加熱裝置和具有該裝置的定影設備的製作方法
2023-05-20 14:33:31
專利名稱：加熱裝置和具有該裝置的定影設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及加熱裝置和具有該裝置的定影設備。特別是，本發明涉及成像設備的加熱裝置，以及具有該裝置的定影設備。
背景技術：
通常，成像設備，例如印表機、複印機等包括用於對轉印到紙張上的墨粉進行定影的定影設備。該定影設備是通過加熱和加壓對轉印到紙張上的墨粉進行定影的裝置。到最近為止，常規的定影設備仍然使用滷素燈進行加熱。目前，定影設備使用利用感應的加熱方式。
圖1顯示利用感應加熱方式的代表性的定影設備的結構。參考該圖，定影設備典型地包括加熱裝置10和布置在加熱裝置10對面的施壓裝置20。加熱裝置10具有管形的加熱輥11和安裝在輥10內部的發熱單元12。發熱單元12包括感應線圈13和芯14。如果將交流電流由電源施加到感應線圈13，就會產生磁通量。所述磁通量交變地通過所述芯14的相對端14a和14b之間的中間部分。隨後，由金屬材料形成的加熱輥11被布置在磁通量通過的區域。因此，由於磁通量交變地通過加熱輥11，加熱輥11切割所述磁通量。這導致磁通量的變化並且由於電磁感應現象由加熱輥11產生熱。施壓裝置20被布置在加熱輥11的下面，加熱輥11如上所述地被加熱，紙張S被夾在施壓裝置20和加熱輥11之間。因此，當紙張S經過加熱輥11和施壓裝置12之間時，通過施加的壓力和熱量，使得形成在紙張S上的墨粉圖像T被熔化並且被定影在紙張S上。
日本未審專利公開第2001-230064公開了具有加熱裝置的代表性的定影設備，所述加熱裝置與上述常規加熱裝置相比具有改進的感應加熱方法，該公開在此全部引入作為參考。圖2顯示改進的定影設備的結構。
在圖2所示的加熱裝置10a包括磁通量產生裝置12，其包括感應線圈13、芯14和加熱輥11。加熱輥11具有由鐵磁材料層11a形成的內表面以與磁通量裝置12進行接觸，和由高導熱材料層11b形成的外表面。在鐵磁材料層11a和高導熱材料層之間的表面被形成為不平坦的。加熱裝置10a使得可以在所述加熱輥的紙張不通過的區域內均勻地增加溫度。因為鐵磁材料層11a有效地與輸入的能量有關地產生熱量並且通過高熱導熱材料11b在整個加熱輥11上均勻分布溫度，所以所述裝置相對於圖1的加熱輥11b在能效上更好。即使所述加熱裝置使用鐵磁材料層和高導熱材料層的雙層結構以使溫度分布均勻，但獲得足夠高的能效仍然是不可能的。
因此，需要一種改進的加熱裝置，其能夠使溫度分布均勻並且獲得足夠高的能效。
發明內容
本發明示範性實施例的一個方面是解決至少上述的問題和/或缺點並且提供至少下面所述的優點。因此，本發明示意性實施例的一個方面為提供一種加熱裝置，其包括加熱輥和發熱單元，其中加熱輥採用具有磁性層和非磁性層的雙層結構。所述發熱單元緊密地接觸所述加熱輥，使得在整個加熱輥上的溫度分布均勻並且使能效最大化。
為了完成上述本發明的示範性實施例的各個方面，提供了一種加熱裝置，其中加熱輥具有磁性層和非磁性層的雙層結構；發熱單元被安裝在所述加熱輥內周邊表面上；第一絕緣層絕緣所述加熱輥和發熱單元；內管安裝在所述發熱單元內周邊表面上，從而可以使所述發熱單元與所述加熱輥緊密接觸；及第二絕緣層絕緣所述發熱單元和內管。
所述雙層結構的加熱輥可以通過在磁性材料的管的表面上噴塗非磁性材料來製造。所述加熱輥也可以通過擴張非磁性材料管然後將該非磁性材料管熔焊在磁性材料管的表面上來製造。或者，所述加熱輥可以使用具有通過覆蓋法(cladding process)形成的磁性層和非磁性層的雙層結構的金屬板來製造。
