CN103381708A - 流体喷射设备中的旁路流体循环 - Google Patents

Abstract

流体喷射设备包括流体歧管、耦合到流体歧管的基板、以及设置在流体歧管与基板之间的流体分配结构。流体歧管包括流体供应室和流体返回室。基板限定流动路径，所述流动路径包括用于接收流体的流动路径入口、用于喷射流体液滴的喷嘴和用于引导走未喷射流体的流动路径出口。流体分配结构包括流体供应通道，其包括流体地耦合到流体供应室的供应入口和流体地耦合到流动路径的供应出口。流体分配结构还包括流体旁路通道，其包括流体地耦合到流体供应室的旁路入口、流体地耦合到流体返回室的旁路出口、以及在旁路入口与旁路出口之间向流体旁路通道提供补充流动阻力的流动抑制器。流动抑制器包括收敛-发散式狭道区段。

Description

流体喷射设备中的旁路流体循环

技术领域

本说明书通常涉及在流体喷射设备中的旁路循环。

背景技术

在一些流体喷射设备中，包括流体泵送室和喷嘴的流动路径可在基板中形成。流体液滴可例如在打印操作中从喷嘴喷射到介质上。流体泵送室可由诸如热或压电致动器的换能器启动，且在被启动时，流体泵送室可使流体液滴穿过喷嘴喷射。介质可例如在介质扫描方向上相对于流体喷射设备移动。流体液滴的喷射可与介质的运动同步，以将流体液滴放置在介质上的期望位置处。流体喷射设备通常包括多个喷嘴，例如具有相对应的一列流体路径和相关联的致动器的一行或一列喷嘴，且来自每个喷嘴的液滴喷射可由一个或多个控制器独立控制。在一些情况下，任何未喷射的流体的至少一部分可以再次循环以从基板去除气泡、掺气油墨、碎屑以及其它污染物。

发明内容

在一方面中，本文公开的系统、装置和方法以流体喷射设备为特征。流体喷射设备包括流体歧管、耦合到流体歧管的基板、以及设置在流体歧管与基板之间的流体分配结构。流体歧管包括流体供应室和流体返回室。基板限定流动路径，所述流动路径包括用于接收流体的流动路径入口、用于喷射流体液滴的喷嘴和用于引导走未喷射流体的流动路径出口。流体分配结构包括流体供应通道，其包括流体地耦合到流体供应室的供应入口和流体地耦合到流动路径的供应出口。流体分配结构还包括流体旁路通道，其包括流体地耦合到流体供应室的旁路入口、流体地耦合到流体返回室的旁路出口、以及在旁路入口与旁路出口之间向流体旁路通道提供补充流动阻力的流动抑制器。流动抑制器包括收敛-发散式狭道区段。

在各种实现中，流体分配结构还包括流体返回通道，其包括流体地耦合到流动路径的返回入口和流体地耦合到流体返回室的返回出口。流体旁路通道和流体返回通道可平行连接到流体返回室。

在各种实现中，流体分配结构包括插入层，且流体旁路通道是在插入层的底表面中的凹槽。供应入口、旁路入口以及旁路出口可以是在插入层的顶表面中的孔。旁路入口的孔可以小于供应入口的孔。

在各种实现中，插入层的顶表面包括暴露于流体供应室的供应侧和暴露于流体返回室的返回侧。

在各种实现中，流体分配结构是单块硅体。

在各种实现中，流体旁路通道和流体供应通道平行连接到流体供应室。

在各种实现中，流体旁路通道是由流体分配结构限定的多个流体旁路通道之一。多个流体旁路通道可配置成接收穿过流体供应室的大部分流体流。

在各种实现中，流体旁路通道布置成接收来自流体供应室的流体，且流动抑制器配置成调节穿过流体旁路通道的流体的流速，以便实现预定的有效热阻。流体喷射设备还可包括耦合到基板以使流体液滴从喷嘴喷射的致动器和配置成控制致动器的电路。所预定的有效热阻可足以耗散由电路和致动器在使用期间产生的热，使得基板的温度上升小于预定阈值。预定阈值可为大约二摄氏度或更小。

