JP4806287B2 - 冷却装置・画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、定着装置等の温度上昇箇所を冷却する冷却装置、該冷却装置を有する複写機、プリンタ、ファクシミリ、これらのうちの少なくとも２つを有する複合機、プロッタ等の画像形成装置に関する。
本発明は、高湿状態の雰囲気における高効率の冷却装置として応用することができる。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置等に用いられる画像形成装置は、画像情報に基づいて、紙やＯＨＰシートなどの記録媒体に文字、記号等の画像を記録するものである。このような記録装置には種々の方式があるが、電子写真方式が普通紙に高精細な画像を高速で記録することができる点から広く使用されている。
一般的な電子写真方式では、光学装置で原稿を読み取り、その情報に基づいて書き込み装置で像担持体上に静電潜像を形成し、現像装置で静電潜像からトナー像を形成し、トナー像を記録媒体上に転写し、定着装置で記録媒体上のトナーを加熱溶融・加圧して定着させることで記録媒体に記録しているが、これらの工程では以下のような発熱や温度上昇を伴う。

光学装置では原稿をスキャンするスキャナランプやスキャナランプを駆動するスキャナモータが発熱し、書き込み装置においては高速回転するポリゴンミラーを駆動するモータが発熱する。
現像装置においてはトナーに帯電性を付与する際のトナーと現像剤の攪拌による摩擦熱による温度上昇がある。
定着装置においては熱定着のためのヒータの熱により周辺部の温度が上昇したり、定着後の記録媒体が高温となるためその後の搬送経路である両面ユニットなどを昇温させてしまう。
そこで一般的には、冷却用ファンとダクトを利用して強制対流伝達で装置の各部分を冷却している。しかし、近年高速化による各ユニットの温度上昇や小型化やカラー化に伴う画像形成装置内の密度向上によりダクトスペースが小さくなり、冷却に充分な気流を供給することが困難になりつつある。

これに対し、狭いスペースを高効率で冷却する方法としては、電子冷却や、液冷が挙げられる。電子冷却とは、異種の半導体を電極で繋いだものに電流を流す時、その接点の一方で吸熱、他の一方で発熱が起こるペルチェ効果を利用した冷却方法で、電流の大きさや向きを変えることで冷却能力を直接制御可能である。この方式では可動部が無く装置の小型化が容易である。
液冷は、温度上昇箇所に流路を形成、または流路を形成した冷却部を密着させ、管路を介して放熱部、タンク、ポンプと接続し、管路に冷却液を供給することで温度上昇箇所から熱を奪うものである。
この方式では、空気よりも熱容量が大きい液体を用いるので少ない液量で大きな熱量を吸収できる。これにより、大きなスペースを必要とせず充分な冷却を行うことができる。

特許文献１には、定着装置により加熱された記録材からの水蒸気による案内部材への水滴の付着を防止するために、排紙ガイドの加熱後の記録材との接触面に界面活性剤を塗布する構成が開示されている。
特許文献２には、定着装置から出る熱をヒートパイプにより移動させて放熱するとともに、水蒸気を多く含んだ空気を排出するための流路を設け、冷却ファンにより強制的に機外に排出させる構成が開示されている。

特開２００３−４３８３４号公報 特開２００５−２７５２５３号公報

液冷システムを画像形成装置に適用する場合、次のような問題がある。上述のように、定着装置では記録媒体に熱圧力を作用させてトナーを溶融させて紙に定着させる。このとき、記録媒体が含んでいる水分が蒸発することで周囲の雰囲気が高湿な状態となる。
こうした雰囲気中では液冷システムの冷却部は冷えている状態にあるために表面で結露を起こしやすい。これが多量になると、水滴が大きくなって液ダレを生じたり流れたりして隣接する箇所に付着してしまう。
これが記録媒体搬送経路であると、記録媒体先端に付着して先端を波打たせたり、あるいは、両面プリントした場合には、その状態で上記の画像形成工程を通るために像担持体に水滴を付着させて画像を流れさせたりしてしまう。また、直接記録媒体に水滴が付着しても同様の問題が発生する。

