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Piezoelektrisch getriebene Mikro-Membranpumpe
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Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe, die zur Implantation im menschlichen
Körper bestimmt ist.
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Die zur Zeit bekannten Vorrichtungen, die zur Flüssigkeitszufuhr im
menschlichen Körper verwendet werden, können entweder nicht vollständig eingepflanzt
werden, oder sie sind nicht direkt steuerbar, oder sie verhindern nicht ein Durchblasen,
das der auf den Pumpeneingang aufgebrachte Druck bewirkt. Es ist aber wichtig, dass
ein Durchblasen ausgeschaltet wird, um sicherzustellen, dass potentiell gefährliche
Uberdosierungen von Medikamenten oder Hormonen bei plötzlichem Druck auf den Vorratsbehälter
nicht versehentlich in den Hilfstrakt gepresst werden. Ein solcher plötzlicher Druck
hat eine Blaswirkung zur Folge, die die obengenannte Gefahr in sich birgt.
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Die US-PS 3 963 380 beschreibt die Massnahmen und Vorteile eines piezoelektrisch
betriebenen Scheibenbiegers zur Betätigung von Mikropumpen. Die vorliegende Erfindung
macht von den Vorteilen der bekannten Pumpe Gebrauch, jedoch in einer Membranpumpe.
Es ist eine Kammer mit piezoelektrisch regelbarem Volumen sowie eine Solenoid-gesteuerte
Ventilanordnung vorgesehen, die nacheinander arbeiten, um kleine Mengen Flüssigkeit
zu pumpen. Die Aufeinanderfolge wird durch Aufbau einer Phasendifferenz zwischen
der Steuerung der piezoelektrischen Kammer und der Solenoid-Ventil-Anordnung erreicht.
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Erfindungsgemäss wurde gefunden, dass es möglich ist, die in der US-PS
3 963 380 beschriebene Mikropumpe in eine Membranpumpe umzuwandeln und dadurch bessere
Ergebnisse zu erzielen.
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Eine Schwierigkeit bei der bekannten Ausführungsform besteht darin,
dass die Pumpe gegenüber Gasblasen in dem gepumpten Medium empfindlich ist. Die
Blasen können sich in der Pumpe ansammeln und dabei kann es passieren, dass die
Pumpe gasgebunden wird.
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Ausserdem wird im Pumpsystem der bekannten Mikropumpe eine verhältnismässig
grosse Menge des gepumpten Mediums benötigt.
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Das Anfüllen der Pumpe muss mit erheblicher Sorgfalt durchgeführt
werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine piezoelektrisch gesteuerte Blasenpumpe
zu schaffen, die selbstfüllendund sogar fähig ist, ein Gas zu pumpen.
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Diese Aufgabe wird durch eine im Volumen veränderbare Kammer gelöst,
die mindestens eine Scheiben-Biegevorrichtung aufweist und die mit einer im wesentlichen
nicht komprimierbaren Flüssigkeit gefüllt und gedichtet ist.
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Im allgemeinen genügt eine einmalige Füllung der Kammer und diese
kann ausreichend sorgfältig erfolgen, damit die nicht komprimierbare Flüssigkeit
blasenfrei und sogar entlüftet oder entgast ist.
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Im Inneren der abgedichteten Kammer ist ein biegsames, flexibles Rohr
angeordnet, durch das die zu pumpende Flüssigkeit fliesst. Ein solches biegsames
Rohr macht aus der im
Volumen veränderbaren Kammer tatsächlich eine
Membran- oder Blasenpumpe. Die durch die piezoelektrischen Biegevorrichtungen hervorgerufenen
Druckänderungen werden über die nicht komprimierbare Flüssigkeit auf das biegsame
Rohr übertragen, expandieren und schnüren das Rohr ein, um die Flüssigkeit durchzupumpen.
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Es wurde gefunden, dass es möglich ist, die Massnahmen und Anordnungen
der piezoelektrischen Pumpe mit einer Blasenpumpe zu verwenden und dabei gleichzeitig
die gesteuerten Volumen und andere Möglichkeiten und Fähigkeiten eines piezoelektrischen
Antriebs beizubehalten.
