JP2022514149A - 容器内液体混合物のための循環装置 - Google Patents

Abstract

本発明は液体の混合物、例えば溶液、エマルジョンまたは懸濁液を、容器と容器から供給される感圧部品との間で循環させるための装置に関し、例えばインク貯留容器と印刷システムの印刷ヘッドとの間でインクを循環させるための装置であって、液体の混合物が外部導管回路を通って容器内を循環することを可能にするポンプと、主導管が外部導管回路に組み込まれるベンチュリ管と、感圧部品の出力接続部をベンチュリ管の吸引接続部に接続する導管とを含む装置に関する。

Description

本発明は、容器内に貯留された液体混合物、例えば溶液、エマルジョンまたは懸濁液などを循環させるための装置であって、容器内の液体混合物が外部循環路を通って循環することを可能にする循環ポンプを備え、それにより、容器内に機械的撹拌装置が配置されていなくても容器内での分離が防止される装置に関する。

種々の液体、特に液体混合物ひいてはデジタル印刷用のインクでさえ、時には安定的ではなく、液体が恒久的に動いていない場合、例えばインクリザーバーなどの貯留容器や例えばプリントヘッドなどの処理装置において、顔料や溶解物などが沈殿する可能性がある。

従来、このような液体混合物の分離を防止するために、例えば研究室においては撹拌機が使用されていた。

インクリザーバーにおいても、ある種の一体型の撹拌機が設けられ、典型的な従来技術を示す添付図２が示すように、これらはインクを連続的に動かし続ける。印刷システム２１において、プリントヘッド２４には、ライン２３を介してインク貯留容器２２からインク２５が供給される。インク貯留容器２２内でインク２５が分離しないように、撹拌機２６がそこに設けられ、そのシャフト２７はインク貯留容器２２のハウジング２８を通って外側に導かれる。ただし、このような撹拌機２６は高価である。その理由は、多くの場合インク貯留容器２２が大気に対し気密にシールされるように構成されている一方で、撹拌機２６の機構または電気機器、すなわちシャフト２７やケーブル等は、インク貯留容器２２から外側に出さなければならないためである。この処置において、プリントヘッド２４を通るインク２５の循環は予見されるものではない。

また、磁気的撹拌機が、特開平５－１８５６００号公報において示されている。ここでは、インクリザーバー内の磁性体が、外部から付与された磁場に反応して、インクを回転、混合させる。ただし、インク貯留容器を交換するたびに、磁性体を最初に取り外し、新しいインク貯留容器に挿入しなければならず、これは非常に面倒である。

欧州特許独語翻訳（ＤＥ６００１１９２８Ｔ２）には別の方法が記載されており、この場合、インクリザーバー内の撹拌機は完全に省略され、代わりにインク循環が提供される。ここでは、容器内に排出された２つのチューブのうちの第１のチューブがポンプの吸引接続部に接続され、ポンプの圧力接続部が第２のチューブに接続される。これにより、インクは常に循環状態に保たれる。このようにして分離が防止されるので、撹拌機はもはや必要ではない。

しかしながら、これらの文献はいずれも、感圧部品、特にプリントヘッドの内部で、可能な限り最も均一な時間的に一定の圧力をどのようにして維持できるかというさらなる問題について追求しておらず、その結果、プリントヘッドは常に同じ品質でプリントすることになる。

現在利用可能な印刷システムにおいて、この目的のために、インクプリントヘッドの流入ラインの内部に能動的に動作するポンプ装置を設置するか、または排出ラインに能動的に動作する吸引装置を設置する試みがなされている。しかしながら、この技術は、真に一定の圧力差、すなわち、圧力変動または圧力波のない圧力差を持続的に維持するポンプ装置または吸引装置が技術的にまず不可能なのでそれ自体分からない。

