JP5052992B2 - 画像形成装置におけるローラ用の温度制御システム - Google Patents

Description

本発明は、画像形成装置のフレームに取り外し可能に取り付けられるローラ用の温度制御システムであって、
ローラに形成され、第１の液体を含む一次液体回路と、
ローラの外側に形成され第２の液体を含む二次液体回路と、
第１および第２の液体回路を互いに熱接触させるよう配置され、第１の液体回路と熱接触されてローラから外方に突出する第１の熱交換部材（３０）を備える熱交換器と、を備える温度制御システムに関する。

プリンタ、コピー機等の画像形成装置において、幾つかのタイプのローラは冷却される必要があり、より具体的には、画像形成処理中に温度制御される必要がある。このようなローラとしては、例えば、プリンタ等の熱溶融ステーションにおける冷却ローラ、光伝導体または現像部を支持するローラ、画像キャリアベルト用の案内および偏向ローラ、感光ドラムまたは直接誘導（ＤＩ）画像形成処理用ドラム等の他の画像形成ドラム等々が挙げられる。液体は、高速画像形成装置においてより多くの熱を発散し、且つ、ローラ内でより均一な温度分散を提供するため、冷却液または熱伝達媒体として使用されることが好ましい。しかしながら、効率的且つ均一な冷却を可能にするために、液体の冷却液がローラの内部を循環して外部冷却装置を通過する場合、ローラ内部の冷却液回路は回転シールを介して外部回路に接続されなくてはならず、メンテナンスや修理あるいはローラ交換のためにローラを取り外すことが困難となる。ローラの寿命が装置全体の寿命よりも短いため、定期的に交換される必要のあるローラにとっては特に煩わしいことである。特に、ローラが外部回路と切断または接続される際に冷却液が漏れる危険性もある。

特開昭６０−１２２９７９は、上述のタイプの温度制御システムを開示し、ローラの内部液体回路に永久的に冷却液を封入することでローラが取り外されても漏れないようにするといった利点を提供する。同文献に開示される好ましい実施形態では、熱交換器は単にローラから突出する冷却フィンによって形成され、二次または外部冷却媒体は単に冷却フィンに対して吹きつけられる空気によって形成される。同文献は、二次冷却媒体が液体である可能性も述べているが、二次液体回路がローラの容易な取り外しを可能にするためにどのように構成されるかについては述べていない。二次冷却回路の液体がローラの冷却フィンを通って流れる場合、液体は取り外し可能なローラに対して密閉されなくてはならないといった問題が依然として残る。

特開平０７０４９１９２は、ローラ機器と、ローラ機器の中空の回転シリンダ軸を加熱する加熱手段とを開示する。シリンダ軸は、ヒータで回転可能に受容される端部分を有し、シリンダの端部分はヒータによって加熱される。シリンダ軸は、更に、シリンダにおける熱を分散させる作業液も含む。
特開昭６０−１２２９７９号公報 特開平０７０４９１９２号公報 特開平０８−１４５０４５号公報 米国特許第４２２９６４４号明細書

ローラの温度を効率的に制御し、ローラを容易且つ迅速に取り外し、取り付けることを可能にする温度制御システムを提供することを目的とする。

本発明によると、この目的は、上述のタイプの温度制御システムによって実現され、
二次液体回路はフレームに対して静止している部分の内側に画成され、上記二次液体回路はローラから離間されるよう上記部分に囲まれ、
第２の液体の温度を制御するために温度制御装置が設けられ、
熱交換器は第２の液体回路と熱接触するよう静止部分に配置される第２の熱交換部材を備え、
第１および第２の熱交換部材は一方から他方への熱伝達を可能にするよう互いに対して対向する熱伝達面を形成する。

このシステムでは、二次回路の液体は直接的に温度制御され、静止部分の内部に永久的に封入されているためローラから離間されるため、ローラを困難なく取り外すことができる。熱交換器の二つの別個の部材の二つの対向する熱伝達面により効率的な熱伝達が確実となり、第１の液体およびローラの温度は間接的に制御される。

本発明のより好ましい実施形態の具体的な特徴は従属請求項に記載される。

本明細書で用いられる「ローラ」という用語は、ユニットとして装置から取り外すことができ、少なくとも一つの回転構成要素を含む部材あるいは組立体を意味する。ローラが静止構成要素、例えば、回転ドラムを支持する静止アクスルを含む場合、第１の熱交換部材はローラの静止部材に設けられることが好ましい。この場合、熱交換器の第１および第２の熱伝達面は互いと直接的に接触する。

