JP3993985B2

JP3993985B2 - Heater, heating roller, fixing device, and image forming apparatus

Info

Publication number: JP3993985B2
Application number: JP2001042316A
Authority: JP
Inventors: 淳中藤; 貴史藤田; 廣和池上
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2021-02-19
Also published as: JP2002246156A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒータ及びこれを備えた加熱ローラ及びこれらを備えた定着装置及びこれらを備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複写機では、像担持体としての感光体に、原稿を読み取った画像情報に基づいて静電潜像を形成し、この静電潜像を現像手段によりトナー像として可視像化し、トナー像を転写紙に転写した後、熱ローラ方式又はベルト定着方式の定着装置で定着するようになっている。定着装置の熱源としては、ハロゲンヒータ等の輻射ヒータ、言い換えると輻射熱源が使用されている。輻射ヒータは、ガラス管内にフィラメントと不活性ガスが封入された構成を有しており、不活性ガスとしては一般に窒素やアルゴン（Ａｒ）が用いられている。輻射ヒータを用いた定着装置は、低コストであること、安全性が高いことなどから、複写機等の画像形成装置で広く使用されている。
【０００３】
熱ローラ方式の定着装置は、加熱ローラと、この加熱ローラとの間で定着ニップ部を形成する加圧ローラとを有しており、定着ニップ部でトナー像を担持した転写紙を挟持・搬送して熱と圧力により定着を行うようになっている。加熱ローラの内部には、かかる輻射ヒータが設けられている。加熱ローラは、輻射ヒータの輻射熱により加熱されて昇温し、転写紙を加熱するもので、かかる加熱方式はいわゆる間接加熱方式と呼ばれている。この方式は、加熱ローラの内面もしくは外面に発熱層を設けて加熱ローラ表面を発熱させるいわゆる直接加熱方式に比べ、加熱ローラが所定の定着温度に昇温するまでの立ち上がり時間が遅い。
【０００４】
近年においては、加熱ローラが肉厚０．８５ｍｍ程度のアルミニウム製もしくは鉄製の薄肉パイプを基体として構成された省エネタイプの定着装置も開発されているが、それでも直接加熱方式に比べて加熱ローラが所定の定着温度に昇温するまでの立ち上がり時間は遅い。
【０００５】
一方、輻射ヒータの一例としてのハロゲンヒータは、タングステンフィラメントをガラス管で覆う構成を有し、ガラス管内には窒素やアルゴンなどの不活性ガス、ヨウ素、臭素、塩素などを含んだ微量のハロゲン物質が封入されている。通常、タングステンは融点以下で蒸発が始まり、徐々に細くなって切れてしまうが、ハロゲンヒータの場合、ガラス管内にハロゲンガスが封入されているため、フィラメントから蒸発したタングステンがハロゲンガスとの反応と分解を繰り返すハロゲンサイクルにより必要な耐久性能を得ている。ガラス管はハロゲンサイクルを維持するに必要な高温に耐えるため、石英ガラスが使用されている。なお、近年、環境対策から、ハロゲン物質を封入しない輻射ヒータや、遠赤外線の輻射を得るためにフィラメントを炭素にした輻射ヒータなども開発されている。
【０００６】
従来より、ハロゲンヒータの熱放射と損失の割合は、定常状態すなわち定着温度状態での実験値として常識的に把握されている。その割合を具体的に説明すると、図４に示すように、加熱ローラ内面に輻射される赤外放射が約８６％、可視放射が約７％、端子損失が約２％、ガラス管での損失が約５％となっている。輻射ヒータを熱源とする間接加熱方式の定着装置は、上述のように低コストであり、安全性が高いなどの利点を有するが、直接加熱方式に比べて加熱ローラが所定の定着温度に昇温するまでの立ち上がり時間が遅く、２０ｓｅｃ以上の立ち上がり時間を要しているのが現状である。
【０００７】
しかし輻射ヒータを備えた定着装置の立ち上がり時間を速くすることができれば、上記利点を活かしながら、このような定着装置を有する画像形成装置の使用性の向上を図れるとともに、未使用時の電源オフ制御による省エネルギー化を達成することができる。そこで輻射ヒータを備えた定着装置の立ち上がり時間について本発明者等が分析を行った結果、以下のことが判明した。
【０００８】
▲１▼輻射ヒータ自体が立ち上がるまで、すなわち、フィラメントの色温度が、フィラメントの放射が安定する２５００Ｋに達するまでに、所定の時間を要すること。１００Ｖ、１２００Ｗのハロゲンヒータでは立ち上がり時間は約１．７秒である。この分だけ加熱ローラの昇温は遅れる。フィラメント自身の立ち上がり時間はフィラメントの熱容量が大きいほど長くなる。すなわち、フィラメントの線径が大きいほど、フィラメントの長さが長いほど、フィラメントの熱容量は大きくなり、フィラメント自身の立ち上がり時間は長くなる。
【０００９】
▲２▼本来、輻射熱源に投入されたエネルギーのうち全てがフィラメントから放射され、加熱部材すなわち加熱ローラの内面で全て輻射されて熱となれば損失がないのであるが、実際はそうはならない。高温のフィラメントは周囲のガスに対流の形で熱を奪われる。また、フィラメントからの輻射のうち一部はガラス管を透過する際に吸収される。これらにより輻射熱源に投入されたエネルギーのうちの何割かが封入ガス及びガラス管の温度上昇に費やされている。本発明者等は、立ち上がり時のハロゲンヒータのガラス管の温度上昇の測定により、投入電力のうちの約１／４が損失となっていることが判った。
【００１０】
