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技術 加熱ローラ

出願人 ウシオ電機株式会社
発明者 杉原壮小田垣徹竹越巧一下中雅俊
出願日 1999年12月16日 (20年3ヶ月経過) 出願番号 1999-357621
公開日 2001年6月29日 (18年8ヶ月経過) 公開番号 2001-176641
状態 特許登録済
技術分野 電子写真における定着 抵抗加熱の制御
主要キーワード ハロゲン白熱電球 トナー像定着装置 昇温状態 バルブ温度 立上がり時間 バルブ外面 封入ガス 秒単位
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2001年6月29日)のものです。
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図面 (4)

課題

加熱ローラヒータランプ封入ガス熱伝導率を小さくすることにより、短時間のうちに加熱ローラの表面温度使用可能な温度に到達させることができる加熱ローラを提供することにある。

解決手段

筒状の金属基材1と、この金属基材1の内部に軸方向に配置されたヒータランプ2とを有する加熱ローラにおいて、ヒータランプ1は、バルブ21内にフィラメントが配置されるとともに、封入ガスが封入されており、この封入ガスの熱伝導率が、110×10-4(W/m・K)以下であることを特徴とする。

概要

背景

電子写真複写機等において、記録材上に形成されたトナー像加熱定着させるための方式として、従来より、加熱ローラとこれに対接配置された加圧ローラとの間に、未定着トナー像が形成された記録材を通過させることにより、前記未定着トナー像を記録材に定着させるヒートローラ方式が広く知られている。

このようなヒートローラ方式の加熱ローラは、ローラ部となる円筒状の金属基材の内部にヒータランプが配置されており、ヒータランプから発せされる熱によって金属基材を所定の温度に加熱することにより未定着トナー像を記録材に加熱定着させる構造になっている。

最近では、ヒートローラ方式の加熱定着装置においては、装置のメインスイッチを入れた直後、短時間のうちに加熱ローラの表面温度使用可能(加熱定着可能)な温度に到達することが要求されており、その到達時間を秒単位で短くすることが要求されている。

秒単位で短くする方法として、円筒状の金属基材の肉厚を薄くすることもなされているが、肉厚を薄くするにも限度があり、極端に肉厚が薄い場合、金属基材の強度が低下するという問題があった。

さらには、金属基材の内部に配置されたヒータランプのバルブ外面と、金属基材の内面との距離を近づける、すなわち、金属基材の内径を小さくすることもなされているが、加熱装置の設計上制約を受ける場合があり、全ての加熱装置において有効な手段ではなかった。

上記のような研究は、専ら、ヒータランプ以外の加熱ローラの構成要素に着目した研究であり、熱源であるヒータランプ自体を研究するものではなかった。発明者らは、ヒータランプ自体に着目し、以下のような点を研究した。

ヒータランプから熱が発せされる原理は、ヒータランプ内に配置されたフィラメント電気エネルギーを供給してフィラメントの温度を上げ、高温になったフィラメントから輻射される熱エネルギーによってヒータランプから熱が発せされるものである。

すなわち、装置のメインスイッチを入れた直後では、フィラメントから輻射された熱エネルギーは、フィラメントの回りに存在するハロゲンおよび希ガスを含む封入ガスに熱が奪われ封入ガスの加熱に利用されてしまい、次に、高温になった封入ガスによってバルブ自体を加熱することに利用されてしまい、つまり、フィラメントから輻射された熱エネルギーのうち封入ガスに吸収されず、封入ガスやバルブを透過して直接金属基材に伝播される熱エネルギーの割合が減ってしまい、金属基材の昇温速度を遅くする原因になっていることが判明した。

さらに、研究した結果、このように封入ガスにフィラメントから輻射された熱エネルギーが奪われる現象は、封入ガスの熱伝導率によって大きく影響されることがわかった。すなわち、従来からのヒータランプの封入ガスは、希ガスとして主にアルゴンが利用され、微量のハロゲン化物封入されているものであり、封入ガスの主たる成分であるアルゴンによって熱伝導率が決定されていた。

この結果、アルゴンの熱伝導率が、177×10-4(W/m・K)と非常に大きな値であるため、フィラメントから輻射された全熱エネルギーのうち何割かは、フィラメントの回りに存在するアルゴンに奪われることになり、結果的に、装置のメインスイッチを入れた直後では、フィラメントから放射される熱エネルギーの全てが、効率よく直接金属基材に伝播されず、金属基材の昇温速度を速めることができないということが判明した。

概要

加熱ローラのヒータランプの封入ガスの熱伝導率を小さくすることにより、短時間のうちに加熱ローラの表面温度を使用可能な温度に到達させることができる加熱ローラを提供することにある。

