感应加热方法和装置
阅读说明：本技术 感应加热方法和装置 (Induction heating method and apparatus ) 是由 L·M·菲利普 N·康登 于 2020-04-07 设计创作，主要内容包括：本发明的方面涉及一种用于加热部件(3)的感应加热系统(1)。感应加热系统(1)包括用于输出交变电流的功率模块(21-n),该功率模块(21-n)可操作以可变的供电频率输出交变电流。提供控制器(20)来标识被供应到所述至少一个感应元件(27-n)的交变电流的至少一个谐振频率()。控制器(20)被配置为取决于所述至少一个标识的谐振频率()来确定部件(3)的操作温度。本发明的方面还涉及感应加热控制器(20)；包括感应加热元件(27-n)的部件(3)；并且涉及一种通过电感加热来加热部件(3)的方法。(Aspects of the invention relate to an induction heating system (1) for heating a component (3). The induction heating system (1) comprises a power module (21-n) for outputting an alternating current, the power module (21-n) being operable to output the alternating current at a variable supply frequency. Providing a controller (20) to identify at least one resonance frequency of the alternating current supplied to the at least one inductive element (27-n), ( ). The controller (20) is configured to determine a resonance frequency of the at least one marker (f:, the controller ( ) To determine the operating temperature of the component (3). Aspects of the invention also relate to an induction heating controller (20); a component (3) comprising an induction heating element (27-n); and to a method of heating a component (3) by inductive heating.)
技术领域
本公开涉及感应加热方法和装置。本发明的方面涉及感应加热系统；感应加热控制器；包括感应加热元件的部件；以及通过电感加热来加热部件的方法。
背景技术
已知在工业过程中、例如在真空系统中利用温度管理系统（TMS）来加热管道、法兰、阀门和其他部件。已知的TMS传统上使用电阻加热器，该电阻加热器被绑在导管或其他部件上以提升它们的温度。热传递主要是通过从电阻加热器到导管或部件的传导。该类型的TMS在半导体真空处理和其他处理行业中无处不在。热量用于帮助减少或避免冷凝，或帮助系统中高成本或对服务有干扰的区域中的材料升华。然而，已知的TMS和电阻加热器具有一定的限制。例如，它们可能导致温度的不均匀性，从而导致冷点，该冷点最终确定了服务之间的平均时间（MTBS）。其他重要因素是总体温度（对于新过程存在朝向更高温度（高于150℃）的趋势）和热效率，这驱动了所有权成本。其他重要因素包括成本、可靠性、诊断加热器问题/故障的容易性以及安装的简单性。
本发明的目的是解决与现有技术相关联的一个或多个缺点。
发明内容
本发明的方面和实施例提供了感应加热系统；感应加热控制器；部件；和如所附权利要求书中要求保护的方法。
根据本发明的方面，提供了一种用于加热部件的感应加热系统，该感应加热系统包括：
至少一个感应元件，用于定位在部件外部的近端；
至少一个功率模块，用于向至少一个感应元件输出交变电流；和
控制器，被配置为标识供应到至少一个感应元件的交变电流的至少一个谐振频率；
其中控制器被配置为取决于至少一个标识的谐振频率来确定部件的操作温度。在使用中，供应到至少一个感应元件的交变电流生成交变磁场，用于在部件内部生成电流以执行加热。控制器可以通过监视供应到至少一个感应元件的电流来确定部件的温度。至少在某些实施例中，可以在没有对于单独温度传感器的情况下监视部件的操作温度。
控制器被配置为控制输出到至少一个感应元件的交变电流的供电频率。控制器可以被配置为控制至少一个功率模块的操作，例如控制输出到至少一个感应元件的交变电流的频率。根据本发明的感应加热系统生成交变电磁场，以直接在部件中生成热量。
至少在某些实施例中，部件的感应加热可以提供改进的效率，因为生成一定量的热量需要较少的电功率，特别是在较高的温度/热输入速率下。据信感应加热系统的某些实施例可以提供改进的可靠性，因为感应元件例如在维护期间可能不太容易损坏。例如在从共同的控制器加热若干个区或区域的情况下，感应加热系统可以提供改进的加热均匀性。设想感应加热系统可以能够生成高温，例如大于或等于200℃。由于感应元件不必接触部件，因此至少在某些实施例中，例如如果部件具有复杂的几何结构，则实现均匀的加热/温度可能更简单。部件的加热对该感应元件或每个感应元件与部件之间的间隙大小相对不敏感。还可以有可能的是消除对诸如一个或多个传感器的单独温度监视装置的需要，这可能增加特别是在安装期间的成本和复杂性。
