DE60104640T2

DE60104640T2 - Fixierrolleranordnung eines elektrophotographischen Bilderzeugungsgeräts mit Arbeitsflüssigkeit in der Heizwalze

Info

Publication number: DE60104640T2
Application number: DE2001604640
Authority: DE
Inventors: Kyung-woo Paldal-gu Lee; Tae-gyu Giheung-eub Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: EP1220054B1; EP1220054A1; DE60104640D1; JP2002304076A; JP3680995B2; CN1360231A; CN1209688C

Description

Die Erfindung betrifft eine Fixierwalzenvorrichtung für eine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung und insbesondere eine Fixierwalzenvorrichtung für eine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung, die bei niedrigem Energieverbrauch verzögerungsfrei aufgeheizt werden kann.
Bei einer allgemeinen elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, so beispielsweise einem Kopiergerät oder einem Laserstrahldrucker, wird, sobald sich eine elektrostatische Ladewalze im Bereich einer Fotorezeptortrommel dreht, ein auf die Oberfläche der Fotorezeptortrommel aufgebrachtes fotoempfindliches Material gleichmäßig aufgeladen. Das aufgeladene fotoempfindliche Material wird einem Abtastlaserstrahl aus einer Laserabtasteinheit (laser scanning unit LSU) ausgesetzt, wodurch ein latentes elektrostatisches Bild in einem vorgegebenen Muster auf dem fotoempfindlichen Material ausgebildet wird. Eine Entwicklereinheit führt dem fotoempfindlichen Material Toner zu, damit das auf dem fotoempfindlichen Material ausgebildete latente elektrostatische Bild zu einem sichtbaren Tonerbild entwickelt werden kann. Es wird eine vorgegebene Übertragungsspannung an eine Übertragungswalze angelegt, die unter einer vorgegebenen Kraft in Kontakt mit der Fotorezeptortrommel gebracht wird, während die Fotorezeptortrommel das Tonerbild trägt. In diesem Zustand wird, sobald ein Druckpapier in der Lükke zwischen der Übertragungswalze und dem Fotorezeptormedium zugeführt wird, das auf dem fotoempfindlichen Material ausgebildete Tonerbild auf das Druckpapier übertragen. Eine eine Fixierwalze umfassende Fixiereinheit erwärmt das Druckpapier, auf das das Tonerbild übertragen wurde, verzögerungsfrei, damit eine Fixierung und Haltbarmachung des Tonerbildes auf dem Druckpapier erfolgen kann. Im Allgemeinen wird als Wärmequelle der Fixiereinheit eine Halogenlampe verwendet. Die Halogenlampe ist im Inneren der Fixierwalze installiert und heizt die Oberfläche der Fixierwalze durch Strahlungswärme auf eine Zieltemperatur auf.
Bei einer herkömmlichen Fixierwalzenvorrichtung einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, bei der eine Halogenlampe als Wärmequelle zum Einsatz kommt, ist die Erzeugung der Wärme Aufgabe der äußeren Oberfläche der Fixierwalze. Aus die sem Grunde wird die Fixierwalze von innen her durch Strahlungswärme von der Halogenlampe erwärmt. Eine Andruckwalze ist unterhalb der Fixierwalze angeordnet. Sobald Papier, das ein Tonerbild in Pulverform trägt, zwischen der Fixierwalze und der Andruckwalze hindurchläuft, erfolgt ein Heißpressen des Papiers unter der vorbestimmten Kraft, wodurch das Tonerbild durch die Wärme fixiert und durch die Kraft von der Fixierwalze und der Andruckwalze an dem Druckpapier haltbar gemacht wird.
Ein Thermistor kann zum Erfassen und Umwandeln der Oberflächentemperatur der Fixierwalze in ein elektrisches Signal Verwendung finden, wobei ein Temperaturregler zum Abschalten der Energieversorgung der Halogenlampe zum Einsatz kommen kann.
Eine herkömmliche Fixierwalzenvorrichtung, bei der eine Halogenlampe als Wärmequelle zum Einsatz kommt, verbraucht eine unnötig große Energiemenge und braucht darüber hinaus eine vergleichsweise lange Aufwärmzeit, wenn die Bilderzeugungsvorrichtung zum Zwecke der Bilderzeugung eingeschaltet wird. Mit anderen Worten, dem Einschalten der Energie schließt sich eine Bereitschaftszeit an, während der die Temperatur der Fixierwalze eine Zieltemperatur erreicht, wobei die Bereitschaftszeit beispielsweise von einigen Zehntelsekunden bis zu einigen Minuten dauern kann. Man hat herausgefunden, dass bei einer herkömmlichen Fixierwalzenvorrichtung aufgrund der Tatsache, dass die Fixierwalze durch Strahlungswärme aus der Wärmequelle aufgeheizt wird, die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung niedrig ist. Insbesondere tritt eine Verzögerung beim Ausgleich von Temperaturänderungen auf, die durch einen Abfall der Temperatur der Heizwalze bedingt sind, der wiederum von einem Kontakt mit dem Druckpapier herrührt, wodurch es schwierig wird, auf die gleichmäßige Verteilung der Temperatur über die gesamte Länge der Fixierwalze Einfluss zu nehmen. Sogar in einem Bereitschaftszustand, in dem der Betrieb des Druckers ausgesetzt ist, muss in regelmäßigen Abständen Energie zugeführt werden, um die Temperatur der Fixierwalze konstant zu halten, was einen unnötigen Energieverbrauch bedingt. Darüber hinaus nimmt das Verbringen der Fixierwalze von dem Bereitschaftszustand in den Betriebszustand zum Zwecke der Bildausgabe erhebliche Zeit in Anspruch, sodass das jeweilige Bild nicht schnell gedruckt werden kann.
Bei einem alternativen Aufbau einer herkömmlichen Fixierwalzenvorrichtung kommt eine Heizplatte zum Einsatz, die in einem unteren Abschnitt einer flexiblen zylindrischen Foli enröhre angeordnet ist, wobei die Andruckwalze unterhalb der Heizplatte angeordnet ist. Die Folienröhre wird mittels einer eigenen Dreheinheit in Drehung versetzt und örtlich an einer Stelle zwischen der Heizplatte und der Andruckwalze erwärmt und verformt. Obwohl man davon ausgeht, dass diese Vorgehensweise, bei der die Folienröhre mittels einer Heizplatte örtlich erwärmt wird, mit Blick auf einen niedrigen Energieverbrauch von Vorteil ist, ist sie für einen Druck mit hoher Geschwindigkeit ungeeignet.
Die japanischen Patentanmeldungen Sho 58-163836 (16. September 1983), JP 02139258 (29. Mai 1990), Hei 3-107438 (13. Mai 1991), Hei 3-136478 (7. Juni 1991), Hei 5-135656 (7. Juni 1993), Hei 6-296633 (30. November 1994), Hei 6-316435 (20. Dezember 1994), Hei 7-65878 (24. März 1995), Hei 7-105780 (28. April 1995), Hei 7-244029 (22. September 1995), Hei 8-110712 (1. Mai 1996), Hei 10-27202 (9. Februar 1998), Hei 10-84137 (30. März 1998), Hei 10-208635 (8. Juli 1998) und die europäische Patentanmeldung EP 96 307 856.3 (30. Oktober 1996) offenbaren Fixierwalzenvorrichtungen mit einem Heizrohr.
Bei einer Fixierwalzenvorrichtung mit einem Heizrohr kann das Aufheizen verzögerungsfrei erfolgen, wodurch der Energieverbrauch sinkt. Derartige Fixierwalzenvorrichtungen weisen auch eine kurze Verzögerungszeit beim Hin- und Herschalten zwischen dem Bereitschaftszustand und dem Druckbetrieb auf. Insbesondere kommen bei Fixierwalzenvorrichtungen gemäß den japanischen Patentanmeldungen Hei 5-135656, Hei 10-84137, Hei 6-29663 und Hei 10-208635 an dem einen Ende der Fixiennralzen verschiedene Arten von Wärmequellen zum Einsatz, die jenseits der Fixierbereiche angeordnet sind. Die Bereitstellung einer Wärmequelle für jede der Fixierwalzenvorrichtungen vergrößert das Volumen der Fixierwalzenvorrichtung und bedingt komplizierte Strukturen. Aus diesem Grunde ist es notwendig, die komplizierte Struktur derartiger Fixierwalzenvorrichtungen zu vereinfachen.
Die Fixierwalzenvorrichtungen gemäß den japanischen Patentanmeldungen Sho 58-163836, Hei 3-107438, Hei 3-136478, Hei 6-316435, Hei 7-65878, Hei 7-105780 und Hei 7-244029 weisen Wärmequellen auf, die innerhalb der Fixierwalzen angeordnet sind, was zu Problemen hinsichtlich eines vergrößerten Volumens, wie vorstehend dargelegt, führt. Zudem ist eine Mehrzahl vor Ort befindlicher Heizrohre für jede Fixierwalze installiert, wodurch die Herstellung und Erzeugung der Fixierwalzenvorrichtungen ver kompliziert wird. Die vor Ort erfolgende Anordnung der Heizrohre bedingt darüber hinaus Temperaturänderungen zwischen Kontaktabschnitten des Heizrohres und Nichtkontaktabschnitten des Heizrohres.
Zur Verringerung dieser und anderer Probleme des Standes der Technik besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Fixierwalze sowie ein verbessertes Fixierverfahren bereitzustellen.
Ein bevorzugtes Ziel besteht darin, eine Fixierwalzenvorrichtung für eine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung bereitzustellen, bei der die örtliche Temperaturänderung der Fixierwalze stark verringert ist, wodurch die Gesamtcharakteristik der Wärmeverteilung verbessert wird.
Ein weiteres bevorzugtes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Fixierwalzenvorrichtung für eine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung bereitzustellen, die einfach herzustellen und derart ausgelegt ist, dass die Vergrößerung des Volumens der Fixierwalzenvorrichtung minimiert wird.
Ein weiteres bevorzugtes Ziel besteht darin, eine Fixierwalze bereitzustellen, die in der Lage ist, innerhalb einer kürzeren Zeitspanne von ihrem Bereitschaftszustand in den Druckbetrieb überzugehen.
Schließlich besteht ein letztes bevorzugtes Ziel darin, ein mit Blick auf die Energieeffizienz besseres elektrofotolithografisches Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung bereitzustellen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind eine Vorrichtung und ein Verfahren entsprechend der beigefügten Ansprüche vorgesehen. Bevorzugte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung.
