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Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem zum Dosieren eines Dosierfluids sowie ein auswechselbares Gehäuseteil für eine Dosiereinheit bzw. eine auswechselbare Dosiereinheit eines Dosiersystems.
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Zur präzisen Dosierung von extrem hochwertigen Medien, zum Beispiel im Pharmabereich, werden in der Regel aufwendige und teure Dosiersysteme eingesetzt, die nach Prozessende mit großem Aufwand gereinigt und sterilisiert werden müssen. Dies lohnt sich vor allem bei größeren Probenmengen. Bei der Verarbeitung von kleineren Mengen liegt hier jedoch ein unerwünschter Kostenfaktor. Daher werden bei der Dosierung von kleineren Medienmengen vorzugsweise Einwegkomponenten eingesetzt, die nach jedem Durchlauf gewechselt werden können.
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Eine derartige Dosiereinheit ist in der gattungsgemäßen
DE 20 2012 003 948 U1 beschrieben. Bei der dort dargestellten Dosiereinheit wird in einer Pumpkammer Luft als Steuerfluid abwechselnd eingeblasen und herausgesaugt, sodass eine Membran zwischen zwei Endstellungen bewegt wird und damit das Volumen einer der Pumpkammer gegenüberliegenden Dosierkammer zu- und abnimmt. Damit ergibt sich eine Membranpumpe, über die das Dosierfluid in sehr genauen Mengen portioniert werden kann. Die dort gezeigte Dosierkammer wird zulaufseitig und ablaufseitig durch jeweils ein Membranventil fluidisch mit einem Zulauf bzw. einem Ablauf verbunden oder von diesem getrennt. Die Steuerung der Membranventile erfolgt zum Beispiel durch ein Pneumatikventil, das die Druckbeaufschlagung der Membran aufseiten der Pumpkammer steuert.
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Die
US 5 344 292 A zeigt eine Pumpe für eine Kochsalzlösung für chirurgische Eingriffe. Die Lösung wird mittels einer durch Druckluft bewegten Membran von einem Einlass zu einem Auslass befördert, wobei sie durch Öffnungen in der Membran zwischen einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil der Pumpe wechselt.
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In der
US 4 846 636 A ist eine Pumpe mit einer auswechselbaren Pumpkassette für medizinische Anwendungen beschrieben. Die Pumpe ist mechanisch betrieben. Die fluidfördernden Kammern sind in zwei aufeinandergesetzten Gehäuseteilen ausgebildet, und das Fluid wird durch die Bewegung zweier Membrane durch einen Elektromotor von einem Einlass zu einem Auslass bewegt, wobei es durch Öffnungen in den Membranen von einem Gehäuseteil zum anderen gelangt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dosiersystem zu schaffen, das eine äußerst präzise Dosierung einer festgelegten Medienmenge ermöglicht, wobei der medienberührte Teil des Systems einfach auswechselbar und so einfach aufgebaut ist, dass er preisgünstig hergestellt werden kann und somit auch als Wegwerfteil konzipiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies erreicht in einem Dosiersystem zum Dosieren eines Dosierfluids mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dosierfluid fließt vorzugsweise ausschließlich im Fluidversorgungsbauteil und im zweiten Gehäuseteil, nicht aber im Rest des Dosiersystems.
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Soll nach einem Prozessdurchlauf das Dosiersystem für den nächsten Durchlauf bereitgestellt werden, so müssen lediglich das oder die zweiten Gehäuseteile und eventuell das Fluidversorgungsbauteil ausgetauscht werden.
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Die Membran ist vorzugsweise wie im Stand der Technik bekannt fest mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden und wird mit diesem zusammen ausgetauscht. Aufgrund der lösbaren formschlüssigen Verbindungen, mittels deren das zweite Gehäuseteil und vorteilhaft auch das Fluidversorgungsbauteil im System befestigt sind, ist dieser Austausch einfach und schnell zu bewerkstelligen.
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Alternativ kann die gesamte Dosiereinheit als Wegwerfteil konzipiert sein und komplett als Einheit ausgetauscht werden. In diesem Fall ist es möglich, die beiden Gehäuseteile dicht und nicht zerstörungsfrei voneinander lösbar, vorzugsweise stoffschlüssig, miteinander zu verbinden. Die Membran kann einfach zwischen das erste und das zweite Gehäuseteil gelegt werden und wird bei der Verbindung der Gehäuseteile fixiert.
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Das zweite Gehäuseteil ist vorteilhaft über formschlüssige Verbindungen mit dem ersten Gehäuseteil bzw. mit dem Fluidversorgungsbauteil gekoppelt, sodass es mit wenigen Handgriffen vom Dosiersystem getrennt werden kann und durch ein frisches zweites Gehäuseteil oder eine frische Dosiereinheit ersetzt werden kann. Die Teile sind dann sofort korrekt zueinander positioniert und ausgerichtet. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung ausschließlich über formschlüssige Verbindungen.
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Das Fluidversorgungsbauteil weist vorzugsweise nur wenige Leitungen mit möglichst großem Querschnitt auf, sodass eine einfache Reinigung und Sterilisierung möglich ist. Es ist möglich, auch das Fluidversorgungsbauteil entweder als Austauschteil oder als Wegwerfteil zu fertigen und dieses z.B. für jeden Prozessdurchlauf zu ersetzen.
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Sowohl das zweite Gehäuseteil als auch das Fluidversorgungsbauteil sind vorzugsweise geometrisch so einfach wie möglich gestaltet, sodass ihre Fertigung in einem kostengünstigen Spritzgussprozess erfolgen kann.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist im Dosiersystem ein einziges, langgestrecktes Fluidversorgungsbauteil vorgesehen, während eine größere Anzahl von einzelnen, nebeneinander angeordneten Dosiereinheiten strömungsmäßig mit dem gemeinsamen Fluidversorgungsbauteil und/oder dem gemeinsamen Steuermodul verbunden sind, beispielsweise indem sämtliche der Dosiereinheiten nebeneinander auf dem Fluidversorgungsbauteil angeordnet sind.
