(57)【要約】【課題】エネルギー効率を向上させた高周波誘電加熱装置を提供する。【解決手段】高周波誘電加熱装置は、高周波電力を供給する高周波電源１１と、平面を含み、平面が被加熱物に平行となり、かつ、長手方向が被加熱物の搬送方向に対して交差するように配置される正電極２３及び負電極２４と、被加熱物を搬送する搬送装置と、を備える。正電極２３及び負電極２４は、一対の対向する面の面積が他の面の面積より大きい平板面を有する平板状をなし、平板面が被加熱物に平行に配置され、正電極２３及び負電極２４の形状と、正電極２３及び負電極２４と被加熱物との距離とが、以下の式によって定められる電力密度の最大値をもたらすように設定される。電力密度＝被加熱物に印加される電力／電力を印加する電極の面積【選択図】図１
2016213139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力を供給する高周波電源と、
前記高周波電力により加熱される対象物と少なくとも一部が平行な面を有し、かつ、長手方向が前記対象物の搬送方向に対して交差するように配置される正電極及び負電極と、
前記対象物を搬送する搬送装置と、
を備える高周波誘電加熱装置。
【請求項２】
前記対象物は、
インクジェット方式によって画像形成されたものである請求項１に記載の高周波誘電加熱装置。
【請求項３】
前記正電極及び前記負電極は、
一対の対向する面の面積が他の面の面積より大きい平板面を有する平板状をなし、
前記平板面が前記対象物に平行に配置され、
前記正電極及び前記負電極の形状と、前記正電極及び前記負電極と前記対象物との距離とが、以下の式によって定められる電力密度の最大値をもたらすように設定される請求項１又は請求項２に記載の高周波誘電加熱装置。
電力密度＝対象物に印加される電力／電力を印加する電極の面積
【請求項４】
前記正電極及び前記負電極は、
前記対象物を挟み、対向する位置から互いに所定距離だけ離して配置される請求項３に記載の高周波誘電加熱装置。
【請求項５】
前記正電極及び前記負電極は、直方体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波誘電加熱装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高周波誘電加熱装置を備え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、高周波誘電加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用インクジェットプリンタ、特に大型ポスターやグラビアの印刷を行うインクジェットプリンタには、記録媒体に塗布されたインクを乾燥させる乾燥機を備えるものがある。この乾燥機は、例えば温風、ヒートドラム、赤外線、高周波誘電加熱などの乾燥方式がある。中でも、高周波誘電加熱は被加熱物である紙へのダメージが他の乾燥方式より少ない。
【０００３】
ここで、従来の高周波誘電加熱による乾燥機は電極に断面が円の円柱状電極を使用していた（例えば、特許文献１）。従って、平面状に搬送される被加熱物である紙と電極表面との距離は電極の表面の径方向の位置に応じて差があり、エネルギー効率の点から問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、エネルギー効率を向上させた高周波誘電加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明は、高周波電力を供給する高周波電源と、平面を含み、前記平面が被加熱物に平行となり、かつ、長手方向が前記被加熱物の搬送方向に対して交差するように配置される正電極及び負電極と、前記被加熱物を搬送する搬送装置と、を備える高周波誘電加熱装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、エネルギー効率を向上させた高周波誘電加熱装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態を示す図である。
【図２】図１（Ａ）の例と図１（Ｂ）の例との水に印加される電力のシミュレーションを行った結果を示す図である。
【図３】第２の実施形態を示す図である。
【図４】第２の実施形態における電力密度の値のシミュレーション値を示す図である。
【図５】第２の実施形態における電力密度の値のシミュレーション値を示す図である。
【図６】第３の実施形態の高周波誘電加熱装置を示す図である。
【図７】高周波誘電加熱の原理を説明する図である。
【図８】高周波誘電加熱装置の構成を示す図である。
【図９】乾燥機本体の構成を示す図である。
