JP2021515372A - ヒータ制御用制御システム - Google Patents

Abstract

本開示は、ヒータシステムを制御するための制御システムに向けられている。制御システムは、複数のゾーン制御回路と、少なくとも２つの補助コントローラと、主コントローラとを含む。ゾーン制御回路は、ヒータシステムの複数のヒータゾーンに電力を供給し、ゾーンの性能特性を感知するように動作可能である。補助コントローラは、複数のゾーン制御回路に結合され、複数のゾーンへの電力を制御し、性能特性に基づきヒータゾーンの動作を監視するように動作可能である。主コントローラは、補助コントローラに結合され、性能特性に基づきヒータゾーンのそれぞれに動作設定値を提供するように構成されている。補助コントローラは、動作設定値に基づきヒータシステムに電力を供給するため、ゾーン制御回路を動作させる。【選択図】１

Description

関連出願との相互参照

本出願は、2018年3月8日に出願された米国仮出願第62/640,143号の利益及び優先権を主張する。上記出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、電力センス制御を具備するヒータを有する熱システムを制御するためのシステム及び／又は方法に関する。

背景

本項の記載は、単に本開示に関連する背景情報を提供するものであり、先行技術を構成するものではない場合がある。

抵抗ヒータは、ターゲット及び／又は環境に熱を提供するため、様々な用途で使用される。例えば、そのような抵抗ヒータは、カートリッジヒータ、流体ラインヒータ、又は他の適切なヒータを含むが、これらに限定されない。制御システムは、ヒータによって生成される熱の量を調節するため、典型的には抵抗ヒータへの電力を制御する。

いくつかのアプリケーションにおいて、制御システムは、抵抗ヒータの性能を監視する個別のセンサからフィードバックデータを受信する閉ループシステムである。個別のセンサは、抵抗ヒータの制御を微調整するためのデータを提供する一方で、センサは、スペースを占有し、熱システム全体に複雑さを加えることがある。これら及び他の問題は、本開示によって対処される。

本項は、本開示の一般的な概要を提供するものであり、その完全な範囲又はその特徴のすべてを包括的に開示するものではない。

一形態において、本開示は、複数のゾーン制御回路と、少なくとも２つの補助コントローラと、主コントローラと、を含む制御システムに向けられる。複数のゾーン制御回路は、ヒータシステムの複数のヒータゾーンに電力を供給し、ゾーンの性能特性（performance characteristics）を感知するために動作可能である。補助コントローラは、複数のゾーン制御回路に結合される。補助コントローラは、複数のゾーンへの電力を制御し、性能特性に基づきヒータゾーンの動作を監視する。主コントローラは、補助コントローラに結合され、性能特性に基づきヒータゾーンのそれぞれに動作設定値（operation set-point）を提供するように構成されている。補助コントローラは、動作設定値に基づきヒータシステムに電力を供給するため、ゾーン制御回路を動作させる。

別の形態において、補助コントローラのそれぞれは、電力コントローラ及びセンサコントローラを含む。各電力コントローラ及び各センサコントローラは、主コントローラに結合され、センサコントローラは、互いに結合され、複数のゾーン制御回路のそれぞれに結合される。一変形において、各電力コントローラは、別の電力コントローラとは異なるゾーン制御回路のセットに結合される。

さらに別の形態において、制御システムは、制御システムに電源を結合及び分離するために操作可能な電源スイッチをさらに含む。一変形において、主コントローラ及び補助コントローラは、電源スイッチに結合される。主コントローラ及び補助コントローラのそれぞれは、少なくとも１つの診断を実行するように構成され、主コントローラ及び補助コントローラのそれぞれは、少なくとも１つの診断に基づき電源スイッチを操作するように構成されている。

一形態において、ゾーン制御回路のそれぞれは、ヒータゾーンに電力を供給するための電力モジュールと、ヒータゾーンの電気的特性を測定するためのセンサモジュールとを含む。一変形において、センサモジュールのそれぞれは、補助コントローラの両方に結合され、電力モジュールは、セットで提供され、電力モジュールの各セットが、電力モジュールの別のセットとは異なる補助コントローラに結合される。

別の形態において、補助コントローラのそれぞれは、各ゾーンが定義された動作パラメータ内で動作しているかどうかを判断するため、性能特性に基づき診断を実行するように構成され、補助コントローラは、診断検証チェックを実行するため、診断結果を交換する。

さらに別の形態において、補助コントローラは、ゾーン制御回路から電気的特性を受信し、電気的特性に基づき性能特性を計算するか、診断を実行するか、又は性能特性の計算と診断の実行の両方を行う。

一形態において、熱システムは、本明細書に記載の制御システムと、複数のゾーンを規定する複数の抵抗発熱体を含むヒータシステムと、を含む。複数の抵抗発熱体のそれぞれは、制御システムに結合され、制御システムが電力を供給し、抵抗発熱体の性能特性を測定するような電力センス機能を有する。

一形態において、本開示は、複数のゾーン制御回路、少なくとも２つの補助コントローラ、主コントローラ、及び電源スイッチを含む制御システムに向けられる。複数のゾーン制御回路は、ヒータシステムの複数のゾーンに電力を供給し、ゾーンの電気的特性を測定するために動作可能である。補助コントローラは、ヒータシステムの複数のゾーンへの電力を制御するため、複数のゾーン制御回路に結合される。補助コントローラは、電気的特性に基づきヒータシステムの性能特性を測定し、電気的特性に基づき少なくとも１つの診断を実行する。主コントローラは、補助コントローラに結合され、ヒータシステムの性能特性に基づきヒータのゾーンのそれぞれに動作設定値を提供する。電源スイッチは、主コントローラ及び補助コントローラのそれぞれに結合され、電源スイッチは、制御システムに電源を結合及び分離するように操作可能である。

