JP2019525403A - Heater bundle for adaptive control and current leakage reduction method - Google Patents

Heater bundle for adaptive control and current leakage reduction method Download PDF

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Abstract

ヒータアセンブリが複数のヒータユニットを備え、各ヒータユニットが少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンを定める、少なくとも1つのヒータアセンブリを有し、前記ヒータユニットのそれぞれの前記独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに電気的に接続された電源導体を介して前記ヒータユニットのそれぞれに電力を供給し、前記独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに供給される電力を調整すること含む加熱システムの制御方法が提供される。減少した数の独立して制御される加熱ゾーンが一度に電圧を受けるか、又は、少なくとも1つのサブセットの前記独立して制御される加熱ゾーンが低減された電圧を常に受けるように、電圧は、前記独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに選択的に供給される。【選択図】図1The heater assembly comprises a plurality of heater units, each heater unit having at least one heater assembly defining at least one independently controlled heating zone, and each independently controlled of the heater units. A heating system comprising supplying power to each of the heater units via a power supply conductor electrically connected to each of the heating zones, and adjusting the power supplied to each of the independently controlled heating zones A control method is provided. The voltage is such that either a reduced number of independently controlled heating zones receive a voltage at a time, or at least one subset of the independently controlled heating zones always receives a reduced voltage. It is selectively supplied to each of the independently controlled heating zones. [Selection] Figure 1

Description

本開示は、電気ヒータに関し、より詳細には、熱交換器などの流体の流れを加熱するためのヒータ及びその制御に関する。   The present disclosure relates to electric heaters and, more particularly, to a heater for heating a fluid flow, such as a heat exchanger, and control thereof.

このセクションの記述は、単に本開示に関連する背景情報を提供するだけであり、先行技術を構成しない可能性がある。   The statements in this section merely provide background information related to the present disclosure and may not constitute prior art.

流体加熱器は、カートリッジヒータの形態であってもよく、カートリッジヒータの外面に沿って又はそばを通り過ぎて流れる流体を加熱するためのロッド構成を有する。カートリッジヒータは、熱交換器を流れる流体を加熱するための熱交換器の内部に配置されてもよい。カートリッジヒータが適切に密封されていないと、湿気及び液体がカートリッジヒータに入り、カートリッジヒータの金属被覆から抵抗発熱体を電気的に絶縁する絶縁材料を汚染し、絶縁破壊が生じ、このため、ヒータが故障する可能性がある。また、湿気は、電源導体と外側金属被覆との間で、短絡を引き起こす可能性がある。カートリッジヒータの故障は、カートリッジヒータを使用する装置のコストのかかる停止時間を引き起こす可能性がある。   The fluid heater may be in the form of a cartridge heater and has a rod configuration for heating fluid that flows along or past the outer surface of the cartridge heater. The cartridge heater may be disposed inside the heat exchanger for heating the fluid flowing through the heat exchanger. If the cartridge heater is not properly sealed, moisture and liquid can enter the cartridge heater, contaminating the insulating material that electrically insulates the resistance heating element from the metal coating of the cartridge heater, resulting in dielectric breakdown, and thus the heater May break down. Moisture can also cause a short circuit between the power supply conductor and the outer metallization. Failure of the cartridge heater can cause costly downtime for devices that use the cartridge heater.

さらに、動作中に、いくつかのヒータは、「電流漏れ」を経験する可能性があり、これは通常地面への電流の流れである。電気ヒータ内の導体を囲む絶縁体を介した電流漏れ及びこの状態は、電圧の上昇と過熱を引き起こす可能性がある。   In addition, during operation, some heaters may experience “current leakage”, which is usually the flow of current to the ground. Current leakage through the insulator surrounding the conductor in the electric heater and this condition can cause a voltage rise and overheating.

本開示の1つの形態では、ヒータアセンブリが複数のヒータユニットを備え、各ヒータユニットが少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンを定める、少なくとも1つのヒータアセンブリを備える加熱システムの制御方法が提供される。電力は、ヒータユニットのそれぞれの独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに電気的に接続された電源導体を介してヒータユニットのそれぞれに供給され、この電力は、独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに調整され、減少した数の独立して制御される加熱ゾーンが一度に電圧を受けるか、又は、少なくとも一部の独立して制御される加熱ゾーンが低減された電圧を常に受けるように、電圧は、独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに選択的に供給される。   In one form of the present disclosure, there is provided a method of controlling a heating system comprising at least one heater assembly, wherein the heater assembly comprises a plurality of heater units, each heater unit defining at least one independently controlled heating zone. Is done. Power is supplied to each of the heater units via a power conductor electrically connected to each of the independently controlled heating zones of the heater unit, and this power is supplied to the independently controlled heating zones. A reduced number of independently controlled heating zones each receiving a voltage at one time, or at least some independently controlled heating zones always receiving a reduced voltage The voltage is selectively supplied to each of the independently controlled heating zones.

別の形態では、ヒータアセンブリが複数のヒータユニットを備え、各ヒータユニットが少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンを定める、少なくとも1つのヒータアセンブリを備え、ヒータユニットのそれぞれの独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに電気的に接続された電源導体を介してヒータユニットのそれぞれに電力を供給し、一度に電圧を受ける独立して制御される加熱ゾーンの総面積が減少するか、又は、少なくとも一部の独立して制御される加熱ゾーンが低減された電圧を常に受けるように、独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに選択的に電圧が供給され、独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに供給される電力を調整することを備える加熱システムの電流漏れ低減方法が提供される。   In another form, the heater assembly comprises a plurality of heater units, each heater unit comprising at least one heater assembly that defines at least one independently controlled heating zone, each of the heater units being independently controlled. Power is supplied to each of the heater units via a power supply conductor electrically connected to each of the heating zones to be applied, reducing the total area of the independently controlled heating zones that receive voltage at one time, or A voltage is selectively supplied to each of the independently controlled heating zones so that at least some of the independently controlled heating zones always receive a reduced voltage, and the independently controlled heating A method for reducing current leakage in a heating system is provided that comprises adjusting the power supplied to each of the zones.

別の形態では、各ヒータアセンブリが複数のヒータユニットを備え、各ヒータユニットが少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンを定める、複数のヒータアセンブリを有するヒータバンドルと、ヒータユニットのそれぞれの独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに電気的に接続された複数の電源導体とを備えるヒータシステムが提供される。電源装置は、減少した数の独立して制御される加熱ゾーンが一度に電圧を受けるか、又は、少なくとも一部の独立して制御される加熱ゾーンが低減された電圧を常に受けるように、電圧が、独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに選択的に供給され、複数の電源導体を介して、ヒータユニットの独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれへの電力を調整するように構成される。   In another form, each heater assembly comprises a plurality of heater units, each heater unit defining at least one independently controlled heating zone, a heater bundle having a plurality of heater assemblies, and each independent heating unit And a plurality of power supply conductors electrically connected to each of the controlled heating zones. The power supply is designed to provide a voltage so that a reduced number of independently controlled heating zones receive a voltage at a time, or at least some of the independently controlled heating zones always receive a reduced voltage. Is selectively supplied to each of the independently controlled heating zones and is configured to regulate power to each of the independently controlled heating zones of the heater unit via a plurality of power conductors. The

さらに別の形態では、複数のヒータユニットを有するヒータアセンブリを備えるヒータシステムが提供され、各ヒータユニットは、それぞれ少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンを定める。電源導体は、各ヒータユニットの独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに電気的に接続され、電源装置は、電源導体を介してヒータユニットの独立して制御されるヒータゾーンのそれぞれへの電力を調整するように構成される。減少した数の独立して制御される加熱ゾーンが一度に電圧を受けるか、又は、少なくとも一部の独立して制御される加熱ゾーンが低減された電圧を常に受けるように、電圧は、独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに選択的に供給される。   In yet another form, a heater system is provided that includes a heater assembly having a plurality of heater units, each heater unit defining at least one independently controlled heating zone. The power supply conductor is electrically connected to each of the independently controlled heating zones of each heater unit, and the power supply device supplies power to each of the independently controlled heater zones of the heater unit via the power supply conductor. Configured to adjust. The voltage is independent so that a reduced number of independently controlled heating zones receive a voltage at a time, or at least some independently controlled heating zones always receive a reduced voltage. Are selectively supplied to each of the controlled heating zones.

