DE202013003547U1

DE202013003547U1 - Tintennachfülleinrichtung für eine Druckvorrichtung

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Publication number: DE202013003547U1
Application number: DE201320003547
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: EP2792493B1; EP2792493A2; EP2792493A3

Abstract

Einrichtung (1) zur Versorgung des Druckkopfs (2) einer Druckvorrichtung, insbesondere eines Tintenstrahldruckers, mit Tinte (4), umfassend einen mit dem Druckkopf (2) über eine Tintenzuleitung (5) verbundenen Tintenspeisebehälter (6) sowie einen mit dem Tintenspeisebehälter (6) über eine weitere Leitung (11) verbundenen Tintenachfüllbehälter (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Tintenspeisebehälter (6) a) luftdicht abgeschlossen ist und b) mit einem Unterdruck (Δp = patm – ptsb) gegenüber dem atmosphärischen Druck (patm) beaufschlagt ist, welcher derart eingestellt ist, dass er in der Lage ist, Tinte (4) von dem Tintennachfüllbehälter (10) anzusaugen.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Einrichtung zur Versorgung des Druckkopfs einer Druckvorrichtung, insbesondere eines Tintenstrahldruckers, mit Tinte, umfassend einen mit dem Druckkopf über eine Tintenzuleitung verbundenen Tintenspeisebehälter sowie einen mit dem Tintenspeisebehälter über eine weitere Leitung verbundenen Tintenachfüllbehälter.
Um seine Aufgabe erfüllen zu können, muss der Druckkopf eines Druckers permanent mit Tinte versorgt werden. Hierzu dient ein Tintenspeisebehälter, woraus der Druckkopf mit Tinte gespeist wird. Dabei ist der vertikale Abstand zwischen dem Pegel in dem Tintenspeisebehälter und den Düsenöffnungen des Druckkopfs je nach der Konstruktion eines Druckers vorgeschrieben und sollte für ein optimales und gleichmäßiges Druckbild auch möglichst präzise eingehalten werden. Da der Druckkopf permanent Tinte verbraucht, würde der Pegel in dem Tintenspeisebehälter allmählich absinken und damit Rückwirkungen auf das Druckbild haben. Um solche Rückwirkungen zu verhindern, wird der Tintenspeisebehälter professioneller Druckvorrichtungen regelmäßig nachgefüllt.
Hierzu dient üblicherweise ein Regler für den Tintenpegel, welcher diesen regelungstechnisch konstant hält. Dazu wird der Füllstand in dem Tintenspeisebehälter gemessen und dem zumeist als Zweipunktregler ausgebildeten Regler als Istwert h_ist zugeführt. Dieses Signal wird mit einem Sollwert h_soll verglichen, und wenn die Differenz (h_ist – h_soll) einen vorgegebenen, unteren Grenzwert h_u unterschreitet, aktiviert der Regler eine Pumpe, um den Tintenspeisebehälter aus einem Tintenvorratsbehälter nachzufüllen. Diese Pumpe bleibt aktiv, bis die Differenz (h_ist – h_soll) einen weiteren, vorgegebenen, oberen Grenzwert h_o überschreitet.
Eine solche Regelung kann den Pegel in einem Tintenspeisebehälter allerdings nur näherungsweise konstant halten, da eine Zweipunktregelung nur aufgrund einer ständigen Füllstandsschwankung funktioniert. Darüber hinaus ist eine Pumpe erforderlich, welche nur intervallweise betrieben wird und zusätzliche Vorkehrungen erordert, damit diese niemals eintrocknet, also auch nicht bei – versehentlicher – Tiefentleerung des Tintenvorratsbehälters. Daher muss nicht nur im Tintenspeisebehälter, sondern auch im Tintenvorratsbehälter eine Füllstandsmessung etabliert werden. Die gesamte Anordnung gestaltet sich äußerst aufwändig und ist damit nicht nur teuer, sondern auch störungsanfällig.
Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine gattungsgemäße Einrichtung zur Versorgung des Druckkopfs einer Druckvorrichtung, insbesondere eines Tintenstrahldruckers, mit Tinte derart weiterzubilden, dass diese mit möglichst geringem Aufwand eingerichtet und betrieben werden kann; darüber hinaus soll sie möglichst wenig störanfällig sein.
Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass der Tintenspeisebehälter

a) luftdicht abgeschlossen ist und
b) mit einem Unterdruck p_tsb beaufschlagt ist, welcher derart eingestellt ist, dass er in der Lage ist, Tinte von dem Tintennachfüllbehälter in den Tintenspeisebehälter zu saugen.

Im Gegensatz zu handelsüblichen Tintenspeisebehältern, welche dem atmosphärischen Druck ausgesetzt sind, so dass der Tintenpegel im Inneren ohne Druckänderungen schwanken kann, wählt die Erfindung eine völlig andere Struktur. Hierbei muss der Füllstand der Tinte in dem Tintenspeisebehälter nicht unbedingt gemessen und geregelt werden, um näherungsweise konstant gehalten werden zu können; ein Füllstandregler ist daher nicht zwingend erforderlich, weder in Form eines Zweipunktreglers noch in Form eines analogen oder digitalen Reglers. Stattdessen wird der abgeschlossene Tintenspeisebehälter mit einem Unterdruck versorgt, der zur Folge hat, dass bei Bedarf die Tinte von einem Tintennachfüllbehälter einzig unter dem Einfluss eines Druckunterschiedes in den Tintenspeisebehälter strömen kann. Eine Tintenpumpe ist dazu nicht erforderlich und im Rahmen der vorliegenden Erfindung daher auch nicht vorgesehen.
