发热装置及发热装置的控制方法与流程

1.本发明涉及发热装置及发热装置的控制方法，例如，涉及以高频电力使电阻器发热的发热装置。


背景技术：

2.作为对原材料进行加热熔融的装置、加热炉，使用电热线的发热装置被广泛使用。例如，专利文献1中公开了通过开关控制使发热量恒定的开关控制式电热电路。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开平4
‑
337272号公报


技术实现要素：

6.发明要解决的课题
7.在专利文献1的技术中，使向电热线施加的矩形波的频率固定。因此，电热线(发热元件)的发热量的优化有限。
8.本发明是鉴于以上情况提出的，目的在于提供能够提高发热元件的发热量的发热装置及发热装置的控制方法。
9.用于解决课题的手段
10.为了达成前述目的，本发明的发热装置的特征在于，包括：高频电力源(1)，其使频率可变；发热元件(电阻器4)，其与所述高频电力源连接；以及控制装置(50)，其以除法计算值为最大的频率的附近使所述高频电力源驱动，其中，该除法计算值为将所述发热元件的发热量(例如，温度变化测定值)除以发热元件被供给与向所述发热元件输入的高频电力(例如，发热元件被供给与向发热元件供给的高频电力相同的直流电力时的温度变化的值)而得到的值。需要说明的是，括弧内的附图标记、文字为实施方式中所标注的附图标记等，并非对本发明进行限定。
11.发明效果
12.根据本发明，能够提高发热元件的发热量。
附图说明
13.图1是作为本发明第1实施方式的发热装置的构成图。
14.图2是rlc串联电路的电压向量图。
15.图3是作为本发明第2实施方式的发热装置的构成图。
16.图4是示出电阻器的两端电压的频率特性的图。
17.图5是示出电阻器中流通的电流的频率特性的图。
18.图6是示出直流供给电力与电阻器的温度变化的关系的图。
19.图7是电阻器的温度变化的频率特性。
20.图8是示出电阻器的温度变化测定值与温度变化预想值的比例的图。
21.图9是示出电阻器的温度变化与电阻值的关系的图。
22.图10是示出电阻器的两端电压的频率特性的图。
23.图11是示出电阻器中流通的电流的频率特性的图。
24.图12是示出直流供给电力与电阻器的温度变化的关系的图。
25.图13是电阻器的温度变化的频率特性。
26.图14是示出电阻器的温度变化测定值与温度变化预想值的比例的图。
27.图15是示出电阻器的温度变化与电阻值的关系的图。
28.图16是示出r电路的有效电压测定值的频率特性的图。
29.图17是示出r电路的有效电流测定值的频率特性的图。
30.图18是示出电阻器的温度变化的频率特性的图。
31.图19是示出r电路的温度变化测定值除以温度变化预想值而得到的值的频率特性的图。
32.图20是固定电容器的两端电压的频率特性。
33.图21是固定电容器中流通的电流的频率特性。
34.图22是电流测定值除以电流计算值得到的电流比的频率特性。
35.图23是示出电流探针的频率特性的图。
36.图24是示出通常的电阻器的频率特性的图。
37.图25是用于说明控制装置的动作的流程图。
38.附图标记说明
[0039]1ꢀꢀꢀꢀ
信号发生器(正弦波振荡器、高频电力源)
[0040]2ꢀꢀꢀꢀ
可变电容器
[0041]3ꢀꢀꢀꢀ
线圈
[0042]4ꢀꢀꢀꢀ
电阻器(发热元件)
[0043]
10
ꢀꢀꢀ
rlc串联电路
[0044]
11r
ꢀꢀ
电路
[0045]
20
ꢀꢀꢀ
电流探针
[0046]
30
ꢀꢀꢀ
示波器(测定装置)
[0047]
40、41 热电偶
[0048]
50
ꢀꢀꢀ
控制装置
[0049]
100、200 发热装置
具体实施方式
[0050]
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式(以下称为“本实施方式”)。需要说明的是，各图只不过以能够充分理解本实施方式的程度进行了概略示出。另外，在各图中，对公共的构成要素或相同的构成要素标注相同的附图标记并省略其重复说明。
[0051]
(第1实施方式)
[0052]
图1是作为本发明第1实施方式的发热装置的构成图。
[0053]
发热装置100包括作为高频电力源的信号发生器1、rlc串联电路10、作为测定装置
