电子照相成像装置的定影辊组件的制作方法

专利名称：电子照相成像装置的定影辊组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子照相成像装置的定影辊组件装置，尤其是涉及能够以低能耗瞬时加热的电子照相成像装置的定影辊装置。
背景技术：
在普通的电子照相成像装置例如复印机和激光印刷机中，当靠近感光器鼓的静电充电辊子旋转时，涂覆在感光器鼓表面上的感光材料均匀充电。该充电的感光材料暴露在由激光扫描单元(LSU)扫描的激光束中，这样，一个静电潜像以预定模式在感光材料上形成。显影装置向感光材料供给调色剂，以便将形成于感光材料上的静电潜像显影成可视的调色剂图像。在该感光器鼓载有调色剂图像时，预定的转印电压供给以预定力与感光器鼓接触的转印辊。这时，当印刷纸供给到转印辊和感光器介质之间的间隙中时，形成于感光材料上的调色剂图像转印到印刷纸上。包括定影辊的定影单元瞬时加热转印有调色剂图像的印刷纸，从而将该调色剂图像定影在印刷纸上。通常，卤素灯用作定影单元的热源。卤素灯安装在定影辊的内部，并通过辐射热将定影辊的表面加热至目标温度。
在普通的、用卤素灯作为热源的电子照相成像装置的定影辊装置中，定影辊的外表面必须能产生热量，因此，定影辊通过卤素灯的辐射热从内部向外加热。压力辊位于定影辊下面。当载有粉末形式的调色剂图像的纸张从定影辊和压力辊之间通过时，纸张以预定力热压，调色剂图像通过定影辊和压力辊的热和力定影在印刷纸上。
可以用热敏电阻来检测定影辊的表面温度并将该表面温度转换成电信号，可以用恒温器来切断供给卤素灯的电源。
用卤素灯作为热源的普通定影辊纸张不必要地消耗了大量的电能，且在成像装置打开以成像时需要相当长的热机时间。换句话说，通电后有一个等待期，直到定影辊的温度到达目标温度，例如为几十秒至几分钟。我发现，对于普通的定影辊装置，因为定影辊通过热源发出的辐射热来加热，热传导率很低。尤其是，由于与印刷纸接触引起热辊子温度降低而产生的温度变化的补偿将延迟，因此，很难均匀控制沿定影辊轴向长度上的温度分布。即使在印刷机的操作暂停的等待模式中，还必须定期供电，以便保持定影辊的温度恒定，从而导致不必要的电能消耗。而且，将定影辊从其等待模式转变到输出图像的操作模式要消耗大量的时间，从而使生成的图像不能快速印刷。
普通定影辊装置的一种可选方案是采用布置于柔性柱形膜管(film tube)的下部中的加热板，同时采用安装在该加热板下面的压力辊。该膜管通过单独的旋转单元旋转，并在加热板和压力辊之间的部分上进行局部加热和变形。尽管认为该通过加热板局部加热膜管的方法有利于降低耗电量，但它不适于高速印刷。
日本专利申请Nos.昭58-163836(1983年9月16日)、平3-107438(1991年5月13日)、平3-136478(1991年6月7日)、平5-135656(1993年6月7日)、平6-29663(1994年11月30日)、平6-316435(1994年12月20日)、平7-65878(1995年3月24日)、平7-105780(1995年4月28日)、平7-244029(1995年9月22日)、平8-110712(1996年5月1日)、平10-27202(1998年2月9日)、平10-84137(1998年3月30日)、平10-208635(1998年7月8日)公开了装于定影辊装置中的热管。
采用了热管的该定影辊能够瞬时加热，从而减小了耗电量。当在等待模式和印刷工作模式之间转换时，定影辊装置的延迟时间还很短。尤其是，在日本专利申请Nos.平5-135656、平10-84137、平6-29663、平10-208635中公开的定影辊装置在定影辊的一端采用了不同类型的热源，且该热源位于定影区域之外。这些定影辊装置的热源结构增加了定影辊装置的体积，需要复杂的结构。因此，需要改善该定影辊装置的结构复杂性。
在日本专利申请Nos.昭58-163836、平3-107438、平3-136478、平6-316435、平7-65878、平7-105780和平7-244029中公开的定影辊装置有位于其定影辊内的热源，这样，还剩下增加了上述装置的体积的问题。不过，各定影辊安装了多个局部热管，从而使该定影辊装置的制造复杂。而且，热管的局部布置导致了热管接触部分和非热管接触部分之间的温度偏差。

发明内容
为了解决本领域的这些和其它问题，本发明的一个目的是提供一种电子照相成像装置和方法。
本发明的另一目的是提供一种改进的定影辊和定影方法。
本发明的另一目的是提供一种用于电子照相成像装置的定影辊装置，在该定影辊装置中，定影辊的局部温度偏差大幅度减小，从而改善了总体的热分布特征。
本发明的还一目的是提供一种用于电子照相成像装置的定影辊装置，该定影辊装置易于制造，并设计成能使该定影辊装置尺寸的增加减至最小。
本发明的还一目的是提供一种定影辊，该定影辊能够在很短时间内从其等待状态进入其印刷状态。
本发明的还一目的是提供一种能效更高的电子照相方法和装置。
本发明的还一目的是提供一种定影辊、构成定影辊的方法以及将所形成的静电图像从调色剂定影到可印刷媒介上的方法，同时还有能够在很短时间内使定影辊的温度从室温转变到工作温度的组件。
本发明的还一目的是提供一种定影辊、构成定影辊的方法以及将所形成的静电图像从调色剂定影到可印刷媒介上的方法，同时还有能够在等待的操作期间中使定影辊的温度保持成室温的组件。
本发明的还一目的是提供一种定影辊、构成定影辊的方法以及将所形成的静电图像从调色剂定影到可印刷媒介上的方法，同时还有能够改善定影辊的柱形外表面的热平衡和使该外表面的局部温度差减至最小的组件。
