CN101077035A - 双线分层加热器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括与双线控制器通信的分层加热器的加热器系统，其中分层加热器的电阻层既是加热元件又是温度传感器。因此，双线控制器通过电阻层的电阻确定温度，并通过电源控制加热器的温度。此外，本发明提供一种通过分层加热器与双线控制器通信的加热器系统，该加热器系统是对注模系统的热流道喷嘴的具体应用。

Description

双线分层加热器系统
技术领域
本发明一般涉及电加热器和控制器，尤其涉及分层加热器的温度感测。
背景技术
当热输出需要沿表面变化时，分层加热器通常被用在空间受限的应用中，或用在超净或侵蚀性化学应用中。分层加热器通常包括不同材料的层，即，涂敷于衬底上的介电材料和电阻材料。介电材料首先被涂敷于衬底上并提供衬底和电阻材料间的电气隔离，同时最小化工作过程中的电流泄漏。电阻材料以预定图案被涂敷于介电材料上，并提供电阻加热器电路。分层加热器还包括将电阻加热电路连接到加热器控制器的引线，和保护引线-电阻电路接口的注塑成型(over-mold)材料。因此，分层加热器可高度定制用于多种加热应用。
分层加热器可以是“厚”膜、“薄”膜、或“热喷涂”，除此之外还可以是其它形式，其中这些类型的分层加热器的主要区别是构成层的方法。例如，厚膜加热器的层通常用诸如丝网印刷、印花釉法、或薄膜印刷头印刷的处理来构造，除此之外还有其它方法。薄膜加热器的层通常用沉积处理来形成，诸如离子电镀(ion plating)、溅射、化学气相沉积(CVD)、以以及物理气相沉积(PVD)，除此之外还有其它方法。然而，与薄厚膜技术不同的另一种方法是热喷涂，此方法可包括例如火焰喷涂、等离子喷涂、线电弧喷涂、和HVOF(超音速火焰喷涂：High Velocity Oxygen Fuel)，除此之外还有其它方法。
使用分层加热器的已知系统通常包含独立的温度传感器，此传感器通过用于电阻电热器电路的一组引线之外的另一组电引线而连接到控制器。温度传感器通常是热电偶，该热电偶被设置在薄膜加热器和/或处理附近，以便为控制器提供加热器控制的温度反馈。然而，热电偶相对体积较大，需要附加的电引线，并且相对经常地出故障。可选地，RTD(电阻式温度检测器)可被包括在分层加热器内作为独立的层，以获得更准确的温度读数并相对传统热电偶减少所需空间量。不幸地，RTD也通过一组附加的电引线与控制器通信。对使用大量温度传感器的系统来说，每个传感器的相关电引线的数目很大，导致整个加热器系统体积和复杂性的增加。
例如，其中电导线增加加热器系统体积和复杂性的一个这样的应用是注模系统。注模系统，更具体地是热流道系统，通常包括大量用于更高空腔造型的喷嘴，其中多个部分在单个循环或单个注射(shot)中被形成。喷嘴经常被加热以改善树脂流，并因此对于系统中的每个喷嘴，喷嘴加热器的一组相关电引线和至少一个设置在加热器和/或处理附近的温度传感器(例如热电偶)的一组引线必须从控制系统引到每个喷嘴。电引线的布线通常用从控制系统到热流道成型系统的管道来完成。此外，布线通道通常被碾成成型系统的极板从而将引线连接到每个喷嘴，因此，增加数量的电引线导致热流道成型系统成本和复杂性的增加及整个注模系统体积的增加。
发明内容
在一个优选实施例中，本发明提供了包含厚膜加热器和双线控制器的加热器系统。厚膜加热器限定衬底、设置在衬底上的介电层、和设置在介电层上的电阻层，其中电阻层具有足够的电阻特性温度系数，使得电阻层是加热器元件和温度传感器。此外，保护层被设置在电阻层上，而双线控制器用电阻层的电阻来确定厚膜加热器的温度，并相应地控制加热器温度。
在另一个实施例中，提供包含至少一个电阻层的分层加热器，其中电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得电阻层是加热器元件和温度传感器。分层加热器还包括连接到电阻层的双线控制器，其中双线控制器用电阻层的电阻确定分层加热器的温度，并相应地控制加热器温度。在本发明的各种形式中，分层加热器是厚膜加热器、薄膜加热器、热喷涂加热器、和溶胶凝胶加热器。
在再一个实施例中，提供热流道喷嘴加热器系统，该系统包含至少一个热流道喷嘴和至少一个与热流道喷嘴邻近设置的电阻层，其中电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得电阻层是加热器元件和温度传感器。加热器系统还包含连接到电阻层的双线控制器，其中双线控制器通过使用电阻层的电阻来确定加热器系统的温度，并相应地控制加热器系统温度。
