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Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung mit einer Dosierfluid aufnehmenden und aktiv Dosierfluid ausstoßenden Dosierkammereinheit und ein Verfahren zum Betreiben einer Dosiervorrichtung.
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Die Erfindung betrifft insbesondere eine pneumatische Dosiervorrichtung, bei der in der Dosierkammereinheit durch Aufbringen eines pneumatischen Drucks das Dosierfluid ausgestoßen wird.
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Hochwertige Medien, z. B. im Pharmabereich, oder aggressive Medien müssen z. B. für Testlabore oder auch bei Produktionsprozessen hochgenau dosiert werden. Die zu dosierenden Mengen sind dabei zum Teil extrem klein, z. B. im einstelligen µl-Bereich. Üblicherweise werden hierzu Spritzenpumpen, Membranpumpen oder peristaltisch wirkende Pumpen eingesetzt. Je nach Bauart haben diese Pumpenbauarten Vorteile und Nachteile. Spritzenpumpen beispielsweise sind aufgrund der erforderlichen elektronischen Ansteuerung teuer und können nicht kontinuierlich fördern. Peristaltikpumpen und Membranpumpen sind für präzise Dosierungen oftmals nicht genau genug. Aus der
DE 20 2012 003 948 U1 ist eine Dosiervorrichtung bekannt, die mit einer Membranpumpe arbeitet. Vor und nach der Dosierkammer sind im Zulaufkanal und im Auslasskanal Membranventile ausgeführt, die pneumatisch betätigt werden können, um die der Membranpumpe zugeführte Fluidmenge zu begrenzen. Der bislang bei solchen Dosiervorrichtungen auftretende pneumatische Rückdruck beim Ausstoßen des Fluids aus der Dosierkammer führt bei dieser Dosiervorrichtung zu keinem Problem, weil das stromaufwärtige Membranventil sicher schließt.
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In der
DE 26 48 279 A1 ist eine Dosierpumpenvorrichtung für ein Strömungsmittel gezeigt. Die Dosierpumpenvorrichtung weist eine Sperre auf, die durch eine Strömungsmittelsäule gebildet ist, deren Verlagerung den Zu- und Austritt eines zu bemessenden Produktvolumens bestimmt. Ferner ist ein röhrenförmiges Teil vorgesehen, das die Sperre einschließt und das mit zwei Hohlräumen verbunden ist. Einer der Hohlräume ist von einer verformbaren Wand verschlossen, während der andere Hohlraum durch eine verformbare Wand in zwei Kammern unterteilt ist, von denen eine mit einem dazwischen angeordneten Strömungsmittel ausgefüllt ist und die andere über ein 3-Wege-Ventil wahlweise mit Zu- und Austrittsleitungen für das zu bemessende Strömungsmittel verbunden ist.
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Die
GB 2 183 739 A offenbart eine Pumpenvorrichtung mit mehreren Gehäusen, die jeweils durch ein Diaphragma mit einem U-förmigen Querschnitt in eine Pumpkammer und eine Antriebskammer unterteilt sind. Dabei verfügen die Antriebskammer jeweils über einen Anschluss, der sowohl als Zulauf als auch als Rücklauf dient, während die Pumpkammern jeweils über zwei voneinander beabstandete Anschlüsse verfügen. Über ein Umschaltventil sind die beiden Antriebskammern jeweils mit einer Pumpeneinheit verbunden.
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Die
CN 2637765 Y beschreibt eine Pumpe, deren Pumpenkammer zwei voneinander beabstandete Anschlüsse aufweist. Ein Anschluss der Pumpenkammer ist über ein Tesla-Ventil mit einem Einlassanschluss verbunden, während ein zweiter Anschluss der Pumpenkammer über ein weiteres Tesla-Ventil mit einem Rücklaufanschluss verbunden ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dosiervorrichtung zu schaffen, die sehr einfach aufgebaut ist und dennoch eine sichere, vor allem über einen längeren Zeitraum zuverlässige Dosierung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Dosiervorrichtung gelöst, mit einer Dosierfluid aufnehmenden und aktiv Dosierfluid ausstoßenden Dosierkammereinheit, die zumindest eine Dosierkammer aufweist, einem Zulaufkanal, der eine Dosierkammer mit einem Einlass fluidisch verbindet und in einer Zulaufmündung in die Dosierkammer mündet, und einem Rücklaufkanal, der die Dosierkammern oder eine Dosierkammer mit einem Rücklauf fluidisch verbindet und der in einer Zulaufmündung von der zugeordneten Dosierkammer ausgeht, wobei Zulauf- und Rücklaufmündung voneinander beabstandet sind. Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung umfasst darüber hinaus ein 3-Wege-Ventil, das je einen Anschluss für den Zulauf und den Rücklauf und einen gemeinsamen Anschluss für den Zulauf- und den Rücklaufkanal hat.
