JP2004010243A - 記録装置の記録媒体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートパイプの冷却ローラを用いた記録媒体の冷却装置を設置しても、冷却ローラへの水滴防止のために必要な換気量を少なくし、ハードウエア規模の増大を防止した電子写真装置の記録媒体冷却装置を提供する。
【解決手段】少なくとも、記録媒体を加熱する加熱装置を有する記録装置の前記加熱装置によって加熱された記録媒体を冷却する記録装置の記録媒体冷却装置において、前記記録媒体冷却装置は少なくとも１本の冷却ローラと支持部材からなり、前記冷却ローラと支持部材とが接触して挟持部を形成させ、前記挟持部に記録媒体を挿通させ前記記録媒体を前記冷却ローラに接触させて冷却させ、その際の前記冷却ローラの温度を１００℃以上に設定した。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ、ファクシミリ、複写機等のトナー等の着色粒子を用いて画像を顕像化させる電子写真記録装置の記録体の表面に形成されるトナー像を記録体に定着させる定着装置に係り、特に定着後の記録媒体を冷却する冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真方式を用いた記録装置は、着色粒子を記録体表面に画像として顕像化させる現像工程と顕像化された着色粒子画像を記録体に固着させる定着工程から成る。着色粒子には電子写真専用のトナーと呼ばれる粉末が用いられる。トナーは加熱により融解し、冷却により凝固する。上記定着工程では、このトナーの性質を利用して、トナーを加熱させることにより融解させ、記録媒体に定着させる。
【０００３】
以下、従来の定着装置について説明する。定着工程において、多く行われる加熱方法は、１本のローラと１本の支持ローラから成る１対の定着ローラ対を圧接させ、そのうち少なくとも１本の定着ローラを加熱して、上記２本の定着ローラが相接する溶融挟持部を形成し、その溶融挟持部にトナー画像が形成された記録媒体を挿通させる方法である。
【０００４】
この溶融挟持部に記録媒体を挿通させることにより記録媒体の表面に画像として配列したトナーは、加熱されると同じに加圧される。融挟持部における熱エネルギと圧力による仕事の２種類のエネルギ供給を受けることによりトナーは融解し変形する。この作用によりトナーは記録媒体に定着する。ここで、定着ローラは、少なくとも一方が加熱されていればよい。
【０００５】
また、記録媒体に形成されたトナー像を定着ローラに挿通する際、トナー像の担持面と加熱された定着ローラとが接触するように挿通する。上記加熱ローラをヒートローラと呼ぶ。また、上記支持ローラをバツクアツプローラと呼ぶ。なお、本明細書では簡単のためヒートローラをＨＲ、バツクアツプローラをＢＲと略記することがある。
【０００６】
ＨＲとＢＲの両方のローラを定着ローラ対と呼ぶ。また、ＨＲとＢＲのうち任意のいずれか一方を定着ローラと呼ぶことがある。ＨＲとＢＲによるトナーの加熱融解方法をヒートロール定着（ＨＲ定着）と呼ぶ。ＨＲはアルミニウムの中空円筒から成り、その中心部にヒータが備えられている。アルミニウムの中空円筒を芯金と呼ぶ。また、ヒータにはハロゲンランプを用いることが多い。
【０００７】
この定着装置では、トナー像を加熱せしめる際に、融解したトナーが溶着部材に付着する現象（オフセット現象）が発生することがある。オフセット現象が発生すると、第２回目の定着の際に、記録体に溶着部材からトナーが転移し、誤印字を招くという問題が発生する。
