DE1690659B2

DE1690659B2 - Hitzefixiervorrichtung fuer elektrografische pulverbilder

Info

Publication number: DE1690659B2
Application number: DE1967R0046261
Authority: DE
Inventors: Prafulla Sunderrao Webster N.Y. Dhoble (V.StA.)
Original assignee: Rank Xerox Ltd
Current assignee: Xerox Ltd
Priority date: 1966-06-23
Filing date: 1967-06-15
Publication date: 1978-02-02
Also published as: ES341906A1; CH499143A; US3449546A; DE1690659A1; NO123480B; AT303518B; DK118703B; GB1187481A; SE332936B; NL6708388A; JPS525854B1; DE1690659C3; BE700101A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Hitzefixiervorrichtung für elektrografische Pulverbilder mit einer das Pulver auf einem Trägermaterial aufschmelzenden Wärmequelle, an der das ein Pulverbild tragende Trägermaterial vorbeibewegbar ist.

Unter Strahlung versteht man Energie, die durch elektromagnetische Wellen übertragen wird. Zum Zwecke der Wärmeübertragung ist in erster Linie die infrarote Energie interessant, deren Wellenlänge zwischen 0,8 und 7,0 μπι liegt. Innerhalb dieses Bereiches absorbieren die meisten Stoffe die gesamte oder einen Teil der auf sie auftreffenden Energie. Obwohl die wahre Natur der Strahlung und der damit verbundene Transportmechanismus noch nicht völlig geklärt ist, ist es bekannt, daß die Strahlung sich im leeren Raum mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt und daß zu ihrer Ausbreitung kein Medium, wie z. 3. leitfähiges Metall c. ä. erforderlich ist. Zur Erzeugung einer Wärmeübertragung durch Strahlung muß ein Körper zunächst einen Teil seiner inneren Energie in Form elektromagnetischer Wellen abgeben, die sich im Raum ausbreiten, bis sie einen anderen Körper treffen, von dem sie absorbiert und in innere Energie, meist in Wärme, umgewandelt werden.

Eine gute Quelle infraroter Strahlung, d. h. eine Quelle mit einem hohen Prozentsatz umgewandelter innerer Energie in Strahlungswärmeenergie, erzeugt eine sehr starke Strahlung mit einem Spitzenwert bei einer charakteristischen Wellenlänge. Je höher die Temperatur der Quelle ist, um so mehr wird die Energie auf einen schmalen Wellenlängenbereich konzentriert und um so höher ist deren Stärke. Es existiert ferner ein Zusammenhang zwischen der Wellenlänge für maximale Leistung und die Strahlungsquellentemperatur. Durch Erhöhen der Strahlungsquellentemperatur wird die Wellenlänge für maximale Leistung zum kürzeren Ende des Spektrums hin verlagert. Man kann daraus ableiten, daß eine wirksame infrarote Strahlungsquelle eine starke Energie erzeugt, die innerhalb eines schmalen Wellenlängenbandes konzentriert ist, das im allgemeinen am kürzeren Ende des infraroten Spektrums liegt.

Körper, die Strahlungswärmeenergie empfangen, im folgenden als »Empfänger« bezeichnet, zeigen variierende Absorptionseigenschaften für Strahlungen verschiedener Wellenlängen, wobei unter Absorptionsgrad die Fähigkeit des Empfängers zur Annahme der auftreffenden Strahlungsenergie und zu deren Umsetzung in innere Energie oder Wärme verstanden werden soll. Beispielsweise absorbiert Ruß ca. 96% der gesamten auf ihn auftreffenden Energie, unabhängig von deren Wellenlänge. Eine polierte Aluminiumplatte andererseits reflektiert die meiste empfangene Strahlung und absorbiert lediglich einen geringen Prozentsatz der längeren Wellenlängen. Im allgemeinen liegen die Eigenschaften der meisten Stoffe zwischen diesen beiden Extremwerten, da sie bei einigen bestimmten Wellenlängen gute Absorptionseigenschaften für Strahlung bei anderen Wellenlängen einen Widerstand gegen Strahlung zeigen.

