ЭЛЕКТРОКАПЛЕСТРУЙНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1996 года по МПК B41J2/04 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в автоматизированных системах управления и в качестве регистрирующих устройств вычислительных комплексов.

Известно электрокаплеструйное устройство для регистрации изображений эмиссией капель рабочей жидкости импульсным давлением, в котором капля рабочей жидкости выбрасывается из выходного сопла только при поступлении входного электрического импульса на электроды электромеханического преобразователя (патент США N 3747120, кн. 346-75, опублик. 1973). Однако это устройство обладает низкой надежностью и его конструкция такова, что относительно сложен профилактический ремонт устройства.

Прототипом предлагаемого изобретения является электрокаплеструйное устройство, содержащее электрокаплеструйную головку с пьезоэлектрическим преобразователем и двумя последовательно соединенными инжектирующими камерами, размещенными в корпусе, каждая из которых состоит из емкости и капилляра, и емкость с рабочей жидкостью [1] Недостатком данного электрокаплеструйного устройства является его низкая эксплуатационная надежность вследствие трудности первоначального заполнения камеры инжектора рабочей жидкостью без остаточных пузырьков газа (воздуха), наличие которых приводит к прекращению работы устройства. Это устройство отличается трудоемкостью изготовления, обслуживания и профилактического ремонта.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности работы, облегчение изготовления, обслуживания и профилактического ремонта электрокаплеструйного устройства.

На чертеже представлена конструкция предложенного электрокаплеструйного устройства.

Устройство состоит из двух разъемных частей: диэлектрического корпуса 1 емкости с рабочей жидкостью, выполненного, например, из оргстекла, и электрокаплеструйной головки 2.

Электрокаплеструйная головка 2 включает в себя часовой камень 3 с капилляром 4, первую инжектирующую камеру 5, выполненную, например, в виде полусферы; эластичный резиновый плунжер 6 для регулирования объема камеры 5; диэлектрический поршень 7, выполненный, например, из полистирола; нижнюю металлическую гайку 8; электрический корпус 9, выполненный, например, из авиационного оргстекла, с размещенной в нем контактной металлической пружиной 10; цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь 11 с наружным 12 и внутренним 13 электродами; контактную металлическую пружину 14 для подвода управляющего напряжения к внутреннему электроду 13 пьезоэлектрического преобразователя; изолирующую втулку 15, служащую одновременно и для центрирования пьезоэлектрического преобразователя 11 в корпусе 9; металлическую шайбу 16, в которой крепится контактная пружина 14; верхнюю металлическую гайку 17 с закрепленным на ней ограничителем поворота 18, который при взаимодействии с буртиком 19 на регулировочном металлическом винте 20 ограничивает угол поворота данного винта.

Корпус 1 включает в себя собственно емкость 21, в верхней части которой расположена пробка 22, закрывающая отверстие для заливки в пространство 23 рабочей жидкости 24. В нижней части емкости с рабочей жидкостью располагаются отверстия 25 и 26, которые до установки электрокаплеструйной головки 2 в корпус 1 закрываются шибером 27. Шибер 27 может перемещаться и фиксируется стенкой 28 основания корпуса 1. Основание и нижняя часть емкости с рабочей жидкостью образуют канал 29 трапецеидального сечения, который при установке электрокаплеструйной головки 2 в корпус 1 переходит в капиллярный канал 30 прямоугольного сечения. В стенке 28 основания корпуса 1 располагается металлическая шайба 31 с выходным отверстием 32 таким образом, чтобы при установке электрокаплеструйной головки 2 в корпус 1 ось отверстия 32 совпадала с осью капилляра 3.

Электрокаплеструйное устройство работает следующим образом.

При установке электрокаплеструйной головки 2 в корпусе 1 емкости с рабочей жидкостью образуется канал 30. После этого шибер 27 вынимается и рабочая жидкость 24 через отверстия 25 и 26 проходит в капиллярный канал 30 за счет действия капиллярных сил. При этом образуется вторая инжектирующая камера (каналы 30 и 29) с открытым концом, сечение канала которой от прямоугольного (канал 30) переходит к трапецеидальному (канал 29) с расширением в сторону его открытого конца, а закрепленное в корпусе емкости с рабочей жидкостью выходное сопло 32 располагается соосно с капилляром 3, соединяющим первую и вторую инжекционные камеры.

Поскольку после заливки в емкость 21 рабочей жидкости пробка 22 закрывается, то в пространстве 23 образуется небольшое разрежение. С учетом этого обстоятельства, а также за счет действия капиллярных сил, направленных в сторону канала 30 (сечение капиллярных каналов 30 и 29 подобрано соответствующим образом), рабочая жидкость не выливается из открытого конца второй инжектирующей камеры при любом положении в пространстве электрокаплеструйного устройства. Это одно из преимуществ предлагаемого электрокаплеструйного устройства по сравнению с прототипом. В канале 29 образуется мениск рабочей жидкости. Силы поверхностного натяжения мениска рабочей жидкости уравновешивают капиллярные силы.

