DE3840495A1 - Kuehlvorrichtung fuer einen druckerkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Druckerkopf eines Druckers, vorzugsweise eines Matrix-Nadeldruckers, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bekannt sind unterschiedliche serienmäßige Matrix-Nadeldrucker mit einem Druckerkopf, der entlang einem Blatt Papier hin- und herbewegbar ist, um auf diese Weise eine Zeile von Zeichen zu erzeugen, von denen jedes aus einer Matrix einzelner Punkte besteht. Der Druckerkopf weist eine Reihe von Nadeln oder Stiften auf, die jeweils einen Punkt der Matrix zugeord­ net sind und einzeln aktiviert werden können, indem eine elektromagne­ tische Spule erregt und so an einer vorbestimmten Stelle ein Farbband gegen das Papier gedrückt wird. Auf diese Weise ist es möglich, beliebi­ ge Zeichen auf das Papier zu bringen.

Die nach dem zuvor beschriebenen Prinzip arbeitenden Matrix-Nadeldrucker stellen den bei Mikrocomputern am häufigsten eingesetzten Druckertyp dar. Das liegt zum einen an dem breiten Leistungsspektrum, das der Nadeldruc­ ker abdeckt (z. B. Geschwindigkeiten zwischen 100 und 800 Zeichen pro Sekunde) und zum anderen an der zuverlässigen Arbeitsweise. Die Entwick­ lung der Matrix-Nadeldrucker hat in den letzten Jahren zu einer stetigen Erhöhung der Druckgeschwindigkeit geführt. Da die Temperatur des Drucker­ kopfes während einer ständig wiederholten Erregung und Nicht-Erregung der elektromagnetischen Spulen ansteigt, ist eine Kühlvorrichtung in Form von Kühlrippen um den Druckerkopf herum vorgesehen. Diese Kühlrippen kühlen den Druckerkopf indem sie Wärme an die Außenluft abgeben, während durch das ständige Hin- und Herbewegen des Druckerkopfes ein Luftstrom um den Druckerkopf entsteht.

Eine solche luftgekühlte Kühlvorrichtung ist jedoch nicht ausreichend, um eine größere Wärmemenge abzuführen. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn alle Nadeln durch Erregung der elektromagnetischen Spulen auf einmal beauf­ schlagt werden, wie dies z. B. beim Fett- oder Inversdruck der Fall ist oder, wenn der Druckerkopf über einen längeren Zeitraum ununterbrochen arbeitet. Bei einer solchen unzureichenden Wärmeabfuhr kann es aufgrund der Überhitzung des Druckerkopfes zu Beschädigungen der elektromagne­ tischen Spulen kommen, die dann zu falscher Darstellung einzelner Zeichen oder zu Fehlfunktionen der Druckerkopf-Steuereinheit führen. Aus diesem Grunde haben die konventionellen, luftgekühlten Druckerköpfe nur eine re­ lativ kurze betriebliche Lebensdauer.

Heute, im Hinblick auf die laufende Weiterentwicklung von Matrix-Nadel­ druckern in bezug auf eine ständig steigende Druckgeschwindigkeit im Zu­ sammenhang mit der dadurch ebenfalls steigenden erzeugten Wärmemenge des Druckerkopfes, besteht ein großes Interesse an einer Kühlvorrichtung, um auch Druckerköpfe von Hochgeschwindigkeitsdruckern ausreichend kühlen zu können.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für einen Druckerkopf anzugeben, bei der eine ausreichende Kühlung auch bei ständig und/oder mit besonders hoher Geschwindigkeit arbeitenden Druc­ kern gewährleistet ist.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung, bei der die zuvor aufgezeigte Auf­ gabe gelöst ist, ist gekennzeichnet durch die Merkmale des kennzeichnen­ den Teils von Anspruch 1.

