NO123480B

NO123480B -

Info

Publication number: NO123480B
Application number: NO168633A
Authority: NO
Inventors: P Dhoble
Original assignee: Rank Xerox Ltd
Priority date: 1966-06-23
Filing date: 1967-06-17
Publication date: 1971-11-22
Also published as: DE1690659B2; JPS525854B1; US3449546A; ES341906A1; BE700101A; CH499143A; GB1187481A; DE1690659A1; AT303518B; SE332936B; NL6708388A; DK118703B; DE1690659C3

Description

Fremgangsmåte til å smelte en xerografisk tonerMethod of fusing a xerographic toner

til en papirbærer.to a paper carrier.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte tilThe present invention relates to another method

å smelte en xerografisk toner til en papirbærer ved anvendelse av en infrarød lampe som har en spiralviklet glødetråd som primær strålingskilde, og som sekundær strålingskilde har et hus av kvarts med en innvendig diameter som er omtrent lik den primære kildes utvendige diameter. fusing a xerographic toner to a paper carrier using an infrared lamp having a spirally wound filament as a primary radiation source, and as a secondary radiation source having a quartz housing with an internal diameter approximately equal to the primary source's external diameter.

I xerografiprosessen forsynes en plate som omfatter et foto-konduktivt, isolerende overtrekk med en elektrostatisk ladning og blottlegges deretter for et lysbilde hvorpå overtrekket blir mer ledende under innflytelse av lys og den elektrostatiske ladning blir spredt slik at det dannes et latent bilde. Det latente bilde fremkalles deretter ved hjelp av et utall pigmenterte harpikser som er blitt spesielt utviklet for dette formål, hvilke refereres til som "xerografiske tonere". Toneren tiltrekkes elektrostatisk til det latente bilde i forhold til den ladningsmengde som finnes på dette, slik at områder med liten ladningskonsentrasjon blir områder med liten tonertetthet, mens områder med større ladnings-tetthet blir tilsvarende fortettet.Det fremkalte bilde overføres deretter til et bæremateriale og bindes permanent til dette, idet den fremgangsmåte som er mest alminnelig anvendt er å overføre bildet til en papirbærer og varmebinde toneren for å danne en for-bindelse med papirfibrene. Denne varmebinding skjer fortrinnsvis ved hjelp av strålevarme. In the xerography process, a plate comprising a photo-conductive, insulating coating is supplied with an electrostatic charge and then exposed to a slide whereupon the coating becomes more conductive under the influence of light and the electrostatic charge is dispersed so that a latent image is formed. The latent image is then developed using a number of pigmented resins that have been specially developed for this purpose, which are referred to as "xerographic toners". The toner is electrostatically attracted to the latent image in relation to the amount of charge found on it, so that areas with a small charge concentration become areas with a low toner density, while areas with a greater charge density become correspondingly denser. The developed image is then transferred to a carrier material and bonded permanently to this, the method most commonly used being to transfer the image to a paper carrier and heat bond the toner to form a bond with the paper fibers. This heat binding preferably takes place by means of radiant heat.

Legemer som mottar strålevarme, heretter henvist til som "mottakere", oppviser varierende egenskaper med hensyn til absorb-sjonsevne for stråling med ulik bølgelengde, idet absorpsjonsevnen er mottakerens evne til å oppta stråleenergien som faller på den og å omdanne denne til indre energi eller varme. Kjønrøk vil for eksemepl absorbere ca. 96$ av all innfallende stråling uavhengig av strålingens bølgelengde. En polert aluminiumsplate vil på den andre side reflektere storparten av den mottatte stråling og bare absorbere en liten del ved de lange bølgelengder. Generelt vil de fleste materialer innpasse seg et sted mellom disse to yt-terpunkter ved at de oppviser god absorps jonsevne for stråling ved enkelte bestemte bølgelengder, mens de oppviser en motstand mot opptak av stråling ved de andre bølgelengder. Bodies that receive radiant heat, hereinafter referred to as "receivers", exhibit varying properties with regard to absorption capacity for radiation of different wavelengths, the absorption capacity being the receiver's ability to absorb the radiant energy that falls on it and to convert this into internal energy or heat . Carbon black, for example, will absorb approx. 96$ of all incident radiation regardless of the radiation's wavelength. A polished aluminum plate, on the other hand, will reflect most of the received radiation and only absorb a small part at the long wavelengths. In general, most materials will fit somewhere between these two extremes in that they exhibit good absorption capacity for radiation at certain specific wavelengths, while they exhibit a resistance to the absorption of radiation at the other wavelengths.

Dette prinsipp ble benyttet av Roshon i US-patentskrift nr. 2807.707 hvor det beskrives hvordan det selektivt kan smeltes xerografiske tonerbilder ved hjelp av varme til et papirbæremateriale ved hjelp av periodevis energiserte strålingslamper (blink-smelting). Lampene "blinkes" opp i et kort tidsrom for å emittere energi med høy intensitet konsentrert i et smalt bølge lengd eb ånd hvori toneren lett absorberer stråleenergi. Papirbæreren vil imidlertid reflektere storparten av denne høye intensive energi som er konsentrert ved korte bølgelengder og derfor forblir forholdsvis kald under smelteoperasjonen. This principle was used by Roshon in US patent no. 2807,707 where it is described how xerographic toner images can be selectively melted using heat to a paper carrier material using periodically energized radiation lamps (flash melting). The lamps are "flashed" for a short period of time to emit high-intensity energy concentrated in a narrow wavelength eb breath in which the toner readily absorbs radiant energy. The paper carrier will, however, reflect the majority of this highly intensive energy which is concentrated at short wavelengths and therefore remains relatively cold during the melting operation.

