(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性の金属を素材とした中空のロール胴の表面を伝熱面とし、前記ロール胴の内部にヒータを収納するとともにこのヒータと前記ロール胴との間に、前記ロール胴の金属素材よりも高い熱伝導率の熱伝導スリーブを前記伝熱面に対して熱伝達可能に配置し、前記熱伝導スリーブの肉厚をその軸線方向の中央部が最も薄く端部側に向かうに連れて大きくなる形状としてなるブロック状構造体における構造体表面の均等熱分布化構造。
【請求項２】
耐熱性の金属を素材とした中空のロール胴の表面を伝熱面とし、前記ロール胴の内部にヒータを収納するとともにこのヒータと前記ロール胴との間に、前記ロール胴の金属素材よりも高い熱伝導率の熱伝導スリーブを前記伝熱面に対して熱伝達可能に配置し、前記熱伝導スリーブの軸線方向の端部の外周面に複数条のフィンを形成してなるブロック状構造体における構造体表面の均等熱分布化構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば電子写真複写機におけるトナー像定着用の加熱ロールや、溶融合成樹脂を注入して型成形品を得る金型などを対象とした加熱構造に係り、特にこれらのロールや金型の構造体の操作表面を均等に加熱できるようにした構造体表面の均等熱分布化構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真複写機には、現像されたトナー像を用紙に転写した後にこの用紙上のトナー像を溶融することによって定着させる加熱定着装置が備えられている。この加熱定着装置は、一対のロールのうちの少なくとも一方にヒータを組み込み、これらのロールの間のニップ部に用紙を供給することによって、ロールからの加熱及び加圧を利用してトナー像を用紙上に溶融定着させるというものがその基本的な構成である。
【０００３】
このような定着装置では、加熱側のロールから用紙に対する熱伝達の均等化すなわち用紙の全体が一様な温度分布を持つように加熱することが非常に重要である。これは、もし用紙に対して加熱温度が高いところや低いところがあったりすると、温度が高い部分ではトナーの溶融度が過度になって画像が不鮮明となったり、温度が低い部分では未定着のままとなったりするからである。
【０００４】
そこで、加熱ロールの周面の温度を一様化するため、たとえば特開平１−１５７０８３号公報や特開平３−２６７９７６号公報に記載されたものが有効な手段として提供されている。
【０００５】
前者に記載のものは、中空の円筒状基体を銅または銅合金の高熱伝導材によって形成し、この円筒状基体の外周面に抵抗発熱体層を設けて加熱ロールとしたものである。このような構成によれば、高熱伝導材を用いた円筒状基体による熱伝達の促進により、ロールの軸線方向の温度分布の均一化の向上が可能とされている。
【０００６】
また、後者に記載のものは、ヒータを内蔵したロールを機械的強度が大きな第１の金属筒とこれを外挿する熱伝導率が大きな第２の金属筒とによって構成したものである。この構成では、金属材料ではその硬度と熱伝導率は相反する傾向にあるのに対し、第１及び第２の金属筒のそれぞれの機械的強度と熱伝導率との組合せにより、ロール全体の剛性を上げるとともに表面温度分布の均一化が可能であるとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
先に挙げた公報に記載の発明によれば、定着用の加熱ロールにおける温度分布の一様化についてはそれぞれ作用効果が期待できる。しかしながら、トナー像の定着用の加熱ロールとしては温度分布の一様化についての改善が可能であるが、ほかの利用分野においては対応性に乏しいという傾向がある。
【０００８】
すなわち、用紙に対するトナー像の定着では、ロールの周面に対する外力負荷や応力の集中は比較的小さいため、特開平３−２６７９７６号公報のもののように、外周面を熱伝導率は高いが機械的強度は小さい第２の金属筒としても構わない。ところが、ロールの周面に対する負荷が大きい印刷用のホットロール等では、その外周面への表面疵の発生を定着ロール等と同様に防止することが重要であり、したがって熱伝導率の高い金属材料を外周面に用いることは適切でない。
【０００９】
また、特開平１−１５７０８３号公報に記載のように、高熱伝導性の円筒状基体の外周面に抵抗発熱体層を設けるものにおいても、この抵抗発熱体層が剥き出しになっているので、同様に外的負荷が大きくて応力集中が発生しやすい条件には対応できない。