【０００８】
これを防止するため、ＨＲのトナーと接する外被層に離型性が高いシリコンゴムやフッ素ゴム、あるいはフッ素樹脂を離型層として用いるのが一般的である。特に、フッ素樹脂は、離型性が高いことでよく知られており、外被層材料として、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等がよく用いられている。
【０００９】
一方、支持ローラであるＢＲは金属製の回転軸の外側に、弾性層が設けられ、ＨＲとの圧接の際にこの弾性層が変形して溶融挟持部が形成される。記録媒体を剥離するための剥離爪が定着ローラに対して取り付けられる。
【００１０】
ＨＲとＢＲにより加熱された直後のトナーと記録媒体はＨＲとほぼ等しい温度となっている。その後、記録媒体搬送路を通る過程で冷却され、排紙スタッカに至りスタックされる。排紙スタッカに至った段階で、トナーと記録媒体の温度がトナーのガラス転移温度より高いとトナースティックという問題が発生する。
【００１１】
トナースティックはトナーが十分に凝固していない時にトナー像を印刷された記録媒体がスタックされると、記録媒体の第１印刷面と次の記録媒体の第２印刷面が接触して、トナーが接触した相手方の記録媒体に転移して相手方の記録媒体に誤印刷を引き起したり、本来の記録媒体から印刷欠損を起こしたりするという問題である。ここで、第１印刷面とは記録媒体のうち先に印刷される印刷面、第２印刷面とは第１印刷面の裏面のことである。記録装置の印刷速度が速いと、加熱後スタックされるまでに記録媒体を冷却する時間が十分に与えることができず、トナースティックが発生しやすい。
【００１２】
そのため、搬送途中でファンにより空気流を吹き付け記録媒体を冷却することや排紙スタッカ内にブロアにより低温の外気を取り入れて排紙スタッカ内温度を下げるなどの対策がしばしば行われている。ファンやブロアを用いて記録媒体を冷却すると、ファンやブロアから発せられる騒音が問題となる。そのため、特開平４−２６００６５号公報に記載のように加熱後に冷却用のローラ（冷却ローラ）を配置して、冷却ローラに記録媒体を接触させることにより、記録媒体の温度を下げる方法も知られている。冷却ローラにはヒートパイプが用いられ、冷却ローラに対して弾性支持ローラを圧設して挟持部を形成して記録媒体を挿通させる方法や冷却ローラに対してベルトを接触させて挟持部を形成して記録媒体を挿通させる方法などがある。
【００１３】
加熱後の記録装置内の雰囲気は記録媒体から水分が放散されるので、湿度が高くなっている。冷却ローラを用いた場合、冷却ローラの温度を低く設定すると必要な冷却能力を確保しやすくなる。しかし、冷却ローラの温度が雰囲気温度に対して低くなりすぎて冷却ローラ表面に水滴が付着して、搬送や印刷不良を引き起すという問題がある。そのため、特開平１１−１５３０８号公報に記載のように、冷却ローラの上方にダクトを設けダクト内に外気を取り込んだ気流を流しながら冷却ローラ近傍の空気を換気するなどの対策が行われている。この場合、大きなダクトスペースが必要となり、ダクト内に気流を流すためのブロアを必要とし結局ハードウエア規模の増大をもたらすという問題がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べた従来のヒートパイプの冷却ローラを用いた記録媒体の冷却装置では、冷却ローラへの水滴防止のために換気を必要とし、そのためのダクトスペースの確保やダクト内に気流を流すブロアの設置などハードウエア規模の増大という問題があった。
