KR20220127173A - 로컬 파워 스위치를 가진 히터 번들 - Google Patents

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KR20220127173A
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heater
power
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heating
power switch
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마크 에벌리
트레버 스미쓰
제이콥 스풀러
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와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
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Abstract

히터 시스템에는 히터 번들을 포함한다. 히터 번들은 적어도 하나의 히터 조립체를 포함하고, 히터 조립체는 복수의 히터 유닛을 포함하고, 히터 유닛 중들중 하나보다 초과된 것은 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 구역을 정의한다. 히터 번들은 독립적으로 제어되는 가열 구역에 전기적으로 연결된 복수의 전력 도전체를 포함한다. 히터 시스템은 온도를 결정하기 위한 수단 및 적어도 하나의 전원 스위치를 포함하며, 전원 스위치는 히터 번들에 근접하게 배치된다. 히터 시스템은 히터 조립체의 길이를 따라 소망의 전력 출력을 제공하기 위해 결정된 온도에 기초하여 전력 도전체를 통해 독립적으로 제어되는 가열 구역에 대한 전력을 조절하도록 구성된 적어도 하나의 콘트롤러를 포함한다. 컨트롤러는 전원 스위치에 전원을 공급하도록 구성된다.

Description

로컬 파워 스위치를 가진 히터 번들{Heater Bundles with Local Power Switching}
본 출원은, 미국 특허 출원 제15/058,838호(현재는 미국 특허 제10,247,445호; 출원일: 2016년 3월 2일)의 계속 출원인 미국 특허 출원 제16/272,668호(출원일: 2019년 2월 11일; 명칭: "Heater Bundle for Adaptive Control")의 일부 계속 출원이다. 이 개시들의 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
본 개시는 전기 히터에 관한 것으로, 더욱 특히, 열교환기와 같은, 유체 흐름을 가열하기 위한 히터에 관한 것이다.
이 섹션의 설명은 단지 본 개시와 관련된 배경 정보를 제공할 뿐이며, 선행 기술에 해당하지 않을 수 있다.
유체 히터는 카트리지 히터의 형태일 수 있으며, 이는 카트리지 히터의 외부 표면을 따라 또는 외부 표면을 지나서 흐르는 유체를 가열하기 위한 막대 구성(rod configuration)을 갖는다. 카트리지 히터는 열교환기를 통해 흐르는 유체를 가열하기 위해 열교환기 내부에 배치될 수 있다. 카트리지 히터가 적절하게 밀봉되지 않으면, 습기와 유체가 카트리지 히터로 들어가, 저항 가열 요소를 카트리지 히터의 금속 피복(metal sheath)으로부터 전기적으로 절연시키는 절연 재료를 오염시켜, 절연 파괴(dielectric breakdown) 및 결과적으로 히터 고장을 일으킬 수 있다. 습기는 또한, 전력 전도체들과 외부 금속 외피(outer metal sheath) 사이의 단락(short circuiting)을 유발할 수 있다. 카트리지 히터의 고장은, 카트리지 히터를 사용하는 장치들의 비용이 많이 드는 가동 휴지 시간(downtime)을 유발할 수 있다.
본 개시는 히터 다발을 포함하는 히터 시스템을 제공한다. 히터 다발은 적어도 하나의 히터 어셈블리를 포함하며, 히터 어셈블리들 중 하나 초과는 복수의 히터 유닛들을 포함하고, 히터 유닛들의 하나 초과는 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 구역을 한정(define)한다. 히터 다발은 독립적으로 제어되는 가열 구역들에 전기적으로 연결된 복수의 전력 전도체들(power conductors)을 포함한다. 히터 시스템은 온도를 측정하기 위한 수단 및 히터 다발에 근접하게 배치된 적어도 하나의 전력 스위치(power switch)를 포함한다. 히터 시스템은, 전력 스위치가, 결정된 온도에 기초하여, 전력 전도체를 통해 독립적으로 제어되는 가열 구역들에 공급되는 전력을 조절(modulate)하여 하나 초과의 히트 어셈블리들의 길이를 따라 목적하는 전력 출력을 제공하도록 하는, 제어 신호를 적어도 하나의 전력 스위치에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함한다.
본 개시의 변형예들에서, 이 변형예들은 다음의 특징들의 임의의 조합으로 또는 이들 각각으로 구현될 수 있다: 적어도 하나의 전력 스위치는 인클로저 내에 배치된다; 히터 시스템은 인클로저를 냉각하는 온도 조절 장치를 더 포함한다; 온도 조절 장치는 액체를 사용하여 인클로저를 냉각한다; 온도 조절 장치는 강제 공기(forced air)를 사용하여 인클로저를 냉각한다; 강제 공기는 인클로저 내부 및 인클로저 외부에 제공되며; 인클로저는 외부 대기로부터 밀봉된다; 온도 조절 장치는 내부 유체 냉각 흐름 및 외부 유체 냉각 흐름을 사용하여 인클로저를 냉각하고, 내부 유체 냉각 흐름 및 외부 유체 냉각 흐름 각각은 열교환기에 의해 결합(coupled)된다; 온도 조절 장치는 열전 요소(thermoelectric element) 및 냉각 시스템(refrigeration system) 중 적어도 하나를 사용하여 인클로저를 냉각한다; 적어도 하나의 제어기는 인클로저 내에 배치된다; 적어도 하나의 제어기는 히터 다발로부터 떨어져 있고, 무선 방식 및 복수의 전력 전도체들을 통한 방식 중 적어도 하나의 방식을 통해, 하나 이상의 전력 스위치들과 통신한다; 히트 싱크(heat sink)는 적어도 하나의 전력 스위치에 근접하게 배치된다.
다른 형태에서, 히터 시스템은 히터 다발을 포함하고, 히터 다발은 적어도 하나의 히터 어셈블리를 포함하며, 히터 어셈블리들 중 하나 초과는 복수의 히터 유닛들을 포함하고, 히터 유닛들 중 하나 초과는 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 구역을 한정(define)한다. 히터 다발은 독립적으로 제어되는 가열 구역들에 전기적으로 연결된 복수의 전력 전도체들을 포함한다. 히터 시스템은 가열 조건(heating conditions) 및 가열 요건(heating requirements) 중 적어도 하나를 결정(determining)하기 위한 수단을 포함한다. 히터 시스템은 히터 다발에 근접하게 배치된 적어도 하나의 전력 스위치를 포함한다. 히터 시스템은, 전력 스위치가, 가열 조건 및 가열 요건 중 적어도 하나에 기초하여, 전력 전도체들을 통해 독립적으로 제어되는 가열 구역들에 공급되는 전력을 조절하여, 하나 초과의 히터 어셈블리들의 길이를 따라 목적하는 전력 출력을 제공하도록 하는 제어 신호를 적어도 하나의 전력 스위치에 제어 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함한다.
이 형태의 변형예들에서, 이 변형예들은 다음의 특징들의 임의의 조합으로 또는 이들 각각으로 구현될 수 있다: 히터 시스템은 인클로저를 포함하고 적어도 하나의 전력 스위치는 인클로저 내에 배치된다; 적어도 하나의 제어기는 인클로저 내에 배치된다; 적어도 하나의 제어기는 히터 다발로부터 떨어져 있고, 무선 방식 및 복수의 전력 전도체들을 통한 방식 중 적어도 하나의 방식을 통해, 하나 이상의 전력 스위치들과 통신한다; 가열 조건 및 가열 요건 중 적어도 하나는, 히터 유닛들의 수명, 히터 유닛들의 신뢰성, 히터 유닛들의 크기들, 히터 유닛들의 비용, 국소적 히터 플럭스(local heater flux), 히터 유닛들의 특성 및 작동, 및 전체 전력 출력으로 이루어진 군으로부터 선택된다; 히트 싱크는 적어도 하나의 전력 스위치에 근접하게 배치된다.
또 다른 형태에서, 히터 시스템은 복수의 히터 유닛들을 갖는 히터 어셈블리를 포함하며, 각각의 히터 유닛은 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 구역을 한정한다. 히터 어셈블리는 히터 유닛들에 전기적으로 연결된 복수의 전력 전도체들을 포함한다. 히터 시스템은 히터 어셈블리에 근접하게 배치된 적어도 하나의 전력 스위치를 포함한다. 히터 시스템은, 전력 스위치가, 가열 조건 및 가열 요건 중 적어도 하나에 기초하여, 전력 전도체들을 통해 독립적으로 제어되는 가열 구역들에 공급되는 전력을 조절하여, 히터 어셈블리의 길이를 따라 목적하는 전력 출력을 제공하도록 하는 제어 신호를 적어도 하나의 전력 스위치에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함한다.
