专利名称：泡沫塑料和自由墨水存储组合的高容积效率打印机供墨的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种供墨容器，该容器将以泡沫塑料为载体的和自由的墨水存储器以一种方式组合，能提供高的容积效率并防止墨水泄漏。
可以替换的墨水供应源是喷墨式打印机的重要部件。墨盒向打印头提供墨水，打印头载带在打印机的所谓“笔”中。打印头通常包括多个小孔，每个小孔有一相关的小室。墨水从墨盒通向该小室。在打印头操作期间，从小室通过小孔喷射出墨滴到打印介质如纸上。
在加热式打印头中，墨滴的喷射是由于被一定热量快速加热小室中的墨水而产生的，该一定热量足以蒸发一部分墨水。结果产生的小室中蒸汽气泡的快速膨胀，迫使一个相应尺寸的墨滴从小室喷出。
某些打印机设计使墨盒与打印头分开，将该打印头通常安装在一个小车上，使小车沿纸的宽度往复移动，纸则穿过打印机前进。墨盒留在打印机中，和一细长管或其它机构将墨盒连接到打印头上。
虽然该打印头是用于喷射墨滴的可靠而有效的机构，但是它没有机构用于当打印头不工作时防止墨水通过小孔自由流出。结果，供给到打印头上的墨水通常是在微小的减压或背压下提供的。该背压大到足以防止墨水从笔中自由流出，但还没有大到阻止开动的打印头排出墨水。该背压范围将称作打印头的工作范围。如本文所用，正的背压指打印头(或墨盒)内小于环境压力的压力。因此，背压的增大意味着环境压力和相对较低的背压之差的增大。
尽管环境温度和压力可能发生严重变化，例如当打印机在装运等期间遭受高度变化时，但打印头处的背压必须维持在相当穿的工作范围内(以防止泄漏不致于使打印头失效)。例如，大的环境压力降可能克服打印头中的背压并使墨水泄漏或从打印头“下垂”。因此，提供了具有补偿此种变化的机构的打印机。设计了一类可以称作储存器的机构，它们膨胀和收缩或以其它方式补偿由于环境压力变化而产生的笔内部的压力或体积变化。
储存器机构有时补充有“气泡发生器”。气泡发生器是在墨盒水池中形成的小孔或管件，在一定条件下允许水池内部和环境大气之间产生流体连通。气泡发生器的孔口尺寸做成其具有的毛细管或毛细管压力足以将一定量的墨水保持在该孔中作为液体密封。孔的几何尺寸做成这样，使得当背压达到打印头的工作范围限度时，该背压能克服气泡发生器的毛细管压力而打破液体密封。然后环境空气“吹气泡”到水池中，将背压减小到一个可以接受的水平。最好是，当背压如此减小时，墨水从水池重新进入小孔以重新建立液体密封。
在墨盒中曾使用开口网格的泡沫塑料作为墨盒中存储介质。泡沫塑料中的毛细管压力为墨盒提供产生背压的简单机构。在这方面，毛细管压力是由毛细管构件如网状泡沫塑料中的连接网格对其接触的液体如墨水所施加的压力。例如，具有7厘米水柱的毛细管压力的泡沫塑料会将墨水存储在其网格中，直到其上施加一个大于该压力的抽吸作用为止。
墨盒的容积效率通常指可以从墨盒水池输送的墨水量除以水池体积。当整个墨盒都以泡沫塑料形式存储时，墨盒的容积效率受损，因为整个墨盒中都存在泡沫塑料。泡沫塑料固体部分所占据的体积否则可以用于存储墨水。对于给定尺寸的墨盒，希望有高的容积效率，以便能够将尽可能多的墨水输送给打印头(从而给纸)。
全泡沫塑料型墨盒的另一缺点是，墨盒中可利用墨水的高度并不像由高度可辨别的自由墨水组成的墨盒那么容易辨认。
含有自由墨水(即不采用多孔隙吸收体材料如上述泡沫塑料)的墨盒提供高的容积效率及检测墨水高度用的自由墨水表面。但是，必须与此种墨盒联接的调节背压的机构往往很复杂且相当难于制造。
本发明指向这样一种墨水供应，它将泡沫塑料和自由墨水存储器组合在一起，以提供高容积效率、防止墨水泄漏的背压调整以及一种基本上费用较低而易于制造的组件。
在本发明的一个优选实施例中，容器包含一个分成两部分的墨水池。一部分存储自由墨水，而另一部分保持多孔隙的吸收体“储存器”材料，它存储墨水并具有足以在供墨源中提供背压的毛细管压力。
