JP2010169371A - 円筒状ヒートパイプ及びそれを用いた加熱・均熱ローラ及びそれを用いた糸巻取装置または電子写真画像形成装置の定着装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】製造歩留りが高く、且つ良好な伝熱特性が長期間安定して得られる円筒状ヒートパイプ及びそれを用いた加熱・均熱ローラ及びそれを用いた糸巻取装置または電子写真画像形成装置の定着装置を提供する。
【解決手段】円筒状ヒートパイプは、中空管の肉部に中空管の軸方向に平行に複数の細孔が形成され、両端部において前記複数の作動液が細管内を表面張力により閉塞するような流路断面積を持つ細孔が連通するように封止される。また、中空管の両端面において、細孔間の隔壁を所定の深さまで除去し、各端面の円筒に沿って圧潰して封止し、隔壁を除去した部分が隣り合う細孔間の連通路とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒状のヒートパイプ及びそれを用いた加熱・均熱ローラ及びそれを用いた糸巻取装置または電子写真画像形成装置の定着装置に関する。

従来の均熱ローラもしくは加熱ローラ、例えば電子写真画像形成装置の定着装置のインクを紙に固着するためにヒータを内蔵した加熱ローラや、合成繊維糸の延伸加熱工程に適用した誘導加熱による加熱ローラが知られている。このものは、印刷品質の安定化や糸品質の均一化及び工程の安定化を図るため、ローラ本体の表面温度を均一にすることが要求される。そこで、概略円筒形に製作されたローラ本体に、軸方向に延びる複数本のヒートパイプを円周方向に等分配設し、ヒートパイプ内に封入した熱輸送媒体によりローラ本体の表面温度が軸方向に均一となるようにしている。

具体的には、加熱ローラ本体を、概略円筒形に製作し、軸方向に延びる６０〜７２本程度のヒートパイプが円周方向に等分配設されている。加熱ローラの両端部では、各ヒートパイプの両端部を連絡する連通空間が形成されている。
特開平１１−１０７０９６号公報

発明が解決しようとする課題

このような従来の均熱ローラは、予めヒートパイプを構成する作動液封入部をローラ肉部内に形成する必要があり、加工に手間がかかっていた。また、ローラの肉部内へヒートパイプを形成しないようにし、加工を容易とするために、ローラとは別部材のヒートパイプを、ローラと装着させる構造が考えられる。しかし、このような構成にしても、ローラとの密着性を良くすることができず、従って、効率的な均熱ローラを構成することができないという問題があった。本発明は、迅速に熱移送をすることができる円筒状ヒートパイプ及びそれを用いた良好な伝熱特性が長期間安定して得られる加熱・均熱ローラの提供を目的とする。

課題を解決するための手段

請求項１の発明によれば、円筒状ヒートパイプとして中空管の肉部に中空管の軸方向に平行に複数の作動液が細管内を表面張力により閉塞するような流路断面積を持つ細孔が形成され、端部において前記複数の細孔が連通するように封止した。
請求項２の発明によれば、円筒状ヒートパイプとして、前記中空管の両端面において、細孔間の隔壁を所定の深さまで除去し、各端面の円筒に沿って圧潰して封止し、隔壁を除去した部分が隣り合う細孔間の連通路とした。
請求項３の発明によれば、円筒状ヒートパイプとして、前記中空管の両端面において、細孔間の隔壁を所定の深さまで除去し、各端面を封止蓋で密着封止した。
請求項４の発明によれば、円筒状ヒートパイプとして前記一端部の隔壁を１条おきに除去し、他端部の隔壁を前記一端部の除去された隔壁とは異なる通路間の隔壁を除去することにより、蛇行細孔を形成した。
請求項５の発明によれば、円筒状ヒートパイプとして前記中空管の両端部を円筒状のエンドキャップで封止した。
請求項６の発明によれば、円筒状ヒートパイプとして前記エンドキャップは一端部の隔壁を１条おきに除去し、他端部の隔壁を前記一端部の除去された隔壁とは異なる通路間の隔壁を除去した。
請求項７の発明によれば、均熱ローラにおいて、ローラ部を中空管とし、該中空管に偏平のヒートパイプが中空間と同形状に曲げ加工され、密着配置さした。アルミ等の軽金属を押出し成形して偏平管内にヒートパイプを作り込み、該偏平管をプレス等で曲げ加工することにより容易に製造することができる。
請求項８の発明によれば、前記偏平のヒートパイプをローラ部から突出させ、該突出部にフィン又は／及びファンを装着した。フィンとしては、ピン状のフィンでもよいが、羽を折り曲げて強制的な風の流れが生ずるような形状にしてもよい。
請求項９の発明によれば、前記偏平のヒートパイプに加熱手段を施した。加熱手段としては、回転するローラの中空内に回転しないように固定されたハロゲンランプからの輻射熱でヒートパイプを加熱する方法がある。
請求項１０の発明によれば、前記偏平のヒートパイプに温度検出手段を施した。温度検出手段としては、熱電対やサーモグラフィ等がある。
請求項１１の発明によれば、本件発明の均熱ローラを加熱ローラもしくは糸送りローラとして用いた合成繊維糸の延伸加熱工程に使用される糸巻取装置を構成する。
請求項１２の発明によれば、本件発明の均熱ローラを加熱ローラもしくは送りローラとして用いた電子写真画像形成装置の定着装置を構成する。

