KR20000012446A

KR20000012446A - Heat piped image fixing heat roller

Info

Publication number: KR20000012446A
Application number: KR1019990055037A
Authority: KR
Inventors: 정영만; 진병숙; 김재균
Original assignee: 정영만; 진병숙; 김재균
Priority date: 1999-12-04
Filing date: 1999-12-04
Publication date: 2000-03-06

Abstract

PURPOSE: A heating roller for an image fixation using a heat pipe is provided, which composes a heating roller for fixing an image using a new method. CONSTITUTION: A heating roller for an image fixation using a heat pipe comprises: a cylindrical outer cover (1) to be composed in a material of a thin metal adjacent to a contact roller; a cylindrical outer cover (3) to be installed on a rotation axis for covering a heater (5); a pin (2) for forming an inner space (7) in which an operation liquid and a steam of the operation liquid are full; a wick (4) for covering the cylindrical outer cover (3) in the inner space (7); and several bulk boards (6) to be installed in the direction of the rotation axis (10) for connecting between the cylindrical outer cover (3) and the cylindrical outer cover (3). Thereby, an energy needed to a heat is decreased and also the size of the heating roller and an entire heating capacity are decreased.

Description

Heat roller for fixing images using heat pipes {HEAT PIPED IMAGE FIXING HEAT ROLLER}

본 발명은 종이 등의 기록용지에 이미지를 기록하는 복사기, 팩시밀리, 프린터 등의 장치에 있어, 이미지를 정착시키는 가열 롤러를 새로운 방법으로 구성함으로써, 가열 롤러의 예열 시간을 줄이고, 가열에 필요한 에너지를 절약하고, 고른 가열을 통해 이미지 정착 효과를 높이는 데 그 목적이 있다.According to the present invention, in a copying machine, a facsimile machine, a printer, etc. for recording an image on recording paper such as paper, the heating roller for fixing the image is constructed by a new method, thereby reducing the preheating time of the heating roller and reducing the energy required for heating. The purpose is to improve the image fixing effect by saving and even heating.

