第Ⅳ章

注目技術

超高速電子写真プロセスにおける液体冷却技術（採用機種：RICOH Pro C751EX/C651EX）
岡野*

株式会社リコー

画像エンジン開発本部**

株式会社リコー

覚*，平澤友康*，藤谷博充**
基盤・制御技術開発センター

PP 事業本部

CS 設計センター式(2)によれば， W が上昇し， T と A が低下する

１．はじめに近年，プロダクションプリンティング，オフィスハと，これを満足する冷却を行うには，高い値の h が必

イエンドの電子写真方式におけるコピー/プリンタに要であることがわかる．現像ユニットの冷却の場合，おいて発生する熱は，レーザースキャナーや現像ユニ必要よりも低い値の h の冷却しか行われないとき，現ットでの温度上昇に見られるように，高画質化，高速像ユニット内部のトナーは許容レベル以上に温度上昇化，連続印刷のニーズにともなって，上昇を続けていし，凝集する．このとき，ベタ画像の出力においてはる．両面印刷で機内を搬送する紙もまた，大きな熱源画像面に複数の白スジとなる画像不良を引き起こす．となっている．一方，定着プロセスの省エネルギー化

Fig.1 は，当社の中高速機の現像ユニットにおける一でトナー軟化点の低下により，温度上昇の許容レベル般的な熱の流れを示している．Fig.1 では，トナーのも下がりつつある．こうした状況にあってもなおコピ

攪拌の摩擦により発生する熱，感光体から伝達されるー/プリンタは，ダウンサイジングが求められている．

熱，および現像ユニット周囲より伝達される熱の全て

一般に，発熱体をその周囲から流体で冷却する際，が，現像ユニット端部に位置する多数枚のフィンをも発熱体の発熱量を W ，発熱体表面の熱伝達率を h ，発つヒートシンクへと輸送され，そこで低温の空気と熱熱体表面の面積を A ，発熱体表面の温度を Tw ，周囲の交換される．Fig.2 は，当社の中高速機の現像ユニッ

流体温度を Ta とすると，以下の式が成り立つ 1)．

トのヒートシンクに求められる熱伝達率を示している．
前述の現像ユニットの熱伝達率は，Fig.2 では，A，BW  hAT w  Ta .

(1)

グループにプロットされる．熱伝達率は，数値の大きさによって冷却方式が大別され，小さい順より，自然流体温度 Ta は，空冷の場合，空気の温度，すなわち対流（空冷），強制対流（空冷），液体冷却等に分け室温である．ここで，現像ユニットの冷却について考られる．その閾値については必ずしも明確ではないが，えてみた場合，その内部には主に摩擦熱の発生によっ半導体に適用されるガイドに従えば，前記の A，B グルて温度上昇したトナーとキャリアがともに対流し，そープは，空冷の域に位置している 2)．これらのグルーれらの温度は至るところでほぼ均一と考えることがでプの現像ユニットは，冷却方式を空冷とした場合の気きる．また現像ユニットの場合，発熱体から発熱体表流シミュレーションと実験によって，現像ユニット内面までの温度勾配は十分小さいと考えられ，したがっ部のトナー温度が許容レベル以下になることが確認さて，式(1)の Tw  Ta は，発熱体の周囲の流体からの温れ，実際に空冷が選択されている．

度上昇値と概ね考えてよく，今これを T と置き，h にしかしながら，発熱量がいっそう増加し，温度上昇の許容レベルと放熱面積がさらに低下すると，これまついてまとめると，以下の式が導かれる．

で以上の高い熱伝達率の冷却が求められる．Fig.2 にh  W T  A .

(2)

おける C グループは，当社の RICOH-1-

Pro C751EX の現第Ⅳ章

注目技術像ユニットに求められる熱伝達率であり，空冷よりも1000が必要であることを示している．中でも液体冷却は高効率な冷却方法として知られるが，一般に液体温度を制御するためのチラーといった大掛かりな装置を必要とするため，これまでオフィスユースには向かなかった．そのような中，近年，コンパクトな液体冷却システムが，パーソナルコンピュータにおける CPU の冷却，熱伝達率 [W/m 2K]

高効率の冷却，具体的には液体冷却等を利用した冷却
液体冷却等

C : 白黒75 / カラー75PPM

100

強制対流（空冷）10A : 白黒6075 / カラー4560PPM
自然対流（空冷）

10.001

B : 白黒90 / カラー90PPM
0.01

0.1
2

放熱面積 [m ]高速プリンタにおけるサーマルヘッドや LED ヘッドの冷却に適用されはじめた 3,4,5)．それでも，電子写真のFig.2 Heat transfer coefficient for various

作像プロセス，ことに現像ユニットへの液体冷却の適development units.

