KR20000030160A - 용융열 저장식 히트 파이프 가열 롤러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 개의 롤러 사이를 지나가면서 그 중 하나 이상의 롤러에서 받는 열을 통하여 화학적 변화나 물리적 변화를 일으키도록 한 장치에 있어, 그 가열 롤러에 히트 파이프 원리를 적용하여 신속하고 고른 열전달을 이룩하는 동시에, 고상과 액상간에 상변화를 일으키며 용융잠열을 흡수 및 방출하는 상변화 물질을 밀폐용기에 담아 그 가열 롤러에 장착하여 가열 롤러의 간헐적인 온도변화를 완충하도록 한 장치에 관한 것이다. 구체적인 적용의 예로는 사진식 복사(photocopy)의 원리를 채용한 인쇄기(printer)를 들 수 있다. 이러한 인쇄기에서 토너를 기록용지 위에 굳히는 가열 롤러를 히트 파이프 방식으로 제작하고, 그 내부에 용융열 저장장치를 장착하여, 기록용지가 지나가는 동안의 간헐적인 냉각기간에 가열 롤러의 온도가 급격히 떨어지는 현상을 막아주고, 가열 롤러의 모든 표면에서 온도가 일정하며, 작동 대기 시간 중에 롤러에서 발생하는 열손실을 최소화하는 것을 목표로 하고 있다.

사진식 복사기에 있어서, 기록용지가 복사 드럼을 지날 때에 정전기에 의하여 가루 상태의 토너가 기록용지에 살짝 달라붙게 되는데, 이후 섭씨 약 180도의 고온을 지닌 가열 롤러를 지나가면서 기록용지 위에 토너가 완전히 녹아 붙게 된다. 토너의 특성상 가열 롤러의 온도가 일정하지 않으면 토너의 정착 상태가 불균일하여 인쇄 품질이 떨어지게 된다. 이러한 현상은 기록용지가 지나가는 동안에 가열 롤러의 온도가 점차 내려감에 따라 한 장의 기록용지에서도 앞부분과 뒷부분의 밝기 혹은 색채가 다르거나 여러 장의 인쇄지에서 처음 부분과 뒷부분의 밝기 혹은 색채가 다르게 되는 경우가 생기고, 또는 가열 롤러의 부위별 온도가 차이가 나는 경우 가열 롤러 축과 나란한 방향에서도 부위에 따라 인쇄 품질에 차이가 나는 원인이 된다.

이를 피하기 위해서는 가열 롤러의 열용량이 어느 정도 이상으로 커져야 하는데, 현재 일반적으로 사용하고 있는 방식은 가열 롤러의 질량을 크게 만들어 그 현열(sensible heat)로서 온도의 번화를 완충하고자 하는 것이다. 그러나 이런 방식은 예열요구량과 예열시간이 커지고, 그럼에도 불구하고 정확한 온도를 유지하기가 곤란한 문제점이 있다.

본 발명은 가열 롤러가 작동 중에도 모든 부위에서 항상 일정한 온도를 유지할 수 있도록, 히트 파이프 방식을 채용한 가열 롤러를 구성하고, 거기에 섭씨 180도 부근에서 고상과 액상간의 상변화(phase change)를 일으키는 물질을 제 1도와 같이 튜브 등의 적정한 형태의 용기에 담아 이를 가열 롤러에 부착한 것이다. 이로써 대기 상태에서 상변화 물질에 저장되어 있던 열은 가열 롤러의 회전에 따라 가열 롤러가 히트 파이프로 작동하게 되면서 신속한 열전달이 이루어지고, 열전달 요구량이 많은 경우에도 상변화 물질에는 열이 충분히 저장되어 있으므로 일정한 온도를 유지하며 기록용지 위의 토너를 고착시킬 수 있게 된다. 더군다나 이런 상변화 물질은 액상에서 고상으로 변화하는 동안 일정한 용융온도에서 잠열을 방출하기 때문에 히트 파이프 원리로 인한 일정 온도 유지 기능과 상승작용을 하여 매우 정밀도가 높은 온도를 유지할 수 있게 되는 장점이 있다.

