KR20200021560A - 적응 제어를 위한 히터 번들을 포함하는 히터 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

적응 제어를 위한 히터 번들을 포함하는 히터 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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KR20200021560A
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마크 에벌리
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와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
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Abstract

히터 시스템은 히터 번들 및 전력 공급 장치를 포함한다. 히터 번들은 복수의 히터 조립체 및 복수의 전력 전도체를 포함한다. 히터 조립체는 복수의 히터 유닛을 포함하며, 히터 유닛 각각은 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 포함한다. 전력 전도체는 각 히터 유닛 내의 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각과 전기적으로 연결된다. 전력 공급 장치는 전력 반도체를 통하여 히터 유닛의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에 공급되는 전력을 조절하도록 구성된다.

Description

적응 제어를 위한 히터 번들을 포함하는 히터 시스템 및 그 제어방법{Heater system including heater bundle for adaptive control and control method thereof}
본 발명은 전기 히터에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 흐르는 유체를 가열하기 위한 열교환기 등의 히터에 관한 것이다.
본 항목의 설명은 단지 본 발명과 관련된 배경 정보를 제공하기 위한 것일 뿐으로서, 선행 기술을 구성하는 것은 아니다.
유체 히터는 카트리지 히터의 형태를 취할 수 있으며, 이러한 형태는 카트리지 히터의 외면을 따라 유동하거나 또는 카트리지 히터의 외면을 지나 유동하는 유체를 가열하기 위한 로드(rod) 구성을 갖는다. 카트리지 히터는 열 교환기를 통해 유동하는 유체를 가열하기 위한 열 교환기 내부에 배치될 수 있다. 카트리지 히터가 제대로 밀봉되지 않으면 카트리지 히터에 습기 및 유체가 들어가서 카트리지 히터의 금속 피복으로부터 저항성 발열체를 전기적으로 절연하는 절연 재료를 오염시킴으로써 절연성을 파괴하고 결과적으로 히터 고장을 야기할 수 있다. 습기는 또한 전원 전도체와 외부 금속 피복 사이에 단락을 일으킬 수 있다. 카트리지 히터의 고장으로 인해 카트리지 히터를 사용하는 장치에 높은 비용의 정지 시간이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 히터 시스템은 히터 번들 및 전력 공급 장치를 포함한다. 히터 번들은 복수의 히터 조립체 및 복수의 전력 전도체를 포함한다. 각각의 히터 조립체는 복수의 히터 유닛을 포함한다. 각각의 히터 유닛은 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 포함한다. 전력 전도체들은 각각의 히터 유닛들 내에서 독립적으로 제어되는 가열 영역들 각각에 전기적으로 연결된다. 전력 공급 장치는 전력 전도체를 통해 히터 유닛의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각의 전력을 조절하도록 구성된다.
다른 형태에서, 유체 가열 장치는 내부 챔버를 구비하고 유체 입구 및 유체 출구를 가지는 밀봉된 하우징 및 하우징의 내부 챔버 내에 배치된 히터 번들을 포함한다. 히터 번들은 복수의 히터 조립체 및 전력 전도체를 포함한다. 각각의 히터 조립체는 복수의 히터 유닛을 포함한다. 각각의 히터 유닛은 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 포함한다. 전력 전도체는 각각의 히터 유닛 내에서 독립적으로 제어되는 가열 영역들 각각에 전기적으로 연결된다. 전력 공급 장치는 전력 전도체를 통해 히터 유닛의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에 공급되는 전력을 조절하도록 구성된다. 히터 번들은 하우징 내의 유체에 맞춤형 열 분배를 제공하도록 구성되어 있다.
다른 형태에서, 복수의 히터 유닛을 포함하는 히터 조립체를 포함하는 히터 시스템이 제공되며, 각각의 히터 유닛은 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 포함한다. 전력 전도체는 각각의 히터 유닛 내의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에 전기적으로 연결되고, 전력 공급 장치는 전력 전도체를 통해 히터 유닛의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에 공급되는 전력을 조절하도록 구성된다.
또 다른 형태에서, 히터 시스템을 제어하는 방법은, 복수의 히터 조립체를 포함하고, 각각의 히터 조립체는 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 포함하는 복수의 히터 유닛을 포함하는 히터 번들을 제공하는 단계; 상기 히터 유닛들 각각에서 독립적으로 제어되는 상기 가열 영역들 각각에 전기적으로 연결된 전력 전도체들을 통해 상기 히터 유닛들 각각에 전력을 공급하는 단계; 및 각각의 히터 유닛에 공급되는 전력을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 적용 가능성의 다른 영역은 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 특정 실시 예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 본 발명의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히터 번들의 사시도이다.
도 2는 도 1의 히터 번들의 히터 조립체의 사시도이다.
도 3은 도 2의 히터 번들의 히터 조립체의 일 실시예의 사시도이다.
도 4는 도 3의 히터 조립체의 사시도로서, 명확한 구조 설명을 위해 히터 조립체의 외측 피복을 제거한 것이다.
도 5는도 3의 히터 조립체의 코어 본체의 사시도이다.
도 6은 도 1의 히터 번들을 포함하는 열교환기의 사시도로서, 예시 목적으로 히터 번들을 노출시키기 위해 히터 번들을 열교환기로부터 부분적으로 분해한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 히터 번들을 포함하는 히터 시스템을 동작시키는 방법의 구성도이다.
본 명세서에 설명된 도면은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며 본 발명의 범위를 어떤 방식으로든 제한하기 위한 것은 아니다.
