TW201717696A - 用於增強加熱器使用壽命和性能的整合裝置及方法 - Google Patents

Abstract

用於控制一電阻式加熱器之操作的一控制系統包括當該電阻式加熱器係於作用態模式時用於判定該電阻式加熱器的一介電參數的一介電參數判定模組，及用來基於該介電參數診斷該電阻式加熱器的性能的一診斷模組。

Description

用於增強加熱器使用壽命和性能的整合裝置及方法

相關申請案之交互參考 此申請案主張提申日期2016年10月1日的美國臨時申請案第62/235,719號的權益及優先權。如上申請案之揭示全文爰引於此並融入本說明書之揭示。

發明領域 本文揭示係有關於電阻式加熱裝置，及更特別地係有關於用於監視及控制電阻式加熱裝置的操作之控制系統及方法。

發明背景 本章節中之陳述僅提供本文揭示相關的背景資訊而非構成先前技術。

電阻式加熱裝置，諸如管狀加熱器，通常係設定成當在某些操作條件下操作時具有預定的預期使用壽命及最大容許溫度。該等加熱裝置的性能及預期使用壽命通常係取決於加熱裝置的組成組件之材料性質。當該等組成組件中之一者隨時間之推移而降級至無法接受的程度且故障時，整個加熱裝置可能無法適當地發揮功能。加熱裝置的最大容許溫度取決於該等組成組件的可信度。當該等組成組件中之一者無法耐受升高的操作溫度且故障時，整個加熱裝置可能也故障。

除了加熱裝置的組成組件的材料性質及可信度之外，加熱裝置的預期使用壽命及最大容許溫度受操作條件及操作模式的影響。舉例言之，若加熱裝置在具有低氧分壓之真空環境中，或在快速斜升及斜降速度中操作，則加熱裝置可能具有相對較短的預期使用壽命及相對較低的最大容許溫度。有鑑於影響加熱裝置之性能的各項因素，難以預測加熱裝置在一給定操作條件下的預期使用壽命及最大容許溫度。

發明概要 於本揭示的一個態樣中，一種用於控制一電阻式加熱器之操作的控制系統包括當該電阻式加熱器係於作用態模式時用於判定該電阻式加熱器的一介電參數的一介電參數判定模組，及用來基於該介電參數診斷該電阻式加熱器的性能的一診斷模組。

於另一個態樣中，一種用於控制一電阻式加熱器之方法包括判定該電阻式加熱器的一介電參數；及基於該介電參數診斷該電阻式加熱器的一操作。

進一步應用領域從本文提供的詳細說明部分將更為彰顯。須瞭解詳細說明部分及特定實例僅意圖用於例示目的而非意圖限制本文揭示之範圍。

較佳實施例之詳細說明 後文詳細說明部分本質上僅為例示性而非意圖限制本文揭示、應用、或用途。

參考圖1，顯示用於電阻式加熱器12的控制系統10。控制系統10係經組配用以監視及診斷電阻式加熱器12的性能，檢測電阻式加熱器12中的故障，及預測在給定操作條件下電阻式加熱器12的預期使用壽命。

參考圖2，電阻式加熱器12可以是管狀加熱器12及包括電阻元件14，環繞電阻元件14的介電材料16，環繞介電材料16的金屬鞘套18，及環繞金屬鞘套18的保護層20。電阻元件14可以是電阻線圈或導線且具有高電阻係數來產熱。金屬鞘套18具有大致管狀結構而包封電阻元件14及介電材料16於其中，及包括耐熱金屬，諸如不鏽鋼、英康鎳(Inconel)合金或其它高耐火金屬。保護層20係環繞金屬鞘套18置放來給金屬鞘套18於腐蝕性環境中提供進一步保護或協助從金屬鞘套18表面快速地熱輻射到周圍環境。介電材料16填充在由金屬鞘套18所界定的空間及將電阻元件14與金屬鞘套18電氣絕緣。介電材料16具有預定的介電強度、導熱率及可包括氧化鎂(MgO)。

於加熱器操作期間，介電材料16的材料性質可隨操作期間的操作溫度而異。通常，介電材料16的介電強度隨操作溫度的升高而減低。當管狀加熱器12於升高溫度操作歷經相當長時間時，介電材料16的材料性質可顯著地減低，結果導致介電材料16中的介電崩潰。介電崩潰造成電阻元件14與金屬鞘套18間之短路，結果導致加熱器故障。介電崩潰乃加熱器故障的常見起因。介電材料16通常比電阻式加熱器12的其它組成組件更快降級且首先故障。

