СПОСОБ ЗАПРАВКИ КАРТРИДЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CARTRIDGE FILLING AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к способам заправки картриджей принтеров, копировальной техники, к производству устройств организационной техники и может быть использовано для заправки картриджей принтеров тонером.
3
3
Для заправки картриджей лазерных принтеров используется тонер - специальное вещество, которое представляет собой тонкодисперсный порошок из смеси мельчайших частиц железа и носителя краски - измельченной пластмассы, окрашенной в необходимые цвета, например в черный для черно-белых принтеров. Соотношение смеси частиц пластмассы и железа составляет от 2:1 (для тонера HPLJ 9000) до 20:1 (для тонера SHARP 1116/1016). Размер частиц тонера составляет 3-5 микрон и предопределяет особые свойства тонера - его особую летучесть. Его естественная плотность при хранении составляет 0,7-0,8 г/см, а при его засыпке - 0,55-0,65 г/см в зависимости от вида тонера, его дисперсности и вязкости. Высокая дисперсность тонера и его летучесть делают его непохожим на другие измельченные твердые сыпучие продукты, такие как мука, цемент, алюминиевый порошок и др., и создают определенные трудности при заполнении им емкостей, в частности при заправке им картриджей. Тонер не ссыпается в предназначенную для него емкость, а распыляется в воздухе, поднимаясь вверх в виде облачка.
3
Общеизвестен способ заправки картриджа тонером, который заключается в засыпке его в полость картриджа через небольшое его отверстие порядка двух сантиметров в диаметре через воронку из тубы, содержащей тонер, путем легкого потряхивания тубы для выхода из нее порошка небольшими порциями в воронку (см. сайты www.start-copy.ru, www.repair-printer.ru, www.hpservice.narod.ru.). Тубы имеют различную емкость, из них разовые - 220 см, и различный вес заполнения в 120-360 грамм.
Ввиду особой летучести тонера существует целый ряд проблем заправки картриджей.
При засыпке тонера в картридж за счет подвижки тонера и частичного смешивания его с воздухом его естественная плотность уменьшается, он делается еще более летучим.
При заправке картриджей за счет своей летучести тонер распыляется по всему помещению, где производят заправку. Он легко попадает в легкие человека, производящего заправку картриджа, и оседает там, со временем вызывая тяжелые заболевания. Действие тонера на организм человека хуже, чем дым от курения сигарет. Эффективной защиты от тонера не существует, т.к. его частицы слишком мелкие и проникают в организм человека через любые маски, фильтры и другие защитные приспособления. Заправщику требуются специальная одежда, перчатки, маски, фильтры разового применения, т.е. большое количество расходных материалов, что повышает стоимость заправки.
Распыляясь по всему помещению, тонер загрязняет его, оседая на поверхностях оргтехники, оборудования, и постоянная вентиляция и влажная уборка помещения мало помогают.
Заправка летучего тонера осуществляется в небольшие емкости, как правило, со средним размером 4 см × 4 см × 20 см, через маленькие отверстия диаметром 2 см, медленно, легким потряхиванием, чтобы воздух из маленькой емкости бункера картриджа успел выйти из него, иначе он будет выталкивать тонер наружу, дополнительно загрязняя все вокруг. Медленная заправка картриджа, которая составляет в среднем 2-4 минуты и выше, действует отрицательно на психику заправщика, что может нарушить требуемый режим заправки, дополнительно замедляя процесс заправки и дополнительно загрязняя окружающую среду.
Все вышесказанное обусловливает высокую текучесть кадров среди заправщиков, несмотря на оплату их труда выше средней.
Дополнительно имеют место большие потери тонера высокой стоимости, что ведет к финансовым потерям организации, осуществляющей заправку картриджей.
Задачей изобретения является уменьшение летучести тонера в момент его заправки и, как следствие, уменьшение вредного влияния тонера на организм заправщика, уменьшение загрязнения помещения, потерь тонера при заправке, уменьшения потребления расходных материалов, ускорение самого процесса заправки.
3
Эта задача решается в способе заправки картриджа тонером путем его ссыпания из емкости через отверстие в полость картриджа, при котором непосредственно перед его осыпанием в полость картриджа или в момент его ссыпания (в момент заправки) повышают плотность тонера до определенной его кондиции, а именно до величины 0,8-0,9 г/см в зависимости от вида тонера.
