JP4913668B2 - 冷却装置、電子機器及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は冷却装置、電子機器及び画像形成装置に関し、詳細には画像形成装置などの電子機器の冷却対象個所を、内部流路を冷却液が流れる受熱部を近接又は接触させて冷却すると共に、冷却対象物と個別に着脱可能な冷却装置に関する。

はじめに、電子機器の一つである電子写真式画像形成装置を例として電子機器内に発生する熱及び当該熱による不具合について概説する。
図７は電子写真方式画像形成装置の構成を示す概略断面図である。同図に示すように、電子写真方式画像形成装置の一例としての複写機の場合、光学装置１０１で画像情報を読み込み、この画像情報に応じて画像形成ユニットの感光体ドラム１０２上に静電潜像を書き込むための光が書込装置１０３により照射される。画像形成ユニット１０４では、感光体ドラム１０２の周辺に、帯電装置１０５、現像装置１０６、クリーニング装置１０７及び図示しない除電装置が配置されている。帯電装置１０５は、帯電ローラを採用した接触帯電方式であり、感光体ドラム１０２に接触して電圧を印加することにより、感光体ドラム１０２の表面を一様に帯電する。この帯電装置１０５としては、非接触のスコロトロン帯電等を採用した非接触帯電方式の帯電装置を採用することもできる。現像装置１０６は、現像剤中のトナーを感光体ドラム１０２上の潜像に付着させ、トナー像を形成させる。クリーニング装置１０７は、感光体ドラム１０２上の不要なトナーを除去する。クリーニング装置１０２としては、先端が感光体ドラム１０２に押し当てられるように構成されたブレードを用いることができる。除電装置は、ランプで構成されており、光を照射して感光体ドラム１０２の表面電位を初期化する。トナー像が転写された記録媒体は、定着装置１０８で加熱・加圧され、記録媒体上のトナーを定着させる。更に、記録媒体の両面に記録する場合には、両面ユニット１０９において記録媒体の表裏を反転し再び上流に搬送し、再度上記の工程を行う。

これらの工程において、発熱や温度上昇を伴う。すなわち、光学装置１０１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、書込装置１０３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し、現像装置１０６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が上昇する。また、定着装置１０８においては熱定着のためにヒータの熱による周辺部の温度が上昇し、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１０９などを昇温させてしまう。

そこで、一般的には、冷却ファンとダクトを利用した強制対流熱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機器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でも高効率に冷却できる方法として液冷が挙げられる。温度上昇箇所に流路を形成し、または流路を形成した受熱部を密着あるいは近接させて、流路に温度上昇箇所よりも低温の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。一般に冷却液は水を主成分とし、凍結温度を下げるためにプロピレングリコールやエチレングリコールなどを添加したり、金属の構成部品の錆を防ぐために防錆剤（例えば、リン酸塩系物質：リン酸カリ塩、無機カリ塩等）を添加して使用する。空気よりも熱容量が大きい液体を用い、少ない流量で大きな熱量を吸収できるため、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。

図８は一般的な液冷装置の構成を示す概略構成図である。同図に示すように、管路２０１を介して温度上昇箇所２０２に密着している受熱部２０３、リザーブタンク２０４、放熱部２０５、ポンプ２０６が接続される構成からなる。受熱部２０３において温められた冷却液を放熱部２０５で冷却することで所定量の冷却液を循環させて冷却を行うことが可能となる。放熱部２０５は、良熱伝導部材に形成された流路と、この流路と接続される良熱伝導部材によるフィンからなり、流路及びフィンを冷却ファンを用いて強制対流熱伝達により冷却することで流路内を流れる冷却液の温度を低下させる。

ところで、画像形成装置はメンテナンスや記録媒体が内部搬送経路に詰まった際に上記の現像装置や定着装置、両面ユニットなどは装置外に取り出したり完全には取り出さないまでも一部引出したりする必要がある。上記の受熱部を有する箇所を取り出す場合には、カプラを用いて管路を分断して受熱部を装着したまま取り出したり、受熱部が温度上昇箇所から着脱可能な構成にしておき、温度上昇箇所から受熱部をとり外してそれ以外の部分を取り出すという方法が一般的である。

