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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe, wie sie insbesondere zum Fördern von Flüssigkeiten oder Gasen, beispielsweise bei Kraftfahrzeuganwendungen, eingesetzt werden kann.
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Stand der Technik
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Eine Membranpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2014 006 503 A1 bekannt. Bei der bekannten Membranpumpe ist ein im Wesentlichen flaches Membranelement mit einem kolbenartigen Stellelement verbunden. Das Membranelement, das im Bereich eines als Pumpengehäuse wirkenden Pumpenkopfes angeordnet ist, begrenzt auf der dem Stellelement abgewandten Seite einen Fluidraum, dessen Volumen in Abhängigkeit der Stellung des entlang einer Längsachse linear beweglichen Stellelements veränderbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Membranpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie bei einem relativ hohen Wirkungsgrad, d.h. bei einem relativ geringen Energieaufwand bezogen auf eine Druckerhöhung bzw. ein Fördervolumen einen vorteilhaften, insbesondere einen geringen Verschleiß aufweisenden Aufbau des Membranelements ermöglicht.
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Diese Vorteile werden erfindungsgemäß bei einer Membranpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die beiden Elemente, die mit dem Membranelement zusammenwirken, wendelförmig mit jeweils einem Gewindegang ausgebildet sind, dass die beiden Gewindegänge der beiden Elemente vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind, dass die beiden Elemente in Richtung der Längsachse betrachtet einander zumindest teilweise überlappen, und dass das wenigstens eine Membranelement zwischen den beiden Gewindegängen der beiden Elemente angeordnet ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Membranpumpe sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer bevorzugten konstruktiven Ausführungsform der Membranpumpe ist es vorgesehen, dass das wenigstens eine Membranelement schlauchförmig und wendelartig mit einer radial um die Längsachse umlaufenden Wand ausgebildet ist, und dass die beiden wendelförmigen Elemente jeweils eine konzentrisch zur Längsachse angeordnete Durchgangsöffnung aufweisen, die von dem wenigstens einen Membranelement zumindest bereichsweise durchsetzt ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass die beiden Gewindegänge der beiden Elemente dieselbe Steigung aufweisen und in einem schrägen Winkel zur Längsachse angeordnet sind, dass die beiden Elemente zylindrisch ausgebildet sind, und dass die Wand des Membranelements radial innerhalb der beiden Elemente angeordnet ist.
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Ein besonders kompakter Aufbau der Membranpumpe und eine gute Kühlung des Antriebs der Membranpumpe wird ermöglicht, wenn der Stellantrieb zur Relativbewegung der beiden Elemente in Richtung der Längsachse zumindest teilweise innerhalb der Durchgangsöffnungen der Elemente bzw. wenn der Stellantrieb innerhalb des Pumpengehäuses angeordnet ist.
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Die Funktion zum Ansaugen bzw. Ausstoßen des Mediums unter Druckerhöhung wird bei einer besonders geringen mechanischen Beanspruchung des wenigstens einen Membranelements ermöglicht, wenn der gegenseitige Abstand der beiden wendelförmigen Elemente in Richtung der Längsachse betrachtet durch den mit einem der beiden Elemente verbundenen Stellantrieb um eine Mittelposition zum Ansaugen bzw. Ausstoßen des Mediums veränderbar ist.
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Auch hinsichtlich des Stellantriebs der Membranpumpe gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. In einer ersten Ausgestaltung des Stellantriebs ist es vorgesehen, der Stellantrieb einen Elektromotor aufweist, dessen in einer Richtung verlaufende Drehbewegung seiner Abtriebswelle mittels eines wellenförmig geformten Scheibenelements in eine oszillierende Hubbewegung umwandelbar ist, wobei das Scheibenelement mit wenigstens einem der wendelförmigen Elemente gekoppelt ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der Stellantrieb wenigstens einen Piezoaktor bzw. eine Piezoaktoranordnung aufweist, die mit wenigstens einem der wendelförmigen Elemente verbunden ist. Dabei ist die Stapelhöhe bzw. Länge der Piezoaktoranordnung in Richtung der Längsachse betrachtet in Abhängigkeit einer an die Piezoaktoranordnung angelegten elektrischen Spannung veränderbar. Die Verwendung eines Piezoaktors für den Stellantrieb der Pumpe ist insbesondere vorteilhaft für den Einsatz in medizinischen Geräten (beispielsweise in Spritzen, Füllanlagen, Drug Delivery Systems usw.), da hier u.a. eine besonders gute Miniaturisierung der Pumpe erwünscht und möglich ist.
