JP4982153B2 - 冷却装置、及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
図12は電子写真記録方式を採用した画像形成装置の主要な構成を示した図である。
図12に示す画像形成装置では、先ず帯電装置15が像担持体である感光体18上を一様に帯電させた後、一方で、図示しない光学装置が原稿を読み取り、この読み取った原稿を書込装置16が感光体18上に静電潜像として形成する。次いで、この静電潜像に現像装置17がトナーを付着させて可視画像を形成させる。さらに、積載していたシート23からただ一枚のシートが、シート搬送パス24に沿って転写装置19に搬送され、この転写装置19において静電気で可視画像をシートに転写する。この後、定着装置21がこのシートを熱と圧力により定着し、さらにデカーラ22が冷却する。一方で、クリーニング装置20が感光体18上の残トナーを清掃する。このような一連のプロセスにより所定のシートとしての複製画像を得ることができる構成になっている。
このとき、図示しない光学装置では、原稿をスキャンする際、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、ドライバが発熱して光学装置全体を温度上昇させ、故障の原因となる場合がある。また、書込装置16では、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、書込系全体を温度上昇させる。
さらに定着装置21においては、定着熱が周囲の装置温度を上昇させてしまうばかりか、例えば両面時には温度上昇したシートが蓄熱源となり、シートの両面搬送各所、具体的には、現像装置17や感光体18へ、熱を輸送することにつながり、画像不良の原因のみならず各装置の耐久性の低下につながる場合がある。
以上の熱に関する不具合に対し、従来、ファン空冷、ヒートパイプ、ペルチェ素子等による冷却手段により装置を冷却し、各所の温度上昇を回避させていた。
しかしながら、昨今の画像形成装置の高画質・高速化・カラー化といった高機能化による発熱量の増加、また小型化による発熱密度の増加にあっては、前記ファン空冷では限界に近づきつつあった。また、ヒートパイプは、その原理上、高所の熱を低所へは運べず、配置の点で不自由さがあった。その上、金属製の一体品であるために、装置への組み付けが難しかった。一方、ペルチェ素子は高価であると共に、効率が0.1程度と低く、目的とする冷却量のおよそ9倍程度の電力を必要とし、省エネルギーの観点で不向きであった。
液体冷却の従来技術としては、例えば特許文献1があり、電子写真装置の中間転写ベルトへの液体冷却が検討されている。また特許文献2では、電子写真装置の現像装置の自己発熱への液体冷却が検討されている。また特許文献3でも、特許文献2と同様に現像装置への液体冷却が検討されているが、特許文献3ではさらに現像装置のメンテナンスが行えるように現像装置と液体冷却の受熱部材間に着脱部材を設け、実使用に耐えうる構成が開示されている。
また、特許文献4でも特許文献3と同様に、メンテナンスを考慮した現像装置への液体冷却の適用例が示されている。特に、着脱部材としてカプラを使い、液体冷却の受熱部材を装着した現像装置ごとを着脱可能な構成が検討されている。
ところが、昨今、環境対応により、待機時にも静音化が求められており、冷却装置に至っては、具体的にはファンの低速回転、あるいは停止が望まれている。液体冷却においても、機外への放熱において、通常、ファンが用いられており、ファンが低速回転・停止が強いられる場合、放熱量が低下し、画像形成装置内部の各所に蓄熱された熱量を十分冷却できずに、幾つかの場所で温度上昇を引き起こす場合がある。
また、不測な事態として、停電時や、ユーザーの不注意・もしくは画像形成装置の故障等で、やむなく電源OFFにせざるを得ない場合、液体冷却においては、ファンの停止による放熱量の低下のみならず冷媒の循環も停止してしまい、冷却性能は著しく低下し、画像形成装置内部の各所に蓄熱された熱量が十分冷却できずに、至る所で温度上昇を引き起こし、延いては画像形成装置の故障につながりかねない。
本発明は上記した点を鑑みたものであり、液体冷却に対し、画像形成装置の待機時・電源OFF時においても高い冷却性能が確保できる冷却装置と、そのような冷却装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
また本発明の冷却装置は、前記放熱手段がファンとフィンより構成され、前記制御手段は前記ファン風量を増加させるよう制御することを特徴とする。
また本発明の冷却装置は、第2の放熱手段を備えたことを特徴とする。
また本発明の冷却装置は、前記第2の放熱手段がペルチェ素子により構成されることを特徴とすることを特徴とする。
