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Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung zum Lagern eines Rotors einer Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Lagereinrichtung zum Lagern eines Rotors einer Strömungsmaschine ist beispielsweise der
EP 2 375 082 A2 als bekannt zu entnehmen. Die Lagereinrichtung umfasst dabei wenigstens ein Luftlager, das wenigstens eine Tragfolie und wenigstens eine korrespondierende Deckfolie umfasst. Die Tragfolie wird üblicherweise auch als Trägerfolie oder Bumpfoil bezeichnet, wobei die Deckfolie üblicherweise auch als Topfoil bezeichnet wird. In dem Luftlager kann ein Luftpolster ausgebildet werden, auf welchem der Rotor während des Betriebs der Strömungsmaschine quasi schwebt und dadurch gelagert wird.
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Eine solche Lagereinrichtung, welche eine Luftlagereinrichtung ist, kommt üblicherweise in einer Luftversorgungseinheit von Brennstoffzellensystemen zum Einsatz. Bei einer solchen Luftversorgungseinheit handelt es sich um eine Strömungsmaschine, welche einen Verdichter umfasst. Der Verdichter umfasst dabei ein Verdichterrad, welches Bestandteil des Rotors ist. Der Rotor umfasst ferner eine Welle, mit welcher das Verdichterrad drehfest gekoppelt ist. Ferner umfasst die Strömungsmaschine ein Gehäuseelement, an dem der Rotor um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuseelement drehbar über die Lagereinrichtung gelagert ist. Das Luftlager ist ein dynamisches oder hydrodynamisches Luftlager und als Folienlager ausgebildet. Durch die Drehbewegung des Rotors relativ zum Gehäuseelement und relativ zu der Deckfolie und der Tragfolie, welche zusammenfassend als Folien bezeichnet werden, bildet sich ein beispielsweise keilförmiges Luftpolster aus, welches in der Lage ist, den Rotor zu tragen. Dieses Wirkprinzip gilt sowohl für radiale als auch für axiale Luftlager. Der Rotor ist beispielsweise über wenigstens ein radiales Luftlager in radialer Richtung an dem Gehäuseelement gelagert. Alternativ oder zusätzlich ist der Rotor über wenigstens ein axiales Luftlager in axialer Richtung an dem Gehäuseelement gelagert beziehungsweise zu lagern. Die Lager bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Deckfolien und einer oder mehreren Tragfolien, welche auch als Trägerfolien bezeichnet werden und beispielsweise wellenförmig ausgebildet sind. Feder- und Dämpfungseigenschaften eines solchen Luftlagers entstehen üblicherweise durch die Form der Tragfolie und die Coulombsche Reibung zwischen den Folien, insbesondere in einem Gehäuse des Luftlagers. In der Regel sind hydrodynamische Luftlager so gebaut, dass die Deckfolie bei Stillstand des Rotors an diesem anliegt. Bei typischen Nenndrehzahlen treten Geschwindigkeitsgradienten zwischen drehenden und gehäusefesten Teilen der Strömungsmaschine von beispielsweise 150 bis 350 Metern pro Sekunde auf. Das entstehende Luftpolster ist hierbei beispielsweise weniger als 0,01 Millimeter dick.
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Üblicherweise kommt es durch die großen Geschwindigkeitsgradienten in Verbindung mit dem sehr kleinen Luftpolster beziehungsweise Luftspalt zu hohen Scherkräften, welche wiederum hohe Reibverluste von mehreren 100 Watt entstehen lassen.