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fixierwalzenbaugruppe vorgesehen, umfassend: eine zylindrische Fixierwalze mit axial einander gegenüberliegenden Enden, die einen Innenhohlraum bilden, der abgedichtet und auf einen vorgegebenen Druck evakuiert ist; eine Wärmeerzeugungseinrichtung, die in dem Innenhohlraum zwischen den Enden installiert ist; und ein Arbeitsfluid, das in der Fixierwalze enthalten ist. Die Fixierwalzenbaugruppe zeichnet sich dadurch aus, dass das Arbeitsfluid in direktem physischem Kontakt mit der Wärmeerzeugungseinrichtung steht; und dass die Wärmeerzeugungseinrichtung über eine axiale Länge einer inneren zylindrischen Fläche der Fixierwalze in direktem physischem Kontakt mit der Fixierwalze steht.
Vorzugsweise ist die Wärmeerzeugungseinrichtung als spiralförmige Schraubenwendel eines Widerstandsheizelementes ausgebildet, wobei sich beide Anschlüsse der Widerstandsheizwendel durch axial einander gegenüberliegende Enden der Fixierwalze aus der Fixierwalze heraus erstrecken. Vorzugsweise ist die Wärmeerzeugungseinrichtung schraubenförmig entlang der Innenfläche der Fixierwalze sowie in direktem Kontakt mit dieser angeordnet. Um die Kontaktkraft der Wärmeerzeugungseinrichtung mit der Innenwand der Fixierwalze zu vergrößern, weist die Wärmeerzeugungseinrichtung vorzugsweise einen Außendurchmesser auf, der größer als der Innendurchmesser des Innenhohlraums der Fixierwalze ist, wodurch die Wärmeerzeugungseinrichtung bedingt durch die von der Differenz der Durchmesser herrührende Kraft elastisch und kraftschlüssig gegen die innere zylindrische Oberfläche der Fixierwalze gedrückt wird. Vorzugsweise besteht die Fixierwalze aus Kupfer (Cu) oder rostfreiem Stahl. Für den Fall, dass die Fixierwalze aus Kupfer besteht, dient vorzugsweise destilliertes Wasser als Arbeitsfluid. Die Menge der flüssigen Phase des Heizmediums, das heißt der flüssigen Phase des in der Fixierwalze enthaltenen Arbeitsfluids, liegt bezogen auf das Volumen des zylindrischen Innenhohlraums der Fixierwalze in einem Bereich von 5 bis 50 Vol. % und vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 15 Vol.-%.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Fixierwalzenbaugruppe bereitgestellt, umfassend: das Ausbilden einer zylindrischen Fixierwalze mit einem Innenhohlraum, der sich axial zwischen einander axial gegenüberliegenden Basen der Walze erstreckt; das Evakuieren des Innenhohlraums; und das teilweise Füllen des Innenhohlraums mit einem Arbeitsfluid. Kennzeichnend für das Verfahren sind: das Einführen einer Heizwendel, die in einer schraubenförmigen Spirale in dem Innenhohlraum gewickelt ist; und das Abdichten des Innenhohl raums, wobei die elektrische Durchführung beziehungsweise der elektrische Durchgang über die Heizwendel erhalten bleibt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur Darlegung, wie Ausführungsbeispiele derselben in der Praxis aussehen, wird nachstehend beispielhalber auf die begleitende diagrammartige Zeichnung Bezug genommen, die sich wie folgt zusammensetzt.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer allgemeinen elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung.
2 ist eine Schnittansicht einer herkömmlichen Fixierwalzenvorrichtung einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung.
3 zeigt den Aufbau einer Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, die eine herkömmliche Fixierwalzenvorrichtung umfasst.
4 zeigt den Aufbau einer Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, die eine weitere herkömmliche Fixierwalzenvorrichtung umfasst.
5 ist eine Querschnittsansicht einer Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, die ein erstes Ausführungsbeispiel einer Fixierwalzenvorrichtung umfasst, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
6 ist eine perspektivische Teilansicht des Aufbaus der Fixierwalzenvorrichtung von 5.
6A ist eine teilweise freigeschnittene detaillierte Querschnittsansicht der Widerstandsheizwendel von 6.
6B, 6C und 6D zeigen eine Abfolge von Schritten beim Zusammensetzen einer erfindungsgemäßen Fixierwalzenvorrichtung.
7 ist eine Querschnittsansicht, die den inneren Aufbau der Fixierwalzenvorrichtung von 5 und 6 zeigt.
8A ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles der Fixierwalzenvorrichtung, das entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
8B ist eine teilweise Längsschnittansicht der Fixierwalzenvorrichtung von 8A.
9A ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Aufbaus einer Fixierwalzenvorrichtung.
9B ist eine teilweise Längsschnittansicht der Fixierwalzenvorrichtung von 9A.
10A ist eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Fixierwalzenvorrichtung, das entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
10B ist eine teilweise Längsschnittansicht der Fixierwalzenvorrichtung von 10A.
10C ist ein zweidimensionaler Graph, der einen Vergleich zwischen zwei herkömmlichen Ausgestaltungen und einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
11A ist eine Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispieles der Fixierwalzenvorrichtung, das entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
11B ist eine teilweise Längsschnittansicht der Fixierwalzenvorrichtung von 11A.
12 ist eine perspektivische Teilansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der Fixierwalzenvorrichtung, das entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
13 ist eine perspektivische Teilansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels der Fixierwalzenvorrichtung, das entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
14 ist eine Längsschnittansicht der Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, die eine Fixierwalzenvorrichtung umfasst, die entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
15 zeigt einen Graphen, der den Phasenübergang eines Arbeitsfluids als Funktion des Temperaturanstiegs und der Wirkzeit eines Heizrohres darstellt.
16 zeigt den inneren Aufbau des Heizrohres und die Wärmeübertragung, die eingezeichnet ist, um den Phasenübergang Flüssigkeit-Dampf zu erläutern.
17 enthält ein Graphen, der die Änderung des Sättigungsdrucks als Funktion der Sättigungstemperatur für FC-40 und destilliertes Wasser zeigt, die jeweils als Arbeitsfluid verwendet werden.
18 zeigt den Graphen der maximalen Zugfestigkeitsänderung als Funktion der Temperaturänderung für Aluminium, Kupfer und 304er rostfreien Stahl als Materialien für das Heizrohr.
19A und 19B zeigen Graphen, die die maximal mögliche Belastung sowie die maximalen Belastungsänderungen an der Wand der Heizröhre in Abhängigkeit von Temperaturänderungen für den Fall zeigen, dass jeweils FC-40 und destilliertes Wasser als Arbeitsfluid eingesetzt werden.
20A und 20B enthalten Graphen, die die maximalen Belastungsänderungen in Abhängigkeit von Änderungen der Dicke (T) der Heizröhre für den Fall zeigen, dass jeweils FC-40 und destilliertes Wasser als Arbeitsfluid eingesetzt werden.
21 und 22 enthalten Graphen, die bei dem vorstehend aufgeführten ersten Ausführungsbeispiel der Fixierwalzenvorrichtung Temperaturänderungen in der Mitte der Fixierwalze in Abhängigkeit von der Zeit darstellen.
1 zeigt eine allgemeine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung, insbesondere eine Bilderzeugungsvorrichtung mit einem Papierauswurf 1, einem Tastenfeld 2, einer Steuerpanelabdeckung 3, einer Öffnungstaste 4 für die obere Abdeckung, Papieranzeigefenstern 5, einer Mehrzweckpapierzuführlade 6, einer Papierkassette 7, einer optionalen Kassette 8 sowie einem Hilfspapierträger 9.
2 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Fixierwalzenvorrichtung einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, bei der eine Halogenlampe als Wärmequelle zum Einsatz kommt. 3 ist eine Querschnittsansicht der Fixierwalze von 2 mit der Halogenlampe als Wärmequelle und einer Andruckwalze, wie sie in einer herkömmlichen elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung Verwendung findet. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die herkömmliche Fixierwalzenvorrichtung 10 eine zylindrische Fixierwalze 11 und eine Wärmeerzeugungseinrichtung 12, so beispielsweise eine Halogenlampe, im Inneren der Fixierwalze 11. Da die äußere Oberfläche der Fixierwalze 11 Wärme erzeugen muss, wird die Fixierwalze 11 von innen heraus durch Strahlungswärme aus der Wärmeerzeugungseinrichtung 12 erwärmt.
Gemäß 3 ist eine Andruckwalze 13 unterhalb der Fixierwalze 11 angeordnet und weist eine aufgetragene Schicht 11a aus PTFE (Polytetrafluoroethylen), so beispielsweise Teflon, auf. Die Andruckwalze 13 wird elastisch von einer Federbaugruppe 13a derart gehalten, dass das zwischen der Fixierwalze 11 und der Andruckwalze 13 hindurchlaufende Druckpapier 14 unter einer vorgegebenen Kraft gegen die Fixierwalze 11 gedrückt wird. Trägt das Druckpapier 14 ein Tonerbild 14a in Pulverform zwischen der Fixierwalze 11 und der Andruckwalze 13 hindurch, erfolgt ein Heißpressen des Druckpapiers 14 unter der vorgegebenen Kraft. Mit anderen Worten, das Tonerbild 14a wird an dem Druckpapier 14 durch die Wärme und die Kraft der Fixierwalze 11 und der Andruckwalze 13 fixiert und haltbar gemacht.
Ein Thermistor (wärmeabhängiger Widerstand) 15 wird zur Erfassung und Umwandlung der Oberflächentemperatur der Fixierwalze 11 in ein elektrisches Signal verwendet; zudem wird ein Temperaturregler (Thermostat) 16 zum Abschalten der Energieversorgung an der Wärmeerzeugungseinrichtung 12, so beispielsweise einer Halogenlampe, eingesetzt, wobei beide angrenzend an die Fixierwalze 11 angeordnet sind. Überschreitet die Oberflächentemperatur der Fixierwalze 11 einen vorgegebenen Schwellenwert, so unterbricht der Temperaturregler 16 die elektrische Energie an der Wärmeerzeugungseinrichtung 12. Der Thermistor 15 erfasst die Oberflächentemperatur der Fixierwalze 11 und überträgt das Ergebnis der Erfassung an eine (nicht gezeigte) Steuerung des Drukkers. Die Steuerung steuert die Energieversorgung der Halogenlampe der Wärmeerzeugungseinrichtung 12 entsprechend der erfassten Oberflächentemperatur der Fixierwalze 11 und hält die Oberflächentemperatur in einem vorgegebenen Bereich. Der Temperaturregler 16 dient als Wärmeschutz für die Fixierwalze 11 und die benachbarten Elemente, die in Funktion treten, wenn der Thermistor 15 und die Steuerung bei der Steuerung der Temperatur der Fixierwalze 11 ausfallen.