発明の効果

請求項１の発明によれば、円筒状のヒートパイプ全体を迅速に均熱化することが出来る。
請求項２の発明によれば、容易に隣り合う細孔を連通することが出来る。
請求項３の発明によれば、容易に端部を封止することが出来る。
請求項４の発明によれば、容易に円筒の蛇行細孔を構築できる。
請求項５の発明によれば、容易に端部を封止することが出来る。
請求項６の発明によれば、容易に円筒の蛇行細孔を構築できる。
請求項７の発明によれば、ローラの表面の形状に合わせてヒートパイプを容易に加工できるので、構造の簡単な均熱ローラを構成することができる。
請求項８の発明によれば、均熱ローラを加熱ローラとして用いた場合、ローラが高温になりすぎないように温度制御が容易にできる。また、ローラ間の摩擦熱や高温の糸等を送るためのローラの場合、局部的に高温になりローラが破壊することを防ぐために熱を移送して放熱することができる。
請求項９の発明によれば、均熱ローラを加熱ローラ等に用いた場合、素早く所定の温度に均一に加熱することができる。
請求項１０の発明によれば、均熱ローラを加熱ローラとして用いた場合には、温度が高くなり過ぎないようにヒータを容易に制御することができ、高温の糸やベルト等の送ローラとして用いた場合には温度がフィンで放熱できないほど高温になった場合、ファンを起動することができ、温度制御が容易にできる。
請求項１１の発明によれば、高温による故障の少ない合成繊維糸の延伸加熱工程に使用される糸巻取装置を提供することができる。
請求項１２の発明によれば、待ち時間の、待機時間の短い電子写真画像形成装置の定着装置を提供することができる。

