(57)【要約】【課題】画像形成装置外の熱源で発生した熱エネルギーを導入して加熱定着に利用し、定着用加熱装置に由来して発生するＣＯ２を総合的に軽減可能とする。【解決手段】電子写真方式のプリンタＰへ熱媒供給源Ｈから熱媒を供給する熱媒流路２と定着部材５との間にヒートポンプ１を介在させる。熱媒と定着部材５がともに定着に適する温度よりも低い場合、ヒートポンプ１は熱媒から熱を奪い取って定着部材５に送り込む補助加熱動作をする。ヒートポンプ１では定着部材５だけを加熱するので、熱媒を加熱する分の無駄なエネルギーが不要となる。温度センサSで計測した温度に基づき、熱媒の供給を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子写真装置外より導入した熱媒の熱を利用して定着部材を加熱する電子写真装置用の定着装置であって、
前記熱媒供給源と前記定着部材の間に、前記熱媒が担持している熱エネルギーを吸い上げて前記定着部材に供給するヒートポンプを介在させた、ことを特徴とする定着装置。
【請求項２】
請求項１に記載の定着装置において、前記熱媒供給源から前記定着部材に熱媒を供給する経路と、前記定着部材から前記熱媒供給源へ熱媒を戻す排出側の経路と、前記両経路の間をつなぐ迂回経路と、該迂回経路を開閉する弁を備える、ことを特徴とする定着装置。
【請求項３】
請求項２に記載の定着装置において、
前記熱媒供給源から前記定着部材に熱媒を供給する経路で流入する熱媒の温度を計測する温度センサを備え、該温度センサで計測した温度が所定の危険温度か否か、該危険温度未満ではあるが所要の温度を超えている超過温度か否かを判断し、熱媒が前記危険温度以上であれば前記迂回経路を開閉する弁を開けて熱媒を前記排出側の経路を介して前記熱媒供給源側へ排出する、ことを特徴とする定着装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の定着装置において、
前記温度センサで計測した温度が前記危険温度未満で前記超過温度を超えている超過温度か否かを判断し、熱媒の温度が前記超過温度以上であれば前記迂回経路を開閉する弁を適宜開度だけ開けて熱媒を前記排出側の経路を介して前記熱媒供給源側へ部分的に排出する、ことを特徴とする定着装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の定着装置において、前記熱媒供給源から前記定着部材に熱媒を供給する経路中に、該経路内を流れる熱媒との接触面積を増やして熱伝達を向上させるためのフィンを備えた放熱パイプを配した、ことを特徴とする定着装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の定着装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は定着装置および画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式の画像形成装置において、ジュール熱を用いる各種電熱ヒータ（抵抗発熱体や電磁誘導加熱装置など）を用いた加熱定着装置は、電力だけで動作可能であり、電力が入手容易な昨今では、制御も容易で利便性に優れた最も一般的な加熱定着装置として普及している。
【０００３】
特許文献１には、商用電源から電気エネルギーを摂取する第１のエネルギー摂取手段と、燃料の燃焼による熱供給手段からなる第２のエネルギー摂取手段とを有し、前記第２のエネルギー摂取手段によって摂取された熱を定着部に供給することを特徴とする画像形成装置が開示されている。また、第２のエネルギー摂取手段から供給される熱媒による加熱と電熱ヒータによる加熱を組み合わせて加熱定着に用いる構成も開示されている。
【０００４】
画像形成装置外の熱源で発生した熱エネルギーを用いた加熱手段と電気を用いた加熱手段を組み合わせているが、電熱ヒータによる加熱では定着部材と熱媒の双方を加熱してしまうので、その分余計な電力を必要とし、電力会社を通じて大量のＣＯ２を排出する、というものとなっている。
【０００５】
なお、「熱媒」と「冷媒」は、本来は熱を媒介する流体として同じ意味を持つ言葉であるが、本明細書においては便宜的に、電子写真装置外より導入した流体を「熱媒」、定着部材に放熱するヒートポンプの中を循環する流体を「冷媒」と区別して使用する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のような電熱ヒータを用いた定着用加熱装置は、電子写真方式の画像形成装置における消費電力の大半を占め、結果的に電力会社を通じて大量のＣＯ２を排出する。