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Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Querschnitssansicht der erfindungsgemässen
Pumpe während eines Saughubs; Fig. 2 eine verallgemeinerte schematische Teilansicht
des Steuerkreises für die Pumpe; Fig. 3 eine Kurvenaufzeichnung von einem Oszilloskop,
die die Spannung über der Biegevorrichtung sowie die Spannungen über den Einlass-
und Auslassventilen darstellt, wobei E1 einen anderen Maßstab hat als E2 und E3;
Fig. 4 eine Datenkurve von einer arbeitenden Pumpe, die das Endvolumen der Pumpe
als eine lineare Funktion der Anzahl von Impulsen pro Impulsreihe zeigt; Fig. 5
eine Datenkurve einer arbeitenden Pumpe, die das Endvolumen als eine Funktion des
Zeitintervalls (millisec.) zwischen Impulsen zeigt; Fig. 6 eine Datenkurve einer
arbeitenden Pumpe, die das Endvolumen als eine Funktion vom Gegen- oder Rückdruck
(in mm Hg) zeigt, der gegen einen Abflusswiderstand entsteht; und
Fig.
7 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Steuerkreises
für die Pumpe.
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Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Pumpe mit einer im Volumen veränderbaren bzw.
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regelbaren Kammer 12 und Solenoid-gesteuerten Ventilen 14 und 15.
Die Kammer 12 weist einen durch eine Wand 20 begrenzten zylindrischen Abschnitt
auf, der an einer Seite offen ist. An dem die öffnung begrenzenden Rand ist die
Wand 20 mit einer nach innen gerichteten Stufe oder Schulter 22 versehen. Auf der
Schulter 22 sitzt ein Scheibenbieger 23, also eine Biegevorrichtung in Form einer
Scheibe, die gleichzeitig eine die Kammer 12 abschliessende Wand bildet und die
ihre Form-entsprechend einem elektrischen Signal ändert.
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Der zylindrische Abschnitt 20 kann aus einem Kunststoff, beispielsweise
einem hochtemperaturbeständigen Polycarbonatharz bestehen und der Scheibenbieger
23 kann irgendein handelsübliches Material sein. Der Scheibenbieger wird am Stufenabsatz
22 der Wand 20 des zylindrischen Abschnitts befestigt, beispielsweise einzementiert.
Er besteht aus einem dünnen Plättchen 26 (beispielsweise 0,2286 mm dick und 24,89
mm im Durchmesser) aus piezoelektrischem Material (Bleizirkonatitanat-Piezokeramik),
das mit Epoxyzement mit einer etwas grösseren Scheibe 24 aus Messingfutter (2,54
mm dick und 3,49 cm im Durchmesser) verbunden ist. Die Aussenfläche des Plättchen
ist mit einer dünnen Schicht aus Silber versehen. Elektrische Verbindungen sind
mit dieser Silberschicht und mit der Messingscheibe verlötet.
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Wenn zwischen dem Silberfilm und der Messingscheibe Spannung angelegt
wird, bewirkt das innerhalb des Kristalls aufgebaute elektrische Feld, je nach der
Richtung der aufgebrachten Spannung, ein Dehnen oder Zusammenziehen im Durchmesser.
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Da jedoch die Messingscheibe 24 durch das Einzementieren festgelegt
ist, kann sich ihr Umfang nicht vergrössern und die Folge ist ein Ausbauchen in
der Mitte, derart, dass sich die Scheibe kugelförmig wölbt. Die Grösse der Veränderung
ist proportional zur angelegten Spannung.
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Die im Volumen regelbare Kammer 12 ist ein vollkommen abgedichtetes
System, das mit einer nicht komprimierbaren Flüssigkeit 17, beispielsweise entgastes
blasenfreies Wasser oder Silikonöl, gefüllt ist. Das Füllen der Kammer 12 erfolgt
durch das Rohr 19, das dann dicht verschlossen bzw. abgeschmolzen wird. Die in der
Flüssigkeit 17 durch den piezoelektrischen Scheibenbieger 23 erzeugten Drucke dehnen
bzw.
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expandieren den Durchmesser einer flexiblen Innenhülse 35 in der Kammer
12 oder schnüren ihn ein.
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Die Kammer 12 ist mit dem Solenoidventil 14 durch eine Leitung 28
verbunden, die durch eine Aussparung 30 in der Wand 20 des zylindrischen Abschnittes
der Kammer 12 gesteckt ist. Eine ähnliche, durch eine Aussparung 31 in der Wand
20 gesteckte Leitung 29 verbindet die Kammer 12 mit dem Solenoidventil 15. Eine
biegsame Innenhülse 35, beispielsweise ein weiches Kunststoffrohr aus Polytetrafluorethylen
mit einer Länge von etwa 3,175 mm und einer Wandstärke von etwa 0,0254 mm, verbindet
die Leitungen 28 und 29.
