Appareil xérographique de fusion à rayonnement infrarouge
La présente invention concerne un appareil xérographique de fusion pour fixer à chaud une image de poudre xérographique sur un matériel de support en papier.
Rayonnement est un terme utilisé pour décrire une énergie qui est transmise par des ondes électromagnétiques. Pour la transmission de la chaleur, l'énergie rayonante qui est la plus intéressante est l'énergie des rayons infrarouges tombant dans une gamme de longueurs d'onde comprise entre 0,8 et 7,0 microns, car c'est dans cette gamme que la plupart des matières absorbent une partie ou la totalité de l'énergie rayonante incidente. Bien que l'on ne connaisse pas parfaitement la nature réelle du rayonnement et son mécanisme de transport, on sait que le rayonnement se déplace dans l'éspace à la vitesse de la lumière et qu'aucun milieu, comme un métal conducteur ou analogue, n'est nécessaire pour sa propagation.
Pour produire cette transmission de chaleur par émission d'une énergie rayonnante, un corps doit d'abord abandonner une partie de son énergie interne sous la forme d'ondes électromagnétiques qui se déplacent ensuite dans l'espace jusqu'à ce qu'elles rencontrent un autre corps qui les absorbe et les transforme de nouveau en énergie interne, principalement en chaleur.
Une bonne source de rayonnement infrarouge, c'est-à-dire une source qui transforme un pourcentage important de l'énergie interne disponible en énergie thermique rayonnante, produit un rayonnement de grande intensité concentré autour d'une longueur d'onde à laquelle apparaît la puissance de pointe.
L'énergie est d'autant plus concentrée dans une étroite gamme de longueurs d'onde et l'intensité de cette énergie est d'autant plus élevée que la température de la source est plus élevée. Il existe également une relation entre la longueur d'onde à la puissance de pointe et la température de la source. L'augmentation de la températute de la source provoque le déplacement de la longueur d'onde à la puissance de pointe vers la plus courte extrémité du spectre. Par conséquent, on peut dire qu'une source de rayons infrarouges efficace produit une énergie de grande intensité qui est concentrée dans une étroite bande de longueurs d'onde se trouvant habituellement à la plus courte extrémité du spectre des rayons infrarouges.
Des corps qui reçoivent une énergie thermique rayonnante, qu'on appellera récepteurs . présentent diverses qualités d'absorption à l'égard des rayonnements à différentes longueurs d'onde, l'absorptivité étant la faculté qu'a le récepteur à accepter l'énergie rayonnante incidence et à transformer cette énergie en énergie interne ou chaleur. Le noir de carbone, par exemple, absorbe 96 O/o environ de la totalité de l'énergie incidence, quelle que soit la longueur d'onde du rayonnement. Par contre, une plaque d'aluminium polie réfléchit la plus grande partie du rayonnement qui l'atteint, en n'absorbant qu'un faible pourcentage de la plus grande longueur d'onde.
En général, la plupart des matières se trouvent entre ces deux extrêmes, en ce sens qu'elles présentent de bonnes qualités d'absorption à l'égard d'un rayonnement à une longueur d'onde particulière, tout en présentant une réluctance à l'acceptation d'un rayonnement à d'autres longueurs d'onde.
Ce dernier principe a été utilisé par Roshon dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 2 807 707 dans lequel il décrit la fusion thermique sélective d'images de matière colorante xérographique sur une matière de support en papier au moyen de lampes rayonnantes excites par intermittence (fusion par éclat). Les lampes sont allumées pendant une courte période de temps pour émettre une énergie de grande intensité concentrée dans une étroite bande de longueur d'onde dans laquelle la matière colorante absorbe facilement l'énergie rayonnante. Toutefois, le support en papier réfléchit la plus grande partie de cette énergie de grande intensité concentrée à de courtes longueurs d'onde, et par conséquent, reste relativement froid pendant la fusion.
Dans la procédé de xérographie, on applique une charge électrostatique à un cliché comprenant un enduit isolant photoconducteur sur un support conducteur, et on l'expose ensuite à une image lumineuse, après quoi l'enduit devient conducteur sous l'influence de la lumière, et la charge électrostatique est dissipée sélectivement pour produire une image latente.
L'image latente est ensuite développée au moyen de diverses résines pigmentées qui ont été spécialement mises au point à cet effet, ces résines étant appelées matières colorantes xérographiques. La matière colorante est attirée électrostatiquement par l'image latente proportionellement à la quantité de charge qu'elle présente, de sorte que les zones présentant une faible concentration de charge deviennent des zones de faible densité de matière colorante, tandis que les zones présentant une plus grande concentration de charge deviennent proportionellement plus denses. L'image développée est ensuite transféré sur une matière de support et fixée d'une façon parmanente; le mode opératoire le plus utilisé d'une façon générale étant le transfert de l'image sur un support en papier et la fixation thermique de la matière colorante pour former une liaison avec les fibres de papier.
La fusion sélective par éclat, bien qu'elle soit applicable dans de nombreux procédés de fusion xérographiques, ne s'est pas avérée constituer un processus avantageux pour fixer thermiquement des zones de faible concentration de matière colorante. Ces zones ne peuvent pas absorber suffisamment d'énergie pendant la courte durée de l'éclat lumineux pour être correctement fondues. En essayant d'appliquer une plus grande quantité d'énergie aux zones de faible concentration de matière colorante en augmentant l'intensité de l'énergie infrarouge pendant la durée de l'éclat, on endommage la matière de support avant de pouvoir effectuer une fusion correcte.
En outre, les zones d'image de grande densité ou concentration absorbent un excès de cette énergie de grande intensité pendant cette courte période de l'éclat lumineux, ce qui les fait littéralement exploser ou brûler à travers le support de papier avant la fusion des zones de faible concentration de matière colorante.
Théoriquement, dans le processus de fusion thermique xérographique, on désire porter la température de la matière de support aussi près que possible de la température de fusion de la poudre révélatrice xérographique, de facon à appliquer une quantité de chaleur suffisante à la liaison entre la matière colorante et le support a l'endroit où elle est le plus nécessaire pour provoquer la fusion. Cependant, une source de rayons infrarouges de grande efficacité produisant une énergie presque monochromatique favorise d'une façon générale les qualités d'absorption d'une matière par rapport à l'autre, de sorte qu'il est impossible de produire la même température dans les deux matières en une courte période de temps.
