CN1209688C - 用于电摄影术图像形成装置的熔化辊装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于热管原理的结构上有所改进的熔化辊装置。该熔化辊装置包括具有热管结构的熔化辊，以及在熔化辊内部的电阻加热器和/或卤素灯，因此熔化辊表面可被瞬时加热到目标熔化温度。熔化辊装置可在较短时间段内加热到目标熔化温度，而不需要预热和待机时间，因此电能消耗降低。本发明还涉及熔化辊的制造方法。

Description

用于电摄影术图像形成装置的熔化辊装置 及其制造方法

                        技术领域

本发明涉及一种用于电摄影术图像形成装置的熔化辊装置及其制造方法，更具体的是，涉及一种用于电摄影术图像形成装置的可在低电能消耗下瞬时加热的熔化辊装置及其制造方法。

                        背景技术

在普通电摄影术图像形成装置，如复印机和激光打印机中，随着靠近感光器辊的静电充电辊转动，涂覆在感光器辊表面上的光敏材料被均匀充电。充电后的光敏材料暴露于来自激光扫描装置(LSU)经扫描的激光束中，因此预设图样的静电潜像形成在光敏材料上。显影装置向光敏材料提供色粉，以将形成在光敏材料上的静电潜像显影成可视色粉图像。预设的转移电压施加给转移辊，该转移辊在感光器辊承载色粉图像时以预设外力与感光器辊接触。在该状态下，随着复印纸输入转移辊和感光器介质之间的间隙，形成在光敏材料上的色粉图像转移到复印纸上。包括熔化辊的定影装置瞬时加热转移了色粉图像的复印纸，以将色粉图像熔化并固定到复印纸上。通常，卤素灯用作定影装置的热源。卤素灯设置在熔化辊内部，并且用辐射热加热熔化辊表面达到目标温度。

在利用卤素灯作为热源的电摄影术图像形成装置的传统熔化辊装置中，熔化辊的外表面必须产生热量；熔化辊因此由来自卤素灯的辐射热由内向外加热。压力辊位于熔化辊下面。随着携带粉末形式的色粉图像的纸张经过熔化辊和压力辊之间时，纸张被预设力热压，而且色粉图像由来自熔化辊和压力辊的热量和力熔化并固定到复印纸上。

热敏电阻可用来检测熔化辊的表面温度并将其转化成电信号，温度自动调节器可用于切断对卤素灯的电源供给。

采用卤素灯作为热源的传统熔化辊装置不需要大量电能，但是当图像形成装置接通以备图像形成时需要相当长的预热时间。换句话说，在电能供给之后，跟随着的是例如持续十几秒至几分钟的待机时段，直到熔化辊的温度达到目标温度。我们已经发现，对于传统熔化辊装置，由于熔化辊由来自热源的辐射热加热，所以热传导率较低。特别是，对于因与复印纸接触而导致的加热辊温度降低而产生的温度变化的调整延迟，因此难于均匀控制熔化辊轴向长度的温度分布。甚至在打印机操作处于暂停执行的待机模式下，必须周期性地供给电能以保持熔化辊温度恒定，由此导致不必要的电能消耗。另外，需要耗费大量时间来将待机模式转换成操作模式以进行图像输出，这样所形成的图像不能快速输出。

对于传统熔化辊装置的另一种设计是，利用放置在柔性圆柱薄膜管下部中的加热板，并且压力辊安装在加热板下方。薄膜管被单独的旋转装置转动而且在加热板和压力辊之间的部分局部加热而变形。尽管这种用加热板局部加热薄膜管的方法被认为在较低电能消耗方面是有利的，但是它不适合高速打印。

下述专利公开了配备有热管的熔化辊装置：日本专利申请58-163836(1983年9月16日)；3-107438(1991年5月13日)、3-136478(1991年6月7日)；5-135656(1993年6月7日)；6-296633(1994年11月30日)；6-316435(1994年12月20日)；7-65878(1995年3月24日)；7-105780(1995年4月28日)；7-244029(1995年9月22日)；8-110712(1996年5月1日)；10-27202(1998年2月9日)；10-84137(1998年3月30日)；以及10-208635(1998年7月8日)。

这些使用热管的熔化辊装置可被瞬时加热，由此降低了电能消耗。当在待机操作和打印操作之间转换时熔化辊装置仍具有短期延迟。特别是，日本专利申请5-135656；10-84137；6-29663；10-208635中公开的熔化辊装置在熔化辊一端采用了不同类型的设置在定影区域以外的热源。对于这些熔化辊装置中每一种，热源设置增加了熔化辊装置的体积而且需要复杂的结构。因此，需要改进这种熔化辊装置结构复杂性。

在日本专利申请58-163836；3-107438；3-136478；6-316435；7-65878；7-105780；以及7-244029中公开的熔化辊装置的热源位于熔化辊中，因此由于上述这些装置增大的体积仍然存在有问题。然而，每个熔化辊设置有多个区域热管，由此使得熔化辊装置的制造和生产复杂。此外，热管的区域性配置导致热管接触部分和热管非接触部分之间的温度偏差。

                        发明内容

为了解决技术领域中的这些和其它问题，本发明的一个目的是提供一种电摄影术图像形成装置和方法。

另一个目的是提供一种改进的熔化辊和熔化方法。

再一个目的是提供用于电摄影术图像形成装置的熔化辊装置，其中熔化辊的区域温度偏差急剧降低，由此提高了总体的热分布特性。

本发明的另一个目的是提供用于电摄影术图像形成装置的熔化辊装置，其易于制造并且设计成使熔化辊装置尺寸的任何可能的增加最小。

另一个目的是提供一种能够在较短时间段内从其待机状态进展到其打印状态的熔化辊。

还有一个目的是对电摄影术方法和装置提供更多的能量使电摄影术方法和装置更有效。

为了实现本发明这些和其它目的，本发明的第一方面是，一种熔化辊装置，包括：

圆柱形熔化辊，包括具有内部第一直径的外管，以及具有小于所述第一直径的外部第二直径的内管，在所述外管和所述内管之间形成环形空间，所述环形空间被抽空降低到预设压力；和含在所述环形空间内的工作流体，流体量小于所述环形空间的容积，