在所述加熱裝置中，可以由所述磁性層形成所述加熱輥的內表面且所述非磁性層形成所述加熱輥的外表面。與此相反，也可以由所述磁性層形成所述加熱輥的外表面且所述非磁性層形成所述加熱輥的內表面。
優選地，所述非磁性層可以埋入所述磁性層中以與安裝在所述加熱輥相對端的軸承分開。
所述加熱輥具有0.3mm到1.5mm範圍的厚度。在此，與所述非磁性層形成所述雙層結構的所述磁性層的厚度可以被決定，從而其不應小於由如下的公式1所界定的滲透深度=107/2f(m)---(1)]]>其中Δ為高頻電流的滲透深度，μ為材料的相對磁導率，ρ為材料的電阻率[Ω·m]，且f為頻率。
所述發熱單元可以包括緊密地與所述加熱輥的內表面接觸纏繞的感應線圈；及用於向所述感應線圈供應電力的電源。
優選地所述內管由非磁性材料形成，且所述內管從所述加熱輥的內側向加熱輥的外側擴張。
根據本發明示意性實施例的定影設備包括上述的加熱裝置；及安裝在所述加熱裝置對面的施壓裝置。
對本領域普通技術人員來說，通過下面的結合附圖的詳細說明，及本發明示意性實施例的公開，本發明的其它目的、及特徵將變得很明顯。
通過對本發明的特定的示範性實施例的說明並且結合附圖，本發明的上述方面和特徵將會更加明顯，在附圖中圖1為常規的感應加熱型的定影設備的結構圖；圖2顯示另一種常規的感應加熱型的定影設備結構圖；圖3為根據本發明示意性實施例的定影設備的橫截面側視圖；圖4為根據本發明示意性實施例的定影設備的加熱裝置的橫截面前視圖；圖5顯示圖4的加熱裝置中由A指示的部分的詳細結構；圖6顯示另一個加熱裝置中相應於由A表示的部分的詳細結構圖；圖7A和圖7B為顯示根據本發明的示範性實施例的加熱裝置中的電磁場、感應電流和電阻加熱的流動的視圖；及圖8為顯示電流密度及能量密度相對於滲透深度的分布的視圖。
在所有這些附圖中，相同的附圖標記代表相同的元件、部件及結構。
具體實施例方式
限定在說明書中的內容，例如所提供的結構的細節及元件用於幫助全面理解本發明的實施例。因此，本領域普通技術人員會認識到在不背離本發明的精神及範圍的情況下可以對在此描述的實施例進行各種變化和改進。同樣，為了清楚和簡潔，省略了已知的功能及結構的描述。
圖3為根據本發明的示範性實施例的定影設備的橫截面側視圖，圖4為根據本發明的示範性實施例的加熱裝置的橫截面前視圖，且圖5顯示圖4的加熱裝置中由A指示的部分的詳細結構。而且，圖6顯示另一個加熱裝置中相應於由A指示的部分的詳細結構。
參考附圖，根據本發明的示範性實施例的定影設備100包括加熱裝置110及相對於加熱裝置110安裝的施壓輥120。
加熱裝置110包括加熱輥111、發熱單元112及內管114。
加熱輥111由管形的金屬材料形成。優選在加熱輥的外部表面上形成釋放層111c以防止附著墨粉顆粒。釋放層111c最好由TeflonTM的塗料形成，或者由例如過氟烷氧基(PFA)及聚四氟乙烯(PTFE)的氟基層形成。
根據本發明的示範性實施例，加熱輥111具有雙層結構，其包括磁性層111a和非磁性層111b。磁性層111a形成加熱輥111的外表面而非磁性層111b形成加熱輥111的內表面，如圖5所示。也可以將磁性層111a形成加熱輥111的內表面而非磁性層111b形成加熱輥111的外表面，如圖6所示。在前一種情況下，由電阻產生的熱量對於加熱輥上更有影響，然而在後一種情況下，由感應產生的熱量對於加熱輥上更有影響。
有利的是加熱輥111的非磁性層111被形成為這樣寬度從而非磁性層11b的相對端與加熱輥111的相對端相互分開，並且使得非磁性層111b的相對端與安裝在加熱輥111的相對端的軸承118a及118b分開。優選地，非磁性層111b可以被形成為允許紙張通過的寬度S。因此，優選地將非磁性層111b埋入磁性層111a中。
加熱輥111的磁性層111a優選地由鎳及鋼的至少之一的材料形成，並且非磁性層111優選地由鋁及銅的至少之一的材料形成。