しかしながら、カプラを用いる方法では一般にカプラによる圧力損失が大きいため、圧力損失を大きくしようとするとカプラのサイズを大きくしなければならず狭いスペースで冷却が可能であるという液冷のメリットを生かすことができない。また、小さなカプラを用いて、カプラの圧力損失を補うために高出力のポンプを用いるとポンプを駆動するあめに電力が大きくなったり、更にはポンプによる発熱のため冷却液やポンプ周囲の温度を上げてしまうという問題がある。

そこで、このような問題点を解決するために従来よりいくつかの提案がなされている。受熱部を取り外す方法として、特許文献１には冷却液を流路に流すことで、流路周りの熱を奪う構成である冷却手段が冷却対象であるユニットを支持する筐体の一部に設置され、筐体には装置本体にセットされたユニットに対して流路を付勢する付勢手段を有する画像形成装置が提案されている。また、特許文献２には、筐体に着脱自在に設けられ、転写紙に画像を形成するための画像形成ユニットを構成する感光体ドラム、露光装置、帯電ローラ、現像装置、転写装置、クリーニング装置および定着装置と、筐体に設けられた液冷冷却装置と、画像形成ユニットと液冷冷却装置の間で熱交換を行う熱交換部材とを備え、画像形成ユニットを筐体に装着したときに、熱交換部材を液冷冷却装置に接触させるように構成する画像形成装置が提案されている。
特開２００５−１６４９２７号公報 特開２００７−０４７５４０号公報

しかしながら、上記特許文献１によれば、付勢手段を設けなければならず、また取り外す際には手動あるいは自動的に付勢手段を解除するための機構も必要となる。更には、冷却手段の周囲に付勢手段や解除機構を配置するため、狭いスペースでの冷却が困難となる。また、特許文献２は、冷却対象物と液冷システムを離して配置し、熱交換部材の接触・非接触により熱交換を行うことで冷却対象物の着脱をしやすくしたものであるが、熱交換部材を介することによる熱抵抗の増加は避けられず冷却効率が低くなってしまう。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、狭いスペースで冷却対象物と受熱部との取り外しが可能な冷却装置、電子機器及び画像形成装置を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明の冷却装置は、冷却対象物に対して近接又は接触して冷却対象物の熱を吸熱する受熱部と、この受熱部に冷却液を供給する冷却液供給手段と、受熱部で温められた冷却液と空気との間で熱交換を行う放熱手段とを連結する管路を用いて構成されている。そして、本発明の冷却装置における受熱部の表面の少なくとも一部が、冷却液の圧力で変形し、冷却対象物に対して近接又は接触する変形部材で構成されていることに特徴がある。よって、受熱部が冷却対象物に対して離反した位置に設けられることができ、冷却対象物と受熱部が個別に取り外しが可能となる冷却装置を提供できる。

また、冷却液供給手段、放熱手段及び管路のいずれかに、内部と大気とを開放する開放手段を設けたことが好ましい。

更に、管路から受熱部へ冷却液が流入する接続部の流路断面積が、受熱部から管路へ冷却液が流出する接続部の流路断面積より大きいことにより、冷却液供給手段を駆動するだけで容易に受熱部内の冷却液の圧力を増加させることができ、よって狭いスペースで冷却対象物と受熱部の着脱が可能となる。

また、冷却液供給手段に対して受熱部よりも下流側に冷却液の圧力で変形する変形手段を設けることにより、冷却液供給手段を駆動するだけで受熱部を膨張させることができ、よって狭いスペースで冷却対象物と受熱部の着脱が可能となる。