在该墨水池中具有多孔隙灯芯材料，配置成与自由墨水和储存器材料中墨水存在流体连通。该灯芯材料将自由墨水和储存器材料中的墨水两者输送到墨水池的出口。
设置一个气泡发生器用来将水池的自由墨水部分连接到环境大气中。气泡发生器被设计成其毛细管压力显著高于储存器材料的毛细管压力。这样，从供墨源中移出的墨水首先从储存器材料中抽吸，在上述压力或温度严重变化的情况下，这允许被排干的材料其后起储存器的作用。
在墨水从储存器材料中移去后，墨水通过灯芯材料从自由墨水供应源中抽吸。当该墨水移去时，气泡发生器允许空气进入，由此保证供墨源中的背压不会升高到使打印头失效。
本墨盒的容积效率以多种方式提高。例如气泡发生器的毛细管压力显著高于储存器材料的毛细管压力，保证在自由墨水供应耗尽之前移去储存器材料中几乎全部的墨水。因此，当供墨源用其它方法完全耗尽时，储存器的多孔隙材料保持极少“滞留的”墨水。
在本发明的一个实施例中，用作储存器材料的多孔隙材料被选择为可以充分浸润的(也就是在墨水和材料表面之间有一零度或接近零度的接触角)。这有利于墨水从储存器移出，以进一步减少滞留墨水的量。
选择这样的多孔隙灯芯材料，使它的毛细管压力大于储存器材料和气泡发生器两者的毛细管压力。这样，至少在所有可以利用的储存器墨水和自由墨水从供墨源中移去之前，该灯芯材料保持用墨水饱和。因此，该灯芯材料提供一种可靠的机构，用于保证将墨水从供墨源中输送出去。
本发明的墨盒适合于远离打印头，并做成有一个出口，该出口接纳一个流体连接机构，用于将墨水从墨盒引导到打印头上。通过该接头施加一个负(抽吸)压以移去墨水。在一个实施例中，选择灯芯材料具有足够大的毛细管压力，使得在移去储存器墨水和自由墨水后，灯芯材料中保留墨水。这种设计保证灯芯材料将保持至少部分饱和，这在某些情况下是必需的，以保证与接头的流体联接。当例如在供墨源的整个使用寿命期间周期性地接通和断开流体接头时，这种设计可能是有用的。
在另一实施例中，灯芯材料的毛细管压力虽然大于气泡发生器和储存器材料两者，但仍建立成足够地低，以便能够使接头的抽吸作用从灯芯材料中排干墨水。在例如流体接头做成直到整个供墨源耗空之前都充分供给而不断开的情况下，这样一种设计可能是有用的。可以理解，对给定尺寸的供墨源容器由于增大了可以输送的墨水的量(也就是，包括存储在灯芯材料中的墨水)，这种方法提高了供墨源的容积效率。
作为本发明的另一方面，提供一种方法，用于优化供墨源的储存器部分的设计，使得用所要求的最小量的储存器材料达到该储存器的目标(提供背压调节，以便不管环境压力的极端变化而避免墨水下垂)。尽可能减小储存器材料的量，由此尽可能减小可能滞留在储存器材料中的墨水量，这转而又增大了容积效率。
因为本供墨源的一部分包含自由墨水，所以留在供墨源中的墨水高度可以用于检测。
研究本说明书的下述部分和附图，可以清楚本发明的其它优点和特点。
图1是根据本发明的一种供墨源的截面图；图2与图1的相似，用于示出供墨源的某些尺寸，比例示本发明有关优化储存器材料尺寸的方面。
参照图1，根据本发明的供墨源包括一容器20，它可以用任何不与其所含墨水起反应的合适的轻质材料如塑料制成。图1表示容器20的一种优选实施例的截面图，截去的部分基本上是示出部分的镜象。可以认为，下述的本发明的原理可以用于各种容器构型。
容器20包括隔板22，其形状可以是从顶部24向下延伸而在两个容器侧壁之间的整体成形的塑料壁，侧壁26在图1中只示出一个。
隔板22将容器分成两个水池体积一个为自由墨水体积30，另一个为毛细管体积。每个体积均存储墨水，将在后面说明。
隔板22与容器底壁28隔开，使底壁28和隔板22的最下边缘之间存在一个间隙36。间隙36在自由墨水体积30和毛细管体积32之间提供流体连通。