이 형태의 변형예들에서, 이 변형예들은 다음의 특징들의 임의의 조합으로 또는 이들 각각으로 구현될 수 있다: 히터 시스템은 온도를 측정하기 위한 수단을 포함한다; 히터 시스템은 가열 조건 또는 가열 요건을 결정하기 위한 수단을 포함한다; 히트 싱크는 적어도 하나의 전력 스위치에 근접하게 배치된다.
본 개시는 또한, 유체를 가열하기 위한 장치를 제공한다. 장치는 밀봉된 하우징을 포함하며, 하우징은 내부 챔버를 한정하고, 유체 입구 및 유체 출구를 갖는다. 본 장치는 히터 어셈블리를 포함하는 히터 시스템을 포함한다. 히터 어셈블리는 복수의 히터 유닛들을 포함하고, 각각의 히터 유닛은 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 구역을 한정한다. 히터 어셈블리는 히터 유닛들에 전기적으로 연결된 복수의 전력 전도체들을 포함한다. 히터 시스템은 히터 어셈블리에 근접하게 배치된 적어도 하나의 전력 스위치를 포함한다. 히터 시스템은 적어도 하나의 제어기를 포함하며, 적어도 하나의 제어기는 가열 조건 및 가열 요건 중 적어도 하나에 기초하여, 전력 전도체들을 통해 독립적으로 제어되는 히터 유닛들의 가열 구역들에 공급되는 전력을 조절하여, 히터 어셈블리의 길이를 따라 목적하는 전력 출력을 제공한다. 제어기는 적어도 하나의 전력 스위치에 전력을 제공하도록 구성된다. 히터 어셈블리는 하우징의 내부 챔버 내에 배치되고, 히터 어셈블리는 하우징 내의 유체에 미리 결정된 열 분포를 제공하도록 적합화(adapted)된다.
적용 가능성의 추가 영역들은 본 명세서에서 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 이해되어 하는 바와 같이, 설명 및 특정 예들은 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 본 개시의 범위를 제한하려는 의도가 아니다.
본 개시가 잘 이해될 수 있도록, 첨부 도면을 참조하여, 예시로서 제공되는 다양한 형태들이 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 본 개시의 가르침에 따라 구성된 히터 다발의 사시도이다.
도 2는 본 개시의 가르침에 따른 도 1의 히터 다발의 히터 어셈블리의 사시도이다.
도 3은 본 개시의 가르침에 따른 도 1의 히터 다발의 히터 어셈블리의 변형예의 사시도이다.
도 4는 본 개시의 가르침에 따른 도 3의 히터 어셈블리의 사시도이며, 여기서 히터 어셈블리의 외피(outer sheath)는 명확성을 위해 생략되어 있다.
도 5는 본 개시의 가르침에 따른 도 3의 히터 어셈블리의 코어 몸체(core body)의 사시도이다.
도 6은 본 개시의 가르침에 따른 도 1의 히터 다발을 포함하는 열교환기의 사시도이며, 여기서 히터 다발은, 예시 목적으로 히터 다발을 노출시키기 위해, 열교환기로부터 부분적으로 분해되어 있다.
도 7은 본 개시의 가르침에 따라 구성된 히터 다발을 포함하는 히터 시스템을 작동시키는 방법의 블록 다이어그램이다.
도 8은 본 개시의 가르침에 따른 도 1의 히터 다발, 인클로저, 및 온도 조절 장치를 포함하는 열교환기의 사시도이다.
도 9는 본 개시의 가르침에 따른 인클로저 및 온도 조절 장치의 블록 다이어그램이다.
도 10은 본 개시의 가르침에 따른 하나 이상의 히터 어셈블리들에 근접하고 인클로저 내에 배치된 복수의 전력 스위칭 네트워크들의 블록 다이어그램이다.
도 11은 본 개시의 가르침에 따른 인클로저 및 온도 조절 장치의 블록 다이어그램이다.
여기에 설명된 도면들은 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 어떤 식으로든 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
다음의 설명은 단지 본질적인 예시일 뿐이며, 본 개시, 적용 또는 사용을 제한하려는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 가르침에 따라 구성된 히터 시스템은 통상적으로 지시 번호 10으로 표시된다. 히터 시스템(10)은 히터 다발(12) 및 히터 다발(12)에 전기적으로 연결된 전력 공급 장치(14)를 포함한다. 전력 공급 장치(14)는 히터 다발(12)에 대한 전력 공급을 제어하기 위한 제어기(15)를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "히터 다발(heater bundle)"은, 독립적으로 제어될 수 있는 물리적으로 구별되는 둘 이상의 가열 장치들(heating devices)을 포함하는 히터 장치(heater apparatus)를 지칭한다. 따라서, 히터 다발의 가열 장치들 중 하나가 고장나거나 또는 성능이 저하될 때, 히터 다발(12)의 나머지 가열 장치들은 계속 작동할 수 있다.
일(one) 형태에서, 히터 다발(12)은 장착 플랜지(mounting flange)(16) 및 장착 플랜지(16)에 고정된 복수의 히터 어셈블리들(18)을 포함한다. 장착 플랜지(16)는 히터 어셈블리들(18)이 관통하여 연장하는 복수의 개구부들(20)을 포함한다. 히터 어셈블리들(18)은 이러한 형태에서 평행하도록 배열되지만, 히터 어셈블리들(18)의 대안적인 위치들/배열들은 본 개시의 범위 내에 있다는 것을 이해해야 한다.
추가적으로 도시된 바와 같이, 장착 플랜지(16)는 복수의 장착 구멍들(mounting holes)(22)을 포함한다. 장착 구멍들(22)을 통해 나사 또는 볼트(미도시)를 사용함으로써, 장착 플랜지(16)는 가열될 유체를 운반하는 용기 또는 파이프(미도시)의 벽에 조립될 수 있다. 히터 어셈블리들(18)의 적어도 일 부분은 본 개시의 이러한 형태로 유체를 가열하기 위해 용기 또는 파이프 내부의 유체 내에 침지(immersed)된다.
도 2를 참조하면, 일 형태에 따른 히터 어셈블리들(18)은 카트리지 히터(30)의 형태일 수 있다. 카트리지 히터(30)는 튜브 형상의 히터이며, 튜브 형상의 히터는 통상적으로 코어 몸체(32), 코어 몸체(32) 주위를 감싸는 저항성 가열 와이어(resistive heating wire)(34), 내부에 코어 몸체(32) 및 저항성 가열 와이어(34)를 둘러싸는 금속 피복(metal sheath)(36), 및 금속 피복(36) 내의 공간을 충전하는 절연체 재료(38)를 포함하여, 저항성 가열 와이어(34)를 금속 피복(36)으로부터 전기적으로 절연시키고, 열을 저항성 가열 와이어(34)로부터 금속 피복(36)으로 열적으로 전도한다. 코어 몸체(core body)(32)는 세라믹으로 만들어질 수 있다. 절연 재료(38)는 압축된 마그네슘 옥사이드(MgO)로 채워질 수 있다. 복수의 전력 전도체들(42)는 종방향을 따라 코어 몸체(32)를 통해 연장되며, 저항성 가열 와이어들(34)에 전기적으로 연결된다. 전력 전도체들(42)은 또한, 금속 피복(36)을 밀봉하는 단부 피스(end piece)(44)를 통해 연장된다. 전력 전도체들(42)은 전력을 전력 공급 장치(14)로부터 저항성 가열 와이어(34)로 공급하기 위해 전력 공급 장치(14)(도 1에 도시됨)에 연결된다. 도 2는 단부 피스(44)를 통해 연장하는 오직 2개의 전력 전도체들(42)만을 도시하지만, 2개 초과의 전력 전도체들(42)이 단부 피스(44)를 통해 연장될 수 있다. 전력 전도체들(42)은 전도성 핀(conductive pins)의 형태일 수 있다. 카트리지 히터들의 다양한 구성 및 추가 구조적 및 전기적 세부사항은 미국 특허 제2,831,951호 및 미국 특허 제3,970,822호에 더 자세히 설명되어 있으며, 이 미국 특허들은 본 출원과 함께 공동 양도되었고, 그 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다. 따라서, 본 명세서에서 예시된 형태는 단지 예시에 불과하며, 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
대안적으로, 다수의 저항성 가열 와이어들(34) 및 다수의 쌍들의 전력 전도체들(42)은 카트리지 히터(30)의 신뢰성을 향상시키기 위해 독립적으로 제어될 수 있는 다수의 가열 회로들을 형성하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 저항성 가열 와이어들(34) 중 하나가 고장날 때, 나머지 저항성 와이어들(34)은, 전체 카트리지 히터(30)의 고장을 일으키지 않고 그리고 값비싼 기계 휴지 시간을 일으키지 않고, 계속해서 열을 발생시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 히터 어셈블리들(50)은 코어 몸체의 개수와 사용된 전력 전도체들의 개수를 제외하고 도 2의 구성과 유사한 구성을 갖는 카트리지 히터의 형태일 수 있다. 더욱 특히, 히터 어셈블리들(50) 각각은 복수의 히터 유닛들(52), 및 복수의 전력 전도체들(56)과 함께 그 내부의 복수의 히터 유닛들(52)을 둘러싸는 금속 외피(outer metal sheath)(54)를 포함한다. 복수의 가열 유닛들(52)과 금속 외피(54) 사이에는 절연 재료(도 3 내지 도 5에 미도시)이 제공되어, 히터 유닛들(52)을 금속 외피(54)로부터 전기적으로 절연시킨다. 복수의 히터 유닛들(52) 각각은 코어 몸체(58), 및 코어 몸체(58)를 둘러싸는 저항성 가열 요소(60)를 포함한다. 각각의 히터 유닛(52)의 저항성 가열 요소(60)는 하나 이상의 가열 구역들(62)을 한정하기 위해 하나 이상의 가열 회로들을 한정할 수 있다.