図５に、薄肉加熱ローラを用いた省エネタイプの定着装置の加熱ローラ芯金と輻射ヒータのガラス管の温度上昇及び輻射ヒータへの入力電力量を示す。電源オンから約１ｓｅｃの間、温度上昇の遅れが見られる。これはフィラメントのタングステンが定常状態に達するまでの時間であり、電力がその間変化しているのは、タングステンの抵抗の温度依存すなわちＰＴＣ特性によるものである。なお、定常状態に達した後すなわち定常時の電力の安定した領域におけるフィラメントの色温度が定格の色温度として設定されている。
【００１１】
また同図から明らかなように、加熱ローラ芯金が定着温度の１８０℃に達するまでの約１０ｓｅｃで、ガラス管壁は約２３０℃にまで達している。この温度上昇速度とガラスの熱容量から、ガラス管内で吸収されたエネルギー量は、以下の式から約２７０Ｗであると推測される。
熱容量（Ｊ／Ｋ）×温度上昇速度（Ｋ／ｓｅｃ）＝発熱量（Ｗ）
電力は１２００Ｗであるため、タングステンから放射されるエネルギーのうちの約１／４がガラス管に吸収されることによるロスということになる。
【００１２】
図６は、ガラス管と加熱ローラ間の温度差と輻射による熱伝達量の関係を示すグラフである。ガラス管と加熱ローラとの温度差が小さい立ち上がりの時間内においては、ガラス管から加熱ローラへの輻射による熱伝達は無視してよく、ガラス管自体を温めることは全くのロスと考えてよい。但し、ガラス管の温度は、図７に示すように、そのまま制御を行わなければ２分間で６００℃前後まで上昇を続けるため、このような温度になればガラス管から加熱ローラへの輻射も十分大きいものと思われる。
【００１３】
以上の考察から、ガラス管から加熱ローラへの輻射がほとんど無い立ち上がり時間の短い定着装置においては、ガラス管及びガラス管内のガスの影響が特に大きいということができる。従来は、輻射ヒータのガラス管での損失は放射全体の５％程度と考えられてきており、その割合の低さから技術的に避けられないものとして容認されてきた。しかしながら、それは上述のように輻射ヒータの温度が安定する定常状態での損失であり、高速で加熱ローラを立ち上げる省エネタイプの定着装置における立ち上がり時のガラス管及び封入ガスへの熱損失は、図８に示すように、２５％程度であり、定常状態の５倍程度であることが今回の実験で判った。
【００１４】
この立ち上がり時におけるガラス管での損失の割合は、輻射ヒータを用いた定着装置の立ち上がり時間を短くすることに関し、技術的に十分に改良の余地が存在することを意味するものである。従来は定着温度への立ち上がり時間は数十秒であったので、電源投入直後の輻射ヒータ自体の立ち上がり時間である１．７秒は立ち上がり全体に占める割合は小さい。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、定着温度への立ち上がりを１０秒程度まで短くした省エネタイプの定着装置では、電源投入直後の輻射ヒータ自体の立ち上がり時間が大きな意味を持つことになる。また従来より輻射ヒータの長寿命化も問題となっていた。
【００１６】
そこで、本発明は、熱損失が少なく輻射熱源自身の立ち上がり及び定常状態への立ち上がりが速く、また長期間使用できるヒータ及びこれを備えた加熱ローラ及びこれらを備えた定着装置及びこれらを備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置の提供を、その目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、フィラメントと不活性ガスを含む気体とを内部に有するガラス管を備え、トナー像をシート上に定着する定着装置に用いられるヒータにおいて、上記フィラメントの色温度が２５００Ｋ以上であり、上記不活性ガスは、クリプトン又はキセノンが主成分であり、上記ガラス管内における上記気体の全圧が１気圧以上５気圧以下であることを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のヒータを内蔵する加熱ローラにある。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の加熱ローラにおいて、筒状で厚みが０．４ｍｍであることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の加熱ローラを備える定着装置にある。
【００２１】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の定着装置を備える画像形成装置にある。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の画像形成装置において、上記加熱ローラを１０秒以下で定着温度に昇温させることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る画像形成装置としての複写機の全体構成の概略を示している。矢印ａ方向に回転する感光体１の周りには、帯電手段２、クリーニング手段３、レーザ光学系によるレーザビームＬ、トナーを供給して感光体１上の潜像を顕像化する現像スリーブ５を含む現像部７、及び転写手段６が配置されている。
【００２７】
装置１００の下部には矢印ｂ方向に着脱可能な給紙カセット１０が設けられている。給紙カセット１０内に収容されたシートとしての用紙Ｐは、中板１１で支えられ、不図示のスプリングの力によってアーム１２を介して給紙ローラ１３に押し付けられている。不図示の制御部から指令が発せられて給紙ローラ１３が回転することによって給紙カセット１０内の最上紙は、分離パッド１４で重送を防止されながら下流側のレジストローラ対１５まで搬送される。用紙Ｐはレジストローラ対１５により感光体１上の画像と同期するようにタイミングをとられて転写手段６に向けて送り出される。
【００２８】
