TW202000318A - 液體射流射出裝置 - Google Patents

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栗田雅章
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國立大學法人東京農工大學
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Abstract

本發明提供一種液體射流射出裝置具備：吐出部，其兩端部開口，內部配置至少相對於內面的接觸角小於90度的液體；壓力產生部，其與該吐出部的一端部連通，具有大於該吐出部之剖面積的剖面積，比起從該吐出部中的該一端部至液面的液體射流的射出方向的長度，其在該射出方向上的長度更長，至少在該一端部開口的底面側配置有該液體；及衝擊力賦予機構，賦予該壓力產生部衝擊力。

Description

液體射流射出裝置
本發明係關於一種液體射流射出裝置。
液體射流自以往已應用於噴墨印表機或微加工元件等各種領域。這種液體射流的射出裝置大部分係射出與射出管內徑相同程度以上之直徑的液體射流的裝置。例如，噴墨印表機所使用的壓電噴墨(piezo inkjet)方式或氣泡射流(註冊商標)方式相當於此，皆為將液體從射出孔(噴嘴)擠出的方式。因此，射出之液滴的直徑為射出孔的徑長以上。
相對於此，若針對具有射出管之凹面形狀的液面，在短時間給予較大加速度，則可從射出管射出較細液體射流，其為射出管內徑的1/5左右。若可應用這種較細液體射流，即可解除噴墨印表機等的擠壓方式中造成問題的堵塞問題。
著眼於此點，國際公開2016/182081號提出一種裝置，其進一步配置以一端插入儲存於容器內部的液體內部且另一端位於液體外部的方式使內管的接觸角小於90度的細管，藉由容器內的細管外的液位與細管內的液位差，在賦予容器內的液體衝擊力而賦予初始速度時，可調整從細管的液面射出之液體射流的射出速度。
藉由以此方式構成，可使液體射流的射出速度相對於容器內之液體的初始速度的加速速率提高，而可射出以往的噴墨方式無法達成的高黏度液體。
上述先前技術中，若使容器內的細管外之液面與細管內之液面的液位差變大來提高加速速率，則從細管內之液面(液體射流的射出位置)至細管之端部的距離增加。因此，即使是液體射流的射出方向稍有偏差的情況下，亦有射出液體附著於細管內面的疑慮。
本揭示係鑒於以上背景而完成，其目的在於提供一種可射出高黏度液體、且可抑制液體附著於噴嘴的液體射流射出裝置。
為了達成上述目的，第1態樣所述之液體射流射出裝置具備：吐出部，其兩端部開口，內部配置至少相對於內面的接觸角小於90度的液體；壓力產生部，其與該吐出部的一端部連通，具有大於該吐出部之剖面積的剖面積，比起從該吐出部中的該一端部至液面的液體射流的射出方向的長度，其在該射出方向上的長度更長，至少在該一端部開口的底面側配置有該液體；及衝擊力賦予機構，賦予該壓力產生部衝擊力。
該液體射流射出裝置中，兩端部經開口之吐出部的一端部與壓力產生部的底面連通。在該壓力產生部的至少底面側配置液體，其浸入至吐出部的內部，藉由表面張力在吐出部的內部形成液面。
此時，由於液體相對於吐出部之內面的接觸角小於90度，因此吐出部內的液面形成朝向與壓力產生部之底面側的相反側凹陷的凹面形狀。在此狀態下從衝擊力賦予機構賦予壓力產生部衝擊力，藉此使流體在吐出部內的凹面形狀的液面集束，而從液面的中央部分射出比吐出部的開口更細長的液體射流。
此處，使壓力產生部的剖面積大於吐出部的剖面積，且使壓力產生部在射出方向上的長度大於從吐出部中一端部(壓力產生部側端部)至液面在液體射流之射出方向的長度(以下稱為「射出方向長度」)，因此可使浸入吐出部而形成液面的液體速度(以下稱為「吐出部液體速度」)大於從衝擊力賦予機構賦予配置於壓力產生部的液體速度(以下稱為「壓力產生部液體速度」)。亦即，可使吐出部液體速度(液體射流的射出速度)相對於壓力產生部液體速度的加速速率變大。
特別是使壓力產生部的射出方向長度相對於從吐出部之一端部至液面的射出方向長度的比變大，藉此可使加速速率增加。
因此，藉由在縮短吐出部之射出方向長度的狀態下增加壓力產生部的射出方向長度，可使吐出部液體速度(液體射流的射出速度)相對於壓力產生部液體速度的加速速率變大。結果，可使液體射流的射出速度高速化，而可射出高黏度液體。
又，由於保持縮短吐出部之射出方向長度的狀態，因此即使液體射流的射出方向稍有偏差，亦可防止或抑制射出液體附著於吐出部的內面。
亦即，可射出高黏度液體，並且可防止或抑制液體附著於吐出部的內面。
第2態樣所述之液體射流射出裝置可為：在第1態樣所述之液體射流射出裝置中，該吐出部的一端部與該底面一致。
該液體射流射出裝置中，於壓力產生部之底面側開口的吐出部之一端部與底面一致。亦即，吐出部係在壓力產生部的底面開口，且不從底面突出至壓力產生部的內部。吐出部的一端從壓力產生部的底面突出至內部的情況下，儲存於壓力產生部之底面側的液體移動至吐出部內部時的壓力損失提高。然而，申請專利範圍第2項所記載之發明中，吐出部的一端部與壓力產生部的底面一致，亦即，吐出部不從壓力產生部的底面突出，而可抑制壓力產生部之底面側的液體移動至吐出部時的壓力損失。結果，可使吐出部液體速度(液體射流的射出速度)相對於壓力產生部液體速度的加速速率變大。
第3態樣所述之液體射流射出裝置可為：在第2態樣所述之液體射流射出裝置中，於該吐出部的一端部側形成朝向該底面傾斜的錐面。
該液體射流射出裝置中，吐出部的一端在壓力產生部的底面開口的液體射流射出裝置中，於吐出部的一端側形成朝向底面傾斜的錐面，因此可進一步抑制從壓力產生部的底面側流入吐出部之液體的壓力損失。
