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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pumpensystem mit wenigstens zwei Pumpen und einem zur Aufnahme eines Fluids geeigneten, flexiblen Behälter. Das Pumpensystem kann insbesondere als peristaltisches System ausgebildet sein. Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Fluidfördervorrichtung, eine Pipettiervorrichtung und eine Manschette, die ein solches Pumpensystem verwenden, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Pumpensystems.
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In peristaltischen Systemen werden wiederholte Vorgänge aneinander gereiht, so dass beispielsweise eine Fortbewegung eines Fluids oder eines Festkörpers erreicht wird. Aus der Technik sind peristaltische Systeme bekannt, die der Förderung von Flüssigkeiten oder der Bewegung von flexiblen Körpern dienen. Unter anderem sind physiologische, mechanische, elektromechanische, hydraulische und andere Antriebsprinzipien bekannt. Ein hydraulischer Antrieb bietet die Möglichkeit einer weiträumigen Trennung zwischen Krafterzeugung und Krafteinleitung. Dies ermöglicht die Unterbringung von kleinen peristaltischen Aktoren an schwer zugänglichen Stellen und in Räumen mit kleinem Volumen.
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Eine peristaltische Sonde ist bekannt, die sich selbständig durch Hohlräume des menschlichen Körpers bewegen kann. Die Sonde besteht aus drei oder mehr Segmenten, die jeweils mittels einer zugehörigen Pumpe hydraulisch angesteuert werden können. Abhängig vom Betrieb der jeweiligen Pumpe wird hierdurch eine Veränderung des Durchmessers und der Länge des entsprechenden Segments bewirkt. Durch eine zyklisch wiederholte Ansteuerung der verschiedenen Segmente kann eine geradlinige Vorwärtsbewegung der Sonde durch einen Hohlraum bewirkt werden. Die Ansteuerung von einzelnen Segmenten in Verbindung mit der Notwendigkeit, diese gezielt zeitweise mit einem höheren Druck und zeitweise mit einem geringeren Druck zu beaufschlagen sowie diese Drücke jeweils auch über einen längeren Zeitraum aufrecht zu erhalten, machen eine Vielzahl an steuerbaren Elementen, wie zum Beispiel Ventilen, Pumpen, Drucksensoren etc., erforderlich. Dies führt zu einem Anstieg der Kosten und einem erhöhten Platzbedarf bei solchen Systemen.
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Die
DE 40 19 594 A1 offenbart eine Pumpe für ein pumpbares Fluid, bestehend aus einem Behälter mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass, wenigstens einer im Volumen verkleinerbaren Kammer in dem Behälter, welche mit dem wenigstens einen Einlass und dem wenigstens einen Auslass verbindbar ist, wobei die Kammer wenigstens eine bewegbare Begrenzung zum Zusammenziehen und Ausdehnen des Kammervolumens aufweist, und wenigstens einem dehnbaren Verdrängungsmittel zum Bewegen der wenigstens einen Begrenzung für das Zusammenziehen oder Ausdehnen der Kammer, wobei das Ausdehnen der Kammer gestattet, sich wenigstens teilweise mit pumpbarem Fluid von dem wenigstens einen Einlass her zu füllen, und das Zusammenziehen der Kammer gestattet, sich wenigstens teilweise von pumpbarem Fluid zu entleeren. Des Weiteren besteht die Pumpe aus wenigstens einem ersten Ventilmittel zum Abfangen des Stromes von pumpbarem Fluid in die Kammer, wobei das Abfangen in einem von wenigstens einem Einlass ausgehenden Strömungspfad erfolgt, und wenigstens einem zweiten Ventilmittel zum Abfangen des Stromes von pumpbarem Fluid in die Kammer, wobei das Abfangen in einem von wenigstens einem Auslass ausgehenden Strömungspfad erfolgt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpensystem mit geringer Größe und einfachem Aufbau, bei dem ein Fluidfluss in Förderrichtung bei abgeschalteter Pumpe verhindert wird, sowie eine Fluidfördervorrichtung, eine Pipettiervorrichtung und eine Manschette, die ein solches Pumpensystem verwenden, und ein unkompliziertes Verfahren zum Betrieb eines solchen Pumpensystems bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Pumpensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Fluidfördervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9, eine Pipettiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11, eine Manschette mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen folgen aus den übrigen Ansprüchen.
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Das Pumpensystem gemäß der Erfindung umfasst wenigstens zwei separat ansteuerbare Pumpen, die jeweils eine zur Aufnahme eines Fluids geeignete Pumpkammer, ein zum Ansaugen und Verdrängen eines Fluids in die bzw. aus der Pumpkammer geeignetes Pumpelement (aktive Pumpkammerwand), zwei Rückschlagventile, von denen das eine in Fluidverbindung mit einem Einlass der Pumpkammer und das andere in Fluidverbindung mit einem Auslass der Pumpkammer angeordnet ist, und ein Ventil, das im Ruhezustand der Pumpe geschlossen ist und derart in Fluidverbindung mit den Rückschlagventilen angeordnet ist, dass es sich bei einem bestimmten von der Pumpe erzeugten Überdruck öffnet und geöffnet bleibt solange dieser Überdruck besteht, aufweisen. Des Weiteren umfasst das Pumpensystem wenigstens einen zur Aufnahme eines Fluids geeigneten Behälter, der in Fluidverbindung mit einem Einlass der einen Pumpe und mit einem Auslass der anderen Pumpe angeordnet und auf eine solche Weise zumindest bereichsweise flexibel ausgebildet ist, dass sein Volumen von dem Volumen eines aufgenommenen Fluids abhängt.