転写手段６によって感光体１からトナー像としての画像Ｔ（図３参照）を転写された用紙Ｐは、さらに定着装置１６に搬送され、加熱部材としての加熱ローラ１８（定着ローラという場合もある）とこれに圧接対向する加圧ローラ１９とで形成されたニップ部を通され、用紙Ｐおよび画像Ｔが加熱されるとともに加圧されることで、画像Ｔを定着される。定着済みの用紙Ｐは、排紙ローラ対２０によって画像面を下にして排紙口２１より排紙トレイ２２上に排出されてスタックされる。排出される用紙のサイズに対応するため、排紙ストッパ２５は矢印ｃ方向にスライド可能となっている。
【００２９】
装置１００右側に操作面が配置されており、オペレーションパネルとしての操作パネル３０が外装部３１の上部前面すなわち図１の装置１００上右側に突き出ている。また、給紙トレイ３２がピン３３により回動可能に取り付けられている。図中左側に配置されたケース３４内には、電源３５やエンジンドライバーボードとしてのプリント板３６等の電送、制御部が収納される。また、コントローラボードとしての制御手段３７も収納されている。排紙トレイ２２を構成しているカバー３８は、回動支点３９を中心に開放可能となっている。
【００３０】
定着装置１６は、図２に示すように、加熱ローラ１８と、これに図示しないスプリングの付勢力で押し当てられた加圧ローラ１９を有している。加熱ローラ１８は、アルミニウム製の中空円筒状の薄肉パイプ２７を基体としており、その外径は４０ｍｍ、厚みは０．４ｍｍである。薄肉パイプ２７の外面には、定着後の用紙Ｐの分離性を向上させるためにフッ素系の表面離型層２６が形成されている。加圧ローラ１９は、芯金４０と、弾性材料としての発泡シリコンゴム層４２を有している。
【００３１】
ヒータとしての輻射ヒータ２３は、薄肉パイプ２７内の空間に配設されており、発熱体としてのタングステンフィラメント２９をガラス管２８で覆う構成を有し、ガラス管２８内にはタングステンフィラメント２９の酸化を防ぐ窒素や、不活性ガス、及びヨウ素、臭素、塩素などを含むハロゲン物質を成分とする気体が封入されている。気体の全圧は１気圧以上に設定されている。上述した制御部の制御により不図示の通電手段がタングステンフィラメント２９への通電を行い発熱させると、輻射ヒータ２３は昇温する。この昇温は次に述べるように速やかに行われる。加熱ローラ１８は輻射ヒータ２３を熱源として昇温し、上述したように用紙Ｐ及び用紙Ｐ上の画像Ｔを加熱する。輻射ヒータ２３が速やかに昇温することで加熱ローラ２３の温度も速やかに上昇する。
【００３２】
本実施形態では不活性ガスとして、クリプトン（Ｋｒ）を主成分としたものを使用している。上述のように、フィラメントからの放射のうち約１／４がガラス管及びガラス管内のガスに吸収されて損失となり、これが立ち上がり時間を遅くする要因の一つであるが、本実施形態ではガラス管内のガスによる対流による熱伝達に係る損失に着目し、その改善を図ったものである。すなわち、不活性ガスによるガラス管２８内での熱移動を抑制し、ガラス管２８でのエネルギーロスを極力少なくしようというものである。そのために、不活性ガスの成分と、ガラス管２８内の気体の全圧を上述のように最適化しており、これによってエネルギーロスの低減に関し大きな効果を得ている。
【００３３】
なお、従来においては、色温度が３０００Ｋを超える照明用ランプで２、３気圧の封入が行われる例があるが、ガラス管２８内の気体の全圧についてはほとんど考慮されず、気体の封入は１気圧未満で行われていた。また、従来の輻射ヒータでは、不活性ガスとして一般に窒素やアルゴンが用いられているが、本実施形態のように熱伝導率が低いクリプトンを使用することにより、ガラス管２８内でのガスの熱伝導性に起因するエネルギーロスを低減できる。同様の作用を奏する不活性ガスとしてはキセノンがあり、不活性ガスとしてキセノンを用いることもできる。エネルギーロスを低減し立ち上がりを向上するという作用およびコストに関し、ともに、アルゴン≪クリプトン＜キセノンという関係がある。
【００３４】
ここで、アルゴン、クリプトン、キセノンの熱伝導率を比較すると、アルゴンよりもクリプトンが低く、クリプトンよりもキセノンが低い。換言すれば、アルゴンよりもクリプトンが分子量が大きく、クリプトンよりもキセノンが分子量が大きい。対流熱損失は、温度差（フィラメント−ガラス内面）×損失長さ×Ｎｕ（ヌッセルト数）×ガスの熱伝導率で求まる。ガラス内面温度は正確に測定できないため、ガラス内面温度とガスの種類によりＮｕ数も変化するため、定量的な議論は困難であるが、熱伝導率の差を基準とすれば対流熱損失の低減対策におけるガス選定が明確且つ容易となる。
【００３５】
ガラス管２８内でのガスによる対流熱損失を抑制する場合、分子量の観点から不活性ガスを選定してもよい。分子量の大きいガスは対流が抑制できることに加えて、タングステンフィラメント２９の蒸発を抑制する効果（「照明ハンドブック」社団法人照明学会編株式会社オーム社ｐ．１５７あるいは特開平７−６５７９８号公報）もあり、高寿命化を達成できる利点もあるからである。
【００３６】
このように、本実施形態では、クリプトンまたはキセノンのような分子量の大きいガスを用いていることにより、タングステンフィラメント２９の蒸発を抑制し、高寿命化を達成する効果を奏するが、封入ガスの全圧が高いことも同様の効果に寄与している。ただし、封入ガスの圧力を上げすぎても、ガラス管２８の破損、封入ガスのリークなどを招きやすくなるおそれがあるため、本実施形態では、封入ガス圧が高くなりすぎないように抑えること、具体的には、かかる気体の全圧を５気圧以下とすることで、かかる不具合を回避している。
【００３７】
また、本実施形態では、輻射ヒータ２３自体の立ち上がり遅れを低減することを目的としており、タングステンフィラメント２９の細線化によって、タングステンフィラメント２９の色温度を、加熱ローラ１８を１０秒以下で定着温度に昇温させ得る温度としている。具体的には、タングステンフィラメント２９の定常時の色温度を２５００Ｋ以上としている。
【００３８】
