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Die Erfindung betrifft ein Entgasungsmodul mit einem Fluideinlass, einem Entgasungsbauteil, einem Fluidauslass und einer Vakuumpumpe.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt (beispielsweise aus der
EP 0 598 424 A2 ), ein Fluid zu entgasen. Das Entgasen eines Fluides ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Fluid analysiert werden soll und eventuell vorhandene Gase die Analyse stören oder verfälschen würden.
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Ein Entgasungsmodul ist insbesondere in der Mikrosystemtechnik und bei der Analyse kleinster Flüssigkeitsmengen vorteilhaft, da hier eine exakte Dosierung unabdingbar ist. Bereits kleinste Gasmengen in einer zu analysierenden Probe können zu Ungenauigkeiten führen, da durch die Gasmenge Flüssigkeitsvolumen verdrängt wird. Da aber eine die zu untersuchende Flüssigkeit fördernde Pumpe einen Volumenstrom fördert, wirkt sich eine enthaltene Gasmenge negativ auf die Menge der tatsächlich geförderten Substanz aus.
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Hinzu kommt, dass in der Mikrosystemtechnik oftmals optische Verfahren zur Detektion von Inhaltsstoffen eingesetzt werden. Auch hier bewirken bereits kleinste Gaspartikelchen oder sonstige gelöste Gase eine Verfälschung der Messergebnisse, da sie das Durchgangslicht beeinflussen oder Streuungen verursachen. Die Auswirkungen von Gas im zu analysierenden Fluid sind besonders dann sehr gravierend, wenn die zu analysierende Probe sich erwärmt oder sich der Druck, unter dem sie steht, verringert, weil sich dann die im Fluid enthaltenen Gase besonders stark lösen.
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Das zum Entgasen verwendete Entgasungsbauteil ist verallgemeinert ausgedrückt in zwei Kammern unterteilt, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Durch eine der Kammern strömt das zu entgasende Fluid, und an die andere Kammer wird ein Vakuum angelegt. Dies führt dazu, dass im Fluid enthaltene Gase (zumindest teilweise) durch die Membran hindurchtreten und über die Vakuumkammer abgesaugt werden. Als Membran kann beispielsweise PTFE verwendet werden.
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Die bekannten Entgasungsbauteile weisen zwar eine zufriedenstellende Wirkung auf, sind jedoch hinsichtlich ihres Aufbaus verbesserungswürdig.
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Die Erfindung schafft ein Entgasungsmodul mit einem Fluideinlass, einem Entgasungsbauteil, einem Fluidauslass und einer Vakuumpumpe, wobei das Entgasungsbauteil und die Vakuumpumpe zur einer Einheit integriert sind, die eine Montageschnittstelle aufweist, an der sich der Fluideinlass und der Fluidauslass befinden. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, alle zum Entgasen des Fluides nötigen Bauteile zu einer Einheit zu integrieren, die als fertiges Modul montiert werden kann. Es ist also nicht nötig, externe Schlauchverbindungen herzustellen oder bei Demontage oder Wartung bestimmter Bauteile auch wieder zu lösen. Stattdessen wird bei Montage des Entgasungsmoduls automatisch über die Montageschnittstelle dafür gesorgt, dass der Fluideinlass und der Fluidauslass geeignet angeschlossen werden, beispielsweise an einem Analysemodul.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Montageschnittstelle durch eine Seitenfläche eines Gehäuses des Entgasungsbauteils gebildet ist. Hierdurch wird die Anzahl der nötigen Bauteile minimiert.
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Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Vakuumpumpe am Entgasungsbauteil angebracht ist. Bei dieser Ausgestaltung ist es lediglich nötig, das Entgasungsbauteil mittels der Montageschnittstelle geeignet anzubringen. Die Vakuumpumpe ist hierdurch automatisch als Teil des Entgasungsmoduls montiert.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Montageschnittstelle durch eine Seite einer Montageplatte gebildet ist, wobei an der Montageplatte die Vakuumpumpe und/oder das Entgasungsbauteil angebracht sind. Diese Ausführungsform beruht auf dem Grundgedanken, die Montageschnittstelle in ein separates Bauteil, nämlich die Montageplatte, zu verlegen, was eine höhere Flexibilität und auch die Integration von weiteren Bauteilen in das Entgasungsmodul ermöglicht.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Vakuumpumpe einen Förderauslass aufweist, der sich an der Montageschnittstelle befindet. Somit ist kein separater Anschluss für die Vakuumpumpe nötig; bei Montage des Entgasungsmoduls an beispielsweise einem Analysemodul wird der Förderauslass automatisch geeignet angeschlossen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entgasungsbauteil einen Silikonschlauch aufweist, der in einer Vakuumkammer angeordnet ist. Bei einem Silikonschlauch handelt es sich um ein sehr kostengünstiges Bauteil, mit dem viele Fluide geeignet entgast werden können, beispielsweise Trinkwasser.