此外，本发明给使用的加热器系统提供现有温度控制器，该温度控制器具有至少一个温度传感器输入端和功率输出端。本发明是包含至少一个分层加热器的改进，该分层加热器具有至少一个电阻层，其中电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得电阻层是加热器元件和温度传感器。此改进还包括至少一个连接到分层加热器和温度控制器的双线模块，其中双线模块用电阻层的电阻来确定分层加热器的温度，并将分层加热器的温度传给温度控制器输入端，而温度控制器将功率输出传给双线模块。
在再一个实施例中，提供包括分层加热器的加热器系统，其中分层加热器具有至少一个电阻层，其中电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得电阻层是加热器元件和温度传感器。加热器系统还包括连接到电阻层的电引线和通过电引线连接到电阻层的控制器，其中控制器通过使用电阻层的电阻来确定分层加热器的温度，并相应地控制加热器温度。此外，公共回线装置连接到分层加热器，电源连接到控制器，其中公共回线装置提供从分层加热器到控制器的电气返回，使得仅需要一条线来操作加热器系统。
依照本发明的方法，提供分层加热器的操作，此操作包括通过一组连接到分层加热器的电阻元件的引线提供功率给加热器的步骤，并包括通过使用双线控制器来计算电阻元件温度的计算步骤，其中双线控制器通过该组引线与分层加热器通信，其中电阻元件是加热器元件和温度传感器。在另一个实施例中，此方法与热流道喷嘴结合用于操作分层加热器。
本发明的适用性的其他领域将在下文的详尽描述中表述。应该理解，详尽的描述和具体例子虽然表示本发明的优选实施例，但是其是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图，可以更充分地理解本发明，其中：
图1是依照本发明原理的加热器系统的方框图；
图2是依照本发明原理的分层加热器的放大截面图；
图3a是依照本发明原理的分层加热器的放大横截面视图，其中分层加热器包含电阻层和保护层；
图3b是依照本发明原理的分层加热器的放大横截面视图，其中分层加热器仅包含电阻层；
图4a是依照本发明的教导所构造的电阻层图案的平面图；
图4b是依照本发明的原理所构造的第二电阻层图案的平面图；
图4c是依照本发明的原理所构造的第三电阻层图案的透视图；
图5是说明依照本发明原理的双线控制系统的方框图；
图6是依照本发明的教导所构造的双线控制系统的简化电气图；
图7是依照本发明的教导所构造的双线控制系统的详细电气图；
图8是用于注模系统的高级空腔造型的透视图，该系统具有依照本发明教导所构造的并具有热流道喷嘴的加热器系统；
图9是依照本发明教导所构造的热流道喷嘴加热器系统侧视图；
图10是依照本发明原理的热流道喷嘴加热器系统侧横截面视图，沿图9中的A-A线；
图11是依照本发明教导所构造的热流道喷嘴加热器系统的一个可选实施例的侧横截面视图；
图12是用于依照本发明原理改型现有系统的组合式加热器系统的原理图；和
图13是依照本发明原理的使用单线的加热器系统的方框图；
相同标识符在若干个视图中表示相同部件。
具体实施方式
具体实施例的下列描述实际上仅仅是示范性的，这些描述决不是为了限制本发明、其应用、或使用。
参照图1，以方框图形式图解依照本发明一个实施例的简化加热器系统，其被一般地用标识符10来表示。加热器系统10包含分层加热器12；双线控制器14，该双线控制器优选基于微处理器；和双线控制器14内或与其相连的电源16。如图所示，分层加热器12通过一组电引线18与双线控制器14相连。通过电引线18给分层加热器12提供功率，而分层加热器12的温度信息依照指令也通过这组电引线18被提供给双线控制器14。更具体地，双线控制器14基于计算出的电阻确定分层加热器12的温度，其中一种技术在下面有着更为详尽的描述。然后，双线控制器14发送信号给电源16，以相应地控制分层加热器12的温度。因此，仅仅需要一组电引线18，而不是一组电引线用于加热器，一组电引线用于温度传感器。