更に、変形部材は可撓性部材であることにより、冷却液の圧力により変形部材を容易に変形させることができる。

また、変形部材は蛇腹構造であることにより、冷却液の圧力により変形部材を容易に変形させることができる。

更に、別の発明としての電子機器は、上記冷却装置を搭載したことに特徴がある。

また、別の発明としての画像形成装置は、上記冷却装置を搭載したことに特徴がある。

本発明の冷却装置における受熱部の表面の少なくとも一部が、冷却液の圧力で変形し、冷却対象物に対して近接又は接触する変形部材で構成されている。よって、受熱部が冷却対象物に対して離反した位置に設けられることができ、冷却対象物と受熱部が個別に取り外しが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る電子機器の冷却装置の構成を示す概略構成図である。同図に示す本実施の形態の電子機器の冷却装置１０は、変形部材１１及び液冷ジャケット１２を含んで構成される受熱部１３と、放熱手段のラジエータ１４と、タンク１５と、冷却液供給手段としてのポンプ１６とを銅管１７で接続された構成を有している。同図の（ａ）はポンプ１６が停止している状態であり、同図の（ｂ）はポンプ１６が稼動している状態である。同図の（ａ）において、冷却対象物１８と、受熱部１３における変形部材１１とは所定の間隔をおいて離反している。この状態における冷却液の圧力Ｐ１は冷却装置内でほぼ一定である。大気圧をＰとすると、Ｐ１＝Ｐとなる。この状態からポンプ１６を稼動した際の、冷却ジャケット１２内の圧力をＰｊ、タンク１５内の圧力をＰｔとすると、Ｐｊ＞Ｐ１＞Ｐｔとなる。これにより変形部材１１は膨張するように変形する。ポンプ停止時の冷却対象物１８と変形部材１１との間隔を変形部材１１の変形量より小さくすることで、ポンプ１６を稼動・停止により冷却対象物１８と変形部材１１との接触あるいは離反を切り替えることができる。なお、本実施の形態において、開閉バルブ１９はタンク１５に備える構成にしたが、この限りではない。開閉バルブ１９はポンプ１６の稼動・停止を切り替える際にのみ開放されていればよく、ホコリ・チリなどの混入、冷却液の減少などを考慮すると、ポンプ１６の稼動・停止を切り替える際にのみ開放されるのが望ましい。また、ポンプ１６を稼動により冷却対象物１８と変形部材１１とが接触しているが、接触に至らない近接した位置まで変形部材１１を変形させてもよい。なお、変形部材１１には、可撓性部材としてはブチルゴム、EPDMなどのゴムや樹脂などが使用できる。この変形部材１１を温度上昇対象物１８に接触させて冷却する場合にはアルミニウムの薄膜層にポリウレタンなどの樹脂層による複層構造にして熱伝導性を向上させることもできる。また、変形部材１１を、弾性を有する部材で構成することで変形した状態からの復元をより確実にすることもできる。

図２は本発明の第２の実施の形態に係る電子機器の冷却装置の構成を示す概略構成図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の電子機器の冷却装置２０においては、第１の実施の形態の冷却装置１０におけるタンク１５が、圧力により変形可能な弾性部材によりなるタンク２１に変わった構成である。同図の（ａ）は冷却装置のポンプ１６が停止している状態であり、同図の（ｂ）はポンプ１６が稼動している状態である。同図の（ａ）において、冷却対象物２０と、受熱部１３における変形部材１１とは所定の間隔をおいて離反している。また、タンク２１の弾性部材は変形がない状態である。この状態における冷却液の圧力Ｐ１は冷却装置内でほぼ一定である。大気圧をＰとすると、Ｐ１＝Ｐである。この状態からポンプ１６を稼動した際の、冷却ジャケット１２内の圧力をＰｊ、タンク２１内の圧力をＰｔとすると、Ｐｊ＞Ｐ１＞Ｐｔとなる。これにより変形部材１１は膨張するように変形し、タンク２１は収縮する。ポンプ停止時の冷却対象物１８と変形部材１１との間隔を変形部材の変形量より小さくすることで、ポンプ１６を稼動・停止により冷却対象物１８と変形部材１１との接触あるいは離反を切り替えることができる。受熱部１３の変形部材１１、タンク２１の材質を変えることで変形量を調節することができる。

図３は本発明における冷却装置の受熱部の構成を示す概略断面図である。同図に示す受熱部１３は図示しない変形部材を介して図示しない冷却対象物と接触したり離反したりする。受熱部１３は流入部１３−１と流出部１３−２においてチューブ１３−３と接続されていて、流入部１３−１の流路の断面積が流出部１３−２の流路の断面積より大きいとする。ポンプが稼動しているときの流入部１３−１、流出部１３−２における流速をそれぞれＶｉ、Ｖｏとすると、流量は一定であるから、Ｖｉ＜Ｖｏとなる。

