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Die Erfindung betrifft ein Laserturbogebläse für den
Zwangsumlauf von Lasergas in einem Gaslaser zur
Werkstückbearbeitung und einen Laseroszillator, der von einem derartigen
Laserturbogebläse Gebrauch macht und insbesondere ein
Laserturbogebläse, das Lager mit verlängerten Wartungszeiten
aufweist sowie eine verbesserte Zuverlässigkeit und
Beständigkeit, sowie einen Laseroszillator unter Verwendung eines
derartigen Laserturbogebläses.
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Bisherige Kohlenstoffdioxid (CO&sub2;)-Gaslaser-Oszillatoren
entwickeln eine hohe Ausgangsleistung und liefern Laserstrahlen
hoher Qualität und werden weithin für
Laserbearbeitungszwecke eingesetzt, wie dem Schneiden von metallischen oder
nicht-metallischen Werkstoffen und dem Schweißen von
metallischen Werkstoffen. Insbesondere finden Kohlenstoffgaslaser
in Verbindung mit CNC (Rechnergesteuerte numerische
Steuerung) Systemem als CNC-Laserbearbeitungsvorrichtungen
weithin Verwendung für Anwendungszwecke, bei denen Werkstücke
komplexer Form mit hoher Geschwindigkeit und großer
Genauigkeit hergestellt werden sollen.
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Eine bekannte Kohlenstoffdioxid
(CO&sub2;)-Gaslaser-Oszillatoreinrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnung
beschrieben.
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Fig. 6 der Zeichnung zeigt insgesamt eine bekannte
Kohlenstoffdioxid (CO&sub2;)-Gaslaser-Oszillationseinrichtung. Die
Einrichtung besteht aus einem Entladungsrohr 31 mit einem
optischen Resonator, der einen Auskoppelspiegel 32 und einen
Vollreflexionsspiegel 33 aufweist, die jeweils an
entgegengesetzten Enden des Entladungsrohrs 31 angeordnet sind. An
den äußeren Umfangsflächen des Entladungsrohres 31 liegen
Metallelektroden 34, 35, von denen die Elektrode 34 an Masse
liegt und die Metallelektrode 35 an eine
HF-Energieversorgung 36 angeschlossen ist. Diese liefert eine HF-Spannung an
die Metallelektroden 34, 35, um eine Glühentladung im
Entladungsrohr 31 zur Laseranregung zu erzeugen. Ein Laserstrahl
wird längs einer optischen Achse 43 im Entladungsrohr 31
erzeugt und verläßt das Entladungsrohr 31 durch den
Auskoppelspiegel 32 auf einer optischen Achse 44.
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Vor dem Start der Einrichtung wird diese insgesamt mit einer
Vakuumpumpe 42 evakuiert und ein Ventil 41 geöffnet, um
Lasergas mit einer bestimmten Menge aus einem Behälter 40 in
die Einrichtung einzuführen, bis der Gasdruck in der
Einrichtung einen bestimmten Wert erreicht. Die Einrichtung
wird von der Vakuumpumpe 42 kontinuierlich evakuiert und
auch das Lasergas wird durch das Ventil 41 kontinuierlich
zugeführt, so dar ein Teil des Lasergases ständig durch
frisches Gas ersetzt wird, während der Gasdruck in der
Einrichtung auf dem bestimmten Wert gehalten wird. Auf diese
Weise kann das Innere der Einrichtung durch Lasergas nicht
kontaminiert werden.
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In Fig. 6 zirkuliert ein Gebläse 39 das Lasergas in der
Einrichtung, um das Lasergas zu kühlen. Bei dem
Kohlenstoffdioxid (CO&sub2;)-Gaslaser werden etwa 20% der aufgewendeten
elektrischen Leistung in einen Laserstrahl umgewandelt,
wohingegen der Rest der aufgewendeten elektrischen Leistung zum
Heizen des Lasergases verbraucht wird. Da die Verstärkung
der Laseroszillation theoretisch proportional gleich der
absoluten Temperatur T³ 1/2 ist, erfordert dies eine
Zwangskühlung des Lasergases, um den Oszillationswirkungsgrad zu
steigern.
