JP2008009086A

JP2008009086A - 定着装置

Info

Publication number: JP2008009086A
Application number: JP2006178645A
Authority: JP
Inventors: Shiyoukou Ken; 鐘浩権
Original assignee: Kyocera Mita Corp
Current assignee: Kyocera Document Solutions Inc
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【課題】静電複写機等の画像形成装置に用いられる誘導加熱式定着装置における誘導加熱用コイルユニットの冷却には、コスト面や騒音面で問題のある冷却媒体ポンプ等の動力装置を使用しなければならなかった。
【解決手段】定着装置の定着ローラ１の内部に磁性体コアと励磁コイルを有する誘導加熱用コイルユニット５を設け、該コイルユニットの内部に冷却媒体流通用の冷却チューブ７を挿通して設けて、該冷却チューブを定着ローラの外部に設けた冷却部９に接続し、これら冷却チューブ７と冷却部９とで冷却媒体循環経路を形成し、コイルユニット内で加熱された冷却媒体が、その比重差によりコイルユニットと冷却部との間を循環流通する構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に装着されて、記録紙上の未定着トナー画像を記録紙上に溶融定着させる定着装置に関するものである。

電子写真方式による複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置の定着装置としては、ハロゲンヒータを熱源として設けたものが従来広く使用されてきた。しかしながら、ハロゲンヒータを熱源とするものは、ウォーミングアップに時間がかかり、エネルギー損失も大きいので、ウォーミングアップの短縮、省エネの見地から最近はＩＨ（誘導加熱）方式の熱源を用いるものが提案されている。

ＩＨ方式は、定着ローラの近傍に誘導コイルを配設し、該誘導コイルに高周波電流を流して誘導磁束を発生させ、この誘導磁束によって定着ローラに渦電流を発生させて、これに伴うジュール熱で定着ローラを発熱させるものである。このＩＨ方式では、ボビン、コア、コイル先等からなるコイルユニットが使用されるが、発熱部材から受ける輻射熱や、コイル自身の発熱等により、コイルユニットの温度がかなり高温に達する。一方、コイルユニットの磁性コアのキュ−リー点の面や、ボビンの樹脂材やコイル線の耐熱性の点から、コイルユニットの温度は所定温度以下に保持する必要がある。

このため、従来の設計においては、発熱部材からの輻射熱を遮断する部材でコイルユニットを覆う方法を採用したり、コイル構成、部材の選択等により、特別な冷却構成を設けずに対応したり、コイルユニット内に通風用経路を設け、ファンによる送風で空冷する構成等が採用された。

この種の誘導加熱方式の熱源に採用される冷却装置としては、下記特許文献１に記載のような空冷方式や、特許文献２に記載の水冷方式が知られている。特許文献１に記載の装置は、定着ローラの外側にコアや励磁コイルを設けたもので、コア及び励磁コイルに発生する熱気を導く空気流路と排出口とを設けたものである。また、特許文献２に記載の装置は、定着ローラ内に設けた誘導コイルを冷却する冷却チューブを巻回したものである。
特開２０００−１８７４０６号公報特開平１１−３５２８１０号公報

しかしながら、これら従来公知の装置では、冷却風や冷却水を供給するためのポンプ等の装置が必要であったので、コンパクトな構成が要求される画像形成装置用の定着装置には不向きであった。また、ポンプのためのコストがかかるほか、運転中の騒音の問題もあった。

本発明は、上記従来の定着装置の冷却方式における課題を考慮し、比較的簡単で経済的な方法で冷却媒体を流通させることにより、誘導加熱用コイルユニットの温度を所定温度以下に保持することができる定着装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、次のような構成を採用した。

すなわち、第１の本発明の定着装置は、加熱手段が設けられた定着ローラと、該定着ローラに圧接して回転する加圧ローラとを備えた定着装置において、前記加熱手段として、中空の定着ローラの内部に磁性体コアと励磁コイルを有する誘導加熱用コイルユニットを該定着ローラの軸方向に沿って設けるとともに、該コイルユニットの内部に冷却媒体流通用の冷却チューブを挿通して設け、該冷却チューブを定着ローラの外部に設けた冷却部に接続して、これら冷却チューブと冷却部とで冷却媒体循環経路を形成し、コイルユニット内で加熱された冷却媒体が、その比重差によりコイルユニットと前記冷却部との間を循環流通するように構成したことを特徴としている。

また、第２の本発明の定着装置は、上記第１の本発明の定着装置において、コイルユニット内の冷却チューブが、冷却媒体の流入側から流出側に向かって上向きに傾斜していることを特徴としている。