3
3
При достижении указанной конечной плотности тонер может ссыпаться в полость картриджа без особых проблем, как обыкновенный сыпучий продукт, не вызывая вышеописанных проблем. Впоследствии, оказавшись в полости картриджа, тонер переходит в свое первоначальное состояние и используется как обычно в принтере для нанесения изображения на бумагу. При достижении тонером более высокой плотности, чем 0,8-0,9 г/см, например плотности 0,98-1,05 г/см, происходит «спекание» его частичек между собой и тонер переходит в необратимое твердое состояние, поэтому важно при повышении плотности тонера не превысить указанную величину. Уплотнение тонера может быть осуществлено известными способами, например механическим прессованием или пневматическим воздействием давления.
1
2
1
2
3
Задача решается также за счет конструкции устройства для заправки картриджей тонером, которое последовательно содержит бункер для хранения тонера, установленный вертикально в верхней части устройства, камеру для подачи тонера, камеру уплотнения тонера, снабженную входным отверстием для соединения с выходом камеры подачи тонера, выходным отверстием для соединения с отверстием в полости картриджа, установленной вертикально. Бункер для хранения тонера может представлять собой большую емкость, куда засыпается сразу большое количество тонера не из маленьких, разовых туб по 120-360 грамм, а из больших мешков по 10 или 20 кг. Бункер снизу снабжен отверстием для попадания тонера из бункера в камеру для его подачи за счет собственного веса тонера. Камера для подачи тонера в камеру его уплотнения снабжена механизмом для подачи тонера, который может быть выполнен в виде червячного шнека, связанного с двигателем. Камера уплотнения тонера выполнена с площадью входного отверстия S, площадью выходного отверстия S, длиной, т.е. расстоянием между отверстиями S и S, равным L, причем площади указанных отверстий и расстояние между ними выбраны из условия достижения необходимой плотности тонера 0,8-0,9 г/см на выходе камеры уплотнения тонера, перед засыпкой его в картридж и/или при засыпке, определенной следующим соотношением:
2
1
1
1
2
L
L
Р=Р×Х=Р×[К/(S×S)],
2
где Р - плотность тонера на выходе камеры уплотнения тонера;
1
Р - плотность тонера на входе камеры уплотнения тонера;
Х - коэффициент уплотнения тонера;
1
S - площадь проходного сечения на входе камеры уплотнения тонера - площадь входного отверстия камеры уплотнения тонера;
2
S - площадь проходного сечения на выходе камеры уплотнения тонера - площадь выходного отверстия камеры уплотнения тонера;
1
2
L - расстояние между отверстиями S и S, т.е. длина камеры уплотнения тонера;
К - коэффициент, некоторая величина, определяется эмпирически и зависит от вида тонера, его первоначальной плотности, соотношения содержания в тонере частичек пластмассы и железа, ориентации камеры уплотнения относительно линии горизонта; диапазон значений К определен эмпирически и при горизонтальной ориентации камеры уплотнения составляет 12-35; для тонера HPLJ 9000 К=35, для тонера SHARP 1116/1016 К=12. При установке камеры уплотнения с наклоном относительно линии горизонта необходимо учитывать дополнительные силы воздействия на тонер, такие как скатывающая сила, определяемая силой тяжести.
1
2
При этом расстояние L между отверстиями S и S связано с мощностью используемого двигателя для подачи тонера в процессе его уплотнения следующим соотношением:
F=N×T/L,
где F - приложенная сила для совершения работы по перемещению тонера на расстояние L;
N - мощность двигателя подачи;
Т - время совершения работы по перемещению тонера на расстояние L.
Мощность N двигателя подачи и приложенная сила F находятся в зависимости друг от друга и зависят от метода уплотнения тонера - пневматического, механического. Заправщик - мастер по заправке тонера сам может подбирать это соотношение опытным путем, увеличивая или уменьшая мощность и тем самым силу подачи тонера в камеру его уплотнения исходя из определенной, конструктивно заданной длины камеры уплотнения.
1
2
3
3
3
Плотность тонера Р на входе камеры уплотнения в зависимости от типа тонера лежит в диапазоне 0,7-0,8 г/см; плотность тонера Р на выходе камеры уплотнения в зависимости от типа тонера должна быть в диапазоне 0,8-0,9 г/см; при большей плотности в 0,98-1,05 г/см происходит образование больших комочков, которые уже никогда не смогут стать летучими и использоваться в картриджах, т.е. тонер будет испорчен без возможности его восстановления.