結果，可使吐出部液體速度(液體射流的射出速度)相對於壓力產生部液體速度的加速速率變大。
第4態樣所述之液體射流射出裝置可為：在第1至第3中任一態樣所述之液體射流射出裝置中，該吐出部的一端部在該壓力產生部的底面中央開口。
該液體射流射出裝置中，吐出部的一端部在壓力產生部的底面中央開口，因此可抑制液體沿著壓力產生部的底面移動而流入吐出部時液體的壓力損失。結果，可使吐出部液體速度(液體射流的射出速度)相對於壓力產生部液體速度的加速速率變大。
第5態樣所述之液體射流射出裝置可為：在第1至第3中任一態樣所述之液體射流射出裝置中，於該壓力產生部的該底面側配置該液體，並且在與該底面側的相反側配置聲阻為該液體之聲阻的1倍以上1.5倍以下且不會與該液體混合及進行化學反應的壓力產生媒介。
該液體射流射出裝置中，在壓力產生部內的底面側配置液體，並在與底面側的相反側配置與液體不同的壓力產生媒介。使該壓力產生媒介的聲阻為液體之聲阻的1倍以上1.5倍以下。因此，在從衝擊力賦予機構賦予壓力產生部衝擊力時，可抑制壓力產生媒介與液體的界面中的能量傳遞效率降低，而將吐出部的液體作為液體射流射出。
如此，藉由將衝擊力賦予壓力產生部，亦可使用壓力產生媒介作為壓力產生部中產生壓力的媒介，而可節約配置於壓力產生部的液體。
此外，壓力產生媒介不與液體混合，亦不會發生化學反應，因此不會降低射出之液體射流(液體)的品質。
第6態樣所述之液體射流射出裝置可為：在第1至第3中任一態樣所述之液體射流射出裝置中，進一步具備補給裝置，該補給裝置具有：補給部，內部儲存該液體；及液體供給通路，使該補給部的液體儲存部分與該壓力產生部的液體儲存部分連通。
該液體射流射出裝置中，即使從吐出部射出液體射流，而壓力產生部的液體減少，亦可透過液體供給通路從補給裝置的補給部對壓力產生部補給相應量的液體。亦即，可連續射出液體射流。
第7態樣所述之液體射流射出裝置可為：在第6態樣所述之液體射流射出裝置中，在該吐出部的另一端部向下開口的液體射流射出裝置中，該補給裝置藉由儲存於該補給部之該液體的水頭壓力及該液體的表面張力的作用或該液體的表面張力的作用而對該壓力產生部供給該液體。
該液體射流射出裝置係吐出部的另一端部向下開口、亦即向下射出液體射流的液體射流射出裝置。對於該液體射流射出裝置，補給裝置可利用儲存於補給部之液體的水頭壓力與液體的表面張力的作用或液體的表面張力的作用而對壓力產生部供給液體。亦即，無需機械性作用等，即可從補給裝置對壓力產生部供給液體，而可從吐出部連續地射出液體射流。
[發明之效果]
根據第1至第4態樣所述之液體射流射出裝置，可防止或抑制堵塞，並且可射出加速速率較大的液體射流。
根據第5態樣所述之液體射流射出裝置，可抑制壓力產生部中的液體使用量。
根據第6或第7態樣所述之液體射流射出裝置，可連續地射出液體射流。
以下，參照圖式詳細說明本揭示的實施形態。
[第1實施形態]
(裝置構成)
首先，參照圖1對第1實施形態所述之液體射流射出裝置10進行說明。液體射流射出裝置10具備：容器12，內部填充(配置)液體之一例的印墨11，且於下端部形成下述噴嘴28；移動機構14，使容器12在上下方向上移動；卡止構件16，抵住移動至下方的容器12，藉此使其停止；及補給裝置18，對容器12的內部供給印墨11。
容器12形成圓筒形，其具備上壁20、底壁22、將上壁20與底壁22之間連接並環繞整周的周壁24。
在容器12中，由上壁20、底壁22、周壁24所包圍的部分成為配置印墨11的壓力產生室26。該壓力產生室26相當於「壓力產生部」。
又，底壁22的中央部形成有上下貫通的噴嘴28。該噴嘴28相當於「吐出部」。
如圖1所示，噴嘴28形成噴嘴28的軸(上下)方向剖面積(以下僅稱為「剖面積」)小於構成壓力產生室26之底壁22的部分(以下稱為「底面22A」)的面積(壓力產生室26的剖面積)。
又，設定成壓力產生室26的軸向長度(下述lt)大於從噴嘴28的壓力產生室側端部至液面的軸向長度(下述lm)(lt/lm＞1)。再者，壓力產生室26與噴嘴28配置在同軸上。此外，該軸向相當於「液體射流的射出方向」。
該壓力產生室26中填充有印墨11。印墨11與噴嘴28之內周面的接觸角設定成小於90度。因此，從壓力產生室26浸入噴嘴28的印墨11形成在噴嘴28內向上凸起(向下凹陷)的彎月面(meniscus)(液面LS)。
另一方面，在容器12的上方設有使容器12上下移動的移動機構14。移動機構14具備：支架32，從容器12之上壁20的中央部往上方延伸；及螺線管34，配設於容器12的上部，支架32貫通其中。亦即，其構成藉由驅動螺線管34而使支架32上下移動，進而使容器12上下移動。此外，在平時(液體射流射出時以外)，容器12位於卡止構件16的上方並與其保持既定距離。
此外，在容器12之周壁24的上部形成有開口部35，將壓力產生室26的內部與外部連通。
又，在容器12的底壁22的下方配設有卡止構件16。
卡止構件16具有：甜甜圈形狀的圓板部38，在中央部形成大於噴嘴28之剖面積的孔部36；及周壁40，與容器12配置於同軸上，其內徑大於容器12(周壁24)的外徑。
再者，容器12的下端與卡止構件16之圓板部38的頂面、即抵接面38A的間隔設定成小於利用螺線管34使支架32移動的衝程。因此，其構成在藉由螺線管34的驅動而使容器12下降時，容器12的底壁22抵接於卡止構件16之圓板部38的抵接面38A。
該移動機構14與卡止構件16相當於「衝擊力賦予機構」。
此外，在卡止構件16之圓板部38的下方配置有被射出體的用紙42。其構成使從噴嘴28射出的下述液體射流MJ彈射至該用紙42。又，形成用紙42藉由圖中未顯示的進紙機構進紙的構成。