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In der in Fig. 6 dargestellten Einrichtung strömt das
Lasergas durch das Entladungsrohr 31 mit einer Geschwindigkeit
von etwa 100 m/s in Pfeilrichtung zu einer Kühleinheit 38.
Die Kühleinheit 38 dient hauptsächlich zum Abführen der von
der elektrischen Entladung im Lasergas erzeugten thermischen
Energie. Das Gebläse 39 komprimiert dann das gekühlte
Lasergas. Das komprimierte Lasergas wird dann in das
Entladungsrohr 31 durch eine weitere Kühleinheit 37 geführt. Die
Kühleinheit 37 dient zum Abführen der von der Verdichtung des
Lasergases im Gebläse 39 herrührenden Wärme, bevor das
Lasergas wieder in das Entladungsrohr 31 strömt. Die
Kühleinheiten 37, 38 sind bekannt und werden nicht näher
erläutert.
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Das Gebläse 39 kann entweder ein Rootsgebläse oder ein
Turbogebläse sein. Fig. 7 der Zeichnung zeigt den Aufbau eines
bekannten Turbogebläses für einen Laser. Das Turbogebläse
besitzt ein Gebläserad 1, das auf einer Welle 2 mit einem
Rotor 3 befestigt ist. Der Rotor 3 und ein Stator 4 sind
Teile eines HF-Motors. Das Gebläserad 1 wird mit hoher
Drehzahl von etwa 100.000 UPM vom HF-Motor angetrieben. Infolge
der hohen Drehzahl des Gebläserades 1 ist der Platzbedarf
des Turbogebläses kleiner als der des Rootsgebläses, das bei
langsameren Drehzahlen rotiert.
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Die Welle 2 ist in zwei Rollenlagern 5, 6 gelagert, von
denen je eines auf jeder Seite des HF-Motors angeordnet ist.
Die Rollenlager 5, 6 werden mit Fett geschmiert, um die
Kontamination des Lasergases zu vermeiden, die sonst durch
Schmierölfilm verursacht wäre.
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Das Lasergas gelangt von der Kühleinheit 38 in das
Turbogebläse in Pfeilrichtung 8 und verläßt das Turbogebläse in
Pfeilrichtung 7 zum Kühlgebläse 37.
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Die bekannte Laseroszillationseinrichtung, wie sie in den
Fig. 6 und 7 dargestellt ist, besitzt folgende Nachteile:
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Bei der hohen Drehzahl von bis zu 100.000 UPM des bekannten
Turbogebläses sucht sich das Fett zu zersetzen und wird
frühzeitig aufgebraucht. Im besonderen hat der Motor einen
Wirkungsgrad von etwa 75%, wobei der Rest (25%) der
verbrauchten Leistung in Wärme umgewandelt wird. Hat deshalb
der Motor eine Leistung von 2 kW, dann fallen etwa 667 W als
Wärme an. Etwa 567 W des Wärmeverlustes kommen aus den
Eisen- und Kupferverlusten des Stators 4, während etwa 100 W
von den Kupferverlusten des Rotors 3 herrühren.
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Wird der Rotor 3 auf diese Weise aufgeheizt, so steigt seine
Temperatur auf 100ºC oder mehr. Der Stator 4 kann durch eine
Wasserkühlung gekühlt werden, die um den Stator 4 angeordnet
ist, doch kann der Rotor 3 nicht mit Wasser gekühlt werden,
da er mit hoher Drehzahl rotiert. Der Motor kann auch nicht
durch Luft gekühlt werden, da bei einem atmosphärischen
Druck von 0,1 im Motor nur Lasergas vorhanden ist.