一方、この圧力差によってインクの流れが生じるように、異なる内圧で作動される２つのインクリザーバーを設ける試みが既になされている。しかしながら、この試みは、インク消費により増加する容器内の液体上方のより高い内圧の空間の容積と、他方の容器内で同時に減少する空間の容積とを補償するために、常に能動的な圧力調整を必要とする。

また、２つのインクリザーバーに異なる高さまたは異なる充填レベルが設けられ、それによって、異なる液体レベルによって圧力差を生じさせるという変形例もある。しかしながら、これは、インク消費により減少する上流側容器内の液体体積と、他方容器内で同時に増加する液体体積とを補償するために、常に能動的な充填レベル調整を必要とする。

さらに、これらの両方の場合において、それぞれのプリントヘッドまたは印刷インクに対して２つのインクリザーバーが常に必要となり、これは、スペース要件の増加を意味する。また、このようなシステムでは、プリントヘッドの滴下や空気漏れ等なしに容器内の充填レベルおよび圧力を簡単に変更できないため、能動的な流量変更に困難さを伴う。さらに、循環なしのインクリザーバーを備えたシステムは容易には組み込み改造できず、これは、循環なしの標準インクリザーバーが最大１つのヒータおよび補充機能を備えた完全／空表示装置のみを有しており、２つの容器を用いた循環の印刷システムにアップグレードしようとすると、結果として全体を交換せざるを得ないからである。

上述の従来技術の欠点によりもたらされた課題によって、感圧部品、特にプリントヘッドにおいて、時間的に一定の圧力を常に同時に維持することができるように一般的な循環装置をさらに開発するという本発明の提案がなされた。

この課題の解決は、その主導管が外部導管回路に接続されたベンチュリ管と、また、感圧部品の出力接続部をベンチュリ管の吸引接続部に接続するラインとによって、一般的な循環装置においてなされる。

このような構成では、液体、特にインクを、感圧部品、特にプリントヘッドを通して循環させることが可能であり、このような印刷システムの場合、インクは実質的にノズルを通過して流れ、顔料等の析出を防止するために連続的に移動し続ける。同時に、小さな気泡もまた循環等によって輸送されるので、気泡がもたらすノズル閉塞を防止又は排除することができる。

従来技術で異なるプリントヘッドが存在しており、例えば１～５ｍＬ／分の流量を要するものと、１００～３００ｍＬ／分の流量を要するものとである。

印刷ヘッドを通る循環は可能な限り無脈動であるべきであり、言い換えると、連続的なインクの流れであるべきである。これは、ポンプパルス又は圧力パルスが、インク慣性によるヘッド滴下又は空気取り込みを引き起こし、印刷ヘッドがもはや適切に印刷しなくなるからである。結果的に、できるだけ無パルスであるポンプ、例えば、膜ポンプまたはプロペラポンプと、吸引接続部を備えたベンチュリ管とが必要になる。前記ポンプは、サイクルにおいてインクリザーバーからインクリザーバーに戻るようにポンプ送りし、その結果、インクは連続的に移動し、撹拌機を省略することが可能である。

プリントヘッドの循環出力側に接続されているベンチュリ管は、インクがポンプから排出されてリザーバー内に戻るまでの位置に取り付けられている。このベンチュリ管によって、インクは連続的かつ略無脈動でプリントヘッドを通って吸引され、その際、インクは、容器、好ましくはプリントヘッドにインクを供給する同じ容器に戻る。使用されるポンプの搬送能力を調整することにより、および／または異なるベンチュリ管および／または流量制限器を使用することにより、任意の所望の循環速度を達成することが可能である。

本発明に係る構成によれば、ベンチュリ管の吸引圧がプリントヘッドにとって適切である限り、インクリザーバーがプリントヘッドの上方に配置されている場合には特に、インクリザーバー内のアクティブな負圧または負圧制御を省くことが可能である。