容器20还包括气孔38，使毛细管体积32的上部与周围环境通气。最好是，气孔38的尺寸也使其起扩散屏障的作用，以限制墨水通过气孔产生质量扩散。一个普通专业人员可选择气孔直径和长度的组合(顶部24在气孔区内可加厚，以提供足够的长度)，使得根据Fick第一扩散定律，工作气孔所处位置能为毛细管体积32提供可以接受的低的质量扩散速率。
自由墨水体积30也与容器20外面的环境大气存在流体连通。在这方面，一个气泡发生器40合并在隔板22中。如上所述，在某些情况下，气泡发生器40允许环境空气气泡进入充满墨水的自由墨水体积30中。气泡发生器40的孔径使其具有的毛细压力足以将一定量的墨水留于孔的下端42中。作为液体密封。当自由墨水体积30中的背压达到一个上限时，该上限对应于打印头的操作范围的限度，背压就克服气泡发生器的毛细管压力，于是液体密封受到破坏。然后环境空气的气泡进行水池，将背压减小到可以接受的水平。最好是，当背压这样减小时，墨水从体积30重新进入小孔，从而重新建立液体密封。
如先前所述，背压是以正的意义提到和计量的，例如是按照水柱高度来量化的。毛细管压力如气泡发生器40的毛细管压力是以相同方式测量的。下面更充分地叙述本发明的各种部件的背压操作范围和毛细管压力的相对值的意义。但是，这里值得注意的是，该容器构型可以用于任何种类的气泡发生器构型。例如，气泡发生器可以是一种独立的管状部件，从自由墨水体积的底部附近延伸到容器的任何外壁处终止。同时，上述气孔38可以与气泡发生器的外端结合或连在其外端上。
毛细管体积32包括灯芯材料50，置入该体积的底部，与容器20的两侧壁和前壁52接触。一部分灯芯材料50安置在隔板22下方，挡柱间隙36，使得通过间隙的墨水必须通入灯芯材料50。
在一个优选实施例中，该灯芯材料包括多孔材料，它们的基本特征可以归结为“泡沫”状，但可以从下列许多合适的材料中选择，如粘合的或成束的尼龙或聚酯纤维，连续细孔的聚氨酯泡沫塑料、玻璃珠、玻璃纤维或玻璃板，或烧结塑性材料。灯芯材料的毛细管压力和浸润特性很重要，如下面所述。
自由体积30中的墨水通过间隙36流入灯芯材料并通过容器前壁52中形成的出口54流出灯芯材料之外。在这方面，墨盒容器20的一个优选实施例适合于与载带打印头的喷墨笔隔开很远。因此，一个相互连接的机构60用于使墨盒容器与一支远距离的笔(未示出)相连接。
接头60是一个其外径与出口54的直径相匹配的管件。接头60的端部插入出口与灯芯材料50牢固接触。法兰62可以承载在接头60上，以保证牢固的防漏连接。可以利用任何机构(如O形环)来密封这种连接。在连接之前，出口54可以(例如)用可丢弃的带密封，刚巧在接头60插入出口54之前，除去该带。
墨水利用施加在接头60上的抽吸作用从灯芯材料抽出。这用联接在接头上的泵64示意示出。在这方面，打印头可以看作一个泵，由此从其排出的墨滴与导向腔室的毛细管通道等一起为通过该接头的打印墨水提供抽吸。
在毛细管体积中的灯芯材料50的顶部安置多孔的吸收体储存器材料70。如灯芯材料一样储存器材料70通常的特征为“泡沫材料”，但可以从下列任何一种合适材料中选用，如粘合的或成束的尼龙或聚酯纤维、连续细孔的聚氨酯泡沫塑料、玻璃珠、玻璃纤维或玻璃板，或烧结塑性材料。储存器材料的毛细管压力和浸润特性在下面讨论。
储存器材料70密贴地安装在毛细管体积32中，与灯芯材料50、与容器的前壁和侧壁以及与隔板22直接接触。在储存器材料70和灯芯材料50之间没有空气空间。在储存器材料70的顶部和容器的顶部24之间有一个小的空气空间。
容器20用任何一种方法充满墨水。例如，引导墨水通过一个穿过顶部24的小孔，可以将自由墨水体积30充满墨水，而后密封该小孔。一个充满的自由墨水体积具有非常接近容器顶部24的墨水高度72，使得在充满的体积30的顶部中基本上没有空气间隙。为了例示的目的，图1表示墨水高度72在一个位置，该位置是如果由于使用笔而已经从供墨源消耗掉一些墨水时该墨水高度72应处的位置。因此，在图1中也出现一定体积的捕集的空气35。
