DE2915886A1

DE2915886A1 - Duesen fuer druckimpuls-tropfejektoren

Info

Publication number: DE2915886A1
Application number: DE19792915886
Authority: DE
Inventors: William R Gardner; Sting-Goran Larsson; Marcus M Schnarr
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1979-04-19
Publication date: 1979-12-13
Also published as: GB2022021B; GB2022021A; JPS54156209A; CA1155165A

Description

THOFFbZANlS '.-13ITIvJE <& PARTNER

PATENTANWÄLTE

DR. ING. Π. HOFFMANN (1930-1976) . Dl PL.-I NG. W. EITLE · D R. RER. NAT. K. HO FFMANN · Dl PL.-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELIASTRASSE A (STERN HAUS) . D-8000 MO NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATHE)

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Xerox Corporation
Rochester, N.Y. / USA

Düsen für Druckimpuls-Tropfejektoren

Die Erfindung bezieht sich auf eine Düse, die für die unterschiedlichsten Druckimpuls-Tropfejektorsysteme verwendet v/erden kann. Die größten Vorteile werden jedoch dann realisiert, wenn die Düsen entsprechend der Erfindung in Verbindung mit einem Farbstrahl-Aufzeichnungssystem verwendet werden. Dementsprechend wird die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem Farbstrahl-Aufzeichnungssystem beschrieben.

Wenn ein Farbtröpfchen aus einer Auslaßöffnung ausgedrückt wird, vibriert der neuausgebildete Meniskus des in der öffnung zurückbleibenden StrÖFiungsrnediums solange, bis der Meniskus einen stabilen Zustand einnimmt. Da der Meniskus stabilisiert sein muß, damit gesteuert exakt Tröpfchen ausgepreßt werden können, beein·^ trächtigt die Dauer der Vibration die Frequenz mit der die

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Tröpfchen exakt aus der Öffnung ausgedrückt werden können. Je länger die Vibrationsdauer ist, umso geringer wird die akzeptable Betriebsfrequenz sein. Dieses Problern ist im einzelnen in der US-PS 4 024 544 diskutiert, womit diese US-Patentschrift in den Offenbarungsgehalt dieser Erfindung einbezogen wird.

Weiterhin wurde bei Farbstrahl-Aufzeichnungssystemen festgestellt, daß sogar relativ geringe Fehler oder Beschädigungen der Auslaßöffnungen, d.h. am Rand der Tropfauslaßöffnung befindliche Späne oder Risse relativ erhebliche Verlaufsfehler der Tröpfchen verursachen können. Verlaufsfehler in einem Farbstrahl-Aufzeichnungssystem können Reproduktionen geringer Qualität verursachen und das System unter Umständen unbrauchbar machen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, dieses Problem auf elegante und einfache Weise zu lösen.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch einen Halsquerschnitt und einen gegenüber diesem vergrößerten Meniskus-Ausbildungsquerschnitt gelöst.

Die erfindungsgemäßen Düsen verursachen eine ausgezeichnete Meniskus-Vibrationsdämpfung und sind gegenüber Ungenauigkeiten und Fehlern des Düsenöffnungsrandes relativ unempfindlich. Die reduzierte Meniskus-Vibration erleichtert somit eine hochfrequentere Tröpfchenbildung. Die Erweiterung der Düse im Auslaßbereich verschiebt die Scherlinie während der Tropfenbildung derart, daß im entscheidenden Bereich keine Scherwirkung mehr zwischen dem Strömungsmedium und dem Festkörper, sondern nur noch unter den Strömungsmedien selbst auftritt.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. IA und IB schematische Schnittansichten der

Düsen gemäß der Erfindung im Betriebszustand und

Fig. 2Λ und 2B schematische Schnittansichten einer

anderen Ausführungsform der erfindungsgernäßen Düsen im Betriebszustand.

Ein Gehäuse 10 weist eine in diesem ausgebildete Düse 12 auf. Die Düse 12 ist mit einem Strömungsmedium 14 gefüllt, die im Ruhezustand einen Meniskus IG bildet (Fig. IA).

