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Die Erfindung betrifft ein Folienlager mit einem Rotor, der unter Ausbildung eines Fluidfilms zwischen dem Rotor und mindestens einer Folie in einer Lagerkartusche um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Folienlagers.
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Stand der Technik
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Aus dem amerikanischen Patent
US 5,427,455 und der verwandten deutschen Übersetzung
DE 695 22 683 T2 der europäischen Patentschrift
EP 0 756 672 B1 ist ein Radiallager mit hydrodynamischem Fluidfilm und nachgiebigen Folien bekannt, welches enthält: ein Gehäuse einer Einsatzbuchse, das eine Öffnung begrenzt, ein Federfolienglied, das im Innern der Öffnung des Gehäuses der Einsatzbuchse angeordnet ist, ein Fluidfolienglied, das im Innern des Federfolienglieds angeordnet ist, wobei das Federfolienglied und das Fluidfolienglied an die Form der Öffnung angepasst sind, ein Rotor, der im Innern des Fluidfolienglieds des Federfolienglieds und der Öffnung des Gehäuses der Einsatzbuchse so positioniert ist, dass er rotieren kann, wobei die Rotation des Rotors Kräfte in dem Fluidfilm erzeugt, welche die Position des Rotors im Innern der Öffnung tragen und kontrollieren, wobei die Öffnung, die durch das Gehäuse der Einsatzbuchse definiert wird, eine nicht kreisförmige, innere Kontur besitzt, um alternierend konvergierende und divergierende Fluidkeilkanäle zwischen dem Fluidfolienglied und dem Rotor zu bilden, wobei die Öffnung der Einsatzbuchse Konturen aufweist, um eine Vielzahl von konvergierenden Rampen und divergierenden Verzahnungen aufzuweisen, welche das Federfolienglied und das Fluidfolienglied dazu zwingen, gleiche alternierend konvergierende und divergierende Fluidkeilkanäle zwischen dem Fluidfolienglied und dem Rotor zu bilden, wobei die Öffnung des Gehäuses der Einsatzbuchse enge Folienbefestigungsschlitze besitzt, wo geformte Biegungen in dem Federfolienglied und dem Fluidfolienglied es den Foliengliedern erlauben, in die Folienbefestigungsschlitze hinein gepasst zu werden und gegen Rotation und Extraktion befestigt zu sein. Aus dem amerikanischen Patent
US 5,915,841 und der deutschen Übersetzung
DE 698 32 579 T2 der europäischen Patentschrift
EP 0 927 831 B1 ist ein nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager bekannt, umfassend: eine Hülse, die eine innere Bohrung aufweist, die mehrere axial verlaufende Halter, die den gleichen Abstand aufweisen und in die innere Bohrung hervorstehen, und mehrere Ausbuchtungen zwischen benachbarten Haltern umfasst; mehrere nachgiebige Folien, die jeweils in der inneren Bohrung der Hülse zwischen jeweils benachbarten Haltern angeordnet sind, und mehrere Folienstützfedern, die jeweils unter einer jeweiligen nachgiebigen Folie zwischen den benachbarten Haltern angeordnet sind, wobei die Halter im Allgemeinen T-Förmig sind, die innere Bohrung zylindrisch ist und die einzelnen Folienstützfedern unter den einzelnen nachgiebigen Folien einen zusammenlaufenden Keil zwischen den benachbarten, im Allgemeinen T-förmigen Haltern bilden.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Folienlager mit einem Rotor, der unter Ausbildung eines Fluidfilms zwischen dem Rotor und mindestens einer Folie in einer Lagerkartusche um eine Drehachse drehbar gelagert ist, im Hinblick auf seine Herstellbarkeit, zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Folienlager mit einem Rotor, der unter Ausbildung eines Fluidfilms zwischen dem Rotor und mindestens einer Folie in einer Lagerkartusche um eine Drehachse drehbar gelagert ist, dadurch gelöst, dass die Lagerkartusche quer zur Drehachse des Rotors in kreisringscheibenartige Teilkörper unterteilt ist. Das Folienlager ist als Radiallager ausgeführt und wird auch als aerodynamisches Gleitlager bezeichnet. Zur Schmierung des aerodynamischen Gleitlagers wird ein gasförmiges Fluid, insbesondere Luft, verwendet. Daher wird das Folienlager oder aerodynamische Gleitlager auch als Luftlager bezeichnet. Die Lagerkartusche wird auch als Lagerhülse bezeichnet und hat im Wesentlichen die Gestalt eines geraden, hohlen Kreiszylinders oder Ringkörpers. Daher