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Die
Erfindung betrifft eine Entwicklungsvorrichtung für ein Druck-
oder Kopiergerät,
wobei eine Tonersprüheinrichtung
einen gerichteten Gemischstrom aus einem Toner-Luftgemisch auf einen
Auftragsbereich eines umlaufenden Applikatorelementes aussendet.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Entwicklungsvorrichtung.
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Das
Applikatorelement, welches aufgrund des Sprühvorganges mit einer Tonerschicht
versehen wird, ist an einem Trägermedium,
beispielsweise einer Fotoleitertrommel, vorbeigeführt, dessen
Ladungsbild mit Tonerpartikeln aus der Tonerschicht eingefärbt wird.
Das Trägermedium
mit dem Ladungsbild bewegt sich mit relativ hoher Geschwindigkeit.
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Zum
Entwickeln von elektrostatischen Ladungsbildern in Druckeinrichtungen
mit hoher Bildträgergeschwindigkeit,
d.h. mit einer Bildträgergeschwindigkeit
von 1 m/s und höher
sind Entwicklersysteme bekannt, die mithilfe von Zweikomponenten-Magnetbürstensystemen,
mit leitfähigen
Einkomponenten-Magnettonersystemen, mit isolierendem nichtmagnetischem
Einkomponententoner aus einem Toner-Luftfluid heraus oder mit Flüssigentwicklungssystemen
arbeiten.
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Bei
der Einfärbung
von Ladungsbildern mithilfe isolierendem nichtmagnetischem Einkomponententoner
aus einem Tonerluftfluid heraus, wie es beispielsweise aus der
EP 0 494 454 B1 bekannt
ist, wird Toner in einer homogenen Luftströmung fluidisiert und in diesem
Fluid durch eine Koronaentladung aufgeladen. Der geladene Toner
wird auf einer leitfähigen
Walze abgelagert, auf der er infolge elektrostatischer Kräfte anhaftet.
Von der Walzenoberfläche kann
der Toner auf eine Oberfläche
mit einem Ladungsbild entsprechend der örtlichen elektrischen Feldverteilung übergehen
und somit das Ladungsbild mit Toner einfärben. Zwischen der Walze und
der das Ladungsbild tragenden Oberfläche können eine oder mehrere zusätzliche
Walzen eingefügt
werden, um die Tonerteilchen mit der richtigen Ladungspolarität und dem
hinreichenden Ladungsbetrag von den weniger oder mit der falschen
Polarität
geladenen Tonerteilchen zu separieren. Bei diesem Entwicklungsprozeß ist die
erreichbare Bildqualität
sowohl hinsichtlich Gleichmäßigkeit
der Einfärbungsverteilung als
auch hinsichtlich der Detailschärfe
physikalisch begrenzt.
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Aus
der US-A-4,481,903 ist eine Vorrichtung zum Entwicklen eines latenten
elektrostatischen Bildes auf einem Aufzeichnungsträger bekannt.
Die Vorrichtung enthält
zwei als Aufladeinrichtung für
den Toner dienende Bürsten
mit auslenkbaren Borsten, die die aufgeladenen Tonerpartikel mechanisch
derart gegen eine Entwicklerwalze schleudern, daß sich auf deren Umfangsfläche eine
Tonerschicht bildet. Der auf der Entwicklerwalze haftende Toner
wird dann in den Bereich eines Entwicklerspaltes transportiert,
wo er nach Überwinden
des Entwicklerspaltes das latente Ladungsbild auf dem Aufzeichnungsträger einfärbt.
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Aus
der nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldung WO 98/57233 A derselben Anmelderin ist eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Einfärben
eines Ladungsbildes mithilfe einer Tonersprüheinrichtung bekannt. Die Tonersprüheinrichtung
ist nach Art einer Pulverbeschichtungseinrichtung aufgebaut und erzeugt
einen Gemischstrom aus einem Toner-Luftgemisch. Tonerpartikel mit
einer definierten elektrischen Tonerladung lagern sich auf einer
im Gemischstrom angeordneten Applikationswalze ab und bilden dort
eine homogene Tonerschicht. In einem Übertragungsbereich mit einem
engen Entwicklerspalt springen die Tonerpartikel auf das Trägermedium über und
färben
dieses abhängig
vom Ladungsbild ein.