Description

용융열 저장식 히트 파이프 가열 롤러{Heat-Piped Heat Roller with Melting Heat Storage Device}

본 발명은 두 개의 롤러 사이를 지나가면서 그 중 하나 이상의 롤러에서 받는 열을 통하여 화학적 변화나 물리적 변화를 일으키도록 한 장치에 있어, 그 가열 롤러에 히트 파이프 원리를 적용하여 신속하고 고른 열전달을 이룩하는 동시에, 고상과 액상간에 상변화를 일으키며 용융잠열을 흡수 및 방출하는 상변화 물질을 밀폐용기에 담아 그 가열 롤러에 장착하여 가열 롤러의 간헐적인 온도변화를 완충하도록 한 장치에 관한 것이다. 구체적인 적용의 예로는 사진식 복사(photocopy)의 원리를 채용한 인쇄기(printer)를 들 수 있다. 이러한 인쇄기에서 토너를 기록용지 위에 굳히는 가열 롤러를 히트 파이프 방식으로 제작하고, 그 내부에 용융열 저장장치를 장착하여, 기록용지가 지나가는 동안의 간헐적인 냉각기간에 가열 롤러의 온도가 급격히 떨어지는 현상을 막아주고, 가열 롤러의 모든 표면에서 온도가 일정하며, 작동 대기 시간 중에 롤러에서 발생하는 열손실을 최소화하고 대기시간도 최소화하는 것을 목표로 하고 있다.

사진식 복사기, 혹은 사진식 복사의 원리를 채용한 레이저 프린터, 팩스 등의 인쇄기에 있어서 기록용지 위에 토너가 고착되는 과정은 다음과 같다. 기록용지가 복사 드럼을 지날 때에, 정전기에 의하여 가루 상태의 토너가 기록용지에 살짝 달라붙게 되고, 이 토너는, 섭씨 약 180도의 고온을 지닌 가열 롤러(heat roller)를 지나면서 기록용지에 완전히 녹아 붙게 된다.

그런데 토너는 여러 가지 물리화학적 특성을 지닌 물질을 섞어서 만든 것으로서 온도에 매우 민감하여 섭씨 180도 가량의 온도를 정확히 유지하여야 최적의 인쇄 상태를 유지할 수 있다. 다른 한편 소비자들은 인쇄 속도가 빠른 것을 원하기 때문에 기록용지가 가열 롤러를 지나는 동안 가열 롤러가 일정한 온도를 유지하기 위해서는 롤러의 각 부위가 일정한 온도이어야 하는 조건과 함께, 기록용지가 가열롤러를 지나가면서 가열 롤러의 열을 빼앗더라도, 빼앗긴 열을 신속히 보충해 주어 다시 일정한 온도를 유지해야 할 필요가 있다. 그러나 이런 조건을 동시에 만족시키기란 매우 어려운 것이다. 일반적으로 보급형 복사기 등의 경우에는 보통 속이 비어 있고 그 두께가 아주 얇은 알루미늄 원통으로 가열 롤러를 만들고, 그 바깥 면에 코팅을 하고, 내부에 전열 코일이나 할로겐 램프를 설치하여 가열을 한다. 이때 할로겐 램프나 전열 코일 등의 가열이 모든 부위에서 일정하지도 않고, 또 가열 롤러의 각 부위에 따라 열손실량이 다르기 때문에 이런 방식으로 가열 롤러의 모든 부위에서 일정한 온도를 유지한다는 것은 거의 불가능하다. 또 인쇄를 하는 동안에도 가열 롤러의 온도가 달라지게 되는데, 그 까닭은 가열 롤러에 접촉 중인 기록용지가 열을 빼앗아 가고 이로 인하여 가열 롤러의 온도가 내려가며, 이어서 들어오는 기록용지의 뒷부분은 앞부분보다 낮은 온도에서 토너가 고착되기 때문이다. 따라서 이런 보급형의 기종에 있어서는 온도를 180도 보다 다소 높게, 즉 190도 정도로 설정하여 가장 온도가 낮은 부위에서도 180도를 넘을 수 있도록 제어하고 있다.