kann die Lagerkartusche oder Lagerhülse auch als Lagerring bezeichnet werden. Der im Rahmen des vorliegenden Anmeldungstextes verwendete Begriff radial bezieht sich auf eine Drehachse des Rotors des Folienlagers. Radial bedeutet quer zur Drehachse des Rotors. Analog bedeutet axial in Richtung oder parallel zur Drehachse des Rotors. Das Folienlager umfasst vorzugsweise mindestens zwei Folien, von denen eine als Oberfolie und eine als Unterfolie bezeichnet wird. Die Oberfolie wird auch als Top-Foil bezeichnet. Die Unterfolie ist zwischen der Oberfolie und der Lagerkartusche oder Lagerhülse angeordnet. Innerhalb der Oberfolie ist der mit dem Folienlager zu lagernde Rotor angeordnet, zum Beispiel eine Welle oder ein Wellenabschnitt. Die Unterfolie wird auch als Beam- oder Bump-Folie bezeichnet. Die Unterfolie ist vorteilhaft mit einer Federvorrichtung kombiniert. Die Federvorrichtung ist vorteilhaft in die Unterfolie integriert, zum Beispiel in Form einer Vielzahl von Federlaschen. Die Oberfolie oder Top-Foil wird auch als Deckfolie bezeichnet. Herkömmliche Folienlager sind zum Beispiel als sogenannte Dreikeil- oder Mehrkeillager ausgeführt. In diesen Mehrkeillagern weist die Lagerkartusche eine unrunde Geometrie auf, um mehrere sich in Umfangsrichtung verengende Spalte oder Keile darzustellen. Die Realisierung der unrunden Geometrie in der Lagerkartusche ist fertigungstechnisch aufwendig. Die Unterteilung der Lagerkartusche oder Lagerhülse in kreisringscheibenartige Teilkörper liefert unter anderem den Vorteil, dass einfache Fertigungsverfahren verwendet werden können, um die Innenkontur der Lagerkartusche oder Lagerhülse darzustellen. Zudem können durch die Unterteilung der Lagerkartusche in die kreisringscheibenartigen Teilkörper nahezu beliebige Geometrien, gegebenenfalls auch mit Hinterschnitten, in der Innenkontur der Lagerkartusche oder Lagerhülse realisiert werden. So sind zum Beispiel in einer aus mehreren kreisringscheibenartigen Teilkörpern zusammengesetzten Lagerkartusche axial nicht durchgängige Übergänge darstellbar.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringscheibenartigen Teilkörper jeweils eine unrunde Innenkontur aufweisen. Die unrunde Innenkontur dient zur Darstellung von sich in Umfangsrichtung verengenden Spalten oder Keilen in der Lagerkartusche. So kann in dem Folienlager eine in Umfangsrichtung variierende Vorspannung mit definierten Druckmaxima realisiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die unrunde Innenkontur der Teilkörper in Umfangsrichtung in mindestens drei Lagerabschnitte unterteilt ist, die sich, bezogen auf eine Drehrichtung des Rotors, verengen, wobei zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Lagerabschnitten ein radial nach innen vorspringender Übergang in der unrunden Innenkontur der Teilkörper ausgebildet ist. In den Lagerabschnitten hat die Innenkontur im Wesentlichen die Gestalt eines Kreisbogens, der in Umfangsrichtung enger wird, und zwar entgegengesetzt zu einer Drehrichtung des Rotors im Betrieb des Folienlagers. Die radial nach innen vorspringenden Übergänge sind, im Querschnitt betrachtet, zum Beispiel als schräge Verbindungslinien ausgeführt, die eine engste Stelle eines der Lagerabschnitte mit einer weitesten Stelle eines nachfolgenden Lagerabschnitts verbinden. An der engsten Stelle des Lagerabschnitts ist der radiale Abstand von der Drehachse des Rotors zur Innenkontur am geringsten. An der weitesten Stelle des nachfolgenden Lagerabschnitts ist der radiale Abstand von der Drehachse des Rotors zur unrunden Innenkontur am größten. Die Verbindungslinie kann als gerade Linie ausgeführt sein. Die Verbindungslinie kann aber auch gekrümmt ausgeführt sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringscheibenartigen Teilkörper jeweils eine runde Außenkontur aufweisen. Die aus den kreisringscheibenartigen Teilkörpern zusammengesetzte Lagerkartusche kann sowohl innen wie außen im Wesentlichen die gleiche Gestalt aufweisen wie eine herkömmliche Lagerkartusche. Durch die runde Außenkontur wird die Montage der Lagerkartusche in eine entsprechende Gehäuseausnehmung eines Gehäuses des Folienlagers vereinfacht. Durch die Unterteilung in die