JP4603204B2 - 熱交換器を有する粉末画像転写システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像運搬体として機能するエンドレスベルトと、反対の方向に動き、押し部材によって互いに対し滑り接触となるよう保持されるエンドレスベルトの2つの部分によって形成される向流熱交換器とを含み、エンドレスベルトはそれが低い温度に維持される第1の処理局と、それが高い温度に維持される第2の処理局とを通る画像転写システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
画像転写システムは、例えば、トナー画像が第1の処理局内で画像運搬体上に現像又は転写され、その後第2の処理局内で一枚の複写用用紙に転写され且つそこに定着される複写機又はプリンタに使用される。特に、第2の処理局における転写段階及び定着段階が1つの転写定着段階にまとめられると、ベルトは、第2の処理局に供給される前に高い温度にまで加熱される必要がある。その一方で、第1の処理局における第1の転写段階又は現像段階は、一般的に低いベルトの温度を必要とする。特定の種類の複写機又はプリンタでは、トナー画像は、光伝導性のドラム上に現像されるか、又はダイレクトインダクションプリント処理で電極ドラムの表面上に直接的に形成され、その後中間的な画像運搬体として機能するベルトに転写される。
【0003】
ベルトの一部が向流熱交換器として構成される装置は、第2の処理局を離れるベルトの熱の大部分が回収され、第2の処理局に供給されるベルトに予め加熱するために使用することが可能であるので、熱エネルギーの損失、従って機械の電力消費はかなり減少されるという利点を有する。熱交換器の高い効率を達成し、且つ、熱交換器の長さを減少するために、ベルトが比較的薄いエンドレス支持体から形成され、小さい熱容量と高い熱伝導率とを有する材料からなることが好適である。更に、熱交換器を形成するベルトの2つの部分は、互いに対し密接に保持されるべきである。その一方で、2つのベルトの部分が互いに対し押される力は、ベルトの表面の間での摩擦量を制限するよう大きすぎないべきである。
【0004】
US−A5103263には、熱交換器が2つの偏向ローラの間に画成される直線路として構成された、上述に記載されるような種類の画像転写システムが開示される。ベルトの一部のうちの1つのベルトの一部は、略偏向されることなく2つの偏向ローラを越えて接線方向に動き、もう1つのベルトの一部は両方のローラにおいて偏向され、それにより2つの偏向ローラの間の直線路においてのみ上記第1の部分と滑り接触となるようにされる。熱交換器の長さに亘って上記第2のベルトの一部を上記第1のベルトの一部に僅かに押すよう板状の押し部材が使用される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、熱交換器の効率を改善し、それによりシステム全体のよりコンパクトな構成を可能にすることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的は、押し部材が湾曲した表面を有し、その表面に沿ってベルトの一部は向流熱交換器の長さの大部分に亘って導かれ、湾曲した表面は直接的に接触するベルトの一部と同時回転する特徴によって達成される。
【0007】
従って、熱交換器は本質的に湾曲した路によって形成され、湾曲した路上において2つのベルトの一部が押し部材の湾曲した表面上に置かれる。その結果、ベルトの外側の部分は、ベルトの張力に比例し、押し部材の曲率が増加すると増加する力で、押し部材によって直接的に支持される内側のベルトの一部に押される。その結果、反対の方向に動く2つのベルトの一部は、ベルトの張力を適当に選択することによって微細に調節することが可能である押力によって互いに対し密接するよう保持される。これにより、1つのベルト層からもう1つのベルト層への再生可能で良好な熱の伝達が保証され、それによって熱交換器の効率を増加させ、且つ、熱交換器の長さを減少させることが可能となる。以下に説明されるように、熱交換器の効率はUS−A5103263に示される構成と比較すると際立って増加される。