При подготовке предлагаемого электрокаплеструйного устройства к работе при первоначальном его заполнении рабочей жидкостью необходимо удалить возможные пузырьки газа, которые могут образоваться в первой инжектирующей камере 5, поскольку их наличие вызывает прекращение каплеобразования при поступлении входного электрического импульса, т. е. вызывает сбой в работе устройства, Для удаления таких пузырьков газа предусмотрен механизм прокачки, который работает следующим образом.

Ввинчивается регулировочный винт 20, который, нажимая на шайбу 16 через изолирующую втулку 15, передает усилие на пьезоэлектрический преобразователь 11. Пьезоэлектрический преобразователь 11 смещается вниз и посредством диэлектрического поршня 7 деформирует эластичный резиновый плунжер 6, который вытесняет газ из первой инжектирующей камеры 5 через капилляр 3 за счет заполнения камеры 5 эластичным материалом плунжера 6.

Благодаря тому, что первая инжектирующая камера 5 выполнена в виде полусферы, при ее заполнении эластичным материалом плунжера 6 в ней исключается образование полостей, в которых могут задерживаться пузырьки газа.

Для того, чтобы ограничить максимальное смещение пьезоэлектрического преобразователя 11 вместе с поршнем 7 (чтобы не вытолкнуть часовой камень 3 из корпуса нижней металлической гайки 8), предусмотрено ограничение угла поворота регулировочного винта 20 с помощью ограничителя поворота 18 и буртика 19.

При вывинчивании регулировочного винта 20 за счет упругости эластичного материала резинового плунжера 6 и жесткости контактной металлической пружины 10 плунжер 6 (вместе с пьезокерамическим преобразователем 11 и шайбой 16) возвращается в исходное положение, задаваемое регулировочным винтом 20. При этом в первой инжектирующей камере 5 создается разрежение, за счет которого она через капилляр 3 заполняется рабочей жидкостью.

Эту операцию по вытеснению газа из инжектирующей камеры 5 при необходимости можно произвести несколько раз, после чего регулировочный винт 20 устанавливается в необходимое рабочее положение, задавая таким образом необходимый рабочий объем первой инжектирующей камеры 5, а следовательно, и требуемый диаметр капли. Электрокаплеструйное устройство готово к работе.

Входной электрический сигнал с выхода формирователя управляющих импульсов (не показан) подводится к нижней 8 и верхней 17 металлическим гайкам, которые одновременно являются электродами электрокаплеструйного устройства. Нижняя металлическая гайка 8 через металлическую контактную пружину 10 электрически соединена с наружным электродом 12 пьезоэлектрического преобразователя 11. Верхняя металлическая гайка 17 через металлический винт 20, металлическую шайбу 16, контактную металлическую пружину 14 электрически соединена с внутренним электродом 13 пьезоэлектрического преобразователя 11.

При подаче входного электрического импульса напряжения на электроды 8 и 17 электрокаплеструйного устройства, пьезоэлектрический преобразователь 11 изменяет свои размеры, поршень 7 смещается вниз, деформируя эластичный резиновый плунжер 6. Эластичный материал плунжера 6 заполняет часть первой инжектирующей камеры 5, выталкивая из нее через капилляр 3 соответствующий объем рабочей жидкости в капиллярный канал 30 второй открытой инжектирующей полости. При этом через выходное сопло 32 происходит выброс капли рабочей жидкости в атмосферу. По окончании входного электрического импульса напряжения пьезоэлектрический преобразователь 11 возвращается в исходное положение. В камере 5 возникает разряжение, за счет которого в нее подсасывается очередная порция рабочей жидкости.

При этом за счет капиллярных сил из емкости 21 рабочая жидкость 24 через отверстие 25 проходит в капиллярный канал 30, подготавливая электрокаплеструйное устройство к формированию очередной капли рабочей жидкости при поступлении на электроды устройства очередного входного электрического импульса.

Многочисленные эксперименты с разработанным электрокаплеструйным устройством показали, что оно надежно функционирует и обеспечивает до 10000 капель в секунду, формируя по капле рабочей жидкости на каждый входной электрический импульс.

При увеличении частоты входных электрических импульсов мениск рабочей жидкости в открытой второй инжектирующей камере смещается в сторону канала 29 с трапецеидальным сечением, открывая отверстие 26. Поскольку при этом имеет место относительно большой расход жидкости из емкости 21 через отверстие 25, то в пространстве 23 возникает относительно сильное разрежение, которое может препятствовать прохождению рабочей жидкости через отверстие 25 в капиллярную полость 30. Последнее вызвано тем, что силы, действующие на жидкость, вызванные разрежением в пространстве 23 емкости с рабочей жидкостью, направлены в сторону, противоположную капиллярным силам. Это может вызвать нарушение работы электрокаплеструйного устройства.

