DE2650787A1

DE2650787A1 - Tintenausstossvorrichtung

Info

Publication number: DE2650787A1
Application number: DE19762650787
Authority: DE
Inventors: Richard H Vernon
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1975-11-21
Filing date: 1976-11-05
Publication date: 1977-05-26
Also published as: GB1552014A; SU680620A3; FR2332133A1; CH609915A5; CA1084098A; US4112433A; SE7612662L; NL7612849A; JPS5264230A

Description

Tintenaus stoßvorrichtung

Wenn ein Tintentröpfchen aus einer Tropfchen-Auslaßöffnung hinausgedrückt wird, so schwingt der in der. Auslaßöffnung gebildete neue Meniskus, nachdem das Tröpfchen die Auslaßöffnung verlassen hat, bis er einen stabilen Zustand erreicht hat. Da der Meniskus stabilisiert werden muß, um gesteuerte Tröpfchen hinauszudrücken, beeinflußt die Dauer der Schwingung die Frequenz, mit der die Tröpfchen durch die Auslaßöffnung hindurch hxnausgedruckt werden können. Je langer die Dauer der Schwingung ist, umso niedriger ist die frequenz, oder je kürzer die Dauer der Schwingungen ist, umso höher ist die Frequenz.

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Tintenausstoßvorrichtung mit einer Meniskus-Dämpfungseinrichtung zu schaffen, die die Zeitdauer der Meniskusschwingung verkürzt und dadurch die Frequenz erhöht, mit der Tröpfchen durch die Auslaßöffnung hindurch hxnausgedruckt .werden können.

Nach einem bevorzugten Gedanken der Erfindung wird ein erster Druckanstieg in der Flüssigkeit in einer Dimckkainmer erzeugt,

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um Flüssigkeitströpfchen aus dieser hinauszudrücken. Ein zeitverzögerter zweiter Druckanstieg wird in der Flüssigkeit in der gleichen Druckkammereinrichtung bewirkt, um eine Druckfront zu erzeugen, die innerhalb einer wirksamen Mesiskus-Dämpfungszone einer Auslaßöffnung im wesentlichen in dem gleichen Augenblick eintrifft, zu dem das Tröpfchen die Auslaßöffnung verläßt, um im wesentlichen die gesamte Dauer der Meniskussctaingung zu dämpfen.

Weitere Ziele der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt einer Tintenausstoßanordnung,

Fig. 2 eine Ansicht längs der Schnittlinie 2-2 der Fig.1,

Fig. 3 A bis JE Darstellungen, die die fortschreitende Form eines M niskus vor und nach dem Ausstoßen eines Tintentröpfchens aus der Auslaßöffnung zeigen,

Fig. 4· schematisch eine elektrische Schaltung,

Fig. 5 eine teilweise ausgebrochene Darstellung einer Koinzidenz-Tintenausstoßvorrichtung, die das erfindungsgemäße Prinzip benutzt, und

Fig. 6 eine Darstellung längs der Schnittlinie 6-6 der Fig. 5.

In den Fig. 1 und 2 ist eine herkömmliche Tintenausstoßanordnung dargestellt, die ein Gehäuse 10 mit einer Tintentröpfchen-Auslaßöffnung 12 aufweist, die mit einem Auslaßkanal 14- einer Druckkammer 16 fluchtet. Eine kreisförmige Strömungsmittelzuführungskammer 18 ist zwischen der Auslaßöffnung 12 und dem

