[実施形態1]
本発明の熱交換装置の実施形態を、画像形成装置におけるシート状部材である用紙の冷却手段として用いたときの例で説明するが、本発明は画像形成装置に限定されることなく、また加温手段としての適応も可能である。つまり、本発明の熱交換装置は、冷やした流動媒体でシート状部材を冷却すれば冷却装置、温めた流動媒体でシート状部材を加温すれば加温装置になる。シート状部材の冷却または加温が必要な装置であれば対応可能であり、例えば金属、樹脂の薄板材や紙などの製造工程における圧延搬送装置、板状食品の加工装置などに搭載可能である。また本実施形態では、流動媒体として液体を用いているが、熱交換装置の用途によっては気体でも構わない。
また実施形態では、熱交換体である冷却プレートを用いて、熱伝達部材である冷却ベルトを介して用紙を冷却しているが、それは用紙表面に形成した画像の劣化(冷却プレートに用紙が接触摺動すると画像面に擦れ傷が生じる)を防ぐためであり、そのような問題が起きない場合、または問題にしない場合は、熱交換体に直接、用紙を接触させても構わない。
図2は、本実施形態の冷却プレート11を有する冷却装置12を搭載したタンデム型中間転写ベルト方式のカラー画像形成装置の構成概略図である。
複数のローラによって中間転写媒体としての中間転写ベルト51を展張し、中間転写ベルト51はこれらのローラにより回転するように構成すると共に、中間転写ベルト51のまわりに画像形成用のプロセス手段を配置している。
中間転写ベルト51の回転方向を図中矢印aとするとき、中間転写ベルト51の上方であってローラ52とローラ53との間には、中間転写ベルト51の回転方向の上流側から順に画像形成用のプロセス手段として、画像ステーション54Y、画像ステーション54C、画像ステーション54M、画像ステーション54Bkが配置されている。例えば画像ステーション54Yは、ドラム状の感光体111Yの周囲に帯電装置110Y、光書込装置112Y、現像装置113Y、クリーニング装置114Yが配置され、さらに中間転写ベルト51を挟んで感光体111Yの対向位置に中間転写ベルト51への転写手段としての一次転写ローラ115Yが設けられている。また、他の三つの画像ステーション54C,54M,54Bkも同一構成となっている。そして、それら四つの画像ステーション54Y,54C,54M,54Bkが互いに所定のピッチ間隔となるように左右並列に配置されている。
本実施形態では光書込装置112をLEDを光源とする光学系としているが、半導体レーザーを光源とするレーザー光学系で構成することもでき、感光体111に対して画像情報に応じた露光を行う。
中間転写ベルト51の下方には、シート状部材である用紙4の用紙収納部119および給紙コロ23、レジストローラ対21、中間転写ベルト51を張架するローラ55に中間転写ベルト51を介して対向するように設けられ中間転写ベルト51から用紙4へのトナー像の転写手段としての二次転写ローラ56、中間転写ベルト51の裏面に接するローラ58の対向位置で中間転写ベルト51のおもて面に接するように設けられ中間転写ベルト51のおもて面をクリーニングするクリーニング装置59、熱定着装置116、用紙4を冷却する冷却プレート11を有する冷却装置12、トナー定着後の用紙4の排出部である排紙収容部117などが配置されている。そして、用紙収納部119から排紙収容部117へ至る用紙搬送路128が延びている。また、両面画像形成時に用紙4の裏面への画像形成を行う際に、冷却装置12を一度通過した用紙4の表裏を反転させ、再度、レジストローラ対21へ搬送する両面画像形成用の用紙搬送路129も備えている。
なお、冷却装置12の冷却プレート11は用紙4の熱を受熱する受熱部であり、ファン104を装着したラジエータ103、ポンプ100、タンク101と共に配管であるパイプPで連通するように連結され、冷却液が封入されている。冷却液の循環経路はパイプPの矢印で示すように、ラジエータ103で冷やされた冷却液を、冷却プレート11へ供給し、そして冷却プレート11内を廻ってから排出し、その後にタンク101、ポンプ100へ送り、再び、ラジエータ103に戻す順序であり、ポンプ100の回転圧力により冷却液を循環させ、ラジエータ103で放熱することで冷却液、如いては冷却プレート11を冷やす。ポンプ100の送液能力やラジエータ103の大きさなどは、熱設計条件(冷却プレート11が冷却すべき熱量と温度の条件)によって決定される流量、圧力、冷却効率などを元に選定される。
画像の形成プロセスは、画像ステーション54Yに着目すれば、一般の静電記録方式に準じていて、暗中にて帯電装置110Yにより一様に帯電された感光体111Y上に光書込装置112Yにより露光して静電潜像を形成し、この静電潜像を現像装置113Yによりトナー像として可視像化する。そのトナー像は一次転写ローラ115Yにより感光体111Y上から中間転写ベルト51に転写される。転写後の感光体111Yの表面はクリーニング装置114Yによりクリーニングされる。他の画像ステーション54も画像ステーション54Yと同構成であり、同様の画像形成プロセスが行われる。
画像ステーション54Y,54C,54M,54Bkにおける各現像装置113Y,113C,113M,113Bkは、それぞれ異なる4色のトナーによる可視像化機能を有しており、各画像ステーション54Y,54C,54M,54Bkでイエロー、シアン、マゼンタ、ブラックを分担すれば、フルカラー画像を形成することができる。よって、中間転写ベルト51の同一画像形成領域が四つの画像ステーション54Y,54C,54M,54Bkを順次通過する間に、中間転写ベルト51を挟むようにして各感光体111とそれぞれ対向して設けられた一次転写ローラ115により与えられる転写バイアスによって、それぞれ1色ずつトナー像を中間転写ベルト51上に重ね転写されるようにすれば、上記同一画像形成領域が各画像ステーション54Y,54C,54M,54Bkを1回通過した時点で、この同一画像領域に、重ね転写によってフルカラートナー画像を得ることができる。
そして、中間転写ベルト51上に形成されてフルカラートナー画像は、用紙4に転写される。転写後の中間転写ベルト51はクリーニング装置59によりクリーニングされる。用紙4への転写は転写時において二次転写ローラ56に転写バイアスを印加して、中間転写ベルト51を介して二次転写ローラ56とローラ55との間に転写電界を形成し、二次転写ローラ56と中間転写ベルト51とのニップ部に用紙4を通過させることにより行なわれる。中間転写ベルト51から用紙4へのフルカラートナー像の転写後、用紙4上に担持されたフルカラートナー像を熱定着装置116で用紙4上に定着することにより、用紙4上にフルカラーの最終画像が形成され、その後、用紙4は排紙収容部117に積載される。
本実施形態の画像形成装置においては、排紙収容部117に用紙4が積載される前に、用紙4が熱定着装置116の直後に配置された冷却装置12を通過する。通過する際、熱定着装置116で熱せられた用紙4が受熱部である冷却プレート11に冷却ベルトを介して接触し熱交換しながら通過することになるので、冷却プレート11の冷却面で用紙4から熱を吸熱し、この熱を冷却プレート11内部の冷却液へ伝達する。熱が伝達され高温となった冷却液は、この後、冷却プレート11から排出されタンク101やポンプ100を経て、ファン104を装着したラジエータ103に送られ、そこで熱が画像形成装置外に排熱される。ラジエータ103で熱が除去され室温近くにまで下げられた冷却液は、その後、再び冷却プレート11へと送られる。このような冷却液による高い冷却性能の排熱サイクルによって、熱定着装置116で熱せられて高温となった用紙4が効率良く冷やされる。
本実施形態では後述するように、熱交換体である冷却プレート11内に、少なくとも熱交換面である冷却面と同程度の面積領域を有した広幅流路と、流入口から流入する流動媒体である冷却液を複数箇所で広幅流路へ導き送る流導路と、の二種類の流路を形成することや、冷却プレート11内における広幅流路の最適位置設定や狭間隙流路設定を行うことで、冷却液が広幅流路全域でスムースに流れ、搬送体である用紙を効率的に冷やすことができるようにしたので、冷却性能が向上している。従って、用紙4が排紙収容部117に排出され積載される時点では、用紙4の温度を下げ、用紙4上のトナーを確実に硬化状態とさせることができる。特に両面画像形成出力の際に大きな問題となっていたブロッキング現象を回避することができる。
図3は、熱交換装置である用紙4の冷却装置12の概略構成図であり、高温の用紙4の温度を下げる液冷方式の冷却プレート11を備えている。冷却装置12は主に、冷却装置12の上方に位置する冷却ベルトユニット13と下方に位置する搬送ベルトユニット14で構成されている。上方の冷却ベルトユニット13には、高温の用紙4の表面と接触して冷却する役割を担う冷却ベルト15が、そして下方の搬送ベルトユニット14には、用紙4を冷却ベルト15と共に挟持して搬送する役割を担う搬送ベルト16が、それぞれ備えられている。冷却ベルト15、搬送ベルト16は、複数のローラによって展張され、図示しないモータ等の駆動手段によって回動される。本実施形態では、冷却ベルト15は左回動し、搬送ベルト16が右回動することで、用紙4が紙面左側から右側に搬送される。例えば、冷却ベルト15の駆動ローラ17をモータと連結しモータによって駆動ローラ17を回転駆動させ、駆動ローラ17の駆動力を搬送ベルト16のローラ18にギヤ等で伝達し与えることで、冷却ベルト15と搬送ベルト16の線速を合わせ、用紙4を挟持搬送する。冷却ベルト15と搬送ベルト16は、対向する外周面同士が適当なテンションで押付け合ながら広い領域で密着接触するように設けられていて、高温の用紙4をその接触領域に送り込み、そして挟込みながら搬送する。その挟持搬送間に用紙4の冷却を行うのである。
熱交換体である冷却プレート11は、冷却ベルトユニット13側に不動状態で設けられていて、冷却ベルト15の内部に配され、冷却ベルト15を介して用紙4を冷却するのである。このとき冷却ベルト15は、冷却プレート11と用紙4との間に介在する熱伝達部材となるため、できるだけ熱伝導率の高い材質、または薄いフィルム状が望ましい(例えば、薄いステンレスベルトやポリイミドフィルムなど)。冷却ベルト15のループ内における冷却プレート11の配置位置は、冷却ベルト15と搬送ベルト16との互いの外周面が接触する領域における、冷却ベルト15の内周面と密着接触する位置に設けられている。そうすることで、冷却ベルト15の内周面が密着接触する冷却プレート11の面領域が熱交換面、言い換えれば、冷却面19となる。そして、冷却ベルト15との密着性を高めるために、冷却プレート11の冷却面19を湾曲形状としており、冷却ベルト15が冷却面19の全域に略均等な力がかかるようにしている。
以上の状態で冷却ベルト15が回動すると、冷却ベルト15の内周面は冷却プレート11の冷却面19に対して密着状態を保ちながら接触摺動することになる。つまり、冷却面19は摺動面の役割も担うことになるので、滑らかな摺動を可能にする意味においても、冷却面19は湾曲形状が望ましく、その湾曲表面は、凹凸のない高い表面仕上げ精度と、摩擦係数の小さな表面処理が必要となる。なお本実施形態では、用紙4と冷却ベルト15外周面との接触状態、および冷却ベルト15内周面と冷却面19との接触状態をより高め、そして用紙4の挟持搬送力を高めるために、搬送ベルト16の内側から冷却面19に向かって力がかかる押圧ローラ24を適所に設けている。
冷却プレート11自体の材質は、接触摺動する冷却ベルト15との熱交換性、及び冷却プレート11内を流れる冷却液5との熱交換性に関わるものなので、熱伝導率の良い、例えばアルミ製や銅製が良い。
冷却装置12により、用紙4の熱は狭持搬送間に冷却ベルト15が受熱し、その熱を冷却プレート11に伝導して冷却プレート11の冷却液5と熱交換する。そして、その熱交換によって冷却プレート11と冷却ベルト15が冷やされることで、用紙4が冷却され、用紙4の温度が下がるのである。
また、本実施形態では、冷却プレート11を介して用紙4の熱を受熱し熱交換する流動媒体に冷却液5を用いているが、その冷却液5は、図3に示すような冷却プレート11の内部に形成した流路27と冷却液循環手段20とで構成した閉ループの循環システムによって循環するようにしている。その循環過程で冷やされた冷却液5が冷却プレート11の流路27を流通することで、冷却プレート11(冷却面19)が冷えるのである。冷却面19で受熱した熱を冷却プレート11の流路27に伝達して冷却液5を温め、その温められた冷却液5を図示しない冷却プレート11の排出口より排出する。そして排出された冷却液5は、タンク101、ポンプ100、ファン104を装着したラジエータ103に送られる。温められた冷却液5はラジエータ103で排熱されて、略室温まで温度が下げられる。その後、冷めた冷却液5は、冷却プレート11の流入口25から再び流路27へと供給される。このような冷却液循環の排熱サイクルによって、高温の用紙4が効率良く冷やされるのである。
ここで、用紙4の温度を効率よく下げるには、用紙4から冷却プレート11の壁部を挟んで冷却液5までの熱流束を増加させる必要がある。ここで、冷却プレート11の壁部と冷却液5との間の熱流束は、「J.P.ホールマン著 伝熱工学<上>(ブレイン図書出版)、P11−12」より、対流熱伝達による数1のように表される。
ただし、
W[W]:熱流束
h[W/m2・℃]:冷却プレート内壁面の熱伝達率
X[m2]:冷却プレート内壁面積
Tr[℃]:冷却プレート内壁面温度
Tw[℃]:液温(冷却プレート内壁面より十分離れた位置)
数1より、熱流束Wを上げるためには、液温Twを下げるか、冷却プレート内壁面積Xを増加するか、冷却プレート内壁面の熱伝達率hを向上させる必要がある。
図4(a)は冷却プレート11を用紙搬送方向と直交する方向から見た場合の断面図であり、図4(b)は冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図であり、図4(c)は冷却プレート11を上方から見た場合の断面図である。
