(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコンデンサにより電気エネルギーを蓄積して利用する電気溶接システムであって、
充電電源より充電され電気エネルギーを蓄積する２つのコンデンサバンクユニット（Ｃ１、Ｃ２）を直列接続又は並列接続して構成するコンデンサバンク蓄電装置（１）と、
前記２つのコンデンサバンクユニット（Ｃ１、Ｃ２）の直並列接続を切り換える接続切り換え手段と、
前記充電電源による前記コンデンサバンク蓄電装置（１）の充電を制御する充電制御手段と、
前記充電電源あるいは前記コンデンサバンク蓄電装置（１）より給電され溶接を行う溶接手段と、
前記溶接手段に給電する電流を制御する電流ポンプと
を備え、前記充電制御手段は、前記充電電源と前記コンデンサバンク蓄電装置（１）との間の接続／切り離しを行う接続／切り離し部を有し、前記コンデンサバンク蓄電装置（１）は、少なくとも溶接作業の１パス分の電気エネルギーが蓄積できる容量を有し、前記充電電源より前記２つのコンデンサバンクユニット（Ｃ１、Ｃ２）を満充電にした後、前記接続／切り離し部により前記充電電源を切り離し、前記２つのコンデンサバンクユニット（Ｃ１、Ｃ２）を並列にして放電を開始し電圧が半分になった時点で前記２つのコンデンサバンクユニット（Ｃ１、Ｃ２）を直列接続に切り換えて１パス分の溶接作業を実行できるようにしたことを特徴とする電気溶接システム。
【請求項２】
前記コンデンサは、充電状態に応じて充電電流をバイパスする並列型充電制限回路を並列接続した並列型充電制限付電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１記載の電気溶接システム。
【請求項３】
前記コンデンサバンク蓄電装置の残存エネルギーを検出する残量検出手段を有することを特徴とする請求項１記載の電気溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のコンデンサにより電気エネルギーを蓄積して利用した電気溶接システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に溶接装置は、商用電源から溶接のための電気エネルギーを得ているが、商用電源は、定常的に一定の許容範囲で電圧変動がある。したがって、溶接装置では、このような商用電源の電圧変動による影響で溶接出力が変動し、これが均一であるべき溶接品質の低下を招く原因となる。
【０００３】
また、溶接現場では、溶接作業中に他の電気機器の影響などで電源ブレーカが作動し、停電により溶接が中断させられるという最悪の事態も決して珍しいことではない。しかも、溶接の対象によっては、停電により以下に述べるように補修溶接が不可能となる場合が多い。
【０００４】
例えば薄板の溶接の場合、商用電源の電圧変動は、溶接出力（アーク）の変動となり、溶接部の溶け込み部分の大きさの変動が大きく影響し、溶け込み過多、過少、さらに最悪の場合には溶融池が大きくなりすぎて溶け落ち、穴が開いてしまうということもある。
【０００５】
２枚の薄板を突き合わせ溶接する場合の例についてさらに詳しく説明する。図６は２枚の薄板の突き合わせ溶接における熱の伝わり方を説明するための図である。まず、溶接開始時において、２枚の板は熱伝導的には互いに切れた状態であり、板の端面からアークによる熱が供給される。この端面から供給される熱は、図６（Ａ）の実線と点線で示すように互いに片方の板のみの熱伝導を考慮すればよい。したがって、熱の供給部は、短時間で温度が上昇して溶融池が形成され、図６（Ｂ）の左側に示すように互いの板の溶融池は一体化して接合される。溶接の進行に伴い、前方は、熱伝導で予熱され、アーク熱と予熱温度でバランスした溶け込みが得られる。
【０００６】
