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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse drehbar gelagerten Pumpenrad.
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Eine Pumpe dient üblicherweise der Förderung eines Fluides und ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Zur Förderung des Fluides weist die Pumpe üblicherweise ein Pumpenrad auf, welches das Fluid durch eine Drehung fördert. Das Pumpenrad ist dabei drehbar in einem Gehäuse der Pumpe gelagert und wird von einer Antriebseinrichtung, beispielsweise über eine Welle oder einen Rotor, angetrieben. Die Lagerung des Pumpenrades im Gehäuse ist gewöhnlich in einem vom Pumpenrad entfernten Bereich, insbesondere im Bereich der Welle bzw. des Rotors, realisiert. Ferner ist zwischen dem Pumpenrad und dem Gehäuse ein Radialspalt und/oder Axialspalt angeordnet bzw. ausgebildet, um insbesondere die berührungslose und frei drehbare Lagerung des Pumpenrades im Gehäuse zu gewährleisten.
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Nachteilig hierbei ist, dass das zu fördernde Fluid durch besagte zwischen dem Pumpenrad und dem Gehäuse vorhandene Spalte gelangen kann, was zu einem reduzierten Wirkungsgrad der Pumpe führt. Ferner kann die Drehung des Pumpenrades und die Wechselwirkung des Pumpenrades mit dem zu fördernden Fluid zu einer Vergrößerung besagter Spalte führen, was den Wirkungsgrad der Pumpe weiter senkt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Pumpe der eingangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen erhöhten Wirkungsgrad auszeichnet. Ferner soll die erfindungsgemäße Lösung möglichst kostengünstig umsetzbar sein.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Lager zur Lagerung eines in einem Gehäuse angeordneten Pumpenrades einer Pumpe u.a. am Pumpenrad selbst vorzusehen und besagtes Lager derart ausbilden bzw. auszugestalten, dass es einen zwischen dem Pumpenrad und dem Gehäuse vorhandenen Spalt zumindest teilweise abdichtet. Hierdurch ist es insbesondere möglich, zumindest eines der sonst üblichen in einem vom Pumpenrad entfernten Bereich angeordneten Lager einzusparen, was zu reduzierten Herstellungskosten der Pumpe führt. Zudem führt das zumindest teilweise Abdichten des/der zwischen dem Gehäuse und dem Pumpenrad vorhandenen Spalte zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der Pumpe. Hierbei kann der zwischen dem Pumpenrad und dem Gehäuse vorhandene Spalt als ein Axialspalt und/oder als ein Radialspalt ausgebildet sein. Das heißt, dass zwischen dem Pumpenrad und dem Gehäuse ein Axialspalt und ein Radialspalt vorhanden sind, wobei die Richtungen axial bzw. radial bezüglich der Drehachse des Pumpenrades gegeben sind. Dementsprechend kann/können am Pumpenrad zumindest ein Axiallager und/oder ein Radiallager zur Lagerung des Pumpenrades gegenüber dem Gehäuse vorgesehen sein. Zudem verringert das Radiallager bevorzugt den Radialspalt, wodurch das Radiallager in diesem Bereich zusätzlich eine Dichtfunktion erfüllt. Analog hierzu ist vorgesehen, dass das Axiallager den Axialspalt verringert und damit in diesem Bereich zusätzlich eine Dichtfunktion erfüllt.
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Insbesondere ist also im Axialspalt zwischen dem Pumpenrad und dem Gehäuse das Axiallager angeordnet und/oder im Radialspalt zwischen dem Gehäuse und dem Pumpenrad das Radiallager. Hierbei sind/ist das Axiallager und/oder das Radiallager insbesondere zusätzlich als Dichtelement ausgestaltet. Auch ist es vorstellbar, das Axiallager und/oder das Radiallager als ein Dichtelement mit zusätzlicher Funktion als Axiallager bzw. Radiallager auszugestalten.