図4(a)は液冷方式の冷却プレート11の一例で、冷却プレート11を中空のブロック形状とし、その中空部を流路27として内部に冷却液5が流れるようにした。図は冷却プレート11周辺の概略断面図である。冷却プレート11の流路27は、図4(c)に示すように、冷却面19と同程度の面積領域を有した流路27と、冷却液5が冷却プレート11内に流れ込む流入口25に繋がり流路27に向かって延びるように流入口25と流路27との間の領域に配設した流入路である流入流導路27bと、冷却液5が冷却プレート11外に排出される排出口28に繋がり流路27に向かって延びるように流路27と排出口28との間の領域に配設した排出路である排出流導路27jとから成っている。
用紙4は、紙面左側から右側方向に回動駆動される冷却ベルト15と搬送ベルト16とで挟持され、冷却ベルト15や搬送ベルト16と同じ方向に搬送される。冷却プレート11は、冷却ベルト15の内周面に接触するように固定されて設けられている。そして、用紙4が冷却ベルト15と搬送ベルト16とで挟持搬送される際に、冷却ベルト15を介して用紙4が冷却プレート11で冷やされる構成となっている。冷却液5は紙面奥側の流入口25から流入流導路27bを通って流路27内に流入し、図示しない紙面手前側の排出流導路27jを通って排出口28に向かって流れるようになっている。
図4(b)や図4(c)に示すように、冷却液5が流入口25から流入流導路27bを通って流路27に流入し、排出流導路27jを通って排出口28から排出される場合、冷却プレート11内部の流路27における冷却液5の流速分布は図中に示す流速プロファイル7のような流れの場を形成する。
図4(b)や図4(c)からわかるように、流入口25と排出口28とを結ぶ中心ラインCLの周辺の流れは速いが、中心ラインCLから用紙搬送方向で遠ざかるほど遅い流れとなっている。冷却液5の流れが遅くなるということは、冷却液5と冷却プレート11との熱伝達率(熱交換率)の低下を招くだけでなく、用紙4から受熱して暖まった冷却液5と、流路27に流入して来る、冷えた新しい冷却液5との入れ替え、すなわち流路27内での冷却液5の出入りがスムースに行かないことになる。流路27内における流れの最悪状態は冷却液5の滞留であり、そのような滞留が生じる虞もある。流路27内で冷却液5が滞留してしまうと、冷却プレート11内の冷却液5が高い温度での保温状態となってしまい、用紙4を冷やすことができなくなってしまう。
図4(b)に示した冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面での冷却プレート11内の流路27における流速プロファイル7を、用紙搬送方向の中央付近と端部付近とで別けると、中央付近の流速プロファイルが符号7aであり、端部付近の流速プロファイルが符号7bである。なお、用紙搬送方向の中央付近と端部付近とは、図4(c)でいうところの前記中心付近が中心ラインCL付近の位置であり、前記端部付近が内側面11c付近の位置である。
図4(b)に示した流速プロファイル7からわかるように、用紙搬送方向の中央付近に比べて端部付近の流速が遅くなっているが、これは用紙搬送方向の流路27の幅が広いことに起因しており、冷却ベルト15を介して接触させる冷却プレート11と用紙4との接触領域(接触幅)を冷却性能を向上させるためにある程度の大きさを必要とする以上は、必然的に起こる現象である。
また、用紙搬送方向の中央付近と端部付近とにおいて共通して、図4(c)に示すように、中心ラインCLの周辺に比べて内上面11b付近と内底面11a付近とで冷却液5の流れが遅くなっているが、これは流路27の高さ(内上面11bから内底面11aまでの間隔)が原因であり、流路27の高さを高くすると(内上面11bから内底面11aまでの間隔を大きくすると)必ず起こる現象である。そして、用紙4に近接する内底面11a付近の冷却液5の流れが遅いということは、用紙4を冷却するという冷却性能にとって致命的な問題となってしまう。
また、図4(c)に示した冷却プレート11を上方から見た場合の断面での流速プロファイル7を見ると、図4(b)と同様に、流路27の用紙搬送方向中央付近である中心ラインCL付近に比べて流路27の用紙搬送方向端部付近である内側面11c付近での冷却液5の流れが著しく遅くなっているのがわかる。これは流路27の幅を用紙搬送方向に広くしていることが原因であるが、冷却ベルト15を介して接触させる冷却プレート11と用紙4との接触領域(接触幅)を冷却性能を向上させるために稼がなければならないので、どうしても起きてしまう現象である。
結果的に、図4(c)に示した冷却プレート11を上方から見た場合の断面方向では、冷却プレート11の用紙搬送方向中央付近である中心ラインCL付近の狭い範囲でしか、用紙4を効率的に冷やすことができないことがわかる。
以上、図4(b)と図4(c)とをまとめて流速プロファイル7を立体的に見ると、図4(c)で流れの速かった流路27の用紙搬送方向中央付近においても、図4(b)で示すように流路27の内上面11b付近や内底面11a付近では流れが遅い。また、図4(b)で示すように内上面11b付近や内底面11a付近、及び、図4(c)で示すように流路27の用紙搬送方向端部付近である内側面11c付近では、共に冷却液5の流れが遅くなっている。そのため、冷却液5の流れが遅い領域の交わった、流路27の内上面11b付近や内底面11a付近であって内側面11c付近である領域では、冷却液が冷却液5の滞留または滞留が危惧されるほどの流れしか発生していないと予測される。
本実施形態においては、熱交換体である冷却プレート内に形成した流路を狭間隙な形状にすると共に小幅化し、その流路を複数設けて搬送体搬送方向に沿って隣り合うように配設した。そうすることで、各流路において冷却液が全域でスムースに流れ、図4(b)、図4(c)の内上面11bや内底面11a付近および内側面11c付近で流れが遅くなったり滞ったりするのを抑えて、用紙4を効率的に冷やすことができるようにした。
分かりやすく図4(a)で用いて説明すると、図4(a)の流路27の高さ方向の幅である間隔を狭くし、そして大きな一つの流路27が搬送体搬送方向に幾つかの小幅な流路となるように分割化することで、冷却液の流速増加を図るものである。特に、流路27を分割化し、分割した各流路の搬送体搬送方向の流路幅を小さくし各流路の幅を狭くすることで、それぞれの流路の両端部付近(図4(c)で示す両側の内側面11c付近)の領域での流路を速くすることが本願の狙いである。
また、図3に示すように、冷却プレート11はその内部に用紙4の搬送方向に沿うように並ぶ複数の空間を形成し、それらの空間を流路27として、各流路27にそれぞれ冷却液5が流れ込むようにしている。分かり易く言うと、図4(a)の冷却プレート11内部に形成した一つの大きな流路27を用紙4の搬送方向に分割し、分割した流路それぞれに流入口25を設けたイメージである。
図3では冷却プレート11内に流路27を二つ並べて設けているが、流路27の数はその形状と共に、流体シミュレーション等で最適化される。そして、二つの流路27それぞれと冷却液循環手段20とで構成した閉ループの循環システムによって冷却液5が循環するようになっている。
なお、図3では、各々の流路27と連結するようそれぞれ専用の冷却液循環手段20を具備している。それぞれの冷却液循環手段20の循環過程で冷やされた冷却液5が冷却プレート11の各流路27を流通することで、冷却プレート11全体即ち、冷却面19の全域が冷えるのである。冷却面19で受熱した熱を冷却プレート11の各流路27に伝達してそれぞれの冷却液5を温め、その温められた冷却液5が図示しない冷却プレート11の排出口より排出される。そして排出された冷却液5は、各冷却液循環手段20であるタンク101、ポンプ100、ファン104を装着したラジエータ103に送られる。温められた各冷却液5はラジエータ103で排熱されて、略室温まで温度が下げられる。その後、冷めた各冷却液5は、冷却プレート11の各流入口25から再びそれぞれの流路27へと供給される。このような冷却液循環の排熱サイクルによって、高温の用紙4が効率良く冷やされるのである。
[構成例1]
図1(a)は冷却プレート11を用紙搬送方向と直交する方向から見た場合の断面図であり、図1(b)は冷却プレート11を上方から見た場合の断面図であり、図1(c)は冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図である。
冷却プレート11は、用紙4の搬送方向に沿って配置された2系統の小幅な流路27と、それぞれの流路27に冷却液5を流入させる流入口25が個別に形成されている。二つの流路27は同じ形状である。冷却液5は、冷却プレート11内に各流入口25から流入し、それぞれの流路27に流れ込んで反対側の各排出口28より排出される。
各流路27は、図1(b)に示すように、冷却液5の流れ方向が、用紙搬送方向と交差するように形成している。これは冷却液5の流れ方により生じる冷却プレート11の温度勾配によって、用紙4の両端部と中央付近とで冷めかたにばらつきが起きないようにするためである。
また、用紙4の搬送方向に沿って形成した二つの小幅な流路27は、図1(a)、図1(b)に示すように、二つの流路27を並べ合わせると、冷却ベルト15の内周面に接触する冷却プレート11の外底面の領域すなわち冷却面19と同程度の領域を有しているとともに、その冷却面19の領域での流路27の高さ(内上面11bから内底面11aまでの間隔)を低くし狭間隙流路としている。
ここで、狭間隙流路とは、図1(a)に示すように、用紙搬送方向における流路27の幅をLとし、その幅L内における流路27の高さをGとしたとき、G<Lの関係を満たす流路のことである。本構成例では、狭間隙流路である流路27が冷却プレート11内に用紙搬送方向に沿って二つ並んでおり、幅L×2の長さが用紙4の搬送方向における冷却面19の幅と略同等となっている。
ここで、用紙4に対する冷却プレート11の冷却性能を上げるには、冷却プレート11の冷却面19と用紙4との接触領域(接触幅)を稼ぐのが良く、それに応じて流路27の幅Lもできるだけ長くするのが好ましい。ところが、幅Lを単純に長くすると、図4(c)で説明したような流路27aの両端部付近(図4(c)の両側の内側面11c付近)の冷却液5の流れが遅くなり滞ってしまうという問題が生じてしまう。
そこで、その問題に対処するために本構成例では、冷却面19を幅方向で区分けし、その区分けした冷却面19に対応させて複数の流路27を形成することで、流路27一つあたりの幅Lが短くなるようにし、各流路27全域での流れをスムースにした。
なお、本構成例の流路27は基本的に、流路27の幅方向端部付近の流速を増すことを目的として、流路間隙Gを狭くした流路を複数設けたものであるが、流路27をそのような形状、つまり狭間隙な流路27を冷却プレート11内に複数設けることによって、冷却性能の向上が見込める。
また、本構成例においては、複数に分割した狭間隙の小幅な流路27それぞれの幅方向(用紙搬送方向)の全域において、冷却液5がスムースに流れるように、特に流路27の幅方向端部付近である内側面11c付近においても十分な流れが発生するよう、図1(b)に示すように入口開口部26付近の流路27の領域にある側面27iを、冷却液5の流れが流路27の幅方向に拡散して広がる扇形形状としている。すなわち、側面27iを扇形形状とすることで、入口開口部26からの流入直後の冷却液5が流路27の幅方向にもスムースに向かう案内板の役割(冷却液5の流れガイドの役割)を側面27iに持たせている。
なお、流路27内で冷却液5がよりスムースに流れるよう、排出流導路27jの入口付近にも同様に流路27の冷却液5を各排出流導路27jに導く扇形形状のガイドを形成することが望ましい。
本構成例では、図1(b)に示すように各流路27の幅方向(用紙搬送方向)の両側に大きく広がる一つの扇形形状ガイドを側面27iで形成し、その扇形形状ガイドに全ての入口開口部26を設け開口させているが、扇形形状ガイドの大きさや形成数や入口開口部26の開口数などは限定されるものではなく、流体シミュレーション等で最適化されるものである。例えば、各流路27において複数の入口開口部26それぞれに側面27iで扇形形状ガイドを形成したり、複数の入口開口部26を幾つかのグループに別けて、そのグループ毎に側面27iで扇形形状ガイドを形成したりすることができる。
また、冷却プレート11内に設けられた二つの流路27は、図1(a)のように、冷却面19と同様に湾曲形状(冷却面19と同心円で、冷却面19から僅かに離れた湾曲形状)としているので、幅Lも弧の長さとしているが、弦の長さでも構わない。
また、冷却面19の表面からそれぞれの流路27の内底面11aまでの間隔(所謂、冷却面19の厚み)が、用紙搬送方向で場所によって極端に異なっていなければ、熱交換効率的にはあまり変わらないので、流路27の成形や加工のし易さ、コストなどの理由から、流路27を冷却面19の形状と異なる形状としても構わない。
図5(a)は各流路27の内底面11aを平面形状とした冷却プレート11を用紙搬送方向と直交する方向から見た場合の断面図であり、図5(b)は各流路27の内底面11aを平面形状とした冷却プレート11を上方から見た場合の断面図であり、図5(c)は各流路27の内底面11aを平面形状とした冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図である。
図5(a)、図5(b)、図5(c)に示すように各流路27の内底面11aを平面形状としても良く、その場合は流路27の水平方向の長さ寸法が幅Lとなる。
ここで、流路を狭間隙とする理由だが、狭い間隙の流路に流動媒体を流すと、狭流路効果によって、そこを流れる流動媒体の流速は速くなる、という現象を利用し、ポンプ100のパワーを上げて流量を増さなくても、各流路27内全域の流速を増加させるようにするためである。つまり、図4(b)で問題となっていた冷却プレート11の内上面11bと内底面11a付近の流れの遅さ、そして図4(c)の端部付近(両側の内側面11c付近)の流れの遅さは、図1(c)における冷却プレート11の流路27では、狭流路効果によって、全て解消することができる。流路間隙を狭くすることで、各流路27毎の全域で流速を増速させるのである。