kreisringscheibenartigen Teilkörper wird jedoch auch die Darstellung einer unrunden Außenkontur an der Lagerkartusche vereinfacht, falls dies erwünscht ist. So können gegebenenfalls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel radial nach außen abstehende Vorsprünge, zum Beispiel zur Vereinfachung der Montage, an der Lagerkartusche realisiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringscheibenartigen Teilkörper aus einem Blechmaterial gebildet sind. Die kreisringscheibenartigen Teilkörper sind zum Beispiel aus einem Stahlblech oder Aluminiumblech gestanzt oder geätzt. So können Lagerkartuschen mit nahezu beliebigen Innenkonturen und Außenkonturen in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringscheibenartigen Teilkörper durch Zentrierstifte relativ zueinander zentriert und positioniert sind. So wird auf einfache Art und Weise eine stabile Fixierung der kreisringscheibenartigen Teilkörper relativ zueinander ermöglicht. In axialer Richtung können die kreisringscheibenartigen Teilkörper mit geeigneten Montagemitteln oder Befestigungsmitteln gegeneinander verspannt werden. Die axiale Verspannung der kreisringscheibenartigen Teilkörper kann gegebenenfalls auch mit Hilfe der Zentrierstifte realisiert werden, wenn diese zum Beispiel an einem Ende mit einem Schraubenkopf und an dem anderen Ende mit einem Gewinde versehen werden, auf das eine Mutter aufgeschraubt wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringscheibenartigen Teilkörper relativ zueinander so verdreht sind, dass sich in der Lagerkartusche ein in axialer Richtung nicht durchgehender Übergang ergibt. So können auf einfache Art und Weise auch Spaltformen erzeugt werden, die nicht durchgängig sind. Dadurch ergeben sich vorteilhaft weitere vielfältige geometrische Varianten der Innenkontur, und gegebenenfalls auch der Außenkontur, die mit herkömmlichen Lagerkartuschen, die einstückig ausgeführt sind, nicht oder nur mit erheblichem Kostenaufwand, realisierbar sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringscheibenartigen Teilkörper mindestens eine sich in radialer Richtung erstreckende Ausnehmung oder Aussparung aufweisen, die zur Darstellung einer Fluiddurchtrittsöffnung, insbesondere einer Düse, dient. Zur Darstellung der Fluiddurchtrittsöffnung, insbesondere der Düse, kann zum Beispiel eine Vertiefung in einen der kreisringscheibenartigen Teilkörper eingebracht werden. Die Vertiefung ist in radialer Richtung vorteilhaft durchgehend ausgeführt, um einen Fluiddurchtritt durch den kreisringscheibenartigen Teilkörper zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft können zur Darstellung einer Düse zwei kreisringscheibenartige Teilkörper miteinander kombiniert werden, die beide eine sich in radialer Richtung erstreckende Ausnehmung oder Aussparung aufweisen. So können zum Beispiel zwei im Querschnitt halbkreisförmige Vertiefungen miteinander kombiniert werden, um ein rundes Durchgangsloch in der Lagerkartusche darzustellen. Mindestens einer der kreisringscheibenartigen Teilkörper kann auch radial geschlitzt ausgeführt sein, um die sich in radialer Richtung erstreckende Ausnehmung oder Aussparung darzustellen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können in mindestens einem der kreisringscheibenartigen Teilkörper auch sich in Umfangsrichtung erstreckende Vertiefungen eingebracht werden, die zwei sich in radialer Richtung erstreckende Ausnehmungen oder Aussparungen des kreisringscheibenartigen Teilkörpers miteinander verbinden. Durch die Unterteilung der Lagerkartusche in die kreisringscheibenartigen Teilkörper können vorteilhaft vielfältige Fluiddurchtrittsöffnungen und/oder Fluidkanäle ohne großen Fertigungsaufwand in der Lagerkartusche realisiert werden. Die Düsen in der Lagerkartusche dienen vorteilhaft zum Zuführen von Fluid in Form eines Freistrahls. Zur Darstellung des Freistrahls kann die Düse eine einfache Düsengeometrie aufweisen. Die Düse kann aber auch eine spezielle Düsengeometrie aufweisen, wie die Düsengeometrie einer Lavaldüse. Durch die Unterteilung der Lagerkartusche in die kreisringscheibenartigen Teilkörper sind vorteilhaft auch spezielle Düsengeometrien fertigungstechnisch kostengünstig realisierbar.