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Die
JP-61-4071 A beschreibt eine Entwicklungsvorrichtung für ein Druck-
oder Kopiergerät,
bei dem Tonerpartikel eines Gemischstroms mit einer elektrischen
Ladung beaufschlagt sind, wobei der Gemischstrom auf einen Auftragsbereich
einer Applikatorwalze schräg
auftrifft. Die Applikatorwalze wird mit einem elektrischen Feld
beaufschlagt, welches als stehende Welle entlang des Umfangs der
Applikatorwalze ausgebildet ist. Durch diese Art des elektrischen
Feldes werden die Tonerpartikel in einem zwischen der Oberfläche der
Applikatorwalze und der Innenwand eines Steuerzylinders eingeschlossenen
Zustand gehalten. An einer Öffnung
werden die Tonerpartikel aufgrund elektrostatischer Kräfte von der
Oberfläche
einer Fotoleitertrommel angezogen und belichtete Stellen werden
eingefärbt.
Aufgrund des elektrischen Feldes in Form einer stehenden Welle lagern
sich die Tonerpartikel nicht fest auf der Applikatorwalze an, sondern
bleiben in einem Schwebezustand im Raum zwischen der Applikatorwalze
und dem Steuerzylinder eingeschlossen. Auf diese Weise lassen sich
durch eine einzige Entwicklungseinheit Tonerpartikel unterschiedlicher
Farbe auf eine Fotoleiteroberfläche übertragen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung eine Entwicklungsvorrichtung anzugeben,
die eine gleichmäßige Tonerschicht
zum Übertragen
auf ein Trägermedium bereitstellt.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung
trifft der Gemischstrom aus einem Toner-Luftgemisch auf dem gesamten Auftragsbereich
des Applikatorelements schräg
auf. Dies hat zur Folge, daß der
Luftstrom an der Oberfläche
des Auftragsbereichs abgelenkt wird, während die im Gemischstrom enthaltenen
Tonerpartikel aufgrund ihrer Massenträgheit weitgehend geradeaus fliegen
und auf die Oberfläche
des Auftragsbereichs gelangen. Da die Tonerteilchen elektrisch geladen sind,
werden sie vom Auftragsbereich angezogen und haften infolge elektrostatischer
Kräfte
an der Oberfläche
des Auftragsbereichs an. Dieser Effekt wird auch als Fliehkraftseparation
bezeichnet, denn die Luftmoleküle
erhalten an der Oberfläche
des Auftragsbereichs eine starke Richtungsänderung, während die Tonerpartikel aufgrund
ihrer Bewegungsenergie, resultierend aus ihrer gegenüber Luft
um etwa drei 10er-Potenzen höheren
Dichte, das Bestreben haben, ihre Bewegungsrichtung beizubehalten. Demgemäß gelangt
der weitaus größte Teil
der Tonerpartikel im Gemischstrom in die unmittelbare Nähe des Auftragsbereichs
und wird dort durch elektrostatische Kräfte festgehalten. Nur ein kleiner
Teil der Tonerpartikel wird von der umgelenkten Luftströmung mitgerissen
und schlägt
sich nicht im Auftragsbereich nieder. Dieser Anteil der Tonerpartikel
wird auch als Overspray bezeichnet.
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Vorzugsweise
trifft der Gemischstrom unter einem Ansprühwinkel zwischen 15 und 70° auf den Auftragsbereich
auf. Außerdem
ist die Aufsprühgeschwindigkeit
so gewählt,
daß die
parallel zur Oberfläche
des Auftragsbereichs verlaufende Geschwindig keitskomponente annähernd der
Oberflächengeschwindigkeit
des Applikatorelements entspricht.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
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1 eine
Entwicklungsvorrichtung mit einer Tonersprüheinrichtung, die einen gerichteten
Gemischstrom aus einem Toner-Luftgemisch erzeugt,
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2 Details
der Tonersprüheinrichtung
und
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3 eine
Prinzipdarstellung zur Definition des Ansprühwinkels.