其中所述装置还具有安装在所述环形空间中与所述外管直接接触的第一发热器，其中，所述第一发热器为螺旋缠绕在所述环形空间中的电阻加热线圈。

为了实现本发明这些和其它目的，本发明的第二方面是，一种制造熔化辊装置的方法，包括：

形成圆柱形熔化辊，其内部空腔在所述辊的轴向相对端之间轴向延伸；

将缠绕成螺旋的加热线圈插入所述内部空腔中；

抽空所述内部空腔；

用工作流体局部充满所述内部空腔；以及

的电极，能够施加通过所述发热器的电压。

为了实现本发明这些和其它目的，本发明的第三方面是，形成圆柱形熔化辊，其内部空腔在所述辊的轴向相对端之间轴向延伸；将缠绕成螺旋的加热线圈插入所述内部空腔中；抽空所述内部空腔；用工作流体局部充满所述内部空腔；以及密封所述空腔，而同时保持穿过所述加热线圈的电连接性。

为了实现本发明这些和其它目的，在第一实施例中提供了熔化方法和熔化辊装置，该装置可以在体现为具有两端均密封的圆柱形熔化辊；熔化辊的内部空腔被抽空降低到预设压力水平。熔化辊的内部空腔含有预定量的工作流体；发热器设置在熔化辊中与工作流体接触。

第二实施例中，熔化方法和熔化辊装置可以在体现为具有轴向相对端均密封的圆柱形熔化辊，熔化辊的内部空腔被抽空降低到预设压力水平。熔化辊内部空腔含有预定量的工作流体。挡板将熔化辊内部空间分隔成多个单位空间。安置在熔化辊中的发热器围绕着挡板并与工作流体接触。

对于根据本发明第一或第二实施例构造而成的熔化辊装置，优选的是，发热器构造成电阻加热元件的螺旋状线圈，电阻加热线圈两个引线均通过熔化辊的轴向相对端从熔化辊延伸出来。优选的是，发热器沿着熔化辊内表面螺旋设置并与该内表面直接接触。为了增强发热器对熔化辊内壁的接触力，优选的是，发热器的外径大于熔化辊内部空腔的内径，因此发热器在因直径差导致的力的作用下被弹性压缩抵在熔化辊内圆柱表面。优选熔化辊由铜(Cu)或不锈钢形成。如果熔化辊由铜形成，则优选蒸馏水作为工作流体。液相的加热介质量就是说，含在熔化辊中的液相工作流体可以为熔化辊内部圆柱空腔的容积5-50％范围的量，优选为10-15％范围的容积量。

对于第三实施例中的熔化辊装置，优选挡板构造有径向设置的多个分隔件。

在根据本发明原理构造的熔化辊装置的第二实施例，熔化辊装置可以构造有圆柱形熔化辊，该圆柱形熔化辊包括具有第一直径的外管和具有小于第一直径的第二直径的内管，内管同轴设置在外管内部而在外管和内管之间形成环形空间。熔化辊的环形空间被抽空降低到预设压力。小于外管和内管之间形成的环形空间容积的预设量的工作流体含在熔化辊的环形空间中。加热器安装在内管的内部或是环形空间内。

对于第三实施例中的熔化辊装置，优选地发热器构造有设置在环形空间中的第一加热器或/和设置在内管内部的第二加热器。优选的是，第一加热器为螺旋电阻加热线圈，第二加热器为卤素灯。对于第三实施例的熔化辊装置，优选的是，挡板构造有径向设置的多个分隔件。仍为优选的是，多个挡板将环形空间分隔成多个单位空间。根据本发明的原理，如本发明第三实施例构造的熔化辊装置可以变化，结合有第一和第二实施例的熔化辊装置的一个或多个结构特征。

