JP6566312B2 - 冷却装置、及び、画像形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、発熱部材を冷却する冷却装置と、それを備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ、又は、それらの複合機等の画像形成装置と、に関するものである。

従来から、複写機やプリンタ等の画像形成装置において、発熱部材を冷却する冷却装置として、熱電変換素子を用いて定着装置で生じる熱を電力に変換して、変換した電力や主電源から出力される電力を適宜に切り替えながら冷却ファンを駆動して、定着装置を冷却する技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

一方、特許文献３には、ペルチェ素子を温度センサとして用いて、定着装置の定着温度を検知する技術が開示されている。

従来の技術は、発熱部材を冷却する冷却装置において、発熱部材がそれほど発熱していなくて発熱部材を積極的に冷却する必要のないときまで冷却ファンを無駄に駆動してしまって、冷却ファンの消費電力が大きくなってしまう可能性があった。
このような問題を解決するために、発熱部材の温度を直接的に検知する温度センサを設置して、その温度センサの検知結果に基いて冷却ファンをオン・オフ制御する方策が考えられる。しかし、その場合、温度センサを設置するためのスペースやコストが余計に必要になってしまうことになる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、発熱部材の温度を直接的に検知する温度センサを設置することなく、発熱部材を冷却する必要のないときまで冷却ファンが無駄に駆動されずに、冷却ファンの消費電力が大きくなってしまう不具合が軽減される、冷却装置、及び、画像形成装置を提供することにある。

この発明の請求項１記載の発明にかかる冷却装置は、画像形成装置に設置される冷却装置であって、モータを冷却する冷却ファンと、前記モータから生じた熱を電力に変換する熱電変換素子と、前記熱電変換素子によって変換された電力の大きさを検知する検知手段と、を備え、連続通紙において、前記冷却ファンは、ＰＷＭ制御により駆動されて、前記検知手段によって検知された電力の大きさが増加して第１所定値に達した直後から所定時間が経過するまでの間にＰＷＭデューティが起動最小値から狙い値に漸増されながら駆動が開始されて、ＰＷＭデューティが前記狙い値に達した後はその状態で駆動が続けられて、前記検知手段によって検知された電力の大きさが減少して前記第１所定値よりも小さな第２所定値に達した直後から所定時間が経過するまでの間にＰＷＭデューティが前記狙いの値から前記起動最小値に漸減されて駆動が停止されるように制御されるものである。

本発明によれば、発熱部材の温度を直接的に検知する温度センサを設置することなく、発熱部材を冷却する必要のないときまで冷却ファンが無駄に駆動されずに、冷却ファンの消費電力が大きくなってしまう不具合が軽減される、冷却装置、及び、画像形成装置を提供することができる。

この発明の実施の形態における画像形成装置を示す全体構成図である。 発熱部材と冷却装置とを示す構成図である。 冷却装置において、熱電変換素子の変換電力の変化と、冷却ファンのオン・オフ制御と、の関係を示すグラフである。 変形例１としての、熱電変換素子の変換電力の変化と、冷却ファンのＰＷＭ制御におけるＰＷＭデューティと、の関係を示すグラフである。 変形例２としての、発熱部材と冷却装置とを示す構成図である。

実施の形態．
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

まず、図１にて、画像形成装置における全体の構成・動作について説明する。
図１において、１は画像形成装置としての複写機、２は原稿Ｄの画像情報を光学的に読み込む原稿読込部、３は原稿読込部２で読み込んだ画像情報に基いた露光光Ｌを感光体ドラム５上に照射する露光部、４は感光体ドラム５上に形成された潜像を現像してトナー像（画像）を形成する現像装置、５は像担持体としての感光体ドラム、６は感光体ドラム５の表面を帯電する帯電装置、７は感光体ドラム５上に形成されたトナー像を記録媒体Ｐに転写する転写装置（転写ローラ）、８は感光体ドラム５上に残留した未転写トナーを除去するクリーニング装置、１０はセットされた原稿Ｄを原稿読込部２に搬送する原稿搬送部、１２は記録媒体Ｐ（用紙）が収納された給紙部（給紙カセット）、２０は記録媒体Ｐにおいてトナー像（未定着画像）を定着する定着装置、２１は定着装置２０に設置された定着ローラ、２２は定着装置２０に設置された加圧ローラ、２４は給紙部１２にセットされた記録媒体Ｐを給送する給紙ローラ、２５は転写装置７（転写ニップ）に向けて記録媒体Ｐを搬送するタイミングローラ（レジストローラ）、２６は定着工程後の記録媒体Ｐを搬送する搬送ローラ（排紙ローラ）、３０、３１は給紙ローラ２４、搬送ローラ２６などのローラ部材を回転駆動するモータ（ステッピングモータ）、４０はモータ３０、３１を冷却する冷却装置、を示す。