【0008】
更に、向流熱交換器が湾曲して構成されることにより、熱交換器はある程度の長さを必要とするにも関わらず、第1の処理局と第2の処理局とを互いに対し比較的近い付近において配置することが可能となる。その結果、システム全体としてのコンパクトな構成が達成される。
【0009】
更に、高い温度で動作する第2の処理局は熱損失に対し断熱されるべきであり、従って、理想的には、熱は熱交換器を通過してのみ散逸されると理解するものとする。
【0010】
本発明のより明確であり選択的な特徴は、従属項に記載される。
【0011】
本発明では、押し部材は、熱交換器を形成するベルトの一部のうちの1つのベルトの一部と同時回転する円筒状の部材である。従って、押し部材と押し部材に直接的に支持されるベルトの一部との間には摩擦が起きない。摩擦は、回転ドラムの円周上に置かれる2つのベルトの層の対向する表面の間でのみ発生する。しかし、ベルトの画像を担持する表面ではないこれらの表面は、比較的低い摩擦係数を有する場合があり、従って摩擦抵抗は最小にされる。
【0012】
押し部材を形成するドラムは、低い熱伝達率及び低い熱容量を有する材料から形成されるべきであり、それによりベルトの熱い部分の熱はベルトの冷たい部分に実質的に散逸されるが、押し部材として機能するドラムには散逸されない。
【0013】
ベルトとドラムの間の熱接触を更に最小にするためには、ドラムの表面に溝のパターンを設けることが好適であり、それによりドラムは溝の間に画成されるうね又は島状の部分とのみ接触する。溝の幅は、画質又はベルトの耐久性に悪影響を与える可能性のあるベルト層のゆがみを阻止し、熱交換器内におけるベルトの全体の領域の適当な熱接触を保証するのに十分であるよう小さいべきである。
【0014】
ベルトの温度を第2の処理局において必要とされる実用温度に増加するためには、一般的に加熱器は、熱交換器と第2の処理局との間に配置される。その結果、熱交換器から第2の処理局に向かって出るベルトの一部と第2の処理局から熱交換器に再び入るベルトの一部と間に温度差が発生する。このような温度差は、熱交換器内で1つのベルト層からもう1つのベルト層への熱伝達を維持するために必要である。熱損失が無視できる程度にまで減少すると、エネルギーの保存のために、熱交換器の長さ全体に亘って2つのベルト層において温度差が等しいことが必要となる。従って、この温度差は、熱交換器から第1の処理局に向けて出るベルトの一部と第1の処理局から熱交換器に再び入るベルトの一部との間にも発生する。これは、第2の処理局の側における加熱器によって供給される熱エネルギーは、第1の処理局の側において取出さなければならないことを意味する。
【0015】
コンパクトな構成を達成するためには、この熱の取り出しは、例えば、ベルトを比較的大きな角度で、例えば約180°の角度で偏向することが好適である空気冷却式又は冷水式のドラムのようなアクティブな冷却システムによって促進されることが好適である。冷却ドラムは例えば、第1の処理局の上流側に配置され、第1の処理局が、ベルトによって第1の処理局の実用温度よりも上に暖められることを阻止するようベルトを十分に低い温度に冷却するようにされる。この設計は、冷却機能が第1の処理局自体から完全に取り除かれ、それにより第1の処理局を形成する構成部分の複雑さが減少されるという利点を有する。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の上記及び他の特徴と利点を、添付図面と共に好適な実施例によって以下の詳細に説明する。
【0017】
図1に示される画像転写システムは、第1の処理局12及び第2の処理局14を通るエンドレスベルト10を含む。
【0018】
第1の処理局12は、電極ドラム16と、加圧ローラ18とを含み、その間にベルト10が通過するニップが形成される。
【0019】
