JP3680995B2

JP3680995B2 - Fixing roller device for electrophotographic image forming apparatus

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Publication number: JP3680995B2
Application number: JP2001391955A
Authority: JP
Inventors: 慶雨李; 兌圭金
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: EP1220054B1; CN1209688C; EP1220054A1; JP2002304076A; DE60104640T2; DE60104640D1; CN1360231A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子写真画像形成装置用定着ローラ装置に係り，より詳細には低電力消耗で瞬間加熱が可能な電子写真画像形成装置用定着ローラ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複写機やレーザビームプリンタなどの一般の電子写真画像形成装置において，感光ドラムに隣接している帯電ローラ（ＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃＣｈａｒｇｉｎｇＲｏｌｌｅｒ）が回転する時，感光ドラムの表面にコーティングされた感光物質が均一に帯電される。帯電された感光物質はレーザ走査部（ＬＳＵ：ＬａｓｅｒＳｃａｎｎｉｎｇＵｎｉｔ）から走査するレーザビームに露出されて静電潜像が感光性物質上に所定パターンに形成される。
【０００３】
現像器は，感光体にトナーを供給して感光物質に形成された静電潜像を可視トナー画像に現像する。トナーイメージが載せられている感光ドラムに所定圧力で接触された転写ローラに所定の転写電圧が印加される。この状態で，記録用紙が転写ローラと感光ドラムとの間の隙間に供給され，感光物質上に形成されたトナー画像が記録用紙に転写される。
【０００４】
定着ローラを含む定着部はトナー画像が転写された用紙を加熱して，粉末状態のトナー画像を一時的な溶融により用紙に融着させる。一般に定着部の熱源としてハロゲンランプが使われる。ハロゲンランプは定着ローラの内部に設けられ，輻射熱（放射熱）により定着ローラの表面を所定の温度に加熱する。
【０００５】
ハロゲンランプを熱源として使用する従来の電子写真形成装置の定着ローラにおいて，定着ローラの外表面は熱を生じなければならないため，ハロゲンランプからの輻射熱により定着ローラの内部から外側に加熱される。加圧ローラは定着ローラの下部に位置する。粉末状態のトナー画像が載せられている記録用紙が定着ローラと加圧ローラとの間を通過するとき，記録用紙は加熱及び加圧され，定着ローラ及び加圧ローラからの熱及び力により融着される。
【０００６】
また，ハロゲンランプを熱源として使用する従来の電子写真形成装置の定着ローラにおいて，定着ローラの表面温度を電気的信号に検出するサーミスタ（Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）及びハロゲンランプに対する電源を遮断するサーモスタットが適用できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記記載のハロゲンランプを熱源として適用する従来の定着ローラ装置は，無駄な電力消耗が大きく，画像形成のために電源をつけた場合，長時間のウォームアップ時間（Ｗａｒｍ−ｕｐｐｅｒｉｏｄ）が要求される。すなわち，電源印加後に定着ローラが所望の目標温度に到達するまで数十秒から数分の準備時間が必要である。従来の定着ローラ装置では，熱源からの輻射熱により定着ローラが加熱されるために熱伝逹速度が遅い。特に用紙に接触する場合に生じる温度低下による温度偏差の補償が遅いため，定着ローラの長手方向への温度分布を均一に調節し難い。
【０００８】
プリントの動作が中止された待機モードでも定着ローラの温度を一定に維持させるために電力を熱源に一定の周期で印加しなければならないため，無駄な電力消耗が生じる。また待機状態から画像出力のための動作モードへの転換にも長時間がかかり，画像の迅速な印刷ができない。
【０００９】
従来の定着ローラ装置のための他の設計としては，可とう性円筒状フィルムチューブの下部に位置する加熱板及びこの加熱板の下部に装着される加圧ローラを使用する。
【００１０】
上記フィルムチューブは別の回転装置により回転され，上記加熱板と加圧ローラとの間で局部的に変形および加熱される。このように加熱板によりフィルムチューブを局部的に加熱する方式は，省電力の長所はあるが，高速プリントには適用し難い短所を有する。
【００１１】
日本特許出願番号昭５８−１６３８３６（１９８３．９．１６），平３−１０７４３８（１９９１．５．１３），平３−１３６４７８（１９９１．６．７），平５−１３５６５６号（１９９３．６．７），平６−２９６６３３（１９９４．１１．３０），平６−３１６４３５（１９９４．１２．２０），平７−６５８７８（１９９５．３．２４），平７−１０５７８０（１９９５．４．２８），平７−２４４０２９（１９９５．９．２２），平８−１１０７１２（１９９６．５．１），平１０−２７２０２（１９９８．２．９），平１０−８４１３７（１９９８．３．３０）及び平１０−２０８６３５（１９９８．７．８）号公報はヒートパイプを適用した定着ローラ装置を開示する。
【００１２】
このようにヒートパイプを適用した定着ローラ装置は瞬間加熱が可能なために消費電力を減少させることが可能である。また，定着ローラ装置はスイッチングされた時に待機状態と印刷動作との間に短い遅延時間を有する。
【００１３】
日本特許出願番号平５−１３５６５６号，平１０−８４１３７号，平６−２９６６３号及び平１０−２０８６３５号公報に開示された定着ローラ装置は，定着領域を外れた定着ローラの一側端部に備えられる相異なる形態の熱源を使用する。このような定着ローラ装置の各々のための熱源の配置構造では，定着ローラ装置全体の大きさが肥大化する。したがって，これらの定着ローラ装置は，構造的な複雑性が改善される必要がある。
【００１４】
昭５８−１６３８３６号，平３−１０７４３８号，平３−１３６４７８号，平６−３１６４３５号，平７−６５８７８号，平７−１０５７８０号及び平７−２４４０２９号公報に開示された定着ローラ装置は定着ローラの内部に備えられる熱源を有するため，前述したように全体の大きさの肥大化はあまり問題にならないが，定着ローラに対して局部的なヒートパイプが多数備えられている構造を有するために，加工及び製造が非常に複雑になる欠点がある。またヒートパイプが局部的に配置されている構造を有するために，ヒートパイプの間の部分及びヒートパイプに接している部分で温度偏差が生じる欠点がある。
【００１５】
本発明は，上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，定着ローラの表面を瞬時に所望の定着温度まで加熱できて用紙に転写されているトナー画像を定着させることの可能な，新規かつ改良された電子写真形成装置及び製造工程を提供することである。
【００１６】
さらに，本発明の別の目的は，定着ローラの局部的な温度偏差がきわめて低減して全体的な熱的分布が改善された電子写真画像形成装置用定着ローラ装置を提供することである。
【００１７】
さらに，本発明の別の目的は，短時間内に待機状態から印刷状態に進みうる定着ローラを提供することである。
【００１８】
さらに，本発明の別の目的は，エネルギー効率が高い電子写真印刷工程及び装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，密封された，所定圧力の真空状態が維持される内部空洞を形成して，対向する同軸状の両端部を有する管状の定着ローラと，両端部の間の内部空洞内に設けられて，定着ローラの同軸状の長手方向に，内部空洞内に形成された内部円筒の表面と物理的に接触する発熱部と，定着ローラの内部空洞に収容されて，前記発熱部と物理的に接触する作動流体とから構成される。
【００２０】
発熱部は，内部空洞内で螺旋状に巻回されている抵抗性発熱コイルを具備し，抵抗性発熱コイルの同軸状の両端は定着ローラの両端から定着ローラ外部へ引き出されてもよい。
【００２１】
発熱部は，定着ローラの内径より大きい外径を有し，定着ローラの内部円筒の壁に所定の力により接触されてもよい。
【００２２】
定着ローラは，銅より製作されてもよい。さらに，定着ローラは，ステンレススチールより製作されてもよい。また，作動流体は，定着ローラの内部空洞に対して５〜５０％の体積比で収容されてもよい。さらに，作動流体は，定着ローラの内部空洞に対して５〜１５％の体積比で収容されてもよい。
【００２３】
上記課題を解決するために，本発明の第２の観点によれば，密封された，所定圧力の真空状態が維持される内部空洞を形成して，対向する同軸状の両端部を有する管状の定着ローラと，両端部の間の内部空洞内に設けられて，定着ローラの同軸状の長手方向に，内部空洞内に形成された内部円筒の表面と物理的に接触する第１の発熱部と，第１の発熱部よりも内部に収容される第２の発熱部と，放射状に配置されることにより定着ローラの内部空洞を複数の単位空間に分割する複数の分離壁体と，を含む分離部材と，分割された複数の単位空間に各々収容され，上記第１の発熱部と物理的に接触する作動流体とから構成される。
【００２４】
発熱部は，内部空洞内で螺旋状に巻回されている抵抗性発熱コイルを具備し，抵抗性発熱コイルの同軸状の両端は前記定着ローラの両端から定着ローラ外部へ引き出されてもよい。
【００２５】
分離部材は，放射状に延びる複数の分離壁体を含むことができる。
【００２６】
第１の発熱部は，前記定着ローラの内径より大きい外径を有し，前記定着ローラの前記内部円筒の壁に所定の力により接触してもよい。
【００２７】
定着ローラは，銅より製作されてもよい。さらに，定着ローラは，ステンレススチールより製作されてもよい。また，作動流体は，蒸溜水でもよい。また，作動流体は，定着ローラの内部空洞に対して５から５０％の体積比で収容されてもよい。さらに，作動流体は，定着ローラの内部空洞に対して５から１５％の体積比で収容されてもよい。
【００２８】
上記課題を解決するために，本発明の第３の観点によれば，第１の直径を有する外部管と，外部管の内部に形成されて，第２の直径を有する内部管と，外部管と内部管との間に所定圧力の環状空間を含む管状の定着ローラと，環状空間内に設けらて外部管に物理的に接触する第１のヒータと，内部管の内側に設けられる第２のヒータと，放射状に配置されることにより環状空間を複数の単位空間に分割する複数の分離壁体を含む分離部材と，環状空間の体積に比べて小容量で分割された複数の単位空間に各々収容される作動流体とから構成される。
【００２９】
発熱部は，前記環状空間内に設けられて外部管に物理的に接触する第１のヒータを含んでもよい。
【００３０】
第１のヒータは，螺旋状に巻回された抵抗性発熱コイルでもよい。さらに，第１のヒータは，外部管の内部円筒状の表面に沿って物理的に直接接触されるように配置されてもよい。
【００３１】
発熱部は，環状空間内に設けられ，外部管に物理的に接触する第１のヒータ及び内部管の内側に設けられる第２のヒータを含んでもよい。
【００３２】
第１のヒータは，螺旋状に巻回された抵抗性発熱コイルを有し，第２のヒータは，ハロゲンランプを有してもよい。
【００３３】
内部管及び外部管は，銅より製作されてもよい。また，内部管及び外部管は，ステンレススチールより製作されてもよい。
【００３４】
作動流体は，蒸溜水でもよい。また，作動流体は，定着ローラの内部の環状空間に対して５〜５０％の体積比で収容されてもよい。また，作動流体は，定着ローラの内部の環状空間に対して５〜１５％の体積比で収容されてもよい。
【００３５】
環状空間内に，多数の単位空間に分離する多数の分離部材が設けられてもよい。
【００３６】
上記課題を解決するために，本発明の第４の観点によれば，密封された，所定圧力の真空状態が維持される内部空洞を形成して，対向する同軸状の両端部を有する管状の定着ローラと，両端部の間の内部空洞内に設けられて，定着ローラの同軸上の長手方向に，内部空洞内に形成された内部円筒の表面と物理的に接触された状態で螺旋状に巻回された発熱部と，定着ローラの内部空洞に収容される所定量の作動流体と，定着ローラの外部円筒状の表面に形成される保護層と，発熱部に電圧を供給するための電極とから構成される。
【００３７】
発熱部は，抵抗発熱コイルでもよい。また，抵抗発熱コイルの表面には，保護層が形成されてもよい。さらに，保護層は，ＭｇＯより形成されてもよい。
【００３８】
発熱体に９０〜２４０Ｖの電圧が，印加されてもよい。また，発熱体に印加される電圧は，５０〜７０Ｈｚ範囲の周波数を有してもよい。
【００３９】
上記課題を解決するために，本発明の第５の観点によれば，軸方向の対向する方向に延びる内部空洞を有する管状の定着ローラを形成する段階と，内部空洞に螺旋状に巻回された第１の発熱コイルを挿入する段階と，内部空洞からガスを排気する段階と，内部空洞内に内部管を位置させ，その内部管の内部に第２の発熱コイルを挿入する段階と，内部空洞を，所定量の作動流体が各々収容される複数の部分に分割する段階と；内部空洞に作動流体を部分的に充填する段階と，第１の発熱コイルを通した電気的連結を許す状態で内部空洞を密閉する段階とを含む。
【００４０】
上記課題を解決するために，本発明の第６の観点によれば，内側に第１の直径を有した内部空洞を構成する前記定着ローラが形成される段階と，内部空洞に前記発熱コイルを挿入する前に，前記第１の直径より大きく外側に第２の直径が形成された前記発熱コイルを巻回する段階と，発熱コイルを定着ローラ内に挿入する過程で前記第２の直径を縮める段階と，発熱コイルの挿入後に第２直径を元の大きさに回復させる前記発熱コイルを解く段階とをさらに含む。
【００４１】
内部空洞内に内部管を位置させ，前記定着ローラと内部管との間に前記発熱コイルを位置させる段階をさらに含んでもよい。
【００４２】
内部空洞を，所定量の作動流体が各々収容される複数の部分に分割する段階をさらに含んでもよい。
【００４３】
上記課題を解決するため，本発明の第７の観点によれば，本発明の目的を達成するために，密封された両端部を有し，その内部が所定圧力で排気された円筒状定着ローラにより行われうる定着工程及び定着ローラ装置が提供される。
【００４４】
定着工程及び定着装置は，両端が密封されており，所定圧力で排気された内部空洞を有する管状の定着ローラにより行われる。定着ローラの内部空洞は所定量の作動流体を収容する。分離部材は定着ローラの内部空洞を複数の単位空間に分離する。定着ローラに設けられた発熱部は分離部材を包んで作動流体に接触されている。
【００４５】
