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STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pumpe zum Pumpen von Fluiden, auf einen Kopplungsadapter, auf eine Fluidtrennvorrichtung, auf eine Anordnung, auf ein Verfahren zum Umrüsten einer Pumpe zum Pumpen von Fluid und auf ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe.
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In einer Probenseparierungsvorrichtung basierend auf dem Prinzip der Flüssigkeitschromatografie wird eine zu separierendes Fluidprobe in eine mobile Phase injiziert (wie zum Beispiel ein Lösungsmittelgemisch), wobei das Gemisch durch Kanäle gepumpt werden kann und eine Säule, welche ein Material (stationäre Phase) enthält, welches geeignet ist verschiedene Komponenten der Fluidprobe zu separieren. Solch ein Material, so genannte Perlen, welche Silikongel enthalten können, können in ein Säulenrohr gefüllt werden, welches mit anderen Elementen (wie eine Probeneinheit, eine Durchflusszelle, Behälter, welche Proben und/oder Puffer enthalten) mittels Kanäle verbunden ist.
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Um ein Fluid zu pumpen, welches durch die mobile Phase und die zu separierende Fluidprobe gebildet wird, kann eine Pumpe implementiert sein, in welcher sich ein Kolben innerhalb der Pumpenkammer hin- und her bewegt, um dadurch das Fluid zu verdrängen. Der Kolben wird eigentlich mittels eines Kolbenaktuators bewegt, welcher wiederum mittels einer Antriebseinheit, wie einem Elektromotor, bewegt wird. Herkömmlicherweise wird eine Punktberührung zwischen dem Kolben und dem Kolbenaktuator als vorteilhaft angesehen im Sinne von einer geeigneten Kraftübertragung und zur Kompensation von Lasten im Fall einer nicht geeigneten Orientierung zwischen Kolben und Kolbenaktuator.
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JP 07-197880 hat das Ziel Flüssigkeit genau zu liefern, ohne eine unangemessene Kraft zwischen Kolben und Dichtung auszuüben. Entsprechend stellt
JP 07-197880 Oberflächen ungefähr vertikal zur Bewegungsrichtung des Kolbens bereit, welche jeweils auf einem Kolbenhalter und dem Kolben gebildet sind. Ein Permanentmagnet ist in zumindest einer der Oberflächen eingebettet und die andere ist aus einem magnetischen Material gebildet und auf diese Weise sind der Kolbenhalter und der Kolben an den Oberflächen mittels einer magnetischen Kraft zusammengekoppelt und verbunden. Dieser Aufbau wird erachtet, um eine vergleichsweise freie Bewegung in Richtung des Kolbens zu verursachen.
JP 07-197880 basiert auf einem Stand der Technik, welcher wünscht dies zu überwinden und welcher eine Feder benutzt, um eine Druckkraft auszuüben, um den Kolbenhalter und den Kolben an deren Oberflächen zusammen zu koppeln.
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Weiterer Stand der Technik ist in
US4,790,236 ,
US 5,887,507 ,
US 3,922,957 und
US 5,415,489 offenbart.
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Dennoch, wenn der Druckwert gemäß welchem Fluid mittels der Pumpe gepumpt wird, größer und größer wird, ist eine mechanisch stabile Pumpe notwendig, welche gleichzeitig tolerant gegenüber Positionsverzerrungen ist, welche auf den Kolben wirken.
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Offenbarung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine mechanisch stabile Pumpe bereitzustellen, welche tolerant gegenüber Positionsverzerrungen ist, welche auf den Kolben wirken. Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Pumpe zum Pumpen von Fluid (wie etwa eine Flüssigkeit und/oder ein Gas, optional aufweisend feste Partikel) bereitgestellt, wobei die Pumpe aufweist eine Arbeitskammer, eine Kolbenanordnung konfiguriert zum wenigstens teilweisen (d. h. in einigen Ausführungsformen bewegt sich nur ein Teil der Kolbenanordnung innerhalb der Arbeitskammer hin und her) Hin- und Herbewegen (d. h. vorwärts- und rückwärtsbewegen) innerhalb der Arbeitskammer, um dadurch das Fluid zu verdrängen, und einen Kolbenaktuator, welcher angeordnet ist, um mit der Kolbenanordnung via einem gemeinsamen zweidimensionalem Kontaktbereich gekoppelt zu werden, um dabei Antriebsenergie von dem Kolbenaktuator zu der Kolbenanordnung zum Hin- und Herbewegen zu übertragen, wobei der Kolbenaktuator und die Kolbenanordnung nicht fest verbunden (insbesondere, Kolbenaktuator und Kolbenanordnung können lose kontaktierende separate Körper und nicht rigide, fest verbundene Körper sein, und sie mögen geeignet sein, um eine bestimmte Gleit- und/oder Kippbewegung relativ zu einander durchzuführen; dennoch, in einer Ausführungsform, mögen die Körper trotzdem bis zu einem gewissen Ausmaß gegenseitig beeinflusst sein, um zwischen ihnen die Aufrechterhaltung des zweidimensionalen Kontaktbereiches zwischen Ihnen zu fördern, etwa mittels einer Feder, welche mittels einer Vorwärtsbewegung der Kolbenanordnung zusammengepresst wird und zu einer rücktreibenden Kraft während der Rückbewegung der Kolbenanordnung beiträgt) an dem Kontaktbereich sind, um eine neigende Gleichgewichtsbewegung zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung (insbesondere im Falle einer winkligen Fehlausrichtung der Kolbenanordnung relativ zu dem Kolbenaktuator) in der Gegenwart einer lateralen Kraft zu ermöglichen, welche wenigstens teilweise lateral (d. h. winklig, insbesondere rechtwinklig) in Relation zu einer Hin- und Herbewegungsrichtung (oder einer Hin- und Herbewegungsachse) der Kolbenanordnung ausgerichtet ist, und wobei – in Abwesenheit einer lateralen Kraft – der Kolbenaktuator und die Kolbenanordnung gegenseitig angrenzen an dem Kontaktbereich zumindest an einer umlaufenden lateralen äußeren Position (insbesondere an einem lateralen oder radialen Ende des Kolbenaktuators maximal entfernt von seiner zentralen Achse; dennoch, eine zusätzliche Kopplung in einer inneren Position ist optional möglich) des Kolbenaktuators und/oder der Kolbenanordnung.
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Entsprechend einer anderen exemplarische Ausführungsform, ist ein Kopplungsadapter zum Nachrüsten einer Pumpe zum Pumpen von Fluiden bereitgestellt, welche eine Kolbenanordnung, welche zum wenigstens teilweise Hin- und Herbewegen innerhalb einer Arbeitskammer konfiguriert ist, um damit Fluid zu verdrängen, und einen Kolbenaktuator zur Kopplung mit der Kolbenanordnung aufweist, um dadurch Antriebsenergie zu der Kolbenanordnung zum Hin- und Herbewegen zu übertragen, wobei der Kopplungsadapter eine gekrümmte Oberfläche konfiguriert zum Zusammenpassen mit und zur Befestigung an einer gekrümmten Kopplungsoberfläche des Kolbenaktuators und zumindest eine teilweise planare Oberfläche entgegengesetzt der gekrümmten Oberfläche aufweist, welche konfiguriert zum Zusammenpassen mit und zum Kontaktieren einer wenigstens teilweise planaren Kopplungsoberfläche der Kolbenanordnung ist, wobei der Kopplungsadapter konfiguriert ist, um zwischen der Kolbenanordnung und dem Kolbenaktuator eingefügt zu werden.
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Entsprechend noch einer anderen exemplarischen Ausführungsform ist eine Anordnung bereitgestellt, welche eine Pumpe (beispielsweise eine existierende oder konventionelle Pumpe) zum Pumpen von Fluid,
die Pumpe aufweisend eine Kolbenanordnung konfiguriert zum wenigstens teilweisen Hin- und Herbewegen innerhalb einer Arbeitskammer, um damit Fluid zu verdrängen, und einen Kolbenaktuator zur Kopplung mit der Kolbenanordnung, um damit Antriebsenergie zu der Kolbenanordnung zum Hin- und Herbewegen zu übertragen, wobei eine gekrümmte Kopplungsoberfläche des Kolbenaktuators koppelbar zu einer wenigstens teilweisen planaren Kopplungsoberfläche der Kolbenanordnung ist,
und einen Kopplungsadapter aufweist, welcher die oben genannten Eigenschaften besitzt und eingefügt oder zum Einfügen zwischen dem Kolbenaktuator und der Kolbenanordnung (insbesondere um damit, d. h. mittels Einführung des Kopplungsadapters zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung in eine existierende oder konventionelle Pumpe, eine Pumpe zu gestalten entsprechend einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung, welche die oben genannten Merkmale besitzt), sodass die gekrümmte Oberfläche gepaart ist mit und befestigt ist an der gekrümmten Kopplungsoberfläche und so dass die wenigstens teilweise planare Oberfläche gepaart ist mit der wenigstens teilweise planare Kopplungsoberfläche der Kolbenanordnung und diese berührt.
