DE2405584A1

DE2405584A1 - Pulsierendes troepfchen-ejektorsystem

Info

Publication number: DE2405584A1
Application number: DE19742405584
Authority: DE
Inventors: John P Arndt
Original assignee: Gould Inc
Current assignee: Gould Inc
Priority date: 1973-02-07
Filing date: 1974-02-06
Publication date: 1974-08-15
Also published as: FR2216029A1; AU6531674A; IT1002860B; US3832579A; CA1000344A; AU472397B2; GB1448293A; DE2405584C3; DE2405584B2; FR2216029B1; JPS5432572B2; JPS49118334A

Description

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5. Februar 1974 Gzf/Al

Gould Inc., 1000 International Tower Building, 8550 West Bryn Mawr Avenue, Chicago, 111. 60631, U. S. A.

Pulsierendes Tröpfchen-Ejektorsysteoi

Die Erfindung betrifft ein System um Tröpfchen einer Flüssigkeit auf Befehl herauszuschleudern, das für die Verwendung in Geräten wie z.B. Tintenstrahlschreibern und BildaufZeichnern geeignet ist.

Diese Erfindung ist eine Verbesserung des in der US-PS 3 683 beschriebenen Systems.

Ein entsprechendes System mit Abmessungen, die beispielsweise erwähnt werden, arbeitet sehr gut, wenn die Impulsgeschwindigkeit geringer als 1 kHz ist. Wenn die Impulse kontinuierlich und die Impulsgeschwindigkeit fortlaufend überein kHz angehoben wird, kann abwechseldes Ansteigen und Abnehmen der Tröpfchengeschwindigkeit beobachtet werden.

Wenn eine Entladung von Impulsen in gleichen Zeitabschnitten auf das System aufgebracht wird, überschreitet das Zeitintervall

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zwischen den Impulsen ungefähr eine Millisekunde, wobei die sich ergebenden Tröpfchen mit gleichem Abstand herausgeschleudert werden. Wenn jedoch die Zeit zwischen den Impulsen auf einen Bruchteil einer Millisekunde abnimmt, haben die verschiedenen ersten Tröpfchen, die herausgeschleudert werden, im allgemeinen unregelmäßigen Abstand.

Die oben beschriebenen Unregelmäßigkeiten sind in vieler Hinsicht nicht wünschenswert. Experimentelle und theoretische Untersuchungen haben gezeigt, daß sie durch akustische Resonanzen, Reflexionen und Interferenzerscheinungen in der Flüssigkeit des Systems hervorrufen werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gesteuertes Tröpfchensystem zu schaffen, daß im allgemeinen dem in dem US-Patent Nr. 3 683 212 beschriebenen System,· ähnlich ist, welches jedoch im wesentlichen frei von unregelmäßiger Leistung bei hoher Impulsgeschwindigkeit ist,die in dem System des erwähnten Patent beobachtet wurde..

Erfindungsgemäß wird aus einem Vorratsbehälter Flüssigkeit durch eine Leitung zu einer Düse geliefert. Ein Teil der Leitung, die an der Düse endet, ist geeignet um Druckwellen der eingeschlossenen Flüssigkeit zuzuführen, ohne daß eine bezeichnende Reflexion innerhalb dieses Teils auftritt. Ein elektroakustisches Übertragungssystem ist mit der Flüssigkeit in der reflexionsfreien Zone der Leitung verbunden und ist geeignet» Druckimpulse auf die Flüssigkeit aufzubringen, wodurch eine erste Druckwelle durch die Flüssigkeit bis zur Düse geht und das Herausschleudern eines

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Tröpfchens bewirkt, und eine zweite Druckwelle durch die Flüssigkeit in Richtung des Eintrittsendes der reflexionsfreien Zone geht. Eine energieabsorbierende Vorrichtung ist mit der Flüssigkeit in der Leitung verbunden und ist geeignet, im wesentlichen die gesamte Energie der zweiten Druckwelle zu absorbieren.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie aus der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes System teilweise im Schnitt und teilweise scheinatisch;

Fig. 2 eine Versuchsanordnung, um gewisse System-Parameter auszuwählen;

Fig. 3 ein Diagramm das mit der Versuchsanordnung von Figur 2 erhalten wurde;

Fig. 4 eine Darstellung in auseinandergezogener Anordnung des erfindungsgemäßen Systems, das sich im wesentlichen in dem mechanischen Detail von dem System in Figur 1 unterscheidet und

Fig. 5 eine übliche Schnittansicht längs der Linien 5-5 von Figur 4. '"'

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In Figur 1 ist ein Vorratsbehälter schematisch bei 1 gezeigt, der Tinte oder eine andere Flüssigkeit 2 enthält. Eine Leitung 4 ist mit der Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter verbunden und mit der Flüssigkeit gefüllt.' Die Leitung 4 endet an der Düse 10, die ebenfalls mit Flüssigkeit 2 gefüllt ist. Tröpfchen 13 der Flüssigkeit können auf Kommando durch die Öffnung 11 der Düse herausgeschleudert werden, wie es im folgenden beschrieben wird.

Leitung 4 besteht aus einer Zone 5, die ein Eintrittsende 7 hat. Zone 5 ist aus einem Material wie z.B. Glas gebildet, welches eine glatte innere Oberfläche und relative steife Wände schafft. Der innere Querschnitt ist im wesentlichen längs der Länge der Zone 5 konstant. Bei der gestrichelten Linie 8 beginnt eine allmähliche Reduzierung des Querschnitts, um die Düse 10 zu bilden die eine Austrittsöffnung 11 benitzt. Daher kann Zone betrachtet werden, als ob sie ein Austrittsende bei 8 hat, und dieses Ende wird durch die Düse 10 begrenzt.