Mittels dieser Kühlvorrichtung wird die vom Druckerkopf erzeugte Wärme vom Kältemittel dadurch aufgenommen, daß das Kältemittel im Verdampfer vom flüssigen in einen dampfförmigen Zustand umgewandelt wird. Das auf diese Weise verdampfte Kältemittel wird dem Kondensator zugeführt, der seinerseits das gasförmige Kältemittel durch Wärmeaustausch wieder ver­ flüssigt. Das so verflüssigte Kältemittel gelangt zurück zur Versorgungs­ pumpe, die ihrerseits das flüssige Kältemittel wieder dem Verdampfer zu­ führt. Durch diese Zirkulation des Kältemittels wird der Druckerkopf ständig gekühlt, indem ihm die Wärme zum Verdampfen des Kältemittels ent­ zogen wird. Auf diese Weise läßt sich eine ausreichende Kühlung des Druc­ kerkopfes erreichen.

Im einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsge­ mäße Kühlvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einer­ seits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungs­ gemäßen Kühlvorrichtung anhand der Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 diagrammartig den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für einen Druckerkopf,

Fig. 2 vergrößert und in auseinandergezogenem Perspektivschnitt den Verdampfer der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und

Fig. 3 in perspektivischer Ansicht einen Drucker mit einem bewegbaren Druckerkopf und der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung aus Fig. 1

Fig. 3 zeigt einen Drucker 1, der einen kastenähnlichen Rahmen 2 aufweist, in dem eine von einem Blatt Papier 3 teilweise umgebene Walze 4 vorgesehen ist. Die Walze 4 unterstützt die Rückseite des Papiers 3. Der Drucker 1 weist ferner eine Papier-Andruckstange 5 und eine Druckeinrichtung 6 zum Bedrucken des Papiers 3 auf. Die Papier-Andruckstange 5 dient zum Andrüc­ ken des Papiers 3 an die Walze 4. Die Druckeinrichtung 6 weist zwei paral­ lel angeordnete Führungsstangen 7 a, 7 b auf, welche sich parallel zur Längs­ achse der Walze 4 erstrecken und eine Bewegung eines Wagens 8, auf welchem ein Druckerkopf 9 befestigt ist, erlauben.

Der Druckerkopf 9 auf dem Wagen 8 enthält eine Reihe von (nicht darge­ stellten) Nadeln oder Stiften. Diese erzeugen - von einer Druckerkopf- Steuereinheit 10 angesteuert - Druckzeichen, die jeweils aus einer Punkt­ matrix bestehen. Die Druckerkopf-Steuereinheit 10 ist an der Rückseite des Druckerkopfes 9 angeordnet und enthält mehrere (nicht dargestellte) elektromagnetische Spulen, welche einzeln beliebig wählbare Nadeln durch Erregung der einzelnen entsprechenden elektromagnetischen Spulen beauf­ schlagen. Die Druckerkopf-Steuereinheit 10 ist mit einer (nicht darge­ stellten) zentralen Steuereinheit des Druckers 1 über mehrere Kabel ver­ bunden und wird von dieser zentralen Steuereinheit angesteuert. Die Ka­ bel sind als flexibles Flachbandkabel 11 ausgebildet, dessen eines Ende an einer Befestigungsvorrichtung 2 a am Boden des Rahmens 2 befestigt ist. Das flexible Flachbandkabel 11 ist so lang, daß eine Hin- und Herbewegung des Wagens 8 entlang der Führungsstangen 7 a, 7 b möglich ist. Die Drucker­ kopf-Steuereinheit 10 wird von einer auf dem Wagen 8 befestigten Farbband­ kassette 8 a umgeben.

Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist die Steuereinheit 10 von einer Kühlvorrichtung 12 zum Kühlen des Druckerkopfes 9 umgeben. Die Kühlvor­ richtung 12 umfaßt einen Verdampfer 13 zum Aufnehmen der Wärme der Steu­ ereinheit 10, einen Kondensator 21 zum Verflüssigen des verdampften Käl­ temittels und eine Versorgungspumpe 23, die das verflüssigte Kältemittel zum Verdampfer 13 fördert. Die Komponenten 13, 21, 23 sind durch Lei­ tungen 18, 20, 24 verbunden, die dem Kältemittel ein Zirkulieren durch die Kühlvorrichtung 12 erlauben.

