JP2008244499A - 熱管理システムおよび予測フロー制御を最適化し、シミュレートするためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】好適な熱管理システムを最適化するシステムと方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一つの実施形態は、流体パラメータおよび熱交換器パラメータを含む処理パラメータのセットを受け取るように実行可能なコンピュータ命令を含むコンピュータプログラム製品を含み得る。さらに、命令は、所定の限度未満の目標温度に到達する時間の結果となる処理パラメータのセットを判定するように実行可能であり得る。本発明の別の実施形態に従って、コンピュータ命令のセットは、吐出流体が加熱／冷却流体の予測フロー制御用目標温度に到達する時間を計算し得る。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱管理システムに関する。より特定的には、本発明の実施形態は、熱管理システムを最適化し、シミュレートするためのシステムおよび方法に関する。さらに特定的には、本発明の実施形態は、半導体製造工程システムにおける熱管理サブシステムを最適化し、シミュレートするためのシステムおよび方法に関する。

半導体製造において、吐出流体（ｄｉｓｐｅｎｓｅ ｆｌｕｉｄ）の温度は高度に調整されなければならない。典型的には、半導体製造システム全体の一部である熱管理サブシステムは、吐出流体を加熱か、冷却し所望の温度にするために使用される。典型的な熱管理サブシステムは、吐出流体のタンク、ポンプ、フィルタ、熱交換器およびフローコントローラを含む。動作時、タンクは吐出流体で満たされる。ポンプは、流体をタンクから熱交換器へ動かすために差圧を生成する。吐出流体は、熱交換器内を通過するときに、温度が上昇または下降する。熱交換器内を１回または何回か通過した後、吐出流体は目標温度に到達する。

熱管理サブシステムの一つの問題は、使用するコンポーネントを判定することである。一般に、特定の半導体製造工程は、特定の流体が特定の温度で吐出されることを必要とする。吐出流体の温度は、タンク内の流体の温度および体積、ポンプによって与えられる熱、フィルタにおいて失われまたは得られる熱、熱交換器において伝達される熱および再循環される流体量に基づく。吐出流体を加熱か冷却するときに、多くの半導体メーカーにとって特に重要な要素は、時間の短縮がより大きな生産量につながるので、流体が吐出温度に到達するまでに要する時間である。

一般に、タンク容量、ポンプおよびフィルタは、吐出される流体の量と種類に基づき選択される。従って、適当な熱交換器の選択および熱交換器による冷却／加熱する流体のフローは、熱管理サブシステムを最適化する最も重要な局面である。熱管理サブシステムのサプライヤーは現在、サブシステムの試作機を実験室で製作しており、どの熱交換器が顧客の要求を満たすかを実験的に判定する。これは、サプライヤーにとって、金と時間のかかる処理である。より大きな熱交換器は、処理パラメータのより広範囲で動作し得るので、サプライヤーは、必要とするものより大きい熱交換器をしばしば選択する。これは、熱交換器を選択するのに必要な時間を減らすが、熱管理サブシステム用に必要なものより大きくて、高価な熱交換器を選択することになる。従って、熱管理サブシステムのコンポーネントをより最適化し、選択するためにシステムが必要である。

（本発明の要約）
本発明の実施形態は、従来の熱管理システムおよび方法の欠点を除去、または少なくとも実質的に減らす熱管理システムを最適化するシステムおよび方法を提供する。より特定的には、本発明の一つの実施形態は、熱管理システム用処理パラメータの初期設定を受け取ること、熱交換器入口温度を判定すること、処理パラメータの初期設定に基づき熱交換器の出口温度を判定すること、熱交換器の出口温度を目標温度と比較すること、および熱交換器の出口温度が目標温度に到達した場合は、吐出流体が目標温度に到達に要した時間を判定すること、を包含する熱管理システムを最適化する方法を含む。一方、熱交換器出口温度が目標温度に到達しなかった場合、本方法はさらに、タンク温度を熱交換器出口温
度に等しく設定することを包含し得る。

本発明の別の実施形態は、（ａ）熱管理システム用の処理パラメータの初期設定を受け取ること、（ｂ）熱交換器入口温度を判定すること、（ｃ）処理パラメータの初期設定に基づき熱交換器出口温度を判定すること、および（ｄ）熱交換器出口温度を目標温度と比較すること、を包含し得る。本実施形態はさらに、熱交換器出口温度が目標温度に到達した場合、吐出流体が目標温度に到達するのに要した時間を判定すること、または熱交換器出口温度が目標温度に到達しない場合、タンク温度を熱交換器出口温度に等しく設定し、ステップ（ｂ）〜（ｄ）を繰り返すことを包含し得る。

本発明の別の実施形態は、コンピュータプログラム製品を備え得る、上記コンピュータプログラム製品は、コンピュータ読み取り可能媒体に記憶されたコンピュータ命令のセットを備え、コンピュータ命令のセットは、熱管理システム用処理パラメータの初期設定を受け取ることが実行可能な命令を備え、熱交換器入口温度を判定し、処理パラメータの初期設定に基づき熱交換器出口温度を判定し、および熱交換器出口温度を目標温度と比較する。熱交換器出口温度が目標温度に到達した場合、命令は、吐出流体が目標に到達するのに要した時間を判定するように実行可能であり得る。一方、熱交換器出口温度が目標温度に到達しない場合、命令は、タンク温度を熱交換器出口温度に等しく設定するように実行可能であり得る。