色温度とは、ある放射体の光色に等しい光色を持つ完全放射体の温度であり、色温度計により測定される。色温度は、フィラメントの線径、長さ、封入ガスの種類、入力電力によって決まる。輻射ヒータ２３の定格すなわち電圧、電力が決まれば抵抗が決まるため、タングステンフィラメント２９の線径と長さを調整することになる。抵抗は長さに比例し、断面積に反比例するので、例えば線径が８０％のフィラメントを使用すれば同じ抵抗のヒータを作製するのに長さは６４％（＝０．８＾２）となり、熱容量、言い換えると体積は４０．９６％（＝０．８＾４）となる。線径を８０％にすれば、同じ発熱量でフィラメントを同等の温度とするのに要する時間が約４０％となるのである。
【００３９】
フィラメントの線径が小さいほど長さが短くなるが、抵抗が同じであれば全体の発熱量は同じであるので、フィラメント線径が小さいほど単位長さ当たりの発熱量は大きくなり、色温度は高くなる。入力電力が同じ場合、タングステンフィラメント２９を細くして熱容量を小さくすると、フィラメントの色温度が上昇し、同時に、タングステンフィラメント２９の蒸発が促進され、寿命低下を招くおそれがあるが、本実施形態ではガラス管２８内に封入された気体の全圧が高く設定されているので、フィラメントの色温度を２５００Ｋ以上に設定しても寿命低下は抑制されている。
【００４０】
本実施形態では、ガス圧が高いこと、分子量の大きい不活性ガスを用いることによりタングステンフィラメント２９の蒸発が抑制され、従来と同等の寿命を維持しながら、立ち上がり時間を短くすることができる。本実施形態では、タングステンフィラメント２９の定常時の色温度を２５００Ｋとするべく、タングステンフィラメント２９の線径を小さくしたが、輻射ヒータ２３自身の立ち上がり時間の速さのみを得るには、入力電力を大きくすることによって色温度を高くしても良い。
【００４１】
上記実施形態では熱ローラ方式の定着装置を示したが、図３に示すようなベルト定着方式の定着装置においても同様に実施することができる。同図において、上記実施形態と同一部分は同一符号で示している。弾性層７０ａを有する定着ローラ７０と加熱部材としての加熱ローラ１８との間には、定着ベルト７２が掛け回され、定着ローラ７０に定着ベルト７２を介して加圧ローラ１９が圧接されている。定着ベルト７２が加熱ローラ１８により加熱され、トナー像を担持した用紙Ｐが定着ニップ部に進入することにより定着がなされる。本実施形態では、加熱ローラ１８を介して定着ベルト７２を加熱しているが、輻射ヒータ２３からの輻射により定着ベルト７２を直接加熱してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、フィラメントと不活性ガスを含む気体とを内部に有するガラス管を備え、トナー像をシート上に定着する定着装置に用いられるヒータにおいて、上記フィラメントの色温度が２５００Ｋ以上であり、上記不活性ガスは、クリプトン又はキセノンが主成分であり、上記ガラス管内における上記気体の全圧が１気圧以上５気圧以下であるので、ガラス管内における気体の対流及び熱伝導性に起因する熱損失を抑制しフィラメントの定常状態への立ち上がりが速く、またガラス管の壁に奪われる熱のロスを減少させること及び色温度を適正化することで１０秒以下で昇温することが可能であるなど昇温時間を短縮できるとともに消費エネルギーを抑制することができ、また同時に分子量の大きな不活性ガスによりフィラメントの蒸発を抑制して長寿命とすることができるヒータを提供することができる。ガラス管内における気体の全圧が５気圧以下であるので、ガラス管の破損、気体のリーク等を防止しつつ、消費エネルギーを抑えながらも立ち上がりが速く、昇温時間を短縮して定着装置の立ち上がりを速やかに行うことができるとともに長寿命とすることができるヒータを提供することができる。
【００４３】
本発明は、請求項１記載のヒータを内蔵する加熱ローラにあるので、かかる効果を奏するヒータを有し、昇温時間を短縮した加熱ローラを提供することができる。
【００４４】
本発明は、請求項２又は３記載の加熱ローラを備える定着装置にあるので、かかる効果を奏する加熱ローラを有し、昇温時間を短縮して立ち上がりを速やかに行うことができる定着装置を提供することができる。
【００４５】
本発明は、請求項４記載の定着装置を備える画像形成装置にあるので、かかる効果を奏する定着装置を有し、昇温に関する立ち上がりが速やかな画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る画像形成装置としての複写機の全体概要正面図である。
【図２】図１に示した定着装置の概要正面図である。
【図３】定着装置の他の実施形態における概要正面図である。
【図４】定常状態における輻射ヒータの熱放射と損失の割合を示すグラフである。
【図５】従来における薄肉加熱ローラを用いた省エネタイプの定着装置の加熱ローラとガラス管の温度上昇の関係及び輻射ヒータへの入力電力量を示すグラフである。
【図６】ガラス管と加熱ローラ間の温度差と輻射による熱伝達量の関係を示すグラフである。
【図７】ガラス管の温度上昇を示すグラフである。
【図８】立ち上がり時における輻射ヒータの熱放射と損失の割合を示すグラフである。
【符号の説明】
１６定着装置
１８加熱部材
２３ヒータ
２８ガラス管
２９発熱体
１００画像形成装置
Ｐシート
Ｔトナー像[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heater, a heating roller including the heater, a fixing device including the heater, and an image forming apparatus such as a copying machine, a printer, and a facsimile including the heater.
