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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung für Mehrstoffgemische
mit einer ersten Fluidpumpe für
ein erstes Fluid und wenigstens einer weiteren Fluidpumpe für wenigstens
ein weiteres Fluid, wobei jeder weiteren Fluidpumpe jeweils ein
Fluid zugeordnet ist und jede Fluidpumpe jeweils einen saugseitigen
Anschluss und einen druckseitigen Anschluss aufweist, wobei der
saugseitige Anschluss der ersten Fluidpumpe mit einem Fluidbehälter für das erste
Fluid verbunden ist, der druckseitige Anschluss der ersten Fluidpumpe
mit einer Fluidleitung verbunden ist, die ein Gemisch aus erstem
Fluid und wenigstens einem weiteren Fluid ableitet, und der saugseitige
Anschluss einer jeden weiteren Fluidpumpe jeweils mit einem Fluidbehälter für ein dieser
weiteren Fluidpumpe zugeordnetes weiteres Fluid verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
dem Herstellen von flüssigen
Mehrstoffgemischen können
diese Gemische in den Anteilen der jeweiligen Fluide fest oder veränderlich
sein und/oder in der Förderleistung
des Summenstroms variieren. Sind die Anteile veränderlich, variiert die mögliche Konzentration
von nahezu 100% bis zu weniger als 1 Promille. Die Veränderlichkeit
kann rezepturbedingt oder prozessbedingt sein. Im ersten Fall genügt die wiederholt
einmalige Einstellung der Rezepturanteile. Im zweiten Fall müssen ein
oder mehrere Anteil(e) zeit- oder störgrößengesteuert kontinuierlich
verändert
werden. Entsprechend der Existenz und dem Verhalten nachgeschalte ter
Einrichtungen müssen
entweder zwingend zu jeder Zeit und in jedem Rohrquerschnitt die
Anteile rezepturgerecht vorliegen, oder es liegt keine Anforderung
dafür vor.
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Eine
herkömmliche
Dosiervorrichtung zur Herstellung von Rezeptur basierenden Mehrstoffgemischen
für ein
binäres
System, d.h. mit zwei zu mischenden Fluiden, ist aus 1 ersichtlich. Für jedes Fluid
A, B ist ein eigenes Pumpenelement 10, 12 bereitgestellt.
Die einzelnen Pumpenelemente 10, 12 werden miteinander
verbunden und erhalten einen gemeinsamen Antrieb 14 mit
einem Antriebsmotor 16. Die Größe des Pumpenelements 10, 12 richtet sich
nach dem Volumenstromanteil des jeweiligen Fluids A, B. Die Anteile
der Fluide A, B an der Rezeptur werden individuell über die
Hublängen
der dem Fluid zugeordneten Pumpenelemente 10, 12 eingestellt.
Die Verstellung der Antriebsdrehzahl des Antriebmotors 16 des
gemeinsamen Antriebs 14 bestimmt die Förderleistung des Summenstroms 18 der Rezeptur.
Die saugseitigen Anschlüsse 20, 22 der Pumpenelemente 10, 12 sind über Rohrleitungen 24, 26 mit
Vorratsbehältern
(nicht dargestellt) der einzelnen Fluide A und B verbunden. Die
druckseitigen Anschlüsse 28, 30 der
Pumpenelemente 10, 12 sind mit einer gemeinsamen
Rohrleitung 32 verbunden. Daher müssen alle Pumpenelemente 10 und 12 für den größten Gegendruck
ausgelegt sein.
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Diese
bekannte Anordnung für
eine Dosiervorrichtung hat den Nachteil, dass sich ein Rezepturfehler
und ein Fehler des Summenstroms 18 aus den Abweichungen
beider Pumpenelemente 10, 12 vom Sollwert der
Rezeptur ergibt. Geht man davon aus, dass der Dosierfehler sich
reziprok proportional zur Hublänge
einstellt, findet man eine kleinste Hublänge, welche die Grenzen der
einsteilbaren Hublängen beschreibt.
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In
einer speziellen Anforderung ist es notwendig, den sich aus den
einzelnen Fluiden A und B zusammensetzenden Summenstrom 18 konstant
zu halten, d.h. um den absoluten Anteil um den ein Fluid verringert
wird, muss der absolute Anteil des anderen Fluids erhöht werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpenanordnung für Mehrstoffgemische
der o.g. Art bezüglich
des mechanischen Aufbaus und der Betriebssi cherheit sowie der Genauigkeit
der Anteile der einzelnen Fluide im Summenstrom zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Pumpenanordnung für
Mehrstoffgemische der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen
beschrieben.
