像加熱装置、及び画像形成装置
【課題】記録材を冷媒の凝縮温度以上に加熱することで熱交換効率を上げ、省エネルギー効果を高めた蒸気圧縮冷凍サイクルを加熱源とする画像形成装置を提供することにある。
【解決手段】予備加熱装置１００は、ヒートポンプ１０１を用いて記録材Ｐを加熱ニップＮよりも低い温度に予備加熱して定着装置２６に受け渡す。搬送ベルト１０２は、凝縮器１０５ａで加熱された記録材Ｐを搬送して凝縮器１０５ｂを通過させる。凝縮器１０５ａは、凝縮器１０５ｂで放熱して凝縮温度になった冷媒を用いて、凝縮器１０５ｂよりも低い加熱温度で記録材を加熱する。凝縮器１０５ｂは、ヒートポンプ１０１の圧縮機１０４で圧縮して加熱された過熱蒸気の冷媒の顕熱を用いて記録材Ｐを冷媒の凝縮温度を越える温度まで加熱する。
【解決手段】予備加熱装置１００は、ヒートポンプ１０１を用いて記録材Ｐを加熱ニップＮよりも低い温度に予備加熱して定着装置２６に受け渡す。搬送ベルト１０２は、凝縮器１０５ａで加熱された記録材Ｐを搬送して凝縮器１０５ｂを通過させる。凝縮器１０５ａは、凝縮器１０５ｂで放熱して凝縮温度になった冷媒を用いて、凝縮器１０５ｂよりも低い加熱温度で記録材を加熱する。凝縮器１０５ｂは、ヒートポンプ１０１の圧縮機１０４で圧縮して加熱された過熱蒸気の冷媒の顕熱を用いて記録材Ｐを冷媒の凝縮温度を越える温度まで加熱する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
トナー画像を担持した記録材を、加熱処理する前にヒートポンプを用いて予備加熱する像加熱装置、詳しくはヒートポンプによる加熱効率を高めて、記録材の予備加熱に要する消費電力を削減する熱交換器の配置構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
トナー像を記録材に転写した後に、定着装置で記録材を加熱及び加圧しつつ搬送して、画像を記録材に定着させる画像形成装置が広く用いられている。また、定着済みトナー像又は半定着トナー像を担持した記録材を加熱及び加圧しつつ搬送して、所望の表面状態や光沢度を付与する後処理装置が実用化されている。像加熱装置は、定着装置と後理装置を含む装置名称である。
【０００３】
特許文献１には、ヒートポンプにより加熱されるローラ定着装置を搭載した画像形成装置が提案されている。ここでは、１段又は２段のヒートポンプを用いて加熱した加熱ローラを記録材の画像面に接触させてトナー像を記録材に定着させている。
【０００４】
特許文献２には、トナー像を記録材へ転写して定着装置へ搬送する過程で、記録材をヒートポンプにより予備加熱する定着システムが提案されている。ここでは、ヒートポンプによって加圧された高温の冷媒は、ローラ定着装置で熱交換を行って温度が少し下がった状態で、予備加熱ローラへ導かれて記録材との熱交換を行う。これにより、ヒートポンプの出力を加熱と予備加熱の二段階に活用して、トナー像の定着に要する合計の消費電力を削減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５８００３号公報
【特許文献２】特開２００９−１３３８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されるように、ヒートポンプは、理論的には投入した電力の数倍〜数１０倍の熱量を発生できるため、低消費電力で高出力の定着装置を期待できる。しかし、ヒートポンプは、吸熱原と放熱原の温度差が大きいほど効率が低下する。このため、トナーを実用的に溶融できる１００度Ｃ以上の高温を得ようとすると、それほど効率的とは言えず、ランプヒータや電磁加熱等で直接加熱を行ったほうが消費電力が少なくて済む場合もある。つまり、大型圧縮機の搭載や圧縮機騒音に見合うような消費電力の削減効果が得られない。
【０００７】
このため、ヒートポンプを６０度程度の予備加熱に用いて、予備加熱後に電磁加熱等を用いて集中的な加熱を行うことにより、予備加熱と加熱とを含めたトータルの消費電力を低下させることが提案された。
【０００８】
しかし、通常のヒートポンプでは、主として冷媒の潜熱を用いて加熱を行うため、圧縮機の出口圧力（又は凝縮器の出口圧力）における冷媒の凝縮温度までの加熱しか行うことができない。そのため、予備加熱後の加熱の消費電力の削減効果が限られていた。
【０００９】
本発明は、ヒートポンプの消費電力を増やすことなく、冷媒の凝縮温度を越える温度まで記録材を予備加熱して、予備加熱後の加熱に要する消費電力を効果的に削減できる像加熱装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の像加熱装置は、トナー画像を担持した記録材を加圧状態で加熱する加熱部を備え、ヒートポンプを用いて記録材を予備加熱して前記加熱部に受け渡すものである。そして、前記ヒートポンプの圧縮機で圧縮して加熱された過熱蒸気の冷媒の顕熱を用いて記録材を加熱する第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部で放熱した冷媒を用いて前記第１の熱交換部よりも低い加熱温度で記録材を加熱する第２の熱交換部と、前記第２の熱交換部で加熱された記録材を前記第１の熱交換部へ搬送して前記第１の熱交換部で加熱された記録材を前記加熱部へ受け渡す搬送手段とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の像加熱装置では、熱交換手段が二段階の予備加熱を行う。最初に、ヒートポンプで凝縮された湿り蒸気の冷媒と熱交換させて、大量で一定温度の熱を記録材へ受け渡して、確実に冷媒の凝縮温度（湿り蒸気の温度）に記録材の温度を近づける。その後、ヒートポンプで加圧された乾き蒸気の冷媒と熱交換させて、乾き蒸気の顕熱を利用して記録材を冷媒の凝縮温度を越える温度まで加熱する。
【００１２】
したがって、記録材を冷媒の凝縮温度を越える温度に予備加熱して加熱部へ受け渡すことができる。ヒートポンプの消費電力を増やすことなく、冷媒の凝縮温度を越える温度まで記録材を予備加熱して、予備加熱後の加熱に要する消費電力を効果的に削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】画像形成装置の構成の説明図である。
【図２】実施例１の予備加熱装置の構成の説明図である。
【図３】ヒートポンプの構成の説明図である。
【図４】冷媒の蒸気線図である。
【図５】ヒートポンプサイクルの放熱過程の説明図である。
【図６】毎分処理枚数と予備加熱性能の関係の説明図である。
【図７】ベルト熱交換器の熱交換温度分布の説明図である。
【図８】予備加熱装置の制御のフローチャートである。
【図９】予備加熱による定着部の消費電力削減効果の説明図である。
【図１０】実施例２の予備加熱装置の構成の説明図である。
【図１１】実施例２におけるベルト熱交換器の熱交換温度分布の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、ヒートポンプを用いて記録材の予備加熱を行う限りにおいて、実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。
【００１５】
従って、トナー画像を加熱する像加熱装置であれば、画像形成装置に装備された定着装置、光沢処理装置、後処理装置等に限らず、スタンドアロンの像加熱装置でも実施できる。加熱部の構成形式は、ローラ／ローラ方式に限らず、ローラ／ベルト方式等でも実施でき、加熱部の加熱方法は、抵抗加熱に限らず、ランプヒータ、電磁加熱等で実施できる。
【００１６】
画像形成装置は、二成分現像剤／一成分現像剤のいずれを用いるものでもよく、タンデム型／１ドラム型、中間転写型／記録材搬送型／直接転写型、モノクロ／フルカラーの区別無く実施できる。本実施形態では、トナー像の形成／定着に係る主要部のみを説明するが、本発明は、必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、ＦＡＸ、複合機等、種々の用途で実施できる。
【００１７】
なお、特許文献１、２に示される定着装置及び画像形成装置の一般的な事項については、図示を省略して重複する説明を省略する。
【００１８】
＜画像形成装置＞
図１は画像形成装置の構成の説明図である。図１に示すように、画像形成装置１は、中間転写ベルト８に沿ってイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄを配列したタンデム型中間転写方式のフルカラープリンタである。
【００１９】
画像形成部Ｐａでは、感光ドラム２ａにイエロートナー像が形成されて中間転写ベルト８に転写される。画像形成部Ｐｂでは、感光ドラム２ｂにマゼンタトナー像が形成されて中間転写ベルト８に転写される。画像形成部Ｐｃ、Ｐｄでは、感光ドラム２ｃ、２ｄにシアントナー像、ブラックトナー像が形成されて中間転写ベルト８に転写される。中間転写ベルト８に重ねて転写された四色のトナー像は、二次転写部Ｔ２へ搬送されて記録材Ｐへ二次転写される。
【００２０】
中間転写ベルト８は、テンションローラ１１と駆動ローラ１０と対向ローラ２１に掛け渡して支持され、駆動ローラ１０に駆動されて所定のプロセススピードで矢印Ｒ２方向に回転する。二次転写ローラ２２は、対向ローラ２１によって内側面を支持された中間転写ベルト８に当接して二次転写部Ｔ２を形成する。
【００２１】
記録材カセット１７から引き出された記録材Ｐは、分離ローラ１９で１枚ずつに分離して、レジストローラ１６へ送り出される。レジストローラ１６は、停止状態で記録材Ｐを受け入れて待機させ、中間転写ベルト８のトナー像にタイミングを合わせて二次転写部Ｔ２へ記録材Ｐを送り出す。トナー像と重ねて記録材Ｐが二次転写部Ｔ２を挟持搬送される過程で、二次転写ローラ２２に正極性の直流電圧が印加されることにより、フルカラートナー像が中間転写ベルト８から記録材Ｐへ二次転写される。転写されずに中間転写ベルト８の表面に残った転写残トナーは、ベルトクリーニング装置１２に回収される。
【００２２】
四色のトナー像を二次転写された記録材Ｐは、中間転写ベルト８から曲率分離して搬送ベルト１０２に搬送されて定着装置２６へ送り込まれ、加熱加圧を受けて表面にトナー像を定着された後に、機体外部へ排出される。
【００２３】
画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは、現像装置７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄで用いるトナーの色がイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと異なる以外は、実質的に同一に構成される。以下では、イエローの画像形成部Ｐａについて説明し、他の画像形成部Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄについては、説明中の構成部材に付した符号の末尾のａをｂ、ｃ、ｄに読み替えて説明されるものとする。
【００２４】
また、両面印刷時には、定着装置２６、排紙ローラ２４を通った記録材Ｐは両面反転パス２７の方向に導かれて逆方向に反転搬送され、両面パス２８へ搬送される。両面パス２８を通った記録材Ｐは、再び縦パスローラ２０を通り、１面目と同様に２面目の画像を作像、転写、定着されて排出される。
【００２５】
画像形成部Ｐａは、感光ドラム２ａの周囲に、コロナ帯電器３ａ、露光装置５ａ、現像装置７ａ、転写ブレード６ａ、ドラムクリーニング装置４ａを配置している。感光ドラム２ａは、帯電極性が負極性の感光層を有して所定のプロセススピードで矢印方向に回転する。コロナ帯電器３ａは、感光ドラム２ａの表面を、負極性の暗部電位ＶＤに一様に帯電処理する。露光装置５ａは、イエローの分解色画像を展開した走査線画像データをＯＮ−ＯＦＦ変調したレーザービームを回転ミラーで走査して、感光ドラム２ａの表面に画像の静電像を書き込む。
【００２６】
現像装置７ａは、感光ドラム２ａに形成された静電像を反転現像してトナー像を形成する。転写ブレード６ａは、中間転写ベルト８の内側面を押圧して感光ドラム２ａと中間転写ベルト８の間に一次転写部を形成する。転写ブレード６ａに正極性の電圧を印加することにより、感光ドラム２ａに担持されたトナー像が中間転写ベルト８へ一次転写される。ドラムクリーニング装置４ａは、中間転写ベルト８への一次転写を逃れて感光ドラム２ａに残った転写残トナーを回収する。
【００２７】
＜定着装置＞
加熱部の一例である定着装置２６は、トナー画像を担持した記録材Ｐを加熱及び加圧しつつ搬送する。定着装置２６は、中心からハロゲンランプヒータで加熱されて記録材Ｐの画像面に当接する加熱ローラに、中心からハロゲンランプヒータで加熱されて記録材Ｐの裏面に当接する加圧ローラを当接させて構成される。
【００２８】
定着装置２６は、加熱ローラと加圧ローラによって作られるニップ部にて、トナー像Ｇが転写された記録材Ｐに熱、圧を加えて定着させる。加熱ローラと加圧ローラの回転動作は、回転駆動手段により調整される。
【００２９】
加熱ローラの外径は５１ｍｍであり、アルミ製の芯金上に厚さ５００μｍのゴム層が設けられ、さらにゴム層の上に厚さ２５μｍのＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂）等のフッ素樹脂が被覆されている。加圧ローラも同様の構成となっている。
【００３０】
ところで、定着装置は、加熱溶融性の樹脂等よりなるトナー（顕画剤）を用いて記録材の面に形成された未定着トナー画像を、熱と圧力を加えることにより、記録材面に永久固着させる。
【００３１】
