CN112839822B - 用于容器中液体混合物的循环设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使液体物质混合物(例如溶液、乳液或悬浮液)在容器和从该容器中供给的压敏组件之间循环的设备，例如用于使墨水在墨水储存容器和打印系统的打印头之间循环的设备，包括：泵，该泵使得容器中的液体物质混合物通过外部管道回路循环；文丘里管，该文丘里管的主管道接入到外部管道回路中；以及管道，该管道将压敏组件的出口接头与文丘里管的抽吸接头相连接。

Description

用于容器中液体混合物的循环设备
技术领域
本发明涉及一种用于使储存在容器中的液体物质混合物(例如溶液、乳液或悬浮液)循环的设备，包括循环泵，所述循环泵使得在容器中的液体物质混合物通过外部管道回路循环，从而使即使所述容器中未布置机械搅拌装置，也能避免在所述容器内发生的分离。
背景技术
各种液体，特别是液体物质混合物，包括用于数字印刷的墨水，有时是不稳定的，并且如果该液体没有保持恒定运动，则颜料、被溶解的物质等等就会沉积-不仅沉积在储存容器中，例如墨水罐中，而且也沉积在处理装置中，例如在打印头中。
在现有技术中，例如在实验室中，使用搅拌器，以避免这些液体物质混合物的分离。
在墨水罐中也具有这种集成的搅拌器，该搅拌器保持墨水持续运动，如附图2所示的那样，该附图描述了典型的现有技术：其内容是打印系统21，从墨水储存容器22经由管道23对打印头24供给墨水25。为了使墨水25在墨水储存容器22中不会分离，在其中设置了搅拌器26，该搅拌器的轴27通过墨水储存容器22的壳体28被向外引导。然而，这种搅拌器26很复杂，因为墨水储存容器22大多数应与大气密封封闭，而搅拌器26的机械或电气部件，即轴27或电缆等，必须从墨水储存容器22中引出。其中没有提供墨水25通过打印头24的循环。
因此，在JP H05-185600中已经设置了磁力搅拌器，即在墨水罐内的磁性体，其响应从外部施加的磁场而旋转，并且由此混合墨水。但是另一方面，在这种情况下，在每次更换墨水储存容器时，必须首先将磁性体拆下并插入新的墨水储存容器中，这非常麻烦。
DE 60011928 T2描述了另一种方式。在该示例中，完全取消了在墨水容器内的搅拌器，而取而代之的是提供墨水循环，其中，通入容器的两个管中的第一管与泵的抽吸接头相连，其压力接头与第二管相连。由此使墨水稳定循环并且以这种方式避免了分离，从而不再需要搅拌器。
但是，这些文献都没有涉及另一个问题，即如何能够在压敏组件内，特别是在打印头内，保持尽可能均匀的、随时间恒定的压力，从而使打印头始终以相同的质量进行打印。
为此在目前可买到的打印系统中，或者试图在喷墨打印头的流入管道内安装主动工作的泵装置，或者在流出管道中安装主动工作的抽吸装置。但是，该技术尚未证明是有效的，因为从技术上来说，几乎不可能将泵或抽吸装置置于永久保持真正恒定的压力差——即没有压力波动或压力波动的压力差——的位置上。
另一方面，也已经尝试设置两个以不同的内部压力来工作的墨水容器，从而通过该压力差产生墨水流。但是，这需要持续主动的压力调节，以补偿由于墨水的消耗在具有较高内部压力的容器上方增加的空容积和在另一个容器中相等减少的空容积。
还有一种变型，其中，两个墨水容器在不同的高度上或以不同的液位进行设置，其中，压力差由不同的液位产生。但是，这需要持续主动的液位调节，以补偿由于墨水的消耗在上游容器中的减少的液体体积和在另一个容器中的相等增加的液体体积。