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Damit die Strömungsmaschine hierbei thermisch stabil bleibt, kommt üblicherweise eine Kühlung in Form einer Luftkühlung zum Einsatz. Diese Luftkühlung erfolgt in der Regel mittels sogenannter Zapfluft, welche an einer Stelle abgezweigt beziehungsweise abgezapft und zum Luftlager geführt wird. Beispielsweise wird die Zapfluft am Verdichter abgezweigt und kann somit nicht mehr dem Brennstoffzellensystem zugeführt werden. Mit anderen Worten, durch die Verwendung von Zapfluft zu Kühlungszwecken steht die abgezweigte Zapfluft dem Brennstoffzellensystem und dessen Brennstoffzellenprozess nicht mehr zur Verfügung, wobei die Zapfluftmenge bis zu 10 Prozent der geförderten Gesamtluftmenge betragen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lagereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher das Luftlager besonders effektiv gekühlt werden kann bei gleichzeitiger Realisierung eines dezenten Betriebs der Strömungsmaschine insgesamt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lagereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Lagereinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welcher das Luftlager besonders effektiv gekühlt werden kann bei gleichzeitiger Realisierung eines effizienten Betriebs der Strömungsmaschine insgesamt, ist eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen, welche wenigstens einen durch die Deckfolie zumindest teilweise begrenzten Kühlkanal umfasst, der von einer Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Luftlagers durchströmbar ist. Dies bedeutet, dass die Kühlflüssigkeit die Deckfolie und zumindest somit das Luftlager zumindest teilweise berührt, wenn die Kühlflüssigkeit den Kühlkanal durchströmt. Dadurch kann ein besonders effizienter und effektiver Wärmeübergang von der Deckfolie und somit dem Luftlager insgesamt an die Kühlflüssigkeit erfolgen, sodass hohe Wärmemengen von dem Luftlager abtransportiert werden können. In der Folge kann ein besonders hoher Wirkungsgrad der hochdrehenden Strömungsmaschine realisiert werden, sodass beispielsweise ein Brennstoffzellensystem mittels der hochdrehenden Strömungsmaschine besonders effizient mit Luft, insbesondere verdichteter Luft, versorgt werden kann. Ferner kann der Einsatz von Zapfluft zur Kühlung des Luftlagers vermieden oder zumindest gering gehalten werden, sodass die Versorgung eines Brennstoffzellensystems mit Luft nicht durch die Kühlung des Luftlagers beeinträchtigt wird. Hierdurch ist auch ein besonders effizienter Betrieb des Brennstoffzellensystems realisierbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Lagereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zum Lagern eines Rotors einer Strömungsmaschine, mit wenigstens einem Luftlager, welches wenigstens eine Tragfolie und wenigstens eine korrespondierende Deckfolie umfasst, wobei eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, welche wenigstens einen durch die Deckfolie zumindest teilweise begrenzten Kühlkanal umfasst, der von einer Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Luftlagers durchströmbar ist;
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2 eine schematische Längsschnittansicht der Lagereinrichtung gemäß 1;
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3 eine schematische Querschnittsansicht der Lagereinrichtung gemäß 2 entlang einer in 2 gezeigten Schnittlinie A-A;
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4 eine schematische Querschnittsansicht der Lagereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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5 eine schematische Querschnittsansicht der Lagereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
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6 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Lagereinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform, wobei das Luftlager als axiales Luftlager ausgebildet ist;
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7 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Lagereinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
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8 eine schematische Längsschnittansicht der Lagereinrichtung gemäß der fünften Ausführungsform; und
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9 eine schematische Querschnittsansicht der Lagereinrichtung gemäß der fünften Ausführungsform entlang einer in 8 gezeigten Schnittlinie A-A.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 bis 3 zeigen eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Lagereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zum Lagern eines in den Fig. nicht gezeigten Rotors einer Strömungsmaschine. Die Lagereinrichtung 10 umfasst dabei wenigstens ein Luftlager 12, welches bei der ersten Ausführungsform als Radiallager, das heißt als radiales Luftlager ausgebildet ist und dazu dient, den Rotor in dessen radialer Richtung an einem Gehäuseelement der Strömungsmaschine zu lagern. Hierbei ist der Rotor mittels der Lagereinrichtung um eine Drehachse 14 relativ zu dem Gehäuseelement drehbar an diesem gelagert. Die Lagereinrichtung 10 umfasst ein Gehäuseelement in Form eines Lagergehäuses 16, welches das zuvor genannte Gehäuseelement der Strömungsmaschine sein kann. Die Strömungsmaschine ist beispielsweise eine Luftversorgungseinheit und dient dazu, einen Energiewandler insbesondere in Form eines Brennstoffzellensystems mit verdichteter Luft zu versorgen. Hierzu umfasst die Strömungsmaschine einen Verdichter mit einem Verdichterrad, mittels welchem die Luft verdichtet werden kann. Das Verdichterrad ist Bestandteil des genannten Rotors, welcher ferner eine in 2 ausschnittsweise erkennbare Welle 18 umfasst. Das Verdichterrad ist drehfest mit der Welle 18 verbunden, wobei der Rotor über die Welle 18 und das Luftlager 12 an dem Lagergehäuse 16 beziehungsweise dem genannten Gehäuseelement um die Drehachse 14 drehbar gelagert ist.