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Der Behälter kann über den Auslass der einen Pumpe mit einem Fluid befüllt und über den Einlass der anderen Pumpe entleert werden. Da die Pumpen separat ansteuerbar sind, kann jeweils eine der Pumpen betrieben werden, während die andere Pumpe im Ruhezustand ist. Indem die Pumpen geeignet angesteuert werden, kann somit das Volumen des Behälters über die im Behälter aufgenommene Fluidmenge (das Fluidvolumen im Behälter) auf einfache, effiziente und präzise Weise variiert werden. Durch eine zyklische Wiederholung einer solchen Ansteuerung der Pumpen wird eine periodische Variation des Behältervolumens ermöglicht. Da die Pumpen des Systems gleich aufgebaut sind und die Änderung des Behältervolumens beispielsweise durch sequenzielle Aktivierung der Pumpen erfolgen kann, kann das System mit nur einer Treiberelektronik (Steuerelektronik) bedient werden, was die Bedienbarkeit erheblich vereinfacht. Des Weiteren kann auf diese Weise der Energieverbrauch beim Betrieb des Systems gesenkt werden. Das System kann somit beispielsweise über eine kompakte Batterie mit Energie versorgt werden, was insbesondere bei mobilen Anwendungen vorteilhaft ist.
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Der Behälter kann beispielsweise als Ballon, Schlauch oder dergleichen ausgebildet sein und aus einem elastischen oder unelastischen Material bestehen. Durch das Zuführen eines Fluids in den Behälter wird in diesem ein Überdruck erzeugt, der zu einer Vergrößerung des Behältervolumens führt. Wird der Behälter entleert, so entsteht in diesem ein Unterdruck und wird folglich das Behältervolumen verkleinert. Falls der Behälter aus einem elastischen Material besteht, kann die elastische Rückstellkraft des Behältermaterials zu der Verkleinerung des Behältervolumens bei der Entleerung des Behälters beitragen. Des Weiteren ist auch ein Behälteraufbau möglich, bei dem nur ein Teil des Behälters flexibel und der übrige Behälterbereich starr ausgebildet ist. Der flexible Behälterteil kann in diesem Fall aus einem elastischen oder unelastischen Material bestehen. Bei einem solchen Aufbau wird eine Variation des Behältervolumens durch eine Verformung des flexiblen Behälterteils erreicht, was eine besonders gezielte Änderung der Form des Behälters beim Betrieb des Pumpensystems ermöglicht.
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Die Rückschlagventile sind jeweils so in der Pumpe angeordnet, dass sie einen Fluidfluss durch die Pumpe in der Richtung entgegengesetzt der Förderrichtung des Fluids (Fluidförderrichtung) unterbinden. Da zusätzlich ein weiteres, im Ruhezustand der Pumpe geschlossenes, Ventil (NC-Ventil) in Fluidverbindung mit den Rückschlagventilen vorgesehen ist, wird bei abgeschalteter Pumpe auch ein Fluidfluss in der Förderrichtung zuverlässig verhindert. Somit sperrt die Pumpe im Ruhezustand in beiden Richtungen, wodurch insbesondere ein sogenannter „freier Fluss”, also ein Fluidfluss in Förderrichtung bei abgeschalteter Pumpe, vermieden wird. Wird das Pumpensystem gemäß der Erfindung abgeschaltet, so geht es in einen stabilen Zustand über, da die Pumpen in diesem Fall in den Ruhezustand gebracht werden und somit zuverlässig geschlossen sind. Folglich sind keine aktiven Steuerventile zur Regulierung des Fluidflusses erforderlich, so dass der Aufbau und die Bedienbarkeit des Systems erheblich vereinfacht sowie die Herstellungskosten verringert werden. Insbesondere ermöglicht der unkomplizierte Aufbau des Systems die Herstellung in hohen Stückzahlen bei niedrigen Fertigungskosten. Somit kann das Pumpensystem gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft in Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) eingesetzt werden, bei denen eine geringe Größe sowie ein niedriger Energieverbrauch für kompakte und mobile Anwendungen sehr wichtig sind.
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Das Pumpensystem gemäß der Erfindung ist für die Verwendung mit jeder Art von Fluid geeignet. Als Fluid kann somit, je nach Einsatzbereich des Systems, eine geeignete Flüssigkeit oder ein geeignetes Gas gewählt werden. Vorzugsweise werden jedoch Flüssigkeiten als Fluid eingesetzt, da diese im Vergleich zu Gasen eine geringere Kompressibilität aufweisen und somit eine besonders präzise Steuerung des Behältervolumens ermöglichen. Andererseits erlaubt die Verwendung von beispielsweise Luft als Fluid einen besonders einfachen Aufbau und Betrieb des Systems.
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Vorzugsweise bilden die wenigstens zwei Pumpen und der Behälter des Pumpensystems ein geschlossenes Fluidsystem, also einen geschlossenen Fluidkreislauf, wobei in diesem Fall wenigstens ein zusätzlicher Behälter als Fluidreservoir eingesetzt wird. Auf diese Weise wird ein konstantes Gesamtvolumen des Fluids erreicht, was die Volumensteuerung erleichtert und die Einstellung des maximalen Fluiddrucks in noch feineren Abstufungen ermöglicht, wodurch eine noch präzisere Variation des Behältervolumens ermöglicht wird. Insbesondere hat in diesem Fall ein Totvolumen des Fluidsystems keinen Einfluss auf den Betrieb des Systems und kann somit vernachlässigt werden. Außerdem kann bei Verwendung einer Flüssigkeit als Fluid zuverlässig sichergestellt werden, dass keine Luft in das Fluidsystem gelangt. Die Verwendung von Drucksensoren ist nicht erforderlich, so dass ein einfacher und kompakter Aufbau des Systems gewährleistet ist.