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Wenn das entgaste Fluid aktiv aus dem Entgasungsmodul zu beispielsweise einem Analysemodul gefördert werden soll, kann zwischen dem Entgasungsbauteil und dem Fluidauslass eine Fluidpumpe vorgesehen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Tank vorgesehen, der zwischen dem Fluideinlass und dem Entgasungsbauteil angeordnet ist. Mit dem Tank können verschiedene Vorteile erzielt werden. Zum einen kann der Tank als „Puffer“ dienen, wenn Fluid aus einem unter Druck stehenden System analysiert werden soll. Das Fluid wird in diesem Fall in den Tank eingebracht, woraufhin dieser vom Fluidsystem abgetrennt wird. Anschließend kann ein für das Entgasungsmodul geeigneter Druck im Tank etabliert werden, beispielsweise Atmosphärendruck. Der Tank ist auch dahingehend vorteilhaft, dass mit relativ geringem Aufwand unterschiedliche Fluide entgast und anschließend analysiert werden, ohne dass ein früher entgastes Fluid das aktuell entgaste Fluid verunreinigt. Der Tank kann zu diesem Zweck einfach durchgespült werden, sodass Reste des vorher entgasten Fluides entfernt werden.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Fluideinlass und dem Tank ein Absperrventil vorgesehen. Mit dem Absperrventil kann der Tank mit geringem Aufwand vom Druck eines Fluidsystems getrennt werden, das über den Fluideinlass angeschlossen ist.
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Vorzugsweise ist auch vorgesehen, dass der Tank einen Tankauslass aufweist, dem ein Schaltventil zugeordnet ist. Der Tankauslass ermöglicht es, den Tank durchzuspülen, um eine Verunreinigung eines aktuell zu analysierenden Fluides durch ein früher analysiertes Fluid zu verhindern.
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Vorzugsweise ist der Tankauslass in einem oberen Abschnitt des Tanks angeordnet. Dies ermöglicht es, den Tankauslass auch zum Abführen von Gas zu verwenden, das sich im Tank vom darin enthaltenen Fluid getrennt hat.
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Das Schaltventil kann den Tankauslass mit einem Fluidabfluss verbinden, der sich vorzugsweise an der Montageschnittstelle befindet. Somit ist auch für den Fluidabfluss kein separater, externer Anschluss am Entgasungsmodul nötig.
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Die Entlüftung kann einen Atmosphärenanschluss und einen Abfuhrauslass aufweisen. Über den Abfuhrauslass kann beispielsweise ein Fluid abgeführt werden, während der Tank durchgespült wird. Über den Atmosphärenanschluss kann Luft in den Tank eingelassen werden, um im Tank Atmosphärendruck einzustellen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Umschaltventil vorgesehen, das die Entlüftung über den Atmosphärenanschluss oder den Abfuhrauslass ermöglicht. Mit dem Umschaltventil kann je nach Betriebszustand der Tankauslass mit dem Atmosphärenanschluss oder dem Abfuhrauslass verbunden werden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Atmosphärenanschluss und/oder der Abfuhrauslass an der Montageschnittstelle vorgesehen sind. Auch in diesem Fall erübrigen sich externe Anschlüsse am Entgasungsmodul.