根據本發明示範性實施例的加熱裝置可以設計成這樣方式，使得加熱輥111具有就感應電流的表面效應及滲透深度而言的合適的厚度。在本發明的示範性實施例中，加熱輥111優選地具有0.3mm到1.5mm範圍的厚度。這裡，與非磁性層形成雙層結構的磁性層的厚度可以以這樣的方式來決定，即使得該厚度不超過由上述公式1界定的滲透深度。這是因為加熱輥111的厚度與材料中的感應電流的滲透深度有關。例如，當加熱輥111被設計成具有0.5mm的厚度時，如果磁性層具有大致0.2mm的厚度則非磁性層的厚度可以大致為0.3mm。如上的具有雙層結構的加熱輥111可以通過各種方法製造。例如，可以通過在鋼管的內表面或外表面上噴塗低熔點鋁顆粒製造這樣的加熱輥。在這樣的情況下，鋼管形成磁性層，且然後對塗覆表面進行機加工。也可以通過將薄壁鋁管預熱到超過該鋁管的熔點的溫度以擴大該鋁管的直徑，將該鋁管牢固地粘附在鋼管的內壁或外壁上，並且然後沿著鋁管和鋼管的交界面將其熔焊，從而製造加熱輥。還有另一種製造加熱輥的方法，其中通過覆蓋法預先製備磁性層和非磁性層的雙層材金屬板，然後將該金屬板形成管形。
發熱單元112被布置以與加熱輥111的內周表面緊密接觸。期望在加熱輥111和發熱單元112之間形成第一絕緣層113。發熱單元112可以包括感應線圈112a，其緊密地與加熱輥111的內周表面接觸纏繞；和向感應線圈112a供電的電源(未顯示)。
感應線圈112a被軸向地布置成使得感應線圈112a的外周表面緊密地與加熱輥111的內周表面接觸。這樣的感應線圈可以由銅、鎳-鉻合金、鐵-鉻合金等的至少之一的材料形成。
電源包括變壓器及高頻振蕩轉換器，用於向感應線圈112a供應高頻電流。從電源供應的電流通過設置在一對端帽116a和116b中的電極117a和117b以及導線117c被施加到感應線圈112a，端帽116a和116b被固定在加熱輥111的相對端。
內管114在其相對端部敞開並且被固定在感應線圈112a中以使得感應線圈112a緊密地與加熱輥111接觸。優選地內管114由非磁性材料來形成，其包括不鏽鋼、鋁、銅和聚合物中的至少一種。期望在發熱單元112和內管114之間形成第二絕緣層115。
第一絕緣層113夾置在感應線圈112a和加熱輥111之間。第二絕緣層115夾置在感應線圈112a和內管114之間。因此感應線圈112a與加熱輥111分開了第二絕緣層115的厚度。第一和第二絕緣層113和115可以由片狀絕緣層來形成，包括琺瑯、玻璃及例如氧化鎂(MgO)或氧化鋁(Al2O3)的陶瓷材料中的一種。根據本發明的示範性實施例，優選地絕緣層具有能夠提供至少絕緣功能的厚度。因此，優選地塗覆絕緣材料形成塗覆層來代替貼附片狀絕緣材料。
同時，通過下面的步驟製造加熱裝置110。首先，提供第二絕緣層115以包覆內管114的外周表面。設置感應線圈112a以包覆第二絕緣層115。然後，設置第一絕緣層113以包覆感應線圈112a。如上述的由第一絕緣層113包覆的感應線圈112a和設置有第二絕緣層115的內管114被插入加熱輥111中，其外周表面被塗覆有釋放層111c。然後內管114的相對端由用於擴大該管的設備封閉，並且向形成在內管114中的內部空間施加預定水平的壓力，因此將內管114擴大。優選地，該壓力不小於140大氣壓。內管114被擴大，加熱輥111保持其圓的形狀，並且感應線圈112a、內管114、第一絕緣層113和第二絕緣層115被壓靠並且緊密地接觸加熱輥111的內周表面。當內管114被擴張時，在感應線圈112a各繞匝之間形成的間隙被完全地用第一絕緣層113和第二絕緣層115填充。