ここで、本件発明の円筒状ヒートパイプ１０１の第一の実施例について図１〜５を用いて説明する。図１は本件発明の円筒状ヒートパイプ１０１の第一実施例を軸方向直角に見た側面図である。図２は本件発明の円筒状ヒートパイプ１０１の第一実施例を軸方向から見た図である。図３は、図１のＡ−Ａ断面矢視図である。図４は図１の左端封止蓋１０３のＢ−Ｂ断面矢視図と側面図、図５は図１の右端封止蓋１０５のＣ−Ｃ断面矢視図と側面図である。本件発明の円筒状ヒートパイプ１０１はアルミ等を押し出し成形することにより、中心軸と平行に多数の細孔１０９を形成した円筒部材１０７を製作する。該円筒部材１０７に形成された細孔１０９の断面積は、作動液が細孔内を表面張力により常に閉塞するような面積となっている。前記円筒部材１０７に形成された隣合う細孔間の隔壁１１１を両端部において全て細孔の断面積と同じ程度となるような深さまで切削し、左端封止蓋１０３には左端の前記隔壁１１１の切削部１１１が１条おきに封止されるように突起部１１３が形成され、該左端封止蓋１０３を円筒部材１０７の左端１１５にろう接や溶接等の手段により密着固定することにより１条おきの隣合う細孔を連通させ、右端封止蓋１０５には右端の前記隔壁１１１の左端側で封止されていない切削部１１１が１条おきに封止されるように突起部１１３が形成され、該左端封止蓋１０３を円筒部材１０７の左端１１５にろう接や溶接等の手段により密着固定することにより１条おきの隣合う細孔を連通させ、結果として、蛇行細孔が円筒状に形成されている。封止蓋には図示されていない作動液封入口が形成されており、細孔内を真空脱気した後代替フロン、水等の作動液を封入し、前記作動液封入口を密封することにより円筒状ヒートパイプ１０１を構成する。
本実施例において円筒部材１０７の隣合う細孔管の全ての隔壁を両端で切削し、封止蓋に隔壁間の封止壁となる突起部１１３を形成したが、円筒部材１０７の一方の端部において、隣合う細孔間の隔壁を１条おきに切除し、他方の端部において、一方の端部で切除されていない隔壁を切除し、両端部を突起部を有さない封止蓋で密閉することにより蛇行細孔を形成してもよい。
次に、本件発明の円筒状ヒートパイプ２０１の第二の実施例について図６〜１０を用いて説明する。図６は本件発明の円筒状ヒートパイプ２０１の第二実施例を軸方向直角に見た側面図である。図７は本件発明の円筒状ヒートパイプ２０１の第二実施例を軸方向から見た図である。図８は、図６のＤ−Ｄ断面矢視図である。図９は図６の左端封止蓋２０３のＥ−Ｅ断面矢視図と側面図、図１０は図６の右端封止蓋２０５のＦ−Ｆ断面矢視図と側面図である。本実施例において第一実施例と重複する部分の説明は省略する。
本件発明の円筒状ヒートパイプ２０１の円筒部材２０７はアルミ等を押し出し成形することにより、中心軸と平行に多数の細孔２０９が形成されている。左端封止蓋２０３には円筒部材２０７の左端が納まる溝２２１が形成されており、溝２２１に隣接した深部には隣合う細孔を連通させるための連通路及び隣合う細孔を封止するための隔壁２２５が形成されている。該封止蓋２０３を円筒部材２０７に圧嵌溶接やろう接等することにより円筒部材２０７の左端部で細孔が１条おきに連通される。
右側封止蓋２０５には円筒部材２０７の右端が納まる溝２３１が形成されており、溝２３１に隣接した深部には左端で連通されていない隣合う細孔を連通させるための連通路及び左端で連通されている隣合う細孔を封止するための隔壁２３５が形成されている。該封止蓋２０５を円筒部材２０７に圧嵌溶接やろう接等することにより円筒部材２０７の右端部で細孔が１条おきに連通される。
以上により、円筒状ヒートパイプ２０１に蛇行細孔が形成される。
以上実施例では円筒部材の端部を封止するために封止蓋を用いたが、隣合う細孔の隔壁を蛇行細孔とする等の所定のパターンで削除した後、円筒部材２０７の端部内周側を固定し外周側を圧潰溶接もしくはろう接する等の手段により端部を封止することもできる。
次に、本件発明の送りローラについて図１１〜図１４を用いて示す。
図１１は合成繊維糸の延伸加熱工程に使用される糸巻取装置の糸送ローラ部分の簡略化した構造を示す。図１１において３０１は糸であり、糸送ローラ３０３及び３０５により糸が矢印の方向に送られている。
図１２は糸送ローラ３０３及び３０５の側面図、図１３は図１２におけるＧ−Ｇ断面図、図１４は図１２におけるＨ−Ｈ断面図を示す。
図１２〜図１４において３１１は糸が接触する枕部、３１３は円筒状の中空管であり前記枕部が同心円状に外周に密着して固定されている。該中空管３１３の内側には長尺の偏平ヒートパイプ３１５及び３１７が、それぞれ断面形状が中空内側形状と同じ略半円弧形状にプレス加工されて中空管の内側と密着するように装着されている。
また、中空管３１３の両端部外周には円筒状の放熱フィン３１９及び３２１が中空管に密着されている。このような構成にすることにより、ローラ間の摩擦熱や高温の糸と接触して枕部及び中空間３１３が局所的に高温となり、出来上がった糸の品質を劣化させたり、また均熱ローラの熱膨張による故障を防ぐことができる。つまり、局所的な高温部からほぼ中空間の内周全面に密着された偏平ヒートパイプ３１５及び３１７により低温部であるフィン３１９及び３２１側に効率的に熱が移送され、該フィン３１９及び３２１から余分な熱を放熱することができる。従ってローラ部を均熱化して温度差による糸の出来合斑を無くすことができ、さらに高温による問題も抑えることができる。
３２３及び３２５は端部キャップであり、該キャップの中心には回転軸３２７及び３２９が形成されている。
ここで本件発明で最適な偏平ヒートパイプであるプレート型細孔トンネルヒートパイプについて説明する。
図１５及び図１６は本件発明に用いるプレート型細孔トンネルヒートパイプの細孔の例を示す。
本実施例による放熱ユニットにおけるプレート型細孔トンネルヒートパイプは、例えば図１５及び１６の様なプレート型蛇行細孔トンネルヒートパイプ又は／及びプレート型平行細孔トンネルヒートパイプで構成されている。これらプレート型細孔トンネルヒートパイプについてプレート型蛇行細孔トンネルヒートパイプを例にとって説明する。なお、ここで、プレート型蛇行細孔トンネルヒートパイプとは、以下の特性を有するヒートパイプのことである（特開平４−１９００９０号参照）。
（１）細孔（熱媒体通路）の両端末が相互に流通自在に連結されて密閉されている。
（２）細孔のある部分は受熱部、他のある部分は放熱部となっている。
（３）受熱部と放熱部が交互に配設されており、両部の間を細孔が蛇行している。
（４）細孔内には２相凝縮性作動流体が封入されている。
（５）細孔の内壁は、上記作動流体が常に管内を閉塞した状態のままで循環又は
移動することが出来る最大流体直径以下の直径である。このような細管ヒートパイプを用いることにより、発熱体への細管ヒートパイプの取り付け姿勢に関係なく熱輸送させることができる。

