DE60119594T2

DE60119594T2 - Fixierrolleranordnung eines elektrophotographischen Bilderzeugungsgeräts mit Heizspule um eine Wärmeübertragungswalze

Info

Publication number: DE60119594T2
Application number: DE2001619594
Authority: DE
Inventors: Kyung-Woo Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: EP1217466A1; DE60119594D1; TWI235894B; JP3648479B2; DE60111007D1; EP1217466B1; DE60111007T2; CN1170210C; JP2002251101A; CN1360232A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fuserrollenanordnung für eine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung und insbesondere auf eine Fuserrollenanordnung für eine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung, die augenblicklich mit einem niedrigen Energieverbrauch erwärmt werden kann.
In einer allgemeinen, elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, wie beispielsweise einer Kopiermaschine und einem Laserstrahldrucker, wird, wenn sich eine elektrostatische Rolle, angrenzend an eine Fotorezeptortrommel, dreht, ein fotoempfindliches Material, beschichtet auf der Oberfläche der Fotorezeptortrommel, gleichförmig aufgeladen. Das aufgeladene, fotoempfindliche Material wird einem Laserstrahl ausgesetzt, der von einer Laserabtasteinheit (LSU) abgetastet wird, so dass ein latentes, elektrostatisches Bild in einem vorbestimmten Muster auf dem fotoempfindlichen Material gebildet wird. Eine Entwicklereinheit führt Toner zu dem fotoempfindlichen Material zu, um das latente, elektrostatische Bild, gebildet auf dem fotoempfindlichen Material, in ein sichtbares Tonerbild zu entwickeln. Eine vorbestimmte Übertragungsspannung wird auf eine Übertragungsrolle aufgebracht, die in Kontakt mit der Fotorezeptortrommel unter einer vorbestimmten Kraft gebracht wird, während die Fotorezeptortrommel das Tonerbild trägt. In diesem Zustand wird, wenn ein Druckpapier in den Zwischenraum zwischen der Übertragungsrolle und dem Fotorezeptor-Medium zugeführt wird, das Tonerbild, gebildet auf dem fotoempfindlichen Material, auf das Druckpapier aufgetragen. Eine Fixiereinheit, die eine Fuserrolle umfasst, erwärmt augenblicklich das Druckpapier, auf das das Tonerbild übertragen ist, um das Tonerbild auf das Druckpapier aufzuschmelzen und darauf zu fixieren. Allgemein wird eine Halogenlampe als eine Wärmequelle für die Fixiereinheit verwendet. Die Halogenlampe ist innerhalb der Fuserrolle installiert und erwärmt die Oberfläche der Fuserrolle auf eine Solltemperatur mit Strahlungswärme.
In einer herkömmlichen Fuserrollenanordnung einer ein elektrofotografisches Bild bildenden Vorrichtung, die eine Halogenlampe als eine Wärmequelle verwendet, muss die Außenoberfläche der Fuserrolle Wärme erzeugen; die Fuserrolle wird deshalb von der Innenseite aus durch Strahlungswärme von der Halogenlampe erwärmt. Eine Druck rolle ist unterhalb der Fuserrolle angeordnet. Ein Papier, das ein Tonerbild in einer Pulverform trägt, führt zwischen der Fuserrolle und der Druckrolle hindurch, das Papier wird mit einer vorbestimmten Kraft gepresst und das Tonerbild wird auf dem Druckpapier durch die Wärme und die Kraft von der Fuserrolle und der Druckrolle aufgeschmolzen und fixiert.
Ein Thermistor kann zum Erfassen und zum Umwandeln der Oberflächentemperatur der Fuserrolle in ein elektrisches Signal verwendet werden, und ein Thermostat kann verwendet werden, um die Energieversorgung zu der Halogenlampe zu unterbrechen.
Eine herkömmliche Fuserrollenanordnung, die eine Halogenlampe als eine Wärmequelle einsetzt, verbraucht unnötig eine große Menge an Energie, und benötigt eine beträchtlich lange Aufwärmperiode, wenn die Bilderzeugungsvorrichtung für eine Bilderzeugung eingeschaltet wird. Mit anderen Worten folgt, nach Anlegen der Energie, eine Standby-Periode, bis die Temperatur der Fuserrolle eine Solltemperatur, zum Beispiel für einige zehn Sekunden bis ein paar Minuten, erreicht. Man hat herausgefunden, dass mit einer herkömmlichen Fuserrollen-Anordnung, aufgrund davon, dass die Fuserrolle durch Strahlungswärme von der Wärmequelle erwärmt wird, die Rate einer Wärmeübertragung niedrig ist. Insbesondere wird eine Kompensation von Temperatur-Variationen aufgrund eines Abfalls in der Temperatur der Heizrolle, verursacht durch einen Kontakt mit einem Druckpapier, verzögert, so dass es schwierig ist, gleichförmig die Verteilung der Temperatur entlang der axialen Länge der Fuserrolle zu kontrollieren. Gerade in einem Standby-Modus, wo der Betrieb des Druckers ausgesetzt ist, muss Energie periodisch zugeführt werden, um die Temperatur der Fuserrolle konstant zu halten, wodurch ein unnötiger Energieverbrauch benötigt wird. Auch benötigt es eine beträchtliche Zeitdauer, um die Fuserrolle von deren Standby-Modus zu einem Betriebsmodus für eine Bildausgabe umzuschalten, so dass das sich ergebende Bild nicht schnell gedruckt werden kann.
Ein alternativer Aufbau für eine herkömmliche Fuserrollenanordnung setzt eine Heizplatte, angeordnet in einem unteren Bereich eines flexiblen, zylindrischen Filmrohrs, ein, wobei eine Druckrolle unterhalb der Heizplatte montiert ist. Das Filmrohr wird durch eine gesonderte Dreheinheit gedreht und wird lokal an einem Teil zwischen der Heizplatte und Druckrolle erwärmt und deformiert. Während dieses Verfahren eines lokalen Erwärmens des Filmrohrs mit einer Heizplatte dahingehend angesehen wurde, dass es vorteilhaft im Hinblick auf einen niedrigen Energieverbrauch ist, ist es nicht für ein Hochgeschwindigkeitsdrucken geeignet.
Die japanischen Patentanmeldungen Nr.'n Sho 58-163836 (16. September 1983); 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); und Hei 10-208635 (8. Juli 1998) offenbaren eine mit einem Wärmerohr bzw. Heat-Pipe ausgestattete Fuserrollenanordnung.
Eine solche Fuserrollenanordnung, die Wärmerohre verwendet, kann augenblicklich erwärmt werden, wodurch ein Energieverbrauch verringert wird. Die Fuserrollenanordnung besitzt auch eine kurze Verzögerungsperiode, wenn zwischen einem Standby- und einem Druckbetrieb umgeschaltet wird. Insbesondere setzen die Fuserrollenanordnungen, die in den japanischen Patentanmeldungen Nr.'n Hei 5-135656; Hei 10-84137; Hei 6-296633 und Hei 10-208635 offenbart sind, unterschiedliche Typen von Wärmequellen an einem Ende der Fuserrollen ein, die über den Fixierbereichen positioniert sind. Die Anordnung der Wärmequelle für jede dieser Fuserrollenanordnungen erhöht das Volumen der Fuserrollenanordnung und erfordert komplexe Strukturen. Demzufolge ist dort ein Erfordernis vorhanden, die strukturelle Komplexität solcher Fuserrollenanordnungen zu verbessern.
Die Fuserrollenanordnungen, die in den japanischen Patentanmeldungen Nr.'n Sho 58-163836; Hei 3-107438; Hei 3-136478; Hei 6-316435; Hei 7-65878; Hei 7-105780; und Hei 7-244029 offenbart sind, besitzen deren Wärmequellen innerhalb deren Fuserrollen angeordnet, so dass dort ein Problem verbleibt, das dem erhöhten Volumen dieser Vorrichtungen, die vorstehend beschrieben sind, zuzuordnen ist. Eine Mehrzahl von lokalen Wärmerohren ist allerdings für jede Fuserrolle installiert, wodurch die Fertigung und Herstellung der Fuserrollenanordnung kompliziert wird. Die lokale Anordnung der Wärmerohre bewirkt weiterhin Temperaturabweichungen zwischen den Kontaktbereichen des Wärmerohrs und den Nicht-Kontaktbereichen des Wärmerohrs.
US 6,122,479 offenbart eine Heizrolle mit einer hohlen zylindrischen Fassung, einer aus streifenartigen Leitern, die einen Soll-Leistungsverbrauch implementieren, gebildeten Heizschicht und einer Trennschicht, die auf dem Außenumfang der Heizschicht bereitgestellt ist. Die Heizrolle wird durch das Einführen eines Aufspannbolzens in die hohle zylindrische Fassung gebildet, der sich auf Grund der Hitze ausdehnt. Der Aufspannbolzen wird anschließend abgekühlt und aus der hohlen zylindrischen Fassung entfernt. Dieses Dokument bildet einen vorkennnzeichnenden Teil der hieran angefügten Patentansprüche.
US 5,420,392 offenbart eine Heizrolle zur Verwendung in einer Fixiervorrichtung mit einem hohlen Teil, der einen stromführenden Anschluss und einen Metall-Kernstab enthält.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die sich diesen und anderen Problemen im Stand der Technik zuwenden.
Eine bevorzugte Aufgabe ist es, eine Fuserrollenanordnung für eine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung zu schaffen, bei der eine lokale Temperaturabweichung einer Fuserrolle stark verringert wird, um dadurch die gesamten, thermischen Verteilungs-Charakteristika zu verbessern.
Eine andere, bevorzugte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fuserrollenanordnung für eine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung zu schaffen, die einfach herzustellen ist und so ausgelegt ist, um irgendeine Vergrößerung der Größe der Fuserrollenanordnung zu minimieren.
Eine andere, bevorzugte Aufgabe ist es, eine Fuserrolle zu schaffen, die in der Lage ist, von deren Standby-Zustand zu deren Druck-Zustand in einer kürzeren Zeitperiode überzugehen.
Eine andere, bevorzugte Aufgabe ist es, ein energieeffizienteres, elektrofotolithografisches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen.
