KR20230102754A - 인큐베이터 온도 제어 시스템 및 그의 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인큐베이터 온도 제어 시스템 및 그의 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 스트립을 포함하는 2개 이상의 인큐베이터에 수용된 시약의 온도를 오차범위 내로 일정하게 유지할 수 있는 인큐베이터 온도 제어 시스템 및 그의 제작방법에 관한 것이다. 본 발명은 전열재의 중심부에 홈을 형성하고 홈에 단열재를 충진함으로써, 중심부 위주로 열이 전달되는 것을 방지하고, 엣지 부분에도 용이하게 열이 전달 가능하도록 하며, 전열재와 인큐베이터의 격자 사이의 틈을 메워 열을 직접 전달하고 인큐베이터 위치에 따른 열전달 효율에 따라 크기가 변경 적용 가능한 열분산패드를 더 포함함으로써, 열이 모든 인큐베이터에 균일하게 전달되도록 할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 인큐베이터 온도 제어 시스템 및 그의 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 스트립을 포함하는 2개 이상의 인큐베이터에 수용된 시약의 온도를 오차범위 내로 일정하게 유지할 수 있는 인큐베이터 온도 제어 시스템 및 그의 제작방법에 관한 것이다.
측방유동면역분석(Lateral Flow Immunoassay)의 경우 보통 상온에서 검사를 많이 수행하나 일정한 온도에서 검사를 수행하는 것이 온도 편차에 의한 분석 편차를 줄이는데 유리하다. 또한 측방유동면역분석에서 분석물질과 결합된 생체분자를 해리시키거나 항원-항체 반응을 용액 상에서 수행하는 등 전처리 과정을 특정 온도에서 수행이 필요한 경우도 존재한다.
NALF(Nucleic Acid Lateral Flow)는 중합효소연쇄반응(PCR, Polymerase Chain Reaction)나 등온증폭반응(Isothermal Amplification Reaction)을 수행한 후 측방유동분석을 통해 증폭된 유전자 산물을 검출하는 방식이다. 유전자 증폭 과정은 특정 온도에서의 반응이 필요하며, 측방유동분석에 있어서 교잡 반응을 이용하는 경우 특정 온도에서 수행해야 하며, 온도 편차에 의한 분석 편차를 줄이기 위해 특정 온도에서 수행하는 것이 유리하다.
종래의 바이오 진단용 인큐베이터는 샘플의 형태별로 1:1 대응이 되는 전용의 인큐베이터 장비를 이용하였다. 즉, 전처리 단계를 위해 마이크로튜브 안의 검체를 효율적으로 반응시키기 위해서는 마이크로튜브 전용의 인큐베이터를 사용했으며, 카세트 카트리지의 최적 온도 환경을 만들어 주기 위해서는 다른 형태의 카세트 카트리지 전용 인큐베이터가 각각 필요하였다. 다수의 인큐베이터 기기를 사용함으로써, 비용 측면 및 실험공간의 활용에 있어서 비효율적이라는 문제점이 있었다.
이 때, 인큐베이터 장비는 시약의 위치(시약 모듈의 위치, 시약 모듈내에서 시약의 위치)에 따라서 온도 편차가 발생하는 것을 억제하여 온도 편차를 1도 이내로 맞춰야 했다. 이 때, 인큐베이터 장비에 장착되며 내부에 시약이 수용되는 스트립 및 스트립 트레이는 모두 일회용으로 가격이 싸야하기 때문에 열전도에 유리한 알루미늄과 같은 고가의 소재를 사용하기에 어려움이 있었고, 플라스틱으로 제조되는 인큐베이터 장비의 경우 재료 사용량을 줄이면서도 생산 시 일정한 형태 및 강도를 유지하기 위해서 스트립 트레이의 하부는 격자 (또는 벌집) 형태로 형성되며 이에 따라 히터로부터 스트립 및 스트립 트레이가 일정간격 이격되게 되었다, 이에 따라 각 스트립에 열이 균일하게 전달되기 어려울 뿐 아니라, 열의 전달정보 파악이 어려워 각 스트립이 일정한 온도를 유지하도록 제어하는 것에 어려움이 있었다.
또한, 다수의 트레이를 사용함에 따라, 히터로부터 각 트레이의 사이로 통과되는 추가적인 열에 의해 트레이의 측면부가 더 가열되어 온도가 높아지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 전열재의 중심부에 홈을 형성하고 홈에 단열재를 충진함으로써, 중심부 위주로 열이 전달되는 것을 방지하고, 엣지 부분에도 용이하게 열이 전달 가능하도록 할 수 있는 인큐베이터 온도 제어 시스템 및 그의 제작방법을 제공함에 있다.
