EP0924575A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Fixieren von Tonerbildern - Google Patents

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EP0924575A2
EP0924575A2 EP98121575A EP98121575A EP0924575A2 EP 0924575 A2 EP0924575 A2 EP 0924575A2 EP 98121575 A EP98121575 A EP 98121575A EP 98121575 A EP98121575 A EP 98121575A EP 0924575 A2 EP0924575 A2 EP 0924575A2
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EP
European Patent Office
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substrate
gas
fixing
zone
housing
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EP98121575A
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French (fr)
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EP0924575B1 (de
EP0924575A3 (de
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Carsten Dr. Schönfeld
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Eastman Kodak Co
NexPress Digital LLC
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Heidelberger Druckmaschinen AG
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03G—ELECTROGRAPHY; ELECTROPHOTOGRAPHY; MAGNETOGRAPHY
    • G03G15/00—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern
    • G03G15/20—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat
    • G03G15/2003—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat using heat

Definitions

  • contact and non-contact processes For fixing toner images in electrophotography and related processes a basic distinction is made between contact and non-contact processes.
  • the former group includes fixation by hot rollers or belts as well as the Pressure fixation, the latter possibly under the influence of elevated temperature.
  • the second group belong e.g. Radiation process using continuous or also pulsed lamps, or the physico-chemical method of Fixation with solvent vapors.
  • hot roll fixation has become widely accepted today, although it does have some disadvantages elsewhere due to increased effort or have to be bought by loss of print quality.
  • a big problem, with which the hot roller fixation struggles is the so-called “hot offset”, in which melted toner sticks to the roller surface and subsequent ones Revolutions is delivered to the substrate.
  • the roller materials are chosen so that they are one have low surface energy (such as PTFE or silicone rubber), and in addition becomes a low-viscosity release agent, usually silicone oil, on the surface applied.
  • a low-viscosity release agent usually silicone oil
  • the mechanical modules of the toner must be set so that sufficient elastic component counteracts the hot offset. This affects the Flowability of the toner when fixing up to the prevention of sufficient Coalescence of toner droplets.
  • the impaired fluidity also affects disadvantageous on the process of toner production, because too elastic materials when Grinding process cause difficulties.
  • to prevent hot offset internal release agents added to the toner which again complicate the toner production and make the toner more expensive.
  • the second group of fixation methods the non-contact methods, know the problems of the hot offset is not.
  • the toners can therefore be produced "ideally flowable", one requires no silicone oil and no internal release agents.
  • the disadvantages of non-contact methods concern the controlled introduction of the required heat into the Toner layer.
  • the thermal efficiency of all radiation systems is - at least at higher fixing speeds - lower than with roller fixing.
  • Pulsed radiation processes so-called flash-fusing systems, often generate one local overheating of the toner layer, which leads to the thermal degradation of the polymers and thus leads to the emission of unhealthy and unpleasant smelling gases.
  • flash-fusing systems Pulsed radiation processes, so-called flash-fusing systems, often generate one local overheating of the toner layer, which leads to the thermal degradation of the polymers and thus leads to the emission of unhealthy and unpleasant smelling gases.
  • the rapid heating of the toner layer leads to micro-explosions tends, whose traces prevent an even filling.
  • the method of fixation with solvent vapor works on the principle that the Layer of toner on the substrate through which vapors swell. This will make a liquid color film is generated on the substrate, which is basically like a liquid Ink can behave and should potentially deliver high image quality.
  • the solvent is removed from the substrate after fixation.
  • the disadvantages of the procedure are obvious: the handling of organic solvents in a printing press is undesirable in terms of work and environmental protection. Also based known systems also on halogenated solvents (CFCs), their use even less.
  • the invention represents a system for non-contact fixation, which is in contrast to Radiation systems used as a heat transfer medium and water vapor in contrast does not cause appreciable swelling of the toner to solvent vapor systems.
  • the Fixing effect is based essentially on the fact that in the superheated steam stored heat due to collision of the water molecules with the toner on them is transferred, causing the toner to melt. If the substrate is paper, use the increased water content of the hot air delays drying of the paper. A The paper drying can take place immediately after fixing counteract additionally.
