JP2005148659A - 冷却装置およびこれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像形成装置内の熱源から発生する熱を遮断したり、周囲に伝熱して感光体や現像器の温度上昇を防止するために、複数の発熱部材やユニットを効率よく冷却する冷却装置およびこれを備えた画像形成装置を提供する。
【解決手段】 画像形成装置内に存在する発熱部材を液体で冷却する冷却装置において、複数の前記発熱部材である被冷却部材を冷却するためのタンク１から分岐した複数の管路３、３ａ、３ｂと、被冷却部材と熱交換する第１の熱交換器８と、液体循環用の駆動源４と、液体の温度調整用熱交換を行う第２の熱交換器１、１ａ、１ｂを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、装置内で発生する熱によって引き起こされる画像への副作用を低減させるために、発熱部材や熱的影響を受け温度上昇するユニットを効率よく冷却する冷却装置およびこれを備えた複写機、プリンタ等の画像形成装置に関する。

複写機やレーザプリンタ等の画像形成装置においては、その装置内に定着装置やスキャナ装置、あるいは電源装置、書き込み装置、現像装置など、稼動時に熱を発生する部材やユニットが多く設置されており、これらの熱発生に対する対策も種々研究されている（例えば、特許文献１ないし１０参照）。
これらの発熱部材は、コンピュータのようなＣＰＵ等の半導体素子の発熱とは異なり、画像形成装置に特有の熱源である。例えば、定着装置は、内部にあるハロゲンランプや抵抗加熱ヒータによって、シリコンゴム等で作られた定着ローラを１８０℃程度の温度に加熱し、トナーを紙に融着させる役割を担う。
このように積極的に熱を利用するプロセスがあるが、その周囲では熱を嫌う部材があり、そのため熱を遮蔽したり、冷却しなければならない。さらには、原稿を光照射するスキャナでは、ランプを点灯させる副作用として熱が発生する場合も、画像形成装置内の温度上昇をもたらすことになる。
熱を嫌う部材やユニットとしては、感光体や現像器などがある。このプロセスでは温度の高い雰囲気下では感光体やトナー等の特性が変化し制御が困難な部材もあり、熱的な影響を避けなければならない。しかし、画像形成のプロセス上これらの装置や部材が接近して配置されるため、装置内の部材やユニット各々の効果的な熱対策が必要である。
さらにまた、従来の画像形成装置は比較的筐体も大きな設計が可能であったが、最近では省スペース化のため、小型化でありながら、しかも性能上は高速化でかつフルカラー化も要求されるなど、従来よりも多機能であるにも拘わらず、筐体の大きさは小さくなっている。
そのため、装置内に組み込まれる各種ユニットや部材は小型化されるとともに、ユニットが高密度に配置されるため、従来はファンで空冷するために設けることのできた流路ダクトの配置スペース確保が困難となり、今までの手段・方法では発熱部材を十分に冷却することができなくなり、装置内の温度が上昇する不具合が生じてきた。

