JP6180341B2

JP6180341B2 - 加熱試験制御装置および加熱試験制御方法

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Publication number: JP6180341B2
Application number: JP2014028117A
Authority: JP
Inventors: 馬殿　進路; 進路馬殿; 健吉加島; 吉瀬　万希子; 万希子吉瀬; 忠道白石; 吉岡　省二; 省二吉岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-02-18
Also published as: JP2015152504A

Description

本発明は、金属外筒の内部に積層電極体を有する蓄電池を被試験体とする電磁誘導加熱を用いた加熱試験制御装置および加熱試験方法に関する。

従来、工業製品に対する加熱試験や製造ラインにおける加熱または乾燥工程において、被試験体（被熱体）を迅速且つ均等に加熱するのに好適な電磁誘導加熱（ＩＨ）が導入されている。電磁誘導加熱制御装置（ＩＨ制御装置）は、給電回路により加熱コイルに高周波電流を供給し、誘導交番磁界を発生させることにより、該コイルに対面した被熱体に電磁誘導により電圧が誘起され、誘導電流が流れて発熱することを利用している。

このＩＨ制御装置は、金属外筒の内部に金属薄板の積層構造体である積層電極体を有する蓄電池の加熱試験にも採用されている。一般に、蓄電池の加熱試験においては、種々の加熱試験規格が参照される。例えば所定温度まで被熱体を昇温させる昇温工程では昇温速度５±２℃／分、続く高温での温度保持工程では１５０±２℃で所定時間保持するというように、許容範囲のある試験温度曲線に沿って加熱試験が実施される。

ＩＨ制御装置の従来例として、特許文献１では、加熱対象となるウエハをソレノイドコイル内部に配置する誘電加熱装置において、ウエハを載置するホルダに、直径の異なる複数の円板状の被誘導加熱部材を点在させて発熱体を構成している。この例では、ホルダの中心に配置された被誘電加熱部材ほど直径を大きくすることにより、大径化されたウエハを均等加熱するようにしている。

また、特許文献２では、金属シート材を乾燥させるための加熱装置において、電磁誘導用コイルの巻線密度を中央部から周辺部に向けて徐々に低くすることにより、該コイルの中央部から周辺部に向かって電流量を徐々に減少させ、この電流量の大小と、コイル自体が有するエッジ効果による磁束密度の疎密とが互いに打ち消し合うようにしている。その結果、電磁誘導用コイルは、近接して位置する金属シート材の全面に対し、均等な磁束密度を持つ磁界を発生させる。

また、特許文献３では、薄板状の被熱体の上下に配置された加熱コイルが作る磁束が被熱体を貫通することにより被熱体を加熱する誘電加熱装置において、加熱コイルとは別に補正コイルを設けることにより磁束を補強し、段階加熱や保温を行えるようにしている。さらに、特許文献４では、製造ラインを通板中の導体板を加熱する際に、トランスバースコイル付近に導体板のエッジを含む領域と対向する遮蔽版を設置している。これにより、導体板の速度増加に伴う負荷インダクタンスの低下に起因して、導体板の板幅方向における温度分布が不均一になることを防止している。

特許第４９８０４６１号公報特許第３３３８２７８号公報特許第５２６９９４３号公報特許第４９１７１８２号公報

従来のＩＨ制御装置では、金属外筒の内部に積層電極体が収納された蓄電デバイスに対し、所定の試験温度曲線に従って精度よく加熱制御する手法は確立されていなかった。上記特許文献１−４では、ウエハや金属シート等、板状の被熱体の端部において過加熱が生じ、温度分布が不均一となることを解消するために、電磁誘導用コイルの機構にそれぞれ工夫を施している。しかし、金属外筒の内部に金属部材を有する構造体が収納された被熱体の加熱試験に関する先行事例は見当たらない。

上述のように、蓄電池の加熱試験では、被熱体を所定温度まで昇温させる昇温工程と、続く高温時に所定温度を所定時間保持する温度保持工程とを含むが、従来のＩＨ制御装置による昇温工程では、被熱体表面すなわち金属外筒表面の温度は周辺温度の影響を受けるため、温度上昇の時間遅れが顕著であった。

また、温度保持工程では、外部放熱分を熱供給する必要があるが、金属外筒から外部への放熱により外筒内部に温度勾配が生じるという問題があった。このように、金属外筒と内部の積層電極体を均等に精度良く昇温させ、且つ高温時に所定温度で保持するように加熱制御する手法が確立されていなかった。