Die Leitung 4 besteht aus einer Flüssigkeits-Versorgungszone 14, die aus einem viskolastischem Material gebildet ist, wie z.B. ein verformbares Polyvinylchlorid.

Der innere Durchmesser der Versorgungszone 14 ist kleiner als der innere Durchmesser der Zone 5. Die Zone 14 ist an dem einen Ende vergrößert und über die Außenseite der Zone 5 an dem Eintrittsende 7 geschoben. Die Versorgungszone 14 kann bis zu dem Vorratsbehälter 1 fortgeführt werden, wo sie unter der Ober-

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fläche der Flüssigkeit 2 enden kann, oder kann mit einem zweiten zusätzlichen Abschnitt 16 verbunden werden, der von dem Vorratsbehälter 1 kommt.

Ein rohrförmiger elektroakustischer Übersetzer/umgibt die Leitungszone 5 und ist hieran in spannungsübertragendem Eingriff durch einen Epoxydharz-Klebstoff 19 befestigt. Vorzugsweise besteht der Übetrager 17 aus einem piezoelektrischem Rohr 20 aus Blei, Zirkon-Blei, Titan (lead zirconate-lead titanate) enthaltendem keramischen Material, daß Elektroden 22, 23 auf der zylindrischen Oberfläche hat und radial polarisiert ist. Ein Metallfolienstreifen 25 wird vor der Einführung des Harzes 19 eingebracht, um einen elektrischen Kontakt mit der Elektrode 22 zu schaffen.

Die Enddrähte 26 werden um die Leitungszone 5 in Kontakt mit den Folienstreifen 25 gewickelt und in elektrischem Kontakt durch · das leitende Harz 28 hiermit befestigt. Der Enddraht 29 wird um die Elektrode 23 gewickelt und im elektrischen Kontakt damit durch das leitende Harz 31 befestigt.

Aufgrund des gutbekannten piezoelektrischen Effekts nimmt der innere Durchmesser des Übertragers 17 meist augenblicklich ab» wenn eine Spannung geeigneter Polarität zwischen den Enddrähten 26 und 29 angebracht wird. Die Abnahme des Durchmessers bewirkt eine Abnahme des Durchmessers der Zone des Durchgangsgliedes 5, welche von dem Übertrager 17 umgeben ist. Die Flüssigkeit innerhalb der Zone 5 wird daher entweder zusammengedrückt oder versucht auszuweichen. Wenn die Spannung zwischen

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den Enddrähten 26 und 29 auf Null zurückgeführt wird, kehren der Übertrager 17 und die Leitung 5 zu ihren ursprünglichen Abmessungen zurück, wodurch wieder eine Druckänderung in der¹ Flüssigkeit 2 oder eine Verschiebung hervorgerufen wird. Auf diese Weise ist der Übertrager 17 mit der Flüssigkeit in der Leitungszone 5 verbunden.

Der Vorratsbehälter 1 wird in einer Höhe gehalten, die wenig oder garkeinen Druck auf die Flüssigkeit 2 in der Düse 10 bewirkt. Ein geringer negativer Druck in der Größenordnung von 2 bis 3 Zentimetern erscheint vorteilhaft. Im Ruhezustand verhindert die Oberflächenspannung der Flüssigkeit in der Düse ein Ausfließen der Flüssigkeit 2 in Jeder Richtung.

Wenn es gewünscht wird, daß ein Tröpfchen von der Düse 10 herausgeschleudert wird, wird ein Spannungsimpuls einer Polarität, die ein Zusammenziehen des Übertragers bewirkt, zwischen den Enddrähten 26 und 29 aufgebracht. Der Übertrager zieht sich aufgrund des Impulses zusammen, wodurch eine leichte Abnahme des inneren Volumens der Leitung 5 bewirkt wird. Dies drückt für einen Moment den Teil der Flüssigkeit 2 zusammen, der sich in dem Übertrager 17 befindet und bewirkt, daß Druckwellen in der Flüssigkeit sich in Richtung des Austritts 8 und der Düse 10 und ebenso Richtung Eintritt 7 und dem Vorratsbehälter 1 fortpflanzen.

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Die Leitungszone 5, die teilweise über ihre Länge durch den Übertrager 17 umgeben ist, kann als eine akustische Übertragungsleitung betrachtet werden. Aufgrund der relativ steifen Wände und des gleichmäßigen Querschnitts der eingeschlossenen Flüssigkeit längs der Länge der Zone pflanzen sich die Druckwellen in der Flüssigkeit im wesentlichen ohne das Auftreten einer Reflexion in der Zone fort. Die Druckwelle, die sich in der Flüssigkeit in Richtung des Austritts 8 der Zone 5 fortpflanzt, bewirkt ein herausschleudern eines Tröpfchens aus der Düse 10.

