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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Schließlich besteht
ein letztes bevorzugtes Ziel darin, ein mit Blick auf die Energieeffizienz
besseres elektrofotolithografisches Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung
bereitzustellen.
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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.
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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.
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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.-%.
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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.
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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.
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1 ist eine perspektivische
Ansicht einer allgemeinen elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung.
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2 ist eine Schnittansicht
einer herkömmlichen
Fixierwalzenvorrichtung einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung.
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3 zeigt den Aufbau einer
Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung,
die eine herkömmliche
Fixierwalzenvorrichtung umfasst.
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4 zeigt den Aufbau einer
Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung,
die eine weitere herkömmliche
Fixierwalzenvorrichtung umfasst.
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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.
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6 ist eine perspektivische
Teilansicht des Aufbaus der Fixierwalzenvorrichtung von 5.
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6A ist eine teilweise freigeschnittene
detaillierte Querschnittsansicht der Widerstandsheizwendel von 6.
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6B, 6C und 6D zeigen
eine Abfolge von Schritten beim Zusammensetzen einer erfindungsgemäßen Fixierwalzenvorrichtung.
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7 ist eine Querschnittsansicht,
die den inneren Aufbau der Fixierwalzenvorrichtung von 5 und 6 zeigt.
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8A ist eine Querschnittsansicht
eines zweiten Ausführungsbeispieles
der Fixierwalzenvorrichtung, das entsprechend den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
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8B ist eine teilweise Längsschnittansicht
der Fixierwalzenvorrichtung von 8A.
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9A ist eine Querschnittsansicht
eines herkömmlichen
Aufbaus einer Fixierwalzenvorrichtung.
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9B ist eine teilweise Längsschnittansicht
der Fixierwalzenvorrichtung von 9A.
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10A ist eine Querschnittsansicht
eines dritten Ausführungsbeispiels
der Fixierwalzenvorrichtung, das entsprechend den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
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10B ist eine teilweise Längsschnittansicht
der Fixierwalzenvorrichtung von 10A.
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10C ist ein zweidimensionaler
Graph, der einen Vergleich zwischen zwei herkömmlichen Ausgestaltungen und
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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11A ist eine Querschnittsansicht
eines vierten Ausführungsbeispieles
der Fixierwalzenvorrichtung, das entsprechend den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
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11B ist eine teilweise Längsschnittansicht
der Fixierwalzenvorrichtung von 11A.
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12 ist eine perspektivische
Teilansicht eines fünften
Ausführungsbeispiels
der Fixierwalzenvorrichtung, das entsprechend den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
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13 ist eine perspektivische
Teilansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels
der Fixierwalzenvorrichtung, das entsprechend den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
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14 ist eine Längsschnittansicht
der Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung,
die eine Fixierwalzenvorrichtung umfasst, die entsprechend der vorliegenden
Erfindung ausgestaltet ist.
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15 zeigt einen Graphen,
der den Phasenübergang
eines Arbeitsfluids als Funktion des Temperaturanstiegs und der
Wirkzeit eines Heizrohres darstellt.
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16 zeigt den inneren Aufbau
des Heizrohres und die Wärmeübertragung,
die eingezeichnet ist, um den Phasenübergang Flüssigkeit-Dampf zu erläutern.
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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.
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18 zeigt den Graphen der
maximalen Zugfestigkeitsänderung
als Funktion der Temperaturänderung
für Aluminium,
Kupfer und 304er rostfreien Stahl als Materialien für das Heizrohr.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
Fixierwalzenvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Aufbau kam durch die nachfolgenden Schritte
hergestellt werden:
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- (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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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Tabelle
3 zeigt mehrere geeignete Arbeitsfluide für verschiedene Bereiche der
Arbeitstemperatur. Tabelle
3
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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.
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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.
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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).
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Hierbei
gilt A = 8,2594 und B = 2310, wobei T die Temperatur in °C bezeichnet.
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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.
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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 σmax(1) und die Endkappe σmax(2) der
Heizröhre
wirken kann, wie folgt ausgedrückt
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Mit
der Fixierwalzenvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung
sowie dem zugehörigen Verfahren
zur Herstellung der Fixierwalzenvorrichtung gehen die folgenden
Vorteile einher.
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- (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.
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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.