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Das im Ruhezustand der Pumpe geschlossene Ventil ist vorzugsweise als passives Ventil ausgebildet, so dass zum Öffnen und Schließen desselben keine Ansteuerung von außen erforderlich ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist bei zumindest einer der Pumpen das Ventil zwei Kammern, von denen die eine mit dem Rückschlagventil an dem Einlass der Pumpkammer und die andere mit dem Rückschlagventil an dem Auslass der Pumpkammer in Fluidverbindung steht, und eine zwischen den Kammern angeordnete Membran auf. Die Membran ist so ausgebildet, dass sie sich verformt, wenn der Druck in der Kammer an der Auslassseite den Druck in der Kammer an der Einlassseite um einen vorgegeben Wert übersteigt, wodurch sich das Ventil öffnet. Ein solcher Aufbau des Ventils ist einfach und kostengünstig und ermöglicht eine zuverlässige, effektive Verhinderung eines Fluidflusses im Ruhezustand der Pumpe. Da für ein solches Ventil außer der Membran keine beweglichen Teile benötigt werden, ist es zudem äußerst stabil und langlebig.
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Vorzugsweise ist bei zumindest einer der Pumpen das Pumpelement eine Membran. Die Verwendung einer Membran ermöglicht einen kompakten und einfachen Aufbau der Pumpe und außerdem einen sehr präzisen, genau gesteuerten Fluidtransport, insbesondere für kleine Fördermengen. Somit können auch kleine Änderungen des Behältervolumens mit hoher Präzision erreicht werden, was besonders bei Behältern mit geringem Volumen vorteilhaft ist. Die Membran kann beispielsweise aus einem Metall oder einem Kunststoff ausgebildet sein, wodurch eine einfache und kostengünstige Herstellung der Pumpe gewährleistet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind bei zumindest einer der Pumpen die Rückschlagventile, das Ventil und die Pumpkammer und/oder das Pumpelement in einer Ebene, also nebeneinander, angeordnet. Hierbei können entweder die Pumpkammer oder das Pumpelement, aber auch beide Elemente zugleich, in der gleichen Ebene wie die Rückschlagventile und das Ventil vorgesehen sein. Dieser Ansatz erlaubt einen besonders kompakten, platzsparenden und stabilen Aufbau der Pumpe. Eine solche planare Struktur der Pumpe eignet sich außerdem sehr gut für den Einsatz des Systems gemäß der Erfindung in MEMS zur vielfach parallelen Fertigung. Die Elemente der Pumpe können beispielsweise nebeneinander auf einem flächig ausgebildeten Trägersubstrat, wie zum Beispiel einem Halbleiter-, Keramik-, Kunststoff- oder Metallsubstrat, angeordnet sein, wobei das Substrat zum Erreichen einer besonders hohen Packungsdichte auch auf beiden Seiten mit Pumpelementen versehen sein kann. Die auf den beiden Substratseiten vorgesehenen Pumpelemente können hierbei Elemente derselben Pumpe oder verschiedener Pumpen sein.
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Vorzugsweise besteht bzw. bestehen bei zumindest einer der Pumpen die Pumpkammer und/oder das Pumpelement und/oder die Rückschlagventile und/oder das Ventil aus Silizium, einem Metall oder einem Kunststoff. Somit werden ein stabiler Aufbau und eine unkomplizierte Herstellung der Pumpe gewährleistet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind bei zumindest einer der Pumpen die Pumpkammer, das Pumpelement, die Rückschlagventile und das Ventil fest miteinander verbunden, wodurch die Stabilität und Kompaktheit der Pumpe weiter erhöht werden können. Die feste Verbindung der Pumpelemente miteinander kann hierbei durch Aufbringen der Elemente auf ein Trägersubstrat erreicht werden, wie oben bereits ausführlich erläutert wurde.
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Vorzugsweise ist zumindest eine der Pumpen eine Mikropumpe, also eine Pumpe reduzierter Baugröße mit Abmessungen im Millimeter- bis Mikrometerbereich. Ein solch kompakter Pumpenaufbau, bei dem beispielsweise eine Membran als Pumpelement verwendet werden kann, ist insbesondere für den Einsatz des Systems gemäß der Erfindung in MEMS von großem Vorteil.
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Des Weiteren besteht der Behälter des Systems gemäß der Erfindung vorzugsweise aus einem Kunststoff, wodurch ein einfacher, kostengünstiger, robuster und leichter Aufbau gewährleistet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Pumpensystem als peristaltisches System ausgebildet und umfasst mehr als zwei Pumpen und wenigstens zwei Behälter, wobei jeder der Behälter jeweils in Fluidverbindung mit dem Einlass einer der Pumpen und mit dem Auslass einer anderen der Pumpen angeordnet ist. Jeder der Behälter kann über den Auslass der einen der Pumpen mit einem Fluid befüllt und über den Einlass der anderen der Pumpen entleert werden. Da alle Pumpen separat ansteuerbar sind, kann jeweils eine der Pumpen betrieben werden, während die andere Pumpe im Ruhezustand ist. Durch eine geeignete Ansteuerung der Pumpen, können somit die Volumina der Behälter über die darin aufgenommene Fluidmenge (das Fluidvolumen in den Behältern) auf einfache, effiziente und präzise Weise variiert werden. Indem eine solche Ansteuerung der Pumpen zyklisch wiederholt wird, wird eine periodische Variation der Behältervolumina ermöglicht. Da die Pumpen des Systems so wie im oben beschriebenen Fall gleich aufgebaut sind und die Änderung der Behältervolumina beispielsweise durch sequenzielle Aktivierung der Pumpen erfolgen kann, kann das System mit nur einer Treiberelektronik (Steuerelektronik) bedient werden, was die Bedienbarkeit erheblich vereinfacht.
