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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit Gehäuse, in welchem Pumpsystem
und Motor untergebracht sind, mit Gaseinlass und Gasauslass.
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Vakuumpumpen
erzeugen in ihrem Inneren aufgrund der Verdichtung des gepumpten
Gases Wärme.
Dies ist jedoch nicht die einzige Wärmequelle. In den meisten Bauformen
weisen Vakuumpumpen bewegliche Bauteile auf, die durch einen Antrieb in
Bewegung gehalten werden. Dieser Antrieb weist einen Wirkungsgrad
auf, d.h. es entsteht Verlustleistung, die im Regelfall als Wärme abgeführt werden muss.
Hinzu kommt noch die Reibung in Lager und einiges mehr. Die Wärme wird
an die Umgebung der Vakuumpumpe abgegeben und stellt eine Gefahrenquelle
für ihren
Benutzer dar.
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Es
besteht nun das Bedürfnis,
den Benutzer der Vakuumpumpe zu schützen. Im Stand der Technik
werden Griffe vorgeschlagen, an denen der Benutzer die Vakuumpumpe
auch kurz nach dem Betrieb, also im erwärmten Zustand, bewegen kann. Dies
schützt
aber nicht vor Berührung
und ist daher unzureichend. Ein anderer Vorschlag ist gemäß der
EP-A 1 696 132 ,
die komplette Vakuumpumpe in ein das eigentliche Pumpengehäuse umgebendes
Außengehäuse einzubauen.
Diese Lösung
bedeutet einen hohen Aufwand und es treten Probleme bei der Zugänglichkeit
von Bedienelementen auf. Außerdem greift
diese Lösung
in erheblichem Maße
in den Wärmehaushalt
der Vakuumpumpe ein, insbesondere besteht die Gefahr der Überhitzung.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schutzeinrichtung für eine Vakuumpumpe
vorzustellen, welche den Wärmehaushalt
nicht ungünstig
beeinflusst.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des ersten
Anspruchs. Die abhängigen
Ansprüchen
1 bis 10 stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
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Durch
eine Haube, die das Gehäuse
der Vakuumpumpe wenigstens teilweise umgibt, kann die Berührung Wärme führender
Bauteile verhindert werden, so dass der Benutzer der Vakuumpumpe
geschützt
wird. Im Bereich heißer
Teile des Gehäuses werden
so Flächen
geschaffen, an denen eine Berührung
gefahrlos erfolgen kann. Damit können
Kosten gespart werden, die durch eine unnötig große Gestaltung der Haube entstehen.
Eine Haube ist einfach und durch kostengünstig herzustellende Aussparungen
kann die Zugänglichkeit
aller Bedienelemente gewährleistet
werden.
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In
einer ersten Weiterbildung ist ein Zwischenbauteil zwischen Gehäuse und
Haube angeordnet, so dass Gehäuse
und Haube nicht in flächigem
berührendem
Kontakt stehen. Dadurch wird der Wärmeeintrag in die Haube verringert.
Gleichzeitig wird durch das Zwischenbauteil ein Abstand zwischen
Gehäuse
und Haube geschaffen, der einen Zwischenraum schafft. Dieser Zwischenraum
ist mit Luft gefüllt,
welcher als isolierendes Luftpolster wirkt, wenn keine Zwangsbelüftung einen
Luftaustausch erzwingt.
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In
einer Weiterbildung dieses Gedankens enthält das Zwischenbauteil Materialbestandteile,
die in das Zwischenbauteil eingeleitete mechanische Schwingungen
dampft. Hierdurch wird verhindert, dass die Haube in Schwingungen
gerät,
wodurch sich insgesamt ein ruhigeres Betriebsverhalten der Vakuumpumpe
ergibt. Es werden weniger Geräusche
an die Umgebung abgegeben, was gerade für den Einsatz in Laborumgebung
von Vorteil ist, da hier Bedienpersonal anwesend ist.
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Diese
Weiterbildungen lassen sich dadurch weiterentwickeln, dass das Zwischenbauteil
Materialbestandteile enthält,
die als thermische Barriere wirken. Hierdurch wird der Wärmeeintrag
in die Haube noch weiter reduziert.
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Die
Vorteile der bisher vorgestellten Weiterbildungen werden erreicht,
wenn das Zwischenbauteil elastomere Bestandteile aufweist, da diese
sowohl schwingungsdämpfend
wirken als auch eine thermische Barriere darstellen.
