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Die Erfindung betrifft einen Druckregler zur Einstellung eines Drucks in einem dem Druckregler nachgeschalteten und mit diesem fluidisch verbundenen Behälter.
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Die Regelung eines Drucks in einem Behälter ist beispielsweise bei Druck-Zeitgesteuerten Dosiervorgängen von Bedeutung.
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Bei Druck-Zeit gesteuerten Dosiervorgängen wird ein eine zu dosierende Flüssigkeit enthaltender Behälter mit einem definierten Druck beaufschlagt. Über die Öffnungsdauer eines Dosierventils wird entsprechend zeitabhängig eine Flüssigkeitsmenge dosiert. Eine derartige Dosierung findet beispielsweise in der in-vitro Diagnostik oder in Pipettierrobotern Anwendung. Überwiegend werden dabei Flüssigkeiten dosiert, aber auch die Dosierung von Gasen ist denkbar.
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Die Genauigkeit der aus einem druckbeaufschlagten Behälter heraus dosierten Menge ist dabei abhängig vom im Behälter herrschenden Druck, der Temperatur beziehungsweise der von der Temperatur abhängigen Viskosität einer Flüssigkeit und der Öffnungszeit des Dosierventils.
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Um eine präzise Druckregelung in kleinen Behältern zu gewährleisten, ist es notwendig, möglichst schnell auf Änderungen durch einen veränderlichen Abfluss aus dem flüssigkeitsgefüllten Behälter zu gewährleisten. In der Regel sind Reagenzien der in-vitro Diagnostik in Behältern aus Glas oder Kunststoff mit Behältervolumina von 1,5 ml bis 2 ml gelagert. Dabei ist der Behälter üblicherweise nur soweit gefüllt, dass noch ein Luftpolster von mindestens 0,5 ml im Behälter besteht.
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Die Herausforderung besteht darin, den Druck im Behälter konstant zu halten, beispielsweise bei 35 mbar. Sobald das Dosierventil geöffnet wird und Flüssigkeit aus dem Behälter abfließt, muss der Druck nachgeregelt werden. Bei kleinen Volumen führt das Nachregeln schnell zu Überschwingen oder Unterschwingen, das heißt zu Druckschwankungen, insbesondere im Bereich von +/- 4 mbar.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckregler bereitzustellen, mittels dem ein Druck in einem Behälter besonders genau geregelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Druckregler zur Einstellung eines Drucks in einem dem Druckregler nachgeschalteten und mit diesem fluidisch verbundenen Behälter, wobei der Druckregler einen Fluidhauptkanal mit einem Fluideingang und einem zum Behälter führenden Fluidausgang und ein Regelventil zur Einstellung eines Fluiddrucks am Fluidausgang aufweist, wobei stromabwärts des Regelventils ein Bypasskanal von dem Fluidhauptkanal abzweigt, über den eine Entlüftung des Fluidhauptkanals realisierbar ist, und wobei ein Strömungsquerschnitt des Bypasskanals geringer ist als ein maximaler Strömungsquerschnitt des Fluidhauptkanals.
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Der maximale Strömungsquerschnitt des Fluidhauptkanals ist der Strömungsquerschnitt bei maximal geöffnetem Regelventil.
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Durch das Vorsehen eines Bypasskanals ist ein kontinuierlicher Abfluss von Druckluft aus dem Fluidhauptkanal möglich. Dadurch sind Toleranzen und Druckschwankungen bei der Regelung eines Drucks in einem dem Druckregler nachgeschalteten Behälter reduziert. Auf diese Weise kann ein Druck-Zeit gesteuerter Dosierprozess besonders genau sein.
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Indem der Strömungsquerschnitt des Bypasskanals geringer ist als der maximale Strömungsquerschnitt des Fluidhauptkanals ist gewährleistet, dass ein ausreichender Fluiddruck am Fluidausgang aufgebaut werden kann. Dem Fluidhauptkanal kann dadurch nämlich eine größere Menge eines Fluids zugeführt werden, als durch den Bypasskanal abströmen kann.
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Das Fluid ist beispielsweise Luft oder ein anderes Gas.
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Die Entlüftung ist insbesondere dadurch realisiert, dass der Bypasskanal zu einer Außenwandung des Druckreglers führt und in eine Umgebung des Druckreglers mündet.
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Im einfachsten Fall ist der Bypasskanal insbesondere durch eine Bypassbohrung realisiert.