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Die Verwendung von wenigstens zwei Behältern, deren Volumina zeitlich unterschiedlich voneinander variiert werden können, ermöglicht beispielsweise den Einsatz des Pumpensystems zur Fortbewegung von Fluiden in einem nahe zu dem System angeordneten verformbaren Kanal. Das System kann somit für eine Fluidfördervorrichtung, wie zum Beispiel eine Peristaltikpumpe, eine Schlauchpumpe oder eine hydraulische Dosierpumpe verwendet werden, wie nachfolgend ausführlich beschrieben wird.
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Die Fluidfördervorrichtung gemäß der Erfindung umfasst ein solches Pumpensystem und einen zur Aufnahme eines Fluids geeigneten verformbaren Kanal, wobei der Kanal relativ zu den Behältern des Pumpensystems so angeordnet ist, dass eine jeweilige Änderung des Volumens eines der Behälter des Pumpensystems dazu geeignet ist, einen Druck auf einen Abschnitt des Kanals in der Nähe des entsprechenden Behälters auszuüben, der eine Verformung des entsprechenden Abschnitts des Kanals bewirkt. Durch eine Änderung des Behältervolumens wird hierbei ein Druck auf den entsprechenden Kanalabschnitt ausgeübt, der zu einer Verformung desselben führt. Dieser Druck kann direkt von dem Behälter auf den Kanalabschnitt oder über ein zwischen Behälter und Kanalabschnitt angeordnetes Druckübertragungselement, wie beispielsweise einen Kolben oder ein geeignetes Zwischenstück, übertragen werden. Der verformbare Kanal kann zum Beispiel als Schlauch oder als flexible Röhre ausgebildet sein. Indem die Pumpen des Pumpensystems geeignet angesteuert werden, um so eine geeignete Variation der Volumina der verschiedenen Behälter zu bewirken, kann ein in dem Kanal enthaltenes Fluid entlang des Kanals fortbewegt und somit gefördert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Fluidfördervorrichtung kann diese auch mehrere Pumpensysteme mit jeweils einem oder mehreren Behältern und einen zur Aufnahme eines Fluids geeigneten verformbaren Kanal umfassen, wobei der Kanal relativ zu den Behältern der Pumpensysteme so angeordnet ist, dass eine jeweilige Änderung des Volumens eines der Behälter der Pumpensysteme dazu geeignet ist, eine Verformung eines Abschnitts des Kanals in der Nähe des entsprechenden Behälters zu bewirken. Ein solcher Aufbau erleichtert eine unabhängige Änderung der Volumina der Behälter, da diese über verschiedene unabhängige Pumpensysteme gesteuert werden, und ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Fluidverbindung zwischen den verschiedenen Behältern wegen des spezifischen Aufbaus der Fluidfördervorrichtung schwer zu verwirklichen ist.
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Vorzugsweise sind die Behälter als Bereiche eines Rohres ausgebildet und ist der verformbare Kanal innerhalb des Rohres angeordnet. Dieser Ansatz ermöglicht einen kompakten und stabilen Aufbau der Fluidfördervorrichtung, der insbesondere bei mobilen Anwendungen von Vorteil ist.
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Die Erfindung stellt außerdem eine Pipettiervorrichtung zur Verfügung, die zumindest eine wie oben beschriebene Fluidfördervorrichtung umfasst. Eine solche Pipettiervorrichtung weist einen einfachen und kompakten Aufbau auf und ist für die präzise Pipettierung auch kleiner Fluidmengen geeignet. Die Pipettiervorrichtung kann beispielsweise für medizinische, chemische oder biologische Anwendungen verwendet werden. In diesem Fall kann die bei der erfindungsgemäßen Fluidfördervorrichtung auf einfache Weise zu bewirkende Umkehr der Fluidförderrichtung besonders vorteilhaft eingesetzt werden.
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Des Weiteren stellt die Erfindung auch eine Manschette, beispielsweise für medizinische Anwendungen, bereit, die zumindest ein wie oben beschriebenes Pumpensystem umfasst und insbesondere für eine Lymphdrainage geeignet ist. Die Manschette wird hierbei so an einen zu behandelnden Patienten angelegt, dass die Behälter des Systems durch eine periodische Variation ihrer Volumina eine geschwollene Körperregion des Patienten, wie zum Beispiel einen Arm- oder Beinbereich, massieren und so eine Entstauung der Region bewirken können. Wie oben bereits erörtert wurde, ist der kompakte, einfache und stabile Aufbau des Pumpensystems für solche mobilen Anwendungen besonders gut geeignet.
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Überdies kann das Pumpensystem gemäß der Erfindung zum Beispiel in einem hydraulisch verstärkten Ventil eingesetzt werden.
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Das Verfahren zum Betrieb eines wie oben beschriebenen Pumpensystems umfasst die folgenden Schritte: Ansteuern der Pumpe, deren Einlass in Fluidverbindung mit dem Behälter steht, um diese in den Ruhezustand zu bringen, Ansteuern der Pumpe, deren Auslass in Fluidverbindung mit dem Behälter steht, um diese zu betreiben, so dass dem Behälter ein Fluid zugeführt wird, anschließendes Ansteuern der Pumpe, deren Auslass in Fluidverbindung mit dem Behälter steht, um diese in den Ruhezustand zu bringen und Ansteuern der Pumpe, deren Einlass in Fluidverbindung mit dem Behälter steht, um diese zu betreiben, so dass das Fluid aus dem Behälter abgeführt wird. Auf diese Weise kann die in dem Behälter aufgenommene Fluidmenge (das Fluidvolumen in dem Behälter) und somit auch das Volumen des Behälters durch separate Ansteuerung der Pumpen einfach und präzise gesteuert werden. Wie oben bereits erläutert wurde, kann hierbei das System mit nur einer Treiberelektronik (Steuerelektronik) bedient werden, was das Bedienverfahren erheblich vereinfacht sowie die Herstellungskosten und den Energieverbrauch beim Betrieb des Systems senkt.
