DE1497228C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Fixierung eines locker auf einer bandförmigen Unterlage befindlichen Pulverbilds - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fixierung eines locker auf einer bandförmigen Unterlage befindlichen Pulverbildes, das an einer Wärmequelle mit der Unterlage der Wärmequelle zugekehrt vorbeigefiihrt wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei elektrofotografischen Verfahren, wie sie z. B. in

ao der USA.-Patentschrift 2 297 691 beschrieben sind, wird eine Aufzeichnungsfläche, die eine Schicht aus lotoleilfähigem Material auf einem leitenden Träger aufweist, mit einer gleichförmigen elektrischen Ladung auf ihrer Oberfläche versehen und dann mit dem zu reprodu/.icrenden Gegenstand, vorzugsweise mittels der üblichen Reproduktionsverfahren, belichtet. Bei der Belichtung werden die Flächenbereiche nach Maßgabe der sie erreichenden Strahlungsintensität entladen. Dabei wird ein elektrostatisches Ladungsbild auf oder innerhalb der fotoleitfähigen Schicht erzeugt. Die Entwicklung des Ladungsbilds wird mit Hilfe eines elektrostatisch aufgeladenen, feinverteilten Materials, beispielsweise eines clcktroskopischen Pulvers, vorgenommen, das in Oberflächenkontakt mit der l'otoleilfähigen Schicht gebracht wird und auf dieser elektrostatisch in einem Muster festgehalten wird, das dem Ladungsbild entspricht. Danach wird das entwickelte elektrofotografische Pulverbild im allgemeinen auf ein Bildempfangsmaterial, z. B. eine bandförmige Unterlage, übertragen, auf der es mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen fixiert werden kann.

Zur Fixierung der elektrofotografischen Pulverbilder auf den Bildcmpfangsmaterialien wurde bisher meist Wärme angewendet. Ein typisches Wärmcschmclzgerät zur Fixierung von Pulverbildern ist in der USA.-Patentschrift 2 852 651 beschrieben. Die meisten der bekannten Schmelzgeräte verwenden elektrische Energie, die in Wärme umgewandelt wird, welche beispielsweise durch Strahlung, Konvektion, Wärmeleitung oder einer Kombination dieser Möglichkeiten angewendet wird. Das Pulverbild wird auf seinem Träger ausreichend erhitzt, um das Pulver zu erweichen, während es durch das Gerät hindurchläuft oder an diesem vorbeibewegt wird. Bei der Abkühlung des Pulvers findet selbsttätig eine Fixierung an die Trägeroberfläche statt. Die Haftfähigkeit bzw. der Bindungsgrad, mit dem das Pulverbild an der Trägeroberfläche anhaftet, wird, um eine kommerzielle Verwendung zu ermöglichen, im allgemeinen so gewählt, daß das Pulverbild auch bei einer Berührung nicht verwischbar ist. Außerdem sollte es im allgemeinen gegenüber mechanischem Abrieb widerstandsfähig sein, so daß es den Wirkungen einer normalen Dokumentenverwendung widerstehen kann.
Bei optimalen Schmelzbedingungen eines Pulverbildes auf einem Bildempfangsmaterial ist zur Erreichung der handelsüblichen Standardwerte eine elektrische Eingangsencrgieleistung von ungefähr 2,6 Wattsckunden pro Quadratzentimeter der Trägeroberfläche er-

forderlich. Dieser optimale Wert, welcher auf einem mittleren Bildbereich beruht, setzt voraus, daß die gesamte Wärmeenergie, die aus der elektrischen Eingangsenergie erzeugt wird, lediglich zur Erhitzung des lockeren Pulverbildes verbraucht wird. Das Aufschmelzen wird im allgemeinen durch Erhitzung des Papiers oder eines anderen, sich bewegenden Trägers, welcher das Pulverbild trägt, erzielt. Zur Erzielung dieses theoretisch optimalen Ergebnisses wird jedoch vorausgesetzt, daß dies ohne Wärmeverlust an Teilen des Warmeschmelzgerätes erreicht wird. Der einzige Wärmeverlust bei diesen optimalen Bedingungen bestände darin, daß die von dem sich bewegenden Träger absorbierte Wärme an die umgebende Luft abgegeben wird, während der Träger das Gerät verläßt.

