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Die
Erfindung betrifft eine fluidische Steckverbindung.
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Es
ist eine Vielzahl von Vorrichtungen bekannt, die dazu dienen, fluidische
Leitungen an unterschiedliche Geräte anzuschließen. Eine übliche Möglichkeit
stellen beispielsweise Gewindeanschlüsse oder Steckverbinder dar.
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Im
Falle von Miniaturisierung wie bei mikrofluidischen Anwendungen
lassen sich Anschlusstechniken, die bei größer dimensionierten Geräten funktionieren,
nicht einfach übertragen,
und es werden Anschlüsse
häufig
mittels Verkleben realisiert, was den Nachteil hat, dass diese Verbindungen
nicht reversibel zerstörungsfrei,
einfach und schnell gelöst werden
können.
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Deshalb
ist es Aufgabe der Erfindung, eine fluidische Steckverbindung zur
Verfügung
zu stellen, bei der die fluidische Verbindung auf einfache Weise hergestellt
wird und die jederzeit reversibel lösbar ist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mittels einer fluidischen Steckverbindung, die die
Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht eine fluidische Steckverbindung im Wesentlichen aus einem
Steckerteil am Ende einer Fluidleitung und einem komplementären Steckbuchsenteil. Das
Steckbuchsenteil kann zum Beispiel integriert sein in einer Fluidikplatte
oder einem Fluidikgerät. Am
Boden des Steckbuchsenteils mündet
ein Fluidkanal. Steckerteil und Steckbuchsenteil können zur Herstellung
einer fluidschen Verbindung zwischen Fluidkanal und Fluidleitung
formschlüssig
ineinander eingesteckt werden, wobei das Mündungsende der Fluidleitung
dann fluchtend in den Fluidkanal übergeht.
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Sowohl
das Steckerteil als auch das Steckbuchsenteil weisen Magnetelemente
auf. In eingestecktem Zustand werden Steckerteil und Steckbuchsenteil
durch magnetische Anziehungskräfte
zusammengehalten. Über
die Dimensionierung und Auslegung der Magnetelemente lässt sich
so vorteilhaft die Verbindungskraft zwischen Steckerteil und Steckbuchsenteil
auf ein gewünschtes
Maß einstellen.
Zum Beispiel kann erreicht werden, dass die Steckverbindung zwar
noch bequem manuell und ohne Zuhilfenahme von Werkzeug lösbar aber
das System trotzdem dicht gegenüber
gewünschten Druckbelastungen
ist.
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Die
erfindungsgemäße fluidische
Steckverbindung kann bei unterschiedlichen Fluidleitungen wie flexiblen
Schlauchleitungen oder starren Rohrleitungen angewendet werden.
Im Bereich der Mikrofluidik kommen auch handelsübliche Kanülen/Injektionsnadeln zum Einsatz.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird zwischen der Mündungsöffnung des
Fluidkanals am Boden des Steckbuchsenteils und dem Mündungsende
der Fluidleitung am Steckerteil eine Dichtung wie zum Beispiel ein
O-Ring eingesetzt, um eine optimale Dichtheit des Systems zu gewährleisten.
Die Dichtung ist insbesondere aus einem Elastomerwerkstoff oder
PTFE gefertigt. Vor allem bei Applikationen, bei denen nicht flexible
Rohrleitungen oder Kanülen
verwendet werden, ist eine sichere und effektive Abdichtung erforderlich.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird als Fluidleitung ein flexibler Schlauch verwendet. Bei geeigneter
Werkstoffauswahl kann dann sogar auf eine separate Dichtung verzichtet
werden. Dazu schließt das
Steckerteil auf der Seite, die dem Boden des Steckbuchsenteils gegenüberliegt,
mit einem überstehenden
Schlauchende ab, das dann die Dichtfunktion übernimmt.
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Die
Magnetelemente von Steckerteil und Steckbuchsenteil werden bezüglich ihrer
Polarisierungsrichtung vorteilhaft so angeordnet, dass diese während des Einsteckvorgangs
zunächst
eine abstoßende
Axialkraft erzeugen. Bei weiterem Ineinanderschieben von Steckerteil
und Steckbuchsenteil und nach Überwinden
dieser abstoßenden
Axialkraft erzeugen die Magnetelemente eine anziehende Axialkraft,
die das Steckerteil zum Boden des Steckbuchsenteils zieht und dort
hält. Dadurch
wird ein günstiger
Schnappeffekt bewirkt, der die Montage erleichtert und deren erfolgreichen
Endpunkt der montierenden Person spürbar anzeigt.