[0002]
[Prior art]
In a copying machine, an electrostatic latent image is formed on a photoconductor as an image carrier based on image information obtained by reading an original, and the electrostatic latent image is visualized as a toner image by a developing unit. After transfer onto the transfer paper, the image is fixed by a heat roller type or belt fixing type fixing device. As a heat source of the fixing device, a radiant heater such as a halogen heater, in other words, a radiant heat source is used. The radiation heater has a configuration in which a filament and an inert gas are enclosed in a glass tube, and nitrogen or argon (Ar) is generally used as the inert gas. Fixing devices using a radiant heater are widely used in image forming apparatuses such as copying machines because of their low cost and high safety.
[0003]
The heat roller type fixing device has a heating roller and a pressure roller that forms a fixing nip portion between the heating roller, and sandwiches and conveys a transfer paper carrying a toner image at the fixing nip portion. Thus, fixing is performed by heat and pressure. Such a radiant heater is provided inside the heating roller. The heating roller is heated by the radiant heat of the radiant heater to raise the temperature and heat the transfer paper. This heating method is called an indirect heating method. This method has a slower rise time until the heating roller rises to a predetermined fixing temperature than a so-called direct heating method in which a heating layer is provided on the inner surface or outer surface of the heating roller to generate heat on the surface of the heating roller.
[0004]
In recent years, energy-saving fixing devices have been developed in which the heating roller is made of an aluminum or iron thin pipe with a wall thickness of about 0.85 mm. However, the heating roller is still more specific than the direct heating method. The rise time until the temperature is raised to the fixing temperature is slow.
[0005]
On the other hand, a halogen heater as an example of a radiant heater has a structure in which a tungsten filament is covered with a glass tube, and the glass tube contains a trace amount of a halogen substance containing an inert gas such as nitrogen or argon, iodine, bromine, chlorine or the like. Is enclosed. Normally, tungsten starts to evaporate below the melting point and gradually thins and breaks. However, in the case of a halogen heater, since halogen gas is enclosed in a glass tube, tungsten evaporated from the filament reacts with the halogen gas. The required durability performance is obtained by the halogen cycle which repeats decomposition. Quartz glass is used because glass tubes withstand the high temperatures necessary to maintain the halogen cycle. In recent years, radiation heaters that do not enclose halogen substances and radiation heaters that use filaments of carbon to obtain far-infrared radiation have been developed as environmental measures.
[0006]
Conventionally, the ratio between the heat radiation and the loss of the halogen heater is commonly known as an experimental value in a steady state, that is, a fixing temperature state. Specifically, as shown in FIG. 4, the infrared radiation radiated to the inner surface of the heating roller is about 86%, the visible radiation is about 7%, the terminal loss is about 2%, and the loss in the glass tube is shown in FIG. Is about 5%. As described above, the indirect heating type fixing device using a radiation heater as a heat source has advantages such as low cost and high safety, but the heating roller is heated to a predetermined fixing temperature as compared with the direct heating method. The current rise time is slow and requires a rise time of 20 seconds or longer.
[0007]
However, if the rise time of the fixing device provided with the radiation heater can be made faster, the usability of the image forming apparatus having such a fixing device can be improved while taking advantage of the above advantages, and the power-off control when not in use Energy saving can be achieved. Therefore, as a result of the analysis of the rise time of the fixing device provided with the radiant heater, the present inventors have found the following.
[0008]
(1) A predetermined time is required until the radiation heater itself starts up, that is, until the color temperature of the filament reaches 2500 K at which the filament radiation is stabilized. With a halogen heater of 100V and 1200W, the rise time is about 1.7 seconds. The temperature rise of the heating roller is delayed by this amount. The rise time of the filament itself increases as the heat capacity of the filament increases. That is, the larger the filament diameter, the longer the filament length, the greater the heat capacity of the filament and the longer the rise time of the filament itself.
[0009]
{Circle around (2)} Originally, all of the energy input to the radiant heat source is radiated from the filament and radiated from the heating member, that is, the inner surface of the heating roller, and becomes heat, there is no loss, but this is not the case. The hot filament is deprived of heat in the form of convection by the surrounding gas. A part of the radiation from the filament is absorbed when passing through the glass tube. As a result, some of the energy input to the radiant heat source is spent on raising the temperature of the sealed gas and the glass tube. The inventors of the present invention have found that about 1/4 of the input power is a loss by measuring the temperature rise of the glass tube of the halogen heater at the time of startup.
[0010]
FIG. 5 shows the temperature rise of the heating roller mandrel and the glass tube of the radiation heater and the amount of electric power input to the radiation heater of an energy saving type fixing device using a thin heating roller. There is a delay in temperature rise for about 1 sec after the power is turned on. This is the time required for the tungsten of the filament to reach a steady state, and the power is changing during this time due to the temperature dependence of the resistance of the tungsten, that is, the PTC characteristics. Note that the color temperature of the filament after the steady state is reached, that is, in the region where the power is stable during the steady state, is set as the rated color temperature.
[0011]
As is apparent from the figure, the glass tube wall reaches about 230 ° C. in about 10 seconds until the heating roller core reaches the fixing temperature of 180 ° C. From this temperature rise rate and the heat capacity of the glass, the amount of energy absorbed in the glass tube is estimated to be about 270 W from the following equation.