Det er kjent infrarøde lamper som har en spiralviklet gløde-tråd og et omsluttende kvartshus. Disse har imidlertid ikke kunnet utnyttes på tilfredsstillende måte til det foreliggende formål. Områder med lav tonerkonsentrasjon har ikke vært i stand til å absorbere tilstrekkelig energi til å bli tilstrekkelig sammensmel-tet. Por søk på å avgi mer energi til områdene med lav tonerkonsentrasjon ved å øke intensiteten på den infrarøde energi i bestrå-lingsperioden forårsaker at bærematerialet skades før sammensmelting kan fullføres. Infrared lamps are known which have a spirally wound filament and an enclosing quartz housing. However, these have not been able to be used satisfactorily for the present purpose. Areas of low toner concentration have not been able to absorb sufficient energy to be sufficiently fused. Attempting to deliver more energy to the areas of low toner concentration by increasing the intensity of the infrared energy during the irradiation period causes the carrier material to be damaged before fusing can be completed.

Det ideelle i den xerografiske sammensmeltingsprosess er å bringe temperaturen på bærematerialet så nær opptil smeltepunktet til det xerografiske fremkall ingspulver som mulig slik at en tilstrekkelig mengde varme avgis ved forbindelsen mellom toner og bærer, et sted hvor den trenges mest for å bevirke sammensmelting. Imidlertid tilgodeser vanligvis en effektiv infrarød kilde som frembringer en nesten monokromatisk emisjonsenergirespons absorp-sjons egens kåpene til et materiale på bekostning av et annet slik at det blir umulig å frembringe samme temperatur i begge innenfor et kort tidsrom. Forsøk på å utbrede bølgelengden hvorved egnet infrarød energi frembringes ved å benytte anordninger med flere kilder har ikke vist seg fordelaktige. Når to eller flere infra-røde kilder med høy temperatur plasseres tett opptil hverandre samvirker de på en slik måte at de oppnår en resulterende enkelt likevekt stemperåtur i begge kildene. En enkelt resulterende, for det meste monokromatisk emisjons-bølge-form emitteres istedet for en resulterende energifordeling som dekker et bredt bølge lengde-bånd. The ideal in the xerographic fusing process is to bring the temperature of the support material as close to the melting point of the xerographic developing powder as possible so that a sufficient amount of heat is given off at the junction between toner and support, a place where it is most needed to effect fusing. However, an efficient infrared source that produces an almost monochromatic emission energy response typically accommodates the absorption properties of one material at the expense of another so that it becomes impossible to produce the same temperature in both within a short period of time. Attempts to propagate the wavelength by which suitable infrared energy is produced by using devices with multiple sources have not proved advantageous. When two or more high-temperature infrared sources are placed close to each other, they interact in such a way that they achieve a resulting single equilibrium temperature in both sources. A single resulting, mostly monochromatic emission waveform is emitted instead of a resulting energy distribution covering a wide wavelength band.

Det er derfor oppfinnelsens formål å frembringe en fremgangsmåte av den nevnte art, som er egnet til jevn varmeoverfø-ring til materialer med forskjellige absorpsjonsegenskaper, i før-ste rekke til xerografisk toner på en papirbærer. It is therefore the object of the invention to produce a method of the aforementioned kind, which is suitable for uniform heat transfer to materials with different absorption properties, primarily to xerographic toner on a paper carrier.

Ifølge oppfinnelsen kan dette oppnås ved at det benyttes en lampe der glødetråden befinner seg i fysisk kontakt med huset, og at lampen tilføres en slik spenning at den primære strålingskilde utstråler en energi med bølgelengde på ca. 2,0 mikroner, og sekundærkilden derved overfører energien ved omtrent 2,0 mikroner fra primærkilden og gjenutstråler energi med et maksimaleffektpunkt vedca. 3,4 mikroner slik at 'ønsket oppvarming av såvel toner som papirbærer oppnås. According to the invention, this can be achieved by using a lamp where the filament is in physical contact with the housing, and by applying such a voltage to the lamp that the primary radiation source radiates an energy with a wavelength of approx. 2.0 microns, and the secondary source thereby transfers the energy at about 2.0 microns from the primary source and re-radiates energy with a maximum power point at about 3.4 microns so that the desired heating of both toner and paper carrier is achieved.

Denne fremgangsmåte gir bestråling over et bredt bølgeleng-debånd og en tilsvarende utvidelse av energifordelingen. This method provides irradiation over a wide wavelength band and a corresponding expansion of the energy distribution.

Por å lette forståelsen av oppfinnelsen vil det i det føl-gende bli beskrevet et utførelseseksempel under henvisning til de medfølgende tegninger hvor: Fig. 1 viser i delvis oppsnittet perspektivriss en anordning for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. In order to facilitate the understanding of the invention, an exemplary embodiment will be described in the following with reference to the accompanying drawings where: Fig. 1 shows a partially sectioned perspective view of a device for carrying out the method according to the invention.

Eig. 2 viser to spektroradiometriske kurver for en ideell stråler tegnet med emisjonsenergi-utgang og bølgelengde som koor-dinater og visende den resulterende bølge lengdefordeling for strå- Own. 2 shows two spectroradiometric curves for an ideal beam drawn with emission energy output and wavelength as coordinates and showing the resulting wavelength distribution for the beam

lingsenergi frembragt ved to temperaturer.ling energy produced at two temperatures.