如圖1所示，補給裝置18具有：補給槽44，配置於容器12的側面；及補給管材46，從補給槽44連通至壓力產生室26。
補給槽44係上部開放的槽，其內部儲存有印墨11。又，藉由圖中未顯示的調整機構維持印墨11的液面50，使其比壓力產生室26的底面22A更上方。作為調整機構，例如，可考量設置對應印墨11的供給而使補給槽44上升的機構。
又，補給管材46具有可撓性，其一端與形成於容器12之周壁24的開口部35連接，另一端配置在儲存於補給槽44之印墨11的內部。
(作用)
說明以此方式所構成之液體射流射出裝置10的作用。
首先，藉由驅動螺線管34而使支架32以既定速度下降。容器12之底壁22與卡止構件16之抵接面38A的間隔(上下方向長度)設定成小於支架32的衝程，因此容器12的底壁22衝撞卡止構件16的抵接面38A。
藉由該衝撞使衝擊力作用於容器12。此時，噴嘴28的內部，如圖2所示，由於印墨11的接觸角小於90度，因此原本形成凹面形狀的彎月面(液面LS)變成水平面形狀，而從其中心部分吐出(射出)比噴嘴28更細的液體射流MJ。
該液體射流MJ，因賦予衝擊力而使噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´相對於壓力產生室26內之印墨11的初期速度U0 的加速速率(=U0 ´/U0 )變大，結果下述射流速度Vjet 的加速速率β(=Vjet /U0 )變大。
如此，藉由提高加速速率β，能夠以較高比例將能量從經賦予一定能量的印墨11匯集至液體射流MJ(可射出非常快速的液體射流MJ)。因此，將一定能量賦予液體射流射出裝置10之印墨11時，亦可射出加速速率較低的液體射流無法射出的高黏度印墨11。
(參數)
以下針對說明分析藉由液體射流射出裝置10射出之液體射流MJ的分析模式時使用的參數進行說明。
實施例所述之分析模式係以液體射流射出裝置10射出液體射流MJ時的分析模式。
參數如下(參照圖3、圖4)。
lt ：從壓力產生室26的底面22A至頂面20A的軸向距離(第1長度)(mm)。
lm ：從噴嘴28的壓力產生室側端部(壓力產生室26的底面22A)至噴嘴28內的彎月面形成位置之液面LS的軸向距離(第2長度)(mm)。
d：噴嘴28的內徑(mm)。
ν：印墨11的動黏滯率(mm2 /s)(本說明書中稱為「黏度」的情況下，意為「動黏滯率」)。
(分析模式)
首先，針對關於液體射流射出裝置10所產生之液體射流MJ的射流速度Vjet 的物理模式進行說明。
在藉由衝擊力使容器12內之印墨11急劇加速時，急劇變化期間的印墨11的速度及構成壓力產生室26的壁附近的速度並不大。因此，僅包含納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程式的速度與空間微分的項，與其他項相比充分小到可忽視。此時，根據納維-斯托克斯方程式，賦予壓力產生室26內之印墨11的初期速度U0 使用密度ρ而變成：
[式1]
U0 =-1/ρ•∂Π/∂z…(1)
此處，Π為壓力脈衝，z為管軸方向的距離。該壓力脈衝Π使用壓力p、衝擊力持續的時間τ而以下式表示。
[式2]
Figure 02_image001
…(2)
容器12的底壁22與卡止構件16的抵接面38A衝撞時，如圖5所示，在容器12(壓力產生室26)中出現壓力脈衝梯度∂Π/∂z。壓力脈衝梯度∂Π/∂z不受管軸方向的距離z所影響而為固定。
由於衝擊力作用於容器12而產生的壓力脈衝，以固定梯度(第1梯度)從壓力產生室26的頂面20A至底面22A增加，並且在噴嘴28內以固定梯度(第2梯度)朝向彎月面(液面LS)減少(在彎月面位置變成0)(參照圖5)。
容器12的壓力產生室26中的壓力脈衝梯度∂Π/∂z，以噴嘴28的上端、亦即壓力產生室26的底面22A為交界而在噴嘴內變化成壓力脈衝梯度∂Π´/∂z´。
噴嘴內之印墨11的壓力脈衝梯度∂Π´/∂z´，藉由圖5所示的幾何學關係，使用壓力產生室26中的壓力脈衝梯度∂Π/∂z、第1長度lt 、第2長度lm 而變成：
[式3]
∂Π´/∂z´=lt /lm ‧∂Π/∂z…(3)
賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´，與式(1)相同地而變成：
[式4]
U0 ´=-1/ρ‧∂Π´/∂z´…(4)
根據式(1)、式(3)及式(4)，賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´變成：
[式5]
U0 ´=-1/ρ‧lt /lm ‧∂Π/∂z=lt /lm ‧U0 …(5)
根據式(5)，賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´相較於賦予壓力產生室26之印墨11的初期速度U0 以(lt /lm )倍加速。噴嘴28所產生的射流速度(液體射流MJ的射出速度)Vjet 與細管內之印墨11的初期速度U0 ´成比例，變成：
[式6]
Vjet =βU0 ´=β‧lt /lm ‧U0 …(6)
如此，於容器12內噴嘴28的上部設置剖面積大於噴嘴28的剖面積(內徑D大於噴嘴28的內徑d(D/d＞1))且第1長度lt 大於第2長度lm (lt /lm ＞1)的壓力產生室26，藉此可使賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´相較於壓力產生室26的初期速度U0 加速。藉此，亦可使噴嘴28所生成的射流速度Vjet 加速。
亦即，藉由使第1長度lt增加或使第2長度lm減少，可提高射流速度Vjet 的加速速率β。
(數值計算)
為了確認根據上述作用及分析模式的研究，而進行以下的數值計算。