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Das Ventil 15 weist einen Einlass 34 für die durch das System zu pumpende
Flüssigkeit, während das Ventil 14 mit einem Auslass 32 versehen ist. Die biegsame
Innenhülse 35, die durch die Kammer 12 führt, schafft die Flüssigkeitsverbindung
vom Einlass 34 zum Auslass 32. Diese Flüssigkeitsverbindung bzw. der Flüssigkeitsdurchlass
wird beim Ventil 35 durch einen Anker 36 des Solenoids 38 und beim Ventil 14 durch
einen
Anker 37 des Solenoids 39 gesteuert. Jeder der Anker 36 und 37 wird durch eine Feder
40 in geschlossener Stellung gehalten, wenn die Solenoide 38 und 39 entaktiviert
sind. Der Einlass 34 ist an einem Vorratsbehälter angeschlossen, der die zu verwendende
Flüssigkeit enthält. Der Auslass 32 ist an dem Teil des Körpers angeschlossen, dem
die Flüssigkeit zugeführt werden soll.
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In Fig. 1 ist die Saugphase der Pumpe dargestellt, wenn das Volumen
in der Kammer 12 vergrössert und das Ventil 15 offen ist. Wenn auf die Innenhülse
35 kein Flüssigkeitsdruck ausgeübt wird, kann Flüssigkeit in die Hülse fliessen.
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Wenn der Kreis schaltet (um das Ventil 15 zu schliessen, das Ventil
14 zu öffnen und den Scheibenbieger 23 in die andere Richtung zu bewegen), wirkt
der Druckanstieg in der Flüssigkeit 17 auf die Innenhülse 35, drückt sie zusammen
und pumpt die darin befindliche Flüssigkeit durch die Leitung 28 und das dann offene
Ventil 14 zum Auslass 32 heraus.
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Die Vorteile einer piezoelektrischen Mikropumpe sind in der erfindungsgemässen
Blasenpumpe beibehalten. Die eine brauchbare Arbeit leistenden Kräfte werden elektrostatisch
innerhalb eines Kristalls entwickelt. Abnutzung durch Reibung bzw.
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Reibungsverschleiss ist im wesentlichen ausgeschaltet, da keine Lager
und Gleitteile vorhanden sind. Die einzige Verschleissfläche ist die biegsame Innenhülse
35 und für dieses Bauteil gibt es seit langem flexible und biegsame Kunststoffe,
die in der Lage sind, viele Millionen Biegephasen auszuhalten.
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Vorteilhafterweise wird die Ansprechgeschwindigkeit der tragenden
Scheibe 24 auf die durch den piezoelektrischen Scheibenbieger 23 erzeugten Kräfte
so gewählt, dass sie entsprechend nahe bei der Ansprechgeschwindigkeit der Innenhülse
35 auf Drückänderungen liegt. Beide sprechen in ausreichender Weise
auf
Impulse an, die nur wenige msec. dauern, beispielsweise etwa 10 msec.. Das Ergebnis
ist, dass die erfindungsgemässe Blasenpumpe die Arbeitscharakteristiken der piezoelektrisch
betätigten Mikropumpe aufweist, die in der US-PS 3 963 380 beschrieben ist.
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Die wesentlichen Elemente des Arbeitskreises der Pumpe sind in Fig.
2 gezeigt, während Fig. 7 Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen
Arbeitskreises veranschaulicht.