본 형태에서, 각각의 히터 유닛(52)은 하나의 가열 구역(62)을 한정하고, 각각의 히터 어셈블리(50) 내의 복수의 히터 유닛들(52)은 종방향 X를 따라 정렬된다. 따라서, 각각의 히터 어셈블리(50)는 종방향(X)을 따라 정렬된 복수의 가열 구역들(62)을 한정한다. 각각의 히터 유닛(52)의 코어 몸체(58)는 복수의 관통 구멍들/개구부들(through holes/apertures)(64)를 한정하여 전력 전도체들(56)이 이곳을 관통하여 연장되도록 한다. 히터 유닛들(52)의 저항성 가열 요소들(60)은 전력 전도체들(56)에 연결되고, 이것은 차례로, 전력 공급 장치(14)에 연결된다. 전력 전도체들(56)은 전력을 전력 공급 장치(14)로부터 복수의 히터 유닛들(52)로 공급한다. 전력 전도체들(56)을 저항성 가열 요소들(60)에 적합하게 연결함으로써, 복수의 가열 유닛들(52)의 저항성 가열 요소들(60)은 전력 공급 장치(14)의 제어기(15)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 이와 같이, 특정 가열 구역(62)에 대한 하나의 저항성 가열 요소(60)의 고장은 나머지 가열 구역들(62)에 대한 나머지 저항성 가열 요소들(60)의 적합한 기능에 영향을 미치지 않을 것이다. 또한, 히터 유닛들(52) 및 히터 어셈블리들(50)은 수리 또는 조립의 용이성을 위해 상호 교환가능할 수 있다.
본 형태에서, 6개의 전력 전도체들(56)이 각각의 히터 어셈블리(50)에 사용되어, 5개의 히터 유닛들(52) 상의 5개의 독립적인 전기 가열 회로들에 전력을 공급한다. 대안적으로, 6개의 전력 전도체들(56)이 5개의 히터 유닛들(52) 상에 3개의 완전히 독립적인 회로들을 정의하는 방식으로 저항성 가열 요소들(60)에 연결될 수 있다. 임의의 개수의 독립적으로 제어되는 가열 회로들 및 독립적으로 제어되는 가열 구역들(62)을 형성하도록, 임의의 개수의 전력 전도체들(56)을 갖는 것이 가능하다. 예를 들어, 7개의 전력 전도체들(56)이 6개의 가열 구역들(62)을 제공하는 데 사용될 수 있다. 8개의 전력 전도체들(56)이 7개의 가열 구역들(62)을 제공하는 데 사용될 수 있다.
전력 전도체들(56)은 복수의 전력 공급 및 전력 복귀 전도체들, 복수의 전력 복귀 전도체들 및 단일 전력 공급 전도체, 또는 복수의 전력 공급 전도체들 및 단일 전력 복귀 전도체를 포함할 수 있다. 가열 구역들의 개수가 n인 경우, 전력 공급 및 복귀 전도체들의 개수는 n +1이다.
대안적으로, 전력 공급 장치(14)의 제어기(15)에 의한 다중송신(multiplexing), 극성 감응 스위칭(polarity sensitive switching) 및 기타 회로 토폴로지(circuit topologies)를 통해, 더 큰 개수의 전기적으로 구별되는 가열 구역들(62)이 생성될 수 있다. 주어진 개수의 전력 전도체들(예를 들어, 15개 구역들 또는 30개 구역들에 대한 6개의 전력 전도체들을 갖는 카트리지 히터)에 대해 카트리지 히터(30) 내의 가열 구역들의 개수를 증가시키기 위해, 다중송신 또는 열 배열(thermal arrays)의 다양한 배열들의 사용은 미국 특허 제9,123,755호, 미국 특허 제9,123,756호, 미국 특허 제9,177,840호, 미국 특허 제9,196,513호 및 이들의 관련된 출원들에 개시되어 있으며, 이 미국 특허들은 본 출원과 함께 공동으로 양도되었고, 그 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
이러한 구조를 사용하여, 각각의 히터 어셈블리(50)는 히터 어셈블리(50)의 길이를 따라 전력 출력 또는 열 분포를 변화시키도록 독립적으로 제어될 수 있는 복수의 가열 구역들(62)을 포함한다. 히터 다발(12)은 복수의 이러한 히터 어셈블리들(50)을 포함한다. 따라서, 히터 다발(12)은 복수의 가열 구역들(62) 및 히터 다발(12)을 통해 흐르는 유체를 가열하기 위한 맞춤형 열 분포를 제공하여, 특정 응용분야들에 적합화된다. 전력 공급 장치(14)는 독립적으로 제어되는 가열 구역들(62)의 각각에 공급되는 전력을 조절하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 가열 어셈블리(50)는 "m"개의 가열 구역들을 한정할 수 있고, 히터 다발은 "k"개의 가열 어셈블리들(50)을 포함할 수 있다. 따라서, 히터 다발(12)은 m×k개의 가열 구역들을 한정할 수 있다. 히터 다발(12)의 복수의 가열 구역들(62)은 가열 조건 및/또는 가열 요건에 대한 응답(response)으로서 개별적으로 및 동적으로 제어될 수 있으며, 개별 히터 유닛들(52)의 수명 및 신뢰성, 히터 유닛들(52)의 크기 및 비용, 국소적 히터 플럭스, 히터 유닛들(52)의 특성 및 작동, 및 전체 전력 출력을 포함하지만 이에 국한되지 않는다.
각각의 회로, 또는 선택된 가열 구역은 목적하는 온도 또는 목적하는 전력 수준에서 개별적으로 제어되어, 온도 및/또는 전력의 분포가 시스템 파라미터(예를 들어, 제조 변동/공차(manufacturing variation/tolerances), 환경 조건의 변화, 입구 온도, 입구 온도 분포, 유량, 속도 분포, 유체 조성, 유체 열용량 등과 같은 입구 흐름 조건의 변화)의 변동에 맞게 조정된다. 더욱 특히, 히터 유닛들(52)은 제조 변동뿐만 아니라 시간 경과에 따른 히터 열화의 변동 정도로 인해, 동일한 전력 수준에서 작동될 때 동일한 열 출력을 생성하지 않을 수 있다. 히터 유닛들(52)은 목적하는 열 분포에 따라 열 출력을 조절하도록 독립적으로 제어될 수 있다. 히터 시스템 구성요소들의 개별 제조 공차 및 히터 시스템 조립 공차는, 전력 공급 장치의 조절 전력(modulated power)의 함수로 증가한다. 즉, 히터 제어의 충실도가 높기 때문에, 개별 구성요소들의 제조 공차는 엄격하거나/좁을 필요는 없다.
히터 유닛들(52)은 히터 유닛들(52)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(미도시됨)를 각각 포함할 수 있다. 히터 유닛들(52)에서 열점(hot spot)이 감지되면, 전력 공급 장치(14)는 특정 히터 유닛(52)의 과열 또는 고장을 피하기 위해 열점이 감지된 특정 히터 유닛(52)에 공급되는 전력을 줄이거나 끌 수 있다. 전력 공급 장치(14)는 특정 히터 유닛(52)으로부터 출력되는 감소된 열을 보상하기 위해 불활성화된(disabled)) 히터 유닛(52)에 인접한 히터 유닛(52)에 공급되는 전력을 조절(modulate)할 수 있다.
