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Die Erfindung betrifft einen Druckkopf mit zumindest einer Aerosolkammer, zumindest einem Aerosolröhrchen mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und zumindest einer Druckdüse, wobei im Betrieb des Druckkopfes der Druckdüse ein Aerosol aus der Aerosolkammer über das Aerosolröhrchen zuführbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen mit diesem Druckkopf ausgestatteten Aerosol-Drucker sowie ein Aerosol-Druckverfahren, bei welchem ein Aerosol erzeugt und in eine Aerosolkammer eingebracht wird, um es über ein Aerosolröhrchen zu einer Druckdüse zu transportieren.
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Ein Druckkopf, ein Drucker und ein Verfahren der eingangs genannten Art können beispielsweise dazu verwendet werden, mittels silberhaltiger Tinten elektrische Leiterbahnen auf Halbleiterbauelemente zu drucken.
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Aus der
WO 2010/089081 A1 ist ein solcher Aerosol-Drucker bekannt. Bei diesem bekannten Drucker fällt das Aerosol durch die Schwerkraft zum Boden der Aerosolkammer, wo die Aerosolröhrchen, welche das Aerosol zur Druckdüse transportieren, mit einem Überstand ansetzen. Da nur ein geringer Anteil des Aerosols geradlinig in den Querschnitt der Aerosolröhrchen fällt, sammelt sich der größere Anteil am Boden der Aerosolkammer. Von dort muss das Aerosol abgeführt und als Verlust entsorgt werden. Somit gelangt nur ein Bruchteil der zerstäubten Tinte an ihren gewünschten Einsatzort.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckkopf, ein Aerosol-Druckverfahren und einen Aerosol-Drucker anzugeben, welche geringere Verluste des Verbrauchsmaterials ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Druckkopf gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 10 sowie einen Aerosol-Drucker nach Anspruch 13 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Druckkopf mit zumindest einer Aerosolkammer, zumindest einem Aerosolröhrchen mit einem ersten und einem zweiten Ende und zumindest einer Druckdüse auszustatten. Im Betrieb des Druckkopfes wird der Aerosolkammer ein Aerosol der Drucktinte zugeführt. Unter einem Aerosol wird dabei eine Dispersion aus flüssigen Schwebeteilchen und einem Gas verstanden. Das Aerosol kann durch Zerstäuben in einem Gasstrom oder durch einen Ultraschallzerstäuber erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Aerosol in einem Impactor verdichtet werden, d.h. der Anteil der Schwebeteilchen am Gesamtvolumen wird vergrößert.
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Das Aerosol kann in die Aerosolkammer durch eine Seitenwand eingeführt werden, so dass der eintretende Aerosolstrom nicht in der Sichtachse der Aerosolröhrchen liegt. Dadurch kann vermieden werden, dass große Tröpfchen an die erste Seite des Aerosolröhrchens gelangen und dieses verstopfen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Aerosol in die Aerosolkammer von oben eingebracht werden. Durch Diffusion kann sich das Aerosol in der Aerosolkammer ausbreiten und das gesamte Volumen ausfüllen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Aerosolröhrchen geradlinig ausgebildet sein. Diese können einen Innendurchmesser von 0,1 mm bis 2 mm haben. Diese Geometrie erlaubt es, das Aerosol ohne Wandkontakt durch das Aerosolröhrchen zu führen, so dass das Aerosol nicht zu großen Tropfen kondensiert.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, das Aerosol nicht durch Diffusion bzw. Schwerkraft zu den Aerosolröhrchen zu leiten, sondern in der Aerosolkammer eine laminare Strömung eines Hüllgases auszubilden, welches die Kammer durch die Aerosolröhrchen verlässt. Dabei werden die flüssigen Schwebeteilchen des Aerosols mit dem laminaren Hüllgasstrom transportiert und verlassen die Aerosolkammer ebenfalls über die Aerosolröhrchen. Da somit keine oder nur wenige Schwebeteilchen ohne die Zwangsführung durch den laminaren Hüllgasstrom zu Boden sinken, lagern sich diese auch nicht neben den Aerosolröhrchen am Boden der Aerosolkammer ab. Damit steigt die Ausbeute der eingesetzten Tinte, d.h. der Anteil der auf den Ort der letzten Verwendung gelangenden Tinte zur insgesamt eingesetzten Tinte kann auf über 70%, über 80 %, über 90 % oder über 95 % ansteigen.