控制器可以被配置为标识供应到至少一个感应元件的交变电流的至少一个谐振频率。通过标识至少一个谐振频率，控制器可以选择性地控制功率传输以执行部件的加热。
控制器可以被配置为控制功率模块来改变交变电流的供电频率。控制器可以测量作为供电频率函数的跨至少一个感应元件上的电流。控制器可以控制功率模块实现供电频率的基本上连续或递增（步进）改变。
控制器可以被配置为取决于交变电流的供电频率的改变来监视测量电流的改变。控制器可以被配置为标识在测量电流中的至少一个峰值。该峰值或每个峰值可以包括测量电流的增加或尖峰。该峰值或每个峰值可以与供电频率的离散子集或区域相关联。控制器可以标识与测量电流中的该峰值或每个峰值相对应的至少一个谐振频率。至少一个谐振频率的标识可以包括标识与测量电流中的该峰值或每个峰值相对应的交变电流的一个或多个供电频率。导致测量电流中峰值的每个供电频率可以指示谐振电感耦合。在该感应元件或每个感应元件与部件之间建立该谐振电感耦合或每个谐振电感耦合。谐振导致电流与施加的电压之间的相移减小，从而导致电路阻抗减小，这导致跨至少一个感应元件上的电流增加。传递到部件的功率在谐振频率下增加。
控制器可以被配置为标识与在测量电流中检测到的该峰值或每个峰值相对应的功率模块的一个或多个供电频率。例如，如果并联多于一个感应元件，则每个峰值可以对应于单独的谐振频率。控制器可以被配置为标识在测量电流中的多个峰值。每个峰值可以指示单独感应元件中的谐振频率。
控制器可以被配置为确定施加到至少一个感应元件的电压与至少一个感应元件中的电流之间的相位差。可以取决于确定的相位差来标识至少一个谐振频率。控制器可以被配置为控制功率模块来改变交变电流的供电频率并确定相位差。至少一个谐振频率的标识可以包括标识导致相位差至少基本上为零的一个或多个供电频率。
感应加热系统可以包括多个感应元件。控制器可以被配置为标识被供应到感应元件的交变电流的多个谐振频率。控制器可以标识每个感应元件的离散谐振频率。
控制器被配置为取决于标识的谐振频率来确定部件的操作温度。控制器可以被配置为确定与感应元件中的特定一个相关联的部件的区段或区域的操作温度。至少在某些实施例中，控制器可以确定部件的一部分的局部操作温度。例如，控制器可以取决于与部件的区段或区域相关联的感应元件的标识谐振频率来确定该区段或区域的局部操作温度。
根据本发明的另外方面，提供了一种用于加热部件的感应加热系统，该感应加热系统包括：
多个感应元件，用于定位在部件外部的近端；
至少一个功率模块，用于向感应元件输出交变电流；和
控制器，被配置为标识被供应到至少一个感应元件的交变电流的多个谐振频率。控制器可以标识每个感应元件的离散谐振频率。控制器可以被配置为控制至少一个功率模块的操作，例如控制输出到感应元件的交变电流的频率。
输出到感应元件的交变电流生成交变磁场，用于在部件内部生成电流以执行加热。控制器可以被配置为控制功率模块以控制交变电流的供电频率。
控制器可以被配置为取决于多个标识的谐振频率来确定有多少感应元件并联连接到功率模块。每个标识的谐振频率可以指示单独的感应元件。控制器可以确定每个标识的谐振频率指示感应元件的存在。控制器可以对标识的谐振频率的数量进行计数，并确定该计数的结果是感应元件的总数。控制器可以标识一个或多个谐振频率，每个谐振频率对应于感应加热系统中的感应元件。
控制器可以被配置为取决于标识的谐振频率来确定部件的操作温度。控制器可以确定与感应元件中的特定一个相关联的部件的区段或区域的操作温度。至少在某些实施例中，控制器可以确定部件的一部分的局部操作温度。例如，控制器可以取决于与部件的区段或区域相关联的感应元件的标识谐振频率来确定该区段或区域的局部操作温度。
控制器可以被配置为控制功率模块来改变交变电流的供电频率。控制器可以测量作为供电频率函数的跨至少一个感应元件上的电流。控制器可以控制功率模块实现供电频率的基本上连续或递增（步进）改变。
控制器可以被配置为取决于交变电流的供电频率的改变来监视测量电流的改变。控制器可以被配置为标识在测量电流中的多个峰值。该峰值或每个峰值可以包括测量电流的增加或尖峰。该峰值或每个峰值可以与供电频率的离散子集或区域相关联。控制器可以标识与测量电流中每个峰值相对应的谐振频率。多个谐振频率的标识可以包括标识与测量电流中峰值相对应的交变电流的供电频率。导致测量电流中峰值的每个供电频率可以指示谐振电感耦合。谐振电感耦合可以建立在感应元件与部件之间。谐振导致电流与施加的电压之间的相移减小，从而导致电路阻抗减小，这导致跨至少一个感应元件上的电流增加。传递到部件的功率在谐振频率下增加。
控制器可以被配置为标识与在测量电流中检测到的每个峰值相对应的功率模块的供电频率。例如，如果并联多于一个感应元件，则每个峰值可以对应于单独的谐振频率。控制器可以被配置为标识在测量电流中的多个峰值。每个峰值可以指示单独感应元件中的谐振频率。
控制器可以被配置为控制功率模块以减小供电频率与标识的谐振频率之间的频率偏移，从而增加或维持部件的加热；和/或增加供电频率与标识的谐振频率之间的频率偏移，以减少部件的加热。该控制策略可以针对每个标识的谐振频率来执行。如果控制器标识多个谐振频率，则可以相对于每个标识的谐振频率来控制供电频率与标识的谐振频率之间的频率偏移。该控制策略可以使能实现多个感应元件中的每一个的热控制。
控制器可以被配置为选择性地控制功率模块，以控制输出到至少一个感应元件的交变电流的供电频率，从而将部件维持在目标温度。
替代地或附加地，控制器可以被配置为选择性地控制功率模块，以控制被供应到至少一个感应元件的电压，从而将部件维持在目标温度。供电电压可以选择性地接通和关断，以控制部件的温度。
控制器可以被配置为取决于标识的谐振频率来确定部件的操作温度。替代地或附加地，控制器可以具有用于从诸如热电偶的温度传感器接收温度信号的输入。
感应加热系统可以包括多个感应元件。感应元件可以并联或串联连接到功率模块。
