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Die Erfindung betrifft ein Tintenregelungssystem eines Tintenstrahldruckers und ein Verfahren zum Regeln der Tintenzufuhr.
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Tintenstrahldrucker, so genannte Inkjet-Drucker, benötigen eine Tintenversorgung, mit der der Zulaufdruck, auch Meniskus-Druck, im Kopftank präzise einstellbar ist. Über den Kopftank wird Tinte aufgrund des hydrostatischen Drucks zu den Düsen des Druckkopfs gefördert, wo ein üblicherweise Piezoaktuator die Tinte ausstößt. Aus diesem Grund ist das wichtig, dass der Druck im Kopftank genau geregelt wird und auch während des Druckens möglichst konstant bleibt. Druckschwankungen sollen auf +/- 1 mbar möglichst begrenzt sein, um eine stabile Funktion des Druckkopfs sicherzustellen.
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Üblich ist es, die Tinte von einem Haupttank, der mehrere Liter Inhalt hat, mittels einer Pumpe zum Kopftank zu fördern und in diesem Kopftank mittels mehrerer Sensoren den Füllstand zu ermitteln. Dabei sind üblicherweise Füllstandssensoren eingebaut, die den niedrigsten und höchsten Druck detektieren.
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Um den Meniskus-Druck zu erzeugen und konstant zu halten, wird in herkömmlichen Farbversorgungssystemen eine Vakuum-Pumpe mit Druckausgleichsbehältern und Drucksensoren verbaut, sowie einem Ventil, das auf Atmosphärendruck schaltet, um so einen zu hohen Unterdruck zu reduzieren. Um eine hohe Regelgenauigkeit zu erreichen, werden teilweise Speicher-Druckausgleichgefäße mit mehreren Litern Volumen eingesetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Regelgenauigkeit des Meniskusdrucks hoch zu halten, bei gleichzeitiger Reduktion der Anzahl der verwendeten Komponenten, bei einer Reduzierung des Bauraums und bei einer Reduzierung der Kosten.
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Diese Aufgabe wird bei einem Tintenregelungssystem eines Tintenstrahldruckers gelöst, mit
- einem Kopftank für Tinte, der über eine Auslassleistung mit einem unterhalb des Kopftanks liegenden Druckkopf verbindbar ist, wobei in der Auslassleitung ein Steuerventil sitzt,
- einem Haupttank, der über eine Versorgungsleitung mit dem Zwischentank strömungsmäßig gekoppelt ist, wobei in der Versorgungsleitung eine reversibel betätigbare Förderpumpe sitzt, die Tinte zwischen Haupt- und Kopftank hin und her fördert, und
- einem singulären Sensor zur Bestimmung des Drucks im Kopftank.
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Die Erfindung arbeitet nur mit einem einzigen Sensor, das heißt, es sind keine Füllstandssensoren oder mehreren Sensoren zur Bestimmung der Tintenmenge im Zwischentank vorgesehen. Über die reversible Pumpe kann Tinte in den Kopftank geleitet werden und auch beim Anfahren des Druckers aus dem Kopftank herausgefördert werden, um Unterdruck zu erzeugen. Ein solcher Unterdruck ist deshalb notwendig, weil der Druckkopf unterhalb des Kopftanks sitzt und deshalb der Flüssigkeitsdruck ohnehin für eine Förderung der Tinte zum Druckkopf sorgt. Ohne einen gewissen Unterdruck im Kopftank wäre die Menge des zum Druckkopf strömenden Tinte zu hoch.
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Der Sensor misst den Druck, den die Tintensäule im Kopftank erzeugt. Es sind folglich keine komplexen Messsysteme erforderlich, die zum Beispiel die geförderte Tintenmenge ermitteln und über die dann auf den Druck dem Kopftank geschlossen wird.
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Das Steuerventil ist z. B. ein schaltbares Sperrventil.
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Der Sensor ist vorzugsweise ein Drucksensor, der den Fluiddruck im Kopftank direkt ermittelt.
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Der Kopftank kann mit einem schaltbaren Entlüftungsventil versehen sein, welches beim Befüllen des Kopftanks während des Startens des Druckers geöffnet wird, wenn der Kopftank auf die vorbestimmte Tintenmenge befüllt wird.
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Die reversibel arbeitende Pumpe ist insbesondere eine Schlauchpumpe oder Zahnradpumpe, die einfach und kostengünstig realisierbar ist.