別の形態において、主コントローラは、異常な性能を検出するために１つ以上の診断を実行し、異常な性能の検出に応答して電源を制御システムから切り離すため、電源スイッチを操作する。

さらに別の実施形態において、補助コントローラは、互いに結合されており、各補助コントローラは他の補助コントローラと結果を交換して診断検証チェックを行う。

一態様において、ゾーン制御回路のそれぞれは、ゾーンへの電力を制御するための電力モジュールと、ゾーンの電気的特性を測定するためのセンサモジュールと、を含む。一変形において、センサモジュールのそれぞれは、補助コントローラの両方に結合され、電力モジュールは、セットで提供され、電力モジュールのそれぞれのセットが、電力モジュールの別のセットとは異なる補助コントローラに結合される。別の変形において、各電力モジュールは、ヒータシステムのゾーンに電力を供給するため、少なくとも２つの補助コントローラのうちの１つの補助コントローラによって操作可能な電力変換器を含む。さらに別の変形において、各センサモジュールは、ゾーンの電気的特性として、電圧、電流、又はそれらの組み合わせを測定するように構成されている。別の変形において、各補助コントローラは、センサモジュールからの電気的特性に基づきゾーンの温度を計算するように構成されている。

本開示が十分に理解されるように、ここでは、例によって与えられた様々な形態を、添付の図面を参照して説明する。

本開示を十分に理解するため、ここでは、例として、添付の図面を参照しながら、その様々な形態を説明する。

本開示による制御システムを有する熱システムのブロック図である。

温度感知電源ピンを有するカートリッジヒータの一例である。

６つのヒートゾーンを有するヒータシステムを制御するための制御システムのブロック図である。

制御システムのゾーン制御回路のブロック図である。

本明細書に記載された図面は、例示を目的としたものであり、本開示の範囲を何ら制限することを意図していない。

以下の説明は、本質的に単に例示であり、本開示、適用、又は用途を限定することを意図していない。図面全体を通して、対応する参照数字は、類似又は対応する部分及び特徴を示すことが理解されるべきである。

熱システムは、複数の抵抗発熱体を有するヒータシステムと、抵抗発熱体への調整可能な電力の供給からシステム診断の実行まで、ヒータシステムの動作を制御する制御システムとを含む。閉ループ制御の一部として、温度、電圧、電流、抵抗などの様々な性能特性を測定するために、離散的な温度センサが熱システムについて配置される。これらのディスクリートセンサは、各センサが制御システムに対して専用の入出力インタフェース（例えば、ポート、ピンなど）を必要とするため、制御システムのサイズ、コスト、及び複雑さを増大させる可能性がある。

ヒータシステムは、制御システムが個別のセンサを使用せずに電力を供給し、ヒータシステムの性能特性を測定することを可能にするために、電力センス能力を有していてもよい。これは、個別のセンサの数を減らしてもよいが、個別のセンサは、ヒータシステムから取られた測定値を検証するために依然として使用される。

本開示は、ヒータシステムの測定値を検証し、異常な性能が検出された場合に保護手段を実行するためのセンサ診断能力を有する制御システムに向けられる。本明細書に記載されているように、制御システムは、各抵抗発熱体の電力レベルを定義するための主コントローラと、抵抗発熱体に電力を供給し、ヒータシステムの性能特性を測定する少なくとも２つの補助コントローラとを含む。各補助コントローラは、測定検証、言い換えれば認証チェックの一環として、そのデータを他の補助コントローラと共有する。測定値間の不一致がある場合、補助コントローラ（複数可）は、主コントローラに通知し、及び／又はヒータシステムへの電力供給を停止するなどの保護手段を実行する。さらに、各補助コントローラは、ヒータシステムの性能を確認するため、１つ以上の診断を行う。性能異常の場合、補助コントローラは、熱システムを保護するため、保護手段を実行してもよい。

さらに、補助コントローラは、性能特性を主コントローラに提供し、主コントローラは、計算をさらに検証し、異常な性能を検出するために、１つ以上の診断を実行する。したがって、制御システムは、ヒータシステムと、制御システム自体の性能を監視するため、少なくとも２層の保護層を有する。

図１を参照すると、本開示は、複数の加熱ゾーンを定義する１つ以上の抵抗発熱体１０４_１〜１０４_Ｎ（総称して“発熱体１０４”、“Ｎ”は整数）を有するヒータシステム１０２のための制御システム１００に向けられる。制御システム１００及びヒータシステム１０２は、共に、熱システムを形成する。

制御システム１００は、抵抗発熱体１０４に電気的に結合され、電源１０６から入力された電圧を、入力電圧以下であってもよい所望の電圧出力に変換することにより、発熱体１０４に調整可能な電力を供給する。

ヒータシステム１０２は、制御システム１０２が電力を供給し、ヒータシステムの性能特性を測定することを可能にする電力感知能力を有する。例えば、一形態において、ヒータシステム１０２は、発熱体１０４の抵抗の変化が、温度などの性能特性を決定するために制御システム１００によって使用され得るような“２線式”ヒータであってもよい。このような２線式システムは、本願と共通に所有される米国特許第７，１９６，２９５号に開示されており、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。２線式システムにおいて、このシステムは、別のものを制御しながら、これらのパラメータ（すなわち、電力、抵抗、電圧、及び電流）のうちの１つ以上を制限するカスタマイズ可能なフィードバック制御システムにおいて、電力、抵抗、電圧、及び電流を組み込んだ制御と、ヒータの設計とを融合させる適応型熱システムである。制御システムは、一定期間に亘ってヒータシステムに供給される電流、電圧、及び電力のうちの少なくとも１つを監視し、安定した連続的な電流及び電圧の読取り値を取得するように構成される。これら読取り値は、その後、抵抗、及びヒータシステムの発熱体の温度を決定するために使用することができる。