Des essais destinés à élargir la longueur d'onde à laquelle une énergie de rayons infrarouges utilisable est produite en ayant recours à des dispositifs à plusieurs sources n'ont pas eu de succés. Lorsqu'on place deux sources de rayons infrarouges à haute température, au voisinage immédiat les unes des autres, elles réagissent entre elles de façon à atteindre une seule température d'équilibre dans chaque source. I1 en résulte l'émission d'une seule forme d'onde d'énergie principalement monochromatique au lieu d'une répartition d'énergie couvrant une large gamme de longueurs d'onde.
Dans de nombreux procédés connus, ainsi que dans le procédé de fusion xérographique, il peut être souhaitable de chauffer deux matières ou plus ayant diverses propriétés physique en présence les unes des autres.
Certains procédés du commerce qui sont bien connus sont les suivants: le séchage d'une peinture sur des objets fabriqués en différentes matières comme une matière plastique, du bois, du métal et des panneaux de fibres; le chauffage de l'intérieur d'une habitation contenant de nombreux objets fabriqués en diverses matières; le chauffage en une seule fois de deux aliments différents comme de la viande et des légumes; ou la stérilisation d'instruments de chirurgie. I1 s'est avéré difficile de transmettre rapidement et efficacement la chaleur à ces matières à partir d'une seule source de rayons infrarouges, et dans certains cas cela s'est avéré impossible à cause de la grande différence des propriétés d'absorption des matières du récepteur.
L'appareil, selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une première source d'énergie infrarouge présentant un filament hélicoïdal pour produire une énergie rayonnante concentrée autour d'une pointe de puissance apparaissant approximativement à une longueur d'onde de 2 microns et ayant une intensité suffisante pour fixer par la chaleur l'image de poudre xérographique, une seconde source d'énergie infrarouge entourant la première source, comprenant une enveloppe ayant un diamètre intérieur égal au diamètre extérieur de la source primaire, de manière que le filament soit supporté en contact étroit par la surface intérieur de l'enveloppe, l'enveloppe transmettant les radiations concentrées autour de la pointe de puissance émises par la source primaire et retransmettant l'énergie rayonnante, qui n'est pas concentrée autour de la pointe de puissance,
à une seconde pointe de puissance concentrée autour d'une longueur d'onde de 3,4 microns, cette seconde source étant d'une intensité suffisante pour chauffer le matériel de support en papier, un dispositif de transport pour faire avancer le matériel de support portant l'image en relation thermique avec les radiations provenant des sources pendant une durée suffisante pour transférer de l'énergie au matériel de support en papier et à l'image de poudre xérographi que pour fixer ladite image sur le support, la durée de la relation thermique étant insuffisante pour endommager le matériel de support.
Le dessin annexé représente à titre explicatif une forme d'exécution de l'appareil, objet de l'invention.
Sur ces dessina:
La figure 1 est une vue en perspective, partiellement en coupe d'un appareil de chauffage xérographique à rayons infra-rouges,
la figure 2 montre deux courbes spectroradiométrl- ques pour un appareil xérographique idéal, les courbes étant tracées sur des coordonnées de la puissance émissive de sortie et des longueurs d'onde montrant la répartition de longueurs d'onde obtenues de l'énergie rayonnante produite par une source et ceci pour deux températures différentes,
la figure 3 est un tracé des paramètres importants dans la fusion xérographique en fonction des longueurs d'onde, auxquels sont superposées les caractéristiques de la source de l'appareil représenté sur la figure 1.
En se référant maintenant à la figure 2, deux courbes sont tracées pour la répartition des longueurs d'onde d'un dispositif de chauffage idéal qui émet une énergie thermique rayonnante et ceci pour deux tempé ratures différentes. Une courbe représente la répartition des longueurs d'onde pour une source idéale produisant une énergie à une température de la source de 1649 C environ, tandis que l'autre est une courbe de répartition pour une source qui fonctionne à 10930 C environ.
Une comparaison de ces deux courbes, qu'on appellera courbes spectroradiometriques, indique que: a) la quantité totale de rayonnement, représentée par la zone située sous ces courbes, est supérieure pour un corps qui fonctionne à une température plus élevée;
b) une source fonctionnant à une température plus élevée produit une puissance de pointe à une plus courte longueur d'onde qu'une source fonctionnant à une température inférieure. Le corps noir fonctionannt à 16495 C a une longueur d'onde de puissance de points apparaissant à 1,5 micron environ, tandis que la source fonctionnant à 10930 C présente une puissance de pointe à 2,2 microns environ.
c) quelle que soit la température à laquelle la source fonctionne, l'énergie thermique rayonannte est produite à toutes les longueurs d'ondes, cependant la répartition de cette énergie est déterminée par la température à laquelle la source fonctionne. Une comparaison des deux courbes représentées sur la figure 2 montre qu'un pourcentage élevé de l'énergie produite par la source fonctionnant à 16490 C est concentré autour de la longueur d'onde de puissance de pointe, tandis que l'énergie totale produite à la température inférieure de la source est répartie plus régulièrement dans l'ensemble du spectre.
Il est important de comprendre les variations des courbes spectroradiométriques représentées sur la figure 2, car Si l'on comprend des courbes, il est évident que la longueur d'onde de pointe et l'intensité de l'énergie qui y est associée sont des caractéristiques d'une source particulière et que ces caractéristiques dépendent de la température à laquelle cette source fonctionne. En outre, il est également évident, d'après le graphique représenté sur la figure 2, que les deux courbes d'un dispositif de chauffage idéal émettant une énergie à des températures différentes ne se croisent jamais, et par conséquent que l'intensité de l'énergie et l'énergie totale émise par une source ne peuvent jamais être égales ou supérieures lorsque cette même source fonctionne à une température inférieure.
Ainsi, il ne peut y avoir qu'une longueur l'onde de puissance de pointe pour chaque source à une température donnée.
