KR200221402Y1 - 보조 심지가 달린 히트 파이프 가열 롤러 - Google Patents

Abstract

본 고안은 롤러를 가열하여 제품이 롤러 사이를 지나가게 하여 일정한 물리적, 화학적 처리를 하는 장치, 예를 들어 종이 등의 기록용지에 이미지를 기록하는 복사기, 팩시밀리, 프린터 등의 장치나 라미네이팅 기계의 롤러에 관한 것이다. 신속한 열전달과 고른 온도 분포를 위해 최근에 이르러 히트 파이프를 가열 롤러에 사용하는 경우가 증가하고 있는데, 본 고안은 히트 파이프를 사용한 가열 롤러에서 보조 심지 수 개를 롤러의 축방향에 수직하게 장착하여 히트 파이프 가열 롤러의 특징을 보유하는 동시에 롤러의 기울어짐에 관계없이, 또 롤러가 회전하지 않을 경우에도 가열을 용이하게 하는 특징을 가지고 있다.

본 고안은 히트 파이프를 이용한 것이다. 본 고안에 의한 가열 롤러는 얇은 스테인레스나 알루미늄으로 된 바깥쪽의 원통형 밀착롤러측 외피(11)와, 히터를 감싸고 있는 히터측 외피(13)가 가열 롤러의 회전축(10)을 중심으로 동심을 이루고 있고, 이 외피들의 좌우에는 마감판(12)이 부착되어 작동액과 작동액의 증기로만 가득차 있는 완전히 밀폐된 내부공간을 형성하도록 되어 있다. 히터측 외피(13)의 안쪽공간(회전 중심축이 있는 쪽)에는 가열 롤러를 가열하는 히터램프(15)가 삽입되어 있다. 가열 롤러의 내부공간은 주심지(14)와, 롤러의 크기나 길이에 따라 수개 내지 수십개 설치하는 보조 심지(16), 그리고 작동액과 작동액의 증기로만 채워져 있다. 심지 14는 히터측 외피 13을 밀폐공간의 내부로부터 감싸고 있으며, 회전축(10)을 축으로 하여 히터측 외피 13과 동심을 이루고 있다. 보조 심지(16)는 주심지(14)의 외경과 밀착롤러측 외피(11)의 안쪽에 밀착되어 설치되어 있다.

이렇게 구성한 가열 롤러는 히트 파이프의 작동 원리에 따라 열을 신속하게 전달하여, 가열 롤러의 모든 표면에서 일정한 온도를 유지하고, 가열 시간을 단축시켜 가열 롤러를 사용한 장치의 대기 시간을 크게 줄이며, 대기상태에 필요한 가열 에너지를 절감하고, 롤러가 기울어져 있을 경우에도 보조 심지(16)의 작용으로 말미암아 작동액이 주심지(14)로 고르게 흐르게 하여 원활한 작동액 순환이 이루어지게 하며, 롤러가 회전하고 있지 않을 경우에도 가열을 가능하게 하는 여러 가지 장점을 지니고 있다.

Description

보조 심지가 달린 히트 파이프 가열 롤러{HEAT PIPE HEAT ROLLER WITH AUXILIARY WICK}

설명의 편의를 위해 본 고안에서는 종이 등의 기록용지 위에 이미지를 형성하는 장치, 예를 들어 복사기, 레이저 프린터, 팩시밀리 등의 예를 들어 설명한다. 라미네이팅 기계와 같이 가열 롤러를 사용하는 장치는 기본적으로 이와 동일한 원리가 적용되기 때문이다.