现在参照图2，在一个实施例中，分层加热器12包括许多设置在衬底20上的层，其中衬底20可以是设置在待加热部件或装置附近的独立元件，或这些部件或装置本身。如图所示，这些层优选地包含介电层22、电阻层24、和保护层26。介电层22提供衬底20和电阻层24之间的电气隔离，并设置在衬底20上，厚度与分层加热器12的功率输出相称。根据本发明，电阻层24设置在介电层22上，并提供两个主要功能。第一，电阻层24是分层加热器12的电阻加热器电路，由此为衬底20提供热量。第二，电阻层24也是温度传感器，其中电阻层24的电阻被用来确定分层加热器12的温度，这将在下文更为详尽地描述。保护层26优选为绝缘体，但是依照具体加热应用的要求也可以使用其它材料，诸如导电材料，而仍然在本发明的范围内。
如图进一步所示，端接盘28设置在介电层22上，并与电阻层24接触。因此，电引线30与端接盘28接触，并将电阻层24连接到双线控制器14(未示出)，用于功率输入和用于加热器温度信息到双线控制器14的传递。此外，保护层26设置在电阻层24之上，且优选地是用于电气隔离和保护电阻层24免受操作环境影响的介电材料。由于电阻层24同时作为加热元件和温度传感器，所以加热器系统10仅需要一组电引线30(例如双线)，而不是一组用于分层加热器12，另一组用于独立的温度传感器。因此，依照本发明，通过使用加热器系统10，用于任何给定加热器系统的电引线数目被减少50％。此外，由于整个电阻层24除了是加热器元件之外还是温度传感器，所以在整个加热器元件上、而不是像诸如热电耦这样的很多传统温度传感器那样在单个点上被感测。
在如图3a所示的本发明另一实施例中，在衬底20不导电且电气隔离不需要通过独立介电层来实现的情况下，电阻层24设置在衬底20上。如图所示，保护层26如前所述被设置在电阻层24之上。在如图3b所示的再一种形式里，电阻层24被设置在衬底20上，此衬底不具有介电层24和保护层26。因此，本发明的加热器系统10可以至少一层、即电阻层24工作，其中电阻层24既是加热元件也是温度传感器。依照具体应用的要求，也可以使用此处未阐述的功能层的其它组合，而仍在本发明的范围内。
通常，分层加热器12被构造来与任意数量的需加热的装置一起运行，其中一个就是将在下文中予以更详尽描述的用于注模系统的热流道喷嘴。此外，分层加热器12优选地是厚膜加热器，其在本发明的一个实施例中用薄膜印刷头来制造。美国专利No.5,973,296中示出并描述了使用此种厚膜处理的层制作，该专利与本申请被共同转让，且其全部内容以参考方式并入本申请。举例来说，附加厚膜处理可包括丝网印刷、喷涂、辊压、和转印，除此之外还有其它方法。
然而，在另一个实施例中，分层加热器12是薄膜加热器，其中通过使用薄膜处理来形成层，例如离子电镀、溅射、化学气相沉积(CVD)、和物理气相沉积(PVD)，除此之外还有其它方法。薄膜处理、诸如整体以参考方式并入本申请的美国专利No.6,305,923、6,341,954和6,575,729的专利中所公开的那些薄膜处理，可以与这里所描述可与加热器系统10一起使用，而仍然处在本发明的范围里。在再一个实施例中，分层加热器12是热喷涂加热器，其中使用热喷涂处理来形成层，例如火焰喷涂、等离子喷涂、线电弧喷涂、和HVOF(超音速火焰喷涂)等。在另一个实施例中，分层加热器12是“溶胶凝胶”加热器，其中使用溶胶凝胶材料来形成层。通常，用诸如浸渍、滚旋(spinning)、或涂抹这样的处理来形成溶胶凝胶层，除此之外还有其它方法。因此，如此处所用，术语“分层加热器”应理解为包括包含至少一个功能层(例如，仅电阻层24，电阻层24和保护层26，介电层22和电阻层24和保护层26，等等)的加热器，其中通过使用与厚膜、薄膜、热喷涂、或溶胶凝胶相关的处理将材料涂敷或沉积到衬底或另一层上来形成层。这些处理也被称为“分层处理”或“分层加热器处理”。
为了使电阻层24既起到温度传感器的功能又起到加热器元件的功能，电阻层24优选为电阻温度系数(TCR)相对较高的材料。由于金属的电阻随温度增加，在任一温度t(℃)时的电阻为：
R＝R0(1+αt)      (方程1)
其中：R0是某一参考温度(通常为0℃)下的电阻，α是电阻温度系数(TCR)。因此，为了确定加热器的温度，通过双线控制器14计算加热器的电阻，如下文更为详尽地描述的那样。在一个实施例中，用双线控制器14测量加热器的电压和电流，并且基于欧姆定律计算电阻。用方程1，或本领域技术人员公知的使用电阻温度检测器(RTD)的温度测量的类似方程，和已知的TCR，电阻层24的温度被计算出来并用于加热器控制。