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Somit gelangt die vom Rotor 3 erzeugte Wärme durch die Welle
2 zu den Lagern 5, 6 der Welle 2, heizt diese auf und erhöht
die Temperatur der Lager 5, 6. Die Lager 5, 6 arbeiten bis
zu einer Temperatur von etwa 80ºC einwandfrei. Oberhalb der
Temperatur von etwa 80ºC verringert sich die Lebensdauer der
Lager für jeden Temperaturanstieg von 10ºC um die Hälfte, da
sich das Lagerschmiermittel bei höheren Temperaturen
zersetzt.
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Werden die Lager ständig diesen Betriebszuständen
ausgesetzt, so werden sie zerstört. Es muß daher für gewöhnlich
das Fett erneuert werden oder die Lager werden alle 1000
Stunden erneuert. Es ist daher ein großer Wartungsaufwand
bisher erforderlich gewesen.
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Das Fett wird von der in den Lagern 5, 6 herrschenden
Temperatur verdampft und der Fettdampf mischt sich mit dem
Lasergas. Dieses Fettdampfgemisch kontaminiert die optischen
Komponenten, verringert die Laserleistung und ändert die
Betriebsweise.
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In der bekannten Bauart sitzt das Gebläserad 1 in dem
Durchgang, durch den ein großer Teil des Lasergases zirkuliert.
Deshalb wird das Gebläserad 1 stets gekühlt und die
Temperatur des Lagers 5 neben dem Gebläserad 1 erhöht sich nicht
ernstlich. Das vom Gebläserad 1 entfernte Lager 6 wird
jedoch vom Lasergas nicht gekühlt, so daß das Lager 6
unmittelbar von dem Temperaturanstieg betroffen ist und mit hoher
Wahrscheinlichkeit Schaden leidet.
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Die Erfindung entstand im Hinblick auf die vorgenannten
Nachteile. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein
Laserturbogebläse zu schaffen, dessen Lager vor einem
Temperaturanstieg geschützt sind, und das eine hohe
Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit besitzt.
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JP-A-58-14589 offenbart ein Turbogebläse für einen Laser mit
einer Welle und einem Gebläserad an einem Ende, mit zwei
Lager zum Lagern der Welle und einem Motor zum Antrieb der
Welle, wobei gemäß der Erfindung das Turbogebläse dadurch
gekennzeichnet ist, daß im Betrieb von einem Lasergas
gekühlte Kühlrippen an der Welle befestigt und zwischen dem
Motor und dem vom Gebläserad entfernten Lager angeordnet
sind.
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Ein derartiges Gebläse wird vorzugsweise für einen
Laseroszillator verwendet.
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Die vom Rotor des Motors erzeugte Wärme wird von den
Kühlrippen an der Welle abgegeben und kann somit nicht zu
den Lagern übertragen werden. Die Kühlrippen werden von
einem Teil des Lasergases zwangsgekühlt, so daß dadurch die
Kühlwirkung stark ansteigt. Die Wartungszeit für das Fett in
den Lagern sowie für die Lager selbst wird vergrößert und
damit wird der Arbeitsaufwand für die Erneuerung des Fettes
und das Auswechseln der Lager verringert. Auch wird die
Zuverlässigkeit der Lager erhöht.
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Die Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 einen Querschnitt eines Laserturbogebläses gemäß
einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 2 eine Ansicht der Gesamtanordnung einer
Laseroszillationseinrichtung unter Einsatz des
Laserturbogebläses nach Fig. 1;
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Fig. 3 eine Detaildarstellung der Kühlrippen des
Laserturbogebläses gemäß Fig. 1;
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Fig. 4 einen Querschnitt eines Laserturbogebläses gemäß
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 5 einen Querschnitt eines Laserturbogebläses nach
einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 6 eine Ansicht der Gesamtanordnung einer bekannten
Kohlenstoffdioxid
(CO&sub2;)-Gaslaser-Oszillationseinrichtung und
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Fig. 7 einen Querschnitt durch ein bekanntes
Laserturbogebläse.