在一个优选实施例中，至少在该自由墨水体积的附近的一部分容器壁是透明的，使得该体积中的墨水72的高度可以目视检测或用光学机械检测。
储存器材料70和灯芯材料50可以用由针头传输的墨水饱和，这些针头从加压的大体积墨水源突出而分别穿过气孔38和出口54刺入材料。在充满墨水后，密封该出口，如以前所述。
在充满的供墨源中建立一初始背压。为此，可以从饱和的储存器材料70中抽出小量墨水，使得部分饱和的材料的毛细管提供初始背压。此外，当该充满墨水的体积密封时，可以对该自由墨水体积施加轻微的抽吸作用。
一旦接头60联接在出口54上并对其施加抽吸作用，墨水就从供墨源的体积中按本发明的特定顺序受到抽吸。更具体地说，灯芯材料50的毛细管压力被选择或建立成大于气泡发生器40和储存器材料70的毛细管压力。结果，灯芯材料继续被墨水饱和，直到墨水分别从储存器材料70和自由墨水体积30抽出。因此，处于泡和状态的灯芯材料50，起墨水到接头60的低阻力导管的作用。
储存器材料70的毛细管压力选择为或以其它方式建立成显著小于气泡发生器40的毛细管压力。在一优选实施例中，气泡发生器40的毛细管压力可以比储存器材料的毛细管压力大50％。例如，在一个优选实施例中，储存器材料的毛细管压力为7.5cm水柱，而气泡发生器毛细管压力为12.5cm水柱。结果，施加到饱和灯芯材料50上的抽吸作用在从自由墨水体积抽吸墨水之前(在克服气泡发生器的相当高的毛细管压力之前墨水不能被抽吸)首先抽吸存储在储存器材料70中的墨水(在相当低的毛细管压力下)。
可以理解，能够用许多方法来建立储存器材料70的毛细管压力(以及灯芯材料50的毛细管压力)。例如，可以在毛细管体积32中压实上述泡沫塑料，以减小材料的有效孔径，并因此增大相关的毛细管压力。
首先从储存器材料抽吸墨水的一个优点是，在部分抽空的容器暴露于周围环境温度和/或压力的极端值的情况下，排空了墨水的部分储存器材料其后可以用作储存器。下面对此还要进行讨论。
为了增大供墨源的容积效率，储存器材料70这样选择，使得当该材料被排空时，极少量水会抽不出来。为此，该材料选择为具有“浸润”或“可以浸润”的特征(与非浸润特征相反)。也就是，存储在储存器材料中的墨水的液面和该材料的固体表面之间的角度为零，或非常接近零。可以浸润的表面比不可浸润的表面对墨水流的阻力要小。结果，一旦供墨源被抽空，储存器材料70往往很少墨水抽不出来。
在某些常规情况下，小于90度的接触角就能形成一个可浸润表面。虽然在眼前情况下一个90度或更小的接触角就足够了，但最好是，储存器材料有一个实际上接近于零度的接触角。
在供墨源的正常操作下(也就是，当周围压力温度很少变化时从供墨源抽出墨水)，一旦储存器材料70被抽空，墨水就从自由墨水体积30流出。在这方面，在该体积30中的背压被克服之前，自由墨水不会流动。气泡发生器40中的毛细管压力能够调节自由墨水体积中的背压，方法是，一旦背压积累到一个稍大于气泡发生器中毛细管压力的水平时，就允许周围空气气泡进入。但是，如上所述，从液压观点看，储存器材料70中的相当低的毛细管压力使从该材料70的流动成为阻力最小的路径。
值得指出的是，该系统中的最高毛细管压力是由灯芯材料50提供的。因此，一旦储存器材料70被排空，最低毛细管压力就是气泡发生器40的压力，因此墨水其次从自由墨水体积30抽出，直到它被抽空。
在一优选实施例中，气泡发生器40做成其孔42非常接近容器底壁28。为此，可以如上所述地利用一个与隔板22分开的管件，或者可以在气泡发生器的邻近形成一个隔板的向下延伸部，使得气泡发生器到达容器的底部而不会使间隙36缩小。