【０００７】
本発明は、画像形成装置外の熱源で発生した熱エネルギーを導入して加熱定着に利用し、定着用加熱装置に由来して発生するＣＯ２を総合的に軽減可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の定着装置は、電子写真装置外より導入した熱媒の熱を利用して定着部材を加熱する電子写真装置用の定着装置であって、前記熱媒供給源と前記定着部材の間に、前記熱媒が担持している熱エネルギーを吸い上げて前記定着部材に供給するヒートポンプを介在させている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、画像形成装置外の熱源で発生させた熱エネルギーを導入して加熱定着に利用し、定着装置に由来して発生するＣＯ２を総合的に軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る一実施形態の概念図
【図２】本発明に係る一実施形態の概念図
【図３】ヒートポンプとその周辺の図
【図４】定着部材とその周辺の断面図
【図５】熱交換器の断面図
【図６】一定の熱量供給に必要なヒートポンプの負荷推移を示した模式的な３次元グラフ図
【図７】本発明に係る一実施形態の動作のフロー図
【図８】本発明に係る一実施形態の各種数値決定のフロー図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を説明する。この実施形態では、熱媒と定着部材とが直接接触せず、両者の間にヒートポンプが介在する構成であり、熱媒の温度が定着に適した温度よりも低い場合には熱媒が担持している熱エネルギーをヒートポンプが吸い上げて定着部材に付与し、結果として定着部材のみを加熱して熱媒の加熱に余計な電力を費やさないで済むようにすることで、定着用加熱装置に由来して発生するＣＯ２を総合的に軽減できるようにするものである。
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明を適用し得る画像形成装置の一例について図１を参照して説明を行う。図１において、１００は画像形成装置本体、２００はそれを載せる給紙テーブル、３００は画像形成装置本体１００上に取り付けるスキャナ、５００はさらにその上に取り付ける原稿自動搬送装置である。
【００１３】
画像形成装置本体１００には、潜像担持体としての感光体４０の周囲に帯電、現像、クリーニング等の電子写真プロセスを実行する各手段を備えた画像形成手段１８を、４つ並列にしたタンデム型画像形成装置２０が備えられている。タンデム型画像形成装置２０の上部には、画像情報に基づいて感光体４０をレーザー光により露光し潜像を形成する露光装置２１が設けられている。また、タンデム型画像形成装置２０の各感光体４０と対向する位置には、無端状のベルト部材からなる中間転写ベルト１９が設けられている。中間転写ベルト１９を介して感光体４０と相対する位置には、感光体４０上に形成された各色のトナー像を中間転写ベルト１０に転写する一次転写手段６２が配置されている。
【００１４】
画像形成手段１８の現像装置４００には、上記のトナーを含んだ現像剤を用いる。現像装置４００は、現像剤担持体が現像剤を担持、搬送して、感光体４０との対向位置において交互電界を印加して感光体４０上の潜像を現像する。交互電界を印加することで現像剤を活性化させ、トナーの帯電量分布をより狭くすることができ、現像性を向上させることができる。
【００１５】
上述の画像形成装置の動作は以下の通りである。
まず、原稿自動搬送装置５００の原稿台３０上に原稿をセットする、または、原稿自動搬送装置５００を開いてスキャナ３００のコンタクトガラス３２上に原稿をセットし、原稿自動搬送装置５００を閉じてそれで押さえる。
【００１６】
そして、不図示のスタートスイッチを押すと、原稿自動搬送装置５００に原稿をセットしたときは、原稿を搬送してコンタクトガラス３２上へと移動して後、他方コンタクトガラス３２上に原稿をセットしたときは、直ちにスキャナ３００を駆動し、第一走行体３３および第二走行体３４を走行する。そして、第一走行体３３で光源から光を発射するとともに原稿面からの反射光をさらに反射して第二走行体３４に向け、第二走行体３４のミラーで反射して結像レンズ３５を通して読取センサ３６に入れ、原稿内容を読み取る。
【００１７】