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Bei einem wie oben beschriebenen Pumpensystem, das mehr als zwei Pumpen und wenigstens zwei Behälter umfasst, können die obigen Verfahrensschritte in vorgegebener Abfolge für jeden der Behälter durchgeführt werden, um so eine geeignete Variation der Volumina der verschiedenen Behälter zu bewirken. Auf diese Weise kann zum Beispiel, wie oben bereits ausführlich erläutert wurde, ein in einem nahe zu den Behältern angeordneten verformbaren Kanal aufgenommenes Fluid entlang des Kanals fortbewegt und somit gefördert werden.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, wobei
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1a) bis c) eine schematische Darstellung einer Pumpe mit zwei Rückschlagventilen zeigen;
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2a) und b) eine schematische Darstellung einer Pumpe mit zwei Rückschlagventilen und einem weiteren Ventil zeigen;
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3a) und b) eine schematische Darstellung eines Pumpensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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4a) bis c) eine schematische Darstellung eines Pumpensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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5a) bis l) eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Pumpensystems gemäß der in 4a) bis c) gezeigten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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6 eine schematische Darstellung des Pumpensystems gemäß der in 4a) bis c) gezeigten Ausführungsform der Erfindung im Anfangszustand zeigt;
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7 eine schematische Darstellung eines Pumpensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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8 eine schematische Darstellung eines Pumpensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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9a) bis e) eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Fluidfördervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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10a) bis e) eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines hydraulisch verstärkten Ventils zeigen, in dem ein Pumpensystem gemäß der Erfindung eingesetzt wird; und
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11 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Fluidfördervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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1a) bis c) zeigen eine schematische Darstellung einer Pumpe 10 mit einer Pumpkammer 14, zwei Rückschlagventilen 12, 12', von denen das eine 12 in Fluidverbindung mit einem Einlass der Pumpkammer 14 und das andere 12' in Fluidverbindung mit einem Auslass der Pumpkammer 14 angeordnet ist, und einem Pumpelement (aktive Pumpkammerwand) 16, das als integral mit der Pumpkammer 14 verbundene Membran ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Membran 16 mittels eines an der Membran 16 vorgesehenen piezoelektrischen Elements (nicht gezeigt) durch Anlegen einer Spannung an das Element verformt werden, um so ein Fluid in die Pumpkammer 14 anzusaugen oder aus dieser zu verdrängen. Die Membran 16 kann zum Beispiel aus einem Metall oder einem Kunststoff ausgebildet sein.
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Die Bezugszeichen p1 und p2 kennzeichnen einen Druck an der Einlassseite der Pumpe (Vordruck p1) beziehungsweise einen Druck an der Auslassseite (Gegendruck p2) der Pumpe 10. Wie in 1a) gezeigt ist, fließt bei eingeschalteter Pumpe 10, also beispielsweise bei einer an das piezoelektrische Element angelegten Wechselspannung, ein Fluidförderstrom 11 in der mit einem Pfeil gekennzeichneten Richtung, da die Rückschlagventile 12, 12' in dieser Richtung für ein Fluid durchlässig sind. Da die Pumpe 10 in Betrieb ist, ist der Vordruck p1 kleiner als der Gegendruck p2. Wird die Pumpe abgeschaltet und bleibt dabei p1 kleiner als p2, so verhindern in diesem Fall die Rückschlagventile 12, 12' zuverlässig einen Fluidstrom entgegen der Förderrichtung, da sie in dieser Richtung sperren (siehe 1b)).
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Eine wie in 1a) bis c) gezeigt aufgebaute Pumpe 10 ist in Förderrichtung immer für einen Fluidfluss geöffnet, also auch bei abgeschalteter Pumpe 10. Falls p1 größer als p2 ist (siehe 1c)), stellt die Pumpe 10 somit zwar in der Förderrichtung einen gewissen Fließwiderstand dar, ist aber dennoch offen, so dass ein Fluidfluss in Förderrichtung auch bei abgeschalteter Pumpe 10 auftreten kann. Dieser sogenannte „freie Fluss” kann für viele Anwendungen einen ernsthaften Nachteil bedeuten, da es im Ruhezustand der Pumpe zu unkontrollierten Fluidströmen kommen kann. Dies kann insbesondere bei der Verwendung der Pumpe 10 in einem Pumpensystem zu erheblichen Problemen führen, da hier eine präzise Dosierung des Fluids sowie ein exakt definierter Zustand des Systems auch in dessen Ruhezustand erforderlich sind.
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Dieses Problem des „freien Flusses” wird durch die bei dem Pumpensystem gemäß der Erfindung verwendeten Pumpen 30 gelöst, indem ein im Ruhezustand der Pumpe 30 geschlossenes Ventil 18 (NC-Ventil) in Fluidverbindung mit den Rückschlagventilen 12, 12' vorgesehen wird (siehe 2a) und b)). Die übrigen Pumpelemente 12, 12', 14, 16 der in den 2a) und b) gezeigten Pumpe 30 sind mit denen der in den 1a) und b) gezeigten Pumpe 10 identisch. Das NC-Ventil 18 weist eine mit dem Rückschlagventil 12 an dem Einlass der Pumpkammer 14 in Fluidverbindung stehende Kammer 20 und eine mit dem Rückschlagventil 12' an dem Auslass der Pumpkammer 14 in Fluidverbindung stehende Kammer 22 sowie eine zwischen diesen Kammern 20, 22 angeordnete Membran 24 auf, durch welche die Kammern 20 und 22 voneinander getrennt werden. Ist bei abgeschalteter Pumpe 18 der Vordruck p1 größer als der Gegendruck p2, wie in 2a) gezeigt ist, so verschließt die Membran 24 den Austritt des Ventils 18 und verhindert somit zuverlässig einen Fluidstrom in Förderrichtung. Bei eingeschalteter Pumpe 30 wird die Membran 24 verformt, wenn der Druck p2 in der Kammer 22 an der Auslassseite der Pumpkammer (14) den Druck p1 in der Kammer 20 an der Einlassseite der Pumpkammer (14) um einen vorgegeben Wert dp übersteigt, also sobald die Pumpe einen gewissen Überdruck erzeugt hat, wodurch sich das Ventil 18 öffnet und auch geöffnet bleibt, solange dieser Überdruck besteht (siehe 2b)).