また、誘導加熱による供給熱量は、給電周波数と給電電流実効値で決定されるが、従来のＩＨ制御装置の給電回路においては、給電電流実効値の変動に応じて給電周波数が変動するため、供給熱量の制御を行うことが難しかった。さらに、従来の給電回路では、無入力時でも給電電流が流れるアイドル電流が発生し、周辺温度が高い場合には自然放熱量が減って被熱体の温度が上昇することがあった。このような給電周波数の変動やアイドル電流は、被熱体の温度を精度良く制御する上で支障となっていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、金属外筒を備えた被試験体を所定の試験温度曲線に沿って精度良く均等に昇温させ、続いて所定温度で所定時間保持させることが可能な加熱試験制御装置および加熱試験制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る加熱試験制御装置は、金属外筒の内部に金属部材を有する構造体が収納された被試験体に対し、所定温度まで昇温させる昇温工程と、昇温工程に続き所定温度を所定時間保持させる温度保持工程とを行う加熱試験制御装置であって、被試験体と対向して配置され誘導交番磁界を生成する加熱コイルと、被試験体の温度を計測する温度センサと、所定の給電周波数を有する給電電流を生成し加熱コイルに供給する給電回路と、温度センサから得られる被試験体の温度、予め用意された試験温度曲線から得られる設定温度および現在の工程が昇温工程であるか温度保持工程であるかを識別する加熱モード信号に基づいて操作信号を出力し、給電回路を制御する温度制御回路とを備え、給電回路は、所定の給電電流を生成する給電電流回路と、それぞれに異なる容量値を有する第１給電コンデンサおよび第２給電コンデンサと、給電電流回路と第２給電コンデンサとの接続の有無を切り替える第１切替手段とを含む２つのＬＣ共振回路を備え、第１給電コンデンサと第２の給電コンデンサの各容量値の総和により決定される第１給電周波数と、第１給電コンデンサの容量値により決定される第２給電周波数との２種類の共振周波数のいずれかを第１切替手段により選択する自励型給電回路であり、昇温工程では１ｋＨｚ以下の低周波数域から選択される第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、温度保持工程では第１給電周波数よりも高周波数域から選択される第２給電周波数を有する第２給電電流を生成するよう制御されるものである。
また、本発明に係る加熱試験制御装置は、金属外筒の内部に金属部材を有する構造体が収納された被試験体に対し、所定温度まで昇温させる昇温工程と、昇温工程に続き所定温度を所定時間保持させる温度保持工程とを行う加熱試験制御装置であって、被試験体と対向して配置され誘導交番磁界を生成する加熱コイルと、被試験体の温度を計測する温度センサと、所定の給電周波数を有する給電電流を生成し加熱コイルに供給する給電回路と、温度センサから得られる被試験体の温度、予め用意された試験温度曲線から得られる設定温度、および現在の工程が昇温工程であるか温度保持工程であるかを識別する加熱モード信号に基づいて算出された供給熱量を給電電流の出力時間幅に変換した操作信号を出力し、給電回路を制御する温度制御回路とを備え、給電回路は、所定の給電電流を生成する給電電流回路と、所定の容量値を有する給電コンデンサとを備えた自励型給電回路であり、昇温工程では、１ｋＨｚ以下の低周波数域から選択される第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、第１給電周波数一定の下で第１給電電流の出力時間率を制御され、温度保持工程では、第１給電周波数よりも高周波数域から選択される第２給電周波数を有する第２給電電流を生成し、第２給電周波数一定の下で第２給電電流の出力時間率を制御されるものである。

また、本発明に係る加熱試験制御方法は、金属外筒の内部に積層電極体が収納された蓄電デバイスを被試験体とする電磁誘導加熱を用いた加熱試験制御方法であって、給電回路により１ｋＨｚ以下の低周波数域から選択される第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、この第１給電電流を被試験体に対向して配置された加熱コイルに出力して誘導交番磁界を生成させ、被試験体を所定温度まで昇温させる昇温工程と、昇温工程に続き、給電回路により５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波数域から選択される第２給電周波数を有する第２給電電流を生成し、この第２給電電流を加熱コイルに出力して誘導交番磁界を生成させ、所定温度を所定時間保持させる温度保持工程を含み、給電回路として、所定の給電電流を生成する給電電流回路と、それぞれに異なる容量値を有する第１給電コンデンサおよび第２給電コンデンサと、給電電流回路と第２給電コンデンサとの接続の有無を切り替える第１切替手段とを含む２つのＬＣ共振回路を備え、第１給電コンデンサと第２の給電コンデンサの各容量値の総和により決定される第１給電周波数と、第１給電コンデンサの容量値により決定される第２給電周波数との２種類の共振周波数のいずれかを第１切替手段により選択し、第１給電電流または第２給電電流を生成する自励型給電回路を用いたものである。
また、本発明に係る加熱試験制御方法は、金属外筒の内部に積層電極体が収納された蓄電デバイスを被試験体とする電磁誘導加熱を用いた加熱試験制御方法であって、給電回路により１ｋＨｚ以下の低周波数域から選択される第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、この第１給電電流を被試験体に対向して配置された加熱コイルに出力して誘導交番磁界を生成させ、被試験体を所定温度まで昇温させる昇温工程と、昇温工程に続き、給電回路により５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波数域から選択される第２給電周波数を有する第２給電電流を生成し、この第２給電電流を加熱コイルに出力して誘導交番磁界を生成させ、所定温度を所定時間保持させる温度保持工程を含み、給電回路として、所定の給電電流を生成する給電電流回路と、所定の容量値を有する給電コンデンサとを備え、昇温工程では、第１給電周波数一定の下で第１給電電流の出力時間率を制御され、温度保持工程では、第２給電周波数一定の下で第２給電電流の出力時間率を制御される自励型給電回路を用いたものである。