さらなる適用範囲は、本明細書で提供される説明から明らかになる。説明及び具体例は、例示の目的のみを意図しており、本開示の範囲を限定する意図ではないことを理解されたい。   Further scope of applicability will become apparent from the description provided herein. It should be understood that the description and specific examples are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

本開示が十分に理解されることができるように、添付の図面を参照しながら、例として与えられたその様々な形態について説明する。
図1は、本開示の教示に従って構成されたヒータバンドルの斜視図である。 図2は、図1のヒータバンドルのヒータアセンブリの斜視図である。 図1のヒータバンドルのヒータアセンブリの変形型の斜視図である。 図4は、図3のヒータアセンブリの斜視図であり、明確にするためにヒータアセンブリの外側被覆が取り外されている。 図5は、図3のヒータアセンブリのコア体の斜視図である。 図6は、図1のヒータバンドルを含む熱交換器の斜視図であり、説明の目的でヒータバンドルを露出させるために、ヒータバンドルは熱交換器から部分的に分解されている。 図7は、本開示の教示に従って構成されたヒータバンドルを含むヒータシステムを動作する方法のブロック図である。 ここで述べられる図面は、単に説明の目的のためであり、決して本開示の範囲を限定するものではない。
In order that the present disclosure may be fully understood, various forms thereof, given by way of example, will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view of a heater bundle constructed in accordance with the teachings of the present disclosure. FIG. 2 is a perspective view of the heater assembly of the heater bundle of FIG. FIG. 2 is a perspective view of a modified type of the heater assembly of the heater bundle of FIG. 1. FIG. 4 is a perspective view of the heater assembly of FIG. 3 with the outer covering of the heater assembly removed for clarity. FIG. 5 is a perspective view of the core body of the heater assembly of FIG. FIG. 6 is a perspective view of a heat exchanger including the heater bundle of FIG. 1, with the heater bundle partially disassembled from the heat exchanger to expose the heater bundle for purposes of explanation. FIG. 7 is a block diagram of a method of operating a heater system that includes a heater bundle constructed in accordance with the teachings of the present disclosure. The drawings described herein are for illustrative purposes only and are in no way intended to limit the scope of the present disclosure.

以下の説明は、実際は、単に例示的なものであり、本開示、用途又は使用を限定するものではない。
図1に示すように、本開示の教示に従って構成されたヒータシステムは、参照符号10で通常示される。ヒータシステム10は、ヒータバンドル12、及び、ヒータバンドル12に電気的に接続された電源装置14を含む。電源装置14は、ヒータバンドル12への電力供給を制御するコントローラ15を含む。本開示において使用される「ヒータバンドル」は、独立して制御可能な2つ以上の物理的に異なる加熱装置を含むヒータ装置を指す。したがって、ヒータバンドル内の加熱装置の1つが故障又は劣化しても、ヒータバンドル12内の残りの加熱装置は動作し続けることができる。
The following description is merely exemplary in nature and is not intended to limit the present disclosure, application, or uses.
As shown in FIG. 1, a heater system constructed in accordance with the teachings of this disclosure is generally indicated by reference numeral 10. The heater system 10 includes a heater bundle 12 and a power supply device 14 electrically connected to the heater bundle 12. The power supply device 14 includes a controller 15 that controls power supply to the heater bundle 12. As used in this disclosure, a “heater bundle” refers to a heater device that includes two or more physically different heating devices that are independently controllable. Therefore, even if one of the heating devices in the heater bundle fails or deteriorates, the remaining heating devices in the heater bundle 12 can continue to operate.

一形態では、ヒータバンドル12は、取付フランジ16、及び、取付フランジ16に固定された複数のヒータアセンブリ18を含む。取付フランジ16は、ヒータアセンブリ18が貫通する複数の開口20を含む。ヒータアセンブリ18は、この形態では平行に配置されているが、ヒータアセンブリ18の代替の位置/配置は、本開示の範囲内にあることを理解されたい。   In one form, the heater bundle 12 includes a mounting flange 16 and a plurality of heater assemblies 18 secured to the mounting flange 16. The mounting flange 16 includes a plurality of openings 20 through which the heater assembly 18 passes. Although the heater assembly 18 is arranged in parallel in this configuration, it should be understood that alternative positions / arrangements of the heater assembly 18 are within the scope of the present disclosure.

さらに示されるように、取付フランジ16は、複数の取付穴22を含む。取付穴22に通すネジ又はボルト(図示せず)を使用することにより、取付フランジ16は、加熱される流体を運ぶ容器又はパイプ(図示せず)の壁に取り付けることができる。ヒータアセンブリ18の少なくとも一部は、本開示のこの形態の流体を加熱するために、容器又はパイプ内部の流体に浸される。   As further shown, the mounting flange 16 includes a plurality of mounting holes 22. By using screws or bolts (not shown) that pass through the mounting holes 22, the mounting flange 16 can be attached to the wall of a container or pipe (not shown) that carries the fluid to be heated. At least a portion of the heater assembly 18 is immersed in the fluid inside the container or pipe to heat the fluid of this form of the present disclosure.

図2に示すように、一形態によるヒータアセンブリ18は、カートリッジヒータ30の形態でもよい。カートリッジヒータ30は、チューブ状のヒータであり、コア体32、コア体32に巻き付けられた抵抗発熱線34、コア体32及び抵抗発熱線34を内包する金属被覆36、及び、金属被覆36内の空間を満たして金属被覆36から抵抗発熱線34を電気的に絶縁し、抵抗発熱線34から金属被覆36への加熱を熱伝導するための絶縁材料38を通常備える。コア体32は、セラミック製でもよい。絶縁材料38は、圧縮された酸化マグネシウム(MgO)でもよい。複数の電源導体42は、長手方向に沿ってコア体32を貫通して、抵抗発熱線34に電気的に接続されている。電源導体42は、外側被覆36を密閉する端部44も貫通する。外部電源装置14から抵抗発熱線32に電源供給するために、電源導体42は、外部電源装置14(図1参照)に接続される。図2は、端部44を貫通する2つのみの電源導体42を示すが、3つ以上の電源導体42が端部44を貫通することができる。電源導体42は、導電ピンの形態でもよい。カートリッジヒータの様々な構成及びさらなる構造的並びに電気的な詳細は、米国特許第2,831,951号及び第3,970,822号により詳細に説明されており、これらは本出願と同一出願人に譲渡され、それらの内容は参照によりそっくりそのまま本明細書に組み込まれる。したがって、本明細書に示される形態は単なる例示であり、本開示の範囲を限定するように構成されるべきではないことを理解されたい。   As shown in FIG. 2, the heater assembly 18 according to one embodiment may be in the form of a cartridge heater 30. The cartridge heater 30 is a tube-shaped heater, and includes a core body 32, a resistance heating wire 34 wound around the core body 32, a metal coating 36 including the core body 32 and the resistance heating wire 34, An insulating material 38 is typically provided for filling the space to electrically insulate the resistance heating wire 34 from the metal coating 36 and to conduct heat from the resistance heating wire 34 to the metal coating 36. The core body 32 may be made of ceramic. The insulating material 38 may be compressed magnesium oxide (MgO). The plurality of power supply conductors 42 pass through the core body 32 along the longitudinal direction and are electrically connected to the resistance heating wire 34. The power supply conductor 42 also penetrates the end 44 that seals the outer covering 36. In order to supply power to the resistance heating wire 32 from the external power supply device 14, the power supply conductor 42 is connected to the external power supply device 14 (see FIG. 1). Although FIG. 2 shows only two power conductors 42 that penetrate the end 44, more than two power conductors 42 can penetrate the end 44. The power supply conductor 42 may be in the form of a conductive pin. Various configurations and further structural and electrical details of the cartridge heater are described in more detail in US Pat. Nos. 2,831,951 and 3,970,822, which are assigned to the same applicant as the present application. The contents of which are incorporated herein by reference in their entirety. Accordingly, it is to be understood that the form shown herein is merely exemplary and should not be configured to limit the scope of the present disclosure.

あるいは、カートリッジヒータ30の信頼性を高めるために独立して制御することができる複数の加熱回路を形成するために、複数の抵抗発熱線34及び複数対の電源導体42を使用してもよい。したがって、抵抗発熱線34の1つが故障した場合、残りの抵抗線34は、カートリッジヒータ30全体が故障することなく、またコストのかかる機械のダウンタイムを引き起こすことなく、熱を発生し続けることができる。   Alternatively, a plurality of resistance heating wires 34 and a plurality of pairs of power supply conductors 42 may be used to form a plurality of heating circuits that can be independently controlled to increase the reliability of the cartridge heater 30. Thus, if one of the resistance heating wires 34 fails, the remaining resistance wires 34 may continue to generate heat without causing the entire cartridge heater 30 to fail and causing costly machine downtime. it can.