【００１５】
そこで、本発明の目的はヒートパイプの冷却ローラを用いた記録媒体の冷却装置を設置しても、冷却ローラへの水滴防止のために必要な換気量を少なくし、ハードウエア規模の増大を防止した電子写真装置の記録媒体冷却装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、少なくとも、記録媒体を加熱する加熱装置を有する記録装置の前記加熱装置によって加熱された記録媒体を冷却する記録装置の記録媒体冷却装置において、前記記録媒体冷却装置は少なくとも１本の冷却ローラと支持部材からなり、前記冷却ローラと支持部材とが接触して挟持部を形成させ、前記挟持部に記録媒体を挿通させ前記記録媒体を前記冷却ローラに接触させて冷却させ、その際の前記冷却ローラの温度を１００℃以上に設定することにより達成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本発明の一実施例を図１および図２を用いて説明する。
【００１８】
図１は本実施例の冷却ローラからなる冷却装置を用いた電子写真装置の断面側面図である。１は感光体ドラム、２は帯電器、３はトナー、４は現像機、５は記録媒体、６は転写機、７はヒートロール定着装置、８はクリーナ、９は露光装置、１０は冷却装置、１０１は冷却ローラ、１０２はバックアップベルト、１１は排紙スタッカである。
【００１９】
帯電器２により一様に帯電された感光体ドラム１表面に、レーザドライバ等から成る露光制御手段により発光を制御された半導体レーザおよび光学系から成る露光装置９によって静電潜像が形成される。この後、現像機４により静電潜像をトナー３で現像する。トナー３は、転写機６によって用紙５に転写される。この後、転写されたトナー画像は定着機７で加熱融解され用紙５に定着する。
【００２０】
ヒートロール定着装置７により加熱された記録媒体５はヒートパイプからなる冷却ローラ１０１とバックアップベルト１０２とが形成する挟持部１０３を挿通されて冷却され排紙スタッカ１１にスタックされる。また、転写されずに感光体ドラム１表面に残存したトナー３はクリーナ８により回収され、一連のプロセスを終了する。本記録装置のトナー３のガラス転移温度は約６０℃であり、トナースティックを防止するため記録媒体５が排紙スタッカにスタックされる時点での記録媒体５の温度は６０℃以下にする必要がある。
【００２１】
本記録装置のサポートする記録媒体で最も熱容量の低い種類はＡ４サイズ連量５５ｋｇの記録紙である。Ａ４サイズ連量５５ｋｇの記録紙のスタックされる時点での温度を６０℃以下にするには、本記録装置において、その記録紙が定着装置７通過後、排紙スタッカ１１に至るまでに１３０Ｗの除熱を行う必要がある。
【００２２】
そのため、本実施例の冷却ローラ１０１では、余裕を見て１５０Ｗの冷却能力を備えている。
【００２３】
図２にＡ４サイズ連量５５ｋｇの記録紙の定着後の温度履歴を示す。縦軸のＴは記録紙５の温度で厚み方向に平均した値で示してある。横軸のｔは定着後の時間、Ｔ_０は定着直後の記録紙５の温度、Ｔ_ｉｎは冷却ローラ１０１入口の記録紙温度、Ｔ_ｏｕｔは冷却ローラ１０１出口の記録紙温度、Ｔ_ｃは冷却ローラ１０１の温度、Ｔ_ｓはスタック時の記録紙５の温度である。
【００２４】
