(57)【要約】【課題】熱電モジュールの加熱部と冷温部の温度差を維持して、電力を効率良く発電する。【解決手段】定着ローラ１１からの輻射熱に対して、熱電モジュール１５を配置して発電を行う熱電発電装置において、熱電モジュール１５のゼーベック素子１６の過熱面１６ａに対して定着ローラ１１からの熱伝導を遮断する熱伝導部材１８を設ける。熱伝導部材１８は熱伝導性を有し、加熱面に接近したとき、発熱体からの熱を加熱面に伝導する。熱伝導部材１８は、熱伝導係数の大きい伝導無機超伝導体で構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された熱エネルギにより発電する熱電変換手段を使用した熱電発電装置において、
前記熱電変換手段の加熱面に対する前記発熱体からの熱伝導を遮断する遮断手段を備えていることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱電発電装置において、
前記遮断手段は熱伝導性を有し、前記加熱面に接近したとき、前記発熱体からの熱を前記加熱面に伝導することを特徴とする熱電発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の熱電発電装置において、
前記遮断手段は熱伝導係数の大きい伝導無機超伝導体で構成されていることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱電発電装置において、
前記発熱体から伝達される伝熱温度に基づいて前記遮断手段を伝熱側又は遮断側に切り替える切り替え手段を備えていることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項５】
請求項４記載の熱電発電装置において、
前記切り替え手段は、前記熱電変換手段からの供給電力によって前記遮断手段の切り替え動作を行うことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱電発電装置において、
前記熱電変換手段によって発生した電力を充電する充電手段を備えていることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項７】
請求項６記載の熱電発電装置において、
省エネルギモードでは、前記充電手段から電力を供給することを特徴とする熱電発熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子にゼーベック素子を用いた熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置においては、像担持体に形成された潜像をトナーのような現像剤によって顕像化し、転写紙などの記録紙に転写し、定着装置によって記録紙上の像を定着する電子写真プロセス方式が採用されている。定着装置としては、加熱手段を内部に備えた定着ローラとこの定着ローラに圧接する加圧ローラ間にトナー像を担持した記録紙を通して像を定着させる熱ローラ定着方式が広く採用されている。
【０００３】
しかしながら、従来の熱ローラ定着方式の定着装置では、記録紙や現像剤を加熱する際に、熱容量の大きな定着ローラを加熱する必要があるため、エネルギ効率が悪く省エネルギという観点からは不利であった。
【０００４】
近年、地球環境問題の高まりから、電子写真プロセスを用いた画像形成装置においても、省エネルギを目的とした種々の技術開発が行われ、定着ローラからの廃熱を電気エネルギとして再利用することも提案されている。例えば特許文献１ないし４には、定着装置の近傍に熱電モジュールを配置し、定着装置の廃熱を電気エネルギに変換して再利用することが提案されている。
【０００５】
この熱電モジュールにはゼーベック素子が使用されている。ゼーベック素子は異なる２種の金属やｐ型半導体とｎ型半導体等が対になった熱電変換材料に温度差を与えることによって両端に熱起電力が発生するゼーベック効果を利用したものであり、熱エネルギを直接電力に変換するものであり、モータやタービン等の可動部を必要とせず、老廃物もないという優れた特徴がある。
【特許文献１】特開２００４−１３３３４０号公報
【特許文献２】特開２００５−３０８８２６号公報
【特許文献３】特開２００６−１７１４８１号公報
【特許文献４】特開２００７−３４０１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ゼーベック素子は、加熱部と冷却部の温度差により発電が行われるが、同一部品上の対抗する面を加熱面、冷却面とするため、加熱温度の伝播が素子全体に行われるために温度差を保持し、一定電力を発電しつづけることは難しい。また、振動や編荷重に対して弱い特徴があり、熱電モジュール自体の機械的動作は熱源素子の故障発生の原因となってしまう。更には、ゼーベック素子は温度使用範囲があり、過加熱に対して素子の破壊・故障の原因になっている。効果的に熱を確保するのは熱源に熱電素子を近づけることが考えられるが、近づけることにより熱電素子への熱源からの放射温度は上昇する傾向となり、素子の使用温度範囲により、近くに配置することができなかった。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、熱電変換手段の加熱部と冷温部の温度差を維持して、電力を効率良く発電することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、第１の手段は、入力された熱エネルギにより発電する熱電変換手段を使用した熱電発電装置において、前記熱電変換手段の加熱面に対する前記発熱体からの熱伝導を遮断する遮断手段を備えていることを特徴とする。