Stattdessen kann der Füllstand einzig mittels eines Ventils beeinflusst werden, was im Verhältnis zu einer Pumpe mit einem äußerst geringen Energieaufwand möglich ist. Damit ist es möglich, die bei einer abgeschlossenen Gasmenge in dem Tintenspeisebehälter über dem Tintenpegel mit einer Schwankung desselben verbundene Druckänderung innerhalb des Tintenspeisebehälters zu einer selbsttätigen Steuerung heranzuziehen, indem beispielsweise ein mittels eines Federelements vorgespanntes, mechanisches Ventil eingesetzt wird, welches derart eingebaut wird, dass bei Unterschreiten eines unteren Druckwerts innerhalb des Tintenspeisebehälters das Ventil öffnet und sodann geöffnet bleibt, bis ein oberer Druckwert überschritten wird.
Es kann sich aber auch um ein aktiv steuerbares Ventil handeln, insbesondere um ein Magnetventil, welches elektrisch angesteuert wird. Solche Magnete sind vergleichsweise einfach aufgebaut und ebenso einfach ansteuerbar, insbesondere von einer Steuerelektronik.
Dann besteht auch die Möglichkeit, das Ventil nicht nur anhand eines Druckwertes anzusteuern, sondern auch andere Messerte für eine Steuerung oder Regelung zu verwenden. Falls der Druck in dem Tintenspeisebehälter nicht für eine Regelung verwendet wird, kann dieser auch konstant gehalten werden.
Wenn solchermaßen ein konstanter Unterdruck erwünscht ist, sollte der Tintenspeisebehälter mit einer Unterdruckquelle verbunden sein. Somit hat beispielsweise auch das Ausgasen gelöster Luft oder anderer Gase aus der Tinte keinen spürbaren Einfluss auf den Unterdruck innerhalb des Tintenspeisebehälters. Für die Konstanthaltung eines Unterdrucks kann auch ein eigener Druckregelkreis vorgesehen sein.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass der Tintenspeisebehälter auf einer festen Höhe installiert ist, bezogen auf die Höhe des Druckkopfs. Somit ist bei einem konstanten Pegel innerhalb des Tintenspeisebehälters auch der Höhenunterschied dieses Pegels gegenüber den Düsenöffnungen des Druckkopfs konstant, und der Druckkopf kann auf Dauer mit völlig unveränderten Betriebsbedingungen arbeiten, um optimale Druckergebnisse zu erzielen.
Der Tintenspeisebehälter sollte sich auf einem Niveau oberhalb des Druckkopfs befinden. Die Verbindung mit dem Druckkopf erfolgt sodann mittels einer Tintensäule, also einem an dem Tintenspeisebehälter „hängenden” Tintenvolumen in einer Leitung oder in einem Schlauch, welches aufgrund seines Gewichts dem Unterdruck in dem Tintenspeisebehälter weitgehend das Druck-Gleichgewicht hält.
Besondere Vorteile ergeben sich dadurch, dass sich der Boden des Tintenspeisebehälters auf einem Niveau von wenigstens 10 cm oberhalb der Düsen des Druckkopfs befindet, vorzugsweise wenigstens 20 cm oberhalb der Düsen, inbesondere wenigstens 30 cm oberhalb der Düsen. Eine gewisse Länge der Tintensäule ist erforderlich, um auch einem vergleichsweise starken Unterdruck innerhalb des Tintenspeisebehälters die Waage zu halten.
Im Gegensatz zum Tintenspeisebehälter sollte der Tintennachfüllbehälter nicht luftdicht abgeschlossen sein, so dass in seinem Inneren der selbe Druck herrscht wie der umgebende, atmosphärische Druck p_atm. Demzufolge wirken auf die Tinte in der Leitung von dem Tintennachfüllbehälter zum Tintentspeisebehälter unterschiedliche Drucke ein, nämlich der atmosphärische Druck p_atm einerseits, ein Unterdruck p_tsb < p_atm andererseits.
Die Druckdifferenz Δp = p_atm – p_tsb treibt den Tintenfluss zwischen beiden Behältern an, insbesondere auch entgegen der nach unten gerichteten Gewichtskraft.
Für eine solche Belüftung des Tintennachfüllbehälters genügt eine relativ kleine Öffnung beispielsweise in einer Größe von 10 mm² oder weniger, vorzugsweise von 5 mm² oder weniger, insbesondere von 2 mm² oder weniger. Darüber hinaus kann der Tintennachfüllbehälter weitgehend geschlossen oder verschließbar sein, damit die darin enthaltene Tinte nicht oder nur extrem langsam austrocknet bzw. verdunstet.
Der Tintennachfüllbehälter sollte ferner aus einem vorzugsweise formsteifen Material bestehen mit einem Füllvolumen V₀, einer Höhe h₀ und einem vorzugsweise konstanten Querschnitt Q(h) des inneren Hohlraums.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass der Tintenpegel in dem Tintennachfüllbehälter unabhängig von dessen Befüllungszustand konstant ist. Damit sind optimale Bedingungen geschaffen, indem ein nahezu völlig konstanter Höhenunterschied zwischen dem Tintenpegel h_tsb in dem Tintenspeisebehälter einerseits und in dem dem Tintenpegel h_tnfb in dem Tintennachfüllbehälter andererseits eingehalten wird, so dass die Tinte um eine vorbekannte Höhendifferenz Δh = h_tsb – h_tnfb angehoben werden muss. Entsprechend dieser Höhendifferenz Δh kann die Druckdifferenz Δp entsprechend der Formel für den hydrostatischen Druck eingestellt werden: Δp = p_atm – p_tsb ≥ ρ·g·Δh, bzw. p_tsb ≤ p_atm – ρ·g·Δh, wobei ρ die spezifische Dichte der Tinte und g die Gravitationsbeschleunigung ist. Setzt man in dieser Formel die bekannten Werte ein, bspw. g = 9,81 m/s²; ρ ≈ 1 g/cm³; sowie Δp ≤ p_atm ≈ 101.325 Pa, so ergibt sich ein Maximalwert für Δh von etwa 10 m. Dieser Wert wird in der Praxis nie erreicht. Bei einem realistischen Wert für Δh von bspw. 1 m errechnet sich ein Unterdruck Δp von etwa 10% des atmosphärischen Drucks p_atm. Ein solcher lässt sich mit technisch einfachen Mitteln herstellen.
