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Die Erfindung betrifft ein Pixelarray für ein elektrofluidisches Anzeigeelement. Das Pixelarray ist aus einer Vielzahl aneinander grenzender Pixel aufgebaut, die jeweils eine Pixelkammer aufweisen, die eine mehreckige, vorzugsweise rechteckige Pixelfläche und eine Höhe aufweist. Jedes Pixel weist weiterhin mindestens einen Hauptreservoirkanal, der über seine erste Breite und Länge in die Pixelkammer mündet, sowie einen ein- oder mehrteiligen umlaufenden Reservoirkanal auf. Der umlaufende Reservoirkanal berandet die Pixelfläche und mündet entlang seiner Länge und seiner Breite in die Pixelkammer. In den Pixeln ist eine polare und/oder elektrisch leitende Flüssigkeit aufgenommen oder aufnehmbar, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Reservoirkanälen und der Pixelkammer hin und her bewegt werden kann. Die umlaufenden Reservoirkanäle benachbarter Pixel laufen in einem Eckbereich, in dem die benachbarten Pixel aneinander grenzen, aufeinander zu. Die Pixel können untereinander fluidisch verbunden sein, so dass die Reservoirkanäle sämtlicher Pixel des Pixelarrays ein gemeinsames Reservoir für die polare und/oder elektrisch leitende Flüssigkeit bilden. Dazu sind die Reservoirkanäle in den Eckbereichen fluidisch miteinander verbunden.
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Ein gattungsgemäßes Pixelarray ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2012 110 663 A1 bekannt. Bei dieser weist der Reservoirkanal gerade eine Breite auf, die größer oder gleich der Höhe der Pixelkammer ist.
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Weiterhin kann die Länge des Hauptreservoirkanals größer oder gleich der Breite der Pixelkammer sein. Bei derartig aufeinander abgestimmten Abmessungen der Pixelkammer sowie des Reservoirvolumens weist die polare und/oder elektrisch leitende Flüssigkeit stets annähernd dieselbe Oberflächenenergie auf, unabhängig davon, ob sie sich in dem Reservoirvolumen oder in der Pixelkammer befindet. Damit wird die Energie, die für die Bewegung der Flüssigkeit aus dem Reservoirvolumen in das Pixelvolumen und damit für den Schaltvorgang benötigt wird, auf ein Minimum reduziert. Ein ähnliches Pixelarray beschreibt auch die
US 2012/0154886 A1 .
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Das aus der
DE 10 2012 110 663 A1 bekannte Pixelarray hat jedoch den Nachteil, dass das Pixelarray an den Kreuzungspunkten, an denen sich die umlaufenden Reservoirkanäle verbinden, insofern ein kritisches Verhalten aufweist, als dass sich gezeigt hat, dass die Farbtropfen der einzelnen Pixel über die Kreuzungspunkte eine fluidische Verbindung zu ihren Nachbarpixeln aufweisen. Dies hat den Nachteil, dass das einem bestimmten Pixel zugeordnete Flüssigkeitsvolumen nicht mehr als ein separater Flüssigkeitstropfen in Erscheinung tritt und sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes entsprechend verhält, sondern vielmehr ein komplexes fluidisches System aus mehreren über die Pixelgrenzen hinaus fluidisch miteinander verbundenen Flüssigkeitstropfen erzeugt wird. Dies hat den Nachteil, dass bei Anlegen einer Steuerspannung an einzelne Pixel mitunter keine Ansteuerung der Pixel unabhängig voneinander möglich ist.