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In der Dosiereinheit sind vorteilhaft neben der Dosierkammer im zweiten Gehäuseteil eine Einlasskammer und eine Auslasskammer vorgesehen, über die Dosierfluid zur Dosierkammer einströmt bzw. aus der Dosiereinheit hinausfließt.
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Jede der Dosiereinheiten weist vorzugsweise nur eine einzige Einheit aus einer Einlasskammer, einer Auslasskammer sowie einer oder mehreren strömungsmäßig mit diesen verbundenen Dosierkammern sowie den entsprechenden Pump- bzw. Steuerkammern auf. Dies erlaubt, die zweiten Gehäuseteile und die Dosiereinheiten klein zu halten, was wiederum den Fertigungsaufwand gerade in Bezug auf präzise Abmessungen reduziert.
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Das erste Gehäuseteil sowie das Steuermodul können aufwendiger gestaltet sein, da diese Teile nie mit dem Dosierfluid in Verbindung kommen und somit weder ständig gereinigt noch nach jedem Prozessdurchlauf ausgetauscht werden müssen.
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Die formschlüssige Verbindung ist vorzugsweise jeweils durch eine Steckverbindung gebildet. So kann auf Schraubverbindungen oder Verbindungen mit anderen losen Befestigungselementen, die aufwendig zu öffnen und zu schließen sind, vollständig verzichtet werden.
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Die Steckverbindung zwischen den Gehäuseteilen ist beispielsweise dadurch gebildet, dass an einem der Gehäuseteile Steckvorsprünge vorgesehen sind, die in passende Ausnehmungen am anderen Gehäuseteil eingreifen. Die Steckvorsprünge können am zweiten Gehäuseteil und die Ausnehmungen, beispielsweise in Form von Durchbrüchen, am ersten Gehäuseteil ausgebildet sein.
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Zur Verbindung mit dem Fluidversorgungsbauteil kann am zweiten Gehäuseteil ein Zuleitungsstutzen vorgesehen sein, der in einen Anschluss am Fluidversorgungsbauteil eingreift. Der Zuleitungsstutzen und der Anschluss sind sowieso notwendig, um Dosierfluid vom Fluidversorgungsbauteil zur Dosierkammer im zweiten Gehäuseteil zu leiten. In diesem Fall sind diese Komponenten gleichzeitig geometrisch so gestaltet, dass sie auch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem zweiten Gehäuseteil und dem Fluidversorgungsbauteil herstellen und eine exakte Positionierung dieser beiden Bauteile relativ zueinander ermöglichen.
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Sowohl die Steckvorsprünge als auch der Leitungsstutzen werden vorzugsweise beim Spritzgießen einstückig an das zweite Gehäuseteil angeformt.
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Wenn ein modularer Aufbau erreicht werden soll, der den Austausch einzelner Komponenten des Dosiersystems möglichst einfach macht, ist es vorteilhaft, auch das erste Gehäuseteil und das Steuermodul lösbar und formschlüssig miteinander zu verbinden. Hier kann beispielsweise ebenfalls eine Steckverbindung zum Einsatz kommen, etwa durch Steuerleitungsstutzen am ersten Gehäuseteil, über die Steuerfluid zur Pumpkammer bzw. zu Membranventilen zur Steuerung der Dosiereinheit geleitet wird und die in Anschlüsse im Steuermodul eingreifen.
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Auch diese Steuerleitungsstutzen lassen sich einfach einstückig beim Spritzgießen des ersten Gehäuseteils anformen.
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Um das Dosiersystem auf einfache Weise zusammenbauen zu können, ist vorzugsweise ein Trägerbauteil vorgesehen, das formschlüssig und lösbar mit dem Fluidversorgungsbauteil verbunden ist. Da das Fluidversorgungsbauteil vorteilhaft als Wechsel- bzw. Wegwerfteil ausgebildet ist, ist es sinnvoll, ein separates, wiederverwendbares Trägerteil zu verwenden, an dem das Fluidversorgungsbauteil und damit die Dosiereinheiten vormontierbar sind.
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Zur formschlüssigen lösbaren Verbindung können am Fluidversorgungsbauteil und/oder am Trägerteil Haltestrukturen vorgesehen sein, die das Fluidversorgungsbauteil am Trägerbauteil in zumindest einer Raumrichtung, insbesondere senkrecht zur Axialrichtung des Fluidversorgungsbauteils und senkrecht zu einer durch das Fluidversorgungsbauteil und die Dosiereinheit verlaufenden Achse, fixieren. Im Gegensatz zu den formschlüssigen Verbindungen zwischen dem zweiten Gehäuseteil und dem ersten Gehäuseteil bzw. dem Fluidversorgungsbauteil und auch den formschlüssigen Verbindungen des ersten Gehäuseteils mit dem Steuermodul, die alle bevorzugt senkrecht zur Axialrichtung des Fluidversorgungsbauteils (die auch der Axialrichtung des gesamten Dosiersystems entsprechen kann) schließ- und lösbar sind, ist die Verbindung zum Trägerteil in exakt dieser Raumrichtung fixiert. Das Lösen und Schließen der Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Fluidversorgungsbauteil erfolgt also in einer Raumrichtung senkrecht zu der Richtung, in der die anderen formschlüssigen Verbindungen geöffnet und geschlossen werden. So lässt sich ein unbeabsichtigtes Lösen verhindern.