Wenn die Versorgungszone 14 der Leitung 4 aus geeignetem Material gefertigt und geeignet dimensoniert ist, wie es hiernach beschrieben wird, entspricht.die charakteristische Schallimpedanz beim Übergang vom Eintrittsende 7 der Zone 5 in die Flüssigkeit der Zone 14 ungefähr der charakteristischen Schallimpedanz der Zone 5. Auf diese Weise geht die Druckwelle, die sich in der Flüssigkeit von dem Übertrager 17 in Richtung des Eintrittsendes 7 der Leitungszone 5 fortpflanzt, in der Flüssigkeit ohne ungünstige Reflexion in die Zone 14 über. Die Welle pflanzt sich in der Flüssigkeit in der Zone 14 in Richtung des Vorratsbehälters 1 fort. Wenn die Welle fortschreitet, bewirkt sie eine elastische längs der Länge fortschreitende Verformung des viskoelastischen Materials der Versorgungszone 14. Da das Material viskoelastisch ist, wird ein Teil der von der Flüssigkeit auf das Material übertragenen Energie zur Bewirkung der Verformung in Wärme ungewandelt und

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nicht der Flüssigkeit als mögliche kinetische Energie wieder zugeführt, wenn die Welle vorrübergeht. Auf diese Weise wird die Energie der Welle nacheinander durch die Leitungszone 14 absorbiert, wenn sich die Welle in Richtung des Vorratsbehälters 1 fortpflanzt.

Wenn die gedämpfte Welle das Vorratsbehälterende der Leitungszone 14 erreicht, trifft sie auf eine uneinheitliche Impedanz, welche eine darauffolgende Reflexion zurück in Richtung des Eintrittsendes 7 der Leitungszone 5 bewirkt. Wenn sich die reflektierte Welle durch die Zone 14 in Richtung des Eintritts 7 der Zone 5 fortpflanzt, wird sie durch Absorption des viskoelastischen Materials in der oben beschriebenen Weise gedämpft. Die Zuführungsleitungszone 14 wird lang genug gemacht, so daß die Energie der reflektierten Welle, wenn sie die Düse 10 erreicht zu niedrig ist, um einen wesentlichen Einfluß auf das Herausschleudern eines neuen Tröpfchens zu haben, wenn ein neuer Spannungsimpuls auf die Leitungen 26 und 29 aufgebracht wird. Auf diese Weise kann das viskoelastische Material der Versorungszone 14 als eine energieabsorbierende Vorrichtung angesehen werden, die mit der Flüssigkeit in der Leitung 4 verbunden ist, die im wesentlichen die gesamte Energie der Welle absorbiert, die sich von dem Übertrager 17 in Richtung des Eintrittsendes 7 der Leitungszone 5 fortpflanzt.

Der elektrische Antriebsimpuls fällt auf Null herab und der Übertrager 17 und die Leitungszone 5 kehren zu ihren ursprünglichen Abmessungen zurück. Nachdem ein Tröpfchen herausge-

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schleudert wurde, zieht , sich die Flüssigkeit von dem Ende der Düse 10 zurück, wodurch ein leerer Zwischenraum zurückgelassen wird, der dann aufs neue durch Flüssigkeit aus der Leitung aufgrund der Kapillarkräfte in der Düse gefüllt wird. Nachdem erneuten Füllen der Düse überwiegen die Ruhebedingungen, bis ein anderer elektrischer Antriebsimpuls auf den Übertrager 17 aufgebracht wird. Wenn ein neuer Impuls aufgebracht wird, wiederholt sich der oben beschriebene Prozeß. Auf diese tfeise können auf Kommando Tröpfchen herausgeschleudert werden, wobei jedes Kommando durch das Aufbringen eines elektrischen Impulses zu dem Übertrager 17 gegeben wird.

Die Anforderungen an die Impulsform ist nicht kritisch. Es wurde als vorteilhaft herausgefunden, eine Anstiegszeit von weniger als 2 Mikrosekunden, eine Haltezeit von 5 bis 50 Mikrosekunden und eine Abnahmezeit größer als zwei Mikrosekunden zu haben. Gute Ergebnisse wurden auch mit einer quadratischen Kosinus-Impulsform mit einer Periode von 10 bis 100 Mikrosekunden erzielt.

Viele elektrische Schaltkreisanordnungen können für das Erzeugen und Aufbringen eines geeigneten elektrischen Antriebsimpulses verwendet werden. Beispeile solcher Schaltkreise werden in der US-PS 3 683 212 gezeigt.

Damit das System so arbeitet,wie es beschrieben wurde, ist es notwendig,eine geeignete Beziehung zwischen den Eigenschaften des Materials, daß die Versorgungszone 14 bildet, den Abmessungen

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der Zone 14,dem inneren Durchmesser der Zone 5 und den Eigenschaften der Flüssigkeit 2 zu haben. Wenn eine geeignete Beziehung nicht erreicht wird, wird eine sich in der Flüssigkeit von dem Übertrager 17 sich fortpflanzende Druckwelle zumindest teilweise reflektiert, wenn sie das Eintrittsende 7 der Zone 5 erreicht. Wenn diese reflektierte Welle die Düse 10 erreicht, kann sie das Herausschleudern eines zusätzlichen unerwünschten Tröpfchens bewirken, öder kann die gewünschte . Ejektion eines neuen Tröpfchens stören, das herausgeschleudert werden soll, wenn die Reflexion die Düse erreicht. Wenn die reflektierte Welle

sie
die Düse erreicht, wird⁷ zumindest teilweise zurück in Richtung des Eintritts 7 reflektiert und nachdem Eintreffen bei Eintritt 7 wird die erneut reflektierte Welle wiederum reflektiert, ebenso wie die ursprüngliche Welle von dem Übertrager 17 reflektiert v/urde. In ernsten Fällen einer ungenauen Abstimmung der Versorgungszone 14 mit der Zone 5 finden· eine große Anzahl Reflexionen auf diese Weise statt, bevor die Energie so weit abgenommen hat, daß sie das Herausschleudern eines anderen Tröpfchens, daß durch einen neuen Kommandoimpuls bewirkt wird, stört. Auf diese Weise muß je stärker die Reflexion ist, daß Zeitintervall bevor ein neues Tröpfchen ohne Störung der reflektierenden Wellen herausgeschleudert werden kann, entsprechend langer sein.