本発明のさらに別の実施形態は、加熱／冷却流体の第１の流量を含む処理パラメータ
のセットを受け取ること、処理パラメータのセットに基づき吐出流体が目標温度に到達する時間を判定すること、加熱／冷却流体の第２の流量を判定すること、吐出流体が目標温度に到達する時間にほぼ等しい時間の第１期間の第１流量に対応する第１設定点を断定すること、および時間の第１期間が経過した後に、時間の第２期間の第２流量に対応する第２設定点を断定すること、を包含する方法を含み得る。

本発明のさらに別の実施形態は、プロセッサによって実行可能なコンピュータ読み取り可能媒体に記憶されたコンピュータ命令のセットを備えるコンピュータプログラム製品を備え得、コンピュータ命令のセットはさらに、処理パラメータのセットを受け取るように実行可能な命令を備え、処理パラメータのセットは、加熱／冷却流体の第１流量を含み、処理パラメータのセットに基づき吐出流体が目標温度に到達する時間を判定し、加熱／冷却流体の第２流量を判定し、吐出流体が目標温度に到達する時間にほぼ等しい時間の第１期間用の第１質量流量に対応する第１設定点を断定し、時間の第１期間が経過した後に、時間の第２期間の第２流量に対応する第２設定点を断定し得る。

本発明の別の実施形態は、コンピュータ読み取り可能媒体に記憶されたコンピュータ命令のセットを備えるコンピュータプログラム製品を含み得、そこで、コンピュータ命令のセットは、熱管理システムの視覚表現をさらに備えるグラフィカルユーザインタフェースを提供するように実行可能な命令を備え、グラフィカルユーザインタフェースは、ユーザが、少なくとも一つの処理パラメータを入力し、少なくとも一つの追加処理パラメータがそこから引き出される場所から項目を選択し、グラフィカルユーザインタフェースによってなされた入力に基づき処理パラメータの初期設定を判定し、処理パラメータの初期設定に基づき熱交換器出口温度を判定し、熱交換器出口温度を目標温度と比較すること、を可能にする。熱交換器出口温度が目標温度に到達した場合、命令は、吐出流体が目標温度に到達するに要した時間を判定する。

本発明の実施形態は、熱交換器のサイズ決めに必要な時間を減らすことによって、従来のシステムおよび方法に対して有利性を提供する。

本発明の実施形態は、多数の処理パラメータが熱管理システム用に容易にまた迅速に計算されることを可能にすることによって、従来のシステムおよび方法に対して有利性を提供する。

本発明の実施形態は、予測フロー制御を提供することによって、従来のシステムおよび方法に対して有利性を提供する。

（詳細な説明）
本発明の好適な実施形態は、図に示され、種々の図面における番号は同じおよび対応する番号の部品を参照するために使用される。

本発明の実施形態は、熱管理システムを最適化するためのシステムおよび方法を提供する。本発明の一つの実施形態は、流体パラメータおよび熱交換器パラメータを含む処理パラメータのセットを受け取ることが実行可能であり、吐出流体が目標温度に到達するための時間を判定するコンピュータ命令を含むコンピュータプログラム製品を含み得る。さらに、命令は、所定の限度以下の目標温度に到達する時間の結果となる処理パラメータのセットを判定するために実行可能であり得る。本発明の別の実施形態に従って、コンピュータ命令のセットは、吐出流体が加熱／冷却流体の予測フロー制御のための目標温度に到達するに要する時間を計算し得る。

図１は、熱管理システム１００の図式表現である。システム１００は、半導体製造システムなどのスタンドアロンシステムまたはより大きなシステムのサブシステムであり得る。熱管理システム１００は、タンク１０２、ポンプ１０４、フィルタ１０６（たとえば、インラインフィルタまたは当業界において公知のその他のフィルタ）、熱交換器１０８およびフローコントローラ１１２を含み得る。熱管理システム１００は、コンポーネントを接続するための追加のパイプ、吐出流体を処理チャンバまたはその他の処理ツールに吐出するための吐出パス１１４および熱交換器１０８の出口からタンク１０２に流体を再循環させるためのパス１１６を含み得る。フローコントローラ１１２は、加熱／冷却流体の熱交換器１０８へのフローを制御し得る。

動作時、吐出流体はタンクに追加され得る。タンクに追加された吐出流体は、温度Ｔ_１を有する。ポンプ１０４は、流体をタンク１０２から、汚染物を吐出流体から濾過して取り除くフィルタ１０６を有する熱交換器１０８へと移動させる。流体は、ポンプ１０４内を通過するときに熱を得て（Ｑ_ｉｎで表される）、フィルタ１０６内を通過するときに、熱を失う（流体温度が環境より高い場合）かまたは熱を得る（流体温度が環境より低い場合）（Ｑ_ｏｕｔで表される）。熱交換器１０８において、熱は、冷却流体へ転送されるかまたは加熱流体から与えられる。冷却加熱流体は、フローコントローラ１１２によって熱交換器１０８へ供給される。吐出流体のすべてまたは一部は、次に、オプションで、吐出パス１１４を通って吐出され、および／または再循環パス１１６を通ってタンク１０２に再循環される。

