JP4800634B2 - インクジェット記録用インクの脱気方法、脱気モジュールおよび脱気装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェット記録装置等に使用されるインク等の脱気方法に関する。

インクジェット記録、特に、インク吐出の駆動に圧電アクチュエータ等の機械的動力を利用する場合、記録インクに所定量以上の溶存気体を含むと、キャビテーションを起こし、吐出不良となる。そのため、記録インクの溶存気体量は、所定量以下に調整しなければならない。インクの溶存気体量の調整は、主に、濃度を低下させる方向に行う。すなわち、溶存気体を除去する方向に行うため、この処理を脱気という。具体的に、脱気方法の一つとして、密閉ではない容器にインクを充填し、外部環境を減圧にすることで脱気を行う方法がある。また、この方法ではインクによっては、脱気過程における発泡により、インクがふきこぼれてしまう場合がある。このような場合の別の方法として、気体透過性のある膜（以下、気体透過膜と記述）を介して、インクと対向する空間を減圧することによって脱気を行う方法もある。この際、効率化を計るため、気体透過膜をチューブ状にし（以下、これを中空糸と記述）、中空糸内にインクを通液し、中空糸外部を減圧することで、脱気する方法がとられている。実施形態としては、処理能力向上のため、前記中空糸を数百本束ねたモジュールとして用いられている。これを脱気モジュールという。

図１に脱気モジュールの一例を示す。図１に示した脱気モジュールは、数百本の中空糸を束ねたエレメント１１、中空糸束を固定するハウジング１２からなる。図２にハウジング１２部をモジュール端面正面から見た模式図を示す。ハウジング１２部の中空糸は、ハウジングにより固定されている他、中空糸間をエポキシ等の接着剤２３により充填シールされている。ハウジング以外の部分１３は、固定されておらず、エレメント内部の中空糸も、外部と十分に接することが可能となっている。脱気を行いたい液体の通液は、エレメントの両端面より行う。中空糸を構成する気体透過膜の材料は、インクにより選定するが、市販品としては、ポリオレフィン系材料が用いられることが多い。また、気体透過膜の厚みは一般に10um程度で機械的強度が小さいため、補強として、多孔質の膜と２層、３層構造にする。これらの構成や層厚等は、用途に応じて設計される。例えば、市販品の中空糸の一例として、中空糸径の内径200um、支持層10um、中間層10um、支持層10umの３層構造のものがある。

図３に前記脱気モジュールを用いた脱気装置の模式図を示す。脱気モジュールは、図３に示すように、ハウジング部１２で、密閉容器３１により、外部と隔離されている。また、密閉容器の一部に排気口３２が設けられており、真空ポンプ等による排気により、密閉容器内が減圧できるようになっている。密閉容器の材料としては、通常ステンレス等の金属が用いられるが、構造的に強度が十分であれば、プラスチックでもよい。

次に、脱気の手順について説明する。まず、真空ポンプ等による排気により密閉容器の減圧を行う。減圧の程度は、目的とする溶存気体濃度による。目的の減圧度に到達したところで、モジュール端面の一方よりインクの通液を行う。通液は、送液ポンプを用いるのが一般的である。通液速度は、希望の溶存気体濃度および処理能力より設定する。一例として、純水の場合には、-100KPaの減圧、1000L/minの通液速度、2.4m2の気体透過膜の面積で、溶存酸素量（以下DO値）としては、1.0mg/l以下にすることができる（脱気前のDO値は8.8mg/l程度）。以上の手順の結果、モジュール端面のもう一方より、所定の溶存気体量に脱気されたインクを得ることができる。

また、さらに、処理能力を向上させるために、前記中空糸に加熱手段を設け、脱気過程を加速させた方法もある。

特開平5-17712 特開2003-341083

しかし、気体透過膜を利用した脱気方法においては、中空糸外部を減圧することで脱気を行うため、溶存気体と同時にインクの溶媒成分等も若干透過してしまう。一例として、水性インクでは、気体透過膜の設計によるが、前述した仕様のものでは、通液量の１％程度の水分が密閉容器の底部に溜まる。その結果、脱気後のインクに粘度や、成分割合変化が生じてしまう。この変化は、インクジェット記録の吐出性能に影響を与えてしまう程度となる。また、溜まった水分は定期的に抜き取る必要がある。