Fig. 3 viser et riss av parameternes betydning ved den xerografi ske smelteoperasjon i avhengighet av bølgelengden, hvorpå det er overlagret karakteristikkene til anordningen vist i fig. 1. Fig. 3 shows an outline of the importance of the parameters in the xerographic melting operation as a function of the wavelength, on which the characteristics of the device shown in fig. 1.

Under henvisning til fig. 2 er det tegnet to kurver for bølge lengdefordelingen for en ideell stråler som emitterer stråle-energi ved to ulike temperaturer. En kurve representerer bølge-lengdefor del ingen for en ideell kilde som frembringer energi ved en kildetemperatur på ca. 1650°C mens den andre er en distribu-sjons kurve for en kilde som drives ved ca. 1100°C. En sammenlikning av disse to kurver, kjent som spektroradiometriske kurver, viser: a) at den totale mengde av stråling, representert ved are-alet under disse kurvene,er større for et legeme som drives ved With reference to fig. 2, two curves are drawn for the wavelength distribution for an ideal beam that emits beam energy at two different temperatures. A curve represents the wavelength ratio for an ideal source that produces energy at a source temperature of approx. 1650°C while the other is a distribution curve for a source operated at approx. 1100°C. A comparison of these two curves, known as spectroradiometric curves, shows: a) that the total amount of radiation, represented by the area under these curves, is greater for a body operated at

en høyere temperatur,a higher temperature,

b) at en kilde som drives ved en høyere temperatur frembringer maksimaleffekt ved en kortere bølgelengde enn en som drives ved en lavere temperatur. Det sorte legeme som drives ved ca. 1650°C har en maksimaleffekt ved en bølgelengde på ca. 1,5 mikroner, mens kilden som drives ved 1100°C har en maksimaleffekt ved ca. 2,2 mikroner. c) at uavhengig av hvilken temperatur kilden drives ved, så vil strålingsenergi frembringes ved alle bølgelengder, men maksi-malfordel ingen av denne energi blir imidlertid bestemt av temperaturen som kilden drives med. En sammenlikning av de to kurver som er vist i figur 2 avslører at en større del av energien fra kilden som drives ved 1650°C er konsentrert om maksimaleffektens bølge-lengde, mens den totale energi som frembringes ved lavere kildetemperatur er fordelt jevnere over spektret. b) that a source operated at a higher temperature produces maximum power at a shorter wavelength than one operated at a lower temperature. The black body, which is operated at approx. 1650°C has a maximum effect at a wavelength of approx. 1.5 microns, while the source operated at 1100°C has a maximum effect at approx. 2.2 microns. c) that regardless of the temperature at which the source is operated, radiation energy will be produced at all wavelengths, but the maximum benefit none of this energy is determined by the temperature at which the source is operated. A comparison of the two curves shown in figure 2 reveals that a larger part of the energy from the source operated at 1650°C is concentrated at the maximum power wavelength, while the total energy produced at a lower source temperature is distributed more evenly across the spectrum.

En forståelse av variasjonene i de spektroradiometriske kurvene som er vist i figur 2 er viktig, siden det ved forståelsen av disse kurver vil være klart at toppen eller den effektive bøl-gelengde og intensiteten av energien som er tilknyttet disse er kjennetegnende for en spesiell kilde og disse kjennetegn er avhengig av temperaturen som kilden drives med. Dessuten skulle det fremgå klart av fremstillingen i figur 2 at de to kurver for en ideell stråler som emitterer energi ved to forskjellige temperaturer aldri vil krysse hverandre og at intensiteten av energien og den totale energi som emitteres av en kilde derfor ikke kan bli lik eller større når den samme kilde drives ved en lavere temperatur. Således kan det bare være en bølgelengde som tilsvarer en maksimaleffekt for hver enkelt varmekilde. An understanding of the variations in the spectroradiometric curves shown in Figure 2 is important, since by understanding these curves it will be clear that the peak or the effective wavelength and the intensity of the energy associated with these are characteristic of a particular source and these characteristics depend on the temperature at which the source is operated. Moreover, it should be clear from the presentation in Figure 2 that the two curves for an ideal beam that emits energy at two different temperatures will never cross each other and that the intensity of the energy and the total energy emitted by a source cannot therefore be equal or greater when the same source is operated at a lower temperature. Thus, there can only be one wavelength that corresponds to a maximum power for each individual heat source.

I praksis er det blitt funnet at en effektiv stråler, det vil si en stråler som omdanner en stor del av den disponible indre energi til strålingsenergi, vil tilnærme bølgelengdefordelin-gen for et sort legeme meget godt. For eksempel vil en wolfram-glødetråd, som ansees for å være en god kilde for infrarød stråling, omdanne 86$ av den disponible indre energi når den drives med en temperatur på ca. 2200°C. Denne energi er funnet å være konsentrert innenfor et smalt bølgelengdebånd sentrert om ca. In practice, it has been found that an efficient radiator, i.e. a radiator which converts a large part of the available internal energy into radiation energy, will approximate the wavelength distribution for a black body very well. For example, a tungsten filament, which is considered a good source of infrared radiation, will convert 86$ of the available internal energy when operated at a temperature of about 2200°C. This energy is found to be concentrated within a narrow wavelength band centered on approx.

1,1 mikron.1.1 microns.