이 장치들은 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. 가장 널리 사용되는 이미지 정착용 가열 롤러는 제 3도와 같이 그 중심부에 롤러의 축방향으로 히터램프를 설치하고 이로부터 10-15밀리미터 떨어진 곳에 있는 알루미늄으로 된 롤러를 내부로부터 가열하고 있다. 그런데 히터램프는 각 부위에서 발생하는 열이 일정하지 않을 뿐만 아니라, 열이 전달되는 과정에서도 부위마다 불균일한 열전달이 발생하여, 롤러의 표면온도가 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. 밀착롤러에 토너가 묻게 되면 출력되는 기록매체에 띠의 형상으로 토너가 묻어 나와 이미지의 질을 저하시키는 문제가 발생한다. 뿐만 아니라, 히터램프로부터 롤러까지 많은 거리가 떨어져 있어서 열전달에 시간이 많이 소요되기 때문에, 가령 일반 보급형 복사기의 경우 약 20-30초 가량의 대기시간을 필요로 하게 된다. 이런 문제를 개선하기 위해 히트 파이프를 가열롤러에 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 있기 때문이다.

예를 들면 미국 특허 3,952,798, 5,426,495, 5,596,397등은 바로 이런 예이다. 그러나 미국 특허 5,426,495는 가열 롤러 전체를 히트 파이프로 만들어 모든 표면에서의 온도가 균일하도록 하고 있기는 하지만, 히터를 롤러 몸체 외부에 설치하도록 만들어져 있기 때문에 크기가 필요 이상으로 커지고, 히터램프의 열손실이 많아 실제적으로는 별로 도움이 되지 못하는 단점이 있다. 한편 미국 특허 5,596,397은 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 열용량을 갖는 단점을 가지고 있으며, 제조 비용도 높은 구조가 될 수밖에 없었다. 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, 원주방향으로 온도의 불균일 현상이 나타날 수 있다. 특히 이미지 형성 장치에 전원을 공급한지 얼마 되지 않는 시간 있어서는 이런 단점이 그대로 나타날 수 밖에 없는 약점을 지니고 있다.

또 미국 특허 3,952,798은 히트 파이프의 장점을 잘 살리고 있으나 다음과 같은 이유로 현실적인 적용가능성이 없게 되었다. 첫째, 이 구조는 열원으로 니크롬선과 같은 전기선을 가열롤러 내부에 설치함으로써 순간 발열량의 면에서 할로겐 램프에 뒤떨어져 신속한 열전달이라는 목표를 달성할 수 없고, 둘째, 니크롬선의 단선과 같은 고장에도 전체를 바꿔주어야 하는 단점이 있으며, 셋째, 심지를 밀폐공간 내부 전면과 격벽에 설치하였기 때문에 조립 비용 및 조립상의 난점이 증가하고 있으며, 넷째, 전원 공급을 위해 외부에서 브러시를 사용하여야 하는 구조여서 내구성과 노이즈 발생의 문제가 있다.

이런 제반 문제를 해결하기 위해 본 고안자는 10-1999-0055037, 10-1999-0060715, 10-2000-0003306을 출원한 바 있다. 그런데 10-1999-0055037는 격벽이 히터측 외피와 밀착 롤러측 외피를 잇고 있어서 열이 열원인 히터 램프에서부터 히터측 외피와 격벽을 거쳐 밀착 롤러측 외피로 쉽게 전달되어 열손실이 많은 단점이 있다.

한편 이를 개선하기 위해 출원된 10-1999-0060715나 10-2000-0003306는 격벽이 다만 밀착 롤러측 외피에만 부착되어 있기 때문에, 열손실을 막기에는 탁월한 효과가 있으나 실제 제작상의 어려움이 많다. 격벽을 밀착 롤러측 외피에 용접 등의 방법으로 고착시키거나, 아니면 밀착 롤러의 안쪽에 격벽형의 주름을 가진 또 하나의 원통형 구조물을 삽입하여야 하는데, 용접을 하는 경우 좁은 공간에서의 용접이 용이하지 않고 제조원가도 상승하며, 추가적인 구조물 삽입의 경우에는 이 구조물과 밀착 롤러측 외피 사이에서 발생하는 열저항의 문제에 봉착하게 된다.