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Ferner ist es möglich, dass die Strömungsmaschine eine Turbine umfasst, welche ein Turbinenrad aufweist. Das Turbinenrad ist von Abgas des Energiewandlers antreibbar, wobei es sich bei dem Abgas beispielsweise um Abluft des Brennstoffzellensystems handelt. Das Verdichterrad ist ebenfalls Bestandteil des Rotors und dabei drehfest mit der Welle 18 verbunden, sodass das Verdichterrad über die Welle 18 von dem Turbinenrad angetrieben werden kann. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden, wobei die verdichtete Luft dem Energiewandler zugeführt wird. Hierdurch ist ein besonders effizienter und wirkungsgradgünstiger Betrieb des Energiewandlers möglich.
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Wie aus 1 bis 2 besonders gut zu erkennen ist, umfasst das Luftlager 12, welches als dynamisches beziehungsweise hydrodynamisches Folien-Luftlager ausgebildet ist, eine Tragfolie 20, welche auch als Trägerfolie oder Bumpfoil bezeichnet ist. Ferner umfasst das Luftlager 12 eine mit der Tragfolie 20 korrespondierende Deckfolie 22, welche auch als Topfoil bezeichnet wird. Die Deckfolie 22 ist in radialer Richtung innenseitig der Tragfolie 20 und bezogen auf den vollständig hergestellten Zustand der Strömungsmaschine zwischen der Tragfolie 20 und der Welle 18 angeordnet, wobei die Tragfolie 20 in radialer Richtung zwischen der Deckfolie 22 und dem Lagergehäuse 16 angeordnet ist. Aus 1 ist erkennbar, dass die Tragfolie 20 vorliegend wellenförmig ist.
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Innenumfangsseitig weist die Deckfolie 22 eine Gleitbeschichtung 24 auf, welche beispielsweise aus einem Kunststoff gebildet ist. Die Gleitbeschichtung 24 kann beispielsweise aus PTFE (Polytetrafluorethylen) oder einem ähnlichen Werkstoff gebildet sein. Die Gleitbeschichtung 24 kommt zum Einsatz, um den Verschleiß des Luftlagers 12 insbesondere in unteren Drehzahlbereichen des Rotors gering zu halten, in dem das Luftlager 12 noch keine ausreichende Tragfähigkeit hat und beispielsweise die Welle 18 zumindest teilweise kontaktiert. Mit anderen Worten dient die Gleitbeschichtung 24 dazu, den Verschleiß des Luftlagers 12 in einem sogenannten Mischreibungsbereich zumindest gering zu halten, in welchem insbesondere die Deckfolie 22 die Welle 18 berühren kann. Aus 2 und 3 ist erkennbar, dass die Tragfolie 20 zumindest teilweise und vorzugsweise zumindest überwiegend in einem Gummiwerkstoff 26 aufgenommen, das heißt eingebettet ist. Über den Gummiwerkstoff 26 ist die Tragfolie 20 am Lagergehäuse 16 gehalten, wobei der Gummiwerkstoff 26, insbesondere ein Vorsprung 28 des Gummiwerkstoffs 26, in einer korrespondierenden Aufnahme 30 des Lagergehäuses 16 aufgenommen ist.
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Aus 3 ist erkennbar, dass auch die Deckfolie 22 mit dem Gummiwerkstoff 26 verbunden und somit über den Gummiwerkstoff 26 am Lagergehäuse 16 gehalten ist. Hierbei weist der Gummiwerkstoff 26 eine besonders gut aus 1 erkennbare Abkantung 32 auf. Die Abkantung 32 ist vorgesehen, um einen Reibwärmeeintrag im Bereich der mit dem Gummiwerkstoff 26 umvulkanisierten Tragfolie 20 zu vermeiden oder zumindest gering zu halten. Hierdurch wird sichergestellt, dass der verwendete Gummiwerkstoff 26 in einem für seine Werkstoffgruppe zulässigen Temperaturbereich betrieben wird.