Eine herkömmliche Fixierwalzenvorrichtung, bei der eine Halogenlampe als Wärmequelle zum Einsatz kommt, verbraucht eine unnötig große Energiemenge und bedarf darüber hinaus einer beträchtlichen Aufwärmzeit, wenn die Bilderzeugungsvorrichtung zum Zwecke der Bilderzeugung eingeschaltet wird. Mit anderen Worten, es folgt nach dem Einschalten der Energie eine Bereitschaftszeit, bis die Temperatur der Fixierwalze 11 eine Zieltemperatur erreicht, wobei die Bereitschaftszeit beispielsweise einige Zehntelsekunden bis zu einigen Minuten dauern kann. Bei der herkömmlichen Fixierwalzenvorrichtung ist aufgrund der Tatsache, dass die Fixierwalze durch Strahlungswärme aus der Wärmequelle erwärmt wird, die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit niedrig. Insbesondere erfolgt eine Verzögerung des Ausgleichs von Temperaturänderungen, die durch einen Abfall der Temperatur der Heizwalze bedingt sind, der wiederum von dem Kontakt mit einem Druckpapier herrührt, wodurch es schwierig ist, auf die gleichmäßige Verteilung der Temperatur auf der Fixierwalze 11 Einfluss zu nehmen. Sogar in einem Bereitschaftszustand, in dem der Betrieb des Druckers ausgesetzt ist, muss in regelmäßigen Abständen Energie zugeführt werden, um die Temperatur der Fixierwalze konstant zu halten, was wiederum einen unnötigen Energieverbrauch bedeutet. Es nimmt darüber hinaus eine beträchtliche Zeit in Anspruch, zum Zwecke der Bildausgabe vom Bereitschaftszustand in den Betriebszustand umzuschalten, sodass eine schnelle Bildausgabe nicht erfolgen kann.
4 ist eine Schnittansicht einer herkömmlichen Fixierwalzenvorrichtung, die bei einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung zum Einsatz kommt. Eine Heizplatte 22 ist in einem unteren Abschnitt einer flexiblen zylindrischen Folienröhre 21 ange ordnet, wobei eine Andruckwalze 23 unterhalb der Heizplatte 22 angebracht ist. Die Folienröhre 21 wird mittels einer eigenen Dreheinheit in Drehung versetzt und darüber hinaus in einem Teil zwischen der Heizplatte 22 und der Andruckwalze 23 örtlich aufgeheizt und verformt. Diese Vorgehensweise des örtlichen Erwärmens der Folienröhre 21 durch die Heizplatte 22 ist mit Blick auf einen niedrigeren Energieverbrauch vorteilhaft. Die Vorgehensweise des örtlichen Erwärmens ist jedoch mit Blick auf ein Drucken mit hoher Geschwindigkeit ungeeignet.
Eine Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fixierwalzenvorrichtung ist in 5 gezeigt. 6 ist eine perspektivische Ansicht von 5, die den Aufbau der Fixierwalzenvorrichtung im Detail darstellt, und 7 ist eine Längsschnittansicht der Fixierwalzenvorrichtung von 5 und 6.
Wie in 5, 6 und 6A dargestellt ist, umfasst die Fixiereinheit 200 eine Fixierwalzenvorrichtung 210, die eine Drehung in einer Richtung ausführt, in der ein ein Tonerbild 231a tragendes Druckpapier 231 ausgeworfen wird, das heißt in der Darstellung von 5 im Uhrzeigersinn, sowie eine Andruckwalze 220, die in Kontakt mit der Fixierwalzenvorrichtung 210 im Gegenuhrzeigersinn eine Drehung ausführt. Die Fixierwalzenvorrichtung 210 umfasst eine zylindrische Fixierwalze 212 mit einer äußeren zylindrischen Schutzschicht 211, die an der Oberfläche hiervon durch Überziehen mit Teflon ausgebildet ist, sowie eine Wärmeerzeugungseinrichtung 213, die in der Fixierwalze 212 installiert ist. Ein Thermistor 230 zum Erfassen der Oberflächentemperatur der Fixierwalze 212 ist an der Oberseite der Fixierwalze 212 angebracht.
Der Thermistor 230 steht in direktem physischem Kontakt mit der Schutzschicht 211 und erfasst die Temperatur der Schutzschicht 211. Der von dem zylindrischen Innenhohlraum 242 der Fixierwalze 212 gebildete Innenraum wird auf einen vorgegebenen Vakuumgrad evakuiert. Die Wärmeerzeugungseinrichtung 213 kann eine schraubenförmige Wicklung sein, die aus einer spiralförmigen Widerstandsheizwendel besteht, die entlang eines Innenhohlraums 242 in direktem physischem Kontakt mit der inneren zylindrischen Wand der Fixierwalze 212 installiert ist. Die Wärmeerzeugungseinrichtung 213 umfasst einen Wärmeerzeugungsdraht 213a, der aus einem elektrischen Widerstand aufweisenden Material, so beispielsweise einer Wendel aus Eisen-Chrom (Fe-Cr) oder Nickel- Chrom (Ni-Cr), sowie aus einer elektrisch isolierenden Deckschicht 213c aus Magnesiumoxid (MgO) besteht, um den Wärmeerzeugungsdraht 213a zu schützen. Die isolierende Deckschicht 213c der Wärmeerzeugungseinrichtung 213 beugt einer Verformung oder Kennwerteänderung des Wärmeerzeugungsdrahtes 213a vor, die im Laufe der Zeit oder durch Temperaturänderungen des Arbeitsfluids 214, was später noch beschrieben wird, auftreten können. Eine äußere Schicht 213b, die aus einem vergleichsweise reaktionsträgen Material, so beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht, bildet eine Schutzabschirmung um die isolierende Schicht 213c herum. Eine Mehrzahl axial beabstandeter elektrischer Isolatoren 213d halten den Draht 213a in etwa koaxial beabstandet in der Mitte der Schicht 213c und in einem Abstand von der Abschirmung 213b.
Wie in 6B, 6C und 6D gezeigt ist, ist der Abstand zwischen den diametral einander gegenüberliegenden Innenwänden der zylindrischen Innenfläche 246 des Heizrohres 212 gleich d₁, während die zylindrische Außenfläche des Heizrohres 212 einen Durchmesser von d₂ aufweist. Die Wendel 213 weist einen zylindrischen Außendurchmesser auf, der größer als d₁ und geringfügig kleiner als d₂ ist. Wie 6C gezeigt ist, wirkt eine Kraft F auf die Elektroden 215 an den einander axial gegenüberliegenden Enden der Wendel 213, um den Durchmesser der Wendel 213 auf einen Wert d₃, der kleiner als d₁ ist, zu verringern, während die Wendel 213 in den Innenhohlraum 242 des Heizrohres 212 eingeführt wird. Wie in 6B gezeigt ist, stehen, sobald die Kraft F nicht mehr wirkt, die übrigen Flächen jeder Schlaufe der Wendel 213 in direktem physischem und thermischem Kontakt mit der Innenumfangsfläche 246 des Heizrohres 212. Dies bedeutet, dass, sobald die Kraft F nicht mehr wirkt, die Wendel 213 den zylindrischen Außendurchmesser d₁ annimmt, der dem Innendurchmesser des Heizrohres 212 gleich ist. Der Schlaufenabstand x₁, x₂ zwischen benachbarten Schlaufen der Wendel 213 ist nicht notwendigerweise gleich. Wichtig ist einzig, dass ein Großteil der Außenfläche jeder Schlaufe der Wendel 213 oder auch sämtliche Schlaufen in direktem physischem und thermischem Kontakt mit der zylindrischen Innenfläche 246 des Heizrohres 212 stehen.
Das Arbeitsfluid 214 wird in dem abgedichteten Innenraum der Fixierwalze 212 gehalten, in dem die Wärmeerzeugungseinrichtung 213 installiert ist. Das Arbeitsfluid 214 liegt in einer Menge von 5 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise von 5 bis 15 Vol.%, bezogen auf das Innenvolumen 242 der Fixierwalze 212 vor. Das Arbeitsfluid 214 verhindert örtliche Veränderungen der Oberflächentemperatur der sich drehenden Fixierwalze 212, die aufgrund des Vorhandenseins der Wärmeerzeugungseinrichtung 213 auftreten, nach den Arbeitsprinzipien eines Heizrohres und dient als Wärmemedium, das in der Lage ist, das gesamte zylindrische Volumen der Fixierwalze 212 innerhalb einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne zu erwärmen, als dies derzeit bei herkömmlichen Vorrichtungen realisierbar ist. Für den Fall, dass die Menge des Arbeitsfluids 214 geringer als ungefähr 5 Vol.-% bezogen auf das Volumen der Fixierwalze 212 ist, ist sehr wahrscheinlich, dass ein Austrocknungsphänomen auftritt, bei dem das Arbeitsfluid, unmittelbar nachdem die Verdampfung hätte stattfinden sollen, nicht vollständig verdampft und verflüssigt wird.
Die Fixierwalze 212 kann aus rostfreiem Stahl (so beispielsweise 304SS) oder Kupfer (Cu) bestehen. Für den Fall, dass die Fixierwalze 212 aus rostfreiem Stahl besteht, kann die Mehrzahl der bekannten Arbeitsfluide, ausgenommen Wasser (destilliertes Wasser), zum Einsatz kommen. FC-40 (beziehbar von der Firma 3M Corporation) ist die gegenüber Wasser am meisten bevorzugte Alternative für das Arbeitsfluid 214. Für den Fall, dass die Fixierwalze 212 aus Kupfer besteht, können nahezu alle bekannten Arbeitsfluide Verwendung finden. Wasser (beispielsweise destilliertes Wasser) ist das am meisten bevorzugte Arbeitsfluid für Fixierwalzen 212 aus Kupfer.