또 구조적인 안정성의 문제도 있다. 이들 출원의 경우 그 용도에 따라 밀폐공간내의 압력이 0기압에서 수기압까지 변화할 수 있다. 물론 가열 롤러의 사용 온도 부근에서 증발온도를 갖는 물질을 작동액으로 사용하면 0기압에서 약 1기압 사이의 압력을 갖게 될 것이다. 이때 밀착 롤러측 외피는 그 외피의 재질과 두께, 형상에 따라 다소간의 팽창과 수축을 반복할 것이라 예상된다. 피로가 누적되면 변형이 될 수도 있고, 수명을 단축시키는 요인으로 작용할 수도 있다.

이런 단점들을 보완하는 장치로 본 고안자는 접수번호 1-1-00-5363732-92를 통해 톱니바퀴형 격벽을 장착한 에너지 절약형 히트 파이프 가열 롤러를 이미 제안한 바 있다.

그러나 10-1999-0055037, 10-1999-0060715, 10-2000-0003306 및 접수번호 1-1-00-5363732-92와 같은 롤러들은 모두 롤러가 회전하고 나서야 열전달 과정이 시작되는 단점과, 롤러가 수평으로 놓여 있지 않을 때 작동액의 순환이 원활하지 못한 단점이 있다.

본 고안은 이러한 문제점들을 개선하고자 하는 것이다. 그 특징으로는 종래의 히트파이프 가열 롤러가 가지고 있는 장점, 즉 빠른 열전달과 고른 온도분포를 유지하면서, 롤러가 정지상태에 있을 경우에도 가열이 가능하며, 또 롤러가 기울어져 있어서 작동액이 한쪽으로 쏠리는 경우에도 작동액의 순환이 원활하게 이루어져 열전달의 효율을 최적의 상태로 유지하는 것이다.

제 1도는 보조 심지가 달린 히트 파이프 가열 롤러의 투시도이고

제 2도는 주심지와 보조 심지의 조립 모양을 나타내는 입체도이며,

제 3도는 종래의 이미지 정착용 가열 롤러의 개념도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 회전축 11: 밀착 롤러측 외피 12: 마감판 13: 히터측 외피 14: 주심지 15: 히터램프 16: 보조 심지 17: 작동액과 작동액의 증기로만 가득 찬 밀폐 공간 18: 온도센서 19: 온도 제어 장치 20: 밀착 롤러

제 1도는 본 고안의 투시도이다. 본 고안에 의한 가열 롤러는 얇은 스테인레스나 알루미늄으로 된 바깥쪽의 원통형 밀착롤러측 외피(11)와, 히터를 감싸고 있는 히터측 외피(13)가 가열 롤러의 회전축(10)을 중심으로 동심을 이루고 있고, 이 외피들의 좌우에는 작동액과 작동액의 증기로만 가득 차 있는 완전 밀폐된 내부공간(17)을 형성하도록 양쪽에 마감판(12)이 부착되어 있다. 이 마감판(12)은 두 개의 외피 11과 13에 대해 빈틈이 없도록 용접되어 있다. 13의 외피의 안쪽 공간(회전 중심축이 있는 쪽)에는 가열 롤러를 가열하는 히터램프(15)가 삽입되어 있다. 가열 롤러의 내부공간은 주심지(14)와, 수 개 내지 수십 개의 보조 심지(16), 그리고 작동액과 작동액의 증기로만 채워져 있다. 주심지(14)는 제 1도에서 보는 바와 같이 외피 13을 내부로부터 감싸고 있다. 이 심지는 회전축(10)을 축으로 하여 외피 13과 동심을 이루고 있다.

보조심지(16)는 제 2도에서 보는 바와 같은 구조를 가지고 있다. 제 2도에서는 보조심지(16)가 세 개 달려 있는 경우를 예시한 것이다. 보조심지(16)는 주심지(14)의 외경에 밀착하여 주심지(14)의 축방향과 수직인 방향으로 설치되어 있다. 제 2도의 주심지(14)와 보조심지(16)의 조립품은 밀착롤러측 외피(11)의 안쪽으로 조립되게 되는데, 이때 외피(11)의 내경과 밀착하면서 조립된다. 보조심지(16)의 개수와 간격은 롤러의 외경과 길이에 따라 적절히 선정할 수 있다. 복사기 등의 이미지 형성장치의 경우, 2-5개면 충분하다.