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Ein Rechteckwellen-Oszillator 1 (Fig.2),dessen Frequenz von etwa 40
bis 70 Hz durch einen Regelwiderstand R8 gesteuert werden kann, schaltet wechselweise
die entsprechenden Transistorpaare Q1, Q2 und Q3, Q4 ein. Auf diese Weise leiten
die Transistoren Q1 und Q3 abwechselnd V und V zur Erde und bewirken abwechselnd
entgegengesetzte Erregerstromwege durch die Primärseite des Transformators 2. Ähnlich
betätigen die Transistoren Q2 und Q4 abwechselnd entsprechende monostabile Multivibratoren
1C5 und IC6, um eine Stromleitung durch entsprechende Spulen 38 und 39 der Solenoidventile
14 und 15 zu bewirken. Die zeitlichen Perioden der Stromzuführung (beispielsweise
2 bis 10 msec.) durch die Spulen 38 und 39 sind durch Regelwiderstände Rg und R
10 entsprechend steuerbar. Die Anschlüsse der Sekundärseite des Transformators 2
sind entsprechend an den piezoelektrischen Kristallen 26 und der Messingscheibe
24 angeschlossen. Die Verbindungen zum Scheibenbieger 23 sind so, dass dieser gegen
die Innenhülse 35 oder von dieser weg gebogen wird, und zwar ansprechend auf eine
positive oder negative Spannung an der Sekundärseite. Die Sekundärseite des Transformators
2 liefert eine ausreichend hohe Spannung für eine wirksame Verformung des piezoelektrischen
Plättchens 26 in Zusammenwirken
mit der Betätigung der Solenoidventile
14 und 15, um auf diese Weise eine richtige Aufeinanderfolge der Impulse des Flüssigkeitsmediums
durch die im Volumen veränderbare Kammer 12 über das biegsame Rohr 35 sicherzustellen.
Der Signalgeber 16 kann kontinuierliche periodische Impulse senden, um die Pumpe
kontinuierlich zu betätigen. Andererseits kann er eine bestimmte Anzahl von Impulsen
senden, um die Pumpe intermittierend zu betätigen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Steuersystems ist schematisch
in Fig. 7 dargestellt. Die Bezugszeichen entsprechen im wesentlichen denjenigen
aus Fig. 2, mit Ausnahme des Rechteckwellengenerators 1, der hier mit IC4 und des
Scheibenbiegers 23, der hier mit P bezeichnet ist. Der Rechteckwellengenerator IC4
kann ein herkömmlicher 741 Funktionsverstärker sein, der durch den Regelwiderstand
R8 mit einer Frequenz von 40 - 70 Hz gesteuert werden kann. Es kann aber auch jede
andere Ausführungsform eingesetzt werden, die ausreichend starke Rechteckwellen-Spannungsimpulse
liefert und die hinsichtlich der Frequenz und der Impulsdauer im Frequenzbereich
von 20 - 70 Hz regulierbar ist. Der Generator IC1 ist ein programmierbarer Zeitgeber
für diesen Schaltkreis und enthält einen monostabilen Multivibrator, der, wenn aktiviert,
den Transistor Q5 für einige Zehntel Sekunden leitend macht, um den Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer
IC2 einzuschalten.
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Der monostabile Multivibrator des Zeitgebers 1C1 wird in zeitlichen
Intervallen aktiviert, die durch seine Digital (BCD) Steuereinrichtungen bestimmt
sind. Diese Steuereinrichtungen werden durch die Anordnungen S3 eingestellt. Auf
diese Weise wird der Intervall zwischen den Impulswegen bestimmt. Der Transformator
2 kann ein Paar der bekannten Miniatur-Nieder-
frequenzausführungen
sein, die in Reihe geschaltet sind, wie in Fig. 7 bei T1 und T2 gezeigt ist. Der
Scheibenbieger P1 ist parallel über der Hochimpedanzwicklung geschaltet.
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IC3 ist ein Spannungsregler, der für geregelte Spannungen V+ und V
sorgt. Die für diese Ausführungsform erforderliche Eingangsleistung beträgt etwa
2,3 - 2,5 Watt.
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Es wird bemerkt, dass die Schaltungen nicht zwingend in der beschriebenen
Weise ausgeführt sein müssen. Es können vielmehr auch andere Schaltanordnungen mit
dem gleichen Ergebnis verwendet werden.
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Die Volumenleistung der Pumpe (Fig. 4) ist eine lineare Funktion der
Anzahl von Impulsen in einer Impulsstrecke.
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In der Praxis wurde zur Regulierung der Pumpenleistung sowohl die
Anzahl der Impulse in einer Impulsstrecke als auch die Frequenz, mit der die Impulsstrecke
auftritt, verwendet. Diese zweifache Art der Steuerung schafft einen theoretisch
unendlichen Ausgangs- oder Leistungsbereich. Darüberhinaus kann eine "Feinabstimmung"
der Leistung durch Einstellen der Frequenz des Oszillators, d.h. den Intervall zwischen
Impulsen in einer Impulsstrecke (Fig. 5), sowie der Dauer des Ventilöffnens und
dessen Beziehung zum Gegendruck (Fig. 6) erreicht werden. Wie in Fig. 5 gezeigt
ist, ist die Leistung der Pumpe, für eine gegebene Anzahl von Impulsen in einer
Impulsstrecke, im wesentlichen konstant, wenn der Zeitintervall zwischen Impulsen
von 16 bis 24 msec.
