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Die
Erfindung betrifft ein Vakuumpumpengehäuse aus Grau- oder Sphäroguss.
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Vakuumpumpen
weisen in einem durch ein Gehäuse
gebildeten Schöpfraum
Pumpelemente auf. Bei Vakuumpumpen handelt es sich insbesondere
um Schraubenpumpen, Rootspumpen, Drehschieberpumpen und Klauenpumpen.
Zur Erzeugung von Vakuum ist es erforderlich, dass zwischen den
Pumpelementen und der Innenwand des Schöpfraums ein möglichst
schmaler Spalt realisiert ist. Insofern ist es erforderlich, dass
Vakuumpumpen bei einer möglichst
gleichbleibenden Betriebstemperatur betrieben werden, um Veränderungen
des Spalts aufgrund von unterschiedlichen Temperaturausdehnungen
des Gehäuses
und der Pumpelemente zu vermeiden.
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Es
ist bekannt, Vakuumpumpengehäuse
mit Kühlrippen
zu versehen und die Pumpengehäuse durch
einen Luftstrom zu kühlen.
Ein gleichmäßiges und
gezieltes Kühlen
der Gehäuse
ist hierbei jedoch im Allgemeinen nur durch besondere Maßnahmen,
z. B. Verkleidung mit gezielter Luftführung und externem Lüftersystem
(angetrieben durch eine der Pumpenwellen oder mit separatem Antrieb)
möglich.
Zusätzliche
Nachteile der Luftkühlung
ergeben sich durch die geringe Kühlintensität und durch
die Empfindlichkeit gegenüber äußere Einflüsse oder
Störungen,
wie bereichsweise Zugluft oder Abdeckung.
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Ferner
ist es bekannt, Vakuumpumpengehäuse
durch Wasser bzw. Kühlflüssigkeit
zu kühlen. Um
eine Wasserkühlung
durchführen
zu können, sind
spezielle konstruktive Maßnahmen
erforderlich. Einerseits muss das Wasser, um eine große Kühlwirkung
erzielen zu können,
möglichst
nahe an die zu kühlenden
Bereiche herangeführt
werden. Andererseits kann Wasser aufgrund seiner korrosiven Wirkung
bei den meisten Werkstoffen nicht ohne besondere Schutzmaßnahmen
verwendet werden. Um eine Korrosion zu vermeiden, ist es beispielsweise möglich, korrosionsfreie
Werkstoffe wie Edelstahl oder bestimmte Aluminiumlegierungen zu
verwenden. Derartige Werkstoffe sind jedoch teuer und genügen anderen
bei Vakuumpumpengehäusen
auftretenden Bedingungen wie beispielsweise der Standfestigkeit
gegenüber
hohen Temperaturen von insbesondere mehr als 250°C nicht. Ferner ist es möglich, die
mit dem Wasser in Kontakt kommenden Oberflächen zu lackieren Die zuverlässige Lackierung
von entsprechenden innerhalb des Gehäuses angeordneten Kanälen ist
jedoch äußerst aufwändig. Es muss
eine Lackierung durch Tauchbäder
oder durch Dreh- bzw. Taumelbewegungen zum Verteilen des flüssigen Lacks
erfolgen. Ferner sind galvanische Oberflächenbehandlungsverfahren wie
Verzinken oder Vernickeln bei Stahl- und Grauguss oder Hartanodisieren
von Aluminium bekannt. Hierbei handelt es sich jedoch ebenfalls
um sehr aufwändige
Verfahren. Des Weiteren ist das Verwenden von Verzehranoden bekannt,
wobei auch dieses Verfahren aufwändig
ist und insbesondere bei innenliegenden Kühlkanälen beim Auftreten von Korrosion
nicht zuverlässig
vermieden werden kann.
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Anstelle
der Verwendung von Wasser als Kühlmittel
können
auch besondere Kühlflüssigkeiten verwendet
werden. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn es sich um geschlossene
und somit aufwendige Kühlkreisläufe handelt.
Insbesondere ist es erforderlich, das Kühlmittel durch zusätzlich vorzusehende
Wärmetauscher
zu kühlen.