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Alle
bisher vorgestellten Weiterbildungen lassen sich verbessern, indem
die Haube derart gestaltet und angeordnet wird, dass sie die Lenkung des
Gasstroms eines Lüfters
durch wenigstens einen Teil von am Gehäuse angeordneten Kühlrippen
bewirkt. Hierdurch wird die Kühlung
des Gehäuses
effizienter, wobei gleichzeitig eine Innenkühlung der Haube erfolgt.
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Diese
Weiterbildung wird verbessert, wenn der Lüfter unter der Haube angeordnet
ist, so dass die Belüftung
der Kanäle
zwischen Kühlrippen
und Haube noch wirksamer ist.
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Die
nächste
Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist derart, dass die Haube wenigstens
eine Öffnung
aufweist, durch die der Lüfter
Luft ansaugen und anschließend
in die Kanäle
fördern
kann. Diese Öffnung
sorgt für
eine wirksame Luftansaugung und schafft gleichzeitig Gestaltungsfreiheit
bei der Platzierung des Lüfters.
Beispielsweise kann dieser so nahe den Kühlrippen angeordnet werden
und muss nicht zwingend am Haubenende vorgesehen sein.
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Die
Vorteile der vorgestellten Weiterbildungen werden bei einer Vakuumpumpe
vertieft, deren Gehäuse
mehrere Abschnitte aufweist, wobei Pumpsystem und Steuerelektronik
in unterschiedlichen Abschnitten angeordnet sind. Dies verbessert
den Wärmehaushalt,
da das Pumpsystem eine Wärmequelle darstellt,
während
die Steuerelektonik elektronische Bauteile aufweist, die von Wärme ferngehalten
werden sollte, da sie sonst zu schnell alter.
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Die
genannten Vorteile sind besonders ausgeprägt, wenn das Pumpsystem angepasst
ist, Gas vom Grob- oder Feinvakuumbereich zu verdichten und gegen
Atmosphäre
auszustoßen.
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Anhand
eines Ausführungsbeispiels
soll die Erfindung näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1:
a) seitlicher Blick auf eine mit Haube ausgestattete Vakuumpumpe,
demontierter Zustand, b) seitlicher Blick, montiert.
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2:
Senkrechter Schnitt durch Zwischenabschnitt und Steuerungsabschnitt
der Vakuumpumpe.
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3:
Waagrechter Schnitt entlang B-B' durch
die Vakuumpumpe.
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4:
Senkrechter Schnitt durch Pumpabschnitt und Peripherieabschnitt.
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5:
Schnitt entlang A-A' durch
die Vakuumpumpe nach 1.
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In
den nachfolgenden Abbildungen bezeichnen gleiche Ziffern gleiche
Teile.
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Die
erste Abbildung zeigt eine Vakuumpumpe, welche aus vier Abschnitten
aufgebaut und von einer Haube 1 umgeben ist. Diese Haube
ist im Abbildungsteil a) im demontierten Zustand gezeigt, während sie
im Abbildungsteil b) an der Vakuumpumpe montiert ist und einen Teil
des Gehäuses
dieser Vakuumpumpe umgibt. Die Vakuumpumpe selbst ruht auf einem
Fuß 10.
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Die
Abschnitte der Vakuumpumpe beinhalten unterschiedliche Funktionseinheiten.
Der Steuerungsabschnitt 2 enthält die Steuerelektronik, welche die
Netzspannung für
die Bestromung der Spulen des Antriebs aufbereitet. In einem Zwischenabschnitt 3 ist
ein Lüfter 6 angeordnet,
der Luft ansaugt und in den Raum zwischen am Gehäuse vorgesehen Kühlrippen 8 fördert, wodurch
eine Kühlwirkung
erzielt wird. Die Ansaug- und Förderwirkung
des Lüfters
ist durch die gestrichelten Pfeile verdeutlicht. Ein Peripherieabschnitt 4 weist
die Gasanschlüsse
auf, also Gaseinlass 9 und -auslass. Am Peripherieabschnitt ist
außerdem
der Fuß 10 angeordnet.
Dieser weist Mittel auf, beispielsweise Elastomerkörper, mit
denen die Schwingungsübertragung
zwischen Vakuumpumpe und Boden verringert wird. Im Pumpabschnitt 5 sind
diejenigen Bauteile angeordnet, mit denen das Gas so weit verdichtet
wird, dass es gegen die Atmosphäre
ausgestoßen
werden kann. Diese vier Abschnitte sind axial aufeinanderfolgend
angeordnet, wobei sich der Zwischenabschnitt zwischen Peripherieabschnitt
und Steuerungsabschnitt befindet. Auf der dem Zwischenabschnitt
gegenüberliegenden Seite
des Peripherieabschnitts ist der Pumpabschnitt vorgesehen.