図１を参照して、画像形成装置における、通常の画像形成時の動作について説明する。
まず、原稿Ｄは、原稿搬送部１０の搬送ローラによって、原稿台から図中の矢印方向に搬送されて、原稿読込部２上を通過する。このとき、原稿読込部２では、上方を通過する原稿Ｄの画像情報が光学的に読み取られる。
そして、原稿読込部２で読み取られた光学的な画像情報は、電気信号に変換された後に、露光部３（書込装置）に送信される。そして、露光部３からは、その電気信号の画像情報に基づいた露光光Ｌ（レーザ光）が、感光体ドラム５上に向けて発せられる。

一方、像担持体としての感光体ドラム５は図中の時計方向に回転しており、所定の作像プロセス（帯電工程、露光工程、現像工程）を経て、感光体ドラム５上に画像情報に対応した画像（トナー像）が形成される。その後、感光体ドラム５上に形成された画像は、転写装置７との対向位置（転写ニップ）で、タイミングローラ２５により搬送された記録媒体Ｐ上に転写される。

詳しくは、感光体ドラム５は、図１の時計方向に回転している。そして、まず、感光体ドラム５の表面は、帯電装置６との対向位置で、一様に帯電される（帯電工程である。）。こうして、感光体ドラム５上には、帯電電位が形成される。
その後、帯電された感光体ドラム５の表面は、露光光Ｌの照射位置に達する。そして、感光体ドラム５の表面に、原稿読込部２で読み込んだ画像情報に基いた静電潜像が形成される（露光工程である。）。
その後、静電潜像が形成された感光体ドラム５の表面は、現像装置４との対向位置に達する。そして、現像装置４から感光体ドラム５上にトナーが供給されて、感光体ドラム５上の潜像が現像される（現像工程である。）。
その後、現像工程後の感光体ドラム５の表面は、転写装置７との対向位置（転写ニップ）に達する。そして、転写装置７の位置で、記録媒体Ｐ上に、感光体ドラム５上に形成されたトナー像が転写される（転写工程である。）。
そして、転写工程後の感光体ドラム５の表面は、クリーニング装置８との対向位置に達する。そして、クリーニング装置８で、感光体ドラム５上に残存する未転写トナーが除去・回収される（クリーニング工程である。）。
その後、感光体ドラム５の表面は、不図示の除電部を通過して、感光体ドラム５における一連の作像プロセスが終了する。

一方、転写装置７の位置（転写ニップ）に搬送される記録媒体Ｐは、次のように動作する。
まず、給紙部１２に収納された記録媒体Ｐの最上方の１枚が、モータ３０によって回転駆動される給紙ローラ２４によって、複数の搬送ローラが設置された搬送経路に向けて給送される。その後、記録媒体Ｐは、タイミングローラ２５の位置に達する。そして、タイミングローラ２５の位置に達した記録媒体Ｐは、感光体ドラム５上に形成された画像と位置合わせをするためにタイミングを合わせて、転写装置７（転写ニップ）に向けて搬送される。