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Die Haltestrukturen sind vorzugsweise einfache Ausnehmungen bzw. Hinterschnitte im Trägerteil bzw. im Fluidversorgungsbauteil. Sie sollten so ausgebildet sein, dass sie ein seitliches Einschieben des Fluidversorgungsbauteils auf das Trägerteil ermöglichen, zum Beispiel indem Fortsätze des Trägerbauteils in die Hinterschnitte im Fluidversorgungsbauteil eingreifen oder umgekehrt.
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Das Trägerbauteil ist vorzugsweise mit einem Anpressmechanismus verbunden, durch den das Steuermodul, die wenigstens eine Dosiereinheit, das Fluidversorgungsbauteil und das Trägerbauteil unter Druck zusammengehalten werden. Das Fluidversorgungsbauteil und die wenigstens eine Dosiereinheit liegen dabei vorzugsweise zwischen dem Trägerbauteil und der Steuereinheit. Der Anpressmechanismus kann beispielsweise eine Verfahrmechanik aufweisen, die das Trägerteil mit den darauf vormontierten Bauteilen gegen das Steuermodul bewegt. Es ist auch möglich, Klammern zu verwenden, mit denen das Trägerbauteil am Steuermodul oder an einem das Steuermodul aufnehmenden Bauteil verspannt wird.
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Hierbei entsteht eine Kraft, die senkrecht zu den Komponenten des Dosiersystems, nämlich dem Steuermodul, der Dosiereinheit und dem Fluidversorgungsbauteil, wirkt. Diese Kraft drückt die formschlüssigen Verbindungen zwischen diesen Bauteilen in Schließrichtung zusammen und fixiert somit die Komponenten des Dosiersystems aneinander.
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Das gesamte Dosiersystem ist vorzugsweise nur zusammengesteckt und formschlüssig (bzw. kraft- und stoffschlüssig) verbunden. Es sind keine weiteren Befestigungselemente neben den beschriebenen formschlüssigen Verbindungen, insbesondere den Steckverbindungen notwendig, abgesehen vom Anpressmechanismus, der das Trägerteil an das Steuermodul drückt.
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Natürlich sind vorteilhaft Dichtelemente zwischen dem Steuermodul und dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil und dem Fluidversorgungsbauteil angeordnet, um die Anschlüsse von Steuerfluid und Dosierfluid abzudichten.
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Das Fluidversorgungsbauteil weist vorzugsweise wenigstens einen Vorsprung auf, der in Anlage am Steuermodul ist. Auf diese Weise kann sich das Fluidversorgungsbauteil unmittelbar am Steuermodul abstützen. Dies verhindert, dass durch die insbesondere vom Anpressmechanismus ausgeübte Kraft, die das Dosiersystem zusammenhält, eine senkrecht zur Dosiereinheit wirkende Kraft auf diese übertragen wird. Diese würde nämlich eventuell eine Verformung bewirken, die die Dosiermenge beeinflussen könnte. Durch Verhinderung einer Krafteinwirkung auf die Dosiereinheit wird somit die Präzision der Dosierung erhöht.
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Der Vorsprung steht bevorzugt vom Fluidversorgungsbauteil ab. Vorzugsweise liegt der Vorsprung an einer zur Dosiereinheit gerichteten Unterseite des Steuermoduls an.
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Der Vorsprung kann durch eine Öffnung in der Dosiereinheit hindurchgreifen.
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Im einfachsten Fall sind ein oder mehrere senkrecht vom Fluidversorgungsbauteil abstehende Vorsprünge vorgesehen, die vorzugsweise genauso lang sind wie die Dicke der Dosiereinheit. Wichtig ist, dass der Raum zwischen dem Steuermodul und dem Fluidversorgungsbauteil an jeder Stelle etwas größer ist als die Erstreckung der Dosiereinheit in dieser Richtung, sodass keine Kräfte auf die Dosiereinheit wirken, die diese verformen können.
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Der Vorsprung ist so angeordnet und so dimensioniert, dass vom Fluidversorgungsbauteil und vom Steuermodul möglichst keine übermäßige Kraft auf die Dosiereinheit ausgeübt wird. Natürlich ist die Dosiereinheit mit einer so großen Kraft zwischen dem Steuermodul und dem Fluidversorgungsbauteil geklemmt, dass sie in ihrer Position fest fixiert ist und ihre Fluidanschlüsse gedichtet sind.
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Im Bereich der wenigstens einen Dosiereinheit sind vorzugsweise mehrere Vorsprünge ausgebildet, um eine sichere Positionierung und eine gute Lastverteilung auch bei einer größeren Anpresskraft zu erreichen. Die Vorsprünge können so auch der insbesondere formschlüssigen Verbindung der Gehäuseteile bzw. der gesamten Dosiereinheit mit dem Fluidversorgungsbauteil dienen.
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Es ist auch denkbar, die Flussrichtung des Dosierfluids umzukehren, sodass das Dosierfluid über das Fluidversorgungsbauteil ausströmt. Dieses kann dann die portionierten Mengen an Dosierfluid von allen Dosiereinheiten aufnehmen und zu einem gemeinsamen Fluidauslass leiten.
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Die Erfindung schafft ferner ein auswechselbares Gehäuseteil einer oben beschriebenen Dosiereinheit. Das Gehäuseteil hat einen plattenförmigen Grundkörper, wobei auf einer Fluidseite wenigstens eine Dosierkammer sowie exakt eine Einlasskammer und exakt eine Auslasskammer vorgesehen sind und eine Membran, die die Dosierkammer, die Einlasskammer und die Auslasskammer überdeckt, am Grundkörper befestigt ist. Es entspricht damit einem oben beschriebenen zweiten Gehäuseteil mit einer daran befestigten Membran.
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Die Dosierkammer, die Einlasskammer und die Auslasskammer sind vorzugsweise als Vertiefungen in der Fluidseite ausgebildet.