                        附图说明

通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的上述目的和优点将变得更加显而易见。

图1是普通电摄影术图像形成装置；

图2是电摄影术图像形成装置的传统熔化辊装置的剖视图；

图3示出了结合了传统熔化辊装置的电摄影术图像形成装置的定影装置的结构；

图4示出了结合了不同的传统熔化辊装置的电摄影术图像形成装置的定影装置的结构；

图5是结合了根据本发明原理构造的熔化辊装置第一实施例的电摄影术图像形成装置的定影装置的剖视图；

图6是图5所示熔化辊装置结构的局部透视图；

图6A是图6所示的加热电阻线圈的局部剖开的剖面图；

图6B、6C和6D示出了根据本发明原理构造熔化辊装置的步骤次序；

图7是示出了图5和6所示的熔化辊装置内部结构的剖视图；

图8A是根据本发明原理构造的熔化辊装置第二实施例的剖视图；

图8B是图8A所示的熔化辊装置的局部纵向剖视图；

图9A是熔化辊装置传统结构的剖视图；

图9B是图9A所示的熔化辊装置的局部纵向剖视图；

图10A是根据本发明原理构造的熔化辊装置第三实施例的剖视图；

图10B是图10A所示的熔化辊装置的局部纵向剖视图；

图10C是说明两个传统结构和本发明一个实施例之间对照的两个坐标图；

图11A是根据本发明原理构造的熔化辊装置第四实施例的剖视图；

图11B是图11A所示熔化辊装置的局部纵向剖视图；

图12是根据本发明原理的熔化辊装置第五实施例的局部透视图；

图13是根据本发明原理构造的熔化辊装置第六实施例的局部透视图；

图14是结合了根据本发明构造的熔化辊装置的电子图像形成装置的定影装置的纵向剖视图；

图15是说明作为温度增高和热管工作时间的函数而示出的工作流体的相变图；

图16示出热管和有标记以表示液相-气相改变的热传导的内部结构；

图17是示出分别用作工作流体的FC-40和蒸馏水的作为饱和温度的函数的饱和压力变化的曲线图；

图18是对于铝、铜和304不锈钢的热管材料的作为温度变化函数的最终拉伸强力变化的曲线图；

图19A和19B是说明在FC-40和蒸馏水分别用作工作流体时相对于温度变化的热管壁上的最大允许应力和最大应力变化的曲线图；

图20A和20B是说明在FC-40和蒸馏水分别用作工作流体时相对于热管厚度(T)变化的最大应力变化的曲线图；

图21和22是说明对于上述熔化辊装置第一实施例熔化辊中部相对于时间的温度变化曲线图。

                       具体实施方式

图1示出了普通的电摄影术图像形成装置，电摄影术图像形成装置包括：排纸器1、键板2、控制板盖3、上盖板打开按钮4、纸张指示窗口5、多功能进纸托盘6、纸盒7、备用盒8和辅助纸张支架9。

图2是电摄影术图像形成装置的传统熔化辊装置的剖视图，其使用卤素灯作为热源。图3是图2中熔化辊的剖视图，其中卤素灯作为热源，以及压力辊，和用在传统电摄影术图像形成装置中的一样。参照图2，传统熔化辊装置10包括圆柱形熔化辊11以及在熔化辊11中的发热器12，诸如卤素灯。由于熔化辊11的外表面必须产生热量，所以熔化辊11由内向外通过来自发热器12的辐射热而加热。

参照图3，压力辊13位于熔化辊11下方，压力辊13具有由特氟隆形成的涂层11a。压力辊13受到弹簧组件13a的弹性支承，由预定力将通过熔化辊11和压力辊子13之间的纸张14压向熔化辊11。当复印纸14以粉末形式承载色粉图像14a在熔化辊11和压力辊13之间时，复印纸14被预定力热压。换句话说，色粉图像14a通过来自熔化辊11和压力辊13的热量和外力熔化并固定到复印纸14上。

热敏电阻15用于检测熔化辊11的表面温度并将该表面温度转化成电信号，用于切断对诸如卤素灯的发热器12的电能供给的温度自动调节器16设置在熔化辊11附近。当熔化辊11的表面温度超过给定的临界值时，温度自动调节器16截断到发热器12的电源。热敏电阻15检测熔化辊11的表面温度并且将检测结果传送至打印机的控制器(未示出)。控制器根据检测出的熔化辊11的表面温度来控制对发热器12的卤素灯的电能供给，以将表面温度保持在给定范围。温度自动调节器16起到熔化辊11和周围元件的热保护作用，当热敏电阻15和控制器不能控制熔化辊11的温度时，温度自动调节器工作。

利用卤素灯作为热源的传统熔化辊装置不必消耗大量电能，但是当图像形成装置接通以形成图像时需要相当长的升温时间。换句话说，在电能供给之后，接着有待机时间例如几十秒至几分钟，直到熔化辊11的温度达到目标温度。对于传统熔化辊装置来说，由于熔化辊由来自热源的辐射热加热，所以传热率较低。特别是，因与复印纸接触导致的热辊温度降低而产生的温度变化校正延迟，从而难于均匀地控制熔化辊11的温度分布。甚至在打印机操作暂停执行的待机模式下，必须周期性的提供电能，以保持熔化辊温度恒定，由此导致不必要的电能消耗。另外，需要耗费大量时间来将待机模式转换成操作模式以进行图像输出，这样所形成的图像不能快速输出。

图4是运用于电摄影术图像形成装置的传统熔化辊装置的剖视图。加热板22安放在柔性圆柱形薄膜管21的下部中，压力辊23安装在加热板22下方。薄膜管21被单独的转动机构转动而且局部加热并在加热板22和压力辊23之间的部分变形。由加热板22局部加热薄膜管21的方法在低电能消耗方面是有利的。然而，对于高速复印，局部加热方法是不合适的。

结合了本发明熔化辊装置第一实施例的电摄影术图像形成装置的定影机构示于图5中，而图6是图5的详细示出了熔化辊装置结构的透视图，图7是图5和6的熔化辊装置的纵向剖视图。

同时参照图5、6和6A，定影装置200包括熔化辊装置210和压力辊220，其中熔化装置210在承载色粉图像231a的复印纸排出方向上转动，即图5中可见的顺时针方向，压力辊220与熔化辊装置210接触逆时针转动。熔化辊装置210包括具有外保护圆柱层211的圆柱形熔化辊212，外保护圆柱层通过特氟隆涂覆而形成在其表面上，发热器213设置在熔化辊212中。用于感知熔化辊212表面温度的热敏电阻230安装在熔化辊212顶部上。

热敏电阻230与保护层211直接接触并传感保护层211的温度。由熔化辊212的内圆柱形空腔242形成的内部空间抽空至预定的真空水平。发热器213可以为由螺旋电阻加热线圈构成的螺旋绕组，其沿着内部空腔242设置并与熔化辊212内圆柱形壁直接接触。发热器213包括：由电阻材料制成的发热线213a，这种材料如铁铬(Fe-Cr)或镍铬(Ni-Cr)线圈，以及由氧化镁(MgO)形成的电绝缘覆盖层213c以保护发热线213a。发热器213的绝缘覆盖层213b防止发热线213a的变形或特性改变，而变形或特性改变易于发生一段时间，或者由将要在下文描述的工作流体214中的温度变化引起。由惰性材料如不锈钢制成的外层213b形成包绕绝缘层213c的保护外套。多个轴向间隔开的电绝缘体213d将近乎轴向间隔的线213a保持在与外套213b间隔开的层213c中央内。