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Pixelarray sowie ein entsprechendes Anzeigeelement vorzuschlagen, welche die individuelle Ansteuerung eines einzelnen Pixels unabhängig von den das angesteuerte Pixel benachbarten Pixeln ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Pixelarray nach Anspruch 1 und Anspruch 10 sowie ein entsprechendes Anzeigeelement nach Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Pixelarray zeichnet sich dadurch aus, dass die Breite des umlaufenden Reservoirkanals kleiner als die Breite des Hauptreservoirkanals ist, wobei der mindestens eine Hauptreservoirkanal jedes der benachbarten Pixel in dem Eckbereich über mindestens eine Einmündung in den umlaufenden Reservoirkanal mündet. Die Breite der Einmündung ist kleiner als die Breite des Hauptreservoirkanals, wobei die Pixelkammerhöhe größer-gleich die Breite des umlaufenden Reservoirkanals ist. Durch die Verwendung von Einmündungen mit den zuvor genannten Abmessungen wird vermieden, dass bei Ansteuerung eines bestimmten Pixels des Pixelarrays Flüssigkeit aus benachbarten Pixeln mit angeregt wird und aus den Reservoirkanälen benachbarter Pixel in die jeweilige Pixelkammer eintritt. Dazu trägt insbesondere der Umstand bei, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Geometrie die polare und/oder elektrisch leitende Flüssigkeit durch die Einmündung als separater oder quasi-separater Flüssigkeitstropfen in dem Hauptreservoirkanal seines zugeordneten Pixels gehalten ist, und das Kontinuum aus den benachbarten Hauptreservoirkanälen eine Unterteilung durch die von den Einmündungen gebildeten Potentialbarrieren erfährt. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Ansteuern eines bestimmten Pixels die Flüssigkeit in den Hauptreservoirkanälen benachbarter Pixel dort vollständig verbleibt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist in dem Eckbereich eine Verbindungskammer ausgebildet, in die der Hauptreservoirkanal über die Einmündung und der umlaufende Reservoirkanal münden, so dass der Hauptreservoirkanal über die Verbindungskammer mit dem umlaufenden Reservoirkanal fluidisch in Verbindung steht, wobei in der Verbindungskammer ein Verengungselement angeordnet ist, das von einem Ringspalt umgeben ist, in den der Hauptreservoirkanal und der umlaufende Reservoirkanal münden, wobei der Ringspalt eine Breite aufweist, die kleiner als die Breite des Hauptreservoirkanals und die kleiner-gleich der Höhe der Pixelkammer ist. Die Breite des Ringspaltes ist somit gerade wiederum derart abgestimmt, dass beim Ansteuern eines bestimmten Pixels kein Flüssigkeitsübertritt zwischen benachbarten Pixeln über die Eckbereiche beziehungsweise die dort angeordnete Verbindungskammer erfolgen kann. Die Geometrie des Ringspalts ist auf keine bestimmten Geometrien und insbesondere nicht auf die Kreissymmetrie beschränkt. Es sind zum Beispiel auch polygone Ringspalte denkbar.
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Je nach Ausführungsform kann das Verengungselement eine längssymmetrische Geometrie, beispielsweise eine Säulenform aufweisen, wobei sich das Verengungselement entlang seiner Längsachse über die gesamte Höhe der Pixelkammer oder über einen Teil der Höhe der Pixelkammer erstrecken kann. Das Verengungselement kann einen kreisrunden, einen ellipsenförmigen, oder einen polygonen, beispielsweise einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt in der Ebene senkrecht zu seiner Längsachse aufweisen.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pixelkammern der Pixel jeweils eine rechteckige, beispielsweise eine quadratische Pixelfläche aufweisen, wobei die Pixel in einem regelmäßigen Muster aus Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die umlaufenden Reservoirkanäle sind dabei als sich über die gesamte Breite beziehungsweise Länge des Pixelarrays erstreckende Kanäle ausgebildet. Die sich in Breitenrichtung erstreckenden Kanäle sind dabei senkrecht zu den sich in Längsrichtung erstreckenden Kanälen angeordnet, so dass sich die Kanäle in den Eckbereichen kreuzen und dort fluidisch miteinander verbunden sind.