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Folienlagers ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die kreisringscheibenartigen Teilkörper, zum Beispiel durch Stanzen oder Ätzen, hergestellt und in Stapelbauweise zu einer Lagerkartusche zusammengebaut werden. So kann auf einfache Art und Weise eine Vielzahl von Lagerkartuschen mit unterschiedlichen Innenkonturen und Außenkonturen realisiert werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Lagerkartusche, insbesondere einen kreisringscheibenartigen Teilkörper, für ein vorab beschriebenes Folienlager. Die Lagerkartusche, insbesondere die kreisringscheibenartigen Teilkörper, sind separat handelbar.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch einen Baukasten mit kreisringscheibenartigen Teilkörpern, die unterschiedliche Innenkonturen und/oder Außenkonturen aufweisen. Der Baukasten umfasst vorteilhaft auch kreisringscheibenartige Teilkörper mit mindestens einer sich in radialer Richtung erstreckenden Ausnehmung oder Aussparung beziehungsweise kreisringscheibenartige Teilkörper, wie sie vorab beschrieben sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein Folienlager mit einem Rotor, der mit Hilfe von zwei Folien in einer Lagerkartusche um eine Drehachse drehbar gelagert ist, im Querschnitt;
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Lagerkartusche, die aus einem Stück gebildet ist;
- 3 eine Lagerkartusche, die quer zu einer Drehachse eines Rotors in kreisringscheibenartige Teilkörper unterteilt ist;
- 4 eine ähnliche Darstellung wie in 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem in axialer Richtung nicht durchgehenden Übergang;
- 5 eine perspektivische Darstellung des Teilkörpers mit drei Ausnehmungen, die zur Darstellung von Fluiddurchtrittsöffnungen, insbesondere Düsen, dienen;
- 6 eine perspektivische Darstellung eines geschlitzten Teilkörpers; und
- 7 eine perspektivische Darstellung eines Teilkörpers mit einer in radialer Richtung durchgehenden Vertiefung und zwei in Umfangsrichtung davon beabstandeten Halbvertiefungen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Folienlager 1 mit einem Gehäuse 2 im Querschnitt dargestellt. In dem Gehäuse 2 ist ein Rotor 3 um eine Drehachse 6 drehbar gelagert. Das Gehäuse 2 umfasst eine Ausnehmung, in welcher eine Lagerkartusche 7 angeordnet ist, die auch als Lagerhülse bezeichnet wird. Die Lagerkartusche 7 ist zum Beispiel in einen Gehäusekörper 8 des Gehäuses 2 eingepresst.
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Die Lagerkartusche 7 oder Lagerhülse wird auch als Lagerring bezeichnet und hat im Wesentlichen die Gestalt eines geraden, hohlen Kreiszylinders. Im Inneren der Lagerkartusche 7 sind zwei Folien 4, 5 des Folienlagers 1 angeordnet.
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Eine zwischen einer radial inneren Folie 4 und der Lagerkartusche 7 angeordnete Folie 5 wird auch als Beam-, Bump- oder Unterfolie bezeichnet. Die Folie 4 wird auch als Oberfolie bezeichnet und begrenzt in der Lagerkartusche 2 des Folienlagers 1 einen Innenraum, der zur drehbaren Lagerung des zum Beispiel als Welle oder Wellenabschnitt ausgeführten Rotors 3 dient. Der Rotor 3 gehört zum Beispiel zu einer Strömungsmaschine.
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Die Strömungsmaschine ist zum Beispiel Teil einer Luftversorgungseinheit in einem Brennstoffzellensystem. In dem Brennstoffzellensystem ist die Strömungsmaschine zum Beispiel als Verdichter ausgeführt. Der Verdichter umfasst ein Verdichterrad, das vorteilhaft Bestandteil des Rotors 3 ist.
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Der Rotor 3 hat eine runde Rotoraußenkontur 9. Die Lagerkartusche 7 hat ebenfalls eine runde Außenkontur 26. Die Lagerkartusche 7 hat eine unrunde Innenkontur 10. Die unrunde Innenkontur 10 der Lagerkartusche 7 ist durch drei Übergangsbereiche 14, 15, 16 in Lagerabschnitte 11, 12, 13 unterteilt.
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Die Lagerabschnitte 11 bis 13 dienen zur Darstellung von, im Querschnitt betrachtet, sich in Umfangsrichtung entgegen einer durch einen Pfeil 25 angedeuteten Drehrichtung des Rotors 3 verengenden Spalten.
