Absorber aufgenommenen Energie und Mittel (25) zur Verhinderung eines Energieabflusses vom Absorber außerhalb des Ausgangskanals vorgesehen sind,
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß das optische Reflexionsfilter (20) ein Netz aus elektrischen Leitern (30) aufweist, deren Abstände so gewählt sind, daß das Netz Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts und kürzerwellige Strahlung durchläßt und einen wesentlichen Teil der bezüglich sichtbaren Lichts längerwelligen Strahlung reflektiert«
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz aus zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Gittern gebildet ist, welche jeweils eine Anzahl im wesentlichen paralleler, durch metallisierte Gitterlinien gebildete elektrische Leiter aufweisen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (30) geschnittene Gitter sind»
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der einzelnen Leiter (30) in der Siebebene im Bereich von 2 am bis etwa 3 Atm liegen,
6. Einrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß jede Gitterlinie (30) des einen Gitters elektrischen Kontakt mit im wesentlichen allen Gitterlinien des anderen Gitters hat,

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7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Reflexionsfilter (20) auf dem hier als Substrat dienenden Energieabsorber (10) als regelmäßige Anordnung von Flächenerhebungeη (34) gebildet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (32) mit den Flächenerhebungen (34) mit einer dünnen Schicht aus reflektierendem Metall überzogen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Gold ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der F lä ehe nerhebungen (34) kleiner als die kürzeste Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist und die Höhe der Erhebungen nicht kleiner als ein Drittel der größten Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Erhebungen (34) nicht größer als etwa 300 nm ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch

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gekennzeichnet, daß der Abstand der Erhebungen (3¹O etwa 250 nm beträgt.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (32) ein Kunststoff ist, auf welchem die Erhebungen (34) durch Prägung gebildet sind«,
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (34) mittels einer Walze geprägt sind.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel (25) zur Verhinderung eines Energieab flusses vom Absorber außerhalb des Ausgangskanals (22, 24) eine Umhüllung dient.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung Glaswolle ist,
17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung ein Vakuummantel ist.

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