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Für eine besonders gleichmäßige Befüllung von Pixeln mit rechteckiger Pixelfläche ist es häufig vorteilhaft, wenn jedes Pixel zwei sich kreuzende und sich jeweils zwischen zwei diagonal gegenüber angeordneten Eckbereichen erstreckende Hauptreservoirkanäle aufweist. Dabei kann sich von den gegenüberliegenden Enden der Hauptreservoirkanäle jeweils eine Einmündung erstrecken, die über eine erste Knickstelle in einen der Hauptreservoirkanäle übergeht, und die über eine zweite Knickstelle in den umlaufenden Reservoirkanal übergeht. Durch die Knickstellen wird eine zusätzliche Potentialbarriere bereitgestellt, die zur Unterteilung der Flüssigkeit in einzelne, pixelbezogene Tropfen beiträgt und die Flüssigkeit davon abhält, bei Ansteuerung eines benachbarten Pixels über die Eckbereiche aus den Reservoirkanälen herauszutreten.
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Bei noch einer anderen Ausführungsform, bei der die Pixelkammern der Pixel ebenfalls jeweils eine rechteckige, beispielsweise quadratische Pixelfläche aufweisen, und bei der die Pixel in einem regelmäßigen Muster aus Zeilen und Spalten angeordnet sind, und wobei jedes Pixel zwei sich kreuzende und sich jeweils zwischen zwei diagonal gegenüber angeordneten Eckbereichen erstreckende Hauptreservoirkanäle aufweist, ist vorgesehen, dass die umlaufenden Reservoirkanäle eine rechteckige Pixelfläche umranden und dazu aus vier jeweils senkrecht aneinander gereihten Seitenabschnitten zusammengesetzt sind, von denen zwei Paare gegenüberliegender, paralleler Seitenabschnitte jeweils über eine Einmündung mit einem Hauptreservoirkanal fluidisch verbunden sind.
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Zur Bereitstellung einer weiteren Potentialbarriere kann auch bei dieser Ausführungsform wiederum vorgesehen sein, dass jede der Einmündungen über eine erste Knickstelle in den Hauptreservoirkanal und über eine zweite Knickstelle in den Reservoirkanal übergeht.
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Um die selektive Ansteuerbarkeit der einzelnen Flüssigkeitstropfen in den Pixeln weiter zu verbessern, ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Breite der Hauptreservoirkanäle größer-gleich der Höhe der Pixelkammer ist.
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Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Pixelarrays, welches ebenfalls die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe löst, ist vorgesehen, dass jedes Pixel des Pixelarrays einen umlaufenden Reservoirkanal aufweist, der die Pixelfläche berandet und entlang seiner Länge und seiner Breite in die Pixelkammer mündet, wobei in den Pixeln eine polare und/oder elektrisch leitende Flüssigkeit aufgenommen oder aufnehmbar ist, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen dem Reservoirkanal und einer jeweiligen Pixelkammer hin und her bewegt werden kann, wobei die umlaufenden Reservoirkanäle benachbarter Pixel in Eckbereichen, in denen jeweils vier benachbarte Pixel aneinander grenzen, fluidisch miteinander verbunden sind und ein gemeinsames Reservoirkanalgitter bilden. Dabei ist die Breite der Reservoirkanäle größer-gleich der Höhe der Pixelkammer.
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Das erfindungsgemäße Pixelarray ist für die Verwendung in einem elektrofluidischen Anzeigeelement geeignet, dass eine aktive Matrix aus Ansteuerelektroden für die individuelle Ansteuerung der einzelnen Pixel des Pixelarrays aufweist, wobei jedem der Pixel eine der Ansteuerelektroden zugeordnet ist. Die Ansteuerelektroden sind einzeln ansteuerbar, so dass mit Hilfe dieser die Pixelkammer eines bestimmten Pixels wahlweise mit einem elektrischen Feld beaufschlagt werden kann. Alternativ kann die Ansteuerung des Pixelarrays auch mithilfe einer passiven Matrix oder mit einer anderen aus dem Stand der Technik bekannten Ansteuerelektronik erfolgen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figuren erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pixelarrays;
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2 einen Ausschnitt aus dem Pixelarray gemäß 1;
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3 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pixelarrays;
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4 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pixelarrays;
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5 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pixelarrays; und
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6 eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pixelarrays.
