JP2006501576A - 回路及びこの回路を含むフォールトトレラントアセンブリ - Google Patents

Abstract

直列接続されたアセンブリに供給されるものと同一電力特性を並列接続された電気抵抗要素に供給する回路が提供される。入力電力源は電気抵抗電力を複数の負荷要素に供給し、複数の負荷要素は互いに並列に接続されている。複数の電力分割器は電源を別々の等しいサブ電力源に分割することにより、各負荷要素に対して１つのサブ電力源が存在するようにし、複数の負荷要素の各々に供給される電力は電力源の電力と等しくする。１つ以上の負荷要素に欠陥があっても残りの負荷要素が動作を続けることを可能にすることにより、その回路に冗長性とフォールトトレラントが与えられる。

Description

（関連出願に対する相互参照）
本出願は、２００２年９月３０日付けで出願された米国仮特許出願第６０／４１４，３４７号に基づいており、これに対する優先権を主張するものである（この内容は、本引用により、本明細書に包含される）。
本発明は、電気回路に関するものである。更に詳しくは、典型的な実施例は、直列配線された対応するアセンブリに提供されるものと同一の電力特性を、並列配線された複数の要素に対して提供する電気回路に関するものである。

以下の本発明の背景説明においては、特定の構造及び方法を参照しているが、この参照を、これらの構造及び方法が、該当する法律条項に鑑み、従来技術であることを承認するものとして解釈してはならない。出願人は、これらの参照された主題が本実施例に関連して従来技術を構成するものではないことを実証する権利を留保するものである。

半導体産業においては、一般に、小型の抵抗加熱要素アセンブリを利用して材料を所望の温度に加熱している。この種のアプリケーションの一例が、高純度のスチームを生成するための水素及び酸素ガスストリームの加熱である。

これらの加熱要素アセンブリは、通常、そのサイズが非常に小さく、標準的な１２０ＶのＡＣ公称電圧で動作するべく設計されている。この物理的なサイズの制約と高電圧の組み合わせのために、抵抗ヒーターには、相対的に小さな直径の線材を選択することになる。そして、このような小さな直径の線材を使用することにより、要素の障害頻度が、結果的に望ましいレベルを上回ることになる。

このような加熱要素アセンブリは、多くの場合に、望ましい電気的特性を得るべく、直列配線された２つの半体セクションから構成されている。即ち、例えば、加熱要素を並列配線すれば、抵抗値が相対的に小さくなり、この結果、それらの要素を適切な温度に加熱するのに、より多くの電力が必要となる。しかしながら、このような一般的な直列接続によってもたらされる結果の１つが、要素の半分に障害が発生した場合に、ユニットの全体が無効になってしまうことである。プロセスの進行中に加熱要素アセンブリの全体障害が発生すれば、潜在的に危険な状態が生じる可能性があると共に、結果的に、その時点で炉内に存在しているプロセス進行中のワークピースを破棄したり、或いは、作業のやり直しが必要となる。このようなロットの破棄や作業のやり直しが効率及び経済性の面において有害な影響を与えることは明らかである。

以上のことから、単一加熱要素の障害によって完全障害が発生することを回避するべく、これら２つの半体の接続を並列構成に変更することが有利であろう。しかしながら、このような直列接続から並列配線構成への変更には、通常、並列接続が直列接続と同一の電気的特性を保持するように（これは、同一の電源制御部を使用できるようにするために必要である）、加熱要素の線材を小さな規格のものに変更することが必要となる。

この問題は、以下の数式及び計算を引用することにより、説明することができる。

即ち、２セクションからなる加熱要素アセンブリの直列及び並列接続を仮定すれば、直列接続の合計抵抗値は、次のとおりである。

Ｒ_s＝Ｒ₁＋Ｒ₂

ここで、Ｒ_sは、直列接続の合計抵抗値であり、Ｒ₁は、第１セクションの抵抗値であり、Ｒ₂は、第２セクションの抵抗値である。一方、並列配線された構成の抵抗値は、次のとおりである。

