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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlelement für eine Vakuumpumpe sowie eine Vakuumpumpe mit einem solchen Kühlelement.
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Bei bekannten Vakuumpumpen wie beispielsweise Turbomolekularpumpen ist es erforderlich, empfindliche Bauteile der Vakuumpumpe vor einem zu großen Wärmeeintrag durch Kühlung zu schützen. Bei den empfindlichen Bauteilen handelt es sich in erster Linie um die Kugellager und die integrierte Elektronik, die meist im Zentrum oder in Zentrumnähe der Pumpe angebracht sind. Hierzu ist es bekannt, eine Wasserkühlung vorzusehen. So ist es bekannt, auf der Gehäuseoberfläche Kühlkörper anzubringen, durch die eine Führung des Kühlwassers erfolgt, welches die Wärme des Gehäuses aufnimmt und wegbefördert. Durch Aufbringen einer solchen Kühlung auf der Oberfläche des Gehäuses der Vakuumpumpe können jedoch empfindliche Bauteile im Zentrum oder in Zentrumnähe der Pumpe nur unzureichend gekühlt werden. So können Wasserkühlungen vorgesehen sein, welche eine komplizierte Kanalführung aufweisen, welche fertigungstechnisch aus dem vollem Material gebohrt werden und sodann nach außen wieder abgedichtet werden müssen, um zum Beispiel gekrümmte Kanalführung zu erzeugen. Eine solche Herstellung ist aufwendig und damit teuer und kann beispielsweise nicht nachträglich in bereits bestehende Vakuumpumpen angebracht werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlelement für eine Vakuumpumpe zu schaffen, welches eine effiziente Kühlung bereitstellt und kostengünstig herzustellen ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlelement gemäß Anspruch 1 sowie eine Vakuumpumpe gemäß Anspruch 11.
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Das erfindungsgemäße Kühlelement für eine Vakuumpumpe weist einen Grundkörper auf mit einem ersten Ende, welches in einer Ausnehmung einer Vakuumpumpe eingeführt werden kann sowie einem gegenüberliegenden zweiten Ende. Weiterhin weist das Kühlelement erfindungsgemäß einen Kanal auf, welcher sich vom zweiten Ende zum ersten Ende erstreckt. Weiterhin ist mindestens eine Bohrung vorgesehen, welche sich vom ersten Ende zum zweiten Ende erstreckt und in Fluidverbindung mit dem Kanal steht. Mit dem Kanal ist ein erster Anschluss verbunden und mit der mindestens einen Bohrung ist ein zweiter Anschluss verbunden, so dass ein Kühlungsfluid vom ersten Anschluss durch den Kanal und die mindestens eine Bohrung zum zweiten Anschluss strömt oder andersherum. Durch das Durchströmen des Kühlungsfluids wird die Wärme der Vakuumpumpe aufgenommen und empfindliche Bauteile können somit vor einem zu großen Wärmeintrag geschützt werden. Das Kühlelement weist somit eine einfache Führung des Kühlungsfluids auf, welche fertigungstechnisch einfach und somit kostengünstig herzustellen ist. Da das Kühlelement in einer Ausnehmung einer Vakuumpumpe eingeführt werden kann, können mit dem erfindungsgemäßen Kühlungselement im Zentrum der Vakuumpumpe oder in zentrumnähe der Vakuumpumpe angeordnete empfindliche Bauteile wie Kugellager oder elektronische Bauteile effizient gekühlt werden.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper zylindrisch ausgebildet. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, das Kühlelement in einer Ausnehmung einer Vakuumpumpe anzuordnen. Weiterhin kann das Kühlelement nahezu ausschließlich durch drehfertigungstechnische Verfahren hergestellt werden. Hierdurch können die Herstellungskosten des Kühlelements weiter reduziert werden.
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Vorzugsweise weist das Kühlelement mehr als eine Bohrung auf. Somit wird eine effektive Durchströmung über eine große Oberfläche des Kühlelements sichergestellt.
