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Gebiet der Technik
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Membranpumpe.
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Stand der Technik
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Ein
Dokument des Standes der Technik, das Patent US-A-4 862 192, beschreibt
einen Tintenstrahl-Punktdrucker mit einem Tintenkreislauf, der eine
Transportvorrichtung zum Transportieren der dicken Tinte aus einem
ersten Zuführbehälter und,
unabhängig
von diesem, des Zusatzes aus einem zweiten Zuführbehälter in eine Tintenkammer umfasst.
Aus dieser Tintenkammer kommende Tinte wird unter Druck einem Schreibkopf
geliefert. In die Tintenkammer wird über einen Rückführkanal Tinte zurückgeführt, wobei
sie den Schreibkopf durchquert und Tintentröpfchen, die nicht zu Schreibzwecken
abgelenkt worden sind, zurückgewonnen
werden. Die Transport- bzw. Übertragungsvorrichtung
verwendet Druckluft zum Transportieren der Tinte zwischen einem
mit dem Schreibkopf verbundenen Tintenbehälter, einem mit den Zuführbehältern verbundenen
Mischbehälter
und einem mit einem Rückführkanal
verbundenen Rückführ- bzw.
Rückgewinnungsbehälter. Der
Mischbehälter
kann alternativ mit einer Saugleitung oder einer Förderleitung
verbunden sein bzw. werden.
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Bei
diesem Drucker aus dem Stand der Technik wird also der Tintentransport
durch einen Zwischenbehälter
bewerkstelligt, der entweder Unterdruck aufweist, um die in dem
Rückgewinnungsbehälter befindliche Tinte
zurückzuführen, oder
der während
der Zuführphase
zu dem mit dem Druckkopf verbundenen Behälter (Speicher) unter Druck
steht.
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1 zeigt
das Prinzipschema eines solchen Druckers. Bei diesem ist das Vorhandensein
eines Zwischenvolumens eine Quelle von Problemen. Die Dimensionen
dieses Volumens sind nämlich
nicht vernachlässigbar.
Das Volumen und die Austauschfläche
Luft/Tinte führen
zu:
- • einem
starken Luftverbrauch infolge von sukzessiven Anschwellungen und
Anschwellungen dieses Zwischenvolumens;
- • einer
Auflösung
der Luft in der Tinte, da das Mischvolumen nicht mit einem Luft/Tintenseparator
ausgestattet ist;
- • einer Überdimensionierung
und einer Vermehrung der pneumatischen Komponenten (drei Druckregler, Zweiweg- und Dreiwegventile
...)
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Diese
verschiedenen Probleme führen
zum Einsatz eines Systems an diesen Maschinen, das sich von dem
oben dargestellten unterscheidet. Bei auf dem Markt erhältlichen
Maschinen kann man nämlich
beobachten, dass:
- • der Tintentransport mit einer
Membranpumpe erfolgt, die sich zwischen dem Mischbehälter und
dem Speicher befindet.
- • der
Mischbehälter
permanent unter Unterdruck steht und tatsächlich zum Rückgewinnungsbehälter wird, der übrigens
auch aus dem Primärkreislauf
verschwindet.
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2 zeigt
ein Prinzipschema der mit dem System ausgestatteten Maschinen. Dieses
System, das einfacher und besser an einen Tintenstrahldrucker angepasst
ist, verwendet eine Membranpumpe. Für diesen neuen Kreislauf wird
die Zufuhr von Flüssigkeit
durch eine in eine Pumpe integrierte Feder bewerkstelligt, die direkt
in die Tinte eintaucht. Die Feder erfordert Führungen und Zentrierungen,
welche sie erheblich vergrößern. Der
Hub einer solchen Pumpe ist groß und
erfordert das Vorhandensein eines mechanischen Präzisionsreglers
des Luftdrucks am Speicher. Da das Innenvolumen der Pumpe groß ist, weist
ein solches System zahlreiche Nachteile beim schnellen Farbwechsel
der Tinte auf (die zu reinigende Oberfläche ist groß). Dieser Drucker aus dem
Stand der Technik verwendet die Pumpe nicht auf bidirektionale Weise,
sondern es sind Klappenventile an der Ansaugseite und manchmal an
der Förderseite
der Pumpen vorhanden. Das Prinzip dieses Druckers aus dem Stand
der Technik ist einfach, ist aber bei fortschrittlichen Anwendungen
beschränkt (Bewältigung
der Transportvolumen, Einfachheit der Durchspülung der Maschine, Farbwechsel,
Hinzufügung von
Tinte und von Zusätzen
durch die Pumpe). Es ist anzumerken, dass auf dieser Maschine die
Pumpe nur eine sehr beschränkte
Anzahl von Funktionen aufweist.