Heat capacity (J / K) x temperature rise rate (K / sec) = calorific value (W)
Since the electric power is 1200 W, it means that about 1/4 of the energy emitted from tungsten is absorbed by the glass tube.
[0012]
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the temperature difference between the glass tube and the heating roller and the amount of heat transfer due to radiation. Within the rise time when the temperature difference between the glass tube and the heating roller is small, heat transfer due to radiation from the glass tube to the heating roller may be ignored, and heating the glass tube itself may be considered a complete loss. However, as shown in FIG. 7, the temperature of the glass tube continues to rise to around 600 ° C. in 2 minutes unless it is controlled as it is. Therefore, radiation from the glass tube to the heating roller is sufficient at such a temperature. It seems to be big.
[0013]
From the above consideration, it can be said that the influence of the glass tube and the gas in the glass tube is particularly large in the fixing device having a short rise time with almost no radiation from the glass tube to the heating roller. Conventionally, it has been considered that the loss in the glass tube of the radiant heater is about 5% of the total radiation, and it has been accepted as technically inevitable due to the low ratio. However, it is a loss in a steady state where the temperature of the radiant heater is stabilized as described above, and the heat loss to the glass tube and sealed gas at the start-up in the energy-saving type fixing device that starts up the heating roller at high speed is shown in FIG. As shown in FIG. 8, it was found in this experiment that it is about 25% and about 5 times the steady state.
[0014]
The ratio of the loss in the glass tube at the time of rising means that there is sufficient room for improvement in terms of shortening the rising time of the fixing device using the radiation heater. Conventionally, the rise time to the fixing temperature is several tens of seconds, and therefore the ratio of the rise time of the radiant heater itself immediately after power-on to 1.7 seconds is small in the total rise.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the energy saving type fixing device in which the rise to the fixing temperature is shortened to about 10 seconds, the rise time of the radiant heater itself immediately after power-on is significant. In addition, extending the life of the radiant heater has been a problem.
[0016]
In view of this, the present invention provides a heater with a small heat loss, a rapid rise of the radiant heat source itself and a steady state, and a heater that can be used for a long period of time, a fixing roller including the heater, and a copying apparatus including the heater. An object of the present invention is to provide an image forming apparatus such as a printer, a printer, or a facsimile.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, a first aspect of the present invention, comprises a glass tube having a gas containing filaments and an inert gas therein, the heater used in the fixing device for fixing a toner image on a sheet, the The color temperature of the filament is 2500 K or more, the inert gas is mainly composed of krypton or xenon, and the total pressure of the gas in the glass tube is 1 to 5 atm .
[0018]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a heating roller including the heater according to the first aspect.
[0019]
A third aspect of the present invention is the heating roller according to the second aspect, characterized in that it is cylindrical and has a thickness of 0.4 mm.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fixing device including the heating roller according to the second or third aspect.
[0021]
A fifth aspect of the present invention is an image forming apparatus including the fixing device according to the fourth aspect.
[0022]
According to a sixth aspect of the present invention, in the image forming apparatus according to the fifth aspect, the heating roller is heated to a fixing temperature in 10 seconds or less.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows the overall configuration of a copying machine as an image forming apparatus according to an embodiment of the present invention. A developing sleeve 5 that visualizes a latent image on the photosensitive member 1 by supplying a charging unit 2, a cleaning unit 3, a laser beam L by a laser optical system, and toner around the photosensitive member 1 rotating in the direction of arrow a. The developing unit 7 including the transfer unit 6 and the transfer unit 6 are disposed.
[0027]
A sheet feeding cassette 10 detachable in the direction of arrow b is provided at the lower part of the apparatus 100. A sheet P as a sheet accommodated in the sheet feeding cassette 10 is supported by the intermediate plate 11 and pressed against the sheet feeding roller 13 via the arm 12 by the force of a spring (not shown). When a command is issued from a control unit (not shown) and the sheet feeding roller 13 rotates, the uppermost sheet in the sheet feeding cassette 10 is conveyed to the downstream registration roller pair 15 while being prevented from being double-fed by the separation pad 14. The The sheet P is sent to the transfer unit 6 at a timing so as to be synchronized with the image on the photosensitive member 1 by the registration roller pair 15.
[0028]
The sheet P, onto which the image T (see FIG. 3) as a toner image has been transferred from the photosensitive member 1 by the transfer means 6, is further conveyed to the fixing device 16, and is heated by a heating roller 18 (sometimes referred to as a fixing roller) as a heating member. Then, the sheet P and the image T are heated and pressed through the nip portion formed by the pressure roller 19 that is in pressure contact with the image T, whereby the image T is fixed. The fixed paper P is discharged and stacked on the paper discharge tray 22 from the paper discharge port 21 with the image roller side down by the paper discharge roller pair 20. In order to correspond to the size of the discharged paper, the paper discharge stopper 25 is slidable in the direction of arrow c.
[0029]
An operation surface is arranged on the right side of the apparatus 100, and an operation panel 30 as an operation panel protrudes from the upper front surface of the exterior portion 31, that is, the right side on the apparatus 100 in FIG. Further, the paper feed tray 32 is rotatably attached by pins 33. In the case 34 arranged on the left side in the figure, a power transmission and control unit such as a power source 35 and a printed board 36 as an engine driver board are accommodated. A control means 37 as a controller board is also housed. The cover 38 constituting the paper discharge tray 22 can be opened around the rotation fulcrum 39.