画像形成装置に限らず、電子機器やパソコンなどでもＣＰＵの性能が向上するとともに、発熱密度が大きくなり、冷却にはＣＰＵを直接冷却するクーラーが取り付けられたり、ノートパソコンでは筐体に熱を逃がすような工夫がなされるなど、機器がさらに小型化することによって従来のファンを設けて空気で熱源を冷却するような手段が取れない状況である。
そこで、種々の冷却方法が考案されている。従来大型コンピュータで利用されている冷却方法である液体の冷媒を循環させて冷却する液冷方式や、ヒートパイプなる熱伝導性に優れた部材を使った冷却方法や、放熱部の冷却に電子冷却であるペルチェ素子を利用する方法などが見直されてきた。
液体による冷却方式は、大型コンピュータばかりか近年、クロック周波数が数ＧＨｚとなったノートパソコンのＣＰＵ冷却にも利用され始め、熱対策とファン騒音の低減の両方の目的に使われている。
例えば、液冷方式は上述した特許文献１ないし３等に記載されており、最近では特許文献４および５においてノートパソコンへの展開もなされている。さらに、ヒートパイプについては、パイプ内に封入した冷媒により熱を輸送するもので、特許文献６および７等熱源から機外に排熱することができる技術が開示されている。
また、特許文献８ではペルチェ素子を使ったパソコンの冷却などの例もある。この例のように、冷却が必要であったのは適用機器が電子機器、つまりコンピュータや計測器に関するものがほとんどであった。
一方、前述のように画像形成装置に関してはファンを用いて装置内を冷却する方法が今までは多かったが、液冷やペルチェ素子の利用も提案されている。液冷については特許文献９で中間転写ベルトを水冷する技術が開示され、ペルチェ素子の電子冷却は特許文献１０に開示されている。
特開平５―３３５４５４号公報 特開平６―９７３３８号公報 特開平１０―２１３３７０号公報 特開平６―２６６４７４号公報 特開２００２―１８８８７６公報 特開平１―８４６９９号公報 特開平２−２４４７４８号公報 特開２０００―３４９４７９公報 特開２００１―３５０３５７公報 特開平１１―３４４９１６号公報

しかしながら、従来大型コンピュータで利用されている冷却方法である液体の冷媒を循環させて冷却する液冷方式や、ヒートパイプなる熱伝導性に優れた部材を使った冷却方法や、放熱部の冷却に電子冷却であるペルチェ素子を利用するなどが見直されてきた。
上述したように、画像形成装置内の熱対策は一般にはファンを設置して機外に排熱し冷却するが、冷却場所に空気の流路であるダクトを設けて、流れを排出しなければ冷却できないため、装置内にそれなりの空間を確保しなければならず、小型化を図るうえで支障があった。
そこで本発明の目的は、画像形成装置内の熱源から発生する熱を遮断したり、周囲に伝熱して感光体や現像器の温度上昇を防止するために、複数の発熱部材やユニットを効率よく冷却する冷却装置およびこれを備えた画像形成装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、画像形成装置に特有な多数ある発熱部材、それから熱的影響を受けるユニット、あるいはその周囲を効率よく断熱し冷却する手段として液体を循環させて冷却する（以下、液冷）、高効率な冷却技術を提供することによって、小型化や高速化が可能で、低騒音で画質の安定した画像形成装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、画像形成装置内に存在する発熱部材を液体で冷却する冷却装置において、複数の前記発熱部材である被冷却部材を冷却するための液体冷却タンクから分岐した複数の管路と、被冷却部材と熱交換する第１の熱交換器と、液体循環用の駆動源と、液体の温度調整用熱交換を行う第２の熱交換器を備えている冷却装置を特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、複数の液体循環用の管路内には液循環の動力となる水車状の羽を有する水流発生器を設けた請求項１記載の冷却装置を特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、前記水流発生器を同一管路内に複数設けることを可能とする請求項２記載の冷却装置を特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、水車状の水流発生器を回転させる動力が画像形成装置本体の駆動系から伝達された分力を用いる請求項２または３記載の冷却装置を特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記液体冷却タンクが筐体の裏カバーと兼用であって、前記裏カバー内部が中空状のジャケット構造をした熱交換器である請求項１記載の冷却装置を特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、前記ジャケット構造をなした熱交換器である前記裏カバーの外側は波板状、あるいは溝状の形状である鋼板からなる請求項５記載の冷却装置を特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、前記第１タンクに追加して、画像形成装置の最上部に第２タンクを設ける請求項５記載の冷却装置を特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、前記第２タンクには、この第２タンク上部に放熱用のフィンが取り付けられている請求項７記載の冷却装置を特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、前記管路に必要に応じて液体冷却用の電子冷却手段を設ける請求項１記載の冷却装置を特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし９のいずれか１項記載の冷却装置を備えた画像形成装置を特徴とする。