다음의 설명은 본질적으로 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 응용 또는 용도를 제한하기 위한 것은 아니다. 본 명세서에서 n, m, k는 임의의 양의 정수로 정의하여 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히터 시스템의 도면 번호는 일반적으로 10번으로 표기된다. 히터 시스템(10)은 히터 번들(12) 및 히터 번들(12)에 전기적으로 연결된 전력 공급 장치(14)를 포함한다. 본 명세서에서, "히터 번들(heater bundle)"은 독립적으로 제어될 수 있는 둘 이상의 물리적으로 구별되는 히터 유닛을 포함하는 히터 장치를 의미한다. 따라서, 히터 번들 내의 히터 유닛 중 하나가 고장 거나 열화 된다고 하더라도, 히터 번들(12) 내의 나머지 히터 유닛은 계속 작동할 수 있다.
일 실시예에서, 히터 번들(12)은 마운팅 플랜지(16) 및 마운팅 플랜지(16)에 고정된 다수의 히터 조립체(18)를 포함한다. 마운팅 플랜지(16)는 히터 조립체(18)가 연장되는 다수의 개구(20)를 포함한다. 본 실시예에서는 히터 조립체(18)가 평행하게 배열되어 있지만, 본 발명에 따른 히터 조립체(18)는 이와는 다르게 위치하거나 배열될 수도 있다.
또한, 마운팅 플랜지(16)는 복수의 마운팅 홀(22)을 포함한다. 마운팅 홀(22)을 통해 나사 또는 볼트(도시 생략)를 사용함으로써, 마운팅 플랜지(16)는 가열될 유체를 수용하는 용기 또는 파이프(도시 생략)의 벽에 조립될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 히터 조립체(18)의 적어도 일부는 유체를 가열하기 위해 용기 또는 파이프 내부의 유체에 잠기게 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히터 조립체(18)는 카트리지 히터 (30)의 형태일 수 있다. 카트리지 히터(30)는 튜브 형태의 히터로서, 일반적으로 코어 본체(32), 코어 본체(32)를 둘러싸는 저항성 가열 와이어(34), 코어 본체(32) 및 저항성 가열 와이어(34)를 내포하는 금속 피복(36), 및 금속 피복(36) 내의 공간을 채움으로써 저항성 와이어(34)를 금속 피복(36)으로부터 전기적으로 절연시키고 저항성 와이어(34)로부터 금속 피복(36)으로 열을 전도하는 절연 재료(38)를 포함한다. 코어 본체(32)는 세라믹으로 제조될 수 있다. 절연 재료(38)는 압축된 산화 마그네슘 (MgO)일 수 있다. 다수의 전력 전도체(42)는 길이 방향을 따라 코어 본체(32)를 관통하여 연장되고 저항성 와이어(34)에 전기적으로 연결된다. 전력 전도체(42)는 또한 외측 피복(36)을 밀봉하는 단부 피스(44)를 통해 연장된다. 전력 전도체(42)는 외부 전력 공급 장치(14) (도 1 참조)와 연결되어 외부 전력 공급 장치(14)로부터 저항성 가열 와이어(32)로 전원을 공급한다. 도 2에는 단부 피스(44)를 통해 연장되는 전력 전도체(42)가 단지 2개만 도시되어 있지만, 2개 이상의 전력 전도체(42)가 단부 피스(44)를 통해 연장될 수 있다. 전력 전도체(42)는 전도성 핀의 형태일 수 있다. 카트리지 히터의 다양한 구조 및 추가적인 구조적 및 전기적 세부 사항은 본 출원과 공통으로 양도되었으며 그 전체 내용이 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제2,831,951호 및 제3,970,822호에 보다 상세히 설명되어 있다. 따라서, 여기에 예시된 형태는 단지 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안됨을 이해해야 한다.
대안적으로, 다수의 저항성 가열 와이어(34) 및 다수 쌍의 전력 전도체(42)가 독립적으로 제어되어 카트리지 히터(30)의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 다수의 가열 회로를 형성하는데 사용될 수 있다. 따라서, 어느 하나의 저항성 가열 와이어(34)가 고장 난다고 하더라도, 나머지 저항성 가열 와이어(34)는 열을 계속 생성할 수 있으므로, 전체 카트리지 히터(30)는 고장 나지 않고 고비용의 기계 정지 시간을 야기하지 않을 수 있는 것이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 히터 조립체(50)는, 코어 본체 및 사용된 와이어의 수를 제외하면, 도 2에 도시된 것과 유사한 구성을 갖는 카트리지 히터의 형태일 수 있다. 보다 상세하게, 히터 조립체(50) 각각은 복수의 히터 유닛(52), 복수의 히터 유닛 (52)을 내포하는 외측 금속 피복(54) 및 복수의 전력 전도체(56)를 포함한다. 외부 금속 피복(54)으로부터 히터 유닛(52)을 전기적으로 절연시키기 위해서, 절연 재료(도3 내지 도5에는 도시되지 않음)가 복수의 히터 유닛(52)과 외측 금속 피복(54) 사이에 제공된다. 복수의 히터 유닛(52) 각각은 코어 본체(58) 및 코어 본체(58)를 둘러싸는 저항성 가열 소자(60)를 포함한다. 저항성 가열 소자(60)는 하나 이상의 가열 회로를 형성하여 하나 이상의 가열 영역(62)을 형성할 수 있다.
