(57)【要約】【課題】エネルギーの効率が良く短時間で加熱することができる円筒金型の加熱方法およびその装置を提供する。【解決手段】円筒金型１２の、熱容量の大きい部分の周囲に、誘導コイル２４を配置し、この誘導コイル２４に交流を通電することにより、円筒金型１２の熱容量が大きい部分に、軸方向に誘導される磁束を集中的に発生させて円筒金型１２を誘導加熱する。誘導コイルには５０〜８００Hzの低周波領域の交流を通電する。円筒金型１２の熱容量分布に応じた磁場分布を発生させ、熱容量の大きい部分に対して優先的に誘導電流を発生させる。【選択図】図１
2006315186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒金型の、熱容量の大きい部分の周囲に、誘導コイルを配置し、
前記誘導コイルに交流を通電することにより、前記円筒金型の熱容量が大きい部分に、軸方向に誘導される磁束を集中的に発生させて前記円筒金型を誘導加熱することを特徴とする円筒金型の加熱方法。
【請求項２】
請求項１に記載の円筒金型の加熱方法において、
前記熱容量の大きい部分が軸方向の複数箇所に分散している円筒金型に対して、複数個の誘導コイルを、前記熱容量の大きい部分の各周囲にそれぞれ分散配置して前記円筒金型を誘導加熱することを特徴とする円筒金型の加熱方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の円筒金型の加熱方法において、
前記誘導コイルに、５０〜８００Hzの低周波領域の交流を通電することを特徴とする円筒金型の加熱方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の円筒金型の加熱方法において、
前記円筒金型の、熱容量の大きい部分に近接させて鉄よりも誘導電流により発熱を生じ易い金属部材を配置して誘導加熱を行うことを特徴とする円筒金型の加熱方法。
【請求項５】
熱容量の大きい部分が軸方向の複数箇所に分散している円筒金型を誘導加熱するものであって、
複数個の誘導コイルを、前記熱容量の大きい部分の各周囲にそれぞれ分散配置してなることを特徴とする円筒金型の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、高精度の寸法安定性が要求されるローラあるいはベルト等の定着部材の成型に使用され、かつ、熱容量の大きい部分を有する円筒金型の加熱に適する円筒金型の加熱方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば定着ローラを製造する際には図２に示すような円筒金型１２を備えた製造装置を使用する。最初に、円筒金型１２の内周壁に沿ってフッ素樹脂チューブを配置し、円筒金型１２内の軸心に芯軸１４を配置した後、円筒金型１２の両端を上栓体１５Ａと下栓体１５Ｂで蓋をする。下栓体１５Ｂに設けたゴム注入孔２０から液状ゴムを注入し、上栓体１５Ａの空気逃がし孔２２から液状ゴムが出てくるまで注入し、フッ素樹脂チューブと液状ゴムとを加熱して硬化成型を行う。
【０００３】
芯軸１４の周上のゴム層１６、フッ素樹脂層１８を一体成型するために、これらの構成部材を円筒金型１２内に同軸に配置した後、図示しないが、熱風炉に収納して加熱硬化することを行っている。しかし、従来はゴム層１６の肉厚が１ｍｍ以上の場合が多く、円筒金型１２に要求される寸法精度も厳しくなかったため、円筒金型１２の肉厚等も薄く同金型の熱容量も小さかった。このため、熱風炉を使用しても十分な昇温を行うことができた。
【０００４】
近年、省エネを考慮したコピー機やプリンタの開発が進み、ローラを加熱するのに必要なエネルギーを削減することが求められている。このためローラ等の定着部材に積層するゴム層１６の肉厚は熱容量を低減するためにも、より薄くすることが望ましいとされ、その要求値はゴム層の肉厚として０.１〜０.３ｍｍ程度となっている。
【特許文献１】特開２０００−３２６３２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