Das letztgenannte Prinzip wird bei einer z. B. in der US-PS 2807707 beschriebenen Anordnung angewendet, wobei elektrografische Pulverbilder auf Papierblättern durch intermittierend betriebene Strahlungslampen schmelzfixiert werden. Die Lampen werden für einen kurzen Zeitraum eingeschaltet und senden starke Energie aus, die auf einen schmalen Wellenlängenbereich konzentriert ist, innerhalb dessen das Pulver die Strahlungsenergie gut absorbiert. Die Papierunterlage jedoch reflektiert die meiste auf kurze Wellenlängen konzentrierte Energie und bleibt daher während des Fixiervorganges relativ kühl.

Das Hitzefixieren unter Verwendung einer intermittierend betriebenen Strahlungslampe ist zwar bei vielen elektrografischen Fixieraufgaben anwendbar, erwies sich jedoch zur Fixierung von Flächen geringer Tonerkonzentration als nicht geeignet. Diese Flächen können während der kurzzeitigen Einwirkung der Lampe zur richtigen Fixierung nicht genug Energie absorbieren. Versuche zur Übertragung einer größeren Energiemenge auf diese Flächenteile durch Erhö-

hung der Stärke infraroter Energie während des Betriebszeitraumes der Lampe führten zur Zerstörung der Bildunterlage vor Erreichen einer richtigen Fixierung. Außerdem absorbieren die Bildflächenteile hoher Dichte zu viel Energie, wodurch sie platzen oder durch die Papierunterlage hindurchbrennen, bevor die Flächenteile geringer Tonerkonzentration fixiert sind.

Für die elektrofotografische Hitzefixierung wird der Idealfall angestrebt, die Temperatur des Bildunterlagenstoffes so nahe wie möglich an die Verschmelzungstemperatur des elektrografischen Entwicklerpulvers oder Toners heranzubringen, so daß eine ausreichende Wärmemenge an der Verbindungsstelle zwischen Toner und Bildunterlage übertragen wird, wo sie zur Fixierung am meisten benötigt wird. Eine starke infrarote Strahlungsquelle, die nahezu monochromatische Energie ausstrahlt, begünstigt jedoch im allgemeinen die Absorptionseigenschaften des einen Stoffes gegenüber dem anderen Stoff, so daß die Erzeugung derselben Temperatur in beiden Stoffen innerhalb eines kurzen Zeitraumes nicht möglich ist. Versuche zur Verbreiterung des Wellenlängenbereiches, in dem eine nutzbare infrarote Energie durch eine Vielzahl von Strahlungsquellen erzeugt wird, schlugen fehl. Wen zwei oder mehr infrarote Strahlungsquellen hoher Temperatur nahe beieinander angeordnet sind, zeigen sie eine Wechselwirkung, die sich in einer resultierenden Gleichgewichtstemperatur in jeder Strahlungsquelle auswirkt. Eine einzelne, meist monochromatische Strahlungsenergie wird ausgesendet, statt einer Energieverteilung innerhalb eines breiten Wellenlängenbandes.

In vielen bekannten kommerziellen Verfahren und auch in der elektrografischen Fixiertechnik müssen zwei oder mehrere Stoffe veränderlicher physikalischer Eigenschaften gemeinsam erhitzt werden. Einige derartige kommerzielle Verfahren sind: Farbtrocknung auf Fabrikaten verschiedener Stoffe wie Plastik, Holz, Metall und Faserplatten, Erwärmung eines Raumes, in dem viele aus verschiedenen Stoffen bestehende Teile untergebracht sind, gleichzeitige Erwärmung zweier verschiedener Nahrungsmittel wie Fleisch oder Gemüse oder die Sterilisierung medizinischer Instrumente. Versuche zur schnellen und wirksamen Wärmeübertragung auf diese Stoffe aus einer einzelnen infraroten Strahlungsquelle erwiesen sich als schwierig und in einigen Fällen undurchführbar, weil der Bereich der Absorptionseigenschaften der verschiedenen Empfänger zu breit war.

Aus dem DT-Gbm 1872782 ist ein Infrarot-Strahlungsheizkörper zur Raumbeheizung bekannt, bei dem in einem zylindrischen Schutzmantel aus geschmolzenem oder gesintertem Quarz eine zylindrische Heizwendel vorgesehen ist, die mit ihr^n Windungen an der Innenwand des Zylinders satt anliegt. Das aus Quarz bestehende Schutzrohr soll dabei annähernd keine von der Heizwendel abgestrahlte Strahlungsenergie absorbieren, was im wesentlichen bereits dadurch erreicht wird, daß aus geschmolzenem oder gesintertem Quarz hergestellte Körper den gesamten Wellenbereich der Wärmestrahlung der sichtbaren Strahlung und die unsichtbare UV-Strahlung ungehindert passieren lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es dagegen, eine neue Hitzefixiervorrichtung für elektrofotografische Pulverbilder zu schaffen, die eine Wärmequelle möglichst hohen Wirkungsgrads aufweist.

