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Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung, insbesondere für mikrofluidische Anwendungen.
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Aus der
DE 20 2009 007 800 U1 ist ein modulares Analysesystem bekannt, das besonders für mikrofluidische Anwendungen geeignet ist und dazu dient, flüssige Proben oder sonstige Arbeitsfluide mit Reagenzien zu vermischen. Zur gesteuerten Zufuhr des Arbeitsfluides und der Reagenzien ist das Analysesystem mit mehreren Ventilen ausgestattet. Hinsichtlich der Versorgung des Analysesystems mit den bei seinem Betrieb verwendeten Fluiden finden sich in der
DE 20 2009 007 800 U1 keine Angaben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Pumpvorrichtung zu schaffen, mit der sich bei mikrofluidischen Anwendungen zum Einsatz kommende Fluide zuverlässig und kostengünstig fördern lassen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Pumpvorrichtung vorgesehen, die sich durch ein Kanalmodul auszeichnet, das eine untere Kanalmodul-Außenfläche und eine diesbezüglich entgegengesetzte obere Kanalmodul-Außenfläche aufweist und das von einem mindestens einen Fluidkanal aufweisenden Fluidkanalsystem durchsetzt ist, das mit einer Pumpkammer einer abnehmbar an der unteren Kanalmodul-Außenfläche befestigten Pumpen-Arbeitseinheit kommuniziert, wobei die Pumpen-Arbeitseinheit ein bewegliches Pumpglied enthält, das zum Fördern eines Arbeitsfluides mit einer an der oberen Kanalmodul-Außenfläche angeordneten Pumpen-Antriebseinheit antriebsmäßig gekoppelt ist.
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Die erfindungsgemäße Pumpvorrichtung stellt in einem Kanalmodul ein Fluidkanalsystem bereit, durch das mit Hilfe einer Pumpen-Arbeitseinheit ein Fluid hindurchgefördert werden kann, insbesondere ein flüssiges Probemedium oder ein Reagens, also Fluide, die vor allem bei mikrofluidischen Anwendungen eine besondere Rolle spielen. Die Pumpvorrichtung kann beispielsweise einem Behandlungsmodul vorgeschaltet sein, in das ein neutrales oder mit einem Reagens versetztes Probemedium zum Durchlauf einer Behandlung eingespeist werden soll. Die Pumpvorrichtung zeichnet sich durch eine dahingehende funktionelle und auch örtliche Trennung der Pumpenkomponenten aus, dass eine in der Regel langlebige und mehrfach verwendbare Pumpen-Antriebseinheit und eine aus Hygienegründen und/oder aus Verschleißgründen häufig auszuwechselnde Pumpen-Arbeitseinheit auf einander entgegengesetzten Seiten des Kanalmoduls installiert sind, wobei die Pumpen-Arbeitseinheit abnehmbar und folglich bei Bedarf austauschbar ist. Wird die Pumpvorrichtung mit wechselnden Fluiden betrieben, kann bei jedem Fluidwechsel auch ein Austausch der Pumpen-Arbeitseinheit stattfinden, was zeitaufwendige und meist nicht mit der erforderlichen Gründlichkeit durchführbare Reinigungsarbeiten entbehrlich macht. Durch die einfache Austauschmöglichkeit seitens der Pumpen-Arbeitseinheit kann auch eine hochwertige Reproduzierbarkeit des Pumpverhaltens gewährleistet werden, weil ein Austausch erfolgen kann, bevor verschleiß- oder verschmutzungsbedingte Beeinträchtigungen auftreten, die sich auf die Pumpgenauigkeit und folglich die Reproduzierbarkeit auswirken. Während also medienberührende Komponenten der Pumpvorrichtung jederzeit ausgetauscht werden können, beeinflusst diese Austauschbarkeit nicht die Möglichkeit zur länger andauernden Nutzung der antriebsseitigen Komponenten, die aufgrund ihrer Komplexität und meist elektrischen Ausstattung wesentlich teurer sind als die Bestandteile der Pumpen-Arbeitseinheit. Durch die geometrische Trennung der Pumpen-Antriebseinheit von der Pumpen-Arbeitseinheit durch das dazwischen liegende Kanalmodul wird eine wirksame Abschirmung erreicht, die Verunreinigungen der Pumpen-Antriebseinheit durch das zu fördernde Fluid verhindert. Die antriebsmäßige Kopplung der Pumpen-Antriebseinheit mit dem zur Förderung eines Fluides anzutreibenden Pumpglieds erfolgt direkt durch das Kanalmodul hindurch, entweder durch eine mechanische Kopplung mittels eines geeigneten Antriebsstranges oder durch eine berührungslose, insbesondere magnetische Kopplung.
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Die Pumpvorrichtung lässt sich mit sehr kleinen Abmessungen realisieren, was sie für Einsätze auf dem Gebiet der sogenannten Mikrofluidik prädestiniert. Typischerweise verfügen in der Mikrofluidik eingesetzte Fluidkanäle über Kanaldurchmesser von 0,1 mm bis 1 mm in Verbindung mit Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 μl/s bis 100 μl/s, wobei laminare Strömungen vorherrschen und Oberflächeneffekte wie Oberflächenbenetzung und Kapillarität dominieren. Anwendungsfelder sind insbesondere die Bereiche der Laborautomatisierung und der sogenannten Life Sciences.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Das Kanalmodul ist zweckmäßigerweise mit einem mehrschichtigen Aufbau realisiert, wobei es sich aus mehreren in Achsrichtung einer Hochachse aneinander angesetzten Kanalkörpermodulen zusammensetzt, in deren Fügeebenen sich zumindest partiell das Fluidkanalsystem erstreckt. Das Fluidkanalsystem kann sich aus einem oder mehreren Fluidkanälen zusammensetzen, wobei mehrere Fluidkanäle unabhängig voneinander ausgebildet sein können oder auch miteinander kommunizieren können.