従来技術において既知であるように、電極ドラム16は円周に延在する多数の電極と、ドラム内に収容され、ドラムに供給される画像情報に従って電極にエネルギーを付与する電子制御回路(図示せず)とを含む。電極にエネルギーが付与されると、ドラムの円周に配置される磁気ブラシ(図示せず)からトナー粉末が電気的に引き寄せられる。従って、様々な電極に適当なタイミングでエネルギーを付与することにより、電極ドラム16の円周の表面上にトナー画像が形成される。この画像化処理のより詳細な説明は、US4884188を参照されたい。この特許文書の説明は本願に参照文書として組込まれる。トナー画像は次に、エンドレスベルト10が電極ドラム16と加圧ローラ18との間のニップを通過する際に、エンドレスベルト10の外側の表面上に転写される。
【0020】
トナー画像を担持するベルト10は、ベルトの裏面と掛合し、トナー画像が粘着性となるような温度にまでベルトを加熱する加熱器20の上を導かれる。
【0021】
第2の処理局14は、一対の転写ローラ22、24を含む。ベルト10はローラ22及び24の間のニップを通過し、一枚の複写用用紙26が一対の転写ローラに供給され、ベルト10と共に同じニップを通され、それにより粘着性のトナー画像が複写用用紙26に転写され、同時に複写用用紙上で熱定着される。
【0022】
ベルト10は次に、幾つかのガイドローラ28と、ベルトの張力を調節するテンションローラ30に亘って導かれ、次にクリーニングローラ32に亘って通されそこで約90°の角度で偏向される。
【0023】
クリーニングローラ32を離れたベルト10の一部10aは、加熱器20に向かって動くベルトの一部10bと略平行ではあるが、完全に平行ではない。ベルトの一部10a及び10bは共に、空転しているか又は活発に駆動している偏向ローラ36によって偏向され、それにより偏向ローラの周速が、偏向ローラ36と直接的に接触しているベルトの一部10aの速度と等しくなる。ベルト10の張力によって、ベルトの一部10bは、偏向ローラ36上で角度αを有する弧の長さ全体に亘って支持されるベルトの一部10aと近接した滑り接触となるよう押される。偏向ローラ36によって画成される弧状の路上で互いに対し密接に保持されるベルト10の2つの一部10aと10bは、向流熱交換器38を形成する。2つの一部10aと10bが反対の方向で熱交換器38を通り動くと、熱はベルトの一部10aからベルトの一部10bに伝達され、それによりベルトの一部10bの温度は増加し、ベルトの一部10aの温度は減少する。従って、加熱器20によって発生され、ベルト10と共に運ばれた熱の大部分は、回収され、ベルトの一部10bが加熱器20によって最終的な処理温度にまで加熱される前に、ベルトの一部10bを予め加熱するために使用される。
【0024】
ベルトの一部10bがベルトの一部10aに対し与える圧縮力は、他のものにも依存するがそのうちでもベルト10の張力と、偏向ローラ36の曲率とに依存する。偏向ローラの半径が小さいほど圧縮力は大きくなり、2つのベルトの一部10aと10bとの間の良好な熱接触が保証される。他方で、偏向ローラ36及び角度αは、熱交換器38の有効な長さを決定する。しかし、この長さは、偏向ローラ36とクリーニングローラ32との間の路でベルトの一部10aと10bとが互いに対しゆるく接触し保持されるよう加熱器20を再配置することによって増加される場合がある。
【0025】
比較的熱いベルトの一部10aと偏向ローラ36との間の熱接触を更に減少するために、偏向ローラ36の円周の表面に、円周に沿って延在する又は軸方向に延在する溝40のパターンが形成される。好適な溝のパターンはGB1523928に開示される。
【0026】
偏向ローラ36を離れるベルトの一部10aは、冷却ローラ42によって約180°の角度で偏向される。冷却ローラ42には、冷却媒体、例えば水又は空気が流れ、内側に冷却フィン44が設けられる。
【0027】
冷却ローラ42は、ベルトが比較的低い温度であるときに最も効率的に取り除くことが可能であるこれらの材料をベルトの表面から取り除くよう適応されるもう1つのクリーニングローラ46と共にニップを形成する。
【0028】
ベルト10は、冷却ローラ42によって、第1の処理局12の最大の実用温度よりも下の温度に冷却されると、ドラム16と加圧ローラ18との間のニップに戻され、他のトナー画像が供給される。このニップを通過するとき、ベルト10の温度は、電極ドラム16内の電子素子によって発生される余熱によって再び僅かに上昇する場合がある。