具有上述雙層結構的加熱裝置110通過兩個發熱機制可以最大地展現熱效率及能效。通過使第一和第二絕緣層113和115的厚度儘可能地薄，並且通過由擴張內管114產生的壓力使加熱輥111和發熱單元的感應線圈112a以及內管114和感應線圈112a最大地彼此在其界面上緊密接觸，從而展現了加熱效率和能效。
現參考附圖描述如上述配置的加熱裝置的實際效果。
圖7顯示在該加熱裝置中磁場、感應電流和熱的流動。圖7A顯示磁場和感應電流的流動且圖7B顯示感應電流和電阻發熱的流動。圖7中的加熱輥111的雙層結構相應於圖5中所示的加熱輥111，其中外側為非磁性層且內側為磁性層。
根據上述示範性實施例的加熱裝置，因為加熱輥111具有磁性層和非磁性層的雙層結構並且該發熱單元112緊密地與加熱輥111接觸，與在常規的感應加熱型的加熱裝置中不同，該加熱輥通過兩個加熱機理而被加熱，如感應發熱機理及電阻發熱機理。
參考圖4，如果從電源(未顯示)提供的高頻交流電流通過設置在加熱裝置110相對端的電極117a和117b及導線117c被供應到感應線圈112a，如圖7A所示在感應線圈112a周圍產生磁場B。此時，在磁加熱輥上由抵消該磁場的反相的電動勢產生出渦電流b，並且通過該渦電流在加熱輥111上產生焦耳熱。
隨著該感應熱，在感應線圈中流動的電流由該線圈自身的電阻負荷而產生焦耳熱H。由電阻負荷產生的焦耳熱H被熱傳導到第一絕緣層113，如圖7B所示，因此焦耳熱H可以與感應熱一起被用於加熱加熱輥111。
同時，在加熱輥111中通過感應線圈112a誘發的渦電流b在加熱輥的每個橫截面上是不均勻流動的而是集中在加熱輥的表面，其中渦電流b隨著滲透深度的增加而指數地遞減。例如，假定電流的值等於在表面中電流的最大值的1/ε(ε大致為2.718)的深度為高頻電流的滲透深度Δ，材料的相對磁導率為μ，材料的電阻率(固有電阻)為ρ[Ω·m]，且頻率為f，高頻電流的滲透深度Δ由如下公式1來界定=107/2f[mm]---(1)]]>上述現象被稱作電流的表面效應，其為高頻感應加熱的特徵之一。
圖8為顯示上述現象的曲線圖，其中相對於滲透深度顯示了電流密度和能量密度的分布。由於大致90％的熱量產生在從材料的表面到滲透深度的區域內，高頻電流被認為集中在從表面到該滲透深度的區域內。因此，當特定材料被使用以決定加熱輥的滲透深度時，可以從上述的公式1根據頻率來計算滲透深度。例如在感應加熱的代表性材料α-鐵的情況下，由於ρ＝10(μΩ·cm)且μ＝100，所以Δ＝16/√f[mm]，並且在γ-鐵的情況下，由於ρ＝100(μΩ·cm)且μ＝1，所以Δ＝500/√f[mm]。在銅的情況下，由於ρ＝1.7(μΩ·cm)且μ＝1，所以Δ＝65/√f[mm]。
表1顯示在碳鋼(STKM)管被用於加熱輥時各個頻率下的滲透深度。
表1
在實際中，在成像設備中，定影設備典型地使用100到250kHz的頻率。因此，可以參考表1來計算滲透深度。例如當使用鋼作為磁性層而使用鋁或銅作為非磁性層時，假定整個加熱輥的厚度為0.5mm，如果磁性層的厚度大致為0.2mm而非磁性層的厚度大致為0.3mm時，則可以從感應加熱能夠獲得足夠的發熱效應。根據本發明的示範性實施例，當使用磁性層和非磁性層的雙層結構的加熱輥時，通過使感應線圈緊密地與加熱輥接觸，從而可以減少加熱輥的厚度。因此，在根據本發明示範性實施例的加熱裝置110中，熱量可以從發熱單元112中不同地被產生並且可以被傳導，使得加熱輥111的表面可以在短時間內被加熱，因此立即達到優選的定影溫度。
如上所述，根據本發明的示範性實施例，在加熱裝置中將感應線圈緊密地與所述加熱輥的內表面接觸，其為要被加熱的構件。所述感應線圈與所述加熱輥一起轉動，並且由該感應線圈產生的電場可以在該被加熱構件內被最大地減弱，因此感應發熱的效率可以被最大化並且由感應線圈自身的電阻負荷產生的焦耳熱可以最大程度地被使用，並且加熱輥的表面可以迅速地被加熱到優選的溫度。