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Die
Abschnitte der Vakuumpumpe sind zumindest teilweise von der Haube 1 umgeben.
Sie ist in dem Beispiel so gestaltet, dass sie den unteren Teil der
Vakuumpumpe abdeckt. Unten bezieht sich hier auf die Richtung, in
der der Fuß der
Vakuumpumpe montiert ist. Während
sie so geformt ist, dass Steuerungs- und Zwischenabschnitt vollständig verdeckt sind,
ist sie im Bereich der Pumpabschnitts weniger hoch, so dass sie
nur den unteren Teil verdeckt. In diesem unteren Teil sind Kühlrippen 8 vorgesehen, wobei
diese auch im oberen Teil vorhanden sein können. Die Haube verdeckt wenigstens
einen Teil der Kühlrippen,
so dass Kanäle
entstehen, die durch Haube, Gehäuse
und Kühlrippen
begrenzt werden. Für
die Schutzfunktion kann es ausreichend sein, nur diesen unteren
Teil abzudecken, da jeweils im unteren Teil von Pumpabschnitt und
Peripherieabschnitt die wärmetragenden
Elemente wie Schmiermittel und Spulen vorgesehen sind. Bei der Gestaltung
der Haube können
Designfragen natürlich
auch eine Rolle spielen. Die Haube verdeckt außerdem den Lüfter. Damit
dieser Luft ansaugen und anschließend in die Kanäle fördern kann,
weist die Haube eine Öffnung auf.
Im Beispiel ist diese als eine Mehrzahl von Lüftungsschlitzen 7 gestaltet.
Zahl und Form der Lüftungsschlitze
kann je nach Vakuumpumpe und den Anforderungen an den Gasstrom des
Lüfters
variieren.
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2 zeigt
in einem senkrechten Schnitt durch die Vakuumpumpe den Aufbau von
Steuerungs- und Zwischenabschnitt. Der Steuerungsabschnitt 2 besitzt
ein geschlossenes Gehäuse,
welches Kühlrippen 11 aufweist. Über diese
erfolgt eine Kühlung
durch freie Konvektion. Innerhalb des Steuerungsabschnitts sind
elektronische Bauteile angeordnet, die eine Steuerelektronik 12 bilden
und beispielsweise auf einer Platine montiert sind. Diese elektronischen
Bauteile formen eine Versorgungsspannung derart um, dass Spannungen
und Ströme in
geeigneter Form an die Spulen des Antriebs angelegt werden können, um
in der Folge eine Drehung einer Antriebswelle zu erzielen. Die Versorgungsspannung
kann dabei eine übliche
Netzspannung wie 220 V mit 50 Hz oder eine der gängigen Industriespannungen
wie 48 V sein. Solche Bauteile der Steuerelektronik, die in besonderem
Maße Wärme erzeugen,
können
derart angeordnet sein, dass sie die Innenwand des Gehäuses des
Steuerungsabschnitts berühren.
Vorzugsweise wird dies im Bereich der Kühlrippen 11 realisiert.
Ebenfalls denkbar ist, die Steuerelektronik ganz oder teilweise
in eine Vergussmasse einzubetten. Dies erhöht ebenfalls die Wärmeableitung.
Zudem wird dadurch eine höhere
mechanische Stabilität
erreicht.
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Der
Zwischenabschnitt 3 weist in seinem Gehäuse mehrere Komponenten auf.
Ein Schalter 15 dient zum Ein- und Ausschalten der Vakuumpumpe. Weitere
Schalter können
dort angeordnet sein, mit denen beispielsweise eine Standby-Schaltung
oder eine Drehzahlstellung realisiert werden kann. Ebenfalls hier
angeordnet ist eine Buchse 16, an der die Spannungsversorgung
angeschlossen wird. Diese Spannung wird zum einen an die Steuerelektronik gegeben,
zum anderen an ein kleines Netzteil 17, welches über geeignete
elektrische Leitungsverbindungen eine Hilfselektronik 18 mit
Betriebsspannung versorgt. Diese dient zur Umsetzung des Schaltzustandes
des Schalters 15 in ein Steuersignal, welches ebenfalls über geeignete
elektrische Leitungsverbindungen an die Steuerelektronik gegeben
wird. Die Hilfselektronik weist auch Mittel auf, mit denen der Lüftermotor 6a mit
Spannung versorgt und ein-/ausgeschaltet wird. Zwischen dem Gehäuse des Zwischenabschnitts 3 und
dem Steuerungsabschnitt 2 ist eine Dichtung 14 vorgesehen.
