DE2135519A1 - DIAPHRAGM PUMP FOR TRANSFERRING LIQUIDS - Google Patents
DIAPHRAGM PUMP FOR TRANSFERRING LIQUIDSInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Membranpumpe zum Fördern geringer Flüssigkeitsmengen, insbesondere für Tintenstrahlschreiber zum Fördern der Schreibtinte durch einander entgegengerichtete Beeinflussung des Membranelementes in Wechselwirkung durch einen Elektromagneten und ein Federelement von einem Vorratsbehälter zum Schreibkopf, von dessen kleinkalibriger Austrittsöffnung die Schreibtinte lediglich durch Einfluß eines elektrischen Feldes in Richtung auf die Schreibstelle gefördert und abgelenkt wird.The invention relates to a diaphragm pump for pumping small amounts of liquid, in particular for Ink jet pen for conveying the writing ink by influencing the membrane element in opposite directions in interaction by an electromagnet and a spring element from a storage container to the writing head, from its small-caliber outlet opening the writing ink is only released by the influence of an electrical one Field is promoted and distracted in the direction of the writing point.
Der prinzipielle Aufbau einer Kolbenpumpe sowohl zum Fördern von Flüssigkeiten als auch von Gasen ist hinlänglich bekannt. Das Prinzip derartiger Pumpen besteht darin, daß der Inhalt eines bis auf einen Zuführkanal und einen Abflußkanal abgeschlossenen Raumes durch ein schwingendes Organ, z.B. durch.einen Kolben oder eine Membrane abv/echselnd vergrößert oder verkleinert wird, wobei während der Expansion des Pumpenraumes ein im Zuführkanal angeordnetes Ventil und ein im Abflußkanal angeordentes Ventil geschlossen werden und bei der Kompression des Pumpeninhaltes das im Zuführkanal angeordnete Ventil geschlossen und das im Abflußkanal liegende Ventil geöffnet v/erden.The basic structure of a piston pump for pumping liquids as well as gases is sufficient known. The principle of such pumps is that the contents of a feed channel except for one and a drainage channel of closed space by a vibrating member, e.g. by a piston or a Diaphragm is enlarged or reduced in size, wherein, during the expansion of the pump chamber, a valve arranged in the supply channel and a valve arranged in the discharge channel Valve are closed and when the pump contents are compressed, the valve arranged in the feed channel closed and v / earth the valve in the drainage channel opened.
Im Gegensatz zu Pumpensystemen, bei denen das die Flüssigkeit bzw. die Gase fördernde Organ kontinuierlich kreisend angetrieben wird, so daß ein annähernd konstanter FörderdruckIn contrast to pump systems, which use the liquid or the organ conveying gases is continuously driven in a circular motion, so that an approximately constant delivery pressure
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gegeben ist, wechselt bei Kolbenpumpensystemen bei jedem Hub der Förderdruck in diesem System. Bei Kompression 'des Pumpenraumes steigt der Druck an, während er bei Expansion des Pumpenraumes abfällt. Für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten sind diese Druckschwankungen unerheblich, während derartige Druckschwankungen für andere Anwendungsgebiete nachteilig sein können. Andererseits kann das Abwechseln des Pumpendruckes für bestimmte Aufgaben sogar erwünscht sein.is given, the delivery pressure in this system changes with each stroke in piston pump systems. With compression The pressure of the pump chamber rises, while it falls when the pump chamber expands. For a variety of These pressure fluctuations are insignificant in areas of application, while such pressure fluctuations are for other areas of application can be disadvantageous. On the other hand, alternating the pump pressure may even be desirable for certain tasks be.