Bei den bekannten Schmelzvorrichtungen liegt der Verbrauch an elektrischer Eingangsenergie weit über diesem theoretischen optimalen niederen Wert und im allgemeinen im Bereich von 9,3- bis 10,9-Wattsekunden pro Quadratzentimeter der Trägeroberfläche, um die ao handelsüblichen Standardwerte zu erzielen. Die Hauptursache dieser sehr viel größeren Werte wird der Unfähigkeit, die Wärme auf das Pulverbild oder seinen Träger, d: h. die bandförmige Unterlage, zu begrenzen, zugeschrieben, d. h. dieser Mehraufwand an Energie geht as verloren. Obwohl dieses erkannt wurde, war es bei der Konstruktion der bekannten Vorrichtungen bisher nicht möglich, eine Steuerung oder Verminderung dieses Energieverlustes zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit denen ein solcher Energieverlust vermieden wird.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Unterlage in einem vor der Wärmequelle liegenden Bereich durch Wärmeübertragung von bereits an der Wärmequelle vorbeigeführten Bereichen der Unterlage vorgewärmt wird.

Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, lockere Pulverbilder auf einer sich bewegenden bandförmigen Unterlage entsprechend den kommerziellen Standardwerten zu fixieren, wobei nur eine wesentlich geringere Eingangsenergie erforderlich ist, als sie bei den bekannten Geräten nötig war, und sogar eine geringere Eingangsenergie erforderlich ist, als sie durch den oben angegebenen theoretischen optimalen Wert angegeben ist. Die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung noch erforderliche Energie liegt etwa bei einem mittleren Wert von ungefähr 1,5 Wattsekunden pro Quadratzentimeter.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung, die eine Wärmequelle mit einer erwärmbaren Fixierfläche aufweist, welche, zumindest teilweise, in Wärmekontakt mit aufeinanderfolgenden Bereichen einer ein locker haftendes Pulverbild tragenden Unterlage zu bringen ist, zeichnet sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch aus, daß ein den Bereich vor dem Ein- und Ausgang der Fixierzone überbrückender Wärmeaustauscher so angeordnet ist, daß er eine Wärmebrücke zwischen, die Fixierzone verlassenden Bereichen der erwärmten Unterlage und den in sie eintretenden Bereichen der Unterlage bildet. Der Wärmeaustauscher dient dazu, von der Wärmequelle die Wärme durch Wärmeleitung an daran benachbarte Teile der bandförmigen Unterlage zu übertragen, bevor diese Bereiche mit der Fixierfläche in Berührung kommen. Hierdurch wird die Wärme, die in der Wärmequelle enthalten ist und früher an die umgebende Luft verlorenging, an die Teile der Unterlage zurückgeführt, die sich der Fixierplatte nähern, um eine Vorerwärmung dieser Bereiche zu erzielen. Diese Vorerwärmung bringt die Unterlage auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur und vermindert die Wärmemenge, welche von der Fixierfläche für die Auf ^ Schmelzung zugeführt werden muß. -

Besondere Ausgestaltungen dieser neuen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektrophotographischen Gerätes, das die neue Fixiervorrichtung benutzt,

F i g. 2 eine perspektivische Draufsicht auf die Fixiervorrichtung während des Fixiervorganges,

F i g. 3 einen Grundriß der Fixiervorrichtung mit offener Deckplatte und

F i g. 4 ein Schnittbild der Fixiervorrichtung längs der Linie 4-4 der F i g. 2.