上記課題を解決するため、本発明では、気体透過性膜を介してインクの溶存気体濃度を変化させるインクの脱気方法であって、前記気体透過性膜を介して前記インクに対向する空間を前記インクと溶存気体濃度の異なる液体を充填させることにより、前記インクの溶存気体濃度を変化させることを特徴とするインクの脱気方法とした。また、前記気体透過性膜が中空糸状であり、前記中空糸内にインクを充填させることを特徴とするインクの脱気方法とした。また、前記液体が前記インクよりも溶存気体濃度が低い液体であることを特徴とするインクの脱気方法とした。また、前記液体が前記インクと同一液体であることを特徴とするインクの脱気方法とした。

またインクが充填された第１の空間と、前記インクと溶存気体濃度の異なる液体が充填された第２の空間と、前記第１の空間と前記第２の空間を隔てる気体透過性膜からなる脱気モジュールとした。また前記第１の空間が、気体透過性の膜からなる中空糸状であることを特徴とする請求項５に記載の脱気モジュールとした。また、前記中空糸が複数束ねた中空糸束を形成し、前記中空糸束が最密に束ねられている部分を有することを特徴とする脱気モジュールであるとした。

本発明では、気体透過性のある膜を介してインクの溶存気体濃度を変化させる方法として、前記気体透過性のある膜を介して前記インクに対向する空間を前記インクと溶存気体濃度の異なる液体を充填させることにより、前記インクの溶存気体濃度を変化させることを特徴とするインクの脱気方法としてので、前記インクの溶存酸素量以外の成分組成を変えることなく、脱気処理を行うことができる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施例に限定させるものではない。

図４に本発明における脱気方法を実施する装置の一例を示す。図４に示した装置は、密閉容器４１が気体透過膜４２によって２つ空間に隔離されてある。また、各空間には、図示していないが、液体の導入は可能となっている。気体透過膜４２は、使用するインクや液体によって選定、設計する。以下、ラクテート系溶剤インクの脱気の場合について説明する。本発明においては、気体透過膜は、ポリオレフィン系材料の３層構造のものを用いた。また、密閉容器４１は、外部から気体が侵入できない程度、十分に遮断されている。材料としては、ステンレスやＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）等が簡易である。

以下、脱気の方法について説明する。まず、隔離された第1の空間（空間４３）に、脱気を行いたいインク（以下、非脱気インクと記述）、もう一方の第２の空間（空間４４）に、脱気を行いたいインクよりも溶存気体量を小さく調整された液体（以下、これを脱気液体を記述）を導入する。脱気液体は、非脱気インクの溶媒が簡易であるが、非脱気インクの他の成分が気体透過膜に浸透してしまう場合には、非脱気インクと同一インクを用いるのがよい。また、除去したい気体の溶解速度が向上し、かつ気体透過膜を浸透する成分が含まれなければ、処理時間短縮のため、他の液体を使用してもよい。また、溶存気体量の調整は、従来方法の真空脱気、気体透過膜での脱気、いずれの方法でもよい。

インクおよび脱気液体の導入後、密閉容器を外部と遮断し、導入されたインクおよび液体を攪拌する。攪拌の方法は、密閉容器全体を揺動してもよいが、密閉容器内のそれぞれの空間に回転子を導入し、スターラーにより攪拌するのが簡易である。

以上の方法により、気体透過膜を通して、非脱気インクから脱気液体へ、気体のみが移動する。最終的に非脱気インクと脱気液体それぞれの溶存気体量は、それぞれの初期値の平均値となる。処理時間は、密閉容器のサイズ、気体透過膜の面積によるが、500ccの円筒容器で、中心を均等に気体透過膜で隔離し、通常のスターラーを用いた場合、定常状態になるのが３０分程度である。

以上の方法では、溶存気体量は、非脱気インクと脱気液体の初期値の平均値までしか到達しないが、脱気液体を交換することで、平均値を段階的ではあるが、変化させることができる。また、脱気液体の交換を連続的に行えば、脱気液体の溶存気体量と同等の溶存気体量まで、連続的に変化させることができる。

