一种培养室加热膜功率分布优化方法与流程

1.本发明涉及细胞培养领域，尤其是涉及培养室加热膜功率分布优化方法。


背景技术：

2.细胞培养室是桌面培养箱中核心的功能模块，主要负责提供细胞发育所需的恒温环境，对于培养通量高、培养尺度大、培养一致性要求高的细胞培养场景，培养室内部的温度均匀性尤为重要。目前桌面式细胞培养室最佳的加热方式通过聚酰亚胺薄膜pi加热膜进行加热，聚酰亚胺薄膜pi加热膜是以聚酰亚胺薄膜为外绝缘体，以镍铬合金蚀刻发热片为内导电发热体，经高温高压热合而成。聚酰亚胺加热膜具有柔软性能好、预热速度快、使用寿命长、发热均匀、安装方便等优点，广泛适用于电加热领域。
3.聚酰亚胺加热膜的核心元件为发热片，通过发热片的轨迹排布可以定制出各式各样造型，从而可以对结构表面进行发热功率的输入。目前对培养室的加热最简单的加热方式是将按蛇形密集走向的发热片的加热膜直接贴在结构外表面，由于发热片几何均匀地充满整个表面进行加热，会导致部分壁厚的区域温度低，壁薄的区域温度高，造成较大的温度梯度。其他方案有考虑了结构的特点，会刻意的修改加热片的功率分布，如壁厚区域适当提升发热片密度，壁薄区域适当降低发热片密度，但是只能做定性设计，准确性较差。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种培养室加热膜功率分布优化方法，能够精确定量的计算出加热膜发热片的几何参数，无需大范围地调整加热膜发热片的走向和轨迹，该方法可以有效提高培养室结构温度场的均匀性。
5.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
6.一种培养室加热膜功率分布优化方法，包括以下步骤：
7.s1:对培养室采用有限元仿真，对培养室给定边界散热条件和发热功率，当培养室处于传热平衡状态时，计算此时出加热膜的输入有效电压值ra为加热膜的总电阻值，qe为当前传热平衡状态时加热膜的发热功率；
8.s2:根据处于传热平衡状态时培养室各个位置的温度，将培养室划分成若干计算区域，每一计算区域内温度尽量均匀；
9.s3:对处于传热平衡状态的每一计算区域给予微小的功率增加，当内部温度达到目标温度值时的新的传热平衡状态时，区域表面增加的电阻值为a为计算区域对外散热面积，h为表面对流换热系数，t0为原平衡态下的平均温度值；t(tn)为新平衡态下的内部温度值，即目标温度值；
10.s4:每一计算区域表面修改后的新的电阻值rn计算公式为：
r0为计算区域原电阻值，μ为电阻率，l0和s0分别为加热膜原长度和原截面积，l
′
为加热膜的长度增加值，s
′
为加热膜截面积减小值，w0为原截面宽度，w
′
为截面宽度减小值，z为截面高度；
11.s5:改变每一计算区域内加热膜的长度、加热膜的宽度中的一种或多种，使每一计算区域内的温度达到目标温度，培养室温度均匀。
12.进一步地，在步骤s3中，每一计算区域给予微小的功率增加，时间t后内部温度平均值为t(t)，增加的热量为q(t)，
13.q(t)＝cmδt＝cρv(t(t)-t0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
14.公式(1)中：m为计算区域的质量，c为材料的比热容，ρ为材料的密度，v为计算区域的体积，t0为原平衡态下的平均温度值；
15.功率增加采用提高电阻值的方式，因此提高电阻值后增加的加热功率为i为经过加热膜的电流，r
′
为计算区域表面增加的电阻值；区域外表面积对外新增散热功率为q2(t)＝ah(t(t)-t0)，a为计算区域对外散热面积，h为表面对流换热系数，根据能量守恒平衡方程，得到
[0016][0017]
将公式(2)代入公式(1)，得到
[0018][0019]
对公式(3)两侧求微分，计算区域内相对原平衡态增加的温度值对时间的导数如下
[0020][0021]
当dt/dt＝0时，计算区域内部的温度值将不会再增加，此时再次达到新的传热平衡态，新平衡态下的内部温度值t(tn)即等于目标温度值，得到
