JP2007171417A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 不要熱の吸収効率を高め、効率よく熱電変換素子の高温部へ熱を伝達し、熱電変換素子の発電効率を向上させることができる画像形成装置を提供する。
【解決手段】 熱電変換素子１を定着ユニット４に取り付けた画像形成装置において、定着ユニット４と熱電変換素子１の間に吸熱部材８を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱定着ユニットを備えた画像形成装置に関し、特に熱エネルギーの有効利用技術に特徴のある画像形成装置に関する。

従来、電子写真方式の画像形成装置の多くは、トナーを転写用紙に定着させるために熱定着ユニットを備えている。熱定着ユニットから発生する熱は、当然トナーの定着に用いられるが、全てトナー定着のために消費されるのではなく、その一部は不要な熱となる。定着ユニットが発生する余分な熱は、機内にある熱に弱い部材やトナー等に悪影響を及ぼしてしまうため画像形成装置の多くはその不要な熱を、ファンモータ等を使用して機外に排出している。
ところで近年、機械の小型化が進んだため、各ユニット間の物理的なレイアウト位置は機内の各ユニット間で極めて近接することとなっている。定着ユニット（熱定着ユニット）においてもその周辺ユニットとの間隔は狭く、ファンモータ等を使用して不要な熱を機外に排出しているといえども定着ユニットから放出される不要熱の影響が問題となる。
そのため、不要な熱を、熱電変換素子を用いて電気エネルギーに変換することが提案され、さらに、この熱電変換素子を定着ユニットに装着することが提案されている（特許文献１参照）。
図１３はゼーベック効果を利用した熱電変換素子の概念図である。熱電変換素子１は異なった２種類の金属（または半導体）の一端が接続された構成であり、両端に温度差を与えると、ゼーベック効果により、図のように電荷が移動し負荷抵抗の両端に起電力Ｖが発生し、図の矢印の方向に電流が流れる。すなわち、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。
尚、上記の２種類の異なった金属（または半導体）の材質としては、現在、多種多様な組み合わせが提案されている。また、上記の構成が１個だけでは起電力が小さいため、複数個を組み合わせて使用することも提案されている。

図１４は熱電変換素子を定着ユニット近傍に設けた画像形成装置の概略図である。画像形成装置１には、画像形成を行う作像部３、転写紙に熱と圧力を加えて作像部３で作像された画像を転写紙に定着する定着ユニット（熱定着ユニット）４、これらを制御する制御部５、及び、定着ユニット４から発せられる余分な熱を機外に排出するための排気口６と排気口６への排気経路７が存在する。
熱電変換素子（ゼーベック素子）１を用いた画像形成装置は、この定着ユニット４から発生する熱を利用する。図のように、定着ユニット４から発生した熱で表面の温度が上がるように熱電変換素子１を設ける。定着ユニット４から発生する熱は、１００℃を越えることもあるため、熱電変換素子１の高温側を定着ユニット４側、低温側を排気口６側とすれば、その温度差は大きくなり有効な起電力を発生させ、電力効率の良い省エネルギーの画像形成装置を提供することが可能となる。
特願２００４−２９７５２８

上述したように、熱電変換素子を定着ユニットに装着する画像形成装置は既に提案されているが、さらに排熱を有効に利用し、電気エネルギーへの変換効率の向上を図ることが求められている。
本発明は、不要熱の吸収効率を高め、効率よく熱電変換素子の高温部へ熱を伝達し、熱電変換素子の発電効率を向上させることができる画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、熱電変換素子を定着ユニットに取り付けた画像形成装置において、定着ユニットと熱電変換素子の間に吸熱部材を設けた画像形成装置を最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明は、熱電変換素子を定着ユニットに取り付けた画像形成装置において、定着ローラを被覆する定着ユニットカバーを吸熱部材で構成し、吸熱定着カバーとした画像形成装置を主要な特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の画像形成装置において、熱電変換素子を挟んで吸熱部材または吸熱定着カバーと対向して放熱部材を設けた画像形成装置を主要な特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の画像形成装置において、熱電変換素子の外周面にあって、吸熱部材または吸熱定着カバーと放熱部材との対向空間に断熱部材を設けた画像形成装置を主要な特徴とする。