商用電源の停電では、このように進行していた溶接が中断する。そのため、溶接中断後に再スタートする場合を考えると、既に溶接された部分においては、２枚の板が一体化されているので、伝導面積が大きくなった状態での熱伝導となり、再スタート時に同じ熱量では溶融池の形成が難しくなり、入熱量を増やさなければ十分な溶融池とはならなくなってしまう。一方、溶接方向前方においては、未溶融の２枚の板の個別の端面として熱が入るため十分に過熱される。したがって、入熱量を増やすことにより後方に適切な溶融池が形成されるようにした時には、前方が溶け落ちてしまうという問題が生じる。この現象（問題）は、板厚が薄くなるほど、また熱伝導が良い材質ほど顕著である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の溶接装置は、電源電圧の変動によって溶接品質が大きく左右され、最悪の場合、溶接中の停電では、補修溶接が不可能になる。実際において、このような場合が多々生じている。そのため、原子力、宇宙産業、その他極めて高い溶接品質が要求される場合での溶接作業、あるいは補修時の切粉、粉塵の飛散を許さない環境での溶接作業などにおいては、以下のように溶接出力の安定化を行っているが、そのためにかける設備費が高価となる欠点があった。
【０００８】
１つは電源安定化装置の採用である。確かにトランジスタ式の電源安定化装置を採用した溶接装置は、電源の電圧変動に対して電子的にフィードバックがかかるため安定した電流での溶接は行えるが、商用電源から溶接エネルギーを取るため、溶接作業中に瞬時停電を含む停電が発生した場合には、同様な問題を抱えることになる。
【０００９】
そこで、停電対策として、大はディーゼル発電機の設置、小は鉛蓄電池などの二次電池の利用により溶接電源をバックアップする技術は既にあるが、溶接装置全体が大型化、重量化するほかに、前者は、設備費が高くなるだけでなく排気問題、発電機の維持管理などの付帯業務が発生するため、溶接コストを押し上げることになる。また、従来の二次電池により停電をバックアップする後者も、二次電池の寿命が短く、そのためにきめ細かな保守作業も必要になり、思わぬコスト増に悩まされている。
【００１０】
また、溶接装置のエネルギー源として、商用電源の代わりに二次電池を利用する考えは既にあるが、二次電池の充放電サイクル寿命の特性が鉛蓄電池で２００〜３００サイクル、ニッケルカドミウム電池で４００〜５００サイクルと短いことから、パワーを取り扱う溶接用の電源としては寿命が短すぎて溶接コストが異常に増大する。しかも、充電時間は、鉛蓄電池で５〜１０時間、ニッケルカドミウム電池で２〜３時間を必要とすることから、１日の作業の中で頻繁に電池を交換する必要がある。そのため、従来、二次電池を電源にした溶接装置は、小容量出力の特殊な用途以外、実用的でなかった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、小型、軽量にして、高速充電、高充放電効率、長寿命、高品質の溶接システムを実現するものである。
【００１２】
そのために本発明は、複数のコンデンサにより電気エネルギーを蓄積して利用する電気溶接システムであって、充電電源より充電され電気エネルギーを蓄積する２つのコンデンサバンクユニット（Ｃ１、Ｃ２）を直列接続又は並列接続して構成するコンデンサバンク蓄電装置（１）と、前記２つのコンデンサバンクユニット（Ｃ１、Ｃ２）の直並列接続を切り換える接続切り換え手段と、前記充電電源による前記コンデンサバンク蓄電装置（１）の充電を制御する充電制御手段と、前記充電電源あるいは前記コンデンサバンク蓄電装置（１）より給電され溶接を行う溶接手段と、前記溶接手段に給電する電流を制御する電流ポンプとを備え、前記充電制御手段は、前記充電電源と前記コンデンサバンク蓄電装置（１）との間の接続／切り離しを行う接続／切り離し部を有し、前記コンデンサバンク蓄電装置（１）は、少なくとも溶接作業の１パス分の電気エネルギーが蓄積できる容量を有し、前記充電電源より前記２つのコンデンサバンクユニット（Ｃ１、Ｃ２）を満充電にした後、前記接続／切り離し部により前記充電電源を切り離し、前記２つのコンデンサバンクユニット（Ｃ１、Ｃ２）を並列にして放電を開始し電圧が半分になった時点で前記２つのコンデンサバンクユニット（Ｃ１、Ｃ２）を直列接続に切り換えて１パス分の溶接作業を実行できるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
また、前記コンデンサは、充電状態に応じて充電電流をバイパスする並列型充電制限回路を並列接続した並列型充電制限付電気二重層コンデンサであることを特徴とし、前記コンデンサバンク蓄電装置の残存エネルギーを検出する残量検出手段を有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係る電気溶接システムの実施の形態を示す図であり、１はコンデンサバンク、２は電気二重層コンデンサ、３は並列モニタ、４は電流ポンプ、５は充電制御装置、６は残量検出部、７は溶接装置、８は接続／切り離し部を示す。