在各种实现中，旁路入口相对于供应入口在流体分配结构的表面上横向移位，使得旁路入口比供应入口更接近于表面的横向边缘。

在另一方面中，本文公开的系统、装置和方法以用于使流体在流体喷射设备中循环的方法为特征。该方法包括一系列步骤：使第一流体流从流体供应室流动到流体供应通道，该流体供应通道形成在耦合到流体供应室的流体分配结构上；使第一流体流从流体供应通道流动到耦合到流体分配结构的基板的流动路径，流动路径包括用于接收流体的流动路径入口、用于喷射流体液滴的喷嘴和用于引导走未喷射流体的流动路径出口；以及与使第一流体流流动同时地，使第二流体流从流体供应室流动到流体旁路通道，流体旁路通道包括向流体旁路通道提供补充流动阻力的流动抑制器，流动抑制器包括收敛-发散式狭道区段。

在各种实现中，使第二流体流流动包括使第二流体流横穿流动抑制器流动，流动抑制器调节第二流体流的流速。第二流体流的流速可足以实现预定的热阻。

在各种实现中，当喷嘴以最大喷射频率和液滴尺寸操作时，第二流体流大于第一流体流的从流动路径出口汲取的一部分。

在各种实现中，该系列步骤还包括：使第一流体流的未喷射部分流动到返回通道，返回通道形成在流体分配结构中；以及使第一流体流的未喷射部分从返回通道流动到返回室。

在本说明书中描述的主题的特定实现可被实施，以便实现以下优点中的一个或多个。流体分配结构可被提供以使旁路流体流穿过打印头模块循环，旁路流体流可被适当地调节以促进喷射流体液滴中的均匀性，并调节打印头模块的温度。

在附图和以下描述中阐述了在本说明书中描述的主题的一个或多个实现的细节。从描述、附图和权利要求中，主题的其它特征、方面和优点将变得明显。

附图说明

图1A是流体喷射设备的透视图。

图1B是图1A所示的流体喷射设备的符合透视法的截面视图。

图1C是示出喷嘴层的打印头的模的平面底视图。

图2A是图1A所示的流体喷射设备的流体分配结构的隔离图。

图2B是图2A所示的流体分配结构的第二插入层的半透明顶视图。

图2C是图2B所示的第二插入层的底视图。

许多层和特征被放大以更好地显示特征、过程步骤以及结果。在不同附图中的相同的附图标记和指示表示相同的元件。

具体实施方式

可使用包括打印头模块的流体喷射设备来实现流体液滴喷射。打印头模块可包括配置成将流体液滴喷射到打印介质上的基板。可提供流体分配结构以有助于流体穿过打印头模块的循环。例如，流体分配结构可设计成使流体循环到基板而用于流体喷射。流体分配结构还可使旁路流体流循环，旁路流体流可被调节以促进喷射流体液滴中的均匀性，并控制打印头模块的温度。

图1A和图1B示出示例性流体喷射设备100。流体喷射设备100包括用于将流体液滴沉积在打印介质上的打印头模块102和耦合到打印头的柔性电路110，该柔性电路110将流体喷射设备电连接到打印机系统（未示出）。例如，柔性电路110可配置成从打印机系统的处理器接收数据并向打印头模块102提供驱动信号。

打印头模块102包括配置成将流体液滴喷射到打印介质上的基板104（在当前讨论中也被称为“模”）。模104和打印介质可在流体液滴喷射期间经历相对运动。流体可例如是油墨、化学化合物或任何其它合适的流体（例如，生物液体）。模104可包括多个微制造的流体流动路径，其中每个流体流动路径可包括用于接收流体的流动路径入口、用于喷射流体液滴的喷嘴、以及用于引导走未喷射流体的流动路径出口。美国专利号8,157,352（其全部内容由此通过引用被并入）描述了这样的流动路径。流体可通过一个或多个泵穿过模104中的流动路径进行循环。然而，使用泵来穿过流动路径的泵送流体会引起流体流中的扰动，并影响打印质量。在一些示例中，旁路流体流可用于使模104两端的压力下降，其足以驱动流体流穿过流动路径，从而消除对任何泵的需要。在一些示例中，旁路流体流可用于抑制可能由打印头模块102的流体供应区段与流体返回区段之间的流体的不平衡扰动所引起的压力扰动。特别是，当喷嘴以高速率发射时在返回侧上存在不足的流体时，可能会出现这样的压力扰动。