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Vorzugsweise sind die mindestens eine Bohrung und bevorzugt alle vorgesehenen Bohrungen parallel zum Kanal vorgesehen. Somit wird eine einfache Führung des Kühlungsfluids erreicht. Gewundene und damit schwer herzustellende Führung des Kühlungsfluids sind nicht vorgesehen.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kanal um mindestens eine Bohrung. Bevorzugt wird der Kanal gebildet durch mehr als eine Bohrung oder eine Vielzahl von Bohrungen. Dabei sind die Bohrungen des Kanals insbesondere entlang eines Kreisumfangs angeordnet. Mit anderen Worten bei einem zylindrischen Grundkörper weist jede der Bohrungen des Kanals einen identischen Abstand auf zur Außenoberfläche des Grundkörpers. Hierdurch wird eine homogene Kühlung bzw. Temperaturverteilung an der Außenoberfläche des Grundkörpers erreicht.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper einstückig ausgebildet. Dabei kann die mindestens eine Bohrung und der Kanal fertigungstechnisch in einen Vollzylinder eingebracht werden, insbesondere, falls es sich bei dem Kanal ebenfalls um eine oder mehrere Bohrungen handelt. Somit ist das Kühlelement auf besonders einfache Weise herstellbar.
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Vorzugsweise umgibt der Kanal und insbesondere die Bohrungen des Kanals die mindestens eine Bohrung konzentrisch. Insbesondere ist die mindestens eine Bohrung mittig im Grundkörper angeordnet. Insbesondere falls mehr als eine Bohrung vorgesehen ist, sind diese ebenfalls konzentrisch angeordnet bevorzugt auf einer Kreislinie, wobei bevorzugt alle Bohrungen von dem Kanal umgeben werden.
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Vorzugsweise weist der Grundkörper an dem ersten Ende eine Ausnehmung auf zur Ausbildung eines Endvolumens. Dabei steht das Endvolumen in Fluidverbindung mit dem Kanal und der mindestens einen Bohrung, so dass das Kühlungsfluid von der Bohrung durch das Endvolumen in den Kanal strömen kann oder andersherum. Dabei wird insbesondere das Endvolumen definiert durch die Ausnehmung des Grundkörpers einerseits und die Endfläche der Ausnehmung der Vakuumpumpe andererseits. Somit wird auf einfache Weise eine Verbindung zwischen der mindestens einen Bohrung und dem Kanal geschaffen, welcher fertigungstechnisch einfach herstellbar und abdichtbar ist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kanal um einen Ringkanal. Dabei kann es sich bei dem Ringkanal um einen Teilabschnitt eines Ringkanals handeln. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um einen vollständigen Ringkanal, welcher vollständig umlaufend ist. Weiterhin kann der Ringkanal ebenfalls einzelne Unterbrechungen aufweisen wie Stege oder Rippen.
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Vorzugsweise weist das Kühlelement einen Mittelteil und einen Mantelteil auf. Dabei weist das Mittelteil die mindestens eine Bohrung auf. Weiterhin ist das Mantelteil als Rohr ausgebildet, wobei das Mantelteil den Mittelteil umgibt. Dabei wird zwischen Mantelteil und Mittelteil ein Spalt vorgesehen zur Ausbildung des Ringkanals. Hierdurch kann auf einfache Weise ein Ringkanal ausgebildet werden, wodurch die Herstellungskosten weiter reduziert werden. Durch den gewählten Aufbau besteht der Grundkörper des Kühlelements ausschließlich aus den beiden Teilen Mantelteil und Mittelteil, wodurch der Aufbau des Kühlelements vereinfacht wird. Es ist somit lediglich erforderlich, dass ein Mittelteil vorgesehen ist, in das die Bohrung eingebracht wird. Sodann wird ein Rohr vorgesehen, wobei der Außendurchmesser des Mittelteils kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohrs bzw. Mantelteils. Durch die Differenz zwischen Außendurchmesser des Mittelteils und Innendurchmesser des Mantelteils wird ein entsprechender vollumlaufender Ringkanal ausgebildet, wodurch die gesamte Fläche des Mantelteils als Kühlfläche zur Verfügung steht. Hierdurch wird eine effiziente Kühlung erreicht.