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Das
Vorsehen von Kühlkanälen in Vakuumpumpengehäusen aus
Guss ist auch durch das nachträgliche
Einbringen der Kanäle
durch spanende Bearbeitung, insbesondere Fräsen und Bohren möglich. Dies
ist äußerst aufwändig, da
zeitintensive zusätzliche
Bearbeitungsschritte erforderlich sind. Auch ist es möglich, Kühlkanäle bereits
beim Gießen
vorzusehen. Hierzu werden Sandkerne vorgesehen. Auch hierbei handelt
es sich um ein aufwändiges
Verfahren und zudem kann das Kühlwasser
für lange
Zeit durch Sandreste verunreinigt werden. Ferner ist das Vorsehen
von eingegossenen sandgeformten Kanälen nur unter starken Einschränkungen
hinsichtlich der Formgebung, des Querschnitts und des Verlaufs möglich, da
die Ausformung mittels Sandkernen erfolgt, die für den Gießprozess eine entsprechende Stabilität aufweisen
müssen.
Das Vorsehen derartiger Kühlkanäle führt somit
zur starken Einschränkung
in der Formgebung und den Betriebsbedingungen wie der Festigkeit,
den zulässigen
Betriebstemperaturen und der Medienverträglichkeit.
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Ferner
ist es bei Vakuumpumpengehäusen aus
Aluminiumguss möglich,
Kühlrohre
aus Edelstahl einzugießen.
Das Eingießen
von Edelstahlrohren in Aluminium ist möglich, da beim Aluminiumguss
einerseits die Gießtemperaturen
viel geringer sind und andererseits das Aluminium am Ende der Auskühlphase
stark schrumpft und somit eine durchaus akzeptable Anlagefläche zwischen
dem Kühlrohr
aus Edelstahl und dem Aluminiumgehäuse erzielt werden kann. Ferner
weist Aluminium eine gute Temperaturleitfähigkeit auf, so dass auch bei
nicht vollständiger Anlage
zwischen der Außenseite
des Kühlrohrs
aus Edelstahl und dem Aluminiumgehäuse eine ausreichende Wärmeübertragung
auf das in dem Kühlrohr angeordnete
Kühlmedium
erfolgt. Das Eingießen
von Kühlrohren
in Gehäuseelemente
eines Vakuumpumpengehäuses
aus Grau- oder Sphäroguss
ist jedoch nicht so einfach möglich,
da nach dem Auskühlen des
Grau- oder Sphärogusses
ein Spalt zwischen dem Kühlrohr
und dem Gehäuseelement
auftritt. Dieser Luftspalt wirkt als Isolierung, so dass eine schlechtere
Wärmeübertragung
von dem Gehäuseelement
aus Grau- oder Sphäroguss
auf das Kühlrohr und
somit auf das Kühlmedium
erfolgt. Ferner besteht die Gefahr, dass das Kühlrohr in dem Gusselement verschoben
oder verdreht werden kann. Dies kann insbesondere an den Verbindungselementen zwischen
den Kühlrohren
und Kühlleitungen
zu Einschränkungen
für den
Kühlstrom
oder auch zu Beschädigungen
führen.
Andererseits ist das Herstellen von Vakuumpumpengehäusen aus
Grau- oder Sphäroguss
bei Vakuumpumpen sehr vorteilhaft, da Grau- und Sphäroguss Gussverfahren
sind, die eine sehr gute Formgebungsmöglichkeit aufweisen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, aus Grau- oder Sphäroguss hergestellte Vakuumpumpengehäuse zu schaffen,
bei denen mit Hilfe von eingegossenen Kühlrohren eine zuverlässige Kühlung möglich ist.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1.
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Erfindungsgemäß ist an
einer Außenseite des
in das Gehäuseelement
aus Grau- oder Sphäroguss
eingegossene Kühlrohrs
mindestens ein Halteelement vorgesehen. Das Halteelement dient zur
Lagefixierung des Kühlrohrs
in dem Gehäuseelement. Das
Halteelement bildet somit an der Außenseite einen Ansatz oder
Vorsprung oder auch Eindellung bzw. Abflachung, so dass auch nach
dem Auskühlen des
Gussmaterials eine formschlüssige
Verbindung zwischen dem Kühlrohr
und dem Gehäuseelement geschaffen
ist. Vorzugsweise erstreckt sich das Halteelement zumindest teilweise
in radialer Richtung. Hierdurch ist ein Verschieben des Kühlrohrs
in axiale Richtung vermieden. Des Weiteren ist das mindestens eine
Halteelement oder eines von mehreren Halteelementen derart ausgebildet,
dass ein Verdrehen des Kühlrohrs
vermieden ist. Hierzu weist das Halteelement eine in einem Winkel
von 0° zur
Umfangsrichtung ausgerichtete Fläche
auf.