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Fig. 1 zeigt ein Laserturbogebläse in einer ersten
Ausführungsform der Erfindung. Die der Anordnung in Fig. 7
entsprechenden Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen und werden nicht näher erläutert. Das Gebläserad 1 ist
als Zentrifugalrad dargestellt, kann aber auch diagonalen
oder axialen Durchfluß haben.
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Das Laserturbogebläse in dieser Ausführungsform
unterscheidet sich vom bekannten Laserturbogebläse dadurch, daß an der
Welle 2 gasgekühlte wärmeabstrahlende Rippen 11 befestigt
sind. Die Kühlrippen 11 liegen zwischen dem Rotor 1 und dem
vom Gebläserad 1 entfernten Lager 6. Ein Gehäuse 12 des
Laserturbogebläses hat einen Durchlaß für ein kühlendes
Lasergas,
das über die Kühlrippen 11 in Pfeilrichtung 9 und 10
strömt. Die vom Rotor 3 erzeugte Wärme wird von den
Kühlrippen 11 abgeführt, die vom Lasergas gekühlt werden und heizt
somit nicht das Lager 6 auf.
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Die Räume im Lager 5, 6 zwischen den Rollen und Haltern
zwischen den inneren und äußeren Laufringen werden mit einer
bestimmten Fettmenge gefüllt.
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Fig. 2 zeigt die Gesamtanordnung einer
Laseroszillationseinrichtung mit dem in Fig. 1 dargestellten Laserturbogebläse.
Die mit Fig. 6 baugleichen Bauteile sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert.
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In dieser Ausführungsform strömt ein Teil des zirkulierenden
Lasergases zu einem Turbogebläse 21, um die in Fig. 1
gezeigten Kühlrippen 11 zu kühlen. Genauer gesagt wird ein
Teil des in der Kühleinheit 37 gekühlten Lasergases durch
eine Rückführleitung 22 in Pfeilrichtung 9 in das
Turbogebläse 21 gesaugt. Das Lasergas, das die Wärme von den
Kühlrippen 10 aufgenommen hat, strömt in Pfeilrichtung 10 und
durch eine Leitung 23 zurück zum Lasergas-Kreislauf. Das
zurückgeführte Lasergas wird in der Kühleinheit 38 gekühlt
und zirkuliert in der Einrichtung.
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Im Gegensatz zum bekannten Turbogebläse wird der größte Teil
der vom Rotor 3 des Motors erzeugten Wärme über die
Kühlrippen 11 abgeführt. Wegen der Kühlrippen 11 ist das Lager 6
vom Rotor 3 weiter entfernt angeordnet, der als Wärmequelle
dient und ist damit der Wärme vom Rotor 3 weniger
ausgesetzt.
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Da die Kühlrippen 11 vom Lasergas zwangsweise gekühlt
werden, wird die vom Rotor 3 erzeugte und durch die Welle 2
sich ausbreitende Wärme an den Kühlrippen 11 abgeführt.
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Die Wärmemenge q, die vom Kühlsystem abgestrahlt wird, ist
durch folgende Gleichung definiert:
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q = h A (T2 - T1)
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wobei q = Betrag der abgestrahlten Wärme (W)
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h = Wärmeübergangskoeffizient (W/m²K)
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A = Bereich, in dem sich die Wärme ausbreitet (m²)
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(T2 - T1) = Temperaturdifferenz (K).
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Der Wärmeübergangskoeffizient h des Kühlsystems, basierend
auf einer Zwangskonvektion eines Gases, wird mit
Zuhilfenahme der Nusselt-Zahl Nu (dimensionslos) wie folgt
wiedergegeben:
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h = Nu k/d,
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wobei Nu = Nusselt-Zahl (Durchschnitt)
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k = Übergangskoeffizient (W/m²K) des Gases und
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d = Länge (Durchmesser).