発熱部は螺旋状抵抗性発熱コイルであり，定着ローラの両端を通じて抵抗性コイルの両リードが引き出されることが望ましい。発熱部は，定着ローラの内面に沿って螺旋状に直接接触されるように配置されることが望ましい。定着ローラの内壁に対する発熱部の接触圧力を大きくするために，発熱部の外径を定着ローラの内径より大きくして，直径差により生じた力に起因して発熱部が定着ローラの内部円筒状の表面に弾力的に所定力で圧縮されることが望ましい。定着ローラは銅またはステンレススチールより製作されたことが望ましい。定着ローラが銅より製作された場合，作動流体として蒸溜水が好まれる。
【００４６】
作動流体は，定着ローラの内部空洞に対して５ないし５０％の体積比で収容されることが望ましく，特に１０ないし１５％の体積比で収容されることが望ましい。
【００４７】
分離部材は放射状に配置された多数の分離壁体を具備することが望ましい。
【００４８】
定着ローラ装置は，第１直径を有する外部管及び，第１直径より小さな直径を有し，外部管の内部に同軸的に位置して外部管との間に環状空間を形成する内部管を具備する円筒状定着ローラを含む。
【００４９】
定着ローラの環状空間は，所定圧力で排気されている。外部管と内部管との間に形成された環状空間の体積に比べて小さな所定量の作動流体が定着ローラの環状空間内に収容される。発熱部は，内部管の内側または環状空間に設けられる。
【００５０】
発熱部は，環状空間内に設けられる第１発熱部及び／または内部管の内部に設けられる第２発熱部を含むことができる。また，第１発熱部は螺旋状抵抗性発熱コイルであり，第２発熱部はハロゲンランプであることが望ましい。また，発熱部は，放射状に配置される多数の分離壁体を有する。複数の分離壁体は環状空間を多数の単位空間に分離することが望ましい。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお，以下の説明及び添付図面において，略同一の機能及び構成を有する構成要素については，同一符号を付することにより，重複説明を省略する。
【００５２】
まず図１，図２，図３および図４を参照しながら，一般的な電子写真画像形成装置および電子写真画像形成装置に構成される，従来における第１の定着ローラ装置について説明する。ここで，図１は，一般的な電子写真が造形性装置を示す斜視図である。図２は，ハロゲンランプが熱源として適用された従来における第１の定着ローラ装置の概略的な縦断面図である。図３は，図２に示したハロゲンランプを熱源として適用した従来の電子写真画像形成装置の定着ローラ装置及び加圧ローラの関係を示す縦断面図である。図４は，電子写真画像形成装置に適用される従来の定着ローラ装置の概略的な断面図である。
【００５３】
図１に示すように，電子写真画像形成装置は，用紙引出部１，操作部２，コントロールボードカバー３，上カバー開けボタン４，用紙表示窓５，多用途給紙窓６，用紙カセット７，オプションカセット８，補助支持台９から構成される。
【００５４】
次に図２に示すように，従来の定着ローラ装置１０は，円筒状の定着ローラ１１及びその内部中央に設けられるハロゲンランプのような発熱部１２を具備する。定着ローラ１１の外表面が熱を放出するように定着ローラ１１は発熱部１２からの輻射熱により内部から外側に加熱される。
【００５５】
また図３に示されるように，その表面にテフロンによるコーティング層１１ａが形成された定着ローラ１１の下部には加圧ローラ１３が位置する。加圧ローラ１３は，スプリング装置１３ａにより弾力的に支持されて定着ローラ１１と加圧ローラ１３との間を通過する用紙１４を定着ローラ１１に所定の圧力で加圧する。用紙１４には粉末状態のトナー画像１４ａが形成されており，前記定着ローラ１１と加圧ローラ１３との間を通過しつつ所定の圧力及び熱により加圧，加熱される。すなわち，トナー画像１４ａは前記定着ローラ１１及び加圧ローラによる所定温度の熱及び圧力により前記用紙１４に融着される。
【００５６】
定着ローラ１１の一側には，定着ローラ１１の表面温度を電気的信号に検出するサーミスタ１５及びハロゲンランプのような発熱部１２に対する電源を遮断するサーモスタット１６が設けられる。定着ローラ１１の表面温度が与えられた臨界値を超過した時にはサーモスタット１６は発熱部１２に対する電源を遮断する。サーミスタ１５は定着ローラ１１の表面温度を検出してプリンタの制御部（図示せず）に伝送し，制御部は検出温度によって発熱部１２のハロゲンランプに対する電源を制御して定着ローラ１１の表面温度を所定範囲内で維持させる。前記サーモスタット１６は，前記サーミスタ１５及び制御部による前記定着ローラ１１の温度調節が失敗した時に定着ローラ１１及び隣接要素を保護するための過熱防止手段としての役割をする。
【００５７】
上記記載の熱源としてハロゲンランプを適用する従来の定着ローラ装置は不要の電力を非常に消耗し，特に画像形成のために電源を印加した時，かなり長いウォームアップ期間を要求する。すなわち，電源を印加した後に定着ローラ１１が所望の目標温度に到達するまで数十秒から数分の待機時間を必要とする。
【００５８】
従来の定着ローラ装置において，熱源からの輻射熱により定着ローラが加熱されるために熱伝逹率が低い。特に用紙に接触しつつ生じる温度の低下による温度偏差の補償が遅いために定着ローラ１１の温度散布を均一に制御するのが困難である。
【００５９】
また，プリントの動作が中止した待機モードでも定着ローラの温度を一定に維持させるために電力を熱源に一定の周期に印加しなければならない場合，無駄な電力消耗が生じる。また，待機状態から画像出力のための動作モードへの転換にも長時間がかかるために速い画像出力を達成できない問題点がある。
【００６０】
図４は，電子写真画像形成装置に適用される従来の定着ローラ装置の概略的な断面図である。可とう性の円筒状フィルムチューブ２１の内側下部に加熱プレート２２が備えられ，加熱プレート２２の直下に加圧ローラ２３が設けられている。
【００６１】
上記フィルムチューブ２１は別の回転装置により回転され，加熱プレート２２と加圧ローラ２３との間の部分で局部的に変形されながら加熱される。したがって，加熱プレート２２によりフィルムチューブ２１が局部的に加熱される方式は消費電力が少ない長所はあるが，このような局部的加熱方法は高速印刷のためには不適切である。
【００６２】
（第１の実施の形態）
次に，図５，図６（ａ），を参照しながら，第１の実施の形態にかかる定着ローラ装置の定着部について説明する。図５は，第１の実施の形態にかかる電子写真画像形成装置の定着部を示す断面図である。図６（ａ）は，第１の実施の形態にかかる定着ローラ装置の構造を示す部分図である。図７は，第１の実施の形態にかかる定着ローラ装置の構造を示す横断面図である。
【００６３】
図５，図６（ａ）に示すように，定着部２００はトナー画像２５１が形成された用紙２５０が排出される方向，すなわち，図面で時計回り方向に回転する定着ローラ装置２１０及び，定着ローラ装置２１０と接触して逆時計回り方向に回転する加圧ローラ２２０を具備する。
【００６４】
定着ローラ装置２１０は，表面にテフロンコーティングによる保護層２１１が形成された管状の定着ローラ２１２及びこの内部空間に収容される発熱部２１３を具備する。前記定着ローラ２１２の上部には定着ローラ２１２の表面温度を検知するサーミスタ２３０が設けられる。
【００６５】
サーミスタ２３０は，保護層２１１に物理的に直接接触されており，保護層２１１の温度を検出する。前記定着ローラ２１２の内部空洞２４２により形成された内部空間は所定のレベルの真空状態を維持するように排気される。上記発熱部２１３は，上記定着ローラ２１２の内部空洞２４２に沿って装着されて定着ローラ２１２の内部円筒状壁に直接物理的に接触される螺旋状の抵抗発熱コイルになりうる。
【００６６】
図６（ａ）に示すように，上記発熱部２１３はＦｅ−ＣｒまたはＮｉ−Ｃｒなどの電気的抵抗物質より形成された発熱線２１３ａ及び，これを保護するＭｇＯなどによる絶縁性被覆層２１３ｂを含む。前記発熱部２１３の絶縁性被覆層２１３ｂは，後述する作動流体２１４内で温度変化や経時変化により変形や特性の変化を防止する。
【００６７】
図６（ａ）に示すように，ステンレス鋼などの相対的に非活性物質より形成された絶縁性被覆層２１３ｂは絶縁層２１３ｃの周囲に保護カバーが形成される。同軸的に離れている複数の電気的絶縁物２１３ｄが絶縁層２１３ｃの中心内に略同軸的に備えられ，カバーである絶縁性被覆層２１３ｂから所定の距離だけ離れている発熱線２１３を把持している。
【００６８】
図６（ｂ），図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示すように，定着ローラ２１２に形成されるヒートパイプ２１２の内部円筒状の表面２４６の半径方向に対向する内部壁の間の距離はｄ_１であり，この時，ヒートパイプ２１２の外表面はｄ_２の直径を有する。発熱線２１３はｄ_１より少し大きい外部円筒状直径を有する。
【００６９】
図６（ｃ）に示したように，直径ｄ_１より小さなｄ_３の値に発熱線２１３の直径を縮めるように発熱線２１３の同軸的に相反した方向から電極２１５に力Ｆが加わり，この時に発熱線２１３はヒートパイプ２１２の内部空洞２４２に挿入される。
【００７０】
図６（ｄ）に示したように，力Ｆを除去した時，発熱線２１３の各ループの外表面がヒートパイプ２１２の内部の周辺表面と物理的及び熱的に直接接触されて，本質的に力Ｆの除去は，円筒状の外径ｄ_１がヒートパイプ２１２の内径と同一であると見なされる。発熱線２１３の隣接したループの間のピッチｘ_１，ｘ_２は相等しい必要がない。
【００７１】
しかし，重要なことは，発熱線２１３の外表面の大部分または全てがヒートパイプ２１２の内表面と物理的及び熱的に直接接触される状態に置かれたという点である。
【００７２】
上記発熱部２１３が収容される定着ローラ２１２の密封された内部空間に作動流体２１４が収容されている。作動流体２１４は定着ローラ２１２の内部体積２４２に対して５％〜５０％，望ましくは５％〜１５％の容積を占める。
【００７３】
作動流体２１４は，ヒートパイプの原理に基づき，発熱部２１３から生じうる定着ローラ２１２表面の局部的な表面温度偏差を防止し，一般的に使用される装置に比べて短時間内に定着ローラ２１２の全体体積を均一に加熱させる熱的媒体の役割をする。
【００７４】
作動流体２１４が占める容積が約５％以下の場合には，作動流体が十分に気化されなく，さらに気化後に直ちに液化されてしまうドライアウト現象が生じる可能性が高い。前記定着ローラ２１２は，ステンレス鋼（鋼種３０４ＳＳ）などのステンレス鋼または銅より形成できる。
【００７５】
定着ローラ２１２がステンレスス鋼である場合，作動流体として水，すなわち，蒸溜水を除いた，公知の作動流体を使用できる。例えば，ＦＣ−４０（製品名，３Ｍ（商標登録）社）などの作用流体は，水の代用として非常に適している。一方，定着ローラ２１２が銅より形成される場合，ほとんどの公知の作動流体が適用できる。銅から定着ローラ２１２が製作される場合，水，すなわち，蒸溜水が非常に適した作動流体である。
【００７６】
図６（ｂ）又は図７に示されるように，定着ローラ２１２の両端に定着ローラ２１２の内部空間を密閉して真空機密の内部空間２４２を形成するキャップ２１８が結合されている。発熱部２１３の同軸状の両端部は，軸方向にキャップ２１８を通過してその上に延びる電極２１５を形成して発熱部２１３に電流を提供するスリップリング（図示せず）のような電気的接触部に結合される。
【００７７】
非導電性ブッシング２１６及びギア接続用キャップ２１７は，定着ローラ２１２の外部円筒状の表面に装着可能である。電極２１５は発熱部２１３の両端リード部分に電気的に連結される。発熱部２１３と前記電極２１５との連結構造が具体的に示されていないが，このような構造は容易に具現できる。
【００７８】
動作される間に上記記載の構造を有する定着ローラ装置２１０は別途に設けられた回転装置によって回転される。このような目的のために，付加的な部品が設けられうる。例えば，ギア接続用キャップ２１７は，定着ローラ装置２１０を回転させるのに必要な平ギアを結合するための付加的な部品である。
【００７９】
第１の実施の形態にかかる電子写真画像形成装置の定着部２００において，電極２１５，すなわち，電源供給部からの電極２１５を通じて発熱部２１３に電流が供給されれば，発熱部２１３の斜線コイルを通じて電流が流れるにつれて抵抗熱によって発熱部２１３が熱を生じ，この熱により定着ローラ２１２の内側から外側に加熱される。
【００８０】
これと同時に定着ローラ２１２の内部にある収容された作動流体２１４は熱により気化される。発熱部２１３で生じた熱が定着ローラ２１２の円筒状壁面に伝達され，これと同時に気化された作動流体により定着ローラ２１２の胴体が均一に加熱される。
【００８１】
したがって，定着ローラ２１２の表面温度が定着に必要な目標温度まで短時間内に到達する。銅またはステンレススチールより形成された穿孔層または金属スクリーンより作られて毛細管の役割をするウィック２４４が円筒状の形状内に形成され，コイル２１３の隣接したループの間で前記ウィック２４４は表面２４６の内部の内周面に沿って位置できる。
【００８２】
定着ローラ２１２を構成する材料として使われる物質としては下記［表２］に記載されている。前述したＦＣ−４０や水（蒸溜水）またはその他に後述される［表３］に記載された物質などが作動流体２１４として使われうる。作動流体として水（蒸溜水）を使う場合，コスト的に低廉であり，環境汚染を起こさないなどの利点がある。
【００８３】
定着ローラ２１２の温度がトナー画像の定着に必要な目標温度に到達すれば，トナー画像は用紙に転写される。この時にトナー画像が定着される用紙が定着ローラ２１２から熱を吸収し，定着ローラ２１２内部の気化された作動流体が定着ローラ２１２の内部空洞で再び液状に変わる。液化された作動流体は連続して発熱部２１３により加熱されて気化され，これにより定着ローラ２１２の温度は所定温度で維持される。
【００８４】
正常的なトナー画像の定着温度が１６０〜１８０℃である場合，第１の実施の形態に係る定着ローラ装置２１０は１０秒以内に目標温度に到達できる。すると，定着ローラ２１２の表面温度は，サーミスタ２３０により定着ローラ２１２の表面温度に対応するコイル２１３に対する断続的な電流供給により所定の温度範囲内で維持される。
【００８５】
サーミスタ２３０及び制御部による前記定着温度の調節が失敗して定着ローラ２１２の表面温度が急上昇する場合，図４に示す，定着ローラ２１２の円筒状の表面に近接して設けられたサーモスタット２４０が定着ローラ２１２の温度を検知し，過熱防止のためにコイル２１３に対する電源供給を遮断する。このような電源供給動作は目標温度によって可変である。また電源供給動作は，周期的なオン／オフ制御またはデューティサイクル比のような制御技術により制御可能である。
【００８６】
上記記載の第１の実施の形態にかかる定着ローラ装置２１０の製造工程について説明すると，次のような段階を通じて製造される。
【００８７】
ａ）定着ローラ２１２の物質として金属パイプを準備する段階と，
ｂ）金属パイプの露出面を蒸溜水や揮発性液体で洗浄する段階と，