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Das erfindungsgemäße Tintenregelungssystem umfasst vorzugsweise auch eine Steuerung, die so programmiert ist, dass die Pumpe beim Drucken Tinte in den Kopftank fördert, um den Druck im Kopftank konstant zu halten. Der Druck im Kopftank ist während des Druckens ein Unterdruck.
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Die Steuerung ist vorzugsweise ferner so programmiert, dass sie zu Beginn des Füllvorgangs des Kopftanks das Entlüftungsventil in die Öffnungsstellung ansteuert, die Pumpe so ansteuert, dass diese Tinte in den Kopftank bis zum Erreichen eines vorgegebenen Druckes fördert, anschließend das Entlüftungsventil schließt und die Förderpumpe dann so ansteuert, dass Tinte in den Haupttank bis zu Erreichen eines vorbestimmten Unterdrucks zurückfördert.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Tintenregelungssystem so ausgebildet, dass es Tinte beim Drucken nur in Richtung zum Druckkopf fördert sog. „single-end Druckkopf“). Das bedeutet, ist es kein Kreislauf vorhanden, bei dem nicht im Druckkopf ausgestoßene Tinte zurückgefördert wird (sog. „rezirkulierender Druckkopf“).
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Die Erfindung kann jedoch auch bei einem Kreislaufsystem verwendet werden, was bedeutet, dass das Tintenregelungssystem einen Tintenkreislauf bildet, bei dem unverbrauchte Tinte vom Druckkopf in einen Zwischentank gefördert wird.
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Dabei führt eine Auslassleitung vom Druckkopf zu einem Zwischentank, in dem ein Abschaltventil sitzt.
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Auch im Zwischentank ist vorzugsweise nur ein singulärer Sensor vorhanden zur Bestimmung der Tintenmenge und/oder des Drucks im Zwischentank.
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In einer Verbindungsleitung stromabwärts des Zwischentanks sitzt eine vorzugsweise reversibel arbeitende Pumpe, d.h. ebenfalls eine Pumpe, die in entgegengesetzten Richtungen Tinte fördern kann. Über diese Pumpe kann ein Unterdruck im Zwischentank eingestellt und geregelt werden, denn ist es notwendig, dass die unverbrauchte Tinte auch in den Zwischentank gefördert wird, was durch Schaffung eines Unterdrucks in der Luftsäule im Zwischentank erreicht wird.
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Ein schaltbares Entlüftungsventil am Zwischentank erlaubt es, den Zwischentank zu leeren oder zu starken Unterdruck zu reduzieren oder auch ein Befüllen des Zwischentanks beim Anfahren des Druckers.
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An eine Verbindungsleitung von Zwischentank zum Kopftank ist der Haupttank strömungsmäßig angekoppelt, wobei der Haupttank in der Verbindungsleitung sitzen kann oder an diese angekoppelt sein kann.
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Das erfindungsmäße Verfahren zum Regeln der Tintenzufuhr zum Druckkopf eines Tintenregelungssystems nach der Erfindung ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- Öffnen des Steuerventils zur Zuführung von Tinte, und
- Regeln der dem Kopftank zugeführten Tintenmenge zur Einstellung einer konstanten Tintenmenge im Kopftank mittels der Förderpumpe in Abhängigkeit vom Druck im Kopftank.
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Das erfindungsgemäße Verfahren regelt die Tintenmenge im Kopftank vorzugsweise ausschließlich über den von singulären Sensor am Kopftank ermittelten Druck.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht darüber hinaus vor, dass zu Beginn des Füllvorgangs des Kopftanks das Entlüftungsventil in die Öffnungsstellung gebracht wird, Tinte in den Kopftank bis zum Erreichen eines vorgegebenen Drucks gefördert wird, anschließend das Entlüftungsventil geschlossen wird, die Förderpumpe Tinte in den Haupttank bis zu Erreichen eines vorgegebenen Unterdrucks zurückfördert und dass die Förderpumpe während des Druckens in Abhängigkeit des Drucks im Kopftank Tinte vom Haupttank in den Kopftank pumpt.
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Beim Spülen wird das Steuerventil geschlossen, die Förderpumpe fördert Tinte in den Kopftank bis der gewünschte Spüldruck im Kopftank erreicht wird, wobei das Entlüftungsventil dabei geschlossen ist. Durch den ansteigenden Füllstand der Tinte wird die Luft im Kopftank komprimiert, bis der Spüldruck erreicht ist. Zum Spülen wird das Steuerventil geöffnet und Tinte unter hohem Druck durch die Düsen gespült. Dieser Spülvorgang kann mehrfach wiederholt werden.
