JP2004064945A

JP2004064945A - 回転体駆動装置

Info

Publication number: JP2004064945A
Application number: JP2002222441A
Authority: JP
Inventors: Shoji Kusumoto; 楠元　昭二; Hiroyuki Takahashi; 高橋　廣之
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26
Also published as: CN100352555C; US6953424B2; US20040023778A1; CN1480262A

Abstract

【課題】防振ゴムの有する温度特性により振動が大きく変化するのを防止でき、所望の減衰効果を発揮して安定した運転が可能な回転体駆動装置並びに遠心分離機の提供。
【解決手段】誘導モータ７をモータベース２に弾力的に支持する防振ゴム１１に接して温度センサ２０が設けられ、また防振ゴム１１に接して防振ゴムを加熱冷却するためのペルチェ素子２１が設けられる。温度センサとペルチェ素子は制御器２３に接続され、温度センサ１１からの検出温度の入力に基づき制御器はペルチェ素子による発熱又は冷却を制御し、防振ゴムの最適温度を維持してその減衰特性を維持する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転体駆動装置に関し、特に遠心分離機のように、回転体であるロータが不平衡状態となり易く大きな振動が発生する駆動装置の支持部に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の遠心分離機などの回転体駆動装置では、電動モータ等の駆動手段で得られる回転トルクを回転軸を介して回転体であるロータに伝達してロータを回転させる。ロータには試料を封入した試験管が複数本セット可能であり、ロータの回転によって、試験管内の試料の遠心分離が行われる。
【０００３】
遠心分離機で用いられるロータは、試料を挿入する均等配列された挿入穴の角度が一定のアングルロータや、試験管を装着する容器（バケットと称す）が回転と共に揺動するスイングロータ等があり、使用者はこれらのロータに分離を行う試料を入れた試験管を装着して遠心作業を行う。ここで、複数の試験管に試料を入れるときに異なる量を入れた場合や、特定の挿入穴に試験管を挿入しなかった場合には、ロータと試験管との全体の重心は回転軸心からずれるいわゆる偏重心の状態となり、ロータの回転は不平衡状態となる。
【０００４】
遠心分離機の設定回転速度は、例えば３００ｒｐｍ〜１，０００ｒｐｍまでは１０ｒｐｍ毎に、１，０００ｒｍｐ〜最高回転数までは１００ｒｐｍ毎に設定される。このような場合、駆動手段の質量と支持部のバネ定数とで決まる支持系の共振点が、運転可能範囲に存在することがある。例えば回転軸として剛性の低い弾性軸を用いた場合には、弾性軸は低速回転域において大きな共振点を有し、共振点を超えれば、高速回転で安定した回転が得られる。
【０００５】
不平衡状態のロータを回転させると、ロータは振動し、振動は駆動手段や筐体に伝達される。特に上記共振点付近では過大な振動となり、回転軸の破損などに至る場合もあった。共振点における駆動手段の振動を低く抑えるために、駆動手段と筐体との間に振動減衰機能を備えた支持部が設けられる。ここで一般に支持部は、筐体への振動伝達を遮断するためのバネ要素と振動を滅衰する防振ゴム等のダンパ要素を有している。このため、共振点での共振倍率を低減させるべく防振ゴムはエネルギー吸収率の高い（損失係数の高い）ものが選定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、防振ゴムの実際の温度は使用環境である室温（２℃〜４０℃）により左右されるだけでなく、運転により発熱した誘導モータ７からの熱などによっても大きく変化し、ゴムの減衰特性が変化して初期の高い損失係数が失われ、ひいては、装置の振動、騒音を引き起こす結果となる。
【０００７】