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Bevorzugt ist das Kanalmodul plattenförmig ausgebildet und hat eine Plattenebene, die rechtwinkelig zu einer Hochachse des Kanalmoduls verläuft, wobei die obere Kanalmodul-Außenfläche und die untere Kanalmodul-Außenfläche einander entgegengesetzt in Achsrichtung der Hochachse orientiert sind.
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Die Pumpen-Arbeitseinheit verfügt zweckmäßigerweise über ein Gehäuse, in dem sich die Pumpkammer oder ein die Pumpkammer definierendes Element befindet und in dem auch das bewegliche Pumpglied untergebracht ist. Die Pumpen-Arbeitseinheit kann beispielsweise nach Art einer Kolbenpumpe ausgeführt sein und ein kolbenartiges Pumpglied enthalten, das durch die Pumpen-Antriebseinheit in einer Pumpkammer hin und her bewegbar ist. Als besonders vorteilhaft wird allerdings eine Ausgestaltung nach Art einer Peristaltik-Pumpe angesehen, bei der in dem Gehäuse mindestens ein flexibler Schlauch aufgenommen ist, der durch das bewegliche Pumpglied zusammenquetschbar ist, wobei die Quetschstelle wandert, sodass das in dem Schlauch enthaltene Fluid gefördert wird. Die Schläuche solcher Peristaltik-Pumpen unterliegen einem relativ hohen Verschleißpotential, sodass die leichte Austauschbarkeit der Pumpen-Arbeitseinheit hier in besonders vorteilhafter Weise zum Tragen kommt.
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Die Pumpen-Arbeitseinheit ist zweckmäßigerweise ein einheitlich handhabbares Modul, sodass sie als Baueinheit an der Kanalplatte montierbar und von der Kanalplatte abnehmbar ist.
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Bei diesem Anbringen und Abnehmen wird automatisch auch das Pumpglied installiert und deinstalliert, sodass Montage und Demontage in jeweils einem einzigen Schritt und folglich sehr zeitsparend abgewickelt werden können.
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Vorzugsweise ist auch die Pumpen-Antriebseinheit in abnehmbarer Weise an dem Kanalmodul befestigt. Sollte die Pumpen-Antriebseinheit über eine längere Nutzungsdauer als das ebenfalls mehrfach verwendbare Kanalmodul verfügen, besteht somit die Möglichkeit, die Pumpen-Arbeitseinheit nacheinander in Verbindung mit unterschiedlichen Kanalmodulen zu betreiben.
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Bevorzugt ist die Pumpvorrichtung mit mindestens einem und bevorzugt genau einem an der unteren Kanalmodul-Außenfläche angeordneten Behältermodul ausgestattet, das mindestens eine Fluidbereitstellungskammer definiert, die mit dem Fluidkanal kommuniziert. In der Fluidbereitstellungskammer wird ein durch die Pumpvorrichtung zu förderndes Arbeitsfluid bereitgestellt, beispielsweise ein flüssiges Probemedium oder ein flüssiges Reagens, wobei dieses Arbeitsfluid im Betrieb der Pumpen-Arbeitseinheit aus der Fluidbereitstellungskammer heraus abgepumpt und seinem Verwendungszweck zugeführt wird. Vorzugsweise verfügt das Kanalmodul an einer frei liegenden Außenfläche über eine Ausgabeöffnung, an der das durch die Pumpvorrichtung geförderte Arbeitsfluid ausgegeben wird, um es beispielsweise einer Analyseeinrichtung zuzuführen.
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Ein und dasselbe Behältermodul kann über nur eine einzige oder auch über mehrere Fluidbereitstellungskammern verfügen. In mehreren Fluidbereitstellungskammern bereitgestelltes Arbeitsfluid kann je nach technischer Ausstattung der Pumpvorrichtung seriell oder parallel abgesaugt werden.
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Insbesondere wenn durch das Behältermodul eine verhältnismäßig großvolumige Fluidbereitstellungskammer definiert ist, deren Nutzungsdauer derjenigen des Kanalmoduls entspricht, kann das Behältermodul unlösbar am Kanalmodul angebracht sein, beispielsweise im Rahmen einer integralen Fertigung mittels eines Gießverfahrens. In diesem Fall ist das Behältermodul bevorzugt derart neben der Pumpen-Arbeitseinheit platziert, dass selbige für die Demontage zugänglich bleibt und nach wie vor ein durch die geringere Nutzungsdauer empfehlenswerter Austausch der Pumpen-Arbeitseinheit möglich bleibt.
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Vor allem wenn die mögliche Nutzungsdauer des Kanalmoduls diejenige des Behältermoduls übersteigt, ist es vorteilhaft, wenn das Behältermodul abnehmbar an dem Kanalmodul befestigt ist. Auf diese Weise kann ein und dasselbe Kanalmodul nacheinander zusammen mit unterschiedlichen Behältermodulen genutzt werden. Es bietet sich an, Behältermodule und Pumpen-Arbeitseinheiten zu verwenden, deren übliche Nutzungsdauer im Wesentlichen gleichlang ist, sodass der Austausch der Pumpen-Arbeitseinheit zeitlich mit dem Austausch des Behältermoduls zusammenfällt. Ein Behältermodul wird insbesondere dann ausgetauscht, wenn es durch die Pumpvorrichtung leergepumpt ist.
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Ein abnehmbar montiertes Behältermodul ist zweckmäßigerweise unabhängig von der Pumpen-Arbeitseinheit am Kanalmodul befestigt. Dies erlaubt es, die Pumpen-Arbeitseinheit und das Behältermodul bei unterschiedlicher Nutzungsdauer unabhängig voneinander auszutauschen. Ist dies nicht erforderlich, können die Pumpen-Arbeitseinheit und das Behältermodul auch derart einheitlich an dem Kanalmodul befestigt sein, dass sie stets nur gemeinsam an das Kanalmodul anbaubar und vom Kanalmodul entfernbar sind. Beispielsweise können die Pumpen-Arbeitseinheit und das Behältermodul zu einer Modulbaueinheit zusammengefasst sein.