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Gemäß einer anderen exemplarischen Ausführungsform ist eine Fluidtrennvorrichtung zum Trennen einer Fluidprobe in eine Vielzahl von Anteilen bereitgestellt, wobei die Vorrichtung aufweist eine Pumpe mit den oben genannten Merkmalen und welche konfiguriert ist zum Antreiben eines Fluides, welches eine mobile Phase aufweist, und der Fluidprobe in der mobilen Phase entlang eines fluidischen Pfades, und eine Trenneinheit angeordnet innerhalb des fluidischen Pfades und konfiguriert zum Trennen der Fluidprobe in eine Vielzahl von Anteilen.
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Gemäß noch einer anderen exemplarischen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Betrieben einer Pumpe zum Pumpen von Fluid bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist zumindest teilweises Hin- und Herbewegen einer Kolbenanordnung innerhalb einer Arbeitskammer, um damit Fluid zu verdrängen, Koppeln eines Kolbenaktuators mit der Kolbenanordnung via einem gemeinsamen zweidimensionalen Kontaktbereich, um damit Antriebsenergie von dem Kolbenaktuator zu der Kolbenanordnung zum Hin- und Herbewegen zu übertragen, wobei der Kolbenaktuator und die Kolbenanordnung an dem Kontaktbereich nicht fest verbunden sind (insbesondere unverbunden sind), um eine neigende Gleichgewichtbewegung zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung in der Gegenwart einer lateralen Kraft zu ermöglichen, welche wenigstens teilweise lateral in Relation zu einer Hin- und Herbewegungsrichtung der Kolbenanordnung ausgerichtet ist, wobei – in Abwesenheit der lateralen Kraft – der Kolbenaktuator und die Kolbenanordnung am Kontaktbereich zumindest an einer umlaufenden lateralen äußeren Position des Kolbenaktuators und/oder der Kolbenanordnung gegenseitig aneinandergrenzen.
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Gemäß noch einer anderen exemplarischen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Nachrüsten einer Pumpe zum Pumpen von Fluid bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist Bereitstellen der Pumpe mit einer Kolbenanordnung, welche konfiguriert ist zum zumindest teilweisen Hin- und Herbewegen innerhalb einer Arbeitskammer, um damit das Fluid zu verdrängen, und mit einem Kolbenaktuator, welcher eine gekrümmte Kopplungsoberfläche hat, welche verbunden ist mit einer zumindest teilweisen planaren Kopplungsoberfläche der Kolbenanordnung, um damit Antriebsenergie zur Kolbenanordnung zum Hin- und Herbewegen zu übertragen, Bereitstellen eines Kopplungsadapters aufweisend einen Adapterkörper zwischen einer gekrümmten Oberfläche und einer zumindest teilweise planaren Oberfläche, welche der gekrümmten Oberfläche gegenüberliegt, Einfügen des Kopplungsadapters zwischen der Kolbenanordnung und dem Kolbenaktuator, so dass die gekrümmte Oberfläche gepaart ist mit und angebracht ist an (beispielsweise befestigen mit) der gekrümmten Kopplungsoberfläche und so dass die wenigstens teilweise planare Oberfläche mit der wenigstens teilweise planaren Kopplungsoberfläche der Kolbenanordnung gepaart ist und diese kontaktiert (insbesondere nicht starr verbunden).
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung koppelt der Kontaktbereich zwischen dem Kolbenaktuator und der Kolbenanordnung diese zwei Elemente an wenigstens einer lateralen äußeren Position, d. h. an einer sehr entfernten (insbesondere an einer maximal entfernten) Position von einer gemeinsamen Hin- und Herbewegungsachse der Kolbenanordnung/Kolbenaktuator Anordnung. Deshalb können die Kolbenanordnung und der Kolbenaktuator eine Schubeinheit formen. Dies bedeutet, dass bei dem unerwünschten Ereignis einer winkeligen Falschausrichtung zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung während des Betriebes der Pumpe, ein vorderes Ende des Kolbenaktuators von einer rückwärtigen Position auf ein hinteres Ende der Kolbenanordnung an den nach außen positionierten Kontaktbereich (d. h. weit entfernt von der zentralen Achse) drückt, um die Kolbenanordnung zurückzufahren in Richtung einer gewünschten gemeinsamen parallelen Position mit dem Kolbenaktuator, zum effizienten Nutzen einer Art von Hebeleffekt an den gegenüberliegenden Oberflächen von Kolbenanordnung und Kolbenaktuator. Mit anderen Worten, je weiter die Kontaktposition zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator radial entfernt von der gemeinsamen zentralen Achse der Kolbenanordnung/Kolbenaktuator Anordnung ist, umso mehr effizienter ist die zurück treibende Kraft von dem Kolbenaktuator auf die Kolbenanordnung im Falle einer Fehlausrichtung der Letzteren. Demzufolge, im Falle eines ungewünschten Neigens der Kolbenanordnung wird ein unabhängiger Gleichgewichtseinstellungsmechanismus bereitgestellt mittels der Konfiguration des groß dimensionierten Kontaktbereiches, welcher geformt wird mittels der zusammenwirkenden Kopplungsoberflächen der Kolbenanordnung und des Kolbenaktuators, dabei fördern der Kolbenanordnung/Kolbenaktuator Anordnung, um einen stabilen Gleichgewichtszustand im Fall von seitlichen Kraftverzerrungen vorauszusetzen. Des Weiteren, als eine Konsequenz der gemeinsamen nicht fest verbundenen oder relative lose gekoppelten Konfiguration des Kolbenaktuators und der Kolbenanordnung an dem Kontaktbereich wird eine Gleichgewichts-Gleitbewegung zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung entlang des Kontaktbereiches ermöglicht bei dem unerwünschten Ereignis einer parallel ausgerichteten, aber lateral oder axial verlagerten Falschausrichtung zwischen der Kolbenanordnung und dem Kolbenaktuator. Da die Konfiguration des Kontaktbereiches gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung beide winklige und laterale Falschausrichtungen zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator effizient unterbindet, können rapider Verschleiß oder Abrieb von Pumpenkomponenten, wie eine Dichtung, welche einen Spalt zwischen Kolbenanordnung und einem Pumpengehäuse abdichtet, vermieden und die Lebensdauer solcher Pumpenkomponenten erhöht werden. Demzufolge kann der Aufwand der Wartung für die Pumpe signifikant reduziert werden.
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Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung überwinden einige Vorurteile. Zuerst, die Hauptströmung des Standes der Technik folgt einer runden, punktorientierten Kopplung zwischen Kolbenstange und Antrieb, im fundamentalen Kontrast zu der flachen außenseitigen Kopplungsarchitektur gemäß den exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung. Solch eine konventionelle punktorientierte Kopplung hat jedoch den unerwünschten Effekt, dass, im Fall einer winkligen Falschausrichtung zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator, die punktorientierte Kopplung sogar die Falschausrichtung erhöht, da eine punktorientierte Kopplung in einem unstabilen Gleichgewicht resultiert. Dadurch, im Fall einer axialen Verschiebung und/oder einer geneigten Orientierung der Kolbenanordnung, bewegt sich die Kolbenanordnung konventionell kontinuierlich fortlaufend seitwärts, dabei ausübend hohe mechanische Lasten auf die oben genannte Dichtung. Die Konfiguration der Kopplungsoberfläche gemäß einer exemplarischen Ausführung überwindet diesen unerwünschten Effekt mittels Bereitstellens eines stabilen Gleichgewichts. Folglich, zweitens,
JP 07-197880 lehrt exakt weg von den exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung, weil letzteres in einem stabilem Gleichgewicht resultiert eher als in einem konventionellem unstabilen Gleichgewichtszustand. Drittens,
JP 07-197880 wurde vor langer Zeit veröffentlicht, so haben offensichtlich Fachmänner dessen Vorurteile nicht hinterfragt.