본 실시예에서, 각각의 히터 유닛(52)은 하나의 가열 영역(62)을 포함하고, 각각의 히터 조립체(50) 내의 복수의 히터 유닛(52)은 길이 방향(X)을 따라 정렬된다. 따라서, 각각의 히터 조립체(50)는 길이 방향(X)을 따라 복수의 가열 영역(62)을 포함한다. 각각의 히터 유닛(52)의 코어 본체(58)는 전력 전도체(56)가 통과하며 연장될 수 있는 복수의 관통 홀/개구(64)를 포함한다. 히터 유닛(52)의 저항성 가열 소자(60)는 차례로 외부 전력 공급 장치(14)에 연결된 전력 전도체(56)에 연결된다. 전력 전도체(56)는 전원 장치(14)로부터의 전력을 복수의 히터 유닛(52)에 공급한다. 전력 전도체(56)를 저항성 가열 소자(60)에 적절히 연결함으로써, 복수의 히터 유닛(52)의 저항성 가열 소자(60)는 독립적으로 전력 공급 장치(14)의 제어부(15)에 의해 제어될 수 있다. 이러한 구조에서는, 특정한 가열 영역(62)에 대한 하나의 저항성 가열 소자(60)에 고장이 발생한다 하더라도, 나머지 가열 영역(62)에 대한 나머지 저항성 가열 소자 (60)의 적절한 기능에는 영향을 미치지 않는다. 또한, 히터 유닛(52) 및 히터 조립체 (50)는 상호 교환이 가능하므로 수선이나 조립이 용이하다.
본 실시예에서는, 5 개의 히터 유닛(52) 상의 5개의 독립적인 전기 가열 회로에 전력을 공급하기 위해 각각의 히터 조립체(50)에 6개의 전력 전도체(56)가 사용된다. 대안적으로, 6 개의 전력 전도체 (56)가 5 개의 히터 유닛 (52) 상에 완전히 독립적인 3개의 회로를 포함하는 방식으로 저항성 가열 소자(60)에 연결될 수 있다. 임의의 수의 전력 전도체(56)를 가짐으로써 임의의 수의 독립적으로 제어되는 가열 회로 및 독립적으로 제어되는 가열 영역(62)을 가질 수 있다. 예를 들어, 7개의 전력 전도체(56)가 6개의 가열 영역(62)을 제공하는데 사용될 수 있으며, 7개의 가열 영역(62)을 제공하기 위해 8 개의 전력 전도체(56)가 사용될 수도 있다.
전력 전도체(56)는 복수의 전력 공급 및 전력 회귀 도체, 복수의 전력 회귀 도체 및 단일의 전력 공급 도체, 또는 복수의 전력 공급 도체 및 단일의 전력 회귀 도체를 포함할 수 있다. 가열 영역의 수가 n일 경우, 전력 공급 장치 및 반환 컨덕터의 수는 n+1이다.
대안적으로, 더 많은 수의 전기적으로 구별되는 가열 영역(62)이 외부 전력 공급 장치(14)의 제어부(15)에 의한 멀티플렉싱(multiplexing), 극성 감지 스위칭(polarity sensitive switching) 및 그 밖의 회로 토폴로지(circuit topology)를 통해 생성될 수 있다. 열적 배열(thermal array)의 멀티플렉싱 또는 다양한 배열을 사용하여 주어진 수의 전력 전도체에 대한 카트리지 히터(50) 내의 가열 영역의 수(예를 들어, 15개 또는 30개의 가열 영역에 대해 6 개의 전력 전도체를 갖는 카트리지 히터) 를 증가시키는 사용례가, 본 출원과 공통으로 양도되었으며 그 전체 내용이 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제9,123,755 호, 제9,123,756 호, 제9,177,840 호, 제9,196,513 호 및 이와 관련된 출원에 개시되어 있다.
이러한 구조로, 각 히터 조립체 (50)는 히터 조립체 (50)의 길이를 따라 전력 출력 또는 열 분배를 변화 시키도록 독립적으로 제어 될 수있는 복수의 가열 영역 (62)을 포함한다. 히터 번들 (12)은 복수의 그러한 히터 따라서, 히터 번들 (12)은 복수의 가열 영역 (62) 및 히터 번들 (12)을 통해 유동하는 유체를 가열하기위한 맞춤형 열 분포를 제공하여 특정 용도에 적합하게된다. 전력 공급 장치 (14)는 독립적으로 제어되는 가열 영역 (62) 각각에 대한 전력을 조절하도록 구성 될 수있다.
예를 들어, 히터 조립체(50)는 m개의 가열 영역을 포함할 수 있고, 히터 번들(12)은 k개의 히터 조립체(50)를 포함할 수 있다면, 히터 번들(12)은 m*k개의 가열 영역을 포함할 수 있다. 히터 번들(12) 내의 복수의 가열 영역(62)은 개별 히터 유닛(52)의 수명 및 신뢰성, 크기 및 비용, 국부 히터 자속, 히터 유닛 (52)의 특성 및 작동, 및 전체 전력 출력을 포함하지만 이에 국한되지 않는 가열 조건 및/또는 가열 요건에 응답하여 개별적으로 및 동적으로 제어될 수 있다.
각각의 회로는 요구되는 온도 또는 요구되는 전력 수준에 맞게 개별적으로 제어되므로, 온도 및/또는 전력의 분포는 시스템 파라미터(예를 들어, 제조 변동/허용 오차, 환경 조건의 변화, 입구 온도, 입구 온도 분포, 유속, 속도 분포, 유체 구성, 유체 열용량 등의 입구 유동 조건 등)에 따라 달라질 수 있다. 보다 구체적으로, 히터 유닛(52)은 제조 변동 및 시간에 따른 히터의 열화 정도로 인해 동일한 전력 수준 하에서 작동될 때 동일한 열 출력을 생성하지 않을 수 있다. 히터 유닛(52)은 독립적으로 제어되어 원하는 열 분배에 따라 열 출력을 조정할 수 있다. 히터 시스템의 부품의 개별 제조 공차 및 히터 시스템의 조립 공차는 전력 공급 장치의 조절된 전력의 함수로서 증가한다. 즉, 히터 제어의 충실도가 높기 때문에, 개별 부품의 제조 공차가 그렇게 엄격하거나 협소할 필요가 없다.