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Im Allgemeinen sind Gummiwerkstoffe dafür bekannt, dass sie ihre Eigenschaften über ihre Lebensdauer verändern. Hierbei kommt es beispielsweise zu einer Formänderung durch Kriechen. Um diese Veränderungen der Eigenschaften zu kompensieren, ist die Tragfolie 20 als elastisches Element vorgesehen, wobei die Tragfolie 20 beispielsweise aus Metall gebildet ist. Somit bilden die vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildete Tragfolie 20 und der Gummiwerkstoff 26, welcher vorzugsweise durch Vulkanisieren mit der Tragfolie 20 verbunden ist, ein Gummi-Metall-Element, in welchem der Gummiwerkstoff 26 selbst insbesondere dazu dient, vorteilhafte Dämpfungseigenschaften des Luftlagers 12 zu realisieren.
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Um nun eine besonders effektive Kühlung des Luftlagers 12 zu realisieren bei gleichzeitiger Darstellung eines besonders effizienten Betriebs der Strömungsmaschine, ist eine im Ganzen mit 34 bezeichnete Flüssigkeitskühlung vorgesehen, welche wenigstens einen durch die Deckfolie 22 zumindest teilweise begrenzten Kühlkanal 36 aufweist, welcher von einer Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Luftlagers 12 durchströmbar ist. Aus 3 ist erkennbar, dass das Lagergehäuse 16 wenigstens einen Zuführkanal 38 aufweist, welcher fluidisch mit dem Kühlkanal 36 verbunden ist. Über den Zuführkanal 38 kann die Kühlflüssigkeit in den Kühlkanal 36 eingeführt werden, sodass der Zuführkanal 38 auch als Kühlmittelvorlauf dient. Ferner weist das Lagergehäuse 16 wenigstens einen Abführkanal 40 auf, welcher fluidisch mit dem Kühlkanal 36 verbunden ist. Dadurch kann die Kühlflüssigkeit, nachdem sie den Kühlkanal 36 durchströmt hat, über den Abführkanal 40 aus dem Kühlkanal 36 abgeführt werden, sodass der Abführkanal 40 auch als Kühlmittelrücklauf bezeichnet wird.
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Beim Durchströmen des Kühlkanals 36 erfolgt ein Wärmeübergang insbesondere von dem Luftlager 12 an die den Kühlkanal 36 durchströmende Kühlflüssigkeit, mittels welcher eine besonders hohe Wärmemenge von dem Luftlager 12 abgeführt werden kann. Dabei veranschaulichen Richtungspfeile in 3 die Strömung der Kühlflüssigkeit durch den Kühlkanal 36.
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Aus 2 und 3 ist besonders gut erkennbar, dass der Kühlkanal 36 in radialer Richtung nach außen durch das Lagergehäuse 16, in radialer Richtung nach innen durch die Deckfolie 22 und in axialer Richtung durch den Gummiwerkstoff 26 begrenzt ist. Somit dient der Gummiwerkstoff 26 auch zum Begrenzen beziehungsweise Abdichten des Kühlkanals 36, wobei dieser mittels des Gummiwerkstoffs 26, welcher ein elastisches Material ist, besonders gut abgedichtet werden kann.
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4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Lagereinrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Anhand eines Vergleichs von 3 mit 4 ist erkennbar, dass sich die zweite Ausführungsform hinsichtlich der Anbindung der Deckfolie 22 an den Gummiwerkstoff 26 von der dritten Ausführungsform unterscheidet.
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5 zeigt die Lagereinrichtung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform, welche sich insbesondere hinsichtlich der Anbindung der Deckfolie 22 an den Gummiwerkstoff 26 von der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform unterscheidet. Die jeweilige Anbindung der Deckfolie 22 an dem Gummiwerkstoff 26 ist in 4 und 5 durch einen Bereich B gekennzeichnet. Bei den in 4 und 5 gezeigten zweiten beziehungsweise dritten Ausführungsformen besteht die Möglichkeit, das radiale Luftlager 12 sowohl links- als auch rechtsdrehend betreiben zu können. Dies bedeutet, dass die Luftlager 12 gemäß den 4 und 5 sowohl dann verwendet werden können, wenn sich die Welle 18 bezogen auf die Bildebene von 4 und 5 im Uhrzeigersinn relativ zum Lagergehäuse 16 dreht als auch dann, wenn sich die Welle 18 im Gegenuhrzeigersinn relativ zum Lagergehäuse 16 dreht.