Fig. IB stellt die typische Form des Meniskus 16 dar, wenn auf das Medium 14 ein Druckimpuls aufgebracht wurde, bevor eine Tropfenabtrennung stattgefunden hat. Fig. 13 soll darstellen, daß bei herkömmlichen Düsen ein Teil des den Tropfen bildenden Strömungsmediums mit dem festen Material in Berührung steht. Der Widerstand zwischen dem Strömungsmedium und dem festen Material beeinflußt die Tropfenbildung. Jede Beschädigung des Öffnungsmaterials, wie beispielsweise ein Span oder ein Riß. verursacht, daß der Tropfen in einem Winkel anstatt in einer geraden Linie ausgestoßen wird, da diese Beschädigungen mit dem stetig strömenden Strömungsmittel in Berührung gelangen.

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In Fig. 2A ist ein Gehäuse 20 und eine darin ausgebildete Düse 22 entsprechend der Erfindung dargestellt. Die Düse 22 ist am Öffnungsauslaß erweitert, um einen erweiterten Meniskusbereich zu bilden. Für die weitere Beschreibung wird der Düsendurchmesser vor der Vergrößerung als Halsdurchmesser Dt (Fig. 2) bezeichnet. Der vergrößerte Auslaßöffnungsdurchmesser mit nachfolgend als Meniskusdurchmesser Dm (Fig. 2) bezeichnet. Der ausgebildete Tropfen wird vom stetig fließenden Strömungsmedium gebildet, welches zum Zeitpunkt der Tropfenbildung und der Tropfentrennung nicht mit dem festen Material in Berührung steht.

Zwischen dem stetig fließenden Strömungsmedium und dem üffnungsrand befindet sich entsprechend Fig«, 2A ein Strömungsbereich, in dem das Strömungsmittel relativ langsam oder überhaupt nicht fließt. Die Tropfenbildungsscherkraft tritt als Strömungsmittel-zu-Strömungsmittelscherkraft uf, und zwar eher als eine Strömungsmittel-zu-Festkörperscherkraft.

Die Unterteilung des Strömungsmittels, welche vom Rand der Auslaßöffnung den Tropfen bildet, minimiert oder eliminiert die Tropfenverlaufsfehler, welche durch die Ungenauigkeiten des Randes erzeugt v/erden. Es wurde ebenso herausgefunden, daß eine Zunahme des Meniskusbereiches die Amplitude der i-ieniskus-Vibration reduziert. Eine Reduzierung des Halsbereiches erhöht die Meniskus-Vibrationsdämpfung. Wenn ein Tropfen herausgedrückt wird, wird ein neuer Meniskus gebildet. Dieser neue Meniskus vibriert für eine bestimmte Zeit, bevor dieser zur Ruhe kommt. Nur wenn der Meniskus sich in Ruhe befindet, kann ein neuer Tropfen genauer Abmessung ausgepreßt werden. Die für das zur Ruhe kommen des Meniskus benötigte Zeit bestimmt, wie schnell das Farbausstoßsystem funktionieren kann. Die Verbesserung der Meniskusdämpfung ergibt sich daher, weil

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der Meniskusbereich unabhängig vom Halsbereich ist. Die Meniskus-Vibration klingt auf einer Weise ab, die von der Nachgiebigkeit des Meniskus und der Trägheit und dem Widerstand der Düse abhängt. Die Nachgiebigkeit oder die Federeigenschaft des Meniskus ist eine Funktion von:

(Querschnittsbereich des Meniskus)

(Oberflächenspannung des Strörnungsmediums)

Die Trägheit ist eine Funktion von:

(Dichte des Strömunqsmediums)(Düsenlänqe) (Haisqucrschnittsbereich)

Der Düsenwiderstand ist eine Funktion von:

(Viskosität djss Strömunqsmediums ) (Düsenlänqe) '(Halsquerschnittsbereich) 2

Es besteht ein Verhältnis unter den Konstruktionsveränderlichen, welches ein kritisches Dämpfen oder die kürzeste Zeit für die Meniskusberuhigung zur Folge hat. Für eine in kürzester Zeit zu beruhigende, gegebene Meniskusstörung muß der Strömungsmedium-"Kreis", welcher den Druckimpuls-Tropfejektor repräsentiert, kritisch gedämpft werden. Da der Halsquerschnittsbereich, welcher den Widerstand und die Trägheit bestimmt, entsprechend der Erfindung unabhängig von dem Meniskus-Querschnittsbereich gewählt werden kann, welcher die Federeigenschaft bzw. die Nachgiebigkeit steuert, können diese Querschnittsbereiche so gewählt werden, daß im wesentlichen eine kritische Dämpfung des Meniskus erzielt wird. Beispielsweise ergibt sich für einen Halsdurchmesser von 20 ,um bei einer Tiefe von 20,um und einem Auslaßdurchmesser von 40 ,um eine Dämpfungszeit, die ein Viertel der Zeit entspricht, die sich bei einer 40 ,um geraden Düse ergibt. Der Dämpfungsgrad kann dadurch gemessen werden, daß der Meniskus während einer