【００１０】
一方、たとえば、ホットプレスの分野におけるアルミナ等の粉体の焼結ベッセルでは、材料に対する熱伝達を一様化することで良好な焼結体が得られる。このため、熱伝導率が高い材料を用いてベッセル内壁の全体を均熱化することが有効であるが、先に述べたような従来構造をそのまま適用しても、外的負荷や応力集中の面での耐用性に問題がある。
【００１１】
また、プラスチック製品を型製作する場合に使用される金型では、高温の溶融樹脂を金型に注入した後に冷却し、硬化した後に製品が金型から離型されて回収される。この場合、注入された樹脂が均等に冷却されることが好ましいが、金型の肉厚が薄い部分が先に冷却硬化していく傾向にあるので、金型を加熱して均等冷却を図ることが有効といえる。
【００１２】
しかしながら、この金型の場合においても、その内部の表面に対する外力負荷だけでなく熱的負荷も大きいので、公報に挙げたような構造では焼結ベッセルの場合と同様に対応できない。
【００１３】
このように、定着用の加熱ロールだけでなく焼結ベッセルや金型の分野に至るまで、一つの塊を単位とするブロック状の構造体に対して、その表面温度が一様化できるとともに外力負荷や応力集中及び熱的負荷に対しても安定を保てるようにするという展開は未だなされていない。
【００１４】
本発明において解決すべき課題は、外部からの負荷に関係なくその表面温度を一様化して加熱対象に対する熱の授受を均等化できる構造体表面の均等熱分布化構造を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のブロック状構造体における構造体表面の均等熱分布化構造は、耐熱性の金属を素材とした中空のロール胴の表面を伝熱面とし、前記ロール胴の内部にヒータを収納するとともにこのヒータと前記ロール胴との間に、前記ロール胴の金属素材よりも高い熱伝導率の熱伝導スリーブを前記伝熱面に対して熱伝達可能に配置し、前記熱伝導スリーブの肉厚をその軸線方向の中央部が最も薄く端部側に向かうに連れて大きくなる形状としてなることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のブロック状構造体における構造体表面の均等熱分布化構造は、耐熱性の金属を素材とした中空のロール胴の表面を伝熱面とし、前記ロール胴の内部にヒータを収納するとともにこのヒータと前記ロール胴との間に、前記ロール胴の金属素材よりも高い熱伝導率の熱伝導スリーブを前記伝熱面に対して熱伝達可能に配置し、前記熱伝導スリーブの軸線方向の端部の外周面に複数条のフィンを形成してなることを特徴とする。
【００１７】
また、ブロック状構造体は金型であって、型本体に組み込んだヒータと製品の創成面との間に高熱伝導材を配置したものとしてもよい。なお、このような金型は主として合成樹脂成形用として好適に利用できるが、その他の材料による成形も無論可能であり、ホットプレスの分野へも適用できる。
【００１８】
【実施の形態】
図１は本発明のブロック状構造体を印刷用のホットロールとした例であって、同図の（ａ）はロールの切欠正面図、同図の（ｂ）は要部の縦断面図である。
【００１９】
図において、スリーブ軸１と外郭を形成する高剛性のロール胴２とを備えるとともに、スリーブ軸１の中にはヒータ３を挿入し、更にスリーブ軸１とロール胴２との間に熱伝導スリーブ４を組み込んだものである。
【００２０】
スリーブ軸１とロール胴２は、機械的強度及び剛性が高くて外力負荷及び応力の集中にも十分に耐え得るようにするために、たとえばステンレス鋼を素材としたものである。このステンレス鋼であれば、熱応力の繰返し負荷に対する耐用性も高いため、特にロール胴２の表面の性状を安定させることができ、このロール胴２の表面に接触する用紙等の加熱対象に対する均熱性が保持される。また、図示の例では、スリーブ軸１だけが他の部材のよりも軸線長さが長く、その両端部を軸受けによって支持する支軸として利用する。
【００２１】
ヒータ３は円形断面を持つ一様な外径の棒状体であって、スリーブ軸１の中にきっちりと嵌合されてそれぞれの接触面を伝熱面としたものであり、その軸線方向の一端にはリード線３ａ，３ｂを接続してこれらをスリーブ軸１の端部から突き出している。これらのリード線３ａ，３ｂはヒータ３との接続部分で回転接点を持つようにコネクタによって結線することで、ロールが回転しても捩じれることがないようにする。そして、リード線３ａ，３ｂを温度設定装置（図示せず）に接続することにより、ヒータ３の発熱量を調整可能とする。