定着装置の加熱源として、ハロゲンヒータ、赤外線ランプ、あるいは誘導加熱方式を採用した場合、電流により発生するジュール熱等を利用しているため、熱変換効率が１を超えることがない。このため、投入したワット数以上の加熱を行うことができず、省エネルギー化を図ることが困難であった。
【００３２】
この課題を解決するため、上述した特許文献１、特許文献２の画像形成装置では、ヒートポンプ機能を有する蒸気圧縮逆冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を利用した熱変換装置を定着装置に用いている。熱変換装置は、定着後の記録材が有する熱を吸収し、吸収した熱を定着装置の加熱源に供給して加熱することで、熱変換効率を高め省エネルギー化を図っている。ヒートポンプの凝縮器から放熱される熱量で定着装置の定着部を加熱し、その定着部の熱を記録材に与えて加熱している。
【００３３】
しかし、現在のところ、未定着のトナーを溶融して定着するには少なくとも１００℃以上に加熱する必要がある。一般的に、ヒートポンプを熱源とした場合、冷媒の凝縮時の熱量を利用するので、凝縮温度を１００℃程度まで上げるには、高圧に耐え、かつ圧縮機の出力も大きい特殊なヒートポンプが必要となり、消費電力も上がってしまう。そのような特殊なヒートポンプを定着装置の熱源に用いた場合、ハロゲンヒータや赤外線ランプ、誘導加熱方式を熱源に用いた定着装置の消費電力と比べて消費電力はあまり小さくならない。
【００３４】
例えば、特許文献２では、熱容量が大きく、また、加熱能力を必要とする加熱ローラに冷媒を循環させた後、予備加熱ローラに循環させているので、圧縮機の出力が大きいヒートポンプを必要とする。この場合、ヒートポンプの消費電力は、加熱ローラの加熱能力によって決まるので、予備加熱ローラを用いてもヒートポンプの消費電力を低減することにはならない。
【００３５】
実用化されている低消費電力のヒートポンプでは、高温部の温度は６０℃から７０℃程度となる。このため、特許文献１、特許文献２のように、ヒートポンプのみを定着装置の熱源とするのではなく、定着を行う直前の記録材の予備加熱源としてヒートポンプ利用することが望まれる。このようなヒートポンプの熱変換効率（ＣＯＰ；加熱能力／消費電力）は５〜６程度と考えられるので、消費電力２００Ｗ程度のヒートポンプであれば、１０００Ｗ以上の加熱能力をもっていることになる。これを利用して、６０℃から７０℃程度まで記録材を予備加熱することが可能である。そして、従来よりもワット数の低いハロゲンヒータや赤外線ランプ、誘導加熱を用いて、最終的に必要な温度までの加熱と、定着温度コントロールを行うことができる。
【００３６】
予備加熱により定着装置に入る前に記録材の温度を上げることで、定着装置の低温化、またはニップ通過時間の短縮化が可能となり定着装置の消費電力を下げると同時に処理速度を高めることができる。ヒートポンプを予備加熱源に用いることで、定着で使われる消費電力が低減でき省エネルギー化が図れる。
【００３７】
そして、ヒートポンプを予備加熱の熱源とする場合、冷媒が過熱蒸気である高温帯は熱量が小さいため利用できず、記録材を冷媒の凝縮温度以上にまで加熱することは難しい。予備加熱中に、記録材の温度が冷媒の凝縮温度に達してしまうと、それ以上に記録材の温度を上げられず、定着装置の消費電力低減には限界が生じる。
【００３８】
以下の実施例では、記録材を冷媒の凝縮温度以上に加熱できるようにする。これにより、ヒートポンプの消費電力を必要以上に上げることなく、省エネルギー効果を高めた蒸気圧縮逆冷凍サイクルを予備加熱源とすることができるため、定着装置の消費電力が低減される。冷媒凝縮時の熱量と共に凝縮温度よりも高い過熱蒸気の熱量も利用して記録材を加熱するため、凝縮温度以上に記録材を加熱することができるため、定着装置の消費電力をさらに低減できる。
【００３９】
＜実施例１＞
図２は実施例１の予備加熱装置の構成の説明図である。図３はヒートポンプの構成の説明図である。図４は冷媒の蒸気線図（モリエル線図）である。図５はヒートポンプサイクルの放熱過程の説明図である。図６は毎分処理枚数と予備加熱性能の関係の説明図である。図７はベルト熱交換器の熱交換温度分布の説明図である。図８は予備加熱装置の制御のフローチャートである。図９は予備加熱による定着部の消費電力削減効果の説明図である。
【００４０】
図１に示すように、画像形成手段の一例である画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ及び中間転写ベルト８は、トナー像を形成して記録材Ｐに転写する。
【００４１】
加熱部の一例である定着装置２６は、トナー画像を担持した記録材Ｐを加圧状態で加熱する。定着装置２６は、トナー像が転写された記録材Ｐを加熱加圧して記録材Ｐにトナー像を定着させる。定着装置２６は、電気的に加熱及び温度制御された加熱ニップＮを用いてトナー画像を担持した記録材Ｐを加圧状態で加熱する。
【００４２】
予備加熱部の一例である予備加熱装置１００は、ヒートポンプ１０１を用いて記録材Ｐを予備加熱して定着装置２６に受け渡す。予備加熱装置１００は、トナー画像を担持した記録材Ｐを、加圧することなく搬送しつつ、トナー画像の反対側の面からヒートポンプ１０１を用いて加熱ニップＮよりも低い温度に予備加熱して加熱ニップＮへ受け渡す。
【００４３】
ヒートポンプ１０１の蒸発器１０７は、加熱部の排熱を用いて冷媒を蒸発させて乾き蒸気まで加熱してヒートポンプ１０１の圧縮機１０４に供給する。
【００４４】
図２に示すように、搬送手段の一例である搬送ベルト１０２は、凝縮器１０５ａで加熱された記録材Ｐを凝縮器１０５ｂへ搬送して、その後、凝縮器１０５ｂで加熱された記録材Ｐを定着装置２６へ受け渡す。搬送ベルト１０２は、記録材Ｐの担持面の裏側面を、凝縮器１０５ｂの放熱面と凝縮器１０５ａの放熱面とに摺擦させて回転する無端ベルト部材で構成される。記録材Ｐは、搬送ベルト１０２を介して凝縮器１０５ａ及び凝縮器１０５ｂにより加熱される。
【００４５】
予備加熱装置１００は、ベルト熱交換器１０９にヒートポンプ１０１を組み込んで構成される。記録材Ｐの搬送手段は、搬送ベルト１０２と搬送ローラ１０３で構成されている。搬送ベルト１０２は、４色のトナー像Ｇが転写された記録材Ｐを定着装置２６まで搬送する。
【００４６】
予備加熱装置１００は、一対の搬送ローラ１０３に張架させた搬送ベルト１０２に記録材Ｐを担持して搬送する。搬送ベルト１０２は、ポリイミド樹脂の無端状に形成した数〜数十μｍのフィルム表面に、数μｍ単位の導電層および離型層（抵抗層）を順次コーティングした多層構成となっている。
【００４７】
搬送ベルト１０２には、記録材Ｐを吸引するための小さい穴が開けられ、搬送ベルト１０２を通じて記録材Ｐを吸引するための吸引機構が搬送ベルト１０２の内側に設けられている。吸引機構は、凝縮器（放熱板）１０５に複数の空気吸引孔を形成しておき、この空気吸引孔の下方に配置された吸引ファンで放熱板の空気吸引孔から空気を吸引する。これにより、記録材Ｐは、搬送ベルト１０２に吸着して、放熱板上を搬送される。
【００４８】
なお、記録材Ｐと搬送ベルト１０２との密着方法は静電的でもよい。その場合、搬送手段は、搬送ローラ１０３に搬送ベルト１０２を巻いた搬送部と記録材Ｐを静電的に吸着するための帯電装置（不図示）と放熱板で構成される。搬送ベルト１０２の導電層は不図示の電気的接続によりアースに落とされ、絶縁層でもある離型層、あるいはさらにその上にくる記録材Ｐとの間に電荷を付与することで記録材Ｐを静電的に吸着して、放熱板上を搬送できるようになる。
【００４９】
搬送ベルト１０２の内側面に密着するように凝縮器（放熱板）１０５が配置されている。搬送ベルト１０２は、記録材Ｐを、凝縮器１０５の冷媒出口側から冷媒入口側へ搬送する。その搬送の過程で、記録材Ｐは、凝縮器１０５と熱交換することで、凝縮温度まで加熱された後、搬送終盤の過熱蒸気の部分で凝縮温度Ｔ０以上にまで加熱される。
【００５０】
図３に示すように、予備加熱装置１００は、蒸気圧縮逆冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）のヒートポンプ１０１を加熱源として記録材Ｐの予備加熱を行う。ヒートポンプ１０１は、圧縮機１０４で圧縮して加熱された冷媒を凝縮器１０５で放熱させて過冷却液まで凝縮させる。膨張弁１０６は、冷媒の圧力を低下させ、蒸発器１０７は、周囲の熱を奪って冷媒を気化させる。気化した冷媒が圧縮機１０４で圧縮されてヒートポンプサイクルが構成される。
【００５１】
図４に示すように、ヒートポンプ１０１は、圧力ＰとエンタルピｈのＰ−ｈ線図において閉曲線ＡＢＣＤのサイクルを実行する。冷媒の過熱蒸気Ａを圧縮機１０４により所望温度に対する飽和蒸気圧以上の圧力まで圧縮して過熱蒸気Ｂにして凝縮器１０５に送る。高温度の過熱蒸気Ｂは凝縮器１０５において熱量Ｑ１を放熱することで冷やされ、凝縮／液化して過冷却液Ｃになる。
【００５２】
過冷却液Ｃは、膨張弁１０６に送られ、膨張弁１０６によって等エンタルピ膨張して、低温度の湿り蒸気Ｄになり、蒸発器１０７に送られる。低温度の湿り蒸気Ｄは、蒸発器１０７において周囲から熱量Ｑ２を得て気化し、過熱蒸気Ａになって１サイクルを終了する。過熱蒸気Ａは、再び圧縮機１０４によって圧縮されて高温度の過熱蒸気Ｂとなって熱サイクルを繰り返す。
【００５３】
図５に示すように、凝縮器１０５で冷媒が熱量Ｑ１を放熱する過程において、冷媒のエンタルピ変化と温度変化が発生する。過熱蒸気Ｂの状態から飽和蒸気Ｂ’の状態までの顕熱変化では、冷媒の温度が低下しながらエンタルピは、ｈＢからｈＢ’と僅かに変化する。
【００５４】
次に、飽和蒸気Ｂ’の状態から飽和液Ｃ’の状態に至る潜熱変化では、温度が一定（凝縮温度）で、エンタルピはｈＢ’からｈＣへと大きく変化する。その後、飽和液Ｃ’の状態から過冷却液Ｃの状態までの顕熱変化では、温度が低下しながら、エンタルピはｈＣ’からｈＣへと僅かに変化する。
【００５５】
エンタルピがｈＢからｈＢ’まで変化する時に放熱する熱量をＱ１’’とし、エンタルピがｈＢ’からｈＣまで変化する時に放熱する熱量をＱ１’とする。
【００５６】
凝縮器１０５から放熱される熱量Ｑ１を利用して記録材Ｐを加熱する場合、最初に、エンタルピ変化が大きい潜熱変化及び過冷却時の顕熱変化（ｈＢ’→ｈＣ）時の熱量Ｑ１’を利用して、記録材Ｐと熱交換をさせる。これにより、冷媒の凝縮温度Ｔ０付近まで記録材Ｐの温度を上げる。
【００５７】
その後、エンタルピ変化が僅かな過熱蒸気の顕熱変化（ｈＢ→ｈＢ’）時の熱量Ｑ１’’を利用して、記録材Ｐと熱交換をさせる。これにより、凝縮温度Ｔ０以上の温度Ｔ１付近まで記録材Ｐの温度を上げる。
【００５８】
記録材Ｐの熱容量が小さいため、エンタルピ変化が僅かな過熱蒸気の熱量Ｑ１’’でも十分に温度が上昇して、記録材Ｐを凝縮温度Ｔ０以上の温度まで加熱できる。数値的に説明すれば、熱量Ｑ１を放熱する際に、冷媒のエンタルピは、ｈＢからｈＣまで変化している。この時、過熱蒸気の顕熱変化ではｈＢからｈＢ’まで変化しており、エンタルピ変化の比を考えると熱量Ｑ１’’は熱量Ｑ１の約２０％程度である。ヒートポンプ１０１の能力としてＱ１が２５００Ｗ程度見込める場合、過熱蒸気の顕熱変化分は５００Ｗ程度となる。
【００５９】
図６に示すように、顕熱変化（ｈＢ→ｈＢ’）時の熱量Ｑ１’’において連続予備加熱される記録材Ｐが受け取る毎分の熱量をＥとする。用紙坪量１０５ｇ/ｍ２の記録材Ｐの上にトナーが厚さ１０μｍ載っている状態を想定して、８５ｐｐｍと１５０ｐｐｍで搬送して予備加熱させた場合のコンピュータシミュレーションを行った。
【００６０】
ヒートポンプ１０１によって予備加熱しようとする温度幅を大きくすると、記録材Ｐに供給すべき熱量が大きくなる。毎分１５０枚（１５０ｐｐｍ）の予備加熱を行った場合、毎分８５枚（８５ｐｐｍ）の予備加熱を行う場合よりも、ヒートポンプ１０１によって昇温できる温度幅は小さくなる。
【００６１】
トナーが転写された記録材Ｐの温度は、凝縮温度以上である熱量Ｑ１’’が５００Ｗの場合、８５ｐｐｍで３０℃程度、１５０ｐｐｍでも１８℃程度さらに温度を上げることができることが確認された。
【００６２】
以上のように、トナーが転写された記録材Ｐの熱容量であれば、過熱蒸気の熱量を利用して十分に温度を上げることが可能である。
【００６３】
図２に示すように、ヒートポンプ１０１は、圧縮機１０４、凝縮器１０５、膨張弁１０６、蒸発器１０７に加えて、圧力計１０８、ファン１１４、インバータ制御部１１５が付設され、凝縮器１０５には、温度測定用の温度センサ１１６が設けられている。蒸発器１０７に付設されたファン１１４を作動させることで、蒸発器１０７は、周囲から高効率で熱を回収することができる。
【００６４】
圧力計１０８により凝縮器１０５内の冷媒の圧力が把握でき、測定した圧力で図４の蒸気線図を参照することで、その圧力下での冷媒の凝縮温度がわかる。温度センサ１１６は、放熱板内中央部の過熱蒸気Ｂ入口側付近に取り付けれらている。インバータ制御部１１５は、圧縮機１０４へ出力する周波数を３０Ｈｚから７５Ｈｚまで調整することで、圧縮機１０４の回転数が変わり、冷媒の循環量の制御ができ、凝縮器１０５の放熱量を調整できる。
【００６５】
凝縮器１０５は、搬送ベルト１０２の内側面に密着するように取り付けられ、トナー像Ｇが一括転写された記録材Ｐは、搬送ベルト１０２を介して凝縮器１０５と熱交換して加熱される。
【００６６】
図７の（ａ）に示すように、凝縮器１０５は、アルミプレート１１２内に銅管１１１が蛇行して配置された直方体状の放熱板となっている。但し、銅管１１１の配置は、図に示す配置に限定されるわけではない。銅管１１１とアルミプレート１１２との接触面積が増えることで、冷媒とアルミプレート１１２との熱変換効率が高まればよい。