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Die Einlasskammer und/oder die Auslasskammer können im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sein und einen Einlass- bzw. Auslassstutzen mit einer zentralen Einlass- bzw. Auslassöffnung umgeben, deren Rand im Wesentlichen auf Höhe der fluidseitigen Plattenebene des Grundkörpers liegt.
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Zwischen der Einlasskammer und der Dosierkammer und/oder zwischen der Dosierkammer und der Auslasskammer ist wenigstens ein Überlaufkanal in der fluidseitigen Plattenebene des Grundkörpers als Vertiefung ausgebildet.
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Der Überströmkanal ist in einer bevorzugten Ausführungsform in mehrere nebeneinanderliegende Kanäle unterteilt, die jeweils durch eine schmale, insbesondere in Längsrichtung durchgehende Trennwand voneinander getrennt sind. Die Trennwände reichen vorzugsweise bis auf die fluidseitige Plattenebene des Grundkörpers und stützen die Membran ab. Auf diese Weise wird die freie Bewegung der Membran eingeschränkt und die Dosiergenauigkeit erhöht.
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In einem mittleren Bereich der Dosierkammer kann ein Durchströmkanal ausgebildet sein, der in mehrere nebeneinanderliegende Kanäle unterteilt ist, die jeweils durch eine schmale durchgehende Trennwand voneinander getrennt sind, insbesondere wobei sich die Trennwand im Wesentlichen bis auf Höhe der fluidseitigen Plattenebene erstreckt.
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Am Grundkörper sind vorzugsweise mehrere von der Fluidseite abstehende Steckvorsprünge zum Eingriff in entsprechende Ausnehmungen an einem anderen Gehäuseteil der Dosiereinheit angeordnet.
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Die Auslassöffnung steht beispielsweise mit einem von einer Außenseite des Grundkörpers senkrecht abstehenden Auslassstutzen in Strömungsverbindung.
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Zwischen den Steckvorsprüngen können Öffnungen vorgesehen sein, zum Durchgriff von Vorsprüngen eines Fluidversorgungsbauteils des Dosiersystems.
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Die Einlass- und die Auslasskammer können in Flucht mit der Dosierkammer liegen, wobei die Einlasskammer vor und die Auslasskammer nach der Dosierkammer angeordnet ist, auf diese Weise kann leicht eine große Anzahl von einzelnen Dosiereinheiten nebeneinander im Dosiersystem angeordnet werden.
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Es ist aber auch möglich, die Einlasskammer und/oder die Auslasskammer aus der Achse der Dosierkammer heraus zu versetzen und neben der Dosierkammer anzuordnen, wobei die beiden Kammern auf derselben Seite der Dosierkammer oder auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet sein können. Eine solche Anordnung bietet sich an, wenn in der Axialrichtung Bauraum eingespart werden soll.
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In einer Variante sind im zweiten Gehäuseteil wenigstens zwei Dosierkammern vorgesehen, die strömungsmäßig mit der Einlasskammer und der Auslasskammer verbunden sind. Das erste Gehäuseteil weist in diesem Fall entsprechend zwei Pumpkammern auf, über die die beiden Dosierkammern unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die Dosierkammern können unterschiedliche Volumina haben. Mit einer zweikammerigen Dosiereinheit können nach Bedarf drei unterschiedliche Volumina an Dosierfluid bereitgestellt werden, je nachdem, ob nur die erste, nur die zweite oder beide Dosierkammern befüllt werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Dosierkammer, die Einlasskammer, die Auslasskammer, die Pumpkammer und/oder die Steuerkammern im Querschnitt senkrecht zur Axialrichtung des Grundkörpers bzw. der Dosiereinheit S-förmig verlaufen, sodass der Rand aller Kammern im ersten und im zweiten Gehäuseteil gegenüber der Fluidfläche außerhalb der Kammern flach ausläuft, da dann die Membran auch bei niedrigen Steuerdrücken optimal an den Kammern anliegen kann. Die Tangente der Kammerkontur nähert sich am Übergang zur Fläche also vorzugsweise jeweils der Fluidfläche und damit der Trennebene der beiden Gehäuseteile an.
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Die Erfindung betrifft auch eine Dosiereinheit für ein oben beschriebenes Dosiersystem, mit einem ersten Gehäuseteil, einem zweiten Gehäuseteil und einer zwischen den Gehäuseteilen angeordneten Membran, die einen Hohlraum zwischen den Gehäuseteilen fluiddicht in eine Pumpkammer und eine Dosierkammer unterteilt, wobei die Membran zwischen den Gehäuseteilen liegt und die beiden Gehäuseteile unlösbar miteinander verbunden sind. Die Dosiereinheit lässt sich als Ganzes austauschen und wird vorzugsweise als Wegwerfteil konzipiert. Die Membran ist hier beispielsweise zunächst nicht direkt fest mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden, sondern wird bei der Montage der Dosiereinheit zwischen die Gehäuseteile eingelegt und bei der Verbindung der Gehäuseteile miteinander fixiert. Das Steuerfluid und das Dosierfluid bleiben in der Dosiereinheit stets voneinander getrennt. Die Gehäuseteile werden hier unlösbar, also nicht zerstörungsfrei trennbar verbunden, z.B. durch Kleben oder Schweißen.
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Als zweites Gehäuseteil kommt ein oben beschriebenes zweites Gehäuseteil in Frage.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dosiersystems in teilweise montiertem Zustand;
- - 2 eine schematische Schnittansicht des Dosiersystems aus 1 in einer ersten Ebene;
- - 3 eine schematische Schnittansicht des Dosiersystems aus 1 in einer zweiten Ebene;
- - 4 eine schematische perspektivische Ansicht einer Dosiereinheit des Dosiersystems aus 1;
- - 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Gehäuseteils des Dosiersystems aus 1;
- - 6 eine schematische perspektivische Ansicht eines zweiten Gehäuseteils des Dosiersystems aus 1;
- - 7 eine schematische Draufsicht auf ein erstes bzw. zweites Gehäuseteil in einer Variante eines erfindungsgemäßen Dosiersystems; und
- - 8 eine schematische perspektivische Ansicht eines zweiten Gehäuseteils eines erfindungsgemäßen Dosiersystems gemäß einer Variante.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Dosiersystem 10, das unter anderem das Dosieren von hochwertigen Dosierfluiden, zum Beispiel im Pharmabereich, erlaubt, wobei die Dosierungsmenge z.B. im Bereich von Mikrolitern bis einigen Millilitern liegen kann.
