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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen einer Einheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der
DE 10 2013 110 515 A1 bekannt. Mit Hilfe der Kühlplatte und der Kühlflüssigkeit wird Wärme von mindestens einem elektrischen Schaltkreis, welcher den Druckkopf zum Ausstoßen von Tintentropfen antreibt und typischerweise als IC-Treiberbaustein ausgeführt ist, abgeführt, um eine vorteilhafte Betriebstemperatur für den Druckkopf einzuhalten. Durch die Kühlung wird auch der elektrische Schaltkreis vor Überhitzung geschützt.
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Der Druckkopf umfasst eine Düsen enthaltende Düsenplatte, die in wärmeleitenden Verbindung zur Kühlplatte steht und in der Tintenkanäle verlaufen. Die beim Betrieb vorhandene Tintentemperatur beeinflusst in einem erheblichen Maße die Viskosität der Tinte. Eine Änderung dieser Viskosität beeinflusst wiederum die Tröpfchenbildung und den Ausstoß der Tinte, wodurch die Druckqualität beeinträchtigt werden kann. Die Verlustwärme des elektrischen Schaltkreises kann relativ hoch sein, so dass trotz Kühlung mit der Kühlflüssigkeit die Tinte in den Tintenkanälen der Düsenplatte mit aufgeheizt wird und so Viskositätsschwankungen in der Tinte entstehen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Kühlen einer Einheit, insbesondere eine Vorrichtung zum Bedrucken eines Bedruckstoffs mit Tinte, anzugeben, bei der einerseits eine gute Wärmeabfuhr der Verlustleistung des elektrischen Schaltkreises erfolgt und andererseits die Tintentemperatur innerhalb enger Temperaturgrenzen gehalten wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der Erfindung ist zwischen erstem Kanal und zweitem Kanal, durch welche jeweils Kühlflüssigkeit hindurchgeleitet wird, eine Materialaussparung, insbesondere ein Schlitz mit vorgegebener Länge, in der Kühlplatte ausgebildet, durch die die Wärmekopplung zwischen erstem Kanal und zweitem Kanal reduziert wird. Durch diese Wärmeentkopplung wird die Verlustleistung, die beispielsweise vom elektrischen Schaltkreis herrührt, zu wesentlichen Anteilen über die Kühlflüssigkeit im ersten Kanal abgeführt. Diese Verlustleistung und damit die in diesem Abschnitt der Kühlplatte vorhandene erhöhte Temperatur hängen von der Auslastung beispielsweise eines Druckkopfes beim Bedrucken ab. Diese Temperaturschwankungen, insbesondere Temperaturspitzen, werden wegen der vorhandenen Materialaussparung nicht unmittelbar bis zur Düsenplatte weitergeleitet. Deren Temperatur hängt in einem erheblichen Maße von der Temperatur der Kühlflüssigkeit im zweiten Kanal ab, wodurch eine Temperaturvergleichmäßigung erfolgt. Eine übermäßige Wärmeleitung in den tintenführenden Bereich der Düsenplatte wird dadurch reduziert und die Tintentemperatur wird innerhalb eines engen Temperaturbereichs gehalten. Insgesamt wird so die Druckqualität beim Bedrucken des Bedruckstoffs verbessert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Druckkopfmoduls,
- 2A,B Schnittdarstellungen entlang den Linien A-A und B-B,
- 3 eine Schnittdarstellung mit Rahmenelement,
- 4A eine vergleichende Darstellung von Kühlplatten mit und ohne Schlitz und
- 4B ein Diagramm mit den entsprechenden Temperaturverläufen über die Druckauslastung.
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1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Druckkopfmodul 10 zum Bedrucken eines Bedruckstoffs, z.B. Papier, mit Tinte. Das Druckkopfmodul 10 besitzt an seinem unteren Ende einen Druckkopf mit einer Düsenplatte 12, die über einen metallischen Rahmen 14 in wärmeleitender Verbindung mit beiderseits des Rahmens 14 angeordneten Kühlplatten 16, 17 steht. Innerhalb der Kühlplatten 16, 17 verlaufen ihrer Länge nach jeweils ein erster Kanal 22 und ein zweiter Kanal 24 (in 1 gestrichelt dargestellt), in welchem Kühlflüssigkeit aus einem Kühlmittelkreislauf strömt. Die Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser oder eine Mischung aus Wasser und einem Kühlmittelzusatz, wird über Verbindungselemente 18a, 18b, 18c, 18d gemäß den Pfeilen P1 bis P4 aus einem Kühlmittelkreislauf zugeführt bzw. abgeführt.
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Oberhalb und unterhalb eines in jeder Kühlplatte 16, 17 vorhandene Materialaussparung, insbesondere ein Längsschlitzes 20, verläuft in jeder Kühlplatte 16, 17 der erste Kanal 22 bzw. der zweite Kanal 24 (im Detail in folgenden Figuren zu erkennen), welcher eine Wärmeentkopplung zwischen den beiden Kanälen bewirkt. Die Düsenplatte 12 enthält Düsen, denen Piezoelemente oder Heizelemente zugeordnet sind, durch die Tintentropfen unter Druck aus den Düsen auf den Bedruckstoff ausgestoßen werden.
