DE102004049100B4

DE102004049100B4 - Zentrifuge

Info

Publication number: DE102004049100B4
Application number: DE102004049100.3A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Shimizu; Yoshitaka Niinai; Shoji Kusumoto; Hiroyuki Takahashi
Original assignee: Koki Holdings Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2024-10-09
Also published as: CN100333837C; DE102004049100A1; JP4352844B2; US7255669B2; JP2005111402A; US20050079064A1; CN1605393A

Abstract

Zentrifuge mit:einem Rahmen (6) mit einem ersten Bereich (14a, 15),einem von dem Rahmen (6) gelagerten Dämpfer (5),einer von dem Dämpfer (5) gelagerten Antriebseinheit (2), die eine Drehkraft erzeugt und einen zweiten Bereich (2a) hat,einem sich drehenden Element (8), das mit der Antriebseinheit (2) verbunden ist und durch die Drehkraft gedreht wird, wobei der erste und der zweite Bereich so positioniert sind, dass der zweite Bereich (2a) den ersten Bereich (14a, 15) berührt, wenn die Schwingung der Antriebseinheit (2) eine vorbestimmte Amplitude überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass:zumindest der erste Bereich und der zweite Bereich ein elastisches Element aufweist, wobei die Zentrifuge ferner aufweist:einen Ring (15), der gegenüber der Antriebseinheit (2) vorgesehen ist, mit einer vorbestimmten Lücke dazwischen ausgebildet, wobei eine Unausgewogenheit im sich drehenden Element (8) dazu führt, dass die Antriebseinheit (2) den Ring (15) berührt,ferner mit einer Erfassungseinheit (4, 21), die einen Beschleunigungsmesser aufweist und zum Erfassen von einer Beschleunigung der Bewegung der Antriebseinheit (2) mit dem Beschleunigungsmesser und einer Einwirkung, die erzeugt wird, wenn der zweite Bereich (2a) den ersten Bereich (14a, 15) berührt, ausgestaltet ist und bei dieser Erfassung ein erstes Ausgabesignal erzeugt, das die Beschleunigung der Antriebseinheit (2) anzeigt, und ein zweites Ausgabesignal erzeugt, das eine Berührung des ersten (14a, 15) und zweiten Bereichs (2a) anzeigt, undeiner Steuerungseinheit (18), die die Antriebseinheit (2) auf der Basis der Ausgabesignale ansteuert, bei der die Steuerungseinheit (18) die Antriebseinheit (2) anhält, wenn das erste der beiden Ausgabesignale einen festgelegten Schwellenwert überschreitet oder das zweite Ausgabesignal eine Berührung anzeigt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zentrifuge und insbesondere eine Zentrifuge für die Abscheidung von Proben.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei einer herkömmlichen Zentrifuge wird ein Drehmoment durch einen Stromerzeuger (im allgemeinen einen elektrischen Motor) erzeugt, der Teil einer Antriebseinheit ist, und auf einen Rotor über eine sich drehende Welle übermittelt, so dass sich der Rotor dreht. Es gibt verschiedene Arten von Rotoren, die für diese Art von Zentrifuge verwendet werden, und zwar unterteilt gemäß der Art und Menge der zu separierenden Probe und dergleichen. Diese Rotortypen beinhalten einen Rotor mit fixem Winkel, der mit einer Vielzahl von Öffnungen in fixen Winkeln zum Halten von Probenröhrchen versehen ist, in die die Proben eingespritzt worden sind; einen Schwingeimer-Rotor mit als Eimer bezeichneten Behältern, die schwingend an Rotorarmen gelagert sind, so dass sie unabhängig schwingen können, während sich die Rotorarme drehen, und eine Vielzahl von Probenröhrchen halten können; und einen Horizontal-Rotor, in welchem die Probenröhrchen in einem horizontalen Zustand angebracht sind.