芯軸上に薄いゴム層を成型し、その上にフッ素樹脂層を形成する定着部材において、ゴム層とフッ素樹脂層を一体成型で得るためには芯軸と円筒金型を精度よく同軸上に配置しなければならない。この時、円筒金型の精度を良するために、同金型の肉厚が大きくなり全体の熱容量が増大してしまう。また、円筒金型１２の蓋となる上栓体１５Ａと下栓体１５Ｂ等による熱容量分布の偏りも従来に比べ大きくなる。これを通常の熱風炉により加熱しようとすると、加熱時間が膨大になる。また時間を短縮しようとすると雰囲気温度を高くしなければならず、エネルギーを大量に消費することになり、また設備も大掛かりになってしまう。
【０００６】
また、ゴム層１６の肉厚を要求値にするためには、従来レベルの金型精度では実質上成型不能であり、より寸法精度の高い円筒金型が必要となる。また、円筒金型の寸法精度を高めるためには加工後の歪みを抑える必要があり、円筒金型の肉厚をより大きくしなければならない。具体的には、円筒金型の肉厚を、従来では３〜４ｍｍで十分なところを、７〜１０ｍｍ程度まで大きくする必要がある。このため金型全体の熱容量が２〜３倍大きくなってしまい、ゴム層を硬化させるために必要な温度まで金型を加熱するためには、大量のエネルギーと時間が必要となってしまう。
【０００７】
肉厚を大きくした円筒金型を、熱風炉だけで加熱した場合には、多くの時間が必要となる。生産効率を向上させるためには熱風炉中に大量の金型を投入しなければならなかった。すなわち、加熱時間÷金型数は、金型１個当たりの加熱時間であるから、金型１個当たりの加熱時間を小さくしてやれば生産効率が向上する。しかし、金型を大量に準備するには相応の資金が必要で経済効率が悪いという問題があった。
【０００８】
一方、円筒金型の両端に、比透磁率の大きい磁性体からなるスペーサを配置し、円筒金型の周囲に誘導コイルを配置して誘導加熱を行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、スペーサによって磁場の分布を均一にした場合、発熱量も均一となるため金型の軸方向に熱容量の偏りがあると金型全体の温度上昇が均一にならないという問題があった。
【０００９】
誘導加熱を行う場合、均一な巻線からなる単体誘導コイルを使用した場合、磁場の最大値はコイルの軸方向中心部となり、磁場の最大値位置に最大の誘導電流が流れる。誘導電流の大きさに発熱量が比例するため、磁場の最大発生位置が最大の発熱量となる。このまま金型を加熱すると、金型の軸方向中心の温度が高く、両端末で温度が低い状態となり成形品の寸法制度に悪影響を及ぼしてしまう。つまり、温度が高いほど成型後のゴム層の肉厚が小さく、温度が低いほどゴム層の肉厚が大きくなる。巻線間隔を疎密化することで磁場の発生分布を調整し発熱量をコントロールする方法も考えられるが、巻線の保持方法などが複雑化し調整が難しい。
【００１０】
また、図２に示すように、円筒金型１２内に配置したフッ素樹脂チューブや液状ゴムを加熱して硬化成型を行う場合、円筒金型１２の上、下端部に蓋の役割をする上栓体１５Ａと下栓体１５Ｂが必要となる。これらの上栓体１５Ａと下栓体１５Ｂを取り付けた円筒金型１２は、両端部の熱容量が栓体分だけ大きくなるために、栓体を含めた金型全体を均一に加熱することが難しいという問題があった。
【００１１】
本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、エネルギーの効率が良く短時間で加熱することができる円筒金型の加熱方法およびその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、それぞれ次のような構成により上記の課題を解決する。
〈構成１〉
円筒金型の、熱容量の大きい部分の周囲に、誘導コイルを配置し、上記誘導コイルに交流を通電することにより、上記円筒金型の熱容量が大きい部分に、軸方向に誘導される磁束を集中的に発生させて上記円筒金型を誘導加熱することを特徴とする円筒金型の加熱方法。
【００１３】
円筒金型の熱容量分布に応じた磁場分布を発生させ、熱容量の大きい部分に対して優先的に誘導電流を発生させてジュール熱を起こし円筒金型を直接加熱してやることにより、エネルギー効率が良く短時間で加熱処理を行うことができる。加熱時間で約１/２０に短縮が可能である。