Imidlertid kan denne energi, fordi strålingen som frembringes av en effektiv infrarød kilde er konsentrert innenfor et smalt bølgelengdebånd som vanligvis finnes ved det infrarøde spektrums korte ende, eksistere hovedsakelig ved bølgelengder hvorved mottakeren reflekterer energi istedenfor å absorbere den. I en xerografisk smelteprosess for eksempel, har forsøk vist at en papirbærer absorberer meget lite infrarød energi ved bølgelengder kortere enn 3,0 mikroner. Derfor vil ikke strålingskilder med høy virkningsgrad, såsom wolframglødetråd som drives ved høye temperaturer, uten videre frembringe varmevirkning i et papirbæremateriale. However, because the radiation produced by an efficient infrared source is concentrated within a narrow band of wavelengths usually found at the short end of the infrared spectrum, this energy may exist mainly at wavelengths at which the receiver reflects energy rather than absorbing it. In a xerographic fusing process for example, experiments have shown that a paper carrier absorbs very little infrared energy at wavelengths shorter than 3.0 microns. Therefore, radiation sources with a high efficiency, such as tungsten filaments operated at high temperatures, will not immediately produce a heat effect in a paper carrier material.

"Intensiteten" av den frembragte energi ved en kildes over-flate er mengden av stråling emittert pr. flateenhet av denne kilde. Som det kan sees ved å sammenlikne de to kurver i figur 2 er intensiteten (høyden av kurvene) hvormed en ideell stråler frembringer energi avhengig av kildens temperatur. Jo høyere kildens temperatur er, desto høyere er Intensiteten ved alle bølge-lengder . The "intensity" of the energy produced at a source's surface is the amount of radiation emitted per area unit of this source. As can be seen by comparing the two curves in Figure 2, the intensity (height of the curves) with which an ideal beam produces energy depends on the source's temperature. The higher the source's temperature, the higher the Intensity at all wavelengths.

Xerografisk fremkallingspulver er kjent for å virke som et sort lego,me ved at det absorberer en stor del av strålingen ved alle bølgelengder. Toneren i de fleste xerografiske anvendelser dekker imidlertid bare en relativt liten andel av den totale eks-ponerte bæreflate. Derfor vil ikke en kilde for infrarøds stråling som frembringer maksimaleffekt ved en bølgelengde hvorved papir har god absorpsjonsevne (3,0 mikroner eller lenger) frembringe infrarød stråling med en intensitet som er istand til å varme opp de svakt tonete billedområder hurtig. Som tidligere bemerket vil energi med høy virkningsgrad som er istand til å varme opp den xerografiske toner effektivt ha kortere bølgelengde hvor ved papir har relativt dårlig absorpsjonsevne. Det som ønskes i den xerografiske oppvarmingsprosess er derfor en kilde for infra-rød stråling som kan frembringe både høyintensiv infrarød stråling ved kortere bølgelengder for å varme opp toneren effektivt og høy-intensiv .infrarød stråling ved lengre bølgelengder.for å varme opp bærematerialet hurtig og effektivt. Xerographic developing powder is known to act like a black lego in that it absorbs a large part of the radiation at all wavelengths. However, the toner in most xerographic applications only covers a relatively small proportion of the total exposed support surface. Therefore, a source of infrared radiation that produces maximum power at a wavelength at which paper has good absorption capacity (3.0 microns or longer) will not produce infrared radiation of an intensity capable of rapidly heating the faintly toned image areas. As previously noted, energy with a high degree of efficiency which is able to heat the xerographic toner effectively will have a shorter wavelength where paper has relatively poor absorption capacity. What is desired in the xerographic heating process is therefore a source of infrared radiation that can produce both high-intensity infrared radiation at shorter wavelengths to heat the toner effectively and high-intensity infrared radiation at longer wavelengths to heat the carrier material quickly and effectively.

Fig. 1 viser en anordning for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse benyttet som varmekilde i den xerografiske smelteprosess. En bærer 15 hvorpå fremkallingspulver eller toner er blitt løst påført, føres under en infrarød lampe 14. Den billedholdende bærer transporteres av et bånd 16 eller en tilsvarende transportanordning slik at både toneren og bærematerialet forblir i termisk kontakt med lampen i et tidsrom som er tilstrekkelig til å smelte toneren til bæreren. Fig. 1 shows a device for carrying out the method according to the present invention used as a heat source in the xerographic melting process. A carrier 15 on which developing powder or toner has been loosely applied is passed under an infrared lamp 14. The image-bearing carrier is transported by a belt 16 or a similar transport device so that both the toner and the carrier material remain in thermal contact with the lamp for a period of time sufficient to to fuse the toner to the carrier.

Lampen 14 omfatter en kraftig glødetråd 10 viklet i skrue-linjeform og plassert inne i et hus 11*slik at den spoleformete glødetråd holdes i fysikalsk kontakt med det sylinderformete hus' 11 innvendige flate. Glødetråden 10 kan energiseres elektrisk ved at det kobles kontakter 12 til utgangsklemmene til en egnet kraft-kilde (ikke vist). En reflektor 13 som strekker seg over lampen konsentrerer lampens 14 utstrålte energi mot mottakermaterialet 15 som beveges forbi på transportanordningen 16. The lamp 14 comprises a strong filament 10 wound in helical form and placed inside a housing 11* so that the coil-shaped filament is kept in physical contact with the cylindrical housing' 11 inner surface. The filament 10 can be energized electrically by connecting contacts 12 to the output terminals of a suitable power source (not shown). A reflector 13 that extends over the lamp concentrates the radiated energy of the lamp 14 towards the receiving material 15 which is moved past on the transport device 16.