히터 유닛(52)은 히터 유닛(52)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(미도시)를 각각 포함할 수 있다. 히터 유닛(52) 내의 핫 스팟이 검출될 때, 전력 공급 장치(14)는 히터 유닛(52)의 과열 또는 고장을 피하기 위해 핫 스팟이 검출되는 특정 히터 유닛(52)에 대한 전력을 감소시키거나 차단할 수 있다. 전력 공급 장치(14)는 사용 중지된 히터 유닛(52)에 인접한 히터 유닛(52)에 공급되는 전력을 조절하여 특정 히터 유닛 (52)으로 인해 감소된 열 출력을 보상할 수 있다.
전력 공급 장치(14)는 다영역 알고리즘(multi-zone algorithm)을 포함하여 임의의 특정 가열 영역으로 전달되는 전력 수준을 감소시키거나 차단할 수 있으며, 열 출력이 감소하였거나 사용 중지된 특정 가열 영역에 인접한 가열 영역으로 공급되는 전력을 증가시킬 수 있다. 각각의 가열 영역으로 공급되는 전력을 주의 깊게 조절함으로써 시스템의 전반적인 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한, 핫 스팟을 검출하고 이에 따라 전력을 제어함으로써, 히터 시스템(10)의 안전성이 개선될 수 있다.
다수의 독립적으로 제어되는 가열 영역(62)을 갖는 히터 번들(12)은 개선된 가열성을 획득할 수 있다. 예를 들어, 히터 유닛(52)상의 일부 회로는 100 % 미만의 공칭 듀티 사이클(nominal duty cycle) 또는 통상 듀티 사이클(typical duty cycle)로 작동되거나, 또는 선간 전압(line voltage)이 인가된 히터에 의해 생성될 전력의 일부인 평균 전력 수준에서 작동될 수 있다. 듀티 사이클이 낮을수록 더 큰 직경을 갖는 저항성 가열 와이어를 사용할 수 있으므로, 시스템의 신뢰성이 향상된다.
일반적으로, 작은 영역에서는 특정한 저항을 달성하기 위해 더 미세한 와이어 크기가 적용된다. 가변 전력 제어는 히터의 전력 손실 용량과 연관된 듀티 사이클 제한으로 과부하로부터 히터를 보호하면서, 보다 큰 와이어 크기가 사용될 수 있게 하고, 낮은 저항 값이 수용될 수 있게 한다.
스케일링 팩터(scaling factor)의 사용은 히터 유닛(52) 또는 가열 존(62)의 용량과 연관될 수 있다. 다수의 가열 영역(62)으로 인해 히터 번들(12)의 보다 정확한 결정 및 제어가 가능해진다. 특정 가열 회로/영역에 대한 특정 스케일링 팩터는 거의 모든 영역에서 보다 적극적인(즉, 더 높은) 온도(또는 전력 수준)를 허용할 수 있으며, 결과적으로 보다 작고 저렴하게 히터 번들(12)을 설계할 수 있게 된다. 이러한 스케일링 팩터 및 방법은 본 출원과 공통으로 양도되었으며 그 내용 전체가 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제7,257,464 호에 개시되어 있다.
개별 회로에 의해 제어되는 가열 영역의 크기는 온도 또는 전력의 분포를 원하는 정확도로 제어하는 데 필요한 영역의 총 수를 줄이기 위해 동일하거나 상이하게 만들어질 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 히터 조립체(18)는 단일 단부 히터(single end heater)로서, 즉, 전도성 핀이 히터 조립체(18)의 단 하나의 길이 방향 단부를 통해 연장되는 것으로 도시되어 있다. 히터 조립체(18)는 마운팅 플랜지(16) 또는 격벽(미도시)을 통과하면서 연장되고, 마운팅플랜지(16) 또는 격벽에 밀봉된다. 이와 같이, 히터 조립체(18)는 용기 또는 튜브로부터 마운팅 플랜지(16)를 제거하지 않으면서 개별적으로 제거 및 교체될 수 있다.
대안적으로, 히터 조립체(18)는 양단 단부 히터(double ended heater)일 수 있다. 양단 단부 히터에서, 금속 피복은 헤어핀 형상으로 구부러지고, 전력 전도체는 금속 피복의 양측 길이 방향 단부를 통과하여, 금속 피복의 양측 길이 방향 단부는 플랜지 또는 격벽을 통과하여 그에 밀봉된다. 이 구조에서, 플랜지 또는 격벽은 개별 히터 조립체(18)가 교체되기 전에 하우징 또는 용기로부터 제거될 필요가 있다.
도 6을 참조하면, 히터 번들(12)은 열교환기(70)에 포함된다. 열교환기(70)는 내부 챔버(미도시)를 포함하는 밀봉된 하우징(72), 하우징(72)의 내부 챔버 내에 배치된 히터 번들(12) 및 유체 출구(78)를 포함하며, 유체는 밀봉된 하우징(72)의 내부 챔버 내외로 유도된다. 유체는 밀봉된 하우징(72) 내에 배치된 히터 번들(12)에 의해 가열된다. 히터 번들(12)은 그의 길이를 횡단하는 유동을 위해 또는 그 길이에 평행한 유동을 위해 배열된다.
히터 번들(12)은 외부 전력 공급 장치(14)에 연결되며, 개별 영역에 공급되는 전력을 조절하기 위해 스위칭 수단 또는 가변 트랜스포머와 같은 전력 조절 수단을 포함할 수 있다. 전력 조절은 시간의 함수로서 수행되거나 또는 각 가열 영역의 검출된 온도에 기초하여 수행될 수 있다.