Wie in 7 gezeigt ist, sind Kappen 218 mit den axial einander gegenüberliegenden Enden der Fixierwalze 212 verbunden, um den zylindrischen Innenhohlraum der Fixierwalze 212 abzudichten, und um so einen vakuumdichten Innenraum 242 zu bilden. Die axial einander gegenüberliegenden Anschlussenden dir Wendel 213 bilden Elektroden 215, die sich axial durch die Kappen 218 hindurch und über diese hinaus erstrecken, um mit elektrischen Kontakten, so beispielsweise (nicht gezeigten) Schleifringen wirkungstechnisch in Eingriff zu treten, die wiederum einen elektrischen Strom durch die Wendel 213 führen. Eine nichtleitende Durchführung 216 und eine Bauteilanschlusskappe 217 können darüber hinaus an der zylindrischen Außenfläche der Fixierwalze 212 angebracht sein. Die Elektroden 215 sind elektrisch mit elektrisch leitenden Endanschlüssen der Wärmeerzeugungseinrichtung 213 verbunden. Obwohl die elektrische Verbindung, die die Anordnung aus der Wärmeerzeugungseinrichtung 213 und den Elektroden 215 mit einer elektrischen Energiequelle verbindet, nicht im Detail dargestellt ist, kann deren Aufbau einfach implementiert werden.
Im Betrieb wird die Fixierwalzenvorrichtung 210 mit dem vorstehend erläuterten Aufbau mittels einer eigenen Dreheinheit in Drehung versetzt. Zu diesem Zweck können zusätzliche Bauteile installiert sein. So kann beispielsweise die Bauteilanschlusskappe 217 ein solches zusätzliches Bauteil sein, das mit einem Stirnrad mit Geradverzahnung gekoppelt ist, das wiederum von Nöten ist, um die Fixierwalzenvorrichtung 210 in Drehung zu versetzen.
Bei einer Fixiereinheit 210 der elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist, erzeugt, sobald ein elektrischer Strom von einer elektrischen Energieversorgung durch die Elektroden 215 in die Wärmeerzeugungseinrichtung 213 fließt, die Wärmeerzeugungseinrichtung 213 bedingt durch die Widerstandserwärmung Wärme, wenn der elektrische Strom durch die schraubenförmigen Wendel der Wärmeerzeugungseinrichtung 213 fließt, woraufhin die Fixierwalze 213 von innen her durch die gebildete Wärme aufgeheizt wird. Gleichzeitig wird) das in der Fixierwalze 212 enthaltene Arbeitsfluid 214 durch die Wärme verdampft. Die von der Wärmeerzeugungseinrichtung 213 erzeugte Wärme wird auf die zylindrische Wand der Fixierwalze 212 übertragen, wobei gleichzeitig der Körper der Fixierwalze 212 durch das verdampfte Arbeitsfluid gleichmäßig aufgeheizt wird. Infolgedessen erreicht die Oberflächentemperatur der Fixierwalze 212 eine Zielfixiertemperatur innerhalb einer wesentlich kürzeren Zeitspanne. Ein Docht 244 aus einer durchlöcherten Metallschicht oder Lage aus Kupfer oder rostfreiem Stahl ist in zylindrischer Form ausgebildet, um als Kapillare zu dienen. Der Docht 244 kann entlang der Innenumfangsfläche 246 zwischen benachbarten Windungen der Wendel 213 angeordnet sein. Geeignete Materialien für die Fixierwalze 212 sind in Tabelle 2 aufgeführt. FC-40 oder Wasser (destilliertes Wasser), wie vorstehend beschrieben, oder auch die in Tabelle 3 aufgeführten Materialien können als Arbeitsfluid 214 eingesetzt werden. Für den Fall, dass Wasser (destilliertes Wasser) als Arbeitsfluid 214 gewählt wird, kann die Fixierwalzenvorrichtung kostengünstig realisiert werden, ohne dass die Umwelt Schaden nähme. Sobald die Temperatur der Fixierwalze 212 eine Zielfixiertemperatur erreicht, bei der das Tonerbild fixiert wird, wird das Tonerbild auf das Druckpapier übertragen (das heißt dauerhaft an diesem anhaftend gemacht). Sobald das Druckpapier, auf das das Tonerbild ülbertragen wurde, die Wärme aus der Fixierwalze 212 aufgenommen hat, nimmt das dampfförmige Arbeitsfluid innerhalb des Hohlraumes 242 der Fixierwalze 212 wieder seine flüssige Phase an. Das verflüssigte Arbeitsfluid kann nachfolgend durch die Wärmeerzeugungseinrichtung 212 erneut erwärmt werden, um eine Verdampfung zu Wärmeerzeugungseinrichtung 212 erneut erwärmt werden, um eine Verdampfung zu bewirken, wodurch die Temperatur der Fixierwalze 212 insgesamt auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden kann.
Für den Fall, dass die Fixiertemperatur des Toners in einem Bereich von 160 bis 180 °C liegt, kann eine Fixierwalzenvorrichtung, die entsprechend der vorliegenden Efindung ausgestaltet ist, die Zieltemperatur innerhalb von ungefähr 10 Sekunden erreichen. In diesem Fall wird die Oberflächentemperatur der Fixierwalze 212 durch das diskontinuierliche Fließen eines elektrischen Stromes durch die Wendel 213 innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches durch den Thermistor 230 in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur der von dem Thermistor 230 erfassten Temperatur der Fixierwalze 212 bestimmt. Für den Fall, dass der Thermistor 230 und die Steuerung bei der angemessenen Regelung der Oberflächentemperatur ausfallen, sodass die Oberflächentemperatur der Fixierwalze 212 sprunghaft ansteigt, erfasst ein Temperaturregler 240, der in unmittelbarer Nähe der zylindrischen Fläche der Fixierwalze 212 wirkt, die Oberflächentemperatur der Fixierwalze 212 und unterbindet das Fließen des elektrischen Stromes durch die Wendel 213, sodass wiederum eine Überhitzung verhindert wird. Die Energiezufuhr kann in Abhängigkeit von der Zieltemperatur variieren. Es ist einsichtig, dass die Energiezufuhr durch Steuertechniken, wie beispielsweise periodische Energie-Ein-/Aus-Steuerung oder ein Schaltverhältnis, gesteuert werden kann.
Eine Fixierwalzenvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Aufbau kam durch die nachfolgenden Schritte hergestellt werden:

(a) Herstellen eines Metallrohres als Material für die Fixierwalze;
(b) Reinigen der freiliegenden Flächen des Metallrohres durch Waschen des Metallrohres mit destilliertem Wasser oder einer flüchtigen Flüssigkeit;
(c) Reinigen der freiliegenden Flächen einer spiralförmigen Widerstandsheizwendel durch Waschen der spiralförmigen Widerstandsheizwendel mit destilliertem Wasser oder einer flüchtigen Flüssigkeit;
(d) Einführen der spiralförmigen Widerstandsheizwendel, die als schraubenförmige Wendel mit einem Außendurchmesser aufgewickelt ist, der gleich dem Innendurchmesser des Metallrohres oder geringfügig kleiner als dieser ist, in das ringförmige zylindrische Volumen des Metallrohres;
(d') wahlweises Einführen eines Dochtes zwischen benachbarte Windungen der Heizwendel;
(e) Abdichten einander gegenüberliegender Basen des Metallrohres mit Endkappen derart, dass ein Einlass für ein Arbeitsfluid verbleibt, wobei sich beide Anschlussenden der Widerstandsheizwendel als elektrische Anschlüsse durch das Metallrohr erstrecken;
(f) Absaugen von Fremdgas aus dem Innenvolumen durch Evakuieren, Heizen und Abkühlen des Metallrohres, um Gase aus dem Innenvolumen des Rohres zu entfernen, sodass ein Vakuum in dem Innenvolumen entsteht;
(g) Injizieren eines Arbeitsfluids (beispielsweise von FC-40 oder destillierten Wassers) durch den Arbeitsfluideinlass mit 5 bis 50 Vol. %;
(h) Abdichten des Arbeitsfluideinlasses des Metallrohres;
(i) Sprühbeschichten der Oberfläche des Metallrohres mit Teflon sowie Trocknen und Polieren des Metallrohres;
(j) Einführen einer nichtleitenden Durchführung als Lager in ein Ende des Metallrohres; und
(k) Anbringen einer Bauteilanschlusskappe aus Metall, wärmebeständigem Kunststoff oder Epoxid an dem einen Ende der von dem Metallrohr gebildeten Fixierwalze.

Während der Herstellung der Fixierwalzenvorrichtung wird beim durch Schweißen erfolgenden Versehen des Metallrohres mit Endkappen 218 an einander axial gegenüberliegenden Basisenden nach dem Einführen der spiralförmigen Widerstandsheizwendel und dem eventuellen Einführen eines Dochtes Argongas über den Arbeitsfluideinlass in den Innenhohlraum 242 des Metallrohres eingeleitet, um die Oxidierung des Heizrohres zu verhindern. Vor dem Injizieren des Arbeitsfluids in das Metallrohr werden Fremdgase aus dem Innenvolumen 242 abgesaugt, wobei das Innenvolumen evakuiert und unter Vakuum wiederholt erwärmt und abgekühlt wird, sodass alle Gase aus dem Innenvolumen des Metallrohres entfernt werden, damit im Wesentlichen sämtliche Fremdkörper, die an der Innenwand des Metallrohres anhaften, verschwinden. Bei einem Verfahrensschritt zum Aussaugen des Innenhohlraums 242 ist das Metallrohr beispielsweise auf eine Temperatur von 250 °C bei einem Innendruck von vierzig (40) Atmosphären aufzuheizen. Bei Raumtemperatur sollte in dem Innenhohlraum 242 optimaler Druck herrschen, das heißt, es sollten sich keine Moleküle im Inneren des Hohlraumes 242 befinden.
8A ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles der Fixierwalzenvorrichtung, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist, während 8B eine teilweise Längsschnittansicht der Fixierwalzenvorrichtung von 8A ist. Wie in 8A und 8B gezeigt ist, wird eine äußere Röhre 312 mit einer äußeren Oberfläche, die mit einer Schutzschicht 311 aus einem Material wie beispielsweise Teflon überzogen ist, hergestellt. Eine innere Röhre 314 mit einem Außendurchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser des äußeren Rohres 312 ist, ist koaxial in der Mitte des äußeren Rohres 312 angeordnet. Ein ringförmiger Raum 318, der ein Arbeitsfluid 214 aufnimmt, und eine Wärmeerzeugungseinrichtung 313 sind zwischen der äußeren Röhre 312 und der inneren Röhre 314 vorgesehen. Die Wärmeerzeugungseinrichtung 313 ist entlang der zylindrischen Innenfläche der äußeren Röhre 312 ausgebildet. Ein unterer Abschnitt des ringförmigen Raumes ist mit dem Arbeitsfluid 214 gefüllt. Das zylindrische Innenvolumen 314a der inneren Röhre 314 kann entweder massiv, hohl oder auch ein evakuierter zylindrischer Hohlraum sein.