任意には、良好な熱導電性の金属ワイヤメッシュまたは凹んだ金属シート等の補償部材が二つの熱伝達面間に堅く介在され、それにより、ローラで生じ得る位置ずれ、製造誤差、等が補償される。熱導電性ペースト、例えば、銀粉を含むペーストは、二つの熱伝達面間または各熱伝達面における補償部材間の熱接触を更に改善するために使用されてもよい。

ローラが静止アクスルを有する場合、第１の熱交換部材が当該アクスルの少なくとも一つの端部分によって形成されることが好ましい。一次液体回路は、アクスルと、アクスルに回転可能に支持されるローラの中空ドラムの壁とによって形成される環状の空間によって画成される。一次回路中の液体と第１の熱交換部材との熱接触は、アクスルの熱導電性によって実現され得る。任意には、一次液体回路は、アクスルの内部にまで延在し、それにより、液体は第１の熱交換部材を介して直接的に循環され得る。

第１の液体は、全ての知られている手段、例えば、ローラと一体化されたポンプによって一次回路内で循環される。このような手段は、ローラの回転部材またはドラムに形成されるブレードによって形成されるか、可能性として、静止アクスルに形成され、ドラムの回転が液体を推進させるために直接利用される。更なる実施形態では、一次液体回路は、ローラの円周方向に延在し、ある意味でこれらの通路を通してのみ液体の流れを可能にする、1つまたは複数のチェックバルブを含む通路を含む。それにより、液体の慣性は、ローラが加速されるか減速される際に液体の流れを強めるために利用される。ローラが非常に低速でだけ回転するか断続的にだけ駆動される場合、ローラが駆動される間隔が十分に長い休止期間であれば、液体の流れはローラの休止期間中に確立される熱対流によっても誘導される。

ローラがユニットとして回転するよう配置される場合、即ち、静止構成要素を有さない場合、第１および第２の熱交換部材の熱伝達面は互いに対して回転し、かつ、回転に関わらず相互に対向した関係を維持するよう配置される。例えば、熱伝達面は、回転軸に対して垂直な面に延在してもよく、回転軸を中心とした円筒形の面でもよい。摩擦を回避するためには、熱交換面は放射による熱伝達を可能にする狭いギャップによって離間されていることが好ましい。任意には、熱伝達はギャップ中の熱伝導性のグリースまたはペースト状の潤滑剤によって促進される。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。

図１に示すように、ローラ１０は、画像形成装置のフレーム１４に堅く且つ取り外し可能にフランジ付けされた静止アクスル１２と、軸受１８を用いてアクスル１２に回転可能に取り付けられる円筒形ドラム１６とを備える。ドラム１６の周壁または少なくとも二つの軸受１８間の部分が、冷却される温度制御される必要があることは想像できるであろう。このために、軸受１８は、液密シールとして構成され、二つの軸受１８間およびアクスル１２の外周面とドラム１６の内面との間の環状空間が水等の液体冷却液で充填される一次液体回路２０を画成する。従って、ドラム１６が画像形成処理の過程で加熱されるベルトまたはローラ（図示せず）を支持するため、ドラム１６の表面で生成されるまたは表面に伝達される熱は、ドラム１６の周壁から一次液体回路２０中の水の熱伝導率および／または流れを介してアクスル１２に伝達される。

静止アクスル１２の一端（図１の右側）は、熱伝導性アクスル１２からの熱を、画像形成装置の静止部分２６、即ち、本明細書においては図示しないフレーム１４の一部分に堅く接続された部分の内部に画成される二次液体回路２４に伝達する熱交換器２２に接続される。二次液体回路２４は、静止部分２６とラジエータまたは活性冷却装置（ヒートポンプ）等の冷却装置２８中を循環する水等の別の冷却液体を含む。冷却装置２８は、回路２４中に液体を循環させるポンプを更に含み、必要な場合には加熱装置によって置き換えられるか補完されてもよい。

熱交換器２２は、アクスル１２の端部にあるフランジによって形成される第１の熱交換部材３０と、静止部分２６の端壁によって形成され二次液体回路２４と直接熱接触される第２の熱交換部材３２とを備える。第１および第２の熱交換部材３０、３２は、互いに対向する二つの平行な伝達面３４、３６を形成し、それにより、熱伝達は放射および／または熱伝導により生じ得る。図示する実施例では、熱伝達面３４、３６はギャップを形成し、ギャップはローラ１０のアクスル１２の全ての生じ得る位置ずれを補償するワイヤメッシュなどの熱伝導補償部材３８によって充填される。補償部材３８は、ドラム１６が機械的負荷を受けた場合にアクスル１２の全ての生じ得る偏向も補償し得る。当然のことながら、変形例では、補償部材３８を省略して熱伝達面３４、３６を互いと直接係合させてもよい。