另外，在这两种情况下，每个打印头或每种打印墨水需要两个墨水容器，这表示增加了空间需求。此外，在这种系统的情况下很难主动地改变流量，因为不能容易地改变容器中的液位和压力而不造成打印头滴落墨水或抽吸空气等问题。最后，这种系统在没有循环的墨水容器的情况下不能够简单地进行改装，因为不带循环的标准墨水容器最多只能有一个加热器和一个带有再填充功能的满/空指示器；因此，当为了循环而使用两个容器对打印系统进行升级时，则必须更换所有部件。
发明内容
由所描述的现有技术的缺点产生开展本发明所要解决的问题，即开发一种通用循环设备，使得可以同时在压敏组件中，例如在打印头中，始终保持随时间恒定不变的压力。
在这种类型的循环设备中，上述问题的解决方案通过一种文丘里管来实现，该文丘里管的主管道接入到外部管道回路中；以及通过一个管道来实现，该管道将压敏组件的出口接头与文丘里管的抽吸接头连接起来。
通过这种布置，可以使液体，特别是墨水，通过压敏组件，特别是通过打印头，循环；在这种打印系统中，墨水基本从喷嘴旁流过并保持持续运动，以防止颜料等的沉积。同时，由于小的气泡通过循环被继续输送等等，因此可以防止或消除由空气气泡引起的喷嘴故障。
在现有技术中有不同的打印头；例如这样的打印头，其需要1-5毫升/分钟的流量；其他的打印头需要100-300毫升/分钟的流量。
通过打印头的循环应尽可能无脉冲，即连续的墨水流，因为泵送脉冲或压力脉冲会由于墨水的惯性导致打印头滴墨水或抽吸空气，并且因此导致打印头不再有规律地打印。因此，需要一种尽可能无脉冲的泵，例如隔膜泵或旋桨泵，以及具有抽吸接头的文丘里管。所述泵从墨水容器中泵送，沿回路再次泵回到墨水容器中；由此墨水一直处在运动中，并且可以取消搅拌器。
在将墨水从泵中再次泵回到墨水罐中的位置处连接文丘里管，该文丘里管与打印头的循环出口相连接。借助于该文丘里管，墨水被连续地和几乎没有脉冲地抽吸通过打印头，并在此情况下再次进入容器中；优选地，再次进入也向打印头供应墨水的同一容器中。通过调整所用的泵的输送速率，和/或通过使用不同的文丘里管和/或限流器，可以实现任何循环速率。
只要文丘里管的抽吸压力对于打印头是足够的，特别是当将墨水容器布置在打印头上方时，通过本发明的布置可能能够取消在墨水容器中的主动负压或负压控制。
根据本发明的系统非常小，可以在任何时候进行改装，易于控制和实施，并且几乎不需要监控。
在此情况下，液体是否是在小的容器中循环或者是被引导返回到较大的容器中等等都是无关紧要的。
当然，此外可以在容器中设置脱气单元，和/或过滤器，和/或加热器等等。
已证明有利的是，外部管道回路不是经由压敏组件闭合的，而是直接闭合的，即基本是压敏组件的旁路。由此在储存和供给容器内的混合过程与压敏组件的运行——特别是打印头的运行——是完全脱离的。
正是由于这个原因，在储存和/或供给容器与压敏组件之间的管道回路也不应是经由循环泵闭合的，而应是循环泵的旁路。
此外已经证明有利的是，文丘里管的主管道在循环泵的下游被接入到其管道回路中。因此，这两个回路——一方面是循环泵的回路，另一方面是压敏组件的回路——仅在文丘里管中汇合，并从那里一起流回到容器中。除了这种流动汇合以外，两种流动在很大程度上是分开的，因此尽管采取了所有对策，但仍然可能由循环泵产生的压力波动不会到达压敏组件。
压敏组件在其入口接头处直接从容器中进行供给；在理想情况下，不需要为此安装泵送装置，而是简单的管道连接就足够了；甚至不需要压力降，例如通过容器相对于打印头的升高的布置可能产生的压力降。
相反，用于形成流动所需的压力降由文丘里管产生，该文丘里管在其抽吸接头处产生负压。换句话说，在经由压敏组件闭合的回路内的流动仅通过可由文丘里管的吸力产生的压力降来维持。