如果设计的限制要求气泡发生器位于容器的底壁28的上方，那么可以将气泡发生器设计成在其端部42捕集小量墨水，起液体密封的作用，以便即使在自由墨水的高度移动到该端部42以下时也能维持背压。在气泡发生器高于底壁28时，可以不用捕集的设计。因此，一旦那里的墨水高度移至低于孔42时，体积30中的背压将会消失。在该实施例中，一旦背压消失，储存器材料的尺寸可以补充吸收残留于自由墨水30中的墨水的体积。然后该体积墨水可以在打印期间从储存器材料中排空。
如上所述，一旦自由墨水体积抽空，最好就可以排掉灯芯材料50中的墨水。为此，将灯芯材料的毛细管压力建立成高于气泡发生器毛细管压力但低于通过接头60施加的抽吸作用。因此，灯芯材料在自由墨水体积30之后被排干。
在灯芯材料50被排空的实施例中，最好如上相对于储存器材料70所述的那样，选择该材料具有非常小的接近零度的接触角。
因为储存器材料70是在充满的自由墨水体积30开始排放之前排空的，所以，在储存器材料70排空之前，在自由墨水高度72的上方实际上没有捕集的空气35(捕集的空气是通过气泡发生器40引入自由墨水体积的空气)。在此种排空后，当墨水从自由墨水体积抽出时，墨水高度72下降而捕集的空气35的体积增大。
现在转向本系统的储存器方面，一个部分抽空的容器(也就是，一部分自由墨水体积是空的，而储存器材料被排干)可能经受环境压力下降(或温度上升)。在缺乏补偿此种变化的机构的情况下，相对于捕集空气的体积35将产生一个压力梯度，而背压将下降到一个会使墨水从连接的打印头自由下垂的水平。
但是，利用本供墨部件上的配置，由于捕集空气体积35的膨胀(膨胀是由于刚才提到的压力梯度而产生的)而移入灯芯材料50的墨水体积被吸入储存器材料70，从而减小自由墨水体积中的压力，并由此保持供墨源中的足够的背压，从而防止墨水从打印头下垂。如果其后环境压力返回正常(消除压力梯度)，产生的捕集空气体积35的收缩和伴随的供墨源内背压的增大将把墨水从储存器材料70吸回(再一次通过饱和的灯芯材料50)，直到系统回复到其平衡状态。
一个部分排空的容器可能经受环境压力增大而非减小(或温度降低)，在没有补偿此种变化的机构的情况下，相对于捕集空气的体积35这会产生一个压力梯度(该空气体积将收缩)，使得背压会升高到墨水使打印头失效的水平，因为该背压水平会克服接头60的抽吸作用。
但是，利用本供墨部件的配置，由于空气体积收缩而产生的背压增大将通过气泡发生器40抽吸空气气泡。在这方面，如上所述，储存器材料70是空的，而灯芯材料50的毛细管压力比气泡发生器40高，因此墨水不会从饱和的材料50抽吸。这样，通过气泡发生器产生的空气气泡立即使由于捕集空气体积收缩而造成的背压升高减小，从而将背压保持在工作范围内。
如果其后环境压力恢复正常(消除压力梯度)，造成捕集空气体积35的膨胀和伴随的背压降低将使抽空的储存器材料70吸收由此种膨胀位移的墨水体积。因为储存器材料具有供墨部件的最低相对毛细管压力，所以其后墨水的打印将在抽吸自由墨水体积30之前先排空储存器材料。
鉴于以上所述，可以理解，上述供墨系统是坚固耐用的，并且不管供墨源中残留的墨水量有多少，都能够响应不定数目的温度和压力变化周期。
储存器材料70必须足够大，以便吸收由于上述压力梯度和伴随的捕集空气体积变化而从自由墨水体积30输送的全部墨水。此外，容积效率要求优化储存器材料的尺寸；也就是，尺寸刚巧足够大，而不是更大，以便不管该体积中残留的墨水量有多少，都能够补偿施加到自由墨水体积上的规定的温度或压力变化。根据本发明的另一方面，现在描述一种如此优化该尺寸的技术。
参照图1和2，可以最容易地理解该技术，这些图表示供墨容器20的简单构型。
为说明方便起见，假定容器20的高度h、深度D和宽度t受其它设计考虑的限制，需要最优处理上述压力梯度的储存器材料70的量可以表示为变量df，该量称为泡沫塑料深度。
