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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entgasung einer Flüssigkeit.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Flüssigkeiten z.B. dadurch zu entgasen, dass diese durch ein Drosselventil hindurch von einer Pumpe angesogen werden, wobei sich die in der Flüssigkeit gelösten Gase in Blasen sammeln. Diese werden am Ausgang der Pumpe in einem Gasabscheider abgebaut bzw. zerstört, wodurch eine Trennung des Gases von der Flüssigkeit erfolgt. Die auf diese Weise entgasten Flüssigkeiten werden beispielsweise zur Herstellung medizinischer Lösungen, wie z.B. von Dialyselösungen benötigt.
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Das bekannte Verfahren zur Entgasung ist mit dem Nachteil behaftet, dass die Pumpe mit einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch beaufschlagt wird, das bei der Entspannung in dem Drosselventil erzeugt wird. Dies ist mit einer vergleichsweise hohen mechanischen Belastung der Pumpe verbunden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entgasung von Flüssigkeiten dahingehend weiterzubilden, dass die Entgasung möglichst schonend und effizient erfolgt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11 gelöst.
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Danach ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Behälter, eine Pumpe, einen Membranentgaser mit einer Retentatseite und einer Permeatseite und eine Wasserstrahlpumpe mit einem Unterdruckanschluss und mit einem Flüssigkeitseingang aufweist. An der Retentatseite liegt das nicht durch die Membran hindurch getretene Fluid vor, z.B. teilweise entgastes Wasser. An der Permeatseite liegt das durch die Membran hindurch getretene Fluid vor, z.B. das aus der Flüssigkeit entfernte Gas.
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Die Pumpe ist derart angeordnet, dass diese die Flüssigkeit von dem Behälter durch den Membranentgaser fördert, wobei eine erste Leitung zur Führung des Permeats, wie z.B. von Luft von der Permeatseite zu dem Unterdruckanschluss der Wasserstrahlpumpe und eine zweite Leitung zur Führung des Retentats, wie z.B. von Wasser, von der Retentatseite zu dem Flüssigkeitseingang der Wasserstrahlpumpe führt und wobei die Wasserstrahlpumpe einen Ausgang aufweist, der mit dem Behälter in Fluidverbindung steht.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung umfasst somit einen geschlossenen Kreislauf von dem Behälter, über die Pumpe und den Membranentgaser und die Wasserstrahlpumpe zurück zum Behälter.
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In dem Membranentgaser findet eine zumindest teilweise Entgasung der Flüssigkeit statt, die dem Membranentgaser zugeführt wird. Eine denkbare, aber die Erfindung nicht beschränkende Ausführungsform des Membranentgasers besteht darin, dass der Membranentgaser eine oder mehrere Membranen, vorzugsweise ein Hohlfaserbündel aus Membranen aufweist, die für Gas bzw. Luft durchlässig sind, für Wasser jedoch nicht. Die Membran(en) können beispielsweise aus hydrophoben Materialien bestehen, wie z.B. aus einer hydrophoben Porenmembran. Das Wasser umströmt die Membranen bzw. die Hohlfasern, wobei auf Molekularebene das gelöste Gas aus der Flüssigkeit durch die Membran hindurchtritt und das Permeat im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet. Die auf diese Weise zumindest teilweise entgaste Flüssigkeit stellt das Retentat dar, d.h. den Teil der Flüssigkeit, der nicht durch die Membran hindurch gelangt ist.
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Der Membranentgaser ist mit einem Anschluss der Wasserstrahlpumpe so verbunden, dass der an diesem Anschluss von der Wasserstrahlpumpe erzeugte Unterdruck das durch die Membran des Membranentgasers hindurchtretende Gas ansaugt. Es wird mit dem die Wasserstrahlpumpe durchströmenden Flüssigkeitsstrahl, mittels dessen die Unterdruckerzeugung stattfindet, wieder zusammengeführt, aber nicht in der Weise, dass das Gas wieder vollständig in der Flüssigkeit gelöst wird. Vielmehr wird in der Wasserstrahlpumpe ein Schaum bzw. eine Flüssigkeit mit darin eingeschlossenen Gasbläschen gebildet, der bzw. die an den Behälter zurückgeführt wird. In der Wasserstrahlpumpe findet somit kein oder jedenfalls kein vollständiges Lösen des Gases in der Flüssigkeit auf molekularer Ebene statt, sondern eine Vermischung, die z.B. zu einem Schaum führt, der in dem Behälter in die Bestandteile Gas und Flüssigkeit getrennt wird.