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Der maximale Strömungsquerschnitt des Bypasskanals beträgt beispielsweise zwischen 0,1% und 10% des maximalen Strömungsquerschnitts des Fluidhauptkanals. Dadurch ist ein ausreichend schneller Druckaufbau möglich. Mit einem Bypasskanal mit einem derartigen Strömungsquerschnitt können Druckschwankungen von weniger als 0,5 bar in einem dem Druckregler nachgeschalteten Behälter erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Druckregler ein elektromagnetisch betätigbares Entlüftungsventil auf, wobei der Strömungsquerschnitt des Bypasskanals mittels des Entlüftungsventils einstellbar ist. Somit kann der Strömungsquerschnitt des Bypasskanals in Abhängigkeit von einem Öffnungszustand des Regelventils und/oder einer Stellung eines Dosierventils, mittels dem ein Fluidabfluss aus dem druckbeaufschlagten Behälter geregelt werden kann, eingestellt werden. Insbesondere kann dadurch ein Verlust von einem durch den Fluidhauptkanal strömenden Fluid minimiert werden, indem beispielsweise der Bypasskanal durch das Entlüftungsventil geschlossen werden kann, wenn keine Druckregelung erfolgt. Anders ausgedrückt kann mittels des Entlüftungsventils der Bypasskanal nur dann geöffnet sein, wenn eine Druckregelung beziehungsweise eine Dosierung erfolgt.
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Das Entlüftungsventil ist insbesondere ein weiteres Regelventil.
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Wenn sowohl das Regelventil in einem geöffneten Zustand und das Entlüftungsventil in einem leicht geöffneten Zustand ist, kann besonders schnell auf Druckschwankungen im Behälter reagiert werden. Wenn sich das Entlüftungsventil nämlich bereits in einem leicht geöffneten Zustand befindet, kann ein Übergang zu einem weniger oder weiter geöffneten Zustand in nur wenigen Millisekunden erfolgen, insbesondere in weniger als 5 Millisekunden. Zum Übergang von einer geschlossenen Position in eine geöffnete Position benötigt das Entlüftungsventil hingegen mindestens 20 Millisekunden.
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Der Druckregler umfasst beispielsweise einen Mikrocontroller, mittels dem das Entlüftungsventil gesteuert werden kann. Alternativ kann die Steuerung des Entlüftungsventils über ein übergeordnetes System erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Druckregler eine Steuereinheit zur Steuerung des Regelventils auf, die eingerichtet ist, um einen Ausgangsdruck am Fluidausgang durch eine entsprechende Steuerung des Regelventils auf einen gewünschten Wert einzustellen. Dadurch kann ein Ausgangsdruck besonders genau geregelt werden.
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Der Druckregler umfasst vorzugsweise einen Drucksensor, der stromabwärts des Regelventils angeordnet ist und der mit dem Fluidhauptkanal fluidisch verbunden ist, um einen Ist-Druck im Fluidhauptkanal stromabwärts des Regelventils zu messen. Somit kann über den Drucksensor ein Ist-Druck im Fluidhauptkanal überwacht werden.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit eingerichtet, um einen von dem Drucksensor gemessenen Ist-Druck als Eingangssignal zum Regelventil zu senden. Der Druckregler kann dadurch einen Druck im Fluidhauptkanal beziehungsweise am Fluidausgang besonders präzise regeln. Auf diese Weise ist die Genauigkeit einer aus einem nachgeschalteten Behälter durchgeführten Druck-Zeit gesteuerten Dosierung besonders gut.
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Der Druckregler kann eine Trägerplatte, in der sich der Fluidhauptkanal erstreckt, und einen auf die Trägerplatte aufgesetzten Gehäusedeckel aufweisen, wobei der Gehäusedeckel mit der Trägerplatte einen Elektronikraum des Druckreglers begrenzt. Der Druckregler kann somit eine geschlossene Einheit bilden, insbesondere ein „plug-and-play“ Gerät.
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An dem Gehäusedeckel sind beispielsweise elektrische Schnittstellen des Druckreglers angeordnet, insbesondere ein Busanschluss und ein analoger Eingang.
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Auf der Trägerplatte können das Regelventil, das Entlüftungsventil, der Drucksensor und/oder ein Elektronikmodul angeordnet sein. Der Druckregler kann dadurch besonders kompakt ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Druckregler als verrohrungsfreies System ausgebildet. Dadurch ist der Druckregler besonders stabil.