第一の液体回路２０は閉回路であり、その中の液体はローラ１０の内部に永久的に密閉されていることは理解されるであろう。他方、二次液体回路２４は、開回路であるが、熱交換器２２を介してのみローラ１０と熱接触し、その中にある液体はローラ１０のどの部分とも接触していない。従って、ローラ１０は、図２に示すように、一次回路２０または二次回路２４から液体が漏れる危険性を伴うことなく簡単に取り外される。

図示する実施例では、第１の液体回路２０と第１の熱交換部材３０との間の熱接触は、金属からなるアクスル１２の熱伝導率を通じて確立される。更に、アクスル１２は、垂直方向のボア４０を有し、ボアを通じて液体が循環される。アクスル１２が静止であるため、ボア４０はその垂直方向の向きを保持することができる。図１の左側のボア４０中の液体は、熱交換器２２の方向に熱が発散されるため冷却される。その結果、図１に矢印で示すように液体の対流が確立される。更に、液体は、ドラム１６の回転によってかき回される。当然のことながら、液体は環状のギャップにおいてアクスル１２の周りを流れることもできるため、ボア４０は省略されてもよい。

図３は、変形例による熱交換器２２’を示す。ここでは、第１の熱交換部材は、第２の熱交換部材を形成する静止部分２６の端部におけるブラインドボアに挿入されるアクスル１２の円筒形の端部分によって形成される。それにより、アクスル１２の端部分の端面および周壁は、静止部分２６におけるブラインドボアの底部および内周壁によってそれぞれ形成される熱伝達面３６ａおよび３６ｂにそれぞれ対向する熱伝達面３４ａおよび３４ｂを形成する。熱伝達面間のギャップは、熱伝導補償部材によって充填される。

第２の液体回路２４は、熱伝達面３６ｂの近傍でブラインドボアを囲う螺旋状の通路を含むため、液体が螺旋状の通路を循環すると良好な熱接触が得られる。

第１の液体回路２０と熱交換器２２との間の熱接触を改善するためには、本実施例によるアクスル１２はヒートパイプ４２を収容する。図４は、ローラ１０’の別の実施例を示し、ドラム１６の内周壁にはブレード４４が設けられ、アクスル１２の外周には静止ブレード４６が設けられる。ブレード４４および４６は、交互に配置され反対方向に傾斜されるため、ドラム１６が矢印Ａによって示される方向に回転すると第１の液体回路２０における水は図４において右から左に推進される。静止ブレード４６により、ドラム１０が長期にわたって駆動された場合に水がドラム１０と共回転することが防止される。

第１の液体回路２０は、半径方向ボア４８、および、図１に示すようにフランジ形状に形成される第１の熱交換部材３０に延在する中央軸方向ボア５０を通ってアクスル１２の内部に延在する。図４の右側にある軸方向ボア５０の端部には、ブレード４４、４６によって通路５０に送り込まれた液体が、熱伝達面３４を形成する熱交換部材３０の壁に衝突し、アクスル１２とドラム１６との間の環状空間に開放される戻り管路５２に半径方向に拡散され、それにより、液体回路が閉じられる。

本実施形態では、第１の液体回路２０における冷却液は、ローラ１０’に永久的に封入されているが、熱交換器の部材３０を介して積極的に送り出されるため、熱伝達は改善される。当然のことながら、この概念は図３に示す熱交換器２２’と併せて用いられてもよい。

図５は、ユニットとして回転するよう配置され、軸受５４を用いてフレーム１４に回転可能に支持されるローラ１０’’の実施例を示す。第１の液体回路２０は、ローラ１０’’の中空内部によって形成される。熱交換器２２’’は、図３に示すタイプ、つまり、第１の熱交換部材は静止部分２６のブラインドボアと係合されるローラ１０’’の端部分によって形成される。この場合、熱伝達面３４ａ、３４ｂおよび３６ａ、３６ｂ間のギャップは、ローラ１０’’が静止部分２６に対して回転するため摩擦を生じ得るどの部材によっても充填されない。