如图6B、6C和6D所示，热管212内圆柱表面246的径向相对内壁之间距离为d₁，而热管212外圆柱表面的之间为d₂。线圈213的外圆柱直径大于d₁而稍小于d₂。如图6C所示，在线圈213的轴向相对端有力F作用于电极215，以将线圈213的直径降低到d₃，其小于d₁，而线圈213插入热管212的内空腔242中。如图6D所示，在除去力F时，线圈213各圈的其它表面与热管212的内圆周表面246直接热接触；实质上，力F的去除允许线圈213的圆柱外径d₁等于热管212的内径。线圈213的相邻圈之间的间距X₁、X₂不必相等。然而重要的是，线圈213的各圈外表面的大部分或全部与热管212的内圆柱表面246直接热接触。

工作流体214含在熔化辊212的密封的内部空间中，在该空间中设置了发热器213。工作流体214的体积含量为5-50％，优选的是，是熔化辊212的内部容积242的5-15％的体积含量。工作流体214在热管原理的基础上防止了转动熔化辊212的局部表面温度偏差，该温度偏差是由发热器213的存在引起的，并且工作流体起到热介质的作用，它能够在比现有传统装置更短的时间内均匀加热熔化辊212的全部圆柱容积。如果工作流体214的容积量小于熔化辊212的容积大约为5％，则易发生干透现象，此现象中，工作流体没有全部蒸发而且在已经发生蒸发之后没有立即液化。

熔化辊212可以由不锈钢(如304SS)或铜(Cu)制成。如果熔化辊212由不锈钢制成，则可以使用除了水(蒸馏水)之外的大多数众所周知的工作流体。FC-40(从3M公司可得)对于取代水作为工作流体214来说是最优选的方案。同时，如果熔化辊212由铜形成，则几乎所有众所周知的工作流体均可以使用。水(如，蒸馏水)对于铜制成的熔化辊212是最优选的工作流体。

参照图7，罩件218联接到熔化辊212的轴向相对的两端上，以密封熔化辊212的内部圆柱空腔并由此形成真空密闭的内部空间242。线圈213的轴向相对终端形成电极215，其轴向延伸通过并超过罩件218，以可操作的配合电触头如滑环(未示出)，而滑环又提供电流通过线圈213。非传导性刷216和齿轮结合罩件217还可以安装在熔化辊212的外圆柱表面上。电极215电连接到发热器213的电传导端引线上。尽管将发热器213结构和电极215联接到电源上的电连接未详细说明，但是该结构可以容易完成。

在操作使用过程中，具有上述结构的熔化辊装置210由单独的转动机构转动。出于此目的，可以设置附加部件。例如，齿轮结合罩件217是附加部件，可联接到用于转动熔化辊装置210所需的旋转正齿轮上。

在根据本发明原理构造的电摄影术图像形成装置的定影装置200中，随着电流通过电极215，即来自电源供给流入发热器213，当电流流经发热器213的螺旋线圈时，发热器213由于电阻产生热量，而且熔化辊212由内向外由所产生的热量加热。同时，含在熔化辊212中的工作流体214受热蒸发。发热器213产生的热量转移到熔化辊212的圆柱壁，同时熔化辊212主体被蒸发的工作流体均匀加热。结果，熔化辊212的表面温度在相当短的时间周期内达到目标熔化温度。由穿孔层或铜或不锈钢的金属筛网制成的吸液芯244形成为圆柱形作为毛细管；吸液芯244可以沿着内圆周表面246设置在线圈213相邻绕阻之间。用于熔化辊212的合适材料在表2中列出。上述的FC-40或水(蒸馏水)，或者表3中列出的材料可用作工作流体214。当选择水(蒸馏水)作为工作流体214时，熔化辊装置可以低成本制造而不影响环境。一旦熔化辊子212的温度达到色粉图像熔化的目标熔化温度时，色粉图像转移(即，永久粘结)到复印纸上。当已经转移有色粉图像的复印纸吸收来自熔化辊212的热量时，熔化辊212的内部空腔242中蒸发的工作流体转变成其液相。液化的工作流体可以接着再次被发热器212加热而蒸发，从而熔化辊212的温度可以保持于预定的温度。

如果色粉的熔化温度范围在160-180℃，则根据本发明构造的熔化辊装置可以在大约十秒钟之内达到目标温度。所以，响应由热敏电阻230感知的熔化辊212的表面温度，熔化辊212的表面温度通过将电流脉冲式施加给线圈213而被保持在预定温度范围内。如果热敏电阻230和控制器不能正确控制表面温度，使得熔化辊212的表面温度突然升高，则紧密可操作地接近于熔化辊212圆柱表面的温度自动调节器240感知熔化辊212的表面温度，并且切断对线圈213的电流供给，以防过热。电能供给操作可以根据目标温度改变。人们将认识到，电能供给操作可以被周期性电能接通/切断控制或负载周期率这样的控制技术控制。