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Vorzugsweise erstreckt sich das Mantelteil über den Mittelteil hinaus, so dass im eingebauten Zustand vom Mantelteil ein Endvolumen am ersten Ende definiert wird. Hierbei wird das Endvolumen beschränkt durch die Innenoberfläche des Mantelteils, die Innenfläche des Mittelteils am ersten Ende des Kühlelements sowie die gegenüberliegende Endfläche der Ausnehmung der Vakuumpumpe. Das Kühlungsfluid gelangt somit vom Ringkanal durch das Endvolumen in die mindestens eine Bohrung bzw. andersherum. Somit strömt das Kühlungsfluid ausschließlich durch den Ringkanal das Endvolumen und die mindestens eine Bohrung.
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Weitere Elemente zur Führung des Kühlungsfluids im Kühlungselement selber sind nicht vorgesehen. Somit ist die Fertigung des Kühlungsfluids einfach aufgebaut und fertigungstechnisch einfach herzustellen.
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Vorzugsweise ist die Innenoberfläche des Mantelteils strukturiert zur Vergrößerung der Oberfläche beispielsweise durch Rippen oder dergleichen, so dass der Wärmeübertrag von der Vakuumpumpe auf das Kühlungsfluid durch eine vergrößerte Anströmoberfläche verbessert wird.
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Vorzugsweise weist der Grundkörper ein Gewinde auf zum Verschrauben in der Ausnehmung der Vakuumpumpe. Hier bei kann das Gewinde insbesondere am ersten Ende des Grundkörpers angeordnet sein. Alternativ hierzu erstreckt sich das Gewinde zumindest teilweise und bevorzugt vollständig über die Außenseite des Grundkörpers. Hierdurch wird ein fester Kontakt zwischen der Außenseite des Kühlelements und der Innenseite der Ausnehmung der Vakuumpumpe geschaffen, um effizient die Wärme von der Vakuumpumpe auf das Kühlelement übertragen zu können.
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Vorzugsweise ist ein Anschlusselement vorgesehen, wobei durch das Anschlusselement der Kanal mit dem ersten Anschluss und die mindestens eine Bohrung mit dem zweiten Kanal verbunden wird.
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Vorzugsweise ist das Anschlusselement zylindrisch ausgebildet. Somit kann das Anschlusselement in dieselbe Ausnehmung in der Vakuumpumpe eingeführt werden, wie das Kühlelement selbst.
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Vorzugsweise weist das Anschlusselement einen ersten Ringkanal auf, mit dem der Kanal und insbesondere die Bohrungen des Kanals mit dem ersten Anschluss verbunden werden. Alternativ hierzu kann der erste Ringkanal auch im Grundkörper oder durch das Anschlusselement und den Ringkörper gleichzeitig ausgebildet werden.
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Vorzugsweise weist das Anschlusselement einen zweiten Ringkanal auf, mit dem die mindestens eine Bohrung und insbesondere alle Bohrungen mit dem zweiten Anschluss verbunden werden. Alternativ hierzu kann der zweite Ringkanal auch im Grundkörper oder durch das Anschlusselement und den Ringkörper gleichzeitig ausgebildet werden.
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Vorzugsweise weist das Anschlusselement an seiner Außenseite ein Gewinde auf, so dass das Anschlusselement in die Ausnehmung in der Vakuumpumpe eingeschraubt werden kann zum Verbinden mit dem Grundkörper.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vakuumpumpe und insbesondere eine Turbomolekularpumpe mit einem Gehäuse. Dabei weist das Gehäuse mindestens eine Ausnehmung auf, wobei in der Ausnehmung ein Kühlelement wie vorstehend beschrieben angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist die Ausnehmung radial im Gehäuse angeordnet. Hierdurch ist es möglich, empfindliche Bauteile, welche im Zentrum der Vakuumpumpe angeordnet sind, effizient zu kühlen.
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Vorzugsweise weist die Ausnehmung ein Gewinde auf zum Verschrauben des Kühlelements. Dabei wirkt das Gewinde der Ausnehmung zusammen mit dem Gewinde des Grundkörpers des Kühlelements, so dass ein Einschrumpfen oder Verschweißen des Kühlelements in der Vakuumpumpe nicht erforderlich ist.
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Vorzugsweise ist das Anschlusselement ausgebildet derart, dass das Anschlusselement in dieselbe Ausnehmung in der Vakuumpumpe eingeführt werden, wie das Kühlelement selbst.