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Es ist von Vorteil, wenn das Behältermodul einen derartigen Grundriss hat, dass es seitlich nicht über den Rand der unteren Kanalmodul-Außenfläche hinausragt. Um dennoch bei Bedarf ein möglichst großes Füllvolumen zur Verfügung stellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Behältermodul so gestaltet ist, dass es die Pumpen-Arbeitseinheit zumindest teilweise umschließt. Beispielsweise kann das Behältermodul eine abgestufte Außenkontur haben und die Pumpen-Arbeitseinheit in einem abgestuften Bereich des Behältermoduls platziert sein.
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Eine besonders einfache Fluidverbindung zwischen dem in dem Kanalmodul befindlichen Fluidkanalsystem und der Fluidbereitstellungskammer ergibt sich, wenn an dem Kanalmodul eine nach unten hin wegragende Ansauglanze angeordnet ist, die mit dem Fluidkanalsystem kommuniziert und die in die Fluidbereitstellungskammer und das darin befindliche Arbeitsfluid eintaucht. Eine solche Ansauglanze kann man sich als dünnen Rohrkörper vorstellen, der einenends offen ist und dessen Rohrkanal eine Fortsetzung des Fluidkanalsystems repräsentiert.
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Im Zusammenhang mit einer Ansauglanze besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die mit dem Kanalmodul zu kombinierenden Behältermodule hermetisch abgedichtet bereitzustellen, indem ihre Fluidbereitstellungskammer durch eine dünne, insbesondere folienartig ausgebildete Verschlussmembran dicht verschlossen ist. Das Ansetzen des Behältermoduls an das Kanalmodul erfolgt mit der Verschlussmembran voraus, die dabei von der Spitze der Ansauglanze durchstochen wird, um in die Fluidbereitstellungskammer einzutauchen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Pumpvorrichtung weist das Behältermodul eine geschichtete Fluidbefüllung auf. Das Behältermodul enthält zum einen das eigentlich von der Pumpvorrichtung zu fördernde Arbeitsfluid, zum anderen aber auch – stromab mit Bezug auf die Fluidförderrichtung – eine wesentlich geringere Menge an Reinigungsfluid, das bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Behältermoduls durch die Pumpen-Arbeitseinheit zuerst angesaugt wird. Das Reinigungsfluid wird dann durch das Fluidkanalsystem und durch die Pumpen-Arbeitseinheit hindurchgefördert, sodass ein Reinigungsprozess stattfindet. Bei der Inbetriebnahme werden also alle medienberührenden Mehrweg-Elemente der Pumpvorrichtung automatisch gereinigt.
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Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Reinigungsfluid und dem Arbeitsfluid eine Luftblase eingeschlossen, die während der Aufbewahrung des ungenutzten Behältermoduls eine Fluidtrennung gewährleistet und ein unbeabsichtigtes Vermischen des Arbeitsfluides und des Reinigungsfluides verhindert. Diese Luftblase hat zudem den Vorteil, dass sie bei der Inbetriebnahme der Pumpvorrichtung auch angesaugt und durch das Fluidkanalsystem hindurchgefördert wird, sodass sie in dem Fluidkanalsystem eventuell enthaltene kleinere Luftblasen hinausspült.
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Die Vorbefüllung des Behältermoduls mit einem oder mehreren Reinigungsfluiden ermöglicht folglich eine einfache, zeitnahe Inbetriebnahme der Pumpvorrichtung und eine automatische Sicherstellung einer ausreichenden und regelmäßigen Reinigung der vorhandenen Fluidkanäle.
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Die Pumpvorrichtung kann zusätzlich mit mindestens einer in den Verlauf des Fluidkanalsystems eingeschalteten Ventileinheit ausgestattet sein. Die mindestens eine Ventileinheit ist zweckmäßigerweise an der gleichen oberen Kanalmodul-Außenfläche montiert, an der sich auch die Pumpen-Antriebseinheit befindet. Die mindestens eine Ventileinheit kann als Absperrventil ausgeführt sein, mit dem sich der Fluiddurchgang durch einen Fluidkanal alternativ absperren oder freigeben lässt. Es besteht ferner die Möglichkeit, bei einer mit mehreren Behältermodulen und/oder mit mehreren Fluidbereitstellungskammern ausgestatteten Pumpvorrichtung mittels mindestens einer Ventileinheit eine Auswahlfunktion zu realisieren, um ein und derselben Pumpen-Arbeitseinheit alternativ unterschiedliche Fluide zur Förderung zuzuweisen. Auch besteht dadurch die Möglichkeit, die Pumpvorrichtung unmittelbar als eine Mischvorrichtung zu nutzen, indem durch die Pumpen-Arbeitseinheit aus mehreren Fluidbereitstellungskammern gleichzeitig unterschiedliche Fluide angesaugt und während des Pumpvorgangs miteinander vermischt werden. Mittels mehrerer Ventileinheiten lässt sich dabei das Mischungsverhältnis zwischen unterschiedlichen Fluiden sehr einfach beeinflussen.
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Die Pumpvorrichtung eignet sich in vorteilhafter Weise auch zur Ausstattung mit Komponenten, die der Überwachung und/oder Diagnose dienen, beispielsweise mit mindestens einem zur Messung der Fördermenge dienenden Durchflusssensor oder mindestens einem Füllstandssensor zur Überwachung der noch zur Verfügung stehenden Füllmenge an Arbeitsfluid. Die vorhandene Füllmenge kann mittels geeigneter Sensorik entweder direkt in der zugeordneten Fluidbereitstellungskammer detektiert werden oder aber über eine Zählfunktion unter Berücksichtigung der Taktfrequenz der Pumpen-Arbeitseinheit.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 in einem schematischen Längsschnitt eine vorteilhafte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung, bei der die Pumpen-Arbeitseinheit von einem montierten Behältermodul teilweise umschlossen ist,
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2 in einer der 1 entsprechenden Darstellungsweise eine alternative Ausführungsform der Pumpvorrichtung, bei der die Pumpen-Arbeitseinheit und ein Behältermodul unabhängig voneinander nebeneinander am Kanalmodul montiert sind,
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3 eine weitere Ausführungsform der Pumpvorrichtung, die sich von derjenigen der 1 durch die zusätzliche Integration einer Ventileinheit unterscheidet,
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4 eine weitere Ausführungsform der Pumpvorrichtung, die sich von der Ausführungsform der 2 durch die zusätzliche Integration einer Ventileinheit unterscheidet, und
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5 einen Ausschnitt einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Pumpvorrichtung, wobei nur das Behältermodul und eine am Kanalmodul angebrachte Ansauglanze ersichtlich sind, wobei das Behältermodul eine zu Reinigungszwecken dienende geschichtete Fluidbefüllung aufweist.