本発明によるシステムは非常に小さく、いつでも組み込み改造することができ、制御および実施が簡単であり、監視不要も同然である。

このプロセスでは、小容器内を液体が循環するかどうか、大容器に戻されるかどうか等は重要なことではない。

外部導管回路は、感圧部品を介して閉じられるのではなく、直接的に閉じられる、即ち、感圧部品への実質的なバイパスが構成されていることが有利であることがわかった。その結果、貯留及び供給容器内部での混合プロセスは、感圧部品、特にプリントヘッドの動作からは完全に切り離される。

またこの理由で、貯留及び／又は供給容器と感圧部品との間の導管回路も、循環ポンプを介して閉じられるのではなく、循環ポンプに対するバイパスを構成する方がよい。

さらに、ベンチュリ管の主導管は、導管回路内で循環ポンプの下流側に接続されていることがわかった。したがって、１つは循環ポンプの回路、もう１つは感圧部品の回路である２つの回路がまずベンチュリ管で結合しており、そこから容器に一緒に逆流していく。この流れの結合を別にして、２つの流れはできるだけ切り離されており、あらゆる対策にもかかわらず循環ポンプによって生じる圧力変動が、感圧部品には到達することができないようになっている。

その入力接続部において、感圧部品には容器から直接インクが供給される。原理的にはポンプ装置がこのために必要とされず、むしろ単純なライン接続で十分である。プリントヘッドに対する容器の高位配置によって生成され得る圧力勾配でさえ必要でない。

実際、流れ圧力勾配の形成に必要な圧力勾配は、その吸引接続部で負圧を発生するベンチュリ管によって生成される。つまり、感圧部品を介して閉じられた回路内の流れは、圧力勾配を介してのみ維持され、これはベンチュリ管の吸引力に起因するといえる。

感圧部品から容器への戻りラインがベンチュリ管を介して切り替えられるという点では、回路は感圧部品を介して閉じており、未使用の液体は容器に戻り、その後の使用のためにすぐに利用できる。

感圧部品を介して閉じられている回路にポンプが存在しないときは、感圧部品を介して最適に均一な圧力勾配が生じるので、最適な運転条件を実現できる。

感圧部品の出力接続部とベンチュリ管の吸引接続部との間の吸引ラインに、逆止弁を設けてもよい。この逆止弁は、感圧部品の出力接続部の側への逆流を防止する。その結果、たとえ循環ポンプが故障したときでさえ、感圧部品内での流れの反転は完全に排除される。

さらに、感圧部品の出力接続部からの流れの量を制限するために、感圧部品の出力接続部とベンチュリ管の吸引接続部との間の吸引ラインにおいて、減圧装置を設ける可能性がある。その結果、感圧部品の要求に応じた循環速度に個別調整することができる。

このような減圧装置は、好ましくは調整可能な減圧弁として具現化され、その結果、感圧部品を通る循環速度をいつでも再調整することができる。

入口ラインおよび出口ラインが、貯留容器または供給容器のハウジング基部の領域において出ていることは本発明の範囲内である。その結果、出口ラインの排出が乾燥せず、容器中に依然として十分な液体が存在する限り循環が維持される。

貯留容器内に撹拌機を必要としないので、貯留容器は、内部に可動要素を含まないようにできる。その結果、インクリザーバーは交換可能な多用途又は使い捨て容器として具現化することもでき、印刷プロセスを短時間だけ中断すればよく、いつでも迅速に交換することができる。

さらに、本発明は、循環ポンプとして、連続搬送ポンプ例えば膜ポンプまたはプロペラポンプを使用することを提案する。このようなポンプが発生させる圧力変動が小さければ小さいほど、感圧部品の動作に影響を及ぼすことは少ない。

最後に、容器がインク貯留容器であること、および／または、感圧部品がインクプリントヘッドであることは本発明の教示に適合する。本発明は印刷システムにおいて特に有利に使用することができる。その理由は、最適な印刷結果達成のために、大部分において、インクプリントヘッドを介しての高い圧力勾配の一貫性が必要とされるからである。