１／Ｒ_p＝１／Ｒ₁＋１／Ｒ₂

Ｒ_pは、並列接続の合計抵抗値である。第１及び第２セクションの抵抗値が同一である（Ｒ₁＝Ｒ₂）と仮定すれば、上記の式は、次のように単純化することができる。

Ｒ_s＝２Ｒ
１／Ｒ_p＝２／Ｒ
Ｒ_p＝Ｒ／２

従って、直列及び並列接続の抵抗値を等しくするためには、次のようになる。

Ｒ_s＝Ｒ_p
２Ｒ_(s)＝Ｒ_(p)／２
Ｒ_p＝４ × Ｒ_s

即ち、この例においては、直列接続から並列接続に切り替えるには、抵抗値を４倍に増大させなければならないということになる。

そして、次式によれば、この抵抗値は、丸い線材の規格に反比例していることがわかる。

Ｒ＝ρＬ／Ａ＝ρＬ／Πｒ²

ここで、ρは、比抵抗係数であり、Ｌは線材の長さであり、Ａは、線材の断面積であって、ｒは、線材の半径である。従って、線材の断面積の減少が、結果的に、抵抗値の望ましい増大をもたらすことになる。

しかしながら、前述のように、小さな直径の加熱要素を利用すれば、要素アセンブリの寿命と信頼性が大幅に低下することになってしまう。

従って、線材の規格を縮小することなしに、複数の抵抗要素の並列接続を実現するメカニズムを提供することが望ましい。

典型的な実施例においては、前述の問題及び従来技術のその他の関連する問題を解決している。これらの実施例においては、例えば、障害が発生しにくい安定した加熱要素アセンブリを提供しており、加熱要素の１つのセクションに障害が発生した場合にも、アセンブリ全体の障害には発展しない。そして、典型的な実施例によれば、従来の加熱要素アセンブリと比べて、アセンブリの動作寿命の潜在的に大幅な改善と、破棄及び作業のやり直しの発生比率の潜在的に大幅な減少がもたらされる。

一態様によれば、典型的な実施例は、冗長性を確保するべく複数のセクション中において電気加熱負荷を分割し、所与の電力入力レベルにおいて、同一の有効平均電力に戻ることを可能にする回路を提供する。通常は、２つの直列接続された抵抗加熱負荷又は要素セクションに供給されるべく到来する電力を、半波サイクルごとに、加熱負荷の半体に対して時間に比例して分配する。その他の複数の要素セクション用に（並びに、それぞれのサイクル間において複数のサイクルをスキップするように）、この回路を構成することも可能である。これらの実施例によれば、加熱要素の集合体における電力が均衡し、１つ又は複数の要素に障害が発生した場合にも、残りの要素が動作を継続することができる。

実施例においては、交流（ＡＣ）の波の一部を、接続されている複数の装置のそれぞれに対して供給する回路を提供している。一実施例によれば、この回路は整流器から構成されている。更なる実施例によれば、この回路は、少なくとも１つの半導体デバイスから構成されている。更に別の実施例によれば、この回路は、少なくとも１つのシリコン制御整流器（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ：ＳＣＲ）から構成されている。更なる実施例によれば、この回路は、ＳＣＲのペアから構成されている。更なる実施例によれば、この回路は、ＳＣＲモジュールから構成されている。別の実施例によれば、この回路は、複数の端子から構成されている。更に別の実施例によれば、波の一部は、半波から構成されている。

別の態様によれば、典型的な実施例は、電力コントローラ、回路、及び複数の抵抗加熱要素を有するアセンブリを提供している。一実施例によれば、電力コントローラは、標準的な１２０Ｖの公称電圧を有するＡＣ電力源に接続するべく適合されている。尚、この「標準公称電圧」とは、１００Ｖ〜１２５Ｖのレンジなどの１２０Ｖ装置用の標準的な電圧レンジを含むことを意図している。又、実施例は、この新規の機能を損なうことなしに、標準的な公称２２０Ｖ電源、並びにＤＣ電源にも対応している。別の実施例によれば、この回路は、交流の波の一部を、接続されている複数の装置のそれぞれに対して提供する。一実施例によれば、この回路は、整流器から構成されている。更なる実施例によれば、この回路は、少なくとも１つの半導体デバイスから構成されている。

