実験室インキュベーター

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インキュベーターは、透明なチャンバーと、その温度、湿度、および換気を調整する装置で構成されています。何年もの間、インキュベーターによって提供される制御された環境の主な用途には、家禽の卵の孵化や未熟児や病気の乳児の世話が含まれていましたが、最近、医療や研究のための微生物の培養と操作という新しい重要な用途が出現しました。この記事では、実験室（医療）インキュベーターに焦点を当てます。

最初のインキュベーターは古代中国とエジプトで使用され、そこでは受精卵が孵化するために置かれた火で加熱された部屋で構成され、それによって雌鶏は産卵を続けることができました。その後、薪ストーブとアルコールランプがインキュベーターの加熱に使用されました。今日、家禽のインキュベーターは大きな部屋であり、華氏99.5度から100度（摂氏37.5度から37.8度）の温度を維持するために電気的に加熱されています。加熱された空気を卵の上に均等に循環させるためにファンが使用され、卵からの水の蒸発を最小限に抑えるために部屋の湿度は約60パーセントに設定されています。さらに、外気がインキュベーターに送り込まれ、21％の一定の酸素レベルを維持します。これは新鮮な空気では正常です。大型の商業用インキュベーターで一度に10万個もの卵子を育てることができ、21日間の孵卵期間中、すべてを1日8回以上回転させます。

19世紀後半、医師はインキュベーターを使用して、37週間未満の妊娠期間（最適な人間の妊娠は280日または40週間続く）後に生まれた赤ちゃんの命を救うのを助け始めました。灯油ランプで加熱された最初の乳児保育器は、1884年にパリの女性病院に登場しました。

1933年、アメリカのジュリアスH.ヘスは、電気加熱式の乳児用保育器を設計しました（現在でもほとんどが電気加熱式です）。現代のベビーインキュベーターは、囲まれていることを除けば、ベビーベッドに似ています。通常、カバーは透明なので、医療関係者は赤ちゃんを継続的に観察できます。さらに、多くのインキュベーターは、長腕のゴム手袋をはめ込むことができる側壁開口部で作られているため、看護師は赤ちゃんを外さずに世話をすることができます。温度は通常華氏88度から90度（摂氏31度から32度）に維持されます。入ってくる空気はHEPA（高効率浄化空気）フィルターを通過し、HEPA（高効率浄化空気）フィルターがそれを洗浄して加湿し、チャンバー内の酸素レベルが各乳児の特定のニーズを満たすように調整されます。未熟児のケアを専門とする新生児病棟のインキュベーターには、乳児の体温と血液中の酸素量を監視するための電子機器が装備されていることがよくあります。

実験室（医療）インキュベーターは、20世紀に最初に利用されました。医師は、患者の体液中の病原体（病気の原因となる細菌）を特定し、障害をより正確に診断するために使用できることに気づきました。サンプルを採取したら、ペトリ皿、フラスコ、またはその他の滅菌容器に移し、インキュベーター内のラックに入れます。病原性の成長を促進するために、チャンバー内の空気は加湿され、体温（華氏98.6度または摂氏37度）に加熱されます。さらに、これらのインキュベーターは、細胞の成長に必要な量の大気中の二酸化炭素または窒素を提供します。この注意深く調整された空気がその周りを循環するにつれて、微生物は増殖し、より簡単でより確実な識別を可能にします。

インキュベーターの関連する用途は、組織培養です。これは、臨床医が植物または動物から組織断片を抽出し、これらの外植片をインキュベーターに入れ、その後の成長を監視する研究手法です。インキュベーター内の温度は、外植片が由来する生物の温度またはその近くに維持されます。インキュベーター内の外植片を観察することで、科学者は特定の細胞の操作と相互作用について洞察を得ることができます。たとえば、癌細胞を理解し、ポリオ、インフルエンザ、はしか、おたふく風邪のワクチンを開発することができました。さらに、組織培養により、研究者は特定の酵素の欠如に起因する障害を検出することができました。