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Die in der Zeichnung schematisch und im Schnitt in verschiedenen Varianten abgebildete Pumpvorrichtung 1 ist insbesondere für mikrofluidische Anwendungen ausgelegt und dient bevorzugt zur Speisung von Behandlungs- und/oder Messmodulen mit einem allgemein als Arbeitsfluid bezeichneten flüssigen Medium. Bei dem Arbeitsfluid handelt es sich insbesondere um eine sogenannte Probe oder um ein Reagens. Reagenzien können Reaktionen mit bestimmten zu untersuchenden Bestandteilen in einer Probe hervorrufen und beispielsweise optische Eigenschaften der Probe ändern und somit die Bestandteile der Probe in einem der Pumpvorrichtung nachgeschalteten Analysemodul detektierbar machen. Beispielhaft kann hier der Phosphat-Konzentrationsnachweis mittels der sogenannten Gelbmethode genannt werden.
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Die Pumpvorrichtung 1 ist eine kompakte Einheit und lässt sich als Modul in ein Online-Analysesystem integrieren. Sie kann daher auch als Pumpmodul bezeichnet werden. Vorteilhaft ist, dass die Pumpvorrichtung 1 ihrerseits bevorzugt modular aufgebaut ist, was ihre Herstellung und ihre für einen fortgesetzten Betrieb zeitweilig erforderliche Umrüstung vereinfacht.
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Die modulare Pumpvorrichtung 1 enthält ein Behältermodul 2, das zur Bereitstellung eines Arbeitsfluides 3 dient, das der Übersichtlichkeit halber nur in 5 illustriert ist. Bei diesem Arbeitsfluid 3 handelt es sich beispielsweise um ein flüssiges Reagens, das bei Maßnahmen der weiter oben beschriebenen Art, die der Pumpvorrichtung 1 funktionell nachgeschaltet sind, benötigt wird.
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Das Behältermodul 2 hat eine Behälterwand 4, die mindestens eine Fluidbereitstellungskammer 5 umschließt, in der das durch die Pumpvorrichtung 1 mittels Pumpvorgängen zu fördernde Arbeitsfluid 3 bereitgestellt ist. Das Behältermodul 2 kann entsprechend den illustrierten Ausführungsbeispielen nur eine einzige Fluidbereitstellungskammer 5 enthalten oder auch – insbesondere wenn mehrere unterschiedliche Arbeitsfluide 3 zur Förderung bereitgestellt werden sollen – mehrere voneinander getrennte Fluidbereitstellungskammern 5 aufweisen.
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Die Pumpvorrichtung 1 ist mit einem modular aufgebauten Pumpaggregat 6 ausgestattet. Dieses Pumpaggregat 6 enthält eine Pumpen-Antriebseinheit 7 und eine Pumpen-Arbeitseinheit 8, wobei die Pumpen-Arbeitseinheit 8 über ein bewegliches Pumpglied 12 verfügt, das derart mit der Pumpen-Antriebseinheit 7 antriebsmäßig gekoppelt ist, dass es durch die Pumpen-Antriebseinheit 7 zu einer Pumpbewegung antreibbar ist.
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Das gesamte Pumpaggregat 6 ist an einem Kanalmodul 13 der Pumpvorrichtung 1 angeordnet, das von einem den Durchtritt des Arbeitsfluides 3 ermöglichenden Fluidkanalsystem 14 durchsetzt ist. Bei allen illustrierten Ausführungsbeispielen ist das Fluidkanalsystem 14 sehr einfach aufgebaut und verfügt über nur einen einzigen Fluidkanal 15. Bei nicht illustrierten Ausführungsformen der Pumpvorrichtung 1 ist das Fluidkanalsystem 14 aus mehreren Fluidkanälen 15 aufgebaut, die zumindest teilweise miteinander kommunizieren können, aber auch individuell und ohne gegenseitige Kommunikation ausgebildet sein können.
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Das Fluidkanalsystem 14 – exemplarisch also der einzige Fluidkanal 15 – hat eine im betriebsbereiten Zustand der Pumpvorrichtung 1 mit der Fluidbereitstellungskammer 5 kommunizierende Ansaugöffnung 16 und eine Ausgabeöffnung 17. Ein sich außerhalb des Kanalmoduls 13 erstreckender Längenabschnitt des Fluidkanals 15 durchsetzt die Pumpen-Arbeitseinheit 8 und ist insbesondere von einer in der Pumpen-Arbeitseinheit 8 ausgebildeten Pumpkammer 18 gebildet. Im Betrieb des Pumpaggregates 6 ruft die Pumpbewegung des Pumpgliedes 12 einen oszillierenden Pumpvorgang in der Pumpkammer 18 hervor, sodass Arbeitsfluid 3 in zeitlich getakteter Weise aus der Fluidbereitstellungskammer 5 angesaugt, durch das Fluidkanalsystem 14 hindurchgefördert und an der Ausgabeöffnung 17 pulsierend ausgegeben wird.
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Die Pumpen-Arbeitseinheit 8 arbeitet beispielsweise nach dem Prinzip einer Kolbenpumpe oder nach dem Prinzip einer auch als Schlauchpumpe bezeichenbaren Peristaltik-Pumpe. Im erstgenannten Fall ist die Pumpbewegung insbesondere eine Linearbewegung, im zweitgenannten Fall insbesondere eine rotative Bewegung.