[0022][0023]
求解，得到
[0024]
进一步地，在步骤s5中，当只修改加热膜的长度的方式增加阻值，则新的发热片长度值ln为：
[0025]
[0026]
进一步地，在步骤s5中，当只修改截面宽度的方式增加阻值，则新的发热片截面宽度wn为：
[0027][0028]
进一步地，在步骤s2中，若干个计算区域之间的温度允许存在差值。
[0029]
进一步地，所述培养室加热膜功率分布优化方法还包括步骤s6，步骤s6具体为：对修改后的培养室再次进行仿真，测量处于传热平衡状态时培养室各个位置的温度，根据处于传热平衡状态时培养室各个位置的温度判断修正后的培养室温度均匀性是否符合设计要求。
[0030]
进一步地，当修正后的培养室温度均匀性不符合设计要求时，将步骤s5中发热片参数作为初始值，循环步骤s1至s6，直至培养室温度均匀性符合设计要求。
[0031]
进一步地，在步骤s5中，根据计算区域内培养室的具体结构的空间尺寸以及加热膜的排布选择改变每一计算区域内加热膜的长度、宽度中的一种或多种。
[0032]
相比现有技术，本发明培养室加热膜功率分布优化方法通过有限元仿真，将处于传热平衡状态的培养室划分成若干计算区域，对处于传热平衡状态的每一计算区域给予微小的功率增加，当内部温度达到目标温度值时的新的传热平衡状态时，计算区域表面增加的电阻值，根据区域表面增加的电阻值修改加热膜的长度、宽度，使每一计算区域内的温度达到目标温度，培养室温度均匀，通过上述方法，可以精确定量的计算出加热膜发热片的几何参数，无需大范围地调整加热膜发热片的走向和轨迹，该方法可以有效提高培养室结构温度场的均匀性。
附图说明
[0033]
图1为本发明培养室加热膜功率分布优化方法的流程图；
[0034]
图2为本发明培养室加热膜功率分布优化方法中培养室划分成若干计算区域的示意图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0037]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0038]
图1为本发明培养室加热膜功率分布优化方法的流程图，本发明培养室加热膜功率分布优化方法，包括以下步骤：
[0039]
s1:对培养室采用有限元仿真，对培养室给定边界散热条件和发热功率，当培养室处于传热平衡状态时，计算此时出加热膜的输入有效电压值ra为加热膜的总电阻值，qe为当前传热平衡状态时加热膜的发热功率；
[0040]
s2:根据处于传热平衡状态时培养室各个位置的温度，将培养室划分成若干计算区域，每一计算区域内温度尽量均匀；
[0041]
s3:对处于传热平衡状态的每一计算区域给予微小的功率增加，当内部温度达到目标温度值时的新的传热平衡状态时，区域表面增加的电阻值为a为计算区域对外散热面积，h为表面对流换热系数，t0为原平衡态下的平均温度值；t(tn)为新平衡态下的内部温度值，即目标温度值；
[0042]
s4:每一计算区域表面修改后的新的电阻值rn计算公式为：r0为计算区域原电阻值，μ为电阻率，l0和s0分别为加热膜原长度和原截面积，l
′
为加热膜的长度增加值，s
′
为加热膜截面积减小值，w0为原截面宽度，w
′
为截面宽度减小值，z为截面高度；
[0043]
s5:改变每一计算区域内加热膜的长度、加热膜的宽度中的一种或多种，使每一计算区域内的温度达到目标温度，培养室温度均匀。
[0044]
具体的，在步骤s1中，培养室的加热膜功率分布已知，培养室的传热方程具有稳态解，能够获得培养室结构内部的温度场。
[0045]
具体的，在步骤s2中，请参阅图2，将培养室结构划分为若干计算区域，划分的原则是：计算区域内的温度场应尽量均匀，且允许与其他计算区域存在一定的梯度。本发明的优化方法将基于计算区域为分析单元，给出单个区域内的温度优化策略，并求解出相应的发热片的几何参数。
[0046]
具体的，在步骤s3中，当在某种已知加热膜的传热平衡状态时，假设对某计算区域给予微小的功率增加，该区域则会基于原传热平衡态继续加热，过时间t后内部温度平均值为t(t)，增加的热量为q(t)。
