JP2002502016A - 高効率超純度流体ヒータのための要求予測制御システム - Google Patents
高効率超純度流体ヒータのための要求予測制御システムInfo
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Abstract
(57)【要約】
ハウジングと、ハウジングを通る少なくとも１つの流体通路（32）と、流体通路（32）を流れる動作流体を加熱するために流体通路近傍に設けられた抵抗性加熱要素とを備えるインライン（44）超高純度脱イオン水（UPDI）ヒータの制御システム（10）が記載される。その制御システム（10）は、加熱要素に印加されている電力を示す実際の電力値を決定するメカニズムと、ユーザが選択可能なプリセット流体温度と実質的に等しい出口（30）流体温度を達成するために要求される電力を示す必要電力値を決定するメカニズムと、実際の電力値と必要電力値の間のオフセットに基づいて抵抗性加熱要素に印加される電力を調整するメカニズムと、およびオフセットが所定レベルより大きい場合に調整手段を無効とするメカニズムと、を有する。
Description
【０００１】 関連出願のクロスリファレンス 本出願は、１９９８年１月２３日に出願された米国仮特許出願第60/072,321号
の利益を請求する。
の利益を請求する。
【０００２】
本発明は、一般的に流体ヒータに関し、より詳細には高効率超純度脱イオン（
ＵＰＤＩ）水ヒータのための要求予測制御システムに関する。
ＵＰＤＩ）水ヒータのための要求予測制御システムに関する。
【０００３】
ウェハサイズが一層大きくなり、デバイス形状が一層小さくなり、回路密度が
一層大きくなるにつれて、半導体の製造に使用される流体は非常に正確な温度制
御が必要になってきた。加熱されたＵＰＤＩ水は、半導体デバイスの製造で使用
されるそのような流体の１つである。しかし、ＵＰＤＩ水は腐食性の液体である
。よって、ＵＰＤＩ水を加熱するために使用される機器は、その機器内を流れる
ＵＰＤＩ水の腐食効果に対する耐久性を有しなければならない。
一層大きくなるにつれて、半導体の製造に使用される流体は非常に正確な温度制
御が必要になってきた。加熱されたＵＰＤＩ水は、半導体デバイスの製造で使用
されるそのような流体の１つである。しかし、ＵＰＤＩ水は腐食性の液体である
。よって、ＵＰＤＩ水を加熱するために使用される機器は、その機器内を流れる
ＵＰＤＩ水の腐食効果に対する耐久性を有しなければならない。
【０００４】 加えて、半導体デバイスの製造に使用される機器は製造プロセスにおいて汚染
物を取り入れることなく特定のタスクを実行可能であることが重要である。ＵＰ
ＤＩ水の腐食効果に耐え、製造プロセス中に汚染物を取り入れないそのような流
体ヒータの１つが１９９８年１月１３日に出願された「高効率超純度流体ヒータ
」なる名称の米国特許出願（Attorney Docket No. LUF 2028）に記載され、特許
請求されている。参照した米国特許出願は、本発明の譲受人になるべき同一の会
社に譲渡され、その全体をここに参考文献として取り入れる。
物を取り入れることなく特定のタスクを実行可能であることが重要である。ＵＰ
ＤＩ水の腐食効果に耐え、製造プロセス中に汚染物を取り入れないそのような流
体ヒータの１つが１９９８年１月１３日に出願された「高効率超純度流体ヒータ
」なる名称の米国特許出願（Attorney Docket No. LUF 2028）に記載され、特許
請求されている。参照した米国特許出願は、本発明の譲受人になるべき同一の会
社に譲渡され、その全体をここに参考文献として取り入れる。
【０００５】
従来、流体ヒータは温度制御システムを利用して望ましい動作流体温度を維持
している。普通に利用できる比例積分微分（Proportional Integral Derivative
:PID）コントローラは、負荷（すなわち、ヒータを通る流体流）が安定状態であ
る限り正確な流体温度を維持することができる。安定状態の流体流を実現するた
めに、通常は高速流のバイパスを使用してＵＰＤＩ水の安定状態流が加熱システ
ムを通るようにしている。この制御スキームでは、ＵＰＤＩは一定速度で流れ、
一方がプロセスで使用されるか、または可能な再生のために投棄される。
している。普通に利用できる比例積分微分（Proportional Integral Derivative
:PID）コントローラは、負荷（すなわち、ヒータを通る流体流）が安定状態であ
る限り正確な流体温度を維持することができる。安定状態の流体流を実現するた
めに、通常は高速流のバイパスを使用してＵＰＤＩ水の安定状態流が加熱システ
ムを通るようにしている。この制御スキームでは、ＵＰＤＩは一定速度で流れ、
一方がプロセスで使用されるか、または可能な再生のために投棄される。
【０００６】 その代わりに、流体の要求が低い場合、流体ヒータは減量モード、すなわち低
速流モード（水の純度を維持するために）で動作することができ、高速流が必要
な場合、出力温度が安定するまで出力流はプロセスをバイパスする。純度レベル
および処分コストに大きく依存する化学的コストの上昇により、これらの方法は
産業においてもはや許容できなくなっている。特定のプロセス「レシピ」のため
の流速の変化および温度設定点の変化が例外ではなく標準になりつつある。
速流モード（水の純度を維持するために）で動作することができ、高速流が必要
な場合、出力温度が安定するまで出力流はプロセスをバイパスする。純度レベル
および処分コストに大きく依存する化学的コストの上昇により、これらの方法は
産業においてもはや許容できなくなっている。特定のプロセス「レシピ」のため
の流速の変化および温度設定点の変化が例外ではなく標準になりつつある。
【０００７】 したがって、より良好でより有益な結果を提供しつつ、上述の必要性を満足す
るとともに上記の問題を解決する新規かつ改善された流体ヒータの制御システム
を開発することが望ましいと考えられてきた。
るとともに上記の問題を解決する新規かつ改善された流体ヒータの制御システム
を開発することが望ましいと考えられてきた。