以下の要因を含む種々の要因が、熱交換器の出口温度（Ｔ_ｏｕｔ）に影響し、そしてこれにより吐出温度に影響する。たとえば、吐出流体の種類、吐出流体の流量（ｍ_ｄｉｓｐ）、タンク内の吐出流体の温度、ポンプによって加えられた熱、フィルタで失われた熱、熱交換器に入る吐出流体の温度（Ｔ_ｉｎ）、加熱／冷却流体の種類、加熱／冷却流体の入力温度（ｔ_ｉｎ）、加熱／冷却流体の速度（ｍ_ｈｅａｔ）、および選択された熱交換器の種類などである。本発明の一つの実施形態に従って、コンピュータプログラム（このアプリケーションの目的に対しては「最適化プログラム」という）は、吐出流体の熱交換器の出口温度（Ｔ_ｏｕｔ）を計算し、Ｔ_ｏｕｔが所定の目標時間に達するに要する時間を判定
する。Ｔ_ｏｕｔが目標温度に到達するに要した時間が所定の目標時間より大きい場合、最適化プログラムは、一つの実施形態に従って、Ｔ_ｏｕｔが処理パラメータの下で目標時間内に目標温度に到達する処理パラメータのセットを判定するために処理パラメータを選択的に変更する。

図２Ａは、処理パラメータの初期設定の入力用図式のユーザインタフェース２００の画面の一つの実施形態を示す。図２Ａに示すように、ユーザインタフェ−ス２００は、モデル化されている熱管理システムの視覚表現を含み得、その視覚表現は、タンク、ポンプ、フィルタおよび熱交換器の視覚表現を含む。ユーザインタフェース２００は、ユーザが種々の処理パラメータを入力することを可能にする。たとえば、ユーザは以下のデータを入力し得る。吐出流体の入口温度（Ｉｎｌｅｔ Ｔｅｍｐボックス２０２）、吐出流体の量（Ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｔａｎｋボックス２０４）、ポンプからの熱吐出（Ｈｅａｔ ｄｉｓｐｅｎｓｅ ｆｒｏｍ ｐｕｍｐボックス２０６）、フィルタハウジングの容量（Ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ Ｈｏｕｓｉｎｇボックス２０８）、加熱／冷却流体の流量（Ｓｈｅｌｌ ｆｌｏｗ ｒａｔｅボックス２１０）,吐出量（Ｄｉｓｐｅｎｓｅ ｖｏｌｕｍｅボ
ックス２１２）および目標温度（Ｔａｒｇｅｔ ｔｅｍｐボックス２１４）などである。さらに、ユーザは、熱交換器パラメータを入力するためにインタフェースにおける別の画面にアクセスし得る（たとえば、熱交換器パラメータボタン２１６を選択することによって）。

図２Ｂは、熱交換器パラメータインタフェース２１８用画面の一つの実施形態の図式的表現を示す。その画面は、ユーザは、熱交換器パラメータ（ＨＥＸ’ｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｅｔ−ｕｐ）ボタン２１６をクリックすると、アクセスし得る。図２Ｂの例において、熱交換器は、シェル・チューブ熱交換器が想定されている。しかしながら、その他の種類の熱交換器が使用し得ることを理解すべきである。熱交換器パラメータインタフェース２１６によって、ユーザは、パラレルまたはカウンタフロー（たとえば、動作モード（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ）プルダウンメニュー２２２）および熱交換器（熱交換器（Ｓｉｚｅ ｏｆ ＨＥＸ）プルダウンメニュー２２４)などの熱交換器の動作モー
ドを指定し得る。示される例において、ユーザは、チューブ直径５．７２ｃｍおよび長さ０．３０５ｍを有する熱交換器を選択した。この入力に基づき、最適化プログラムは、たとえば、選択された熱交換器が電熱表面積０．８８ｍ^２、６８０のチューブ、チューブの内径または選択された熱交換器に関係したその他の特性を有することを判定するために、熱交換器のデータベースまたはリストにアクセスし得る。ユーザはまた、加熱／冷却流体の入口温度（ｔ_ｉｎ）も指定し得る（Ｉｎｌｅｔ Ｔｅｍｐボックス２２５）。さらに、熱交換器パラメータインタフェース２１８のこの実施形態において、セクション２２６におけるユーザは、粘性、特定の重力、特定の熱および伝導性などの、吐出流体（チューブ側）および加熱冷却流体（シェル側）の種々の特性を指定し得る。本発明の別の実施形態において、ユーザは単に流体を選択し得、最適化プログラムは、流体特性のデータベースから流体特性を決定し得る。

図２Ａおよび２Ｂにおいて提供された画面は、例として提供され、その他のユーザインタフェースがインプリメントされ得る。さらに、図２Ａおよび２Ｂにおいて指定されたパラメータのセットもまた、例として提供される。ユーザインタフェースは、ユーザが、目標温度に到達する時間の計算を可能にする初期処理パラメータの任意のセットを指定することを可能にする。たとえば、ユーザインタフェースは、パイプの種類および長さ、種々のコンポーネントからの入熱量または熱損失、またはモデル化された熱管理システムの熱伝導に影響するその他のパラメータを指定するオプションを与え得る。最適化プログラムは、吐出流体が目標温度に到達するのにどれだけ時間がかかるかを判定するために、公知の熱伝導等式を処理パラメータの初期設定に適用し得る。

図２Ｃは、本発明の一つの実施形態に従って、図２Ａおよび図２Ｂの例に示される処理パラメータの出力のセットを有するユーザインタフェースの一つの実施形態を示す。図２Ｃの場合において、入力が指定された状態で、４０℃の目標温度に到達する初期時間は４．１９分（ボックス２３２）である。この場合、最適化プログラムは、ポンプからの熱吐出およびハウジングの容量を考慮する。吐出流体が一旦、目標温度に到達すると、目標温度は、熱交換器のシェルを通して、０．００４７ ｌｐｍのフロー（ボックス２３４）で維持され得る。このフローは、反復ごとの環境への熱損失を補償する。計算し得るその他の要素は、吐出後の目標温度に達する時間（ボックス２３６）、吐出後の回数（ボックス２３８)、タンク温度（ボックス２４０）、投与後の全熱交換（ボックス２４２）、およ
び環境への熱損失または入熱量（ボックス２４４）を含む。