因此，在本发明的一个实施例中，相对高的TCR是优选的，使得小的温度变化引起大的电阻变化。因此，包含诸如铂(TCR＝0.0039Ω/Ω/℃)、镍(TCR＝0.0041Ω/Ω/℃)、或铜(TCR＝0.0039Ω/Ω/℃)、以及其合金的材料的配方对于电阻层24来说是优选的。
然而，在本发明的其它实施例中，用于电阻层24的材料不必具有高的TCR。例如，只要TCR是可预测的，则负TCR材料或具有非线性TCR的材料也可包含在本发明的范围内。如果给定材料的TCR是已知的，则如果它能以必要的精度被测量，以及如果它是可复验的或可预测的，那么该材料可以用来确定加热器系统10的温度。包括所述相对高TCR材料的这样的TCR在以下被称为具有充足的TCR特性。因此，此处所述的材料及其相关的高TCR不应理解为限制本发明的范围。此处所述的相对高的TCR在本发明的一个实施例中是优选的。
作为另一个充足的TCR特性，用于电阻层24的材料不必展示出过度的“漂移”，这种漂移是许多电阻元件随时间改变特性、诸如体电阻率或TCR的趋势。因此，用于电阻层24的材料优选在漂移方面是稳定的或可预测的，但是漂移可以通过双线控制器14的校准而随时间被补偿，双线控制器将在下文中予以更详尽的描述。此外，漂移可以通过加热器的“烧上”而被减少或消除，以引起任何可能随时间发生的电阻漂移。因此，电阻层24优选为具有相对高电阻温度系数且在漂移方面稳定的材料。但是，如果漂移是可预测的，则材料可用于电阻层，而仍然在本发明范围内。
在本发明的一个实施例里，电阻层24通过在前述介电层22上印刷电阻材料来形成。更具体地，两种电阻材料R11和R12被测试以在本发明中使用，其中R11的TCR介于大约0.0008Ω/Ω/℃和大约0.0016Ω/Ω/℃之间，而R12的TCR介于大约0.0026Ω/Ω/℃和大约0.0040Ω/Ω/℃之间。此外，在各种温度下，为R11和R12测试温度漂移，并且漂移在R11的大约3％到R12的大约10％之间变化。通过前述“烧上”，显示漂移已经减少到R11的大约2％到R12的大约4％。此处所述的用于电阻层24的材料和其相应TRC值和温度漂移本质上是示范性的，而不应解释为对本发明范围的限制。具有如前所述的充足TCR特性的任何电阻材料可被用于电阻层24，而仍然在本发明的范围内。
由于依照本发明使用多个具有温度感测能力的分层加热器，必须为双线控制器14提供关于加热器、特别是关于电阻层24的某些信息，从而适当地校准整个加热器系统。这种校准所需的参数包括冷电阻(cold resistance)、测量冷电阻值时的温度、以及某些TCR特性(一个温度下和/或一个温度范围内的TCR)，以从加热器电阻计算中确定加热器温度。优选地，系统自动地基于利用双线控制器所测出的电压和电流计算每个分层加热器12的冷电阻，双线控制器将在下文予以更详尽的描述。此外，每个分层加热器12的TCR特性必须用人工和/或电子方法被输入到系统、例如双线控制器中。根据例如用于电阻层24的材料是否来自共同制造批量，这些值可被分别输入，或作为一个值被输入用于所有加热器12。无论如何，校准数据，即冷电阻、冷电阻温度和每个分层加热器12的TCR优选地被输入到双线控制器，用于加热器系统10的更准确和受控的操作。
可以使用多种提供TCR特性和每个分层加热器12的冷电阻数据给双线控制器14的方法，而仍然在本发明的范围内。例如，每个分层加热器12可包括条形码标签，其被操作员扫描以将冷电阻数据和TCR特性下载到双线控制器14。可选地，可以将智能卡芯片或其它电子装置加到每个分层加热器12上，这些芯片和装置同样可以被操作员扫描以将校准数据下载到双线控制器14。在再一种形式中，可通过因特网将校准数据下载到双线控制器14，例如通过供应商站点。可选地，TCR特性和冷电阻数据可被预先编程到双线控制器14中。
除了电阻数据和TCR的校准之外，依照本发明的加热器系统10还提供对于电引线30的电阻补偿。由于电引线30增加了电路的电阻，所以如果没有提供对电阻增加的补偿，很可能导致温度误差。此外，用于电引线30的材料可具有高于电阻层24的TCR，这导致电引线30的部分被裸露在更高温度下从而产生更大电阻。因此，双线控制器14也提供电引线电阻的校准。
双线控制器14优选地被设计具有温度校准功能，这进一步减少了由于漂移产生的长期温度误差。一种温度校准方法是通过使用一个或多个预先存在的热电偶或其它预先存在的温度传感器来实现的，以确定温度和温度的稳定性。然后，来自热电偶的温度数据被传送到双线控制器14，用于电阻校准。另外，如果合适，分层加热器12的所测量的冷电阻的变化可以用来计算新的TCR值。在另一种温度校准形式里，双线控制器14优选包含提供温度偏移参数输入的校准偏移特征。当分层加热器12的位置距感测温度的最佳位置一段距离时，需要这样的偏移。因此，可以使用温度偏移变量，使得加热器系统10提供更准确地表示最佳位置处实际温度的温度。