次に、本発明を量産レベルに、応用する場合の実施例の一例を説明する。図５に本発明における脱気方法に使用する脱気モジュールの一例を示す。基本構造は、数百本の中空糸を束ねたエレメント１１、中空糸束を固定するハウジング１２からなるが、従来ではハウジング以外であった部分にも、ハウジング部５１が設けてある。この新たに設けられたハウジング部分５１の中空糸同士は、最密の状態で束ねられており（ハウジング部の断面を図６に示す）、中空糸束外部とハウジング１２の隙間はシールさせている。新たに設けたハウジング部５１のエレメント内の空隙は、中空糸同士に近接によって形成される空間６１のみとなる。（中空糸束のみや、接着剤によりこのような構造が一体形成できれば、ハウジングの構造体の付加は必須ではない。）このような配置の結果、エレメント内でおいて、中空糸外部の方が、中空糸内部よりも空間占有率が小さくなり、中空糸内外に等量の通液を行った場合、中空糸外の方が、大きな流速を得ることができる（計算では約８倍程度になる）。すなわち、脱気液体への溶解過程を促進することができる。（本発明における脱気は、脱気液体への気体の溶解反応が駆動力である。すなわち、中空糸近傍での脱気液体の溶存酸素量が全体の溶解速度を支配するため（液体中の気体の拡散速度が十分に遅いので）、中空糸近傍の脱気液体の交換は中空糸内部のインクの交換よりもすみやかに行われなければならないからである。）また、ハウジング１２とハウジング５１の区間のエレメントは、従来どおり、エレメント内部の中空糸も十分に外部へ開放されており、空隙へインクを入出が可能となっている。

図７に図５に示す脱気モジュールを用いた脱気装置を示す。本脱気装置は、図５で説明したハウジング１２とハウジング５１の間の区間に密閉容器が設けてあり、図３で説明した従来の脱気装置に連結されてある。すなわち、非脱気インクが通液するエレメント外部を、図３で説明した脱気方法により脱気処理した脱気液体が循環できる系統になっている。インクの送液のためにインク送液用ポンプ７１が、非脱気インクの循環のための液体送液用ポンプ８１が設けられている。

次に上記脱気装置による脱気の手順について説明する。まず、前記脱気液体の循環系を運転し、循環する脱気液体の溶存気体量が所定の溶存気体量になるまで、待機する。前記運転により、脱気液体の溶存気体量が所定の溶存気体量になったら、図５のエレメントの一方の端面より、脱気を行いたいインクの通液を行う。インクの通液量は、脱気液体の循環量と同等以下がよい。

従来方法における脱気の駆動力は、密閉容器の減圧によって生じる差圧によるものであるが、本発明における脱気の駆動力は、脱気液体への気体の溶解力を利用するものである。そのため、インクに対しては差圧がかからないため、インクの浸透は起こらない。その結果、溶存気体量以外、成分に影響を与えることなく、脱気処理をすることができる。

従来の脱気モジュールの模式図。 従来の脱気モジュールのハウジング部の断面図。 従来の脱気モジュールでの脱気方法の説明図。 本発明の脱気装置の模式図。 本発明の脱気モジュールの模式図。 本発明の脱気モジュールの新たに設けたハウジング部の断面図の一部。 本発明の脱気モジュールでの脱気方法の説明図。

符号の説明

１１ エレメント
１２ ハウジング
１３ ハウジング以外の部分
２１ 気体透過膜
２２ 中空糸内部
２３ 接着剤
３１ 密閉容器
３２ 排気口
４１ 密閉容器
４２ 気体透過膜
４３ 第１の空間
４４ 第２の空間
５１ ハウジング
６１ 空隙
７１ インク送液用ポンプ
８１ 液体送液用ポンプ

Claims (7)

1. 気体透過性膜を介して第一インクの溶存気体濃度を変化させるインクの脱気方法であって、
   前記気体透過性膜を介して、前記第一インクを充填する空間と対向する空間に、前記第一インクと同一のインクで溶存気体濃度のみ異なる第二インクを充填することにより、前記第一インクの溶存気体濃度を変化させることを特徴とするインクの脱気方法。
2. 前記気体透過性膜が中空糸状であり、前記中空糸内に前記第一インクを充填することを特徴とする請求項１に記載のインクの脱気方法。
3. 前記第二インクが前記第一インクよりも溶存気体濃度が低いインクであることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクの脱気方法。
4. 第一インクが充填される第１の空間と、前記第一インクと同一のインクで溶存気体濃度のみ異なる第二インクが充填される第２の空間と、前記第１の空間と前記第２の空間を隔てる気体透過性膜からなる脱気モジュール。
5. 前記第１の空間が、気体透過性の膜からなる中空糸状であることを特徴とする請求項４に記載の脱気モジュール。
6. 前記中空糸が複数束ねた中空糸束を形成し、前記中空糸束が最密に束ねられている部分を有することを特徴とする請求項５に記載の脱気モジュール。
7. 請求項４から６のいずれか一項に記載の脱気モジュールと、前記第一インクを送液するための第一送液機構と、前記第二インクを送液する第二送液機構を有することを特徴とする脱気装置。

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