專利名稱：雙線分層加熱器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電加熱器和控制器，尤其涉及分層加熱器的溫度感測。
背景技術(shù)：
當(dāng)熱輸出需要沿表面變化時，分層加熱器通常被用在空間受限的應(yīng)用中，或用在超凈或侵蝕性化學(xué)應(yīng)用中。分層加熱器通常包括不同材料的層，即，涂敷于襯底上的介電材料和電阻材料。介電材料首先被涂敷于襯底上并提供襯底和電阻材料間的電氣隔離，同時最小化工作過程中的電流泄漏。電阻材料以預(yù)定圖案被涂敷于介電材料上，并提供電阻加熱器電路。分層加熱器還包括將電阻加熱電路連接到加熱器控制器的引線，和保護引線-電阻電路接口的注塑成型(over-mold)材料。因此，分層加熱器可高度定制用于多種加熱應(yīng)用。
分層加熱器可以是“厚”膜、“薄”膜、或“熱噴涂”，除此之外還可以是其它形式，其中這些類型的分層加熱器的主要區(qū)別是構(gòu)成層的方法。例如，厚膜加熱器的層通常用諸如絲網(wǎng)印刷、印花釉法、或薄膜印刷頭印刷的處理來構(gòu)造，除此之外還有其它方法。薄膜加熱器的層通常用沉積處理來形成，諸如離子電鍍(ion plating)、濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)、以以及物理氣相沉積(PVD)，除此之外還有其它方法。然而，與薄厚膜技術(shù)不同的另一種方法是熱噴涂，此方法可包括例如火焰噴涂、等離子噴涂、線電弧噴涂、和HVOF(超音速火焰噴涂High Velocity Oxygen Fuel)，除此之外還有其它方法。
使用分層加熱器的已知系統(tǒng)通常包含獨立的溫度傳感器，此傳感器通過用于電阻電熱器電路的一組引線之外的另一組電引線而連接到控制器。溫度傳感器通常是熱電偶，該熱電偶被設(shè)置在薄膜加熱器和/或處理附近，以便為控制器提供加熱器控制的溫度反饋。然而，熱電偶相對體積較大，需要附加的電引線，并且相對經(jīng)常地出故障?？蛇x地，RTD(電阻式溫度檢測器)可被包括在分層加熱器內(nèi)作為獨立的層，以獲得更準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)并相對傳統(tǒng)熱電偶減少所需空間量。不幸地，RTD也通過一組附加的電引線與控制器通信。對使用大量溫度傳感器的系統(tǒng)來說，每個傳感器的相關(guān)電引線的數(shù)目很大，導(dǎo)致整個加熱器系統(tǒng)體積和復(fù)雜性的增加。
例如，其中電導(dǎo)線增加加熱器系統(tǒng)體積和復(fù)雜性的一個這樣的應(yīng)用是注模系統(tǒng)。注模系統(tǒng)，更具體地是熱流道系統(tǒng)，通常包括大量用于更高空腔造型的噴嘴，其中多個部分在單個循環(huán)或單個注射(shot)中被形成。噴嘴經(jīng)常被加熱以改善樹脂流，并因此對于系統(tǒng)中的每個噴嘴，噴嘴加熱器的一組相關(guān)電引線和至少一個設(shè)置在加熱器和/或處理附近的溫度傳感器(例如熱電偶)的一組引線必須從控制系統(tǒng)引到每個噴嘴。電引線的布線通常用從控制系統(tǒng)到熱流道成型系統(tǒng)的管道來完成。此外，布線通道通常被碾成成型系統(tǒng)的極板從而將引線連接到每個噴嘴，因此，增加數(shù)量的電引線導(dǎo)致熱流道成型系統(tǒng)成本和復(fù)雜性的增加及整個注模系統(tǒng)體積的增加。

發(fā)明內(nèi)容
在一個優(yōu)選實施例中，本發(fā)明提供了包含厚膜加熱器和雙線控制器的加熱器系統(tǒng)。厚膜加熱器限定襯底、設(shè)置在襯底上的介電層、和設(shè)置在介電層上的電阻層，其中電阻層具有足夠的電阻特性溫度系數(shù)，使得電阻層是加熱器元件和溫度傳感器。此外，保護層被設(shè)置在電阻層上，而雙線控制器用電阻層的電阻來確定厚膜加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度。
在另一個實施例中，提供包含至少一個電阻層的分層加熱器，其中電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得電阻層是加熱器元件和溫度傳感器。分層加熱器還包括連接到電阻層的雙線控制器，其中雙線控制器用電阻層的電阻確定分層加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度。在本發(fā)明的各種形式中，分層加熱器是厚膜加熱器、薄膜加熱器、熱噴涂加熱器、和溶膠凝膠加熱器。
在再一個實施例中，提供熱流道噴嘴加熱器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含至少一個熱流道噴嘴和至少一個與熱流道噴嘴鄰近設(shè)置的電阻層，其中電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得電阻層是加熱器元件和溫度傳感器。加熱器系統(tǒng)還包含連接到電阻層的雙線控制器，其中雙線控制器通過使用電阻層的電阻來確定加熱器系統(tǒng)的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器系統(tǒng)溫度。
