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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bedrucken eines Bedruckstoffs mit Tinte, die einen Druckkopf zum Bedrucken des Bedruckstoffes und ein Kühlelement umfasst, das mindestens einen Kanal zum Hindurchführen einer Kühlflüssigkeit hat.
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Bei Tintendruckern werden Druckköpfe verwendet, bei denen das Ausstoßen der Tintentropfen thermisch oder über Piezoelemente geregelt wird. Zur Steuerung dieser Elemente sind Schaltkreise im Druckkopf vorgesehen, die beim Betrieb Wärme erzeugen. Die abgegebene Wärme hängt hierbei insbesondere von der Druckgeschwindigkeit und der Druckmenge ab. Durch die vom Schaltkreis abgegebene Wärme wird auch die Tinte innerhalb des Druckkopfs erwärmt, wodurch die Viskosität der Tinte abnimmt, was die Tropfenbildung und hierüber die gesamte Druckqualität negativ beeinflusst. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch den Schaltkreisen selbst schaden.
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Um eine zu starke Erwärmung der Druckköpfe zu vermeiden, ist es gebräuchlich, diese mit einer Luftkühlung zu kühlen. Hierbei wird ein Luftstrom von Umgebungsluft über eine Öffnung Kanälen zugeführt und über einen Auslass nach der Aufnahme von Wärme von dem Druckkopf wieder abgeführt. Um eine gleichmäßige, konstante, effektive Kühlung zu erreichen, ist es notwendig, einen konstanten Luftfluss mit einer gleichbleibenden Temperatur bei jedem Druckkopf zu erreichen. Dies lässt sich jedoch nur schwer realisieren, da zum einen die Temperatur der zugeführten Luft schwankt und zum anderen viele mechanische Bauteile, beispielsweise elektrische Leitungen und Schläuche, in dem Bereich der Luftkanäle, entlang derer die Kühlluft geführt wird, angeordnet sind, und somit ein gleichmäßiges, effektives Kühlen der Druckköpfe erschweren. Insbesondere brauchen die Luftkanäle auch viel Bauraum, der in den Druckern nur begrenzt zur Verfügung steht. Alternativ kann die Luft anstelle über Luftkanäle auch von oben nach unten über die Druckköpfe geführt werden. Allerdings besteht auch hier das Problem, dass der Luftstrom durch andere Bauteile in der Umgebung des Druckkopfes beeinträchtigt wird. Darüber hinaus können die Druckköpfe vertikal bewegt werden, was dazu führt, dass ihre Position innerhalb des Luftstroms verändert wird und somit auch die Kühlleistung nicht konstant ist.
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Aus dem Dokument
DE 197 43 804 A1 ist ein Tintenstrahldrucker bekannt, der eine Vielzahl von arrayförmig angeordneten Druckköpfen umfasst. Jeder Druckkopf ist hierbei in einen speziellen Adapter aufgenommen und über einen wärmeleitfähigen Klebstoff mit diesem verbunden. In dem Adapter ist zum einen ein U-förmiger Kanal zum Hindurchführen von Wasser zum Kühlen des Adapters und zum anderen ein Heizelement zum elektrischen Beheizen angeordnet. Über diese Kombination einer Wasserkühlung und eines Heizelementes soll die Temperatur der Druckköpfe, die im Adapter aufgenommen sind, unabhängig vom aktuellen Betriebszustand, insbesondere unabhängig davon, ob der Druckkopf benutzt wird oder nicht, auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Die Kühlkreisläufe der in einer Reihe angeordneten Adapter sind hierbei ebenfalls in Reihe geschaltet.
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Nachteilig an dieser Kühl- und Heizeinheit ist, dass zum Halten der konstanten Temperatur für den gesamten Druckkopf eine hohe Kühl- bzw. Heizleistung erzielt werden muss. Somit ist das ganze Verfahren sehr ineffektiv. Insbesondere ist es auch nur schwer möglich, eine gleichmäßige Kühlung aller Druckköpfe zu erzielen. Beim Stand der Technik wird somit zunächst die Verteilung der Abwärme über den gesamten Druckkopf, und somit auch die Tinte, erlaubt und dann wird der gesamte Druckkopf als Einheit gekühlt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Bedrucken eines Bedruckstoffs mit Tinte anzugeben, bei der die Temperatur auf effiziente, einfache Weise möglichst konstant gehalten ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist der erste Kanal innerhalb des Kühlelementes derart angeordnet, dass er mit möglichst geringem Abstand am ersten Schaltkreis, insbesondere auf Höhe des Schaltkreises, vorbeiläuft, so dass eine gezielte Kühlung des ersten Schaltkreises erfolgt. Somit wird direkt das die Abwärme erzeugende Element, nämlich der Schaltkreis, gekühlt. Durch das gezielte Kühlen der Wärmequelle kann die Kühlung wesentlich genauer, gleichmäßiger und effizienter erfolgen.