Bei einer Hitzefixiervorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmequelle aus einer primären Infrarotstrahlungsquelle und einem sie einschließenden und in thermischen Kontakt mit ihr stehenden Zylinder aus einem Material gebildet ist, das die von der Infrarotstrahlungsquelle mit einem Leistungsmaximum bei Wellenlängen von weniger als 2,5 um erzeugte Strahlungsenergie hindurchläßt, die übrige Strahlungsenergie absorbiert und diese mit einem Leistungsmaximum bei Wellenlängen von mehr als 3μπι wieder abstrahlt.

Die neue Wärmequelle zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß die primäre Infrarotstrahlungsquelle praktisch ungehindert Strahlungsenergie bei Wellenlängen von weniger als 2,5 μπι, bei denen auch etwa das Leistungsmaximum der Infrarotstrahlungsquelle liegt, an die elektrografischen Pulverbilder abgibt, während die von der Infrarotstrahlungsquelle erzeugte übrige Strahlungsenergie, insbesondere die mit Wellenlängen oberhalb von 2,5 μπι, von dem Material des die Infrarotstrahlungsquelle umgebenden Zylinders absorbiert wird. Diese vom Material des Zylinders absorbierte Strahlungsenergie wird in diesem in Wärme umgewandelt und dann von dem Zylinder ebenfalls als Strahlungsenergie an das elektrografische Pulverbild abgestrahlt, wobei das Leistungsmaximum dieser vom Zylinder abgestrahlten Strahlungsenergie bei Wellenlängen von mehr als 3 μπι liegt. Auf jeden Fall liegt das Leistungsmaximum auch der vom Zylin-

Ji) der abgestrahlten Strahlungsenergie bei Wellenlängen in der Nähe von 3 μπι, so daß insgesamt von der Wärmequelle eine sehr energiereiche Strahlung innerhalb eines sehr engen Wellenbereiches an das elektrografische Pulverbild abgestrahlt wird.

Vj Weitere, die besondere Ausbildung der neuen Hitzefixiervorrichtung betreffende Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

•ίο Es zeigt

Fig. 1 die perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Infrarotwärmequelle,

Fig. 2 zwei spektroradiometrische Kurven für einen idealen Strahler, die den Zusammenhang zwischen der ausgesendeten Strahlungsleistung und der Wellenlänge zeigen, wobei die resultierende Wellenlängenverteilung der Strahlungsenergie durch eine Strahlungsquelle bei zwei Temperaturen dargestellt ist, und

Fig. 3 den Verlauf der bei dem elektrografischen Fixiervorgang wesentlichen Größen über der Wellenlänge unter gleichzeitiger Darstellung der Eigenschaften der in Fig. 1 gezeigten Infrarotwärmequelle.

In Fig. 2 sind zwei Kurven für die Wellenlängenverteilung eines idealen Strahlers dargestellt, der Wärmestrahlungsenergie bei zwei verschiedenen Temperaturen aussendet. Die eine Kurve zeigt die Wellenlängenverteilung für eine ideale Quelle, die Energie bei einer Temperatur von ca. 1650° C erzeugt, während die andere Kurve für eine Quelle von ca. 1100° C gilt. Ein Vergleich dieser beiden Kurven, sogenannter spektroradiometrischer Kurven, zeigt:

a) die gesamte Strahlungsmenge, wie sie durch die Fläche unter den Kurven dargestellt ist, ist größer für einen Körper, der bei höherer Temperatur arbeitet,

b) eine bei höherer Temperatur arbeitende Quelle

erzeugt ihre Spitzenleistung bei einer kürzeren Wellenlänge als eine Quelle geringerer Temperatur. Der schwarze Körper mit einer Temperatur von ca. 1650° C hat eine Wellenlänge für die Spitzenleistung bei ca. 1,5 Mikrometer, während die Quelle von 1100° C ihre Spitzenleistung bei ca. 2,2 Mikrometer abgibt.