図3から図5に示すように、ヒータアセンブリ50は、使用されるコア体の数及び電源導体の数を除いて、図2の構成と同様の構成を有するカートリッジヒータの形態でもよい。より具体的には、ヒータアセンブリ50は、それぞれ、複数のヒータユニット52、及び、複数のヒータユニット52を内包する外側金属被覆54を、複数の電源導体56とともに含む。ヒータユニット52を外側金属被覆54から電気的に絶縁するために、複数の発熱ユニット52と外側金属被覆54との間には、絶縁材料(図3から図5には図示せず)が設けられている。複数のヒータユニット52は、それぞれ、コア体58及びコア体58を囲む抵抗発熱体60を含む。各ヒータユニット52の抵抗発熱体60は、1つ以上の加熱ゾーン62を定めるための1つ以上の加熱回路を定めてもよい。   As shown in FIGS. 3 to 5, the heater assembly 50 may be in the form of a cartridge heater having the same configuration as that of FIG. 2 except for the number of core bodies and the number of power supply conductors used. More specifically, the heater assembly 50 includes a plurality of heater units 52 and an outer metal coating 54 that encloses the plurality of heater units 52 together with a plurality of power supply conductors 56. In order to electrically insulate the heater unit 52 from the outer metal coating 54, an insulating material (not shown in FIGS. 3 to 5) is provided between the plurality of heat generating units 52 and the outer metal coating 54. ing. Each of the plurality of heater units 52 includes a core body 58 and a resistance heating element 60 surrounding the core body 58. The resistance heating element 60 of each heater unit 52 may define one or more heating circuits for defining one or more heating zones 62.

本形態では、各ヒータユニット52が1つの加熱ゾーン62を定め、各ヒータアセンブリ50内の複数のヒータユニット52が長手方向Xに沿って整列される。したがって、各ヒータアセンブリ50は、長手方向Xに沿って整列された複数の加熱ゾーン62を定める。各ヒータユニット52のコア体58は、電源導体56が貫通することを可能にするために、複数の貫通穴/開口64を定める。ヒータユニット52の抵抗発熱体60は、電源導体56に接続され、次に、電源導体56は、外部電源装置14に接続される。電源導体56は、電源装置14から複数のヒータユニット50に電力を供給する。電源導体56を抵抗発熱体60に適切に接続することによって、複数の発熱ユニット52の抵抗発熱体60を、電源装置14のコントローラ15により独立して制御することができる。したがって、特定の加熱ゾーン62に対する1つの抵抗発熱体60の故障は、残りの加熱ゾーン62に対する残りの抵抗発熱体60の適切な作動に影響を与えない。さらに、ヒータユニット52及びヒータアセンブリ50は、修理又は組立てを容易にするために交換可能にしてもよい。   In this embodiment, each heater unit 52 defines one heating zone 62, and the plurality of heater units 52 in each heater assembly 50 are aligned along the longitudinal direction X. Thus, each heater assembly 50 defines a plurality of heating zones 62 aligned along the longitudinal direction X. The core body 58 of each heater unit 52 defines a plurality of through holes / openings 64 to allow the power supply conductor 56 to pass therethrough. The resistance heating element 60 of the heater unit 52 is connected to the power supply conductor 56, and then the power supply conductor 56 is connected to the external power supply device 14. The power supply conductor 56 supplies power from the power supply device 14 to the plurality of heater units 50. By appropriately connecting the power supply conductor 56 to the resistance heating element 60, the resistance heating elements 60 of the plurality of heating units 52 can be independently controlled by the controller 15 of the power supply device 14. Thus, the failure of one resistance heating element 60 for a particular heating zone 62 does not affect the proper operation of the remaining resistance heating element 60 for the remaining heating zone 62. Further, the heater unit 52 and the heater assembly 50 may be interchangeable to facilitate repair or assembly.

本形態では、5つのヒータユニット52上の5つの独立した電気加熱回路に電力を供給するために、各ヒータアセンブリ50に6つの電源導体56が使用される。あるいは、5つのヒータユニット52上の3つの完全に独立した回路を定めるように、6つの電源導体56を抵抗発熱体60に接続してもよい。任意の数の独立して制御される加熱回路及び独立して制御される加熱ゾーン62を形成するために、任意の数の電源導体56を有することができる。例えば、6つの加熱ゾーン62を設けるために、7つの電源導体56を用いてもよい。7つの加熱ゾーン62を設けるために、8つの電源導体56を用いてもよい。   In this embodiment, six power supply conductors 56 are used for each heater assembly 50 to supply power to five independent electrical heating circuits on five heater units 52. Alternatively, the six power supply conductors 56 may be connected to the resistance heating element 60 so as to define three completely independent circuits on the five heater units 52. Any number of power supply conductors 56 may be provided to form any number of independently controlled heating circuits and independently controlled heating zones 62. For example, seven power conductors 56 may be used to provide six heating zones 62. Eight power conductors 56 may be used to provide seven heating zones 62.

電源導体56は、複数の電源供給及び電源戻り導体、複数の電源戻り導体及び単一の電源供給導体、又は、複数の電源供給導体及び単一の電源戻り導体を含めてもよい。ヒータゾーンの数をnとすると、電源供給と戻りの導体の数はn+1である。
あるいは、外部電源装置14のコントローラ15による多重化、極性に敏感なスイッチング及び他の回路接続形態を通じて、より多くの電気的に異なる加熱ゾーン62が生成されてもよい。所定数の電源導体に対して、カートリッジヒータ50内の加熱ゾーンの数を増やすための熱配列の多重化又は様々な配置の使用(例えば、15又は30ゾーンに対する6つの電源導体を有するカートリッジヒータ)が、米国特許番号第9,123,755号、第9,123,756号、第9,177,840号、第9,196,513号及びそれらの関連出願に開示され、これらは本出願と同一出願人に譲渡され、それらの内容は参照により本明細書にそっくりそのまま組み込まれる。
The power conductor 56 may include a plurality of power supply and power return conductors, a plurality of power return conductors and a single power supply conductor, or a plurality of power supply conductors and a single power return conductor. When the number of heater zones is n, the number of power supply and return conductors is n + 1.
Alternatively, more electrically different heating zones 62 may be generated through multiplexing by the controller 15 of the external power supply 14, polarity sensitive switching and other circuit topologies. For a given number of power conductors, the use of multiple thermal arrangements or various arrangements to increase the number of heating zones in the cartridge heater 50 (eg, a cartridge heater having six power conductors for 15 or 30 zones). Are disclosed in U.S. Patent Nos. 9,123,755, 9,123,756, 9,177,840, 9,196,513 and related applications, which are incorporated herein by reference. Assigned to the same applicant, the contents of which are hereby incorporated by reference in their entirety.

この構造では、各ヒータアセンブリ50は、ヒータアセンブリ50の長さに従って電力出力又は熱分布を変化させるように独立して制御することができる複数の加熱ゾーン62を含む。ヒータバンドル12は、複数のそのようなヒータアセンブリ50を含む。したがって、ヒータバンドル12は、特定の用途に適合されるように、ヒータバンドル12を流れる流体を加熱するために、複数の加熱ゾーン62、及び、調整された熱分布を提供する。電源装置14は、独立して制御される加熱ゾーン62のそれぞれへの電力を調整するように構成することができる。   In this configuration, each heater assembly 50 includes a plurality of heating zones 62 that can be independently controlled to vary the power output or heat distribution according to the length of the heater assembly 50. The heater bundle 12 includes a plurality of such heater assemblies 50. Accordingly, the heater bundle 12 provides a plurality of heating zones 62 and a regulated heat distribution to heat the fluid flowing through the heater bundle 12 to be adapted to a particular application. The power supply 14 can be configured to regulate power to each of the independently controlled heating zones 62.

例えば、加熱アセンブリ50は、「m」個の加熱ゾーンを定めてもよいし、ヒータバンドルは「k」個の加熱アセンブリ50を含めてもよい。したがって、ヒータバンドル12は、m×k個の加熱ゾーンを定めてもよい。ヒータバンドル12内の複数の加熱ゾーン62は、個々のヒータユニット52の寿命及び信頼性、ヒータユニット52のサイズ及びコスト、局所ヒータ磁束、ヒータユニット52の特性及び動作、並びに、全電力出力を含むがこれらに限定されず、加熱条件及び/又は加熱要件に応じて個々にかつ動的に制御することができる。   For example, the heating assembly 50 may define “m” heating zones and the heater bundle may include “k” heating assemblies 50. Therefore, the heater bundle 12 may define m × k heating zones. The plurality of heating zones 62 within the heater bundle 12 includes the life and reliability of individual heater units 52, the size and cost of the heater units 52, the local heater flux, the characteristics and operation of the heater units 52, and the total power output. Is not limited to these, and can be controlled individually and dynamically according to heating conditions and / or heating requirements.