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sinusförmigen oder einer pulsierenden Erregung durch ein Mikroskop beobachtet wird. Es ist so relativ einfach, bei der Verwendung verschiedener Düsenkonstruktionen die Meniskus— dämpfung zu vergleichen. Derartige Messungen haben die Lehre der Erfindung bestätigt.

Ein weiterer Vorteil der verbesserten Düse besteht darin, daß die Oberfläche des Düsenrnaterials nicht naß oder trocken sein muß, da der Rand des Meniskus~Ausbildungsbereiches von dem stetig sich bewegenden Strömungsmedium entfernt liegt, welches entsprechend Fig. 2B den Tropfen bildet.

Bei erneuter Betrachtung des 'Standes der Technik gemäß Fig. IB ist ersichtlich, daß der Meniskus immer einen Winkel von S0° zwischen dem Farbstrahl der äußeren Düsenfläche bildet. Fig. 2B zeigt dagegen, daß der Meniskus am Berührungspunkt mit der Düsenoberfläche sogar während der Ejektion einen V/inkel von nahezu ISO einhält. Daher ergibt sich ein größerer Widerstand gegenüber der Benetzung der äußeren Strahlober— fläche (jet surface).

Eine typische Düse gemäß der Erfindung würde einen Halsdurchmesscr von ungefähr 20 ,um bis ungefähr 80 ,urn haben. Der Durchmesser des Meniskus würde von ungefähr 12 ,um bis ungefähr 25 ,um größer sein als der Halsdurchmesser. Das Flächenverhältnis der vergrößerten Fläche zur Querschnittsfläche des Halsbereiches beträgt entsprechend von ungefähr 1.5:1 bis ungefähr 5:1. Die Tiefe des vergrößerten Flächenbereiches würde typischerweise zwischen ungefähr 25 ,um und ungefähr 50 ,um betragen. Obwohl die vorstehenden Bernessungsangaben sich auf die Durchmesser eines Kreisquerschnitts beziehen, kann natürlich der Halsquerschnitt und auch der Meniskus-Querschnitt

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dreieckförmig, quadratisch, rechteckig oder auf irgend einer anderen geeigneten Weise geformt sein und muß nicht unbedingt dieselbe sein. Dor vergrößerte Bereich kann zylindrisch, konisch oder auf andere geeignete Weise geformt sein und muß nicht koaxial oder konzentrisch mit dem Düsenhals liegen.

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-/fir-

Leerseite

Claims

HOFFMANN - -iüITX-IC afc'KUtXNER 2915886

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . Dl HL-IN G. W.EITLE · D R. RER. NAT. K. HOFFMAN N · D I PL.-ING. W. LEH N

D I PL.-1 NG. K. FOCHSLE · DR. RER, N AT. B. H ANS E N ARABELLASTRASSE A (STERNHAUS) · D-SOOO MD NCH EN 81 ■ TELEFON (089) 911087 ■ TELEX 05-29019 (PATH E)

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Xerox Corporation
Rochester, N.Y. /USA

Düsen für Druckimpuls—Tropfejektoren

Pa t e nt ansprüche

1, \ Düse für ein Druckirnpuls-Tropfejektorsystem, g e k e η η -

ζ e i c IY net durch einen Halsquerschnitt (Dt) und einen gegenüber diesem vergrößerten Meniskus-Ausbildungsquerschnitt (Dm).
2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Meniskus-Ausbildungsquerschnitt (Dm) einen Querschnittsbereich aufweist, welcher ungefähr 1,5 bis ungefähr fünfmal so groß ist wie der Kaisquerschnittsbereich (Dt)»

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3. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halsquerschnitt (Dt) einen Durchmesser von ungefähr 20 ,um bis ungefähr 80 ,um und der Meniskus-Ausbildungsquerschnitt (Dm) einen um von ungefähr 12,um bis ungefähr 25 ,um größeren Durchmesser aufweist, und daß der Meniskusausbildungsquerschnitt (Dm) eine Tiefe von ungefähr 25/Urn bis ungefähr 50 ,um aufweist.

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