  • the gas can consist of 100% water vapor
  • the gas becomes be a mixture of air and water vapor. Reduced with increasing air content however, the efficiency of heat transfer to the toner.
  • Using of paper as a printing substrate can the ratio of water vapor and air in the gas so be set so that drying out of paper is optimally counteracted.
  • toner images can be printed on single sheets as well as on continuous paper be fixed as a printing substrate.
  • a device for the contactless fixing of toner images on a substrate, with a Transport device for transporting the substrate through a fixing zone in which the Toner images are exposed to a gas includes a device for Generation of hot gas with a substantial proportion of water vapor, the gas is directed into an essentially closed space that is currently in the Fuser zone surrounding toner image.
  • the device includes one except one Side essentially closed housing, the open side at a short distance abuts a substrate transport path, the housing and the substrate transport path delimit the essentially closed space.
  • the device essentially comprises one side closed housing that delimits the essentially closed space and that has two elongated narrow openings through which one Substrate transport path runs.
  • the closed space or furnace which contains the fixing gas and through which the Substrate transport takes place, can not be very gastight without high technical effort be made.
  • the least tightness problems arise when the pressure the fixing gas does not differ significantly from the atmospheric pressure, so that even at certain unavoidable leaks, no significant gas exchange with the Environment takes place.
  • the heat exchange can be increased in that a nozzle arrangement in the Furnace is provided which condenses the water vapor onto the substrate splashes.
  • the furnace can also be constructed so that essentially without a pronounced forced flow, i.e. only convection takes place, only that The presence of the water vapor causes the toner to melt.
  • Fig. 1 shows two successive sheets of paper 1, which the fuser happen, being on a flat section of a conveyor belt, not shown lying on the left or right in the figure.
  • the fuser essentially contains a cuboid housing 2, which extends over the arc width extends and which has an open side which faces the paper sheet 1.
  • the distance between the side walls of the housing 2 and the paper sheet 1 becomes so small made as possible so that inside the housing 2 a substantially closed room 3 is formed.
  • the housing 2 is through a partition 4 in a lower part 3a and an upper Subspace 3b divided, which on the left side in the figure in connection with each other stand so that the room 3 has a U-shaped cross section.
  • On the right in the Figure open gas inlet lines 5 in the lower part of the room 3a and Gas outlet lines 6 in the upper part 3b.
  • the gas inlet lines 5 hot steam with a temperature of e.g. 300 ° C supplied to room 3 passes along the arrows and through the gas outlet lines 6 again leaves.
  • the hot steam sweeps across the paper sheets 1 while they are the fuser happen, whereby the applied in the development station on the paper sheets 1 Toner images are melted. After they leave the fuser have, the toner images or paper sheets 1 by a not shown Cooling device cooled so that the toner images are permanently attached to the paper become.
  • FIG. 2 shows a variant of the fixing station from FIG. 1, in which two housing halves 7a and 7b, which are each similar to the housing 2 of FIG. 1, with each other with their open sides opposite, whereby a substantially closed space 8 with a lower Subspace 8a and an upper subspace 8b is formed.
  • the side walls of the Housing halves 7a and 7b have a small distance from each other to elongate to form narrow openings 9a and 9b, through which paper sheets 1 to the left or transported to the right of the figure.
  • the housing halves 7a and 7b are each connected to gas inlet and outlet lines 5 and 6 as in Fig. 1.
  • the housing halves 7a and 7b have no partitions like that Housing 2 of Fig. 1, but the hot steam moves within each compartment 8a or 8b essentially by convection when it is on the paper surface cools as indicated by arrows.
  • the energy generated in the form of heat radiation from the heating elements is not used directly for fixing.
  • the following simple estimate shows that the concept of heat transport can be realized by heated water vapor.
  • T 2nd T 1 ⁇ Exp R c p p ⁇ P f f e I. V
  • the exponent in Eq. (8) can be reduced. This can be done, for example, by increasing the efficiency f e or increasing the pressure p . In any case, the degree of efficiency is practically achievable. It remains to be seen whether you can get well beyond 10% or even reach this value. An increase in pressure is only possible with great technical effort and is therefore out of the question.