每个感应元件可以具有与之相关联的（一个或多个）电容器。与每个感应元件相关联的（一个或多个）电容器可以具有不同的电容。与每个感应元件相关联的（一个或多个）电容器可以具有唯一的电容。作为示例，与第一感应元件相关联的第一电容器可以具有与同第二感应元件相关联的第二电容器不同的电容。至少在某些实施例中，与感应元件相关联的电容器的不同电容可以导致每个感应元件的不同谐振频率。控制器由此可以标识每个感应元件的存在或不存在。
（一个或多个）电容器可以在感应元件中提供。替代地或附加地，（一个或多个）电容器可以在功率模块中提供。
根据本发明的另外方面，提供了一种用于加热部件的感应加热系统，该感应加热系统包括：
功率模块，用于向第一感应元件和第二感应元件输出交变电流，第一感应元件和第二感应元件并联连接；
与第一感应元件相关联的第一电容器，以及与第二感应元件相关联的第二电容器，第一和第二电容器具有不同的电容。至少在某些实施例中，第一和第二电容器的不同电容可以导致第一和第二感应元件的不同谐振频率。感应加热系统可以包括控制器，该控制器被配置为取决于谐振频率的标识来标识第一和第二感应元件中的每一个的存在或不存在。将理解，感应加热系统可以包括一个或多个附加的感应元件，每个附加的感应元件具有与之相关联的电容器。感应加热中的电容器可以各自具有不同的电容。
第一和第二电容器可以在功率模块中提供。替代地，第一和第二电容器可以分别在第一和第二感应元件中提供。
感应加热系统可以包括控制器。控制器可以被配置为标识被供应到第一和第二感应元件的交变电流的第一和第二谐振频率。控制器可以被配置为取决于第一和第二谐振频率的标识来标识第一和第二感应元件的存在和不存在。
感应加热系统可以包括多个功率模块。每个功率模块可以被配置为向多个感应元件中的一个或多个供应交变电流。
功率模块可以以菊花链的布置彼此连接。功率模块可以彼此串联连接。功率模块可以连接到公共电源，例如主电源。主电源可以是例如在100 V到460 V的范围内的通用电压。
控制器可以被配置为彼此独立地控制功率模块。控制信号可以从控制器在功率模块之间例如沿着形成菊花链布置的连接传输。
每个感应元件可以包括电感线圈或由电感线圈组成。
部件是导电的。部件可以例如由金属或金属合金组成。部件可以包括导管或由导管组成。
根据本发明的另外方面，提供了一种用于控制变频交流（AC）功率模块的感应加热控制器，该变频交流（AC）功率模块被配置为向至少一个感应元件供应交变电流，控制器包括至少一个处理器和存储器设备，至少一个处理器被配置为：
改变交变电流的供电频率；和
当交变电流的供电频率改变时，监视至少一个感应元件中的电流；
标识由功率模块供应到至少一个感应元件的交变电流的至少一个谐振频率；和
取决于至少一个标识的谐振频率来确定部件的操作温度。
至少一个处理器可以被配置为通过标识在测量电流中指示至少一个谐振电感耦合的至少一个峰值来标识至少一个谐振频率。
至少一个处理器可以被配置为确定在施加到至少一个感应元件的电压与至少一个感应元件中的电流之间的相位差。可以取决于确定的相位差来标识至少一个谐振频率。至少一个处理器可以被配置为控制功率模块改变交变电流的供电频率并确定相位差。至少一个谐振频率的标识可以包括标识导致相位差至少基本上为零的供电频率。
根据本发明的另外方面，提供了一种用于向第一感应元件和第二感应元件输出交变电流的功率模块，该功率模块包括：
用于连接到第一感应元件的第一输出；和
用于连接到第二感应元件的第二输出；
第一和第二输出被配置为将第一和第二感应元件彼此并联连接；
其中第一电容器与第一输出相关联，并且第二电容器与第二输出相关联，第一和第二电容器具有不同的电容。第一和第二电容器的不同电容可以导致第一和第二感应元件的不同谐振频率。当连接到第一感应元件时，第一电容器可以与第一感应元件串联布置。当连接到第二感应元件时，第二电容器可以与第二感应元件串联布置。可以提供控制器来取决于不同谐振频率的标识来检测第一和第二感应元件中的每一个的存在和不存在。
根据本发明的仍另外方面，提供了一种包括至少一个集成感应元件的部件，该至少一个集成感应元件用于连接到交流（AC）功率模块以生成交变磁场，用于在部件内部生成电流以执行加热。感应元件可以包括电感线圈或由电感线圈组成。电绝缘体可以提供在部件和电感线圈之间。例如，可以在部件和电感线圈之间提供电绝缘片材或面板。片材或面板还可以可选地具有隔热特性，以减少从部件的热损失。感应元件可以形成为单独的部件，并且然后紧固到该部件。该部件可以具有一体化构造。至少一个感应元件可以永久地附接。
根据本发明的另外方面，提供了一种包括感应元件的感应加热设备，该感应元件用于连接到交流（AC）功率模块以生成交变磁场，用于在导电部件内部生成电流以执行加热，该感应元件具有纵向交替配置。感应元件可以包括电感线圈或由电感线圈组成。电感线圈可以包括纵向交替配置。电感线圈可以设置在单个平面中。在使用中，基底可以被配置为定位在部件近端或与部件接触。
感应加热设备可以包括用于使电感线圈电绝缘的装置。感应元件可以设置在电绝缘构件上，用于抵靠部件定位。电绝缘构件可以是可变形的，以促进将感应元件定位在部件近端或与部件接触。
根据本发明的另外方面，提供了一种包括感应元件的感应加热设备，该感应元件用于连接到交流（AC）功率模块，以生成交变磁场，用于在导电部件内部生成电流以执行加热。
感应加热设备可以被配置为连接到另一个类似的感应加热设备。感应加热设备可以包括用于连接到类似感应加热设备的连接器。感应加热设备可以被配置为并联连接到另一个类似的感应设备。感应加热设备可以配置为以菊花链配置连接在一起。