【図１０】図７において示した高周波誘電加熱装置の等価回路をさらに詳しく説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態に係る高周波誘電加熱装置について図面を参照しながら説明する。
【０００９】
まず、高周波誘電加熱の原理について説明する。図７は、高周波誘電加熱の原理を説明する図である。図７（Ａ）は、電極と水との位置関係を示す図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）を等価電気回路にて表現した図である。図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）のコンデンサＣに流れる電流Ｉｃと電極に印加される電圧Ｖとの関係を示すグラフである。
【００１０】
図７（Ａ）に示すように、高周波誘電加熱装置においては、正電極と負電極との間に水が挟まれ、電源から高周波電力が電極に印加される。水は誘電体であるので、高周波電界をかけると分子の双極子が形成される。印加された周波数に応じたスピードにてこの双極子が規則正しく回転する。ある一定以上の周波数を印可した場合、双極子の回転が印加された高周波電力の周波数に追従できなくなる。このため、双極子同士が衝突し、熱が生じる。
【００１１】
この発熱量Ｐは、以下の式（１）によって表現できることが知られている。
【数１】
2016213139.tif 000003
【００１２】
また、図７（Ｃ）に示す角度δのｔａｎδの値は以下の式（２）に示すように、物質により固有の値を取ることが知られている。
【数２】
2016213139.tif 000004
【００１３】
ここで、ｊは虚数（（−１）１/２）を、ωは高周波電力の角速度を表す。
【００１４】
図８は、高周波誘電加熱装置の構成を示す図である。図８に示すように、高周波誘電加熱装置は、高周波電源１１と、整合器１２と、搬送装置１３と、乾燥機本体１４と、を備える。
【００１５】
高周波電源装置１１は高周波発振装置を備え、数ＭＨｚ以上の高周波電力を供給する。整合器１２は、高周波電源装置１１の出力端子と乾燥機本体１４の入力端子とのインピーダンスを合わせる。搬送装置１３は、画像形成された記録媒体を乾燥機本体１４に搬送し、乾燥後に記録媒体を乾燥機本体１４から搬出する。乾燥機本体１４は、高周波誘電加熱により記録媒体から水分を加熱して蒸発させる。
【００１６】
図９は、乾燥機本体１４の構成を示す図である。図９（Ａ）は乾燥機本体１４の要部の斜視図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の搬送方向による断面図である。図９に示すように、乾燥機本体１４は、正電極２３と、負電極２４と、が記録媒体搬送方向と各電極の軸方向が交差するように、交互に複数対配列される。
【００１７】
正電極から出力された電力線は記録媒体である紙２１に含まれる水２２を介して負電極に向かう。水２２に電力線が入り込むことにより電界が生じ、高周波誘電加熱が行われる。
【００１８】
従来の高周波誘電加熱装置は、正電極２３と負電極２４とは記録媒体搬送用のローラも兼ねているため、形状が円柱状となっている。従って、平面状に搬送される被加熱物である紙２１と各電極の表面との距離は各電極の表面の径方向の位置に応じて差があり、エネルギー効率の点から問題があった。
【００１９】
図１０は、図７において示した高周波誘電加熱装置の等価回路をさらに詳しく説明する図である。図１０に示すように、正電極と負電極との間に水が存在する場合、等価回路はコンデンサＣ０と、コンデンサＣ０に並列に接続されるコンデンサ回路と、を含むように記載できる。このコンデンサ回路は、並列に接続されるコンデンサＣＬ及び抵抗ＲＬと、このコンデンサＣＬの両端にそれぞれ接続されるコンデンサＣ１と、を有するように記載できる。このうち、並列に接続されるコンデンサＣＬ及び抵抗ＲＬが水分に相当する。また、コンデンサＣ１は、正電極及び負電極と水との間に形成される空間の容量を示す。コンデンサＣ０は正電極と負電極の間の空間の容量を示す。Ｒｉｎは高周波電源の出力インピーダンスを示す。
【００２０】
まず、正電極と負電極から高周波電圧Ｖ０を印加した場合に容量ＣＬに流れる電流は以下の式（３）のように表現できる。
【数３】
2016213139.tif 000005
【００２１】
ｊは虚数（（−１）１/２）を、ωは高周波電力の角速度を表す。
【００２２】
さらに、水に印加される高周波電圧Ｖ１は以下の式（４）によって表現できる。
【数４】
2016213139.tif 000006
【００２３】
高周波電圧Ｖ１の絶対値｜Ｖ１｜は以下の式（５）によって表現できる。
【数５】
2016213139.tif 000007
【００２４】