Glødetråden 10 kan være konstruert av ethvert ledende metall som er i stand til å emittere infrarød stråling effektivt når det blir elektrisk energisert, selv om det er blitt funnet at wolfram foretrekkes på grunn av at dette materiale har egenskaper som gir glødetråden høy virkningsgrad og lang driftstid ved høye temperaturer. The filament 10 may be constructed of any conductive metal capable of efficiently emitting infrared radiation when electrically energized, although tungsten has been found to be preferred because of the properties of this material which give the filament high efficiency and long service life. at high temperatures.

Lampen 14 som er vist i figur 1 er konstruert for å drives ved halvparten av den spenning som en slik lampe kunne drives med uten å svikte og som er avhengig av glødetrådens størrels^e og fysikalske egenskaper. Glødetrådens 10 driftstemperatur styres ved å gjøre avstanden mellom spole sløyfene i forhold til varmeutvik-lingen så stor at en glødetrådstemperatur på ca. 1150°C opprettholdes når glødetråden energiseres med halv spenning. Det er blitt anslått at en Infrarød lampe ved halv spenning og en relativt lav temperatur (1150°C) har ubegrenset lang levetid. Til sammenlikning har en krartslampe med høy temperatur som drives ved full kapasitet og en glødetrådstemperatur på ca. 2200°C en relativt kort levetid, normalt ca. 5000 timer. The lamp 14 shown in figure 1 is designed to be operated at half the voltage with which such a lamp could be operated without failure and which is dependent on the size and physical properties of the filament. The operating temperature of the filament 10 is controlled by making the distance between the coil loops in relation to the heat development so large that a filament temperature of approx. 1150°C is maintained when the filament is energized at half voltage. It has been estimated that an Infrared lamp at half voltage and a relatively low temperature (1150°C) has an unlimited lifetime. By way of comparison, a scrub lamp with a high temperature that is operated at full capacity and has a filament temperature of approx. 2200°C a relatively short lifetime, normally approx. 5000 hours.

Huset 11 er konstruert av et materiale med god varmebe-standighet ved høye temperaturer og dessuten med evne til å delvis å overføre og delvis å absorbere innfallende infrarød energi. Noen ikke-krystalline glassorter, såsom "Victor", stensalt og kvarts er eksempler på materialer som har disse ønskete egenskaper. Det er imidlertid blitt funnet ved forsøk at smeltet kvarts er særlig fordelaktig for denne anvendelse. The housing 11 is constructed of a material with good heat resistance at high temperatures and also with the ability to partially transmit and partially absorb incident infrared energy. Some non-crystalline glass varieties, such as "Victor", rock salt and quartz are examples of materials that have these desired properties. However, it has been found by trial that fused quartz is particularly advantageous for this application.

I drift plasseres glødetråden av wolfram direkte i kontakt med kvartshuset. I motsetning hertil har kjente infrarøde lamper glødetråd som er båret på tantal-skiver i en viss avstand fra kvartshuset for å hindre krystallisasjon av kvartsen ved denne høye temperatur (2250°C). Et kvartshus som er blitt krystallisert har ikke evne til å utstråle infrarød energi og blir derfor en barriere mellom strålingskilden og en mottaker. Kvarts glass har en mykningstemperatur på ca. 1665°C og derfor kan en wolfram glø-detråd drevet ved en temperatur på 1150°C som beskrevet her an-bringes trygt i fysikalsk kontakt med huset uten fare for å øde-legge kvartsens utstrålingsegenskaper. In operation, the tungsten filament is placed directly in contact with the quartz housing. In contrast, known infrared lamps have filaments which are carried on tantalum disks at a certain distance from the quartz housing to prevent crystallization of the quartz at this high temperature (2250°C). A quartz housing that has been crystallized has no ability to radiate infrared energy and therefore becomes a barrier between the radiation source and a receiver. Quartz glass has a softening temperature of approx. 1665°C and therefore a tungsten filament operated at a temperature of 1150°C as described here can be placed safely in physical contact with the housing without risk of destroying the quartz's radiating properties.

Den foreliggende oppfinnelse vil bli beskrevet som en varme-anordning for en xerografisk smelteprosess under henvisning til kurven tegnet inn i diagrammet i figur 3. Tist tegnet i diagrammet i figur 3 er 1) kurven for den resulterende emisjonsenergi-forde-ling til den infrarøde lampe med hel, tykk linje, 2) utstrålings-kurven for huset av kvartsglass med prikket linje, 3) absorpsjonskurvene for xerografisk toner og hvitt, limet papir vist med strekete linjer. The present invention will be described as a heating device for a xerographic melting process with reference to the curve drawn in the diagram in Figure 3. Tist drawn in the diagram in Figure 3 is 1) the curve for the resulting emission energy distribution of the infrared lamp with solid, thick line, 2) the emissivity curve for the quartz glass housing with dotted line, 3) the absorption curves for xerographic toner and white, glued paper shown with dashed lines.

Kurvene som er vist i figur 3 er tegnet som energi i forhold til den bølgelengde energien eksisterer ved. Kurvene er ba-sert på teoretiske energinivå og uttrykt som prosentdeler av den totale energi slik at de forskjellige parametre kan sammenliknes. The curves shown in figure 3 are drawn as energy in relation to the wavelength at which the energy exists. The curves are based on theoretical energy levels and expressed as percentages of the total energy so that the different parameters can be compared.