geeigneten
Die Auswahl eines/' viskoelastischen Materials und die Abmessungen der Leitungszone 14, um störende Reflexionen am Eintritt 7 des Rohres 5 zu verhindern, kann durch Versuche erreicht werden,wie

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es hiernach durch eine Reihe von Probezonen, die aus verschiedenen Materialien mit einem gewissen Bereich in den Abmessungen für jedes Material, beschrieben wird. Für die Verwendung in solchen Versuchsreihen wird die Anordnung der Figur 1 mit einem zusätzlichen Übertrager 32 versehen, der an der Zone 5 in der Nähe der Düse 10 befestigt ist. Der Übertrager 32 kann mit dem Übertrager 17 identisch sein, ausgenommen, daß er vorzugsweise viel kürzer ist. Ein Folienstreifen 34 wird eingeführt und Enddrähte 35, 37 werden durch leitendes Epoxjrdharz 38, 40 ebenso wie der Streifen 25 * ' · und die Enddrähte 26, 29 durch. „- Epoxydharz 28, 31 ' " .- mit dem Übertrager 17 be- festigt.

Die. Versuche können durchgeführt werden, in dem der Dualübertrager von Figur 1 in einer Versuchsanordnung nach Figur 2 verwendet wird. In Figur 2 ist die Flüssigkeits-Versorgungszone 14" unter Versuchsbedingungen an dem einen Ende erweitert und über das Eintrittsende 7 der Zone 5 die in Figur 1 geschoben. Eine Spritze 41,die mit einer stumpfen Nadel 43 verbunden ist, die für einen guten Sitz in der Zone 14' ausgesucht wurde, dient als Vorratsbehälter. Die Spritze 41 ist mit einer Flüssigkeit 2

. gefüllt, die in dem Tröpfchen-Herausschleudersystem verwendet wire? ; die Flüssigkeit wird durch die Leitung gedrückt, um einen Strom aus der Düse 10 herauszuschleudern, bis die gesamte Luft aus dem System herausgespült ist. Daraufhin wird während des Versuchs kein Druck benötigt, es muß jedoch darauf geachtet werden, daß ein Zurückziehen der Flüssigkeit aus der Düse

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in die Leitungszone 5 vermieden wird.

Ein Oszillator für Sinuswellen variabler Frequenz 44 ist über ein koaxiales Kabel 46 mit den Enddrähten 26, 29 verbunden. Der Oszillator 44 hat vorzugsweise einen kontinuierlichen Frequenzbereich von 1000 Hz bis 50 kHz. Eine wesentliche konstante Ausgangsspannung ist wünschenswert. Ein Niveau von ungefähr 2 Volt ist befriedigend.

Ein Antriebsmotor 47 ist mechanisch mit der Frequenzkontrollanzeige 49 des Oszillators 44 verbunden, um den Oszillator langsam über den gesamten Frequenzbereich zu fahren. Ein Potentiometer 50, das' von einer Gleichstromquelle 52 mit Strom versorgt wird, ist ebenso mit dem Motor 47 verbunden. Der Ausgang des Potentiometers 50 geht auf die X-Achsenanschlüsse 52 eines X-Y Aufzeichnungsgerätes 53. Auf diese Weise wird die Feder 55 des X-Y Aufzeichnungsgerätes 53 quer über das Auszeichnungspapier 56 gefahren, wenn der Oszillator 44 über seinen Frequenzbereich gefahren wird.

Die Spannung der ausgesuchten Frequenz des Oszillators 44 bewirkt, daß der Übertrager 17 und ein Teil der Leitungszone 5, die mit dem Übertrager 17 umgeben ist, abwechselnd" ", den Durchmesser im Gleichtakt mit der Oszillatorspannung . vergrößert oder vermindert. Diese abmessungsmäßigen Änderungen bewirken entsprechende Druckänderungen in der Flüssigkeit 2. Die Amplitude der Druckänderungen ist zu gering, um ein Herausschleudern

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von Tröpfchen aus der Düse 10 zu bewirken. Die Druckänderungen in dem Übertrager 32 benachbart zur Düse 10 spannen den Übertrager jedoch genügend, um eine messbare Wechselspannung zwischen den Ausgängen 35, 37 hervorzurufen, die den Druckänderungen entspricht. Diese Spannung liegt, im Bereich von 1 bis 10 Millivolt, wenn die Leitungszone 14' geeignet der Zone 5 entspricht und ist viel höher, wenn sie nicht geeignet abgestimmt ist.