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Ein weiterer Aspekt von exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung ist die Bereitstellung eines Kopplungsadapters mit einer gekrümmten Oberfläche und einer gegenüberliegenden flachen Oberfläche, wobei die flache Oberfläche angeordnet sein kann, um gegen eine korrespondierende flache Oberfläche der Kolbenanordnung anzugrenzen und die gekrümmte Oberfläche angeordnet sei kann, um gegen und optional an eine gekrümmte Oberfläche eines konventionellen Kolbenaktuators einer konventionellen Pumpe mit punktorientierter Kopplung anzugrenzen und fixiert zu sein. Somit, mittels Einfügens des Kopplungsadapters zwischen einer konventionellen Kolbenanordnung und einen konventionellen Kolbenaktuator, ist ein sehr einfaches Nachrüsten einer konventionellen Pumpe zur Umwandlung dieser in eine Pumpe gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung möglich. Bereitstellung des Kopplungsadapters ist somit ein sehr einfacher Mechanismus zur Erhöhung der Lebensdauer der Pumpenkomponenten (insbesondere der Kolbendichtung) einer konventionellen Pumpe mittels des Konfigurierens des Kopplungsadapters, um den Kontaktbereich mit der seitlichen äußeren Kontaktierung bereitzustellen und die Möglichkeit eines gemeinsamen Gleitens zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen der Pumpe, des Kopplungsadapters, des Fluidtrennapparats, der Anordnung, des Verfahrens zum Nachrüsten einer Pumpe zum Fluidpumpen und des Verfahrens zum Betreiben einer Pumpe erläutert.
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In einer Ausführungsform sind der Kolbenaktuator und die Kolbenanordnung gekoppelt, so dass bei einem Ereignis von einer unerwünschten (aber nicht immer völlig vermeidbarer) geringfügigen kippenden Falschausrichtung zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung, der Kolbenaktuator eine Gegenkraft auf die Kolbenanordnung aufbringen wird, übertragen via ihrer mechanischer Schnittstelle, was die Kolbenanordnung zwingt in eine parallele Ausrichtung mit dem Kolbenaktuator zurück gefahren zu werden. Während diesem Verfahren kann der Kolbenaktuator die Kolbenanordnung zur Ausführung einer parallelen lateralen Gleitbewegung entlang des Kontaktbereiches zwingen, welches gemäß exemplarischen Ausführungsformen als ein Resultat der nicht fixen Verbindung zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator möglich gemacht wird.
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In einer Ausführungsform sind der Kolbenaktuator und die Kolbenanordnung konfiguriert, um via einen wenigstens teilweise (insbesondere komplett) planaren zweidimensionalen Kontaktbereich gekoppelt zu werden, insbesondere rechtwinklig orientiert zur Kolben-Hin- und Herbewegungsachse in der Abwesenheit einer lateralen Kraft. Mittels Bereitstellens flacher oder planarer oder kurvenfreier Ränder an beiden Kopplungsoberflächen von Kolbenanordnung und Kolbenaktuator wird ein relativ großer Kontaktbereich zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung erhalten, welcher die Effizienz der Kraftübertragung erhöht.
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In einer Ausführungsform sind Kolbenaktuator und Kolbenanordnung konfiguriert, um lateral im Wesentlichen fluchtend miteinander an dem Kontaktbereich an einem umlaufenden lateralen äußeren Rand des Kolbenaktuators und der Kolbenanordnung zu sein. Mit anderen Worten, in einer Ebene rechtwinklig zu einer gemeinsamen Achse der Kolbenaktuator/Kolbenanordnung Anordnung (in einem verzerrungsfreiem Zustand), kann eine am äußersten angeordnete Grenzlinie von Kolbenaktuator und Kolbenanordnung identisch oder im Wesentlichen identisch an der Kontaktposition sein und vorzugsweise zusätzlich in benachbarten Teilen von beiden Kolbenaktuator und Kolbenanordnung. In einer Ausführungsform kann die Grenze zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung frei sein von jeglichem radialen Vorsprung von einem von dem Kolbenaktuator und der Kolbenanordnung mit Bezug auf den anderen von dem Kolbenaktuator und der Kolbenanordnung. Solch eine gegenseitige räumliche Übereinstimmung der äußeren Grenze von Kolbenanordnung und Kolbenaktuators um ihre Verbindung hat einen positiven Effekt bezüglich des Eigengleichgewichts im Fall einer räumlichen Verzerrung zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator.
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In einer Ausführungsform sind Kolbenaktuator und Kolbenanordnung konfiguriert, um via einem ringförmigen zweidimensionalen Kontaktbereich gekoppelt zu sein, welcher eine zentrale Ausnehmung aufweist, an welcher der Kolbenaktuator und die Kolbenanordnung entkoppelt sind. Mittels Konfigurierens des Grenzbereiches insbesondere der Kolbenanordnung mit einer zentralen Ausnehmung (beispielsweise ein Blindloch), ist die Produzierbarkeit des Grenzbereiches vereinfacht, weil der Grenzbereich mit ausreichenden Toleranzen mittels Drehens gefertigt werden kann. Deshalb kann eine präzise räumliche Übereinstimmung zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator kombiniert werden mit angemessenem Aufwand für die Fertigung insbesondere der Kolbenanordnung.
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In einer Ausführungsform weist die Kolbenanordnung ein (zum Beispiel ringförmiges) Kopplungselement, welches zum Kontaktbereich mit dem Kolbenaktuator beiträgt und welches rigide verbunden zum Rest der Kolbenanordnung ist, auf. Insbesondere kann das Kopplungselement aus einem Material sein, insbesondere einem Kunststoffmaterial (wie zum Beispiel PEEK), welches sich von dem Material der restlichen Kolbenanordnung unterscheidet (wie zum Beispiel Stahl). Die Mehrheit der Kolbenanordnung hat bestimmte Anforderungen hinsichtlich des Materials, um der Kolbenanordnung zu ermöglichen, das Fluid selbst unter hohen Druckbedingungen von zum Beispiel 1200 bar oder mehr, wie es in modernen Flüssigkeitschromatografieanwendungen notwendig ist, zu verdrängen. Jedoch mögen die entsprechenden Materialien, welche nötig sind diesen Konditionen zu genügen, nicht die idealen Materialien für ein angemessenes Widerlager gegen den Kolbenaktuator sein. Mittels Einfügens eines Kopplungselementes zwischen Kolben und Kolbenaktuator, kann das Kopplungselement hinsichtlich des Materials und/oder der Form ausgeführt sein, um die Falschausrichtung-verhindernde Kopplung genau zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung zu erfüllen. Zum Beispiel kann das Material des Kopplungselements und das Material eines aneinandergrenzenden Abschnitts des Kolbenaktuators als ein zusammengehöriges Paar hinsichtlich der Tribologie ausgewählt werden. Mit anderen Worten können diese Materialien frei gewählt werden, um die gemeinsamen Gleiteigenschaften an dem Kontaktbereich zwischen Kolbenaktuator und dem Kopplungselement der Kolbenanordnung zu optimieren. Damit besonders die Tribologie zwischen der Kolbenanordnung und dem Kolbenaktuator verbessert wird, können die Kolbenanordnung und/oder der Kolbenaktuator mit einer entsprechenden Beschichtung beschichtet werden, welche speziell ausgewählt ist, um die Gleiteigenschaft an dem Kontaktbereich zu verbessern.
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In einer Ausführungsform weisen das Kopplungselement und der Rest der Kolbenanordnung gegenseitige kooperierende Verbindungsvorkehrungen auf, insbesondere Schnappverschluss- Verbindungsvorkehrungen, welche zum Austausch des Kopplungselements bedienbar sind. Die mechanischen Lasten, welche auf das Kopplungselement während des Betriebes der Pumpe einwirken, sind signifikant. Deshalb ist das Kopplungselement anfällig gegenüber Abrieb und Abnutzung während des Pumpenbetriebes. Wenn dies eintritt, machen es die gemeinsamen kooperierende Verbindungsbereitstellungen möglich, dass nur das Kopplungselement ausgetauscht werden muss und von dem Rest der Kolbenanordnung entfernt werden kann mittels Betreibens der zusammenwirkenden Verbindungsvorkehrungen. Deshalb wird die Wartung der Pumpe signifikant vereinfacht.