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Die 2A und 2B zeigen Details des Druckmoduls 10 in Schnittdarstellungen, wobei in 2A ein Schnitt A-A und in 2B ein Schnitt B-B dargestellt ist. Gleiche Teile sind hier und im Folgenden gleich bezeichnet und mit identischen Bezugszeichen versehen.
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In der jeweiligen Kühlplatte 16, 17 ist mindestens ein oberer erster Kanal 22 und unterhalb des Schlitzes 20 mindestens ein unterer zweiter Kanal 24 ausgebildet, die von der Kühlflüssigkeit durchströmt sind. Der untere zweite Kanal 24 verläuft nahe der Düsenplatte 12, in der Tintenkanäle (nicht dargestellt) mit Tinte verlaufen können. Die Kühlflüssigkeit wird über das meist schlauchförmige Verbindungselement 18a in Richtung des Pfeils P1 der Kühlplatte 16 zugeführt und teilt sich gemäß den Pfeilen P2 bzw. P3 in einen Flüssigkeitsstrom im ersten Kanal 22 bzw. im zweiten Kanal 24 auf. Am Ende des oberen ersten Kanals 22 wird der Flüssigkeitsstrom nach oben entlang dem Pfeil P4 geführt und über das Verbindungselement 18b dem oberen ersten Kanal 22 der weiteren Kühlplatte 17 zugeführt. Der Strom von Kühlflüssigkeit im unteren zweiten Kanal 24 wird gemäß dem Pfeil P3 über das Verbindungselement 18c dem unteren zweiten Kanal 24 der weiteren Kühlplatte 17 zugeführt.
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In der 2B ist zu erkennen, dass nach dem Durchlaufen der Kühlflüssigkeit durch die ersten Kanäle 22 und die zweiten Kanäle 24 diese über das Verbindungselement 18d wieder abgeführt wird. Durch diese Führung des Flüssigkeitsstroms wird erreicht, dass die von der nahe den oberen ersten Kanälen 22, 22 angeordneten einen oder mehreren Treiberbausteinen erzeugte Wärme getrennt vom Flüssigkeitsstrom in den unteren Kanälen 24, 24 in den Kühlmittelkreislauf abgeführt wird. Dadurch wird eine weitere Wärmeentkopplung erreicht.
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Die 3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung des in 2B eingekreisten Details Z. Die Kühlplatte 16 ist mit dem Rahmen 14 wärmeleitend verbunden, der wiederum mit der Düsenplatte 12 wärmeleitend verbunden ist. Eine flexible Leiterplatte 26 trägt elektronische Bauelemente und insbesondere den als Treiberbaustein 28 ausgebildeten elektrischen Schaltkreis. Dieser Treiberbaustein 28 stellt die Energie bei der Ansteuerung der Düsen auf der Düsenplatte 12 zur Verfügung. Er erzeugt eine relativ hohe Verlustleistung und ist mit seinem Kühlgehäuse vorzugsweise in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Kühlplatte 16 nahe dem oberen ersten Kanal 22. Zur Verbesserung des Wärmekontaktes ist der Treiberbaustein 28 vorzugsweise mit einer Federkraft F beaufschlagt. Der Rahmen 14 stellt eine enge Wärmekopplung zwischen dem unteren zweiten Kanal 24 und der Düsenplatte 12 her, wobei der Schlitz 20 eine Wärmeentkopplung zwischen dem ersten Kanal 22 und dem zweiten Kanal 24 bewirkt.
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Die Verlustleistung am Treiberbaustein 28 kann abhängig vom Druckmuster erheblich schwanken, so dass die in diesem Bereich der Kühlplatte entstehende Temperatur entsprechend schwanken kann. Die Wärmeentkopplung durch den Schlitz 20 vermindert die Wärmeübertragung auf den unteren Abschnitt der Kühlplatte 16, so dass in diesem Bereich die Temperatur auch bei einer erheblichen Schwankung der Verlustleistung am Treiberbaustein 28 weitgehend konstant bleibt. Die Tinte in der Düsenplatte 12 verbleibt damit innerhalb vorgegebener enger Temperaturgrenzen für eine optimale Druckqualität.