종이 등의 기록용지 위에 이미지를 형성하는 장치, 예를 들어 복사기, 레이저 프린터, 팩시밀리 등은 드럼 위에 정전기를 발생시켜 토너를 입힌 후 여기를 지나가는 종이 등의 기록매체에 토너를 옮긴 다음, 가열 롤러를 지나면서 토너가 녹아 기록매체 위에 정착되는 과정을 거친다. 가열 롤러는 밀착 롤러와 맞붙어 있어서 종이 등의 기록용지가 이 두 롤러 사이를 지나가면서 이미지가 정착되게 된다. 이러한 이미지 형성장치에 있어 전기 에너지를 가장 많이 소모하는 부분은 이미지 정착용 가열롤러이다. 가열 롤러는 일반적으로 그 중심부에 롤러의 축방향으로 히터램프를 설치하여 롤러를 내부로부터 가열하고 있다. 그런데 히터램프는 각 부위에서 발생하는 열이 일정하지 않을 뿐만 아니라, 열이 전달되는 과정에서도 부위마다 불균일한 열전달이 발생하여, 롤러의 표면 온도가 부위에 따라 서로 상이하게 된다. 이렇게 되면 토너는 어떤 부위에서는 덜 녹아서 사람이 손으로 만질 때 옆으로 번지는 현상이 생길 수도 있고, 또 다른 부위에서는 너무 녹아서 가열 롤러에 맞닿아 있는 밀착롤러에 묻는 현상이 생긴다. 이렇게 해서 밀착롤러에 토너가 묻게 되면 출력되는 기록매체에 띠의 형상으로 토너가 묻어 나와 이미지의 질을 저하시키는 문제가 발생한다. 뿐만 아니라, 이런 이미지 형성 장치들이 정상적으로 작동하기 위해서는 가열롤러의 예열이 필요하기 때문에, 복사기와 같은 이미지 형성 장치들의 스위치를 올리고도 상당한 시간 동안 기다려야 하는 단점이 있다. 이런 문제를 개선하기 위해 히트 파이프를 가열 롤러에 사용하려고 노력해 왔다. 히트 파이프는 그 특성상 모든 부위에서 표면 온도를 고르게 할 수 있고, 열전달 속도가 빨라 에너지를 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 작동을 위한 대기 시간도 줄일 수 있는 장점이 있다. 예를 들면 미국 특허 5,426,495나 5,596,397은 바로 이런 예이다. 그러나 미국 특허 5,426,495는 가열 롤러 전체를 히트 파이프로 만들기는 했으나, 히터를 제 5도와 같이 롤러 몸체 외부에 설치하도록 만들어져 있기 때문에 많은 공간을 차지하고, 히터램프의 열손실이 많아 실제적으로는 별로 도움이 되지 못하는 단점이 있었다. 한편 미국 특허 5,596,397은 그림 4와 같이 여러 개의 히트 파이프를 롤러의 몸체 내부에 삽입하는 방법을 채택하였다. 이 방법은 미국특허 5,426,495에 비해 열효율이 좋고, 크기가 작아지는 장점이 있지만 롤러 표면에서 완전한 등온을 이루려면 여러 개의 히트파이프를 장착하여야 하며, 또 히트 파이프를 장착하기 위해서는 가열 롤러의 두께가 지나치게 두꺼워지는 데다, 이러한 구조에 적합한 알루미늄과 같은 재질은 열용량이 커서 결과적으로 아주 큰 열 용량을 갖는 단점을 가지고 있다. 이렇게 되면 예열시간이 크게 늘어나게 되고, 온도를 세밀하게 제어하는 것이 어렵게 된다. 작은 온도차이를 보정하려 해도 많은 열량을 공급해야 하기 때문이다. 또 가열 초기의 온도 불균일 문제도 있다. 예를 들어 4개의 히트 파이프를 장착한 경우, 히트 파이프의 속성상 가열 롤러의 축방향으로의 열전달은 매우 신속한 반면, 4개의 히트파이프 사이의 중간영역에는 다시 롤러 몸체의 열전도에 의해서만 열이 전달되기 때문에, 축방향으로 부분적으로는 온도의 불균일 현상이 나타날 수 있다. 특히 이미지 형성 장치에 전원을 공급한지 얼마 되지 않는 시간 있어서는 이런 단점이 그대로 나타날 수밖에 없는 약점을 지니고 있다.Devices that form images on recording paper such as paper, such as copiers, laser printers, and facsimiles, generate static electricity on the drum to coat the toner, and then transfer the toner to a recording medium such as paper passing therethrough, and then As the toner melts, the toner is melted and fixed on the recording medium. The heating roller is in contact with the contact roller so that the recording paper, such as paper, passes between these two rollers to fix the image. The most consuming part of the electric energy in the image forming apparatus is a heating roller for fixing the image. The heating roller generally provides a heater lamp in the center of the roller in the axial direction thereof to heat the roller from the inside. By the way, the heater lamp not only is not uniform heat generated in each part, but also heat transfer occurs in each part even in the process of heat transfer, the surface temperature of the roller is