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In einer Ausführungsform grenzen der Kolbenaktuator und die Kolbenanordnung an dem Kontaktbereich aneinander an zur Ausführung einer selbstzentrierenden Gleichgewichtsbewegung in der Gegenwart einer lateralen Kraft, um damit axiale und winkelige Verzerrungen, welche auf die Kolbenanordnung wirken, auszugleichen. Deshalb, mittels der beschriebenen Konfiguration der Kolbenanordnung und der Kolbenanordnung und dessen angrenzender Abschnitte, ist keine Notwendigkeit für einen Anwender oder eine Kontrolleinheit vorhanden, um aktiv potentielle Verzerrungen zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator zu korrigieren, da das System automatisch in seinen Gleichgewichtszustand zurück kehren wird und deshalb Verzerrungen in einer effizienten Art und Weise ausgleichen wird, ohne einen aktiven Steuerungsaufwand. Dies resultiert aus der Konfiguration des Kontaktbereiches als stabiles Gleichgewicht eher als ein instabiles Gleichgewicht.
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In einer Ausführungsform sind Materialien, insbesondere der Kolbenanordnung und des Kolbenaktuators, die aneinandergrenzen an dem zweidimensionalem Kontaktbereich, zum tribologischen übereinstimmen konfiguriert, um eine gleitende Gleichgewichtsbewegung zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator entlang des zweidimensionalen Kontaktbereiches zu ermöglichen. Dies kann besonders effizient ausgeführt werden, wenn ein geeignetes Kopplungselement als ein Adapterstück zwischen Kolben und Kolbenaktuator bereitgestellt wird und mittels spezifischem Konfigurierens oder Optimierens solch eines Kopplungselements hinsichtlich der Tribologie mit der Kopplungsoberfläche des Kolbenaktuators.
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In einer Ausführungsform hat die Kolbenanordnung eine Federauflageoberfläche, welche dem Kontaktbereich gegenüber liegt und konfiguriert ist zum Stützen einer Feder, wobei die Pumpe die Feder aufweist, welche zwischen der Federauflageoberfläche und einem Pumpengehäuse gelagert ist, zum Vorspannen der Kolbenanordnung in einer hinteren Position innerhalb der Arbeitskammer während die neigende Gleichgewichtsbewegung zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung in Gegenwart einer lateralen Kraft ermöglich wird. Federauflageoberfläche und Kopplungsoberfläche der Kolbenanordnung können gegenüberliegende parallele Oberflächen eines ringförmigen Flanschteils an einem aktuatorseitigem Ende der Kolbenanordnung sein. Eine Feder kann zwischen der Federauflageoberfläche und einem Pumpengehäuse montiert sein und kann die Kolbenanordnung vorspannen, um weitestgehend außerhalb der Arbeitskammer zu verbleiben. Wenn sich der Kolbenaktuator vorwärts bewegt und mit ihm die Kolbenanordnung wird die Feder komprimiert bis sich die Kolbenanordnung in die vorderste Position in der Arbeitskammer bewegt hat. Die Feder, vorgespannt mittels Antriebsenergie des Kolbenaktuators, kann sich dann ausdehnen, wenn der Kolbenaktuator sich zurück bewegt und kann die Kolbenanordnung mit nach hinten bewegen. Die Federkraft zur Vorspannung der Kolbenanordnung gegen den Kolbenaktuator kann ausgewählt werden, so dass weder eine gemeinsame winkelige noch eine gemeinsame seitliche Bewegung zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator durch die Federkraft verhindert wird.
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In einer Ausführungsform weist die Kolbenanordnung eine Kolbenbasis zugewandt zum Kolbenaktuator auf und weist einen Kolben angebracht an und/oder in der Kolbenbasis und konfiguriert zum Verdrängen des Fluides in der Arbeitskammer auf. Die Kolbenbasis kann im Vergleich zum Kolben eine größere laterale Abmessung besitzen. Der Kolben kann zum Verdrängen von Fluid konfiguriert sein, wohingegen die Kolbenbasis als ein stabile Stütze und als ein Kopplungsabschnitt zum Kolbenaktuator dienen kann.
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In einer Ausführungsform weist die Pumpe einen Kugelgewindemechanismus konfiguriert zum Übertragen der Antriebskraft von einer Antriebseinheit zu dem Kolbenaktuator auf. Es hat sich gezeigt, dass ein Kugelgewindemechanismus ein sehr effizienter Mechanismus zum Betreiben des Kolbenaktuators ist, angetrieben mittels einer Antriebseinheit, wie einem Elektromotor oder ähnlichem. Jedoch ist ein Kugelgewindemechanismus besonders anfällig (im Vergleich zu anderen Antriebsmechanismen) gegenüber einem rapiden Verschleiß von einer Dichtung, als ein Resultat unerwünschter Falschausrichtung zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung. Deshalb hat die oben beschriebene Konfiguration des Kontaktbereiches besondere Vorteile, wenn ein Kugelgewindemechanismus in einer Pumpe implementiert wird. Dennoch sind alternative Antriebsmechanismen möglich, wie eine Nockenwelle.
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In einer Ausführungsform weist die Pumpe eine Abdichtung, welche die Kolbenanordnung umschließet, zum Abdichten eines Spaltes zwischen einem Pumpengehäuse und der Kolbenanordnung auf. Solch eine Abdichtung kann aus Kunststoffmaterial, Gummi etc., bestehen. Im Falle einer räumlichen Falschausrichtung der Kolbenanordnung relativ zu dem Kolbenaktuator erzeugt dies eine hohe mechanische Last, welche sich auf die Abdichtung auswirkt, was wiederum in der Notwendigkeit des häufigen Austausches der Abdichtung resultiert, welches einen signifikanten Wartungsaufwand involviert. Mittels Konfigurierens des Kontaktbereiches wie oben beschrieben, werden Falschausrichtungen automatisch ausgeglichen, um dadurch ebenfalls die auf die Abdichtung wirkenden Lasten zu reduzieren und die Lebensdauer der Abdichtung zu erhöhen.
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In einer Ausführungsform ist die Pumpe konfiguriert zum Pumpen von Fluid mit einem Druck von zumindest 500 bar, insbesondere zumindest 1000 bar, mehr insbesondere oder zumindest 1500 bar. Insbesondere unter diesen hohen Druckbedingungen, welche typisch für die moderne Flüssigkeitschromatografieanwendungen sind, ist der Verschleiß der Pumpenkomponenten als ein Resultat einer Falschausrichtung zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator besonders ausgeprägt und kann sehr effizient mittels den Ausführungsformen der Erfindung unterbunden werden.
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In einer Ausführungsform weist die Pumpe einen Kopplungsadapter mit den oben genannten Eigenschaften auf und dieser wird eingefügt zwischen der Kolbenanordnung und dem Kolbenaktuator. Der Kopplungsadapter kann konfiguriert sein, so dass wenn eingefügt zwischen einem konventionellen Kolbenaktuator (mit einer kugelförmigen Kopplungsoberfläche) und einer Kolbenanordnung (mit einer planaren Kopplungsoberfläche) einer Pumpe mit einem punktorientiertem Kopplungstyp, der Kolbenaktuator und die Kolbenanordnung nicht fest zusammenhängend (insbesondere im wesentlichen unverbunden) via einen gemeinsamen zweidimensionalen Kontaktbereich gekoppelt sind, welcher mittels der zumindest teilweise planaren Oberfläche des Kopplungsadapters und der zumindest teilweisen planaren Kopplungsoberfläche der Kolbenanordnung geformt wird, um eine neigende Gleichgewichtsbewegung zwischen Kolbenaktuator und Kolbenanordnung in der Anwesenheit einer lateralen Kraft zu ermöglichen. Somit wird Nachrüsten einer konventionellen Pumpe mit punktorientierten Kontakt zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator in einer Pumpe, welche die lateralen äußeren planaren Kopplungsbereich-Auslegung gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung besitzt, möglich. Daher kann der Kopplungsadapter so konfiguriert werden, dass beim Einfügen zwischen der Kolbenanordnung und dem Kolbenaktuator, der Kopplungsadapter und die Kolbenanordnung in der Abwesenheit einer lateralen Kraft an dem Kontaktbereich an einer umlaufenden lateralen äußeren Position des Kolbenaktuators aneinandergrenzen.
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In einer Ausführungsform kann ein Befestigungsmechanismus zum Befestigen des Kopplungsadapters an dem Kolbenaktuator mit gekrümmter oder runder angrenzender Oberfläche bereitgestellt werden. Solch ein Befestigungsmechanismus kann eine Schraubverbindung, eine Schnappverschlussverbindung, eine Steckverbindung, eine magnetische Verbindung, etc. sein. Solch ein Befestigungsmechanismus kann als Teil des Kopplungsadapters ausgeformt oder ein separates Teilstück sein.