具有该构型的熔化辊装置可以通过下述步骤制造：

(a)制备作为熔化辊材料的金属管；

(b)通过用蒸馏水或挥发的液体清洗金属管而清洁金属管的暴露表面；

(c)通过用蒸馏水或挥发的液体清洗螺旋电阻加热线圈而清洁螺旋电阻加热线圈的暴露表面；

(d)将螺旋电阻加热线圈插入金属管的环形内部圆柱形容积中，该螺旋电阻加热线圈弯曲成螺旋线圈，其外径等于或稍大于金属管的内径；

(d′)可选的是，将吸液芯插入加热线圈的相邻圈之间；

(e)用端部罩件密封金属管的相对基端，因此保持住工作流体的进入量，而电阻加热线圈的两个端部引线延伸通过金属管作为电引线；

(f)通过抽空、加热及冷却金属管而将外来气体从内部容积排出，以将气体从管道内部容积排出，而在内部容积中产生真空；

(g)通过工作流体入口将5-50％容积的工作流体(如FC-40或蒸馏水)注入；

(h)密封金属管的工作流体入口；

(i)用特氟隆喷涂金属管表面，而且干燥并抛光金属管；

(j)将作为轴承的非传导衬套插入金属管的一端；以及

(k)在由金属管形成的熔化辊一端安装由金属、热阻塑料或环氧制成的齿轮安装罩件。

在制造熔化辊装置的过程中，在螺旋电阻加热线圈插入(若使用吸液芯则插入吸液芯)之后当用端部罩件218在轴向相对基端焊接罩住金属管时，氩气经由工作流体入口注入金属管的内部空腔242中，目的是防止热管氧化。在将工作流体射入金属管之前，外来气体从内部容积242中排出，而且内部容积抽空并且在真空下重复加热及冷却，以至于从金属管的内部容积中排出所有气体，由此基本上除去粘结到金属管内壁的所有异物。例如，在排出内部空腔242的一种方法中，金属管必须加热到250℃的温度，并且内部压力为40大气压。在室温下，内部空腔242应该具有恰当压力；就是说，应该在空腔242内无分子。

图8A是根据本发明原理构造的熔化辊装置第二实施例的剖视图，图8B是图8A中熔化辊装置的局部纵向剖视图。参照图8A和8B，外管312形成外表面，该外管的外表面形成有涂覆了诸如特氟隆材料的保护层311。内管314同轴设置在外管312的中部，内管314的外径小于外管312的内径。容纳工作流体214和发热器313的环形空间318形成在外管312和内管314之间。发热器313沿外管312的内圆柱形表面形成。环形空间的较低部分充满了工作流体214。内管314的内部圆柱容积314a可为实心的、中空的或者抽空的圆柱形空腔。

图9A是传统熔化辊装置的不同结构的剖视图，而且图9B是图9A中熔化辊装置的局部剖开的纵向剖视图。熔化辊装置的该结构不同于熔化辊装置的其它结构之处在于发热器313a的位置。再次参照图9A和9B，外管21形成有涂覆保护层21a的外表面。内管31同轴设置在中空圆柱形空腔外管21的中部，内管31的外径小于外管21的内径。用于工作流体33的中空环形空间38形成在外管21内部圆柱形表面和内管31的外部圆柱形表面之间。用于通过辐射加热内管31的内表面的发热器12设置在内管31中部。发热器12是辐射热量发生装置，如卤素灯。内管31由来自发热器12的辐射热加热，因此与内管31外圆柱表面接触的工作流体33汽化并蒸发，就是说，从液相变成气相。

图10A是根据本发明原理构造的熔化辊装置的第三实施例的剖视图，而图10B是图10A中熔化辊装置局部纵向剖视图。熔化辊装置的该第三实施例可被认为是均由本发明原理构造的第一和第二实施例的熔化辊组件的组合。参照图10A和10B，外管312形成有用如特氟隆材料涂覆的保护层311的外表面。内管314同轴设置在外管312的中空中部，内管314的外径小于外管312的内径。环形空间318内含有工作流体214，第一发热器313设置在外管312和内管314之间。用于通过辐射加热而加热内管314内壁的第二发热器313a同轴设置在内管314的中空中部。第二发热器313a是辐射热量发生装置如卤素灯。内管313由来自发热器313a的辐射热加热，因此与内管314外表面接触的工作流体214蒸发并呈现其汽相。第一发热器313沿外管312内圆柱表面形成并且直接加热外管312的内圆柱表面，而且还直接加热工作流体214，并且一旦在熔化辊装置从其待机模式下解除时使得工作流体214蒸发。在外管312和内管314之间的中空环形空间318中的工作流体214同时被第一发热器313和第二发热器313a加热而蒸发。现在参照图10C，根据本发明第三实施例的熔化辊装置可以在与前述其它实施例相比非常短的时间周期内有效加热。

图10C通过比较这些辊达到操作温度时所需的时间，说明了两种传统结构和根据本发明原理构造的熔化辊组件实施例的相对性能。曲线A说明了构造有图2所示的卤素热源灯的熔化辊。该结构需要两至三分钟的时间，以使加热辊的外表面到达185℃的操作温度。曲线B代表图9A、9B所示的间接加热结构的性能；该结构需要二十至三十秒钟的时间，以使加热辊外表面达到185℃。曲线C说明了如图10A、10B所示构造的一个实施例；该实施例需要近似于十二秒钟的时间，以达到185℃的操作温度。另外，不象由曲线A表示的卤素热源灯组件和曲线B表示的间接加热的组件，在根据本发明原理构造的实施例中的熔化辊外部圆周表面的轴向长度上的温差小于2摄氏度，而在多数情况下，在轴向长度上小于1摄氏度。对比之下，卤素热源灯和间接加热的结构在轴向长度上的温差变化超过2摄氏度，其终端端部比熔化辊中心部分冷2摄氏度。

图11A是根据本发明原理构造的熔化辊装置第四实施例的剖视图，而图11B是图11A中熔化辊组件局部纵向剖视图。第四实施例的熔化辊装置的中空环形内部空间318被多个弧形间隔开的径向幅片315分开，径向幅片315在内管314的外圆周表面之间径向延伸，跨过内部空间318到达外管312的内圆柱表面。熔化辊装置的内部空间由此分成多个分散区，根据实施例的结构，可以或不必连接，以使工作流体214的汽相在各区之间通过。外管312的外部圆周表面具有涂覆有保护层311的外表面。内管314的外径基本上小于外管312的内径，并且轴向位于外管312的中部，因此保持工作流体214的中空环形空间318设置在外管312和内管314之间。该环形空间318被多个挡板315分隔成单位空间，挡板轴向安置在外管312的中空中心孔中，多个径向延伸的叶片315形成径向设置成预定角度的环形空间318的区段挡板。工作流体214容纳在每个单位空间中。用于通过辐射加热内管314内表面的发热器313a同轴安装在内管314的中部。发热器313a是辐射热产生装置如卤素灯。内管314被来自发热器313a的辐射热加热，因此与内管314外表面接触的工作流体214蒸发。工作流体214将热量通过在每个单位空间中蒸发和冷凝循环而转移至外管312。挡板315可以形成为单独部件或者为与内管214的外表面结合的形式。工作流体214分布在每个单位空间中，因此与外管312内表面接触的工作流体214在每个单位空间中蒸发并冷凝。