感应加热设备可以包括与感应元件相关联的电容器。电容器可以与感应元件串联布置。感应加热设备可以通过标识受电容器电容影响的谐振频率而在加热感应系统内可标识。可以供应包括多个感应加热设备的集合，感应加热设备可以各自具有不同的电容。不同的电容可以导致每个感应加热设备中感应元件的不同谐振频率。可以提供控制器来取决于不同谐振频率的标识来检测每个感应加热设备的存在和不存在。
根据本发明的方面，提供了一种用于加热部件的感应加热系统，该感应加热系统包括：
用于输出交变电流的功率模块，该功率模块可操作以可变的供电频率输出交变电流；
控制器，用于选择性地控制功率模块以控制交变电流的供电频率；和
至少一个感应元件，用于定位在部件外部的近端；
其中，功率模块被配置为向至少一个感应元件供应交变电流，以生成交变磁场，用于在部件内部生成电流以执行加热。
根据本发明的仍另外方面，提供了一种通过电感加热来加热部件的方法，该方法包括：
向设置在部件外部近端的至少一个感应元件输出交变电流；
确定输出到至少一个感应元件的交变电流的至少一个谐振频率；和
取决于至少一个标识的谐振频率确定部件的操作温度。
该方法可以包括控制输出到至少一个感应元件的交变电流的供电频率。至少一个谐振频率可以随着供电频率改变而确定。
该方法可以包括测量作为供电频率函数的跨至少一个感应元件上的电流。该方法可以包括取决于交变电流的供电频率的改变来监视测量电流的改变。标识至少一个谐振频率可以包括标识在测量电流中的至少一个峰值，以及标识由功率模块输出的交变电流的对应谐振频率。
该方法可以包括取决于交变电流的供电频率的改变来确定施加到至少一个感应元件的电压与感应元件中的电流之间的相位差。该谐振频率或每个谐振频率的标识可以包括标识相位差何时至少基本上为零（0）。
交变电流可以输出到多个感应元件。感应元件可以并联连接。该方法可以包括标识被供应到感应元件的交变电流的多个谐振频率。该方法可以包括取决于多个谐振频率确定有多少感应元件被连接。
交变电流可以输出到至少一个感应元件以生成交变磁场，用于在部件内部生成电流以执行加热。
该方法可以包括控制交变电流的供电频率。控制器可以改变被供应到至少一个感应元件的交变电流的供电频率。供电频率的改变可以基本上连续或递增地实现。
该方法可以包括取决于交变电流的供电频率的改变来监视测量电流的改变。
该方法可以包括标识在测量电流中的至少一个峰值。至少一个峰值可以表示阻抗的降低，这可以指示例如在感应元件与部件之间的谐振电感耦合的建立。可以标识由功率模块输出的交变电流的谐振频率。当交变电流的供电频率至少基本上等于谐振频率时，传递到部件的功率增加。
该方法可以包括标识在测量电流中的多个峰值。每个峰值可以指示相应感应元件中的谐振电感耦合。
该方法可以包括取决于对测量电流中的至少一个峰值的标识来确定有多少感应元件并联连接到功率模块。该方法可以包括对测量电流中的峰值数量进行计数，以确定出现多少谐振频率。该计数的结果可以表示感应元件的总数。该方法可以包括标识与一个或多个感应元件相对应的一个或多个峰值（表示相应的谐振频率）。
该方法可以包括标识与在测量电流中检测到的每个峰值相对应的功率模块的供电频率。
该方法可以包括控制供电频率以控制部件的温度。瞬时供电频率与标识的谐振频率之间的频率偏移。该方法可以包括减小频率偏移，以增加或维持部件的加热。替代地或附加地，该方法可以包括增加频率偏移以减少部件的加热。
根据本发明的另外方面，提供了一种通过感应加热来加热部件的方法，该方法包括：
向设置在部件外部近端的至少一个感应元件输出交变电流；
控制输出到至少一个感应元件的交变电流的供电频率；
确定输出到至少一个感应元件的交变电流的至少一个谐振频率；和
取决于至少一个标识的谐振频率确定部件的操作温度。
根据本发明的另外方面，提供了一种通过电感加热来加热部件的方法，该方法包括：
向设置在部件外部近端的至少一个感应元件输出交变电流；
控制输出到至少一个感应元件的交变电流的供电频率；和
确定输出到至少一个感应元件的交变电流的至少一个谐振频率。
该方法可以包括取决于标识的谐振频率来确定部件的温度。替代地或附加地，该方法可以包括使用温度传感器发送部件的温度。
将理解，该控制器或每个控制器可以包括具有一个或多个电子处理器（例如，微处理器、微控制器、专用集成电路（ASIC）等）的控制单元或计算设备，并且可以包括单个控制单元或计算设备，或者替代地，该控制器或每个控制器的不同功能可以体现在不同的控制单元或计算设备中，或者托管在不同的控制单元或计算设备中。如本文使用的，术语“控制器”、“控制单元”或“计算设备”将被理解为包括单个控制器、控制单元或计算设备，以及共同操作以提供所需控制功能的多个控制器、控制单元或计算设备。可以提供指令集，该指令集当被执行时，使得控制器实现本文描述的控制技术（包括本文描述的方法所需的一些或全部功能）。指令集可以嵌入控制器的所述一个或多个电子处理器中；或者替代地，指令集可以作为将在控制器中执行的软件提供。第一控制器或控制单元可以在一个或多个处理器上运行的软件中实现。一个或多个其他控制器或控制单元可以在一个或多个处理器上运行的软件中实现，可选地，与第一控制器或控制单元相同的一个或多个处理器。其他布置也是有用的。
在本申请的范围内，明确的意图是在前面段落中、权利要求书中和/或下面的描述和附图中阐述的各个方面、实施例、示例和替代方案以及特别是其个体特征可以被独立地或以任何组合的方式采用。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合来组合，除非此类特征不兼容。申请人保留相应地改变任何原始提交的权利要求或提交任何新权利要求的权利，包括修改任何原始提交的权利要求以从属于和/或并入任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管初始未以该方式要求保护。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的一个或多个实施例，其中：
