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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe zur Erzeugung von Grob- oder
Feinvakuum mit einem Gehäuse,
welches Gaseinlass und Gasauslass aufweist, einem Motor und einem
Lüfter.
Die Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Betrieb einer Vakuumpumpe zur Erzeugung von Grob-
oder Feinvakuum mit einem Gehäuse,
welches Gaseinlass und Gasauslass aufweist, einem Motor mit einer
Motorwelle, und einem Lüfter.
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In
Vakuumpumpen gibt es einige Wärmequellen,
beispielsweise das Pumpsystem, in welchem das Gas verdichtet wird.
Diese Wärme
darf nicht zu Betriebsstörungen
durch Überhitzung
von Bauteilen führen.
Daher müssen
gerade solche Bauteile, die der entstehenden Wärme ausgesetzt sind, ausreichend
gekühlt
werden. Den gängigen
Stand der Technik zeigt die
EP-A
1 242 744 . Ein Elektromotor besitzt eine Welle, welche
zum Antrieb der pumpaktiven Bauteile des Pumpsystems dient. Auf
wenigstens einem der Wellenenden des Elektromotors sitzt ein Lüfterrad,
welches Schaufeln aufweist. Durch die Drehung der Welle erzeugen
sie einen Gasstrom, der auf die Bauteile der Vakuumpumpe gerichtet
ist.
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Die
Menge des geförderten
Gases und damit auch die erzielte Kühlwirkung ist unter anderem
abhängig
von der Drehzahl der Welle. Der Wärmehaushalt der Vakuumpumpe
ist daher starr an den Betrieb des Elektromotors gekoppelt. Dies
ist aber oftmals unerwünscht
und macht Kompromisse unter anderem bei der Drehzahlstellung notwendig,
die aus Sicht der Vakuumtechnik notwendig sein kann, um beispielsweise
einen Prozess zu steuern.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kühlung für eine Vakuumpumpe vorzustellen,
die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des ersten
Anspruchs und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des neunten
Anspruchs.
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Dadurch,
dass der Lüfter
einen eigenen Lüftermotor
aufweist, ist es möglich,
den von ihm erzeugten Gasstrom unabhängig von der Geschwindigkeit
des Motors der Vakuumpumpe einzustellen. Durch den Lüftermotor
ist es zudem möglich,
den Lüfter
an der für
den Wärmehaushalt
günstigsten
Ort an der Vakuumpumpe zu platzieren. Die Kühlung kann somit vollkommen
nach den Bedürfnissen
ausgerichtet werden und stellt nunmehr keinen Kompromiss zwischen
Vakuum- und Kühlungsanforderungen
dar. Das Betriebsverfahren der Vakuumpumpe offenbart, den Lüftermotor
mit einer ersten und den Pumpenmotor mit einer zweiten Drehzahl
zu betreiben, wobei die Drehzahlen wenigstens zeitweise voneinander
verschieden sind. Dies erlaubt es, beispielsweise die Drehzahl der
Vakuumpumpe abzusenken und gleichzeitig den vom Lüfter erzeugten Strom
an Kühlluft
zu steigern. Dies kann beispielsweise beim Abschalten der Vakuumpumpe
von Vorteil sein.
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Die
Ansprüche
2 bis 8 stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
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Verbessert
wird das Kühlverhalten
der Vakuumpumpe, indem ihr Gehäuse
in einer Weiterbildung Kühlrippen
aufweist, in die der Lüfter
Luft fördert. Dies
kann erreicht werden, indem er so angeordnet wird, dass sein Gasstrom
in den Raum zwischen den Kühlrippen
hineinbläst.
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Diese
Maßnahme
lässt sich
verbessern, indem eine Haube wenigstens einen Teil der Vakuumpumpe
umgibt und dafür
sorgt, dass der Gasstrom des Lüfters
in den Raum zwischen den Kühlrippen gelenkt
wird.