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Das Entlüftungsventil kann als Regelventil, also einer besonderen Bauart eines Stetigventils, ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Druckregler, an den ein Behälter angeschlossen ist,
- - 2 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Druckreglers,
- - 3 eine weitere Explosionsdarstellung des Druckreglers aus 2,
- - 4 eine Trägerplatte eines Druckreglers,
- - 5 eine Schnittdarstellung der Trägerplatte aus 4,
- - 6 eine Seitenansicht des Druckreglers aus 2,
- - 7 einen Teilschnitt durch den Druckregler entlang der Linie A-A in 6, und
- - 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Druckschwankungen bei Verwendung eines Druckreglers mit und ohne Bypasskanal.
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1 veranschaulicht schematisch einen erfindungsgemäßen Druckregler 10, welcher an einen eine Flüssigkeit 12 enthaltenden Behälter 14 angeschlossen ist. Das Fassungsvolumen des Behälters 14 liegt beispielsweise zwischen 0,1 ml und 5 ml. Anstatt einer Flüssigkeit 12 kann der Behälter 14 auch ein zu dosierendes Gas enthalten.
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Der Druckregler 10 ist insbesondere dazu geeignet, einen Druck im Behälter 14 zu regeln, sodass zu jeder Zeit ein definierter Druck im Behälter 14 vorliegt. Auf diese Weise kann die Flüssigkeit 12 aus dem Behälter 14 Druck-Zeit gesteuert dosiert werden. Dabei wird ein dem Behälter 14 nachgeschaltetes Ventil 16, insbesondere ein Dosierventil, für eine definierte Zeitdauer geöffnet. Wenn der Druck im Behälter 14 immer konstant ist, fließt beim Öffnen des Ventils 16 für eine definierte Zeitdauer immer dieselbe Menge an Flüssigkeit aus dem Behälter 14 ab.
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Der Druckregler 10 umfasst einen Fluidhauptkanal 18 mit einem Fluideingang 20 und einem zum angeschlossenen Behälter 14 führenden Fluidausgang 22.
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Am Fluideingang 20 liegt ein ungeregelter Vordruck an. Um einen definierten Druck am Fluidausgang 22 und somit auch im Behälter 14 einzustellen, umfasst der Druckregler 10 ein Regelventil 24.
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Die am Fluidausgang 22 anstehende Druckluft wird zum Beispiel als Druckpolster auf den Behälter 14 beaufschlagt, aus dem zeitgesteuert über das Ventil 16 sehr präzise kleine Mengen von Flüssigkeit dosiert werden können.
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Des Weiteren ist ein Drucksensor 26 vorgesehen, der stromabwärts des Regelventils 24 angeordnet ist.
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Der Drucksensor 26 ist mit dem Fluidhauptkanal 18 fluidisch verbunden, um einen Ist-Druck im Fluidhauptkanal 18 stromabwärts des Regelventils 24 zu messen.
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Stromabwärts des Regelventils 24, insbesondere stromabwärts des Drucksensors 26, zweigt ein Bypasskanal 30 von dem Fluidhauptkanal 18 ab. Über den Bypasskanal 30 ist eine Entlüftung des Fluidhauptkanals 18 realisierbar, das heißt, über den Bypasskanal 30 kann ein Teil des durch den Fluidhauptkanal 18 strömenden Fluids aus dem Druckregler 10 herausströmen.
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Ein Strömungsquerschnitt des Bypasskanals 30 ist dabei geringer als ein maximaler Strömungsquerschnitt des Fluidhauptkanals 18. So ist ein zuverlässiger Druckaufbau im Fluidhauptkanal 18 möglich.
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Der maximale Strömungsquerschnitt des Bypasskanals 30 beträgt beispielsweise zwischen 0,1% und 10% des maximalen Strömungsquerschnitts des Fluidhauptkanals 18.
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Der Bypasskanal 30 kann in einer Ausführungsform dauergeöffnet sein, sodass ein kontinuierlicher Abfluss von Fluid aus dem Fluidhauptkanal 18 möglich ist.
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In einer weiteren Ausführungsform, die in den Figuren veranschaulicht ist, ist ein elektromagnetisch betätigbares, als Regelventil ausgeführtes Entlüftungsventil 32 vorgesehen, wobei der Strömungsquerschnitt des Bypasskanals 30 mittels des Entlüftungsventils 32 einstellbar ist. Insbesondere kann der Strömungsquerschnitt des Bypasskanals 30 mittels des Entlüftungsventils 32 auf einen Wert bis 10% des maximalen Strömungsquerschnitts des Fluidhauptkanals 18 eingestellt werden.
