DE69326027T2 - Vorrichtung zum Kühlen von einer Druckkassette in einem Tintenstrahldrucker - Google Patents
Vorrichtung zum Kühlen von einer Druckkassette in einem TintenstrahldruckerInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Druckkartusche, die für einen Tintenstrahldrucker gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 geeignet ist.
- US-A-S 084 713 offenbart eine derartige Druckkartusche, bei der eine Vorrichtung zum Kühlen eines thermischen Tintenstrahlkopfes mit einem Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher mit der Tinte und dem Abfeuerwiderständen in Wärmeaustauschverbindung steht.
- Thermische Tintenstrahldrucker haben große Verbreitung gefunden. Diese Drucker werden beschrieben von W. J. Lloyd und H. T. Taub in "Ink Jet Devices", Kapitel 13 von Output Hardcopy Devices, (Herausgeber R. C. Durbeck und S. Sherr, Academic Press, San Diego, 1988), sowie durch die US-Patente 4,490,728 und 4,313,684. Thermische Tintenstrahldrucker erzeugen Ausdrucke hoher Qualität, sie sind kompakt und tragbar, und sie drucken schnell und zugleich leise, weil nur Tinte auf das Papier auftrifft. Die üblichen thermischen Tintenstrahldrucker verwenden flüssige Tinte (d. h. Farbstoffe, die in einem Lösungsmittel gelöst oder verteilt sind). Sie weisen eine Anordnung aus präzise geformten Düsen auf, die an einem Druckkopfsubstrat angebracht ist; das eine Anordnung aus Abfeuerkammern enthält, die flüssige Tinte aus dem Tintenreservoir empfangen. Jede Kammer weist einen Dünnfillm- Widerstand auf, der als ein "Abfeuerwiderstand" oder "Zündwiderstand" bekannt ist und der Düse gegenüber liegt, so daß sich Tinte zwischen diesem und der Düse sammeln kann. Wenn elektrische Druckimpulse die thermischen Tintenstrahl-Abfeuerwiderstände erwärmen, verdampft ein kleiner Teil der Tinte in ihrer Nachbarschaft und stößt einen Tintentropfen aus dem Druckkopf aus. Richtig angeordnete Düsen bilden ein Punktmatrixmuster. Die richtige Folgesteuerung bei der Aktivierung jeder Düse führt dazu, daß Zeichen oder Bilder auf das Papier gedruckt werden, wenn sich der Druckkopf über das Papier bewegt.
- Thermische Tintenstrahldruckköpfe, die mit hoher Leistung und hoher Geschwindigkeit arbeiten, erzeugen große Wärmemengen. Wenn sie mit ihrem maximalen Ausstoß drucken (d. h. in einem "Schwärzungs-Modus", in dem der Druckkopf die Seite vollständig mit Tinte bedeckt), ist die Rate der Wärmeerzeugung durch die thermischen Tintenstrahldrucker vergleichbar mit der eines kleinen Lötkolbens. Ein Teil der Wärme wird direkt auf die Tinte in den Abfeuerkammern übertragen, das Druckkopfsubstrat absorbiert jedoch den Rest dieser Energie, der als "Restwärme" bezeichnet wird. (Die Rate der Restwärmeerzeugung wird auch als die "Restleistung" bezeichnet.) Die Restwärme kann die Gesamttemperatur des Druckkopfes auf Werte anheben, die zu Störungen des Druckkopfes führen. Unter extremen Bedingungen kann die Tinte kochen, was ernste Konsequenzen hat.
- Die vorhandenen Druckköpfe benötigen im Dauerbetrieb eine Luftkühlung. Kühlkörper werden dazu verwendet, den thermischen Widerstand zwischen dem Druckkopf und der Umgebungsluft zu reduzieren, wodurch eine Abfuhr der Restwärme bei einer annehmbaren Druckkopftemperatur möglich wird. Die Kühlkörper haben eine hohe thermische Leitfähigkeit und einen großen Oberflächenbereich. Sie können Spezialbauteile (z. B. Metallrippen) oder Bauteile mit einer anderen Hauptfunktion (z. B. ein Gehäuse) sein. Häufig dient ein integriertes ("on-board") Tintenreservoir als Kühlkörper für den Druckkopf.
- Der Begriff "Kühlkörper" bezeichnet hier jedes Bauteil oder Mittel, das zum Reduzieren des thermischen Widerstandes zwischen dem Druckkopf und der Umgebungsluft im Dauerbetrieb dient. (Er darf nicht verwechselt werden mit rein kapazitiven Bauteilen, die nur in einem Einschwing- oder Übergangsmodus funktionieren.) Dieser thermische Widerstand ist die Summe aus zwei Komponenten: (1) der thermische Widerstand zwischen dem Druckkopf und der Außenfläche, welche die Wärme an die Luft überträgt, und (2) der konvektive thermische Widerstand zwischen der äußeren Wärmeübertragungsfläche und der Umgebungsluft. (Damit der Kühlkörper wirksam ist, muß diese Summe deutlich niedriger sein als der konvektive thermische Widerstand zwischen dem Druckkopf alleine und der Umgebungsluft.) Die erste Widerstandskomponente ist abhängig von dem inneren Aufbau des Kühlkörpers, und es wurden verschiedenen Verfahren dazu verwendet, ihren Wert zu reduzieren. Diese umfassen die Verwendung von leitfähigen Materialien, kurze Wärmeströmungswege, thermische Leiter mit großen Querschnittsflächen, Rippen, die sich in das integrierte Tintenreservoir erstrecken, und/oder Miniaturpumpen, um die Tinte von dem integrierten Reservoir an dem Druckkopf vorbei und zurück zum Reservoir im Kreislauf zu führen. Die zweite Widerstandskomponente ist invers proportional zu der Größe der externen Wärmeübertragungsfläche. Grundsätzlich ist ein Kühlkörper groß, wenn sein gesamter thermischer Widerstand niedrig ist.
- Ein Nachteil von Kühlkörpern ist, daß ihre Wärmeübertragungsrate im Dauerbetrieb proportional zur Druckkopftemperatur ist, wodurch die Druckkopftemperatur mit der Abfeuerrate stark variiert. Wenn die Abfeuerrate zunimmt (abnimmt), nimmt die Restleitung zu (ab), und die Druckkopftemperatur steigt (sinkt), bis die Rate der Wärmeabfuhr gleich der Restleistung ist. Für jede Abfeuerrate gibt es eine andere Gleichgewichtstemperatur, bei der keine Wärme mehr in das (aus dem) Druckkopfsubstrat strömt. Da die Abfeuerrate während des normalen Druckerbetriebs stark variiert, werden große Schwankungen der Druckkopftemperatur erwartet.
- Schwankungen der Druckkopftemperatur erzeugen Veränderungen in der Größe der ausgestoßenen Tropfen, weil sich zwei Eigenschaften, welche die Tropfengröße beeinflußen, mit der Druckkopftemperatur verändern: die Viskosität der Tinte und die Tintenmenge, die durch den Abfeuerwiderstand verdampft wird. Das Tropfenvolumen nimmt mit der Temperatur zu, und übermäßige Temperaturen erzeugen unerwünscht große Tropfen und unerwünschte Nebentropfen. Wenn mit einer einzigen Farbe gedruckt wird (z. B. schwarz), verändert sich die Dunkelheit des Ausdrucks mit der Tropfengröße. Bei Farbdrucken hängt die gedruckte Farbe von der Größe jedes der Primärfarbtropfen ab, welche den Farbdruck erzeugen. Die Abhängigkeit der Druckkopftemperatur von der Abfeuerrate kann somit Gleichmäßigkeit und Qualität des Druckes stark verschlechtern. Ein breiter Betriebstemperaturbereich macht es im allgemeinen auch notwendig, eine erhöhte Impulsenergie zu verwenden, um sicherzustellen, daß kalte und viskose Tinte richtig ausgestoßen wird, wodurch sich die Leistungsaufnahme erhöht und die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Abfeuerwiderstände sinkt.