现在转向如图4a-4c所示分层加热器12的构造，电阻层24优选以图案40设置在介电层22上，图案40产生被加热的给定衬底或元件的理想温度分布。图4a示出基于衬底20a矩形轮廓的矩形图案40a中的电阻层24a。图4b示出基于衬底20b圆形轮廓的圆形图案40b中的电阻层24b。图4c示出了基于衬底20c圆柱形的螺旋图案40c中的电阻层24c。此外，图案40a-c的宽度“W”和/或间距“P”也可根据加热器系统的具体加热要求而改变。因此，电阻层24a的图案优选地按加热器系统10的每种应用而定做。此处所图解的图案只是示范性的，并不为了限制本发明的范围。
包含每一层和端接盘28的分层加热器12也可依照美国专利No.6,410,894、6,222,166、6,037,574、5,973,296和5,714,738来构造，而仍然在本发明的范围内，这些专利与本发明共同被转让且其全部内容以参考方式并入本发明。因此，为了清晰的目的，此处没有包含关于其他材料、制造技术、和构造方法的附加特性，并因此对于这些附加信息参照以参考方式并入此处的专利。
双线控制器(14)
双线控制器14的一种形式在图5中以方框图的形式被图解。如图所示，双线控制器14通常包含电源50、电压电流测量元件52、功率调节器元件54、和与分层加热器12通信的微处理器56。微处理器56也与通信元件58通信，其中来自加热器系统10的某些输出(例如温度读数)被递送，且其中输入(例如，更新的TCR值、校准数据、温度设置点、电阻设置点)可以被提供给加热器系统10。
现在参照图6，更详细地说明双线控制器14的电压测量元件52。通常，双线控制器14在交流功率循环零交叉间隔(AC power cyclezero-cross interval)期间将直流偏置或低电平直流电流应用于分层加热器12，使得电流值与额定加热器电阻相乘得到在零值每侧上一段时间内比零交叉点上全波电压高的电压。在此时间间隔里，分层加热器12的电压被放大并与参考电压相比较，然后如下面进一步所述地那样控制提供给加热器12的功率。美国专利No.4,736,091中进一步示出并描述了直流偏置的应用，该专利与本发明被共同转让且其整个内容以参考方式包括进本发明。在本发明的另一实施例中，交流电流可用做偏置，以代替直流偏置，以确定分层加热器12的电阻。
如图所示，双线控制器14包括晶体管60，二极管62，和第一电阻器64，其中第一电阻器64与分层加热器12一起形成分压器。对于直流偏置，晶体管60在零交叉间隔期间接通一个短的时间间隔，例如200μs，并在加热器接收功率时进一步防止电流在负半周期里流过电源50(未示出)。另外，当加热器接收功率时，二极管62阻止电流在负半周期里流过电源50。于是，分层加热器12的输出通过第二电阻器66被送入运算放大器电路68，该运算放大器电路68包括放大器70和电阻器72、73及76。因此，放大器70的电压输出被用来计算电阻和确定分层加热器12的温度，其中放大器70的电压输出通过微处理器56中的A/D转换器读出。此外，在直流偏置时间周期期间，放大器70的输出电压从模拟信号转化成数字信号，并且如果所计算的电阻或分层加热器12温度使得控制算法已经确定需要来自分层加热器12的附加功率，则来自于三端可控硅开关80的门脉冲被传送给分层加热器12。如进一步所示，场效应晶体管82钳制放大器70的输入，从而防止当加热器接收线功率时放大器70在正负半周期中都被过驱动。
下文中更详细地描述的微处理器56一般通过输出控制843、偏置控制86、和加热器输出88与所示电路通信。此外，微处理器56还包括固件90，和/或软件(未示出)。固件90可被编程用于各种功能，包括但不局限于允许半周期传送功率以提高可控性，或者依照IEEE519的全周期功率传送。作为另一范例，固件90可包括控制算法以补偿热瞬态响应和其它上述校准数据。因此，微处理器56与直流偏置回路结合使用，以便确定分层加热器12的温度并更有效地控制提供给加热器12的功率。