通过经由文丘里管连接从压敏组件到容器的返回管道，闭合了通过压敏元件的回路，并且未使用的液体再次返回到容器中，在此立即可供后续的使用。
如果经由压敏组件闭合的回路没有泵，则在压敏组件上能得到最均匀的压力降，从而使压敏组件具有最佳的运行条件。
在压敏组件的出口接头与文丘里管的抽吸接头之间的抽吸管道中可以设置止回阀，所述止回阀防止到压敏组件的出口接头的回流。由此，即使循环泵发生故障，也完全排除了在压敏组件内的逆流。
此外存在这样的可能情况，即，在压敏组件的出口接头与文丘里管的抽吸接头之间的抽吸管道中设置减压装置，以限制压敏组件的出口接头的流量。由此可以使循环速度单独地适应压敏组件的要求。
这种减压装置优选地被设计为可调节的减压阀，使得可以在任何时候重新调整通过压敏组件的循环速度。
在本发明的范围内，入口和出口管道在储存或供给容器上通到其壳体底部的区域中，因此，只要在容器中还有足够的液体使得出口管道的通入口不会变干，则循环就能够得以维持。
由于在储存容器中不需要搅拌器，因此储存容器在内部中可以保持没有可运动的元件。因此，墨水容器也可以设计成可更换的多次使用的容器或一次性的容器，并且可以在任何时候快速更换，从而仅需短暂中断打印过程。
此外作为循环泵，本发明建议使用连续输送的泵，例如隔膜泵或旋桨泵。这样的泵产生的压力波动越小，则压敏组件的运行受到的影响就越小。
最后，根据本发明的教导，容器是墨水储存容器，和/或压敏组件是喷墨打印头。本发明可以特别有利地在打印系统中使用，因为在那里通常需要在喷墨打印头上保持压力降的高恒定性，以便获得最佳的打印结果。
附图说明
基于本发明的其他特征、细节、优点和效果从本发明的优选实施方式的以下描述中以及根据附图得出。本文示出了：
图1是根据本发明的喷墨打印系统的示意性管道布置图；以及
图2是根据现有技术的喷墨打印系统。
具体实施方式
在本文中，根据本发明的打印系统1设置有墨水储存容器2，该墨水储存容器经由管道3向打印头4供给墨水5。
但是，在墨水储存容器2中未设置搅拌机构。相反，通过经由外部回路6使墨水持续地保持运动来避免墨水5的分离。为此使用循环泵7，该循环泵7经由其抽吸管道8以及经由其压力管道9、10分别与墨水储存容器2相连接，从而墨水5通过外部回路6循环。
在循环泵7的压力管道9、10中，即在其下游，文丘里管11的接入方式为：使得在回路6中循环的墨水5流过文丘里管。
文丘里管11由壁面光滑的管段组成，该管段的内腔在横截面中的一个部位处变窄，例如变窄到正常管内横截面的90％或更小，优选正常管内横截面的80％或更小，优选正常管内横截面的60％或更小，特别是正常管内横截面的40％或更小，或者甚至正常管内横截面的30％或更小。甚至可以设想更大的变窄，例如变窄到正常管内横截面的25％或更小，优选正常管内横截面的20％或更小，优选达到正常管内横截面的15％或更小。特别是正常管道内横截面的10％或更小。
文丘里管11的横截面的变窄例如可以通过两个彼此相对指向的、圆锥形的或以其他方式从其外周端部朝着其彼此面对的端部逐渐变细的管段12、13来实现，所述管段12、13在其最小直径的部位处彼此连接起来。在该部位处设置了第三侧面接头14，当文丘里喷嘴11运行时，在该接头上施加有负压，并且该接头因此应被称为抽吸接头14。
除了其两个管段12、13外周通入口和抽吸接头14之外，文丘里管11优选地没有其他开口，因此它在内部空间中与周围的大气压无关。
文丘里管11应由固体材料制成，例如金属或固体的、结构稳定的塑料，以使其不会在外部空间和内部空间之间的压力差的影响下变形。