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Das am Pumpenrad vorgesehene Axiallager und/oder Radiallager kann ein integraler Bestandteil des Pumpenrades sein. Das heißt insbesondere, dass ein äußerer Bereich des Pumpenrades als ein solches Axiallager und/oder als ein solches Radiallager ausgebildet bzw. ausgestaltet sein kann. Alternativ hierzu kann das Axiallager und/oder das Radiallager separat zum Pumpenrad ausgebildet sein. In diesem Fall wird das Axiallager und/oder das Radiallager mit dem Pumpenrad verbunden. Hierzu kann das Pumpenrad beispielsweise eine entsprechende Nut bzw. Aufnahme aufweisen, in der das Axiallager und/oder das Radiallager angeordnet und mit dem Pumpenrad verbunden wird. Ferner ist es vorstellbar, das Axiallager und/oder das Radiallager mit dem Pumpenrad zu verkleben oder am Pumpenrad anzuspritzen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass eines der Lager integraler Bestandteil des Pumpenrades ist, während das andere Lager separat zum Pumpenrad ausgebildet und mit diesem verbunden ist.
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Vorteilhaft sind/ist das Axiallager und/oder das Radiallager derart ausgebildet bzw. ausgestaltet, dass es zu einer reduzierten Reibung zwischen dem Pumpenrad und dem Gehäuse beiträgt. Hierzu ist es insbesondere vorstellbar, das Axiallager und/oder das Radiallager aus einem die Reibung reduzierenden Material herzustellen.
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Prinzipiell ist es möglich, das Axiallager und/oder das Radiallager und das Pumpenrad aus dem gleichen Material bzw. aus den gleichen Materialien herzustellen. Bevorzugt sind jedoch diejenigen Ausführungsformen, bei denen das Axiallager und/oder das Radiallager aus einem anderen Material hergestellt sind als das Pumpenrad. Dadurch ist es insbesondere möglich, das Pumpenrad aus einem zur Förderung des zu fördernden Fluides optimierten Material herzustellen, während für das Radiallager und/oder das Axiallager ein Material ausgewählt werden kann, welches insbesondere eine reibungsreduzierende Eigenschaft aufweist.
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Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist das Axiallager und/oder das Radiallager eine einfördernde Struktur auf, die einen hydrodynamischen Lagereffekt erzeugt. Besagte einfördernde Struktur ist vorzugsweise auf der vom Pumpenrad abgewandten Seite des Axiallagers bzw. des Radiallagers ausgebildet. Durch die einfördernde Struktur und den damit erzeugten hydrodynamischen Lagereffekt ist es insbesondere möglich, die Lagerung des Pumpenrades im Gehäuse im Bereich des Pumpenrads derart zu realisieren, dass zwischen dem Gehäuse und dem Pumpenrad, insbesondere im Axialspalt bzw. Radialspalt, die Lagerung des Pumpenrades mittels des zu fördernden Fluides realisiert ist. Mit anderen Worten: Durch die einfördernde Struktur wird zwischen dem Pumpenrad und dem Gehäuse, insbesondere während dem Betrieb der Pumpe, ein Film aus dem zu fördernden Fluid gebildet, so dass das Pumpenrad hydrodynamisch gelagert ist. Die einfördernde Struktur kann insbesondere durch eine Abfolge unterschiedlicher Abschnitte entlang des Axiallagers und/oder des Radiallagers realisiert sein. Zu diesen Abschnitten gehört insbesondere ein Nutabschnitt, in dem zumindest eine Nut zur Zuführung eines Schmiermittels, insbesondere des zu fördernden Fluids, ausgebildet ist, ein Keilabschnitt, der eine variierende Dicke bzw. Höhe aufweist sowie ein Rastabschnitt, der zwischen einer solchen Nut und einem solchen Teilabschnitt angeordnet ist. Hierbei beträgt der Quotient aus der in der Umfangsrichtung verlaufenden Länge eines solchen Teilabschnittes und der Breite des zugehörigen Axialspaltes bzw. Radialspaltes zwischen 0,5 und 2, bevorzugt zwischen 0,7 und 0,8.