c) Unabhängig von der Betriebstemperatur der Quelle wird Strahlungswärmeenergie bei allen Wellenlängen erzeugt, jedoch ist die Verteilung der Leistungsspitze dieser Energie durch die Temperatur bestimmt, bei der die Quelle arbeitet. Ein Vergleich der beiden Kurven aus Fig. 2 ergibt, daß ein hoher Prozentsatz der mit der Quelle von 1650° C erzeugten Energie in der Nähe der Wellenlänge für die Spitzenleistung auftritt, während die gesamte erzeugte Energie bei der Quelle mit geringerer Temperatur über das Spektrum breiter verteilt ist.
Das Verständnis der Änderungen in den spektroradiometrischen Kurven aus Fig. 2 ist wichtig, da die effektive Wellenlänge für die Leistungsspitze und die damit verbundene Strahlungsintensität Eigenschaften der jeweiligen Strahlungsquelle sind und von der Betriebstemperatur dieser Strahlungsquelle abhängen. Ferner geht aus den Kurven gemäß Fig. 2 hervor, daß beide Kurven sich für ideale Strahler verschiedener Temperaturen niemals schneiden und daher die Strahlungsintensität und die gesamte abgegebene Energie einer Strahlungsquelle niemals gleich oder größer sein kann, wenn dieselbe Quelle bei einer geringeren Temperatur betrieben wird. Daher kann es für eine Strahlungswärmequelle lediglich eine Wellenlänge für die abgegebene Spitzenleistung geben. In der Praxis stellte sich heraus, daß ein wirksamer Strahler, d. h. ein Strahler, der einen hohen Prozentsatz seiner inneren Energie in Strahlungsenergie umwandelt, ziemlich genau die Wellenlängenverteilung eines schwarzen Körpers besitzt. Beispielsweise wandelt ein Wolframfaden, der eine gute Quelle infraroter Strahlung darstellt, 86% der verfügbaren inneren Energie um, wenn er bei einer Temperatur von ca. 2200° C betrieben wird. Diese Energie ist auf ein schmales Wellenlängenband mit einer mittleren Wellenlänge von ca. 1,1 Mikrometer konzentriert.

Da die durch eine wirksame infrarote Strahlungsquelle erzeugte Strahlung innerhalb eines schmalen Wellenlängenbandes konzentriert ist, das im allgemeinen am kürzeren Ende des infraroten Spektrums auftritt, hat diese Energie in erster Linie Wellenlängen, bei denen ein Empfänger die Energie reflektiert, statt sie zu absorbieren. Beispielsweise haben Versuche bei einer Fixierung eines thermoplastischen Pulverbildes ergeben, daß eine Papierunterlage bei Wellenlängen kürzer als 3,0 Mikrometer nur sehr wenig infrarote Energie absorbiert. Daher wird in einer Papierunterlage durch sehr wirksame Strahlungsquellen, wie z. B. einen bei hohen Temperaturen betriebenen Wolframfaden, nicht leicht eine Erhitzung erzeugt.

Die »Intensität« der an der Oberfläche einer Quelle erzeugten Strahlungsenergie entspricht der pro Flächeneinheit durch diese Quelle abgegebenen Strahlungsmenge. Wie aus dem Vergleich der beiden in Fig. 2 dargestellten Kurven hervorgeht, hängt die intensität (Höhe der Kurven), mit der ein idealer Strahler Energie erzeugt, von der Temperatur der Quelle ■ib. .Ie höher diese Temperatur ist, um so höher ist die Strahlungsintensität bei allen Wellenlängen.

Elektrofotografisches Entwicklerpulver (Toner wirkt bekanntlich wie ein schwarzer Körper, so daß es einen sehr hohen Prozentsatz der Strahlung bei al len Wellenlängen absorbiert. Der Toner bedeckt je doch bei den meisten Tonerbildern nur einen relativ kleinen Teil der gesamten Bildfläche. Daher erzeugi eine Infrarot-Strahlungsqueüe, deren Spitzenleistung bei einer Wellenlänge liegt, für die Papier gute Ab-Sorptionseigenschaften hat (3 Mikrometer oder langer), keine infrarote Strahlung, deren Intensität zur schnellen Erhitzung der nur wenig getönten Bildflächenteile ausreicht. Wie bereits beschrieben, tritt jedoch starke. Intensität zur ausreichenden Erhitzung des Toners bei kürzerer Wellenlänge auf, bei der das Papier relativ schlechte Absorptionseigenschafter hat. Daher ist für die Fixierung des Toners eine Infra rot-Strahlungsquelle günstig, die starke infrarot« Strahlung bei kürzeren Wellenlängen zur wirksamer Erhitzung des Toners und starke infrarote Strahlung bei längeren Wellenlängen zur schnellen und wirksa men Erhitzung der Bildunterlage erzeugen kann.