  • Fig. 4 which the required Gas temperature as a function of the volume flow when the convection is fixed by Toners for hot air and steam as a heat transfer medium according to the equations (12) and (14) shows.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Fixieren eines Tonerbildes innerhalb eines elektrofotografischen oder verwandten Druckverfahrens auf Papier (1). Zur Fixierung wird Heißgas mit einem wesentlichen Anteil Wasserdampf verwendet, dem das Tonerbild ausgesetzt wird. Die Vorrichtung enthält einen im wesentlichen geschlossenen Raum (3), der das gerade in der Fixierzone befindliche Tonerbild umgibt. <IMAGE>

Description

Zur Fixierung von Tonerbildern in der Elektrofotografie und verwandten Verfahren unterscheidet man grundsätzlich zwischen Kontakt- und Nicht-Kontaktverfahren. Zur ersteren Gruppe gehören die Fixierung durch heiße Walzen oder Bänder sowie die Druckfixierung, letztere gegebenenfalls unter dem Einfluß erhöhter Temperatur. Zur zweiten Gruppe gehören z.B. Strahlungsverfahren unter Einsatz von kontinuierlich oder auch gepulst arbeitenden Lampen, oder aber die physikalisch-chemische Methode der Fixierung mittels Lösemitteldämpfen.
Unter diesen Verfahren hat sich heute die Heißwalzenfixierung weitgehend durchgesetzt, obwohl sie einige Nachteile mit sich bringt, die an anderer Stelle durch erhöhten Aufwand oder durch Einbußen in der Druckqualität erkauft werden müssen. Ein großes Problem, mit dem die Heißwalzenfixierung kämpft, ist der sogenannte "Hot-offset", bei dem geschmolzener Toner auf der Walzenoberfläche haften bleibt und bei nachfolgenden Umdrehungen an das Substrat abgegeben wird. Es entsteht ein charakteristisches "Geisterbild".
Um diesem Defekt zu begegnen, werden die Walzenmaterialien so gewählt, daß sie eine geringe Oberflächenenergie besitzen (wie z.B. PTFE oder Silikongummi), und zusätzlich wird ein niederviskoses Trennmittel, in der Regel Silikonöl, auf die Oberfläche aufgetragen. Diese Maßnahmen führen sowohl zur Verteuerung der Einheit als auch zu unerwünschtem Auftrag von Silikonöl auf den Druck und somit zu nicht kontrollierbarem Glanz. Ebenso werden zur Verhinderung des Hot-offset an den verwendeten Toner unbequeme Anforderungen gestellt: die mechanischen Moduln des Toners (viskoelastische Eigenschaften) müssen so eingestellt sein, daß eine ausreichende elastische Komponente dem Hot-offset entgegenwirkt. Dies beeinträchtigt die Fließfähigkeit des Toners beim Fixieren bis hin zur Unterbindung einer ausreichenden Koaleszenz von Tonertröpfchen. Die beeinträchtigte Fließfähigkeit wirkt sich außerdem nachteilig auf den Prozeß der Tonerherstellung aus, da zu elastische Materialien beim Mahlprozeß Schwierigkeiten bereiten. Darüber hinaus werden zur Unterbindung des Hot-offset dem Toner interne Trennmittel zugesetzt, die wieder die Tonerherstellung komplizieren und den Toner verteuern.
Die zweite Gruppe der Fixierverfahren, die Nicht-Kontaktverfahren, kennen die Probleme des Hot-offset nicht. Die Toner können also "ideal fließfähig" hergestellt werden, man benötigt kein Silikonöl und keine internen Trennmittel. Die Nachteile der Nicht-Kontaktverfahren betreffen die kontrollierte Einbringung der benötigten Wärme in die Tonerschicht. Bei allen Strahlungssystemen ist der thermische Wirkungsgrad - zumindest bei höheren Fixiergeschwindigkeiten - geringer als bei der Walzenfixierung.
Kontinuierlich arbeitende Strahlungssysteme haben im wesentlichen ein sicherheitstechnisches Problem, das mit maschinenbaulichem Aufwand erkauft werden muß. Wird nämlich der Papiertransport unterbrochen (z.B. durch Papierstau) ist die Gefahr einer Entzündung des Papiers groß. Deshalb werden diese Systeme gewöhnlich bei Rollenmaschinen, in denen der Papiertransport relativ leicht überwacht werden kann, nicht aber bei Bogenmaschinen eingesetzt.