従って、本発明の実施形態は、熱管理システムの視覚シミュレーション提供し、種々の処理パラメータおよび／またはデバイスの選択によって、システムの最適化を可能にする。処理パラメータまたは処理パラメータが引き出され得る特定の熱交換器などの項目は、ドロップダウンメニュー、ボックスまたはユーザインタフェースによって提供されるその他の入力メカニズムによって選択し得る。従って、ユーザインタフェースは、ユーザが処理パラメータを入力すること、また処理パラメータが引き出され得る項目を選択することを可能にする。さらに、ユーザインタフェースは、視覚出力に特定のシミュレーションまたは最適化の結果を提供する。図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃに示されたユーザインタフェースは、例示としてのみ提供されることに注意すべきである。

図３は、熱管理システムを最適化する方法の一つの実施形態を示すフローチャートである。図３の処理は、たとえば、プロセッサによって実行可能なコンピュータ読み取り可能媒体に記憶されたコンピュータ命令のセット（単純化のため「最適化プログラム」という）として、インプリメントされ得る。最適化プログラムは、図１において示されたような熱管理システムを作るために、コンピュータまたはその他の計算デバイスにおいて実行され得る。サンプルの目的で、図３の方法は、熱交換器の最適化の点から検討されるが、しかし、その他のパラメータもまた最適化され得る。

ステップ３１０において、モデル化される熱管理システム用の初期処理パラメータは入力され得る。初期処理パラメータは、熱管理システムの熱交換器の出口温度を判定するときに使用される任意のパラメータを含み得る。これらのパラメータは、たとえば、タンクパラメータ、ポンプパラメータ、フィルタパラメータ、吐出流体パラメータ、吐出量および再循環流量を含む。ポンプパラメータは、吐出流体がポンプを通過するときに吐出流体に加えられる熱を判定するために使用され得るパラメータを含み得る。多くのポンプに関して、このパラメータは公知または所定の流量に対して公知であり得る。従って、ポンプパラメータは、たとえば、ポンプからの熱吐出（すなわち、吐出流体への熱吐出）を単に含み得る。フィルタパラメータは、フィルタからどのくらいの熱が失われたかを判定するパラメータを含み得る。インラインフィルタに関して、たとえば、失われた熱量はフィルタハウジングの容量に依存する。従って、フィルタパラメータは、フィルタハウジングの容量を含み得る。フィルタ用に特定されるその他のパラメータは、たとえば、フィルタハウジング材料のパラメータまたはフィルタで失われた熱量に関係した任意のその他のパラメータを含み得る。フローコントローラパラメータは、たとえば、加熱／冷却流体のタイプ、加熱／冷却流体の入口温度、加熱／冷却流体の流量を含み得る。

さらに、ユーザは、熱交換パラメータのセットを入力し得る。たとえば、熱交換器パラメータは、以下のことを含み得る。熱交換器の動作モード（たとえば、カウンタフローまたはパラレル）、熱交換器のサイズ（チューブ直径および熱交換器長）、吐出流体の伝導率、吐出し流体および加熱／冷却流体の特定の重量、吐出し流体および加熱／冷却流体の粘性である。前述の熱交換器パラメータは例示で提供され、熱交換器パラメータは、モデ
ル化される熱交換器の全伝熱係数を判定するために使用される任意のパラメータを含み得ることを理解すべきである。

多数の入力パラメータは引き出され得ることに注意すべきである。たとえば、ユーザは、図式ユーザインタフェースにおけるドロップダウンメニューからポンプおよびフィルタの選択が与えられ得る。特定のモデルのポンプまたはフィルタを選択することによって、コンピュータ命令は、データベースから適当なポンプおよびフィルタパラメータを決定し得る。同様に、ユーザは、特定の熱交換器を選ぶ選択を与えられ得る。選択された熱交換器に基づき、最適化プログラムは、データベースから適当な熱交換器パラメータを判定し得る。処理パラメータの入力用例示のインタフェースは、図２Ａおよび２Ｂに関連して上記で議論される。

ステップ３１５において、吐出流体の混合温度が判定され得る。第１反復に関して、混合温度は、タンク入口温度に等しい。本発明の一つの実施形態に従って、タンクの混合温度（Ｔ_ｔａｎｋ）は、第１反復（たとえば、Ｔ_ｔａｎｋ＝Ｔ_１）に対するタンク入口温度（たとえば、図２Ａの入口温度ボックス２０２で指定される）に等しい。ステップ３２０において、最適化プログラムは、次に、熱交換器における吐出流体の入口温度（Ｔ_ｉｎ）を判定し得る。本発明の一つの実施形態に従って、最適化プログラムは、入口温度を混合温度に等しく設定し得る。本発明の別の実施形態に従って、最適化プログラムは、Ｔ_ｉｎを決定するとき、ポンプおよびフィルタから失われまたは得られる熱を考慮する。このことは、たとえば、下記の公知の伝熱数式を使用してなされ得る。