此外，本發(fā)明給使用的加熱器系統(tǒng)提供現(xiàn)有溫度控制器，該溫度控制器具有至少一個溫度傳感器輸入端和功率輸出端。本發(fā)明是包含至少一個分層加熱器的改進，該分層加熱器具有至少一個電阻層，其中電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得電阻層是加熱器元件和溫度傳感器。此改進還包括至少一個連接到分層加熱器和溫度控制器的雙線模塊，其中雙線模塊用電阻層的電阻來確定分層加熱器的溫度，并將分層加熱器的溫度傳給溫度控制器輸入端，而溫度控制器將功率輸出傳給雙線模塊。
在再一個實施例中，提供包括分層加熱器的加熱器系統(tǒng)，其中分層加熱器具有至少一個電阻層，其中電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得電阻層是加熱器元件和溫度傳感器。加熱器系統(tǒng)還包括連接到電阻層的電引線和通過電引線連接到電阻層的控制器，其中控制器通過使用電阻層的電阻來確定分層加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度。此外，公共回線裝置連接到分層加熱器，電源連接到控制器，其中公共回線裝置提供從分層加熱器到控制器的電氣返回，使得僅需要一條線來操作加熱器系統(tǒng)。
依照本發(fā)明的方法，提供分層加熱器的操作，此操作包括通過一組連接到分層加熱器的電阻元件的引線提供功率給加熱器的步驟，并包括通過使用雙線控制器來計算電阻元件溫度的計算步驟，其中雙線控制器通過該組引線與分層加熱器通信，其中電阻元件是加熱器元件和溫度傳感器。在另一個實施例中，此方法與熱流道噴嘴結(jié)合用于操作分層加熱器。
本發(fā)明的適用性的其他領(lǐng)域?qū)⒃谙挛牡脑敱M描述中表述。應(yīng)該理解，詳盡的描述和具體例子雖然表示本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是其是為了說明的目的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。


通過詳細描述和附圖，可以更充分地理解本發(fā)明，其中圖1是依照本發(fā)明原理的加熱器系統(tǒng)的方框圖；圖2是依照本發(fā)明原理的分層加熱器的放大截面圖；圖3a是依照本發(fā)明原理的分層加熱器的放大橫截面視圖，其中分層加熱器包含電阻層和保護層；圖3b是依照本發(fā)明原理的分層加熱器的放大橫截面視圖，其中分層加熱器僅包含電阻層；圖4a是依照本發(fā)明的教導(dǎo)所構(gòu)造的電阻層圖案的平面圖；圖4b是依照本發(fā)明的原理所構(gòu)造的第二電阻層圖案的平面圖；圖4c是依照本發(fā)明的原理所構(gòu)造的第三電阻層圖案的透視圖；圖5是說明依照本發(fā)明原理的雙線控制系統(tǒng)的方框圖；圖6是依照本發(fā)明的教導(dǎo)所構(gòu)造的雙線控制系統(tǒng)的簡化電氣圖；圖7是依照本發(fā)明的教導(dǎo)所構(gòu)造的雙線控制系統(tǒng)的詳細電氣圖；圖8是用于注模系統(tǒng)的高級空腔造型的透視圖，該系統(tǒng)具有依照本發(fā)明教導(dǎo)所構(gòu)造的并具有熱流道噴嘴的加熱器系統(tǒng)；圖9是依照本發(fā)明教導(dǎo)所構(gòu)造的熱流道噴嘴加熱器系統(tǒng)側(cè)視圖；圖10是依照本發(fā)明原理的熱流道噴嘴加熱器系統(tǒng)側(cè)橫截面視圖，沿圖9中的A-A線；圖11是依照本發(fā)明教導(dǎo)所構(gòu)造的熱流道噴嘴加熱器系統(tǒng)的一個可選實施例的側(cè)橫截面視圖；圖12是用于依照本發(fā)明原理改型現(xiàn)有系統(tǒng)的組合式加熱器系統(tǒng)的原理圖；和圖13是依照本發(fā)明原理的使用單線的加熱器系統(tǒng)的方框圖；
相同標(biāo)識符在若干個視圖中表示相同部件。
具體實施例方式
具體實施例的下列描述實際上僅僅是示范性的，這些描述決不是為了限制本發(fā)明、其應(yīng)用、或使用。
參照圖1，以方框圖形式圖解依照本發(fā)明一個實施例的簡化加熱器系統(tǒng)，其被一般地用標(biāo)識符10來表示。加熱器系統(tǒng)10包含分層加熱器12；雙線控制器14，該雙線控制器優(yōu)選基于微處理器；和雙線控制器14內(nèi)或與其相連的電源16。如圖所示，分層加熱器12通過一組電引線18與雙線控制器14相連。通過電引線18給分層加熱器12提供功率，而分層加熱器12的溫度信息依照指令也通過這組電引線18被提供給雙線控制器14。更具體地，雙線控制器14基于計算出的電阻確定分層加熱器12的溫度，其中一種技術(shù)在下面有著更為詳盡的描述。然后，雙線控制器14發(fā)送信號給電源16，以相應(yīng)地控制分層加熱器12的溫度。因此，僅僅需要一組電引線18，而不是一組電引線用于加熱器，一組電引線用于溫度傳感器。
現(xiàn)在參照圖2，在一個實施例中，分層加熱器12包括許多設(shè)置在襯底20上的層，其中襯底20可以是設(shè)置在待加熱部件或裝置附近的獨立元件，或這些部件或裝置本身。如圖所示，這些層優(yōu)選地包含介電層22、電阻層24、和保護層26。介電層22提供襯底20和電阻層24之間的電氣隔離，并設(shè)置在襯底20上，厚度與分層加熱器12的功率輸出相稱。根據(jù)本發(fā)明，電阻層24設(shè)置在介電層22上，并提供兩個主要功能。第一，電阻層24是分層加熱器12的電阻加熱器電路，由此為襯底20提供熱量。第二，電阻層24也是溫度傳感器，其中電阻層24的電阻被用來確定分層加熱器12的溫度，這將在下文更為詳盡地描述。保護層26優(yōu)選為絕緣體，但是依照具體加熱應(yīng)用的要求也可以使用其它材料，諸如導(dǎo)電材料，而仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