Zum allgemeinen Verständnis des elektrofotografischen Verfahrens unter Verwendung der neuen Vorrichtung wird auf die F i g. 1 Bezug genommen, in welcher die einzelnen Komponenten eines elektrofotografischen Gerätes schematisch dargestellt sind. Bei allen diesen Geräten, die auf dem aus der eingangs genannten USA.-Patentschrift bekannten Prinzip beruhen, wird ein Strahlungsbild einer zu reproduzierenden Kopie auf eine sensibilisierte Oberfläche einer elektrofotografischen Bildplatte 19 projiziert, um auf dieser ein Ladungsbild zu erzeugen. Dadurch wird das Ladungsbild mit einem entgegengesetzt aufgeladenen Toner 27 entwickelt, um ein Pulverbild zu erzeugen, das dem Landungsbild entspricht. Das Pulverbild wird dann auf ein Bildempfangsmaterial in Form einer bandförmigen Unterlage 43 übertragen, auf welcher es mit Hilfe einer Schmelzvorrichtung 48 fixiert werden kann, wodurch es permanent an der Trägeroberfläche anhaftet.

Die neue Schmelzvorrichtung 48 wird in bezug auf die F i g. 2, 3 und 4 beschrieben. Während des Betriebs des Gerätes wird die das lockere Pulverbild tragende bandförmige Unterlage längs eines Weges bewegt, welcher durch das Zusammenwirken einer ersten Spannrolle, einer Fixierfläche 61, einer zweiten Spannrolle 62 und einem Wärmeaustauscher 66 gegeben ist.

Zur Unterstützung und Isolierung der einzelnen Komponenten umfaßt die Vorrichtung 48 einen Rahmen 64, der von zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden 80 und 81 gebildet ist und an einer Endplatte 82 und einer Bodenplatte 85 befestigt ist Der Rahmen selbst ist innerhalb des Gerätes angrenzend an die Bewegungsbahn der bandförmigen Unterlage 43 mittels eines Halters 89 befestigt, welcher sich unterhalb des Rahmens zur Verbindung mit dem Gerät erstreckt. Die Seitenwände 80 und 81 bestehen aus einem thermisch isolierenden Material ausreichender Dicke und Festigkeit, beispielsweise aus etwa 1,25 cm dicken Phenolmaterial zur Bildung einer Wärmeisolationsbarriere zwischen dem Wärmeschmelzer und der umgebenden Luft und zur Unterstützung des Wärmeaustauschers. Der Wärmeaustauscher ist derart an der ersten Spannrolle 60, der erhitzten Walze 61 und der zweiten Spannrolle 62 befestigt, daß sich die gesamte Breite der bandförmigen Unterlage 43 in unmittelbarem thermischen Kontakt über die Länge und Breite der Wärmeaustauscherrippen, wie nachstehend beschrieben wird, bewegen kann.

Vorn, innerhalb des Rahmens ist die Fixierplatte in Form der Walze 61 gehaltert, hinter der sich der Wärmeaustauscher 66 befindet. Beide sind praktisch vollständig mittels einer dicht daran anschließenden, thermisch isolierenden Umhüllung umschlossen, welche eine schwenkbare Führungsfläche 71 umfaßt, die mittels eines Gelenkes 75 an einer Bodenplatte 72 befestigt ist. Die Führungsfläche 71 ist in ihrer Betriebsstellung mit Hilfe einer Daumenfalle 76 derart befestigt, daß sich beide Flächen in ausreichender Entfernung, beispielsweise etwa 0,6 cm, von der sich bewegenden Unterlage 43, während diese sich über die Oberfläche des Wärmeaustauschers und der erhitzten Walze 61 bewegt, befinden, um die Wärme dicht abzugrenzen und dennoch eine Zerstörung des lockeren Pulverbildes 90 auf der Unterlage zu vermeiden. Die Führungsflächen 71 bzw. 72 sind derart ausgebildet, daß sie thermisch isolierend sind. Sie bestehen beispielsweise aus Glaswatte 44 zwischen zwei befestigten Metallschirmen 73. Sie sind so geformt, daß sie sich der Form der Seiten- ao platte 80 und 81 des Rahmens 64 anpassen und einen Durchgang definieren, so daß eine sich bewegende Unterlage in Berührung mit dem Wärmeaustauscher und der Fixierplatte hindurchlaufen kann. Während die Unterlage 43 sich unter Spannung an der Spannrolle 60 über die Walze 61 an die zweite Spannrolle 62 bewegt, wird die untere Oberfläche in direktem Wärmekontakt, mit dem Wärmeaustauscher 66 gehalten, wodurch ein leitender Wärmeaustausch von Teilen der Unterlage 43 hinter der Berührung mit der Fixierplatte 61 zu Teilen der Unterlage 43 die sich der Berührung mit der Fixierplatte 61 nähern, erfolgt.