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Das
mindestens eine Halteelement weist nicht nur die erfindungsgemäße Funktion
auf, dass ein Bewegen des Kühlrohrs
in dem Gehäuseelement vermieden
ist, sondern dient zusätzlich
auch zur Verbesserung des Wärmeübergangs
zwischen dem Gehäuseelement
und dem in dem Kühlrohr
vorhandenen Kühlmediums,
bei dem es sich üblicherweise
um Wasser handelt. Durch das Halteelement ist ein insbesondere flächiger Kontakt
mit dem Gehäuseelement
realisiert. Selbst wenn sich zwischen dem Kühlrohr und dem Gehäuseelement
zumindest teilweise ein Luftspalt ausbildet, kann eine Wärmeübertragung von
dem Gehäuseelement
auf das in dem Kühlrohr vorhandene
Medium über
das mindestens eine Halteelement erfolgen. Insofern ist es besonders
bevorzugt, eine Vielzahl von Halteelementen vorzusehen.
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In
einer einfachen Ausführungsform
ist es möglich,
als Halteelemente an der Außenseite
des Kühlrohrs
Schweißpunkte
oder Eindellungen bzw. Abflachungen vorzusehen, wobei diese Art
der Halteelemente selbstverständlich
auch mit anderen Halteelementen kombinierbar ist. Insbesondere ist
eine große
Anzahl an Schweißpunkten
oder Eindellungen unregelmäßig am gesamten
Umfang und über
die gesamte Länge
des Kühlrohrs
verteilt angeordnet. Bereits durch das Vorsehen von insbesondere
einer Vielzahl von Schweißpunkten
oder Eindellungen kann eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kühlrohr und
dem im Grau- oder Sphäroguss
hergestellten Gehäuseelement
erzielt werden. Ferner kann hierdurch bereits der Wärmeübergang
zwischen dem Gehäuseelement
und dem Kühlrohr
und somit dem innerhalb des Kühlrohrs
strömenden
Kühlmedium verbessert
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind als Halteelemente Rippen an der Außenseite
des Kühlrohrs
angeordnet. Bei den Rippen kann es sich um einzelne, ggf. auch stiftartige
oder flächenartige
Stege handeln. Vorzugsweise sind die Rippen ringförmig ausgebildet
und umgeben das Kühlrohr,
so dass es sich insbesondere um radial ausgestaltete, ringförmige Rippen
handelt. Ebenso können
die Rippen, insbesondere auch die ringförmig ausgestalteten Rippen,
zur Außenseite
des Kühlrohrs
geneigt sein, d. h. einen Winkel von ≠ 90° aufweisen. Insbesondere durch
geneigt angeordnete Rippen ist ein Formschluss mit dem gegossenen
Gehäuseelement
sowohl in radiale als auch in axiale Richtung realisiert.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
sind als Halteelemente Rohrstücke
mit der Außenseite
des Kühlrohrs
verbunden. Die Rohrstücke
sind geschlitzt. Ebenso kann es sich um Rohrstücke handeln, die in Längsrichtung
nur einen Teil eines Rohrs ausbilden. Hierbei handelt es sich beispielsweise
um im Querschnitt viertel- oder halbkreisförmige Rohrstücke. Durch
ein derartiges Schlitzen der Rohrstücke ist sichergestellt, dass
das Gussmaterial vollständig
in das Rohrstück
eindringt. Hierdurch ist das Vermeiden von Hohlräumen, die den Wärmeübergang
beeinträchtigen
würden,
vermieden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
kann das Halteelement ein Verbindungselement aufweisen, durch das
zwei oder mehrere Kühlrohre
miteinander verbunden sind. Hierbei kann es sich um zwei unterschiedliche
Kühlrohre
verschiedener Kühlkreisläufe oder
auch um Rohrabschnitte desselben Kühlkreislaufes handeln. Bei
dem Verbindungselement handelt es sich beispielsweise um ein Blechteil.
