KR100294305B1

KR100294305B1 - 근적외선분석기의온도제어

Info

Publication number: KR100294305B1
Application number: KR1019970700898A
Authority: KR
Inventors: 리차드 크로스비 모스너
Original assignee: 이.아이,듀우판드네모아앤드캄파니
Priority date: 1994-08-12
Filing date: 1995-07-21
Publication date: 2001-09-17
Also published as: BR9508797A; CN1101014C; DE69510062D1; JPH10504410A; CN1155338A; DE69510062T2; WO1996005545A1; EP0775340B1; US5523563A; TW316288B; EP0775340A1

Abstract

분석기로부터 열을 제거하고 광학 벤치 온도를 목표치로 연속적으로 제어하기 위한 양호한 온도 제어 방안이 연구되었다. 포일형 RTD 온도 검출기가 광학 벤치에 고정되어, 실질적으로 목표로 하는 PID 제어 방안을 위한 측정 입력 장치로서의 역할을 한다. 이 제어 방안은 분석기 수납부로부터 열을 제거하기 위해 열관 기술을 채용한다. 이 열관은 내부 공기 순환 열교환기에서 유체를 증발시키고, 그리고 나서 그 유체를 외부 공기 순환 열교환기에서 재응축시키므로써 열을 제거하기 위해 (알콜 등의) 유체를 사용한다. PID 온도 제어기는 열교환기 팬 속도의 조작에 의해 소망하는 온도 설정점을 달성한다. 열 제거율은 매우 정확하게 제어될 수 있다. 실제로, 양 열환기 팬들은 함께 제어될 수 있다. 그러나, 최적의 내부 온도 균일성을 달성하기 위해서, 내부 열교환기 팬은 최대 속도로 유지되고, 외부 팬만이 열제거율을 조정하기 위해 제어된다. 광학 벤치 온도 제어는 ±2℃의 통상적인 온도 제어 범위에 대해 ±0.1로 유지된다.

Description

[발명의 명칭]

근적외선 분석기의 온도 제어

[발명의 상세한 설명]

[발명의 배경]

본 발명은 계기류(instrumentation)의 열 관리 기술에 관한 것으로써, 특히 근적외선(near-infrared) 분석기의 온도 제어에 관한 것이다.

계기 패키징(packaging)에서의 열 관리는 항상 중요한 설계 고려 사항이었다. 근적외선(NIR) 분석기의 내부 온도 제어는 측정 정밀도를 위해서 필수적이다. 특히, NIR 분광 광도계는 2 내지 4℃ 정도의 작은 온도 변동에 영향을 받아서, 최적 파장의 이동과 측정 오차의 증가를 일으킬 수 있다.

전형적인 프로세스 분광 광도계는 온 오프(on-off)형 제어 방안(strategy)의 사용에 의해 소정 범위의 온도 내에서 제어된다. "온" 상태에서, 컨덴서 또는 다른 장치는 미국 특허 제4,328,676호에 기재된 바와 같이 분광 광도계 수납부(enclosure) 내부로부터 형성된 열을 제거하기 위해 "온"된다. 컨덴서 또는 다른 장치는 저온 한계점에 도달할 때까지 "on" 상태로 남아 있으며, 그 다음에 컨덴서가 "오프"된다. 분광 광도계 수납부 내의 온도는 제2온도 한계점에 도달할 때까지 전자 장치 및/ 또는 외부 환경에 의해 발생된 열에 의해 상승하며, 이것은 컨덴서 또는 다른 장치를 다시 "온"이 되게 한다. 이 온/오프 온도 제어 방안은 통상적으로 내부 온도를 2 내지 4℃ 범위에서 순환될 수 있게 해준다.

[발명의 요약]

분석기로부터 열을 제거하고 광학 벤치(optical bench) 온도를 목표치로 연속적으로 제어하기 위한 양호한 온도 제어 방안이 연구되었다. 온도 센서는 분석기내의 광학 벤치에 체결되어, 실질적으로 목표로 하는 제어 방안을 위한 측정입력 장치로서의 역할을 한다. 제어 방안은 분석기 수납부로부터 열을 제거하기 위해 열관(heat pipe) 열교환기를 채용한다. 열관은 내부 공기 순환 열교환기에서 유체를 증발시키고, 그 다음에 그 유체를 외부 공기 순환 열교환기에서 재응축시킴으로써 열을 제거하기 위해 (알콜 등의) 유체를 사용한다. 열관은 외부 공기가 아닌 내부 캐비넷(cabinet) 공기가 임계 광학 부품들을 통해 순환되어, 이에 의해 냉각 공기의 부가적인 여과에 대한 필요성을 없앤다는 점에서 특히 유용하다.