【０００９】
第２の手段は、第１の手段において、前記遮断手段が熱伝導性を有し、前記加熱面に接近したとき、前記発熱体からの熱を前記加熱面に伝導することを特徴とする。
【００１０】
第３の手段は、第１又は第２の手段において、前記遮断手段は熱伝導係数の大きい伝導無機超伝導体で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
第４の手段は、第１ないし第３のいずれかの手段において、前記発熱体から伝達される伝熱温度に基づいて前記遮断手段を伝熱側又は遮断側に切り替える切り替え手段を備えていることを特徴とする。
【００１２】
第５の手段は、第４の手段において、前記切り替え手段が前記熱電変換手段からの供給電力によって前記遮断手段の切り替え動作を行うことを特徴とする。
【００１３】
第６の手段は、第１ないし第５の手段において、前記熱電変換手段によって発生した電力を充電する充電手段を備えていることを特徴とする。
【００１４】
第７の手段は、第６の手段において、省エネルギモードでは、前記充電手段から電力を供給することを特徴とする。
【００１５】
なお、後述の実施形態において、発熱体は定着ヒータ１１ａに、熱電変換手段は熱電モジュール１５に、加熱面は参照番号１６ａに、遮断手段は熱伝導部材１８に、充電手段はバッテリ４２に、それぞれ対応する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発熱体から熱電変換手段の加熱部への熱の伝導を遮断することができるので、熱電変換手段の加熱部と冷却部の温度差を維持し、電力を効率良く発電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は本発明の一実施形態に係る画像形成装置の要部の構成を示す図である。画像形成装置１は、感光体ドラム２、この感光体ドラム２の外周に配設された帯電装置３と、感光体ドラム２の回転方向に対して帯電装置３より下流側に順に設けられた現像装置６、転写装置７、及びクリーニング装置８からなる作像部と、前記転写装置７に転写紙２０を給紙する給紙装置９と、転写部７の後段に設けられた定着装置１０、並びに前記帯電装置３と現像装置６との間で光書き込みを行う図示しない光書き込み装置から主に構成されている。光書き込み装置からはミラー５を介してレーザ光４が感光体ドラム２に対して照射される。
【００１９】
現像装置６は現像ローラ６ａを備え、クリーニング装置８はクリーニングブレード８ａを備えている。給紙装置９は給紙トレイ９ａと給紙コロ９ｂを備え、給紙トレイ９ａに収納された記録紙である転写紙２０を転写紙搬送路９ｃとレジストローラ対９ｄを介して転写装置７と感光体ドラム２の間に搬送する。
【００２０】
この画像形成装置１では、回転している感光体ドラム２の外周面を帯電装置３により帯電し、光書き込み装置からの画像情報に応じて照射されるレーザ光４をミラー５で反射し、帯電した感光体ドラム２の外周面に照射する。これにより光書き込みされた画像に応じた静電潜像が形成される。感光体ドラム２の外周面に形成された静電潜像は現像装置６で現像され、トナー像として顕像化される。
【００２１】
一方、給紙トレイ９ａから給紙コロ９ｂにより給紙された転写紙２０は転写紙搬送路９ｃを通りレジストローラ対９ｄの位置で一旦序止している。そして、感光体ドラム２に形成されたトナー像が転写装置７の転写位置に達するタイミングに合わせてレジストローラ対９ｄから転写紙２０を送り出し、感光体ドラム２に形成されたトナー像を転写装置７で転写紙２０に転写する。転写装置７でトナー像が転写された転写紙２０は定着装置１０に送られ、転写紙２０に転写されトナー像のトナーが加熱溶解して転写紙２０に定着される。また、転写紙２０に転写されず感光体ドラム２に残留したトナーはクリーニング装置８で除去される。
【００２２】
図２は定着装置１０の詳細な構成を示す断面図、図３は定着装置１０の熱電発電装置を拡大して示す図、図４は熱電素子への温度伝達を遮断した状態を説明する図である。定着装置１０は、内部にハロゲンヒータ、あるいは赤外線ヒータ等を熱源とする定着ヒータ１１ａが実装された定着ローラ１１と、この定着ローラ１１の外周面に圧接するように配設された加圧ローラ１２と、転写紙２０の搬入を検知する定着入口センサ１３と、定着装置１０からの転写紙２０の排紙を検知する排紙センサ１４と、定着ローラ１１の熱の輻射熱を受熱して電力に変換する熱電モジュール１５とを備えている。なお、ねつでんもじゅー