【０００８】
本発明の要求予測制御（ＤＡＣ）システムは広範囲の負荷に対して正確な温度
制御を提供する。これは、負荷の出力温度に影響を与える変数を決定し、設定点
温度を実現するために要求される電力レベルを決定し、必要な電力を流体ヒータ
に関連する加熱要素に印加することにより達成される。標準的なＰＩＤベースの
システムにおいては、測定される変数は、負荷の温度と、温度変化率のみである
。ＤＡＣシステムは、（１）入口の流体温度、（２）出口の流体温度、（３）加
熱された流体の流速、（４）ヒータシステムに印加される電力、（５）単位時間
当りの流体温度変化率を決定する。
制御を提供する。これは、負荷の出力温度に影響を与える変数を決定し、設定点
温度を実現するために要求される電力レベルを決定し、必要な電力を流体ヒータ
に関連する加熱要素に印加することにより達成される。標準的なＰＩＤベースの
システムにおいては、測定される変数は、負荷の温度と、温度変化率のみである
。ＤＡＣシステムは、（１）入口の流体温度、（２）出口の流体温度、（３）加
熱された流体の流速、（４）ヒータシステムに印加される電力、（５）単位時間
当りの流体温度変化率を決定する。
【０００９】 動作時には、システムのユーザがキーボードまたは他のユーザインターフェー
スを介して所望の動作温度をコントローラへ入力する。負荷を設定点温度にする
ために必要とされる電力レベルは、複数のセンサにより測定された入力値に基づ
いて決定される。加熱要素に印加される電力はリアルタイムで継続的に調整され
る。
スを介して所望の動作温度をコントローラへ入力する。負荷を設定点温度にする
ために必要とされる電力レベルは、複数のセンサにより測定された入力値に基づ
いて決定される。加熱要素に印加される電力はリアルタイムで継続的に調整され
る。
【００１０】 流体ヒータの非効率性および測定値の本来的誤差は全て温度の不安定性につな
がる。これらの問題を克服するために、ＤＡＣシステムはこれらの効果を最小化
するように設計された。加熱要素に印加される電力が、電気的に加熱されるシス
テムにおける誤差の単一の最大の原因である。これは、加熱要素の動作温度に対
するヒータ抵抗の変化に起因する。ＤＡＣシステムは加熱要素に印加される電力
をリアルタイムで測定してこれらの誤差を除去する。電力は多くの方法で測定／
決定することができる。１つの方法は、加熱要素の温度を測定し、それを使用さ
れている種類の抵抗性要素の既知の曲線と比較し、その温度で印加される電力を
計算する方法である。別の方法は、加熱要素に印加される電圧と電流の両方を測
定し、それらから電力を計算する方法である。第２の方法は、制御される各ヒー
タについて温度／抵抗曲線を規定する必要なく、普遍的なヒータの適用を可能と
する。熱損失も誤差につながる。ＤＡＣシステムは、印加された電力に対する負
荷の温度応答を評価し、それにしたがって電力をオフセットすることによりそれ
らの損失を補正する。
がる。これらの問題を克服するために、ＤＡＣシステムはこれらの効果を最小化
するように設計された。加熱要素に印加される電力が、電気的に加熱されるシス
テムにおける誤差の単一の最大の原因である。これは、加熱要素の動作温度に対
するヒータ抵抗の変化に起因する。ＤＡＣシステムは加熱要素に印加される電力
をリアルタイムで測定してこれらの誤差を除去する。電力は多くの方法で測定／
決定することができる。１つの方法は、加熱要素の温度を測定し、それを使用さ
れている種類の抵抗性要素の既知の曲線と比較し、その温度で印加される電力を
計算する方法である。別の方法は、加熱要素に印加される電圧と電流の両方を測
定し、それらから電力を計算する方法である。第２の方法は、制御される各ヒー
タについて温度／抵抗曲線を規定する必要なく、普遍的なヒータの適用を可能と
する。熱損失も誤差につながる。ＤＡＣシステムは、印加された電力に対する負
荷の温度応答を評価し、それにしたがって電力をオフセットすることによりそれ
らの損失を補正する。
【００１１】 全ての要求される変数を測定または計算し、必要な電力を計算することは、ヒ
ータシステムの性能の範囲内のあらゆる負荷に対して正確な温度制御を維持する
ための迅速な補正を提供する。システムはこれらの変化に応答することができる
が、システムでの熱遅延は、小さな負荷から大きな負荷へ変化する時に温度の低
下を生じさせ、逆に大きな負荷から小さな負荷へ変化する時に温度のオーバーシ
ュートを生じさせる。この効果を減少させるために、ＤＡＣシステムは、上昇ま
たは低下する流体温度の変化率が所定範囲を超えたときにより多くのまたはより
少ない電力を加熱要素に印加する。加えて、ＤＡＣシステムは、設定点からの流
体温度差の関数として加熱要素への電力を増大または減少する。
ータシステムの性能の範囲内のあらゆる負荷に対して正確な温度制御を維持する
ための迅速な補正を提供する。システムはこれらの変化に応答することができる
が、システムでの熱遅延は、小さな負荷から大きな負荷へ変化する時に温度の低
下を生じさせ、逆に大きな負荷から小さな負荷へ変化する時に温度のオーバーシ
ュートを生じさせる。この効果を減少させるために、ＤＡＣシステムは、上昇ま
たは低下する流体温度の変化率が所定範囲を超えたときにより多くのまたはより
少ない電力を加熱要素に印加する。加えて、ＤＡＣシステムは、設定点からの流
体温度差の関数として加熱要素への電力を増大または減少する。
【００１２】 よって、本発明の１つの観点によれば、流体ヒータのための制御システムが提
供される。流体ヒータは、入口と出口を有するハウジングと、ハウジングを通過
する少なくとも１つの流体通路と、流体通路に近接し流体通路を流れる動作流体
を加熱するための加熱素子とを備える。制御システムは、入口における流体の温
度を決定する入口温度センサと、流体通路を流れる流体の流速を決定する流速セ
ンサと、電力源と加熱要素との間に接続される切換装置とを備える。コントロー
ラは、温度センサ、流速センサ、および切換装置と通信する。コントローラは、
入口温度センサおよび流速センサからの入力に基づいて第１の電力値を決定する