图12是根据本发明原理构造的熔化辊装置第五实施例的局部透视图。外管312的外圆柱形表面涂覆有诸如特氟隆材料的保护层311。内管314的外径小于外管312的内径，并且内管314同轴设置在外管312的中部，因此，用于工作流体214的环形空间318形成在外管312和内管314之间。环形空间被多个径向设置成预定角度的径向延伸的挡板315分隔成单位空间，而且工作流体214含在每个单位空间中。由热传导材料如不锈钢制成的圆柱形外套317包围着挡板幅片315的径向外端并且将线圈313与单位空间内的工作流体214分隔开。围绕内管314的外套317和挡板315被形成为螺旋电阻发热器的第一发热器313包围。用于通过辐射加热内管314内表面的第二发热器313a设置在内管314的中部。第二发热器313a是辐射热发生装置，如卤素灯。内管314由来自第二发热器313a的辐射热加热，使得在熔化辊装置从其待机状态解除以准备在可印刷介质上印刷图像之后，与内管314外表面接触的工作流体214蒸发。第一发热器313还与外管312的内表面接触；外管312以及工作流体213被第一发热器313加热。工作流体213通过蒸发和冷凝循环在每个单位空间中将热量转移到外管312。挡板315可以形成为单独部件或者形成为与外套317的内表面组合形式。尽管外管312和内管314之间的环形空间318被挡板315分隔，但是在具体实施例中，工作流体214可以流经挡板315和外管312之间的小孔或间隙。在该实施例的其它实施方式中，外套317将工作流体限定在不同的单位空间中并防止在单位空间之间流动。

图13是根据本发明原理构造的熔化辊装置第六实施例的局部透视图，运用了上述的第一实施例中的熔化辊装置。图13中的熔化辊装置包括：圆柱形熔化辊312，其外表面涂覆了特氟隆保护层311；发热器313，位于熔化辊312的内部空间318中；以及挡板316，具有多个径向排列的分隔幅片316a，以将内部空间分成子空间，形成了外部圆柱外套。挡板316的最大外径小于熔化辊212的内径，并且挡板被螺旋缠绕的发热器313围绕。

尽管第六实施例中的熔化辊装置具有由挡板316的间隔件316a分隔成多个单位空间的内部空间318，但是工作流体可以流经挡板316a和内管314的内表面之间的开孔319。

在上述实施例中，没有说明电能施加给发热器所经过的电极或者用于转动并支承发热器的结构，这是由于这些结构可以由本领域技术人员容易实现。

图14是电摄影术图像形成装置的定影装置结构的示意图，运用了根据本发明原理构造的熔化辊装置。线圈313的轴向相对端部延伸经过端部罩件218而形成电极215；电极215联接到熔化辊装置400的两个端部上，以提供电流通过发热器313(以及如果存在的第二发热器313a)。电极215电连接到发热器313上并可能滑动地接触由传导性材料如碳制成的电刷(未示出)，电刷又连接跨接者电源。电刷可被弹簧弹性支承，使得电刷推向电极215。根据熔化辊装置400的温度控制的温度自动调节器由电信号线连接在电刷和电源之间。

随着电流由电源施加给发热器313(以及如果存在的第二发热器313a)，由线圈313内阻产生电阻热，以加热熔化辊主体。同时，加热含在熔化辊中的工作流体，直到工作流体蒸发为止。熔化辊内表面由来自发热器的热量以及蒸发的(即，汽相)工作流体加热，使得熔化辊的主体可以均匀快速加热到目标熔化温度(如，185℃)。熔化辊主体圆柱形外表面的表面温度由单独的热敏电阻检测，施加给发热器的电流量根据所检测的温度而调整。

为了容易理解根据本发明的熔化辊装置的操作，将描述本发明的热管。术语热管指的是热转移装置，其利用工作流体从其液相到其汽相相变所需的潜热将热量从高热密度状态转移到低热密度状态。由于热管利用工作流体的相变特性，所以其热传导系数高于任何公知的金属。在室温下操作的热管的热传导系数大于热传导系数为k为400W/mk的银或铜几百倍。

图15是说明作为温度升高和热管工作时间之间函数的工作流体相变的曲线。表1示出了热管和其它热量传导材料的有效热传导率。

表1

材料	有效热传导率(W/mK)
		热管	50,000-200,000
铝	180
		铜	400
金刚石	2,000

需要4.18kJ的能量以将1kg水的温度从25℃升高到26℃。当水的物相从液相转变成汽相而没有温度变化时，需要2,442Kj的能量。通过液-汽相变，热管转移大约584倍更大的潜热。对于热管工作在室温下，热传导系数大于公知为最优的热导体的银或铜几百倍。利用液态金属作为工作流体在高温下工作的热管的热传导率达到10⁸W/Mk。

图16示出了结合了吸液芯的热管的内部结构，以在热管的内部中形成毛细管结构，并且其热传导方法根据液相至汽相和汽相至液相而改变。电阻加热线圈(未在图16中单独示出)和吸液芯设置在圆柱形状中并且直接安装在热管的内部圆周表面。表2示出了用于各种工作流体的被推荐和未被推荐的热管材料。

