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Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulisch angetriebene Membranpumpe mit einem magnetisch gekoppelten Membranpaket.
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Membranpumpen besitzen einen Förderraum mit einem Sauganschluss und einem Druckanschluss sowie einen Arbeitsraum, der durch eine Membran von dem Förderraum getrennt ist. Um ein Medium zu fördern, wird die Membran oszillierend zwischen einer ersten und zweiten Position hin- und herbewegt, in dem der Arbeitsraum mit einem Hydraulikfluid befüllt ist, welches mit einem oszillierenden Druck beaufschlagt wird. Die zwei Positionen der Membran werden dabei meist als Druckhubposition und als Saughubposition bezeichnet.
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Üblicherweise ist der Druckanschluss über ein als Rückschlagventil ausgebildetes Druckventil mit dem Förderraum verbunden und der Sauganschluss über ein ebenfalls als Rückschlagventil ausgebildetes Saugventil mit dem Förderraum verbunden. Bei der Bewegung der Membran von der ersten in die zweite Position, dem sogenannten Saughub, wird das Volumen des Förderraums vergrößert, wodurch der Druck im Förderraum abfällt. Sobald der Druck im Förderraum unter den Druck in einer mit dem Sauganschluss verbundenen Saugleitung fällt, öffnet sich das Saugventil und über den Sauganschluss wird zu förderndes Medium in den Förderraum eingesaugt. Sobald die Membran sich von der zweiten Position wieder in Richtung der ersten Position bewegt (dies ist der sogenannte Druckhub), verringert sich das Volumen im Förderraum und der Druck im Förderraum steigt an. Das Saugventil wird verschlossen, um ein Zurückströmen des zu fördernden Mediums in die Saugleitung zu verhindern. Sobald der Druck im Förderraum den Druck in einer mit dem Druckanschluss verbundenen Druckleitung überschreitet, wird das Druckventil geöffnet, sodass das im Förderraum befindliche Fördermedium in die Druckleitung gedrückt werden kann.
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Die Membran selbst kann dabei federnd in Richtung der Saughubposition vorgespannt sein. Dabei wird die Membran stets eine Position einnehmen, in der die auf die Membran wirkenden Kräfte sich gegenseitig aufheben. Dabei wirken unter Normalbedingungen die von dem Fluiddruck in dem Förderraum und die durch die federnde Vorspannung in Richtung Saughubposition erzeugten Kräfte gegen die von dem Fluiddruck im Arbeitsraum erzeugten Kräfte.
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Die Beaufschlagung des Hydraulikfluids mit einem oszillierenden Druck führt somit zu einer oszillierenden Bewegung der Membran und damit verbunden zu einem oszillierenden Pumpvorgang des Förderfluids aus der Saugleitung in die Druckleitung.
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Hydraulisch betriebene Membranpumpen kommen bevorzugt bei der Förderung von Förderfluiden unter hohen Drücken zum Einsatz, da durch das Hydraulikfluid eine gleichmäßige Belastung der Membran erfolgt und diese somit eine hohe Lebensdauer aufweist.
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Wie ausgeführt arbeitet die Membran mit einer Membranrückholeinrichtung, meist umfassend eine Zugstange, zusammen, die in Richtung der Saughubposition wirkt. Hierzu muss die Membran mit der Zugstange direkt oder indirekt verbunden sein, damit die Zugstange auf die Membran einwirken kann.
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Die Membran umfasst in der Regel mehrere Lagen, meist zwei Polytetrafluorethylen- (PTFE-) Lagen, die in Sandwichbauweise eine Gewebelage einschließen. Gemeinsam mit einer Membranhaltescheibe und einer Klemmschraube, die wiederum die vorangehend genannten Lagen fixieren, wird das Membranpaket ausgebildet.
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Um nunmehr das Membranpaket mit der Zugstange zu verbinden, sind verschiedene Lösungen im Stand der Technik bekannt und beschrieben. Beispielsweise ist es bekannt, dass das Membranpaket einen Gewindefortsatz aufweist, der in die Zugstange bis zu einem festen Anschlag eingeschraubt wird. Eine Passfeder verhindert dabei ein Mitdrehen der Zugstangen.