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Aufgabe
der Erfindung ist eine Membranpumpe, welche diese verschienenen
Nachteile beseitigt.
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Ein
erstes Dokument aus dem Stand der Technik, die Patentanmeldung EP-A-0
758 053 beschreibt eine Dosierungspumpe vom Kapseltyp, welche eine
Membran mit charakteristischer Form aufweist, die sich zwischen
zwei Positionen verschieben kann: einer vorderen Position und einer
hinteren Position.
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Ein
zweites Dokument aus dem Stand der Technik, das Patent US-A-3 387
566, beschreibt einen Motor, der als Pumpe funktionieren kann, die
in der Lage ist, Fluide mit steuerbarem Druck zu liefern. Dieser
Motor umfasst ein Motorgehäuse,
eine Einheit aus zwei Membranen, die an diesem Gehäuse und
an einem beweglichen zentralen Körper
befestigt sind, und die voneinander beabstandet und gleichzeitig
fähig sind,
nachzugeben bzw. sich plastisch zu verformen.
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Abriss der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Membranpumpe mit einem Körper, in
den Verbindungskanäle
eingebracht sind, sowie zwei Ausnehmungen, in denen sich die beiden
Abschnitte eines Kolbens bewegen, wobei ein formbares Element einstückig mit
dem ersten dieser beiden Abschnitte ist, und zwei Dichtungen zwischen
dem Körper
und dem Kolben angeordnet sind, von denen eine mit dem Körper einstückig ist
und die andere mit dem zweiten Abschnitt des Kolbens einstückig ist,
wobei die Positionierung des mit dem verformbaren Element versehenen
Kolbens im Innern dieser beiden Ausnehmungen die Bildung einer großen Kammer
aus zwei isobaren, miteinander verbundenen Abschnitten, einer kleinen
Kammer sowie einer Zugangskammer gestattet, um zu den verschiedenen Öffnungen
einen Zugang ermöglichen,
dadurch gekennzeichnet, dass das verformbare Element eine Membran
ist, dass der Hub des Kolbens, der von dem zwischen mindestens einer
Fläche
des Kolbens und mindestens einer Fläche des Körpers bestehenden Abstand begrenzt
ist, in der Größenordnung
von 1 mm liegt, so dass die Verformung der Membran sowie die Verformungsenergie gering
bleibt.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Steuerung dieser Membranpumpe mittels eines einzigen
Zweiweg-/Zweipositions-Elektroventils,
das durch das Vorhandensein einer kalibrierten Öffnung, welche eine Druckminderung
der Kammern gestattet, ergänzt
wird.
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Außerdem erfordert
diese Pumpe der Erfindung nicht mehr die Verwendung einer Feder
für die
Rückführung der
Pumpe wie beim Patent US-A-4 862 192. Diese Feder ist nämlich eine
zu kalibrierende mechanische Komponente, die verschiedenartige Eigenschaften
aufweisen muss. Die Feder darf nicht zu stark sein, um in allen
Fällen
das Steuern der Förderung
zu gestatten, und muss genügend
stark sein, um auch in allen Fällen
das Steuern des Ansaugvorgangs zu ermöglichen. Eine solche Anpassungsschwierigkeit
dieser Komponente an die Funktionsbedingungen besteht bei der Pumpe
der Erfindung nicht. Die Pumpe der Erfindung passt sich nämlich jeder
Entwicklung des Funktionsdrucks an. So weist dieser Pumpentyp eine
starke Unterdruckkapazität
unabhängig
von ihren Leistungen bei Druck auf. Der aufgebrachte Kraftaufwand
zur Erzeugung des Unterdrucks ist nämlich direkt dem Produkt aus
dem in der kleinen Kammer des Zylinders bzw. Kolbens herrschenden
Drucks, multipliziert mit der Oberfläche dieser kleinen Kammer,
zugeordnet. Der höchstmögliche Unterdruck
wird durch Teilen des Kraftaufwands durch die Oberfläche der
Membran erhalten. Der in der kleinen Kammer herrschende Druck ist
permanent der Quelldruck, woraus folgt: Maximaler
Unterdruck = Quelldruck·(Querschnitt
kleine Kammer/Querschnitt Membran)
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Die
aufgebrachte Kraft zur Erzeugung des Drucks ist direkt dem Produkt
des in der großen
Kammer des Kolbens bzw. Zylinders herrschenden Drucks multipliziert
mit der Oberfläche
der Membran zugeordnet. Der bei dieser Art von Pumpe höchstmögliche Förderdruck
ist somit der Quelldruck.