本実施例の記録装置では定着直後の記録紙５の温度Ｔ_０は１３０℃、冷却ローラ１０１入口の記録紙温度Ｔ_ｉｎは１２６℃、冷却ローラ１０１出口の記録紙温度Ｔ_ｏｕｔは１１１℃で冷却装置１０によって１５℃の冷却が成される。その際、冷却装置１０の冷却ローラ１０１の温度Ｔ_ｃは１０２℃に設定した。その結果スタック時の温度Ｔ_ｓはＡ４サイズ、連量５５ｋｇの記録紙５においてトナースティックの心配がない５７℃が達成された。
【００２５】
本実施例の冷却装置１０には換気装置を設けておらず、上記条件において冷却ローラ１０１表面には水滴の発生が無い。冷却ローラ表面に水滴が発生する一般的な理由は次による。記録媒体５が定着により加熱されるので内部に含まれる水分が蒸発しながら定着後に搬送される。搬送路の湿度は高くなっており、冷却ローラ１０１の温度Ｔ_ｃに対応する飽和水蒸気より湿度が高くなると冷却ローラ１０１の表面に結露が発生し水滴となる。
【００２６】
冷却ローラ１０１の温度Ｔ_ｃと記録媒体５の温度との関係はＴ_ｉｎ＞Ｔ_ｏｕｔ＞Ｔ_ｃであり、冷却ローラ１０１近傍の雰囲気温度Ｔ_ｒは記録媒体５の温度により支配され、Ｔ_ｉｎ＞Ｔ_ｒ＞Ｔ_ｏｕｔとなる。したがって、Ｔ_ｒ＞Ｔ_ｃとなり冷却ローラ１０１近傍の空気の水分量はＴ_ｒにおける飽和水蒸気量より少ない。このときの水分量が冷却ローラ１０１の温度Ｔ_ｃに対応する飽和水蒸気量より少なければ水滴の発生は無い。すなわち、Ｔ_ｃは高いほど水滴は発生しにくくなる。もし、Ｔ_ｃが１００℃以上であれば、冷却ローラ１０１近傍の雰囲気は大気圧以上には上がることがなく、飽和水蒸気圧が大気圧より高くなるので如何なる場合も水滴は発生しない。本実施例の記録装置の冷却装置１０では冷却ローラ１０１の温度Ｔ_ｃが１０２℃に設定されているので水滴の発生は無い。
【００２７】
以上述べた本実施例の記録装置では、印刷された記録媒体５のスタック温度Ｔ_ｓをトナースティックの発生が無い６０℃以下に冷却することができ、冷却に用いた冷却装置１０に換気装置を設けることなく冷却ローラ１０１の水滴の発生を防止できる。
（実施例２）
以下、本発明のその他の実施例を図１乃至図３を用いて説明する。本実施例の記録装置の基本的な構造と動作は実施例１と同様である。本実施例の記録装置では印刷速度が実施例１の記録装置より速い。そのため、記録媒体５を定着後、排紙スタッカ１１まで搬送する時間が短く、印刷された記録媒体５のスタック温度Ｔ_ｓをトナースティックの発生が無い６０℃以下にするには、冷却装置１０によってより多くの熱量を取り去る必要がある。実施例１で述べたように、トナースティックを防止するため記録媒体５が排紙スタッカにスタックされる時点での記録媒体５の温度は６０℃以下にする必要がある。
【００２８】
本記録装置のサポートする記録媒体で最も熱容量の低い種類は実施例１と同様のＡ４サイズ連量５５ｋｇの記録紙である。Ａ４サイズ連量５５ｋｇの記録紙のスタックされる時点での温度を６０℃以下にするには、本記録装置において、その記録紙が定着装置７通過後、排紙スタッカ１１に至るまでに２６０Ｗの除熱を行う必要がある。
【００２９】
そのため、本実施例の冷却ローラ１０１では、余裕を見て３００Ｗの冷却能力を備えるものとした。本実施例の記録装置では定着直後の記録紙５の温度Ｔ_０は１３０℃、冷却ローラ１０１入口の記録紙温度Ｔ_ｉｎは１２６℃、冷却ローラ１０１出口の記録紙温度Ｔ_ｏｕｔは９６℃で冷却装置１０によって３０℃の冷却が成される。
【００３０】