この場合、静止部分２６における第２の液体回路は、第２の熱交換部３２における環状チャンバ５６にそれぞれ接続される下供給通路２４ａおよび上供給通路２４ｂによって形成される。環状チャンバ５６は、内部が対流チャンバ５８を形成する第１の熱交換部３０囲う。

対流チャンバ５８は、三つの軸方向通路６０を介して第１の液体回路２０に接続され、その構成を図６により明確に示す。

対流チャンバ５８における液体は、第２の液体回路と熱接触しているために冷却されると、対流チャンバ５８で沈み図６に示す二つの下通路６０を通って流出され、新しい温液体は上通路６０に吸い込まれる。それにより、第１の液体回路２０における液体の対流循環が確立される。対流は、ローラ１０’’が比較的高速に回転すると妨害されるが、ローラ１０’’が静止すると直ぐに再び確立される。三つの通路６０の配置は、ローラ１０’’のどの角位置でも、対流を促す高低差を有する少なくとも二つの通路６０が常に存在することを確実にする。

ローラと関連する冷却システムの長手方向断面図を示す。 ローラが取り外されている状態の図１のローラと冷却システムを示す。 別の実施形態によるローラと冷却システムを示す。 更に別の実施形態によるローラを示す拡大長手方向断面図を示す。 更に別の実施形態によるローラの端部分と関連する冷却システムの長手方向断面図を示す。 図５の線ＶＩ−ＶＩについての断面図である。

符号の説明

１０ １０’ ローラ
１２ アクスル
１４ フレーム
１６ 円筒形ドラム
１８ 軸受
２０ 一次液体回路
２２、２２’ 熱交換器
２４ 二次液体回路
２４ａ 下供給通路
２４ｂ 上供給通路
２６ 静止部
２８ 冷却装置
３０ 第１の熱交換部材
３２ 第２の熱交換部材
３４、３６ 熱伝達面
３８ 補償部材
４０ ボア
４４、４６ ブレード
５８ 対流チャンバ

Claims (9)

1. 画像形成装置のフレーム（１４）に取り外し可能に取り付けられるローラ（１０；１０’；１０’’）用の温度制御システムであって、
   ローラに形成され、第１の液体を含む一次液体回路（２０）と、
   ローラの外側に形成され第２の液体を含む二次液体回路（２４；２４ａ、２４ｂ）と、
   第１および第２の液体回路を互いに熱接触させるよう配置され、第１の液体回路（２０）と熱接触されてローラから外方に突出する第１の熱交換部材（３０）を備える熱交換器（２２；２２’）と、を備え、
   二次液体回路（２４；２４ａ、２４ｂ）がフレーム（１４）に対して静止している部分（２６）の内側に画成され、前記二次液体回路がローラ（１０；１０’；１０’’）から離間されるよう前記部分（２６）に囲まれ、
   第２の液体の温度を制御するために温度制御装置（２８）が設けられ、
   熱交換器（２２；２２’）が第２の液体回路（２４；２４ａ、２４ｂ）と熱接触するよう静止部分（２６）に配置される第２の熱交換部材（３２）を備え、
   第１および第２の熱交換部材（３０、３１）が一方から他方への熱伝達を可能にするよう互いに対して対向する熱伝達面（３４、３６；３４ａ、３４ｂ；３６ａ、３６ｂ）を形成することを特徴とする、システム。
2. 第１の熱交換部材（３０）が、フレーム（１４）に対して静止しているローラ（１０；１０’）の構成要素（１２）に設けられる、請求項１に記載のシステム。
3. 静止している構成要素がローラのアクスル（１２）であり、第１の熱交換部材（３０）がアクスルの端部分によって形成される、請求項２に記載のシステム。
4. 第１および第２の熱交換部材（３０、３２）の熱伝達面（３４、３６）が、間に介在される熱伝導性であり変形可能な補償部材（３８）と係合する、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 第１の熱交換部材（３０）がローラ（１０’’）の回転構成要素に形成され、対向する熱伝達面（３４ａ、３４ｂ；３６ａ、３６ｂ）がローラ（１０’’）の回転軸の回りの回転について対称的である、請求項１に記載のシステム。
6. 対向する熱伝達面（３４、３６；３４ａ、３６ａ）の少なくとも一部分がローラの回転軸に対して垂直な面に延在する、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 対向する熱伝達面（３４ｂ、３６ｂ）の少なくとも一部分は円筒形である、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 第１の液体回路（２０）が第１の熱交換部材（３０）に延在する、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 温度制御装置（２８）が冷却装置である、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。

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