表2

工作流体	被推荐的	未被推荐的
			氨	铝、碳钢、不锈钢、镍	铜
丙酮	铝、铜、不锈钢、硅石
			甲醇	铜、不锈钢、镍、硅石	铝
水	铜、347不锈钢	铝、不锈钢、镍、碳钢、铬镍

		镍合金、硅石
			Thermex	铜、硅石、不锈钢

表3示出了对于不同工作温度范围的各种合适的工作流体。

表3

极低温(-273～-120℃)	低温(-120～470℃)	高温(450～2700℃)
			氦	水	铯
氩	乙醇	钠
			氮	甲醇、丙酮、氨、氟利昂	锂

我们已经发现在选择工作流体时有几种考虑因素：1)与热管使用的材料相适应；2)在热管中具有合适工作温度的工作流体；以及3)工作流体的热传导率。

当热管类型的熔化辊由不锈钢(SUS)或铜(Cu)制成时，合适的工作流体在与热管材料相适应方面和与工作温度相适应方面有限制。FC-40在工作温度165℃下为一个大气压力或者更小的饱和压力，并且被认为是相当合适的材料。

公知的FC-40是无毒、不易燃的，而且与大多数金属相容。FC-40还具有零臭氧耗尽倾向。根据作为工作流体的FC-40的热力学，饱和温度和压力之间的关系由下式(1)表示：

${\log }_{10}P\left(\mathrm{torr}\right)=A-\frac{B}{(T+273)}...\left(1\right)$

其中，A＝8.2594，B＝2310，温度T是以摄氏度测量的。

图7是示出FC-40和水作为工作流体的饱和压力相对于饱和温度变化的曲线。表4示出从图15得到的在特定饱和温度下的FC-40的饱和压力。

表4

饱和温度(℃)	饱和压力(巴)
		100150	0.150.84

200250	3.29.3
		300350	22.5447.5
400450	89.5154.6

关于热管的安全操作，用于热管的合适材料和其端部罩件厚度根据美国机械工程师协会(i.e.，ASME)代码确定，该代码是用于压力容器的安全测量标准。例如，如果圆柱形热管的厚度在其直径的10％以内，那么施加到壁上的最大应力(σ_max(1))和热管半球形端部罩件(σ_max(2))表示如下：

${\mathrm{\σ}}_{\max \left(1\right)}=\frac{{\mathrm{\ΔPd}}_0}{2t_1}...\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_{\max \left(2\right)}=\frac{{\mathrm{\ΔPd}}_0}{2t_2}$

其中ΔP是热管内部和外部的压力差，d₀是热管的外径，t₁是热管的厚度，t₂是端部罩件的厚度。

根据ASME代码，在任意温度下的最大允许应力为在该温度下的最大临界拉伸强度的0.25倍。如果在热管范围内的工作流体的蒸气压力等于工作流体的饱和蒸气压力，则压力差(ΔP)等于蒸气压力和大气压力之间的差值。

图18是对于不同热管材料的作为温度变化函数的临界拉伸强度变化的曲线，其中具有由铝(Al)、铜(Cu)和304号不锈钢(SS304)制成的热管的熔化辊的三种不同构型，温度范围在大约0℃和大约500℃之间。图19A是对于由铝、铜和304不锈钢构造而成的热管，当FC-40用作工作流体时，最大允许应力和作用在热管壁上的最大应力相对于温度变化的图线。图18B是对于由铝、铜和304不锈钢构造而成的热管，当蒸馏水用最工作流体且温度范围在大约0℃和大约500℃之间时，作用在铜热管壁上的最大应力相对于温度变化的图线。如图19A所示，不锈钢(SS304)的最大允许应力大大地大于铜或铝的最大允许应力。对于热管要确保无工作流体泄漏的安全操作，以及由不锈钢(SS304)构造而成的端部罩件的工作温度达到大约400℃。

图20A和20B分别是FC-10和蒸馏水用作工作流体时，温度范围在大于150℃至小于500℃之间，作用在铜热管上的最大应力相对于管厚度变化的图线。如图20A和20B所示，尽管热管的厚度分别当FC-10用作工作流体时从0.8mm至1.5mm，当蒸馏水用作工作流体时从1.0mm至1.8mm，但是施加在热管上的最大应力在操作温度大于约165℃且小于200℃时没有太多变化。

图21和22是对于上述第一实施例的熔化辊装置的相对于时间(在0秒至65秒之间的时段)在熔化辊中部测量的温度变化(在0℃至400℃之间)曲线。熔化辊装置具有由铜制成的熔化辊，并且含有蒸馏水用作工作流体。熔化辊厚度为1.0mm，外径为17.85mm，长度为258mm。该试验在熔化辊转速为47rpm下进行，并且螺旋电阻加热线圈阻抗为32Ω，电压为200V，瞬时最大电能消耗为大约1.5Kw。螺旋电阻加热线圈与熔化辊的内圆柱表面直接接触。

图21示出了含有占据熔化辊内容积10％的蒸馏水用作工作流体的熔化辊装置的测量结果。图22示出了含有占据熔化辊30％的蒸馏水的熔化辊装置的测量结果。参照图21，该原型花费8至12秒以将熔化辊温度从大约22℃的室温升高到大约175℃的操作温度，但是不到14秒就达到200℃。参照图22，它花费13秒将熔化辊温度从大约22℃的室温升高到175℃，但是只需22秒就达到200℃。

比较图21和22的结果，很显然，温度升高速率随着含在熔化辊密封内部中的工作流体的容积率而变化。根据在各种条件下进行的实验结果，熔化辊在具有占据熔化辊内部空间5-50％的工作流体量下可工作。温度升高速率在熔化辊只有5-15％的容积中充满了工作流体时较高。