本発明に係る加熱試験制御装置および加熱試験制御方法によれば、昇温工程においては、金属外筒の内部に浸透する誘導交番磁界により金属外筒の内部を均等に昇温させ、温度保持工程においては、金属外筒の表層部を加熱して外部への放熱分を補うようにしたので、金属外筒を備えた被試験体を所定の試験温度曲線に沿って精度良く均等に昇温させ、続いて所定温度で所定時間保持させることが可能である。さらに、各工程において給電周波数の変動を抑えることができ、一定の給電周波数下での給電電流の制御が可能であると共に、給電回路の給電電流特性の無入力時における出力電流が完全にオフとなる制御が行えるので、アイドル電流が発生せず、被試験体の温度を精度良く制御することが可能である。

本発明の実施の形態１に係るＩＨ制御装置の機能ブロック図である。本発明の実施の形態１に係るＩＨ制御装置における給電回路を示す模式図である。本発明の実施の形態１に係るＩＨ制御装置における低周波数および高周波数混在型の給電電流出力を示す図である。本発明の実施の形態１に係るＩＨ制御装置による被熱体の昇温特性を示す図である。本発明の実施の形態１に係るＩＨ制御装置による被熱体昇温速度の空間ばらつき特性を示す図である。従来のＩＨ制御装置の機能ブロック図である。従来のＩＨ制御装置における被熱体の昇温特性を示す図である。被熱体の自然放熱特性のモデル計算結果を示す図である。従来のＩＨ制御装置における給電回路の誘導磁界周波数と給電電流値の関係を示す図である。従来のＩＨ制御装置における給電回路の給電電流出力波形の時間特性を示す図である。従来のＩＨ制御装置における給電回路の給電電流出力波形の時間特性を示す図である。従来のＩＨ制御装置における給電回路の入出力特性を示す図である。本発明の実施の形態２に係るＩＨ制御装置の機能ブロック図である。本発明の実施の形態２に係るＩＨ制御装置における給電回路を示す模式図である。本発明の実施の形態３に係るＩＨ制御装置の機能ブロック図である。本発明の実施の形態３に係るＩＨ制御装置における給電回路を示す模式図である。本発明の実施の形態３に係るＩＨ制御装置における給電回路の給電電流出力波形の時間特性を示す図である。本発明の実施の形態３に係るＩＨ制御装置における低周波数および高周波数混在型の給電電流出力を示す図である。

実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る加熱試験制御装置および加熱試験制御方法について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る加熱試験制御装置であるＩＨ制御装置の機能ブロック図であり、図２は、本実施の形態１に係るＩＨ制御装置における給電回路を示す模式図である。なお、図中、同一、相当部分には、同一符号を付している。

本実施の形態１に係るＩＨ制御装置の被試験体である被熱体１は、金属外筒１１の内部に積層電極体１２が収納されたもので、例えば蓄電池やキャパシタ等の蓄電デバイスが該当する。ただし、本発明に係る加熱試験の被試験体は、蓄電デバイスに限定されるものではなく、金属外筒の内部に金属部材を有する構造体が収納された工業製品に対して適用可能である。特に、金属外筒の内部に金属薄板が積層された積層構造体を収納した製品に好適である。

図１に示すように、本実施の形態１に係るＩＨ制御装置は、被熱体１と対向して配置され誘導交番磁界ａを生成する加熱コイル２と、所定の給電周波数を有する給電電流ｅを生成し加熱コイル２に供給する給電回路３と、被熱体１の温度を計測する温度センサ４と、給電回路３に対して操作信号（図１中、ｃ１、ｃ２、ｇ）を出力し給電回路３を制御する温度制御回路５を備えている。

本実施の形態１に係るＩＨ制御装置を用いた加熱試験制御方法について説明する。加熱試験では、被熱体１に対し、所定速度で所定温度まで昇温させる昇温工程と、この昇温工程に続き、所定温度を所定時間保持させる温度保持工程（以下、高温保持工程と称す）とを、加熱試験規格に基づく試験温度曲線を参照して行う。

昇温工程では、給電回路３は、主として１ｋＨｚ以下の低周波数域から選択される第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、加熱コイル２に出力する。加熱コイル２は、第１給電電流に応じた誘導交番磁界ａを生成し、被熱体１を所定の昇温速度（例えば５±２℃／分）で、所定温度（例えば１５０℃）まで昇温させる。

昇温工程において、第１給電電流が供給された加熱コイル２は、金属外筒１１を透過し被熱体１の内部に浸透する高透過性の誘導交番磁界ａを生成する。これにより、金属外筒１１における誘導磁束の吸収が抑制され、内部の積層電極体１２に浸透したＬＦ誘導磁界による渦電流発熱と金属薄板での熱拡散の同時作用により、積層電極体１２の端部過加熱が緩和される。

具体的には、本実施の形態１における第１給電周波数に該当する給電周波数０．３ｋＨｚ〜１．０ｋＨｚを用いた誘電加熱では、従来のＩＨ制御装置において採用されていた給電周波数１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚを用いた場合と比較すると、積層電極体１２を構成する薄板材の端部過加熱量は１／３〜１／１００であった。

なお、昇温工程において、給電回路３は、主として第１給電周波数を有する第１給電電流を生成するが、従として所定の時間割合で、以下に説明する第２給電周波数を有する第２給電電流を生成するよう制御される。その効果については後述する。

昇温工程に続く高温保持工程では、給電回路３は、５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、さらに望ましくは５ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの高周波数域から選択される第２給電周波数を有する第２給電電流を生成し、加熱コイル２に出力する。加熱コイル２は、第２給電電流に応じた誘導交番磁界ａを生成し、被熱体１を所定温度（例えば１５０±２℃）で所定時間保持させる。