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Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass nur ein einziges Ventil für den Zulaufkanal und den Rücklaufkanal notwendig ist, nämlich ein 3-Wege-Ventil. Der einfache Aufbau wird ferner dadurch unterstützt, dass nach dem 3-Wege-Ventil eine Art Ringleitung vorgesehen ist, welche vom 3-Wege-Ventil ausgeht und zum 3-Wege-Ventil führt, und zwar vom selben Anschluss ausgeht und im selben Anschluss endet. Diese Ringleitung wird u. a. vom Zulaufkanal gebildet, der in eine Dosierkammer oder, wenn mehrere Dosierkammern vorhanden sind, in die stromaufwärtige(n) Dosierkammer(n) mündet. Die Ringleitung geht dann nach der Dosierkammer oder, wenn mehrere Dosierkammern vorhanden sind, von der stromabwärtigen Dosierkammer unter Bildung des Rücklaufs weiter. Die Zulauf- und die Rücklaufmündung sind voneinander beabstandet, fallen also nicht zusammen. Die Rücklaufleitung erstreckt sich dann wieder zurück bis zum gemeinsamen Anschluss, wobei aber auch ein Teilstück von Zulauf- und Rücklaufkanal im Bereich des gemeinsamen Anschlusses zusammenfallen können. Durch die Beabstandung der Zulauf- und Rücklaufmündung an der oder den Dosierkammern und die durch den Zulauf- und Rücklaufkanal gebildete Ringleitung wird erreicht, dass die Dosiervorrichtung immer durchspült wird. Bisher teilweise vorgesehene Sacklöcher, die vollständig den Zu- und gleichzeitig den Rücklaufkanal bilden und an einer Stelle in die Dosierkammer übergehen, führten bei Versuchen dazu, dass die Dosierkammer bzw. die komplette Dosiervorrichtung nicht ausreichend durchspült wird, sodass es in der Kammer und / oder Leitungen zu Ablagerungen oder Auskristallisationen kommen konnte.
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Das 3-Wege-Ventil verbindet, wie gesagt, temporär den Zulauf mit der Dosierkammereinheit, sodass Dosierfluid einströmen kann. Nach dem Einströmen wird das 3-Wege-Ventil umgeschaltet, sodass der Zulauf nicht mehr mit dem Ringkanal verbunden ist. Anstatt dessen wird der Rücklauf mit dem Ringkanal, und zwar mit dem Rücklaufkanal strömungsmäßig gekoppelt, sodass beim Ausstoßen von Dosierfluid aus der Dosierkammereinheit zwar der gleiche Anschluss im Ventil verwendet wird, jedoch der Rücklauf offen ist.
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Damit auch innerhalb der Ringleitung der bauliche Aufwand so gering wie möglich ist, um eine eindeutige Strömungsrichtung des zufließenden und abfließenden Dosierfluids sicherzustellen, haben gemäß einer Ausführungsform der Zulaufkanal und der Rücklaufkanal unterschiedliche und/oder von der Strömungsrichtung abhängige Strömungswiderstände, sodass eine gewünschte Strömungsrichtung im Zulaufkanal und im Rücklaufkanal vorgegeben ist und die Ringleitung überwiegend nur in einer Richtung durchströmt wird. Dies ist insbesondere auch beim Ausstoßen von Dosierfluid wichtig, denn hier würde ja das Dosierfluid sowohl zurück durch den Zulaufkanal als auch zurück durch den Rücklaufkanal in Richtung zum gemeinsamen Anschluss strömen. Die Dosiervorrichtung würde nicht komplett durchströmt (gespült).
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Optional sind bei dieser Ausführungsform mit richtungsabhängigen und / oder unterschiedlichen Strömungswiderständen im Zulaufkanal und im Rücklaufkanal keine weiteren Ventile nach dem Anschluss in der Ringleitung vorhanden. Dies ist eine Option.
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Die richtungsabhängigen und/oder unterschiedlichen Strömungswiderstände können auf unterschiedliche Weise realisiert werden, nämlich mit der Geometrie, dem Durchmesser, dem Querschnitt und/oder der Beschaffenheit der Kanalwandung des Zulaufkanals und des Rücklaufkanals, die entsprechend unterschiedlich ausgeführt sind, sodass eine Fluidströmung im jeweiligen Kanal in der vorgegebenen Strömungsrichtung weniger Widerstand erfährt als eine Fluidströmung entgegengesetzt der vorgegebenen Strömungsrichtung. Eine Option besteht darin, richtungsabhängig unterschiedliche Strömungswiderstände durch die Verwendung eines Tesla-Ventils im Zulaufkanal und eines Tesla-Ventils im Rücklaufkanal vorzusehen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Zulaufkanal und/oder der Rücklaufkanal jeweils einen Hauptkanal und einen Nebenkanal haben, wobei der Nebenkanal vom Hauptkanal in vorgegebener Strömungsrichtung an einer ersten Stelle abzweigt und nach einem Umlenkabschnitt an einer zweiten, gegenüber der ersten Stelle stromabwärts (bezogen auf die vorgegebene Strömungsrichtung mit geringerem Strömungswiderstand) gelegenen Stelle wieder einmündet. Der Nebenkanal zweigt an der ersten Stelle vom Hauptkanal mit einer Ausrichtung ab, die eine zur vorgegebenen Strömungsrichtung im Hauptkanal entgegengesetzte Richtungskomponente hat.