しかしながら、冷却性能を上げるために冷却プレート11の幅、即ち流路27の幅Lをさらに長くしなければならない場合、流路27の幅方向中央部に設けられた流入口25から流路27の幅方向端部までの距離が遠くなるので、流路27の高さGをさらに狭くしたとしても、流路27の幅方向端部付近では流れの力が弱まり、流れが遅くなって滞ってしまうとうい問題が発生してしまう。しかも、流路27の間隔Gを狭くし過ぎると冷却液5の流れの圧力損失が大きくなり、逆に流れを悪くしてしまうという逆効果が生じる。
そこで本構成例では、流路27を狭間隙流路としただけでは補えない冷却プレート11に対応するため、一つの大きな狭間隙流路を分割して複数の小幅な流路27を形成した。各流路27には、それぞれ流入口25が設けられており、個別の冷却液循環手段20と連結されている。
流路27を複数にすることで、各流路27を用紙搬送方向で小幅化し、各流路27における流入口25から幅方向端部までの距離を短くすることができる。つまり、図4(c)を用いて説明したような流路27の幅方向端部付近の流れが遅くなる問題は、流路27を分割し小幅化することによって、冷却プレート11が幅方向に大型化しても分割した流路27内の全域で冷却液5が滞ることないスムースな流れが発生し、その結果、冷却性能が向上する。
図6(a)は大きな一つの狭間隙流路における流速分布シミュレーション結果を示したものであり、図6(b)は図6(a)の狭間隙流路を用紙搬送方向で二つに分割化したときの狭間隙流路における流速分布シミュレーション結果を示したものである。
図6(a)及び図6(b)において、冷却液は紙面右斜め下から左斜め上へと流れている。また、冷却プレートの外形寸法や、狭間隙流路の間隙寸法や、狭間隙流路に流通する流量などは同条件である。流路内の流速は、流速の速い方から遅い方の領域へと薄い色から濃い色への変化で表している。
図6(a)に示すように、流路を狭間隙としても幅の広い流路では、流入口から幅方向端部までが遠いので、流路の幅方向端部付近では冷却液の流れが非常に遅くなることが分かる。それに対し図6(b)では、流路の幅方向中央部だけではなく幅方向端部付近においても中程度の流速が発生し、各流路の全域で略均一な流速となっており、冷却プレートの冷却面の領域が全体的に略一定温度で冷やされ、図6(a)よりも冷却性能が向上することが分かる。
図1に示す複数に分割した小幅な流路27から成る冷却プレート11では、各流路27と連結させる冷却液循環手段20の配備の仕方には二通りあり、それぞれの流路27(流入口25)に対して個別に冷却液循環手段20を用意する場合と、1セットの冷却液循環手段20を共用する場合とがある。
図3は各流路27に対して個別に冷却液循環手段20を配備した例である。図1(b)を用いて説明すると、各流路27に対して、図示しない流入用パイプP1の一端側を流入口25に繋げ、図示しない排出用パイプの一端側を排出口28に繋げるとともに、流入用パイプP1の他端側をラジエータ103と繋げ、排出用パイプP2の他端側をタンク101と繋げる。すなわち、各流路27を個別のラジエータ103及びタンク101に繋げて別々に冷却液5を循環させる。
各流路27に対して冷却液循環手段20を個別に配備するメリットとしては、小規模の冷却液循環手段20を流路27の数だけ用意し、それぞれの冷却液循環手段20で冷却液5を個別に循環させることができるので、流入口25から流出される冷却液5の流量や流速を個々に制御して調整することができ、流量や流速の最適化を図ることができる。したがって、冷却装置12の要求仕様に応じて冷却性能を自在にコントロールすることが可能となり、冷却性能を向上させることができる。
しかしながら、複数の流路27に対して冷却液循環手段20を個々に用意するので、部品点数が多くなったり、コストがかかったり、必要設置スペースが大きくなったりなどしてしまい、また規模の小さな冷却液循環手段20といっても多く使えば、合計の消費電力も大きなものとなってしまう。さらには、冷却プレート11、タンク101、ポンプ100、及び、ラジエータ103を繋ぎ連結するパイプPの本数も多くなるので、当然、パイプPの配管作業が複雑となり、取り付けに時間と労力がかかるという問題も生じる。パイプPの本数が多くなるということは、パイプPの劣化や抜けによる液漏れの危険性も増してしまう。
図7は、複数の流路27に対して1セットの冷却液循環手段20を共用する場合の例であり、流入用パイプP1や排出用パイプP2を途中から分岐配管部材である中継ジョイントJ1や中継ジョイントJ2で分岐させている。図8は、その際の冷却プレート11と流入用パイプP1及び排出用パイプP2の連結状態を示しており、流入口25に流入用パイプP1の一端を繋げており、排出口28に排出用パイプP2の一端側を繋げている。流入用パイプP1の他端側は冷却液5を分岐させる中継ジョイントJ1の一端と繋がっており、排出用パイプP2の他端側は冷却液5を集合させる中継ジョイントJ2の一端と繋がっている。そして、中継ジョイントJ1の他端は流入用メインパイプP11の一端と繋がっており、中継ジョイントJ2の他端は排出用メインパイプP12一端と繋がっている。流入用メインパイプP11の他端はラジエータ103と繋がっており、排出用メインパイプP12の他端はタンク101と繋がっている。以上のように流入用パイプP1及び排出用パイプP2以外は、冷却液循環手段20を共用利用するようにしている。
なお、冷却液5を分岐させる位置や集合させる位置(中継ジョイントJ1の位置及び中継ジョイントJ2の位置)は、できるだけ冷却プレート11の近くであった方が設置スペースやパイプPの扱い性や作業性などに有利である。
このように、複数の流入口25に対して1セットの冷却液循環手段20を共用すれば、低コスト化や省スペース化や省電力化を図ることができる。
[構成例2]
図9(a)は六つの流路27を形成した冷却プレート11を用紙搬送方向と直交する方向から見た場合の断面図であり、図9(b)は六つの流路27を形成した冷却プレート11を上方から見た場合の断面図であり、図9(c)は六つの流路27を形成した冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図である。
冷却プレート11の冷却面19がより大きくなる場合は、その大きさに応じて流路27の数を増やして、各流路27それぞれにおいて流入口25が幅方向中央にある場合に、幅方向端部の流速を幅方向中央部の流速に近づけて、冷却性能の向上を図るのが好ましい。また、冷却面19の小さな冷却プレート11でも、流路27の数を増やせば、各流路27それぞれにおいて流入口25が幅方向中央にある場合、幅方向端部の流速を幅方向中央部の流速に近づけることができるので、冷却性能の向上や、各流路27の流速及び流量制御の自由度が増す。
[構成例3]
図10(a)は構成例3に係る液冷方式の冷却プレート11を用紙搬送方向と直交する方向から見た場合の断面図、図10(b)は構成例3に係る液冷方式の冷却プレート11を上方から見た場合の断面図、図10(c)は構成例3に係る液冷方式の冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図である。
本構成例においては、図10(a)や図10(b)に示すように、複数の内の一つの狭間隙で小幅な流路27に対して、その流路27に流れ込む冷却液5の入口開口部26を複数形成した。流路27に貫通して開口する入口開口部26は、冷却プレート11の外側の流入口25と繋がっている。本構成例においては、一つの流路27に対して入口開口部26を幅方向に3箇所設けており、それぞれ流入口25と入口開口部26との間を流入流導路27bで繋げている。
図5(b)のように、大きな一つの流路を幅方向で分割し複数の小幅な流路とすれば、個々の流路27内は全域で安定したスムースな流れが発生する。これは、各流路27における流入口25から流路27の方向端部までの距離が短いと、流れの力が弱まることなく幅方向端部付近まで行き渡るからである。
しかし、冷却プレート11の冷却面19を幅方向でより大きくする場合には、せっかく流路を幅方向で分割して小幅とした流路27を単純に幅方向に広げたのでは、流路を分割した意味がなくなり、流路27の幅方向端部付近の流れが遅くなって滞ることになる。
そこで、本構成例においては、冷却プレート11内に設けられた狭間隙流路である二つの流路27それぞれに対して、流入口25を幅方向に3箇所設けるとともに、それに対応させて入口開口部26も3箇所設けており、それぞれ流入口25と入口開口部26との間を流入流導路27bで繋げることで、用紙搬送方向の幅方向に並んだ入口開口部26の各箇所から狭間隙の流路27に冷却液5がそれぞれ流れ込むように構成している。
これにより、各流路27に対して流入口25を一箇所とした場合は、流路27の幅方向中央付近からのみの冷却液5の流入だったものが、流路27の幅方向中央とその両側から冷却液5が流入するので、流路27の幅方向端部付近(図10(b)の内側面11c付近)においても幅方向中央付近と同等な流れが発生する。よって、冷却プレート11の冷却面19全域に亘って熱交換効率の向上を図ることができる。
なお、本構成例では、各流路27に対して流入口25と入口開口部26とを3箇所設けているが、流入口25と入口開口部26との数の限定はない。当然ながら流入口25と入口開口部26とを繋ぐ流入流導路27bの数も、流入口25と入口開口部26との数に応じて変化し限定されるものではない。一つの流路27に対して設ける流入口25と入口開口部26との数は、冷却プレート11の大きさや流量などを条件に流体シミュレーションを行い、流路27の分割数、流入口25や入口開口部26の形状寸法、一つの流路27の幅Lに対する適切な流入口25及び入口開口部26の数や配置位置、隣接ピッチ間隔などによって決めれば良い。
なお、流入口25側から排出口28側に向かって、流路27内で冷却液5が全域でスムースに流れるようにするには、流入口25から流入する冷却液5の流量と、排出口28から排出する冷却液5の流量とを同等とすることが望ましい。そのため本構成例では、流入口25と排出口28との形状寸法及び配設数、配設位置などを同じにしている。しかし、流入口25と排出口28それぞれの合計の断面積が同じであれば、流入口25と排出口28との形状は同じにする必要はない。
[構成例4]
本構成例においては、図11に示すように、複数に分割した狭間隙の小幅な流路27それぞれの1箇所の流入口25に対して入口開口部26を複数箇所設けており、入口開口部26それぞれに対応させて設けられた複数の流入流導路27cと流入用パイプP3とに連通し流入用パイプP3から流入口25を通って送られてきた冷却液5を、各流入流導路27cに分配して導く流入路である分配流導路27dが、冷却プレート11内に設けられている。そして、流入用パイプP3から流入口25を通って分配流導路27dに送られた冷却液5が、分配流導路27dで各流入流導路27cに分配されて各流入流導路27cから各入口開口部26を通って各流路27に流入する。
また、出口開口部29それぞれに対応させて設けられた複数の排出流導路27fと排出用パイプP4とに連通し各排出流導路27fから送られてきた冷却液5を、排出口28を通して排出用パイプP4にまとめて導く排出路である合流流導路27gが、冷却プレート11内に設けられている。そして、各流路27から各出口開口部29を通って各排出流導路27fを流れ合流流導路27gに送られ合流した冷却液5は、合流流導路27gで一つのまとまった流れとなって排出口28を通って排出用パイプP4に排出される。
図11に示す冷却プレート11は、言い換えれば、図10(b)における冷却プレート11に、図8に示した、流入用パイプP1、排出用パイプP2、中継ジョイントJ1及び中継ジョイントJ2を収納し一体化した構成と言える。
図11において、流入口25は流入用パイプP3の一端と連結され、排出口28は排出用パイプP4の一端と連結されており、流入用パイプP3の他端は図3に示すラジエータ103と繋がっており、排出用パイプP4の他端はタンク101と繋がっている。
図11に示すような構成を冷却プレート11に採用することにより、入口開口部26が複数箇所あっても、流入口25を冷却プレート11の一箇所にまとめることができ、図8に示すような流入用パイプP1、排出用パイプP2、中継ジョイントJ1、及び、中継ジョイントJ2などが不要で省くことができるので、更なる低コスト化、省スペース化、及び、配管作業性の向上を図ることができる。また、パイプPの連結箇所を図8などに示した構成よりも大幅に減らせるので、液漏れの危険性も低減させることができる。
なお、図11では各流路27において流入口25を一箇所としているが、各流路27の幅Lをさらに長くする場合は、一つの流路27に対して流入口25を複数箇所設けても良く、その際は入口開口部26も流入口25の数に応じて増えることになる。
そして、本構成例においても、流路27内で冷却液5がよりスムースに流れるように、入口開口部26付近の流路27の領域にある側面27iを冷却液5の流れが流路27の幅方向に拡散して広がる扇形形状のガイドに形成したり、排出流導路27fに繋がる出口開口部29付近に流路27の冷却液5を各排出流導路27fに導く扇形形状のガイドを形成したりしている。これにより、流路27が更に広幅化しても、一つの流路27に対して入口開口部26を複数設けることや、扇形形状ガイドによる冷却液ガイドを設けることを組み合わせることで、流路27の全域に亘ってより均等な流れが発生し、冷却プレート11の熱交換効率のさらなる向上が図れる。
[変形例1]