【００２２】
熱伝導スリーブ４は、スリーブ軸１及びロール胴２の素材よりも高い熱伝導率を持つものであって、たとえば銅やアルミニウムなどが好適に利用できる。そして、熱伝導スリーブ４は、スリーブ軸１の外周及びロール胴２の内周ときっちり嵌合してこれらのスリーブ軸１及びロール胴２との間での熱伝達が可能な断面形状を持つものとし、図示のようにその軸線方向の両端はロール胴２によって被覆されて外に曝されていない。また、スリーブ軸１側から熱伝達された熱を或る程度蓄熱してアキュムレータとしての機能を持てるような厚さとする。たとえば、スリーブ軸１の外径が１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度であれば、熱伝導スリーブ４の肉厚は２０ｍｍ〜４０ｍｍとすることが好ましい。
【００２３】
以上の構成において、ヒータ３へ通電されたときの熱はスリーブ軸１に伝達されて外皮のロール胴２側に伝熱される。この熱伝達においては、スリーブ軸１の外周に高熱伝導率の熱伝導スリーブ４が介在しているので、ロール胴２の全体に一様に熱伝達されて、その外周面の温度分布が均一化される。
【００２４】
すなわち、熱伝導スリーブ４はスリーブ軸１及びロール胴２よりも熱伝導率が高いので、たとえばロール胴２をヒータ３によって直に加熱する場合に比べると、熱伝導スリーブ４による熱拡散効果によりロール胴２はその軸線方向の温度分布が一様になるように加熱される。したがって、ロール胴２の表面に接触してパスしていく加熱対象に対しても、加熱のむらを伴うことがない操作が可能となり、一様な加熱が確実に得られる。
【００２５】
また、ホットロールの外周面はステンレス鋼を利用したロール胴２なので、外力負荷や応力集中に対しても十分な機械的強度を持つので、ロール胴２の周面に接触する加熱対象からの負荷が大きくても支障なく操業できる。そして、軸受けに支持されるスリーブ軸１も同様に機械的強度が高いので、その撓みの発生等も防止できる。したがって、これらのスリーブ軸１及びロール胴２によって負荷を受けたときの変形が抑制されるので、熱伝導スリーブ４との間の伝熱面が部分的に剥離してしまうこともなく、常に安定した熱伝達が得られロール胴２の表面の均一加熱が維持される。
【００２６】
ここで、図１に示したように、スリーブ軸１の中にヒータ３が差し込まれていて、スリーブ軸１の両端が他の部材よりも突き出ていると、スリーブ軸１が受けた熱はこの突き出た部分から放熱しやすい。また、ロール胴２及び熱伝導スリーブ４の軸線方向の両端面も外に曝されているので、この部分からの放熱損もある。したがって、ホットロールの全体からみれば、軸線方向の中央部よりも端部側からの抜熱量が大きいことになり、この差によってロール胴２の端部側の表面温度が中央部に比べて低下する傾向にある。
【００２７】
このような温度分布への影響に対しては、熱伝導スリーブ４の形状を図２に示すように変更することによって容易に対応できる。
【００２８】
図２の（ａ）は熱伝導スリーブ４の肉厚をその軸線方向に変えた例であって、図示のように中央部が最も薄くて端部側に向かうに連れて断面が大きくなる形状としたものである。このような熱伝導スリーブ４であれば、その肉厚が厚い程ヒータ３からの伝熱量が多くなることと熱蓄積量も多くなるので、ロール胴２の端部側が抜熱される量に相当して伝熱量を補うことができる。したがって、ロール胴２の中央部と端部との間での温度差を解消することができ、ロール胴２の軸線方向の全長に亘って温度分布を一様化することができる。
【００２９】
図２の（ｂ）は、熱伝導スリーブ４の軸線方向の端部の外周面に複数条のフィン４ａを形成した例である。このようなフィン４ａを設けることで、ロール胴１の両端部での熱伝達量を中央部分のそれよりも増やすことができ、同図の（ａ）の例と同様に端部付近での抜熱量を補うことで、ロール胴１の温度分布の一様化を図ることができる。
【００３０】
このように、熱伝導スリーブ４の軸線方向の両端の肉厚を次第に厚くしたりフィン４ａを設けるようにすれば、ロール胴２やヒータ３自身の端部に断熱構造を持たせることは不要となる。したがって、スリーブ軸１がヒータ３を貫通するような単純なロール構造とすることで対応でき、印刷機へのホットロールの組み込み構造も変更する必要がなくなる。
【００３１】
図３は樹脂成形品の製造に適用できる加熱式の金型装置を構造体の例としたものである。
【００３２】