En pratique, il s'est avéré qu'un dispositif de chauffage efficace, c'est-à-dire un dispositif de chauffage qui transforme un pourcentage élevé de l'énergie interne disponible en énergie rayonnante, s'approche étroitement de la répartition des longueurs d'onde d'un corps noir. Par exemple, un filament de tungstène, qui est considéré comme étant une bonne source de rayonnement infrarouge, transforme 86 0/o de l'énergie interne disponible lorsqu'il fonctionne à une température de 2204"C environ. On trouve que cette énergie est concentrée dans une étroite gamme de longueurs d'onde centrée sur 1,1 micron environ.
Toutefois, du fait que le rayonnement produit par une source efficace de rayonnement infrarouge est concentré dans une étroite gamme de longueurs d'onde, se trouvant habituellement à la plus courte extrémité du spectre des rayons infrarouges, cette énergie peut exister principalement à des longueurs d'onde auxquelles un récepteur réfléchit l'énergie au lieu de l'absorber.
Dans un procédé de fusion xérographique, par exemple, des essais ont montré qu'un support de papier absorbe très peu d'énergie infrarouge à des longueurs d'onde inférieures à 3,0 micron. Par conséquent, des sources de rayonnement très efficaces, comme un filament de tungstène fonctionnant à des températures élevées, ne produiraient pas facilement un chauffage dans une matière de support en papier.
L' intensité de l'énergie produite à la surface d'une source est la quantité de rayonnement émise par cette source par unité de surface. Comme on peut le voir en comparant les deux courbes de la figure 2, l'intensité (hauteur des courbes) à laquelle un émetteur de rayonnement idéal produit de l'énergie dépend de la température de la source. L'intensité de toutes les longueurs d'onde est d'autant plus grande que la température de la source est plus élevée.
On sait qu'une poudre révélatrice xérographique agit comme un corps noir en ce sens qu'elle absorbe un pourcentage élevé du rayonnement à toutes les longueurs d'onde. Cependant, la matière colorante de la plupart des applications xérographiques couvre un pourcentage relativement faible de la totalité de la surface de support exposée. Par conséquent, une source de rayonnement infrarouge qui produit une puissance de pointe à une longueur d'onde à laquelle le papier présente une bonne qualité d'absorption (3,0 microns ou plus) ne produit pas de rayonnement infrarouge d'une intensité capable de chauffer rapidement des zones d'image légèrement colorées.
Cependant, comme précédemment indiqué, une énergie de grande intensité capable de chauffer efficacement la matière colorante xérographique serait à la plus courte longueur d'onde à laquelle le papier présente des qualités d'absorption relativement médiocres. Par conséquent, on désire, dans le procédé de chauffage xérographique, une source de rayonnement infrarouge qui puisse produire un rayonnement infrarouge de grande intensité à de plus courtes longueurs d'onde pour chauffer efficacement la matière colorante et un rayonnement infrarouge de grande intensité aux plus grandes longueurs d'onde pour chauffer rapidement et efficacement la matière de support.
La figure 1 montre l'application de la présente invention comme source de chaleur dans le procédé de fusion xérographique. Un support 15 auquel adhère légèrement une poudre révélatrice ou matière colorante passe sous la lampe à rayons infrarouges 14. Le support d'image est transporté par une courroie 16 ou dispositif de transport analogue de façon que la matière colorante et la matière de support restent en contact thermique avec la lampe pendant une période de temps suffisante pour faire fondre la matière colorante sur le support.
La lampe 14 comprend un filament épais 10 enroulé hélicoïdalement et placé dans une enveloppe 1 1 de façon que la surface externe de filament enroulé soit maintenue en contact physique avec la surface de l'enveloppe cylindrique 11. Le filament de chauffage 10 peut être excité électriquement en connectant des contacts 12 aux bornes d'une source de courant appropié quelconque (non représentée). Un réflecteur 13, suspendu au-dessus de la lampe, concentre l'énergie propagée à partir de la lampe 14 sur une matière réceptrice 15 déplacée aus-dessus d'elle par le transporteur 16.
Le filament 10 peut être en n'importe quel métal conducteur capable d'émettre efficacement un rayonne ment infrarouge lorsqu'il est excité électriquement; ce- pendant, il s'est avéré que le tungstène est préférable, du fait que cette matière a des propriétés donnant au filament une grande efficacité et une longue durée de fonctionnement à des températures élevées.
La lampe 14 représentée sur la figure 1 est destinée à fonctionner à la moitié de la tension à laquelle une telle lampe pourrait être excitée sans défaillance, tension qui dépend de la dimension et des qualités physiques du filament. La température de fonctionnement du filament 10 est réglée en espaçant les spires de façon qu'une température du filament de 11490 C soit maintenue lorsque le filament est excité à la moitié de sa tension. Il a été déterminé qu'une lampe à rayons infrarouges fonctionnant à une demi-tension et à une température relativement basse (11490 C présente une durée illimitée en service. Par contre, une lampe en quartz fonctionnant à haute température et à pleine capacité, et à une température du filament de 2204" C environ, présente une durée en service relativement courte, de l'ordre de 5000 heures.
L'enveloppe 1 1 est construite en une matière ayant de bonnes propriétés thermiques aux températures Blec vées, et qui est également capable de transmettre partiellement et d'absorber partiellement l'énergie incidente du rayonnement infrarouge. Certains verres vitreux (non cristallins) comme le Vicor , le sel gemme et le quartz sont des exemples de matières ayant ces propriétés voulues. Toutefois, l'expérience a montré que le quarts fondu se prête le plus facilement à une application à ce type de dispositif.
En fonctionnement, le filament de tungstène est placé directement en contact physique avec l'enveloppe en quartz. Au contraire, le filament des lampes connues à rayons infrarouges est supporté par des disques de tantale à une certaine distance de l'enveloppe de quartz pour empêcher la cristallisation du quartz à cette température de fonctionnement élevée (22600 C).
Une enveloppe de quartz qui a été cristallisée n'a plus la faculté de transmettre l'énergie des rayons infrarouges, et par conséquent constitue un barrage entre la source de rayonnement et un récepteur. Le quartz fondu présente une temperature de ramolissement de 1668 C, et par conséquent un filament de tungstène fonctionnant à des températures de 11490 C, peut être placé sans risque en contact physique avec l'enveloppe sans qu'on ait à craindre une altération des propriétés de transmission du quartz.