In Fig. 1 ist eine gemäß der Erfindung ausge bildete, als Hitzequelle für die Fixierung von Toner pulverbildern geeignete Infrarotlampe dargestellt Unter dieser Lampe 14 wird ein Bildträger IS vorbei geführt, auf dem Entwicklungspulver oder Toner lok ker anhaftet. Der Bildträger wird durch ein Förder band 16 oder eine ähnliche Transporteinrichtunj

jo bewegt, so daß der Toner und der Bildträger für einer Zeitraum in thermischem Kontakt mit der Lampe bleiben, der zur Einschmelzung des Toners ausreicht Die Lampe 14 enthält einen Heizfaden 10, der spi

ralförmig ausgebildet und innerhalb des Kolbens 11

J5 derart angeordnet ist, daß eine Außenfläche mit dei Innenfläche des zylindrischen Kolbens 11 in physika lischer Berührung steht. Der Heizfaden 10 wird durcl Verbindung der Anschlüsse 12 mit einer Stromver sorgungsquelle (nicht dargestellt) elektrisch geheizt Ein Reflektor 13, der oberhalb der Lampe angeordne ist, konzentriert die von der Lampe 14 ausgehend« Energie auf den Bildträger 15, der durch die Trans porteinrichtung 16 an der Lampe vorbeibewegt wird Der Heizfaden 10 kann aus jedem leitfähigen Me tall bestehen, das bei elektrischer Beheizung ein« wirksame infrarote Strahlung erzeugt, es wurde je doch gefunden, daß vorzugsweise Wolfram zu ver wenden ist, da dieses Material einen hohen Wirkungs grad und eine lange Lebensdauer bei erhöhtei

so Temperaturen gewährleistet.

Die in Fig. 1 dargestellte Lampe 14 arbeitet mi der Hälfte der Spannung, wie sie ohne Zerstörung de: Lampe möglich wäre, was von der Größe und dei physikalischen Eigenschaften des Heizfadens ab hängt. Die Betriebstemperatur des Heizfadens K wird durch den Abstand der Windungen so eingestellt daß sie 1150° C beträgt, wenn der Heizfaden mit de genannten halben Spannung betrieben wird. Es wurd< geschätzt, daß eine infrarote Lampe bei dem halbei

bo Spannungswert und einer relativ geringen Temperatu (1150° C) eine unbegrenzte Betriebslebensdauer hat Andererseits hat eine Quarzlampe, die unter volle Belastung mit einer Heizfadentemperatur von ca 2200° C betrieben wird, eine relativ kurze Lebens

hi dauer in der Größenordnung von 5000 Stunden.

Der Kolben 11 besteht aus einem Stoff, der bei ho hen Temperaturen gute thermische Eigenschaftei zeigt und ferner in der Lage ist, auftreffende infrarot

Energie teilweise zu übertragen und teilweise zu absorbieren. Solche Stoffe sind einige nichtkristalline Glase, Steinsalz und Quarz. Experimentell stellte sich jedoch heraus, daß geschmolzener Quarz mit den besten Ergebnissen zu verwenden ist.

Im Betrieb befindet sich der Wolframfaden in direkter physikalischer Berührung mit dem Quarzkolben. Im Gegensatz hierzu ist bei bekannten Infrarotlampen der Heizfaden auf Tantalplatten gelagert und befindet sich in einem Abstand von dem Quarzkolben, ' um eine Kristallisation des Quarzes bei den hohen Betriebstemperaturen (2250° C) zu verhindern. Ein Quarzkolben, der kristallisiert ist, kann keine infrarote Energie mehr übertragen und wird daher zu einer Sperrschicht zwischen der Strahlungsquelle und einem <⁵ Empfänger. Geschmolzener Quarz hat eine Erweichungstemperatur von ca. 1665° C, und daher kann ein Wolframfaden mit einer Betriebstemperatur von 1150° C mit einem derartigen Kolben in Berührung gebracht werden, ohne eine Verschlechterung der Übertragungseigenschaften des Quarzes befürchten zu müssen.