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In wiederum alternativ konstruktiver Gestaltung kann es vorgesehen sein, dass der Stellantrieb über einen im Pumpengehäuse radial gelagerten Stellkolben mit einem der wendelförmigen Elemente verbunden ist, dass der Stellkolben mit einem Abschnitt das Pumpengehäuse im Bereich einer Durchgangsöffnung durchdringt, und dass der Stellkolben innerhalb des Pumpengehäuses zwei einem Medium befüllbare und über Überdruckventile miteinander hydraulisch verbundene Räume trennt. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es, von außen her auf das Membranelement einen Druck auszuüben, der insbesondere eine zu große radiale Ausdehnung des Membranelements verhindert.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht es, insbesondere zwei unterschiedliche Medien gleichzeitig zu fördern. Hierzu ist es vorgesehen, dass wenigstens zwei Membranelemente zur Ausbildung zweier fluidmäßig voneinander getrennter Fluidräume vorhanden sind, wobei die wenigstens zwei Membranelemente mit jeweils separaten Saugstutzen und Druckstutzen gekoppelt sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Membranpumpe ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 bis 5 zeigen in jeweils vereinfachtem Längsschnitt unterschiedliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Membranpumpe und
- 6 eine gegenüber den 1 bis 5 modifizierte Ausführung eines Membranelements in einer perspektivischen Darstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine erste Membranpumpe 10 dargestellt, die zum Fördern eines Mediums 1 dient. Bei dem Medium 1 kann es sich um eine Flüssigkeit oder aber um ein Gas handeln. Im Weiteren wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Medium 1 um eine Flüssigkeit handelt. Beispielsweise findet die Membranpumpe 10 bei Automobilanwendungen zur Bereitstellung von unter Druck stehendem Medium 1 zur Betätigung eines Verstellmechanismus Verwendung.
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Die Membranpumpe 10 weist ein Pumpengehäuse 12 auf, das beispielhaft aus einem in etwa topfförmigen Pumpengehäusegrundkörper 14 und einem Pumpendeckel 16 besteht. In dem Pumpendeckel 16 sind zwei Rückschlagventile 18, 20 angeordnet, die hydraulisch mit einem Saugstutzen 19 bzw. Druckstutzen 21 gekoppelt sind. Über den Saugstutzen 19 wird beispielsweise aus einem Vorratsbehälter 5 das Medium 1 von der Membranpumpe 10 angesaugt und unter Druckerhöhung über den Druckstutzen 21 einem Verbraucher 6 zugeführt.
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Das zylindrisch ausgebildete Pumpengehäuse 12 weist eine Längsachse 22 auf, wobei konzentrisch zur Längsachse 22 innerhalb des Pumpengehäuses 12 zwei schnecken- bzw. wendelförmig ausgebildete Elemente 24, 25 angeordnet sind. Die beiden Elemente 24, 25 erstrecken sich rein beispielhaft in etwa über etwa die Hälfte der Längserstreckung des Pumpengehäuses 12 und überdecken einander in Längsrichtung zumindest bereichsweise. Die beiden Elemente 24, 25 weisen jeweils einen Gewindegang 26, 27 auf, wobei der Durchmesser des jeweiligen Gewindegangs 26, 27 der beiden Elemente 24, 25 in Richtung der Längsachse 22 betrachtet konstant ist, die beiden Elemente 24, 25 somit zylindrisch ausgebildet sind.
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Die beiden parallel zueinander angeordneten Gewindegänge 26, 27 sind in einem schrägen Winkel α von mehr als 90° zur Längsachse 22 angeordnet. Die beiden Elemente 24, 25 weisen darüber hinaus rein beispielhaft konzentrisch zur Längsachse 22 ausgebildete, jeweils einen gleichen Durchmesser aufweisende Durchgangsöffnungen 28, 29 auf. Die Anordnung der beiden Elemente 24, 25 ist derart, dass diese ineinander verschraubt sind, d.h., sich im Wesentlichen über den gleichen Abschnitt in Richtung der Längsachse 22 betrachtet erstrecken, jedoch nicht miteinander verbunden sind. Wesentlich ist, dass beispielhaft das eine Element 24, das in das Pumpengehäuse 12 eingeschoben ist, ortsfest innerhalb des Pumpengehäuses 12 angeordnet ist. Demgegenüber ist das Element 25 in Richtung der Längsachse 22 betrachtet in Richtung des Doppelpfeils 30 um eine mittlere Position hin- und herbeweglich angeordnet. Dadurch entsteht zwischen den einander zugewandten Flächen der beiden Gewindegängen 26, 27 in Abhängigkeit der Stellung des Elements 25 ein variabler Abstand a, der zwischen einem Mindestwert und einem Höchstwert schwankt.