【００６７】
図７の（ｂ）に示すように、アルミプレート１１２と銅管１１１は、伝熱性を向上させるため、密着性が高い加工がされている。また、銅管１１１は、圧縮機１０４から過熱蒸気入口まで断熱処理されており、過熱蒸気の熱量（エンタルピ）が周囲へ放熱することを防いでいる。搬送ベルト１０２と接触するアルミプレート１１２の表面は、搬送ベルト１０２との密着性を高めるために平滑度が高く、かつ摩擦による磨耗が少なくするため、例えば、Ｔｉなどによりメッキ処理がされている。アルミプレート１１２の裏面及び四方の側面は、搬送ベルト１０２以外への放熱を防ぐため、断熱材による断熱処理がされている。
【００６８】
圧縮機１０４により所望温度に対する飽和蒸気圧以上の圧力まで圧縮して過熱蒸気Ｂとなった冷媒は、過熱蒸気Ｂのまま入口側から入り、蛇行して配置された銅管１１１を通りながら凝縮し出口側へ流れる。この時、冷媒が過熱蒸気となって流れている銅管１１１が配置されている放熱板の表面温度は、冷媒の凝縮温度以上となっている。
【００６９】
図７の（ｃ）に示すように、凝縮器（放熱板）１０５の搬送ベルト１０２との接触面である放熱面の温度分布は、ｘ方向に向かって高温となる。実施例１では、第１の熱交換部と第２の熱交換部とが一体の凝縮器（放熱板）１０５に形成されて熱的に分離されていないため、凝縮器（放熱板）１０５の放熱面の温度分布は連続的になる。
【００７０】
図７の（ａ）に示すように、予備加熱装置１００は、トナー像Ｇが転写された記録材Ｐを搬送ベルト１０２により搬送し、記録材Ｐは、搬送中に凝縮器（放熱板）１０５と熱交換することで加熱される。トナー像Ｇが転写された記録材Ｐは、凝縮器（放熱板）１０５の低温側となる銅管１１１の出口側から高温側となる過熱蒸気Ｂの入口側へ搬送されることにより、ヒートポンプの冷媒の凝縮温度以上まで加熱される。トナー像Ｇが転写された記録材Ｐが転写された記録材Ｐは熱容量が小さいため、凝縮器（放熱板）１０５により冷媒と熱交換する際に、熱量は小さいが高温である過熱蒸気で温度を上げることができるからである。
【００７１】
＜ヒートポンプの制御＞
図２を参照して図８に示すように、予備加熱装置１００のヒートポンプ１０１の圧縮機１０４は、可変の出力で冷媒を圧縮し、凝縮器１０５ｂの冷媒を凝縮温度を越える所定温度に保つように圧縮機１０４の出力を制御する。
【００７２】
画像形成装置（１：図１）がスタートすると圧縮機１０４が駆動して凝縮器（放熱板）１０５のウォーミングアップが開始される（Ｓ１０１）。同時に、定着装置２６の熱源に電力が供給され加熱ローラ２６ａのウォーミングアップが開始される（Ｓ１０２）。そして、ウォーミングアップ開始と同時に温度センサ２６ｓにて加熱ローラ２６ａの温度が測定され、定着開始温度に達したかを判断する（Ｓ１０３）。
【００７３】
定着開始温度に達していない場合（Ｓ１０３のＮＯ）はウォーミングアップを継続し、達している場合（Ｓ１０３のＹＥＳ）は待機モードへ移行する（Ｓ１０４）。待機モードでは、加熱ローラ２６ａの温度が定着開始温度を維持するだけの電力が熱源に供給される（Ｓ１０４）。
【００７４】
次に、凝縮器（放熱板）１０５のウォーミングアップ開始と同時に、温度センサ１１６にて放熱板の温度が測定され、定着に必要なプレ加熱温度に達したかを判断する（Ｓ１０５）。定着に必要なプレ加熱温度に達していない場合（Ｓ１０５のＮＯ）はウォーミングアップを継続し、達している場合（Ｓ１０５のＹＥＳ）は待機モードへ移行する（Ｓ１０６）。待機モードでは、凝縮器（放熱板）１０５の温度が定着に必要なプレ加熱温度を維持するだけの回転数に圧縮機が維持される（Ｓ１０６）。
【００７５】
その後、プリント動作が実行される（Ｓ１０７）。プリント動作が実行されると、記録材Ｐに熱が奪われて凝縮器１０５の冷媒圧力が低下する。インバータ制御部１１５は、圧力計１０８により凝縮器１０５出口の圧力を測定し（Ｓ１０８）、測定した圧力で図４のＰ−ｈ線図を参照して冷媒の凝縮温度を算出する（Ｓ１０９）。
【００７６】
インバータ制御部１１５は、凝縮器（放熱板）１０５の温度センサ１１６にて凝縮器（放熱板）１０５の温度を測定し、放熱板温度が算出された凝縮温度（Ｓ１０９）以上か否かを判断する（Ｓ１１０）。
【００７７】
インバータ制御部１１５は、凝縮温度以上となっていない場合、圧縮機１０４へ出力する周波数を上げて回転数を上げる制御を行う（Ｓ１１１）。回転数の増加に伴い、冷媒循環量が増えて、凝縮器（放熱板）１０５から放熱される熱量が増加する。その結果、図４のＰ−ｈ線図で示されるような所定のヒートポンプサイクルが維持される。
【００７８】
インバータ制御部１１５は、凝縮温度以上となっている場合、プリント動作終了かを判断する（Ｓ１１２）。プリント動作が終了せず継続する場合Ｓ１１２は、ステップＳ１０３に戻ってプリント動作終了までＳ１０３〜Ｓ１１２を繰り返す。しかし、プリント動作が終了する場合（Ｓ１１２のＹＥＳ）、ヒートポンプを停止して（Ｓ１１３）、加熱ローラ２６ａの加熱源に電力供給を停止し（Ｓ１１４）、画像形成装置（１：図１）をストップする。
【００７９】
実施例１で使用したヒートポンプの凝縮器１０５であるアルミプレート放熱板の放熱面サイズは３２０ｍｍ×４００ｍｍである。放熱板内に銅管を約５ｍ蛇行して配置しており、圧縮機を運転してから１２０秒程度で放熱面の過熱蒸気入口側の温度が定着に必要なプレ加熱温度である７０℃となるようにヒートポンプ１０１内の冷媒量を調整した。
【００８０】
使用した冷媒は、一般的な代替フロン（ハイドロフルオロカーボン）の一種である代替フロン（ハイドロフルオロカーボン）のＲ１３４ａ（登録商標）を使用した。ヒートポンプ１０１を圧縮機１０４の最大周波数である７５Ｈｚで稼動し、放熱面の冷媒入口側の温度が７０℃になったところで、圧縮機１０４の周波数を調整しながら放熱面温度を維持した。
【００８１】
記録材Ｐには、Ａ４サイズで厚さ１００μｍの普通紙を用いた。搬送速度４００ｍｍ／ｓｅｃで記録材Ｐを連続的に搬送開始させ、予め定着可能となって待機中の定着装置２６を通して永久画像とした。凝縮器（放熱板）１０５の放熱面の搬送方向の長さは４００ｍｍなので、記録材の加熱時間は１秒であった。
【００８２】
この時、上記の制御により、ヒートポンプの消費電力は約２８０Ｗであった。そして、凝縮器１０５と膨張弁１０６の間に取り付けられた圧力計１０８の測定値は１．６ＭＰａで図４に示す凝縮温度は６０℃程度であった。そして、凝縮器（放熱板）１０５の温度は、冷媒入口側が６８℃で凝縮温度の６０℃よりも高くなっていた。そして、搬送ベルト１０２により、記録材Ｐは、凝縮器（放熱板）１０５の冷媒出口側から冷媒入口側へ搬送され、記録材Ｐ上のトナー表面温度は２５℃から６３℃まで上昇していた。記録材Ｐは、凝縮器（放熱板）１０５中央部付近まで搬送される間に、凝縮温度とほぼ同じ温度の凝縮器（放熱板）１０５の温度まで加熱され、凝縮器（放熱板）１０５冷媒入口付近の搬送後半部でさらに温度が上昇していた。
【００８３】
凝縮器（放熱板）１０５と熱交換して加熱された熱容量の小さい記録材Ｐは、高温で熱量が小さい過熱蒸気が流れている放熱板の冷媒入口側でも加熱することが可能で、トナー１０９が転写されている記録材Ｐの温度を上げることができた。記録材Ｐの連続搬送中は、凝縮器１０５と膨張弁１０６の間に取り付けられた凝縮部の圧力ゲージ１０８が１．６ＭＰａで安定に維持され、ヒートポンプの消費電力も２８０Ｗで一定であった。
【００８４】
実施例１の制御によれば、乾き蒸気の冷媒の顕熱を用いる第１の熱交換部において、大きな熱量を記録材Ｐに移転させることができる。このため、凝縮器１０５の放熱不足が低減し、安定な逆冷凍サイクルを維持できるため、圧縮機１０４の消費電力を必要以上に上げることなく予備加熱が可能となり、省エネルギー効果が上がる。
【００８５】
一方、凝縮器（放熱板）１０５の冷媒入口と冷媒出口とを逆にして、記録材Ｐを凝縮器（放熱板）１０５の冷媒入口側から冷媒出口側へ搬送して定着装置２６に受け渡す実験を行った。その結果、記録材Ｐ上のトナー１０９の表面温度は２５℃から５８℃までしか上昇しなかった。これは、過熱蒸気が流れる冷媒入口側の凝縮器（放熱板）１０５は、未加熱の記録材Ｐに冷やされるため、熱量が小さい過熱蒸気では高温を維持できず、凝縮器（放熱板）１０５の温度が凝縮温度とほぼ同じの６０℃まで低下したためである。
【００８６】
予備加熱中に記録材Ｐの温度が凝縮温度に達してしまうと、記録材Ｐは、ヒートポンプ１０１の凝縮器１０５から放熱される熱量をそれ以上に得ることができないので、長時間このような状態が継続されれば凝縮器１０５の放熱不足を招くことになる。
【００８７】
その結果、凝縮器１０５で冷媒が液化して過冷却されることなく膨張弁１０６にて減圧されるため、安定なヒートポンプサイクルを維持できず、圧縮機１０４の運転圧力が高くなってしまう。すると、圧縮機１０４の運転圧力と消費電力はほぼ比例の関係にあることから、ヒートポンプ１０１の消費電力が上がってしまう。
【００８８】
以上から、記録材Ｐの搬送方向は、凝縮器（放熱板）１０５の低温側となる冷媒出口側から高温側となる冷媒入口側、つまり冷媒の放熱板内の循環方向と対向する凝縮器（放熱板）１０５の低温側から高温側へ搬送される必要がある。
【００８９】
＜実施例１の効果＞
図９に示すように、予備加熱されて定着装置２６に受け渡されるトナー像Ｇを担持した記録材Ｐの温度と、定着装置２６で消費される電力量の関係をコンピュータシミュレーションにより調べた。計算で用いた定着条件は、実施例１の上記条件に加えて以下の通りである。
【００９０】
加熱ローラ２６ａの周速は３６０ｍｍ／ｓｅｃであり、平均ニップ圧は２．２ｋｇｆ／ｃｍ２であり、ニップ幅は８ｍｍである。加熱ローラ２６ａは中心に配置したハロゲンランプヒータの加熱源からの輻射エネルギーにて、表面温調温度が１８０℃に加熱、維持される。記録材Ｐは、用紙坪量１０５ｇ／ｍ２で、その上にトナー像Ｇが厚さ１０μｍで載っている。
【００９１】
図９に示すように、トナー像Ｇ及び記録材Ｐが室温程度の２５℃では、定着装置２６の消費電力は約１０００Ｗである。予備加熱による温度上昇と共に定着装置２６の消費電力が低減され、約１０℃上昇することで１００Ｗ程度の消費電力が削減できる。
【００９２】
よって、搬送ベルト１０２を備えた予備加熱装置１００によって、ヒートポンプ１０１の消費電力を必要以上に上げずに、可能な限り記録材Ｐの温度を上げることで、永久画像を形成する際の定着に使われる消費電力を低減できる。
【００９３】
実施例１では、記録材Ｐ上のトナー像Ｇの表面温度は２５℃から６３℃まで上昇していたことから、図９の関係から見ると、定着装置２６の消費電力を約４００Ｗ低減できたことになる。ヒートポンプの消費電力２８０Ｗを考慮してもトータルの消費電力が１２０Ｗ低減された。
【００９４】
＜実施例２＞
図１０は実施例２の予備加熱装置の構成の説明図である。図１１は実施例２におけるベルト熱交換器の熱交換温度分布の説明図である。
【００９５】
図２に示すように、実施例２の予備加熱装置１００は、実施例１と同様に、記録材Ｐを搬送ベルト１０２で搬送してヒートポンプ１０１により予備加熱する。実施例１との相違点は、凝縮器（放熱板）１０５の第１熱交換部と第２熱交換部とを熱的に分離した構成となっている点である。
【００９６】
図１０に示すように、凝縮器１０５ｂと凝縮器１０５ａとは、熱的に分離され、凝縮器１０５ｂの熱交換部の質量は、凝縮器１０５ｂの熱交換部の質量よりも小さい。
【００９７】
第２の熱交換部の一例である凝縮器１０５ａは、凝縮器１０５ｂで放熱した冷媒を用いて凝縮器１０５ｂよりも低い加熱温度で記録材を加熱する。凝縮器１０５ａは、凝縮器１０５ｂで冷媒の凝縮温度に冷却された冷媒の潜熱を用いて記録材を加熱する。凝縮器１０５ａでは、記録材Ｐが冷媒の凝縮温度まで加熱される。
【００９８】
第１の熱交換部の一例である凝縮器１０５ｂは、ヒートポンプ１０１の圧縮機１０４で圧縮して加熱された過熱蒸気の冷媒の顕熱を用いて記録材Ｐを加熱する。凝縮器１０５ｂは、冷媒の凝縮温度を越える温度に加熱された冷媒の顕熱を用いて記録材を加熱する。凝縮器１０５ｂでは、記録材Ｐが冷媒の凝縮温度を越える温度まで加熱される。凝縮器１０５ｂは、加熱部側の一例である定着装置２６側の加熱温度が第２の熱交換部側の一例である凝縮器１０５ａ側の加熱温度よりも高い。
【００９９】
図１１の（ａ）に示すように、実施例２の予備加熱装置１００は、冷媒が凝縮して湿り蒸気となっている凝縮器（放熱板）１０５ａと過熱蒸気となっている凝縮器（放熱板）１０５ｂとが熱的に分離して構成される。凝縮器１０５ａの搬送ベルト１０２との接触面である放熱面と、凝縮器１０５ｂの搬送ベルト１０２との接触面である放熱面とが断熱分離している。
【０１００】
ヒートポンプ１０１の凝縮器（放熱板）１０５ｂの放熱面サイズは３２０ｍｍ×８０ｍｍ、凝縮器（放熱板）１０５ａの放熱面サイズは３２０ｍｍ×３２０ｍｍとし、それぞれを５ｍｍ程度離した。２つの放熱板内に蛇行して配置した銅管の全長は約５ｍで、ヒートポンプ内の冷媒量は実施例１と同じにした。
【０１０１】
図１１の（ｂ）に示すように、湿り蒸気が流れる凝縮器１０５ａと過熱蒸気が流れる凝縮器１０５ｂとを別々のものとし、搬送ベルト１０２との接触面であるそれぞれの放熱面を断熱分離する。これにより、定着装置側の凝縮器（放熱板）１０５ｂを、給紙側の凝縮器（放熱板）１０５ａの飽和蒸気Ｂ’入口の温度よりもさらに高温にすることが可能である。
【０１０２】
図１１の（ｃ）に示すように、断熱分離された凝縮器（放熱板）１０５ａと凝縮器（放熱板）１０５ｂの温度分布は不連続になる。凝縮器（放熱板）１０５ｂの温度は、凝縮器（放熱板）１０５ａの飽和蒸気Ｂ’入口側よりも高温となるため、図７の（ｃ）に示す実施例１よりも記録材Ｐの温度を上げることができる。