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Bei
einer Pumpenanordnung der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der druckseitige Anschluss wenigstens einer weiteren Fluidpumpe
mit dem saugseitigen Anschluss der ersten Fluidpumpe oder einem
saugseitigen Anschluss einer anderen weiteren Fluidpumpe verbunden
ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass eine kleine Fluidrate mit großer Hublänge und
dementsprechend hoher Genauigkeit gefördert werden kann, wobei ein
Summenstrom allein durch die erste Fluidpumpe und eine Konzentration
der beteiligten Fluide allein durch die eine oder mehreren weiteren
Fluidpumpen bestimmt wird. Es ist ein erweiterter Rezepturbereich
darstellbar, wobei gleichzeitig durch die Trennung der Funktion
der Beeinflussung von Summenstrom einerseits mit der erste Fluidpumpe
und Konzentration der einzelnen Fluide andererseits mit der/den
weiteren Fluidpumpen eine Gradientenfahrweise mit konstantem Summenstrom
bei kleinem Anteil an dem einen oder den mehreren weiteren Fluiden
in dem ersten Fluid auf einfache Weise darstellbar ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine Fluidpumpe als oszillierende Verdrängerpumpe
und/oder Membranpumpe ausgebildet ist.
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Dadurch,
dass alle Fluidpumpen mit einer gemeinsamen Antriebswelle verbunden
sind, ergibt sich in vorteilhafter Weise eine feste Phasenbeziehung
zwischen den einzelnen Fluidpumpen.
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Eine
Förderrate
kleiner als 100% erzielt man auf einfache Weise dadurch, dass in
wenigstens einer fluidleitenden Verbindung zwischen dem saugseitigen
Anschluss einer Fluidpumpe und dem druckseitigen Anschluss einer
anderen Fluidpumpe eine Einrichtung zur Erhöhung eines Gegendruckes auf diejenige
Pumpe angeordnet ist, welche mit dieser fluidleitenden Verbindung
mit ihrem druckseitigen Anschluss verbunden ist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist zwischen zwei Fluidpumpen wenigstens eines Paares von Fluidpumpen,
die über
eine fluidleitende Verbindung zwischen dem saugseitigen Anschluss
der einen Fluidpumpe und dem druckseitigen Anschluss der anderen
Fluidpumpe miteinander verbunden sind, eine Phasendifferenz von
180° eingestellt.
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Bei
Fördergraden
von weniger als 100% läuft bei
wenigstens einem Paar von Fluidpumpen, die über eine fluidleitende Verbindung
zwischen dem saugseitigen Anschluss der einen Fluidpumpe und dem
druckseitigen Anschluss der anderen Fluidpumpe miteinander verbunden
sind, diejenige Fluidpumpe, welche mit ihrem druckseitigen Anschluss
an der fluidleitende Verbindung angeschlossen ist, um die halbe
Differenz der Phasenwinkel plus 180° nach, welcher die Dekompressionsphase
von der Fluidpumpe, welche mit ihrem saugseitigen Anschluss an der
fluidleitende Verbindung angeschlossen ist, und die Kompressionsphase
von der Fluidpumpe, welche mit ihrem druckseitigen Anschluss an
der fluidleitende Verbindung angeschlossen ist, beschreiben.
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Das
Fluid ist beispielsweise gasförmig
oder flüssig.
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Um
von dem druckseitigen Anschluss einer Fluidpumpe in den saugseitigen
Anschluss einer anderen Fluidpumpe störungsfrei zu fördern ist
es beispielsweise vorgesehen, dass in wenigstens einer fluidleitenden
Verbindung zwischen dem saugseitigen Anschluss einer Fluidpumpe
und dem druckseitigen Anschluss einer anderen Fluidpumpe ein Speichervolumen
für das
von derjenigen Fluidpumpe geförderte
Fluid angeordnet ist, welche mit dieser fluidleitenden Verbindung
mit ihrem druckseitigen Anschluss verbunden ist.