模104可以是包括例如流动路径主体和喷嘴层的多层结构。流动路径主体可包括流体泵送室，且由集成电路晶片控制的致动器可被提供用于控制来自喷嘴的流体液滴的喷射。致动器和集成电路会产生在整个模104中耗散的热。图1C示出模104的喷嘴层103。喷嘴层103具有包括喷嘴107的喷嘴面105。Y方向是打印介质相对于模104的行进方向，而X方向垂直于Y方向。喷嘴层103的长边缘在沿着模104的长度的V方向上来取向。V方向相对于X方向成角度“γ”。喷嘴层103的短边缘在沿着模104的宽度的W方向上来取向。W方向相对于Y方向成角度“α”。

现在转到图1A和图1B，打印头模块102还包括壳体106、流体歧管108和流体分配结构112。壳体106可包括布置成接收来自流体储液器的流体并向模104提供所接收的流体的入口通路（未示出）。流体歧管108包括接收来自壳体106的入口通路的流体的流体供应室114和容纳未被喷嘴107喷射的任何流体的流体返回室116。流体歧管108可以是在底表面上具有例如通过模制或机器加工而形成的凹槽的塑料体，使得当流体歧管108的底表面例如通过粘合剂紧固到流体分配结构112的顶部时，在流体分配结构112之上的凹槽中的体积限定了流体供应室114和流体返回室116。可例如通过使用在流体储液器中的一个或多个泵或通过改变流体储液器中的液面在流体供应室114与流体返回室116之间产生压力差。压力差可使流体在打印头模块102中循环。

流体分配结构112包括第一插入层118和第二插入层120。插入层118和120位于流体歧管108与模104之间。流体分配结构112可接收来自流体供应室114的流体，并将流体分配到模104中的流动路径。可通过插入层118和120所提供的一个或多个供应通道（例如，供应通道130，参见图2B和图2C）来执行流体分配。流体供应通道可与模104中的流动路径流体连通。

流体可连续地穿过模104中的流动路径循环，而不管液滴是否从喷嘴107喷射出。通过在未从喷嘴107喷射液滴的情况下维持穿过模104内的流动路径的恒定流体流，可阻止喷嘴表面在长时间的停用期间完全变干。保持喷嘴表面在停工时间期间被弄湿可防止油墨碎屑积聚在喷嘴表面上并影响打印质量。未从喷嘴喷射出的流体可以穿过流体分配结构112的插入层118和120所提供的一个或多个返回通道（例如，返回通道140，参见图2B和图2C）再循环到流体返回室116。例如，返回通道140可经由与流动路径相关联的相应喷嘴出口与流动路径流体连通。

在一些实现中，在再循环的流体包括不容易去除的污染物（例如空气气泡、干燥油墨、碎屑等）的情况下，在流体返回室中收集的再循环的流体可被丢弃。在一些实现中，再循环的流体可循环回到流体供应室114并在随后的流体喷射操作中连同被新添加到流体供应室的任何流体一起被再次使用。

在一些实现中，一个或多个过滤器可放置在流体返回室116中和/或流体供应室114中的各种位置处，以去除污染物（例如空气气泡、掺气流体、干燥油墨、碎屑等）。在一些实现中，单个过滤器可放置在流体供应室114中（并不在流体返回室116中）以在流体进入流体分配结构112之前过滤流体。使用单个过滤器可有助于减小流体喷射设备100的复杂性和成本。此外，通过避免在流体返回室116中使用过滤器，空气气泡可更易于从流体返回室116去除或释放，而不是被过滤器捕获。在一些实现中，如果在流体返回室116中使用过滤器，则可将泄气阀（例如，孔）放置在流体返回室中以释放捕获的空气气泡。

