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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Pumpe, die ein Kolbenpumpenelement, um das Volumen
einer Pumpkammer zu variieren, besitzt, wie beispielsweise eine
Membranpumpe.
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Verschiedene Typen von Pumpen sind
für Fachleute
auf dem betreffenden Fachgebiet bekannt. Zum Beispiel offenbaren
die FR 1053207, die
DE 549790 ,
die
US 1,445,035 und
die
DE 802903 alle Pumpen
der einen oder der anderen Art.
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Eine typische Membranpumpe pumpt
Fluid (Flüssigkeit)
durch Umwandeln einer Drehbewegung eines Motors in eine Hin- und
Herbewegung mittels einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines
Nockens. Da die Menge des abgegebenen Fluids von der Membranpumpe
mit einem sehr kleinen Volumen fluktuiert, wird die Membranpumpe
allgemein für
ein präzises
Abgeben von flüssigen
Chemikalien oder Medikamenten verwendet.
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Die 1A bis 1E zeigen Querschnittsansichten,
die eine herkömmliche
Membranpumpe darstellen. Wie in 1A dargestellt
ist, wird eine Membran 110 durch einen Tragering 120 gehalten,
um eine Pumpkammer 130 in einem offenen Bereich eines Pumpenkopfs
zu bilden. Ein Saugloch 105 und ein Auslassloch 106 sind
an dem oberen Bereich und dem unteren Bereich eines Gehäuses 102 jeweils
angeordnet.
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Das Saugloch 105 und das
Auslassloch 106 werden durch eine Absperrkugel 140 geöffnet/geschlossen.
Wie 1C zeigt, ist ein öffnungsseitiger Ventilsitz 141,
der eine querschnittsförmige
Nut besitzt, an dem Saugende des Sauglochs 105 des Pumpenkopfs 100 und
an einem Ende eines Auslassverbinders 160 gebildet. Ein
geschlossenseitiger Ventilsitz 142, der eine konische Form
besitzt, ist an einem Ende eines Saugverbinders 150 und
der Auslassseite des Auslasslochs 106 des Pumpenkopfes 100 gebildet.
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Das Nachfolgende beschreibt die Betriebsweise
der Membranpumpe, die in einer solchen Art und Weise, wie es vorstehend
erwähnt
ist, aufgebaut ist. Wenn ein Motor (nicht dargestellt) so angetrieben wird,
um die Pumpe zu betreiben, wird die Drehbewegung des Motors zu einer
Hin- und Herbewegung der Membranwelle 110 durch eine Vorrichtung,
wie beispielsweise einen exzentrischen Nocken, geändert, und
demzufolge wird die Membran 110 nach hinten und nach vorn
angetrieben. 1A stellt
die Membran so dar, dass sie nach hinten geführt ist, das bedeutet ein Saugvorgang,
und 1B stellt die Membran
so dar, dass sie nach vorne bewegt ist, das bedeutet ein Auslassvorgang.
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Während
des Saugvorgangs bewegt sich, aufgrund des inneren Drucks, jede
Absperrkugel 140 der Saugseite und der Auslassseite zu
der Mitte des Pumpenkopfes 100 hin. Darauf folgend wird,
da der öffnungsseitige
Ventilsitz 141 an dem Ende des Sauglochs 105 des
Pumpenkopfes 100 gebildet ist, Fluid in die Pumpkammer 130 über die
querschnittsförmige
Nut hineingezogen. Das Auslassloch 106 ist durch die Absperrkugel 140 geschlossen.
Andererseits bewegt sich, während
des Auslassvorgangs, jede Absperrkugel 140 von dem Pumpenkopf 100 zu der
Aussenseite hin weg, so dass das Saugloch 105 geschlossen
ist und nur das Auslassloch 106 geöffnet ist.
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Darauffolgend wird das Fluid in der
Pumpkammer 130 über
die querschnittsförmige
Nut, gebildet an dem auslassseitigen Verbinder 160, abgegeben.
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Der Vorteil einer solchen herkömmlichen Membranpumpe
ist, auf lange Sicht gesehen, dass die durchschnittliche Menge des
abgegebenen Fluids sehr gleichförmig
ist. Allerdings liegt, da der Pumpenbetrieb in einen Saug- und einen
Auslassvorgang unterteilt ist, und intermittierend durchgeführt wird, ein
grundsätzliches
Problem eines Pulsierens des abgegebenen Fluids vor, wie dies in 1D dargestellt ist.
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Um ein solches Pulsieren des abgegebenen Fluids
zu verhindern, können
zwei oder mehr Pumpen parallel miteinander verbunden und in unterschiedlichen
Hüben betrieben
werden, wie dies in 1E dargestellt
ist.