第１のメカニズムを含み、第１の電力値は動作流体を設定点温度まで加熱するた
めに必要とされる電力レベルを示す。第２のメカニズムは、加熱要素に印加され
ている実際の電力レベルを示す第２の電力値を決定し、第３のメカニズムは第１
の電力値と第２の電力値との差に基づいて切換装置を制御する。
供される。流体ヒータは、入口と出口を有するハウジングと、ハウジングを通過
する少なくとも１つの流体通路と、流体通路に近接し流体通路を流れる動作流体
を加熱するための加熱素子とを備える。制御システムは、入口における流体の温
度を決定する入口温度センサと、流体通路を流れる流体の流速を決定する流速セ
ンサと、電力源と加熱要素との間に接続される切換装置とを備える。コントロー
ラは、温度センサ、流速センサ、および切換装置と通信する。コントローラは、
入口温度センサおよび流速センサからの入力に基づいて第１の電力値を決定する
第１のメカニズムを含み、第１の電力値は動作流体を設定点温度まで加熱するた
めに必要とされる電力レベルを示す。第２のメカニズムは、加熱要素に印加され
ている実際の電力レベルを示す第２の電力値を決定し、第３のメカニズムは第１
の電力値と第２の電力値との差に基づいて切換装置を制御する。
【００１３】 本発明の第２の観点によれば、流体ヒータの制御方法が記載される。流体ヒー
タは、入口および出口を有するハウジングと、ハウジングを通過する少なくとも
１つの流体通路と、流体通路に近接し流体通路を流れる動作流体を加熱する加熱
要素と、電力源と加熱要素との間に接続される切換装置とを備える。その方法は
、（ａ）入口における動作流体の温度を測定する工程と、（ｂ）流体通路を流れ
る動作流体の流速を測定する工程と、（ｃ）入口における動作流体の温度と入口
を通じて流れる動作流体の流速とに基づいて第１の電力値を決定する工程であっ
て、第１の電力値は動作流体を第１の温度設定点まで加熱するのに必要な電力レ
ベルを示す工程と、（ｄ）加熱要素に印加されている実際の電力レベルを示す第
２の電力値を測定する工程と、および、（ｅ）第１の電力値と第２の電力値との
間の差に基づいて切換装置を制御する工程とを有する。
タは、入口および出口を有するハウジングと、ハウジングを通過する少なくとも
１つの流体通路と、流体通路に近接し流体通路を流れる動作流体を加熱する加熱
要素と、電力源と加熱要素との間に接続される切換装置とを備える。その方法は
、（ａ）入口における動作流体の温度を測定する工程と、（ｂ）流体通路を流れ
る動作流体の流速を測定する工程と、（ｃ）入口における動作流体の温度と入口
を通じて流れる動作流体の流速とに基づいて第１の電力値を決定する工程であっ
て、第１の電力値は動作流体を第１の温度設定点まで加熱するのに必要な電力レ
ベルを示す工程と、（ｄ）加熱要素に印加されている実際の電力レベルを示す第
２の電力値を測定する工程と、および、（ｅ）第１の電力値と第２の電力値との
間の差に基づいて切換装置を制御する工程とを有する。
【００１４】 本発明の第３の観点によれば、流体加熱システムが記載される。その流体加熱
システムは、入口および出口を有するハウジングと、ハウジングを通る少なくと
も１つの流体通路と、流体通路を流れる動作流体を加熱するための流体通路の近
傍に配置された加熱要素と、を有する流体ヒータを備える。また、その流体加熱
システムは、加熱要素に印加されている電力レベルを示す実際の電力値を決定す
る第１のメカニズムと、ユーザが選択可能なプリセット流体温度と実質的に等し
い出口流体温度を達成するために要求される電力レベルを示す必要電力値を決定
する第２のメカニズムと、および実際の電力値と必要電力値の間のオフセットに
基づいて加熱要素に印加される電力を調整する調整メカニズムとを有する。
システムは、入口および出口を有するハウジングと、ハウジングを通る少なくと
も１つの流体通路と、流体通路を流れる動作流体を加熱するための流体通路の近
傍に配置された加熱要素と、を有する流体ヒータを備える。また、その流体加熱
システムは、加熱要素に印加されている電力レベルを示す実際の電力値を決定す
る第１のメカニズムと、ユーザが選択可能なプリセット流体温度と実質的に等し
い出口流体温度を達成するために要求される電力レベルを示す必要電力値を決定
する第２のメカニズムと、および実際の電力値と必要電力値の間のオフセットに
基づいて加熱要素に印加される電力を調整する調整メカニズムとを有する。
【００１５】 本発明の１つの長所は、ユーザが選択可能な設定点流体温度を達成するために
要求される電力量に影響を与える因子を少なくとも実質的にリアルタイムで決定
することにより、負荷（すなわち、流体の流れ）の変化に瞬時に応答するインラ
インヒータと共に使用する新規で改善された温度制御システムを提供することに
ある。
要求される電力量に影響を与える因子を少なくとも実質的にリアルタイムで決定
することにより、負荷（すなわち、流体の流れ）の変化に瞬時に応答するインラ
インヒータと共に使用する新規で改善された温度制御システムを提供することに
ある。
【００１６】 本発明の別の長所は、加熱要素に印加されている実際の電力を決定し、実際の
電力を設定点温度を達成するのに必要な理論的電力レベルと比較し、そして実際
の電力を調整して設定点流体温度を達成する温度制御システムを提供することに
ある。
電力を設定点温度を達成するのに必要な理論的電力レベルと比較し、そして実際
の電力を調整して設定点流体温度を達成する温度制御システムを提供することに
ある。
【００１７】 本発明のさらに別の長所は、加熱要素の電圧降下、加熱要素を流れる電流レベ
ル、加熱要素の動作温度、および／または加熱要素の動作抵抗などの動作パラメ
ータに基づいて、加熱要素に印加される電力を調整する温度制御システムを提供
することにある。
ル、加熱要素の動作温度、および／または加熱要素の動作抵抗などの動作パラメ
ータに基づいて、加熱要素に印加される電力を調整する温度制御システムを提供
することにある。
【００１８】 本発明のさらに別の長所は、加熱要素に印加される電力を、流体温度変化率の
関数として増減することにより熱的遅延を補正する温度制御を提供することにあ