Dies ist beispielsweise der Fall bei TintenstrahlSchreibern zum Fördern der Schreibtinte von einem Vorratsbehälter zu einem Schreibkopf. Y/ahrend des Schreibbetriebes soll die Schreibtinte stetig dem Schreibkopf zugeführt werden, während nach Beendigung einer Schreibphase der Pumpendruck möglichst steil abfallen soll. Zu diesem Zweck sind Pumpensysteme zu verwenden, deren Hubraum derart groß ist, daß genügend Tintenflüssigkeit für einen Schreibzyklus während eines einzigen Kolbenhubes gefördert werden kann. Andererseits wird die Forderung gestellt, daß der Pumpendruck während der Kompressionsphase, also der Förderphase, konstant bleibt, damit keine Beeinträchtigung des Schreibbetriebes eintritt. Der Flüssigkeitsdruck soll nämlich konstant derart bemessen sein, daß er an der Schreibdüse, welche auf die Tintenflüssig·· keit eine kapillare Wirkung ausübt, zwar konvex hervortritt, jedoch weder aus dieser Düse herausgepreßt wird noch heraustropft. Die konvex herausgetretene Tintenflüssigkeit wird durch ein elektrisches Feld tröpfchenweise in Richtung auf 'die Schreibstelle beschleunigt und entsprechend der zu schreibenden Zeichenkontur abgelenkt. Andererseits soll bei Beendigung der Schreibphase dieser Arbeitsdruck steil abfallen.This is the case, for example, with inkjet pens for conveying the writing ink from a reservoir to a writing head. During the writing operation, the Writing ink can be continuously fed to the writing head, while the pump pressure is as high as possible after the end of a writing phase should drop steeply. For this purpose, pump systems are to be used, the displacement of which is so large that there is sufficient ink liquid can be promoted for a write cycle during a single piston stroke. On the other hand will the requirement is that the pump pressure remains constant during the compression phase, i.e. the delivery phase, so that there is no impairment of the writing operation. The liquid pressure should namely be constant in such a way that it protrudes convexly at the writing nozzle, which has a capillary effect on the ink liquid, but is neither squeezed out of this nozzle nor dripping out. The ink liquid that has emerged convexly becomes Accelerated by an electric field drop by drop in the direction of the writing point and corresponding to the one to be written Distracted character contour. On the other hand, this working pressure should drop steeply at the end of the writing phase.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Pumpensystem bereitzustellen, das die Bedingungen nach einem konstanten Arbeits-It is the object of the invention to provide a pump system that the conditions after a constant working
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druck und nach einem steilen Aufbau des Arbeitsdruckes bzw. Abbau dieses Arbeitsdruckes gewährleistet.pressure and guaranteed after a steep build-up of the working pressure or reduction of this working pressure.
Ein Pumpensystem, das unter Verwendung einer Pumpenmembrane die gestellten Bedingungen uneingeschränkt erfüllt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Pumpenmembranelement gegeneinander wirkenden Betätigungsorgane eines Elektromagneten und eines Federelementes je eine großflächig plane und zur Membranebene parallele Betätigungsfläche und eine von der Membranebene wegfluchtende, konusähnliche Betätigungsfläche aufweisen, so daß nach Erreichen des Arbeitsdruckes die durch die Wegänderungen hervorgerufenen Änderungen der Magnet- bzw. Federkräfte durch die Änderung der auf das Membranelement wirkenden Flächai der Betätigungselemente kompensiert werden A pump system that, using a pump diaphragm, fully meets the requirements fulfilled, is characterized according to the invention in that the acting on the pump membrane element against each other Actuators of an electromagnet and a spring element each have a large area and plan Have membrane plane parallel actuating surface and a cone-like actuating surface aligned away from the membrane plane, so that after reaching the working pressure the changes in the magnetic or spring forces caused by the changes in path due to the change in the the membrane element acting Flächai of the actuating elements are compensated
Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen führen dazu, daß beim Wirksamwerden der großflächigen, planen und zur Membrane parallelen Betätigungsfläche des vom Elektromagneten beeinflußten Betätigungsorgans sofort steil der Arbeitsdruck in der Tintenflüssigkeit aufgebaut wird und beim weiteren Eintauchen des Betätigungsorgans zusätzlich zu der großflächigen, planen und zur Membrane parallelen Fläche die seitlich davon von der Membrane wegflüchtende konusähnliche Betätigungsfläche sukzessive auf die Membrane einwirkt, wodurch die aktive Fläche des Betätigungsorgans vergrößert wird. Durch entsprechende Ausgestaltung dieser von der Membrane wegfluchtenden konusähnlichen Betätigungsfläche steigt die aktive Fläche proportional zur während des Eintauchvorganges ansteigenden Kraft des Elektromagneten auf seinen Anker an, so daß der Druck innerhalb der Tintenflüssigkeit konstant bleibt. Eine für den Schreibbetrieb notwendige gleichförmige Förderung" der TintenflüssigkeitThese measures according to the invention lead to the fact that when the large-area, planar and membrane becomes effective parallel actuation surface of the actuating member influenced by the electromagnet immediately steeply the working pressure is built up in the ink liquid and when the actuator is further immersed in addition to the large-area, planar and parallel to the membrane, the cone-like surface that fls away from the membrane to the side Actuating surface acts successively on the membrane, whereby the active surface of the actuating member is enlarged. By appropriate design of this cone-like actuating surface aligned away from the membrane, the active surface increases proportionally to the during of the immersion process increasing force of the electromagnet on its armature, so that the pressure within the ink liquid remains constant. A uniform conveyance "of the ink liquid necessary for the writing operation
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zur Düse des Schreibkopfes Mn ist damit gewährleistet.to the nozzle of the writing head Mn is guaranteed.