定着装置周辺での水蒸気の結露の対策として、上述のように特許文献１、２に記載の方式が知られているが、特許文献１に記載の方式では、冷却効率の高い冷却部では温度が低いため結露の量が多く、水分が溜まってしまって連続的に稼動すると界面活性剤による効果は小さくなり、液ダレによる他の箇所への水分の付着は避けられない。
特許文献２に記載の方式では、水分を多く含んだ空気の流路とヒートパイプとは断熱部材により遮断される。しかしながら、画像形成装置内の密度向上により充分にダクトスペースを確保することは難しく、水蒸気と冷却部材（ヒートパイプ）とを完全に遮断することは困難である。

本発明は、画像形成装置内における水蒸気の結露による不具合を良好に抑制できる液冷装置及び該液冷装置を有する画像形成装置の提供を、その主な目的とする。

上記課題を解決するために本発明者らが実験・検討を重ねた結果、液ダレや流れが生じるのは結露が局所的に大きくなるからであって、これが冷却部の表面全体において薄い膜を形成するように均された状態となれば結露が生じても問題は無いことが判明した。
本発明はこの実験事実に着目して創案されたもので、請求項１に記載の発明では、画像形成装置の温度上昇箇所に冷却部材を接触又は近接させることで前記温度上昇箇所を冷却する冷却装置であって、前記冷却部材の表面に、前記冷却部材の表面と水との接触角を下げる接触角低減材が設けられていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の冷却装置において、前記冷却部材に付着した水分を画像形成装置外部に移送する水分移送手段と、移送された水分を蒸発させる水分蒸発手段とを有していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の冷却装置において、前記水分蒸発手段は、表面に水分を保持する水分保持部材であり、前記水分保持部材の表面に、前記水分保持部材の表面と水との接触角を下げる接触角低減材が設けられていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の冷却装置において、前記水分保持部材は、表面に凹凸形状を有していることを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の冷却装置において、前記冷却部材に付着した水分を回収する水分回収手段を有していることを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の冷却装置において、前記水分回収手段で回収された水分を蓄える水分貯蔵手段を有していることを特徴とする。

請求項７に記載の発明では、画像形成装置において、請求項１乃至６のうちのいずれかに記載の冷却装置を有することを特徴とする。
請求項８に記載の発明では、トナー像を加熱して記録媒体に定着させる定着手段を有する画像形成装置において、前記定着手段を冷却する冷却装置を有し、該冷却装置は請求項１乃至６のうちのいずれかに記載のものであることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項８に記載の画像形成装置において、前記定着手段周辺の雰囲気を画像形成装置外へ排出する排気手段及び該排気手段に前記雰囲気を導く通風スペースを有していることを特徴とする。

請求項１、７又は８に記載の発明によれば、冷却部材の表面で結露した水分が薄い膜状となり滴化することがないので、冷却部材表面から周囲に水分が付着することを防ぐことができる。
請求項２、７又は８に記載の発明によれば、冷却部材に結露した水分を画像形成装置の外で蒸発させることができるから、画像形成装置内部に水分を貯めることなく冷却部材表面の水の膜を薄く保つことができる。このため連続で稼動しても周囲に水分が付着することを防ぐことができる。
請求項３、７又は８に記載の発明によれば、水分保持部材の水の膜を薄く保つことができ、空気との接触面積が大きくなるため蒸発効率が上がり、冷却装置の継続的な使用が可能となる。また、外部での液ダレを防ぐことができる。

請求項４、７又は８に記載の発明によれば、水分蒸発手段が表面に凹凸形状を有していることで、空気との接触面積が大きくなるため蒸発効率が上がり、冷却手段の継続的な使用が可能となる。
請求項５、７又は８に記載の発明によれば、冷却部材の水分を取り除くことができ、冷却部材表面の水の膜を薄く保つことができる。これにより冷却部材表面の水分が滴化することがないので、冷却部材表面から周囲に水分が付着することを防ぐことができる。
請求項６、７又は８に記載の発明によれば、回収された水分を一定期間蓄えることができ、その間の冷却装置の継続的な使用が可能となる。

