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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entwickeln eines latenten
Bildes in einem elektrografischen Drucker oder Kopierer durch Einfärben mit Toner,
bei der in einem Entwickler-Gehäuse
Tonermaterial aus einem Vorratsbereich mit Hilfe von Walzen zu einem Übergabebereich
transportiert wird, von wo das Tonermaterial zum Einfärben übergeben wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entwickeln eines
latenten Bildes.
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In
einem elektrografischen Drucker oder Kopierer sind eine oder mehrere
Entwicklerstationen eingesetzt, welche das elektrofotografische
Ladungsbild eines Zwischenträgers,
beispielsweise in Form einer Fotoleitertrommel oder eines Fotoleiterbandes,
durch Einfärben
mit Toner zu einem Tonerbild entwickeln, welches im weiteren Verlauf
auf einen Druckträger übertragen
wird. Als Toner wird beispielsweise ein Zwei-Komponenten-System verwendet, bei welchem
ein Gemisch aus feinen ferromagnetischen Partikeln als Träger sowie
ein elektrostatisch aufladbares Kunststoffpulver als Toner eingesetzt
wird. Durch eine intensive Rühr-
und Mischbewegung wird der Toner elektrostatisch aufgeladen und
kann dann ein latentes Bild auf dem Zwischenträger einfärben.
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In
nachfolgenden Prozessen wird das Tonerbild auf das Druckmedium übertragen
und mit diesem durch Fixierung innig verbunden. Diese Fixierung kann
mit Hilfe von Lösemitteln
bei einer Kaltfixierung oder mit Hilfe von Wärme bei der sogenannten Heißfixierung
oder durch mechanischen Druck bei der Walzendruckfixierung erfolgen.
Häufig
wird eine Kombination aus Wärme
und mechanischem Druck verwendet. Bei der Anwendung von Wärme auf
das Tonerbild ist man bestrebt, den Schmelzpunkt des Tonermaterials
herabzusetzen, um bei gleich blei bender Prozeßgeschwindigkeit die Heizleistung
und damit den Energiebedarf zu reduzieren oder bei einer gleichen
Heizleistung die Prozeßgeschwindigkeit
zu erhöhen.
Das Tonermaterial hat eine Erweichungstemperatur, bei der der Toner
vom festen Zustand in einen pastösen
klebrigen Zustand übergeht.
Nähert sich
aufgrund hoher Betriebstemperatur der Entwicklerstation dieser Toner
der Erweichungstemperatur oder dem Schmelzpunkt an, so besteht die
Gefahr, dass das Toner-Entwickler-Gemisch bereits partiell innerhalb
der Entwicklerstation fixiert und es damit zu Verklumpungen und
Verbackungen kommt. Der Druckprozeß ist dann nicht mehr stabil,
was zu Qualitätseinbußen führt. Weiterhin
können
erhebliche Schäden
bei der Entwicklerstation oder des Druckers und Kopierers auftreten,
wie z.B. Verklemmen der Mechanik aufgrund von Klumpenbildung.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Entwicklen anzugeben, die bzw. das die Verwendung von Toner mit
einer niedrigen Erweichungstemperatur gestattet und eine hohe Prozessgeschwindigkeit
bei hoher Druckqualität
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird für
eine Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß der Erfindung
sind Kühlmittel
vorgesehen, welche die Wärme
vom Tonermaterial abführen.