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3a) und b) zeigen eine schematische Darstellung eines Pumpensystems 50 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das System 50 weist zwei wie in 2a) und b) gezeigt aufgebaute, separat ansteuerbare Pumpen 30, 30' und einen in Fluidverbindung mit einem Einlass der einen Pumpe 30' und mit einem Auslass der anderen Pumpe 30 angeordneten Behälter 40 auf. Der Behälter 40 ist ballonförmig und aus einem flexiblen und elastischen Material, wie zum Beispiel Gummi, ausgebildet, wobei sein Volumen von dem Volumen eines aufgenommenen Fluids abhängt. Das System 50 kann offen oder geschlossen ausgebildet werden, indem die Fluidleitungen 26'' und 26''' wahlweise zum Beispiel mit einem Fluidreservoir, der Umgebung oder miteinander verbunden werden.
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Um dem Behälter 40 ein Fluid zuzuführen und somit sein Volumen zu vergrößern, wird, wie in 3a) gezeigt ist, die Pumpe 30' in den Ruhezustand gebracht und die Pumpe 30 angeschaltet. Hierdurch wird durch die Pumpe 30 über eine Fluidleitung 26, wie zum Beispiel einen Schlauch, ein Fluid in den Behälter 40 transportiert, während ein Austreten des Fluids aus dem Behälter 40 über eine weitere Fluidleitung 26' und die Pumpe 30' zuverlässig durch das NC-Ventil 18 dieser Pumpe 30' verhindert wird. Auf diese Weise kann das in dem Behälter 40 aufgenommene Fluidvolumen und folglich auch das Volumen des Behälters 40 vergrößert werden.
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Um das Fluid aus dem Behälter 40 abzuführen und somit sein Volumen zu verkleinern, wird, wie in 3b) gezeigt ist, die Pumpe 30 in den Ruhezustand gebracht und die Pumpe 30' angeschaltet. Auf diese Weise wird das Fluid über die Fluidleitung 26' mittels der Pumpe 30' aus dem Behälter 40 abgesaugt, während kein Fluid über die Fluidleitung 26 und die abgeschaltete Pumpe 30 in den Behälter 40 transportiert werden kann, da das NC-Ventil 18 dieser Pumpe 30 sperrt. Somit kann das in dem Behälter 40 aufgenommene Fluidvolumen und folglich auch das Volumen des Behälters 40 verkleinert werden.
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4a) bis c) zeigen eine schematische Darstellung eines Pumpensystems 60 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das System 60 weist den gleichen grundlegenden Aufbau wie das in 3a) und b) gezeigte System 50 auf, umfasst jedoch drei wie in 2a) und b) gezeigt aufgebaute, separat ansteuerbare Pumpen 30, 30', 30'' und drei ballonförmige flexible Behälter 40, 40', 40''. Der Behälter 40'' steht mit der Pumpe 30 über eine in 4c) gezeigte, vorzugsweise als Schlauch ausgebildete, Fluidleitung 26 (die in 4a) und b) zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt ist) in Fluidverbindung (siehe auch 5a) bis l) und 6), so dass das System 60 geschlossen ausgebildet ist. Wie aus den 4a) bis c) ersichtlich ist, kann durch eine geeignete Ansteuerung der Pumpen 30, 30', 30'' die Position des Behälters 40 bzw. 40' oder 40'' mit vergrößertem Volumen geändert werden. Zum Beispiel kann, nachdem dem Behälter 40 mittels der Pumpe 30 ein Fluid zugeführt und somit sein Volumen vergrößert wurde (siehe 4a)), wie in 4b) gezeigt ist, die Pumpe 30 in den Ruhezustand gebracht und die Pumpe 30' angeschaltet werden. Auf diese Weise wird das im Behälter 40 aufgenommene Fluid mittels der Pumpe 30' aus dem Behälter 40 abgesaugt und in den Behälter 40' transportiert, während ein Austreten des Fluids aus dem Behälter 40' über die Pumpe 30'' zuverlässig durch das NC-Ventil 18 dieser Pumpe 30'' verhindert wird. Auf analoge Weise kann anschließend das im Behälter 40' aufgenommene Fluid durch Betreiben der Pumpe 30'' in den Behälter 40'' transportiert werden, wie in 4c) veranschaulicht ist. Somit kann die Position des „aufgeblasenen” Behälters 40, 40', 40'' gezielt und auch periodisch wiederholt variiert werden, was beispielsweise den Einsatz des Pumpensystems 60 in einer Fluidförder- oder Massagevorrichtung ermöglicht.