为了实现本发明的这些和其它目的，在第一实施例中，提供了一种定影方法和定影单元，该定影方法和装置可以采用热管，该热管在两端气密密封，以便在热管内部空腔内保持真空。该热管的内部空腔装有预定量的工作流体。该热管同轴安装在柱形定影辊的空心内部，热发生器环绕热管的柱形外部螺旋缠绕，并在该热管和定影辊的柱形内表面之间的环形间隙内。


通过下面的详细说明并结合附图，能够更好地理解本发明以及本发明的许多优点，在附图中，相同的参考标号表示相同或类似的部件，附图中图1是普通电子照相成像装置的透视图；图2是普通的、电子照相成像装置的定影辊装置的剖视图；图3所示为电子照相成像装置的定影单元的结构，该定影单元包括普通定影辊装置。
图4所示为电子照相成像装置的定影单元的结构，该定影单元包括不同的普通定影辊装置。
图5是电子照相成像装置的定影单元的剖视图，该定影单元包括根据本发明原理构成的定影辊装置的第一实施例；图6是图5所示的定影辊装置的结构的局部透视图，其中没有表示热管的详细结构；图6A是图6所示的加热电阻线圈的局部剖视详图；图6B、6C和6D所示为根据本发明原理构成定影辊装置的步骤顺序；图7是表示图5和6所示定影辊装置的内部结构的剖视图；图8是表示图7所示实施例的工作模式的剖视详图；图9是表示温度作为时间的函数而变化的两坐标曲线图；图10是根据本发明的原理构成的定影辊装置的第二实施例的剖视图；图11是表示图10所示的定影辊装置的X部分的局部纵剖图；图12是表示图10所示实施例的工作模式的剖视详图；图13是表示温度作为时间的函数而变化的两坐标曲线图；图14是表示工作流体的物相作为温度升高和热管工作时间的函数而变化的曲线图；图15表示热管的内部结构，并标出传热方向，以表示液-气相的变化；图16是表示饱和压力作为FC-40和蒸馏水的饱和温度的函数而变化的曲线图，该蒸馏水单独作为工作流体；图17是铝、铜和304不锈钢等热管材料的极限拉伸强度作为温度变化的函数而变化的曲线图；图18A和18B是表示当分别用FC-40和蒸馏水作为工作流体时，热管壁上的最大允许应力和最大应力变化与温度变化的关系的曲线图；图19A和19B是表示当分别用FC-40和蒸馏水作为工作流体时，最大应力随热管厚度(T)变化而变化的曲线图；以及图20和21是表示对于上述定影辊装置的第一实施例，在定影辊中部的温度随时间而变化的曲线图。
具体实施例方式
图1所示为普通的电子照相成像装置，其中，电子照相成像装置包括纸张出口1、小键盘2、控制板盖3、顶盖打开按钮4、纸张显示窗口5、多用途送纸器6、纸张盒7、可选盒8和辅助纸张支架9。
图2是普通的、电子照相成像装置的定影辊装置的剖视图，该定影辊装置用卤素灯作为热源。图3是当图2中的定影辊用于普通的电子照相成像装置中时的剖视图，该定影辊具有一个作为热源的卤素灯和一个压力辊。参考图2，普通的定影辊装置10包括一柱形定影辊11和一热发生器12，该热发生器12例如卤素灯，并在定影辊11内。因为定影辊11的外表面必须能生热，因此，定影辊11通过热发生器12的辐射热而从内部向外加热。
参考图3，压力辊13位于定影辊11的下面，该定影辊11有由特弗龙(Teflon)形成的涂层11a。该压力辊13由弹簧组件13a弹性支承，以便以预定力将在该定影辊11和压力辊13之间经过的纸张压向定影辊。当印刷纸载有粉末形式的调色剂图像14a并在该定影辊11和压力辊13之间时，印刷纸14由预定力热压。换句话说，调色剂图像14a通过由定影辊11和压力辊13产生的热和力而定影在印刷纸14上。
热敏电阻15用于检测定影辊11表面的温度，并将该温度转变成电信号，在定影辊11附近安装有一恒温器16，用于切断供给热发生器12例如卤素灯的电源。当定影辊11的表面温度超过给定的界限值时，恒温器16断开供给热发生器12的电源。热敏电阻15检测定影辊11的表面温度，并将检测的结果传送给印刷机的控制器(未示出)。该控制器根据所检测的定影辊11的表面温度来控制向热发生器12的卤素灯的供电，以便使该表面温度保持在给定范围内。恒温器16起到定影辊11和相邻元件的热保护器的作用，该恒温器16将在热敏电阻15和控制器不能控制定影辊11的温度时起作用。
利用卤素灯作为热源的普通定影辊装置不必要地消耗了大量的电能，并在成像装置打开以便成像时需要相当长的热机时间。换句话说，通电后是一段等待时间，直到定影辊11的温度达到目标温度，例如等待几十秒至几分钟。对于普通的定影辊装置，因为定影辊通过热源的辐射热来加热，因此传热率低。尤其是，对由于与印刷纸接触引起热辊子温度降低而产生的温度变化的补偿将延迟，因此，很难均匀控制沿定影辊的温度分布。即使在印刷机的操作暂停的等待模式中，还必须定期供电，以便保持定影辊的温度恒定，从而导致不必要的电能消耗。而且，将从等待模式转变到输出图像的操作模式要消耗大量的时间，从而使生成的图像不能快速输出。
图4是用于电子照相成像装置的普通定影辊装置的剖视图。加热板22置于柔性柱形膜管21的下部，压力辊23安装在加热板22的下面。该膜管21通过单独的旋转单元旋转，且在加热板22和压力辊23之间的部分产生变形。这种通过加热板22局部加热膜管21的方法的优点是耗电量低。不过，该局部加热的方法不适于高速印刷。
图5表示了一种电子照相成像装置的定影单元，该定影单元包括本发明的定影辊装置的第一实施例，而图6是图5的透视图，更详细地表示了定影辊装置的结构，图7是图5和6中的定影辊装置的纵剖图。
参考图5、6和6A，定影单元200包括一定影辊装置210，该定影辊装置210沿使带有调色剂图像251的印刷纸250输出的方向旋转，即如图5中所示顺时针旋转；以及一压力辊220，该压力辊与该定影辊装置210接触并逆时针旋转。该定影辊装置210包括一柱形定影辊212，该定影辊212有保护性的外部柱形涂层211，该柱形涂层211通过涂覆Telfon而形成于定影辊212的表面上；以及一热发生器260，该热发生器260安装在定影辊212内。用于检测定影辊212的表面温度的热敏电阻230安装在定影辊212的顶部。