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In 2 wird
eine Alternative erläutert. Durch
Verwendung einer Luftkammer 200 in dem Fluidrohr kann,
während
des Auslassvorgangs, die Luft in der Luftkammer 200 unter
Druck gesetzt werden, und die Menge an Fluid, die von dem Auslassrohr 210 abgegeben
wird, wird verringert. Während des
Saugvorgangs wird, aufgrund der Expansion der unter Druck gesetzten
Luft, das Fluid, gespeichert in der Luftkammer 200, während des
Auslassvorgangs über
das Auslassrohr 210 abgegeben. Als Referenz ist das nicht
erwähnte
Bezugszeichen 201 eine Druckmesseinrichtung.
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Allerdings ist der Vorteil der Verwendung
von zwei Pumpen, parallel verbunden, ein wesentliches Offset durch
die wesentliche Erhöhung
der Installationskosten. Weiterhin ist es in dem Fall eines Installierens
der Luftkammer in dem Fluidrohr schwierig, den Installationsvorgang
durchzuführen.
Auch ist es unpraktisch, eine Luftkammer zu verwenden, wenn der
Verbinder der Pumpe oder der Fluidrohrleitungsdurchgang ein Rohr
ist. Weiter hin tritt eine Beschädigung
an dem Verbinder, verursacht durch die Vibration der Luftkammer,
wenn die Pumpe betrieben wird, häufig
auf. Weiterhin kann, da solche Verfahren nicht grundsätzlich das
Pulsieren von dem abgegebenen Fluid entfernen können, ein Wasserhämmern, verursacht
durch das Pulsieren, erzeugt werden, und es kann Rohrleitungen,
insbesondere unter hohem Druck, zerstören.
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Diese Probleme sind für Pumpen üblich, die ein
sich hin- und herbewegendes Pumpenelement bzw. ein Kolbenpumpenelement
verwenden, um das Volumen einer Pumpkammer zu variieren. Deshalb ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolbenpumpe zu
schaffen, die eine einfache Struktur für ein effektives Verhindern
des Pulsierens eines abgegebenen Fluids besitzt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird eine Fluidpumpe geschaffen, umfassend ein eine Pumpkammer
definierendes Gehäuse,
einen Auslass für
den Ausfluss von Fluid aus der Pumpkammer und ein Kolbenpumpelement,
um das Volumen der Pumpkammer zu variieren, wobei die Pumpkammer
einen Einlass für
den Eintritt von zu pumpendem Fluid aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass das genannte Gehäuse
auch eine Pufferkammer definiert, die durch eine gemeinsame Wand von
der genannten Pumpkammer getrennt ist, in die Fluid vom Auslass
der genannten Pumpkammer fließt,
wobei die Pufferkammer einen Auslass für den Ausfluss von Fluid hat
und wenigstens ein Teil der Pufferkammer ein Gas enthält, das
verdichtet wird, wenn Fluid in die Pufferkammer eintritt, und sich
ausdehnt, wenn Fluid aus der Pufferkammer austritt; und wobei die
genannte Pumpe ferner eine Trennplatte umfasst, die sich in der
Pufferkammer befindet, um die Pufferkammer in einen Teil der das
Gas enthält, und
einen Teil unterteilt, in den der Auslass aus der Pumpkammer mündet, wobei
die beiden Teile über eine Öffnung im
unteren Abschnitt der Trennplatte in Verbindung sind.
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Der Auslass für den Austritt von Fluid aus
der Pumpkammer in die Pufferkammer kann ein Spalt bzw. eine Öffnung in
oder neben der gemeinsamen Wand sein und das Kolbenpumpenelement
kann eine Membran sein.
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Der Auslass aus der Pufferkammer
kann in einem an dem Gehäuse
angebrachten Ausflussverbinder gebildet sein und kann von einer
relativ großen Öffnung in
der Pufferkammer zu einer relativ keinen Ausgangsmündung verjüngt sein.
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Die Pumpe kann weiterhin ein Ausflussrohr umfassen,
das sich innerhalb des Auslasses aus der Pufferkammer befindet und
mit diesem verbunden ist.
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Vorzugsweise kann der Teil der Pufferkammer,
der das Gas enthält,
ein zentraler Teil sein, und der Teil, in den hinein sich der Auslass
von der Pumpkammer öffnet,
kann ein äußerer ringförmiger Teil sein.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse einen
ersten und einen zweiten Körper
auf, die aneinander befestigt sind und jeweils wenigstens teilweise
die Pump- und Pufferkammer definieren, und wobei die Trennplatte
integral mit dem zweiten Körper
ist und an die genannte, gemeinsame Wand anstößt, die mit dem ersten Körper integral
ist.