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Nachteilig an dieser Lösung ist, dass es zu einem Gewindebruch bei unsachgemäßen Einbau kommen kann. Des weiteren ist es nachteilig, dass auf spezielles Werkzeug zurückgegriffen werden muss, und bei der Montage durch dieses Werkzeug die Membran selbst beschädigt werden kann. Des weiteren ist es nachteilig, dass eine Passfeder benötigt wird, die mit hohen Kosten einhergeht, um ein Mitdrehen der Zugstange zu verhindern.
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Auch die umgekehrte Variante eine Schraubverbindung ist im Stand der Technik bekannt. Dabei weist nicht das Membranpaket einen Gewindefortsatz auf, sondern der Gewindefortsatz wird durch die Zugstange bereitgestellt. Diese bekannte Ausführungsform überwindet jedoch nicht die ausgeführten Nachteile der durch das Membranpaket ausgebildeten Schraubverbindung. Vielmehr muss zudem auf Spezialwerkzeug zurückgegriffen werden, um das Membranpaket auf den Gewindefortsatz aufzuschrauben.
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Alternativ ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Membranlagen direkt von der Membranscheibe und der Zugstange gehalten werden, ohne dass das Membranpaket eine Klemmschraube umfasst. Dabei bildet die Zugstange die Funktion der Klemmschraube mit ab. Diese Lösung führt dazu, dass beim Wechseln der Membran entweder die Zugstange mit ausgetauscht werden muss, oder das Membranpaket muss vor Ort fachgerecht verspannt, verklebt und mit Trennmittel versehen werden.
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Auch diese dritte aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform ist somit mit Nachteilen verbunden, insbesondere ist ein Auswechseln des Membranpakets nicht ohne ein gleichsames Auswechseln der Zugstange möglich, sofern nicht das Membranpaket durch u.a. Verspannen und Kleben vor Ort wieder erzeugt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, und insbesondere eine sichere Verbindung von Membranpaket und Zugstange bereitzustellen, die ohne aufwendige Montage erfolgen kann, wobei insbesondere das Risiko von Schäden an der Membran während der Montage minimiert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Membranpumpe mit einem Membranpaket und einer eine Zugstange umfassende Membranrückholeinrichtung, wobei das Membranpaket eine Membran und eine die Membran fixierende Membranhalteeinrichtung umfasst, wobei das Membranpaket und die Zugstange kraftschlüssig mittels einer magnetischen Haftkraft miteinander verbunden sind.
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Dabei kann es insbesondere vorteilhaft sein, dass die magnetische Haftkraft größer oder gleich der maximal erforderlichen Rückholkraft der Membran während des Betriebs der Membranpumpe ist.
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Der Erfindung liegt dabei die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass eine kraftschlüssige Verbindung von Zugstange und Membranpaket mittels eines Magnets bereitgestellt werden kann, wobei auf die aus dem Stand der Technik bekannten Schraubverbindungen verzichtet wird. Der Magnet selbst muss dabei so bemessen sein, dass eine dauerhafte kraftschlüssige Verbindung in allen gewünschten Betriebssituationen sichergestellt ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die bereitgestellte magnetische Haftkraft zwischen Membranpaket und Zugstange größer als die maximal erforderliche Rückholkraft der Membran während des Betriebs der Membranpumpe ist.
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Es hat sich gezeigt, dass die maximal erforderliche Rückholkraft üblicherweise in einem Bereich von 50 N bis 2400 N liegt, insbesondere in einem Bereich von 100 N bis 1200 N. Solche magnetischen Haftkräfte lassen sich bei den gegebenen Geometrien mittels moderner Permanentmagnete, beispielsweise Neodym-Magneten, leicht erreichen.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, dass eine Montage der Membran bzw. des Membranpakets ohne Werkzeuge erfolgen kann. Folglich kann ein Abrutschen derselben vermieden werden, und somit werden Beschädigungen an der Membran minimiert. Auch ist die magnetische Verbindung verschleißfrei und bruchsicher. Ein Bruch des gemäß dem Stand der Technik verwendeten Gewindes durch ein zu starkes Anziehen ist nicht mehr möglich.