る。
関数として増減することにより熱的遅延を補正する温度制御を提供することにあ
る。
【００１９】 本発明のさらに別の長所は、加熱要素に印加される電力を、プログラム可能な
設定点温度からの温度オフセットまたは温度差の関数として増減することにより
熱的遅延を補正する温度制御を提供することにある。
設定点温度からの温度オフセットまたは温度差の関数として増減することにより
熱的遅延を補正する温度制御を提供することにある。
【００２０】 本発明のさらに他の長所は、以下の好適な実施形態の詳細な説明を読み、理解
することにより当業者に明確となるであろう。
することにより当業者に明確となるであろう。
【００２１】
本発明は種々の構成要素および構成要素の配列および種々の工程および工程の
配列の形態とすることができる。図面は本発明の好適な実施形態を示すのみの目
的であり、本発明を限定するものと解釈すべきではない。
配列の形態とすることができる。図面は本発明の好適な実施形態を示すのみの目
的であり、本発明を限定するものと解釈すべきではない。
【００２２】 いくつかの好適な実施形態を示すが本発明を限定するものとは解すべきでない
図面を参照すると、図１は例示的なＵＰＤＩ流体ヒータＡの要求予測制御システ
ム（ＤＡＣ）１０を示す。しかし、本発明の温度制御システムは他の種類の流体
ヒータや加熱すべき他の種類の流体とともに使用することができることが当業者
には理解される。
図面を参照すると、図１は例示的なＵＰＤＩ流体ヒータＡの要求予測制御システ
ム（ＤＡＣ）１０を示す。しかし、本発明の温度制御システムは他の種類の流体
ヒータや加熱すべき他の種類の流体とともに使用することができることが当業者
には理解される。
【００２３】 ＤＡＣシステム１０は、マイクロプロセッサを基礎とした中央処理ユニット（
ＣＰＵ）と、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏなどの補助回路および／またはデバイス（
図示せず）などの従来のハードウェアを含むコントローラ１２を備える。ユーザ
はキーボードやキーパッドなどのインターフェース１６を通じてコントローラと
通信することができる。ＤＡＣシステム１０は流体ヒータＡのための温度制御を
提供する。流体ヒータＡは、ＵＰＤＩ水の供給部２２と、半導体デバイスの製造
中に加熱したＵＰＤＩを使用するプロセス機器２４との間に直列的に配置される
。
ＣＰＵ）と、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏなどの補助回路および／またはデバイス（
図示せず）などの従来のハードウェアを含むコントローラ１２を備える。ユーザ
はキーボードやキーパッドなどのインターフェース１６を通じてコントローラと
通信することができる。ＤＡＣシステム１０は流体ヒータＡのための温度制御を
提供する。流体ヒータＡは、ＵＰＤＩ水の供給部２２と、半導体デバイスの製造
中に加熱したＵＰＤＩを使用するプロセス機器２４との間に直列的に配置される
。
【００２４】 流体ヒータＡは、ＵＰＤＩ水供給部２２に接続された流体入口２８とプロセス
機器２４に接続された流体出口３０とを有するハウジング２６とを備える。少な
くとも１つの流体通路３２が流体入口２８と流体出口３０の間をハウジング２６
を通って延びる。また、加熱エレメント３４も、密閉または隔離されてはいるも
のの、流体通路３２の近傍でハウジング２６内を通って延びる。記述されている
実施形態では、加熱要素３４は、電力源３８と接地電位４０との間に切換可能に
接続されたニクロム（NiCr）抵抗線などの抵抗線３６を含む。抵抗線３６は導電
、対流、および／または放射により、流体通路３２を通って流れる流体を加熱す
る。ニクロム線３６の公称動作温度は、華氏約1700度（摂氏927度）の最大動作 温度評価で華氏約1400〜1450度（摂氏760〜788度）である。加熱線３６は、ヒー
タの設計および要求される出力電力に基づいて周囲温度から最大動作温度（例え
ば華氏1700度／摂氏927度）まで変化可能であることが理解されるべきである。
機器２４に接続された流体出口３０とを有するハウジング２６とを備える。少な
くとも１つの流体通路３２が流体入口２８と流体出口３０の間をハウジング２６
を通って延びる。また、加熱エレメント３４も、密閉または隔離されてはいるも
のの、流体通路３２の近傍でハウジング２６内を通って延びる。記述されている
実施形態では、加熱要素３４は、電力源３８と接地電位４０との間に切換可能に
接続されたニクロム（NiCr）抵抗線などの抵抗線３６を含む。抵抗線３６は導電
、対流、および／または放射により、流体通路３２を通って流れる流体を加熱す
る。ニクロム線３６の公称動作温度は、華氏約1700度（摂氏927度）の最大動作 温度評価で華氏約1400〜1450度（摂氏760〜788度）である。加熱線３６は、ヒー
タの設計および要求される出力電力に基づいて周囲温度から最大動作温度（例え
ば華氏1700度／摂氏927度）まで変化可能であることが理解されるべきである。
【００２５】 第１の温度センサ４２は、流体入口２８の近傍に配置され、入力ライン４４を
通じてコントローラ１２と接続される。温度センサ４２は流体ヒータＡへ流れ込
む流体の温度を測定し、または決定する。結果として得られる入口温度値はコン
トローラが使用することができる。第２の温度センサ４６は、流体出口３０の近
傍に配置され、入力ライン４８を通じてコントローラ１２と接続される。温度セ
ンサ４６は、流体ヒータＡから流出する流体の温度を測定し、または決定する。
通じてコントローラ１２と接続される。温度センサ４２は流体ヒータＡへ流れ込
む流体の温度を測定し、または決定する。結果として得られる入口温度値はコン
トローラが使用することができる。第２の温度センサ４６は、流体出口３０の近
傍に配置され、入力ライン４８を通じてコントローラ１２と接続される。温度セ
ンサ４６は、流体ヒータＡから流出する流体の温度を測定し、または決定する。
【００２６】 流速センサ５０は、入力ライン５２を通じてコントローラと接続され、流体通