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1 zeigt
insgesamt eine Entwicklungsvorrichtung 10 als Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Ein als Applikatorwalze 12 ausgebildetes
Applikatorelement hat einen Auftragsbereich 14, der von
einem durch einen Pfeil 16 angedeuteten Toner-Luft-Gemischstrom angesprüht wird.
Auf dem Auftragsbereich 14 schlägt sich eine Tonerschicht nieder.
Infolge der Drehbewegung der Applikatorwalze 12, angedeutet
durch den Pfeil 18 wird fortlaufend neues Tonermaterial
im Auftragsbereich 14 abgeschieden. Die Applikatorwalze 12 mit
der Tonerschicht wird an einem Trägermedium (in 1 nicht
dargestellt) vorbeigeführt,
dessen Ladungsbild mit Tonerpartikeln aus der Tonerschicht eingefärbt wird.
Der Gemischstrom 16 trifft auf dem gesamten Auftragsbereich 14 unter
einem Ansprühwinkel α schräg auf. Mit
anderen Worten trifft der Gemischstrom 16 die Mantelfläche der
Applikatorwalze 12 außermittig.
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Die
Definition des Ansprühwinkels α wird aus 3 klar.
Der einfallende Gemischstrom 16 trifft die Oberfläche der
Applikatorwalze 12 außermittig.
Der Winkel zwischen dem einfallenden Gemischstrom 16 und
der Tangente im Auftreffpunkt ist der Ansprühwinkel α.
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Gemäß 1 erzeugt
eine Tonersprüheinrichtung,
insgesamt mit 20 bezeichnet, den Gemischstrom 16. Die Tonersprüheinrichtung 20 enthält eine Injektorschleuse 22,
die über
ein Ansaugrohr 24 ein Toner-Luftgemisch 28 ansaugt,
welches sich in einem flüssigkeitsähnlichen,
d.h. fluidisierten Zustand befindet. Aufgrund des flüssigkeitsähnlichen
Zustandes des Toner-Luftgemischs 28 ergibt sich eine Grenzfläche 26,
die nach Art eines Wasserspiegels das fluidisierte Toner-Luftgemisch 28 von
Luft trennt. Wie anhand der 1 zu erkennen
ist, taucht das Ansaugrohr 24 voll in das fluidisierte
Toner-Luftgemisch 28 ein.
Zum Erzeugen des fluidisierten Zustandes enthält der Innenraum des die Entwicklervorrichtung 10 umgebenden
Gehäuses 30 eine
Fluidisierungsplatte 32, die als poröse Platte, beispielsweise aus
gesintertem Edelstahl, ausgebildet ist. Die Fluidisierungsplatte 32 wird
von unten über
den Einlaß 31 mit
Druckluft beaufschlagt, welches die Fluidisierungsplatte 32 durchströmt und die
Tonerteilchen in einen stationären
Schwebezustand versetzt. In diesem Zustand des Toner-Luftgemischs 28 ist
dieses über
das Ansaugrohr 24 leicht ansaugbar.
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Der
Aufbau der Injektorschleuse 22 ist näher in 2 dargestellt.
Das über
das Ansaugrohr 24 angesaugte fluidisierte Luft-Tonergemisch 28 gelangt zu
einer Venturidüse 34,
die aus einer Treibdüse 36 über einen
Druckluftanschluß 38 mit
Druckluft versorgt wird. Die Treibdüse 36 stellt also
komprimierte Luft bereit, die als schneller Luftstrahl über die
Verengung der Venturidüse 34 austritt.