【００１５】
図１において、コンデンサバンク１は、充電電源より充電され電気エネルギーを蓄積する複数のコンデンサを接続してなるものであり、必要な電圧に応じた段数の電気二重層コンデンサ２と並列モニタ３の並列回路を直並列接続して用いる。電気二重層コンデンサ２は、充電制御装置５に接続する充電電源より充電され電気エネルギーを蓄電するコンデンサであり、並列モニタ３は、電気二重層コンデンサ２に並列に接続して満充電になると充電電流をバイパスする並列型充電制限回路である。電流ポンプ４は、スイッチングコンバータを用い、出力電圧を安定化するために、電流をスイッチング制御する電流源型の制御回路であり、溶接装置７に給電する電流を制御する。このような電気二重層コンデンサ２に並列モニタ３を設けた複数のセルを接続して電気エネルギーを蓄積するコンデンサバンク１と、その蓄積した電気エネルギーを負荷に放電するための電流制限特性を持ったスイッチングコンバータからなる電流ポンプ４によりキャパシタと電子回路を組み合わせた蓄電システムＥＣＳ（Ｅnergy Ｃapacitor  Ｓystem)を構成し、後述するようにこれまでの二次電池では達成できない出力電圧の安定性の高い、短時間充電、高充放電効率、長寿命のバックアップ電源が実現できる。
【００１６】
充電制御装置５は、充電電源によるコンデンサバンク１の充電を制御するものであり、コンデンサバンク１が満充電になると充電電源からの充電電流を遮断し、コンデンサバンク１に蓄積された電気エネルギーが減少して充電電圧が低下し所定の値以下になると充電電源からの充電電流を供給する。残量検出部６は、コンデンサバンク１に蓄積されている残存エネルギーを検出する残量検出手段であり、残量を表示したり充電制御のための信号として用いるものである。溶接装置７は、充電制御装置５に接続する充電電源より直接、あるいはコンデンサバンク１より電流ポンプ４を介して給電され溶接を行うものである。接続／切り離し部８は、充電電源とする例えば商用電源に接続／切り離し自在のコンセント・プラグである。
【００１７】
上記構成により、充電電源より充電制御装置５を介してコンデンサバンク１を充電しながら電流ポンプ５を介して溶接装置７に給電し溶接を行う。この場合、充電制御装置５は、コンデンサバンク１が満充電になると充電電源による充電を停止し、コンデンサバンク１に蓄積された電気エネルギーが減少して充電電圧が低下し所定の値以下になると、例えば残量検出部６の検出信号を用いて充電電源による充電を満充電まで再開するが、充電電源を接続状態に維持し、充電電源より溶接装置７にしながらコンデンサバンク１を充電しておき、充電電源の停電時や電圧低下時にコンデンサバンク１から蓄積した電気エネルギーを放電するように構成してもよい。
【００１８】
また、充電電源よりコンデンサバンク１を満充電にした後、接続／切り離し部８により充電電源と切り離すことにより、電源ケーブルレスの溶接システムとして作業を行うようにしてもよい。この場合、接続／切り離し部８は、充電電源と充電制御装置５との接続／切り離しを行うものとして示しているが、充電制御装置５とコンデンサバンク１との接続／切り離しを行うものであってもよいし、いずれに対しても接続／切り離しを行うものであってもよい。
【００１９】
特に電源ケーブルレスの溶接システムとする構成は、パイプのような溶接対象物の円周状の溶接時に、連続して同じ方向に溶接作業を行うとケーブルが巻き付いてしまい、煩雑な反転溶接作業をせざるを得ないという問題を解消することができる。また、溶接装置は、電源部が大きく重いために、溶接電源と溶接作業場所が離れている場合が多い。そのため、溶接電源の２次側ケーブルが長くなることから、精密溶接の電流パルス波形が長いケーブルのため、溶接部で劣化した波形となり、精密な溶接ができなくなのという問題もある。コンデンサバンクを蓄電手段とする本発明では、このような問題に対しても、構成を小型、軽量化することができるので解決でき、さらに、現場で長く延ばしたケーブルがアンテナとなって放射するＥＭＩ（電磁波妨害）を大きく減少させることもでき、危険なケーブルをなくし安全性を向上させることもできる。