図において、金型装置は下型５と上型６との組合せとしたものであり、下型５を凹状断面のキャビティ及び上型６を下に凸のコアとしている。これらの下型５と上型６はガイドピン７によって連接され、下型５には型製作後の製品を繰り出すためのエジェクタピン８を設けている。
【００３３】
下型５及び上型６は合成樹脂製品の型製作に通常利用されている耐熱性のある金属であり、たとえばハステロイＣやＳＫＤ１１等を利用できる。そして、従来の樹脂成形用の金型装置と同様に、下型５及び上型６には複数のヒータ５ａ，６ａが組み込まれる。これらのヒータ５ａ，６ａはたとえば円形状の断面形状とした棒状ヒータであり、その周面から下型５のキャビティ及び上型６のコアによって形成される型製品の創成空間（図示の例ではＵ字状断面として示す。）へ熱伝達され、装入した樹脂の溶融及び上型６の圧入による圧下力を利用してＵ字状断面の型製品が型製作される。
【００３４】
複数のヒータ５ａ，６ａからの熱伝達量を創成空間の全体に対して一様化するため、下型５及び上型６のそれぞれには高熱伝導材９，１０を組み込む。これらの高熱伝導材９，１０はいずれも下型５及び上型６よりも熱伝導率が高い素材としたもので、先の例と同様にたとえば銅やアルミニウムを利用することができる。
【００３５】
下型５に備える高熱伝導材９は、創成空間に沿うようなほぼＵ字状の断面形状を持つとともに、図面と直交する方向であって型製品の両端部側も含めて一様に創成空間を包囲するような形状として組み込む。そして、この高熱伝導材９に対して、全てのヒータ５ａはその外側に分布した配列とする。
【００３６】
上型６の備える高熱伝導材１０は、創成空間の中に入り込むような縦長の長方形状の縦断面をもつブロック状としたものである。そして、下型５の場合と同様の、高熱伝導材１０の外側に全てのヒータ６ａが分布した配置として組み込まれている。
【００３７】
下型５においては、各ヒータ５ａからの熱量が全て一様に型製品の創成空間の周囲に一様に伝達されるように、ヒータ５ａの配列及び高熱伝導材９の位置関係等を適正に設定する。そして、このことは上型６におけるヒータ６ａ及び高熱伝導材１０についても同様である。
【００３８】
このような高熱伝導材９，１０をそれぞれ下型５及び上型６に備える金型構造では、ヒータ５ａ，６ａによって下型５及び上型６が加熱されたときには、先のホットロールの場合と同様に高熱伝導材９，１０によって型製品の創成空間周りの全体が一様に加熱される。このため、ヒータ５ａ，６ａが点在するような配置であっても、コアとキャビティによって形成されるＵ字状断面の創成空間の内表面温度を一様に均一化することができ、装入された溶融樹脂に対して均等加熱が行われる。そして、装入後に一定時間経過したら、ヒータ６による加熱を停止させて、溶融樹脂を自然冷却させることにより、型製品が得られる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明では、熱伝導スリーブの肉厚が厚い程ヒータからの伝熱量が多くなることと熱蓄積量も多くなるので、ロール胴の端部側が抜熱される量に相当して伝熱量を補うことができる。したがって、ロール胴の中央部と端部との間での温度差を解消することができ、ロール胴の軸線方向の全長に亘って温度分布を一様化することができる。
【００４０】
請求項２の発明では、ロール胴の両端部での熱伝達量を中央部分のそれよりも増やすことができ、ロール胴の周面を一様な温度分布に設定できるので、たとえば印刷用のホットロール等の分野に最適利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を印刷用のホットロールに適用した例であって、（ａ）は正面概略図、（ｂ）は要部の縦断面図である。
【図２】  ロール胴の軸線方向の端部も含めて温度分布を一様化する例であって、（ａ）は熱伝導スリーブの両端側を肉厚とした例を示す要部の縦断面図、（ｂ）は熱伝導スリーブの両端にフィンを設けた例を示す要部の縦断面図である。
【図３】  本発明を合成樹脂製品の金型装置に適用した例を示す要部の概略縦断面図である。
【符号の説明】
１  スリーブ軸
２  ロール胴
３  ヒータ
４  熱伝導スリーブ
４ａ  フィン
５  下型
５ａ  ヒータ
６  上型
６ａ  ヒータ
７  ガイドピン
８  エジェクタピン
９，１０  高熱伝導材
【図１】
0003877398.tif 000002
【図２】
0003877398.tif 000003
【図３】
0003877398.tif 000004