现在，图7更详尽地示出了双线控制器14的进一步扩展。如图所示，电源50优选为非隔离的并与线性调节器100电容式耦合的。因此，电源50将交变电流向下调节至操作所需的指定值。如进一步所示，来自电源50的零交叉(直流偏置)的正弦波与微处理器56通信。在零交叉间隔期间，直流偏置通过晶体管102、二极管104、和电阻器106被施加。分层加热器12上的电压通过放大器108被放大和偏置，而放大器110被用来作为微处理器56中A/D转换器的对温度变化的参考。
分层加热器12的电压和电流变化的测量是用双放大器112和114及模拟开关116和118实现，其中电压信号的变化通过放大器112和模拟开关116，电流变化通过放大器114和模拟开关118。如进一步所示，电流变化用分流电阻器116测量。此外，双线控制器14包括三端双向可控硅开关120，其在零交叉点不导电，但在每个半周期导电。在直流偏置间隔期间，如果所测量的电阻使得控制算法已经确定需要来自分层加热器12的附加功率，则进行A/D转换，并且三端双向可控硅开关120传送脉冲。因此，通过图7所示电路、即直流偏置电路和分流电阻器电路，提供两种计算电阻的方法。此外，虽然本发明优选测量电压和电流以确定电阻，但是也可以使用确定电阻的其他方法，诸如电压门或使用已知电流，这仍然在本发明的范围内。
在另一个实施例中，三端双向可控硅开关120优选为随机启动(random fire)三端双向可控硅开关，使得分层加热器12被以高导通角启动，以减少采样过程中传送到分层加热器的能量。例如，以160°和340°的导通角启动分层加热器12允许在120Hz频率下充分采样，同时减少到分层加热器12的功率输入。可选地，在仅160°或仅340°的采样可能产生60Hz的采样率，同时进一步将功率减少一半。此外，当使用随机启动三端双向可控硅开关时，当温度(或另一形式中的电阻)接近设置点时，可以通过以更小增量传送功率而应用任何比率函数。因此，分层加热器12被以越来越高的导通角烧成全线循环。
进一步如图所示，到双线控制器14的通信以及来自双线控制器14的通信在微处理器56的相对侧上进行。除了线收发器128之外，通信元件58包含一系列光隔离器122、124、和126。因此，通信可通过任意数目的协议进行，例如包括此处阐述的RS-485通信。除了其它功能之外，可利用此通信接口输入校准数据。
如图所示，利用ISP(系统内编程：In-System Programming)连接来将固件90加载到微处理器56中。因此，可以有效地完成对双线控制器14中设置的某些修改，包括前述校准数据的输入。
如图7详细所示，特定电路元件与电路元件的值和配置一起，(例如电阻器值，电容器值等)是双线控制器14的一种形式的范例，其不应被解释为对本发明范围的限制。因此，交变电路元件、配置、和值以及测量电路拓扑结构的电阻可以在此处所定义的双线结构中实现，这仍然在本发明的范围内。
热流道喷嘴应用
如图8所示，依照本发明原理的加热器系统10的一种已知应用是用于注模系统中的热流道。热流道150通常设置在热流道成型系统152内，该系统还包括多个成型布线通道154，该布线通道提供从邻近热流道150的加热器(未示出)到此处所述的双线控制器(未示出)的电引线(未示出)的引导。由于每个加热器既充当加热元件又充当温度传感器，所以每个加热器只需要一组引线，而不是一组引线用于加热器，而另一组引线用于温度传感器。因此，穿过成型布线通道154的引线数目减少一半，相关的体积和复杂性被显著减少。
此外，注模设备通常包括从控制器到热流道成型系统152的管道164，其中所有引线及其它相关电气元件置于其中。随着本发明所提供的引线数目的显著减少，管道164的尺寸和体积也被显著减少。而且，由于温度通过加热器的整个电阻层被感测，所以温度是在一段长度上被感测的而不是传统热电偶的在一个点上被感测。
现在参照图9和图10更详细地图解用于热流道喷嘴150’的加热器系统。加热器系统200包括设置在热流道喷嘴150’主体203周围的分层加热器202，和通过一组引线205与分层加热器202通信的双线控制器204。分层加热器202还包括衬底206，该衬底被配置与环绕热流道喷嘴150’的几何形状(如图所示为圆柱形)相配合。分层加热器202还包括设置在衬底206上的介电层208、设置在介电层208上的电阻层210、和设置在电阻层210上的保护层214。如图进一步所示，端接盘216设置在介电层208上并与电阻层210接触。因此，电引线205与端接盘216接触并将电阻层210连接到双线控制器204。因此，加热器系统200仅需要一组电引线205，而不是一组电引线用于分层加热器202，另一组电引线用于单独的温度传感器。