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Vorzugsweise ist eine integrierte Steuerelektronik vorgesehen, die über einen Steckanschluss angeschlossen werden kann. Das Entgasungsmodul ist somit ein „autarkes“ Modul, das abgesehen von einer Steuerleitung, über die auch eine Energieversorgung beispielsweise zur Vakuumpumpe erfolgen kann, keinerlei externe Anschlüsse oder Leitungen benötigt, da die übrigen Anschlüsse alle in die Montageschnittstelle integriert sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
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1 in einer perspektivischen Ansicht ein Entgasungsmodul gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 das Entgasungsmodul von 1 in einer zweiten perspektivischen Ansicht;
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3 das Entgasungsmodul von 1 in einer Draufsicht;
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4 das Entgasungsmodul von 1 in einer schematischen Unteransicht;
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5 eine schematische Darstellung des Entgasungsmoduls von 1;
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die 6a bis 6c eine Option beim Anschließen einer Vakuumpumpe an das Entgasungsbauteil des Entgasungsmoduls von 1;
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7 in einer schematischen Ansicht ein Entgasungsmodul gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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8 das Entgasungsmodul von 7 in einer zweiten perspektivischen Ansicht;
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9 eine Draufsicht auf das Entgasungsmodul von 7;
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10 eine perspektivische Unteransicht des Entgasungsmoduls von 7;
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die 11a bis 11d Einzelheiten einer beim Entgasungsmodul von 7 verwendeten Montageplatte;
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12 einen schematischen Schaltplan des Entgasungsmoduls gemäß der zweiten Ausführungsform;
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13 schematisch einen ersten Verfahrensschritt beim Betrieb des Entgasungsmoduls gemäß der zweiten Ausführungsform;
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14 schematisch einen zweiten Verfahrensschritt;
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15 schematisch einen dritten Verfahrensschritt; und
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16 schematisch einen vierten Verfahrensschritt beim Betrieb des Entgasungsmoduls gemäß der zweiten Ausführungsform.
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In den 1 bis 4 ist ein Entgasungsmodul 10 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt.
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Das Entgasungsmodul 10 enthält als wesentliche Bestandteile ein Entgasungsbauteil 12 und eine Vakuumpumpe 20.
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Das Entgasungsbauteil 12 enthält ein Gehäuse 14, in welchem eine Vakuumkammer 16 abgegrenzt ist. Innerhalb der Vakuumkammer 16 ist eine Membran 18 angeordnet, die hier als Schlauch aus Silikon ausgeführt ist. Wenn durch den Schlauch 18 ein Fluid strömt und an die Vakuumkammer 16 mittels der Vakuumpumpe 20 ein Vakuum angelegt ist, wird das durch den Schlauch 18 strömende Fluid in an sich bekannter Weise entgast.
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Die Vakuumpumpe 20 weist einen Motor 22 und einen Pumpenkopf 24 auf. Der Pumpenkopf 24 ist unmittelbar am Gehäuse 14 des Entgasungsbauteils 12 angebracht, beispielsweise angeschraubt. Dadurch sind auch die Anschlüsse der Vakuumpumpe 20 unmittelbar an geeignete Öffnungen im Gehäuse 14 des Entgasungsbauteils 12 angeschlossen, ohne dass externe Schlauchleitungen oder sonstige Anschlüsse nötig sind.
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Zwischen dem Pumpenkopf und dem Gehäuse sind geeignete Dichtmittel angeordnet, beispielsweise O-Ringe.
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Das Entgasungsmodul 10 ist mit einer Montageschnittstelle 30 ausgeführt, die hier als Unterseite einer Montageplatte 32 ausgeführt ist.
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In die Montageschnittstelle 30 sind hier ein Fluideinlass 34 und ein Fluidauslass 36 integriert. Diese sind als Öffnungen in der Montageplatte 32 ausgeführt, denen eine Dichtung in der Form eines O-Rings 38 zugeordnet ist. Der Fluideinlass 34 ist dicht mit einem Ende des in der Vakuumkammer 16 angeordneten Schlauchs 18 verbunden, und der Fluidauslass 36 ist mit dem zweiten Ende des Schlauchs 18 verbunden. Das Entgasungsmodul 10 kann somit dadurch fluidisch angeschlossen werden, dass die Montageplatte 32 an einem geeignet ausgestalteten Gegenstück montiert wird, das mit Öffnungen versehen ist, durch die das zu entgasende Fluid zu- bzw. abgeführt werden kann. Da die Vakuumpumpe 20 fest am Entgasungsbauteil 12 angebracht ist, muss diese dabei nicht separat montiert und fluidisch angeschlossen werden.