On va expliquer maintenent la présente invention en se référant à la courbe tracée sur le graphique de la figure 3. Sur le graphique de la figure 3 sont tracées (1) la courbe de la répartition de puissance d'émission résultante de la lampe à rayons infrarouge représentée sour forme d'un trait plein, (2) la courbe de transmission de l'enveloppe de quartz fondu, représentée sous forme d'un pointillé, et les courbes d'absorption pour la matière colorante xérographique (4) et le papier coquille blanc (3) respectivement, représentée en traits interrompus.
Les courbes représentées sur la figure 3 correspondent à une tracé de l'énergie en fonction de la longueur d'onde à laquelle cette énergie existe. Les courbes sont fondées sur des niveaux d'énergie théoriques et sont exprimées en pourcentage de l'énergie totale, de façon à pouvoir comparer les divers paramètres.
En fonctionnement, on excite d'abord à la lampe à son potentiel de fonctionnement qui correspond à la moitié de la tension maximum. Comme précédemment indiqué, le filament 10 (figure 1) est enroulé de façon que les spires, lorsqu'il est excité, réagissent entre elles de manière à produire une température du filament comprise entre 1038 et 11490 C. Il s'est avéré qu'un filament de tungstène qui fonctionne dans cette gamme de températures produit un rayonnement infrarouge ayant une longueur d'onde de pointe caractéristique à 2,2 microns environ.
En se référant maintenant à la courbe de transmission pour la quartz fondu représentée sur la figure 3, on peut voir que le quartz transmet 92 0/o environ de l'énergie rayonnante incidente qui se propage à des longueurs d'ondes inférieures à 4,0 microns. Cependant, on peut voir que les propriétés de transmission du quartz diminuent rapidement à partir d'un plateau de 92 o/o environ à 0 entre les longueurs d'onde de 4,0 et de 5,0 microns, ce qui signifie que le quartz devient opaque au rayonnement infrarouge se propageant à une longueur d'onde supérieure à 5,0 microns. Un filament de tungstène qui fonctionne à des températures de 12040 C présente une grande efficacité, c'est-à-dire qu'un filament de tungsténe fonctionnant à des températures élevées transforme un pourcentage important de son énergie d'entrée en rayonnement infrarouge.
Le rayonnement infrarouge qui se propage à partir du filament de tungstène et qui est concentré à 2,2 microns environ est facilement transmis par l'enveloppe de quartz. Cette énergie de pointe qui se propage à partir du filament de tungstène et qui est transmise par l'enveloppe de quartz se distingue par la première crête apparaissant sur la courbe de rayonnement ainsi obtenue à 2,2 microns environ.
Le quartz fondu qui est chauffé à une température comprise entre 5930 C et 6490 C s'approche d'un état d'équilibre thermique en ce sens qu'il réémet sous forme d'énergie infrarouge de 80 à 90 ouf de toute l'énergie interne qu'il reçoit (émissivité de 0,8 à 0,9 à 649" C). Un corps de quartz qui est à 6490 C ne peut pas recevoir et emmagasiner intérieurement une quantité d'énergie supplémentaire, et par conséquent toute énergie thermique qu'il reçoit doit être évacuée d'une façon quelconque. On a trouvé que le quartz maintenu à une température élevée réémet cette énergie en excès sour forme de rayonnement infrarouge.
Comme on peut le voir d'après la courbe de transmission pour un quartz fondu de grande pureté (figure 3), le rayonnement infrarouge se propageant à des longueurs d'onde supérieures à 5,0 microns n'est pas transmis à travers l'enveloppe de quartz. Cette énergie aux plus grandes longueurs d'onde est toutefois absorbée par le quartz et transformée en énergie thermique.
Le courant thermique est analogue au courant électrique en ce sens qu'ils doivent obéir à des lois et des équations analogues. Dans les deux cas. la quantité d'énergie qui atteint le récepteur est d'autant plus grande que la résistance placée entre la source d'énergie et un récepteur pour cette énergie est moins grande.
Dans le dispositif décrit, le filament de chauffage est placé en contact physique direct avec l'enveloppe de quartz, de sorte qu'on peut maintenir entre les deux corps la circulation de chaleur la plus efficace. A des températures élevées, le mécanisme de circulation de chaleur prédominant est un rayonnement plutôt qu'une convection ou conduction du fait que le courant de la source portée à la quatrième puissance au lieu d'une différenee de température entre les corps, comme par convection, ou d'un gradient de température à travers certains milieux comme en cas de conduction. Toute fois, à des températures élevées, on ne peut pas négliger la circulation de la chaleur par convection ou conduction.
L'expérience a montré qu'en plaçant un filament relativement massif, c'est-à-dire un filament présentant des spires enroulées de façon serrée, et d'un diamètre de 0,5 mm ou plus en contact avec une enveloppe de quartz, une quantité de chaleur suffisante peut être transmise par les trois mécanismes de transmission de la chaleur précédemment mentionnés pour mettre l'enveloppe de quartz à la température de fonctionnement voulue (4270 à 6490 C). En outre, on a trouvé qu'un filament de tungstène fonctionnant dans les conditions sus-mentionnées fournit suffisamment d'énergie à l'enveloppe de quartz pour porter l'intensité de l'énergie réélise à un niveau suffisamment élevé pour que l'enveloppe de quartz puisse être utilisée comme source de rayonnement secondaire ou fictive.
Ainsi, les deux sources ont une réponse simultanée.
Comme précédemment indiqué, la répartition de l'énergie thermique rayonnante dépend de la température de la source. Une enveloppe de quartz réémettant un rayonnement comme décrit dans la présente demande, qui fonctionne à une température de 6490 C, distribue la plupart de l'énergie réémise de façon qu'elle soit cofr centrée à une puissance de pointe apparaissant à une longueur d'onde de 3,4 microns.