そして、転写工程後の記録媒体Ｐは、転写装置７の位置を通過した後に、搬送経路を経て定着装置２０に達する。定着装置２０に達した記録媒体Ｐ（未定着画像が担持された記録媒体Ｐである。）は、定着ローラ２１（熱源としてのヒータが内設されている。）と加圧ローラ２２との間に送入されて、定着ローラ２１から受ける熱と双方の部材２１、２２から受ける圧力とによってトナー像（画像）が定着される。トナー像が定着された記録媒体Ｐは、定着ローラ２１と加圧ローラ２２との間（定着ニップである。）から送出された後に、モータ３１によって回転駆動される搬送ローラ２６（排紙ローラ）によって搬送されて、画像形成装置本体１から排出される。
こうして、一連の画像形成プロセスが完了する。

次に、図２、図３等を用いて、本実施の形態における画像形成装置１において、特徴的な冷却装置４０の構成・動作ついて詳述する。
なお、図２では、給紙ローラ２４を駆動するモータ３０を冷却する冷却装置４０について図示しているが、搬送ローラ２６を駆動するモータ３１を冷却する冷却装置４０も同じように構成されているため、以下、その説明を適宜に省略する。
先に図１を用いて説明したように、本実施の形態における画像形成装置１には、給紙ローラ２４や搬送ローラ２６などのローラ部材を回転駆動するモータ３０、３１が設置されている。これらのモータ３０、３１は、発熱部材であって、連続的に駆動される時間（駆動時間）が長くなるほど、その温度上昇が大きくなって高温に達する。したがって、１ジョブ当りの記録媒体Ｐの通紙枚数が１枚である場合などにはモータ３０、３１の温度上昇は小さく、１ジョブ当りの記録媒体Ｐの通紙枚数が多い場合（連続通紙時である。）にはモータ３０、３１の温度上昇は大きくなる。そして、モータ３０、３１の温度上昇が大きくなると、モータ３０、３１の駆動力が低下して記録媒体Ｐの搬送不良が生じる不具合や、モータ３０、３１の周囲の温度が高くなって、その周辺の部品が熱劣化してしまったり、その周辺の部品に付着したトナー（装置内で飛散して付着したトナーである。）が固着してしまったりする不具合、などが生じてしまうことになる。

そのような不具合を防止するために、本実施の形態における画像形成装置１には、発熱部材としてのモータ３０、３１を冷却する冷却装置４０がそれぞれ設置されている。
図２を参照して、冷却装置４０には、冷却ファン４１、熱電変換素子としてのペルチェ素子４２、放熱部としてのフィン４３、検知手段としての検知部５３、断熱材４５、などが設けられている。

冷却ファン４１は、公知の軸流ファンであって、発熱部材としてのモータ３０を冷却するものである。具体的に、冷却ファン４１は、画像形成装置１内の空気を吸引して、吸引した空気をモータ３０に向けて白矢印方向に吐出することで、モータ３０を冷却するように構成されている。なお、本実施の形態において、駆動時におけるモータ３０の消費電力は１９２０ｍＷ程度である。

熱電変換素子としてのペルチェ素子４２は、モータ３０（発熱部材）から生じた熱を電力に変換するものである。ペルチェ素子４２（熱電変換素子）は、モータ３０（発熱部材）に接続されて、モータ３０から受けた熱の一部を放熱する放熱部としてのフィン４３が設けられている。詳しくは、ペルチェ素子４２の第１面が高温側の発熱部４２ａとしてモータ３０の側面に面接触するように設置されて、ペルチェ素子４２の第２面（発熱部４３ａに対して反対側に形成された面である。）が低温側の放熱部としてフィン４３の側面に面接触するように設置されている。
ペルチェ素子４２としては、公知のものを用いることができて、ゼーベック係数をαとして、モジュール内部抵抗をＲとして、高温側と低温側との温度差をΔＨとしたときに、その熱電変換される出力の最大値Ｐは、
Ｐ＝（α・ΔＨ）²／（４Ｒ）
となる。