實施例所述之液體射流射出裝置10使用與圖1所示的裝置相同的構成。
各數值設定如下。
第1長度lt =40(mm)；
第2長度lm =1.5(mm)；
壓力產生室的內徑D=10(mm)；
噴嘴的內徑d=2(mm)；
壓力產生室內之印墨的初期速度U0 =1.25(m/s)；
印墨11的動黏滯率ν：100(mm2 /s)。
在此條件下，使第1長度lt 、第2長度lm 、噴嘴的內徑d、印墨11的動黏滯率ν的任一者變化而得的理論值與數值計算結果顯示於圖6~圖10。此外，理論值係以上述分析模式表示(參照圖5)。
1.使第1長度lt 變化時
使第1長度lt 的長度變成40mm、80mm時作用於容器內部之印墨的壓力脈衝分布的理論值與數值計算結果顯示於圖6。粗線為數值計算結果，細線為理論值。
如圖6所示，可知即便使第1長度lt 的長度變成40mm、80mm時，除了容器12的底面22A附近(壓力產生室26與噴嘴28的連接部分)以外，數值計算結果與理論值良好一致。又，若使第1長度lt 增加，亦可確認壓力脈衝梯度按照理論上提高。
若將由理論所推導的賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´與數值計算結果的賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´進行比較，
lt =40mm時，相對於理論值33.3m/s，數值計算結果為21.6m/s；
lt =80mm時，相對於理論值66.7m/s 數值計算結果為44.1m/s。
2.使第2長度lm 變化時
使第2長度lm 的長度變成1.5mm、5mm、10mm時作用於容器內部之印墨的壓力脈衝分布的理論值與數值計算結果顯示於圖7。粗線為數值計算結果，細線為理論值。
如圖7所示，可知即便使第2長度lm 的長度變成1.5mm、5mm、10mm時，除了容器12的底面22A附近(壓力產生室26與噴嘴28的連接部分)以外，數值計算結果與理論值良好一致。又，若使第2長度lm 增加，亦可確認壓力脈衝梯度按照理論上減少。
若將由理論所推導的賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´與數值計算結果的賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´進行比較，
lm =1.5mm時，相對於理論值33.3m/s，數值計算結果為 21.6m/s；
lm =5mm時，相對於理論值10m/s，數值計算結果為8.4m/s；
lm =10mm時，相對於理論值5m/s，數值計算結果為4.5m/s。
3.使壓力產生室內之印墨的初期速度U0 變化時
使壓力產生室內之印墨的初期速度U0 變成1.25m/s、2.5m/s時作用於容器內部之印墨的壓力脈衝分布的理論值與數值計算結果顯示於圖8。粗線為數值計算結果，細線為理論值。
如圖8所示，可知即便使壓力產生室內之印墨的初期速度U0 變成1.25、2.5m/s時，除了容器12的底面22A附近(壓力產生室26與噴嘴28的連接部分)以外，數值計算結果與理論值幾乎一致。又，若使壓力產生室內之印墨的初期速度U0 增加，亦可確認壓力脈衝梯度按照理論上提高。
若將由理論所推導的賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´與數值計算結果的賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´進行比較，
U0 =1.25 m/s 時，相對於理論值33.3m/s ，數值計算結果為21.6m/s；
U0 =2.5 m/s 時，相對於理論值66.7m/s，數值計算結果為43.8m/s。
4.使噴嘴的內徑d變化時
使噴嘴的內徑d變成0.5mm、1mm、2mm時作用於容器內部之印墨的壓力脈衝分布的理論值與數值計算結果顯示於圖9。粗線為數值計算結果，細線為理論值。
由於理論上係假設噴嘴的內徑d小至可忽視，因此可認為噴嘴的內徑d越大噴嘴內的壓力脈衝梯度越偏離理論值。
如圖9所示，使噴嘴的內徑d變成0.5mm、1mm、2mm時，可確認d越增加越偏離理論值。
若將由理論所推導的賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´與數值計算結果的賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´進行比較，
d=0.5mm 時，相對於理論值33.3m/s，數值計算結果為29.3m/s；
d=1.0 mm時，相對於理論值33.3m/s，數值計算結果為26.4m/s；
d=1.5 mm時，相對於理論值33.3m/s，數值計算結果為21.6m/s。
5.使印墨的動黏滯率ν變化時
使印墨的動黏滯率ν變成100mm2 /s、1000mm2 /s時作用於容器內部之印墨的壓力脈衝分布的理論值與數值計算結果顯示於圖10。粗線為數值計算結果，細線為理論值。
由於理論上係忽視印墨的動黏滯率，因此可認為印墨的動黏滯率ν變得越大，噴嘴內的壓力脈衝梯度越偏離理論值。
如圖10所示，使印墨的動黏滯率ν變成100mm2 /s、1000mm2 /s時，雖然很細微，可確認印墨的動黏滯率越增加越偏離理論值。
若將由理論所推導的賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´與數值計算結果的賦予噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´進行比較，
ν=100mm2 /s時，相對於理論值33.3m/s，數值計算結果為21.6m/s；