高温保持工程において、第２給電電流が供給された加熱コイル２は、金属外筒１１の表層部で吸収され専ら金属外筒１１を加熱する誘導交番磁界ａを生成する。これにより、金属外筒１１の表層部を加熱することができるため、外部放熱分を補い、所定の一定温度で保温することができる。

本実施の形態１に係るＩＨ制御装置は、上記の加熱試験制御方法を実施するもので、被熱体１の温度が加熱試験規格に基づく試験温度曲線に沿うように、精度良く加熱制御を行うものである。なお、温度制御回路５により参照される試験温度曲線は予め用意され、例えば加熱試験プログラムを有する試験管理端末の記憶装置（図示省略）に格納されている。

本実施の形態１に係るＩＨ制御装置の動作について、図１および図２を用いて詳細に説明する。図１に示すように、温度制御回路５には、３つの信号、すなわち温度センサ４から得られる被熱体温度信号ｄと、参照する試験温度曲線の各点データより得られる設定温度信号ｂと、現在の工程が昇温工程であるか温度保持工程であるかを試験温度曲線から識別する加熱モード信号ｍが逐次入力される。なお、以下の説明では、昇温工程における加熱モード信号ｍを「１」とし、高温保持工程における加熱モード信号ｍを「０」とする。

温度制御回路５は、これら３つの信号に基づいて、給電回路３に対する操作信号である第１加熱信号ｃ１、第２加熱信号ｃ２、および切替信号ｇを出力する。第１加熱信号ｃ１および第２加熱信号ｃ２は、設定温度信号ｂと被熱体温度信号ｄとを比較し被熱体１をさらに昇温させるための加熱信号であり、第１加熱信号ｃ１は第１給電周波数に対応し、第２加熱信号ｃ２は第２給電周波数に対応する。また、切替信号ｇは、加熱モード信号ｍに基づいて生成されるフラグ信号である。

給電回路３は、低周波と高周波混用の他励型給電回路であり、周波数の異なる２つの周波数発生手段を備えている。具体的には、図２に示すように、第１給電周波数を発生させ第１給電電流を生成する第１給電電流回路３１ａと、第２給電周波数を発生させ第２給電電流を生成する第２給電電流回路３１ｂと、第１給電電流回路３１ａと第２給電電流回路３１ｂのいずれかを選択する切替手段３３とを有している。

第１給電電流回路３１ａは、温度制御回路５から入力された第１加熱信号ｃ１に対応して第１給電電流を生成させる。同様に、第２給電電流回路３１ｂは、第２加熱信号ｃ２に対応して第２給電電流を生成させる。また、切替手段３３は、切替信号ｇに基づいて第１給電電流回路３１ａおよび第２給電電流回路３１ｂのいずれかを選択する。

切替信号ｇが「１」の場合は昇温工程であり、第１給電電流回路３１ａが選択され、第１給電電流が給電電流ｅとして加熱コイル２に出力される。ただし、所定の時間割合で、第２給電電流回路３１ｂが選択され、第２給電電流が給電電流ｅとして加熱コイル２に出力される。また、切替信号ｇが「０」の場合は高温保持工程であり、第２給電電流回路３１ｂが選択され、第２給電電流が給電電流ｅとして加熱コイル２に出力される。

これら二つの加熱モードの動作期間は、基本周期Ｔにおいて、第１給電周波数に対しΔＴ１、第２給電周波数に対してΔＴ２とする。第１給電周波数の動作期間ΔＴ１と第２給電周波数の動作期間ΔＴ２の占有時間比率は、被熱体１の材質および熱構造等の条件や試験温度曲線により決定される。

誘導加熱による供給熱エネルギーＱ（Ｊ／秒）は、給電回路３において給電電流ｅと給電周波数から求められる。昇温工程においては、所定の昇温速度（℃／秒）を確保するために、主に第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し出力すると共に、一部時間（ΔＴ２）を割いて第２給電周波数を有する第２給電電流を生成し出力する。これにより、内部の積層電極体１２の端部の過加熱作用を緩和しながら積層電極体１２を均等に加熱し、且つ、金属外筒１１の表層部の温度低下を防止することができる。

図３は、本実施の形態１における低周波数および高周波数混在型の給電電流出力を示す図であり、（ａ）は時刻信号Ｔｓｔｄ、（ｂ）は切替信号ｇ、（ｃ）は給電電流ｅをそれぞれ示している。図３に示すように、給電回路３の切替手段３３には、制御周期を決める基準時刻信号Ｔｓｔｄに同期して、出力時間幅ΔＴを有する切替信号ｇが入力される。その結果、低周波数および高周波数混在型の給電電流ｅが得られる。

本実施の形態１に係るＩＨ制御装置による被熱体１の昇温特性を図４に示す。図４に示す昇温特性は、第１給電周波数に該当する給電周波数（７００Ｈｚ）を有する一定の給電電流の条件下での実験値である。図４において、縦軸は被熱体１各部の計測ポイント（Ｐ１−Ｐ６）において計測された温度、横軸は経過時間（秒）である。なお、Ｐ１は被熱体１の最も内側、Ｐ６は最表面である。被熱体１は、Ｐ１からＰ６の計測点において±７℃程度の温度ばらつきを伴い、ほぼ均等に上昇している。