In der erweiterten Umgebung der Venturidüse 34 entsteht so
ein Unterdruck, durch den über
das Ansaugrohr 24 das fluidisierte Luft-Tonergemisch 28 angesaugt
wird. Dieses Luft-Tonergemisch 28 wird beim Eintritt in
die Venturidüse 34 stark
beschleunigt; die hierfür
benötigte
Energie wird dem Luftstrahl der Treibdüse 36 entnommen. Nach
dem Austritt aus der Venturidüse 34 kann der
Strom aus dem Luft-Tonergemisch 28 durch Einblasen eines
zusätzlichen
Luftmassestroms über ringförmige Dosierluftdüsen 40 auf
eine ge wünschte Tonerkonzentration
verdünnt
werden. Die Dosierluftdüsen 40 sind
mit einem weiteren Drucklufteingang 42 verbunden. Das so
eingestellte Luft-Tonergemisch tritt am Ausgang 44 der
Injektorschleuse 22 aus.
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Gemäß 1 ist
der Venturidüse 34 ein
Pulverrohr 44 nachgeschaltet, welches einen konstanten
Querschnitt hat. Die Funktion des Pulverrohrs 44 besteht
darin, einen definierten Abstand der nachfolgenden Sprühdüse 46 vom
Auftragsbereich 14 einzustellen und dem Toner-Luft-Strom 48 im
Pulverrohr 44 ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil
im Sinne einer Beruhigungsstrecke aufzuprägen.
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Das
Pulverrohr 44 mündet
in die Sprühdüse 46,
deren Gestalt so gewählt
ist, daß das
in eine Sprühkammer 50 austretende
Toner-Luftgemisch 16 unter dem Einfluß von Strömungs-, Trägheits- und elektrostatischen
Kräften
einen annähernd
flachen elliptischen Querschnitt annimmt und somit den Auftragsbereich 14 gleichmäßig mit
Tonerpartikeln beaufschlagt. Wie erwähnt, ist die geometrische Anordnung
der Tonersprüheinrichtung 20,
der Sprühkammer 50 und
der Applikatorwalze 12 so gewählt, daß die Tonerteilchen aufgrund
ihrer Massenträgheit
weiter auf den Auftragsbereich 14 zufliegen, wenn der sie
tragende Luftstrom am Auftragsbereich 14 umgelenkt wird.
Vorzugsweise liegt der Ansprühwinkel
zwischen 15 und 75°.
Weiterhin ist die Ansprühgeschwindigkeit
so gewählt,
daß die
parallel zur Oberfläche
des Auftragsbereichs 14 verlaufende Geschwindigkeitskomponente
annähernd
der Oberflächengeschwindigkeit
der Applikatorwalze 12 entspricht.
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Eine
Ladeelektrade 52 wird mit Hochspannung versorgt. Die Ladeelektrode 52 ist
entweder innerhalb der Sprühdüse 46 angeordnet
oder unmittelbar in Strahlrichtung nach der Sprühdüse 46. Die Ladeelektrode 52 ist
vom Gemischstrom 16 umspült und dient der Aufrechterhaltung
einer Koronaentladung, die Luftionen einer gewünschten Polarität erzeugt,
so daß die
Tonerpartikel elektrisch geladen werden und sich im Auftrags bereich 14 infolge
elektrostatischer Kräfte
niederschlagen. Der Auftragsbereich 14 ist demzufolge auf
ein definiertes Potential gelegt, um die genannte Wirkung zu erzielen.
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Im
Bereich einer gestrichelt eingezeichneten Umlenkzone 54 erfährt der
Luftstrom innerhalb des Gemischstroms 16 aus Toner-Luftgemisch
eine abrupte Richtungsänderung.
Während
die Luftmoleküle der
aufgeprägten
Richtungsänderung
folgen, haben die Tonerteilchen aufgrund ihrer erhöhten Bewegungsenergie,
die sich aus der höheren
Dichte gegenüber
Luft ergibt, das Bestreben, ihre Bewegungsrichtung beizubehalten.
Es erfolgt eine Fliehkraftseparation zwischen Luftmolekülen und
Tonerteilchen. Der weitaus größte Teil
der Tonerteilchen gelangt in unmittelbare Nähe zum Auftragsbereich 14 und
wird dort aufgrund der elektrostatischen Verhältnisse festgehalten. Lediglich
sehr kleine und ungenügend
geladene Tonerteilchen folgen der Luftströmung und werden mit umgelenkt.