조립 순서는 다음과 같다. 우선 히터측 외피(13) 위에 주심지(14)를 씌운 후 띄엄 띄엄 몇 군데를 용접하거나, 혹은 가는 철사를 이용하여 고정시킨다. 주심지(14)의 재질로는 스텐레스, 알루미늄 혹은 동으로 만든 스크린이 적합하다. 스크린의 성글기는 작동액의 표면장력과 분자량 등을 고려하여 모세관 현상이 가장 잘 일어날 수 있는 성글기를 선택한다.

다음으로 중앙에 미리 구멍을 뚫어둔 보조심지(16)를 위에서 조립한 히터측 외피(13)와 주심지(14)의 조립품의 한쪽 끝에서부터 끼워 넣는다. 이렇게 하면 제 2도와 같은 모양이 완성된다. 이제 이 조립품을 밀착롤러측 외피(11)의 한쪽 구멍으로부터 밀어 넣은 후, 양쪽 끝에 마감판(12)을 조립하여 용접하고, 마감판에 미리 뚫어 둔 구멍을 통해 가열 롤러 내부의 진공화 작업과 작동액 주입 작업을 한 후, 마지막에 이 구멍을 용접 등의 방법으로 막음으로써 조립이 끝나게 된다.

이제 이러한 구조를 갖는 가열 롤러의 작동 원리를 자세히 설명한다. 설명의 편의상 복사기 등의 이미지 형성 장치의 예를 들어본다. 작동을 위해 스위치를 올리면 히터램프(15)에 전원이 공급되면서 가열되기 시작하면 히터램프(15)에서 나오는 열은 우선 히터램프측 외피(13)을 가열한다. 이 열은 다시 안쪽에 있는 주심지(14)에 전달되고 주심지(14)를 적시고 있던 작동액은 증발하기 시작한다. 작동액이 증발하면서 모세관 압력 차이가 발생하게 되고, 이에 따라 바닥에 흘러 고여 있던 작동액은 보조심지(16)를 타고 주심지(14)로 올라오게 된다. 이는 알콜 램프의 심지가 알콜을 계속 빨아올리는 것과 같은 원리이다. 증발된 작동액은 밀폐공간(17) 안에 고르게 퍼져나가게 되고, 퍼져 나간 작동액의 증기는 온도가 낮은 밀착롤러측 외피(11)나 마감판(12)에 열을 빼앗기고, 응축하게 된다. 응축된 작동액은 중력에 의해 바닥으로 흘러내리게 되는데, 이때 흘러내린 작동액은 보조심지(16)를 타고 다시 주심지(14)로 빨려 올라가게 된다. 이렇게 해서 작동액의 폐순환사이클이 형성되고 열은 계속해서 밀폐공간 내부로 고르게 전달된다. 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 열역학석 평형이론에 근거한 것인데, 실제에 있어서는 가열 롤러의 외피(11, 13)나 마감판(12) 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. 때문에 제 3도와 같은 종래 가열 롤러의 열전달 속도 저하로 인한 성능 개선의 한계를 크게 향상시킬 수 있는 장점을 지니고 있다. 실제로 복사기 등의 사무기기에 있어 열전달 속도가 느리면 결국 복사 속도가 느려지게 마련이어서 사무기기의 성능에 결정적인 영향을 미친다.