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Das Kanalmodul 13 hat eine imaginäre Hochachse 22, die im Betrieb der Pumpvorrichtung 1 vertikal ausgerichtet ist. Die Pumpen-Antriebseinheit 7 ist an einer nach oben weisenden oberen Kanalmodul-Außenfläche 23 des Kanalmoduls 13 befestigt. Die Pumpen-Arbeitseinheit 8 ist an einer der oberen Kanalmodul-Außenfläche 23 entgegengesetzten, nach unten weisenden unteren Kanalmodul-Außenfläche 24 des Kanalmoduls 13 angebracht. Durch das Kanalmodul 13 hindurch erstreckt sich ein Antriebsstrang 25 des Pumpaggregates 6, der mechanisch die antriebsmäßige Kopplung des Pumpgliedes 12 mit der Pumpen-Antriebseinheit 7 bewirkt und eine die Pumpbewegung hervorrufende Antriebskraft, die durch die Pumpen-Antriebseinheit 7 erzeugt wird, auf das Pumpglied 12 überträgt.
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Die Pumpen-Antriebseinheit 7 ist bevorzugt von elektrisch betätigbarer Bauart. Exemplarisch enthält sie einen Elektromotor, durch den eine Rotationsbewegung des Antriebsstranges 25 hervorrufbar ist, aus der eine rotative Pumpbewegung des Pumpgliedes 12 resultiert. Dieser Aufbau eignet sich insbesondere zur Realisierung eines peristaltischen Pumpprinzips. Dabei ist die Pumpkammer 18 in einem nur schematisch angedeuteten, elastisch verformbaren schlauchförmigen Element 26 ausgebildet, das in einem Gehäuse 27 der Pumpen-Arbeitseinheit 8 angeordnet ist. Dieses schlauchförmige Element 26 entfällt bei einer nach dem Hubkolbenprinzip arbeitenden Pumpen-Arbeitseinheit 8, wobei hier die Pumpkammer 18 insbesondere unmittelbar von einem Hohlraum des Gehäuses 27 gebildet ist.
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Das Kanalmodul 13 ist beim Ausführungsbeispiel in der Achsrichtung seiner Hochachse 22, die im Folgenden auch als Höhenrichtung 22 bezeichnet wird, von einer bohrungsartigen Durchbrechung 28 durchsetzt, durch die hindurch sich der beispielsweise als drehbare Welle ausgebildete Antriebsstrang 25 erstreckt.
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Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt durch das Kanalmodul 13 hindurch eine berührungslose Antriebsverbindung zwischen der Pumpen-Antriebseinheit 7 und dem Pumpglied 12. Dabei wird insbesondere auf permanentmagnetische Kopplungsmittel zurückgegriffen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass auf eine den Durchtritt eines kraftübertragenden Elementes ermöglichende Durchbrechung 28 verzichtet werden kann.
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Das Kanalmodul 13 ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet, in welchem Fall es auch als Kanalplatte bezeichnet werden kann. Auf das Ausführungsbeispiel trifft dies zu. Die Hauptausdehnungsebene des plattenförmigen Kanalmoduls 13 verläuft rechtwinkelig zu der Hochachse 22. Die beiden einander entgegengesetzten oberen und unteren Kanalmodul-Außenflächen 23, 24 sind von den beiden einander entgegengesetzten großen Plattenflächen der Kanalplatte gebildet.
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Das Fluidkanalsystem 14 lässt sich besonders einfach realisieren, wenn das Kanalmodul 13 einen mehrschichtigen Aufbau hat und sich aus mehreren in der Höhenrichtung 22 aneinander angesetzten Kanalmodulkörpern 13a zusammensetzt, die insbesondere miteinander verklebt oder miteinander verschweißt sind. Jeder Kanalmodulkörper 13a ist bevorzugt seinerseits plattenförmig gestaltet. Ein die obere Kanalmodul-Außenfläche 23 definierender oberer Kanalmodulkörper 13a kann als Dichtplatte konzipiert sein.
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Die Pumpen-Arbeitseinheit 8 ist lösbar und somit abnehmbar an der unteren Kanalmodul-Außenfläche 24 des Kanalmoduls 13 befestigt. Auf diese Weise besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die im Betrieb der Pumpvorrichtung 1 einem erhöhten Verschleiß unterliegende Pumpen-Arbeitseinheit 8 von Zeit zu Zeit auszutauschen und durch eine neue Pumpen-Arbeitseinheit 8 zu ersetzen. Das Kanalmodul 13, das keinem relevanten Verschleiß unterliegt, kann dabei weiterverwendet werden. Auf diese Weise lässt sich das Kanalmodul 13 quasi als Mehrwegkomponente und die Pumpen-Arbeitseinheit 8 als Einwegkomponente realisieren.
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Zur leichten Handhabung der Pumpen-Arbeitseinheit 8 bei ihrem Austausch ist es vorteilhaft, wenn die Pumpen-Arbeitseinheit als ein zum Anbringen und zum Abnehmen einheitlich handhabbares Modul ausgebildet ist. In diesem einheitlich handhabbaren Modul sind insbesondere das Gehäuse 27, der die Pumpkammer 18 bildende Bestandteil – beispielsweise ein schlauchförmiges Element 26 oder das Gehäuse 27 selbst – und das Pumpglied 12 als Baueinheit zusammengefasst. Die lösbare Befestigung der Pumpen-Arbeitseinheit 8 an dem Kanalmodul 13 erfolgt über eine Befestigungsschnittstelle 32, die zwischen dem Gehäuse 27 und dem Kanalmodul 13 ausgebildet ist und die beispielsweise Rastverbindungsmittel oder Schraubverbindungsmittel zur gegenseitigen lösbaren Fixierung enthält. Beim Ansetzen und Abnehmen einer Pumpen-Arbeitseinheit 8 von dem Kanalmodul 13 beziehungsweise an das Kanalmodul 13 wird gleichzeitig auch die erforderliche Antriebsverbindung zwischen dem Pumpglied 12 und der Pumpen-Antriebseinheit 7 hergestellt beziehungsweise gelöst. Montage und Demontage können somit in einem einheitlichen Arbeitsgang stattfinden.