Ｑ_ｉｎ−Ｑ_ｏｕｔ＝ｍ_ｄｉｓｐＣ_{ｐ（ｄｉｓｐ）}（Ｔ_ｉｎ―Ｔ_ｔａｎｋ） ［数式（ＥＱＮ）１］
Ｑ_ｉｎ＝ポンプからの入熱
Ｑ_ｏｕｔ＝フィルタからの熱損失
ｍ_ｄｉｓｐ＝吐出流体の質量流量
Ｃ_{ｐ（ｄｉｓｐ）}＝吐出流体の特定の熱
数式１は例示として提供され、タンクのＴ_ｉｎを判定するために、当業界において公知のその他の伝熱数式が使用され得ることに注意すべきである。

ステップ３２３において、最適化プログラムは、当業界の公知の任意の伝熱方法に従って、熱交換器の全伝熱係数を計算し得る。一つの実施形態に従って、熱交換器の全伝熱係数は、吐出流体および加熱／冷却流体の特性および速度、および熱交換器の特性に基づく。たとえば、全熱交換器係数（Ｕ_ｏ）は下記に基づき計算し得る。

このとき、
ｒ_ｏは、熱交換器チューブの外径
ｒ_ｉは、熱交換器チューブの内径
Ａ_ｏは、熱交換器チューブの外表面積
Ａ_ｉは、熱交換器チューブの内面積
ｋは、熱交換器チューブの伝導率
ｈ_ｈｅａｔは、加熱／冷却流体の伝熱係数
ｈ_ｄｉｓｐは、吐出流体の伝熱係数
である。

本発明の一つの実施形態に従って、最適化プログラムは、吐出流体の流量（たとえば、再循環流量）、フローコントローラによって供給される加熱／冷却流体の流量、および、吐出流体および加熱／冷却流体のそれぞれの特定の重量、粘性、特定の熱および伝導率などの、ユーザによって提供される吐出流体および加熱／冷却流体の特性に基づきｈ_ｈｅａｔおよびｈ_ｄｉｓｐを決定し得る。ｈ_ｈｅａｔおよびｈ_ｄｉｓｐは、たとえば、ルックアップ表から判定され得、または当業界の公知の任意の方法論に従って計算され得る。さらに、最適化プログラムは、ユーザによって選択された熱交換器に基づき、ｒ_ｏ、ｒ_ｉ、Ａ_ｏおよびｋを判定し得る。本発明の別の実施形態に従い、最適化プログラムは、全伝熱係数が下記の数式

に従って計算されるように、熱交換器が薄膜熱交換器（すなわち、薄いチューブ壁を有する）であると想定し得る。

上記例において、Ｕ_ｏは、汚れ抵抗、フィン抵抗、またはマルチパスフローチャネルを考慮することなく、計算される。本発明のその他の実施形態に従って、最適化プログラムは、当業者によって理解されるように、汚れ、マルチパスフローパスまたは全伝熱係数に影響するその他の要因を考慮するようにＵ_ｏを計算し得る。

熱交換器用全伝熱係数、熱交換器の入口における吐出流体温度（Ｔ_ｉｎ）、吐出流体質量流量（ｍ_ｄｉｓｐ）、吐出流体の特定の熱(Ｃ_{ｐ（ｄｉｓ）})、加熱／冷却流体の入口温度（ｔ_ｉｎ）、加熱／冷却流体の特定の熱(Ｃ_{ｐ（ｈｅａｔ）})および加熱／冷却流体の質量流量（ｍ_ｈｅａｔ）に基づき、最適化プログラムは、ステップ３３０において、当業界において公知の伝熱数式に従って、熱交換器の出口における吐出流体温度（Ｔ_ｏｕｔ）を計算し得る。たとえば、下記の公知の関係

に基づき、最適化プログラムは、Ｔ_ｏｕｔを判定し得る。

流体および特定の熱の質量流量は、ユーザによって提供される流体特性から判定されるか、データベースからロードされるかまたはそうでなければ判定される。Ｕ_ｏは、全伝熱係数である。Ｙは、選択された熱交換器に基づき判定され得るように、複式パス用の補正率である。数式４は、吐出流体へ／から伝達される全熱を表す（Ｑ_ｄｉｓｐ）。数式５は、加熱／冷却流体へ／から伝達される全熱を表し（Ｑ_ｈｅａｔ）、数式６は、熱交換器における流体間に伝達される全熱を表し、数式７は、数式６において使用される対数平均温度差を表す。本発明の一つの実施形態に従って、Ｑ_ｄｉｓｐは、Ｑ_ｈｅａｔとほぼ等しく、Ｑ_ｈｅａｔは、Ｑ_ｅｘとほぼ等しい。最適化プログラムは、当業界において公知の数値方法を使用して、数式４、数式５および数式６に従って、Ｔ_ｏｕｔおよびｔ_ｏｕｔについて解き得る。本発明の別の実施形態に従って、Ｑ_ｄｉｓｐおよびＱ_ｈｅａｔがわずかに異なる場合、熱交換器伝達は、伝熱の平均率に等しいように

設定され得る。

再び、この場合、数式４、数式５、数式６および数式８、Ｔ_ｏｕｔおよびｔ_ｏｕｔにおいて未知数は二つのみである。従って、最適化プログラムは、熱交換器の出口における吐出流体温度（Ｔ_ｏｕｔ）を決定するためにこれらの変数について解き得る。上記の数式は、例示として提供され、当業界においての公知の任意の伝熱方法論が、Ｔ_ｏｕｔを決定するために使用され得る。