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Der Abstand zwischen der Längsachse des ersten Kanals und der Oberfläche des ersten Schaltkreises ist hierbei insbesondere kleiner als 15 mm, vorzugsweise kleiner als 8 mm. Der Abstand beträgt ca. 7 mm. Hierdurch wird erreicht, dass der Kanal möglichst unmittelbar an dem Schaltkreis vorbeiführt und somit diesen besonders effektiv kühlen kann.
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Das Kühlelement weist insbesondere einen zweiten Kanal zum Hindurchführen der Kühlflüssigkeit auf, der vorzugsweise parallel zum ersten Kanal verläuft. Durch das Vorsehen von zwei Kanälen kann eine noch effektivere schnellere Kühlung des ersten Schaltkreises erfolgen, so dass eine Abgabe der Abwärme des Schaltkreises an andere Bauteile des Druckkopfes, insbesondere an die Tinte, von vorneherein unterbunden wird. Die beiden Kanäle sind bezogen auf den Kühlmittelkreislauf innerhalb des Kühlelementes parallel geschaltet, so dass die Kühlflüssigkeit beim Vorbeifließen an dem ersten Schaltkreis in beiden Kanälen etwa die gleiche Temperatur aufweist.
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Der Druckkopf hat insbesondere einen zweiten Schaltkreis, der ebenfalls zur Ansteuerung von Piezoelementen dient. Der erste und der zweite Kanal sind hierbei derart geführt, dass sie auch entlang des zweiten Schaltkreises verlaufen, so dass auch eine gezielte Kühlung dieses zweiten Schaltkreises möglich ist.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Druckkopf insgesamt vier Schaltkreise auf, wobei jeweils zwei an zwei gegenüberliegenden Seiten des Druckkopfes angeordnet sind. Um alle vier Schaltkreise effektiv kühlen zu können, hat die Vorrichtung in diesem Fall ein weiteres Kühlelement, wobei dieses weitere Kühlelement an der dem anderen Kühlelement gegenüberliegenden Seite des Druckkopfes angeordnet ist.
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Die beiden Kühlelemente sind insbesondere identisch ausgebildet, d.h. dass das zweite Kühlelement insbesondere mit den bereits zuvor genannten Merkmalen des einen Kühlelementes und/oder den im Folgenden aufgeführten Merkmalen ebenfalls weitergebildet sein kann.
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Die Kühlelemente weisen jeweils insbesondere einen ersten und einen zweiten Anschluss auf, wobei einer der Anschlüsse zum Zuführen der Kühlflüssigkeit und der andere zum Abführen der Kühlflüssigkeit, nachdem diese durch den ersten und/oder den zweiten Kanal gelaufen ist, dient. Jeweils ein erstes Ende der Kühlelemente eines Druckkopfes ist vorzugsweise über eine Leitung miteinander verbunden. Die zweiten Enden der Kühlelemente sind insbesondere mit Anschlüssen eines Kühlmittelkreislaufsystems verbunden, so dass die Kühlmittelflüssigkeit zunächst dem einen Kühlelement zugeführt wird, dieses durchläuft, über die Verbindung zum anderen Kühlelement geführt wird, über dieses zurückläuft und dann wieder dem Kühlmittelkreislaufsystem zugeführt wird. Somit muss jeder Druckkopf nur über zwei Anschlüsse, nämlich einen Zulauf und einen Ablauf angeschlossen werden. Es ist somit nicht notwendig, die beiden Kühlelemente eines Druckkopfes getrennt anzuschließen.