プレート型蛇行細孔トンネルヒートパイプは、アルミニウムやマグネシウム等の軽金属の多孔扁平管を用いる。この多孔扁平管５１（６１）は、全体として平板状の外形を有し、内部に平行に配置された多数の貫通細孔５７ａ及び５７ｂ（６８ａ及び６８ｂ）が押し出し成形により形成されている。貫通細孔の端面の隔壁を所定の深さだけ切除し、反対側の端面でも切除する。各細孔は端部で連通して一連の蛇行トンネル（熱媒体通路）となり、ここに作動流体が封入される。
このプレート型細孔トンネルヒートパイプを基本動作原理として本件発明はその放熱量の大容量化を達成するものである。

次に、本件発明の複写機の定着装置の実施例について説明する。
複写機の定着装置では熱ローラがある。複写機用の加熱ローラは、その表面を（＋）に帯電させ、これに被複写物からの陰陽光を当てて陰（文字）の部分にのみ（＋）電荷を残し、そこへ（−）に帯電したトナーを振りかけて付着させ、この上に紙の表面を接触させ、紙の裏側から（＋）の電荷をかけてトナーを紙に移し、これを紙に熱融着させるのに用いられる。この複写機用の加熱ローラは、ローラ内に棒状のハロゲンランプを配置する等して、内部からローラ外周面に伝わった熱を紙等の対象物に熱を伝える。該ハロゲンランプからの熱をなるべくローラ全体に速やかに伝わるようにするために本件発明を適応することができる。
また、紙を移送するためのベルトが該加熱ローラと間接的に接触し高温となり、さらに紙送ローラと該ベルトが接触することにより紙送ローラも高温になり故障の原因となっていたが、フィンやファンの取り付けられた均熱ローラを用いることにより解決することができる。
本願発明のローラでは偏平ヒートパイプを用いた例を示したが、実施例１、２に示す円筒状ヒートパイプを用いてもよい。