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5a) bis l) zeigen eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Pumpensystems gemäß der in 4a) bis c) gezeigten Ausführungsform der Erfindung. Anders als bei dem in 4a) bis c) gezeigten Fall wird jedoch bei dem in 5a) bis l) gezeigten Betrieb des Systems 60 durch eine geeignete Ansteuerung der Pumpen 30, 30', 30'' die Position von zwei aufgeblasenen Behältern 40, 40', 40'' verändert, wobei zu jedem Zeitpunkt des Betriebs zumindest einer der Behälter 40, 40', 40'' vollständig aufgeblasen ist. Die Verschiebung bzw. der Austausch der aufgeblasenen Behälter 40, 40', 40'' kann hierbei je nach Pumpenansteuerung gegen den Uhrzeigersinn, wie in 5a) bis f) gezeigt ist, oder mit dem Uhrzeigersinn, wie in 5g) bis l) gezeigt ist, erfolgen. Dies erlaubt eine einfache Umkehr der Förderrichtung bei Einsatz des Pumpensystems 60 in einer Fluidfördervorrichtung. Wenn alle Pumpen 30, 30', 30'' gleichzeitig angeschaltet (aktiviert) sind, ist der Fluidkreis offen, so dass ein Druckausgleich zwischen den drei Behältern 40, 40', 40'' stattfindet und diese ein gleiches Volumen annehmen (siehe 6). Somit kann auf einfache Weise ein definierter Anfangszustand des Systems 60 erreicht werden.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Pumpensystems 70 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, das vier wie in 2a) und b) gezeigt aufgebaute, separat ansteuerbare Pumpen 30, 30', 30'', 30''' und vier ballonförmige flexible Behälter 40, 40', 40'', 40''' aufweist. Bei dieser Ausführungsform sind die Pumpen 30, 30', 30'', 30''' in einer ringförmigen Systemgruppe zusammengefasst und stehen mit den Behältern 40, 40', 40'', 40''' über vier, verglichen mit dem in 5a) bis l) und 6 gezeigten Aufbau, längere, vorzugsweise als Schläuche ausgebildete, Fluidleitungen 26, 26', 26'', 26''' in Fluidverbindung. Ein solcher Aufbau ermöglicht eine räumliche Trennung von Pumpen 30, 30', 30'', 30''' und Behältern 40, 40', 40'', 40''' und gestattet somit die Unterbringung der Behälter 40, 40', 40'', 40''' an schwer zugänglichen Stellen und in Räumen mit kleinem Volumen. Der weitere Aufbau und die Funktionsweise des Systems 70 sind mit denen des in 5a) bis l) und 6 gezeigten Systems 60 identisch.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines Pumpensystems 80 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei Pumpen 30, 30' in einer Ebene E nebeneinander angeordnet sind und über Fluidleitungen 26, 26' mit einem in dieser Figur nicht gezeigten Behälter 40 in Fluidverbindung stehen. Um die Elemente 12, 12', 14, 16, 18 der Pumpen 30, 30' in ihrer Position relativ zueinander zu halten, können sie beispielsweise auf ein flächig ausgebildetes Trägersubstrat, wie zum Beispiel ein Halbleiter-, Keramik-, Kunststoff- oder Metallsubstrat, aufgebracht werden, wobei das Substrat zum Erreichen einer besonders hohen Packungsdichte auch auf beiden Seiten mit Pumpelementen 12, 12', 14, 16, 18 versehen sein kann. Die Funktionsweise des Systems 80 ist die gleiche wie die des in 3a) und b) gezeigten Systems 50. Die planare Anordnung der Pumpen 30, 30' ermöglicht jedoch einen besonders kompakten, platzsparenden und stabilen Aufbau des Systems 80 und ist somit sehr gut für den Einsatz in MEMS geeignet.
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9a) bis e) zeigen eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Fluidfördervorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Fluidfördervorrichtung 100 umfasst das in 7 gezeigte Pumpensystem 70, von dem in 9a) bis e) nur die Behälter 40, 40', 40'', 40''' und die Fluidleitungen 26, 26', 26'', 26''' gezeigt sind, und einen zur Aufnahme eines Fluids 92 geeigneten verformbaren Kanal 90, der als Schlauch ausgebildet ist. Wie in 9a) bis e) gezeigt ist, ist der Kanal 90 relativ zu den Behältern 40, 40', 40'', 40''' des Pumpensystems 70 so angeordnet, dass eine jeweilige Änderung des Volumens eines der Behälter 40, 40', 40'', 40''' eine Verformung eines Abschnitts des Kanals 90 in der Nähe des entsprechenden Behälters 40, 40', 40'', 40''' bewirkt. In 9a) ist ein definierter Anfangszustand des Systems 70 gezeigt, der erreicht wird, indem alle Pumpen (nicht gezeigt) des Systems 70 gleichzeitig angeschaltet werden (siehe auch 6). Durch eine geeignete Ansteuerung der Pumpen, die zum Beispiel analog zu dem in 5a) bis f) gezeigten Betriebsverfahren durchgeführt werden kann, kann eine geeignete Variation der Volumina der verschiedenen Behälter 40, 40', 40'', 40''' und somit eine sich zeitlich ändernde Verformung des Kanals 90 erzielt werden. Auf diese Weise kann ein in dem Kanal 90 aufgenommenes Fluid 92 entlang des Kanals 90 fortbewegt (von links nach rechts in 9a) bis e)) und somit gefördert werden. Die Fluidfördervorrichtung 100 weist einen besonders einfachen Aufbau auf und ermöglicht die Förderung auch kleiner Fluidmengen mit hoher Präzision, was insbesondere für den Einsatz in Pipettiervorrichtungen vorteilhaft ist.
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Auf ähnliche Weise kann das Pumpensystem gemäß der Erfindung beispielsweise auch für eine Manschette, die insbesondere für eine Lymphdrainage geeignet ist, verwendet werden. In diesem Fall wird durch eine wie oben beschrieben durchgeführte periodische Variation der Behältervolumina eine geschwollene Körperregion eines Patienten massiert, um so eine Entstauung der Region zu erreichen. Des Weiteren kann das Pumpensystem auch als Mittel zur Durchblutungsförderung, beispielsweise als Teil eines Thrombosestrumpfes, Stützstrumpfes oder Kompressionsstrumpfes, eingesetzt werden. Der kompakte und einfache Aufbau des Systems gemäß der Erfindung ist bei solchen mobilen Anwendungen besonders vorteilhaft.