- Die Druckkopftemperatur kann stabilisiert werden, indem dem Substrat Wärme zugeführt wird, um es auf einer Temperatur zu halten, die gleich der Gleichgewichtstemperatur für ihre höchste Abfeuerrate ist. In diesem Fall wird an einen Kühlkörper die Forderung gestellt, daß die Summe der Restleistung und der zusätzlichen Leistung unter allen Betriebsbedingungen gleich der Restleistung bei der maximalen Abfeuerrate ist. Diese zusätzliche Leistungsaufnahme ist bei batteriebetriebenen Druckern besonders nachteilig.
- Kühlkörper haben auch den Nachteil, daß sie erheblich zu der thermischen Kapazität, der Masse und dem Volumen des Druckkopfes beitragen. Die zusätzliche thermische Kapazität erhöht die Aufwärmzeit des Druckkopfes, während derer die Druckqualität aus den oben er läuterten Gründen verschlechtert ist. Die Masse eines Kühlkörpers, der groß genug wäre, um einen hochleistungsfähigen Hochgeschwindigkeitsdruckkopf zu kühlen, würde die hohe Geschwindigkeit eines solchen Druckkopfes verringern, weil sie seine Querbeschleunigung begrenzt. Das große Volumen eines Kühlkörpers ist offensichtlich nachteilig für ein bewegliches Bauteil in einem kompakten Gerät. Wenn das Tintenreservoir als Kühlkörper dient, entsteht der zusätzliche Nachteil, daß der Tintenvorrat während längerer Zeitspannen erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, wodurch die thermische Zersetzung der Tinte gefördert wird.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben erläuterten Nachteile zu vermeiden und eine sehr schnelle, hochleistungsfähige Druckkartusche für einen Tintenstrahldrucker vorzusehen, die unabhängig von der Abfeuerrate bei einer konstant niedrigen Temperatur arbeitet und keine Wärmesenke bzw. keinen Kühlkörper benötigt.
- Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.
- Eine Druckkartusche gemäß der Erfindung benötigt für den fehlerfreien Betrieb des Tintenstrahldruckers keine Luftkühlung. Sie kann vollständig durch die Tinte gekühlt werden, die sie durchströmt und nachfolgend aus ihr ausgestoßen wird. Dieser Druckkopf hat einen Wärmetauscher mit hohem Wirkungsgrad auf seinem Substrat, der Wärme von dem Substrat auf die Tinte überträgt, die zu der Abfeuerkammer strömt. (Diese Wärme wird hier als die "indirekte Wärme" bezeichnet, im Gegensatz zu der "direkten Wärme", die direkt von dem Abfeuerwiderstand auf die Tinte in der Abfeuerkammer übertragen wird.) Anstelle eines Kühlkörpers ist eine hoher thermischer Widerstand zwischen dem Druckkopf und seiner Umgebung vorgesehen, um den Wärmeverlust über diesen Weg zu minimieren (statt ihn zu maximieren, wie mit einem Kühlkörper). Dieser Druckkopf kann in Verbindung entweder mit einem integrierten Tintenreservoir oder einem getrennten stationären Tintenreservoir verwendet werden, das Tinte durch einen engen flexiblen Schlauch an den Druckkopf liefert. Nur die zuletzt genannte Konfiguration kann jedoch die Vorteile der Massen- und Größenreduktion, die sich aus der Eliminierung des Kühlkörpers ergeben, vollständig realisieren.
- Im Gegensatz zu einer Wärmesenke bzw. einem Kühlkörper, der Wärme mit einer Rate überträgt, die proportional zur Druckkopftemperatur, jedoch nicht direkt abhängig von der Abfeuerrate ist, würde ein perfekter Wärmetauscher die Wärme von dem Substrat mit einer Rate abführen, die proportional zu dem Produkt aus der Substrattemperatur und der Abfeuerrate ist. Da die Restleistung proportional zur Abfeuerrate ist, würde dieser Wärmetauscher es bei einem perfekt isolierten Druckkopf ermöglichen, daß dieser der bei einer einzigen niedrigen Gleichgewichtstemperatur, die unabhängig von der Abfeuerrate, stabil arbeitet. Die Idealleistung kann in einem tatsächlichen Druckkopf gut angenähert werden, während realistische Designbeschränkungen eingehalten werden. In anderen Betriebsmodi ist die Leistung des Wärmetauschers weniger als ideal aber immer noch der eines Kühlkörpers weit überlegen. Der Wärmetauscher erzeugt einen relativ geringen Druckabfall in dem Tintenstrom, so daß er den Nachfüllprozeß nicht erheblich beeinflußt (der üblicherweise durch kleine Kapillardrücke gesteuert wird).
- Für eine stabile Temperatur im Dauerbetrieb ist der thermische Widerstand zwischen dem Druckkopf und anderen Teilen des System unwichtig, solange alle thermischen Wege zwischen dem Druckkopf und der Umgebungsluft einen hohen Widerstand haben. Für ein schnelles thermisches Ansprechen beim Einschwingen (z. B. beim Aufwärmen) ist jedoch ein hoher Widerstandswert erforderlich, um die relativ kleine thermische Kapazität des Druckkopfes von der großen thermischen Kapazität der anderen Teile des Systems (z. B eines integrierten Tintenreservoirs) zu trennen. Beim Fehlen eines Kühlkörpers ist der thermische Widerstand zwischen dem Druckkopf und der Umgebungsluft ziemlich hoch. Sowohl die Temperaturstabilität im Dauerzustand als auch das thermische Ansprechen beim Einschwingen kann verbessert werden, indem dem Druckkopf eine thermische Isolierung hinzugefügt wird.
- Der Druckkopf kann beim Einschalten vorgewärmt werden, indem die Abfeuerwiderstände mit Nichtdruck-Impulsen angesteurt werden (d. h. Impulsen, welche weniger Energie übertragen, als zum Ausstoßen eines Tropfens notwendig ist), oder durch einen getrennten Heizwiderstand. Ähnlich kann jedes dieser Verfahren dazu verwendet werden, dem Druckkopf zusätzliche Wärme mit einer Rate zuzuführen, die proportional zu der Abfeuerrate ist. Dies würde die Betriebstemperatur des Druckkopfes (und demzufolge das Tropfenvolumen) um einen Wert anheben, der unabhängig von der Abfeuerrate ist, und könnte so als eine Druckhelligkeitseinstellung dienen.
- Der tintengekühlte Drucker hat zahlreiche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Druckköpfen mit Kühlkörpern. Die Betriebstemperatur bleibt über einem großen Bereich von Abfeuerraten niedrig und beinahe konstant, ohne daß zusätzliche Energie verbraucht wird und ohne daß ein komplexes und teueres Steuersystem benötigt wird. Die in die Abfeuerkammer strö mende Tinte hat eine beinahe konstante Temperatur und Viskosität, wodurch der Druckkopf konsistent Ausdrucke gleichmäßig hoher Qualität erzeugen kann. Die stabile Tintentemperatur ermöglicht es dem Druckkopf, in einem großen Bereich von Abfeuerraten zu arbeiten, ohne eine erhöhte Impulsenergie einzusetzen, die notwendig ist, um den richtigen Ausstoß von kalter und viskoser Tinte sicherzustellen. Die beinahe konstante Substrat- und Tintentemperaturen erleichtern das Design und die Prüfung des Druckkopfes, der anderenfalls über einen breiten Temperaturbereich charakterisiert werden müßte. Eine signifikante Verringerung der thermischen Kapazität, Masse und des Volumens des Druckkopfes ermöglichen ihm, sich schnell aufzuwärmen, sehr schnell zu beschleunigen, und ihn in beschränkte Raumverhältnisse einzupassen. Die Energieaufnahme für das Vorwärmen wird durch die geringere thermische Kapazität reduziert sowie deshalb, weil der (isolierte) Druckkopf im Ruhezustand langsamer abkühlt. Der Druckkopf könnte während der Ruheperioden mit einer minimalen zusätzlichen Leistungsaufnahme auf der Betriebstemperatur gehalten werden. Alternativ könnte der Druckkopf nach einer längeren Ruheperiode schnell auf die Betriebstemperatur erwärmt werden. Anders als bei Druckköpfen, welche das Tintenreservoir als Kühlkörper verwenden, bleibt die Tinte kühl, bis sie unmittelbar vor dem Ausstoß erwärmt wird, wobei eine thermische Zersetzung verhindert wird. Der tintengekühlte Druckkopf arbeitet auf einer beinahe konstanten Temperaturstufe über der Temperatur des Tintenreservoirs und ist daher relativ unempfindlich gegen Schwankungen der Lufttemperatur.