Eine "bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pump ensyst eins ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines weitestgehend rückwirkungsfreien Membranelementes mit großer Ausdehnung und durch geringe Verstellhöhe. Damit wird erreicht, daß Änderungen für die Bedingungen während des Fördervorganges für die Tintenflüssigkeit weitestgehend verhindert werden und daß der Druck innerhalb der zu fördernden Tintenflüssigkeit annähernd proportional zum Erregerstrom des Elektromagneten ist.A "preferred embodiment of the invention Pump ensyst one is characterized by its use a largely reaction-free membrane element with great expansion and low adjustment height. This ensures that changes are made to the conditions can be largely prevented during the delivery process for the ink liquid and that the pressure within the ink liquid to be conveyed is approximately proportional to the excitation current of the electromagnet.
Vorzugsweise ist zur Betätigung des Membranelementes ein Tauchankermagnet zu verwenden, da Tauchankermagneten \ gegenüber Klappankermagneten einen für diese Zwecke günstigeren Anzugsmoment haben.Is preferable to use, as plunger magnets \ opposite hinged armature magnets have a better for these purposes tightening torque for operating the membrane element a solenoid plunger magnet.
Um die Änderungen der bei der Verstellung durch den Elektromagneten und das Pederelement auf ihre Betätigungsorgane wirkenden Kräfte im engen Rahmen zu halten sind vorteilhaft einerseits die Verwendung eines oberen, die Lage von Membrane und Magnetanker bei Beginn des Hubes festlegenden Anschlages und andererseits die Verwendung eines unteren Anschlages, der: den Hub begrenzt, bevor die Magnetkraft des Ankers einen zu hohen Tintendruck bewirkt.To the changes in the adjustment by the electromagnet and to keep the forces acting on their actuators within a narrow range are advantageous on the one hand, the use of an upper, the location of membrane and magnet armature at the beginning of the stroke defining stop and, on the other hand, the use of a lower one Stop that: Limits the stroke before the magnetic force of the armature causes the ink pressure to be too high.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpeneinrichtung zum Fördern von Tintenflüssigkeit in Tintenstrahlschreibern ist im einzelnen anhand' der Zeichnung im folgenden beschrieben. Es zeigt:An embodiment of a piston pump device according to the invention for conveying ink liquid in ink jet pens is shown in detail with reference to the drawing described below. It shows:
Fig.1 eine vereinfachte Darstellung der Pumpenanordnung1 shows a simplified representation of the pump arrangement
im Schnitt und
Fig.2 ein den Druckverlauf des Pumpensystems wiedergebendesin cut and
2 shows the pressure curve of the pump system reproducing
Diagramm.Diagram.
