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Die
Erfindung betrifft eine Bogenhandhabungsvorrichtung mit: einer Bogenträgerplatte
aus einem wärmeleitfähigen Material,
das eine erste Wärmekapazität aufweist,
welche Platte wenigstens einen Hohlraum aufweist, der zwischen einer
oberen Wand, die eine obere Oberfläche der Platte bildet, und
einer unteren Wand gebildet ist, die eine untere Oberfläche der
Platte bildet, und einem Temperatursteuersystem einschließlich eines
Umwälzsystems zum
Umwälzen
eines Temperatursteuerfluids durch den genannten Hohlraum.
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In
der Kopierer- und Druckerindustrie wird häufig eine temperaturgesteuerte
Bogenträgerplatte dazu
verwendet, einen Bildempfangsbogen zu tragen und gleichzeitig dessen
Temperatur zu steuern. Zum Beispiel wird in einem Tintenstrahldrucker
für heißschmelzende
Tinte ein Bogen, z.B. ein Bogen Papier, über eine Bogenträgerplatte
vorgerückt,
während
das Bild gedruckt wird. Bei Zimmertemperatur ist die heißschmelzende
Tinte fest, und es ist deshalb erforderlich, daß die Tinte in dem Drucker über ihren Schmelzpunkt
erhitzt wird, bevor sie auf das Papier gespritzt werden kann. Die
Tintentröpfchen,
die auf das Papier ausgestoßen
worden sind, haben die Tendenz, sich mehr oder weniger auszubreiten,
bevor die Tinte erstarrt. Um ein geeignetes und konstantes Ausmaß an Ausbreitung
der Tintentröpfchen
zu erreichen, sollte die Temperatur der Bogenträgerplatte und damit die Temperatur
des Papiers so gesteuert werden, daß die Tinte mit einer angemessenen
Rate abkühlt.
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In
einer Anfangsphase des Druckprozesses, wenn ein neuer Bogen zugeführt worden
ist, ist es im allgemeinen erwünscht,
den Bogen zu erhitzen und ihn auf einer geeigneten Betriebstemperatur
zu halten. Im weiteren Verlauf des Druckprozesses ist es jedoch
erforderlich, die Wärme
der auf dem Papier erstarrenden Tinte abzuleiten. Zu dem Zweck kann ein
Temperatursteuerfluid, z.B. eine Flüssigkeit, durch den Hohlraum
in der Platte geleitet werden, um die Temperatur der Platte zu steuern.
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Um
eine gute Druckqualität
zu erreichen, sollte außerdem
die Oberfläche
der Bogenträgerplatte
vollkommen eben sein, zumindest in dem Bereich, in dem das Bild
gedruckt wird. Somit sollte die Trägerplatte eine hinreichende
Festigkeit haben, so daß sie
sich nicht unter mechanischer oder thermischer Beanspruchung biegt.
Infolgedessen muß die
Platte eine gewisse minimale Dicke haben, und dies impliziert ein
gewisses minimales Volumen des Hohlraums.
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Aus
Gründen
des Energieverbrauchs ist es erwünscht,
daß der
Drucker in einen sogenannten Schlafmodus übergeht, wenn der Drucker eine
gewisse Zeit lang nicht arbeitet, und in dem Schlafmodus ist u.a.
das Heizsystem für
die Bogenträgerplatte abgeschaltet.
Wenn ein neues Bild gedruckt werden soll, dauert es folglich, wie
in
US 2002/0071016 ,
eine gewisse Zeit, bis die Bogenträgerplatte auf ihre Betriebstemperatur
erhitzt worden ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Bogenhandhabungsvorrichtung
zu schaffen, bei welcher die Bogenträgerplatte schnell auf ihre
Betriebstemperatur gebracht werden kann.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe durch eine Bogenhandhabungsvorrichtung der eingangs
genannten Art gelöst,
bei der der Hohlraum einen Verdrängungskörper enthält, der
zu der oberen Wand beabstandet ist und aus einem Material besteht,
das eine zweite Wärmekapazität aufweist,
die kleiner ist als die erste Wärmekapazität des Materials der
Platte.