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Ergänzend wird erwähnt, dass es auch denkbar ist, nicht nur das Element 25, sondern auch das Element 24 mittels eines nicht dargestellten Antriebs beweglich auszubilden. Dadurch werden wird der maximale Abstand a zwischen den beiden Elementen 24, 25 dadurch erzielt, dass jedes der beiden Elemente 24, 25 nur um jeweils einen halben Hubweg bewegt werden muss.
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Zwischen den beiden Gewindegängen 26, 27 ist weiterhin in dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein einziges schlauchförmiges und wendelartig ausgebildetes Membranelement 31 angeordnet, das konzentrisch zur Längsachse 22 angeordnet ist. Wesentlich für die nachfolgend noch beschriebene Funktionalität der Membranpumpe 10 ist es, dass das Membranelement 31 in Richtung der Längsachse 22 betrachtet nicht zwischen allen einander zugewandten Flächen der Gewindegänge 26, 27 angeordnet ist, sondern jeweils nur zwischen allen zweiten Flächen, sodass zwischen den Gewindegängen 26, 27 in Richtung der Längsachse 22 betrachtet auch Lücken 34 entstehen, in deren Bereich das Membranelement 31 nicht angeordnet ist. Das aus einem flexiblen Material, beispielsweise aus Gummi bestehende Membranelement 31 weist in seinem von der Längsachse 22 radial entfernten Bereich eine radial umlaufende Wand 35 auf.
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Die Wand 35 ist derart ausgebildet, dass diese beispielsweise bei einem minimalen Abstand a zwischen den Gewindegängen 26, 27 die beiden Elemente 24, 25 radial noch nicht überragt, sondern bündig mit diesen abschließt oder radial innerhalb der Gewindegänge 26, 27 angeordnet ist. Weiterhin ist das Membranelement 31 zumindest bereichsweise mit der ihr zugewandten Wand des jeweiligen Elements 24, 25 verbunden, zum Beispiel durch eine Klebeverbindung. Die Verbindung ist rein beispielhaft anhand zweier ringförmiger und um die Längsachse 22 umlaufende Abschnitte 32, 33 dargestellt, die radial bis zu den Durchgangsöffnungen 28, 29 reichen. Wesentlich dabei ist, dass die Abschnitte 32, 33 radial vor der Wand 35 enden. Dies ermöglicht es, dass die mit den Elementen 24, 25 verbundenen Abschnitte 32, 33 bei einer Vergrößerung des Abstands a stets in Anlagekontakt mit den Elementen 24, 25 sind, und andererseits die Wand 35 zum Ausgleich des variablen Abstands a in Richtung der Längsachse 22 betrachtet eine unterschiedliche Länge bzw. Höhe aufweisen kann.
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Das Membranelement 31 reicht beispielhaft bis in den Bereich der Rückschlagventile 18, 20 im Pumpendeckel 16 und ist mit dem Pumpendeckel 16 verbunden. Der Innenraum des Membranelements 31 bildet einen Fluidraum 36 aus, dessen Volumen in Abhängigkeit der Stellung der beiden Elemente 24, 25 zueinander, d.h. in Abhängigkeit des Abstands a, variabel ist.
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Dadurch, dass das Membranelement 31 wendelförmig ausgebildet ist, durchdringt es auch die beiden Elemente 24, 25 in Richtung der Längsachse 22 betrachtet im Bereich der Durchgangsöffnungen 28, 29, sodass auch ein Durchströmen des Mediums 1 bzw. ein Überströmen in Längsrichtung des Membranelement 31 im Bereich der Durchgangsöffnungen 28, 29 der Elemente 24, 25 erfolgen kann.