또한, 전열재와 인큐베이터의 격자 사이의 틈을 메워 열을 직접 전달하며, 인큐베이터 위치에 따른 열전달 효율에 따라 크기가 변경 적용 가능한 열 분산패드를 더 포함함으로써, 열이 모든 인큐베이터에 균일하게 전달되도록 할 수 있는 인큐베이터 온도 제어 시스템 및 그의 제작방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 인큐베이터 온도 제어 시스템은 시료가 수용되는 스트립이 끼워지는 복수의 인큐베이터의 온도를 제어하는 인큐베이터 온도 제어 시스템에 있어서, 열을 발생시키는 가열부, 상기 인큐베이터에 상기 가열부의 열이 전달되도록, 상기 인큐베이터에 일면이 접하고, 상기 가열부에 타면이 접한 전열부, 및 상기 전열부의 일면과 상기 인큐베이터의 사이에 위치하되, 상기 인큐베이터의 위치에 관계없이 균일하게 상기 가열부의 열을 전달하는 열 분산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전열부의 타면은, 상기 전열부의 타면의 모서리와 모서리로부터 소정 간격 이격된 위치의 선으로 둘러싸인 영역인 제 1 영역과, 상기 전열부의 타면 전체에서 상기 제 1 영역을 제외한 제 2 영역으로 구분되고, 상기 제 2 영역은 상기 타면으로부터 소정 깊이만큼 오목 형성되며, 상기 제 2 영역에 충진되고, 상기 가열부의 열을 단열하는 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단열재의 열전도율은, 상기 전열부의 평균 열전도율보다 더 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가열부는, 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역을 포함하는 상기 전열부의 타면 전면에 접촉하여 열을 발생시키는 열선인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열 분산부는, 상기 인큐베이터와 상기 전열부의 접촉 위치에 각각 배치되며, 공기보다 열전도율이 높은 재질로 구성된 2개 이상의 열 분산패드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열 분산패드는, 상기 인큐베이터가 배열된 방향과 평행한 방향의 중심축에 선대칭 되는 도형으로 형성되며, 상기 중심축으로부터의 너비는 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
여기서, (여기에서, L : 제 n번째 상기 스트립의 위치에서 상기 열 분산패드의 너비 : 제 n번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차 : 제 nㅁ1번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차 : 제 nㅁ2번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차α : 비례상수이다.)
또한, 상기 열 분산패드는, 표면에 상기 인큐베이터의 내부 격자 형상과 대응되는 형상으로 돌출 또는 요홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스트립 또는 상기 인큐베이터 중 적어도 어느 하나의 온도를 수신하는 2개 이상의 온도센서를 포함하고, 상기 온도 센서는 기판에 실장되며, 상기 온도 센서는 각각의 각각의 스트립의 위치와 대응되도록 서로 일정 간격 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도센서로부터 상기 스트립의 온도 정보를 수신하여 상기 가열부를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 다수의 상기 온도센서 중 적어도 하나의 상기 온도 센서를 기준 센서로 지정하여 연속적으로 온도 데이터를 수신하고, 상기 기준 센서의 온도 값이 미리 입력된 정상 범위 외일 경우, 다른 상기 온도 센서의 값을 수신하여 상기 기준 센서의 측정값과 비교함으로써 상기 기준 센서의 신뢰도를 검증하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인큐베이터 온도 제어 시스템의 제작방법은 인큐베이터 온도 제어 시스템을 제작하는 인큐베이터 온도 제어 시스템의 제작방법에 있어서, (a) 제어부가 스트립 위치 별 열 분포 데이터를 수신하는 단계, (b) 상기 (a) 단계에서 수신한 열 분포 데이터를 기반으로 온도 편차 및 그에 따른 열 분산패드의 너비를 연산하는 단계, (c) 상기 (b) 단계에서 연산된 상기 열 분산패드의 수치에 따라 상기 열 분산패드를 가공하는 단계, (d) 상기 열 분산패드를 전열부의 일면에 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 단계는, 상기 제어부가, (a1) 상기 스트립과 스트립이 수용되는 인큐베이터, 전열부 및 가열부의 형상 및 재질을 모델링하는 단계, (a2) 상기 (a1) 단계에서 모델링된 모델에 열을 가했을 시의 가상 열 분포를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a3) 상기 전열부의 일면에 상기 인큐베이터를 배치하는 단계, (a4) 상기 인큐베이터를 가열하는 단계, (a5) 각각의 스트립의 온도를 수신하는 온도 센서로부터 제어부가 각 스트립의 온도를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 단계에 선행하여, (e) 상기 전열부에 단열재 또는 가열부를 결합하는 단계를 더 포함하고, 상기 (e) 단계는, (e1) 상기 전열부의 타면 중 제 2 영역에 홈을 형성하는 단계, (e2) 상기 (e1) 단계에서 형성된 홈에 상기 전열부보다 낮은 열전도율을 갖는 단열재를 충진하는 단계, (e3) 상기 전열부의 타면에 가열부를 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계는, (b1) 목표 온도와 각각의 상기 스트립의 온도를 비교하여 온도 편차를 계산하는 단계, (b2) 상기 (b1) 단계에서 계산된 온도 편차를 기반으로 하기의 식에 따라 상기 열 분산패드의 너비를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, (여기에서, L : 제 n번째 상기 스트립의 위치에서 상기 열 분산패드의 너비 : 제 n번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차 : 제 nㅁ1번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차 : 제 nㅁ2번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차α : 비례상수이다.)