例えば、ロータの不平衡状態を同条件とし、遠心分離機の使用可能範囲の室温内でゴムの温度が最も高いとき（損失係数と動的弾性係数は最小）と最も低いとき（損失係数と動的弾性係数は最大）でのロータの振動振幅を測定したときの測定値を図８に示す。図８のグラフの実線のように防振ゴムの温度が最も高いときは、低速回転域で一次共振点での振幅は低く抑えられるが、３５００〜６０００ｒｐｍにおいて急激な振動のピークが現れ、４，０００ｒｐｍ付近にある支持系の共振点で振幅が最大となる。一方図８の波線のように防振ゴムの温度が最も低いときは防振ゴムの温度が最も高いときのような３５００〜６０００ｒｐｍにおける急激な振動のピークは現れないが、初期の低速回転域での一次共振点における振幅が極端に大きくなる。なお低速回転数におけるピークは回転軸として剛性の低い弾性軸を用いた場合の一次共振点であり、運転可能範囲に不可避的に存在するピークである。
【０００８】
そこで本発明は、防振ゴムの有する温度特性により振動が大きく変化するのを防止でき、所望の減衰効果を発揮して安定した運転が可能な回転体駆動装置並びに遠心分離機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的は、使用環境である室温や運転による発熱などの影響を受けないように支持部である防振ゴムの温度を所定の温度に制御することで達成される。即ち本発明は、筐体と、該筐体内に回転可能に配置された回転体と、該回転体を回転駆動する駆動手段と、該駆動手段を該筐体に弾力的に支持する支持部とを備えた回転体駆動装置において、該支持部は防振ゴムを有し、該支持部又は該支持部周囲の温度を検出する温度センサと、該支持部を冷却又は加熱する温度可変装置と、該支持部の温度を所定の温度に制御するために、該温度センサからの温度情報に基づき該温度可変装置が発生する温度を制御する制御器とを備えた回転体駆動装置を提供している。
【００１０】
ここで該温度可変装置はペルチェ素子よりなる加熱・冷却装置により構成される。又は、該温度可変装置は冷却装置により構成される。又は、該駆動手段を冷却するための冷却手段が設けられ、該温度可変装置は加熱装置により構成される。
【００１１】
また該温度可変装置は加熱装置たるサーミスタにより構成してもよい。
【００１２】
本発明は更に、筐体と、該筐体内に回転可能に配置された回転体と、該回転体を回転駆動する駆動手段と、該駆動手段を該筐体に弾力的に支持する支持部とを備えた回転体駆動装置において、該支持部は防振ゴムを有し、該支持部又は該支持部の周囲を所定温度に加熱するサーミスタと、該サーミスタに定電圧を印加するための定電圧回路を備えた回転体駆動装置を提供している。
【００１３】
また以上の構成を備えた回転体駆動装置を、回転体は試料を装着して遠心分離を行うロータとする遠心分離機に適用するのが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態による遠心分離機１について図１に基づき説明する。図示せぬ本体には、水平に延びる仕切板（モータベース）２が支持され、図示せぬ本体と仕切板２とにより上室３が画成される。仕切板２には中央開口部２ａが形成されている。仕切板２上には遠心室４を画成するための有底筒状断熱部材５が配置され、断熱部材５の内周面には、遠心室４内を冷却するための冷媒管６が配設されている。断熱部材５の底部には仕切板２の開口２ａと同心の開口５ａが形成され、これら開口２ａ、５ａ内の空間に駆動手段たる誘導モータ７のモータハウジング８が挿通配置される。
【００１５】
上室３の上端開口部は、蓋９が開閉可能に設けられる。モータハウジング８は、その上部がエンドブラケット１０で覆われ、エンドブラケット１０は仕切板２に支持部材たる防振ゴム１１を介して支持され、かくしてモータハウジング８は懸下支持され、誘導モータ７の振動が防振ゴム１１によって減衰される。
【００１６】
誘導モータ７の回転子（出力軸）１２には、遠心室４内に延びる回転軸（弾性軸）１３が同軸的に接続され、回転軸１３の上端にはクラウン部１４が設けられ、アングルロータ１５がクラウン部１４に着脱可能に接続支持されている。アングルロータ１５は全体として円形をなし、試料を封入した複数個の試験管１６を挿入する挿入穴１７が回転軸心Ｘに対して所定角度をなして形成されている。
【００１７】
エンドブラケット１０は、モータハウジング８の一部をなすフランジ部１０Ａと、フランジ部１０Ａから突設され出力軸１２や回転軸１３を収容する中空の軸受支持部１０Ｂとを有する。そしてフランジ部１０Ａが上述の防振ゴム１１に接続されて仕切板２に支持される。出力軸１２は、軸受支持部１０Ｂ内に配置された軸受２４と、モータハウジング８の底部内に配置された軸受２５とによりモータハウジング８に回転可能に支承され、これら軸受２４、２５により出力軸１２のスラスト荷重を受ける構成となっている。断熱部材５の底部開口５ａは、軸受支持部１０Ｂの周囲に位置するカバー１８で閉鎖され、カバー１８の上面はラバー体１９で覆われて、ロータ１５の回転による開口５ａから遠心室４内への空気の吸い込みを防止している。