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Sämtliche der in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen haben gemeinsam, dass sie eine Anordnung aus in Zeilen und Spalten angeordneten, im Wesentlichen quadratischen Pixeln 2 aufweisen, so dass jeweils vier Pixel einen Satz benachbarter Pixel bilden, die zumindest über einen Eckbereich 6 fluidisch miteinander in Verbindung stehen. Darüber hinaus weisen die Pixel 2 jeweils umlaufende Reservoirkanäle 5 auf, die sich benachbarte Pixel 2 teilen. Die umlaufenden Reservoirkanäle 5 sind daher nicht eindeutig einem bestimmten Pixel 2 zuordbar. Darüber hinaus weist jedes Pixel 2 der Ausführungsformen gemäß den 1 bis 4 ein sich kreuzendes Paar von Hauptreservoirkanälen 4 auf, die jeweils einem bestimmten Pixel 2 zugeordnet sind, sich diagonal über die Pixelfläche erstrecken und die jeweils das für die Befüllung der zugeordneten Pixelkammer 3 erforderliche Flüssigkeitsvolumens aufnehmen. Die diagonale Anordnung der Hauptreservoirkanäle 4 stellt die bevorzugte Ausführungsform da. Stattdessen können sich die Hauptreservoirkanäle jedoch auch unter einem anderen Winkel zueinander und insbesondere auch nicht diagonal erstrecken.
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Bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist in dem Eckbereich 6, in dem ein Satz von vier Pixeln 2 mit quadratischer Pixelfläche aneinander grenzt, eine Verbindungskammer 8 ausgebildet, über die die Hauptreservoirkanäle 4 sowie die umlaufenden Reservoirkanäle 5 der vier benachbarten Pixel 2 fluidisch miteinander in Verbindung stehen. In der Verbindungskammer 8 ist ein Verengungselement 9 angeordnet. Dieses ist als Säule mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet. Das Verengungselement 9 kann sich über die gesamte Höhe der Pixelkammer 3 oder nur über einen Teil der Pixelkammerhöhe erstrecken. Dabei kann sich das Verengungselement 9 in dem Fall, dass es sich nur über einen Teil der Pixelkammerhöhe erstreckt, entweder von dem Deckelsubstrat des Pixels oder von dem Bodensubstrat des Pixels erstrecken, so dass es an seiner Stirnseite einen Abstand zu dem Bodensubstrat bzw. zu dem Deckelsubstrat aufweist. Das Verengungselement 9 bildet mit der Verbindungskammer 8 einen Ringspalt zwischen der Verbindungskammer 8 und dem Verengungselement 9, in welchen je Pixel 2 einer der beiden sich kreuzenden und fluidisch miteinander in Verbindung stehenden Hauptreservoirkanäle 4 über eine Einmündung 7 mündet. Des Weiteren münden jeweils vier die aneinander grenzenden Pixel 2 voneinander trennenden Reservoirkanäle 5 in den Ringspalt.
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Die Breite A der umgebenden Reservoirkanäle 5, die Breite B des Ringspaltes sowie die Breite C der Einmündungen 7 ist jeweils kleiner als die Breite D der Hauptreservoirkanäle 4. Weiterhin ist die Breite A der umlaufenden Reservoirkanäle 5 und die Breite B des Ringspaltes kleiner-gleich die Höhe der Pixelkammer. Dies trägt zur Vereinzelung der Flüssigkeit in voneinander unabhängige, bestimmen Pixeln zugeordnete Tropfen bei, sodass bei Ansteuerung eines bestimmten Pixels 2 kein fluidischer Flüssigkeitsübertritt über die Verbindungskammer 8 zwischen dem angesteuerten Pixel 2 und dem das angesteuerte Pixel 2 benachbarten Pixel 2 erfolgt.