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Zweckmäßigerweise
weist wenigstens eine der weiteren Fluidpumpen eine Verstelleinrichtung zum
Verändern
des Fördervolumens
pro Arbeitszyklus dieser Flu idpumpe auf. Beispielsweise verändert die
Versteileinrichtung eine Hublänge
der Fluidpumpe.
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Zum
Erhöhen
der Mischungsgenauigkeit weist der saugseitige Anschluss wenigstens
einer der Fluidpumpen die mit einem druckseitigen Anschluss einer
anderen Fluidpumpe verbunden ist, wenigstens zwei getrennte Saugventile
mit jeweiligem saugseitigem Anschluss auf, wobei ein Saugventil
mit einem Fluidbehälter
für ein
dieser Fluidpumpe zugeordnetes Fluid A und wenigstens ein anderes
Saugventil mit wenigstens einem druckseitigen Anschluss einer anderen
Fluidpumpe verbunden ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer herkömmlichen Pumpenanordnung zum
Mischen von zwei Fluiden,
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2 ein
schematisches Blockschaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung
zum Mischen von zwei Fluiden und,
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3 ein
schematisches Blockschaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung
zum Mischen von zwei Fluiden
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand von zwei bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Pumpenanordnungen
zum Mischen von zwei Fluiden mittels zweier Membranpumpen beschrieben.
Es sei jedoch betont, dass die Erfindung nicht auf das Mischen von
zwei Fluiden beschränkt
ist, sondern dass auch drei oder mehr Fluide gemischt werden können. Dementsprechend
weisen diese Pumpenanordnungen für
drei oder mehr Fluide entsprechen drei oder mehr Fluidpumpen, d.h. eine
der Anzahl der zu mischenden Fluide entsprechende Anzahl von Fluidpumpen,
auf. Ebenso ist die Erfindung nicht auf Membranpumpen bzw. oszillierende
Verdrängerpumpen
beschränkt,
sondern es kann auch jede an dere Art von volumetrisch arbeitenden
Fluidpumpen verwendet werden und es können auch Fluidpumpen unterschiedlichen
Typs in einer Pumpenanordnung miteinander kombiniert werden. Es
ist auch möglich,
dass die Pumpenanordnung nicht mit einem gemeinsamen Antrieb versehen
ist, sondern dass jedes Pumpenelement einen eigenen Antrieb erhält.
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2 zeigt
eine erste bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung
mit einer ersten Fluidpumpe 110 für ein erstes Fluid A, die einen
saugseitigen Anschluss 120 und einen druckseitigen Anschluss 128 aufweist,
sowie mit einer weiteren Fluidpumpe 112 für ein weiteres
Fluid B, die ebenfalls einen saugseitigen Anschluss 122 und
einen druckseitigen Anschluss 130 aufweist. Beide Fluidpumpen 110 und 112 werden
von einer gemeinsamen Antriebswelle 114 angetrieben, die
mit einem Antriebsmotor 116 verbunden ist. Hierbei sind die
beiden Fluidpumpen 110 und 112 derart starr mit der
Antriebswelle 114 verbunden, dass eine feste und unveränderliche
Phasenbeziehung zwischen den beiden Fluidpumpen besteht. Die beiden
Fluidpumpen 110 und 112 sind als oszillierende
Verdrängerpumpen
in Form von Membranpumpen ausgebildet. Eine Hublänge eines Antriebskolbens der
Membranpumpen bestimmt hierbei ein pro Arbeitszyklus der Membranpumpe
gefördertes
Volumen. Durch Verstellung dieser Hublänge kann eine Fördermenge der
Membranpumpe verändert
werden. In der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung
dient die erste Fluidpumpe 110 zum Fördern der Fluide A plus B und die
weitere Fluidpumpe 112 zum fördern des weiteren Fluids B.
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Die
erste Fluidpumpe 110 ist mit ihrem saugseitigen Anschluss 120 über eine
Rohrleitung 124 mit einem Saugbehälter bzw. Fluidbehälter (nicht
dargestellt) für
das erste Fluid A verbunden und mit ihrem druckseitigen Anschluss 128 mit
einer gemeinsamen Fluidleitung 132 verbunden, welche ein
Gemisch bzw. einen Summenstrom 118 aus Fluid A und Fluid B
ableitet. Die weitere Fluidpumpe 112 ist mit ihrem saugseitigen
Anschluss 120 über
eine Rohrleitung 126 mit einem Saugbehälter bzw. Fluidbehälter (nicht dargestellt)
für das
zweite Fluid B verbunden.
