(57)【要約】【課題】腐食や応力割れの生じないエネルギ伝達装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】ヒートパイプおよびヒートパイプの内面の少なくとも一部に施される内面コーティングを含むエネルギ伝達装置および方式であって、前記内面コーティングは化学的不活性、疎液性、高温安定性、低空孔度、および低表面エネルギから選択される少なくとも一つの性質を備えているエネルギ伝達装置が提供される。また、ヒートパイプの用意およびヒートパイプの少なくとも一部の内面への内面コーティングの形成を含むエネルギ伝達装置の製造方法であって、前記内面コーティングは化学的不活性、疎液性、高温安定性、低空孔度、および低表面エネルギから選択される少なくとも一つの性質を備えているエネルギ伝達装置の製造方法が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートパイプ、
および前記ヒートパイプの内面の少なくとも一部に施された内面コーティングを含み、
前記内面コーティングは、化学的不活性、疎液性、高温安定性、低空孔度、および低表面エネルギから選択される少なくとも一つの性質を備えていることを特徴とするエネルギ伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギ伝達装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
印刷システムにおいて媒体サイズの変更時にヒューザロールの温度均一性を維持することは長い間の課題であった。この均一性の問題を解決するために、ヒューザロールとしてヒートパイプを用いることが従来より開示されている。しかしながら、一般にヒートパイプは閉鎖系として機能し、かつ内部への熱供給が難しいため、一般にこのようなヒートパイプ式ヒューザロールにおいては設計の複雑さの問題が生じる。従来開示されたものにおいては、ヒューザロールの一端から熱を供給し、これによってサブシステムの構成を単純化することが推奨されている。熱を全てシステムの一端から供給することは、当該端部からの入射熱流束を増加させることになる、また瞬時オンのアプリケーションにおいてヒートパイプ内の水の量は極力少なくしておく必要があることから、ヒートパイプのエバポレータが干上がってしまう可能性がある。また、入り組んだ内部形状を用いて液体を汲みあげることによりエバポレータが干上がることを防ぐことが提案されている。生じる内部構造はアルミニウム製のチューブであれば簡単に形成することができる。しかしながら、アルミニウムは水が存在すると簡単に腐食してしまうので、水を作動流体として用いたヒートパイプには適合しない壁材料である。このために、水系のヒートパイプにおいてはアルミニウムは化学的に不活性な層でコーティングされる。
【０００３】
誘導加熱、ヒートパイプ、およびヒューザロールのそれぞれに好適な材料が異なっており、そのことがそれらの組合せを難しいものにしている。誘導加熱用には、例えば鋼などの磁気的かつ電気的に抵抗性を有する金属が好適に用いられる。また、ヒューザロールのメーカは一般に、例えばアルミニウムなどの低価格、軽量かつプロセスが簡単な金属を好む。一方、作動流体としての水は、１５０乃至２５０℃の一般的なヒューザの温度範囲で動作するヒートパイプに好適である。あらゆる温度において、水蒸気は好適なコア材料と反応する。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４，７７３，４７６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常の動作条件の下で、熱サイクル条件によってはアルミニウムに応力割れが発生する可能性があるため、アルミニウムと水とはヒートパイプ材料として適合しない。熱応力割れは一般にアルミニウムおよびその酸化物間の熱膨張係数の違いに起因するものであり、室温では発生しない。割れが生じると、裸のアルミニウムが水にさらされ、腐食する。故に、前記コーティング上の膜状結露はコーティング材料の選択幅に制約を及ぼす。高温では、鋼中の水と鉄とが反応して鋼を腐食させると共にヒートパイプ中に結露不能のガスを生成し、それによりヒートパイプの有効性に制約を及ぼす。空孔度、コーティング欠陥、およびコーティング膜と下地金属との熱膨張不整合により応力割れが発生する可能性があり、このことがコーティング材料の選択幅に制約を及ぼしている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これらの問題および欠点を考慮して、様々な装置および方法の典型的実施形態によって、ヒートパイプおよび該ヒートパイプへの内面コーティングを含むエネルギ伝達装置であって、前記ヒートパイプは一様な加熱をもたらすものであり、かつ前記内面コーティングは化学的不活性、疎液性、高温安定性、低空孔度、および低表面エネルギの内の少なくとも一つを備えているエネルギ伝達装置が提供される。