전력 공급 장치(14)는, 임의의 특정 구역에 전달되는 전력 수준을 끄거나 낮추고, 불활성화되고 열 출력이 감소된 특정 가열 구역에 인접한 가열 구역들에 공급하는 전력을 증가시키기 위한, 다구역 알고리즘(multi-zone algorithms)을 포함할 수 있다. 각각의 가열 구역에 공급하는 전력을 신중하게 조절함으로써, 시스템의 전반적인 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 열점을 감지하고 그에 따라 전력 공급을 제어함으로써, 히터 시스템(10)은 향상된 안전성을 갖는다.
다수의 독립적으로 제어되는 가열 구역들(62)을 갖는 히터 다발(12)은 향상된 가열을 달성할 수 있다. 예를 들어, 히터 유닛들(52)의 일부 회로들은, 100% 미만의 공칭(nominal)(또는, "전형적(typical)") 듀티 사이클(duty cycle)에서(또는, 라인 전압(line voltage)이 인가된 상태에서 히터에 의해 생성될 전력의 일 부분(fraction)인 평균 전력 수준에서), 작동될 수 있다. 더 낮은 듀티 사이클들은 더 큰 직경을 갖는 저항성 가열 와이어들이 사용될 수 있게 하여, 신뢰성을 향상시킨다.
통상적으로, 더 작은 구역들은 주어진 저항을 달성하기 위해 더 미세한 와이어 크기를 사용한다. 가변 전력 제어를 통해, 더 큰 와이어 크기를 사용할 수 있고, 더 낮은 저항 값을 수용할 수 있으며, 동시에, 히터의 전력 소산 용량(power dissipation capacity)에 결부된 듀티 사이클 제한을 사용하여, 과부하로부터 히터를 보호할 수 있다.
스케일링 팩터(scaling factor)의 사용은 히터 유닛들(52) 또는 가열 구역(62)의 용량과 연관(tied)될 수 있다. 다수의 가열 구역들(62)은 히터 다발(12)의 더 정확한 측정 및 제어를 허용한다. 특정 가열 회로/구역에 대한 특정 스케일링 팩터를 사용하면, 거의 모든 구역들에서 더 공격적인(즉, 더 높은) 온도(또는, 전력 수준)를 허용할 것이며, 이는 차례로, 더 작고 비용이 적게 드는 히터 다발(12)의 설계로 이어진다. 이러한 스케일링 팩터 및 방법은 미국 특허 제7,257,464호에 개시되어 있으며, 이 미국 특허는 본 출원과 공동으로 양도되었고, 그 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
개별 회로들에 의해 제어되는 가열 구역들의 크기는, 온도 또는 전력 분포를 목적하는 정확도로 제어하는 데 필요한 구역들의 총 개수를 줄이기 위해 같거나 또는 다르게 만들 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 히터 어셈블리들(18)은 단일 단부 히터(single end heater)인 것으로 도시되어 있으며, 즉 전도성 핀(conductive pin)은 히터 어셈블리들(18)의 단지 하나의 종방향 단부를 통해 연장된다. 히터 어셈블리(18)는 장착 플랜지(16) 또는 격벽(bulkhead)(미도시됨)을 통해 연장될 수 있고, 장착 플랜지(16) 또는 격벽에 밀봉될 수 있다. 따라서, 히터 어셈블리들(18)은, 장착 플랜지(16)를 용기 또는 튜브로부터 제거하지 않고도, 개별적으로 제거 및 교체될 수 있다.
대안적으로, 히터 어셈블리(18)는 "양단형(double ended)" 히터일 수 있다. 양단형 히터에서, 금속 피복은 머리핀 형상으로 굽혀서, 전력 전도체들이 금속 피복의 양쪽 종방향의 단부를 통과하도록 하여, 금속 피복의 양쪽 종방향의 단부들이 관통하여 플랜지 또는 격벽에 밀봉된다. 이 구조에서, 플랜지 또는 격벽은, 개별 히터 어셈블리(18)가 교체될 수 있기 전에, 하우징 또는 용기로부터 제거될 필요가 있다.
도 6를 참조하면, 히터 다발(12)은 열교환기(70)에 통합된다. 열교환기(70)는 내부 챔버(미도시)를 한정하는 밀봉된 하우징(72), 하우징(72)의 내부 챔버 내에 배치된 히터 다발(12)을 포함한다. 밀봉된 하우징(72)은 유체 입구(76) 및 유체 출구(78)를 포함하며, 유체 입구(76) 및 유체 출구(78)를 통해 밀봉된 하우징(72)의 내부 챔버의 안팎으로 유체가 안내된다. 유체는 밀봉된 하우징(72)에 배치된 히터 다발(12)에 의해 가열된다. 히터 다발(12)은 교차 흐름(cross-flow) 또는 다발의 길이에 평행한 흐름을 위해 배열될 수 있다.
히터 다발(12)은, 개별 구역에 공급되는 전력을 조절하기 위해, 스위칭 수단 또는 가변 변압기와 같은, 전력을 조절하는 수단을 포함할 수 있는 전력 공급 장치(14)에 연결된다. 전력 조절은, 시간의 함수로서, 또는 각각의 가열 구역의 감지된 온도에 기초하여, 수행될 수 있다.
저항성 가열 와이어는, 저항성 와이어의 저항을 사용하여 저항성 와이어의 온도를 측정하고 또한 동일한 전력 전도체들을 사용하여 전력 공급 장치(14)에 온도 측정 정보를 전송하는 센서로서 기능할 수도 있다. 각각의 구역에 대한 온도를 감지하는 수단은, 히터 다발(12) 내의 각각의 히터 어셈블리(18)의 길이를 따라 (개별 구역의 분해능까지) 온도를 제어하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 추가적인 온도 감지 회로 및 감지 수단이 생략될 수 있으며, 그에 따라, 제조 비용을 절감할 수 있다. 히터 회로 온도의 직접 측정은, 별도의 센서 사용과 관련된 많은 측정 오차를 제거하거나 최소화하기 때문에, 시스템에 대해 목적하는 신뢰성 수준을 유지하면서도 주어진 회로 내에서의 열속을 최대화하려고 시도할 때 뚜렷한 이점이다. 가열 요소 온도는 히터 신뢰성에 가장 큰 영향을 미치는 특성이다. 미국 특허 제7,196,295호(이는 본 출원과 함께 공동으로 양도되었고, 그 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다)에는, 히터 및 센서 둘 다로서 기능하도록 저항 요소를 사용하는 것이 개시되어 있다.
대안적으로, 전력 전도체들(56)은, 비유사한 금속들의 전력 전도체들(56)이 저항성 가열 요소들의 온도를 측정하기 위한 열전쌍을 형성할 수 있도록, 비유사한 금속들로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 전력 공급 장치 및 전력 복귀 전도체의 적어도 하나의 세트는, 접합부가 히터 유닛의 저항성 가열 요소와 다른 재료 사이에 형성되어 하나 이상의 구역들의 온도를 측정하는 데 사용되도록, 상이한 재료들을 포함할 수 있다. "통합된(integrated)" 그리고 "고열 결합된(highly thermally coupled)" 감지를 사용하는 것은, 예를 들어 히터에 대해 상이한 금속들을 사용하는 것은, 열전쌍 유형 신호의 발생을 가져온다. 온도 측정을 위한 통합된 그리고 결합된 전력 전도체들의 사용은 미국 출원 제14/725,537호(이는 본 출원과 함께 공동으로 양도되었고, 그 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다)에 개시되어 있다.
각각의 구역에 전달되는 전력을 조절하는 제어기(15)는 폐루프 자동 제어 시스템일 수 있다. 폐루프 자동 제어 시스템은 각각의 구역으로부터 온도 피드백을 수신하고, 각각의 구역으로의 전력 공급을 자동으로 그리고 동적으로 제어하며, 그에 따라, 지속적이거나 빈번한 사람의 모니터링 및 조정 없이, 히터 다발(12) 내의 각각의 히터 어셈블리(18)의 길이를 따라 전력 분산 및 온도를 자동으로 그리고 동적으로 제어한다.