Im allgemeinen wird ein für den beabsichtigten Zweck geeigneter Rotor aus den oben aufgezählten Rotoren ausgewählt. Behälter wie beispielsweise Probenröhrchen, in die eine Probe eingespritzt worden ist, werden in den Rotor eingesetzt, und der Rotor wird gedreht, so dass eine Zentrifugalkraft zum Abscheiden der Probe oder zum Abschütteln von Tröpfchen oder dergleichen erzeugt wird, die an den Seitenwänden der Probenröhrchen vorhanden sind. Da jedoch der Benutzer für das Einspritzen der Proben in die Röhrchen und das Einsetzen der Probenröhrchen in den Rotor hinein verantwortlich ist, kann der Hersteller eine genaue Balance oder Ausgewogenheit in dem Rotor nicht garantieren.
Beispielsweise verwenden Bluttests, die für medizinische Diagnosen und dergleichen weit verbreitet sind, im allgemeinen eine Vakuum-Blutsammelröhre zum Entnehmen des Bluts des Patienten. Die Menge des abgenommenen Blutes hängt jedoch vom Patienten ab und von der Person, die das Blut abnimmt, und die in dem Rotor angebrachten evakuierten Röhrchen variieren hinsichtlich der Anzahl und des Gewichts. Als Ergebnis arbeitet die Zentrifuge normalerweise in einem unausgeglichenen oder unausgewogenen Zustand, selbst wenn der Benutzer die Ausgewogenheit in Betracht zieht. Demzufolge mussten die Hersteller bisher kräftige Einrichtungen entwickeln, die den Unausgewogenheiten so weit wie möglich widerstehen konnten, und Einrichtungen ausgestalten, die die Unausgewogenheiten bis zu einem gewissen Grad zulassen konnten.
Wenn die Unausgewogenheit einen vorbestimmten Betrag überschreitet, dann hat die Kraft der Unausgewogenheit, die ansteigt, wenn die Drehungen ansteigen, einen nachteiligen Einfluss auf das Lager, das die sich drehende Welle lagert, was die sich drehende Welle verbiegen oder andere Probleme erzeugen kann. Außerdem ist es unvermeidbar, dass die Unausgewogenheit den zulässigen Betrag überschreitet, wenn der Benutzer aus Versehen die falsche Menge einer Probe einspritzt oder die Probenröhrchen in die falschen Probenröhrenöffnungen einsetzt. Demzufolge sind die meisten Zentrifugen mit Sensoren versehen, um Schwingungen oder eine Amplitude zu erfassen. Wenn die Sensoren erfassen, dass die Zentrifuge in einem Zustand der Unausgewogenheit arbeitet, die den zulässigen Betrag überschreitet, stoppt die Zentrifuge die Drehungen des Rotors, bevor eine Fehlfunktion der Einrichtungen auftritt.
Ein solcher Sensor ist ein Beschleunigungsmesser, der an der Antriebseinheit in der Zentrifuge angebracht ist, um Beschleunigungen zu messen, um ein Taumeln (eine Schwingung oder Oszillation während der Drehung) in dem Rotor zu erfassen, die durch eine Unausgewogenheit verursacht wird. Der Beschleunigungsmesser wird nun dazu verwendet, Schwingungen zu erfassen, die durch den zulässigen Betrag überschreitende Unausgewogenheiten verursacht werden, sowie anormale Schwingungen, die durch einen Betätigungsfehler verursacht werden. (Beispielsweise erzeugen einige Zentrifugen selbst angeregte Schwingungen, wenr. der Benutzer den Rotor nicht fest an der sich drehenden Welle befestigt.) Der von einem Beschleunigungsmesser erhaltene Ausgabewert ist jedoch eine Beschleunigung, berechnet wie folgt: $α = - A ω^{2} sin ω t$
(α: Beschleunigung, A: Amplitude, ω: Winkelgeschwindigkeit).
Der Ausgabewert für die Beschleunigung bei geringen Geschwindigkeiten (wenn ω klein ist) ist daher gering, so dass es schwierig ist, einen Schwellenwert zum Erfassen der Schwingungen festzulegen.
Die japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichurg Nr. 2002-306989 (Kokai) offenbart eine Technik, um diesen Nachteil zu überwinden, wobei ein Verstärkungsschaltkreis zum Verstärken von von dem Beschleunigungsmesser ausgegebenen Signalen vorgesehen ist, und die Verstärkung gemäß der Drehgeschwindigkeit modifiziert wird.