その結果スタック時の温度Ｔ_ｓはＡ４サイズ、連量５５ｋｇの記録紙５においてトナースティックの心配がない５７℃が達成される。図３は本実施例の冷却装置１０の排気部分を示す斜視図である。１２は排気用ファン、１３は放熱フィン、１４は放熱室である。本実施例の冷却装置１０には外気を直接取り込むような大規模な換気装置を設けておらず、排気用ファン１２のみが冷却ローラ１０１の側方に取り付けられており、通紙範囲の冷却ローラ１０１近傍の雰囲気を放熱室１４に排気する。
【００３１】
放熱室１４では排気用ファン１２によって発生した風を冷却ローラ１０１の放熱フィン１３に当てることにより冷却ローラ１０１の放熱を行なっている。このように極めてコンパクトナー放熱装置となっている。上記条件において冷却ローラ１０１表面には水滴の発生が無い。冷却ローラ１０１の温度Ｔ_ｃと冷却ローラ１０１入口の記録紙温度Ｔ_ｉｎと冷却ローラ１０１出口の記録紙温度Ｔ_ｏｕｔの関係は次のように導かれる。
【００３２】
記録媒体５の搬送方向の長さをＬ、記録媒体５の搬送方向に直行する幅をＷ、記録媒体５の厚さをδ、記録媒体５の密度をρ、記録媒体５の比熱をＣ、記録媒体５の冷却ローラ１０１への搬送方向の接触長さｌ、記録媒体５の冷却装置１０における搬送速度、即ち冷却ローラ１０１の周速度をｖ、記録媒体５の冷却ローラ１０１への進入時温度Ｔ_ｉｎ、記録媒体５の冷却ローラ１０１からの排出時温度Ｔ_ｏｕｔ、記録媒体５挿通時の冷却ローラ１０１の温度Ｔ_ｃ、冷却ローラの冷却能力をｈとすると、記録媒体５一枚から取り去られる熱量Ｑとは次の２つの式で表すことができる。ここで、冷却能力ｈは熱伝達率と同様の定義により記録媒体５から冷却ローラ１０１に移動する熱流束をＴ_ｉｎ−Ｔ_ｃとｈとの積により導くものである。記録媒体５の１枚から冷却ローラ１０１に流入する熱量Ｑ_１は次式で示される。
Ｑ_１＝Ｗ・ｌ・ｈ（Ｔ_ｉｎ−Ｔ_ｃ）・Ｌ／ｖ　…　（１）
一方、記録媒体５の１枚の温度低下から算出される除熱量Ｑ_２は次式で示される。
Ｑ_２＝ρ・Ｃ・δ・Ｌ・Ｗ（Ｔ_ｉｎ−Ｔ_ｏｕｔ）　…　（２）
冷却ローラ１０１に流入する熱量Ｑ_１と除熱量Ｑ_２は等しいので式（１）と式（２）連立させて次式を得る。
（Ｔ_ｉｎ−Ｔ_ｏｕｔ）／（Ｔ_ｉｎ−Ｔ_ｃ）＝（ｌ・ｈ）／（ρ・Ｃ・δ・ｖ）　…　（３）
ここで、Ｔ_ｉｎ＞Ｔ_ｏｕｔ＞Ｔ_ｃであり、（Ｔ_ｉｎ−Ｔ_ｏｕｔ）／（Ｔ_ｉｎ−Ｔ_ｃ）を冷却ローラ１０１の性能を評価する無次元温度係数として冷却ローラの温度係数θと定義する。
【００３３】
冷却ローラ１０１近傍の雰囲気温度Ｔ_ｒは記録媒体５の温度により支配され、Ｔ_ｉｎ＞Ｔ_ｒ＞Ｔ_ｏｕｔとなる。冷却ローラ１０１近傍の水分量はＴ_ｒにおける飽和水蒸気量より少ない。このときの水分量が冷却ローラ１０１の温度Ｔ_ｃに対応する飽和水蒸気量より少なければ水滴の発生は無い。すなわち、Ｔ_ｃは高いほど水滴は発生しにくくなる。このような場合、Ｔ_ｃを上げると式（１）から冷却能力が下がるので冷却能力とのバランスの中でＴ_ｃを上げるのがよい。
【００３４】
もし、Ｔ_ｃよが１００℃以上であれば、実施例１で述べたように飽和水蒸気圧が大気圧より高くなるので、如何なる場合も水滴は発生しない。実際には１００℃まで冷却ローラ温度Ｔ_ｃを上げなくても水滴は発生しない。なぜなら、記録媒体５に含まれる水分は多くても数パーセントでそれが定着により蒸発しても雰囲気温度Ｔ_ｒの飽和水蒸気量には至らない。したがって冷却ローラ１０１の温度Ｔ_ｃはある下限温度を下回らなければ、雰囲気温度Ｔ_ｒより低く設定することは可能である。この下限温度は実際に雰囲気に含まれる水分量と等しい値を飽和水蒸気量とする温度であり、水滴発生の下限温度Ｔ_ｗとする。本実施例では下限温度Ｔ_ｗは８５℃であったので、冷却ローラ１０１の温度Ｔ_ｃは８５℃とした。また温度係数θは０．７２である。