9A ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausgestaltung einer herkömmlichen Fixierwalzenvorrichtung. 9B ist eine teilweise freigeschnittene Längsschnittansicht der Fixierwalzenvorrichtung von 9A. Diese Ausgestaltung einer Fixierwalzenvorrichtung unterscheidet sich von anderen Ausgestaltungen von Fixierwalzenvorrichtungen mit Blick auf den Ort, an dem sich die Wärmeerzeugungseinrichtung 313a befindet. Wie wiederum in 9A und 9B gezeigt ist, ist eine äußere Röhre 21 mit einer äußeren Oberfläche ausgebildet, die mit einer Schutzschicht 21a überzogen ist. Eine inne re Röhre 31 mit einem Innendurchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser der äußeren Röhre 21 ist, ist koaxial in der Mitte des hohlen zylindrischen Hohlraumes der äußeren Röhre 21 angeordnet. Ein hohler ringförmiger Raum 38 für ein Arbeitsfluid 33 ist zwischen der inneren zylindrischen Oberfläche der äußeren Röhre 21 und der äußeren zylindrischen Oberfläche der inneren Röhre 31 vorgesehen. Eine Wärmeerzeugungseinrichtung 12 zum Aufheizen der inneren Oberfläche der inneren Röhre 31 mittels Strahlung ist in der Mitte der inneren Röhre 31 vorgesehen. Die Wärmeerzeugungseinrichtung 12 ist eine Strahlungswärmeerzeugungsvorrichtung, so beispielsweise eine Halogenlampe. Die innere Röhre 31 wird durch Strahlungswärme aus der Wärmeerzeugungseinrichtung 12 derart aufgeheizt, dass das in Kontakt mit der äußeren zylindrischen Fläche der inneren Röhre 31 befindliche Arbeitsfluid 33 verdampft, das heißt von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase übergeht.
10A ist eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Fixierwalzenvorrichtung, die nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist. 10B ist eine teilweise Längsschnittansicht der Fixierwalzenvorrichtung von 10A. Das dritte Ausführungsbeispiel der Fixierwalzenvorrichtung kann als eine Kombination aus den Fixierwalzenbaugruppen des ersten Ausführungsbeispiels und des zweiten Ausführungsbeispiels betrachtet werden, wobei das erste und das zweite Ausführungsbeispiel ebenfalls nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sind. Wie 10A und 10B zeigen, ist eine äußere Röhre 312 mit einer äußeren Oberfläche ausgebildet, die mit einer Schutzschicht 311 aus einem Material wie beispielsweise Teflon überzogen ist. Eine innere Röhre 314 mit einem Außendurchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser der äußeren Röhre 312 ist, ist koaxial in der hohlen Mitte der äußeren Röhre 312 angeordnet. Ein ringförmiger Raum 318 enthält ein Arbeitsfluid 214, wobei eine erste Wärmeerzeugungseinrichtung 313 zwischen der äußeren Röhre 312 und der inneren Röhre 314 vorgesehen ist. Eine zweite Wärmeerzeugungseinrichtung 313a, die der Erwärmung der Innenwand der inneren Röhre 314 durch Strahlungswärme dient, ist koaxial in der hohlen Mitte der inneren Röhre 314 angeordnet. Die zweite Wärmeerzeugungseinrichtung 313a ist eine Strahlungswärmeerzeugungsvorrichtung, so beispielsweise eine Halogenlampe. Die innere Röhre 313 wird durch Strahlungswärme aus der Wärmeerzeugungseinrichtung 313a derart erwärmt, dass das in Kontakt mit der äußeren Oberfläche der inneren Röhre 314 befindliche Arbeitsfluid 214 verdampft und in seine Dampfphase übergeht. Die erste Wärmeerzeugungseinrichtung 313 ist entlang der zylindrischen Innenfläche der äußeren Röhre 312 ausgebildet und erwärmt die zylindrische Innenfläche der äußeren Röhre 312 und damit das Arbeitsfluid 214 direkt und bewirkt, dass das Arbeitsfluid 214 verdampft, sobald die Fixierwalzenvorrichtung ihren Bereitschaftszustand verlässt. Das Arbeitsfluid 214 in dem hohlen ringförmigen Raum 318 zwischen der äußeren Röhre 312 und der inneren Röhre 314 wird sowohl von der ersten Wärmeerzeugungseinrichtung 313 wie auch der zweiten Wärmeerzeugungseinrichtung 313a gleichzeitig erwärmt, bis eine Verdampfung erfolgt. Wie in 10C gezeigt ist, kann die Fixierwalzenvorrichtung entsprechend diesem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den vorstehend beschriebenen anderen Ausführungsbeispielen innerhalb einer erheblich kürzeren Zeitspanne erwärmt werden.
10C zeigt einen Leistungsvergleich zwischen zwei herkömmlichen Ausgestaltungen und einem Ausführungsbeispiel eines Fixierwalzenvorrichtung, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist, wobei ein Vergleichen der Zeitspannen erfolgt, die bei diesen Walzen zum Erreichen der Betriebstemperatur von Nöten sind. Kurve Astellt eine Fixierwalze dar, die mit einer Halogenlampe entsprechend 2 ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Zeitspanne von zwischen 2 und 3 Minuten notwendig, damit die äußere Oberfläche der Heizwalze eine Betriebstemperatur von 185 °C erreicht. Kurve B zeigt die Leistung einer indirekt beheizten Ausgestaltung entsprechend der Darstellung von 9A und 9B. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Zeitspanne von zwischen 20 und 30 Sekunden notwendig, damit die äußere Oberfläche der Heizwalze eine Temperatur von 185 °C erreichen kann. Kurve C zeigt ein Ausführungsbeispiel, das entsprechend 10A und 10B ausgestattet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Zeitspanne von ungefähr 12 Sekunden von Nöten, damit die Betriebstemperatur von 185 °C erreicht wird. Im Gegensatz zu der Halogenlampenbaugruppe, die durch Kurve A dargestellt ist, und der indirekt beheizten Baugruppe, die durch Kurve B dargestellt ist, beträgt das Temperaturgefälle über die axiale Länge der äußeren Umfangsfläche der Fixierwalze bei denjenigen Ausführungsbeispielen, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sind, weniger als 2 °C, wobei es in vielen Fällen über die axiale Länge sogar weniger als 1 °C beträgt. Im Gegensatz hierzu ergibt sich bei der Halogenheizlampe und der indirekt beheizten Ausgestaltung über die axiale Länge eine Temperaturdifferenz von mehr als 2 °C, wobei die Anschlussenden oftmals mehr als 2 °C kälter als der Mittelabschnitt der Fixierwalze sind.
11A ist eine Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Fixierwalzenvorrichtung, die nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist. 11 B ist eine teilweise Längsschnittansicht der Fixierwalzenbaugruppe von 11A. Der hohle ringförmige Innenraum 318 des vierten Ausführungsbeispiels der Fixierwalzenvorrichtung ist durch eine Vielzahl durch Bögen beabstandeter axialer Stege 315 unterteilt, die sich radial zwischen der äußeren zylindrischen Fläche der inneren Röhre 314 und durch den Innenraum 318 zu der inneren zylindrischen Oberfläche der äußeren Röhre 312 hin erstrecken. Der Innenraum der Fixierwalzenvorrichtung ist damit in eine Vielzahl einzelner Abschnitte unterteilt, die darüber hinaus gegebenenfalls untereinander verbunden sind, um einen Übergang der Gasphase des Arbeitsfluids 214 zwischen den Abschnitten je nach Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels zu ermöglichen. Die äußere Umfangsfläche der äußeren Röhre 312 weist eine äußere Oberfläche auf, die mit einer Schutzschicht 311 überzogen ist. Die innere Röhre 314 weist einen Außendurchmesser auf, der im Wesentlichen kleiner als der Innendurchmesser der äußeren Röhre 312 sowie koaxial in der Mitte der äußeren Röhre 312 angeordnet ist, sodass ein hohler ringförmiger Raum 318, der das Arbeitsfluid 214 enthält, zwischen der äußeren Röhre 312 und der inneren Röhre 314 entsteht. Dieser ringförmige Raum 318 ist in Einzelräume unterteilt, und zwar durch eine Vielzahl von Trennwänden 315, die koaxial innerhalb der hohlen Zentralbohrung der äußeren Röhre 312 mit einer Mehrzahl sich radial erstreckender Rippen 315 angeordnet sind, die Trennwandabschnitte des ringförmigen Raumes 318 bilden, die unter einem vorgegebenen Winkel radial angeordnet sind. Das Arbeitsfluid 214 ist in jedem der Einzelräume enthalten. Eine Wärmeerzeugungseinrichtung 313a zum Aufheizen der inneren Oberfläche der inneren Röhre 314 durch Strahlung ist koaxial im Inneren der Mitte der inneren Röhre 314 angeordnet. Die Wärmeerzeugungseinrichtung 313a ist eine Strahlungswärmeerzeugungsvorrichtung, so beispielsweise eine Halogenlampe. Die innere Röhre 314 wird durch Strahlungswärme aus der Wärmeerzeugungsvorrichtung 313a derart aufgeheizt, dass das Arbeitsfluid 214, das in Kontakt mit der äußeren Oberfläche der inneren Röhre 314 steht, verdampft. Das Arbeitsfluid 214 überträgt durch Verdampfungs- und Kondensierungszyklen in den Einzelräumen Wärme auf die äußere Röhre 312. Die Trennwände 315 können als einzelne Einheiten oder in kombinierter Form mit der äußeren Oberfläche der inneren Röhre 214 ausgebildet sein. Das re 214 ausgebildet sein. Das Arbeitsfluid 214 ist in jedem der Einzelräume derart verteilt, dass das in Kontakt mit der inneren Oberfläche der äußeren Röhre 312 befindliche Arbeitsfluid 214 in jedem der Einzelräume rasch verdampft und kondensiert.