因此，依據本文揭示的控制系統10係經組配用以監控介電材料16的材料性質，特別當加熱器12係在作用態模式時監控介電材料16的介電性質/強度的變化。接受監測的介電參數可用來診斷加熱器12的性能，檢測加熱器12中的故障，或預測在給定操作條件下加熱器12的預期使用壽命。介電參數也可用來對控制系統10提供回授以優化加熱器12的操作及控制。

回頭參考圖1，依據本文揭示之教示的控制系統10包括加熱器操作控制模組22、介電參數判定模組24、診斷模組26、及預測模組28。控制系統10可進一步包括用以監視及測量加熱器12之溫度的溫度測量模組29。

加熱器操作控制模組22基於輸入參數控制加熱器12的操作，諸如期望的操作溫度、期望的斜升/斜降速度、及/或期望的加熱時間。

當加熱器12係在作用態模式時(亦即當加熱器操作時)，介電參數判定模組24動態地監視及判定加熱器12的介電參數。如於本文中使用，介電參數係指可提供介電材料16於操作條件下介電性質的指標之參數。介電材料16的介電性質隨操作溫度及操作時間而異，若降至無法接受的程度，則可能影響加熱器12的適當功能。

於一個態樣中，介電參數可以是流經介電材料16的漏電流的改變。流經介電材料16的漏電流量提供了介電材料16的介電性質、強度或完整性的改變之指示。於一個態樣中，整合裝置50用來測量漏電流或其它電流參數。整合裝置50可置放於加熱器12內部或在其外部上及與引線或電源接腳(未顯示於圖中)作電氣通訊。於另一個態樣中，整合裝置50可整合於漏電流監視模組30內部，容後詳述。舉例言之，整合裝置50可以是能夠以微安培級或毫安培級測量電流的轉換器。

因此，介電參數判定模組24可包括漏電流監視模組30其用來監視及測量流經介電材料16的漏電流，及判定漏電流的變化。漏電流監視模組30呈時間及溫度之函數而測量與紀錄漏電流的變化。須瞭解不背離本文揭示之範圍，漏電流以外的任何參數皆可使用，只要該等參數可提供有關介電材料16的介電強度及介電性質之資訊即可。

診斷模組26接收來自介電參數判定模組24的介電參數及基於該介電參數，諸如漏電流的變化，來診斷加熱器12的性能。舉例言之，在加熱器顯示任何故障徵象之前，加熱器在900℃之操作溫度可具有90天的預期使用壽命。同一個加熱器在800℃之操作溫度可具有超過350天的預期使用壽命而未顯示任何故障徵象。因此，診斷模組26可定期地或常規地根據所儲存的程式分析有關接收自介電參數判定模組24的漏電流之介電參數或資訊以檢測加熱器中的異常。

診斷模組26可進一步包括故障檢測控制(FDC)模組34，其針對加熱器中的故障設定臨界值。於加熱器操作期間，小量漏電流可能流經介電材料16。隨著電阻式加熱器12繼續於升溫操作歷時長時間，漏電流量可能驟增。當漏電流量達到臨界值時，FDC模組34可判定介電崩潰即將到臨及產生警報信號警告操作員或產生致能信號而啟動開關來關閉對電阻式加熱器12的電源供應。

另外，診斷模組26可根據漏電流的增加速率而診斷電阻式加熱器12的性能。當漏電流的增加速率比臨界速率更快時，診斷模組26可判定加熱器12並非以最佳方式操作。據此可產生信號來提供此項資訊給操作員。

預測模組28自加熱器操作控制模組22接收介電參數，計算常數因子(K)，及預測加熱器12在所監測操作條件下的預期使用壽命。預測模組28可包括操作溫度、介電參數諸如漏電流、與時間間之預先儲存的交互關係。介電參數可發送給預測模組28，其基於該介電參數計算常數因子(K)。然後，預測模組28基於該常數因子(K)，計算及預測加熱器於給定溫度及時間的預期使用壽命。預測模組28包括一數學公式或演算法以就給定的溫度及時間動態地預測該加熱器的期望壽命。

選擇性地，介電參數也可發送給加熱器操作控制模組22用於閉路回授控制。基於介電參數作為回授，加熱器操作控制模組22可藉由改變加熱器12的操作溫度及/或斜升/斜降速度而優化加熱器12的控制，以便改良加熱器性能及預期使用壽命。