Comme représenté sur la figure 3, la courbe de puissance d'émission ainsi obtenue pour la lampe présente une puissance de pointe secondaire qui se distingue à 3,4 microns environs, la longueur d'onde de puissance de pointe à laquelle l'enveloppe de quartz cencentre son énergie réémise. Comme précédemment indiqué, une proportion de 92 o/o de l'énergie propagée à partir du filament et qui se propage à des longueurs d'onde inférieures à 4,0 microns est transmise par l'enveloppe. Cependant, l'énergie émise par le filament de tungstène à de plus grandes longueurs d'onde est d'apord absorbée par le quartz qui redistribue et la réémet ultérieurement à des longueurs d'onde concentrées dans une étroite gamme centrée sur 3,4 microns environ.
Cette énergie redistribuée qui se propage à partir de l'enveloppe renforce l'énergie emise par la source principale, qui est à des longueurs d'onde analogues, pour produire une répartition d'ondes qui est analogue à celle représentée par la courbe de rayonnement résultant (1) représentée sur la figure 3.
A titre explicatif, la seconde puissance de pointe apparaissant sur la courbe de rayonnement résultant à 3,4 microns environ est représentée au même niveau d'intensité que la puissance de pointe propagée à partir du filament de tungstène, c'est-à-dire au même niveau que l'énergie transmise à travers l'enveloppe de quartz.
Cependant, il est évident aux spécialistes qu'en pratique réelle l'intensité de la seconde puissance de pointe peut ne pas atteindre celle produite par la source principale, l'intensité de l'énergie résultante concentrée autour de la seconde puissance de pointe (3,4 microns) correspondant à la somme de l'énergie transmise à travers le quartz et de l'énergie réémise par l'enveloppe.
L'énergie résultante propagée à partir de la lampe
14 (figure 1), au lieu d'être en grande partie sous forme d'ondes monochromatiques, présente une répartition d'énergie de grande intensité qui couvre une partie relativement grande du spectre des rayons infrarouges, capables de chauffer toute matière ayant une absorptivité comprise entre 0,5 et 1,0 et tombant dans la gamme de longueurs d'onde efficace de la lampe.
A la courbe de puissance d'émission ainsi obtenue sont superposées les deux courbes d'absorption (3) pour la matière colorante xérographique et (4 > pour le papier coquille blanc, les courbes étant représentées en traits interrompus. On notera que la matière colorante xérographique s'approche étroitement d'un corps noir, en ce sens qu'elle absorbe 94 Oio de la totalité de l'énergie incidente, quelles que soient les longueurs d'onde auxquelles l'énergie se propage. Cependant, on peut voir en outre d'après ces courbes que la qualité d'absorption du papier coquille blanc est entièrement différente de celle de la matière colorante.
Le papier coquille blanc réfléchit la plus grande partie de l'énergie rayonnante incidente qui existe à des longueurs d'onde inférieures à 3,0 microns, tout en absorbant une proportion comprise entre 80 et 90 e/o de l'énergie des rayons infrarouges qui l'atteignent à de plus grandes longueurs d'onde.
Comme précédemment indiqué, la température de fonctionnement d'une source et l'efficacité de la source sont directement proportionelles, c'est-à-dire que toute augmentation de la température de la source produit également une augmentation de l'efficacité de la source. On a trouvé qu'une seule source d'énergie de rayonnement infrarouge qui fonctionne dans une gamme de longueurs d'onde dans laquelle le papier coquille blanc présente de bonnes qualités d'absorption (3,0 microns ou plus) doit fonctionner à des températures relativement basses, et par suite, par définition, doit être une source peu efficace.
Dans l'application décrite une source efficace d'énergie de rayonnement infrarouge est utilisée pour produire une énergie de rayonnement infrarouge de grande intensité aux plus grandes longueurs d'onde capables de chauffer le papier coquille blanc, tout en produisant en même temps une énergie de grande intensité efficace existant aux plus courtes longueurs d'onde pour chauffer rapidement et efficacement la matière colorante xérographique. Ce principe est représenté graphiquement en comparant la courbe de rayonnement résultant superposée pour la lampe à rayons infrarouges avec la courbe d'absorption pour le papier coquille blanc, comme représenté sur la figure 3.
On a trouve par expérience qu'une lampe de chauffage comme celle décrite peut faire fondre une matière colorante xérographique sur un papier coquille blanc dans une gamme de fonctionnement de 40 volts. C'est-à-dire qu'il existe une gamme de 40 volts entre la température sans fusion et la température
à laquelle une matière de support en papier blanc est endommagée. Jusqu'ici, la plupart des dispositifs de fusion thermique xérographiques connus fonctionnaient dans une gamme relativement étroite de 4 volts, du fait que ces dispositifs de fusion étaient conçus pour produire une bande d'énergie infrarouge très selective, semirmonochromatique pour des raisons d'efficacité.
Infrared Radiation Xerographic Fusion Apparatus
The present invention relates to a xerographic fuser apparatus for heat fixing an image of xerographic powder on a paper support material.
Radiation is a term used to describe energy that is transmitted by electromagnetic waves. For heat transmission, the radiant energy that is of most interest is the energy of infrared rays falling in a wavelength range between 0.8 and 7.0 microns, because it is in this range that most materials absorb some or all of the incident radiant energy. Although the real nature of radiation and its transport mechanism is not fully understood, it is known that radiation travels through space at the speed of light and that no medium, such as a conductive metal or the like, is necessary for its propagation.
To produce this heat transmission by emitting radiant energy, a body must first give up some of its internal energy in the form of electromagnetic waves which then travel through space until they meet another body which absorbs them and transforms them back into internal energy, mainly heat.
A good source of infrared radiation, that is, a source which converts a large percentage of the available internal energy into radiant thermal energy, produces high intensity radiation concentrated around a wavelength at which appears peak power.
The energy is all the more concentrated in a narrow range of wavelengths and the intensity of this energy is all the higher as the temperature of the source is higher. There is also a relationship between the wavelength at peak power and the temperature of the source. Increasing the temperature of the source causes the peak power wavelength to shift toward the shorter end of the spectrum. Therefore, it can be said that an efficient infrared ray source produces high intensity energy which is concentrated in a narrow band of wavelengths usually found at the shorter end of the infrared ray spectrum.