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Vorzugsweise weist das Anschlusselement an seiner Außenseite ein Gewinde auf, so dass das Anschlusselement in dasselbe Gewinde der Ausnehmung in der Vakuumpumpe eingeschraubt ist zum Verbinden mit dem Grundkörper.
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Vorzugsweise ist die Ausnehmung zylindrisch ausgebildet. Hierdurch ist die Ausnehmung auf besonders einfache Wiese zu realisieren und auch nachträglich in bereits bestehenden Vakuumpumpen einzubringen.
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Vorzugsweise fluchtet die Außenfläche des Grundkörpers mit der Außenfläche der Vakuumpumpe beim montierten Kühlelement. Somit kann ein besonders ansprechendes Design erreicht werden. Gleichzeitig ist es nicht erforderlich hervorstehende Teile des Kühlelements nachträglich zu vernickeln, wodurch weitere Herstellungskosten gespart werden.
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Vorzugsweise weist die Vakuumpumpe mehr als eine Ausnehmung auf, wobei in jedem der Ausnehmungen ein Kühlelement wie vorstehend beschrieben angeordnet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Darstellung des Grundkörpers des Kühlelements, einer Ausführungsform der Erfindung und
- 2: eine Vakuumpumpe mit einem solchen Kühlelement gemäß der Ausführungsform der 1.
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Im Folgenden wird Bezug genommen auf die 1 und 2.
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Das Kühlelement weist einen zylindrischen Grundkörper 10 auf mit einer Außenoberfläche 12, welche in Kontakt steht mit einer Innenoberfläche 14 einer Ausnehmung 16 im Gehäuse 18 der Vakuumpumpe. Wärme, welche von der Vakuumpumpe erzeugt wird, wird sodann über die Kontaktfläche auf das Kühlelement übertragen.
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Der Grundkörper 10 weist dabei eine Vielzahl von Bohrungen 20 auf, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel zentral angeordnet sind. Die Bohrungen 20 sind dabei von einem Kanal 22 umgeben. In der dargestellten Ausführungsform der Figuren ist der Kanal 22 ausgebildet ebenfalls durch eine Vielzahl von Bohrungen, welche die zentralen Bohrungen 20 konzentrisch umgeben. Dabei sind die Bohrungen des Kanals 22 entlang eines Kreisumfangs angeordnet. Alternativ hierzu kann der Kanal 22 auch als durchgehender Ringkanal ausgebildet sein.
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Dabei erstrecken sich die Bohrungen 20 sowie der Kanal 22 von einem ersten Ende 24 des Grundkörpers 10 bis zu einem zweiten Ende 26 des Grundkörpers 10. Das Kühlelement wird dabei mit dem ersten Ende 24 in die Ausnehmung 16 eingeschoben.
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Mit dem Kanal 22 ist ein ersten Anschluss 30 verbunden. Ebenso ist mit den Bohrungen 20 ein zweiter Anschluss 28 verbunden. Ein Kühlfluid, wie beispielsweise Wasser, strömt dabei durch den zweiten Anschluss 28, durch die Bohrungen 20 und den Kanal 22 zum ersten Anschluss 30. Alternativ hierzu ist die Strömungsrichtung gerade umgekehrt, so dass ein Kühlfluid vom ersten Anschluss 30 durch den Kanal 22 und die Bohrung 20 zu einem zweiten Anschluss 28 strömt. Durch das durchströmende Kühlungsfluid wird die durch die Vakuumpumpe erzeugte Wärme aufgenommen und wegbefördert. Dabei sind die Bohrungen auf einfache Weise in den Grundkörper 10 des Kühlelements einbringbar, wodurch die Herstellungskosten deutlich reduziert werden.