的示波器30、电流探针20、热电偶40、及控制装置50。rlc串联电路10为可变电容器2、线圈3、及作为发热元件的电阻器4的串联电路。
[0054]
信号发生器1为能够以任意频率产生任意波形的装置，在本实施方式中，作为以信号f而频率可变的正弦波发生器使用。在此，设想频率2mhz～30mhz左右的正弦波。
[0055]
信号发生器1例如为yokogawa fg410。正弦波的振幅频率特性在5mhz～20mhz时为
±
0.3db，在20mhz～30mhz时为
±
0.5db。该信号发生器1由数字直接合成器进行波形生成，经由d/a转换器、低通滤波器输出模拟信号。也就是说，信号发生器1不具有共振回路。
[0056]
可变电容器2为使电容c可变的电容器。线圈3为电感l的线圈。线圈3例如为将线径0.55[mm]的漆包线形成为内径14[mm]、高度10[mm]而成。电阻器4为膜厚型。可变电容器2、线圈3、及电阻器4串联连接，构成rlc串联电路10。rlc串联电路10由信号发生器1施加正弦波高频电压。rlc串联电路10使可变电容器2的电容c可变而以共振状态使用。
[0057]
示波器30为观测多个信道的电压波形的测定装置，被用于在任意信道中进行电压测定。示波器30将电压探针与电阻器4的两端连接，测定电阻器4的两端电压v
r
。示波器30例如为yokogawa dlm2034。该示波器的频带(≥
‑
3db)在
±
3div的正弦波输入时在100mv～100v/div的范围内为250mhz，在20mv～50mv/div的范围内为300mhz。该频带相对于信号发生器1输出的正弦波的频率范围2mhz～30mhz充分宽。
[0058]
电流探针20与示波器30的其他信道连接，测定rlc串联电路10中流通的电流。电流探针20为将导线夹紧的方式，以免产生由电阻分压引起的误差。电流探针20例如为yokogawa 701918。该电流探针20的额定值在频率120mhz时为
‑
3db。热电偶40用于测定电阻器4的温度(表面温度)，由控制装置50取得测定温度。
[0059]
控制装置50具有测定电路50a及控制电路50b。
[0060]
测定电路50a为取得热电偶40所获取的温度信息的功能部。控制电路50b为cpu(central processing unit：中央处理器单元)，是对示波器30及信号发生器1进行控制的功能部。控制电路50b控制信号发生器1的振荡频率，以使得电阻器4发热的发热量与向电阻器4供给的高频电力的比值为最大。另外，电阻器4的温度变化(温度上升)与电阻器4发热的发热量成比例。因此，控制电路50b以电阻器4的表面温度与向电阻器4供给的高频电力的比值为最大的方式控制信号发生器1的振荡频率。
[0061]
图2是rlc串联电路的交流电压向量图。
[0062]
rlc串联电路10(图1)为可变电容器2、线圈3、及电阻器4的串联电路。可变电容器2的两端电压v
c
与线圈3的两端电压v
l
的相位反转。另外，电阻器4的两端电压v
r
的相位相对于v
c
及v
l
偏移90
°
。通过对可变电容器2的电容c进行调节使之共振而成为|v
c
|＝|v
l
|。结果rlc串联电路10的阻抗值z成为z＝r。也就是说，也可以是将可变电容器2及线圈3移除的电路。需要说明的是，布线使用的左右的引线的每单位长度的电感l为l≒10
‑6[h/m]。电抗在频率10[mhz]下为60[ω/m]左右，由于共振而能够忽略。
[0063]
如后所述，发现电阻器4被供给特定频带(例如2mhz～30mhz、优选4mhz～26mhz)的高频电力时的发热量(温度变化)大于电阻器4被供给与该高频电力相同的直流电力时的发热量(温度变化)。本实施方式的发热装置100利用了这一点。
[0064]
(第2实施方式)
[0065]
首先，说明第2实施方式的构成，在与第1实施方式比较的同时进行特性评价。
[0066]
图3为作为本发明第2实施方式的发热装置的构成图。
[0067]
发热装置200包括作为正弦波发生器的信号发生器1、电阻器4、作为测定装置的示波器30、电流探针20、热电偶40、及控制装置50。也就是说，在第2实施方式中，特征在于信号发生器1仅与电阻器4连接。也将仅有该电阻器4的电路称为r电路11。