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Der
Verdrängungskörper vermindert
das effektive Volumen des Hohlraums, erhöht jedoch dank seiner kleineren
Wärmekapazität nicht
signifikant die Gesamt-Wärmekapazität der Platte.
Dadurch ist das Volumen des Temperatursteuerfluids verringert, das zum
Ausfüllen
des Hohlraums benötigt
wird, und folglich wird weniger Zeit und/oder Heizleistung benötigt, um
das Fluid und damit die Platte auf seine Betriebstemperatur zu erhitzen.
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Als
ein zusätzlicher
Vorteil wird die Reynolds-Zahl für
die Strömung
des Fluids durch den Hohlraum erhöht, was zu einem besseren Wärmeaustausch
zwischen dem Fluid und der Platte führt.
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Nützliche
Einzelheiten und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Wenn
der Verdrängungskörper sowohl
von der oberen Wand als auch von der unteren Wand des Hohlraums
beabstandet ist, kann das Fluid durch Hohlräume in der Nähe sowohl
der oberen Wand als auch der unteren Wand des Hohlraums zirkulieren, so
daß die
oberen und unteren Oberflächen
der Platte stets auf derselben Temperatur gehalten werden und ein
thermischer Verzug der Platte vermieden wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat die Bogenträgerplatte
eine Vielzahl von länglichen Hohlräumen, die
parallel durch die Platte verlaufen und durch Trennwände getrennt
sind. Dies garantiert eine hohe Steifigkeit der Platte. Die Trennwände können mit
durchgehenden Löchern
versehen sein, die die obere Oberfläche der Platte mit einer an
der unteren Oberfläche
derselben vorgesehenen Saugkammer verbinden, so daß der Bogen
gegen die obere Oberfläche
der Platte angesaugt werden kann. Dies sorgt für eine vollkommen ebene Lage
des Bogens, insbesondere in dem Bereich, in dem das Bild erzeugt
wird, und sorgt gleichzeitig für
einen guten Wärmekontakt
zwischen dem Bogen und der Platte.
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Die
Verdrängungskörper können dann
einfach durch Stäbe
gebildet werden, die aus Kunststoff wie etwa Polystyrol hergestellt
sind und die in jeden der Hohlräume
eingeschoben werden und einfach als Extrusionsprofile oder dergleichen
hergestellt werden können.
Bevorzugt liegen die Verdrängungskörper an
den Trennwänden
der Platte an, so daß jeder
Hohlraum in zwei Kanäle
unterteilt wird, die in der Nähe
der oberen Oberfläche
bzw. der unteren Oberfläche
der Platte verlaufen und nur an den jeweiligen Enden der Hohlräume miteinander
und mit dem Umwälzsystem
verbunden sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Verdrängungskörper aus
einem Material hergestellt sein, das bei einer Übergangstemperatur in der Nähe der Betriebstemperatur
der Platte einen Phasenübergang
mit einer relativ hohen latenten Wärme aufweist. Der Übergang
kann z.B. ein Übergang
zwischen einem flüssigen
Zustand und einem kristallinen, halbkristallinen oder amorphen festen
Zustand sein. Wenn die Temperatur der Platte die Übergangstemperatur überschreitet,
werden folglich die Verdrängungskörper oder
zumindest Teile derselben unter Absorption von latenter Wärme schmelzen,
so daß die
Temperatur der Platte auf die Betriebstemperatur zurückgeführt wird.