別の例において、ヒータシステム１０２の発熱体１０４は、制御システム１００に接続するための温度感知電源ピンを有してもよい。より具体的には、図２を参照すると、ヒータシステム１０２は、複数のカートリッジヒータ、例えば、２つの端部２０４、２０６を有する抵抗発熱体２０２を含むカートリッジヒータ２００を含んでもよい。一形態において、抵抗発熱体２０２は、例示的にはニクロム材料のような金属線の形態であり、非導電性部分（又はシース２０９によって囲まれたコア２０８）の周りに巻かれているか、又は配置されている。コア２０８は、近位端２１０及び遠位端２１２を定義し、少なくとも近位端２１０を通って延びる第１及び第２開口部２１４及び２１６をさらに定義する。

ヒータ２００は、さらに、第１導電性材料からなる第１電源ピン２１８と、第１電源ピン２１８の第１導電性材料とは異なる第２導電性材料からなる第２電源ピン２２０とを具備する。さらに、抵抗発熱体２０２は、第１及び第２電源ピン２１８、２２０の第１導電性材料及び第２導電性材料とは異なる材料で形成され、第１電源ピン２１８との端部２０４に第１接合部２２２を形成し、第２電源ピン２２０との他端部２０６に第２接合部２２４を形成する。抵抗発熱体２０２は、第１接合部２２２における第１電源ピン２１８と異なる材料であり、第２接合部２２４における第２電源ピン２２０と異なる材料であるため、熱電対接合が実質的に形成される。したがって、第１及び第２接合部２２２、２２４における電圧の変化が検出され、個別／離散的な温度センサを使用することなく、抵抗発熱体２０２の平均温度を決定することができる。

温度感知電源ピンに関する追加の詳細は、２０１５年５月２９日に出願され、“RESISTIVE HEATER WITH TEMPERATURE SENSING POWER PINS”と題された米国シリアル番号１４／７２５，５３７及び２０１８年４月１１日に出願された米国シリアル番号１５／９５０，３５８で“RESISTIVE HEATER WITH TEMPERATURE SENSING POWER PINS AND AUXILIARY SENSING JUNCTION”と題された出願人の同時係属出願に記載されている。これらの出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、抵抗発熱体の温度を測定するための熱電対感知ピンとして機能する電源ピンに接続された１つ以上の抵抗発熱体を有するヒータを開示する。本出願によれば、コントローラは、電源ピンと通信しており、抵抗発熱体と電源ピンとによって形成された接合部における電圧（ｍＶ）の変化を測定し、抵抗発熱体の平均温度を計算するように構成される。温度感知電源ピンは、他のヒータ、例えば流体ラインヒータ、流体浸漬ヒータ、又は他の好適なヒータと共に使用することができ、カートリッジヒータに限定されるべきではない。

図３を参照すると、一形態において、制御システム１００は、複数の抵抗発熱体によって定義される６つのヒータゾーン３０４_１〜３０４_６（総称して“ヒータゾーン３０４”）を有するヒータシステム３０２の動作を制御する制御システム３００として提供されてもよい。ヒータシステム１０２と同様に、ヒータシステム３０２は、電力感知能力を有し、各ヒータゾーン３０４は、制御システム３００に電気的に結合される。一形態において、制御システム３００は、接触器３０５を介して電源１０６に結合される。

制御システム３００は、複数のゾーン制御回路３２０_１〜３２０_６（総称して“ゾーン制御回路３２０”）、少なくとも２つの補助（ＡＵＸ）コントローラ３２２_１、３２２_２（総称して“補助コントローラ３２２”）、主コントローラ３２４、及び電源スイッチ３２６を含む。本開示の制御システムは、任意の数（例えば、２以上）のヒータゾーン／発熱体を制御するように構成することができ、したがって、６つに限定されるべきではないことが容易に理解される。

一形態において、ゾーン制御回路３２０は、各ゾーン３０４の独立した制御を提供するため、ヒータゾーン３０４に接続される。各ゾーン制御回路３２０は、特定のゾーン３０４への電力を制御するための電力モジュール（ＰＭ）３３０（図では３３０_１〜３３０_６）と、ヒータゾーン３０４の発熱体における電圧及び／又は電流などの電気的特性を測定するためのセンサモジュール（ＳＭ）３３２（図では３３２_１〜３３２_６）とを含む。各センサモジュール３３２は、補助コントローラ３２２の両方に結合される。電力モジュール３３０は、セットで提供され、電力モジュール３３０の各セットが、電力モジュール３３０の別のセットとは異なる補助コントローラ３２２に結合される。例えば、電力モジュール３３０_１〜３３０_３は、補助コントローラ３２２_１に結合される１つのセットを形成し、電力モジュール３３０_４〜３３０_６は、補助コントローラ３２２_２に結合される第２セットを形成する。

一形態において、電力モジュール３３０は、ゾーン３０４に調整可能な電力を供給するための降圧コンバータなどの電力変換器を含み、センサモジュール３３２は、電気的特性を測定するための電圧及び／又は電流検出器を含む。例えば、図４を参照すると、例示的なゾーン制御回路４００は、上述したように、温度を測定するための熱電対接合を利用する温度感知電源ピンを有するヒータシステムに接続するように構成される。図４において、実線は電力を表し、破線はデータ信号を表す。