[0047]
q(t)＝cmδt＝cρv(t(t)-t0)
[0048]
式中：m为计算区域的质量，c为材料的比热容，ρ为材料的密度，v为计算区域的体积，t0为原平衡态下的平均温度值。
[0049]
提高功率最有效的方法是增加该区域内的电阻值，由于修改局部区域的电阻值对总阻值和加热膜输入功率的影响微小，可以忽略不计。因此，计算区域提高电阻值后增加的加热功率q1计算如下：
[0050][0051]
式中：i为经过加热膜的电流，r
′
为计算区域表面增加的电阻值。
[0052]
计算区域外表面积对外新增散热功率为q2(t)，计算公式如下：
[0053]
q2(t)＝ah(t(t)-t0)
[0054]
式中：a为计算区域对外散热面积，h为表面对流换热系数。
[0055]
忽略培养室内部的对流换热影响，根据能量守恒平衡方程，得出如下：
[0056][0057]
代入上式可以得出：
[0058][0059]
对上式等号两侧求微分，可以得出，计算区域内相对原平衡态增加的温度值对时间的导数如下
[0060][0061]
从上式可以看出，当dt/dt＝0时，计算区域内部的温度值将不会再增加，此时再次达到新的传热平衡态，新平衡态下的内部温度值t(tn)即等于目标温度值。
[0062][0063]
可以求解得出
[0064][0065]
因此，可以通过目标温度与计算区域内原平衡态的平均温度的差作为修正值，求解得到该区域内加热膜所需增加的阻值大小。
[0066]
具体的，在步骤s4中，考虑到加热膜的实际制作工艺，电阻片的厚度是均一的，提高电阻值只能通过提高加热膜的长度或减小截面宽度实现，根据结构表面的排布情况进行搭配选择。计算区域表面修改后的新的电阻值rn计算公式如下：
[0067][0068]
其中，r0为计算区域原电阻值，μ为电阻率，l0和s0分别为加热膜原长度和原截面积，l
′
为加热膜的长度增加值，s
′
为加热膜截面积减小值，w0为原截面宽度，w
′
为截面宽度减小值，z为截面高度。
[0069]
基于上述公式可以匹配l
′
和w
′
的数值，以满足所需的电阻值，一般做法可以只更改其中一个参数。
[0070]
若只修改加热膜的长度的方式增加阻值，则新的长度值ln为：
[0071][0072]
若只修改截面宽度的方式增加阻值，则新的截面宽度wn为：
[0073][0074]
具体的，在步骤s5中，求解得到ln或wn值后，可以根据结构的空间尺寸对加热膜内的发热片进行修改，适当增加长度或者缩小局部发热片的宽度尺寸。
[0075]
培养室加热膜功率分布优化方法还包括步骤s6，步骤s6具体为：对修改后的培养室再次进行仿真，测量处于传热平衡状态时培养室各个位置的温度，根据处于传热平衡状态时培养室各个位置的温度判断修正后的培养室温度均匀性是否符合设计要求。当修正后的培养室温度均匀性不符合设计要求时，将步骤s5中发热片参数作为初始值，循环步骤s1至s6，直至培养室温度均匀性符合设计要求。
[0076]
本发明提出的培养室加热膜功率分布优化方法，在已知加热膜的发热片分布下，系统已经达到传热平衡，内部会存在较大的温度梯度，通过修改发热片的几何参数，改变电阻值，可以优化各个区域的加热功率分布，可以精确定量的计算出加热膜发热片的几何参数，无需大范围地调整加热膜发热片的走向和轨迹，该方法可以有效提高培养室结构温度场的均匀性。
[0077]
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种培养室加热膜功率分布优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1:对培养室采用有限元仿真，对培养室给定边界散热条件和发热功率，当培养室处于传热平衡状态时，计算此时出加热膜的输入有效电压值r
a
为加热膜的总电阻值，q
e