2
2
Площадь проходного сечения S на выходе камеры уплотнения определена площадью отверстия полости картриджа для тонера и практически равна около трех квадратных сантиметров. Размер S, больший площади отверстия полости картриджа, выбирать нецелесообразно.
1
2
2
1
2
1
Имея заданную конструктивную величину длины L камеры уплотнения, определенную мощность N двигателя подачи, исходные значения входной P и выходной P плотности тонера, площадь проходного сечения S на выходе камеры уплотнения, пользуясь вышеприведенными соотношениями, можно определить необходимую величину S площади проходного сечения на входе камеры уплотнения и осуществлять регулирование выходной плотности P тонера на выходе камеры уплотнения в достаточно широких пределах путем изменения площади S проходного сечения на входе камеры уплотнения для последующего беспроблемного ссыпания тонера в полость картриджа.
На чертеже представлен вид устройства для заправки картриджей.
Устройство содержит бункер 1 для хранения тонера 2, камеру 3 подачи тонера, камеру 4 уплотнения тонера, которая присоединена к внутренней полости 5 картриджа, показанной условно. Бункер 1 хранения тонера 2 снизу снабжен выходным отверстием 6 для ссыпания тонера 2 под его собственным весом в камеру 3 подачи тонера через ее входное отверстие, расположенное в ее верхней боковой поверхности и сопряженное с выходным отверстием 6 бункера 1. Бункер 1 может быть выполнен конусообразным или пирамидальным с меньшим основанием снизу для облегчения ссыпания тонера из него в емкость камеры 3 подачи тонера и ориентирован предпочтительно вертикально. Форма камер 3, 4 может быть разной: конусной, цилиндрической пирамидальной, призматической. Камера 3 подачи тонера в своей внутренней полости снабжена червячным шнеком 7, связанным с двигателем (не показано). Камера 3 подачи тонера снабжена выходным отверстием, сопряженным с входным отверстием 8 камеры 4 уплотнения тонера. Выходное отверстие 9 камеры 4 уплотнения тонера соединяется с входным отверстием внутренней полости 5 картриджа. Внутренняя полость 5 картриджа расположена снизу камеры 4 уплотнения тонера и ориентирована вертикально. Камера 4 уплотнения тонера имеет определенные геометрические размеры своих проходных сечений входного и выходного отверстий 8 и 9 соответственно S1 и 82, а также длину L между указанными отверстиями. Геометрические размеры камеры 4 уплотнения тонера определены по формуле:
2
1
1
1
2
L
L
Р=Р×Х=Р×[К/(S×S)],
2
где Р - требуемая плотность тонера на выходе камеры уплотнения;
1
Р - плотность тонера на входе камеры уплотнения;
Х - коэффициент уплотнения тонера;
1
2
L - расстояние между отверстиями S и S - длина камеры уплотнения;
1
S - площадь проходного сечения на входе камеры уплотнения;
2
S - площадь проходного сечения на выходе камеры уплотнения;
К=12-35; для используемого тонера XEROX 3030/3050/3060 и при горизонтальной ориентации камеры уплотнения К=23.
3
3
3
2
2
1
Геометрические размеры камеры 4 уплотнения тонера зависят от выбранной мощности двигателя, от типа используемого тонера и его плотности, а также необходимой плотности тонера на выходе камеры 4 уплотнения тонера. В одном из вариантов при используемом типе тонера XEROX 3030/3050/3060, соотношении количественного содержания пластмассы и железа 12:1, величине входной плотности тонера на входе камеры 4 уплотнения тонера 0,6 г/см в момент его ссыпания из бункера 1 в камеру 3 подачи тонера необходимо обеспечить выходную плотность тонера на выходе камеры 4 уплотнения тонера 0,8202 г/см - 0,8995 г/см для обеспечения его ссыпания в картридж без распыления. Площадь проходного сечения S2 выходного отверстия камеры 4 уплотнения тонера составляет 3,14 см и определяется входным сечением полости 5 картриджа. При горизонтальном расположении камеры 4 уплотнения тонера, коэффициенте К=23 и ее длине L=3 см, мощности используемого двигателя 450 Вт, скорости вращения шнека 150 об/мин площадь проходного сечения S входного отверстия 8 камеры 4 уплотнения тонера составляет 6,4-6,6 см.
2
3
В других вариантах устройства при тех же исходных значениях составляющих формулы плотности площадь S1 входного отверстия камеры 4 уплотнения составляет 6,8-7,0 см, на выходе плотность тонера будет 0,6875-0,7499 г/см, но такой плотности недостаточно для беспроблемной заправки, так как летучесть тонера в этом случае достаточно высока.