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Das Kolbenpumpensystem ist als* Membranpumpe ausgestaltet, d.h., daß über eine Membrane 1 die Expansion bzw. Kompression des Pumpenraumes 2 erfolgt. Auf diese Membrane 1 wirken gegeneinander über je eine Stößelplatte 3»4 ein Tauchankermagnet 5 und ein mechanisches Federelement 6. In der Ruhestellung, d.h. wenn der Tauchankermagnet 5 nicht erregt ist, ist die Membrane 1 infolge der über die Stößelplatte 4 wirkende Kraft der Feder 6 in ihrer oberen Lage, so daß der Pumpenraum 2 seine größte Ausdehnung hat. Wird nunmehr der Tauchankermagnet 5 erregt , so baut die am Magnetanker angeordnete Stößelplatte 3 mit ihrer planen Betätigungsfläche 7 über die Membrane 1 den Arbeitsdruck für die Tintenflüssigkeit auf. Dabei verschließt ein in einer Kammer 8 angeordnetes Plättchen 9 den Zuführungskanal 10. Andererseits wird die TintenfIü3sigkeit vom Abflußkanal 11 über eine flexible Leitung 12 zur Austrittsdüse 13 im Schreibkopf 14 gefördert. Infolge der großen Ausdehnung der Stößelplatte wird im Pumpensystem nur ein relativ geringer Druck aufgebaut, so daß die Druckflüssigkeit zwar an die Austrittsdüse 14 herangeführt wird und an der Austrittsöffnung konvex hervortritt, jedoch aber nicht weiter herausfließt oder heraustropft. (Die konvex herausgetretene Tintenflüssigkeit wird durch ein elektrisches Feld tröpfchenweise in Richtung auf die Schreibstelle beschleunigt und entsprechend der zu schreibenden Zeichenkontur abgelenkt).The piston pump system is designed as a diaphragm pump, which means that the expansion or compression of the pump chamber 2 takes place via a diaphragm 1. A plunger magnet 5 and a mechanical spring element 6 act on this membrane 1 against each other via a plunger plate 3 »4 in its upper position, so that the pump chamber 2 has its greatest extent. If the plunger magnet 5 is now excited, the plunger plate 3 arranged on the magnet armature builds up the working pressure for the ink liquid with its planar actuating surface 7 via the membrane 1. A plate 9 arranged in a chamber 8 closes the feed channel 10. As a result of the large expansion of the plunger plate, only a relatively low pressure is built up in the pump system, so that the pressure fluid is brought to the outlet nozzle 14 and emerges convexly at the outlet opening, but does not flow out or drip out further. (The ink that has emerged convexly is accelerated by an electric field drop by drop in the direction of the writing point and deflected according to the character contour to be written).
Durch die Ausgestaltung der Stößelplatte 3 mit einem großen Durchmesser sind zum Fördern der Tintenflüssigkeit lediglich sehr kleine Ankerhübe erforderlich. Aber selbst bei diesen kurzen Ankerhüben tritt eine dem zurückgelegten Weg entsprechende Änderung der auf den. Magnetanker wirkenden Magnetkräfte auf. Ohne entsprechende Maßnahmen würde dies bei ansteigender Eintauchtiefe der Stößelplatte in den Pumpenraum zu einer Erhöhung der Druckkräfte in der Tinten-Due to the design of the plunger plate 3 with a large diameter, only very small anchor lifts required. But even with these short anchor strokes, one treads the path covered corresponding change to the. Magnetic armature acting on magnetic forces. Without appropriate action, this would with increasing immersion depth of the plunger plate in the pump chamber to an increase in the pressure forces in the ink
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flüssigkeit führen, so daß unerwünscht diese Tintenflüssigkeit an der Austrittsöffnung der Schreibdüse herausfließt. Um den gewünschten gleichmäßigen Druck unabhängig von'der Stellung des Magnetankers auf die Tintenflüssigkeit zu erzielen, sind die Kanten der Stößelplatte 3 konusähnlich abgeflacht. Durch diese Ausbildung der Stößelplatte 3 vergrößert sich beim Eintauchen dieser Stößelplatte 3 in die Membrane die Wirkfläche entsprechend der Erhöhung der durch den Magneten auf seinen Anker wirkenden Kräfte, so daß der spezifische Druck in der Tintenflüssigkeit gleich bleibt. Aus den gleichen Überlegungen heraus sind auch die Kanten der Stößelplatte 4, auf die das Federelement 6 wirkt, konusähnlich abgeflacht. TJm die Änderungen der bei der Verstellung durch den Elektromagneten 5 und die Feder 6 auf ihre Betätigungsorgane 3,4 wirkenden Kräfte einzuengen, wird der Verstellweg dieser Betätigungsorgane 3,4 durch ortsfeste Anschläge des Pumpengehäuses begrenzt.lead liquid, so that undesirably this ink liquid flows out at the outlet opening of the writing nozzle. In order to achieve the desired uniform pressure regardless of the position of the magnet armature on the ink liquid, the edges of the plunger plate 3 are flattened in a cone-like manner. With this design of the plunger plate 3, when this plunger plate 3 is immersed in the membrane, the effective area increases corresponding to the increase in the forces acting on its armature by the magnet, so that the specific pressure in the ink liquid remains the same. For the same reasons, the edges of the tappet plate 4, on which the spring element 6 acts, are also flattened in a cone-like manner. TJm restrict the changes in the forces acting on their actuators 3, 4 during adjustment by the electromagnet 5 and the spring 6, the adjustment path of these actuators 3, 4 is limited by stationary stops on the pump housing.