为当前传热平衡状态时加热膜的发热功率；s2:根据处于传热平衡状态时培养室各个位置的温度，将培养室划分成若干计算区域，每一计算区域内温度尽量均匀；s3:对处于传热平衡状态的每一计算区域给予微小的功率增加，当内部温度达到目标温度值时的新的传热平衡状态时，区域表面增加的电阻值为a为计算区域对外散热面积，h为表面对流换热系数，t0为原平衡态下的平均温度值；t(t
n
)为新平衡态下的内部温度值，即目标温度值；s4:每一计算区域表面修改后的新的电阻值r
n
计算公式为：r0为计算区域原电阻值，μ为电阻率，l0和s0分别为加热膜原长度和原截面积，l
′
为加热膜的长度增加值，s
′
为加热膜截面积减小值，w0为原截面宽度，w
′
为截面宽度减小值，z为截面高度；s5:改变每一计算区域内加热膜的长度、加热膜的宽度中的一种或多种，使每一计算区域内的温度达到目标温度，培养室温度均匀。2.根据权利要求1所述的培养室加热膜功率分布优化方法，其特征在于：在步骤s3中，每一计算区域给予微小的功率增加，时间t后内部温度平均值为t(t)，增加的热量为q(t)，q(t)＝cmδt＝cρv(t(t)-t0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)公式(1)中：m为计算区域的质量，c为材料的比热容，ρ为材料的密度，v为计算区域的体积，t0为原平衡态下的平均温度值；功率增加采用提高电阻值的方式，因此提高电阻值后增加的加热功率为i为经过加热膜的电流，r
′
为计算区域表面增加的电阻值；区域外表面积对外新增散热功率为q2(t)＝ah(t(t)-t0)，a为计算区域对外散热面积，h为表面对流换热系数，根据能量守恒平衡方程，得到将公式(2)代入公式(1)，得到对公式(3)两侧求微分，计算区域内相对原平衡态增加的温度值对时间的导数如下
当dt/dt＝0时，计算区域内部的温度值将不会再增加，此时再次达到新的传热平衡态，新平衡态下的内部温度值t(t
n
)即等于目标温度值，得到求解，得到3.根据权利要求1所述的培养室加热膜功率分布优化方法，其特征在于：在步骤s5中，当只修改加热膜的长度的方式增加阻值，则新的发热片长度值l
n
为：4.根据权利要求1所述的培养室加热膜功率分布优化方法，其特征在于：在步骤s5中，当只修改截面宽度的方式增加阻值，则新的发热片截面宽度w
n
为：5.根据权利要求1所述的培养室加热膜功率分布优化方法，其特征在于：在步骤s2中，若干个计算区域之间的温度允许存在差值。6.根据权利要求1所述的培养室加热膜功率分布优化方法，其特征在于：所述培养室加热膜功率分布优化方法还包括步骤s6，步骤s6具体为：对修改后的培养室再次进行仿真，测量处于传热平衡状态时培养室各个位置的温度，根据处于传热平衡状态时培养室各个位置的温度判断修正后的培养室温度均匀性是否符合设计要求。7.根据权利要求6所述的培养室加热膜功率分布优化方法，其特征在于：当修正后的培养室温度均匀性不符合设计要求时，将步骤s5中发热片参数作为初始值，循环步骤s1至s6，直至培养室温度均匀性符合设计要求。8.根据权利要求6所述的培养室加热膜功率分布优化方法，其特征在于：在步骤s5中，根据计算区域内培养室的具体结构的空间尺寸以及加热膜的排布选择改变每一计算区域内加热膜的长度、宽度中的一种或多种。

技术总结
本发明公开了一种培养室加热膜功率分布优化方法，属于细胞培养领域，通过有限元仿真，将处于传热平衡状态的培养室划分成若干计算区域，对处于传热平衡状态的每一计算区域给予微小的功率增加，当内部温度达到目标温度值时的新的传热平衡状态时，计算区域表面增加的电阻值，根据区域表面增加的电阻值修改加热膜的长度、宽度，使每一计算区域内的温度达到目标温度，培养室温度均匀，通过上述方法，可以精确定量的计算出加热膜发热片的几何参数，无需大范围地调整加热膜发热片的走向和轨迹，该方法可以有效提高培养室结构温度场的均匀性。可以有效提高培养室结构温度场的均匀性。可以有效提高培养室结构温度场的均匀性。


技术研发人员：周国熠 周虎军
受保护的技术使用者：武汉市汇鲲生物技术服务有限责任公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/19