Die vorliegende Erfindung wird in bezug auf eine Hitzefixiereinrichtung für Tonerpulverbilder an Hand der in Fig. 3 dargestellten Kurven beschrieben. Fig. 3 zeigt die Kurve für die resultierende Leistungsverteilung der von der Infrarotlampe abgegebenen Strahlung als durchgehende schwarze Linie, die Übertragungskurve des Kolbens aus geschmolzenem Quarz als gepunktete Linie und die Absorptionskurven für Tonerpulver und weißes Feinpapier als gestrichelte Linien.

Die in Fig. 3 dargestellten Kurven geben Energiewerte in Abhängigkeit von der Wellenlänge an. Sie wurden aus theoretischen Energiewerten abgeleitet und als Prozentwerte der gesamten Energie dargestellt, wodurch die verschiedenen Parameter miteinander verglichen werden können.

Beim Betrieb der Lampe wird diese zunächst auf ihre Betriebsspannung gebracht, die der halben Leistungsspannung entspricht. Wie bereits beschrieben, ist der Heizfaden (Fig. 1) spiralförmig ausgebildet, so daß die einzelnen Windungen bei Einschaltung derart aufeinander einwirken, daß die Heizfadentemperatur zwischen 1036und 1150° C liegt. Es wurde gefunden, daß ein Wolframfaden mit einer Betriebstemperatur in diesem Bereich eine Infrarotstrahlung mit einer charakteristischen Wellenlänge für die maximale Leistung von ca. 2,2 Mikrometer erzeugt.

Aus der in Fig. 3 dargestellten Übertragungskurve für geschmolzenen Quarz kann entnommen werden, daß der Quarz ca. 92% der auf ihn mit Wellenlängen kürzer als 4,0 Mikrometer auftreffenden Strahlungsenergie überträgt. Es ist jedoch zu erkennen, daß die Übertragungseigenschaften des Quarzes zwischen 4,0 und 5,0 Mikrometer Wellenlänge von 92% sehr schnell auf Null abfallen, was eine Undurchlässigkeit des Quarzes für infrarote Strahlung bedeutet, deren Wellenlänge größer als 5,0 Mikrometer ist. Ein Wolframfaden mit einer Temperatur von 1200° C hat ei- e>o nen hohen Wirkungsgrad, d. h. ein Wolframfaden, der bei erhöhten Temperaturen betrieben wird, setzt einen hohen Prozentsatz der Eingangsenergie in infrarote Strahlung um. Die von ihm ausgehende infrarote Strahlung, die auf den Bereich um 2,2 Mikrometer h5 konzentriert ist, wird leicht durch den Quarzkolben übertragen. Diese Leistungsspitze ist in der resultierenden Strahlungskurvc bei ca. 2,2 Mikrometer als die erste Spitze zu erkennen.

Geschmolzener Quarz, der auf eine Temperatur zwischen 600 und 650° C erhitzt ist, erreicht ein thermisches Gleichgewicht, so daß er zwischen 80 und 90% der gesamten empfangenen inneren Energie als infrarote Strahlung wieder abgibt (Emissionsvermögen 0,8 bis 0,9 bei ca. 650° C). Ein Quarzkörper ist bei ca. 650° C nicht in der Lage, mehr Wärmeenergie zu empfangen und zu speichern, so daß er empfangene Wärmeenergie in derselben Weise wieder abgeben muß. Es wurde gefunden, daß Quarz bei erhöhten Temperaturen diese zu große Energie als infrarote Strahlung wieder abgibt.