本発明は、熱電変換素子を定着ユニットに取り付けた画像形成装置において、定着ユニットと熱電変換素子の間に吸熱部材を設け、あるいは定着ローラを被覆する定着ユニットカバーを吸熱部材で構成し、吸熱定着カバーとし、また、熱電変換素子を挟んで吸熱部材または吸熱定着カバーと対向して放熱部材を設け、さらには、熱電変換素子の外周面にあって、吸熱部材または吸熱定着カバーと放熱部材との対向空間に断熱部材を設けたので、不要熱の吸収効率を高め、効率よく熱電変換素子の高温部へ熱を伝達し、熱電変換素子の発電効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。尚、従来例と同一個所には同一符号を付して重複する説明は省略する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る画像形成装置の概念図、図２はその定着ユニット部（定着ユニットと熱電変換素子）の詳細構成図である。図１に示すように、定着ユニット４のカバー上に定着ユニット４からの不要熱を吸収する吸熱部材８を配し、その上に熱電変換素子（ゼーベック素子）１を設ける。
図２に示すように、定着ユニット４は、定着ユニットカバー１１内に、定着ヒータ１２を内蔵する定着ローラ１３と、加圧ヒータ１４を内蔵する加圧ローラ１５とを備えている。この定着ユニットカバー１１上に熱吸着部材８を設け、その上に熱電変換素子１を搭載している。
熱電変換素子１は、前述したように高温部１−１と低温部１−２の温度差によって起電力を生じる。従って高温部１−１側に吸熱部材８が接するような構成になっている。
また、定着ユニットカバー１１の上面全域から不要熱が放熱されるので、この不要熱を全域に渡って吸熱するために、吸熱部材８の幅Ｂを定着ユニットカバー１１の幅と同じにする。すなわち定着ユニットカバー１１の幅より狭い熱電変換素子１の幅Ａに対して吸熱部材８の幅Ｂを大きくする。当然図の鉛直方向となる奥行きも熱電変換素子１に対して吸熱部材８を長くする。すなわち熱電変換素子１よりも面積の広い吸熱部材８を設ける。
このように、熱電変換素子１と定着ユニット４との間に吸熱部材８を介在させ、かつ吸熱部材８の面積を熱電変換素子１より広く設定したのでより大きな集熱効果と、それに伴う熱電変換効率の向上を図ることが可能となる。

図３は本発明の第２の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図である。第２の実施形態では、吸熱材料から成る吸熱ユニットカバー（定着ユニットカバー１１を吸熱部材８で形成）１６を設け、不要熱を最大限吸収する構成とした。
図４は本発明の第３の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図である。第３の実施形態では、熱電変換素子１の低温部１−２側に放熱部材１７を設ける。かつ、その放熱部材１７の幅Ｃが熱電変換素子１の幅Ａよりも、大きくなるように構成する。図２で述べたように放熱部材１７の面積を熱電変換素子１の面積より大きく設定する。前述したとおり、熱電変換素子１は、高温部１−１と低温部１−２の温度差が大きければ大きいほど熱電変換効率は向上する。
従って上記の構成とすることにより、熱電変換素子１の低温部１−２側の温度を効率良く低下させることができるため、熱電変換効率を向上させることが可能となる。
図５は本発明の第４の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図である。第４の実施形態では、熱電変換素子１の周囲を断熱部材１８で覆う。すなわち、吸熱定着ユニットカバー（あるいは吸熱部材８）１６と放熱部材１７の間で、熱電変換素子１の無い部分に断熱部材１８を挟み込む構成とする。
吸熱定着ユニットカバー１６が高温になったとき、吸熱定着ユニットカバー１６自身も放熱するため、その熱が熱電変換素子１の低温部１−２側を暖めてしまう可能性がある。このような状態になると、高温部１−１側と低温部１−２側の温度差がその分小さくなってしまうため、熱電変換効率が下がってしまう。
本実施形態は、吸熱定着ユニットカバー１６と放熱部材１７との間で、両者が対向する部分、すなわち、熱電変換素子１の無い部分に断熱部材１８を挟み込むことにより、吸熱定着ユニットカバー１６からの熱的影響を無くすことができ、高温部１−１側と低温部１−２側との温度差を大きくすることが可能となる。尚、断熱部材１８は、吸熱定着ユニットカバー１６と放熱部材１７との間を断熱できればよく、その材質、形状等の限定はない。

図６は本発明の第５の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図である。第５の実施形態では、断熱部材１８を吸熱定着ユニットカバー１６の外方に突出させる。
定着ユニット４からの不要熱や、吸熱定着ユニットカバー１６（あるいは吸熱部材８）からの熱は、必ずしも熱電変換素子１へ供給されるではなく、例えば、図のように定着ユニット４周囲から放熱してしまう場合がある。そのため、この定着ユニット４周囲からの熱が放熱部材１７に影響してしまい、温度差を低下させてしまう可能性がある。
本実施形態では、断熱部材１８を吸熱定着ユニットカバー１６の外方に突出させることにより、図のように、定着ユニット周囲からの熱は、断熱部材１８の外側に変化するため、放熱部材１７に対する熱的影響を小さくすることが可能となる。
図７は本発明の第６の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図である。第６の実施形態では、断熱部材１８の内側に放熱部材１７を設ける。すなわち、熱電変換素子１を含む断熱部材１８の面積より放熱部材１７の面積を狭くする。
このように構成することにより、定着ユニット４周囲から放熱された熱は、放熱部材１７に影響することなくそのまま上に抜けることになり、放熱部材１７への熱的影響を小さくし、熱電変換素子１の高温部１−１側と低温部１−２側の温度差を大きくすることができ、熱電変換効率を向上させることが可能となる。