筒状の金属基材1と、この金属基材1の内部に軸方向に配置されたヒータランプ2とを有する加熱ローラにおいて、ヒータランプ1は、バルブ21内にフィラメントが配置されるとともに、封入ガスが封入されており、この封入ガスの熱伝導率が、110×10-4(W/m・K)以下であることを特徴とする。

目的

本発明は、以上のような問題を解決するために成されたものであって、ヒータランプの封入ガスの熱伝導率を小さくすることにより、従来と同じ電気エネルギーをフィラメントに加え、フィラメントから輻射される全熱エネルギーを従来と同じにしても、本発明の加熱ローラに用いられるヒータランプでは、フィラメントの回りに存在する封入ガスによって奪われる熱エネルギーの割合を従来のヒータランプと比べて小さくすることができるので、装置のメインスイッチを入れた直後、フィラメントから放射された熱エネルギーを非常に高い割合で、効率よく直接金属基材に伝播させることができ、よって、金属基材の昇温速度を速めることができる、すなわち、短時間のうちに加熱ローラの表面温度を使用可能な温度に到達させることができる加熱ローラを提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
3件

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請求項1

筒状の金属基材と、この金属基材の内部に軸方向に配置されたヒータランプとを有する加熱ローラにおいて、前記ヒータランプは、バルブ内にフィラメントが配置されるとともに、封入ガス封入されており、当該封入ガスの熱伝導率が、110×10-4(W/m・K)以下であることを特徴とする加熱ローラ。

技術分野

0001

本発明は、例えば電子写真複写機レーザプリンタファクシミリ等におけるトナー像定着装置などに用いられる加熱ローラに関するものである。

背景技術

0002

電子写真複写機等において、記録材上に形成されたトナー像加熱定着させるための方式として、従来より、加熱ローラとこれに対接配置された加圧ローラとの間に、未定着トナー像が形成された記録材を通過させることにより、前記未定着トナー像を記録材に定着させるヒートローラ方式が広く知られている。

0003

このようなヒートローラ方式の加熱ローラは、ローラ部となる円筒状の金属基材の内部にヒータランプが配置されており、ヒータランプから発せされる熱によって金属基材を所定の温度に加熱することにより未定着トナー像を記録材に加熱定着させる構造になっている。

0004

最近では、ヒートローラ方式の加熱定着装置においては、装置のメインスイッチを入れた直後、短時間のうちに加熱ローラの表面温度使用可能(加熱定着可能)な温度に到達することが要求されており、その到達時間を秒単位で短くすることが要求されている。

0005

秒単位で短くする方法として、円筒状の金属基材の肉厚を薄くすることもなされているが、肉厚を薄くするにも限度があり、極端に肉厚が薄い場合、金属基材の強度が低下するという問題があった。

0006

さらには、金属基材の内部に配置されたヒータランプのバルブ外面と、金属基材の内面との距離を近づける、すなわち、金属基材の内径を小さくすることもなされているが、加熱装置の設計上制約を受ける場合があり、全ての加熱装置において有効な手段ではなかった。

0007

上記のような研究は、専ら、ヒータランプ以外の加熱ローラの構成要素に着目した研究であり、熱源であるヒータランプ自体を研究するものではなかった。発明者らは、ヒータランプ自体に着目し、以下のような点を研究した。

0008

ヒータランプから熱が発せされる原理は、ヒータランプ内に配置されたフィラメント電気エネルギーを供給してフィラメントの温度を上げ、高温になったフィラメントから輻射される熱エネルギーによってヒータランプから熱が発せされるものである。

0009

すなわち、装置のメインスイッチを入れた直後では、フィラメントから輻射された熱エネルギーは、フィラメントの回りに存在するハロゲンおよび希ガスを含む封入ガスに熱が奪われ封入ガスの加熱に利用されてしまい、次に、高温になった封入ガスによってバルブ自体を加熱することに利用されてしまい、つまり、フィラメントから輻射された熱エネルギーのうち封入ガスに吸収されず、封入ガスやバルブを透過して直接金属基材に伝播される熱エネルギーの割合が減ってしまい、金属基材の昇温速度を遅くする原因になっていることが判明した。

0010

さらに、研究した結果、このように封入ガスにフィラメントから輻射された熱エネルギーが奪われる現象は、封入ガスの熱伝導率によって大きく影響されることがわかった。すなわち、従来からのヒータランプの封入ガスは、希ガスとして主にアルゴンが利用され、微量のハロゲン化物封入されているものであり、封入ガスの主たる成分であるアルゴンによって熱伝導率が決定されていた。

0011

この結果、アルゴンの熱伝導率が、177×10-4(W/m・K)と非常に大きな値であるため、フィラメントから輻射された全熱エネルギーのうち何割かは、フィラメントの回りに存在するアルゴンに奪われることになり、結果的に、装置のメインスイッチを入れた直後では、フィラメントから放射される熱エネルギーの全てが、効率よく直接金属基材に伝播されず、金属基材の昇温速度を速めることができないということが判明した。