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Für den Zulaufkanal heißt das Folgendes: Beim Zuströmen von Dosierfluid aus dem Zulauf strömt das Fluid fast komplett nur durch den Hauptkanal. Da der Nebenkanal einen Umlenkabschnitt hat und der Strömungswiderstand vom Hauptkanal in den Nebenkanal hinein, im Bereich der ersten Stelle, aufgrund der hohen Strömungsumlenkung hoch ist, ist im Nebenkanal ein größerer Strömungswiderstand vorhanden. Dieser Strömungswiderstand muss nicht ausreichend groß sein, um den kompletten Fluidstrom im Nebenkanal des zuströmenden Dosierfluids zu unterbinden, jedoch wird, wie gesagt, das Dosierfluid hauptsächlich im Hauptkanal transportiert. Wenn dann später umgeschaltet wird und das 3-Wege-Ventil den Zulauf abschließt und in der Dosierkammereinheit das Dosierfluid unter Druck gesetzt wird, um auszuströmen, wird die Druckerhöhung auch dazu führen, dass Dosierfluid zurück in Gegenrichtung in den Zulaufkanal strömt. Das Dosierfluid teilt sich dann an der zweiten Stelle in den Nebenkanal und den Hauptkanal auf. Nach dem Umlenkabschnitt jedoch wird der Nebenkanal wieder zurückgelenkt entgegen der Strömung im Hauptkanal, denn er mündet an der ersten Stelle mit einer Ausrichtung wieder in den Hauptkanal ein, die zumindest teilweise wieder in die ursprünglich gewünschte Strömungsrichtung, d. h. in Richtung zur Dosierkammereinheit hin gerichtet ist. Das über den Nebenkanal wieder in den Hauptkanal einströmende Dosierfluid sperrt sozusagen den Hauptkanal und das über den Hauptkanal zurückströmende Fluid ab und blockiert somit zumindest teilweise den Zulaufkanal in Rückstromrichtung. Damit hat der Zulaufkanal einen deutlich höheren Strömungswiderstand, wenn das Fluid aus der Dosierkammer ausströmt als der Rücklaufkanal, bei welchem obiger Effekt der Selbstblockierung durch eine abgezweigte Teilmenge des Dosierfluids nicht auftrifft. Diese einfache Realisierung hat auch weitere Vorteile. Haupt- und Nebenkanäle werden permanent durchströmt, sodass keine Ablagerungen und Auskristallisationen vorkommen. Die Konstruktion ist sehr einfach und arbeitet ohne verschleißende Teile. Es sind darüber hinaus keine Zusatzteile erforderlich. Der Rücklaufkanal kann eine entsprechende Ausgestaltung mit einem eigenen Haupt- und einem eigenen Nebenkanal haben, wobei hier jedoch die Ausrichtung umgekehrt ist. D. h., der Nebenkanal erzeugt eine blockierende Teilströmung, wenn der Rücklaufkanal, beim Ansaugen des Fluids, entgegengesetzt zu seiner vorgegebenen Strömungsrichtung durchströmt wird.
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Der Nebenkanal kann sich bogenförmig um wenigstens 140° erstrecken, um den Umlenkabschnitt zu bilden, und unter einem Winkel von 10° bis 40° zur Mittellinie des Hauptkanals an der Abzweigungsstelle von diesem Abzweigen und in diesen Einmünden. Die Abzweigung an der ersten Stelle, die in Gegenrichtung zur vorgegebenen Strömungsrichtung verläuft, ist folglich in Strömungsrichtung gesehen rückwärtsgewandt, wogegen die Einmündung in einem spitzen Winkel in der vorgegebenen Strömungsrichtung erfolgt.
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In entgegengesetzter Richtung zur vorgegebenen Strömungsrichtung betrachtet, zweigt der Hauptkanal an der zweiten Stelle in einer Krümmung von einem gemeinsamen Kanalabschnitt ab, und der Nebenkanal verläuft geradlinig oder mit einer geringeren Krümmung vom gemeinsamen Kanalabschnitt in Richtung zum Umlenkabschnitt.
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Als bevorzugte Strömungsrichtung ist jene Strömungsrichtung zu verstehen, welche im Zulaufkanal bzw. Rücklaufkanal den geringeren Druckverlust hervorruft, mit andern Worten ausgedrückt, die Strömungsrichtung, welche in der Hauptrichtung von der ersten in Richtung der Zweiten Stelle verläuft.
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Alternativ oder zusätzlich zu den sich aufzweigenden Zulauf- und Rücklaufkanälen in Haupt- und Nebenkanal können im Zulauf- und/oder im Rücklaufkanal ein oder mehrere Rückschlagventile angeordnet sein, die die Strömungsrichtung vorgeben.
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Wenn die Dosiereinheit durch mehrere Dosierkammern gebildet ist, können diese Dosierkammern optional untereinander durch wenigstens einen Verbindungskanal in Reihe geschaltet sein. Der Zulaufkanal verbindet den Einlass fluidisch mit einer ersten, stromaufwärtigen Dosierkammer (oder, bei Parallelschaltung, mehrere erste), und der Rücklauf verbindet eine oder mehrere in Strömungsrichtung letzte Dosierkammern mit dem Rücklauf. Durch mehrere strömungsmäßig miteinander gekoppelte Dosierkammern lässt sich das Dosiervolumen vergrößern oder verkleinern, wie im Folgenden noch erläutert wird.