또한, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 (b) 단계에서 연산된 상기 열 분산패드의 너비 값에 따라 외곽선 가공단계, (c2) 상기 열 분산패드의 일면 표면을 상기 인큐베이터의 하면 형상과 대응되도록 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 시스템 및 그의 제작방법은 전열재의 중심부에 홈을 형성하고 홈에 단열재를 충진함으로써, 중심부 위주로 열이 전달되는 것을 방지하고, 엣지 부분에도 용이하게 열이 전달 가능하도록 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전열재와 인큐베이터의 격자 사이의 틈을 메워 열을 직접 전달하며, 인큐베이터 위치에 따른 열전달 효율에 따라 크기가 변경 적용 가능한 열 분산패드를 더 포함함으로써, 열이 모든 인큐베이터에 균일하게 전달되도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 시스템의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 전열부 및 가열부의 결합관계를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 전열부 및 가열부의 결합관계를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 단열재의 재질 별 온도 편차를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 열전도부를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 열전도패드를 도시한 평면도이다.
도 7은 스트립 위치 별 열분포 및 열편차를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 열전도패드의 수치 결정 알고리즘을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 데이터 수신 단계의 제 1 실시 예의 세부 단계를 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 데이터 수신 단계의 제 2 실시 예의 세부 단계를 도시한 순서도이다.
도 12는 본 발명의 열편차 연산 단계의 세부 단계를 도시한 순서도이다.
도 13은 본 발명의 열전도패드 가공 단계의 세부 단계를 도시한 순서도이다.
도 14는 본 발명의 단열재 또는 가열부 결합 단계의 세부 단계를 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 전열부 및 가열부의 결합관계를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 전열부 및 가열부의 결합관계를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 단열재의 재질 별 온도 편차를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 열전도부를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 열전도패드를 도시한 평면도이다.
도 7은 스트립 위치 별 열분포 및 열편차를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 열전도패드의 수치 결정 알고리즘을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 데이터 수신 단계의 제 1 실시 예의 세부 단계를 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 데이터 수신 단계의 제 2 실시 예의 세부 단계를 도시한 순서도이다.
도 12는 본 발명의 열편차 연산 단계의 세부 단계를 도시한 순서도이다.
도 13은 본 발명의 열전도패드 가공 단계의 세부 단계를 도시한 순서도이다.
도 14는 본 발명의 단열재 또는 가열부 결합 단계의 세부 단계를 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하로, 도 1을 참조하여 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 시스템(1000)의 기본 구성에 대해 설명한다.
본 발명의 인큐베이터 온도 제어 시스템(1000)은 시료가 수용되는 스트립(S)이 끼워지는 복수의 인큐베이터(I)의 온도를 제어하는 시스템으로써, 도 1에 도시된 바와 같이, 열을 발생시키는 가열부(100)와, 인큐베이터(I)에 가열부(100)의 열이 전달되도록 인큐베이터(I)에 일면이 접하고, 가열부(100)에 타면이 접한 전열부(200)를 포함할 수 있다. 이 때, 전열부(200) 및 가열부(100)는 2개 이상의 인큐베이터(I)와 접하여 열을 전달할 수 있도록 일 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다. 또한. 전열부(200)는 인큐베이터(I)가 끼워질 수 있도록 일면에 인큐베이터(I)의 형태에 상응하는 홈 또는 돌출이 형성될 수 있다. 전열부(200)는 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 일 예로 알루미늄이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 시스템(1000)은 전열부(200)의 일면과 인큐베이터(I)의 사이에 위치하되, 인큐베이터(I) 위치에 관계없이 균일하게 가열부(100)의 열을 전달하는 열 분산부(300)를 포함할 수 있다. 열 분산부(300)를 포함함으로써, 각 스트립(S)의 위치에 따른 온도 편차를 세밀하게 조절할 수 있다. 구체적인 열 분산부(300)의 형태 및 구성에 따른 설명은 후술한다.