Bodies that receive radiant thermal energy, which we will call receptors. exhibit various absorption qualities with respect to radiation at different wavelengths, absorptivity being the receptor's ability to accept incident radiant energy and to transform this energy into internal energy or heat. Carbon black, for example, absorbs about 96 O / o of the total impact energy, regardless of the wavelength of the radiation. In contrast, a polished aluminum plate reflects most of the radiation that hits it, absorbing only a small percentage of the longer wavelength.
In general, most materials fall between these two extremes, in that they exhibit good absorption qualities with respect to radiation at a particular wavelength, while exhibiting reluctance at l. acceptance of radiation at other wavelengths.
The latter principle was used by Roshon in US Pat. No. 2,807,707 in which he describes the selective thermal fusion of xerographic coloring material images onto a paper support material using radiant lamps. excited intermittently (burst fusion). The lamps are lit for a short period of time to emit high intensity energy concentrated in a narrow wavelength band in which the coloring matter readily absorbs radiant energy. However, the paper backing reflects most of this concentrated high intensity energy at short wavelengths, and therefore remains relatively cool during fusion.
In the xerography process, an electrostatic charge is applied to a plate comprising a photoconductive insulating coating on a conductive support, and then exposed to a light image, after which the coating becomes conductive under the influence of light, and the electrostatic charge is selectively dissipated to produce a latent image.
The latent image is then developed by means of various pigmented resins which have been specially developed for this purpose, these resins being called xerographic dyestuffs. The coloring matter is electrostatically attracted to the latent image in proportion to the amount of charge it exhibits, so that areas with low concentration of charge become areas of low density of coloring matter, while areas with more charge. large concentration of charge become proportionately denser. The developed image is then transferred to a support material and fixed in a permanent manner; the most generally used procedure being the transfer of the image to a paper support and the thermal fixation of the coloring material to form a bond with the paper fibers.
Selective chip melting, although applicable in many xerographic melting processes, has not been found to be an advantageous process for thermally fixing areas of low colorant concentration. These areas cannot absorb enough energy during the short duration of the glow to be properly fused. Attempting to apply more energy to areas of low coloring matter concentration by increasing the intensity of infrared energy for the duration of the glow damages the support material before a fusion can be effected. correct.
In addition, image areas of high density or concentration absorb an excess of this high intensity energy during this short period of glow of light, causing them to literally explode or burn through the paper backing before the fuses. areas of low concentration of coloring matter.
Theoretically, in the xerographic thermal melting process, it is desired to bring the temperature of the support material as close as possible to the melting temperature of the xerographic developer powder, so as to apply a sufficient amount of heat to the bond between the material. dye and the support where it is most needed to cause fusion. However, a high efficiency infrared ray source producing almost monochromatic energy generally favors the absorption qualities of one material over the other, so that it is impossible to produce the same temperature in both subjects in a short period of time.
Attempts to broaden the wavelength at which usable infrared energy is produced using multiple-source devices have not been successful. When two sources of high temperature infrared rays are placed in the immediate vicinity of each other, they react with each other so as to reach a single equilibrium temperature in each source. This results in the emission of a single waveform of mainly monochromatic energy instead of an energy distribution covering a wide range of wavelengths.
In many known processes, as well as in the xerographic melting process, it may be desirable to heat two or more materials having varying physical properties in the presence of each other.
Some commercial methods which are well known are as follows: drying a paint on articles made of different materials such as plastic, wood, metal and fiberboard; heating the interior of a dwelling containing many objects made of various materials; heating two different foods such as meat and vegetables at once; or sterilization of surgical instruments. It has proven difficult to quickly and efficiently transmit heat to these materials from a single infrared source, and in some cases this has not been possible due to the large difference in the absorption properties of the materials. of the receiver.
The apparatus according to the invention is characterized in that it comprises a first infrared energy source having a helical filament for producing radiant energy concentrated around a power peak appearing at approximately a wavelength of 2 microns and having sufficient intensity to heat fix the xerographic powder image, a second source of infrared energy surrounding the first source, comprising an envelope having an inner diameter equal to the outer diameter of the primary source, such that the filament is supported in close contact by the inner surface of the envelope, the envelope transmitting the radiation concentrated around the peak of power emitted by the primary source and re-transmitting the radiant energy, which is not concentrated around the tip power,
at a second peak of power concentrated around a wavelength of 3.4 microns, this second source being of sufficient intensity to heat the paper support material, a conveying device for advancing the support material carrying the image in thermal relation to the radiation from the sources for a time sufficient to transfer energy to the paper support material and to the xerographed powder image to fix said image on the support, the duration of the thermal relationship being insufficient to damage the support material.
The appended drawing represents, by way of explanation, an embodiment of the apparatus, object of the invention.
On these drawings:
Figure 1 is a perspective view, partially in section of an infrared xerographic heater,
Figure 2 shows two spectroradiometric curves for an ideal xerographic apparatus, the curves being plotted on coordinates of the output emissive power and wavelengths showing the distribution of wavelengths obtained from the radiant energy produced by a source and this for two different temperatures,
Figure 3 is a plot of parameters important in xerographic fusion as a function of wavelengths, on which are superimposed the source characteristics of the apparatus shown in Figure 1.
Referring now to FIG. 2, two curves are drawn for the distribution of the wavelengths of an ideal heater which emits radiant thermal energy and this for two different temperatures. One curve represents the wavelength distribution for an ideal source producing energy at a source temperature of about 1649 C, while the other is a distribution curve for a source operating at about 10930 C.
A comparison of these two curves, which will be called spectroradiometric curves, indicates that: a) the total amount of radiation, represented by the area under these curves, is greater for a body operating at a higher temperature;
b) a source operating at a higher temperature produces peak power at a shorter wavelength than a source operating at a lower temperature. The blackbody operating at 16495 C has a dot power wavelength appearing at about 1.5 microns, while the source operating at 10930 C has a peak power at about 2.2 microns.
c) whatever the temperature at which the source operates, radiating thermal energy is produced at all wavelengths, however the distribution of this energy is determined by the temperature at which the source operates. A comparison of the two curves shown in Figure 2 shows that a high percentage of the energy produced by the source operating at 16490 C is concentrated around the peak power wavelength, while the total energy produced at the lower source temperature is more evenly distributed across the spectrum.