图1示出了包括根据本发明实施例的感应加热系统的热管理系统的示意表示；
图2示出了用于图1中示出的热管理系统的第一感应加热设备的示意表示；
图3示出了表示第一感应加热元件到第一功率模块的连接的第一电路；
图4是表示相对于供电频率跨图3中示出的第一感应加热元件上测量的电流的第一曲线图；
图5是包括连接到功率模块的单个感应加热元件的热管理系统的示意表示；
图6是图示图5中示出的热管理系统操作的流程图；
图7是包括多个感应加热元件的热管理系统的示意表示，该多个感应加热元件具有以菊花链布置连接的功率模块；
图8是热管理系统的示意表示，该热管理系统包括并联连接到公共功率模块的多个感应加热元件；
图9示出了表示图8中示出的感应加热元件并联连接的第二电路；和
图10是表示跨图9中示出的每个感应加热元件上测量的电流的第二曲线图。
具体实施方式
现在将参考附图描述根据本发明实施例的感应加热系统1。在本实施例中，感应加热系统1形成热管理系统（TMS）的部分（通常由参考标号2标示）。感应加热系统1可操作对导电部件3执行电感加热。在本实施例中，该部件是包括一个或多个子区段3-n的导管3的形式。
感应加热系统1可操作来控制排气系统4的温度，该排气系统4用于将过程气体输送到减排设备5。排气系统4可以例如被提供来传输从化学气相沉积（CVD）过程排出的沉积气体和相关联粉末。感应加热系统1被配置为控制排气系统4的温度，以确保化合物保持挥发性，从而防止或抑制可能部分或完全阻塞排气系统2的固体的累积。将理解，感应加热系统1可以用在其他工业过程中。
如图1中所示，排气系统4包括导管3。导管3是由诸如不锈钢的金属组成的管的形式。导管3可以例如包括具有40 mm内径的DN40管道。导管3可以具有例如大约1 mm或2 mm的壁厚。将理解，导管3可以具有更大或更小的壁厚。导管3在长度方面可以是例如10米或更长，并且可以沿着盘旋的路径。导管3形成基本上连续的流体路径，用于将排气气体输送到减排设备4。导管3可以由单个长度的管道组成。然而，导管3通常包括以流体密封方式结合在一起的多个子区段3-1、3-2。导管3可以包括一个或多个弯曲部，以提供与减排设备4的所需连接。导管3沿着其长度由多个支撑件6支撑。入口耦合件9提供在排气系统4的入口10处；并且出口耦合件11提供在排气系统4的出口12处。出口耦合件11被提供成将排气系统4连接到减排设备4。入口和出口耦合件9、11各自包括O形环，用于与相关联部件形成流体密封的密封件。阀13提供在排气系统4的出口12处。阀13可操作以选择性地打开和关闭出口12。阀13可以被加热以减少固体的积聚。围绕导管3的外部提供隔热层14，以便对导管3进行热隔离。
感应加热系统1包括控制器20、至少一个交流（AC）功率模块21-n和至少一个感应加热设备22-n。控制器20包括至少一个电子处理器23和系统存储器24。计算指令集存储在系统存储器24中。计算指令当被执行时使得处理器23执行本文描述的（一个或多个）方法。功率模块21-n具有连接到市电电源RMS或其他电源的电输入25；以及连接到至少一个感应加热设备22-n的电输出26。功率模块21-n被配置为输出高频交变电流。功率模块21-n可以例如输出具有大于或等于10kHz频率的交变电流。功率模块21-n可以是射频（RF）功率模块，用于输出具有包括RF信号的供电频率的交变电流，该交变电流例如具有大于或等于20kHz的供电频率。在本实施例中，功率模块21-n被配置为输出具有大于或等于100kHz频率的交变电流。在变型中，功率模块21-n可以被配置为生成具有在100kHz至1000kHz范围内的频率的交变电流。本实施例中的功率模块21-n是变频AC功率模块（21-n）。控制器20连接到功率模块21-n（通过有线连接或无线连接）。控制器20可操作来控制功率模块21-n的操作，以控制经由输出26输出到至少一个感应加热设备22-n的交变电流的供电频率。如图1中图示的，控制器20向功率模块21-n传输控制信号CS1，以控制供电频率。控制器20可以可选地被配置为从功率模块21-n接收一个或多个信号。在本实施例中，控制器20被配置为从功率模块21-n接收电流测量信号。功率模块21-n可以被配置为在相对低的电压（例如小于40V）和相对高的电流（例如10安培）下操作。
至少一个感应加热设备22-n被配置为抵靠导管3（即与导管3接触）或者紧密接近导管3定位。多个感应加热设备22-n可以提供在导管3上。感应加热设备22-n可以以不重叠的布置设置在导管3上。本实施例中的至少一个感应加热设备22-n被配置为至少基本上围绕导管3的圆周延伸。多个感应加热设备22-n可以串联或并联连接到功率模块21-n。在图1中图示的布置中，多个感应加热设备22-n提供在导管3上。感应加热设备22-n提供多个温度控制区Z(n)，用于控制导管3的对应区段的温度。一个或多个感应加热设备22-n可以提供在每个温度控制区Z(n)中。感应加热设备22-n各自具有相同的配置。为了简洁起见，本文的描述针对第一感应加热设备22-1的配置和操作。
如图2中所示，第一感应加热设备22-1包括感应元件27-1、第一保护构件28和第二保护构件29。感应元件27-1包括电感线圈30；以及用于连接到功率模块21-n的输出26的第一和第二电连接器31A、31B。电感线圈30被配置为建立穿透导管3的集中磁场。电感线圈30设置在第一和第二保护构件28、29之间。在本实施例中，电感线圈30包括导电细长构件。电感线圈30在目标操作频率或目标操作频率范围内具有低电阻。电感线圈30可以由一个或多个导线形成，例如以Litz导线的形式；或者可以由连续的导电材料片材机器加工而成。电感线圈30具有纵向交替配置，例如包括正弦波状弯曲配置或蛇形配置或者由正弦波状弯曲配置或蛇形配置组成。电感线圈30形成在单个平面中，并且该布置在本文被称为“纵向线圈”。电感线圈30被支撑在第一和第二保护构件28、29之间。电感线圈30可以接合到第一和第二保护构件28、29中的至少一个。替代地或另外地，第一和第二保护构件28、29可以彼此接合以形成第一感应加热设备22-1。电感线圈30可以设置在第一和第二保护构件28、29中的至少一个中形成的凹陷轨道或通道中。