また、放熱部としてのフィン４３は、熱伝導率の高いアルミニウムなどの材料からなり、ペルチェ素子４２に面接触する片側の面は平面状に形成されて、その反対側には表面積を大きくして放熱性を高めるために複数の突起が形成されている。
なお、本実施の形態では、モータ３０（発熱部材）とフィン４３（放熱部）とが断熱材４５によって仕切られている。これにより、ペルチェ素子４２の高温側の熱によって低温側の温度が高められて、高温側と低温側との温度差ΔＨが小さくなって、ペルチェ素子４２から出力される電力が低下してしまう不具合を軽減することができる。

検知手段としての検知部５３は、ペルチェ素子４２（熱電変換素子）によって変換された電力の大きさを検知するものである。詳しくは、検知部５３（検知手段）は、公知の電圧測定器であって、ペルチェ素子４２から出力された電力が蓄電池５２に入力される回路中に設置されていて、ペルチェ素子４２から出力された電力を測定して、その結果がデータとして制御部５０に送られる。

また、本実施の形態における画像形成装置１には、図２に示すように、ペルチェ素子４２（熱電変換素子）によって変換された電力を蓄電する蓄電池５２が、主電源５１とは別に設けられている。主電源５１は、商用電源に接続される電源であって、商用電源から供給された電力をＤＣ変換などした後に画像形成装置１内のモータ３０、３１や冷却ファン４１などのすべての電気部品に電力を供給するものである。主電源５１から各電気部品への電力の供給は、画像形成装置１のメインスイッチがオン・オフされるのに連動してオン・オフされることになる。

ここで、冷却ファン４１は、主電源５１とは別に蓄電池５２からも電力が供給されるように構成されている。詳しくは、制御部５０による制御によって、主電源５１から冷却ファン４１に電力を供給するか、蓄電池５２から冷却ファン４１に電力を供給するかが、適宜に選択されることになる。例えば、メインスイッチのオフに連動して主電源５１がオフされている場合や、蓄電池５２に蓄電された電力が充分であって主電源５１から出力される電力を小さくして省エネルギー化したい場合などであって、冷却ファン４１を駆動する必要があるときなどには、蓄電池５２から冷却ファン４１に電力が供給されることになる。
なお、本実施の形態において、蓄電池５２は、冷却ファン４１の他に、モータ３０にも接続されていて、モータ３０への電力の供給をもおこなえるように構成されている。

このように、発熱部材としてのモータ３０、３１にペルチェ素子４２（熱電変換素子）を設置して、モータ３０、３１から生じる熱を電力に変換して、変換した電力を蓄電池５２に蓄えて回生することにより、画像形成装置１における消費電力を抑えることができる。

ここで、図３を参照して、本実施の形態において、冷却ファン４１は、検知部５３（検知手段）によって検知された電力の大きさが増加して第１所定値Ｗ１（本実施の形態では６ｍＷである。）に達した後に駆動が開始されて、検知部５３によって検知された電力の大きさが低下して第２所定値Ｗ２（第１所定値Ｗ１よりも小さな値であって、本実施の形態では４ｍＷである。）に達した後に駆動が停止されるように制御される。

詳しくは、ペルチェ素子４２から出力される電力が第１所定値Ｗ１以下の範囲で徐々に増加していく状態が検知部５３で検知された場合には、モータ３０が連続的に駆動される時間がそれほど長くなく、モータ３０の発熱量がそれほど大きくなくて、先に説明したモータ３０の発熱による不具合（駆動力の低下やトナー固着などの不具合である。）が生じにくいものとして、制御部５０の制御によって主電源５１（又は、蓄電池５２）から冷却ファン４１への電力供給がおこなわれずに、冷却ファン４１の駆動が停止（オフ）される。これにより、モータ３０の冷却が必要でないときに、冷却ファン４１によってモータ３０が無駄に冷却される不具合が抑止される。

これに対して、ペルチェ素子４２から出力される電力が徐々に増加していって第１所定値Ｗ１に達した状態が検知部５３で検知された場合には、モータ３０が連続的に駆動される時間が長くなり、モータ３０の発熱量が大きくなって、先に説明したモータ３０の発熱による不具合（駆動力の低下やトナー固着などの不具合である。）が生じやすいものとして、制御部５０の制御によって主電源５１（又は、蓄電池５２）から冷却ファン４１への電力供給がおこなわれて、冷却ファン４１の駆動が開始（オン）される。これにより、モータ３０は冷却ファン４１によって冷却されて、モータ３０の発熱による不具合が防止される。