図２０に示す本件発明の第三の実施例である円筒状ヒートパイプ５０９の製造方法について図１７、図１８及び図１９を用いて説明する。軽金属を素材とし、押出成型により円筒管内にその軸長方向に平行並列に整列配置され、且つ其等各々細管内作動液がその表面張力により常に管内を充填閉塞するような流体直径の多数の貫通細孔を有する多孔円筒管４０１に依り形成されてあり、貫通細孔はヒートパイプの受熱部と放熱部の間を多数回往復蛇行して蛇行細径トンネルとして形成される、細径トンネル円筒状ヒートパイプの製造方法であって、所定の厚さの多孔円筒管４０１の両端末の端縁を所定の形状に切削成形する第一の工程、多孔円筒管４０１の両端末において貫通細孔間の隔壁を一条おきにまたは複数条おきに、一条ずつまたは複数条ずつ、且つ前記第一の工程で形成された切削部からさらに両端末の端縁から所定の深さに至るまで切除し、この隔壁の切除部は多孔扁平管の両端縁側において切除隔壁を一条ずつまたは複数条ずつずらして切除する第二の工程、上記の隔壁切除部の深さに対応し多孔円筒管４０１の両端末端縁から所定の長さに至る部分を貫通細孔群が気密に閉鎖する迄圧潰し、且つこの圧潰は上記の隔壁切除部深さの第二の工程で切削された最深部から隣接トンネル相互間の連通部分は閉鎖せしめることなく残置せしめて圧潰する圧潰である第三の工程、この第三の行程は多孔円筒管４０１が動かないように多孔円筒管４０１の内周面を円筒状もしくは円柱状の部材４０３で固定し、該円筒状もしくは円柱状の部材４０３及び多孔円筒管４０１と同軸方向に移動可能な端部封止部材４０５が多孔円筒管４０１側に移動して端部封止部材４０５のテーパ部４０７と円筒状もしくは円柱状の部材４０３との間に多孔円筒管４０１の端部が挟まれることにより圧潰し、この圧潰部を溶接またはろう接により完全に密閉一体化せしめ管内を耐内圧性の良好な密閉コンテナとして形成する第四の工程、この密閉コンテナにその内容積に対する所定の割合の量の二相凝縮性作動液を所定の手段により真空封入しヒートパイプとして構成する第五の工程、の五工程を含む工程で円筒状ヒートパイプ４０９を製造する。
前記貫通細孔の流体直径は３ｍｍ以下とし、前記第一の工程は厚さ１ｍｍ乃至４ｍｍに含まれる所定の厚さの多孔円筒管４０１の両端末の端縁を所定の形状に切削成形する工程であり、前記第二の工程は多孔円筒管４０１の両端末において貫通細孔間の隔壁を一条おきにまたは複数条おきに、一条ずつまたは複数条ずつ、且つ多孔円筒管４０１の両端縁から３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲を標準とする所定の深さに至るまで切除し、この隔壁の切除部は多孔円筒管４０１の両端縁側において切除隔壁を一条ずつまたは複数条ずつずらして切除するものとし、この切除手段は放電加工、超音波研削加工、高水圧研磨加工の何れかの加工方法である工程であり、前記第三の工程は、上記の隔壁切除部の深さに対応し多孔扁平管の両端末端縁から所定の長さに至る部分を貫通細孔群が気密に閉鎖する迄圧潰し、且つこの圧潰は上記の隔壁切除部深さの最深部から１ｍｍ乃至３ｍｍの範囲の距離を標準とする部分は閉鎖せしめることなく残置せしめて圧潰する圧潰である工程であり、該第三の工程は多孔円筒管４０１の所定の貫通細孔の端末に所定の長さの作動液注入金属細管を予め接合して実施し、この細管の内径は圧潰することなく残置し、密閉コンテナと多孔円筒管４０１外の所定の手段とを連通せしめることが可能なようにして実施する。