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Erfindungsgemäß ist der
druckseitige Anschluss 130 der weiteren Fluidpumpe 112 mit
dem saugseitigen Anschluss 120 der ersten Fluidpumpe 110 verbunden.
Die beiden Fluidpumpen 110 und 112 sind derart
mit der gemeinsamen Antriebswelle 114 verbunden, dass die
weitere Fluidpumpe 112 um einen Phasenwinkel von 180 Grad
versetzt zur ersten Fluidpumpe 110 läuft. Das heißt, wenn
die erste Fluidpumpe 110 mit ihrem Saughub beginnt, beginnt
die weitere Fluidpumpe 112 mit ihrem Druckhub.
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Die
erste Fluidpumpe 110 ist in ihrem Hubvolumen so groß bemessen,
dass sie bei geeigneter Hubzahl den Summenstrom 118 der
gewünschten Rezeptur
fördern
kann. Die weitere Fluidpumpe 112 ist im Hubvolumen bei
gleicher Hubzahl so bemessen, dass sie den maximalen Anteil des
Fluids B fördern
kann.
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Die
erste Fluidpumpe 110 ist derart dimensioniert, dass sie
gegen den größten auftretenden
Gegendruck in der Druckleitung 132 fördern kann. Die zweite Fluidpumpe 112 ist
derart dimensioniert, dass sie gegen den größten auftretenden Gegendruck
in der Saugleitung 124 von Fluid A fördern kann.
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Die
erste Fluidpumpe 110 wird mit konstanter Hublänge betrieben
und weist keine Einrichtung zur Verstellung der Hublänge auf.
Die zweite Fluidpumpe 112 besitzt die erforderlichen Verstellungseinrichtung 140 zur
Verstellung der Hublänge.
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In
der erfindungsgemäßen Ausführung ist die
Phasenlage der Pumpenelemente bzw. Fluidpumpen 110 und 112 nicht
mehr freizügig
wählbar. Idealerweise
sind alle differential zueinander arbeitenden Pumpenelemente um
180° gegeneinander phasenverschoben.
Dies gilt für
einen Fördergrad von
100%. Bei Fördergraden
weniger als 100% läuft die
weitere Fluidpumpe 112 zusätzlich um die halbe Differerenz
der Phasenwinkel nach, welcher die Dekompressionsphase von der ersten
Fluidpumpe 110 und die Kompressionsphase von der zweiten
Fluidpumpe 112 beschreiben. Um diesen Nachlauf so klein
als möglich
zu halten, ist beispielsweise zwischen der ersten Fluidpumpe 110 und
der weiteren Fluidpumpe 112 in einer den druckseitigen
Anschluss 130 der weiteren Fluidpumpe 112 mit
dem saugseitigen Anschluss 120 der ersten Fluidpumpe 110 verbindenden
Fluidleitung 142 eine Einrichtung zur Erhöhung des
Gegendrucks auf die weitere Fluidpumpe 112 eingebaut. Abhängig vom
Pumpen Typ können
zusätzliche
Maßnahmen
sinnvolle oder notwendig sein, um ohne Störung von der weiteren Pumpe 112 in
die erste Pumpe 110 fördern
zu können.
So ist es beispielsweise vorgesehen in der Fluidleitung 142 ein
entsprechend angepasstes Speichervolumen anzuordnen.
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Obwohl
es in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform nicht vorgesehen
ist, die erste Fluidpumpe 110 mit einer Verstellungseinrichtung
auszustatten, kann dies Alternativ zusätzlich vorgesehen sein.
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Bereits
aus dem bisher gesagten in Verbindung mit 2 ergibt
sich einer der besonderen Vorteile der folgenden Erfindung, nämlich dass
nur ein einziges Pumpenelement (die erste Fluidpumpe 110) auf
den Prozessdruck ausgelegt sein muss, d. h. als Hochdruckpumpe ausgelegt
sein muss. Für
die weitere Fluidpumpe 112 ist es ausreichend, diese als Niederdruckpumpe
auszuführen,
da diese lediglich gegen den niedrigeren Druck auf der Saugseite
der ersten Fluidpumpe 110 fördert.