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Die genannte Pumpe, die die zu entgasende oder die bereits entgaste Flüssigkeit fördert, kann stromaufwärts oder stromabwärts des Membranentgasers angeordnet sein. Grundsätzlich sind beide Anordnungen denkbar. Ist die Pumpe stromabwärts des Membranentgasers angeordnet, kann einer möglichen Kavitation an Pumpenteilen entgegengewirkt werden, da die Flüssigkeit stromabwärts des Membranentgasers einen bereits verringerten Gasanteil aufweist.
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In der zweiten Leitung, die von der Retentatseite zu der Wasserstrahlpumpe führt, kann ein Verteiler, wie z.B. ein Mehrwegestück oder -ventil angeordnet sein, der einen Eingang und zwei Ausgänge aufweist, wobei der Eingang mit der Retentatseite des Membranentgasers und wobei ein erster Ausgang mit der Wasserstrahlpumpe und ein zweiter Ausgang mit einer Verbrauchsstelle für die entgaste Flüssigkeit in Fluidverbindung steht.
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Wie ausgeführt kann es sich bei der Verbrauchsstelle beispielsweise um eine Vorrichtung zur Herstellung von Dialyselösung handelt. Diese Vorrichtung zur Herstellung von Dialyselösung kann separat von einem Dialysegerät angeordnet sein oder auch einen Bestandteil eines Dialysegerätes bilden.
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Auf diese Weise kann somit ein Teil der in dem Membranentgaser entgasten Flüssigkeit für die Herstellung einer medizinischen Lösung entnommen werden und ein anderer Teil dieser Flüssigkeit durch die Wasserstrahlpumpe wieder zurück zu dem Behälter geführt und sodann erneut oder weiter entgast werden.
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Ein Drosselelement, wie z.B. ein Drosselventil kann zur Begrenzung bzw. zur Regelung des Teilstroms vorgesehen sein, der der Wasserstrahlpumpe zugeführt wird. Durch die Einstellung des Flüssigkeitsstroms wird der durch die Wasserstrahlpumpe erzeugte Unterdruck eingestellt, der seinerseits auf den Membranentgaser einwirkt. Die Ansteuerung des Drosselelementes kann beispielsweise durch ein Piezoelement erfolgen. Alternativ zur Ausführung als Ventil kann das Drosselelement auch als einstellbare Schlauchklemme oder dergleichen ausgeführt werden. Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt der in einem eingeschwungenen, d.h. stationären Zustand arbeitenden Vorrichtung eingestellt werden.
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Der Behälter kann mit starren oder flexiblen Wandungen ausgeführt sein.
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Er kann eine Entlüftungsöffnung aufweisen, die dazu dient, das aus der Flüssigkeit abgetrennte Gas bzw. die Luft abzuleiten.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in dem Behälter eine Vorrichtung zur Zerstörung von Bläschen des von der Wasserstrahlpumpe in den Behälter einströmenden schaumartigen Gas/Flüssigkeitsgemisches angeordnet ist.
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Grundsätzlich können die Bläschen in der Flüssigkeit im Laufe der Zeit in dem Behälter zerfallen, wodurch das Gas bzw. die Luft freigesetzt wird. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, kann eine entsprechende Vorrichtung vorgesehen sein, die die Zerstörung der Bläschen fördert, so dass der Anteil des mit der Flüssigkeit in Kontakt stehenden Gases und somit auch der Anteil des in der Flüssigkeit gelösten Gases effektiv verringert wird.
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Vorzugsweise ist eine Einstellvorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, den Anteil des Retentats, der durch die zweite Leitung zurück zu dem Behälter geführt wird, einzustellen. So kann der Sättigungsgrad am Eingang zur Wasserstrahlpumpe im eingeschwungenen, d.h. stationären Zustand, durch die Anzahl der Durchläufe der gesamten Flüssigkeit durch die Vorrichtung, d.h. auch durch den Membranentgaser und durch die Wasserstrahlpumpe eingestellt werden.
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Sofern nur ein Teil der Flüssigkeit über die Wasserstrahlpumpe zurück zu dem Behälter geführt wird, kann der Sättigungsgrad durch das Einstellen der Teilmengen gewählt werden, die einerseits zum Behälter zurückgeführt werden und die andererseits verbraucht werden, z.B. um eine Dialyselösung herzustellen. Weitere Faktoren sind die benötigte Entgasungsqualität und der Wirkungsgrad des Membranentgasers.
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Vorzugsweise ist eine Ansteuereinheit vorgesehen, die die Pumpe kontinuierlich und nicht intermittierend betreibt, so dass permanent eine Entgasung stattfindet.