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Wenn
die Oberfläche
der großen
Kammer mit S bezeichnet wird, die Oberfläche der kleinen Kammer mit
s, die Oberfläche
der Membran mit S Membran, so kann der Aufbau wie in 3 dargestellt
ist, schematisiert werden. Beim Fördern wird der Motordruck auf
(S Membran – s
Spange + S) aufgebracht, und praktisch der gleiche Druck wird auf
s aufgebracht. Es ist anzumerken, dass: s Spange = S – s, woraus
folgt: Förderkraft
= Druck·((S
Membran – (S – s) + S) – s),d.h.: Förderkraft
= Druck·S
Membran
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Die
Motorkraft zur Förderung
ist also unabhängig
vom Querschnitt der kleinen Kammer des Zylinders.
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Vorteilhafterweise
ist die Membranpumpe der Erfindung mit einem Druck- und Temperaturfühler ausgestattet,
wobei letzterer in direktem Kontakt mit dem im Innern der Pumpe
befindlichen Fluid steht.
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Die
Erfindung betrifft auch einen mit dieser Pumpe ausgerüsteten Hydraulikkreis.
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Vorteilhafterweise
umfasst dieser:
- – Mittel zur Überwachung
des Quelldrucks, die sich am Ausgang des Reglers befinden;
- – Mittel
zur Bestimmung des Zusetzens eines Filters, die sich auf seiner
Vorderseite befinden;
- – Mittel
zur Überwachung
der Dichtheit der Komponenten des Tintenkreislaufs;
- – Mittel
zur Realisierung der Durchsatzmesser-Funktionalität der verschiedenen verbrauchten
Fluidmengen.
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Tintenstrahldrucker, der mit diesem
Tintenkreislauf ausgestattet ist.
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Die
Pumpe der Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf:
- – Einfachheit;
- – geringe
Teilezahl,
- – sehr
geringe Totvolumen,
- – zuverlässige Funktionsweise.
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Kurzebeschreibung der
Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 und 2 zwei
Ausführungsbeispiele
der Vorrichtung nach dem Stand der Technik,
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3 eine
genaue Darstellung der für
die Berechnung der aufgewandten Kräfte während eines Förderzyklus
der Pumpe der Erfindung betroffenen Oberfläche,
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4 eine
Membranpumpe der Erfindung,
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5 das
hydropneumatische Schema eines Tintenkreislaufs, der die Pumpe der
Erfindung einsetzt, und
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6 und 7 das
Drucksignal der Pumpe in einem typischen Ansaug-/Förderzyklus.
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Detaillierte Beschreibung
von Ausführungsformen
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Die
Membranpumpe der Erfindung, wie sie in den 4 und 5 dargestellt
ist, ist aus einem Körper 2 gebildet,
in den Verbindungskanäle
eingebracht sind, und zwei Ausnehmungen bzw. Hohlräume 3, 4,
in denen sich die beiden Abschnitte 5, 6 eines
Kolbens 18 bewegen, wobei eine Membran 19 einstückig mit
den ersten 5 dieser beiden Abschnitte ist. Zwei Dichtungen 7, 8 sind
zwischen dem Körper 2 und
dem Kolben 18 angeordnet, wobei eine 7 einstückig mit
dem Körper 2 ist,
und die andere 8 einstückig
mit dem zweiten Abschnitt 6 des Kolbens ist. Die Positionierung
des Kolbens 18, der mit der Membran 19 im Innern
dieser beiden Ausnehmungen 3 und 4 versehen ist,
ermöglicht
es, eine große
Kammer aus zwei untereinander verbundenen isobaren Teilen 16 und 17,
eine kleine Kammer 15 sowie eine Zugangskammer 9 herzustellen,
zu denen jeweils Öffnungen 26, 27 und
zwei Ansaug-/Förderöffnungen 28, 29 Zugang
verschaffen.
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Bei
der Membranpumpe der Erfindung ist der Einbaudurchmesser am Kolben 18 derart
festgelegt, dass die Gesamtenergie einer elastischen Verformung
minimiert wird (Kriterium von Von Mises). Außerdem umfasst der Kolben 18 eine
Auflage- bzw. Stützzone
der Membran 19, die bei der Fördersequenz eingesetzt wird.