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Nach dem Spülen wird erneut der gewünschte Füllstand eingestellt, zuerst bei geöffnetem Entlüftungsventil, wie zuvor erwähnt. Anschließend wird das Entlüftungsventil wieder geschlossen, und die Pumpe pumpt Tinte zurück in den Haupttank, zur Einstellung des Unterdrucks.
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Da Tinte je nach Farbe ein unterschiedliches spezifisches Gewicht hat, kann die Füllstandsmenge sehr einfach über den Drucksensor eingestellt werden.
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Darüber hinaus sind bei der Erfindung die Spülzeit als auch die Menge der beim Spülen durchströmenden Tintenmenge einfach einstellbar.
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Das erfindungsgemäße Tintenregelungssystem hat auch ein Sicherungssystem gegen Tintenauslauf bei Stromausfall, denn das Steuerventil (Normally Closed) schließt bei Stromausfall und verhindert so einen Tintenauslauf.
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Die Einstellmöglichkeiten für Druck, Füllstandsmenge, Spülmenge und Spülzeit können über einen Datenaustausch zwischen der Steuerung und dem Düsen-Regelkreis, über einen Daten BUS (Ethernet, USB, ...) oder optional über eine App und zum Beispiel auch über WIFI, erfolgen.
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Weitere Merkmale im Vorteil dieser Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tintenregelungssystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tintenregelungssystems, hier in Form eines Tintenkreislaufs.
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In 1 ist ein Tintenregelungssystem eines Tintenstrahldruckers dargestellt, der mindestens einen Druckkopf 10 hat.
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Der Druckkopf 10 arbeitet, wie üblich mit einem piezoelektrischen Aktuator, über den Tinte durch Düsen gedrückt wird.
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Die dargestellte Ausführung zeigt die Tintenzufuhr von einer Farbe, so dass klar ist, dass für einen Farbdruck zahlreiche dieser Tintenregelungssysteme vorhanden sind, d.h. üblicherweise ein Tintenregelungssystem pro Farbe.
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Die Zufuhr der Tinte zum Druckkopf 10 erfolgt über die Schwerkraft (gravity feed).
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Dazu ist in Vertikalrichtung oberhalb des Druckkopfes 10 ein Kopftank 12 vorgesehen, in dem bis zum einen gewissen Füllstand 14 Tinte 16 ist.
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Eine Auslassleitung 18 verbindet den Kopftank 12 mit dem Druckkopf 10, wobei in der Auslassleitung 18 ein Steuerventil 20 in Form eines elektrisch betätigbaren Absperrventils vorgesehen ist. Dieses Absperrventil ist üblicherweise ein so genanntes Normally-Closed-Ventil, das im stromlosen Zustand in der gezeigten geschlossenen Stellung ist.
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Im oberen Bereich des Kopftanks 12 sitzt ebenfalls ein elektrisch betätigtes Entlüftungsventil 22, welches vorzugsweise ebenfalls im stromlosen Zustand geschlossen ist.
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Im Bereich des unteren Endes oder im Bereich des Bodens des Kopftanks 12 ist ein einzelner Sensor24 in Form eines Drucksensors vorgesehen, über den der Druck im Inneren des Kopftanks 12 bestimmt wird. Weiterhin wird über diesen Drucksensor der hydrostatische Druck und somit der Füllstand der Tinte 16 im Kopftank 12 gemessen.
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Der Tintentank kann mit einem Temperatursensor ausgestattet sein, der idealerweise im Drucksensor integriert ist, um eine Temperaturregelung zu realisieren.
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Ein Haupttank 26, in dem mehrere Liter Tinte einer Farbe untergebracht sind, ist über eine Versorgungsleitung 28, in welcher eine reversibel arbeitende Förderpumpe 30 sitzt, mit dem Kopftank 12 verbunden.
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Eine Steuerung 32 ist mit dem Sensor 24, dem Steuerventil 20, dem Entlüftungsventil 22 und der Förderpumpe 30 gekoppelt, um diese anzusteuern.
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Die Förderpumpe 30 ist vorzugsweise eine so genannte Schlauchquetschpumpe.
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Das in 1 dargestellte Tintenversorgungssystem arbeitet ohne Rezirkulation, das heißt, es gibt keine Leitung, die Tinte vom Druckkopf wieder wegfördert, da alles verdruckt wird.