【００１４】
〈構成２〉
構成１に記載の円筒金型の加熱方法において、上記熱容量の大きい部分が軸方向の複数箇所に分散している円筒金型に対して、複数個の誘導コイルを、上記熱容量の大きい部分の各周囲にそれぞれ分散配置して上記円筒金型を誘導加熱することを特徴とする円筒金型の加熱方法。
【００１５】
複数の誘導コイルを軸方向に分散配置し、また、コイルの間隔を調整すること（軸方向に自由位置で固定すること）で磁場の発生分布を調整することが可能となる。このため、円筒金型の軸方向に熱容量の偏りがある場合にも、熱容量の大きい部分に磁場が集中するようにコイルを配置することで金型全体を均等に加熱できるようになる。但し、エネルギー効率は均一巻き線単体誘導コイルより悪化するので、加熱時間と温度分布の均一性を考慮したコイル設計が必要になる。
【００１６】
〈構成３〉
構成１又は２に記載の円筒金型の加熱方法において、上記誘導コイルに、５０〜８００Hzの低周波領域の交流を通電することを特徴とする円筒金型の加熱方法。
【００１７】
５０〜８００Hzの交流を使用することにより、円筒金型への磁束の浸透深さを大きくすることができる。このため、円筒金型の表面だけではなく、金型内部までが加熱され、熱容量の大きな金型であっても急速に加熱することができるようになる。また、急速に加熱を行うことが可能になるため、同一の本数を製造するに当たり、金型数を加熱時間の短縮分だけ削減することが可能となる。従って初期投資を大幅に削減することが可能となるため経済的効果も大きい。
【００１８】
〈構成４〉
構成１〜３のいずれかに記載の円筒金型の加熱方法において、上記円筒金型の、熱容量の大きい部分に近接させてアルミニウム、銅等の鉄よりも誘導電流により発熱を生じ易い金属部材を配置して誘導加熱を行うことを特徴とする円筒金型の加熱方法。
【００１９】
円筒金型の、熱容量が大きい部分に近接して、アルミニウム、銅等の鉄よりも誘導電流により発熱し易い金属部材を配置することにより、近接させた金属部材に発生した熱を熱伝導によって熱容量の大きい部分に供給し、円筒金型に対する加熱温度の均一化を図ることができる。
【００２０】
〈構成５〉
熱容量の大きい部分が軸方向の複数箇所に分散している円筒金型を誘導加熱するものであって、複数個の誘導コイルを、上記熱容量の大きい部分の各周囲にそれぞれ分散配置してなることを特徴とする円筒金型の加熱装置。
【００２１】
熱容量の大きい部分が軸方向の複数箇所にある円筒金型に対応して、予め所定の誘導コイルを配設しておくことにより、効率の良い加熱を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明では、円筒金型にほぼ同軸に配置した複数の誘導コイルにより、円筒金型の熱容量分布に応じた磁場分布を発生させ、熱容量の大きい部分、例えば、上栓体と下栓体で蓋をした円筒金型の両端部分に対して優先的に誘導電流を発生させ、ジュール熱を起こし直接円筒金型を加熱するようにしている。
【００２３】
本発明において、誘導コイルに通電する交流は、５０〜８００Hzの低周波領域であることが好ましい。通常の高周波誘導加熱は、１kHz以上の周波数の交流を通電することにより金属の表面のみを加熱していた。これは、以下の磁界の浸透深さの一般式で表される磁界の浸透深さが、周波数が高くなることにより、より小さくなることを利用している。
磁界の浸透深さの式；δ＝５.０３(ρ/μｆ)1/2
但し、δ：磁界の浸透深さ（ｃｍ）
ρ：被加熱物体の固有抵抗率（μΩ・ｃｍ）
μ：被加熱物体の比透磁率
ｆ：周波数
【００２４】
しかるに、本発明では５０〜８００Hzの交流を使用することにより、円筒金型への磁束の浸透深さを大きくすることができる。このため、円筒金型の表面だけではなく、金型内部までが加熱され、熱容量の大きな金型であっても急速に加熱することができるようになる。また、急速に加熱を行うことが可能になるため、同一の本数を製造するに当たり、従来方式では金型を大量に熱風炉に投入する必要があったが、本発明では金型数を加熱時間の短縮分だけ削減することが可能となり、初期投資を大幅に削減することが可能となるため経済的効果も大きい。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１は実施例１の円筒金型の加熱方法を示す説明図であり、図２と同一部分には同一符号を付している。