본 명세서에서 개시된 히터 유닛들(52)은, 각각의 히터 유닛(52)에 에너지를 공급하고 각각의 히터 유닛(52)을 샘플링하여 그것의 저항을 계산하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 방법들을 사용하여 교정될(calibrated) 수도 있다. 그 다음, 계산된 저항을 교정된 저항과 비교하여 저항 비율, 또는 값을 결정한 다음, 실제 히터 유닛 온도를 결정할 수 있다. 예시적인 방법들이 미국 특허 제5,280,422호 및 제5,552,998호에 개시되어 있으며, 이것들은 본 출원과 공동으로 양도되었고 그 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
교정의 일 형태는 다음 단계들을 포함한다: 적어도 하나의 작동 모드에서 히터 시스템(10)을 작동시키는 단계; 독립적으로 제어되는 가열 구역들(62) 중 적어도 하나에 대한 목적하는 온도를 발생시키도록 히터 시스템(10)을 제어하는 단계; 해당 작동 모드에 대해, 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 구역들(62)에 대한 데이터를 수집하고 기록하는 단계; 그 다음, 감소된 개수의 독립적으로 제어되는 가열 구역들을 갖는 가열 시스템에 대한 작동 사양을 결정하기 위해 기록된 데이터에 접근하는 단계; 및, 그 다음, 상기 감소된 개수의 독립적으로 제어되는 가열 구역들을 갖는 가열 시스템을 사용하는 단계. 데이터는, 수집되고 기록된 그것의 데이터를 갖는 히터 시스템(10)으로부터의 다른 작동 데이터 중에서, 예를 들어, 전력 수준 및/또는 온도 정보를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 변형예에서, 히터 시스템은, 히터 다발(12) 내의 복수의 히터 어셈블리들이 아니라, 단일 히터 어셈블리(18)를 포함할 수 있다. 단일 히터 어셈블리(18)는 복수의 히터 유닛들(52)을 포함할 것이고, 여기서, 각각의 히터 유닛(52)은 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 구역을 한정(define)한다. 유사하게, 전력 전도체들(56)은 각각의 히터 유닛들(52) 내의 독립적으로 제어되는 가열 구역들(62) 각각에 전기적으로 연결되고, 전력 공급 장치는, 전력 전도체들(56)을 통해 히터 유닛들의 독립적으로 제어되는 히터 구역들(62) 각각에 공급되는 전력을 조절하도록 구성된다.
도 7을 참조하면, 히터 시스템을 제어하는 방법(100)은 단계(102)에서 복수의 히터 어셈블리들을 포함하는 히터 다발을 제공하는 단계를 포함한다. 각각의 히터 어셈블리는 복수의 히터 유닛들을 포함한다. 각각의 히터 유닛은 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 회로(및 결과적으로 가열 구역)를 한정(define)한다. 히터 유닛들 각각에 대한 전력은 단계(104)에서 각각의 히터 유닛들 내의 독립적으로 제어되는 가열 구역들 각각에 전기적으로 연결된 전력 전도체들을 통해 공급된다. 각각의 구역 내의 온도는 단계(106)에서 감지된다. 온도는 히터 유닛들 중 적어도 하나의 저항성 가열 요소의 저항 변화를 사용하여 측정될 수 있다. 구역 온도는 초기에, 구역 저항을 측정하여(또는, 적절한 재료가 사용되는 경우, 회로 전압을 측정하여), 측정될 수 있다.
온도 값은 디지탈화될 수 있다. 신호는 마이크로프로세서에 통신될 수 있다. 측정된(감지된) 온도 값은 단계(108)에서 각각의 구역에 대한 목표(목적하는) 온도와 비교될 수 있다. 히터 유닛들 각각에 공급되는 전력은, 단계(110)에서, 측정된 온도에 기초하여 조절되어, 목표 온도를 달성할 수 있다.
선택적으로(optionally), 본 방법은 조절 전력(modulating power)을 조정하기 위해 스케일링 인자(scaling factor)를 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다. 스케일링 인자는 각각의 가열 구역의 가열 용량의 함수일 수 있다. 제어기(15)는, 다음 업데이트까지 각각의 구역에 (듀티 사이클(duty cycle), 위상각 점호(phase angle firing), 전압 변조(voltage modulation), 또는 유사한 기술을 통해) 제공되는 전력량을 측정하기 위한, 가능하게는 스케일링 인자 및/또는 시스템의 동적 거동의 수학적 모델(시스템의 업데이트 시간에 대한 지식을 포함함)을 포함하는, 알고리즘을 포함할 수 있다. 목적하는 전력은 신호로 변환될 수 있으며, 이 신호는 개별 가열 구역들로 공급되는 전력 출력을 제어하기 위한 스위치 또는 기타 전력 조절 장치로 보내진다.
본 형태에서, 이상 조건(anomalous condition)으로 인해 적어도 하나의 가열 구역이 꺼질 때, 나머지 구역들은 실패 없이 목적하는 와트수를 계속 제공한다. 적어도 하나의 가열 구역에서 이상 조건이 감지될 때, 전력은 제기능을 하는 가열 구역(functional heating zone)으로 조절되어 들어가서 목적하는 와트수를 제공한다. 측정된 온도에 기초하여 적어도 하나의 가열 구역이 꺼질 때, 나머지 구역들은 목적하는 와트수를 계속 제공한다. 전력은, 수신된 신호들 중 적어도 하나의 함수로서, 모델의 함수로서, 그리고 시간의 함수로서, 가열 구역들 각각에 조절되어 들어간다.
안전 또는 공정 제어 상의 이유로, 전형적인 히터들은 통상적으로 최대 허용 온도 미만이 되도록 작동됨으로써, 연소/화재/산화, 코크화 비등(coking boiling), 등과 같은, 특정 위치에서의 원하지 않는 화학적 또는 물리적 반응들로 인해 히터의 특정 위치가 주어진 온도를 초과하는 것을 방지하도록 한다. 따라서, 이는 통상적으로, 보수적인 히터 설계(conservative heater design)(예를 들어, 전력 밀도가 낮고, 표면적의 많은 부분에 그렇지 않은 경우에 가능한 것보다 훨씬 더 낮은 열속(heat flux)이 걸리는 대형 히터)에 의해 수용된다.
그러나, 본 개시의 히터 다발을 사용하면, 개별 가열 구역들의 크기 정도의 분해능(resolution)까지, 히터 내의 임의의 위치의 온도를 측정하고 제한하는 것이 가능하다. 개별 회로의 온도에 영향을 줄 만큼 충분히 큰 열점(hot spot)이 감지될 수 있다.
개별 가열 구역들의 온도가 자동으로 조정되고 결과적으로 제한될 수 있기 때문에, 각각의 구역 내의 온도의 동적 자동 제한(dynamic and automatic limitation)은, 이 구역과 다른 모든 구역이, 어떤 구역에서든 목적하는 온도 제한을 초과할 염려 없이, 최적의 전력/열속 수준에서 작동되는 것을 유지할 것이다. 이는, 다발에 있는 요소들 중 하나의 피복에 별도의 열전쌍을 고정하는 현재 관행에 비해, 높은-한계 온도 측정 정확도에서 이점을 제공한다. 개별 구역들에 대한 전력을 조절하는 능력, 및 감소된 허용범위(margin)는, 전체 히터 어셈블리에 적용되는 것이 아니라, 선택적으로(selectively) 및 개별적으로(individually), 가열 구역들에 선택적으로(selectively) 적용될 수 있으며, 그에 따라, 미리 결정된 온도 한계를 초과할 위험을 줄일 수 있다.
카트리지 히터의 특성은 시간에 따라 변할 수 있다. 본 개시에 따르지 않을 경우에는, 이러한 시변 특성(time varying characteristic)으로 인해, 카트리지 히터는 단일 선택된 (더 나쁜 경우의) 흐름 영역(flow regime)에 맞게 설계되어야 하고, 그에 따라, 카트리지 히터는 다른 흐름 상태들에 대해서는 최적에 못미치는 상태(sub-optimum state)에서 작동하게 될 것이다.
그러나, 히터 어셈블리에 제공된 다수의 가열 유닛들로 인해 코어 크기의 분해능까지의 전체 다발에 걸친 전력 분산의 동적 제어가 이루어짐으로써, 다양한 흐름 상태들에 대해 최적화된 전력 분산이 달성될 수 있으며, 이는 전형적인 카트리지 히터에서 단 하나의 흐름 상태에 해당하는 단 하나의 전력 분산의 경우와 상반된다. 따라서, 본 출원의 히터 다발은 모든 다른 흐름 상태들에 대한 총 열속의 증가를 가능하게 한다.
또한, 가변 전력 제어는 히터 설계 유연성을 증가시킬 수 있다. 전압은 히터 설계에서 (큰 정도로) 저항으로부터 분리될(de-coupled) 수 있으며, 히터는 히터 내에 장착될 수 있는 최대 와이어 직경을 갖도록 설계될 수 있다. 이는, 주어진 히터 크기 및 신뢰성 수준(또는, 히터 수명)에 대해, 전력 소산을 위한 증가된 용량을 가능하게 하고, 주어진 전체 전력 수준에 대해, 다발의 크기가 감소되는 것을 가능하게 한다. 이 배열에서의 전력은, 현재 입수 가능하거나 개발 중인 가변 와트수 제어기의 일부인 가변 듀티 사이클에 의해 조절될 수 있다. 히터 다발은, 히터 다발에 "과부하를 거는 것(overloading)"을 방지하기 위해, 주어진 구역에 대한 듀티 사이클에 대한 프로그래밍가능한(또는, 원하는 경우 미리 프로그래밍된) 제한에 의해 보호될 수 있다.