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Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise mehrere Druckköpfe zum Bedrucken des Bedruckstoffes, wobei jedem Druckkopf mindestens ein Kühlelement zum Kühlen mindestens eines Schaltkreises des jeweiligen Druckkopfes zugeordnet ist. Insbesondere weist jeder Druckkopf zwei Kühlelemente auf, die an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, wie dies zuvor bereits für den einen Druckkopf beschrieben ist.
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Die Kühlelemente aller Druckköpfe sind insbesondere an einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf angeschlossen, so dass das Zuführung und Abführen der Kühlflüssigkeit besonders einfach erfolgen kann. Hierbei sind die Kühlelemente verschiedener Druckköpfe derart an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen, dass diese parallel zueinander geschaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass das Kühlmittel beim Durchlaufen der Kühlelemente verschiedener Druckköpfe jeweils die gleiche Temperatur aufweisen und somit die gleiche gezielte Kühlung erfolgen kann.
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Wenn ein Druckkopf mehrere Kühlelemente umfasst, so sind diese vorzugsweise in Reihe geschaltet. Die aus den Kühlelementen eines Druckkopfes gebildete Einheit wiederum ist parallel zu anderen Kühleinheiten anderer Druckköpfe geschaltet.
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Die Kühlelemente sind insbesondere über Schnellverschlüsse an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen. Dies hat den Vorteil, dass bei der Entnahme von Druckköpfen durch einen Service-Mitarbeiter das Abschließen und anschließende Anschließen leicht erfolgen kann und dabei keine Kühlflüssigkeit ausläuft.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlelement in ein Gehäuse des Druckkopfes integriert. Insbesondere sind die Kanäle, durch die die Kühlflüssigkeit hindurchfließt, innerhalb der Wandung des Druckkopfes angeordnet. Hierdurch wird erreicht, dass der Druckkopf besonders kompakt aufgebaut ist und nicht mehrere Einheiten miteinander verbunden werden müssen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Kühlelement auch als separate Baueinheit ausgebildet sein, die am Gehäuse des Druckkopfes befestigbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlelemente nachträglich an zugekaufte Druckköpfe angebracht werden können. So wird eine besonders einfache Nachrüstlösung erreicht.
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Das Gehäuse des Druckkopfes umfasst insbesondere ein Blech, an dem die Kühlelemente über Klammern oder Stifte befestigt werden, so dass aus dem Druckkopf und dem Kühlelemente ein einfach zu handhabendes Modul gebildet wird. Somit muss ein Service-Mitarbeiter bei der Wartung nur ein Modul entfernen und wieder einsetzen.
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Das Kühlelement ist insbesondere in Form einer Platte ausgebildet und wird daher auch als Kühlplatte bezeichnet. Somit wird eine möglichst große Übertragungsfläche zwischen dem Gehäuse des Druckkopfes und dem Kühlelement erreicht, so dass ein möglichst großer Wärmeübergang erfolgt.
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Die zu kühlenden Schaltkreise und die Kühlelemente sind insbesondere an gegenüberliegenden Seiten des Bleches des Gehäuses angeordnet.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn zwischen dem Kühlelement und dem Gehäuse des Druckkopfes ein Wärmleitpad und/oder eine Wärmeleitpaste vorgesehen sind. Hierdurch wird der Wärmübergang zwischen dem Gehäuse und dem Kühlelement verbessert, so dass eine effektivere Kühlung möglich ist.
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Es werden insbesondere Wärmeleitpads mit einem Wärmleitkoeffizienten zwischen 2 und 10 W/mK, vorzugsweise zwischen 3 und 7 W/mK, insbesondere zwischen 8 und 9 W/mK, verwendet. Hiermit lässt sich ein ausreichend großer Wärmeübergang zwischen dem Kühlelement und dem durch den Schaltkreis erwärmten Gehäuse erreichen.
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Als Kühlflüssigkeit wird insbesondere Wasser oder eine Mischung aus Wasser und einem Kühlmittelzusatz verwendet.
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Die Temperatur, mit der das Kühlmittel den Kühlelementen zugeführt wird, liegt insbesondere zwischen 28°C und 32°C, vorzugsweise in etwa bei 30°C. Somit ist die Temperatur der Kühlflüssigkeit besonders nahe an der Solltemperatur der Tinte im Druckkopf, die in etwa 32°C beträgt, so dass durch die Kühlflüssigkeit nahezu keine Kühlung der Tinte erfolgt.