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Sind mehrere Dosierkammern vorhanden, so kann eine oder können mehrere Dosierkammern jeweils einen zugeordneten Bypasskanal haben, der diese Dosierkammer umgeht. Wenn die zugeordnete Dosierkammer geschlossen ist, kann damit Fluid an dieser geschlossenen Dosierkammer vorbei gefördert werden, sodass optional auch nur eine oder einige der Dosierkammern betrieben werden und auch nur ein Teil des gesamten Dosiervolumens gefördert werden kann.
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Die zumindest eine Dosierkammer oder auch alle Dosierkammern, wenn mehrere vorhanden sind, können als Teil einer Membranpumpe ausgeführt sein, mit einer Membran, die die Dosierkammer gegenüber einer gegenüberliegenden Pumpkammer trennt.
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Es können natürlich auch mehrere Membranpumpen mit Dosierkammern und zugeordneten Pumpkammern vorhanden sein, wobei es in diesem Zusammenhang auch denkbar ist, eine gemeinsame Membrane für die Membranpumpen, d. h. für alle Membranpumpen, bereitzustellen. Dies vereinfacht die Konstruktion und Fertigung.
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Wenn mehrere Membranpumpen vorhanden sind, lässt sich noch eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung realisieren. Sind nämlich die Pumpvolumina von zumindest einigen oder von allen Membranpumpen unterschiedlich, können über eine vorgesehene Steuerung die Membranpumpen derart angesteuert werden, dass die Membranpumpen gleichzeitig gleich- oder gegenläufig oder zeitversetzt zueinander oder in Gruppen oder einzeln betätigt werden. Über diese entsprechende Ansteuerung kann ein dosiertes Fluidvolumen ausgestoßen werden, das das Differenzvolumen der Pumpvolumina mehrerer Membranpumpen, eine Summe der Pumpvolumina mehrerer Membranpumpen oder nur das Pumpvolumen einzelner oder einer einzelnen Membranpumpe ist.
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Die Membranpumpe hat einen mechanischen, pneumatischen, elektromagnetischen oder elektrodynamischen Antrieb, insbesondere einen Lorentzkraft-Antrieb, um die zugeordnete Membrane zu bewegen.
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Gerade über den Lorentzkraft-Antrieb ist es auch sehr einfach möglich, den Pumpenhub zu verändern, d. h. eine proportionale Membranpumpe zu bilden. Dies wird durch Reduzierung der Spannung, die an den Lorentzkraftantrieb angelegt wird, verwirklicht. Jedoch lassen sich auch über andere Möglichkeiten Proportionalpumpen als Membranpumpen verwirklichen, was ebenfalls bei der Erfindung realisierbar ist.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung, die mehrere Membranpumpen mit jeweils zugeordneten Dosier- und Pumpkammern und einer Steuerung für die Membranpumpen aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Membranpumpen gleichzeitig gleich- oder gegenläufig, zeitversetzt zueinander, in Gruppen oder einzeln betätigt werden, um ein dosiertes Fluidvolumen auszustoßen, das ein Differenzvolumen der Pumpvolumina mehrerer Membranpumpen, eine Summe der Pumpvolumina mehrerer Membranpumpen oder nur das Pumpvolumen einzelner oder einer einzigen Membranpumpe ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann optional auch so betrieben werden, dass zumindest eine Dosierkammer, während andere Dosierkammern arbeiten, geschlossen ist und über einen Bypasskanal an der geschlossenen Dosierkammer vorbei dosiertes Fluid transportiert wird.
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Eine weitere Option des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Pumpenhub durch Änderung des angelegten Stroms verändert wird, um die entsprechende Dosierkammer nur teilweise zu öffnen oder teilweise zu schließen. D. h., das Dosiervolumen dieser Dosierkammer wird nicht komplett ausgeschöpft.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.
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In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Schaltungsansicht einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung,
- - 2 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung im Bereich der Dosierkammer,
- - 3 eine Schnittansicht durch eine Variante, die einen bei der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung einsetzbaren Lorentzkraft-Antrieb darstellt,
- - 4 eine perspektivische Ansicht auf ein teilweise geöffnetes Gehäuse der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung,
- - 5 eine Draufsicht auf das teilweise geöffnete Gehäuse nach 4,
- - 6 eine vergrößerte Detailansicht des Zulauf- und des Rücklaufkanals, die in den 4 und 5 dargestellt sind, und
- - 7 eine Schaltungsansicht einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung.
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In 1 ist als Schaltbild eine Dosiervorrichtung dargestellt, die in einem mehrteiligen Gehäuse ausgebildet und untergebracht ist. Die Dosiervorrichtung ist insbesondere dazu da, Gas oder Flüssigkeit in Kleinstmengen insbesondere bis 50 µl hochgenau dosiert abzugeben.
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Die Dosiervorrichtung umfasst einen Zulauf 10 für Fluid, der mit einem Fluidspeicher gekoppelt ist. Der Zulauf 10 wiederum ist mit einem 3-Wege-Ventil 12 über einen Anschluss 14 gekoppelt.