도 8을 참조하면, 앞에서 설명된 히터 시스템(10)은 열교환기(70)의 예시적 적용예 내에 통합되어 있다. 이해되어야 하는 바와 같이, 열교환기(70) 적용예는 단지 예시일 뿐이며, 본 개시의 적용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 도시된 바와 같이, 히터 시스템(10)은, 히터 다발(12)에 근접하게(proximate) 또는 그 근처에(near) 배치된 적어도 하나의 전력 스위치(120)(도식적으로 도시됨)를 포함한다. 전력 스위치(120)가, 결정된 온도에 기초하여, 전력 전도체들(56)을 통해, 독립적으로 제어되는 가열 구역들(62)(도 4)에 공급되는 전력을 조절하여, 히터 어셈블리들(50) 중 적어도 하나의 길이를 따라 목적하는 전력 출력을 제공하도록 하는 제어 신호를 전력 스위치(120)에 제공하도록 제어기(15)가 구성된다.
원격의 위치/캐비닛에 있는 것과는 대조적으로, 히터 다발(12)에 근접하거나 근처에 있는 전력 스위치(120)를 사용함으로써, 원격의 위치/캐비닛으로부터 히터 다발(12)까지 연장하는 개별적으로 격리된/절연된 전도체들의 개수는 현저하게 감소될 수 있다. 또한, 히터 어셈블리들(18)에 대한 통합 스위칭(integrating switching)은, 사용되는 전력의 유형(예를 들어, 특히, DC, 단상 AC, 3상 AC, 공통 및/또는 접지 전도체들을 갖는 3상 AC)에 따라 전도체들의 개수를 줄일 수 있다.
일 형태에서, 전력 스위치(120)는 인클로저(200) 내에 배치되고, 전력 전도체들(56)은 히터 어셈블리들(18)의 경계의 외부로 연장되어 인클로저(200) 내로 연장함으로써, 전력 스위치(120)에 물리적으로 연결된다. 물리적 연결의 일 변형예에서, 전력 전도체들(56)은 핀(pin) 또는 리셉터클(receptacle) 형상을 형성할 수 있는 한편, 그에 짝을 이루는 전력 스위치는 "플러그인(plug-in)" 스타일 연결을 위해, 각각, 리셉터클 또는 핀 형상을 형성한다. 선택적(optional) 온도 조절 장치(300)(또한 개략적으로 도시됨)를 사용하여, 인클로저(200)에 냉각이 제공될 수 있다. 인클로저(200)는 하나 이상의 전자 장치들(전력 스위치(120), 제어기(15) 또는 다른 제어기(들), 연관된 전자 장치, 및/또는 무선 통신 부품들을 포함하지만 이에 제한되지 않음)을 둘러싸도록 구성된 다양한 디자인/기하학적 형태(예를 들어, 특히, 접속 박스(junction box), 종단 인클로저(termination enclosure))로 구현될 수 있으며, 무선 통신 부품을 사용하는 경우, 제어기(15)는 히터 다발(12)로부터 떨어져 있을 수 있고, 전력 스위치(120)와 원격으로 통신할 수 있다. 제어기(15)는 또한 떨어져 있을 수 있고, 전력 전도체들(56)을 통해 전력 스위치(120)와 통신할 수 있다. 일 형태에서, 인클로저(200)는, 내부의 부품들이 수분 침입으로부터 보호되고 외부 대기로부터 밀봉되도록, 밀봉된다. 또한, 인클로저(200)는, 설치/작동/유지보수 동안의 손상으로부터, 내부의 부품들을 보호한다.
온도 조절 장치(300)는 인클로저(200)의 온도를 제어하도록 구성된 임의의 장치/시스템에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 냉각은 액체(예를 들어, 라디에이터) 또는 강제 공기(forced air)에 의해 제공될 수 있고, 강제 공기는 인클로저의 내부 또는 인클로저의 외부에 있을 수 있다. 일 변형예에서, 인클로저는 내부 유체 냉각 흐름 및 외부 유체 냉각 흐름에 의해 냉각되며, 내부 유체 냉각 흐름 및 외부 유체 냉각 흐름 각각은 열교환기에 의해 결합된다(coupled). 또 다른 변형예에서, 인클로저는 열전 요소(thermoelectric element) 및 냉각 시스템(refrigeration system) 중 적어도 하나에 의해 냉각된다. 또 다른 형태에서, 단독으로 또는 온도 조절 장치(300)와 함께, 히트 싱크(예를 들어, 압출된 Al 냉각 핀(extruded Al cooling fins))가 전력 스위치(120) 근처에 또는 그에 근접하여 사용될 수 있다. 예시적인 온도 조절 장치(300)의 추가 세부사항은 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 9를 참조하면, 보조 열교환기(300-1)(온도 조절 장치(300)로서), 및 인클로저(200-1)가 도식적인 형식으로 나타나 있다. 이 형태에서, 보조 열교환기(300-1)는 하우징(308), 개구부(310), 팬 드라이버(312), 팬(314), 및 챔버(316)를 포함한다.
인클로저(200-1)는, 인터페이스 표면(202), 하우징(208)의 두께를 통해 연장하는 전도체 개구부 그룹들(204)(예시의 편의를 위해 개별 개구부들로서 제공됨), 하우징(208)에 의해 한정(define)된 챔버(210), 벤틸레이션 개구부(ventilation aperture)(214), 및 출구 개구부(216)를 포함한다. 일 형태에서, 인클로저(200-1)는 챔버(210) 내에 배치된 하나 이상의 전력 스위치들(212) 및 제어기(213)를 포함한다. 위에 설명된 바와 같이, 선택적(optional) 히트 싱크(215)는, 전력 스위치들(212)부터 열을 빼내기 위해, 전력 스위치들(212)에 근접하게 배치된다. 일 형태에서, 제어기(213)는, (듀티 사이클, 위상각 점호, 전압 조절, 또는 유사한 기술을 통해) 전력 스위치들(212)에 제공되는 제어 신호를 각각의 구역에 대해 결정할 때, 제어기(15)와 유사한 방식으로 구성된다. 위에서 설명된 바와 같이, 인클로저(200-1)(및 그에 따른 전력 스위치들(212))는 히터 다발(12)의 하나 이상의 히터 어셈블리들(18)에 근접하게(예를 들어, 인접하게 및/또는 근처에) 배치된다.
일 형태에서, 하나 이상의 전력 스위치들(212)은 제어기(213)에 전기적으로 결합되고, 예를 들어, 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 주소 지정 스위치(addressable switches), 연산 증폭기, 트랜지스터 드라이버, 집적회로, 이들의 조합, 및/또는 이들과 유사한 것을 포함한다. 일부 형태들에서, 전력 스위치들(212)의 개수는 각각의 히터 어셈블리(18)의 가열 구역들(62)의 개수에 대응한다. 예로서, 그리고 도 10에 도시된 바와 같이, 히터 어셈블리들(18) 각각은 n개의 가열 구역들을 포함한다. 따라서, 각각의 전력 스위치들(212-1, 212-2, 212-3, 212-4, 212-5, 212-6)은, 히터 어셈블리(18)의 각각의 가열 구역(62)에 선택적으로(selectively) 그리고 독립적으로 전력을 공급하기 위해 병렬로 배열된 n개의 전력 스위치들을 포함한다. 이해되어야 하는 바와 같이, 다른 형태들에서, 전력 스위치들(212-1, 212-2, 212-3, 212-4, 212-5, 212-6) 각각은, 전력을 히터 어셈블리(18)의 각각의 가열 구역(62)에 선택적으로(selectively) 및 독립적으로 공급하기 위한 다른 개수들 및/또는 유형들의 전력 스위치들을 가질 수 있으며, 본 명세서에 설명된 예에 제한되지 않는다.