또한, 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 시스템(1000)은, 가열부(100)의 타면에 보호패드(400)를 더 포함할 수 있다. 보호패드(400)를 포함함으로써, 인큐베이터(I)와 가열부(100) 및 전열부(200)의 위치를 고정할 뿐 아니라, 가열부(100)의 열이 전열부(200)가 아닌 외부 환경에 최소한의 영향을 미치도록 외부 환경을 보호할 수 있다.
또한, 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 시스템(1000)은 스트립(S) 또는 인큐베이터(I) 중 적어도 어느 하나의 온도를 수신하는 2 개 이상의 온도 센서(미도시)를 포함하고, 온도 센서(미도시)는 기판에 실장되며, 온도 센서(미도시)는 각각의 각각의 스트립(S)의 위치와 대응되도록 서로 일정 간격 이격되어 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 온도 센서(미도시)로부터 스트립(S)의 온도 정보를 수신하여 가열부(100)를 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함하고, 제어부(미도시)는, 다수의 온도 센서(미도시) 중 적어도 하나의 온도 센서(미도시)를 기준 센서로 지정하여 연속적으로 온도 데이터를 수신하고, 기준 센서의 온도 값이 미리 입력된 정상 범위 외일 경우, 다른 온도 센서(미도시)의 값을 수신하여 기준 센서의 측정값과 비교함으로써 기준 센서의 신뢰도를 검증하는 것이 바람직하다.
이하로, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 전열부(200)와 단열재(230) 및 가열부(100)의 결합관계에 대해 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전열부(200)의 타면은 2개의 영역으로 구분될 수 있다. 보다 자세히, 전열부(200)의 타면은, 전열부(200)의 타면의 모서리와 모서리로부터 소정 간격 이격된 위치의 선으로 둘러싸인 영역, 전열부(200)의 타면의 가장자리에 위치한 제 1 영역(210)과, 전열부(200)의 타면 전체에서 제 1 영역(210)을 제외한 영역, 즉 전열부(200)의 중심부에 위치하는 제 2 영역(220)으로 구분될 수 있다. 통상적으로 제 1 영역(210)은 외부 환경에 영향을 받아 가열부(100)의 열이 쉽게 손실될 수 있고, 그 반면에 제 2 영역(220)은 지속적으로 가열부(100)의 열을 수신하여 제 1 영역(210)보다 높은 온도로 유지될 수 있다. 이 때, 가장자리에 위치한 인큐베이터(I) 및 스트립(S)의 온도가 중심부에 위치한 인큐베이터(I) 및 스트립(S)의 온도가 더 높아져 온도가 균일하게 유지되기 어려울 수 있다.
이에 따라, 본원발명은 전열부(200)의 중심부에 위치한 제 2 영역(220)에 전열부(200)의 열전도율보다 낮은 열전도율을 갖는 단열재(230)를 충진함으로써 중심부의 온도를 낮출 수 있고, 제 1 영역(210)의 높은 열전도율을 갖는 전열부(200)를 따라 보다 빠른 속도로 열이 전달될 수 있어 열이 외부환경에 의해 손실되더라도 즉시 보상할 수 있다. 보다 자세히, 본원발명의 전열부(200)는 제 2 영역(220)에 해당하는 부분에 홈이 형성될 수 있다. 이 때, 가열부(100)와 접하는 타면으로부터 홈이 형성될 수 있다. 이후 형성된 홈에 가열부(100)의 열을 단열하는 단열재(230)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 단열재(230)는 테프론(Teflon) 또는 아세탈일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가열부(100)는 전열부(200)의 타면 전체에 접촉하여 결합 될 수 있다. 보다 자세히, 가열부(100)는, 제 1 영역(210)과 제 2 영역(220)을 포함하는 전열부(200)의 타면 전면에 접촉하여 열을 발생시키는 열선인 것이 바람직하다. 이 외에도, 가열부(100)는 박막 형태로 전열부(200)의 타면에 결합될 수 있는 조건 내에서 다양한 형상 및 재질로 변경 가능하다.