Diese Auflagezone ermöglicht
es, die Verformung der Membran zu minimieren. Die Dicke der Membran 19 kann
groß sein,
da die notwendige Motorkraft für
Bewegung gering ist (da die Verformungsenergie der Membran minimiert
ist, ist die zur Bewegung notwendige Energie gering). Es ist auch
anzumerken, dass die pneumatische Energie nicht die Probleme des
Drehmoments des Motors und der Drehgeschwindigkeitsstabilität (Vibrationen)
aufweist, die bei einem Elektromotor anzutreffen sind (insbesondere
bei einem Schrittschalmotor). Die Luftsteuerung ist also viel sanfter.
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Die
Zunahme der Dicke der Membran 19 gestattet es, eine ausgezeichnete
Lebensdauer der Pumpe zu erzielen (über drei Jahre bei 2 × 8-Funktion,
300 Tage pro Jahr nach Testergebnissen).
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Die
inneren Formen der Pumpe der Erfindung bleiben einfach, so dass
keine schwer zu reinigenden Rückhaltezonen
entstehen.
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Ein
originelles Merkmal der Pumpe der Erfindung beruht in deren gänzlich pneumatischem
Steuerungsmechanismus. Die Förderung
wird durch Druckbeaufschlagung der Membran erhalten. Der Ansaugvorgang
(Zuführung)
wird ebenfalls durch Druckbeaufschlagung einer mit der Membran verbundenen
Oberfläche erhalten.
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Die
Membran ist mit einem Steuerzylinder (Kolben 18) verbunden.
Dieser Zylinder bzw. Kolben ist ein doppelt wirkender Zylinder,
für den
der Druck in der kleinen Kammer 15 immer vorhanden ist.
Wenn die anderen Oberflächen
(Membran und große
Kammer des Zylinders) bei atmosphärischem Druck belassen werden, kann
das Ansaugen von Flüssigkeit
erfolgen. Indem die Membran und die große Kammer des Zylinders unter Druck
gesetzt werden, kann der Fördervorgang
stattfinden.
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Die
kleine Kammer 15 des Kolbens ist permanent mit der Druckquelle
verbunden, und es ist ein einziges Zweiweg-/Zweipositions-Elektroventil
ausreichend, um die anderen Oberflächen unter Druck zu setzen, um
den Zylinder bzw. Kolben zu verschieben und damit den Pumpvorgang
auszulösen.
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Der
Hub dieser Art von Pumpe ist mit dem Unterschied zweier geometrischer
Dimensionen verbunden. Die erste Dimension trennt die Flächen B3
und B4 des Teils 6, und die zweite Dimension trennt die
Flächen B1
und B2 des Teils 2 (siehe 4). Die
Reproduzierbarkeit dieser Dimension ist sehr gut und hängt tatsächlich nur
von der Qualität
der Herstellung des Teils 2 und des Teils 6 (als
Guss oder maschinenbearbeitet) ab. Diese Reproduzierbarkeit des
Hubs ermöglicht
es, Pumpen mit einem identischen Hubraum (bei jedem Pumpenhub verschobenes
Volumen) zu erhalten. Für
einen Tintenstrahldrucker kann hierbei die Pumpe als Durchsatzmesser
verwendet werden, und es können
beispielsweise der Tinten- und Lösemittelverbrauch
sowie der Durchsatz des Strahls gemessen werden.
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Für diese
Art von Pumpe bringt die Wahl eines geringen Hubs (in der Größenordnung
von 1 mm) mehrere Vorteile:
- * Die Verformung
der Membran sowie die Verformungsenergie bleiben gering. Diese Eigenschaft
ist sehr wichtig und gestattet es, eine Lebensdauer der Membran
zu erreichen, die mit mehreren Jahren Nutzungsdauer eines Tintenstrahldruckers
kompatibel ist.
- * Die Dichtheiten im Zusammenhang mit dem Steuerkolben sind
so sehr leicht herzustellen. Zwei torische Standarddichtungen (Dichtungen 7 und 8 in 4)
gestatten es, die Dichtungsfunktion mit zusätzlichen zwei Hauptvorteilen
sicherzustellen:
- a) Bei der Relativverschiebung des Kolbens in Bezug auf das
Teil 2 (siehe 4) erfolgt die Bewegung praktisch
ohne Reibung. Die Verschiebung ist gering, die Dichtung verformt
sich und rollt in ihrem Sitz ohne Reibung. Es ist zu beobachten,
dass der Verschleiß der
Dichtungen praktisch inexistent ist und die notwendige Kraftaufbringung
zur Verschiebung des Kolbens bei den eingesetzten Drücken vernachlässigbar
ist. Die Lebensdauer der Dichtung liegt nach den Testergebnissen
bei über
50 Millionen Betätigungen.
- b) Die Kosten der Dichtungsfunktion sind dank der Verwendung
von Standardelementen gering, die beim Großteil pneumatischer Komponenten
massenhaft verwendet werden.