最適化プログラムは、ステップ３３５において、吐出流体が吐出温度に到達したかどうかの判定をし得る。吐出流体の冷却の場合、最適化プログラムは、Ｔ_ｏｕｔが吐出し温度に等しいかそれより小さいかどうかを判定し得る。吐出流体の加熱の場合、最適化プログラムは、Ｔ_ｏｕｔが吐出し温度に等しいかそれより大きいかどうかを判定し得る。Ｔ_ｏｕｔが吐出し温度に到達しない場合、最適化プログラムは、反復を考慮し、ステップ３１５に戻り得、Ｔ_ｔａｎｋをＴ_ｏｕｔに設定する（ステップ３４０）。反復のためにタンク混合温度を前の反復からＴ_ｏｕｔに設定することは、流体が再循環パスによって置き換えられる前に、タンクは排液されるという想定を行う。この場合、反復は、吐出流体の量が熱交換器を通って循環するに要する時間である。たとえば、吐出流体が流量７ ｌｐｍで、２０リットルの吐出流体がある場合、反復は約２．８６分かかる。

実際には、熱交換器から再循環される吐出流体は、タンクに残っている吐出流体と混合し得るが、反復ごとにタンクは排液するという想定は、最適化プログラムが反復ごとに熱交換器に入力される吐出流体の温度はその反復間一定であると想定するので、最適化プログラムが実行しなければならない計算を大幅に単純化する。このことにより、最適化プログラムが計算資源を占める時間をより少なくすることが可能となる。その他の実施形態において、最適化プログラムは、再循環流体とタンク内の流体を混合することを考慮するために、熱交換器における入力温度を絶えず更新し得る。

ステップ３３５におけるステップの場合、最適化プログラムは、Ｔ_ｏｕｔが目標温度に到達したことを判定し、最適化プログラムは、ステップ３４５において、反復を考慮し、Ｔ_ｏｕｔが目標温度に到達する時間を計算し得る。例として、再循環流量が７ ｌｐｍ、タンク容量が２０リットル、および目標温度が４０℃分と想定されたい。この場合、各反復は、２．８６分を要する。第１反復後Ｔ_ｏｕｔが３６．０９℃である場合、次の反復の入力（Ｔ_ｉｎ）は３６．０９℃であり得（単純化のために、これは、ポンプおよびフィル
タからの熱の出入はわずかであると想定する）、出力温度Ｔ_ｏｕｔは、４７．８７℃であり得る。Ｔ_ｏｕｔは、は目標温度より大きいので、目標温度に到達する時間は２．８６分より大きく（２０リットルの到達時間は３６．０９分）、５．７２分より小さい（２０リットルの４７．８７度に到達する時間）。最適化プログラムは、当業界において公知の補間、カーブフィッティングまたはその他の数値方法によって４０℃に到達する時間を判定し得る。

吐出流体が目標温度に到達するに要する時間を計算することに加えて、最適化プログラムは、その他の処理出力を計算し得る。たとえば、最適化プログラムは、目標温度を維持するためにシェル（ｍ_ｈｅａｔ）によって流量を判定し得る。シェルによる流量は、数式４、５、６および７に基づき計算され得る。この場合、Ｔ_ｏｕｔは公知であり（たとえば、４０℃）、それで、未知数はｍ_ｈｅａｔおよびｔ_ｏｕｔのみである。従って、最適化プログラムは、ｍ_ｈｅａｔについて解く。

さらに、最適化プログラムは、吐出後、吐出流体が目標温度に戻るのに要する時間を判定し得る。この場合、最適化プログラムは、ステップ３１５に戻り、前の反復からのＴ_ｏｕｔおよびタンクからの吐出流体の入口温度（Ｔ_１）に基づき、混合温度（Ｔ_ｔａｎｋ）を計算し得る。最適化プログラムは、次に、吐出後、吐出流体が目標温度に到達するのに要する時間を判定するために、ステップ３１５〜３４５を繰り返す。最適化プログラムはまた、特定の温度における吐出流体、吐出処理後交換された全熱、環境から失われるかまたは得られた全熱を維持するために、流量などのその他の処理パラメータをシェルによって判定し得る。

上記に検討のとおり、図２Ｃは、最適化プログラムによって提供されるいくつかの出力を示す。この場合、最適化プログラムは、目標温度に到達する時間を表示する。この時間が目標時間より大きい場合、ユーザは、目標温度に到達する時間が目標時間未満となるまで、処理パラメータを選択的に変更し得る。たとえば、ユーザは、新しい熱交換器、新しいＴ_１、新しいｔ_１、新しいｍ_ｄｉｓｐ、新しいｍ_ｈｅａｔまたはその他の処理パラメータを選択し得る。

別の実施形態において、ステップ３４８における最適化プログラムは、目標温度に到達する時間が目標時間より大きいかどうかを判定し得る。その場合、最適化プログラムは、目標時間に到達するまでの時間が所定の限度未満となるまで、一つ以上の処理パラメータを変更し得る（ステップ３５０）。たとえば、処理パラメータのセットが目標温度に到達する時間が目標時間内という結果になるまで、最適化プログラムは、シェルによる流量、選択された熱交換器、フィルタハウジング容量、ポンプからの熱吐出、タンクの温度、熱交換器の入口における加熱／冷却流体の温度、またはその他のパラメータ、を変更し得る。一般に、吐出流体、吐出量、または目標温度は、モデル化される特定の吐出処理に対して一定であるので（たとえば、顧客要求）、最適化プログラムは、それらを変更しない。しかしながら、本発明のその他の実施形態に従って、最適化プログラムは、任意の処理パラメータを変更し得る。最適化プログラムは、次に、目標時間内に目標温度に到達する結果となった処理パラメータを出力し得る（ステップ３５５）。図３の処理は、必要または所望に応じ、任意に繰り返し得る。