路３２を流れる流体の速度を測定し、または決定する。抵抗線３６を流れる電流
レベルを決定するためのアンペアセンサ５４または他の装置は、入力ライン５６
を通じてコントローラ１２に接続される。抵抗線３６にわたる電圧降下を決定す
るための電圧センサ５８または他の装置は、入力ライン６０を通じてコントロー
ラに接続される。抵抗線３６の抵抗値を決定するための抵抗センサ６２または他
の装置は、入力ライン６４を通じてコントローラに接続される。
路３２を流れる流体の速度を測定し、または決定する。抵抗線３６を流れる電流
レベルを決定するためのアンペアセンサ５４または他の装置は、入力ライン５６
を通じてコントローラ１２に接続される。抵抗線３６にわたる電圧降下を決定す
るための電圧センサ５８または他の装置は、入力ライン６０を通じてコントロー
ラに接続される。抵抗線３６の抵抗値を決定するための抵抗センサ６２または他
の装置は、入力ライン６４を通じてコントローラに接続される。
【００２７】 切換装置６６は抵抗線３６に対する電力の印加を制御する。切換装置６６の制
御端子は出力制御ライン６８を通じてコントローラ１２に接続される。切換装置
６６は、抵抗線３６に印加されている電力の時間ベースのデューティサイクル制
御を提供するシリコン制御整流素子などの固体リレーとすることができる。しか
し、他の時間ベース、電圧ベース。または電流ベースの装置を使用して、コント
ローラ１２からの制御信号により抵抗線３６に印加される電力を制御することが
できることも理解される。熱電対などの第３の温度センサ７０は、抵抗線３６の
動作温度を測定または決定し、入力ライン７２を通じてコントローラに接続され
る。
御端子は出力制御ライン６８を通じてコントローラ１２に接続される。切換装置
６６は、抵抗線３６に印加されている電力の時間ベースのデューティサイクル制
御を提供するシリコン制御整流素子などの固体リレーとすることができる。しか
し、他の時間ベース、電圧ベース。または電流ベースの装置を使用して、コント
ローラ１２からの制御信号により抵抗線３６に印加される電力を制御することが
できることも理解される。熱電対などの第３の温度センサ７０は、抵抗線３６の
動作温度を測定または決定し、入力ライン７２を通じてコントローラに接続され
る。
【００２８】 要求予測制御システム１０は、広範囲の負荷に対して正確な温度制御を提供す
る。ここで使用する用語「負荷」は流体ヒータ、特に流体通路３２を通って流れる
流体の速度を意味し、例えばガロン／分（ＧＰＭ）である。動作時には、システ
ムのユーザは入力装置１６を使用して望ましい動作温度または設定点をコントロ
ーラ１２に入力する。後に詳しく述べるが、設定点が入力されると、コントロー
ラは、（１）１つ以上のセンサにより測定または決定された入力値を使用するこ
とにより、負荷を設定点温度へ持っていくために要求される電力を決定し、（２
）抵抗線３６に実際に印加されている実際の電力を決定し、（３）実際の電力を
、設定点温度を達成するために必要な理論的電力レベルと比較し、（４）その後
に抵抗線に印加される実際の電力をリアルタイムで継続的に調整して、流体ヒー
タの出口３０で設定点流体温度を達成する。
る。ここで使用する用語「負荷」は流体ヒータ、特に流体通路３２を通って流れる
流体の速度を意味し、例えばガロン／分（ＧＰＭ）である。動作時には、システ
ムのユーザは入力装置１６を使用して望ましい動作温度または設定点をコントロ
ーラ１２に入力する。後に詳しく述べるが、設定点が入力されると、コントロー
ラは、（１）１つ以上のセンサにより測定または決定された入力値を使用するこ
とにより、負荷を設定点温度へ持っていくために要求される電力を決定し、（２
）抵抗線３６に実際に印加されている実際の電力を決定し、（３）実際の電力を
、設定点温度を達成するために必要な理論的電力レベルと比較し、（４）その後
に抵抗線に印加される実際の電力をリアルタイムで継続的に調整して、流体ヒー
タの出口３０で設定点流体温度を達成する。
【００２９】 引き続き図１を参照し、特に図２を参照すると、キロワット（kW）で測定され
、負荷を設定点温度まで持っていくために必要な電力は以下の式により決定され
る（ブロック１００）：
、負荷を設定点温度まで持っていくために必要な電力は以下の式により決定され
る（ブロック１００）：
【００３０】
【００３１】 ここで、kWneededは負荷を設定点温度まで上げるために必要な電力であり、ｘは
毎秒のガロン数（GPM）でセンサ５０により決定される流速であり（ブロック１ ０２）、SPはコントローラ内にプログラムされた設定点温度であり（ブロック１
０４）、Ｔinletはセンサ４２により決定された入口流体温度である（ブロック １０６）。
毎秒のガロン数（GPM）でセンサ５０により決定される流速であり（ブロック１ ０２）、SPはコントローラ内にプログラムされた設定点温度であり（ブロック１
０４）、Ｔinletはセンサ４２により決定された入口流体温度である（ブロック １０６）。
【００３２】 抵抗線３６に供給されている実際の電力（キロワット）は以下の式により決定
される（ブロック１０８）：
される（ブロック１０８）：
【００３３】
【００３４】 ここで、kWusedは抵抗線３６に印加されている電力であり、Ｉは電流センサ５４
により決定される抵抗線３６を流れる電流（アンペア）であり、Ｖは電圧センサ
５８により決定される抵抗線３６の電圧降下である。抵抗線に印加される実際の
電力を計算するこの方法は普遍的なヒータへの適用を可能とし、以下にさらに説
明するように、使用される各種類の抵抗について温度／抵抗曲線またはルックア
ップテーブルを規定する必要がない。
により決定される抵抗線３６を流れる電流（アンペア）であり、Ｖは電圧センサ
５８により決定される抵抗線３６の電圧降下である。抵抗線に印加される実際の
電力を計算するこの方法は普遍的なヒータへの適用を可能とし、以下にさらに説
明するように、使用される各種類の抵抗について温度／抵抗曲線またはルックア
ップテーブルを規定する必要がない。
【００３５】 特に、抵抗線３６に印加される実際の電力を決定するための多少正確性が低く