이와 같이 중심부의 열전도율을 낮추는 형태를 채택함으로써 중심부에 집중될 수 있는 열을 가장자리로 용이하게 분산시킬 수 있다. 본원발명의 효과에 대해 보다 명확히 설명히기 위해 도 4에 도시된 그래프를 참조한다. 도 4의 그래프를 참조하여 볼 때, 전열부(200)와 가열부(100)의 사이에 단열재(230)를 전면에 적층한 경우(푸른색(아세탈 단열재(230)), 붉은색(테프론 단열재(230)))에 비해 전열부(200)의 중심부에 홈을 형성하여 단열재(230)를 중심부에만 충진한 경우(회색(아세탈 단열재(230)), 노란색(테프론 단열재(230)))에 온도 편차값이 더 작은 것을 확인할 수 있다.
이하로, 도 5 내지 9를 참조하여 본 발명의 열전도부에 대해 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 시스템(1000)은 전열부(200)의 일면과 인큐베이터(I)의 사이에 위치하되, 인큐베이터(I) 위치에 관계없이 균일하게 가열부(100)의 열을 전달하는 열 분산부(300)를 포함할 수 있으며, 열 분산부(300)는, 인큐베이터(I)와 전열부(200)의 접촉 위치에 각각 배치되며, 공기보다 열전도율이 높은 재질로 구성된 2개 이상의 열 분산패드(310)를 포함하는 것이 바람직하다. 열 분산패드(310)는 전열부(200)와 동일한 재질로 이루어질 수 있으며, 일 예로 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 열 분산패드(310)는, 인큐베이터(I)가 배열된 방향과 평행한 방향의 중심축에 선대칭 되는 도형으로 형성되는 것이 바람직하다. 열 분산패드(310)의 너비는 스트립(S)의 위치에 따라 다르게 설정될 수 있다. 또한, 열 분산패드(310)는, 표면에 인큐베이터(I)의 내부 격자 형상과 대응되는 형상으로 돌출 또는 요홈이 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라 열 분산패드(310)의 표면과 인큐베이터(I)의 격자형태가 맞물려 인큐베이터(I)의 위치를 고정함과 동시에 인큐베이터(I)에 수용된 스트립(S)에 보다 직접적으로 열이 전도되도록 할 수 있다.
보다 자세히, 스트립(S) 위치 별 온도 편차 값이 도 7에 도시된 그래프와 같이 측정되었을 때, 스트립(S) 위치 별 열 분산패드(310)의 너비를 계산할 수 있다. 열 분산패드(310)의 중심축으로부터의 너비는 하기의 식을 만족하는 것이 바람직하다.
수식 : 
여기서, (여기에서, L : 제 n번째 스트립(S)의 위치에서 열 분산패드(310)의 너비 : 제 n번째 스트립(S)의 온도와 목표 온도의 편차 : 제 nㅁ1번째 스트립(S)의 온도와 목표 온도의 편차 : 제 nㅁ2번째 스트립(S)의 온도와 목표 온도의 편차α : 비례상수이다.) 상기의 식은 스트립(S) 위치 별 보상해야 하는 온도 값(=온도편차)와 주변 스트립(S)의 온도 편차를 보상함으로써 가해지는 열영향을 모두 고려한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 스트립(S) 위치에 따라 계산된 열 분산패드(310)의 너비를 적용하여 열 분산패드(310)의 형태를 결정할 수 있다. 도 8의 열 분산패드(310)는 각각 도 7의 그래프의 인큐베이터(I)의 하부에 적용되는 열 분산패드(310)이다.
각 열분산 패드는 각각의 스트립(S)에서의 온도 편차를 측정하여 상술한 식에 대입 후 L(너비) 값 만큼 너비(도 8에서 세로축 길이)가 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 가로축 길이는 하나의 인큐베이터(I)에 삽입되는 스트립(S)의 개수 만큼 등분되는 것이 바람직하다. 즉, 스트립(S) 1에서의 온도 편차를 통해 계산된 너비 값이 B, E, H라고 할 때, 스트립(S) 1과 접하는 위치에서 가로축 길이는 스트립(S)의 개수 만큼 등분된 길이이고, 세로축 길이(열 분산패드(310)의 너비)는 각각 B,E,H 이도록 형성되어 하나의 면을 형성할 수 있다. 이 때, 인접한 스트립(S) 위치별 너비 값이 상이한 경우, 열 분산패드(310)는 가공의 용이성 및 열전달의 연속성을 위해 모깍기 되어 모서리가 대각선으로 형성되도록 설계되는 것이 바람직하다.