第一保护构件28适合用于抵靠导管3的外部定位。第一和第二保护构件28、29是电绝缘的。第一和第二保护构件28、29可以可选地是热隔离的，以减少从导管3的热损失。第一感应加热设备22-1是可变形的，以促进抵靠导管3的外部定位，并且优选地围绕导管3的外部定位。第一和第二保护构件28、29包括柔性面板。第一和第二保护构件28、29可以例如由橡胶或弹性化合物形成。第一感应加热设备22-1可以包括用于将第一感应加热设备22-1固定到导管3的至少一个紧固件（未示出）。至少一个紧固件可以例如提供在第二保护构件29上。至少一个紧固件可以是可释放的，以促进第一感应加热设备22-1的定位和/或移除。合适的紧固件可以包括设置在第二保护构件29上的钩环和紧固件。可以采用其他类型的紧固件来固定第一感应加热设备22-1。
本实施例中的感应加热系统1包括用于向控制器20输出温度信号T(n)的至少一个温度传感器32。温度传感器32可以例如包括热敏电阻等。在图1中所示的布置中，多个温度传感器32提供在导管3上。温度传感器32与感应加热系统1的单独的温度控制区Z(n)相关联。温度传感器32热耦合到导管3。温度传感器32例如可以接合到导管3。在变型中，温度传感器32可以并入第一感应加热设备22-1中，例如在第一保护构件28的外表面中，用于抵靠导管3的外部定位。可以采用其他技术来确定导管3的温度。如本文所述，可以监视电感线圈30的电行为以确定导管3的温度。
图3中示出了包括功率模块21-n和感应元件27-n的第一电路EC1的示意表示。如上概述，功率模块21-n可操作以向至少一个感应加热设备22-n输出交变电流。感应元件27-n中的振荡电场创建穿透排气系统4的导管3的振荡磁场。导管3由导电材料组成，并且改变的磁场在其中生成涡流。涡流在以由导管3的电阻确定的速率加热导管3中是有效的。尽管第一电路EC1具有存储电荷（即电容）的固有能力，但是添加了单独的电容器33来控制电行为。感应元件27-n、电容器33和电阻器34串联布置在第一电路EC1中。电阻器34可以是提供在第一电路EC1中的分立部件。替代地，电阻器34可以表示电感负载的电阻，其中涡流产生损耗，所述损耗是加热源。当供电频率处于谐振频率时，建立谐振电感耦合。第一电路EC1的有效阻抗减小（通常在最小值），并且电流和功率传输被最大化。谐振频率可以由以下等式确定：
其中：是谐振频率；
是波长；
L是电感；和
C是电容。
第一电路EC1的电感（L）是导管3的材料特性以及由感应元件27-n形成的线圈的配置的函数。图4中示出了第一曲线图50，其表示在功率模块21-n输出的波长范围内在第一电路EC1中测量的电流（I）。出于该示例的目的，电阻（R）是一（1）欧姆；电感（L）是一（1）亨利（H）；电容（C）是一（1）法拉（F）；并且电压是一（1）伏（V）。存在可用于控制输入到导管3中的功率的两种控制策略，即：（a）选择性地控制供应到感应元件27-n的交变电流的频率；以及（b）调制供电电压（例如将供电电压接通/关断），同时维持交变电流的固定频率。本实施例中的功率模块21-n是变频AC功率模块（21-n），并且优选的控制策略是改变交变电流的供电频率。控制交变电流频率以控制向导管3的功率传输的技术由第一曲线图50中的箭头图示。控制器20被配置为控制功率模块21-n，以调整输出到感应元件27-n的交变电流的频率。控制器20可以被配置为实现供电频率的增量改变（即，步进改变）或基本上连续的改变。通过测量第一电路EC1中的电流（I），控制器20可以标识谐振频率。谐振频率受基底材料、即导管3的温度改变影响。通过监视谐振频率，控制器20可以估计导管3的温度。因此，可以在不需要温度传感器32的情况下确定导管3的温度。
图6中示出了表示TMS 2的操作的流程图100。交变电流从功率模块21-n输出到至少一个感应元件27-n（框110）。例如通过在一定范围内扫描供电频率（框120），输出到至少一个感应元件的交变电流的供电频率被改变。测量跨至少一个感应元件27-n上的电流（I）作为供电频率的函数（框130）。标识在测量电流中的至少一个峰值，并将相关联的供电频率标识为谐振频率（）（框140）。确定导管3的温度（框150）。导管3的温度可以取决于标识的谐振频率（）或者取决于从温度传感器32接收的温度信号来确定。将导管3的确定温度与目标温度进行比较（框160）。控制器20取决于导管3的确定温度控制交变电流的供电频率。如果导管3的温度低于目标温度，则控制器20控制供电频率以减小当前供电频率与标识的谐振频率（）之间的频率偏移（框170）。如果导管3的温度大于目标温度，则控制器20控制供电频率以增加当前供电频率与标识的谐振频率（）之间的频率偏移（框180）。当工业过程正在进行时，该过程连续操作。