Eine andere, bevorzugte Aufgabe ist es, eine Fuserrolle, ein Verfahren zum Aufbauen einer Fuserrolle und ein Verfahren zum Aufschmelzen elektrostatischer Bilder, gebildet aus Toner, auf einem bedruckbaren Medium, zu schaffen, mit einer Anordnung, die in der Lage ist, die Temperatur der Fuserrolle von Zimmertemperatur auf eine Betriebstemperatur innerhalb einer kürzeren Zeitperiode zu ändern.
Eine andere, bevorzugte Aufgabe ist es, eine Fuserrolle, ein Verfahren zum Aufbauen einer Fuserrolle und ein Verfahren zum Aufschmelzen von elektrostatischen Bildern, gebildet aus Toner, auf einem bedruckbaren Medium, zu schaffen, mit einer An ordnung, die in der Lage ist, zu ermöglichen, dass die Temperatur der Fuserrolle bei Raumtemperatur während einer Standby-Betriebsperiode verbleibt.
Eine andere, bevorzugte Aufgabe ist es, eine Fuserrolle, ein Verfahren zum Aufbauen einer Fuserrolle und ein Verfahren zum Aufschmelzen von elektrostatischen Bildern, gebildet aus Toner, auf einem bedruckbaren Medium, zu schaffen, mit einer Anordnung, die ein verbessertes, thermisches Gleichgewicht und minimale, lokale, thermische Differenzen auf den zylindrischen Außenflächen der Fuserrolle zeigt.
Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt, wie in den angehängten Patentansprüchen dargelegt. Bevorzugte Merkmale der Erfindung werden aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung offensichtlich.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Fuserrollenanordnung bereitgestellt, das die die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer äußeren Rolle, rohrförmig mit einem hohlen Inneren, Bereitstellen einer inneren Rolle, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Rolle ein Rohr ist, das vakuumdicht gemacht werden kann, und Wickeln einer Widerstandsheizspule um eine äußere Fläche des Rohres, Einführen des Rohres mit der um die Außenfläche gewickelten Widerstandsheizspule in die äußere Rolle und Anwenden eines Hochdruckes auf ein Inneres des Rohres, um das Rohr auswärts, in Richtung auf die äußere Rolle auszudehnen, so dass die Widerstandsheizspule gleichzeitig mit der Außenfläche des Rohres und mit einer Innenfläche der äußeren Rolle fest in Kontakt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fuserrollenanordnung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine äußere Rolle, rohrförmig mit einem hohlen Inneren, und eine innere Rolle, die in die äußere Rolle eingeführt ist, wobei die innere Rolle ein Rohr ist, das vakuumdicht gemacht werden kann, das Rohr aus einem Material gefertigt ist, das sich unter Druck verformt, während es thermisch leitfähig ist, eine Widerstandsheizspule um eine Außenfläche der inneren Rolle gewickelt ist, die Widerstandsheizspule elektrisch an eine Stromversorgung angeschlossen ist und die Widerstandsheizspule in festem Kontakt mit der Außenfläche des Rohres, das vakuumdicht gemacht werden kann, und mit einer Innenfläche der äußeren Rolle ist.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung, und um zu zeigen, wie Ausführungsformen derselben umgesetzt werden können, wird nun Bezug, anhand eines Beispiels, auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen genommen, in denen:
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer allgemeinen, elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung;
2 zeigt eine Schnittansicht einer herkömmlichen Fuserrollenanordnung einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung;
3 stellt den Aufbau einer Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung dar, die eine herkömmliche Fuserrollenanordnung einsetzt;
4 stellt den Aufbau einer Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung dar, die eine unterschiedliche, herkömmliche Fuserrollenanordnung einsetzt;
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, die eine erste Ausführungsform einer Fuserrollenanordnung, aufgebaut gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, einsetzt;
6 zeigt eine perspektivische Teilansicht des Aufbaus der Fuserrollenanordnung, dargestellt in 5, obgleich ohne Darstellung von Details des Wärmerohrs;
6A zeigt eine teilweise aufgeschnittene detaillierte Querschnittsansicht einer Widerstandsheizspule, dargestellt in 6;
6B, 6C und 6D stellen eine Folge von Schritten beim Aufbau einer Fuserrollenanordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar;
7 zeigt eine Querschnittsansicht, die den inneren Aufbau der Fuserrollenanordnung, dargestellt durch die 5 und 6, zeigt;
8 zeigt eine Querschnittsansicht, die im Detail einen Betriebsmodus der Ausführungsform, dargestellt in 7, zeigt;
9 zeigt eine Zwei-Koordinaten-Grafik, die eine Änderung in der Temperatur als eine Funktion der Zeit darstellt;
10 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Fuserrollenanordnung, aufgebaut gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt eine Teil-Längsschnittansicht, die ein Detail X darstellt, das die Fuserrollenanordnung, dargestellt durch 10, beschreibt;
12 zeigt ein Querschnittsdetail, das einen Betriebsmodus der Ausführungsform, dargestellt durch 10, zeigt;
13 zeigt eine Zwei-Koordinaten-Grafik, die die Änderung in der Temperatur als eine Funktion der Zeit darstellt;
14 zeigt eine Grafik, die die Phasenänderung eines Arbeitsfluids, dargestellt als eine Funktion des Temperaturanstiegs, und der Wärmerohr-Arbeitsperiode des Wärmerohrs, darstellt;
15 stellt den inneren Aufbau des Wärmerohrs und der Wärmeübertragung, angegeben so, um die Flüssigkeits-Dampf-Phasen-Änderung anzuzeigen, dar;
16 zeigt eine Grafik, die die Sättigungs-Druckvariationen als eine Funktion der Sättigungs-Temperaturen für Fluorinert (TM) Electronic Liquid FC-40 und destilliertem Wasser, verwendet getrennt als ein Arbeitsfluid, darstellt;
17 zeigt eine Grafik der letztendlichen Zugfestigkeits-Variationen als eine Funktion der Temperatur-Variationen für die Wärmerohr-Materialien aus Aluminium, Kupfer und 304 rostfreiem Stahl;
18A und 18B zeigen Grafiken, die die maximale, zulässige Spannung und die maximalen Spannungs-Variationen auf die Wand des Wärmerohrs in Bezug auf Temperatur-Variationen darstellen, wenn FC-40 und destilliertes Wasser jeweils als ein Arbeitsfluid verwendet werden;
19A und 19B zeigen grafische Darstellungen, die die maximalen Spannungs-Variationen in Bezug auf Variationen der Wärmerohrdicke (T) darstellen, wenn FC-40 und destilliertes Wasser jeweils als ein Arbeitsfluid verwendet werden; und
20 und 21 zeigen grafische Darstellungen, die Temperatur-Variationen in der Mitte der Fuserrolle in Bezug auf die Zeit für die erste Ausführungsform der Fuserrollenanordnung, die vorstehend beschrieben ist, zeigen.
1 stellt eine allgemeine, elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung dar, wobei eine elektrofotografische Bilderzeugungsvorrichtung eine Papierauswurfeinrichtung 1, ein Tastenfeld 2, eine Steuertafelabdeckung 3, eine Öffnungstaste 4 für die obere Abdeckung, ein Papieranzeigefenster 5, ein Mehrzweck-Papierzuführfach 6, eine Papierkassette 7, eine optionale Kassette 8 und einen Hilfs-Papierträger 9 umfasst.
2 zeigt eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Fuserrollenanordnung einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, die eine Halogenlampe als eine Wärmequelle verwendet. 3 zeigt eine Schnittansicht der Fuserrolle der 2 mit der Halogenlampe als eine Wärmequelle und einer Druckrolle, wie sie in der herkömmlichen, elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung verwendet wird. Wie 2 zeigt, umfasst die herkömmliche Fuserrollenanordnung 10 eine zylindrische Fuserrolle 11 und einen Wärmegenerator 12, wie beispielsweise eine Halogenlampe, und zwar innerhalb der Fuserrolle 11. Da die Außenfläche der Fuserrolle 11 Wärme erzeugen muss, wird die Fuserrolle 11 von der Innenseite aus durch Strahlungswärme von dem Wärmegenerator 12 erwärmt.
Wie 3 zeigt, ist eine Druckrolle 13 unterhalb der Fuserrolle 11 angeordnet, die eine beschichtete Schicht 11a, gebildet aus Teflon, besitzt. Die Druckrolle 13 ist elastisch durch eine Federanordnung 13a getragen, um das Druckpapier 14, das zwischen der Fuserrolle 11 und der Druckrolle 13 hindurchfährt, gegen die Fuserrolle 11 mit einer vorbestimmten Kraft zu drücken. Wenn das Druckpapier 14 ein Tonerbild 14a in einer Pulverform zwischen der Fuserrolle 11 und der Druckrolle 13 trägt, wird das Druckpapier 14 mit der vorbestimmten Kraft heißgepresst. Mit anderen Worten wird das Tonerbild 14a auf das Druckpapier 14 durch die Wärme und die Kraft von der Fuserrolle 11 und der Druckrolle 13 aufgeschmolzen und fixiert.
Ein Thermistor 15 wird dazu verwendet, die Oberflächentemperatur der Fuserrolle 11 zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und ein Thermostat 16 zum Unterbrechen der Energieversorgung zu dem Wärmegenerator 12, wie beispielsweise eine Halogenlampe, sind angrenzend an die Fuserrolle 11 installiert. Wenn die Oberflächentemperatur der Fuserrolle 11 über einen vorbestimmten Schwellwert hinausgeht, unterbricht das Thermostat 16 die elektrische Energie zu dem Wärmegenerator 12. Der Thermistor 15 erfasst die Oberflächentemperatur der Fuserrolle 11 und überträgt das Ergebnis der Erfassung zu einer Steuereinheit (nicht dargestellt) für den Drucker. Die Steuereinheit steuert die Energiezufuhr zu der Halogenlampe des Wärmegenerators 12 entsprechend zu der erfassten Oberflächentemperatur der Fuserrolle 11, um die Oberflächentemperatur innerhalb eines gegebenen Bereichs zu halten. Das Thermostat 16 dient als eine thermische Schutzeinrichtung für die Fuserrolle 11 und die benachbarten Elemente, die dann arbeitet, wenn der Thermistor 15 und die Steuereinheit ausfallen, um die Temperatur der Fuserrolle 11 zu steuern.