除了流体流进和流出模104中的流动路径之外，流体分配结构112可便于旁路流体流穿过打印头模块102。如上所述，旁路流体流可用于抑制或防止打印头模块102中的压力扰动。使旁路流体穿过打印头模块102循环也可有助于将模104的部件（例如，喷嘴107）维持在期望温度。对于特定的流体，可能对喷嘴处的流体期望特定的温度或温度范围。例如，特定的流体在期望的温度范围内可以在物理、化学或生物上是稳定的。影响打印质量的流体的各种属性（例如粘度、密度、表面张力和/或体积模量）可随着流体的温度而变化。控制流体的温度可有助于减小或管理流体的改变的属性可能对打印质量所具有的负面影响。此外，特定的流体可具有期望或最佳喷射特性或在期望温度范围内的其它特性。控制在喷嘴处的流体的温度也可促进流体液滴喷射的均匀性，因为流体的喷射特性可随着温度而变化。

通过控制喷嘴层103的温度来控制在喷嘴107处的流体的温度。为了维持期望的温度，穿过流体分配结构112循环的流体（例如，未喷射的再循环流体和旁路流体）可热耦合到喷嘴层103。例如，第一和第二插入层118和120可包括良好的热导体（例如硅），而不是差的热导体（例如塑料）。因此，通过调节在分配结构112中的循环流体与喷嘴层103之间的热交换速率来提供在喷嘴107处的流体的热控制。热交换率可取决于许多因素，包括循环流体的温度和流速，以及由流体分配结构112提供的传热表面积。

在一些实现中，可使用放置在或附接到模104、流体供应室114、流体返回室116或其它合适位置（示出或未示出）的温度传感器（未示出）来监控流体温度。流体温度控制设备（例如加热器和/或冷却器）可放置在系统中并被配置成控制流体的温度。电路可被配置成检测并监控温度传感器的温度读数，并在响应中控制加热器和/或冷却器来将流体维持在期望或预定温度。此外，流动控制设备可用于调节在流体供应室114与流体返回室116之间的压力差，从而调节穿过打印头模块中的各种循环路径的流速，较快的流速可增加在基板与温度受控的流体之间的热交换，并从而使基板的温度更接近期望的水平。

图2A-图2C提供流体分配结构112的各种视图。如图2A所示，第一和第二插入层118和120可布置在具有模104的平行堆叠配置中。插入层120位于堆栈的顶部（面向流体歧管108），且模104位于底部，第一插入层118设置在其间。在该示例中，第一和第二插入层118和120是基本上平面的单块硅体，该单块硅体相对于其宽度和长度（在横向方向“Y”和“X”上，参见图2A）具有较小的厚度（在垂直方向“Z”上，参见图2A）。各种流动分配特征可使用合适的微制造技术（例如，硅蚀刻）在第一和第二插入层118和120中形成。

第二插入层120的顶表面122包括可便于流体分配的各种特征。具体来说，在流体分配结构112结合到流体歧管108时，对流体供应室114敞开的顶表面122的供应侧124包括相应列的供应入口126和旁路入口128。该列供应入口126是位于在供应侧124上的跨越顶表面122纵向延伸的一行中的第一串孔。如图2B和2C所示，供应入口126对相应的一组供应通道130敞开。每个供应通道130被形成为第二插入层120的底表面127中的凹槽。供应通道130从供应入口126正下方的位置横向延伸到第二插入层120的中心部分，终止在供应出口144中。第一插入层118可包括与供应通道130的供应出口144对齐的垂直通路（未示出）。第一插入层118的通路可通向模104的流动路径。

该列旁路入口128是在供应侧124上的第二串孔。旁路入口128可相对于供应入口126向外横向移位。例如，旁路入口128可以比供应入口126更接近于顶表面122的横向边缘125。旁路入口128对凹进第二插入层120的底表面127中的相应的一组旁路通道132敞开（见图2B和2C）。旁路通道132跨越第二插入层120横向延伸。在该示例中，旁路入口128和供应入口126以跨越顶表面122纵向延伸的交替图案而布置，相应的供应通道130和旁路通道132被不确定地布置，使得通道平行于彼此延伸。旁路入口128可以是比供应入口126更小的孔。多达两个的旁路入口128可配合在一对供应入口126之间。

对流体返回室116敞开的顶表面122的返回侧134类似于供应侧124来配置。具体来说，返回侧134包括相应列的返回出口136和旁路出口138。该列返回出口136是在返回侧134上跨越顶表面122纵向延伸的第一串孔。如图2B和2C所示，返回出口136对凹进第二插入层120的底表面127中的相应的一组返回通道140敞开。返回通道140从第二插入层120的中心部分中的返回入口146横向延伸到在返回出口136正下方的位置。第一插入层118可包括与返回通道140的返回入口146对齐的垂直通路（未示出）。第一插入层118的通路从模104的流动路径延伸。