図８は本発明の第７の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図である。第７の実施形態では、熱電変換素子１を含む断熱部材１８の面積を吸熱定着ユニッカバーの上面面積及び、放熱部材１７の面積よりも広くする。定着ユニット４周囲から放熱された熱は断熱部材１８に遮られ、更に、放熱部材１７は断熱部材１８の内側にあるため、放熱部材１７への熱の影響を最小限に抑えることが可能となる。
図９は本発明の第８の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図である。第８の実施形態では、吸熱定着カバー１６の上面のみならず上部外周部（側面）をも断熱部材１８で覆う構成とする。
このような構成にすることにより、定着ユニット４周囲からの放熱自体を低減させることができ、多少の放熱があったとしても、図のように、放熱部材１７の外側に熱が逃げるため、より放熱部材１７への熱的影響を低減させることが可能となる。
更に、このような構成にすれば、吸熱定着カバー１６の保温効果があるため、定着ユニット４内部の熱が下がりにくくなり、定着ローラ１３、加圧ローラ１５の温度も下がりにくくなる。従って、定着ローラ１３、加圧ローラ１５の温度を維持するためのヒータの点灯時間を少なくすることができ、この面からも低電力化が可能となる。
図１０は本発明の第９の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図である。第９の実施形態では、放熱部材１７の放熱面以外の部分を断熱部材１８で覆う構成とする。
このようにすることにより、定着ユニット４周囲から放熱された熱は、直接放熱部材１７に接することが無くなり、放熱部材１７への熱的影響を無くすことが可能となる。

図１１は本発明の第１０の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図である。第１０の実施形態では、断熱部材１８で吸熱定着カバー１６及び放熱部材１７の両方を覆う構成とする。
定着ユニット４周囲から放熱された熱は断熱部材１８によって遮られ、更に、放熱部材１７の周囲も断熱されているため、放熱部材１７への熱的影響をほぼ無くすことが可能となる。また、定着ユニット４内部の保温も可能となるため、より省エネルギーに寄与することも可能となる。
図１２は本発明の第１１の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図である。第１１の実施形態では、放熱部材１７の上面を櫛歯形状、その他の凹凸形状にする。こうすることにより、放熱部材１７の放熱面積が大きくなるため、熱電変換素子１の低温部１−２側の温度を外気の温度と同等の十分低い温度にすることが可能となり、熱電変換効率の最大化を図ることが可能となる。
ここで、放熱部材１７として、熱伝導率の良いアルミニウムや銅等を用いる構成とすることにより、熱電変換素子の低温部１−２側の温度を、外気の温度と同等の十分低い温度にすることが可能となり、熱電変換効率の最大化を図ることが可能となる。
また、吸熱部材８（吸熱定着ユニットカバー１６）と熱電変換素子１との接触面、熱電変換素子１と放熱部材１７との接触面を、シリコン材を使用した熱伝導性の高い接着剤を用いて接着させる。こうすることにより、隣り合った部材間は温度勾配を持たず、隣り合った部材を同温度にすることが可能となる。従って熱電変換効率の最大化を図ることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る画像形成装置の概念図。 本発明の第１の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部（定着ユニットと熱電変換素子）の詳細構成図。 本発明の第２の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図。 本発明の第３の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図。 本発明の第４の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図。 本発明の第５の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図。 本発明の第６の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図。 本発明の第７の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図。 本発明の第８の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図。 本発明の第９の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図。 本発明の第１０の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図。 本発明の第１１の実施形態に係る画像形成装置の定着ユニット部の詳細構成図。 ゼーベック効果を利用した熱電変換素子の概念図。 熱電変換素子を定着ユニット近傍に設けた画像形成装置の概略図。

符号の説明

１ 熱電変換素子、４ 定着ユニット、８ 吸熱部材、１６ 吸熱定着ユニットカバー、１７ 放熱部材、１８ 断熱部材

Claims (4)

1. 熱電変換素子を定着ユニットに取り付けた画像形成装置において、前記定着ユニットと前記熱電変換素子との間に吸熱部材を設けたことを特徴とする画像形成装置。
2. 熱電変換素子を定着ユニットに取り付けた画像形成装置において、定着ローラを被覆する定着ユニットカバーを吸熱部材で構成し、吸熱定着カバーとしたことを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項１または２記載の画像形成装置において、前記熱電変換素子を挟んで吸熱部材または吸熱定着カバーと対向して放熱部材を設けたことを特徴とする画像形成装置。
4. 請求項３記載の画像形成装置において、前記熱電変換素子の外周面にあって、前記吸熱部材または前記吸熱定着カバーと放熱部材との対向空間に断熱部材を設けたことを特徴とする画像形成装置。
   

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