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Der Grundkörper 10 weist an seinem ersten Ende 24 eine Ausnehmung 32 auf. Durch die Ausnehmung 32 wird ein Endvolumen 34 geschaffen. Kühlungsfluid, welches durch den Kanal 22 strömt, gelangt zu dem Endvolumen 34 und wird aus diesem Endvolumen durch die Bohrungen 20 zum zweiten Anschluss 28 befördert. Alternativ ist die Strömungsrichtung gerade umgekehrt. In jedem Fall steht der Kanal 22 mit den Bohrungen 20 durch das Endvolumen 34 in Fluidverbindung. Das Endvolumen wird dabei gebildet durch die stirnseitige Endfläche des Grundkörpers 10, des ersten Endes 24 des Grundkörpers 10 und der gegenüberliegenden Endfläche 36 der Ausnehmung 16. Die Endfläche 36 kann auch durch eine Scheibe vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Grundkörper bestehen, um Korrosion durch elektrochemische Spannung zu vermeiden. Hierdurch ist es nicht erforderlich, eine komplizierte Rückführung des Kühlungsfluids vorzusehen, wodurch die Herstellung des Kühlelements vereinfacht wird.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper 10 einstückig ausgebildet. Weiterhin weist das Kühlelement sodann ein Anschlusselement 38 auf, welche den Kanal 22 und die Bohrung 20 mit den Anschlüssen 28, 30 in geeigneter Weise verbindet. Hierzu weist das Anschlusselement 38 einen ersten Ringkanal 39, durch den die Bohrungen des Kanals 22 mit dem ersten Anschluss 30 verbunden werden. Weiterhin ist ein zweiter Ringkanal 41 ausgebildet im Grundkörper 10, durch den die Bohrungen 20 mit dem zweiten Anschluss 28 verbunden werden.
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Somit kann der Grundkörper 10 nahezu ausschließlich durch drehfertigungstechnische Verfahren hergestellt werden und ist somit besonders preisgünstig herzustellen.
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Vorzugsweise ist die Ausnehmung 16 radial im Gehäuse 18 der Vakuumpumpe 18 angeordnet, so dass durch das Kühlelement auch zentral angeordnete Bauteile wie beispielsweise die Elektronik oder das Kugellager effizient gekühlt werden können. Insbesondere sind keine hohen Anforderungen an die Ausnehmung 16 im Gehäuse 18 der Vakuumpumpe zu stellen, so dass auch ein nachträgliches Einbringen des Kühlelements in eine bereits existierende Vakuumpumpe auf einfache Weise ermöglicht wird. Dabei kann die Außenoberfläche 12 des Grundkörpers 10 zumindest teilweise und bevorzugt vollständig ein Gewinde aufweisen, welches mit einem Gewinde der Innenoberfläche 14 der Ausnehmung 16 zusammengreift. Das Kühlelement kann somit auf einfache Weise in die Ausnehmung 16 eingeschraubt werden und gleichzeitig wird ein sicherer Kontakt zwischen dem Kühlelement und der Vakuumpumpe geschaffen, so dass Wärme effizient von der Vakuumpumpe auf das Kühlelement übertragen werden kann. Ein Einschrumpfen oder Verschweißen ist hierbei nicht erforderlich. Eine Abdichtung gegenüber dem Gehäuse 18 der Vakuumpumpe (oder einer dazwischen liegenden Scheibe) erfolgt mittels O-Ringen 40, welcher in der dargestellten Ausführungsform endständig am ersten Ende 24 des Grundkörpers 10 angeordnet ist.
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Ebenso weist die Außenoberfläche 43 des Anschlusselements 38 ein Gewinde auf, welches ebenfalls mit dem Gewinde der Innenoberfläche 14 der Ausnehmung 16 zusammengreift. Das Anschlusselement 38 kann somit auf einfache Weise ebenfalls in die Ausnehmung 16 eingeschraubt werden und mit dem Grundkörper 10 des Kühlelements verbunden werden. Ein O-Ring 42 kann dabei vorgesehen sein zwischen dem Grundkörper 10 und dem Abschlusselement 38.
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Somit wird durch die vorliegende Erfindung ein Kühlelement bereitgestellt, welches auf einfache Weise in einer Ausnehmung einer Vakuumpumpe angebracht werden kann und effizient auch zentrumsnahe empfindliche Bauteile kühlt. Das Kühlelement ist dabei auf einfache Weise herstellbar. Eine komplexe Führung des Kühlungsfluids ist nicht erforderlich und der Kanal 22 und die Bohrung 20 können auf einfache Weise in das Kühlelement eingebracht werden.