【0029】
図2は、ベルト10に沿っての温度の分布を示す。温度レベルT1乃至T6は、図1中に示される場所P1乃至P6におけるベルトの温度を示す。
【0030】
P1では、ベルトは、比較的低い温度T1で第1の処理局12を離れる。次に、熱交換器38がベルトの温度をT2に上昇させる。ΔT=T2−T1は、熱交換器38の加熱効果を示す。P2とP3との間でベルトは加熱器20によって更に加熱され、それにより、ベルトは温度T3で第2の処理局14に入る。第2の処理局14では、或る量の熱が複写用用紙26に伝達されるので温度はT4に落ちる。
【0031】
P4とP5の間では、ベルト(ベルトの一部10a)は再び熱交換器38を通り、それによりベルトの温度はT5に落ちる。DTは、熱交換器38内におけるベルトの一部10aとベルトの一部10bとの間の温度差を表す。この温度差は、理論的には熱交換器の長さの全体に亘って一定である。
【0032】
P5とP6との間では、ベルトは冷却ローラ42に亘って通され、それにより温度はT6に落ちる。次に、第1の処理局12において、温度は再び僅かに上昇されてT1となり、これは電極ドラム16から余熱が取り除かれたことを意味する。
【0033】
図2から分かるように、熱交換器38の加熱効果ΔTは、熱交換器内の2つのベルトの一部間の温度差DTよりかなり大きい。温度値ΔT及びDTはそれぞれ、ベルト10に伝達された又はベルトから伝達された熱エネルギーの特定の量に対応する。しかし、DTに対応する熱エネルギーのみが複写機の電力消費に寄与し、一方でΔTに対応するより大きな熱エネルギーは熱交換器38内で回収される。従って、熱交換器38はプリンタの電力消費をかなり減少させることを可能にする。
【0034】
電力消費を最小にするためには、DTをできるだけ小さくすることが好適である。その一方で、DTは、ベルトの一部10aの温度をT4からT5に減少させるようベルトの一部10aからベルトの一部10bへの十分な熱伝達が維持できるよう十分に大きくなくてはならない。DTは熱交換機38の長さを増加させると小さくすることが可能である。同様に、DTは、ベルト10が小さい熱容量及び/又は高い熱伝導率を有すると小さくすることが可能である。DTを増加させる傾向のある他のファクタは、熱交換器内のベルトの一部10aと10bとの間の表面境界における熱の障壁(thermal barrier)である。しかし、熱交換器は湾曲した路を有し、その結果得られるベルトの一部10aと10bとの間で互いに押されるように掛合することによって、上述のような熱の障壁は実際的には排除され、それによりDTはベルト10が許容する程度の熱容量と熱伝導率にまで小さくすることが可能となる。その結果、比較的短い熱交換器においても既に好適に大きい範囲のΔT/DTの比が達成される。
【0035】
更に、ベルトの熱容量を減少させ、熱伝達を増加させるために、ベルト支持体の厚さは機械的強度必要条件が許容するほどの小さい厚さに形成されるべきである。実際の実施例では、ベルト10は、250マイクロメータ(μm)以下の全体の厚さを、好適には100μmのオーダの厚さを有し、約50μmの厚さを有する基板層と画像を担持する側にある約50μmの表面被膜とから構成される。この表面被膜は、画像転写特性の観点から最適化される。基板層に好適な材料は例えば、ポリイミドのような合成樹脂である。この支持体用の好適な表面被膜は、例えばEP−A0349072に開示される。
【0036】
図2に示されるグラフは、特にシステム内の熱い部分における不完全な断熱による熱損失が無視され、理想的に示されている。実際には、このような熱損失は、他のものによっても生じるがそのうち偏向ローラ36への熱伝達によって生じる場合がある。このために、偏向ローラは小さい熱容量と小さい熱伝導率を有する合成樹脂から形成される。好適な材料は、例えば、ポリウレタン(PUR)である。実際の実施例では、偏向ローラ36は、14.5mmの厚さを有する外側のPUR層36aを含み、全体として70mmの直径を有する。例えば、100μmの厚さを有する表面被膜が外側の層に設けられることが好適である。表面被膜の材料は、シリコンゴムのようなエラストマー性材料から構成されることが好適である。