- In den Figuren zeigen:
- Fig. 1 den Fluß der Energie und Masse in einem Druckkopf, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist;
- Fig. 2 ist eine Zeichnung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Teil der äußeren thermischen Isolierung entfernt ist;
- Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 gezeigten Druckkopfes durch die Mitte des Druckkopfes;
- Fig. 4 ist eine Zeichnung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
- Fig. 5 ist eine Zeichnung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, nämlich eines tintengekühlten thermischen Tintenstrahldruckkopfes mit einem doppelseitigen Wärmetauscher;
- Fig. 6 zeigt eine Schnittdarstellung des Druckkopfes bei der Schnittstelle des thermischen Leiters und der äußeren Isolierung des in Fig. 5 gezeigten Druckkopfes;
- Fig. 7 ist ein Graph des Wirkungsgrades E des einseitigen und des doppelseitigen Wärmetauschers über der dimensionslosen Variablen A (E und A werden durch die Gleichung 2 bzw. 4 definiert);
- Fig. 8A ist ein logarithmischer Graph der dimensionslosen Länge des Wärmetauschers L über der dimensionslosen Tiefe des Wärmetauschers D für verschiedene konstante Werte des dimensionslosen Parameters A und des normierten Druckabfalls P (A, P, L und D werden durch die Gleichung 4, 6, 8a bzw. 8b definiert);
- Fig. 8B ist ein logarithmischer Graph des normierten Druckabfalls P über der dimensionslosen Variablen A für verschiedene konstante Werte der dimensionlosen Länge des Wärmetauschers L und der dimensionslosen Tiefe des Wärmetauschers D (A, B, L und D werden durch die Gleichungen 4, 6, 8a bzw. 8b definiert);
- Fig. 9A, 9B, 9C, 9D zeigen die thermischen Eigenschaften eines tintengekühlten thermischen Tintenstrahldruckkopfes, der einen einseitigen Wärmetauscher verwendet;
- Fig. 10A, 10B 10C, 10D, 10E zeigen die thermischen Eigenschaften eines tintengekühlten thermischen Tintenstrahldruckkopfes, der einen doppelseitigen Wärmetauscher verwendet.
- Der Fachmann wird die Vorteile und Merkmale der offenbarten Erfindung nach der Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen leicht erkennen können.
- Fig. 1 zeigt den Fluß von Energie und Masse in einem Druckkopf, der gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist. Anstatt einen Kühlkörper zu verwenden, ist der Druckkopf von seiner Umgebung thermisch isoliert. Die Energie, die in den Druckkopf eintritt, besteht aus der elektrischen Energie, die von den Abfeuerwiderständen kommt, und der thermischen Energie, die von dem Tintenstrom aus dem Tintenreservoir getragen wird. Im Idealfall einer perfekten Isolierung besteht die Energie, welche den Druckkopf verläßt, nur aus der von den ausgestoßenen Tropfen mitgeführten thermischen Energie. (Die kinetische Energie der ausgestoßenen Tropfen ist vernachlässigbar.) Im stabilen Dauerbetrieb würde dann die gesamte elektrische Energie, die in den Druckkopf fließt, als ein Temperaturanstieg in der Tinte erscheinen, die durch den Druckkopf fließt.
- In der folgenden Erörterung ist diese Temperaturdifferenz als ein Bezugswert verwendet und als der "charakteristische Temperaturanstieg" bezeichnet,
- ΔTc = e/Vρc (1)
- wobei e die Impulsenergie ist, v ist das Tropfenvolumen, ρ ist die Tintendichte, und c ist die tintenspezifische Wärme der Tinte.
- Ein realer Druckkopf hat natürlich eine nicht ideale Isolierung und überträgt einen Teil der Wärme an seine Umgebung. Dies wird in Fig. 1 als "Wärmeabfuhr" bezeichnet. Eine gute Isolierung begrenzt diesen Wärmestrom jedoch auf einen kleinen Bruchteil der maximalen Eingangsleistung. Die Folgen dieses Wärmeverlustes werden unten untersucht.
- Ein Teil der von dem Abfeuerwiderstand erzeugten Wärme wird direkt auf die Tinte in der Abfeuerkammer übertragen und ist hier als die "direkte Wärme" bezeichnet, wie in Fig. 1 gezeigt. Die verbleibende Wärme wird von dem Druckkopfsubstrat absorbiert, und sie ist hier als "Restwärme" bezeichnet. (Der Bruchteil der Eingangsenergie, der die Restwärme umfaßt, ist hier als der "Restwärmebruchteil" bezeichnet.) Der Wärmetauscher überträgt Wärme von dem Substrat auf die Tinte, die von dem Reservoir zu den Abfeuerkammern fließt. Diese ist als die "indirekte Wärme" bezeichnet. Im stationären Betrieb absorbiert und gibt die Druckkopfkapazität keine Wärme frei, und die Restwärme ist somit gleich der Summe aus der indirekten Wärme und der Wärmeabfuhr.
- Der Wärmetauscher besteht aus Tinte, die in dem schmalen Spalt zwischen zwei parallelen ebenen Flächen fließt, von denen eine Teil der Unterseite des Druckkopfsubstrates ist. Die andere Fläche ist entweder eine im wesentlichen adiabatische Wand (wie in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt) oder eine thermisch leitende Wand, die mit dem Substrat direkt verbunden ist (wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt). Diese Konfigurationen werden als der "einseitige" und der "doppelseitige" Wärmetauscher oder äquivalent als Wärmetauscher mit einer oder zwei "aktiven Oberflächen" bezeichnet: Die Parallelebenengeometrie stellt die bevorzugte Ausführungsform dar, der Bereich der Erfindung umfaßt jedoch Wärmetauscher mit jeder Konfiguration.
- In der folgenden Erläuterung werden bestimmte physikalische Annahmen nur zu dem Zweck getroffen, eine näherungsweise mathematische Analyse zu erleichtern.
- Es wird angenommen, daß die massiven Teile des Druckkopfes eine räumlich gleichmäßige Temperatur TP haben. (Dies ist wegen der geringen Größen und der relativ hohen Wärmeleitfähigkeit des Druckkopfes eine zulässige Annahme.) In diesem Fall kann die Leistung des Wärmetauschers durch seine "Effizienz" E oder seinen Wirkungsgrad charakterisiert werden, der wie folgt definiert ist:
- wobei T&sub0; die Temperatur des Fluids ist, das in den Wärmetauscher eintritt (z. B. die Reservoirtemperatur); TW ist die Temperatur der erwärmten Wand (Wände) (d. h. die Substrattemperatur TW = TP), und T&sub1; ist die Volumentemperatur (eine mit der Geschwindigkeit gewichtete räumliche Mitteltemperatur des Fluids, das den Wärmetauscher verläßt. Die Volumentemperatur ist proportional zur Rate des thermischen Energietransports durch das Fluid, und sie ist gleich der Fluidtemperatur, die sich ergäbe, wenn die Strömung in einem Becher aufgefangen und gründlich gemischt werden würde. Aus diesem Grund wird sie auch als die "gemischte Mitteltemperatur" und "Mischbechertemperatur" bezeichnet. Die Effizienz, oder der Wirkungsgrad, ist das Verhältnis der tatsächlichen Wärmeübertragung zur maximal möglichen Wärmeübertragung, und sie ist somit äquivalent zu dem in der Fachliteratur sogenannten "Wirksamkeit".
- Bei geringen Strömungsraten bleibt das Fluid ausreichend lang in dem Wärmetauscher, damit die Fluidtemperatur über der gesamten Tiefe des Kanals die Wandtemperatur annähert (T&sub1; TW, E 1). In diesem Fall ist die Rate, mit der Wärme übertragen wird, beinahe proportional zum Produkt aus der Temperaturdifferenz (Tw - T&sub0;) und der Strömungsrate. Bei höheren Strömungsraten sind die Verweilzeiten kürzer, die Abweichung von dem thermischen Gleichgewicht ist größer, und die Wirkungsgrade sind niedriger. Wenn die Wandtemperatur jedoch konstant bleibt, nimmt die Rate der Wärmeübertragung immer mit der Strömungsrate zu, auch wenn der Wirkungsgrad abnimmt.