【００１８】
防振ゴム１１の温度を測定するための温度センサ２０が、防振ゴム１１とフランジ部１０Ａとの間に設けられ、防振ゴム１１を加熱、冷却するために、防振ゴム４の直下位置であって仕切り板２の下側には温度可変装置であるペルチェ素子２１が設けられ、ペルチェ素子２１からは複数の放熱フィン２２が下方に突出して設けられている。誘導モータ７の回転駆動により発熱が生じ、防振ゴム１１が加熱されてその減衰特性が変化し、所望の減衰効果が得られなくなるのを防止するために、このような温度可変装置２１が設けられているのである。ここでペルチェ素子２１は、異種の導体又は半導体の接点に電流を流すときに接点において熱の発生又は吸収が起こる現象を生み出す素子であり、電流の方向を逆にすると熱の発生又は吸収が逆になる素子である。そして温度センサ２０とペルチェ素子２１とは、制御器２３に接続されている。制御器２３は、モータ７の回転速度を制御すると共に、防振ゴム１１の温度が所定の温度範囲内になるように、温度センサ２０からの検出温度データの入力に基づき、ペルチェ素子２１に対する電流の向きと印加時間とを制御して、ペルチェ素子２１による防振ゴム１１への加熱や冷却を制御するために設けられている。そのため制御器２３は、防振ゴム１１が所望の減衰特性を発揮し得る温度範囲を設定記憶する設定記憶部たる図示せぬＲＡＭと、記憶された設定温度範囲と温度センサ２０から入力された検出温度とを比較し、比較結果に基づいてペルチェ素子への電流の向きと印加時間を変更又は維持する図示せぬＣＰＵ等が設けられる。
【００１９】
次に防振ゴム１１の温度特性について説明する。防振ゴム１１として冨士ポリマテック（株）ゴム形式ＦＥ５１５０を用いた場合に、図６に示されるようにゴムの減衰特性を表す損失係数（ｔａｎδ）は、ゴムの温度が０℃から４０℃付近までは直線的に減少し、その後もなだらかに減少する。同様にゴムのバネ定数を表す動的弾性係数（Ｅ’）も図７に示されるように温度が高くなるにつれて減少する。以上のことから、防振ゴムを冨士ポリマテック（株）ゴム形式ＦＥ５１５０とした場合には、図６や図７の結果からしてその温度は１５℃〜２５℃の範囲に維持するべきであることが判る。
【００２０】
以上の構成において、試料が封入された複数の試験管１６を装着したロータ１５は、誘導モータ７から延びる回転軸１３の上端にあるクラウン１４に取付けられ、誘導モータ７の回転駆動により回転される。ここで複数の試験管１６内の試料の分量が互いに異なる状態でロータ１５に装着されて回転するか、全ての試験管挿入穴１７に試験管が装着されていない状態で回転すると、ロータ１５は不平衡状態となり回転軸１３に曲げモーメントが発生する。よって、回転周波数に一致した正弦波励振力が誘導モータ７に加振されて振動を発生するが、防振ゴム１１によるダンパ効果によりこの振動が装置本体に伝播されるのが防止されると共に、誘導モータ７自体の振動も減衰される。
【００２１】
誘導モータ７の駆動により、誘導モータ７が発熱して防振ゴム１１に熱が伝播し防振ゴム１１の温度も上昇する。温度センサ２０で検出された温度が制御器２３に設定記憶されている設定温度よりも高くなると、制御器２３によりペルチェ素子２１に対して順方向の電流が印加され、ペルチェ素子２１により防振ゴム１１が冷却され、放熱フィン２２により冷却が助長される。一方温度センサ２０で検出された温度が制御器２３に設定記憶されている設定温度よりも低い場合には、制御器２３によりペルチェ素子２１に対して逆方向の電流が印加され、ペルチェ素子２１により防振ゴム１１が加熱される。よって、防振ゴム１１の減衰特性を所望の範囲内とすることができる。
【００２２】
以上のように本実施の形態による回転体駆動装置では、ゴムの温度特性に起因する振動のばらつきを抑えることができ、防振ゴム１１を最適な温度に制御すれば常に、防振ゴム１１の持つ最適な特性を生かし、振動の低滅を図ることができる。また、振動の低減は使用者による取り扱いミスなどによるロータの不平衡状態運転の許容力を向上させることにもなり、騒音の低減も可能となる。更に、ペルチェ素子２１により防振ゴム１１の冷却のみならず加熱も行えるので、防振ゴム１１の温度を最適に維持することができる。
【００２３】