そして、冷却ファン４１によってモータ３０が冷却されていくと、ペルチェ素子４２の高温側の温度低下によって高温側（モータ３０）と低温側（フィン４３）との温度差ΔＨが小さくなっていって、ペルチェ素子４２から出力される電力も徐々に小さくなっていく。
そして、ペルチェ素子４２から出力される電力が第１所定値Ｗ１から徐々に減少していって第２所定値Ｗ２に達した状態が検知部５３で検知された場合には、冷却ファン４１によるモータ３０の冷却が充分であって、モータ３０の温度上昇がそれほど大きくなくて、再びモータ３０の発熱による不具合が生じにくくなったものとして、再び、制御部５０の制御によって主電源５１（又は、蓄電池５２）から冷却ファン４１への電力供給がおこなわれずに、冷却ファン４１の駆動が停止（オフ）される。これにより、モータ３０の冷却が必要でないときに、冷却ファン４１によってモータ３０が無駄に冷却される不具合が抑止される。
連続通紙時には、図３に示すようなサイクルが繰り返されることになる。なお、第１所定値Ｗ１と第２所定値Ｗ２とは、冷却ファン４１の冷却性能、モータ３０の発熱特性、ペルチェ素子４２による電力変換の度合い、モータ３０の発熱による不具合の状況、などに応じて、適宜に最適な値に設定される。

このように、本実施の形態では、モータ３０（発熱部材）の発熱による不具合を防止しつつ、モータ３０の温度を直接的に検知する温度センサを設置することなく、モータ３０がそれほど発熱していなくてモータ３０を積極的に冷却する必要のないときまで冷却ファン４１を無駄に駆動してしまって、冷却ファン４１の消費電力が大きくなってしまう不具合を確実に軽減することができる。

なお、本実施の形態において、変形例１として、冷却ファン４１をＰＷＭ制御により駆動することもできる。その場合、図４に示すように、冷却ファン４１は、検知部５３（検知手段）によって検知された電力の大きさが増加して第１所定値Ｗ１に達した直後から所定時間Ｔが経過するまでの間にＰＷＭデューティが起動最小値Ｚ（本実施の形態では２０％である。）から狙い値Ｘ％に漸増されながら駆動が開始されて、検知部５３によって検知された電力の大きさが減少して第２所定値Ｗ２に達した直後から所定時間Ｔが経過するまでの間にＰＷＭデューティが狙いの値Ｘ％から起動最小値Ｚに漸減されて駆動が停止されるように、制御することができる。
このような制御をおこなうことで、冷却ファン４１が、駆動開始時に急激に最大出力で駆動されたり、駆動停止時に最大出力から急激に駆動停止されたりしないため、冷却ファン４１の駆動開始時や駆動停止時に生じやすい音圧レベルの変化量を小さくすることができる。
なお、上述した冷却ファン４１のＰＷＭ制御におけるＰＷＭデューティの狙いの値Ｘ％は、冷却ファン４１の性能などに応じて適宜設定される値である。

また、本実施の形態において、図５に示すように、フィン４３（放熱部）が、冷却ファン４１によって冷却されるように構成することもできる。
詳しくは、図５に示すように、フィン４３の突起部を覆うようにダクト４６が設置されている。そして、冷却ファン４１は、モータ３０に加えて、フィン４３をも冷却するように構成されている。具体的に、冷却ファン４１から吐出された空気の一部は、モータ３０に直接的に当てられてモータ３０が冷却される。また、冷却ファン４１から吐出された空気の一部は、ダクト４６に流入されて、ダクト４６に流入された空気によってフィン４３が冷却される。
このように構成した場合には、冷却ファン４１によってペルチェ素子４２における低温側（フィン４３）の温度を低下できるために、冷却ファン４１によるモータ３０の冷却によってペルチェ素子４２における高温側の温度が低下しても、ペルチェ素子４２から出力される電力が低くなりにくくなる。そのため、ペルチェ素子４２による熱電変換効率の低下を軽減しつつ、モータ３０の発熱による不具合を防止して、モータ３０の温度を直接的に検知する温度センサを設置することなく、冷却ファン４１の消費電力が大きくなってしまう不具合を軽減することができる。