トナー画像が載った転写紙２０は加熱した定着ローラ１１と加圧ローラ１２に挟まれて加熱と加圧が行われ、トナー像が転写紙２０に熱溶着される。定着ローラ１１は、転写紙２０に対して一般的に約１８０℃付近の熱を加えることによって熱定着を行っており、定着ローラ１１近傍に温度検出素子（図示しない）を配置して後述の制御基板４７に設けられた制御回路から温度制御を行っている。そのため、定着装置１０は転写紙２０の入口側の温度が一番高く、安定している。定着ローラ１１の近傍の排熱は通常動作時において制御温度の１８０℃付近まで温度が上がることがわかっている。
【００２３】
そこで、本実施形態では、この転写紙２０の定着装置１０の入口の上方向に熱電モジュール１５を設け、定着ヒータ１１からの排熱を効果的に集熱するようにしている。
【００２４】
熱電モジュール１５は、図２に示すように定着装置１０の入口側に設けられ、ゼーベック素子１６と、熱伝導部材１８と、サーモスイッチ１９とを備えている。ゼーベック素子１６は、加熱面１６ａが定着ローラ１１側に位置し、冷却面１６ｂが外側に面するように配置された熱電素子である。熱伝導部材１８は、ゼーベック素子１６の加熱面１６ａに熱伝導性のあるグリース１７を介して相対するように配置されている。サーモスイッチ１９は、熱伝導部材１８の下端部を支持するとともに、予め設定された温度以上に達したときには熱伝導部材１８が加熱面１６ａから離れるように変形する形状記憶合金等で構成されている。
【００２５】
ゼーベック素子１６は、異金属を接触させ、対向した金属の温度差によって電気を発生させるが、加熱面１６ａの温度上昇は、同一部品の冷却面１６ｂの温度も上昇させるため、加熱面１６ａと冷却面１６ｂの温度差を保持し、一定電力を発電しつづけることが難しい。また、ゼーベック素子１６は振動や編荷重に弱いため、機械的動作は極力避ける構成が故障・破損を防止する上で望ましい。ゼーベック素子１６は仕様温度範図があり、加熱面１６ａへの過加熱は素子の破損及び故障の原因となる。他方、定着ヒータ１１ａの急速立上げ時や、異常動作時には、２３０℃以上温度上昇となる場合があり、画像形成装置に配置する場合には、実装配置、加熱面への加熱方法に注意が必要であった。
【００２６】
そこで、本実施形態では、定着ヒータ１１ａからの排熱を効果的に集熱する位置にゼーベック素子１６とは別の集熱及び熱伝達手段である熱伝導部材１８を設けるようにしている。この熱伝導部材１８には熱伝導係数の高い無機超伝導体を用いている。無機超伝導体は、熱伝導係数が銅や銀の約４００ｗ／ｍ・ｏｋと比較し、約２，９００，０００ｗ／ｍ・ｏｋと飛躍的に改善されている。これにより、熱の伝導スピードが改善され、熱源からの発電応答時間の短縮化も可能となり、熱源である定着ヒータ１１ａの断続的な点灯に対しても効果的に電力を得ることができる。
【００２７】
すなわち、無機超伝導体で形成された熱伝導部材１８へ定着ローラ１１からの排熱が集熱されると、ゼーベック素子１６の加熱面１６ａに熱を伝える。この熱伝導部材１８の役割は、ゼーベック素子１６の保護と、ゼーベック素子１６が複数モジュール構成となる場合に各モジュールに対して効果的で均一に熱を伝えることにある。この熱伝導部材１８とゼーベック素子１６間には熱伝導性のあるグリース１７が設けられている。ゼーベック素子１６は偏荷重に弱いため、グリース１７を設けることで振動緩衝と熱伝導のロスを防止している。
【００２８】
更に、継続的に効果的な熱発電を行うために、熱伝導部材１８とゼーベック素子１６は、伝達温度が熱電変換に最適なように、つまり、冷却面１１ｂの温度と加熱面１１ａの温度差が大きくなり、かつ、ゼーベック素子１６に対して過加熱にならないように、熱伝導部材１８とゼーベック素子１６を接離する制御をサーモスイッチ１９によって行っている（図４参照）。この接離制御により、ゼーベック（熱電）素子１６の加熱面への熱伝導を遮断でき、加熱面の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００２９】
この接離動作は、熱伝導部材１８もしくはゼーベック素子１６の温度を検出するサーミスタ等の温度検出素子（図示しない）を設け、そのアナログ出力の電圧レベルを制御回路で認識し、その電力で熱伝導部材１８をソレノイド、クラッチ、あるいはモータなどの駆動手段を動作させて接離させるようにし、制御回路からのポート出力でこれらを動作させ、ゼーベック素子１６からへの熱伝導を遮断することで過加熱の防止を行うようにしてもよい。また、ゼーベック素子１６の冷却面１６ｂにも温度検出素子を配置して、冷却面の温度検出も行い、ゼーベック素子１６の出力電圧が大きくなるように熱伝導部材１８の接離制御をして、温度制御を行うようにしてもよい。
【００３０】
また、出力電圧の最適制御はゼーベック素子１６の出力電圧を検出し、その電圧が一定に保持されるように熱伝導部材１８の接離動作を制御することでも実現可能である。