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reicht, was einem Frequenzbereich von etwa 42 bis 62 Hz.
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entspricht. Durch Einstellen der Dauer, während der das Ventil offen
ist, werden die Pumpenleistung pro Impuls einer Impulsstrecke und der Gegendruck,
der den Fluss halten will, verändert. Fig. 6 (geschlossene Kreise) zeigt, dass in
Situationen, bei denen die Variation im Gegen- oder Rückdruck klein ist, das Pumpen-
und Ventilsystem auf ein maximales
Volumen optimiert werden kann
und zwar dadurch, dass Rg und R10 (Fig. 2 und 7) in einer Weise eingestellt werden,
dass die Ventile über einen verhältnismässig langen Zeitraum offen bleiben. Andererseits
kann die Pumpe aber auch dahingehend optimiert werden, dass der Durchfluss konstanter
und'reproduzierbarer wird (offene Kreise), wenn der Gegen-oder Rückdruck erheblich
fluktuiert. Dies geschieht dadurch dass die Zeit, während der das Ventil offen ist,
verkürzt wird. Diese letztgenannte Möglichkeit ist eine wichtige Sicherheitsmassnahme,
da auf diese Weise die Pumpenleistung auf geringste- Sensibilität gegenüber Rückdruck
eingestellt werden kann. Diese Steuerung der Ventilarbeit unabhängig von der Pumpenfrequenz
(Fig. 5) bedeutet eine wesentliche Verbesserung gegenüber der Einfachventil-Ausführungsform.
Die wichtigste Sicherheitsmassnahme ist aber durch die Anordnung von Ventilen gegeben,
um zu verhindern, dass Flüssigkeit durch die abgeschaltete Pumpe fliesst und um
die Ventile zu schliessen, wenn von aussen Druck ausgeübt wird. Dies war bei den
bekannten Einfach-ventil-Anordnungen zu befürchten.
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Die Einzelelemente der erfindungsgemässen Pumpe können irgendwelche
bekannte Ausführungsformen sein.
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Bei Auslegung der piezoelektrischen.Pumpe als ein Blasenpumpensystem
werden mehrere besondere Vorteile erzielt.
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Die Pumpe ist selbstfüllend und kann Luft pumpen. Ein Versuch mit
der beschriebenen Ausführungsform zeigte, dass diese in der Lage war, Luft gegen
60 mm Hg zu pumpen. Sie konnte Flüssigkeiten gegen 200 mm Hg pumpen. Die Verbesserung
des Pumpendrucks wird teilweise auf die starke Verringerung des Volumens der innerhalb
des Pumpensystems gepumpten Flüssigkeit zurückgeführt. Das innerhalb der Kammer
12 gepumpte Volumen ist auf eine das biegsame Rohr 35 füllende Menge reduziert.
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Eine weitere Verbesserung ist dadurch gegeben, dass das biegsame Rohr
35 durch Pumpen von Gas sich selbst betriebsfähig zu halten vermag. Schliesslich
trägt zur Verbesserung auch die Füllung der Kammer 12 mit einem gasfreien, nicht
veränderbaren Medium, beispielsweise entlüftetem oder entgastem Wasser oder Silikonöl,
bei.
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Es ist nicht ganz einfach, die Kammer 12 ohne Einbringen von Luftblasen
zu füllen oder Luftblasen zurückzuhalten. Ausserdem können bei der durch den piezoelektrischen
Effekt bewirkten Ausdehnung der Kammer 12 Hohlräume zwischen dem Flüssigkeitsspiegel
und der Wand 24 der Kammer auftreten.
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Da es sich aber um eine geschlossene Kammer 12 hat, muss diese nur
ein einziges Mal gefüllt werden, was dann mit der nötigen Sorgfalt und mit einer
entlüfteten oder entgasten Flüssigkeit geschehen kann. Die Folge ist, dass die erfindungsgemässe
Pumpe einen Pumpdruck erzeugt, der etwa 50% grösser ist als derjenige,der in der
US-PS 3 963 380 beschriebenen Pumpe.