円筒状のヒートパイプ及びそれを用いた加熱・均熱ローラ及びそれを用いた糸巻取装置または電子写真画像形成装置の定着装置に適応できる。

本件発明の円筒状ヒートパイプの第一実施例を軸方向直角に見た側面図である。 本件発明の円筒状ヒートパイプの第一実施例を軸方向から見た図である。 図１のＡ−Ａ断面矢視図である。 図１の左端封止蓋のＢ−Ｂ断面矢視図と側面図である。 図１の右端封止蓋のＣ−Ｃ断面矢視図と側面図である。 本件発明の円筒状ヒートパイプ２０１の第二実施例を軸方向直角に見た側面図である。 本件発明の円筒状ヒートパイプ２０１の第二実施例を軸方向から見た図である。 図６のＤ−Ｄ断面矢視図である。 図６の左端封止蓋２０３のＥ−Ｅ断面矢視図と側面図である。 図６の右端封止蓋２０５のＦ−Ｆ断面矢視図と側面図である。 合成繊維糸の延伸加熱工程に使用される糸巻取装置の糸送ローラ部分の簡略化した構造を示す図である。 糸送ローラの側面図である。 図１２におけるＧ−Ｇ断面図である。 図１２におけるＨ−Ｈ断面図である。 本件発明に用いるプレート型細孔トンネルヒートパイプの細孔トンネルの例を示す図である。 本件発明に用いるプレート型細孔トンネルヒートパイプの他の細孔トンネルの例を示す図である。 本件発明の第三実施例における円筒状ヒートパイプの製造方法を示す図である。 本件発明の第三実施例における円筒状ヒートパイプの製造方法を示す図である。 図１８及び図１９のＩ−Ｉ断面図である。 本件発明の第三実施例における円筒状ヒートパイプを示す図である。

１０１、２０１、５０９ 円筒状ヒートパイプ
１０３、１０５、２０３、２０５ 封止蓋
１０９、２０９ 細孔
１０７、２０７ 円筒部材
１１１、２１１ 隣合う細孔間の隔壁
１１３、２１３ 突起部
３０１ 糸
３０３、３０５ 糸送りローラ
３１５、３１７ 偏平ヒートパイプ
３１９、３２１ 円筒状の放熱フィン
３２３、３２５ 端部キャップ
３２７、３２９ 回転軸
４０３ 円筒状もしくは円柱状の部材
４０５ 端部封止部材

Claims (12)

1. 中空管の肉部に中空管の軸方向に平行に複数の細孔が形成され、両端部において前記複数の作動液が細管内を表面張力により閉塞するような流路断面積を持つ細孔が連通するように封止されたことを特徴とする円筒状ヒートパイプ。
2. 前記中空管の両端面において、細孔間の隔壁を所定の深さまで除去し、各端面の円筒に沿って圧潰して封止し、隔壁を除去した部分が隣り合う細孔間の連通路としたことを特徴とする請求項１記載の円筒状ヒートパイプ。
3. 前記中空管の両端面において、細孔間の隔壁を所定の深さまで除去し、各端面を封止蓋で密着封止したことを特徴とする請求項２記載の円筒状ヒートパイプ。
4. 前記一端部の隔壁を１条おきに除去し、他端部の隔壁を前記一端部の除去された隔壁とは異なる通路間の隔壁を除去することにより、蛇行細孔を形成したことを特徴とする請求項２に記載の円筒状ヒートパイプ。
5. 前記中空管の両端部を円筒状のエンドキャップで封止したことを特徴とする請求項１記載の円筒状ヒートパイプ。
6. 前記エンドキャップは一端部の隔壁を１条おきに除去し、他端部の隔壁を前記一端部の除去された隔壁とは異なる通路間の隔壁を除去したことを特徴とする請求項５に記載の円筒状ヒートパイプ。
7. 均熱ローラにおいて、ローラ部を中空管とし、該中空管に円筒状ヒートパイプが密着配置されていることを特徴とする加熱・均熱ローラ。
8. 前記円筒状ヒートパイプをローラ部から突出させ、該突出部にフィン又は／及びファンを装着したことを特徴とする請求項７記載の加熱・均熱ローラ。
9. 前記円筒状ヒートパイプに加熱手段を施したことを特徴とする請求項７に記載の加熱・均熱ローラ。
10. 前記円筒状ヒートパイプに温度検出手段を施したことを特徴とする請求項７〜９に記載の加熱・均熱ローラ。
11. 前記請求項７〜１０に記載の加熱・均熱ローラを加熱ローラもしくは糸送りローラとして用いたことを特徴とする合成繊維糸の延伸加熱工程に使用される糸巻取装置。
12. 前記請求項７〜１０に記載の加熱・均熱ローラを加熱ローラもしくは送りローラとして用いたことを特徴とする電子写真画像形成装置の定着装置。

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