【0037】
図3は、偏向ローラのPUR層36aの溝40のパターンを示す。これらの溝は、偏向ローラ36とベルト10との間の接触領域を減少し、それにより熱損失を更に減少させる。選択的に、横断するような長手方向及び円周に沿っての溝、或いは斜めの溝を使用することも可能である。
【0038】
図2に示す温度図は、プリンタが断続的に動作しており、ベルト10がウォームアップされている安定した状態に対応する。プリンタが特定の時間の間不作動であると、電力消費を減少するよう加熱器のスイッチはオフにされ、その結果、ベルトの温度は、第2の処理局14に必要とされる実用温度より下に落ちる。次に、プリンタが再び使用されるときに、ベルトをその実用温度に温めるまで特定の時間が必要となる。熱交換器38によって達成される熱回収によって、ウォーミングアップ処理が加速されるという有利な効果が得られ、これは更に、機械の有効電力消費を減少する。
【0039】
上述されたUS5103263に開示される実施例と比較し、本発明によって達成される有利な結果は、以下の通りである。
【0040】
プリンタ装置は図1に示す実施例に従って構成される。ベルト10は、熱伝導率を高めるよう5重量%のカーボンブラックを有するポリイミドからなり、50μmの厚さを有する。電極ドラム16に面するベルト10の外側の表面には、EP−A0349072の例2に開示されるような組成を有するシリコンゴムからなる50μmの厚さの層が設けられる。ベルト10の長さは681mmである。偏向ローラ36は、70mmの外径を有し、14.5mmの厚さのポリウレタンからなる外側の層を有するアルミニウムパイプから構成され、このポリウレタン層は、ポリウレタン層の全体の表面の約85%が取り除かれるよう約7mmの深さの溝が軸方向及び回転方向の両方に切り込まれる。ポリウレタンの残りの高い部分の上面は、ベルト10の外側の表面上のシリコンゴムと等しい組成を有するシリコンゴムからなる約100μmの厚さを有する層によって覆われる。
【0041】
ローラ18及び28は、14mmの直径を有するアルミニウムと、ポリウレタンからなる3mmの厚さを有する被膜とから構成される。
【0042】
ローラ22は、EPDM(硬度45°ショア(Shore)A)からなる1mmの厚さの被膜を有し、14mmの直径を有するどっしりと重いスチールローラから構成され、その上には、EP−A−0349072の例2の100μmの厚さを有しシリコンゴムからなる層がある。
【0043】
ローラ24は30mmの直径を有するスチールローラと、EPDM(硬度60°ショアA)からなる1mmの厚さの被膜とから構成される。
【0044】
偏向ローラ36の周囲の熱交換領域の長さは51mmだった。ベルトの速度は12m/分(200mm/秒)であり、これはA4サイズの用紙の毎分45ページの印刷速度に等しい。
【0045】
プリンタ装置を、室温(約22℃)において電源が切れている状態から、ローラ22と24との間のニップに入るとベルト10の温度が最大約92℃にまでなる動作モードにするには、加熱器20は1.8秒間の間に800Wの電力供給を必要とする。その後に、電力供給は、3秒後に約450Wにまで急速に下げられ、90秒後には370Wに下げられる。断続的なプリントプロダクションランでは、加熱器20への電力供給はたった210Wであり、一方で熱交換領域の「効率」は380Wであった。
【0046】
14mmの均一な厚さを有し、ポリウレタンからなる断続的な(溝が彫られていない)層が偏向ローラ36に設けられる実施例では、断続的なプリントプロダクションランは約300Wであった。
【0047】
14.6mmの厚さを有しシリコンゴムからなる層を有する偏向ローラを使用すると、断続的なプリントプロダクションランにおける熱交換器内の効率は約270Wであった。
【0048】
上述の全ての実施例において、熱交換器の効率は、装置が加熱器20にエネルギーが供給されない待ちモード又は電源が切れている状態から、プリント可能状態になるまで最大でも約15秒を必要とする。最も好適な本発明の実施例では、溝が彫られた表面層を有する偏向ローラを使用することにより、プリント可能状態は5秒以下で達成された。