이렇게 할 때의 단점은 온도가 다소 높은 부위에서는 토너가 과도하게 녹아서 가열 롤러에 묻어 있다가 나중에 그 사이에 기록용지가 지나가지 않는 동안 가열 롤러와 맞닿아 있는 밀착 롤러에 묻게 된다는 것이다. 이렇게 되면 이런 인쇄기에서 출력된 기록용지에는 원하지 않는 검은 띠가 인쇄되어 나오게 되어 인쇄의 품질을 크게 떨어뜨리는 요인이 된다. 또 이렇게까지 되지는 않더라도 가열 롤러의 온도가 불균일하면 같은 기록용지 내에서도 어떤 부분은 적절한 온도에서 토너가 고착되고, 다른 부분은 높은 온도에서 고착되어 인쇄상태가 불균일하게 된다. 이러한 현상은 흑백의 경우에는 밝기가 달라지게 되고, 칼라의 경우에는 색채가 달라지게 되는 등의 형태로 나타난다.

이러한 바람직하지 못한 현상은 인쇄중인 기록용지가 매우 길거나 인쇄 속도가 빠른 경우에 특히 심하게 발생할 수 있다. 따라서 기록용지와 가열 롤러의 과도적인 접촉시에도 가열 롤러가 일정한 온도를 유지할 수 있도록 충분한 열용량을 지닌 물질로써 가열 롤러를 만들 것이 요청되는데, 보통은 가열 롤러의 질량을 매우 크게 하거나 알루미늄과 같이 비열이 큰 물질로 만드는 방법을 사용하고 있다. 그런데, 이처럼 현열(sensible heat)을 사용하여 정온유지를 꾀하는 방식으로는 복사기를 사용하기 전에 가열 롤러를 예열하는 예열량 및 예열시간이 매우 커지게 될 뿐 아니라, 접촉부위의 과도적인 전도 열전달 현상에 의하여 가열 롤러의 표면온도가 그 내부 온도보다 상당히 낮은 상태에서 기록용지 위의 토너가 굳게 되는 일이 발생할 수가 있다. 그리고 현열 저장 방식으로는 아무리 열용량이 크더라도 약간의 냉각에 의하여 어느 정도 온도가 떨어지는 문제점을 피할 수 없게 된다.

이런 방식의 또 다른 문제는 예열시간을 많이 소모한다는 것과 전력 소비가 많다는 것이다. 일반적으로 약 1킬로와트 정도의 할로겐 램프를 사용하고 있는데, 이 정도의 열을 계속 사용한다는 것은 과도한 에너지 낭비이기 때문에, 실제의 인쇄작업이 이루어지기 직전에 가열하여 목표로 하는 온도에 맞추는 것이 일반적이다. 때문에 대부분의 기종에 있어 그 대기 시간은 대략 10초 내지 30초 정도가 소요된다. 이런 시간은 오늘날과 같이 초단위의 시간을 관리하는 사무환경에서는 너무 긴 시간이어서 사무 업무의 생산성을 크게 악화시키는 요인이 될 수 있다. 또 일단 가열된 후라도 대기상태에 들어가게 되면 가지고 있던 열은 주위의 공기로 빼앗기게 되어 에너지 낭비의 요인이 된다.

이런 문제점 중 신속하고 고른 열전달을 이루기 위해 제안된 것이 출원번호 10-1999-0055037, '히트 파이프를 이용한 이미지 정착용 가열 롤러'와, 출원번호 10-1999-0060715, '히트파이프 방식 이미지 정착용 가열롤러의 작동액 순환구조'이다. 이런 방식들은 가열 롤러 전체를 히트 파이프로 만들고, 그 중심축에 순간 가열에 유리한 할로겐 램프 등을 장착하고 있기 때문에, 순간적으로 일정한 온도의 열을 기록용지에 전달하는 데에는 성공하고 있지만, 다음과 같은 제약도 가지고 있다.