用はなく，Fig.2 における C グループのような現像ユニットの冷却を満足する小型な液体冷却技術が切望さ２．液体冷却技術れていた．

2.1. 現像ユニットにおける液体冷却の概要

本稿では，高速電子写真プロセスに向け開発した，Fig.3 に示すように，現像ユニットにおける液体冷現像ユニットにおける温度上昇を許容レベル以下にお却では，トナーの攪拌の摩擦により発生する熱，感光さえる液体冷却技術について紹介する．

体や機内環境といった現像ユニット周囲の熱を，液体冷却ジャケットを押し当てて冷却する．液体冷却ジャ

ヒートシンク（放熱面積： A ）現像ユニット
低温空気

ケットは，その内部に流路をもち，室温とほぼ同じ温度の，水を主成分とする液体が循環し，前記の熱を作

高温空気

像プロセス領域から機外近傍に配置されるラジエータ

adcb

現像ユニット周囲からの熱感光体からの熱/ファンへと輸送する．液体冷却では，液体が空気より感光体も高い熱伝達率をもつために，小型な液体冷却ジャケ

トナー（総発熱量： W ,温度上昇： T ）ットでもその温度上昇を低くおさえながら多量に受熱することができる．また，液体は空気よりも熱容量がトナーの攪拌による摩擦熱大きいために，幅広いダクトを必要とせず，狭いパイ

a ：現像スリーブb ：回収スクリューc ：攪拌スクリュー
d ：供給スクリュー
Fig.1

プでも十分に熱輸送を可能にする．ただし，前述のラジエータ/ファンは，空冷のダクトと比べてもけっして小さいものではない．しかしこれらは作像プロセス領

Routes of heat transfer in development unit.

域から離れた空いたスペースに設置することができるため，大きな制約になることはない．このように液体冷却は，作像プロセス領域の省スペース化に大きく貢献するものである．
現像ユニットから機外まで，液体冷却の高い冷却性能を低損失で実現するには，液体冷却システムの熱設計，およびデバイスの開発と最適化が不可欠である．
中でも，液体冷却ジャケットと，このジャケットと現像ユニットとの接触界面の構成が重要になる．次節以-2-

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降では，これらの詳しい説明と，これらを用いた液体る熱抵抗と液体の流れの圧力差を，測定，および熱流冷却システムの評価結果について述べる．

体シミュレーションによって求めている．

現像ユニットR  T1  TOUT  C p Q TOUT  T IN  .

液体冷却ジャケット

(3)

液体の流れ

ただし，式(3)，および Fig.5 の各記号は以下の通り

ポンプ

室温である．
熱の流れ
ラジエータ
/ファン

トナー
配管

現像ユニット周囲からの熱トナーの摩擦と感光体からの熱R:

液体（流出） ⇔液体冷却ジャケット
底部の熱抵抗T1:

液体冷却ジャケット底部の温度

TIN:

液体の流入温度

TOUT:液体の流出温度

:

液体の密度

Cp:

液体の比熱

現像ユニットにおける液体冷却では，液体冷却ジャ

Q:

液体の流量

ケットは最も重要なデバイスであり，液漏れがなく，

P:

液体の圧力差Fig.3

Schematic diagram of liquid cooling system
in development unit.

2.2. 液体冷却ジャケット

温度上昇を低くおさえて多量に受熱する性能が求められる．

R

液体TOUTQ

液体冷却ジャケットは，現像ユニットとほぼ同じ，300mm を越す長い流路をもつ．このため，CPU 冷却のも

P

TIN

T1のと比較すると，流路面積はかなり広く，液漏れのリスクが高くなる．そこで，我々の液体冷却ジャケット

温度節点

発熱量

熱抵抗

室温節点

は，この液漏れのリスクを回避するため，Fig.4 に示すように，流路としてシームレスな銅パイプを U の字に曲げ，これを挟持する 2 枚のアルミニウムプレート

Fig.5

Schematic diagram of measuring liquidcooling jacket.

からなる構成とした．
この際，熱抵抗とは，発熱量に対する温度上昇の比を意味しており，ある発熱量が与えられたときの温度上昇を知るための重要な指標になっている．圧力差は，その熱抵抗のパラメータの一つである液体の流量を決定する指標である．また，測定では，液体冷却ジャケ
ット底部の温度 T1 を一定に制御し，液体の流量 Q をパラメータとして，液体の流入温度 TIN と流出温度 TOUT ，および液体の圧力差 P を測り，式(3)によって熱抵抗
Fig.4

Photographs of liquid cooling jacket.