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Am zweiten Ende des Aerosolröhrchens setzt eine Druckdüse an. Das vom laminaren Hüllgasstrom transportierte Aerosol gelangt am Ende des Aerosolröhrchens an den Eingang der Druckdüse. Der Querschnitt der Druckdüse kann sich entlang ihrer Längserstreckung verringern, so dass das Druckbild feiner wird. Beispielsweise kann der Durchmesser der Druckdüse am Ausgang zwischen 50 µm und 500 µm, oder zwischen 100 µm und 250 µm betragen. In die Druckdüse kann ein Fokussiergas eingebracht werden, welches verhindert, dass das Aerosol mit der Wandung der Druckdüse in Kontakt gerät und welches einen kontrollierten Transport des Aerosols nach dem Verlassen der Druckdüse sicherstellt. Auch das Fokussiergas kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung laminar durch die Druckdüse strömen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Aerosolröhrchen in die Druckdüse eintauchen, so dass zwischen der Außenseite des Aerosolröhrchens und der Innenwand der Druckdüse das Fokussiergas eingebracht werden kann, ohne den Aerosolfluss im Aerosolröhrchen zu stören.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Transport des Aerosols in der Aerosolkammer durch einen laminaren Gasstrom verhindert unkontrollierte Verluste der eingesetzten Tinte zu einem großen Teil. Hierdurch kann das vorgeschlagene Aerosol-Druckverfahren wirtschaftlicher durchgeführt werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zur Erzeugung des Aerosols ein Ultraschallvernebler eingesetzt werden, so dass ein Aerosol großer Dichte erzeugt werden kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zur Erzeugung des Aerosols ein pneumatischer Zerstäuber eingesetzt werden, welcher universell für eine Vielzahl von Tinten einsetzbar ist.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Begrenzungswand der Aerosolkammer konisch auf das erste Ende des Aerosolröhrchens zulaufen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können zwei gegenüberliegende Begrenzungswände der Aerosolkammer konisch auf das erste Ende des Aerosolröhrchens zulaufen. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Aerosolkammer die Form eines Kegels bzw. eines Kegelstumpfes annehmen, wobei an der Spitze zumindest ein Aerosolröhrchen mit seinem ersten Ende ansetzt. Durch die vorgeschlagene Form wird die laminare Strömung, welche sich im Betrieb des Druckkopfes in der Aerosolkammer ausbildet, zum Boden der Aerosolkammer geführt, wobei der Durchmesser bzw. die Breite der Aerosolkammer kontinuierlich abnimmt und am Ansatz des Aerosolröhrchens in etwa denselben Querschnitt aufweist wie das Aerosolröhrchen. Auf diese Weise kann die laminare Strömung beim Eintritt in das Aerosolröhrchen aufrechterhalten werden. Turbulenzen bzw. Wirbel, welche zur unerwünschten Abscheidung des Aerosols in der Aerosolkammer führen würden, können so vermieden werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann am Übergang vom Boden der Aerosolkammer zum ersten Ende des Aerosolröhrchens eine Fase ausgebildet sein. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass durch das Vermeiden scharfer Kanten das Auftreten von Turbulenzen in der laminaren Strömung vermieden wird, so dass sich keine Tropfen des Aerosols an der Wandung des Aerosolröhrchens abscheiden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann alternativ oder kumulativ am ersten Ende des Aerosolröhrchens eine Fase ausgebildet sein. Auch diese Fase trägt dazu bei, scharfe Kanten im Strömungspfad zu vermeiden, welche die Ursache für Turbulenzen in der Strömung sein können.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann am ersten Ende des Aerosolröhrchens ein Auffangvolumen ausgebildet sein. Das Auffangvolumen wird dabei geometrisch so ausgebildet, dass die laminare Strömungsführung von der Aerosolkammer zum Aerosolröhrchen weiter aufrecht erhalten wird. Das Auffangvolumen kann die Wirkung haben, dass Tröpfchen, welche sich in unerwünschter Weise an der Wandung der Aerosolkammer abscheiden und an dieser herablaufen, aufgefangen werden können, ohne die Aerosolröhrchen zu verstopfen. Dadurch kann die Betriebssicherheit des Druckkopfes weiter erhöht werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste Ende des Aerosolröhrchens über den Boden des Auffangvolumens überstehen. Dadurch wird das Eindringen von Flüssigkeit in das Aerosolröhrchen auch in den Fällen vermieden, wo sich bereits Flüssigkeit auf dem Boden des Auffangvolumens abgeschieden hat. Auch dieses Merkmal dient daher der Verbesserung der Betriebssicherheit.