一形態において、各ゾーン制御回路４００は、ヒータシステムのゾーンに調整可能な電力を供給するための電力モジュール４０２と、熱電対接合部における電圧の変化などの電気的特性を測定するためのセンサモジュール４０４とを含む。一形態において、電力モジュール４０２は、電源１０６からの入力電圧（Ｖ_ＩＮ）を、ヒータゾーンの発熱体に印加される出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）に調整するために補助コントローラ３２２によって操作可能な降圧コンバータなどの電力変換器４１０を含む。例えば、電力変換器４１０は、制御スイッチ（図示せず）と、制御スイッチに結合されたドライバ回路（図示せず）とを含む。ドライバ回路は、補助コントローラ３２２の１つから電力制御信号を受け、電力制御信号に基づき制御スイッチを作動させ、電源１０６からの電力を調整する。このような電力変換器の一例は、２０１７年６月１５日に出願され、“POWER CONVERTER FOR A THERMAL SYSTEM”と題された同時係属出願、米国シリアル番号１５/６２４，０６０にさらに記載されており、これは本出願と共通に所有され、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

パワーモジュール４０２は、電力変換器４１０に供給される電圧の量（すなわち、入力電圧）を検出するための入力（Ｉ／Ｐ）電圧検出器４１２と、ヒータシステムに供給される電圧の量（すなわち、電圧出力）を検出するための出力（Ｏ／Ｐ）電圧検出器４１４と、ヒータシステムに供給される電流の量（すなわち、電流出力）を検出するための出力（Ｏ／Ｐ）電流検出器４１６と、をさらに含む。検出器４１２、４１４、４１６は、電圧及び／又は電流を測定するための逐次近似レジスタ（ＳＡＲ）を含んでもよい。入力電圧、出力電圧、及び出力電流は、さらなる処理のために補助コントローラ３２２に伝達される。

他の電子部品に加えて、一形態において、センサモジュール４０４は、測定動作時に熱電対接合部における電圧の変化を測定する熱電対（ＴＣ）センサ４１８と、測定動作時に漏れ電流を迂回させるためのシャント４２０とを含む。一形態において、ＴＣセンサ４１８は、典型的にはｍＶ単位である測定された電圧をデジタル値に変換するためのアナログ／デジタル変換器と、電圧スパイクを遮断するための高電圧ＦＥＴとを含む。センサモジュール４０４は、温度感知電源ピンが接続されるコネクタの温度、及び／又は電子部品が配置される回路基板の温度など、制御システムの性能に関連する他の電気的特性を測定するための電子部品をさらに含んでもよい。センサモジュール４０４によって取得された測定値は、さらなる処理のために補助コントローラ３３２に提供される。

センサモジュール４０４は、温度感知電源ピンによって定義される熱電対接合部で電圧を測定するように構成されているが、センサモジュール４０４は、ヒータゾーンの発熱体の電圧及び／又は電流の少なくとも１つを測定することによって発熱体の抵抗を決定する２線式ヒータシステムのために構成されてもよい。そのような構成において、センサモジュールは、発熱体における電圧及び／又は電流（例えば、電気的特性）を測定するための電力計測チップを含んでもよい。次いで、このデータは、補助コントローラ３３２によって、発熱体の抵抗及び／又は平均温度を決定するために使用される。

図３に戻り、補助コントローラ３２２は、ゾーン制御回路３２０からの電気的特性に基づき、ヒータゾーン３０４の電力を制御し、性能を監視するように構成されている。補助コントローラ３２２のそれぞれは、１つ以上のマイクロプロセッサなどの電子機器、マイクロプロセッサによって実行されるコンピュータにより読み取り可能な命令（すなわち、ソフトウェアプログラム）を格納するメモリ（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭなど）、及び他の好適な構成要素を含む。一形態において、補助コントローラ３２２の数は、ヒータシステムのゾーンの数に基づき選択され、したがって、２つに限定されるべきではない。

一形態において、各補助コントローラ３２２は、電力コントローラ３４０_１及び３４０_２（総称して「電力コントローラ３４０」）と、センサコントローラ３４２_１及び３４２_２（総称して「センサコントローラ３４２」）とを含む。図３では、電力コントローラからの通信（実線）とセンサコントローラからの通信（破線-点線）とを区別するために、異なる種類の線が使用されている。各電力コントローラ３４０と各センサコントローラ３４２は、データを交換するために主コントローラ３２４に結合される。各電力コントローラ３４０は、他の電力コントローラ３４０とは異なる一組のゾーン制御回路３２０に結合されている。例えば、図３において、電力コントローラ３４０_１は、ゾーン制御回路３２０_１〜３２０_３、より具体的には電力モジュール３３０_１〜３３０_３に結合されている。電力コントローラ３４０_２は、ゾーン制御回路３２０_４〜３２０_５に結合され、より具体的には電力モジュール３３０_４〜３３０_６に結合される。センサコントローラ３４２は、互いに結合され、ゾーン制御回路３２０のそれぞれに結合され、より具体的にはゾーン制御回路３２０のセンサモジュール３３２に結合される。センサコントローラ３４２は、センサコントローラ３４２によって検出された異常な性能の場合、スイッチ３２６を作動させるため、電源スイッチ３２６にも結合されている。

一形態において、電力コントローラ３４０は、主コントローラ３２４から各ヒータゾーン３０４の動作設定値を受信し、動作設定値に基づき、電力コントローラ３４０は、ヒータゾーン３４０への電力を調整するための電力制御信号をそれぞれの電力モジュール３３０に出力する。一形態において、電力制御信号は、電力変換器の制御スイッチを作動させるためのデューティサイクルを示すパルス信号である。電力制御に加えて、電力コントローラ３４０は、電力モジュール３３０の入力電圧検出器、出力電圧検出器、及び／又は出力電流検出器からの信号を受信し、入力電圧、出力電圧、及び／又は出力電流を決定する。そのようなフィードバック情報は、さらなる処理のために主コントローラ３２４に送信される。