須注意本文揭示並不限於經描述及例示為實例的實施例。已經描述大量修改且有更大量構成熟諳技藝人士的知識之一部分。此等及進一步修改以及由技術相當例的任何置換可被加至詳細說明部分及圖式而不會背離本文揭示及本專利案的保護範圍。

10‧‧‧控制系統
12‧‧‧電阻式加熱器
14‧‧‧電阻元件
16‧‧‧介電材料
18‧‧‧金屬鞘套
20‧‧‧保護層
22‧‧‧加熱器操作控制模組
24‧‧‧介電參數判定模組
26‧‧‧診斷模組
28‧‧‧預測模組
29‧‧‧溫度測量模組
30‧‧‧漏電流監視模組
34‧‧‧故障檢測控制(FDC)模組
50‧‧‧整合裝置

為求更明確瞭解本揭示，現在將參考附圖藉由實例描述其各種態樣，附圖中：

圖1為依據本文揭示之教示建構的用於電阻式加熱器的一控制系統之方塊圖；及

圖2為圖1之電阻式加熱器的示意剖面圖。

本文描述之附圖僅係用於例示目的而絕非意圖限制本文揭示之範圍。

10‧‧‧控制系統

12‧‧‧電阻式加熱器

22‧‧‧加熱器操作控制模組

24‧‧‧介電參數判定模組

26‧‧‧診斷模組

28‧‧‧預測模組

29‧‧‧溫度測量模組

30‧‧‧漏電流監視模組

34‧‧‧故障檢測控制模組

50‧‧‧整合裝置

Claims (20)

1. 一種用於控制一電阻式加熱器之一操作的控制系統，該控制系統包含： 當該電阻式加熱器係於一作用態模式時用於判定該電阻式加熱器的一介電參數的一介電參數判定模組；及 用來基於該介電參數診斷該電阻式加熱器的性能的一診斷模組。
2. 如請求項1之控制系統，其中該介電參數判定模組進一步包括用於監視流經該加熱器的一介電材料之一漏電流的一監視模組。
3. 如請求項2之控制系統，其中該監視模組判定該漏電流中之一變化。
4. 如請求項1之控制系統，其中該診斷模組基於該漏電流與一臨界漏電流之一比較而判定該加熱器的性能。
5. 如請求項4之控制系統，其中該診斷模組進一步包括一故障檢測控制模組其當該漏電流達到該臨界漏電流時產生一警報信號。
6. 如請求項1之控制系統，其進一步包含一預測模組用來基於該介電參數預測該電阻式加熱器的一預期使用壽命。
7. 如請求項6之控制系統，其中該預測模組包括該電阻式加熱器的該介電參數、一預期使用壽命、與一操作溫度間之相關性。
8. 如請求項6之控制系統，其中該預測模組基於該介電參數判定一常數因子(K)。
9. 如請求項1之控制系統，其進一步包含一加熱器操作控制模組其基於該被監視的介電參數而操作該電阻式加熱器。
10. 如請求項1之控制系統，其中該介電參數與該介電材料之一介電強度有關。
11. 一種用於控制一電阻式加熱器之方法，其包含： 判定該電阻式加熱器的一介電參數；及 基於該介電參數診斷該電阻式加熱器的一操作。
12. 如請求項11之方法，其進一步包含基於該介電參數預測該電阻式加熱器的一預期使用壽命。
13. 如請求項11之方法，其進一步包含預先確定該介電參數、該電阻式加熱器的一操作溫度與操作時間間之相關性。
14. 如請求項11之方法，其進一步包含基於該介電參數控制該電阻式加熱器。
15. 如請求項11之方法，其進一步包含交互關聯該介電參數與一操作溫度及時間。
16. 如請求項11之方法，其進一步包含針對該加熱器故障建立最大極限邊際。
17. 如請求項11之方法，其進一步包含界定與計算一常數因子(K)。
18. 如請求項17之方法，其進一步包含基於該常數因子預測該電阻式加熱器的一預期使用壽命。
19. 如請求項11之方法，其進一步包含將數學公式或演算法設定成一預測模組用以動態地預測該電阻式加熱器於一給定溫度及時間的該預期使用壽命。
20. 如請求項11之方法，其進一步包含提供介電參數變化及相關性因數作為用於診斷及故障檢測控制(FDC)的一回授。