如圖進一步所示，端接盤28設(shè)置在介電層22上，并與電阻層24接觸。因此，電引線30與端接盤28接觸，并將電阻層24連接到雙線控制器14(未示出)，用于功率輸入和用于加熱器溫度信息到雙線控制器14的傳遞。此外，保護層26設(shè)置在電阻層24之上，且優(yōu)選地是用于電氣隔離和保護電阻層24免受操作環(huán)境影響的介電材料。由于電阻層24同時作為加熱元件和溫度傳感器，所以加熱器系統(tǒng)10僅需要一組電引線30(例如雙線)，而不是一組用于分層加熱器12，另一組用于獨立的溫度傳感器。因此，依照本發(fā)明，通過使用加熱器系統(tǒng)10，用于任何給定加熱器系統(tǒng)的電引線數(shù)目被減少50％。此外，由于整個電阻層24除了是加熱器元件之外還是溫度傳感器，所以在整個加熱器元件上、而不是像諸如熱電耦這樣的很多傳統(tǒng)溫度傳感器那樣在單個點上被感測。
在如圖3a所示的本發(fā)明另一實施例中，在襯底20不導(dǎo)電且電氣隔離不需要通過獨立介電層來實現(xiàn)的情況下，電阻層24設(shè)置在襯底20上。如圖所示，保護層26如前所述被設(shè)置在電阻層24之上。在如圖3b所示的再一種形式里，電阻層24被設(shè)置在襯底20上，此襯底不具有介電層24和保護層26。因此，本發(fā)明的加熱器系統(tǒng)10可以至少一層、即電阻層24工作，其中電阻層24既是加熱元件也是溫度傳感器。依照具體應(yīng)用的要求，也可以使用此處未闡述的功能層的其它組合，而仍在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
通常，分層加熱器12被構(gòu)造來與任意數(shù)量的需加熱的裝置一起運行，其中一個就是將在下文中予以更詳盡描述的用于注模系統(tǒng)的熱流道噴嘴。此外，分層加熱器12優(yōu)選地是厚膜加熱器，其在本發(fā)明的一個實施例中用薄膜印刷頭來制造。美國專利No.5,973,296中示出并描述了使用此種厚膜處理的層制作，該專利與本申請被共同轉(zhuǎn)讓，且其全部內(nèi)容以參考方式并入本申請。舉例來說，附加厚膜處理可包括絲網(wǎng)印刷、噴涂、輥壓、和轉(zhuǎn)印，除此之外還有其它方法。
然而，在另一個實施例中，分層加熱器12是薄膜加熱器，其中通過使用薄膜處理來形成層，例如離子電鍍、濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)、和物理氣相沉積(PVD)，除此之外還有其它方法。薄膜處理、諸如整體以參考方式并入本申請的美國專利No.6,305,923、6,341,954和6,575,729的專利中所公開的那些薄膜處理，可以與這里所描述可與加熱器系統(tǒng)10一起使用，而仍然處在本發(fā)明的范圍里。在再一個實施例中，分層加熱器12是熱噴涂加熱器，其中使用熱噴涂處理來形成層，例如火焰噴涂、等離子噴涂、線電弧噴涂、和HVOF(超音速火焰噴涂)等。在另一個實施例中，分層加熱器12是“溶膠凝膠”加熱器，其中使用溶膠凝膠材料來形成層。通常，用諸如浸漬、滾旋(spinning)、或涂抹這樣的處理來形成溶膠凝膠層，除此之外還有其它方法。因此，如此處所用，術(shù)語“分層加熱器”應(yīng)理解為包括包含至少一個功能層(例如，僅電阻層24，電阻層24和保護層26，介電層22和電阻層24和保護層26，等等)的加熱器，其中通過使用與厚膜、薄膜、熱噴涂、或溶膠凝膠相關(guān)的處理將材料涂敷或沉積到襯底或另一層上來形成層。這些處理也被稱為“分層處理”或“分層加熱器處理”。
為了使電阻層24既起到溫度傳感器的功能又起到加熱器元件的功能，電阻層24優(yōu)選為電阻溫度系數(shù)(TCR)相對較高的材料。由于金屬的電阻隨溫度增加，在任一溫度t(℃)時的電阻為R＝R0(1+αt) (方程1)其中R0是某一參考溫度(通常為0℃)下的電阻，α是電阻溫度系數(shù)(TCR)。因此，為了確定加熱器的溫度，通過雙線控制器14計算加熱器的電阻，如下文更為詳盡地描述的那樣。在一個實施例中，用雙線控制器14測量加熱器的電壓和電流，并且基于歐姆定律計算電阻。用方程1，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的使用電阻溫度檢測器(RTD)的溫度測量的類似方程，和已知的TCR，電阻層24的溫度被計算出來并用于加熱器控制。
因此，在本發(fā)明的一個實施例中，相對高的TCR是優(yōu)選的，使得小的溫度變化引起大的電阻變化。因此，包含諸如鉑(TCR＝0.0039Ω/Ω/℃)、鎳(TCR＝0.0041Ω/Ω/℃)、或銅(TCR＝0.0039Ω/Ω/℃)、以及其合金的材料的配方對于電阻層24來說是優(yōu)選的。
然而，在本發(fā)明的其它實施例中，用于電阻層24的材料不必具有高的TCR。例如，只要TCR是可預(yù)測的，則負TCR材料或具有非線性TCR的材料也可包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。如果給定材料的TCR是已知的，則如果它能以必要的精度被測量，以及如果它是可復(fù)驗的或可預(yù)測的，那么該材料可以用來確定加熱器系統(tǒng)10的溫度。包括所述相對高TCR材料的這樣的TCR在以下被稱為具有充足的TCR特性。因此，此處所述的材料及其相關(guān)的高TCR不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的范圍。此處所述的相對高的TCR在本發(fā)明的一個實施例中是優(yōu)選的。