- Zum Zwecke der Analyse wird angenommen, daß die Strömung in dem Wärmetauscher laminar und zweidimensional mit einem vollständig entwickelten (parabolischen) Geschwindigkeitsprofil und einem gleichmäßigen Temperaturprofil (T = T&sub0;) am Eingang ist. Die Annahme des Geschwindigkeitsprofils erscheint garantiert zu sein, weil die Tinte durch weitere ähnliche schmale Durchgänge stromaufwärts des Wärmetauchers fließen muß. Eine weitere Unterstützung für diese Annahme ergibt sich aus dem folgenden Argument.
- Für die meisten in thermischen Tintenstrahldruckern verwendeten Tinten ist die Prandtl-Zahl gleich
- Pr uc/k > > 1 (üblicherweise 10 < Pr < 30) (3)
- wobei u, c und k die Viskosität, die spezifische Wärme bzw. die Wärmeleitfähigkeit der Tinte darstellen. Da die Prandtl-Zahl das Verhältnis der Diffusionsrate der Bewegungsenergie zur Rate der Wärmediffusion darstellt, zeigt dies, daß sich das Geschwindigkeitsprofil sehr viel schneller entwickelt als das Temperaturprofil. Für den Betrieb mit hohem Wirkungsgrad ist ein hoch entwickeltes Temperaturprofil (d. h. eine Fluidtemperatur, die über der gesamten Tiefe des Kanals ungefähr gleich Tw) am Wärmetauscherausgang notwendig. In diesem Fall impliziert der hohe Wert der Prandtl-Zahl, daß selbst dann, wenn das Temperaturprofil am Wärmetauschereingang vollständig unentwickelt (d. h. gleichmäßig) wäre, es sich innerhalb einer relativ kurzen Distanz vom Eingang entwickeln würde. Es kann daher gefolgert werden, daß die Annahme eines vollständig entwickelten Geschwindigkeitprofils über der gesamten Länge des Wärmetauschers eine zumindest zulässige Annahme ist.
- Es wird ein Newton'sches Fluid mit konstanten Eigenschaften angenommen. Für den Fall der Viskosität ist dies nur eine Annahme, weil diese über dem Temperaturbereich in dem Wärmetauscher erheblich variieren kann. Mit der weiter gerechtfertigten Annahme einer vernachlässigbaren axialen Leitung, einer vernachlässigbaren viskosen Wärmeerzeugung und eines stabilen (oder quasi-stabilen) Betriebs können die Wirkungsgrade des einseitigen und des zweiseitigen Wärmetausches mithilfe der analytischen Ergebnisse berechnet werden, die von McCuen erhalten wurden. (P. A. McCuen "Heat Transfer with Laminar and Turbulent Flow Between Parallel Planes with Constant and Variable Wall Temperature and Heat Flux", Ph. D. Dissertation, Stanford University, 1962; siehe auch R. K. Shah und A. L. London "Laminar Flow Forced Convection in Ducts: A Source Book for Compact Heat Ex changer Analytical Data", Academic Press, New York, 19778). Diese Analyse ist im wesentlichen eine Lösung der thermisch-hydrodynamischen partiellen Differentialgleichung mit dem Verfahren der Variablentrennung. Eine Eigenfunktions-Erweiterung wird verwendet, um die thermischen Grenzbedingungen an den Kanalwänden und dem Eingang zu erfüllen.
- Im Falle des einseitigen und doppelseitigen Wärmetausches kann der Wirkungsgrad als eine Funktion der einzigen dimensionslosen Variablen ausgedrückt werden:
- wobei 1 und d die Länge bzw. die Tiefe des Wärmetauschers sind; Re und Pr sind die Reynolds-Zahl bzw. die Prandtl-Zahl; ρ, u, c, k und α sind die Dichte, Viskosität, spezifische Wärme, thermische Leitfähigkeit bzw. die Wärmeleitfähigkeit der Tinte; u ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit; und Q' ist die Volumenströmungsrate pro Einheitskanalbreite. (Die dimensionslose Variable A und der Wirkungsgrad E werden von McCuen mit bzw. Θm bezeichnet. Die Teile dieser Analyse, die auf den einseitigen und den doppelseitigen Wärmetauscher anwendbar sind, sind die Laminarfälle 3 bzw. 1).
- Man beachte, daß in der obigen Gleichung sowohl das Seitenverhältnis als auch die Reynolds- Zahl mit Hilfe des hydraulischen Durchmessers 2d (des Durchmessers des Kreises, der dasselbe Verhältnis von Fläche zu Umfang hat wie der Kanalquerschnitt) anstatt mit der tatsächlichen Kanaltiefe d berechnet wird. (Die Strömung ist laminar und stabil, solange die Reynolds-Zahl kleiner als ungefähr 2300 ist, wie in dem Fall einer vollständig entwickelten Strömung in einem kreisförmigen Rohr.) Diese Reynolds-Zahl darf nicht verwechselt werden mit der Reynolds-Zahl, die sich auf die axiale Länge stützt und bei der Analyse einer viskosen Strömung über einer flachen Platte in einem unendlichen Fluid verwendet wird.
- Die Ergebnisse dieser Berechnung sind in Tabelle 1 aufgelistet und in Fig. 7 graphisch dargestellt. Die Daten zeigen die Veränderung des Wirkungsgrades mit der Strömungsrate, der Kanallänge und -tiefe und der Wärmeleitzahl des Fluids, wobei die Ergebnisse qualitativ mit den Erwartungen übereinstimmen. Die thermische Leistungsfähigkeit des doppelseitigen Wärmetauschers ist der des einseitigen Gegenstücks deutlich überlegen. Tabelle 1 Wärmetauscherwirkungsgrad
- Ein zusätzliches wichtiges Leistungskriterium ist der Druckabfall, der sich aus der Strömung über dem Wärmetauscher ergibt. Wiederum wird eine vollständig entwickelte laminare Strömung eines Newton'schen Fluids mit konstanten Eigenschaften angenommen, wobei sich der Druckabfall dann sowohl für den einseitigen als auch für den doppelseitigen Wärmetauscher wie folgt ergibt:
- Δp = 12 uul/d² = 12 uQ'I/d³ (5)
- Den normierten Druckabfall erhält man durch Teilen durch eine Bezugsdruckdifferenz:
- P Δp/Δpref = 12uQ'I/d³Δpref (6)
- Wenn der Druckkopf durch einen kapillaren Druck nachgefüllt wird, wäre eine gute Wahl für die Bezugsdruckdifferenz wie folgt:
- Δpref = Δpc = 4γ cosθ / dn (7)
- wobei γ die Oberflächenspannung der Tinte-Luft-Zwischenschicht, θ deren Kontaktwinkel mit der Düsenwand und der Luft und dn der Düsendurchmesser ist. Der Kapillardruck beträgt üblicherweise etwa zehn Zentimeter Wassersäule, und P gibt den Bruchteil dieses Druckanstiegs an, der über dem Wärmetauscher abfällt. Um eine Unterbrechung des Nachfüllprozesses zu vermeiden, sollte der Druckabfall über dem Wärmetauscher bei der maximalen Strömungsrate üblicherweise weniger als 2,5 Zentimeter Wassersäule betragen, oder P < 0,25.
- Eine spezielle dimensionslose Länge und Tiefe können wie folgt gebildet werden.
- und
- Diese Definitionen sind deshalb speziell, weil sie es ermöglichen, A und P abhängig von L und D auszudrücken:
- A = L/4D und (9a)
- P = 3L/D³. (9b)
- Alle Gleichungen, die sich auf den Entwurf und die Leistung des Wärmetauschers beziehen, können somit graphisch in einem einzigen Diagramm der in den Fig. 8A oder 8B gezeigten Art dargestellt werden. Jede Entwurfsbeschränkung kann als eine Fläche des Graphen dargestellt werden, die zulässig ist (z. B. A > 0,1, L < 2 und P < 0,2). Der Schnittpunkt all dieser zulässigen Bereiche stellt dann alle möglichen Lösungen für den Entwurf des Wärmetauschers dar.