Auf diese Weise wird der Toner unterhalb der kritischen Erweichungstemperatur
gehalten und die im Zusammenhang mit hohen Temperaturen auftretenden
Probleme werden vermieden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Entwicklen
eines latenten Bildes angegeben.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird im folgenden auf die in den Zeichnungen
dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele Bezug
genommen, die anhand spezifischer Terminologie beschrieben sind.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Schutzumfang der Erfindung
dadurch nicht eingeschränkt
werden soll, da derartige Veränderungen
und weitere Modifizierungen an den gezeigten Vorrichtungen und/oder
den Verfahren sowie derartige weitere Anwendungen der Erfindung, wie
sie darin aufgezeigt sind, als übliches
derzeitiges oder künftiges
Fachwissen eines zuständigen
Fachmannes angesehen werden. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele
der Erfindung, nämlich
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1 ein
Beispiel einer Entwicklerstation in einem schematischen Querschnitt,
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2 eine
Entwicklerstation mit einer Ventilation in einem geschlossenen Gehäuse eines
Druckers oder Kopierers,
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3 das
Beispiel nach 2 bei Zumischung von Außenluft,
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4 ein
Beispiel mit zwei Ventilatoren, die sowohl Innenluft im Druckergehäuse als
auch Außenluft
fördern,
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5 ein
Beispiel mit Luftkühlung
ausschließlich
mit Außenluft,
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6 ein
Entwicklergehäuse
mit Kühlrippen,
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7 eine
perspektivische Darstellung eines Profils für das Entwicklergehäuse mit
Längsstreben
als Kühlrippen,
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8 ein
Entwicklergehäuse
mit dornenartigen Kühlrippen,
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9 eine
Entwicklerstation mit einer Flüssigkeitskühlung,
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10 eine
Entwicklerstation mit äußeren und
inneren Kühlkanälen,
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11 eine
Entwicklerstation mit luftdurchströmten Walzen,
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12 eine
Ausführungsform
einer Hohlwalze,
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13 eine
Hohlwalze mit Versteifung und angeformter Achswelle,
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14 eine
Hohlwalze mit einem Flügelrad,
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15 eine
Hohlwalze mit einem Radiallüfter,
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16 eine
elektrofotografische Druckeinheit mit fünf Entwicklerstationen,
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17 Temperaturverläufe an einer
Entwicklerstation mit und ohne Kühlung,
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18 ein
Diagramm der sich einstellenden Betriebstemperatur der Entwicklerstation
bei verschiedenen Kühlprozessen,
und
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19 ein
Beispiel mit aktiver Kühlung.
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1 zeigt
ein Beispiel einer Entwicklerstation 10, welche ein Zwei-Komponenten-Tonersystem verwendet.
In einem Gehäuse 12 sind
Tonerteilchen und ferroelektrische Trägerteilchen in einem Vorratsbereich 14 gesammelt.
Das Gemisch wird mit Hilfe eines Paddelrades 16 umgerührt. Eine Übertragungswalze 18 transportiert
Tonergemisch aus dem Vorratsbereich 14 zu einer Applikatorwalze 20,
von wo das Tonermaterial zum Einfärben eines Zwischenträgers im
Bereich 22 übergeben
wird. Die Trägerteilchen
werden mit Hilfe einer Walze 24 von der Applikatorwalze 20 entfernt
und wieder dem Gemisch im Vorratsbereich 14 zugeführt. Weitere
Walzen 26, 28 dienen der Zuförderung und Abförderung
des Tonergemischs. Grundsätzlich
lässt sich
die Erfindung auch für
ein Einkomponenten-Tonersystem einsetzen. Die Anordnung der Walzen
ist dann entsprechend angepaßt.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei der in einem geschlossenen Druckergehäuse 30 die
Entwicklerstation 10 angeordnet ist. Im folgenden werden
gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ein Ventilator 32 wälzt die
Innenluft im Druckergehäuse 30 gemäß den eingezeichneten
Pfeilen um. Mit Hilfe von Luftkanälen 34, 36, 38 wird
die Luft gezielt dem Gehäuse
der Entwicklerstation 10 zur Kühlung zugeführt.
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3 zeigt
ein weiteres Beispiel, bei dem das sonst geschlossene Druckergehäuse 30 eine Abluftöffnung 40 hat,
aus der erwärmte
Innenluft austreten kann. Der Ventilator 32 fördert einerseits
Innenluft über
den Zuführkanal 42 als
auch Außenluft über den
Zuführkanal 44,
so dass der Entwicklerstation 10 ein kühles Luftgemisch 46 zugeführt wird.
Die Außenluft 48 wird über ein
Filter 50 zur Reinigung zugeführt.
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4 zeigt
ein abgeändertes
Beispiel, bei dem zusätzlich
zum ersten Ventilator 32 ein zweiter Ventilator 52 angeordnet ist,
der allein für
die Zuführung
der Außenluft 48 zuständig ist.