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Die Trenneinheit der Fluidtrennvorrichtung kann mit einem Trennmaterial gefüllt sein. Solch ein Trennmaterial, welches auch als stationäre Phase bezeichnet werden kann, kann jedes Material sein, welches einen einstellbaren Grad an Interaktion mit einem Probenfluid erlaubt, so dass es imstande ist, verschiedene Komponenten solch eines Probenfluides zu trennen. Das Trennmaterial kann ein flüssiges Chromatografie Säulen füllendes Material sein oder Füllmaterial aufweisend zumindest eines aus der Gruppe bestehend aus Polystyrol, Zeolith, Polyvinylalkohol, Polytetrafluorethylen, Glas, Polymerpuder, Silikondioxid, und Silikongel, oder eines der vorstehenden mit chemisch modifizierter (überzogenen, gekapselten, etc.) Oberfläche. Wie auch immer kann jedes Füllmaterial genutzt werden, welches Materialeigenschaften hat, welche einem Analyt erlauben dieses Material zu durchlaufen zur Trennung in verschiedene Komponenten, beispielsweise aufgrund verschiedenartiger Interaktionen oder Affinitäten zwischen dem Füllmaterial und den Anteilen des Analytes.
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Zumindest ein Teil der Trenneinheit kann mit einem Fluid-Trennmaterial gefüllt sein, wobei das Fluid-Trennmaterial Kügelchen mit einer Größe in einem Bereich von hauptsächlich 1 μm bis hauptsächlich 50 μm aufweisen kann. Dadurch können diese Kügelchen kleine Partikel sein, welche innerhalb des Trennabschnittes des mikrofluidischen Gerätes gefüllt werden können. Die Kügelchen können Poren mit einer Größe in einem Bereich von im Wesentlichen 0.01 μm bis im Wesentlichen 0.2 μm haben. Die fluidische Probe kann durch diese Poren dringen, wobei eine Interaktion zwischen der fluidischen Probe und den Poren auftreten kann.
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Die Trenneinheit kann eine chromatografische Säule zur Trennung von Komponenten der fluidischen Probe sein. Deshalb können exemplarische Ausführungsformen insbesondere im Rahmen eines Flüssigkeitschromatografiegerätes implementiert werden.
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Die Fluidtrennvorrichtung kann zum Leiten einer flüssigen mobilen Phase durch die Trenneinheit konfiguriert sein. Als eine Alternative zu einer flüssigen mobilen Phase kann eine gasförmige mobile Phase oder eine mobile Phase, welche feste Partikel aufweist, mittels der Fluidtrennvorrichtung verarbeitet werden. Auch Materialien, welche Mischungen aus verschiedenen Phasen (fest, flüssig, gasförmig) sind, können mittels Nutzung der exemplarischen Ausführungsformen verarbeitet werden. Die Fluidtrennvorrichtung kann zum Leiten der mobilen Phase durch das System mit einem hohen Druck, insbesondere mit zumindest 600 bar, noch insbesondere mit zumindest 1200 bar, konfiguriert sein.
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Die Fluidtrennvorrichtung kann als eine mikrofluidische Vorrichtung konfiguriert sein. Der Begriff „mikrofluidische Vorrichtung” kann insbesondere eine Fluidtrennvorrichtung wie hierin beschrieben bezeichnen, welche erlaubt Fluid durch Mikrokanäle mit einer Abmessung in der Größenordnung von weniger als 500 μm, insbesondere weniger als 200 μm, noch insbesondere weniger als 100 μm oder weniger als 50 μm oder weniger, zu transportieren.
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Exemplarische Ausführungsformen können mit einem Probeninjektor einer Flüssigkeitschromatografievorrichtung ausgestattet sein, welcher Probeninjektor kann eine Fluidprobe von einem Fluidkontainer aufnehmen und kann solch eine Fluidprobe in eine Leitung zur Bereitstellung an eine Trennsäule injizieren. Während dieser Prozedur kann die Fluidprobe von beispielsweise normalem Druck zu höherem Druck, beispielsweise mehrere hundert bar oder sogar 1000 bar und mehr, komprimiert werden. Ein Autosampler kann eine Fluidprobe automatisch von der Phiole in die Probenschleife (alternativ, wird ein festes Schleifenkonzept angewandt) injizieren. Eine Spitze oder Nadel des Autosamplers kann in den Fluidkontainer tauchen und kann das Fluid in die Kapillaren saugen, und kann danach zurück zum Platz fahren, um dann beispielsweise via eines umschaltbaren fluidischen Ventils die Fluidprobe in Richtung des Probentrennabschnitts der Flüssigkeitschromatografievorrichtung zu injizieren.
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Die Fluidtrennvorrichtung kann zum Analysieren zumindest eines physischen, chemischen und/oder biologischen Parameters von zumindest einer Komponente der Fluidprobe in der mobilen Phase konfiguriert sein. Der Begriff „physischer Parameter” kann insbesondere eine Größe oder eine Temperatur des Fluides bezeichnen. Der Begriff „chemischer Parameter” kann insbesondere eine Konzentration eines Anteils des Analytes, einen Affinitäts Parameter oder Ähnliches bezeichnen. Der Begriff „biologischer Parameter” kann insbesondere eine Konzentration eines Proteins, eines Gens oder Ähnlichem in einer biochemischen Lösung, einer biologischen Aktivität einer Komponente, etc. bezeichnen.
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Die Fluidtrennvorrichtung kann in verschiedenen technischen Umgebungen implementiert sein, wie eine Sensorvorrichtung, eine Testvorrichtung, eine Vorrichtung zur chemischen, biologischen, und/oder pharmazeutischen Analyse, eine Kapillarelektrophoresevorrichtung, eine Flüssigkeitschromatografievorrichtung, eine Gaschromatografievorrichtung, eine elektronische Messvorrichtung, oder eine Massenspektroskopievorrichtung. Insbesondere kann die Fluidtrennvorrichtung eine Hochleistungsflüssigkeitschromatografievorrichtung (HPLC) sein, mittels welcher verschiedene Anteile eines Analytes getrennt, untersucht und analysiert werden können.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Fluidtrennvorrichtung konfiguriert zum Trennen von Verbindungen einer Fluidprobe in einer mobilen Phase auf. Die Fluidtrennvorrichtung kann einen mobilen Phasen-Antrieb, wie ein Pumpensystem, konfiguriert zum Treiben der mobilen Phase durch die Fluidtrennvorrichtung aufweisen. Eine Trenneinheit, welche eine chromatografische Säule sein kann, ist zum Trennen der Verbindung von Fluidprobe in einer mobilen Phase bereitgestellt. Die Fluidtrennvorrichtung kann ferner aufweisen einen Probeninjektor konfiguriert zum Einführen der Fluidprobe in die mobile Phase, einen Detektor konfiguriert zum Erkennen der getrennten Verbindungen der Fluidprobe, einen Kollektor konfiguriert zum Sammeln der getrennten Verbindungen der Fluidprobe, eine Datenverarbeitungseinheit konfiguriert zum Verarbeiten von Daten empfangen von der Fluidtrennvorrichtung, und/oder eine Entgasungsvorrichtung zum Entgasen der mobilen Phase.
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Die mobile Phase (oder Eluent) kann entweder ein pure Lösung oder eine Mischung aus verschiedenen Lösungen sein. Dies kann ausgewählt werden, um beispielsweise die Retention der interessierenden Verbindungen und/oder die Menge der mobilen Phase zum Betreiben der Chromatografie zu minimieren. Die mobile Phase kann ebenfalls ausgewählt werden, so dass die verschiedenen Verbindungen effektiv getrennt werden können. Die mobile Phase kann ein organisches Lösungsmittel wie beispielsweise Methanol oder Acetonitril, welche oft in Wasser verdünnt werden, aufweisen. Zum Gradientenbetrieb werden Wasser und organische Stoffe in separaten Flaschen geliefert, von welchen die Gradientenpumpe eine programmierte Mischung zum System liefert. Andere häufig genutzte Lösungsmittel können Isopropanol, THF, Hexan, Ethanol und/oder jede Kombination hiervon oder jede Kombination dieser mit den vorgenannten Lösungsmitteln sein.