이하로, 도 9 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 방법에 대해 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명은 인큐베이터 온도 제어 시스템(1000)을 제작하는 인큐베이터 온도 제어 시스템(1000)의 제작방법에 있어서, (a) 제어부(미도시)가 스트립(S) 위치 별 열 분포 데이터를 수신하는 단계, (b) (a) 단계에서 수신한 열 분포 데이터를 기반으로 온도 편차 및 그에 따른 열분산패드(310)의 너비를 연산하는 단계, (c) (b) 단계에서 연산된 열 분산패드(310)의 수치에 따라 열분산패드(310)를 가공하는 단계, (d) 열 분산패드(310)를 전열부(200)의 일면에 부착하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 (a) 데이터 수신 단계는 제 1 실시 예에서 (a1) 제어부(미도시)가 스트립(S)과 스트립(S)이 수용되는 인큐베이터(I), 전열부(200) 및 가열부(100)의 형상 및 재질을 모델링하는 단계, (a2) 제어부(미도시)가 (a1) 단계에서 모델링된 모델에 열을 가했을 시의 가상 열 분포를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. (a) 단계의 제 1 실시 예를 적용함으로써 부품의 소모를 최소화 할 수 있다.
또는, 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 (a) 데이터 수신 단계는 제 2 실시 예에서 (a3) 전열부(200)의 일면에 인큐베이터(I)를 배치하는 단계, (a4) 인큐베이터(I)를 가열하는 단계, (a5) 각각의 스트립(S)의 온도를 수신하는 온도 센서(미도시)로부터 제어부(미도시)가 각 스트립(S)의 온도를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때(a) 단계를 수행하기 이전에 제어부(미도시)는 다수의 온도 센서(미도시) 중 적어도 하나의 온도 센서(미도시)를 기준 센서로 지정하여 연속적으로 온도 데이터를 수신하고, 기준 센서의 온도 값이 미리 입력된 정상 범위 외일 경우, 다른 온도 센서(미도시)의 값을 수신하여 기준 센서의 측정값과 비교함으로써 기준 센서의 신뢰도를 검증하는 것이 바람직하다.
본 발명의 (a) 데이터 수신 단계는 제 2 실시 예를 적용했을 때, 본 발명의 인큐베이터 온도 제어 방법은 (a) 단계에 선행하며 (e) 전열부(200)에 단열재(230) 또는 가열부(100)를 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 도 12에 도시되어 있다. (e) 단계는, (e1) 전열부(200)의 타면 중 제 2 영역(220)에 홈을 형성하는 단계, (e2) (e1) 단계에서 형성된 홈에 전열부(200)보다 낮은 열전도율을 갖는 단열재(230)를 충진하는 단계, (e3) 전열부(200)의 타면에 가열부(100)를 부착하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
보다 상세히, 전열부(200)의 타면은, 전열부(200)의 타면의 모서리와 모서리로부터 소정 간격 이격된 위치의 선으로 둘러싸인 영역, 전열부(200)의 타면의 가장자리에 위치한 제 1 영역(210)과, 전열부(200)의 타면 전체에서 제 1 영역(210)을 제외한 영역, 즉 전열부(200)의 중심부에 위치하는 제 2 영역(220)으로 구분될 수 있다. 통상적으로 제 1 영역(210)은 외부 환경에 영향을 받아 가열부(100)의 열이 쉽게 손실될 수 있고, 그 반면에 제 2 영역(220)은 지속적으로 가열부(100)의 열을 수신하여 제 1 영역(210)보다 높은 온도로 유지될 수 있다. 이 때, 가장자리에 위치한 인큐베이터(I) 및 스트립(S)의 온도가 중심부에 위치한 인큐베이터(I) 및 스트립(S)의 온도가 더 높아져 온도가 균일하게 유지되기 어려울 수 있다.
이에 따라, 본원발명은 전열부(200)의 중심부에 위치한 제 2 영역(220)에 전열부(200)의 열전도율보다 낮은 열전도율을 갖는 단열재(230)를 충진함으로써 중심부의 온도를 낮출 수 있고, 제 1 영역(210)의 높은 열전도율을 갖는 전열부(200)를 따라 보다 빠른 속도로 열이 전달될 수 있어 열이 외부환경에 의해 손실되더라도 즉시 보상할 수 있다.
이 때, 가열부(100)는 전열부(200)의 타면 전체에 접촉하여 결합 될 수 있다. 보다 자세히, 가열부(100)는, 제 1 영역(210)과 제 2 영역(220)을 포함하는 전열부(200)의 타면 전면에 접촉하여 열을 발생시키는 열선인 것이 바람직하다. 이 외에도, 가열부(100)는 박막 형태로 전열부(200)의 타면에 결합될 수 있는 조건 내에서 다양한 형상 및 재질로 변경 가능하다.