I drift energiseres lampen først til sin driftsspenning som er halvparten av linjespenningen, for eksempel 117 volt. Som tidligere nevnt er glødetråden 10 (fig. l) viklet slik at spolesløy-fene når de er energisert virker sammen for å gi en glødetråds-temperatur på mellom 1040°C og 1150°C. Det er blitt funnet at en wolfram-glødetråd som drives i dette temperaturområde frembringer infrarød stråling med en karakteristisk maksimal-bølgelengde omtrent ved 2,2 mikroner. In operation, the lamp is first energized to its operating voltage, which is half the line voltage, for example 117 volts. As previously mentioned, the filament 10 (fig. 1) is wound so that the coil loops when energized work together to give a filament temperature of between 1040°C and 1150°C. It has been found that a tungsten filament operated in this temperature range produces infrared radiation with a characteristic maximum wavelength at approximately 2.2 microns.

Idet det henvises til overføringskurven for smeltet kvarts vist i fig. 3, kan det sees at kvarts vil overføre ca. 92$ av den innfallende stråle-energi som har kortere bølgelengder enn 4,0 mikroner. Det kan imidlertid sees at overføringsegenskapene til kvarts synker hurtig fra et platånivå på ca. 92$ til 0 mellom bølgelengdene 4,0 og 5,0 mikroner, hvilket betyr at kvarts blir ugjennomsiktig for infrarød stråling med større bølgelengder enn 5,0 mikroner. En wolframglødetråd som drives med en temperatur på ca. 1150°C har en høy virkningsgrad, hvilket vil si at en wolfram-glødetråd som drives ved høye temperaturer omvandler en stor pro-sentdel av den tilførte energi til infrarød stråling. Den infra-røde stråling utsendt av wolframglødetr åden, som er konsentrert om ca.2,2 mikroner, vil lett overføres gjennom kvartshuset. Denne maksimalenergi som utsendes av wolframglødetråden og overføres gjennom kvartshuset kan gjenkjennes som den første toppen som opptrer i den resulterende strålingskurve ved ca. 2,2 mikroner. Referring to the transfer curve for fused quartz shown in fig. 3, it can be seen that quartz will transmit approx. 92$ of the incident beam energy having wavelengths shorter than 4.0 microns. However, it can be seen that the transmission properties of quartz decrease rapidly from a plateau level of approx. 92$ to 0 between wavelengths 4.0 and 5.0 microns, meaning that quartz becomes opaque to infrared radiation with wavelengths greater than 5.0 microns. A tungsten filament which is operated at a temperature of approx. 1150°C has a high degree of efficiency, which means that a tungsten filament operated at high temperatures converts a large percentage of the supplied energy into infrared radiation. The infrared radiation emitted by the tungsten filament, which is concentrated at about 2.2 microns, will be easily transmitted through the quartz housing. This maximum energy emitted by the tungsten filament and transmitted through the quartz housing can be recognized as the first peak appearing in the resulting radiation curve at approx. 2.2 microns.

Kvartsglass som oppvarmes til en temperatur på mellomQuartz glass that is heated to a temperature between

585°C og 640°C når en tilstand av termisk likevekt ved at den gjenavstråler som infrarød energi mellom 80 og 90$ av hele den indre energi den mottar (emisjonsevne 0,8 til 0,9 ved 640°C). Et kvartslegeme som befinner seg på en temperatur på 640°C er ikke i stand til å motta og lagre i seg mer varmeenergi og derfor må hele den energi det mottar kastes av på en eller annen måte. Det er funnet at kvarts ved høye temperaturer gjenavstråler denne overskytende energi som infrarød stråling. 585°C and 640°C reaches a state of thermal equilibrium in that it re-radiates as infrared energy between 80 and 90$ of the entire internal energy it receives (emissivity 0.8 to 0.9 at 640°C). A quartz body that is at a temperature of 640°C is not able to receive and store more heat energy and therefore all the energy it receives must be thrown away in one way or another. It has been found that quartz at high temperatures re-radiates this excess energy as infrared radiation.

Som det fremgår av transmisjonskurvene for kvartsglass med høy renhet (fig. 3), vil infrarød stråling som beveger seg med bølgelengder lenger enn 5,0 mikroner ikke overføres gjennom kvartshuset. Denne energi ved de lenger bølgelengder vil imidlertid absorberes i kvartsen og omdannes til varmeenergi. Varmestrøm og elektrisk strøm er analoge ved at de følger de samme lover og likninger. I begge tilfeller vil energien som når mottakeren være større jo mindre motstanden som plasseres mellom energikilden og energimottakeren er. I den foreliggende oppfinnelse er varme trå-den plassert i direkte fysikalsk kontakt med kvartshuset slik at den mest effektive varmestrøm kan opprettholdes mellom de to legemer. Ved høye temperaturer er den fremherskende varme strømmeka-nisme stråling mer enn konveksjon eller ledning fordi strål ings-varmestrøm er avhengig av kildens absolutte temperatur opphøyd i fjerde potens istedet for temperaturforskjellen mellom legemene som ved konveksjon eller temperaturgradienten som opptrer gjennom et medium som ved ledning. Varme strømmen som opptrer ved høye As can be seen from the transmission curves for high purity quartz glass (Fig. 3), infrared radiation traveling at wavelengths longer than 5.0 microns will not be transmitted through the quartz housing. However, this energy at the longer wavelengths will be absorbed in the quartz and converted into heat energy. Heat flow and electric current are analogous in that they follow the same laws and equations. In both cases, the energy that reaches the receiver will be greater the smaller the resistance that is placed between the energy source and the energy receiver. In the present invention, the heating wire is placed in direct physical contact with the quartz housing so that the most efficient heat flow can be maintained between the two bodies. At high temperatures, the predominant heat flow mechanism is radiation more than convection or conduction because radiation heat flow depends on the absolute temperature of the source raised to the fourth power instead of the temperature difference between the bodies as in convection or the temperature gradient that occurs through a medium as in conduction. Heat flow that occurs at high