热发生器260安装在定影辊212内，以便利用从外部电源装置(未示出)供给的电能来产生热量。热发生器260有内部热管262，安装在多圈的加热单元213内，同时热管262的两端264气密密封以保持预定压力。该内部热管262装有预定容积量的工作流体214。
用于检测定影辊212和保护层211的表面温度的热敏电阻230安装在定影辊212上并与保护层211接触。用于在定影辊212和保护层211的表面温度快速增加时切断电源供电的恒温器240也安装在定影辊212上。
加热单元213通过外部电源供电而产生热量。优选，该加热单元213构成为与定影辊内部和内部热管262的外部相接触的螺旋电阻加热线圈。
热敏电阻230直接与保护层211物理接触，并检测保护层211的温度。由定影辊212的内部柱形空腔242形成的内部空间被热发生器260占据。加热单元213可以是由螺旋电阻加热线圈制成的、沿内部空腔242安装并直接与定影辊212的内部柱形壁物理接触的多圈螺旋线圈。该加热单元213包括由电阻材料例如铁铬(Fe-Cr)或镊铬(Ni-Cr)线圈制成的电热丝213a，由电介质材料例如氧化镁(MgO)制成的电绝缘涂层213c保护该电热丝213a。加热单元213的绝缘涂层213b防止电热丝213a变形或特性改变，该电热丝213a变形或特性改变易于在超时时产生，或者由于后面将介绍的工作流体214的温度变化而引起。由相对惰性的材料例如不锈钢制成的外层213b形成环绕绝缘层213c的保护套。加热器213a的两端并不覆盖有涂层213b，以便在定影辊212的两端形成电接触。涂层213b的两端最后用密封件213d进行处理，以便防止由MgO形成的电介质层213c暴露在空气中。优选，密封件213d由氧化锆(ZrO2)陶瓷制成，以增加耐热性、耐腐蚀性和耐久性。优选，该加热单元213的电阻是对于220V交流电是25-40Ω，对于110V交流电是5-20Ω。
如图6B、6C和6D所示，定影辊212的内部柱形表面246的径向相对内壁之间的距离是d1，而多圈加热单元213的外部柱形表面的直径为d2。如图6B所示，加热单元213螺旋缠绕成多圈的螺线管，并基本环绕热管262的外部柱形表面的整个轴向长度。多圈加热单元213的外部柱形的平均直径是d2，该d2稍微大于d1。如图6C所示，反向轴向力F施加在线圈213的轴向相对端的电极215上，以便将线圈213的直径减小到小于d1的值，这时将热管262和加热单元213一起同轴地插入定影辊212的内部空腔242中。如图6D所示，通过除去力F，线圈213的各环的外表面直接与定影辊212的内周表面物理接触和热接触；实质上，除去力F使得线圈213的外部柱形的直径为d1，等于定影辊212的内径。线圈213的相邻环之间的节距并不必须相等。不过，重要的是线圈213的各环的大部分或全部外表面处于直接与热管212的内部柱形表面246物理接触和热接触。
然后，如图6C和图6D之间的过渡所示，一旦热发生器260安装到定影辊212的内部空腔242内，向热管262的内部施加气压，以便使热管262的柱形壁径向向外膨胀，直到加热单元213的内表面基本直接与热管262的柱形外表面物理接触，同时该加热单元213的外表面直接与定影辊的内部柱形表面246物理和热接触。然后，热管262的内部空腔内装入预定量的工作流体214，且热管在预定压力下密封。
工作流体214装于热管262的密封空间内，热发生器环绕该热管262的柱形外部安装。装入的工作流体214的容积量是热管262的内部容积268的5-50％，优选5-15％。根据热管的原理，工作流体214能防止旋转定影辊212的局部表面温度偏差，否则将由于存在加热单元213而产生局部表面温度偏差，该工作流体起到能使热管262的整个柱形容积均匀加热的热介质的作用，同时还起到能在以比当前普通装置所用时间更短的时间内均匀加热定影辊212的整个柱形容积。当工作流体214的容积量小于定影辊212的容积的大约5％时，可能出现蒸干现象，这时，在蒸发发生后，工作流体不能马上完全蒸发和液化。
热管262可以由不锈钢(例如304SS)或铜(Cu)制成。当热管262由不锈钢制成时，除水(蒸馏水)外的大部分公知工作流体都可以使用。最优选用FC-40(可从3M公司购得)代替水作为工作流体214。同时，当热管262由铜制成时，几乎所有公知的工作流体都可以使用。对于铜制成的热管262，水(例如蒸馏水)是最优选的工作流体。
参考图7，端帽264连接在热管262的轴向两相对端，以便密封热管262的内部轴向空腔，从而形成真空密封的内部空间268。线圈213的轴向相对接线端形成电极215，该电极轴向伸出热管262，以便与电接触件例如滑动环(未示出)工作配合，该电连接件提供通过线圈213的电流。不导电的衬套和粘有齿轮的帽体(gear-binging cap)也可以安装在定影辊的外部柱形表面上。电极215与热发生器260的加热线圈213的导电末端引线导电连接。尽管加热线圈213和电极215的构件与电源的电连接并没有详细说明，但是该结构是很容易实现的。
在操作使用时，具有上述结构的定影辊装置210通过一个单独的旋转单元旋转。为此，可以安装附加的部件。例如，粘有齿轮的帽体是一种与驱动定影辊装置210旋转所需的旋转直齿轮配合的附加部件。
在根据本发明原理的电子照相成像装置的定影单元200中，当电流通过电极215流入加热线圈213中，即从电源流入加热线圈213中时，由于当电流流过热发生器260的螺线圈213时电阻生热，因此加热线圈213产生热量，定影辊212通过该生成的热量从内向外加热。同时，装于热管262内的工作流体214通过该热量而蒸发。由螺线圈213产生的热量传递给定影辊212的柱形壁上，同时，定影辊212的本体被蒸发的工作流体均匀加热。因此，定影辊212的表面温度将在非常短的时间内达到目标定影温度。