[0068]
(特性评价)
[0069]
以下，说明第1实施方式的发热装置100及第2实施方式的发热装置200的电特性及温度变化特性。
[0070]
图4是示出电阻器的两端电压的频率特性的图，图5是示出电阻器中流通的电流的频率特性的图。
[0071]
横轴为信号发生器1的频率[mhz]，测定至2mhz～30mhz。图4的纵轴为电阻器4的两端的有效电压[v]。实线为rlc串联电路10的电阻器4的有效电压测定值，虚线为r电路11的有效电压测定值。另外，单点划线为rlc串联电路10及r电路11的有效电压计算值。同样地，图5的纵轴为流入电阻器4的有效电流[ma]。实线为流入rlc串联电路10的电阻器4的有效电流测定值，虚线为流入r电路11的有效电流测定值。另外，单点划线为rlc串联电路10及r电路11的有效电流计算值。
[0072]
在此，rlc串联电路10及r电路11的计算值按照下述方式运算。信号发生器1的输出设定电压为20vp
‑
p(有效电压7.07v)、输出阻抗值为50ω，因此有效电压计算值为7.07v
×
{47ω/(47ω 50ω)}＝3.426v。另外，有效电流计算值为3.426v/47ω＝72.9ma。
[0073]
rlc串联电路10及r电路11的有效电压测定值及有效电流测定值与频率的增加相伴而逐渐降低。特别是，有效电流测定值(图5)以有效电压测定值(图4)的约2倍的斜率下降。另外，rlc串联电路10与r电路11的差量很小。
[0074]
图6是示出直流供给电力与电阻器的温度变化的关系的图。
[0075]
横轴为流入电阻器4的直流电流的值的2次方乘以电阻值(47ω)得到的直流电力[mw]。例如，在使直流电流72.9[ma]流入电阻值47[ω]的电阻器4时的直流电力的计算值为250[mw]。纵轴为使直流电流流入电阻器4并由热电偶40测定到的表面温度的温度变化[℃]。温度变化t1为对电阻器4的温度(t2)及外部空气温度(t0)进行测定而设为t1＝(t2
‑
t0)。例如在w1＝174[mw]时，温度变化为t3＝10℃，温度变化的斜率为0.0575[℃/mw]。
[0076]
图7为电阻器的温度变化的频率特性。
[0077]
横轴为信号发生器1的频率[mhz]，频率测定至2mhz～30mhz。纵轴为由热电偶40测定的电阻器4的表面温度的温度变化[℃]。实线为rlc串联电路10(图1)的温度变化测定值，虚线为r电路11(图3)的温度变化测定值。单点划线为rlc串联电路10的温度变化预想值，双点划线为r电路11的温度变化预想值。
[0078]
在rlc串联电路10及r电路11中，温度变化预想值为电阻器4被供给与向电阻器4供给的高频电力(电阻值(47ω)
×
有效电流(图5)2)相同的直流电力[mw]时测定到的表面温度(直流时的表面温度)的温度变化(图6)。需要说明的是，电阻器4被供给与高频电力(有效电压(图4)
×
有效电流(图5))相同的直流电力时，也表现与图6相同的倾向。
[0079]
温度变化测定值与温度变化预想值双方均与频率的增加相伴而逐渐下降。另外，具有温度变化测定值(实线、虚线)超过温度变化预想值(单点划线、双点划线)的特征。也就是说，具有由高频引起的温度变化(温度上升)超过由直流引起的温度变化(温度上升)的特
征。
[0080]
图8是示出电阻器的温度变化测定值相对于温度变化预想值的比例的图。
[0081]
横轴为信号发生器1的频率[mhz]，频率测定至2mhz～30mhz。纵轴为电阻器4的温度变化测定值除以温度变化预想值而得到的值[％]。实线为rlc串联电路10中的比例，虚线为r电路11中的比例。单点划线为(rlc串联电路10中的比例
‑
r电路11中的比例)。
[0082]
由于温度变化测定值超过温度变化预想值(图7)，因此rlc串联电路10及r电路11的温度变化的比例在2mhz～30mhz为100％以上。例如，在rlc串联电路10中，在16mhz处为峰值161％。也就是说，发现电阻器4被供给特定频带(例如4mhz～26mhz)的高频电力时的温度变化大于电阻器4被供给与该高频电力相同的直流电力时的温度变化。
[0083]
另外，rlc串联电路10中的比例(实线)大于r电路11的比例(虚线)，其差量(单点划线)为10％～20％。也就是说，可变电容器2与线圈3的串联电路实质上对电阻器4的发热量产生10％～20％的影响。