Der Verdampfer 13 sollte möglichst dicht mit dem Druckerkopf 9 in Verbin­ dung stehen, damit eine ausreichende Wärmeabfuhr erreicht wird. Im hier dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt der Verdampfer 13 einen Zylindermantel 13 a, der aus einem abgeflachten, zu einem nicht ge­ schlossenen Hohlzylinder gebogenen Rohr besteht und die Steuereinheit 10 umschließt. Der nicht geschlossene Zylindermantel 13 a besteht vorzugswei­ se aus einem thermisch gut leitenden Material wie Kupfer und weist einen umlaufenden, ringförmigen Hohlraum 14 auf, worin das Kältemedium in flüs­ sigem Zustand enthalten ist. Die gegenüberliegenden Enden 15 a, 15 b des Hohlraums 14 im Zylindermantel 13 a sind mit entsprechenden, entgegengesetzt angeordneten, längs verlaufenden Abschnitten eines hohlen Verbindungs­ rohrs 16 verbunden. Das hohle Verbindungsrohr 16 ist zwischen den gegen­ überliegenden Enden 15 a, 15 b abgedichtet angeordnet und bildet, zusammen mit dem nicht geschlossenen Zylindermantel 13 a, einen durchlaufenden bzw. geschlossenen Hohlring, bei dem das Verbindungsrohr 16 an der Ober­ seite angeordnet ist. Das Verbindungsrohr 16 weist zwei entgegengesetzt angeordnete, längs verlaufende Ausnehmungen 17 a, 17 b auf, die mit dem ringförmigen Hohlraum 14 des Zylindermantels 13 a verbunden sind. Der ringförmige Hohlraum 14 enthält in seinem unteren Bereich flüssiges Käl­ temittel. Das Verbindungsrohr 16 weist in seinem oberen Bereich eine Auslaßkammer 19 auf. Die Auslaßkammer 19 ist mit einem Ende einer Aus­ laßleitung 18 verbunden, um das verdampfte Kühlmittel von dem Verdamp­ fer 13 dem Kondensator 21 zuzuführen. Der untere Teil des Verdampfers 13 ist mit einem Ende einer Zulaufleitung 20 verbunden, durch welche das flüssige Kältemittel zum Verdampfer 13 gefördert wird.

Der Kondensator 21 ist einem durch ein Gebläse 22 erzeugten Luftstrom aus­ gesetzt, der einen Wärmeaustausch am Kondensator 21 bewirkt. An den Kon­ densator 21 ist an einem Ende eine Rückflußleitung 24 angeschlossen, deren anderes Ende mit einer Ansaugöffnung 29 der Versorgungspumpe 23 verbunden ist. Die Zulaufleitung 20, die Auslaßleitung 18 und die Rückflußleitung 24 bilden zusammen das zuvor beschriebene Leitungssystem.

Die Leitungen 18, 20, 24 bestehen nach einer weiteren Lehre der Erfindung aus einem flexiblen Material wie z. B. Polypropylen. Zweckmäßigerweise wird man nur das Allernötigste der Kühlvorrichtung 12 - also den Verdamp­ fer 13 - auf dem beweglichen Wagen 8 anordnen, um die bewegten Massen möglichst klein zu halten. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Auslaßleitung 18 und die Zulaufleitung 20 in das flexible Flachbandka­ bel 11 integriert sind. Auf diese Weise ist es möglich, den Kondensator 21 und die Versorgungspumpe 23 ortsfest am Rahmen 2 unterzubringen.