各回路は、温度の分布及び/又は電力がシステムパラメータ(例えば 製造のばらつき/許容誤差、環境条件の変化、入口温度などの流入条件の変化、入口温度分布、流速、速度分布、流体組成、流体熱容量など)の変動に適応するように、所望の温度又は所望の電力レベルで個々に制御される。より具体的には、ヒータユニット52は、経時的なヒータの劣化の変化度合いに加えて製造ばらつきのために、同じ電力レベルで操作された場合でも、同じ熱出力を発生させないかもしれない。ヒータユニット52は、所望の熱分布に従って熱出力を調節するように独立して制御されてもよい。ヒータシステムの構成要素の個々の製造許容誤差及びヒータシステムのアセンブリ許容誤差は、電源の調整された電力に応じて増加し、言い換えれば、ヒータ制御の高い忠実性のために、個々の構成要素の製造許容誤差は、きつく/狭くする必要はない。   Each circuit has a temperature distribution and / or power that depends on system parameters (eg manufacturing variations / tolerances, changes in environmental conditions, changes in inlet conditions such as inlet temperature, inlet temperature distribution, flow velocity, velocity distribution, fluid composition, fluid It is individually controlled at a desired temperature or a desired power level to accommodate variations in heat capacity, etc.). More specifically, the heater unit 52 may not generate the same heat output even when operated at the same power level due to manufacturing variations in addition to the degree of change in heater degradation over time. The heater unit 52 may be independently controlled to adjust the heat output according to the desired heat distribution. The individual manufacturing tolerances of the heater system components and the assembly tolerances of the heater system increase with the regulated power of the power supply, in other words, due to the high fidelity of the heater control, the individual component tolerances. Manufacturing tolerances need not be tight / narrow.

ヒータユニット52は、ヒータユニット52の温度を測定するための温度センサ(図示せず)をそれぞれ含めてもよい。ヒータユニット52内のホットスポットが検出されると、電源装置14は、特定のヒータユニット52の過熱又は故障を回避するために、ホットスポットが検出された特定のヒータユニット52への電力を低減又はオフしてもよい。電源装置14は、特定のヒータユニット52からの低減された熱出力を補償するように、無効にしたヒータユニット52に隣接するヒータユニット52への電力を調整してもよい。   Each heater unit 52 may include a temperature sensor (not shown) for measuring the temperature of the heater unit 52. When a hot spot in the heater unit 52 is detected, the power supply device 14 reduces or reduces the power to the specific heater unit 52 in which the hot spot is detected in order to avoid overheating or failure of the specific heater unit 52. You may turn it off. The power supply device 14 may adjust the power to the heater unit 52 adjacent to the disabled heater unit 52 to compensate for the reduced heat output from the particular heater unit 52.

電源装置14は、任意の特定のゾーンに供給される電力レベルをオフ又は低減させ、かつ無効化されて熱出力が低減される特定の加熱ゾーンに隣接する加熱ゾーンへの電力を増加させるように、マルチゾーンアルゴリズムを含めてもよい。各加熱ゾーンへの電力を慎重に調整することにより、システムの全体的な信頼性を改善することができる。ホットスポットを検出し、それに応じて電源を制御することにより、ヒータシステム10は安全性が向上する。   The power supply 14 may turn off or reduce the power level supplied to any particular zone and increase power to the heating zone adjacent to the particular heating zone that is disabled to reduce heat output. A multi-zone algorithm may be included. By carefully adjusting the power to each heating zone, the overall reliability of the system can be improved. By detecting the hot spot and controlling the power source accordingly, the heater system 10 is improved in safety.

複数の独立して制御される加熱ゾーン62を有するヒータバンドル12は、改善された加熱を果たすことができる。例えば、ヒータユニット52上のいくつかの回路は、100%未満(又は、ライン電圧が印加された状態のヒータによって生成される電力の一部分である平均電力レベル)の公称(又は、“標準的な”)デューティサイクルで動作させてもよい。より低いデューティサイクルは、より大きな直径を有する抵抗発熱線の使用を可能にし、それによって信頼性を向上させる。   A heater bundle 12 having a plurality of independently controlled heating zones 62 can provide improved heating. For example, some circuits on the heater unit 52 have a nominal (or “standard” level of less than 100% (or an average power level that is part of the power generated by the heater with the line voltage applied). ") It may be operated at a duty cycle. A lower duty cycle allows the use of resistance heating wires having a larger diameter, thereby improving reliability.

通常、より小さなゾーンは、所定の抵抗を実現するためにより細いワイヤサイズを採用する。可変電力制御は、ヒータの電力損失容量に関連するデューティサイクルの制限でヒータを過負荷から保護しながら、より大きなワイヤサイズの使用を可能にし、より低い抵抗値に適合することができる。   Usually, smaller zones employ thinner wire sizes to achieve a given resistance. Variable power control can allow for the use of larger wire sizes and adapt to lower resistance values while protecting the heater from overload with duty cycle limitations associated with the power loss capacity of the heater.

スケール因子の使用は、ヒータユニット52又は加熱ゾーン62の容量に関連させてもよい。複数の加熱ゾーン62は、ヒータバンドル12のより正確な決定及び制御を可能にする。特定の加熱回路/ゾーンに特定のスケール因子を使用することにより、ほぼすべてのゾーンでより積極的な(即ち、より高い)温度(又は、電力レベル)が可能になり、ひいてはヒータバンドル12のより小さくてコストが安い設計に通じる。このようなスケール因子及び方法は、米国特許番号第7,257,464に開示され、これは本出願と同一出願人に譲渡され、その内容は参照によりそっくりそのまま本明細書に組み込まれる。   The use of the scale factor may be related to the capacity of the heater unit 52 or the heating zone 62. The plurality of heating zones 62 allows for more accurate determination and control of the heater bundle 12. By using a specific scale factor for a specific heating circuit / zone, a more aggressive (ie, higher) temperature (or power level) is possible in almost every zone, and thus more of the heater bundle 12 It leads to a small and inexpensive design. Such scale factors and methods are disclosed in US Pat. No. 7,257,464, which is assigned to the same applicant as the present application, the contents of which are hereby incorporated by reference in their entirety.

個々の回路によって制御される加熱ゾーンのサイズは、温度又は電力の分布を所望の精度に制御するのに必要なゾーンの総数を減らすために、等しく又は異なるようにすることができる。
図1に戻って参照すると、ヒータアセンブリ18はシングルエンドヒータであるように示されており、即ち、導電ピンは、ヒータアセンブリ18の長手方向の一方の端部のみを貫通している。ヒータアセンブリ18は、取付フランジ16又は仕切り(図示せず)を貫通して、フランジ16又は仕切りに密封されてもよい。したがって、ヒータアセンブリ18は、容器又はチューブから取付フランジ16を取り外すことなく、個々に取り外して交換することができる。
The size of the heating zones controlled by the individual circuits can be equal or different to reduce the total number of zones required to control the temperature or power distribution to the desired accuracy.
Referring back to FIG. 1, the heater assembly 18 is shown to be a single-ended heater, i.e., the conductive pins pass through only one longitudinal end of the heater assembly 18. The heater assembly 18 may pass through the mounting flange 16 or partition (not shown) and be sealed to the flange 16 or partition. Thus, the heater assembly 18 can be individually removed and replaced without removing the mounting flange 16 from the container or tube.

あるいは、ヒータアセンブリ18は、“両端同形の”ヒータであってもよい。両端同形のヒータでは、金属被覆は、ヘアピン形状に曲げられ、金属被覆の長手方向両端部が通過するように、電源導体が金属被覆の長手方向両端部を通過して、フランジ又は仕切りに密封されてもよい。この構成では、個々のヒータアセンブリ18を交換する前に、フランジ又は仕切りをハウジング又は容器から取り外す必要がある。   Alternatively, the heater assembly 18 may be a “both ends identical” heater. In a heater with the same shape at both ends, the metal coating is bent into a hairpin shape, and the power supply conductor is passed through the both longitudinal ends of the metal coating and sealed to a flange or partition so that the both longitudinal ends of the metal coating pass. May be. In this configuration, the flange or divider must be removed from the housing or container prior to replacing the individual heater assembly 18.

図6に示すように、ヒータバンドル12は、熱交換器70内に組み込まれている。熱交換器70は、内部チャンバ(図示せず)を定める密封ハウジング72、及び、ハウジング72の内部チャンバ内に配置されたヒータバンドル12を含む。密封ハウジング72は、密封ハウジング72の内部チャンバの内部及び外部に導かれる流体が通過する流入口76及び流出口78を含む。流体は、密封ハウジング72内に配置されたヒータバンドル12により加熱される。ヒータバンドル12は、クロスの流れ又はそれらの長さに平行の流れのいずれに配置してもよい。   As shown in FIG. 6, the heater bundle 12 is incorporated in the heat exchanger 70. The heat exchanger 70 includes a sealed housing 72 that defines an internal chamber (not shown), and the heater bundle 12 disposed within the internal chamber of the housing 72. The sealed housing 72 includes an inlet 76 and an outlet 78 through which fluid guided to the inside and outside of the inner chamber of the sealed housing 72 passes. The fluid is heated by the heater bundle 12 disposed within the sealed housing 72. The heater bundle 12 may be arranged in either a cross flow or a flow parallel to their length.