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Die vorliegende Erfindung wird nun,
anhand eines Beispiels, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen,
beschrieben, in denen:
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1A und 1B zeigen Querschnittansichten, die
die Struktur und die Betriebsweise einer herkömmlichen Membranpumpe darstellen;
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1C zeigt
eine Draufsicht eines offenseitigen Ventilsitzes, der eine querschnittsförmige Nut besitzt;
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1D zeigt
eine graphische Darstellung, die das Pulsieren der Menge des abgegebenen
Fluids darstellt;
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1E zeigt
eine graphische Darstellung, die das Pulsieren der Menge des abgegebenen
Fluids in dem Fall eines Verringerns des Pulsiereffekts darstellt;
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2 zeigt
eine schematische Ansicht, die eine Luftkammer darstellt, die an
einem herkömmlichen
Fluidrohrleitungsdurchgangsweg installiert ist;
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3A zeigt
eine Querschnittsansicht einer Membranpumpe gemäß einer bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung;
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3B zeigt
eine vordere Aufrissansicht einer Luftkammer, geschnitten entlang
der Linie B–B' der 3A;
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4A und 4B zeigen Querschnittsansichten
einer anderen, bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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5A bis 5D zeigen Aufrissansichten
von noch weiteren, bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung.
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Die 3A und 3B stellen die Struktur und die
Betriebsweise in einer Membranpumpe gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Die 3A zeigt
eine Querschnittsansicht deren Hauptteile, und 3B zeigt eine vordere Aufrissansicht
deren Luftkammer.
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Entsprechend den Zeichnungen sind
ein Saugloch 13 und ein kopfseitiges Auslassloch 14,
die durch eine Absperrkugel 15 geschlossen und geöffnet werden,
jeweils an dem oberen und dem unteren Bereich eines Körpers 12 eines
Pumpenkopfes 10 gebildet. Ein saugseitiger Verbinder 40,
der einen Saugdurchgangskanal 41 besitzt, ist an der Aussenseite
des Saugloches 13 befestigt. Weiterhin ist eine Kappe 17 mit
der Aussenseite des kopfseitigen Auslassloches 14 verbunden.
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Eine Luftkammer 20 ist an
einer Seitenwand 11 des Pumpenkopfes 10 so installiert,
dass die Luftkammer 20 mit dem kopfseitigen Auslassloch 14 über ein
Verbindungsloch 16, gebildet an der Seitenwand 11 des
Pumpenkopfes 10, und einer Verbindungsnut 25,
gebildet an einer Seite eines Körpers 22 der
Luftkammer 20, verbunden ist. Allerdings kann die Verbindungsnut 25 entfernt
werden, wenn die innere Seitenwand des Körpers 22 außerhalb
des Verbindungsloches 16 plaziert ist, und zwar durch Erhöhen des
inneren Durchmessers der Luftkammer 20.
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An der Seitenwand 21 der
Luftkammer 20 ist eine zylindrische Trennplatte 23,
von der der untere Bereich geöffnet
ist, gebildet. Ein auslassseitiger Verbinder 50, der ein
auslassseitiges Auslassloch 51 besitzt, ist an dem oberen
Bereich des Körpers 22 befestigt.
Demzufolge ist der Durchmesser der Austrittseite des Auslasslochs 51 kleiner
als derjenige der Eintrittseite des Auslassloches 51. Obwohl
der untere Bereich der Trennplatte 23 freigelegt ist, da
er über die
gesamte Breite offen ist, ist eine kreisförmige Form für eine viel
einfachere Herstellung bevorzugt.
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An dem unteren Bereich des auslassseitigen Verbinders 50 durchdringt
ein Auslassrohr 24, das mittels Druck unter Verwendung
einer Abdichtung 33 als ein Zwischenmaterial befestigt
ist, die Trennwand 23, die sich zu dem unteren Bereich
der Luftkammer erstreckt.
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Unter den nicht erwähnten Bezugszeichen
in der Zeichnung sind die Bezugszeichen 31 und 32 eine
Abdichtung zum Verhindern einer Strömung von Luft und Fluid. Das
Bezugszeichen 27 ist ein Schraubenloch zum Befestigen der
Luftkammer an dem Pumpenkopf. Schließlich sind die Bezugszeichen 60 und 52 ein
Ablassventil und ein Luftbelüftungsventil jeweils.
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Das nachfolgende beschreibt die Betriebsweise
der Membranpumpe, gebildet so, wie in der vorstehenden Ausführungsform.