さらに、第３の本発明の定着装置は、上記第１又は第２の本発明の定着装置において、コイルユニット内に冷却チューブを２本挿通するとともに、定着ローラの外部に２組の冷却部を設け、第１の冷却チューブの出口側端部を第１の冷却部に接続し、該第１の冷却部の出口側に第２の冷却チューブの入口側を接続し、さらに、該第２の冷却チューブの出口側端部を第２の冷却部に接続するとともに、該第２の冷却部の出口側端部を前記第１の冷却チューブに接続することにより、前記２本の冷却チューブと２組の冷却部とを含む環状の冷却媒体循環経路を形成したことを特徴としている。

本願発明は、加熱と冷却による冷却媒体の比重差を利用して冷却媒体を自然循環させつつコイルユニット内に流通させ、該コイルユニットを冷却するので、ポンプ等の強制流通装置を用いず、効果的な冷却を行うことが可能となった。

以下、本発明に係る定着装置の実施形態について具体的に説明するが、この定着装置が用いられる画像形成装置、例えば複写機等の全体構成は周知であるから説明を省略する。図１は、一般的なモノクロ用の定着装置を表すもので、この定着装置は、１対のローラ、すなわち、ヒートローラ（定着ローラ）１と加圧ローラ２とを備えている。

ヒートローラ１は、外径が数十ｍｍの中空円筒体で、その肉厚部は、内側に磁性金属層１１が設けられ、その外側にフッ素樹脂層１２が形成されている。また、加圧ローラ２は、内側に非磁性金属層２１が設けられ、その外側にシリコンゴム層２２とフッ素樹脂層２３が形成されている。

ヒートローラ１の中空部には、コイルユニット５が設けられている。コイルユニット５は、ボビン５１の外面にコイル５２を巻回し、ボビン５１の内部にコア５３が設けられている。このコア５３の芯部には、冷却媒体を流通させるための冷却チューブ７が挿通されている。コイルユニット５は、前記ヒートローラ１とほぼ等しい長さを備え、ヒートローラ１の内周面との間に所定の間隔をおいて、該ヒートローラ１の中心軸に平行に配置されている。

図２は、この定着装置におけるヒートローラ１の冷却装置（システム）を模式的に表すもので、コイルユニット５の内部に冷却チューブ７を構成するコイル内チューブ７ａが挿通されていて、コイル内に設けられたこのコイル内チューブ７ａは、冷却媒体の入口側Ａよりも出口側Ｂが高位となるように適度に傾斜して設けられている。図中のＸは、冷却媒体の流通方向を表す。

コイル内チューブ７ａの出口側端部は、コイルユニット５の外側に設けられているチューブ（コイル外チューブ）７ｂに接続されている。コイル外チューブ７ｂは、図示例では縦方向に配置され、その上端部は同じく冷却チューブを構成するＵ字状に湾曲したコイル外チューブ７ｃ一方の端部に接続され、さらにこの湾曲したコイル外チューブ７ｃの反対側の端部が冷却部９に接続されている。冷却部９は、例えば、放熱用の金属板（ヒートシンク）にチューブを蛇行状に複数回折り曲げて取り付けたもので、冷却媒体がこれら複数に折り曲げられたチューブ内を流れることにより、冷却されるようになっている。なお、図示は省略したが、この冷却部９に冷却風を送風する冷却ファンを設けておけば効果的である。

上記冷却部９の出口側には戻り回路用のコイル外チューブ７ｄが接続され、該コイル外チューブ７ｄの端部が、コイルユニット５の入口側に設けられた縦方向のコイル外チューブ７ｅの上側の端部に接続されている。このコイル外チューブ７ｅの下側の端部は、前記コイル内チューブ７ａの入口側端部に接続されている。

上記冷却チューブ７を構成する各チューブの材質としては、金属チューブや樹脂チューブ等を使用することができる。コイルユニット５の温度は１５０℃以上になる可能性があるので、コイルユニット５の内部に挿通されるコイル内チューブ７ａは２００℃程度の温度までの耐熱性が要求される。また、コイルユニット５の温度を効率よく下げるには、コイルユニット５の熱を効率よく冷却媒体に伝達する必要があるので、チューブの素材も、例えばアルミニウムや銅のような熱伝導性の高いものが望ましい。