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Der Druck, der im Kopftank 12 herrscht, ist sehr genau einzustellen und für die Druckqualität, sowie das Nicht-Auslaufen bzw. Luftanziehen durch den Druckkopf verantwortlich.
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Beim Anlaufen des Druckers oder bei der ersten Nutzung des Druckers, wenn der Füllstand der Tinte 16 im Kopftank 12 zu niedrig ist, fördert die Förderpumpe 30 Tinte vom Haupttank 26 in den Kopftank 12 und zwar bei geöffnetem Entlüftungsventil 22.
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Das Steuerventil 20 ist zu diesem Zeitpunkt geschlossen.
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Über den Sensor 24 wird der Druck, den die Tintensäule verursacht, genau gemessen, was auch dadurch möglich ist, dass zu diesem Zeitpunkt Atmosphärendruck im Kopftank 12 herrscht. Somit ist der gewünschte Füllstand über den Sensor 24 einfach einstellbar, dadurch ist kein weiterer Füllstands- oder Drucksensor notwendig.
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Ist der gewünschte Füllstand und damit der gewünschte Druck erreicht, stoppt die Förderpumpe 30 die Förderung der Tinte. Das Entlüftungsventil 22 wird geschlossen.
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Die Förderpumpe 30 läuft nun rückwärts, das heißt, es wird Tinte vom Kopftank 12 zum Haupttank 26 gefördert, um einen Unterdruck im Kopftank herzustellen. Dies ist nur möglich, wenn das Entlüftungsventil 22 geschlossen ist.
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Ist der gewünschte Unterdruck (Meniskusdruck), erreicht, öffnet das Steuerventil 20 und das System ist bereit zum Drucken.
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Während des Druckens wird der Druck im Kopftank 12 konstant gehalten, denn die Förderpumpe 30 fördert die Menge an Tinte nach, die verdruckt wird. Über den Sensor 24 und die Förderpumpe 30 kann der Unterdruck konstant gehalten werden.
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Es wird somit exakt die Menge an Tinte nachgefördert, die von dem oder den Druckköpfen 10 ausgestoßen wird. Es ist keine Fördermenge beispielsweise in der Versorgungsleitung 28 zu messen, auch keine Füllstandsmenge im Haupttank oder eine Umdrehungszahl der Pumpe 30. Alles wird über den Sensor 24 ermittelt, was an Tinte nachgefördert werden soll.
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Dabei ist zu beachten, dass bei Tinten mit einem spezifischen Gewicht ungleich 1 ein Korrekturfaktor über die Software, die den Tintenzulauf regelt, genutzt werden kann, um den gewünschten Füllstand über den Druck einzustellen.
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Zum Spülen wird das Steuerventil 20 geschlossen. Die Förderpumpe 30 fördert Tinte in den Kopftank 12 bei geschlossenem Entlüftungsventil 22, bis ein gewünschter Überdruck im Kopftank 12 erreicht ist. Die Luft im Kopftank 12 wird komprimiert. Gleichzeitig erhöht sich der Füllstand im Kopftank 12, sodass ein Überdruck im Kopftank 12 am Auslass zur Auslassleitung 18 entsteht.
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Das Steuerventil 20 wird dann für eine gewünschte Spüldauer geöffnet, sodass Tinte mit hohem Druck durch die Düsen gespült wird.
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Dieser Vorgang (Purge) kann mehrfach wiederholt werden.
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Beim Füllen des Kopftanks 12 zwischen den Spülstößen wird das Entlüftungsventil 22 geöffnet, sodass der Ursprungsfüllstand auf Basis des hydrostatischen Drucks wiederhergestellt werden kann. Ist zu diesem Zeitpunkt zu viel Tinte im Kopftank 12, weil beispielsweise die Spüldauer relativ kurz war, kann Tinte zurück in den Haupttank 26 gefördert werden.
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Bei einem Stromausfall sperren das Steuerventil 20 und das Entlüftungsventil 22, was einen Tintenauslauf verhindert.
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Über z.B. eine App kann ein Datenaustausch zwischen einem Hauptrechner und dem Düsen-Regelkreis erfolgen, gegebenenfalls kabellos.