また、この式（５）と、式（２）によって表現できるＲＬとｔａｎδの関係により水における消費電力ＰＬは以下の式（６）によって記述できる。
【数６】
2016213139.tif 000008
【００２５】
この式（６）から考えると、水における消費電力ＰＬを大きくするためにはＣＬ／Ｃ１を小さく、つまりＣ１／ＣＬを大きくすることが必要であることが分かる。
【００２６】
また、Ｃ０に流れる電流をＩ０とする。Ｃ１に流れる電流Ｉ１が多いほど、ＲＬにおいて消費する電力量ＰＬが大きくなる。つまり、容量Ｃ０を小さくすることで、Ｃ０に流れる電流Ｉ０を抑えることができる。電流Ｉ１を増加させ、ひいてはＲｌにおいて消費する電力量ＰＬを大きくすることができる。
【００２７】
（第１の実施形態）
【００２８】
図１は、本発明における第１の実施形態を示す図である。図１（Ａ）が本実施形態をしめし、図１（Ｂ）は従来技術を示す。
【００２９】
図１（Ａ）に示すように、本実施形態の高周波誘電加熱装置は、正電極及び負電極が平面を含み、この平面が被加熱物（以下、対象物ともいう。）である記録媒体に平行となり、かつ、長手方向が前記被加熱物の搬送方向に対して交差するように配置される。従って、電極と水を含む記録媒体との距離を、断面が円となる円柱の場合より均一かつ短くすることが可能となる。また、正電極と負電極とは非加熱物に対して同じ側に配置される。本実施形態においては、従来技術と異なり、搬送用ローラは電極とは別途設けられる。以下、搬送ローラの図示は省略する。
【００３０】
電極の形状は、直方体、半円柱、三角柱、断面が台形又は平行四辺形の四角柱であってもよい。加工性の面から直方体がより好ましい。
【００３１】
図１（Ａ）には例として、水に対して垂直方向に１ｍｍの高さに、正電極と負電極の中心間の距離を２０ｍｍに保つように、断面が１ｍｍ×１ｍｍの四角柱の電極を用いる高周波誘電加熱装置を示す。
【００３２】
また、図１（Ｂ）には、比較例として図１（Ａ）に対して電極の形状を円柱とし、他の条件を同じにした例を示す。
【００３３】
図２は、図１（Ａ）の例と図１（Ｂ）の例との水に印加される電力のシミュレーションを行った結果を示す図である。図２において、□に示すグラフが本実施形態を、〇に示すグラフが従来技術の例を示す。
【００３４】
図２に示すように、従来技術に比べ、本実施例の高周波誘電加熱装置は水に対してより多くの電力を印加できる。このことは、Ｃ１／ＣＬの値が従来技術より本実施形態の方が大きいことから説明がつく。
【００３５】
以上述べたように、本実施形態の高周波誘電加熱装置は、電極の形状が平面を含み、この平面が被加熱物と平行に配置される。
【００３６】
従って、各電極と被加熱物との距離を小さくでき、より多くの電力を被加熱物に印加でき、エネルギー効率が向上するという効果がある。
【００３７】
（第２の実施形態）
【００３８】
第２の実施形態は、第１の実施形態と電極の形状が異なる以外は構成が同じである。
【００３９】
図３は、本実施形態の高周波誘電加熱装置の構成を示す図である。図３（Ａ）は斜視図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）において示した例の等価回路を示す図である。
【００４０】
本実施形態において、電極の形状は一対の対向する面の面積が他の面の面積より大きい平板面を有する平板状をなし、電極を構成する面のうち最も面積が大きい平板面が被加熱物に対して平行に配置される。
【００４１】
平板電極の奥行方向の長さをＬ、幅をＷ、高さをＨとすると、平板形状の電極はＨ（高さ）＜Ｌ（長さ）かつＨ（高さ）＜Ｗ（幅）である。
【００４２】
また、電極の下側の底面は水の表面からｈ０の位置になるように配置される。各電極の距離は距離ｄに保たれる。
【００４３】
図３（Ｂ）において、Ｃ１は正電極及び負電極と水との間の容量を示し、Ｃ０は正電極と負電極との間の容量を示す。ＣＬとＲＬとの並列回路は誘電体である水の等価回路を示す。
【００４４】
正電極と負電極の容量が小さいほど、すなわち正電極を負電極との距離が遠いほど、容量Ｃ０に流れる電流Ｉ０が減少し、容量Ｃ１に流れる電流Ｉ１は増加する。つまり、正電極と負電極との距離が遠いほど、水に印加される電力は増加する。
【００４５】
一方、正電極及び負電極の電極幅Ｗを大きくすると、Ｃ１／ＣＬが大きくなり、結果として水に印加される電力は増加する。
【００４６】
電力密度を以下の式（７）によって定義する。
【００４７】
（電力密度Ｐ＿ｄ）＝（水に印加される電力）／（電力を印加する電極の面積）
＝（水に印加される電力）／（（２Ｗ＋ｄ）×Ｌ）  ・・・  （７）
【００４８】
正電極と負電極のＬとＨとが。装置の制約上あらかじめ決められる。従って、電力密度Ｐ＿ｄを最大にするＷの値を算出することが設計上必要となる。