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Darüber hinaus hat die relativ hohe Temperatur der Kühlflüssigkeit den Vorteil, dass die Kühlung der Kühlflüssigkeit, nachdem diese durch die Kühlelemente gelaufen ist und sich hierdurch erwärmt hat, über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher erfolgen kann. Bei einer Umgebungstemperatur von unter 26°C kann hierbei ohne eine aktive Kühlung nur durch den Übergang der Wärme zwischen der Kühlflüssigkeit und der Umgebungsluft eine ausreichende Kühlung erreicht werden, so dass die Kühlflüssigkeit wieder mit 30°C den Kühlelementen zugeführt werden kann. Somit kann eine passive Kühlung der Kühlflüssigkeit erfolgen, wodurch teure aktive Kühleinheiten vermieden werden und der Energiebedarf reduziert wird. Die Verwendung einer passiven Kühlung über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Bildung von Kondenswasser vermieden wird.
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Alternativ kann die Kühlung der Kühlflüssigkeit auch über Rückkühler oder Plattenwärmetauscher erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass eine effektive Kühlung auch bei gewöhnlich hohen Umgebungstemperaturen erreicht werden kann.
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Darüber hinaus hat die Verwendung einer Kühlung über eine Kühlflüssigkeit den Vorteil, dass bei ungewöhnlich tiefen Umgebungstemperaturen hierüber auch eine Erwärmung der Druckköpfe während des Startvorgangs erfolgen kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Druckkopfmoduls entsprechend der Schnittlinie B-B aus 2;
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2 eine Schnittdarstellung des Druckkopfmoduls nach 1 entlang der Schnittlinie A-A aus 1;
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3 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes Z aus 2;
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4a eine schematische Darstellung des Ergebnisses einer FEM-Berechnung bezüglich der Temperaturverteilung innerhalb eines Gehäusebleches des Druckkopfmoduls nach den 1 bis 3 bei einer ersten Ausführungsform;
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4b eine schematische Darstellung des Ergebnisses einer FEM-Berechnung bezüglich der Temperaturverteilung innerhalb eines Gehäusebleches des Druckkopfmoduls nach den 1 bis 3 bei einer zweiten Ausführungsform;
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4c eine schematische Darstellung der Ergebnisses einer FEM-Berechnung bezüglich der Temperaturverteilung innerhalb eines Gehäusebleches des Druckkopfmoduls nach den 1 bis 3 bei einer dritten Ausführungsform; und
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4d eine schematische Darstellung des Ergebnisses einer FEM-Berechnung bezüglich der Temperaturverteilung innerhalb eines Gehäusebleches des Druckkopfmoduls nach den 1 bis 3 bei einer vierten Ausführungsform.
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In den 1 und 2 sind Schnittdarstellungen eines Druckkopfmoduls 10 zum Bedrucken eines Bedruckstoffes mit Tinte dargestellt, wobei 1 eine Schnittdarstellung entlang des Schnittes B-B aus 2 und 2 eine Schnittdarstellung entlang des Schnittes A-A aus 1 zeigt. 3 zeigt eine vergrößerte Detaildarstellung des Ausschnitts Z aus 2.
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Das Druckkopfmodul 10 umfasst den eigentlichen Druckkopf 12, der mehrere Düsen aufweist. Den Düsen sind Piezoelemente oder Heizelemente zugeordnet, durch die Tintentropfen unter Druck aus den Düsen ausgestoßen werden. Ferner hat das Druckkopfmodul 10 ein erstes Kühlelement 14 und ein zweites Kühlelement 16, die an gegenüberliegenden Seiten des Druckkopfes 12 angeordnet sind, so dass eine Art Sandwich-Bauweise ausgebildet ist.
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Der Druckkopf 12 umfasst vier Treiber-Schaltkreise 18 bis 22, von denen zwei Schaltkreise 18, 20 in einer Reihe an einer ersten Seite 24 des Druckkopfes und die anderen beiden Schaltkreise 22 an einer der ersten Seite 24 gegenüberliegenden zweiten Seite 26 des Druckkopfes 12 angeordnet sind. Die Schaltkreise 18 bis 22 sind hierbei insbesondere an der Innenseite eines Gehäusebleches 28 des Druckkopfes 12 angeordnet. Das Gehäuseblech 28 ist vorzugsweise aus Aluminium gefertigt und besitzt daher eine gute Wärmeleitfähigkeit.