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Das zu portionierende Dosierfluid wird über ein langgestrecktes, hier quaderförmiges Fluidversorgungsbauteil 12 zugeführt, das in diesem Beispiel einen einzigen in Axialrichtung x längs durch das Fluidversorgungsbauteil 12 hindurch verlaufenden Versorgungskanal 14 aufweist, in dem Dosierfluid einströmt.
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Alternativ kann das Dosiersystem 10 mit umgekehrter Flussrichtung betrieben werden, wobei portioniertes Dosierfluid in das Fluidversorgungsbauteil 12 abgeführt wird.
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In regelmäßigen Abständen hat das Fluidversorgungsbauteil 12 in einer Oberseite 16 Anschlüsse 18, die eine Strömungsverbindung zum Kanal 14 schaffen.
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Eine Reihe von separaten Dosiereinheiten 20 sind in Axialrichtung x nebeneinander auf die Oberseite des Fluidversorgungsbauteils 12 aufgesetzt. In diesem Beispiel sind zehn Dosiereinheiten 20 gezeigt, es können aber auch mehr oder weniger sein. Durch jede der Dosiereinheiten 20 wird ein oder das einzige Dosierfluid bewegt und in exakt vorgegebene Mengen portioniert.
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Die Ansteuerung der Dosiereinheiten 20 erfolgt über ein Steuermodul 22, das in den Figuren oberhalb der Dosiereinheiten 20 angeordnet ist. Das Steuermodul 22 wird über hier drei Steuerkanäle 24 mit einem Steuerfluid, beispielsweise Luft, versorgt.
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Außerdem ist ein Trägerbauteil 26 vorgesehen, das hier in Form eines L-förmigen Rahmens gestaltet ist, dessen in den Figuren unterer Schenkel 28 in eine Nut im Fluidversorgungsbauteil 12 eingreift und wobei umgekehrt ein Vorsprung am entgegengesetzten Ende des Fluidversorgungsbauteils 12 in eine Nut in der Ecke des Trägerbauteils 26 eingeschoben wird. So ist die Baugruppe aus Fluidversorgungsbauteil 12 und Dosiereinheiten 20 im Trägerbauteil 26 aufgenommen. Mithilfe des Trägerbauteils 26 kann diese Baugruppe dann in z-Richtung in den Figuren nach oben zum meist fest positionierten Steuermodul 22 verschoben und an dieses angedrückt werden.
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Jeder der Dosiereinheiten 20 besteht aus einem ersten Gehäuseteil 30 und einem zweiten Gehäuseteil 32. Beide Gehäuseteile 30, 32 haben einen im Wesentlichen plattenförmigen Grundkörper 34, der eine Außenseite 36 sowie eine entgegengesetzt gerichtete Fluidseite 38 aufweist (siehe 5 und 6).
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Die beiden Fluidseiten 38 sind in der montierten Dosiereinheit 20 zueinander gerichtet, wobei eine Membran 40 zwischen den Grundkörpern 34 der Gehäuseteile 30, 32 angeordnet ist (siehe beispielsweise 3). Die Membran 40 ist hier fest mit dem zweiten Gehäuseteil 32 verbunden.
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Das erste Gehäuseteil 30 ist mit Kanälen 42 versehen, hier jeweils drei, die in Strömungsverbindung mit den Steuerkanälen 24 des Steuermoduls 22 stehen.
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Das zweite Gehäuseteil 32 weist einen Kanal 44 zur Dosierfluidzuleitung auf, der in Strömungsverbindung mit dem Kanal 14 im Fluidversorgungsbauteil 12 oder mit einer separaten Zuleitung zu seinem Dosierfluid steht. Außerdem ist im zweiten Gehäuseteil 32 ein Kanal in einem Stutzen 46 vorgesehen, der aus dem Dosiersystem 10 hinausführt und es erlaubt, jeder Dosiereinheit 20 eine genau dosierte Menge des Dosierfluids abzuführen. Der Stutzen 46 kann aber auch umgekehrt als Zulaufstutzen dienen.
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In jedem der beiden Gehäuseteile 30, 32 sind hier jeweils drei Hohlräume ausgebildet. Sind in der fertig montierten Dosiereinheit 20 die beiden Gehäuseteile 30, 32 mit ihren Fluidseiten 38 aufeinandergelegt, so ergeben sich drei Hohlräume, die jeweils durch die Membran 40 geteilt sind, die sich hier einstückig durch alle Hohlräume erstreckt. Der in den Figuren mittlere Hohlraum bildet im ersten Gehäuseteil 30 eine Pumpkammer 48 und im zweiten Gehäuseteil 32 eine Dosierkammer 50.
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Die beiden anderen Hohlräume bilden im zweiten Gehäuseteil 32 eine Einlasskammer 52 bzw. eine Auslasskammer 54 sowie im ersten Gehäuseteil 30 jeweils eine Steuerkammer 56, wobei Ein- und Auslasskammer 52, 54 auch vertauscht sein können.
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Die Einlasskammer 52 und die Auslasskammer 54 sind hier auf einer Geraden mit der Dosierkammer 50 angeordnet, wobei die Dosierkammer 50 zwischen der Einlasskammer 52 und der Auslasskammer 54 angeordnet ist.