低コストの方法は（ブロック１１２）、まず温度センサ７０などにより抵抗線の
温度を決定することである。測定された温度値は、使用される特定の種類の抵抗
線についての既知の温度対抵抗曲線、ルックアップテーブル、またはその曲線を
示す４次多項式と比較することができる。すなわち、抵抗線３６の抵抗はその動
作温度の関数である。抵抗値が決定されると、それは以下の式にしたがって設計
値と比較することができる。
低コストの方法は（ブロック１１２）、まず温度センサ７０などにより抵抗線の
温度を決定することである。測定された温度値は、使用される特定の種類の抵抗
線についての既知の温度対抵抗曲線、ルックアップテーブル、またはその曲線を
示す４次多項式と比較することができる。すなわち、抵抗線３６の抵抗はその動
作温度の関数である。抵抗値が決定されると、それは以下の式にしたがって設計
値と比較することができる。
【００３６】
【００３７】 ここで、ｋＷusedは抵抗線３６に印加されている電力であり、Ｖはユーザが入力
したプログラム値からの電力出力の割合により決定される。そして電力出力はそ
れにしたがって調整される。
したプログラム値からの電力出力の割合により決定される。そして電力出力はそ
れにしたがって調整される。
【００３８】 すなわち、ユーザは抵抗線３６が定格温度で動作している時に抵抗線３６の定
格電力を示す値をコントローラ１２へ入力することができる。周囲室温における
抵抗線３６の抵抗は、典型的に以下の式から計算される値より５〜１０％低い。
格電力を示す値をコントローラ１２へ入力することができる。周囲室温における
抵抗線３６の抵抗は、典型的に以下の式から計算される値より５〜１０％低い。
【００３９】
【００４０】 例えば、５０kW、４８０ボルトの抵抗線について、単相電力についての実際の
抵抗値は約４．６０８オームである。しかし、NiCr線について「常温（cold）」
定数を使用すると、設計抵抗は４．３６７オームにすぎない。抵抗値が温度によ
り変化しないならば、４８０ボルトにおける電力は５２．７６kWとなるであろう
。印加電圧がコントローラ１２により減少されると、抵抗線の温度は低下し、抵
抗値は下がる。説明の簡単のため、必要な電力はヒータ容量の１／４であると仮
定する。式（４）のオームの法則に従うと、それは平方関数であるので、１／２
の電圧は１／４の電力を生じさせる。しかし、２４０２／４．４８７＝１２．８
３６ｋＷであり、設定点温度を達成するために必要なより０．３００ｋＷ多い。
抵抗値（４．４８７）は常温抵抗値と設計抵抗値の間となることに注意すべきで
ある（実際の値はNiCrのルックアップテーブルから決定される）。この関数は電
力の割合の関数として電圧を単純に変化させることにより誤差を補正する。
抵抗値は約４．６０８オームである。しかし、NiCr線について「常温（cold）」
定数を使用すると、設計抵抗は４．３６７オームにすぎない。抵抗値が温度によ
り変化しないならば、４８０ボルトにおける電力は５２．７６kWとなるであろう
。印加電圧がコントローラ１２により減少されると、抵抗線の温度は低下し、抵
抗値は下がる。説明の簡単のため、必要な電力はヒータ容量の１／４であると仮
定する。式（４）のオームの法則に従うと、それは平方関数であるので、１／２
の電圧は１／４の電力を生じさせる。しかし、２４０２／４．４８７＝１２．８
３６ｋＷであり、設定点温度を達成するために必要なより０．３００ｋＷ多い。
抵抗値（４．４８７）は常温抵抗値と設計抵抗値の間となることに注意すべきで
ある（実際の値はNiCrのルックアップテーブルから決定される）。この関数は電
力の割合の関数として電圧を単純に変化させることにより誤差を補正する。
【００４１】 抵抗線３６に印加されている実際の電力を決定するためにさらに別の方法を使
用することができる。特に、ブロック１１０に示すように、センサ５８により測
定される抵抗線３６の電圧降下、およびセンサ６２により測定される抵抗線３６
の抵抗値の両方を少なくとも実質的にリアルタイムに決定することができる。し
たがって、印加電力は上記の式（２）により決定することができる。
用することができる。特に、ブロック１１０に示すように、センサ５８により測
定される抵抗線３６の電圧降下、およびセンサ６２により測定される抵抗線３６
の抵抗値の両方を少なくとも実質的にリアルタイムに決定することができる。し
たがって、印加電力は上記の式（２）により決定することができる。
【００４２】 ブロック１０８、１１０または１１２のいずれかで決定された、抵抗線３６へ
印加されている電力を、ブロック１００で決定された、負荷を設定点へ移動させ
るために必要な電力と比較することにより、差の値を得ることができる（ブロッ
ク１１４）。差の値は、抵抗線３６へ印加されている電力の割合の増加または減
少の面から表現することができる。したがって、抵抗線３６へ印加されている電
力（ブロック１１６）は部分的にブロック１１４で得られた差の値に基づいて調
整される（ブロック１１８）。
印加されている電力を、ブロック１００で決定された、負荷を設定点へ移動させ
るために必要な電力と比較することにより、差の値を得ることができる（ブロッ
ク１１４）。差の値は、抵抗線３６へ印加されている電力の割合の増加または減
少の面から表現することができる。したがって、抵抗線３６へ印加されている電
力（ブロック１１６）は部分的にブロック１１４で得られた差の値に基づいて調
整される（ブロック１１８）。
【００４３】 要求される全てのパラメータを決定し、必要な電力を決定することは、ヒータ
システムの能力内のあらゆる負荷に対して正確な温度制御を維持するための迅速
な補正をもたらす。システムはこれらの変化に応答することができるが、システ
ムの熱的遅延は、小さい負荷から大きな負荷へ移行する時に温度の低下を生じさ
せ、逆に大きな負荷から小さい負荷へ移行する時にオーバーシュートを生じさせ
る。この効果を減少させるために、上昇または低下する流体温度の変化率が許容
可能な範囲を超えた時にＤＡＣシステム１０は抵抗線に印加されている電力を調
整する。