【００２０】
図２はコンデンサの利用効率を説明するための図、図３は昇圧コンバータとの組み合わせ例を示す図であり、Ｃ１、Ｃ２はコンデンサバンク、Ｄ１〜Ｄ３はダイオード、Ｌ１はリアクトル、Ｓ１、Ｓ２はスイッチング素子を示す。
【００２１】
コンデンサバンク１（コンデンサバンク蓄電装置１ともいう）の放電に伴う電圧の推移は、蓄積した電気エネルギーの利用率９４％まで放電させると、図２（Ａ）に示すように満充電電圧Ｖｏ* ４からその１／４のＶｏ* １まで低下する。したがって、この範囲で利用しようとすると、入力電圧の広い範囲で効率の高いスイッチングコンバータが必要となる。しかし、図３に示すようにコンデンサバンク１（コンデンサバンク蓄電装置１）として、コンデンサバンクユニットＣ１、Ｃ２を並列にして放電を開始し、その電圧が半分になった時点でスイッチング素子をオンにしてコンデンサバンクユニットＣ１、Ｃ２を直列接続に切り換えると、入力電圧の範囲を広くしなくても同じ利用率９４％を実現することができる。すなわち、図２（Ｂ）に示すようにコンデンサバンクユニットＣ１、Ｃ２を満充電電圧Ｖｏ* ４の１／２のＶｏ* ２とし、コンデンサバンクユニットＣ１、Ｃ２の並列から直列への接続切り換えを行うと、蓄積した電気エネルギーの利用率９４％まで放電させても、満充電電圧Ｖｏ* ２の１／２のＶｏ* １に止めることができる。その結果、スイッチング素子Ｓ２により昇圧コンバータを構成した場合、Ｖｏ* １の電圧ではＶｏ* ２まで２倍の昇圧をすればよいが、図２（Ａ）に示すように切り換えを行わない場合には、Ｖｏ* １の電圧でＶｏ* ４まで４倍の昇圧をしなければならない。このことは、降圧コンバータを用いる場合にも基本的に同じである。
【００２２】
図４は本発明に係る電気溶接システムの他の実施の形態を示す図であり、１１は溶接装置、１２はチョッパ回路、１３は接続／切り離し部を示す。
図４において、溶接装置１１は、例えばトランジスタ等の半導体スイッチング素子を用いたチョッパ回路１２を備え、電流制御機能を有するものである。このような溶接装置１１では、充電電源あるいはコンデンサバンク１より溶接装置１１に給電する電流を制御する電流ポンプとしてチョッパ回路１２を共用化してもよい。このような共用化により、さらには、コンデンサバンク１を溶接作業の１パス分の電気エネルギーが蓄積できる容量とし、接続／切り離し部１３で切り離してケーブルレスで作業を行うようにすることにより、装置全体としてもより小型、軽量化が実現でき、精密溶接システムとして構成することができる。
【００２３】
図５はコンデンサバンクの電圧・電流と溶接電流の推移の例を示す図であり、コンデンサバンクを満充電時の電圧１００Ｖからその１／４の電圧約２０Ｖまで１５分で放電するように設計したものである。この場合、電流ポンプは、入力電圧範囲１００Ｖ〜１８Ｖの間を２０Ａの定電流出力を行う高効率の降圧型コンバータを用いることにより、２０Ａの溶接電流を供給し続けることができる。
【００２４】
電池の特性にある「エネルギー密度」とは、単位重量や体積当たりのエネルギー量「Ｗｈ」であるが、電力機器にとって「電力（パワー）密度」も同じように重要な特性である。この「電力密度」とは、電池のエネルギー量が半分の時、電池の内部抵抗と同一の抵抗を電池に接続した場合に、電池から取り出せる電力Ｗと定義されている。
【００２５】
電気二重層コンデンサを使用した蓄電システムＥＣＳは、電気化学反応を伴う電池に比較して本質的に内部抵抗が低いという特徴がある。そのためこの蓄電システムＥＣＳの電力密度は、一般的には電子装置である電流ポンプの出力特性で制限されることになる。言い換えると電気二重層コンデンサを使用した蓄電システムＥＣＳでは、大きな電力密度を得ることが従来の二次電池に比べて遙かに容易である。
【００２６】
例えば静電容量と内部抵抗との積を２０ΩＦに設計し、図５で説明したように１５分間で蓄電容量のおよそ９４％を出力できる放電特性を持たせ、逆に１５分間の充電でコンデンサを空の状態から満充電にすることができる。しかし、これと同様のことを従来の二次電池で行うことは困難である。まず、１５分間で満充電にし、１５分間で全放電するということは、１時間で放電する量の４倍の出力特性が要求されることであり、放電だけでいえば電池の放電率が４Ｃということになり、電池にとっては急速充放電という過酷な使用状態になる。しかし、鉛蓄電池でこのような使用でサイクル寿命の２００〜３００サイクルを保証するには、放電率を少なく、浅く使用するために、本発明の電気二重層コンデンサを使用した蓄電システムＥＣＳと同様の充放電を行おうとすると、鉛蓄電池の数を数倍にしなければならない。