Umgekehrt, wenn die Temperatur unter die Übergangstemperatur sinkt, werden
die Verdrängungskörper erstarren
und die latente Wärme
abgeben. So wird die Temperatur der Platte bei der Betriebstemperatur
stabilisiert.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
befindet sich zumindest ein Teil des Materials der Verdrängungskörper in
dem Hochtemperaturzustand, z.B. dem geschmolzenen Zustand, wenn die
Platte ihre Betriebstemperatur hat. Wenn dann der Drucker in den
Schlafmodus übergeht
und das Heizsystem für
die Platte, d.h., das Heizsystem, das die Temperatur des Steuerfluids
erhöht,
abgeschaltet wird, so werden die Verdrängungskörper ihre latente Wärme abgeben,
und die Abkühlung
der Platte wird verzögert.
Wenn der Drucker nach einer kurzen Pause wieder aktiviert wird,
wird folglich die Platte noch eine hohe Temperatur haben, und die
Betriebstemperatur kann schnell und mit vermindertem Energieverbrauch
wiederhergestellt werden.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Tintenstrahldruckers
für heißschmelzende
Tinte;
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2 einen
Teil-Querschnitt einer Bogenträgerplatte
des in 1 gezeigten Druckers;
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3 einen
Teil-Querschnitt einer Bogenträgerplatte
gemäß einer
modifizierten Ausführungsform;
und
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4 ein
Temperatur/Wärme-Diagramm
für ein
Material, das in der in 3 gezeigten Platte verwendet
wird.
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Wie
in 1 gezeigt ist, weist ein Tintenstrahldrucker für heißschmelzende
Tinte eine Walze 10 auf, die intermittierend in Drehung
versetzt wird, um einen Bogen 12, z.B. einen Bogen Papier,
in einer durch einen Pfeil A angegebenen Richtung über die obere
Oberfläche
einer Bogenträgerplatte 14 vorzurücken. Eine
Anzahl von Transportrollen 16 sind drehbar in einer Abdeckplatte 18 gelagert
und bilden mit der Walze 10 einen Transportspalt, so daß der Bogen 12,
der über
eine Führungsplatte 20 von
einer (nicht gezeigten) Rolle zugeführt wird, durch einen Spalt
ausgegeben wird, der zwischen einer Kante der Abdeckplatte 18 und
der Oberfläche
der Bogenträgerplatte 14 gebildet
wird.
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Ein
Wagen 22, der eine Anzahl von Tintenstrahldruckköpfen (nicht
gezeigt) aufweist, ist so über der
Bogenträgerplatte 14 montiert,
daß er
sich in Richtung von Pfeilen B hin- und hergehend über den Bogen 12 bewegt.
Bei jedem Durchgang des Wagens 22 wird mit Hilfe der Druckköpfe, die
Tröpfchen aus
heißschmelzender
Tinte in Übereinstimmung
mit Bildinformation, die den Druckköpfen zugeführt wird, auf den Bogen ausstoßen, eine
Anzahl von Pixelzeilen auf den Bogen 12 gedruckt. Der Einfachheit
halber sind Führungs-
und Antriebseinrichtungen für den
Wagen 22, Tintenzufuhrleitungen und Datenzufuhrleitungen
für die
Druckköpfe
und dergleichen in der Zeichnung nicht dargestellt worden.
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Die
obere Oberfläche
der Bogenträgerplatte 14 weist
ein regelmäßiges Muster
von Sauglöchern 24 auf,
die durch die Platte hindurchgehen und in eine Saugkammer 26 münden, die
im unteren Teil der Platte 14 gebildet ist. Die Saugkammer
ist an ein Gebläse 28 angeschlossen,
das in der Saugkammer einen Unterdruck erzeugt, so daß Luft durch
die Sauglöcher 24 eingesaugt
wird. Infolgedessen wird der Bogen 12 gegen die flache
Oberfläche
der Trägerplatte 14 angesaugt
und dadurch in einem ebenen Zustand gehalten, insbesondere in dem
Bereich, der mit dem Wagen 22 abgetastet wird, so daß auf der gesamten
Breite des Bogens ein gleichförmiger
Abstand zwischen den Düsen
der Druckköpfe
und der Oberfläche
des Bogens 12 hergestellt wird und eine hohe Druckqualität erreicht
werden kann.