ヒータバンドル12は、外部電源装置14に接続され、外部電源装置14は、個々のゾーンに供給される電力を調整するために、スイッチング手段又は可変トランスなどの電力を調整する手段を含めてもよい。電力調整は、時間の関数として、又は、各加熱ゾーンの検出温度に基づいて実行してもよい。   The heater bundle 12 is connected to an external power supply device 14, and the external power supply device 14 may include means for adjusting power, such as switching means or a variable transformer, in order to adjust the power supplied to each zone. . The power adjustment may be performed as a function of time or based on the detected temperature of each heating zone.

抵抗発熱線は、抵抗線の温度を測定するために抵抗線の抵抗を使用し、温度測定情報を電源装置14に送るために同じ電源導体を使用して、センサとして機能を果たしてもよい。各ゾーンの温度を検出する手段は、ヒータバンドル12内の各ヒータアセンブリ18の長さに沿った温度の制御を可能にする(個々のゾーンの分解能に下がるまで)。したがって、追加の温度センサ回路及び検知手段を省くことができ、それにより製造コストが低減される。ヒータ回路温度の直接測定は、個別のセンサを使用することに関連する多くの測定誤差を排除又は最小にするので、システムの所望の信頼性レベルを維持しながら、所定の回路内の熱流束を最大にしようとする場合に明確な利点である。発熱体温度はヒータの信頼性に最も大きな影響を与える特性である。ヒータとセンサの両方として機能するために抵抗体を使用することは、本出願と同一出願人に譲渡された米国特許第7,196,295号に開示され、その内容は参照により本明細書にそっくりそのまま組み込まれる。   The resistance heating wire may function as a sensor using the resistance of the resistance wire to measure the temperature of the resistance wire and using the same power conductor to send temperature measurement information to the power supply 14. The means for detecting the temperature of each zone allows control of the temperature along the length of each heater assembly 18 in the heater bundle 12 (until the resolution of the individual zones is reduced). Thus, additional temperature sensor circuits and sensing means can be omitted, thereby reducing manufacturing costs. Direct measurement of the heater circuit temperature eliminates or minimizes many of the measurement errors associated with using separate sensors so that the heat flux within a given circuit is maintained while maintaining the desired level of system reliability. A clear advantage when trying to maximize. The heating element temperature is a characteristic that has the greatest influence on the reliability of the heater. The use of a resistor to function as both a heater and a sensor is disclosed in US Pat. No. 7,196,295, assigned to the same assignee as the present application, the contents of which are hereby incorporated by reference. It is incorporated as it is.

あるいは、電源導体56は、異種金属の電源導体56が抵抗発熱体の温度を測定するための熱電対を形成するように、異種金属で作られてもよい。例えば、電源供給及び電源戻り導体の少なくとも1つのセットは、異なる材料とヒータユニットの抵抗発熱体との間に接合部が形成されるような異なる材料を含めてもよく、1以上のゾーンの温度を決定するために使用される。ヒータに異なる金属を使用するなど、「一体化され」かつ「熱的に高い対の」検出を利用すると、熱電対のような信号の生成につながる。温度測定のために、一体化された、対の電源導体の使用は、米国出願第14/725,537に開示され、これは本出願と同一出願人に譲渡され、その内容は参照により本明細書にそっくりそのまま組み込まれる。   Alternatively, the power conductor 56 may be made of a dissimilar metal such that the dissimilar metal power conductor 56 forms a thermocouple for measuring the temperature of the resistance heating element. For example, at least one set of power supply and power return conductors may include different materials such that a junction is formed between the different materials and the resistance heating element of the heater unit. Used to determine. Utilizing “integrated” and “thermally high pair” detection, such as using different metals for the heater, leads to the generation of signals like thermocouples. The use of an integrated, paired power supply conductor for temperature measurement is disclosed in US application Ser. No. 14 / 725,537, which is assigned to the same assignee as the present application, the contents of which are hereby incorporated by reference. It is incorporated into the book as it is.

各ゾーンに供給される電力を調整するコントローラ15は、閉ループ自動制御システムでもよい。閉ループ自動制御システム15は、各ゾーンからの温度フィードバックを受信し、各ゾーンへの電力供給を自動かつ動的に制御することにより、連続的又は頻繁な人の監視及び調節をせずに、ヒータバンドル12内の各ヒータアセンブリ18の長さに沿った電力分布及び温度を自動かつ動的に制御する。   The controller 15 that adjusts the power supplied to each zone may be a closed loop automatic control system. The closed loop automatic control system 15 receives the temperature feedback from each zone and automatically and dynamically controls the power supply to each zone, without continuous or frequent human monitoring and adjustment. The power distribution and temperature along the length of each heater assembly 18 in the bundle 12 is automatically and dynamically controlled.

本明細書で開示されるヒータユニット52は、各ヒータユニット52を通電しサンプリングしてその抵抗を計算することを含むが、これに限定されない様々な方法を使用して較正してもよい。次に、計算された抵抗は、較正された抵抗と比較して、抵抗比、又は、そのあとに実際のヒータユニット温度を決定するための値を決定することができる。典型的な方法は、米国出願第5,280,422及び第5,552,998に開示され、これは本出願と同一出願人に譲渡され、その内容は参照により本明細書にそっくりそのまま組み込まれる。   The heater unit 52 disclosed herein may be calibrated using various methods including, but not limited to, energizing and sampling each heater unit 52 to calculate its resistance. The calculated resistance can then be compared to the calibrated resistance to determine a resistance ratio, or a value for subsequently determining the actual heater unit temperature. Exemplary methods are disclosed in U.S. Application Nos. 5,280,422 and 5,552,998, which are assigned to the same applicant as the present application, the contents of which are hereby incorporated by reference in their entirety. .

較正の1つの形態は、少なくとも1つの動作モードでヒータシステム10を動作させること、独立して制御される加熱ゾーン62の少なくとも1つに対して所望の温度を生成するようにヒータシステム10を制御すること、動作モードのための少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーン62のためのデータを収集して記録すること、その後、記録されたデータにアクセスして、独立して制御される加熱ゾーンの数が減少した加熱システムの動作仕様を決定すること、及び、その後、独立して制御される加熱ゾーンの数が減少した状態の加熱システムを使用することを含む。一例として、データは、そのデータが収集され記録されたヒータシステム10からの他の動作データの中の電力レベル及び/又は温度情報を含めてもよい。   One form of calibration is to operate the heater system 10 in at least one mode of operation and to control the heater system 10 to generate a desired temperature for at least one of the independently controlled heating zones 62. Collecting and recording data for at least one independently controlled heating zone 62 for the operating mode, then accessing the recorded data and independently controlling heating Determining the operating specifications of the heating system with a reduced number of zones, and then using the heating system with a reduced number of independently controlled heating zones. As an example, the data may include power level and / or temperature information among other operational data from the heater system 10 for which the data was collected and recorded.

本開示の一変形形態では、ヒータシステムは、バンドル12内の複数のヒータアセンブリではなく、単一のヒータアセンブリ18を含めてもよい。単一のヒータアセンブリ18は、複数のヒータユニット52を備えてもよく、各ヒータユニット52は、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンを定める。同様に、電源導体56は、各ヒータユニット62の独立して制御される加熱ゾーン62のそれぞれに電気的に接続され、電源装置は、電源導体56を介してヒータユニットの独立して制御されるヒータゾーン62のそれぞれへの電力を調整するように構成される。   In one variation of the present disclosure, the heater system may include a single heater assembly 18 instead of multiple heater assemblies in the bundle 12. A single heater assembly 18 may comprise a plurality of heater units 52, each heater unit 52 defining at least one independently controlled heating zone. Similarly, the power conductor 56 is electrically connected to each of the independently controlled heating zones 62 of each heater unit 62, and the power supply is controlled independently of the heater unit via the power conductor 56. It is configured to adjust the power to each of the heater zones 62.

図7を参照すると、ヒータシステムを制御する方法100は、ステップ102において、複数のヒータアセンブリを備えるヒータバンドルを備えることを含む。各ヒータアセンブリは、複数のヒータユニットを含む。各ヒータユニットは、少なくとも1つの独立して制御される加熱回路(したがって、加熱ゾーン)を定める。ステップ104において、各ヒータユニットへの電力は、各ヒータユニット内の独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに電気的に接続された電源導体を介して供給される。ステップ106において、各ゾーン内の温度が検出される。温度は、少なくとも1つのヒータユニットの抵抗発熱体の抵抗の変化を用いて決定してもよい。ゾーン温度は、ゾーン抵抗を測定することにより(又は、適切な材料が使用される場合、回路電圧の測定により)最初に決定されてもよい。   Referring to FIG. 7, a method 100 for controlling a heater system includes, at step 102, providing a heater bundle comprising a plurality of heater assemblies. Each heater assembly includes a plurality of heater units. Each heater unit defines at least one independently controlled heating circuit (and thus a heating zone). In step 104, power to each heater unit is supplied via power conductors that are electrically connected to each of the independently controlled heating zones within each heater unit. In step 106, the temperature within each zone is detected. The temperature may be determined using a change in resistance of the resistance heating element of at least one heater unit. The zone temperature may be initially determined by measuring the zone resistance (or by measuring circuit voltage if an appropriate material is used).