[0030]
As shown in FIG. 2, the fixing device 16 has a heating roller 18 and a pressure roller 19 pressed against the heating roller 18 by a biasing force of a spring (not shown). The heating roller 18 has a hollow cylindrical thin-walled pipe 27 made of aluminum as a base, and has an outer diameter of 40 mm and a thickness of 0.4 mm. A fluorine-based surface release layer 26 is formed on the outer surface of the thin-walled pipe 27 in order to improve the separation of the paper P after fixing. The pressure roller 19 includes a cored bar 40 and a foamed silicon rubber layer 42 as an elastic material.
[0031]
The radiant heater 23 as a heater is disposed in a space in the thin-walled pipe 27 and has a configuration in which a tungsten filament 29 as a heating element is covered with a glass tube 28, and the oxidation of the tungsten filament 29 is performed in the glass tube 28. A gas containing nitrogen, an inert gas, and a halogen substance containing iodine, bromine, chlorine, or the like as a component is enclosed. The total gas pressure is set to 1 atm or higher. When the energizing means (not shown) energizes the tungsten filament 29 by the control of the control unit described above to generate heat, the radiant heater 23 is heated. This temperature increase is performed promptly as described below. The heating roller 18 heats up the radiation heater 23 as a heat source, and heats the paper P and the image T on the paper P as described above. As the radiant heater 23 quickly rises in temperature, the temperature of the heating roller 23 also rises quickly.
[0032]
In the present embodiment, an inert gas containing krypton (Kr) as a main component is used. As described above, about ¼ of the radiation from the filament is absorbed by the glass tube and the gas in the glass tube and becomes a loss. This is one of the factors that slow the rise time. We focused on the loss related to heat transfer due to convection due to the gas and aimed to improve it. That is, the heat transfer by the inert gas in the glass tube 28 is suppressed, and the energy loss in the glass tube 28 is to be reduced as much as possible. Therefore, the components of the inert gas and the total pressure of the gas in the glass tube 28 are optimized as described above, thereby obtaining a great effect on the reduction of energy loss.
[0033]
Conventionally, there is an example in which sealing of a few atmospheres is performed with an illumination lamp having a color temperature exceeding 3000K, but the total pressure of the gas in the glass tube 28 is hardly considered, and the gas sealing is not It was carried out at less than 1 atmosphere. Further, in the conventional radiant heater, nitrogen or argon is generally used as an inert gas. However, by using krypton having a low thermal conductivity as in this embodiment, the heat of the gas in the glass tube 28 is used. Energy loss due to conductivity can be reduced. There is xenon as an inert gas having the same action, and xenon can also be used as the inert gas. There is a relationship of argon << krypton <xenon regarding both the effect and cost of reducing energy loss and improving start-up.
[0034]
Here, when the thermal conductivities of argon, krypton, and xenon are compared, krypton is lower than argon and xenon is lower than krypton. In other words, krypton has a higher molecular weight than argon, and xenon has a higher molecular weight than krypton. The convective heat loss is obtained by a temperature difference (filament-glass inner surface) × loss length × Nu (Nussell number) × gas thermal conductivity. Since the glass inner surface temperature cannot be measured accurately, the Nu number also varies depending on the glass inner surface temperature and the type of gas, so it is difficult to discuss quantitatively. However, if the difference in thermal conductivity is used as a reference, convective heat loss can be reduced. Gas selection as a countermeasure is clear and easy.
[0035]
In order to suppress convective heat loss due to gas in the glass tube 28, an inert gas may be selected from the viewpoint of molecular weight. In addition to being able to suppress convection, a gas having a high molecular weight has the effect of suppressing evaporation of the tungsten filament 29 ("Lighting Handbook", edited by the Illuminating Society of Japan, Ohm Co., Ltd. p.157 or JP-A-7-65798). This is because there is an advantage that a long life can be achieved.
[0036]
As described above, in this embodiment, by using a gas having a large molecular weight such as krypton or xenon, the evaporation of the tungsten filament 29 is suppressed, and the effect of achieving a long life is achieved. High pressure also contributes to the same effect. However, even if the pressure of the sealed gas is increased too much, the glass tube 28 may be damaged, the leaked sealed gas may easily be caused. Therefore, in the present embodiment, the sealed gas pressure is suppressed so as not to become too high. Specifically, such a problem is avoided by setting the total pressure of the gas to 5 atm or less.
[0037]
Further, the present embodiment aims to reduce the rise delay of the radiant heater 23 itself. By thinning the tungsten filament 29, the color temperature of the tungsten filament 29 is set to the fixing temperature in 10 seconds or less. The temperature can be raised. Specifically, the color temperature of the tungsten filament 29 in a steady state is set to 2500K or more.
[0038]
The color temperature is the temperature of a complete radiator having a light color equal to the light color of a certain radiator, and is measured by a color thermometer. The color temperature is determined by the filament diameter, length, type of sealed gas, and input power. Since the resistance is determined when the rating, that is, the voltage and power of the radiant heater 23 is determined, the wire diameter and length of the tungsten filament 29 are adjusted. Since resistance is proportional to length and inversely proportional to cross-sectional area, for example, if a filament with a wire diameter of 80% is used, the length will be 64% (= 0.8 ^ 2) to produce a heater with the same resistance. The heat capacity, in other words, the volume is 40.96% (= 0.8 ^ 4). If the wire diameter is 80%, the time required to bring the filament to the same temperature with the same calorific value is about 40%.