【０１０３】
記録材Ｐの温度をさらに上げることで、定着装置２６の消費電力をさらに削減できるため、圧縮機１０４の消費電力を上げることなく省エネルギー効果が高まる。温度上昇に伴って凝縮器（放熱板）１０５ｂから記録材Ｐに熱交換される熱量が増えるので、凝縮器（放熱板）１０５ｂの放熱不足が低減してヒートポンプサイクルも安定する。
【０１０４】
＜ヒートポンプの制御＞
図１０に示すように、記録材Ｐが搬送ベルト１０２によって搬送されながら凝縮器１０５ａ、１０５ｂと熱交換して加熱される際、ヒートポンプ１０１において、図４、図５に示すヒートポンプサイクルが安定に維持されたとする。このとき、定着装置２６に近い側の凝縮器１０５ｂは、図４のヒートポンプサイクルの過熱蒸気が流れるＢからＢ’の状態に保たれ、記録材Ｐが給紙される側の凝縮器１０５ａは、凝縮状態の湿り蒸気と過冷却液が流れるＢ’からＣの状態に保たれている。
【０１０５】
この状態で、記録材Ｐは、凝縮器（放熱板）１０５ａと搬送ベルト１０２との接触面から放熱される熱量Ｑ１’と、凝縮器（放熱板）１０５ｂと搬送ベルト１０２との接触面から放熱される熱量Ｑ１’’とにより加熱される。
【０１０６】
このため、それぞれの放熱板で放熱されるＱ１’とＱ１’’の放熱量比（エンタルピ変化量の比）が、定着装置２６に近い側の凝縮器（放熱板）１０５ｂの放熱面積と給紙側の凝縮器（放熱板）１０５ａの放熱面積の比となるように制御する。記録材Ｐの違いや搬送速度の違いなどにより、凝縮器（放熱板）１０５と記録材Ｐとの熱交換の状態が変化した場合には、図４及び図５のヒートポンプサイクルが変化して、Ｑ１’とＱ１’’の放熱量比（エンタルピ変化量の比）が変わる可能性がある。このような場合、図４及び図５のヒートポンプサイクルを維持するために、インバータ制御部１１５は、圧縮機１０４の回転数を制御して冷媒循環量を調整する。
【０１０７】
具体的には、温度センサ１１６が定着装置２６側の凝縮器（放熱板）１０５ｂに設けられ、図８に示すフローチャートの制御のステップＳ１０８以下で次のようなフローを行う。
【０１０８】
インバータ制御部１１５は、圧力計１０８により測定された圧力で図４のＰ−ｈ線図を参照して、冷媒の凝縮温度Ｔ０を算出する（Ｓ１０９）。
【０１０９】
インバータ制御部１１５は、凝縮器（放熱板）１０５ｂの温度センサ１１６にて凝縮器（放熱板）１０５ｂの温度を測定する。そして、凝縮器（放熱板）１０５の温度が凝縮温度Ｔ０以上となっているかを、算出した温度（Ｓ１０９）と比較して判断する（Ｓ１１０）。
【０１１０】
インバータ制御部１１５は、凝縮温度Ｔ０以上となっていない場合、圧縮機１０４の周波数を上げて回転数を上げる制御を行う（Ｓ１１１）。回転数の増加に伴い冷媒循環量が増え、凝縮器（放熱板）１０５から放熱される熱量が増加して、図４のＰ−ｈ線図で示されるヒートポンプサイクルが維持される。
【０１１１】
＜実施例２の効果＞
実施例２について、定着装置２６と予備加熱装置１００の合計の消費電力の削減効果を調べた。実施例２で使用した画像形成装置は実施例１と同じ装置であり、画像形成プロセスに伴うヒートポンプの制御も実施例１と同じである。
【０１１２】
ヒートポンプ１０１を圧縮機１０４の最大周波数である７５Ｈｚで稼動し、凝縮器１０５ｂの温度が定着に必要なプレ加熱温度である８０℃になったところで、圧縮機１０４の周波数を調整しながら凝縮器１０５ｂの温度を維持させた。
【０１１３】
搬送速度４００ｍｍ／ｓｅｃで記録材Ｐを連続的に搬送を開始し、予め定着可能となって待機中の定着装置２６を通し永久画像とした。記録材Ｐには、Ａ４サイズで厚さ１００μｍの普通紙を用いた。この時、ヒートポンプの消費電力は約２８０Ｗであった。
【０１１４】
凝縮器１０５ａと膨張弁１０６の間に取り付けられた圧力計１０８の指値は１．６ＭＰａで凝縮温度は６０℃であった。凝縮器（放熱板）１０５ｂの温度は７５℃で冷媒の凝縮温度よりも高く、さらに実施例１の凝縮器（放熱板）１０５の温度よりも高くなっていた。
【０１１５】
搬送ベルト１０２により記録材Ｐは、凝縮器１０５ａの冷媒出口側から凝縮器１０５ｂの冷媒入口側へ搬送され、記録材Ｐ上の表面温度は２５℃から６８℃まで上昇していた。記録材Ｐは、凝縮器（放熱板）１０５ａ上を搬送される間に既に凝縮温度付近まで加熱され、実施例１の凝縮器１０５より高い温度の凝縮器１０５ｂ上を搬送されることで、さらに温度が上昇した。
【０１１６】
その結果、実施例１より記録材Ｐ上のトナー温度をさらに５℃上げることができた。また、記録材Ｐの連続搬送中に凝縮器１０５ａと膨張弁１０６の間に取り付けられた圧力計１０８の指値は１．６ＭＰａで安定に維持され、圧縮機１０４の消費電力は２８０Ｗで一定であった。
【０１１７】
図９の記録材加熱温度と定着装置２６の消費電力の関係は実施例１と共通であるため、実施例２では、図９から定着装置２６の消費電力を約４５０Ｗ低減できたことになる。ヒートポンプ１０１の消費電力２８０Ｗを考慮しても、トータルの消費電力が１７０Ｗ低減され、実施例１よりもさらに５０Ｗ低減された。ヒートポンプ１０１の消費電力を必要以上に上げることなく、トナー像の定着に使われる消費電力を１０００Ｗから８３０Ｗに低減することができた。
【０１１８】
実施例２の予備加熱装置では、省エネルギー効果を高めた蒸気圧縮逆冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を予備加熱源とすることで、トナーが転写された記録材の温度を冷媒の凝縮温度以上に予備加熱することができる。
【０１１９】
これにより、定着装置２６のさらなる省エネルギー化が図れる。また、放熱板との熱交換効率が上がるため放熱不足が低減し、安定した逆冷凍サイクルを維持することで、圧縮機の消費電力を必要以上に上げずに記録材の予備加熱ができるので、さらに省エネルギー効果が高まる。
【０１２０】
＜実施例３＞
実施例１、２では、一般的な代替フロン（ハイドロフルオロカーボン）を使用して、蒸発過程も凝縮過程も冷媒が湿り蒸気相を含むヒートポンプサイクルの実施例を説明した。しかし、本発明は、ヒートポンプサイクルを行う限りにおいて、冷媒は代替フロンには限られず、凝縮過程は湿り蒸気相には限られない。
【０１２１】
例えば、現在、広く用いられている炭酸ガスのヒートポンプサイクルでも実施できる。炭酸ガスのヒートポンプサイクルは、蒸発過程は湿り蒸気相で行われるが、凝縮過程は過熱蒸気相から直接液相へ相転移することが特徴である。
【０１２２】
図２に示すように、実施例３では、第１の熱交換部の一例である凝縮器１０５の定着装置２６側部分は、ヒートポンプ１０１の圧縮機１０４で圧縮して加熱された過熱蒸気の炭酸ガスの顕熱を用いて記録材Ｐを加熱する。第２の熱交換部の一例である凝縮器１０５の二次転写部（Ｔ２）側部分は、凝縮器１０５の定着装置２６側部分で放熱した冷媒を用いて凝縮器１０５の定着装置２６側部分よりも低い加熱温度で記録材Ｐを加熱する。そして、搬送手段の一例である搬送ベルト１０２は、凝縮器１０５の二次転写部（Ｔ２）側部分で加熱された記録材Ｐを凝縮器１０５の定着装置２６側部分へ搬送して、凝縮器１０５の定着装置２６側部分で加熱された記録材Ｐを定着装置２６へ受け渡す。
【０１２３】
＜実施例４＞
近年、トナーの低融点化によって定着装置の消費電力の低減が図られている。また、炭酸ガスサイクルのような高温利用が可能な冷媒により、ヒートポンプサイクルの加熱温度の高温化が可能となっている。したがって、将来、特許文献２に示されるように、定着装置において電力で直接加熱を行う熱源を持たずに、ヒートポンプサイクルによる加熱のみでトナー像の定着を行う可能性もある。
【０１２４】
この場合、冷媒の顕熱を用いて記録材Ｐの加熱加圧を行うこととすれば、冷媒の凝縮温度よりも融点の高いトナーのトナー像を定着することができる。トナーの融点よりも低い凝縮温度の冷媒を用いて、ヒートポンプサイクルによる加熱のみでトナー像の定着を行うことができる。
【０１２５】
しかし、記録材にトナー像を定着させる場合、実際にトナー像の加熱・溶融に使用されるエネルギーはごくわずかであり、消費電力のほとんどは、記録材をトナーの溶融温度１００℃よりもかなり低い６０℃程度の温度に加熱するために使用されている。したがって、そのような記録材の単なる加熱においては、既存の冷媒の凝縮温度でも十分に対処できる。既存の冷媒を用いたヒートポンプを活用することで、消費電力の数倍〜１０数倍のエネルギーを記録材の予備加熱に使用できる。
【０１２６】
また、ヒートポンプで最終的な加熱加圧を行う場合、加熱ニップの温度制御を正確に行うことは容易でない。電気的な制御と加熱との間にヒートポンプが介在して、応答性と調整精度を損なわせているからである。
【０１２７】
例えば、温度変更のためにヒートポンプの圧縮機の回転数を変化させた場合、ヒートポンプの凝縮器温度が変化して定着ニップの温度が変化するまでに相当な遅れ時間が発生する。また、ヒートポンプの圧縮機の回転数を加熱ニップの温度制御のために利用すると、凝縮器の圧力変動がヒートポンプサイクルを不安定にする可能性もある。
【０１２８】
したがって、像加熱装置にヒートポンプを使用する場合、最終の加熱ニップは、ハロゲンランプヒータ等の輻射加熱、電磁誘導のような電磁加熱、ヒータのような抵抗加熱を用いて直接的な加熱を行うことが望ましい。電気的に応答速度の高い温度制御を行えるからである。そして、記録材を単に加熱するための膨大なエネルギー供給を予備加熱の形でヒートポンプに担わせることで、定着ニップの加熱に関して大幅な省電力化、温度制御の精密化、小型化が可能になる。
【０１２９】
実施例４では、図２に示すように、ヒートポンプ１０１を用いて予備加熱した記録材Ｐを、ごく簡単な定着装置２６を用いて最終的な定着温度まで加熱する。定着装置２６は、電気的に加熱及び温度制御された加熱ニップＮを用いてトナー画像を担持した記録材Ｐを加圧状態で加熱する。
【０１３０】
予備加熱装置１００は、ヒートポンプ１０１を用いて記録材Ｐを予備加熱して定着装置２６に受け渡す。予備加熱装置１００は、トナー画像を担持した記録材Ｐを、加圧することなく搬送しつつ、トナー画像の反対側の面からヒートポンプ１０１を用いて加熱ニップＮよりも低い温度に予備加熱して加熱ニップＮへ受け渡す。
【符号の説明】
【０１３１】
１ 画像形成装置、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ 画像形成部
８ 中間転写ベルト、１７ 記録材カセット、２２ 二次転写ローラ
２６ 定着装置、１０１ ヒートポンプ、１０２ 搬送ベルト
１０３ 搬送ローラ、１０４ 圧縮機、１０５、１０５ａ、１０５ｂ 凝縮器
１０６ 膨張弁、１０７ 蒸発器、１０８ 圧力計、１１１ 銅管
１１２ アルミプレート、１１４ ファン、１１５ インバータ制御部
１１６ 温度センサ Ｐ 記録材、Ｇ トナー像
【技術分野】
【０００１】
トナー画像を担持した記録材を、加熱処理する前にヒートポンプを用いて予備加熱する像加熱装置、詳しくはヒートポンプによる加熱効率を高めて、記録材の予備加熱に要する消費電力を削減する熱交換器の配置構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
トナー像を記録材に転写した後に、定着装置で記録材を加熱及び加圧しつつ搬送して、画像を記録材に定着させる画像形成装置が広く用いられている。また、定着済みトナー像又は半定着トナー像を担持した記録材を加熱及び加圧しつつ搬送して、所望の表面状態や光沢度を付与する後処理装置が実用化されている。像加熱装置は、定着装置と後理装置を含む装置名称である。
【０００３】
特許文献１には、ヒートポンプにより加熱されるローラ定着装置を搭載した画像形成装置が提案されている。ここでは、１段又は２段のヒートポンプを用いて加熱した加熱ローラを記録材の画像面に接触させてトナー像を記録材に定着させている。
【０００４】
特許文献２には、トナー像を記録材へ転写して定着装置へ搬送する過程で、記録材をヒートポンプにより予備加熱する定着システムが提案されている。ここでは、ヒートポンプによって加圧された高温の冷媒は、ローラ定着装置で熱交換を行って温度が少し下がった状態で、予備加熱ローラへ導かれて記録材との熱交換を行う。これにより、ヒートポンプの出力を加熱と予備加熱の二段階に活用して、トナー像の定着に要する合計の消費電力を削減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５８００３号公報
【特許文献２】特開２００９−１３３８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されるように、ヒートポンプは、理論的には投入した電力の数倍〜数１０倍の熱量を発生できるため、低消費電力で高出力の定着装置を期待できる。しかし、ヒートポンプは、吸熱原と放熱原の温度差が大きいほど効率が低下する。このため、トナーを実用的に溶融できる１００度Ｃ以上の高温を得ようとすると、それほど効率的とは言えず、ランプヒータや電磁加熱等で直接加熱を行ったほうが消費電力が少なくて済む場合もある。つまり、大型圧縮機の搭載や圧縮機騒音に見合うような消費電力の削減効果が得られない。
【０００７】
このため、ヒートポンプを６０度程度の予備加熱に用いて、予備加熱後に電磁加熱等を用いて集中的な加熱を行うことにより、予備加熱と加熱とを含めたトータルの消費電力を低下させることが提案された。
【０００８】
しかし、通常のヒートポンプでは、主として冷媒の潜熱を用いて加熱を行うため、圧縮機の出口圧力（又は凝縮器の出口圧力）における冷媒の凝縮温度までの加熱しか行うことができない。そのため、予備加熱後の加熱の消費電力の削減効果が限られていた。
【０００９】