作為另一個充足的TCR特性，用于電阻層24的材料不必展示出過度的“漂移”，這種漂移是許多電阻元件隨時間改變特性、諸如體電阻率或TCR的趨勢。因此，用于電阻層24的材料優(yōu)選在漂移方面是穩(wěn)定的或可預(yù)測的，但是漂移可以通過雙線控制器14的校準(zhǔn)而隨時間被補償，雙線控制器將在下文中予以更詳盡的描述。此外，漂移可以通過加熱器的“燒上”而被減少或消除，以引起任何可能隨時間發(fā)生的電阻漂移。因此，電阻層24優(yōu)選為具有相對高電阻溫度系數(shù)且在漂移方面穩(wěn)定的材料。但是，如果漂移是可預(yù)測的，則材料可用于電阻層，而仍然在本發(fā)明范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的一個實施例里，電阻層24通過在前述介電層22上印刷電阻材料來形成。更具體地，兩種電阻材料R11和R12被測試以在本發(fā)明中使用，其中R11的TCR介于大約0.0008Ω/Ω/℃和大約0.0016Ω/Ω/℃之間，而R12的TCR介于大約0.0026Ω/Ω/℃和大約0.0040Ω/Ω/℃之間。此外，在各種溫度下，為R11和R12測試溫度漂移，并且漂移在R11的大約3％到R12的大約10％之間變化。通過前述“燒上”，顯示漂移已經(jīng)減少到R11的大約2％到R12的大約4％。此處所述的用于電阻層24的材料和其相應(yīng)TRC值和溫度漂移本質(zhì)上是示范性的，而不應(yīng)解釋為對本發(fā)明范圍的限制。具有如前所述的充足TCR特性的任何電阻材料可被用于電阻層24，而仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
由于依照本發(fā)明使用多個具有溫度感測能力的分層加熱器，必須為雙線控制器14提供關(guān)于加熱器、特別是關(guān)于電阻層24的某些信息，從而適當(dāng)?shù)匦?zhǔn)整個加熱器系統(tǒng)。這種校準(zhǔn)所需的參數(shù)包括冷電阻(cold resistance)、測量冷電阻值時的溫度、以及某些TCR特性(一個溫度下和/或一個溫度范圍內(nèi)的TCR)，以從加熱器電阻計算中確定加熱器溫度。優(yōu)選地，系統(tǒng)自動地基于利用雙線控制器所測出的電壓和電流計算每個分層加熱器12的冷電阻，雙線控制器將在下文予以更詳盡的描述。此外，每個分層加熱器12的TCR特性必須用人工和/或電子方法被輸入到系統(tǒng)、例如雙線控制器中。根據(jù)例如用于電阻層24的材料是否來自共同制造批量，這些值可被分別輸入，或作為一個值被輸入用于所有加熱器12。無論如何，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，即冷電阻、冷電阻溫度和每個分層加熱器12的TCR優(yōu)選地被輸入到雙線控制器，用于加熱器系統(tǒng)10的更準(zhǔn)確和受控的操作。
可以使用多種提供TCR特性和每個分層加熱器12的冷電阻數(shù)據(jù)給雙線控制器14的方法，而仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，每個分層加熱器12可包括條形碼標(biāo)簽，其被操作員掃描以將冷電阻數(shù)據(jù)和TCR特性下載到雙線控制器14?？蛇x地，可以將智能卡芯片或其它電子裝置加到每個分層加熱器12上，這些芯片和裝置同樣可以被操作員掃描以將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)下載到雙線控制器14。在再一種形式中，可通過因特網(wǎng)將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)下載到雙線控制器14，例如通過供應(yīng)商站點。可選地，TCR特性和冷電阻數(shù)據(jù)可被預(yù)先編程到雙線控制器14中。
除了電阻數(shù)據(jù)和TCR的校準(zhǔn)之外，依照本發(fā)明的加熱器系統(tǒng)10還提供對于電引線30的電阻補償。由于電引線30增加了電路的電阻，所以如果沒有提供對電阻增加的補償，很可能導(dǎo)致溫度誤差。此外，用于電引線30的材料可具有高于電阻層24的TCR，這導(dǎo)致電引線30的部分被裸露在更高溫度下從而產(chǎn)生更大電阻。因此，雙線控制器14也提供電引線電阻的校準(zhǔn)。
雙線控制器14優(yōu)選地被設(shè)計具有溫度校準(zhǔn)功能，這進一步減少了由于漂移產(chǎn)生的長期溫度誤差。一種溫度校準(zhǔn)方法是通過使用一個或多個預(yù)先存在的熱電偶或其它預(yù)先存在的溫度傳感器來實現(xiàn)的，以確定溫度和溫度的穩(wěn)定性。然后，來自熱電偶的溫度數(shù)據(jù)被傳送到雙線控制器14，用于電阻校準(zhǔn)。另外，如果合適，分層加熱器12的所測量的冷電阻的變化可以用來計算新的TCR值。在另一種溫度校準(zhǔn)形式里，雙線控制器14優(yōu)選包含提供溫度偏移參數(shù)輸入的校準(zhǔn)偏移特征。當(dāng)分層加熱器12的位置距感測溫度的最佳位置一段距離時，需要這樣的偏移。因此，可以使用溫度偏移變量，使得加熱器系統(tǒng)10提供更準(zhǔn)確地表示最佳位置處實際溫度的溫度。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向如圖4a-4c所示分層加熱器12的構(gòu)造，電阻層24優(yōu)選以圖案40設(shè)置在介電層22上，圖案40產(chǎn)生被加熱的給定襯底或元件的理想溫度分布。圖4a示出基于襯底20a矩形輪廓的矩形圖案40a中的電阻層24a。圖4b示出基于襯底20b圓形輪廓的圓形圖案40b中的電阻層24b。圖4c示出了基于襯底20c圓柱形的螺旋圖案40c中的電阻層24c。此外，圖案40a-c的寬度“W”和/或間距“P”也可根據(jù)加熱器系統(tǒng)的具體加熱要求而改變。因此，電阻層24a的圖案優(yōu)選地按加熱器系統(tǒng)10的每種應(yīng)用而定做。此處所圖解的圖案只是示范性的，并不為了限制本發(fā)明的范圍。