ｃ）螺旋状の抵抗発熱コイル２１３の露出面を蒸溜水や揮発性液体で洗浄する段階と，
ｄ）外径が金属パイプの内径と同一か，または内径より少し大きく巻回された螺旋状の抵抗発熱コイル２１３を金属パイプの環状の内部円筒状空間に挿入する段階と，
ｄ’）選択的に，発熱コイル２１３のループの間にウィック２４４を挿入する段階と，
ｅ）抵抗発熱コイル２１３の両端リード部分をパイプの外側に取り出した状態で作動流体の注入に必要な部分を除外した部分をエンドキャップ等により密封する段階と，
ｆ）排気により内部空間から不要のガスをパージ（除去）し，金属パイプの内部空洞に真空を形成するために金属パイプの内部空間からガスを排出するように金属パイプを加熱及び冷却する段階と，
ｇ）作動流体の注入部分を通じて５〜５０Ｖｏｌ％の作動流体２１４（ＦＣ−４０または蒸溜水）を注入する段階と，
ｈ）金属パイプの作動流体２１４の注入部分をシーリングする段階と，
ｉ）前記パイプの表面にテフロンなどをスプレー方法によりコーティングした後に乾燥，研磨する段階と，
ｊ）ベアリングとして非導電性ブッシング２１６をパイプの一側端部に挿入する段階と，
ｌ）金属製，耐熱性プラスチック類，エポキシ類より製造されたギア装着用キャップ２１７を金属パイプにより形成された定着ローラ２１２の一端部に設ける段階。
【００８８】
定着ローラ装置２１０を製造する途中で，前記螺旋状抵抗発熱コイル２１３を挿入した後にパイプの両端にエンドキャップ２１８を溶接する時には酸化防止のためにパイプの内側にアルゴンガスが作動流体２１４の注入部分を通じて注入される。作動流体２１４が注入される前に，内部空洞２４２から不要なガスがパージング（除去）され，前記パイプの内部が真空化され，パイプ内部の全てのガスが排出されるように真空状態で加熱及び冷却されることによって金属パイプの内側表面に付着されたガスなどの実質的に全ての異物を除去する。
【００８９】
例えば，内部空間２４２をパージする一工程で，金属パイプは４０気圧の内部圧力下で２５０度まで加熱されなければならない。常温で，内部空洞２４２は絶対圧力，すなわち，内部空洞にはどんな分子も存在してはならない。
【００９０】
図８（ａ）は，第２の実施の形態にかかる定着ローラ装置の縦断面構造を示す断面図であり，図８（ｂ）は，図８（ａ）に示した定着ローラ装置の横断面構造を示す部分図である。
【００９１】
図８（ａ）および図８（ｂ）に示されるように，第２の実施の形態にかかる定着ローラ装置は，表面にテフロンなどの物質よりなる保護層３１１が外部管３１２の外表面に形成されている。
【００９２】
外部管３１２の内径に比べて小さな外径を有する内部管３１４が外部管３１２の中間部分に同軸的に位置している。したがって，外部管３１２と内部管３１４との間に作動流体２１４及び発熱部３１３が収容される環状空間３１８が備えることが可能となる。
【００９３】
発熱部３１３は上記外部管３１２の内側円筒状の表面に沿って形成されており，上記環状空間３１８の下部側には液状の作動流体２１４が存在する。内部管３１４の内部円筒状空洞３１４ａの壁面は堅固で，内部は空洞となっており，排気することが可能な円筒状空洞である。
【００９４】
図９（ａ）は，従来における第２の定着ローラ装置の構造を示す縦断面図であり，図９（ｂ）は，図９（ａ）に示した定着ローラ装置の横断面を示す斜視図である。
【００９５】
従来における第２の定着ローラ装置の構造は，発熱部３１３ａの位置において第２の実施の形態にかかる定着ローラ装置と異なる。図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照すれば，その表面に保護層２１ａが備えられた外部管２１が形成されている。外部管２１の内径より小さな外径を有する内部管３１が空いている円筒状空洞の外部管２１の中間部分に同軸的に位置する。
【００９６】
上記外部管２１の内側円筒状の表面と内部管３１の内側円筒状の表面との間に作動流体２１４が収容可能な中空の環状空間３８が備えられる。内部管３１の中間には内部管３１の内壁を輻射熱で加熱する発熱部１２が用意されている。
【００９７】
上記発熱部１２は，ハロゲンランプなどの輻射熱を生じる装置である。内部管３１は発熱部１２からの輻射熱により加熱され，内部管３１の外側円筒状の表面に接触された作動流体３３が蒸発気化，すなわち，液状から気状に変化する。
【００９８】
図１０（ａ）は，第３の実施の形態にかかる定着ローラ装置の構造を示す縦断面図であり，図１０（ｂ）は，図１０（ａ）の定着ローラ装置の構造を示す横断面の斜視図である。
【００９９】
第３の実施の形態にかかる定着ローラ装置は，第１の実施の形態及び第２の実施の形態にかかる定着ローラ装置の構造を，それぞれ組合せた構造と見なせる。
【０１００】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示されるように，第３の実施の形態にかかる定着ローラ装置は，テフロンのような物質よりなる保護層３１１がその外表面にコーティングされた外部管３１２が形成されている。外径が外部管３１１の内径よりやや小さな外径を有する内部管３１４が外部管３１２の空いている中間部分に同軸的に位置している。
【０１０１】
環状空間３１８は作動流体２１４を収容し，そして外部管３１２と内部管３１４との間に第１発熱部３１３が備えられる。上記内部管３１４の空いている中間部分に内部管３１４の内壁を輻射熱で加熱する第２発熱部３１３ａが同軸的に位置する。
【０１０２】
上記第２発熱部３１３ａは，ハロゲンランプのように輻射熱を生じる装置である。したがって，内部管３１３は発熱部３１３ａからの輻射熱により加熱されて前記内部管３１４の外側面に接触した作動流体２１４が蒸発して気体状態になる。
【０１０３】
第１発熱部３１３は，外部管３１２の内部円筒状の表面に沿って形成され，直接的に外部管３１２の内部円筒状の表面を加熱し，また直接的に作動流体２１４を加熱して定着ローラ装置が待機状態から抜け出た時に作動流体２１４を蒸発させる。
【０１０４】
外部管３１２と内部管３１４との間の空いている環状空間３１８にある作動流体２１４は第１，第２発熱部３１３，３１３ａにより同時に加熱されて気化する。図１０（ｃ）に示すように，第３の実施の形態に係る定着ローラ装置は，前述した他の実施の形態に比べて実質的に短時間内に効率的に加熱できる。
【０１０５】
図１０（ｃ）は，従来における二つの設計及び第３の実施の形態にかかる定着ローラ装置のローラが動作温度に到達するのに要求される時間の比較による相対的な動作を示す。
【０１０６】
図１０（ｃ）に示すように，曲線Ａは，図２に示したハロゲン加熱ランプを有した構成となる定着ローラ装置を示す。この設計はヒーティングローラが１８５℃の動作温度に到達するのに２〜３分の時間を要求する。
【０１０７】
曲線Ｂは，図９（ａ），図９（ｂ）に示した間接加熱設計の定着ローラ装置を示す。この設計では，ヒーティングローラの外表面温度が１８５℃に到達するのに２０〜３０秒の時間を要求する。
【０１０８】
曲線Ｃは，図１０（ａ），図１０（ｂ）に示した第３の実施の形態にかかる定着ローラ装置を示す。第３の実施の形態にかかる定着ローラ装置では，１８５℃の動作温度に到達するのに約１２秒の時間を要求する。
【０１０９】
さらに，曲線Ａで示されたハロゲン加熱ランプ及び曲線Ｂで示された間接加熱組立体とは違い，第３の実施の形態にかかる定着ローラの外周面の同軸状の長手方向の温度差が２℃以下であり，そして多くの場合において，同軸状の長手方向に１℃である。これに反して，ハロゲン加熱ランプ及び間接加熱組立体は同軸状の長手方向に２℃以上の温度差で変化し，普通に定着ローラの中央部分に比べて同軸状の長手方向に末端部で２度以上の温度差があって冷たかった。
【０１１０】
図１１（ａ）は，第４の実施の形態にかかる定着ローラ装置の構造を示す縦断面図であり，図１１（ｂ）は，図１１（ａ）に示した定着ローラ装置の構造を示す横断面の斜視図である。
【０１１１】
第４の実施の形態にかかる定着ローラ装置の環状内部空間３１８は，内部管３１４の外側円筒状の表面から内部空間３１８を横切って外部管３１２の内側円筒状の表面に延びる放射状の多数の分離された壁体３１５により分離される。
【０１１２】
定着ローラ装置の内部空間３１８は多数の不連続的な部分に分離され，各部分は実施の形態の設計に依存しており，不連続的な部分の間の作動流体２１４によるガス相の経路を許し，または許さない。
【０１１３】
外部管３１２の外側周面は保護層３１１がコーティングされた外表面を有する。内部管３１４は外部管３１２の内径より実質的に小さな外径を有し，そして外部管３１２の中間部分に同軸的に設けられて，外部管３１２と内部管３１４との間に作動流体２１４を収容する環状内部空間３１８が備えられる。
【０１１４】
環状内部空間３１８は，放射状に配置された所定角度間隔の分離壁体３１５によって複数の単位空間に区分されており，各単位空間に作動流体２１４が収容されている。そして前記内部管３１４の中間部分には，内部管３１４の内壁を輻射熱で加熱する発熱部３１３ａが同軸的に備えられている。
【０１１５】
上記発熱部３１３ａはハロゲンランプのような輻射熱を生じる装置である。したがって，内部管３１４は発熱部３１３ａからの輻射熱により加熱され，上記内部管３１４の外側面に接触された作動流体２１４は蒸発する。上記作動流体２１４は，各単位空間内で気化及び凝縮過程を経て，上記外部管３１２への熱伝逹を行う。
【０１１６】
上記分離壁体３１５は別の部品で備えられる場合もあるが，内部管２１４の外周面に一体的に形成できる。上記作動流体２１４は，各単位空間に分配され，外部管３１２の内面に接触される作動流体２１４は，各単位空間内で速かに気化及び凝縮される。
【０１１７】
図１２は，第５の実施の形態にかかる定着ローラ装置を示す部分斜視図である。
【０１１８】
外部管３１２は，テフロンのような物質よりなる保護層３１１がコーティングされる外部円筒状の表面を有する。内部管３１４は，外部管３１２の内径より小さな外側直径を有し，そして外部管３１２の中央に同軸的に位置し，外部管３１２と内部管３１４との間に作動流体２１４を収容するための環状空間３１８が備えられる。
【０１１９】
環状空間３１８は，放射状に配置された所定角度間隔の分離壁体３１５により複数の単位空間に区分されており，各単位空間に作動流体２１４が収容されている。
【０１２０】
ステンレススチールのような熱的伝導体よりなる円筒状カバー３１７は分離壁体３１５の放射状外断部を包み，そして内部管３１４の周囲の分離壁体３１５は螺旋状の抵抗発熱体よりなる第１発熱部３１３により包まれている。
【０１２１】
上記内部管３１４の中央には，内部管３１４の内壁を輻射熱で加熱する第２発熱部３１３ａが備えられている。第２発熱部３１３ａはハロゲンランプのように輻射熱を生じる装置である。
【０１２２】
記録可能な媒体に画像を印刷するための準備として，待機状態から抜け出た後に内部管３１４は，第２発熱部３１３ａからの輻射熱により加熱され，上記内部管３１４の外側面に接触された作動流体２１４が蒸発する。また第１発熱部３１３は外部管２１２の内壁に接触されており，これにより作動流体２１４と共に外部管３１２が加熱される。
【０１２３】
作動流体２１４は，各単位空間内で気化及び凝縮過程を経つつ前記外部管２１２に熱を伝達する。上記分離壁体３１５は別の部品で備えられる場合もあるが，内部管２１４の外周面に一体的に形成できる。分離壁体３１５により外部管３１２と内部管３１４との間の環状空間３１８が単位空間に分離されているが，特定なる実施の形態では，作動流体２１４が分離壁体３１５と外部管３１２の内壁との間のオリフィスまたはギャップを通じて単位空間の間を流動できる。
【０１２４】
次に図１３は，第６の実施の形態にかかる定着ローラ装置を示す部分斜視図である。図１３は，前述した第１の実施の形態にかかる定着ローラ装置が応用された構造を有する第６実施例の部分的斜視図である。
【０１２５】
図１３に示すように，第６の実施の形態にかかる定着ローラ装置は，その表面にテフロンによる保護層３１１が形成された管状の定着ローラ３１２と，定着ローラ３１２の内部空間３１８に位置する発熱部３１３と，上記内部空間を複数の単位空間に分離する分離壁体３１６ａが放射状に配置されている内部空間分離部材３１６とを具備する。上記分離部材３１６は，定着ローラ２１２の内径より小さな最大外径を有し，上記発熱部３１３は取り囲まれている。
【０１２６】
第６の実施の形態にかかる定着ローラ装置は，分離部材３１６の分離壁体３１６ａにより定着ローラ３１２の内部空間が複数の単位空間に分離されているが，分離壁体３１６ａと定着ローラ３１２の内壁との間の開口部３１９を通した作動流体２１４の移動が可能である。
【０１２７】
第６の実施の形態おける，発熱部３１３に電気を供給するための電極やこれを回転させ，かつ支持するための構造は説明されてはいないが，当業者により容易に具現できる。
【０１２８】
図１４は，第１〜第６の実施の形態にかかる定着ローラ装置が適用される電子写真画像形成装置の定着部の概略的な構造を示す断面図である。
【０１２９】
図１４に示すように，コイル３１８の相反した同軸状の両端はエンドキャップ２１８を通じて延びて電極２１５を形成し，電極２１５は定着ローラ装置４００の両端に連結されて発熱部３１３（もしあれば第２発熱部３１３ａ）に電流が印加されるようにする。
【０１３０】
電極２１５は，発熱部３１３に電気的に連結され，例えば，電力源を順番に横切って連結されるカーボンのような導電性物質より形成されたブラシ（図示せず）に摺動可能に接触される。ブラシはスプリングにより弾力的に支持されて上記電極２１５に対抗して押されている。定着ローラ装置４００の温度に依存して動作するサーモスタットが電気的信号線によりブラシと電力供給ユニットとの間に連結されている。
【０１３１】
電源供給部５００を通じて発熱部３１３，もしあれば第２発熱部３１３ａに電流が供給されると，定着ローラを加熱するコイル３１３の内部抵抗熱が生じる。これと同時に定着ローラに収容された作動流体２１４が加熱されて蒸発する。発熱部３１３からの熱及び気化されたガス状態の作動流体２１４により定着ローラの内表面が加熱され，定着ローラの胴体が目標定着温度（例として１８５℃）まで均一でかつ速く加熱される。定着ローラの胴体の円筒状の表面温度は，別のサーミスタにより検出され，検出された温度に依存して発熱部３１３に供給される電流量が制御される。
【０１３２】
以下，第１〜第６の実施の形態にかかる定着ローラ装置の動作を理解するために本実施の形態にかかるヒートパイプについて説明する。
【０１３３】
ヒートパイプは，作動流体の相変化過程に必要な潜熱を用いて発熱密度が高い所から低い所に熱を伝達する機構である。ヒートパイプは，流体の相変化特性を用いることから，熱伝導係数が如何なる金属よりも高い。実際に常温範囲で作動するヒートパイプの場合，非常に高いとされる熱伝導係数（ｋ＝４００Ｗ／ｍＫ）を有する銀や銅の数百倍に該当する。
【０１３４】
図１５は，温度上昇及びヒートパイプ作動期間の関数として作動流体の相変化を示すグラフである。[表１]は，ヒートパイプ及びその他の熱伝逹物質の有効熱伝導度を示す。
【０１３５】
【表１】