现在将更详细地描述TMS 2的操作。控制器20为每个温度控制区Z(n)设置目标温度。目标温度可以根据操作或过程特性来设置，例如取决于将在导管3内传输的排气气体的成分。现在将参考图5描述包括单个感应加热设备22-1的TMS 2的实施例的操作。第一感应加热设备22-1抵靠导管3的外部设置，并使用紧固件固定就位。第一感应加热设备22-1的感应元件27-1至少基本上围绕导管3的圆周延伸，以促进均匀加热。第一感应加热设备22-1连接到第一功率模块（21-n）21-1的输出26。控制器20连接到第一功率模块（21-n） 21-1，并输出控制信号CS1以控制输出到第一感应加热设备22-1的交变电流的供电频率。感应元件27-1中改变的电场创建振荡磁场，该振荡磁场感应出涡流，该涡流引起导管3的直接加热。温度传感器32测量导管3的温度，并将温度信号T(1)输出到第一功率模块（21-n）21-1和/或控制器20。控制器20被配置为取决于测量的温度来控制交变电流的供电频率。如果温度信号T(n)指示测量温度低于目标温度，则控制器20被配置为将供电频率（通过增加或减少供电频率）改变为更接近谐振频率的频率，以增加功率传输。当前供电频率与标识的谐振频率之间的频率偏移因此被减小，以便增加部件的加热。如果温度信号T(n)指示测量的温度高于目标温度，则控制器20被配置为改变供电频率（通过增加或减少供电频率），使得其进一步远离谐振频率，以减少功率传输。因此，当前供电频率与标识的谐振频率之间的频率偏移增加，以便减少部件的加热。
如上概述，谐振频率取决于温度而变化。谐振频率与导管3的测量温度之间的关系可以例如在存储在系统存储器24中的查找表中预定义。控制器20因此可以取决于确定的谐振频率来确定导管3的温度。替代地或附加地，控制器20可以被配置为控制功率模块21-n来改变供电频率以确定谐振频率。供电频率可以在一定范围内变化，例如执行扫描或扫掠。控制器20例如可以在频率下限与频率上限之间改变供电频率。本实施例中的控制器20被配置为在频率下限与频率上限之间基本上连续改变供电频率。在变型中，控制器20可以被配置为实现增量改变，例如包括供电频率的多个步进改变。当供电频率改变时，控制器20测量跨第一感应加热设备22-1上的电流（i1）。控制器20被配置为将测量电流（i1）中的峰值标识为供电频率的函数。可以通过确定当供电频率改变时测量电流的改变率何时至少基本上等于零（0）来标识峰值。控制器20将谐振频率标识为与峰值电流相对应的频率。控制器20可以取决于测量电流的改变率是正还是负来选择性地增加或减少供电频率，以便确定谐振频率。替代地，控制器20可以测量预定义范围的供电频率的电流。该过程可以周期性地执行，例如作为校准操作。
图7中图示了TMS 2的发展。TMS 2的该实现包括多个感应加热设备22-n，每个感应加热设备与导管3的单独区段相关联。在该布置中，TMS 2包括多个温度控制区Z(n)，每个温度控制区包括至少一个感应加热设备22-n。在图示的布置中，TMS 2包括四（4）个感应加热设备22-1、22-2、22-3、22-4和四（4）个相关联的功率模块21-1、21-2、21-3、21-4。感应加热设备22-1、22-2、22-3、22-4各自连接到功率模块21-1、21-2、21-3、21-4中相应的一个。功率模块21-1、21-2、21-3、21-4被菊花链连接在一起，并且通过公共线电压连接供电，从而最小化返回到中央配电板的连接数量。功率模块21-1、21-2、21-3、21-4各自从相关联的温度传感器32接收温度信号T(n)。控制器20被配置为取决于温度信号T(n)控制从功率模块21-1、21-2、21-3、21-4中每一个输出的交变电流的供电频率。输出到每个感应加热设备22-1、22-2、22-3、22-4的交变电流的供电频率是独立可控制的。因此，可以独立地控制单独的温度控制区Z(n)的温度。
功率模块21-n可以被配置为直接与控制器20通信（如在图5中示出的虚线表示的）。在变型中，功率模块21-n被配置为通过菊花链式线电压连接彼此通信。每个功率模块21-n被配置为通过线电压连接传输和接收信号。与第一感应加热设备22-1相关联的第一功率模块（21-n）21-1可以用作直接与控制器20通信的主单元。与随后的感应加热设备22-2、22-3、22-4相关联的第二、第三和第四功率模块21-2、21-3、21-4用作从属单元。该连接提供了为控制器20提供单点通信连接的优点。在该布置中，线电压连接可操作将控制信号CS1传输到相应的功率模块21-n，以控制输出到每个感应加热设备22-2、22-3、22-4的供电频率。温度信号T(n)和其他操作信号可以可选地通过线电压连接传输。跨每个感应加热设备22-2、22-3、22-4上的电流可以可选地测量并通过线电压连接传输。将理解，每个功率模块21-n独立于其他功率模块21-n可操作。市电电连接处的功率需求等于每个AC功率模块（21-n）单元21的单独功率需求的总和。
图8中图示了TMS 2的另外实施例。相同的参考标号用于相同的部件。TMS 2包括多个温度控制区Z(n)，每个温度控制区包括导管3的至少一个区段。TMS 2包括多个感应加热设备22-n，每个感应加热设备并联连接到公共功率模块21-n。在图示的实施例中，存在三（3）个感应加热设备22-1、22-2、22-3并联连接到第一功率模块（21-n）21-1。第一、第二和第三感应加热设备22-1、22-2、22-3各自与导管3的单独区段相关联（与单独的温度控制区Z(n)相对应）。导管3的独立区段的温度可以独立控制。
图9中示出了表示TMS 2的该实施例的第二电路EC2。第二电路EC2包括并联连接到AC供电模块21-1的多个分支。每个分支与温度控制区Z(n)中的一个相对应。在图示的布置中，第二电路EC2包括三（3）个分支，但是将理解，第二电路EC2可以包括两（2）个分支或者多于三（3）个分支。第二电路EC2包括分别具有第一、第二和第三电容C1、C2、C3的第一、第二和第三电容器33-1、33-2、33-3。第一、第二和第三电容器33-1、33-2、33-3可以各自具有彼此不同的电容C1、C2、C3，以变更第二电路EC2的每个分支的谐振频率。第二电路EC2的每个分支中的电流取决于由第一功率模块（21-n）21-1输出的电流的供电频率。将理解，在每个温度控制区Z(n)中可以提供多于一个的感应加热设备22-n，例如两个或更多个感应加热设备22-n可以串联连接在第二电路EC2的每个分支内。