包含每一層和端接盤28的分層加熱器12也可依照美國專利No.6,410,894、6,222,166、6,037,574、5,973,296和5,714,738來構(gòu)造，而仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)，這些專利與本發(fā)明共同被轉(zhuǎn)讓且其全部內(nèi)容以參考方式并入本發(fā)明。因此，為了清晰的目的，此處沒有包含關(guān)于其他材料、制造技術(shù)、和構(gòu)造方法的附加特性，并因此對于這些附加信息參照以參考方式并入此處的專利。
雙線控制器(14)雙線控制器14的一種形式在圖5中以方框圖的形式被圖解。如圖所示，雙線控制器14通常包含電源50、電壓電流測量元件52、功率調(diào)節(jié)器元件54、和與分層加熱器12通信的微處理器56。微處理器56也與通信元件58通信，其中來自加熱器系統(tǒng)10的某些輸出(例如溫度讀數(shù))被遞送，且其中輸入(例如，更新的TCR值、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、溫度設(shè)置點、電阻設(shè)置點)可以被提供給加熱器系統(tǒng)10。
現(xiàn)在參照圖6，更詳細地說明雙線控制器14的電壓測量元件52。通常，雙線控制器14在交流功率循環(huán)零交叉間隔(AC power cyclezero-cross interval)期間將直流偏置或低電平直流電流應(yīng)用于分層加熱器12，使得電流值與額定加熱器電阻相乘得到在零值每側(cè)上一段時間內(nèi)比零交叉點上全波電壓高的電壓。在此時間間隔里，分層加熱器12的電壓被放大并與參考電壓相比較，然后如下面進一步所述地那樣控制提供給加熱器12的功率。美國專利No.4,736,091中進一步示出并描述了直流偏置的應(yīng)用，該專利與本發(fā)明被共同轉(zhuǎn)讓且其整個內(nèi)容以參考方式包括進本發(fā)明。在本發(fā)明的另一實施例中，交流電流可用做偏置，以代替直流偏置，以確定分層加熱器12的電阻。
如圖所示，雙線控制器14包括晶體管60，二極管62，和第一電阻器64，其中第一電阻器64與分層加熱器12一起形成分壓器。對于直流偏置，晶體管60在零交叉間隔期間接通一個短的時間間隔，例如200μs，并在加熱器接收功率時進一步防止電流在負半周期里流過電源50(未示出)。另外，當(dāng)加熱器接收功率時，二極管62阻止電流在負半周期里流過電源50。于是，分層加熱器12的輸出通過第二電阻器66被送入運算放大器電路68，該運算放大器電路68包括放大器70和電阻器72、73及76。因此，放大器70的電壓輸出被用來計算電阻和確定分層加熱器12的溫度，其中放大器70的電壓輸出通過微處理器56中的A/D轉(zhuǎn)換器讀出。此外，在直流偏置時間周期期間，放大器70的輸出電壓從模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并且如果所計算的電阻或分層加熱器12溫度使得控制算法已經(jīng)確定需要來自分層加熱器12的附加功率，則來自于三端可控硅開關(guān)80的門脈沖被傳送給分層加熱器12。如進一步所示，場效應(yīng)晶體管82鉗制放大器70的輸入，從而防止當(dāng)加熱器接收線功率時放大器70在正負半周期中都被過驅(qū)動。
下文中更詳細地描述的微處理器56一般通過輸出控制843、偏置控制86、和加熱器輸出88與所示電路通信。此外，微處理器56還包括固件90，和/或軟件(未示出)。固件90可被編程用于各種功能，包括但不局限于允許半周期傳送功率以提高可控性，或者依照IEEE519的全周期功率傳送。作為另一范例，固件90可包括控制算法以補償熱瞬態(tài)響應(yīng)和其它上述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。因此，微處理器56與直流偏置回路結(jié)合使用，以便確定分層加熱器12的溫度并更有效地控制提供給加熱器12的功率。
現(xiàn)在，圖7更詳盡地示出了雙線控制器14的進一步擴展。如圖所示，電源50優(yōu)選為非隔離的并與線性調(diào)節(jié)器100電容式耦合的。因此，電源50將交變電流向下調(diào)節(jié)至操作所需的指定值。如進一步所示，來自電源50的零交叉(直流偏置)的正弦波與微處理器56通信。在零交叉間隔期間，直流偏置通過晶體管102、二極管104、和電阻器106被施加。分層加熱器12上的電壓通過放大器108被放大和偏置，而放大器110被用來作為微處理器56中A/D轉(zhuǎn)換器的對溫度變化的參考。