内径６０.７ｍｍ、外径７４ｍｍ、肉厚７ｍｍの円筒金型１２内に、肉厚３０μmの、内面エッチング済みのＰＦＡチューブを同軸上にセットし、円筒金型１２とＰＦＡチューブの空間を真空引きして当該ＰＦＡチューブを円筒金型の内面に密着させ、エッチング処理面にプライマーを塗布、乾燥させた。
【００２６】
次に、外径６０ｍｍのアルミ芯軸１４の表面をベルターにより粗面化し、切削分を除去した後、プライマーを塗布、乾燥させた。芯軸１４とＰＦＡチューブをセットした円筒金型１２を同軸上に配置して両端を上栓体１５Ａと下栓体１５Ｂでそれぞれ蓋をした。この時、金型の総重量は８ｋｇであった。
【００２７】
円筒金型１２の下栓体１５Ｂに設けたゴム注入孔２２から液状シリコーンゴムを注入し、上栓体１５Ａの空気逃がし孔２２から液状シリコーンゴムが出てくるまで注入を行った。
【００２８】
次に、円筒金型１２の軸方向に熱容量の大きい部分、すなわち、上栓体１５Ａと下栓体１５Ｂの各周囲に、内径１５０ｍｍ、高さ２００ｍｍ、巻数７０ターンの２個の誘導コイル２４をそれぞれ同軸に配置した。この時、各誘導コイル２４は、上栓体１５Ａと下栓体１５Ｂの近傍が発熱の中心位置となるように、円筒金型１２の軸心から５０ｍｍの間隔となるように配置した。
【００２９】
そして、容量４０kVAのインバーターと誘導コイル２４とを電気的に接続し、誘導コイル２４に周波数１００Hz、電流２８０Aの交流電流を通電して誘導加熱を行った。円筒金型１２の表面温度は２０℃から１２０℃まで到達するのに１２０秒の時間を要した。誘導加熱を実施後、室温空間に１０分間放置し、冷却水槽に投入して冷却した。
【００３０】
冷却後、円筒金型１２から各栓体１５Ａ、１５Ｂを外し、芯軸１４を円筒金型１２から取り出して、ゴム層肉厚が０.３ｍｍのローラを得ることができた。投入した電力量は５６６ｗｈであった。
【００３１】
＜比較例１＞
実施例１と同一構成の円筒金型を雰囲気温度１８０℃の熱風炉に投入したところ、金型表面温度が１２０℃まで到達するのに４０分の時間を要した。これを直ぐに水で冷却し、実施例１と同様に分解してゴム層肉厚０.３ｍｍのローラを得た。このときの投入電力量は２.４ｋｗｈであった。
【００３２】
上記から明らかなように、実施例１は、従来方式の比較例１に比べ約１/４の電力量で同一のローラを得ることができており、本発明を使用することで大幅なエネルギー効率の改善を行うことができる。また、実施例１は比較例１に比べ加熱から冷却までに１/４の時間で処理を行うことができた。
【００３３】
本発明においては、熱容量の大きい部分が軸方向の複数箇所に分散している円筒金型を誘導加熱するものであって、複数個の誘導コイルを、熱容量の大きい部分の各周囲にそれぞれ分散配置してなる円筒金型の加熱装置を含むものである。予め所定の誘導コイルを配設した加熱装置を用意しておくことにより、即座に効率の良い金型加熱処理ができる。
【００３４】
また、本発明においては、複数個の各誘導コイルを直列に接続しその両端に１つの電源を接続する方式と、複数個の各誘導コイルに対してそれぞれ１つずつの電源を接続する方式を採用できる。前者は高価な電源を１つだけ使用するので設備費を抑えることができる。後者は円筒金型の軸方向に、熱容量の異なる部分が数箇所にある場合に、それぞれに周波数の異なる交流を通電できるので、熱容量に応じた適切な加熱操作が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例１の円筒金型の加熱方法を示す説明図である。
【図２】定着ローラの製造装置の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１２    円筒金型
１４    芯軸
１５Ａ  上栓体
１５Ｂ  下栓体
１６    ゴム層
１８    フッ素樹脂層
２０    ゴム注入孔
２２    空気逃がし孔
２４    誘導コイル
【図１】
2006315186.tif 000003
【図２】
2006315186.tif 000004