【０１３６】
１ｋｇの水を２５℃から２６℃に昇温させるのに４．１８ｋＪのエネルギーが必要である。水を温度変化なしに液体から蒸気に相変化させる場合には，２，４４２ｋＪのエネルギーが必要である。ヒートパイプは約５８４倍の潜熱を液体から蒸気間の相変化を通じて移送させる。
【０１３７】
常温範囲で作動するヒートパイプの場合，良質の熱伝導体として知られた銀や銅の数百倍に該当する熱伝導性能を有する。高温で作動する液体金属を使用するヒートパイプの熱伝導度は１０^８Ｗ／ｍＫに達する。
【０１３８】
図１６は，ヒートパイプの内部に毛細管構造を構成させるため，ウィックを組み込んだヒートパイプの内部構造，液体〜気体，及び気体〜液体の相変化による熱伝逹過程を示す。
【０１３９】
図１６に示すように，抵抗性発熱コイル（図１６に別途に図示されていない）及びウィックは，円筒状に配置されており，ヒートチューブの内周円の表面に接して直接装着される。[表２]は，作動流体別に推奨／非推奨ヒートパイプの材料を示す。
【０１４０】
【表２】

【０１４１】
[表３]は，作動温度の帯域別に使われる作動流体の種類を示す。
【０１４２】
【表３】

【０１４３】
作動流体の選定時に考慮する必要がある事項は以下の通りである。
１）使われるヒートパイプの物質との適合性
２）作動流体のヒートパイプ内での適切な作動温度
３）作動流体の熱伝導度
【０１４４】
ヒートパイプを応用した定着ローラの材質がステンレススチール（ＳＵＳ）または銅（Ｃｕ）である場合，ヒートパイプの物質との適合性及び作動温度を考慮する時に選定できる作動流体が制限される。ＦＣ−４０は，１６５℃で，１気圧またはそれ以下の飽和圧力を有する。
【０１４５】
ＦＣ−４０は無毒性，不燃性及び大部分の金属に対する互換性を有する。また，ＦＣ−４０はオゾン層非破壊性を有する。作動流体としてのＦＣ−４０の熱力学的特性によって，飽和温度と圧力との関係は経験的の［数１］で表現できる。
【０１４６】
【数１】

【０１４７】
上記[数１]について，Ａ＝８．２５９４であり，Ｂ＝２３１０である。
【０１４８】
図１７は，作動流体としてＦＣ−４０及び水の飽和温度に対する飽和圧力の変化を示すグラフである。［表４］は，図１５から取られた特定の飽和圧力でＦＣ−４０の飽和圧力を示す。
【０１４９】
【表４】

【０１５０】
ヒートパイプ容器の安全性に関して，ヒートパイプの耐圧によるパイプ材質及びエンドキャップの厚さは圧力容器の安全性を評価するＡＳＭＥ（ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓ）コードによって決定される。例えば，円筒状ヒートパイプ壁面の厚さがその直径の略１０％以内の円形管の場合，パイプ壁及び半球形のエンドキャップで各々生じる最大応力は各々次の[数２]〜[数５]ように表現される。
【０１５１】
【数２】