また、図11では各流路27に流入口25や排出口28を個々に設けているが、複数の流路27で流入口25は排出口28を兼用してもよい。例えば、図12に示すように、冷却プレート11に流入口25と排出口28とを一箇所ずつ設ける。そして、流入用パイプP3から流入口25を通って分配流導路27dに送られた冷却液5が、分配流導路27dで二方向に分配され二つの流路27それぞれに連通した各流入流導路27cを通って各入口開口部26から各流路27に流入させる。また、各流路27から各出口開口部29を通って各排出流導路27fを流れ合流流導路27gに送られ合流した冷却液5が、合流流導路27gで一つのまとまった流れとなって排出口28を通って排出用パイプP4に排出させる。
[構成例5]
本構成例においては、流路27の幅方向(用紙搬送方向)の全域において、冷却液5が更に均等にスムースに流れるように、特に流路27の幅方向端部付近である内側面11c付近においても十分な流れをより確保できるよう、図13に示すように、入口開口部26の付近に、冷却液5を流路27の幅方向に拡散して広げる冷却液拡散手段30を設けた。
図1(b)に示した冷却プレート11では、入口開口部26付近の流路27の領域にある側面27iを、冷却液5の流れをガイドする大きな扇形形状ガイドとして形成することで、冷却液5が流路27の幅方向にもスムースに流れるようにしている。本構成例では、その扇形形状ガイドに加えて冷却液拡散手段30を用いることにより、冷却液5が更に流路27の幅方向で均等に拡散して広がるようにした。
その方法として、流路27の入口開口部26付近に、冷却液5を流路27の幅方向(用紙搬送方向)に均等拡散させる冷却液拡散手段30を設けた。冷却液拡散手段30は、例えば、図13に示すように、全体的に見れば大きな三角形状をしており、冷却液5がその大きな三角形の頂点部分から流路27の幅方向両端に向かって二方向に分かれて流れるようにしている。
ただし、大きな三角形状の冷却液拡散手段30をミクロ的に見ると、大きさの異なる小さな複数の三角形状ガイド30aの集まりで構成されている。その三角形状ガイド30aの形状や位置、三角形状ガイド30aの開口幅や開口角度などは、流体シミュレーションで最適化する。三角形状ガイド30aのそれぞれの形状や位置、開口幅や開口角度などを最適化することで、そこを通過する冷却液5の流量や方向が調節され、流路27の幅方向全域で均等な流れが発生するようになる。したがって、流路27の幅方向端部付近である内側面11c付近においても十分な流れが発生するようになる。なお、図13中の流れ方向を示す細線矢印が、冷却液5の流れの拡散や広がり状態である。
また、図13に示すように、冷却液拡散手段30を流路27の入口開口部26付近だけではなく出口開口部29付近にも設ければ、流路27の幅方向端部付近である内側面11c付近の冷却液5の流れがより良くなる。
なお、冷却液拡散手段30の拡散方法や、形状などは図13に示したものに限定されるものではなく、例えば孔の開いた部材や網状、繊維状の部材を用いても良い。また、配設の仕方も入口開口部26付近や出口開口部29付近の領域に冷却プレート本体と一体的に成形しても良いし、別部材として取付けるようにしても良い。
流路27が更に広幅化しても、以上のように、流路27を小幅に分割化し、狭い流路間隔と、冷却液拡散手段30とを組み合わせれば、流路27の幅方向全域に亘って均等な流れが発生し、冷却プレート11の熱交換効率の向上が図れる。さらに、冷却液5をガイドする側面27iで形成された扇形形状ガイドも加えて、分割され小幅であり狭間隙の流路27と冷却液拡散手段30と扇形形状ガイドとの3者を組み合わせれば、より流路27の幅方向全域に亘って均等な流れが発生し、冷却プレート11の熱交換効率の向上がより図れる。
[構成例6]
図14(a)は複数に分割した小幅な流路27の流路間隙を極めて狭い間隙とした冷却プレート11を用紙搬送方向と直交する方向から見た場合の断面図であり、図14(b)は前記冷却プレート11を上方から見た場合の断面図であり、図14(c)は前記冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図である。
本構成例においても複数に分割した小幅な流路27の形状に関しては、図1(a)でも説明したように流路27の用紙搬送方向の幅をLとし、その幅L内における流路27の高さをGとしたときL>Gの関係を満たすようにしている。そして、本構成例では冷却プレート11内における複数の小幅な流路27の位置を最適に設定した。冷却プレート11内の各流路27を設ける最適な位置とは、図14(c)に示すように、冷却プレート11の冷却面19から外上面11dまでの冷却プレート11の厚み(高さ)をHとしたとき、冷却面19からH/2の位置よりも冷却面19に近い位置であり、できれば図14(c)のように可能な限り冷却面19に近接する位置が望ましい。また、流路27の位置を冷却面19に近いH/2以下の位置にするということは、図14(c)のように流路27の流路間隙をH/2よりも狭い間隔とするということでもあり、それを冷却面19に近づけるのである。
このように冷却面19に近接する位置に狭間隙の小幅な流路27を設けることで、冷却面19(冷却ベルト15)と冷却液5との熱交換効率(熱伝達効率)が高くなり、冷却面19との高い熱交換応答性や、冷却プレート11による用紙4の高効率な冷却が可能となる。また、冷却プレート11の冷却面19と反対側にある広い外上面11dから流路27を遠ざけることで、流路27内を流れる冷却液5に対し外上面11d側からの外気熱の影響も受け難くなる。
また、本構成例では、熱交換効率(熱伝達効率)の更なる向上を図るために、複数に分割した流路27の各流路間隙を更に狭い間隔に後述する条件で設定した。つまり、各流路27を狭間隙とすることで、各流路27の全域で更に速くスムースに冷却液5が流れるようした。
冷却プレート11内に形成された二つの流路27の内の一方で説明すると、図14(a)に示すように、流路27に貫通し冷却液5を送り込む入口開口部26の直径をD、その入口開口部26の配設数をn(図14(a)では入口開口部26を1箇所としているが、図10(a)のように複数であっても構わなく、考え方は同じである)、用紙搬送方向における流路27の幅をL、その幅L内における流路27の高さをGとするとき、L>Gであり、L≒D×nまたはL>D×n、並びに、G≒D×nまたはG<D×nの関係を満たすように、流路27の幅Lと高さGとを設定した。つまり、幅Lと高さGの関係を以下に示す(1)から(4)の何れかの条件を満たすようにして、広幅な流路であっても流速が増すように流路間隙を決めるのである。なお、流路27の幅Lと高さGとが下記(1)から(4)の条件を満たすことで流路27内での流速が増すことは、流体シミュレーションで確認済みである。
(1)L>Gであり、LがD×nと略同寸法のとき、GはD×nよりも短い(G≧D×nとすると狭間隙になり難い)。
(2)L>Gであり、LがD×nよりも長いとき、GはD×nと略同寸法、または、GはD×nよりも短い(G>D×nとすると狭間隙になり難い)。
(3)L>Gであり、GがD×nと略同寸法のとき、LはD×nよりも長い(L≦D×nとすると狭間隙になり難い)。
(4)L>Gであり、GがD×nよりも短いとき、LはD×nと略同寸法、またはLはD×nよりも長い(L<D×nとすると狭間隙になり難い)。
流路27の幅Lと高さGとを上述したような関係を満たすようにして、流路27の流路間隙を幅Lに対して極めて狭い間隙とする。ただし、狭くし過ぎて流れの圧力損失が大きくなり流れが悪くならないようにすることが大前提なので、流体シミュレーション等で確認する必要はある。流路27が狭間隙となれば、その狭流路効果によって流路27内全域で流速が増加するようになる。そして、その流速増加が見込める極狭間隙の流路27に、上述した各構成例に示した冷却プレート11の流路形態(流導路、流入口、配管方法、扇形形状ガイド、流動媒体拡散手段などを含む)や、上述したような冷却プレート11内における流路27の最適位置を組み合わせれば、熱交換効率(熱伝達効率)がより向上する。
ここで、複数に分割した小幅な流路27の形状を、上述したような種々の構成を満足する形状にしても、断面積で流路27と入口開口部26(ここでの入口開口部26の断面積は、配設する各入口開口部26の断面積の総計であり、入口開口部26がn箇所であればn箇の断面積合計)を比べた場合に、その関係によっては流路27の流速が遅くなってしまう場合がある。
通常、流路の形状が上流側と下流側で異なっていても、断面積が同じで、そこを流れる流量が同じであれば、流速は同じである。流量が上流側と下流側で一定であり、断面積が異なる場合、例えば、断面積が上流側より下流側が大きい場合には、上流側より下流側の流速が遅くなる。逆に、断面積が上流側より下流側が小さい場合には、上流側より下流側の流速が速くなる。つまり、入口開口部26の断面積より流路27の断面積を大きくしてしまうと、入口開口部26の周辺流速よりも流路27内の流速が遅くなってしまう。
また、流路27の断面積が入口開口部26の断面積よりも大きければ、流路27を幾ら狭間隙にしたとしても、冷却プレート11の端部付近である内側面11c付近の流れが著しく遅くなって冷却性能は著しく低下してしまう。
これを回避するためには、流路27内の流速を全体的に確実に増す必要があり、本構成例では、複数に分割した小幅な流路27の各断面積を入口開口部26の断面積よりも小さくするという関係にすることで、流路27内の流速を増すようにした。
冷却プレート11内に形成された二つの流路27の内の一方で説明すると、例えば、図14(a)に示すように、流路27の断面積をAとし、入口開口部26の断面積をBとし、入口開口部26の配設数をn(図14(a)では入口開口部26を1箇所としているが、図10(a)などのように複数であっても構わなく、考え方は同じである)としたとき、A≦B×nの関係を満たすように流路27の形状、入口開口部26の形状及び入口開口部26の配設数を設定する。
なお、流路27内で冷却液5がスムースに流れるように、単位時間あたりに流入口25から入口開口部26を通って流路27に流入する流量と、流路27から排出口28で排出される流量とが同等となるようにするのが望ましい。
流路27の断面積Aと入口開口部26の断面積Bとを上述したような関係を満たすように設定すれば、各流路27の流路断面は極めて狭小な断面となり、幅Lが広幅となれば必然的に高さGは極めて低くなる。なお、流路27の断面積Aや入口開口部26の断面積Bの最適値は、流体シミュレーションで決めれば良い。
ただし、流路27を狭小断面にし過ぎて流れの圧力損失が大きくなり流れが悪くならないことが大前提なので、流体シミュレーションで確認する必要はある。もし、不具合が発生した場合は、流路27を更に分割して流路27の数を増やすなどの対策を実施する必要はある。
各流路27の流路が狭間隙となれば、狭流路効果によって、流路内全域の流速が増加するようになる。そして、その流速増加が見込める極狭間隙の各流路27に、上述した各構成例の流路形態(流導路、流入口、配管方法、扇形形状ガイド、流動媒体拡散手段、などを含む)や上述したような流路27の最適位置を組み合わせれば、熱交換効率(熱伝達効率)がより向上し、用紙4の高い冷却効果が望める。
本実施形態では、これまで熱交換装置を定着後の用紙4を冷却する冷却手段である冷却装置12に適応したが、同じように用紙4の冷却手段として、定着後の用紙4のカールを矯正するカール矯正装置や、用紙4に形成されたトナー画像の光沢度を制御する光沢制御装置など、出力した画像品質や用紙状態品質の高品位化装置としても適応可能ある。これらの場合においても、冷却装置12と同様に、熱定着装置116の直後に熱交換装置を配設すれば良い。
また、本実施形態の熱交換装置は冷却手段としてだけではなく、流動媒体を熱交換体に流入させる前に温めておけば加温手段としても用いることができる。例えば画像転写前に用紙4を温める加温装置に用いることができ、その場合は用紙収納部119とレジストローラ対21との間に配設する。画像転写前に用紙4を温めるのは、転写時における中間ベルトなどとの転写性向上や、用紙4の含有水分量のコントロールなどからである。
加温装置に適応する際は、その装置構成としては図3の冷却装置12をそのまま利用することができる。冷却装置12の部品名称を変えて図15に示すように加温装置212として見ると、冷えた用紙4は加温ベルトユニット213の加温ベルト215と搬送ベルトユニット214の搬送ベルト216とによる狭持搬送の間に加温ベルト215によって給熱されるが、その給熱する熱は、加温液205と熱交換する加温プレート211によって伝導される。熱交換によって加温プレート211と加温ベルト215とが温められることで、用紙4が加温され、用紙4の温度が上がるのである。
また、加温液205の循環も図3と同様に、加温プレート211の内部に形成した流路227と加温液循環手段220とで構成した閉ループの循環システムによって循環するようにしている。その循環過程で温められた加温液205が加温プレート211の流路を流通することで、加温プレート211の加温面219が温まるのである。
加温面219で吸い取って冷えた温度を加温プレート211内に形成された二つの流路227に伝達して加温液205を冷やし、その冷やされた加温液205を加温プレート211から排出する。そして排出された加温液205は、タンク101、ポンプ100、ファン104を装着したラジエータ103に送られる。このとき例えば、熱定着装置116から排熱される熱をファン104によってラジエータ103に送風し、冷えた加温液205をラジエータ103で温めて高い温度に上げる。その後、温まった加温液205は、加温プレート211の流入口(不図示)から再び流路227へと供給される。このような加温液循環の給熱サイクルによって、低温の用紙4が効率良く温められるのである。
なお、加温液205を温める手段としては、ヒーターや温風器などの発熱装置でも良いが、熱定着装置116など画像形成装置内の熱源を利用すれば、熱の再利用が可能となり、省エネルギー化など環境性の高い装置となる。
[実施形態2]
次に、本発明を画像形成装置に適用した第2の実施形態について説明する。なお、本実施形態に係る画像形成装置の基本的な構成及び動作については、実施形態1に記載した画像形成装置と略同様なので説明は省略する。