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Beim Betrieb des Druckkopfes 12 erwärmen sich die Schaltkreise 18 bis 22 und führen durch ihre Abwärme somit zu einer Erwärmung des Gehäusebleches 28 und letztendlich des gesamten Druckkopfes 12, sofern keine Kühlung erfolgen würde. Dies würde die Viskosität der Tinte beeinflussen und sich somit negativ auf die Druckqualität auswirken. Ebenso können die Schaltkreise 18 bis 22 selbst durch zu hohe Temperaturen selbst geschädigt werden.
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Um eine effektive Kühlung der Schaltkreise 18 bis 22 zu erzielen und somit von vorneherein die Ausbreitung der Wärme in andere Bauteile des Druckkopfes 12 zu unterbinden, sind die beiden Kühlelemente 14, 16 jeweils an der den Schaltkreisen 18 bis 22 gegenüberliegenden Seite der Gehäusebleche 28 in unmittelbarer Nähe zu den Schaltkreisen 18 bis 22 angeordnet, so dass eine möglichst große Kühlwirkung erzielt wird.
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Die Kühlelemente 14, 16 sind insbesondere plattenförmig ausgebildet, so dass eine möglichst große Anlagefläche entsteht und somit besonders gut die Wärme übertragen werden kann. Zur weiteren Erhöhung des Wärmeübertrages zwischen den Kühlelementen 14, 16 und dem Gehäuseblech 28 sind zwischen den Kühlelementen 14, 16 und dem Gehäuseblech 28 jeweils Wärmeleitpads 30 angeordnet. Diese Wärmleitpads 30 weisen einen besonders hohen Wärmeleitkoeffizienten auf, so dass der Wärmeübertrag zwischen dem Gehäuseblech 28 und den Kühlelementen 14, 16 verbessert wird.
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Die Kühlelemente 14, 16 haben jeweils einen ersten Kanal 32, 34 und einen parallel zum ersten Kanal verlaufenden zweiten Kanal 36, 38. Die Kanäle 32 bis 38 sind hierbei derart geführt, dass sie an den an der jeweiligen Seite angeordneten Schaltkreisen 18 bis 22 möglichst nah vorbeilaufen, so dass sich die von den Schaltkreisen 18 bis 22 abgegebene Abwärme nicht weit innerhalb des Druckkopfes 12 verteilen kann und direkt eine Kühlung erfolgt, sofern die Kanäle 32 bis 38 mit einer Kühlflüssigkeit durchflossen sind.
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Durch die Kanäle 32 bis 38 wird eine Kühlflüssigkeit geleitet, durch die die Kühlelemente 14, 16 und somit der Druckkopf 12, insbesondere die Schaltkreise 18 bis 22, gekühlt werden. Als Kühlflüssigkeit kann beispielsweise Wasser oder eine Mischung aus 70 % Wasser und 30 % AntifrogenN verwendet werden.
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Die beiden Kühlelemente 14, 16 weisen jeweils einen ersten Anschluss 40, 42 und einen zweiten Anschluss 44, 46 auf. Über den ersten Anschluss 40 wird, wie durch den Pfeil P1 angedeutet, die Kühlflüssigkeit von einem zentralen Kühlmittelkreislauf dem ersten Kühlelement 14 zugeführt. Anschließend durchströmt die Kühlflüssigkeit parallel die beiden Kanäle 32, 36 des ersten Kühlelements 14, wie dies durch die Pfeile P2 und P3 angedeutet ist.
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Der zweite Anschluss 44 des ersten Kühlelementes 14 und der zweite Anschluss 46 des zweiten Kühlelementes 16 sind über einen Schlauch 48 miteinander verbunden, so dass die Kühlflüssigkeit nach dem Durchströmen des ersten Kühlelementes 14, wie durch den Pfeil P4 angedeutet, dem zweiten Kühlelement 16 zugeführt wird. Anschließend durchströmt die Kühlflüssigkeit die Kanäle 34, 38 des zweiten Kühlelementes 16, wie dies über die Pfeile P5 und P6 gezeigt ist, bevor die Kühlflüssigkeit dann über den ersten Anschluss 42 des zweiten Kühlelementes 16 wieder entsprechend dem Pfeil P7 dem allgemeinen Kühlmittelkreislauf zugeführt wird. Während des Durchlaufens der beiden Kühlelemente 14, 16 nimmt die Kühlflüssigkeit Wärme von dem Druckkopf 12 auf, so dass sich dieser nicht mehr so stark erwärmt.
