(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非大気圧蒸気オーブンシステムであって、
圧力チャンバの範囲を画定し、前記圧力チャンバを通して物体を移動させるための入口及び出口を有する蒸気オーブンと、
前記圧力チャンバの内部に配置される伝熱流体の飽和温度が所定の温度に調整されるように、前記圧力チャンバの内圧を制御する手段であって、前記圧力チャンバの前記内圧が前記蒸気オーブンの外部の大気圧と異なる、手段と、
を含み、
前記蒸気オーブンは、前記圧力チャンバの範囲を画定する内壁と、内壁の外側にある外側チャンバの範囲を画定する外壁とを有し、
前記内壁には、前記入口及び前記出口が形成され、
前記外壁には、前記入口に位置を合わせられた第二の入口と、前記出口に位置を合わせられた第二の出口とが形成され、
前記手段は、前記外側チャンバの圧力が、前記大気圧と前記圧力チャンバの前記内圧とは異なるように維持する手段を含む、非大気圧蒸気オーブンシステム。
【請求項２】
電子写真システムにおいてトナー材料を基板に定着させる蒸気定着装置であって、
気密圧力チャンバの範囲を画定し、前記圧力チャンバを通して前記基板を移動させるための密閉された入口及び出口を有する蒸気オーブンと、
前記圧力チャンバの内部に配置された伝熱流体の飽和温度が所定の温度に調整されるように、圧力チャンバ内の内圧を制御する手段であって、圧力チャンバ内の前記内圧が前記蒸気オーブンの外部の大気圧と異なる、手段と、
を含み、
前記蒸気オーブンは、前記気密圧力チャンバの範囲を画定する内壁と、内壁の外側にある外側チャンバの範囲を画定する外壁とを有し、
前記内壁には、前記入口及び前記出口が形成され、
前記外壁には、前記入口に位置を合わせられた第二の入口と、前記出口に位置を合わせられた第二の出口とが形成され、
前記手段は、前記外側チャンバの圧力が、前記大気圧と前記圧力チャンバの前記内圧とは異なるように維持する手段を含む、蒸気定着装置。
【請求項３】
電子写真システムにおいてトナー材料を基板に定着させる方法であって、
電子写真システムは、
圧力チャンバの範囲を画定し、前記圧力チャンバを通して物体を移動させるための入口及び出口を有する蒸気オーブンと、
前記圧力チャンバの内部に配置される伝熱流体の飽和温度が所定の温度に調整されるように、前記圧力チャンバの内圧を制御する手段であって、前記圧力チャンバの前記内圧が前記蒸気オーブンの外部の大気圧と異なる、手段と、
を含み、
前記蒸気オーブンは、前記圧力チャンバの範囲を画定する内壁と、内壁の外側にある外側チャンバの範囲を画定する外壁とを有し、
前記内壁には、前記入口及び前記出口が形成され、
前記外壁には、前記入口に位置を合わせられた第二の入口と、前記出口に位置を合わせられた第二の出口とが形成され、
前記手段は、前記外側チャンバの圧力が、前記大気圧と前記圧力チャンバの前記内圧とは異なるように維持する手段を含み、
伝熱流体を含む前記圧力チャンバの内部の温度及び圧力条件を、前記圧力チャンバの伝熱蒸気の内圧が前記大気圧と異なり、前記圧力チャンバの温度が前記圧力条件での前記伝熱流体の沸点以上になるように生成し、
定着していないトナー材料が配置された前記基板を、前記内圧と前記大気圧との圧力差を著しく変化させずに、前記圧力チャンバを通して移送することによって、前記基板が前記内部の温度に加熱され、前記トナー材料が前記基板に定着する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スチーム式製造システムに関し、特に、電子写真システムのスチーム定着器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真または静電写真（electrostatographic）プリンタ（ここでは、「電子写真システム」と総称する）においては、電荷保持部材が均一電位に帯電され、その後、再生される原本の光イメージに露光される。この露光により、露光された領域、または、バックグラウンド領域の電荷保持表面が放電し、原本内に含まれるイメージ領域に相当する部材上に静電潜像が生成される。続いて、電荷保持表面上の静電潜像は、イメージを現像剤で現像することにより、可視化（rendered visible）する。多くの現像システムでは、帯電したキャリア粒子とキャリア粒子に摩擦電気的に付着する帯電したトナー粒子との両方を含む現像材料を用いる。現像時において、トナー粒子が電荷保持領域上のイメージ領域の電荷パターンによりキャリア粒子から吸引され、電荷保持領域に粉末画像を形成する。その後、このイメージは基板（例えば、紙）に転写される。そして、このイメージは定着器を介して転写され、熱及び／または圧力が加えられることにより、トナー材料の温度をトナー材料が合体して粘着性を有する温度にまで上昇させ、永久的にトナーを基板に付着させる。この加熱により、トナーが基板の繊維または細孔に、ある程度流れる。その後、トナー材料が冷却されると、トナー材料が凝固することによりトナー材料が基板に接着する。