温度値はデジタル化されてもよい。 信号は、マイクロプロセッサに伝達されてもよい。ステップ108において、測定された(検出された)温度値は、各ゾーンの目標(所望の)温度と比較されてもよい。ステップ110において、各ヒータユニットに供給される電力は、目標温度に達するように、測定温度に基づいて調整されてもよい。   The temperature value may be digitized. The signal may be communicated to a microprocessor. In step 108, the measured (detected) temperature value may be compared to the target (desired) temperature of each zone. In step 110, the power supplied to each heater unit may be adjusted based on the measured temperature to reach the target temperature.

任意で、この方法は、調整された電力を調節するためのスケール因子を使用することをさらに含めてもよい。スケール因子は、各加熱ゾーンの加熱容量の関数でもよい。制御装置15は、アルゴリズムを含めてもよく、それはシステムの動的挙動のスケール因子及び/又は数学的モデル(システムの更新時間の知識を含む)を潜在的に含み、次の更新まで各ゾーンに提供される電力量(デューティサイクル、点弧位相角、電圧変調、又は、同様の技術、を介して)を決定する。所望の電力は、信号に変換されてもよく、その信号は、個々の加熱ゾーンへの電力出力を制御するためのスイッチ又は他の電力調整装置に送信される。   Optionally, the method may further include using a scale factor to adjust the adjusted power. The scale factor may be a function of the heating capacity of each heating zone. The controller 15 may include an algorithm that potentially includes a scale factor and / or a mathematical model (including knowledge of the system update time) of the dynamic behavior of the system, in each zone until the next update. Determine the amount of power provided (via duty cycle, firing phase angle, voltage modulation, or similar techniques). The desired power may be converted into a signal that is sent to a switch or other power conditioning device to control the power output to the individual heating zones.

本形態では、異常状態のために少なくとも1つの加熱ゾーンがターンオフされても、残りのゾーンは、故障せずに所望のワット数を供給し続ける。少なくとも1つの加熱ゾーンにおいて異常状態が検出された場合、電力は、作動する加熱ゾーンに所望のワット数を供給するために調整される。決定された温度に基づいて少なくとも1つの加熱ゾーンがターンオフされても、残りのゾーンは所望のワット数を供給し続ける。電力は、受信信号、モデル及び時間関数の少なくとも1つの関数として、加熱ゾーンのそれぞれに調整される。   In this configuration, even if at least one heating zone is turned off due to an abnormal condition, the remaining zones continue to supply the desired wattage without failure. If an abnormal condition is detected in at least one heating zone, the power is adjusted to provide the desired wattage to the operating heating zone. Even if at least one heating zone is turned off based on the determined temperature, the remaining zones continue to supply the desired wattage. The power is adjusted to each of the heating zones as a function of at least one of the received signal, model, and time function.

安全又はプロセス制御の理由から、一般的なヒータは、特定の場所での望ましくない化学的又は物理的反応(燃焼/火災/酸化、コークスボイルなど)により、ヒータの特定の位置が所定温度を超えることを防止するために、通常、最大許容温度を下回るように操作される。したがって、これは通常、保守的なヒータ設計(例えば、低電力密度で、かつ、他では可能かもしれないものよりはるかに低い熱流束がその表面の大部分に加えられた大型ヒータ)に適合される。   For safety or process control reasons, typical heaters have certain heater locations above a given temperature due to undesirable chemical or physical reactions (combustion / fire / oxidation, coke boiling, etc.) at specific locations In order to prevent this, it is usually operated below the maximum allowable temperature. This is therefore usually adapted to conservative heater designs (eg large heaters with low power density and much lower heat flux applied to most of its surface than might otherwise be possible). The

しかしながら、本開示のヒータバンドルでは、ヒータ内の任意の位置の温度を測定して制限し、個々の加熱ゾーンのサイズのオーダの分解能まで下げることが可能である。個々の回路の温度に影響を及ぼすのに十分な大きさのホットスポットを検出することができる。   However, with the heater bundle of the present disclosure, it is possible to measure and limit the temperature at any location within the heater to reduce the resolution to the order of the size of the individual heating zones. Hot spots large enough to affect the temperature of individual circuits can be detected.

個々の加熱ゾーンの温度は自動的に調節され、結果として制限されるので、各ゾーンの温度の動的かつ自動的な制限は、任意のゾーンの所望の温度リミットを超える恐れがなく、このゾーン及び他の全てのゾーンを最適な電力/熱流束レベルで動作することを維持する。これは、バンドル内の要素のうち1つの被覆に別々の熱電対を留める現在の実施を超える精度の高制限温度測定において利点をもたらす。低減されたマージン及び個々のゾーンへの電力を調整する能力は、ヒータアセンブリ全体に適用されるのではなく、選択的かつ個別に、加熱ゾーンに選択的に適用することができ、それによって予め決められた温度リミットを超えるリスクが低減される。   Since the temperature of the individual heating zones is automatically adjusted and consequently limited, the dynamic and automatic limitation of the temperature of each zone is not likely to exceed the desired temperature limit of any zone, and this zone And all other zones are kept operating at optimal power / heat flux levels. This provides an advantage in high-limit temperature measurements with accuracy over current practice of keeping a separate thermocouple on one of the elements in the bundle. Reduced margins and the ability to adjust power to individual zones can be selectively applied to heating zones selectively and individually, rather than applied to the entire heater assembly. The risk of exceeding the set temperature limit is reduced.

カートリッジヒータの特性は、時間と共に変化する可能性がある。この時間変化特性は、ただ1つの選択された(より悪いケースの)流れの型のためにカートリッジヒータを設計することが別に必要になるかもしれず、その結果、カートリッジヒータは、他の流れの状態では準最適の状態で動作するかもしれない。   The characteristics of the cartridge heater can change over time. This time-varying characteristic may require a separate design of the cartridge heater for just one selected (worst case) flow type, so that the cartridge heater can be Then it may operate in a sub-optimal state.

しかしながら、ヒータアセンブリ内に設けられた複数の発熱ユニットよりバンドル全体にわたる電力分布をコアサイズの分解能まで下げる動的な制御によって、一般的なカートリッジヒータにおけるただ1つの流れの状態に対応するただ1つの電力分布とは対照的に、様々な流れの状態に対して最適化された電力分布を実現することができる。したがって、本出願のヒータバンドルは、他の全ての流れの状態についての合計の熱流束の増加を可能にする。   However, a dynamic control that lowers the power distribution across the bundle to a core size resolution from multiple heating units provided in the heater assembly provides only one flow condition for a typical cartridge heater. In contrast to the power distribution, an optimized power distribution can be achieved for various flow conditions. Thus, the heater bundle of the present application allows an increase in the total heat flux for all other flow conditions.

さらに、可変電力制御は、ヒータ設計の柔軟性を高めることができる。電圧は、ヒータ設計において抵抗から(かなりの程度まで)分離することができ、ヒータは、ヒータに適合可能な最大ワイヤ直径で設計してもよい。これは、所定のヒータサイズ及び信頼性のレベル(又はヒータの寿命)に対する電力消失のための能力を増加させ、所定の全電力レベルに対してバンドルのサイズを減少させることを可能にする。この装置における電力は、現在利用可能な又は開発中の可変ワット数制御の一部である可変デューティサイクルにより調整することができる。ヒータバンドルは、ヒータバンドルの「過負荷」を防止するために、所定ゾーンのデューティサイクルについて、プログラム可能な(又は、必要に応じて予めプログラムされた)制限により保護することができる。   Furthermore, variable power control can increase the flexibility of heater design. The voltage can be separated (to a significant extent) from the resistance in the heater design, and the heater may be designed with the largest wire diameter that can fit the heater. This increases the capacity for power dissipation for a given heater size and reliability level (or heater life) and allows the bundle size to be reduced for a given total power level. The power in this device can be regulated by a variable duty cycle that is part of the currently available or under development variable wattage control. The heater bundle can be protected by programmable (or pre-programmed as needed) restrictions on the duty cycle of a given zone to prevent “overload” of the heater bundle.