Wie aus der Übertragungskurve für sehr reinen geschmolzenen Quarz (Fig. 3) hervorgeht, wird eine infrarote Strahlung mit einer Wellenlänge über 5,0 Mikrometer durch den Quarzkolben nicht übertragen. Diese Energie längerer Wellenlängen wird jedoch im Quarz absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeströmung ist ähnlich der elektrischen Strömung und folgt ähnlichen Gesetzmäßigkeiten. In beiden Fällen ist bei geringerem Widerstand zwischen der Energiequelle und einem Empfänger für diese Energie die Übertragung einer um so größeren Energiemenge an den Empfänger möglich. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Heizfaden in direkter Berührung mit dem Quarzkolben angeordnet, so daß ein optimaler Wärmefluß zwischen beiden Körpern möglich ist. Bei erhöhten Temperaturen geschieht die Übertragung der größten Wärmemenge durch Strahlung statt durch Konvektion oder Leitung, da Strahlungswärme abhängig von der absoluten Temperatur der Quelle in der vierten Potenz statt von einer Temperaturdifferenz zwischen beiden Körpern oder einem Temperaturgradienten in einem Übertragungsmedium ist. Jedoch kann auch bei erhöhten Temperaturen die Wärmeübertragung durch Konvektion und Leitung nicht vernachlässigt werden. Es stellte sich experimentell heraus, daß bei einem relativ massiven Heizdraht mit eng nebeneinander liegenden Windungen und einem Durchmesser von 0,5 mm oder mehr, der mit einem Quarzkolben in Berührung steht, durch die drei genannten Wärmeübertragungsarten eine ausreichende Wärmemenge übertragen werden kann, um den Quarzkolben auf die gewünschte Betriebstemperatur (425 bis 650° C) zu bringen. Es stellte sich ferner heraus, daß ein Wolframfaden unter den beschriebenen Betriebsbedingungen eine ausreichend große Energie an den Quarzkolben abgibt, um die abgegebene Strahlungsenergie so hoch zu halten, daß der Quarzkolben als eine sekundäre oder blinde Strahlungsquelle verwendet werden kann. Auf diese Weise erhält man zwei gleichzeitig arbeitende Quellen.

Es wurde bereits beschrieben, daß die Verteilung der Strahlungswärmeenergie von der Quellentemperatur abhängt. Ein wieder ausstrahlender Quarzkolben, wie er beschrieben wurde, der bei einer Temperatur von ca. 650° C betrieben wird, erzeugt eine Verteilung der meisten wieder abgestrahlten Energie derart, daß diese um einen Spitzenleistungspunkt bei einer Wellenlänge von 3,4 Mikrometer konzentriert ist.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, hat die resultierende Kurve für die abgestrahlte Leistung der Lampe ein zweites Maximum bei ca. 3,4 Mikrometer, dem Wellenlängenwert, um den die wieder abgestrahlte Energie des Quarzkolbens konzentriert ist. Wie bereits be-

schrieben, werden 92% der vom Heizfaden ausgehenden Energie mit Wellenlängen kürzer als 4,0 Mikrometer durch den Kolben übertragen. Die Energie der längeren Wellenlängen jedoch wird im Quarz absorbiert, wo sie dann verteilt und mit Wellenlängen innerhalb eines schmalen Wellenlängenbandes, dessen Mittelpunkt bei 3,4 Mikrometer liegt, wieder abgestrahlt wird. Diese wieder abgestrahlte Energie, die vom Kolben ausgeht, verstärkt die von der primären Strahlungsquelle ausgesandte Energie, die ähnliche Wellenlängen hat, und erzeugt eine resultierende Energieverteilung, wie sie derjenigen der resultierenden Strahlungskurve aus Fig. 3 entspricht.

Zum Zwecke der Erläuterung ist das zweite Leistungsmaximum der resultierenden Strahlungskurve bei ca. 3,4 Mikrometer mit derselben Stärke dargestellt wie das durch den Wolframfaden erzeugte erste Maximum. Dem Fachmann ist es jedoch geläufig, daß in der praktischen Ausführung die Stärke des zweiten Maximums diejenige des ersten Maximums nicht erreicht, wobei die Stärke der resultierenden Energie, die um das zweite Maximum (3,4 Mikrometer) konzentriert ist, die Summe der durch den Quarz übertragenen Energie zuzüglich der von dem Kolben wieder abgestrahlten Energie ist.

Die von der Lampe 14 (Fig. 1) ausgehende resultierende Energie ist meistens nicht monochromatisch, sondern hat eine Energieverteilung hoher Intensität in einem relativ breiten Teil des infraroten Spektrums, wodurch sie jeden Stoff mit einer Absorptionsfähigkeit zwischen 0,5 und 1,0 innerhalb des effektiven Wellenlängenbereiches der Lampe erhitzen kann.

In Fig. 3 sind ferner die Absorptionskurven für thermoplastisches Tonerpulver und weißes Feinpapier gestrichelt dargestellt. Es sei bemerkt, daß derartiges Tonerpulver fast die Eigenschaften eines schwarzen Körpers hat, da er 94% der auf ihn auf treffenden Energie unabhängig von deren Wellenlänge absorbiert. Aus diesen Kurven geht jedoch weiter hervor, daß die Absorptionseigenschaften des weißen Feinpapiers von denen des Toners völlig verschieden sind. Weißes Feinpapier reflektiert den größten Teil der auftreffenden Strahlungsenergie mit Wellenlängen unter 3,0 Mikrometer, während es zwischen 80 und 90% der mit längeren Wellenlängen auftreffenden infraroten Energie absorbiert.