如果捕集空气的小体积35膨胀到足以对从自由墨水体积来的所有墨水施力，那么储存器材料70所需的最大(但不一定是最优)量将是吸收基本上所有自由墨水体积所需要的体积。对于如设计者可以预期的选定的温度和压力变化范围以及上面给定的外部几何尺寸，泡沫塑料的深度df可以作为自由墨水体积中墨水高度的函数计算出来。利用35℃的预期温度范围和255cm水柱的环境压力范围(这近似地对应于8000英尺的高度变化)，进行下列分析。
假定γ＝墨水比重；h＝供墨容器20的高度；D＝容器总深度；t＝容器厚度；hb＝气泡发生器在底壁上方的高度；hw＝灯芯材料在底壁上方的高度；Pb＝气泡发生器的毛细管压力；P1＝储存器材料的毛细管压力；n1＝储存器材料的容积效率(孔隙率×墨水抽取效率)；T1＝预期范围的初始温度；
T2＝预期范围的最终温度；Pa1＝预期范围的初始环境压力；Pa2＝预期范围的最终环境压力；Vc＝容器体积，或者Vc＝tDh人们可以确定在T1和Pa1时作为自由墨水体积中墨水高度yi1函数的泡沫塑料深度df，以及最优的最大泡沫深度dfmax、输送的墨水体积Vd(它是从供墨源输送的墨水体积)、滞留的墨水体积Vs(它是供墨源用其它方法抽空时的墨盒中滞留的墨水体积)，和输送的墨水效率nd(它是输送的墨水对容器体积之比，或Vd/Vc)。
首先应当注意到，在分析中做了某些假定。它们是(1)忽略了墨水中溶解的气体；(2)捕集空气体积35中的空气作为空气和水蒸汽的理想气体混合物来处理；(3)蒸汽的分压等于在有关温度下蒸汽的饱和压力，并能从蒸汽表中得到；以及(4)忽略了墨水体积中的冷凝物。
在T1和在T2时，捕集的空气的总摩尔量等于空气的摩尔量加上蒸汽的摩尔量，或者ng1＝nga1+ngv1和ng2＝nga2+ngV2。
假定没有空气输送(nga1＝nga2)，并使这两式相减，得到ng1-ng2＝ngv1-ngv2 (方程1)因此，总摩尔量变化等于由于蒸发/冷凝而产生的蒸汽摩尔量变化。对于一种理想的气体混合物。
PgVg＝ngRT对ng1、ng2、ngv1和ngv2解上述方程式，并代入方程1，得到ng1＝(Pg1Vg1)/RT1ng2＝(Pg2Vg2)/RT2ngv1＝(Pgv1Vg1)/RT1及ngv2＝(Pgv2Vg2)/RT2式中Pgv是根据气体混合物的Dalton模型得到的蒸汽分压。
可以注意到，假定蒸汽的分压等于在有关温度下蒸汽的饱和压力Psat并从蒸汽表中得到，则从方程1得出[(Pg1Vg1)/T1]-[(Pg2Vg2)/T2]＝[(Psat1Vg1)/T1]-[(Psat2Vg2)/T2]因此[(Pg1-Psat1)Vg1]/T1＝[(Pg2-Psat2)Vg2]/T2(方程2)因为墨水的总体积不变化Vi1+Vf1＝Vi2+Vf2 (方程3)式中Vi是自由墨水的体积，而Vf是“泡沫”灯芯和储存器材料中墨水的体积。根据现有的上述方程，在下述参数下考虑总的解在T1时yi＝yi1yf1＝hw(“泡沫”中墨水高度一储存器材料抽空，气泡发生器是活性的)Pg1＝Pa1-Pb-γ(yi1-hb)Vg1＝t(D-df)(h-yi1)Vi1＝t(D-df)yi1Vf1＝n1tdf(yf1-hw)＝0(储存器材料初始抽空)Psat1(从蒸汽表得到)Pa1(从海平面处标准大气压得到)上式表达式Pg1＝Pa1-Pb-γ(yi1-hb)，代表体积30中捕集空气的压力。该压力等于环境压力减去气泡发生器毛细管压力并减去液静压头压力(液静压力是从气泡发生器的高度hb上方测量的)。