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Im Bereich der Befestigungsschnittstelle 32 befinden sich auch miteinander fluchtende Ausmündungen des Fluidkanalsystems 14, die dafür sorgen, dass die Pumpkammer 18 bei jedem Austausch der Pumpen-Arbeitseinheit 8 wieder korrekt in den Verlauf des Fluidkanalsystems 14 integriert wird.
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Durch die funktionelle und auch örtliche Auftrennung des Pumpaggregates 6 besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die an der oberen Kanalmodul-Außenfläche 23 angeordnete Pumpen-Antriebseinheit 7 ungeachtet des Austausches der Pumpen-Arbeitseinheit 8 mehrfach zu verwenden. Damit verbunden ist eine kostengünstige Nutzung der Pumpvorrichtung 1, weil die teureren Komponenten der Pumpen-Antriebseinheit 7 mehrfach nutzbar sind. Ein typisches Nutzungsverhalten der Pumpvorrichtung sieht demnach vor, die Pumpen-Arbeitseinheit 8 regelmäßig auszutauschen, das Kanalmodul 13 mit der daran angebrachten Pumpen-Antriebseinheit 7 jedoch mehrfach, in Kombination mit nacheinander montierten Pumpen-Arbeitseinheiten 8 zu verwenden.
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Vor diesem Hintergrund kann eine unlösbare Verbindung zwischen der Pumpen-Antriebseinheit 7 und dem Kanalmodul 13 vorhanden sein. Beispielsweise kann die Pumpen-Antriebseinheit 7 ein Gehäuse aufweisen, mit dem sie an das Kanalmodul 13 angeklebt oder angeschweißt ist.
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Meist übersteigt allerdings die Lebensdauer der Pumpen-Antriebseinheit 7 sogar die Nutzungsdauer des Kanalmoduls 13. Insbesondere bei aggressiven Arbeitsfluiden können allmählich Beschädigungen im Fluidkanalsystem 14 oder auch nicht beseitigbare Verschmutzungen auftreten, die einen Austausch des Kanalmoduls 13 notwendig machen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Pumpen-Antriebseinheit 7 lösbar und dementsprechend abnehmbar am Kanalmodul 13 befestigt ist, sodass sie demontiert und mit einem neuen Kanalmodul 13 kombiniert werden kann. Hier ist es vorteilhaft, wenn die Pumpen-Antriebseinheit 7 als ein zur Montage am Kanalmodul 13 und auch zum Abnehmen von dem Kanalmodul 13 einheitlich handhabbares Modul ausgebildet ist.
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Die Ausgabeöffnung 17 kann sich an jedem zugänglichen Außenflächenabschnitt des Kanalmoduls 13 befinden. Vorzugsweise ist sie an einer im rechten Winkel von der Hochachse 22 wegweisenden seitlichen Außenfläche 33 des Kanalmoduls 13 angeordnet. Die Ausgabeöffnung 17 kann beispielsweise zum Anschließen eines Fluidschlauches ausgebildet sein oder auch zur unmittelbaren Kopplung mit der Kanalöffnung eines Fluidkanals eines weiteren Moduls eines Analysesystems, an das die Pumpvorrichtung 1 direkt anbaubar ist.
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Das eingangs erwähnte Behältermodul 2 ist wie die Pumpen-Arbeitseinheit 8 an der unteren Kanalmodul-Außenfläche 24 angeordnet. Bevorzugt ist eine lösbare Befestigung des Behältermoduls 2 am Kanalmodul 13, sodass es ausgetauscht werden kann, wenn das in der Fluidbereitstellungskammer 5 befindliche Arbeitsfluid 3 verbraucht ist oder wenn mittels der Pumpvorrichtung 1 eine andere Art von Arbeitsfluid 3 gepumpt werden soll.
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Damit das Behältermodul 2 leicht auswechselbar ist, ist es beispielsweise durch Rastverbindungsmittel oder durch Schraubverbindungsmittel leicht lösbar am Kanalmodul 13 befestigt. Zweckmäßigerweise ist eine entsprechend gestaltete Befestigungsschnittstelle 34 zwischen dem Behältermodul 2 und dem Kanalmodul 13 im Bereich der unteren Kanalmodul-Außenfläche 24 ausgebildet.
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Bevorzugt ist eine dahingehende Betriebsweise der Pumpvorrichtung 1, dass in Verbindung mit dem Austausch des Behältermoduls 2 auch die Pumpen-Arbeitseinheit 8 ausgetauscht wird.
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Von Vorteil ist es in jedem Fall, wenn das Behältermodul 2 und die Pumpen-Arbeitseinheit 8 unabhängig voneinander an dem Kanalmodul 13 lösbar befestigt sind. Bei einer nur kurzen Nutzungsdauer eines Behältermoduls 2 begünstigt dies einen Austausch des Behältermoduls 2 unabhängig von der einer Weiternutzung unterliegenden Pumpen-Arbeitseinheit 8.
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Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel sind die Pumpen-Arbeitseinheit 8 und das Behältermodul 2 gemeinsam als Baueinheit am Kanalmodul 13 befestigt, sodass sie gemeinsam an das Kanalmodul 13 anbaubar und bei Bedarf auch wieder gemeinsam von dem Kanalmodul 13 abnehmbar sind. Hier besteht sogar die vorteilhafte Möglichkeit, die Pumpen-Arbeitseinheit 8 derart in das Behältermodul 2 zu integrieren, dass sie über das Behältermodul 2 am Kanalmodul 13 lösbar befestigt ist und keiner eigenen Befestigungsschnittstelle 32 bedarf. Auch eine diesbezüglich vertauschte Anordnung ist möglich, sodass die Pumpen-Arbeitseinheit 8 als Träger für das Behältermodul 2 fungiert und das Behältermodul 2 über die Pumpen-Arbeitseinheit 8 lösbar am Kanalmodul 13 befestigt ist. In diesem Fall erübrigt sich die Befestigungsschnittstelle 34.