12 ist eine perspektivische Teilansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer Fixierwalzenvorrichtung, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist. Die äußere Röhre 312 weist eine äußere zylindrische Oberfläche auf, die mit einer Schutzschicht 311 aus einem Material wie beispielsweise Teflon überzogen ist. Die innere Röhre 314 weist einen Außendurchmesser auf, der kleiner als der Innendurchmesser der äußeren Röhre 312 ist, und ist koaxial in der Mitte der äußeren Röhre 312 angeordnet, sodass der ringförmige Raum 318 für das Arbeitsfluid 214 zwischen der äußeren Röhre 312 und der inneren Röhre 314 angeordnet ist. Der ringförmige Raum ist in Einzelräume unterteilt, und zwar durch eine Vielzahl sich radial erstreckender Trennwände 315, die radial unter einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind, wobei das Arbeitsfluid 214 in jedem der Einzelräume enthalten ist. Eine zylindrische Abschirmung 317, die aus einem wärmeleitenden Material, so beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt ist, schließt die radialen äußeren Enden der Trennstege 315 ein und trennt die Wendel 313 innerhalb der einzelnen Räume von dem Arbeitsfluid 214. Die Abschirmung 317 und die Trennwände 315 um die innere Röhre 314 herum sind von einer ersten Wärmeerzeugungseinrichtung 313 umgeben, die als spiralförmige Widerstandsheizvorrichtung ausgebildet ist. Eine zweite Wärmeerzeugungseinrichtung 313a zum Aufheizen der inneren Oberfläche der inneren Röhre 314 durch Strahlung ist in der Mitte der inneren Röhre 314 vorgesehen. Die zweite Wärmeerzeugungseinrichtung 313a ist eine Strahlungswärmeerzeugungsvorrichtung, so beispielsweise eine Halogenlampe. Die innere Röhre 314 wird durch Strahlungswärme aus der zweiten Wärmeerzeugungsvorrichtung 313a derart aufgeheizt, dass das in Kontakt mit der äußeren Oberfläche der inneren Röhre 314 befindliche Arbeitsfluid 214 verdampft, nachdem die Fixierwalzenvorrichtung ihren Bereitschaftszustand verlassen hat, um den Druck von Bildern auf ein bedruckbares Medium einzuleiten. Die erste Wärmeerzeugungseinrichtung 313 ist darüber hinaus in Kontakt mit der inneren Oberfäche der äußeren Röhre 312, wobei die äußere Röhre 312 genauso wie das Arbeitsfluid 213 von der ersten Wärmeerzeugungseinrichtung 313 aufgeheizt werden. Das Arbeitsfluid 213 überträgt Wärme auf die äußere Röhre 312, und zwar durch Verdampfungs- und Kondensierungszyklen in jedem der Einzelräume. Die Trennwände 315 können als einzelne Bauteile oder in kom binierter Form zusammen mit der inneren Oberfläche der Abschirmung 317 ausgebildet sein. Obwohl der ringförmige Raum 318 zwischen der äußeren Röhre 312 und der inneren Röhre 314 durch die Trennwände 315 geteilt ist, kann das Arbeitsfluid 214 in bestimmten Ausführungsbeispielen durch eine Düse oder einen Spalt zwischen den Trennwänden 315 und der äußeren Röhre 312 strömen. Bei einer anderen Implementierung dieses Ausführungsbeispiels schließt die Abschirmung 317 das Arbeitsfluid in verschiedenen Einzelräumen ein und unterbindet eine Strömung zwischen den Einzelräumen.
13 ist eine perspektivische Teilansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Fixierwalzenvorrichtung, die nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist, wobei das erste Ausführungsbeispiel der Fixierwalzenvorrichtung, wie vorstehend beschrieben, zum Einsatz kommt. Die Fixierwalzenvorrichtung von 13 umfasst eine zylindrische Fixierwalze 312, deren äußere Oberfläche mit einer Schutzschicht 311 aus Teflon überzogen ist, eine Wärmeerzeugungseinrichtung 313, die in dem Innenraum 318 der Fixierwalze 312 angeordnet ist, sowie eine Trennwand 316 mit einer Vielzahl unterteilender Stege 316a, die radial angeordnet sind, um den Innenraum in Unterräume zu unterteilen, wodurch eine äußere zylindrische Abschirmung gebildet wird. Die Trennwand 316 weist einen maximalen Außendurchmesser auf, der kleiner als der Innendurchmesser der Fixierwalze 212 ist, und ist von der schraubenförmig gewickelten Wärmeerzeugungseinrichtung 313 umgeben.
Obwohl das sechste Ausführungsbeispiel der Fixierwalzenvorrichtung einen Innenraum 318 aufweist, der durch die Unterteilung 316a der Trennwände 316 in eine Vielzahl von Einzelräumen unterteilt ist, kann das Arbeitsfluid durch die Öffnung 319 zwischen den Trennwänden 316a und die innere Oberfläche der inneren Röhre 314 fließen.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind eine Elektrode, durch die den Wärmeerzeugungseinrichtungen Energie zugeführt werden kann, sowie eine Struktur, die dem Drehen und Tragen der Wärmeerzeugungseinrichtungen dient, nicht dargestellt, da derartige Strukturen von einem Durchschnittsfachmann einfach implementiert werden können.
14 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus einer Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, bei der eine Fixierwalzenvorrichtung zum Einsatz kommt, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist. Einander axial gegenüberliegende Enden der Wendel 313 erstrecken sich durch Endkappen 218, um Elektroden 215 zu bilden. Die Elektroden 215 sind mit beiden Endabschnitten der Fixierwalzenvorrichtung 400 verbunden, um einen elektrischen Strom durch die Wärmeerzeugungseinrichtung 313 (und gegebenenfalls eine sekundäre Wärmeerzeugungseinrichtung 313a) zu schicken. Die Elektroden 215 sind elektrisch mit der Wärmeerzeugungseinrichtung 313 verbunden und können in Gleitkontakt mit (nicht gezeigten) Bürsten stehen, die aus leitfähigem Material, so beispielsweise Kohlenstoff, bestehen, und die beispielsweise wiederum mit einer Quelle elektrischer Energie in Verbindung stehen. Die Bürsten können elastisch von Federn derart getragen werden, dass die Bürsten gegen die Elektroden 215 geschoben werden. Der Temperaturregler, der in Abhängigkeit von der Temperatur der Fixierwalzenvorrichtung 400 wirkt, ist über eine elektrische Signalleitung mit den Bürsten und einer Energieversorgungseinheit verbunden.
Sobald der Wärmeerzeugungseinrichtung 313 (und gegebenenfalls der sekundären Wärmeerzeugungseinrichtung 313a) durch die Energieversorgung Strom zugeführt wird, wird durch den Innenwiderstand der Wendel 313 eine Widerstandswärme erzeugt, sodass sich der Körper der Fixierwalze erwärmt. Gleichzeitig wird das in der Fixierwalze enthaltene Arbeitsfluid erwärmt, bis es verdampft. Die innere Oberfläche der Fixierwalze wird durch die Wärme aus der Wärmeerzeugungseinrichtung erwärmt, sodass ein Verdampfen des Arbeitsfluids (ein Übergang in die Gasphase) erfolgt, wodurch der Körper der Fixierwalze gleichmäßig und schnell auf eine Zielfixiertemperatur (beispielsweise 185 °C) erwärmt wird. Die Oberflächentemperatur der zylindrischen äußeren Oberfläche des Fixierwalzenkörpers wird von einem eigenen Thermistor erfasst, wobei die Menge des der Wärmeerzeugungseinrichtung zugeführten Stromes in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur geändert wird.
Zum leichteren Verständnis der erfindungsgemäßen Fixierwalzenvorrichtung wird nachstehend das erfindungsgemäße Heizrohr beschrieben. Der Begriff „Heizrohr" bezieht sich hierbei auf eine Wärmeübertragungsvorrichtung, die unter Verwendung latenter Wärme Wärme aus einem Hochwärmedichtezustand in einen Niedrigwärmedichtezu stand überführt, wobei die latente Wärme für den Phasenübergang des Arbeitsfluids aus der flüssigen Phase in die Gasphase von Nöten ist. Da sich das Heizrohr die Phasenübergangseigenschaft des Arbeitsfluids zu Nutze macht, ist dessen Wärmeleitfähigkeitskoeffizient größer als bei irgendeinem bekannten Metall. Der Leitfähigkeitskoeffizient einer bei Raumtemperatur arbeitenden Heizröhre ist einige 100 Male größer als derjenige von Silber oder Kupfer, die einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten k von 400 W/mK aufweisen.
15 ist ein Graph, der den Phasenübergang eines Arbeitsfluids als Funktion des Temperaturanstiegs und der Wirkzeit des Heizrohres darstellt. 1 zeigt die effektive Wärmeleitfähigkeit des Heizrohres für einige weitere Wärmeübertragungsmaterialien.
Tabelle 1
Eine Energie von 4,18 J ist notwendig, um die Temperatur von 1 kg Wasser von 25 °C auf 26 °D anzuheben. Ändert sich die Phase des Wassers von flüssig zu dampfförmig, ohne dass eine Temperaturänderung erfolgen würde, ist eine Energie von 2,442 kJ von Nöten. Das Heizrohr überträgt durch den Phasenübergang Flüssigkeit-Dampf eine ungefähr 584 Mal größere latente Wärme. Für ein bei Raumtemperatur arbeitendes Heizrohr ist der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient einige hundertmal größer als derjenige von Silber oder Kupfer, die beide als hervorragende Wärmeleiter bekannt sind. Die Leitfähigkeit eines Heizrohres, bei dem ein flüssiges Metall als Arbeitsfluid zum Einsatz kommt, beträgt bei einem Betrieb bei hoher Temperatur 10⁸ W/mK.
16 zeigt den inneren Aufbau eines Heizrohres, in das ein Docht eingebaut ist, um eine Kapillarstruktur im Inneren des Heizrohres zu bilden, sowie den zugehörigen Wärmeübertragungsvorgang entsprechend den Phasenänderungen Flüssigkeit-Dampf und Dampf-Flüssigkeit. Die Widerstandsheizwendel (in 16 nicht eigens dargestellt) und der Docht sind in zylindrischer Form angeordnet und direkt an der Innenumfangsfläche des Heizrohres angeordnet. 2 zeigt empfohlene und NICHT empfohlene Materialien für das Heizrohr für eine Mehrzahl von Arbeitsfluiden. Tabelle 2
Tabelle 3 zeigt mehrere geeignete Arbeitsfluide für verschiedene Bereiche der Arbeitstemperatur. Tabelle 3
Man hat herausgefunden, dass bei der Auswahl eines Arbeitsfluids mehrere Faktoren Berücksichtigung finden müssen: (1) Verträglichkeit mit dem verwendeten Material des Heizrohres; (2) ein Arbeitsfluid, das eine geeignete Arbeitstemperatur in dem Heizrohr aufweist; und (3) die Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsfluids.