【０００３】
電子写真システムは、上述した加圧定着器などの接触型定着器、または、フラッシュ、放射またはスチーム定着器などの非接触型システムを利用してトナー材料を基板に定着させる。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，３１８，７９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
接触型定着器では、基板が二つのローラの間で押圧される。二つのローラのうち少なくとも一方はトナーを基板に接着させるのに十分高い温度に加熱される。しかし、接触方法には、媒体の粗さ及び媒体と伝熱面との間に閉じ込められた空気層のため、媒体への熱結合が弱いという問題がある。
【０００６】
スチーム定着器は、トナーを付着させるために、スチームオーブンを利用して基板を急速に所望の温度に加熱する。低温の基板が、まず、トナー転写装置から約１８０℃±１０℃の温度の蒸気を含むスチームオーブンの中に導入される。このように、スチーム凝縮及び潜熱の付随的放出だけでなく、対流伝熱により、基板が所望の温度に加熱される。この加熱過程の早い段階では、基板の表面温度が動作圧力で水の沸点に近づくまで、主にスチーム凝縮伝熱によって基板が加熱される。このスチーム凝縮伝熱は、スチームの温度とは関係なく、通常１００ミリセカンド単位の時間で起こる。この凝縮加熱過程の間、凝縮液層は（基板の熱容量に依存するが）約４ミクロンの厚さになるが、基板が沸点（例えば、１００℃）より高く加熱される前に凝縮液層は再気化されなければならない。凝縮液層の再気化には約1秒かかるが、その間、この液層は毛管注入（capillary infusion）により急速に基板の繊維マトリックス（コーティングされていない場合）に吸収される。基板の中心における含水率が約１０重量％のレベルを超えると、繊維は運動が可能になり、（製造中に、圧力及び湿展性の下、不均一な応力（stress）で冷却及び急冷されることにより紙に生成された）不均一な応力を緩和することができる。これは、しわ（cockling）と呼ばれ、好ましくない。一旦しわが現れると、次に、固定されていない紙を乾燥させても、ひずみを戻すのには効果的ではない。
【０００７】
必要なのは、表面に感知できる厚さの水を形成せずに（コックリングを最小限にするためにスチームオーブンの「凝縮区間」の時間を最小限にして）基板を急速に加熱できる電子写真システム用のスチーム定着器である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、非大気圧蒸気オーブンシステムであって、圧力チャンバの範囲を画定し、前記圧力チャンバを通して物体を移動させるための入口及び出口を有する蒸気オーブンと、前記圧力チャンバの内部に配置される伝熱流体の飽和温度が所定の温度に調整されるように、前記圧力チャンバの内圧を制御する手段であって、前記圧力チャンバの前記内圧が前記蒸気オーブンの外部の大気圧と異なる、手段と、を含む。
【０００９】
また、別の発明は、電子写真システムにおいてトナー材料を基板に定着させる蒸気定着装置であって、気密圧力チャンバの範囲を画定し、前記圧力チャンバを通して前記基板を移動させるための密閉された入口及び出口を有する蒸気オーブンと、前記圧力チャンバの内部に配置された伝熱流体の飽和温度が所定の温度に調整されるように、圧力チャンバ内の内圧を制御する手段であって、圧力チャンバ内の前記内圧が前記蒸気オーブンの外部の大気圧と異なる、手段と、を含む。
【００１０】
さらに、別の発明は、電子写真システムにおいてトナー材料を基板に定着させる方法であって、伝熱流体を含む圧力チャンバの内部の温度及び圧力条件を、前記圧力チャンバの伝熱蒸気の内圧が前記圧力チャンバの外部の大気圧と異なり、前記圧力チャンバの温度が前記圧力条件での前記伝熱流体の沸点以上になるように生成し、定着していないトナー材料が配置された前記基板を、前記内圧と前記大気圧との圧力差を著しく変化させずに、前記圧力チャンバを通して移送することによって、前記基板が前記内部の温度に加熱され、前記トナー材料が前記基板に定着する、方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、電子写真システム用のスチーム定着装置の改善に関する。以下に、特定の用途及びその要件において提供される発明を、当業者が実施及び利用できるように説明する。好ましい実施形態への様々な変更は当業者に明らかであり、ここで定義される一般的原理は他の実施形態にも適用される。そのため、本発明は、示される特定の実施形態に限定されるものではなく、ここに開示される原理及び新規の特徴に従った最大範囲が許容される。
