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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche einer Walze, insbesondere einer Schicht aus Flüssigtoner in einem Drucker oder Kopierer. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche einer Walze.
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Zum Erzeugen einer Flüssigkeitsschicht wird im Stand der Technik einem Walzenpaar Flüssigkeit zugeführt, wobei das Walzenpaar eine Walze mit harter Oberfläche und einer dieser gegenüberliegend angeordneten Walze mit weicher Oberfläche umfasst. Beide Walzen bilden in einem zueinander geschwenkten Zustand einen Kontaktbereich aus, der Nip genannt wird. Die harte Oberfläche der einen Walze verformt dabei plastisch die Oberfläche der weichen Walze und die Form des Nips ist abhängig von Anschwenkkraft, Härte und Kompressibilität des verwendeten Walzenmaterials.
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Auf der Einlaufseite dieses Nips bildet sich je nach Zufuhrmenge ein Flüssigkeitsüberschuss aus, welcher sich über die gesamte Kontaktlänge des Walzenpaars etwa gleichmäßig verteilt. Um ein Austreten von Flüssigkeit an den Walzenenden zu verhindern, wird dieser Nip an den Stirnseiten häufig mit Dichtungen verschlossen.
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Es ist weiterhin bekannt, überschüssige Flüssigkeit mit Hilfe von Abstreifern abzuleiten, welche nach dem Nip auf die Walze mit weicher Oberfläche einwirken. Die Reibung zwischen dem Material des Abstreifers und der Walzenoberfläche stellt eine erhebliche Mehrbelastung für die Walzenoberfläche dar, wodurch ein Verschleiß erfolgt und die Lebensdauer signifikant verkürzt wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Erzeugen einer Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche einer Walze anzugeben, bei der bzw. bei dem der Verschleiß verringert und eine Stabilisierung des Herstellprozesses für die Flüssigkeitsschicht erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß der Erfindung ist in jedem Randbereich des Walzenpaars eine Dichtvorrichtung angeordnet, die den Nip im zugehörigen Randbereich im Wesentlichen frei von Flüssigkeit hält.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Walzen, insbesondere Walzen mit weicher Oberfläche, die z.B. eine Elastomerbeschichtung aufweisen, aufgrund von mechanischer Walkarbeit im Nip und/oder chemischer Belastung durch die Flüssigkeit an ihren Walzenenden stärker verschleißen als im restlichen Bereich der Walzenkörper. Eine Reduzierung des Durchmessers an den jeweiligen Rändern der Walze ist die Folge. Ist diese Reduzierung so groß, dass die Eindringtiefe des Nips nicht mehr ausreichend ist, so wird an dieser Stelle mehr Flüssigkeit durch den Nip gefördert und eine deutlich vergrößerte Flüssigkeitsschicht entsteht auf der Walzenoberfläche nach dem Nip. Dieser Flüssigkeitsüberschuss führt zu Verschmutzungen und Qualitätseinbußen im weiteren Prozess und wird durch die Erfindung vermieden. Beispielsweise bei Druckern, die nach dem elektrophoretischen Prinzip arbeiten, führt eine erhöhte Flüssigkeitsmenge zu undefiniert eingefärbten Bereichen im Randbereich des Druckmediums.
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Bei der Erfindung kann die Verwendung von Abstreifern für überschüssige Flüssigkeit nach dem Nip reduziert oder sogar völlig vermieden werden. Dadurch wird die Reibung zwischen dem Material des Abstreifers und der Walzenoberfläche reduziert oder entfällt vollständig, wodurch eine Mehrbelastung für die Oberfläche vermieden wird. Außerdem wird durch die Verringerung des Verschleißes auch eine Reduzierung des Durchmessers an den Walzenenden vermieden.
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Die Dichtvorrichtung, die den Nip im zugehörigen Randbereich, insbesondere im zugehörigen Randbereich der Mantelfläche der Walze mit weicher Oberfläche, im Wesentlichen frei von Flüssigkeit hält, bewirkt, dass eine funktionelle Verbesserung des technischen Prozesses erreicht wird, da eine definierte Trennung zwischen benetzter Zone, beispielsweise dem Bildbereich beim Drucker, und einer unbenetzten Randzone im Bereich der Dichtvorrichtung erfolgen kann. „Im Wesentlichen frei von Flüssigkeit“ hat hier die technische Bedeutung, dass die Dichtvorrichtung die auf der Walze zugeführte Flüssigkeitsschicht im zugehörigen Randbereich in Richtung des Nip zunehmend verringert, wobei eine gewisse Restschichtdicke noch vorhanden sein soll, um die Dichtelemente der Dichtvorrichtung zu kühlen und um den Reibwert der Dichtvorrichtung gering zu halten. Im Nip des zugehörigen Randbereichs ist die restliche Flüssigkeitsschicht so dünn, dass der Zustand im Wesentlichen frei von Flüssigkeit vorhanden ist. Auch dann, wenn ein gewisser Verschleiß an der Dichtvorrichtung auftritt, kann eine dünne Flüssigkeitsschicht auftreten, die aber wesentlich dünner als die durch den Nip erzeugte Flüssigkeitsschicht ist und für die Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung nur von untergeordneter Bedeutung ist.