Die primäre Wärmequelle wird also durch die Fixierplatte in Form einer Walze 61 gebildet. Die Walze 61 besteht aus einem mechanisch harten, festen, wärmeleitfähigen Material, beispielsweise einem gezogenen Kupferrohr mit einer etwa 2,4 cm starken Wand 68 und enthält ein koaxiales elektrischen Heizelement 69, welches sich durch das Rohr erstreckt, um dessen Oberfläche auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen. Das Rohr hat eine Länge, die ungefähr der Breite der sich bewegenden Unterlage 43 und dem Wärmeaustauscher 66 entspricht. Das Heizelement 69 ist ein handelsübliches 115 bis 125VoIt, 500 Watt Infrarot-Heizelement mit einem Durchmesser von etwa 9 mm, welches sich entlang der Kupferwand 68 erstreckt, und mit einer 500 Watt, 115 bis 125 Volt Spannungsquelle 86 an der Zuführung 88 eines elektrisch isolierenden Blocks 87 verbunden ist.

Der Wärmeaustauscher ist mit dem Rahmen 64 über Seitenbolzen 97 und 98 verbunden und umfaßt eine Vielzahl von aufeinanderfolgend angeordneten Wärmeübertragungsrippen 91 bis 96, die durch eine Vielzahl von im Wechsel mit tien Wärmeübertragungsrippen angeordneten, thermisch isolierenden Rippen 67 voneinander getrennt sind. Die Rippen sind mittels zweier Bolzen 83, welche sich seitlich durch die Rippen, erstrecken, zusammengehalten, um eine Einheit zu bilden. Die Wärmeübertragungsrippen 91 bis 96 bestehen aus einem festen, thermisch leitfähigen Material, beispielsweise Aluminium, und weisen einen etwa rechtekkigen Querschnitt auf. Ihre Höhe nimmt im einzelnen mit dem geringen Abstand von der Walze 61 ab. Die thermisch isolierenden Rippen 67 umfassen etwa rechteckig geformte Festkörper aus thermisch isolierendem Material, beispielsweise Teflon, von ungefähr 6 mm Dicke. Die sieben isolierenden Rippen 67 und die sechs Wärmeübertragungsrippen 91 bis 96 sind abwechselnd derart angeordnet, daß eine isolierende Rippe sich an jedem Ende des Wärmeaustauschers 66 befindet, in Richtung parallel zur Bahn der sich bewegenden Unterlage 43 gesehen. Zur vollständigen Überdeckung der dreizehn Rippen längs der beiden Seitenkanteh, um Wärmeverlust von diesen zu vermeiden, sind thermisch isolierende Blöcke 77 aus Teflon od. ä. angeordnet. Wie dargestellt ist, sind die Rippen an ihrem oberen und unteren Ende so geformt, daß sie eine glatte, kontinuierlich geformte Oberfläche, die für eine Berührung mit der sich bewegenden Unterlage geeignet ist, bilden. Durch die Konstruktion des Wärmeaustauschers in der beschriebenen Weise, d.h. mit sich abwechselnden, wärmeleitenden und isolierenden Rippen, wird eine maximale Wärmeaustauschkapazität gegenüber einem einzelnen Wärmeaustauschglied erreicht. Bei der vorliegenden Anordnung befindet sich die Rippe 91 in thermischem Kontakt mit dem heißesten Teil der austretenden Unterlage längs ihres unteren Randes und dem wärmsten Teil der eintretenden Unterlage längs ihres oberen Randes. Gleichzeitig befindet sich die Rippe 96 in thermischem Kontakt zwischen dem relativ kühleren Teil der austretenden Unterlage längs ihres unteren Randes und dem kältesten, vollständig unerwärmten Teil der eintretenden Unterlage längs ihres oberen Randes. Im Gegensatz hierzu liefert ein einziges festes Wärmeübertragungsteil, obwohl es in der vorliegenden Konstruktion verwendet werden könnte, eine gleichförmige Temperatur für die Übertragung der Wärme von und zu allen Teilen der Unterlage und ist damit weniger wirksam für den Wärmeaustausch.