저항성 가열 와이어는 또한 저항성 와이어의 저항을 사용하여 저항성 와이어의 온도를 측정하고 동일한 전력 전도체를 사용하여 온도 측정 정보를 전력 공급 장치 (14)로 보내는 센서로서 기능할 수 있다. 각각의 영역에 대한 온도를 감지하는 수단은 히터 번들(12) 내의 각 히터 조립체(18)의 길이를 따라 개별 영역의 분해능까지 온도의 제어를 허용할 수 있다. 따라서, 추가적인 온도 감지 회로 및 감지 수단을 생략할 수 있으므로, 제조 비용을 절감할 수 있다. 히터 회로 온도를 직접 측정하는 것은 별도의 센서 사용과 관련된 많은 측정 오류를 없애거나 최소화하기 때문에, 시스템의 원하는 신뢰성 수준을 유지하면서 주어진 회로에서 열 유속을 극대화하고자 할 때에는 뚜렷한 장점이 된다. 가열 소자 온도는 히터의 신뢰성에 가장 큰 영향을 미치는 특성이다. 히터 및 센서 양측 모두로서 기능하는 저항성 소자를 사용하는 것은 본 출원과 공통으로 양도되었으며 그 전체 내용이 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제7,196,295 호에 개시되어 있다.
대안적으로, 전력 전도체(56)는, 이종 금속의 전력 전도체(56)가 저항성 가열 소자의 온도를 측정하기위한 열전쌍을 생성할 수 있도록, 상이한 금속으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 전원 공급 및 전력 회귀 도체의 적어도 하나 이상의 세트는 상이한 재료를 포함하여, 접합부가 상이한 재료와 히터 유닛의 저항성 가열 소자 사이에 형성되어 하나 이상의 영역의 온도를 결정하는 데에 사용될 수 있다. 히터에 다른 금속을 사용하는 것과 같이, 집적되고 고도로 열적으로 결합된 감지 기능을 사용하면 열전쌍과 같은 신호가 생성된다. 온도 측정을 위한 집적되고 결합된 전력 전도체의 사용은 본 출원과 공통으로 양도되었으며 그 전체 내용이 본원에 참고로 인용된 미국 특허 출원 제14/725,537 호에 개시되어 있다.
각각의 영역으로 전달된 전력을 조절하기위한 제어부(15)는 폐회로 자동제어 시스템(closed-loop automatic control system)일 수 있다. 폐회로 자동 제어 시스템(15)은 각 영역으로부터 온도 피드백을 수신하고, 각 영역에 대한 전력 전달을 자동적으로 그리고 동적으로 제어함으로써, 사람이 연속적으로 또는 빈번하게 모니터링 및 조정하는 일 없이도, 자동적으로 그리고 동적으로 히터 번들(12) 내의 각 히터 조립체(18)의 길이에 따른 전력 분포 및 온도를 제어한다.
본원에 개시된 바와 같은 히터 유닛(52)은 각 히터 유닛(52)에 에너지를 공급하고 샘플링 하여 저항을 계산하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 방법을 사용하여 보정될 수 있다. 그런 다음, 계산된 저항값은 보정된 저항값과 비교되어 저항비 또는 실제 히터 유닛 온도를 결정할 값이 결정될 수 있다. 예시적인 방법은 본 출원과 공통으로 양도되고 그 전체 내용이 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제5,280,422 호 및 제5,552,998 호에 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보정은, 적어도 하나의 작동 모드로 히터 시스템(10)을 작동시키는 단계; 독립적으로 제어되는 가열 영역(62) 중 적어도 하나에 대해 원하는 온도를 생성하도록 히터 시스템(10)을 제어하는 단계; 작동모드에 대한 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역(62)에 대한 데이터를 수집 및 기록하고, 기록된 데이터에 액세스하여 감소된 개수의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 갖는 가열 시스템에 대한 작동 사양을 결정하는 단계; 및 독립적으로 제어되는 감소된 수의 가열영역을 사용하여 히터 시스템을 사용하는 단계를 포함한다. 데이터는, 그 데이터가 수집되고 기록되는 히터 시스템(10)으로부터의 다른 작동 데이터 중에서, 예를 들어, 전력 수준 및/또는 온도 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 히터 시스템은 번들(12) 내에 복수의 히터 조립체가 아닌 하나의 히터 조립체(18)를 포함할 수 있다. 단일 히터 조립체(18)는 복수의 히터 유닛(52)을 포함하며, 각 히터 유닛(52)은 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 포함한다. 이와 유사하게, 전력 전도체(56)는 각각의 히터 유닛(52)의 독립적으로 제어되는 가열 영역(62)에 전기적으로 연결되며, 전력 공급 장치는 독립적으로 제어되는 가열 영역(62) 각각에 대한 전력을 전력 전도체(56)를 통하여 공급하도록 구성된다.
도 7을 참조하면, 히터 시스템을 제어하는 방법(100)은 단계 102에서 복수의 히터 조립체를 포함하는 히터 번들을 제공하는 단계를 포함한다. 각각의 히터 조립체는 복수의 히터 유닛을 포함한다. 각 히터 유닛은 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 회로(및 결과적으로 가열 영역)를 포함한다. 각 히터 유닛에 대한 전력은 단계 104에서 각 히터 유닛 내의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에 전기적으로 연결된 전력 전도체를 통해 공급된다. 각 가열 영역 내의 온도는 단계 106에서 감지된다. 온도는 상기 히터 유닛들 중 적어도 하나의 저항성 가열 소자의 저항 변동을 이용하여 감지된다. 가열 영역의 온도는 영역 저항을 측정함으로써(또는, 적절한 재료가 사용되는 경우, 회로 전압의 측정에 의해) 초기에 결정될 수 있다.