本実施形態においては、複数に分割した狭間隙の小幅な流路27を有する冷却プレート11において、用紙搬送方向に沿って隣り合うように配設した複数の流路27の内、少なくとも二箇所の流路の冷却液流通方向を相対する向きとし、冷却プレート11内で冷却液5が対向して流れるようにした。これにより、冷却プレート11を全体的に見ると、冷却液流通方向の温度勾配が低減し、冷却プレート11のどの領域においても温度が略一様となり、冷却性能の均一化を図ることができる。つまり、用紙搬送方向と直交する方向、所謂用紙4の主走査方向における冷却プレート11の冷却効率のばらつきを抑えることができるので、用紙4全体の均等な冷却が可能となる。
図16は、実施形態1の図6(b)で示した速度分布シミュレーションの用紙搬送方向に二つ並べた狭間隙の流路の一方であり、その流路における温度分布シミュレーション結果である。
温度分布シミュレーションは、28[℃]の冷却液5を流路内に流入させ、冷却プレートの冷却面に80[℃]の熱が一様に与えることを条件として実施した。冷却液5は紙面右斜め下から左斜め上へと流れている。
また、図16には示していないが図6(b)に示されたもう一方の狭間隙な流路27も同様の温度分布シミュレーション結果であり、冷却プレート内には、図16に示されるような温度分布特性を持つ流路27が二つ用紙搬送方向に沿って並べられていることになる。なお、図16における色の変化は、流路内の冷却液温度変化であり、温度の低い方から高い方へと領域I→領域II→領域III→領域IVの色で表している。
図16から、流路を狭間隙として流速を速くし略等しい流速としても、流入口25と排出口28の周辺温度を比べると、排出口28周辺温度が少し高くなってしまうことが分かる。そして、冷却プレート11が大型となり流入口25から排出口28までの距離が長くなればなる程、その傾向は顕著となることは容易に推測される。
また、冷却プレート11内に流路27を複数設ける場合、例えば実施形態1の図1(b)に示した内部に流路27が二つ形成された冷却プレート11の場合、用紙4の両端は冷却プレート11の排出口28側の温度が少し高い領域と、流入口25側の温度が低い領域とをそれぞれ二度通過することになる。そのため、用紙4の流入口25側端部のほうが排出口28側端部よりも冷やされるので、冷却プレート11を通過した後の用紙4は流入口25側と排出口28側とで、より冷え具合に差ができ、用紙4全体を均等に冷やすことが難しくなる。
[構成例7]
本構成例では図17のように、用紙搬送方向に沿って形成した二つの小幅で狭間隙な流路27における冷却液5の流通方向を相対する向きとした。すなわち、紙面下段の流路27は紙面左から右に、紙面上段の流路27は紙面右から左に向かって冷却液5が流通する。
これにより、冷却プレート11の紙面左側においては、紙面下段の流路27の温度が低く、紙面上段の流路27では温度が少し高い状態となる。一方、冷却プレート11の紙面右側においては、紙面下段の流路27の温度が少し高く、紙面上段の流路27では温度が低い状態となる。よって、このような状態の領域(温度が低い領域と少し高い領域)を用紙4が通過すれば、用紙4の両端の温度は紙面左側と紙面右側それぞれの領域で平均化され、用紙4の両端で紙面左側と紙面右側との温度差がなくなる。したがって、用紙4を全体的に略一定温度に冷やすことができるようになる。
なお、図17の冷却プレート11の形状は、実施形態1の図1(b)に示した冷却プレート11と同様であり、その他の断面形状も実施形態1の図1(a)や図1(c)に示したものと同様である。
本構成例では、複数に分割した小幅な狭間隙の流路27を有する冷却プレート11において、用紙搬送方向に沿って配設した流路27のうち、隣り合う流路同士の冷却液5の流通方向を相対する向きとし、冷却プレート11内で冷却液5が対向して流れるようにした。冷却プレート11内に形成された流路27が二つ以上の偶数の場合は、全ての流路形状が同じで、そこを流れる全ての冷却液5の流量や流速や温度などが同じであれば、温度勾配を無くして冷却プレート11の温度を略一様とすることができ、冷却性能の均一化を図ることができる。
その理由としては、冷却プレート11内に形成された流路27の数が偶数であれば、冷却プレート11の流入口25周辺と排出口28周辺との温度の違う領域が、冷却液流通方向の両端で同じ数となるからである。
なお、冷却プレート11内に形成された流路27の数が三つ以上の奇数の場合は、流路形状や冷却液5の流量や流速や温度などを流路毎に変えれば冷却プレート11の温度を平均化することはできるが、冷却プレート11内に偶数個の流路27を形成するほうが望ましい。
[構成例8]
本構成例においては図18に示すように、冷却プレート11内に六つの流路27を形成し、隣り合う流路27の冷却液5の流通方向を相対する向きとしている。
このような冷却プレート11においては、冷却プレート11の紙面左端側に注目すると、用紙搬送方向上流側から数えて一つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域→用紙搬送方向上流側から数えて二つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域→用紙搬送方向上流側から数えて三つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域→用紙搬送方向上流側から数えて四つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域→用紙搬送方向上流側から数えて五つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域→用紙搬送方向上流側から数えて六つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域を、用紙4の紙面左端側が順次通過する。そのため、用紙4の紙面左端側は各領域を通過する度に徐々に冷やされていく。
一方、冷却プレート11の用紙4の紙面右端側に着目すると、用紙搬送方向上流側から数えて一つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域→用紙搬送方向上流側から数えて二つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域→用紙搬送方向上流側から数えて三つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域→用紙搬送方向上流側から数えて四つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域→用紙搬送方向上流側から数えて五つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域→用紙搬送方向上流側から数えて六つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域を、用紙4の紙面右端側が順次通過する。そのため、用紙4の紙面右端側は各領域を通過する度に徐々に冷やされていく。そして、冷却プレート11を通過した後の用紙4は、最終的に用紙4の紙面右端側と紙面左端側との冷却後の温度は略同じになる。
[構成例9]
本構成例においては、図19に示すように冷却プレート11内に小幅で狭間隙な六つの流路27を形成し、用紙搬送方向に沿って配設した複数の流路27を用紙搬送方向で半数ずつ二つのグループに分け、一方のグループの三つの流路27と、他方のグループの三つの流路27とを流れる冷却液5の流通方向を相対する向きとした。分かりやすく言うと、複数の流路27の数を半分に分け、一方の半分の流路27と他方の半分の流路27との冷却液流通方向を対向させるようにした。
冷却プレート11内に形成された流路27の数が二つ以上の偶数の場合は、全ての流路形状が同じで、そこを流れる全ての冷却液5の流量や流速や温度などが同じであれば、冷却プレート11の流入口25周辺と排出口28周辺との温度の違う領域が、冷却液通方向の両端で同じ数となる。よって、用紙4が冷却プレート11を通過する際、冷却液流通方向の両側で、ある温度領域(温度の低い領域と少し高い領域)を同じ回数通過するので、用紙4は均等に冷やされる。
一方、冷却プレート11内に形成された流路27の数が三つ以上の奇数の場合は、流路形状や流動媒体の流量や流速や温度などを流路毎に変えれば冷却プレート11の温度を平均化することはできるが、冷却プレート11内に偶数個の流路27を形成するほうが望ましい。
本構成例においては、図19に示すように冷却プレート11内に形成された六つの流路27を、紙面下段の三つの流路27と、紙面上段の三つの流路27とに半分に分け、紙面下段の三つの流路27と紙面上段の三つの流路27とで冷却液5の流通方向を相対する向きとしている。
このような冷却プレート11においては、冷却プレート11の紙面左端側に注目すると、用紙搬送方向上流側から数えて一つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域→用紙搬送方向上流側から数えて二つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域→用紙搬送方向上流側から数えて三つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域、そして、用紙搬送方向上流側から数えて四つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域→用紙搬送方向上流側から数えて五つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域→用紙搬送方向上流側から数えて六つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域を、用紙4の紙面左端側が順次通過する。これにより、用紙4の紙面左端側は温度が低い領域を連続で通過するので急激に冷やされる。
一方、冷却プレート11の紙面右端側に着目すると、用紙搬送方向上流側から数えて一つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域→用紙搬送方向上流側から数えて二つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域→用紙搬送方向上流側から数えて三つ目の流路27の排出口28周辺の温度が少し高い領域、そして、用紙搬送方向上流側から数えて四つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域→用紙搬送方向上流側から数えて五つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域→用紙搬送方向上流側から数えて六つ目の流路27の流入口25周辺の温度が低い領域を、用紙4の紙面右端側が順次通過する。そして冷却プレート11を通過した後の用紙4は最終的に、用紙4の紙面右端側と紙面左端側の冷却後の温度は略同じとなる。
図19に示した冷却プレート11では、内部に形成された流路27の数が六つであるため、紙面下段と紙面上段(用紙搬送方向上流側と下流側)で半分ずつとなるように流路27を三つずつでまとめたが、流路27をまとめる数としてはこれに限るものではない。
例えば、冷却プレート11内に八つの流路27が形成された場合などでは、流路27を二つずつまとめて四つのグループに分け、各グループ間で冷却液5の流通方向を相対する向きとすることもできる。
つまり、冷却プレート11内に形成された八つの流路27のうち、用紙搬送方向上流側から数えて一つ目と二つ目の流路27を一つのグループとし冷却液5の流通方向を用紙搬送方向に対して左から右、用紙搬送方向上流側から数えて三つ目と四つ目の流路27を一つのグループとして冷却液5の流通方向を用紙搬送方向に対して右から左、用紙搬送方向上流側から数えて五つ目と六つ目の流路27を一つのグループとして冷却液5の流通方向を用紙搬送方向に対して左から右、用紙搬送方向上流側から数えて七つ目と八つ目の流路27を一つのグループとして冷却液5の流通方向を用紙搬送方向に対して右からから左、というように、八つの流路27を半分の四つに分け、その四つに分けられた流路27をさらに二つずつでまとめて二つのグループに分けて、このグループ間で冷却液5の流通方向を相対する向きとする。
ここで、図17、図18、図19などに示した冷却プレート11における各流路27に冷却液5を流す場合、冷却液循環手段20の配備方法には二通りあり、各流路27それぞれに専用の冷却液循環手段20を用いる場合と、各流路27で1セットの冷却液循環手段20を共用する場合とがある。
各流路27それぞれに専用の冷却液循環手段20を用いる場合であれば、それぞれの冷却液循環手段20の循環過程で冷やされる冷却液5は、全てある一定の温度に冷やすことができる。全て一定の温度に冷やされた冷却液5が冷却プレート11の各流路27を流通するので、この構成による冷却効率は非常に高いものとなる。高価で大型な画像形成装置であれば、このような構成でも構わない。しかし、低価格化や小型化を狙う装置の場合には、冷却プレート11内に形成された複数の流路27それぞれに対して個々に冷却液循環手段20を用意しなければならないので、部品点数、コスト、必要設置スペースなどのアップがネックとなる。また、規模の小さな冷却液循環手段20を用いたとしても数多く使えば、合計の消費電力も大きなものとなってしまうので、省エネルギー化の観点からも各流路27それぞれに専用の冷却液循環手段20を搭載するのは難しい。さらには、冷却プレート11、タンク101、ポンプ100、ラジエータ103を繋ぎ連結するパイプPの本数も多くなるので、当然、パイプPの配管作業が複雑となり、取り付けに時間と労力がかかるという問題も生じる。また、パイプPの本数が多くなるということは、パイプPの劣化や抜けによる液漏れの危険性も増す。