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Insbesondere bei voneinander unabhängiger Fixierung der Pumpen-Arbeitseinheit 8 und des Behältermoduls 2 am Kanalmodul 13 ist gemäß 2 und 4 eine Bauform möglich, bei der die Pumpen-Arbeitseinheit 8 und das Behältermodul 2 quer zu der Hochachse 22 nebeneinander an der unteren Kanalmodul-Außenfläche 24 befestigt sind, ohne dass sie sich quer zu der Hochachse 22 überlappen. Beide Komponenten 8, 2 sind daher für die Montage und Demontage optimal von der Unterseite der Pumpvorrichtung 1 her zugänglich.
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Ein größeres Aufnahmevolumen des Behältermoduls 2 lässt sich vor allem dann realisieren, wenn das Behältermodul 2 eine derartige Formgebung hat, dass es die Pumpen-Arbeitseinheit 8 zumindest teilweise umschließt. Letzteres trifft auf die Ausführungsbeispiele der 1 und 3 zu, in denen das Behältermodul 2 an der dem Kanalmodul 13 zugewandten Oberseite eine abgestufte Kontur hat und sich aus zwei in der Höhenrichtung 22 aneinander anschließenden Behälterabschnitten zusammensetzt, von denen sich ein oberer Behälterabschnitt rechtwinkelig zur Hochachse 22 neben der Pumpen-Arbeitseinheit 8 erstreckt, während ein weiter vom Kanalmodul 13 entfernter unterer Behälterabschnitt rechtwinkelig zu der Hochachse 22 über größere Abmessungen verfügt und die Pumpen-Arbeitseinheit 8 quer zu der Hochachse 22 überlappt. Im Bereich des unteren Behälterabschnittes hat das Behältermodul 2 bevorzugt einen Umriss, der – in Achsrichtung der Hochachse 22 betrachtet – dem Umriss des Kanalmoduls 13 entspricht. Die Pumpen-Arbeitseinheit 8 kommt dabei in einem abgestuften Außenbereich 35 des Behältermoduls 2 zu liegen.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 3 ist die Pumpen-Arbeitseinheit 8 nicht vollständig vom Behältermodul 2 umschlossen. Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel ist dies jedoch der Fall. Hier ist dann die Pumpen-Arbeitseinheit 8 derart im Innern des Behältermoduls 2 aufgenommen, dass sich die Fluidbereitstellungskammer 5 – abgesehen von der dem Kanalmodul 13 zugewandten Oberseite der Pumpen-Arbeitseinheit 8 – rings um die Pumpen-Arbeitseinheit 8 herum erstreckt. Vor allem bei einer solchen Ausführungsform kann sich die mit der Fluidbereitstellungskammer 5 kommunizierende Ansaugöffnung 16 unmittelbar an der Pumpen-Arbeitseinheit 8 befinden.
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Nebenbei bemerkt, ist auch bei einer Nebeneinanderanordnung der Pumpen-Arbeitseinheit 8 und des Behältermoduls 2, wie sie in den Ausführungsbeispielen illustriert ist, prinzipiell eine direkte fluidische Kommunikation zwischen der Pumpen-Arbeitseinheit 8 und der Fluidbereitstellungskammer 5 unter Umgehung des Kanalmoduls 13 möglich.
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Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zur Verbindung der Ansaugöffnung 16 mit der Fluidbereitstellungskammer 5 zum Ermöglichen des Ansaugens des darin befindlichen Arbeitsfluides besteht darin, dass gemäß den illustrierten Ausführungsbeispielen an dem Kanalmodul 13 eine nach unten hin wegragende, über die untere Kanalmodul-Außenfläche 24 vorstehende, hohle Ansauglanze 36 angeordnet ist, die mit dem Fluidkanalsystem 14 kommuniziert. Die Ansauglanze 36 ist insbesondere von einem dünnen Röhrchen gebildet, das mit seinem rückwärtigen Endabschnitt im Bereich der Ansaugöffnung 16 derart an dem Kanalmodul 13 befestigt ist, dass ein die Ansauglanze 36 durchsetzender Ansaugkanal 37 mit der Ansaugöffnung 16 und folglich mit dem Fluidkanalsystem 14 in Fluidverbindung steht.
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Die Ansauglanze 36 hat einen von dem Kanalmodul 13 in Achsrichtung der Hochachse 22 wegweisenden vorderen Endabschnitt 38, in dessen Bereich der Ansaugkanal 37 ausmündet und der bei montiertem Behältermodul 2 in die Fluidbereitstellungskammer 5 und das darin befindliche Arbeitsfluid 3 eintaucht.
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Dabei ragt die Ansauglanze 36 von oben her in die Fluidbereitstellungskammer 5 hinein.
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Alternativ besteht auch die weniger komfortable Möglichkeit, an der Ansaugöffnung 16 des Kanalmoduls 13 einen Ansaugschlauch anzubringen, der in die Fluidbereitstellungskammer 5 eintaucht.
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In Verbindung mit der Ansauglanze 36, die ein starrer Körper ist, besteht die vorteilhafte Möglichkeit, auf besonders einfache und schnelle Weise eine kontaminationsfreie Verbindung des Fluidkanalsystems 14 mit der Fluidbereitstellungskammer 5 herzustellen. In diesem Zusammenhang kommt ein Behältermodul 2 zum Einsatz, dessen Behälterwand 4 an der dem Kanalmodul 13 zugewandten Oberseite zumindest teilweise von einer Verschlussmembran 42 gebildet ist, beispielsweise von einer dünnen Metall- oder Kunststofffolie. Der vordere Endabschnitt 38 der Ansauglanze 36 ist in diesem Fall als ein Einstechabschnitt ausgebildet, der eine Schneide oder Spitze aufweist. Wird das Behältermodul 2 bei seiner Montage von unten her in der Höhenrichtung 22 an das Kanalmodul 13 angesetzt, sticht die Ansauglanze 36 mit ihrem vorderen Endabschnitt 38 durch die Verschlussmembran 42 hindurch und schafft somit die gewünschte Fluidverbindung zu dem in der Fluidbereitstellungskammer 5 befindlichen Arbeitsfluid 3.