R を算出している．このとき，式(3)の分母は本来発熱量とすべきであるが，ここでは液体による吸熱量
また，液体冷却ジャケットは，高い受熱性能を獲得

C p QTOUT  TIN  にて代用している．一方，熱流体シするため，評価項目として，式(3)と Fig.5 で定義されミュレーションでは，汎用の非構造格子系熱流体ソフ-3-第Ⅳ章

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トにより，液体冷却ジャケット底部の温度 T1 と液体のまた，熱伝導シートには脆性もあるため，外力に対し流入温度 TIN を温度境界条件とし，また液体の流量 Qては時として裂ける場合もある．このため PET フィルを速度境界条件として設定し，流路の液体の流れと温ムには，熱伝導シートを保護する役割もある．ただし，度分布，および液体冷却ジャケットの温度分布を三次PET フィルムの熱伝導率はかなり低く，液体冷却の高元で同時に定常計算し，流出温度 TOUT と液体の圧力差い受熱性能を低下させるため，その厚みは十分薄くす

P を求め，式(3)によって熱抵抗 R を算出している．

る必要がある．液体冷却ジャケットと現像ユニット間Fig.6 は，測定とシミュレーションの結果の一例を示の受熱性能はまた，それらの接触界面の平面粗さにもすものである．シミュレーション結果は，実験結果と依存するため，熱伝導シートと PET フィルムの構成とも良く一致するため，液体冷却デバイスの開発におい同時にこれらも考慮する必要がある．Fig.8 には，受ては，シミュレーションの利用が有効であることもわ

熱性能として，熱伝導シートの厚さが 0.5mm と 1.0mmかった．のときの平面粗さに対する 2 面間の熱抵抗の実験結果

0.05の例を示す．

50

熱抵抗（シミュレーション）
40

熱抵抗（実験）0.03

圧力差（シミュレーション）
圧力差（実験）

0.02
0.01

3020

現像ユニットポンプ

100000.5

11.5

ラジエータ
/ファン

流量 [L/min]

Fig.6

液体冷却システム

圧力差 [kPa]

熱抵抗 [K/W]

0.04

液体冷却ジャケット

Thermal resistance and pressure loss inliquid cooling jacket.

Fig.7

PETフィルム

熱伝導シートSchematic diagram of contact surface

between development unit and liquid cooling jacket.
2.3. 現像ユニットと冷却ジャケットの接触界面

0.25

し装着・分離しても，その高い受熱性能を持続するた

0.20

めの現像ユニットと液体冷却ジャケット間の接触界面の構成が必要である．これを実現するため，Fig.7 に示すように，現像ユニットの接触界面に，熱伝導シー
トとポリエチレンテレフタレートフィルム（PET フィ

熱抵抗 [K/W]

液体冷却ジャケットは，現像ユニットに対し繰り返

0.150.100.000

し圧に対して変形しやすい．このため，接触界面で生下がって，高い受熱性能が得られる．ただし，熱伝導熱伝導シート（厚さ：0.5mm）0.05

ルム）を配した．熱伝導シートには柔軟性があり，押じていた微小な空気のギャップは埋められ，熱抵抗が熱伝導シート（厚さ：1mm）

Fig.8

0.050.10.150.2
現像ユニット表面の平面粗さ [mm]Thermal resistance between development unit
and liquid cooling jacket.

シートには粘着性があるため，現像ユニットを分離する際，いずれかの側に張り付いて剥がれてしまう場合

2.4. 液体冷却システムにおける熱設計がある．前述の PET フィルムには，熱伝導シートを被Fig.9 は，当社の RICOH Pro C751EX に，液体冷却シ覆し，その粘着性をおさえ，PET フィルムを接触界面ステムを設置した概略図である．本システムでは，4として，現像ユニットを分離可能にする効果がある．

つの液体冷却ジャケットが直列に接続され，イエロー，-4-

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マゼンタ，シアン，ブラックの現像ユニットの順に液とがわかる．

体を流している．また，本システムは，熱回路網法と管路網法により熱設計，および最適化を図っている．
Fig.10 は，Fig.9 におけるシステム全体の熱回路図をラジエータ/ファン現像ユニット示している．熱回路網法では，Fig.10 における熱の流れを定式化する．その際，現像ユニットにおける熱抵抗と発熱量，およびラジエータ/ファンの熱抵抗とポンプの発熱量は，予め個々に測定することにより得てい

BkCY
液体タンク

M

液体冷却ジャケット

る．ただし，液体冷却ジャケットとラジエータ/ファンの熱抵抗は，パラメータとして，液体の流量を定めるポンプ必要がある．管路網法によれば，液体冷却システム一周にわたる液体冷却ジャケット，パイプ，およびラジエータといった各デバイスの圧力差の総和を計算し，この全圧力差から，送液性能として圧力と流量の関係

Fig.9 Schematic diagram of liquid cooling systemが既知のポンプをいろいろと選定することにより，液in machine.