【０００７】
また、様々な典型的実施例によって、ヒートパイプの用意および該ヒートパイプへの内面コーティングの形成を含むエネルギ伝達装置の製造方法であって、前記ヒートパイプは一様な加熱をもたらすものであり、前記内面コーティングは化学的不活性、疎液性、高温安定性、低空孔度、および低表面エネルギの内の少なくとも一つを備えているエネルギ伝達装置の製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
上記およびその他の特徴および効果は、以下の種々の典型的実施形態の詳細な説明に記載もしくはその説明により明らかにされる。
【０００９】
図１は種々の実施例による典型的ヒートパイプ１００の図である。ヒートパイプ１００は、エバポレータ部１２０にとって液体の還流を促進する内部機構を備えたヒューザロール１１０の形でアルミニウムから作製されている。種々の実施例によれば、ヒートパイプ１００の各構成要素は、ヒューザロール１１０の内面１３０上で、例えばニッケルなどの内面コーティング１４０として使用される保護層をコーティングされる。内面コーティング１４０は例えば５μｍ乃至２５μｍの顕著に大きい厚さを有しており、空孔度を平方ｃｍ当り約１点未満、場合によっては平方インチ当り約１点未満まで最小化するようになっている。空孔度はＡＳＴＭ  Ｂ７３３−９７記載の測定法に基づいて測定されている。種々の実施例によれば、コーティング後ヒートパイプ１００の各構成要素は一体接合され、それにより内部容積が規定される。この後、この容積分の排気が行われ、好適には水の作動流体が充填し直されて気密封止される。種々の典型的実施例によれば、アルミニウム製ヒューザロール１１０の内面をニッケルでコーティングすることによって、ヒューザロール１１０の腐食に対するバリアが与えられ、それによってヒートパイプ１００の確実な動作が維持される。
【００１０】
ニッケルは磁性があり、リンと合金化した場合に稠密構造を有し、かつ熱膨張係数が鋼に近いため、鋼のニッケルコーティングも使用可能である。数％から１５％までのリン量における無電解ニッケルの熱膨張係数は一般に１２乃至１４．５ｐｐｍ／℃である。（鋼は約１２ｐｐｍ／℃）。さらに、ニッケルコーティングはボロンとの合金化によっても、向上した延性を有するリン合金と同様の性質を得ることができる。鋼の無電解ニッケルリンおよびニッケルボロンコーティングは十分に実証されたプロセスであり、ステンレス鋼に優れる耐食性を同等もしくはより安い価格でもたらすものである。ヒートパイプの延長部１５０は誘導コイルが発生する交流磁場中に設置されており、これによりヒューザが動作する。
【００１１】
ニッケルコーティングはその保護性質に加えて、例えば誘導加熱のアプリケーションにおける磁気サセプタとしての機能も果たす。例えばアルミニウム製の非磁性ヒューザロール１１０を例えばニッケルなどの磁性材料でコーティングすることにより、ヒューザロール１１０の内部に熱源が与えられ、これにより非磁性ヒューザロール１１０の誘導加熱効率が向上する。
【００１２】
一般に、アルミニウム製ヒューザロール１１０をニッケルコーティングすることによって低価格の瞬時オンのアプリケーションが可能になる。保護コーティングがない状態では、アルミニウム製シェルは、一般にもっとも適当な作動流体となり得る水と併用できない。また、きわめて簡単に加工される特別な内部構造がアルミニウム中にない状態では、エバポレータ部の干上がりを避けるために必要な水の量によって瞬時オンアプリケーションに利用可能なウォーミングアップ時間が制限される。
【００１３】
図２は、種々の典型的実施例による、壁厚および水の充填量に対するアルミニウム製ヒートパイプのウォーミングアップ時間を説明する曲線である。ヒューザのウォーミングアップに要する時間は事務機器市場における重要な装置特性である。総じて、顧客においてはある所定の装置からの印刷出力の待機時間は極力短いことが好まれる。一般に、待機時間の大幅な短縮はヒューザを長期間スタンバイモードの「ホット」に保つことで達成されるが、これはエネルギを浪費する。急速にウォーミングアップされるヒューザを備えた装置が提供されれば、待機時間を短縮して顧客を満足させつつこのようなエネルギ浪費を低減することができる。下記表１に、作動流体、芯、および容器の適合性データを示す。