- Die analytische-Beschreibung des Wärmetauschers kann nun in einem einfachen thermischen Modell des Druckkopfs verwendet werden. Um die Analyse zu vereinfachen wird angenommen, daß der thermische Widerstand zwischen dem Druckkopf und anderen Teilen des Schreibsystems wesentlich größer ist als der thermische Widerstand zwischen diesen anderen Teilen und der Umgebungsluft. In diesem Fall liegt die "Umgebung" des Druckkopfes (andere Teile und Luft) auf beinahe derselben ("Umgebungs")-Temperatur. Da die anderen Teile des Systems auf einer beinahe konstanten Temperatur bleiben, wird ihre thermische Kapazität die Thermodynamik des Druckkopfs auch nicht erheblich beeinflussen.
- Die Strömungsraten der Restwärme, der indirekten Wärme und der Wärmeabfuhr können jeweils wie folgt ausgedrückt werden:
- qres = βfe, (10a)
- qind = fvρc(T&sub1; - T&sub0;) = fvρcE(TP - T&sub0;), und (10b)
- qrej = Tp - Ta/r (10c)
- wobei β der Restwärmebruchteil ist, und f ist die Druckkopf-Abfeuerrate (d. h. die Summe der Abfeuerfrequenzen für alle Düsen), Ta ist die Umgebungstemperatur, und r ist der thermische Widerstand zwischen dem Druckkopf und seiner Umgebung. Die Änderungsgeschwindigkeit der Druckkopftemperatur ist proportional zur Rate des Nettowärmestroms, der in den Druckkopf hineingeht:
- wobei C die thermische Kapazität des Druckkopfs ist.
- Die Bezugswerte des thermischen Widerstands und der Wärmeströmungsrate sind wie folgt definiert:
- und
- wobei b die gesamte Strömungsbreite darstellt (z. B. b = 2w, wenn es zwei Kanäle gibt, die jeweils eine Breite w haben). rref ist gleich vier Mal der statische thermische Widerstand der Tinte zwischen gegenüberliegenden Wänden des Wärmetauschers. qref ist gleich der Wärmeströmungsrate, die sich bei einer Temperaturdifferenz von ΔTc über einem Wärmewiderstand von rref ergäbe.
- Dimensionslose Darstellungen des thermischen Widerstands, der Abfeuerrate, der Druckkopfreservoir-Temperaturdifferenz und der Umgebungseinlaß-Temperaturdifferenz können jeweils wie folgt definiert werden:
- und
- Mit diesen Definitionen kann die Differentialgleichung (Gleichung 11) in der folgenden Form dargestellt werden:
- wobei der Wirkungsgrad E und die stationäre Lösung Θps Funktionen der Abfeuerrate sind. Im allgemeinen hängt der Restwärmebruchteil β in gewissem Maße von der Temperatur des Druckkopfsubstrats ab, angenähert kann diese Abhängigkeit jedoch über einen begrenzten Temperaturbereich ignoriert werden. Ferner wird ein quasi stationärer Betrieb des Wärmetauschers angenommen. Unter diesen Bedingungen ist die Gleichung 14 linear und analog zu einem elektrischen Tiefpaßfilter mit dem Eingang Θps, dem Ausgang Θp und einer Zeitkonstante, die von dem Eingang abhängig ist. Die Übergangsfunktionen bei einer stufenförmigen Änderung der Abfeuerrate (f&sub1; auf f&sub2; zur Zeit t = 0) ist ein exponentieller Anstieg oder Abfall:
- θp = θps2 + (θps1 - θps2) exp (-t/r&sub2;) (15a)
- wobei die Indizes 1 und 2 die Bewertung bei f&sub1; bzw. f&sub2; bezeichnen, und die Zeitkonstante ist gleich
- Die Zeitkonstante kann in zwei dimensionslosen Formen dargestellt werden:
- und
- Die erste Form zeigt die Variation der Zeitkonstante im Verhältnis zu ihrem Wert, wenn die Abfeuerrate Null ist, die zweite Form ist jedoch nützlicher bei der Untersuchung der Auswirkungen der Änderung des thermischen Widerstands.
- Der dimensionslose Temperaturanstieg der Tinte, die den Wärmetauscher verläßt, ist:
- und sein stationärer Wert ist
- Der dimensionslose Temperaturanstieg der ausgestoßenen Tintentropfen ist
- und sein stationärer Wert ist
- Unter der Bedingung, daß
- kann der Ausdruck für die dimensionslose stationäre Temperatur (Gleichungen 14, 17b und 18b) durch die folgende Annäherung beschrieben werden (die genau gilt, wenn Θa = 0):
- und
- Im stationären Zustand sind die Bruchteile der gesamten Druckkopfabkühlung, die durch die Tinte (den Wärmetauscher) und die Umgebungsluft erreicht wird, gleich
- und
- Ohne Luftkühlung ist der minimale Wert des Wirkungsgrades, bei dem ein Kochen der Tinte vermieden werden kann, gleich
- Emin = βΔTc/Tb-T&sub0; (21c)
- wobei Tb die Siedetemperatur der Tinte ist. Der Wert Emin ist üblicherweise ungefähr 0,5.
- Die Wirkungsgrade des einseitigen und des doppelseitigen Wärmetauschers als Funktionen der dimensionslosen Abfeuerrate sind graphisch in den Fig. 9A bzw. 10A dargestellt. Die drei dimensionslosen Gleichungen für die stationären Temperaturen des Druckkopfes, der den Wärmetauscher verlassenden Tinte und der ausgestoßenen Tintentropfen (Gleichungen 20a, 20b und 20c) sind für den einseitigen Wärmetauscher in den Fig. 9B, 9C bzw. 9D graphisch dargestellt, und für den doppelseitigen Wärmetauscher sind sie in den Fig. 10B, 10C bzw. 10D dargestellt. Die Tinten- und Luftkühlungsbruchteile (Gleichungen 21a und 21b) sind für den einseitigen Wärmetauscher in den Fig. 9C bzw. 9D graphisch dargestellt, und für den doppelseitigen Wärmetauscher sind sie in den Fig. 10C bzw. 10D dargestellt. Die zwei dimensionslosen Ausdrücke für die Zeitkonstante (Gleichungen 16a und 16b) sind für den einseitigen Wärmetauscher in den Fig. 9D bzw. 9E dargestellt, und für den doppelseitigen Wärmetauscher sind sie in den Fig. 10D bzw. 10E dargestellt.
- Die Fig. 9B, 9C, 9D, 10B, 10C und 10D zeigen deutlich die Vorteile der niedrigen Werte der dimensionslosen Abfeuerrate F kombiniert mit einem hohen Wert des dimensionslosen thermischen Widerstand R für das Aufrechterhalten niedriger und stabiler Druckkopf und Tintentemperaturen. Diese Graphen zeigen auch die deutlich überlegene Leistungsvorteile des doppelseitigen Wärmetauschers und eines niedrigen Wertes des Restwärmebruchteils β.
- In der Praxis können die Tinteneigenschaften (ρ, c, k und u) und die Werte für die Impulsenergie e, das Tropfenvolumen v und die Abfeuerrate f alle durch andere (nicht die Kühlung betreffend) Überlegungen bestimmt werden. Die niedrigen Werte für F und der hohe Wert für R müssen daher erreicht werden, indem der Wärmetauscher so konzipiert wird, daß der Bezugswert für den thermischen Widerstand rref minimiert und der thermische Widerstand zwischen dem Druckkopf und seiner Umgebung r maximiert wird (siehe Gleichung 1, 12a, 12b, 13a und 13b). In diesem Fall ist das Minimieren von rref äquivalent zur Maximierung des Wirkungsgrades des Wärmetauschers bei der maximalen Strömungsrate.
- In den Fig. 9C, 9D, 10C und 10D sind die Tintentemperaturen bei großen Werten von F trotz der zunehmenden Druckkopftemperatur beinahe konstant. Diese scheinbare Stabilität ist jedoch täuschend, weil es sich hierbei nur um stationäre Werte handelt. Die Zeitkonstante ist im allgemeinen wesentlich größer als die Verweilzeit der Tinte in dem Wärmetauscher:
- r > > Δtr V/Q = bdl/Q = dl/Q¹ = I/u (22)
- wobei V das interne Volumen des Wärmetauschers ist, und Q ist die Volumenströmungsrate. Der Wärmetauscher arbeitet also in einem quasi-stationären Modus (wie zuvor angenommen), und sein Wirkungsgrad spricht wesentlich schneller auf abrupte Änderungen in der Abfeuerrate an als die Druckkopftemperatur. In diesem Fall gibt es eine vorübergehende Tintentemperaturstörung, deren Größe beinahe gleich (jedoch im Vorzeichen entgegengesetzt) der Druckkopftemperaturänderung ist (wie durch die Gleichungen 17a und 18a angedeutet). Dies ist ein weiterer Grund, warum die Stabilität der Druckkopftemperatur wichtig ist.