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Zur Anbringung der Montageplatte 32 ist diese mit mehreren Befestigungsöffnungen 40 versehen, durch die hindurch geeignete Befestigungsschrauben gesteckt werden können.
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Das Entgasungsmodul 10 kann auch mit einem in 3 schematisch angedeuteten Gehäuse 42 versehen sein, sodass es vor Umwelteinflüssen geschützt ist. In diesem Fall ist am Gehäuse 42 vorzugsweise ein hier nicht dargestellter Steckanschluss vorgesehen, um die Vakuumpumpe 20 elektrisch anzuschließen.
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Optional kann das Entgasungsmodul 10 noch mit einer Fluidpumpe 44 (s. 5) versehen sein, die das entgaste Fluid aus dem Entgasungsmodul heraus fördert.
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In den 6a bis 6c ist schematisch eine Ausführungsvariante gezeigt, bei der eine zweistufige Vakuumpumpe 20 verwendet wird, deren beide Stufen in Reihe geschaltet an die Vakuumkammer 16 des Gehäuses 14 des Entgasungsbauteils 12 angeschlossen sind, um eine größere Pumpleistung zu erzielen. In 6a sind gut die entsprechenden Öffnungen 15 in der Seitenwand des Gehäuses 14 des Entgasungsbauteils 12 zu erkennen, mit denen die Vakuumpumpe 20 unmittelbar an die Vakuumkammer 16 angeschlossen ist.
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In den 7 bis 11 ist ein Entgasungsmodul 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass bei der zweiten Ausführungsform zwischen dem Fluideinlass 34 und dem Entgasungsbauteil 12 ein Tank 50 vorgesehen ist. Der Tank 50 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Entgasungsmodul 10 an ein vordruckbehaftetes System angeschlossen werden soll. Ein Beispiel ist ein Trinkwasserversorgungssystem, aus dem regelmäßig Trinkwasser entnommen und analysiert werden soll.
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Der Aufbau des Entgasungsmoduls gemäß der zweiten Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. Dem Fluideinlass 34 ist ein Absperrventil 52 zugeordnet, welches im geöffneten Zustand ermöglicht, dass Fluid vom Fluideinlass 34 in den Tank 50 strömen kann. Im geschlossenen Zustand ist eine druckdichte Absperrung gewährleistet. Der Tank 50 weist einen Tankauslass 54 auf, der mit dem Tank 50 in einem oberen Abschnitt des Tanks verbunden ist. Dem Tankauslass 54 ist ein Schaltventil 56 zugeordnet, das vorzugsweise als 3/2-Wege-Ventil ausgeführt ist. Einer der Ausgänge des Schaltventils 56 führt zu einem Fluidabfluss 58, und der andere Ausgang des Schaltventils 56 führt zu einer Entlüftung 60.
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An der Entlüftung ist ein Umschaltventil 62 vorgesehen, das hier als 3/2-Wege-Ventil ausgeführt ist. Abhängig von seiner Schaltstellung verbindet es die Entlüftung 60 entweder mit einem Atmosphärenanschluss 64 oder einem Abfuhrauslass 66.
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Auch bei der zweiten Ausführungsform sind die verschiedenen Anschlüsse des Entgasungsmoduls 10 in die Montageschnittstelle 30 verlegt, also hier an die Unterseite der Montageplatte 32. Diese ist also sowohl mit dem Fluideinlass 34 als auch dem Fluidauslass 36 sowie dem Fluidabfluss 58 dem Atmosphärenanschluss 64 als auch dem Abfuhrauslass 66 versehen.
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Wie in den 11a bis 11d zu sehen ist, ist die Montageplatte 32 mit den hierfür nötigen Fluidkanälen und Anschlüssen versehen. Zur Erleichterung der Herstellung ist die Montageplatte 32 hier als Verbundbauteil bestehend aus einem Unterteil 32u und einem Oberteil 32o ausgeführt. Im Unterteil 32u sind die verschiedenen Kanalstrukturen und Öffnungen hin zur Montageschnittstelle 30 vorgesehen, während das Oberteil 32o als Deckel auf dem Unterteil angeordnet ist, der mit den Öffnungen nach oben hin zu den verschiedenen Ventilen und sonstigen Komponenten ausgeführt ist. Oberteil und Unterteil sind fluiddicht miteinander verbunden, beispielsweise flächig verklebt oder verschweißt.