本発明によれば、トナーをコピー用紙に熱溶着させるために約１８０℃程度と比較的高温になる定着ユニットに関しては、その周囲のユニットや部材を冷却するのに従来はファンを設けて、機器手前から空気を吸込んで背面に排熱するため、６０ｍｍの軸流ファンが２つ必要であったり、さらに流路ダクトを設ける必要があったが、本発明のように冷却用のジャケットを設けるだけで効率よく熱遮蔽と周囲の冷却が可能となる。
また、定着ユニット以外の、ＣＣＤボードやポリゴンモータの熱対策、あるいは現像スリーブの回転に伴う摩擦熱などファンによる冷却ができない機器内部や粉体の飛散が生じる場合などへの適用が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の冷却装置の第１の実施の形態である液冷装置を内包した画像形成装置を示す概略図である。画像形成装置内の複数ある発熱部材の冷却を液体（以下、液冷と称す）で行う方法において、液体を溜めるタンク１（以下、タンク）を備えている。
図中、筐体上部タンク１ａは液体を溜めておくタンクである。筐体の背面にある裏カバーを図のように二重構造のジャケットにして液体をプールする第２タンク、すなわち、筐体カバータンク１ｂにする。さらに上部には別のタンクを設けるなどして、液をプールし、また液体の温度を下げるための第２の熱交換器も兼ねている。
タンク１から各被冷却部材へは管路３を用いる。各管路３の流路内には夫々駆動用水流発生器４が回転自在に取り付けられ、熱交換器６、７、８へ液体を循環させ、各被冷却部材を冷却する。定着冷却用ジャケット６は定着ユニットを覆う第１の熱交換器である。
第２および第３の熱交換器である、現像ユニット冷却ジャケット７およびＣＣＤ冷却ボードジャケット８には冷却液が循環して部材を冷却し、帰還管体３Ａから再びタンク１に還流させる。
画像形成装置内では、スキャナの光源や定着のランプ等、熱源となる部材やユニットが多数存在し、冷却用のファンの数はフルカラーの中高速機に至っては十数個にも達する。
このように画像形成装置ではノートパソコンのようにＣＰＵだけを冷却するのとは異なり、複数の部材を液冷しなければならないため、１つの熱源を冷却した液体を次の熱源の冷却に順送りしていたのでは、液温が上昇するなど効率よく冷却できない。
そこで、画像形成装置を液冷するに場合には工夫が必要であり、本発明では、液体の貯蓄タンク、そこから冷却液を同時に何系統にも分岐し循環させる管路、発熱部材等の被冷却部材から熱を奪い冷却させる熱交換器、液体を循環させるための駆動力源、温度上昇した液を冷却する冷却装置等を設ける工夫をしている。この冷却装置によって、ファン騒音の少ない、安定した画像品質が得られるような熱対策を施した画像形成装置を提供する。

図２は羽を有する水車状の水流発生器を示す概略斜視図である。図３は図２の水流発生器を複数設けることを説明する概略斜視図である。図２および図３において、水流発生器４、４ａ、４ｂは円筒状の気体の外周面に所定ピッチで複数の羽を突出させた水車状の回転装置である。
図３に示すように、水流発生器４ａ、４ｂは、それぞれ、管路３ａ、３ｂ内に回転自在に設置され、外部動力によって回転させ水流を発生させるようになされている。
２つの円柱状の熱交換器（定着冷却用ジャケット）６ａ、６ｂを循環させる場合には、圧力損出が大きく複数必要になる場合を示した。
冷却すべき部材が多数あり、タンク１から同時に複数の管路３ａ、３ｂに液体を流し循環させることが必要である。一般的には駆動力となる専用のポンプを個々の流路に設けて冷却液を循環させることになるが、本実施の形態では画像形成装置に特有な多数の冷却を行うにあたって、個々にポンプ等を設けることなく液循環を行わせるようにしている。
つまり、水車状の羽を有する水流発生器４ａ、４ｂを管路３ａ、３ｂ内に取り付け、機内で使われている動力と連動させ、循環の駆動力を得るものである。専用のポンプが不要になり、しかも水流発生器４ａ、４ｂは小型であるため、省スペースかつ安価な駆動装置となる。
管路３ａ、３ｂの圧力損出が大きい場合など、水車状の羽を有する水流発生器４ａ、４ｂを必要に応じて管路３ａ、３ｂに挿入することで省スペースかつ安価な駆動装置を提供する。