Eine herkömmliche Fuserrollenanordnung, die die Halogenlampe als eine Wärmequelle einsetzt, verbraucht unnötigerweise eine große Menge an Energie, und benötigt eine sehr lange Aufwärmperiode, wenn die Bilderzeugungsvorrichtung für eine Bilderzeugung eingeschaltet wird. Mit anderen Worten folgt, nach dem Anlegen von Energie, eine Standby-Periode, bis die Temperatur der Fuserrolle 11 eine Solltemperatur erreicht, für ein paar zehn Sekunden bis zu ein paar Minuten. Für die herkömmliche Fuserrollenanordnung ist, da die Fuserrolle durch Strahlungswärme von der Wärmequelle erwärmt wird, die Wärmeübertragungsrate niedrig. Insbesondere wird eine Kompensation von Temperatur-Variationen aufgrund eines Abfalls in der Temperatur der Heizrolle, verursacht durch einen Kontakt mit dem Druckpapier, verzögert, so dass es schwierig ist, gleichförmig die Verteilung der Temperatur der Fuserrolle 11 zu steuern. Gerade in einem Standby-Modus, bei dem der Betrieb des Druckers ausgesetzt ist, muss Energie periodisch angelegt werden, um die Temperatur der Fuserrolle konstant zu halten, wodurch ein unnötiger Energieverbrauch verursacht wird. Auch benötigt es eine beträchtliche Zeitdauer, um den Standby-Modus zu einem Betriebs-Modus für eine Bildausgabe umzuschalten, so dass das sich ergebende Bild nicht schnell ausgegeben werden kann.
4 zeigt eine Schnittansicht einer herkömmlichen Fuserrollenanordnung, angewandt bei einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung. Eine Heizplatte 22 ist in einem unteren Bereich eines flexiblen, zylindrischen Film-Rohrs 21 angeordnet, und eine Druckrolle 23 ist unterhalb der Heizplatte 22 befestigt. Das Film-Rohr 21 wird durch eine gesonderte Dreheinheit gedreht und wird lokal an einem Teil zwischen der Heizplatte 22 und der Druckrolle 23 erwärmt und deformiert. Dieses Verfahren eines lokalen Erwärmens des Film-Rohrs 21 durch die Heizplatte 22 ist im Hinblick auf einen niedrigen Energieverbrauch vorteilhaft. Das Verfahren eines lokalen Erwärmens ist allerdings für ein Hochgeschwindigkeitsdrucken ungeeignet.
Eine Fixiereinheit einer elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, die eine erste Ausführungsform einer Fuserrollenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt, ist in 5 dargestellt, während 6 eine perspektivische Ansicht der 5 zeigt, die die Struktur der Fuserrollenanordnung in größerem Detail darstellt, und 7 zeigt eine Längsschnittansicht der Fuserrollenanordnungen der 5 und 6.
Wie die 5, 6 und 6A zusammen zeigen, umfasst die Fixiereinheit 200 eine Fuserrollenanordnung 210, die sich in eine Richtung dreht, in der ein Druckpapier 250, das ein Tonerbild 251 trägt, ausgeworfen wird, d.h. in Uhrzeigerrichtung, gesehen aus Sicht der 5, und eine Druckrolle 220, die sich in Gegenuhrzeigerrichtung in Kontakt mit der Fuserrollenanordnung 210 dreht. Die Fuserrollenanordnung 210 umfasst eine zylindrische Fuserrolle 212, die eine äußere, zylindrische Schutzschicht 211 besitzt, die auf der Oberfläche davon durch Beschichten mit Teflon gebildet ist, und einen Wärmegenerator 260, der in der Fuserrolle 212 installiert ist. Ein Thermistor 230 zum Erfassen der Oberflächentemperatur der Fuserrolle 212 ist an der Oberseite der Fuserrolle 212 befestigt.
Der Wärmegenerator 260 ist innerhalb der Fuserrolle 212 installiert, um Wärme unter Verwendung von Energie, zugeführt von einer externen Energieversorgungseinheit (nicht dargestellt), zu erzeugen. Der Wärmegenerator 260 besitzt ein inneres Wärmerohr 262, das innerhalb der mehrfachen Windungen der Heizeinheit 213 installiert ist, wobei beide Enden 264 des Wärmerohrs 262 hermetisch abgedichtet sind, um einen vorbestimmten Druck beizubehalten. Das innere Wärmerohr 262 nimmt ein Arbeitsfluid 214 unter einer vorbestimmten Volumenmenge auf.
Der Thermistor 230 zum Erfassen der Oberflächentemperatur der Fuserrolle 212 und der Schutzschicht 211 ist oberhalb der Fuserrolle 212 in Kontakt mit der Schutzschicht 211 installiert. Ein Thermostat 240 zum Unterbrechen der Energie einer Energieversorgungseinheit, wenn die Oberflächentemperatur der Fuserrolle 212 und der Schutzschicht 211 schnell ansteigt, ist auch oberhalb der Fuserrolle 212 installiert.
Die Heizeinheit 213 wird mit Energie von der externen Energieversorgungseinheit versorgt, um Wärme zu erzeugen. Die Heizeinheit 213 ist aus einer spiralförmigen Widerstandsheizspule, die die Innenseite der Fuserrolle und die Außenseite des inneren Wärmerohrs 262 berührt, aufgebaut.
Ein Thermistor 230 steht in direktem, physikalischem Kontakt mit der Schutzschicht 211 und erfasst die Temperatur der Schutzschicht 211. Der innere Raum, gebildet durch den inneren, zylindrischen Hohlraum 242 der Fuserrolle 212, ist durch den Wärmegenerator 260 belegt. Die Heizeinheit 213 kann eine spiralförmige Wicklung aus mehreren Windungen, hergestellt aus einer spiralförmigen Widerstandsheizspule, installiert entlang des inneren Hohlraums 242 in direktem, physikalischem Kontakt mit der inneren, zylindrischen Wand der Fuserrolle 212, sein. Die Heizeinheit 213 umfasst einen Wärmeerzeugungsdraht 213a, gebildet aus einem elektrischen Widerstandsmaterial, wie beispielsweise einer Eisen-Chrom-(Fe-Cr)- oder Nickel-Chrom-(Ni-Cr)-Spule, und eine elektrisch isolierende Abdeckschicht 213c, die aus einem elektrischen, dielektrischen Material, wie beispielsweise Magnesiumoxid (MgO), gebildet ist, schützt den Wärmeerzeugungsdraht 213a. Eine isolierende Abdeckschicht 213b der Heizeinheit 213 verhindert eine Deformation oder charakteristische Änderungen in dem Wärmeerzeugungsdraht 213a, die leicht über die Zeit auftreten oder durch Temperatur-Variationen in einem Arbeitsfluid 214 verursacht werden, was später beschrieben wird. Eine äußere Schicht 213b, hergestellt aus einem relativ inerten Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, bildet eine Schutzschicht um die isolierende Schicht 213c herum. Beide Enden der Heizeinheit 213a sind nicht durch die Abdeckschicht 213b abgedeckt, um elektrische Kontakte 215 an beiden Enden der Fuserrolle 212 zu bilden. Jedes Ende der Abdeckschicht 213b ist durch eine Versiegelung 213d abgeschlossen, um zu verhindern, dass die dielektrische Schicht 213c, gebildet aus MgO, Luft ausgesetzt wird. Vorzugsweise ist die Dichtung 213d aus einer Zirkondioxid-(ZrO₂)-Keramik gebildet, um eine Wärmebeständigkeit, eine Korrosionsbeständigkeit und eine Haltbarkeit zu verbessern. Vorzugsweise beträgt der Widerstand der Heizeinheit 213 25–40 Ω in Bezug auf 220 V Wechselstrom und 5–20 Ω in Bezug auf 110 V Wechselstrom.
Wie in den 6B, 6C und 6D dargestellt ist, beträgt der Abstand zwischen diametral gegenüberliegenden Innenwänden der inneren, zylindrischen Fläche 246 der Fuserrolle 214 d₁, während die äußere, zylindrische Oberfläche der mehreren Windungen der Heizeinheit 213 einen Durchmesser von d₂ besitzt. Wie durch 6B dargestellt ist, ist die Heizeinheit 213 spiralförmig in mehreren Windungen einer Schraubenlinie um im Wesentlichen die gesamte, axiale Länge der zylindrischen Außenfläche des Wärmerohrs 262 herumgewickelt. Der durchschnittliche, äußere zylindrische Durchmesser der mehreren Windungen der Heizeinheit 213 beträgt d₂, was leicht größer als d₁ ist. Wie in 6C dargestellt ist, werden gegenüberliegende, axial gerichtete Kräfte F an Elektroden 215 an axial gegenüberliegenden Enden der Spule 213 aufgebracht, um den Durchmesser der Spule 213 auf einen Wert zu verringern, der geringer als d₁ ist, während das Wärmerohr 262 zusammen mit der Heizeinheit 213 koaxial in den Innenhohlraum 242 der Fuserrolle 212 eingesetzt wird. Wie in 6D dargestellt ist, stehen, unter Wegnehmen der Kraft F, die äußeren Oberflächen jeder Schleife der Spule 213 in direktem, physikalischem und thermischem Kontakt mit der Außenumfangsfläche 246 der Fuserrolle 212; dadurch ermöglicht das Wegnehmen der Kraft F der Spule 213, dass sie den äußeren, zylindrischen Durchmesser d₁, gleich zu dem Innendurchmesser der Fuserrolle 212, annimmt. Die Teilungen x₁, x₂ zwischen benachbarten Schleifen der Spule 213 sind nicht notwendigerweise gleich. Dasjenige, was allerdings wichtig ist, ist das, dass das meiste der oder die gesamte äußere Oberfläche jeder Schleife der Spule 213 in direktem, physikalischem und thermischem Kontakt mit der zylindrischen Innenfläche 246 der Fuserrolle 212 liegt.