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Die Fluidprobe möge jeden Typ von Prozessflüssigkeit, natürlichen Proben wie Saft, Körperflüssigkeiten, wie Plasma, aufweisen oder es kann das Resultat einer Reaktion wie von einer Fermentationsbrühe sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Aufgaben und viele der dazugehörigen Vorteile der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden leichter eingeschätzt und besser verstanden unter Bezugnahme auf die folgende weitere detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Eigenschaften, welche substantiell oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden durch dieselben Bezugszeichen referenziert.
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1 zeigt eine Flüssigkeitstrennvorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, insbesondere genutzt in der Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (HPLC).
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2 stellt eine Querschnittsansicht einer Pumpe gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung dar.
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3 stellt eine Kolbenanordnung/Kolbenaktuator Schnittstelle einer Pumpe gemäß exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung dar.
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4 stellt eine Kolbenanordnung/Kolbenaktuator Schnittstelle einer konventionellen Pumpe ausgestattet mit einer Schnittstelle oder Kopplungsadapter gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung dar, um die konventionelle Pumpe in eine Pumpe gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung zu konvertieren.
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5 stellt ein Funktionsprinzip einer Eigengleichgewichtseinstellung einer Pumpe gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung, im Fall einer winkeligen Verschiebung zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator, schematisch dar.
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6 stellt ein Funktionsprinzip einer Eigengleichgewichtseinstellung einer Pumpe gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung, im Fall einer lateralen axialen Verschiebung zwischen Kolbenanordnung und Kolbenaktuator, schematisch dar.
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Die Darstellung in den Zeichnungen ist schematisch.
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Bevor Bezug auf die Zeichnungen genommen wird, in welchen die exemplarischen Ausführungsformen im weiteren Detail beschrieben werden, werden einige grundlegenden Gesichtspunkte zusammengefasst basierend darauf exemplarische Ausführungsformen der Erfindung ausgebildet wurden.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist ein Konzept einer Kolbenführung in einer Pumpe, insbesondere für UHPLC Systeme, bereitgestellt.
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Konventionelle UHPLC Pumpen drücken eine Kolben in eine Arbeitskammer, um das innere Volumen zu reduzieren und um Fluid zu einem unter Druck gesetzten System zu liefern. Drücken eines langen Körpers von Hinten erzeugt jedoch für ihn die Tendenz zu einer Abweichung von dessen geraden Pfad. UHPLC Pumpen nutzen verschiedene Mechanismen, um eine entsprechende Falschausrichtung zu vermeiden. Einige Pumpen haben ein Lager am hinteren Teil des Kolbens, um ihn in der Mitte des Druckmechanismus des Pumpenantriebs zu halten, welches dem Kolben erlaubt sich zu drehen, um winkelige Falschausrichtungen zu vermeiden. Zur selben Zeit soll dieser Mechanismus den Kolben von Seitwärtsbewegen abhalten. Andere Konzepte beruhen auf Lagern welche den Kolben selbst führen, welche dem Koben erlauben zu drehen und gegen die Antriebs-Schubstange zu gleiten.
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In Kontrast zu solchen konventionellen Ansätzen, welche, wie sich erwiesen hat, in einer kurzen Lebensdauer der lastbeeinflussten Pumpenkomponenten wie eine Kolbendichtung resultieren, drückt eine Pumpe gemäß der exemplarischen Ausführungsform der Erfindung den Kolben mittels einer Ring- oder flachen Oberfläche, welche radial auswärts positioniert ist, d. h. weit entfernt von der zentralen axialen Position. Mittels Aufnahme dieser Maßnahme, jedes Mal wenn der Kolben von seiner vorgesehenen Richtung und Orientierung abweicht, gibt es eine Kraft die ihn zurückführt, um mechanische Lasten, welche auf die Pumpenkomponenten wirken, wie die Dichtung, in einer unabhängigen Art und Weise zu unterdrücken. Dieser Mechanismus erlaubt ein Offset zwischen der Kolbenachse und der Antriebsachse ohne übermäßige Seitenlast auf der Dichtung, welchen Festlager produzieren.
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Bezugnehmend nun im größeren Detail auf die Zeichnungen, stellt 1 ein generelles Schema eines Flüssigkeitstrennsystem 10 dar. Eine Pumpe 20 erhält eine mobile Phase von einer Lösungsmittelversorgung 25, typischerweise via einen Entgaser 27, welcher entgast und somit die Menge von gelöstem Gas in der mobilen Phase reduziert. Die Pumpe 20 – als ein mobiler Phasen-Antrieb – treibt die mobile Phase durch eine Trenneinheit 30 (wie eine chromatografische Säule), welche eine stationäre Phase aufweist. Eine Probeneinheit 40 kann zwischen der Pumpe 20 und der Trenneinheit 30 bereitgestellt werden, um ein Probenfluid der mobilen Phase auszusetzten oder hin zu zufügen (oft bezeichnet als Probeneinleitung). Die stationäre Phase der Trenneinheit 30 ist zum Trennen von Verbindungen des Probenfluides konfiguriert. Ein Detektor 50 wird zum Erfassen getrennter Verbindungen des Probenfluides bereitgestellt. Eine Fraktionier-Einheit 60 kann zum Ausgeben getrennter Verbindungen des Probenfluides bereitgestellt werden.
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Während die mobile Phase aus nur einem Lösungsmittel bestehen kann, kann sie auch aus mehreren Lösungsmitteln gemischt sein. Dieses Vermischen möge ein Niederdruck-Vermischen sein und bereitgestellt oberhalb der Pumpe 20, so dass die Pumpe 20 das gemischte Lösungsmittel als die mobile Phase bereits erhält und pumpt. Alternativ, möge die Pumpe 20 aus einer Mehrzahl individueller Pumpeinheiten bestehen womit Mehrzahl von Pumpeinheiten jede ein unterschiedliches Lösungsmittel oder Mischung erhält und pumpt, so dass das Vermischen der mobilen Phase (wie es mittels der Trenneinheit 30 erhalten wird) unter hohem Druck auftritt und der Pumpe 20 (oder als Teil dieser) nachgelagert. Die Komposition (Mischung) der mobilen Phase kann über die Zeit konstant gehalten werden, der sogenannte isokratische Modus, oder über die Zeit variiert werden, der sogenannte Gradient Modus.
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Eine Datenverarbeitungseinheit 70, welche ein konventioneller PC oder Arbeitsstation sein kann, möge an eine oder mehrere Vorrichtungen in dem Flüssigkeitstrennsystem 10 gekoppelt sein (wie durch die gepunkteten Pfeile angezeigt), um Informationen zu erhalten und/oder den Betrieb zu kontrollieren. Zum Beispiel kontrolliert die Datenverarbeitungseinheit 70 den Betrieb der Pumpe 20 (beispielsweise das Einstellen der Kontrollparameter) und erhält daher Informationen betreffend die aktuellen Arbeitskonditionen (solche wie den Ausgangsdruck, Flussrate, etc. an dem Auslass der Pumpe). Die Datenverarbeitungseinheit 70 mag auch den Betrieb der Lösungsmittelzufuhr 25 (z. B. Einstellen der Lösungsmittel/s oder die zu zuführende Lösungsmittelmischung) und/oder des Entgasers 27 (z. B. Einstellen von Kontrollparametern wie das Vakuumlevel) kontrollieren und mag daher Informationen betreffend die aktuellen Arbeitskonditionen (solche wie Lösungsmittelzusammensetzung geliefert über Zeit, Flussrate, Vakuumlevel, etc.) erhalten. Die Datenverarbeitungseinheit 70 mag ferner den Betrieb der Probeneinheit 40 (z. B. Kontrollieren von Probeninjektion oder Synchronisation von Probeninjektion mit den Betriebskonditionen der Pumpe 20) kontrollieren. Die Trenneinheit 30 mag auch mittels der Datenverarbeitungseinheit 70 kontrolliert werden (z. B. Auswahl eines spezifischen Flusspfades oder Säule, Einstellen von Betriebstemperatur etc.), und sendet – im Gegenzug – Informationen (z. B. Betriebskonditionen) zu der Datenverarbeitungseinheit 70. Entsprechend mag der Detektor 50 mittels der Datenverarbeitungseinheit 70 kontrolliert werden (z. B. hinsichtlich spektraler oder Wellenlängeneinstellungen, Einstellen von Zeitkonstanten, Start/Stopp Datenakquisition), und sendet Informationen (z. B. über die erfasste Probenzusammensetzungen) zu der Datenverarbeitungseinheit 70. Die Datenverarbeitungseinheit 70 mag auch den Betrieb der Fraktionier-Einheit 60 kontrollieren (z. B. in Verbindung mit erhaltenen Daten des Detektors 50) und liefert Daten zurück.