Der Tintenpegel in dem Tintennachfüllbehälter lässt sich unabhängig von dessen Befüllungszustand konstant halten, wenn der Tintennachfüllbehälter in vertikaler Richtung verstellbar ist, so dass durch Veränderung seiner Höhe eine Veränderung seines Füllungszustandes ausgeglichen werden kann.
Eine einfache Methode, um eine Verstellung zu ermöglichen, dennoch aber stabile Arbeitspunkte zu erhalten, besteht darin, den Tintennachfüllbehälter federnd aufzuhängen, insbesondere an einer Spiralfeder.
Ziel ist es, den Tintennachfüllbehälter in vertikaler Richtung derart abzufedern, dass der Pegel innerhalb des Tintennachfüllbehälters unabhängig von dessen Füllungsgrad konstant bleibt.
Um dies zu bewerkstelligen, sollte der Tinten-Vorratsbehälter nicht nur in vertikaler Richtung verstellbar sein, sondern durch wenigstens eine etwa vertikal wirkende Feder mit einer von der Auslenkung ΔL = L – L₀ gegenüber ihrer Länge L₀ bei vollständig leerem Tinten-Vorratsbehälter abhängigen Federkraft
gehalten werden, wobei für die Federcharakteristik D'(L) gilt: D'(L) = ρ·g·Q(h = ΔL)·(1 ± ε_D), mit der Gravitationsbeschleunigung g,
sowie mit 0 ≤ ε_D ≤ 0,2, vorzugsweise 0 ≤ ε_D ≤ 0,1, insbesondere 0 ≤ ε_D ≤ 0,05, beispielsweise 0 < ε_D < 0,02.
Durch eine derartige Beziehung zwischen der spezifischen Dichte der Tinte, der Querschnittsform des verwendeten Tintennachfüllbehälters und der zu dessen variabler Abstützung/Aufhängung eingesetzten Feder wird erreicht, dass das Tintenniveau in dem Tintenvorratsbehälter stets auf einer konstanten Höhe bleibt, unabhängig von der Tintenmenge in dem Behälter. Im Allgemeinen ist hierfür wenigstens ein Federelement mit einer nichtlinearen Kennlinie erforderlich.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich aus durch wenigstens einen Tintennachfüllbehälter von konstantem Querschnitt Q₀ aus einem formsteifen Material, sowie mit einer Vorrichtung zum Druckausgleich zwischen dem Behälterinneren und seiner Umgebung, so dass der Querschnitt des Behälters unabhängig von dessen Befüllungszustand konstant ist: Q = Q₀, wobei der Tintennachfüllbehälter in vertikaler Richtung verstellbar ist und durch wenigstens eine etwa vertikal wirkende Feder mit der Federkonstante D gehalten wird, wobei gilt: D = ρ·g·Q₀(1 ± ε_D), mit der Gravitationsbeschleunigung g,
sowie mit 0 ≤ ε_D ≤ 0,2, vorzugsweise 0 ≤ ε_D ≤ 0,1, insbesondere 0 ≤ ε_D ≤ 0,05, beispielsweise 0 ≤ ε_D ≤ 0,02.
Hierbei handelt es sich sozusagen um einen speziellen Fall der vorangehend beschriebenen allgemeinen Anordnung. Bei dem speziellen Fall eines konstanten Behälterquerschnitts vereinfacht sich die Relation zwischen Federcharakteristik und Behälterquerschnitt, und es kann eine „normale” Feder mit linearer Federcharakteristik bzw. mit einer Federkonstante eingesetzt werden.
Die Federkonstante oder Federrate, auch Federhärte, Federsteifigkeit oder Richtgröße (Direktionskonstante) genannt, verbindet die Auslenkung einer Feder mit der daraus resultierenden Kraft. Nur bei einer linearen Feder ist dieser Anstieg der Kraft eine Konstante. Für eine Feder gilt dies nur bis zur Elastizitätsgrenze.
Nach dem Hookschen Gesetz ist die rücktreibende Kraft einer Feder, genannt Federkraft, proportional zur Verschiebung ΔL des Kraftangriffspunktes entgegen der Kraftrichtung, sofern durch die Kraftwirkung die Feder nicht dauerhaft plastisch verformt und damit zerstört wird (D = const.). Es gilt also die Beziehung F = –D·ΔL, mit D: Federkonstante.
Die (der Federkraft entgegengesetzte) Kraft, die eine Längung der Feder bewirkt, ist gleich dem Produkt aus Federkonstante D und dem Weg ΔL, um den sich der Kraftangriffspunkt der Feder verschiebt. Bei einer Zug- oder Druckfeder ist dies die Längenänderung der Feder.
Die Bestimmung einer Federkonstante erfolgt mittels eines Zugversuchs, bei dem man eine Kraft F anlegt und die Auslenkung bzw. Längenänderung ΔL = L – L₀ in Richtung der angelegten Kraft misst. Daraus ergibt sich die Federkonstante zu D = F/ΔL
In dieser Formel kann man die Federkraft F der Gewichtskraft G = m·g gleichsetzen:
Die Federkonstante D wird üblicherweise in der Einheit Newton/Meter oder (seltener) in Kilogramm/Sekunde² angegeben: [D] = N/m = kg/s².