本発明の第２の実施の形態による遠心分離機１０１について図２に基づき説明する。なお、図２に置いて、図１と同一の部材は同一の番号を付し説明を省略する。第２の実施の形態では、誘導モータ７のモータハウジング８の大部分を冷却する冷却手段たる冷却ファン２６が、図示せぬ装置本体に取付けられており、防振ゴム１１も、冷却ファン２６からの矢印Ａで示される冷却流に曝される位置にある。具体的には、仕切板１０２の防振ゴム１１が取付けてある箇所付近には、段部１０２Ａが形成されて、冷却流Ａが当たり易い構造になっている。第１の実施の形態におけるペルチェ素子２１に代えて、コイル状のヒータ２４が防振ゴム１１の周囲に配置され、ヒータ２４は制御器１２３に接続されている。
【００２４】
防振ゴム１１は冷却流Ａによって冷却されるが、温度センサ２０からの温度データの入力により、過冷却の場合には、制御器１２３からヒータ１２１に加熱信号を出力して、防振ゴム１１を加熱する。防振ゴム１１が所定温度まで上昇したら、その温度を検出して、ヒータ１２１の加熱動作を停止させる。
【００２５】
このように第２の実施の形態においては、防振ゴム１１は冷却ファン２６によって専ら冷却されるが、所定の温度以下に冷却された場合のみ、ヒータ１２１を作動させて防振ゴムを所定の温度に加熱維持し、もって防振ゴム１１の最適な特性を維持することができる。
【００２６】
本発明の第３の実施の形態による遠心分離機２０１について図３乃至図５に基づき説明する。なお、図３に置いて、図１と同一の部材は同一の番号を付し説明を省略する。第３の実施の形態では、第１、第２の実施の形態の温度センサと温度可変装置が備える機能を、サーミスタ２２１により達成させている。即ち図５に示されるように、サーミスタ２２１は、所定の温度、例えば５０℃に達すると、急激に抵抗値が増加するという温度特性を備えている。図３に示されるように、サーミスタ２２１は防振ゴム１１の底部付近に配置され、図４に示されるように定圧電源２２４によって定電圧が印加されている。かかる定電圧回路はモータ７の回転を制御する制御装置２２３に組込まれ、モータ７の駆動と同時にサーミスタ２２１に定電圧が印加されると、サーミスタ２２１は図５に示される特性に基づいてその自己発熱によって５０℃まで温度が上昇する。しかし５０℃以上では抵抗値が増大して電流が低下し、発熱量が減少するため、温度上昇が抑制される。従って周囲温度が５０℃以下の状態で遠心機を駆動させる場合には、サーミスタ２２１はほぼ５０℃に保たれ、防振ゴム１１をその温度に一定に保持することができる。第３の実施の形態においては、サーミスタ自体の温度特性が第１、第２の実施の形態の温度センサと等価となり、発熱するサーミスタが温度可変装置として機能する。
【００２７】
本発明による回転体駆動装置は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述した第１第２の実施の形態では、温度センサ２０は防振ゴム１１とフランジ部１０Ａとの間に密着して設けられているが、防振ゴムの近傍の室温を検出して、防振ゴムの温度を推定できるのであれば、温度センサの位置は限定されない。
【００２８】
また第１の実施の形態において、防振ゴム１１は駆動装置７に接触するように取付けられているので、ペルチェ素子１１には防振ゴム１１の冷却機能のみを具備させ、加熱機能はもっぱら誘導モータ７で発生した熱を防振ゴム１１に伝達させることで代用させることで、防振ゴム１１の温度が所定値を越えたときにペルチェ素子１１を駆動制御するようにしてもよい。
【００２９】
また、図２に示される第２の実施の形態において、温度センサ２０を省略すると共に、温度可変装置たるヒータ１２１の代わりにサーミスタを第３の実施の形態におけるサーミスタ２２１と同様な位置に設けても良い。また、防振ゴム１１の外周部に、第２の実施の形態のヒータ１２１のように、サーミスタを取付けても良い。サーミスタを使用することで、第２の実施の形態においても、温度センサ２０が不要となる。
【００３０】
更に、制御器２３、１２３は防振ゴム１１の温度制御のみならず、誘導モータ７の回転制御も実行しているが、制御器を別々に用意して、それぞれを個別に制御するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１記載の回転体駆動装置によれば、防振ゴムの温度特性による振動のばらつきを抑えることができ、防振ゴムを最適な温度に制御することにより常に、ゴムの持つ最適の特性を生かし、振動の低滅を図ることができる。また、振動の低減は使用者による取り扱いミスなどによるロータの不平衡状態運転の許容力を向上させることにもなり、騒音の低減も可能となる。
【００３２】