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung schließen die Wände der Aerosolkammer einen Winkel von weniger als 45° oder weniger als 30° oder weniger als 10° zur Längserstreckung des Aerosolröhrchens ein. Dies erlaubt einen allmählichen und kontinuierlichen Übergang des Querschnittes der Aerosolkammer zum Querschnitt der Aerosolröhrchen, ohne dass durch das Ausbilden von scharfen Kanten die laminare Strömung durch Ausbildung von Turbulenzen gestört wird. Unter der Längserstreckung des Aerosolröhrchens wird bei einem gekrümmten Aerosolröhrchen die Tangente an das erste Ende des Aerosolröhrchens verstanden, d.h. der Bereich, welcher mit der Aerosolkammer in Kontakt steht.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält der vorgeschlagene Druckkopf weiterhin einen Hüllgaseintritt, mittels welchem der laminare Gasstrom entlang der Wandung der Aerosolkammer ausgebildet werden kann. Hierzu ist der Hüllgaseintritt so geformt, dass die Bildung von Turbulenzen vermieden wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Hüllgaseintritt eine Begrenzungswand enthalten, welche in einem Längsabschnitt parallel zur Wand der Aerosolkammer verläuft. Hierdurch wird durch den Hüllgaseintritt eintretendes Gas so in Richtung der Begrenzungswand abgelenkt, dass sich ein laminarer, an der Begrenzungswand entlang streichender Gasstrom ausbildet.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Hüllgas und/oder das Fokussiergas ein Inertgas sein. Unter einem Inertgas wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ein reaktionsträges Gas verstanden, welches während des Betriebes des Druckkopfes nicht oder unwesentlich mit dem Aerosol chemisch reagiert. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Hüllgas und/oder das Fokussiergas Stickstoff und/oder Argon und/oder Xenon und/oder Helium enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Hüllgas und/oder das Fokussiergas ein Gemisch aus mehreren Gasen sein, beispielsweise Druckluft oder synthetische Luft.
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Obgleich die Beschreibung aus Gründen der Übersichtlichkeit meist nur anhand eines Aerosolröhrchens und einer Druckdüse erläutert wird, kann der Druckkopf in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen 10 und 180 Druckdüsen enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Druckkopf zwischen 60 und 100 Druckdüsen enthalten. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit des Druckkopfes verbessert werden und/oder die Druckgeschwindigkeit erhöht werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt:
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1 eine Darstellung eines Druckkopfes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt einen Viertelschnitt durch den Druckkopf gemäß 1.
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3 zeigt den Übergang der Aerosolröhrchen zu den Druckdüsen im Detail.
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4 zeigt den Übergang der Aerosolkammer in die Aerosolröhrchen im Detail.
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5 zeigt eine Explosionszeichnung des Druckkopfes gemäß der vorhergehenden Figuren.
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6 zeigt einen Querschnitt durch den Druckkopf gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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7 zeigt einen Querschnitt durch einen Druckkopf gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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8 zeigt einen Querschnitt durch einen Druckkopf gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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9 zeigt einen Querschnitt durch einen Druckkopf gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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Anhand der 1 bis 5 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung erläutert. Der Druckkopf 1 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse. Entsprechend der Funktion werden die einzelnen Bestandteile dieses Gehäuses von oben nach unten, d.h. von der Aerosolkammer zur Druckdüse erläutert.