また、不図示のスタートスイッチを押すと、不図示の駆動モータで支持ローラ１５、１６、１７の１つを回転駆動して他の２つの支持ローラを従動回転し、中間転写ベルト１９を回転搬送する。同時に、個々の画像形成手段１８でその感光体４０を回転して各感光体４０上にそれぞれ、ブラック（Ｋ）、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の単色画像を形成する。そして、中間転写ベルト１９の搬送とともに、それらの単色画像を順次転写して中間転写ベルト１９上に合成カラー画像を形成する。
【００１８】
一方、不図示のスタートスイッチを押すと、給紙テーブル２００の給紙ローラ４２の１つを選択回転し、ペーパーバンク４３に多段に備える給紙カセット４４の１つからシートを繰り出し、分離ローラ４５で１枚ずつ分離して給紙路４６に入れ、搬送ローラ４７で搬送して複写機本体１００内の給紙路４８に導き、レジストローラ４９に突き当てて止める。または、給紙ローラ５０を回転して手差しトレイ５１上のシートを繰り出し、分離ローラ５２で１枚ずつ分離して手差し給紙路５３に入れ、同じくレジストローラ４９に突き当てて止める。
【００１９】
そして、中間転写ベルト１９上の合成カラー画像にタイミングを合わせてレジストローラ４９を回転し、中間転写ベルト１９と二次転写装置２２との間にシートを送り込み、二次転写装置２２で転写してシート上にカラー画像を記録する。
【００２０】
画像転写後のシートは、二次転写装置２２で搬送して熱定着装置２５へと送り込み、熱定着装置２５で熱と圧力とを加えて転写画像を熱と圧力で定着させた後、排出ローラ５６で排紙トレイ５７上にスタックする。または、シート反転装置２８に入れ、そこで反転させて再び転写位置へと導き、裏面にも画像を記録して後、排出ローラ５６で排紙トレイ５７上に排出する。
【００２１】
一方、画像転写後の中間転写ベルト１９は、中間転写ベルトクリーニング装置２１で、画像転写後に中間転写ベルト１９上に残留する残留トナーを除去し、タンデム画像形成装置２０による再度の画像形成に備える。
【００２２】
図２は、本発明に係る一実施形態の概念図である。本実施形態では、電子写真方式のプリンタＰへ熱媒供給源Ｈから供給される熱媒（図中２が熱媒流路を示す）と定着部材５との間にヒートポンプ１を介在させている。本実施形態で利用できるヒートポンプ１としては、蒸気圧縮ヒートポンプやスターリングヒートポンプのように冷媒を強制循環させる方式の他、ペルチエ効果を用いるもの、音響を用いるもの、磁気を用いるものなどが挙げられる。また、熱媒供給源Ｈとしては、燃焼熱や太陽熱等を用いた各種ボイラーやエンジン、コンピュータ機器、等が考えられ、これらの機器から無駄に排出される廃熱を、空気や温水などの各種流体の形で熱媒として利用する。
【００２３】
図中Ｃはヒートポンプ制御機構、Ｓは温度センサであり、熱媒と定着部材５がともに定着に適する温度よりも低い場合、ヒートポンプ１は熱媒から熱を奪い取って定着部材５に送り込む補助加熱動作をする。電熱ヒータによる補助加熱と比較すると、電熱ヒータでは定着部材５と熱媒の双方を加熱してしまうので、熱媒を加熱する分のエネルギーが無駄になるのに対し、ヒートポンプ１では定着部材５だけを加熱するので、熱媒を加熱する分の無駄なエネルギーが不要となる。さらに、ヒートポンプ１の加熱ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：成績係数）値は原理的に１以上であることも併せて、電熱ヒータよりも少ない電力で定着部材５を加熱可能となっている。
【００２４】
図３〜図５は、本発明の一実施形態として、冷媒を強制循環させるタイプのヒートポンプ１を用いた構成例を説明する図で、図３はヒートポンプ１とその周辺の図、図４は定着部材５とその周辺の断面図、図５は熱交換器の断面図をそれぞれ示している。
【００２５】
冷媒を強制循環させるタイプのヒートポンプ１としては、スターリングヒートポンプや蒸気圧縮ヒートポンプが挙げられる。スターリングヒートポンプはスターリングエンジンの逆動作によるヒートポンプで、主に冷媒であるガス（ヘリウムや窒素、空気など）の断熱膨張と断熱圧縮の繰り返しによって熱の移動を行う。蒸気圧縮ヒートポンプは、冷媒であるガスの加圧による液化と減圧による気化を繰り返すことで熱の移動を行う。蒸気圧縮ヒートポンプの冷媒としては、定着のために２００℃近い温度に達する必要があるため、炭酸ガスが好ましい。
【００２６】