另外，文丘里管11的外套应该既是液密的，使得没有墨水可以流出，又是气密的，使得在内部负压下，不仅空气而且其他气体都不会扩散到内部空间中。
本发明的另一个特点是文丘里管11的中央逐渐变细的区域应优选地与两个管段12、13处于同一高度上。这一点例如可以通过将文丘里管11水平地定向来实现，如在图1中所示的那样。
圆锥形管段12、13的外周端部被接入到循环泵7的压力管道9、10中，并形成文丘里喷嘴或文丘里管11的主管道。文丘里管的抽吸接头14经由抽吸管道15与打印头4的出口侧接头16相连接，因此，相对于正常的运行压力，负压在打印头4的入口侧接头17处引起压力差，该压力差导致流动。
为了能够将该压力差精确地调整为相关的打印头4所需的值，可以在抽吸管道15中接入减压装置。该减压装置可以是可调节的减压阀18。
此外，根据本发明，在抽吸管道15中还接入有止回阀19，以避免墨水在抽吸管道15中的回流，即使循环泵7被关闭或发生故障。
由于在打印头4上的压力差PΔ取决于在墨水储存和/或供给容器2中的墨水5的液位20的高度，因此只要管道3、8不变干，该容器2就可以在不进行再填充的情况下一直运行。
伯努利方程适用于文丘里管11，其中，脚标1指在入口接头或管道段12中的参数，脚标2指在抽吸接头14中的参数：
(p1-p2)+ρ＊g＊(h1-h2)＝1/2＊ρ＊v2 2＊[1-(A2/A1)2]
其中，p是在相应位置处的压力，h是在相应位置处的高度，A是在相应位置处的净流动横截面，v是在相应位置处的流动速度，以及ρ是墨水的密度和g是重力加速度，
或者，
p2-p1＝ρ＊g＊(h1-h2)-1/2＊ρ＊v2 2＊[1-(A2/A1)2]
p2＝p1+ρ＊g＊(h1-h2)-1/2＊ρ＊v2 2＊[1-(A2/A1)2]
如果高度差(h1-h2)小到可以忽略不计——即特别是如果文丘里管11是水平定向的或如果尺寸很小——则公式简化为：
p2＝p1-1/2＊ρ＊v2 2＊[1-(A2/A1)2]
在下文应该假定墨水的密度ρ约为1kg/dm3。
此外可以假设，在循环泵7运行时的压力p1大于在墨水储存容器2的底部上的重量压力pt，并且也大于周围的大气压力pa。特别地，在由循环泵7的功率导致的压力增加pz下适用：
p1＝pt+ρg(ht-h1)+pz
在打印头4的入口侧接头17处的重量压力pd取决于打印头4的入口侧接头17的高度hd与在墨水储存容器2的底部上的出口的高度ht的关系：
pd＝pt+ρ＊g＊(ht-hd)
然而，在抽吸接头14处应这样地作用有负压p2，使得与在打印头4的入口侧接头17处的重量压力pd相比，在打印头4的出口侧接头16处存在负压pΔ＜0：
p2＝pd+pΔ＝pt+ρ＊g＊(ht-hd)+pΔ
并且减少的程度大于差ρ*g*(h2-hd)：
p2+ρ＊g＊(h2-hd)＝pd+pΔ＝pt+ρ＊g＊(ht-hd)+pΔ，
即，
p2+ρ＊g＊(h2-hd)＝pt+ρ＊g＊(ht-hd)+pΔ，
p2＝pt+ρ＊g＊(ht-hd)-ρ＊g＊(h2-hd)+pΔ，
p2＝pt+ρ＊g＊(ht-h2)+pΔ.
p2＝p1-1/2＊ρ＊v2 2＊[1-(A2/A1)2]＝pt+ρ＊g＊(ht-h2)+pΔ.
p2＝pt+ρ＊g＊(ht-h1)+pz-1/2＊ρ＊v2 2＊[1-(A2/A1)2]＝
＝pt+ρ＊g＊(ht-h2)+pΔ.
如果h1≈h2，则适用：
p2≈pt+ρ＊g＊(ht-h2)+pz-1/2＊ρ＊V2 2＊[1-(A2/A1)2]＝
＝pt+ρ＊g＊(ht-h2)+pΔ.
pz-1/2＊ρ＊v2 2＊[1-(A2/A1)2]＝pΔ.
