JP6686134B2 - 加熱器の寿命及び性能を強化するための一体型装置及び方法 - Google Patents

Description

[0001]本開示は、抵抗加熱装置に関しており、より具体的には抵抗加熱装置の動作を監視し制御するための制御システム及び制御方法に関する。

[0002]本項目内の記述は、本開示に関係のある背景情報を提供しているにすぎず、先行技術を構成しているわけではない。

[0003]管状加熱器の様な抵抗加熱装置は、概して、特定の動作条件下に動作させた場合の所定の推定寿命及び最大許容温度を有するものとして設計されている。加熱装置の性能及び推定寿命は、概して、加熱装置の構成要素の材料特性に依存する。構成要素の１つが経年により受容し難い程度まで劣化し機能不能になれば、加熱装置全体が適正に機能できなくなる。加熱装置の最大許容温度は構成要素の信頼度に依存する。構成要素の１つが高い動作温度に耐えられなくて機能不能になれば、同じく加熱装置全体が機能不能となる。

[0004]加熱装置の推定寿命及び最大許容温度は、加熱装置の構成要素の材料特性及び信頼度に加え、動作条件及び動作モードによって影響を受ける。例えば、加熱装置を低い酸素分圧を有する真空環境で動作させるか又は急速な立ち上げ及び立ち下げ速度で動作させるなら、加熱装置は比較的短い推定寿命及び比較的低い最大許容温度を有することだろう。様々な因子が加熱装置の性能に影響を及ぼすことを鑑みれば、所与の動作条件下での加熱装置の推定寿命及び最大許容温度を予測するのは難しい。

[0005]本開示の１つの形態では、抵抗加熱器の動作を制御するための制御システムが、抵抗加熱器がアクティブモードにあるときの抵抗加熱器の誘電パラメータを測定するための誘電パラメータ測定モジュールと、誘電パラメータに基づいて抵抗加熱器の性能を診断するための診断モジュールと、を含んでいる。

[0006]別の形態では、抵抗加熱器の動作を制御するための方法が、抵抗加熱器がアクティブモードにあるときの抵抗加熱器の誘電パラメータを測定する段階と、誘電パラメータに基づいて抵抗加熱器の性能を診断する段階と、を含んでいる。

[0007]ここに提供されている説明から、適用可能性の更なる領域が明らかになるであろう。説明及び具体的な実施例は例示のみを目的とするものであり、本開示の範囲を限定しようとするものではないことを了解されたい。

[0008]開示を十分に理解していただくために、一例として与えられているその様々な実施形態を、これより添付図面を参照しながら説明してゆく。

[0009]本開示の教示により構築された抵抗加熱器のための制御システムのブロック線図である。 [0010]図１の抵抗加熱器の略断面図である。

[0011]ここに記載されている図面は例示のみが目的であり、本開示の範囲を如何様にも限定する意図はない。

[0012]次に続く説明は、事実上、単に実例を示すためであり、本開示、適用、又は利用を限定しようとするものではない。

[0013]図１を参照すると、抵抗加熱器１２のための制御システム１０が示されている。制御システム１０は、抵抗加熱器１２の性能を監視し診断するように、抵抗加熱器１２の欠陥を検出すると共に所与の動作条件下の抵抗加熱器１２の推定寿命を予測するように、構成されている。

[0014]図２を参照して、抵抗加熱器１２は管状加熱器１２とすることができ、抵抗加熱器１２は、抵抗要素１４、抵抗要素１４を取り囲む誘電材料１６、誘電材料１６を取り囲む金属シース１８、及び金属シース１８を取り囲む保護層２０、を含むものとすることができる。抵抗要素１４は、抵抗性コイル又はワイヤであってもよく、熱を生成するための高い電気抵抗を有している。金属シース１８は、概して、抵抗要素１４及び誘電材料１６をその中に包封する略管状構造を有していて、ステンレス鋼、インコネル合金、又は他の高耐火性金属、の様な耐熱金属を含んでいる。保護層２０は、腐食環境にある金属シース１８のための更なる保護を提供するために、又は金属シース１８の表面から周囲環境への急速熱放射を促すために、金属シース１８の周りに配置されている。誘電材料１６は、金属シース１８によって画定されている空間を充填していて、抵抗要素１４を金属シース１８から電気的に絶縁している。誘電材料１６は、所定の絶縁耐力、熱伝導率を有していて、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むものとすることができる。

[0015]加熱器動作中、誘電材料１６の材料特性は動作時間の間中、動作温度と共に変動するであろう。概して、動作温度が上がると誘電材料１６の絶縁耐力は下がる。管状加熱器１２を高温で比較的長い時間に亘って動作させると、誘電材料１６の絶縁耐力は著しく下がり、誘電材料１６に誘電破壊を引き起こさないとも限らない。誘電破壊は抵抗要素１４と金属シース１８の間に短絡を生じさせ、結果的に加熱器損傷をもたらす。誘電破壊は加熱器損傷のよくある原因である。誘電材料１６は、概して、抵抗加熱器１２の他の構成要素より速く劣化するものであり、いち早く損傷する。