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Im Weiteren, bezugnehmend auf 2 und 3, werden Details betreffend die Pumpe 20 aus 1 erläutert.
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2 illustriert eine Querschnittsansicht einer Pumpe 20 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung in einem Arbeitsmodus dar. Entsprechend illustriert 3 eine Kolbenanordnungs-/Kolbenaktuator Schnittstelle der Pumpe aus 2.
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2 zeigt die Pumpe 20 zum Pumpen von Flüssigkeiten (insbesondere eine mobile Phase gebildet aus einer Zusammensetzung von mehreren Lösungsmitteln) mit hohem Druck von beispielsweise 1200 bar und ist konfiguriert als eine analytische Pumpe für Flüssigkeitschromatografie Anwendungen. Die Pumpe 20 weist eine Arbeitskammer 200 begrenzt durch ein Pumpengehäuse 254 auf. Ein Teil einer Kolbenanordnung 202 ist konfiguriert zum Hin- und Herbewegen innerhalb der Arbeitskammer 200, um somit die zu pumpende Flüssigkeit zu verdrängen. Weiter besonders kann die zu pumpende Flüssigkeit mittels einer Einlassleitung 250 zu der Arbeitskammer 200 geliefert und kann aus der Arbeitskammer 200 via einer Austrittsleitung 252 gepumpt werden.
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Ein Kolbenaktuator 204 ist auch innerhalb des Pumpengehäuses 254 angeordnet und ist gekoppelt mit der Kolbenanordnung 202 via einem gemeinsamen ringförmigen und planaren zweidimensionalen Kontaktbereich 206, um somit Antriebsenergie von einem Elektromotor (nicht gezeigt) via eines Kugelgewindemechanismus (nicht gezeigt) zur der Kolbenanordnung 202 zum teilweisen Hin- und Herbewegen innerhalb der Arbeitskammer 200 entlang einer gemeinsamen Achse (siehe Bezugsnummer 380 in 3) der im Wesentlichen rotationssymmetrischen Kolbenaktuator 204 – Kolbenanordnung 202 – Anordnung zu übertragen. Der Kolbenaktuator 204 und die Kolbenanordnung 202 sind im Kontaktbereich 206 nicht fest verbunden in gewisser Hinsicht, dass sie lose gekoppelt aber nicht rigide aneinander befestigt sind, und angeordnet sind, um immer noch eine gemeinsame neigende und laterale Verschiebungsbewegung relativ zu einander an dem Kontaktbereich 206 zu erlauben. Der Kontaktbereich 206 ist daher designt, um eine neigende Gleichgewichtsbewegung zwischen Kolbenaktuator 204 und Kolbenanordnung 202 in der Gegenwart einer lateralen Kraft (solch ein Betriebszustand ist schematisch in 5 gezeigt) zu ermöglichen. Der Kolbenaktuator 204 und die Kolbenanordnung 202 grenzen gegenseitig ununterbrochen über den gesamten ebenen Kotaktbereich 206 aneinander an, wenn keine seitliche Kraft vorhanden ist. Dieser Kontakt enthält einen Kontaktteilbereich an einer umlaufenden lateralen äußeren Position des Kolbenaktuators 204 und der Kolbenanordnung 202 in Abwesenheit einer lateralen Kraft (solch ein seitlicher kraftfreier Betriebszustand ist in 2 und 3 gezeigt). Die lateralen äußeren Kontaktpositionen beziehen sich auf die Ausdehnungen der Kolbenanordnung 202 und des Kolbenaktuators 204 an den äußersten radialen Positionen im Hinblick auf die zentrale Achse 380, d. h. an oder um die Radien rP der Kolbenanordnung 202 und rA des Kolbenaktuators 204. Der zweidimensionale Kontaktbereich 206 ist planar und rechtwinklig orientiert zu einer Kolben-Hin- und Herbewegungsachse und zu einer Aktuator-Hin- und Herbewegungsachse (siehe Bezugsnummer 380), welche in Abwesenheit einer lateralen Kraft gleich sind. Wie am besten in 3 zu erkennen, sind der Kolbenaktuator 204 und die Kolbenanordnung 202 konfiguriert, um lateral im Wesentlichen bündig mit einander an dem Kontaktbereich 206 an einer umlaufenden lateralen äußeren Rand 208 des Kolbenaktuators 204 und der Kolbenanordnung 202 zu sein, sodass rA = rP, oder wenigstens rA ≈ rP. Mit anderen Worten, rotationssymmetrische räumliche Erstreckungen der Kolbenanordnung 202 und des Kolbenaktuators 204 an und um dem Kontaktbereich 206, in einer Richtung rechtwinklig zur gemeinsamen Hin- und Herbewegungsachse der Kolbenanordnung 202 und des Kolbenaktuators 204, sind gleich oder im Wesentlichen gleich.
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Der Kolbenaktuator 204 und die Kolbenanordnung 202 sind via einem ringförmigen zweidimensionalen Kontaktbereich 206 gekoppelt, welcher eine zentrale Ausnehmung 210 hat, an welcher der Kolbenaktuator 204 und die Kolbenanordnung 202 entkoppelt sind. Genauer gesagt weist die Kolbenanordnung 202 ein ringförmiges Kopplungsteil 212 mit einer ringförmigen Endoberfläche auf, welche den Kontaktbereich 206 mit dem Kolbenaktuator 204 (der eine kreisförmige Endoberfläche hat) definiert und welche rigide verbunden zu einem Rest der Kolbenanordnung 202 ist. Das ringförmige Kopplungsteil 212 hat ein Durchgangsloch, welches die zentrale Ausnehmung 210 ausbildet.
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Da das Kopplungsteil 212 möglicherweise nach einer bestimmten Betriebszeit der Pumpe 20 im Hinblick auf die auf das Kopplungsteil 212 wirkenden hohen mechanischen Lasten ausgetauscht werden müsste, ist es von Vorteil, dass das Kopplungsteil 212 und der Rest der Kolbenanordnung 202 gemeinsame kooperierende Verbindungsteile 216 aufweisen, hier ausgebildet als Schnappverbindungsteile, welche betriebsbereit zum Austausch des Kopplungsteils 212 sind.
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Der Kolbenaktuator 204 besteht aus Stahl. Das Kopplungsteil 212 besteht aus einem Kunststoffmaterial wie PEEK, welches sich von dem Material der restlichen Kolbenanordnung 202 unterscheidet. Die Kolbenanordnung 202 wird gebildet mittels des Kopplungsteils 212, einer Kolbenbasis 222 aus Stahl und einem Kolben 224, welcher starr an und/oder in der Kolbenbasis 222 montiert ist und welcher aus einer Keramik wie Zirkonoxid besteht. Somit können die Materialen des Kopplungsteils 212 der Kolbenanordnung 202 und des Kolbenaktuators 204, welche in Abwesenheit einer winkeligen Falschausrichtung an dem zweidimensionalen Kontaktbereich 206 gegenseitig aneinandergrenzen, frei ausgewählt werden, um tribologisch übereinzustimmen, um eine geringe reibende gleitende Gleichgewichtsbewegung zwischen der Kolbenanordnung 202 und dem Kolbenaktuator 204 entlang des zweidimensionalen Kontaktbereiches 206 im Fall einer axialen Falschausrichtung zum Ermöglichen.
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Wie am besten der 3 zu entnehmen ist, ist ein Zugentlastungs-Einrichtung in Form einer ringförmigen Aussparung 310 an einem kolbenseitigen Endabschnitt der Kolbenbasis 222 bereitgestellt und den Kolben 224 an einer Position, an welcher der Kolben 224 aus der Kolbenbasis 222 hervorsteht, umgibt. Diese ringförmige Ausnehmung 310 verteilt Seitenkräfte räumlich und stabilisiert somit die Kolbenanordnung 202/Kolbenaktuator 204 Anordnung. An einer Endposition des Kolbens 224, an welchem letzterer an eine Gegenflanschoberfläche innerhalb der Kolbenbasis 222 angrenzt, ist der Kolben 224 mit einem runden Endabschnitt 320 ausgestattet, welcher optional bereitgestellt werden kann, um den Kolben 224 genau in ein Sackloch der Kolbenbasis 222 zu pressen.