請求項９に記載の発明によれば、水分を含んだ空気を機外に出すことができ、冷却装置以外の箇所への結露を防ぐことができる。

以下、本発明の第１の実施形態を図１乃至図３に基づいて説明する。
図１は、冷却装置（液冷システム）を各温度上昇箇所に適用した構成を模式的に示した図である。図１に示すように、画像形成装置としてのタンデム型のカラー複写機１では、４つの感光体ドラム２が並設されており、各感光体ドラム２の周りには図示しない帯電装置や現像装置３等の周知の作像手段が配置されている。
スキャナ４で読み取られた画像情報に基づいて書き込み装置５により各感光体ドラム２上に静電潜像が形成され、それぞれ異なる色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）のトナーを収容した現像装置５により可視像化される。各感光体ドラム２上に形成されたトナー像は、中間転写ベルト６上に重ねて転写され、給紙カセット７から所定のタイミングで給送される記録媒体としての用紙８に一括転写される。
用紙８は定着手段としての定着装置９へ搬送され、ここで熱と圧力によりトナー像を定着された後、排紙トレイ１０に排出される。両面コピーの場合には片面コピーが終わった後、両面ユニット１１で反転され、同様の工程で裏面にコピーされた後排紙トレイ１０に排出される。

スキャナ４の温度上昇箇所（温度上昇部の概念を含む）としてのスキャナモータ１２の表面に密着（接触）して冷却部材１３が、温度上昇箇所としての書き込み装置５に密着して冷却部材１４が、温度上昇箇所としての各現像装置３に密着して冷却部材１５が、温度上昇箇所としての両面ユニット１１に密着して冷却部材１６が、温度上昇箇所としての定着装置９に密着して冷却部材１７がそれぞれ設置されている。
これらの冷却部材（以下、「冷却部」ともいう）はそれぞれ内部に流路を有しており、互いに管路１８で連通されている。

画像形成装置本体の排紙トレイ１０側の側面外方には、ラジエータ１９とタンク２０が配置されており、画像形成装置本体内のスキャナモータ１２近傍にはポンプ２１が配置されている。ラジエータ１９、タンク２０、ポンプ２１も管路１８を介して上記冷却部材と循環可能に接続されている。
すなわち、ポンプ２１―冷却部材１３―冷却部材１４―冷却部材１５―冷却部材１６―冷却部材１７―ラジエータ１９―タンク２０の順に冷却液が循環する構成となっている。
ポンプ２１、管路１８、冷却部材１３、１４、１５、１６、１７、ラジエータ１９、タンク２０により本実施形態における冷却装置（液冷システム）が構成されている。

ポンプ２１から送り出された冷却液は管路１８を通って冷却部１３〜１７に送られる。各冷却部では冷却部が密着する温度上昇部や冷却部周囲の雰囲気の熱を冷却液が奪うことで冷却がなされる。ラジエータ１９において、熱を奪って温度が上昇した冷却液と画像形成装置外部の空気との間で熱交換が行われ、冷却液は室温付近まで冷却される。その後、冷却液はタンク２０に一時蓄えられ、再びポンプ２１から冷却部へと送られる。
本実施形態では一組のポンプ、ラジエータ、タンクに対して複数の冷却部が直列に接続されているが、これに限るものではなく並列に接続された構成とすることもできる。また、一つまたは幾つかの冷却部ごとにポンプ、ラジエータ、タンクを接続する構成としてもよい。

各冷却部材１３、１４、１５、１６、１７の表面には、これらの冷却部材の表面と水との接触角を下げる図示しない接触角低減材が設けられている。本実施形態では接触角低減材は各冷却部材の表面に塗布されている。接触角低減材はフィルム状のものを貼り付けて設けるようにしてもよい。
冷却部材は良熱伝導性であることが求められ、一般的には銅やアルミニウムなどの金属が用いられる。

以下に接触角低減材を設けた理由を説明する。
図２に示すように、水滴の接触角をθ、水の表面張力をγｗ、水と固体基質との表面界力をγｗｓ、固体基質の表面界力をγｓとすると次式が成り立つ。
γｓ＝γｗｓ＋γｗ・ｃｏｓθ
変形すると、
ｃｏｓθ＝（γｓ−γｗｓ）／γｗ
となる。これは、γｗｓかγｗを小さくすれば、ｃｏｓθが大きくなり、接触角θが小さくなることを意味する。

よって冷却部材表面に冷却部材表面と水との表面界力を小さくする材料（接触角低減材）を塗布することで接触角を下げることができる。接触角低減材の材料としては、各種界面活性剤や、シリカガラスコーティング剤等が用いられる。例えば、シリカガラスコーティングでは接触角を１０度程度にすることができる。