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Zusammenfassend
gesagt ist die Kolbendichtungsfunktion für diese Art von Pumpe einfach,
kostengünstig
und von einer sehr interessanten Lebensdauer.
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Für eine Verwendung
bei einem Tintenstrahldrucker werden die in Kontakt mit der Tinte
befindlichen Materialien in Abhängigkeit
von ihrer chemischen Kompatibilität mit den Fluiden (Tinte, Lösemittel)
gewählt.
So sind eine Achse 5 aus rostfreiem Stahl und eine Membran 19 aus
Teflon (z. B. von 0,5 mm Dicke) für die Verwendung bei einem
Tintenstrahldrucker geeignet. Eine Aufformung der Membran auf die
Achse ist übrigens möglich und
ist vorzugsweise realisiert worden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird die Pumpe der Erfindung 14 in einem Tintenkreislauf
verwendet, wie er in 5 dargestellt ist. Dieser umfasst
eine TintenPatrone 10, eine ZusatzmittelPatrone 11,
einen Rückgewinnungsbehälter 12 und
einen Speicher 13, wobei jedes dieser verschiedenen Elemente
mit der Pumpe der Erfindung 14 verbunden ist, die einen
Tintentransport ermöglicht,
Luftfilter 31 und 44, ein Tintenfilter 24, einen
Druckregler 30, einen Kondensator 45 und seinen
Radiator, Verbindungskanäle,
an denen Elektroventile 20, 21, 22, 23, 25, 34, 37, 40, 43 angeordnet
sind, sowie eine elektronische Steuerkarte dieser verschiedenen Elemente.
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Die
unteren Abschnitte der TintenPatrone 10, der ZusatzmittelPatrone 11,
sowie die oberen und unteren Abschnitte des Speichers 13 sind
mit ein- und derselben Ansaugöffnung
der Pumpe 14 über
Elektroventile 20, 21, 22 bzw. 23 verbunden.
Ein sogenanntes "Haupt"filter 24 ist
zwischen der Unterseite des Speichers 13 und dem Elektroventil 23 angeordnet.
Die Unterseite des Speichers 13 ist ebenfalls mit dem Tintenspritzkopf verbunden.
Der untere Abschnitt des Rückgewinnungsbehälters 12 ist
mit einer zweiten Förder-/Ansaugöffnung der
Pumpe 14 über
ein Elektroventil 25 verbunden.
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Der
Tintenkreislauf umfasst auch einen Druckregler 30, der
am Eingang des Druckluftbehälters
(5–10 Bar) über einen
Luftfilter 31 und am Ausgang mit den elektronischen Abtastmitteln
und dem Tintenkreislauf über
zwei kalibrierten Öffnungen 32 und 33 verbunden
ist. Der Ausgang des Druckreglers 30 ist ebenfalls verbunden
mit:
- – der
Druckbeaufschlagung des Kopfs über
ein Elektroventil 34 und eine kalibrierte Öffnung 35,
- – dem
Speicher 13 über
ein Elektroventil 34, ein Elektroventil 43 und
eine kalibrierte Öffnung 35a.
- – der
großen
Kammer der Pumpe 14 und einer Unterdrucköffnung 38 über ein
Elektroventil 37,
- – der
kleinen Kammer 15 der Pumpe 14,
- – einem äußeren Ausstoßelement
(rejet extérieur) über ein
Elektroventil 40, eine einstellbare kalibrierte Öffnung 41 und
ein Venturi 42, wobei die Unterseite des Filters 31 ebenfalls
mit diesem äußeren Ausstoßelement über eine
kalibrierte Öffnung 46 verbunden
ist.
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Der
obere Abschnitt des Speichers 13 ist mit dem dem Elektroventil 34 und
der kalibrierten Öffnung 35 gemeinsamen
Punkt durch ein Elektroventil 43 über die kalibrierte Öffnung 35a verbunden.
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Der
obere Teil des Rückgewinnungsbehälters 12 ist
mit dem Venturi 42 über
ein Filter 44 und einen Kondensator 45 verbunden,
und dessen unterer Teil mit dem Ansaugteil des an der Basis des
Tintenstrahlkopfs befindlichen Tintenkanals. Ein Niveaumesser, beispielsweise
ein kontaktloser Detektor 50 ist an der Wand des Rückgewinnungsbehälters 12 befestigt.
Ein Temperatur- und Druckmesser 53 befindet sich in der Pumpe 40.