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Das Axiallager und der zugehörige Axialspalt weisen vorzugsweise komplementäre Formen und/oder Größen auf. Ferner weisen auch das Radiallager und der zugehörige Radialspalt bevorzugt komplementäre Formen und/oder Größen auf.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist im Bereich des Axiallagers und/oder des Radiallagers eine Beschichtung vorgesehen, um die Lagerung des Pumpenrades mittels des Axiallagers und/oder des Radiallagers zu verbessern. Hierbei weist die Beschichtung vorzugsweise eine größere Härte und/oder eine höhere Gleitfähigkeit auf, als die mit der Beschichtung in Kontakt stehenden Bereiche des Pumpenrades und/oder des Gehäuses. Das heißt, dass auf das Axiallager und/oder das Radiallager zumindest bereichsweise eine solche Beschichtung aufgebracht ist. Alternativ oder zusätzlich ist auf einer mit dem Axiallager und/oder mit dem Radiallager in Kontakt tretenden Gehäusekontaktfläche des Gehäuses zumindest bereichsweise eine solche Beschichtung aufgebracht. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Beschichtung eine größere Härte und/oder eine höhere Gleitfähigkeit aufweist als ein Material des Axiallagers und/oder des Radiallagers und/oder ein Material des Gehäuses im Bereich der Gehäusekontaktfläche.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, die Pumpe mit einem solchen Axiallager oder mit einem solchen Radiallager zu versehen. Ebenso ist es möglich, die Pumpe mit einem solchen Axiallager sowie mit einem solchen Radiallager zu versehen. Bei der letzteren Variante können das Axiallager und das Radiallager als separate Bauteile ausgestaltet sein. Ebenso ist es vorstellbar, das Axiallager und das Radiallager als ein Bauteil auszugestalten. Das heißt, dass das Axiallager und das Radiallager insbesondere einstückig und/oder monolithisch ausgebildet bzw. ausgestaltet sein können. Selbstverständlich kann die Pumpe auch mehrere solche Axiallager und/oder Radiallager aufweisen.
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Die Pumpe kann prinzipiell beliebig ausgestaltet bzw. ausgebildet sein und zur Förderung beliebiger Fluide dienen. In diesem Sinne kann die Pumpe auch als ein Verdichter ausgebildet bzw. ausgestaltet sein. Vorzugsweise dient die Pumpe der Förderung eines Kühlmittels und ist dementsprechend als Kühlmittelpumpe ausgebildet.
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Das am Pumpenrad vorgesehene Axiallager und/oder Radiallager kann im Allgemeinen in einem beliebigen Bereich des Pumpenrades angeordnet werden. Bevorzugt sind hierbei diejenigen Ausführungsformen, bei denen das Axiallager und/oder das Radiallager an einem Außenrand des Pumpenrades angeordnet sind. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen ist das Axiallager und/oder das Radiallager in einem der Drehachse des Pumpenrades benachbarten Bereich des Pumpenrades angeordnet.
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Das Pumpenrad und/oder das Axiallager bzw. das Radiallager können aus einem beliebigen Material hergestellt sein, sofern sich das Material des Axiallagers und/oder des Radiallagers zur Lagerung des Pumpenrades gegenüber dem Gehäuse eignet. Hierbei ist das Pumpenrad bevorzugt als Kunststoffspritzgussteil hergestellt, während das Axiallager und/oder das Radiallager mit dem Kunststoff des Pumpenrades umspritzt sind/ist. Dies führt insbesondere zu einer kostengünstigen Herstellung des Pumpenrades sowie des Axiallagers und/oder des Radiallagers und somit zu einer kostengünstigen Herstellung der Pumpe. Zudem können besagte reibungsreduzierende Eigenschaften und/oder Härten hierdurch vereinfacht realisiert werden.