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Darüber hinaus geht die vorliegende Erfindung mit weiteren Vorteilen einher, da beispielsweise magnetische Partikel von dem Magneten gefangen werden. Solche Partikel können beispielsweise während des Betriebs der Membranpumpe durch Verschleißpartikel der Kolbenringe, freigesetzte Spanreste und sonstigem Abrieb entstehen. Eine Beschädigung der Membran durch Verschleißpartikel wird zusätzlich wirksam verhindert.
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Auch ist es möglich, auf die aufwändige Konstruktion der Passfeder zu verzichten, so dass erhebliche Kosteneinsparungen entstehen, die den Einsatz der teureren Magneten überkompensieren.
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Dabei sind erfindungsgemäß verschiedene Ausführungsformen von Anordnungen von einem oder mehreren Magneten denkbar, um die besagte Haftkraft bereitzustellen. Der oder die Magneten können erfindungsgemäß von dem Membranpaket und/oder von der Zugstange umfasst sein oder losgelöst von diesen angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß kann dabei vorgesehen sein, dass die Membranhalteeinrichtung eine Membranhaltescheibe und ein mit der Membranhaltescheibe verbundenes Membranhalteelement umfasst, wobei die Membran zwischen der Membranhaltescheibe und dem Membranhalteelement angeordnet ist.
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Ein Membranpaket umfasst in der Regel wie ausgeführt eine Membran mit zwei PTFE-Lagen und eine zwischen diesen Lagen angeordnete Gewebelage. Um diese drei Lagen zu fixieren ist auf der einen Seite der Membran eine Membranhaltescheibe und auf der gegenüberliegenden Seite ein Membranhalteelement, in der Regel in Form einer Klemmschraube, angeordnet.
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Durch die Verbindung von Membranhaltescheibe und Membranhalteelement wird die Membran fixiert und kann mit der Zugstange der Membranrückholeinrichtung verbunden werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein erster Magnet zur Bereitstellung der magnetischen Haftkraft an oder im Bereich des der Membran zugewandten Endes der Zugstange angeordnet ist.
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Es hat sich gezeigt, dass eine Anordnung eines ersten Magneten an dem der Membran bzw. des Membranpakets zugewandten Seite der Zugstange für ein Bereitstellen der erfindungsgemäßen Haftkraft besonders vorteilhaft ist, da die Distanz zwischen den zu verbindenden Elementen minimiert werden kann. Optional weist die Oberfläche der Zugstange eine Aussparung aus, in die der erste Magnet eingepasst ist. Weiterhin optional ist der Magnet durch geeignete Haftmittel bzw. Kleber mit der Zugstangen-Oberfläche verbunden.
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Gemäß dieser Ausführungsform verbleibt der erste Magnet bei einem Wechsel des Membranpakets an der Zugstange. Diese Anordnung des ersten Magneten setzt jedoch voraus, dass das Membranpaket, insbesondere das Membranhalteelement, ausreichende magnetische Eigenschaften aufweist, um für die notwendige Haftkraft mit dem ersten Magneten interagieren zu können.
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Daher kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform auch vorgesehen sein, dass ein zweiter Magnet zur Bereitstellung der magnetischen Haftkraft an oder im Bereich des Membranhalteelements angeordnet ist. Optional weist die Oberfläche des Membranhalteelements eine Aussparung aus, in die der zweite Magnet eingepasst ist. Weiterhin optional ist der Magnet durch geeignete Haftmittel bzw. Kleber mit der Oberfläche des Membranhalteelements verbunden.
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Auch hier wir die Distanz zwischen den zu verbindenden Elementen Zugstange und Membranpaket minimiert. Dies kann vor allem dann vorteilhaft sein, wenn die magnetischen Eigenschaften des verwendeten Membranpakets nicht ausreichend sind.
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Alternativ kann es ebenfalls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass der erste Magnet an oder im Bereich des der Membran zugewandten Endes der Zugstange angeordnet ist und der zweite Magnet mit umgekehrte Polarität gegenüber dem ersten Magneten im Bereich des Membranhalteelements angeordnet ist, wobei der erste Magnet gemeinsam mit dem zweiten Magnet die magnetische Haftkraft bereitstellt.