Der Zustand der Luftkammer 20 im Betrieb ist in 3B dargestellt. Insbesondere
füllt das
Fluid, das gepumpt werden soll, einen Raum A und einen Raum B. Der
Raum A ist durch den Bereich zwischen der Trennplatte 23 und
dem Körper 22 definiert,
und der Raum B ist durch den unteren Bereich des innenseitigen Bereichs
der Trennplatte 23 definiert. Die Luft, die einen Raum
C füllt,
der durch den oberen Bereich der Innenseitenfläche der Trennplatte 23 definiert
ist, ist gegen die Aussenumgebung durch die Dichtung 32 und 33 und
das Fluid, das den unteren Bereich füllt, isoliert, und die Menge
an Luft in dem Raum C ist immer konstant.
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Wenn sich die Membran 110 in
dem Zustand, der in 3A dargestellt
ist, hinein bewegt, das bedeutet in dem Auslassvorgang, bewegt sich
die auslassseitige Absperrkugel 15 nach oben, um das kopfseitige
Auslassloch 14 zu öffnen.
Gleichzeitig wird das Fluid, das zuvor in eine Pumpkammer 130 während eines
vorherigen Saugprozesses hineingezogen wurde, zu der Innenseite
der Luftkammer 20 über
das kopfseitige Auslassloch 14 und ein Verbindungsloch 16 ausgegeben.
Darauffolgend wird, wenn sich der Fluiddruck innerhalb der Luftkammer 20 erhöht, die
Luft in dem Raum C unter Druck gesetzt, und demzufolge steigt der
Level an Fluid innerhalb der Trennplatte 23 an. Mit anderen
Worten wird nicht das gesamte Fluid, ausgestoßen in die Luftkammer 20 über das
Verbindungsrohr, über
das Auslassrohr 24 und das auslassseitige Auslassloch 51 abgegeben.
Da eine bestimmte Menge an Fluid das Niveau des Fluids innerhalb
der Trennplatte 23 und die Erhöhung des Luftdrucks beeinflusst,
kann eine plötzliche Änderung
in der Menge des Fluids, die abgegeben werden soll, verhindert werden.
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Andererseits wird, während des
Saugvorgangs, das kopfseitige Auslassloch 14 geschlossen, um
ein Zurückströmen des
Fluids innerhalb der Luftkammer 20 zu verhindern, und eine
Fluidabgabe zu der Luftkammer 20 wird gestoppt. Allerdings
wird, aufgrund des Luftdrucks innerhalb der Luftkammer 20,
die während
des vorherigen Auslassvorgangs unter Druck gesetzt ist, die Fluidseite
der Luftkammer 20 kontinuierlich über das Auslassrohr 24 und
das auslassseitige Auslassloch 51 abgegeben, und der Fluid-Level
innerhalb der Trennplatte 23 nimmt graduell ab. Dementsprechend
verringert sich die Menge des abgegebenen Fluids nicht schnell,
und sie ist nahezu gleich zu der Menge des Fluids, abgegeben während des
Auslassprozesses.
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Weiterhin nimmt, da der Durchmesser
des Austrittsbereichs des auslassseitigen Auslasslochs 51 kleiner
als derjenige des Eintrittsbereichs ist, sogar dann, wenn dort eine
kleine Änderung
in der Menge an Fluid, abgegeben über das Auslassrohr 24,
vorhanden ist, die Amplitude der Änderung ab, wenn es durch den
Auslassbereich mit kleinem Durchmesser hindurchführt. Deshalb wird der Pulsiereffekt
des abgegebenen Fluids weiter verringert.
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Die 4A und 4B zeigen Schnittansichten, die
eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen. Gemäß 4A werden die Trennplatte 23 und
der Körper 22 der
Luftkammer 20 integral an der Seitenwand 11 des
Pumpenkopfs 10 gebildet, und eine separate Seitenwand 21 ist
mit dem offenen Bereich verbunden. Das Auslassrohr 24 ist
an dem auslassseitigen Verbinder 50 und der Trennplatte 23 mittels
Schrauben befestigt, wie dies in 4B dargestellt
ist.
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Die 5A bis 5D zeigen Schnittansichten, die
weitere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung darstellen. Die 5A und 5B stellen
Ausführungsformen
dar, die das auslassseitiges Auslassloch, gebildet an dem oberen
Bereich der Luftkammer, haben. Wie 5A zeigt,
ist die Trennplatte entfernt, und das Fluid, das gepumpt werden
soll, das sich in dem unteren Bereich der Luftkammer befindet, wird
zu dem auslassseitigen Auslassloch des oberen Bereichs der Luftkammer
durch das Auslassrohr abgegeben.