Das Drucksignal, daß zwischen den Ausgängen 35 und 37 entwickelt wird, wird auf ein elektronisches Wechselstrom-Voltmeter 58 über ein koaxiales Kabel 59 aufgegeben. Das Voltmeter 58 hat

denen
Ausgänge 62 zwischen / ein GleichstromsigneJ. proportional dem Messgerätsausschlag gebildet wird. Die Ausgänge 62 sind mit den X-Achsen-Ausgängen 64 des X-Y Aufzeichnungsgeräts verbunden. Auf diese V/eise zeichnet das X-Y Aufzeichnungsgerät, wenn der Oszillator 44 über seinen Frequenzbereich gefahren wird, ein Diagramm des Drucks hinter der Düse 10 über der Frequenz. Eine Druckeichung des Systems wird nicht benötigt, es ist ,jedoch wünschenswert, eine grobe Eichung der X oder der Bⁿrequenzachse vorzunehmen.

Vorzugsweise ist das Meßgerät 58 ein abgestimmtes Voltmeter mit einer Abstimmanzeige 65, die mit der Oszillatoranzeige 49 in einer Weise verbunden ist, die eine genaue Fehlereingrenzung ermöglicht. Die Verwendung eines abgestimmten Meßgerätes vermindert die Schwierigkeiten, die andererseits mit der Aufnahme des Geräusches und der Streusignale verbunden sein können. Es sind im Handel Instrumente erhältlich, die in einer Einheit

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die Funktionen des Oszillators 44 des für die Fehlerabgrenzung ;abgestimmte Voltmeters 58, des Antriebs 47, des Potentiometer 50 und der Gleichstromversorgung 52 aufweisen. Ein solches Instrument ist das Modell J5O2A eines Wellenanalysators, ausgerüstet mit dem Modell 297A eines Abtastantriebs, hergestellt durch die Hewlett Packard Company. Eins dieser Instrumente wurde in den Versuchen verwende^ die hiernach beschrieben werden.

Im folgenden soll bei der Beschreibung der Versuche sich auf eine besondere Serie von Versuchen bezogen werden, die als Ergebnis die Auswahl des Materials und die Abmessungen der Leitungszone 14 hatten, die später gute Ergebnisse bei der durch Impuls betätigten Tropfchenejektion - ergaben. In Figur 1 sind die ungefähren Spezifikationen und Abmessungen wie folgt:

Leitungszone 5 Kalkglas (limeglas)

Länge 2,5 cm

Innendurchmesser 0,051 cm

Wanddicke 0,01 cm

Übertrager 17 Blei, Zirkonat-Blei, Titan,

Keramik (Lead Zirconate-Lead Titanate Ceramic)

Länge 1,25 cm

Innendurchmesser 0,076 cm

Wanddicke 0,025 cm

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Übertrager 32

Länge

Innendurchmesser Wanddicke

Blei, Zirkonat-Blei, Titan Keramik (Lead Zirconate-Lead Titanate Ceramic) 0,16 cm 0,076 cm 0,025 cm

Düse 10

Öffnungsdurchmesser

0,007 cm

Flüssigkeit 2

destilliertes Wasser

Kopie
Figur 3 ist eine / einer X-Y Aufzeichnung für verschiedene Leitungsproben 14'. Kurve 67 wurde mit einer Leitungszone 14' aus weichem Vinylmaterial erhalten. Der innere Durchmesser betrug 0,063 cm und der äußere Durchmesser 0,16 cm. Die Druckspitze von ungefähr 15 kHz trat auf, weil die Leitungszone 14' einen zu großen inneren Durchmesser hatte und zu weich war, wodurch eine sehr geringe Schallimpedanz geschaffen wurde, welche meistens eine vollständige Reflexion am Eintrittsende 7 der Leitungszone 5 erlaubt. Eins fast vollständige Reflexion fand ebenso an der Düse 10 wegen der sehr hohen Schallimpedanz der Düse statt, die einen fast völlig gesperrten Zustand darstellt. Die 15 kHz Spitze kann daher als eine Viertel-Wellenresonanz in der Leitungszone 5 angesehen werden. Die Spitze von ungefähr 40 kHz kann als eine Dreiviertel-Wellenresonanz betrachtet werden. Das Fehlen einer exakten Übereinstimmung von 3 zu 1, ruht wahrscheinlich auf der Impedanz der Leitung 14', die nicht Null ist

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und der Impedanz der Düse, die nicht unentlich ist.

Kurve 68 in Figur 3 wurde mit einer Leitungszone 14' eines viel steiferen Materials erhalten. Der Innendurchmesser betrug 0,063 cm und der Außendurchmesser 0,18 cm. Die reduzierte Höhe

der Spitze bei 15 kHz und bei 40 kHz zeigt an, daß ein besieh
zeichnender Teil der Energie der/in der Flüssigkeit von dem

Übertrager 17 in Richtung der Leitungszone 14' >

fortpflanzenden Welle_? sich in der Flüssigkeit der Zone 14· _f wie gewünscht _f fortführte.

Kurve 70 in Figur 3 wurde mit einer Leitungszone 14' aus dem gleichen Material mit dem gleichen äußeren Durchmesser wie bei der Kurve 68, jedoch mit einem Innendurchmesser von 0,041 cm, erhalten. Diese Kurve zeigt eine im wesentliche reflektionsfreie Übertragung von der Leitungszone 5 zur Zone 14' und stellt eine zufriedenstellende Auswahl des Materials und der Abmessungen dar. Der leichte Hocker in der Kurve bei ungefähr 23 kHz legt die Vermutung nahe, daß vielleicht ein, ein wenig größerer innerer Durchmesser vorzuziehen wäre, Impulsversuche eines Systems, das jedoch diese Leitungszone verwendete, ergaben im wesentlichen einheitliche Tröpfchenejektion bei Geschwindigkeiten bis zu 10 kHz, wobei dies eine Verbesserung der Größenordnung gegenüber den Ergebnissen, die mit dem Tröpfchensystem US-Patent Nr. 3 683 212 erziehlt wurden, darstellt.