芯(wick)244形成柱形并起到毛细管的作用，该芯244由铜或不锈钢等金属的多孔层或筛网制成；该芯244可以沿热管262的内周表面266布置。热管262的合适材料在表2中列出。如前所述的FC-40或水(蒸馏水)，或者是在表3中列出的材料可以用作工作流体214。当选择水(蒸馏水)作为工作流体214时，定影辊装置可以在低成本且没有环境问题的情况下实现。一旦定影辊212的温度达到对调色剂图像进行定影的目标定影温度，调色剂图像转印(即永久性粘接)到印刷纸上。当转印有调色剂图像的印刷纸从定影辊212吸热时，蒸发的工作流体在热管262的内部空腔268内变回其液相。该液化的工作流体随后可以再次通过热发生器260加热以蒸发，这样，定影辊212的温度能保持在预定的温度。
当调色剂的定影温度在160-180℃范围内时，根据本发明构成的定影辊装置能够在大约10秒内达到目标温度。然后，根据由热敏电阻230检测的定影辊212的表面温度，定影辊212的表面温度通过断开供给加热单元213的电流并通过热敏电阻230而保持在预定的温度范围内。当热敏电阻230和控制器不能合适控制该表面温度，从而使定影辊212的表面温度突然升高时，位于定影辊212的柱形表面附近并能靠近操作(close operaional)的恒温器240检测定影辊212的表面温度，并切断供给线圈213的电流，以防止过热。该供电操作可以根据目标温度而变化。应当知道，供电操作可以通过例如周期通电、断电控制或工作循环比这样的控制方法来控制。
具有前述结构的定影辊装置可以通过如下步骤制造(a)准备一个金属导管(pipe)作为定影辊的材料；(b)准备一个金属管(tube)作为热管构件；(c)通过用蒸馏水或挥发性液体洗涤金属导管和金属管，从而清洁该金属导管和金属管的暴露表面；(d)通过用蒸馏水或挥发性液体洗涤螺旋电阻加热线圈来清洁螺旋电阻加热线圈的暴露表面；(e)将螺旋电阻加热线圈缠绕成外径等于或稍微大于金属导管内径的螺线圈，并缠绕在热管的圆形外部柱形体上；
(f)可以选择地插入形成为柱形的芯，以便对齐热管的内部柱形表面；(g)用端帽密封热管的相对端(base end)，这样，还剩下工作流体进口，同时环绕热管螺旋缠绕的电阻加热线圈的两端引线作为电引线；(h)将支承螺旋缠绕的加热线圈的热管同轴地插入金属导管内；(i)通过高压惰性气体使密封的热管膨胀，从而使热管的柱形壳体径向膨胀，直到加热线圈的各圈同时直接与定影辊的内部柱形表面和热管的外部柱形表面物理接触和热接触，或者可以选择地直到热管的外部柱形表面和定影辊的内部柱形表面之间的径向分隔间隙最小；(j)通过排气、加热和冷却热管而将无关气体从热管的内部容积内清除，以便将气体从管的内部容积内排出，从而在该内部容积内产生真空；(k)通过工作流体进口向热管的内部空腔内注入5-50％容积的工作流体(例如FC-40或蒸馏水)；(l)密封热管的工作流体进口；(m)用特弗龙(Teflon)喷涂金属导管的表面，并干燥和抛光该金属导管，以便在定影辊上形成保护涂层；(n)将作为轴承的不导电衬套插入定影辊的一端；以及(o)将金属、耐热塑料或环氧树脂制成的、装有齿轮的帽体安装在定影辊组件的一端。
在定影辊装置的制造过程中，如果采用了芯，当在芯插入后，金属导管在其轴向两端与帽体264焊接以加上帽体时，通过工作流体进口将氩气注入金属管的内部空腔268内，以便防止金属导管氧化。在将工作流体注入热管之前，将无关气体从该内部容积268中清除，该内部容积被排空，并在真空条件下反复加热和冷却，以便将所有气体排出热管的内部容积，从而基本除去粘附在热管内壁上的全部外来物质。例如，在一种清洁内部空腔268的方法中，热管必须在内部压力为四十(40)大气压的情况下加热至250℃。在室温时，内部空腔268为完全压力(perfect pressure)；即在空腔268内将没有分子。
图8和9表示了图7所示实施例工作的热模式。加热单元213的各圈通过热传导直接加热定影辊212或热管262，如箭头K所示，同时间接加热由加热单元213的相邻圈之间的间隙A表示的空腔，如箭头L所示。根据加热单元213的各圈的径向位置，这些圈还通过辐射热间接加热工作流体214或定影辊212，如箭头M所示。在与加热单元213的两个相邻圈径向对齐处所获取的温度T1、T3有基本相同的升温时间和温度分布曲线，如图9在两个瞬变时间t1和瞬变时间t2所示。在整个瞬变温度升高时间t1，在加热单元213的两相邻圈之间的间隙A内测得的温度T2最初沿着温度T1、T3，但随后就滞后这些温度而有较低的温度测量值。随后，在静态时间t2时，所有三个温度都基本相同。
参考图10至13，中间部分或垫圈213’可以插入热管262和定影辊212之间并在电阻加热单元213的相邻螺旋之间的间隙A中，以便将热量从加热单元213和热管262传递给定影辊212。优选，垫圈213’的高度t1等于加热单元213的高度t2，或者更高，以便形成和213’的高度t1和加热单元213的高度t2之间的差值一样大的空间E。空间E有空气，这样，由加热单元213产生的热量作为辐射热通过空气传递给定影辊212。
通过用垫圈213’装入间隙A中并从加热线圈和热管262向定影辊212传递热量，与仅利用加热线圈进行热传递的设计方案相比，图10、11和12所示的设计方案能大幅度增加导热率，整个定影辊212的温度能均匀地增加到目标温度。因此，优选用具有极好导热率的材料，尤其是第10组(group 10)的材料例如铝来制造垫圈213’。
