JP3558161B2 - 加熱ローラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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を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が使用可能（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に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が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。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
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。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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％以上のクリプトンと臭化物が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。
【００２９】
【発明の効果】
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】
【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。
【符号の説明】
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

Claims (1)

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加熱ローラ。

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