Dann wird, wie durch den Übergang zwischen der 6C und der 6D dargestellt ist, wenn einmal der Wärmegenerator 260 innerhalb des inneren Hohlraums 242 der Fuserrolle 212 installiert ist, Luftdruck an die Innenseite des Wärmerohrs 262 angelegt, um die zylindrische Wand des Wärmerohrs 262 radial nach außen zu expandieren, bis die inneren Oberflächen der Heizeinheit 213 im Wesentlichen in direktem, physikalischem Kontakt mit der zylindrischen, äußeren Oberfläche des Wärmerohrs 262 und gleichzeitig in direktem, physikalischem und thermischem Kontakt mit der inneren, zylindrischen Fläche 246 der Fuserrolle stehen. Der Innenhohlraum des Wärmerohrs 262 wird dann mit einer vorbestimmten Menge eines Arbeitsfluids 214 gefüllt und das Wärmerohr 262 wird hermetisch unter einem vorbestimmten Druck abgedichtet.
Das Arbeitsfluid 214 ist in einem abgedichteten, inneren Raum des Wärmerohrs 262 enthalten, wobei um die zylindrische Außenseite davon der Wärmegenerator installiert ist. Das Arbeitsfluid 214 ist in einer Menge von 5–50 Vol.-%, und vorzugsweise von 5–15 Vol.-%, basierend auf dem Innenvolumen 268 des Wärmerohrs 262 enthalten. Das Arbeitsfluid 214 verhindert lokale Abweichungen der Oberflächentemperatur der sich drehenden Fuserrolle 212, was ansonsten aufgrund des Vorhandenseins der Heizeinheit 213 auftreten könnte, und zwar basierend auf den Prinzipien eines Wärmerohrs, und dient als ein thermisches Medium, geeignet zum gleichförmigen Erwärmen des gesamten, zylindrischen Volumens des Wärmerohrs 262, und gleichzeitig der Fuserrolle 212 innerhalb einer kürzeren Zeitperiode, als dies derzeit mit herkömmlichen Vorrichtungen möglich ist. Falls die Menge des Arbeitsfluids 214 geringer als ungefähr 5 Vol.-% basierend auf dem Volumen der Fuserrolle 212 ist, tritt ein Austrocknungs-Phänomen leicht auf, bei dem das Arbeitsfluid nicht vollständig verdampft wird, und eine Verflüssigung unmittelbar nach einer Verdampfung sollte ansonsten aufgetreten sein.
Das Wärmerohr 262 kann aus rostfreiem Stahl (wie beispielsweise Allegheny Ludlum Stainless Steel Chromium-Nickel 304SS), oder Kupfer (Cu), hergestellt werden. Falls das Wärmerohr 262 aus rostfreiem Stahl gebildet ist, können die meisten bekannten Arbeitsfluide, mit Ausnahme von Wasser (destilliertem Wasser), verwendet werden. Fluorinert (TM) Electronic Liquid FC-40 (erhältlich von 3M Corporation) ist die bevorzugteste Alternative zu Wasser als Arbeitsfluid 214 und wird hier als FC-40 bezeichnet. Dabei können, falls das Wärmerohr 262 aus Kupfer gebildet ist, nahezu alle bekannten Arbeitsfluide verwendet werden. Wasser (z.B. destilliertes Wasser) ist das bevorzugteste Arbeitsfluid für das Wärmerohr 262, hergestellt aus Kupfer.
Wie 7 zeigt, sind Endkappen 264 mit beiden axial gegenüberliegenden Enden des Wärmerohrs 262 verbunden, um den inneren, zylindrischen Hohlraum des Wärmerohrs 262 abzudichten und dadurch einen vakuumdicht abgedichteten Innenraum 268 zu bilden. Die axial gegenüberliegenden Anschlussenden der Spule 213 bilden Elektroden 215, die sich axial über das Wärmerohr 262 hinaus erstrecken, um betriebsmäßig in elektrische Kontakte, wie beispielsweise Gleitringe (nicht dargestellt), einzugreifen, die wiederum einen elektrischen Strom durch die Spule 213 führen. Nicht leitende Buchsen und Zahnradverbindungskappen können auch an der äußeren, zylindrischen Oberfläche der Fuserrollen befestigt werden. Die Elektroden 215 sind elektrisch mit elektrisch leitenden Enddrähten der Heizspule 213 des Wärmegenerators 260 verbunden. Obwohl die elektrische Verbindung, die die Struktur der Heizspule 213 und der Elektroden 215 mit einer Quelle einer elektrischen Energie verbindet, nicht in größerem Detail dargestellt ist, kann diese Struktur einfach ausgeführt werden.
Während einer betriebsmäßigen Benutzung wird die Fuserrollenanordnung 210, die die Struktur besitzt, wie sie vorstehend beschrieben ist, durch eine gesonderte Dreheinheit gedreht. Für diesen Zweck können zusätzliche Teile installiert werden. Zum Beispiel ist eine Zahnradverbindungskappe ein zusätzliches Teil, um mit einem sich drehenden Stirnrad verbunden zu werden, das dazu erforderlich ist, die Fuserrollenanordnung 210 zu drehen.
In einer Fixiereinheit 200 der elektrofotografischen Bilderzeugungsvorrichtung, aufgebaut gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, erzeugt, wenn ein elektrischer Strom in die Heizspule 213 über die Elektroden 215 fließt, d.h. von einer elektrischen Energieversorgung aus, die Heizspule 213 Wärme aufgrund eines Widerstands beheizens, wenn der elektrische Strom durch die spiralförmige Spule 213 des Wärmegenerators 260 fließt, und die Fuserrolle 212 wird von der Innenseite aus durch die sich ergebende Wärme erwärmt. Gleichzeitig wird das Arbeitsfluid 214, das in dem Wärmerohr 262 enthalten ist, durch die Wärme verdampft. Die Wärme, erzeugt durch die spiralförmige Spule 213, wird auf die zylindrische Wand der Fuserrolle 212 übertragen, und gleichzeitig wird der Körper der Fuserrolle 212 gleichförmig durch das verdampfte Arbeitsfluid erwärmt. Als eine Folge erreicht die Oberflächentemperatur der Fuserrolle 212 eine Soll-Aufschmelztemperatur innerhalb einer wesentlich kürzeren Zeitperiode.
Ein Docht 244, hergestellt aus einer perforierten Schicht oder einem Sieb aus Metall, hergestellt aus Kupfer oder rostfreiem Stahl, ist in einer zylindrischen Form gebildet, um als eine Kapillare zu dienen; der Docht 244 kann entlang der inneren Umfangsfläche 266 des Wärmerohrs 262 platziert werden. Geeignete Materialien für das Wärmerohr 262 sind in der Tabelle 2 aufgelistet. FC-40 oder Wasser (destilliertes Wasser), das zuvor beschrieben ist, oder die Materialien, die in Tabelle 3 aufgelistet sind, können als das Arbeitsfluid 214 verwendet werden. Wenn Wasser (destilliertes Wasser) als Arbeitsfluid 214 ausgewählt wird, kann die Fuserrollenanordnung unter niedrigen Kosten ohne Umweltprobleme ausgeführt werden. Wenn die Temperatur der Fuserrolle 212 eine Soll-Aufschmelztemperatur erreicht, bei der das Tonerbild aufgeschmolzen wird, wird das Tonerbild auf das bedruckbare Papier übertragen (permanent daran aufgebracht). Wenn das bedruckbare Papier, auf das das Tonerbild übertragen worden ist, die Wärme von der Fuserrolle 212 absorbiert, geht das verdampfte Arbeitsfluid zurück in seine flüssige Phase innerhalb des Hohlraums 268 des Wärmerohrs 262 über. Das verflüssigte Arbeitsfluid kann darauf folgend erneut durch den Wärmegenerator 260 erwärmt werden, um zu verdampfen, so dass die Temperatur der Fuserrolle 212 bei einer vorbestimmten Temperatur beibehalten werden kann.
Falls die Aufschmelztemperatur des Toners in dem Bereich von 160–180°C liegt, kann die Fuserrollenanordnung, aufgebaut gemäß der vorliegenden Erfindung, die Solltemperatur innerhalb von ungefähr zehn Sekunden erreichen. Dann wird die Oberflächentemperatur der Fuserrolle 212 durch intermittierendes Anlegen eines elektrischen Stroms an die Heizeinheit 213 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs durch den Thermistor 230 in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur der Fuserrolle 212, erfasst durch den Thermistor 230, beibehalten. Falls der Thermistor 230 und eine Steu ereinheit ausfallen, geeignet die Oberflächentemperatur zu steuern bzw. zu regeln, so dass die Oberflächentemperatur der Fuserrolle 212 plötzlich ansteigt, erfasst ein Thermostat 240, angeordnet in enger, betriebsmäßiger Nähe zu der zylindrischen Oberfläche der Fuserrolle 212, die Oberflächentemperatur der Fuserrolle 212 und unterbricht die Zufuhr von elektrischem Strom zu der Spule 213, um eine Überhitzung zu verhindern. Der Energiezufuhrvorgang kann in Abhängigkeit von der Solltemperatur variiert werden. Es wird ersichtlich werden, dass der Energiezufuhrvorgang durch solche Steuer- bzw. Regeltechniken, wie beispielsweise periodisches ein/ausschalten oder ein Taktzyklus-Verhältnis, gesteuert bzw. geregelt werden.
