(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵源から液体の吹き出し口に液体を流すために、貯蔵源と液体の吹き出し口との間に設けられたダクト装置であって、
連通状態と非連通状態との間で前記液体の流れの状態を繰り返し変えるためのバルブと、
内壁を有し、前記貯蔵源と前記吹き出し口の間で前記液体を連通するための低表面エネルギー材料の小径の管と、
前記内壁に隣接して配置され、前記非連通状態において生成される残留液体の平均サイズ以下のピッチを有するばねの形状を有し、かつ前記貯蔵源から前記吹き出し口に至るまで実質的に前記管の内部に延在する高表面エネルギーの部材と、を有し、
前記非連通状態において、前記液体の流れが停止されると、前記液体が前記ダクト装置内に閉じ込められかつ空隙によって区切られて、流れに対する抵抗力の上昇を生じさせる残留液体を生成し、次に続く前記連通状態においては、前記高表面エネルギーの部材が、前記液体の流れを再開するために必要な圧力水頭を軽減して前記液体の流れの回復を容易にするように作用する
ことを特徴とするダクト装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高表面エネルギー材料を含むことにより、流体の流れを増強するダクト及びダクト装置に係り、特に熱インクジェット印刷装置の管材料を介してインクの流れを増強するダクト及びダクト装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
熱インクジェット印刷装置では、インク供給貯蔵槽と印刷ヘッドの間でのインクの流れを開閉する必要がある。代表的なインク供給システムでは、インクの流れが遮断すると、空隙によって区切られたインクの残留分が、貯蔵槽と印刷ヘッドの間でインクを連通するダクト又は供給管内に形成される。これらの残留インクが、インクの流れの再開を妨げる。これはダクトの内壁と残留インクに作用する濡れ力と表面張力に因るものである。
【０００３】
問題への解決策として、インク貯蔵槽に圧力をかける方法が可能である。しかしながら、これは追加のコストと複雑さを伴うものである。
付着する力、すなわち、管壁の濡れは管の壁を低表面エネルギー材料、例えば、ＲＡＩＮ−Ｘで塗装し、低減させることもできる。しかしながら、濡れ力は表面張力に比べ小さいので、そのような解決策は完全でなく、また、大いなる成果を産み出さない。
【０００４】
別の選択としては、濡れ力を最小限にするために、管の壁をできる限り滑らかにする方法がある。この選択は時間を要し、高価であって、しかも実質的には力を低減しない。
従って、ダクト内の流体の流れを再開させるために、簡単で安価な装置が必要とされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、貯蔵槽と吹き出し口の間の流体を連通するダクトに、ダクト内に閉じ込められた流体の残留分とダクトの特性によってダクト内に生じる表面張力と濡れ力に容易に打ち勝ち、流体の流れを再開させる能力を有する単純でかつ安価なダクト及びダクト装置を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、低表面エネルギー材料より形成されるダクトに、例えば、ばねの形等の高表面エネルギー材料を導入することにある。高表面エネルギー材料はダクトより濡れ易く、流体の残留分に作用する力にすぐに打ち勝ち、貯蔵槽の開口近くのダクトを通して流体の流れの再開を可能にする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のダクト装置は、貯蔵源から液体の吹き出し口に液体を流すために、貯蔵源と液体の吹き出し口との間に設けられたダクト装置であって、連通状態と非連通状態との間で前記液体の流れの状態を繰り返し変えるためのバルブと、内壁を有し、前記貯蔵源と前記吹き出し口の間で前記液体を連通するための低表面エネルギー材料の小径の管と、前記内壁に隣接して配置され、前記非連通状態において生成される残留液体の平均サイズ以下のピッチを有するばねの形状を有し、かつ前記貯蔵源から前記吹き出し口に至るまで実質的に前記管の内部に延在する高表面エネルギーの部材と、を有し、前記非連通状態において、前記液体の流れが停止されると、前記液体が前記ダクト装置内に閉じ込められかつ空隙によって区切られて、流れに対する抵抗力の上昇を生じさせる残留液体を生成し、次に続く前記連通状態においては、前記高表面エネルギーの部材が、前記液体の流れを再開するために必要な圧力水頭を軽減して前記液体の流れの回復を容易にするように作用することを特徴とする。
【０００９】
【作用】