Diese Tonerteilchen, die auch als Overspray 51 bezeichnet
werden, fehlen der Tonerschicht auf der Applikatorwalze 12 und
sind dem Prozeßablauf
entzogen.
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Bei
der Drehbewegung der Applikatorwalze 12 verläßt der mit
der Tonerschicht beschichtete Bereich die Umlenkzone 54 über einen
Austrittsspalt 56. Dieser ist so bemessen, daß die Tonerschicht
unbeschädigt
in die äußere Zone
gelangt, wo das Ladungsbild auf einem Trägermedium (nicht dargestellt)
eingefärbt
wird. Beim Verlassen des Austrittsspalts 56 treten weder
mechanische Berührungen noch
Luftwirbel auf, welche Tonerpartikel aus der Tonerschicht herausreißen könnten. Der
statische Luftdruck im Innenraum der Sprühkammer 50 ist so
gewählt,
daß sich
ein in Richtung der Sprühkammer 50 gerichteter
Leckluftstrom im Austrittsspalt 56 einstellt, so daß ein Austreten
von Tonerpartikeln aus dem Overspray 51 in die Umgebung
verhindert wird. In der Umlenkzone 54 ist ein Umlenkelement 55 angeordnet,
das den Luftstrom in eine Richtung entgegengesetzt der Richtung
des Gemischstroms 16 umlenkt.
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Im äußeren Bereich
der Bildentwicklungszone springen infolge lokaler elektrischer Feldkräfte Tonerpartikel
aus dem Tonerbelag auf der Applikatorwalze 12 auf entladene
Bereiche des Trägermediums,
beispielsweise eine Fotoleiterwalze, über. Der auf der Applikatorwalze 12 verbleibende
Tonerbelag tritt über
einen Eintrittsspalt 58 wieder in das Gehäuse 30 der
Entwicklungsvorrichtung 10 ein und wird mithilfe einer
stillstehenden Schabeklinge 60, die als Reinigungseinrichtung
dient, von der Oberfläche
der Applikatorwalze 12 vollständig entfernt. Die abgeschabten
Tonerteilchen fallen infolge der Schwerkraft auf die Fluidisierungsplatte 32,
werden dort entladen und erneut in einen Flüssigkeitszustand gebracht. Mithilfe
dieser Maßnahmen
wird also ein integrierter Tonerkreislauf erzeugt.
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Der
vom Bildentwicklungsprozeß verbrauchte
Toner wird über
eine Tonerzuführung 62 ergänzt, die
in den Innenraum des Gehäuses 30 mündet. Der umgelenkte
Toner des Oversprays 51 wird über den Anschluß 64 nach
außen
geführt
und mithilfe von Trennvorrichtungen, z.B. einem Zyklonfilter, abgeschieden
und über
die Tonerzuführung 62 wieder
in den Tonerkreislauf eingespeist.
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Zur
Vermeidung elektrostatischer Entladungen sind verschiedene Bauteile
aus nicht leitendem Material hergestellt, beispielsweise das Pulverrohr 44,
die Sprühdüse 46 sowie
die Wände
der Sprühkammer 50.
Die Fluidisierungsplatte 32 wird mithilfe eines Masseanschlusses
geerdet, um Reibungselektrizität,
die der Toner im fluidisierten Zustand enthält, abzubauen und um die von
der Applikatorwalze 12 abgeschabten Tonerpartikel zu entladen.
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Ein
Maß für die Güte des Tonerschichterzeugungsprozesses
ist der Tonerauftragswirkungsgrad TAW. Er ist definiert durch den
folgenden Ausdruck: TAW = (aufgetragener Tonermassenstrom/versprühter Tonermassenstrom) × 100 %.