Wie bereits ausgeführt wurde, sind die Betriebstemperatur einer Strahlungsquelle und deren Wirkungsgrad direkt proportional zueinander, d. h. jeder Anstieg der Quellentemperatur bewirkt einen Anstieg ihres Wirkungsgrades. Es wurde gefunden, daß eine

ίο einzelne Quelle infraroter Energie, die innerhalb eines Wellenlängenbandes arbeitet, für das weiße Feinpapier gute Absorptionseigenschaften hat (3,0 Mikrometer oder länger), mit einer relativ geringen Betriebstemperatur arbeiten muß und daher eine Strahlungsquelle mit schlechtem Wirkungsgrad ist. Durch die vorliegende Erfindung ist eine wirksame Quelle infraroter Energie zur Erzeugung einer sehr starken infraroten Strahlung bei den längeren Wellenlängen geschaffen worden, die eine Erhitzung weißen Feinpapiers ermöglicht, während sie gleichzeitig eine wirksame sehr starke Strahlung geringerer Wellenlänge zur schnellen und wirksamen Erhitzung xerographischen Toners erzeugt. Dieses Prinzip ist graphisch dargestellt, indem die resultierende Strah-

2^r> lungskurve für die infrarote Lampe mit der Absorptionskurve für weißes Feinpapier in Fig. 3 verglichen wird.

Es stellte sich experimentell heraus, daß eine Lampe, wie sie vorstehend beschrieben wurde, zur

JO Einschmelzung thermoplastischen Tonerpulvers auf ein weißes Feinpapier innerhalb eines Betriebsbereiches von 40 Volt verwendet werden kann. Dies bedeutet, daß ein Bereich von 40 Volt zwischen der Temperatur, die keine Einschmelzung bewirkt, und

J> der Temperatur, bei der eine weiße Papierunterlage beschädigt wird, existiert. Bisher arbeiteten die meisten bekannten einschlägigen Hitzefixiereinrichtungen innerhalb eines relativ schmalen Bereiches von 4 Volt, da sie zur Erzeugung eines sehr selektiven, halb monochromatischen Bandes infraroter Energie wegen des damit zu erreichenden Wirkungsgrades ausgelegt waren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hitzefixiervorrichtung für elektrografische Pulverbilder mit einer das Pulver auf einem Trägermaterial aufschmelzenden Wärmequelle, an der das ein Pulverbild tragende Trägermaterial vorbeibewegbar ist, dadurch gekennzeichne t, daß die Wärmequelle (14) aus einer primären Infrarotstrahlungsquelle (10) und einem sie einschließenden und in thermischen Kontakt mit ihr stehenden Zylinder aus einem Material gebildet ist, das die von der Infrarotstrahlungsquelle mit einem Leistungsmaximum bei Wellenlängen von weniger als 2,5 μτη erzeugte Strahlungsenergie hindurchläßt, die übrige Strahlungsenergie absorbiert und diese mit einem Leistungsmaximum bei Wellenlängen von mehr als 3 μπι wieder abstrahlt.

2. Hitzefixiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (11) mit der Infrarotstrahlungsqueile (10) in Berührung steht.

3. Hitzefixiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotstrahlungsquelle (10) aus einem spiralförmig gewundenen Wolframdraht gebildet ist und daß der Zylinder (11) aus geschmolzenem Quarz besteht.

4. Hitzefixiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotstrahlungsquelle (10) Strahlung mit einem jo Leistungsmaximum bei einer Wellenlänge von 2,2 μπι erzeugt und daß der Zylinder (11) absorbierte Energie mit einem Leistungsmaximum bei einer Wellenlänge von 3,4 ;im wieder abstrahlt.

5. Hitzefixiervorrichtung nach einem der vor- J5 hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (13) zum Konzentrieren der genannten abgestrahlten resultierenden Energie aufweist.

6. Hitzefixiervorrichtung nach einem der An-Sprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der spiralförmig gewundene Wolframdraht einen Durchmesser von mindestens 0,5 mm hat.

7. Hitzefixiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotstrahlungsquelle (10) mit einer Temperatur von 1036 bis 1150° Celsius betrieben wird und eine Zylindertemperatur von 600 bis 650° Celsius erzeugt.

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