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Vorzugsweise umfasst die Dichtvorrichtung ein axiales Dichtelement, das den Randbereich stirnseitig abdichtet. Auf diese Weise wird ein stirnseitiges Austreten von Flüssigkeit verhindert.
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Ebenso vorzugsweise umfasst die Dichtvorrichtung ein radiales Dichtelement, das in Drehrichtung des Walzenpaares vor dem Nip angeordnet ist.
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Die Aufteilung in axiales Dichtelement und radiales Dichtelement verbessert die Funktionsweise der Dichtvorrichtung und es wird im Randbereich des Nip ein Zustand erreicht, in welchem keine Flüssigkeit mehr vorhanden ist. Vorzugsweise hat das axiale Dichtelement und/oder das radiale Dichtelement an seinen Dichtflächen einen festen geschlossen-porigen Werkstoff mit geringen Reibungsbeiwerten. Beispielsweise wird als Werkstoff ein geschlossen-zelliger PE-Schaum (Polyethylen-Schaum) verwendet. Vergleichbare Schaumstoffe sind ebenfalls möglich.
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Eine wichtige Weiterbildung sieht vor, dass der Dichtvorrichtung Druckluft zugeführt ist, die auf die Flüssigkeit in einer Trockenzone vor dem Nip einwirkt. Mit Hilfe dieser Druckluft wird dem Flüssigkeitsstrom entgegengewirkt, der längs des Nips in Richtung Walzenrand fließt, wodurch der Nip und/oder der Bereich vor dem Nip frei von Flüssigkeit gehalten wird.
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Die Walze mit harter Oberfläche kann beispielsweise aus Stahl, Edelstahl oder Aluminium gefertigt sein. Sie kann außerdem eine harte Beschichtung aufweisen oder aus Vollmaterial gefertigt sein. Die Walze mit weicher Oberfläche besteht beispielsweise aus einem Kern aus Stahl oder Aluminium und umfasst eine Elastomer-Beschichtung, beispielsweise aus Nitril-Kautschuk (NBR) oder Polyurethan (PU).
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Typischerweise hat der Randbereich, in welchem das radiale Dichtelement wirksam ist, eine Breite von 10 bis 30 mm, vorzugsweise für Drucker im Bereich von 10 bis 15 mm. Das radiale Dichtelement wird typischerweise mit einer Kraft von 5 bis 10 N angedrückt. Das axiale Dichtelement hat typischerweise eine Anpresskraft von 10 bis 20 N.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche einer Walze, insbesondere einer Schicht aus Flüssigtoner in einem Drucker oder Kopierer, angegeben. Die damit erreichbaren Vorteile stimmen im Wesentlichen mit denen der beschriebenen Vorrichtung überein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Walzenpaars mit Dichtvorrichtung,
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2 eine schematische Ansicht von der Stirnseite aus gesehen,
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3 ein Ausführungsbeispiel mit Zuführung von Druckluft über das radiale Dichtelement,
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4 ein Ausführungsbeispiel mit Zuführung von Druckluft über einen Kanal im axialen Dichtelement,
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5 ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Kanälen für die Druckluftzuführung entlang dem radialen Dichtelement, und
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem außerhalb der Dichtvorrichtung angeordneten Zuführelement für die Druckluft.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung schematisch eine Vorrichtung 10 nach der Erfindung zum Erzeugen einer Flüssigkeitsschicht. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Walzenpaar mit einer Walze 12 mit harter Oberfläche und einer ihr gegenüberliegend angeordneten Walze 14 mit weicher Oberfläche. Die Walze 12 kann beispielsweise aus Stahl, Edelstahl oder Aluminium gefertigt sein. Sie kann auch eine Hartbeschichtung an ihrer Oberfläche aufweisen. Die Walze 14 besteht beispielsweise aus einem Kern 16 aus Stahl oder Aluminium und hat eine weiche Außenschicht 18, beispielsweise eine Elastomer-Beschichtung.