Kurve 71 in Figur 3 wurde mit einer Leitungszone 14' aus dem gleichen Material und dem gleichen äußeren Durchmesser der Kurven 68 und 70 erhalten, jedoch betrug der innere Durchmesser

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0,025 cm. Die geringe Ansprechbarkeit bei 15 kHz und der ausgesprochene Höcker bei 25 kHz zeigen, daß der innere Durchmesser zu klein war.

Eine zusätzliche Versuchsreihe liefert einen nützlichen Hinweis, um die minimale Länge der Leitungszone 14' zu bestimmen. Nachdem ein geeignetes Material und geeignete Durchmesser für die Zone 14'· ausgewählt sind, wie es beispielsweise in Figur 3 gezeigt wurde, wird die ausgewählte Probe in der Hälfte durchgeschnitten und eine neue Kurve gefahren, die mit der Kurve der ursprünglichen Länge verglichen wird. Die gerade getestete Zone wird wiederum in der Hälfte durchgeschnitten und eine neue Kurve wird gefahren und wiederum mit der ursprünglichen Kurve verglichen. Dieses Verfahren wird so oft wiederholt, bis eine neue Kurve erhalten wird, die sich von der ursprünglichen Kurve entscheident unterscheidet. Bei diesem Punkt kann angenommen werden, daß die Länge zu kurz ist und die vorhergegangene Länge kann als die ungefähr minimale Länge angesehen werden.

Die Leitungszone 14', die in den Kurven 68,70 und 71 in Figur 3 gezeigt ist, wurde aus einer wie im folgenden dargestellten Kunststoffmischung hergestellt:

Zutaten und Bezugsquellen Gewichtsteile

Kunstharz-homopolymeres
Vinylchlorid bekannt als
"Geon" 121 Pulver, zu beziehen durch B. F. Goordich
Chemical Co., Cleveland, Ohio 70

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Weichmacher-Diactylphthalat

bekannt als "Good-Rite" GP261

Weichmacher, zu beziehen durch

B. F. Goodrich Chemical Co.,

Cleveland, Ohio ' 30

Stabilisator-bekannt als 6-V-6-A

Stabilisator, zu beziehen durch

Ferro Chemical Division, Ferro

Corp., Bedford, Ohio " 1

Der Weichmacher und der Stabilisator werden dem Kunstharzpuder in einem Becherglas zugegeben und 30 Minuten lang mit der Hand gerührt. Hierdurch wird eine sehr steife Mischung gebildet, die dann in eine Schüttelbirne gegeben und evakuiert wurde und für 24 Stunden darin verblieb.

Die Leitungszone wurde gegossen,in-dem die dicke Mischung in dem Zwischenraum rund um die mit einem weichen Draht vorgespannte und in einem Glasrohr zentrierte Leitungszone eingebracht wurde, und dann bei einer Temperatur von 16O°C etwa 3 Minuten ausgehärtet wurde. Der Draht wurde dann über seine elastische Grenze hinaus gedehnt, um den Durchmesser zu reduzieren und herausgezogen. Das viskoelastische Rohr wurde dann aus dem umgebenden Glasrohr herausgezogen, daß einen Teil der Form bildete.

Zufriedenstellende Impuls tropf chene Sektionen über einen weiten Impulsfrequenzbereich wurden mit einem System erhalten, daß die

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:oben aufgezeigten Parameter hatte und eine. Leitungszone 14' Inach der beschriebenen Mischung aufwies, " einen inneren Durchmesser von 0,041 cm und eine Länge von 10 cm hat. . Dies war das Leitungsstück, daß die Kurve 70 in Figur 3 ergab.

Ähnliche Ergebnisse wurden erhalten, wenn man eine extrudierte Zone eines plastizierten Polyvinylchlorids-Rohres verwendete, daß durch die Norton Company of Akron, Ohio unter dem Handelsnarnen "TYGON" geliefert wird. Der äußere Durchmesser betrug 0,170 crn und der innere Durchmesser 0,041 cm und die Länge war 10 cm. Die "TYGON" Mischung wurde mit der Formel S54-H1 gekennzeichnet.

Vorzugsweise wird die Leitungszone_t 5 aus Glas gebildet, jedoch wurden auch Metall und Plastikzonen erfolgreich verwendet. Vorzugsweise wird die Düse 10 aus einem Stück mit der Leitungszone 5 in einer V/eise ausgebildet, die einen .weichen Übergang gewährleistet, wie in Figur 1 dargestellt. Ein plötzlicher Übergang von dem relativ großen Durchmesser der Leitungszone 5 zu dein schmalen Durchmesser der Öffnung 11 beeinträchtigt nicht eine zufriedenstellende Arbeitsweise der Erfindung.