本発明の別の実施形態に従って、最適化プログラムは、コンピュータシステムにおいてインプリメントされ得る。図４は、最適化プログラムの一つの実施形態がインプリメントされ得るコンピュータシステム４００の一つの実施形態である。コンピュータシステム４００は、プロセッサ４０２、１次メモリ４０４（たとえば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリまたは当業界において公知のその他のコンピュータ読み取り可能媒体）、２次メモリ４０６（光ディスク、磁気ディスクまたは当業界において公知のその他のコンピュータ
読み取り可能媒体）、２次メモリコントローラ４０８、ネットワークインタフェース４１０およびネットワークコントローラ４１１を含み得る。プロセッサ４０２は、バス４１２を介して、コンピュータシステム４００の種々のコンポーネントと通信し得る。示されていない追加のコンポーネントは、例示でありこれらに限定されないが、Ｉ／Ｏインタフェース、追加のネットワークインタフェースおよびコントローラ、入力デバイス、出力デバイスおよび当業界において公知のその他のコンピュータコンポーネントを含む。例示でありこれらに限定されないが、コンピュータシステム４００は、熱管理システムをモデル化するために使用されるデスクトップパソコンまたはワークステーションであり得る。

最適化プログラム４２０は、２次メモリ４０６に記憶され得る。２次メモリコントローラ４０８は、２次メモリ４０６へのアクセスを制御し得る。実行時、最適化プログラムのすべてまたは一部は、１次メモリ４０４に記憶され得る。２次メモリ４０６もまた、最適化プログラムの一部またはそれによってアクセス可能なデータ４２２のセットを記憶し得る。データ４２２のセットは、たとえば、種々の熱交換器用の熱交換器データ、データに関係した流体特性および最適化プログラム４２０によって使用可能なその他のデータを含み得る。最適化プログラム４２０は、実行可能なビジュアルベーシックプログラム、Ｃ＋＋プログラム、より大きいプログラムのモジュールとしてまたは当業界において公知の任意のその他のプログラミングスキームに従って、インプリメントされ得る。

上記の例において、最適化プログラムは、所定の処理パラメータのセットおよび吐出流体が目標時間内に目標温度に到達する結果となる処理パラメータのセットに対して、吐出流体が目標温度に到達する時間を判定する。最適化プログラムは、たとえば、熱管理システムをモデル化するのに使用されるコンピュータ上で実行され得、熱管理システムと相互作用する必要はない。換言すると、最適化プログラムは、熱管理システムをモデル化し、設計するために使用され得る。本発明の別の実施形態に従って、コンピュータ命令のセット（たとえば、「フロー制御プログラム」）は、フローコントローラ（たとえば、図１のフローコントローラ１１２）または設定点をフローコントローラに断定するように動作可能なデバイスにおいてインプリメントされ得る。フロー制御プログラムは、上記に検討のとおり、加熱／冷却流体のフローを減らす時を判定するために、吐出流体が目標温度に到達する時間の判定を使用し得る。

図５は、予測フロー制御の方法の一つの実施形態を示すフローチャートである。ステップ５０２において、フロー制御プログラムは、熱管理システム用処理パラメータのセットを受け取り得る。処理パラメータは、グラフィカルユーザインタフェースによって提供され、下記のとおり、メモリにロードされ、または当業界に公知のデータ提供の任意の方法に従って提供され得る。ステップ５０４において、フロー制御プログラムは、吐出流体が特定の目標温度に到達する時間、吐出流体を目標温度に維持するための（たとえば、メンテナンスフロー）加熱／冷却流体流量、および図３に関連して記述される吐出後の回復時間を判定し得る。図２Ｃの例を使用して、所定の処理パラメータに関して、目標温度に到達するのに４．１９分かかる。

ステップ５０５において、フロー制御プログラムは、初期処理パラメータに基づき第１設定点を断定し得る。たとえば、初期処理パラメータが２ ｌｐｍの加熱冷却流体の流量を指定する場合（図２Ｂにおけるように）、フロー制御プログラムは、吐出流体が目標温度に到達するに要する時間（たとえば、図２Ｃの例における４．１９分）に、加熱／冷却流体の２ ｌｐｍのフローを可能にするためにフローコントローラに対して設定点を断定する。吐出流体が目標温度に到達すると判定されたおおよその時間において、フロー制御プログラムは、フローコントローラが吐出流体を目標温度に維持する加熱／冷却流体のフローを可能にするために（たとえば、図２Ｃの場合、０．００４７ ｌｐｍ）、フローコントローラに対して第２の設定点を断定する（ステップ５０６）。従って、フロー制御プ
ログラムは、吐出流体が目標温度に到達する時間にほぼ等しい時間の第１期間用の第１設定点を断定し、時間の第２期間用の第２流量を断定し得る。

ステップ５０８において、フロー制御プログラムは、吐出処理が発生したという指示を受け取り得る。フロー制御プログラムは、ステップ５１０において、吐出流体を目標温度に加熱／冷却するために加熱／冷却流体のフローを増やす第１設定点を再断定し得る。図２Ｃの場合において、第１設定点は、２ ｌｐｍのフローに対応し得る。フロー制御プログラムは、吐出処理から回復するのに要する時間の第１設定点を再断定し得る。吐出処理からの回復に要する時間に達したとき、フロー制御プログラムは、ステップ５１２において、吐出流体を目標温度に維持するために加熱／冷却流体のフローに対応した第２設定点（たとえば、図２Ｃの場合、０．００４７ ｌｐｍ）を再断定し得る。従って、フロー制御プログラムは、時間の第３期間（たとえば、回復時間にほぼ等しい）の第１設定点を再断定し、次に、第２設定点を再断定し得る。