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Anstatt nur einer Dosierkammer 50 könnten auch mehrere Dosierkammern vorgesehen sein, die in Reihe oder parallel geschaltet zwischen der Einlasskammer 52 und der Auslasskammer 54 liegen. Die geometrische Anordnung der Kammern auf der Fluidseite 38 ist abhängig von den jeweiligen Anforderungen wählbar. Im ersten Gehäuseteil sind dann entsprechend mehrere Pumpkammern 48 vorgesehen, die jeweils analog zur beschriebenen Pumpkammer 48 einzeln vom Steuermodul 22 angesteuert werden (siehe auch 7 und 8).
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Es wäre auch möglich, die Dosierkammer 50, die Einlasskammer 52 und/oder die Auslasskammer 54 vollständig durch das Volumen der Pumpkammer 48 bzw. der Steuerkammern 56 zu bilden, sodass die Fluidseite 38 des Grundkörpers 34 im Wesentlichen eben ist. Die Kammern sind in diesem Fall durch die entsprechenden Bereiche zwischen Grundkörper 34 und Membran 40 definiert.
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Die Membran 40 trennt die beiden Fluidsysteme des Steuerfluids und des Dosierfluids komplett voneinander.
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Dosierfluid kommt nur mit dem Kanal 14 des Fluidversorgungsbauteils 12 sowie mit den Kammern und Kanälen des zweiten Gehäuseteils 32 in Kontakt.
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Somit ist es ausreichend, nach Abschluss eines Prozesses für den nächsten Prozess sämtliche zweiten Gehäuseteile 32 des Dosiersystems 10 sowie eventuell das Fluidversorgungsbauteil 12 auszutauschen, während alle anderen Komponenten weiter verwendet werden können.
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Alternativ kann auch die gesamte Dosiereinheit 20 ausgetauscht werden. In einer Variante sind das erste und das zweite Gehäuseteil 30, 32 unlösbar miteinander verbunden, z.B. verklebt oder verschweißt, sodass die Dosiereinheit 20 an sich eine austauschbare Einheit bildet.
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Über das Steuermodul 22 wird in der Pumpkammer 48 sowie in den beiden Steuerkammern 56 des ersten Gehäuseteils 30 Vakuum erzeugt bzw. ein Druck angelegt. Für jede der Dosiereinheiten 20 können im Steuermodul 22 drei individuell ansteuerbare Steuerventile, z.B. Pneumatikventile, vorgesehen sein, sodass die Pumpkammer 48 und die beiden Steuerkammern 56 unabhängig voneinander bedient werden können. Die durch das Steuerfluid hervorgerufene Bewegung der Membran 40 bewirkt eine dosierte Pumpbewegung des Dosierfluids durch eine Änderung des Volumens der Dosierkammer 50 durch das Freigeben oder Verschließens einer Einlassöffnung 58 oder einer Auslassöffnung 60 im zweiten Gehäuseteil 32. Auch hier gilt: je nachdem, ob in den Kanal 14 portionierte Dosierfluide einströmen, zum Beispiel um ein fein dosiertes Fluidgemisch zu erzeugen, oder Dosierfluid entnommen wird, ändern sich Einlass- und Auslassöffnungen 58, 60.
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Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform sind die Einlasskammer 52 und die Auslasskammer 54 als ringförmige Vertiefung ausgebildet. Als „Insel“, die von der jeweiligen Vertiefung umgeben ist, ragt ein Einlass- bzw. Auslassstutzen 53 bzw. 55 vor, der an seinem freien Ende eine zentrale Einlass- bzw. Auslassöffnung 58, 60 hat, wobei die Stirnfläche, die die jeweilige Einlass- bzw. Auslassöffnung 58, 60 umgibt, eine Art Ventilsitz bildet. Dieser Ventilsitz liegt vorzugsweise auf der Plattenebene, sodass die Membran in einem Ausgangszustand auf diesem Ventilsitz aufliegen kann, um die entsprechende Öffnung 58, 60 zu schließen.
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Um einen Dosierhub durchzuführen, wird zunächst durch Anlegen eines Vakuums in der der Einlasskammer 52 zugeordneten Steuerkammer 56 die Membran 40 in diesem Bereich nach oben gehoben, sodass Dosierfluid aus dem Kanal 14 über den Kanal 44 in einem Zuleitungsstutzen 64 durch die Einlassöffnung 58 in die ringförmige Einlasskammer 52 einströmen oder, umgekehrt, über den Stutzen 46 in die Einlasskammer 52 gelangen kann.
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Wenn nun die Membran 40 auch im Bereich der Dosierkammer 50 durch Anlegen eines Vakuums in der Pumpkammer 48 angehoben wird, so strömt das Dosierfluid über einen Überströmkanal 62 zwischen der Einlasskammer 52 und der Dosierkammer 50 in die Dosierkammer 50 ein und füllt diese.
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Ist das gewünschte Volumen an Dosierfluid in die Dosierkammer 50 eingeströmt, so wird die Membran 40 in der Einlasskammer 52 zurückbewegt, indem Steuerfluid in die zugehörige Steuerkammer 56 eingelassen wird. Folglich wird die Einlassöffnung 58 verschlossen. Durch Anheben der Membran 40 in der Auslasskammer 54 durch Anlegen eines Vakuums in der entsprechenden Steuerkammer 56 wird dann die Auslassöffnung 60 freigegeben, und das Dosierfluid strömt aus der Dosierkammer 50 über einen zweiten Überströmkanal 62 in die Auslasskammer 54 und von dort durch den Auslassstutzen 46 aus dem Dosiersystem 10.
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Der Zuleitungsstutzen 64 steht von der Außenseite 36 des Gehäuseteils 32 gegenüber der Fluidseite 38 senkrecht vom zweiten Gehäuseteil 32 ab und ragt durch einen der Anschlüsse 18 im Fluidversorgungsbauteil 12 in dessen Kanal 14.