한편 목표 온도 도달 시간을 최소로 줄이기 위해서는 열용량이 작도록 전체적인 구성을 할 필요가 있다. 종래의 복사기의 경우에는 오히려 열용량을 크게 하였는데 이는 열전달 속도가 느리기 때문에, 복사지가 출력되면서 앞부분에서 열을 빼앗기게 되면 뒷부분에서는 충분한 열량을 공급하지 못하게 될 것을 우려해서 그렇게 한 것이다. 그러나 이 방식은 열용량이 크기 때문에 따르는 여러 가지 문제를 안고 있다. 우선 온도를 정밀하게 제어하기가 어렵다. 또 대기 시간 중의 열손실이 많아진다. 최초의 가열에도 많은 시간이 걸린다. 그러나 히트파이프 방식 가열롤러는 열전달 속도가 빠르고 모든 부위에서 온도가 일정하기 때문에 이런 단점들을 모두 극복할 수 있다. 앞서 언급한 미국 특허 5,426,495나 미국 특허 5,596,397에서처럼 가열 부위를 위한 추가적인 길이를 고려하지 않아도 된다. 때문에 열용량이 작고 충분한 강성을 지닌 스테인레스와 같은 재질을 사용한다거나, 최적의 크기를 유지함으로써 전체적인 열용량을 작게 할 수 있고, 대기 시간의 열손실과 최초 가열 대기시간도 크게 줄일 수 있게 되며, 롤러가 회전하지 않아도 필요한 온도로 가열할 수가 있어, 불필요한 롤러 가동을 억제할 수 있다.

한편 롤러가 수평의 위치에 있지 않은 경우를 생각해 보자. 10-1999-0055037, 10-1999-0060715, 10-2000-0003306 및 접수번호 1-1-00-5363732-92와 같은 롤러의 경우, 작동액이 한쪽으로 쏠려 있으면 롤러의 회전에 의해 작동액이 심지로 공급되는 경로도 어느 한쪽으로 쏠려 있게 된다. 이 경우 심지의 작동액이 공급되는 쪽과 반대쪽 사이에는 엄청난 모세관 압력차이가 생기게 되고, 작동액의 점성이 충분히 작아 매우 신속한 흡수 속도를 갖지 않을 경우 부분적인 과열이 일어나게 된다. 이렇게 되면 전체적인 열전달 효율은 크게 저하된다. 그러나 본 고안에 의하면 보조심지(16)를 필요한 만큼 설치하게 되면 작동액이 기울어진 롤러의 내벽을 타고 흘러 내려가면서 중간에 만나게 되는 보조심지(16)를 경유해 그곳에서 주심지(14)로 빨아 올려지기 때문에 전체적으로 보아 주심지(14)에 고르게 작동액이 공급되게 된다. 따라서 전체적인 열전달 효율을 최적의 상태로 유지할 수 있게 되는 것이다.

가열 롤러가 일정한 온도에 도달하면 온도센서(18)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(19)에 신호를 보내 적정한 온도를 유지하도록 '온-오프' 제어를 하게 된다.

작동액은 가열 롤러가 작동하는 최적의 온도(복사기의 경우 약 180도-200도) 부근에서 비등점을 갖는 작동액을 사용하게 되면 1기압 근처에서 증발과 응축의 사이클을 형성하기 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.

본 고안에 의한 에너지 절약형 히트 파이프 가열 롤러는 가열 롤러 자체를 히트 파이프 구조로 만들기 때문에 열전달이 신속하여 대기 시간을 크게 감소시키고, 가열 롤러의 모든 표면에서 온도가 일정한 히트파이프 방식 가열롤러의 장점을 모두 보유하고 있다. 한편 보조심지(16)를 설치함으로써 롤러가 회전하지 않아도 작동액이 이 보조심지(16)를 통해 주심지(14)로 공급되게 하고 있으며, 롤러가 기울어져 있을 경우에도 전체적인 열전달 효율을 최적의 상태로 유지할 수 있게 해준다. 또 히트 파이프 히트 롤러를 구성하는 부품의 구조가 간단하고 조립이 단순하여 경제적인 가열 롤러를 제작할 수 있게 해 주고 있다.

Claims (1)

1. 밀착 롤러측 외피(11)와 히터측 외피(13)가 두 개의 마감판(12)으로 밀폐공간(17)을 이루고 있고, 이 밀폐공간(17)의 내부에는 주심지(14)가 히터측 외피(13)를 감싸고 있으며, 수 개 내지 수십 개의 보조심지(16)가 회전축(10)과 수직한 방향으로 설치되어 있고, 밀폐공간(17)의 나머지 부분에는 작동액과 작동액의 증기만으로 가득 차 있으며, 그 회전중심축(10)에는 히터를 설치한 가열 롤러.