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Die Walzen 12, 14 drehen sich um Achsen 20 bzw. 22 in Richtung der Drehpfeile P1 bzw. P2 und fördern Flüssigkeit 24, die beispielsweise über eine Schöpfwalze der Mantelfläche 15 der Walze 14 zugeführt ist. Im aneinander geschwenkten Zustand der Walzen 12, 14 berühren sich diese (ohne Flüssigkeit) in einem Kontaktbereich und bilden einen Nip 26, wobei die Elastomer-Beschichtung 18 durch die harte Oberfläche der Walze 12 plastisch verformt wird. Die Ausprägung und Eindringtiefe des Nips 26 ist abhängig von der Anschwenkkraft, der Härte und Kompressibilität des verwendeten Walzenmaterials der Walzen 12, 14. Auf der Einlaufseite des Nips 26 bildet sich je nach Zufuhrmenge ein Flüssigkeitsüberschuss, welcher sich über die gesamte Kontaktlänge der beiden Walzen 12, 14 etwa gleichmäßig verteilt und abgequetscht wird, so dass nach dem Nip 26 eine Flüssigkeitsschicht mit definierter Schichtdicke auf der Mantelfläche der Walze 14 vorhanden ist. Eine Flüssigkeitsströmung 27 ergibt sich auch längs dem Nip 26 in Richtung zum Rand der Walzen 12, 14 hin. In jedem Randbereich 30 des Walzenpaars 12, 14 ist eine Dichtvorrichtung 28 angeordnet (zur besseren Übersicht ist in den Figuren jeweils nur eine Dichtvorrichtung 28 dargestellt). Diese Dichtvorrichtung 28 bewirkt, dass der Nip 26 in den zugehörigen axialen und radialen Randbereichen frei von Flüssigkeit gehalten wird.
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Die Dichtvorrichtung 28 umfasst ein radiales Dichtelement 32, welches mit einer Dichtfläche auf der Mantelfläche der Walze 14 im Randbereich 30 aufliegt. Ferner umfasst die Dichtvorrichtung 28 ein axiales Dichtelement 34, welches mit seiner Dichtfläche an der Stirnseite der Walzen 12, 14 anliegt und einen Austritt von Flüssigkeit verhindert. Die Dichtflächen der Dichtelemente 32, 34 bestehen aus einem festen geschlossen-porigen Werkstoff mit geringen Reibungsbeiwerten, beispielsweise aus Polyethylen-Schaum (PE-Schaum).
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2 zeigt das Beispiel nach 1 von der Stirnseite aus gesehen und in einer teilweise geschnittenen Ansicht. Funktionell gleiche Teile sind hier und in den folgenden Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Dichtvorrichtung 28 bewirkt, dass in einer Trockenzone 36 am Randbereich unmittelbar vor dem Nip 26 und innerhalb des Nips 26 keine Flüssigkeit vorhanden ist und begrenzt die Flüssigkeitsschicht im Randbereich 30. Somit kann kein erhöhter Austrag an Flüssigkeit mehr auftreten, da der Nip 26 im Bereich 30 des äußeren Randes nicht geflutet wird. Selbst wenn in diesem äußeren Bereich 30 eine Durchmesserreduzierung aufgrund eines Verschleißes auftreten sollte, ist dies nicht kritisch, da keine Flüssigkeit im Nip 26 des Randbereichs 30 gefördert wird oder aus diesem Randbereich 30 stirnseitig heraustreten kann. Somit wird die Einsatzdauer der Vorrichtung selbst bei einem radialen Verschleiß der Walzen 12, 14 im Randbereich 30 verlängert.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Dichtvorrichtung 28 mit Druckluft D beaufschlagt wird. Diese Druckluft D wirkt gegen die zum Rand strebende Flüssigkeitsströmung 27 und verhindert so ein Fluten im Bereich der Dichtung 28 in der Zone 36 vor dem Nip 26 und im Nip 26. Die Druckluft D wird mit einem Überdruck von beispielsweise 0,1 bis 2 bar über einen Kanal 38 im radialen Dichtelement 32 der Zone 36 direkt vor dem Nip 26 zugeführt. Aufgrund der Abdichtung durch das stirnseitig angeordnete axiale Dichtelement 34 tritt die Druckluft D seitlich an der Dichtvorrichtung 28 entgegengerichtet der Flüssigkeitsströmung 27 wieder aus und hält die Zone 36 vor dem Nip 26 und im Nip 26 frei von Flüssigkeit.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem im axialen Dichtelement 34 ein Kanal 40 angeordnet ist, dessen Öffnung in der Zone 36 vor dem Nip 26 mündet und diesem Bereich Druckluft D zuführt.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem im radialen Dichtelement 32 mehrere radial angeordnete Kanäle 42 angeordnet sind, denen Druckluft D über einen Verteilungskanal 44 zugeführt ist. Die Druckluft D tritt an der Dichtfläche 43 des radialen Dichtelements 32 aus und bewirkt, dass diese Dichtfläche 43 in Richtung Nip 26 zunehmend frei von Flüssigkeit gehalten ist, so dass in der Trockenzone 36 vor dem Nip 26 und im Nip 26 keine Flüssigkeit vorhanden ist. Auf diese Weise wird auch ein Eindringen von Flüssigkeit zwischen dem radialen Dichtelement 32 und den Walzen 12, 14 verhindert.