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Bei der Pumpe kann es sich um eine Kreisel- bzw. um eine Impellerpumpe handeln. Impellerpumpen können prinzipbedingt auch mit Gasen teilweise oder vollständig gesättigte Flüssigkeiten fördern, wobei in der Impellerpumpe selbst eine Verschäumung der Flüssigkeit erfolgen kann, welche mit geeigneten Mitteln abgebaut werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Pumpe eine Antriebseinrichtung, insbesondere einen Elektromotor aufweist, die mechanisch von dem Förderorgan der Pumpe getrennt ist. In diesem Fall kann der z.B. Impeller, der vorzugsweise das Förderorgan der Pumpe bildet, mechanisch von der Antriebseinrichtung entkoppelt und geführt sein. Denkbar ist es beispielsweise, den Impeller magnetisch mit der Antriebseinrichtung zu koppeln und/oder fluidgelagert anzuordnen.
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Die Pumpe oder ein Teil von dieser, vorzugsweise der genannte Impeller, ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in einer Kassette angeordnet, die in einen Grundkörper der Vorrichtung einsetzbar oder eingesetzt ist. Diese Kassette weist Anschlüsse zu Zu- und Abfuhr der Flüssigkeit auf. Sie ist vorzugsweise als Disposable ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Entgasung einer Flüssigkeit mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Flüssigkeit aus dem Behälter mittels der Pumpe durch einen Membranentgaser geleitet wird, dessen Retentat zumindest teilweise einer Wasserstrahlpumpe zugeführt wird, deren Saugseite das in dem Membranentgaser gewonnene Permeat zugeführt wird, wobei das aus der Wasserstrahlpumpe austretende Fluid dem Behälter zugeführt wird.
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Vorzugsweise wird ein erster Anteil des Retentats der Wasserstrahlpumpe und ein zweiter Anteil des Retentats einer Verbrauchsstelle, insbesondere einer Einrichtung zur Herstellung von Dialyselösung oder Reinstwasser etc. zugeführt.
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Um den Sättigungsgrad der Flüssigkeit, die der Verbrauchsstelle zugeleitet wird, einstellen zu können, kann eine Einrichtung vorgesehen sein, mittels derer das Verhältnis des ersten zu dem zweiten Anteil einstellbar ist.
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Vorzugsweise kann der durch die Wasserstrahlpumpe erzeugte Unterdruck eingestellt werden, was Auswirkungen auf den an der Permeatseite des Membranentgasers anliegenden Unterdruck und somit auf die Entgasung hat.
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Vorzugsweise wird aus dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten dem Retentat eine medizinische Lösung, insbesondere eine Dialyselösung, hergestellt. Auch ist es denkbar, dass in Verbindung mit einer Umkehrosmoseanlage (RO-Anlage) aus dem entgasten Wasser Reinstwasser hergestellt wird.
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An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1: ein schematisches Fließbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform und
- 2: ein schematisches Fließbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Abbildung der Vorrichtung 100 gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform.
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In den offenen Behälter 102 gelangt über den Zulauf 104 eine zu entgasende Flüssigkeit, wie z.B. Wasser. Das Wasser ist mit Gas, wie z.B. mit Luft voll- oder teilgesättigt.
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Der Behälter 102 dient als Gas-Flüssigkeits-Separationskammer bzw. als Entlüfterkammer.
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Aus dem Behälter 102 führt in dessen unteren Bereich eine Leitung zu einer Pumpe 106, bei der es sich um eine Impeller- bzw. Zentrifugalpumpe handelt. Die fördert nicht intermittierend, sondern weist im Betrieb einen kontinuierlichen Förderstrom auf.
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Die Pumpe 106 fördert die Flüssigkeit über den dieser nachgeschalteten Membranentgaser 108, in dem auf Molekularebene aus der Flüssigkeit Gas entfernt wird.
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Der Membranentgaser 108 weist eine Vielzahl von Hohlfasern aus einem Material auf, dass für Gas, insbesondere für Luft durchlässig ist, nicht jedoch für Wasser. Die zu entgasende Flüssigkeit umströmt das Hohlfaserbündel, wobei Gas durch die Membranen bzw. durch die Hohlfasern in deren Innenraum übertritt, der die Permeatseite des Membranentgasers 108 darstellt, und von dort gemäß Pfeilrichtung in 1 zu dem Anschluss der Wasserstrahlpumpe 116 gelangt, an dem Unterdruck anliegt. Dieser Unterdruck wird durch den Wasserstrahl erzeugt, der nach dem Passieren des Drosselventils 114 durch die Wasserstrahlpumpe 116 strömt.
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Das Drosselventil 114 wird zur Einstellung des Volumenstroms verwendet, der durch die zweite Leitung von dem Verteiler 112 zu der Wasserstrahlpumpe 116 gelangt. Je nach Einstellung des Drosselventils 114 kann somit mittels der Wasserstrahlpumpe ein variabler Unterdruck erzeugt werden, der an der Permeatseite des Membranentgasers 108 anliegt.