Wird der Tauchankermagnet 5 aberregt, so ist der Pumpenraum infolge der auf die Membrane 1 über die Stößelplatte 4 wirkende Kraft der Feder 6 bestrebt sich auszudehnen. Dadurch ist im gesamten Pumpensystem bis hin zur Schreibdüse ein steiler Druckabfall zu verzeichnen. Da die Düse 14 kapillar auf die Tintenflüssigkeit einwirkt und somit wie ein geschlossenes Ventil wirkt, wird die zum Auffüllen des. expandierenden Pumpenraumes benötigte Tintenflüssigkeit von einem nicht dargestellten Vorratsbehälter über den Zuflußkanal 10, von dem das Ventilplättchen durch nur äußerst geringe Druckunterschiede abgehoben v/ird, und die Kammer 8 angesaugt. In dieser Kammer 8 sind Kanäle 15 vorgesehen, so daß durch das Plättchen 9 der in den Pumpenraum führende Kanal nicht abgeschlossen wird.If the plunger magnet 5 is de-energized, the pump space is due to that acting on the diaphragm 1 via the tappet plate 4 Force of the spring 6 tries to expand. This means that there is one in the entire pump system right through to the writing nozzle there was a steep drop in pressure. Since the nozzle 14 is capillary acts on the ink liquid and thus acts like a closed valve, is used to fill the. Expanding Pump chamber required ink liquid from a reservoir, not shown, via the inflow channel 10, of the valve plate due to only extremely small pressure differences lifted off and the chamber 8 sucked in. In this Chamber 8 channels 15 are provided so that through the plate 9 the channel leading into the pump room is not closed.
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Dieses Ventilplättehen 9 ist ein Glasplättchen von ca. 0,15 mm Stärke. Ein derartiges Plättchen ist genügend Massearm und klebt auch nicht ungewollt auf der Auflagefläche in der Kammer 8 fest. Dieses Rückschlagventil braucht nicht absolut dicht zu sein. Der Leckstrom soll nur klein gegenüber dem Strom zur Düse hin sein. Es ist sogar notwendig, daß ein langsamer Druckausgleich z.B. bei temperaturbedingten Volumenänderungen im Tintensystem stattfinden kann. Zu diesem Zweck ist die Auflagefläche für das Ventilplättchen leicht aufgerauht oder mit einer Kerbe versehen.This valve plate 9 is a glass plate approximately 0.15 mm thick. Such a plate is sufficient Low in mass and does not stick inadvertently to the support surface in the chamber 8. This check valve does not need to be absolutely tight. The leakage current should only be small compared to the current towards the nozzle be. It is even necessary that a slow pressure equalization, e.g. in the case of temperature-related volume changes can take place in the ink system. For this purpose, the contact surface for the valve plate is slightly roughened or provided with a notch.
Aus dem Diagramm nach Fig.2 ist die Gleichmäßigkeit des durch das Pumpensystem erzeugten Tintenflüssigkeitsdruckes ersichtlich. Zum. Zeitpunkt t = 0 steigt der Druck steil an und schwingt nur um einen äußerst geringen Betrag über den Arbeitsdruck hinaus, um sofort diesen Arbeitsdruck einzunehmen. Dieser Arbeitsdruck bleibt kontinuierlich erhalten,bis beim Aberregen dos Magnetsystems zum Zeitpunkt t = t1 ein ebenso steiler Abfall des Tintenflüssigkeitsdruckes zu verzeichnen ist. Die Elastizität des flexiblen ZuführungsSchlauches 12 verhindert noch steilere Änderungen des Flüssigkeitsdruckes beim Erregen beziehungsweise beim Aberregen des Elektromagneten, sie trägt jedoch zur Dämpfung der beim Druckwechsel auftretenden Druckspitzen bei.The uniformity of the ink liquid pressure generated by the pump system can be seen from the diagram according to FIG. To the. At time t = 0, the pressure rises steeply and only swings by an extremely small amount above the working pressure in order to immediately assume this working pressure. This working pressure is maintained continuously until an equally steep drop in the ink liquid pressure is recorded when the magnet system is de-energized at time t = t 1. The elasticity of the flexible supply hose 12 prevents even steeper changes in the fluid pressure when the electromagnet is energized or de-energized, but it contributes to damping the pressure peaks that occur when the pressure changes.
5 Patentansprüche
2 Figuren5 claims
2 figures
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