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3 zeigt
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung,
wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet
sind, sodass zu deren Erläuterung
auf die obige Beschreibung der 2 verwiesen
wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 2 weist
bei dieser zweiten Ausführungsform
gemäß 3 die
erste Fluidpumpe 110 zwei saugseitige Anschlüsse 120A und 120B auf.
Diese erste Fluidpumpe 110 weist dementsprechend zwei getrennte
Saugventile (nicht dargestellt) auf. Dadurch ergeben sich Vorteile
bei der Mischungsgenauigkeit, da es nicht schon zu einer Vorvermischung
der Fluide A und B an der Verbindungsstelle der Druckleitung der
weiteren Fluidpumpe 112 mit der Saugleitung der ersten
Fluidpumpe 110 kommt.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise der beispielhaft dargestellten Pumpenanordnungen
für einen
Fördergrad
von 100% erläutert.
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Wenn
die erste Fluidpumpe 110 den vorderen Totpunkt durchläuft und
anschließend
die Befüllung
des Pumpenzylinders aus der Saugleitung 124 beginnt, durchläuft die
weitere Fluidpumpe 112 zur gleichen Zeit den hinteren Totpunkt
und beginnt mit dem Ausschieben des Zylinderinhalts. Dabei wird dieses
Volumen in den Zylinder der ersten Fluidpumpe 110 verschoben.
Sind in einem Grenzfall die Hubvolumina beider Pumpenelemente 110 und 112 gleich,
wird nach dem Durchlau fen des hinteren Totpunkts von der ersten
Fluidpumpe 110 mit beginnendem Druckhub nur Fluid B auf
die Druckseite von der ersten Fluidpumpe 110 gefördert. Es
fließt
kein Fluid A. Der Ablauf wiederholt sich periodisch nach dem Erreichen
des vorderen Totpunkts von der ersten Fluidpumpe 110. Ist
nun, eingestellt über
die Hublänge an
der weiteren Fluidpumpe 112 mittels der Verstellungseinrichtung 140,
das Hubvolumen der weiteren Fluidpumpe 112 kleiner als
das von der ersten Fluidpumpe 110, so wird der Zylinder
von der ersten Fluidpumpe einer der 10 zusätzlich mit Fluid A befüllt. Der
Anteil an Fluid A entspricht dabei der Differenz der beiden Hubvolumina.
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Sofern
dem Gemisch bzw. dem Summenstrom 118 neben dem Fluid A
und dem Fluid B weitere Fluide zugemischt werden sollen, ist es
beispielsweise vorgesehen, für
ein drittes Fluid C eine zweite weitere Fluidpumpe vorzusehen, deren
saugseitiger Anschluss mit einem Saugbehälter bzw. Fluidbehälter für das dritte
Fluid C verbunden ist und deren druckseitiger Anschluss mit dem
saugseitigen Anschluss 122 der weiteren Fluidpumpe 112 verbunden
ist. Für
ein viertes Fluid D wäre
dann beispielsweise eine dritte weitere Fluidpumpe vorgesehen, deren
saugseitiger Anschluss mit einem Saugbehälter bzw. Fluidbehälter für das vierte
Fluid D verbunden ist und deren druckseitiger Anschluss mit dem saugseitigen
Anschluss der zweiten weiteren Fluidpumpe für das Fluid C verbunden ist.
Dementsprechend kaskadenförmig
wäre jede
weitere Fluidpumpe für
jedes weitere Fluid mit der entsprechend vorgeschalteten Fluidpumpe
für das
vorhergehende Fluid verbunden. Alle Pumpenelemente bzw. Fluidpumpen
für die
einzelnen Fluide sind in Flussrichtung seriell aufgebaut. Nur jeweils
das letzte Pumpenelement ist auf der Saugseite direkt mit dem Behälter für das letzte
Fluid verbunden. Alle anderen Elemente sind auf der Saugseite mit
einem dem Pumpenelement zugeordneten Saugbehälter für das zugeordnete Fluid und
zusätzlich
mit der Druckseite des nächsten
Pumpenelementes verbunden.
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Alternativ
ist eine oder sind mehrere oder alle weiteren Fluidpumpen mit ihrem
jeweiligen druckseitigen Anschluss mit dem saugseitigen Anschluss 120 der
ersten Fluidpumpe 110 verbunden. Zweckmäßigerweise ist jede der weiteren
Fluidpumpen mit einer Verstellungseinrichtung 140 ausgestaltet.