【００３５】
以上、述べた本実施例によれば、印刷された記録媒体５のスタック温度Ｔ_ｓをトナースティックの発生が無い６０℃以下に冷却することができ、冷却ローラ１０１の温度を下限温度Ｔ_ｗ８５℃以上に設定したので外気を冷却ローラ近傍に直接取り込むことなく、排気用ファン１２のみを設けることで冷却ローラ１０１の水滴発生を防止できた。このとき、温度係数θは０．７２であり式（３）にしたがって、温度係数をより高く設定することにより冷却ローラ温度Ｔ_ｃをより高くでき、さらに水滴発生に対して余裕をとることができる。また、排気用ファン１２により発生する風を冷却ローラ１０１の放熱に用いたので、コンパクトな冷却装置１０を実現することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、冷却ローラの温度を１００℃以上に設定したので、冷却ローラへの水滴防止ができ、そのために必要な換気量を少なくし、ハードウエア規模の増大を防止する効果がある。また、冷却ローラ近傍の雰囲気を排気のみして、冷却ローラの温度を水滴発生の下限温度以上に設定したので、高い冷却能力が得られ、冷却ローラへの水滴防止ができ、そのために必要な換気量を少なくし、ハードウエア規模の増大を防止する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却ローラからなる冷却装置を用いた電子写真装置の断面側面図。
【図２】Ａ４サイズ連量５５ｋｇの記録紙の定着後の温度履歴を示す説明図。
【図３】冷却装置の排気部分の斜視図。
【符号の説明】
１…感光体ドラム、２…帯電器、３…トナー、４…現像機、５…記録媒体、６…転写機、７…ヒートロール定着装置、８…クリーナ、９…露光装置、１０…冷却装置、１０１…冷却ローラ、１０２…バックアップベルト、１１…排紙スタッカ、１２…排気用ファン、１３…放熱フィン、１４…放熱室。

Claims (6)

1. 少なくとも、記録媒体を加熱する加熱装置を有する記録装置の前記加熱装置によって加熱された記録媒体を冷却する記録装置の記録媒体冷却装置において、前記記録媒体冷却装置は少なくとも１本の冷却ローラと支持部材からなり、前記冷却ローラと支持部材とが接触して挟持部を形成させ、前記挟持部に記録媒体を挿通させ前記記録媒体を前記冷却ローラに接触させて冷却させ、その際の前記冷却ローラの温度を１００℃以上に設定したことを特徴とする記録装置の記録媒体冷却装置。
2. 前記記録媒体冷却装置の冷却ローラの温度を８５℃以上に設定したことを特徴とする請求項１記載の記録装置の記録媒体冷却装置。
3. 前記記録媒体冷却装置の冷却ローラの温度係数を０．７２以上に設定したことを特徴とする請求項１記載の記録装置の記録媒体冷却装置。
4. 前記記録媒体冷却装置の温度を水滴発生の下限温度以上に設定したことを特徴とする請求項１記載の記録装置の記録媒体冷却装置。
5. 前記記録媒体冷却装置の通紙範囲の冷却ローラ近傍の雰囲気を排気することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の記録装置の記録媒体冷却装置。
6. 前記排気雰囲気を前記冷却ローラの放熱部材にあてることを特徴とする請求項４記載の記録装置の記録媒体冷却装置。

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