本発明は、ヒートポンプの消費電力を増やすことなく、冷媒の凝縮温度を越える温度まで記録材を予備加熱して、予備加熱後の加熱に要する消費電力を効果的に削減できる像加熱装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の像加熱装置は、トナー画像を担持した記録材を加圧状態で加熱する加熱部を備え、ヒートポンプを用いて記録材を予備加熱して前記加熱部に受け渡すものである。そして、前記ヒートポンプの圧縮機で圧縮して加熱された過熱蒸気の冷媒の顕熱を用いて記録材を加熱する第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部で放熱した冷媒を用いて前記第１の熱交換部よりも低い加熱温度で記録材を加熱する第２の熱交換部と、前記第２の熱交換部で加熱された記録材を前記第１の熱交換部へ搬送して前記第１の熱交換部で加熱された記録材を前記加熱部へ受け渡す搬送手段とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の像加熱装置では、熱交換手段が二段階の予備加熱を行う。最初に、ヒートポンプで凝縮された湿り蒸気の冷媒と熱交換させて、大量で一定温度の熱を記録材へ受け渡して、確実に冷媒の凝縮温度（湿り蒸気の温度）に記録材の温度を近づける。その後、ヒートポンプで加圧された乾き蒸気の冷媒と熱交換させて、乾き蒸気の顕熱を利用して記録材を冷媒の凝縮温度を越える温度まで加熱する。
【００１２】
したがって、記録材を冷媒の凝縮温度を越える温度に予備加熱して加熱部へ受け渡すことができる。ヒートポンプの消費電力を増やすことなく、冷媒の凝縮温度を越える温度まで記録材を予備加熱して、予備加熱後の加熱に要する消費電力を効果的に削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】画像形成装置の構成の説明図である。
【図２】実施例１の予備加熱装置の構成の説明図である。
【図３】ヒートポンプの構成の説明図である。
【図４】冷媒の蒸気線図である。
【図５】ヒートポンプサイクルの放熱過程の説明図である。
【図６】毎分処理枚数と予備加熱性能の関係の説明図である。
【図７】ベルト熱交換器の熱交換温度分布の説明図である。
【図８】予備加熱装置の制御のフローチャートである。
【図９】予備加熱による定着部の消費電力削減効果の説明図である。
【図１０】実施例２の予備加熱装置の構成の説明図である。
【図１１】実施例２におけるベルト熱交換器の熱交換温度分布の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、ヒートポンプを用いて記録材の予備加熱を行う限りにおいて、実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。
【００１５】
従って、トナー画像を加熱する像加熱装置であれば、画像形成装置に装備された定着装置、光沢処理装置、後処理装置等に限らず、スタンドアロンの像加熱装置でも実施できる。加熱部の構成形式は、ローラ／ローラ方式に限らず、ローラ／ベルト方式等でも実施でき、加熱部の加熱方法は、抵抗加熱に限らず、ランプヒータ、電磁加熱等で実施できる。
【００１６】
画像形成装置は、二成分現像剤／一成分現像剤のいずれを用いるものでもよく、タンデム型／１ドラム型、中間転写型／記録材搬送型／直接転写型、モノクロ／フルカラーの区別無く実施できる。本実施形態では、トナー像の形成／定着に係る主要部のみを説明するが、本発明は、必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、ＦＡＸ、複合機等、種々の用途で実施できる。
【００１７】
なお、特許文献１、２に示される定着装置及び画像形成装置の一般的な事項については、図示を省略して重複する説明を省略する。
【００１８】
＜画像形成装置＞
図１は画像形成装置の構成の説明図である。図１に示すように、画像形成装置１は、中間転写ベルト８に沿ってイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄを配列したタンデム型中間転写方式のフルカラープリンタである。
【００１９】
画像形成部Ｐａでは、感光ドラム２ａにイエロートナー像が形成されて中間転写ベルト８に転写される。画像形成部Ｐｂでは、感光ドラム２ｂにマゼンタトナー像が形成されて中間転写ベルト８に転写される。画像形成部Ｐｃ、Ｐｄでは、感光ドラム２ｃ、２ｄにシアントナー像、ブラックトナー像が形成されて中間転写ベルト８に転写される。中間転写ベルト８に重ねて転写された四色のトナー像は、二次転写部Ｔ２へ搬送されて記録材Ｐへ二次転写される。
【００２０】
中間転写ベルト８は、テンションローラ１１と駆動ローラ１０と対向ローラ２１に掛け渡して支持され、駆動ローラ１０に駆動されて所定のプロセススピードで矢印Ｒ２方向に回転する。二次転写ローラ２２は、対向ローラ２１によって内側面を支持された中間転写ベルト８に当接して二次転写部Ｔ２を形成する。
【００２１】
記録材カセット１７から引き出された記録材Ｐは、分離ローラ１９で１枚ずつに分離して、レジストローラ１６へ送り出される。レジストローラ１６は、停止状態で記録材Ｐを受け入れて待機させ、中間転写ベルト８のトナー像にタイミングを合わせて二次転写部Ｔ２へ記録材Ｐを送り出す。トナー像と重ねて記録材Ｐが二次転写部Ｔ２を挟持搬送される過程で、二次転写ローラ２２に正極性の直流電圧が印加されることにより、フルカラートナー像が中間転写ベルト８から記録材Ｐへ二次転写される。転写されずに中間転写ベルト８の表面に残った転写残トナーは、ベルトクリーニング装置１２に回収される。
【００２２】
四色のトナー像を二次転写された記録材Ｐは、中間転写ベルト８から曲率分離して搬送ベルト１０２に搬送されて定着装置２６へ送り込まれ、加熱加圧を受けて表面にトナー像を定着された後に、機体外部へ排出される。
【００２３】
画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは、現像装置７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄで用いるトナーの色がイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと異なる以外は、実質的に同一に構成される。以下では、イエローの画像形成部Ｐａについて説明し、他の画像形成部Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄについては、説明中の構成部材に付した符号の末尾のａをｂ、ｃ、ｄに読み替えて説明されるものとする。
【００２４】
また、両面印刷時には、定着装置２６、排紙ローラ２４を通った記録材Ｐは両面反転パス２７の方向に導かれて逆方向に反転搬送され、両面パス２８へ搬送される。両面パス２８を通った記録材Ｐは、再び縦パスローラ２０を通り、１面目と同様に２面目の画像を作像、転写、定着されて排出される。
【００２５】
画像形成部Ｐａは、感光ドラム２ａの周囲に、コロナ帯電器３ａ、露光装置５ａ、現像装置７ａ、転写ブレード６ａ、ドラムクリーニング装置４ａを配置している。感光ドラム２ａは、帯電極性が負極性の感光層を有して所定のプロセススピードで矢印方向に回転する。コロナ帯電器３ａは、感光ドラム２ａの表面を、負極性の暗部電位ＶＤに一様に帯電処理する。露光装置５ａは、イエローの分解色画像を展開した走査線画像データをＯＮ−ＯＦＦ変調したレーザービームを回転ミラーで走査して、感光ドラム２ａの表面に画像の静電像を書き込む。
【００２６】
現像装置７ａは、感光ドラム２ａに形成された静電像を反転現像してトナー像を形成する。転写ブレード６ａは、中間転写ベルト８の内側面を押圧して感光ドラム２ａと中間転写ベルト８の間に一次転写部を形成する。転写ブレード６ａに正極性の電圧を印加することにより、感光ドラム２ａに担持されたトナー像が中間転写ベルト８へ一次転写される。ドラムクリーニング装置４ａは、中間転写ベルト８への一次転写を逃れて感光ドラム２ａに残った転写残トナーを回収する。
【００２７】
＜定着装置＞
加熱部の一例である定着装置２６は、トナー画像を担持した記録材Ｐを加熱及び加圧しつつ搬送する。定着装置２６は、中心からハロゲンランプヒータで加熱されて記録材Ｐの画像面に当接する加熱ローラに、中心からハロゲンランプヒータで加熱されて記録材Ｐの裏面に当接する加圧ローラを当接させて構成される。
【００２８】
定着装置２６は、加熱ローラと加圧ローラによって作られるニップ部にて、トナー像Ｇが転写された記録材Ｐに熱、圧を加えて定着させる。加熱ローラと加圧ローラの回転動作は、回転駆動手段により調整される。
【００２９】
加熱ローラの外径は５１ｍｍであり、アルミ製の芯金上に厚さ５００μｍのゴム層が設けられ、さらにゴム層の上に厚さ２５μｍのＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂）等のフッ素樹脂が被覆されている。加圧ローラも同様の構成となっている。
【００３０】
ところで、定着装置は、加熱溶融性の樹脂等よりなるトナー（顕画剤）を用いて記録材の面に形成された未定着トナー画像を、熱と圧力を加えることにより、記録材面に永久固着させる。
【００３１】
定着装置の加熱源として、ハロゲンヒータ、赤外線ランプ、あるいは誘導加熱方式を採用した場合、電流により発生するジュール熱等を利用しているため、熱変換効率が１を超えることがない。このため、投入したワット数以上の加熱を行うことができず、省エネルギー化を図ることが困難であった。
【００３２】
この課題を解決するため、上述した特許文献１、特許文献２の画像形成装置では、ヒートポンプ機能を有する蒸気圧縮逆冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を利用した熱変換装置を定着装置に用いている。熱変換装置は、定着後の記録材が有する熱を吸収し、吸収した熱を定着装置の加熱源に供給して加熱することで、熱変換効率を高め省エネルギー化を図っている。ヒートポンプの凝縮器から放熱される熱量で定着装置の定着部を加熱し、その定着部の熱を記録材に与えて加熱している。
【００３３】
しかし、現在のところ、未定着のトナーを溶融して定着するには少なくとも１００℃以上に加熱する必要がある。一般的に、ヒートポンプを熱源とした場合、冷媒の凝縮時の熱量を利用するので、凝縮温度を１００℃程度まで上げるには、高圧に耐え、かつ圧縮機の出力も大きい特殊なヒートポンプが必要となり、消費電力も上がってしまう。そのような特殊なヒートポンプを定着装置の熱源に用いた場合、ハロゲンヒータや赤外線ランプ、誘導加熱方式を熱源に用いた定着装置の消費電力と比べて消費電力はあまり小さくならない。
【００３４】
例えば、特許文献２では、熱容量が大きく、また、加熱能力を必要とする加熱ローラに冷媒を循環させた後、予備加熱ローラに循環させているので、圧縮機の出力が大きいヒートポンプを必要とする。この場合、ヒートポンプの消費電力は、加熱ローラの加熱能力によって決まるので、予備加熱ローラを用いてもヒートポンプの消費電力を低減することにはならない。
【００３５】
実用化されている低消費電力のヒートポンプでは、高温部の温度は６０℃から７０℃程度となる。このため、特許文献１、特許文献２のように、ヒートポンプのみを定着装置の熱源とするのではなく、定着を行う直前の記録材の予備加熱源としてヒートポンプ利用することが望まれる。このようなヒートポンプの熱変換効率（ＣＯＰ；加熱能力／消費電力）は５〜６程度と考えられるので、消費電力２００Ｗ程度のヒートポンプであれば、１０００Ｗ以上の加熱能力をもっていることになる。これを利用して、６０℃から７０℃程度まで記録材を予備加熱することが可能である。そして、従来よりもワット数の低いハロゲンヒータや赤外線ランプ、誘導加熱を用いて、最終的に必要な温度までの加熱と、定着温度コントロールを行うことができる。
【００３６】
予備加熱により定着装置に入る前に記録材の温度を上げることで、定着装置の低温化、またはニップ通過時間の短縮化が可能となり定着装置の消費電力を下げると同時に処理速度を高めることができる。ヒートポンプを予備加熱源に用いることで、定着で使われる消費電力が低減でき省エネルギー化が図れる。
【００３７】
そして、ヒートポンプを予備加熱の熱源とする場合、冷媒が過熱蒸気である高温帯は熱量が小さいため利用できず、記録材を冷媒の凝縮温度以上にまで加熱することは難しい。予備加熱中に、記録材の温度が冷媒の凝縮温度に達してしまうと、それ以上に記録材の温度を上げられず、定着装置の消費電力低減には限界が生じる。
【００３８】
以下の実施例では、記録材を冷媒の凝縮温度以上に加熱できるようにする。これにより、ヒートポンプの消費電力を必要以上に上げることなく、省エネルギー効果を高めた蒸気圧縮逆冷凍サイクルを予備加熱源とすることができるため、定着装置の消費電力が低減される。冷媒凝縮時の熱量と共に凝縮温度よりも高い過熱蒸気の熱量も利用して記録材を加熱するため、凝縮温度以上に記録材を加熱することができるため、定着装置の消費電力をさらに低減できる。
【００３９】
＜実施例１＞
図２は実施例１の予備加熱装置の構成の説明図である。図３はヒートポンプの構成の説明図である。図４は冷媒の蒸気線図（モリエル線図）である。図５はヒートポンプサイクルの放熱過程の説明図である。図６は毎分処理枚数と予備加熱性能の関係の説明図である。図７はベルト熱交換器の熱交換温度分布の説明図である。図８は予備加熱装置の制御のフローチャートである。図９は予備加熱による定着部の消費電力削減効果の説明図である。
【００４０】