Gepulst arbeitende Strahlungsverfahren, sog. Flash-fusing Systeme, erzeugen oft eine lokale Überhitzung der Tonerschicht, die zum thermischen Abbau der Polymere und damit zur Emission ungesunder und unangenehm riechender Gase führt. Außerdem wurde berichtet, daß durch die rasche Aufheizung der Tonerschicht diese zu Mikroexplosionen neigt, deren Spuren eine gleichmäßige Flächenfüllung verhindern.
Die Methode der Fixierung mit Lösemitteldampf arbeitet nach dem Prinzip, daß die Tonerschicht auf dem Substrat durch die Dämpfe angequollen wird. Dadurch wird ein flüssiger Farbfilm auf dem Substrat erzeugt, der sich grundsätzlich wie eine flüssige Druckfarbe verhalten kann und potentiell hohe Bildqualität liefern sollte. Das Lösemittel wird nach der Fixierung wieder vom Substrat entfernt. Die Nachteile des Verfahrens liegen auf der Hand: der Umgang mit organischen Lösemitteln in einer Druckmaschine ist in Hinblick auf Arbeits- und Umweltschutzaspekte unerwünscht. Zudem basieren bekannte Systeme auch noch auf halogenierten Lösemitteln (FCKW), deren Verwendung noch weniger in Frage kommt.
Alle bekannten Verfahren, die mit Temperaturen wesentlich oberhalb von 100 °C arbeiten (typische Fixiertemperaturen liegen bei 170 °C), schädigen darüberhinaus das Papier als wichtigstes Drucksubstrat, indem sie das darin enthaltene Wasser austreiben und zur Verformung führen.
Diese Probleme werden bei einem Verfahren zum berührungslosen Fixieren eines Tonerbildes auf einem Substrat durch ein Gas, dem das Tonerbild ausgesetzt wird, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Gas heiß ist und einen wesentlichen Anteil Wasserdampf enthält.
Die Erfindung stellt ein System für Nicht-Kontaktfixierung dar, das im Gegensatz zu Strahlungssystemen als Wärmetransportmedium Wasserdampf verwendet und im Gegensatz zu Lösemitteldampfsystemen kein nennenswertes Anquellen des Toners bewirkt. Die Fixierwirkung beruht im wesentlichen darauf, daß die im überhitzten Wasserdampf gespeicherte Wärme durch Kollision der Wassermoleküle mit dem Toner auf diesen übertragen wird, wodurch der Toner schmilzt. Falls das Substrat Papier ist, wird durch den erhöhten Wassergehalt der heißen Luft ein Austrocknen des Papiers verzögert. Eine unmittelbar nach dem Fixieren erfolgende Kühlung kann der Papieraustrocknung zusätzlich entgegenwirken.
Das Gas kann zwar zu 100% aus Wasserdampf bestehen, in der Praxis wird das Gas aber eine Mischung aus Luft und Wasserdampf sein. Mit zunehmendem Luftanteil verringert sich jedoch der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung auf den Toner. Bei Verwendung von Papier als Drucksubstrat kann das Verhältnis von Wasserdampf und Luft im Gas so eingestellt werden, daß einer Papieraustrocknung optimal entgegengewirkt wird.
Mit der Erfindung können Tonerbilder sowohl auf Einzelbogen als auch auf Endlospapier als Drucksubstrat fixiert werden.
Eine Vorrichtung zum berührungslosen Fixieren von Tonerbildern auf Substrat, mit einer Transporteinrichtung zum Transport des Substrates durch eine Fixierzone, in der die Tonerbilder einem Gas ausgesetzt sind, enthält gemäß der Erfindung eine Einrichtung zur Erzeugung von heißem Gas mit einem wesentlichen Anteil Wasserdampf, wobei das Gas in einen im wesentlichen geschlossenen Raum geleitet wird, der das gerade in der Fixierzone befindliche Tonerbild umgibt.
In einer ersten Ausführungsform enthält die Vorrichtung ein mit Ausnahme von einer Seite im wesentlichen geschlossenes Gehäuse, dessen offene Seite in geringem Abstand an eine Substrattransportbahn angrenzt, wobei das Gehäuse und die Substrattransportbahn den im wesentlichen geschlossenen Raum abgrenzen.