Для того, чтобы повысить надежность работы в предлагаемом устройстве предусмотрена автоматическая компенсация сильного разряжения в пространстве 23, причем эта компенсация реализуется следующим образом. Как только мениск рабочей жидкости, смещаясь в сторону трапецеидального канала 29, откроет отверстие 26, при соответствующем разряжении в пространстве 23 через отверстие 26 в пространство 23 сквозь жидкость 24 проходит пузырек воздуха, и таким образом повышается давление в пространстве 23.

Благодаря тому, что капиллярный канал 29 выполнен с трапецеидальным сечением, даже при максимальной частоте каплеобразования мениск рабочей жидкости не смещается за отверстие 25 в сторону капиллярного канала 30 (см. штрихпунктир мениска). Следовательно, во всем рабочем диапазоне частот каплеобразования сохранится возможность поступления рабочей жидкости через отверстие 25 в капиллярный канал 30, т. е. обеспечивается работоспособность предлагаемого устройства.

Этим обеспечивается повышение надежности работы предлагаемого электрокаплеструйного устройства.

Дальнейшее повышение эксплуатационной надежности работы электрокаплеструйного устройства по сравнению с прототипом достигается (как уже отмечалось выше) и тем, что предлагаемая конструкция состоит из двух разъемных частей: корпуса 1 емкости с рабочей жидкостью и электрокаплеструйной головки 2. Такое конструктивное исполнение, как показала разносторонняя практическая эксплуатация, существенно облегчает изготовление, обслуживание и профилактический ремонт электрокаплеструйного устройства. Например, при длительных перерывах в эксплуатации устройства в прототипе [1] рабочая жидкость может засыхать во второй инжектирующей камере и в капилляре, соединяющем первую и вторую эжектирующие камеры. В прототипе для устранения возникших в связи с этим неисправностей, приводящих к отказам в работе устройства, необходимо было производить капитальный ремонт устройства с его полной разборкой и сборкой, что требует длительного времени и меняет эксплуатационные характеристики устройства.

В предлагаемом электрокаплеструйном устройстве при перерывах в его работе, вызванных технологическими режимами работы автоматизированных систем, в которых оно функционирует, вставляется шибер 27 в канал 29, из корпуса 1 вынимается электрокаплеструйная головка 2, тем или иным способом легко очищаются каналы 30 и 29, а также капилляр 4 от рабочей жидкости, поскольку они легкодоступны. Далее электрокаплеструйная головка 2 вставляется в корпус 1 и электрокаплеструйное устройство снова готово к работе.

Наличие механизма прокачки рабочей жидкости через инжектирующие камеры еще более повышает эксплуатационную надежность предлагаемого электрокаплеструйного устройства по сравнению с прототипом [1] поскольку таким образом устраняются пузырьки газа в инжектирующих камерах и исключается отказ в работе устройства.

Таким образом, технико-экономические преимущества заявляемого изобретения по сравнению с прототипом состоят в повышении эксплуатационной надежности работы, облегчении изготовления, обслуживания и профилактического ремонта.

Использование: в автоматике и вычислительной технике в автоматизированных системах управления и в качестве регистрирующих устройств вычислительных комплексов. Сущность изобретения: вторая инжектирующая камера устройства образуется при установке электрокаплеустройной головки в корпус емкости с рабочей жидкостью. Закрепленное в корпусе емкости выходное сопло располагается соосно с капилляром. Сечение канала второй инжектирующей камеры от прямоугольного переходит к трапецеидальному с расширением в сторону его открытого конца. Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности работы. 1 ил.

Электрокаплеструйное устройство, содержащее корпус, емкость с рабочей жидкостью, электрокаплеструйную головку с пьезоэлектрическим преобразователем, электродами, первую и вторую инжектирующие камеры с соединяющим их капилляром, выходное сопло, соосное с капилляром, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе, облегчения изготовления и обслуживания, первая инжектирующая камера выполнена в виде полусферы и снабжена средством для изменения ее объема, выполненным в виде эластичного плунжера, жестко связанного с пьезоэлектрическим преобразователем, выполняющим одновременно функции механизма прокачки рабочей жидкости через инжектирующие камеры и исполнительного механизма электрокаплеструйного устройства, вторая инжектирующая камера имеет открытый конец, а сечение канала второй инжектирующей камеры, образованное при установке электрокаплеструйной головки в корпусе емкости с рабочей жидкостью, от прямоугольного переходит к трапецеидальному с расширением в сторону его открытого конца, со стороны которого расположен введенный в устройство шибер, служащий для закрытия канала второй инжектирующей камеры.