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Die in 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass in den Eckbereichen 6, in denen jeweils vier Pixel 2 aneinander grenzen, keine Verbindungskammer ausgebildet ist und stattdessen sich dort die umlaufenden Reservoirkanäle 5 der vier benachbarten Pixel 2 kreuzen und somit fluidisch in Verbindung stehen. Die sich kreuzenden und diagonal über die Pixelfläche jedes Pixels 2 erstreckenden Hauptreservoirkanäle 4 münden über jeweils eine Einmündung 7 in Eckbereichen 6 in die umlaufenden Reservoirkanäle 5. Die Hauptreservoirkanäle 4 gehen über eine erste Knickstelle in die Einmündung 7 über, wobei die Einmündung 7 über eine zweite Knickstelle, die hier einen 90°-Winkel aufweist, in die umlaufenden Reservoirkanäle 5 über. Die Knickstellen bilden eine weitere Potentialbarriere zur Vereinzelung der Flüssigkeit in einem bestimmen Pixel zugeordnete Tropfen bei, sodass bei Beaufschlagung eines bestimmten Pixels 2 mit einem elektrischen Feld verhindert wird, dass Flüssigkeit aus den das angesteuerte Pixel 2 benachbarten Pixeln 2 aus den den benachbarten Pixeln 2 zugeordneten Reservoirkanälen hervortritt.
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Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die umlaufenden Reservoirkanäle aus 4 Seitenwandabschnitten zusammengesetzt, von denen zwei Paare gegenüberliegender, paralleler Seitenwandabschnitte jeweils über eine Einmündung 7 ein und desselben Hauptreservoirkanals 4 fluidisch verbunden sind. Die Einmündung 7 ist wiederum so ausgebildet, dass der Hauptreservoirkanal 4 über zwei Knickstellen mit dem umlaufenden Reservoirkanal 5 verbunden ist. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist, anders als bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, nicht vorgesehen, dass die Hauptreservoirkanäle 4 und die umlaufenden Reservoirkanäle 5 eines Satzes aus vier Pixeln 2 in einem Eckbereich 6 der vier benachbarten Pixel fluidisch miteinander in Verbindung stehen. Stattdessen sind lediglich sowohl in Spalten- als auch in Zeilenrichtung die zuvor beschriebenen fluidischen Verbindungen zwischen den Hauptreservoirkanälen 4 jedes Pixels 2 mit den dieses Pixel 2 umgebenden umlaufenden Reservoirkanälen 5 vorgesehen.
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Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform sind die Pixel 2 wiederum in einem regelmäßigen Muster aus Zeilen und Spalten angeordnet, wobei sich die umlaufenden Reservoirkanäle 5 über die gesamte Breite beziehungsweise Länge des Pixelarrays 1 erstrecken und somit ein gemeinsames Reservoirkanalgitter bilden. Die Breite A der umlaufenden Reservoirkanäle 5 ist gerade so gewählt, dass sie größer-gleich der Höhe der Pixelkammer 3 ist. Bei dieser Ausführungsform wird somit keine Trennung zwischen Hauptreservoirkanälen und umlaufenden Reservoirkanälen vorgesehen. Stattdessen sind beide Kanaltypen in einem Kanalgitter vereint. Die elektrisch leitende und/oder polare Flüssigkeit ist in dem Kanalgitter vorgehalten und befindet sich somit im Umfangsbereich jedes Pixels.
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In Weiterbildung der in 5 gezeigten Ausführungsform weist das in 6 dargestellte Pixelarray 1 Pixel 2 mit zwei gekreuzten Hauptreservoirkanälen 4 auf, die sich zwischen gegenüber liegenden Kreuzpunkten der umlaufenden Reservoirkanäle 5 erstrecken, wobei jedoch keine fluidische Verbindung und insbesondere keine Einmündung zwischen den Hauptreservoirkanälen 4 und den umlaufenden Reservoirkanälen 5 ausgebildet ist.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pixelarray
- 2
- Pixel
- 3
- Pixelkammer
- 4
- Hauptreservoirkanal
- 5
- umlaufender Reservoirkanal
- 6
- Eckbereich
- 7
- Einmündung
- 8
- Verbindungskammer
- 9
- Verengungselement
- A
- Breite des umlaufenden Reservoirkanals
- B
- Breite des Ringspalts
- C
- Breite der Einmündung
- D
- Breite des Hauptreservoirkanals