図１に示すように、画像形成手段の一例である画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ及び中間転写ベルト８は、トナー像を形成して記録材Ｐに転写する。
【００４１】
加熱部の一例である定着装置２６は、トナー画像を担持した記録材Ｐを加圧状態で加熱する。定着装置２６は、トナー像が転写された記録材Ｐを加熱加圧して記録材Ｐにトナー像を定着させる。定着装置２６は、電気的に加熱及び温度制御された加熱ニップＮを用いてトナー画像を担持した記録材Ｐを加圧状態で加熱する。
【００４２】
予備加熱部の一例である予備加熱装置１００は、ヒートポンプ１０１を用いて記録材Ｐを予備加熱して定着装置２６に受け渡す。予備加熱装置１００は、トナー画像を担持した記録材Ｐを、加圧することなく搬送しつつ、トナー画像の反対側の面からヒートポンプ１０１を用いて加熱ニップＮよりも低い温度に予備加熱して加熱ニップＮへ受け渡す。
【００４３】
ヒートポンプ１０１の蒸発器１０７は、加熱部の排熱を用いて冷媒を蒸発させて乾き蒸気まで加熱してヒートポンプ１０１の圧縮機１０４に供給する。
【００４４】
図２に示すように、搬送手段の一例である搬送ベルト１０２は、凝縮器１０５ａで加熱された記録材Ｐを凝縮器１０５ｂへ搬送して、その後、凝縮器１０５ｂで加熱された記録材Ｐを定着装置２６へ受け渡す。搬送ベルト１０２は、記録材Ｐの担持面の裏側面を、凝縮器１０５ｂの放熱面と凝縮器１０５ａの放熱面とに摺擦させて回転する無端ベルト部材で構成される。記録材Ｐは、搬送ベルト１０２を介して凝縮器１０５ａ及び凝縮器１０５ｂにより加熱される。
【００４５】
予備加熱装置１００は、ベルト熱交換器１０９にヒートポンプ１０１を組み込んで構成される。記録材Ｐの搬送手段は、搬送ベルト１０２と搬送ローラ１０３で構成されている。搬送ベルト１０２は、４色のトナー像Ｇが転写された記録材Ｐを定着装置２６まで搬送する。
【００４６】
予備加熱装置１００は、一対の搬送ローラ１０３に張架させた搬送ベルト１０２に記録材Ｐを担持して搬送する。搬送ベルト１０２は、ポリイミド樹脂の無端状に形成した数〜数十μｍのフィルム表面に、数μｍ単位の導電層および離型層（抵抗層）を順次コーティングした多層構成となっている。
【００４７】
搬送ベルト１０２には、記録材Ｐを吸引するための小さい穴が開けられ、搬送ベルト１０２を通じて記録材Ｐを吸引するための吸引機構が搬送ベルト１０２の内側に設けられている。吸引機構は、凝縮器（放熱板）１０５に複数の空気吸引孔を形成しておき、この空気吸引孔の下方に配置された吸引ファンで放熱板の空気吸引孔から空気を吸引する。これにより、記録材Ｐは、搬送ベルト１０２に吸着して、放熱板上を搬送される。
【００４８】
なお、記録材Ｐと搬送ベルト１０２との密着方法は静電的でもよい。その場合、搬送手段は、搬送ローラ１０３に搬送ベルト１０２を巻いた搬送部と記録材Ｐを静電的に吸着するための帯電装置（不図示）と放熱板で構成される。搬送ベルト１０２の導電層は不図示の電気的接続によりアースに落とされ、絶縁層でもある離型層、あるいはさらにその上にくる記録材Ｐとの間に電荷を付与することで記録材Ｐを静電的に吸着して、放熱板上を搬送できるようになる。
【００４９】
搬送ベルト１０２の内側面に密着するように凝縮器（放熱板）１０５が配置されている。搬送ベルト１０２は、記録材Ｐを、凝縮器１０５の冷媒出口側から冷媒入口側へ搬送する。その搬送の過程で、記録材Ｐは、凝縮器１０５と熱交換することで、凝縮温度まで加熱された後、搬送終盤の過熱蒸気の部分で凝縮温度Ｔ０以上にまで加熱される。
【００５０】
図３に示すように、予備加熱装置１００は、蒸気圧縮逆冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）のヒートポンプ１０１を加熱源として記録材Ｐの予備加熱を行う。ヒートポンプ１０１は、圧縮機１０４で圧縮して加熱された冷媒を凝縮器１０５で放熱させて過冷却液まで凝縮させる。膨張弁１０６は、冷媒の圧力を低下させ、蒸発器１０７は、周囲の熱を奪って冷媒を気化させる。気化した冷媒が圧縮機１０４で圧縮されてヒートポンプサイクルが構成される。
【００５１】
図４に示すように、ヒートポンプ１０１は、圧力ＰとエンタルピｈのＰ−ｈ線図において閉曲線ＡＢＣＤのサイクルを実行する。冷媒の過熱蒸気Ａを圧縮機１０４により所望温度に対する飽和蒸気圧以上の圧力まで圧縮して過熱蒸気Ｂにして凝縮器１０５に送る。高温度の過熱蒸気Ｂは凝縮器１０５において熱量Ｑ１を放熱することで冷やされ、凝縮／液化して過冷却液Ｃになる。
【００５２】
過冷却液Ｃは、膨張弁１０６に送られ、膨張弁１０６によって等エンタルピ膨張して、低温度の湿り蒸気Ｄになり、蒸発器１０７に送られる。低温度の湿り蒸気Ｄは、蒸発器１０７において周囲から熱量Ｑ２を得て気化し、過熱蒸気Ａになって１サイクルを終了する。過熱蒸気Ａは、再び圧縮機１０４によって圧縮されて高温度の過熱蒸気Ｂとなって熱サイクルを繰り返す。
【００５３】
図５に示すように、凝縮器１０５で冷媒が熱量Ｑ１を放熱する過程において、冷媒のエンタルピ変化と温度変化が発生する。過熱蒸気Ｂの状態から飽和蒸気Ｂ’の状態までの顕熱変化では、冷媒の温度が低下しながらエンタルピは、ｈＢからｈＢ’と僅かに変化する。
【００５４】
次に、飽和蒸気Ｂ’の状態から飽和液Ｃ’の状態に至る潜熱変化では、温度が一定（凝縮温度）で、エンタルピはｈＢ’からｈＣへと大きく変化する。その後、飽和液Ｃ’の状態から過冷却液Ｃの状態までの顕熱変化では、温度が低下しながら、エンタルピはｈＣ’からｈＣへと僅かに変化する。
【００５５】
エンタルピがｈＢからｈＢ’まで変化する時に放熱する熱量をＱ１’’とし、エンタルピがｈＢ’からｈＣまで変化する時に放熱する熱量をＱ１’とする。
【００５６】
凝縮器１０５から放熱される熱量Ｑ１を利用して記録材Ｐを加熱する場合、最初に、エンタルピ変化が大きい潜熱変化及び過冷却時の顕熱変化（ｈＢ’→ｈＣ）時の熱量Ｑ１’を利用して、記録材Ｐと熱交換をさせる。これにより、冷媒の凝縮温度Ｔ０付近まで記録材Ｐの温度を上げる。
【００５７】
その後、エンタルピ変化が僅かな過熱蒸気の顕熱変化（ｈＢ→ｈＢ’）時の熱量Ｑ１’’を利用して、記録材Ｐと熱交換をさせる。これにより、凝縮温度Ｔ０以上の温度Ｔ１付近まで記録材Ｐの温度を上げる。
【００５８】
記録材Ｐの熱容量が小さいため、エンタルピ変化が僅かな過熱蒸気の熱量Ｑ１’’でも十分に温度が上昇して、記録材Ｐを凝縮温度Ｔ０以上の温度まで加熱できる。数値的に説明すれば、熱量Ｑ１を放熱する際に、冷媒のエンタルピは、ｈＢからｈＣまで変化している。この時、過熱蒸気の顕熱変化ではｈＢからｈＢ’まで変化しており、エンタルピ変化の比を考えると熱量Ｑ１’’は熱量Ｑ１の約２０％程度である。ヒートポンプ１０１の能力としてＱ１が２５００Ｗ程度見込める場合、過熱蒸気の顕熱変化分は５００Ｗ程度となる。
【００５９】
図６に示すように、顕熱変化（ｈＢ→ｈＢ’）時の熱量Ｑ１’’において連続予備加熱される記録材Ｐが受け取る毎分の熱量をＥとする。用紙坪量１０５ｇ/ｍ２の記録材Ｐの上にトナーが厚さ１０μｍ載っている状態を想定して、８５ｐｐｍと１５０ｐｐｍで搬送して予備加熱させた場合のコンピュータシミュレーションを行った。
【００６０】
ヒートポンプ１０１によって予備加熱しようとする温度幅を大きくすると、記録材Ｐに供給すべき熱量が大きくなる。毎分１５０枚（１５０ｐｐｍ）の予備加熱を行った場合、毎分８５枚（８５ｐｐｍ）の予備加熱を行う場合よりも、ヒートポンプ１０１によって昇温できる温度幅は小さくなる。
【００６１】
トナーが転写された記録材Ｐの温度は、凝縮温度以上である熱量Ｑ１’’が５００Ｗの場合、８５ｐｐｍで３０℃程度、１５０ｐｐｍでも１８℃程度さらに温度を上げることができることが確認された。
【００６２】
以上のように、トナーが転写された記録材Ｐの熱容量であれば、過熱蒸気の熱量を利用して十分に温度を上げることが可能である。
【００６３】
図２に示すように、ヒートポンプ１０１は、圧縮機１０４、凝縮器１０５、膨張弁１０６、蒸発器１０７に加えて、圧力計１０８、ファン１１４、インバータ制御部１１５が付設され、凝縮器１０５には、温度測定用の温度センサ１１６が設けられている。蒸発器１０７に付設されたファン１１４を作動させることで、蒸発器１０７は、周囲から高効率で熱を回収することができる。
【００６４】
圧力計１０８により凝縮器１０５内の冷媒の圧力が把握でき、測定した圧力で図４の蒸気線図を参照することで、その圧力下での冷媒の凝縮温度がわかる。温度センサ１１６は、放熱板内中央部の過熱蒸気Ｂ入口側付近に取り付けれらている。インバータ制御部１１５は、圧縮機１０４へ出力する周波数を３０Ｈｚから７５Ｈｚまで調整することで、圧縮機１０４の回転数が変わり、冷媒の循環量の制御ができ、凝縮器１０５の放熱量を調整できる。
【００６５】
凝縮器１０５は、搬送ベルト１０２の内側面に密着するように取り付けられ、トナー像Ｇが一括転写された記録材Ｐは、搬送ベルト１０２を介して凝縮器１０５と熱交換して加熱される。
【００６６】
図７の（ａ）に示すように、凝縮器１０５は、アルミプレート１１２内に銅管１１１が蛇行して配置された直方体状の放熱板となっている。但し、銅管１１１の配置は、図に示す配置に限定されるわけではない。銅管１１１とアルミプレート１１２との接触面積が増えることで、冷媒とアルミプレート１１２との熱変換効率が高まればよい。
【００６７】
図７の（ｂ）に示すように、アルミプレート１１２と銅管１１１は、伝熱性を向上させるため、密着性が高い加工がされている。また、銅管１１１は、圧縮機１０４から過熱蒸気入口まで断熱処理されており、過熱蒸気の熱量（エンタルピ）が周囲へ放熱することを防いでいる。搬送ベルト１０２と接触するアルミプレート１１２の表面は、搬送ベルト１０２との密着性を高めるために平滑度が高く、かつ摩擦による磨耗が少なくするため、例えば、Ｔｉなどによりメッキ処理がされている。アルミプレート１１２の裏面及び四方の側面は、搬送ベルト１０２以外への放熱を防ぐため、断熱材による断熱処理がされている。
【００６８】
圧縮機１０４により所望温度に対する飽和蒸気圧以上の圧力まで圧縮して過熱蒸気Ｂとなった冷媒は、過熱蒸気Ｂのまま入口側から入り、蛇行して配置された銅管１１１を通りながら凝縮し出口側へ流れる。この時、冷媒が過熱蒸気となって流れている銅管１１１が配置されている放熱板の表面温度は、冷媒の凝縮温度以上となっている。
【００６９】
図７の（ｃ）に示すように、凝縮器（放熱板）１０５の搬送ベルト１０２との接触面である放熱面の温度分布は、ｘ方向に向かって高温となる。実施例１では、第１の熱交換部と第２の熱交換部とが一体の凝縮器（放熱板）１０５に形成されて熱的に分離されていないため、凝縮器（放熱板）１０５の放熱面の温度分布は連続的になる。
【００７０】
図７の（ａ）に示すように、予備加熱装置１００は、トナー像Ｇが転写された記録材Ｐを搬送ベルト１０２により搬送し、記録材Ｐは、搬送中に凝縮器（放熱板）１０５と熱交換することで加熱される。トナー像Ｇが転写された記録材Ｐは、凝縮器（放熱板）１０５の低温側となる銅管１１１の出口側から高温側となる過熱蒸気Ｂの入口側へ搬送されることにより、ヒートポンプの冷媒の凝縮温度以上まで加熱される。トナー像Ｇが転写された記録材Ｐが転写された記録材Ｐは熱容量が小さいため、凝縮器（放熱板）１０５により冷媒と熱交換する際に、熱量は小さいが高温である過熱蒸気で温度を上げることができるからである。
【００７１】
＜ヒートポンプの制御＞
図２を参照して図８に示すように、予備加熱装置１００のヒートポンプ１０１の圧縮機１０４は、可変の出力で冷媒を圧縮し、凝縮器１０５ｂの冷媒を凝縮温度を越える所定温度に保つように圧縮機１０４の出力を制御する。
【００７２】
画像形成装置（１：図１）がスタートすると圧縮機１０４が駆動して凝縮器（放熱板）１０５のウォーミングアップが開始される（Ｓ１０１）。同時に、定着装置２６の熱源に電力が供給され加熱ローラ２６ａのウォーミングアップが開始される（Ｓ１０２）。そして、ウォーミングアップ開始と同時に温度センサ２６ｓにて加熱ローラ２６ａの温度が測定され、定着開始温度に達したかを判断する（Ｓ１０３）。
【００７３】
定着開始温度に達していない場合（Ｓ１０３のＮＯ）はウォーミングアップを継続し、達している場合（Ｓ１０３のＹＥＳ）は待機モードへ移行する（Ｓ１０４）。待機モードでは、加熱ローラ２６ａの温度が定着開始温度を維持するだけの電力が熱源に供給される（Ｓ１０４）。
【００７４】
次に、凝縮器（放熱板）１０５のウォーミングアップ開始と同時に、温度センサ１１６にて放熱板の温度が測定され、定着に必要なプレ加熱温度に達したかを判断する（Ｓ１０５）。定着に必要なプレ加熱温度に達していない場合（Ｓ１０５のＮＯ）はウォーミングアップを継続し、達している場合（Ｓ１０５のＹＥＳ）は待機モードへ移行する（Ｓ１０６）。待機モードでは、凝縮器（放熱板）１０５の温度が定着に必要なプレ加熱温度を維持するだけの回転数に圧縮機が維持される（Ｓ１０６）。
【００７５】
その後、プリント動作が実行される（Ｓ１０７）。プリント動作が実行されると、記録材Ｐに熱が奪われて凝縮器１０５の冷媒圧力が低下する。インバータ制御部１１５は、圧力計１０８により凝縮器１０５出口の圧力を測定し（Ｓ１０８）、測定した圧力で図４のＰ−ｈ線図を参照して冷媒の凝縮温度を算出する（Ｓ１０９）。
【００７６】
インバータ制御部１１５は、凝縮器（放熱板）１０５の温度センサ１１６にて凝縮器（放熱板）１０５の温度を測定し、放熱板温度が算出された凝縮温度（Ｓ１０９）以上か否かを判断する（Ｓ１１０）。
【００７７】