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Das
Kühlrohr
und/oder das mindestens eine Halteelement und/oder das mindestens
eine Verbindungselement sind vorzugsweise aus Stahl, insbesondere
aus Edelstahl hergestellt. Durch Wahl einer ausreichend dicken Wandstärke des
Kühlrohres kann
beim Gießen
ein Aufschmelzen des Kühlrohres verhindert
werden. Bei üblichen,
durch Grau- oder Sphäroguss
hergestellten Gehäuseteilen
weist das Kühlrohr
vorzugsweise eine Wandstärke
von 2 bis 5 mm auf. Ggf. können
auch dünnere
Wandstärken realisiert
werden, wenn das Kühlrohr
während
des Gießprozesses
von innen, beispielsweise durch Durchblasen von Kalt-, Warm- oder
Heißluft,
die Aufheizung des Rohres begrenzt wird. Die Halteelemente und/oder
Verbindungselemente können
ggf. geringere Wandstärken
aufweisen, da es hierbei unkritisch ist, wenn ein Teil dieser Elemente
aufschmilzt.
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Erfindungsgemäß ist es
bevorzugt, dass durch die Halteelemente und/oder die Verbindungselemente
ein Vergrößern der
Wärmeübertragungsfläche der
Kühlrohre
erfolgt. Insofern ist es bevorzugt, dass die Halteelemente und/oder
Verbindungselemente großflächig, insbesondere
als Rippen, ausgebildet sind. Hierdurch kann eine Vergrößerung,
beispielsweise sogar eine Verdoppelung der Wärmeübertragungsfläche erfolgen.
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Die
Halteelemente und/oder die Verbindungselemente sind thermisch leitend,
insbesondere durch Verschweißen
mit dem Kühlrohr,
verbunden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das mindestens eine Kühlrohr
schraubenlinienförmig
und/oder spiralförmig
angeordnet. Hierdurch ist gewährleistet,
dass auch ohne das Vorsehen von Halteelementen eine relativ große Berührungsfläche zwischen
der Außenseite
des Kühlrohrs und
dem Gehäuseelement
besteht. Auch ein Verschieben oder Verdrehen derartig ausgebildeter Kühlrohre
ist nicht möglich.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Kühlrohre handelt es sich um
eine selbständige
Erfindung, die unabhängig
von dem Vorsehen von Halte und/oder Verbindungselementen ist, wobei
eine zusätzliche
Kombination mit den vorstehend beschriebenen Halte- oder Verbindungselementen
bevorzugt ist, um die Wärmeübertragungsfläche weiter
zu vergrößern.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Kühlrohr
gegenüber
seiner Längsrichtung
ausgelenkt bzw. gekrümmt.
Das Kühlrohr
ist hierbei vorzugsweise mehrfach gekrümmt und somit in Längsrichtung
schlangenlinienförmig
oder wellig ausgebildet. Derartig ausgestaltete Kühlrohre
können
trotz des unterschiedlichen Abkühlverhaltens des
Grau- oder Sphärogusses
im Vergleich mit Edelstahl nicht verschoben oder verdreht werden.
Aufgrund der Krümmungen
sind ferner relativ große
Anlageflächen
zwischen dem Gehäuseelement
und dem Kühlrohr
realisiert. Auch bei dieser Ausführungsform
handelt es sich um eine selbständige
Erfindung, die unabhängig
von dem Vorsehen von Halte- und/oder Verbindungselementen ist. Es
ist wiederum bevorzugt, zusätzlich
Halte- und/oder Verbindungselemente vorzusehen um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern.
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Nachfolgend
werden die Erfindungen anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1–7 Schnittansichten
unterschiedlicher Ausführungsformen
von Kühlrohren
mit unterschiedlichen Halteelementen,
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8 eine
schematische Schnittansicht von mit einem Verbindungselement verbundenen
Kühlrohren,
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9 eine
schematische Schnittansicht eines gekrümmten Kühlrohrs, und
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10 eine
schematische Schnittansicht eines mehrfach gekrümmten Kühlrohres.
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Sämtliche
in den Fig. dargestellte Kühlrohre sind
Ausschnitte eines Vakuumpumpengehäuses, wobei ähnliche
Bauteile stets mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
In sämtlichen
Ausführungsformen
ist jeweils in einem schematisch dargestellten Pumpengehäuse 10 eines
oder mehrere Kühlrohre 12 angeordnet.