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Von dem Verteiler 112, der z.B. als Y-Stück oder als Mehrwegeventil ausgeführt sein kann, gelangt ein weiterer Teilstrom der entgasten Flüssigkeit zu einer nicht näher dargestellten Verbrauchsstelle für das entgaste Wasser. Dabei kann es sich beispielsweise um eine RO-Anlage oder auch um ein Dialysegerät oder um eine Anordnung zur Herstellung einer Dialyselösung handeln.
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Vom Ausgang der Wasserstrahlpumpe 116 gelangt das Wasser-Gas-Gemisch, das als Schaum bzw. als Wasser mit darin enthaltenen Luftbläschen vorliegt, zurück zu dem Behälter.
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Es erfolgt somit eine Auslösung des in dem Wasser gelösten Gases in dem Membranentgaser 108 durch den in der Wasserstrahlpumpe 106 erzeugten Unterdruck. Dabei findet in der Wasserstrahlpumpe 106 kein (oder nur in geringem Umfang) erneutes Lösen des Gases in dem Wasser statt, vielmehr erfolgt eine „schaumartige“ Vermischung. Diese wird in dem Eingangsvolumen bzw. in dem Behälter 102 wieder rückgängig gemacht, indem die Bläschen im Laufe der Zeit zerfallen und/oder indem eine gezielte Zerstörung der Bläschen in einer entsprechenden Anordnung erfolgt. Das Gas wird über den Anschluss 118 aus dem Behälter 102 abgeführt.
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Auf diese Weise wird der Anteil an Gas in dem Wasser effektiv verringert.
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Vorzugsweise befindet sich zwischen dem Ausgang der Wasserstrahlpumpe 116 und Behälter 102 nur eine möglichst kurze Leitung. Denkbar ist es, die Wasserstrahlpumpe 116 unmittelbar vor dem Behälter 102 anzuordnen. So wird die zur Verfügung stehende Zeit für eine erneute Lösung des Gases im Wasser verringert, was den Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter verbessert.
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Denkbar ist es, dass mittels des Verteilers 112 das Verhältnis aus dem Anteil der Flüssigkeit, die der Wasserstrahlpumpe 116 zugeführt wird und aus dem Anteil der Flüssigkeit, die einem Verbraucher zugeführt wird, eingestellt wird. Je größer dieses Verhältnis ist, desto intensiver ist die Entgasung, da die Anzahl „virtueller Durchläufe“ der Flüssigkeit durch die Vorrichtung entsprechend groß ist. So kann beispielsweise die gesamte zu dem Verteiler 112 gelangende Flüssigkeit der Wasserstrahlpumpe 116 zugeführt werden oder nur ein Teilstrom. Durch diese Einstellung ist der Sättigungsgrad des Wassers oder eine sonstigen Flüssigkeit einstellbar.
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2 zeigt eine 1 im Wesentlichen entsprechende Anordnung, so dass auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Der einzige Unterschied besteht darin, dass gemäß 2 die Pumpe 106 dem Membranentgaser 108 nachgeschaltet ist, d.h. der Membranentgaser 108 befindet sich auf der Saugseite der Pumpe 106, wohingegen sich der Membranentgaser 108 gemäß 1 auf der Druckseite der Pumpe 106 befindet.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Vorteil erreicht, dass die Pumpe 106 im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung nicht mit einem Gas-Wasser-Gemisch beaufschlagt wird, weil sich in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vor der Pumpe 106 keine Drossel oder ein sonstiges Unterdruckelement befindet, das die Bildung eines Gas-Wasser-Gemisches fördert.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Entgasung auf Molekülebene und somit schonender stattfindet als z.B. bei einer Ultraschallentgasung, bei der Druckstöße in der Flüssigkeit befindliche Zellen oder sonstige Strukturen zerstören könnten.
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Somit kann die Erfindung beispielsweise auch für die Entgasung von Blut, z.B. zur Entfernung von CO2 aus dem Blut verwendet werden, ohne dass das Blut Schaden nimmt. Die Erfindung sowie auch die genannten Ausführungsbeispiele sind demnach nicht auf die Entgasung von Wasser beschränkt, sondern umfassen die Entgasung jeder beliebigen Flüssigkeit.
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Wird als Pumpe 106 eine Impellerpumpe eingesetzt, hat dies den weiteren Vorteil, dass die Pumpe 106 leise läuft und im Übrigen bei magnetischer oder Fluidlagerung ohne reibende Teile auskommt, was sich positiv auf die Lebensdauer der Pumpe auswirkt.