本発明は上記目的を達成し、流体の流れを回復させる。本発明は、流体の残留分が供給側と吹き出し口側の間のダクトに残る場合にはいかなる場合にでも利用することができる。一般に、オイル又はインク等のように流体が高い粘性を有し、かつダクトが、低表面エネルギー材料により形成されるときがこのような場合に相当する。熱インクジェット印刷装置に関する好適な用途例でインク貯蔵槽と印刷ヘッドの間に位置するインク供給管が一般にインクの残留分で充填され、流れの回復を妨げるとき、本発明はこれらの間のインク流体の流れを回復または修復する（図１参照）。使用中のポリエチレン管の場合、低表面エネルギーを有する管のダクト内にインクの残留分が形成されると、その後、流れが開始しないということが経験的に示されている。インクの流れが開始するには残留インクにかかる圧力水頭Ｈがインクの流れに対する全ての抵抗力に打ち勝つ必要がある。この抵抗力は、表面張力と濡れ力を含む。本発明は、管内に挿入され内包される、好適にはばねの形状をした高表面エネルギーの材料を提供する。高表面エネルギー材料が内部に装着されることにより、インクによって濡らされ易くし、これにより、ダクトを通しての流体の開放が開始されると、実質的に同時にインクの流れに対する抵抗力に打ち勝つことができる。
【００１０】
【実施例】
好適な実施例で例示されるように、本発明は、インク印刷システム１０のインク流体の流れの再開を可能にする。インク印刷システム１０は、インク供給貯蔵槽２０、印刷ヘッド３０、貯蔵槽２０及び印刷ヘッド３０の間の流体の連通を可能にする管４０を有する。貯蔵槽２０に貯蔵されるインク５０は、管４０を介して印刷ヘッド３０に供給される。通常、バルブ６０は、印刷ヘッド３０へのインク５０の供給を遮断するために、貯蔵槽２０の近くに配置される。バルブ６０を閉じることによりその供給が遮断されるとインク７０の残留分が、管４０に残り、空隙８０によってインクの残留分が分離される。
【００１１】
図２には、インクの流れがＡで示されており、管４０内にインク７０の残留分が詰まった場合を考える。インクの流れが再開するには、スラグにかかる圧力水頭Ｈがインクの流れに対する全抵抗力に打ち勝つ必要がある。つまり圧力水頭Ｈ（図１）は表面張力と濡れ力に打ち勝たなければならない。
インクの残留分がＡ方向に流れ始めると表面張力が二倍になり（図２）、力のつり合いは、以下の式を満たすことを要する。
【００１２】
ＰcrπＲ2 ≧４πＲＹｃｏｓθ  ＋  ＦW Ｌ
ここで、Ｐcr＝必要な最小（臨界である）圧力、
Ｒ＝管の半径、
Ｙ＝インクの表面張力、
θ＝インクと管壁の間で接触角、
ＦW ＝インクと壁の間の単位長についての濡れ（接着）力、
Ｌ＝インクの残留分の長さである。
【００１３】
管の長さに依存して、図３で示されるように管にいくつかのインク残留分が存在するであろう。残留インクを追い出すのに必要な圧力水頭は、残留インクの数に比例して増加する。これは次のように説明することができる。残留インク番号１の圧力降下をｐ−ｐ1 、残留インク番号２の圧力降下をｐ1 −ｐ2 とする。示されるように、ｐ＝供給圧力でｐA ＝大気圧である。
【００１４】
Ｎ個の残留インク間空隙に対し、
ｐ−ｐ1 ＝ＦY1 +ＦW Ｌ1 
ｐ1 −ｐ2 ＝ＦY2 +ＦW Ｌ2 
…
ｐj-1 −ｐj ＝ＦYj +ＦW Ｌj 
…
ｐN-1 −ｐA ＝ＦYN +ＦW ＬN 
ここで、ＦYj とＦw は残留インク番号 jに作用する等価の表面張力と単位長さについての濡れ圧力による力をそれぞれの示す（ｊ＝１，２．．．Ｎ）。
【００１５】
力を合計すると、
0003679136.tif 000002
管壁とインクの間の濡れと摩擦と付着の力は以下のように表現される。
【００１６】
Ｆw＝ (６４／Ｒｅ） [ρＶ2／２ｇ]ここで、Ｒｅ＝レイノルズ数、Ｖ＝流速、ρ＝インクの質量密度である。
例１
内径３／３２インチ（＝２.３８×１０-3［ｍ］）を有するポリエチレンのインク供給管は２０から４０［ｄｙｎｅ・ｃｍ］（＝２．０×１０-6〜４．０×１０-6［Ｎ・ｍ］）の間の表面エネルギーを有する。使用されたインクの表面張力（Ｙ）は、７２．８［ｄｙｎｅ／ｃｍ］、すなわち７２．８×１０-3［Ｎ／ｍ］であった。インクの関連特性に水が非常に近いので、実験の際、水を貯蔵槽で使用した。１インチの水圧は２４９．１［Ｎ／ｍ2］ に等しい。完全な濡れの場合、
【００１７】
【数１】
θ＝０  そして  Ｆｗ＜＜Ｙ，Ｐcr≒（４Ｙ）／Ｒ
となる。管の中の残留インクが１つだけの場合、必要とされる圧力水頭Ｈと管の直径Ｄの間の関係は
0003679136.tif 000003
ここでＨは水の高さに等しい。
【００１８】
各々が空隙８０によってを仕切られた１０個の残留インク７０が、管４０内に存在する場合について実験を行なった。流れが管を通して得られるまで、水の高さＨを増加させた。流れはＨ =１０インチ（２．５４×１０-1［ｍ］）で得られた。Ｄ＝３／３２インチ =２．３８［ｍｍ］（＝２．３８×１０-3［ｍ］）のこの特定の場合を分析的に解くと, 流れに要するＨは、
0003679136.tif 000004
となる。
【００１９】