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Ein Anschluss 16 ist im 3-Wege-Ventil 12 für einen Rücklauf 18 vorgesehen. Der Rücklauf wird auch als Ablauf bezeichnet, über ihn strömt dosiertes Fluid aus der Dosiervorrichtung. Ein dritter Anschluss 20 des 3-Wege-Ventils 12 ist wahlweise entweder mit dem Zulauf 10 oder mit dem Rücklauf 18 gekoppelt. Der Anschluss 20 verbindet damit wahlweise den Zulauf 10 oder den Rücklauf 18 mit einer Dosierkammereinheit, die im folgenden Beispiel nur eine Dosierkammer 24 umfasst. Die Dosierkammer 24 hat ein variables Volumen, das dafür verantwortlich ist, eine vorbestimmte Menge an Dosierfluid aktiv auszustoßen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Dosierkammer 24 über eine Membrane 26 mit einer auf der entgegengesetzten Seite der Membrane liegende Pumpkammer 28 getrennt.
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Die Dosiereinheit 22 ist in diesem Beispiel, das nicht einschränkend zu verstehen ist, als eine Membranpumpe ausgeführt.
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Vom Anschluss 20 führt ein Zulaufkanal 30 zu der Dosierkammer 24 und endet in ihr in einer Zulaufmündung 32.
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Eine vorzugsweise deutlich, insbesondere diametral von der Zulaufmündung 32 entfernte Rücklaufmündung 34 an der Dosierkammer 24 bildet den Beginn eines Rücklaufkanals 36. Im Bereich des Anschlusses 20 haben Zulaufkanal 30 und Rücklaufkanal 36 ein gemeinsames Kanalstück 38, welches mehr oder weniger lang ausgeführt sein kann und in jedem Fall den gleichen Anschluss 20 besitzt.
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Die Membrane 26 ist mit einem Antrieb 40, der im vorliegenden Fall durch einen Pfeil symbolisiert ist, beweglich, sodass die Membrane bezogen auf 1 nach links und nach rechts ausbauchen kann, sodass die Volumina der Pumpkammer 28 und der Dosierkammer 24 geändert werden und entweder Fluid in die Dosierkammer 24 einströmt, unter Umständen angesaugt wird (oder bei ausreichendem Druck vom Zulauf auch hineingedrückt werden kann) und bei entsprechend betätigtem Antrieb 40 aus der Dosierkammer aktiv ausgestoßen werden kann.
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Als Antrieb 40 kommen unterschiedliche Möglichkeiten in Betracht, es kann ein mechanischer, pneumatischer, elektromagnetischer oder elektrodynamischer Antrieb vorgesehen sein.
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Bevor auf Details des Antriebs und der Ausbildung der Zulauf- und Ablaufkanäle eingegangen wird, wird zuerst die prinzipielle Funktionsweise der Dosiervorrichtung anhand von 1 kurz erläutert.
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In der Ausgangsstellung ist der Antrieb 40 so ausgeführt, dass die Dosierkammer 24 ein minimales oder überhaupt kein Volumen aufweist, dafür die Pumpkammer 28 ein größeres oder maximales Volumen. Das 3-Wege-Ventil 12 wird so geschaltet, dass der Zulauf 10 zum Anschluss 20 offen ist, sodass Fluid vorzugsweise über den Zulaufkanal 30 in die Dosierkammer 24 einströmen kann. Optional ist der Antrieb 40 aktiv und zieht die Membrane nach rechts, sodass das Volumen der Dosierkammer 24 zunimmt und das der Pumpkammer 28 abnimmt, sodass hier eine Saugwirkung eintritt. Alternativ hierzu kann der Antrieb 40 auch inaktiv sein, sodass über einen entsprechend hohen Zulaufdruck die Membrane 26 selbstständig nach rechts ausbaucht.
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Anschließend wird das 3-Wege-Ventil 12 umgeschaltet, sodass der Anschluss 20 mit dem Rücklauf 18 verbunden ist. Der Antrieb 40 wird aktiviert, sodass die Membrane 26 wieder nach links in Richtung Ausgangsstellung ausbaucht, und das in der Dosierkammer enthaltene Fluid strömt vorzugsweise über den Rücklaufkanal 36 und das 3-Wege-Ventil 12 zum Rücklauf 18.
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Anschließend wird das 3-Wege-Ventil 12 wieder zurückgeschaltet, um erneut eine Volumeneinheit des Dosierfluids in Richtung Dosierkammer 24 strömen zu lassen.
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Um sicherzustellen, dass das Dosierfluid über den Zulaufkanal 30 in und über den Rücklaufkanal 36 aus der Dosierkammer 24 ausströmt und nicht über den jeweils anderen Kanal, sind verschiedene Einrichtungen möglich.
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Optional, dies ist nicht einschränkend zu verstehen, können entsprechend angeordnete und ausgerichtete Rückschlagventile 42 in der Zulaufleitung 30 und der Rücklaufleitung 36 positioniert sein.
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Wichtig bei der dargestellten Ausführungsform ist, dass die Mündungen 32, 34 voneinander beabstandet sind, sodass die Dosierkammer möglichst vollständig durchspült wird und keine Toträume besitzt.