- Fig. 9D, 9E, 10D und 10B zeigen, daß die Zeitkonstante zunimmt, wenn die Abfeuerrate abnimmt, und einen sehr hohen Wert hat, wenn die Abfeuerrate Null ist. Fig. 9E und 10B zeigen, daß die Zeitkonstante mit dem thermischen Widerstand zwischen dem Druckkopf und seiner Umgebung zunimmt - und zwar bei niedrigen Abfeuerraten stark und bei hohen Abfeuerraten schwach. Ein hoher Wert des thermischen Widerstands führt somit zu einem großen Bereich der Zeitkonstanten, der auf vorteilhafte Weise ausgenutzt werden kann, um ein schnelles Einschwingverhalten bei hohen Abfeuerraten zu ermöglichen, und um das Abkühlen des Druckkopfes zu verzögern, wenn er in Ruhe ist oder mit niedriger Frequenz Tropfen ausstößt.
- Zusätzlich zu der mathematischen Analyse kann auch eine direkte numerische (rechnergestützte) Simulation verwendet werden, um die Konvektionswärmeübertragung vorherzusagen. Diese Prozedur wird häufig verwendet und umfaßt eine Umwandlung der thermischen und hydrodynamischen partiellen Differentialgleichungen in diskrete Form (d. h. deren Annäherung mit finiten Differenzgleichungen) auf einem Rechennetz (Raster) das mit den geometrischen Grenzen des Systems übereinstimmt. Dies führt zu einem großen System gekoppelter algebraischer Gleichungen, die mit einem digitalen Computer gelöst werden können.
- Die direkte numerische Simulation des Wärmetauschers wurde mit Hilfe eines kommerziellen Softwarepaketes erreicht, das Cosmos/M Flowstar genannt wird (von Structural Research & Analysis Corporation, Santa Monica, Californien). Die Simulation stellt einen Druckkopf mit einer Schwadenbreite von 0,5 Inch und einen einseitigen Wärmetauscher dar, die mit einer Druckkopf-Abfeuerrate von 3,6 MHz und einem Leistungspegel von 18 W arbeiteten. Es wurden übliche Tinteneigenschaften, Druckkopfdesignparameter und Betriebsbedigungen verwendet. Es wurden acht Sätze aus Wärmetauscherabmessungen als Testfälle verwendet.
- Es wurden eine Restwärme-Einheitsbruchteil (β = 1) und ein unendlicher thermischer Widerstand zwischen dem Druckkopf und seiner Umgebung (r = ∞) angenommen. Die Simulation verwendete ferner einen repräsentativen Wert für die thermische Leitfähigkeit des Siliziumsubstrats (ks = 1,69 W/cmºC), und die Lösung erfolgte für dessen Temperaturverteilung. Die Ergebnisse zeigten, daß die Substrattemperatur beinahe gleichmäßig war, wie in der Analyse angenommen. (Dies war zu erwarten, weil k < < ks.)
- Die Rechenergebnisse und die entsprechenden analytischen Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Die direkten Ergebnisse der Simulation waren die Werte des stationären Druckkopf Temperaturanstiegs ΔTps. Die Werte von (1/β)θps und des Wirkungsgrads E wurden dann mit Hilfe der Gleichungen 13c und 20a (mit R = ∞) abgeleitet. Dies steht im wesentlichen im Wi derspruch zu der Prozedur, die zum Erhalten der analytischen Ergebnisse verwendet wurde. Die berechneten und die analytischen Vorhersagen für die Temperaturen und den Druck stimmen grundsätzlich überein. Die leichten Abweichungen können auf die Grobheit des verwendeten Rechenrasters zurückgeführt werden (das z. B. für den Kanal des Falls Nr. 4 6 Zellen tief und 14 Zellen lang ist). Diese Übereinstimmung deutet an, daß die bei der Analyse, jedoch nicht der Simulation, getroffenen Annahmen richtig waren oder zumindest zulässige Annahmen waren.
- Von den in Tabelle 2 berücksichtigten Fällen zeigt der Fall Nr. 4 die beste Kombination aus Wirkungsgrad, Druckabfall und Länge. Tabelle 2 zeigt, daß in diesem Fall der Bezugswert des thermischen Widerstands rref ungefähr gleich 15 ºC/W ist. Ohne Kühlkörper oder Isolation ist der thermische Widerstand zwischen dem Druckkopf und seiner Umgebung (der Luft oder anderer Teile des Schreibsystems), r, üblicherweise ungefähr 75ºC/W. Der dimensionslose thermische Widerstand hat somit einen Wert von ungefähr S. Die Isolation (z. B. Polystyren oder Polyurethanschaum) könnte den thermischen Widerstand um einen Faktor 2 bis 10 erhöhen. Tabelle 2 Vorausgesagte Druckkopfleistung
- SSHE = Einseitiger Wärmetauscher
- DSHE = Doppelseitiger Wärmetauscher
- Tabelle 3 gibt die Werte des dimensionslosen thermischen Widerstandes und der Zeitkonstante für verschiedene Werte des thermischen Widerstands und der thermischen Druckkopfkapazität für den Fall Nr. 4 an. Der übliche Wert der Druckkopf-Wärmekapazität C = 0,2 J/ºC entspricht (zum Beispiel) einem Druckkopf mit einem Volumen von 0,07 cm³ und einer mittleren Wärmekapazität pro Einheitsvolumen, die ungefähr in der Mitte zwischen der von Silizium (1,64 J/cm³ºC) und Wasser (4,18 J/cm³ºC) liegt. Tabelle 3 Thermische Zeitkonstanten für den Fall Nr. 4
- In Verbindung mit Tabelle 3 zeigen die Gleichungen 15a, 15b, 16a und 16b und die Fig. 9D, 9E, 10D und 10E, daß bei niedrigen Abfeuerraten eine beträchtliche Zeit benötigt wird, bis der Druckkopf nach einem Kaltstart seine stationäre Gleichgewichtstemperatur erreicht, insbesondere wenn der thermische Widerstand hoch ist. Dieses Problem kann vermieden werden, indem der Druckkopf auf eine vorgegebene "Betriebstemperatur" vorgewärmt wird, wenn die Leistung das erste Mal eingeschaltet wird oder nachdem längere Ruheperioden verstrichen sind. Dies kann erreicht werden, indem Nicht-Druckimpulse verwendet werden, durch eine kontinuierliche Leistungsaufnahme in den Abfeuerwiderständen oder durch einen getrennten Heizwiderstand und eine Temperatursteuerung oder -regelung. Die Aufwärmzeit hängt im allgemeinen von der Druckkopfkapazität, der Betriebstemperatur Top, der Anfangstemperatur Ti, der verfügbaren Vorheizleistung qpre und dem thermischen Widerstand zwischen dem Druckkopf und seiner Umgebung ab. Wenn sowohl der Vorheiz-Leistungspegel als auch der thermische Widerstand hoch sind (so daß qpre > > qres), ergibt sich das Vorheizzeitintervall zu:
- Δtpre = C(Top - Ti)/qpce (23a)
- Die Betriebstemperatur kann auf verschiedene Weise gewählt werden, wenn der Wert von R jedoch hoch und der Maximalwert von F niedrig ist, ist eine gute Wahl:
- Top = T&sub0; + βΔTc (23b)
- Dann: gilt:
- Δtpre = C/qpre[βΔTc - (Ti - T&sub0;)] (23c)
- Um einen unbeabsichtigten Tintentropfenausstoß, Tintenspritzen und Tintenablagerungen auf der Außenseite der Düsenplatte zu verhindern, ist es wichtig, daß sich während des Vorheizens in dem Druckkopf keine Dampfblasen bilden. Die Bedingungen, unter denen sich Dampfblasen bilden, hängen von den Tinteneigenschaften und der Konstruktion des Druckkopfs ab. Diese Forderung beschränkt die Nicht-Druckimpulse normalerweise auf mittlere Leistungspegel, die niedriger als oder vergleichbar der maximalen mittleren Druckleistung sind. Eine kontinuierliche Leistungsaufnahme in den Abfeuerwiderständen von ungefähr zweimal diesem Pegel wäre vermutlich zulässig, weil in diesem Fall die maximale Wärmeströmung viel niedriger liegt. Die Wärmeströmung kann weiter reduziert werden, indem ein getrennter Heizwiderstand verwendet wird, der einen großen Bereich des Substrats bedeckt. In diesem Fall wäre die Vorheizleistung nur durch den Oberflächenbereich und die Wärmeleitfähigkeit des Substrats und der Tinte begrenzt. Vorheiz-Leistungspegel, die fünf- bis zehnmal größer als die maximale Druckleistung sind, sind daher möglich. Tabelle 4 gibt Vorheiz-Zeitintervalle an, die für eine Temperaturänderung von 40ºC und verschiedene thermische Kapazitäten und Vorheiz-Leistungspegel notwendig sind. (Maximale Druckleistung = 18 W) Tabelle 4 Zeitintervall für das Vorheizen des Druckkopfs
- Der folgende Abschnitt beschreibt das Design und den Aufbau eines Druckkopfs, der die zuvor erläuterten theoretischen Grundsätze verkörpert.