It is important to understand the variations of the spectroradiometric curves shown in Figure 2, because If one understands curves, it is evident that the peak wavelength and the intensity of the energy associated with it are characteristics of a particular source and that these characteristics depend on the temperature at which that source operates. Further, it is also evident from the graph shown in Figure 2 that the two curves of an ideal heater emitting energy at different temperatures never intersect, and therefore the intensity of the energy and the total energy emitted by a source can never be equal or greater when that same source is operating at a lower temperature.
Thus, there can only be one peak power wavelength for each source at a given temperature.
In practice, it has been found that an efficient heating device, i.e. a heating device which converts a high percentage of the available internal energy into radiant energy, closely approaches the distribution of wavelengths of a black body. For example, a tungsten filament, which is considered to be a good source of infrared radiation, transforms 86% of the available internal energy when operating at a temperature of about 2204 "C. This energy is found to be concentrated in a narrow range of wavelengths centered on approximately 1.1 microns.
However, because the radiation produced by an efficient source of infrared radiation is concentrated in a narrow range of wavelengths, usually found at the shorter end of the infrared spectrum, this energy can exist primarily at lengths of wave to which a receiver reflects energy instead of absorbing it.
In a xerographic fusion process, for example, tests have shown that a paper backing absorbs very little infrared energy at wavelengths less than 3.0 microns. Therefore, very efficient sources of radiation, such as a tungsten filament operating at high temperatures, would not easily produce heating in a paper backing material.
The intensity of the energy produced at the surface of a source is the amount of radiation emitted by that source per unit area. As can be seen by comparing the two curves in Figure 2, the intensity (height of the curves) at which an ideal radiation emitter produces energy depends on the temperature of the source. The intensity of all wavelengths is greater the higher the temperature of the source.
It is known that a xerographic developer powder acts like a black body in that it absorbs a high percentage of radiation at all wavelengths. However, the coloring matter of most xerographic applications covers a relatively small percentage of the entire exposed support surface. Therefore, a source of infrared radiation which produces peak power at a wavelength at which the paper exhibits good absorption quality (3.0 microns or more) does not produce infrared radiation of an intensity capable of to quickly heat lightly colored image areas.
However, as previously stated, high intensity energy capable of efficiently heating the xerographic coloring matter would be at the shortest wavelength at which the paper exhibits relatively poor absorption qualities. Therefore, in the xerographic heating process, a source of infrared radiation is desired which can produce high intensity infrared radiation at shorter wavelengths to efficiently heat the coloring material and high intensity infrared radiation at shorter wavelengths. long wavelengths to heat the support material quickly and efficiently.
Figure 1 shows the application of the present invention as a heat source in the xerographic melting process. A carrier 15 to which a developer powder or coloring material lightly adheres passes under the infrared lamp 14. The image carrier is transported by a belt 16 or the like transport device so that the coloring matter and the carrier material remain in place. thermal contact with the lamp for a period of time sufficient to melt the coloring matter on the support.
The lamp 14 comprises a thick filament 10 helically wound and placed in an envelope 11 so that the outer surface of the wound filament is kept in physical contact with the surface of the cylindrical envelope 11. The heating filament 10 can be electrically excited. by connecting contacts 12 to the terminals of any suitable current source (not shown). A reflector 13, suspended above the lamp, concentrates the energy propagated from the lamp 14 on a receiving material 15 moved above it by the conveyor 16.
Filament 10 can be any conductive metal capable of efficiently emitting infrared radiation when electrically excited; however, it has been found that tungsten is preferable, since this material has properties giving the filament high efficiency and long service life at high temperatures.
The lamp 14 shown in Figure 1 is intended to operate at half the voltage at which such a lamp could be energized without failure, a voltage which depends on the size and physical qualities of the filament. The operating temperature of the filament 10 is controlled by spacing the turns so that a filament temperature of 11490 ° C is maintained when the filament is energized at half its tension. It has been determined that an infrared lamp operating at half voltage and at a relatively low temperature (11490 C has unlimited service life. On the other hand, a quartz lamp operating at high temperature and at full capacity, and at a filament temperature of about 2204 "C, exhibits a relatively short service life, on the order of 5000 hours.
The envelope 11 is constructed of a material having good thermal properties at Blec vées temperatures, and which is also capable of partially transmitting and partially absorbing the incident energy of infrared radiation. Some vitreous (non-crystalline) glasses such as Vicor, rock salt and quartz are examples of materials with these desired properties. However, experience has shown that molten quarters lend themselves most easily to application to this type of device.
In operation, the tungsten filament is placed directly in physical contact with the quartz shell. On the contrary, the filament of known infrared ray lamps is supported by tantalum discs at a distance from the quartz shell to prevent crystallization of quartz at this high operating temperature (22600 C).
A quartz envelope which has been crystallized no longer has the ability to transmit infrared energy, and therefore forms a barrier between the radiation source and a receiver. The molten quartz has a softening temperature of 1668 C, and therefore a tungsten filament operating at temperatures of 11490 C, can be safely placed in physical contact with the casing without fear of alteration of the properties. of quartz transmission.
The present invention will now be explained with reference to the curve drawn in the graph of Fig. 3. In the graph of Fig. 3 is plotted (1) the curve of the resulting emission power distribution of the ray lamp. infrared shown as a solid line, (2) the transmission curve of the fused quartz shell, shown as a dotted line, and the absorption curves for xerographic coloring matter (4) and paper white shell (3) respectively, shown in broken lines.
The curves shown in FIG. 3 correspond to a plot of the energy as a function of the wavelength at which this energy exists. The curves are based on theoretical energy levels and are expressed as a percentage of the total energy, so that the various parameters can be compared.
In operation, the lamp is first energized at its operating potential which corresponds to half of the maximum voltage. As previously indicated, the filament 10 (Figure 1) is wound so that the turns, when energized, react with each other so as to produce a filament temperature between 1038 and 11,490 C. It has been found that a tungsten filament which operates in this temperature range produces infrared radiation having a characteristic peak wavelength of about 2.2 microns.