インキュベーターは、科学者が外植片の遺伝物質を操作し、時には個別のソースからのDNAを組み合わせて新しい生物を作成する、組織培養の拡張である遺伝子工学でも使用されます。精子バンク、クローニング、優生学などのアプリケーションは多くの現代の観察者を悩ませていますが、遺伝物質はすでに測定可能なプラスの効果に操作されています。たとえば、インスリンやその他の生物学的に不可欠なタンパク質を作るためです。遺伝子工学はまた、多くの果物や野菜の栄養成分を改善し、さまざまな作物の病気に対する抵抗力を高めることができます。インキュベーターの最大の可能性はバイオテクノロジーの分野にあります。

原材料

インキュベーターの製造には、主に3種類の材料が必要です。 1つ目はステンレス鋼です 一般的なグレードの板金。通常、厚さは.02〜.04インチ（.05〜.1センチメートル）です。ステンレス鋼は、自然に発生する環境因子とユニット内に配置されたものの両方によって引き起こされる可能性のある錆や腐食に耐えるために使用されます。必要なコンポーネントの次のカテゴリには、外部のサプライヤから購入したアイテムが含まれます。ナット、ネジ、断熱材、モーター、ファン、およびその他のその他のアイテムです。必要な材料の3番目のタイプは電子機器パッケージであり、その複雑さは問題のユニットの洗練度に依存します。このようなパッケージには、アナログ温度制御を備えた単純なオン/オフスイッチ、またはさまざまな間隔でさまざまな温度を維持するように、またはさまざまな内部照明システムを操作するようにプログラムできる最先端のマイクロプロセッサがあります。

デザイン

標準的な冷蔵庫と同様に、インキュベーターは、カウンタートップモデルの場合は5〜10立方フィート（1.5〜3立方メートル）、自立型の場合は18〜33立方フィート（5.5〜10立方メートル）のチャンバーの容積で測定されます。モデル。

板金は、内部チャンバーとそれを囲むケースの2つのボックス構成を作成するために使用されます。断熱材（チャンバーが電気的に加熱されている場合）またはウォータージャケット（水加熱されている場合）がチャンバーを囲み、ケースがチャンバー、コントロール、およびドアを支えます。汚染を防ぎ、真菌や細菌の増殖を防ぐために、チャンバーは密閉するか、気密にする必要があります。また、壁に開口部を組み込む必要もあります。科学者がチャンバーの内容物を邪魔することなく観察できるガラスドアは、チャンバーのガスケットにぴったりとはまり、インキュベーターの気密性を維持するのに役立ちます。頑丈で断熱されたスチール製のドアがガラス製のドアを閉じます。

使用される熱源には、ファンを使用して発生する暖かさを循環させる電気ヒーターと、温水ジャケットの2種類があります。前者の設計では、内室には電気ヒーターが内壁に取り付けられ、穴あき保護パネルで覆われています。ヒーターのすぐ上のチャンバー壁に取り付けられているのは、モーターがチャンバー壁を通ってケースの制御領域に伸び、ブレードが内側を向いているファンです。他のメーカーは、水で満たされたジャケットでチャンバーを囲むことによってチャンバーを加熱します。

乾式壁ヒーターは、ウォータージャケットに比べていくつかの利点があります。第一に、前者はチャンバー内の温度をより速く変化させることができます。また、壁ヒーターはチャンバーをより迅速に暖めるだけでなく、より高い温度に加熱するため、電気的に加熱されたユニットは熱的に除染できます（チャンバーの温度が華氏212度または摂氏100度に上昇した後、ユニットは汚染物質がないと見なされます以上）。ウォータージャケットは、壁のヒーターにはない別の問題を引き起こします。それらは加圧されているため、漏れが発生する可能性があります。

湿度は、限られた量の精製水を含む小さな銅製のボウルを加熱することによって生成されます。得られた蒸気は、制御弁によってチャンバーに導入することができます。室内照明も使用できます。蛍光灯とUV（紫外線） 実験用インキュベーターの最大のコンポーネントは、ステンレス鋼の板金でできており、せん断、穴あけ、曲げが行われます。適切な形状。部品は、ネジ、スポット溶接、またはアーク溶接によって結合されます。組み立てプロセスの終わり近くに、ウォータージャケットまたは断熱材のいずれかがチャンバーに挿入されます。ランプは個別に、または組み合わせて取り付けることができます。温度、湿度、照明、換気、およびその他の特別な機能を調整するために、より洗練されたインキュベーターは、外側のケースにコントロールパネルを備えています。ただし、ユニットが比較的単純なものである場合、単純なアナログ温度制御を備えた基本的なオン/オフスイッチのみを提供します。チャンバー内には、サーモスタットまたは熱電対が戦略的に配置されており、外部から問題なく見ることができます。