DE 197 01 551 C1 beschreibt eine Zentrifuge, die einen druckempfindlichen statischen Sensor, beispielsweise in Form eines Piezo-Kabels aufweist, die auf einem ortsfesten Gehäuseteil montiert ist und bei der mechanischen Berührung mit einem aufgrund einer Unwucht ausgelenkten Rotor ein Unwuchtsignal abgibt.
DE 195 08 289 C1 beschriebt eine Laborzentrifuge mit einem Gehäuse und einem Rotor, der zur Aufnahme von Gefäßen ausgebildet ist und an seinem Drehantrieb mit der lotrecht angeordneten Antriebswelle eines Motors verbunden ist, dessen Stator über elastische Lagerelemente gegen das Gehäuse abgestützt ist, und mit Einrichtungen zur Begrenzung zu starker durch Unwucht erzeugte Schwingungen versehen ist.
EP 0 313 444 A2 beschreibt ein Gerät zur Benutzung in einer Zentrifuge, um eine Unwucht bezüglich eines vorbestimmten Schwellenwertes festzustellen. Das Gerät beinhaltet ein Pendel, das aus einem vertikalen Stab besteht, der aus einem elastischen verformbaren Metall besteht, wobei das obere Ende in einem isolierenden Abstützelement eingebettet ist, das fest an dem Gehäuse der sich drehenden Maschine vorgesehen ist.
US 2002/0077239 A1 beschreibt eine Methode und eine Vorrichtung zum Steuern eines Zentrifugensystems, wobei das Zentrifugensystem einen Rotor und einen Motor, der aparativ an den Rotor gekoppelt ist, aufweist, wobei die Vorrichtung ein Beschleunigungsmessgerät, das mit dem Zentrifugensystem gekoppelt ist, aufweist.
Durch Verstärken des Ausgabewerts bei geringen Geschwindigkeiten unter Verwendung der oben beschriebenen Technik ist ein Erfassen in der Nähe des Resonanzpunkts (Nc) bei geringen Geschwindigkeiten möglich. Diese Technik kann auch andere Techniken beinhalten wie beispielsweise das Variieren des Schwellenwerts für die Erfassung von Unausgewogenheiten auf der Basis der Art des Rotors. Man hat daher begonnen, diese Technologie in vielen verschiedenen Zentrifugen einzusetzen. Mit diesem Verfahren kann ein einfacher Aufbau verwendet werden, um Unausgewogenheiten, die den gemäß Design-Spezifikationen zulässigen Betrag überschreiten, mit großer Genauigkeit zu erfassen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die oben beschriebene Zentrifuge hat jedoch Schwierigkeiten, wenn sie erfassen soll, wann die Zentrifuge in einem Zustand der übermäßigen Unausgewogenheit arbeitet. Beispielsweise stellt die Hitachi Koki Co., Ltd. einen Schwingeimerrotor T3S6 her, der kreuzförmig ausgestaltet ist, wobei vier Eimer von ihm herabhängen. Die maximale Drehgeschwindigkeit des Rotors ist 3000 upm. Während die gemäß den Design-Spezifikationen zulässige Unausgewogenheit gemäß der verwendeten Zentrifuge unterschiedlich ist, kann im allgemeinen eine Unausgewogenheit zwischen gegenüberliegenden Eimern nicht mehr als 20-30 Gramm betragen. Wenn Unausgewogenheiten mit einem Beschleunigungsmesser gemäß dem oben beschriebenen Verfahren erfasst werden, können demzufolge Unausgewogenheiten von ungefähr 30-40 Gramm erfasst werden. Außerdem ist es möglich, zu erfassen, wenn der Benutzer vergessen hat, ein Probenröhrchen einzusetzen (eine Unausgewogenheit von einigen zehn Gramm bis einhundert und einigen zehn Gramm), und einen Alarm auf einer Anzeigeeinheit der Zentrifuge anzuzeigen, der besagt, dass eine Anormalität vorliegt, und den Rotor anzuhalten.