更に別の実施例によれば、この回路は、少なくとも１つのシリコン制御整流器（ＳＣＲ）から構成されている。更なる実施例によれば、この回路は、ＳＣＲのペアから構成されている。別の実施例によれば、この回路は、ＳＣＲモジュールから構成されている。別の実施例によれば、この回路は、複数の端子から構成されている。更に別の実施例によれば、波の一部は半波から構成されている。別の実施例によれば、コントローラは、この回路の第１端子に電気的に接続されており、複数の加熱要素は、この回路の第２（並びに、可能な更なる）端子に電気的に接続されている。別の実施例によれば、合計ＡＣ供給電圧の半分が加熱要素のペアのそれぞれに対して伝達され、このＡＣ供給電圧は、５０％のデューティサイクルに制限される。別の実施例によれば、例えば、回路が３つの負荷要素に対応している場合には、供給電圧は、３３％のデューティサイクルに制限される。このような方式により、典型的な実施例においては、任意の数の負荷要素に対応することができる。

更に別の実施例によれば、１つ又は複数の要素に障害が発生するか又は仕様を逸脱した場合に残りの加熱要素が正しく動作を継続できるように、複数の電気加熱要素を並列で電源に接続している。更なる実施例によれば、電気加熱要素の線材は、同一規格のものから構成されている。更なる別の実施例によれば、交流サイクルの負及び正側の両方において、電力源から電流を均等に引き出している。更なる実施例によれば、この回路は、障害及び／又は仕様条件からの逸脱について通知する警報を生成するべく更に設計されている。更なる実施例によれば、この回路は、１つ又は複数の熱電対と接続並びに通信するためのコンポーネントを含んでいる。

典型的な一実施例は、抵抗電力を互いに並列接続された複数の負荷要素に供給する電力源と、それぞれの負荷要素ごとに１つの電力分割器及び１つのサブ電力源が存在するように電力源を別個の等しいサブ電力源に分割する複数の電力分割器と、を含む並列接続された複数の負荷要素中において電気抵抗負荷を分割する回路に関するものであって、これらの複数の負荷要素のそれぞれに供給される電力は、電力源の電力に等しい。

更なる実施例は、並列接続された複数の負荷要素中において電気抵抗負荷を分割し（これには、電力を互いに並列接続された複数の負荷要素に供給する段階を含んでいる）、それぞれの負荷要素ごとに１つの電力分割器及び１つのサブ電力源が存在するように電力を別個の等しいサブ電力源に分割する方法に関するものであり、これらの複数の負荷要素のそれぞれに供給される電力は、電力源の電力に等しい。

これら及びその他の典型的な実施例の目的及び利点については、添付図面との関連で、典型的な実施例に関する以下の説明を参照することにより、当業者には、明らかとなり、容易に理解されよう。

前述の課題を克服し信頼性を改善するべく、典型的な実施例に従い、回路の設計、構築、及び組立を実行することができる。一実施例においては、制御システムと複数の加熱要素間に補正回路を挿入することにより、比例電源によって複数の負荷に供給するフォールトトレラントアセンブリを提供している。尚、典型的な図面には、２つの負荷要素又は加熱要素が示されているが、典型的な実施例によれば、２つを上回る数の負荷に対しても供給可能であり、それぞれの負荷は、この回路に対する電源と同一の電力を取得することができる。典型的な実施例による回路の１つの特徴は、５０％のデューティサイクルで、それぞれの負荷要素セクションに対して半波ＡＣのみを供給するシリコン制御整流器（ＳＣＲ）である。この特徴により、ＡＣサイクルの正及び負の半サイクルの両方に対して同一の抵抗値が提示されるが、それぞれの半サイクルにおいてエネルギーが供給されるのは、１つの要素のみである。これは、以下の式によって更に示すことができる。

直列接続の有効電力は、次のとおりである。

Ｐ＝Ｖ²（２Ｒ）^-1 × デューティサイクル

ここで、Ｖ＝１２０Ｖであり、Ｒ＝１０Ωであり、デューティサイクルは、１００％である。

Ｐ＝１２０² × （２ｘ１０）^-1Ｗ × １００％デューティサイクル
Ｐ＝１４，４００ × （２０）^-1Ｗ × １００％デューティサイクル
Ｐ＝７２０Ｗ

並列接続の有効電力は、次のとおりである。

Ｐ＝（Ｖ²（Ｒ）^-1） × デューティサイクル

ここで、Ｖ＝１２０Ｖであり、Ｒ＝１０Ωであり、デューティサイクルは５０％である。

Ｐ＝（１２０²ｘ（１０）^-1）Ｗ × ５０％デューティサイクル
Ｐ＝（１４，４００ｘ（１０）^-1）Ｗ × ５０％デューティサイクル
Ｐ＝（１４４０）Ｗ × ５０％デューティサイクル
Ｐ＝７２０Ｗ