これは実験の値に実質的には等しく、実験的に得られた結果を裏付ける。
例２
この例で管４０は、８から１０個の残留インク７０を有していた。貯蔵槽の中の水の高さは、Ｈ＝２インチ（＝５．０８×１０-2［ｍ］）であった。管４０への貯蔵槽２０からの流れは、バルブ６０を開くことにより開始された。貫通する流れは得られなかった。例１では管に含まれた残留インクと実質的に同じ数に対して１０インチ（＝２．５４×１０-1［ｍ］）のＨを必要としたので、このことは予想されることであった。
【００２０】
図４に示すように、流れはバルブ６０を閉じることにより遮断され、ワイヤー直径０．０１８インチ（＝４．５７×１０-4［ｍ］）、ばね直径０．１０９インチ（＝２．７７×１０-3［ｍ］）、インチあたり約６回のピッチを有するステンレス鋼ばね９０が、管４０に挿入された。再びバルブ６０を開いた。この場合には、管４０を通してすぐに流れが得られた。水溶インク組織は、表面張力を低下させる添加物を有する、すなわち、表面張力は、決して７２．８［ｄｙｎｅ／ｃｍ］（＝７．２８×１０-2［Ｎ／ｍ］）を上回らない。水溶インク処方での場合には打ち勝つべき力が小さいので本発明はさらに都合よい。
【００２１】
このことは管内の高表面エネルギー材料の使用がインクの流れを向上させ、現状のインク流れの問題を解決することを明確に示している。このほかにも多くの代替の実施例が考えられる。高表面エネルギー材料はばね形状をしている必要がなく、他の多くの形状をとることができる。たとえば材料は、高表面エネルギー材料を有する通常の同心円の内管でもよい。流速が渦の離脱を引き起こすために十分高い場合、これは好適な幾何学配置である。
【００２２】
他の幾何学配置、例えば、翼形が層流をもたらし、境界層はがれを防止することは流体の流れ現象の技術に熟練した者にとっては明らかであろう。ばね９０は、多くの代替の材料から構成することができる。主な選択基準は、ばねが、管又はダクトの欠点に打ち勝つために、十分に高い表面エネルギーを有する材料により構成される必要があることである。すなわち、流体と管壁の間の表面張力と濡れ力より流体とばねの間の表面張力と濡れ力の方が大きくなるように構成することである。
【００２３】
高表面エネルギー材料であることに加えて、ばねの材料は、インク組成の成分による腐食に抗することができる必要がある。ステンレス鋼はかなりよくこの条件を満足するが、他の材料でも、同様な条件を満足することができるであろう。特定の寸法について記述したが、一般にばねは管４０内に挿入可能であればいかなる大きさのものでもよい。また、ピッチは実質的に管４０内の残留インク７０の平均サイズ以下であることが好ましい。ばねワイヤー直径は、ピッチの寸法ほど重要ではない。しかし、ばねワイヤーの直径はばねの挿入後の管に望ましい可撓性、又は重さの条件等の、他の基準によっても影響される。
【００２４】
最適な寸法は、実験によって決定すべきである。最適なばね寸法を選択するための１つの判定基準は、その境界層はがれと渦の離脱を最小限にすることであり、更に他の判定基準としては、空隙を壊すことを可能にするばねのピッチである。
この例で、ばねは、現状の欠陥を軽減する既存のシステムへの安価な付加物である。本発明は、既存のダクトを高価なダクトに取り替えることを必要としないという長所を有する。本発明は、ポンプまたは加圧装置を必要としない十分に低い圧力水頭Ｈによるシステムに帰着される。これにより、小さい貯蔵槽（深さが小さいもの）の使用が可能になり、または貯蔵槽の流体量が少なくても信頼性の高い供給を提供できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は上記構成にしたので、ダクト内に閉じ込められた流体の残留分とダクトの特性によってダクト内に生じる表面張力と濡れ力に容易に打ち勝ち、流体の流れを再開させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は貯蔵槽と印刷ヘッドの間にインクを連通する管と代表的インク供給貯蔵槽の代表を示す。
【図２】Ａはインクの残留分を内包する管の断面とインクスラグが移動する前にその中に作用する力の代表例を示す。Ｂはインクの残留分を内包する管の断面とインクが移動し始めた後にその中に作用する力の代表例を示す。
【図３】図３は図１の管の相当距離を示す断面図であり、その中に包含された空隙と圧力によっていくつかの残留インクに区切られた状態を示す。
【図４】図４は貯蔵槽と印刷ヘッドとの間にインクを連通する代表的インク供給貯蔵槽と管の代表例を示すものであり、本発明の実施例によれば、印刷ヘッドは管を介する流体の流れを向上させるために管内に新たな高表面エネルギー材料を含むものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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