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Die Ausführungsform nach 2 nutzt die Vorteile der Technik nach 1, wobei hier nicht ein so genannter Single-End-Druckkopf zu Anwendung kommt, sondern ein sogenannter rezirkulierender Druckkopf, bei dem nicht verbrauchte Tinte in einem Tintenkreislauf zurück zum Kopftank 12 gefördert werden kann.
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Ansonsten ist die linke Hälfte des in 2 gezeigten Systems so ausgeführt, wie in 1, mit der Ausnahme, dass ein Haupttank 26 nicht unmittelbar zwingend direkt mit der Förderpumpe 30 gekoppelt sein kann, sondern auch indirekt.
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In 2 kann die Tinte zirkulieren, auch wenn nichts verdruckt wird. Die Tinte, die aus dem rechten Zwischentank 44 gefördert wird, kann direkt mit der Pumpe 30 in den linken Tank 12 gesaugt werden.
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Vom Druckkopf 10 führt eine Förderleitung 40, in der ein Abschaltventil 42 sitzt, das im stromlosen Zustand geschlossen ist, zu einem Zwischentank 44.
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Ein zweiter Sensor 46, der auch, wie beim Kopftank 12 der einzige Sensor ist, dient zur Bestimmung der Füllhöhe der Tinte und des Drucks im Zwischentank 44. Der Sensor 46 ist ebenfalls ein Drucksensor.
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Ein zweites Entlüftungsventil 48 ist am Zwischentank 44 vorgesehen.
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Eine reversibel arbeitende Pumpe 50 in einer Verbindungsleitung 52 sorgt dafür, dass der Füllstand im Zwischentank 44 abhängig von dem durch den Sensor 46 bestimmten Druck exakt eingestellt werden kann.
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Die Verbindungsleitung 52 kann, wie dargestellt, direkt zur Förderpumpe 30 führen (somit wird die Verbindungsleitung 52 zur oder ist gleichzeitig die Versorgungsleitung 28 nach 1), oder in den Haupttank 26 und von dort weiter zur Förderpumpe 30. Hier sind verschiedene Optionen denkbar, denn es geht in diesem Zusammenhang nur darum, dass einerseits die zurückgeförderte Tinte wiederverwendet wird und entweder direkt oder indirekt über einen Tank zur Förderpumpe 30 gelangt und andererseits darum, dass zusätzliche Tinte zur Verfügung steht, hier über den Haupttank 26. Ebenfalls wäre es denkbar, den Haupttank 26 als Spritze auszuführen, wenn die Tinte teuer ist und nur kleine Mengen benötigt werden.
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Beim Drucken mit einem rezirkulierenden Druckkopf 10 ist es ebenfalls wichtig, dass in dem Zwischentank 44 ein exakter Druck vorhanden ist. Einerseits darf bei einem zu niedrigen Druck keine Luft durch den Druckkopf 10 angesaugt werden, andererseits darf bei einem zu hohen Druck die Tinte nicht aus dem Druckkopf 10 laufen. Dies könnte zum Tragen kommen, wenn der Füllstand im Zwischentank 44 zu hoch ist. Aus diesem Grund wird während des Druckens ebenfalls für einen Unterdruck im Luftvolumen des Zwischentanks 44 gesorgt, um den hydrostatischen Druck im Zwischentank 44 durch die Pumpe 50 großteils zu kompensieren. Dazu wird bei geschlossenem Entlüftungsventil 48 über die Pumpe 50 während des Druckens Tinte aus dem Zwischentank 44 gefördert.
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Die beim Drucken tatsächlich verwendete Menge an Tinte wird über ein Tintenvolumen aus dem Haupttank 26 ausgeglichen.
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Ist ein zu geringer Druck im Zwischentank 44, gerade beim Starten des Druckers, so wird, wie zuvor bei Kopftank 12 erläutert, Tinte über die dann in der Gegenrichtung laufender Pumpe 50 in den Zwischentank 44 bei geöffnetem Entlüftungsventil 48 gefördert, um den anfänglichen, gewünschten Füllstand zu erreichen.
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Auch bei dieser Ausführungsform sind sämtliche Pumpen und Ventile mit der zuvor bereits angesprochenen Steuerung 32 signaltechnisch gekoppelt.
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Abhängig davon, wie viel Tinte im Zwischentank 44 während des Druckens ist und damit abhängig vom ermittelten Druck, fördert die Förderpumpe 50 entsprechend Tinte in Richtung zur Pumpe 30 oder in den Haupttank 26, um auch hier den Druck im Zwischentank 44 sehr exakt einzustellen.