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Fig. 3 zeigt im einzelnen die in Fig. 1 dargestellten
Kühlrippen. Es sei angenommen, daß die Kühlrippen eine axiale
Länge von 30 mm besitzen, jede Kühlrippe eine Dicke t1 von 2
mm hat und die Kühlrippen in einem Abstand t2 von 2 mm
angeordnet sind. Die Kühlrippen 11 haben einen Außendurchmesser
D1 von 40 mm und einen Innendurchmesser D2 von 14 mm.
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Bei einem Gasdurchsatz von 0,018 m³/s mit der Gastemperatur
T1 = 20ºC und der Temperatur T2 der Welle 2 von 100ºC
beträgt die von den Kühlrippen 11 abgegebene Wärmemenge etwa
97 W. Die Kühlrippen 11 sind deshalb ausreichend wirksam, da
die vom Rotor 3 entwickelte Wärmemenge etwa 100 W beträgt.
Ein mit Kühlrippen 11 durchgeführter praktischer Versuch
zeigte, daß mit ihnen die Temperatur der Welle 2 von etwa
110ºC auf etwa 50ºC abgesenkt werden konnte.
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Fig. 4 zeigt ein Laserturbogebläse in einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Bauteile wie in Fig. 1 sind
mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher
erläutert.
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Der Unterschied der zweiten Ausführungsform gegenüber dem in
Fig. 1 gezeigten Laserturbogebläse besteht nur darin, daß
Kühlrippen 15 zusätzlich zu den Kühlrippen 11 vorgesehen
sind. Die Kühlrippen 15 liegen zwischen dem Lager 5 nahe dem
Gebläserad 1 und dem Rotor 3. Das Gehäuse 12 hat einen
Durchlaß für kühlendes Lasergas, das über die Kühlrippen 15
in Pfeilrichtung 13 zum Pfeil 14 strömt. Die vom Rotor 3
erzeugte Wärme wird von den Kühlrippen 11,15 abgeführt, die
vom Lasergas gekühlt werden und erreicht nicht die Lager 5,
6.
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Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei
der Ölfilmdämpfer um die Lager 5, 6 des Laserturbogebläses
in Fig. 1 angeordnet sind, um Lagerschwingungen zu dämpfen.
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Jeder Ölfilmdämpfer besteht aus einer Büchse 51, O-Ringen
52, 53 und einem Ölfilm, der zwischen dem Gehäuse 12 und der
Büchse 11 eingefüllt ist.
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Die inneren Laufringe der Rollenlager 5, 6 sind an der Welle
2 befestigt, während die Außenlaufringe an den Büchsen 51
befestigt sind. Das Gehäuse 12 und die Büchsen 51 sind
voneinander im Abstandsbereich von 10 bis 100 u entfernt, wobei
die Abstände mit Fett oder Öl gefüllt sind. Die O-Ringe 52,
53 dienen zum Isolieren des Fettes bzw. Öls in den Abständen
gegenüber dem Lasergas.
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Mit einer derartigen Anordnung werden vom Rotieren des
Gebläserades 11 und der Welle 2 mit hoher Drehzahl herrührende
Schwingungen von einem fluiddynamischen Effekt der
Ölfilmdämpfer gedämpft.
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Auch wenn Rollenlager für die vorgenannten Ausführungsformen
beschrieben worden sind, können auch Kugellager Verwendung
finden. Die Lager können auch aus Keramik bestehen.
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Für die vorgenannten Ausführungsformen verlängert sich die
Lebensdauer der Lager von etwa 500 bis 1000 Stunden
bekannter Lager bis zu einem Bereich von 5000 und bis zu 15000
Stunden, da die Lager bei geringeren Temperaturen arbeiten.
Außerdem sind Wartungsvorgänge wie das periodische
Nachfüllen von Fett oder Erneuern der Lager und Fett nicht mehr
nötig.
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Wie vorstehend erläutert, wird die Zuverlässigkeit und
Betriebsdauer des Laserturbogebläses verbessert, da ein
Temperaturanstieg in den Lagern vermieden wird, und sind
Wartungsvorgänge wie ein periodisches Nachfüllen von Fett oder
das Auswechseln von Lagern und Fett unnötig.