[0084]
图9是示出电阻器的温度变化与电阻值的关系的图。
[0085]
横轴为电阻器4中流入直流电流时的温度变化[℃]，纵轴为电阻值[ω]。即使温度变化，电阻值也恒定为约47[ω]。
[0086]
接下来，使电阻器4的电阻值从r＝47[ω]增加至r＝120[ω]并进行同样的测定。其他测定条件与图4～图9相同。
[0087]
图10是示出电阻器的两端电压的频率特性的图，图11是示出流入电阻器的电流的频率特性的图。图12是示出直流供给电力与电阻器的温度变化的关系的图。图13为电阻器的温度变化的频率特性。图14是示出电阻器的温度变化测定值相对于温度变化预想值的比例的图。图15是示出电阻器的温度变化与电阻值的关系的图。
[0088]
有效电压及有效电流的计算值按照下述方式运算。
[0089]
信号发生器1由于输出电压的有效值为7.07v、输出阻抗值为50ω，因此有效电压计算值为7.07v
×
{120ω/(120ω 50ω)}＝4.99v。另外，有效电流计算值为4.99v/120ω＝41.6ma。与该有效电压/电流计算值相当的直流电力为207.5[mw]。
[0090]
即使电阻器4的电阻值从r＝47[ω]增加至r＝120[ω]，倾向也没有变化。需要说明的是，由于直流电力207.5[mw]比电阻值为47[ω]时供给的直流电力250[mw]少，因此图14的温度变化比图7的温度变化少。另外，就图14的温度变化的比例而言，示出rlc串联电路(实线)在14mhz处为峰值171％。
[0091]
根据以上结果，可以说将4mhz～30mhz(优选10mhz～20mhz、进一步优选13mhz～17mhz)的高频电力供给至电阻器4时的发热量比将与该高频电力相当的直流电力供给至电阻器4时的发热量多。
[0092]
接下来，将横轴的频率取对数，对r电路的有效电压、有效电流、电阻器4的温度变化、(温度变化测定值/温度变化预想值)进行评价。r电路为仅有电阻值47ω的电阻器4的电路。
[0093]
图16是示出r电路的有效电压测定值的频率特性的图，图17是示出r电路的有效电流测定值的频率特性的图。横轴为频率[hz]，图16的纵轴为有效电压[v]，图17的纵轴为有效电流[ma]。图16、17均为实线为测定值、虚线为计算值。
[0094]
另外，图18是示出电阻器4的温度变化的频率特性的图。横轴为频率[hz]，纵轴为
温度[℃]。实线为测定值，虚线为预想值。该温度变化预想值为将与使用电阻值
×
有效电流2运算得到的交流电力相当的直流电力供给至电阻器4时的温度上升。
[0095]
电压有效值(图16)从频率10mhz附近直线下降，电流有效值(图17)从5mhz附近直线地缓慢下降。另一方面，温度变化(图18)的预想值从5mhz附近直线下降，而测定值从10mhz附近急剧下降。也就是说，有效电流测定值(图17)从5mhz附近直线地缓慢下降，而温度变化测定值(图18)产生了从10mhz附近急剧下降的减少。
[0096]
图19是示出r电路的温度变化测定值相对于温度变化预想值的比例的频率特性的图。横轴为频率[hz]，纵轴为比例[％]。
[0097]
温度变化测定值/温度变化预想值在5mhz～30mhz产生峰值。也就是说，在5mhz～30mhz内，由高频电力引起的发热量超过直流电力引起的发热量。该现象被认为是由电子动能上升引起。该电子动能通过电流的自由电子与电阻的原子的电子的碰撞而转换为热能。
[0098]
(c电路)
[0099]
接下来，针对向电容c＝5[pf]的固定电容器施加正弦波电压并测定正弦波电流的c电路，测定使频率可变的频率特性。需要说明的是，固定电容器虽不发热，但具有研究在特定频带(例如5mhz～30mhz)测定电流值是否变化的意义。
[0100]
图20为固定电容器的两端电压的频率特性。横轴为频率[mhz]，纵轴为电压[v0‑
p
]。实线为计算值，是未连接固定电容器的状态的无负载电压计算值。单点划线为连接有固定电容器的状态的电压测定值。电压的测定值低于计算值。
[0101]
图21为流入固定电容器的电流的频率特性。横轴为频率[mhz]，纵轴为电流[ma
p
‑
p