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Das Pumpenrad ist, wie zuvor erwähnt, durch eine Antriebseinrichtung angetrieben, die sowohl Bestandteil der Pumpe als auch eine von der Pumpe unterschiedliche Einrichtung sein kann. Die Antriebseinrichtung funktioniert auf bekannter Weise, so dass die Pumpe insbesondere elektrisch oder mechanisch angetrieben sein kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 einen Längsschnitt durch eine Pumpe,
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2–5 jeweils eine Vergrößerung im Bereich "Y" der in 1 gezeigten Pumpe, bei unterschiedlichen Ausführungsformen,
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6 eine Vergrößerung des mit "Z" bezeichneten Bereiches in 2. Entsprechend der 1 weist eine Pumpe 1, die beispielsweise als Kühlmittelpumpe 1’ ausgestaltet ist, ein Pumpenrad 2 auf, das mittels einer Welle 3 zur Förderung eines Fluides gedreht wird. Die Drehung des Pumpenrades 2 mit Hilfe der Welle 3 erfolgt hierbei um eine Drehachse 4 der Welle 3 bzw. des Pumpenrades 2, welche zugleich die Axialrichtung 4’ der Pumpe 1 definiert. Hierbei ist das Pumpenrad 2 in einem Gehäuse 5 der Pumpe 1 gelagert und fördert das zu fördernde Fluid, also insbesondere das von der als Kühlmittelpumpe 1’ ausgestalteten Pumpe 1 geförderte Kühlmittel., Hierzu ist dem Pumpenrad 2 axialseitig ein Eingangskanal 6 und radialseitig ein Auslasskanal 7 zugeordnet, wobei der Eingangskanal 6 und der Auslasskanal 7 im Gehäuse 5 der Pumpe 1 ausgebildet sind.
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Zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Gehäuse 5 sind mehrere Spalte 8, 9 vorhanden. Hierbei handelt es sich um axial zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Gehäuse 5 angeordnete Axialspalte 8 und einen radial zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Gehäuse 5 vorhandenen Radialspalt 9. Erfindungsgemäß weist die Pumpe 1 zumindest ein am Pumpenrad 2 angeordnetes Axiallager 10 bzw. Radiallager 11 zur Lagerung des Pumpenrad 2 gegenüber dem Gehäuse 5 auf. Hierbei ist das Pumpenrad 2 in dem in den 1 bis 5 dargestellten Längsschnitt stufenartig ausgebildet, so dass zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Gehäuse 5 insgesamt zwei solcher Axialspalte 8 und ein solcher Radialspalt 9 vorhanden sind. In der 1 ist ferner eine Ausführungsform gezeigt, bei der das Axiallager 10 in dem vom Eingangskanal 6 entfernten Axialspalt 8 zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Gehäuse 5 angeordnet ist. Das Axiallager 10 ist am Pumpenrad 2 angeordnet, wodurch es das Pumpenrad 2 gegenüber dem Gehäuse 5 bzw. im Gehäuse 5 lagert. Hierdurch kann einerseits ein bisher übliches Lager im Bereich der Welle 3 der Pumpe 1 entfallen. Zudem ist durch die Anordnung des Axiallagers 10 im Axialspalt 8 bzw. im Bereich des Axialspaltes 8 eine verbesserte Dichtheit erreicht, so dass das zu fördernde Fluid, also insbesondere das Kühlmittel, nicht durch den zugehörigen Axialspalt 8 durchströmen kann, womit der Wirkungsgrad der Pumpe 1 erhöht ist. Das Axiallager 10 erfüllt also zusätzlich zur Lagerung des Pumpenrades 2 gegenüber dem Gehäuse 5 eine Dichtfunktion.
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Besonders die verbesserte Dichtfunktion durch axiales Anlaufen des Pumpenrades 2 am Gehäuse 5 verkleinert den Axialspalt 8 und erhöht damit den Wirkungsgrad der Pumpe 1.
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Das Pumpenrad 2 und/oder das Axiallager 10 bzw. das Radiallager 11 können aus einem beliebigen Material hergestellt sein, sofern sich das Material des Axiallagers 10 und/oder des Radiallagers 11 zur Lagerung des Pumpenrades 2 gegenüber dem Gehäuse 5 eignet. Denkbar sind insbesondere auch eine Kompositbauweise mit unterschiedlichen Werkstoffen für Pumpenrad 2 und Lager 10, 11. Hierbei kommen für das Axiallager 10, bzw. das Radiallager 11 unterschiedliche Kunststoffe oder Kohlenstoff in Betracht, aber auch Gleitbeschichtungen, die insbesondere aufgedampft werden und dadurch fertigungstechnisch hochwertig und dennoch kostengünstig hergestellt werden können.