本開示のさらに別の形態では、電流漏れを低減するための方法及び装置が提供される。加熱システムを制御する1つの方法は、上述のように、少なくとも1つのヒータアセンブリ、複数のヒータユニットを備えるヒータアセンブリ、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンを定める各ヒータユニットを備える。各ヒータユニット内の独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに電気的に接続された電源導体を介して各ヒータユニットに電力が供給され、独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに供給される電力は調整される。電流漏れを低減するために、減少した数の独立して制御される加熱ゾーンが一度に電圧を受けるか、又は、少なくとも一部(若しくはサブセット)の独立して制御される加熱ゾーンが低減された電圧を常に受けるように、電源からの電圧は、独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに選択的に供給される。一例では、電圧は可変変圧器によって選択的に供給されてもよい。   In yet another form of the present disclosure, a method and apparatus for reducing current leakage is provided. One method of controlling the heating system comprises at least one heater assembly, a heater assembly comprising a plurality of heater units, and each heater unit defining at least one independently controlled heating zone, as described above. Electric power is supplied to each heater unit via a power supply conductor electrically connected to each independently controlled heating zone in each heater unit, and is supplied to each independently controlled heating zone. The power is adjusted. In order to reduce current leakage, a reduced number of independently controlled heating zones are subject to voltage at a time, or at least some (or a subset) of independently controlled heating zones have been reduced. In order to always receive a voltage, the voltage from the power supply is selectively supplied to each of the independently controlled heating zones. In one example, the voltage may be selectively supplied by a variable transformer.

独立して制御されるゾーンは、順に切り替えることができ、したがってゾーンの数(及び電位にさらされる電気絶縁体の断面積)を制限する。任意の与えられた時間に電位を受けるゾーンの数(及び面積)をゾーンの総数の数分の一に制限することによって、同様の比率で漏れ電流を減らすことができる。例えば、ヒータバンドルのゾーンが4つのグループ(必ずしも幾何学的に連続している必要はない)に分割されており、これらの各グループがヒータの総面積の約1/4をカバーしており、さらに、任意のある瞬間で時間内に4つのゾーンのうち1つ以下のゾーンに電源が投入されるようにスイッチング方式が設定されている場合は、ヒータからの全体的な漏れ電流を4分の1に(その元の値の25%に)減らすことができる。   Independently controlled zones can be switched in sequence, thus limiting the number of zones (and the cross-sectional area of the electrical insulator exposed to the potential). By limiting the number (and area) of zones that receive a potential at any given time to a fraction of the total number of zones, leakage current can be reduced at a similar rate. For example, the zone of the heater bundle is divided into four groups (not necessarily geometrically continuous), each of these groups covering about 1/4 of the total heater area, Furthermore, if the switching method is set so that power is applied to one or less of the four zones within a given moment in time, the overall leakage current from the heater is reduced to 4 minutes. Can be reduced to 1 (25% of its original value).

選択的な電圧の供給を達成するために、一形態では倍率が採用される。倍率は、本願と同一出願人に譲渡された米国特許第7,257,464号の教示に従って採用してもよく、その全内容は参照により本明細書にそっくりそのまま組み込まれる。倍率は、調整した電力を調節すること、選択的に供給される電圧の大きさを決定すること、及び、電圧が選択的に供給される期間を決定することのうちの少なくとも1つのために採用されてもよい。   In order to achieve a selective supply of voltage, in one form a scaling factor is employed. Magnification may be employed in accordance with the teachings of US Pat. No. 7,257,464, assigned to the same assignee as the present application, the entire contents of which are hereby incorporated by reference in their entirety. The scale factor is employed for at least one of adjusting the adjusted power, determining the magnitude of the selectively supplied voltage, and determining the period of time during which the voltage is selectively supplied. May be.

さらに、倍率は、加熱システムの動作特性の関数でもよい。例えば、倍率は、特に、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの電力消費容量、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの最大許容温度、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの露出加熱面積、加熱システムの熱挙動モデル、ヒータシステムにより加熱される流体の流れを生成する環境システムの特性、ヒータアセンブリの全域での流体の流量、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの面積、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの電気絶縁抵抗、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの電流漏れ、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの回路抵抗、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンのゾーン回路EMF、及び、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの誘電率、の関数にすることができる。   Furthermore, the magnification may be a function of the operating characteristics of the heating system. For example, the magnification is in particular the power consumption capacity of at least one independently controlled heating zone, the maximum allowable temperature of at least one independently controlled heating zone, at least one independently controlled heating zone Exposed heating area, heating system thermal behavior model, characteristics of the environmental system that generates the flow of fluid heated by the heater system, fluid flow across the heater assembly, at least one independently controlled heating zone At least one independently controlled heating zone electrical insulation resistance, at least one independently controlled heating zone current leakage, at least one independently controlled heating zone circuit resistance, at least One independently controlled heating zone zone circuit EMF and at least one independently controlled The dielectric constant of the thermal zone, can be a function.

別の形態では、倍率は、ワット数、選択的に供給される電圧の大きさ、及び、スケーリング関数の使用により各加熱ゾーンに供給される電圧がフルライン電圧で生成される値よりも小さい複数の値で選択的に供給される期間のうちの1つの値を制限する電力制限関数であり、スケーリング関数は、所望の値とフルライン電圧の値との間の比率であり、電力コントローラは、スケーリング関数により出力される割合を掛けることによりスケーリングされた出力を供給する。   In another form, the scaling factor is a wattage, a magnitude of the selectively supplied voltage, and a plurality of voltages that are supplied to each heating zone by use of a scaling function that is less than the value generated at the full line voltage. Is a power limiting function that limits one of the time periods that are selectively supplied with the value of, the scaling function is the ratio between the desired value and the value of the full line voltage, and the power controller A scaled output is provided by multiplying the rate output by the scaling function.

電圧が順に供給される独立して制御される加熱ゾーンの順序及び/又は位置は、用途の要件に応じて様々なものの任意のものでよい。例えば、次に独立して制御される加熱ゾーンの他の幾何学的領域に供給される前に、最初にヒータの周囲又は縁の周りに電圧を順次供給してもよい。また、各加熱ゾーンの抵抗変化に基づいて、異なる加熱ゾーンに電圧を順次供給してもよい。   The order and / or location of the independently controlled heating zones to which the voltages are supplied in turn can be any of a variety depending on the requirements of the application. For example, the voltage may first be sequentially applied around the heater or around the edge before it is then applied to other geometric regions of the independently controlled heating zone. Moreover, you may supply a voltage sequentially to a different heating zone based on the resistance change of each heating zone.

別の形態では、異常状態に基づいて少なくとも1つの加熱ゾーンがターンオフされ、同時に、残りのゾーンは選択的に電圧を受け続ける。   In another form, at least one heating zone is turned off based on an abnormal condition, while the remaining zones continue to selectively receive voltage.

さらに別の形態では、少なくとも1つの加熱ゾーンの少なくとも1つの動作特性に基づいて、各加熱ゾーンに電圧を連続的に供給する割合が調節される。動作特性は、一例として、少なくとも1つの加熱ゾーンの抵抗、温度及び抵抗の経時的変化、ヒータアセンブリの全域での流体の流量、独立して制御される加熱ゾーンの面積、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの電気絶縁抵抗、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの電流漏れ、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの回路抵抗、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンのゾーン回路EMF、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの誘電率、並びに、ヒータシステムにより加熱される流体の流れを生成する環境システムの特性でもよい。   In yet another form, the rate of continuously supplying voltage to each heating zone is adjusted based on at least one operating characteristic of the at least one heating zone. The operating characteristics include, by way of example, resistance of at least one heating zone, temperature and resistance variation over time, fluid flow across the heater assembly, independently controlled heating zone area, at least one independently. Electrical insulation resistance of controlled heating zone, current leakage of at least one independently controlled heating zone, circuit resistance of at least one independently controlled heating zone, at least one independently controlled heating It may be a zone circuit EMF of the zone, the dielectric constant of at least one independently controlled heating zone, as well as the characteristics of the environmental system that produces the flow of fluid heated by the heater system.

漏れ電流を低減する本開示のこの形態による方法は、少なくとも1つのヒータアセンブリに適用してもよく、ヒータアセンブリは複数のヒータユニットを備え、各ヒータユニットは独立して制御される加熱ゾーンを少なくとも1つ定める。本方法は、本開示の範囲内において、本明細書に開示されたヒータ及びヒータシステムの任意の実施形態と共に採用することができる。   The method according to this aspect of the present disclosure for reducing leakage current may be applied to at least one heater assembly, the heater assembly comprising a plurality of heater units, each heater unit comprising at least a separately controlled heating zone. Determine one. The method may be employed with any embodiment of the heater and heater system disclosed herein within the scope of this disclosure.

本開示は、説明され例示された実施形態に限定されないことに留意されたい。非常に様々な変形が記載されており、その多くは当業者の知識の一部である。本開示及び本特許の保護の範囲を逸脱することなく、これら及びさらなる変形は、技術的均等物による任意の代替品と同様に、この説明及び図面に加えられてもよい。   It should be noted that the present disclosure is not limited to the described and illustrated embodiments. A great variety of variations have been described, many of which are part of the knowledge of those skilled in the art. These and further variations may be added to this description and drawings, as well as any alternatives with technical equivalents, without departing from the scope of protection of this disclosure and this patent.