[構成例10]
本構成例では、上述したような不具合を解消するよう、冷却プレート11に形成された複数の流路27全てを、パイプPを用いて繋げて、冷却液5が冷却プレート11内を往復循環する往復流路を形成して1セットの冷却液循環手段20で済むようにした。
図20は、図17に示した内部に二つの流路27が形成された冷却プレート11に、1セットの冷却液循環手段20を冷却液5の流通方向が相対する向きの二つの流路27に連結し共用する場合の構成例であり、パイプPを途中から分岐配管部材で分岐させている。図21は、その際の冷却プレート11とパイプPとの連結状態を示したものである。
図21に示すように、各流路27の流入口25それぞれに流入用パイプP1の一端側を繋げており、各流路27の排出口28それぞれに排出用パイプP2の一端側を繋げている。流入用パイプP1の他端側は、冷却液5の分岐および集合手段である分岐配管部材の中継ジョイントJ1の一端側と繋がっており、排出用パイプP2の他端側は前記分岐配管部材である中継ジョイントJ2の一端側と繋がっている。そして、その中継ジョイントJ1の他端側は流入用メインパイプP11の一端側と繋がっており、中継ジョイントJ2の他端側は排出用メインパイプP12の一端側と繋がっている。また、図20に示すように、流入用メインパイプP11の他端側はラジエータ103と繋がっており、排出用メインパイプP12の他端側はタンク101と繋がっている。
以上のように、流入用パイプP1と排出用パイプP2以外は、冷却液循環手段20を二つの流路27で共用利用するようにしている。なお、分岐および集合する位置(中継ジョイントJ1の位置及び中継ジョイントJ2の位置)は、できるだけ冷却プレート11の近くであった方が設置スペースやパイプPの扱い性や作業性などに有利である。
このように冷却プレート11内に形成された複数の流路27で1セットの冷却液循環手段20を共用すれば、低コスト、省スペース、省電力化を図ることができる。
[構成例11]
冷却プレート11内に形成された複数の流路27で1セットの冷却液循環手段20を共用する場合には、例えば大型のポンプやラジエータが必要になったり、各流路27それぞれに冷却液循環手段20を設ける場合よりも改善されるがパイプPの長さや配設レイアウトの複雑さや煩雑さ及び設置スペースなどの問題が多少残ったりする虞がある。
そこで、本構成例においては、内部に二つの流路27が形成された冷却プレート11に対して1セットの冷却液循環手段20を共用して用いるが、図21に示したように各流路27に対して冷却液循環手段20を共用するのではなく、図22に示すように二つの流路27が一続きとなるように一方の流路27の排出口28と他方の流路27の流入口25とを中継用パイプP5で繋ぎ連通させている。
これにより、冷却プレート11における冷却液循環手段20と連結する流入口25及び排出口28はそれぞれ1箇所となり、図22で示したような中継ジョイントJ1や中継ジョイントJ2が無い1本の流路で形成される冷却液循環システムとすることができる。よって、図22に示した構成よりも、冷却液5の分岐および集合手段である中継ジョイントJ1や中継ジョイントJ2が必要なく、流入用パイプP1や排出用パイプP2の長さが短くなるので、パイプPの配設レイアウトの複雑さや煩雑さが簡略化されるとともに設置スペースを小さくすることができる。
[構成例12]
図23は、図18に示した冷却プレート11における六つの流路27を中継用パイプP6で繋いだ例である。なお、図23に示すように冷却プレート11内に形成された流路27の数が偶数であれば、冷却プレート11を全体的に見ると冷却液流通方向の温度勾配が低減すると共に、流入用パイプP1や排出用パイプP2と連結される流入口25や排出口28を冷却プレート11の一方側(図23では紙面左側)に配設することができるので、画像形成装置の小型化に寄与する。
[構成例13]
本構成例では、図24のように冷却プレート11内に形成した二つの狭間隙な流路27それぞれに対して、流入口25と排出口28とを用紙搬送方向に沿って3箇所ずつ形成するとともに、二つの流路27の冷却液流通方向を相対する向きとした。
各流路27において、用紙搬送方向に沿って3箇所に形成された流入口25と、その流入口25と同形状の排出口28を流入口25に対応させた位置(流入口25と排出口28とが同一直線上にある位置)に用紙搬送方向で同数設け、冷却液5は各流入口25から狭間隙の流路27に流れ込み各排出口28から流れ出る。
これにより、各流路27に対して流入口25を一箇所とした場合では冷却液5が流路27の幅方向中央付近からのみの流入であるが、本構成例では流路27の幅方向中央とその両側からも冷却液5が流入することになるので、流路27の幅方向端部付近(図24の内側面11c付近)においても、流路27の幅方向中央付近と同等な流れを発生させることができ、冷却プレート11の冷却面19全域に亘って熱交換効率の向上を図ることができる。
さらに、本構成では、冷却プレート11内に形成された二つの流路27を流れる冷却液5の流通方向を相対する向きとしているので、冷却プレート11を通過した後の用紙4の温度勾配が無くなり、言い換えれば、用紙4の両端の温度差が無くなるので、用紙4を全体的に略一定温度に冷やすことができる。
本構成例においては、一つの流路27に対して流入口25と排出口28とを用紙搬送方向に3箇所ずつ形成しているが、一つの流路27に対して形成する流入口25や排出口28の数は限定されるものではない。冷却プレート11の大きさや流量などを条件に流体シミュレーションを行い、流路27の分割数、流入口25や排出口28の形状寸法、一つの流路27の幅Lに対する適切な流入口25や排出口28の数や配置位置、隣接ピッチ間隔などを決めれば良い。
なお、流入口25側から排出口28側に向かって、流路27内で冷却液5が全域でスムースに流れるようにするには、流入口25から流入する冷却液5の流量と、排出口28から排出する冷却液5の流量とを同等とすることが望ましい。そのため本構成例では、流入口25と排出口28との形状寸法及び配設数、配設位置などを同じにしている。しかし、流入口25と排出口28それぞれの合計の断面積が同じであれば、流入口25と排出口28との形状は同じにする必要はない。
[構成例14]
本構成例においては、図25に示すように冷却プレート11内に形成された二つの流路27それぞれに、用紙搬送方向で3箇所ずつ設けた流入口25及び排出口28を流路間同士で各々中継用パイプにより連結し、冷却プレート11内で冷却液5の往復流路を形成している。
図25に示した二つの流路27を有する冷却プレート11において、紙面下段の流路27に設けた3箇所の排出口28と、紙面上段の流路27に設けた3箇所の流入口25とをそれぞれ中継用パイプP7で繋ぎ、紙面下段の流路27と紙面上段の流路27とで往復流路を形成するのである。
また、冷却プレート11内に形成された流路27がさらに増える場合は、図23に示した冷却プレート11と同じように、全ての流路27が一続きとなるように隣り合う流路同士で流入口25と排出口28とを中継用パイプP6で繋げて連通させ、隣り合う流路27で冷却液5の流通方向を相対する向きとする。これにより、往復順還流路による利点と、複数の流入口25及び排出口28を設けることの利点との両方を有することになるので、さらなる熱交換効率の向上を図ることができる。
なお、図25のように冷却プレート11内に形成された流路27の数が偶数であれば、冷却プレート11を全体的に見ると冷却液流通方向の温度勾配が低減すると共に、流入口25と排出口28とを冷却プレート11の一方側(図25では紙面左側)に配設することができるので、画像形成装置の小型化に寄与する。
本実施形態では、これまで熱交換装置を定着後の用紙4を冷却する冷却手段である冷却装置12に適応したが、同じように用紙4の冷却手段として、定着後の用紙4のカールを矯正するカール矯正装置や、用紙4に形成されたトナー画像の光沢度を制御する光沢制御装置など、出力した画像品質や用紙状態品質の高品位化装置としても適応可能ある。これらの場合においても、冷却装置12と同様に、熱定着装置116の直後に熱交換装置を配設すれば良い。また、本実施形態の熱交換装置は冷却手段としてだけではなく、実施形態1で説明したような加温装置212としても用いることができる。
[実施形態3]
次に、本発明を画像形成装置に適用した第3の実施形態について説明する。なお、本実施形態に係る画像形成装置の基本的な構成及び動作については、実施形態1に記載した画像形成装置と略同様なので説明は省略する。
[構成例15]
図26(a)は冷却プレート11を用紙搬送方向と直交する方向から見た場合の断面図である。図26(b)は冷却プレート11を上方から見た場合の断面図である。図26(c)は冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図である。
本構成例では、複数に分割した狭間隙の小幅な流路を有する冷却プレート11において、用紙搬送方向に沿って隣り合うように配設した複数の流路である往流路27pと復流路27qとを冷却プレート11内でターン流路27rにより連通させている。また、冷却液5が冷却プレート11内に流入する側の流路を往流路27pとし、冷却液5を冷却プレート11内から排出する側の流路を復流路27qとし、往流路27pと復流路27qとを繋げて連通させる流路をターン流路27rとして、冷却プレート11内に往復流路を形成している。そして、往流路27p、ターン流路27r、復流路27qの順で冷却液5を通すことで、冷却液5が冷却プレート11内を往復して流れるようにしている。
これにより、往流路27pと復流路27qとだけではなく、ターン流路27rを流れる冷却液5も、冷却プレート11を冷やす役割を担うことになる。そのため、冷却プレート11を全体的に見ると、冷却液流通方向の温度勾配が低減し、冷却プレート11のどの領域においても温度が略一様となり、冷却性能の均一化を図ることができる。つまり、冷却プレート11の場所によって冷却効率にばらつきが生じるのを抑えることができ、用紙全体の均等な冷却が可能となる。
また、往流路27pや復流路27qと同様にターン流路27rも狭間隙流路とした。このように、ターン流路27rも狭間隙とすることで、往流路27p及び復流路27qと同様にターン流路27rにおいても速くスムースに冷却液5を流すことができる。よって、冷却プレート11内の流路全域での冷却液5の流れを略同じようにし、冷却プレート11全体の冷却性能の向上と均一化を図ることができる。
また、冷却プレート11内に往復流路を形成する場合、往流路27pと復流路27qとを冷却プレート11外で、例えば図22に示した中継用パイプP5などの配管部材を用いて繋ぐことが考えられる。一方、本構成例のように冷却プレート11内でターン流路27rにより往流路27pと復流路27qとを繋ぐことで、中継用パイプP5などの配管部材が不要となる。
また、中継用パイプP5などの配管部材を用いる場合には、冷却プレート11の外側に張り出すように中継用パイプP5などの配管部材を設けることになるので、その分、スペースを必要とする。一方、本構成例では、中継用パイプP5などの配管部材を冷却プレート11の外側に設けないので、中継用パイプP5などの配管部材を設けるためのスペースが不要となり、省スペース化を図ることができる。また、冷却プレート11の小型化や低コスト化を図ることができる。
図27は、熱交換装置である冷却装置12の概略構成図であり、高温の用紙4の温度を下げる液冷方式の冷却プレート11を備えている。
冷却装置12は主に、冷却装置12の上方に位置する冷却ベルトユニット13と下方に位置する搬送ベルトユニット14で構成されている。上方の冷却ベルトユニット13には、高温の用紙4の表面と接触して冷却する役割を担う冷却ベルト15が、そして下方の搬送ベルトユニット14には、用紙4を冷却ベルト15と共に挟持して搬送する役割を担う搬送ベルト16が、それぞれ備えられている。
冷却ベルト15、搬送ベルト16は、複数のローラによって展張され、図示しないモータ等の駆動手段によって回動される。本実施形態では、冷却ベルト15は左回動し、搬送ベルト16が右回動することで、用紙4が紙面左側から右側に搬送される。例えば、冷却ベルト15の駆動ローラ17をモータと連結しモータによって駆動ローラ17を回転駆動させ、駆動ローラ17の駆動力を搬送ベルト16のローラ18にギヤ等で伝達し与えることで、冷却ベルト15と搬送ベルト16の線速を合わせ、用紙4を挟持搬送する。冷却ベルト15と搬送ベルト16は、対向する外周面同士が適当なテンションで押付け合ながら広い領域で密着接触するように設けられていて、高温の用紙4をその接触領域に送り込み、そして挟込みながら搬送する。その挟持搬送間に用紙4の冷却を行うのである。
熱交換体である冷却プレート11は、冷却ベルトユニット13側に不動状態で設けられていて、冷却ベルト15の内部に配され、冷却ベルト15を介して用紙4を冷却するのである。このとき冷却ベルト15は、冷却プレート11と用紙4との間に介在する熱伝達部材となるため、できるだけ熱伝導率の高い材質、または薄いフィルム状が望ましい(例えば、薄いステンレスベルトやポリイミドフィルムなど)。
冷却ベルト15のループ内における冷却プレート11の配置位置は、冷却ベルト15と搬送ベルト16との互いの外周面が接触する領域における、冷却ベルト15の内周面と密着接触する位置に設けられている。そうすることで、冷却ベルト15の内周面が密着接触する冷却プレート11の面領域が熱交換面、言い換えれば、冷却面19となる。そして、冷却ベルト15との密着性を高めるために、冷却プレート11の冷却面19を湾曲形状としており、冷却ベルト15が冷却面19の全域に略均等な力がかかるようにしている。