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6 zeigt ein Beispiel, bei dem Druckluft D außerhalb der Dichtvorrichtung 28 einem Bereich vor dem Nip 26 nahe der Dichtvorrichtung 28 zugeführt ist. Dieses Zuführelement 46 kann in Form eines Schlauches, eines Rohrstücks oder einer Düse ausgebildet sein.
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Die gezeigten Beispiele können miteinander kombiniert werden. So kann die Druckluftzuführung nach den 6, 5, 4 und 3 miteinander kombiniert werden, um das Freihalten von Flüssigkeiten vor dem Nip 26 oder im Nip 26 zu unterstützen.
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Die Erfindung und die gezeigten Ausführungsbeispiele können für verschiedene Anwendungen in flüssigkeitsführenden Systemen eingesetzt werden, insbesondere bei Druckern oder Kopierern, die auf Basis von Flüssigtoner arbeiten. Bei einer Walzenpaarung mit harter und weicher Walze ist beim Stand der Technik der Verschleiß der weichen Walze das die Lebensdauer begrenzende Bauteil. Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen Betrieb der Walzen über eine gewisse Verschleißgrenze hinaus, da der relevante Randbereich nicht mehr mit Flüssigkeit in Kontakt kommt und somit der Verschleiß im Randbereich keine negativen Auswirkungen mehr hat. Durch Beaufschlagung mit Druckluft kann ein Fluten dieses Bereichs weitgehend verhindert werden.
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Ein wichtiges Anwendungsbeispiel ist der Einsatz der Vorrichtung 10 in einem Drucker, der nach dem elektrophoretischen Prinzip arbeitet. Die Walze 14 ist hierbei als Entwicklerwalze ausgeführt, der Flüssigkeit in Form von Flüssigtoner zugeführt ist. Die Walze 12 bildet eine Dosierwalze, mit deren Hilfe auf der Mantelfläche der Walze 14 nach dem Nip 26 eine dünne Flüssigtonerschicht erzeugt wird, durch die ein latentes Bild auf einer Fotoleiteroberfläche eingefärbt wird. Dieses eingefärbte Bild kann dann direkt oder mittels einer Transferwalze auf ein Druckmedium, z.B. Papier, übertragen werden.
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Insgesamt ergeben sich erhebliche technische Vorteile. So kann eine funktionelle Verbesserung des Prozesses bei der Erzeugung von Flüssigkeitsschichten erreicht werden, da eine definierte Trennung zwischen einer benetzten Zone (bei einem Drucker der Bildbereich) und einer unbenetzten Randzone erfolgen kann. Es wird eine Stabilisierung der nachfolgenden Prozessschritte erreicht, da keine überschüssige Flüssigkeitsmenge aus der Vorrichtung ausgetragen wird.
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Eine Verschmutzung durch überschüssige Flüssigkeit wird vermieden, was zu einer Reduzierung von Wartungs- und Reinigungsarbeiten führt. Insgesamt steigt dadurch die Produktivität der Vorrichtung und der Anlage, in der diese Vorrichtung eingesetzt wird.
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Es sind keine zusätzlichen Maßnahmen zur Reinigung der Randzonen nötig. Auf diese Weise werden Bauteile und Kosten hierfür eingespart und es wird die Komplexität des Systems abgesenkt.
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Der Verschleiß der Walze mit weicher Oberfläche kann durch den Wegfall von abstreifenden Elementen oder einer Reduzierung der Wirkung dieser Elemente deutlich verringert werden. Die Lebensdauer dieser Walze und damit die Produktivität einer Anlage mit einer solchen Walze wird deutlich erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Walze mit harter Oberfläche
- 14
- Walze mit weicher Oberfläche
- 15
- Mantelfläche
- 16
- Kern
- 18
- Außenschicht
- 20, 22
- Achsen
- P1, P2
- Drehpfeile
- 24
- Flüssigkeit
- 26
- Nip
- 27
- Flüssigkeitsströmung
- 28
- Dichtvorrichtung
- 30
- Randbereich
- 32
- radiales Dichtelement
- 34
- axiales Dichtelement
- 36
- Zone vor dem Nip
- D
- Druckluft
- 38
- Kanal
- 40
- Kanal im axialen Dichtelement
- 42
- radial angeordnete Kanäle
- 44
- Verteilungskanal