控制器20被配置为控制功率模块21-n改变供电频率，以确定第二电路EC2的每个分支的谐振频率。供电频率可以在一定范围内、例如在频率下限与频率上限之间变化。在本实施例中，控制器20控制功率模块21-n，使得供电频率基本上连续变化。当供电频率跨该范围内变化时，测量第二电路EC2的每个分支中的电流（I）。在本实施例中，控制器20分别测量跨第一、第二和第三感应加热设备22-1、22-2、22-3上的第一电流（i1）、第二电流（i2）和第三电流（i3）。控制器20可操作来标识第一电流（i1）、第二电流（i2）和第三电流（i3）中的每一个的峰值，作为供电频率的函数。第一电流（i1）、第二电流（i2）和第三电流（i3）中的每一个中的峰值与第一、第二和第三感应加热设备22-1、22-2、22-3中的每一个中的谐振频率相对应。控制器20被配置为取决于第二电路EC2的每个分支的谐振频率来确定导管3的每个区段的温度。控制器20还可以通过控制AC供电模块21-1来调整供电频率，从而控制导管3的每个区段的温度。替代地或附加地，导管3的每个区段的温度可以通过选择性地调整第二电路EC2的每个分支的电感和/或电容来改变。
控制器20被描述为测量跨感应加热设备22-1、22-2、22-3中的每一个上的电流（I）。总电流（I）等于第一电流（i1）、第二电流（i2）和第三电流（i3）的总和（即I= i1+i2+i3）。第一电流（i1）、第二电流（i2）和第三电流（i3）各自包括在复域中描述的具有相位和模块的向量。总电流（I）可以被测量，并且通过检测作为供电频率函数的总电流（I）中一个或多个峰值来确定谐振频率的存在或不存在。控制器20可以监视总电流（I）并且对跨供电频率范围内总电流（I）中存在的峰值总数进行计数。总电流（I）中的每个峰值的标识指示并联连接到功率模块21-n的单独温度控制区的谐振频率。通过确定跨供电频率范围内存在多少个峰值，控制器20可以确定有多少(n)个感应加热设备22-n被连接。控制器20可以确定没有连接感应加热设备22-n（即n = 0）；或者存在连接的一个或多个感应加热设备22-n（n > =1）。控制器20可以由此发现有多少温度控制区Z(n)连接到功率模块21-n。确定有多少感应加热设备22-n被连接的能力可以使能自动化或半自动化控制系统的实现。
图10中示出了第二曲线图60，其表示在第一功率模块（21-n）21-1输出的波长范围内在第二电路EC2中测量的电流（I）。功率模块21-n是变频AC功率模块（21-n），并且控制策略包括控制输出到感应元件27-1、27-2、27-3的交变电流的供电频率。控制器20可以被配置为在供电频率中实现增量改变（即，步进改变）或基本上连续的改变。通过测量第一电流（i1）、第二电流（i2）和第三电流（i3），控制器20可以标识每个感应元件27-1、27-2、27-3的谐振频率。谐振频率受基底材料、即导管3的温度改变影响。通过监视谐振频率，控制器20可以估计导管3的每个区段的温度。控制器20被配置为取决于导管3的对应区段的确定温度来控制第一功率模块（21-n）21-1。
可变电容器和/或可变电感器可以提供在第二电路EC2的每个分支中。控制器20可以被配置为控制每个分支中的电容和/或电感，以调整每个感应元件27-1、27-2、27-3的谐振频率。
至少一个感应加热设备22-n在本文被描述为位于导管3上的单独设备。在变型中，感应加热设备22-n可以集成到部件3中。特别地，感应元件27-n可以集成到导管3中。感应元件27-n可以包括围绕导管3的圆周延伸的螺旋。替代地，感应元件27-n可以包括本文描述的类型的纵向线圈，其至少部分地围绕导管3的圆周延伸。感应元件27-n将与导管3电绝缘，并且可选地还与导管3热隔离。例如，可以围绕导管3的外部提供电绝缘护套。导管3的每个区段3-1、3-2可以包括电连接器。电连接器可以用于将感应元件27-n彼此连接（例如并联或串联）和/或连接到（一个或多个）功率模块21-n。导管3可以包括用于与相邻导管3形成流体密封的密封件的耦合装置。可以围绕感应元件27-n的外部提供热隔离层和/或电绝缘层。
将领会，在不脱离本申请的范围的情况下，可以对本发明进行各种改变和修改。
控制器20在本文已经被描述为当供电频率改变时，通过测量跨第一感应加热设备22-1上的电流i1来确定谐振频率。谐振频率被标识为与在测量电流（i1）中的峰值相对应的供电频率。将理解，可以使用其他技术来确定谐振频率。例如，可以通过监视电流和施加到感应元件27-n的电压的相位来确定谐振频率。谐振时，相位为空（null），因为电路是纯电阻性的（与传输的最大功率相对应）。如果频率大于谐振频率（f >），则电路表现得更像电感，其中电流“落后于”电压。如果频率小于谐振频率（f <），则电路表现得更像电容器，其中电流“超前于”电压。因此，相位检测可以用于确定谐振频率。控制器20可以被配置为取决于确定的相位来控制被供应到感应元件27-n的交变电流的频率。
参考标号
号码
部件
1
感应加热系统
2
热管理系统（TMS）
3
导管
4
排气系统
5
减排设备
6
支撑件
9
入口耦合件
10
入口
11
输出耦合件
12
出口
13
阀
14
隔热层
20
控制器
21-n
功率模块
22-n
感应加热设备
23
处理器
24
系统存储器
25
电输入
26
电输出
27-n
感应元件
28
第一保护构件
29
第二保护构件
30
电感线圈30
31A、31B
电连接器
32
温度传感器
33
电容器
34
电阻器
50
第一曲线图
60
第二曲线图
100
流程图
T(n)
温度信号
CS(n)
控制信号
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