以上の状態で冷却ベルト15が回動すると、冷却ベルト15の内周面は冷却プレート11の冷却面19に対して密着状態を保ちながら接触摺動することになる。つまり、冷却面19は摺動面の役割も担うことになるので、滑らかな摺動を可能にする意味においても、冷却面19は湾曲形状が望ましく、その湾曲表面は、凹凸のない高い表面仕上げ精度と、摩擦係数の小さな表面処理が必要となる。なお本実施形態では、用紙4と冷却ベルト15外周面との接触状態、および冷却ベルト15内周面と冷却面19との接触状態をより高め、そして用紙4の挟持搬送力を高めるために、搬送ベルト16の内側から冷却面19に向かって力がかかる押圧ローラ24を適所に設けている。
冷却プレート11自体の材質は、接触摺動する冷却ベルト15との熱交換性、及び冷却プレート11内を流れる冷却液5との熱交換性に関わるものなので、熱伝導率の良い、例えばアルミ製や銅製が良い。
冷却装置12により、用紙4の熱は狭持搬送間に冷却ベルト15が受熱し、その熱を冷却プレート11に伝導して冷却プレート11の冷却液5と熱交換する。そして、その熱交換によって冷却プレート11と冷却ベルト15が冷やされることで、用紙4が冷却され、用紙4の温度が下がるのである。
また、本実施形態では、冷却プレート11を介して用紙4の熱を受熱し熱交換する流動媒体に冷却液5を用いているが、その冷却液5は、図27に示すような冷却プレート11の内部に形成した流路27と冷却液循環手段20とで構成した閉ループの循環システムによって循環するようにしている。その循環過程で冷やされた冷却液5が冷却プレート11の流路27を流通することで、冷却プレート11(冷却面19)が冷えるのである。
冷却面19で受熱した熱を冷却プレート11の流路27に伝達して冷却液5を温め、その温められた冷却液5を図示しない冷却プレート11の排出口より排出する。そして排出された冷却液5は、タンク101、ポンプ100、ファン104を装着したラジエータ103に送られる。温められた冷却液5はラジエータ103で排熱されて、略室温まで温度が下げられる。その後、冷めた冷却液5は、冷却プレート11の流入口25から再び流路27へと供給される。このような冷却液循環の排熱サイクルによって、高温の用紙4が効率良く冷やされるのである。
また、図26(c)に示すように、用紙搬送方向と直交する方向におけるターン流路27rの幅をWとし、その幅W内におけるターン流路27rの高さをGとしたとき、G<W(GはLよりも短い)の関係を満たすターン流路27rを形成している。また、図26(b)に示すように、用紙搬送方向の幅が幅Lである往流路27p及び復流路27qと、用紙搬送方向と直交する方向の幅が幅Wであるターン流路27rとで、冷却面19の略全域をカバーしている。
また、往流路27p及び復流路27qの用紙搬送方向の幅をL、その幅L内における往流路27p及び27bの高さをGとしたときに、G<Lの関係を満たし、ターン流路27rが前述したようにG<Wの関係を満たすように各流路を形成することで、さらに、流路全域での流れをスムースにすることができる。
また、本構成例では、図26(a)、図26(b)、図26(c)に示すように、ターン流路27rにおける冷却液5の流れ方向と直交する方向の断面形状を、往流路27pと復流路27qの断面形状と略同じにしている。つまり、流路の高さGを変えずに、L≒Wとする。これにより、冷却プレート11内の流路全域において速くスムースに流れていた冷却液5を、より均一に流れるようにすることができる。
[構成例16]
図28は本構成例に係る冷却プレート11を上方から見た場合の断面図である。
本構成例においては、狭間隙の小幅な各流路(往流路27p、復流路27q、及び、ターン流路27r)の冷却液5の流れ方向と直交する幅方向の全域において、冷却液5がさらに均等にスムースに流れるよう、特に幅方向端部付近においても十分な流れをより確保できるように、冷却液5を整流するガイド手段である流れガイド27mを各流路内に設けた。
図28に示した冷却プレート11では、ターン流路27rの領域に、往流路27pの流れを分流し、その分流させた流れを復流路27qで再び合流させるような流れガイド27mを形成し、冷却液5が幅方向に均等に広がりスムースに流れるようにしている。これにより、冷却プレート11内の各流路のどの領域においても冷却液5が略均一に流れるようにすることができる。
[構成例17]
図29(a)は狭間隙の小幅な往流路27p、復流路27q及びターン流路27rが形成された本構成例に係る冷却プレート11を用紙搬送方向と直交する方向から見た場合の断面図である。図29(b)は冷却プレート11を上方から見た場合の断面図である。図29(c)は冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図である。
本構成例においては、往流路27pに流入する冷却液5の流入口25と、復流路27qから冷却液5が排出される排出口28を、用紙搬送方向にそれぞれ複数箇所形成している。これにより、往流路27p,復流路27q、及び、流路27cそれぞれで幅方向端部付近端部付近においても、確実に冷却液5が流れるようにしている。
本構成例においては、図29(b)からわかるように、用紙搬送方向(すなわち、往流路27p及び復流路27qを流れる冷却液5の流れ方向と直交する方向)に沿って、往流路27pに流入口25を3箇所、復流路27qに排出口28を3箇所設けている。
このように、本構成例では、冷却プレート11に流入口25と排出口28とを同数で設けている。また、流入口25と排出口28とが同形状であり、各流路に対する配置位置が同じ位置関係となっている。
冷却液5は流入口25の各箇所から往流路27pに流れ込み、ターン流路27rを経由して、復流路27qを流れ排出口28の各箇所から排出される。流入口25と排出口28とを一箇所とした場合であれば、冷却液5は各流路の用紙搬送方向中央付近からの流入および排出となる。そのため、往流路27p及び復流路27qの幅Lや、ターン流路27rの幅Wが広いと、各流路おける幅方向中央付近と幅方向端部付近とで、冷却液5の流れが不均一となってしまう。
しかしながら、本構成例のように流入口25及び排出口28を用紙搬送方向に複数箇所設けることで、冷却液5が往流路27p及び復流路27qそれぞれでの幅方向中央付近と幅方向両端部付近とからの流入や排出となる。これにより、往流路27p、復流路27q、及び、ターン流路27rそれぞれで、幅方向端部付近においても、幅方向中央付近と同等な流れが発生する。よって、冷却プレート11の冷却面19全域に亘って熱交換効率の向上を図ることができる。
しかも、冷却プレート11内における冷却液5の流通方向が往流路27pと復流路27qとで相対する向きとなるので、冷却プレート11を通過した後の用紙4の温度勾配を低減させることができ(用紙4の両端の温度差が小さくなる)、用紙4を全体的に略一定温度に冷やすことができる。
なお、本構成例では、往流路27pに対して流入口25を3箇所設け、復流路27qに対して排出口28を3箇所設けているが、流入口25と排出口28との数の限定はない。往流路27pに対して設ける流入口25の数や、復流路27qに対して設ける排出口28の数は、冷却プレート11の大きさや流量などを条件に流体シミュレーションを行い、流入口25や排出口28の形状寸法、往流路27p及び復流路27qの幅Lやターン流路27rの幅Wに対する適切な流入口25及び排出口28の数や配置位置、隣接ピッチ間隔などによって決めれば良い。
[構成例18]
図30(a)は冷却プレート11を上方から見た場合の断面図である。図30(b)は冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図である。
本構成例においては、図30(a)や図30(b)に示すように、往流路27pと復流路27qとターン流路27rとから成る、各流路の高さをGと低くした狭間隙の小幅な往復流路を、冷却プレート11内に用紙搬送方向に沿って複数配設している。
本構成例のように、前記往復流路を冷却プレート11内に複数設けることで、各流路の幅方向端部付近の流速を増すことができ、冷却プレート11の冷却面19全域に亘って熱交換効率の向上を図ることができる。さらに、前記往復流路を冷却プレート11内に複数設けることで冷却性能の向上が見込める。これにより、用紙4との接触領域の広い広幅な冷却プレート11であっても、確実に用紙4を一様に冷やすことができるようになる。特に、前記往復流路を冷却プレート11内に複数設ける構成を、小幅な冷却プレート11に適用すればより効果的である。
また、往流路27pと復流路27qとを流れる冷却液5の流通方向を相対する向きとしているので、冷却プレート11を通過した後の用紙4の温度勾配が低減し(用紙4の両端の温度差がなくなる)、用紙4を全体的に略一定温度に冷やすことができる。
[構成例19]
図31(a)は冷却プレート11を上方から見た場合の断面図である。図31(b)は冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図である。
本構成例においては、往流路27pと復流路27qとターン流路27rとから成る、狭間隙で小幅な複数の往復流路を、用紙搬送方向上流側の往流路27pと下流側の復流路27qとをターン流路27rで連通して一組の往復流路となるように、冷却プレート11内に形成している。
例えば、図31(a)に示すように、用紙搬送方向最上流側に位置する往流路27p−1と、用紙搬送方向最下流側に位置する復流路27q−1とをターン流路27r−1で連通する。そして、順次、用紙搬送方向上流側から二番目の往流路27p−2と、用紙搬送方向下流側から二番目の復流路27q−2とをターン流路27r−2で連通する。用紙搬送方向上流側から三番目の往流路27p−3と、用紙搬送方向下流側から三番目の復流路27q−3とをターン流路27r−1で連通する。このように、前記往復流路を冷却プレート11内に形成することで、冷却プレート11を通過した後の用紙4の温度勾配が低減し、より冷却性能が向上する。
[変形例2]
図32は構成例19の変形例2に係る冷却プレート11を上方から見た場合の断面図である。本変形例2においては、構成例19の冷却プレート11のように、用紙搬送方向上流側と下流側とから順にターン流路27rで繋いで往復流路を形成するとともに、各往復流路のターン流路27r間で冷却液5が移動可能なように、ターン流路27r間の仕切りを開放している。
すなわち、変形例2では図32に示すように、図31(a)に示したターン流路27r−1、ターン流路27r−2、及び、ターン流路27r−3の領域における仕切りを無くしている。言い換えると、冷却液5の流れガイド27mを、ターン流路27rの領域の部分で一旦切り欠き、往流路27pと復流路27qとの領域だけが流れガイド27mで仕切られている。
これにより、隣接する往流路27pと仕切りで区分けされた各往復流路の往流路27pを流れてきた冷却液5が、各ターン流路27rの開放領域で一旦合流し混ざり合った後、隣接する復流路27qと仕切りで区分けされた各往復流路の復流路27qに分流されて流れる。このように、各往復流路を流れる冷却液5を途中で一旦合流させることで、各往復流路内を流れる冷却液5の温度を均等にし、冷却プレート11の温度勾配をさらに低減させることができる。
[構成例20]
複数の往復流路のそれぞれに冷却液5を流す場合、冷却液循環手段20の配備方法には二通りあり、図28のように、それぞれの流路27に専用の冷却液循環手段20を用意する場合と、図7のように、1セットの冷却液循環手段20を共用する場合とがある。
しかしながら、専用の冷却液循環手段20を用意する場合は、冷却装置12の大きさや必要スペースやコストなどに問題がある。また、1セットの冷却液循環手段20を共用する場合も、共用することによる問題、例えば大型のポンプやラジエータが必要になる。そのため、専用の冷却液循環手段20を用意する場合よりは改善されるが、パイプ(配管部材)の長さや配設レイアウトの複雑さ(煩雑さ)及び設置スペースなどの問題が多少残る。
ただし、図28や図7などの冷却液循環システム構成の場合は、分割した全ての流路27に同じ温度の冷えた冷却液5を等しく流入させることができるので、冷却効率としては両者とも非常に高い。したがって、高い冷却性能を必要とする例えば大型でハイエンドな印刷機などの画像形成装置に適した構成と言える。
一方、本実施形態では、高い冷却性能を必要としない例えばローエンドからミドルレンジの小型な画像形成装置に適応させるため、冷却効率は多少下がるが、1セットの冷却液循環手段20で済むようにして、上記不具合を解決した。
1セットのみの冷却液循環手段20と言っても図7のように各流路に対して共用するのではなく、全ての流路が連通するように隣の流路同士をターン流路で連結し、連通させる。これにより、冷却プレート11における冷却液循環手段20と連結する流入口25及び排出口28はそれぞれ1箇所となり、図7で用いたような分岐手段や集合手段の無い1本の流路で形成された冷却液循環システムとすることができる。
図33(a)は冷却プレート11を上方から見た場合の断面図である。図33(b)は冷却プレート11を用紙搬送方向から見た場合の断面図である。
本構成例においては、図30(a)に示した、往流路27p、復流路27q、及び、ターン流路27rから成る、狭間隙で小幅な3組の往復流路を、図33に示すように第2のターン流路27sを用いて隣の往復流路と繋いでいる。
これにより、冷却液循環手段20が1セットで済むと共に、冷却プレート11の一方側で冷却液循環手段20と連結することができるので画像形成装置の小型化を図ることができる。なお、全ての往復流路を連通して冷却液5を流すので、冷却プレート11を全体的に見ると冷却液5の流通方向の温度勾配を低減させることができる。
本実施形態では、これまで熱交換装置を定着後の用紙4を冷却する冷却手段である冷却装置12に適応したが、同じように用紙4の冷却手段として、定着後の用紙4のカールを矯正するカール矯正装置や、用紙4に形成されたトナー画像の光沢度を制御する光沢制御装置など、出力した画像品質や用紙状態品質の高品位化装置としても適応可能ある。これらの場合においても、冷却装置12と同様に、熱定着装置116の直後に熱交換装置を配設すれば良い。また、本実施形態の熱交換装置は冷却手段としてだけではなく、実施形態1で説明したような加温装置212としても用いることができる。