分層加熱器12的電壓和電流變化的測量是用雙放大器112和114及模擬開關(guān)116和118實現(xiàn)，其中電壓信號的變化通過放大器112和模擬開關(guān)116，電流變化通過放大器114和模擬開關(guān)118。如進一步所示，電流變化用分流電阻器116測量。此外，雙線控制器14包括三端雙向可控硅開關(guān)120，其在零交叉點不導(dǎo)電，但在每個半周期導(dǎo)電。在直流偏置間隔期間，如果所測量的電阻使得控制算法已經(jīng)確定需要來自分層加熱器12的附加功率，則進行A/D轉(zhuǎn)換，并且三端雙向可控硅開關(guān)120傳送脈沖。因此，通過圖7所示電路、即直流偏置電路和分流電阻器電路，提供兩種計算電阻的方法。此外，雖然本發(fā)明優(yōu)選測量電壓和電流以確定電阻，但是也可以使用確定電阻的其他方法，諸如電壓門或使用已知電流，這仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在另一個實施例中，三端雙向可控硅開關(guān)120優(yōu)選為隨機啟動(random fire)三端雙向可控硅開關(guān)，使得分層加熱器12被以高導(dǎo)通角啟動，以減少采樣過程中傳送到分層加熱器的能量。例如，以160°和340°的導(dǎo)通角啟動分層加熱器12允許在120Hz頻率下充分采樣，同時減少到分層加熱器12的功率輸入?？蛇x地，在僅160°或僅340°的采樣可能產(chǎn)生60Hz的采樣率，同時進一步將功率減少一半。此外，當(dāng)使用隨機啟動三端雙向可控硅開關(guān)時，當(dāng)溫度(或另一形式中的電阻)接近設(shè)置點時，可以通過以更小增量傳送功率而應(yīng)用任何比率函數(shù)。因此，分層加熱器12被以越來越高的導(dǎo)通角燒成全線循環(huán)。
進一步如圖所示，到雙線控制器14的通信以及來自雙線控制器14的通信在微處理器56的相對側(cè)上進行。除了線收發(fā)器128之外，通信元件58包含一系列光隔離器122、124、和126。因此，通信可通過任意數(shù)目的協(xié)議進行，例如包括此處闡述的RS-485通信。除了其它功能之外，可利用此通信接口輸入校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
如圖所示，利用ISP(系統(tǒng)內(nèi)編程In-System Programming)連接來將固件90加載到微處理器56中。因此，可以有效地完成對雙線控制器14中設(shè)置的某些修改，包括前述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的輸入。
如圖7詳細所示，特定電路元件與電路元件的值和配置一起，(例如電阻器值，電容器值等)是雙線控制器14的一種形式的范例，其不應(yīng)被解釋為對本發(fā)明范圍的限制。因此，交變電路元件、配置、和值以及測量電路拓撲結(jié)構(gòu)的電阻可以在此處所定義的雙線結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)，這仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
熱流道噴嘴應(yīng)用如圖8所示，依照本發(fā)明原理的加熱器系統(tǒng)10的一種已知應(yīng)用是用于注模系統(tǒng)中的熱流道。熱流道150通常設(shè)置在熱流道成型系統(tǒng)152內(nèi)，該系統(tǒng)還包括多個成型布線通道154，該布線通道提供從鄰近熱流道150的加熱器(未示出)到此處所述的雙線控制器(未示出)的電引線(未示出)的引導(dǎo)。由于每個加熱器既充當(dāng)加熱元件又充當(dāng)溫度傳感器，所以每個加熱器只需要一組引線，而不是一組引線用于加熱器，而另一組引線用于溫度傳感器。因此，穿過成型布線通道154的引線數(shù)目減少一半，相關(guān)的體積和復(fù)雜性被顯著減少。
此外，注模設(shè)備通常包括從控制器到熱流道成型系統(tǒng)152的管道164，其中所有引線及其它相關(guān)電氣元件置于其中。隨著本發(fā)明所提供的引線數(shù)目的顯著減少，管道164的尺寸和體積也被顯著減少。而且，由于溫度通過加熱器的整個電阻層被感測，所以溫度是在一段長度上被感測的而不是傳統(tǒng)熱電偶的在一個點上被感測。
現(xiàn)在參照圖9和圖10更詳細地圖解用于熱流道噴嘴150’的加熱器系統(tǒng)。加熱器系統(tǒng)200包括設(shè)置在熱流道噴嘴150’主體203周圍的分層加熱器202，和通過一組引線205與分層加熱器202通信的雙線控制器204。分層加熱器202還包括襯底206，該襯底被配置與環(huán)繞熱流道噴嘴150’的幾何形狀(如圖所示為圓柱形)相配合。分層加熱器202還包括設(shè)置在襯底206上的介電層208、設(shè)置在介電層208上的電阻層210、和設(shè)置在電阻層210上的保護層214。如圖進一步所示，端接盤216設(shè)置在介電層208上并與電阻層210接觸。因此，電引線205與端接盤216接觸并將電阻層210連接到雙線控制器204。因此，加熱器系統(tǒng)200僅需要一組電引線205，而不是一組電引線用于分層加熱器202，另一組電引線用于單獨的溫度傳感器。
如圖11所示，在一個可選實施例中，分層加熱器202’設(shè)置在熱流道噴嘴150’的外表面220上，而不是如前所述設(shè)置在獨立襯底上。同樣，分層加熱器202’包括設(shè)置在外表面220上的介電層208’、設(shè)置在介電層208’上的電阻層210’、和設(shè)置在電阻層210’上的保護層214’。端接盤216’同樣設(shè)置在介電層208’上，并與電阻層210’接觸。如圖進一步所示，一組引線205’將加熱器202’連接到雙線控制器204’。