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Zur Erzeugung der Bewegung des Elements 25 ist dieses auf der dem Pumpendeckel 16 abgewandten Seite mit einem Stellkolben 40 als Teil eines Stellantriebs verbunden. Der Stellkolben 40 weist in einem in Richtung der Längsachse 22 betrachtet mittleren Abschnitt einen im Durchmesser vergrößerten Abschnitt 41 auf, der innerhalb einer Bohrung 42 einer Zwischenwand 43 des Pumpengehäusegrundkörpers 14 radial geführt ist, wobei beispielhaft ein zusätzlicher Dichtring 44 zur Abdichtung zur Bohrung 42 hin vorgesehen ist. Der Stellkolben 40 durchdringt mit einem auf der dem Element 25 abgewandten Seite angeordneten Abschnitt 45 das Pumpengehäuse 12 bzw. den Pumpengehäusegrundkörper 14 im Bereich einer Durchgangsöffnung 46. Der Antrieb des Stellkolbens 40 erfolgt von außerhalb des Pumpengehäuses 12 beispielsweise mittels eines im Einzelnen nicht dargestellten, eine Hubbewegung erzeugenden Elektromotors 50 des Stellantriebs.
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Der Abschnitt 41 des Stellkolbens 40 unterteilt den Pumpeninnenraum des Pumpengehäuses 12 in zwei Räume 51, 52, die mittels zweier Überdruckventile 53, 54 hydraulisch miteinander verbunden sind, wobei der eine Raum 51 lediglich teilweise mit einem von dem Medium 1 unterschiedlichen Medium 3 befüllt ist. Das in dem Raum 52 unter Druck stehende Medium 3 wirkt von außen auf die Wand 35 des Membranelements 31 ein und füllt weiterhin den Bereich der Lücken 34 in Abhängigkeit des Abstands a aus und verhindert eine zu große radiale Ausdehnung des Membranelements 31, sodass sich die Wand 35 immer beabstandet zur Innenwand des Pumpengehäusegrundkörpers 14 befindet.
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Die soweit beschriebene Membranpumpe 10 arbeitet wie folgt: Das Element 25 wird in Richtung der Längsachse 22 relativ zum Element 24 mittels des Elektromotors 50 entsprechend des Doppelpfeils 30 um eine mittlere Position hin- und herbewegt. Ausgehend von einem minimalen Abstand a zwischen den beiden Elementen 24, 25 erfolgt bei einer Vergrößerung des Abstands a ein Ansaugen von Medium 1 über den Saugstutzen 19 in das Pumpengehäuse 12 bzw. in den Fluidraum 36 des Membranelements 31. Das Ansaugen erfolgt solange, bis der Abstand a zwischen den Elementen 24, 25 seinen Höchstwert erreicht hat. Bei der darauffolgenden Verringerung des Abstands a erfolgt nun eine Verdrängung des in dem Fluidraum 36 bzw. innerhalb des Membranelements 31 befindlichen Mediums 1 unter gleichzeitiger Druckerhöhung durch Verringerung des Volumens des Fluidraums 36 und Ausstoßen des unter erhöhtem Druck stehenden Mediums 1 über den Druckstutzen 21.
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In der 2 ist eine gegenüber der Membranpumpe 10 abgewandelte Membranpumpe 10a dargestellt, bei der sich der Stellantrieb für das Element 25 im Bereich der Durchgangsöffnungen 28a, 29a befindet. Weiterhin sind der Saugstutzen 19 und der Druckstutzen 21 an gegenüberliegenden Seiten des Pumpengehäuses 12 angeordnet. Der Stellantrieb weist beispielhaft ebenfalls einen Elektromotor 50a auf, der in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Längsachse 22 betrachtet, beispielhaft mittels eines Zwischenelements 55 und einer Verbindungsplatte 56 mit dem einen größeren Durchmesser aufweisenden Abschnitt 57 des Elements 24 verbunden ist. Im Bereich des Abschnitts 57 sind beispielhaft mehrere, vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelabständen um die Längsachse 22 angeordnete Federelemente 58 angeordnet, die gegen einen im Durchmesser vergrößerten Abschnitt 59 des Elements 25 drücken und somit den Abstand a zwischen den Elementen 24, 25 vergrößern.