Die Beschreibung einer Feder durch ihre Federkonstante ist eine in der Praxis ausreichend genaue Näherung für das federnde Verhalten von linearen Federn.
Die Federsteifigkeit oder Federkonstante D einer Schraubenfeder berechnet sich bspw. zu D = G·dp⁴/(8·d_F ³·n) mit

d_D: = Drahtdurchmesser [mm]
d_F: = mittlerer Federdurchmesser [mm]
n: = federnde Windungen
G: = Schubmodul [N/mm²] (für Federstahldraht i. d. R. 81500 N/mm², laut DIN EN 13906-1 (2002))

Durch besondere Gestaltung (veränderlicher Windungsdurchmesser, Gummiformkörper, Luftfedern) lassen sich jedoch, Federn herstellen, deren Kraft/Weg-Zusammenhang nicht linear ist. In diesem Fall soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Kraft/Weg-Diagramm durch seine lokale Steigung D'(L) = dF/dL als von der Auslenkung L = L₀ + ΔL abhängige Federcharakteristik D'(L) beschrieben werden.
Die Erfindung empfiehlt ferner, dass sich der Tintenpegel h_tnfb innerhalb des Tintennachfüllbehälters auf einem Niveau zwischen der Düsenhöhe h_d des Druckkopfs und dem Tintenpegel h_tsb im Tintenspeisebehälter befindet: h_d < h_tnfb < h_tsb.
Damit kann der Unterdruck innerhalb des Speisebehälters so eingestellt werden, dass er zwar Tinte aus dem Tintennachfüllbehälter ansaugt, nicht aber aus dem Tintenkopf: Δp = p_atm – p_tsb < p·g·(h_tsb – h_d), bzw. p_tsb > p_atm – ρ·g·(h_tsb – h_d).
Es ergibt sich also folgende Ungleichung: p_atm – ρ·g·(h_tsb – h_d) < p_tsb < p_atm – ρ·g·(h_tsb – h_tnfb), bzw. ρ·g·(h_tsb – h_tnfb) < Δp < ρ·g·(h_tsb – h_d).
Optimale Ergebnisse werden dabei erzielt, wenn sich der Tintenpegel h_tnfb innerhalb des Tintennachfüllbehälters etwa auf halber Höhe zwischen der Düsenhöhe h_d des Druckkopfs und dem Tintenpegel h_tsb im Tintenspeisebehälter befindet: ½(h_tsb – h_d)·(1 – ε) ≤ (h_tnfb – h_d) ≤ ½(h_tsb – h_d)·(1 + ε), wobei ε = 0,3, beispielsweise ε = 0,2, vorzugsweise ε = 0,1, insbesondere ε = 0,05. Damit lässt sich der Unterdruck derart wählen, dass er zu seinen beiden Grenzwerten einen jeweils ausreichenden Abstand einhält.
Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der Unterdruck Δp des Druckes p_tsb in dem Tintenspeisebehälter gegenüber dem atmosphärischen Druck p_atm etwa der Höhe der Tintensäule zwischen der Düsenhöhe h_d des Druckkopfs und dem Tintenpegel h_tsb im Tintenspeisebehälter entspricht. Dies korrespondiert mit einer üblichen Bemessungsregel, wonach sich der vorgeschriebene Tintenpegel für die Speisung eines Druckkopfs zumeist etwa auf Höhe von dessen Düsen befinden soll, so dass also der Tintendruck im Bereich der Düsen etwa dem atmosphärischen Druck entspricht.
Weitere Vorteile lassen sich dadurch erzielen, dass der Unterdruck Δp = p_atm – p_tsb in dem Tintenspeisebehälter gegenüber dem atmosphärischen Druck p_atm einer Differenz entspricht aus dem Druck p_ts = ρ_t·g·h_ts am unteren Ende einer Tintensäule der Höhe h_ts = h_tsb – h_d zwischen der Düsenhöhe h_d des Druckkopfs und dem Tintenpegel h_tsb im Tintenspeisebehälter einerseits und einem Offsetwert p_off andererseits, wobei der Offsetwert p_off vorzugsweise dem Druck p_off = ρ_t·g·h_off am unteren Ende einer Tintensäule der Höhe h_off = h_esp – h_d für den Betrieb des Druckkopfs empfohlenen Höhenunterschied zwischen einem empfohlenen Tintenspeisepegel h_esp und der Düsenhöhe h_d des Druckkopfs entspricht: Δρ = p_atm – p_tsb = p_ts – p_off = p·g·(h_ts – h_off) = = ρ·g·(h_tsb – h_d – h_sp + h_d) = ρ·g·(h_tsb – h_esp), wobei

ρ: die spezifische Dichte der Tinte und
g: die Gravitationsbeschleunigung ist.

Damit lässt sich jeder gewünschte Tintenspeisepegel h_esp bzw. Höhenoffset h_off virtuell einstellen.
Um innerhalb des Tintenspeisebehälters einen Unterdruck Δp = p_tsb – p_atm gegenüber dem atmosphärischen Druck p_atm zu erzeugen, kann an dem Tintenspeisebehälter eine Unterdruckquelle angeschlossen sein, bspw. eine Vakuumpumpe. Diese kann bei Bedarf aktiviert werden, um einer Rduzierung des Unterdrucks entgegenzuwirken.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass an der mit dem Tintenspeisebehälter gekoppelten Unterdruckquelle ein Druckregler angeschlossen ist, insbesondere ein Präzisionsdruckregler, um innerhalb des Tintenspeisebehälters einen Unterdruck Δp = p_tsb – p_atm gegenüber dem atmosphärischen Druck p_atm konstant zu halten, insbesondere auf einem Druckwert Δp = p_tsb – p_atm = ρ·g·(h_tsb – h_esp). Je weniger dieser Druckwert schwankt, um so präziser wird der empfohlenen Tintenspeisepegel h_esp eingehalten, und außerdem gelten auch für die Tintennachfüllung des Tintenspeisebehälters optimale Voraussetzungen.