インバータ制御部１１５は、凝縮温度以上となっていない場合、圧縮機１０４へ出力する周波数を上げて回転数を上げる制御を行う（Ｓ１１１）。回転数の増加に伴い、冷媒循環量が増えて、凝縮器（放熱板）１０５から放熱される熱量が増加する。その結果、図４のＰ−ｈ線図で示されるような所定のヒートポンプサイクルが維持される。
【００７８】
インバータ制御部１１５は、凝縮温度以上となっている場合、プリント動作終了かを判断する（Ｓ１１２）。プリント動作が終了せず継続する場合Ｓ１１２は、ステップＳ１０３に戻ってプリント動作終了までＳ１０３〜Ｓ１１２を繰り返す。しかし、プリント動作が終了する場合（Ｓ１１２のＹＥＳ）、ヒートポンプを停止して（Ｓ１１３）、加熱ローラ２６ａの加熱源に電力供給を停止し（Ｓ１１４）、画像形成装置（１：図１）をストップする。
【００７９】
実施例１で使用したヒートポンプの凝縮器１０５であるアルミプレート放熱板の放熱面サイズは３２０ｍｍ×４００ｍｍである。放熱板内に銅管を約５ｍ蛇行して配置しており、圧縮機を運転してから１２０秒程度で放熱面の過熱蒸気入口側の温度が定着に必要なプレ加熱温度である７０℃となるようにヒートポンプ１０１内の冷媒量を調整した。
【００８０】
使用した冷媒は、一般的な代替フロン（ハイドロフルオロカーボン）の一種である代替フロン（ハイドロフルオロカーボン）のＲ１３４ａ（登録商標）を使用した。ヒートポンプ１０１を圧縮機１０４の最大周波数である７５Ｈｚで稼動し、放熱面の冷媒入口側の温度が７０℃になったところで、圧縮機１０４の周波数を調整しながら放熱面温度を維持した。
【００８１】
記録材Ｐには、Ａ４サイズで厚さ１００μｍの普通紙を用いた。搬送速度４００ｍｍ／ｓｅｃで記録材Ｐを連続的に搬送開始させ、予め定着可能となって待機中の定着装置２６を通して永久画像とした。凝縮器（放熱板）１０５の放熱面の搬送方向の長さは４００ｍｍなので、記録材の加熱時間は１秒であった。
【００８２】
この時、上記の制御により、ヒートポンプの消費電力は約２８０Ｗであった。そして、凝縮器１０５と膨張弁１０６の間に取り付けられた圧力計１０８の測定値は１．６ＭＰａで図４に示す凝縮温度は６０℃程度であった。そして、凝縮器（放熱板）１０５の温度は、冷媒入口側が６８℃で凝縮温度の６０℃よりも高くなっていた。そして、搬送ベルト１０２により、記録材Ｐは、凝縮器（放熱板）１０５の冷媒出口側から冷媒入口側へ搬送され、記録材Ｐ上のトナー表面温度は２５℃から６３℃まで上昇していた。記録材Ｐは、凝縮器（放熱板）１０５中央部付近まで搬送される間に、凝縮温度とほぼ同じ温度の凝縮器（放熱板）１０５の温度まで加熱され、凝縮器（放熱板）１０５冷媒入口付近の搬送後半部でさらに温度が上昇していた。
【００８３】
凝縮器（放熱板）１０５と熱交換して加熱された熱容量の小さい記録材Ｐは、高温で熱量が小さい過熱蒸気が流れている放熱板の冷媒入口側でも加熱することが可能で、トナー１０９が転写されている記録材Ｐの温度を上げることができた。記録材Ｐの連続搬送中は、凝縮器１０５と膨張弁１０６の間に取り付けられた凝縮部の圧力ゲージ１０８が１．６ＭＰａで安定に維持され、ヒートポンプの消費電力も２８０Ｗで一定であった。
【００８４】
実施例１の制御によれば、乾き蒸気の冷媒の顕熱を用いる第１の熱交換部において、大きな熱量を記録材Ｐに移転させることができる。このため、凝縮器１０５の放熱不足が低減し、安定な逆冷凍サイクルを維持できるため、圧縮機１０４の消費電力を必要以上に上げることなく予備加熱が可能となり、省エネルギー効果が上がる。
【００８５】
一方、凝縮器（放熱板）１０５の冷媒入口と冷媒出口とを逆にして、記録材Ｐを凝縮器（放熱板）１０５の冷媒入口側から冷媒出口側へ搬送して定着装置２６に受け渡す実験を行った。その結果、記録材Ｐ上のトナー１０９の表面温度は２５℃から５８℃までしか上昇しなかった。これは、過熱蒸気が流れる冷媒入口側の凝縮器（放熱板）１０５は、未加熱の記録材Ｐに冷やされるため、熱量が小さい過熱蒸気では高温を維持できず、凝縮器（放熱板）１０５の温度が凝縮温度とほぼ同じの６０℃まで低下したためである。
【００８６】
予備加熱中に記録材Ｐの温度が凝縮温度に達してしまうと、記録材Ｐは、ヒートポンプ１０１の凝縮器１０５から放熱される熱量をそれ以上に得ることができないので、長時間このような状態が継続されれば凝縮器１０５の放熱不足を招くことになる。
【００８７】
その結果、凝縮器１０５で冷媒が液化して過冷却されることなく膨張弁１０６にて減圧されるため、安定なヒートポンプサイクルを維持できず、圧縮機１０４の運転圧力が高くなってしまう。すると、圧縮機１０４の運転圧力と消費電力はほぼ比例の関係にあることから、ヒートポンプ１０１の消費電力が上がってしまう。
【００８８】
以上から、記録材Ｐの搬送方向は、凝縮器（放熱板）１０５の低温側となる冷媒出口側から高温側となる冷媒入口側、つまり冷媒の放熱板内の循環方向と対向する凝縮器（放熱板）１０５の低温側から高温側へ搬送される必要がある。
【００８９】
＜実施例１の効果＞
図９に示すように、予備加熱されて定着装置２６に受け渡されるトナー像Ｇを担持した記録材Ｐの温度と、定着装置２６で消費される電力量の関係をコンピュータシミュレーションにより調べた。計算で用いた定着条件は、実施例１の上記条件に加えて以下の通りである。
【００９０】
加熱ローラ２６ａの周速は３６０ｍｍ／ｓｅｃであり、平均ニップ圧は２．２ｋｇｆ／ｃｍ２であり、ニップ幅は８ｍｍである。加熱ローラ２６ａは中心に配置したハロゲンランプヒータの加熱源からの輻射エネルギーにて、表面温調温度が１８０℃に加熱、維持される。記録材Ｐは、用紙坪量１０５ｇ／ｍ２で、その上にトナー像Ｇが厚さ１０μｍで載っている。
【００９１】
図９に示すように、トナー像Ｇ及び記録材Ｐが室温程度の２５℃では、定着装置２６の消費電力は約１０００Ｗである。予備加熱による温度上昇と共に定着装置２６の消費電力が低減され、約１０℃上昇することで１００Ｗ程度の消費電力が削減できる。
【００９２】
よって、搬送ベルト１０２を備えた予備加熱装置１００によって、ヒートポンプ１０１の消費電力を必要以上に上げずに、可能な限り記録材Ｐの温度を上げることで、永久画像を形成する際の定着に使われる消費電力を低減できる。
【００９３】
実施例１では、記録材Ｐ上のトナー像Ｇの表面温度は２５℃から６３℃まで上昇していたことから、図９の関係から見ると、定着装置２６の消費電力を約４００Ｗ低減できたことになる。ヒートポンプの消費電力２８０Ｗを考慮してもトータルの消費電力が１２０Ｗ低減された。
【００９４】
＜実施例２＞
図１０は実施例２の予備加熱装置の構成の説明図である。図１１は実施例２におけるベルト熱交換器の熱交換温度分布の説明図である。
【００９５】
図２に示すように、実施例２の予備加熱装置１００は、実施例１と同様に、記録材Ｐを搬送ベルト１０２で搬送してヒートポンプ１０１により予備加熱する。実施例１との相違点は、凝縮器（放熱板）１０５の第１熱交換部と第２熱交換部とを熱的に分離した構成となっている点である。
【００９６】
図１０に示すように、凝縮器１０５ｂと凝縮器１０５ａとは、熱的に分離され、凝縮器１０５ｂの熱交換部の質量は、凝縮器１０５ｂの熱交換部の質量よりも小さい。
【００９７】
第２の熱交換部の一例である凝縮器１０５ａは、凝縮器１０５ｂで放熱した冷媒を用いて凝縮器１０５ｂよりも低い加熱温度で記録材を加熱する。凝縮器１０５ａは、凝縮器１０５ｂで冷媒の凝縮温度に冷却された冷媒の潜熱を用いて記録材を加熱する。凝縮器１０５ａでは、記録材Ｐが冷媒の凝縮温度まで加熱される。
【００９８】
第１の熱交換部の一例である凝縮器１０５ｂは、ヒートポンプ１０１の圧縮機１０４で圧縮して加熱された過熱蒸気の冷媒の顕熱を用いて記録材Ｐを加熱する。凝縮器１０５ｂは、冷媒の凝縮温度を越える温度に加熱された冷媒の顕熱を用いて記録材を加熱する。凝縮器１０５ｂでは、記録材Ｐが冷媒の凝縮温度を越える温度まで加熱される。凝縮器１０５ｂは、加熱部側の一例である定着装置２６側の加熱温度が第２の熱交換部側の一例である凝縮器１０５ａ側の加熱温度よりも高い。
【００９９】
図１１の（ａ）に示すように、実施例２の予備加熱装置１００は、冷媒が凝縮して湿り蒸気となっている凝縮器（放熱板）１０５ａと過熱蒸気となっている凝縮器（放熱板）１０５ｂとが熱的に分離して構成される。凝縮器１０５ａの搬送ベルト１０２との接触面である放熱面と、凝縮器１０５ｂの搬送ベルト１０２との接触面である放熱面とが断熱分離している。
【０１００】
ヒートポンプ１０１の凝縮器（放熱板）１０５ｂの放熱面サイズは３２０ｍｍ×８０ｍｍ、凝縮器（放熱板）１０５ａの放熱面サイズは３２０ｍｍ×３２０ｍｍとし、それぞれを５ｍｍ程度離した。２つの放熱板内に蛇行して配置した銅管の全長は約５ｍで、ヒートポンプ内の冷媒量は実施例１と同じにした。
【０１０１】
図１１の（ｂ）に示すように、湿り蒸気が流れる凝縮器１０５ａと過熱蒸気が流れる凝縮器１０５ｂとを別々のものとし、搬送ベルト１０２との接触面であるそれぞれの放熱面を断熱分離する。これにより、定着装置側の凝縮器（放熱板）１０５ｂを、給紙側の凝縮器（放熱板）１０５ａの飽和蒸気Ｂ’入口の温度よりもさらに高温にすることが可能である。
【０１０２】
図１１の（ｃ）に示すように、断熱分離された凝縮器（放熱板）１０５ａと凝縮器（放熱板）１０５ｂの温度分布は不連続になる。凝縮器（放熱板）１０５ｂの温度は、凝縮器（放熱板）１０５ａの飽和蒸気Ｂ’入口側よりも高温となるため、図７の（ｃ）に示す実施例１よりも記録材Ｐの温度を上げることができる。
【０１０３】
記録材Ｐの温度をさらに上げることで、定着装置２６の消費電力をさらに削減できるため、圧縮機１０４の消費電力を上げることなく省エネルギー効果が高まる。温度上昇に伴って凝縮器（放熱板）１０５ｂから記録材Ｐに熱交換される熱量が増えるので、凝縮器（放熱板）１０５ｂの放熱不足が低減してヒートポンプサイクルも安定する。
【０１０４】
＜ヒートポンプの制御＞
図１０に示すように、記録材Ｐが搬送ベルト１０２によって搬送されながら凝縮器１０５ａ、１０５ｂと熱交換して加熱される際、ヒートポンプ１０１において、図４、図５に示すヒートポンプサイクルが安定に維持されたとする。このとき、定着装置２６に近い側の凝縮器１０５ｂは、図４のヒートポンプサイクルの過熱蒸気が流れるＢからＢ’の状態に保たれ、記録材Ｐが給紙される側の凝縮器１０５ａは、凝縮状態の湿り蒸気と過冷却液が流れるＢ’からＣの状態に保たれている。
【０１０５】
この状態で、記録材Ｐは、凝縮器（放熱板）１０５ａと搬送ベルト１０２との接触面から放熱される熱量Ｑ１’と、凝縮器（放熱板）１０５ｂと搬送ベルト１０２との接触面から放熱される熱量Ｑ１’’とにより加熱される。
【０１０６】
このため、それぞれの放熱板で放熱されるＱ１’とＱ１’’の放熱量比（エンタルピ変化量の比）が、定着装置２６に近い側の凝縮器（放熱板）１０５ｂの放熱面積と給紙側の凝縮器（放熱板）１０５ａの放熱面積の比となるように制御する。記録材Ｐの違いや搬送速度の違いなどにより、凝縮器（放熱板）１０５と記録材Ｐとの熱交換の状態が変化した場合には、図４及び図５のヒートポンプサイクルが変化して、Ｑ１’とＱ１’’の放熱量比（エンタルピ変化量の比）が変わる可能性がある。このような場合、図４及び図５のヒートポンプサイクルを維持するために、インバータ制御部１１５は、圧縮機１０４の回転数を制御して冷媒循環量を調整する。
【０１０７】
具体的には、温度センサ１１６が定着装置２６側の凝縮器（放熱板）１０５ｂに設けられ、図８に示すフローチャートの制御のステップＳ１０８以下で次のようなフローを行う。
【０１０８】
インバータ制御部１１５は、圧力計１０８により測定された圧力で図４のＰ−ｈ線図を参照して、冷媒の凝縮温度Ｔ０を算出する（Ｓ１０９）。
【０１０９】
インバータ制御部１１５は、凝縮器（放熱板）１０５ｂの温度センサ１１６にて凝縮器（放熱板）１０５ｂの温度を測定する。そして、凝縮器（放熱板）１０５の温度が凝縮温度Ｔ０以上となっているかを、算出した温度（Ｓ１０９）と比較して判断する（Ｓ１１０）。
【０１１０】
インバータ制御部１１５は、凝縮温度Ｔ０以上となっていない場合、圧縮機１０４の周波数を上げて回転数を上げる制御を行う（Ｓ１１１）。回転数の増加に伴い冷媒循環量が増え、凝縮器（放熱板）１０５から放熱される熱量が増加して、図４のＰ−ｈ線図で示されるヒートポンプサイクルが維持される。
【０１１１】
＜実施例２の効果＞
実施例２について、定着装置２６と予備加熱装置１００の合計の消費電力の削減効果を調べた。実施例２で使用した画像形成装置は実施例１と同じ装置であり、画像形成プロセスに伴うヒートポンプの制御も実施例１と同じである。
【０１１２】
ヒートポンプ１０１を圧縮機１０４の最大周波数である７５Ｈｚで稼動し、凝縮器１０５ｂの温度が定着に必要なプレ加熱温度である８０℃になったところで、圧縮機１０４の周波数を調整しながら凝縮器１０５ｂの温度を維持させた。
【０１１３】
搬送速度４００ｍｍ／ｓｅｃで記録材Ｐを連続的に搬送を開始し、予め定着可能となって待機中の定着装置２６を通し永久画像とした。記録材Ｐには、Ａ４サイズで厚さ１００μｍの普通紙を用いた。この時、ヒートポンプの消費電力は約２８０Ｗであった。
【０１１４】
凝縮器１０５ａと膨張弁１０６の間に取り付けられた圧力計１０８の指値は１．６ＭＰａで凝縮温度は６０℃であった。凝縮器（放熱板）１０５ｂの温度は７５℃で冷媒の凝縮温度よりも高く、さらに実施例１の凝縮器（放熱板）１０５の温度よりも高くなっていた。
【０１１５】
搬送ベルト１０２により記録材Ｐは、凝縮器１０５ａの冷媒出口側から凝縮器１０５ｂの冷媒入口側へ搬送され、記録材Ｐ上の表面温度は２５℃から６８℃まで上昇していた。記録材Ｐは、凝縮器（放熱板）１０５ａ上を搬送される間に既に凝縮温度付近まで加熱され、実施例１の凝縮器１０５より高い温度の凝縮器１０５ｂ上を搬送されることで、さらに温度が上昇した。