在本發(fā)明另一個實施例中，在圖12中提供并圖解了用使用單獨溫度傳感器-例如熱電偶、RTD、熱敏電阻-的現(xiàn)有控制器改型根據(jù)本發(fā)明的加熱器系統(tǒng)的組合方案。如圖所示，在分層加熱器232和現(xiàn)有溫度控制器234之間提供雙線模塊230。溫度控制器234包括溫度傳感器輸入端236和功率輸出端238。因此，雙線模塊230如前所述包含雙線電阻測量電路，且雙線模塊230中計算出的溫度被傳送到現(xiàn)有溫度控制器234的溫度傳感器輸入端236。基于這些溫度輸入，溫度控制器234通過功率輸出端238控制分層加熱器232。應(yīng)該明白，功率控制可以是溫度控制器234的一部分，或者可以是所示的獨立功率控制器240，而這都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，現(xiàn)有溫度控制器可用雙線模塊230來改型以實現(xiàn)本發(fā)明的加熱器系統(tǒng)，而不需要對現(xiàn)有系統(tǒng)進行實質(zhì)上的再加工和修正。
現(xiàn)在參照圖13，圖解依照本發(fā)明的加熱器系統(tǒng)的另一實施例，其中該實施例減少引線數(shù)目，并且整體由標(biāo)識號300表示。加熱器系統(tǒng)300包括分層加熱器302和按前文所述運行的控制器304，其中分層加熱器302的電阻層(未示出)既是加熱元件又是溫度傳感器。加熱器系統(tǒng)300還包括電源306，此電源在本發(fā)明一個實施例中優(yōu)選為低電壓的，其為分層加熱器302提供功率。分層加熱器302如圖所示通過一組電引線308并通過裝置310的主體或結(jié)構(gòu)(例如熱流道噴嘴系統(tǒng)成型)而與控制器304連接，其中裝置310被設(shè)計為公共回線或中性線，其中公共回線裝置310提供從分層加熱器302到控制器304的電氣返回。加熱器系統(tǒng)300使用裝置310材料的電氣導(dǎo)通性以實現(xiàn)電路，并因此需要電源306來限制流過裝置310的電流電平。因此，由于裝置結(jié)構(gòu)310被用來將分層加熱器302與控制器304連接，所以另一電引線被省去，使得控制器304有效地是“單線控制器”。
本發(fā)明的說明書本質(zhì)上只是示范性的，因此不脫離本發(fā)明要旨的變動仍被認為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這些變動不被視為是對本發(fā)明的精神和范圍的背離。
權(quán)利要求
1.一種加熱器系統(tǒng)，包括厚膜加熱器，限定襯底；設(shè)置在所述襯底上的介電層；設(shè)置在所述介電層上的電阻層，其中所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；和設(shè)置在所述電阻層上的保護層；以及與所述厚膜加熱器通信的雙線控制器，其中所述雙線控制器通過使用所述電阻層的電阻而確定所述厚膜加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度。
2.一種加熱器系統(tǒng)，包括厚膜加熱器，包括至少一個電阻層，其中所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；和連接到所述電阻層的雙線控制器，其中所述雙線控制器通過使用所述電阻層的電阻確定所述厚膜加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度。
3.一種加熱器系統(tǒng)，包括薄膜加熱器，包括至少一個電阻層，其中所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；和連接到所述電阻層的雙線控制器，其中所述雙線控制器通過使用所述電阻層的電阻而確定所述薄膜加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度。
4.一種加熱器系統(tǒng)，包括熱噴涂加熱器，包括至少一個電阻層，其中所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；和連接到所述電阻層的雙線控制器，其中所述雙線控制器通過使用電阻層的電阻而確定所述熱噴涂加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度。
5.一種加熱器系統(tǒng)，包括溶膠凝膠加熱器，包括至少一個電阻層，其中所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；和連接到所述電阻層的雙線控制器，其中所述雙線控制器通過使用所述電阻層的電阻確定所述溶膠凝膠加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度。
6.一種加熱器系統(tǒng)，包括分層加熱器，包括至少一個電阻層，其中所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；和連接到所述電阻層的雙線控制器，其中所述雙線控制器通過使用所述電阻層的電阻而確定所述分層加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度。
7.如權(quán)利要求6所述的加熱器系統(tǒng)，其中所述雙線控制器包括用于計算所述電阻層的電阻的直流偏置控制。
8.如權(quán)利要求6所述的加熱器系統(tǒng)，其中所述雙線控制器包括用于計算所述電阻層的電阻的交流偏置控制。
9.如權(quán)利要求6所述的加熱器系統(tǒng)，其中所述雙線控制器包括高導(dǎo)通角啟動。