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Die
Magnetelemente des Steckbuchsenteils können insbesondere an den eine
Bohrung begrenzenden Seitenwänden
angeordnet werden, die beispielsweise in eine Fluidikplatte eingebracht
wurde. Es ist aber genauso möglich,
die Magnetelemente als Sockel auf einer Platte bzw. einem Gerät um einen Fluidikkanal
herum anzuordnen. Um den direkten Medienkontakt zu vermeiden, können die
medienberührten
Teile durch eine geeignete Beschichtung oder Folie geschützt werden.
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Der
Schnappeffekt kann auch erreicht werden, wenn die Magnetelemente
während
des Einsteckprozesses von Stecker- und Steckbuchsenteil zuerst eine
anziehende, dann eine abstoßende
und bei weiterer Annäherung
des Steckerteils an den Boden des Steckbuchsenteils wieder eine
anziehende Axialkraft erzeugen.
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Besonders
günstig
ist es, wenn bei der fluidischen Steckverbindung im zusammengesteckten
Zustand die Magnetelemente am Steckerteil und am Steckbuchsenteil
so positioniert sind, dass sich deren Magnetpole nicht direkt gegenüberliegen
sondern axial gegeneinander versetzt sind.
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In
einer Ausführungsform
wird während
des Einsteckprozesses zunächst
eine Zwischenposition erreicht, in der die Magnetelemente von Steckerteil und
Steckbuchsenteil direkt benachbart angeordnet sind und wobei gleich
polarisierte Magnetpole sich gegenüberliegen. In dieser Zwischenposition
wirkt eine abstoßende
Axialkraft. Beim Fortsetzen des Einsteckvorgangs unter Überwindung
der Abstoßungskraft
nähern
sich entgegengesetzt polarisierte Magnetpole der Magnetelemente
von Stecker- und Steckbuchsenteil, die sich anziehen und in Folge
Stecker- und Steckbuchsenteil in die Endposition schnappen lassen.
Dabei ist das Steckbuchsenteil bezüglich der möglichen Eindringtiefe des Steckerteils
so ausgelegt, dass die Endposition erreicht ist, bevor sich die
entgegengesetzt polarisierten Abschnitte der Magnetelemente gegenüber liegen.
In dieser gegeneinander versetzten Position ziehen sich die entgegengesetzt
polarisierten Magnetpole in der eingesteckten Endlage der fluidischen
Steckverbindung weiter an, und die fluidische Steckverbindung wird
so stabil zusammengehalten.
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Die
Magnetelemente können
betreffend ihre räumliche
Form unterschiedlich ausgestaltet sein. In einer günstigen
Ausführungsform
ist ein Magnetelement am Steckerteil als Magnethülse ausgebildet, die das Ende
der Fluidleitung umgibt. Die Hülsenform ist
für übliche Fluidleitungen
wie Schläuche
und Rohrleitungen mit kreisrundem Querschnitt besonders geeignet.
So kann die Magnethülse
auf einfache Weise über
die Fluidleitung geschoben werden. In analoger Weise bildet zur
Magnethülse
komplementär
eine zylindrische Buchse das Magnetelement am Steckbuchsenteil,
so dass die Magnethülse
einfach in die magnetische Buchse eingesteckt werden kann. Außerdem sind
Magnethülsen,
auch als Ringmagnete bekannt, einfache Bauteile und nahezu in beliebigen
Ausführungen
und Abmessungen problemlos am Markt erhältlich.
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Bei
anderen denkbaren Fluidleitungsquerschnitten können Magnetelemente so an diese
angepasst werden, dass ein Magnetelement die Fluidleitung an deren
Ende umgibt und das magnetische Buchsenteil dazu komplementär gestaltet
ist.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist an den Magnetelementen des Steckerteils in Richtung Fluidleitungsende
oder des Steckbuchsenteils in Richtung Steckbuchsenboden in Axialrichtung
ein Abstandshalter aus unmagnetisierbarem Material angesetzt. Dadurch
wird erreicht, dass in zusammengestecktem Zustand des fluidischen
Steckverbinders sich nicht entgegengesetzt polarisierte Abschnitte
der Magnetelemente gegenüber
liegen, wodurch wie bereits beschrieben die fluidische Steckverbindung
mittels magnetischer Anziehungskraft zusammengehalten wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und aus den beigefügten
Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 Schnittbild
einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Steckerteils
sowie eines Steckbuchsenteils;
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2 Schnittbild
eines fluidischen Steckverbinders zusammengesteckt aus Steckerteil
und Seckbuchsentei gemäß 1;
und die
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3 bis 6 Schnittbilder
von Ausführungsformen
je eines Steckerteils sowie eines Steckbuchsenteils.