또한, 도 13에 도시된 바와 같이, (b) 단계는, (b1) 목표 온도와 각각의 스트립(S) 온도를 비교하여 온도 편차를 계산하는 단계, (b2) (b1) 단계에서 계산된 온도 편차를 기반으로 하기의 식에 따라 열 분산패드(310)의 너비를 계산하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
수식 : 
여기서, (여기에서, L : 제 n번째 스트립(S)의 위치에서 열 분산패드(310)의 너비 : 제 n번째 스트립(S)의 온도와 목표 온도의 편차 : 제 nㅁ1번째 스트립(S)의 온도와 목표 온도의 편차 : 제 nㅁ2번째 스트립(S)의 온도와 목표 온도의 편차α : 비례상수이다.) 상기의 식은 스트립(S) 위치 별 보상해야 하는 온도 값(=온도편차)와 주변 스트립(S)의 온도 편차를 보상함으로써 가해지는 열영향을 모두 고려한 것이다.
이 때 각 열분산 패드는 각각의 스트립(S)에서의 온도 편차를 측정하여 상술한 식에 대입 후 L(너비) 값 만큼 너비(도 8에서 세로축 길이)가 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 가로축 길이는 하나의 인큐베이터(I)에 삽입되는 스트립(S)의 개수 만큼 등분되는 것이 바람직하다. 즉, 스트립(S) 1에서의 온도 편차를 통해 계산된 너비 값이 B, E, H라고 할 때, 스트립(S) 1과 접하는 위치에서 가로축 길이는 스트립(S)의 개수 만큼 등분된 길이이고, 세로축 길이(열 분산패드(310)의 너비)는 각각 B,E,H 이도록 형성되어 하나의 면을 형성할 수 있다. 이 때, 인접한 스트립(S) 위치별 너비 값이 상이한 경우, 열 분산패드(310)는 가공의 용이성 및 열전달의 연속성을 위해 모깍기 되어 모서리가 대각선으로 형성되도록 설계되는 것이 바람직하다.
또한, 도 14에 도시된 바와 같이, (c) 단계는, (c1) (b) 단계에서 연산된 열 분산패드(310)의 너비 값에 따라 외곽선 가공단계, (c2) 열 분산패드(310)의 일면 표면을 인큐베이터(I)의 하면 형상과 대응되도록 가공하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. (c2) 단계에서 열 분산패드(310)는, 표면에 인큐베이터(I)의 내부 격자 형상과 대응되는 형상으로 돌출 또는 요홈이 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라 열 분산패드(310)의 표면과 인큐베이터(I)의 격자형태가 맞물려 인큐베이터(I)의 위치를 고정함과 동시에 인큐베이터(I)에 수용된 스트립(S)에 보다 직접적으로 열이 전도되도록 할 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000 : 인큐베이터 온도 제어 시스템
100 : 가열부
200 : 전열부
210 : 제 1 영역
220 : 제 2 영역
230 : 단열재
300 : 열 분산부
310 : 열 분산패드
400 : 보호패드
S : 스트립
I : 인큐베이터
100 : 가열부
200 : 전열부
210 : 제 1 영역
220 : 제 2 영역
230 : 단열재
300 : 열 분산부
310 : 열 분산패드
400 : 보호패드
S : 스트립
I : 인큐베이터
Claims (15)
- 시료가 수용되는 스트립이 끼워지는 복수의 인큐베이터의 온도를 제어하는 인큐베이터 온도 제어 시스템에 있어서,
열을 발생시키는 가열부;
상기 인큐베이터에 상기 가열부의 열이 전달되도록, 상기 인큐베이터에 일면이 접하고, 상기 가열부에 타면이 접한 전열부; 및
상기 전열부의 일면과 상기 인큐베이터의 사이에 위치하되, 상기 인큐베이터의 위치에 관계없이 균일하게 상기 가열부의 열을 전달하는 열 분산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 전열부의 타면은,
상기 전열부의 타면의 모서리와 모서리로부터 소정 간격 이격된 위치의 선으로 둘러싸인 영역인 제 1 영역과,
상기 전열부의 타면 전체에서 상기 제 1 영역을 제외한 제 2 영역으로 구분되고,
상기 제 2 영역은 상기 타면으로부터 소정 깊이만큼 오목 형성되며,
상기 제 2 영역에 충진되고, 상기 가열부의 열을 단열하는 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템.