【０１５２】
【数３】

【０１５３】
【数４】

【０１５４】
【数５】

【０１５５】
ここで，[数２]および[数３]に表記される[数４]は，管内外部の間の圧力差を表し，[数５]は，管の外径を表し，ｔ_１は，管の厚さを表し，ｔ_２は，エンドキャップの厚さを表している。
【０１５６】
ＡＳＭＥコードによれば，任意温度での最大許容応力はその温度の最大極限引張強度の０．２５倍である。ヒートパイプ作動温度範囲内で蒸気圧が作動流体の飽和蒸気圧と同一であるとすれば，圧力差である[数４]は，飽和蒸気圧と大気圧との差となる。
【０１５７】
図１８は，アルミニウム，銅，３０４ステンレススチールよりなるヒートパイプで製造された他の３つの定着ローラの極限引張強度の変化を示すグラフであって，約０℃〜５００℃の範囲に拡張された温度範囲で取られたグラフである。
【０１５８】
図１９（ａ）はアルミニウム，銅及び３０４ステンレススチールより製造されたヒートパイプのための作動流体としてＦＣ−４０が使われた時，温度変化に関するヒートパイプ壁に作用する最大許容応力及び最大応力の変化を示すグラフである。
【０１５９】
図１９（ｂ）は，作動流体として蒸溜水が使われた場合，約０℃〜３００℃の範囲に拡張された温度範囲で温度変化に関して銅ヒートパイプ壁に作用する最大応力の変化を示すグラフである。
【０１６０】
図１９（ａ）に示すように，ステンレススチールＳＳ３０４の最大許容応力は銅及びアルミニウムの最大許容応力に比べて非常に大きい。ステンレススチールＳＳ３０４の場合，約４００℃の作動温度まで作動流体の漏れない安全なものと判断される。
【０１６１】
図２０（ａ），図２０（ｂ）は，作動流体として各々ＦＣ−４０及び蒸溜水が適用された場合，１５０℃から５００℃に拡張される温度範囲で，パイプの壁の厚さｔの変化に依存して銅ヒートパイプ壁面に作用する最大応力の変化を示すグラフである。
【０１６２】
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）に示すように，作動流体として蒸溜水が適用されるヒートパイプの厚さを各々１．５ｍｍ，１．８ｍｍまで大きくしても１６５℃より高くて２００℃より低い作動温度で最大応力の変化はほとんどないと判断される。
【０１６３】
図２１及び図２２は，前述した第１の実施の形態の実験結果を示したものであって，定着ローラの中央部分で０〜６０秒の間に測定された温度変化グラフである。
【０１６４】
定着ローラ装置は定着ローラが銅より製作され，作動流体としては蒸溜水を含む。定着ローラの厚さが１．０ｍｍ，外径が１７．８５ｍｍ，長さは２５８ｍｍである。またテスト時に定着ローラを４７ｒｐｍで回転させ，定着ローラの内面に接触される螺旋状抵抗発熱体の抵抗は３２Ω，そして電圧は２００Ｖ，瞬間最大消費電力を約１．５ＫＷにした。螺旋状抵抗発熱コイルは定着ローラの内部円筒状の表面に直接接触させた。
【０１６５】
図２１では，定着ローラの内部空間の体積に対して１０ｖｏｌ％の蒸溜水を作動流体として適用した場合から得られた結果を示す。図２２は，定着ローラの内部空間体積に対して３０ｖｏｌ％の蒸溜水を作動流体として適用した場合から得られた結果を示す。
【０１６６】
図２１に示されるように，常温の約２２℃から１７５℃まで昇温するのに約８〜１２秒がかかり，２００℃まで昇温するのに僅か１４秒であった。図２２に示されるように，常温の約２２℃から１７５℃まで昇温するのに約１３秒がかかり，２００℃まで昇温するのに僅か２２秒であった。
【０１６７】
図２１及び図２２の結果を比較すると，定着ローラの内部に収容される作動流体の体積比によって温度上昇速度において差が出ることが分かる。多様な条件における実験結果によれば，定着ローラの内部空間に対する作動流体の体積比が５〜５０％範囲内で使用が可能であり，５〜１５％で非常に速い昇温速度を得ることができた。
【０１６８】
上記のような昇温速度を堅持して従来の画像形成装置と比較すれば，スタンバイ状態で定着ローラ装置に対する電力供給が要らない。画像形成が始まる時期にはじめて電力が供給されても本実施の形態（第１の実施の形態〜第６の実施の形態）によって構成された定着ローラ装置は従来の定着ローラに比べて非常に速く画像形成，特にトナー画像の定着が可能であった。
【０１６９】
前記作動流体が占める体積範囲より高い場合には，目標温度までの昇温速度が段々遅くなって実用上大きい効果を得られなかった。そして５％未満では作動流体の不充分な供給によって，ドライアウト現象が生じる可能性が非常に高く，ヒートパイプとしての機能が弱まるか，あるいは喪失される。
【０１７０】
本実施の形態（第１の実施の形態〜第６の実施の形態）にかかる定着ローラ装置では，発熱部に高周波電圧だけでなく一般における商用電源の５０〜７０Ｈｚ範囲で９０〜２４０Ｖの電圧が印加できる。
【０１７１】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例を想定し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１７２】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，定着ローラ装置は，発熱コイル及び熱伝導性に優れた金属性定着ローラの胴体内の作動流体を含み，定着ローラの表面を瞬時に所望の定着温度まで加熱できて用紙に転写されているトナー画像を定着させることができる。従来のハロゲンランプタイプ，直接表面加熱方式（Ｐｄ，Ｒｕ，カーボン系などの発熱体を使用）と比較すれば，本発明の定着ローラ装置は少電力量でより短時間内に目標の定着温度に到達でき，定着ローラ表面温度を均一に維持できる。本発明に係る定着ローラ装置は，ウォームアップ及びスタンドバイが要らなくて本発明に係る定着ローラ装置を装着したプリンタ，複写機，ファクシミリ等では印刷作業命令を待つ間に，定着ローラに電源が供給されなくてもよい。したがって画像形成装置は全体的に低消耗電力を維持する低消費電力を実現できる。また，ヒートパイプの原理を用いることによって定着ローラの長手方向への表面温度が均一に維持されてトナー定着特性を最適に向上させうる。
【０１７３】
本発明に係る定着ローラ装置は，大量生産が可能であり，安全な動作を保障する。定着ローラ装置の部品は他の商業的部品と互換できる。定着ローラ装置はその品質面で管理が容易であり，高速用プリンタに適用できる拡張性を有する。
【０１７４】
本発明に係る定着ローラ装置及びその製造工程（方法）の利点は次のように整理される。
１）比較的に製作しやすくて自動化が可能である。
２）ヒートパイプの軸方向または長手方向に表面温度偏差が非常に小さい（±１℃以内）。
３）定着ローラ装置により高速用プリンタに容易に行われる。
４）ヒットローラ装置の構成要素の加熱源及びヒートパイプを別途に分離するために製作性，安全性，部品の互換性，大量生産性面において非常に有利であり，その他に品質管理が容易である。
５）密閉されたヒートパイプの容器内で作動流体が蒸発及び凝縮を反復するために，温度が高くなる場合に圧力が増加できるが（ＦＣ４０：１６５℃で１気圧以下），爆発や大変形の恐れが非常に少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般の電子写真画像形成装置を示す概略的な斜視図である。
【図２】従来における電子写真画像形成装置に適用される定着ローラ装置を示す概略的な断面図である。
【図３】従来における電子写真画像形成装置の定着ローラ装置及び加圧ローラの関係を示す縦断面図である。
【図４】従来における電子写真画像形成装置に適用される他の定着ローラ装置を示す断面図である。
【図５】第１の実施の形態にかかる電子写真画像形成装置の定着部を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は，第１の実施の形態にかかる定着ローラ装置の構造を示す部分図であり，図６（ｂ），図６（ｃ）及び図６（ｄ）は，第１の実施の形態にかかる定着ローラ装置における発熱部を設置する段階を順次に示す断面図である。
【図７】第１の実施の形態にかかる定着ローラ装置の構造を示す横断面図である。
【図８】図８（ａ）は，第２の実施の形態にかかる定着ローラ装置の縦断面構造を示す断面図であり，図８（ｂ）は，図８（ａ）に示した定着ローラ装置の横断面構造を示す部分図である。
【図９】図９（ａ）は，従来における第２の定着ローラ装置の構造を示す縦断面図であり，図９（ｂ）は，図９（ａ）に示した定着ローラ装置の横断面を示す斜視図である。
【図１０】図１０（ａ）は，第３の実施の形態にかかる定着ローラ装置の構造を示す縦断面図であり，図１０（ｂ）は，図１０（ａ）の定着ローラ装置の構造を示す横断面の斜視図であり，図１０（ｃ）は，従来における二つの定着ローラ装置及び第３の実施の形態にかかる定着ローラ装置のローラが動作温度に到達するまでにかかる時間を示すグラフである。
【図１１】図１１（ａ）は，第４の実施の形態にかかる定着ローラ装置の構造を示す縦断面図であり，図１１（ｂ）は，図１１（ａ）に示した定着ローラ装置の構造を示す横断面の斜視図である。
【図１２】第５の実施の形態にかかる定着ローラ装置を示す部分斜視図である。
【図１３】第６の実施の形態にかかる定着ローラ装置を示す部分斜視図である。
【図１４】第１〜第６の実施の形態にかかる定着ローラ装置が適用される電子写真画像形成装置の定着部の概略的な構造を示す断面図である。
【図１５】温度上昇及びヒートパイプの作動区間の関数として作動流体の相変化を示すグラフである。
【図１６】ヒートパイプの内部構造及び液体から気体の相変化による熱伝逹過程を示す縦断面図および横断面図である。
【図１７】作動流体として各々使われるＦＣ−４０及び蒸溜水の飽和温度の関数として飽和圧力の変化を示すグラフである。
【図１８】温度変化によるアルミニウム，銅及び３０４ステンレススチールのヒートパイプ材料の温度関数として極限引張強度の変化を示すグラフである。
【図１９】図１９（ａ）は，アルミニウム，銅及び３０４ステンレススチールより製造されたヒートパイプのための作動流体としてＦＣ−４０が使われる場合，温度変化に関するヒートパイプ壁に作用する最大許容応力及び最大応力の変化を示すグラフである。図１９（ｂ）は，作動流体として蒸溜水が使われた場合，約０℃〜３００℃の範囲に拡張された温度範囲で温度変化に関して銅ヒートパイプ壁に作用する最大応力の変化を示すグラフである。
【図２０】図２０（ａ），図２０（ｂ）は，作動流体として各々ＦＣ−４０及び蒸溜水が適用される場合のヒートパイプの壁厚さｔの変化による最大応力の変化を示すグラフである。
【図２１】第１の実施の形態にかかる定着ローラ装置の実験結果を示した，定着ローラの中央部分における温度変化グラフである。
【図２２】第１の実施の形態にかかる定着ローラ装置の実験結果を示した，定着ローラの中央部分における温度変化グラフである。
【符号の説明】
１：用紙引出部１
２：操作部
３：コントロールボードカバー
４：上カバー開けボタン
５：用紙表示窓，
６：多用途給紙窓
７：用紙カセット
８：オプションカセット
９：補助支持台
２００：定着部
２１０：定着ローラ装置
２１１：保護層
２１２：定着ローラ
２１３：発熱部
２１４：作動流体
２１５：電極
２１６：非導電性ブッシング
２１７：ギア接続用キャップ
２１８：キャップ
２２０：加圧ローラ
２３０：サーミスタ
２４０：サーモスタット
２４２：内部空洞
２４４：ウィック
２４６：内部円筒状の表面
２５１：トナー画像
２５０：用紙
３１１：保護層
３１２：外部管
３１３：発熱部
３１３ａ：発熱部
３１４：内部管
３１４ａ：内部円筒状空洞
３１６：分離部材３１６
３１６ａ：分離壁体
３１８：環状空間[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fixing roller device for an electrophotographic image forming apparatus, and more particularly to a fixing roller device for an electrophotographic image forming apparatus capable of instantaneous heating with low power consumption.
[0002]
[Prior art]
In a general electrophotographic image forming apparatus such as a copying machine or a laser beam printer, when a charging roller (Electrostatic Charging Roller) adjacent to the photosensitive drum rotates, the photosensitive material coated on the surface of the photosensitive drum is uniformly charged. Is done. The charged photosensitive material is exposed to a laser beam scanned from a laser scanning unit (LSU: Laser Scanning Unit), and an electrostatic latent image is formed in a predetermined pattern on the photosensitive material.
[0003]
The developing device supplies toner to the photoreceptor to develop the electrostatic latent image formed on the photosensitive material into a visible toner image. A predetermined transfer voltage is applied to a transfer roller that is brought into contact with the photosensitive drum on which the toner image is placed at a predetermined pressure. In this state, the recording paper is supplied to the gap between the transfer roller and the photosensitive drum, and the toner image formed on the photosensitive material is transferred to the recording paper.
[0004]
A fixing unit including a fixing roller heats the sheet on which the toner image is transferred, and fuses the toner image in a powder state to the sheet by temporary melting. Generally, a halogen lamp is used as a heat source for the fixing unit. The halogen lamp is provided inside the fixing roller, and heats the surface of the fixing roller to a predetermined temperature by radiant heat (radiant heat).
[0005]
In a fixing roller of a conventional electrophotographic forming apparatus that uses a halogen lamp as a heat source, the outer surface of the fixing roller must generate heat, and is therefore heated from the inside of the fixing roller to the outside by radiant heat from the halogen lamp. The pressure roller is located below the fixing roller. When the recording paper on which the toner image in the powder state is passed between the fixing roller and the pressure roller, the recording paper is heated and pressurized and fused by heat and force from the fixing roller and the pressure roller. Is done.
[0006]
Further, in a fixing roller of a conventional electrophotographic apparatus using a halogen lamp as a heat source, a thermistor that detects the surface temperature of the fixing roller as an electrical signal and a thermostat that shuts off the power to the halogen lamp can be applied.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional fixing roller device to which the halogen lamp described above is applied as a heat source consumes a large amount of power, and when the power is turned on for image formation, a long warm-up period is required. Required. That is, a preparation time of several tens of seconds to several minutes is required until the fixing roller reaches a desired target temperature after power is applied. In the conventional fixing roller device, the heat transfer speed is slow because the fixing roller is heated by radiant heat from a heat source. In particular, since the compensation of the temperature deviation due to the temperature drop caused when contacting the paper is slow, it is difficult to uniformly adjust the temperature distribution in the longitudinal direction of the fixing roller.
[0008]
Even in the standby mode in which the printing operation is stopped, in order to maintain the temperature of the fixing roller constant, power must be applied to the heat source at a constant cycle, so that wasteful power consumption occurs. Also, it takes a long time to switch from the standby state to the operation mode for image output, and the image cannot be printed quickly.
[0009]
Another design for a conventional fusing roller device uses a heating plate located under the flexible cylindrical film tube and a pressure roller mounted under the heating plate.
[0010]
The film tube is rotated by another rotating device, and is locally deformed and heated between the heating plate and the pressure roller. Although the method of locally heating the film tube with the heating plate in this way has an advantage in power saving, it has a disadvantage that is difficult to apply to high-speed printing.
[0011]
Japanese Patent Application No. 58-163836 (1983.16.16), Hei 3-107438 (1991.5.13), Hei 3-136478 (1991.66.7), Hei 5-135656 (19933.6. 7), Hei 6-296633 (1994.11.30), Hei 6-316435 (1994. 12.20), Hei 7-65878 (1995. 3.24), Hei 7-105780 (1995.4.28) Hei 7-244029 (1995.9.22), Hei 8-110712 (1996.5.1), Hei 10-27202 (1998.2.9), Hei 10-84137 (1998.3.30) and Hei. No. 10-208635 (1998.7.8) discloses a fixing roller device to which a heat pipe is applied.
[0012]
Since the fixing roller device to which the heat pipe is applied as described above can instantaneously heat, the power consumption can be reduced. Also, the fixing roller device has a short delay time between the standby state and the printing operation when switched.
[0013]
The fixing roller device disclosed in Japanese Patent Application Nos. Hei 5-135656, Hei 10-84137, Hei 6-29663 and Hei 10-208635 is arranged at one end of the fixing roller outside the fixing region. Use different forms of heat source provided. In such a heat source arrangement structure for each of the fixing roller devices, the overall size of the fixing roller device is enlarged. Therefore, the structural complexity of these fixing roller devices needs to be improved.
[0014]
The fixing roller devices disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 58-163836, 3-107438, 3-136478, 6-316435, 7-65878, 7-105780, and 7-244029 Since it has a heat source provided inside the fixing roller, as described above, the enlargement of the overall size is not a problem, but it has a structure in which many local heat pipes are provided for the fixing roller. However, there is a drawback that processing and manufacturing become very complicated. In addition, since the heat pipes are locally arranged, there is a drawback that temperature deviation occurs in a portion between the heat pipes and a portion in contact with the heat pipe.
[0015]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to fix the toner image transferred to the paper by instantaneously heating the surface of the fixing roller to a desired fixing temperature. It is to provide a new and improved electrophotographic forming apparatus and manufacturing process that are possible.
[0016]
Furthermore, another object of the present invention is to provide a fixing roller device for an electrophotographic image forming apparatus in which the local temperature deviation of the fixing roller is extremely reduced and the overall thermal distribution is improved.
[0017]
Furthermore, another object of the present invention is to provide a fixing roller capable of proceeding from a standby state to a printing state within a short time.
[0018]
Yet another object of the present invention is to provide an electrophotographic printing process and apparatus that is energy efficient.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, according to a first aspect of the present invention, a tubular internal cavity having a sealed internal cavity that maintains a vacuum state at a predetermined pressure is formed. A fixing roller, a heat generating portion provided in an internal cavity between both ends, and in physical contact with a surface of an internal cylinder formed in the internal cavity in a coaxial longitudinal direction of the fixing roller; The working fluid is housed in the internal cavity of the gas and is in physical contact with the heat generating portion.
[0020]
The heat generating part may include a resistive heating coil that is spirally wound in an internal cavity, and both ends of the resistive heating coil that are coaxial may be drawn out of the fixing roller from both ends of the fixing roller.
[0021]
The heat generating portion may have an outer diameter larger than the inner diameter of the fixing roller, and may contact the inner cylindrical wall of the fixing roller with a predetermined force.
[0022]
The fixing roller may be made of copper. Further, the fixing roller may be made of stainless steel. Further, the working fluid may be accommodated in a volume ratio of 5 to 50% with respect to the internal cavity of the fixing roller. Further, the working fluid may be contained in a volume ratio of 5 to 15% with respect to the internal cavity of the fixing roller.
[0023]
In order to solve the above-mentioned problem, according to a second aspect of the present invention, a tubular internal cavity having a sealed internal cavity that maintains a vacuum state at a predetermined pressure is formed. A fixing roller and a first heat generating portion provided in an internal cavity between both end portions and in physical contact with a surface of an internal cylinder formed in the internal cavity in a coaxial longitudinal direction of the fixing roller; , A second heat generating part housed inside the first heat generating part, A separation member including a plurality of separation wall bodies that are radially arranged to divide the internal cavity of the fixing roller into a plurality of unit spaces; Each of the unit fluids is housed in a plurality of divided unit spaces and is composed of a working fluid that physically contacts the first heat generating portion.
[0024]
The heating unit may include a resistive heating coil that is spirally wound in an internal cavity, and both ends of the resistive heating coil that are coaxial may be drawn out of the fixing roller from both ends of the fixing roller.
[0025]
The separation member can include a plurality of separation wall bodies extending radially.
[0026]
First The heat generating portion may have an outer diameter larger than the inner diameter of the fixing roller, and may contact the inner cylindrical wall of the fixing roller with a predetermined force.
[0027]
The fixing roller may be made of copper. Further, the fixing roller may be made of stainless steel. The working fluid may be distilled water. The working fluid may be contained in a volume ratio of 5 to 50% with respect to the internal cavity of the fixing roller. Further, the working fluid may be contained in a volume ratio of 5 to 15% with respect to the internal cavity of the fixing roller.
[0028]
In order to solve the above problems, according to a third aspect of the present invention, an outer tube having a first diameter, an inner tube having a second diameter formed inside the outer tube, and an outer tube A tubular fixing roller including an annular space of a predetermined pressure between the inner tube and the inner tube; a first heater provided in the annular space and physically contacting the outer tube; and a second heater provided inside the inner tube. Heaters, By being arranged radially Divide the annular space into multiple unit spaces Includes multiple separation walls It is comprised from the separation member and the working fluid each accommodated in the several unit space divided | segmented by small capacity | capacitance compared with the volume of annular space.
[0029]
The heat generating part may include a first heater provided in the annular space and physically contacting the outer tube.
[0030]
The first heater may be a resistive heating coil wound spirally. Further, the first heater may be arranged so as to be in direct physical contact along the inner cylindrical surface of the outer tube.
[0031]
The heat generating part may include a first heater provided in the annular space and physically in contact with the outer pipe and a second heater provided inside the inner pipe.
[0032]
The first heater may have a resistive heating coil wound in a spiral, and the second heater may have a halogen lamp.
[0033]
The inner and outer tubes may be made from copper. The inner tube and the outer tube may be made of stainless steel.
[0034]
The working fluid may be distilled water. Further, the working fluid may be accommodated in a volume ratio of 5 to 50% with respect to the annular space inside the fixing roller. Further, the working fluid may be accommodated in a volume ratio of 5 to 15% with respect to the annular space inside the fixing roller.
[0035]
A large number of separation members that separate into a large number of unit spaces may be provided in the annular space.
[0036]
In order to solve the above-mentioned problem, according to a fourth aspect of the present invention, a tubular inner cavity that has a sealed internal cavity that maintains a vacuum state at a predetermined pressure is formed. It is provided in an internal cavity between the fixing roller and both ends, and spirally in a physical contact with the surface of an internal cylinder formed in the internal cavity in the longitudinal direction on the same axis as the fixing roller. A wound heat generating part, a predetermined amount of working fluid contained in the inner cavity of the fixing roller, a protective layer formed on the outer cylindrical surface of the fixing roller, and an electrode for supplying voltage to the heat generating part It consists of.
[0037]
The heating part may be a resistance heating coil. A protective layer may be formed on the surface of the resistance heating coil. Furthermore, the protective layer may be made of MgO.
[0038]
A voltage of 90 to 240 V may be applied to the heating element. Further, the voltage applied to the heating element may have a frequency in the range of 50 to 70 Hz.
[0039]
In order to solve the above-mentioned problems, according to a fifth aspect of the present invention, a step of forming a tubular fixing roller having an internal cavity extending in an axially opposite direction and a spiral wound around the internal cavity are provided. The First Inserting a heating coil, exhausting gas from the internal cavity, Positioning the inner tube within the inner cavity and inserting a second heating coil within the inner tube; dividing the inner cavity into a plurality of portions each containing a predetermined amount of working fluid; Partially filling the internal cavity with working fluid; First Sealing the internal cavity with electrical connection through the heating coil.
[0040]
In order to solve the above-described problem, according to a sixth aspect of the present invention, a stage in which the fixing roller that forms an internal cavity having a first diameter is formed inside, and the heating coil is disposed in the internal cavity. Before insertion, the second diameter is reduced by winding the heating coil having a second diameter larger than the first diameter and inserting the heating coil into the fixing roller. And unwinding the heating coil to restore the second diameter to the original size after the heating coil is inserted.
[0041]
The method may further include positioning the inner tube within the inner cavity and positioning the heating coil between the fixing roller and the inner tube.
[0042]
The method may further include dividing the internal cavity into a plurality of portions each containing a predetermined amount of working fluid.
[0043]
In order to solve the above problems, according to a seventh aspect of the present invention, in order to achieve the object of the present invention, a cylindrical fixing roller having sealed ends and exhausted at a predetermined pressure. A fixing process and a fixing roller device that can be performed are provided.
[0044]
The fixing process and the fixing device are performed by a tubular fixing roller having both ends sealed and having an internal cavity exhausted at a predetermined pressure. The internal cavity of the fixing roller contains a predetermined amount of working fluid. The separating member separates the internal cavity of the fixing roller into a plurality of unit spaces. The heat generating portion provided on the fixing roller is in contact with the working fluid so as to surround the separating member.
[0045]
The heating part is a spiral resistive heating coil, and it is desirable that both leads of the resistive coil are drawn out through both ends of the fixing roller. It is desirable that the heat generating portion is arranged so as to be directly contacted spirally along the inner surface of the fixing roller. In order to increase the contact pressure of the heat generating part to the inner wall of the fixing roller, the outer diameter of the heat generating part is made larger than the inner diameter of the fixing roller. It is desirable that the surface is compressed elastically with a predetermined force. The fixing roller is preferably made of copper or stainless steel. If the fixing roller is made of copper, distilled water is preferred as the working fluid.
[0046]
The working fluid is preferably contained in a volume ratio of 5 to 50% with respect to the internal cavity of the fixing roller, and is preferably contained in a volume ratio of 10 to 15%.
[0047]
It is desirable that the separating member includes a plurality of separating wall bodies arranged radially.
[0048]
The fixing roller device includes an outer tube having a first diameter and an inner tube having a diameter smaller than the first diameter and coaxially positioned inside the outer tube to form an annular space with the outer tube. Including a cylindrical fixing roller.
[0049]
The annular space of the fixing roller is exhausted at a predetermined pressure. A predetermined amount of working fluid smaller than the volume of the annular space formed between the outer tube and the inner tube is accommodated in the annular space of the fixing roller. The heat generating part is provided inside the inner tube or in an annular space.
[0050]