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1 zeigt
ein Schnittbild einer ersten Ausführungsform eines Steckerteils 10 und
eines dazu komplementären
Steckbuchsenteils 20, die noch nicht miteinander verbunden
sind. Das Steckerteil 10 ist am Ende einer Fluidleitung 30 insbesondere
einer Schlauch- oder Rohrleitung angeordnet. Sowohl das Steckerteil 10 als
auch das Steckbuchsenteil 20 weisen Magnetelemente 40 auf.
Am Boden 50 des Steckbuchsenteils 20 mündet ein
Fluidkanal 60.
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In 2 ist
das Steckerteil 10 dargestellt, das formschlüssig in
das Steckbuchsenteil 20 bis zum Anschlag an dessen Boden 50 unter
Ausbildung einer erfindungsgemäßen fluidischen
Steckverbindung eingesteckt ist. In dieser Position fluchtet die Mündungsöffnung 70 des
Fluidkanals 60 mit dem Mündungsende 80 der
Fluidleitung 30. Die Magnetelemente 40 beaufschlagen
das eingesteckte Steckerteil 10 axial zum Boden des Steckbuchsenteils 20.
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Die
fluidische Steckverbindung hat den Vorteil, dass sie nach Bedarf
jederzeit einfach gelöst
und wieder hergestellt werden kann. Sie ist besonders geeignet für den Bereich
der Mikrofluidik.
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Die
Stärke
der fluidischen Steckverbindung ist abhängig von der geometrischen
Form und den Magneteigenschaften der Magnetelemente 40 und lässt sich
insbesondere durch gezielte Werkstoffauswahl und entsprechend der
gewünschten
Applikation beeinflussen.
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Vorteilhafterweise
wird, wie aus den Figuren ersichtlich, zwischen der Mündungsöffnung 70 des Fluidkanals 60 am
Boden 50 des Steckbuchsenteils 20 und dem Mündungsende 80 der
Fluidleitung 30 am Steckerteil 10 ein Dichtring 90 eingesetzt.
Der Dichtring 90 kann ein handelsüblicher O-Ring beispielsweise
aus einem Elastomermaterial oder PTFE sein und gewährleistet
die Dichtheit der fluidischen Steckverbindung.
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Der
Dichtring 90 wird vorzugsweise bei Verwendung einer starren,
metallischen Fluidleitung 30 eingesetzt. Als Fluidleitung 30 kann
auch eine Kanüle verwendet
werden.
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Kommt
ein flexibler Schlauch als Fluidleitung 30 im Steckerteil 10 zum
Einsatz, so kann auch auf einen separaten Dichtring verzichtet werden.
Dadurch wird erreicht, dass die fluidische Steckverbindung aus weniger
Einzelteilen aufgebaut wird. Dazu werden die Magnetelemente 40 am
Steckerteil 10 so angeordnet, dass das Schlauchende etwas übersteht und
dieses Schlauchende in der fluidischen Steckverbindung als Dichtung
wirkt.
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Gemäß der ersten
Ausführungsform
entsprechend den 1 und 2 sind die
Magnetelemente 40 am Steckerteil 10 und Steckbuchsenteil 20 in
Richtung des Steckbuchsenbodens 50 gleich polarisiert,
d. h. jeweils näher
zum Boden 50 zeigt der magnetische Südpol und von diesem weg der
Nordpol. Wird das Steckerteil 10 dem Steckbuchsenteil 20 in Axialrichtung
angenähert,
so entsteht zunächst
eine anziehende Wechselwirkung zwischen dem Südpol des Magnetelements 40 am
Ende des Steckerteils 10 und dem Nordpol des Magnetelements 40 des
Steckbuchsenteils 20, der zur Steckbuchsenöffnung 100 benachbart
ist. Bei Fortsetzen des Einsteckvorgangs wird eine Zwischenposition
durchlaufen, in der Südpol
des Steckerteils 10 und Südpol des Steckbuchsenteils 20 sowie
Nordpol des Steckerteils 10 und Nordpol des Steckbuchsenteils 20 zueinander benachbart
sind, was eine Abstoßung
von Steckerteil 10 und Steckbuchsenteil 20 bewirkt.