Eine Fuserrollenanordnung, die den Aufbau besitzt, der in den vorstehenden Absätzen beschrieben ist, kann durch die Schritte hergestellt werden:

(a) Präparieren eines Metallrohrs als ein Material für die Fuserrolle;
(b) Präparieren eines Metallrohrs als die Struktur für ein Wärmerohr;
(c) Reinigen der freiliegenden Oberflächen des Metallrohrs und der Metallröhre durch Waschen des Metallrohrs und der Metallröhre mit destilliertem Wasser oder einer flüchtigen Flüssigkeit;
(d) Reinigen der freiliegenden Oberflächen einer spiralförmigen Widerstandsheizspule durch Waschen der spiralförmigen Widerstandsheizspule mit destilliertem Wasser oder einer flüchtigen Flüssigkeit;
(e) Wickeln der spiralförmigen Widerstandsheizspule als eine spiralförmige Wicklung mit einem Außendurchmesser, der gleich zu oder geringfügig größer als der Innendurchmesser des Metallrohrs ist, in ein ringförmiges, äußeres, zylindrisches Volumen des Wärmerohrs;
(f) Optional Einsetzen eines Dochts, gebildet als ein Zylinder, um die innere, zylindrische Fläche des Wärmerohrs auszukleiden;
(g) Abdichten gegenüberliegender Basisenden des Wärmerohrs mit Endkappen, so dass ein Einlass für ein Arbeitsfluid verbleibt, während beide Endleitungen der Widerstandsheizwicklung, spiralförmig gewickelt um das Wärmerohr, als elektrische Leitungen dienen;
(h) Einsetzen des Wärmerohrs, das die spiralförmig gewickelte Heizspule trägt, koaxial in den Innenraum des Metallrohrs;
(i) Befüllen des abgedichteten Wärmerohrs mit einem inerten Gas unter hohem Druck, um schnell den zylindrischen Mantel des Wärmerohrs zu erweitern, bis entweder die Wicklungen der Heizspule einen direkten, physikalischen und thermischen Kontakt gleichzeitig mit sowohl der inneren, zylindrischen Oberfläche der Fuserrolle als auch der äußeren, zylindrischen Oberfläche des Wärmerohrs vornehmen, oder, alternativ, die Trennung über den radialen Luftzwischenraum zwischen der äußeren, zylindrischen Oberfläche des Wärmerohrs und der inneren, zylindrischen Oberfläche der Fuserrolle minimiert wird;
(j) Einfüllen von Fremdgasen von dem Innenvolumen des Wärmerohrs durch Evakuieren, Heizen und Kühlen des Wärmerohrs, um Gase von dem Innenvolumen des Rohrs abzulassen, um ein Vakuum innerhalb des Innenvolumens zu erzeugen;
(k) Einfüllen mit 5–50 Vol.-% eines Arbeitsfluids (wie beispielsweise entweder FC-40 oder destilliertes Wasser) durch einen Einlass für Arbeitsfluid in den Innenhohlraum des Wärmerohrs;
(l) Abdichten des Einlasses für das Arbeitsfluid des Wärmerohrs;
(m) Sprühbeschichtung der Oberfläche des Metallrohrs mit Teflon, und Trocknen und Polieren des Metallrohrs, um eine Schutzbeschichtung auf der Fuserrolle zu bilden;
(n) Einsetzen einer nicht leitenden Buchse als ein Lager in ein Ende der Fuserrolle; und
(o) Befestigen einer Zahnradbefestigungskappe, hergestellt aus Metall, wärmebeständigem Kunststoff oder Epoxidharz an einem Ende der Fuserrollenanordnung.

Während der Herstellung der Fuserrollenanordnung wird, wenn das metallische Rohr mit Endkappen 264 an axial gegenüberliegenden Basisenden nach dem Einsetzen eines Dochts 214, falls ein Docht verwendet werden soll, verschweißt ist, Argongas in den Innenhohlraum 268 des Metallrohrs über den Arbeitsfluid-Einlass für den Zweck einer Verhinderung einer Oxidation des Wärmerohrs eingefüllt. Vor einem Einfüllen des Arbeitsfluids in das Wärmerohr werden Fremdgase von dem Innenvolumen 268 herausgespült und das Innenvolumen wird evakuiert und wird wiederholt unter einem Vakuum erwärmt und gekühlt, um so alle Gase aus dem Innenvolumen des Wärmerohrs abzulassen, um dadurch im Wesentlichen alle Fremdsubstanzen, die an der Innenwand des Wärmerohrs anhaften, zu entfernen. Zum Beispiel wird, in einem Verfahren zum Entlee ren des Innenhohlraums 268, das Wärmerohr auf eine Temperatur von 250°C mit einem Innendruck von vierzig (40) Atmosphären erwärmt. Bei Zimmertemperatur sollte der Innenhohlraum 268 einen perfekten Druck haben, das bedeutet es sollten keine Moleküle innerhalb des Hohlraums 268 vorhanden sein.
Die 8 und 9 stellen den thermischen Betriebs-Modus der Ausführungsform, dargestellt in 7, dar. Die einzelnen Windungen der Heizeinheit 213 beheizen entweder direkt die Wärme-Fuserrolle 212 oder das Wärmerohr 262 durch thermische Leitung, wie dies durch Pfeile K angezeigt ist, oder beheizen indirekt den Luftraum, dargestellt durch einen Spalt A, zwischen benachbarten Windungen der Heizeinheit 213, wie dies durch Pfeile L angezeigt ist. In Abhängigkeit von der radialen Anordnung der einzelnen Windungen der Heizeinheit 213 beheizen diese Windungen auch indirekt entweder das Arbeitsfluid 214 oder die Fuserrolle 212 durch Strahlungswärme, wie dies durch Pfeile M angezeigt ist. Eine Temperatur T₁, T₃, genommen in einer radialen Ausrichtung zu zwei benachbarten Windungen der Heizeinheit 213, liefert eine im Wesentlichen identische Anstiegszeit und ein Temperaturprofil, wie dies durch 9 dargestellt ist, über sowohl die Übergangszeit t₁ als auch die Übergangszeit t₂. Die Temperatur T₂, gemessen innerhalb des Zwischenraums A zwischen diesen benachbarten Windungen der Heizeinheit 213, erfolgt zu Anfang der Temperatur T₁, T₃, allerdings verzögern sich danach diese Temperaturen mit einer geringeren Temperaturmessung, über die Übergangstemperatur Anstiegszeit t₁. Darauf folgend sind, während der Ruheperiode t₂, alle drei Temperaturen im Wesentlichen identisch.
Wie die 10 bis 13 zeigen, kann ein Zwischenbereich, oder ein Abstandsteil 213', zwischen dem Wärmerohr 262 und der Fuserrolle 212 zum Übertragen von Wärme von der Heizeinheit 213 und dem Wärmerohr 262 auf die Fuserrolle 212, in einem Spalt A zwischen benachbarten Spiralen einer Widerstandsheizeinheit 213, eingesetzt werden. Vorzugsweise ist die Höhe t_1* des Abstandsteils 213' gleich zu der Höhe t_2* der Heizeinheit 213 oder größer, um einen Raum E so groß wie die Differenz zwischen der Höhe t₁ von 213' und der Höhe t₂ der Heizeinheit 213 zu bilden. Der Raum E enthält Luft, so dass Wärme, erzeugt durch die Heizeinheit 213, auf die Fuserrolle 212 als Strahlungswärme über die Luft übertragen wird.
Durch Verwendung des Abstandsteils 213', das den Spalt A füllt, und Übertragen von Wärme von einer Heizspule und dem Wärmerohr 262 auf die Fuserrolle 212, kann eine Wärmeleitung wesentlich mit dem Aufbau, der durch die 10, 11 und 12 dargestellt ist, verglichen mit einem Aufbau, der nur eine Heizspule für eine Wärmeübertragung verwendet, erhöht werden, und die Temperatur der gesamten Fuserrolle 212 wird gleichförmig auf eine Solltemperatur erhöht. Dementsprechend ist es bevorzugt, ein Material zu verwenden, das eine ausgezeichnete Wärmeleitung besitzt, insbesondere mit einer Gruppe 10 an Material, wie beispielsweise Aluminium (Al), verwendet dazu, das Abstandsteil 213' zu bilden.
Das Wärmerohr 262 besitzt eine genau zylindrische Rohrform und ist hermetisch an seinen beiden Enden abgedichtet. Eine vorbestimmte Menge des Arbeitsfluids 214 ist in dem Innenhohlraum 268 des Wärmerohrs 262 enthalten. Vorzugsweise ist eine netzähnliche Dochtstruktur 244 an der Innenseite des Wärmerohrs 262 vorgesehen, so dass Wärme von der Heizeinheit 213 gleichförmig über den Innenraum des Wärmerohrs 262 innerhalb einer kurzen Zeit übertragen werden kann. Es ist ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen für eine gleichförmige Wärmeübertragung über das Wärmerohr 262 hinweg vorgenommen werden können.
Das Arbeitsfluid 214 wird aufgrund von Wärme, erzeugt und übertragen von der Heizeinheit 213, verdampft, und überträgt Wärme auf die Fuserrolle 212, um dadurch als ein thermisches Medium zu arbeiten, das eine wesentliche Differenz in der Oberflächentemperatur über die axiale Länge der Fuserrolle 212 verhindert, und die gesamte Fuserrolle 212 innerhalb einer sehr kurzen Zeit erwärmt. Für diese Arbeitsweise besitzt das Arbeitsfluid 214 eine Volumenrate von 5–50%, vorzugsweise von 5–15%, in Bezug auf das Volumen des inneren Hohlraums 268. Wenn die Volumenrate des Arbeitsfluids 214 nicht größer als ungefähr 5% ist, ist eine Wahrscheinlichkeit des Austrocknungs-Phänomens sehr hoch. Dementsprechend ist es bevorzugt, einen Aufbau zu vermeiden, der Arbeitsfluid 214 verwendet, das nicht größer als 5% der volumenmäßigen Kapazität des Hohlraums 268 ist.
Das Arbeitsfluid 214 wird entsprechend dem Material des Wärmerohrs 262 ausgewählt. Mit anderen Worten ist es, wenn das Wärmerohr 262 aus rostfreiem Stahl gebildet wird, nicht bevorzugt, Wasser zu verwenden, das bedeutet destilliertes Wasser, als das Arbeitsfluid 214. Mit Ausnahme von destilliertem Wasser können die meisten Arbeitsfluide, die bis heute bekannt sind, verwendet werden. Es ist am bevorzugtesten, FC-40, hergestellt durch die 3M Corporation, zu verwenden.