また本発明の画像形成装置は、本発明の冷却装置を備えたことを特徴とする。
また、電源OFFにおいて液体冷却における冷媒の循環が停止しても受熱量は賄え同様に冷却対象の温度上昇を抑制することができる。
また本発明によれば、従来の冷媒を、蓄熱材を内包するマイクロカプセルを分散する冷媒に交換するだけで実現できるため、既存の液体冷却機器をそのまま流用できるという利点がある。
さらに静音化が果たせまたファンの低回転数化が達成でき、省エネルギーにも寄与することができる。
図1は、本発明の実施形態における画像形成装置の冷却装置の概念図である。
この図1において、Aは受熱手段、1は冷却対象、2は冷媒輸送手段、3は放熱手段、4は輸送路、9は冷媒を夫々示している。
図1では画像形成装置内部にある冷却対象1に受熱手段Aが付加され、この受熱手段Aは、放熱手段3、冷媒輸送手段2と、順に輸送路4によりつながれ、その輸送路4の中を冷媒50が、矢示方向(冷媒輸送方向)に輸送される構成になっている。
図2、図3は冷媒に分散させる蓄熱材を内包したマイクロカプセルの概要図であり、球殻5内に蓄熱材6が内包されている。
蓄熱材6は、相変化に伴う潜熱を利用し、冷媒50の温度が蓄熱材6の融解点以上に達した場合には蓄熱し、それ以下の温度の場合には放熱するよう予め設定されている。
図2は、蓄熱材6が凝固している状態であり、図3は融解している状態である。
蓄熱材6は融解している状態では凝固している状態よりも容積が増加する。
図4は画像形成装置の連続稼動時、そして待機時に移行してある程度の時間が経過するまでの横軸を時間の経過とした冷却対象1及び冷媒50の上昇温度を示すグラフ、また図5は画像形成装置の連続稼動時、そして連続稼動中に電源OFFになってある程度の時間が経過するまでの、横軸を時間の経過とした、冷却対象1及び冷媒50の上昇温度を示すグラフである。なお、本発明の蓄熱材を内包したマイクロカプセルを冷媒50に分散させた液体冷却の場合と、従来の液体冷却の場合の比較になっている。なお、上昇温度とは室温からの上昇温度を意味している。
先ず、画像形成装置が連続稼動中のときは、図1に示す画像形成装置内部の冷却対象1は、自らの発熱もしくは周囲からの受熱によって急激に温度上昇しようとする。
一方、冷媒輸送手段2により、冷媒50が輸送路4内を矢示方向(冷媒輸送方向)に流れ、受熱手段Aに到達すると、冷媒50は冷却対象1よりも温度が低いため、冷却対象1から受熱手段Aを通じて冷媒50に熱移動が行われる。
これにより、冷却対象1は、急激な温度上昇は示さず、図4に示すように連続稼動時における冷却対象1の上昇温度(本実施形態の液体冷却)のグラフのように、緩やかな勾配の温度上昇に留まる。
冷却対象1から熱量を得た冷媒50は、放熱手段3に輸送され、そこで機外へ放熱され、再び冷媒輸送手段2により輸送路4内を矢示方向(冷媒輸送方向)に流れる。以上の循環と熱輸送が繰り返される。
この結果、従来の液体冷却の場合、図4に示すように、冷却対象1も冷媒50も急激に温度上昇し、画像形成装置の故障につながりかねない。但し、ある時間経過後には極大値を向かえるような挙動を示す。
この結果、冷媒50の温度は図4に示す待機時のときよりも、蓄熱材6の融解点に留まる時間が長い。またその後、画像形成装置内部の各所に蓄熱された熱量が減り、放熱手段3の自然空冷によって徐々にではあるが低下していく。同時に、冷却対象1の上昇温度(本発明の液体冷却)も、当初は連続稼動時における飽和温度付近を維持し、その後徐々に低下する。このように、電源OFFにおいても、従来の液体冷却の場合に生じていた温度上昇の不具合を解消することができる。
また、電源OFFにおいて液体冷却における冷媒50の循環が停止しても受熱量は賄え同様に冷却対象1の温度上昇が抑制できるようになる。
また本実施形態の冷却装置は、従来の冷媒を、蓄熱材6を内包するマイクロカプセルを分散する冷媒50に交換するだけで実現できるため、既存の液体冷却機器をそのまま流用できる。
さらに静音化が果たせまたファンの低回転数化が達成でき、省エネルギーにも寄与することができる。
先ず、受熱手段Aは、冷却対象1から受熱した熱を、速やかにかつ効率良く、冷媒50へ移動させられるように、例えばその内部は蛇行形状の冷媒流路を施す等、できるだけ冷媒が長時間受熱手段Aに接するような構成することが望ましい。
放熱手段3は、一般的には図6に示すように、機外への放熱量を稼ぐように、伝熱面積を多くとった構成のフィン9と、ファン10とを対抗するように配置させたものが多い。フィン9の材質としては、銅、もしくはアルミニウムが一般的に用いられる。
図6に示すフィン9の両端には、冷媒の一次保持用にタンクを有し、それら両タンクをつなぐように狭い流路が複数本、はり渡してあって、その流路の周囲には、薄いアルミ板を幾重にも折り重ねて配置するような構成が採られている。