[0016]それゆえ、本開示による制御システム１０は、加熱器１２がアクティブモードにあるときの誘電材料１６の材料特性、特に誘電材料１６の誘電特性／絶縁耐力の変化、を監視するように構成されている。監視される誘電パラメータは、加熱器１２の性能を診断する、加熱器１２の障害を検出する、又は所与の動作条件下での加熱器１２の推定寿命を予測する、ために使用できる。誘電パラメータは、加熱器１２の動作及び制御を最適化するためにフィードバックを制御システム１０へ提供するのに使用することもできる。

[0017]図１に戻って、本開示の教示による制御システム１０は、加熱器動作制御モジュール２２、誘電パラメータ測定モジュール２４、診断モジュール２６、及び予測モジュール２８、を含んでいる。制御システム１０は、加熱器１２の温度を監視し計測するための温度計測モジュール２９を更に有することができる。

[0018]加熱器動作制御モジュール２２は、加熱器１２の動作を、所望動作温度、所望立ち上がり／立ち下がり速度、及び／又は所望加熱持続時間、の様な入力パラメータに基づいて制御する。

[0019]誘電パラメータ測定モジュール２４は、加熱器１２がアクティブモードにあるとき（加熱器が動作しているとき）の加熱器１２の誘電パラメータを動的に監視し測定する。ここでの使用に際し誘電パラメータとは、動作条件下での誘電材料１６の誘電特性を示すことのできるパラメータをいう。誘電材料１６の誘電特性は、動作温度及び動作時間と共に変動し、受容し難い程度まで下がれば加熱器１２の適正な機能に影響を及ぼしかねない。

[0020]１つの形態では、誘電パラメータは、誘電材料１６を通って流れる漏れ電流の変化とすることができる。誘電材料１６を通る漏れ電流の量は、誘電材料１６の誘電特性、絶縁耐力、又は誘電完全性の変化の指示を提供する。１つの形態では、漏れ電流又は他の電流パラメータを計測するのに一体型装置５０が使用されている。一体型装置５０は、加熱器１２の内に配置することができるし、又は加熱器１２の外の部分にリードワイヤ又はパワーピン（図示せず）と電気的に連通して配置することもできる。別の形態では、一体型装置５０は、以下に更に詳細に説明されている漏れ電流監視モジュール３０内に一体化することができる。一体型装置５０は、一例として、マイクロレベル又はミリアンペアレベルの電流を計測する能力のあるトランスデューサーとすることができる。

[0021]したがって、誘電パラメータ測定モジュール２４は、誘電材料１６を通る漏れ電流を監視、計測し、漏れ電流の変化を測定するための漏れ電流監視モジュール３０を含むことができる。漏れ電流監視モジュール３０は漏れ電流変化を時間と温度の関数として計測し、記録する。誘電材料１６の絶縁耐力及び誘電特性についての情報を提供することができる限り、本開示の範囲から逸脱することなく漏れ電流以外の何らかのパラメータを使用することができる。

[0022]診断モジュール２６は、漏れ電流の変化の様な誘電パラメータを誘電パラメータ測定モジュール２４から受信し、誘電パラメータに基づいて加熱器１２の性能を診断する。例えば、加熱器は、９００℃の動作温度では、それが何らかの故障の兆候を示すまでに９０日の推定寿命を有するものとしよう。同じ加熱器でも、８００℃の動作温度なら、何らかの故障の兆候を示すことなく３５０日を超える推定寿命を有することが可能である。そのため、診断モジュール２６は、周期的又は定期的に、誘電パラメータ測定モジュール２４から受信される誘電パラメータ又は漏れ電流についての情報を記憶されているプログラムに基づいて分析して加熱器内の異常を検出することができる。

[0023]診断モジュール２６は、更に、加熱器内の故障についての閾値を設定する故障検出制御（ＦＤＣ）モジュール３４を含むことができる。加熱器動作中は、少量の漏れ電流が誘電材料１６を通って流れることもある。抵抗加熱器１２を高い温度で長時間に亘って動作させ続けると、漏れ電流の量は急激に増加するだろう。漏れ電流の量が閾値に達すれば、ＦＤＣモジュール３４は、誘電破壊が迫っていると判定し、警告信号を生成して操作者に注意を喚起するか又は抵抗加熱器１２へのパワー供給を遮断するスイッチをオンにするイネーブル信号を生成するようにすることができる。

[0024]代わりに、診断モジュール２６は、漏れ電流の増加速度に基づいて抵抗加熱器１２の性能を診断することもできる。漏れ電流が閾値速度より速い速度で増加している場合、診断モジュール２６は加熱器１２が最適なやり方で動作していないと判定することができる。その様な情報を操作者へ提供するよう然るべく信号が生成するようにすることができる。