또한, 도 10을 참조하면, 제어기(213)는, 하나 이상의 전력 스위치들(212)을 선택적으로(selectively) 활성화하고(또는, 이것들에게 제어 신호를 전송하고), 그에 따라, 적어도 하나의 히터 어셈블리(18)의 하나 이상의 가열 구역들(62)을 선택적으로(selectively) 활성화하도록 구성된다. 일 형태에서, 제어기(213)는, 전력 공급 장치(14)로부터의 전력이 히터 어셈블리(18)에 제공되도록 하기 위해 하나 이상의 전력 스위치들(212)을 활성화하도록 구성된다. 예로서, 전력 스위치들(212)(예를 들어, 하나 이상의 BJT들)을 활성화하기 위해, 제어기(213)는, 바이어싱 전압을 하나 이상의 전력 스위치들(212)에게 선택적으로(selectively) 제공하도록 구성된다. 본 명세서에 설명된 기능을 실행하기 위해, 제어기(213)는, RAM(random-access memory) 회로 및/또는 ROM(read-only memory) 회로와 같은 하나 이상의 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 기계 판독가능 명령어를 실행하도록 구성된 하나 이상의 프로세서 회로들을 포함하는 마이크로콘트롤러에 의해 구현될 수 있다. 또한, 제어기(213)는, 하나 이상의 전력 스위치들(212)에게 바이어싱 전압을 제공하기 위한 하나 이상의 전압 드라이버들(voltage drivers)을 포함할 수 있다.
제어기(213)가 챔버(210) 내에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 다른 형태들에서, 제어기(213)는 챔버(210)의 외부에 위치될 수 있다. 따라서, 인클로저(200-1)는 제어기(213)가 하나 이상의 전력 스위치들(212)을 활성화하는 것을 가능하게 하는 무선 통신 회로를 포함할 수 있고, 제어기(213)는 무선 통신 링크(예를 들어, 블루투스 통신 링크, 근거리 통신(NFC) 링크, 초광대역(UWB) 통신 링크, 무선 충실도(WiFi) 통신 링크, 지그비 통신 링크, 셀룰러 통신 링크, 장기적 진화(LTE) 통신 링크, 5G 통신 링크, 및/또는 기타 유사한 무선 통신 링크)를 통해 무선 통신 회로와 통신할 수 있다. 또한, 일 형태에서, 제어기(213)가 인클로저(200-1)의 외부에 위치되는 경우, 및 하나 이상의 전력 스위치들(212)이 전력 공급 장치(14)에 연결되지 않은 경우, 인클로저(200-1)는, 무선 통신 회로 및 하나 이상의 전력 스위치들(212)에 전기적으로 결합된 추가 전력 공급 시스템(예를 들어, 추가 전력 공급기 및 하나 이상의 전력 조절기 회로들)을 포함한다. 따라서, 추가 전력 공급 시스템은, 제어기(213)로부터 신호를 수신하는 무선 통신 회로에 대한 응답으로서 하나 이상의 전력 스위치들(212)에게 전력을 제공하여, 하나 이상의 전력 스위치들(212)을 선택적으로(selectively) 활성화하도록 구성된다.
제어기(213) 및 제어기(15)가 별도의 구성요소로서 예시되고 설명되었지만, 다른 형태들에 있어서, 이해되어야 하는 바와 같이, 제어기(213)의 기능은 제어기(15)에 의해 수행될 수 있고, 그 반대로도 수행될 수 있다.
일 형태에서, 도 9를 참조하면, 보조 열교환기(300-1)는 강제 공기를 사용하여 인클로저(200-1) 및 그 안의 구성요소들을 냉각하는 공냉식 열교환기일 수 있다. 보조 열교환기(300-1)는 인클로저(200-1) 및 그 안의 구성요소들을 냉각하기 위해 강제 공기를 사용하는 것으로 예시되어 있지만, 이해되어야 하는 바와 같이, 보조 열교환기(300-1)는 다른 변형예들에서 유도 공냉식 열교환기(induced air-cooled heat exchanger)일 수 있다.
일 형태에서, 공기는 챔버(316) 내로 흐른다. 팬(314)은, 팬 드라이버(312)에 의해 활성화되는 것에 대한 응답으로서, 도 9의 점선 화살표로 표시된 바와 같이, 하우징(308)의 외부 표면을 향하도록 공기를 강제한다. 또한, 팬(314)은, 도 9의 점선 화살표로 표시된 바와 같이, 벤틸레이션 개구부(214)를 통해 챔버(210) 내로 공기를 강제하여, 인클로저(200-1) 내의 구성요소들의 온도를 감소시킨다. 벤틸레이션 개구부(214)를 통해 챔버(210) 내로 강제된 공기는 출구 개구부(216)를 통해 인클로저(200-1)를 빠져나갈 수 있다. 도 9는 하나의 벤틸레이션 개구부(214) 및 하나의 출구 개구부(216)를 예시하지만, 이해되어야 하는 바와 같이, 임의의 개수의 벤틸레이션 개구부들(214) 및 출구 개구부들(216)이 본 개시의 다른 변형예들에서 포함될 수 있다. 게다가, 벤틸레이션 개구부(214) 및 출구 개구부(216)는 하우징(208)의 다양한 위치들에 배치될 수 있고, 본 명세서의 특정 예시들에 제한되지 않는다.
일 형태에서, 팬 드라이버(312)는 팬(314)을 활성화하도록 구성된 하나 이상의 제어기들, 집적회로들, 전력 조절기 회로들, 및 개별 전기 구성요소들을 포함한다. 일 형태에서, 팬 드라이버(312)는, 개구부(310)에 적어도 부분적으로 배치된 하드와이어 링크(hardwire link)(예를 들어, 연선 케이블(twisted pair cable))를 통해 전력 공급 장치(14)에 전기적으로 결합된다. 예를 들어, 전력 공급 장치(14)로부터 전력을 수신하는 것에 대한 응답으로서, 팬 드라이버(312)는 팬(314)을 활성화한다.
도 11을 참조하면, 온도 조절 장치(300)로서의 열교환기(300-2), 및 인클로저(200-2)가 나타나 있다. 인클로저(200-2)는, 앞에서 언급한 인클로저(200-1)와 유사하지만, 이 형태에서, 인클로저(200-2)는 벤틸레이션 개구부(214) 및 출구 개구부(216)를 포함하지 않는다. 그 결과, 인클로저(200-2)는 열교환기(300-2)로부터 밀봉된다.
일 형태에서, 열교환기(300-2)는 내부 유체 시스템 및 외부 유체 시스템을 한정(define)하고, 열교환기(300-2)는 다음을 포함한다: 외부 유체 입구(320), 외부 유체 출구(322), 내부 유체 입구(326), 내부 유체 출구(328), 입구 플레넘(inlet plenum)(330), 출구 플레넘(332), 튜브 시트(334), 하나 이상의 내부 유체 도관들(336), 하나 이상의 배플들(338), 하우징(340), 및 챔버(342). 일 형태에서, 열교환기(300-2)는 U-튜브 열교환기로서 구성된다. 이해되어야 하는 바와 같이, 열교환기(300-2)는 다른 형태들(예를 들어, 특히, 플로팅 헤드 열교환기, 직선 튜브 열교환기)로 다양한 다른 구성들을 가질 수 있으며, 본 명세서에 설명된 구성으로 제한되지 않는다.
열교환기(300-2)는, 내부 유체 시스템 및 외부 유체 시스템을 통해 흐르는 유체를 통해 인클로저(200-2)의 온도를 감소시키도록 구성된다. 특히, 열교환기(300-2)를 통해 흐르는 유체(예를 들어, 특히, 가스, 물, 냉각제)는 인클로저(200-2)로부터 열을 흡수하여 인클로저(200-2)의 온도를 낮춘다.
일 형태에서, 내부 유체 시스템은, 하우징(340) 내의 챔버(342)에 제공된 내부 유체 도관들(336), 입구 플레넘(330), 내부 유체 입구(326), 및 튜브 시트(334)의 하나 이상의 개구부들에 의해 제공된다. 작동 동안, 유체는 내부 유체 입구(326) 및 입구 플레넘(330)을 통해 흐르고, 거기서 유체는 튜브 시트(334)의 개구부들을 통해 내부 유체 도관들(336)로 들어간다. 내부 유체라고 지칭될 수 있는 내부 유체 시스템을 통한 유체는, 튜브 시트(334)의 하나 이상의 개구부들, 출구 플레넘(332), 및 내부 유체 출구(328)를 통해 열교환기(300-2)를 빠져나간다.
일 형태에서, 외부 유체 시스템은 챔버(342) 내의 내부 유체 시스템 주위에 제공되고, 챔버(342) 내에서 연장하는 배플들(338), 외부 유체 입구(320), 및 외부 유체 출구(322)를 포함한다. 작동 동안, 유체는 외부 유체 입구(320)를 통해 챔버(342)로 들어가고, 배플들(338)의 배열에 의해 한정(define)된 유로에 따라 챔버(342)를 통해 흐르며, 외부 유체 출구(322)를 통해 외부 유체 시스템을 빠져나간다. 외부 유체 시스템을 통해 흐르는 유체는 외부 유체라고 지칭될 수 있다. 일 형태에서, 하나 이상의 펌프들, 도관들, 및 저장소들(reservoirs)(미도시)은 열교환기(300-2)에 유체적으로 결합되어, 열교환기(300-2) 안팎으로의 내부 및 외부 유체들의 흐름을 조절한다.