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Die
Tröpfchen
aus geschmolzener Tinte, die von den Düsen der Druckköpfe ausgestoßen werden,
haben eine Temperatur von 100 °C
oder mehr und kühlen
ab und erstarren, nachdem sie auf dem Bogen 12 abgelagert
worden sind. Während
das Bild gedruckt wird, muß somit
die Wärme
der Tinte mit einer hinreichenden Rate abgeleitet werden. Andererseits
sollte in der Anfangsphase des Bilderzeugungsprozesses die Temperatur
des Bogens 12 nicht zu niedrig sein, weil andernfalls die
Tintentröpfchen
auf dem Bogen 12 zu schnell abgekühlt würden und nicht Zeit genug hätten, sich
auszubreiten. Aus diesem Grund wird über die Bogenträgerplatte 14 die
Temperatur des Bogens 12 mit Hilfe eines Temperatursteuersystems 30 gesteuert,
das ein Temperatursteuerfluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit,
durch die Platte 14 umwälzt.
Das Temperatursteuersystem umfaßt ein
Umwälzsystem
mit Rohren 32, die an entgegengesetzte Enden der Platte 14 angeschlossen
sind. Eines der Rohre läuft
durch ein Expansionsgefäß 33, das
einen Gaspuffer enthält,
um temperaturabhängige Änderungen
des Volumens der Flüssigkeit
auszugleichen. Es versteht sich, daß das Temperatursteuersystem 30 Heizungen,
Temperatursensoren, Wärmesenken
und dergleichen enthält,
um die Temperatur des Fluids zu steuern, sowie eine Pumpe oder andere
Umwälzeinrichtungen
zum Umwälzen
des Fluids durch das Innere der Bogenträgerplatte 14, wie nun
im einzelnen im Zusammenhang mit 2 beschrieben
werden wird.
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Die
Bogenträgerplatte 14,
die in 2 im Querschnitt dargestellt ist, besteht aus
einem Material, etwa einem Metall, das eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit
und auch eine relativ hohe Wärmekapazität aufweist.
Im Inneren der Platte 14 ist eine Anzahl länglicher
Hohlräume 34 so
ausgebildet, daß sie
parallel zueinander und parallel zu der Bewegungsrichtung (B) des
Wagens 22 zwischen entgegengesetzten Enden der Platte 14 verlaufen,
wo sie über
geeignete Verteiler an die Rohre 32 angeschlossen sind. Jeder
Hohlraum 34 ist durch eine obere Wand 36, eine
untere Wand 38 und zwei Trennwände 40 begrenzt. Die
oberen Wände 36 bilden
zusammen die obere Oberfläche 42 der
Platte 14, die so bearbeitet ist, daß sie vollkommen eben ist.
Zwischen jedem Paar von zwei Trennwänden 40, die benachbarte Hohlräume 34 begrenzen,
ist eine Höhlung 44 gebildet,
durch welche die Sauglöcher 24 in
die Saugkammer 26 verlaufen.
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Wie
weiter in 2 gezeigt wird, ist in jeden der
Hohlräume 34 in
mittlerer Höhe
ein stabförmiger Verdrängungskörper 46 eingesetzt,
der einen rechteckigen Querschnitt hat, so daß jeder Hohlraum auf seiner
gesamten Länge
in zwei getrennte Kanäle 48, 50 unterteilt
wird und das effektive Volumen des Hohlraums 34 deutlich
verringert wird. Die Verdrängungskörper 46 bestehen
z.B. aus Polystyrol und haben jedenfalls eine Wärmekapazität, die deutlich kleiner ist
als die des Materials der Platte 14. Somit tragen die Körper 46 nicht
wesentlich zur Gesamt-Wärmekapazität der Bogenträgerplatte 14 bei,
und sie erhöhen
folglich nicht die Menge an Zeit und Energie, die benötigt wird,
um die Platte 14 auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhitzen.