如图11所示，在一个可选实施例中，分层加热器202’设置在热流道喷嘴150’的外表面220上，而不是如前所述设置在独立衬底上。同样，分层加热器202’包括设置在外表面220上的介电层208’、设置在介电层208’上的电阻层210’、和设置在电阻层210’上的保护层214’。端接盘216’同样设置在介电层208’上，并与电阻层210’接触。如图进一步所示，一组引线205’将加热器202’连接到双线控制器204’。
在本发明另一个实施例中，在图12中提供并图解了用使用单独温度传感器-例如热电偶、RTD、热敏电阻-的现有控制器改型根据本发明的加热器系统的组合方案。如图所示，在分层加热器232和现有温度控制器234之间提供双线模块230。温度控制器234包括温度传感器输入端236和功率输出端238。因此，双线模块230如前所述包含双线电阻测量电路，且双线模块230中计算出的温度被传送到现有温度控制器234的温度传感器输入端236。基于这些温度输入，温度控制器234通过功率输出端238控制分层加热器232。应该明白，功率控制可以是温度控制器234的一部分，或者可以是所示的独立功率控制器240，而这都在本发明的范围内。因此，现有温度控制器可用双线模块230来改型以实现本发明的加热器系统，而不需要对现有系统进行实质上的再加工和修正。
现在参照图13，图解依照本发明的加热器系统的另一实施例，其中该实施例减少引线数目，并且整体由标识号300表示。加热器系统300包括分层加热器302和按前文所述运行的控制器304，其中分层加热器302的电阻层(未示出)既是加热元件又是温度传感器。加热器系统300还包括电源306，此电源在本发明一个实施例中优选为低电压的，其为分层加热器302提供功率。分层加热器302如图所示通过一组电引线308并通过装置310的主体或结构(例如热流道喷嘴系统成型)而与控制器304连接，其中装置310被设计为公共回线或中性线，其中公共回线装置310提供从分层加热器302到控制器304的电气返回。加热器系统300使用装置310材料的电气导通性以实现电路，并因此需要电源306来限制流过装置310的电流电平。因此，由于装置结构310被用来将分层加热器302与控制器304连接，所以另一电引线被省去，使得控制器304有效地是“单线控制器”。
本发明的说明书本质上只是示范性的，因此不脱离本发明要旨的变动仍被认为在本发明的范围内。这些变动不被视为是对本发明的精神和范围的背离。

Claims (24)

1.一种加热器系统，包括：
厚膜加热器，限定：
衬底；
设置在所述衬底上的介电层；
设置在所述介电层上的电阻层，其中所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；和
设置在所述电阻层上的保护层；以及
与所述厚膜加热器通信的双线控制器，其中所述双线控制器通过使用所述电阻层的电阻而确定所述厚膜加热器的温度，并相应地控制加热器温度。
2.一种加热器系统，包括：
厚膜加热器，包括至少一个电阻层，其中所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；和
连接到所述电阻层的双线控制器，其中所述双线控制器通过使用所述电阻层的电阻确定所述厚膜加热器的温度，并相应地控制加热器温度。
3.一种加热器系统，包括：
薄膜加热器，包括至少一个电阻层，其中所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；和
连接到所述电阻层的双线控制器，其中所述双线控制器通过使用所述电阻层的电阻而确定所述薄膜加热器的温度，并相应地控制加热器温度。
4.一种加热器系统，包括：
热喷涂加热器，包括至少一个电阻层，其中所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；和
连接到所述电阻层的双线控制器，其中所述双线控制器通过使用电阻层的电阻而确定所述热喷涂加热器的温度，并相应地控制加热器温度。
5.一种加热器系统，包括：
溶胶凝胶加热器，包括至少一个电阻层，其中所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；和
连接到所述电阻层的双线控制器，其中所述双线控制器通过使用所述电阻层的电阻确定所述溶胶凝胶加热器的温度，并相应地控制加热器温度。
6.一种加热器系统，包括：