Wird die Abstoßungskraft
bei weiterem Ineinanderschieben von Steckerteil 10 und
Steckbuchsenteil 20 überwunden, so
nähert
sich der Nordpol des Steckerteils 10 dem Südpol des
Steckbuchsenteils 20 an, und es wirken wieder Anziehungskräfte in axialer
Richtung zwischen beiden Teilen: Das Steckerteil 10 schnappt
in seine Endlage, in der es am Boden 50 des Steckbuchsenteils 20 anliegt
und dort allein durch Magnetkraft gehalten wird. Dadurch, dass das
Steckerteil 10 vollständig
in das Steckbuchsenteil 20 eintaucht, wird die Stabilität der fluidischen
Steckverbindung erhöht, und
ein unbeabsichtigtes versehentliches Lösen ist relativ unwahrscheinlich.
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Die
Magnetelemente 40 am Steckerteil 10 und Steckbuchsenteil 20 sind
in Richtung des Steckbuchsenbodens 50 genauso gleich polarisiert,
wenn bei Steckerteil 10 und Steckbuchsenteil 20 jeweils der
magnetische Nordpol in Richtung des Steckbuchsenbodens 50 weist
und der magnetische Südpol
von diesem weg.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Magnetpole der Magnetelemente 40 am Steckerteil 10 und
Steckbuchsenteil 20 in ihrer eingesteckten Position axial
gegeneinander versetzt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass in
eingesteckter Position magnetische Anziehungskräfte in axialer Richtung zwischen
Steckerteil 10 und Steckbuchsenteil 20 wirken.
So wird eine günstige
Anpresskraft zwischen der Fluidleitung 30 und dem Fluidkanal 60 erzeugt.
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Bei
anderen theoretisch denkbaren, ungünstigen Anordnungen, in denen
sich die Magnetpole der Magnetelemente 40 von Stecker- 10 und
Steckbuchsenteil 20 gegenüberliegen und nicht gegeneinander
versetzt sind, würde
bei gleicher Polarisierungsrichtung keine stabile Lage erreicht.
Wegen der auftretenden Abstoßungskräfte würde sich
das Steckerteil aus dieser Position weg bewegen. Bei entgegen gesetzter
Polarisierungsrichtung von gegenüberliegenden,
nicht gegeneinander versetzten Magnetpolen der Magnetelemente 40 von
Stecker- 10 und Steckbuchsenteil 20 gäbe es keine
axialen Anziehungskräfte
und deshalb kein Anpressdruck zwischen Fluidleitung 30 und
Fluidkanal 60.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
sind die Magnetelemente 40 am Steckerteil 10 als
Magnethülse
ausgebildet, die das Ende der Fluidleitung 30 umgibt, und
die Magnetelemente 40 am Steckbuchsenteil 20 als
magnetische Buchse. Die Magnethülse
lässt sich
auf einfache Weise in die magnetische Buchse schieben. Als Magnethülse und
Buchse können
insbesondere zwei Ringmagnete verwendet werden, wobei der Innendurchmesser
der Buchse und der Außendurchmesser
der Magnethülse
so aufeinander abgestimmt sind, dass diese formschlüssig miteinander
verbunden werden können.
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Die
magnetische Buchse wird beispielsweise in ein fluidisches Gerät oder eine
Fluidplatte eingebracht, an die eine Fluidleitung angeschlossen
werden soll. Sie kann dazu in eine Ausnehmung oder Bohrung eingesetzt
insbesondere eingepresst werden. Es sind aber auch andere Verbindungstechniken
zwischen magnetischer Buchse und fluidischem Gerät möglich. Die magnetische Buchse
kann auch als Sockel ausgebildet sein, der um einen Fluidkanal herum
angeordnet wird.