In einer zweiten Ausführungsform enthält die Vorrichtung ein im wesentlichen allseitig geschlossenes Gehäuse, das den im wesentlichen geschlossenen Raum abgrenzt und das zwei langgestreckte schmale Öffnungen aufweist, durch die hindurch eine Substrattransportbahn verläuft.
Der geschlossene Raum oder Ofen, der das Fixiergas enthält und durch den hindurch der Substrattransport stattfindet, kann ohne hohen technischen Aufwand nicht sehr gasdicht gemacht werden. Die geringsten Dichtigkeitsprobleme ergeben sich, wenn sich der Druck des Fixiergases nicht wesentlich vom Atmosphärendruck unterscheidet, so daß auch bei gewissen unvermeidlichen Undichtigkeiten kein nennenswerter Gasaustausch mit der Umgebung stattfindet.
Der Wärmeaustausch kann dadurch verstärkt werden, daß eine Düsenanordnung in dem Ofen vorgesehen wird, die den Wasserdampf in konzentrierter Form auf das Substrat spritzt. Alternativ kann der Ofen auch so konstruiert werden, daß im wesentlichen ohne eine ausgeprägte erzwungene Strömung, d.h. es findet nur Konvektion statt, allein die Gegenwart des Wasserdampfes ein Schmelzen des Toners bewirkt.
Es folgt eine Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
Fig. 1
eine Querschnittsansicht eines Fixierofens, der oberhalb einer Substrattransportbahn angeordnet ist,
Fig. 2
eine Querschnittsansicht eines Fixierofens, der eine Substrattransportbahn umgibt,
Fig. 3
den Überschuß an innerer Energie von überhitztem Wasserdampf, und
Fig. 4
die für Konvektionsfixierung benötigte Gastemperatur in Abhängigkeit vom Volumenstrom für Heißluft bzw. Wasserdampf als Wärmetransportmedium.
In einem elektrografischen Drucker passieren Papierbogen nacheinander verschiedene Stationen, nämlich eine Belichtungsstation, eine Entwickungsstation und eine Fixierstation. Fig. 1 zeigt zwei aufeinanderfolgende Papierbogen 1, welche die Fixierstation passieren, wobei sie auf einem nicht gezeigten ebenen Abschnitt eines Transportbandes aufliegen, das nach links oder nach rechts in der Figur läuft. Die Fixierstation enthält im wesentlichen ein quaderförmiges Gehäuse 2, das sich über die Bogenbreite erstreckt und das eine offene Seite aufweist, die den Papierbogen 1 zugewandt ist. Der Abstand zwischen den Seitenwänden des Gehäuses 2 und den Papierbogen 1 wird so klein wie möglich gemacht, so daß im Inneren des Gehäuses 2 ein im wesentlichen geschlossener Raum 3 gebildet wird. Bei einem gegebenem Abstand zwischen den Seitenwänden des Gehäuses 2 und den Papierbogen 1, der gerade noch einen berührungslosen Papiertransport am Gehäuse 2 vorbei zuläßt, kann die Gasdichtigkeit des Raumes 3 mit Hilfe von Dichtungen 10 verbessert werden, die an den Gehäuseunterseiten gegenüber den Papierbogen 1 vorgesehen werden, wie in Fig. 1 und 2 schematisch eingezeichnet.
Das Gehäuse 2 ist durch eine Trennwand 4 in einen unteren Teilraum 3a und einen oberen Teilraum 3b unterteilt, die auf der linken Seite in der Figur miteinander in Verbindung stehen, so daß der Raum 3 einen U-förmigen Querschnitt hat. Auf der rechten Seite in der Figur münden Gaseintrittsleitungen 5 in den unteren Teilraum 3a und Gasaustrittsleitungen 6 in den oberen Teilraum 3b. Aus den Gaseintrittsleitungen 5 wird heißer Wasserdampf mit einer Temperatur von z.B. 300 °C zugeführt, der den Raum 3 entlang der eingezeichneten Pfeile durchläuft und über die Gasaustrittsleitungen 6 wieder verläßt.