본 명세서에서 달리 명시적으로 표시되지 않는 한, 기계적/열적 특성, 조성 백분율, 치수 및/또는 공차, 또는 기타 특성을 나타내는 모든 수치는, 본 개시의 범위를 기술함에 있어서, "약(about)" 또는 "대략(approximately)"이라는 단어에 의해 수식된 것으로 이해되어야 한다. 이러한 수식은 산업 실무, 재료, 제조, 및 조립 공차, 및 시험 능력을 포함한 다양한 이유에 의해 소구된다.
요소들 간의 공간적 및 기능적 관계는, "연결된(connected)", "체결된(“engaged)", "결합된(coupled)", "인접한(adjacent)", "옆에(next to)", "상에(on top of)", "위에(above)", "아래에(below)", 및 "배치된(disposed)"을 포함하는 다양한 용어들을 사용하여 기술된다. "직접적"이라고 명시적으로 기술되지 않는 한, 본 개시에서, 제1 구성요소와 제2 구성요소 간의 관계를 기술할 때, 그러한 관계는 제1 요소와 제2 요소 사이에 다른 개재 요소가 존재하지 않는 직접적인 관계일 수 있거나, 또는, 하나 이상의 개재 요소들이 제1 요소와 제2 요소 사이에(공간적으로 또는 기능적으로) 존재하는 간접적인 관계일 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, A, B, 및 C 중 적어도 하나라는 어구는 비배타적 논리 OR을 사용하여 논리(A OR B OR C)를 의미하는 것으로 해석되어야 하며, "A의 적어도 하나, B의 적어도 하나, 및 C의 적어도 하나"를 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 개시의 설명은 본질적으로 단시 예시일 뿐이며, 따라서, 본 개시의 실질로부터 벗어나지 않는 변형예들은 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 그러한 변형예들은 본 개시의 정신 및 범위로부터 벗어나는 것으로 간주되어서는 안된다.

Claims (23)

  1. 다음을 포함하는 히터 시스템(heater system):
    히터 다발(heater bundle)로서, 상기 히터 다발은:
    복수의 히터 유닛들을 포함하는 적어도 하나의 히터 어셈블리로서, 상기 히터 유닛들 중 하나 초과는 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 구역(independently controlled heating zone)을 한정하는, 적어도 하나의 히터 어셈블리; 및
    상기 독립적으로 제어되는 가열 구역들에 전기적으로 연결된 복수의 전력 전도체들(power conductors);을 포함하는,
    히터 다발;
    온도를 측정하기 위한 수단;
    상기 히터 다발에 근접하게 배치된 적어도 하나의 전력 스위치(power switch); 및
    상기 전력 스위치가, 측정된 상기 온도에 기초하여, 상기 전력 전도체를 통해 상기 독립적으로 제어되는 가열 구역들에 공급되는 전력을 조절(modulation)하여 상기 적어도 하나의 히터 어셈블리의 길이를 따라 목적하는 전력 출력을 제공하도록 하는 제어 신호를 상기 적어도 하나의 전력 스위치에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 히터 시스템은 인클로저를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전력 스위치는 상기 인클로저 내에 배치된, 히터 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 인클로저를 냉각하는 온도 조절 장치를 더 포함하는 히터 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 온도 조절 장치는 액체 냉각 매체를 사용하여 상기 인클로저를 냉각하는, 히터 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 온도 조절 장치는 강제 공기(forced air)를 사용하여 상기 인클로저를 냉각하는, 히터 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 강제 공기는 상기 인클로저의 내부 및 상기 인클로저의 외부에 제공되는, 히터 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 인클로저는 외부 대기로부터 밀봉된, 히터 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 온도 조절 장치는 내부 유체 냉각 흐름 및 외부 유체 냉각 흐름을 사용하여 상기 인클로저를 냉각하고, 상기 내부 유체 냉각 흐름 및 상기 외부 유체 냉각 흐름 각각은 열교환기에 의해 결합되는(coupled), 히터 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 온도 조절 장치는 열전 요소(thermoelectric element) 및 냉각 시스템(refrigeration system) 중 적어도 하나인, 히터 시스템.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 인클로저 내에 배치된, 히터 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 히터 다발로부터 떨어져 있고, 또한 상기 적어도 하나의 제어기는, 무선 방식 및 상기 복수의 전력 전도체들을 통한 방식 중 적어도 하나의 방식을 통해, 상기 적어도 하나의 전력 스위치와 통신하는, 히터 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전력 스위치에 근접하게 배치된 히트 싱크(heat sink)를 더 포함하는 히터 시스템.
  13. 다음을 포함하는 히터 시스템:
    히터 다발로서, 상기 히터 다발은:
    복수의 히터 유닛들을 포함하는 적어도 하나의 히터 어셈블리로서, 상기 히터 유닛들 중 하나 초과는 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 구역을 한정(define)하는, 적어도 하나의 히터 어셈블리; 및
    상기 독립적으로 제어되는 가열 구역들에 전기적으로 연결된 복수의 전력 전도체들;을 포함하는,
    히터 다발;
    가열 조건(heating conditions) 및 가열 요건(heating requirements) 중 적어도 하나를 결정(determining)하기 위한 수단;
    상기 히터 다발에 근접하게 배치된 적어도 하나의 전력 스위치; 및
    상기 전력 스위치가, 상기 가열 조건 및 상기 가열 요건 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 전력 전도체들을 통해 상기 독립적으로 제어되는 가열 구역에 공급되는 전력을 조절하여 상기 적어도 하나의 히터 어셈블리의 길이를 따라 목적하는 전력 출력을 제공하도록 하는 제어 신호를 상기 적어도 하나의 전력 스위치에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제어기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 히터 시스템은 복수의 상기 히터 어셈블리들에 근접하게 배치된 인클로저를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전력 스위치는 상기 인클로저 내에 배치된, 히터 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 인클로저 내에 배치된, 히터 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 히터 다발로부터 떨어져 있고, 또한 상기 적어도 하나의 제어기는, 무선 방식 및 상기 복수의 전력 전도체들을 통한 방식 중 적어도 하나의 방식을 통해, 상기 적어도 하나의 전력 스위치와 통신하는, 히터 시스템.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 가열 조건 및 상기 가열 요건 중 적어도 하나는, 상기 히터 유닛들의 수명, 상기 히터 유닛들의 신뢰성, 상기 히터 유닛들의 크기, 상기 히터 유닛들의 비용, 상기 히터 유닛들의 국소 히터 플럭스(local heater flux), 특성 및 작동, 및 전체 전력 출력으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 히터 어셈블리.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전력 스위치에 근접하게 배치된 히트 싱크를 더 포함하는 히터 시스템.
  19. 다음을 포함하는 히터 시스템:
    복수의 히터 유닛들을 포함하는 히터 어셈블리로서, 상기 히터 유닛들 중 하나 초과는 적어도 하나의 독립적으로 제어되는 가열 구역을 한정(define)하는, 히터 어셈블리;
    상기 히터 유닛들과 전기적으로 연결된 복수의 전력 전도체들;
    상기 히터 어셈블리에 근접하게 배치된 적어도 하나의 전력 스위치; 및
    상기 전력 스위치가, 가열 조건 및 가열 요건 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 전력 전도체들을 통해 상기 독립적으로 제어되는 가열 구역에 공급되는 전력을 조절하여 상기 히터 어셈블리의 길이를 따라 목적하는 전력 출력을 제공하도록 하는 제어 신호를 상기 적어도 하나의 전력 스위치에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제어기.
  20. 제 19 항에 있어서, 온도를 측정하기 위한 수단을 더 포함하는 히터 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서, 가열 조건 또는 가열 요건을 결정하기 위한 수단을 더 포함하는 히터 시스템.
  22. 유체를 가열하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
    내부 챔버를 한정하고 유체 입구 및 유체 출구를 갖는 밀봉된 하우징(sealed housing); 및
    제 19 항에 따른 히터 시스템으로서, 상기 히터 어셈블리는 상기 하우징의 상기 내부 챔버 내에 배치된, 히터 시스템;을 포함하고,
    상기 히터 어셈블리는 상기 하우징 내의 유체에 미리 결정된 열 분포를 제공하도록 적합화된(adapted),
    장치.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전력 스위치에 근접하게 배치된 히트 싱크를 더 포함하는 히터 시스템.
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