典型的な実施例によれば、この並列構成において、ＳＣＲなどの補正回路を通じて同時に電力源に接続されるのは、１つの抵抗要素のみである。先程提示したように、電力は、直列及び並列構成の両方において一定に維持され、それぞれの半体の抵抗値も一定に維持されている。従って、並列構成用の要素の線材の選択も、直列回路設計のものと変化することなく同一であり、これに加え、典型的な実施例の場合には、冗長性の追加という利益を更に有している。採用されているＳＣＲソリューションが全波であるため、コントローラに対して提示される負荷は、依然として単位力率（Ｕｎｉｔ Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ）から構成されており、電流は、正及び負のＡＣ半サイクルの両方において均等に引き出されている。２つの半体間における要素の冗長性によってもたらされるフォールトトレランス機能により、アセンブリの半分に障害が発生した場合にも、残りの半分が動作状態に維持され、障害が発生した加熱要素アセンブリを置換することなしに、プロセスを完了させることが可能であり、この結果、進行中の作業の破棄を回避することができる。通常、要素の半分に障害が発生した際のように５０％の電力のみで稼働しても、プロセスを完了させることが可能である。

次に図１を参照すれば、抵抗負荷に対して時間に比例して電力を供給するための半サイクルによる電力均衡について示す正弦波の形態のグラフィカルな表現が示されている。例えば、図１Ｃは、既存の直列接続を示しており、この場合には、要素の２つの半体のそれぞれが、すべての半サイクルにおいて電力の５０％を取得しており、結果的に、２つの半体は、この抵抗要素に対する所望の電力と等しくなっている。一方、図１Ｄは、典型的な実施例の補正回路なしに、２つの抵抗要素を並列接続した場合の効果を示している。この場合には、それぞれの半体が所望の電力の２倍を生成しており、この結果、合計電力は、目標電力レベルの４倍となり、回路に過負荷がかかることになろう。一方、図１Ｅは、典型的な実施例において、１つの半体が、所望の電力の２倍の第１半サイクルを取得し、次いで、次の３つの半サイクルにおいてオフとなることを示している。図１Ｆは、要素アセンブリの第２の半体を示しており、これは、第２の半サイクルを取得した後に、次の３つの半サイクルにおいてオフとなる。そして、図１Ｇは、典型的な実施例による各半サイクルにおける時間比例した電力均衡を示しており、本来の所望の電力レベルと一致する合計平均電力が供給されている。

図３は、並列接続された複数の負荷要素において抵抗負荷を分割する典型的な回路の概念図を示している。入力電源又は電力源が、参照符号３００によって示されており、この入力電源を半サイクルで分割し、典型的な負荷３０２に印加している。尚、この図３には、加熱要素などの抵抗負荷３０２として、２つのみが示されているが、典型的な実施例は、２つを上回る数の抵抗負荷に対応することが可能であり、入力電源は、存在する負荷要素３０２の数と同一の数の部分に分割されることになる。この電源の分割は、ＡＣ時間比例波形による補正回路によって実行することができる。或いは、この代わりに、この電源の分割は、ＡＣ位相制御によるものであってもよい。尚、並列接続された負荷要素３０２に分割電源を割り当てるべく追加されたシリコン制御整流器（ＳＣＲ）が、参照符号３０４によって示されている。

この図示の回路に対する更なる機能拡張を想定可能であり、これには、要素に障害が発生したこと、並びにその要素がどれであるのかを通知する独立した警報が含まれる。これにより、問題について技術者に警告するメカニズムが提供されることになる。そして、この信号を使用して２つの熱電対の中の１つを選択することにより、冗長性を更に機能拡張することができる（この場合には、加熱要素アセンブリの半分のみで稼働している際に、可能な最良の制御フィードバックを付与するべく、それぞれの熱電対は要素アセンブリの１つのセクション内に設置することになろう）。