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Das beschriebene Druckkopfmodul 10 wird insbesondere in Tintendruckern verwendet, in denen eine Vielzahl solcher Druckkopfmodule in einem Array, dem sogenannten Druckriegel, verwendet werden. Hierbei sind alle Druckkopfmodule 10 an einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf angeschlossen, wobei sie parallel zueinander geschaltet sind, so dass die Kühlflüssigkeit, wenn sie den Druckkopfmodulen 10 zugeführt wird, jeweils die gleiche Temperatur hat, so dass alle Druckkopfmodule 10 gleich gekühlt werden.
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Der Anschluss an den allgemeinen Kühlmittelkreislauf erfolgt insbesondere über Schnellkupplungen, so dass einzelne Druckkopfmodule 10 einfach ausgetauscht werden können.
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Bei der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform werden die Kühlelemente 14, 16 nachträglich an den Seitenwänden eines Druckkopfes 12 befestigt. Dies hat den Vorteil, dass an dem Druckkopf 12 selbst keine Veränderungen vorgenommen werden müssen. Die Befestigung erfolgt insbesondere über Stifte, Schrauben und/oder Klammern und ist derart ausgebildet, dass eine feste Einheit aus dem Druckkopf 12 und den Kühlelementen 14, 16 gebildet wird, die zuvor als Druckkopfmodul 10 bezeichnet wurde. Somit muss beim Austausch eines solchen Druckkopfmodules 10 nur eine einzige Baugruppe ausgetauscht und nicht mehrere Bauteile ein- und ausgebaut werden, was den Aufwand erheblich reduziert.
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Bei einer alternativen Ausführungsform können die Kühlelemente 14, 16 auch in das Gehäuse des Druckkopfes 12 integriert werden. Hierzu werden die Kanäle 32 bis 38 insbesondere in der Wandung des Gehäuses 28 des Druckkopfes 12 vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen den Kanälen 32 bis 38 und den Schaltkreisen 18 bis 22 reduziert wird, so dass die gleiche Kühlleistung bei einer höheren Kühlflüssigkeitstemperatur erreicht werden kann. Dies hat wiederum den Effekt, dass die Kühlflüssigkeitstemperatur noch näher an der Temperatur der Tinte sein kann und somit der Effekt hierauf reduziert wird.
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Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform kann jede Kühleinheit 14, 16 auch nur einen Kanal 32 bis 38 umfassen. Ebenso ist es alternativ möglich, dass die Kühlelemente 14, 16 mehr als zwei Kanäle 32 bis 38, beispielsweise drei Kanäle 32 bis 38, aufweisen. Je mehr Kanäle 32 bis 38 verwendet werden, umso größer ist bei ansonsten gleichen Parametern, also z.B. bei gleicher Kühlflüssigkeit und gleichem Volumenstrom, die Kühlleistung.
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Der zuvor beschriebene Aufbau bezieht sich auf einen Druckkopf 12 mit vier Schaltkreisen 18 bis 22. Werden dagegen Druckköpfe 12 mit einer anderen Anzahl von Schaltkreisen 18 bis 22 und/oder einer anderen Anordnung dieser verwendet, kann auch die Anordnung der Kühlelemente 14, 16 und deren Ausbildung entsprechend angepasst werden. Hierbei erfolgt die Anpassung insbesondere derart, dass die Kanäle 32 bis 38 der Kühlelemente 14, 16 jeweils in möglichst nahem Abstand an den Schaltkreisen 18 bis 22 vorbeilaufen. Sind beispielsweise nur an einer Seite 24, 26 des Druckkopfes 12 Schaltkreise 18 bis 22 angeordnet, kann beispielsweise auch nur an dieser Seite 24, 26 ein Kühlelement 14, 16 verwendet und auf das andere Kühlelement 14, 16 entsprechend verzichtet werden.
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In den 4a bis 4d sind die Ergebnisse einer FEM-Berechnung für die Temperaturverteilung innerhalb des Gehäusebleches 28 des Druckkopfes 12 für verschiedene Ausführungsformen der Kühlelemente 14, 16 dargestellt. Das Kühlelement 14 ist hierbei selbst durch die aufgelagerte Strichzeichnung angedeutet.