図４は駆動力伝達のレイアウトを説明する概略図である。中央にあるメインモータ９から様々な歯車で動力伝達させているが、定着冷却用と現像冷却用の駆動力をメインモータ９から伝達させる。
ＣＣＤボード用駆動力はスキャナ系が別途モータ（スキャナモータ）１０を有しているので、このモータ１０から動力を取る。水流発生器４が複数ある場合にも装置本体系から図４のように派生させることができる。
水車状の羽を有する水流発生器４、４ａ、４ｂを回転駆動させる動力は、前述したように新規なポンプを取り付けなくても、例えば装置のメインモータ９や紙搬送モータや感光体回転モータから歯車等で連動させて得ることによって、コストダウンと小型化を図ることができる。
図５は筐体の裏カバーを示す斜視図である。この裏カバー１１は液体をプールできるようなジャケット構造に加工してある。液体は循環することによって被冷却部材を冷却するものの、液温が上昇し冷却効率が低下するために、液温を下げる工夫をしたものである。
裏カバー１１は垂直に配置しているため、カバー床面から上方に向かって自然対流が生じこの空気の流れによって冷却が促進されるように、カバーを利用した熱交換器である。
液体タンクを筐体カバーと兼用させることによって、カバー内の液体が自然対流によって空気と熱交換して冷却させることができる。つまり、筐体の裏カバー１１をジャケット状の中空二重構造にして、液体がその内部にプールできるようにしておくことによって、自然空冷の効果をもたせることができる。
裏カバーの形状が溝状面（凹凸形状）を有するので、自然対流の放熱面積を大きくすることもでき、かつ装置本体をオフィスで壁際に配置する場合にも凹凸があるため、自然対流による空気の流れが生じるので液体の冷却が可能である。
このように自然対流の効率を向上させるため、表面積を大きくするためカバー外側鋼板を波状や溝形状にした。またこのように凹凸をつけることにより、複写機を壁側に隙間なく設置しても垂直に空気が流れ、自然空冷によって液体が冷却されるように工夫した。

図１に示したように冷却装置は、第２タンク、すなわち、筐体上部タンク１ａを設けている。これは第１タンク１ｂの上に位置し、画像形成装置の原稿を載せる最上部の奥側に設置した場合である。第１タンク１ｂへ戻った液体は第２タンク１ａへ移動し、第２タンク１ａから重力で落下するように、各管路３ａ、３ｂを通して循環していくものである。
第１タンク１ｂに追加して、画像形成装置の最上部に第２タンク１ａを設けた。この第２タンク１ａからは各被冷却部材へ冷却液が流されるが、最上部に設置することによって、重力で液体が流れ易くすることと、循環できる液体を安定に供給するプールの役割を果たすものである。
図６は放熱用のフィンを設ける冷却装置を説明する図１と同様な概略図である。図において筐体上部タンク１ａには放熱用のフィン１２を取り付けている。前述した自然空冷の効果が弱い場合には、第２タンク（筐体上部タン）１ａに放熱用フィンを設けて、ここでも自然空冷で冷却できるように工夫している。
図７はペルチェ素子を定着冷却用ジャケットの循環系に用いた実施の形態を示す概略斜視図である。戻り管路３ｂにペルチェ素子１３の冷却部を取り付けている。
例えば、特定のある被冷却部材だけが温度が高い場合などは、この被冷却部材を冷却している管路だけをスポット的に冷却することによって、除熱を促進し冷媒である液体の温度上昇を防止することができる。