Für den Fall, dass eine Fixierwalze von Heizrohrtyp aus rostfreiem Stahl (SUS) oder Kupfer (Cu) besteht, ist die Wahl geeigneter Arbeitsfluide hinsichtlich der Verträglichkeit mit dem Material des Heizrohres und der Arbeitstemperatur eingeschränkt. FC-40 weist bei einer Arbeitstemperatur von 165 °C einen Sättigungsdruck von einer Atmosphäre oder weniger auf und wird als vergleichsweise geeignetes Material angesehen.
Es ist bekannt, dass FC-40 nicht toxisch, nicht entflammbar und mit den meisten Metallen verträglich ist. FC-40 weist darüber hinaus ein Nullozonabreicherungspotential auf. Entsprechend der Thermodynamik von FC-40 als Arbeitsfluid gilt für die mathematische Beziehung zwischen Sättigungstemperatur und Druck die nachstehenden Formel (1).
Hierbei gilt A = 8,2594 und B = 2310, wobei T die Temperatur in °C bezeichnet.
17 ist ein Graph, der Änderungen des Sättigungsdrucks in Abhängigkeit von der Sättigungstemperatur von FC-40 und Wasser als Arbeitsfluid darstellt. Tabelle 4 zeigt die Sättigungsdrücke von FC-40 bei verschiedenen Sättigungstemperaturen, die 15 entnommen sind.
Tabelle 4
Was einen sicheren Betrieb des Heizrohres angeht, werden geeignete Materialien für das Heizrohr sowie die Dicke von dessen Enden entsprechend dem ASME-Standard (American Society of Mechanical Engineers ASME) bestimmt, der einen Sicherheitsstandard für Druckbehälter festlegt. Liegt beispielsweise die Dicke eines zylindrischen Heizrohres innerhalb von 10% von dessen Durchmesser, so kann der maximale Druck, der auf die Wand σ_max(1) und die Endkappe σ_max(2) der Heizröhre wirken kann, wie folgt ausgedrückt werden.
Hierbei bezeichnen ΔP die Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Heizrohres, d₀ den Außendurchmesser des Heizrohres, t₁ die Dicke des Heizrohres und t₂ die Dicke der Endkappe.
Entsprechend dem ASME-Standard ist die maximal zulässige Belastung bei einer beliebigen Temperatur gleicht dem 0,25-fachen der maximalen Zugfestigkeit bei jeder Temperatur. Für den Fall, dass der Dampfdruck eines Arbeitsfluids im Bereich des Heizrohres bei Arbeitstemperatur gleich dem Sättigungsdampfdruck des Arbeitsfluids ist, ist die Druckdifferenz (ΔP) gleich der Differenz zwischen dem Dampfdruck und dem atmosphärischen Druck.
18 ist ein Graph der Änderungen der maximalen Zugfestigkeit für eine Mehrzahl von Materialien des Heizrohres in Abhängigkeit von Temperaturänderungen bei drei verschiedenen Ausgestaltungen der Fixierwalzen, die mit Heizrohren aus Aluminium (Al), Kupfer (Cu) und 304er rostfreiem Stahl (SS304) ausgestaltet sind, in einem Temperaturbereich, der sich zwischen ungefähr 0 °C und ungefähr 500 °C erstreckt. 19A ist ein Graph, der die maximal zulässige Belastung und Änderungen der maximalen Belastung, die auf die Wand des Heizrohres wirken, in Abhängigkeit von Temperaturänderungen für den Fall zeigt, dass FC-40 als Arbeitsfluid bei Heizrohren verwendet wird, die aus Aluminium, Kupfer und 304er rostfreiem Stahl bestehen. 19B ist ein Graph der Änderungen der maximalen Belastung, die auf ein Heizrohr aus Kupfer wirken, in Abhängigkeit von Temperaturänderungen für den Fall, dass destilliertes Wasser als Arbeitsfluid verwendet wird, in einem Temperaturbereich von ungefähr 0 °C bis ungefähr 500 °C für Heizrohre, die aus Aluminium, Kupfer und 304er rostfreiem Stahl bestehen. Wie in 19A gezeigt ist, ist die maximal zulässige Belastung bei rostfreiem Stahl (SS304) viel größer als diejenige bei Kupfer oder Aluminium. Ein sicherer Betrieb ohne Auslaufen der Flüssigkeit im Betrieb ist bis zu einer Temperatur von ungefähr 400 °C bei einem Heizrohr sowie Endkappen sichergestellt, die aus rostfreiem Stahl (SS304) hergestellt sind.
20A und 20B sind Graphen, die Änderungen bei maximaler Belastung darstellen, die auf ein Heizrohr aus Kupfer wirkt, in Abhängigkeit von Rohrdickenänderungen für den Fall, dass FC-10 und destilliertes Wasser als Arbeitsfluid verwendet werden, und zwar jeweils in einem Temperaturbereich, der von mehr als 150 °C bis weniger als 500 °C reicht. Wie in 20A und 20B gezeigt ist, erfolgt ungeachtet der Tatsache, dass die Dicke des Heizrohres bei Verwendung von FC-10 als Arbeitsfluid zwischen 0,8 Millimeter und 1,5 Millimeter und bei Verwendung destillierten Wassers als Arbeitsfluid von 1,0 Millimeter bis 1,8 Millimeter jeweils variiert, keine allzu große Änderung der maximalen auf das Heizrohr wirkenden Belastung bei einer Betriebstemperatur, die größer als ungefähr 165 °C, jedoch kleiner als 200 °C ist.
21 und 22 sind Graphen der Temperaturänderungen (in einem Bereich zwischen 0 °C und 400 °C), die in der Mitte der Fixierwalze in Abhängigkeit von der Zeit (in einer Zeitspanne zwischen 0 und 65 Sekunden) bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorstehend beschriebenen Fixierwalzenvorrichtung gemessen wurden. Die Fixierwalzenvorrichtung weist eine Fixierwalze aus Kupfer auf und enthält destilliertes Wasser als Arbeitsfluid. Die Fixierwalze weist eine Dicke von 1,0 mm, einen Außendurchmesser von 17,85 mm und eine Länge von 258 mm auf. Dieser Test wurde bei einer Drehgeschwindigkeit der Fixierwalze von 47 UpM, einem Widerstand der spiralförmigen Widerstandsheizwendel von 32 Ω, einer Spannung von 200 V und einem verzögerungsfreien maximalen Leistungsverbrauch von ungefähr 1,5 kW durchgeführt. Die spiralförmige Widerstandsheizwendel stand in direktem Kontakt mit der inneren zylindrischen Oberfläche der Fixierwalze.
21 zeigt Messungen für eine Fixierwalzenvorrichtung, die destilliertes Wasser als Arbeitsfluid enthält, das 10% des Innenvolumens der Fixierwalze einnimmt. 22 zeigt Messungen für eine Fixierwalzenvorrichtung mit destilliertem Wasser, das 30% des Volumens der Fixierwalze einnimmt. Wie in 21 gezeigt ist, braucht dieser Prototyp ungefähr 8 bis 12 Sekunden, um die Temperatur der Fixierwalze von einer Zimmertemperatur von ungefähr 22 °C auf eine Betriebstemperatur von ungefähr 125 °C anzuheben, sowie weniger als 14 Sekunden, um 200 °C zu erreichen. Wie in 22 gezeigt ist, sind ungefähr 13 Sekunden notwendig, um die Temperatur der Fixierwalze von einer Raumtemperatur von ungefähr 22 °C auf 175 °C anzuheben und lediglich ungefähr 22 Sekunden, um 200 °C zu erreichen.
Ein Vergleich der Ergebnisse von 21 und 22 macht deutlich, dass die Geschwindigkeit des Temperaturanstieges in Abhängigkeit vom Volumenverhältnis des in dem abgedichteten Innenraumes der Fixierwalze enthaltenen Arbeitsfluids schwankt. Entsprechend der Ergebnisse der bei verschiedenen Gegebenheiten durchgeführten Experimente kann die Fixierwalze mit einer Menge des Arbeitsfluids betrieben werden, die 5 bis 50% des Innenraumes der Fixierwalze einnimmt. Die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs ist jedoch nur bei 5 bis 15% des Volumens der mit dem Arbeitsfluid gefüllten Fixierwalze hoch.
Im Vergleich zu einer herkömmlichen Bilderzeugungsvorrichtung besteht, was die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs bei einer Bilderzeugungsvorrichtung angeht, bei der eine der aufgeführten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Fixierwalzenvorrichtung zum Einsatz kommt, keine Notwendigkeit, der Fixierwalzenvorrichtung im Bereitschaftszustand kontinuierlich Energie zuzuführen. Obwohl Energie zugeführt wird, wenn die Bilderzeugung beginnt, kann eine Fixierwalzenvorrichtung, die entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist, mit hoher Geschwindigkeit, also schneller als bei derzeit üblichen Geräten, ein Bild erzeugen, mithin Tonerbilder fixieren.
Für den Fall, dass das Volumen des Arbeitsfluids mehr als 50 Vol.-% beträgt, wird die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs unpraktikabel langsam. Beträgt in dem Test das Volumen des Arbeitsfluids hingegen weniger als 5 Vol.-%, so tritt entweder ein Austrocknungsphänomen auf, oder es wird zumindest wahrscheinlich, dass ein solches auftritt, was durch die unzureichende Zufuhr des Arbeitsfluids bedingt ist, sodass die Fixierwalze entweder nicht gut oder überhaupt nicht als Heizrohr betrieben werden kann.