Wenn jedoch ein Benutzer vergisst, einen Eimer anzubringen, welcher einschließlich der Proben 900 Gramm überschreitet, wird der Rotor übermäßig taumeln, selbst bei so geringen Geschwindigkeiten wie einigen zehn upm bis mehr als einhundert upm. Da die Beschleunigung proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit ist, wie oben beschrieben, ist das Signal von dem Beschleunigungsmesser bei sehr geringen Geschwindigkeiten schwach, so dass es schwierig wird, sie zu erfassen, selbst wenn sie verstärkt werden. Obwohl die Anormalität erfasst wird, wenn der Rotor auf einige einhundert upm beschleunigt wird, werden die Eimer und dergleichen zu diesem Zeitpunkt wahrscheinlich bereits übermäßig taumeln und einen Schaden verursachen.
Im Hinblick auf die oben beschriebenen Gegebenheiten ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Zentrifuge zu schaffen, die Schwierigkeiten beim Erfassen von Schwingungen kompensieren kann und den Rotor anhalten kann, bevor eine Beschädigung auftritt.
Um die oben beschriebenen und weitere Ziele zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung eine Zentrifuge. Die Zentrifuge beinhaltet einen Rahmen, einen Dämpfer, eine Antriebseinheit, ein sich drehendes Element, eine Erfassungseinheit, und eine Steuerungseinheit. Der Rahmen hat einen ersten Bereich. Der Dämpfer ist von dem Rahmen gelagert. Die Antriebseinheit ist von dem Dämpfer gelagert und erzeugt eine Drehkraft. Die Antriebseinheit hat einen zweiten Bereich. Das sich drehende Element ist mit der Antriebseinheit verbunden und wird durch die Drehkraft gedreht. Eine Unausgewogenheit des sich drehenden Elements verursacht eine Schwingung der Antriebseinheit während der Drehung. Der erste und der zweite Bereich sind so positioniert, dass der zweite Bereich den ersten Bereich berührt, wenn die Schwingung der Antriebseinheit eine vorbestimmte Amplitude überschreitet. Die Erfassungseinheit erfasst eine Einwirkung, die erzeugt wird, wenn der zweite Bereich den ersten Bereich berührt oder wenn Schwingungen der Antriebseinheit auftreten, und erzeugt bei dieser Erfassung jeweils ein Ausgabesignal. Die Steuerungseinheit steuert die Antriebseinheit auf der Basis des Ausgabesignals an und hält sie an, falls das Signal eines jeweils festgelegten Schwellenwert überschreitet.
Figurenliste
Die oben beschriebenen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, gesehen zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen:

1 eine seitliche Querschnittsansicht ist, die eine Zentrifuge gemäß eines ersten Beispiels, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt,
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht ist, die einen Flächenbereich der Zentrifuge in der Nähe eines Rings sowie einen Bereich einer Antriebseinheit gemäß dem ersten Beispiel zeigt,
3 eine vergrößerte Querschnittsansicht ist, die die Zentrifuge gemäß dem ersten Beispiel zeigt, wobei der Bereich der Antriebseinheit den Ring kontaktiert,
4 eine Draufsicht ist, die einen Schwingeimerrotor in der Zentrifuge des ersten Beispiels zeigt,
5 eine Draufsicht ist, die die Zentrifuge gemäß des ersten Beispiels zeigt, wobei der Schwingeimerrotor gedreht wird,
6 ein Graph ist, der die Beziehungen zwischen Ausgabewerten von einem Beschleunigungsmesser und Drehgeschwindigkeiten zeigt,
7 ein Flussdiagramm ist, das ein von einer Steuerungseinheit der Zentrifuge der ersten Ausführungsform ausgeführten Steuerungsvorgang zeigt, in welchem ein Zustand der übermäßigen Unausgewogenheit auftritt,
8 eine Querschnittsansicht ist, die eine Zentrifuge gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
9 ein Flussdiagramm ist, das einen Steuerungsvorgang zeigt, der von einer Steuerungseinheit der Zentrifuge der ersten Ausführungsform ausgeführt wird, wobei ein Zustand der übermäßigen Unausgewogenheit auftritt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Zentrifuge gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird später beschrieben, während Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, wobei gleiche Teile und Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet werden, um eine doppelte Beschreibung zu vermeiden.