PID 온도 제어기는 열교환기 팬 속도의 조작에 의해 소망하는 온도 설정점을 달성한다. 열 제거율은 매우 정확하게 제어될 수 있다. 실제로, 양 열교환기 팬들은 함께 제어될 수 있지만, 최적의 내부 온도 균일성을 달성하기 위해서, 내부 열교환기 팬은 최대 속도(full speed)로 유지되고, 외부 팬만이 열 제거율을 조정하도록 제어된다. 광학 벤치 온도 제어는 ±2℃의 통상적인 온도 제어 범위에 대해 ±0.1℃로 유지된다.

특히, 본 발명은 내부에서 열이 발생되는 분석기 캐비넷의 온도를 제어하기 위한 장치 및 방법을 포함한다. 이 장치는 분석기 캐비넷에 부착된 열관 코일을 둘러싸는 내부 및 외부 챔버를 구비한 열교환기를 포함한다. 내부측 챔버는 입구 및 출구를 거쳐 캐비넷과 연통하고, 입구에 위치된 연속 작동 정속도 팬이 공기를 코일을 지나 상기 캐비넷을 통해 순환시키기 위해 제공된다. 외부 챔버는 신선한 외부 주변 공기와 연통하고, 가변 속도 팬이 외부 챔버를 통해 외부 주변 공기를 순환시킨다. 캐비넷 내에 위치된 온도 센서가 센서 위치에서의 온도에 상당하는 신호들을 발생시킨다. 가변 속도 팬은 센서에 의해 발생된 신호들에 대해 응답성이 있다.

본 발명의 다른 실시예는 근적외선 분석기의 내부 캐비넷 온도를 제어해서, 그에 따라 분석기의 정확도를 제어해주는 개량된 방법이다. 이러한 개량은 캐비넷 내의 임계 광학 부품들의 온도를 연속적으로 측정하는 단계와, 이에 응답해서 상기 부품들을 비교적 일정한 온도로 유지하도록 이들 임계 광학 부품들에 의해 온도 제어된 공기를 연속적으로 순환시키는 단계를 포함한다. 이러한 방법의 사용에 의해, 온도 감응 임계 광학 부품들의 온도는 ±0.1℃로 유지될 수 있다.

[도면의 간단한 설명]

도1은 분석기 및 관련된 내부 및 외부 열교환기의 개략도이다.

[양호한 실시예의 상세한 설명]

도1을 참조하면, 분석기 캐비넷(10)은 전기 부품(도시되지 않음)들 외에 임계 광학계(12)를 포함하고 있다. "임계 광학계(critical optical systems)" 또는 "임계 광학 부품(critical optical components)"이란 감온성이 있고, "광학 벤치"라고 부르는 분석기 캐비넷의 내부에 통상 수납되는 광검출기, 회절 격자, 회절 격자 장착대 등을 포함하는 것을 의미한다. 온도 센서(14)가 임계 광학계에 부착되어 온도 제어기(15)로 온도 신호를 출력한다. 또한, 분석기 캐비넷(10)에는 내부측(16a), 외부측(16b) 및 열관 코일(18)을 구비한 열관 열교환기(16)가 부착된다. 열관 코일은 열이 내부측에서 외부측으로 전달될 수 있도록 내부측으로부터 외부측으로 연장된다. 부가적으로, 내부측은 분석기 캐비넷으로부터 공기를 이동시키기 위한 내부 입구(20)와, 온도 제어된 공기를 임계 광학계에 제공하기 위한 내부 출구(22)를 구비한다. 연속적 작동 내부 팬(24)은 열관 열교환기의 내부측을 통해 공기의 이동을 제공하도록 내부 출구(22)에 장착된다. 열관 열교환기의 외부측(16b)은 신선한 외부 주변 공기를 열관 열교환기에 제공하기 위한 외부 입구(28)와, 이 공기를 외부측으로부터 이동시키기 위한 외부 출구(30)를 구비한다. 속도제어 팬(32)이 외부 출구(30)에 장착되어 열관 열교환기(16)의 외부측을 통한 공기의 이동을 제공한다. 속도 제어 팬(32)은 온도 제어기(15)에 전기적으로 접속되고, 팬의 속도는 온도 센서(14)로부터의 출력 신호를 기초로 해서 증감되고, 그에 따라 열교환기(16) 내의 열관 코일(18)에 대해 보다 많은 또는 보다 적은 냉각을 제공한다.