【００１４】
【表１】
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RU  過去の良好な使用例から推奨されるもの、RL  文献で推奨されているもの、PC  適合の可能性あり、NR  推奨されない、NU  使用不可、UK  不明、GNC  全温度でガス発生、GNT  酸化物が存在する場合高温でガス発生
【００１５】
種々の典型的実施例によれば、ヒートパイプ１００は、例えば加熱される延長部１５０を備えたヒューザロール１１０の形で作製される。種々の典型的実施例によれば、ヒートパイプ１００の構成要素は、内面１３０上で、好適には例えばポリテトラフルオロエチレンなどの疎液性フッ素樹脂の保護層１４０をコーティングされる。ポリテトラフルオロエチレンコーティングは疎水性であり、滴状結露の移動速度を速める働きをすると共に、境界層の破壊に起因する、凝縮器端部からヒートパイプ１００のエバポレータ端部に戻る結露液滴の重力駆動流速を高める。また、種々の典型的実施例によれば、ヒートパイプ１００のエバポレータ部１５０の内面に疎水性表面をコーティングすることによって膜の煮沸が開始される臨界熱流速が速まり、エバポレータ長の短縮が可能になる。さらに、フッ素樹脂コーティング１３０は、基板との熱膨張係数を一致させる必要がある他のコーティング材料に比べて、熱サイクルによる応力割れの影響を受けにくい。
【００１６】
ヒートパイプ１００の内面１３０は、例えばポリテトラフルオロエチレン粒子またはポリテトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルエーテル(ｐｏｌｙ（ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ‐ｃｏ‐ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌ  ｅｔｈｅｒ）粒子の粉体コーティングによりコーティングを行い、次いで約３５０乃至４００℃で粒子を焼結させて連続保護膜を形成してもよい。また、ヒートパイプ１００の内面１３０は、ポリテトラフルオロエチレン粒子またはポリテトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルエーテル粒子を同時にスピンキャストおよび乾燥することによってコーティングを行い、次いで約３５０乃至４００℃で粒子を焼結させて連続保護膜を形成してもよい。また、ヒートパイプ１００の内面１３０は、溶解性テフロンＡＦ２４００（テフロン：登録商標）を同時にスピンキャストおよび乾燥することによってコーティングを行い、次いで約２５０乃至３００℃で溶剤を完全に除去して連続保護膜を形成してもよい。さらに、疎液性コーティングにＳｉＣやアルミナなどの熱伝導性粒子を充填することもできる。フィラー粒子の添加量に応じて、得られたコーティングの熱伝導率は５０乃至２００％程上昇する。
【００１７】
ヒートパイプ１００の各構成要素には、内面１３０上で無電解ニッケル（ＥＮ）（Ｎｉ−ＰまたはＮｉ−Ｂ合金）とポリテトラフルオロエチレンとのナノ複合材料の保護層をコーティングしてもよい。約８％未満のリンを含有するＥＮは磁性を有しており、誘導加熱用のサセプタとして使用することができる。ポリテトラフルオロエチレンは疎水性であり、滴状結露の移動速度を速める働きをすると共に、ヒートパイプの凝縮器端部からエバポレータ端部に戻る結露液滴の重力駆動流速を高める。ミクロンサイズまたはナノメータサイズのポリテトラフルオロエチレン粒子を含有する無電解ニッケル溶液を用いてＥＮ／ポリテトラフルオロエチレン複合材料が堆積される。ポリテトラフルオロエチレン粒子は、ＥＮコーティングの形成時にＥＮコーティング中に混入してもよい。得られたＥＮ／ポリテトラフルオロエチレンナノ複合材料はポリテトラフルオロエチレンを重量比で約２５％まで含有し得る。このナノ複合材料コーティングは本来的に欠陥が少ない。この後、コーティング後熱処理を行うことで空孔や割れなどの欠陥が十分に封止される。
【００１８】