図３で示すように、プリンタ筐体壁１０を通した一対の熱媒流路２と、熱媒の本流用の流量調節弁１４ａ（符号１４ｂは迂回用の流量調節弁を示す）を経由してプリンタＰの外から導入された熱媒は、熱交換器３を通過する際に吸熱パイプ１ｃに熱を分け与える。吸熱パイプ１ｃ内では冷媒が熱を受け取り、その後、冷媒がヒートポンプ本体１ａを経由する際には、断熱圧縮（スターリングヒートポンプの場合）または蒸気凝縮（蒸気圧縮ヒートポンプの場合）等によりさらに温度を上げる。最高点まで温度が上がった冷媒は、放熱パイプ１ｂ内を通過する際に定着ヘッド７内の定着部材５に熱を分け与える。放熱パイプ１ｂからヒートポンプ本体１ａに戻った冷媒は、断熱膨張（スターリングヒートポンプの場合）または蒸発（蒸気圧縮ヒートポンプの場合）等によって温度を下げられ、再度吸熱パイプ１ｃに還流する。図中７は加熱定着ヘッド（以下、単に定着ヘッドという）、１３ａは定着部材用の温度センサ、１３ｂは熱交換器３よりも上流の熱媒用の温度センサ、１３ｃは調整弁１４よりも上流の熱媒用の温度センサである。
【００２７】
図４で示すように、定着ヘッド７は放熱パイプ１ｂと定着部材５の間が溶接又はロウ付けなどによって熱的に導通した構成になっており、その一方で、放熱パイプ１ｂの定着部材５と接していない部分は断熱材４で覆って熱が逃げにくい構造になっている。その他に、定着部材５に貫通孔を開けて冷媒を通す構成も考えられる。
【００２８】
定着部材５の下面は、無端状の定着ベルト１１と摺動していて、定着部材５は定着ベルト１１を介して加圧ローラ９との間に紙等の記録媒体を挟み（以下、紙８と記載する）、紙８上のトナー像に熱と圧力を印加して定着を行う。定着部材５には、熱伝導性が良い材料として金属やセラミックを用いることが好ましい。特に、銅やアルミを単体または合金として用いるのが好適である。定着部材５の定着ベルト１１と接触する面には、摺動の摩擦力軽減のためにフッ素樹脂などの低摩擦材料で表面をコートすることができる。また、定着部材５と転写ベルト１１の間には、摩擦軽減に加えて熱伝達性を向上させるため、シリコングリース等の不揮発性の液体を介在させることができる。また、断熱材４の材質としては、スポンジのように大量の細かい気泡を含んだセラミックやポリイミド樹脂等の耐熱素材を用いることができる。また、定着ヘッド７を固定するためや付勢するために、少なくとも断熱材４の一部には構造材としての強度を備えた材質を用いることが望ましい。なお図中１２はベルト送りローラである。
【００２９】
熱交換器３としては、さまざまな構成が考えられるが、ここでは一例として図５で示すもののように、最も単純に熱媒流路２の中に放熱パイプ１ｃを浮かべた構成を例示する。放熱パイプ１ｃには、熱媒流路２との接触面積を増やして熱伝達を向上させるために、フィン６を取り付けることができる。また、熱媒流路２は全体を断熱材４で覆い、熱の損失を防ぐことが望ましい。このときの断熱材４は、それ自体に構造材としての強度を持たせても良いし、金属等の管を断熱材で包んだ形態でも良い。
【００３０】
このような熱媒とヒートポンプ１とで定着部材５を加熱する際の課題としては、熱媒の温度変化にかかわらず、定着部材５を高精度に温度調整する必要性が挙げられる。定着部材５の温度が、定着に適した所定の温度範囲をたとえ一瞬でも逸脱すると定着不良につながる可能性がある。それに対して、外部から熱媒を取り込む構成であれば、当然のことながら熱媒の温度が変動することも考慮に入れなくてはならず、したがって極端な場合ではあるが、熱媒が常温付近から一転して定着適温をはるかに超える高温となって突発的に流入することも有り得る。
【００３１】
その対策としてまず、図３に示したように、温度センサ１３ａ、１３ｂを設け、温度センサ１３ａは定着部材５の温度、温度センサ１３ｂは熱交換器３の熱媒入口付近の熱媒温度をそれぞれ計測する。そして、ヒートポンプ１はインバータ方式等で連続的に負荷が可変な構成とし、ヒートポンプ１の負荷は、温度センサ１３ａだけでなく温度センサ１３ｂの計測値も加味して決定することができる。このときのヒートポンプ１の負荷は、例えば図６のようなグラフをもとにして、定着部材の加熱に必要なワット数からの換算が可能である。
【００３２】
図６は、冷媒が循環するタイプのヒートポンプ１を用いた構成で、定着部材の温度と熱媒の温度をパラメータとして、定着部材に時間当たり一定の熱量（＝仕事率Ｗ）を供給するのに必要なヒートポンプ１の負荷がどのように推移するかを示した模式的な３次元グラフである。図６において定着の適温領域は図示されていないが、定着部材５の温度と熱媒の温度それぞれの中央付近に定着の適温領域がある。なお、熱媒温度における定着の適温は、定着部材５における定着の適温に準じている。