In der Konstruktion von Figur 1 ist es vorteilhaft, den Übertrager 17 in eine Hülle eines federnden Materials wie zum Beispiel Gummi oder plastiziertes Vinyl einzuschließen. Die Anordnung kann kann an der Vorrichtung, an welcher sie verwendet wird, durch Anklammern an den Überzug befestigt werden. Mit einer solchen Anordnung besteht eine geringe Gefahr Hochspannungen auf die An-

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aufzubringen

Ordnung / und die Schelle hat keinen besonderen Einfluß auf die Impulströpfchen des Durchmessers der Anordnung, ^;wenn Tröpfchen herausgeschleudert werden. Der Überzug kann die Form eines Rohres haben, das so bemessen ist, daß es genau über dem Übertrager paßt oder kann'rund um die Anordnung gegossen werden. Im letzteren Fall kann er sich über das Ende des Übertragers erstrecken,'um ebenso die zum Teil darumgewickelten Ausgangsdrähte 26, 29 und die offenliegenden Teile der Leitungszone 5 einzubetten. Ein anderer Vorteil eines solchen Überzugs ist, daß er eine Dämpfung mechanischer Resonanzen der Anordnung liefert, die auf andere Weise störende Effekte bewirken können.

Es ist nicht notwendig ein zylindrischen piezoelektrischen Übertrager zu verwenden, der die Leitung umgibt, wie in Figur 1 gezeigt ist. Andere Übertragungsprinzipien können verwendet werden, z.B. Elektrostriktion und Magnetostriktion. Weiter können andere geometrische Anmessungen und Methoden verwendet werden, um den Übertrager mit der Flüssigkeit zu verbinden. Beispielsweise ist in Figur 4 und 5 der Übertrager eine piezoelektrische Scheibe, die mit der Flüssigkeit in direktem Kontakt verbunden ist.

In Figur 4, 5 besitzt die piezoelektrische Scheibe 83, vorzugsweise aus Blei, Zirkonat-Blei, Titan, Keramik (lead zirconatelead titanate ceramic) Elektroden 85, 86, an welche Ausgangsdrähte 88, 89 durch Löten oder leitendes Epoxydharz 91, 92 angebracht sind.

Die piezoelektrische Scheibe -.83 ist zwischen Metall oder Plastikdeckscheiben 94, 95 durch O-Ringe 97, 98 eingeklemmt, die in die

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Kerben 100, 101 in die Deckplatten passen. Ausgangsdrähte 80, 89 erstrecken sich durch die Öffnungen 103, 104 in den Deckplatten.

Ebenso zwischen den Deckplatten 94, 95 ist ein Plättchen 106 eines viskoelastischen Materials eingeklemmt. Die Anordnung wird durch Schrauben 99 zusammengehalten, die eine genügende Kompressionskraft auf das Plättchen 106 und die O-Ringe 97, 98 aufbringen, um ein Durchtreten der Flüssigkeit aus dem Durchgang zu verhindern, der gebildet wird, wie es im nächsten Absatz beschrieben wird.

Die Platte 106 hat einen länglichen Ausschnitt 109, der den kreisförmigen Ausschnitt 112 durchschneidet, der die piezoelektrische Scheibe 83 und die O-Ringe 97 und 98 umgibt. Das Röhrchen 107 aus Metall oder Plastik ist an der Deckplatte 95 befestigt und verbindet den Ausschnitt 109 an dem einen Ende. Die Öffnung 110 durch die Deckplatte -94 verbindet den Ausschnitt 109 an dem anderen Ende. Auf diese Weise wird ein Durchgang gebildet, der aus einem Röhrchen 107, einem Ausschnitt 109 besteht, der durch die Deckplatten 94, 95 eingeschlossen ist, einer Öffnung 110 und einem ringförmigen Spalt besteht, der durch den Ausschnitt 112, der Kante der piezoelektrischen Scheibe 83, der O-Ringe 97, 98 und der Deckplatten 94, 95 gebildet wird. Der Durchgang wird an dem einen Ende durch einen Saphir 113 begrenzt, der als Tröpfchenejektionsdüse¹ dient. Das andere Ende des Durchgangs, daß heißt,das offene Ende des Röhrchens 107, kann in ein Flüssigkeits-Vorratsbehälter eingetaucht sein, (nicht gezeigt) oder kann mit einer Flüssigkeit durch ein zusätzliches Verbindungsglied verbunden sein, wie z.B. ein flexibler Schlauch. Die

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ganze Leitung und die Öffnung 115 in der Düse 113 sind mit Flüssigkeit gefüllt.

Um die weitere Beschreibung zu vereinfachen, wird die Zone des oben beschriebenen Durchgangs, der sich von der gestrichelten Linie 118 bis zur Oberseite des Saphirs 113 bei der gestrichelten Linie 116 erstreckt, als Durchgangszone 118-116 bezeichnet. Die Linie 118 zeichnet das Eintrittsende und die Linie 116 das Austrittsende. Die Anordnung,die für die Linie 118 ausgewählt wurde ist nicht kritisch, sollte jedoch vorzugsweise in der Nähe oder am Röhrchen 107 sein. Der innere Querschnitt der verschiedenen Komponenten der Durchgangszone 118-116 sind so ausgewählt, daß die Druckwellen in der Flüssigkeit sich von einem Ende zum anderen Ende der Zone ohne das Auftreten einer bezeichnenden Reflexion innerhalb dieser Zone fortpflanzen,

Die Polarisation der piezoelektrischen Scheibe 83 ist in der Richtung der Dicke. Auf diese Weise wird, wenn eine Spannung geeigneter Polarität mit den Ausgängen 88, 89 verbunden wird, der Durchmesser der Scheibe vergrößert. Wenn die Spannung auf Null reduziert wird,kehrt die Scheibe zu ihrem ursprünglichen Durchmesser zurück.