一形態において、センサコントローラ３４２は、センサモジュール３３２のそれぞれから電気的特性を得るため、測定動作中にゾーン制御回路３２０を動作させる。例えば、測定動作の間、センサコントローラ３４２は、漏れ電流を迂回させるため、センサモジュール３３２のシャントを動作させ、例えば熱電対接合部を介して発熱体の電気的特性を測定する。別の例において、２線式ヒータシステムの場合、センサコントローラ３４２は、発熱体の電圧及び／又は電流を測定する。一形態において、各センサコントローラ３２２は、熱電対接合部の温度、又は発熱体の抵抗及び／又は温度など、ヒータゾーン３０４の性能特性を決定するため、電気的特性を処理する。例えば、ルックアップテーブル及び／又は所定のアルゴリズムを使用して、センサコントローラ３４２は、熱電対変換（ｍＶから温度）、冷接点補償、抵抗測定、及び／又は抵抗対温度測定を実行してもよい。センサコントローラ３４２は、回路基板の温度及び／又はシャントの温度を示すセンサモジュール３２０からの信号を取得するように構成されてもよい。

センサコントローラ３２２は、異常な性能を検出するため、ヒータゾーン診断及び／又はシステム診断などの１つ以上の診断も実行する。例えば、ヒータゾーン診断は、センサコントローラ３２２が、主コントローラによって定義されたそれぞれの温度設定値及び／又はそれぞれの抵抗設定値で発熱体が動作しているかどうかを判定することを含んでもよい。所定の発熱体がそれぞれの設定値を超える場合、センサコントローラ３２２は、発熱体の異常性能を判定し、保護手段を実行してもよい。システム診断は、センサコントローラ３２２が、ヒータシステム３０２の隣接するヒータゾーン間の温度差を監視し、その差が温度変動閾値を超える場合、センサコントローラ３２２が熱システムの異常性能を判定し、保護手段を発行するゾーン間診断を実行することを含んでもよい。システム診断の別の例は、温度がそれぞれの閾値を超えるかどうかを判断するため、シャント、コネクタ、及び／又は回路基板などの様々な構成要素の温度を監視することを含む。その場合、センサコントローラ３２２は、構成要素の異常な性能を判定し、保護手段を実行する。実行される保護手段は、異常な性能を主コントローラ３２４に通知すること、電源制御スイッチ３２６を操作すること、技術者に通知するためのアラート（可聴及び／又は視覚）を発行すること、及び／又は他の適切な手段を含むことができる。

一形態において、センサコントローラ３４２のそれぞれは、測定された電気的特性、性能特性、及び／又は他のセンサコントローラ３４２によって実行された診断に関して診断検証チェックを実行する。例えば、センサコントローラ３４２は、両コントローラ３４２に提供される測定された電気的特性を比較することにより、センサモジュール３３２が正確な結果を提供しているかどうかを判断する。さらに、センサコントローラ３４２は、計算された性能特性及び／又は診断が実質的に同じであるかどうかを判断することによって、他のセンサコントローラ３４２の性能を検証する。すなわち、センサコントローラ３４２_１がセンサコントローラ３４２_２と異なる温度を計算した場合、両方のセンサコントローラ３４２は、その不一致を検出するように構成されており、その不一致は、その後、主コントローラ３２４に伝達され得る。したがって、センサコントローラ３４２は、ヒータシステム３０２の性能と互いの性能を監視するための冗長診断チェックとして動作する。特定の診断例が本明細書に提供されているが、センサコントローラ３４２は、他の適切な診断及び／又はシステムチェックを構成してもよく、本明細書に記載されているものに限定されるべきではない。

主コントローラ３２４は、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロプロセッサによって実行されるコンピュータが読取り可能な命令（すなわち、ソフトウェアプログラム）を記憶するメモリ（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭなど）などの電子機器、及び他の好適な構成要素を含む。一形態において、主コントローラ３２４は、ユーザからの入力、フィードバックデータ、及び／又は予め記憶された制御プログラムに基づき、ヒータシステム３０２の動作を制御する。

一形態において、主コントローラ３２４は、制御システム１００に通信可能に結合されたコンピューティングデバイス（図示せず）を介して、ユーザからの入力を受信する。ユーザは、温度又は電力の変化率、ヒータシステム又は制御システムの温度限界、発熱体の抵抗限界、制御システムの電力出力限界、及び／又は他の適切な設定などの１つ又は複数の動作設定を定義してもよい。補助コントローラ３２２から主コントローラ３２４に提供されるフィードバックデータは、入力電圧、出力電圧、出力電流、各発熱体の電気的特性、ヒータシステムの性能特性、及び／又は診断結果を含む。

制御プログラムは、設定された条件内でヒータシステム３０２を制御するコンピュータが実行可能なプログラムであり、各プログラムは、ユーザによって定義されるか、制御プログラム内で予め定められた１つ以上の動作設定によって定義される。例えば、制御プログラムは、電圧出力／電流出力が所定の限界に達するまでヒータシステムに徐々に電力を供給するパワーアップ制御、ヒータシステムの温度を特定の設定値に制御する定常状態制御、及びヒータシステムの温度を設定されたランプレートで上昇させる設定レート制御を含んでもよい。主コントローラ３２４は、それが制御するヒータシステムに基づく他の制御プログラムを含んでいてもよく、本明細書に記載された例に限定されるべきではない。

実行される制御プログラムに従って、主コントローラ３２４は、温度設定値、電力設定値、セットレート制御、及び／又は持続時間など、ヒータシステム３０２のための動作設定値を決定する。例えば、主コントローラ３２４は、ヒータシステム３０２の各ゾーンの温度設定値、及び／又はヒータシステム３０２の全体的な平均温度のための温度設定値を定義する。別の例において、主コントローラ３２４は、ヒータシステム３０２の各ゾーン３０４に対する電力設定値（例えば、電圧及び／又は電流の電力レベル量）を決定する。主コントローラ３２４は、他の動作設定値を定義してもよく、本明細書に提供される例に限定されるべきではないことが容易に理解されるべきである。