[0025]予測モジュール２８は、誘電パラメータ測定モジュール２２から誘電パラメータを受信し、一定因子（Ｋ）を計算し、監視されている動作条件下での加熱器１２の推定寿命を予測する。予測モジュール２８は、動作温度と漏れ電流の様な誘電パラメータと時間の間の事前に記憶されている相関を含んでいてもよい。誘電パラメータは予測モジュール２８へ送られ、すると予測モジュール２８は誘電パラメータに基づいて一定因子（Ｋ）を計算する。次いで予測モジュール２８は、所与の温度と時間での加熱器の推定寿命を該因子（Ｋ）に基づいて計算し予測する。予測モジュール２８は、所与の温度及び時間での加熱器の推定寿命を動的に予測するための数式又はアルゴリズムを含んでいる。

[0026]選択的には、誘電パラメータは、更に、加熱器動作制御モジュール２２へ閉ループフィードバック制御のために送るようにすることができる。フィードバックとしての誘電パラメータに基づき、加熱器動作制御モジュール２２は、加熱器性能及び推定寿命を改善するために、加熱器１２の動作温度及び／又は立ち上がり／立ち下がり速度を変更することによって加熱器１２の制御を最適化することができる。

[0027]開示は例として説明され示されている実施形態に限定されない。多岐にわたる修正形が説明されており、それ以上の修正形が当業者にとって自明の範囲にある。本説明及び図には、開示及び本特許の保護の範囲を離れることなく、これら及び更なる修正形並びに技術的等価物による何らかの置換が加えられてもよい。

１０ 制御システム
１２ 抵抗加熱器
１４ 抵抗要素
１６ 誘電材料
１８ 金属シース
２０ 保護層
２２ 加熱器動作制御モジュール
２４ 誘電パラメータ測定モジュール
２６ 診断モジュール
２８ 予測モジュール
２９ 温度計測モジュール
３０ 漏れ電流監視モジュール
３４ 障害検出制御（ＦＤＣ）モジュール
５０ 漏れ電流計測用の一体型装置

Claims (17)

1. 抵抗加熱器の動作を制御するための制御システムであって、
   前記抵抗加熱器がアクティブモードにあるときに当該抵抗加熱器の誘電材料を通る漏れ電流に関連した誘電パラメータ、を測定するための誘電パラメータ測定モジュールと、
   前記漏れ電流に基づいて前記抵抗加熱器の推定寿命を予測するための予測モジュールと、
   前記漏れ電流及び前記推定寿命に基づいて前記抵抗加熱器の動作を変更するための加熱器動作制御モジュールと、
   を備えている制御システム。
2. 前記誘電パラメータ測定モジュールは、前記抵抗加熱器の前記誘電材料を通る前記漏れ電流を監視するためのトランスデューサーを含む監視モジュールを更に含んでいる、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記監視モジュールは前記漏れ電流の変化を測定する、請求項２に記載の制御システム。
4. 前記漏れ電流と閾値漏れ電流の比較に基づいて前記抵抗加熱器の性能を判定する診断モジュールを更に備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の制御システム。
5. 前記診断モジュールは、前記漏れ電流が前記閾値漏れ電流に達したときに警告信号を生成する障害検出制御モジュールを更に含んでいる、請求項４に記載の制御システム。
6. 前記予測モジュールは、前記漏れ電流と前記推定寿命と前記抵抗加熱器の動作温度との間の相関を含んでいる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の制御システム。
7. 前記予測モジュールは前記相関に基づいて前記推定寿命を求める、請求項６に記載の制御システム。
8. 前記加熱器動作制御モジュールが、前記漏れ電流に基づいて、動作温度と立ち上がり速度と立ち下がり速度とのうちの少なくとも一つを変更することによって、前記抵抗加熱器を動作させるようにされた、請求項１乃至７の何れか一項に記載の制御システム。
9. 抵抗加熱器を制御するための方法であって、
   前記抵抗加熱器の誘電材料を通る漏れ電流を測定する段階と、
   前記漏れ電流に基づいて前記抵抗加熱器の推定寿命を予測する段階と、
   前記漏れ電流及び前記推定寿命に基づいて前記抵抗加熱器を制御する段階と、
   を備えている方法。
10. 前記漏れ電流と、前記抵抗加熱器の動作温度と、動作時間との間の相関を予め判定する段階を更に備えている、請求項９に記載の方法。
11. 前記漏れ電流に基づいて、動作温度と立ち上がり速度と立ち下がり速度とのうちの少なくとも一つを変更することによって、前記抵抗加熱器を制御する段階を更に備えている、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記漏れ電流を動作温度及び動作時間に相関させる段階を更に備えている、請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 閾値漏れ電流を確立して、前記漏れ電流が前記閾値漏れ電流に達したときに加熱器損傷を判定する段階、を更に備えている請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 動作温度と誘電パラメータと時間との間の相関を事前に記憶しておく段階を更に備えている、請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記相関に基づいて、前記抵抗加熱器の前記推定寿命を予測する段階を更に備えている、請求項１４に記載の方法。
16. 所与の温度と時間での前記抵抗加熱器の前記推定寿命を動的に予測するために、数式又はアルゴリズムを予測モジュールに設定する段階を更に備えている、請求項９乃至１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 誘電パラメータの変化及び相関係数を診断及び故障検出制御（ＦＤＣ）のためのフィードバックとして提供する段階、を更に備えている請求項９乃至１６のいずれか一項に記載の方法。