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Der Elektromotor 50a bzw. dessen Abtriebswelle 60 ist mit einem wellenförmigen Scheibenelement 62 als Getriebeeinrichtung drehfest verbunden, das sich über kugelförmige, drehbar gelagerte Abstützelemente 63 gegen das Element 25 axial abstützt. Bei einer Drehung des Scheibenelements 62 um die Längsachse 22 rollen die Kugeln 63 zwischen dem Scheibenelement 62 und dem Element 25 ab, wodurch sich infolge der Wellenform des Scheibenelements 62 unterschiedliche Abstände ergeben, die eine Hin- und Herbewegung des Elements 25 in Richtung des Doppelpfeils 30 ermöglichen.
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Bei der in der 3 dargestellten Membranpumpe 10b ist der Stellantrieb in Form eines Stapelpiezoaktors 65 ausgebildet. Der Stapelpiezoaktor 65 erstreckt sich beispielhaft über die gesamte Länge der beiden Elemente 24, 25 und ist konzentrisch zur Längsachse 22 innerhalb der Durchgangsöffnungen 28b, 29b angeordnet. An gegenüberliegenden Stirnseiten des Stapelpiezoaktors 65 ist dieser über jeweils eine stirnseitig angeordnete Platte 66, 67 mit gegenüberliegenden Endbereichen der Elemente 24, 25 verbunden.
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In Abhängigkeit einer an den Stapelpiezoaktor 65 angelegten elektrischen Spannung dehnt sich dieser in Richtung der Längsachse 22 betrachtet aus, sodass sich zwischen den Gewindegängen 26, 27 unterschiedlich große Abstände a ergeben, um das Medium 1, wie oben beschrieben, zu fördern bzw. zu verdichten.
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Die Membranpumpe 10c gemäß der 4 unterscheidet sich von der Membranpumpe 10b gemäß der 3 dadurch, dass der Stapelpiezoaktor 68 die beiden Elemente 24, 25 radial umgibt und in Art einer Hülse ausgebildet ist.
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In der 5 ist eine Membranpumpe 10d schematisch dargestellt, die beispielhaft einen (zentralen) Stapelpiezoaktor 65 und einen (hülsenförmigen) Stapelpiezoaktor 68 als Stellantrieb umfasst. Weiterhin erkennt man, dass an den beiden stirnseitigen Endbereichen der Membranpumpe 10d jeweils ein Saugstutzen 19 und ein Druckstutzen 21 angeordnet sind, die mit unterschiedlichen Vorratsbehältern 5 bzw. Verbrauchern 6 gekoppelt sind. Radial innerhalb des Stapelpiezoaktors 68 sind zwei Membranelemente 31a und 31b angeordnet, die hydraulisch voneinander getrennte Einheiten ausbilden, wobei sich die beiden Membranelemente 31a, 31b in Richtung der Längsachse 22 betrachtet axial überlappen. Die Membranpumpe 10d ermöglicht es durch Ausbildung zweier hydraulisch voneinander getrennten Fluidräume 36a, 36b, aus unterschiedlichen Vorratsbehältern 5 vorzugsweise unterschiedliche Medien 1, 2 anzusaugen bzw. über die Druckstutzen 21 unter Druck stehendes Medium 1, 2 an die Verbraucher 6 abzugeben.
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Zuletzt ist in der 6 ein modifiziertes, ebenfalls wendelartiges Membranelement 31c in Form einer Endlosschnecke dargestellt, bei dem an den gegenüberliegenden Stirnseiten ein Einlass 71 sowie ein Auslass 72 für das Medium 1, 2 ausgebildet ist. Bei der Verwendung eines derartigen Membranelements 31c ist es nicht erforderlich, dass die Elemente 24, 25 Durchgangsöffnungen 28; 28a; 28b, 29; 29a; 29b aufweisen. Dadurch wird die Herstellung der Elemente 24, 25 sowie der Montageprozess der Membranpumpe 10, 10a bis 10d vereinfacht.
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Die soweit beschriebene Membranpumpe 10, 10a bis 10d kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht darin, wenigstens ein Membranelement 31 bis 34 zwischen zwei schnecken- bzw. wendelförmigen Elementen 24, 25 anzuordnen, wobei durch eine Relativbewegung der beiden Elemente 24, 25 in Richtung einer Längsachse 22 sich variable Abstände a zwischen den Elementen 24, 25 ergeben, die zu einer Veränderung der Größe der Fluidräume 36, 36a, 36b in den Membranelementen 31, 31a, 31b führen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014006503 A1 [0002]