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Bei umgekehrter Flussrichtung wird Dosierfluid durch den Stutzen 46 über die Öffnung 60, die dann die Einlassöffnung bildet, in die Kammer 54 zugeführt, die jetzt als Einlasskammer dient. Die Portionierung mittels der Dosierkammer 50 erfolgt wie oben beschrieben. Allerdings verlässt das Dosierfluid die Dosiereinheit 20 über die Kammer 52 (jetzt die Auslasskammer) und die Öffnung 58, die jetzt die Auslassöffnung bildet und fließt über den Stutzen 64, der nun einen Ableitungsstutzen darstellt, in den Kanal 14 des Fluidversorgungsbauteils 12.
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Neben der Herstellung der Strömungsverbindung für das Dosierfluid erfüllt der Eingriff des Zuleitungsstutzens 64 in den Anschluss 18 auch noch den Zweck, eine formschlüssige, aber lösbare Steckverbindung zwischen dem zweiten Gehäuseteil 32 und dem Fluidversorgungsbauteil 12 zu schaffen, die das zweite Gehäuseteil 32 und das Fluidversorgungsbauteil 12 aneinander fixiert. Das zweite Gehäuseteil 32 ist über den Zuleitungsstutzen 64 mit dem Fluidversorgungsbauteil 12 verbunden.
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Das zweite Gehäuseteil 32 weist außerdem vier an seinen Ecken angeordnete, hier stiftfömige Steckvorsprünge 68 auf, die von der Fluidseite 38 abstehen und in Richtung zum ersten Gehäuseteil 30 ragen (siehe 6). Im ersten Gehäuseteil 30 sind passende durchgehende Ausnehmungen 70 vorgesehen, sodass die beiden Gehäuseteile 30, 32 formschlüssig spielfrei aufeinandergesteckt werden können (siehe 5). In diesem Beispiel sind die beiden Gehäuseteile 30, 32 über die formschlüssige Steckverbindung der Steckvorsprünge 68 in Eingriff mit den Ausnehmungen 70 miteinander verbunden. Die Gehäuseteile 30, 32 sind hier lösbar zusammengesteckt, sie könnten aber auch unlösbar verbunden werden, z.B. durch Kleben oder Schweißen.
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Am ersten Gehäuseteil 30 sind die drei Kanäle 42 für Steuerfluid in jeweils einem Zuleitungsstutzen 72 ausgebildet, der senkrecht von der Außenseite 36 des Gehäuseteils 30 gegenüber der Fluidseite 38 absteht und in eine passende Aufnahme 74 im Steuermodul 22 eingreift (siehe 3). Das erste Gehäuseteil 30 ist über die drei Zuleitungsstutzen 72 formschlüssig und lösbar mit dem Steuermodul 22 verbunden.
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Alle diese Steckverbindungen werden in einer Richtung, hier der z-Richtung, geschlossen und geöffnet, in der die Komponenten des Dosiersystems 10 übereinanderliegen (siehe 1).
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Das Trägerbauteil 26 ist hingegen so mit dem Fluidversorgungsbauteil 12 verbunden, dass eine lösbare formschlüssige Steckverbindung gebildet ist, die sich durch eine seitliche Bewegung relativ zu den Komponenten in y-Richtung und damit senkrecht zur z-Richtung lösen und schließen lässt. Zu diesem Zweck sind Nuten oder Hinterschnitte 76, 78 im Trägerbauteil 26 und im Fluidversorgungsbauteil 12 ausgebildet, die ein Ineinanderschieben dieser Komponenten in y-Richtung erlauben. Die Hinterschnitte 76, 78 sind hier als über die gesamte Länge des Fluidversorgungsbauteils 12 in x-Richtung verlaufende Strukturen ausgebildet.
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Sämtliche Komponenten des Dosiersystems 10 sind hier lediglich über formschlüssige Steckverbindungen miteinander verbunden. Weitere Befestigungsmittel wie beispielsweise Schrauben sind in diesem Beispiel nicht vorgesehen.
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Zur Montage werden die einzelnen Dosiereinheiten 20 auf das Fluidversorgungsbauteil 12 aufgesteckt und dieses auf das Trägerbauteil 26 aufgeschoben.
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Diese Baugruppe wird dann in z-Richtung nach oben von unten an das Steuermodul 22 angesteckt.
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Ein hier nicht dargestellter Anpressmechanismus, beispielsweise in Form einer Verfahrmechanik, drückt das Trägerbauteil 26 an das Steuermodul 22 oder eine Halterung des Steuermoduls 22. Durch die Anpressmechanik wird genügend Kraft aufgewendet, um die Komponenten des Dosiersystems 10 dicht und fest zusammenzuhalten.
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Zwischen den einzelnen Komponenten sind Dichtungen 80 vorgesehen, beispielsweise in Form von herkömmlichen O-Ringen. Die Dichtungen 80 sind beispielsweise zwischen den Zuleitungsstutzen 72 und dem Steuermodul 22 bzw. den Aufnahmen 74 sowie zwischen dem Anschluss 18 im Fluidversorgungsbauteil 12 und dem Zuleitungsstutzen 64 des zweiten Gehäuseteils 32 vorgesehen, um die Strömungsverbindungen des Steuerfluids sowie des Dosierfluids abzudichten.