different from each other according to the part. This can cause the toner to dissolve less in some areas and spread to the side when a person touches it, and in other areas, the toner melts too much and sticks to the contact roller that is in contact with the heating roller. In this way, when the toner adheres to the contact roller, a problem occurs in that the toner is buried in the shape of a band on the output recording medium and degrades the image quality. In addition, since these image forming apparatuses require preheating of the heating roller in order to operate normally, there is a disadvantage of having to wait for a considerable time even after switching the image forming apparatuses such as a copying machine. In order to remedy this problem, efforts have been made to use heat pipes in heating rollers. Heat pipes have the advantage of being able to even the surface temperature in all areas, save energy due to the high heat transfer rate, and reduce the waiting time for operation. For example, US Pat. No. 5,426,495 or 5,596,397 is one such example. However, U.S. Patent 5,426,495, although the entire heating roller is made of heat pipe, it takes up a lot of space because it is made to install the heater outside the roller body as shown in Fig. 5. There was a disadvantage. U.S. Patent 5,596,397, on the other hand, adopts a method of inserting several heat pipes into the body of the roller as shown in Fig. 4. This method has the advantage of better thermal efficiency and smaller size than US Patent 5,426,495. However, in order to achieve full isothermal at the surface of the roller, several heat pipes must be installed, and the thickness of the heating roller is too thick to mount the heat pipe. In addition, materials such as aluminum suitable for this structure have the disadvantage of having a large heat capacity and consequently a very large heat capacity. This greatly increases the preheating time and makes it difficult to control the temperature in detail. This is because a small amount of heat must be supplied even if a small temperature difference is corrected. Moreover, there also exists a problem of temperature nonuniformity at the beginning of a heating. For example, when four heat pipes are mounted, heat transfer in the axial direction of the heat roller is very rapid due to the nature of the heat pipe, while heat is transferred only by the heat conduction of the roller body back to the middle region between the four heat pipes. As a result, a temperature nonuniformity may occur in part in the axial direction. Particularly in the short period of time when power is supplied to the image forming apparatus, this disadvantage is inevitable.