temperaturer på grunn av konveksjon eller ledning kan imidlertid however, temperatures due to convection or conduction may

ikke neglisjeres. Det er blitt funnet ved forsøk at ved å plassere en forholdsvis massiv glødetråd, det vil si en glødetråd med tett-viklete vindinger og en diameter på 0,5 mm eller større, i kontakt med et kvartshus, kan tilstrekkelig varme overføres ved hjelp av not be neglected. It has been found by experiment that by placing a relatively massive filament, that is, a filament with tightly wound turns and a diameter of 0.5 mm or larger, in contact with a quartz housing, sufficient heat can be transferred by means of

de tre forannevnte varmeoverføringsmekanismer til å bringe kvartshuset på den ønskete driftstemperatur (440°C til 640°C). Dessuten er det blitt funnet at en wolframglødetråd drevet under de forannevnte forhold vil gi tilstrekkelig energi til kvartshuset til å øke«intensiteten på den gjenavstrålte energi til et høyt nok nivå til at kvartshuset kan benyttes som sekundær-strålingskilde eller skinn-strålingskilde. De to kilder tilsvarer hverandre således i sin respons. the three aforementioned heat transfer mechanisms to bring the quartz housing to the desired operating temperature (440°C to 640°C). Moreover, it has been found that a tungsten filament operated under the aforementioned conditions will provide sufficient energy to the quartz housing to increase the intensity of the re-radiated energy to a high enough level that the quartz housing can be used as a secondary radiation source or skin radiation source. The two sources thus correspond to each other in their response.

Som tidligere bemerket er fordelingen av strålingsenergi avhengig av kildens temperatur. Et gjenavstrålende kvartshus, som beskrevet heri, som drives ved en temperatur på ca. 640 C vil fordele storparten av den. gjenutstrålte energi slik at den er konsentrert om et maksimaleffektpunkt som opptrer ved en bølge-lengde på 3,4 mikroner. As previously noted, the distribution of radiant energy depends on the temperature of the source. A reradiating quartz housing, as described herein, which is operated at a temperature of approx. 640 C will distribute most of it. re-radiated energy so that it is concentrated on a point of maximum power which occurs at a wavelength of 3.4 microns.

Som vist i fig. 3 har den resulterende emisjonseffektkurve for lampen et sekundært maksimaleffektpunkt som finnes ved ca. 3,4mikroner, maksimaleffektens bølgelengde som kvartshusets konsentrerer sin gjenutstrålte energi om. Som tidligere bemerket vil 92$ av den energi som utvikles fra glødetråden med bølgelengder kortere enn 4,0 mikroner utstråles av huset. Energien som emitteres av wolf råmglødetråden- ved lengre bølgelengder absorberes først i kvartshuset hvor den senere gjenfordeles og gjenutstråles ved bølgelengder konsentrert i et smalt bånd sentrert om ca. 3,4 mikroner. Denne gjenfordelte energi utviklet av huset forsterker energien som utstråles fra primærkilden ved like bølgelengder slik at det dannes en resulterende bølgefordeling som er lik den som gjengis av den resulterende strålingskurve i figur 3. As shown in fig. 3, the resulting emission power curve for the lamp has a secondary maximum power point found at approx. 3.4 microns, the maximum power wavelength around which the quartz housing concentrates its reradiated energy. As previously noted, 92% of the energy developed from the filament with wavelengths shorter than 4.0 microns will be radiated by the housing. The energy emitted by the wolfram filament - at longer wavelengths is first absorbed in the quartz housing where it is later redistributed and re-radiated at wavelengths concentrated in a narrow band centered on approx. 3.4 microns. This redistributed energy developed by the house amplifies the energy radiated from the primary source at equal wavelengths so that a resulting wave distribution similar to that represented by the resulting radiation curve in Figure 3 is formed.

Av hensyn til forståeligheten er det andre maksimaleffektpunkt som finnes på den resulterende strålingskurve vist på samme nivå som maksimaleffekten utviklet fra wolfråmglødetråden, det vil si på samme nivå som energien utstrålt gjennom kvartshuset. Det bør imidlertid være klart for fagfolk at i virkeligheten kan intensiteten til det andre maksimaleffektpunkt ikke nå det som frembringes av primærkilden, idet intensiteten av den resulterende energi som er konsentrert om det andre maksimaleffektpunkt (3,4 mikroner) er summen av energien som overføres gjennom kvartsen og energien som gjenutstråles fra huset. For the sake of clarity, the second maximum power point found on the resulting radiation curve is shown at the same level as the maximum power developed from the tungsten filament, that is, at the same level as the energy radiated through the quartz housing. However, it should be clear to those skilled in the art that in reality the intensity of the second maximum power point cannot reach that produced by the primary source, the intensity of the resulting energy concentrated on the second maximum power point (3.4 microns) being the sum of the energy transmitted through the quartz and the energy that is re-radiated from the house.