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Wenn keine Druckregelung stattfindet, kann der Bypasskanal 30 mittels des Entlüftungsventils 32 geschlossen werden. Dadurch können Druckverluste minimiert werden. Während einer Druckregelung ist der Bypasskanal 30 jedoch durchgehend geöffnet.
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2 zeigt den Druckregler 10 in einer Explosionsdarstellung.
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In 2 ist zu sehen, dass der Druckregler 10 eine Trägerplatte 34 und einen auf die Trägerplatte 34 aufgesetzten Gehäusedeckel 36 aufweist. Der Gehäusedeckel 36 kann dabei an der Trägerplatte 34 verklemmt sein.
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In der Trägerplatte 34 erstreckt sich der Fluidhauptkanal 18, wobei in 2 lediglich der Fluidausgang 22 des Fluidhauptkanals 18 zu sehen ist.
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Zudem ist in 2 eine Entlüftungsöffnung 37 dargestellt, die insbesondere an einer Außenwand der Trägerplatte 34 angeordnet ist. Über die Entlüftungsöffnung 37 mündet der Bypasskanal 30 in eine Umgebung des Druckreglers 10.
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Der Gehäusedeckel 36 begrenzt mit der Trägerplatte 34 einen Elektronikraum 38 des Druckreglers 10.
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Auf der Trägerplatte 34 sind das Regelventil 24, das Entlüftungsventil 32 und der Drucksensor 26 angeordnet. Beispielsweise sind diese auf der Trägerplatte 34 verschraubt. Der Drucksensor 26 ist dabei auf einer Platine angeordnet.
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Der Druckregler 10 umfasst des Weiteren ein Elektronikmodul 40, das ebenfalls auf der Trägerplatte 34 angeordnet ist. Das Elektronikmodul 40 ist beispielsweise eine Leiterplatte.
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Das Regelventil 24, das Entlüftungsventil 32 und der Drucksensor 26 sind über elektrische Leitungen 50 mit dem Elektronikmodul 40 verbunden.
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Zur Halterung des Elektronikmoduls 40 ist in der Trägerplatte 34 eine Führung 42 vorgesehen, in welche das Elektronikmodul 40 eingeschoben ist. So lässt sich das Elektronikmodul 40 besonders einfach montieren. Wenn der Gehäusedeckel 36 auf die Trägerplatte 34 aufgesetzt ist, kann sich das Elektronikmodul 40 nicht mehr aus der Führung 42 lösen. Es ist jedoch auch möglich, das Elektronikmodul 40 auf andere Weise zu befestigen, insbesondere zu versch rauben.
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An dem Gehäusedeckel 36 sind elektrische Schnittstellen 44, 46 des Druckreglers 10 angeordnet. Die Schnittstelle 44 stellt beispielsweise einen Busanschluss zur Kommunikation, zum Beispiel eine CanOpen-Schnittstelle und eine 24V Einspeisung zur Verfügung. Die Schnittstelle 46 stellt beispielsweise einen analogen Eingang für einen externen Sensor und eine 12V Spannungsversorgung zum optionalen Anschließen eines weiteren Geräts sowie einen digitalen Ausgang bereit.
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Um den Druck im Behälter 14 zu regeln, umfasst der Druckregler 10 eine der Einfachheit nicht dargestellte Steuereinheit zur Steuerung des Regelventils 24. Die Steuereinheit ist eingerichtet, um einen Ausgangsdruck am Fluidausgang 22 durch eine entsprechende Steuerung des Regelventils 24 auf einen gewünschten Wert einzustellen.
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Die Steuereinheit kann dabei außerhalb des Elektronikraums 38 angeordnet sein und über die Schnittstelle 46, insbesondere über den Busanschluss, mit dem Druckregler 10 verbunden sein. Alternativ kann die Steuereinheit in dem Elektronikmodul 40 integriert sein.
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Des Weiteren ist die Steuereinheit eingerichtet, um einen von dem Drucksensor 26 gemessenen Ist-Druck als Eingangssignal zum Regelventil 24 zu senden. Wenn der Ist-Druck von einem gewünschten Druck abweicht, kann entsprechend nachgeregelt werden.
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Der Druckregler 10 ist als verrohrungsfreies System ausgebildet. Das bedeutet, dass sämtliche Fluidleitungen des Druckreglers 10, also der Fluidhauptkanal 18 und der Bypasskanal 30, integral in der Trägerplatte 34 ausgebildet sind. Es sind keine Rohre vorhanden. Die Trägerplatte 34 stellt somit ein Fluidikgehäuse des Druckreglers 10 dar.