また、図５は、図４に示す被熱体１の昇温速度の空間ばらつき特性（実験値）を示している。図５において、縦軸は昇温速度の頻度、横軸は昇温速度（℃／分）を示している。図５に示すように、本実施の形態１に係るＩＨ制御装置による昇温速度の空間ばらつきは、昇温速度８℃／分に対して±０．６℃／分のばらつき量である。これは、試験規格による昇温速度の精度±２℃を満たしている。本特性実験データは、昇温工程において第１給電周波数を用いることによる均等加熱の有効性を示している。

本発明の参考例として、従来のＩＨ制御装置とその第１の課題について、図６から図８を用いて説明する。図６は、従来のＩＨ制御装置の機能ブロック図である。なお、図６中、図１と同一部分には同一符号を付し説明を省略する。従来のＩＨ制御装置は、加熱コイル２に給電電流ｅを供給するＬＣ共振型給電回路３０と、給電回路３０の電流制御を行う温度制御回路５０とを備えている。

温度制御回路５０は、被熱体温度信号ｄと設定温度信号ｂに基づいて加熱信号ｃを出力し、温度センサ４により計測される被熱体１の温度が試験温度曲線に沿うように、給電回路３０から出力される給電電流ｅの制御を行う。なお、従来の加熱試験では、被熱体１の金属外筒１１の表面温度による加熱制御を行っていた。

図７は、従来のＩＨ制御装置における被熱体１の昇温特性のモデル計算結果を示している。給電周波数は、従来のＩＨ制御装置において一般的に採用されている１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚから選択し、給電周波数および給電電流が一定の条件下で計算を行った。また、図８は、昇温後の被熱体１の自然放熱特性のモデル計算結果を示している。図７および図８において、縦軸は被熱体１各部のポイント（Ｐ１−Ｐ６）における温度、横軸は経過時間（秒）である。なお、Ｐ１は被熱体１の最も内側、Ｐ６は最表面である。

図７に示すように、被熱体１の最表面のポイント（Ｐ６）では、周辺温度の影響を受けるため、内側のポイント（Ｐ１−Ｐ４）に比べて温度上昇の時間遅れが顕著である。すなわち、被熱体１全体を均等加熱するためには、昇温時であっても表面温度の低下を防ぐ必要がある。

また、図８に示すように、被熱体１が周辺温度に対して高温の場合には、外部放熱が顕在化し、外部放熱により内部に温度勾配が生じる。従来のＩＨ制御装置では、被熱体１の金属外筒１１と内部の積層電極体１２の昇温特性および放熱特性の違いを考慮した温度制御を行っておらず、特に、積層電極体１２の温度を許容範囲に入るように制御することが課題であった（第１の課題）。

本実施の形態１に係るＩＨ制御装置は、上記第１の課題を解消するものであり、昇温工程において低周波数域から選択される第１給電周波数を適用することにより、主として金属外筒１１の内部の積層電極体１２を加熱し、熱伝導との相乗効果により積層電極体１２を均等に加熱することができる。これにより、被熱体１の内部温度が、制御温度である金属外筒１の温度に近い値を示す効果がある。

さらに、第１給電周波数を用いるだけでなく、所定の時間割合で高周波数域から選択される第２給電周波数を適用することにより、図７に示す昇温特性における最表面ポイント（Ｐ６）の温度上昇の時間遅れを解消することができる。

また、高温保持工程においては、金属外筒１１の外表面の加熱に有利な第２給電周波数を適用することにより、内部加熱を避けて金属外筒１１を集中加熱することができる。これにより、被熱体１の外表面温度が保持され、図８に示す放熱特性における外表面に近いポイント（Ｐ５、Ｐ６）の温度低下を防ぐことができる。

本実施の形態１に係るＩＨ制御装置およびＩＨ制御方法によれば、昇温工程においては、主として１ｋＨｚ以下の低周波数域から選択される第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、金属外筒１１の内部に浸透する誘導交番磁界ａにより金属外筒１１の内部の積層電極体１２を均等に昇温させ、高温保持工程においては、高周波数域の５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚから選択される第２給電周波数を有する第２給電電流を生成し、金属外筒１１の表層部を加熱するようにしたので、金属外筒１１を備えた被熱体１を所定の試験温度曲線に沿って精度良く均等に昇温させ、続いて所定温度で所定時間保持させることが可能である。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係るＩＨ制御装置は、上記実施の形態１で説明した従来のＩＨ制御装置における第１の課題に加え、以下に説明する第２の課題を解消するものである。従来のＩＨ制御装置（図６参照）の第２の課題について、図９から図１２を用いて説明する。

図９は、誘導磁界周波数と給電回路の給電電流値の関係を示す実測データであり、縦軸は周波数（ＫＨｚ）、横軸はコイル電流（Ａ）である。図９において、Ｆ_Ｌ、Ｓ_Ｌは、低周波数域の給電周波数とこの時の給電電流、Ｆ_Ｈ、Ｓ_Ｈは、高周波数域の給電周波数とこの時の第２給電電流である。また、ｆａ、ｆｂ、ｆｃは給電周波数、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃはそれぞれの給電周波数における給電電流実効値である。