1
2
3
При площади S входного отверстия камеры 4 уплотнения в 6,0-6,2 см на выходе плотность тонера будет составлять 0,9894-1,0917 г/см, и при такой плотности тонер «спекается», восстановлению не подлежит и работать в принтере не сможет.
В других вариантах использования других типов тонеров получены следующие результаты.
3
2
2
3
2
1
2
Для тонера HPLJ 9000 с соотношением пластмассы и железа 2:1 К=35; при входной насыпной плотности 0,6 г/см, площади выходного отверстия 9 S=3,14 см, L=1 см, площади входного отверстия 8 S=7,6-8,2 см выходная плотность Р составит 0,8156-0,88 г/см, и этого значения плотности достаточно для беспроблемного ссыпания порошка тонера в полость картриджа.
3
2
2
3
2
1
2
Для тонера SHARP 1116/1016 с соотношением пластмассы и железа 20:1 К=12; при входной насыпной плотности 0,6 г/см, площади выходного отверстия 9 S=3,14 см, L=2 см, площади входного отверстия 8 S=3,2 см выходная плотность Р составит 0,8558 г/см, что также достаточно для беспроблемного ссыпания порошка тонера в полость картриджа.
Все соединения элементов сварной конструкции устройства выполнены герметично. В контексте данного изобретения под насыпной плотностью тонера на входе понимается плотность тонера в момент засыпки его в бункер 1 или в момент его подачи из бункера 1 в камеру подачи 3.
Способ осуществляется и устройство работает следующим образом.
3
3
3
3
1
2
В бункер 1 большого размера для хранения тонера из большой емкости, например мешка, с предосторожностями ссыпается тонер 2 марки XEROX 3030/3050/3060, где последний хранится достаточно долгое время до полного его расхода. При необходимости до окончательного расхода тонера в бункер 1 можно добавлять ту же разновидность тонера. При засыпке тонера в бункер 1 при своей первоначальной плотности в 0,7-0,8 г/см он, смешиваясь с воздухом, приобретает плотность 0,55-0,65 г/см и при открытой заслонке 6 в таком состоянии попадает в камеру 3 подачи тонера. В течение некоторого времени тонер приобретает свою первоначальную плотность. При необходимости заправки очередного картриджа 5 тонером 2 открывается заслонка отверстия 6 и тонер начинает ссыпаться в камеру 3 подачи тонера. Включается двигатель, который начинает вращение шнека 7 в камере 3 подачи тонера и продвижение тонера 2 к входному отверстию 8 камеры 4 уплотнения тонера. Ввиду постоянной подачи тонера из камеры 3 в камеру 4, ограниченного объема камеры 4 уплотнения тонера и заданных проходных сечениях S и S входного и выходного отверстий 8 и 9 камеры 4 уплотнения тонера последний начинает скапливаться в камере 4 уплотнения тонера на ее выходе и за счет сил трения, его вязкости, действия силы тяжести начинает уплотняться до заданной плотности 0,8202-0,8995 г/см на этом выходе. Скопившись в камере 4 уплотнения тонера и достигнув указанной плотности, тонер теряет свою летучесть и начинает просто ссыпаться во внутреннюю полость 5 заправляемого картриджа, как любой измельченный сыпучий продукт, не требуя мелкого потряхивания и медленного введения во внутреннюю полость 5 заправляемого картриджа. При этом легко осуществляется дозировка тонера путем закрывания проходного сечения отверстия 8 и выключения двигателя. Воздух внутри полости картриджа не выталкивает засыпаемый тонер и его распыления не происходит. Все происходит в изолированном пространстве устройства заправки, тонер не пылит, ссыпаясь в полость 5 картриджа, скорость заправки тонера составляет 20-60 секунд. Попав в полость 5 картриджа, тонер приобретает свою первоначальную плотность 0,7-0,8 г/см и может быть использован в принтере по своему прямому назначению. Ввиду большой емкости бункера 1 заправлять его надо редко, что снижает стоимость покупаемого тонера в больших контейнерах. От заправщика, обслуживающего устройство и осуществляющего заправку картриджей, не требуется высокой квалификации, тонер идет только на заправку и его количество не расходуется больше, чем это требует картридж. Не требуется спецодежды, не загрязняется помещение и здоровью обслуживающего персонала ничего не угрожает. Резко сокращается время заправки от 2-4 минут до 40-60 секунд.