与传统图像形成装置在温度升高速率方面进行比较，对于本发明熔化辊装置来说，对于采取其可行设计其中之一的图像形成装置，不需要在待机状态下连续向熔化辊装置供给电能。尽管在图像形成开始时供给电能，但是与同一时期使用的设备相比，根据本发明构造而成的熔化辊装置可以在高速下形成图像，即仍然可以熔化色粉图像。

当工作流体的容积超过50％时，温度升高速率变得不切实际的慢。同时，如果工作流体的容积小于5％时，由于工作流体不充分地供给，干透现象或者发生或者易于发生，因此熔化辊也不能起作用或者根本不能作为热管起作用。

在根据本发明原理构造的熔化辊装置中，电能可以提供为90-240伏，频率为50-70赫兹以及更高频。

如上所述，根据本发明构造的熔化辊装置包括加热线圈和具有极优良传导率的在金属熔化辊主体中的工作流体，因此熔化辊表面可被瞬时加热到目标熔化温度，以固定已经转移到复印纸上的色粉图像。与传统卤素灯型或使用钯(Pd)、钌(Ru)或碳(C)为基的加热器的直接表面加热型熔化辊装置相比较，本发明熔化辊可以在较短时间内达到目标熔化温度，而且电能消耗降低，而且熔化辊的表面温度可被均匀维持。本发明的熔化辊装置不需要预热和待机时间，而且配备有本发明熔化辊装置的任何图像形成装置，如打印机、复印机或传真机也不需要向熔化辊提供电能以准备打印。因此，图像形成装置的总电能消耗降低。此外，本发明的熔化辊装置是在热管原理基础上的，因此熔化辊的纵向上的温度分布可被均匀控制，由此较优的提高了色粉熔化特性。

此外，本发明熔化辊装置可大批量容易生产，而且确保安全操作。熔化辊装置的部件与其它商业可用的部件相容。熔化辊装置的质量容易控制。高速打印机可以采用本发明熔化辊装置实现。

根据本发明的熔化辊装置以及制造熔化辊装置的方法具有下述优点。

首先，熔化辊装置可用简单自动方法制造。

其次，热管轴向或纵向上的温度变化较小(在1℃的范围内)。

第三，高速打印机可用熔化辊装置容易地实现。

第四，作为熔化辊装置主要部件的热源和热管成形为单独装置，因此熔化辊装置可以大批量容易制造而且确保安全操作。熔化辊装置的部件与其它商业可用部件相容。熔化辊装置的质量容易控制。

第五，由于含在密封热管中的工作流体连续蒸发和冷凝循环，尽管热管内部压力在高温(对于FC-40为一个大气压力或低于165℃)下增加，爆炸或严重变形的风险极低。

尽管已经针对本发明优选实施例对本发明进行了具体描述和说明，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离权利要求书所确定的本发明思想和范围的前提下，各种形式和细节上的变化均是可行的。

Claims (18)

1.一种熔化辊装置，包括：

圆柱形熔化辊，包括具有内部第一直径的外管，以及具有小于所述第一直径的外部第二直径的内管，在所述外管和所述内管之间形成环形空间，所述环形空间被抽空降低到预设压力；和

含在所述环形空间内的工作流体，流体量小于所述环形空间的容积，

其特征在于所述装置还具有安装在所述环形空间中与所述外管直接接触的第一发热器，其中，所述第一发热器为螺旋缠绕在所述环形空间中的电阻加热线圈。

2.如权利要求1所述的熔化辊装置，其特征在于，所述第一发热器沿着所述外管设置。

3.如权利要求1所述的熔化辊装置，包括设置在所述内管中的第二发热器。

4.如权利要求1所述的熔化辊装置，其特征在于，内管和外管由铜制成。

5.如权利要求1所述的熔化辊装置，其特征在于，内管和外管由不锈钢制成。

6.如权利要求1所述的熔化辊装置，其特征在于，工作流体是蒸馏水。

7.如权利要求1所述的熔化辊装置，其特征在于，含在所述熔化辊内的所述工作流体量范围为所述环形空间所述容积的5-50％。

8.如权利要求1所述的熔化辊装置，其特征在于，含在所述熔化辊内的所述工作流体量范围为所述环形空间所述容积的5-15％。

9.如权利要求1所述的熔化辊装置，其特征在于，还包括多个将所述环形空间分隔成多个单位空间的挡板。

10.如权利要求1所述的熔化辊装置，其特征在于，还包括：

涂覆了熔化辊外部圆柱表面的保护层，所述保护层容易与色粉图像分离；以及

联接到所述第一发热器上的电极，能够施加通过所述第一发热器的电压。

11.如权利要求10所述的熔化辊装置，其特征在于，电阻加热线圈表面涂覆有保护层。

12.如权利要求11所述的熔化辊装置，其特征在于，保护层由氧化镁制成。

13.如权利要求10所述的熔化辊装置，其特征在于，施加到发热器上的电压范围为90-240伏。

14.如权利要求10所述的熔化辊装置，其特征在于，施加到发热器上的电压频率范围为50-70赫兹。

15.一种制造熔化辊装置的方法，包括：

形成圆柱形熔化辊，其内部空腔在所述辊的轴向相对端之间轴向延伸；

将缠绕成螺旋的加热线圈插入所述内部空腔中；

抽空所述内部空腔；

用工作流体局部充满所述内部空腔；以及

密封所述空腔，而同时保持穿过所述加热线圈的电连接性。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：

形成具有内部第一直径的所述内部空腔的所述熔化辊；

缠绕所述加热线圈，使其在将所述加热线圈插入所述内部空腔之前，具有大于所述第一直径的外部第二直径；

在所述插入过程中减小所述第二直径；以及

在所述插入之后，释放所述加热线圈以确保所述第二直径。

17.如权利要求15所述的方法，还包括将内管安放在所述内部空腔中，所述加热线圈设置在所述熔化辊和所述内管之间。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括将所述内部空腔分隔成多个区段，每个区段含有大量所述工作流体。

Images