- 제 2항에 있어서,
상기 단열재의 열전도율은,
상기 전열부의 평균 열전도율보다 더 작은 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 가열부는,
상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역을 포함하는 상기 전열부의 타면 전면에 접촉하여 열을 발생시키는 열선인 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 열 분산부는,
상기 인큐베이터와 상기 전열부의 접촉 위치에 각각 배치되며, 공기보다 열전도율이 높은 재질로 구성된 2개 이상의 열 분산패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템.
- 제 5항에 있어서,
상기 열 분산패드는,
상기 인큐베이터가 배열된 방향과 평행한 방향의 중심축에 선대칭 되는 도형으로 형성되며,
상기 중심축으로부터의 너비는 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템.
(여기에서, L : 제 n번째 상기 스트립의 위치에서 상기 열 분산패드의 너비
: 제 n번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차
: 제 nㅁ1번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차
: 제 nㅁ2번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차
α : 비례상수이다.) - 제 5항에 있어서,
상기 열 분산패드는,
표면에 상기 인큐베이터의 내부 격자 형상과 대응되는 형상으로 돌출 또는 요홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 스트립 또는 상기 인큐베이터 중 적어도 어느 하나의 온도를 수신하는 2개 이상의 온도센서를 포함하고,
상기 온도 센서는 기판에 실장되며,
상기 온도 센서는 각각의 각각의 스트립의 위치와 대응되도록 서로 일정 간격 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템.
- 제 8항에 있어서,
상기 온도센서로부터 상기 스트립의 온도 정보를 수신하여 상기 가열부를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는,
다수의 상기 온도센서 중 적어도 하나의 상기 온도 센서를 기준 센서로 지정하여 연속적으로 온도 데이터를 수신하고,
상기 기준 센서의 온도 값이 미리 입력된 정상 범위 외일 경우,
다른 상기 온도 센서의 값을 수신하여 상기 기준 센서의 측정값과 비교함으로써 상기 기준 센서의 신뢰도를 검증하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템.
- 인큐베이터 온도 제어 시스템을 제작하는 인큐베이터 온도 제어 시스템의 제작방법에 있어서,
(a) 제어부가 스트립 위치 별 열 분포 데이터를 수신하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 수신한 열 분포 데이터를 기반으로 온도 편차 및 그에 따른 열 분산패드의 너비를 연산하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계에서 연산된 상기 열 분산패드의 수치에 따라 상기 열 분산패드를 가공하는 단계;
(d) 상기 열 분산패드를 전열부의 일면에 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템의 제작방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
상기 제어부가,
(a1) 상기 스트립과 스트립이 수용되는 인큐베이터, 전열부 및 가열부의 형상 및 재질을 모델링하는 단계;
(a2) 상기 (a1) 단계에서 모델링된 모델에 열을 가했을 시의 가상 열 분포를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템의 제작방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a3) 상기 전열부의 일면에 상기 인큐베이터를 배치하는 단계;
(a4) 상기 인큐베이터를 가열하는 단계;
(a5) 각각의 스트립의 온도를 수신하는 온도 센서로부터 제어부가 각 스트립의 온도를 수신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템의 제작방법.
- 제 12항에 있어서,
상기 (a) 단계에 선행하여,
(e) 상기 전열부에 단열재 또는 가열부를 결합하는 단계;를 더 포함하고,
상기 (e) 단계는,
(e1) 상기 전열부의 타면 중 제 2 영역에 홈을 형성하는 단계;
(e2) 상기 (e1) 단계에서 형성된 홈에 상기 전열부보다 낮은 열전도율을 갖는 단열재를 충진하는 단계;
(e3) 상기 전열부의 타면에 가열부를 부착하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템의 제작방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b1) 목표 온도와 각각의 상기 스트립의 온도를 비교하여 온도 편차를 계산하는 단계,
(b2) 상기 (b1) 단계에서 계산된 온도 편차를 기반으로 하기의 식에 따라 상기 열 분산패드의 너비를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템의 제작방법.
(여기에서, L : 제 n번째 상기 스트립의 위치에서 상기 열 분산패드의 너비
: 제 n번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차
: 제 nㅁ1번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차
: 제 nㅁ2번째 상기 스트립의 온도와 목표 온도의 편차
α : 비례상수이다.)
- 제 10항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c1) 상기 (b) 단계에서 연산된 상기 열 분산패드의 너비 값에 따라 외곽선 가공단계;
(c2) 상기 열 분산패드의 일면 표면을 상기 인큐베이터의 하면 형상과 대응되도록 가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인큐베이터 온도 제어 시스템의 제작방법.
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