온도 값은 디지털화 될 수 있다. 신호는 마이크로 프로세서에 전달될 수 있다. 측정된 (감지된) 온도 값은 단계 108에서 각 구역에 대한 목표(원하는) 온도와 비교 될 수 있다. 각 히터 유닛에 공급된 전력은 단계 110에서 측정된 온도에 기초하여 조절되어 목표 온도를 달성할 수 있다.
선택적으로, 상기 방법은 스케일링 팩터(scaling factor)를 사용하여 조절 전력을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 스케일링 팩터는 각 가열 영역의 가열 용량의 함수일 수 있다. 제어부(15)는 시스템의 동적 행동의 스케일링 팩터 및/또는 수학적 모델(시스템의 업데이트 시간에 대한 지식 포함)을 잠재적으로 포함하는 알고리즘을 포함할 수 있으며, 다음 번 업데이트까지 각 영역에 제공될 전력량을 듀티 사이클(duty cycle), 위상 각 점화(phase angle firing), 전압 조절(voltage modulation) 또는 이와 유사한 기술을 적용하여 결정할 수 있다. 원하는 전력은 개별 가열 영역으로의 전력 출력을 제어하기 위해 스위치 또는 다른 전력 조절 장치로 전송되는 신호로 변환될 수 있다.
본 실시예에서, 비정상 조건(anomalous condition)으로 인해 하나 이상의 가열 영역이 꺼지더라도, 나머지 영역은 실패없이 원하는 와트(wattage)를 계속 제공한다. 적어도 하나의 가열 영역에서 비정상 조건이 감지될 때에도 원하는 와트를 제공하기 위해서, 정상 작동하는 가열 영역의 전력이 조절된다. 결정된 온도에 기초하여 적어도 하나의 가열 영역이 턴 오프(turn-off) 될 때, 나머지 영역은 원하는 와트를 계속 제공한다. 각각의 가열 영역으로 공급되는 전력은 수신된 신호, 모델 중 적어도 하나의 함수로서, 그리고 시간의 함수로서 조절된다.
안전성 또는 공정 제어상의 이유로, 특정 위치에서의 연소/화재/산화, 코킹 끓임(cocking boiling) 등의 원치 않는 화학적 또는 물리적 반응으로 인해 히터의 특정 위치가 주어진 온도를 초과하는 것을 방지하기 위해, 종래의 히터는 일반적으로 최대 허용 온도 이하로 작동된다. 따라서, 통상적으로 보수적으로 히터를 설계하게 되는데, 예를 들어, 대형 히터는 낮은 전력 밀도를 가지며 가능한 수준보다 훨씬 낮은 열 유속이 부하되는 표면적을 많이 포함하도록 설계되는 것이다.
그러나, 본 발명의 히터 번들에 의하면, 히터 내의 임의의 위치의 온도를 개별 가열 영역의 크기 순서의 해상도 수준으로 측정하고 제한하는 것이 가능하다. 또한, 개별 회로의 온도에 영향을 줄만큼 큰 핫 스팟을 감지할 수 있다.
개별 가열 영역의 온도가 자동으로 조정되어 결과적으로 제한될 수 있으며, 이러한 각 영역 온도의 동적 및 자동적인 제한은 해당 영역 및 모든 다른 영역이 원하는 온도 한계를 초과할 수 있다는 두려움 없이 최적의 전력/열 유속 수준을 유지하며 작동할 수 있도록 한다. 이는 번들 내의 소자 중 하나의 피복에 별도의 열전쌍을 고정시키는 현재의 관행보다 높은 온도 측정 정확도를 가진다는 장점이 있다. 감소된 마진 및 개별 영역에 대한 전력을 조절하는 능력은 전체 히터 조립체에 적용되기보다는 선택적으로 그리고 개별적으로 가열 영역에 적용될 수 있으므로, 미리 결정된 온도 한계를 초과할 위험을 감소시킨다.
카트리지 히터의 특성은 시간에 따라 변할 수 있다. 이러한 시간 변화 특성으로 인해 카트리지 히터를 설계할 때에는 불리한 경우를 상정하여 선택된 단 하나의 유동 상태에 대응할 수 있도록 카트리지를 설계할 것이 요구되는데, 이럴 경우 다른 유동 상태에 대해서는 카트리지 히터가 최적 이하 상태로 작동하게 된다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 히터 조립체에 제공된 다수의 히터 유닛을 사용하여 코어 크기의 분해능 수준으로 전체 번들에 대한 전력 분포를 동적으로 제어함으로써, 다양한 유동 상태에 대한 최적화된 전력 분배가 가능하게 된다. 이는 종래의 카트리지 히터에서 단지 하나의 유동 상태에 대응하는 오직 하나의 전력 분배만이 가능한 것과는 대조적인 것이다. 따라서, 본원의 히터 번들은 다른 모든 유동 상태에 대해서 총 열 유속을 증가시킬 수 있다.
또한, 가변 전력 제어는 히터 설계 유연성을 증가시킬 수 있다. 전압을 상당한 수준까지 저항에서 분리하여 히터를 설계할 수 있으며, 히터에 끼울 수 있는 최대 와이어 직경을 적용하여 히터는 설계할 수 있다. 주어진 히터 크기 및 신뢰성 수준 (또는 히터의 수명)에 대한 전력 손실 용량을 증가시키고, 주어진 전체 전력 수준에 대한 번들의 크기를 줄일 수 있다. 이러한 구성에서, 전력은 현재 이용 가능하거나 개발 중인 가변 와트 제어기(variable wattage controller)의 일부인 가변 듀티 사이클(variable duty cycle)에 의해 조절될 수 있다. 히터 번들은 주어진 영역에 대한 듀티 사이클에 대한 프로그래밍 가능한(또는 원하는 경우 사전 프로그래밍 된) 제한에 의해 보호받으므로, 히터 번들의 과부하를 방지할 수 있다.