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In 2 ist eine Option eines Antriebs der in 1 dargestellten Dosiervorrichtung im Schnitt dargestellt. Dabei ist die Membrane 26 zwischen zwei Gehäuseteilen 44, 46 geklemmt, wobei in einem Gehäuseteil 46 der Zulauf- und der Rücklaufkanal 30 bzw. 36 sowie die Dosierkammer 24 ausgebildet sind. Die Pumpkammer 28 ist im anderen Gehäuseteil 44 ausgeformt. In der Pumpkammer 28 endet ein Pneumatikanschluss 48.
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Über den Pneumatikanschluss 48 wird Druckluft in die Pumpkammer 28 gebracht, sodass die Membrane 26 so ausbaucht, dass die Dosierkammer 24 verkleinert wird. Umgekehrt kann, dies ist nicht zwingend erforderlich, über den Pneumatikanschluss 48 auch die Pumpkammer 28 weitgehend oder vollständig unter Unterdruck gesetzt werden, sodass die Membrane 26 angezogen wird und das Volumen der Pumpkammer 28 verkleinert und der Dosierkammer 24 vergrößert wird.
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Eine weitere Möglichkeit, die Membrane 26 zu betätigen, besteht in einem in 3 gezeigten Proportionalantrieb, bei dem die Membrane nicht nur zwischen den zwei Endstellungen verfahren wird, sondern auch beliebige Zwischenstellungen einnehmen kann, sodass das dosierte Volumen nicht in nur einer fest vorgegebenen Volumeneinheit dosiert werden kann.
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Der dargestellte Antrieb ist ein sogenannter Lorentzkraft-Antrieb, d. h. ein Antrieb, bei dem das angetriebene Teil durch die Lorentzkraft bewegt wird. Ein solcher Antrieb ist aus der
WO 2010/066459 A1 bekannt. Dabei sind zwischen zwei Gehäuseteilhälften
50,
52 zwei Permanentmagneten
54,
56 angeordnet, die unterschiedlich gepolt sind. Alternativ kann auch nur ein Permanentmagnet
54 vorgesehen sein.
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Zwischen den beiden Permanentmagneten 54, 56 und den Gehäuseteilhälften 50, 52 ist ein Raum 58 gebildet, in welchem sich eine Leiterplatte 60 befindet, die einen minimalen Spalt zu den Permanentmagneten 54, 56 haben kann.
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Durch die unterschiedliche Polung der Permanentmagnete 54, 56 ergeben sich entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder 62, 64.
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Die Leiterplatte 60 hat Leiterbahnabschnitte, welche beispielsweise wie eine rechteckige Spirale ausgeführt sind und zum Teil senkrecht zur Zeichenebene verlaufen. Leiterbahnabschnitte verlaufen dabei senkrecht zur Richtung des Magnetfelds 62 sowie senkrecht zur Richtung des Magnetfelds 64. Die einzelnen Spiralabschnitte erhalten, wenn die Leiterplatte 60 stromdurchflossen ist (siehe Stromanschluss 66 eine Kraft, die je nach Stromflussrichtung nach oben oder nach unten gerichtet ist.
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Die Leiterplatte 60 ist über ein Anschlussteil 68, welches in einem Gleitlager 70 geführt ist, mit der Membrane 26 verbunden, die hier zur Vereinfachung nicht dargestellt ist. Das Gleitlager 70 kann im Gehäuseteil 44 untergebracht sein.
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Die Auslenkrichtung nach oben und nach unten sowie die Auslenkstrecke hängen von der Stromflussrichtung sowie von der Stromstärke ab.
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In den 4 und 5 ist die der Membrane 26 abgewandte Unterseite 72 des Gehäuseteils 46 dargestellt. Die Unterseite besitzt eine nutartige Vertiefung, welche entweder durch spanendes Bearbeiten oder durch entsprechendes Gießen (falls das Gehäuseteil 46 ein Gußteil ist), hergestellt ist. Diese nutartige Vertiefung stellt Abschnitte des Zulaufkanals und des Rücklaufkanals 30 bzw. 36 dar. Das gemeinsame Kanalstück 38 ist ein Stichkanal, dessen Verbindung zum 3-Wege-Ventil 12 vorliegend nicht gezeigt ist, der Stichkanal kann bezüglich 5 in die Zeichenebene hineinführen.
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Vom gemeinsamen Kanalstück 38 geht der Zulaufkanal 30 aus. Am Punkt 74 wechselt der Zulaufkanal 30, der bis dahin in einer zur Unterseite 72 parallelen Ebene verlief, seine Richtung, indem er senkrecht zur Zeichenebene abknickt und durch das Gehäuseteil 46, wie in 2 gezeigt zur Dosierkammer 24 verläuft. Die Dosierkammer ist, wie bereits erläutert, auf der entgegengesetzten Seite des plattenförmigen Gehäuseteils 46 angeordnet.
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Der Zulaufkanal 30 zweigt sich an einer ersten Stelle 76 in einen Hauptkanal 78 und einen Nebenkanal 80 auf.
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In einer zweiten Stelle 82, die in der vorgegebenen Strömungsrichtung, die durch den Pfeil nahe des Hauptkanals 78 dargestellt ist und die Zufuhrrichtung darstellt, werden Haupt- und Nebenkanal 78 bzw. 80 wieder zusammengeführt.