本発明の一つの実施形態におけるフロー制御プログラムは、温度センサからの入力の必要なく、目標温度に到達する時間の計算、メンテナンス流量、およびフローコントロ−ラに対して設定点を断定する際に吐出から回復する時間に依存する。換言すると、フロー制御プログラムは、熱管理システムを介してフローを制御する予測的方法で働き得る。本発明のその他の実施形態に従って、フロー制御プログラムは、熱交換器の出口における吐出流体の温度を判定するための温度センサからの入力を受け取り得、温度読み取りに基づき、断定された設定点を調整し得る。Ｔ_ｏｕｔを判定するための温度センサは、予測フロー制御が熱管理システム用に正しく較正された状態であることを確実にするために使用され得る。

本発明は特定の実施形態を参照して記述されるが、実施形態は例示であり、本発明の範囲はこれらの実施形態に限定されないことは理解されるべきである。上記の実施形態に対して、多くの変更、修正、追加および改良が可能である。これらの変更、修正、追加および改良は、以下の特許請求の範囲に詳述される本発明の範囲内に入ることが意図される。

本発明のより完全な理解および利点は、以下の記述を添付図面と共に参照することによって、得られ得る。添付図面において同じ参照番号は同じ特徴を示す。
図１は、熱管理システムの図式表現である。 図２Ａは、本発明の一つの実施形態に従った熱管理システムを表すユーザインタフェース用画面の図式表現である。 図２Ｂは、本発明の一つの実施形態に従った熱交換器パラメータを特定するユーザインタフェース用の別の画面の図式表現である。 図２Ｃは、目標温度に到達する時間を出力するユーザインタフェース用画面の図式表現である。 図３は、熱管理システムを最適化する一つの実施形態を示すフローチャートである。 図４は、コンピュータシステムの一つの実施形態の図式表現である。 図５は、予測フロー制御の一つの方法を示すフローチャートである。

Claims (10)

1. コンピュータ読み取り可能媒体に記憶されたコンピュータ命令のセットを含むコンピュータプログラム製品であって、
   該コンピュータ命令のセットは、
   熱管理システムの視覚表現をさらに備えるグラフィカルユーザインタフェースを提供することであって、該グラフィカルインタフェースは、ユーザが、少なくとも一つの処理パラメータを入力することと、少なくとも一つの追加処理パラメータが引き出される場所から項目を選択することとを可能にする、ことと、
   該グラフィカルユーザインタフェースを介してなされた入力に基づいて、処理パラメータの初期設定を決定することと、
   該処理パラメータの初期設定に基づいて、熱交換器出口温度を決定することと、
   該熱交換器出口温度を目標温度と比較することであって、該熱交換器出口温度が該目標温度に到達した場合に、吐出流体が該目標温度に到達するのに要した時間を決定する、ことと
   を実行可能な命令を含む、コンピュータプログラム製品。
2. 前記グラフィカルユーザインタフェースにおいて前記吐出流体が前記目標温度に到達するのに要した時間を出力するように実行可能な命令をさらに含む、請求項１に記載のコンピュータプログラム製品。
3. 前記熱交換器出口温度が前記目標温度に到達しない場合に、タンク温度を該熱交換器出口温度に等しく設定するように実行可能な命令をさらに含む、請求項１に記載のコンピュータプログラム。
4. 前記吐出流体が前記目標温度に到達するのに要した時間を目標時間と比較することであって、該吐出流体が該目標温度に到達するのに要した時間が該目標時間を超える場合には処理パラメータの新しい初期設定を選択し、該吐出流体が該目標温度に到達するのに要した時間が該目標時間を超えない場合には、該グラフィカルユーザインタフェースにおいて該吐出流体が該目標温度に到達するのに要した時間を出力する、ことを実行可能な命令をさらに含む、請求項１に記載のコンピュータプログラム製品。
5. 前記グラフィカルユーザインタフェースは、ユーザが熱交換器を選択することを可能にする、請求項１に記載のコンピュータプログラム製品。
6. 前記グラフィカルユーザインタフェースは、ユーザが、
   吐出流体パラメータのセットと、
   加熱／冷却流体パラメータのセットと、
   前記目標温度と
   を指定することを可能にする、請求項１に記載のコンピュータプログラム製品。
7. 前記グラフィカルユーザインタフェースは、ユーザが、
   吐出流体流量と、
   加熱／冷却流体流量と
   を指定することを可能にする、請求項６に記載のコンピュータプログラム製品。
8. 前記グラフィカルユーザインタフェースは、ユーザが、
   少なくとも一つのポンプパラメータと、
   少なくとも一つのフィルタパラメータと
   を指定することを可能にする、請求項６に記載のコンピュータプログラム製品。
9. メンテナンス流量を決定することと、前記グラフィカルユーザインタフェースにおいて該メンテナンス流量を出力することとを実行可能な命令をさらに含む、請求項１に記載のコンピュータプログラム製品。
10. 吐出後の回復時間を決定することと、前記グラフィカルユーザインタフェースにおいて該回復時間を出力することとを実行可能な命令をさらに含む、請求項１に記載のコンピュータプログラム製品。

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