본 발명은 예시로서 설명되고 도시된 실시예에 국한되지 않는다는 점을 주지하여야 한다. 다양하고 넓은 범위의 변형례들이 설명되었으며, 그 외의 것들은 당해 기술분야에서 통상의 기술수준을 가진 자의 지식에 포함될 수 있다. 본 명세서 및 본 특허의 보호 범위를 벗어나지 않고, 이들 실시예 및 추가적인 변형 및 기술적 등가물에 의한 임의의 대체물이 설명 및 도면에 추가될 수 있다.

Claims (38)

  1. 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 각각 포함하는 복수의 히터 유닛을 각각 포함하는 복수의 히터 조립체; 및
    상기 히터 유닛 내의 상기 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각과 전기적으로 연결된 복수의 전력 전도체;
    상기 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각의 온도를 감지하는 온도감지수단; 및
    상기 히터 조립체 각각의 길이에 따라 원하는 와트(wattage)를 제공하기 위해, 상기 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에서 감지된 온도에 기반하여, 상기 전력 전도체를 통하여 상기 히터 유닛들의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에 공급되는 전력을 조절하도록 구성된 제어기를 포함하는 전력 공급장치;를 포함하는 히터 번들을 포함하는 히터 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역에서 감지된 온도에 기반하여 상기 전력 공급장치에서 공급되는 전력을 제어하도록 구성된 폐회로 자동제어 시스템을 더 포함하는 히터 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 전력 전도체는 복수의 전력 공급 및 전력 회귀 도체, 복수의 전력 회귀 도체 및 단일의 전력 공급 도체, 또는 복수의 전력 공급 도체 및 단일의 전력 회귀 도체 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 히터 유닛들과 상기 히터 조립체들은 교환 가능하도록, 상기 히터 조립체들의 히터 유닛들은 동일한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 히터 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전력 공급 및 전력 회귀 도체의 세트는 상이한 물질을 포함하고 있으며, 상기 상이한 물질 사이의 접합부 및 상기 히터 유닛의 저항성 가열 소자는 상기 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역의 온도를 판정하는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 히터 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 독립적으로 제어되는 가열 영역의 수는 양의 정수인 n 개이며, 상기 전력 공급 및 전력 회귀 도체의 수는 n+1 개인 것을 특징으로 하는 히터 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 히터 조립체 각각은 중심축을 가지며, 상기 복수의 히터 조립체는 상기 중심축이 상호 평행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 히터 시스템.
  8. 내부 챔버를 구비하고, 유체 입구 및 유체 출구를 가지는, 밀봉된 하우징;
    상기 하우징의 상기 내부 챔버 내에 위치한 청구항 1의 히터 번들; 을 포함하고,
    상기 히터 번들은 상기 하우징 내의 유체에 소정의 열 분배를 제공하도록 구성된 유체 가열 장치.
  9. 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 각각 포함하는 복수의 히터 유닛을 포함하는 히터 조립체; 및
    상기 히터 유닛 내의 상기 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각과 전기적으로 연결된 복수의 전력 전도체;
    상기 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각의 온도를 감지하는 온도감지수단; 및
    상기 히터 조립체 각각의 길이에 따라 원하는 와트(wattage)를 제공하기 위해, 상기 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에서 감지된 온도에 기반하여, 상기 전력 전도체를 통하여 상기 히터 유닛의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에 공급되는 전력을 조절하도록 구성된 제어기를 포함하는 전력 공급장치;를 포함하는 히터 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 복수의 히터 유닛 각각은 코어 본체와 그 코아 본체를 둘러싸는 저항성 가열 소자를 포함하는 히터 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 전력 전도체들은 상기 히터 유닛의 코어 본체들을 관통하여 연장되는 히터 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 히터 조립체의 코어 본체는 금속 피복에 내포되는 히터 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 히터 유닛 각각은 코어 본체와 그 코아 본체를 둘러싸는 저항성 가열 소자를 포함하는 히터 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서, 히터 유닛 각각의 코어 본체는 복수의 관통 홀을 갖는 히터 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 전력 전도체들은 상기 코어 본체의 복수의 관통 홀을 관통하여 연장되는 히터 시스템.
  16. 청구항 13에 있어서, 상기 히터 유닛들의 코어 본체들은 세라믹으로 된 히터 시스템.
  17. 청구항 13에 있어서, 상기 각 히터 조립체의 코어 본체들은 금속 피복 속에 내포되는 히터 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 코어 본체와 상기 금속 피복 사이에 배치되는 절연 재료를 더 포함하는 히터 시스템.
  19. 청구항 1에 있어서, 상기 히터 조립체의 개수가 양의 정수인 k이고, 상기 히터 조립체 각각의 독립적으로 제어되는 가열 영역의 개수가 양의 정수인 m이고, 상기 히터 번들에서 독립적으로 제어되는 가열 영역의 전체 개수가 m x k인 히터 시스템.