첫째, 가열 롤러의 모든 표면에서의 온도는 일정하지만, 목표로 설정한 온도, 예를 들어 섭씨 180도를 유지하기 위해서는 별도의 온도 제어장치를 가지고 있어야 한다. 둘째, 위의 방식에서는 가열 롤러의 기록용지측 표면에서 온도를 측정하고 있는데, 이렇게 하면 설정 온도에 이르기까지는 다소 많은 시간이 소요된다. 왜냐하면 대기 상태에서는 열이 전달되지 않고 있고, 작동이 시작되면서 열이 전달되는데, 이때 가열 히터로부터 히터램프측의 외피를 통해 전달된 열이 히트 파이프 작동에 의해 기록용지측 외피에 전달되기까지 어느 정도의 시간이 필요하고, 따라서 가열 롤러의 기록용지측에 장착된 온도 센서에서 설정 온도를 감지하여 제어신호를 내어 보낸다 하더라도, 열이 전달되는 과정에 시간 지연이 발생할 수 밖에 없기 때문이다. 셋째, 위의 두 출원 모두 열 저장장치를 가지고 있지 않기 때문에, 기록용지의 길이가 길다거나, 그 밖의 다른 이유로 열 소모량이 많은 경우, 주어진 시간 안에 열을 충분히 공급하지 못하는 경우가 발생한다. 결국 이 문제를 해결하기 위해서 채택하는 방식이 롤러의 회전속도를 줄여서 토너 고착에 필요한 열을 충분히 공급해주는 것인데, 이는 결국 사진식 인쇄기의 성능을 결정적으로 저하시키는 요인이 된다.

한편 미국 특허 4,521,095는 롤러의 안쪽 벽에 상변화 물질을 장착하여 열을 저장하는 기능을 롤러에 부여하고 있다. 그러나 이 방식도 위에서 언급한 가열 롤러의 문제에 대한 해답이 되지 못한다. 그 이유는 첫째, 이 방식은 롤러가 작동대기하는 동안 상변화 물질에 저장된 열이 롤러의 기록용지측 표면을 통해 그대로 방출되어 에너지 낭비가 많기 때문이며, 둘째 이 방식을 채택한 인쇄기가 작동을 개시하는 경우, 상변화 물질이 히터로부터 열을 흡수하는데 시간이 많이 걸려, 특별한 경우를 제외하고는 시간 절약 효과를 기대할 수 없기 때문이다. 또 지속적으로 인쇄작업을 하게 되는 경우, 히터로부터 상변화물질까지 신속한 열전달이 이루어져야 하는데, 여기에는 그러한 장치가 마련되어 있지 않다. 따라서 지속적으로 인쇄작업을 하는 경우, 열량도 부족하게 될 가능성이 많고, 고른 온도도 보장할 수가 없게 된다. 이는 상변화 물질이 부분적으로는 액상이고, 부분적으로는 고상인 상태가 생길 수 있기 때문이다.

본 발명은 가열 롤러의 온도제어 장치와 온도제어에 필요한 시간을 없애며, 열을 미리 저장하였다가 기다란 기록용지가 신속하게 지나갈 경우에도 충분한 열을 공급할 수 있게 하고, 기록용지가 가열 롤러를 지나갈 때 온도가 불균일해지는 현상을 타파하고, 아울러 인쇄 직전 10초 내지 수십초 동안 대기해야 하는 예열시간과, 대기 시간 동안의 열손실을 크게 줄이며, 가열에 필요한 에너지를 절감하는 것을 그 목표로 하고 있다.