The heat generating part may include a first heat generating part provided in the annular space and / or a second heat generating part provided inside the inner tube. Further, it is desirable that the first heat generating portion is a spiral resistive heat generating coil, and the second heat generating portion is a halogen lamp. Moreover, the heat generating part has a large number of separating wall bodies arranged radially. The plurality of separation walls desirably separate the annular space into a large number of unit spaces.
[0051]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description and the accompanying drawings, components having substantially the same functions and configurations are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0052]
First, referring to FIGS. 1, 2, 3, and 4, a conventional first fixing roller device configured in a general electrophotographic image forming apparatus and an electrophotographic image forming apparatus will be described. Here, FIG. 1 is a perspective view in which a general electrophotography shows a modeling apparatus. FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view of a conventional first fixing roller device in which a halogen lamp is applied as a heat source. FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a relationship between a fixing roller device and a pressure roller of a conventional electrophotographic image forming apparatus to which the halogen lamp shown in FIG. 2 is applied as a heat source. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a conventional fixing roller device applied to an electrophotographic image forming apparatus.
[0053]
As shown in FIG. 1, the electrophotographic image forming apparatus includes a paper drawer unit 1, an operation unit 2, a control board cover 3, an upper cover opening button 4, a paper display window 5, a multipurpose paper feeding window 6, a paper cassette 7, It consists of an optional cassette 8 and an auxiliary support base 9.
[0054]
Next, as shown in FIG. 2, the conventional fixing roller device 10 includes a cylindrical fixing roller 11 and a heat generating portion 12 such as a halogen lamp provided at the center of the inside. The fixing roller 11 is heated from the inside to the outside by the radiant heat from the heat generating portion 12 so that the outer surface of the fixing roller 11 releases heat.
[0055]
As shown in FIG. 3, a pressure roller 13 is located below the fixing roller 11 having a Teflon coating layer 11a formed on the surface thereof. The pressure roller 13 is elastically supported by the spring device 13a and presses the sheet 14 passing between the fixing roller 11 and the pressure roller 13 to the fixing roller 11 with a predetermined pressure. A toner image 14a in a powder state is formed on the paper 14, and is pressed and heated by a predetermined pressure and heat while passing between the fixing roller 11 and the pressure roller 13. That is, the toner image 14a is fused to the paper 14 by heat and pressure at a predetermined temperature by the fixing roller 11 and the pressure roller.
[0056]
On one side of the fixing roller 11, a thermistor 15 that detects the surface temperature of the fixing roller 11 as an electrical signal and a thermostat 16 that shuts off the power supply to the heat generating part 12 such as a halogen lamp are provided. When the surface temperature of the fixing roller 11 exceeds a given critical value, the thermostat 16 shuts off the power supply to the heat generating portion 12. The thermistor 15 detects the surface temperature of the fixing roller 11 and transmits it to a control unit (not shown) of the printer. The control unit controls the power supply to the halogen lamp of the heat generating unit 12 according to the detected temperature to control the surface temperature of the fixing roller 11. Is maintained within a predetermined range. The thermostat 16 serves as an overheat prevention means for protecting the fixing roller 11 and adjacent elements when the temperature control of the fixing roller 11 by the thermistor 15 and the controller fails.
[0057]
The conventional fixing roller apparatus using a halogen lamp as the heat source described above consumes unnecessary power very much, and particularly requires a considerably long warm-up period when a power source is applied for image formation. That is, a waiting time of several tens of seconds to several minutes is required until the fixing roller 11 reaches a desired target temperature after the power is applied.
[0058]
In the conventional fixing roller device, the heat transfer rate is low because the fixing roller is heated by radiant heat from a heat source. In particular, it is difficult to uniformly control the temperature distribution of the fixing roller 11 because the compensation of the temperature deviation due to the temperature drop that occurs while contacting the paper is slow.
[0059]
In addition, even in the standby mode in which the printing operation is stopped, if power must be applied to the heat source at a constant period in order to keep the temperature of the fixing roller constant, useless power consumption occurs. Further, since it takes a long time to switch from the standby state to the operation mode for image output, there is a problem that it is impossible to achieve fast image output.
[0060]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a conventional fixing roller device applied to an electrophotographic image forming apparatus. A heating plate 22 is provided at the lower inner side of the flexible cylindrical film tube 21, and a pressure roller 23 is provided immediately below the heating plate 22.
[0061]
The film tube 21 is rotated by another rotating device and heated while being locally deformed at a portion between the heating plate 22 and the pressure roller 23. Therefore, the method in which the film tube 21 is locally heated by the heating plate 22 has an advantage of low power consumption, but such a local heating method is inappropriate for high-speed printing.
[0062]
(First embodiment)
Next, the fixing unit of the fixing roller device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6A. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the fixing unit of the electrophotographic image forming apparatus according to the first embodiment. FIG. 6A is a partial view showing the structure of the fixing roller device according to the first embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the fixing roller device according to the first embodiment.
[0063]
As shown in FIGS. 5 and 6A, the fixing unit 200 includes a fixing roller device 210 that rotates in the direction in which the sheet 250 on which the toner image 251 is formed is discharged, that is, the clockwise direction in the drawing, and the fixing roller. A pressure roller 220 that contacts the device 210 and rotates counterclockwise is provided.
[0064]
The fixing roller device 210 includes a tubular fixing roller 212 having a protective layer 211 formed of Teflon coating on the surface, and a heat generating portion 213 accommodated in the internal space. A thermistor 230 that detects the surface temperature of the fixing roller 212 is provided above the fixing roller 212.
[0065]
The thermistor 230 is in direct physical contact with the protective layer 211 and detects the temperature of the protective layer 211. The internal space formed by the internal cavity 242 of the fixing roller 212 is exhausted so as to maintain a predetermined level of vacuum. The heat generating part 213 may be a spiral resistance heat generating coil that is mounted along the internal cavity 242 of the fixing roller 212 and is in direct physical contact with the internal cylindrical wall of the fixing roller 212.
[0066]
As shown in FIG. 6A, the heat generating portion 213 includes a heat generating wire 213a formed of an electrically resistive material such as Fe—Cr or Ni—Cr, and an insulating coating layer 213b made of MgO or the like for protecting the heat generating wire 213a. Including. The insulating coating layer 213b of the heat generating portion 213 prevents deformation and changes in characteristics due to temperature changes and changes with time in a working fluid 214 described later.
[0067]
As shown in FIG. 6A, an insulating cover layer 213b formed of a relatively inactive material such as stainless steel has a protective cover formed around the insulating layer 213c. A plurality of electrical insulators 213d that are coaxially separated are provided substantially coaxially in the center of the insulating layer 213c, and grip the heating wire 213 that is separated from the insulating coating layer 213b that is a cover by a predetermined distance. ing.
[0068]
6 (b), 6 (c) and 6 (d), between the radially opposing inner walls of the inner cylindrical surface 246 of the heat pipe 212 formed on the fixing roller 212. The distance is d ₁ At this time, the outer surface of the heat pipe 212 is d. ₂ Has a diameter of The heating wire 213 is d ₁ Has a slightly larger outer cylindrical diameter.
[0069]
As shown in FIG. 6 (c), the diameter d ₁ Smaller d ₃ A force F is applied to the electrode 215 from the coaxially opposite direction of the heating wire 213 so as to reduce the diameter of the heating wire 213 to the value of, and at this time, the heating wire 213 is inserted into the internal cavity 242 of the heat pipe 212.
[0070]
As shown in FIG. 6D, when the force F is removed, the outer surface of each loop of the heating wire 213 is in direct physical and thermal contact with the peripheral surface inside the heat pipe 212. The force F is removed by the cylindrical outer diameter d. ₁ Is considered to be the same as the inner diameter of the heat pipe 212. Pitch x between adjacent loops of heating line 213 ₁ , X ₂ Need not be equal.
[0071]
However, what is important is that most or all of the outer surface of the heating wire 213 is placed in direct physical and thermal contact with the inner surface of the heat pipe 212.
[0072]
A working fluid 214 is accommodated in a sealed internal space of the fixing roller 212 in which the heat generating portion 213 is accommodated. The working fluid 214 occupies a volume of 5% to 50%, preferably 5% to 15% with respect to the internal volume 242 of the fixing roller 212.
[0073]
The working fluid 214 prevents a local surface temperature deviation of the surface of the fixing roller 212 that may be generated from the heat generating portion 213 based on the principle of the heat pipe, and the fixing roller 212 within a short time compared to a generally used device. It serves as a thermal medium that uniformly heats the entire volume of the.
[0074]
When the volume occupied by the working fluid 214 is about 5% or less, the working fluid is not sufficiently vaporized, and there is a high possibility that a dry-out phenomenon will occur in which the working fluid 214 is liquefied immediately after vaporization. The fixing roller 212 can be formed of stainless steel such as stainless steel (steel type 304SS) or copper.
[0075]
When the fixing roller 212 is stainless steel, a known working fluid excluding water, i.e., distilled water, can be used as the working fluid. For example, a working fluid such as FC-40 (product name, 3M (registered trademark)) is very suitable as a substitute for water. On the other hand, when the fixing roller 212 is made of copper, most known working fluid can be applied. When the fixing roller 212 is manufactured from copper, water, i.e., distilled water, is a very suitable working fluid.
[0076]
As shown in FIG. 6B or FIG. 7, caps 218 are formed at both ends of the fixing roller 212 to seal the internal space of the fixing roller 212 and form a vacuum confidential internal space 242. The two coaxial ends of the heat generating part 213 are electrically connected like a slip ring (not shown) that forms an electrode 215 that passes through the cap 218 in the axial direction and extends thereon to provide a current to the heat generating part 213. Coupled to the contact.
[0077]
The non-conductive bushing 216 and the gear connection cap 217 can be mounted on the outer cylindrical surface of the fixing roller 212. The electrode 215 is electrically connected to the lead portions at both ends of the heat generating portion 213. Although a connection structure between the heat generating part 213 and the electrode 215 is not specifically shown, such a structure can be easily realized.
[0078]
During operation, the fixing roller device 210 having the above-described structure is rotated by a rotating device provided separately. Additional parts can be provided for this purpose. For example, the gear connection cap 217 is an additional part for coupling a spur gear necessary for rotating the fixing roller device 210.
[0079]
In the fixing unit 200 of the electrophotographic image forming apparatus according to the first embodiment, if a current is supplied to the heat generating unit 213 through the electrode 215, that is, the electrode 215 from the power supply unit, the current is supplied to the heat generating unit 213 through the oblique coil. As the current flows, the heat generating portion 213 generates heat due to resistance heat, and the heat heats the fixing roller 212 from the inside to the outside.
[0080]
At the same time, the stored working fluid 214 inside the fixing roller 212 is vaporized by heat. Heat generated by the heat generating portion 213 is transmitted to the cylindrical wall surface of the fixing roller 212, and at the same time, the body of the fixing roller 212 is uniformly heated by the vaporized working fluid.
[0081]
Therefore, the surface temperature of the fixing roller 212 reaches the target temperature necessary for fixing within a short time. A wick 244 made of a perforated layer or metal screen made of copper or stainless steel and acting as a capillary is formed in a cylindrical shape, and between adjacent loops of the coil 213, the wick 244 It can be located along the inner peripheral surface.
[0082]
Substances used as materials constituting the fixing roller 212 are described in [Table 2] below. The above-described FC-40, water (distilled water), or other substances described in [Table 3] described later can be used as the working fluid 214. When water (distilled water) is used as the working fluid, there are advantages such as low cost and no environmental pollution.
[0083]
When the temperature of the fixing roller 212 reaches the target temperature necessary for fixing the toner image, the toner image is transferred to the sheet. At this time, the sheet on which the toner image is fixed absorbs heat from the fixing roller 212, and the vaporized working fluid inside the fixing roller 212 is changed to liquid again in the internal cavity of the fixing roller 212. The liquefied working fluid is continuously heated and vaporized by the heat generating portion 213, whereby the temperature of the fixing roller 212 is maintained at a predetermined temperature.
[0084]
When the fixing temperature of the normal toner image is 160 to 180 ° C., the fixing roller device 210 according to the first embodiment can reach the target temperature within 10 seconds. Then, the surface temperature of the fixing roller 212 is maintained within a predetermined temperature range by intermittent supply of current to the coil 213 corresponding to the surface temperature of the fixing roller 212 by the thermistor 230.
[0085]
When the adjustment of the fixing temperature by the thermistor 230 and the control unit fails and the surface temperature of the fixing roller 212 rapidly rises, a thermostat 240 provided close to the cylindrical surface of the fixing roller 212 shown in FIG. The temperature of the roller 212 is detected, and the power supply to the coil 213 is cut off to prevent overheating. Such power supply operation is variable depending on the target temperature. The power supply operation can be controlled by a control technique such as periodic on / off control or duty cycle ratio.
[0086]
The manufacturing process of the fixing roller device 210 according to the first embodiment described above will be described.
[0087]
a) preparing a metal pipe as a material of the fixing roller 212;
b) cleaning the exposed surface of the metal pipe with distilled water or volatile liquid;
c) washing the exposed surface of the spiral resistance heating coil 213 with distilled water or volatile liquid;
d) inserting a spiral resistance heating coil 213 having an outer diameter equal to or slightly larger than the inner diameter of the metal pipe into the annular inner cylindrical space of the metal pipe;
d ′) optionally inserting a wick 244 between the loops of the heating coil 213;
e) sealing the portion excluding the portion necessary for the injection of the working fluid with the end lead portions of the resistance heating coil 213 taken out of the pipe with an end cap,
f) heating and cooling the metal pipe so as to purge (remove) unnecessary gas from the internal space by exhaust and to discharge gas from the internal space of the metal pipe to form a vacuum in the internal cavity of the metal pipe; ,
g) injecting 5 to 50 Vol% working fluid 214 (FC-40 or distilled water) through the working fluid injection portion;
h) sealing the injection portion of the working fluid 214 of the metal pipe;
i) coating the surface of the pipe with Teflon by a spraying method, and drying and polishing;
j) inserting a non-conductive bushing 216 as a bearing into one end of the pipe;
l) A step of providing a gear mounting cap 217 made of metal, heat resistant plastics, and epoxy at one end of the fixing roller 212 formed of a metal pipe.
[0088]
In the course of manufacturing the fixing roller device 210, when the end cap 218 is welded to both ends of the pipe after the helical resistance heating coil 213 is inserted, argon gas is injected into the working fluid 214 inside the pipe to prevent oxidation. Injected through. Before the working fluid 214 is injected, unnecessary gas is purged (removed) from the internal cavity 242, the inside of the pipe is evacuated, and all the gas inside the pipe is exhausted and heated in a vacuum state. By cooling, substantially all foreign substances such as gas attached to the inner surface of the metal pipe are removed.
[0089]
For example, in one step of purging the internal space 242, the metal pipe must be heated to 250 degrees under an internal pressure of 40 atmospheres. At normal temperature, the internal cavity 242 must have absolute pressure, ie no molecules should be present in the internal cavity.
[0090]
FIG. 8A is a cross-sectional view showing a longitudinal cross-sectional structure of the fixing roller device according to the second embodiment, and FIG. 8B is a cross-sectional view of the fixing roller device shown in FIG. It is a fragmentary figure showing a structure.
[0091]
As shown in FIGS. 8A and 8B, in the fixing roller device according to the second embodiment, a protective layer 311 made of a substance such as Teflon is formed on the outer surface of the outer tube 312 on the surface. Has been.
[0092]
An inner tube 314 having an outer diameter smaller than the inner diameter of the outer tube 312 is coaxially positioned in the middle portion of the outer tube 312. Therefore, an annular space 318 in which the working fluid 214 and the heat generating portion 313 are accommodated can be provided between the outer tube 312 and the inner tube 314.
[0093]
The heat generating portion 313 is formed along the inner cylindrical surface of the outer pipe 312, and a liquid working fluid 214 exists on the lower side of the annular space 318. The wall surface of the inner cylindrical cavity 314a of the inner tube 314 is solid and the inside is a hollow cavity that can be evacuated.
[0094]
FIG. 9A is a longitudinal sectional view showing the structure of a conventional second fixing roller device, and FIG. 9B is a perspective view showing a transverse section of the fixing roller device shown in FIG. 9A. It is.
[0095]
The structure of the conventional second fixing roller device is different from the fixing roller device according to the second embodiment at the position of the heat generating portion 313a. Referring to FIGS. 9A and 9B, the outer tube 21 having a protective layer 21a is formed on the surface thereof. The inner tube 31 having an outer diameter smaller than the inner diameter of the outer tube 21 is coaxially positioned in an intermediate portion of the outer tube 21 in a cylindrical cavity.
[0096]
A hollow annular space 38 that can accommodate the working fluid 214 is provided between the inner cylindrical surface of the outer tube 21 and the inner cylindrical surface of the inner tube 31. In the middle of the inner pipe 31, a heat generating part 12 for heating the inner wall of the inner pipe 31 with radiant heat is prepared.
[0097]
The heating unit 12 is a device that generates radiant heat such as a halogen lamp. The inner pipe 31 is heated by the radiant heat from the heat generating part 12, and the working fluid 33 in contact with the outer cylindrical surface of the inner pipe 31 evaporates, that is, changes from liquid to vapor.
[0098]
FIG. 10A is a longitudinal sectional view showing the structure of the fixing roller device according to the third embodiment, and FIG. 10B is a cross-sectional view showing the structure of the fixing roller device of FIG. FIG.
[0099]
In the fixing roller device according to the third embodiment, the structures of the fixing roller device according to the first embodiment and the second embodiment can be regarded as a combined structure.
[0100]
As shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b), the fixing roller device according to the third embodiment has an outer tube in which a protective layer 311 made of a substance such as Teflon is coated on the outer surface. 312 is formed. An inner tube 314 having an outer diameter that is slightly smaller than the inner diameter of the outer tube 311 is coaxially positioned in an empty middle portion of the outer tube 312.
[0101]
The annular space 318 contains the working fluid 214, and a first heat generating part 313 is provided between the outer pipe 312 and the inner pipe 314. A second heat generating portion 313a that heats the inner wall of the inner tube 314 with radiant heat is coaxially positioned in an empty middle portion of the inner tube 314.
[0102]
The second heat generating unit 313a is a device that generates radiant heat like a halogen lamp. Accordingly, the inner pipe 313 is heated by the radiant heat from the heat generating portion 313a, and the working fluid 214 that contacts the outer surface of the inner pipe 314 evaporates into a gaseous state.
[0103]
The first heat generating portion 313 is formed along the inner cylindrical surface of the outer tube 312, directly heats the inner cylindrical surface of the outer tube 312, and directly heats the working fluid 214 for fixing. When the roller device comes out of the standby state, the working fluid 214 is evaporated.
[0104]
The working fluid 214 in the vacant annular space 318 between the outer pipe 312 and the inner pipe 314 is simultaneously heated and vaporized by the first and second