本発明に基づくさらなる特徴、詳細、利点および効果は、以下に示す本発明の好適な態様の説明および図面から得られる。

本発明に係るインク印刷システムの模式的な配管設計を示す。 従来技術に係るインク印刷システムを示す。

本発明による印刷システム１の構成要素として、ライン３を介してプリントヘッド４にインク５を供給するインク貯留容器２が設けられている。

ただし、インク貯留容器２には攪拌機構は設けられていない。その代わりに、外部回路６を介してインクが連続的な動きに保たれることによって、インク５の分離は防止されている。このために循環ポンプ７が使用されており、このポンプは、その吸引ライン８、および、その圧力導管９、１０をそれぞれ介して、インク貯留容器２に接続されている。これにより、インク５は、外部回路６を通って循環する。

循環ポンプ７の圧力管路９、１０において、つまり、循環ポンプ７の下流側において、ベンチュリ管１１が接続されており、回路６を循環するインク５がベンチュリ管１１を流れるようになっている。

ベンチュリ管１１は滑らかな壁を有する管要素から構成されており、その内腔は、ある点で狭くなっており、管の標準の内断面の例えば９０％以下、好ましくは管の標準の内断面の８０％以下、好ましくは管の標準の内断面の６０％以下、特には管の標準の内断面の４０％以下、または管の標準の内断面の３０％以下にまで狭窄されている。さらには、例えば、管の標準の内断面の２５％以下、好ましくは管の標準の内断面の２０％以下、好ましくは管の標準の内断面の１５％以下、特には管の標準の内断面の１０％以下にまで狭窄されることも考えられる。

ベンチュリ管１１の断面の狭窄は、例えば、それぞれ円錐状、または、周辺端部から互いに対向する他端部に向かってテーパする形状をなし、その最小径の地点で互いに接続されている２つの対向する管セグメント１２、１３を用いて達成できる。この地点には、第３の横方向接続部１４が設けられており、この接続部ではベンチュリノズル１１の動作中に負圧が与えられる。このため、吸引接続部１４として指定される。

ベンチュリ管１１は、２つの管セグメント１２、１３及び吸引接続部１４の末端出口以外に他の開口部を有していないことが好ましく、つまり、内部空間において周囲の大気圧から独立している。

ベンチュリ管１１は、外部空間と内部空間との圧力差の影響によって変形しないように、例えば金属やあるいは構造的に安定している固いプラスチックのような固体材料から成るべきである。

さらに、ベンチュリ管１１の鞘部はインクが逃げることができないように液密であると共に気密であるべきであり、これにより、内部が負圧の場合に、空気や他のガスが内部空間に拡散することがない。

本発明のさらなる特別な特徴として挙げられるのは、ベンチュリ管１１のテーパ形状の中央の領域が、２つの管セグメント１２、１３と同じ高さ上にあることが好ましいということである。これは、例えば、図１に示すようにベンチュリ管１１を水平方向に沿って整列させる態様において達成できる。

円錐状の管セグメント１２、１３の周縁端は、循環ポンプ７の圧力導管９、１０に組み入れ接続されており、ベンチュリノズルまたはベンチュリ管１１の主導管を形成する。ベンチュリ管の吸引接続部１４は、吸引ライン１５を介して、プリントヘッド４の出口側接続部１６に接続されている。このため、プリントヘッド４の入口側接続部１７における通常動作圧力に対しての負圧が圧力差を生じさせ、これにより流れが生じる。

この圧力差を、件のプリントヘッド４が必要とする値に正確に調整することができるようにするために、減圧装置が吸引ライン１５に組み入れられてもよい。その際、これを調節可能な減圧弁１８とすることができる。

さらに、循環ポンプ７が停止、故障したときにも吸入ライン１５でのインクの逆流が生じないようにするために、本発明は、吸引ライン１５に逆止弁１９がなお組み入れられることを提供する。