Der heiße Wasserdampf streicht über die Papierbogen 1, während sie die Fixierstation passieren, wodurch die in der Entwicklungsstation auf die Papierbogen 1 aufgebrachten Tonerbilder zum Schmelzen gebracht werden. Nachdem sie die Fixierstation verlassen haben, werden die Tonerbilder bzw. Papierbogen 1 durch eine nicht gezeigte Kühlvorrichtung gekühlt, so daß die Tonerbilder dauerhaft mit dem Papier verbunden werden.
Fig. 2 zeigt eine Variante der Fixierstation von Fig. 1, bei der zwei Gehäusehälften 7a und 7b, die jeweils dem Gehäuse 2 von Fig. 1 ähnlich sind, einander mit ihren offenen Seiten gegenüberliegen, wodurch ein im wesentlichen geschlossener Raum 8 mit einem unteren Teilraum 8a und einem oberen Teilraum 8b gebildet wird. Die Seitenwände der Gehäusehälften 7a und 7b haben einen geringen Abstand voneinander, um langgestreckte schmale Öffnungen 9a und 9b zu bilden, durch die hindurch Papierbogen 1 nach links oder rechts in der Figur transportiert werden. Die Gehäusehälften 7a und 7b sind jeweils mit Gasein- und -austrittsleitungen 5 und 6 wie in Fig. 1 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel haben die Gehäusehälften 7a und 7b keine Trennwände wie das Gehäuse 2 von Fig. 1, sondern der heiße Dampf bewegt sich innerhalb jedes Teilraumes 8a bzw. 8b im wesentlichen durch Konvektion, wenn er sich an der Papieroberfläche abkühlt, wie mit Pfeilen angezeigt.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 wird nicht nur die Bogenoberseite mit den Tonerbildern daraufvon heißem Wasserdampf bestrichen, sondern auch die Bogenunterseite. Dies wirkt einer Papieraustrocknung sehr zuverlässig entgegen. Es kann auf vielerlei Weise dafür gesorgt werden, daß der Wasserdampf auch die Bogenunterseite erreicht. Beispielsweise kann der Bogen an seinen Seiten gehalten werden, während er den Raum 8 passiert, oder es kann ein gasdurchlässiges Transportband verwendet werden.
Fig. 3 zeigt eine Abschätzung des verfügbaren Energieinhaltes U des Wasserdampfes, wenn dieser von einer Temperatur T auf 100 °C abgekühlt wird, während er das Gehäuse 2 oder die Gehäusehälften 7a bzw. 7b durchläuft.
Es folgt eine nähere Untersuchung der Energiebilanz für Konvektionsfixierung von Toner bei einer Tonerfixierstation für elektrografische Drucksysteme, deren Funktionsprinzip auf dem Einblasen von heißem Gas in einen Ofenraum beruht, wobei von einer Konvektionsfixierung wie in Fig. 2 gezeigt ausgegangen wird.
Im Gegensatz zu anderen heute bekannten kontaktlosen Fixierverfahren, z.B. der Strahlungsfixierung, wird bei dem erfindungsgemäßen System die in Form von Wärmestrahlung der Heizelemente anfallende Energie nicht direkt für die Fixierung genutzt. Anhand zweier Beispiele, nämlich der Einleitung entweder von heißer Luft oder von heißem Wasserdampf, zeigt die folgende einfache Abschätzung, daß das Konzept des Wärmetransports durch erhitzten Wasserdampfrealisierbar ist. Die für die Abschätzung verwendeten Größen und Konstanten sind:
molare innere Energie [J mol-1] U
molare Wärmekapazität [J K-1mol-1] cp
thermodynamische Temperatur [K] T
molares Volumen [m3 mol-1] Vm
Energie pro Volumen [J m-3] EV
Leistung [W] P
Druck [Pa] p
Volumenstrom [m3 s-1] IV
allg. Gaskonstante [J K-1mol-1] R = 8,3144 J K-1mol-1
Berechnung der Energie von heißer Luft
Die innere Energie eines Gases ist das Produkt aus Wärmekapazität und Temperatur: dU = cp · dT.
Nach Division durch das Molvolumen Vm erhält man daraus die Energie pro Volumen EV , dEV = cp Vm · dT.
Setzt man als Näherung das Molvolumen idealer Gase Vm = RT/p an, so erhält man dEV = cpp RT · dT, beziehungsweise in der integralen Form EV = cpp R · T 1 T 2 dT T EV = cpp R ·ln T 2 T 1 .