Der Anschluss des Tintenspeisebehälters für die Unterdruckquelle sollte sich an der Oberseite des Tintenspeisebehälters befinden, damit möglichst keine Tinte angesaugt wird, was schädlich für die Vakuumpumpe sein könnte.
Andererseits empfiehlt die Erfindung, dass sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters für die Tintenzuleitung zu dem Druckkopf an der Unterseite des Tintenspeisebehälters befindet. Insofern werden dort keine Luftblasen in die Tintenzuleitung zum Druckkopf gelangen können, so dass optimale Druckergebnisse erzielbar sind.
Eine weitere Konstruktionsvorschrift besagt, dass sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters für die Tintenzuleitung von dem Nachfüllbehälter an der Mantelseite des Tintenspeisebehälters befindet. Damit hält dieser Zulauf sowohl einen Abstand zu dem Anschluss für die Unterdruckquelle als auch zu dem Ablaufanschluss zum Druckkopf ein.
Bevorzugt befindet sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters für die Tintenzuleitung von dem Nachfüllbehälter etwa auf halber Höhe des Tintenspeisebehälters. Dort ist der vertikale Abstand zu dem Evakuierungsanschluss wie auch zu dem Tintenablaufanschluss maximal.
Weitere Vorteile rsultieren aus einer Bemessungsregel, wonach sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters für die Tintenzuleitung von dem Nachfüllbehälter etwa auf Höhe des tatsächlichen Tintenpegels h_tsb innerhalb des Tintenspeisebehälters oder oberhalb desselben, vorzugsweise knapp oberhalb desselben, befindet. Von dort gelangt die Tinte unmittelbar zu dem Tintenreservoir innerhalb des Tintenspeisebehälters und muss nicht zunächst auf ein – deutlich – höheres Niveau angehoben werden.
Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass keine Tintenpumpe vorhanden ist, weder in der Zuleitung vom Tintennachfüllbehälter zum Tintenspeisebehälter noch in der Zuleitung vom Zwischenbehälter zum Druckkopf. Da nach der Lehre der Erfindung ein steuerbares Ventil in der Zuleitung vom Tintennachfüllbehälter zum Tintenspeisebehälter alleine völlig ausreichend ist, um die Nachspeisung zu bewirken, kann auf eine Tintenpumpe völlig verzichtet werden. Die Tinte kann von einem Tintenvorratsbehälter unter dem Einfluss der Gewichtskraft in den Tintennachfüllbehälter fließen, wobei dazu ebenfalls ein steuerbares Ventil ausreichend ist; von dem Tintennachfüllbehälter gelangt die Tinte bei Bedarf in dem Tintenspeisebehälter allein unter dem Einfluss des dortigen Unterdrucks; und zum Druckkopf fließt die Tinte wiederum unter dem Einfluss der Gewichtskraft.
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Deren einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Nachfülleinrichtung für Tintenvorratsbehälter einer Druckeinrichtung in einer schematischen Ansicht.
Man erkennt eine komplette Tintenversorgungseinrichtung 1 für den Druckkopf 2 einer Druckvorrichtung zum Bedrucken eines flächigen Substrats 3 mit Tinte 4, wobei es sich beispielsweise um einen Tintenstrahldruckkopf handeln kann.
Nicht dargestellt sind weitere Einzelheiten der Druckvorrichtung, beispielsweise zum horizontalen Bewegen des Druckkopfs 2 über das Substrat 3, zur elektrischen Ansteuerung der Düsen des Druckkopfs 2 oder zur Festlegung des zu bedruckenden Substrats 3 auf einem Tisch od. dgl.
Der Druckkopf 2 druckt im Allgemeinen nach unten auf das dortige Substrat 3. Dazu befinden sich die Düsen des Druckkopfs 2 in einem geringen vertikalen Abstand oberhalb des Substrats 3 auf einer Höhe h_d. Da es im Folgenden auf den Abstand zwischen den Düsen des Druckkopfs 2 und dem Substrat 3 nicht ankommt, soll im Folgenden die Höhe h_d der Düsen des Druckkopfs 2 als Nullpunkt festgelegt werden: h_d = 0.
Gespeist wird der Druckkopf 2 mit Tinte 4 über eine Tintenspeiseleitung 5 aus einem Tintenspeisebehälter 6. Dieser ist luftdicht abgeschlossen und daher von außen nicht zugänglich, auch nicht zum Nachfüllen. An einem oberseitigen Anschluss 7 des Tintenspeisebehälters 6 ist über eine druckfeste Leitung 8 eine Unterdruckquelle 9, bspw. in Form einer Vakuumpumpe, angeschlossen. Diese sorgt dafür, dass innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 ein Unterdruck Δp = p_atm – p_tsb herrscht, d. h., der Druck p_tsb innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 liegt unterhalb des atmosphärischen Luftdrucks p_atm in der Umgebung: P_tsb < p_atm.
Da eine manuelle Befüllung des Tintenspeisebehälters 6 mangels Zugang zu diesem nicht möglich ist, erfolgt die Nachfüllung aus einem Tintennachfüllbehälter 10 durch eine Zuleitung 11, worin sich ein steuerbares Ventil 12 befindet.