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Der
Druck am Ausgang des Druckreglers 30 ist geringfügig höher als
der Druck im Speicher 13.
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Die
kleine Kammer 15 der Pumpe ist mit dem geregelten Druck
verbunden, der am Ausgang des Druckreglers 30 vorhanden
ist, und die große
Kammer mit einem gleichen Druck über
das Elektroventil 37.
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Wenn
das Elektroventil 37 geschlossen ist bzw. wird, wird die
Membran 19 "gezogen" ("tirée"). Es herrscht "Ansaugwirkung" in Bezug auf die
auf der anderen Seite befindliche Flüssigkeit (Volumen 9).
Der Kolben liegt am hinteren Anschlag B1 an.
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Wenn
das Elektroventil 37 geöffnet
ist bzw. wird, befindet sich die große Kammer 16, 17 auf
einem geringfügig
niedrigeren Druck als die kleine Kammer 15 wegen des Vorhandenseins
der Niederdrucköffnung 38.
Die Oberfläche
des Kolbens 18, auf die der Druck der großen Kammer 16, 17 aufgebracht
wird, ist viel größer als
diejenige, auf die der Druck der kleinen Kammer 15 aufgebracht
wird. Der Kolben kommt somit, wie in 1 dargestellt
ist, vor B2 zum Anschlag. Es herrscht "Förderung".
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Der
Kolben 18 hat eine herkömmliche
Funktionsweise bei Verwendung der Niederdrucköffnung 38. Wenn angesaugt
werden soll, wird das System über
diese Öffnung 38 "abgelassen". Die Membran kommt
nie zum Anschlag. Die Komprimierbarkeit der Luft ermöglicht es,
eine sanfte Bewegung zu erhalten, wobei insbesondere Stoßerscheinungen
und Leitungsstöße vermieden
werden. Die Lebensdauer der Membran 19 wird also hinsichtlich
der vorstehend beschriebenen Vorrichtung nach dem Stand der Technik
verbessert.
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Der
Speicher 13 ermöglicht
eine doppelte Regelung:
- • Bei normaler Funktionsweise:
– das Elektroventil 43 ist
geschlossen,
– es
wird Tinte stoßweise
in den Speicher 13 eingeleitet, der aufgrund seiner im
oberen Teil befindlichen Lufttasche eine hydraulische antiimpulsive
Rolle spielt, was es ermöglicht,
die Durchsatzkurve zu glätten. Die
Dimensionierungen der Volumen der Pumpenkammer 14 und der
Lufttasche des Speichers 13 sind derart, dass die augenblickliche
Hinzufügung
eines Pumpenvolumens im Speicher nicht in entscheidender Weise den
Druck dieses Speichers modifiziert. Typischerweise ist ein Verhältnis von
200 zwischen dem Volumen der Lufttasche und dem Volumen der Pumpenkammer
ein akzeptables unteres Limit. Unter Berücksichtigung dieses Verhältnisses
200 und der Geometrie des Speichers (mindestens 80 cm3 Luft
im oberen Teil) ist ein Pumpenhubraum von 0,4 cm3 sehr
gut für
eine Anwendung dieser Art von Pumpe für einen Tintenstrahldrucker
geeignet,
– der
Druck wird permanent mittels des Messfühlers 53 gemessen,
– es wird
eine elementare Hinzufügung
von Tinte mit Hilfe der Pumpe 14 durchgeführt, um
zyklisch die von dem Strahl verbrauchte Tinte zu ersetzen. Für die Standardanwendung
(eine einzige Düse
mit einem Durchmesser von 72 Mikron) findet die elementare Hinzufügung von
Tinte in etwa alle 6 Sekunden statt (10 Stöße pro Minute).
- • Wenn
die TintenPatrone 10 und der Rückgewinnungsbehälter 12 leer
sind:
– wird
nicht mehr über
die Pumpe 14 vorgegangen; der Druck wird mittels des Messfühlers 53 überprüft,
– da keine
Tinte mehr hinzugefügt
werden kann, weil die Patrone 10 und der Rückgewinnungsbehälter 12 leer
sind, leert sich der Speicher sanft und der Druck in diesem würde dazu
neigen, sich zu vermindern. Ferner wird bei geöffnetem Elektroventil 34 das
Elektroventil 43 intermittierend während sehr kurzen Zeitspannen
geöffnet,
was es gestattet, den Druck im Speicher 13 aufrechtzuerhalten;
es wird ebensoviel Luft hinzugefügt
wie Flüssigkeitsvolumen
verloren geht.