Claims (16)

ヒータアセンブリが複数のヒータユニットを備え、各ヒータユニットが少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンを定める、少なくとも1つのヒータアセンブリを備え、
前記ヒータユニットのそれぞれの前記独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに電気的に接続された電源導体を介して前記ヒータユニットのそれぞれに電力を供給し、
減少した数の独立して制御される加熱ゾーンが一度に電圧を受けるか、又は、少なくとも1つのサブセットの前記独立して制御される加熱ゾーンが低減された電圧を常に受けるように、前記独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに選択的に電圧が供給され、前記独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに供給される電力を調整すること
を含む加熱システムの制御方法。
The heater assembly comprises a plurality of heater units, each heater unit comprising at least one heater assembly defining at least one independently controlled heating zone;
Supplying power to each of the heater units via a power conductor electrically connected to each of the independently controlled heating zones of each of the heater units;
The independent number is controlled so that a reduced number of independently controlled heating zones receive a voltage at a time, or at least one subset of the independently controlled heating zones always receives a reduced voltage. A method for controlling a heating system, comprising: selectively supplying a voltage to each of the controlled heating zones, and adjusting the power supplied to each of the independently controlled heating zones.
調整した電力を調節すること、選択的に供給される電圧の大きさを決定すること、及び、電圧が選択的に供給される期間を決定することのうち少なくとも1つのための倍率を使用すること
を含む請求項1に記載の方法。
Using a scale factor for at least one of adjusting the regulated power, determining the magnitude of the selectively supplied voltage, and determining the period of time during which the voltage is selectively supplied. The method of claim 1 comprising:
少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの電力消費容量、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの最大許容温度、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの露出加熱面積、加熱システムの熱挙動モデル、ヒータシステムにより加熱される流体の流れを生成する環境システムの特性、ヒータアセンブリの全域での流体の流量、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの面積、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの電気絶縁抵抗、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの電流漏れ、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの回路抵抗、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンのゾーン回路EMF、及び、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの誘電率のうち少なくとも1つの関数として倍率を使用することを
を含む請求項2に記載の方法。
Power consumption capacity of at least one independently controlled heating zone, maximum allowable temperature of at least one independently controlled heating zone, exposure heating area of at least one independently controlled heating zone, heating system Model of thermal behavior, characteristics of the environmental system that generates the flow of fluid heated by the heater system, flow rate of fluid across the heater assembly, area of at least one independently controlled heating zone, at least one independent Controlled heating zone electrical insulation resistance, at least one independently controlled heating zone current leakage, at least one independently controlled heating zone circuit resistance, at least one independently controlled The zone circuit EMF of the heating zone and the dielectric constant of the at least one independently controlled heating zone The method of claim 2 comprising the use of magnification as at least one function.
前記倍率は、ワット数、選択的に供給される電圧の大きさ、及び、スケーリング関数の使用により各加熱ゾーンに供給される電圧がフルライン電圧で生成される値よりも小さい複数の値で選択的に供給される期間のうちの1つの値を制限する電力制限関数であり、前記スケーリング関数は、所望の値とフルライン電圧の値との間の比であり、電力コントローラは、前記スケーリング関数により出力される割合を掛けることによりスケーリングされた出力を供給する、請求項2に記載の方法。   The scaling factor is selected from wattage, the magnitude of the selectively supplied voltage, and a plurality of values where the voltage supplied to each heating zone by using a scaling function is smaller than the value generated by the full line voltage. A power limiting function that limits a value of one of the periods of time provided, wherein the scaling function is a ratio between a desired value and a full line voltage value; 3. The method of claim 2, wherein the scaled output is provided by multiplying by the ratio output by. 前記独立して制御される加熱ゾーンの予め決められ幾何学的領域に、電圧が順次供給される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein voltages are sequentially applied to predetermined geometric regions of the independently controlled heating zones. 各加熱ゾーンの抵抗変化に基づいて、異なる加熱ゾーンに順次電圧が供給される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein a voltage is sequentially applied to different heating zones based on a resistance change in each heating zone. 異常状態に基づいて、少なくとも1つの加熱ゾーンがターンオフされ、同時に、残りのゾーンは選択的に電圧を受け続ける、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein at least one heating zone is turned off based on an abnormal condition, while the remaining zones continue to selectively receive voltage. 少なくとも1つの加熱ゾーンの動作特性に基づいて、各加熱ゾーンに電圧を連続的に供給する割合が調節される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein a rate of continuously supplying voltage to each heating zone is adjusted based on operating characteristics of the at least one heating zone. 前記動作特性は、少なくとも1つの加熱ゾーンの抵抗、温度及び抵抗の経時的変化、ヒータアセンブリの全域での流体の流量、独立して制御される加熱ゾーンの面積、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの電気絶縁抵抗、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの電流漏れ、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの回路抵抗、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンのゾーン回路EMF、少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンの誘電率、並びに、ヒータシステムにより加熱される流体の流れを生成する環境システムの特性のうちの1つである、請求項8に記載の方法。   The operating characteristics are controlled by at least one heating zone resistance, temperature and resistance changes over time, fluid flow rate across the heater assembly, independently controlled heating zone area, at least one independently controlled. The electrical insulation resistance of the heating zone, the current leakage of at least one independently controlled heating zone, the circuit resistance of at least one independently controlled heating zone, the at least one independently controlled heating zone 9. The zone circuit EMF, one of the characteristics of an environmental system that produces a flow of fluid heated by the heater system, as well as a dielectric constant of at least one independently controlled heating zone. the method of. 各ヒータアセンブリが複数のヒータユニットを備え、各ヒータユニットが少なくとも1つの独立して制御される加熱ゾーンを定める、1以上のヒータアセンブリと、
前記ヒータユニットのそれぞれの前記独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに電気的に接続された複数の電源導体と、
減少した数の独立して制御される加熱ゾーンが一度に電圧を受けるか、又は、少なくとも1つのサブセットの前記独立して制御される加熱ゾーンが低減された電圧を常に受けるように、電圧が、前記独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれに選択的に供給され、前記複数の電源導体を介して、前記ヒータユニットの前記独立して制御される加熱ゾーンのそれぞれへの電力を調整するように構成された電源装置と
を備えるヒータシステム。
One or more heater assemblies, each heater assembly comprising a plurality of heater units, each heater unit defining at least one independently controlled heating zone;
A plurality of power supply conductors electrically connected to each of the independently controlled heating zones of each of the heater units;
The voltage is such that a reduced number of independently controlled heating zones receive a voltage at a time, or at least one subset of the independently controlled heating zones always receives a reduced voltage, Selectively supplying power to each of the independently controlled heating zones and adjusting power to each of the independently controlled heating zones of the heater unit via the plurality of power conductors. A heater system comprising a configured power supply device.
前記電圧は、可変変圧器を介して選択的に供給される、請求項10に記載のヒータシステム。   The heater system according to claim 10, wherein the voltage is selectively supplied via a variable transformer. 電源供給及び電源戻り導体の少なくとも1つのセットは、異なる材料とヒータユニットの抵抗発熱体との間に接合部が形成され、1以上のゾーンの温度を決定するために使用されるような異なる材料を備える、請求項10に記載のヒータシステム。   At least one set of power supply and power return conductors is formed of a different material such that a junction is formed between the different material and the resistance heating element of the heater unit and is used to determine the temperature of one or more zones The heater system according to claim 10, comprising: ヒータゾーンの数はnであり、電源供給及び戻り導体の数はn+1である、請求項10に記載のヒータシステム。   The heater system according to claim 10, wherein the number of heater zones is n, and the number of power supply and return conductors is n + 1. 前記電源は、前記独立して制御される加熱ゾーンの予め決められ幾何学的領域に前記電圧を順次供給する、請求項10に記載のヒータシステム。   The heater system of claim 10, wherein the power supply sequentially supplies the voltage to a predetermined geometric region of the independently controlled heating zone. 前記電源は、各加熱ゾーンの抵抗変化に基づいて、異なる加熱ゾーンに電圧を順次供給する、請求項10に記載のヒータシステム。   The heater system according to claim 10, wherein the power supply sequentially supplies a voltage to different heating zones based on a resistance change of each heating zone. 前記電源は、異常状態に基づいて少なくとも1つの加熱ゾーンをターンオフし、同時に、残りのゾーンは選択的に電圧を受け続ける、請求項10に記載のヒータシステム。   The heater system of claim 10, wherein the power source turns off at least one heating zone based on an abnormal condition, while the remaining zones continue to selectively receive voltage.
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