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In 2 ist eine Lagerkartusche 20 mit einem außen runden Hülsenkörper 21 und einer Innenkontur perspektivisch dargestellt. Die Lagerkartusche 20 ist aus einem Stück gebildet und mit der gleichen oder einer ähnlichen Innenkontur 22 versehen, wie die Lagerkartusche 7 in 1.
Die Herstellung einer unrunden Innenkontur 22 in einer einstückigen Lagerkartusche 20 ist fertigungstechnisch aufwendig und teuer.
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Die Lagerkartusche 7 ist, wie sich aus einer Zusammenschau der 1 und 3 ergibt, quer zur Drehachse 6 des Rotors 3 in kreisringscheibenartige Teilkörper 31, 32 unterteilt. Durch Punkte ist in 3 angedeutet, dass die Lagerkartusche 7 eine nahezu beliebige Anzahl von Teilkörpern 31, 32 umfassen kann.
Wesentlich ist, dass die Teilkörper 31, 32 eine unrunde Innenkontur aufweisen. Die Teilkörper 31, 32 können, anders als dargestellt, auch eine unrunde Außenkontur aufweisen, wenn dies vorteilhaft sein sollte.
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Die Teilkörper 31, 32 sind durch Zentrierstifte 17 bis 19 relativ zueinander zentriert und positioniert. Die Zentrierstifte 17 bis 19 erstrecken sich zu diesem Zweck durch entsprechende Durchgangslöcher in den Teilkörpern 31, 32.
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In 4 ist eine Lagerkartusche 40 mit einer unrunden Innenkontur 36 perspektivisch dargestellt. Die Lagerkartusche 40 ist aus insgesamt sieben Teilkörpern 41 bis 47 zusammengesetzt. Die Teilkörper 41 bis 47 haben zum Beispiel alle die gleiche unrunde Innenkontur. Allerdings sind die Teilkörper 43 bis 45 in Umfangrichtung relativ zu den Teilkörpern 41, 42 und 46, 47 verdreht, so dass sich innerhalb der Innenkontur 36 in axialer Richtung ein nicht durchgehender Übergang 48 mit einer Stufe 49 und einer weiteren nicht näher bezeichneten Stufe ergibt.
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In 5 ist ein Teilkörper 50 mit drei in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandeten Ausnehmungen 51 bis 53 perspektivisch dargestellt. Die Ausnehmungen 51 bis 53 sind als Vertiefungen mit einem halbkreisförmigen Querschnitt ausgeführt. Die Vertiefungen 51 bis 53 verlaufen durchgehend in radialer Richtung und dienen zur Darstellung von Fluiddurchtrittsöffnungen 54 bis 56 in einer mit dem Teilkörper 50 ausgestatteten Lagerkartusche.
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Die Ausnehmungen 51 bis 53 weisen vorteilhaft eine Düsengeometrie auf, um, wie durch die Pfeile 54 bis 56 in 5 angedeutet ist, Düsen darzustellen. Die Düsen wiederum ermöglichen das Zuführen von Fluid in Form von Freistrahlen. Ansonsten weist der Teilkörper 50 eine ähnliche oder die gleiche Innenkontur 58 wie die in den 1 und 3 dargestellten Teilkörper 31, 32 auf.
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In 6 ist ein radial geschlitzter Teilkörper 60 perspektivisch dargestellt. Der geschlitzte Teilkörper 60 umfasst eine auch als Schlitz bezeichnete Aussparung 62, die zur Darstellung einer Fluiddurchtrittsöffnung 61, insbesondere einer Düse, dient. Durch die Düse wird vorteilhaft Fluid in Form eines Freistrahls zugeführt.
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In 7 ist ein Teilkörper 70 mit einer radial durchgehenden Vertiefung 71 und zwei Halbvertiefungen 74, 75 perspektivisch dargestellt. Die Halbvertiefungen 74, 75 sind radial nach innen offen und stehen über Teilringnuten 72, 73 mit der radial durchgehenden Vertiefung 71 in Verbindung.
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Die Vertiefung 71 und die Halbvertiefungen 74, 75 haben zum Beispiel einen halbkreisförmigen Querschnitt. Die Vertiefung 71 dient zusammen mit den Halbvertiefungen 74, 75 zur Darstellung von Fluiddurchtrittsöffnungen beziehungsweise Düsen 76 bis 78.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5427455 [0002]
- DE 69522683 T2 [0002]
- EP 0756672 B1 [0002]
- US 5915841 [0002]
- DE 69832579 T2 [0002]
- EP 0927831 B1 [0002]