本発明によれば、安価な部材、すなわち、水車上の羽を有する水流発生器４で循環用のポンプの代替品が得られ、しかもポンプのような騒音もほとんどないので、コストダウンと小型化も図れ、管路のどこへでも挿入できるので設置上メリットが大きい。
小型であるため、圧力損出が大きそうな管路のどこにでも設置できて流れの循環を促進できるため、冷却効率を向上させることができる。また、水流発生器４を駆動させるモータを専用に設けなくとも、回転動力を得ることができ、省スペースでコストダウンが可能な冷却装置を作ることができる。
自然対流を利用した熱交換器を筐体のカバーに設けることによって、内部の液体が空冷され、温度をある程度一定にすることができる。また、裏カバー１１として平板の鋼板を使うよりも、表面積が大きいため自然空冷による液温は低下した。
また、装置が壁に接して設置されても、隙間が生じるため自然対流は発生することができ、冷却能力はやや劣るけれども効果はあった。
第２タンク１ａを設けることによって液体のプール量が増加し循環が安定する。また、最上部にあるため、重力による流れもあるため、水流発生器の回転負荷が減少し、冷却システムが安定動作した。
放熱手段をとして放熱用フィン１２を設けることによって液体が冷却され、被冷却部材の冷却効率が向上する。また、自然対流でカバーを空冷しても、液温が急激に上昇することが考えられる場合には、温度上昇をもたらす部材の管路、例えば、定着ユニットの戻り管路３ｂに、ペルチェ素子を付け加えることによって、液温の上昇を押せることができる。

本発明の冷却装置の第１の実施の形態である液冷装置を内包した画像形成装置を示す概略図。 羽を有する水車状の水流発生器を示す概略斜視図。 図２の水流発生器を複数設けることを説明する概略斜視図。 駆動力伝達のレイアウトを説明する概略図。 筐体の裏カバーを示す斜視図。 放熱用のフィンを設ける冷却装置を説明する図１と同様な概略図。 ペルチェ素子を定着冷却用ジャケットの循環系に用いた実施の形態を示す概略斜視図。

符号の説明

１ タンク、１ａ 筐体上部タンク（第２タンク）、１ｂ 筐体カバータンク（第１タンク）、３ 管路、３ａ 管路（往き管路）、３ｂ 管路（戻り管路）、４ 水流発生器（駆動源）、６ 第１の熱交換器（定着冷却用ジャケット）、９ メインモータ、１１ 裏カバー（ジャケット構造）、１２ 放熱用フィン、１３ 電子冷却手段（ペルチェ素子）

Claims (10)

1. 画像形成装置内に存在する発熱部材を液体で冷却する冷却装置において、複数の前記発熱部材である被冷却部材を冷却するための液体冷却タンクから分岐した複数の管路と、被冷却部材と熱交換する第１の熱交換器と、液体循環用の駆動源と、液体の温度調整用熱交換を行う第２の熱交換器と、を備えていることを特徴とする冷却装置。
2. 複数の液体循環用の管路内には液循環の動力となる水車状の羽を有する水流発生器を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記水流発生器を同一管路内に複数設けることを可能とすることを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
4. 水車状の水流発生器を回転させる動力が画像形成装置本体の駆動系から伝達された分力を用いることを特徴とする請求項２または３記載の冷却装置。
5. 前記液体冷却タンクが筐体の裏カバーと兼用であって、前記裏カバー内部が中空状のジャケット構造をした熱交換器であることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
6. 前記ジャケット構造をなした熱交換器である前記裏カバーの外側が波板状、あるいは溝状の形状である鋼板からなることを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
7. 前記第１タンクに追加して、画像形成装置の最上部に第２タンクを設けることを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
8. 前記第２タンクには、この第２タンク上部に放熱用のフィンが取り付けられていることを特徴とする請求項７記載の冷却装置。
9. 前記管路に必要に応じて液体冷却用の電子冷却手段を設けることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項記載の冷却装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
    

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