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Diese erfindungsgemäße Anordnung ist zur Erzeugung einer großen Haftkraft besonders vorteilhaft. Zudem ist die Haftkraft unabhängig von der Geometrie und der Materialien des Membranpakets und der Zugstange einstellbar.
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Alternativ kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass ein dritter Magnet zur Bereitstellung der magnetischen Haftkraft im Bereich des Membranhalteelements und/oder im Bereich des der Membran zugewandten Endes der Zugstange angeordnet ist, jedoch nicht mit dem Membranhalteelement und/oder der Zugstange verbunden ist.
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Es kann, muss jedoch nicht, vorteilhaft sein, wenn der oder die Magneten direkt mit der Zugstange oder dem Membranpaket verbunden ist bzw. sind. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die magnetische Haftkraft durch einen getrennt von diesem vorliegenden dritten Magneten bereitgestellt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass das Membranhaltelement eine Aussparung aufweist, in die die Zugstange und/oder der mit der Zugstange verbundene erste Magnet eingeführt ist, so dass das Membranpaket gegenüber der Zugstange zentriert ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Tiefe der Aussparung des Membranhalteelements größer als die Höhe des Teils der Zugstange und/oder des mit der Zugstange verbundenen ersten Magneten, welcher in die Aussparung eingeführt ist.
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Gemäß den Lösungen aus dem Stand der Technik erfolgte eine Zentrierung des Membranpakets gegenüber der Zugstange während dem Verbinden derselben mit den Gewindefortsätzen der verwendeten Schraubverbindungen. Durch die erfindungsgemäße Magnetverbindung kann es vorteilhaft sein, wenn eine alternative Zentrierungsunterstützung des Membranpakets gegenüber der Zugstange möglich ist. Eine solche Zentrierung kann dabei durch die erfindungsgemäße Aussparung erfolgen, so dass die Zugstange bzw. der mit der Zugstange verbundene erste Magnet abschnittsweise in die dafür vorgesehene Aussparung des Membranhalteelements eingeführt und somit zentriert wird.
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Dabei kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Aussparung in ihrem Querschnitt zumindest abschnittsweise rechteckförmig, trapezförmig, kegelförmig, zylinderförmig oder halbkreisförmig ausgebildet ist.
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Die Ausgestaltung der Aussparung ist für den Fachmann offensichtlicherweise nicht beschränkt. Jedoch haben sich die angeführten Geometrien als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Erfindungsgemäß kann dabei vorgesehen sein, dass der oder die Magneten in Form eines Scheibenmagnets, eines konischen Magnets, eines Kugelmagnets und/oder eines Ringmagnets ausgebildet ist bzw. sind.
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In Abhängigkeit von der magnetischen Haftkraft können unterschiedliche Magnetformen vorteilhaft sein und realisiert werden. Beispielhaft seien genannt: Magnete in Scheibenform, Stabform, Quaderform, Würfelform, Kugelform, Ringform oder Konusform. Es hat sich gezeigt, dass der Einsatz von Magneten in Scheibenform, Konusform, Kugelform und Ringform besonders vorteilhaft ist.
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Auch kann vorgesehen sein, dass der oder die Magneten als Permanentmagnet(en) oder als Elektromagnet(en) ausgebildet ist bzw. sind.
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Erfindungswesentlich ist der Einsatz von Magneten zur Erzeugung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen Membranpaket und Zugstangen. Je nach Anwendungsfall können dabei Permanentmagnete oder Elektromagnete zum Einsatz kommen, wobei erstere bei einer Verbindung mit dem Membranpaket besonders vorteilhaft sind, während Elektromagneten aufgrund der benötigten elektrischen Kontakte besonders vorteilhaft in Kombination mit der Zugstange realisiert werden können.
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Des weiteren kann vorgesehen sein, dass der oder die Magneten eine korrosionsbeständige Beschichtung aufweisen.