誘導加熱による供給熱量は、給電周波数と給電電流実効値で決定されるが、従来のＩＨ制御装置の給電回路（例えば図１６に示すＬＣ共振回路）において、給電電流をＳ_ＨからＳ_Ｌに増加させると、周波数はＦ_ＨからＦ_Ｌ、すなわち低い側に変動する傾向を示す。また、図９の給電特性に基づく給電電流出力波形の時間特性を図１０および図１１に示す。図１０および図１１において、縦軸は信号出力、横軸は時間である。

図１０（ａ）は、給電電流実効値Ｓａ、給電周波数ｆａの時の給電電流出力波形、図１０（ｂ）は、給電電流実効値Ｓｃ、給電周波数ｆｃの時の給電電流出力波形である。また、図１１は、３つの給電電流実効値Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃにおける電流出力波形を重ねて示したものである。図１０および図１１に示すように、時間の経過と共に給電電流強度および給電周波数は変動し、このことは被熱体１の発熱分布に影響する。

また、図１２は、給電回路の給電電流と加熱信号強度の関係を示している。図１２において、縦軸は給電電流（Ａ）、横軸は加熱信号（任意スケール）である。図１２に示すように、給電回路の入出力特性の下限域において給電電流が一定の値を示し、加熱信号によって給電電流が制御できないオフセットが存在する。また、無入力時においても給電電流が発生するアイドル電流により、周辺温度が低い場合には自然放熱量を上回って被熱体１の温度が上昇する。

このように、従来のＩＨ制御装置では、給電回路において給電周波数が給電電流値に応じて変動し、被熱体１の発熱分布に影響すること、また、無入力時にもアイドル電流が発生することが、温度を制御する上で支障となっていた（第２の課題）。

図１３は、本実施の形態２に係るＩＨ制御装置の機能ブロック図である。なお、図１３中、図１と同一部分には同一符号を付し説明を省略する。本実施の形態２に係るＩＨ制御装置は、上記実施の形態１に係るＩＨ制御装置と同様の機能を有する。

すなわち、昇温工程では主として１ｋＨｚ以下の第１給電周波数を有する第１給電電流を、高温保持工程では、５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの第２給電周波数を有する第２給電電流を、加熱コイル２に供給する。ただし、給電回路３ａの構成が、上記実施の形態１と異なっている。

図１４は、本実施の形態２に係るＩＨ制御装置における給電回路３ａの構成を示している。給電回路３ａは、所定の給電電流を生成する給電電流回路３１と、それぞれに異なる容量値を有する第１給電コンデンサ３２ａおよび第２給電コンデンサ３２ｂと、給電電流回路３１と第２給電コンデンサ３２ｂとの接続の有無を切り替える第１切替手段３３ａとを含む２つのＬＣ共振回路を備えた自励型給電回路である。

本実施の形態２に係わる給電回路３ａでは、第１給電コンデンサ３２ａと第２給電コンデンサ３２ｂの各容量値の総和により第１給電周波数が決定される。また、第１給電コンデンサ３２ａの容量値により第２給電周波数が決定される。これら２種類の共振周波数のいずれかを第１切替手段３３ａにより選択し、第１給電電流または第２給電電流を生成する。

また、本実施の形態２において、温度制御回路５ａから出力される操作信号は、給電電流回路３１に入力され所定の給電電流を生成させる第３加熱信号ｃ３と、第１切替手段３３ａに入力され第１給電周波数および第２給電周波数のいずれかを選択させる第１切替信号ｇ１とを含んでいる。

給電電流回路３１は、入力された第３加熱信号ｃ３に基づいて、所定の周波数と電流実効値の給電電流を供給する電流源である。第３加熱信号ｃ３は、試験期間中は２つの状態が与えられ、被熱体１への加熱量に相当の加熱コイル供給電力量は、給電周波数と給電電流実効値で決まる操作量で制御される。

また、第１切替信号ｇ１は、給電回路３ａに対して共振周波数の切り替えを指示するフラグ信号である。昇温工程（加熱モード信号ｍ「１」）の場合は、第１切替信号ｇ１を「１」として第１給電周波数を自励発振させる。また、高温保持工程（加熱モード信号ｍ「０」）の場合は、第１切替信号ｇ１を「０」として第２給電周波数を自励発振させる。

このように、本実施の形態２に係わる給電回路３ａは、第１切替信号ｇ１により、第１給電低周波を有する第１給電電流と、第２給電周波数を有する第２給電電流を、交互に繰り返し出力することが可能である。これにより、上記実施の形態１と同様の低周波数および高周波数混在型の給電電流出力（図３）が得られ、上記第１の課題を解消することができる。

さらに、給電回路３ａに、ピーク周波数の異なる２組の自励式ＬＣ共振回路と第１切替手段３３ａを備えることにより、２種類の給電周波数、すなわち第１給電周波数と第２給電周波数を生成し、出力することができる。これにより、各工程において一定の給電周波数下での制御が可能となり、給電周波数の変動の問題を解消することができる。また、給電回路３ａの給電電流特性の無入力時の出力電流が完全にオフとなる制御が行えるので、アイドル電流の問題も同時に解消することができる。

以上のように、本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、従来のＩＨ制御装置における第２の課題を解消することが可能である。

実施の形態３．
図１５は、本発明の実施の形態３に係るＩＨ制御装置の機能ブロック図である。なお、図１５中、図１と同一部分には同一符号を付し説明を省略する。本実施の形態３に係るＩＨ制御装置は、上記実施の形態１に係るＩＨ制御装置と同様の機能を有する。