Die verfügbare Heizleistung P der Luft ergibt sich dann durch Multiplikation mit dem Volumenstrom IV zu P=IV cpp R ·ln T 2 T 1 .
Nach Berücksichtigung eines Konversionsfaktors für den Wirkungsgrad der Fixierung fe erhält man für die Fixierleistung P f Pf =fe ·Iv cpp R ·ln T 2 T 1 .
Auflösen nach T2 ergibt T 2=T 1 ·exp R cpp · Pf feIV
Abschätzung der benötigten Energie zur Fixierung Annahme 1:
Beide Hauptbestandteile der Luft, nämlich N2 (78 %) und O2 (21 %) haben eine molare Wärmekapazität von cp = 29 J K-1 mol-1. Also ist dieser Wert auch für trockene Luft anzusetzen.
Annahme 2:
Der Druck in der Fixierkammer beträgt p = 1 · 105 Pa (1 bar).
Annahme 3:
Die Endtemperatur der Luft kann nicht unter der Erweichungstemperatur normaler Toner liegen. Diese wird zu 127 °C angesetzt, also T1 = 400 K.
Nach G. Goldmann, Technologie der OPS-Hochleistungsdrucker, in Das Druckerbuch (Océ Printing Systems, 1992, S. 3-16) ergibt sich der Energiebedarf Q für das Fixieren von Toner im wesentlichen aus der Wärmekapazität des Papiers und der Verdampfungswärme des im Papier gespeicherten Wassers. Bei 5% Wassergehalt erhält man Q = 236 J/cm3. Die Energieaufnahme des Toners ist wegen der geringen Tonermenge vernachlässigbar.
Annahme 4:
Für die Abschätzung wird folgende Annahme gemacht:
Papiergewicht
G = 0,15 kg/m2
Druckgeschwindigkeit
ν = 0,3 m/s
Druckbreite
l = 0,3 m
Dichte
r = 700 kg/m3
Damit wird im Druckprozeß das Papiervolumen pro Zeiteinheit VP t = G·l·νρ =2·10-5 m3 s =20cm3 s durchgesetzt und die zur Fixierung benötigte Leistung ergibt sich zu P f = Qt = 236 J/cm3 · 20 cm3/s, also P f ≈ 4.5 kW.
Annahme 5:
Der Wirkungsgrad der Fixierung betrage f e = 0,1, also 10 %.
Einsetzen der Werte für T1 , cp , p, P f und f e aus den Annahmen 1 bis 5 in Gl. (8) ergibt T 2=400 K ·exp 0.13 m3 s-1 IV ).
Hiernach errechnet sich beispielsweise für eine Luftförderleistung von 4·10-3 m3 s-1 (= 15 m3/h, das entspricht der Förderleistung bekannter Pumpen mit 1 kW Leistungsaufnahme) eine Temperatur von 5·1016K, also ein unsinnig hoher Wert. Löst man Gl. (12) nach dem Volumenstrom I V auf: IV =0.13 m3 s-1 ln(T 2/400 K) , so kann man den benötigten Volumenstrom der Luft für eine gegebene Lufttemperatur ausrechnen. Bei der maximal möglichen Temperatur der Luft muß man berücksichtigen, daß sich Papier bei etwa 233 °C (506 K) entzündet. Setzt man diese Temperatur für die heiße Luft an so errechnet sich ein Volumenstrom von 0,55 m3 s-1. Aber auch für 300 °C erhalten wir immer noch 0,36 m3 s-1, bei 400 °C 0,25 m3 s-1. Solch hohe Volumenströme sind nur mit erheblichem technischen Aufwand realisierbar.
Wasserdampf als Wärmetransportmedium
Gleichung (8) beschreibt den Zusammenhang zwischen der zur Fixierung verwendeten Gastemperatur und dem benötigten Volumenstrom T 2=T 1 ·exp R cpp · Pf feIV .