제1도는 용융열 저장식 히트 파이프 가열 롤러이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 가열 롤러 11: 기록용지측 외피 12: 마감판 13: 히터측 외피 14: 심지

15: 격벽 또는 심지 16: 상변화 물질 17: 상변화물질 장착 튜브

18: 가열롤러내 공간 19: 히터램프

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 출원번호 10-1999-0055037, '히트 파이프를 이용한 이미지 정착용 가열 롤러'나, 출원번호 10-1999-0060715, '히트파이프 방식 이미지 정착용 가열롤러의 작동액 순환구조'에 섭씨 180도 부근에서 고상과 액상간의 상변화를 일으키는 상변화 물질을 가열 롤러에 부착한 형태를 가지고 있다. 물론 이 온도는 토너의 종류에 따라 다르게 설정될 것이다. 제 1도는 본 발명의 구조를 보여주고 있다. 가열롤러(10)의 중심축에는 히터램프(19)가 있으며, 가열롤러(10)는 가운데가 비어 있는 원통형의 모양을 가지고 있다. 히터램프(19)가 설치되어 있는 중심축에는 가열롤러(10)의 히터측외피(13)가 있고, 이 히터측외피(13)의 바깥쪽은 심지가 가열롤러(10)의 내부로부터 감싸고 있다. 이 심지의 바깥쪽은 가열롤러(10)의 내부로부터 상변화 물질이 장착되어 있는 튜브(17)가 나선형으로 감싸고 있다. 수 개의 격벽(15)은 가열롤러(10)가 회전할 때, 가열롤러(10)의 내부에 히트 파이프 작동을 위해 주입된 작동액이 중심축으로 흘러내려 열순환의 폐사이클을 형성하는 역할을 한다. 상변화 물질을 저장하는 용기는 그림과 같은 튜브형 뿐 아니라, 원통형, 링 모양 등 여러 가지가 가능하며 그 부착 부위도 가열 롤러의 안쪽 뿐 아니라 여유가 있는 어느 면이라도 가능하다. 예를 들어 가열롤러(10)를 이중 원통으로 만들고 그 사이에 상변화 물질을 저장하는 방식도 가능하다. 두 개의 마감판(12)은 가열롤러(10)의 히터측외피(13)와 기록용지측외피(11) 사이를 완전히 밀봉하고 기계적으로 지지하는 역할을 한다. 그리하여 두 개의 마감판(12)과 히터측외피(13), 그리고 기록용지측외피(11)가 만들어 내는 공간은 외부의 가스가 드나들 수 없는 공간이 된다.