【０１１６】
その結果、実施例１より記録材Ｐ上のトナー温度をさらに５℃上げることができた。また、記録材Ｐの連続搬送中に凝縮器１０５ａと膨張弁１０６の間に取り付けられた圧力計１０８の指値は１．６ＭＰａで安定に維持され、圧縮機１０４の消費電力は２８０Ｗで一定であった。
【０１１７】
図９の記録材加熱温度と定着装置２６の消費電力の関係は実施例１と共通であるため、実施例２では、図９から定着装置２６の消費電力を約４５０Ｗ低減できたことになる。ヒートポンプ１０１の消費電力２８０Ｗを考慮しても、トータルの消費電力が１７０Ｗ低減され、実施例１よりもさらに５０Ｗ低減された。ヒートポンプ１０１の消費電力を必要以上に上げることなく、トナー像の定着に使われる消費電力を１０００Ｗから８３０Ｗに低減することができた。
【０１１８】
実施例２の予備加熱装置では、省エネルギー効果を高めた蒸気圧縮逆冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を予備加熱源とすることで、トナーが転写された記録材の温度を冷媒の凝縮温度以上に予備加熱することができる。
【０１１９】
これにより、定着装置２６のさらなる省エネルギー化が図れる。また、放熱板との熱交換効率が上がるため放熱不足が低減し、安定した逆冷凍サイクルを維持することで、圧縮機の消費電力を必要以上に上げずに記録材の予備加熱ができるので、さらに省エネルギー効果が高まる。
【０１２０】
＜実施例３＞
実施例１、２では、一般的な代替フロン（ハイドロフルオロカーボン）を使用して、蒸発過程も凝縮過程も冷媒が湿り蒸気相を含むヒートポンプサイクルの実施例を説明した。しかし、本発明は、ヒートポンプサイクルを行う限りにおいて、冷媒は代替フロンには限られず、凝縮過程は湿り蒸気相には限られない。
【０１２１】
例えば、現在、広く用いられている炭酸ガスのヒートポンプサイクルでも実施できる。炭酸ガスのヒートポンプサイクルは、蒸発過程は湿り蒸気相で行われるが、凝縮過程は過熱蒸気相から直接液相へ相転移することが特徴である。
【０１２２】
図２に示すように、実施例３では、第１の熱交換部の一例である凝縮器１０５の定着装置２６側部分は、ヒートポンプ１０１の圧縮機１０４で圧縮して加熱された過熱蒸気の炭酸ガスの顕熱を用いて記録材Ｐを加熱する。第２の熱交換部の一例である凝縮器１０５の二次転写部（Ｔ２）側部分は、凝縮器１０５の定着装置２６側部分で放熱した冷媒を用いて凝縮器１０５の定着装置２６側部分よりも低い加熱温度で記録材Ｐを加熱する。そして、搬送手段の一例である搬送ベルト１０２は、凝縮器１０５の二次転写部（Ｔ２）側部分で加熱された記録材Ｐを凝縮器１０５の定着装置２６側部分へ搬送して、凝縮器１０５の定着装置２６側部分で加熱された記録材Ｐを定着装置２６へ受け渡す。
【０１２３】
＜実施例４＞
近年、トナーの低融点化によって定着装置の消費電力の低減が図られている。また、炭酸ガスサイクルのような高温利用が可能な冷媒により、ヒートポンプサイクルの加熱温度の高温化が可能となっている。したがって、将来、特許文献２に示されるように、定着装置において電力で直接加熱を行う熱源を持たずに、ヒートポンプサイクルによる加熱のみでトナー像の定着を行う可能性もある。
【０１２４】
この場合、冷媒の顕熱を用いて記録材Ｐの加熱加圧を行うこととすれば、冷媒の凝縮温度よりも融点の高いトナーのトナー像を定着することができる。トナーの融点よりも低い凝縮温度の冷媒を用いて、ヒートポンプサイクルによる加熱のみでトナー像の定着を行うことができる。
【０１２５】
しかし、記録材にトナー像を定着させる場合、実際にトナー像の加熱・溶融に使用されるエネルギーはごくわずかであり、消費電力のほとんどは、記録材をトナーの溶融温度１００℃よりもかなり低い６０℃程度の温度に加熱するために使用されている。したがって、そのような記録材の単なる加熱においては、既存の冷媒の凝縮温度でも十分に対処できる。既存の冷媒を用いたヒートポンプを活用することで、消費電力の数倍〜１０数倍のエネルギーを記録材の予備加熱に使用できる。
【０１２６】
また、ヒートポンプで最終的な加熱加圧を行う場合、加熱ニップの温度制御を正確に行うことは容易でない。電気的な制御と加熱との間にヒートポンプが介在して、応答性と調整精度を損なわせているからである。
【０１２７】
例えば、温度変更のためにヒートポンプの圧縮機の回転数を変化させた場合、ヒートポンプの凝縮器温度が変化して定着ニップの温度が変化するまでに相当な遅れ時間が発生する。また、ヒートポンプの圧縮機の回転数を加熱ニップの温度制御のために利用すると、凝縮器の圧力変動がヒートポンプサイクルを不安定にする可能性もある。
【０１２８】
したがって、像加熱装置にヒートポンプを使用する場合、最終の加熱ニップは、ハロゲンランプヒータ等の輻射加熱、電磁誘導のような電磁加熱、ヒータのような抵抗加熱を用いて直接的な加熱を行うことが望ましい。電気的に応答速度の高い温度制御を行えるからである。そして、記録材を単に加熱するための膨大なエネルギー供給を予備加熱の形でヒートポンプに担わせることで、定着ニップの加熱に関して大幅な省電力化、温度制御の精密化、小型化が可能になる。
【０１２９】
実施例４では、図２に示すように、ヒートポンプ１０１を用いて予備加熱した記録材Ｐを、ごく簡単な定着装置２６を用いて最終的な定着温度まで加熱する。定着装置２６は、電気的に加熱及び温度制御された加熱ニップＮを用いてトナー画像を担持した記録材Ｐを加圧状態で加熱する。
【０１３０】
予備加熱装置１００は、ヒートポンプ１０１を用いて記録材Ｐを予備加熱して定着装置２６に受け渡す。予備加熱装置１００は、トナー画像を担持した記録材Ｐを、加圧することなく搬送しつつ、トナー画像の反対側の面からヒートポンプ１０１を用いて加熱ニップＮよりも低い温度に予備加熱して加熱ニップＮへ受け渡す。
【符号の説明】
【０１３１】
１ 画像形成装置、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ 画像形成部
８ 中間転写ベルト、１７ 記録材カセット、２２ 二次転写ローラ
２６ 定着装置、１０１ ヒートポンプ、１０２ 搬送ベルト
１０３ 搬送ローラ、１０４ 圧縮機、１０５、１０５ａ、１０５ｂ 凝縮器
１０６ 膨張弁、１０７ 蒸発器、１０８ 圧力計、１１１ 銅管
１１２ アルミプレート、１１４ ファン、１１５ インバータ制御部
１１６ 温度センサ Ｐ 記録材、Ｇ トナー像
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トナー画像を担持した記録材を加圧状態で加熱する加熱部を備え、ヒートポンプを用いて記録材を予備加熱して前記加熱部に受け渡す像加熱装置において、
前記ヒートポンプの圧縮機で圧縮して加熱された過熱蒸気の冷媒の顕熱を用いて記録材を加熱する第１の熱交換部と、
前記第１の熱交換部で放熱した冷媒を用いて前記第１の熱交換部よりも低い加熱温度で記録材を加熱する第２の熱交換部と、
前記第２の熱交換部で加熱された記録材を前記第１の熱交換部へ搬送して前記第１の熱交換部で加熱された記録材を前記加熱部へ受け渡す搬送手段と、を備えることを特徴とする像加熱装置。
【請求項２】
前記第１の熱交換部は、冷媒の凝縮温度を越える温度に加熱された冷媒の顕熱を用いて記録材を加熱し、
前記第２の熱交換部は、前記第１の熱交換部で冷媒の凝縮温度に冷却された冷媒の潜熱を用いて記録材を加熱し、
前記第１の熱交換部は、前記加熱部側の加熱温度が前記第２の熱交換部側の加熱温度よりも高いことを特徴とする請求項１記載の像加熱装置。
【請求項３】
前記第２の熱交換部では、記録材が冷媒の凝縮温度まで加熱され、前記第１の熱交換部では、記録材が冷媒の凝縮温度を越える温度まで加熱されることを特徴とする請求項２記載の像加熱装置。
【請求項４】
前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部とが熱的に分離され、前記第１の熱交換部の質量は、前記第１の熱交換部の質量よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の像加熱装置。
【請求項５】
前記圧縮機は可変の出力で冷媒を圧縮し、前記第１の熱交換部の冷媒を凝縮温度を越える所定温度に保つように前記圧縮機の出力を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の像加熱装置。
【請求項６】
前記搬送手段は、記録材の担持面の裏側面を、前記第１の熱交換手段の放熱面と前記第２の熱交換手段の放熱面とに摺擦させて回転する無端ベルトで構成され、記録材は、前記無端ベルトを介して前記第２の熱交換手段及び前記第１の熱交換手段により加熱されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の像加熱装置。
【請求項７】
トナー像を形成して記録材に転写する画像形成手段と、
トナー像が転写された記録材を加熱加圧して記録材にトナー像を定着させる請求項１乃至６のいずれか１項記載の像加熱装置と、を備え、
前記ヒートポンプの蒸発器は、前記加熱部の排熱を用いて前記冷媒を蒸発させて乾き蒸気まで加熱して前記ヒートポンプの圧縮機に供給することを特徴とする画像形成装置。
【請求項８】
抵抗加熱又は輻射加熱又は電磁加熱により加熱されて電気的に温度制御された加熱ニップを用いてトナー画像を担持した記録材を加圧状態で加熱する加熱部と、
前記トナー画像を担持した記録材を搬送しつつ、前記トナー画像の反対側の面から、加圧することなく、ヒートポンプを用いて前記加熱ニップよりも低い温度に予備加熱して前記加熱ニップへ受け渡す予備加熱部と、を備えたことを特徴とする像加熱装置。
【請求項１】
トナー画像を担持した記録材を加圧状態で加熱する加熱部を備え、ヒートポンプを用いて記録材を予備加熱して前記加熱部に受け渡す像加熱装置において、
前記ヒートポンプの圧縮機で圧縮して加熱された過熱蒸気の冷媒の顕熱を用いて記録材を加熱する第１の熱交換部と、
前記第１の熱交換部で放熱した冷媒を用いて前記第１の熱交換部よりも低い加熱温度で記録材を加熱する第２の熱交換部と、
前記第２の熱交換部で加熱された記録材を前記第１の熱交換部へ搬送して前記第１の熱交換部で加熱された記録材を前記加熱部へ受け渡す搬送手段と、を備えることを特徴とする像加熱装置。
【請求項２】
前記第１の熱交換部は、冷媒の凝縮温度を越える温度に加熱された冷媒の顕熱を用いて記録材を加熱し、
前記第２の熱交換部は、前記第１の熱交換部で冷媒の凝縮温度に冷却された冷媒の潜熱を用いて記録材を加熱し、
前記第１の熱交換部は、前記加熱部側の加熱温度が前記第２の熱交換部側の加熱温度よりも高いことを特徴とする請求項１記載の像加熱装置。
【請求項３】
前記第２の熱交換部では、記録材が冷媒の凝縮温度まで加熱され、前記第１の熱交換部では、記録材が冷媒の凝縮温度を越える温度まで加熱されることを特徴とする請求項２記載の像加熱装置。
【請求項４】
前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部とが熱的に分離され、前記第１の熱交換部の質量は、前記第１の熱交換部の質量よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の像加熱装置。
【請求項５】
前記圧縮機は可変の出力で冷媒を圧縮し、前記第１の熱交換部の冷媒を凝縮温度を越える所定温度に保つように前記圧縮機の出力を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の像加熱装置。
【請求項６】
前記搬送手段は、記録材の担持面の裏側面を、前記第１の熱交換手段の放熱面と前記第２の熱交換手段の放熱面とに摺擦させて回転する無端ベルトで構成され、記録材は、前記無端ベルトを介して前記第２の熱交換手段及び前記第１の熱交換手段により加熱されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の像加熱装置。
【請求項７】
トナー像を形成して記録材に転写する画像形成手段と、
トナー像が転写された記録材を加熱加圧して記録材にトナー像を定着させる請求項１乃至６のいずれか１項記載の像加熱装置と、を備え、
前記ヒートポンプの蒸発器は、前記加熱部の排熱を用いて前記冷媒を蒸発させて乾き蒸気まで加熱して前記ヒートポンプの圧縮機に供給することを特徴とする画像形成装置。
【請求項８】
抵抗加熱又は輻射加熱又は電磁加熱により加熱されて電気的に温度制御された加熱ニップを用いてトナー画像を担持した記録材を加圧状態で加熱する加熱部と、
前記トナー画像を担持した記録材を搬送しつつ、前記トナー画像の反対側の面から、加圧することなく、ヒートポンプを用いて前記加熱ニップよりも低い温度に予備加熱して前記加熱ニップへ受け渡す予備加熱部と、を備えたことを特徴とする像加熱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
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【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１７３５１３（Ｐ２０１２−１７３５１３Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３５４５３（Ｐ２０１１−３５４５３）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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