10.如權(quán)利要求6所述的加熱器系統(tǒng)，其中所述雙線控制器包括用于計算所述電阻層的電阻的分流電阻器。
11.如權(quán)利要求6所述的加熱器系統(tǒng)，其中所述雙線控制器還包括微處理器。
12.如權(quán)利要求6所述的加熱器系統(tǒng)，其中所述電阻層限定從包括螺旋形、矩形、和圓形的一組中所選出的圖案。
13.如權(quán)利要求6所述的加熱器系統(tǒng)，其中所述雙線控制器還包括固件。
14.一種加熱器系統(tǒng)，包括厚膜加熱器，限定介電層；設(shè)置在所述介電層上的電阻層，其中所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；和設(shè)置在所述電阻層上的保護層；和與所述厚膜加熱器通信的雙線控制器，其中所述雙線控制器通過使用所述電阻層的電阻而確定所述厚膜加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度。
15.一種熱流道噴嘴加熱器系統(tǒng)，包括至少一個熱流道噴嘴；與所述熱流道噴嘴鄰近設(shè)置的襯底；設(shè)置在所述襯底上的介電層；設(shè)置在所述介電層上的電阻層，其中所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；設(shè)置在所述電阻層上的保護層；和連接到所述電阻層的雙線控制器，其中所述雙線控制器通過使用所述電阻層的電阻而確定所述加熱器系統(tǒng)的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器系統(tǒng)溫度。
16.一種熱流道噴嘴加熱器系統(tǒng)，包括至少一個熱流道噴嘴；和至少一個與所述熱流道噴嘴鄰近設(shè)置的電阻層，其中所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；和連接到所述電阻層的雙線控制器，其中所述雙線控制器通過使用所述電阻層的電阻而確定所述加熱器系統(tǒng)的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器系統(tǒng)溫度。
17.一種用于與現(xiàn)有溫度控制器一起使用的加熱器系統(tǒng)，其中所述現(xiàn)有溫度控制器具有至少一個溫度感測輸入端和功率輸出端，其特征在于，包括至少一個分層加熱器，其中所述分層加熱器包括至少一個電阻層，所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；和至少一個連接到所述分層加熱器和所述溫度控制器的雙線模塊，其中所述雙線模塊通過使用所述電阻層的電阻而確定所述分層加熱器的溫度，并將所述分層加熱器的溫度傳送到所述溫度控制器輸入端，而所述溫度控制器傳送功率輸出到所述雙線模塊。
18.一種加熱器系統(tǒng)，包括分層加熱器，包括至少一個電阻層，其中所述電阻層具有充足的電阻特性溫度系數(shù)，使得所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器；連接到所述電阻層的電引線；通過所述電引線連接到所述電阻層的控制器，其中所述控制器通過使用所述電阻層的電阻而確定所述分層加熱器的溫度，并相應(yīng)地控制加熱器溫度；連接到所述分層加熱器的公共回線裝置；和連接到所述控制器的電源，其中所述公共回線裝置提供從所述分層加熱器到所述控制器的電氣返回。
19.一種操作分層加熱器的方法，包括以下步驟通過一組連接到所述分層加熱器的電阻層上的電引線為所述分層加熱器提供功率；和利用通過所述一組電引線連接到所述分層加熱器的雙線控制器計算所述電阻層的溫度；其中所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括電阻數(shù)據(jù)校準(zhǔn)步驟。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括引線校準(zhǔn)步驟。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括溫度校準(zhǔn)步驟。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括TCR校準(zhǔn)步驟。
24.一種操作與熱流道噴嘴系統(tǒng)結(jié)合的分層加熱器的方法，包含步驟通過一組連接到所述分層加熱器的電阻層上的電引線為所述分層加熱器提供功率；和利用通過所述一組電引線連接到所述分層加熱器的雙線控制器計算所述電阻層的溫度；其中所述電阻層是加熱器元件和溫度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包括與雙線控制器通信的分層加熱器的加熱器系統(tǒng)，其中分層加熱器的電阻層既是加熱元件又是溫度傳感器。因此，雙線控制器通過電阻層的電阻確定溫度，并通過電源控制加熱器的溫度。此外，本發(fā)明提供一種通過分層加熱器與雙線控制器通信的加熱器系統(tǒng)，該加熱器系統(tǒng)是對注模系統(tǒng)的熱流道噴嘴的具體應(yīng)用。
文檔編號H05B3/46GK101077035SQ200480038564
公開日2007年11月21日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月21日
發(fā)明者肯尼斯·F.·芬尼沃爾德, 威廉·A.·麥克道威爾三世, 凱文·塔森斯基, 路易斯·P.·斯坦豪澤 申請人:沃特洛電氣制造公司