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Das Entgasungsmodul 10 gemäß der zweiten Ausführungsform kann in der folgenden Weise verwendet werden:
In einem ersten Schritt (s. 13) wird das Absperrventil 52 geöffnet, und das Schaltventil 56 wird so geschaltet, dass der Tankauslass 54 mit dem Fluidabfluss 58 verbunden ist. Hierdurch wird der Tank 50 mit frischem Fluid gespült, also dem Fluid, was anschließend entgast und dann analysiert werden soll. Dieser Zustand wird so lange aufrecht erhalten, bis der Tank 50 komplett durchspült ist (also das vorher darin enthaltene Fluid komplett ausgewaschen) und der Tank 50 mit dem aktuell zu analysierenden Fluid gefüllt ist.
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In einem zweiten Schritt wird das Absperrventil 52 geschlossen, sodass der Vordruck des Fluidsystems, an welches das Entgasungsmodul angeschlossen ist, abgetrennt wird. Außerdem kann das Schaltventil 56 geschlossen werden. In diesem Zustand (s. 14) kann sich ein Teil des Gases, das in dem sich im Tank 50 befindenden Fluid enthalten ist, ausgasen. Diese Gasanteile können entweder Gasbläschen sein, die direkt über den Fluideinlass 34 oder als im Fluid gelöste Gasanteile in den Tank 50 eingetragen wurden. Es können sich auch Gasanteile dadurch lösen, dass das Fluid sich im Tank 50 erwärmt und dadurch ausgast.
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Die sich im oberen Teil des Tanks 50 sammelnden Gasanteile werden über den Tankauslass 54 abgeführt, indem das Schaltventil 56 den Tankauslass 54 mit der Entlüftung 60 verbindet.
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Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Entlüftung 60 mit einem Umschaltventil 62 versehen, das in der Schaltstellung hin zum Abfuhrauslass 66 dazu dient, den Tankauslass 54 mit einem kontrollierten Druckabfall zu entlüften. Sobald der Druck im Tank 50 sich auf Atmosphärenniveau befindet, kann das Umschaltventil 62 so umgeschaltet werden, dass der Tankauslass 54 mit dem Atmosphärenanschluss 64 verbunden ist.
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Falls der Fluidabfluss 58 sich auf Atmosphärendruck befindet und daher auch der Tank 50, nachdem er befüllt wurde, auf Atmosphärendruck befindet, kann auf das Umschaltventil 62 und den Abfuhrauslass 66 verzichtet werden; der Tankauslass 54 kann dann unmittelbar mit dem Atmosphärenanschluss 64 verbunden werden, wenn das Schaltventil 56 geöffnet wird, ohne dass ein Druckstoß entsteht, durch den gewisse Fluidmengen aus dem Tank 50 ausgestoßen würden.
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Wenn sich der Tank 50 auf Atmosphärendruck befindet (s. 16), kann das Fluid im Tank 50 durch das Entgasungsbauteil 12 und von dort zum Fluidauslass 36 gefördert werden. Dabei wird das Fluid im Entgasungsbauteil 12 weiter entgast.
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Falls sich an den Innenwänden des Tanks 50 kleine Gasbläschen bilden oder dort haften bleiben, ist dies unkritisch, da die Verbindung zwischen Tank 50 und Entgasungsbauteil 12 im unteren Bereich des Tanks 50 angeordnet ist. Daher gelangen die Gasbläschen nicht ins System, sondern werden über den sinkenden Fluidpegel eliminiert.
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In das Entgasungsmodul 10 kann auch eine (hier nicht gezeigte) Steuerelektronik integriert werden, sodass das gesamte Entgasungsmodul 10 über einen einzigen Stecker angesteuert werden kann. Die Steuerelektronik kann dafür sorgen, dass die verschiedenen Ventile 52, 56, 62 in der geeigneten Weise geöffnet und geschlossen werden, um den Tank 50 im Vorfeld jeder Fluidanalyse geeignet zu befüllen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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