  20. 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 각각 포함하는 복수의 히터 유닛을 각각 포함하는 복수의 히터 조립체를 제공하는 단계;
    상기 히터 유닛 내의 상기 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각과 전기적으로 연결된 복수의 전력 전도체를 통하여, 각각의 히터유닛의 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에 전력을 공급하는 단계;
    상기 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각의 온도를 감지하는 단계; 및
    상기 히터 조립체 각각의 길이에 따라 원하는 와트(wattage)를 제공하기 위해, 상기 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에서 감지된 온도에 기반하여, 상기 전력 전도체를 통하여 상기 히터 유닛들의 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각에 공급되는 전력을 조절하는 단계;를 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 가열 영역에서 감지된 온도를 목표 온도와 비교하고 전력을 조절하여 상기 목표 온도를 달성하는 단계;를 더 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  22. 청구항 20에 있어서, 스케일링 팩터(scaling factor)를 사용하여 상기 조절된 전력을 조정하는 단계;를 더 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 스케일링 팩터를 가열 영역 각각의 가열 용량의 함수로서 사용하는 단계;를 더 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  24. 청구항 20에 있어서, 상기 감지된 온도에 기반하여 적어도 하나 이상의 상기 독립적으로 제어되는 가열 영역을 턴-오프(turned off)하고, 나머지 독립적으로 제어되는 가열 영역에는 계속하여 요구되는 전력량을 공급하는 단계를 더 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  25. 청구항 20에 있어서, 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역의 감지된 온도가 목표 온도를 벗어나는 경우, 히터 조립체의 길이방향에 따라 요구되는 전력량을 제공하기 위해, 적어도 하나 이상의 다른 가열 영역에 대한 전력을 조절하는 것을 특징으로 하는 히터 시스템의 제어 방법.
  26. 청구항 20에 있어서, 상기 온도를 감지하는 단계는 상기 적어도 하나 이상의 히터 유닛의 저항성 가열 요소의 저항 변동을 이용하여 온도를 판단하는 것을 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 감지된 온도에 기반하여 적어도 하나 이상의 상기 독립적으로 제어되는 가열 영역을 턴-오프(turned off)하고, 나머지 독립적으로 제어되는 가열 영역에는 계속하여 요구되는 전력량을 공급하는 단계를 더 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  28. 청구항 20에 있어서, 각각의 가열 영역으로 공급되는 전력은 수신된 신호, 모델 중 적어도 하나의 함수로서, 그리고 시간의 함수로서 조절되는 것을 특징으로 하는 히터 시스템의 제어 방법.
  29. 청구항 20에 있어서,
    적어도 하나 이상의 작동모드로 히터 시스템을 작동하는 단계;
    적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역이 목표 온도를 생성하도록 상기 히터 시스템을 제어하는 단계;
    적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역 및 적어도 하나 이상의 작동모드에 대한 데이터를 수집 및 기록하는 단계;
    적어도 하나 이상의 복수의 독립적으로 제어되는 가열 영역이 턴-오프(terned off)된 때에, 히터 시스템의 작동사양을 결정하기 위하여, 상기 기록된 데이터에 접속하는 단계; 및
    적어도 하나 이상의 복수의 독립적으로 제어되는 가열 영역이 턴 오프된 상태에서 상기 히터 시스템을 작동하는 단계;를 포함하는 보정단계를 더 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  30. 청구항 29에 있어서, 상기 데이터는 전력 수준 정보 및 온도 정보를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 히터 시스템의 제어 방법.
  31. 청구항 20에 있어서, 상기 복수의 독립적으로 제어되는 가열 영역이 히터 조립체들의 길이 방향으로 배치되도록, 상기 복수의 히터 유닛이 히터 조립체의 길이방향으로 배치되는 것을 특징으로 하, 히터 시스템의 제어방법;
  32. 복수의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 갖는 히터 유닛이, 그 길이 방향으로 배치된, 복수의 히터 조립체를 제공하는 단계;
    상기 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각과 전력 전도체를 통하여 전기적으로 연결된 히터 유닛 각각에 전력을 공급하는 단계;
    상기 독립적으로 제어되는 가열 영역 각각의 온도를 감지하는 단계; 및
    상기 히터 조립체 각각의 길이에 따라 원하는 와트(wattage)를 제공하기 위해, 상기 히터 유닛들 각각에 공급되는 전력을 조절하는 단계;를 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  33. 청구항 32에 있어서, 상기 히터 조립체의 개수가 양의 정수인 k이고, 상기 히터 조립체 각각의 독립적으로 제어되는 가열 영역의 개수가 양의 정수인 m인 때에, 상기 전체 m x k 개의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 제공하는 것을 더 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  34. 청구항 33에 있어서, 상기 히터 조립체의 길이 방향에 따라 목표로 하는 전압을 제공하기 위하여, 상기 적어도 하나 이상의 독립적으로 제어되는 가열 영역을 턴-오프하고, 나머지 독립적으로 제어되는 가열 영역들에는 계속하여 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  35. 청구항 32에 있어서, 각각의 독립적으로 제어되는 가열 영역의 온도를 감지하고 그 감지된 온도에 가반하여 전력을 조절하는 단계를 더 포함하는, 히터 시스템의 제어 방법.
  36. 청구항 35에 있어서, 상기 감지된 온도와 목표 온도를 비교하고, 목표 온도 달성을 위해 공급되는 전력을 조절하는 단계를 더 포함하는, 히터 시스템의 제어 방법.
  37. 청구항 32에 있어서, 스케일링 팩터를 사용하여 상기 조절된 전력을 조정하는 단계;를 더 포함하는 히터 시스템의 제어 방법.
  38. 청구항 32에 있어서, 상기 복수의 독립적으로 제어되는 가열 영역에 공급되는 전력이 상기 히터 시스템에 걸친 소정의 열 분배에 기반하여 변하는 것을 특징으로 하는, 히터 시스템의 제어방법.
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