ν=1000mm2 /s時，相對於理論值33.3m/s，數值計算結果為19.9m/s。
(總結)
如上所述，本實施形態所述之液體射流射出裝置10中，於容器12(壓力產生室26)的底壁22形成剖面積小於壓力產生室26之剖面積的噴嘴28，且使噴嘴28的內周面相對於印墨11的接觸角小於90度，藉此在噴嘴28上形成向上凹陷的彎月面(液面)。此狀態下，藉由使容器12衝撞卡止構件16(賦予容器12衝擊力)，可射出從液面LS的中心軸附近加速的尖細形狀的細長液體射流MJ。
特別是液體射流射出裝置10中，在容器12中的噴嘴28的上部設置第1長度lt 大於第2長度lm (lt ＞lm )且剖面積(內徑D)大於噴嘴28之剖面積(內徑d)(D＞d)的壓力產生室26。藉此，在衝擊力作用於容器12時，可使噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´相對於壓力產生室26內之印墨11的初期速度U0 加速。結果，相較於僅具備噴嘴(無壓力產生室)的液體射流射出裝置，從噴嘴28內射出之液體射流MJ的射出速度亦加快。
特別是藉由調整壓力產生室26之軸向長度(第1長度)lt 相對於噴嘴28之軸向長度(第2長度)lm 的比(lt /lm )，可簡單地調整噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´相對於壓力產生室26內之印墨11的初期速度U0 的加速速率。亦即，可簡單地調整液體射流MJ的射流速度Vjet 。
例如，藉由使第1長度lt 相對於第2長度lm 的比(lt /lm )增加，在衝擊力作用於容器12時，可使噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´相對於壓力產生室26內之印墨11的初期速度U0 加速。結果，從噴嘴28內射出之液體射流MJ的射出速度亦加快。因此，可射出高黏度的印墨11。
亦即，可射出既有的噴墨印表機無法射出的高黏度顏料系印墨。而且，由於係藉由賦予容器12衝擊力而從噴嘴28射出噴嘴28之內徑的5分之1左右的細長液體射流MJ，因此可對用紙42進行高精細的印字等。
又，由於噴嘴28內之印墨11的初期速度U0 ´相對於壓力產生室26內之印墨11的初期速度U0 的加速速率係根據第1長度lt 與第2長度lm 的比，因此可藉由變更壓力產生室26(容器12)的長度而簡單地調整加速速率。
換而言之，即便使噴嘴28的軸向長度(第2長度)lm 變短，亦可簡單地使加速速率增加。因此，在液體射流射出裝置10中，可將噴嘴28的軸向長度(第2長度)lm 設定為較短。因此，即使從噴嘴28射出高黏度的印墨11的情況下，亦可防止或抑制因液體射流MJ的射出方向稍有偏差而導致印墨11附著於噴嘴28的內周面，而使噴嘴28發生堵塞。又，由於係從液面LS的中央部分射出細長的液體射流MJ，因此可抑制液面LS中的印墨11的堵塞等。亦即，液體射流射出裝置10中，即使在射出高黏度印墨11的情況下，亦可防止或抑制印墨11附著於噴嘴28的內周面以及噴嘴28的堵塞。
又，由於噴嘴28的軸向長度(第2長度)lm 亦可較短，因此只要縮短從液體射流MJ的射出位置(液面LS)至彈射位置(用紙42)的距離即可，即使製造容器時的製造精度不太嚴苛，亦可確保印墨11的彈射精度。
但是，若使第2長度lm 變得太短，則無法在噴嘴28上良好地形成印墨11的彎月面，因此第2長度lm 較佳為噴嘴28之內徑d的一半以上(lm ＞d/2)。換而言之，藉由使第2長度lm 為噴嘴28之內徑d的一半以上(lm ＞d/2)，只要使印墨11相對於噴嘴28之內周面的接觸角小於90°，即可在噴嘴28上良好地形成向上凹陷的彎月面。
再者，液體射流射出裝置10中，只要於容器12中連續形成噴嘴28與剖面積大於噴嘴28的壓力產生室26，並使用移動機構14與卡止構件16對該容器12賦予衝擊力即可，因此可構成簡單的結構。
再者，由於噴嘴28的上端與壓力產生室26的底面22A一致，因此相較於在底面22A設置突起的情況，可抑制壓力產生室26的印墨11從底面22A側流入噴嘴28內時印墨11的壓力損失，而可進一步提升液體射流MJ的射出速度。
特別是噴嘴28的上端位於底面22A的中央，因此可抑制壓力產生室26的印墨11流入噴嘴28內時的壓力損失，而可進一步提升液體射流MJ的射出速度。
再者，補給裝置18中，維持補給槽44內之印墨11的液面位置高於容器12的底面22A，因此可藉由水頭壓力與印墨11之表面張力的作用而對壓力產生室26良好地供給印墨11。亦即，無需使用機械性作用，即可將印墨11從補給槽44供給至壓力產生室26。
藉此，即使是高黏度的印墨11，液體射流射出裝置10亦可連續地射出至用紙42上。
(變形)
作為本實施形態之液體射流射出裝置10的變形，如圖11所示，亦可構成液體射流射出裝置10A。
液體射流射出裝置10A係於噴嘴28的壓力產生室側端部設置朝向底面22A傾斜的錐面51。
藉由以此方式形成，可進一步抑制從壓力產生室26流入噴嘴28之印墨11的壓力損失，而可進一步提升液體射流MJ的射出速度。
又，作為另一變形，如圖12所示，亦可構成液體射流射出裝置10B。
液體射流射出裝置10B中，於支架32的上端部設有圓板狀的卡止板52。又，在支架32的卡止板52與螺線管34之間設有與液體射流射出裝置10大致相同且支架32可插通的卡止構件54。卡止構件54的形狀除了尺寸以外與第1實施形態的卡止構件16相同，因此標註相同的參照符號而省略其詳細說明。
液體射流射出裝置10B中，藉由驅動螺線管34而使支架32移動至下方，設於支架32之上端的卡止板52與卡止構件54的抵接面38A衝撞，藉此賦予容器12衝擊力。藉此，從噴嘴28的液面LS射出液體射流MJ。