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In den 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele illustriert, bei denen sich der mindestens eine Fluidkanal 15 abgesehen von der Pumpen-Arbeitseinheit 8 ununterbrochen und ununterbrechbar zwischen der Ansaugöffnung 16 und der Ausgabeöffnung 17 erstreckt. Alternativ besteht allerdings auch die Möglichkeit, dass das Kanalmodul 13 mit mindestens einer Ventileinheit 43 bestückt ist, die in den Verlauf des Fluidkanalsystems 14 eingeschaltet ist und mit der sich die Fluidströmung in dem Fluidkanalsystem 14 steuern lässt. Derartige Ausführungsformen illustrieren die 3 und 4.
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Gemäß 3 und 4 ist in den Verlauf des einzigen Fluidkanals 15 eine Ventileinheit 43 eingeschaltet, die ein Absperrventil repräsentiert, mit dem sich der Fluidkanal 15 wahlweise freigeben oder versperren lässt. Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist durch mindestens eine Ventileinheit 43 ein Auswahlventil verwirklicht, das stromauf mit mehreren Fluidbereitstellungskammern 5 kommuniziert, sodass der sich von der mindestens einen Ventileinheit 43 zu der Pumpen-Arbeitseinheit 8 verlaufende Kanalabschnitt des Fluidkanalsystems 14 wahlweise mit aus unterschiedlichen Fluidbereitstellungskammern 5 stammenden Arbeitsfluiden versorgt werden kann.
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Durch die mindestens eine Ventileinheit 43 lässt sich auch ein Mischventil realisieren, durch das in mehreren Fluidbereitstellungskammern 5 eines oder mehrerer Behältermodule 2 bereitgestellte Arbeitsfluide gleichzeitig einem zur Pumpen-Arbeitseinheit 8 führenden Kanalstrang zugeleitet werden, sodass durch die Pumpen-Arbeitseinheit 8 eine Fluidmischung hervorrufbar ist.
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Die mindestens eine Ventileinheit 43 ist insbesondere von elektrisch betätigbarer Bauart. Sie ist insbesondere als Magnetventil oder Piezoventil verwirklicht.
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Zweckmäßigerweise ist die mindestens eine Ventileinheit 43 mit Abstand neben der Pumpen-Antriebseinheit 7 an der oberen Kanalmodul-Außenfläche 23 am Kanalmodul 13 montiert, insbesondere in lösbarer Weise.
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Die 5 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform eines Behältermoduls 2. Dieses Behältermodul 2 erlaubt eine geschichtete fluidische Befüllung des Behältermoduls 2, um bei einem Wechsel des Behältermoduls 2 und bei der darauffolgenden erstmaligen Inbetriebnahme der Pumpen-Arbeitseinheit 8 eine Reinigungssequenz durchführen zu können, bei der alle vom Medium berührten Teile gereinigt werden und das Fluidkanalsystem 14 gespült wird.
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Die geschichtete Befüllung äußert sich insbesondere darin, dass das Behältermodul 2 zum einen in der beschriebenen Weise mit einem Arbeitsfluid 3 gefüllt ist, zum anderen aber diesem Arbeitsfluid 3 in der Strömungsrichtung zum Fluidkanalsystem 14 eine aus einem Reinigungsfluid 44 bestehende Fluidschicht vorgeordnet ist, sodass das Reinigungsfluid bei der Inbetriebnahme der Pumpvorrichtung 1 vor dem Arbeitsfluid 3 angesaugt und durch das Fluidkanalsystem 14 hindurchgeleitet wird.
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Konstruktiv ist dies beim Ausführungsbeispiel der 5 dadurch gelöst, dass die Fluidbereitstellungskammer 5 in einen mit dem Arbeitsfluid gefüllten Hauptabschnitt 5a und einen mit dem Hauptabschnitt 5a kommunizierenden Ansaugabschnitt 5b unterteilt ist, wobei der Ansaugabschnitt 5b mit dem Reinigungsfluid 44 gefüllt ist. Der Ansaugabschnitt 5b ist so platziert, dass die Ansauglanze 36 im am Kanalmodul 13 montierten Zustand des Behältermoduls 2 nur in den Ansaugabschnitt 5b eintaucht und somit in das darin befindliche Reinigungsfluid 44. Beim anschließenden Aktivieren des Pumpaggregates 6 strömt das Reinigungsfluid 44, unmittelbar gefolgt von dem Arbeitsfluid 3, durch die Ansauglanze 36 und das sich daran anschließende Fluidkanalsystem 14 hindurch.
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Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Reinigungsfluid 44 und dem Arbeitsfluid 3 eine relativ große Luftblase 45 eingeschlossen, die auch durch das Fluidkanalsystem 14 hindurchläuft und dabei kleinere Luftblasen entfernt, sodass ein äußerst wirksamer Reinigungsprozess stattfindet.
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Bevorzugt sind der Hauptabschnitt 5a und der Ansaugabschnitt 5b in einer zu der Hochachse 22 rechtwinkeligen Richtung nebeneinander angeordnet, wobei der zu der Hochachse 22 rechtwinkelige Querschnitt des Ansaugabschnittes 5b wesentlich geringer ist als derjenige des Hauptabschnittes 5a. Zwischen dem Ansaugabschnitt 5b und dem Hauptabschnitt 5a erstreckt sich bevorzugt ein rechtwinkelig zu der Hauptachse 22 verlaufender Verbindungsabschnitt 5c der Fluidbereitstellungskammer 5, in dem anfänglich die Luftblase 45 platziert ist.
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Allen illustrierten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die Pumpvorrichtung 1 als ein seinerseits modular aufgebautes und einheitlich handhabbares Pumpmodul realisiert ist, das das Kanalmodul 13, die Pumpen-Antriebseinheit 7, die Pumpen-Arbeitseinheit 8 das mindestens Behältermodul 2 und gegebenenfalls die mindestens eine Ventileinheit 42 enthält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202009007800 U1 [0002, 0002]