分层加热器，包括至少一个电阻层，其中所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；和
连接到所述电阻层的双线控制器，其中所述双线控制器通过使用所述电阻层的电阻而确定所述分层加热器的温度，并相应地控制加热器温度。
7.如权利要求6所述的加热器系统，其中所述双线控制器包括用于计算所述电阻层的电阻的直流偏置控制。
8.如权利要求6所述的加热器系统，其中所述双线控制器包括用于计算所述电阻层的电阻的交流偏置控制。
9.如权利要求6所述的加热器系统，其中所述双线控制器包括高导通角启动。
10.如权利要求6所述的加热器系统，其中所述双线控制器包括用于计算所述电阻层的电阻的分流电阻器。
11.如权利要求6所述的加热器系统，其中所述双线控制器还包括微处理器。
12.如权利要求6所述的加热器系统，其中所述电阻层限定从包括螺旋形、矩形、和圆形的一组中所选出的图案。
13.如权利要求6所述的加热器系统，其中所述双线控制器还包括固件。
14.一种加热器系统，包括：
厚膜加热器，限定：
介电层；
设置在所述介电层上的电阻层，其中所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；和
设置在所述电阻层上的保护层；和
与所述厚膜加热器通信的双线控制器，其中所述双线控制器通过使用所述电阻层的电阻而确定所述厚膜加热器的温度，并相应地控制加热器温度。
15.一种热流道喷嘴加热器系统，包括：
至少一个热流道喷嘴；
与所述热流道喷嘴邻近设置的衬底；
设置在所述衬底上的介电层；
设置在所述介电层上的电阻层，其中所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；
设置在所述电阻层上的保护层；和
连接到所述电阻层的双线控制器，其中所述双线控制器通过使用所述电阻层的电阻而确定所述加热器系统的温度，并相应地控制加热器系统温度。
16.一种热流道喷嘴加热器系统，包括：
至少一个热流道喷嘴；和
至少一个与所述热流道喷嘴邻近设置的电阻层，其中所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；和
连接到所述电阻层的双线控制器，其中所述双线控制器通过使用所述电阻层的电阻而确定所述加热器系统的温度，并相应地控制加热器系统温度。
17.一种用于与现有温度控制器一起使用的加热器系统，其中所述现有温度控制器具有至少一个温度感测输入端和功率输出端，其特征在于，包括：
至少一个分层加热器，其中所述分层加热器包括至少一个电阻层，所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；和
至少一个连接到所述分层加热器和所述温度控制器的双线模块，
其中所述双线模块通过使用所述电阻层的电阻而确定所述分层加热器的温度，并将所述分层加热器的温度传送到所述温度控制器输入端，而所述温度控制器传送功率输出到所述双线模块。
18.一种加热器系统，包括：
分层加热器，包括至少一个电阻层，其中所述电阻层具有充足的电阻特性温度系数，使得所述电阻层是加热器元件和温度传感器；
连接到所述电阻层的电引线；
通过所述电引线连接到所述电阻层的控制器，其中所述控制器通过使用所述电阻层的电阻而确定所述分层加热器的温度，并相应地控制加热器温度；
连接到所述分层加热器的公共回线装置；和
连接到所述控制器的电源，
其中所述公共回线装置提供从所述分层加热器到所述控制器的电气返回。
19.一种操作分层加热器的方法，包括以下步骤：
通过一组连接到所述分层加热器的电阻层上的电引线为所述分层加热器提供功率；和
利用通过所述一组电引线连接到所述分层加热器的双线控制器计算所述电阻层的温度；
其中所述电阻层是加热器元件和温度传感器。
20.如权利要求19所述的方法，还包括电阻数据校准步骤。
21.如权利要求19所述的方法，还包括引线校准步骤。
22.如权利要求19所述的方法，还包括温度校准步骤。
23.如权利要求19所述的方法，还包括TCR校准步骤。
24.一种操作与热流道喷嘴系统结合的分层加热器的方法，包含步骤：
通过一组连接到所述分层加热器的电阻层上的电引线为所述分层加热器提供功率；和
利用通过所述一组电引线连接到所述分层加热器的双线控制器计算所述电阻层的温度；
其中所述电阻层是加热器元件和温度传感器。
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