Die Versorgungspumpe 23 ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel als Kolben­ pumpe ausgeführt und daher kompakt in ihrer Konstruktion und sehr wirt­ schaftlich; doch sind durchaus auch andere Pumpenarten denkbar. Wie in Fig. 1 erkennbar ist, umfaßt die Versorgungspumpe 23 einen Motor 25, dessen Drehung einen Exzenterstift 26 auf einer Kreisbahn bewegt. Der Exzenterstift 26 ist in einer länglichen Öffnung in einem Schieber 27 a verschiebbar enthalten. Der Schieber 27 a ist mit einem Kolben 27 in einem Zylinder 28 verbunden. Auf der vom Schieber 27 a abgewandten Seite des Kolbens 27 ist eine Druckkammer der Versorgungspumpe 23 derart angeordnet, daß die auf einer Kreisbahn rotierende Bewegung des Exzenterstiftes 26 in eine entsprechende, lineare Bewegung des Kolbens 27 durch das Zusammen­ spiel des Exzenterstiftes 26 und des Schiebers 27 a umgesetzt wird. Dem Zylinder 28 sind zwei Rückschlagventile zugeordnet, die der Fließrichtung entsprechend in einer Ansaugöffnung 29 und einer Ausstoßöffnung 30 ange­ ordnet sind und einem Rückfluß des Kältemittels vom Verdampfer 13 zur Versorgungspumpe 23 während der Zirkulation des Kältemittels verhindern. Die Rückschlagventile sind bei der dargestellten bevorzugten Ausführungs­ form als Kugelventile ausgeführt. Die Ausstoßöffnung 30 ist mit dem ande­ ren Ende der Zulaufleitung 20 verbunden, um das Kältemittel zum Verdamp­ fer 13 fördern zu können.

Gemäß dem geschilderten Aufbau läuft der Druckerkopf 9 während des Druck­ vorganges entlang den Führungsstangen 7 a, 7 b hin und her und erzeugt so zeilenweise Zeichen auf dem Papier 3. Während des Druckvorganges erzeugt die Steuereinheit 10 Wärme durch die in ihr enthaltenen elektromagne­ tischen Spulen. Die so erzeugte Wärme wird auf den Verdampfer 13 übertra­ gen. Der Wärmeübergang findet hier schnell und effizient statt, da die Steuereinheit 10 vom Zylindermantel 13 a umgeben ist, welcher - der guten Wärmeleitfähigkeit wegen - möglichst aus Kupfer besteht.

Das in dem Verdampfer 13 enthaltene Kältemittel kann aus Wasser oder aus fluorierten aliphatischen Chlorkohlenwasserstoffen bestehen. Letztere ha­ ben eine bessere Kälteleistung als Wasser, sind schwer entflammbar, bil­ den mit Luft keine explosiven Gemische und weisen eine geringe Toxizität auf. Sie werden unter Markenbezeichnungen wie Frigen oder Freon angeboten. Ein bevorzugtes Kältemittel ist z. B. 1, 1, 2-Trichlor- 1, 2, 2-Trifluor­ äthan, das auf dem Markt unter dem Markennamen "Freon 113" erhältlich ist. Da das in einem flüssigen Zustand in dem Verdampfer 13 enthaltene Kälte­ mittel nur den unteren Bereich des Verdampfers 13 ausfüllt, führt die auf den Verdampfer 13 übertragene Wärme zum schnellen Verdampfen des Kältemit­ tels. Gleichzeitig wird die von der Steuereinheit 10 abgegebene Wärme in Form von Verdampfungswärme vom flüssigen Kältemittel aufgenommen.

Das auf diese Weise verdampfte Kältemittel wird anschließend durch die flexible Auslaßleitung 18 zum Kondensator 21 geleitet, wo das dampfför­ mige Kältemittel durch Wärmeaustausch wieder verflüssigt wird. Das ver­ flüssigte Kühlmedium wird mittels der Versorgungspumpe 23 durch die Zu­ laufleitung 20 wieder dem Verdampfer 13 zugeführt. Aufgrund einer solchen Zirkulation sorgt die Kühlvorrichtung 12 für eine gleichmäßige Kühlung des Druckerkopfes 9.

In einem Hochgeschwindigkeits- oder einem Dauereinsatz-Drucker wird der Druckerkopf 9 dauernd und schnell entlang der Führungsstangen 7 a, 7 b hin­ und herbewegt, wobei die flexiblen Auslaß- und Zulaufleitungen 18, 20 dieser schnellen Bewegung des Druckerkopfes 9 folgen.