]。实线为使用i＝ωcv计算的计算值。单点划线为电流测定值。电流测定值高于电流计算值。
[0102]
图22为电流测定值相对于电流计算值的比例的频率特性。
[0103]
横轴为频率[mhz]，纵轴为电流测定值相对于电流计算值的比例[％]。在频率2mhz～30mhz超过100％。该现象被认为是在固定电容器的负极电子动能上升、在固定电容器的正极自由电子被推出，结果电流增加。需要说明的是，在频率2mhz～30mhz以外的其他频率下，电子动能没有增加，因此也不会发生电流增大现象。
[0104]
在此，研究电流探针20(图1)及电阻器4的频率特性的影响。
[0105]
图23是示出电流探针的频率特性的图。
[0106]
横轴为频率[hz]，纵轴为增益(gain)[db]。电流探针20的额定值为频率120mhz时为
‑
3db。电流探针20的特征在于，具有在1mhz以下的低频率为gain≒0，gain在以虚线表示的数mhz～30mhz有些许下降，在100mhz附近恢复的性质。
[0107]
根据该电流探针20的特征性质，能够说明电流测定值除以电流计算值得到的电流比(图19)在频率2mhz～30mhz超过100％的现象。另外，还能够说明因频率增加而产生的流入电阻器4的有效电流(图5、图11)的下降大于有效电压(图4、图10)的下降的现象。
[0108]
但是，向电阻器4供给的高频电力使用r
×
i2计算，但即使采用r
×
i
×
v计算，温度变化的倾向也没有大的变化。也就是说，电阻器4的两端的有效电压(图4)也存在频率依存性。因此，电流探针20的频率特性并未否定因电子动能在频率2mhz～30mhz上升而发热量增加的发现。
[0109]
图24是示出通常的电阻器的频率特性的图。
[0110]
横轴为频率[mhz]，纵轴为从直流起的阻抗值变化δz[％]。电阻器4的阻抗值的变化δz在100mhz以上增大。换言之，在信号发生器1的输出正弦波的频率2～30mhz左右，电阻器4的阻抗值的变化δz能够忽略。
[0111]
图25是用于说明控制装置的动作的流程图。
[0112]
该流程(s10)为第1、2实施方式的控制装置50逐次执行的流程。
[0113]
控制装置50首先进行电阻器4的高频输入电力的计测/运算(s1)。此时，将电阻器4的电阻值r乘以高频电流测定值的平方而得到的值设为高频输入电力。
[0114]
在s1的处理后，控制装置50参照表格(将图6、12制成表格)求算电阻器4被供给与在s1中运算的高频输入电力相同的直流电力时的温度变化的预想值(s2)。在s2的处理后，控制装置50测定电阻器4的温度变化(s3)。在s3的处理后，控制装置50运算在s3中测定的电阻器4的温度变化测定值与在s2中求出的温度变化的预想值的比值(s4)。在s4的处理后，控制装置50判定在s4中运算的比值是否为规定范围以下，或该比值是否下降规定幅度以上(s5)。
[0115]
在s4中运算的比值为规定范围以下或该比值下降规定幅度以上时(s5中为是)，控制装置50判定s4中运算的比值是否与基准值或前次的值相比增加或下降(s6)。在此，初次的循环中使用基准值(例如s5的规定范围的中间值)，在第2次及之后的循环中使用前次的值。
[0116]
在s6的处理后，在s4中运算的比值增加时(在s6中增加)，控制装置50将信号发生器1的频率向相同方向修正(s7)。另一方面，在s4中运算的比值下降时(在s6中下降)，控制装置50将信号发生器1(图1)的频率向相反方向修正(s8)。在s7、s8的处理后，控制装置50使处理返回s1，重复进行高频输入电力的计测、运算。另外，在s4中运算的比值非规定范围以下、或该比值未下降规定幅度以上时(s5中为否)、或在s6中比值无变化时(s6中无变化)，控制装置50使该流程结束。
[0117]
也就是说，该流程(s10)在电阻器4的温度变化测定值与电阻器4被供给与向电阻器4供给的高频输入电力相同的直流电力时的温度变化的预想值的比值(除法计算值)为规定范围以下、或该比值下降规定幅度以上时，以该比值变为最大的方式，对驱动电路130(图25)、信号发生器1(图1)的频率进行修正。
[0118]
换言之，控制装置50以电阻器4的发热量除以向电阻器4供给的高频输入电力得到的除法计算值为最大的频率的附近使信号发生器1(图1)驱动。