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Um zu verhindern, dass sich der Anpressdruck auf die Dosiereinheiten 20 überträgt und diese verformt, weist das Fluidversorgungsbauteil 12 etliche in z-Richtung abstehende, stiftförmige Vorsprünge 82 auf, die durch fluchtende Öffnungen 84 in den ersten und zweiten Gehäuseteilen 30, 32 hindurchragen und in Anlage an eine Unterseite 86 des Steuermoduls 22 sind. 1 zeigt, dass in diesem Beispiel für jede Dosiereinheit 20 vier Vorsprünge 82 am Fluidversorgungsbauteil 12 vorgesehen sind. Die Vorsprünge 82 sind genauso lang wie die Erstreckung der Dosiereinheiten 20 in z-Richtung, sodass Anpresskräfte, die zu einer Verformung der Dosiereinheit 20 führen würden, vollständig von den Vorsprüngen 82 an das Gehäuse des Steuermoduls 22 weitergeleitet werden. Es kann daher nicht zu einer Verformung der Dosiereinheiten 20 kommen.
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Die Überströmkanäle 62 sind so gestaltet, dass mehrere die Einlasskammer 52 und die Dosierkammer 50 bzw. die Dosierkammer 50 und die Auslasskammer 54 verbindende, nebeneinanderliegende Kanäle 88 im zweiten Gehäuseteil 32 ausgebildet sind, die jeweils durch eine schmale, durchgehende Trennwand 90 voneinander getrennt sind. Es könnte auch nur ein Kanal 88 vorgesehen sein. Zwischen den Kammern 50, 52, 54 haben die Trennwände 90 dieselbe Höhe wie die Plattenebene des Grundkörpers 34 auf der Fluidseite 38 außerhalb der Kammern. Dies bewirkt, dass die Membran 40 auf den Trennwänden 90 aufliegt.
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In einem mittleren Bereich der Dosierkammer 50, hier in Verlängerung der Überströmkanäle 62, ist ein Durchströmkanal 92 ausgebildet, der ebenfalls in mehrere nebeneinanderliegende Kanäle unterteilt ist, die jeweils durch eine schmale durchgehende Trennwand voneinander getrennt sind. Die Kanäle und die Trennwände des Durchströmkanals 92 verlaufen hier in exakter Verlängerung der Kanäle 88 und der Trennwände 90 der Überströmkanäle 62.
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Die Querschnittsform der Dosierkammer 50, der Einlasskammer 52, der Auslasskammer 54, der Pumpkammer 48 und der Steuerkammern 56 senkrecht zur Fluidseite 38 der Gehäuseteile 30, 32 ist hier so gewählt, dass sich die Steigung der Innenfläche zum Rand hin verringert, sodass jede der Kammern flach in die Plattenebene ausläuft. Auf diese Weise kann sich die Membran 40 auch bei niedrigen Steuerdrücken optimal an die Kammern anlegen.
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7 zeigt eine alternative Anordnung der Dosierkammer 50, der Einlasskammer 52 und der Auslasskammer 54 im zweiten Gehäuseteil 32 bzw. analog (spiegelverkehrt) der Pumpkammer 48 und der beiden Steuerkammern 56 im ersten Gehäuseteil 30.
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Bei der in den 1 bis 6 gezeigten Variante liegen die drei Kammern jeder Dosiereinheit 20 jeweils auf einer Geraden, wobei die Dosierkammer 50 zwischen der Einlasskammer 52 und der Auslasskammer 54 angeordnet ist.
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Bei der in 7 gezeigten Variante ist die Einlasskammer 52 (oder die Auslasskammer 54) aus der Linie versetzt angeordnet. Es wäre auch möglich, beide Kammern 52, 54 neben der Dosierkammer 50 anzuordnen oder statt auf den Schmalseiten der Dosierkammer 50 auf deren Längsseiten zu platzieren. Durch die Anordnung der Kammern 50, 52, 54 lassen sich die Baumaße des Dosiersystems 10 beeinflussen.
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In 8 ist ein zweites Gehäuseteil 132 einer Variante einer (nicht näher dargestellten) Dosiereinheit gezeigt. Eine solche Dosiereinheit kann zusammen mit oder anstelle der beschriebenen Dosiereinheiten 20 im Dosiersystem 10 eingesetzt werden.
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Das zweite Gehäuseteil 132 ist im Wesentlichen gleich aufgebaut wie das oben beschriebenen zweite Gehäuseteil 32, mit dem Unterschied, dass zwei Dosierkammern 150a, 150b vorsehen sind, die jeweils als Vertiefung in der Fluidseite 38 des Grundkörpers 34 ausgebildet sind. Die Einlasskammer 52, die erste Dosierkammer 150a, die zweite Dosierkammer 150b und die Auslasskammer 54 sind in Reihe strömungsmäßig miteinander verbunden. Ein Überströmkanal 62 verbindet Einlasskammer 52 und Auslasskammer 54 und erstreckt sich durchgängig auch durch beide Dosierkammern 150a, 150b. Der Überströmkanal 62 hat wenigstens einen Kanal 188, der von zwei Trennwänden 190 begrenzt ist. Die Trennwände 190 reichen insbesondere in den Dosierkammern 150a, 150b bis zur Plattenebene.
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Die Dosierkammern 150a, 150b haben hier unterschiedliche Volumina. Sie können von zwei zugehörigen Pumpkammern in einem entsprechend geformten ersten Gehäuseteil einzeln angesteuert werden. So kann eine einzelne Dosiereinheit drei unterschiedliche Volumina an Dosierfluid fördern.
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Wird nur die erste Dosierkammer 150a angesteuert, entspricht das Fördervolumen dem Volumen der ersten Dosierkammer 150a. Die zweite Dosierkammer 150b wird nicht gefüllt, da die Membran über der zweiten Dosierkammer 150b nicht bewegt wird. Die Membran liegt auf den Trennwänden 190 auf, sodass das Dosierfluid durch den Kanal 188 durch die zweite Dosierkammer 150b hindurch in die Auslasskammer 54 strömt.
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Entsprechendes gilt für die Ansteuerung nur der zweiten Dosierkammer 150b für die erste Dosierkammer 150a. Werden jedoch beide Dosierkammern 150a, 150b angesteuert, wird das Gesamtvolumen beider Dosierkammern 150a, 150b gefördert.