如此，液體射流射出裝置10B中，藉由使卡止構件54移動至容器12的上部側，可使卡止構件54小型化，並且取消存在於噴嘴28與用紙42之間的構件，而可形成流暢的構成。
[第2實施形態]
參照圖13對本揭示的第2實施形態所述之液體射流射出裝置進行說明。針對與第1實施形態相同的構成要件標註相同的參照符號而省略其說明。此外，僅說明與第1實施形態的不同點。
如圖13所示，液體射流射出裝置100中，於填充印墨11的壓力產生室26內插入袋104，該袋104中裝入空氣102且具有可撓性及彈性。
液體射流射出裝置100中，藉由驅動螺線管34而使支架32以既定速度下降。結果，安裝於支架32的容器12以既定速度衝撞卡止構件16。藉由該衝撞而使衝擊力作用於容器12。藉此，在噴嘴28的內部，印墨11的接觸角小於90度，因此原本形成凹面形狀的液面LS變成水平面形狀，而從其中心部分吐出(射出)比噴嘴28更細的液體射流MJ。
此時，藉由衝擊力對容器12的作用，配置於壓力產生室26內的袋104(中的空氣102)膨脹，而輔助印墨11從壓力產生室26移動至噴嘴28。
如此，液體射流射出裝置100中，於壓力產生室26的印墨11中插入裝有空氣102的袋104，在賦予衝擊力時，袋104膨脹，藉此，即使在使用高黏度印墨11的情況下，亦可抵抗與壓力產生室26的黏性損失而確實地對噴嘴28供給印墨11。
亦即，使用高黏度液體的情況下，亦可確實地從噴嘴28射出液體射流。
此外，袋104只要可藉由賦予衝擊力而膨脹即可，因此填充至其內部的可為空氣以外的氣體，亦可為能夠藉由賦予衝擊力而膨脹的凝膠等。又，亦可不應用袋104，而將空氣102作為氣泡直接置入壓力產生室26的印墨11中。
[第3實施形態]
參照圖14對本揭示的第3實施形態所述之液體射流射出裝置進行說明。針對與第1實施形態相同的構成要件標註相同的參照符號而省略其說明。此外，僅說明與第1實施形態的不同點。
液體射流射出裝置200中，如圖14所示，在壓力產生室26的內部，於底面22A側配置從噴嘴28作為液體射流MJ而射出的印墨11，並於頂面20A側配置明膠202。該明膠202相當於「壓力產生媒介」。
具體而言，其係以避免明膠202將噴嘴28或開口部35封閉的方式使明膠202流入容器12(壓力產生室26)的內部，在提高容器12內部的壓力而使明膠202凝固後，從補給裝置18對壓力產生室26及噴嘴28內供給印墨11。
此外，所使用之明膠202係使用質量含水率為95%者。
又，補給裝置18的補給管材46與設於構成壓力產生室26之周壁24的印墨配置區域的開口部35連通。
再者，本實施形態中，如圖14所示，使儲存於補給裝置18之補給槽44的印墨11之液面50為壓力產生室26的底面22A以下。
對該液體射流射出裝置200的作用進行說明。
液體射流射出裝置200與第1實施形態所述之液體射流射出裝置10相同地，可從噴嘴28內的液面LS射出加速速率β較高而細長的液體射流MJ。
特別是液體射流射出裝置200中，配置於容器12內的明膠202的含水率為95%，因此明膠202之聲阻與印墨11之聲阻的差較小。因此，可抑制容器12內的明膠202與噴嘴28內之印墨11的界面中的能量傳遞率降低，而可良好地射出液體射流MJ。
此外，所使用之明膠202與印墨11的聲阻相等為最佳，但亦可稍有偏差。確認明膠202之聲阻為印墨11之聲阻的至少1.5倍左右以內，可從液體射流射出裝置200射出液體射流MJ。
又，液體射流射出裝置200中，於容器12(壓力產生室26)的上部側配置明膠202，因此僅在壓力產生室26的底面22A側與噴嘴28連通的部分(無明膠202的部分)配置印墨11即可。亦即，可抑制射出液體射流MJ所需的印墨11之量。特別是在射出高價的印墨11等的情況下，具有可抑制印墨11之使用量的大優點。
特別是在液體射流射出裝置200中具有這樣的優點：即使為了使加速速率增加而使第1長度lt增加的情況下，只要增加明膠202的配置區域來對應即可，而不必增加印墨11的使用量。
再者，更換液體射流射出裝置200所使用的印墨11時，只要排出壓力產生室26與噴嘴28之內部的印墨11後，將其他液體供給至壓力產生室26中未配置明膠202的區域與噴嘴28的內部即可。亦即，可不用更換配置於容器12內部的明膠202，因此具有只需少量的交換液量即可這樣的優點。
又，由於明膠202不會與印墨11混合，亦不會發生化學反應，因此沒有降低液體射流MJ(印墨11)品質的疑慮。
此外，本實施形態中係以在容器12中配置明膠202的例子進行說明，但並不限定於此。固體(不會流動者)且聲阻與印墨11的聲阻滿足上述條件者，亦可應用於本實施形態。例如，可考量PDMS(聚二甲基矽氧烷)等。
再者，本實施形態中，如圖14所示，係使儲存於補給裝置18之補給槽44的印墨11之液面50為壓力產生室26的底面22A以下，但亦可僅利用印墨11的表面張力作用來對壓力產生室26供給印墨11。
此外，亦可將高黏度印墨11應用於液體射流射出裝置200。此情況下，與第1實施形態相同地，只要使補給槽44之印墨11的液面50為底面22A以上即可。
(變形)
作為液體射流射出裝置200的變形，參照圖15對液體射流射出裝置200A進行說明。此外，液體射流射出裝置200A與液體射流射出裝置200的不同處僅為壓力產生室26內的液體的配置，因此僅說明此部分。又，在液體射流射出裝置200A中，對與液體射流射出裝置200相同的構成要件標註相同的參照符號而省略其詳細說明。
液體射流射出裝置200A中，於液體射流射出裝置200中的壓力產生室26配設明膠202的部分之下端(噴嘴側端部)配設由含水率95%的明膠所構成的膜體204，並於比該膜體204靠近頂面20A側配置與印墨11不同的液體206，例如水。