【0049】
従って、本発明は、待ちモードの時には実質的に電力を必要としない比較的高速なプリント機械を提供する。
【0050】
図1に説明されたような構成と同様の構成を有するが、偏向ローラ36は省かれ、熱交換領域はUS5103263の図1及び図2に夫々示されるような構成にされ、熱交換領域の長さも51mmである比較可能な実施例では、熱交換器の効率は、最も好適な状況下では夫々たった100W、150Wが達成され得る。
【0051】
更に、US5103263に説明される実施例とは異なり、本発明の実施例では、熱交換器の効率は、ベルト10の支持体の熱伝導率によって実質的に影響を受けることが分かった。従って、ベルトの支持体の熱伝導率を更に改善することによって、現在達成されている最も高い値380Wよりも高い効率が達成され得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】画像転写システムを示す図である。
【図2】画像転写システムのベルトに沿っての温度分布を示すグラフである。
【図3】図1中の矢印IIIの方向における断面図である。
【符号の説明】
10 エンドレスベルト
12 第1の処理局
14 第2の処理局
16 電極ドラム
18 加圧ローラ
20 加熱器
22、24 転写ローラ
26 複写用用紙
28 ガイドローラ
30 テンションローラ
32、46 クリーニングローラ
36 偏向ローラ
36a 外側の表面層
38 熱交換器
40 パターン
42 冷却ローラ
44 内部フィン
Claims (9)
- 画像運搬体として機能するエンドレスベルトと、
反対の方向に動き、押し部材によって互いに対し滑り接触となるよう保持される上記エンドレスベルトの2つの部分によって形成される向流熱交換器とを含み、
上記エンドレスベルトは、それが低い温度に維持される第1の処理局と、それが高い温度に維持される第2の処理局とを通る画像転写システムであって、
上記押し部材は、上記押し部材に直接的に接触する上記エンドレスベルトの部分と共に回転する単一の偏向ローラであり、
前記エンドレスベルトの2つの部分は、該単一の偏向ローラによって定められる円弧形状の経路上で互いに密接に保持される、
ことを特徴とする画像転写システム。 - 画像運搬体として機能するエンドレスベルトと、
反対の方向に動き、押し部材によって互いに対し滑り接触となるよう保持される上記エンドレスベルトの2つの部分によって形成される向流熱交換器とを含み、
上記エンドレスベルトは、それが低い温度に維持される第1の処理局と、それが高い温度に維持される第2の処理局とを通る画像転写システムであって、
上記押し部材は、上記押し部材に直接的に接触する上記エンドレスベルトの部分と共に回転する単一の偏向ローラであり、
上記押し部材は、上記エンドレスベルトと接触する表面に溝のパターンが形成される、
ことを特徴とする画像転写システム。 - 上記押し部材の少なくとも表面層は、小さい熱容量及び小さい熱伝導率を有する合成樹脂から形成される請求項1又は2記載の画像転写システム。
- 上記エンドレスベルトは、250μm以下の厚さを有する請求項1乃至3のうちいずれか一項記載の画像転写システム。
- 上記第1の処理局の付近において上記エンドレスベルトを冷却するアクティブ冷却システムが設けられる請求項1乃至4のうちいずれか一項記載の画像転写システム。
- 上記アクティブ冷却システムは、冷却ローラによって形成され、
上記冷却ローラには冷却媒体が通され、
上記冷却ローラは約180°の角度で上記エンドレスベルトを偏向する請求項5記載の画像転写システム。 - 上記アクティブ冷却システムは、上記第1の処理局の上流側に、且つ、上記押し部材の下流側に設けられる請求項5又は6記載の画像転写システム。
- 上記向流熱交換器と上記第1の処理局との間に、上記エンドレスベルトを洗浄するクリーニングローラが設けられる請求項1乃至7のうちいずれか一項記載の画像転写システム。
- 上記クリーニングローラは、上記エンドレスベルトを上記冷却ローラの表面に掛合させる請求項8記載の画像転写システム。
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