在T2处yi＝yi2yf2＝h(为了最大利用，假定储存器材料是充满的)Pg2＝Po-γyi2，其中Po＝Pa2-P1+γyf2(容器底部处压力)Vg2＝t(D-df)(h-yi2)Vi2＝t(D-df)yi2Vf2＝n1tdf(yf2-hw)Psat2(从蒸汽表得到)Pa2(从2438米处的标准大气压得到)可以认识到，所要求的储存器材料的最大量对应于移入泡沫塑料的自由墨水最大体积，该最大量在初始自由墨水高度对应于这样一个捕集空气体积的状态下出现，该捕集空气体积将刚巧膨胀到足以将自由墨水完全移入储存器材料，然后该最终自由墨水水平高度在这样的膨胀后可以写成yi2＝0利用先前列出的参数并将方程4代入方程2，得出[Pa1-Pb-γ(yi1-hb)-Past1](h-yi1)/T1＝(Pa2-P1+γh-Psat2)h/T2(方程5)df的解从方程3得到，代入适当的参数，得出t(D-df)yi1+0＝t(D-df)yi2+n1tdf(h-hw)或D(yi1-yi2)＝df[(yi1-yi2)+n1(h-hw)]，得出df＝[D(yi1-yi2)]/[yi1-yi2+n1(h-hw)] (方程6)将方程4代入方程6，得出df＝[Dyi1]/[yi1+n1(h-hw)] (方程7)可以用方程5和7来解yi1和df。为了求yi1解方程5，将其重新排列为yi1的多项式[Pa1-Pb-γ(yi1-hb)-Psat1](h-yi1)＝T1/T2(h)(Pa2-P1+γh-Psat2)可以将上述方程式的右半设定为R，它反映一个常数，该常数取决于选定的设计条件、几何尺寸和墨水性能。展开该方程式并归并各项，得出γyi12+(-γh-Pa1+Pb-γhb+Psat1)yi1+(Pa1h-Pbh+γhhb-psat1h-R)＝0 (方程8)方程8是yi1的二次多项式，其系数只依赖于常数，它可以利用二次方程公式求解让a＝γ；b＝-γh-Pa1+pb-γhb+Psat1；c＝Pa1h-Pbh+γhhb-Psat1h-R然后yi1＝[-bf/-(b2-4ac)1/2]/2a (方程9)yi1的解在0＜yi1＜h的定义域上有效，通常为方程9的较小值根。
为了确定储存器材料的所需量，将yi1的解代入仅为常数和yi1的函数的方程7。
利用上述数据，对于下列容器尺寸和条件测得所需的储存器材料量dfmax为26.8mm。
γ＝10297N/m3h＝52.75mmD＝65.0mmt＝7.0mmhb＝7.0mmhw＝9.0mmPb＝12.7cm墨水yi1＝19.6mmP1＝7.62cmn1＝0.64T1＝0℃T2＝35℃Pa1＝1033cm H2OPa2＝778cm H2OPsat1＝0.6113KPaPsat2＝5.6280KPa一旦dfmax被确定，就可以确定输送的墨水体积Vd(它是从供墨源输送的墨水的体积)，滞留的墨水体积Vs(它是否则当供墨源抽空时供墨源中滞留的墨水体积)，以及输送墨水效率nd(它是被输送的墨水对容器体积之比或Vd/Vc)。
但是，在这些确定之前，先研究另外的储存器材料特性；也即npa＝储存器材料的孔隙率；该材料的孔隙体积与整体体积之比；(如0.85)npw＝灯芯材料的孔隙率；该材料的孔隙体积与整体体积之比；(如0.85)nea＝储存器材料的提取效率；可由打印头提取的该材料中全部墨水的分率；(如0.75)new＝灯芯材料的提取效率；可由打印头提取的该材料中全部墨水的分率；(如0.75)na＝储存器材料的总效率；npa和nea的乘积nw＝灯芯材料的总效率；npw和new的乘积当供墨源这样设计，使储存器材料70和灯芯材料50两者可以由接头抽干时，就得到最大的输送墨水效率nd。因此，这样一种状态的输送墨水体积是从自由墨水体积、储存器材料和灯芯材料所输送墨水的总和，或者Vd＝t(D-dfmax)h+natdfmax(h-hw)+nwtdfmaxhw (方程10)滞留的墨水体积取决于储存器材料和灯芯材料两者的提取效率和孔隙率，或者Vs＝[(1-nea)npadfmaxt(h-hw)]+[(1-new)npwdfmaxthw] (方程11)如上所述，输送墨水效率为nd＝Vd/Vc(方程12)利用上述方程式和示范值，该供墨源提供一个大于85％的输送墨水效率，这是一个令人印象深刻的高效率，特别是该供墨源将自由墨水和泡沫塑料存储的墨水组合，它也提供背压控制，从而不需要其它调节机构。