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Druckkammer-Auslaßkanal 14 angeordnet. Eine flexible Tasche 20 dient als Tintenvorrat und ist über eine Leitung 22 mit dem Kanal 18 verbunden. Die Querschnittstlache des Kanals 14 ist die gleiche, jedoch nicht notwendigerweise,, wie die Querschnittsfläche der Auslaßöffnung. Eine dünne, flexible Membran 24- ist dichtend an dem Gehäuse 10 angeordnet und. bildet eine Außenwand der Kammer 16. An der Membran 24 ist eine Platte 26 mit piezoelektrischen Eigenschaften befestigt, die sandwichartig zwischen einem Paar von Elektroden 28 und 30 angeordnet und eingeklebt ist, wobei die Elektrode 28 mit der Membran 24 verbunden ist. Die piezoelektrische Platte 24 wird während ihrer Herstellung polarisiert, damit sie sich in einer Ebene parallel zur Ebene der Membran 24 zusammenzieht, wenn sie durch eine über den Elektroden 28 und 30 angelegte geeignete Spannung erregt wird. Die Zusammenziehung der piezoelektrischer!. Platte 26 übt eine entsprechende Kraft auf die Membran 24 aus, damit sich diese deformiert oder faltet, um das Volumen der Kammer 16 zu verringern. Ein ODER-Leistungsverstärker 32 ist mit den Elektroden 28 und 30 verbunden, um über diese die Spannung zuzuführen.

Die zuvor beschriebene Ausführungsform ähnelt sehr stark der in der US-PS 3 747 120 beschriebenen Tintenausstoßanordnung. Bei der Aktivierung der piezoelektrischen Platte 26 verbiegt sich die Membran 24, um einen Druckanstieg in dem Strömungsmittel in der Kammer 16 zu'erzeugen, was das Hinausdrücken eines Tintentröpfchens 34 aus der Auslaßöffnung 12 bewirkt.

In den Fig. 3A bis 3E ist ein typisches Meniskus-Tröpfchenform-Diagramm in Abhängigkeit von einer verstreichenden Zeit nach der Erzeugung von Druck in dem Strömungsmittel in der Druckkammer 16 dargestellt. Pig. 3A zeigt die typische Form eines Miniskus 34' zu dem Zeitpunkt, wenn ein elektrisches Signal an das piezoelektrische Kristall gegeben wird, um einen Druckimpuls auf die Flüssigkeit in der Kammer 16 auszuüben. Fig. 3B

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zeigt die Form des Meniskus 34' am Ende des elektrischen Signals. Fig. 3C zeigt die Form des Meniskus 34', der getzt verlängert wurde und etwa bereit ist, um aus der Auslaßöffnung 12 als ein Tröpfchen 34 herauszubrechen (Fig. 3D)· Fig. 3D zeigt das Tröpfchen 34, wenn es die Auslaßöffnung 12 verläßt, und außerdem einen neu gebildeten Meniskus 36. Wird die über den Elektroden 28 und 30 angelegte Spannung beendet, wodurch das piezoelektrische Kristall 26 und die Membran 24 in ihren Ruhezustand zurückkehren, bewirkt die Membran einen Druckabfall in der Druckkammer 16, wodurch Strömungsmittel in der Zuführungskammer 18 in die Kammer 16 hineingezogen wird. Jedoch wird dieser Druckabfall auch an das Strömungsmittel in der Öffnung 12 gegeben, wodurch der Meniskus 36 zurück in die Auslaßöffnung hineingezogen wird, wie dieses in Fig. 3^ gezeigt ist. Der Meniskus 36 wird hin- und herschwingen, bis er einen stabilen Zustand erreicht, nachdem er die in Fig.3A für den Meniskus 34' gezeigte Lage annimmt. Die Amplitude oder der Grad dieser Schwingung des Meniskus 36 begrenzt die Frequenzansprechempfindlichkeit für das Ausstoßen der Tinte durch die gleiche Auslaßöffnung 12, da der Meniskus 36 einen ausreichend stabilen Zustand errel cht haben muß, bevor ein weiteres gesteuertes Tröpfchen ausgestoßen werden kann. Dauert es z.B. 300 MikrοSekunden, bis der Keniskus 36 eine ausreichend stabile Lage erreicht hat, so darf die elektrische Impulssteuerung mit keinen geringeren Intervallen als 300 Mikrosekunden für den nachfolgenden Ausstoßvorgang stattfinden. Außerdem besteht die Möglichkeit, daß Luft in das System eingesaugt wird, wenn die Schwisgungsamplitude des Meniskus zu groß ist. Obwohl die herkömmliche Ausführungsform eine Tintenausstoßanordnung mit einem Strömungsmittelgleichrichter 18 zum Zuführen von Strömungsmittel in die Kammer 16 z-eigt, ist die gleiche Meniskusschwingungssigenschaft auch bei Tintenausstoßanordnungen anwendbar, die keinen Strömungsmittelgleichrichter haben, z.B., für solche Tintenausstoßanordnungen, wie sie in den US-PSen 3 683 212 und 3 832 579 beschrieben sind.