热管262成直圆柱管形状，并在其两端气密密封。在热管262的内部空腔268中装有预定量的工作流体214。优选，在热管262的内部提供有网状的芯结构244，这样，加热单元213发出的热量能够在很短时间内均匀传递到热管262的整个内部。显然，为了向整个热管262均匀传递热量，可以进行多种变化。
工作流体214由于加热单元213产生和传递的热量而蒸发，并将热量传递给定影辊212，因此，该工作流体214起到防止定影辊212在整个轴向长度上的表面温度显著变化的热介质的作用，并在非常短的时间内加热整个定影辊212。为了实现该作用，工作流体214相对于内部空腔268的容积比例为5-50％，优选5-15％。当工作流体214的容积比例不超过大约5％时，干透的可能性很高。因此，优选不采用工作流体214的容积不大于空腔268的内部容积5％的设计方案。
工作流体214根据热管262的材料选定。换句话说，当热管262由不锈钢制成时，优选不用水，即蒸馏水作为工作流体214。除了蒸馏水，大多数目前已知的工作流体都可以使用。最优选用3M公司生产的FC-40。
图12和13表示了图10所示实施例工作的热模式。如箭头K所示，加热单元213的相邻圈根据其径向布置，可以通过直接热传导而加热定影辊212或热管262和工作流体214。相邻圈由于它们紧邻插入垫圈213’，也可以直接加热垫圈213’，如箭头L所示。垫圈213’也通过热传导直接加热定影辊212。加热单元213的这些圈再根据它们的径向布置，还间接加热定影辊212和工作流体214，如箭头M所示。在分别与加热单元213的一圈和在加热单元213的两相邻圈之间的垫圈213’对齐的定影辊212的特弗龙(Teflon)涂层211表面处的温度测量值T、T在瞬态和稳态期间内都相同，如图13所示。因此，垫圈使得基本相同，而且确实使定影辊的外部温度沿其整个轴向长度都均匀。应当知道，加热单元213的各圈的直径可以近似等于，但是多数情况是稍微小于内部垫圈213’的径向截面尺寸值。
垫圈213’可以由型号为10(type 10)的铝制成，而定影辊212由型号为60的铝制成。不过，型号为10的铝更易于变形，因此垫圈213更柔软。如果热管262由铜或铝制成，当通过高压空气膨胀时，热管262的柱形壳体将变形，垫圈213’也将变形成这样，即序列号为10(series 10)铝垫圈的径向内表面和外表面同时与热管262的外径和型号为60的铝的定影辊212的内径直接物理接触和热接触；不过，型号为60的铝的定影辊将不变形。型号为50的铝的硬度大于型号为60的铝，型号为50和型号为60的铝的硬度大于型号为10的铝的硬度。型号为50、型号为60和型号为10的铝的传热特性基本相同，型号为50、型号为60和型号为10的铝的电导率也基本相同。
一种具有如前面段落中所述的第二实施例结构的定影辊装置可以通过如下步骤制造(a)准备一个金属导管作为定影辊的材料；(b)准备一个金属管作为热管构件；(c)通过用蒸馏水或挥发性液体洗涤金属导管和金属管，从而清洁该金属导管和金属管的暴露表面；(d)通过用蒸馏水或挥发性液体洗涤螺旋电阻加热线圈来清洁螺旋电阻加热线圈的暴露表面；(e)可以选择地插入形成为柱形的芯，以便对齐热管的内部柱形表面；(f)将螺旋电阻加热线圈缠绕成外径等于或稍微大于金属导管内径的螺线圈，并缠绕在热管的圆形外部柱形体上，并用连续的导热材料(例如型号为10的铝)垫圈来将螺旋加热线圈的各圈分开，该螺旋电阻加热线圈传热热管的外部柱形表面和定影辊的内部柱形表面之间；(g)用端帽密封热管的相对端，这样，还剩下工作流体进口，同时环绕热管螺旋缠绕的电阻加热线圈的两端引线作为电引线；(h)将支承螺旋缠绕的加热线圈的热管同轴地插入金属导管内；(i)通过高压惰性气体使密封的热管膨胀，从而使热管的柱形壳体径向膨胀，直到垫圈的各圈同时直接与定影辊的内部柱形表面和热管的外部柱形表面物理接触和热接触；(j)通过排气、加热和冷却热管而将无关气体从热管的内部容积内清除，以便将气体从管的内部容积内排出，从而在该内部容积内产生真空；(k)通过工作流体进口向热管的内部空腔内注入5-50％容积的工作流体；(l)密封热管的工作流体进口；(m)用特弗龙(Teflon)喷涂金属导管的表面，并干燥和抛光该金属导管，以便在定影辊上形成保护涂层；(n)将作为轴承的不导电衬套插入定影辊的一端；以及(o)将金属、耐热塑料或环氧树脂制成的、装有齿轮的帽体安装在定影辊组件的一端。
为了容易理解本发明的定影辊装置的工作，下面将介绍本发明的热管。术语热管是指这样的传热装置，该传热装置利用工作流体从其液相到其气相的物相变化所需的潜热而传递从高热密度状态向低热密度状态转变时的热量。因为热管利用工作流体的物相变化特性，因此它的导热系数高于任意已知的金属。热管在室温下的工作时的导热系数是银或铜的导热系数的几百倍，铜的导热系数k为400W/mk。
图14是表示作为温度升高和热管工作时间的函数的工作流体物相变化的曲线图。表1表示热管和其它传热材料的有效导热系数。
表1


将1kg的水的温度从25℃升高到26℃所需的能量为4.18KJ。当在没有温度变化的情况下水的物相从液体转变为蒸汽时，需要2442KJ能量。热管通过液体-蒸汽的物相变化而传递大约584倍的更大潜热。对于在室温下工作的热管，导热系数比已知极好的热导体银或铜高几百倍。在高温下用液体金属作为工作流体的热管的导热系数为108W/mk。
图15表示了一种热管的内部结构，该热管包含有芯，以便在热管内提供毛细结构，它的传热是根据液体-蒸汽和蒸汽-液体的物相变化而进行的。电阻加热线圈(在图15中没有单独表示)和芯布置成柱形，并分别直接抵靠热管的柱形外表面和直接抵靠热管的柱形内表面安装。表2表示了对于各种工作流体而推荐的和不推荐的热管材料。