양호한 구성의 일 예에 있어서, [캘리포니아주 멘로 파크 소재의 노렌 프로덕츠, 인크.(Noren Products,Inc.)에 의해 공급되는] 내부 및 외부 팬을 구비한 노렌 모델 CC60OF 열관 열교환기를 [캘리포니아주 엘 도라도 힐스 소재의 유오피 가이디드 웨이브(UOP Guided Wave)에 의해 공급되는] 유도파(guided wave) 300P 근적외선 분석기의 수납부(enclosure)에 부착하였다. 민코 포일형(Ninco foi1-type) 100 오옴 저항 온도 검출기 또는 RTD를 분석기 내의 임계 광학 부품에 부착하고, 10 암페어 제어 출력을 갖는 ECS 모델 6415 PID 온도 제어기에 신호들을 입력하였다. 상기 출력은 계속해서 외부 팬 속도의 제어를 위해 열관 열교환기의 외부 팬에 연결되었다.

Claims

(정정)분석기 캐비넷(10) 내에 배치된 작동 부품(12)들에 의해 열이 발생되는 분석기 캐비넷(10)의 온도를 제어하기 위한 장치에 있어서,

열관 코일(18)과, 상기 열관 코일(18)을 둘러싸는 내부 챔버(16a) 및 외부 챔버(16b)를 구비하고, 상기 내부 챔버(16a)가 상기 캐비넷(10)으로부터의 출구(20)와 상기 캐비넷(10)으로의 입구(22)에 의해 상기 캐비넷(10)과 연통하는 방식으로 상기 캐비넷(10)에 부착된 열교환기(16)와,

상기 입구(22)에 배치되어 상기 캐비넷(10)을 통해 상기 열관 코일(18)을 지나 공기를 순환시키는 연속 작동 정속도 팬(24)과,

상기 열관 코일(18)을 냉각시키도록 상기 외부 챔버(16b)를 통해 외부 주변 공기를 순환시키는 가변 속도 팬(32)과,

상기 캐비넷 내의 임계 부품들 상에 배치되고 센서 위치에서의 온도에 상당하는 신호들을 발생시키는 온도 센서(14)를 포함하고,

상기 외부 챔버(16b)는 신선한 외부 주변공기와 연통하고, 상기 가변 속도 팬(32)은 상기 신호들에 응답하는 것을 특징으로 하는 장치.
(삭제)
(정정)제1항에 있어서, 임계 광학 부품들은 광검출기, 회절 격자, 및 회절 격자 장착대로 구성된 그룹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
열관 코일(18)과 상기 열관 코일(18)을 포위하는 내부 챔버(16a) 및 외부 챔버(16b)를 구비하고, 상기 내부 챔버(16a)가 캐비넷(10)으로의 입구(22)와 상기 캐비넷으로부터의 출구(20)를 거쳐 상기 캐비넷(10)과 연통하고, 상기 외부 챔버(16b)가 입구(30)과 가변 속도 팬(32)을 구비한 출구(28)를 거쳐 외부의 신선한 공기와 연통하는 구성의 열교환기(16)가 부착된 캐비넷(10) 내에 수납된, 근적외선 분석기 임계 광학 부품들의 온도를 제어하기 위한 방법에 있어서,

상기 임계 광학 부품들의 온도는,

a) 임계 부품들에 고정된 온도 센서(14)에 의해 캐비넷(10) 내의 임계 광학 부품들의 온도를 연속적으로 측정하는 단계와,

b) 상기 부품들을 비교적 일정한 온도로 유지하기 위해 정속도 팬(24)에 의해 공기를 임계 광학 부품들을 지나 연속적으로 순환시키는 단계, 및

c) 온도 센서(14)에 의해 발생된 신호들로부터 가변 속도 외부 팬(32)의 속도를 제어하는 단계에 의해,

±0.1℃의 목표점으로 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
제4항에 있어서, 임계 광학 부품들은 광검출기, 회절 격자, 및 회절 격자 장착대로 구성된 그룹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.