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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die Amplitude der Meniskusschwingung zu dämpfen und damit die Zeit für die Stabilisierung des Meniskus zu verringern, wodurch die Ausstoßfrequenz für die Tintentröpfchen erhöht und ein Eindringen von Luft in das System verhindert werden kann. Dieses wird durch Zuführung einer Spannung an die piezoelektrische Platte 26 zu einem bestimmten Zeitpunkt nach der Zuführung der ersten Spannung erreicht, um einen zweiten Druckanstieg in der Kammer 16 zu bewirken. Dieser zweite Druckanstieg bewirkt eine Druckfront, die innerhalb einer wirksamen Meniskusdämpfungsnachbarschaft der Auslaßöffnung 12 im wesentlichen zu dem gleichen Augenblick eintrifft, zu dem das Tröpfchen 34- die Auslaßöffnung 12 verläßt. Die Druckfront dämpft im wesentlichen die gesamte Periode der Meniskusschwingung, bis der Meniskus einen ausreichend stabilisierten Zu stand erreicht. Die Größe und Dauer der Spannung soll so sein, daß der zweite Druckanstieg in der Flüssigkeit in der Kammer 16 nicht eine solche Größe hat, daß ein Tintentröpfchen durch die. Auslaßöffnung 12 hin aus ge drückt wird, jedoch im wesentlichen die volle Dauer der Meniskusschwingung gedämpft wird. Die Zeitverzögerung zwischen der Zuführung der ersten und zweiten Spannungen an die piezoelektrische Platte wird durch die hydraulische Auslegung der Tintenausstoßvorrichtung bestimmt. So wurde z.B. unter den folgenden Bedingungen festgestellt, daß die Dauer für eine ausreichende Stabilisierung des Meniskus von etwa 300 Mikrosekunden auf 200 Mikrosekunden verringert werden kann, wenn der Meniskus eine natürliche Schwingungsfrequenz von 2,5 kHz hat. Die ursprüngliche an die piezoelektrische Platte zum Ausstoßen eines Tröpfchens gegebene Spannung betrug 100 Volt für 30 Mikrosekunden, während eine zweite Spannung von 60 Volt während 20 Mikrosekunden an die piezoelektrische Platte 160 Mikrosekunden nach dem Beginn der ersten Spannung gegeben wurde', um die M niskusschwingung zu dämpfen.

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Wie in den sehematisehen elektrischen Stromlaufplan der I?ig.4 gezeigt ist, gelangt ein Teil eines Eingangssignals durch einen Impuls formenden Verstärker P. an den ODER-Leistungsverstärker 32 und dann an die Elektroden 28 und 30, um eine erste Spannung an die piezoelektrische Platte einer gegebenen Amplitude und während einer gegebenen Zeitdauer zu geben. Der andere Teil eines Eingangssignals gelangt durch einen seitverzögernden Multivibrator, einen impulsverstärkenden Yerstärker Po an den ODER-Leistungsverstärker 32 und dann an die Elektroden 28 und 30, um eine zeitverzögerte zweite Spannung geringerer Größe und während einer geringeren Zeitdauer als bei der ersten Spannung zu geben. Die impulsformenden Verstärker P^ und Έ^ sind bekannt und weisen Bauelemente auf, um die Anstiegszeit, Abfallzeit, Spannungsamplitude und elektrische Impulsbreite zu verändern. Der ODER-Leistungsverstärker 32 kann zwei Transistoren aufweisen, die jeweils zwischen einem gesperrten Schaltzustand und einem gesättigten leitenden Zustand in Abhängigkeit von einem ins Positive gehenden impulsförmigen Eingangssignal umgeschaltet werden, das an die Basis des Transistors gegeben wird.