システムの能力内のあらゆる負荷に対して正確な温度制御を維持するための迅速
な補正をもたらす。システムはこれらの変化に応答することができるが、システ
ムの熱的遅延は、小さい負荷から大きな負荷へ移行する時に温度の低下を生じさ
せ、逆に大きな負荷から小さい負荷へ移行する時にオーバーシュートを生じさせ
る。この効果を減少させるために、上昇または低下する流体温度の変化率が許容
可能な範囲を超えた時にＤＡＣシステム１０は抵抗線に印加されている電力を調
整する。
【００４４】 特に、ＤＡＣシステム１０は、入口の流体温度と出口の流体温度の間の温度変
化率の関数として、抵抗線３６に印加される電力を増大または減少させる（ブロ
ック１２０）。流体温度変化率が、ユーザがプログラムできるまたは工場の設定
点より大きいならば（ブロック１２２）、抵抗線に印加される電力は、変化速度
が所定範囲内まで減少するまで減少する（ステップ１２４）。流体の温度変化率
が、ユーザがプログラム可能なまたは工場の設定点より小さいならば（ブロック
１２６）、抵抗線３６に印加される電力は、変化率が所定範囲内へ増加するまで
増加する（ブロック１２８）。流体の温度変化率が許容範囲内であることが決定
されると（ブロック１３０）、抵抗線３６に印加される電力は、必要電力（ブロ
ック１１４）と実際の電力（ブロック１０８、１１０または１１２）（ブロック
１３２）の間の割合差に基づいて再度継続的に調整される。
化率の関数として、抵抗線３６に印加される電力を増大または減少させる（ブロ
ック１２０）。流体温度変化率が、ユーザがプログラムできるまたは工場の設定
点より大きいならば（ブロック１２２）、抵抗線に印加される電力は、変化速度
が所定範囲内まで減少するまで減少する（ステップ１２４）。流体の温度変化率
が、ユーザがプログラム可能なまたは工場の設定点より小さいならば（ブロック
１２６）、抵抗線３６に印加される電力は、変化率が所定範囲内へ増加するまで
増加する（ブロック１２８）。流体の温度変化率が許容範囲内であることが決定
されると（ブロック１３０）、抵抗線３６に印加される電力は、必要電力（ブロ
ック１１４）と実際の電力（ブロック１０８、１１０または１１２）（ブロック
１３２）の間の割合差に基づいて再度継続的に調整される。
【００４５】 また、ＤＡＣシステム１０は、設定点からの流体温度差（例えば温度オフセッ
ト）の関数として、加熱エレメントへ印加される電力を増大または減少させるこ
とができる。すなわち、設定点値は、温度センサ４６により測定される出口３０
での流体の温度と比較される（ブロック１４０）。
ト）の関数として、加熱エレメントへ印加される電力を増大または減少させるこ
とができる。すなわち、設定点値は、温度センサ４６により測定される出口３０
での流体の温度と比較される（ブロック１４０）。
【００４６】 出口の温度が所定の差レベル（ブロック１４２）がプリセットされた差レベル
（ユーザが選択可能または工場によるプリセット）以上に設定点より小さいなら
ば、抵抗線３６に印加される電力は、オフセットが所定範囲内まで減少されるま
で増加される（ブロック１４４）。出口の温度がプリセットされた差レベル（ブ
ロック１４６）以上に設定点より大きいならば、抵抗線３６に印加される電力は
、オフセットが所定範囲内まで減少するまで減少する（ブロック１４８）。出口
の温度が設定点の許容範囲内であることが決定されると（ブロック１５０）、電
力レベルは必要電力（ブロック１１４）と実際の電力（ブロック１０８、１１０
または１１２）の間の割合差に基づいて再度調整される（ブロック１５２）。
（ユーザが選択可能または工場によるプリセット）以上に設定点より小さいなら
ば、抵抗線３６に印加される電力は、オフセットが所定範囲内まで減少されるま
で増加される（ブロック１４４）。出口の温度がプリセットされた差レベル（ブ
ロック１４６）以上に設定点より大きいならば、抵抗線３６に印加される電力は
、オフセットが所定範囲内まで減少するまで減少する（ブロック１４８）。出口
の温度が設定点の許容範囲内であることが決定されると（ブロック１５０）、電
力レベルは必要電力（ブロック１１４）と実際の電力（ブロック１０８、１１０
または１１２）の間の割合差に基づいて再度調整される（ブロック１５２）。
【００４７】 本発明を好適な実施形態を参照して説明してきた。明らかに、上記の詳細な説
明を読み、理解することにより他の修正および変形が生じうる。そのような修正
および変形が添付の請求の範囲およびその均等物の範囲内にある限り、本発明は
そのような全ての修正や変形を含むと解釈されることが意図される。
明を読み、理解することにより他の修正および変形が生じうる。そのような修正
および変形が添付の請求の範囲およびその均等物の範囲内にある限り、本発明は
そのような全ての修正や変形を含むと解釈されることが意図される。
【図１】 本発明の形態を取り入れた、流体ヒータのための温度制御システムの単純化し
たブロック図である。
たブロック図である。
【図２】 図１の温度制御システムの動作フロー図である。
Claims (20)
- 【請求項１】 入口と出口を有するハウジングと、該ハウジングを通る少な
くとも１つの流体通路と、該流体通路に近接し流体通路を流れる動作流体を加熱
するための加熱要素とを備える流体ヒータ用制御システムにおいて、 前記入口における動作流体の温度を決定する入口温度センサと、 前記流体通路を流れる動作流体の速度を決定する流速センサと、 電力源と加熱要素との間に接続された切換装置と、 前記温度センサ、前記流速センサおよび前記切換装置と通信するコントローラ
とを備え、前記コントローラは、 前記入口温度センサと前記流速センサからの入力に基づいて第１の電力値を決
定する第１手段であって、前記第１の電力値は動作流体を設定点温度まで加熱す
るために必要な電力レベルを示す第１手段と、 前記加熱要素に印加されている実際の電力レベルを示す第２の電力値を決定す
る第２手段と、 第１の電力値と第２の電力値との間の差に基づいて切換装置を制御する第３手
段と、を備えた制御システム。 - 【請求項２】 前記加熱要素は抵抗性加熱要素である請求項１に記載の制御