Diese sorgt zum einen für
eine Abdichtung des Innenraumes gegen Feuchtigkeit und Staub, zum
anderen stellt sie eine thermische Barriere dar, so dass der Wärmeintrag
in den Steuerungsabschnitt aus Richtung des Zwischenabschnitts erschwert
wird. Eine solche Dichtung ist auch zwischen Zwischenabschnitt und
Peripherieabschnitt 4 vorgesehen, so dass auch hier Dichtheit
und erschwerter Wärmetransport
gegeben sind. In einem Teil des Zwischenabschnitts trägt eine Tragstruktur 19 den
Lüfter,
welcher den Lüftermotor und
ein Lüfterblatt 6b aufweist.
Gestrichelte Pfeile verdeutlichen den Gasstrom, der durch den Lüfter erzeugt
wird: Luft wird angesaugt und zwischen die Kühlrippen 8 gefördert.
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Zwischenabschnitt,
Steuerungsabschnitt und ein Teil des Peripherieabschnittes sind
in 3 einem waagrechten Schnitt durch die Vakuumpumpe entlang
der Linie B-B' gezeigt.
In dieser Ansicht sind die auf der steuerungsabschnittsseitigen
Stirnseite der Vakuumpumpe angeordneten Kühlrippen 11 im Schnitt
zu sehen. Sie sind mit ihrer Längsachse
in Schwerkraftrichtung orientiert, um die freie Konvektion zu optimieren.
Vorzugsweise werden die Kühlrippen
des Steuerungsabschnittes nicht von der Haube 1 verdeckt,
um den Luftstrom der freien Konvektion nicht zu behindern. Von der
Steuerelektronik 12 gehen elektrische Versorgungsleitungen
durch einen im Zwischenabschnitt vorgesehenen Kabelkanal zum Peripherieabschnitt 4.
Dieser Kabelkanal ist an beiden Enden durch Kanaldichtungen 21 und 22 gegen Feuchtigkeit
und Wärmeübergang
geschützt.
Insbesondere auf der Seite der Motorsteuerung ist eine Kabeldurchführung 27 vorgesehen.
Innerhalb des Peripherieabschnitts 4 sind die Spulen 26 des
Antriebs angeordnet. Die Bestromung dieser Spulen wird durch die
Steuerelektronik 12 bewirkt. Ein rotationssymetrisches
Trennelement 23 ist innerhalb der Spulen vorgesehen und
trennt diese hermetisch vom Innenraum des Trennelements. In diesen
ragt das Ende einer Welle 24, auf dem Permanentmagneten 25 befestigt
sind. Auch in dieser Abbildung verdeutlichen gestrichelte Pfeile
den vom Lüfter
erzeugten Gasstrom. Die Ansaugung erfolgt durch die Lüftungsschlitze 7,
das Gas wird dann in Richtung des Peripherieabschnitts gefördert. In
einer Weiterbildung sind solche Lüftungsschlitze auch im Boden
der Vakuumpumpe angeordnet. Der Fuß der Vakuumpumpe hat dann
auch die Aufgabe, einen Abstand zu erzeugen, durch den Luft angesaugt
werden kann.
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Einen
Schnitt durch den Peripherie- und den Pumpabschnitt 5 der
Vakuumpumpe zeigt 4. Das Beispiel zeigt eine einstufige,
schmiermittelgedichtete Drehschiebervakuumpumpe. Dieser weist in dem
Pumpabschnitt ein Pumpsystem 30 auf. Dieses ist an einer
Stirnseite großflächig mit
dem Peripherieabschitt verbunden, so dass es dort eine gute Wärmeüberleitung
gibt. Das Gehäuse
des Pumpabschnitts 5 ist gut wärmeleitend mit dem Peripherieabschnitt
verbunden, so dass die Wärme
vom Peripherieabschnitt auf einen Körper mit großer Oberfläche übertragen
wird. Eine in diesem Pumpsystem vorgesehene zylindrische Bohrung
wird von der Welle 24 exzentrisch durchsetzt. Die Welle
kann ein- oder mehrstückig
ausgeführt
sein. Sie wird von einem ersten Gleitlager 31 und einem
zweiten Gleitlager 32 drehbar unterstützt. Diese werden durch Schmiermittel
geschmiert, welches aus dem das Pumpsystem umgebenden Schmiermittelreservoir 35 stammt.