Die nachstehenden Meßdaten liefern Beispiele für die Betriebsweise des Wärmeaustauschers während des Betriebs, bei dem sich die aufgeheizte Walze 61 auf einer Temperatur von ungefähr 156°C befindet. Die Temperaturen der Wärmeübertragungsrippen wurden mit Hilfe von Thermometern gemessen, die in Thermometerbohrungen 78, welche sich in die Mitte jeder Rippe erstrecken, eingesetzt waren. Die Temperatur der Übertragungsrippe wurde mit 122° C, die Rippe 92 mit 121°C, die Rippe 93 mit 117°C, die Rippe 94 mit 111°C, die Rippe 95 mit 100⁰C und die Rippe 96 mit 79° C bestimmt. Auf Grund dieser Aufzeichnungen wird deutlich, daß die Wärmeübertragungsrippen die Wärme von der bandförmigen Unterlage mit ihren unteren Rändern abziehen, um Teile der Unterlage mit ihren oberen Rändern vorzuheizen. Die Wärmeüber.tragungsrippe 91 weist die höchste Temperatur auf, da die Unterlage unmittelbar nach der Berührung mit der Walze am heißesten ist. Die Wärmeübertragungsrippe 91 überträgt diese Wärme an Teile der Unterlage unmittelbar vor ihrer Berührung mit der Walze 61. Diese Teile waren bereits in Berührung mit den Wärrneübertragungsrippen 92 bis 96, die die sich bewegende Oberfläche bis zu einem gewissen Grad vorerwärmt haben. Die Wärmeübertragungsrippe 96 hat die niedrigste Temperatur, da sie die Wärme von Teilen der Unterlage überträgt, die bereits eine Wärmeableitung mittels der Wärmeübertragungsrippen 91 bis 95 erfahren haben. Auf diese Weise wird das gewünschte Ergebnis erzielt, daß die Unterlage unmittelbar vor ihrer Berührung mit der Walze auf eine hohe Temperatur aufgeheizt ist, während die Unterlage unmittelbar nach ihrer Berührung mit der Walze und der Übertragungsrippe 96 bis unmittelbar vor ihrem Austritt aus der Schmelzvorrichtung an die umgebende Luft auf eine relativ niedrige Temperatur gekühlt ist.

Jede der Walze und Spannrollen j60, 61 und 62 für die

Unterlage sind drehbar gelagert, indem ihre Enden in Buchsen 84 eingepreßt sind, welche innerhalb der Seitenwände des Rahmens 64 oder des Rahmens des Kopiergerätes angeordnet sind. Die Rahmen der Rollen entsprechen etwa den inneren Abmessungen des Rahmens und sind zumindest so gewählt, daß sie die Breite der sich bewegenden Unterlage unterstützen können.