また、ベルヌーイの定理より
Ｖｉ^２／２＋Ｐi／ρ＝Ｖｏ^２／２＋Ｐｏ／ρ
ΔＰ＝Ｐi−Ｐｏ＝（Ｖｏ^２−Ｖｉ^２）／２ρ＞０
となる。

よって、ΔＰの分だけ受熱部内の圧力が増加する。これにより受熱部１３の変形部材１１が変形する。

図４は本発明における冷却装置の受熱部の構成の一例を示す概略断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は冷却装置のポンプ（図示しない）が停止した状態で、液冷ジャケット１２は、変形部材１１の表面と冷却対象部１８が所定の間隔だけ離れるように配置されている。変形部材１１は上述したようにアルミニウム薄膜（冷却対象物側）とポリウレタン層（冷却液側）の２層からなる。同図の（ｂ）は冷却装置のポンプ（図示しない）を稼動した状態である。ポンプの稼動により冷却ジャケット１２内の冷却液の圧力が上昇し、変形部材１１が変形して冷却対象物１８と接触する。

図５は本発明における冷却装置の受熱部の構成の別の一例を示す概略断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は冷却装置のポンプ（図示しない）が停止した状態で、液冷ジャケット１２は、変形部材１１と冷却対象部１８が所定の間隔だけ離れように配置されている。変形部材１１はアルミニウム薄膜（冷却対象物側）とポリウレタン層（冷却液側）の２層からなりは蛇腹構造になっている。同図の（ｂ）は冷却装置のポンプ（図示しない）を稼動した状態である。ポンプの稼動により冷却ジャケット１２内の冷却液の圧力が上昇し、変形部材１１が変形して冷却対象物１８と接触する。

図６は本発明の冷却装置を設けた画像形成装置の構成を示す概略断面図である。同図において、本発明の冷却装置は、メンテナンスなどで引き出す必要がある両面ユニット３１、現像ユニット３２、定着ユニット３３の上部を冷却している。本実施の形態の画像形成装置では、両面ユニット３１に設けられた受熱部３４、現像ユニット３２に設けられた受熱部３５、定着ユニット３３に設けられた受熱部３６、タンク３７、ラジエータ３８、ポンプ３９の順に銅管４０により接続されており、冷却液が循環することで各箇所を冷却する。これらの受熱部３４〜３６が各箇所と着脱可能であることで、メンテナンス時の取り出しが容易となる。本実施の形態では両面ユニット３１、現像ユニット３２、定着ユニット３３の上部の順に冷却液を循環しているが、この限りではなく、発熱量、許容温度により順番を変えても良い。また、それぞれの箇所について、タンク、ラジエータ、ポンプ、銅管からなる独立な構成とすることもできる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態に係る電子機器の冷却装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電子機器の冷却装置の構成を示す概略構成図である。 本発明における冷却装置の受熱部の構成を示す概略断面図である。 本発明における冷却装置の受熱部の構成の一例を示す概略断面図である。 本発明における冷却装置の受熱部の構成の別の一例を示す概略断面図である。 本発明の冷却装置を設けた画像形成装置の構成を示す概略断面図である。 電子写真方式画像形成装置の構成を示す概略断面図である。 一般的な液冷装置の構成を示す概略構成図である。

符号の説明

１０，２０；冷却装置、１１；変形部材、１２；液冷ジャケット、
１３；受熱部、１４；ラジエータ、１５，２１；タンク、
１６；ポンプ、１７；銅管、１８；冷却対象物、１９；開閉バルブ。

Claims (8)

1. 冷却対象物に対して近接又は接触して前記冷却対象物の熱を吸熱する受熱部と、該受熱部に冷却液を供給する冷却液供給手段と、前記受熱部で温められた冷却液と空気との間で熱交換を行う放熱手段とを連結する管路を用いて構成する冷却装置において、
   前記受熱部の表面の少なくとも一部が冷却液の圧力で変形し、前記冷却対象物に対して近接又は接触する変形部材で構成されていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記冷却液供給手段、前記放熱手段及び前記管路のいずれかに、内部と大気とを開放する開放手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記管路から前記受熱部へ冷却液が流入する接続部の流路断面積が、前記受熱部から前記管路へ冷却液が流出する接続部の流路断面積より大きいことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
4. 前記冷却液供給手段に対して前記受熱部よりも下流側に冷却液の圧力で変形する変形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。
5. 前記変形部材は、可撓性部材であることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
6. 前記変形部材は、蛇腹構造であることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却装置を搭載したことを特徴とする電子機器。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却装置を搭載したことを特徴とする画像形成装置。

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