- Fig. 2 ist eine Zeichnung eines Druckkopfs 20, der gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist. Anders als die bisher bekannten Druckköpfe hat er eine geringe Masse und ein geringes Volumen, weil er keinen Kühlkörper, wie ein integriertes Tintenreservoir, benötigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bleibt das Tintenreservoir stationär, während der Druckkopf 20 sich über die Seite vor- und zurückbewegt. Ferner ist der tintengekühlte Druckkopf von den anderen Teilen des Druckers (einschließlich des Tintenreservoirs) und der Umgebungsluft, wie in Fig. 1 gezeigt, thermisch isoliert. Er hat einen Wärmetauscher mit einer aktiven Wand (d. h. einer Wand, die Wärme zu der Tinte überträgt). Die aktive Wand ist das Druckkopfsubstrat 30, und die andere (adiabatische) Wand ist der Isolator 24. Tinte strömt von einem Tintenreservoir in eine Tintenleitung 26. Wenn der Tintenstrom auf den Isolator 24 trifft, teilt er sich in zwei Abschnitte, und jeder Abschnitt fließt um den Isolator 24 und in den Wärmetauscher 22. Aus dem Wärmetauscher 22 fließt die Tinte durch einen Tintenzuführschlitz 38, der in Fig. 3 gezeigt ist, und in eine Abfeuerkammer 40, wo sie von einem Abfeuerwiderstand, der einen Teil der Tinte durch eine Düse 36 ausstößt, die in einer Düsenplatte 32 liegt, direkte Wärme empfängt. Eine Außenisolation 28 isoliert den Druckkopf thermisch von anderen Teilen des Druckers.
- Für bestimmte Tinteneigenschaften und Strömungsraten wird der Wirkungsgrad des Wärmetauschers (22 und 86) durch seine Dimensionen (seine Länge 1, seine Tiefe d und seine Breite w, wie in den Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 gezeigt) und die Anzahl der aktiven Wände bestimmt. Der Wirkungsgrad nimmt mit der Breite des Wärmetauschers und seinem Verhältnis von Länge zu Breite zu (siehe Gleichung 4). Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen einseitige Wärmetauscher (die eine aktive Wand haben), und die Fig. 5 und 6 zeigen doppelseitige Wärmetauscher (die zwei aktive Wände haben). Die einseitigen Wärmetauscher haben den Vorteil einer geringen thermischen Masse, so daß sie schnell aufwärmen. Ein doppelseitiger Wärmetauscher hat den Vorteil, daß er mehr Wärme pro Längeneinheit des Wärmetauschers übertragen kann. Ein doppelseitiger Wärmetauscher kann notwendig sein, wenn der Druckkopf nicht groß genug ist, um einen einseitigen Wärmetauscher mit dem gewünschten Wirkungsgrad aufzunehmen.
- Bei bestimmten Tinteneigenschaften und Strömungsraten ist der Druckabfall in dem Wärmetauscher (22 und 86) direkt proportional zu seiner Länge und umgekehrt proportional zu seiner Breite und seiner Kubik-Tiefe (siehe Gleichung 5). Wenn die Abfeuerkammern durch Kapillardruck gefüllt werden, muß der Druckabfall in dem Wärmetauscher relativ gering sein, um eine angemessene Nachfüllrate aufrechtzuerhalen.
- Obwohl der Bereich der Erfindung Wärmetauscher beliebiger Breite umfaßt, ist die Breite w des Wärmetauschers 22 bei der bevorzugten Ausführungform der Erfindung ungefähr gleich der Schwadenbreite des Druckkopfs 20 (d. h. gleich dem Abstand der gegenüberliegenden Enden der Düsenanordnung). Die Länge 1 und die Tiefe d werden so gewählt, daß sich ein Wärmetauscher mit hohem Wirkungsgrad ergibt, der auf einen Chip für einen thermischen Tintenstrahldruckkopf paßt und einen minimalen Druckabfall in der Tinte erzeugt, die durch ihn hindurchfließt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sollte der Druckabfall in dem Wärmetauscher 22 2,5 cm Wasser nicht überschreiten, so daß er die Nachfüllrate der Abfeuerkammer nicht ungünstig beeinflußt.
- Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers kann erhöht werden, indem der Wärmetauscher länger gemacht wird. Die Breite des Chips beschränkt jedoch die Länge des Wärmetauschers 22. Wie in den Fig. 2 bis 6 gezeigt, ist die Länge des Wärmetauschers 22 ungefähr gleich der halben Breite des Chips. Um die Länge des Wärmetauschers 22 deutlich zu erhöhen, müßte die Breite des Chips vergrößert werden, was erhebliche Kosten mit sich bringt. Zusätzlich ist der Druckabfall in dem Wärmetauscher proportional zur Länge des Wärmetauschers, und eine Verlängerung des Wärmetauschers könnte dazu führen, daß der Druckabfall 2,5 cm Wasser überschreitet. Die Tiefe d des Wärmetauschers 22 ist somit die Hauptentwurfsvariable.
- Der Aufbau eines Wärmetauschers, der alle der obigen Anforderungen erfüllt, wird einfacher, wenn man die Fig. 8A und 8B verwendet. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt die Länge des Wärmetauschers 1 im Bereich von 0,2 bis 0,3 cm, und seine Tiefe d liegt im Bereich von 0,010 bis 0,015 cm.
- Die vorliegende Erfindung umfaßt alle Hochleistungswärmetauscher, die mit dem Druckkopfsubstrat thermisch gekoppelt sind, und Wärmetauscher, die einen ausreichend hohen Wirkungsgrad haben, damit kein Kühlkörper mehr notwendig ist, sind besonders nennenswert. Ebenfalls nennenswert sind Wärmetauscher, die einen ausreichend hohen Wirkungsgrad haben, um nicht nur Kühlkörper überflüssig zu machen, sondern um auch zu ermöglichen, daß sich der inkrementelle Anstieg der Druckkopftemperatur (über die Einlaßtemperatur) auf einen niedrigen Wert stabilisiert, der irgendwo in der Nähe des Produkts aus dem Restwärmebruchteil und dem charakteristischen Temperaturanstieg liegt.
- Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers variiert mit der Tintenströmungsrate und somit mit der Abfeuerrate des Druckkopfs. Je größer die Abfeuerrate ist, desto größer ist die Strömung und desto geringer ist der Wirkungsgrad. Umgekehrt ist die Strömung um so niedriger und der Wirkungsgrad um so höher, je geringer die Abfeuerrate ist. Die Schwankungen im Wirkungsgrad können minimiert werden, indem der Wärmetauscher so gestaltet wird, daß er bei hohen Strömungsraten einen sehr hohen Wirkungsgrad, z. B. 90% hat, so daß dann, wenn die Strömungsrate abnimmt, die maximale Änderung des Wirkungsgrades 10% beträgt.