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Die Aerosolkammer 10 ist als Hohlraum in einem Aerosolkammergehäuse 105 ausgebildet. Das Aerosolkammergehäuse 105 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Außenquerschnitt auf. Die Aerosolkammer 10 ist durch zwei gegenüberliegende Seitenwände 102 begrenzt. Die Seitenwände 102 sind um einen Winkel von weniger als 45°, weniger als 30° oder weniger als 10° gegen die Senkrechte geneigt und laufen von oben nach unten gleichförmig konisch zu. Am unteren Ende der Seitenwände 102 grenzt der Boden 103 der Aerosolkammer 10.
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Am oberen Ende ist die Aerosolkammer 10 durch einen Deckel 16 verschlossen.
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Im Betrieb des Druckkopfes 1 tritt das Aerosol durch einen Aerosoleintritt in die Aerosolkammer 10 ein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Aerosoleintritt 101 gleichzeitig zur Zufuhr des Hüllgases verwendet, welches eine laminare Strömung in der Aerosolkammer 10 ausbildet und die Aerosolkammer durch die Aerosolröhrchen 11 verlässt. Somit entspricht das Hüllgas dem Trägergas, mit welchem das Aerosol vom Aerosolerzeuger zur Aerosolkammer 10 transportiert wird. Andere Ausführungsformen der Erfindung mit einem separaten Hüllgaseintritt 101 werden anhand der 8 und 9 näher erläutert.
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Am Boden 103 der Aerosolkammer 10 sind Aerosolröhrchen 11 mit ihrem ersten Ende 111 eingepasst. Wie anhand von 4 ersichtlich ist, stehen die Aerosolröhrchen 11 mit ihrem ersten Ende 111 nicht über die durch den Boden 103 definierte Ebene über. Um Turbulenzen in der laminaren Strömung des Hüllgases zu vermeiden, sind am Übergang der Aerosolkammer 10 in die Aerosolröhrchen 11 optionale Fasen 113 angeordnet. Somit verlässt das Hüllgas die Aerosolkammer 10 durch die Aerosolröhrchen 11 und transportiert dabei das Aerosol durch die Aerosolröhrchen 11 ab. Durch die laminare Strömung des Hüllgases an der Wandung 102 der Aerosolkammer 10 und der Wandung der Aerosolröhrchen 11 wird eine Kondensation des Aerosols an diesen Teilen vermieden, so dass sich keine großen Tropfen im Aerosol ausbilden, welche die nachfolgende Druckdüse verstopfen könnten.
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Die Aerosolröhrchen 11 sind in einem Gehäuseteil 135 angeordnet, welcher auch eine Fokussiergaskammer 13 aufnimmt. Die Fokussiergaskammer 13 dient der Zwischenspeicherung und der Verteilung eines Fokussiergases, welches das Aerosol in der Druckdüse 12 bzw. nach dem Austritt aus der Druckdüse 12 einkapselt und bis zum Auftreffen auf das zu bedruckende Substrat führt.
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Der Übergang der Druckröhrchen 11 in die Druckdüsen 12 wird anhand von 2 und 3 näher erläutert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zweite Ende 112 der Aerosolröhrchen 11 gegenüber und in Verlängerung zum ersten Ende 121 der Druckdüse 12 angeordnet. Somit strömt das Aerosol mit dem Hüllgasstrom vom Aerosolröhrchen 11 in die Druckdüse 12 und wird vom ersten Ende 121 der Druckdüse 12 zum zweiten Ende 122 transportiert.
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Da das erste Ende 121 der Druckdüse 12 am Boden der Fokussiergaskammer 13 angeordnet ist, strömt auch das Fokussiergas, welches der Fokussiergaskammer 13 über den Fokussiergaseinlass 131 zugeführt wurde, durch die Druckdüsen 12 aus.
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Die Druckdüsen 12 sind in einer Grundplatte 14 gehaltert und von einem allseits umgebenden Rahmen 15 geschützt, um eine unzulässige mechanische Belastung der Druckdüsen 12 zu vermeiden.