In der zylindrischen Bohrung laufen Schieber 33 um, wobei
zwischen Schiebern und Wandung der zylindrischen Bohrung der Schöpfraum 34 gebildet
wird. Gas gelangt über
den Gaseinlass 9 in diesen Schöpfraum. An dem Wellenende,
welches dem Gleitlager 31 gegenüberliegt und in den Peripherieabschnitt 4 ragt,
sind Permanentmagnete 25 befestigt, die mit den im Peripherieabschnitt
vorgesehenen Spulen 26 zusammenwirken, wodurch die Welle
in Drehung versetzt wird. Zusammen bilden Permanentmagnete und Spulen
einen Elektromotor. In diesem Beispiel handelt es sich um eine bürstenlosen
Gleichstrommotor. Obwohl die Vorteile der Erfindung bei diesem Motor
besonders zur Geltung kommen, ist sie nicht auf diese Art Antrieb
beschränkt.
Das Schmiermittel, meist ein Öl,
dient neben der Lagerschmierung auch zur Schmierung und Dichtung
der Schieber.
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Der
Pumpabschnitt ist in 5 im Schnitt entlang A-A' dargestellt. Verdeutlicht
ist in dieser Darstellung die exzentrische Lage der Welle 24 und
die Position der Schieber 33. Zwischen diesen sind nicht gezeigte
Federn vorgesehen. Das Gehäuse
des Pumpabschnitts weist Kühlrippen 8 auf.
Die Haube 1 deckt die Kühlrippen
ab, wodurch Strömungskanäle 42 entstehen.
Durch diese Strömungskanäle, die
untereinander verbunden sein können,
strömt
das vom Lüfter
geförderte
Gas, nimmt Wärme
vom Gehäuse auf
und transportiert sie in der Folge vom Gehäuse weg. Diese Wärme entsteht
im Pumpsystem 30 und wird über das Schmiermittelreservoir
an das Gehäuse
abgegeben. Vorzugsweise ist die Haube so gestaltet, dass die Kanäle an ihrem
Ende offen sind. Dies ist am einfachsten zu bewerkstelligen, indem
die Haube die pumpabschnittsseitige Stirnseite der Vakuumpumpe nicht
bedeckt. Zwischen Haube und Gehäuse
ist ein Zwischenbauteil 40 angeordnet, welches beispielsweise
hohe Elastomeranteile aufweist. Dieses Zwischenbauteil ist vorteilhaft
an jener Stelle zwischen Haube und Gehäuse angeordnet, an der Haube
und Gehäuse
miteinander verbunden sind. Materialwahl und Platzierung sorgen
sowohl für
eine thermische Barriere als auch für eine Reduzierung der Schwingungsübertragung
von Pumpengehäuse auf
die Haube. Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben 41,
fixieren die Haube.
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Die
in diesem Ausführungsbeispiel
dargestellte Vakuumpumpe weist einen günstigen Wärmehaushalt auf. Eine erste
starke Wärmequelle
befindet sich aufgrund der Verdichtungswärme im Pumpabschnitt 5.
Eine weitere starke Wärmequelle
ist der Peripherieabschnitt, da dort die Spulen des Antriebs angeordnet sind,
in denen Verlustleistung in Wärme umgewandelt
wird. Außerdem
wird über
die Stirnseite des Pumpsystems 30 Wärme in den Peripherieabschnitt
eingeleitet, da an dieser Stelle Pumpsystem und Peripherieabschnitt
großflächig miteinander
in Kontakt stehen. Diese Wärmequellen
werden durch den Zwischenabschnitt vom Steuerungsabschnitt ferngehalten.
Aufgrund der Reihenfolge der Abschnitte ist der Abstand maximiert.
Hinzu kommen die thermischen Widerstände der Dichtungen, die zwischen
dem Zwischenabschnitt und seinen Nachbarabschnitten vorgesehen sind.
Diese passiven Maßnahmen
bewirken einen sehr günstigen
Wärmehaushalt.
Zu diesen tritt die aktive Kühlung
durch den oder die Lüfter
hinzu. Durch deren Platzierung im Zwischenabschnitt werden direkt
die am meisten Wärme
abgebenden Abschnitte der Vakuumpumpe mit Kühlluft angeblasen. Gefördert wird
dies noch durch die Haube, die einerseits als Berührungsschutz
dient, andererseits die vom Lüfter
geförderte Kühlluft optimal
an die Wärmequellen
Pumpabschnitt und Peripherieabschnitt lenkt. In denen Bereichen, wo
unter der Haube keine Luftbewegung erzwungen wird, wirkt die Luft
als Luftpolster und kann die Umgebungswärme von den darunter liegenden
Teilen, beispielsweise den Steuerungsabschnitt, fernhalten. In der
Summe ist die Kühlung
der vorgeschlagenen Vakuumpumpe gegenüber dem Stand der Technik entscheidend
verbessert.