発明が解決しようとする課題

0012

本発明は、以上のような問題を解決するために成されたものであって、ヒータランプの封入ガスの熱伝導率を小さくすることにより、従来と同じ電気エネルギーをフィラメントに加え、フィラメントから輻射される全熱エネルギーを従来と同じにしても、本発明の加熱ローラに用いられるヒータランプでは、フィラメントの回りに存在する封入ガスによって奪われる熱エネルギーの割合を従来のヒータランプと比べて小さくすることができるので、装置のメインスイッチを入れた直後、フィラメントから放射された熱エネルギーを非常に高い割合で、効率よく直接金属基材に伝播させることができ、よって、金属基材の昇温速度を速めることができる、すなわち、短時間のうちに加熱ローラの表面温度を使用可能な温度に到達させることができる加熱ローラを提供することにある。

課題を解決するための手段

0013

請求項1に記載の加熱ローラは、筒状の金属基材と、この金属基材の内部に軸方向に配置されたヒータランプとを有する加熱ローラにおいて、前記ヒータランプは、バルブ内にフィラメントが配置されるとともに、封入ガスが封入されており、当該封入ガスの熱伝導率が、110×10-4(W/m・K)以下であることを特徴とする。

発明を実施するための最良の形態

0014

本発明の加熱ローラを、図1を用いて説明する。加熱ローラRは、円筒状の金属基材1と、この金属基材1の内部に軸方向に配置されたヒータランプ2とを有するものである。金属基材1は内径30mmのアルミニウム製であり、ヒータランプ2は、バルブ21内に管軸沿ってフィラメント3が配置されており、封入ガスとして99%以上のクリプトン臭化物が1%程度封入されたものであり、100V、800Wで点灯するハロゲン白熱電球である。

0015

ヒータランプ2は、前述したように封入ガスとして99%以上のクリプトンとハロゲン化物が1%程度が封入されたものであり、熱伝導率は、94×10-4(W/m・K)である。

0016

次に、封入ガスの熱伝導率を変えて加熱ローラの昇温状態を求める実験を行った。その結果を図2に示す。図2は、横軸に装置のメインスイッチを入れてヒータランプを点灯させ、その点灯時間(秒)を示し、縦軸に点灯時間におけるヒータランプのバルブ温度と加熱ローラのローラ部である金属基材の温度を示すものである。この実験に用いた加熱ローラは、図1に示す加熱ローラと同様であって、ヒータランプの封入ガスのみを変えて熱伝導率を変えたものであり、それぞれのヒータランプに加える電気エネルギーを等しくして、フィラメントから放射される熱エネルギーを等しくしているものである。なお、図2では、フィラメントの回りに存在する封入ガスに、フィラメントから輻射された熱エネルギーが奪われる量を直接測定することができないので、封入ガスに熱エネルギーが奪われた結果、封入ガスが高温になり結果的にヒータランプのバルブの温度が上がるので、バルブの温度を測定することにより、間接的に封入ガスにフィラメントから輻射された熱エネルギーが奪われる量を求めた。

0017

図2に示されているグラフA1は、封入ガスの熱伝導率が177×10-4(W/m・K)であるときのバルブ温度を示し、グラフA2は、封入ガスの熱伝導率が177×10-4(W/m・K)であるときのローラ部である金属基材の温度を示すものである。このときの封入ガスの成分は、99%のアルゴンと臭化物が1%封入されたものである。

0018

同様にグラフB1は、封入ガスの熱伝導率が170×10-4(W/m・K)であるときのバルブ温度を示し、グラフB2は、封入ガスの熱伝導率が170×10-4(W/m・K)であるときのローラ部である金属基材の温度を示すものである。このときの封入ガスの成分は、93%のアルゴンと6%のクリプトンと1%の臭化物が封入されたものである。

0019

同様にグラフC1は、封入ガスの熱伝導率が130×10-4(W/m・K)であるときのバルブ温度を示し、グラフC2は、封入ガスの熱伝導率が130×10-4(W/m・K)であるときのローラ部である金属基材の温度を示すものである。このときの封入ガスの成分は、62%のアルゴンと37%のキセノンと1%の臭化物が封入されたものである。

0020

同様にグラフD1は、封入ガスの熱伝導率が110×10-4(W/m・K)であるときのバルブ温度を示し、グラフD2は、封入ガスの熱伝導率が110×10-4(W/m・K)であるときのローラ部である金属基材の温度を示すものである。このときの封入ガスの成分は、45%のアルゴンと54%のキセノンと1%の臭化物が封入されたものである。