体の流量を定めることができる．したがって，前述の現像ユニット

熱の流れの式を解くことにより，Fig.9 の現像ユニッ
トにおけるトナー，現像ユニットのケース，液体，おR6

よび液体冷却ジャケットの温度上昇値を得ることがで室温

きる．

W1

液体冷却ジャケット

R8W3

R7R5
W2 / 22.5. 温度上昇の実験結果と予測誤差

R1R2トナー

R3R4

W2 / 2

Fig.9 に示す液体冷却システムにおいて，ブラック4 set  W1  W2 の現像ユニット内部のブラックトナーにおける温度上

温度節点

発熱量

熱抵抗

室温節点昇の測定値と許容レベルとの差を Table 1 に示す．ブ
ラックトナーの温度上昇を評価するのは，4 色の現像ユニットの中で，ブラックの現像ユニットが最も高い温度の液体が流れ，したがって 4 色のトナーの中でブ

R1 ：トナー ⇔ 現像ケース左側面の熱抵抗
R2 ：トナー ⇔ 現像ケース左下面の熱抵抗
R3 ：トナー ⇔ 現像ケース右下面間の熱抵抗
R4 ：現像ケース下左右面間の熱抵抗ラックトナーが最も高い温度となり得るためである．

R5 ：現像ケース左下面 ⇔ 現像ケース左側面の熱抵抗

Table 1 で見られる温度差は，トナー凝集を回避する

R6 ：現像ケース左側面 ⇔ 液体冷却ジャケットの熱抵抗のに十分大きく，余裕があることがわかる．Table 1

R7 ：液体冷却ジャケット ⇔ 液体の熱抵抗にはまた，ブラックトナー，およびポンプにおける液R8 ：液体 ⇔ 室温の熱抵抗

体の温度上昇の測定値とシミュレーションとの差も示

W1 ：現像ユニット内部と感光体からの発熱量している．ポンプにおける液体の温度上昇を見る理由

W 2 ：現像ユニット周囲からの発熱量は，液体冷却システムを流れる液体の中で，最も高い温度上昇を示すためである．Table 1 に見られるこれ
らのシミュレーションによる予測誤差は非常に小さく，液体冷却システムが目的の機能を十分果たしているこ-5-

W 3 ：ポンプの発熱量

Fig.10Schematic diagram of thermal network indevelopment unit and liquid cooling system.

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Table 1

Experimental results and prediction
errors.
温度上昇の実験と温度上昇の計算

許容レベルとの差と実験との差

トナー-2.0[deg]+0.5[deg]

液体－+0.6[deg]３．まとめ
電子写真作像プロセスにおける現像ユニットを冷却する液体冷却技術を世界で始めて開発し，その実用性を確認した．本技術は，現像ユニットにおける温度上昇をおさえ，トナー固着を回避する．また，液体冷却システムのための熱設計技術も獲得することができた．
その際，熱流体シミュレーションが有効であることもわかった．

参考文献
１） Jack Philip Holman : 伝熱工学<上>, ブレイン
図書, (1996), pp.11-13.
２） 国峰尚樹 : 電子機器における熱問題, MATERIAL
STAGE, VOL.1, NO.4, (2001), pp.7-11
３） Yoshihiro Kondo : The First Laptop Personal
ComputerusingaSilent

Liquid-cooling

System,Thermal Engineering Conference, (2003),
pp.101-104.
４） Tatsuhiko

Asada,Hiroshi

Kobayashi

andHirotoshi Terao : Study of a D2T2 printing forhigh-speed print, IS&T's NIP20:International
Conference on Digital Printing Technologies,(2004), pp.993-996.
５） Wolfgang Schullerus and Klaus Pachonik :Architecture
PrintheadofAHigh

Platform,NIP24PerformanceandLEDDigital

Fabrication, (2008), pp.807-810.

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禁 無 断 転 載2011 年度「ビジネス機器関連技術調査報告書」“Ⅳ―５”部
発行2012 年 4 月
一般社団法人 ビジネス機械･情報システム産業協会（JBMIA）
技術委員会 技術調査小委員会〒105-0003 東京都港区西新橋三丁目 25 番 33 号 NP 御成門ビル
電話 03-5472-1101(代表) ／ FAX 03-5472-2511-7-