ポリテトラフルオロエチレン粒子を含有しない無電解ニッケル溶液を用いてもヒートパイプの内面にＥＮコーティングを堆積してもよい。この後、得られたＥＮの表面をポリテトラフルオロエチレンのミクロまたはナノ粒子を含むディスパージョンにさらすことで空孔や割れなどの欠陥がポリテトラフルオロエチレン粒子で封止される。水蒸気に対する良好な封止を得るためには、封止後熱処理を行ってポリテトラフルオロエチレン粒子を焼結する必要がある。混入されたポリマ成分の熱的性質およびレオロジ特性は、熱サイクルによって誘起された割れを自己修復すなわち塞ぐように設計することができる。ポリマ成分によっては、自己修復のために標準のヒューザの動作温度より若干高い温度を必要とするものがある。金属コーティングが磁性を有する場合は、誘導コイルを用いてきわめて短時間のコーティングの過熱によってポリマの焼結またはメルトフローによる自己修復を行うことができる。表２にヒートパイプヒューザロールの相対誘導加熱効率を示す。鋼はその磁性により非磁性のステンレス鋼より効率のよい加熱が可能になっている。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
図３はヒートパイプヒューザ２００の典型的な内部構成の図である。図３には、例えば、隆線２２０に重畳した螺旋状リブ２１０などの構造的特徴を含む、ヒートパイプ２００の内面が示されている。螺旋状リブは同一方向に回転している。螺旋状リブはヒートパイプのエバポレータ部への液体の還流を促進する機構として機能する。その還流を増大させることは、最小限の量の作動流体を充填したヒートパイプにおけるエバポレータ部の干上がりを防ぐために必要になる。
【００２１】
一般に、ニッケルコーティングした鋼製ヒートパイプは、定常状態での消費電力が重要となる、コスト的に有利な中間的量のアプリケーションに可能性を与える。種々の典型的実施例によれば、このクラスのコア材料の別の選択肢として二次表面処理を施された高価なステンレス鋼がある。鋼製シェル上に保護コーティングが無い状態では、結露不能なガスが生成されるために水との併用ができない。他の作動流体では、水に比べて蒸発熱の値が低いためにパイプ中に十分に熱を伝達できない。これによりヒートパイプヒューザロールの熱分布の有効性が制限される。
【００２２】
表３に可能性のあるヒートパイプ作動流体の有効温度範囲を示す。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
図４は、エネルギ伝達装置の典型的な製造方法を示すフローチャートである。図４において、この製造方法はステップＳ１００で開始され、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０で、ヒートパイプが用意される。次に、制御はステップＳ１２０に進み、このステップでヒートパイプの各部分に内面コーティングが施される。内面コーティングは、例えば水と反応してその結果劣化することがないように化学的に不活性を備えている。また、内面コーティングは、撥水により、水がコーティングおよびその下の金属組織に入り込むことを防ぐように疎液性にされると共に、高温安定性を備えている。また、内面コーティングは、低い空孔度および、例えば、０乃至５０ｄｙｎ／ｃｍの低い表面エネルギを有している。次に、制御はステップＳ１３０に進む。
【００２５】
ステップＳ１３０で、ステップＳ１２０で施された内面コーティングが、螺旋状リブを呈するように形成される。この内面コーティングを螺旋状リブを呈するような形にする処理は、該内面コーティングをヒートパイプに施す前に行ってもよいし、該内面コーティングをヒートパイプに施した後に行ってもよい。次に、制御はステップＳ１４０に進む。
【００２６】
ステップＳ１４０で、例えばステップＳ１２０およびＳ１３０にあるようにコーティングされたヒートパイプの各部が、次いで内部容積が規定するように一体に接合される。この後、この内部容積分の排気が行われ、例えば、水などの作動流体が充填し密閉封印される。次に、制御はステップＳ１５０に進み、この製造方法が終了される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】種々の実施例による典型的なヒートパイプの図である。
【図２】種々の典型的実施例による壁厚および水の充填量に対するアルミニウム製ヒートパイプのウォーミングアップ時間を説明する曲線図である。
【図３】種々の典型的実施例によるヒートパイプの典型的内部構成の図である。
【図４】種々の典型的実施例による、エネルギ伝達装置の典型的製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２８】
１００  ヒートパイプ、１１０  ヒューザロール、１２０  エバポレータ部、１３０  内面、１４０  内面コーティング、１５０  延長部、２００  ヒートパイプ、２１０  螺旋状リブ、２２０  隆線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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