본 발명에서는 종래의 방식이 가지고 있는 이러한 문제점들을 개선하여, 단시간에 필요한 온도로 가열시키는 동시에, 가열 롤러의 표면에서 고른 온도를 유지하고, 초기 가열 및 적정 온도 유지에 필요한 에너지를 줄이는 것을 그 목표로 하고 있다.The present invention aims to solve these problems with the conventional method, to heat to the required temperature in a short time, to maintain an even temperature on the surface of the heating roller, and to reduce the energy required for initial heating and proper temperature maintenance. Doing.

제 1도는 히트 파이프를 이용한 이미지 정착용 가열 롤러의 개념도이고1 is a conceptual diagram of a heating roller for fixing an image using a heat pipe

제 2도는 이의 종단면도 이며,2 is a longitudinal cross-sectional view thereof,

제 3도는 이의 횡단면도 이다.3 is its cross section.

제 4도는 미국 특허 5,596,397에 사용된 기술의 개념도이고4 is a conceptual diagram of the technology used in US Patent 5,596,397

제 5도는 미국 특허 5,426,495에 사용된 기술의 개념도이다.5 is a conceptual diagram of the technique used in US Pat. No. 5,426,495.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1: 가열롤러의 밀착 롤러측 외피 2: 양쪽 마감판 3: 가열롤러의 히터램프측 외피DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Outer-contact outer skin side of a heating roller 2: Both finishing boards 3: Outer lamp-side outer heating roller

4: 심지 5: 히터램프 6: 격벽 7: 작동액과 작동액의 증기로만 가득 찬 내부 공간4: wick 5: heater lamp 6: bulkhead 7: internal space filled only with working fluid and steam of working fluid

8: 온도센서 9: 온도 제어 장치 10: 회전축8: temperature sensor 9: temperature control device 10: rotating shaft

제 2도는 본 발명의 단면을 보여주고 있다. 본 발명에 의한 가열 롤러는 얇은 스테인레스나 알루미늄으로 된 바깥 쪽의 원통형 밀착롤러측 외피(1)와, 히터를 감싸고 있는 히터측 외피(3)가 가열 롤러의 회전축(10)을 중심으로 동심을 이루고 있고, 이 외피들의 좌우에는 작동액과 작동액의 증기로만 가득 차 있는 완전 밀폐된 내부공간을 형성하도록 마감판(2)이 부착되어 있다. 이 마감판은 두 개의 외피 1과 3에 대해 빈틈이 없도록 용접되어 있다. 3의 외피의 안쪽 공간(회전 중심축이 있는 쪽)에는 가열 롤러를 가열하는 히터램프(5)가 삽입되어 있다. 이 히터램프와 3의 외피가 만드는 여유공간은 열전달을 촉진하기 위해 써멀그리스(열전달 성능이 우수한 그리스)로 충진할 수도 있다. 가열 롤러의 내부공간에는 심지(4, 일명 위크라 함)와, 4-6 개의 심지 역할도 할 수 있는 격벽(6), 그리고 작동액과 작동액의 증기가 채워져 있다. 심지 4는 제 2도에서 보는 바와 같이 외피 3을 내부로부터 감싸고 있다. 이 심지는 회전축(10)을 축으로 하여 외피 3과 동심을 이루고 있다. 심지 역할도 할 수 있는 격벽(6)은 심지(4)와 밀착롤러측 외피(1) 사이의 공간을 그 개수만큼의 숫자로 나누고 있다.2 shows a cross section of the present invention. In the heating roller according to the present invention, the outer cylindrical adhesive roller side shell 1 of thin stainless steel or aluminum and the heater side shell 3 surrounding the heater are concentric about the rotating shaft 10 of the heating roller. On the left and right sides of these shells, a closing plate 2 is attached to form a completely enclosed inner space filled only with the working liquid and the vapor of the working liquid. The finishing plates are welded to the two shells 1 and 3 with no gaps. The heater lamp 5 which heats a heating roller is inserted in the inner space (the side with a rotation center axis) of 3 outer shells. The free space created by this heater lamp and the outer shell of 3 can also be filled with thermal grease (grease with excellent heat transfer performance) to promote heat transfer. The inner space of the heating roller is filled with wicks (also called wicks), bulkheads 6, which can also serve as 4-6 wicks, and steam of the working fluid and the working fluid. The wick 4 wraps the envelope 3 from the inside, as shown in FIG. This wick is concentric with the shell 3 with the axis of rotation 10 as the axis. The partition wall 6, which can also serve as a wick, divides the space between the wick 4 and the contact roller side shell 1 by the number thereof.