システム。 - 【請求項３】 前記抵抗性加熱要素を流れる電流レベルを決定する電流セン
サと、 前記抵抗性加熱要素の電圧降下を決定する電圧センサとを備え、前記第２手段
は電流センサと電圧センサからの入力に基づいて第２の電力値を決定する請求項
２に記載の制御システム。 - 【請求項４】 前記抵抗性加熱要素の動作温度を決定する第２の温度センサ
と、 該第２の温度センサからの入力に基づいて前記抵抗性加熱要素の抵抗値を決定
する手段とを備え、前記第２手段は抵抗値に基づいて第２の電力値を決定する請
求項２に記載の制御システム。 - 【請求項５】 前記抵抗性加熱要素の抵抗値を決定する抵抗センサと、 前記抵抗性加熱要素の電圧降下を決定する電圧センサとを備え、前記第２手段
は抵抗センサと電圧センサからの入力に基づいて第２の電力値を決定する請求項
２に記載の制御システム。 - 【請求項６】 前記出口における流体の温度を決定する出口温度センサと、 前記コントローラと関連付けられ、前記入口における流体の温度と前記出口に
おける流体の温度との間の変化率が第１の変化率設定点より大きいか第２の変化
率設定点未満の場合に、第３手段を無効にする第４手段とを備える請求項１に記
載の制御システム。 - 【請求項７】 前記出口における流体の温度を決定する出口温度センサと、 前記コントローラと関連付けられ、前記入口における流体の温度と前記出口に
おける流体の温度の差が第１温度差設定点より大きいか第２温度差設定点より小
さい場合に、第３手段を無効とする請求項１に記載の制御システム。 - 【請求項８】 前記切換装置は固体リレーである請求項１に記載の制御シス
テム。 - 【請求項９】 設定点温度を入力するために前記コントローラと通信するユ
ーザインターフェースを備える請求項１に記載の制御システム。 - 【請求項１０】 入口と出口を有するハウジングと、該ハウジングを通る少
なくとも１つの流体通路と、該流体通路に近接し流体通路を流れる動作流体を加
熱するための加熱要素と、電力源と加熱要素との間に接続された切換装置とを備
える流体ヒータの制御方法において、 前記入口における動作流体の温度を測定する工程と、 流体通路を流れる動作流体の流速を測定する工程と、 前記入口における動作流体の温度と該入口を通じて流れる動作流体の流速とに
基づいて第１の電力値を計算する工程であって、第１の電力値は動作流体を第１
の温度設定点まで加熱するのに必要な電力レベルを示す工程と、 前記加熱要素に印加されている実際の電力レベルを示す第２の電力値を測定す
る工程と、 第１の電力値と第２の電力値との間の差に基づいて切換装置を制御する工程と
を有する方法。 - 【請求項１１】 第２の電力値を測定する工程は、 前記加熱要素を流れる電流レベルを測定する工程と、 前記加熱要素の電圧降下を測定する工程と、 前記加熱要素を流れる電流レベルと前記加熱要素の電圧降下とに基づいて第２
の電力レベルを決定する工程とを有する請求項１０に記載の方法。 - 【請求項１２】 第２の電力値を測定する工程は、 前記加熱要素の動作温度を測定する工程と、 前記加熱要素の動作温度に基づいて前記加熱要素の抵抗値を測定する工程と、 前記加熱要素の抵抗値に基づいて第２の電力値を決定する工程とを有する請求
項１０に記載の方法。 - 【請求項１３】 第２の電力値を測定する工程は、 前記加熱要素の抵抗値を測定する工程と、 前記加熱要素の電圧降下を測定する工程と、 前記加熱要素の抵抗値と前記加熱要素の電圧降下とに基づいて第２の電力値を
決定する工程とを有する請求項１０に記載の方法。 - 【請求項１４】 前記出口における動作流体の温度を測定する工程と、 前記入口における流体の温度と該出口における流体の温度との間の変化率が第
１の変化率設定点より大きいか、第２の変化率設定点速度より小さい場合に、切
換装置を制御する工程を無効とする工程とを有する請求項１０に記載の方法。 - 【請求項１５】 前記出口における動作流体の温度を測定する工程と、 前記入口における流体の温度と前記出口における流体の温度との間の温度差が
第１の温度差設定点より大きいか、第２の温度差設定点より小さい場合に、切換
装置を制御する工程を無効とする工程とを有する請求項１０に記載の方法。 - 【請求項１６】 入口および出口を有するハウジングと、ハウジングを通る
少なくとも１つの流体通路と、該流体通路に近接し流体通路を流れる動作流体を
加熱するための加熱要素とを有する流体ヒータと、 該加熱要素に印加されている電力レベルを示す実際の電力値を決定する第１手
段と、ユーザが選択可能なプリセット流体温度と実質的に等しい出口流体温度を
達成するために要求される電力レベルを示す必要電力値を決定する第２手段と、
実際の電力値と必要電力値の間のオフセットに基づいて加熱要素に印加される電
力を調整する調整手段とを有するコントローラとを備える流体加熱システム。 - 【請求項１７】 前記入口における動作流体の温度を決定する入口温度セン
サと、 前記流体通路を流れる流体の流速を決定する流速センサとを備え、 第２手段は前記入口温度センサと前記流速センサからの入力に基づいて必要電
力値を決定する請求項１６に記載の流体加熱システム。 - 【請求項１８】 前記加熱要素を流れる電流レベルを決定する電流センサと
、 前記加熱要素の電圧降下を決定する電圧センサとを備え、 前記第１手段は、前記電流センサと前記電圧センサからの入力に基づいて実際
の電力値を決定する請求項１７に記載の流体加熱システム。 - 【請求項１９】 前記コントローラは、前記入口における流体温度と前記出
口における流体温度との差が第１の温度差設定点より大きいかまたは第２の温度
差設定点より小さい場合に、調整手段を無効とする手段を有する請求項１６に記
載の流体加熱システム。 - 【請求項２０】 前記コントローラは、前記入口における流体温度と前記出
口における流体温度との間の変化率が第１の変化率設定点より大きいかまたは第
２の変化率設定点より小さい場合に、調整手段を無効とする手段を有する請求項
１６に記載の流体加熱システム。
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