プリントヘッド４を介する差圧ｐΔは、インク貯留および／または供給容器２内のインク５の液面２０の高さに起因するものであるので、この容器２はライン３、８が乾燥しない限り、補給なしで動作することができる。

ベルヌーイの式をベンチュリ管１１に適用し、インデックス１は入口接続部または管セグメント１２におけるパラメータを指し、インデックス２は吸引接続部１４におけるパラメータを指すとして：

（ｐ₁－ｐ₂）＋ρ^*ｇ^*（ｈ₁－ｈ₂）＝１／２^*ρ^*ｖ₂ ^2*［１－（Ａ₂／Ａ₁）²］
ここで、ｐはそれぞれの位置における圧力であり、ｈはそれぞれの位置における高さであり、Ａはそれぞれの位置における正味の流れ断面積であり、ｖはそれぞれの位置における流量であり、ρはインク密度であり、ｇは重力加速度である。

あるいは：
ｐ₂－ｐ₁＝ρ^*ｇ^*（ｈ₁－ｈ₂）－１／２^*ρ^*ｖ₂ ^2*［１－（Ａ₂／Ａ₁）²］；
ｐ₂＝ｐ₁＋ρ^*ｇ^*（ｈ₁－ｈ₂）－１／２^*ρ^*ｖ₂ ^2*［１－（Ａ₂／Ａ₁）²］
高さの差（ｈ₁－ｈ₂）が無視できるほど小さい場合、つまり、特にベンチュリ管１１が水平に整列されている場合、またはその寸法が小さい場合、式は次のように単純化される：
ｐ₂＝ｐ₁－１／２^*ρ^*ｖ₂ ^2*［１－（Ａ₂／Ａ₁）²］
以下、インク濃度ρが約１ｋｇ／ｄｍ³であると仮定する。

さらに、循環ポンプ７が作動中の圧力ｐ₁は、インク貯留容器２の基部での重量圧力ｐ_tよりも大きく、周囲の大気圧ｐ_aよりも大きいとする。以下、循環ポンプ７の出力に起因する増圧ｐ_zを適用すると、特に：
ｐ₁＝ｐ_t＋ρ^*ｇ^*（ｈ_t－ｈ₁）＋ｐ_z

プリントヘッド４の入口側接続部１７における重量圧力ｐ_dは、インク貯留容器２の基部の流出口の高さｈ_tに比例し、プリントヘッド４の入口側接続部１７の高さｈ_dの関数である：
ｐ_d＝ｐ_t＋ρ^*ｇ^*（ｈ_t－ｈ_d）．
ただし、プリントヘッド４の出口側接続部１６においてプリントヘッド４の入口側接続部１７での重量圧力ｐ_dに対しての負圧ｐΔ＜０が優先されるべく、吸引接続部１４での負圧ｐ₂を適用すると：
ｐ₂＝ｐ_d＋ｐΔ＝ｐ_t＋ρ^*ｇ^*（ｈ_t－ｈ_d）＋ｐΔ
そして、具体的に差ρ^*ｇ^*（ｈ₂－ｈ_d）よりも大きい分だけ減少され：
ｐ₂＋ρ^*ｇ^*（ｈ₂－ｈ_d）＝ｐ_d＋ｐΔ＝ｐ_t＋ρ^*ｇ^*（ｈ_t－ｈ_d）＋ｐΔ
すなわち：

ｈ₁≒ｈ₂とすると、以下が適用される：

したがって、ベンチュリ管１１の吸込口１２とその吸込接続部１４との断面積の関係（Ａ₁／Ａ₂）は、循環ポンプ７のポンプ圧ｐ_z、プリントヘッド４を介した所望の差圧ｐΔ、およびインク密度ρを考慮した供給ライン１２における流量ｖ₁から、上記式に従って決定することができる。