図３は本実施形態における接触角低減材を設けた冷却部（冷却部材１４を例示）と、接触角低減材を設けない通常の冷却部２２との結露状態の違いを示す断面図である。
図３（Ａ）、（Ｂ）に示す冷却部材は共にアルミニウム製で、図に示すように内部に流路が形成されている。図３（Ａ）は表面への処理無し、図３（Ｂ）は冷却部材表面に接触角低減材としてのシリカガラスコーティング剤のコーティングを施したものである。
記録材（用紙８）からの蒸発によって冷却部周囲が高湿状態になると、水蒸気は冷却部材表面で冷やされて結露する。表面にコーティングを施さない場合（Ａ）は、結露が局所的に集中して水滴となり、量が多くなると液ダレが発生したり、周囲の部品に流れてしまうことがある。
一方、シリカガラスコーティング剤をコーティングした場合（Ｂ）は、結露した水が冷却部材表面全体に広がり、表面に薄い膜の状態となるので、液ダレが起こりにくく、また、隣接部材と水とが接触しにくくなる。

図４に基づいて第２の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
図４は本発明における液冷システムを定着装置周囲に適用した構成を模式的に示した図である。定着装置９の上部に冷却部１７が配置され、図示しないポンプにより管路１８を介して画像形成装置外部のラジエータ１９、タンク２０、冷却部１７に冷却液が循環されている。
冷却部材表面にはシリカガラスコーティング剤がコーティングされていて、冷却部材表面で結露した水分は薄い膜状になる。

また、冷却部１７は下部において冷却部材に付着した水分を画像形成装置外部まで移送する水分移送手段としての水移送部材２３と密着性良く連結されている。さらに水移送部材２３は冷却部１７との接続箇所を上部として他端側が下方に若干傾斜する状態に固定され、その一部が画像形成装置外部に出ており、移送された水分を画像形成装置外部で蒸発させる水分蒸発手段としての水分保持部材２４と密着性よく連結されている。水分保持部材２４は表面に水分を保持する機能を有している。
ポンプ、管路１８、冷却部材１７、ラジエータ１９、タンク２０、水移送部材２３、水分保持部材２４により、本実施形態における冷却装置（液冷システム）が構成されている。

水移送部材２３の表面と水分保持部材２４の表面にもシリカガラスコーティング剤がコーティングされている。これにより、冷却部材１７の表面で結露した水分は水移送部材２３を伝わり、水分保持部材２４の表面全体に薄い膜を形成する。
水分保持部材２４の表面から水が蒸発することで冷却部材１７の表面で結露した水分を機外に排出することができる。水分保持部材２４はその表面に図示しない凹凸が形成されて表面積を大きくしており、水分の蒸発効率を上げられるようになっている。水分保持部材２４にファンなどによる気流を作用させることでさらに蒸発効率を上げることもできる。

水分移送手段としては、上記のように重力を利用して水分を冷却部材よりも下部の水分蒸発手段に移送したり、ポンプなどで強制的に水分を水分蒸発手段に移送する構成を採用できる。水分蒸発手段としては、水分を自然蒸発させる構成、ファンなどを付加して気流により蒸発させる構成、さらに、加熱手段を用いて蒸発させる構成でもよい。
また、水分蒸発手段としては、省スペース化の観点から、例えば画像形成装置の外装面形状に沿うプレート状部材に多数の溝や微小突起を形成したものを用いることができるが、表面に形成される膜状の水分と空気との接触面積を増大させる形状であればよい。

図５に基づいて第３の実施形態を説明する。
図５は本発明における液冷システムを定着装置周囲に適用した別の構成を模式的に示した図である。定着装置９の上部に冷却部１７が配置され、図示しないポンプにより管路１８を介して画像形成装置外部のラジエータ１９、タンク２０、冷却部１７に冷却液が循環されている。
ポンプ、管路１８、冷却部材１７、ラジエータ１９、タンク２０、水移送部材２３、後述する排水タンク２５により、本実施形態における冷却装置（液冷システム）が構成されている。

冷却部材表面には接触角低減材としてのシリカガラスコーティング剤がコーティングされていて、冷却部材表面で結露した水分は薄い膜状になる。冷却部１７は下部において水分回収手段としての水移送部材２３と密着性良く連結されている。
さらに水移送部材２３は冷却部１７との接続箇所を上部として他端側が下方に若干傾斜する状態に固定され、水移送部材２３の最下部が水分貯蔵手段としての排水タンク２５の内部に通じている。
これにより、冷却部材１７の表面で結露した水分は水移送部材２３を伝わり、排水タンク２５に一時的に蓄えられる。排水タンク２５は取り出し可能になっており、排水タンク２５の水は適宜廃棄される。