一形態において、主コントローラ３２４は、加熱動作中に動作設定値を補助コントローラ３２２に送信し、測定動作中に補助コントローラ３２２からフィードバックデータを取得する。例えば、加熱動作中、電力コントローラ３４０は、動作設定値を受信し、所望の電力をヒータゾーン３０４に出力するため、電力モジュール３３０の電力変換器に電力制御信号を印加する。電力コントローラ３２４は、制御システムの電力量（すなわち、入力電圧、出力電圧、及び／又は出力電流）も測定し、この情報を主コントローラ３２４に提供する。測定動作のために、主コントローラ３２４は、発熱体の電気的特性を測定するため、測定命令をセンサコントローラ３４２に送信する。一形態において、この指示を受信すると、センサコントローラ３４２は、ゾーン制御回路３２０のシャントを作動させ、発熱体の電気的特性を測定する。センサコントローラ３４２は、上述したように、性能特性をさらに計算し、１つ以上の診断を実行してもよい。補助コントローラ３２２によって得られたデータは、主コントローラ３２４に送信される。

主コントローラ３２４はまた、熱システムの可能性のある異常な性能を検出するため、１つ以上の診断を実行するようにも構成されている。主コントローラ３２４は、補助コントローラによって実行されるものと同様の診断を実行してもよく、いくつかの追加の診断、例えば、加熱システムの温度がユーザ定義の温度制限を超えるかどうかを決定するためのユーザ温度制限制御、及びセンサコントローラ３４２の結果を検証するための補助制御チェックなどを実行してもよい。例えば、発熱体の電気的特性を使用して、主コントローラ３２４は、例えば、熱電対変換（ｍＶを温度へ）、冷接点補償、及び／又は２線式システムのための抵抗温度変換を使用して、性能特性を計算してもよい。主コントローラ３２４は、計算された値を補助コントローラ３２２の値と比較して、その値が実質的に同じであるかどうかを判断する。そうでない場合、主コントローラ３２４は、異常な性能をユーザに通知すること、及び／又は電源スイッチ３２６を操作して制御システム３００への電力供給を停止するなどの保護手段を実行する。

本開示の制御システムは、電力を供給するためのワイヤの数を減らし、ヒータシステムの性能特性を感知するための電力センス能力を有するヒータシステムのために構成されている。制御システムは、互いに決定された測定値／計算値を認証するためにセンサ診断チェックを実行するように構成された複数のセンサコントローラを含む。さらに、主コントローラは、補助コントローラからの測定値の認証の別の層を提供するために、同様の診断チェックを実行するように構成されている。したがって、ヒータシステムの性能特性を検証するための個別的なセンサは必要ないため、システムの複雑さを低減することができる。

制御システムについて特定の例示的な図が提供されているが、システムは、図に詳述されていない追加の構成要素を含んでもよいことは、容易に理解されるべきである。例えば、制御システムは、例えば、ゾーン制御回路の電力変換器よりも低い電圧で動作する主制御器及び補助制御器などの構成要素を含む。したがって、制御システムは、低電圧コンポーネントに電力を供給するための低電圧電源（例えば、３〜５Ｖ）を含む。さらに、低電圧構成要素を高電圧から保護するため、制御システムは、低電圧構成要素を高電圧構成要素から絶縁し、なおかつ構成要素が信号を交換することを可能にする電子構成要素を含む。

本明細書で使用されるように、Ａ、Ｂ、及びＣのうち少なくとも１つという語句は、非排他的論理和を用いた論理（Ａ ＯＲ Ｂ ＯＲ Ｃ）を意味するものと解釈されるべきであり、“Ａのうち少なくとも１つ、Ｂのうち少なくとも１つ、及びＣのうち少なくとも１つ”を意味するものと解釈されるべきではない。

本開示の記載は、本質的に例示的なものに過ぎず、したがって、本開示の本質から逸脱しない変形は、本開示の範囲内であることが意図されている。そのような変形は、開示の精神及び範囲からの逸脱とみなされるべきではない。

ヒータシステム１０２は、制御システム１００が電力を供給し、ヒータシステムの性能特性を測定することを可能にする電力感知能力を有する。例えば、一形態において、ヒータシステム１０２は、発熱体１０４の抵抗の変化が、温度などの性能特性を決定するために制御システム１００によって使用され得るような“２線式”ヒータであってもよい。このような２線式システムは、本願と共通に所有される米国特許第７，１９６，２９５号に開示されており、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。２線式システムにおいて、このシステムは、別のものを制御しながら、これらのパラメータ（すなわち、電力、抵抗、電圧、及び電流）のうちの１つ以上を制限するカスタマイズ可能なフィードバック制御システムにおいて、電力、抵抗、電圧、及び電流を組み込んだ制御と、ヒータの設計とを融合させる適応型熱システムである。制御システムは、一定期間に亘ってヒータシステムに供給される電流、電圧、及び電力のうちの少なくとも１つを監視し、安定した連続的な電流及び電圧の読取り値を取得するように構成される。これら読取り値は、その後、抵抗、及びヒータシステムの発熱体の温度を決定するために使用することができる。

ヒータ２００は、さらに、第１導電性材料からなる第１電源ピン２１８と、第１電源ピン２１８の第１導電性材料とは異なる第２導電性材料からなる第２電源ピン２２０とを具備する。さらに、抵抗発熱体２０２は、第１及び第２電源ピン２１８、２２０の第１導電性材料及び第２導電性材料とは異なる材料で形成され、第１電源ピン２１８との端部２０４に第１接合部２２２を形成し、第２電源ピン２２０との他端部２０６に第２接合部２２４を形成する。抵抗発熱体２０２は、第１接合部２２２における第１電源ピン２１８と異なる材料であり、第２接合部２２４における第２電源ピン２２０と異なる材料であるため、熱電対接合が実質的に形成される。したがって、第１及び第２接合部２２２、２２４における電圧の変化が検出され、個別／離散的な温度センサを使用することなく、ヒータ２００の平均温度を決定することができる。