Referring now to the transmission curve for fused quartz shown in Figure 3, it can be seen that quartz transmits approximately 92 0 / o of incident radiant energy which propagates at wavelengths less than 4, 0 microns. However, it can be seen that the transmission properties of quartz decrease rapidly from a plateau of about 92 o / o to 0 between the wavelengths of 4.0 and 5.0 microns, which means that the quartz becomes opaque to infrared radiation propagating at a wavelength greater than 5.0 microns. A tungsten filament that operates at temperatures of 12040 C has high efficiency, that is, a tungsten filament that operates at high temperatures converts a large percentage of its input energy into infrared radiation.
The infrared radiation which propagates from the tungsten filament and which is concentrated to about 2.2 microns is easily transmitted through the quartz envelope. This peak energy which propagates from the tungsten filament and which is transmitted by the quartz envelope is distinguished by the first peak appearing on the radiation curve thus obtained at approximately 2.2 microns.
Molten quartz that is heated to a temperature between 5930 C and 6490 C approaches a state of thermal equilibrium in that it re-emits as infrared energy 80 to 90 phew of all the energy internal that it receives (emissivity from 0.8 to 0.9 at 649 "C). A quartz body which is at 6490 C cannot receive and store internally an additional quantity of energy, and therefore any thermal energy that it receives must be removed in some way It has been found that quartz kept at a high temperature re-emits this excess energy in the form of infrared radiation.
As can be seen from the transmission curve for a high purity fused quartz (Figure 3), infrared radiation propagating at wavelengths greater than 5.0 microns is not transmitted through the quartz envelope. This energy at longer wavelengths is however absorbed by the quartz and transformed into thermal energy.
Thermal current is analogous to electric current in that they must obey similar laws and equations. In both cases. the quantity of energy which reaches the receiver is all the greater as the resistance placed between the source of energy and a receiver for this energy is less great.
In the device described, the heating filament is placed in direct physical contact with the quartz envelope, so that the most efficient heat circulation can be maintained between the two bodies. At high temperatures, the predominant heat circulation mechanism is radiation rather than convection or conduction as the source current increases to the fourth power instead of a temperature difference between bodies, as by convection. , or a temperature gradient through certain media as in the case of conduction. However, at high temperatures, the circulation of heat by convection or conduction cannot be neglected.
Experience has shown that by placing a relatively massive filament, that is, a filament having tightly wound turns, and a diameter of 0.5 mm or more in contact with a quartz envelope , sufficient heat can be transmitted by the three previously mentioned heat transfer mechanisms to bring the quartz casing to the desired operating temperature (4270 to 6490 C). Furthermore, it has been found that a tungsten filament operating under the above-mentioned conditions provides sufficient energy to the quartz shell to raise the intensity of the actual energy to a level high enough that the shell quartz can be used as a secondary or dummy radiation source.
Thus, the two sources have a simultaneous response.
As previously indicated, the distribution of radiant thermal energy depends on the temperature of the source. A re-emitting quartz envelope as described in the present application, which operates at a temperature of 6490 C, distributes most of the re-emitted energy so that it is centered at a peak power occurring at a length of wave of 3.4 microns.
As shown in Figure 3, the emission power curve thus obtained for the lamp exhibits a secondary peak power which differs at around 3.4 microns, the peak power wavelength at which the envelope of quartz centers its re-emitted energy. As previously indicated, 92% of the energy propagated from the filament and which propagates at wavelengths less than 4.0 microns is transmitted through the envelope. However, the energy emitted by the tungsten filament at longer wavelengths is first absorbed by the quartz which redistributes and subsequently re-emits it at wavelengths concentrated in a narrow range centered on 3.4 microns. about.
This redistributed energy which propagates from the envelope enhances the energy emitted by the main source, which is at similar wavelengths, to produce a wave distribution which is analogous to that represented by the radiation curve. resulting (1) shown in Figure 3.
For the purposes of explanation, the second peak power appearing on the resulting radiation curve at about 3.4 microns is shown at the same level of intensity as the peak power propagated from the tungsten filament, i.e. at the same level as the energy transmitted through the quartz envelope.
However, it is obvious to specialists that in real practice the intensity of the second peak power may not reach that produced by the main source, the intensity of the resulting energy concentrated around the second peak power (3 , 4 microns) corresponding to the sum of the energy transmitted through the quartz and the energy re-emitted by the envelope.
The resulting energy propagated from the lamp
14 (figure 1), instead of being largely in the form of monochromatic waves, exhibits a high intensity energy distribution that covers a relatively large part of the spectrum of infrared rays, capable of heating any material with absorptivity between 0.5 and 1.0 and falling within the effective wavelength range of the lamp.
On the emission power curve thus obtained are superimposed the two absorption curves (3) for the xerographic coloring matter and (4> for the white shell paper, the curves being represented in broken lines. It will be noted that the coloring matter xerographic closely approximates a black body, in that it absorbs 94 Oio of all incident energy, regardless of the wavelengths at which the energy propagates. However, it can be seen by Besides from these curves that the absorption quality of the white shell paper is entirely different from that of the coloring matter.
White shell paper reflects most of the incident radiant energy that exists at wavelengths less than 3.0 microns, while absorbing 80 to 90% of the infrared energy. which reach it at longer wavelengths.
As previously stated, the operating temperature of a source and the efficiency of the source are directly proportional, i.e. any increase in the temperature of the source also produces an increase in the efficiency of the source. . It has been found that a single source of infrared radiation energy which operates in a range of wavelengths in which white shell paper exhibits good absorption qualities (3.0 microns or more) should operate at temperatures relatively low, and therefore, by definition, must be an inefficient source.
In the described application an efficient source of infrared radiation energy is used to produce high intensity infrared radiation energy at longer wavelengths capable of heating white shell paper, while at the same time producing energy of high effective intensity existing at the shortest wavelengths to quickly and efficiently heat the xerographic coloring matter. This principle is shown graphically by comparing the resulting superimposed radiation curve for the infrared lamp with the absorption curve for the white shell paper, as shown in Figure 3.
It has been found by experience that a heater lamp such as that described can melt a xerographic coloring material on white shell paper in an operating range of 40 volts. That is, there is a 40 volt range between the non-melting temperature and the temperature
to which a white paper backing material is damaged. Heretofore, most known xerographic thermal fusers have operated in a relatively narrow range of 4 volts, as these fusers were designed to produce a very selective, semirmonochromatic infrared energy band for efficiency reasons. .