【００１２】
ここで使われているように、「蒸気」という用語は、液相に実際または仮想的に接している液体の凝縮性気相成分であり、液相の存在によって純気相と識別される。以下に例示する実施形態では、スチームは、液体の水の上に接して形成される（水）蒸気の例として使われる。その他の実施形態では（図示しない）、非大気圧スチームオーブンシステムは、生成された蒸気にスチームを含まない非水系伝熱流体を利用してもよい。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態例に係る非大気圧スチームオーブンシステム１００を含む電子写真システム５０の一部を示す簡易側面図である。スチームオーブンシステム１００は、トナー転写装置６０のすぐ後に位置しており、トナー転写装置６０は、既知の電子写真技術により所定のパターンで基板５５にトナーを転写する２つの回転ドラム６１及び６２を利用する。
【００１４】
スチームオーブンシステム１００は、一般的に、制御可能な圧力チャンバ１１１の範囲を画定するスチームオーブン（密閉容器（hermetic enclosure））１１０と、圧力調整装置１３０とを含む。従来の電子写真システムのスチーム定着器が行うのと同じように、スチームオーブンシステム１００は、水性のスチームを利用して、基板５５を所定の最適な温度に加熱し、トナーの溶解及びトナーの基板５５への定着を促進するために、所定時間、基板５５を所定の温度以上に保つ。しかし、従来のスチーム定着器と異なり、スチームオーブンシステム１００は、大気条件下での水の沸点（すなわち、１００℃）と通常関連する温度以外の温度でスチームを生成するように、圧力チャンバ１１１の圧力を制御する。このように、スチームオーブンシステム１００は、所定の温度での高速相変化伝熱を促進して基板５５を加熱（または他の用途では、冷却）し、さらに、基板５５の異なる場所での温度を一様にし、これにより選択されたトナーの定着プロセスを最適化する。
【００１５】
スチームオーブン１１０は、圧力チャンバ１１１が密閉されて、圧力チャンバ１１１と外気条件との間の圧力差に耐える十分な強度を持つように、従来の材料及び製造技術を用いて構築される。スチームオーブン１１０は、密閉された入口１１３と密閉された出口１１５を通じてアクセスできる。実施形態例では、密閉された入口１１３は、柔軟な（compliant）ローラニップ（ホイール）１２１及び１２３を含み、密閉された出口１１５は、従来の材料及び製造技術を使って構築された柔軟なローラニップ１２５及び１２７を含み、著しく圧力を損失させずに基板５５を圧力チャンバ１１１を通して移送させる役割を果たす。スチームオーブン１１０の外壁は、スチーム温度よりも若干高い温度に加熱され、加熱された補助的な壁部分１１７及び１１９は、ニップ上での凝集を避けるため、ローラニップ１２１／１２３及び１２５／１２７を囲む。
【００１６】
実施形態例において、温度／圧力調整装置１３０は、圧力チャンバ１１１内に配置される液体伝熱流体Ｌの温度を、浸水した抵抗発熱体１３２を介して、制御された設定値に制御する温度調整器１３１を含む。１つの実施形態では、チャンバ１１１は、設定された温度で伝熱流体Ｌの蒸気圧と釣り合う。随意の圧力調整装置（例えば、ポンプ）１３５は、さらに、パイプ１３６を通じてチャンバ１１１の内部の圧力を制御する。温度／圧力調整装置１３０は、チャンバ１１１の内圧が圧力チャンバの外部の大気圧と異なり（すなわち、大気圧以上または以下）、圧力チャンバの内部の温度が内圧で伝熱流体の沸点温度以上になるような最適な状態を生成する。圧力チャンバ１１１に配置される基板５５（すなわち、紙）のような物体は、選択された沸点で自己限定的に平衡化（equilibrium）する傾向にある。飽和温度よりも高い（例えば、６０℃より高い）温度の物体は、本来の湿気を失うことで蒸発により冷却される傾向にあり、飽和温度よりも低い（例えば、６０℃よりも低い）温度の物体は、周囲のスチームからの凝縮伝熱により加熱される傾向にある。図１に図示する定着動作内容において、本発明は、基板５５を所望の温度に効果的に加熱することを可能にし、定着プロセスの間、基板５５の不均一な温度を平衡化することができるので、大気条件下よりもずっと低い温度で定着プロセスを促進することができる。
【００１７】
同様に、別の実施形態において、伝熱流体（水）を加熱することにより、沸点を１２０℃まで上げることができるので、システムの圧力を１気圧（１５ｐｓｉｇ）上げることができる。図２Ａ及び図２Ｂは、異なる圧力及び温度条件下での水に対する様々な蒸気圧を示す。