이제 이러한 구조를 갖는 가열 롤러의 작동 원리를 자세히 설명한다. 복사기 등의 이미지 형성 장치의 작동을 위해 스위치를 올리면 히터램프(5)에 전원이 공급되면서 가열되기 시작하고, 동시에 가열 롤러가 회전하기 시작한다. 히터램프(5)는 히터램프측 외피(3)에게 열을 공급한다. 이때 열전달 효율을 높이기 위해 히터램프(5)와 히터램프측 외피(3) 사이의 공간은 써멀 그리스 등으로 충진시켜 열전달 속도를 향상시킨다. 히터램프측 외피(3)에 공급된 열은 이 외피를 감싸고 있는 심지(4)를 가열시키는데, 이 심지는 작동액으로 촉촉히 젖어 있다. 따라서 작동액이 증발하게 되며, 증발한 작동액의 증기는 신속히 퍼져 나가 롤러의 밀착롤러측 외피(1)에서 열을 빼앗기고, 응축하게 된다. 응축된 작동액은 가열 롤러가 회전하고 있는 동안, 심지 역할도 할 수 있는 격벽(6)을 통해 모세관력에 의해 중심부에 있는 심지(4)로 다시 빨아 들여지게 된다. 이곳 중심부에서 다시 히터램프(5)로부터 열을 받아 증발하게 되고, 밀착롤러측 외피(1)에서 열을 빼앗기면서 폐순환사이클을 형성하게 된다. 이러한 열전달 방식이 소위 말하는 '히트 파이프' 방식이다. 이것은 밀폐공간을 채우고 있는 증기가 거의 완전히 일정한 압력에 놓여 있고, 따라서 그 증발 및 응축온도가 어느 부위에서나 일정하다는 열역학적 평형이론에 근거한 것인데, 실제에 있어서는 가열 롤러의 외피(1, 3)나 마감판(2) 재질의 열전도 한계 등으로 인하여 전체적으로는 약 1도 이내의 온도차이를 가지고 작동하게 되는데 이 정도의 온도차이는 아주 작은 것으로서, 일정한 온도를 유지하며 작동한다고 말해도 좋을 것이다. 따라서 이론적으로 가장 이상적인 가열 롤러를 구현한다고 볼 수 있다. 또 히트 파이프 방식은 전도나 대류에 의한 열전달보다 100배내지 1,000배나 열전달 속도가 빠른 장점이 있다. 따라서 목표로 하는 온도에 도달하는 시간이 매우 짧은 특징을 갖는다. 아울러 목표 온도 도달 시간을 최소로 줄이기 위해서는 전체적인 구성을 열용량이 작게 할 필요가 있다. 열용량이 작고 충분한 강성을 지닌 스테인레스와 같은 재질을 사용한다거나, 최적의 크기를 유지한다거나 하는 것이 필요하다. 본 발명에 의한 가열 롤러는 모든 부위에서 온도가 일정하기 때문에 쓸모 없는 여분의 가열 롤러 길이가 필요 없고, 가열 롤러의 크기를 사용하는 기록용지의 크기에 맞추면 된다. 따라서 다른 어떤 방식보다도 열용량을 작게 설계할 수 있게 되는 것이다. 예를 들어 앞서 언급한 미국 특허 5,426,495나 미국 특허 5,596,397은 상당히 넓은 면적의 여유 길이를 가지고 있어 열용량이 크고 공간 소모가 많을 수밖에 없다.The working principle of the heating roller having such a structure will now be described in detail. When the switch is turned on for the operation of the image forming apparatus such as a copying machine, the heater lamp 5 starts to be heated while being supplied with power, and at the same time, the heating roller starts to rotate. The heater lamp 5 supplies heat to the heater lamp side shell 3. At this time, the space between the heater lamp 5 and the heater lamp side shell 3 is filled with thermal grease to improve the heat transfer efficiency, thereby improving the heat transfer speed. The heat supplied to the heater lamp side shell 3 heats the wick 4 surrounding the shell, which is moistened with the working fluid. Therefore, the working liquid is evaporated, and the vapor of the evaporated working liquid is quickly spread out, deprives heat of the outer roller 1 of the contact roller side of the roller, and condenses it. The condensed working fluid is sucked back into the wick 4 at the center by capillary force through the partition 6, which may also serve as the wick, while the heating roller is rotating. Here, the center receives heat from the heater lamp (5) again and evaporates, depriving heat from the contact roller side shell (1) to form a closed circulation cycle. This heat transfer method is a so-called 'heat pipe' method. This is based on the thermodynamic equilibrium theory that the vapor filling the confined space is almost completely at a constant pressure, and therefore its evaporation and condensation temperatures are constant at any point. (2) Due to the limit of thermal conductivity of the material, it will operate with a temperature difference of about 1 degree as a whole. This temperature difference is very small, and it can be said that it operates at a constant temperature. Theoretically, it can be seen that the most ideal heating roller is implemented. In addition, the heat pipe method has an advantage that heat transfer speed is 100 to 1,000 times faster than heat transfer by conduction or convection. Therefore, the time to reach the target temperature is very short. In addition, it is necessary to reduce the heat capacity of the overall configuration in order to reduce the target temperature to a minimum. It is necessary to use a material such as stainless steel with low heat capacity and sufficient rigidity, or to maintain an optimal size. The heating roller according to the present invention does not require an unnecessary extra heating roller length because the temperature is constant in all parts, and may be adapted to the size of the recording paper using the size of the heating roller. Therefore, the heat capacity can be designed smaller than any other method. For example, the aforementioned U.S. Patent 5,426,495 or U.S. Patent 5,596,397 have a fairly large margin and have a large heat capacity and a lot of space.