Am Ventilator 32 erfolgt eine Beimischung von Innenluft.
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5 zeigt
ein weiteres Beispiel, bei dem ausschließlich Außenluft 48 zur Kühlung der
Entwicklerstation 10 über
Luftkanäle 34, 36, 38 zugeführt und wieder
abgeführt
wird. Zur besseren Luftführung
enthält
das Druckergehäuse 30 eine
zweite Abluftöffnung 54.
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6 zeigt
ein Beispiel, bei dem das Gehäuse 12 der
Entwicklerstation 10 Kühlrippen 56 trägt.
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7 zeigt
das Profil des Gehäuses 12 ohne Seitenteile,
wobei die Kühlrippen
durch Längsstege 58 gebildet
sind. An diesen Längsstegen 58 strömt die Innenluft
im Druckergehäuse
vorbei und erzielt eine Kühlwirkung,
wodurch auch das Tonermaterial innerhalb des Entwicklergehäuses 12 gekühlt wird.
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8 zeigt
ein anderes Beispiel für
Kühlrippen,
bei diese durch dornenartige Stäbe 60 gebildet sind
(nur ein solcher Stab ist mit dem Bezugszeichen 60 versehen).
Die Stäbe 60 können allseitig
von Luft umströmt
sein, wodurch sich eine erhöhte
Kühlwirkung
ergibt.
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9 zeigt
ein Beispiel, bei dem eine Flüssigkeitskühlung, z.B.
mit Hilfe von Öl
oder Wasser, vorgenommen wird. Die Entwicklerstation 10 hat
am Außenumfang
des Gehäuses 12 mehrere
Kühlkanäle 62,
durch welche Kühlflüssigkeit
fließt
und das Gehäuse 12 kühlt. Eine Überwachungseinheit 64 erfaßt die Temperatur
eines Temperatursensors 66 und eines Temperatursensors 68.
Der Temperatursensor 66 mißt die Zulauftemperatur des
flüssigen
Mediums und der Temperatursensor 68 die Temperatur des
erwärmten
Flüssigkeitsrücklaufs.
Abhängig
von der absoluten Temperatur und der Temperaturdifferenz der Temperatursensoren 66, 68 wird
eine Kühlmittelpumpe 70 gesteuert.
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Die
Kühlmittelflüssigkeit
wird einem Ausgleichsbehälter 72 entnommen,
welcher einen Sensor 74 für den Flüssigkeitspegel enthält. Sein
Signal wird ebenfalls der Überwachungseinheit 64 zugeführt. Die
Entwicklerstation 10 wird über selbstabdichtende Anschlüsse 76, 78 angeschlossen.
Leckagesensoren 80, 82, 84 überwachen
den Kühlmittelkreislauf
auf Leckage. Ein Wärmetauscher 86 gibt
die aufgenommene Wärme
an die Umgebungsluft ab und enthält
gegebenenfalls einen Ventilator (nicht dargestellt).
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Die
Verwendung einer Flüssigkeitskühlung kann
mit Problemen behaftet sein. Zwar hat die Flüssigkeit eine erheblich höhere Wärmekapazität als Luft
und hat damit bei gleichem Volumenstrom ein erheblich höheres Kühlvermögen, jedoch
müssen
umfangreiche konstruktive Maßnahmen
getroffen werden, um Leckagen und Flüssigkeitsverlust zu verhindern.
Außerdem
ist die einfache Auswechselbarkeit der Entwicklerstation 10 zu
gewährleisten,
ohne dass dafür
das Trockenlegen des Kühlflüssigkeitskreislaufes
oder eines Teils davon erforderlich ist. Zur Beherrschung dieser
Probleme sind die selbstabdichtenden Anschlüsse 76, 78 sowie
die Leckagesensoren 80, 82, 84 vorgesehen,
die Leckagen an die Überwachungseinheit 64 melden,
die darauf hin steuernd in den Kühlmittelkreislauf
eingreift.
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10 zeigt
eine abgewandte Entwicklerstation 10, bei der am Gehäuse 12 äußere Kühlkanäle 90 angeordnet
sind. Diese Kühlkanäle können von Kühlmittel
in Form von Luft oder Flüssigkeit
durchflossen sein. Auch innerhalb des Gehäuses 12 kann ein innerer
Kühlkanal 92 angeordnet
sein, der unmittelbar auf das Tonermaterial kühlend einwirkt.