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3 zeigt eine weitere Explosionsansicht des Druckreglers 10. Hier ist der Fluideingang 20 in der Trägerplatte 34 sichtbar.
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4 zeigt die Trägerplatte 34 des Druckreglers 10 in einer Detailansicht. In dieser Ansicht sind ein Sitz 52 für das Regelventil 24, eine fluidische Verbindung 54 zum Drucksensor 26 sowie ein Sitz 56 für das Entlüftungsventil 32 zu sehen.
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In den 4 und 5 wird deutlich, dass sämtliche Fluidkanäle 18, 30 sowie Fluidanschlüsse 20, 22, 52, 54, 56 integral in der Trägerplatte 34 ausgebildet sind.
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Der Bypasskanal 30, der von dem Fluidhauptkanal 18 abzweigt, mündet dabei mit seinem Auslass 58 in einen Eingang des Entlüftungsventils 32, wenn das Entlüftungsventil 32 an der Trägerplatte 34 montiert ist.
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An einen Ausgang des Entlüftungsventils 32 schließt ein Einlass 60 in einen weiteren Kanalabschnitt 62 an, der sich zur Entlüftungsöffnung 37 erstreckt. Der Kanalabschnitt 62 ist dem Bypasskanal 30 zugeordnet. Anders ausgedrückt ist der Bypasskanal 30 durch das Entlüftungsventil 32 unterbrochen. Wenn kein Entlüftungsventil 32 vorgesehen ist, erstreckt sich der Bypasskanal 30 durchgehend bis zur Entlüftungsöffnung 37.
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Zudem ist in 4 der Fluideingang 20 sichtbar.
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5 zeigt einen Längsschnitt durch die Trägerplatte 34. In dieser Darstellung ist der Verlauf des Fluidhauptkanals 18 besonders gut sichtbar.
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Auch der Bypasskanal 30 ist in 5 zu sehen.
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6 zeigt den Druckregler 10 in einer Seitenansicht. Der Gehäusedeckel 36 ist dabei in seiner an der Trägerplatte 34 montierten Position dargestellt.
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7 zeigt einen Teilschnitt durch den Druckregler 10 entlang der Linie A-A in 6.
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8 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung von Druckschwankungen in einem Behälter 14 mittels eines Druckreglers.
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An einer in 8 links dargestellten Hochachse ist ein Druck in Pa aufgetragen. Die Druckwerte sind dabei mittels Quadraten veranschaulicht.
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An einer rechten Hochachse ist ein Öffnungszustand eines dem Behälter 14 nachgeschalteten Ventils 16 dargestellt, wobei das Ventil 16 bei 0 vollständig geschlossen und bei 100 vollständig geöffnet ist. Der Öffnungszustand des Ventils 16 ist im Diagramm mittels Dreiecken veranschaulicht.
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An der Längsachse ist eine Zeit in Sekunden aufgetragen.
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In einem Abschnitt a sind Druckschwankungen bei Verwendung eines Druckreglers gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht.
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In einem Abschnitt b sind die Druckschwankungen bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Druckreglers 10 gemäß den 1 bis 7 veranschaulicht. Der Bypasskanal 30 des Druckreglers 10 hat bei dem veranschaulichten Beispiel einen Strömungsquerschnitt von 10% des maximalen Strömungsquerschnitts des Fluidhauptkanals 18.
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Dabei wird deutlich, dass die Druckschwankungen bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Druckreglers 10 mit einem Bypasskanal 30 deutlich geringer sind als bei Verwendung eines Druckreglers gemäß dem Stand der Technik ohne Bypasskanal.
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Der geregelte Druck in einem Behälter 14 soll beispielsweise 3500 Pa betragen.
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Wenn das Ventil 16 geöffnet wird, fließt Flüssigkeit aus dem Behälter 14 ab und der Druck im Behälter muss mittels des Druckreglers 10 nachgeregelt werden. Je weniger Druckschwankungen dabei auftreten, desto höher kann eine Dosiergenauigkeit sein.
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Bei Verwendung eines herkömmlichen Druckreglers schwankt der Druck zwischen ungefähr 3200 Pa und 3800 Pa (siehe Abschnitt a). Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Druckreglers 10 mit einem Bypasskanal 30 sind die Druckschwankungen deutlich geringer und betragen insbesondere weniger als 50 Pa (siehe Abschnitt b).