이제 이런 구조를 갖는 가열롤러의 작동에 대해 기술한다. 인쇄기의 전원스위치를 켜면 인쇄기는 히터램프(19)에 전원을 공급하여 가열을 시작한다. 히터램프에서 발생한 열은 히터측외피(13)와 심지(14)를 통하여 상변화물질장착장치(17)에 전달된다. 온도가 올라가면서 튜브 안에 있는 상변화 물질은 180도 부근에서 액체상태로 변하기 시작한다. 적절한 가열시간이 경과되면 히터램프(19)의 전원은 차단되고 그간 전달된 열은 상변화 물질 속에 잠열 형태로 저장되어 있다. 이제 인쇄기의 사용자가 복사, 또는 인쇄를 명령하면 가열롤러는 회전을 시작한다. 이때 바닥에 고여 있던 작동액은 격벽(15)을 따라 심지(14) 위로 흘러내린다. 심지 위에 내려온 작동액은 상변화물질장착장치(17)를 통하여 열을 받아 가열되고, 증발한다. 증발한 작동액은 가열롤러(10)의 내부공간(18)을 통해 온도가 낮은 기록용지측외피(11)와 마감판(12)으로 열을 전달하고 응축된다. 응축된 작동액은 가열롤러(10)가 회전하는 동안 격벽(15)을 타고 흘러내려 다시 심지(14)로 이동한다. 여기서 작동액은 다시 상변화물질장착장치(17)로부터 열을 공급받아 증발하고, 기록용지측외피(11)와 마감판(12)에 열을 전달하고 다시 응축된다. 이렇게 해서 열전달의 폐순환과정이 형성된다. 미량의 작동액을 이용한 이러한 열전달 방식을 히트파이프 방식이라 하는데, 일반적으로 히트파이프 방식은 전도에 의한 열전달에 비해 대략 100배 내지 1,000배 정도 열전달 속도가 빠른 것으로 알려져 있다. 이러한 특성으로 인해 히트파이프 방식의 가열롤러는 고른 온도분포와 빠른 열전달, 그리고 열효율의 증가라는 특징을 갖고 있다. 히트파이프 방식 가열롤러의 특징에 관하여는 이미 출원번호 10-1999-0055037, '히트 파이프를 이용한 이미지 정착용 가열 롤러'나, 출원번호 10-1999-0060715, '히트파이프 방식 이미지 정착용 가열롤러의 작동액 순환구조'에 자세히 기술되어 있다. 한편 인쇄작업을 완료하고 나면, 가열롤러(10)의 회전은 중지되고, 다시 대기 상태에 들어가게 되는데, 이때 상변화물질장착장치(17)에 저장되어 있던 열은 별 손실 없이 그대로 남아 있게 된다. 그 이유는 상변화물질장착장치(17)와 기록용지측외피(11) 사이에서 열을 전달할 매체는 단지 작동액의 증기뿐인데, 가열롤러(10)의 내부 공간은 아주 적은 양의 작동액과 작동액의 증기로만 차 있어서 진공에 가깝고, 따라서 상변화물질장착장치(17)로부터 기록용지측외피(17)나 마감판(12)으로의 열전달이 거의 일어나지 않기 때문이다. 이 때 격벽(15)은 기록용지측외피(17)의 안쪽에 부착되어 있으나 상변화물질장착장치(17)가 부착된 중심축과는 닿아 있지 않아 열전달의 통로가 되지 않는다. 또 히터측외피(13) 방향으로의 열손실도 극히 적은 양으로 제한되는데, 그 이유는 중심축에 히터램프(19)가 설치되어 있어서 히터측외피(13)와 상변화물질장착장치(17) 사이의 온도차이가 크지 않기 때문이다. 따라서 본 발명에 의한 구조는 대기시의 열손실을 극소화할 수 있는 장점이 있다.

이제 히트파이프 방식 가열롤러와 본 발명의 중요한 차이점인 상변화 물질에 대해 좀더 자세히 기술한다. 상변화 물질은 섭씨 180도 부근에서 액체상태로 대기하다가 가열 롤러에 기록용지가 지나가는 동안에 그 용융잠열을 방출하면서 그 상변화 물질이 완전히 다 응고될 때까지 정확히 용융온도를 유지하는 특성을 가지고 있다. 이로써 기록용지가 지나가는 동안 가열 롤러의 온도가 일정하게 유지되어 별도의 온도제어 장치를 불필요하게 만들고, 또 온도제어에 필요한 시간을 없애버리는 장점이 있다.

고체와 액체간의 상변화 온도는 물질에 따라 다르지만 리티움, 땜납, 몇 가지 염의 경우에 있어서 섭씨 180도 가량의 용융온도를 가지고 있다. 상온에서 섭씨 180도까지 올리는 데 필요한 열량과 용융 잠열의 비율이 낮을수록 좋은 상변화 물질이라고 할 수 있는데, 대체로 1 정도의 값을 보이고 있다. 특히 리티움(lithium)의 경우에는 그람 당 약 160칼로리의 높은 용융잠열과 0.85 cal/gram-℃의 비열을 가지고 있다. 따라서 현재 주로 쓰고 있는 알루미늄 재질의 가열 롤러에 있어서 섭씨 10도의 온도변화를 허용하기 위하여 비열이 약 0.22 cal/gram-℃인 알루미늄 200 그람을 사용하여 가열 롤러를 제작하였다고 한다면, 이만한 열량을 단지 2.7그람의 리티움만을 가지고도 그 용융잠열로 감당할 수 있고, 그것도 정확히 리티움의 용융온도인 180.5도에서 열을 지속적으로 방출할 수 있는 것이다.