製造
プロセス

板金の切断、穴あけ、曲げ
シートメタル

• 1最初に、48インチ×112インチ（122センチメートル×284センチメートル）の金属シートを、非常に大きな卓上ペーパーカッターに似た平らな剪断機で小さな正方形の断片に切断します。
• 2 CNCタレットプレスは、穴を開ける板金の寸法と各穴とノッチの位置をプログラムした機械です。各穴とノッチの形状とサイズも入力されます。マシンには、タレット（回転）ホルダー内にさまざまなサイズと事前に決定された位置のパンチのマガジンがあります。オペレーターは、シートを機械のベッド（テーブル）に置き、3つの固定点に対してシートを配置して直角度を確保し、テーブルに固定します。次に、機械は、ローラーのベッド上で鋼板をタレットの下のさまざまな位置に移動してから、タレットをその特定の場所にプログラムされたパンチに回転させ、プレスをトリガーして穴を開けます。この設計の機械は、60を超える異なるパンチ形状を収容し、高速で板金を移動および打撃することができます。ほとんどの板金キャビネットメーカーは、このテクノロジーを広く使用しています。
• 3コンピューターでプログラムされたものでも自動化されたものでもない従来のパンチプレスは、ハードツーリングを実行します。 言い換えれば、それらは特定の形状とサイズの穴だけを打ち抜きます。板金は、オペレーターによってダイに配置されます。プレスが下に移動すると、板金が打ち抜かれます。これらの機械はCNCプレスよりも安価ですが、パンチの望ましい構成を得るには、板金を多数のプレスに配置する必要があります。
• 4板金をせん断して穴を開けた後、パワープレスブレーキと呼ばれる機械でいくつかの部品を曲げる必要があります。 またはブレーキ 略して。ブレーキの長さは4〜20フィート（1.2〜6.1メートル）の範囲ですが、通常は約10フィート（3メートル）の長さです。固定底、またはベッドの両方 移動するアッパー、つまりラム マシンの長さを実行するスロットがあります。これらのスロットは位置合わせされているため、スロットに配置されたツールは常に完全に位置合わせされます。ベッドの上面には「V」が開いた長方形のブロックがあり、ラムには刃先に半径のあるナイフエッジのブレードがあります。開いた底の「V」へのラムの降下は制御されます。ブレードがベッドに入る深さは、板金が曲げられる角度を制御します。シンプルな直定規がバックゲージとして機能します。

キャビネットの組み立て

• 5次に、チャンバーとケースの両方のコンポーネントを一緒に取り付けます。一部は板金ネジで取り付けます。他のものは、スポット溶接、つまり別々の材料を圧力と熱で溶かすプロセスによって結合されます。
• 6他のコンポーネントは、3つの方法のいずれかを使用してアーク溶接されます。 MIG（メタルアーク不活性ガス）溶接として知られる最初の方法では、細いワイヤーのコイルがハンドヘルドガンに通されます。ホースは、不活性ガス（通常はアルゴン）のタンクからガンのノズルの先端に接続されています。ガンのワイヤーとワークには電流を発生させる機械が取り付けられています。ガンの引き金を引くと、線材が動き、ワークに向かって送られ、ガスが放出され、ワイヤーが金属と弧を描く場所に雰囲気を作り出します。これにより、パーツの結合が可能になります。
• 72番目のアーク溶接方法はスティック溶接として知られています。このプロセスでは、長さ約12インチ、厚さ.187インチ（長さ30センチメートル、厚さ.47センチメートル）の細い棒を、フラックス材料でコーティングして、ハンドヘルドホルダーに入れます。このホルダーは、電荷を発生させる機械に取り付けられています。また、溶接する部品に端が固定された接地ケーブルも機械に接続されています。ロッドが部品に近づくと、アークが発生し、ロッドとフラックスを溶かす強烈な熱が発生します。フラックスはクレンザーとして機能し、ロッド材料が両方の金属片に付着することを可能にします。溶接機は、アークを一定に保つために、シームからの距離を維持しながら、金属のシームに沿ってロッドをドラッグします。
• 8インキュベーターの組み立てに使用される3番目のアーク溶接方法は、スティック溶接とMIG溶接を組み合わせたTIG（タングステンアーク不活性ガス）溶接です。このプロセスでは、フラックスのない固定タングステンロッドがハンドヘルドガンに挿入されます。不活性ガスはタンクからガンのノズルを通って流れます。引き金を引くと、ガスが雰囲気を作り出します。タングステンロッドがアークに当たると、2つの部品が溶加材なしで融合します。