他の電子部品に加えて、一形態において、センサモジュール４０４は、測定動作時に熱電対接合部における電圧の変化を測定する熱電対（ＴＣ）センサ４１８と、測定動作時に漏れ電流を迂回させるためのシャント４２０とを含む。一形態において、ＴＣセンサ４１８は、典型的にはｍＶ単位である測定された電圧をデジタル値に変換するためのアナログ／デジタル変換器と、電圧スパイクを遮断するための高電圧ＦＥＴとを含む。センサモジュール４０４は、温度感知電源ピンが接続されるコネクタの温度、及び／又は電子部品が配置される回路基板の温度など、制御システムの性能に関連する他の電気的特性を測定するための電子部品をさらに含んでもよい。センサモジュール４０４によって取得された測定値は、さらなる処理のために補助コントローラ３２２に提供される。

センサモジュール４０４は、温度感知電源ピンによって定義される熱電対接合部で電圧を測定するように構成されているが、センサモジュール４０４は、ヒータゾーンの発熱体の電圧及び／又は電流の少なくとも１つを測定することによって発熱体の抵抗を決定する２線式ヒータシステムのために構成されてもよい。そのような構成において、センサモジュールは、発熱体における電圧及び／又は電流（例えば、電気的特性）を測定するための電力計測チップを含んでもよい。次いで、このデータは、補助コントローラ３２２によって、発熱体の抵抗及び／又は平均温度を決定するために使用される。

一形態において、各補助コントローラ３２２は、電力コントローラ３４０_１及び３４０_２（総称して「電力コントローラ３４０」）と、センサコントローラ３４２_１及び３４２_２（総称して「センサコントローラ３４２」）とを含む。図３では、電力コントローラからの通信（実線）とセンサコントローラからの通信（破線-点線）とを区別するために、異なる種類の線が使用されている。各電力コントローラ３４０と各センサコントローラ３４２は、データを交換するために主コントローラ３２４に結合される。各電力コントローラ３４０は、他の電力コントローラ３４０とは異なる一組のゾーン制御回路３２０に結合されている。例えば、図３において、電力コントローラ３４０_１は、ゾーン制御回路３２０_１〜３２０_３、より具体的には電力モジュール３３０_１〜３３０_３に結合されている。電力コントローラ３４０_２は、ゾーン制御回路３２０_４〜３２０ _６ に結合され、より具体的には電力モジュール３３０_４〜３３０_６に結合される。センサコントローラ３４２は、互いに結合され、ゾーン制御回路３２０のそれぞれに結合され、より具体的にはゾーン制御回路３２０のセンサモジュール３３２に結合される。センサコントローラ３４２は、センサコントローラ３４２によって検出された異常な性能の場合、スイッチ３２６を作動させるため、電源スイッチ３２６にも結合されている。

一形態において、電力コントローラ３４０は、主コントローラ３２４から各ヒータゾーン３０４の動作設定値を受信し、動作設定値に基づき、電力コントローラ３４０は、ヒータゾーン３０４への電力を調整するための電力制御信号をそれぞれの電力モジュール３３０に出力する。一形態において、電力制御信号は、電力変換器の制御スイッチを作動させるためのデューティサイクルを示すパルス信号である。電力制御に加えて、電力コントローラ３４０は、電力モジュール３３０の入力電圧検出器、出力電圧検出器、及び／又は出力電流検出器からの信号を受信し、入力電圧、出力電圧、及び／又は出力電流を決定する。そのようなフィードバック情報は、さらなる処理のために主コントローラ３２４に送信される。

一形態において、センサコントローラ３４２は、センサモジュール３３２のそれぞれから電気的特性を得るため、測定動作中にゾーン制御回路３２０を動作させる。例えば、測定動作の間、センサコントローラ３４２は、漏れ電流を迂回させるため、センサモジュール３３２のシャントを動作させ、例えば熱電対接合部を介して発熱体の電気的特性を測定する。別の例において、２線式ヒータシステムの場合、センサコントローラ３４２は、発熱体の電圧及び／又は電流を測定する。一形態において、各センサコントローラ３４２は、熱電対接合部の温度、又は発熱体の抵抗及び／又は温度など、ヒータゾーン３０４の性能特性を決定するため、電気的特性を処理する。例えば、ルックアップテーブル及び／又は所定のアルゴリズムを使用して、センサコントローラ３４２は、熱電対変換（ｍＶから温度）、冷接点補償、抵抗測定、及び／又は抵抗対温度測定を実行してもよい。センサコントローラ３４２は、回路基板の温度及び／又はシャントの温度を示すセンサモジュール３３２からの信号を取得するように構成されてもよい。

センサコントローラ３４２は、異常な性能を検出するため、ヒータゾーン診断及び／又はシステム診断などの１つ以上の診断も実行する。例えば、ヒータゾーン診断は、センサコントローラ３４２が、主コントローラによって定義されたそれぞれの温度設定値及び／又はそれぞれの抵抗設定値で発熱体が動作しているかどうかを判定することを含んでもよい。所定の発熱体がそれぞれの設定値を超える場合、センサコントローラ３４２は、発熱体の異常性能を判定し、保護手段を実行してもよい。システム診断は、センサコントローラ３４２が、ヒータシステム３０２の隣接するヒータゾーン間の温度差を監視し、その差が温度変動閾値を超える場合、センサコントローラ３４２が熱システムの異常性能を判定し、保護手段を発行するゾーン間診断を実行することを含んでもよい。システム診断の別の例は、温度がそれぞれの閾値を超えるかどうかを判断するため、シャント、コネクタ、及び／又は回路基板などの様々な構成要素の温度を監視することを含む。その場合、センサコントローラ３４２は、構成要素の異常な性能を判定し、保護手段を実行する。実行される保護手段は、異常な性能を主コントローラ３２４に通知すること、電源制御スイッチ３２６を操作すること、技術者に通知するためのアラート（可聴及び／又は視覚）を発行すること、及び／又は他の適切な手段を含むことができる。