[0039]
The smaller the filament wire diameter, the shorter the length, but if the resistance is the same, the total heat generation is the same, so the smaller the filament wire diameter, the greater the heat generation per unit length, and the color temperature is Get higher. When the input power is the same, if the tungsten filament 29 is thinned and the heat capacity is reduced, the color temperature of the filament rises, and at the same time, evaporation of the tungsten filament 29 may be promoted, leading to a decrease in life. Since the total pressure of the gas sealed in the glass tube 28 is set high, the life reduction is suppressed even if the color temperature of the filament is set to 2500K or higher.
[0040]
In the present embodiment, the evaporation of the tungsten filament 29 is suppressed by using an inert gas having a high gas pressure and a high molecular weight, and the rise time can be shortened while maintaining the same life as that of the prior art. In the present embodiment, the wire diameter of the tungsten filament 29 is reduced so that the color temperature of the tungsten filament 29 at a steady state is 2500 K. However, in order to obtain only the rise time of the radiant heater 23 itself, the input power is The color temperature may be increased by increasing the color temperature.
[0041]
Although the heat roller type fixing device is shown in the above embodiment, the present invention can be similarly applied to a belt fixing type fixing device as shown in FIG. In the figure, the same parts as those in the above embodiment are indicated by the same reference numerals. A fixing belt 72 is wound around the fixing roller 70 having the elastic layer 70 a and the heating roller 18 as a heating member, and the pressure roller 19 is pressed against the fixing roller 70 via the fixing belt 72. The fixing belt 72 is heated by the heating roller 18, and the sheet P carrying the toner image enters the fixing nip portion, and fixing is performed. In the present embodiment, the fixing belt 72 is heated via the heating roller 18, but the fixing belt 72 may be directly heated by radiation from the radiation heater 23.
[0042]
【The invention's effect】
The present invention includes a glass tube having a filament and a gas containing an inert gas therein, and a heater used in a fixing device that fixes a toner image on a sheet, wherein the filament has a color temperature of 2500 K or more, The inert gas is mainly composed of krypton or xenon, and the total pressure of the gas in the glass tube is 1 atm or more and 5 atm or less . Therefore, heat loss due to gas convection and thermal conductivity in the glass tube is reduced. suppressing fast rising to the steady state of the filament, also like it is possible to raise the temperature at 10 seconds or less by optimizing the Rukoto and color temperature reduces the loss of deprived heat to the wall of the glass tube it is possible to reduce the consumption energy can be shortened to heating time and suppress the evaporation of the filament due to the large inert gas at the same time molecular weight It is possible to provide a heater which can be a long life with. Since the total gas pressure in the glass tube is 5 atm. Or less, the glass tube breakage, gas leakage, etc. are prevented, while the energy consumption is reduced, the rise is fast, the temperature rise time is shortened, and the fixing device rises. Thus, it is possible to provide a heater that can perform the process quickly and have a long life.
[0043]
Since this invention exists in the heating roller which incorporates the heater of Claim 1, it has a heater which has this effect and can provide the heating roller which shortened temperature rising time.
[0044]
Since the present invention is a fixing device comprising the heating roller according to claim 2 or 3, the present invention provides a fixing device having a heating roller that exhibits this effect and capable of shortening the temperature rise time and quickly starting up. can do.
[0045]
Since the present invention is an image forming apparatus including the fixing device according to the fourth aspect, it is possible to provide an image forming apparatus having a fixing device that exhibits such an effect and having a rapid rise in temperature rise.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall schematic front view of a copying machine as an image forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic front view of the fixing device shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a schematic front view of another embodiment of the fixing device.
FIG. 4 is a graph showing a ratio of heat radiation and loss of a radiation heater in a steady state.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the temperature rise of a heating roller and a glass tube of an energy saving type fixing device using a conventional thin heating roller, and the amount of electric power input to the radiation heater.
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a temperature difference between a glass tube and a heating roller and a heat transfer amount due to radiation.
FIG. 7 is a graph showing a temperature rise of a glass tube.
FIG. 8 is a graph showing the ratio of heat radiation and loss of the radiation heater at the time of startup.
[Explanation of symbols]
16 Fixing device 18 Heating member 23 Heater 28 Glass tube 29 Heating element 100 Image forming device P Sheet T Toner image

Claims

フィラメントと不活性ガスを含む気体とを内部に有するガラス管を備え、
トナー像をシート上に定着する定着装置に用いられるヒータにおいて、
上記フィラメントの色温度が２５００Ｋ以上であり、
上記不活性ガスは、クリプトン又はキセノンが主成分であり、
上記ガラス管内における上記気体の全圧が１気圧以上５気圧以下であることを特徴とするヒータ。A glass tube having a filament and a gas containing an inert gas inside ,
In a heater used in a fixing device for fixing a toner image on a sheet ,
The filament has a color temperature of 2500 K or higher,
The inert gas is mainly composed of krypton or xenon,
The heater characterized in that the total pressure of the gas in the glass tube is 1 atm or more and 5 atm or less .

請求項１記載のヒータを内蔵する加熱ローラ。 A heating roller incorporating the heater according to claim 1.

請求項２記載の加熱ローラにおいて、筒状で厚みが０．４ｍｍであることを特徴とする加熱ローラ。 3. The heating roller according to claim 2, wherein the heating roller is cylindrical and has a thickness of 0.4 mm.

請求項２又は３記載の加熱ローラを備える定着装置。 A fixing device comprising the heating roller according to claim 2.

請求項４記載の定着装置を備える画像形成装置。 An image forming apparatus comprising the fixing device according to claim 4.

請求項５記載の画像形成装置において、上記加熱ローラを１０秒以下で定着温度に昇温させることを特徴とする画像形成装置。 6. The image forming apparatus according to claim 5, wherein the heating roller is heated to a fixing temperature in 10 seconds or less.