该列旁路出口138是在返回侧134上的第二串孔。旁路出口138可相对于返回出口136向外横向移位。例如，旁路出口138可以比返回出口136更接近于顶表面122的横向边缘123。旁路出口138对旁路通道132敞开（参见图2B和2C）。在该示例中，旁路出口138和返回出口136以跨越顶表面122纵向延伸的交替图案来布置。相应的返回通道140和旁路通道132被不确定地布置，使得通道平行于彼此延伸。旁路出口138可以是比返回出口136更小的孔。多达两个旁路出口138可配合在一对返回出口136之间。

如图2B和图2C所示，每个旁路通道132包括流动抑制器142。流动抑制器位于供应出口144与返回入口146之间。流动抑制器可提供对旁路通道132的补充流动阻力。因此，流动抑制器142控制可穿过旁路通道132流动的流体的量。在一些示例中，流动抑制器142被设计成提供在旁路通道132中的流动阻力大于供应通道130中的流动阻力，使得来自流体供应室114的流体也将流到模104的流动路径。在该示例中，流动抑制器142是由在旁路通道132的宽度中的狭窄部分形成的收敛-发散式狭道区段。该狭道区段允许穿过旁路通道132的流速被严格控制，同时仍然提供相对大的传热表面积。

当设计旁路通道132时，可考虑期望的温度控制范围以及由第二插入层120和循环流体产生的有效热阻。“总热阻”是打印头模块102以最小的温度上升耗散功率的能力的测量。在这种情况下，因为大部分循环流体流经旁路通道132，“有效热阻”可被确定。有效热阻就穿过旁路通道132的流体流而言，表示由喷嘴层103传输到第二插入层120的耗热率（即，功率）的每单位预期温度变化。有效热阻可被定义为：

R=1.0/(密度_流体×比热_流体×流速_流体×效率)

该效率是对第二插入层120与循环流体（即，旁路流体流）在多大程度上进行热交换的测量。效率可取决于流体的导热性、流体的密度、流体的比热、流体的流速以及由旁路通道132提供的传热表面积等。在数学上，效率被定义为：

其中T_{流体，出来}和T_{流体，进入}是离开和进入第二插入层120的流体的温度，而T_插入层是插入层的温度。

旁路入口128、旁路出口138以及流动抑制器142可被特别设计或调节，以实现适于达到效率的穿过旁路通道132的流速和足以将喷嘴和模104的其它部分维持在期望温度或期望温度范围（例如，在温度上升中大约一或二摄氏度）内的热阻。

也可考虑任何最小旁路流体流速约束来设计旁路入口128、旁路出口138以及流动抑制器142。例如，在一些实现中，旁路流体流被维持在至少大于峰值喷射流（例如，当所有喷嘴都喷射流体液滴时从喷嘴出来的流速）的水平，以防止在返回通道140中的回流。作为另一示例，可能需要将旁路流体流维持在某个水平，以驱动流体穿过模104的流动路径。

在整个说明书和权利要求中诸如“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“在…之上”、“在…以下”和“在…以下”的术语的使用是用于描述本文所述的系统的各种部件、打印头以及其它元件的相对位置。类似地，描述元件的任何水平或垂直术语的使用是用于描述本文所述的系统的各种部件、打印头以及其它元件的相对取向。除非另外明确说明，这样的术语的使用并不暗示打印头或任何其它部件相对于地球重力的方向或地球地表面的特定位置或取向，或系统、打印头和其它元件可在操作、制造和运输期间被放入的其它特定的位置或取向。

已描述了本发明的许多实施例。然而，应当理解可进行各种修改而不背离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种流体喷射设备，包括：