Die Siedetemperatur des Kältemittels läßt sich leicht auf einen gewünsch­ ten Wert einstellen, indem der Druck im Kühlsystem oder Kühlkreislauf ver­ ändert wird. Mit dieser Einstellung der Siedetemperatur ist es möglich, die Temperatur des Druckerkopfes 9 unter einem vorbestimmten Wert zu halten.

Die Kühlvorrichtung 12 hat eine äußerst gleichmäßige Druckverteilung im gesamten Kühlsystem, aus diesem Grunde ist der Energieverbrauch der Ver­ sorgungspumpe 23 sehr gering.

Beispiel

Mit dem Drucker 1 und der oben beschriebenen Kühlvorrichtung 12 wurde ein Versuch unter folgenden Bedingungen gemacht:

1. Kältemittel:
Wasser (Verdampfungswärme = 539 cal/g)
2. Druck im Kühlkreislauf:
0,47 kg/cm² (80°C)
3. Durchflußmenge des Kältemittels:
0,45 cm³/min
4. Innendurchmesser von Auslaß- und Zulaufleitungen:
1,5 mm
5. Außendurchmesser von Auslaß- und Zulaufleitungen:
2,0 mm

Die Testergebnisse zeigten, daß durch die Kühlvorrichtung ein hervorragen­ der Kühleffekt erbracht wurde. Die Temperatur der elektromagnetischen Spu­ len war nicht größer als 105°C und die Temperatur der Steuereinheit über­ stieg 90°C nicht. Kühlkapazität der Kühlvorrichtung betrug 13,42 kcal/h.

Claims (8)

1. Kühlvorrichtung (12) für einen Druckerkopf (9) eines Druckers (1), vor­ zugsweise eines Matrix-Nadeldruckers, wobei der Druckerkopf (9) vorzugs­ weise entlang einer Führungseinrichtung (7) waagerecht und parallel zu einer Walze (4) verfahrbar und über ein flexibles Flachbandkabel (11) mit einer Steuereinheit des Druckers (1) elektrisch verbunden ist, gekenn­ zeichnet durch

• a) einen Verdampfer (13) zum Kühlen des Druckerkopfes (9) mittels eines flüssigen Kältemittels, welches durch die vom Drucker­ kopf (9) erzeugte Wärme verdampft wird,
• b) einen Kondensator (21) zum Verflüssigen des zuvor verdampften Kältemittels mittels eines Wärmeaustausches,
• c) eine Versorgungspumpe (23) zur Förderung des flüssigen Kältemit­ tels zu dem Verdampfer (13) und
• d) Leitungen (18, 20, 24), welche die Versorgungspumpe (23), den Verdampfer (13) und den Kondensator (21) miteinander verbinden und so dem Kältemittel erlauben, nacheinander durch die Versor­ gungspumpe (23), den Verdampfer (13) und den Kondensator (21) zu zirkulieren.

2. Kühlvorrichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (13) einen Zylindermantel (13 a) aufweist, der eine Steuerein­ heit (10) des Druckerkopfes (9) umschließt und einen ringförmigen Hohl­ raum (14) aufweist, worin das Kältemittel in flüssigem Zustand enthalten ist.

3. Kühlvorrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (18, 20, 24) als flexible Schläuche ausgeführt sind und sich zwischen dem Verdampfer (13) und dem Kondensator (21) - Auslaß­ leitung (18) -, dem Kondensator (21) und der Versorgungspumpe (23) - Rück­ flußleitung (24) - und der Versorgungspumpe (23) und dem Verdampfer (13) - Zulaufleitung (20) - erstrecken.

4. Kühlvorrichtung (12) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als flexible Schläuche ausgeführten Leitungen (18, 20) in das flexible Flachbandkabel (11) integriert sind.

5. Kühlvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kondensator (21) ortsfest in einem Rahmen (2) des Druc­ kers (1) angeordnet ist.

6. Kühlvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kondensator (21) von einem Gebläse (22) gekühlt wird.

7. Kühlvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Versorgungspumpe (23) ortsfest im Rahmen (2) des Druc­ kers (1) angeordnet ist.

8. Kühlvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Versorgungspumpe (23) als Kolbenpumpe ausgeführt ist.