Der Tintennachfüllbehälter 10 ist nicht luftdicht geschlossen, sondern kommuniziert mit seiner Umgebung durch eine vorzugsweise kleine Öffnung, so dass im Tintennachfüllbehälter 10 Atmosphärendruck p_atm herrscht.
Ferner ist der Tintennachfüllbehälter 10 nicht ortsfest fixiert, sondern mittels wenigstens einem Federelement 13 in vertikaler Richtung beweglich aufgehängt, beispielsweise an einem Ständer, Chassis 14 oder sonstigen Maschinenteil. Das Federelement 13 ist vorzugsweise als an dem Tintennachfüllbehälter 10 oben etwa mittig angebrachte Zugfeder ausgebildet, insbesondere as Spiral- oder Schraubenfeder. Der Tintnennachfüllbehälter 10 kann zusätzlich in vertikaler Richtung geführt sein, um Schwingungen möglichst zu vermeiden.
Alternativ zu einer oberseitigen Zugfeder wäre es auch möglich, den Tintennachfüllbehälter 10 vertikal beweglich zu führen und das Federelement 13 unterhalb desselben anzuordnen und als vertikal nach oben wirkende Druckfeder auszubilden, bspw. als Spiral- oder Schraubenfeder.
Der Tintennachfüllbehälter 10 seinerseits kann aus einem Tintenvorratsbehälter 15 gespeist werden, nämlich durch eine Zuleitung 16 zwischen dem Tintenvorratsbehälter 15 und dem Tintennachfüllbehälter 10, worin sich vorzugsweise ein Ventil 17 befindet.
Der Tintenvorratsbehälter 15 kann ortsfest fixiert sein und kommuniziert vorzugsweise mit der Umgebung, befindet sich also unter atmosphärischem Druck. Auch kann der Tintenvorratsbehälter nachfüllbar sein, beispielsweise über eine oberseitige, vorzugsweise verschließbare Öffnung, und/oder er kann austauschbar sein, um nach vollständiger Entleerung ersetzt zu werden. Für den Tintenvorratsbehälter 15 gelten kaum Randbedingungen; er stellt die Schnittstelle zum Bedienpersonal dar, wo dieses bei Bedarf für Tintennachschub zu sorgen hat, entweder durch Nachfüllen des Tintenvorratsbehälters 15 bspw. aus einer Kanne oder einem Kanister, oder durch Ersetzen desselben. Auch kann der Tintenvorratsbehälter 15 eine nahezu beliebige Form aufweisen oder gar aus einem flexiblen, bspw. tütenartigen Behältnis bestehen.
Im Gegensatz dazu sollte der Tintennachfüllbehälter 10 aus einem steifen Material bestehen und eine festgelegte Form aufweisen mit einem konstanten Volumen und mit einer vorgegebenen Grundfläche und Höhe, wobei sich seine Querschnittsfläche Q₀ entlang seiner Höhe nicht ändern sollte.
Aufgrund seiner vertikal beweglichen Aufhängung mittels eines Federelements 13 kann sich der Tintennachfüllbehälter 10 in vertikaler Richtung bewegen. Je weiter er gefüllt ist, um so weiter wird sein Gewicht das Federelement 13 nach unten auslenken.
Dabei ist angestrebt, dass die Federkonstante D des Federelements 13 möglichst derart eingestellt ist, dass möglichst exakt die folgende Bedingung erfüllt ist: D = ρ·g·Q₀, wobei ρ der spezifischen Dichte der verwendeten Tinte 4 entspricht, g der Gravitationsbeschleunigung entspricht, und Q₀ dem kontanten horizontalen Querschnitt des Tintennachfüllbehälters 10.
Eine solche Bemessung hat zur Folge, dass beim Auffüllen von Tinte 4 in den Tintennachfüllbehälter 10 aus dem Tintenvorratsbehälter 15 das dadurch proportional zur eingefüllten Tintenmenge vergrößerte Gewicht ΔG das Federelement 13 gerade um ein Maß Δx in vertikaler Richtung nach unten auslenkt, so dass der – innerhalb des Tintennachfüllbehälters 10 relativ zu diesem gestiegene – Tintenpegel h_tnfb absolut bzw. relativ zu dem festen Bezugswert h_d = 0 konstant bleibt. Das bedeutet, egal, ob und wann der Tintennachfüllbehälter 10 nachgefüllt wird, bleibt sein Tintenpegel h_tnfb absolut stets konstant. Dies gilt natürlich auch für eine Entleerung desselben beim Nachfüllen von Tinte 4 in den Tintenspeisebehälter 6 – auch dabei bleibt der Tintenpegel h_tnfb absolut konstant, obwohl sich der Tintennachfüllbehälter 10 in Wahrheit teilweise entleert.
An den beiden Enden der Nachfüllleitung 11 zwischen Tintennachfüllbehälter 6 und Tintenspeisebehälter 10 liegen hier also stets konstante Druckwerte an, nämlich der Umgebungsdruck p_atm im Tintennachfüllbehälter 6 und der demgegenüber reduzierte Druck p_tsb in dem Tintenspeisebehälter 10. Die Druckdifferenz Δp = p_atm – p_tsb ist also ebenfalls stets konstant.
Dabei ist zu beachten, dass nicht nur die beiden Drucke p_tnfb = p_atm, p_tsb konstant sind, sonder auch beide Flüssigkeitspegel h_tnfb, h_tsb. Das bedeutet, dass – auch wenn die Nachfüllleitung 11 nicht exakt auf Höhe dieser Pegel h_tnfb, h_tsb endet, sondern bspw. am unteren Ende des Nachfüllbehälters 10, die Tinte 4 dennoch nur um den Wert h_tsb – h_tnfb angehoben werden muss, wo eben genau die konstanten Druckverhältnisse p_atm, p_tsb gelten und nicht etwa ein hydrostatisch erhöhter Druck.