그럼에도 불구하고 섭씨 20도의 상온에서 180도까지 가열 롤러를 승온하는데 필요한 열량은 200 그람의 알루미늄이 7,000 칼로리인데 반하여 2.7그람의 리티움은 불과 370칼로리의 열을 가하면 상온에서 180도의 고상으로 승온이 되고 여기에 440칼로리를 부가하면 완전히 녹아서 180.5도의 액상이 된다. 따라서 가열 롤러의 질량을 역학적인 강도를 지니는 한에서 최소한으로 줄이고 여기에 제1도와 같이 용융열 저장을 위한 상변화물질장착장치(17)를 부착하면 온도를 일정하게 유지할 뿐 아니라 예열 요구량 뿐만 아니라 예열 시간도 크게 줄어드는 장점이 있다. 예를 들어 상기 알루미늄을 50그람으로 줄이고 2.7그람의 리티움을 부착하였다면 예열 요구량은 리티움의 용융까지 모두 합쳐서 약 2,500 칼로리로 줄어들게 되므로 에너지도 절약하고 예열시간도 약 1/3로 줄어들게 되는 것이다. 이러한 성질을 복사기, 레이저 프린터 등의 사진식 인쇄장치에 적용할 때, 인쇄장치의 규격에 따라 상변화물질의 양을 조절하여 원하는 규격의 가열롤러를 만드는 것이 가능하다. 예를 들어 A0와 같이 큰 사이즈의 종이를 고속으로 복사하고자 할 경우에는 그에 필요한 열량을 계산하여 상변화물질의 양을 결정하면 된다. 이렇게 함으로써 고속, 고품질의 인쇄가 가능한 인쇄장치의 구현이 가능해진다.

물론 인쇄 장치의 메이커에 따라 다소 다른 토너를 사용하고 있기 때문에, 여러 가지 상변화 물질 중에서 적정한 온도, 열량, 그리고 화학적인 성질을 만족하는 것을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 특히 합금이나 왁스 등 혼합물의 경우에는 혼합비에 따라서 다소간 용융온도의 조정이 가능하다. 단, 이때에 그 용융과정은 순수물질처럼 처음부터 끝까지 한 온도에서 진행되는 것이 아니고, 혼합비에 따라 용융의 시작 및 종료 온도가 달라질 수 있으므로 용도에 맞게 선택하면 된다. 즉, 공정을 이루지 않는 합금이나 혼합물의 경우 상변화 물질은 정확히 정온을 유지하는 것이 아니고 약간의 온도 폭 내에서 상변화를 일으키므로 가열 롤러의 온도를 적정한 범위 내로 유지하는 완충작용을 할 수 있을 것이다.