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Die Übertragungen
von Fluid zwischen den verschiedenen Volumen erfolgen über die
Pumpe der Erfindung 14, die sich im Zentrum des Kreislaufs
befindet. Diese Pumpe 14 spielt die Rolle eines "Verteiler"bahnhofs. Sie ist
mit einem Druckfühler 53 versehen.
Der Messfühler
ist mit einer Temperaturmessfunktion versehen worden, um korrekter
die Qualität
der Tinte zu steuern (Messung der Temperatur der Tinte im Zentrum
des Systems). Die Doppelmessung Druck/Temperatur erfolgt durch direkten
Kontakt des im Innern der Pumpe befindlichen Fluids mit dem empfindlichen
Element des Messfühlers.
Der Druck-/Temperaturmessfühler
wird ohne irgendeine Trennung zwischen Pumpe und Messfühler tatsächlich in
die Pumpe integriert.
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Die
einzige Funktionsbedingung der Pumpe 14 besteht darin,
dass der am Ausgang des Reglers 30 herrschende Druck über dem
Funktionsdruck liegen muss. Es genügt also, den Druck am Ausgang
des Reglers 30 mit einer Sicherheitsmarge in Bezug auf
den Funktionsdruck zu regeln (+500 mBar zum Beispiel), um das Risiko
einer Fehlfunktion des Systems auszuschalten. Vom industriellen
Standpunkt her stellt dies einen enormen Vorteil dar, da die Gesamtheit
der Geräte
einer Druckerserie mit einem einzigen Pumpentyp ausgestattet werden
kann.
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Die
Pumpe 14 verhält
sich wie ein sich selbst den Funktionsbedingungen anpassendes Element.
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Tatsächlich ist
für einen
Tintenkreislauf der einzige Unterschied für die Pumpe unter den verschiedenen
Geräte
einer Serie die Benutzungsrate der Pumpe. Es ist eine Benutzungsrate
von etwa drei Stößen pro Minute
für einen
Kopf eines ersten Typs P bis zu etwa fünfzig Stößen pro Minute für einen
Kopf zu verzeichnen, der vier Strahlen eines zweiten Typs G oder
8 Strahlen eines dritten Typs M aufweist. Die Funktionsmarge dieses
Pumpentyps bleibt groß,
da im Labor an Prototypen durchgeführte Tests gezeigt haben, dass
eine Benutzungsrate von 120 Stößen pro
Minute keine Schwierigkeiten bereitet. Übrigens ist anzumerken, dass
die Funktionsweise der Pumpe die Rückstellkapazitäten des
Venturi nicht beeinflusst. Tatsächlich
führt die
Tatsache, dass die Volumen 16 und 17 gering sind
und das Steuerelektroventil 37 an der Pumpe angeflanscht
ist; zu Druckabweichungen am Ausgang des Reglers 30, die
schwach bleiben. Diese Abweichungen bleiben geringfügig, während der
Regler 30 eine kleine Abmessung aufweist. Es wird ein Regler
kleiner Abmessung (der kleinste im pneumatischen Bereich ist beispielsweise
6 Nm3/h) mit einem sehr geringen Aufnahmevolumen und
einem geringen Duchgangsdurchmesser (etwa drei Millimeter) gewählt.
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Diese
Pumpe 14 gestattet es dank der speziellen Zyklen, bestimmte
Elemente des Kreislaufs zu überwachen.
So kann man:
- * den Quelldruck steuern (Druck
am Ausgang des Reglers 30): wenn sich die Pumpe am Ende
des Ansaugzyklus im Anschlag befindet (der Kolben an der Fläche B1:
siehe 4), wobei die Elektroventile 20, 21, 22, 23, 25 geschlossen
sind, wird das Elektroventil 37 geöffnet, wobei die Messung des
Messfühlers 53 den Wert
des Quelldrucks ergibt,
- * das Ausmaß des
Zusetzens des Filters 24 steuern. Es wird die notwendige
Arbeitsleistung der Pumpe 14 gemessen, um ihren Hub über das
Filter zu übertragen.
Die Messung dieser Übertragungsarbeit
ist der Berechnung zugeordnet, welche die dynamischen Drücke mit
einbezieht. Diese Arbeitsleistung, welche die Schwierigkeit für die Pumpe
darstellt, über
das Filter zu fördern,
ist eine Information, die sich in dem zeitabhängigen Druckdiagramm findet.
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Der
Verlauf des Drucksignals während
der Transport- bzw. Übertragungsweise
ist in 7 dargestellt (die Gesamtheit eines Ansaug-/Förderzyklus
ist in 6 angegeben).
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Die
Arbeit des Umfüllens
ist durch die in dem Druck-/Zeit-Graphen aufgetragene Oberfläche S1 gegeben.