表2

表3表示对于不同工作温度范围的各种合适的工作流体。
表3

我们发现，在选择工作流体时要考虑几个方面1)与所用的热管材料相容；2)工作流体适合于热管内的工作温度；以及3)工作流体的导热系数。
当热管型的定影辊由不锈钢(SUS)或铜(Cu)制成时，合适的工作流体根据与热管材料和工作温度相容而限定。FC-40在工作温度为165℃时饱和压力为一个大气压或更小，可以认为是相对合适的材料。
已知FC-40无毒、不可燃并与大多数材料相容。且FC-40还不会损耗臭氧层。因此，根据作为工作流体的FC-40的热力学原理，饱和温度和压力之间的关系由公式(1)表示log10P(torr)=A-B(T+273)···(1)]]>其中，A＝8.2594，B＝2310，温度T是摄氏度。
图16表示了FC-40和水作为工作流体时饱和压力相对于饱和温度变化的曲线图。表4表示了FC-40在图14中的特定饱和温度下的饱和压力。
表4

为了热管安全工作，热管的合适材料和端帽的厚度根据美国机械工程师学会(即ASME)的压力容器安全测量标准来确定。例如，当柱形热管的厚度为其直径的10％内时，作用在壁上的最大应力(σmax(1))和热管的半球形端帽上的最大应力(σmax(2))表示为σmax(1)=ΔPd02t1----(2)]]>σmax(2)=ΔPd02t2]]>其中， 是热管内部和外部之间的压力差，d0是热管的外径，t1是热管的厚度，t2是端帽的厚度。
根据ASME的规定，在任意温度下的最大允许应力等于在该温度下的最大极限抗拉强度的0.25倍。当热管在工作温度范围内的工作流体蒸汽压力等于工作流体的饱和蒸汽压时，压力差 等于蒸汽压和大气压之间的差值。
图17是对于由铝(Al)、铜(Cu)和304不锈钢(SS304)的热管制成的三种不同结构的定影辊，不同热管材料的极限抗拉强度作为温度变化的函数而变化的曲线图，所选取的温度范围在大约0℃至500℃之间。图18A是表示当FC-40作为由铝、铜和304不锈钢构成的热管的工作流体时，作用在热管壁上的最大允许应力和最大应力变化与温度变化的关系的曲线图。图18B是表示当温度在从大约0℃到300℃的范围内且蒸馏水作为由铝、铜和304不锈钢构成的热管的工作流体时，作用在热管壁上的最大应力变化与温度变化的关系的曲线图。如图18A所示，不锈钢(SS304)的最大允许应力大大高于铜或铝的最大允许应力。对于由不锈钢(SS304)构成的热管和端帽，在大约400℃的工作温度时还能保证在没有流体工作泄漏的情况下进行安全工作。
图19A和19B是表示当分别用FC-10和蒸馏水作为工作流体，且温度范围从超过150℃到小于500℃时，作用在铜热管上的最大应力的变化与管厚度变化的关系的曲线图。如图19A和19B所示，尽管当用FC-10作为工作流体时热管的厚度从0.8mm至1.5mm，而用蒸馏水作为工作流体时热管的厚度从1.0mm至1.8mm，在大于大约165℃但小于200℃的工作温度下，作用在热管上的最大应力并没有很大变化。
图20和21是对于上述定影辊装置的第一实施例，在定影辊中部测量的温度变化(范围为在0℃和400℃之间)与时间(在0和65秒之间的期间内)的关系的曲线图。该定影辊装置有由铜制成的定影辊，并装有作为工作流体的蒸馏水。定影辊的厚度为1.0mm，外径为17.85mm，长度为258mm。该试验是在定影辊转速为47rpm、螺旋电阻加热线圈的电阻为32Ω、电压为200V以及瞬时最大耗电量为大约1.5kW的情况下进行的。螺旋电阻加热线圈直接与定影辊的内部柱形表面接触。
图20表示了装有作为工作流体的蒸馏水的定影辊装置的测量值，该蒸馏水占据了定影辊内部容积的10％。图21表示了装有蒸馏水的定影辊装置的测量值，该蒸馏水占据了定影辊容积的30％。参考图20，该样品用了大约8至12秒来使定影辊的温度从大约22℃的室温升高至大约175℃的工作温度，并在14秒内达到200℃。参考图21，它用了大约13秒来使定影辊的温度从大约22℃的室温升高至大约175℃，并仅用了大约22秒就达到200℃。
比较图20和21的结果，显然，温度升高的速度随装在定影辊的密封内部中的工作流体的容积比例而变化。根据在不同条件下所进行的试验的结果，定影辊可以在工作流体的量为占据定影辊内部空间的5-50％的情况下工作。当只有5-15％的定影辊容积内装有工作流体时，温度升高的速度很高。
与普通的成像装置相比，在温度升高速度方面，对于采用了几种本发明的定影辊装置的可能设计方案中的一种的成像装置，不需要在等待状态时还持续向定影辊供电。尽管在成为成像状态时将供电，根据本发明构成的定影辊装置能够高速形成图像，即还能够使调色剂图像定影，并且比目前的装置更快。
当工作流体的容积大于50％的容积时，温度升高的速度将变得很慢而不实用。同时，当工作流体的容积小于5％的容积时，干透现象将出现或将变得很可能出现，因为工作流体的供给不足，因此，定影辊不能很好地起到热管的作用或者根本不能起到热管的作用。
在根据本发明原理构成的定影辊装置中，供电的电压为90-240伏特，频率为50-70Hz，或者为更高频率。
如上所述，根据本发明构成的定影辊装置包括加热线圈和工作流体，该加热线圈和工作流体在具有极好导热率的金属定影辊本体内，因此，定影辊的表面能瞬时加热至目标定影温度，以便定影转印到印刷纸上的调色剂图像。与普通的卤素灯类型或者利用钯(Pd)、钌(Ru)或碳(C)基加热器的直接表面加热类型的定影辊装置相比，本发明的定影辊能够在很短时间内达到目标定影温度，同时耗电减小，且定影辊的表面温度能够保持均匀。本发明的定影辊装置不需要热机和等待时间，因此，对于装备有本发明的定影辊装置的任意成像装置，例如印刷机、复印机或传真机，都不需要向定影辊供电以准备印刷。这样，成像装置的总耗电量减小。此外，本发明的定影辊装置基于热管的原理，因此，沿定影辊纵向的温度分布能够均匀控制，从而优化提高调色剂的定影特性。