In den JPig. 5 und 6 ist eine Koinzidenz-Tintenausstoßvorrichtung gezeigt, bei der das erfindungsgemäße Prinzip ebenfalls angewendet werden kann. Eine Koinaidenz-Tintenausstoßvorrichtung ist Gegenstand der US-Patentanmeldung Serial No. 625 988, angemeldet 28.Oktober 1975 > der gleichen Anmelderin, und weist zwei Druckkanäle für flüssige Tinte und eine Tröpfchen-Auslaßöffnung auf. Jeder der Druckkanäle ist mit einer zugehörigen Druckkammer verbunden. Ein Tintentröpfchen wird aus der Auslaßöffnung nur dann hinausgedrückt, wenn die Flüssigkeit in beiden der Druckkanäle gleichzeitig einen Druckanstieg hat.

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In Fig. 5 ist eine teilweise ausgebrochene Darstellung eines Teils 100 der Gelläuseanordnung der Tintenausstoßvorrichtung gezeigt, die ein Paar von Druckkammern 101 und 102 aufweist. Strömungsmittel-Druckkanäle 104- und 106 führen von· den Kammern 101 und 102 jeweils zu einem Zuführungskanal 108 für flüssige Tinte, wo sich, die drei Kanäle schneiden. Der Zuführungskanal 108 für die flüssige Tinte ist mit einer Öffnung 110 verbunden, die ihrerseits wieder über eine Leitung 112 mit einem Tintenzuführungsvorrat 114 verbunden ist, der von dem Gehäuse entfernt angeordnet ist und eine abgedichtete flexible Tasche aufweist. An dem Schnittpunkt befindet sich eine Auslaßöffnung 116, durch die hindurch Tintentröpfchen 118 auf ein Aufzeichnungsmedium hinausgedrückt werden.

Wie in Fig.6 gezeigt ist, sind die Kammern und Kanäle durch eine flache, flexible Schicht 120 abgedichtet, die mit dem Teil 100 verklebt ist. Die Druckkammern 101, 102 und Kanäle •104, 106 und 108 sind vollständig mit flüssiger Tinte gefüllt. Ein piezoelektrisches keramisches Glied 122 ist sandwichartig zwischen einem Paar von Elektroden 124 und 126 angeordnet und mit diesen verklebt, wobei die Elektrode 124 mit der Schicht 120 verklebt ist, wodurch xtfirksam damit auch das piezoelektrische Glied 122 verbunden ist. Die Glieder 100 und 120 des Gehäuses können aus Glas oder Kunststoff sein.

Wenn das piezoelektrische Glied für jeden Umformer 101 oder 102 aktiviert wird, tritt ein Strömungsmitteldruckimpuls Jeweils in einem der Kanäle 104 und 106 auf, wodurch eine Verschiebung der Tinte in dem jeweiligen ^anal bewirkt wird. Die Kanäle 104 und 106 sind mit einem solchen Winkel relativ zu der Auslaßöffnung 116 angeordnet, daß die Impedanz für den Flüssigkeitsstrom in dem Kanal 108 in Bezug auf die Impedanz für den Flüssigkeitsstrom in der Auslaßöffnung 116

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AO

sowie die Größe und Dauer eines Druckanstiegs, der auf die Flüssigkeit in den Druckkanälen 101, -102 ausgeübt wird, so ausgelegt sind, daß der während eines Zeitpunktes nur aus einem Kanal hinaus ge drückte Tintenstrom die Auslassöffnung 116 vollständig verfehlen und die Tinte in dem Tintenzuführungskanal 108 verschieben wird, während die Tinte innerhalb der Auslaßöffnung 116 nicht in einem solchen MaISe gestört wird, daß durch .sie hindurch ein Tröpfchen aisgestoßen wird. Die Öffnung 116 ist so gegenüber dem Schnittpunkt der Kanäle 104- und 106 angeordnet und die Größe und Dauer des auf die Flüssigkeit in den Druckkammern 101, ausgeübten Druckanstiegs sind so gewählt, daß der Summenvektor des Strömungsmittelmomentenvektors in den Kanälen 104· und 106 auf der Achse der Auslaßöffnung 116 liegt. Kur wenn die piezoelektrischen Glieder für beide Druckkammern 101, 102 gleichzeitig aktiviert sind, wodurch gleichzeitig ein Druckanstieg in der Flüssigkeit in jedem der Kanäle 104-, bewirkt wird , wird auf diese Weise ein Tintentröpfchen aus der Auslaßöffnung 116 hinausgedrückt.