Vom mathematischen Standpunkt her ist die genaue Berechnung dieser
Oberfläche
durch das folgende Integral gegeben:
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Es
ist anzumerken:
- * dass die Zeit t0 (Öffnung des
Speicher-Elektroventils)
sehr nahe an der Zeit t1 liegt Ausgleich
der Pumpen- und Speicherdrücke)
- * dass die exakte Oberfläche
S1 der Oberfläche
S2 angenähert
werden kann.
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Die
Oberfläche
von S2 errechnet sich einfach und entspricht: (t2–t1)·(P
maximal – P
Speicher)
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Indem
die Zeiten t1 und t2 zusammengeführt werden,
stellt man fest, dass das Zusetzen des Filters schließlich in
dem Term t (t2–t0)·(P maximal – P Speicher)
zu finden ist.
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Die
Berechnung dieses Terms und sein Vergleich mit einem Grenzwert gestattet
es, einen akzeptablen Grad des Zusetzens des Filters festzulegen,
bevor er ausgetauscht wird. Außerdem
ermöglicht
eine Alarmgröße, den
Anwender über die
Notwendigkeit eine nahen Austausch dieses Filters zu informieren.
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Eine
weitere Funktionalität
dieser Art von Pumpe ist deren Kapazität, die Dichtheiten zu kontrollieren. Für eine Tintenstrahlanwendung
ist die Pumpe das zentrale Element des Kreislaufs. Diese spezielle
Funktion im Zusammenhang mit dem Vorhandensein eines Druckmessfühlers gestattet
die Überwachung
der Gesamtheit der Komponenten in der Umgebung der Pumpe. So kann
man kontrollieren:
- * die Dichtheit des Elektroventils 43:
wenn sich der Speicher auf einem Druck nahe dem atmosphärischen Druck
befindet und alle Elektroventile geschlossen sind, werden die Elektroventile 34 und 23 geöffnet. Der von
dem Messfühler
abgelesene Druck muss dabei konstant bleiben. Wenn sich der Druck
verändert
(Zunahme), so weist das Elektroventil 43 einen Dichtheitsmangel
auf;
- * die Dichtheit des Speichers: nachdem man sich von der Dichtheit
des Elektroventils 43 vergewissert hat, wird dieses Elektroventil
geöffnet,
um den Speicher unter Druck zu setzen. Nach einem Aufblaszeitraum von
einigen Sekunden wird das Elektroventil 43 geschlossen.
Der vom Messfühler
gelesene Druck muss dabei konstant bleiben. Wenn der Druck schwankt
(Abnahme), so weist der Speicher 13 einen Dichtheitsmangel
auf;
- * die Dichtheit der Elektroventile 22 und 23 der
Pumpe: nachdem man sich über
die Dichtheiten des Elektroventils 43 und des Speichers 13 vergewissert
hat, wird das Elektroventil 23 geschlossen und das Elektroventil 25 geöffnet. Nach
einer Wartezeitspanne (einige Sekunden) wird das Elektroventil geschlossen und
das Elektroventil 23 geöffnet.
Der vom Messfühler
gelesene Druck muss dabei identisch mit demjenigen sein, der während der
Kontrollphase der Dichtheit des Speichers gelesen wurde. Wenn der
Druck geschwankt hat (Abnahme), so weisen das Elektroventil 23 oder das
Elektroventil 22 (oder beide) einen Dichtheitsmangel auf;
- * die Dichtheit der Elektroventile 25, 20 und 21 der
Pumpe: nachdem man sich über
die Dichtheit der Elektroventile 43, 23 und 24 sowie
des Speichers 13 vergewissert hat, wird das Elektroventil 23 geschlossen. Der
vom Messfühler
gelesene Druck muss dabei konstant auf dem Wert des Speicherdrucks
bleiben. Wenn der Druck schwankt (Abnahme), so weist das Elektroventil 25 oder/und
das Elektroventil 21 oder/und das Elektroventil 20 einen
Dichtheitsmangel auf;
- * die Dichtheit des Elektroventils des Elektroventils 40:
wenn der Speicher einen Druck nahe dem atmosphärischen Druck aufweist und
alle Elektroventile geschlossen sind, wird das Elektroventil 25 geöffnet. Das Drucksignal
muss hierbei einen Wert nahe dem atmosphärischen Druck aufweisen. Wenn
der vom Messfühler
gelesene Druck unter dem atmosphärischen
Druck liegt, so weist das Elektroventil 40 einen Dichtheitsmangel
auf und versorgt das Venturi.