Da andererseits das Volumen der Hohlräume 34 vermindert
ist, genügt eine
kleine Menge des Temperatursteuerfluids, um die Kanäle 48, 50 vollständig zu
füllen,
und nur diese verringerte Menge an Fluid muß erhitzt oder gekühlt werden,
um die Temperatur der Platte 14 zu steuern. Da außerdem die
Querschnittsfläche
des Hohlraums 34 auf den der Kanäle 48, 50 reduziert
ist, ist die Reynolds-Zahl für
einen gegebenen Volumenstrom des Fluids erhöht, und dies verbessert die
Effizienz des Wärmeaustauschs
zwischen dem Fluid und den Wänden
der Platte 14.
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Die
Verdrängungskörper 46 können z.B.
mit Hilfe eines Klebers in den Hohlräumen 34 in Position gehalten
werden. Als eine Alternative kann das Profil der Platte 14 so
modifiziert sein, daß die
Trennwände 40 mit
Rippen zur Führung
und Abstützung
der Verdrängungskörper 46 versehen
sind. In noch einer anderen Alternative können nur die Endbereiche der stabförmigen Verdrängungskörper 46 in
den Verteilern an beiden Enden der Platte 14 in Position
gehalten werden.
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Vorzugsweise
strömt
das Fluid in der gleichen Richtung durch die Kanäle 48 und 50 jedes Hohlraums 34,
so daß die
Temperatur der unteren Wand 38 der Hohlräume stets
gleich der Temperatur der oberen Wand 36 ist und die Platte 14 als
Ganzes nicht durch differentielle thermische Ausdehnung verbogen
wird.
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In
einer modifizierten Ausführungsform
kann ein komplexeres Strömungsmuster
verwendet werden, das bewirkt, daß das Fluid in benachbarten Hohlräumen 34 in
entgegengesetzten Richtungen strömt,
um einen möglichen
Temperaturgradienten in Längsrichtung
(Pfeil B) der Platte 14 zu minimieren. In diesem Fall ist
es auch möglich,
die Kanäle 48, 50 an
einem Ende des Hohlraums 34 miteinander zu verbinden und
die beiden Kanäle
am entgegengesetzten Ende an verschiedene Rohre 32 anzuschließen, so
daß das
Fluid innerhalb jedes der Hohlräume 34 im
Gegenstrom zirkuliert, jedoch in benachbarten Hohlräumen in
entgegengesetzter Richtung.
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Wenn
der Drucker eingeschaltet wird, so wird die in das Temperatursteuersystem 30 integrierte
Heizung das Fluid erhitzen, und das Fluid wird durch die Kanäle 48, 50 umgewälzt, bis
die Platte 14 auf ihre Betriebstemperatur gebracht worden
ist, d.h., eine Temperatur, die eine angemessene Abkühlrate für die Tropfen
aus heißschmelzender
Tinte sicherstellt, die auf das Papier ausgestoßen worden sind. Da das zu
erhitzende Volumen des Fluids klein ist, kann die benötigte Betriebstemperatur
in verkürzter Zeit
und mit vermindertem Energieverbrauch erreicht werden.
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Während der
Druckprozeß fortschreitet,
werden der Bogen 12 und die Platte 14 durch die
auf dem Bogen abgelagerte Tinte erhitzt, und das Temperatursteuersystem 30 schaltet
von einem Heizmodus auf einen Temperatursteuermodus, um die Temperatur
der Platte 14 konstant zu halten. Da zumindest eine Hälfte des
durch die Hohlräume 34 zirkulierenden
Fluids gezwungen wird, durch die Kanäle 50 in der Nähe der unteren
Wände 38 der
Hohlräume
zu strömen,
können
diese unteren Wände 38,
die der Saugkammer 26 zugewandt sind, effizient als Wärmesenken
genutzt werden, die verhindern, daß die Temperatur des Fluids über einen
tolerierbaren Grenzwert ansteigt. Außerdem verkürzt das verminderte Volumen
des Fluids die Ansprechzeit für
die Thermostatregelung.