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Während der Zulaufkanal mit Hauptkanal 78 aber ohne Nebenkanal 80 eine leichte Bogenform einnimmt, ist der Nebenkanal 80 abschnittsweise stärker gekrümmt. Im Bereich der ersten Stelle 76 verläuft der Nebenkanal entgegen der zugeordneten Strömungsrichtung, genau gesagt hat er eine Komponente, mit der er in entgegengesetzte Richtung zur vorgegebenen Strömungsrichtung verläuft. An der zweiten Stelle 82 jedoch, nach einem Umlenkabschnitt 84 mit starker Krümmung und einem sich daran anschließenden linearen Abschnitt verläuft der Nebenkanal dann bereits im Wesentlichen in Richtung der vorgegebenen Strömung im Hauptkanal 78, hier ist keine Richtungskomponente entgegen der vorgegebenen Strömungsrichtung im Hauptkanal an der Stelle 82 vorgesehen.
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Diese Gestaltung des Zulaufkanals 30 ist so gewählt, dass die Fluidströmung hier so gut wie ausschließlich in der vorgegebenen Strömungsrichtung, d. h. vom Zulauf zum Punkt 74 in Pfeilrichtung gerichtet ist.
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Wenn folglich das 3-Wege-Ventil 12 entsprechend geschaltet ist strömt das Fluid über den Hauptkanal 76 zur Dosierkammer 24. Der Nebenkanal 80 wird aufgrund der Abzweigrichtung an der ersten Stelle 76 kaum durchströmt.
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Wenn jedoch nachfolgend das 3-Wege-Ventil 12 umgeschaltet wird und aktiv über die Membrane 26 Fluid aus der Dosierkammer 24 herausgedrückt wird, gelangt auch Fluid in den Zulaufkanal 30, wo es sich aber an der Stelle 82 aufzweigt. Die gerade Ausrichtung des Nebenkanals 80 im Bereich der Abzweigung an der zweiten Stelle 82 und der hier schräg abzweigende Hauptkanal 30 führen jedoch dazu, dass das Fluid überwiegend geradlinig in den Nebenkanal 80 strömt, anschließend im Umlenkabschnitt 84 umgelenkt wird, um dann entgegen der dann herrschenden Strömungsrichtung im Hauptkanal 78, welcher kaum strömungsdurchflossen ist, in diesen einzumünden. Das in den Hauptkanal 78 an der Stelle 76 einströmende Fluid blockiert damit den Weg des geringeren Teils des Fluids, das sich im Hauptkanal 78 befindet und bestrebt war, zum Kanalstück 38 zu gelangen. Die Folge ist, dass der Zulaufkanal 30 nahezu blockiert ist. Im Zulaufkanal 30 wird in dieser Strömungsrichtung ein hoher Druckverlust induziert. Das Fluid blockiert sich folglich selbst.
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Die Geometrie des Rücklaufkanals 36 ist gegengleich. Die entsprechenden Stellen 74, 76, 82 und Haupt- und Nebenkanäle 78, 80 sind im Rücklaufkanal mit einem Apostroph versehen.
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Die entsprechende vorgegebene Strömungsrichtung im Rücklaufkanal 36 ist durch den linken Pfeil vorgegeben.
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In 2 ist der sich durch die Dicke des Gehäuseteils 46 erstreckende Rücklaufkanal 36 zu sehen, der im Punkt 74' abknickt und in einer zur Unterseite 72 parallelen Ebene in der in 6 gezeigten Gestalt weiterverläuft.
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Auch hier wirkt der Kanalverlauf so, dass die Strömung fast nur in vorgegebener Strömungsrichtung erfolgt, kaum jedoch in Gegenrichtung.
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Durch diese Gestaltung lassen sich Rückschlagventile komplett vermeiden.
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Zum Schließen der Kanäle, die als Nuten in der Oberfläche des Gehäuseteils 46 ausgeformt sind, wird eine nicht gezeigte plane Platte in eine in 4 dargestellte Ausnehmung 86, in der die Kanäle ausgeformt sind, eingesetzt. Damit sind die einzelnen Kanäle auch zur Unterseite hin geschlossen.
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Die vorgegebenen Strömungsrichtungen werden durch die Geometrie, den Durchmesser und/oder den Querschnitt des Zulauf- und des Rücklaufkanals bzw. seiner Haupt- und Nebenkanäle 78, 80 vorgegeben. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Strömungswiderstände in entgegengesetzten Strömungsrichtungen, sodass eine Strömungsrichtung bevorzugt oder nur eine Strömungsrichtung möglich ist, und zwar die vorgegebene Strömungsrichtung.
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Die Abzweigung an der ersten Stelle 76, 76' erfolgt unter einem Winkel α von 10° bis 40° zur Mittellinie des jeweiligen Hauptkanals und entgegengesetzt zur Hauptströmungsrichtung (gemessen von Mittellinie zu Mittellinie). Auch die Einmündung an der zweiten Stelle 82, 82' erfolgt unter einem Winkel β von 10° bis 40°, jedoch in Hauptströmungsrichtung (siehe Pfeile), wobei die beiden Winkel α und β nicht gleich sein müssen und vorzugsweise der Winkel α größer als der Winkel β ist.