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Um für die jeweiligen Umgebungsbedingungen je nach Einsatzgebiet der Membranpumpe bestmöglich geschützt zu sein, kann es vorteilhaft sein, dass der oder die Magneten eine korrosionsbeständige Beschichtung umfassen. Die Art der Beschichtung ist dabei direkt vom Einsatzgebiet der Pumpe abhängig und kann in bekannter Weise vom Fachmann dementsprechend ausgewählt werden.
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Schließlich kann es auch vorgesehen sein, dass der oder die Magneten ein Gewinde, eine Aussparung und/oder einen Vorsprung umfassen, ausgelegt und eingerichtet, um insbesondere ein Lösen der Verbindung zwischen Magnet und Zugstange und/oder Membranhalteelement zu verei nfachen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen beispielhaft erläutert wird, ohne dadurch die Erfindung zu beschränken.
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Dabei zeigt:
- 1: einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membranpumpe in einer seitlichen Schnittansicht mit einem erfindungsgemäß an der Zugstange angeordneten Magneten;
- 2: einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membranpumpe in einer seitlichen Schnittansicht mit einer kugelförmigen Zentrierunterstützung;
- 3: einen Ausschnitt einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membranpumpe in einer seitlichen Schnittansicht mit einer trapezförmigen Zentrierunterstützung; und
- 4: einen Ausschnitt einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membranpumpe in einer seitlichen Schnittansicht mit Aussparungen an Membranhalteelement und Zugstange, wobei die Tiefe der Aussparung des Membranhalteelements größer ist als die Höhe des Teils des mit der Zugstange verbundenen ersten Magneten, welcher in die Aussparung eingeführt ist.
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In 1 ist ein Ausschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membranpumpe 1 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Membranpumpe 1 umfasst dabei eine Membran 3, die zwei PTFE-Lagen 5, 5' und eine zwischen diesen angeordnete Gewebelage 7 umfasst. Um diese drei Lagen 5, 5', 7 zu fixieren und ein Membranpaket 9 auszubilden wird auf der einen Seite der Membran 3 eine Membranhaltescheibe 11 und auf der gegenüberliegenden Seite ein Membranhalteelement 13, hier in Form einer Klemmschraube, angeordnet.
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Eine Permanentmagnet 15 stellt dabei eine magnetische Haftkraft zwischen dem Membranpaket 9 und einer Zugstange 17 einer Membranrückholeinrichtung 19 bereit, so dass das Membranpaket 9 und die Zugstange 17 kraftschlüssig mittels der magnetischen Haftkraft miteinander verbunden sind. Die Zugstange arbeitet dabei mit einer Feder 21 zusammen, um die erforderliche Rückholkraft bereitzustellen und die Membran in die Saughubposition zu bewegen. Das Membranhalteelement 13 weist eine Aussparung 25 zur Einführung des Magneten auf. Der Magnet 15 ist mit mit einem dem Membranpaket 9 zugewandten Kopf 23 der Zugstange 17 fest verbunden, so dass das Membranpaket gegenüber der Zugstange zentriert ist.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Zentrierungsunterstützung ist in 2 gezeigt. Hierbei weist das Membranhalteelement 13 eine halbkugelförmige Aussparung 25' auf, in die der über das Membranhalteelement 13 überstehende Bereich des kugelförmigen Magnets 15', der an der Zugstange 17 befestigt ist, einführbar ist. In dieser Position ist das Membranpaket 9 gegenüber der Zugstange 17 zentriert. Die Aussparung 25" kann dabei, wie in 3 gezeigt, auch trapezförmig ausgebildet sein. Es ist vorteilhaft, wenn die Aussparung 25, 25' oder 25" mit der Form des Magneten 15, 15' oder 15" korrespondiert.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Zentrierungsunterstützung ist in 4 gezeigt. Hier ist die Tiefe der Aussparung des Membranhalteelements größer als die Höhe des Teils des mit der Zugstange verbundenen ersten Magneten, welcher in die Aussparung eingeführt ist.
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Es ist dabei offensichtlich, dass unterschiedliche Magnetformen 15 und Ausgestaltungen der Aussparungen 25 vorteilhaft sein können, wobei auch nicht gezeigte Varianten von der vorliegenden Erfindung umfasst sind.
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Die in der voranstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