インキュベーターの塗装

• 9この時点で、ケースを塗装して、内側と外側の両方の表面をさらに保護することができます（内部チャンバーは塗装されません）。ボックスはスプレー塗装されており、通常は帯電した粉末塗料が使用されています。 このプロセスでは、反対の電荷が与えられた粉末粒子を引き付けるために、小さな電荷を加える必要があります。ケースにスプレーした後、オーブンに移して粉末粒子を溶かし、新しく洗浄した金属表面に付着させます。このプロセスは非常にクリーンで効率的で環境にやさしく、高品質の塗料はほとんどの実験室での流出に耐えます。

チャンバーの断熱またはジャケット付け

• 10次に、内部チャンバーを断熱材（ブランケットバッティングまたはハードボード）で包み、ケース内に配置して固定します。ユニットがウォータージャケットの場合、 電気加熱式インキュベーターでは、断熱材（ブランケットバッティングまたはハードボード断熱材）が内部チャンバーに巻き付けられています。ケースの中に入れます。水加熱式インキュベーターでは、ウォータージャケットも同様にチャンバー内に配置されます。
  一般的な自立型インキュベーターのチャンバー容積は、18〜33立方フィートの範囲です。ジャケットはケースの内側に配置され、チャンバーはジャケットの内側に配置されます。板金ドアは、上記と同様の方法を使用して構築されます。

コントロールパネルの組み立て

• 11板金キャビネットの製造中に、コントロールパネルが工場内の他の場所で組み立てられています。詳細な電気印刷に続いて、電気技師はさまざまな太さのさまざまな色のワイヤーを電気機器に固定します。配色は技術者が問題を迅速に診断するのに役立ち、さまざまな厚さにより、より低い電圧とより高い電圧を安全かつ効率的に転送できます。ヒューズブロック、スイッチ、端子台、リレーなどの購入した電気機器は、厳格な電気規則に準拠しています。最後に、コントロールパネルからのワイヤは、制御デバイス（オン/オフスイッチまたはマイクロプロセッサ）および電気機械デバイス（ファンモーター、ライト、およびヒーター）に接続されます。

最終組み立て、テスト、およびクリーニング

• 12これで、インキュベーターの内側のガラスと外側の頑丈なドアが取り付けられ、棚と補助機能が取り付けられました。各ユニットは100％機能的にテストされています。各テストのパラメータは、アドバタイズされた仕様または顧客の要求のいずれか厳しい方に対してユニットのパフォーマンスを検証するために設定されます。問題が修正され、機器が再テストされます。テスト結果のコピーはファイルに保存され、オリジナルが顧客に送信されます。
• 13インキュベーターは内部と外部を徹底的に洗浄します。棚は取り外して別々に梱包し、ドアはテープで閉じます。たるみを防ぐために、ブレースがドアの下に配置されています。次に、各ユニットを木製のスキッドと段ボールに固定します。 ボックスはケースの周りに配置されます。カートンとケースの間に梱包材を入れます。最後に、製品が出荷されます。

品質管理

インキュベーター製造業界全体で受け入れられている品質基準はありません。国の一部の地域では、UL（Underwriters Laboratory）電気承認が必要な場合がありますが、これらの規格は、使用されている電気機械装置にのみ適用されます。板金作業中、メーカーは、正式なファーストピース検査からランダムロットサンプリング検査まで、大きく異なる可能性のある社内検査プロセスを利用します。調査結果を記録している企業もあれば、記録していない企業もあります。ほとんど例外なく、メーカーは上記のように出荷前にパフォーマンスレベルのテストを行います。

未来

病院は常に新生児保育器を必要としますが、バイオテクノロジー産業はこの製品の成長市場が存在する場所です。微生物学者や研究者が私たちの健康と幸福を改善するための新しい方法を調査しているため、成長チャンバータイプのインキュベーターは、温度と相対湿度をより正確な設定に制御する必要があります。