本発明による構成の種々の変更が可能である。特に、種々のバルブおよび／または断面狭窄部は、それぞれ、件の回路の別の位置に挿入することもできる。加えて、この原理によれば、印刷システムを構成する複数のプリントヘッドを共通のベンチュリ管に接続することもでき、あるいは、各プリントヘッドを別個のベンチュリ管に接続することもできる。

１ 印刷システム
２ インク貯留容器
３ ライン
４ プリントヘッド
５ インク
６ 回路
７ 循環ポンプ
８ 吸引ライン
９ 圧力導管
１０ 圧力導管
１１ ベンチュリ管
１２ 入口側管セグメント
１３ 出口側管セグメント
１４ 吸引接続部
１５ 吸引ライン
１６ 出口側接続部
１７ 入口側接続部
１８ 減圧弁
１９ 逆止弁
２０ 液面
２１ 印刷システム
２２ インク貯留容器
２３ ライン
２４ プリントヘッド
２５ インク
２６ 撹拌機
２７ シャフト
２８ ハウジング

Claims (16)

1. 容器（２）に貯留された液体混合物（５）、例えば溶液、エマルジョンまたは懸濁液を循環させるための装置であって、容器（２）内の液体混合物（５）が外部導管回路（６）を通って循環することを可能にする循環ポンプ（７）を備え、機械的撹拌機が容器（２）に配置されていなくても容器（２）内での分離が防止されるように構成されており、
   ａ）その主導管（１２、１３）が外部導管回路（６）に組み入れられているベンチュリ管（１１）と、
   ｂ）感圧部品（４）の出力接続部（１６）とベンチュリ管（１１）の吸引接続部（１４）とを接続するライン（１５）と
   を備えることを特徴とする、装置。
2. 前記外部導管回路（６）は、前記感圧部品（４）を介して閉じるのではなく、直接的に閉じており、実質的に前記感圧部品（４）に対するバイパスを構成していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 容器（２）と感圧部品（４）との間の導管回路が、循環ポンプ（７）を介して閉じているのではなく、循環ポンプ（７）に対するバイパスを構成していることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記ベンチュリ管（１１）の主導管（１２、１３）は、外部導管回路（６）において、循環ポンプ（７）の下流側に接続されており、特に前記循環ポンプ（７）の圧力導管（９、１０）に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. その入力接続部（１７）において前記感圧部品（４）に前記容器（２）から供給されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 前記感圧部品（４）から前記容器（２）への戻りラインが、前記ベンチュリ管（１１）を介して切替えされることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 前記感圧部品（４）を介して閉じられた前記回路にはポンプが設けられていないことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記感圧部品（４）を介して閉じられた前記回路内での流れは、ベンチュリ管（１１）の吸引力に起因できる圧力勾配のみで維持されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 逆止弁（１９）が感圧部品（４）の出力接続部（１６）とベンチュリ管（１１）の吸引接続部（１４）との間の吸引ライン（１５）に設けられ、逆止弁が感圧部品（４）の出力接続部（１６）への逆流を防止することを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
10. 感圧部品（４）の出力接続部（１６）からの流れの量を制限するために、感圧部品（４）の出力接続部（１６）とベンチュリ管（１１）の吸引接続部（１４）との間の吸引ライン（１５）に減圧装置が設けられていることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
11. 前記減圧装置は、調整可能な減圧弁（１８）から構成されることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 入口および／または出口ライン（３、８、１０）が、前記貯留容器（２）において、そのハウジング基部の領域で出ていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
13. 貯留容器（２）に撹拌機が配置されておらず、貯留容器（２）の内部に可動要素を有しないことを特徴とする、請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
14. 循環ポンプ（７）が、例えば膜ポンプまたはプロペラポンプである連続搬送ポンプであることを特徴とする、請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
15. 容器（２）が、インク貯留容器であることを特徴とする、請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
16. 感圧部品（４）がインクプリントヘッドであることを特徴とする、請求項１から１５のいずれかに記載の装置。

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