なお、図6に示す放熱手段の構成はあくまでも一例に過ぎず、図6ではファン10の下流にフィン9を置く構成が示されているが上流にあっても構わない。また、図6の構成ではファン10とフィン9は水平方向に配置されているが自然対流による放熱をも期待して鉛直方向に配置しても構わない。
輸送路4は、腐食の観点から銅やステンレスのような金属製が望ましいが、屈曲部、稼動部が必要な場合は、必ずしもこれに限らず、樹脂製のフレキシブルチューブを用いても良い。安価には、エチレンプロピレンジエン三元共重合体のゴム(通称、EPDM)で構わない。
冷媒50は、純水もしくは防錆剤等を含有した不凍液等が望ましい。不凍液としては、エチレングリコール、望ましくは毒性が低く、融点が低いプロピレングリコールが良い。
また蓄熱材6の融解点は、蓄熱材6の種類・成分を変えることで、自由な設定が可能になる。一例としては、特許文献5にあるようにテトラデカン、ペンタデカン、エイコサン、ドコサンのような炭素数が10以上の脂肪族炭化水素化合物が上げられる。この場合、炭素数を増加させることで融解点が上昇し、目的に応じた設定が可能になる。
球殻5は、直径が10μm以下、好ましくは5μm以下にすることで、流体抵抗を下げ、冷媒輸送手段2の負荷を軽減できて望ましい。球殻5の材料は、特許文献5にあるように界面重合法やインサイチュー方などの手法で得られる、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、尿素ホルマリン樹脂、メラミンホルマリン樹脂皮膜等が挙げられる。
図7は本発明の第2の実施形態における画像形成装置の冷却装置の概念図である。なお、図1と同一部位には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図7は、図1の構成に加えて冷媒50の温度検知する冷媒温度検知手段7と、冷媒温度検知手段7の検知信号より放熱手段3の放熱量を制御する制御手段8を有する構成となっている。
このように構成される冷却装置の動作を説明する。
先にも説明したように、待機時もしくは電源OFFにおいては、蓄熱材6は融解状態にあるが、この後、再び画像形成装置が連続稼動時になった場合、放熱手段3の放熱量は復帰する。蓄熱材6は、次の待機時もしくは電源OFFにおける冷却に備え、速やかに凝固状態に戻すことが望ましい。蓄熱材6の融解状態から凝固状態への変化は、放熱手段3における放熱によって成されるが、これを通常の連続稼動時における液体冷却と同時に行うのではかなりの時間を要する。一般に、連続稼動時では放熱手段3におけるファン10の騒音への寄与は小さく、従ってファン10をより高速回転することが可能であり、この場合放熱量が向上する。従って、蓄熱材6を速やかに凝固状態に戻すために、放熱手段3の放熱量を向上させることが望ましい。
また、放熱手段3が、図6に示すようにフィン9とファン10の構成である場合、放熱手段3の熱交換特性の向上はファン10の風量を増加させることで可能になる。このような放熱手段3は安価に実現することができる。
図8は、図1の構成に加えて第2の放熱手段11を有する構成となっている。
図9は、第2の放熱手段11の具体例としてペルチェ素子による冷却装置の概略図を示している。図9では、ペルチェ素子12aにフィン12bとファン12cを付加し、これを冷媒50の流路を有するジャケット13に付加する構成を持つ。
ペルチェ素子12aのジャケット13側の面は冷却面であり、ジャケット13を延いては冷媒50及び蓄熱材6を冷却する。また、ペルチェ素子12aの反対側の面は放熱面でありフィン12bとファン12cで冷却するような構成となっている。
また、第2の放熱手段11を図6に示すようなフィン9、ファン10の構成ではなく、図9に示すようなペルチェ素子による冷却装置を使うことで、短時間で、飛躍的に高い放熱量が得られ、蓄熱材6は速やかに凝固状態になり、次ぎの待機時、電源OFFにおける冷却準備をより速やかに整えることができる。
図10は本実施形態の冷却装置を備えたモノクロ画像形成装置の主要な構成を示した図である。
図10では先ず帯電装置15が、感光体18上の一様に帯電した後、一方で、図示しない光学装置が原稿を読み取り、この読み取った原稿を書込装置16が感光体18上に静電潜像として形成する。次いで、この静電潜像に現像装置17がトナーを付着させて可視画像を形成させる。さらに、積載していたシート23からただ一枚のシートが、シート搬送パス24に沿って転写装置19に搬送され、この転写装置19において静電気で可視画像をシートに転写する。この後、定着装置21がシートを熱と圧力により定着し、さらにデカーラ22が冷却する。一方で、クリーニング装置20が感光体18上の残トナーを清掃する。このような一連のプロセスにより所定のシートとしての複製を得る構成になっている。