【００３３】
さらに、ヒートポンプ１の負荷変更だけでは対応できない場合に備えて、図２に示したように、温度センサ１３ｃを熱媒流路の上流に配置し、その下流に流量調整弁１４ａ、１４ｂを設けて、熱交換器３から熱媒を迂回可能とする構成を採用できる。これは、例えば熱交換器３の耐熱温度をはるかに超えるような熱媒が流入しそうになったときは（そのような温度を、以下で危険温度という）、これを温度センサ１３ｃで事前に察知し、流量調整弁１４ａを閉じると同時に流量調整弁１４ｂを開け、流量調整弁１４ｂを介して熱媒を熱交換器３から排出側の熱媒流路２へ迂回させる、という動作をとることができる。
【００３４】
また、熱媒の温度がそれほど高くない場合（そのような温度を、以下で超過温度という）には、流量調整弁１４ａを全閉にはせず、定着に必要となる熱量分だけ熱媒を熱交換器３に流すこともできる。ただしその場合は、図６で示した換算グラフを、流量に応じて補正する必要がある。具体的には、例えば流量と熱媒温度と定着部材５の温度の３種類をパラメータとした三元ルックアップテーブルなどを用いることができる。
【００３５】
上述した動作のフロー、各種数値の決定のフローを図７、図８を用いて簡単に示す。この例では、２つの独立したフローからなり、少なくとも安全対策系制御フローは、他の制御フローからの干渉を受けないように設計することが好ましい。
【００３６】
図７のフロー図を説明する。温度センサ１３ｃで流入する熱媒の温度を計測し（ステップＳ１）、計測した温度が危険温度か否かを判断し（ステップＳ２）、危険温度に達していなければ超過温度か否かを判断し（ステップＳ３）、超過温度未満であればステップＳ１へ戻って計測を続行する。ステップＳ２において危険温度以上であれば、流量調整弁１４ｂを開けて熱媒を熱交換器３から排出側の熱媒流路２へ迂回させて排出し、ステップＳ１へ戻って計測を続行する（ステップ４）。また、ステップＳ３で熱媒が超過温度以上であれば、流量調整弁１４ｂを適宜の開度だけ開けて熱媒を熱交換器３から排出側の熱媒流路２へ部分的に迂回させて部分的に排出し、ステップＳ１へ戻って計測を続行する（ステップ５）。
【００３７】
図８のフロー図を説明する。温度センサ１３ａで定着部材５の温度を計測し（ステップＳ１）、これをもとに定着部５の加熱ワット数を決定し（ステップＳ２）、温度センサ１３ｂで熱交換器３の熱媒入口付近の熱媒温度を計測し（ステップＳ３）、これをもとにヒートポンプ１の負荷を決定する（ステップＳ４）。すなわち、ヒートポンプ１の負荷を、温度センサ１３ａと温度センサ１３ｂの計測値を加味して決定するフローを繰り返す。
【００３８】
また本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１：ヒートポンプ
１ａ：ヒートポンプ本体
１ｂ：ヒートポンプの放熱パイプ
１ｃ：ヒートポンプの吸熱パイプ
２：熱媒流路
３：熱交換器
４：断熱材
５：定着部材
６：フィン
７：定着ヘッド
８：紙（記録媒体）
９：加圧ローラ
１０：プリンタ筐体壁
１１：定着ベルト
１２：ベルト送りローラ
１３ａ：定着部材用温度センサ
１３ｂ：熱交換器３よりも上流の熱媒用温度センサ
１３ｃ：調整弁１４よりも上流の熱媒用温度センサ
１４ａ：本流用
１４ｂ：迂回用
１８：画像形成手段
２０：タンデム型画像形成装置
４０：感光体
１００：画像形成装置本体
２００：給紙テーブル
３００：スキャナ
５００：原稿自動搬送装置
Ｐ：プリンタ
Ｈ：熱媒供給源
Ｃ：ヒートポンプ制御機構
Ｓ：温度センサ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４０】
【特許文献１】特許第３３１０７６７号公報
【特許文献２】特開昭６２−２６７７８６号公報
【特許文献３】特開平０９−１７９４３０号公報
【特許文献４】特開２００６−０１０９４２号公報
【図１】
2013246299.tif 000003
【図２】
2013246299.tif 000004
【図３】
2013246299.tif 000005
【図４】
2013246299.tif 000006
【図５】
2013246299.tif 000007
【図６】
2013246299.tif 000008
【図７】
2013246299.tif 000009
【図８】
2013246299.tif 000010