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Besonders
günstig
ist es, wenn zwischen dem Boden des Steckbuchsenteils 50 und
dem Magnetelement 40 des Steckbuchsenteils 20,
axial in dessen Verlängerung,
ein Abstandshalter 110 aus unmagnetischem Material angeordnet
ist. Mittels Abstandshalter 110 lässt sich einfach die gewünschte, axial
gegeneinander versetzte Anordnung der Magnetpole der Magnetelemente 40 von
Steckerteil 10 und Steckbuchsenteil 20 realisieren.
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3 und 4 zeigen
alternative Ausführungsformen,
bei denen die Magnetelemente 40 bei Annäherung von Steckerteil 10 und
Steckbuchsenteil 20 zunächst
eine abstoßende
Axialkraft erzeugen und bei Erreichen des Steckbuchsenbodens 50 eine anziehende
Axialkraft, so dass das Steckerteil 10 in das Steckbuchsenteil 20 schnappt.
Die Magnetelemente 40 am Steckerteil 10 und Steckbuchsenteil 20 sind
in Richtung des Steckbuchsenbodens 50 entgegengesetzt polarisiert,
d. h. im Steckerteil 10 zeigt der magnetische Südpol zum
Boden 50 des Steckbuchsenteils 20 und von diesem
weg der Nordpol, und im Steckbuchsenteil 20 genau umgekehrt,
nämlich
der Nordpol in Richtung zum Steckbuchsenboden 50 und der
Südpol
vom Steckbuchsenboden 50 weg.
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In 3 ist
im Unterschied zu 1 der Abstandshalter 110 aus
unmagnetischem Material nicht im Steckbuchsenteil 20 angeordnet
sondern am Steckerteil 10. Der Abstandshalter 110 ist
am Magnetelement 40 des Steckerteils 10 in Axialrichtung
angesetzt. Das hat den Vorteil, dass das Steckerteil 10 länger ist,
wodurch sich bei eingesetztem Zustand ebenfalls die gewünschte,
axial gegeneinander versetzte Anordnung der Magnetpole der Magnetelemente 40 von
Steckerteil 10 und Steckbuchsenteil 20 ergibt.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist,
dass das Steckerteil 10 in eingestecktem Zustand über das
Steckbuchsenteil 20 teilweise übersteht. So bildet sich nicht
wie etwa in 2 ein Hohlraum innerhalb der
Steckbuchse aus, der sich beispielsweise bei einem Reinigungsvorgang
ungünstig
mit einer Flüssigkeit
füllen
könnte.
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Eine
weitere Möglichkeit,
den axialen Abstandshalter 110 aus unmagnetisierbarem Material im
Steckbuchsenteil 20 anzuordnen, ist in 4 dargestellt.
Dieser ist am Steckbuchsenboden 50 gebildet und hält die Mündungsöffnung des
Fluidkanals 70 zwischen den axialen Enden der Magnetelemente 40 des
Steckbuchsenteils 20. Auch in dieser Ausführungsform
steht das Steckerteil 10 in eingestecktem Zustand wie in 3 im
Steckbuchsenteil 20 teilweise über.
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Die
Magnetelemente 40 am Steckerteil 10 und Steckbuchsenteil 20 sind
vorteilhafterweise beide Permanentmagnete.
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In
den Ausführungsformen
gemäß den 5 und 6 ist
nur ein Magnetelement 40 als Permanentmagnet ausgebildet
und das zweite Magnetelement 40 besteht aus einem magnetisierbaren Material,
ist also ein ferromagnetisches Teil. In den Zeichnungen ist das
Magnetelement 40 im Steckbuchsenteil 20 als Permanentmagnet
dargestellt und das Magnetelement 40 im Steckerteil 10 als
ferromagnetisches Teil. Es könnte
aber auch genau umgekehrt sein: der Permanentmagnet ist am Steckerteil 10 angeordnet
und das ferromagnetische Teil am Steckbuchsenteil 20.
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Die übrigen Komponenten
der fluidischen Steckverbindung entsprechend 5 sind identisch mit
denen dargestellt in 3 und die der Ausführungsform,
wie in 6 gezeigt, entsprechen der Beschreibung von 4.
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- 10
- Steckerteil
- 20
- Steckbuchsenteil
- 30
- Fluidleitung
- 40
- Magnetelement
- 50
- Boden
des Steckbuchsenteils
- 60
- Fluidkanal
- 70
- Mündungsöffnung des
Fluidkanals
- 80
- Mündungsende
der Fluidleitung
- 90
- Dichtring
- 100
- Steckbuchsenöffnung
- 110
- Abstandshalter