heat generating portions

313 and 313a. As shown in FIG. 10C, the fixing roller device according to the third embodiment can be efficiently heated within a substantially short time compared to the other embodiments described above.
[0105]
FIG. 10C shows the relative operation by comparing the time required for the rollers of the two conventional designs and the roller of the fixing roller device according to the third embodiment to reach the operating temperature.
[0106]
As shown in FIG. 10C, a curve A shows the fixing roller device having the configuration having the halogen heating lamp shown in FIG. This design requires a time of 2-3 minutes for the heating roller to reach an operating temperature of 185 ° C.
[0107]
A curve B shows the fixing roller device of the indirect heating design shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). This design requires a time of 20-30 seconds for the outer surface temperature of the heating roller to reach 185 ° C.
[0108]
A curve C shows the fixing roller device according to the third embodiment shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). In the fixing roller device according to the third embodiment, it takes about 12 seconds to reach the operating temperature of 185 ° C.
[0109]
Further, unlike the halogen heating lamp shown by the curve A and the indirect heating assembly shown by the curve B, the temperature difference in the coaxial longitudinal direction of the outer peripheral surface of the fixing roller according to the third embodiment is 2. Below 1 ° C, and in many cases 1 ° C in the longitudinal direction of the axis. On the other hand, the halogen heating lamp and the indirect heating assembly change with a temperature difference of 2 ° C. or more in the longitudinal direction of the coaxial shaft, and normally 2 in the longitudinal direction of the coaxial roller compared with the central portion of the fixing roller. It was cold with a temperature difference of more than 1 degree.
[0110]
FIG. 11A is a longitudinal sectional view showing the structure of the fixing roller device according to the fourth embodiment, and FIG. 11B shows the structure of the fixing roller device shown in FIG. It is a perspective view of a cross section.
[0111]
The annular inner space 318 of the fixing roller device according to the fourth embodiment has a large number of radial separations extending from the outer cylindrical surface of the inner tube 314 across the inner space 318 to the inner cylindrical surface of the outer tube 312. The wall body 315 is separated.
[0112]
The inner space 318 of the fixing roller device is divided into a number of discontinuous parts, each part depending on the design of the embodiment, and the path of the gas phase by the working fluid 214 between the discontinuous parts. Forgive or not forgive.
[0113]
The outer peripheral surface of the outer tube 312 has an outer surface coated with a protective layer 311. The inner tube 314 has an outer diameter that is substantially smaller than the inner diameter of the outer tube 312 and is provided coaxially in the middle portion of the outer tube 312 so that the working fluid 214 is interposed between the outer tube 312 and the inner tube 314. An annular interior space 318 is provided for accommodating.
[0114]
The annular inner space 318 is divided into a plurality of unit spaces by separating wall bodies 315 arranged at predetermined angular intervals in a radial manner, and the working fluid 214 is accommodated in each unit space. A heat generating portion 313 a that heats the inner wall of the inner tube 314 with radiant heat is coaxially provided at an intermediate portion of the inner tube 314.
[0115]
The heat generating portion 313a is a device that generates radiant heat such as a halogen lamp. Therefore, the inner pipe 314 is heated by the radiant heat from the heat generating portion 313a, and the working fluid 214 in contact with the outer surface of the inner pipe 314 evaporates. The working fluid 214 performs heat transfer to the outer pipe 312 through vaporization and condensation processes in each unit space.
[0116]
The separation wall body 315 may be provided as a separate part, but can be integrally formed on the outer peripheral surface of the inner tube 214. The working fluid 214 is distributed to each unit space, and the working fluid 214 in contact with the inner surface of the outer pipe 312 is quickly vaporized and condensed in each unit space.
[0117]
FIG. 12 is a partial perspective view showing the fixing roller device according to the fifth embodiment.
[0118]
The outer tube 312 has an outer cylindrical surface on which a protective layer 311 made of a material such as Teflon is coated. The inner tube 314 has an outer diameter that is smaller than the inner diameter of the outer tube 312 and is coaxially located in the center of the outer tube 312 for containing the working fluid 214 between the outer tube 312 and the inner tube 314. An annular space 318 is provided.
[0119]
The annular space 318 is divided into a plurality of unit spaces by separating wall bodies 315 arranged at predetermined angular intervals in a radial manner, and the working fluid 214 is accommodated in each unit space.
[0120]
A cylindrical cover 317 made of a thermal conductor such as stainless steel wraps a radial outer portion of the separation wall 315, and the separation wall 315 around the inner tube 314 is a first resistance heating element made of a spiral resistance heating element. It is wrapped by a heat generating part 313.
[0121]
In the center of the inner tube 314, a second heat generating portion 313a for heating the inner wall of the inner tube 314 with radiant heat is provided. The second heat generating portion 313a is a device that generates radiant heat like a halogen lamp.
[0122]
As a preparation for printing an image on a recordable medium, the inner pipe 314 is heated by radiant heat from the second heat generating part 313a after coming out of the standby state, and the working fluid is brought into contact with the outer surface of the inner pipe 314. 214 evaporates. Further, the first heat generating portion 313 is in contact with the inner wall of the outer pipe 212, whereby the outer pipe 312 is heated together with the working fluid 214.
[0123]
The working fluid 214 transfers heat to the outer pipe 212 through a vaporization and condensation process in each unit space. The separation wall body 315 may be provided as a separate part, but can be integrally formed on the outer peripheral surface of the inner tube 214. Although the annular space 318 between the outer pipe 312 and the inner pipe 314 is separated into unit spaces by the separation wall body 315, in a specific embodiment, the working fluid 214 is separated from the inner wall of the separation wall body 315 and the outer pipe 312. Can flow between unit spaces through an orifice or gap between them.
[0124]
Next, FIG. 13 is a partial perspective view showing a fixing roller device according to a sixth embodiment. FIG. 13 is a partial perspective view of a sixth example having a structure to which the fixing roller device according to the first embodiment described above is applied.
[0125]
As shown in FIG. 13, the fixing roller device according to the sixth embodiment includes a tubular fixing roller 312 having a Teflon protective layer 311 formed on the surface thereof, and heat generated in an internal space 318 of the fixing roller 312. And an internal space separating member 316 in which separation wall bodies 316a for separating the internal space into a plurality of unit spaces are arranged radially. The separation member 316 has a maximum outer diameter smaller than the inner diameter of the fixing roller 212, and the heat generating portion 313 is surrounded.
[0126]
In the fixing roller device according to the sixth embodiment, the inner space of the fixing roller 312 is separated into a plurality of unit spaces by the separating wall body 316a of the separating member 316, but the inner wall of the separating wall body 316a and the fixing roller 312 is separated. Movement of the working fluid 214 through the opening 319 between the two.
[0127]
The electrode for supplying electricity to the heat generating part 313 and the structure for rotating and supporting the electrode in the sixth embodiment are not described, but can be easily implemented by those skilled in the art.
[0128]
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a fixing unit of an electrophotographic image forming apparatus to which the fixing roller device according to the first to sixth embodiments is applied.
[0129]
As shown in FIG. 14, opposite opposite ends of the coil 318 extend through an end cap 218 to form an electrode 215, and the electrode 215 is connected to both ends of the fixing roller device 400 to generate a heat generating portion 313 (if there is a first 2) A current is applied to the heat generating portion 313a).
[0130]
The electrode 215 is electrically connected to the heat generating part 313 and is slidably contacted with a brush (not shown) made of a conductive material such as carbon, which is connected across the power source in order. The The brush is elastically supported by a spring and pressed against the electrode 215. A thermostat that operates depending on the temperature of the fixing roller device 400 is connected between the brush and the power supply unit by an electric signal line.
[0131]
When current is supplied to the heat generating unit 313, if any, through the power supply unit 500 to the second heat generating unit 313a, internal resistance heat of the coil 313 for heating the fixing roller is generated. At the same time, the working fluid 214 stored in the fixing roller is heated and evaporated. The inner surface of the fixing roller is heated by the heat from the heat generating portion 313 and the vaporized working fluid 214, and the fuser roller body is heated uniformly and quickly to the target fixing temperature (for example, 185 ° C.). The cylindrical surface temperature of the fuselage roller body is detected by another thermistor, and the amount of current supplied to the heat generating portion 313 is controlled depending on the detected temperature.
[0132]
Hereinafter, the heat pipe according to the present embodiment will be described in order to understand the operation of the fixing roller device according to the first to sixth embodiments.
[0133]
The heat pipe is a mechanism for transferring heat from a place where the heat generation density is high to a place where the heat generation density is low using latent heat necessary for the phase change process of the working fluid. A heat pipe uses a fluid phase change characteristic and therefore has a higher thermal conductivity coefficient than any other metal. In the case of a heat pipe that actually operates in the normal temperature range, it corresponds to several hundred times that of silver or copper having a very high thermal conductivity coefficient (k = 400 W / mK).
[0134]
FIG. 15 is a graph showing the phase change of the working fluid as a function of temperature rise and heat pipe operating period. [Table 1] shows the effective thermal conductivity of heat pipes and other heat transfer materials.
[0135]
[Table 1]

[0136]
An energy of 4.18 kJ is required to raise 1 kg of water from 25 ° C. to 26 ° C. In order to change the phase of water from liquid to vapor without temperature change, energy of 2,442 kJ is required. The heat pipe transfers about 584 times the latent heat through a phase change between liquid and vapor.
[0137]
In the case of a heat pipe that operates in the normal temperature range, it has a heat conduction performance equivalent to several hundred times that of silver or copper, which is known as a good heat conductor. The thermal conductivity of a heat pipe using liquid metal operating at high temperature is 10 ⁸ Reach W / mK.
[0138]
FIG. 16 shows an internal structure of a heat pipe incorporating a wick and a heat transfer process by liquid-gas and gas-liquid phase changes in order to form a capillary structure inside the heat pipe.
[0139]
As shown in FIG. 16, the resistive heating coil (not shown separately in FIG. 16) and the wick are arranged in a cylindrical shape and are directly attached in contact with the surface of the inner circumference of the heat tube. [Table 2] shows recommended / non-recommended heat pipe materials by working fluid.
[0140]
[Table 2]

[0141]
[Table 3] shows the types of working fluid used for each operating temperature band.
[0142]
[Table 3]

[0143]
The items that need to be considered when selecting a working fluid are as follows.
1) Compatibility with the material of the heat pipe used
2) Appropriate operating temperature of the working fluid in the heat pipe
3) Thermal conductivity of working fluid
[0144]
When the material of the fixing roller using the heat pipe is stainless steel (SUS) or copper (Cu), the working fluid that can be selected is limited when considering the compatibility with the material of the heat pipe and the operating temperature. FC-40 has a saturation pressure of 1 atmosphere or less at 165 ° C.
[0145]
FC-40 is non-toxic, non-flammable and compatible with most metals. FC-40 is non-destructive to the ozone layer. The relationship between saturation temperature and pressure can be expressed by the empirical [Equation 1] due to the thermodynamic characteristics of FC-40 as the working fluid.
[0146]
[Expression 1]

[0147]
For the above [Equation 1], A = 8.2594 and B = 2310.
[0148]
FIG. 17 is a graph showing the change in saturation pressure with respect to the saturation temperature of FC-40 and water as working fluid. [Table 4] shows the saturation pressure of FC-40 at the specific saturation pressure taken from FIG.
[0149]
[Table 4]