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Vorzugsweise mündet der Nebenkanal 80, 80' im Wesentlichen geradlinig in den Hauptkanal 78, 78', der an der zweiten Stelle 82, 82' bogenförmig verläuft oder bogenförmiger und gekrümmter als der Nebenkanal 80, 80'. Damit wird erreicht, dass der Großteil des zurückgedrückten Fluids in den Nebenkanal 80, 80' strömt.
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Die Ausführungsform nach 7 zeigt eine Dosiervorrichtung, bei der die Dosierkammereinheit 22 mehrere, beispielhaft dargestellt zwei Dosierkammern 24, 24' und damit zwei Membranpumpen umfasst, wobei aber auch mehr als zwei Membranpumpen vorgesehen sein können.
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Die Dosierkammern 24 sind über einen Verbindungskanal 88 miteinander strömungsverbunden, sodass sich eine Reihenschaltung ergibt. Bezogen auf 1 beginnt der Verbindungskanal 88 an der Rücklaufmündung 34 der ersten Dosierkammer 24, in die der Zulaufkanal 30 mündet.
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Der Verbindungskanal 88 beginnt folglich an einer zur Zulaufmündung 32 entfernten Stelle, um eine Durchspülung der ersten Dosierkammer 24 zu erlauben.
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Der Verbindungskanal 88 mündet dann in die zweite Dosierkammer 24', in der eine Membrane 26' angeordnet ist, an einer Zulaufmündung 32'. Der Rücklaufkanal 36 beginnt dann an einer zur Zulaufmündung 32' entfernten Stelle, nämlich an der Rücklaufmündung 34'.
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Die beiden Membrane 26, 26', die auch durch eine gemeinsame Membrane gebildet sein können (siehe unterbrochene Verbindungslinie), werden durch zwei Antriebe 40, 40' betätigt, die an eine Steuerung 90 angeschlossen sind.
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Die Dosierkammern 24, 24' können das gleiche maximale Kammervolumen oder unterschiedliche Kammervolumina besitzen.
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Die Antriebe 40, 40' können gleichzeitig oder zeitlich versetzt zueinander betrieben werden.
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Ein entsprechendes Verfahren mit verschiedenen Varianten wird nachfolgend erläutert.
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Beispielsweise werden beide Antriebe 40, 40' gleichzeitig so angesteuert, dass sie im Saugbetrieb arbeiten, sodass über den Zulauf 10 ein optimales Pumpverhältnis erreicht wird und beide Dosierkammern 24, 24' befüllt werden. Anschließend kann beispielsweise nur der Antrieb 40' betätigt werden, sodass nur das Volumen der Dosierkammer 24' ausgestoßen wird.
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Alternativ kann zuerst der Antrieb 40 betätigt werden, sodass Fluid durch die offene Dosierkammer 24' zuerst ausgestoßen wird, und anschließend wird der Antrieb 40' bewegt, sodass das Dosierfluid in der Dosierkammer 24' ausgestoßen wird. Wenn die Dosierkammern 24, 24' unterschiedliche Volumina haben, lassen sich feinste Abstufungen erreichen. Insbesondere hat eine Dosierkammer 24 oder 24' die Hälfte oder ein Drittel des Volumens der anderen Dosierkammer 24' bzw. 24.
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Das Verfahren kann mittels der Steuerung auch so betrieben werden, dass die Pumpkammern 28, 28' gegenläufig betrieben werden, sodass eine Pumpkammer 36 ihr Volumen vergrößert, während die andere Pumpkammer ihr Volumen verkleinert, wodurch jeweils nur das Differenzvolumen der beiden Dosierkammern 24, 24' gefördert wird.
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Eine weitere Variante sieht vor, dass es für jede Dosierkammer 24, 24' oder für eine oder mehrere von zahlreichen Dosierkammern 24, 24' einen Bypasskanal 92, 92', welche in 7 mit unterbrochenen Linien dargestellt sind, gibt.
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Der Bypasskanal 92, 92' hat natürlich einen geringeren Durchmesser und damit einen höheren Strömungswiderstand als die offene zugeordnete Dosierkammer 24, 24'.
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Ist die jeweilige Dosierkammer 24, 24' geschlossen, d. h. die Membrane 26, 26' liegt an der entsprechenden Wand (in 7 die linke Wand) an, so kann durch die Dosierkammer 24, 24' kein Fluid strömen und auch kein Dosiervolumen aufgenommen werden. Dann strömt Fluid über den Bypass 92, 92' an der zugeordneten Dosierkammer 24 bzw. 24' vorbei.
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So können temporär Antriebe 40, 40' ausgeschaltet und andere Dosiervolumina erreicht werden.
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Die Dosiervorrichtung ist insbesondere für Kleinstmengen von Fluid ausgelegt, d. h. Mengen von < 50 µl, insbesondere sind die Dosierkammern maximal 4 µl groß.
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Durch die Differenzvolumina beim gegenläufigen Betreiben der Pumpkammern 28, 28' lassen sich Pumpvolumina auch von 1 µl erreichen.
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Ein Beispiel für zwei Membranventile unterschiedlicher Volumina erreicht Abstufungen von Dosiermengen von 1 µl, 4 µl, 5 µl und 9 µl. Die Dosierkammern haben damit einerseits ein Maximalvolumen von 4 µl und andererseits von 5 µl.