Der Unterdruck Δp innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 wird von der Vakuumpumpe 9 auf einen Wert geregelt, welcher die folgende Ungleichung erfüllt: ρ·g·(h_tsb –h_tnfb) < Δp < ρ·g·(h_tsb – h_d).
Dadurch ist gewährleistet, dass der Saugdruck Δp innerhalb der Nachfüllleitung 11 größer ist als das Gewicht der dortigen Tintensäule, so dass bei geöffnetem Ventil 12 Tinte 4 von dem Nachfüllbehälter 10 in den Tintenspeisebehälter 6 gesogen wird.
Andererseits ist der Saugdruck Δp innerhalb der Speiselleitung 5 kleiner als das Gewicht der dortigen Tintensäule, so dass trotz ständig geöffneter Speiseleitung 5 – in dieser befindet sich im Normalfall kein Ventil – keine Tinte 4 von dem Druckkopf 2 in den Tintenspeisebehälter 6 zurück gesogen wird.
Dies wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass für den Tintenpegel h_tnfb innerhalb des Tintennachfüllbehälters 10, der Düsenhöhe h_d des Druckkopfs 2 und dem Tintenpegel h_tsb im Tintenspeisebehälter 6 folgende Ungleichung erfüllt wird: 0 = h_d < h_tnfb < h_tsb, mit anderen Worten, der mittels der Feder 11 konstant gehaltene Pegel h_tnfb innerhalb des Tintennachfüllbehälters 10 liegt oberhalb des Niveaus h_d der Düsen des Druckkopfs 2, und der ebenfalls konstante Pegel h_tsb innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 liegt seinerseits oberhalb dem Pegel h_tnfb innerhalb des Tintennachfüllbehälters 10.
Unter all diesen Voraussetzungen ist es nun möglich, die Nachfüllung des Tintenspeisebehälters 6 aus dem Tintennachfüllbehälter 6 einzig dadurch zu bewirken, dass das steuerbare Ventil 12 in der Nachfüllleitung 11 geöffnet wird.
Dies wiederum eröffnet die Möglichkeit, den Pegelstand h_tsb innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 mittels eines Sensors zu erfassen und das Ventil 12 gemäß einem geeigneten Regelalgorithmus anzusteuern, beispielsweise gemäß einer Zweipunktregelung, aber auch gemäß einem P- oder PI- oder PID-Regler oder gemäß einer digitalen Regelfunktion. Dabei setzt der Tintenfluss unmittelbar mit Öffnung des Ventils 12 und damit nahezu verzögerungsfrei ein und kann ebenso abrupt wieder unterbrochen werden, einfach durch Schließen des Ventils 12. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Nachfüllung weitaus sensibler erfolgen kann als mittels einer trägen Pumpvorrichtung. Beispielsweise können bei einer Zweipunktregelung die Ein- und Ausschalt-Grenzwerte viel näher beieinander liegen als bei einer herkömmlichen Nachfülleinrichtung mittels einer Tintenpumpe. Damit sind auch die Nachspeiseintervalle viel kleiner und auch die Dauer einer Nachspeisung, mithin ist eine Schwankung des Pegels h_tsb innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 kaum mehr feststellbar. Dies wiederum hat optimale und konstante Verhältnisse für den Druckkopf 2 zur Folge und zeitigt damit ein optimales Druckergebnis.
Bezugszeichenliste

1: Tintenversorgungseinrichtung
2: Druckkopf
3: Substrat
4: Tinte
5: Tintenspeiseleitung
6: Tintenspeisebehälter
7: Anschluss
8: Leitung
9: Unterdruckquelle
10: Tintennachfüllbehälter
11: Nachfüllleitung
12: Ventil
13: Federelement
14: Chassis
15: Tintenvorratsbehälter
16: Zuleitung
17: Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 13906-1 (2002) [0033]

Claims

Einrichtung (1) zur Versorgung des Druckkopfs (2) einer Druckvorrichtung, insbesondere eines Tintenstrahldruckers, mit Tinte (4), umfassend einen mit dem Druckkopf (2) über eine Tintenzuleitung (5) verbundenen Tintenspeisebehälter (6) sowie einen mit dem Tintenspeisebehälter (6) über eine weitere Leitung (11) verbundenen Tintenachfüllbehälter (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Tintenspeisebehälter (6) a) luftdicht abgeschlossen ist und b) mit einem Unterdruck (Δp = p_atm – p_tsb) gegenüber dem atmosphärischen Druck (p_atm) beaufschlagt ist, welcher derart eingestellt ist, dass er in der Lage ist, Tinte (4) von dem Tintennachfüllbehälter (10) anzusaugen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (11) zwischen dem Tintenspeisebehälter (6) und einem Tintennachfüllbehälter (10) ein Ventil (12) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (12) in der Leitung (11) zwischen dem Tintenspeisebehälter (6) und dem Tintennachfüllbehälter (10) steuerbar ist, insbesondere in Form eines elektrisch ansteuerbaren Magnetventils.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tintenspeisebehälter (6) mit einer Unterdruckquelle (9) verbunden ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tintenspeisebehälter (6) auf einer festen Höhe installiert ist, bezogen auf die Höhe des Druckkopfs (2).