[0150]
Regarding the safety of the heat pipe container, the pipe material and the thickness of the end cap due to the pressure resistance of the heat pipe are determined by an ASME (American Society of Mechanical Engineers) code for evaluating the safety of the pressure container. For example, in the case of a circular pipe whose thickness of the cylindrical heat pipe wall is approximately 10% or less of its diameter, the maximum stresses generated by the pipe wall and the hemispherical end cap are respectively given by It is expressed as follows.
[0151]
[Expression 2]

[0152]
[Equation 3]

[0153]
[Expression 4]

[0154]
[Equation 5]

[0155]
Here, [Equation 4] expressed in [Equation 2] and [Equation 3] represents the pressure difference between the inside and outside of the tube, [Equation 5] represents the outer diameter of the tube, and t ₁ Represents the thickness of the tube, t ₂ Represents the thickness of the end cap.
[0156]
According to the ASME code, the maximum allowable stress at any temperature is 0.25 times the maximum ultimate tensile strength at that temperature. If the vapor pressure is the same as the saturated vapor pressure of the working fluid within the heat pipe operating temperature range, the pressure difference [Equation 4] is the difference between the saturated vapor pressure and the atmospheric pressure.
[0157]
FIG. 18 is a graph showing changes in the ultimate tensile strength of the other three fixing rollers made of a heat pipe made of aluminum, copper, and 304 stainless steel, and is extended to a range of about 0 ° C. to 500 ° C. It is the graph taken in the temperature range.
[0158]
FIG. 19 (a) shows the maximum allowable stress and maximum stress acting on the heat pipe wall with respect to temperature change when FC-40 is used as the working fluid for heat pipe made from aluminum, copper and 304 stainless steel. It is a graph which shows a change.
[0159]
FIG. 19B is a graph showing a change in the maximum stress acting on the copper heat pipe wall with respect to a temperature change in a temperature range expanded to a range of about 0 ° C. to 300 ° C. when distilled water is used as a working fluid. It is.
[0160]
As shown in FIG. 19 (a), the maximum allowable stress of stainless steel SS304 is much larger than the maximum allowable stress of copper and aluminum. In the case of stainless steel SS304, it is judged that the working fluid does not leak up to an operating temperature of about 400 ° C. and is safe.
[0161]
FIGS. 20 (a) and 20 (b) show the pipe wall thickness t in the temperature range extended from 150 ° C. to 500 ° C. when FC-40 and distilled water are applied as the working fluid, respectively. It is a graph which shows the change of the maximum stress which acts on a copper heat pipe wall surface depending on a change.
[0162]
As shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b), even if the thickness of the heat pipe to which distilled water is applied as the working fluid is increased to 1.5 mm and 1.8 mm, respectively, the temperature is higher than 165 ° C. and 200 mm. It is judged that there is almost no change in the maximum stress at an operating temperature lower than ° C.
[0163]
21 and 22 show the experimental results of the first embodiment described above, and are temperature change graphs measured in the central portion of the fixing roller during 0 to 60 seconds.
[0164]
In the fixing roller device, the fixing roller is made of copper, and the working fluid includes distilled water. The fixing roller has a thickness of 1.0 mm, an outer diameter of 17.85 mm, and a length of 258 mm. During the test, the fixing roller was rotated at 47 rpm, the resistance of the spiral resistance heating element in contact with the inner surface of the fixing roller was 32Ω, the voltage was 200 V, and the instantaneous maximum power consumption was about 1.5 kW. The spiral resistance heating coil was brought into direct contact with the inner cylindrical surface of the fixing roller.
[0165]
FIG. 21 shows a result obtained when 10 vol% distilled water is applied as a working fluid with respect to the volume of the internal space of the fixing roller. FIG. 22 shows the results obtained from the case where 30 vol% distilled water is applied as the working fluid with respect to the internal space volume of the fixing roller.
[0166]
As shown in FIG. 21, it took about 8 to 12 seconds to raise the temperature from about 22 ° C. to 175 ° C., and only 14 seconds to raise the temperature to 200 ° C. As shown in FIG. 22, it took about 13 seconds to raise the temperature from about 22 ° C. to 175 ° C., and it took only 22 seconds to raise the temperature to 200 ° C.
[0167]
Comparing the results of FIG. 21 and FIG. 22, it can be seen that there is a difference in the rate of temperature rise depending on the volume ratio of the working fluid contained in the fixing roller. According to experimental results under various conditions, the working fluid volume ratio with respect to the inner space of the fixing roller can be used within a range of 5 to 50%, and a very high heating rate can be obtained at 5 to 15%. did it.
[0168]
Compared with the conventional image forming apparatus while maintaining the above-described temperature rise rate, it is not necessary to supply power to the fixing roller device in the standby state. Even when electric power is supplied for the first time at the start of image formation, the fixing roller device configured according to the present embodiment (the first to sixth embodiments) is much faster than the conventional fixing roller. Image formation, particularly toner image fixing, was possible.
[0169]
When the volume is higher than the volume occupied by the working fluid, the rate of temperature increase to the target temperature is gradually decreased, and a large effect in practical use cannot be obtained. If it is less than 5%, the possibility of a dry-out phenomenon due to insufficient supply of the working fluid is very high, and the function as a heat pipe is weakened or lost.
[0170]
In the fixing roller device according to the present embodiment (first to sixth embodiments), not only a high-frequency voltage but also a voltage of 90 to 240 V is applied to the heat generating portion in a 50 to 70 Hz range of a general commercial power supply. Can be applied.
[0171]
As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, this invention is not limited to this example. It is obvious for a person skilled in the art that various changes or modifications can be envisaged within the scope of the technical idea described in the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. It is understood that it belongs.
[0172]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the fixing roller device includes the working fluid in the fuselage body of the metallic fixing roller having excellent heat conductivity and the heat generating coil, and the surface of the fixing roller is instantaneously set to the desired fixing temperature. The toner image transferred to the paper can be fixed. Compared with the conventional halogen lamp type and direct surface heating method (using a heating element such as Pd, Ru, or carbon), the fixing roller device of the present invention can achieve the target fixing temperature within a short time with a small amount of electric power. Can be achieved, and the surface temperature of the fixing roller can be kept uniform. The fixing roller device according to the present invention does not require warm-up and standby, and power is supplied to the fixing roller while waiting for a printing operation command in a printer, a copying machine, a facsimile, or the like equipped with the fixing roller device according to the present invention. It does not have to be done. Therefore, the image forming apparatus can realize low power consumption that maintains low power consumption as a whole. Further, by using the heat pipe principle, the surface temperature in the longitudinal direction of the fixing roller can be maintained uniformly, and the toner fixing characteristics can be optimally improved.
[0173]
The fixing roller device according to the present invention can be mass-produced to ensure a safe operation. The fuser roller parts are compatible with other commercial parts. The fixing roller device is easy to manage in terms of quality and has expandability applicable to high-speed printers.
[0174]
The advantages of the fixing roller device and its manufacturing process (method) according to the present invention are summarized as follows.
1) It is relatively easy to manufacture and can be automated.
2) The surface temperature deviation is very small (within ± 1 ° C) in the axial direction or longitudinal direction of the heat pipe.
3) Easy to high speed printer by fixing roller device.
4) Separately separate the heat source and heat pipe of the components of the hit roller device, which is very advantageous in terms of manufacturability, safety, component compatibility, and mass productivity. In addition, quality control is easy. is there.
5) The working fluid repeatedly evaporates and condenses in the sealed heat pipe container, so that the pressure can be increased when the temperature rises (FC40: 165 ° C, less than 1 atm). There is very little fear.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a general electrophotographic image forming apparatus.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a fixing roller device applied to a conventional electrophotographic image forming apparatus.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a relationship between a fixing roller device and a pressure roller of a conventional electrophotographic image forming apparatus.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another fixing roller device applied to a conventional electrophotographic image forming apparatus.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a fixing unit of the electrophotographic image forming apparatus according to the first embodiment.
6A is a partial view showing the structure of the fixing roller device according to the first embodiment. FIG. 6B, FIG. 6C, and FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view sequentially showing stages of installing a heat generating portion in the fixing roller device according to the first embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the fixing roller device according to the first embodiment.
8A is a cross-sectional view showing a longitudinal cross-sectional structure of a fixing roller device according to a second embodiment, and FIG. 8B is a fixing roller shown in FIG. 8A. It is a fragmentary figure which shows the cross-sectional structure of an apparatus.
9A is a longitudinal sectional view showing a structure of a conventional second fixing roller device, and FIG. 9B is a transverse sectional view of the fixing roller device shown in FIG. 9A. FIG.
FIG. 10A is a longitudinal sectional view showing a structure of a fixing roller device according to a third embodiment, and FIG. 10B is a structure of the fixing roller device of FIG. 10A. FIG. 10C shows the time taken for the rollers of the conventional two fixing roller devices and the fixing roller device according to the third embodiment to reach the operating temperature. It is a graph.
11A is a longitudinal sectional view showing the structure of a fixing roller device according to a fourth embodiment, and FIG. 11B is a fixing roller device shown in FIG. 11A. It is a perspective view of the cross section which shows the structure.
FIG. 12 is a partial perspective view illustrating a fixing roller device according to a fifth embodiment.
FIG. 13 is a partial perspective view illustrating a fixing roller device according to a sixth embodiment.
FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a schematic structure of a fixing unit of an electrophotographic image forming apparatus to which the fixing roller device according to the first to sixth embodiments is applied.
FIG. 15 is a graph showing the phase change of the working fluid as a function of temperature rise and heat pipe working section.
FIGS. 16A and 16B are a longitudinal sectional view and a transverse sectional view showing an internal structure of a heat pipe and a heat transfer process by a phase change from a liquid to a gas. FIGS.
FIG. 17 is a graph showing the change in saturation pressure as a function of the saturation temperature of FC-40 and distilled water each used as a working fluid.
FIG. 18 is a graph showing changes in ultimate tensile strength as a function of temperature for aluminum, copper and 304 stainless steel heat pipe materials with temperature changes.
FIG. 19 (a) shows the maximum allowable stress acting on the heat pipe wall with respect to temperature change when FC-40 is used as a working fluid for a heat pipe made from aluminum, copper and 304 stainless steel. It is a graph which shows the change of maximum stress. FIG. 19B is a graph showing a change in the maximum stress acting on the copper heat pipe wall with respect to a temperature change in a temperature range expanded to a range of about 0 ° C. to 300 ° C. when distilled water is used as a working fluid. It is.
20 (a) and 20 (b) are graphs showing changes in maximum stress due to changes in the wall thickness t of the heat pipe when FC-40 and distilled water are applied as working fluids, respectively. It is.
FIG. 21 is a temperature change graph at the center portion of the fixing roller, showing experimental results of the fixing roller device according to the first embodiment;
FIG. 22 is a temperature change graph at the center portion of the fixing roller, showing experimental results of the fixing roller device according to the first embodiment;
[Explanation of symbols]
1: Paper drawer 1
2: Operation unit
3: Control board cover
4: Upper cover opening button
5: Paper display window,
6: Multi-purpose paper feed window
7: Paper cassette
8: Optional cassette
9: Auxiliary support stand
200: fixing unit
210: Fixing roller device
211: Protective layer
212: Fixing roller
213: Heat generation part
214: Working fluid
215: Electrode
216: Non-conductive bushing
217: Gear connection cap
218: Cap
220: Pressure roller
230: Thermistor
240: Thermostat
242: Internal cavity
244: Wick
246: Internal cylindrical surface
251: Toner image
250: paper
311: Protective layer
312: External pipe
313: Heat generation part
313a: heating part
314: Internal pipe
314a: Internal cylindrical cavity
316: Separating member 316
316a: separation wall
318: annular space

Claims

A tubular fuser roller having opposite coaxial ends forming a sealed internal cavity that maintains a vacuum at a predetermined pressure;
A first heat generation provided in the internal cavity between the both end portions and in physical contact with a surface of an internal cylinder formed in the internal cavity in a longitudinal direction coaxial with the fixing roller. Part;
A second heat generating portion housed inside the first heat generating portion, and a plurality of separation wall bodies that are radially arranged to divide the internal cavity of the fixing roller into a plurality of unit spaces. A separating member;
A working fluid that is housed in each of the plurality of divided unit spaces and is in physical contact with the first heat generating portion;
A fixing roller device comprising:

The first heat generating portion includes a resistive heating coil spirally wound in the internal cavity, and both ends of the resistive heating coil coaxially extend from both ends of the fixing roller to the outside of the fixing roller. The fixing roller device according to claim 1, wherein the fixing roller device is pulled out to a position.

The first heat generating portion has an outer diameter larger than an inner diameter of the fixing roller, and contacts the wall of the inner cylinder of the fixing roller with a predetermined force. Fixing roller device.

The fixing roller device according to claim 1, wherein the fixing roller is made of copper.

The fixing roller device according to claim 1, wherein the fixing roller is made of stainless steel.

6. The fixing roller device according to claim 1, wherein the working fluid is distilled water. 7.

7. The working fluid according to claim 1, wherein the working fluid is contained in a volume ratio of 5 to 50% with respect to an internal cavity of the fixing roller. The fixing roller device according to Item 1.

7. The working fluid according to claim 1, wherein the working fluid is contained in a volume ratio of 5 to 15% with respect to an internal cavity of the fixing roller. The fixing roller device according to claim 1.

An outer tube having a first diameter and an inner tube having a second diameter formed inside the outer tube, and an annular space having a predetermined pressure is included between the outer tube and the inner tube. A tubular fixing roller;
A first heater provided in the annular space and in physical contact with the outer tube;
A second heater provided inside the inner tube;
A separation member including a plurality of separation wall bodies that are radially arranged to divide the annular space into a plurality of unit spaces;
A working fluid accommodated in each of the plurality of divided unit spaces with a small volume compared to the volume of the annular space;
A fixing roller device comprising:

The fixing roller device according to claim 9, wherein the first heater is a resistive heating coil wound in a spiral.

11. The fixing roller device according to claim 9, wherein the first heater is disposed in physical contact along an inner cylindrical surface of the outer tube.

The said 1st heater has a resistive heating coil wound spirally, The said 2nd heater has a halogen lamp, It is characterized by the above-mentioned. The fixing roller device according to any one of the above.

The fixing roller device according to any one of claims 9, 10, 11, and 12, wherein the inner tube and the outer tube are made of copper.

The fixing roller device according to any one of claims 9, 10, 11, and 12, wherein the inner tube and the outer tube are made of stainless steel.

The fixing roller device according to any one of claims 9, 10, 11, 12, 13, and 14, wherein the working fluid is distilled water.

The working fluid is accommodated in a volume ratio of 5 to 50% with respect to the annular space inside the fixing roller. The fixing roller device according to any one of 15 items.

The working fluid is contained in a volume ratio of 5 to 15% with respect to the annular space inside the fixing roller, or characterized in that: The fixing roller device according to any one of 15 items.