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3 zeigt
eine modifizierte Ausführungsform
einer Bogenträgerplatte 14,
bei der Verdrängungskörper 46' in den Hohlräumen 34 Hohlkörper sind,
die ein Material 52a, 52b, z.B. ein Wachs oder dergleichen
einschließen,
das an einem bestimmten Übergangspunkt
oder in einem Übergangstemperaturbereich
unter Freisetzung von latenter Wärme
einen Übergang
zwischen einer Hochtemperaturphase 52b und einer Tieftemperaturphase 52a erfährt. Der Übergangspunkt
oder -bereich ist gleich der Betriebstemperatur der Platte 14 oder
liegt in deren Nähe.
In dem in 3 gezeigten Zustand, der dem
Betriebszustand der Platte 14 entspricht, befindet sich
nur ein Teil des in den Körpern 46' enthaltenen
Materials in der Tieftemperaturphase 52a und bildet einen
festen Kern, während
der Rest des Materials in einem geschmolzenen Zustand, d.h., der
Hochtemperaturphase 52b vorliegt.
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In 4 ist
die Temperatur T des Materials 52a, 52b als Funktion
des Wärmeinhalts
Q eines gegebenen Volumens dieses Materials dargestellt. Es ist
zu sehen, daß innerhalb
eines schmalen Übergangstemperaturbereichs
von T1 bis T2 der
Wärmeinhalt
drastisch von Q1 auf Q2 zunimmt,
entsprechend der latenten Wärme
des Phasenübergangs.
Infolgedessen kann die Temperatur des Materials 52a, 52b und
damit die Temperatur der Platte 14 einfach in dem Bereich
zwischen T1 und T2,
d.h. bei der Betriebstemperatur, stabilisiert werden.
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Wenn
der Drucker in einen Schlafmodus eintritt und die Heizung in dem
Temperatursteuersystem 30 abgeschaltet wird, so wächst der
Kern 52a auf Kosten der geschmolzenen Phase 52b,
und die latente Wärme
wird freigesetzt, so daß die
Platte 14 für eine
längere
Zeitspanne im wesentlichen ihre Betriebstemperatur behält. Wenn
der Drucker wieder in Betrieb genommen wird, bevor diese Zeitspanne
abgelaufen ist, kann der Druckprozeß sofort beginnen, weil die
Platte 14 noch ihre Betriebstemperatur hat. Wenn der Schlaf modus
für eine
längere
Zeitspanne anhält,
sinkt die Temperatur unter T1, doch wenn
die Heizung wieder eingeschaltet wird, kann die Temperatur T1 und damit die Betriebstemperatur schnell wieder
hergestellt werden, indem nur eine geringe Menge an Wärme zugeführt wird.
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Allgemeiner
formuliert wird hier eine Bogenhandhabungsvorrichtung vorgeschlagen,
mit einer Bogenträgerplatte 14,
einer Heiz- und Temperatursteuereinrichtung 30 zum Erhitzen
der Bogenträgerplatte 14 auf
eine vorbestimmte Betriebstemperatur und zum Halten derselben auf
dieser Temperatur, und Pufferkörpern 46', die in die
Bogenträgerplatte 14 integriert
sind und ein Material 52a, 52b enthalten, das
an einem Temperaturpunkt oder in einem Temperaturbereich T1–T2 bei oder in der Nähe der Betriebstemperatur einen
Phasenübergang
von einer Hochtemperaturphase 52b in eine Tieftemperaturphase 52a unter
Freisetzung von latenter Wärme
erfährt.