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4B zeigt ein Diagramms, in welchem auf der Abszisse die Druckauslastung in Prozent und auf der Ordinate die Temperatur am unteren Rand 30 der Kühlplatte 16 aufgetragen ist. Links in der 4A ist schematisch die linke Kühlplatte 16A mit Schlitz 20 gezeigt. Rechts in der 4A ist eine Kühlplatte 16B ohne Schlitz dargestellt, wobei die Parameter, wie Material, Geometrie etc. identisch sind. Der Treiberbaustein 28 erzeugt eine Verlustleistung, die mit Druckerauslastung ansteigt. Dies erklärt sich daraus, dass an Stellen, an denen auf dem Bedruckstoff, z.B. Papier, keine Farbe gedruckt wird, der Treiberbaustein 28 nicht aktiv ist, während er bei hoher Druckauslastung und entsprechendem Farbauftrag entsprechend häufig aktiviert wird. Daher steigt seine Verlustleistung mit der Druckauslastung an. Die Kennlinie B in 4B zeigt den Temperaturverlauf der rechten Kühlplatte 16B ohne Schlitz, wobei die Temperatur am unteren Rand 30 der Kühlplatte 16B von etwa 33 °C über die Druckauslastung bis auf 36,5 °C ansteigt, woraus sich ein Temperaturunterschied am Rand 30, d.h. an der Kontaktfläche zum Rahmen 14 von 4 °K ergibt. Die Kennlinie A in 4B zeigt den Temperaturverlauf der linken Kühlplatte 16A mit Schlitz, wobei infolge der Wärmeentkopplung durch den Schlitz 20 dieser Temperaturunterschied nur noch 2 °K beträgt. Demzufolge ist die Temperaturschwankung, welche auf die Tinte in der Düsenplatte 12 einwirkt, wesentlich geringer. Die Ergebnisse der Computer-Simulation konnten durch tatsächliche Messungen bestätigt werden. Ferner ist darauf hinzuweisen, dass die linke Kühlplatte 16A zwei erste Kanäle 22' und 22" aufweist, die über dem Schlitz 20 angeordnet sind. Dagegen weist die rechte Kühlplatte 16B einerseits keinen Schlitz und andererseits keinen zweiten Kanal 24 auf. Aber es sind in der rechten Kühlplatte 16B zwei erste Kanäle 22' und 22" vorhanden.
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Die optimale Betriebstemperatur für die Tinte ist von der Art der Tinte abhängig. Beispielsweise liegt ein optimaler Temperaturbereich bei 32 °C ± 1,5 °C. Durch die Erfindung wird die Temperatur im Kontaktbereich unmittelbar zum Rahmen 14 und damit indirekt zur Düsenplatte 12 in dem gewünschten optimalen Temperaturbereich gehalten.
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Das gezeigte Ausführungsbeispiel kann vielfach abgewandelt werden. So ist vorzugsweise der Schlitz 20 durchgehend, jedoch kann eine gute Wärmeentkopplung auch erreicht werden, wenn die Schlitztiefe mindestens 80 % der Dicke der Kühlplatte 16 entspricht. Typischerweise sind auf jeder Kühlplatte 16, 17 in gleicher Höhe mindestens ein zweiter Schaltkreis, meist ein Treiberbaustein, angeordnet, der von der Kühlflüssigkeit im ersten Kanal 22 gekühlt wird. Die Kühlplatten 16, 17 bestehen typischerweise aus Aluminium und besitzen eine gute Wärmeleitfähigkeit. Als Kühlflüssigkeit wird typischerweise Wasser oder eine Mischung aus 70 % Wasser und 30 % Antifrogen N verwendet. Der Kühlmittelkreislauf enthält eine Kühlvorrichtung, durch die die Temperatur der zugeführten Kühlflüssigkeit typischerweise im Bereich von 30 °C bis 32 °C liegt.
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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, eingesetzt 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 18a bis 18d, so dass einzelne Druckkopfmodule 10 einfach ausgetauscht werden können.
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Die Kanäle 22, 22', 22" und 24 haben vorzugsweise jeweils einen Durchmesser zwischen 3 und 4 mm, insbesondere zwischen 3,5 und 3,7 mm. Die Kühlflüssigkeit steht vorzugsweise unter einem Druck von 50 bis 60 mbar, wobei der Volumenstrom in den Kanälen 22, 24 vorzugsweise einen Wert zwischen 0,002 l/s und 0,01 l/s hat.
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Der Schlitz hat typischerweise eine Breite von 0,8 bis 2 mm und eine Länge, die mindestens 70 % der Länge der Düsenplatte 12 beträgt.
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Die von Kühlflüssigkeit durchflossenen Kühlplatten dienen in erster Linie zur Wärmeabfuhr. Der Anschluss an einen Kühlmittelkreislauf ermöglicht auch eine Erwärmung des Druckkopfes auf eine gewünschte Betriebstemperatur, was vorteilhaft beim Startvorgang und/oder bei niedrigen Umgebungstemperaturen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Druckkopfmodul
- 12
- Düsenplatte
- 14
- Rahmen
- 16, 17
- Kühlplatte
- 18a bis 18d
- Verbindungselemente
- P1 bis P4
- Richtungspfeile
- 20
- Schlitz
- 22
- oberer erster Kanal
- 24
- unterer zweiter Kanal
- 26
- flexible Leiterplatte
- 28
- elektrischer Schaltkreis; Treiberbaustein
- F
- Federkraft
- 30
- unterer Rand der Kühlplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013110515 A1 [0002]