Eine zeitverzögerte zweite Spannung wird an die piezoelektrische Platte einer jeweiligen Kammer nach einer ersten Spannung zugeführt, um einen zweiten Druckanstieg in der jeweiligen Kammer zum Erzeugen einer Druckfront zu bewirken, die innerhalb eines wirksamen Meniskusdämpfungsbereichs an der Auslaßöffnung 116 im wesentlichen zu dem gleichen Zeitpunkt eintrifft, zu dem ein Tröpfchen die Auslaßöffnung 116 verläßt, um im wesentlichen die volle Dauer der Meniskusschwingung zu dämpfen. Die Spannungsgröße und -dauer sind so, daß die Größe des zusammengefaßten zweiten Druckanstiegs in der Flüssigkeit in beiden Kammern nicht eine solche Größe hat, daß ein Tröpfchen durch die Auslaßöffnung 116 hindurch hinausgedrückt werden kann. Wird eine Spannung an eine piezoelektrische Platte von nur einer Druckkammer zu einem Zeitpunkt gegeben, wodurch ein Flüssigkeitsstrom von einem der Kanäle 104- oder

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αΛ

106 ausgestoßen wird, ergibt sich eine geringe Wirkung auf den Miniskus in der Auslaßöffnung 116, die dessen Schwingung bewirkt. Die entsprechende'Druckfront, die von der zeitverzögerten Zuführung der %>annung zu der gleichen piezoelektrischen Platte herrührt, wirkt dämpfend auf diese Schwingung, um den Meniskus in der Auslaßöffnung 116 zu stabilisieren, bevor die nächste Spannung an die piezoelektrische Platte der gleichen Kammern gegeben wird.

Anstelle der Zuführung einer zeitverzögerten zweiten Spannung an die piezoelektrischen Platten beider Kammern 101 und 102, kann die zweite Spannung auch an die piezoelektrische Platte von nur einer Kammer gegeben werden. Da beide Kammern gleichzeitig^mit Druck beaufschlagt werden müssen, um ein Tintentröpfchen auszustoßen, kann ein zweiter Druckanstieg in nur einer der Kammern ausgeübt werden, um die Meniskusschwingung zu dämpfen.

Die zuvor beschriebene Koinzidenz-Tintenausstoßvorrichtung wird besonders bei in einer Matrix betätigten Systemen benutzt, wo sowohl eine große Anzahl von Düsen oder eine kompakte lineare Düsenanordnung benutzt wird, da eine wesentlich geringere Anzahl von Druckkammern erforderlich ist als Düsen benutzt werden. Theoretisch ist die Anzahl von Druckkammern, die bei einem in einer Matrix betätigten System erforderlich ist, gleich zwei mal der Quadratwurzel der Anzahl von Düsen, da zwei unabhängige Druckkammern erforderlich sind, um das Ausstoßen eines Tintentröpfchens durch eine Düse hindurch zu bewirken. So werden z.B. theoretisch nur 120 Druckkammern für 3600 Düsen benötigt, wobei jede Düsenauslaßöffnung mit zwei Druckkammern verbunden ist. Wenn jedoch die Anzahl von Düsen in einem System wächst, so ist die Anzahl von mit einer Druckkammer zu verbindenden Düsen hydraulisch begrenzt, und es sind daher mehr Druckkammern erforderlich.