이제 용융열 저장식 히트파이프 가열 롤러의 작동원리에 대하여 다시 한번 기술하면 다음과 같다. 복사기나 레이저프린터와 같은 사진식 인쇄기에 전원이 투입되면 히터램프(19)에 전원이 공급되어 가열을 시작한다. 히터램프(19)는 히터측외피(13)와 심지(14)를 통하여 상변화물질장착장치(17)에 열을 공급한다. 이때 상변화물질장착장치(17)내에 있던 상변화물질(16)은 온도가 상승하고, 용융온도에 이르게 되면 액상으로 변화한다. 어느 정도의 시간이 경과하여 상변화 물질이 모두 액상이 되고 충분한 열이 저장되면 히터램프(19)의 전원은 차단된다. 이제 사용자가 인쇄를 명령하면 가열롤러(10)는 회전을 시작하고, 이에 따라 바닥에 고여 있던 작동액이 심지(14)로 모여들고, 이 작동액은 심지(14)를 싸고 있는 상변화물질(16)로부터 열을 공급받아 증발한다. 증발한 작동액은 기록용지측외피(11)와 마감판(12)에 열을 공급하고 응축된다. 응축된 작동액은 다시 가열롤러(10)의 회전에 의하여 심지(14)로 다시 돌아온다. 이런 폐순환 과정을 반복하면서 작동액은 매우 신속하게 열을 외피로 공급한다. 한편 인쇄기의 드럼을 지나온 기록용지 위에는 가루 상태의 토너가 살짝 묻어 있다. 이 토너는 가열 롤러와 접촉하는 동안 온도가 올라가서 기록용지에 완전히 녹아 붙게 되는데, 이 동안 가열 롤러의 온도가 정확히 유지되어야 한다. 이제 상온의 기록용지가 닿기 시작하면 가열 롤러로부터 열을 빼앗아 간다. 그러면 액상의 상변화 물질은 고상으로 변하면서 용융잠열을 내놓아 가열 롤러가 일정한 온도로 유지되도록 한다. 상변화 물질은 충분한 양이 충진되어 있어서 기록용지가 다 지나 갈 때까지 상변화 물질이 100 퍼센트 응고가 되지는 않도록 한다. 이로써 가열롤러는 항상 일정한 온도를 유지하고, 또 신속히 열을 공급하여 좋은 인쇄 품질을 구현할 수 있게 되며, 인쇄 속도도 크게 향상시킬 수 있게 되는 것이다. 한편 대기상태에 돌입하게 되면, 내부는 마치 진공보온병처럼 작용하여 중심축에 있는 상변화물질장착장치(17)로부터의 열이 기록용지측외피(11)에 잘 전달되지 않도록 한다. 따라서 본 발명은 가열 롤러의 예열에 필요한 전력과 예열 시간을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 대기시의 열손실도 크게 줄일 수 있는 잇점이 있다.

위와 같은 원리로 인해 본 발명은 레이저 프린터나 복사기와 같이 사진식 복사의 원리를 이용한 장치에 있어 토너를 고착시키는 가열 롤러의 성능을 크게 개선하여, 기록용지에 토너가 고착되는 과정에서의 온도변화를 예방하여 품질이 우수한 인쇄를 얻을 수 있게 하고, 충분한 열을 미리 저장하였다가 신속히 공급함으로써 인쇄 속도를 향상시키며, 예열 시간을 크게 단축하여 인쇄기 사용자의 업무 효율을 높이며, 예열에 필요한 에너지를 크게 절감하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 두 개의 롤러 사이를 지나가면서 그 중 하나 이상의 롤러에서 받는 열을 통하여 화학적 변화나 물리적 변화를 일으키기 위해 중심축에 열원을 설치하고 이 중심축과 동심을 이루는 위치에 히터측외피(13)와 기록용지측외피(11)가 설치되어 있고 마감판(12)이 히터측외피(13)와 기록용지측외피(11)를 연결하여 밀폐공간을 형성하며 밀폐공간 내부에 심지(14)와 격벽(15)을 설치하고 그 공간(18)을 작동액과 작동액의 증기로만 채우고 있는 히트파이프 방식 가열롤러에 있어, 그 가열 롤러의 히터측외피(13)의 안쪽 혹은 바깥쪽에 고상과 액상간에 상변화를 일으키며 용융잠열을 흡수 및 방출하는 상변화 물질을 밀폐용기에 담아 장착하여 가열 롤러의 간헐적인 온도변화를 완충하도록 한 가열 롤러.
2. 열을 가하여 토너를 기록용지 위에 고착시키는 사진식 인쇄기가 상기 1항의 구조를 갖는 가열롤러를 가지고 있는 것.
3. 상기 1항에 있어 상변화 물질로 리티움을 사용한 것.
4. 상기 1항에 있어 상변화 물질을 담는 밀폐용기가 파이프로 되어 있는 것.
5. 상기 1항에 있어 상변화 물질을 담는 밀폐용기가 이중원통의 구조를 가지고 있는 것.