一形態において、主コントローラ３２４は、加熱動作中に動作設定値を補助コントローラ３２２に送信し、測定動作中に補助コントローラ３２２からフィードバックデータを取得する。例えば、加熱動作中、電力コントローラ３４０は、動作設定値を受信し、所望の電力をヒータゾーン３０４に出力するため、電力モジュール３３０の電力変換器に電力制御信号を印加する。電力コントローラ３４０は、制御システムの電力量（すなわち、入力電圧、出力電圧、及び／又は出力電流）も測定し、この情報を主コントローラ３２４に提供する。測定動作のために、主コントローラ３２４は、発熱体の電気的特性を測定するため、測定命令をセンサコントローラ３４２に送信する。一形態において、この指示を受信すると、センサコントローラ３４２は、ゾーン制御回路３２０のシャントを作動させ、発熱体の電気的特性を測定する。センサコントローラ３４２は、上述したように、性能特性をさらに計算し、１つ以上の診断を実行してもよい。補助コントローラ３２２によって得られたデータは、主コントローラ３２４に送信される。

Claims (15)

1. ヒータシステムの複数のヒータゾーンに電力を供給し、前記複数のヒータゾーンの性能特性を感知するために動作可能な複数のゾーン制御回路と、
   前記複数のゾーン制御回路に結合された少なくとも２つの補助コントローラと、
   前記補助コントローラに結合された主コントローラと、
   を具備し、
   前記補助コントローラは、前記複数のゾーンに電力を制御し、前記性能特性に基づき前記ヒータゾーンの動作を監視し、
   主コントローラは、前記性能特性に基づき前記ヒータゾーンのそれぞれに動作設定値を提供するように構成され、前記補助コントローラは、動作設定値に基づきヒータシステムに電力を供給するため、ゾーン制御回路を作動させる
   制御システム。
2. 前記補助コントローラのそれぞれは、電力コントローラとセンサコントローラとを含み、
   各電力コントローラ及び各センサコントローラは、主コントローラに結合され、
   前記センサコントローラは、互いに結合され、前記複数のゾーン制御回路のそれぞれに結合される
   請求項１の制御システム。
3. 各電力コントローラは、別の電力コントローラとは異なるゾーン制御回路のセットに結合される
   請求項２の制御システム。
4. 前記制御システムに電源を結合及び分離するために操作可能な電源スイッチ
   をさらに具備する請求項１の制御システム。
5. 前記主コントローラ及び前記補助コントローラは、前記電源スイッチに結合され、
   前記主コントローラ及び前記各補助コントローラは、少なくとも１つの診断を実行するように構成され、
   前記主コントローラ及び前記各補助コントローラは、前記少なくとも１つの診断に基づき前記電源スイッチを動作させるように構成された
   請求項４の制御システム。
6. 前記主コントローラは、異常な性能を検出するために１つ以上の診断を実行し、前記異常な性能の検出に応答して前記電源を前記制御システムから切り離すため、前記電源スイッチを操作する
   請求項４の制御システム。
7. 前記ゾーン制御回路のそれぞれは、前記ヒータゾーンに電力を供給するための電力モジュールと、前記ヒータゾーンの電気的特性を測定するためのセンサモジュールとを含む、
   請求項１の制御システム。
8. 前記センサモジュールのそれぞれは、前記補助コントローラの両方に結合され、前記電力モジュールは、セットで提供され、前記電力モジュールのそれぞれのセットが、前記電力モジュールの別のセットとは異なる補助コントローラに結合される
   請求項７の制御システム。
9. 前記各電力モジュールは、前記ヒータシステムのゾーンに電力を供給するために、前記少なくとも２つの補助コントローラのうちの１つの補助コントローラによって操作可能な電力変換器を含む、
   請求項７の制御システム。
10. 各センサモジュールは、ゾーンの電気的特性として、電圧、電流、又はそれらの組み合わせを測定するように構成されている
    請求項７の制御システム。
11. 前記補助コントローラのそれぞれは、前記センサモジュールからの電気的特性に基づき前記ゾーンの温度を計算するように構成されている
    請求項１０の制御システム。
12. 前記補助コントローラは、互いに結合され、前記補助コントローラのそれぞれは、診断検証チェックを実行するため、他の補助コントローラと結果を交換する
    請求項１の制御システム。
13. 前記補助コントローラのそれぞれは、各ゾーンが定義された動作パラメータ内で動作しているかどうかを判断するため、性能特性に基づき診断を実行するように構成され、
    補助コントローラは、診断検証チェックを行うため、診断結果を交換する
    請求項１の制御システム。
14. 前記補助コントローラは、前記ゾーン制御回路から電気的特性を受信し、前記電気的特性に基づき前記性能特性を計算するか、診断を実行するか、又は、前記性能特性の計算と前記診断の実行の両方を行う
    請求項１の制御システム。
15. 請求項１の制御システムと、
    複数のゾーンを定義する複数の抵抗発熱体を具備するヒータシステムと、
    を具備し、
    前記複数の抵抗発熱体のそれぞれは、前記制御システムに結合され、前記制御システムが電力を供給し、前記抵抗発熱体の性能特性を測定するような電力センス機能を有する
    熱システム。

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