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11 zeigt
ein weiteres Beispiel, bei dem die Übertragungswalze 18,
die Applikatorwalze 20 und die Walze 24 Hohlräume hat,
die von Kühlmittel, vorzugsweise
in Form von Luft, durchströmt
sind. 12 zeigt hierzu den grundsätzlichen Aufbau
einer für
solche Zwecke einsetzbare Hohlwalze 94 in Rohrform. In 13 hat
eine Hohlwalze 96 eine innere Versteifung 98 mit
einer angeformten Achswelle 100.
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14 zeigt
die Anordnung eines Flügelrads 102 auf
der Welle 100. Bei Drehung der Walze 96 in Richtung
des Pfeils 104 wird Luft durch das Flügelrad 102 angesaugt,
welche die hohle Walze 96 durchströmt und dabei eine Kühlwirkung
entfaltet. 15 zeigt ein anderes Beispiel,
bei dem zum Erzeugen eines Luftstroms eine Hohlwalze 106 einen
Radiallüfter 108 enthält.
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16 zeigt
schematisch den Aufbau eines elektrografischen Druckers, der fünf Entwicklerstationen 110, 112, 114, 116, 118 enthält, die
Toner unterschiedlicher Farbe besitzen. Die Entwicklerstationen 110 bis 118 färben ein
oder mehrere latente Bilder auf einem umlaufenden Fotoleiterband 120 ein,
welches durch eine schematisch mit dem Bezugszeichen 122 angedeutete
Mechanik geführt
ist. Ein Zeichengenerator 124 erzeugt das Latentbild oder
die Latentbilder. Ein Aggregat 126 bewirkt die elektrostatische
Entladung, das Reinigen und das Aufladen des Fotoleiterbandes 120.
Die weiter vorne beschriebenen Maßnahmen zur Kühlung des
Gehäuses
der Entwicklerstationen 110 bis 118 und damit
der indirekten Kühlung
des jeweils zugehörigen
Toners können
bei einem Drucker dieser Art verwendet werden. Bei der Anwendung
einer Luftkühlung
entsprechend den Beispielen nach den 2 bis 8 wird
außerdem eine
Vergleichmäßigung der
Betriebstemperaturen der Entwicklerstation 110 bis 118 erreicht.
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17 zeigt
ein Diagramm, welches den Verlauf der Temperatur in °C über die
Betriebszeit eines Druckers in Stunden wiedergibt. Die Kennlinie 130 gibt
die maximal zulässige
Temperatur von 41° C für ein bestimmtes
Tonersystem an. Die Kennlinie 132 beschreibt den Temperaturanstieg über die
Be triebszeit in Stunden ohne zusätzliche
Kühlmaßnahmen.
Die Kennlinie 134 beschreibt den Temperaturverlauf bei
einer Kühlung
nach dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel,
wobei der Ventilator einen Volumenstrom von 240 m3/h
erzeugt. Die Kennlinie 136 zeigt den Temperaturverlauf
beim Beispiel nach 3, wobei Frischluft beigemischt
wird. Der Volumenstrom beträgt
240 m3/h. Die Kennlinie 138 zeigt die
Wirkung der Maßnahmen
nach 2, wobei der Ventilator einen erhöhten Volumenstrom
von 480 m3/h erzeugt.
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18 zeigt
ein weiteres Diagramm, wobei der Temperaturanstieg in °C der Entwicklerstation
relativ zur Raumtemperatur auf der Ordinate aufgetragen ist. Es
werden die Wirkungen der Beispiele nach 2 (Säule 140), 3 (Säule 142)
und 4 (Säule 144)
miteinander verglichen. Der jeweilige Volumenstrom beträgt 480 m3/h. Wie zu erwarten, ist der Temperaturanstieg
beim Beispiel nach 4 am geringsten.
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Die
verschiedenen in den Beispielen genannten Maßnahmen können miteinander kombiniert werden.