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6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Lagereinrichtung 10, wobei das Luftlager 12 bei der vierten Ausführungsform als Axiallager ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Luftlager 12 gemäß der vierten Ausführungsform als axiales Luftlager oder axiales Lager ausgebildet ist, über welches der Rotor in axialer Richtung an dem Gehäuseelement beziehungsweise dem Lagergehäuse 16 abgestützt ist. In 6 veranschaulicht dabei ein Richtungspfeil 42 eine Drehrichtung, in welche der Rotor relativ zu dem Lagergehäuse 16 und somit dem Gehäuseelement drehbar ist. Im Übrigen sind die vorherigen und folgenden Ausführungen zum radialen Luftlager ohne weiteres auf das axiale Luftlager übertragbar und umgekehrt. Dies bedeutet, dass das axiale Luftlager den gleichen oder einen ähnlichen Aufbau wie das radiale Luftlager aufweisen kann. Somit ist auch bei dem axialen Luftlager die Flüssigkeitskühlung 34 mit dem von der Kühlflüssigkeit durchströmbaren Kühlkanal 36, dem Kühlmittelvorlauf und dem Kühlmittelrücklauf vorgesehen. Hierbei kann auch das flüssigkeitsgekühlte, axiale hydrodynamische Folien-Luftlager in Form des Luftlagers 12 aus einzelnen Segmenten bestehen. Analog zum flüssigkeitsgekühlten, radialen hydrodynamischen Folien-Luftlager der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform ist eine das genannte Segment umlaufende Abkantung 32 in einem mit D bezeichneten Bereich vorgesehen. Im Bereich D der Abkantung 32 befindet sich die in den Gummiwerkstoff 26 einvulkanisierte Tragfolie 20. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass auch die Deckfolie 22 durch Vulkanisieren mit dem Gummiwerkstoff 26 verbunden ist. 6 zeigt dabei das genannte Segment des flüssigkeitsgekühlten, axialen hochdynamischen Folien-Luftlagers in Form des Luftlagers 12 der vierten Ausführungsform.
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7 bis 9 zeigen eine fünfte Ausführungsform der Lagereinrichtung 10, wobei das Luftlager 12 wieder als radiales Luftlager ausgebildet ist. Bei der fünften Ausführungsform ist die Tragfolie 20 einstückig mit der Deckfolie 22 ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Tragfolie 20 und die Deckfolie 22 zu einem Bauteil vereinigt. Ferner ist die Deckfolie 22 im Vergleich zu den anderen Ausführungsformen so verlängert, dass mit Hilfe eines zusätzlichen Bearbeitungsschritts eine Art von Blattfeder ausgebildet werden kann. Die Darstellung dieser Blattfeder ist nur beispielhaft und kann auch anders ausgeführt werden.
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Mit anderen Worten umfasst die Tragfolie 20, welche vorliegend einstückig mit der Deckfolie 22 ausgebildet ist, wenigstens zwei Wandungsbereiche 44, welche unter Ausbildung eines Federelements 46, insbesondere einer Blattfeder, vorliegend in radialer Richtung in gegenseitiger Überdeckung angeordnet sind. Aus 8 und 9 ist erkennbar, dass die Tragfolie 20 in axialer Richtung jeweils ein Stück aus dem Gummiwerkstoff 26 herausragt, sodass die Tragfolie 20 in der Querschnittsansicht in 9 teilweise erkennbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lagereinrichtung
- 12
- Luftlager
- 14
- Drehachse
- 16
- Lagergehäuse
- 18
- Welle
- 20
- Tragfolie
- 22
- Deckfolie
- 24
- Gleitbeschichtung
- 26
- Gummiwerkstoff
- 28
- Vorsprung
- 30
- Aufnahme
- 32
- Abkantung
- 34
- Flüssigkeitskühlung
- 36
- Kühlkanal
- 38
- Zuführkanal
- 40
- Abführkanal
- 42
- Richtungspfeil
- 44
- Wandungsbereiche
- 46
- Federelement
- B
- Bereich
- D
- Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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