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Die Kolbenanordnung 202 hat eine Federauflageoberfläche 220 gegenüberliegend dem Kontaktbereich 206 und zum Unterstützten einer Schraubenfeder 230. Die Feder 230 ist zwischen der Federauflageoberfläche 220 und dem Pumpengehäuse 254 gelagert, um die Kolbenanordnung 202 in einer hinteren Position innerhalb der Arbeitskammer 100 vorzuspannen, während die neigende Gleichgewichtsbewegung zwischen Kolbenaktuator 204 und Kolbenanordnung 202 in Gegenwart einer lateralen Kraft ermöglicht wird. Um weiterhin die Gleichgewichtsbewegung zu ermöglichen und um den Kolbenaktuator 204 nicht fest verbunden zu halten in Bezug auf die Kolbenanordnung 202, kann die Feder 230 so montiert sein, das nur eine moderate Federkraft appliziert wird.
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Die Pumpe 20 weist weiterhin eine Dichtung 232 auf, welche aus einem geeignetem Kunststoffmaterial bestehen kann, und welche die Kolbenanordnung 202 zum Abdichten eines Spaltes zwischen dem Pumpengehäuse 254 und der Kolbenanordnung 202 umschließt.
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4 illustriert eine Kolbenanordnung 202'/Kolbenaktuator 204' Schnittstelle einer konventionellen Pumpe 20' dar, welche mit einer Schnittstelle oder Kopplungsadapter 400 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ausgestattet wurde, zum Nachrüsten der konventionellen Pumpe 20', um eine Pumpenkonfiguration gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung (d. h. durch Bereitstellung der Vorteile der Pumpe 20 aus 3 dank des Kopplungsadapters 400) zu erhalten.
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Der Kopplungsadapter 400 ist eingelegt oder eingefügt zwischen der Kolbenanordnung 202' und dem Kolbenaktuator 204'. Der Kopplungsadapter 400 dient zum Nachrüstung von Pumpe 20', welche rapiden Verschleiß der Pumpenkomponenten, wie einer Kolbendichtung, erleidet, um somit die Lebenszeit der Pumpenkomponente zu verbessern. Der Kopplungsadapter 400 weist einen festen Körper 410 mit einer gekrümmten Oberfläche 402 (zum Beispiel eine sphärische Oberfläche) auf, konfiguriert zum Zusammenbau mit und Befestigung an einer gekrümmten Kopplungsoberfläche 404 (zum Beispiel auch eine sphärische Oberfläche mit demselben Radius) des Kolbenaktuators 204'. Der feste Körper 410 des Kopplungsadapters 400 hat weiterhin eine ebene planare Oberfläche 406 gegenüberliegend der gekrümmten Oberfläche 402 und konfiguriert zum Zusammenpassen mit und zum losen in Kontakt stehen zu einer planaren Kopplungsoberfläche 408 der Kolbenanordnung 202'. Der Kopplungsadapter 400 kann somit zum Einfügen zwischen der Kolbenanordnung 202' und dem Kolbenaktuator 204' konfiguriert sein (insbesondere geformt und dimensioniert und bestehend aus einem Material mit ausreichender Robustheit und mit einer geeigneten geringen Reibung). Vorzugsweise ist der Kopplungsadapter 400 an dem Kolbenaktuator 204' befestigt, um damit die Stabilität zu erhöhen und die Nachrüstungsprozedur zur vervollständigen.
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Der Kopplungsadapter 400 ist so konfiguriert, dass wenn dieser zwischen die Kolbenanordnung 202' und den Kolbenaktuator 204' eingefügt wird, der Kolbenaktuator 204' und die Kolbenanordnung 202' nicht fest zusammenhängend via dem gemeinsamen zweidimensionalen Kontaktbereich 206, geformt mittels der planaren Oberfläche 406 des Kopplungsadapters 400 und der planaren Kopplungsoberfläche 408 der Kolbenanordnung 202', gekoppelt sind, um eine neigende Gleichgewichtsbewegung, in der Gegenwart einer lateralen Kraft, zwischen Kolbenaktuator 204' und Kolbenanordnung 202' zu ermöglichen. Der Kopplungsadapter 400 ist konfiguriert, sodass, wenn dieser zwischen der Kolbenanordnung 202' und dem Kolbenaktuator 204' eingefügt wird, der Kopplungsadapter 400 und die Kolbenanordnung 202' gegeneinander, an dem Kontaktbereich 206 an einer umlaufenden lateralen äußeren Position 208 des Kolbenaktuators 204, in der Abwesenheit einer lateralen Kraft, angrenzen.
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5 illustriert schematisch ein Funktionsprinzip einer Eigengleichgewichtseinstellung von Pumpe 20 im Fall einer winkeligen Verschiebung, siehe Winkel α, zwischen Kolbenanordnung 202 und Kolbenaktuator 204 dar.
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Während teilweisen Hin- und Herbewegens innerhalb einer Arbeitskammer 200 (nicht dargestellt in 5), kann die Kolbenanordnung 202 falsch ausgerichtet werden, in dem vorliegendem Szenario mittels Kippens um einen kleinen Winkel α im Vergleich zu einer parallelen Orientierung in Bezug auf den Kolbenaktuator 204. Wie der 5 entnommen werden kann, angesichts der Erstreckung des Kontaktbereiches 206 an oder bis zu einer umlaufenden lateralen äußeren Position des Kolbenaktuators 204 und der Kolbenanordnung 202, wird der Kolbenaktuator 204, welcher die Kolbenanordnung 202 vorwärts drückt, die Kolbenanordnung 202 automatisch zwingen, eine zurückkippenden Bewegung zu vollziehen (siehe Bezugsnummer 500), welche die Kolbenanordnung 202 in eine ideale parallele Position (nicht dargestellt) zurückfährt. Dadurch wird die Kontaktbereichskonfiguration gemäß den exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung winkelige Falschausrichtungen in einer selbständigen Art und Weise ausgleichen.
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6 illustriert schematisch ein Funktionsprinzip einer Eigengleichgewichtseinstellung einer Pumpe 20 im Fall einer lateralen axialen Verschiebung, siehe Offset d, zwischen Kolbenanordnung 202 und Kolbenaktuator 204.
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6 zeigt das Szenario, dass die Kolbenanordnung 202 und der Kolbenaktuator 204 tatsächlich in einer parallelen Orientierung sind (bspw. mit parallelen Achsen), jedoch mit einer lateralen räumlichen Verschiebung von d, d. h. ein Offset zwischen den Achsen der Kolbenanordnung 202 und dem Kolbenaktuator 204. Im Hinblick auf die nicht fest verbundene oder losen Kopplung des Kolbenaktuators 204 hinsichtlich der Kolbenanordnung 202 an dem Kontaktbereich 206, ist es der Kolbenanordnung 202 ermöglicht eine gleitende Bewegung (siehe horizontaler Pfeil 610 in 6) auszuführen, um das unabhängige Zurückfahren der Kolbenanordnung 202 in die ideale Ausrichtungsposition ohne die Notwendigkeit einer aktive Kontrolle auszuführen. Daher dient der Kontaktbereich 206 auch als Gleitoberfläche für ein gemeinsames Gleiten zwischen Kolbenanordnung 202 und Kolbenaktuator 204.
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5 und 6 zeigen somit dass die Kolbenaktuator 204/Kolbenanordnung 202 Kopplungsarchitektur von exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung fähig sind, beide winkelige Falschausrichtungen wie auch laterale räumliche Verschiebungen zu kompensieren. Mit anderen Worten, der Kolbenaktuator 204 und die Kolbenanordnung 202 sind befestigt oder montiert, um gegeneinander im Kontaktbereich 206 anzugrenzen, um eine selbständige Gleichgewichtsbewegung in Gegenwart einer lateralen Kraft auszuführen, um dadurch auf die Kolbenanordnung 202 wirkende axiale und/oder winkelige Verformungen auszubalancieren.
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Es soll vermerkt werden, dass der Begriff „aufweisend” andere Elemente oder Merkmale nicht ausschließt und dass „ein” oder „eine” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Auch können beschriebene Elemente in Verbindung mit verschiedenen Ausführungen kombiniert werden. Es soll ebenfalls vermerkt werden, das Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche einschränkend ausgelegt werden dürfen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 07-197880 [0004, 0004, 0004, 0015, 0015]
- US 4790236 [0005]
- US 5887507 [0005]
- US 3922957 [0005]
- US 5415489 [0005]