Die 12 und 13 stellen den thermischen Betriebs-Modus der Ausführungsform, dargestellt durch 10, dar. Wie durch Pfeile K angezeigt ist, können benachbarte Windungen der Heizeinheit 213, in Abhängigkeit von deren radialer Anordnung, entweder die Fuserrolle 212 oder das Wärmerohr 262 und das Arbeitsfluid 214 durch direkte, thermische Leitungen erwärmen. Die benachbarten Windungen können, aufgrund deren unmittelbarer Nähe zu einem dazwischen gefügten Abstandsteil 213', auch direkt das Abstandsteil 213' beheizen, wie dies durch Pfeile L angezeigt ist. Das Abstandsteil 213' kann auch direkt die Fuserrolle 212 durch thermische Leitung erwärmen. Diese Windungen der Heizeinheit 213 erwärmen auch, und wiederum abhängig von deren radialer Anordnung, indirekt die Fuserrolle 212 und das Arbeitsfluid 214, wie dies durch Pfeile M angezeigt ist. Messungen der Temperaturen T₄, T₅ an den Oberflächen der Teflon-Beschichtung 211 auf der Fuserrolle 212, in einer radialen Ausrichtung jeweils zu einer Windung der Heizeinheit 213 und des Abstandsteils 213' zwischen zwei benachbarten Windungen der Heizeinheit 213, sind identisch sowohl während einer Übergangs- als auch einer Ruhezeitperiode, wie dies durch 13 dargestellt ist. Demzufolge liefern die Abstandsteile nahezu identische, allerdings mit Sicherheit eine gleichförmige, äußere Temperatur der Fuserrolle entlang deren gesamter, axialer Länge. Es sollte angemerkt werden, dass der Durchmesser jeder Windung der Heizeinheit 213 ungefähr gleich sein sollte; er wird allerdings wahrscheinlich etwas geringer im Wert als die radiale Querschnitts-Dimension des Zwischenabstandsteils 213' sein.
Das Abstandsteil 213' kann aus einem Typ 10 eines Aluminiums hergestellt werden, während die Fuserrolle 212 aus einem Typ 60 eines Aluminiums hergestellt ist. Aluminium vom Typ 10 ist einfacher deformierbar, wodurch demzufolge das Abstandsteil 213' flexibler ist. Falls das Wärmerohr 262 aus entweder Kupfer oder Aluminium hergestellt ist, wird, wenn mit einem hohen Luftdruck aufgeblasen wird, die zylindrische Hülle des Wärmerohrs 262 verzerrt werden und das Abstandsteil 213' wird bis zu dem Punkt deformiert werden, dass sowohl die radial innere als auch die radial äußere Oberfläche des Abstandsteils 213' aus Aluminium der Serie 10 einen direkten, physikalischen thermischen Kontakt gleichzeitig mit sowohl dem äußeren Durchmesser des Wärmerohrs 262 als auch dem Innendurchmesser der Fuserrolle 212 aus Aluminium vom Typ 60 vornehmen wird; die Fuserrolle aus Aluminium vom Typ 60 wird allerdings nicht deformiert werden. Die Härte des Aluminiums vom Typ 50 ist größer als diejenige des Aluminiums der Serie vom Typ 60, und die Härte des Aluminiums der Serie sowohl vom Typ 50 als auch vom Typ 60 ist größer als die Härte des Aluminiums vom Typ 10. Die Wärmeübertragungs-Charakteristika des Aluminiums der Serie vom Typ 50, vom Typ 60 und vom Typ 10 sind im Wesentlichen gleich, und die elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums der Serien vom Typ 50, vom Typ 60 und vom Typ 10 sind im Wesentlichen identisch.
Eine Fuserrollenanordnung, die den Aufbau für die zweite Ausführungsform, die in den vorstehenden Absätzen beschrieben ist, besitzt, kann durch die Schritte hergestellt werden:

(a) Präparieren eines Metallrohrs als ein Material für die Fuserrolle;
(b) Präparieren eines Metallrohrs als die Struktur für ein Wärmerohr;
(c) Reinigen der freiliegenden Oberflächen des Metallrohrs und der Metallröhre durch Waschen des Metallrohrs und der Metallröhre mit destilliertem Wasser oder einer flüchtigen Flüssigkeit;
(d) Reinigen der freiliegenden Oberflächen einer spiralförmigen Widerstandsheizspule durch Waschen der spiralförmigen Widerstandsheizspule mit destilliertem Wasser oder einer flüchtigen Flüssigkeit;
(e) Optional Einsetzen eines Dochts, gebildet als ein Zylinder, um die innere, zylindrische Oberfläche des Wärmerohrs auszukleiden;
(f) Wickeln der spiralförmigen Widerstandsheizspule als eine spiralförmige Wicklung mit einem Außendurchmesser, der gleich zu oder geringfügig größer als der Innendurchmesser des Metallrohrs ist, in ein ringförmiges, äußeres, zylindrisches Volumen des Wärmerohrs hinein mit einem kontinuierlichen Abstandsteil aus einem thermisch leitenden Material (wie beispielsweise Aluminium vom Typ 10), das einzelne Windungen der spiralförmigen Heizwicklung trennt, zwischengefügt zwischen der äußeren, zylindrischen Oberfläche des Wärmerohrs und der inneren, zylindrischen Oberfläche der Fuserrolle;
(g) Abdichten gegenüberliegender Basisenden des Wärmerohrs mit Endkappen, so dass ein Einlass für ein Arbeitsfluid verbleibt, während beide Endleitungen der Widerstandsheizwicklung, spiralförmig gewickelt um das Wärmerohr, als elektrische Leitungen dienen;
(h) Einsetzen des Wärmerohrs, das die spiralförmig gewickelte Heizspule trägt, koaxial in den Innenraum des Metallrohrs;
(i) Befüllen des abgedichteten Wärmerohrs mit einem inerten Gas unter hohem Druck, um schnell den zylindrischen Mantel des Wärmerohrs zu erweitern, bis die Wicklungen des Abstandsteils einen direkten, physikalischen und thermischen Kontakt gleichzeitig mit sowohl der inneren, zylindrischen Oberfläche der Fuserrolle als auch der äußeren, zylindrischen Oberfläche des Wärmerohrs vornehmen;
(j) Einfüllen von Fremdgasen von dem Innenvolumen des Wärmerohrs durch Evakuieren, Heizen und Kühlen des Wärmerohrs, um Gase von dem Innenvolumen des Rohrs abzulassen, um ein Vakuum innerhalb des Innenvolumens zu erzeugen;
(k) Einfüllen mit 5–50 Vol.-% eines Arbeitsfluids (wie beispielsweise entweder FC-40 oder destilliertes Wasser) durch einen Einlass für Arbeitsfluid in den Innenhohlraum des Wärmerohrs;
(l) Abdichten des Einlasses für das Arbeitsfluid des Wärmerohrs;
(m) Sprühbeschichtung der Oberfläche des Metallrohrs mit Teflon, und Trocknen und Polieren des Metallrohrs, um eine Schutzbeschichtung auf der Fuserrolle zu bilden;
(n) Einsetzen einer nicht leitenden Buchse als ein Lager in ein Ende der Fuserrolle; und
(o) Befestigen einer Zahnradbefestigungskappe, hergestellt aus Metall, wärmebeständigem Kunststoff oder Epoxidharz an einem Ende der Fuserrollenanordnung.

Für ein leichteres Verständnis der Arbeitsweise der Fuserrollenanordnung der vorliegenden Erfindung wird das Wärmerohr, das der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist, beschrieben. Der Ausdruck "Wärmerohr^„ bezieht sich auf eine Wärmeübertragungsvorrichtung, die Wärme von einem hoch-wärmedichten Zustand zu einem niedrigwärmedichten Zustand unter Verwendung der latenten Wärme überführt, die für die Phasenänderung des Arbeitsfluids von seiner flüssigen Phase zu seiner gasförmigen Phase erforderlich ist. Da das Wärmerohr die Phasenänderungs-Eigenschaft des Arbeitsfluids verwendet, ist sein Wärmeleitungskoeffizient höher als derjenige irgendeines bekannten Metalls. Der thermische Wärmeleitungskoeffizient eines Wärmerohrs, das bei Zimmertemperatur arbeitet, ist ein paar hundert Mal größer als diejenige von entweder Silber oder Kupfer, mit einem Wärmeleitungskoeffizient, k, von 400 W/mk.
14 zeigt eine grafische Darstellung, die die Phasenänderung eines Arbeitsfluids als eine Funktion eines Temperaturanstiegs und der Arbeitsperiode des Wär merohrs darstellt. Tabelle 1 stellt die effektive Wärmeleitfähigkeit des Wärmerohrs und anderer Wärmeübertragungsmaterialien dar. Tabelle 1
4,18 KJ an Energie sind erforderlich, um die Temperatur von 1 kg an Wasser von 25°C auf 26°C anzuheben. Wenn sich die Phase des Wassers von flüssig zu dampfförmig ohne eine Temperatur-Änderung ändert, sind 2,442 KJ an Energie erforderlich. Das Wärmerohr überträgt ungefähr 584 mal mehr latente Wärme über die Flüssig-Dampf-Phasen-Änderung. Für ein Wärmerohr, das bei Zimmertemperatur arbeitet, ist der Wärmeleitfähigkeits-Koeffizient ein paar hundert Mal größer als derjenige entweder von Silber oder Kupfer, die als ausgezeichnete, thermische Leiter bekannt sind. Die thermische Leitfähigkeit eines Wärmerohrs, das ein flüssiges Metall als ein Arbeitsfluid verwendet, arbeitet bei einer hohen Temperatur, die bis zu 10⁸ W/mK beträgt.
15 stellt den inneren Aufbau eines Wärmerohrs dar, das einen Docht einsetzt, um eine kapillare Struktur innerhalb des Innenraums des Wärmerohrs zu erzielen, und stellt seinen Wärmeübertragungsvorgang entsprechend den Änderungen der Flüssigkeit-zu-Dampf- und der Dampf-zu-Flüssigkeit-Phase dar. Die Widerstandsheizspule (nicht gesondert in 15 dargestellt) und der Docht sind in einer zylindrischen Form angeordnet, und sind jeweils direkt gegen die äußere, zylindrische Oberfläche und direkt gegen die innere, umfangsmäßige Oberfläche des Wärmerohrs befestigt. Tabelle 2 stellt die empfohlenen und nicht empfohlenen Materialien für das Wärmerohr für eine Vielzahl von Arbeitsfluiden dar. Tabelle 2
Tabelle 3 stellt eine Vielzahl von geeigneten Arbeitsfluiden für unterschiedliche Arbeitstemperaturbereiche dar. Tabelle 3
Man hat herausgefunden, dass verschiedene Dinge beim Auswählen eines Arbeitsfluids zu berücksichtigen sind:

1) Kompatibilität mit dem Material des Wärmerohrs, das verwendet wird;
2) ein Arbeitsfluid, das eine geeignete Arbeitstemperatur innerhalb des Wärmerohrs besitzt; und
3) thermische Leitfähigkeit des Arbeitsfluids.