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Die 2 bis 5 zeigen jeweils den mit "Y" bezeichneten Bereich in 1 bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Pumpe 1. In der 2 ist hierbei eine Ausgestaltung zu sehen, bei dem das Axiallager 10 im Bereich des dem Eingangskanal 6 benachbarten Axialspaltes 8 angeordnet ist.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, in dem Radialspalt 9 zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Gehäuse 5 ein Radiallager 11 vorzusehen. Hierbei ist in 3 eine Ausführungsform gezeigt, bei dem im Radialspalt 9 ein solches am Pumpenrad 2 angeordnetes Radiallager 11 angeordnet ist, während im vom Eingangskanal 6 entfernten Axialspalt 8 ein solches am Pumpenrad 2 angeordneter Axialspalt 10 angeordnet ist. Das Radiallager 11 und das Axiallager 10 sind dabei als separate Bauteile ausgestaltet und jeweils integraler Bestandteil des Pumpenrades 2.
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In 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Radiallager 11 als vom Pumpenrad 2 separates Bauteil ausgebildet ist. Hierbei ist das Radiallager 11 in einer radial nach außen offenen Nut 13 des Pumpenrades 2 angeordnet und darin mit dem Pumpenrad 2 verbunden.
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In 5 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der die Pumpe 1 ein solches in dem dem Eingangskanal 6 benachbarten Axialspalt 8 angeordnetes Axiallager 10 sowie ein solches im Radialspalt 9 angeordnetes Radiallager 11 aufweist. Hierbei sind das Axiallager 10 und das Radiallager 11 gewinkelt, einstückig und monolithisch ausgebildet und an einer komplementär ausgebildeten Aufnahme 14 des Pumpenrades 2 mit dem Pumpenrad 2 verbunden.
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In den 1 und 3 ist das Axiallager 10 also an einem Außenrand 19 des Pumpenrades 2 angeordnet, während die in den 2 und 5 gezeigten Axiallager 10 in einem der Drehachse 4 des Pumpenrades 2 nahen Bereich des Pumpenrades 2 bzw. in einem radial inneren Bereich des Pumpenrades 2 angeordnet sind. Besonders die Anordnung des Radiallagers 11 an einem möglichst äußeren Rand des Pumpenrades 2 verbessert die Lagerung.
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Das Axiallager 10 bzw. das Radiallager 11 sind bevorzugt derart ausgebildet bzw. ausgestaltet, dass sie eine einfördernde Struktur aufweisen, um einen hydrodynamischen Lagereffekt zu erzeugen. 6 zeigt exemplarisch einen mit "Z" bezeichneten Ausschnitt aus 2, bei der eine solche einfördernde Struktur des Axiallagers 10 zu sehen ist. Dabei ist zu beobachten, dass das Axiallager 10 eine periodische Struktur aus einem eine Zuführnut 15 aufweisenden Nutabschnitt 16 sowie einem dem Nutabschnitt 16 auf der in 6 rechten Seite benachbarten Keilabschnitt 17 mit einer variierenden Dicke 12 und einem dem Keilabschnitt 17 auf der rechten Seite benachbarten Rastabschnitt 18 aufweist, welcher der nächsten Zuführnut 15 benachbart ist. Durch die einfördernde Struktur des Axiallagers 10 ist es insbesondere möglich, das Pumpenrad 2 mittels des zu fördernden Fluides, also insbesondere mittels des Kühlmittels, im Gehäuse 5 zu lagern. Das heißt, dass zwischen dem Axiallager 10 und dem Gehäuse 5 im Bereich des Axialspaltes 8 ein Film aus dem zu fördernden Fluid, also insbesondere aus dem Kühlmittel, gebildet wird, der durch die einfördernde Struktur des Axiallagers 10 bedingt ist.