【００３１】
更に、ゼーベック素子１６からの供給電力で接離制御を行うようにすることもできる。この場合、ゼーベック素子１６から一定の電圧が出力されていることが確認された後、対象アクチュエータ部品への電源ラインをゼーベック素子１６からの供給ラインに切り替えるようにすれば、ゼーベック素子１６からの電力供給のみで切り替え動作が可能になる。
【００３２】
図５は定着装置の他の例を示す断面図、図６は図５の定着装置における熱電発電装置の概略構成を示すブロック図である。図５において、定着装置１０は、ゼーベック素子１６の冷却面１６ｂを外部からの風によって冷却できるように構成している。すなわち、定着装置１０のカバーの内、ゼーベック素子１６の下方に位置するカバー部分３１を定着装置１０内方向に開閉可能にし、熱伝導部材１８がゼーベック素子１６から離れる方向に開動するのに連動して開き、冷却風をゼーベック素子１６の加熱面１６ａに当てるようにしている。冷却風は定着入口センサ１３近傍に設けた冷却ファン（図示しない）により送り込む。この冷却ファンは通常は定着入口センサ１３とゼーベック素子１６の冷却面１６ｂを冷却するが、熱伝導部材１８の傾きに連動して定着装置１０内に開くカバー部分３１によってゼーベック素子１６の加熱面１６ａを冷却する。このとき、熱伝導部材１８は定着ローラ１１とゼーベック素子１６間を遮断し、定着ローラ１１側に冷却風が流れ込まないようにして定着温度の低下を防止する。このように定着入口センサ１３近傍に冷却ファンを設けることにより、定着入口センサ１３も冷却することができ、コストダウンが可能である。
【００３３】
図６に示すように、この定着装置の熱電発電装置は、外部から電源を得る電源供給ユニット（以下、ＰＳＵと称する）４１と、ゼーベック素子１６により発電された電力を蓄える充電部であるバッテリ４２と、電源供給ユニット４１あるいはバッテリ４２から電源を得るかを切り替える電源切替回路４３と、バッテリ４２の電圧を検知する電圧検知部４４と、冷却ファン４５と、熱伝導部材１８の接離動作を制御する接離動作部４６と、定着ヒータ１１ａの温度制御、冷却ファン４５や離接動作部４５の動作制御など行う制御回路を備えた制御基板４７等から構成されている。
【００３４】
制御基板４７の制御回路はＣＰＵ等を備え、定着装置１０内に設けられた温度検出素子（図示しない）の温度に基づいて定着ヒータ１１ａの点灯制御を行い、あるいは、ゼーベック素子１６の温度を検出して、その温度により接離動作を行う。
【００３５】
ゼーベック素子１６で発電された電力はバッテリ４２に充電され、蓄電される。そして、バッテリ４２からの出力切り替えは電源切替回路４３で行う。電源切替回路４３では、バッテリ４２の電圧モニタを制御基板４７で行い、制御基板４７で必要とする電圧以上を確認すると、回路切り替えを行う。電源切替回路４３では、バッテリ４２へのＰＳＵ４１からの回り込みがないようにダイオード等を実装し、回り込みを防止している。
【００３６】
このようにバッテリ４２を実装することにより、動作時に熱電発電した電力を、省エネモード等の機械の低負荷動作時に供給することができ、装置の消費電力を０Ｗにすることができる。また、動作電力により、省エネモード時の動作電力をバッテリ４２に蓄えることができない場合においても、電源切替回路４３によりＰＳＵ４１の出力を供給することにより、装置の動作不良になることを防止することができる。
【００３７】
なお、本実施形態では、熱電発電装置を画像形成装置に設けているが、熱源を有する全ての装置に設置可能である。
【００３８】
また、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の技術思想に含まれる技術事項が全て本発明の対象となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る画像形成装置の構成図である。
【図２】定着装置の詳細な構成を示す断面図である。
【図３】その熱電発電装置の詳細な構成を示す図である。
【図４】熱電素子への温度伝達を遮断した状態を説明する図である。
【図５】定着装置の別の例を示す断面図である。
【図６】図５の定着装置における熱電発電装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  画像形成装置
１０  定着装置
１１  定着ローラ
１１ａ  定着ヒータ
１２  加圧ローラ
１３  定着入口センサ
１５  熱電モジュール
２０  転写紙
１６  ゼーベック素子
１６ａ  加熱面
１６ｂ  冷却面
１７  グリース
１８  熱伝導部材
１９  サーモスイッチ
４１  電源供給ユニット
４２  バッテリ
４３  電源切替回路
４４  電圧検知部
４６  接離動作部
４７  制御基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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