此外，本发明的定影辊装置能够很容易地大排量制造，并能保证安全工作。该定影辊装置部件与其它市场上可购得的部件兼容。该定影辊装置的质量能够很容易地控制。本发明的定影辊装置能够用于高速印刷机。
本发明的定影辊装置和制造定影辊装置的方法有以下优点。
首先，定影辊装置能够通过简单的自动方法制造。
第二，沿热管轴向或纵向的温度变化很小(在±1°范围内)。
第三，该定影辊装置能够很容易地用于高速印刷机。
第四，作为定影辊装置的主要元件的热源和热管能够形成为单独的单元，这样，该定影辊装置能够很容易的大排量制造，并能保证安全工作。该定影辊装置部件与其它市场上可购得的部件兼容。该定影辊装置的质量能够很容易地控制。
第五，由于装于密封热管中的工作流体的连续蒸发和冷凝循环，尽管在高温下热管内部的压力增加(对于FC40，在165℃时为一个大气压或更小)，爆炸或严重变形的危险非常小。
尽管通过本发明的优选实施例特别表示和说明了本发明，但是本领域技术人员应当知道，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对其形式和细节进行多种变化，本发明的精神和范围由附加的权利要求确定。
权利要求
1.一种定影辊组件，包括一柱形定影辊，该柱形定影辊有轴向的空心空腔；一热管，该热管的相对端密封，并提供有保持真空的真空腔室，该热管同轴地位于所述定影辊内；以及一导电螺线圈，该导电螺线圈环绕所述热管的外部柱形表面缠绕，并同轴地插入所述热管的外部柱形表面和所述空心空腔的内部柱形表面之间。
2.根据权利要求1所述的定影辊组件，其中在将所述线圈引入所述空腔之前，所述线圈的外径大于定影辊的内径，并迫使所述线圈的一些圈与所述空心空腔的内部柱形壁接触盘绕。
3.根据权利要求1所述的定影辊组件，其中所述热管由铜形成。
4.根据权利要求1所述的定影辊组件，其中所述定影辊由铝形成。
5.根据权利要求1所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的工作流体。
6.根据权利要求5所述的定影辊组件，其中该工作流体是蒸馏水。
7.根据权利要求5所述的定影辊组件，其中装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室容积的5-50％的范围内。
8.根据权利要求5所述的定影辊组件，其中装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室容积的5-15％的范围内。
9.根据权利要求1所述的定影辊组件，其中，还包括所述线圈的相邻圈，该相邻圈轴向间隔开；以及一个导热材料的垫圈，该垫圈插入所述线圈的所述相邻圈之间。
10.根据权利要求1所述的定影辊组件，其中，还包括所述线圈的相邻圈，该相邻圈轴向间隔开；以及一个导热材料的垫圈，该垫圈插入所述线圈的所述相邻圈之间，所述垫圈同时基本在整个轴向长度上与所述空心空腔的所述内部柱形表面热接触和基本在整个轴向长度上与所述热管的所述外部柱形表面热接触。
11.根据权利要求10所述的定影辊组件，其中，还包括所述定影辊、所述垫圈和所述热管由铝制成。
12.根据权利要求10所述的定影辊组件，其中，还包括所述定影辊由具有第一硬度系数的导热材料制成，所述垫圈由具有较小的第二硬度系数的导热材料制成，所述热管由具有最小的第三硬度的导热材料制成。
13.根据权利要求10所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的一定量的工作流体。
14.根据权利要求13所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室的容积的5-50％的范围内。
15.根据权利要求10所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室的容积的5-15％的范围内。
16.一种定影辊组件，包括一柱形定影辊，该柱形定影辊有轴向的空心空腔；一热管，该热管的相对端密封，并提供有保持真空的真空内部腔室；一导电螺线圈，该导电螺线圈环绕所述热管的外部柱形表面的一轴向长度上缠绕；以及所述热管和所述线圈同轴地位于所述空心轴向内部，且所述线圈插入所述定影辊的内周表面和所述热管的外部柱形表面之间。
17.根据权利要求16所述的定影辊组件，其中，还包括在将所述线圈引入所述空腔之前，所述线圈的外径大于定影辊的内径，并在将所述线圈引入所述空腔后迫使所述线圈的一些圈与所述空心空腔的内部柱形壁接触盘绕。
18.根据权利要求16所述的定影辊组件，其中，还包括所述热管由铜形成。
19.根据权利要求16所述的定影辊组件，其中，还包括所述定影辊由铝形成。
20.根据权利要求16所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的一定量的工作流体。
21.根据权利要求20所述的定影辊组件，其中，还包括该一定量的工作流体是蒸馏水。
22.根据权利要求20所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室容积的5-50％的范围内。
23.根据权利要求20所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室容积的5-15％的范围内。
24.根据权利要求16所述的定影辊组件，其中，还包括所述线圈的相邻圈，该相邻圈轴向间隔开；以及一个导热材料的垫圈，该垫圈插入所述线圈的所述相邻圈之间。