Um das System dahingehend zu verändern, daß es technisch realisierbar wird, muß der Exponent in Gl. (8) verringert werden. Dies kann z.B. durch eine Erhöhung des Wirkungsgrades fe oder die Erhöhung des Drucks p geschehen. Der Wirkungsgrad wird in jedem Falle so gut wie technisch erreichbar angestrebt. Ob man wesentlich über 10 % hinauskommt oder diesen Wert überhaupt erreicht, bleibt zu prüfen. Eine Erhöhung des Drucks ist nur mit hohem technischen Aufwand möglich und scheidet daher aus.
Es bleiben die Möglichkeiten, die zur Fixierung benötigte Leistung Pf zu verringern und die Wärmekapazität cp des Gases zu erhöhen. Beides ist durch die Verwendung von Wasserdampf als Wärmetransportmedium möglich. Pf wird verringert, weil das Austreiben von Wasser aus dem Papier in einer Wasserdampfatmosphäre verhindert oder zumindest verlangsamt, und somit nach Goldmann (vgl. oben) nur noch ca. 50 % der Energie zum Fixieren benötigt wird. Auf der anderen Seite wird c p erhöht, weil Wasserdampf gegenüber Luft mit 33,6 J K-1 mol-1 statt 29 J K-1 mol-1 zu Buche schlägt.
Einsetzen diese Werte in Gl. (8) bei sonst unveränderten Bedingungen ergibt analog zu Gl. (12) und (13) T 2=400 K ·exp 0.056 m3 s-1 IV , IV =0.056 m3 s-1 ln(T 2/400 K) .
Bei einer Gastemperatur von 300 °C erhalten wir jetzt rechnerisch einen Volumenstrom von 0,16 m3 s-1, das entspricht einer Verbesserung gegenüber Heißluft um etwa 66%.
Diese Zusammenhänge werden durch Fig. 4 veranschaulicht, welche die benötigte Gastemperatur in Abhängigkeit vom Volumenstrom bei der Konvektionsfixierung von Tonern für Heißluft und Wasserdampf als Wärmetransportmedium nach den Gleichungen (12) und (14) zeigt.
Bezugszeichenliste
1
Papierbogen
2
Gehäuse
3
geschlossener Raum
3a, 3b
Teilräume
4
Trennwand
5
Gaseintrittsleitungen
6
Gasaustrittsleitungen
7a, 7b
Gehäusehälften
8
geschlossener Raum
8a, 8b
Teilräume
9a, 9b
Öffnungen
10
Dichtungen

Claims (10)

  1. Verfahren zum berührungslosen Fixieren eines Tonerbildes auf einem Substrat durch ein Gas, dem das Tonerbild ausgesetzt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Gas heiß ist und einen wesentlichen Anteil Wasserdampf enthält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das heiße Gas eine Temperatur zwischen ungefähr 150 °C und 400 °C hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Substrat durch eine Zone transportiert wird, in der das Tonerbild dem Gas ausgesetzt wird, und anschließend durch eine Zone transportiert wird, in der es aktiv abgekühlt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Substrat Papier ist.
  5. Vorrichtung zum berührungslosen Fixieren von Tonerbildern auf Substrat, mit einer Transporteinrichtung zum Transport des Substrates durch eine Fixierzone, in der die Tonerbilder einem Gas ausgesetzt sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung von heißem Gas mit einem wesentlichen Anteil Wasserdampf enthält, wobei das Gas in einen im wesentlichen geschlossenen Raum (3; 8) geleitet wird, der das gerade in der Fixierzone befindliche Tonerbild umgibt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sie ein mit Ausnahme von einer Seite im wesentlichen geschlossenes Gehäuse (2) enthält, dessen offene Seite in geringem Abstand an eine Substrattransportbahn angrenzt, wobei das Gehäuse (2) und die Substrattransportbahn den im wesentlichen geschlossenen Raum (3) abgrenzen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sie ein im wesentlichen allseitig geschlossenes Gehäuse (7a, 7b) enthält, das den im wesentlichen geschlossenen Raum (8) abgrenzt und das zwei langgestreckte schmale Öffnungen (9a, 9b) aufweist, durch die hindurch eine Substrattransportbahn verläuft.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das heiße Gas eine Temperatur zwischen ungefähr 150 °C und 400 °C hat.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    gekennzeichnet durch
    eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Substrates, nachdem es den im wesentlichen geschlossenen Raum (3; 8) verlassen hat.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Substrat Papier ist.
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