コイルユニット５の外側に配置されるコイル外チューブ７ｂは、冷却部９までは冷却媒体の温度が比較的高く、また、冷却部では冷却媒体の熱を素早く放熱する必要があるため、熱伝導性の高い材質（アルミニウム、銅等）のものが好ましい。冷却部９からコイル内チューブ７ａまでの戻り回路用のチューブ７ｄ，７ｅは、柔軟な経路配置が可能なフレキシブルなチューブ（例えば、フッ素系、ＰＩ系等のチューブ）が使いやすいので好ましい。また、冷却部９までのコイル外チューブ７ｂは、上昇温度を考慮しておく必要があるが、コイル内チューブ７ａよりは耐熱性の低いものでも使用可能である。なお、これらチューブの径は、チューブ内の冷却媒体の量に影響する。冷却媒体量は、コイルユニット５の冷却能力に影響するので、これらを考慮して決めればよい。

図２に示す冷却装置では、冷却チューブ７を構成するコイル内チューブ７ａと、コイル外チューブ７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅが直列に連結され、コイル７ｂとコイル７ｃとの間に冷却部９が介装されて、環状の冷却回路を構成している。冷却チューブ７内を流通させる冷却媒体としては、水の他に、シリコンオイル等の絶縁性液体を使用できるが、冷却媒体としては水を用いるのが最も経済的に好ましいので、冷却水を例にとって説明する。

図２において、コイルユニット５の入口側（Ａ）からコイル内チューブ７ａ内に流入した冷却水は、コイル内チューブ７ａ内を流通する。前述のように、コイルユニット５は、ヒートローラ１からの輻射熱やコイルユニット自体の発熱により加熱されるが、冷却水がコイル内チューブ７ａを流通することによって当該コイルユニット５が所定温度以下に冷却される。一方、この冷却作用によって、冷却水自体の温度が上昇する。冷却水の温度が高くなると、その比重が小さくなり、冷却水は上向きに移動する力を受けるので、出口側が高くなるように傾斜しているコイル内チューブ７ａ内では、比重が小さくなった冷却水が、より高い位置にある出口側に向かって自然に流動するのである。コイル内チューブ７ａの傾斜角度は、使用条件等に応じて最適なものとすればよい。

コイル内チューブ７ａの出口側（Ｂ）から流出した高温の冷却水は、チューブ７ｂ内を上向きに流れたのち、Ｕ字状のチューブ７ｃを通る間に下向きに方向転換し、冷却部９に流入する。冷却部９では、高温の冷却水が冷却されて低温となり、比重が増大するので、重力により下向きに流れる力を受ける。この冷却水は、冷却部９の下部から流出して、前記コイル内チューブ７ａよりも高位に配置されたコイル外チューブ７ｄ内を流通したのち、縦向きのコイル外チューブ７ｅの上端部から該コイル外チューブ７ｅ内に流入し、該コイル外チューブ７ｅを通ってその下端部に接続された前記コイル内チューブ７ａに流入する。

図２に示す冷却システムでは、上記のとおり、コイル内チューブ７ａの出口側が適度に高くなっているので、昇温により比重の小さくなった冷却水が自然に出口側に流動する。一方、冷却部９で低温に冷却された冷却水は、比重が増大しているので、下向きに流れやすくなり、低位にあるコイル内チューブ７ａの入口側に流れて、該コイル内チューブ７ａに循環供給されるのである。しかも、冷却された冷却水の戻り回路であるコイル外チューブ７ｄがコイル内チューブ７ａよりも高位にあるので、コイル内チューブ７ａへの冷却水の流入が効果的に行われる。このように、冷却水が加熱と冷却による比重の変化によって、自然循環するので、強制送液用のポンプを設ける必要がなく、経済的な構成とすることができる。また、仮に送液用のポンプを設けるとしても、冷却水自体に循環流動の力が作用しているので、ポンプとして小容量のものを使用することができ、この場合も経済的である。

次に、図３は、上記と異なる実施形態を表すもので、この冷却装置では、コイル内チューブ７ａと冷却部９をそれぞれ２組づつ設け、より能率的にコイルユニットを冷却するように構成している。すなわち、一つのコイルユニット５内に第１のコイル内チューブ７ａと第２のコイル内チューブ７ａ’が設けられるとともに、コイルユニット５の出口側と入口側にそれぞれ第１の冷却部９と第２の冷却部９’が設けられている。そして、第１のコイル内チューブ７ａ、コイル外チューブ７ｂ，７ｃ、第１の冷却部９、コイル外チューブ７ｄ、第２のコイル内チューブ７ａ’、コイル外チューブ７ｂ’，７ｃ’、第２の冷却部９’、コイル外チューブ７ｄ’が直列に接続され、環状の冷却回路が構成されている。