以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
(態様A)
シート状部材搬送方向と直交する方向に流動媒体が流れる流路が内部に形成された熱交換体と、前記流路の流動媒体流れ方向上流側と下流側それぞれに設けられた流入口と排出口とに連通させた配管を通して前記流路に流動媒体を搬送する流動媒体搬送手段とを備え、前記熱交換体の熱交換面にシート状部材を直接または熱伝達部材を介して接触させて該シート状部材と前記流動媒体との間で熱交換を行う熱交換装置において、前記流路を複数設け、それらの流路を搬送体搬送方向に沿うように隣接配置した。これにより、狭間隙の流路27を複数化することで各流路27を小幅としたので、各流路27における端部周辺の流速を増加させ、流速の速度差をなくすことができる。よって、冷却プレート11の冷却性能を向上させることができる。
(態様B)
(態様A)において、流路27の用紙搬送方向の幅をLとし流路27の高さをGとするとG<Lの関係を満たすことで、流路27の高さGが流路27の用紙搬送方向の幅Lよりも小さいので、前記高さGが前記幅Lより大きい場合よりも流路27内の冷却液5を少なくすることができる。これにより、前記高さGが前記幅Lよりも大きい場合よりも、用紙4と冷却液5との間で熱交換が行われた際に流路27内で熱が拡散し得る冷却液5の量が少なく、冷却液5の単位体積当たりの熱量が多くなる。よって、排出口28から排出された冷却液5の単位体積当たりの熱量が多くなり、流路27内の冷却液5中に熱が残留し難くなるので、流路27内の冷却液5と用紙4との温度差が小さくなるを抑えられ、冷却液5と用紙4との間での熱交換効率を向上させることができる。また、冷却プレート11内に形成した流路をG<Lの関係を満たすような広幅で狭間隙な形状としたので、冷却液5が流路全域でスムースに流れ熱交換効率が向上し、その結果、用紙4の効率的な冷却が可能となる。
(態様C)
(態様A)または(態様B)において、複数の流路27を用紙搬送方向に沿って並べて配置し、用紙4、或いは冷却ベルト15が接触する冷却プレート11の冷却面19と同程度の面積領域をカバーすることで、冷却プレート全域の冷却性能を向上させることができる。
(態様D)
(態様A)、(態様B)または(態様C)において、パイプPから分岐された分岐配管部材である中継ジョイントJ1が設けられており、複数の流路27それぞれに形成された流入口25と中継ジョイントJ1とを連通させたことで、複数の流入口25を有する冷却プレート11であっても中継ジョイントJ1を用いるので、冷却液循環手段20を共有することができ、低コスト、省スペース、省電力化、配管部材の取り扱いなどの有利性を図ることができる。
(態様E)
(態様A)、(態様B)または(態様C)において、上記入口開口部と上記出口開口部とを上記複数の流路それぞれに対して複数箇所設けた。これによれば、上記実施形態について説明したように、熱交換体の熱交換面全域に亘って熱交換効率の向上を図ることができる。
(態様F)
(態様E)において、冷却プレート11内に設けられ複数の流路27それぞれに形成された入口開口部26と流入用パイプP3とに連通しパイプP3から送られてきた冷却液5を各流路27に分配する分配流導路27dを有することで、各流路27の全域に亘って均一な流れを発生させることができる。よって、冷却プレート11の熱交換率が非常に良くなり、用紙4に対する冷却性能を向上させることができる。
(態様G)
(態様A)、(態様B)、(態様C)、(態様D)、(態様E)または(態様F)において、冷却プレート11内に設けられ流路27の冷却液流れ方向上流側に連通する複数の流入路と、冷却プレート11内に設けられ複数の流入路と配管とに連通し配管から送られてきた冷却液5を各流入路に分配する分配流入路を有することで、更なる低コスト化、省スペース化、配管作業性の向上を図ることができる。また、パイプPの連結箇所を大幅に減らせるので、連結箇所からの液漏れの危険性を低減させたり、冷却液5の流れの圧力損失を低減させたりすることができ、省電力化や冷却液5の流速アップが可能となる。
(態様H)
(態様A)、(態様B)、(態様C)、(態様D)、(態様E)、(態様F)または(態様G)において、流路27の入口開口部近傍及び出口開口部近傍に流路27が用紙搬送方向に徐々に広がる扇形形状の領域を設けたことで、流路全域で冷却液5がスムースに流れ、冷却プレート11の熱交換効率が良くなり、用紙4に対する冷却性能を向上させることができる。
(態様I)
(態様A)、(態様B)、(態様C)、(態様D)、(態様E)、(態様F)、(態様G)または(態様H)において、流路27の流入路近傍に前記流入路から流路27内に流入してきた冷却液5を用紙搬送方向に拡散させる流動媒体拡散手段である冷却液拡散手段30を設けたことで、流路全域にわたって冷却液5の流れが更にスムースになって、冷却プレート11の熱交換効率が良くなり、用紙に対する冷却性能がより一層向上する。
(態様J)
(態様A)、(態様B)、(態様C)、(態様D)、(態様E)、(態様F)、(態様G)、(態様H)または(態様I)において、冷却プレート11の冷却面19から冷却面19と対向する外周面である外上面11dまでの高さをHとしたとき、冷却プレート11の冷却面19からH/2の位置よりも冷却面19に近い位置に流路27を形成したことで、冷却面19との高い熱交換応答性、高効率な冷却、或いは加温を可能となる。
(態様K)
(態様A)、(態様B)、(態様C)、(態様D)、(態様E)、(態様F)、(態様G)、(態様H)、(態様I)または(態様J)において、入口開口部26の直径をDとし、入口開口部26の配設数をnとし、流路27の用紙搬送方向の幅をLとし、流路27の高さをGとすると、L>Gであり、L≒D×nまたはL>D×n、並びに、G≒D×nまたはG<D×nの関係を満たすことで、流路27を冷却液5が全域で速くスムースに流れる流路形状に設定したので、冷却液5と用紙4との間での熱交換効率がさらに向上し、用紙4をより効率的に冷却することができる。
(態様L)
(態様A)、(態様B)、(態様C)、(態様D)、(態様E)、(態様F)、(態様G)、(態様H)、(態様I)、(態様J)または(態様K)において、流路27の冷却液流れ方向と直交する方向の断面積をAとし、入口開口部26の冷却液流れ方向と直交する方向の断面積をBとし、入口開口部26の配設数をnとすると、A≦B×nの関係を満たすことで、流路27を冷却液5が全域で速くスムースに流れる流路形状に設定したので、冷却液5と用紙4との間での熱交換効率がさらに向上し、用紙4をより効率的に冷却することができる。
(態様M)
(態様A)において、複数の流路27の内、少なくとも二箇所の流路27における冷却液5の流通方向を相対する向きとしたことで、熱交換体全域の温度が略一様となり、冷却性能の均一化を図ることができるので、用紙4に対する冷却性能を向上させることができる。
(態様N)
(態様A)において、複数の流路27の内、隣り合う流路同士の冷却液5の流通方向を相対する向きとしたことで、温度勾配を低減させることができ、冷却性能の均一化を図ることができる。
(態様O)
(態様A)において、複数の流路27を半数に分け、一方の半数の流路27と、他方の半数の流路27とを流れる冷却液5の流通方向を相対する向きとしたことで、温度勾配を低減させることができ、冷却性能の均一化を図ることができる。
(態様P)
(態様M)、(態様N)または(態様O)において、複数の流路27に対して1組の冷却液循環手段20で冷却液5を循環させることで、低コスト、省スペース、省電力化を図ることができる。
(態様Q)
(態様M)、(態様N)、(態様O)または(態様P)において、複数の流路27全てを連通し、冷却液5が冷却プレート11内を往復循環する往復流路を形成したことで、用紙4に対する冷却性能の向上を図るとともに、冷却装置12の小型化、省スペース化及び低コスト化をさらに図ることができる。
(態様R)
(態様M)、(態様N)、(態様O)、(態様P)または(態様Q)において、流路27を2×n(n:自然数)箇所設けたことで、流路27が偶数の場合は、全ての流路形状が同じで、そこを流れる全ての冷却液5の流量や流速や温度などを同じにして冷却プレート11の温度を略一様とし、温度勾配をなくすことができ、冷却性能の均一化を図ることができる。
(態様S)
(態様M)、(態様N)、(態様O)、(態様P)、(態様Q)または(態様R)において、冷却液5が流入する流入口25と冷却液5を排出する排出口28とを、複数の流路27それぞれに対して複数箇所設けたことで、冷却プレート全域にわたって熱交換効率の向上を図ることができ、用紙4を全体的に略一定温度とすることが可能となる。
(態様T)
(態様S)において、複数の流路27それぞれに設けた複数箇所の流入部と排出部とを、流路同士間で連結し往復流路を形成したことで、さらなる冷却プレート11の熱交換効率の向上を図ることができる。
(態様U)
(態様A)において、上記複数の流路のうち、少なくとも2つの流路を往流路27pなどの往流路と復流路27qなどの復流路として連通させて上記熱交換体内で上記流動媒体を往復循環させるターン流路27rなどのターン流路を熱交換体内に形成した。これによれば、上記実施形態について説明したように、省スペース化を図りつつ、冷却性能の均一化を図ることができる。
(態様V)
(態様U)において、上記往流路及び上記復流路のシート状部材搬送方向の幅をLとし前記流路の高さをGとするとG<Lの関係を満たす。これによれば、上記実施形態について説明したように、流動媒体とシート状部材との間での熱交換効率を向上させることができる。
(態様W)
(態様V)において、上記ターン流路の幅をWとし該ターン流路の高さをGとするとG<Wの関係を満たす。これによれば、上記実施形態について説明したように、流動媒体とシート状部材との間での熱交換効率を向上させることができる。
(態様X)
(態様U)、(態様V)または(態様W)において、上記ターン流路は往流路及び復流路と略同じ断面形状の流路である。これによれば、上記実施形態について説明したように、熱交換体内の流路全域において速くスムースに流れていた流動媒体を、より均一に流れるようにすることができる。
(態様Y)
(態様U)、(態様V)、(態様W)または(態様X)において、上記往流路と上記復流路と上記ターン流路とから成る往復流路内で、幅方向に略均一に広がって流れるように、該流動媒体を整流する流れガイド27mなどのガイド手段を、前記往復流路内に設けた。これによれば、上記実施形態について説明したように、熱交換体内の各流路のどの領域においても流動媒体が略均一に流れるようにすることができる。
(態様Z)
(態様U)、(態様V)、(態様W)、(態様X)または(態様Y)において、上記入口開口部と上記出口開口部それぞれを用紙搬送方向に複数設けた。これによれば、上記実施形態について説明したように、熱交換体の冷却面全域に亘って熱交換効率の向上を図ることができる。
(態様a)
(態様U)、(態様V)、(態様W)、(態様X)、(態様Y)または(態様Z)において、上記熱交換体内に、上記往流路と上記復流路と上記ターン流路とから成る複数の往復流路を用紙搬送方向に並べて設けた。これによれば、上記実施形態について説明したように、熱交換体の冷却面全域に亘って熱交換効率の向上を図ることができる。
(態様b)
(態様a)において、上記熱交換体内に二組以上の往復流路を設けており、用紙搬送方向上流側の往流路と用紙搬送方向下流側の復流路とを上記ターン流路で連通して一組の往復流路を形成した。これによれば、上記実施形態について説明したように、より冷却性能が向上させることができる。
(態様c)
(態様b)において、複数の上記往復流路の各往流路を流れる上記流動媒体が、各ターン流路で一旦合流した後、各復流路に分流して流れるように、各ターン流路の仕切りを解放した。これによれば、上記実施形態について説明したように、熱交換体の温度勾配をさらに低減させることができる。
(態様d)
(態様a)において、複数の上記往流路と複数の上記復流路とをターン流路27rや第2のターン流路27sなどの複数のターン流路で連通し、用紙搬送体搬送方向最上流側の往流路のみに上記入口開口部を設け、用紙搬送方向最下流側の復流路のみに上記出口開口部を設けた。これによれば、上記実施形態について説明したように、熱交換装置が搭載される画像形成装置の小型化を図ることができるとともに、流動媒体の流通方向の温度勾配を低減させることができる。
(態様e)
(態様U)、(態様V)、(態様W)、(態様X)、(態様Y)、(態様Z)、(態様a)、(態様b)、(態様c)または(態様d)において、上記ターン流路の少なくとも一部が、該ターン流路を流れる流動媒体と上記シート状部材との間で熱交換を行うための有効領域内にある。これによれば、上記実施形態について説明したように、省スペース化を図りつつ、冷却性能の均一化を図ることができる。
(態様f)
用紙4上にトナー像を形成するトナー像形成手段と、用紙4上に形成されたトナー像を少なくとも熱によって用紙4に定着させる熱定着手段である熱定着装置116と、熱定着装置116によってトナー像が定着された用紙4を冷却する冷却手段とを備えた画像形成装置において、前記冷却手段として、本発明の冷却プレート11を有する熱交換装置である冷却装置12を用いることで、高い冷却性能を持つ冷却プレート11を有する冷却装置12を画像形成装置に搭載したので、出力した画像品質や用紙状態品質の高品位化が可能となる。
(態様g)
用紙4上にトナー像を形成するトナー像形成手段と、前記用紙4上に形成されたトナー像を少なくとも熱によって該用紙4に定着させる熱定着手段と、前記用紙4を加温する加温手段とを備えた画像形成装置において、前記加温手段として、本発明の加温プレート211を有する熱交換装置である加温装置212を用いることで、高い加温性能を持つ加温プレート211を有する加温装置212を画像形成装置に搭載したので、出力した画像品質や用紙状態品質の高品位化が可能となる。