Wenn eine Fuserrolle vom Typ eines Wärmerohrs aus rostfreiem Stahl (SUS) oder Kupfer (Cu) gebildet wird, sind geeignete Arbeitsfluide im Hinblick auf die Kompatibilität mit dem Material des Wärmerohrs und der Arbeitstemperatur begrenzt. FC-40 besitzt eine Atmosphäre oder einen geringen Sättigungsdruck bei einer Arbeitstemperatur von 165°C und wird dahingehend angesehen, dass es ein relativ geeignetes Material ist.
FC-40 ist dahin bekannt, dass es nicht toxisch ist, nicht entzündbar ist und mit den meisten Metallen kompatibel ist. FC-40 besitzt auch ein Null-Ozon-Verarmungs-Potenzial. Dementsprechend werden die Thermodynamiken von FC-40 als ein Arbeitsfluid, die Beziehung zwischen der Sättigungstemperatur und dem Druck, durch Formel (1) ausgedrückt:
wobei A = 8,2594, und B = 2310, und die Temperatur T ist in Grad Celsius gemessen.
16 zeigt eine grafische Darstellung, die die Variationen des Sättigungsdrucks in Bezug auf die Sättigungstemperatur für FC-40 und Wasser als ein Arbeitsfluid darstellt. Tabelle 4 stellt die Sättigungsdrücke von FC-40 bei bestimmten Sättigungstemperaturen, erhalten von 14, dar. Tabelle 4
In Hinblick auf einen sicheren Betrieb des Wärmerohrs werden geeignete Materialien für das Wärmerohr und die Dicke seiner Endkappe entsprechend dem Code der American Society of Mechanical Engineers (d.h. ASME) bestimmt, was ein Sicherheitsmessstandard für Druckbehälter ist. Zum Beispiel werden, falls die Dicke eines zylindrischen Wärmerohrs innerhalb von 10% seines Durchmessers liegt, maximale Spannungen, aufgebracht auf die Wand (σ_max(1)) und die halbsphärische Endkappe (σ_max(2)) des Wärmerohrs, ausgedrückt als:
wobei ΔP die Differenz im Druck zwischen der Innenseite und der Außenseite des Wärmerohrs ist, d₀ der Außendurchmesser des Wärmerohrs ist, t₁ die Dicke des Wärmerohrs ist und t₂ die Dicke der Endkappe ist.
Gemäß dem ASME-Code ist die maximale, zulässige Spannung bei einer beliebigen Temperatur gleich zu 0,25-mal der maximalen Endzugfestigkeit bei dieser Temperatur. Falls der Dampfdruck eines Arbeitsfluids in dem Bereich des Wärmerohrs arbeitet, ist die Temperatur gleich zu dem Sättigungsdampfdruck des Arbeitsfluids, wobei die Differenz im Druck (ΔP) gleich zu der Differenz zwischen dem Dampfdruck und Atmosphärendruck ist.
17 zeigt eine grafische Darstellung der Endzugfestigkeitsvariationen für eine Vielzahl von Materialien für das Wärmerohr als eine Funktion der Temperaturvariationen für drei unterschiedliche Aufbauten der Fuserrollen, hergestellt aus Wärmerohren aus Aluminium (Al), Kupfer (Cu) und 304 rostfreiem Stahl (SS304), genommen über einen Temperaturbereich, der sich zwischen ungefähr 0°C und ungefähr 500°C erstreckt. 18A zeigt eine grafische Darstellung, die die maximal zulässige Spannung und Variationen der maximalen Spannung darstellt, die auf die Wand des Wärmerohrs einwirken, in Bezug auf Temperaturvariationen, wenn FC-40 als ein Arbeitsfluid für Wärmerohre verwendet wird, die aus Aluminium, Kupfer und 304 rostfreiem Stahl hergestellt sind. 18B zeigt eine grafische Darstellung von Variationen der maximalen Spannung, die auf eine Wand aus Kupfer eines Wärmerohrs einwirken, in Bezug auf Temperaturvariationen, wenn destilliertes Wasser als ein Arbeitsfluid verwendet wird, und zwar über einen Temperaturbereich, der sich zwischen ungefähr 0°C und ungefähr 300°C erstreckt, für Wärmerohre, die aus Aluminium, Kupfer und 304 rostfreiem Stahl aufgebaut sind. Wie in 18A dargestellt ist, ist die maximale, zulässige Spannung des rostfreien Stahls (SS304) viel größer als diejenige von entweder Kupfer oder Aluminium. Ein sicherer Betrieb ohne eine Arbeitsleckage des Fluids wird für ein Wärmerohr und Endkappen, aufgebaut aus rostfreiem Stahl (SS304), bis zu einer Arbeitstemperatur von ungefähr 400°C sichergestellt.
Die 19A und 19B zeigen grafische Darstellungen, die Variationen in der maximalen Spannung darstellen, die auf ein Wärmerohr aus Kupfer einwirken, in Bezug auf Variationen der Dicke des Rohrs, wenn FC-10 und destilliertes Wasser als ein Arbeitsfluid verwendet werden, jeweils über einen Temperaturbereich, der sich von mehr als 150°C bis weniger als 500°C erstreckt. Wie in den 19A und 19B dargestellt ist, ändert sich, obwohl die Dicke des Wärmerohrs von 0,8 mm bis zu 1,5 mm für FC-10, verwendet als ein Arbeitsfluid, und von 1,0 mm bis zu 1,8 mm für destilliertes Wasser, verwendet als ein Arbeitsfluid, jeweils, variieren, die maximale Spannung, die auf das Wärmerohr einwirkt, nicht sehr stark bei einer Arbeitstemperatur größer als ungefähr 165°C, allerdings geringer als 200°C.
Die 20 und 21 zeigen grafische Darstellungen der Temperaturvariationen (über einen Bereich zwischen 0°C und 400°C), gemessen in der Mitte der Fuserrolle in Bezug auf die Zeit (über eine Periode zwischen Null und fünfundsechzig Sekunden), für die erste Ausführungsform der Fuserrollenanordnung, die vorstehend beschrieben ist. Die Fuserrollenanordnung besaß eine Fuserrolle, hergestellt aus Kupfer, und enthielt destilliertes Wasser als ein Arbeitsfluid. Die Fuserrolle besaß eine Dicke von 1,0 mm, einen Außendurchmesser von 17,85 mm und eine Länge von 258 mm. Dieser Test wurde bei einer Umdrehungsrate der Fuserrolle von 47 U/min mit einem Widerstand von 32 Ω der Widerstandsheizspule, einer Spannung von 200 V und einem maximalen Energieverbrauch von ungefähr 1,5 kW durchgeführt. Die spiralförmige Widerstandsheizspule stand in direktem Kontakt mit der inneren, zylindrischen Oberfläche der Fuserrolle.
20 stellt Messungen einer Fuserrollenanordnung dar, die destilliertes Wasser als ein Arbeitsfluid enthielt, das 10% des Innenvolumens der Fuserrolle belegte. 21 stellt Messungen für eine Fuserrollenanordnung dar, die destilliertes Wasser enthielt, das 30% des Volumens der Fuserrolle belegte. Wie 20 zeigt, benötigt dieser Prototyp ungefähr 8 bis 12 Sekunden, um die Temperatur der Fuserrolle von Zimmer temperatur von ungefähr 22°C auf eine Arbeitstemperatur von ungefähr 125°C zu erwärmen, und weniger als 14 Sekunden, um 200°C zu erreichen. Wie 21 zeigt, benötigt es ungefähr 13 Sekunden, um die Temperatur der Fuserrolle von Zimmertemperatur von ungefähr 22°C auf 175°C anzuheben, und nur ungefähr 22 Sekunden, um zu 200°C zu gelangen.
Unter Vergleichen der Ergebnisse der 20 und 21 ist ersichtlich, dass die Rate einer Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von dem Volumenverhältnis des Arbeitsfluids, enthalten in dem abgedichteten Innenraum der Fuserrolle, variiert. Entsprechend den Ergebnissen von Experimenten, die unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt sind, ist die Fuserrolle mit einer Menge an Arbeitsfluid betreibbar, die 5–50% des Innenraums der Fuserrolle belegt. Die Rate einer Temperaturerhöhung ist mit nur 5–15% des Volumens der Fuserrolle, gefüllt mit dem Arbeitsfluid, hoch.
Verglichen mit einer herkömmlichen Bilderzeugungsvorrichtung in Bezug auf die Rate einer Temperaturerhöhung, ist, für eine Bilderzeugungsvorrichtung, die eine der verschiedenen, möglichen Anordnungen für eine Fuserrollenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt, kein Erfordernis für eine kontinuierliche Energieversorgung der Fuserrollenanordnung während des Standby-Zustands vorhanden. Obwohl die Energie dann zugeführt wird, wenn die Bildung eines Bildes beginnt, kann die Fuserrollenanordnung, aufgebaut gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Bild bilden, d.h. kann noch ein Tonerbild aufschmelzen, und zwar unter einer hohen Geschwindigkeit, schneller als eine heutige Anordnung.
Wenn das Volumen des Arbeitsfluids mehr als 50 Vol.-% beträgt, wird die Rate einer Temperaturerhöhung unpraktikabel langsam. Dabei tritt, falls das Volumen des Arbeitsfluids geringer als 5 Vol.-% beträgt, ein Austrocknungsphänomen entweder auf, oder es wird wahrscheinlich, dass es auftritt, und zwar aufgrund der unzureichenden Zufuhr des Arbeitsfluids, so dass die Fuserrolle entweder nicht gut funktioniert oder nicht insgesamt als Wärmerohr funktioniert.
In einer Fuserrollenanordnung, aufgebaut gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, kann elektrische Energie bei einer Spannung von 90–240 Volt und einer Frequenz von 50–70 Hz, ebenso wie bei höheren Frequenzen, angelegt werden.