0021

同様にグラフE1は、封入ガスの熱伝導率が94×10-4(W/m・K)であるときのバルブ温度を示し、グラフE2は、封入ガスの熱伝導率が94×10-4(W/m・K)であるときのローラ部である金属基材の温度を示すものである。このときの封入ガスの成分は、99%のクリプトンと1%の臭化物が封入されたものである。

0022

同様にグラフF1は、封入ガスの熱伝導率が56×10-4(W/m・K)であるときのバルブ温度を示し、グラフF2は、封入ガスの熱伝導率が56×10-4(W/m・K)であるときのローラ部である金属基材の温度を示すものである。このときの封入ガスの成分は、99%のキセノンと1%の臭化物が封入されたものである。

0023

グラフA1、B1、C1、D1、E1、F1からわかるように、封入ガスの熱伝導率が小さくなるにしたがって、ヒータランプ点灯後どの時間においてもバルブの温度が低くなっており、この結果、封入ガスの熱伝導率を下げると、フィラメントから輻射された熱エネルギーは、フィラメントの回りに存在する封入ガスに奪われにくくなることがわかる。

0024

さらに、グラフA2、B2、C2、D2、E2、F2からわかるように、全てのヒータランプのフィラメントに同じ電気エネルギーを加えフィラメントから輻射される熱エネルギーが同じであっても、封入ガスの熱伝導率を小さくするにしたがって、フィラメントから輻射される全熱エネルギーのうち、フィラメントの回りに存在する封入ガスによって奪われる熱エネルギーの割合を小さくすることができるので、フィラメントから放射された熱エネルギーを非常に高い割合で、効率よく直接金属基材に伝播させることができ、金属基材の昇温速度を速くすることができることがわかる。

0025

図3は、封入ガスの熱伝導率と、加熱ローラのローラ部である金属基材の立上がり時間の実験結果を示すデータである。ここで言う立上がり時間とは、ヒータランプの点灯後、すなわち、装置のメインスイッチを入れた直後から、金属基材の温度が180℃に到達するまでの時間を測定したものである。なお、この実験に用いた加熱ローラは、図1に示す加熱ローラと同様であって、ヒータランプの封入ガスのみを変えて熱伝導率を変えたものである。

0026

図3からわかるように、99%のアルゴンと臭化物が1%封入された熱伝導率が177×10-4(W/m・K)の封入ガスでは、立上がり時間が23秒であり、93%のアルゴンと6%のクリプトンと臭化物が1%封入された熱伝導率が170×10-4(W/m・K)の封入ガスでは、立上がり時間が20秒もかかり、立上がり時間が極めて遅く、立上がりを速くしたいという要求を満足するものではなかった。一方、45%のアルゴンと54%のキセノンと臭化物が1%封入された熱伝導率が110×10-4(W/m・K)の封入ガスでは、立上がり時間を18秒以内の17秒に速めることができ、立上がりを速くしたいという要求を満足するものであった。すなわち、図3から熱伝導率が110×10-4(W/m・K)以下であれば、立上がり時間を18秒以内に早めることができ、立上がりを速くすることができることがわかる。

0027

なお、熱伝導率が130×10-4(W/m・K)の封入ガスとは、62%のアルゴンと37%のキセノンと臭化物が1%封入されたものであり、熱伝導率が94×10-4(W/m・K)の封入ガスとは、99%のクリプトンと臭化物が1%封入されたものであり、熱伝導率が56×10-4(W/m・K)の封入ガスとは、99%のキセノンと臭化物が1%封入されたものである。

0028

以上説明したように、封入ガスとして利用できる希ガスはクリプトン、キセノン、アルゴンであり、これらのガスを混合、あるいは、単独で用いることにより、封入ガスの熱伝導率を変えることができる。

発明の効果

0029

ヒータランプの封入ガスの熱伝導率を、110×10-4(W/m・K)以下とすることにより、従来と同じ電気エネルギーをフィラメントに加え、フィラメントから輻射される全熱エネルギーを従来と同じにしても、本発明の加熱ローラに用いられるヒータランプでは、フィラメントの回りに存在する封入ガスによって奪われる熱エネルギーの割合を従来のヒータランプと比べて小さくすることができるので、装置のメインスイッチを入れた直後、フィラメントから放射された熱エネルギーを非常に高い割合で、効率よく直接金属基材に伝播させることができ、よって、金属基材の昇温速度を速めることができ、短時間のうちに加熱ローラの表面温度を使用可能な温度に到達させることができる加熱ローラとなる。

図面の簡単な説明

0030

図1本発明の加熱ローラの説明図である。
図2熱伝導率を変えた加熱ローラの昇温状態を示す実験データである。
図3封入ガスの熱伝導率と、加熱ローラのローラ部である金属基材の立上がり時間の実験結果を示すデータである。

--

0031

1金属基材
2ヒータランプ発光管
3フィラメント
R 加熱ローラ

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