根據本發明示範性實施例，通過使用產生感應熱的磁性層和高導熱率的非磁性層的雙層結構以加熱所述加熱裝置中的加熱輥，可以獲得軸向均勻的溫度分布，同時保持感應加熱的效率。
由於表面效應大多數的感應熱產生在加熱裝置中距加熱輥表面的淺深度內，因此根據本發明示範性實施例，可以將所述加熱輥設計的足夠薄使得加熱輥表面可以迅速地被加熱到優選的溫度。
雖然已經對代表本發明的代表性示範性實施例進行了展示和描述以示意本發明的原理，但是本發明不限於這些特定的實施例。本領域普通技術人員應該理解在不背離由權利要求所界定的本發明的精神和範圍的情況下可以作出各種改進和變化。
權利要求
1.一種加熱裝置，包括加熱輥，包括磁性層和非磁性層的雙層結構；發熱單元，安裝在所述加熱輥內周表面上；第一絕緣層，用於絕緣所述加熱輥和發熱單元；內管，安裝在所述發熱單元內周表面上，由此可以使所述發熱單元與所述加熱輥緊密接觸；及第二絕緣層，用於絕緣所述發熱單元和內管。
2.如權利要求1所述加熱裝置，其中通過在磁性材料的管的表面上噴塗非磁性材料製造所述加熱輥。
3.如權利要求1所述加熱裝置，其中通過擴張以非磁性材料管然後將所述非磁性材料管熔焊在磁性材料管的表面上製造所述加熱輥。
4.如權利要求1所述加熱裝置，其中使用通過覆蓋法形成的磁性層和非磁性層的雙層結構的金屬板製造所述加熱輥。
5.如權利要求1所述加熱裝置，其中所述磁性層形成所述加熱輥的內表面且所述非磁性層形成所述加熱輥的外表面。
6.如權利要求1所述加熱裝置，其中所述磁性層形成所述加熱輥的外表面且所述非磁性層形成所述加熱輥的內表面。
7.如權利要求1所述加熱裝置，其中所述非磁性層埋入所述磁性層中以與安裝在所述加熱輥相對端的軸承分開。
8.如權利要求1所述加熱裝置，其中所述加熱輥具有0.3mm到1.5mm範圍的厚度。
9.如權利要求1所述加熱裝置，其中與所述非磁性層形成所述雙層結構的磁性層的厚度被決定至少為由下述公式界定的滲透深度=107/2f(m)]]>其中Δ為高頻電流的滲透深度，μ為材料的相對磁導率，ρ為材料的電阻率，及f為頻率。
10.如權利要求1所述加熱裝置，其中所述加熱輥在其外表面上具有釋放層。
11.如權利要求1所述加熱裝置，其中所述發熱單元包括緊密地與所述加熱輥的內周表面接觸纏繞的感應線圈；及用於向所述感應線圈供應電力的電源。
12.如權利要求1所述加熱裝置，其中所述內管在所述加熱輥的內側中朝著加熱輥的外側擴張。
13.如權利要求12所述加熱裝置，其中所述內管由非磁性材料形成。
14.一種定影設備，包括加熱裝置；及與加熱裝置相對安裝的施壓裝置，其中所述加熱裝置包括加熱輥，包括磁性層和非磁性層的雙層結構；發熱單元，安裝在所述加熱輥內周表面上；第一絕緣層，用於絕緣所述加熱輥和發熱單元；內管，安裝在所述發熱單元內周表面上，由此可以使所述發熱單元與所述加熱輥緊密接觸；及第二絕緣層，用於絕緣所述發熱單元和內管。
全文摘要
本發明公開了一種加熱裝置及具有該裝置的定影設備。所述加熱裝置包括加熱輥，包括磁性層和非磁性層的雙層結構；發熱單元，安裝在所述加熱輥內周表面上；第一絕緣層，用於絕緣所述加熱輥和發熱單元；內管，安裝在所述發熱單元內周表面上，由此可以使所述發熱單元與所述加熱輥緊密接觸；及第二絕緣層，用於絕緣所述發熱單元和內管。因為所述加熱輥具有磁性層和非磁性層的雙層結構並且所述發熱單元被緊密地與所述加熱輥接觸，所述加熱裝置可以使所述加熱輥的溫度相等並且使能效最大化。本發明的定影設備設置有這樣的加熱裝置。
文檔編號G03G15/00GK1932692SQ200610154250
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月18日 優先權日2005年9月16日
發明者薛東辰, 鄭在爀 申請人:三星電子株式會社