Wie vorstehend beschrieben ist, umfasst die Fuserrollenanordnung, aufgebaut gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Heizspule und ein Arbeitsfluid in dem Körper der metallischen Fuserrolle, die eine ausgezeichnete Leitfähigkeit besitzt, so dass die Oberfläche der Fuserrolle augenblicklich auf eine Soll-Aufschmelztemperatur erwärmt werden kann, um Tonerbilder zu fixieren, die auf ein Druckpapier übertragen worden sind. Verglichen mit einer herkömmlichen Fuserrollenanordnung vom Typ einer Halogenlampe oder vom Typ mit einer direkten Oberflächenerwärmung, die eine auf Palladium (Pd), Ruthenium (Ru) oder Kohlenstoff (C) basierende Heizeinheit verwendet, kann die Fuserrolle der vorliegenden Erfindung eine Soll-Aufschmelztemperatur innerhalb einer kürzeren Zeitperiode mit einem verringerten Energieverbrauch erreichen, und die Oberflächentemperatur der Fuserrolle kann gleichförmig beibehalten werden. Die Fuserrollenanordnung der vorliegenden Erfindung benötigt weder eine Aufwärm- noch eine Standby-Periode, und demzufolge benötigt irgendeine Bilderzeugungsvorrichtung, wie beispielsweise ein Drucker, eine Kopiermaschine, oder ein Faksimile, ausgestattet mit der Fuserrollenanordnung der vorliegenden Erfindung, keine Energieversorgung zu der Fuserrolle, um für ein Drucken bereit zu sein. Demzufolge wird der gesamte Energieverbrauch der Bilderzeugungsvorrichtung verringert. Zusätzlich basiert die Fuserrollenanordnung der vorliegenden Erfindung auf dem Prinzip eines Wärmerohrs, so dass die Temperaturverteilung in der Längsrichtung der Fuserrolle gleichförmig kontrolliert werden kann, um dadurch optimal die Toneraufschmelz-Charakteristika zu verbessern.
Zusätzlich kann die Fuserrollenanordnung der vorliegenden Erfindung einfach in einem großen Maßstab hergestellt werden und kann eine sichere Betriebsweise sicherstellen. Die Teile der Fuserrollenanordnung sind mit anderen, kommerziell erhältlichen Teilen kompatibel. Die Qualität der Fuserrollenanordnung kann einfach kontrolliert werden. Ein Hochgeschwindigkeitsdrucker kann mit der Fuserrollenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
Die Fuserrollenanordnung und das Verfahren zum Herstellen der Fuserrollenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung führt zu den folgenden Vorteilen.
Erstens kann die Fuserrollenanordnung durch einfache, automatisierte Vorgänge hergestellt werden.
Zweitens sind die Temperaturvariationen in der axialen oder Längsrichtung des Wärmerohrs klein (innerhalb des Bereichs von ±1°).
Drittens kann ein Hochgeschwindigkeitsdrucker einfach mit der Fuserrollenanordnung ausgeführt werden.
Viertens können die Wärmequelle und das Wärmerohr, die die Hauptelemente der Fuserrollenanordnung sind, als getrennte Einheiten gebildet werden, so dass die Fuserrollenanordnung einfach in großem Maßstab hergestellt werden kann und einen sicheren Betrieb garantiert. Die Teile der Fuserrollenanordnung sind mit anderen, kommerziell erhältlichen Teilen kompatibel. Die Qualität der Fuserrollenanordnung kann einfach kontrolliert werden.
Fünftens ist, aufgrund von kontinuierlichen Verdampfungs- und Kondensationszyklen des Arbeitsfluids, enthalten in dem abgedichteten Wärmerohr, obwohl sich der Druck innerhalb des Wärmerohrs bei einer hohen Temperatur (eine Atmosphäre oder geringer bei 165°C für FC-40) erhöht, das Risiko einer Explosion oder einer ernsthaften Deformation sehr niedrig.
Während diese Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon dargestellt und beschrieben worden ist, wird für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden, dass verschiedene Änderungen in der Form und in Details darin vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Fuserrollenanordnung, die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen einer äußeren Rolle (212), rohrförmig mit einem hohlen Inneren (242), Bereitstellen einer inneren Rolle (262), dadurch gekennzeichnet, dass die innere Rolle (262) ein Rohr (262) ist, das vakuumdicht gemacht werden kann, und Wickeln einer Widerstandsheizspule (213) um eine äußere Fläche des Rohres (262), Einführen des Rohres (262) mit der um die Außenfläche gewickelten Widerstandsheizspule (213) in die äußere Rolle (212) und Anwenden eines Hochdruckes auf ein Inneres des Rohres (262), um das Rohr (262) auswärts, in Richtung auf die äußere Rolle (212) auszudehnen, so dass die Widerstandsheizspule (213) gleichzeitig mit der Außenfläche des Rohres (262) und mit einer Innenfläche der äußeren Rolle (212) fest in Kontakt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren den Schritt des Evakuierens des Rohres (262) umfassend, um nach dem Anwendungsschritt ein Vakuum im Inneren des Rohres (262) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren den Schritt des Injizierens eines Arbeitsmittels (214) in das Rohr (262) umfassend, um das Rohr (262) nach dem Evakuierungsschritt teilweise zu füllen.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren den Schritt des Injizierens eines Arbeitsmittels (214) in das Rohr umfassend, um das Rohr (262) nach dem Anwendungsschritt teilweise zu füllen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, des Weiteren den Schritt des Einführens eines Zwischenstückes (213') zwischen die Außenfläche des Rohres (262) und eine Innenfläche der äußeren Rolle (212) umfassend, wobei das Zwischenstück Zwischenräume (A) zwischen Wicklungen der Widerstandsheizspule (213) füllt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei vor dem Einführungsschritt und während des Einführungsschrittes Enden der Widerstandsheizspule (213) auseinander gezogen werden, so dass bewirkt wird, dass die Widerstandsheizspule (213) fest gegen die Außenfläche des Rohres (262) drückt, wodurch ermöglicht wird, dass das Rohr (262) mit der um die Oberfläche gewickelten Widerstandsheizspule (213) in das Innere der äußeren Rolle (212) eingesetzt werden kann.
Fuserrollenanordnung, hergestellt nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 6.
Fuserrollenanordnung, umfassend: eine äußere Rolle (212), rohrförmig mit einem hohlen Inneren (242), und eine innere Rolle (262), die in die äußere Rolle (212) eingeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Rolle (262) ein Rohr (262) ist, das vakuumdicht gemacht werden kann, das Rohr aus einem Material gefertigt ist, das sich unter Druck verformt, während es thermisch leitfähig ist, eine Widerstandsheizspule (213) um eine Außenfläche der inneren Rolle (262) gewickelt ist, die Widerstandsheizspule (213) elektrisch an eine Stromversorgung angeschlossen ist und die Widerstandsheizspule (213) in festem Kontakt mit der Außenfläche des Rohres (262), das vakuumdicht gemacht werden kann, und mit einer Innenfläche der äußeren Rolle (212) ist.
Fuserrollenanordnung nach Anspruch 8, wobei das Rohr (262), das vakuumdicht gemacht werden kann, einen kleineren Außendurchmesser als ein Innendurchmesser der äußeren Rolle (212) hat, das Rohr (262), das vakuumdicht gemacht werden kann, in der äußeren Rolle (212) angeordnet ist, die mit dem Rohr (262), das vakuumdicht gemacht werden kann, konzentrisch ist, und die Widerstandsheizspule (213) zwischen die Außenfläche des Rohres (262), das vakuumdicht gemacht werden kann, und eine Innenfläche der äußeren Rolle (212) eingefügt ist.
Fuserrolle nach Anspruch 9, wobei Zwischenräume (A) zwischen benachbarten Wicklungen der Widerstandsheizspule (213) mit einem thermisch leitfähigen Zwischenstück (213') gefüllt werden, wobei das thermisch leitfähige Zwischenstück (213') sowohl mit der Innenfläche des Rohres (262), das vakuumdicht gemacht werden kann, als auch mit einer Innenfläche der äußeren Rolle (212) physikalisch in Kontakt ist.
Fuserrollenanordnung nach Anspruch 8, wobei die äußere Rolle (212) eine im Wesentlichen zylindrische hohle Außenrolle ist, die Außenrolle (212) eine Innen- und eine Außenfläche hat, das Rohr (262), das vakuumdicht gemacht werden kann, ein im Wesentlichen zylindrisches Innenrohr (262) ist, das in der Außenrolle (212) angeordnet ist, das Innenrohr (262) mit der Außenrolle (212) konzentrisch ist, das Innenrohr (262) hermetisch dicht gemacht werden kann, das Innenrohr (262) aus einem Material ge fertigt ist, das sich unter Druck verformt, wenn das Innenrohr (262) mit Druckgas gefüllt wird, und die Widerstandsheizspule (213) zwischen eine Außenfläche des Innenrohres (262) und die Innenfläche der Außenrolle (212) eingefügt ist, wobei Enden der Widerstandsheizspule (213) an eine Stromversorgung angeschlossen sind.
Fuserrolle nach Anspruch 11, wobei das Innenrohr (262) teilweise mit einem Arbeitsmittel (214) gefüllt ist.
Fuserrolle nach Anspruch 11 oder 12, wobei benachbarte Wicklungen der Widerstandsheizspule (212) voneinander beabstandet sind.
Fuserrolle nach einem der Ansprüche 12 bis 14, des Weiteren ein Zwischenstückmaterial (213'), das zwischen die Innenfläche der Außenrolle (212) und eine Außenfläche des Rohres (262) eingefügt ist, umfassend, wobei das Zwischenstückmaterial Zwischenräume zwischen Wicklungen der Widerstandsheizspule (213) füllt.
Fuserrolle nach Anspruch 14, wobei das Zwischenstückmaterial (213') und das Innenrohr (262) aus einem thermisch leitenden Material gefertigt sind.
Fuserrolle nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei alle Gase aus dem Innenrohr (262) evakuiert sind und das Innenrohr (262) teilweise mit Arbeitsmittel (214) gefüllt ist.
Fuserrolle nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei die Außenfläche der Außenrolle (212) mit Polytetrafluorethylen beschichtet ist.