すなわち、昇温工程では主として１ｋＨｚ以下の第１給電周波数を有する第１給電電流を、高温保持工程では、５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの第２給電周波数を有する第２給電電流を、加熱コイル２に供給する。ただし、給電回路３ｂの構成および給電電流ｅの出力波形が、上記実施の形態１および実施の形態２とは異なっている。

本実施の形態３に係るＩＨ制御装置における給電回路３ｂの構成を図１６に示す。給電回路３ｂは、所定の給電電流を生成する給電電流回路３１と、所定の容量値を有する給電コンデンサ３２を含む１組のＬＣ共振回路を備えた自励型給電回路である。

本実施の形態３において、温度制御回路５ｂから出力される操作信号である第４加熱信号ｃ４は、被熱体温度信号ｄ、設定温度信号ｂ、および加熱モード信号ｍに基づいて算出された供給熱量を、給電電流の出力時間幅ΔＴに変換したものである。

給電回路３ｂは、第４加熱信号ｃ４に基づいて、昇温工程では、第１給電周波数一定の下で第１給電電流実効値の出力時間率を制御され、温度保持工程では、第２給電周波数一定の下で第２給電電流実効値の出力時間率を制御される。給電コンデンサ３２を備えた自励型給電回路において、給電電流強度または給電周波数は、給電電流回路３１に入力された第４加熱信号ｃ４により一意的に決定される。

図１７は、本実施の形態３における給電回路３ｂの給電電流出力波形の時間特性を示している。図１７において、（ａ）は昇温工程の給電電流波形であり、ｆａ、Ｓａは、第１給電周波数とその時の第１給電電流実効値である。また、（ｂ）は高温保持工程の給電電流波形であり、ｆｃ、Ｓｃは、第２給電周波数とその時の第２給電電流実効値である。給電回路３ｂは、第４加熱信号ｃ４に基づく供給熱量に相当する電力量（Ｉｃ×ΔＴ_ｉ）を、加熱コイル２に対して断続的に出力する。給電電流の出力時間ΔＴ_ｉが制御操作量である。

また、図１８は、本実施の形態３における低周波数および高周波数混在型の給電電流出力を示している。図１８において、（ａ）は時刻信号Ｔｓｔｄ、（ｂ）は第４加熱信号ｃ４、（ｃ）は給電電流ｅをそれぞれ示している。図１８に示すように、給電電流回路３１には、制御周期を決める基準時刻信号Ｔｓｔｄに同期して、出力時間幅ΔＴを有する第４加熱信号ｃ４が入力される。その結果、低周波数および高周波数混在型の給電電流ｅが得られる。このような低周波数および高周波数混在型の給電電流出力を行うことにより、上記第１の課題を解消することが可能である。

上記実施の形態２では、ピーク周波数の異なる２組の自励式ＬＣ共振回路を備えることにより、上記第２の課題を解消したが、本実施の形態３では、１組のＬＣ共振回路について給電周波数を一定に維持しつつ、給電電流を断続的に出力させることにより、必要な供給熱量に相当する電力量（Ｉｃ×ΔＴ_ｉ）を得るようにしたものである。

これにより、一定の給電周波数下での制御が可能となり、給電周波数の変動の問題を解消することができる。また、給電回路３ａの給電電流特性の無入力時の出力電流が完全にオフとなる制御が行えるので、アイドル電流の問題も同時に解消することができる。特に、昇温工程において、給電周波数を一定に保ちつつ、給電電流を断続的に出力制御することにより、被熱体１の内部深くに浸透作用のある低周波磁界を安定して出力することができ、給電周波数の変動を抑え、被熱体１の均等な発熱分布が得られる効果がある。

以上のように、本実施の形態３によれば、上記実施の形態１および実施の形態２と同様の効果が得られ、従来のＩＨ制御装置における第１および第２の課題を解消することが可能である。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

本発明は、金属外筒の内部に積層電極体が収納された、例えば蓄電池やキャパシタ等の蓄電デバイスに対する加熱試験に利用することができる。

１被熱体、２加熱コイル、３、３ａ、３ｂ、３０給電回路、４温度センサ、５、５０温度制御回路、１１金属外筒、１２積層電極体、
３１給電電流回路、３１ａ第１給電電流回路、３１ｂ第２給電電流回路、
３２給電コンデンサ、３２ａ第１給電コンデンサ、３２ｂ第２給電コンデンサ、３３切替手段、３３ａ第１切替手段。