Den resulterende energi som utrikles av lampen 14 (fig. l) har istedetfor å være hovedsakelig monokromatisk i sin bølgeform en energifordel ing med høy intensitet som dekker et forholdsvis bredt område av det infrarøde spektrum som er istand til å varme opp ethvert materiale med en absorpsjonsevne mellom 0,5 og 1,0 The resulting energy emitted by the lamp 14 (Fig. 1), instead of being mainly monochromatic in its waveform, has a high intensity energy distribution covering a relatively wide area of the infrared spectrum which is capable of heating any material with an absorption capacity between 0.5 and 1.0

som faller innenfor lampens virksomme bølgelengdeområde. which fall within the lamp's effective wavelength range.

Overlagret over den resulterende emisjonseffektkurve finnes absorpsjonskurvene for både xerografisk toner og hvitt, limet papir, vist med strekete linjer. Det bør bemerkes at xerografisk toner ligger meget nær opptil et sort legeme ved at den absorberer 94$ av all innfallende energi uavhengig av denne energis bøl-gelengde. Det kan imidlertid dessuten sees av disse kurvene at absorpsjonsevnen til hvitt, limet papir er helt forskjellig fra absorpsjonsevnen til toner. Hvitt, limet papir vil reflektere storparten av den innfallende energi som finnes ved kortere bølgeleng-der enn 3,0 mikroner, mens det absorberer 80 og 90$ av den infra-røde energi som støter mot det ved lengre bølgelengder. Superimposed on the resulting emission power curve are the absorption curves for both xerographic toner and white, bonded paper, shown in dashed lines. It should be noted that xerographic toner is very close to a black body in that it absorbs 94$ of all incident energy regardless of this energy's wavelength. However, it can also be seen from these curves that the absorbency of white, bonded paper is completely different from the absorbency of toner. White, glued paper will reflect most of the incident energy found at shorter wavelengths than 3.0 microns, while it absorbs 80 and 90% of the infrared energy impinging on it at longer wavelengths.

Som tidligere bemerket er kildens driftstemperatur og kildens virkningsgrad direkte proporsjonale, det vil si at en økning i kildens temperatur også vil frembringe en økning i kildens ef-fektivitet. Det er blitt funnet at en enkelt kilde for infrarød energi som drives innenfor et bølgelengdebånd hvor hvitt, limet papir har god absorpsjonsevne (3,0 mikroner eller lenger) må drives ved forholdsvis lave temperaturer og derfor, pr. definisjon, må være en mindre effektiv kilde. I den foreliggende oppfinnelse benyttes en effektiv kilde for infrarød energi til å frembringe høy intensiv infrarød energi ved lengre bølgelengder som er istand til å varme opp hvitt, limet papir samtidig som den frembringer virksom høyintensiv energi ved de kortere bølgelengder for hurtig og effektiv oppvarming av xerografisk toner. Dette prinsipp fremgår grafisk ved å sammenlikne den overlagrete resulterende strålingskurve for den infrarøde lampe med absorpsjonskurven for hvitt, limet papir som vist i fig. 3. As previously noted, the source's operating temperature and the source's efficiency are directly proportional, that is to say that an increase in the source's temperature will also produce an increase in the source's efficiency. It has been found that a single source of infrared energy operated within a wavelength band where white, sized paper has good absorptivity (3.0 microns or longer) must be operated at relatively low temperatures and therefore, per definition, must be a less efficient source. In the present invention, an efficient source of infrared energy is used to produce high intensity infrared energy at longer wavelengths which is capable of heating white, glued paper at the same time as it produces effective high intensity energy at the shorter wavelengths for rapid and efficient heating of xerographic tones. This principle appears graphically by comparing the superimposed resulting radiation curve for the infrared lamp with the absorption curve for white, glued paper as shown in fig. 3.

Det er blitt funnet ved forsøk at en varmelampe som beskrevet i det forangående er i stand til å smelte xerografisk toner til et hvitt, limet papir innenfor et driftsspenningsintervall på 40 volt. Det vil si at det er et intervall på 40 volt mellom den høyeste temperatur som ikke smelter og den laveste temperatur hvorved et hvitt papirbæremateriale skades. Hittil har de mest kjente xerografiske varmesmeltere virket innenfor et forholdsvis smalt intervall på 4 volt fordi slike smeltere er hlitt konstruert for å frembringe et meget selektivt semi-monokromatisk bånd av infrarød energi av hensyn til virkningsgraden. It has been found by experiment that a heat lamp as described above is capable of fusing xerographic toner to a white, glued paper within an operating voltage range of 40 volts. That is, there is an interval of 40 volts between the highest temperature that does not melt and the lowest temperature at which a white paper carrier is damaged. Hitherto the best known xerographic heat melters have operated within a relatively narrow range of 4 volts because such melters are carefully designed to produce a highly selective semi-monochromatic band of infrared energy for efficiency reasons.

Claims

Method of fusing a xerographic toner to a paper carrier using an infrared lamp having a spirally wound filament as a primary radiation source, and as a secondary radiation source having a housing of quartz with an inner diameter approximately equal to the outer diameter of the primary source, characterized by that a lamp is used where the filament is in physical contact with the housing, and that the lamp is supplied with such a voltage that the primary radiation source radiates an energy with a wavelength of approx. 2.0 microns, and the secondary source thereby transfers the energy at about 2.0 microns from the primary source and re-radiates energy with a maximum power point at about 3.4 microns so that the _desired heating of both toner and paper carrier is achieved.