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Die
Gestaltung der Sprühkammer 50,
der Ladeelektrode 52, der Umlenkzone 54 und der
Ansprühwinkel α sind so
aufeinander abgestimmt, daß ein
möglichst
hoher Wert TAW des luftgetragenen Toners erreicht wird. Insbesondere
die Wirkung der Fliehkraftseparation durch Strahlumlenkung trägt wesentlich
dazu bei, daß der
größte Teil
der versprühten Tonerteilchen
in so große
Nähe zur
Oberfläche
des Auftragsbereichs 14 gelangt, daß die elektrostatische Anziehung
zwischen geladenen Tonerteilchen und der Oberfläche des Auftragsbereichs 14 alle
anderen äußeren Kräfte wie
Schwerkraft und Strömungswiderstand übertrifft,
und diese Tonerteilchen auf der Oberfläche festgehalten werden. Aufgrund
des hohen Wirkungsgrades TAW ergibt sich im abgeführten Luftstrom
eine sehr geringe Tonerkonzentration für den Overspray 51.
Dies hat den Vorteil, daß eine
relativ kompakte Einheit, z.B. ein Zyklonfilter oder ein Membranfilter,
zur Rückgewinnung
des im abgeführten
Luftstrom enthaltenen Toneranteils ausreicht. Da diese Rückgewinnungseinheit
ihrerseits keine vollständige
Rückgewinnung
des nicht auf dem Applikatorelement 12 aufgetragenen Toneranteils
gewährleistet,
ist es wünschenswert,
daß so
wenig Toner wie möglich
durch diese Rückgewinnungseinheit
hindurchgeführt
wird. Der Verlustanteil des zirkulierenden Toners ist nämlich annähernd proportional
zum erreichten Tonerauftragswirkungsgrad TAW. Der mit der erfindungsgemäßen Ausführung der
Entwicklungsvorrichtung erreichbare Tonerauftragswirkungsgrad TAW
liegt bei über
90 %.
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Das
gleiche Ziel wird durch den integrierten Tonerkreislauf verfolgt.
Der für
die Bildentwicklung nicht verbrauchte Tonerbelag wird mittels der
Schabeklinge 60, z.B. ein Rakel oder eine feste mechanische
Klinge, mechanisch von der Oberfläche der Applikatorwalze 12 abgehoben
und fällt
per Schwerkraft in das Gehäuse 30 zurück, wo der
Toner erneut fluidisiert wird. Da kein Zwischenglied mit pneumatischer
Förderung und
Tonerabscheidung erforderlich ist, wird dieser Toneranteil zu 100
% zurückgewonnen.
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Ein
weiterer Vorteil des integrierten Tonerkreislaufs gegenüber bekannten
Lösungen
besteht darin, daß die
Tonersprüheinrichtung 20 nur
ein sehr kleines Puffervolumen benötigt. Dadurch ist eine sehr kompakte
Bauweise möglich.
Außer
der Applikatorwalze 12 benötigt die Entwicklungsvorrichtung 10 kein
weiteres angetriebenes Bauteil in unmittelbarer Nähe; Hilfsaggregate
für die
Luftversorgung und die Luftabsaugung können in größerer Entfernung von der Tonersprüheinrichtung 20 angeordnet
werden. Insbesondere in Druck- oder Kopiergeräten, die mit mehr als einer
Bildentwicklungsvorrichtung ausgestattet werden sollen, erlaubt
dies eine sehr kompakte Aufbauweise.
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- 10
- Entwicklungsvorrichtung
- 12
- Applikatorwalze
- 14
- Auftragsbereich
- 16
- Gemischstrom
- 18
- Pfeil
- 20
- Tonersprüheinrichtung
- 22
- Injektorschleuse
- 24
- Ansaugrohr
- 26
- Grenzfläche
- 28
- Tonerfluid
- 30
- Gehäuse
- 32
- Fluidisierungsplatte
- 34
- Venturidüse
- 36
- Treibdüse
- 38
- Druckluftanschluß
- 40
- Dosierluftdüsen
- 42
- Drucklufteingang
- 44
- Pulverrohr
- 46
- Sprühdüse
- 48
- Toner-Luftstrom
- 50
- Sprühkammer
- 51
- Overspray
- 52
- Ladeelektrode
- 54
- Umlenkzone
- 55
- Umlenkelement
- 56
- Austrittsspalt
- 58
- Eintrittsspalt
- 60
- Schabeklinge
- 62
- Tonerzuführung
- 64
- Anschluß
- α
- Ansprühwinkel
- TAW
- Tonerauftragswirkungsgrad