因此，虽然本发明是按照一个优选实施例来描述的，但一位普通的专业人员可以理解，本发明的精神和范围不限于这些实施例，而扩展到如附属的权利要求书中所述的各种修改和等效措施。
权利要求
1.一种供墨容器(20)包括一个墨水池，分为一个自由墨水体积(30)和一个毛细管体积(32)，构成的每个体积用于储存墨水；一个在墨水池中形成的出口(54)，使墨水能流出墨水池；多孔的灯芯材料(50)，具有第一毛细管压力并安置在该出口的附近；储存器材料(70)，位于毛细管体积中，是存储墨水用的吸收剂，该储存器材料具有第二毛细管压力；该灯芯材料与储存器材料和自由墨水体积存在流体连通，并配置成将储存器材料中存储的墨水和自由墨水体积中存储的墨水抽吸到出口中；以及一个气泡发生器(40)，具有比第一毛细管压力小而比第二毛细管压力大的毛细管压力，该气泡发生器安置成使自由墨水体积与环境空气形成流体连通。
2.权利要求1所述的容器(20)，其特征在于，储存器材料(70)有一这种选定的表面，使得存储在其中的墨水和储存器材料的表面之间的接触角小于90度，使储存器材料有一可以浸润的表面。
3.权利要求2所述的容器(20)，其特征在于，该接触角非常接近零度。
4.权利要求1所述的容器(20)，其特征在于，可以从墨水池输送的墨水量除以该墨水池的体积被称为输送墨水效率，而且其中，权利要求1所述的容器提供的输送墨水效率大于85％。
5.权利要求1所述的容器(20)，其特征在于，气泡发生器(40)的毛细管压力至少比第二毛细管压力大67％。
6.权利要求1所述的容器(20)，其特征在于，储存器材料(70)具有这样的表面特征，就是墨水和储存器材料的表面之间的接触角接近零度。
7.一种将墨水存储在容器(20)内以便从其通过出口(54)输送的方法，该方法包括以下步骤将一部分墨水存储在该容器的限定一个体积的第一部分(30)中，该体积与周围密封隔开，但有一具有第一毛细管压力的开孔；将剩余部分的墨水存储在该容器的限定一个体积的第二部分(32)中，该体积部分地填充多孔隙的储存器材料(70)，该材料(70)具有显著低于第一毛细管压力的第二毛细管压力；以及将具有第三毛细管压力的多孔隙灯芯材料(50)安置在该容器中，使其与该容器的第一和第二部分以及与出口存在流体连通。
8.权利要求7所述的方法，包括以下步骤选择灯芯材料(50)，使第三毛细管压力大于第一毛细管压力。
9.权利要求7所述的方法，包括以下步骤选择储存器材料(70)，使其表面特征是这样的，就是墨水和储存器材料表面之间的接触角接近于零。
10.权利要求7所述的方法，其特征在于术语“输送墨水效率”指可以从容器第一和第二部分两者输送的墨水量除以该第一和第二部分的联合体积，权利要求7的方法还包括下列步骤将容器做成具有大于85％的输送墨水效率。
全文摘要
一种供墨源,将泡沫塑料(50,70)和自由墨水存储器(30)组合,以提供高的容积效率、防止墨水泄漏的背压调节,以及基本上费用低而易于制造的装置。尽管该供墨源暴露于温度和环境空气压力的显著变化中,但它能防止墨水泄漏。容器(20)被分隔,其一部分(32)包括用于存储墨水的多孔隙材料。选择该材料的毛细管压力和该容器的自由墨水部分中的气泡发生器(40)的毛细管压力来控制从容器各部分中排除墨水的顺序。
文档编号B41J2/175GK1260275SQ001010
公开日2000年7月19日 申请日期2000年1月12日 优先权日1999年1月12日
发明者J·K·皮尤 申请人:惠普公司