- Die bevorzugte Ausführungsform hat den Vorteil einer sehr kurzen Aufwärm-Einschwingzeit, weil die thermische Masse im wesentlichen auf das Silizium und die sehr dünne Tintenschicht in dem Wärmetauscher begrenzt ist. Wenn vorgewärmt wird, liegt die Aufwärmzeit bei der bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 0,04 bis 0,80 Sekunden abhängig von dem Energiepegel für das Vorwärmen. Bei den bekannten Druckköpfen beträgt die Aufwärmzeit 5 bis 30 Sekunden. Während dieser Zeit muß der Benutzer entweder warten oder eine verschlechterte Druckqualität hinnehmen.
- Fig. 4 zeligt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die in einem Randzuführ- Druckkopf realisiert ist. Der Wärmetauscher 62 ist identisch mit dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Wärmtauscher 22, abgesehen davon, daß der Tintenströmungsweg anders ist. Die Tinte bewegt sich durch die Tintenleitung 26, bis sie auf das Substrat 64 trifft. Dann geht die Tinte durch den Wärmetauscher 62 zum Außenrand des Druckkopfchips, wo sie auf die Abfeuerkammer 72 trifft. Der Wärmetauscher 62 hat eine aktive Wärmetauscherwand, das Substrat 64. Die anderen Wände sind Isolierwände 66. Wie bei dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Wärmetauscher 22 ist die Breite w des Wärmetauschers 62 gleich der Schwadenbreite des Druckkopfchips. Die Länge 1 und die Tiefe d sind ähnlich denen des Wärmetauschers 22, und sie werden so gewählt, daß ein Wärmetauscher mit einem hohen Wirkungsgrad und einem Druckabfall von 2,5 cm Wasser bei der maximalen Strömungsrate erzielt wird.
- Sowohl der in den Fig. 2 und 3 gezeigte Wärmetauscher 22 als auch der in Fig. 4 gezeigte Wärmetauscher 62 sind einseitige Wärmetauscher mit einer aktiven Wand. Die Länge des Wärmetauschers kann reduziert werden, wenn zwei (oder mehr) aktive Wände vorgesehen werden. Fig. 5 zeigt einen Druckkopf, bei dem ein Teil der Außenisolation 92 entfernt ist, um den doppelseitigen Wärmetauscher 86 sichtbar zu machen. Ein Substrat 90 bildet eine aktive Wärmetauscherwand, und die andere Wand ist eine aktive Wärmetauscherwand 88. Tinte strömt durch die Tintenleitung 82, die durch den Isolator 84 und die äußere Isolationswand 92 gebildet wird. Von dem Wärmetauscher 86 strömt die Tinte durch einen zentralen Tintenzuführschlitz und in eine Abfeuerkammer (in den Fig. 5 und 6 nicht gezeigt, die jedoch ähnlich zu der in Fig. 3 gezeigten ist). Fig. 6 zeigt den Druckkopf 80 mit einem Wärmeleiter 94, der Wärme von dem Substrat 90 zu der aktiven Wärmetauscherwand 88 überträgt. Die Breite w, die Länge 1 und die Tiefe d jeder Hälfte des Wärmetauschers 86 und die Breite wf des Tintenzuführschlitzes sind in den Fig. 5 und 6 zu sehen.
- Der doppelseitige Wärmetauscher könnte aus drei Teilen hergestellt werden (einer aktiven Wärmetauscherwand 88 und zwei Wärmeleitern 94), wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Alternativ könnten die Wärmeleiter 94 integrale Teile des Substrates 90 sein. In diesem Fall würde der Tintenströmungskanal des Wärmetauschers 86 in den Boden des Substrats 90 geschnitten (z. B. gefräßt). Bei einer anderen Alternative könnten die Wärmeleiter 94 integrale Teile der aktiven Wand 88 des Wärmetauschers sein. In diesem Fall würde der Tintenströmungskanal in die Oberseite der aktiven Wand 88 des Wärmetauschers geschnitten (z. B. gefräßt). Die Verwendung eines Klebstoffes mit hoher Wärmeleitfähigkeit könnte bei der Minimierung des thermischen Widerstands der Verbindungsstellen helfen.
- Die vorliegende Erfindung umfaßt Wärmetauscher beliebiger Geometrie und mit beliebigen Verteilungen von Temperatur und Wärmeströmung in Umfangs- und axialer Richtung. Wärmetauscher mit Rippen, die im Strömungsweg liegen, gehören ebenfalls zum Bereich der Erfindung. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch Wärmetauscher mit mehreren unabhängigen Tintenströmungskanälen. Es kann eine große Vielzahl von Wärmetauschern entworfen und hergestellt werden, die Verfahren verwenden, welche den hier offenbarten ähnlich sind. Die Größe des Druckabfalls über dem Wärmetauscher kann variieren.
Claims (9)
1.
Druckkassette für einen Tintenstrahldrucker umfassend:
Mittel zum Kühlen der Druckkassette; mehrere Abfeuerwiderstände mit zugehörigen
Abfeuerkammern in der Druckkassette (20; 60; 80), die bei Betätigung wahlweise
Tintentröpfchen aus der Kassette abfeuern, wodurch Wärme in der Druckkassette
erzeugt wird; einen Wärmetauscher (22; 62; 86) in der Druckkassette, der thermisch mit
der Tinte und den Abfeuerwiderständen zum Übertragen der von den
Abfeuerwiderständen erzeugten Wärme auf die Tinte kommuniziert; und mehreren Wänden (24, 28;
66; 84, 92), welche den Wärmetauscher umgeben, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wände im wesentlichen adiabatische Wände sind, welche den
Wärmetauscher und die Abfeuerwiderstände umgeben, so daß im wesentlichen die gesamte,
von den Abfeuerwiderständen erzeugte Wärme auf die Tinte nächst den
Abfeuerkammern übertragen wird.
2. Druckkassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im
wesentlichen adiabatischen Wände aus thermisch isolierendem Werkstoff hergestellt
sind, so daß die in der Druckkassette erzeugte Wärme von der Druckkassette weg als
in den Tintentropfen enthaltene Wärmeenergie und mit im wesentlichen
vernachlässigbarer thermischer Konvektion übertragen wird.
3. Druckkassette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Wärmetauscher einen Wirkungsgrad (E) von mehr als 85% und eine dimensionslose
Variable (A) und einen Druckabfall (P) aufweist, worin
A definiert ist als A αI/4Q'd
E definiert ist als E T&sub1; - T&sub0;/Tw - T&sub0;
P definiert ist als P Δp/Δpref
worin 1 und d Länge und Tiefe des Wärmetauschers, α die thermische Diffusität der
Tinte, Q' die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit bezogen auf die Einheit der
Kanalweite, Δp der Druckabfall über dem Wärmeaustauscher bei maximaler
Druckkopf-Abfeuergeschwindigkeit, Δpref die Referenz-Druckdifferenz, welche gleich dem
maximalen kapillaren Druckanstieg über den Düsen ist, T&sub1; die mittlere Temperatur der
den Wärmetauscher verlassenden Tinte, T&sub0; die Eintrittstemperatur der Tinte in den
Wärmetauscher und Tw die Temperatur der thermisch aktiven Oberflächen des
Wärmeaustauschers sind.
4. Druckkassette nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß A bei
einem doppelseitigen Wärmetauscher (86) größer als etwa 0,06 und P kleiner als etwa
0,25 sind.
5. Druckkassette nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß A bei
einem einseitigen Wärmetauscher (20; 60) größer als etwa 0,18 und P kleiner als etwa
0,25 sind.
6. Druckkassette nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher eine wirksame Länge (1) von etwa 0,2 bis 0,3 cm und
eine wirksame Tiefe (d) von etwa 0,010 bis 0,015 cm hat.
7. Druckkassette nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein thermisch aktives, leitendes Bauteil (30; 64; 94) von
im wesentlichen vernachlässigbarer thermischer Kapazität zum Übertragen von durch
den Abfeuerwiderstand erzeugter Wärme zur Tinte aufweist.
8. Druckkassette nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abfeuerwiderstände in einem linearen Feld in einer Hauptachse parallel
zu den Isothermen der Tinte in dem Wärmetauscher und senkrecht zur
Strömungsrichtung der Tinte im Wärmetauscher angeordnet sind.
9. Druckkassette nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (22; 62) eine einzige thermisch aktive Oberfläche (30;
64) aufweist.
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