Bei einer Fixierwalzenvorrichtung, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist, kann elektrische Energie bei einer Spannung von 90 bis 240 V, einer Frequenz von 50 bis 70 Hz, jedoch auch bei höheren Frequenzen, zugeführt werden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, umfasst die Fixierwalzenvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Heizwendel und ein Arbeitsfluid in dem Körper der metallischen Fixierwalze mit hervorragender Leitfähigkeit, damit die Oberfläche der Fixierwalze verzögerungsfrei auf eine Zielfixiertemperatur aufgeheizt werden kann, um Tonerbilder, die auf ein Druckpapier übertragen wurden, zu fixieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Fixierwalzenvorrichtungen vom Halogenlampentyp oder vom Oberflächendirektbeheizungstyp unter Verwendung einer Heizeinrichtung auf Basis von Palladium (Pd), Ruthenium (Ru) oder Kohlenstoff (C) kann die Fixierwalze der vorliegenden Erfindung die Zielfixiertemperatur innerhalb einer kürzeren Zeitspanne erreichen, wobei der Energieverbrauch gesenkt wird, und die Oberflächentemperatur der Fixierwalze gleichmäßig gehalten werden kann. Die Fixierwalzenvorrichtung der vorliegenden Erfindung braucht weder eine Aufwärmzeit noch eine Bereitschaftszeit, weshalb bei keiner Bilderzeugungsvorrichtung, so beispielsweise einem Drucker, einem Kopiergerät oder einem Faxgerät, die mit der erfindungsgemäßen Fixierwalzenvorrichtung ausgestattet ist, der Fixierwalze Energie zugeführt werden muss, um den Druckvorgang einzuleiten. Aus diesem Grund wird der Gesamtenergieverbrauch der Bilderzeugungsvorrichtung verringert. Darüber hinaus beruht die erfindungsgemäße Fixierwalzenvorrichtung auf dem Prinzip eines Heizrohres, wodurch die Temperaturverteilung in Längsrichtung der Fixierwalze gleichmäßig gesteuert werden kann, sodass die Kennwerte der Tonerfixierung verbessert werden.
Zudem kann die erfindungsgemäße Fixierwalzenvorrichtung einfach in Massenfertigung produziert werden, wobei ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Die Bauteile der Fixierwalzenvorrichtung sind mit anderen im Handel erhältlichen Bauteilen verträglich. Auf die Güte der Fixierwalzenvorrichtung kann auf einfache Weise Einfluss genommen werden. Ein Hochgeschwindigkeitsdrucker kann mit der erfindungsgemäßen Fixierwalzenvorrichtung ausgestattet werden.
Mit der Fixierwalzenvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung sowie dem zugehörigen Verfahren zur Herstellung der Fixierwalzenvorrichtung gehen die folgenden Vorteile einher.

(1) Die Fixierwalzenvorrichtung kann in einfachen automatisierten Arbeitsschritten hergestellt werden.
(2) Die Temperaturänderungen des Heizrohres in axialer oder Längsrichtung sind klein (innerhalb eines Bereiches von ±1 °C).
(3) Ein Hochgeschwindigkeitsdrucker kann einfach mit der Fixierwalzenvorrichtung ausgestattet werden.
(4) Die Wärmequelle und das Heizrohr, die die Hauptelemente der Fixierwalzenvorrichtung darstellen, sind als getrennte Einheiten ausgebildet, sodass die Fixierwalzenvorrichtung einfach in Massenfertigung produziert werden kann, wobei ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Die Bauteile der Fixierwalzenvorrichtung sind mit anderen im Handel erhältlichen Bauteilen verträglich. Auf die Güte der Fixierwalzenvorrichtung kann einfach Einfluss genommen werden.
(5) Aufgrund der kontinuierlichen Verdampfungs- und Kondensierungszyklen des in dem abgedichteten Heizrohr enthaltenen Arbeitsfluids ist ungeachtet der Tatsache, dass der Druck im Inneren des Heizrohres bei hoher Temperatur (eine Atmosphäre oder weniger bei 165 °C für FC-40) ansteigt, das Risiko einer Explosion oder einer starken Verformung sehr gering.

Obwohl einige wenige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, erschließt sich einem Fachmann unmittelbar, dass verschiedenartige Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung entsprechend den beigefügten Ansprüchen zu verlassen.

Claims

Fixierwalzen-Baugruppe, die umfasst: eine zylindrische Fixierwalze (212) mit axial einander gegenüberliegenden Enden (218), die einen Innenhohlraum (242) bilden, der abgedichtet und auf einen vorgegebenen Druck evakuiert ist; eine Wänneerzeugungseinrichtung (213), die in den Innenhohlraum (242) zwischen den Enden (218) installiert ist; und ein Arbeitsfluid (214), das in der Fixiennralze (212) enthalten ist; dadurch gekennzeichnet, dass: das Arbeitsfluid (214) in direktem physischen Kontakt mit der Wärmeerzeugungseinrichtung (213) ist; und die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) über eine axiale Länge einer inneren zylindrischen Fläche (246) der Fixierwalze (212) in direktem physischen Kontakt mit der Fixierwalze (212) ist.
Fixierwalzen-Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) eine Widerstands-Heizwendel umfasst, die in dem Innenhohlraum (242) spiralförmig gewickelt ist, wobei axial einander gegenüberliegende Enden der Widerstands-Heizwendel sich durch die verschiedenen Enden der Fixierwalze (212) aus der Fixierwalze (212) heraus erstrecken.
Fixierwalzen-Baugruppe nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) einen Außendurchmesser hat, der größer ist als der In nendurchmesser der Fixierwalze (212), und die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) mit einer inneren zylindrischen Wand (246) der Fixierwalze (212) mit einer Kraft in Kontakt kommt.
Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fixiennralze (212) aus Kupfer besteht.
Fixierwalzen-Baugruppe nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei die Fixierwalze (212) aus rostfreiem Stahl besteht.
Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsfluid (214) destilliertes Wasser ist.
Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Menge des Arbeitsfluids (214), die in der Fixierwalze (212) enthalten ist, im Bereich 5-50 Vol.-% des Innenhohlraums (242) liegt.
Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Menge des Arbeitsfluids (214), die in der Fixierwalze (212) enthalten ist, im Bereich 5-15 Vol.-% des Innenhohlraums (242) liegt.
Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, die umfasst: eine Trennwand (316), die den Innenhohlraum (242) in eine Vielzahl von Einzelräumen unterteilt.
Fixierwalzen-Baugruppe nach Anspruch 9, wobei die Trennwand eine Vielzahl sich radial erstreckender Stege (316a) umfasst.
Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die zylindrische Fixierwalze (212) eine äußere Röhre (312) mit einem inneren, ersten Durchmesser sowie eine innere Röhre (314) mit einem äußeren, zweiten Durchmesser umfasst, der kleiner ist als der erste Durchmesser, und die einen ringförmigen Raum (318) zwischen der äußeren Röhre (321) und der inneren Röhre (314) bilden, wobei der ringförmige Raum (318) auf einen vorgegebenen Druck evakuiert ist; die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) im Inneren des ringförmigen Raums (218) installiert ist; und das Arbeitsfluid (214) in dem ringförmigen Raum (318) in einer Menge enthalten ist, die kleiner ist als ein Volumen des ringförmigen Raums (318).
Fixierwalzen-Baugruppe nach Anspruch 11, wobei die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) eine erste Heizeinrichtung (313) umfasst, die in dem ringförmigen Raum (318) in direktem physischen Kontakt mit der äußeren Röhre (312) installiert ist.
Fixierwalzen-Baugruppe nach Anspruch 12, wobei die erste Heizeinrichtung (313) eine Widerstands-Heizwendel ist, die in dem ringförmigen Raum (318) spiralförmig gewickelt ist.
Fixierwalzen-Baugruppe nach den Ansprüchen 12 oder 13, wobei die erste Heizeinrichtung (313) an einer inneren zylindrischen Fläche (246) der äußeren Röhre und in direktem physischen Kontakt damit angeordnet ist.
Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) eine erste Heizeinrichtung (313), die in dem ringförmigen Raum installiert ist, sowie eine zweite Heizeinrichtung (313a) umfasst, die in der inneren Röhre (314) installiert ist.
Fixierwalzen-Baugruppe nach Anspruch 15, wobei die erste Heizeinrichtung (313) eine spiralförmig gewickelte Widerstands-Heizwendel umfasst und die zweite Heizeinrichtung (313a) eine Halogenlampe umfasst.
Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, die umfasst: eine Schutzschicht (211), die auf eine äußere zylindrische Fläche der Fixierwalze aufgetragen ist, wobei die Schutzschicht Tonerbilder leicht freigibt.
Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, die umfasst: eine Elektrode (215), die mit der Wärmeerzeugungseinrichtung (213) verbunden ist und das Anlegen einer Spannung über die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) ermöglicht.
Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) eine Widerstands-Heizwendel umfasst und eine Oberfläche der Widerstands-Heizwendel mit einer Schutzschicht (213c) überzogen ist.
Fixierwalzen-Baugruppe nach Anspruch 19, wobei die Schutzschicht (213c) aus Magnesiumoxid besteht.
Fixierwalzen-Baugruppe nach Anspruch 18, wobei die an die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) angelegte Spannung im Bereich 90-240 Volt liegt.
Fixierwalzen-Baugruppe nach Anspruch 18, wobei die an die Wärmeerzeugungseinrichtung (213) angelegte Spannung eine Frequenz 50-70 Hz hat.
Verfahren zum Herstellen der Fixierwalzen-Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, das umfasst: Ausbilden einer zylindrischen Fixierwalze (212) mit einem Innenhohlraum (242), der sich axial zwischen axial einander gegenüberliegenden Basen der Walze erstreckt; Evakuieren des Innenhohlraums (242); teilweises Füllen des Innenhohlraums (242) mit einem Arbeitsfluid (214); Einführen einer in einer schraubenförmigen Spirale gewickelten Heizwendel (213) in den Innenhohlraum (242); und Abdichten des Innenhohlraums (242), wobei elektrischer Durchgang über die Heizwendel (213) beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 23, das des Weiteren umfasst: Ausbilden der Fixierwalze (212) mit dem Innenhohlraum (242), der einen inneren, ersten Durchmesser aufweist; Wickeln der Heizwendel (213), so dass sie einen äußeren, zweiten Durchmesser aufweist, der größer ist als der erste Durchmesser, vor dem Einführen der Heizwendel (213) in den Innenhohlraum (242); Verringern des zweiten Durchmessers während des Einführens; und Freigeben der Heizwendel (213), um nach dem Einführen den zweiten Durchmesser zu gewährleisten.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, das des Weiteren das Einsetzen einer inneren Röhre (314) in den Innenhohlraum (242) umfasst, wobei die Heizwendel (213) zwischen der Fixierwalze (212) und der inneren Röhre (314) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 23, 24 oder 25, das des Weiteren das Unterteilen des Innenhohlraums (242) in eine Vielzahl von Sektoren umfasst, die jeweils eine Menge des Arbeitsfluids (214) enthalten.