以上、本発明の好適な実施例について、図示並びに説明したが、当業者であれば、本発明の原理と精神を逸脱することなしに、これらの実施例に変更を加えることが可能であることを理解するであろう。本発明の範囲は、添付の請求項並びにその等価物に定義されているとおりである。

図１Ａ−１Ｇからなり、直列構成におけると同一の電力をそれぞれの負荷要素を通じて引き出すための並列接続負荷のインピーダンス整合を示す正弦波によるグラフィカルな表現である。 典型的な実施例によって構築された回路と、これに接続されたアセンブリの任意選択の周辺コンポーネントの概略図である。 典型的な実施例に従って、複数の負荷セクション中において電気負荷を比例分割する回路の概念的な概略図である。 典型的な実施例によって構成された回路の配線図である。 典型的な実施例を内蔵する機械的アセンブリの図である。

Claims (16)

1. 並列接続された複数の負荷要素中において電気抵抗負荷を分割する回路において、
   複数の負荷要素に抵抗電力を供給する電力源であって、前記複数の負荷要素は、互いに並列接続されている、電力源と、
   それぞれの負荷要素ごとに１つの電力分割器と１つのサブ電力源が存在するように、前記電力源を別個の等しいサブ電力源に分割する複数の電力分割器と、
   を有し、
   前記複数の負荷要素のそれぞれに供給される電力は、前記電力源の電力と等しい回路。
2. 前記電力源は、公称１２０ＶのＡＣ電流である請求項１記載の回路。
3. 前記電力源は、公称２２０ＶのＡＣ電流である請求項１記載の回路。
4. 前記電力源は、ＤＣ電流である請求項１記載の回路。
5. 前記複数の要素は、２つ以上の加熱要素を有する請求項１記載の回路。
6. 前記複数の電力分割器のそれぞれは、シリコン制御整流器を有する請求項１記載の回路。
7. 前記抵抗負荷要素の数は、２つである請求項１記載の回路。
8. 前記抵抗負荷要素の数は、２つを上回っている請求項１記載の回路。
9. 前記抵抗負荷要素は、フォールトトレラントであり、この結果、１つ又は複数の抵抗負荷要素に障害が発生した場合にも、前記複数の抵抗負荷要素の残りの抵抗負荷要素は、動作を継続することができる請求項１記載の回路。
10. 前記電力分割は、ＡＣ時間比例波形によって実行される請求項１記載の回路。
11. 前記電力分割は、ＡＣ位相制御によって実行される請求項１記載の回路。
12. 前記回路のコンポーネントの１つが仕様を逸脱した際に、警報を起動する警報回路を含んでいる請求項１記載の回路。
13. 前記電力源を時間比例させて、前記電力を前記複数の負荷要素のそれぞれに対する前記サブ電力源に対して整合させる制御回路を含んでいる請求項１記載の回路。
14. 並列接続された複数の負荷要素中において電気抵抗負荷を分割する方法において、
    複数の負荷要素に電力を供給する段階であって、前記複数の負荷要素は、互いに並列接続されている、段階と、
    それぞれの負荷要素ごとに１つの電力分割器と１つのサブ電力源が存在するように、前記電力を別個の等しいサブ電力源に分割する段階と、
    を有し、
    前記複数の負荷要素のそれぞれに供給される前記電力は、前記電力源の電力に等しい方法。
15. 前記電力を時間比例させて、前記電力を前記複数の負荷要素のそれぞれに対する前記サブ電力源に整合させる段階を含む請求項１４記載の方法。
16. 並列接続された複数の加熱要素中において電気抵抗負荷を分割する回路において、
    複数の加熱要素に電力を供給する電源であって、前記複数の加熱要素は、互いに並列接続されている、電源と、
    それぞれの加熱要素ごとに１つのサブ電力源が存在するように、前記電源からの電流を別個の等しいサブ電力源に分割するべく設計された少なくとも１つの補正回路と、
    を有し、
    前記複数の加熱要素のそれぞれに供給される電力は、前記電源からの電力に等しい回路。

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