Die Kante der piezoelektrischen Scheibe 83 bildet die Durchgangszone 118 -116 und ist in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit. Die O-Ringe 97 und 98, die ebenso einen Teil des Durchgangs bilden ,verhindern, daß Flüssigkeit mit den Elektroden 83 und

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in Kontakt kommt. Auf diese Weise wird, wenn eine Spannung einen Impuls mit einer Polarität auf den Übertrager 83 aufgebracht wird, die eine Vergrößung des Durchmessers bewirkt, die den Übertrager umgebende Flüssigkeit momentan zusammengedrückt. Dies bewirkt, daß sich eine Druckwelle in der Flüssigkeit in ■der Durchgangszone 118-116 zu dem Austrittsende 116 fortpflanzt und ein Tröpfchen aus der Düse 113 herausschleudert. Es v/ird ebenso bewirkt, daß sich eine Druckwelle durch die Flüssigkeit in Richtung des Eintrittsendes 118 fortpflanzt. Da die letztere Druckwelle von der Kante der Übertragungsscheibe 83 fortschreitet, bewirkt sie eine elastische Verformung des viskoelastischen Materials der Scheibe 116 längs der Durchgangszone 118, 116, wobei aufeinanderfolgend die Wellenenergie,wie in Verbindung mit Figur 1 beschrieben, absorbiert wird. Nachdem die Welle das Eintrittsende 118 überschritten hat, trifft/ ah einigen Punkten auf eine uneinheitliche Impedanz und wird daher zumindest zu einem Teil reflektiert. Wenn die reflektierte Welle in Richtung der Düse 113 sich fortpflanzt, wird sie weiter abgeschwächt in Folge der Energieabsorbtion der viskoelastischen Wände des Durchgangs. Die Durchgangszone 118-116 ist genügend lang, so daß die reflektierte Wellenenergie zu schwach ist, wenn sie die Düse 113 erreicht, um die Ejektion eines darauffolgenden Tröpfchens zu stören.

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Claims

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Patentansprüche

Impuls-Tröpfchenejektionsystem, _y dadurch gekennzeichnet, daß es einen Vorratsbehälter aufweist; daß Flüssigkeit . sich in dem Vorratsbehälter befindet; daß eine Leitung mit der Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter verbunden ist und mit Flüssigkeit gefüllt ist, daß die Leitung aus einer ersten Zone besteht, die ein Eintritts- und ein Austrittsende aufweist und geeignet ist, Druckwellen in der Flüssigkeit zwischen den Enden im wesentlichen frei von innerer Reflexion fortzuleiten; daß eine Düse das Austrittsende dieser Zone begrenzt und mit Flüssigkeit gefüllt ist; daß ein elektroakustischer Übertrager mit der Flüssigkeit in der Zone verbunden ist und geeignet ist, Druckimpulse auf die Flüssigkeit aufzubringen, wobei eine erste Druckwelle sich in d.er Flüssigkeit zu der Düse fortpflanzt und eine Ejektion- eines Tröpfchens bewirkt, und wobei eine zweite Druckwelle sich in der Flüssigkeit in Richtung des Eintrittsendes der Zone fortpflanzt; und daß energieabsorb.ierende Vorrichtungen mit der Flüssigkeit in dem Durchgang verbunden sind, und geeignet sind,im wesentlichen die gesamte Energie der zweiten Druckwelle zu absorbieren.

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2. Ejektionssystem - nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die energieabsorMerende Vorrichtung aus viskoelastischem Material besteht und zumindest einen Teil der Leitung bildet.
3. Ejektionssystem ι nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager ein piezoelektrischer Übertrager ist.
4. Ejektionssystem- nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungszone zylindrisch ist, und daß der piezoelektrische Übertrager diese Zone umgibt und mit ihr in einem spannungsübertragendem Eingriff gehalten ist.
5. Ejektionssystem<; nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die energieabsorbierende-Vorrichtung aus viskoelastischem Material besteht und zumindest einen Teil der Leitung bildet.
6. Impuls-Tröpf.chenejektionssystem -, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Vorratsbehälter aufweist, daß Flüssigkeit sich in dem Vorratsbehälter befindet, daß eine Leitung mit der Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter verbunden ist und mit Flüssigkeit gefüllt ist, daß die Leitung einen ersten Teil besitzt mit einem Eintritts- und einem Austrittsende und im wesentlichen einheitlichen kreisförmigen Querschnitt zwischen diesen Enden aufweist, daß eine Düse das Austrittsende der ersten Zone begrenzt, daß ein zylindrischer piezoelektrischer Übertrager die erste Zone an zumindest

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einen Teil der Länge umgibt und daran befestigt ist in einem spannungsübertragendem Eingriff, wodurch der Übertrager geeignet ist,die Druckimpulse auf die Flüssigkeit in dieser Zone zu übertragen, daß die Leitung eine zweite Zone aufweist, die im wesentlichen gleichförmigen kreisförmigen Querschnitt über ihre Länge besitzt, die aus einem viskoelastischem Material besteht, die mit der am Eintrittsende der ersten Zone verbunden und einen kleineren inneren Durchmesser als der innere Durchmesser der ersten Zone aufweist, daß die Durchmesser so zueinander in Beziehung stehen, daß sich eine Druckwelle in der Flüssigkeit aus der ersten Zone in die zweite Zone ohne wesentliche Reflexion am Eintrittsende der ersten Zone fortpflanzen kann.

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