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-γί-

So ist z.B. die praktische Anzahl von Druckkammern für eine 3600 Düsen aufweisende Anordnung im Bereich zwischen 120 und 400. In diesem Fall wird ein Gehäuse mit einer "Vielzahl von Druckkammern vorgesehen, die jeweils "eine Anzahl von Tintendüsen versorgt.

Bei allen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen können die Gehäuse und Membranen aus irgendeinem bekannten Material., wie Kunststoff, Glas oder Keramik hergestellt sein.

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Claims

Patentansprüche

1.j Tintenaus stoßvorrichtung, gekennzeichnet

ch eine Tröpfchen-Auslaßöffnung (12,116), eine tröpfchenerzeugende Druckkammereinrichtung (16;1O1,102), die wirkungsmäßig mit der Auslaßöffnung (12,116) verbunden ist, um durch diese hindurch ein Flüssigkeitströpfchen (34,118) hinauszudrücken, durch eine erste Einrichtung (P,,, 24,26,28,30, 122,124,126) zum Bewirken eines ersten Druckanstiegs in der Flüssigkeit in der Kammereinrichtung (16, 101,102), durch eine zweite Einrichtung (P₂, 24,26,28,30; 122,124,126) zum Bewirken eines zweiten Druckanstiegs in der Flüssigkeit in der Kammereinrichtung (16; 101,102) zu einem bestimmten Augenblick nach dem ersten Druckanstieg, wobei die Größe und Dauer des ersten Druckanstiegs von solcher Art sind, daß ein Flüssigkeitströpfchen (34,118) aus der Auslaßöffnung (12,116) hinausgedrückt wird, und die Größe und Dauer des zw.eiten Druckanstiegs von solcher Art sind, daß eine Druckfront in einer wirksamen Meniskus-Dämpfungszone erzeugt wird, um die Schwingungsaiäplitude des in der Auslaßöffnung (12,116) gebildeten Meniskus (36) zu dämpfen, nachdem durch sie infolge des ersten Druckanstiegs ein Tröpfchen hinausgedrückt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Druckkammereinrichtung (16; 101,102) eine Kammer (16) ist, daß ein Auslaßkanal (14) die Druckkammer (16) mit der Tröpfchen-Au si aß öffnung (12) verbindet, daß die Tröpfchen-Auslaßöffnung (12) mit einer StrömungsmittelzufUhrkammereinrichtung (18,20) verbunden ist, daß der Auslaßkanal (14) in die Strömungsmittelzufuhrkammereinrichtung (18,20) mündet und daß die Strömungsmittelzufuhrkammereinrichtung (18,20) zwischen der Tröpfchen-Auslaßöffnung (12) und dem Auslaßkanal (14) angeordnet ist.

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3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Druckkanmereinrichtung (16;101,102) zwei Druckkammern (101,102) aufweist, die jeweils einen Auslaßkanal (104,106) haben, der die Druckkammern (101,102) mit der Tröpfchen-Auslaßöffnung (116) verbindet, daß die Auslaßkanäle (104,106) einander neben der Tröpfchen-Auslaßöffnung (116) schneiden und daß die Auslaßkanäle (104,106) und die Auslaßöffnung (116) relativ zueinander so angeordnet sind, daß ein Tröpfchen (118) aus der Auslaßöffnung (116) nur dann herausgedrückt wird, wenn die Flüssigkeit in den beiden Kammern (101,102) einen gleichzeitigen Druckanstieg hat.

4. Vorrichtung na.ch Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Strömungsmittelzuführungskaminereinrichtung (108, 110,112,114), die mit der Tröpfchen-Auslaßöffnung (II6) verbunden ist, wobei die Auslaßkanäle (105,106) in die Strömungsmittelzuführungskammereinrichtung (108,110,112,114) münden, die zwischen der Auslaßöffnung (116) und den Auslaßkanälen (104,106) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druckanstieg gleichzeitig in der Flüssigkeit in jeder der Druckkammern (101,102) auftritt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Druckanstieg in der Flüssigkeit in mindestens einer der Druckkammern (101,102) auftritt.

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