25.根据权利要求16所述的定影辊组件，其中，还包括所述线圈的相邻圈，该相邻圈轴向间隔开；以及一个导热材料的垫圈，该垫圈插入所述线圈的所述相邻圈之间，所述垫圈同时基本在整个轴向长度上与所述内部柱形表面热接触和基本在整个轴向长度上与所述外部柱形表面热接触。
26.根据权利要求24所述的定影辊组件，其中，还包括所述定影辊、所述垫圈和所述热管由铝制成。
27.根据权利要求24所述的定影辊组件，其中，还包括所述定影辊由具有第一硬度系数的导热材料制成，所述垫圈由具有较小的第二硬度系数的导热材料制成，所述热管由具有最小的第三硬度的导热材料制成。
28.根据权利要求24所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的工作流体。
29.根据权利要求24所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室的容积的5-50％的范围内。
30.根据权利要求24所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室的容积的5-15％的范围内。
31.一种定影辊组件，包括一柱形定影辊，该柱形定影辊有空心的轴向空腔；一热管，该热管的相对端密封，并提供有保持真空的真空腔室；一导电螺线圈，该导电螺线圈环绕所述热管的外部柱形表面的一定轴向长度缠绕；一垫圈，该垫圈在所述线圈的相邻圈之间环绕所述热管的所述外部柱形表面螺旋缠绕，使各所述相邻圈保持轴向间隔开；以及所述热管、所述线圈和所述垫圈同轴地位于所述空心轴向内部，且所述线圈和所述垫圈插入所述定影辊的内周表面和所述热管的外部柱形表面之间。
32.根据权利要求31所述的定影辊组件，其中，还包括在将所述线圈引入所述空腔之前，所述线圈的外径大于定影辊的内径，并在将所述线圈引入所述空腔后迫使所述线圈的一些圈与所述空心空腔的内部柱形壁接触盘绕。
33.根据权利要求31所述的定影辊组件，其中，还包括所述热管由铜形成。
34.根据权利要求31所述的定影辊组件，其中，还包括所述定影辊由铝形成。
35.根据权利要求31所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的一定量的工作流体。
36.根据权利要求35所述的定影辊组件，其中，还包括该一定量的工作流体是蒸馏水。
37.根据权利要求35所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室容积的5-50％的范围内。
38.根据权利要求35所述的定影辊组件，其中，还包括装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室容积的5-15％的范围内。
39.一种制造定影辊组件的方法，包括形成具有轴向中心内部空腔的柱形定影辊；形成具有内部腔室的热管；将所述热管插入所述定影辊，以便使所述热管静止、同轴地位于所述内部空腔内，同时，螺旋缠绕的导电加热线圈和多个轴向间隔开的环绕所述热管的外部柱形表面的中心轴向长度的圈。将所述内部腔室抽空；用一定量的工作流体局部充满所述内部腔室；气密密封所述内部腔室；以及提供横跨所述加热线圈的电连接。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，还包括形成具有所述内部空腔的定影辊，该内部空腔具有第一内部直径；将加热线圈缠绕成有第二外部直径，该第二外部直径在所述加热线圈插入所述内部空腔之前大于所述第一直径；在所述插入过程中减小所述第二直径；以及在所述插入后释放所述加热线圈，以便呈现所述第二直径。
41.根据权利要求39所述的方法，其中装于所述热管内的所述工作流体的量为所述内部腔室容积的5-50％的范围内。
42.根据权利要求39所述的方法，其中装于所述热管内的所述工作流体的量为所述腔室容积的5-15％的范围内。
43.根据权利要求39所述的方法，其中，还包括轴向间隔开所述线圈的相邻圈；以及将一个导热材料的垫圈插入所述线圈的所述相邻圈之间。
44.根据权利要求39所述的方法，其中，还包括轴向间隔开所述线圈的相邻圈；以及将一个导热材料的垫圈插入所述线圈的所述相邻圈之间，所述垫圈同时基本在整个轴向长度上与所述空腔的内部柱形表面热接触和基本在整个轴向长度上与所述外部柱形表面热接触。
45.根据权利要求43所述的方法，其中，还包括所述定影辊和所述垫圈由铝制成。
46.根据权利要求43所述的方法，其中，还包括所述定影辊由具有第一硬度系数的导热材料制成，所述垫圈由具有较小的第二硬度系数的导热材料制成，所述热管由具有最小的第三硬度的导热材料制成。
47.根据权利要求43所述的方法，其中装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室的容积的5-50％的范围内。
48.根据权利要求43所述的方法，其中装于所述腔室内的所述工作流体的量为所述腔室的容积的5-15％的范围内。
全文摘要
本发明提供了一种基于热管原理的、改进结构的定影辊组件。该定影辊组件包括定影辊和同轴安装在该定影辊内的热管。电阻加热器环绕热管的外部柱形表面螺旋缠绕,并在定影辊的内部柱形表面和热管的外部柱形表面之间。热管气密密封有装于其内的一定量的工作流体。定影辊的表面能够瞬时加热至目标定影温度。定影辊组件能够在很短的时间内加热至目标定影温度,且不需要热机和等待的时间,因此能减小耗电量。
文档编号H05B3/00GK1360232SQ0114316
公开日2002年7月24日 申请日期2001年12月11日 优先权日2000年12月22日
发明者李庆雨 申请人:三星电子株式会社