この冷却装置では、第１のコイル内チューブ７ａ内を流通してコイルユニット５を冷却した高温の冷却水は、コイル外チューブ７ｂ，７ｃを通って第１の冷却部９の上側から該冷却部９内に流入し冷却される。この第１の冷却部９で冷却された冷却水は、コイル外チューブ７ｄを通って第２のコイル内チューブ７ａ’内に流入し、該コイル内チューブ７ａ’内を第１のコイル内チューブ７ａにおけると逆方向に流通する間にコイルユニット５を冷却する。この冷却により高温に加熱された冷却水は、コイル外チューブ７ｂ’，７ｃ’を通って第２の冷却部９’に流入し、ここで冷却されたのち、コイル外チューブ７ｄ’を通って再度第１のコイル内チューブ７ａに循環供給される。

図３の実施形態でも、コイル内チューブ７ａ，７ａ’は、冷却水の流れ方向に向かって高くなるように傾斜しており、冷却水は、比重差により、自然に循環流動し、コイルユニット５を効果的に冷却するのである。この実施形態では、コイルユニット５を直接冷却する２本のコイル内チューブ７ａ，７ｂが並列に設けられ、それぞれの冷却水の流れ方向が互いに逆向きとなっているので、コイルユニット５の両側の端部から低温の冷却水が流入することになり、コイルユニット５の長手方向における温度差が小さく抑えられる。なお、この場合も、ポンプ等の送液装置を設けなくてもよく、仮に設けるにしても小容量のものでよいので、経済的である。

次に、図４は、上記図２に示した実施形態と若干異なる回路を表すもので、この例では、冷却部９で冷却された冷却水が、コイル内チューブ７ａの下側に設けたコイル外チューブ７ｄを通ってコイル内チューブ７ａに還流するように構成されている。この例では、冷却された冷却水を低位のコイル外チューブ７ｄから上昇させてコイル内チューブ７ａに流入させることになるが、チューブ、冷却部等の高さや容量等を適当なものに設計することにより、冷却水をうまく流通させることができる。

図５は、上記図３に示した実施形態と若干異なる例を表すもので、この実施形態では、図３の実施形態におけると同様に、２本のコイル内チューブ７ａ，７ａ’と二つの冷却部９，９’が設けられているが、図３の場合と異なり、第１の冷却部９と第２の冷却部９’の下端部がコイル内チューブ７ａ，７ａ’よりも下位に位置するため、該冷却部９，９’から出た冷却水が、一旦上向きに流動してコイル内チューブ７ａ，７ａ’に流入するようになっている。その他の構成は図３の実施形態と同様である。この実施形態では、冷却部９，９’の下部から流出した冷却水を上向きに流動させてコイル内チューブ７ａ，７ａ’に流入させるだけの圧力が得られるような設計とする必要がある。

本発明に係る定着装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置用の定着装置として効果的に利用することができる。

定着装置の概略を模式的に表す断面図である。冷却装置の構成を模式的に表す回路図である。上記と異なる冷却装置の構成を模式的に表す回路図である。図２の装置と若干異なる形態を表す回路図である。図３の装置と若干異なる形態を表す回路図である。

符号の説明

１ヒートローラ（定着ローラ）
２加圧ローラ
５コイルユニット
７冷却チューブ
９冷却部

Claims

加熱手段が設けられた定着ローラと、該定着ローラに圧接して回転する加圧ローラとを備えた定着装置において、
前記加熱手段として、中空の定着ローラの内部に磁性体コアと励磁コイルを有する誘導加熱用コイルユニットを該定着ローラの軸方向に沿って設けるとともに、該コイルユニットの内部に冷却媒体流通用の冷却チューブを挿通して設け、該冷却チューブを前記定着ローラの外部に設けた冷却部に接続して、これら冷却チューブと前記冷却部とで冷却媒体循環経路を形成し、前記コイルユニット内で加熱された冷却媒体が、その比重差により前記コイルユニットと前記冷却部との間を循環流通するように構成したことを特徴とする定着装置。
前記コイルユニット内の冷却チューブは、前記冷却媒体の流入側から流出側に向かって上向きに傾斜している請求項１に記載の定着装置。
前記コイルユニット内に第１、第２の２本の冷却チューブを互いに逆向きに挿通するとともに、前記定着ローラの外部に第１、第２の２組の冷却部を設け、第１の冷却チューブの出口側端部を第１の冷却部の入口側に接続し、該第１の冷却部の出口側と第２の冷却チューブの入口側端部を接続するとともに、該第２の冷却チューブの出口側端部を第２の冷却部の入口側に接続し、さらに該第２の冷却部の出口側を前記第１の冷却チューブの入口側に接続することにより、前記２本の冷却チューブと２組の冷却部とを含む環状の冷却媒体循環経路を形成した請求項１又は２に記載の定着装置。