藉由以此方式構成液體射流射出裝置200A，亦可射出加速速率較高的液體射流MJ。
又，以與印墨11不同的液體206填充壓力產生室26的一部分，並以膜體204將印墨11與液體206之間隔開，因此可防止印墨11與液體206混合或發生化學反應(印墨11的品質降低)，並可抑制壓力產生室26所使用的印墨11之量。
再者，藉由設置由含水率95%之明膠所構成的膜體204，膜體204與印墨11或液體206之聲阻的差較小。因此，在賦予衝擊力時可抑制與印墨11不同的液體206與膜體204的界面、膜體204與印墨11的界面中的能量傳遞率降低，而可良好地射出液體射流MJ。
[參考例]
參照圖16對參考例所述之液體射流射出裝置進行說明。針對與第1實施形態相同的構成要件標註相同的參照符號而省略其說明。此外，與第1實施形態的不同處僅為容器12的形狀，因此僅說明此部分。
如圖16所示，容器12的上壁20側為圓筒形狀，從中途朝向噴嘴28縮徑而形成圓錐形狀。亦即，容器12的噴嘴28側形成圓錐形狀的圓錐部302，其內周面為構成壓力產生室26的錐面302A。
又，在容器12的圓錐部302上，於圓周方向上以既定間隔形成朝向徑向外側懸垂而形成的多個肋部304。該肋部304的底面306在徑向上延伸，而構成在容器12衝撞卡止構件16時使底面306抵接於抵接面38A的態樣。
以此方式所構成的液體射流射出裝置300中，藉由驅動螺線管34而使容器12的肋部304(底面306)衝撞卡止構件16的抵接面38A，藉此賦予容器12衝擊力，而從噴嘴28射出液體射流MJ。
但是，以此方式構成液體射流射出裝置300的情況下，由於壓力產生室26中具有錐面302A，因此在使加速速率增加方面，比起液體射流射出裝置10較為不利。
[其他]
以上，對第1至第3實施形態所述之液體射流射出裝置進行說明，但本揭示並不限定於此。亦即，只要可藉由打擊而賦予容器12衝擊力，則不限定於移動機構14與卡止構件16的構成。例如，亦可為從側面賦予容器12的周壁24衝擊力的構成。
又，第1至第3實施形態中，液體射流MJ的射出方向(噴嘴28的開放端)為鉛直下方，但本揭示並不限定於此。例如，亦可往水平方向或鉛直上方射出。此外，此情況下，噴嘴28的內徑d必須夠小，且藉由表面張力的作用維持液面LS朝向容器12的上壁20側凹陷的凹面形狀。又，從補給裝置18對壓力產生室26供給印墨11，例如可考量藉由對補給槽44的印墨11加壓等而進行。
再者，第1至第3實施形態中，以噴嘴28及壓力產生室26的剖面為圓形進行說明，但本揭示並不限定於此。
又，第1至第3實施形態中，形成在壓力產生室26的底面22A的中央於噴嘴28的上端開口的構成，但本揭示並不限定於此。例如，亦可位於底面22A的徑向外側端部。
再者，第1至第3實施形態中，對容器12(壓力產生室26)設置1個噴嘴28，但亦可設置多個噴嘴28。例如，亦可在壓力產生室26的底壁22設置3個噴嘴28。
又，第1至第3實施形態中，其係將容器12的壓力產生室26封閉而於內部填充印墨11的構成，但壓力產生室26的上部亦可開放。
此外，此情況下，從壓力產生室26的底面22A至上部的液面的長度相當於第1長度lt 。
再者，第1至第3實施形態中，形成噴嘴28的一端部在壓力產生室26的底面22A開口的構成，但亦可形成噴嘴28的一端部突出至壓力產生室26內的構成。此情況下，第2長度lm 變成從噴嘴28的一端部至液面LS的軸向長度，第1長度lt 變成從壓力產生室26的頂面20A至底面22A的軸向長度。
又，第1至第3實施形態中，以印墨11作為射出之液體進行說明，但本揭示並不限定於此。亦可應用其他液體。例如，第1至第3實施形態的液體射流射出裝置可射出高速的液體射流MJ，並且可控制其射流速度Vjet ，因此認為可控制皮下或筋肉等的藥劑到達位置，而認為可應用於無針注射器。
再者，第1、第2實施形態中，在液體射流射出裝置運作中使補給槽44的印墨11的液面50高於壓力產生室26的底面22A，但有時在運作結束後使補給槽44的印墨11的液面50下降至噴嘴28的彎月面形成位置。
又，第3實施形態中，使儲存於補給裝置18之補給槽44的印墨11之液面50為壓力產生室26的底面22A以下，而可藉由印墨11的表面張力對壓力產生室26供給印墨11，但該構成並不限定於第3實施形態，而可應用於第1、第2實施形態等。
此外，於2018年6月22日提出申請的日本專利申請2018-119345號的揭示，參照其整體而併入本說明書。
[附註]
此外，本揭示的第1態樣提供一種液體微射流高速射出裝置，其具備：吐出部，其兩端部開口，內部配置至少相對於內面的接觸角小於90度的液體；壓力產生部，其與該吐出部的一端部連通，具有大於該吐出部之剖面積的剖面積，比起從該吐出部中的該一端部至液面的液體射流的射出方向的長度，其在該射出方向上的長度更長，至少在該一端部開口的底面側配置有該液體；及衝擊力賦予機構，賦予該壓力產生部衝擊力。
又，本揭示的第2態樣提供如本揭示的第1態樣的液體微射流高速射出裝置，其中，該吐出部的一端部與該底面一致。
再者，本揭示的第3態樣提供如本揭示的第2態樣的液體微射流高速射出裝置，其中，在該吐出部的一端部側形成朝向該底面傾斜的錐面。
又，本揭示的第4態樣提供如本揭示的第1至第3態樣中任1態樣的液體微射流高速射出裝置，其中，該吐出部的一端部上，於該壓力產生部的底面中央開口。
再者，本揭示的第5態樣提供如本揭示的第1至第4態樣中任1態樣的液體微射流高速射出裝置，其中，於該壓力產生部的該底面側配置該液體，並且在與該底面側的相反側配置聲阻為該液體之聲阻的1倍以上1.5倍以下且不會與該液體混合及進行化學反應的壓力產生媒介。