そのうえで、本実施形態の画像形成装置においては、トナーと現像剤の攪拌で熱が発生する現像装置17に対して受熱部材Bk、フィンとファンより構成される放熱手段となる熱交換器26、及びポンプ25が付加され、蓄熱材を内包したマイクロカプセルを分散させた冷媒を輸送路14の中を矢示方向(冷媒輸送方向)に輸送させる構成となっている。なお、本実施形態では、受熱部材Bkとして現像装置17の形状とフィットするように、押し出し成型したアルミ製ジャケットを使用した。
以上の構成より、連続稼動(1分間に75枚の連続通紙)を3時間行い、この後、待機を1.5時間したときの現像装置17の温度は、表1のようになった。
但し、待機状態では、熱交換器26におけるファン風量を3分の1とし、静音化させた状態を指す。トナーの軟化点温度より決められる現像装置17の目標温度50℃未満に対し、測定した現像装置17の温度は、表1に示すように、連続稼動時、待機時のいずれにおいても50℃未満であり、現像の不具合を招く温度上昇には至らなかった。
[表1]
この図12には4連タンデムのカラー作像装置としてブラック用作像装置IBk、シアン用作像装置IC、マゼンタ用作像装置IM、イエロー用作像装置IYを従え、中間転写ベルト32を従えるカラー画像形成装置が示されている。各色の作像装置は、ブラック用作像装置IBkを用いて説明すれば、構成として帯電装置28、露光装置29、現像装置30、クリーニング装置31を従えている。ブラック用作像装置IBk、IC、IM、IYまでで作成される可視画像は、一旦、中間転写ベルト32へ写し取られ、一方で積載していたシート23からただ一枚だけのシートが、シート搬送パス24に沿って転写装置33に搬送され、この転写装置33において静電気で可視画像をシートに転写する。この後、定着装置34によりこのシートを熱と定着により定着し、さらにデカーラ35が冷却することで、所定のシートとしての複製を得ることができる構成となっている。このように構成されるカラー画像形成装置では、トナーと現像剤の攪拌で熱が発生する現像装置を備える各色の作像装置IY、IM、ICでは温度が上昇する。このとき、各色の現像装置に対して、ブラックトナー用現像装置の受熱部材Bk、シアントナー用現像装置の受熱部材C、マゼンタトナー用現像装置の受熱部材M、イエロートナー用現像装置の受熱部材Yとが連続的に輸送路27が設けられ、さらにフィンとファンより構成される放熱手段となる熱交換器38とポンプ37が付加され、蓄熱材を内包したマイクロカプセルを分散させた冷媒を矢示方向(冷媒輸送方向)に輸送させる構成としている。但し、この場合も各色の受熱部材は、押し出し作成したアルミ製ダクトとした。
以上の構成より、連続稼動(通紙)を4時間行い、この後コンセントを抜き、電源OFFにし、その後経過を1.5時間見たときの各色の現像装置温度は、表2のようになった。トナーの軟化点温度より決め荒れる各色の現像装置の目標温度45℃未満に対し、測定結果は、表2に示すように、連続稼動時、電源OFFのいずれにおいても、45℃未満であり、現像の不具合を招く温度とはならなかった。表2に示す実験の後、再び連続稼動をしたが、画像に不具合はなかったことが確認された。
[表2]
Claims (5)
- 画像形成装置の冷却対象へ付加する受熱手段と、
画像形成装置の任意の位置に設けた放熱手段と、
蓄熱材を内包したマイクロカプセルを混合した冷媒と、
前記冷媒を輸送する輸送手段と、
前記受熱手段、前記放熱手段、前記輸送手段を接続し、前記冷媒を輸送するための輸送路と、
前記冷媒の温度を検知する温度検知手段と、
前記放熱手段における放熱量を制御する制御手段と、を備え、
前記蓄熱材の融解点を前記画像形成装置の連続稼動時における前記冷媒の飽和温度より高い温度に設定し、
前記制御手段は、前記温度検知手段により検知された前記冷媒の温度が前記蓄熱材の融解点以上である場合、前記放熱手段における放熱量を連続稼動時よりも増加させるよう制御することを特徴とする冷却装置。 - 請求項1に記載の冷却装置において、
前記放熱手段がファンとフィンより構成され、前記制御手段は前記ファン風量を増加させるよう制御することを特徴とする冷却装置。 - 請求項1又は2に記載の冷却装置において、
第2の放熱手段を備えたことを特徴とする冷却装置。 - 請求項3に記載の冷却装置において、
前記第2の放熱手段がペルチェ素子により構成されることを特徴とする冷却装置。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に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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