流体歧管，其包括流体供应室和流体返回室；

基板，其耦合到所述流体歧管，所述基板限定流动路径，所述流动路径包括用于接收流体的流动路径入口、用于喷射流体液滴的喷嘴以及用于引导走未喷射流体的流动路径出口；以及

流体分配结构，其设置在所述流体歧管与所述基板之间，所述流体分配结构包括：

流体供应通道，其包括流体地耦合到所述流体供应室的供应入口和流体地耦合到所述流动路径的供应出口；以及

流体旁路通道，其包括流体地耦合到所述流体供应室的旁路入口、流体地耦合到所述流体返回室的旁路出口、以及在所述旁路入口与所述旁路出口之间向所述流体旁路通道提供补充流动阻力的流动抑制器，所述流动抑制器包括收敛-发散式狭道区段。

2.如权利要求1所述的流体喷射设备，其中，所述流体分配结构还包括流体返回通道，所述流体返回通道包括流体地耦合到所述流动路径的返回入口和流体地耦合到所述流体返回室的返回出口。

3.如权利要求2所述的流体喷射设备，其中，所述流体旁路通道和所述流体返回通道平行连接到所述流体返回室。

4.如权利要求1所述的流体喷射设备，其中，所述流体分配结构包括插入层，且其中，所述流体旁路通道是在所述插入层的底表面中的凹槽。

5.如权利要求4所述的流体喷射设备，其中，所述供应入口、所述旁路入口以及所述旁路出口是在所述插入层的顶表面中的孔。

6.如权利要求5所述的流体喷射设备，其中，所述旁路入口的孔小于所述供应入口的孔。

7.如权利要求4所述的流体喷射设备，其中，所述插入层的顶表面包括暴露于所述流体供应室的供应侧和暴露于所述流体返回室的返回侧。

8.如权利要求1所述的流体喷射设备，其中，所述流体分配结构是单块硅体。

9.如权利要求1所述的流体喷射设备，其中，所述流体旁路通道和所述流体供应通道平行连接到所述流体供应室。

10.如权利要求1所述的流体喷射设备，其中，所述流体旁路通道是由所述流体分配结构限定的多个流体旁路通道之一。

11.如权利要求10所述的流体喷射设备，其中，所述多个流体旁路通道配置成接收穿过所述流体供应室的大部分流体流。

12.如权利要求1所述的流体喷射设备，其中，所述流体旁路通道布置成接收来自所述流体供应室的流体，且其中，所述流动抑制器配置成调节穿过所述流体旁路通道的流体的流速，以便实现预定的有效热阻。

13.如权利要求12所述的流体喷射设备，还包括耦合到所述基板以使流体液滴从所述喷嘴喷射的致动器和配置成控制所述致动器的电路，且其中，所预定的有效热阻足以耗散由所述电路和所述致动器在使用期间产生的热，使得所述基板的温度上升小于预定阈值。

14.如权利要求13所述的流体喷射设备，其中，所述预定阈值为大约二摄氏度或更小。

15.如权利要求1所述的流体喷射设备，其中，所述旁路入口相对于所述供应入口在所述流体分配结构的表面上横向移位，使得所述旁路入口比所述供应入口更接近于所述表面的横向边缘。

16.一种用于使流体在流体喷射设备中循环的方法，包括：

使第一流体流从流体供应室流动到流体供应通道，所述流体供应通道形成在耦合到所述流体供应室的流体分配结构上；

使所述第一流体流从所述流体供应通道流动到耦合到所述流体分配结构的基板的流动路径，所述流动路径包括用于接收流体的流动路径入口、用于喷射流体液滴的喷嘴和用于引导走未喷射流体的流动路径出口；以及

与使所述第一流体流流动同时地，使第二流体流从所述流体供应室流动到流体旁路通道，所述流体旁路通道包括向所述流体旁路通道提供补充流动阻力的流动抑制器，所述流动抑制器包括收敛-发散式狭道区段。

17.如权利要求16所述的方法，其中，使所述第二流体流流动包括使所述第二流体流穿越所述流动抑制器流动，所述流动抑制器调节所述第二流体流的流速。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述第二流体流的流速足以实现预定的热阻。

19.如权利要求17所述的方法，其中，当所述喷嘴以最大喷射频率和液滴尺寸操作时，所述第二流体流大于所述第一流体流的从所述流动路径出口汲取的一部分。

20.如权利要求16所述的方法，还包括：

使所述第一流体流的未喷射部分流动到返回通道，所述返回通道形成在所述流体分配结构中；以及

使所述第一流体流的所述未喷射部分从所述返回通道流动到返回室。

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