1/2＊ρ＊v2 2＊[1-(A2/A1)2]＝pz-pΔ.
v2 2＊[1-(A2/A1)2]＝2＊(pz+|pΔ|)/ρ.
v1 2＊(A1/A2)2＊[1-(A2/A1)2]＝(pz+|pΔ|)＊2/ρ.
v1 2＊[(A1/A2)2-1]＝(pz+|pΔ|)＊2/ρ.
[(A1/A2)2-1]＝(pz+|pΔ|)＊2/(ρ＊V1 2).
因此，可以根据上述公式，在考虑墨水的密度ρ下，由循环泵7的泵压力pz、在打印头4上的所期望的压力差pΔ，和在输入管道12中的流动速度v1，来确定在文丘里管11的入口12与其抽吸接头14之间的横截面比(A1/A2)。
根据本发明的布置的各种修改是可能的。特别地，不同的阀和/或横截面缩小部也可以分别插入相关回路中的不同部位处。另外，根据该原理，也可以将打印系统的多个打印头连接到一个公共的文丘里管上，或者每个打印头都连接到其自己的文丘里管上。
附图标记列表
1 打印系统
2 墨水储存容器
3 管道
4 打印头
5 墨水
6 回路
7 循环泵
8 抽吸管道
9 压力管道
10 压力管道
11 文丘里管
12 入口侧管段
13 出口侧管段
14 抽吸接头
15 抽吸管道
16 出口侧接头
17 入口侧接头
18 减压阀
19 止回阀
20 液位
21 打印系统
22 墨水储存容器
23 管道
24 打印头
25 墨水
26 搅拌器
27 轴
28 壳体

Claims (18)

1.一种用于循环储存在容器（2）中的液体物质混合物（5）的设备，包括循环泵（7），所述循环泵使得容器（2）中的液体物质混合物（5）通过外部管道回路（6）循环，从而使即使所述容器中未布置机械搅拌装置，也能避免在所述容器（2）内发生分离；并且还包括：
a）文丘里管（11），所述文丘里管的主管道（12、13）被接入所述外部管道回路（6）；以及
b）管道（15），所述管道将压敏组件（4）的出口接头（16）与所述文丘里管（11）的抽吸接头（14）连接起来；
其特征在于，由所述压敏组件（4）闭合的回路没有泵。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，液体物质混合物（5）为溶液、乳液或悬浮液。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述外部管道回路（6）不是由所述压敏组件（4）闭合的，而是直接闭合的，即是所述压敏组件（4）的旁路。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述容器（2）和所述压敏组件（4）之间的管道回路不是由所述循环泵（7）闭合的，而是所述循环泵（7）的旁路。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述文丘里管（11）的主管道（12、13）在所述循环泵（7）的下游被接入到外部管道回路（6）中。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述文丘里管（11）的主管道（12、13）在所述循环泵（7）的下游被接入到循环泵（7）的压力管道中。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压敏组件（4）在其入口接头（17）处从所述容器（2）进行供给。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，经由所述文丘里管（11）连接从所述压敏组件（4）到所述容器（2）的返回管道。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在由所述压敏组件（4）闭合的回路中的流动仅通过由文丘里管（11）的吸力引起的压力降来维持。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述压敏组件（4）的出口接头（16）与所述文丘里管（11）的抽吸接头（14）之间的抽吸管道（15）中设置止回阀（19），所述止回阀防止到所述压敏组件（4）的出口接头（16）的回流。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述压敏组件（4）的出口接头（16）与所述文丘里管（11）的抽吸接头（14）之间的抽吸管道（15）中设置减压装置，以限制所述压敏组件（4）的出口接头（16）的流量。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述减压装置被设计为可调节的减压阀（18）。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，入口和/或出口管道在所述容器（2）上通到其壳体底部的区域中。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述容器（2）中未布置搅拌器，且所述容器（2）内部没有可运动的元件。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述循环泵（7）是连续输送的泵。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述循环泵（7）是隔膜泵或旋桨泵。
17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述容器（2）是墨水储存容器。
18.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压敏组件（4）是喷墨打印头。
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