【００１８】
本発明で重要な点は、移送されたシートが、自己限定的に、設定された圧力で水の沸点、または、沸点付近で、平衡に近づくことである。シートが高温で入ると、乾燥し、冷却される。シートが低温で入ると、湿り、加熱される。本発明で２番目に重要な点は、沸点を対象基板の温度よりも高くすることにより、１００℃よりも高い温度で、基板を急速に凝結加熱することができることである。平衡に簡単に近づける方法の変形例において、スチームオーブン１１０に入れる前に水の表層で（例えば、水を噴霧したり、基板を密閉容器の中に入れる前に、冷たく湿った環境に通すことによって）、高温の基板を湿らせてもよい。その場合、紙の束の本来の湿気の存在に頼らずにシートを冷却することができる。
【００１９】
図３は、本発明の別の実施形態に係る非大気圧スチームオーブンシステム２００を示す簡易側面図である。スチームオーブン２１０は、従来の材料を使って構築され、内側（圧力）チャンバ２１２の範囲を画定する内壁２１１と、外側チャンバ２２２の範囲を画定する外壁２２１とを含む。内側チャンバ２１２は、入口２１３及び出口２１５を通じてアクセスされる。外側チャンバ２２２は、基板５５がスチームオーブン２１０を直線経路に沿って通るように、入口２１３及び出口２１５にそれぞれ位置を合わせられた入口２２３及び出口２２５を通じてアクセスされる。伝熱流体Ｌは、内側チャンバ２１２内に配置され、例えば、浸水した抵抗発熱体２３２によって、温度調整器（制御器）２３１によって、決定された設定温度に加熱される。圧力チャンバ２１２は、選択された設定温度で伝熱流体Ｌの蒸気圧と釣り合う。圧力チャンバ２１２の内圧がスチームオーブン２１０の外部の大気圧と異なり（すなわち、大気圧以上または以下）、圧力チャンバ２１２の内部の温度が内圧で伝熱流体Ｌの沸点以上になるような最適な状態が生成される。ポンプ２３５は、スチームオーブン２１０の外部の大気圧及び内側（圧力）チャンバ２１２の圧力との両方よりも外側チャンバ２２２の圧力を低く保つことにより、スチームオーブン２１０の外部から入口２３３及び出口２３５を通って外側チャンバ２２２に入った空気、及び、入口２１３及び出口２１５を通って内側チャンバ２１２から外側チャンバ２２２に入ったスチーム（または他の蒸気）との両方を排出（及び、随意的に再循環）することができる。このように、（上述した）図１の実施形態において利用されたニップ封止装置の代わりに、別個に（differentially）ポンプで空気を注入された外側チャンバ２２２を設ける。
【００２０】
本発明を、特定の実施形態に関して説明したが、本発明の特徴を、本発明の範囲に含まれる他の実施形態に適用できることは、当業者にとって明らかである。例えば、加圧／減圧された領域を密閉するためにホイール／ローラを使用する代わりに、開閉する多数の壁を使用できる（例えば、基板の入口側及び出口側にそれぞれ設けられた２つの平行な壁が、内部の密閉容器の圧力を著しく失うことなく基板の入出に対して移行領域を提供する「ロードロック」としての役割を果たすことができる）。さらに、本発明が、電子写真システムにスチーム定着器として組み込まれるように記載しているが、本発明は、標準大気圧で伝熱流体（例えば、水）の自然沸点に限定されることなく、薄い基板を利用する広範囲の製品の製造に利用できる。また、本発明は、浸水型発熱体を含むように記載されているが、他のシステムを用いて、蒸気オーブン内に配置される、または、蒸気オーブンに通じている伝熱流体を加熱してもよい。このような他の用途としては、巻き取り紙によって移送された薄い物体を自己限定的に表面加熱すること、及び、過熱することなく巻き取り紙上の層を制御溶解すること（例えば、フレキシブルプリント基板（ＰＣＢ）にチップまたは他の物体を熱可塑結合、または、熱硬化結合すること）が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明のこれら及び他の特徴、態様及び効果は以下の説明、添付の請求の範囲、及び、添付の図面により、より理解されるだろう。
【図１】本発明の実施形態に係る非大気圧スチームオーブンを示す簡易側面図である。
【図２】（Ａ）は、温度と圧力の様々な組み合わせにおける水蒸気圧の変化を示すグラフであり、（Ｂ）は、温度と圧力の様々な組み合わせにおける水蒸気圧の変化を示すグラフである。
【図３】本発明の別の実施形態に係る非大気圧スチームオーブンシステムを示す簡易側面図である。
【図１】
0005313650.tif 000002
【図２】
0005313650.tif 000003
【図３】
0005313650.tif 000004