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Der Deckel 16, die Gehäuseteile 105, 135, 14 und 15 sind über Passstifte 171 sowie Schraubverbindungen 161, 162 und 163 zusammengefügt, wie anhand von 5 erläutert. Aus 5 ist auch ersichtlich, dass das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung 78 Düsen enthält, welche in einer Reihe angeordnet sind, um die Druckleistung bzw. den Durchsatz zu erhöhen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Düsen größer oder auch geringer sein und beispielsweise zwischen 1 und 180 betragen. Die Düsen können auch mehrreihig in einem Raster angeordnet sein
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6 zeigt nochmals einen schematischen Querschnitt durch eine einzelne Druckdüse 12, ein einzelnes Aerosolröhrchen 11 und die Aerosolkammer 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Aus 6 ist ersichtlich, dass die Aerosolkammer mit schrägen Begrenzungswänden 102 ausgestattet ist, welche gegenüber der Längserstreckung des Aerosolröhrchens 11 um einen Winkel α geneigt sind. Der Winkel α beträgt in diesem Fall zwischen etwa 25° bis etwa 30°.
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Weiterhin ist aus 6 ersichtlich, dass sich durch die geneigten Begrenzungswände 102 der Querschnitt der Aerosolkammer 10 an deren unterem Ende auf den Querschnitt bzw. den Durchmesser des Aerosolröhrchens 11 reduziert. Hierdurch kann eine laminare Strömung ausgebildet werden, ohne dass am ersten Ende 111 des Aerosolröhrchens 11 Turbulenzen auftreten, welche zu unerwünschten Abscheidungen des Aerosols an den Begrenzungswänden führen würden.
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Weiterhin ist aus 6 ersichtlich, wie das Aerosolröhrchen 11 in der Fokussiergaskammer 13 mündet und das Aerosol, das Hüllgas und das Fokussiergas in die Druckdüse 12 eintreten. Das zweite Ende 122 der Druckdüse 12 ist verjüngt, um ein präzises Druckbild bzw. eine Abscheidung des Aerosols auf einen definierten Ort zu ermöglichen.
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7 zeigt den Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die Unterschiede beschränkt. Gemäß 7 ist am unteren Ende der Aerosolkammer 10 ein Auffangvolumen 18 angeordnet. Das Auffangvolumen 18 ist so ausgebildet, dass Aerosol, welches an den Begrenzungswänden 102 in unerwünschter Weise abgeschieden wird, an den Begrenzungswänden 102 herabläuft und im Auffangvolumen 18 gesammelt wird. Hierdurch kann ein Verstopfen des Aerosolröhrchens 11 durch große Aerosoltropfen vermieden werden. Damit das Aerosol vom Boden 183 des Auffangvolumens 18 nicht in das erste Ende 111 des Aerosolröhrchens 11 eindringen kann, weist das Aerosolröhrchen 11 einen Überstand 115 auf.
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Um eine laminare Strömung sicherzustellen, ist die Breite bzw. der Durchmesser der Aerosolkammer, der Durchmesser des Aerosolröhrchens 11 und der Abstand 118 so bemessen, dass die Hüllgasströmung mit dem Aerosol wirbelfrei in das Aerosolröhrchen 11 eintreten kann.
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Anhand von 8 wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Diese unterscheidet sich von der vorangegangenen Ausführungsform primär darin, dass das Aerosol über einen ersten Einlass 104 in die Aerosolkammer eingeführt wird und das Hüllgas über einen separaten Hüllgaseintritt 101 zugeführt wird. Der Hüllgaseintritt 101 weist eine Begrenzungswand 106 auf, welche den Hüllgasstrom in Richtung der Wandung 102 ablenkt und dadurch die laminare Strömung entlang der Wandung 102 ermöglicht.
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Der Hüllgaseintritt 101 ist unterhalb des Aerosoleintritts 104 angeordnet, so dass durch den Eintritt des Aerosols entstehende Turbulenzen im oberen Bereich der Aerosolkammer dissipiert werden können. Sodann sinkt das Aerosol durch die Schwerkraft getrieben nach unten, bis es vom Hüllgasstrom erfasst wird.
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9 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist der Hüllgaseintritt 101 oberhalb des Aerosoleintritts 104 angeordnet. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass das Aerosol zuverlässig vom Hüllgas transportiert wird, so dass der Druckkopf 1 zumindest in gewissen Grenzen lageunabhängig betrieben werden kann, da ein Absinken des Aerosols mit der Schwerkraft für die Funktionsweise nicht erforderlich ist.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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