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In
einer ersten Ausführungsform
(1a) sind an einer Außenseite 14 des Kühlrohres 12 mehrere
am Umfang unregelmäßig angeordnete Schweißpunkte 16 als
Halteelemente vorgesehen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
(1b) sind an der Außenseite 14 des Kühlrohrs 12 mehrere Eindellungen 17 vorgesehen.
Entsprechend dem Vorsehen von Schweißpunkten 16 (1a)
ist auch durch das Vorsehen von Eindellungen 17 ein Verschieben
oder Verdrehen des Kühlrohrs 12 vermieden.
Bevorzugt ist es hierbei, dass die Eindellungen 17 so geringfügig sind,
dass sich die Querschnittsfläche
des Kühlrohrs
nicht oder zumindest nur geringfügig ändert. Entsprechend
dem Vorsehen von Eindellungen ist es auch möglich, die Außenform
des Kühlrohrs 12 stellenweise
zu verändern.
Beispielsweise könnte
das Kühlrohr 12 stellenweise
oval ausgebildet bzw. zu einem ovalen Rohr verformt werden.
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In 2 sind
an der Außenseite 14 des
Kühlrohrs 12 kreisringförmige Kühlrippen 18 vorgesehen, die
durch Verschweißen
mit der Außenseite 14 des Kühlrohrs 12 verbunden
sind. Die kreisringförmigen Kühlrippen 18 verlaufen
radial.
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In 3 sind
ebenfalls kreisringförmige
Rippen 20 angeordnet. Diese verlaufen jedoch geneigt zur
Außenfläche 14 des
Kühlrohrs 12.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Kühlrippen 20 zusätzlich leicht
bogenförmig
bzw. gekrümmt
ausgebildet.
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In 4 sind
eine Vielzahl von dünnen,
insbesondere ebenfalls kreisringförmig ausgebildete Kühlrippen 22 mit
der Außenseite 14 des
Kühlrohrs 12 ebenfalls
durch Schweißen
verbunden. Bei Vorsehen derartig dünner Kühlrippen wird ein Teil der
Kühlrippen
während
des Gießverfahrens
höchstwahrscheinlich
aufschmelzen.
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Bei
der in 5 dargestellten Ausführungsform ist das Kühlrohr 12 mit
zwei als Halteelemente dienenden Rohrstücken 24 ebenfalls
durch Verschweißen
verbunden. Die Rohrstücke 24 weisen hierbei
beispielsweise einen runden Querschnitt auf. Aufgrund der relativ
geringen Länge
der Rohrstücke 24 ist
es gewährleistet,
dass das Gussmaterial durch die seitlichen Öffnungen in die Rohrstücke 24 eindringt.
Bei längeren
Rohrstücken
ist es vorteilhaft, einen Längsschlitz 26 (6)
vorzusehen. Selbstverständlich
können
auch kürzere
Rohrstücke
(5) einen Längsschlitz
aufweisen, um ein möglichst schnelles
Eindringen des Gussmaterials zu gewährleisten.
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Ferner
ist es möglich,
als Rippen ein im Querschnitt V-förmiges Blechteil oder Walzprofil 28 (7)
durch Schweißen
mit dem Kühlrohr 12 zu verbinden.
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Ebenso
können
zwei Kühlrohre 12 durch
ein insbesondere flächig
ausgebildetes Verbindungselement 30 miteinander verbunden
sein.
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Selbstverständlich können beispielsweise
in Abhängigkeit
des Raums innerhalb des gegossenen Gehäuseelements unterschiedliche
Arten der vorstehend dargestellten Halte- und Verbindungselemente miteinander
kombiniert werden.
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Bei
einer weiteren, eine unabhängige
Erfindung darstellenden Ausführungsform
(9) ist das Kühlrohr 12 in
dem Gehäuse 10 in
gebogener Form angeordnet.
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Bei
einer weiteren, ebenfalls unabhängigen Erfindung
(10) ist das Kühlrohr 12 in
dem Gehäuse 10 als
mehrfach gekrümmtes
Rohr bzw. wellenförmig
ausgebildetes Rohr angeordnet.
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Die
in den 9 und 10 dargestellten Erfindungen
stellen selbständige
Erfindungen dar, die in bevorzugter Ausführungsform jedoch zusätzlich mit
Halteelementen, wie sie beispielsweise in den 1–8 dargestellt
sind, verbunden sind. Hierdurch kann die Wärmeübertragungsfläche vergrößert werden.