가열 롤러가 일정한 온도에 도달하면 온도센서(8)는 그 온도를 감지한다. 히트 파이프 방식은 모든 표면에서의 온도가 1도 이내의 편차로 일정하기 때문에, 한 곳에서만 온도를 감지하는 것으로도 충분하여, 제어장치를 단순화하고 부품의 숫자도 줄일 수 있다. 온도센서는 온도제어장치(9)에 신호를 보내 적정한 온도를 유지하도록 '온-오프' 제어를 하게 된다.When the heating roller reaches a constant temperature, the temperature sensor 8 senses the temperature. Since heat pipes have a constant temperature of less than 1 degree on all surfaces, it is sufficient to sense the temperature in only one place, simplifying the control and reducing the number of parts. The temperature sensor sends a signal to the temperature controller 9 to perform 'on-off' control to maintain an appropriate temperature.

심지의 역할도 할 수 있는 격벽(6)은 가열 롤러 내부의 공간(7)의 크기를 여러 개로 분할하기 때문에, 나누어진 각각의 공간의 숫자만큼의 폐순환루프를 형성하게 된다. 이렇게 하면 루프당 액체의 순환길이와 순환량이 루프 개수에 반비례하여 줄어든다. 히트 파이프에서는 작동액의 순환 요구량이 클수록, 그리고 순환거리가 길어질수록 각각에 반비례하여 그 최대 열전달량이 작아지므로, 루프 개수를 늘리면 최대 가열량이 루프 개수의 제곱에 비례하여 증가하게 되어 급속 가열이 가능하게 되는 것이다.The partition wall 6, which can also serve as a wick, divides the size of the space 7 inside the heating roller into a plurality, thereby forming a closed circulation loop by the number of the divided spaces. This reduces the circulation length and amount of circulation per loop inversely with the number of loops. In heat pipes, the greater the circulation demand of the working fluid and the longer the circulation distance, the smaller the maximum heat transfer in inverse proportion to each, so increasing the number of loops increases the maximum heating rate in proportion to the square of the number of loops. Will be.

한편 작동액은 가열 롤러가 작동하는 최적의 온도(약 180도-200도) 부근에서 작동하는 것을 사용하면, 1기압 근처에서 가열 롤러가 작동하기 때문에, 내부의 압력이 지나치게 올라가는 것을 예방할 수 있다. 다른 한편 작동액은 증발 잠열이 커야 열을 신속히 전달하기 때문에 이런 조건에도 적합한 용액이 바람직하다. 또 심지에 의한 흡입 기능이 좋아야 순환 사이클이 짧아지게 되는데, 이를 위해서는 표면 장력이 큰 것이 좋다.On the other hand, if the working fluid is operated near the optimum temperature (about 180 degrees to 200 degrees) at which the heating roller operates, the heating roller operates at around 1 atmosphere, thereby preventing the internal pressure from increasing excessively. On the other hand, a solution suitable for these conditions is preferable because the working liquid transfers heat only when the latent heat of evaporation is large. In addition, the suction function by the wick should be good to shorten the circulation cycle, for this purpose, the surface tension is good.

이런 여러 가지 특징들로 인해 본 발명에 의한 히트 파이프 방식 이미지 정착용 가열 롤러는 가장 이상적인 가열 롤러를 형성한다.Due to these various features, the heat roller type image fixing heating roller according to the present invention forms the most ideal heating roller.

히트 파이프를 이용한 이미지 정착용 가열 롤러는 가열 롤러 자체를 히트 파이프 구조로 만들기 때문에 열전달이 신속하여 대기 시간을 크게 감소시키고, 모든 가열 롤러의 표면에서 온도가 일정하며, 가열에 필요한 에너지를 크게 감소시키고, 가열 롤러의 크기와 전체적인 열용량을 줄여서 성력화된 이미지 형성 장치를 만들 수 있게 하는 특징을 가지고 있다.Heat rollers for image fixing using heat pipes make the heating roller itself a heat pipe structure, so heat transfer is fast, greatly reducing the waiting time, the temperature is constant on the surface of all heating rollers, greatly reducing the energy required for heating, In addition, the size of the heating roller and the overall heat capacity can be reduced to make the image forming apparatus activated.

Claims

A heating roller of a fixing apparatus for fixing an image onto a recording sheet, the heating roller being integrated with a heat pipe in the following manner.

A) The cylindrical outer shell 1 on the contact roller side made of a thin metal material in contact with the contact roller and the cylindrical outer shell 3 on the heater side surrounding the heater 5 provided on the rotating shaft are centered on the rotating shaft of the heating roller. Are concentric, and at the same time

B) At both ends of these shells a closing plate 2 is attached in a direction perpendicular to the axis of rotation so as to form a closed interior space 7 filled with the working liquid and the vapor of the working liquid.

C) The wick 4 surrounds the heater-side cylindrical shell 3 inside the sealed space 7, and at the same time

D) a heating roller in which several partitions 6 serving as a wick between the heater-side cylindrical shell 3 and the contact roller-side cylindrical shell 1 are provided in the direction of the rotation shaft 10.

D) A heating roller in which several partition walls 6 are formed between the heater-side cylindrical shell 3 and the contact roller-side cylindrical shell 1 in the direction of the rotation shaft 10.

An image forming apparatus such as a copying machine for fixing an image on a recording sheet having a heat pipe integrated heating roller as follows.

D) a heating roller in which a plurality of partitions 6 connecting between the heater-side cylindrical shell 3 and the adhesion roller-side cylindrical shell 1 are provided in the direction of the rotation shaft 10.