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Bei den Ausführungsformen nach den 4a und 4b umfasst die Kühleinheit 14 jeweils nur einen Kanal 32, bei den Ausführungsformen nach den 4c und 4d zwei Kanäle 32, 36. Bei Ausführungsformen nach 4a und 4c wird ein Wärmeleitpad mit einem Wärmeleitkoeffizienten von 3 W/mK verwendet, bei den anderen beiden Ausführungsformen ein Wärmeleitpad 30 mit einem Wärmeleitkoeffizienten von 7 W/mK.
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Die Schaltkreise 18 bis 22 befinden sich im Bereich der mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichneten Stellen.
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Der Vergleich der vier Ausführungsbeispiele zeigt, dass bei sonst gleichen Parametern eine umso effektivere Kühlung erreicht wird, je größer der Wärmeleitkoeffizient des Wärmeleitpads 30 ist und je mehr Kanäle 32, 36 verwendet werden. Je höher die Kühlleistung ist, desto geringer ist die Ausbreitung der Wärme innerhalb des Gehäusebleches 28.
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Insgesamt kann 4 gut entnommen werden, wie extrem lokal begrenzt die Wärmeausbreitung der durch die Schaltkreise 18 bis 22 abgegebenen Wärme durch die Kühleinheit 14, 16 gehalten wird, so dass ein Erwärmen anderer Bauteile des Druckkopfes 12, insbesondere der Tinte, von vorneherein vermieden oder zumindest minimiert wird. Somit wird eine besonders effektive, gezielte und gleichmäßige Kühlung erreicht.
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Darüber hinaus ermöglicht die Führung der Kanäle 32 bis 38 in unmittelbarer Nähe zu den die Wärme erzeugenden Schaltkreisen 18 bis 22, dass die Kühlflüssigkeit eine Temperatur von ungefähr 30°C haben kann und somit nah an der Tintentemperatur von 32°C liegt.
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Darüber hinaus kann somit die Kühlung der sich erwärmten Kühlflüssigkeit nach dem Durchführen durch die Kühlelemente 14, 16 über einen einfachen, passiv arbeitenden Luft-Wasser-Wärmetauscher erfolgen. Dabei wird Kühlluft an Leitungen, durch die die Kühlflüssigkeit fließt, vorbeigeführt. Bei einer Kühllufttemperatur von unter 26°C wird eine ausreichende Herunterkühlung der erwärmten Kühlflüssigkeit sichergestellt. Hierdurch kann auf teure, aktive Kühlelemente verzichtet werden und die Bildung von Kondenswasser wird vermieden.
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Alternativ können auch aktive Kühlungen, wie z.B. Rückkühler und/oder Plattenwärmetauscher, verwendet werden, die es unabhängig von der Umgebungstemperatur ermöglichen, die Kühlflüssigkeit auf die gewünschte Temperatur zu bringen.
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Ein weiterer Vorteil der verwendeten Flüssigkeitskühlung ist, dass diese bei niedrigen Umgebungstemperaturen auch einfach als eine Art Heizung benutzt werden kann und somit beim Start des Druckers für die gewünschte Betriebstemperatur sorgen kann. Hierzu sind insbesondere Heizelemente, beispielsweise Widerstandsheizdrähte, zum Erwärmen der Kühlflüssigkeit vorgesehen.
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Die Kanäle 32 bis 38 haben vorzugsweise jeweils einen Durchmesser zwischen 3 und 4 mm, insbesondere zwischen 3,5 und 3,7 mm. Die Kühlflüssigkeit steht insbesondere unter einem Druck von 50 und 60 mbar, wobei der Volumenstrom in den Kanälen 32 bis 38 insbesondere einen Wert zwischen 0,002 l/s und 0,01 l/s hat.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Druckkopfmodul
- 12
- Druckkopf
- 14, 16
- Kühlelement
- 18, 20, 22
- Schaltkreis
- 24, 26
- Seite
- 28
- Gehäuseblech
- 30
- Wärmepad
- 32 bis 38
- Kanal
- 40 bis 46
- Anschluss
- 48
- Schlauch
- 50
- Stelle
- P1 bis P7
- Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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