請求項２記載の回転体駆動装置によれば更に、ペルチェ素子により防振ゴムの冷却のみならず加熱も行えるので、防振ゴムの温度を最適に維持することができる。
【００３３】
請求項３記載の回転体駆動装置によれば、防振ゴムを発熱源である駆動手段に接触するか、発熱源に極めて近い位置に配置させておけば、防振ゴムへの加熱機能はもっぱら駆動手段で発生した熱を利用し、温度可変装置は専ら冷却装置により構成することにより、温度可変装置に対しては冷却制御のみを行えばよく、制御が簡単となる。
【００３４】
請求項４記載の回転体駆動装置によれば、発熱源である駆動手段を冷却するための冷却装置が別途設けられ、温度可変装置は加熱装置により構成することにより、温度可変装置に対しては加熱制御のみを行えばよく、制御が簡単となる。
【００３５】
請求項５記載の回転体駆動装置によれば、サーミスタに定電圧が印加されることによりサーミスタの温度が上昇して、支持部を加熱することができるが、サーミスタが所定温度に達するとその抵抗値が急激に増大して電流が低下し温度上昇が抑制され、支持部を特定の温度に維持することができる。サーミスタ自体の温度特性が、そのまま請求項１の温度センサと等価になる。
【００３６】
請求項６記載の回転体駆動装置によれば、支持部又は該支持部の周囲を所定温度に加熱するサーミスタと、該サーミスタに定電圧を印加するための定電圧回路が備えられるので、定電圧回路によりサーミスタに定電圧が印加されてサーミスタが所定温度に達すると、その抵抗値が急激に増大して電流が低下しその温度上昇が抑制される。よって支持部は、所定の温度に維持される。
【００３７】
請求項７記載の回転体駆動装置によれば、上述した回転体駆動装置を遠心分離機に適用することで、産業上の利用価値を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による遠心分離機を示す部分断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態による遠心分離機を示す部分断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態による遠心分離機を示す部分断面図。
【図４】第３の実施の形態におけるサーミスタへの定電圧回路図。
【図５】サーミスタの温度と抵抗値の関係を示すグラフ。
【図６】防振ゴムの温度と損失係数の関係を示すグラフ。
【図７】防振ゴムの温度と動的弾性係数の関係を示すグラフ。
【図８】防振ゴムの温度差による振動の違いを示すグラフ。
【符号の説明】
１、１０１、２０１　遠心分離機
２、１０２　仕切板
７　駆動手段たる誘導モータ
１１　支持部たる防振ゴム
２０　温度センサ
２１　温度可変装置たるペルチェ素子
２２　放熱フィン
２３、１２３　制御器
２６　冷却手段たる冷却ファン
１２１　温度可変装置たるヒータ
２２１　温度可変装置及び温度センサたるサーミスタ

Claims

筐体と、該筐体内に回転可能に配置された回転体と、該回転体を回転駆動する駆動手段と、該駆動手段を該筐体に弾力的に支持する支持部とを備えた回転体駆動装置において、
該支持部は防振ゴムを有し、
該支持部又は該支持部周囲の温度を検出する温度センサと、
該支持部を冷却又は加熱する温度可変装置と、
該支持部の温度を所定の温度に制御するために、該温度センサからの温度情報に基づき該温度可変装置が発生する温度を制御する制御器とを備えたことを特徴とする回転体駆動装置。
該温度可変装置はペルチェ素子よりなる加熱・冷却装置により構成されることを特徴とする請求項１記載の回転体駆動装置。
該温度可変装置は冷却装置により構成されることを特徴とする請求項１記載の回転体駆動装置。
該駆動手段を冷却するための冷却手段が設けられ、該温度可変装置は加熱装置により構成されることを特徴とする請求項１記載の回転体駆動装置。
該温度可変装置は加熱装置たるサーミスタにより構成されることを特徴とする請求項１記載の回転体駆動装置。
筐体と、該筐体内に回転可能に配置された回転体と、該回転体を回転駆動する駆動手段と、該駆動手段を該筐体に弾力的に支持する支持部とを備えた回転体駆動装置において、
該支持部は防振ゴムを有し、
該支持部又は該支持部の周囲を所定温度に加熱するサーミスタと、
該サーミスタに定電圧を印加するための定電圧回路を備えたことを特徴とする回転体駆動装置。
請求項１乃至６の何れか１に記載の回転体駆動装置において、該回転体は試料を装着して遠心分離を行うロータであることを特徴とする遠心分離機。