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Wie 5B zeigt,
kann, in dem Fall, dass die Trennplatte installiert ist, wenn sich
das auslassseitige Auslassloch in Kontakt mit dem Fluid, das zu
der Außenseite
der Trennplatte, anstelle der Luft, gepumpt werden soll, das Auslassrohr
entfernt werden. Die 5C und 5D stellen bevorzugte Ausführungsformen
dar, die das auslassseitige Auslassloch, gebildet an dem unteren
Bereich der Luftkammer, darstellen. Wie 5C zeigt, ist die Verbindungsnut 25 in
dem oberen Bereich der Luftkammer gebildet, und der auslassseitige
Verbinder 50 und das auslassseitige Auslassloch sind an
dem unteren Bereich der Luftkammer jeweils gebildet. Die Trennplatte 23 und das
Auslassrohr 24 sind auch vorgesehen.
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Wie 5D zeigt,
können
in dem Fall, dass das auslassseitige Auslassloch an dem unteren
Bereich der Luftkammer gebildet ist, da das auslassseitige Auslassloch
direkt mit dem Fluid, das gepumpt werden soll, ohne eine separate
Trennplatte, verbunden ist, die Trennplatte und das Auslassrohr
entfernt werden.
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Die Arbeitsprinzipien der vorstehend
angegebenen Ausführungsformen
sind ähnlich
zu solchen der Ausführungsform
der 3, und demzufolge wird
eine detaillierte Beschreibung davon weggelassen werden.
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Wenn die Trennplatte entfernt wird,
wie in dem Fall der 5A oder 5D, kann eine kleine Menge
an Luft zurück
in die Pumpkammer über
das Verbindungsloch während des
Schließvorgangs
der Absperrkugel entsprechend dem Saugvorgang fließen. Allerdings
wird, wenn das Fluid durch das Saugloch während des Saugvorgangs gezogen
wird, gerade wenn eine kleine Menge an Luft von der Luftkammer zu
der Pumpkammer entweicht, die Luft nicht in der Lage sein, durch
das Saugloch zu entweichen. Während
des nächsten
Abgabevorgangs wird die Luft zurück
zu der Luftkammer zusammen mit dem Fluid abgegeben werden. Deshalb
ist die Menge des Luftverlusts in der Luftkammer, verursacht durch eine
solche Leckage, vernachlässigbar.
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Wie vorstehend beschrieben ist, verhindert die
Pumpe der vorliegenden Erfindung mit einem guten Wirkungsgrad den
Pulsiereffekt des abgegebenen Fluids. Weiterhin wird, da kein Erfordernis
zum Installieren von zusätzlichen
Teilen, wie beispielsweise einer Luftkammer und Rohrleitungen, vorhanden ist,
die Installation der Pumpe viel einfacher, was dadurch die Installationskosten
verringert.
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Weiterhin wird, gerade wenn die Luftkammer so
installiert ist, um das Pulsieren des Fluids entsprechend dem herkömmlichen
Verfahren zu verringern, das Fluid noch intermittierend von der
Membranpumpe abgegeben. Als Folge ist die herkömmliche Membranpumpe laut und
die Rohrleitungen werden häufig aufgrund
eines Wasserhämmerns
beschädigt.
Allerdings werden, da die Membranpumpe der vorliegenden Erfindung
das Pulsieren des Fluids mit der Pumpe selbst, vor einem Abgeben
des Fluids, verringert, die Rohrleitungen gegen eine solche Beschädigung geschützt, und
der Level eines Geräuschs
kann auf ein geeignetes Niveau verringert werden.
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Sogar obwohl die vorliegende Erfindung
in einer Anwendung bei einem Typ einer Membranpumpe zur Vereinfachung
beschrieben worden ist, sollte angemerkt werden, dass die vorliegende
Erfindung bei irgendeinem anderen Typ von Membranpumpen oder irgendeinem
anderen Typ von Pumpen, in denen ein Pulsieren des Fluids durch
intermittierendes Saugen und Abgeben auftritt, d. h. bei denen ein
sich hin- und herbewegendes Pumpelement das Volumen einer Pumpkammer
variiert, angewandt werden kann.
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Während
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben worden ist, können
verschiedene Modifikationen und äquivalente
Anordnungen vorgenommen werden. Zum Beispiel kann das Verbindungsloch
gegen eine separate Rohrleitung ersetzt werden oder die Form der
Trennplatte oder des auslassseitigen Verbinders kann modifiziert
werden.