So ist eine kombinierte Luftkühlung
und Flüssigkeitskühlung möglich. Auch
sind die Maßnahmen
am Außenbereich
des Gehäuses,
z.B. Kühlrippen,
mit Maßnahmen
im Inneren des Gehäuses,
z.B. Kühlung
in Hohlwalzen oder Kühlkanäle kombinierbar.
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19 zeigt
z.B. eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels nach 5,
das um eine aktive Kühlung
in Form eines Klimageräts 145 ergänzt worden
ist. Das Klimagerät 145 umfaßt einen
Kühlkreislauf
mit einem Wärmetauscher 146 zur
Kühlung der
angesaugten, gereinigten Umgebungsluft 48, einen Kompressor 147 und
einen weiteren Wärmetauscher 148 zur
Wärmeabgabe
der im Wärmetauscher 146 entzogenen
Wärmeenergie.
Ein Abluft-Ventilator 149 fördert Umgebungsluft 48 durch
den Wärmetauscher 148.
Die erwärmte
Abluft 150 wird mit Hilfe des Luftkanals 151 gezielt
aus dem Raum oder dem Gebäude
abgeführt,
in welchem der Drucker oder Kopierer steht.
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Wie
die verschiedenen Beispiele zeigen, kann bei der Erfindung die Erweichungstemperatur des
Toners niedrig gewählt
werden, wodurch die benötigte
Fixierleistung und damit auch der Energiebedarf oder Strombedarf
auf ein akzeptables Maß begrenzt
werden kann. Insgesamt kann die Prozeßgeschwindigkeit, z.B. die
Druckgeschwindigkeit erhöht werden,
wodurch die Leistungsfähigkeit
des gesamten Druckers oder Kopierers verbessert wird. Die genannten
Kühlmaßnahmen
können
auch für
kompakte Entwicklerstationen angewandt werden, so dass in einem
Drucker mit beidseitigem Vollfarbdruck bis zu zehn Entwicklerstationen
einbezogen werden können.
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Obgleich
in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte
Ausführungsbeispiele
aufgezeigt und detailliert beschrieben sind, sollte dies als rein
beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es
wird darauf hingewiesen, dass nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele
dargestellt und beschrieben sind, und sämtliche Veränderungen und Modifizierungen,
die derzeit und künftig
im Schutzumfang der Erfindung liegen, geschützt werden sollen.
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- 10
- Entwicklerstation
- 12
- Gehäuse der
Entwicklerstation
- 14
- Vorratsbereich
- 16
- Paddelrad
- 18
- Übertragungswalze
- 20
- Applikatorwalze
- 22
- Übergabebereich
- 24
- Walze
- 26,
28
- Walzen
- 30
- Druckergehäuse
- 32
- Ventilator
- 34,
36,
-
- 38
- Luftkanäle
- 40
- Abluftöffnung
- 42,
44
- Zuführkanäle
- 46
- Luftgemisch
- 48
- Außenluft
- 50
- Filter
- 52
- zweiter
Ventilator
- 54
- Abluftöffnung
- 56
- Kühlrippen
- 58
- Längsstege
- 60
- dornenartige
Stäbe
- 62
- Kühlkanäle
- 64
- Überwachungseinheit
- 66,
68
- Temperatursensoren
- 70
- Kühlmittelpumpe
- 72
- Ausgleichsbehälter
- 74
- Sensor
- 76,
78
- selbstabdichtende
Anschlüsse
- 80,82,
-
- 84
- Leckagesensoren
- 90
- äußere Kühlkanäle
- 92
- innerer
Kühlkanal
- 94,
96
- Hohlwalzen
- 98
- Versteifung
- 100
- Achswelle
- 102
- Flügelrad
- 106
- Hohlwalze
- 108
- Radiallüfter
- 110-118
- Entwicklerstationen
- 120
- Fotoleiterband
- 122
- Mechanik
- 124
- Zeichengenerator
- 126
- Aggregat
- 130,
132,
-
- 134,
136
- Kennlinien
- 140,
142,
-
- 144
- Säulen
- 145
- Klimagerät
- 146
- Wärmetauscher
- 147
- Kompressor
- 148
- Wärmetauscher
- 149
- Abluft-Ventilator
- 150
- Abluft
- 151
- Luftkanal