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Tintenspeisebehälter (6) auf einem Niveau oberhalb des Druckkopfs (2) befindet.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Boden des Tintenspeisebehälters (6) auf einem Niveau von wenigstens 10 cm oberhalb der Düsen des Druckkopfs (2) befindet, vorzugsweise wenigstens 20 cm oberhalb der Düsen, inbesondere wenigstens 30 cm oberhalb der Düsen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tintenpegel (h_tntb) in dem Tintennachfüllbehälter (10) unabhängig von dessen Befüllungszustand konstant ist.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tintennachfüllbehälter (10) in vertikaler Richtung abgefedert ist, derart, dass der Pegel (h_tntb) innerhalb des Tintennachfüllbehälters (10) unabhängig von dessen Füllungsgrad konstant ist.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tintennachfüllbehälter (10) in vertikaler Richtung federnd aufgehängt ist, insbesondere an einer Spiralfeder (13).
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkonstante (D) der Federung derart eingestellt ist, dass gilt: D = ρ·g·Q₀(1 ± ε_D), mit der spezifischen Dichte ρ der Tinte (4), mit der Gravitationsbeschleunigung g, mit der Querschnittsfläche (Q₀) des Tintennachfüllbehälters (10), sowie mit 0 ≤ ε_D ≤ 0,2, vorzugsweise 0 ≤ ε_D ≤ 0,1, insbesondere 0 ≤ ε_D ≤ 0,05, beispielsweise 0 ≤ ε_D ≤ 0,02.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Tintenpegel (ht_nfb) innerhalb des Tintennachfüllbehälters (10) auf einem Niveau zwischen dem Druckkopf (2) und dem Tintenspeisebehälter (6) befindet.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Tintenpegel (h_tnfb) innerhalb des Tintennachfüllbehälters (10) etwa auf halber Höhe zwischen der Düsenhöhe (h_d) des Druckkopfs (2) und dem Tintenpegel (h_tsb) im Tintenspeisebehälter (6) befindet: ½(h_tsb – h_d)·(1 – ε) ≤ (h_tnfb – h_d) ≤ ½(h_tsb – h_d)·(1 + ε), wobei ε = 0,3, beispielsweise ε = 0,2, vorzugsweise ε = 0,1, insbesondere ε = 0,05.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck (Δp) des Druckes (p_tsb) in dem Tintenspeisebehälter (6) gegenüber dem atmosphärischen Druck (p_atm) etwa dem hydrostatischen Druck der Höhe der Tintensäule zwischen der Düsenhöhe (h_d) des Druckkopfs (2) und dem Tintenpegel (h_tsb) im Tintenspeisebehälter (6) entspricht oder betragsmäßig geringer ist als jener.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck (Δp) des Druckes (p_tsb) in dem Tintenspeisebehälter (6) gegenüber dem atmosphärischen Druck (p_atm) einer Differenz entspricht aus dem Druck (p_ts = ρ_t·g·h_ts) am unteren Ende einer Tintensäule der Höhe (h_ts = h_tsb – h_d) zwischen der Düsenhöhe (h_d) des Druckkopfs (2) und dem Tintenpegel (h_tsb) im Tintenspeisebehälter (6) einerseits und einem Offsetwert (p_off) andererseits, wobei der Offsetwert (p_off) vorzugsweise dem Druck (p_off = ρ·g·h_off) am unteren Ende einer Tintensäule von der Höhe (h_off = h_esp – h_d) des für den Betrieb des Druckkopfs (2) empfohlenen Höhenunterschiedes zwischen einem empfohlenen Tintenspeisepegel (h_esp) und der Düsenhöhe (h_d) des Druckkopfs (2) entspricht: Δp = p_tsb – p_atm = p_ts – p_off = ρ·g·(h_ts – h_off) = = ρ·g·(h_tsb – h_d – h_esp + h_d) = ρ·g·(h_tsb – h_esp), wobei ρ die spezifische Dichte der Tinte (4) und g die Gravitationsbeschleunigung ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Tintenspeisebehälter (6) eine Unterdruckquelle (9) angeschlossen ist, um innerhalb des Tintenspeisebehälters (6) einen Unterdruck (Δp = p_tsb – p_atm) gegenüber dem atmosphärischen Druck (p_atm) zu erzeugen.
Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an der mit dem Tintenspeisebehälter (6) gekoppelten Unterdruckquelle (9) ein Druckregler angeschlossen ist, insbesondere ein Präzisionsdruckregler, um innerhalb des Tintenspeisebehälters (6) einen Unterdruck (Δp = p_tsb – p_atm) gegenüber dem atmosphärischen Druck (p_atm) konstant zu halten, insbesondere auf einem Druckwert Δp = p_tsb – p_atm = ρ_t·g·(h_tsb – h_esp).
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anschluss (7) des Tintenspeisebehälters (6) für die Unterdruckquelle (9) an der Oberseite des Tintenspeisebehälters (6) befindet.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters (6) für die Tintenspeiseleitung (5) zu dem Druckkopf (2) an der Unterseite des Tintenspeisebehälters (6) befindet.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters (6) für die Tintennachfüllleitung (11) von dem Tintennachfüllbehälter (10) an der Mantelseite des Tintenspeisebehälters (6) befindet.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters (6) für die Tintennachfüllleitung (11) von dem Tintennachfüllbehälter (10) etwa auf halber Höhe des Tintenspeisebehälters (6) befindet.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der der Anschluss des Tintenspeisebehälters (6) für die Tintennachfüllleitung (11) von dem Tintennachfüllbehälter (10) etwa auf Höhe des Tintenpegels (h_tsb) innerhalb des Tintenspeisebehälters (6) befindet.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass keine Tintenpumpe vorhanden ist, weder in der Tintennachfüllleitung (11) vom Tintennachfüllbehälter (10) zum Tintenspeisebehälter (6) noch in der Speiseleitung (5) vom Tintenspeisebehälter (6) zum Druckkopf (2).