Claims

金属外筒の内部に金属部材を有する構造体が収納された被試験体に対し、所定温度まで昇温させる昇温工程と、前記昇温工程に続き所定温度を所定時間保持させる温度保持工程とを行う加熱試験制御装置であって、
被試験体と対向して配置され誘導交番磁界を生成する加熱コイルと、
被試験体の温度を計測する温度センサと、
所定の給電周波数を有する給電電流を生成し前記加熱コイルに供給する給電回路と、
前記温度センサから得られる被試験体の温度、予め用意された試験温度曲線から得られる設定温度および現在の工程が前記昇温工程であるか前記温度保持工程であるかを識別する加熱モード信号に基づいて操作信号を出力し、前記給電回路を制御する温度制御回路とを備え、
前記給電回路は、所定の給電電流を生成する給電電流回路と、それぞれに異なる容量値を有する第１給電コンデンサおよび第２給電コンデンサと、前記給電電流回路と前記第２給電コンデンサとの接続の有無を切り替える第１切替手段とを含む２つのＬＣ共振回路を備え、前記第１給電コンデンサと前記第２の給電コンデンサの各容量値の総和により決定される第１給電周波数と、前記第１給電コンデンサの容量値により決定される第２給電周波数との２種類の共振周波数のいずれかを前記第１切替手段により選択する自励型給電回路であり、前記昇温工程では１ｋＨｚ以下の低周波数域から選択される第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、前記温度保持工程では第１給電周波数よりも高周波数域から選択される第２給電周波数を有する第２給電電流を生成するよう制御されることを特徴とする加熱試験制御装置。
金属外筒の内部に金属部材を有する構造体が収納された被試験体に対し、所定温度まで昇温させる昇温工程と、前記昇温工程に続き所定温度を所定時間保持させる温度保持工程とを行う加熱試験制御装置であって、
被試験体と対向して配置され誘導交番磁界を生成する加熱コイルと、
被試験体の温度を計測する温度センサと、
所定の給電周波数を有する給電電流を生成し前記加熱コイルに供給する給電回路と、
前記温度センサから得られる被試験体の温度、予め用意された試験温度曲線から得られる設定温度、および現在の工程が前記昇温工程であるか前記温度保持工程であるかを識別する加熱モード信号に基づいて算出された供給熱量を給電電流の出力時間幅に変換した操作信号を出力し、前記給電回路を制御する温度制御回路とを備え、
前記給電回路は、所定の給電電流を生成する給電電流回路と、所定の容量値を有する給電コンデンサとを備えた自励型給電回路であり、前記昇温工程では、１ｋＨｚ以下の低周波数域から選択される第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、第１給電周波数一定の下で第１給電電流の出力時間率を制御され、前記温度保持工程では、第１給電周波数よりも高周波数域から選択される第２給電周波数を有する第２給電電流を生成し、第２給電周波数一定の下で第２給電電流の出力時間率を制御されることを特徴とする加熱試験制御装置。
前記第２給電周波数として、５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数が選択されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加熱試験制御装置。
前記給電回路は、前記昇温工程では主として第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、従として所定の時間割合で第２給電周波数を有する第２給電電流を生成するよう制御されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の加熱試験制御装置。
被試験体は、前記金属外筒の内部に金属薄板が積層された積層構造体を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の加熱試験制御装置。
被試験体は、前記金属外筒の内部に積層電極体が収納された蓄電デバイスであることを特徴とする請求項５記載の加熱試験制御装置。
金属外筒の内部に積層電極体が収納された蓄電デバイスを被試験体とする電磁誘導加熱を用いた加熱試験制御方法であって、
給電回路により１ｋＨｚ以下の低周波数域から選択される第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、この第１給電電流を被試験体に対向して配置された加熱コイルに出力して誘導交番磁界を生成させ、被試験体を所定温度まで昇温させる昇温工程、
前記昇温工程に続き、前記給電回路により５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波数域から選択される第２給電周波数を有する第２給電電流を生成し、この第２給電電流を前記加熱コイルに出力して誘導交番磁界を生成させ、所定温度を所定時間保持させる温度保持工程を含み、
前記給電回路として、所定の給電電流を生成する給電電流回路と、それぞれに異なる容量値を有する第１給電コンデンサおよび第２給電コンデンサと、前記給電電流回路と前記第２給電コンデンサとの接続の有無を切り替える第１切替手段とを含む２つのＬＣ共振回路を備え、前記第１給電コンデンサと前記第２の給電コンデンサの各容量値の総和により決定される第１給電周波数と、前記第１給電コンデンサの容量値により決定される第２給電周波数との２種類の共振周波数のいずれかを前記第１切替手段により選択し、第１給電電流または第２給電電流を生成する自励型給電回路を用いたことを特徴とする加熱試験制御方法。
金属外筒の内部に積層電極体が収納された蓄電デバイスを被試験体とする電磁誘導加熱を用いた加熱試験制御方法であって、
給電回路により１ｋＨｚ以下の低周波数域から選択される第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、この第１給電電流を被試験体に対向して配置された加熱コイルに出力して誘導交番磁界を生成させ、被試験体を所定温度まで昇温させる昇温工程、
前記昇温工程に続き、前記給電回路により５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波数域から選択される第２給電周波数を有する第２給電電流を生成し、この第２給電電流を前記加熱コイルに出力して誘導交番磁界を生成させ、所定温度を所定時間保持させる温度保持工程を含み、
前記給電回路として、所定の給電電流を生成する給電電流回路と、所定の容量値を有する給電コンデンサとを備え、前記昇温工程では、第１給電周波数一定の下で第１給電電流の出力時間率を制御され、前記温度保持工程では、第２給電周波数一定の下で第２給電電流の出力時間率を制御される自励型給電回路を用いたことを特徴とする加熱試験制御方法。
前記昇温工程において、前記給電回路は、主として第１給電周波数を有する第１給電電流を生成し、従として所定の時間割合で第２給電周波数を有する第２給電電流を生成するよう制御されることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の加熱試験制御方法。