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Weitere
Vorteile lassen sich für
die Kühlung der
Vakuumpumpe erzielen, wenn in einer Weiterbildung der Lüfter in
einem eigenen Abschnitt des Gehäuses
der Vakuumpumpe angeordnet wird. Dies erlaubt es, den Lüfter nahe
an den Bereichen des Gehäuses
zu bringen, wo die Kühlung
benötigt
wird. Für den
Wärmehaushalt
der Vakuumpumpe und damit auch für
die notwendige Kühlung
ist es von Vorteil, wenn die Steuerelektronik, welche kühl zu haltende elektronische
Bauteile beinhaltet, und das Pumpsystem, in welchem viel Wärme aufgrund
der Verdichtung des Gases entsteht, jeweils in einem eigenen Gehäuseabschnitt
angeordnet sind. Dies ermöglicht eine
thermische Trennung der Bereiche.
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Die
Vakuumpumpe kann dann in einer Weiterbildung so gestaltet werden,
dass der Lüfter
jenen Abschnitt des Gehäuses
anströmt,
der das Pumpsystem beinhaltet. Dadurch wird die Kühlluft am
wirkungsvollsten zur Kühlung
genutzt.
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Die
Vakuumpumpe mit abschnittsweisem Gehäuseaufbau lässt sich derart weiterbilden,
dass der Abschnitt mit der Steuerelektronik durch freie Konvektion
gekühlt
wird. Der Luftstrom des Lüfters kann
so vollständig
für die
Kühlung
der heißen
Abschnitte der Vakuumpumpe ausgenutzt werden.
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Die
letzte Weiterbildung beziehen sich auf das Pumpsystem der Vakuumpumpe.
Bei Drehschieberpumpen kommen die Vorteile der vom Antrieb unabhängigen Kühlung besonders
zur Geltung. Da ein Schmiermittel zum Schmieren und Dichten eingesetzt
wird, kann ein ungünstiges
Kühlverhalten
zu dessen Zerstörung
führen.
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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. Sie 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. In einer Weiterbildung
werden in diesem Zwischenabschnitt weitere Kommunikationsmittel
angeordnet. Dazu notwendig sind Schalter, Stecker und Buchse, die
an der Gehäusewandung ähnlich wie
der Schalter 15 angeordnet sind. Diese Bauteile stehen
dann über
elektrische Leitungsverbindungen oder ähnlichem mit einer erweiterten
Hilfselektronik in Verbindung, welche beispielsweise Mittel zum
Betreiben einer Feldbus- oder seriellen Schnittstelle und dergleichen
beinhaltet. Über
diese Schnittstelle können
Zustandsinformationen wie „Pumpe
in Betrieb", aktuelle
Drehzahl oder aktivierter Standby der Vakuumpumpe von externen Steuermitteln
abgefragt werden.
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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.
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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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3 verdeutlicht,
dass die Erfindung nicht auf einen Lüfter alleine beschränkt ist.
Eine Mehrzahl von Lüftern
kann vorgesehen sein. Im Beispiel sind zwei Lüfter im unteren Teil des Zwischenabschnitts vorgesehen,
wobei jeder von ihnen Kühlluft
in die Kanäle
fördert,
die auf jeweils einer Seite der Vakuumpumpe, insbesondere des Peripherie-
und des Pumpabschnitts, angebracht sind. Weitere Lüfter können zur
Unterstützung
der Kühlung
so angeordnet sein, dass sie Wärmequellen
der Vakuumpumpe mit Kühlluft
versorgen.
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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. Dies sorgt 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 der Summe ist die Kühlung der
vorgeschlagenen Vakuumpumpe gegenüber dem Stand der Technik entscheidend
verbessert.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
stellt eine ölgedichtete
Drehschiebervakuumpumpe vor. Denkbar ist es jedoch, die Erfindung
auch auf andere Vakuumpumpen zur Erzeugung von Grob- oder Feinvakuum durch
Austausch des Pumpabschnitts anzupassen. In diesem Pumpabschnitt
kommen dann andere Pumpprinzipien zum Einsatz. Denkbare Pumpprinzipien
sind beispielsweise trockenen Kolbenverdichter, trockene Drehschieber-
oder Sperrschieberpumpen.