水分回収手段においては、重力により冷却部材１７の最下部に水分が集まるように冷却部材１７の形状を工夫したり、ワイパーによる掻き取り手段、吸引手段によることもできる。
水分貯蔵手段としては、容器や袋状のタンク構成の他に、スポンジなどに吸収させて貯蔵しておく構成とすることもできる。また、水分貯蔵手段を取り外し可能としたり、水分貯蔵手段からの排水ができるようにすれば繰り返し一定期間の継続稼動が可能になる。

図６に基づいて第４の実施形態を説明する。
図６は本発明における液冷システムを定着装置周囲に適用した別の構成を模式的に示した図である。本実施形態における冷却装置は図４で示したのと同じである。定着装置９の上部に排気手段としてのファン２６を設け、画像形成装置の外側に排気を行うようにしたものである。
定着装置９を通過する際に用紙８から発生する水蒸気は画像形成装置内部の隙間（通風スペース）２７を通り、上昇してファン２６により機外に排出される。

上記各実施形態では、水冷等の液冷方式の冷却装置を例示したが、これに限定される趣旨ではなく、ペルチェ素子等を利用した電子冷却、ヒートパイプ・良熱伝導材料を利用したものなど、温度上昇部よりも低温の部材を接触、あるいは近接させて温度上昇部を冷却するものであればよい。
また、冷却装置は画像形成装置内のあらゆる温度上昇箇所に適用できる。特に定着手段周辺や上部の温度上昇箇所への適用が効果的である。

第１の実施形態に係る画像形成装置の全体概要構成図である。 水との接触角を示す図である。 接触角低減材の有無による結露の状態の違いを示す図で、（Ａ）は接触角低減材が設けられていない場合の図、（Ｂ）は接触角低減材が設けられている場合の図である。 第２の実施形態に係る画像形成装置の全体概要構成図である。 第３の実施形態に係る画像形成装置の全体概要構成図である。 第４の実施形態に係る画像形成装置の全体概要構成図である。

符号の説明

３ 温度上昇箇所としての現像装置
５ 温度上昇箇所としての書き込み装置
９ 温度上昇箇所としての定着装置
１１ 温度上昇箇所としての両面ユニット
１３、１４、１５、１６、１７ 冷却部材
２３ 水分移送手段としての水移送部材
２４ 水分蒸発手段としての水分保持部材
２５ 水分貯蔵手段としての排水タンク
２６ 排気手段としてのファン

Claims (9)

1. 画像形成装置の温度上昇箇所に冷却部材を接触又は近接させることで前記温度上昇箇所を冷却する冷却装置であって、
   前記冷却部材の表面に、前記冷却部材の表面と水との接触角を下げる接触角低減材が設けられていることを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置において、
   前記冷却部材に付着した水分を画像形成装置外部に移送する水分移送手段と、移送された水分を蒸発させる水分蒸発手段とを有していることを特徴とする冷却装置。
3. 請求項２に記載の冷却装置において、
   前記水分蒸発手段は、表面に水分を保持する水分保持部材であり、前記水分保持部材の表面に、前記水分保持部材の表面と水との接触角を下げる接触角低減材が設けられていることを特徴とする冷却装置。
4. 請求項３に記載の冷却装置において、
   前記水分保持部材は、表面に凹凸形状を有していることを特徴とする冷却装置。
5. 請求項１に記載の冷却装置において、
   前記冷却部材に付着した水分を回収する水分回収手段を有していることを特徴とする冷却装置。
6. 請求項５に記載の冷却装置において、
   前記水分回収手段で回収された水分を蓄える水分貯蔵手段を有していることを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれかに記載の冷却装置を有する画像形成装置。
8. トナー像を加熱して記録媒体に定着させる定着手段を有する画像形成装置において、
   前記定着手段を冷却する冷却装置を有し、該冷却装置は請求項１乃至６のうちのいずれかに記載のものであることを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項８に記載の画像形成装置において、
   前記定着手段周辺の雰囲気を画像形成装置外へ排出する排気手段及び該排気手段に前記雰囲気を導く通風スペースを有していることを特徴とする画像形成装置。
   

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