【００４９】
図４及び図５は、本実施形態における電力密度Ｐ＿ｄの値のシミュレーション値を示す図である。図４は、電極間の距離ｄを等しく保った状態において電極幅Ｗの値と水に対して印加される電力Ｐ［Ｗ］を示す。
【００５０】
図４において、電極幅Ｗが大きくなるほどＣ１／Ｃｌの値が大きくなるため、水に印加される電力は増大する。よって、電極幅Ｗに対し、印加される電力量Ｐは右肩上がりの曲線となる。
【００５１】
図５は、式（７）に従い、電力密度を計算したものである。ある程度大きな電極幅Ｗでは、電極幅Ｗに対して印加される電力の増加割合は減少するが、電力密度Ｐ＿ｄの計算式の分母の数値、電力が印加される面積に対して線形に増加する。故に、電力密度Ｐ＿ｄのグラフは電極幅Ｗに対して極大点を持つ。電力密度Ｐ＿ｄが極大点を取るときのＷの値をＷ０とする。電極幅ＷはＷ０になるように設定される。
【００５２】
以上述べたように、本実施形態の高周波誘電加熱装置は、平板状の電極を備え、最も面積の大きい平面が被加熱物に対して平行に配置される。
【００５３】
従って、エネルギー効率がより向上する。
【００５４】
（第３の実施形態）
【００５５】
本実施形態の高周波誘電加熱装置は、第２の実施形態と電極が被加熱物を挟み、対向する位置から互いに距離ｄだけ離して配置される点において異なり、他の構成は同じである。
【００５６】
図６は、本実施形態の高周波誘電加熱装置を示す図である。図６（Ａ）は高周波誘電加熱装置の斜視図である。また、図６（Ｃ）は図６（Ａ）の断面図である。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、正電極と負電極とは被加熱物である水を挟み、上下に配置される。また、電極の形状は、平板状の直方体をなす。電極の高さをＨ、長さをＬ、幅をＷとすると、電極はＨ（高さ）＜Ｌ（長さ）かつＨ（高さ）＜Ｗ（幅）の関係にある。
【００５７】
また、正電極及び負電極ともに水から垂直方向に高さｈ０の位置に配置され、電極間の水平方向の距離ｄはｄ≧０である。
【００５８】
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の等価回路を示す図である。図６（Ｂ）に示すように、第２の実施形態と異なり、正電極と負電極との間に水が挟まっているため、正電極と負電極との間の容量Ｃ０は、Ｃ１及びＣＬに比べて非常に小さい。
【００５９】
ここで、第２の実施形態と同様に、平板電極の面積（ＷＬ）を大きくするほど、水に印加される電力は大きくなるが、同時に平板電極の面積（ＷＬ）を大きくすると式（７）において示される電力密度Ｐ＿ｄが下がる。また、高電界が電極と水の空間にかかり、空気の絶縁耐圧を超えないようにするため、水平方向の距離ｄはある程度確保されなければならない。第２の実施形態と同様に電力密度を最大にする電極幅Ｗと水平方向の距離ｄを決めることができる。
【００６０】
以上述べたように、本実施形態の高周波誘電加熱装置は、電極が被加熱物を挟み、対向する位置から互いに距離ｄだけ離して配置される。
【００６１】
従って、レイアウト上の制約から全ての電極を被加熱物の一方の側に配置できない場合にも、エネルギー効率を向上させることが可能となるという効果がある。
【００６２】
以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明の高周波誘電加熱装置は上記実施形態の構成に限定されるものでない。
【００６３】
当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の高周波誘電加熱装置を適宜改変することができる。このような改変によってもなお本発明の高周波誘電加熱装置の構成を具備する限り、もちろん、本発明の範疇に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６４】
１１  高周波電源装置
１２  整合器
２３  正電極
２４  負電極
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６５】
【特許文献１】特許２９５２７６３号公報
【図２】
2016213139.tif 000009
【図４】
2016213139.tif 000010
【図５】
2016213139.tif 000011
【図８】
2016213139.tif 000012
【図１】
2016213139.tif 000013
【図３】
2016213139.tif 000014
【図６】
2016213139.tif 000015
【図７】
2016213139.tif 000016
【図９】
2016213139.tif 000017
【図１０】
2016213139.tif 000018