Während des Betriebs verläuft die bildtragende, sich bewegende Unterlage 43, bevor sie bzw. nachdem sie über die erhitzte Walze 61 läuft, in unmittelbarem thermischen Kontakt mit der oberen bzw. der unteren Flä-

ehe des Wärmeaustauschers 66, bevor sie die Schmelzvorrichtung über die zweite Spannrolle verläßt. Die sich bewegende Unterlage gelangt aus der Schmelzvorrichtung 48 hinaus und wird auf der Aufnahmehaspel 52 aufgewickelt. Das lockere Pulverbild 90 bzw. die Bilder sind an der sich bewegenden Unterlage 43 fixiert. Auf Grund des verbesserten neuen Gerätes wird die Fixierung der lockeren Pulverbilder auf der sich bewegenden Unterlage 43 bei Verbrauch einer geringeren Eingangsenergie erreicht, als es bisher möglich war.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 409531/346

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Fixierung eines locker auf einer bandförmigen Unterlage befindlichen Pulverbildes. das an einer Wärmequelle mit der Unterlage der Wärmequelle zugekehrt vorbeigefühlt wird, d a ti u r c h g e k e η η / c i c h η e t, daß die Unterlage in einem vor der Wärmequelle liegenden Bereich durch Wärmeübertragung von bereits an tier Wärmequelle vorbeigeführten Bereichen der Unterlage vorgewärmt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens' nach Anspruch I, die eine Wärmequelle mit einer erwärmbaren Fixierfläche aufweist, welche, zumindest teilweise, in Wärmckonlakt mit aufeinanderfolgenden Bereichen einer ein locker haftendes Pulverbild tragenden Unterlage zu bringen ist. dadurch gekennzeichnet, daß ein den Bereich vor dem Hin- und Ausgang der Fixierzone überbrückender Wärmeaustauscher (66) so angeordnet ist, daß er eine Wärmebrücke zwischen die Fixierzone verlassenden Bereichen der erwärmten Unterlage und den in sie eintretenden Bereichen der Unterlage bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (66) aus einer Vielzahl von Wärmeüberlragungsgliedern (91 bis 96) besteht, die innerhalb einer gegenüber der Fixierzone längeren Wegstrecke des Führungsweges der Unterlage angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmcübertragungsglieder (91 bis 96) voneinander durch wärmeisoliciende Glieder (67) getrennt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübcrtragungsglieder (91 bis 98) und die wärmeisolierenden Glieder (67) als Lamellen ausgebildet sind, die in wechselnder Folge aneiiuindergrenzend angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Enden der als Lamellen ausgebildeten Wärmeübertragungsglieder (91 bis 96) und die Wärmeisolierenden Glieder (67) je eine kontinuierliche Oberfläche bilden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erwärmbare Fixierfläche die Oberfläche einer vorzugsweise drehbaren Walze (61) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einer Führungseinrichtung für eine kontinuierlich bewegbare, bandförmige, das Pulverbild tragende Unterlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung Spannrollen (60, 62) aufweist, die in Verbindung mit der Walze (61) eine gegenläufige Führungsbahn in Form einer langgestreckten Schleife bestimmen, die seitlich von zwei Rahmenteilen (80, 81) flankiert wird, daß die Walze (61) im Umkehrbereich der Schleife und der Wärmeaustauscher (66) in dem anderen Bereich der Schleife zwischen den Rahmenteilen (80, 81) gelagert sind, und daß die Führungsbahn im Bereich der Walze (61) und der Wärmeaustauscher (66) von einer zu ihr parallel verlaufenden Führungsfläche (71, 72) umhüllt ist, die einen Führungskanal mit der Walze und dem Wärmeaustauscher einschließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsfläche (71, 72) von einem wärmeisolierenden Mantel (73, 74) gebildet wird, der die Walze (61) zumindest in ihrem mit der Unterlage in Berührung stehenden Bereich und dem Wärmeaustauscher (66) dicht umschließt.

K). Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rühmen (80, 81) durch zwei parallel mit Abstand zueinander ungeordnete Wände gebildet sind.