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10a) bis e) zeigen eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines hydraulisch verstärkten Ventils 200, in dem ein Pumpensystem gemäß der Erfindung eingesetzt wird. Das hydraulisch verstärkte Ventil 200 umfasst zwei flexible Schläuche 101, 105, die zusammen mit einem Zwischenstück 110 in einem festen Rahmen oder Rohr 103 angeordnet sind, wobei 10b) einen Querschnitt des Ventils 200 in einer Ebene, die durch die Längsachsen der Schläuche 101, 105 definiert ist, zeigt und 10a) und 10c) bis e) Querschnittsdarstellungen entlang der Linie A-A in 10b) sind.
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Der in 10b) oben angeordnete Schlauch 101 ist zumindest bereichsweise flexibel ausgebildet und an seinem rechten (in 10b)) Ende 102 so abgeschlossen, dass sein Volumen von dem Volumen eines aufgenommenen Fluids abhängt, wobei er unter erhöhtem Innendruck seinen Durchmesser vergrößert und unter verringertem Innendruck seinen Durchmesser verkleinert. Der obere Schlauch 101 wird somit als ein Behälter des Pumpensystems gemäß der Erfindung eingesetzt. Das Zwischenstück 110 ist zwischen dem oberen 101 und dem unteren Schlauch 105 so angeordnet, dass es, zumindest in dem vergrößerten („aufgeblasenen”) Zustand des oberen Schlauchs 101, mit beiden Schläuchen 101, 105 in Kontakt ist, und ist vorzugsweise aus einem steifen Material, wie z. B. Metall, Keramik oder Kunststoff, ausgebildet. Durch Fluidaufnahme oder -abgabe in den bzw. aus dem oberen Schlauch 101 kann somit gezielt dessen Durchmesser verändert werden, wodurch entsprechend ein von dem oberen Schlauch 101 über das Zwischenstück 110 auf den unteren Schlauch 105 ausgeübter Druck variiert wird. Das feste Rohr 103 dient hierbei als Widerlager für die Schläuche 101, 105. Wie in 10c) bis e) gezeigt ist, kann somit der untere Schlauch 105 durch einen auf solche Weise erzeugten seitlichen Druck an dessen Kontaktbereich mit dem Zwischenstück 110 in gewünschtem Maße komprimiert werden, was die präzise Steuerung eines Fluidflusses durch den Schlauch 105 ermöglicht. Beispielsweise ist der untere Schlauch 105 in dem in 10e) gezeigten Zustand vollständig abgeklemmt, so dass kein Fluidfluss möglich ist, d. h. das Ventil 200 ist geschlossen. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Zwischenstück 110 so ausgebildet ist, dass dessen Kontaktfläche 112 mit dem als Behälter des Pumpensystems eingesetzten Schlauch 101 größer ist als dessen Kontaktfläche 114 mit dem Schlauch 105, der einen zu steuernden Fluidfluss trägt, wodurch die Wirkung des Innendrucks des Schlauches 101 auf die Wand des Schlauches 105 verstärkt werden kann. Beispielsweise drückt bei der in 10a) bis e) gezeigten Ausführungsform das Zwischenstück 110 mit einer engen Kante 114 quer zur Schlauchachse auf den Schlauch 105, während die Kontaktfläche 112 des Zwischenstücks 110 mit dem Schlauch 101 erheblich größer ist (10b)), wodurch der auf den unteren Schlauch 105 ausgeübte Druck und somit auch die Zuverlässigkeit und die Effizienz des Ventils 200 wesentlich vergrößert werden.
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Wie oben ausführlich erläutert wurde, kann mit der in 10a) bis e) gezeigten Anordnung von Schläuchen 101, 105 ein hydraulisch verstärktes Ventil 200 verwirklicht werden. Dabei muss die Anordnung der Schläuche 101, 105 nicht, wie in diesem Beispiel gezeigt, notwendigerweise parallel sein. Jedoch ermöglicht gerade eine solche Konfiguration einen sehr kompakten Aufbau des Ventils 200. Prinzipiell ist es auch möglich, das hydraulisch verstärkte Ventil 200 ohne ein Zwischenstück 110 auf eine solche Weise auszubilden, dass ein flexibler Behälter direkt Druck auf einen ein Fluid führenden Schlauch ausüben kann. Beispielsweise könnten bei einem solchen Aufbau der obere 101 und der untere Schlauch 105 so angeordnet sein, dass ihre Längsachsen im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
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11 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Fluidfördervorrichtung 100' gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau der in dieser Figur gezeigten Fluidfördervorrichtung 100' ist weitgehend mit dem der in 9a) bis e) gezeigten Fluidfördervorrichtung 100 identisch, wobei jedoch bei der vorliegenden Ausführungsform Zwischenstücke 110', 110'' zur Druckübertragung zwischen den Behältern 40, 40''' und dem Schlauch 90 eingesetzt werden. Die Zwischenstücke 110', 110'' sind im Wesentlichen identisch zu dem in 10a) bis e) veranschaulichten Zwischenstück 110 aufgebaut und dienen somit dazu, den auf den Schlauch 90 ausgeübten Druck zu verstärken, wodurch Zuverlässigkeit und Effizienz der Fluidfördervorrichtung 100' erhöht werden können.
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Die in 11 gezeigte Fluidfördervorrichtung 100' bietet folglich besonders an ihren Endabschnitten eine erhöhte Klemmkraft auf den Schlauch 90. Jedoch können, je nach dem Einsatzgebiet der Fördervorrichtung 100' und den Anforderungen an deren Fördereffizienz, auch an den in der Mitte der Vorrichtung 100' angeordneten Behältern 40', 40'' entsprechende weitere Zwischenstücke vorgesehen werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Umfang der folgenden Patentansprüche modifiziert werden.