【００２７】
停電等により溶接が中断して補修溶接が不可能になるのを防ぐには、バックアップ電源として少なくとも１パス分の溶接作業のエネルギー量が必要となる。しかし、数分から数十分で完了する１パス分の溶接作業のエネルギー量が必要であるにもかかわらず、従来のように出力密度とサイクル寿命を確保するためには、およそ２〜４倍の量の鉛蓄電池を使用しなければならない。これに対し、本発明の電気二重層コンデンサを使用した蓄電システムＥＣＳでは、ほぼ真に必要な１パス分の溶接作業に必要なエネルギー量のみを蓄積したシステムで実現することが可能になる。
【００２８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、充電電源として商用電源を用いたが、太陽電池を充電電源として接続してもよいし、コンデンサバンクの容量を例えば１パスに相当する溶接作業単位にして、溶接作業単位毎にコンデンサバンクを充電して充電電源から切り離して作業するように構成してもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、充電電源より充電され電気エネルギーを蓄積する複数のコンデンサを接続したコンデンサバンクと、前記充電電源による前記コンデンサバンクの充電を制御する充電制御手段と、前記充電電源あるいは前記コンデンサバンクより給電され溶接を行う溶接手段と、前記溶接手段に給電する電流を制御する電流ポンプとを備えるので、コンデンサの特性を生かし従来の二次電池では実現できなかった、電源の変動に影響されない小型、軽量、高速充電、高充放電効率、長寿命、高品質の溶接システムを実現できる。
【００３０】
すなわち、バックアップ電源として用いる電気二重層コンデンサは、従来主流の電気化学反応を用いた二次電池とは異なる物理的なイオンの吸・脱着による蓄電現象を利用しているので、これと並列モニタ、電流ポンプを組み合わせることにより、これまでの二次電池では達成できない９５％以上の充放電効率、数万〜数十万回以上の充放電サイクル寿命のものを実現できる。しかも、小型で高速充電が可能になるので、溶接作業に必要な電気エネルギーを蓄積し充電電源から切り離しても溶接できるようになり、作業対応の柔軟性、作業効率、品質を高めることができる。また、電流ポンプにより電源の変動がなく、停電に影響されず、従来の鉛蓄電池等の二次電池に比較して小型、低コスト、保守の大幅な軽減を図った溶接システムを実現できる。さらに、溶接装置がチョッパータイプで代表される半導体によるスイッチング制御を内蔵している方式の場合には、溶接装置の制御用スイッチング素子の耐圧を上げ、リアクトルのインダクタンス値を見直し設計することで電流ポンプの機能を溶接装置内に持たせ、電流ポンプを省略することが容易にできるため、複数個のコンデンサを取り付けるだけで、高品位の溶接のできる装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る電気溶接システムの実施の形態を示す図である。
【図２】  コンデンサの利用効率を説明するための図である。
【図３】  昇圧コンバータとの組み合わせ例を示す図である。
【図４】  本発明に係る電気溶接システムの他の実施の形態を示す図である。
【図５】  コンデンサバンクの電圧・電流と溶接電流の推移の例を示す図である。
【図６】  ２枚の薄板の突き合わせ溶接における熱の伝わり方を説明するための図である。
【符号の説明】
１…コンデンサバンク、２…電気二重層コンデンサ、３…並列モニタ、４…電流ポンプ、５…充電制御装置、６…残量検出部、７…溶接装置、８…接続／切り離し部
【図１】
0004197544.tif 000002
【図２】
0004197544.tif 000003
【図３】
0004197544.tif 000004
【図４】
0004197544.tif 000005
【図５】
0004197544.tif 000006
【図６】
0004197544.tif 000007