以上説明したように、本実施の形態においては、モータ３０（発熱部材）から生じた熱を電力に変換するペルチェ素子４２（熱電変換素子）と、ペルチェ素子４２によって変換された電力の大きさを検知する検知部５３（検知手段）と、を設けて、モータ３０を冷却する冷却ファンが、検知部５３によって検知された電力の大きさが増加して第１所定値Ｗ１に達した後に駆動が開始されて、検知部５３によって検知された電力の大きさが低下して第１所定値Ｗ１よりも小さな第２所定値Ｗ２に達した後に駆動が停止されるように制御されている。
これにより、モータ３０の温度を直接的に検知する温度センサを設置することなく、モータ３０を冷却する必要のないときまで冷却ファン４１が無駄に駆動されずに、冷却ファン４１の消費電力が大きくなってしまう不具合を軽減することができる。

なお、本実施の形態では、モノクロの画像形成装置１に設置される冷却装置４０に対して本発明を適用したが、カラーの画像形成装置に設置される冷却装置に対しても当然に本発明を適用することができる。
また、本実施の形態では、給紙ローラ２４や搬送ローラ２６などのローラ部材を回転駆動するモータ３０、３１を冷却する冷却装置に対して本発明を適用したが、その他の発熱部材（例えば、定着装置２０である。）を冷却する冷却装置に対しても本発明を適用することができる。
そして、それらの場合であっても、本実施の形態のものと同様の効果を得ることができる。

なお、本発明が本実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、本実施の形態の中で示唆した以外にも、本実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、前記構成部材の数、位置、形状等は本実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。

１ 画像形成装置（画像形成装置本体）、
１２ 給紙部、
２０ 定着装置、
３０、３１ モータ（発熱部材）、
４０ 冷却装置、
４１ 冷却ファン（冷却手段）、
４２ ペルチェ素子（熱電変換素子）、
４２ａ 発熱部、
４３ フィン（放熱部）、
４５ 断熱材、
４６ ダクト、
５１ 主電源、
５２ 蓄電池。

特開２００５−３５２００６号公報 特許第４５３０７７３号公報 特開２０１３−３３１３４号公報

Claims (7)

1. 画像形成装置に設置される冷却装置であって、
   モータを冷却する冷却ファンと、
   前記モータから生じた熱を電力に変換する熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子によって変換された電力の大きさを検知する検知手段と、
   を備え、
   連続通紙において、前記冷却ファンは、ＰＷＭ制御により駆動されて、前記検知手段によって検知された電力の大きさが増加して第１所定値に達した直後から所定時間が経過するまでの間にＰＷＭデューティが起動最小値から狙い値に漸増されながら駆動が開始されて、ＰＷＭデューティが前記狙い値に達した後はその状態で駆動が続けられて、前記検知手段によって検知された電力の大きさが減少して前記第１所定値よりも小さな第２所定値に達した直後から所定時間が経過するまでの間にＰＷＭデューティが前記狙いの値から前記起動最小値に漸減されて駆動が停止されるように制御されることを特徴とする冷却装置。
2. 前記起動最小値は、２０％であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記熱電変換素子によって変換された電力を蓄電する蓄電池を備え、
   前記冷却ファンは、主電源とは別に前記蓄電池からも電力が供給されるように構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記熱電変換素子は、前記モータに接続されて、前記モータから受けた熱の一部を放熱する放熱部を具備し、
   前記放熱部は、前記冷却ファンによって冷却されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
5. 前記モータと前記放熱部とは断熱材によって仕切られたことを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記熱電変換素子は、ペルチェ素子であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の冷却装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか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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