又，本揭示的第6態樣提供如本揭示的第1至第5態樣中任1態樣的液體微射流高速射出裝置，其進一步具備補給裝置，該補給裝置具有：補給部，內部儲存該液體；及液體供給通路，使該補給部的液體儲存部分與該壓力產生部的液體儲存部分連通。
再者，本揭示的第7態樣提供如第6態樣的液體微射流高速射出裝置，其中，在該吐出部的另一端部向下開口的液體射流射出裝置中，該補給裝置藉由儲存於該補給部之該液體的水頭壓力及該液體的表面張力的作用、或該液體的表面張力的作用而對該壓力產生部供給該液體。
10、10A、10B‧‧‧液體射流射出裝置
11‧‧‧印墨
12‧‧‧容器
14‧‧‧移動機構
16‧‧‧卡止構件
18‧‧‧補給裝置
20‧‧‧上壁
20A‧‧‧頂面
22‧‧‧底壁
22A‧‧‧底面
24‧‧‧周壁
26‧‧‧壓力產生室
28‧‧‧噴嘴
32‧‧‧支架
34‧‧‧螺線管
35‧‧‧開口部
36‧‧‧孔部
38‧‧‧圓板部
38A ‧‧‧抵接面
40‧‧‧周壁
42‧‧‧用紙
44‧‧‧補給槽
46‧‧‧補給管材
50‧‧‧液面
51‧‧‧錐面
52‧‧‧卡止板
54‧‧‧卡止構件
100 ‧‧‧液體射流射出裝置
102‧‧‧空氣
104‧‧‧袋
200、200A‧‧‧液體射流射出裝置
202 ‧‧‧明膠
204 ‧‧‧膜體
206 ‧‧‧液體
300‧‧‧液體射流射出裝置
302 ‧‧‧圓錐部
302A‧‧‧錐面
304 ‧‧‧肋部
306‧‧‧底面
Π‧‧‧壓力脈衝
Β‧‧‧加速速率
ν‧‧‧動黏滯率
ρ‧‧‧密度
τ‧‧‧時間
D‧‧‧ 內徑
LS‧‧‧液面
MJ‧‧‧液體射流
U0‧‧‧初期速度
Vjet‧‧‧射流速度
d‧‧‧ 內徑
p‧‧‧ 壓力
z‧‧‧ 距離
圖1係第1實施形態所述之液體射流射出裝置的概略構成圖。
圖2係說明第1實施形態所述之液體射流射出裝置中容器與卡止構件衝撞後的狀態的概略構成圖。
圖3係說明第1實施形態所述之液體射流射出裝置中容器與卡止構件衝撞前的狀態的示意圖。
圖4係說明第1實施形態所述之液體射流射出裝置中容器與卡止構件衝撞後的狀態的示意圖。
圖5係以第1實施形態所述之液體射流射出裝置射出液體射流的示意圖與顯示壓力脈衝梯度的圖。
圖6係顯示使第1實施形態所述之液體射流射出裝置中的壓力產生室之軸向長度變化時，關於壓力脈衝與Z軸方向距離的關係的理論值與數值計算結果的圖表。
圖7係顯示使第1實施形態所述之液體射流射出裝置中的噴嘴之軸向長度變化時，關於壓力脈衝與Z軸方向距離的關係的理論值與數值計算結果的圖表。
圖8係顯示使第1實施形態所述之液體射流射出裝置中的壓力產生室內之印墨的初期速度變化時，關於壓力脈衝與Z軸方向距離的關係的理論值與數值計算結果的圖表。
圖9係顯示使第1實施形態所述之液體射流射出裝置中的噴嘴之內徑變化時，關於壓力脈衝與Z軸方向距離的關係的理論值與數值計算結果的圖表。
圖10係顯示使第1實施形態所述之液體射流射出裝置中的印墨之動黏滯率變化時，關於壓力脈衝與Z軸方向距離的關係的理論值與數值計算結果的圖表。
圖11係第1實施形態的變形所述之液體射流射出裝置的概略構成圖。
圖12係第1實施形態的另一變形所述之液體射流射出裝置的概略構成圖。
圖13係第2實施形態所述之液體射流射出裝置的概略構成圖。
圖14係第3實施形態所述之液體射流射出裝置的概略構成圖。
圖15係第3實施形態的變形所述之液體射流射出裝置的概略構成圖。
圖16係參考例所述之液體射流射出裝置的概略構成圖。
10‧‧‧液體射流射出裝置
11‧‧‧印墨
12‧‧‧容器
14‧‧‧移動機構
16‧‧‧卡止構件
18‧‧‧補給裝置
20‧‧‧上壁
20A‧‧‧頂面
22‧‧‧底壁
22A‧‧‧底面
24‧‧‧周壁
26‧‧‧壓力產生室
28‧‧‧噴嘴
32‧‧‧支架
34‧‧‧螺線管
35‧‧‧開口部
36‧‧‧孔部
38‧‧‧圓板部
38A‧‧‧抵接面
40‧‧‧周壁
42‧‧‧用紙
44‧‧‧補給槽
46‧‧‧補給管材
50‧‧‧液面
LS‧‧‧液面

Claims (7)

  1. 一種液體射流射出裝置，其具備： 吐出部，其兩端部開口，內部配置至少相對於內面的接觸角小於90度的液體； 壓力產生部，其與該吐出部的一端部連通，具有大於該吐出部之剖面積的剖面積，比起從該吐出部中的該一端部至液面的液體射流的射出方向的長度，其在該射出方向上的長度更長，至少在該一端部開口的底面側配置有該液體；及 衝擊力賦予機構，賦予該壓力產生部衝擊力。
  2. 如請求項1所述之液體射流射出裝置，其中，該吐出部的一端部與該底面一致。
  3. 如請求項2所述之液體射流射出裝置，其中，在該吐出部的一端部側形成有朝向該底面傾斜的錐面。
  4. 如請求項1至3中之任一項所述之液體射流射出裝置，其中，該吐出部的一端部上，於該壓力產生部的底面中央開口。
  5. 如請求項1至3中之任一項所述之液體射流射出裝置，其中，於該壓力產生部的該底面側配置該液體，並且在與該底面側的相反側配置聲阻為該液體之聲阻的1倍以上1.5倍以下且不會與該液體混合及進行化學反應的壓力產生媒介。
  6. 如請求項1至3中之任一項所述之液體射流射出裝置，其進一步具備補給裝置，該補給裝置具有：補給部，內部儲存該液體；及液體供給通路，使該補給部的液體儲存部分與該壓力產生部的液體儲存部分連通。
  7. 如請求項6所述之液體射流射出裝置，其中，在該吐出部的另一端部向下開口的液體射流射出裝置中，該補給裝置藉由儲存於該補給部之該液體的水頭壓力及該液體的表面張力的作用、或該液體的表面張力的作用而對該壓力產生部供給該液體。
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