Eine Zentrifuge gemäß eines ersten Beispiels wird mit Bezug auf die 1 bis 7 beschrieben.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Zentrifuge 1 gemäß des ersten Beispiels.
Wie in 1 dargestellt, beinhaltet die Zentrifuge 1 einen Rahmen 6, der aus einem Plattenmaterial oder dergleichen gemacht ist, das im wesentlichen in eine Kastengeistalt gebogen worden ist. Eine Kammer 16 befindet sich oben auf dem Rahmen 6 und beinhaltet einen Drehraum 17. Die Kammer 16 ist umgeben von einem schall- und wärmeisolierenden Material wie beispielsweise einem Urethanschaum 25. Ein Ring 14 befindet sich an dem Rahmen 6. Eine Öffnung 20 entsprechend dem Ring 14 ist bei einem mittleren Bereich der Kammer 16 ausgeformt und passt über einen Außenumfang des Rings 14, um die Kammer 16 an dem Rahmen 6 zu befestigen. Durch Packen des Urethanschaums 25 um den Einbauort der Kammer 16 herum kann die Kammer 16 integral mit dem Rahmen 6 ausgebildet werden. Die Kammer 16 kann jedoch an dem Rahmen 16 auch mit Schrauben oder dergleichen befestigt werden, um die Kammer 16 und dem Rahmen 6 integral auszubilden.
Eine Antriebseinheit 2 mit einer sich drehenden Welle 7 ist an einem Bereich des Rahmens 6 so gelagert, dass die sich drehende Welle 7 durch die Öffnung 20 hindurch aufwärts hervorsteht. Ein Dämpfer 5 mit einer Feder (nicht dargestellt) zum Isolieren von Schwingungen befindet sich zwischen dem Rahmen 6 und der Antriebseinheit 2 und dämpft Schwingungen durch Ausdehnen und Zusammenziehen. Ein Induktionsmotor 3 dient als die Antriebsquelle der Antriebseinheit 2. Ein kreuzförmiger Rotorkörper 10, der Teil eines Schwingeimerrotors 8 ist, ist am oberen Ende der sich drehenden Welle 7 aufgebracht, der von dem Induktionsmotor 3 hervorsteht. Eimer 9 sind zwischen Rotorarmen des Rotorkörpers 10 vorgesehen. Die Eimer 9 sind an Stiften 11 angehakt, die an dem Rotorkörper 10 vorgesehen sind. Wenn sich der Rotorkörper 10 zu drehen beginnt, schwingen die Eimer um die Stifte 11 herum aus einer abwärts hängenden Richtung entsprechend der Schwerkraft in eine horizontale Richtung entsprechend der Zentrifugalkraft. (1 zeigt die Eimer 9, wie sie auswärts entlang der Richtung der Zentrifugalkraft geschwungen sind.) Schienen 13 zum Aufnehmen von Probenröhrchen sind in jedem Eimer 9 angebracht. Wie in 4 dargestellt, sind die Schienen 13 aus einem Plastikmaterial mit einer Mehrzahl von Öffnungen ausgebildet. Probenröhrchen 12, in welchen eine Probe eingespritzt worden ist, werden in die Öffnungen der Schienen 13 eingesetzt und unterliegen ebenfalls der Zentrifugalkraft, wenn sich der Rotorkörper 10 dreht.
Ein Beschleunigungsmesser 4 ist am Boden der Anzriebseinheit 2 angebracht und beinhaltet einen Schaltkreis, der eine maximale Spannung von 5 V entsprechend der Bewegung der Antriebseinheit 2 ausgibt. Eine Steuerungseinheit 18 ist mit dem Beschleunigungsmesser 4 verbunden. Die Steuerungseinheit 18 umfasst ein Signal, das von dem Beschleunigungsmesser 4 ausgegeben wird, und steuert die Drehung der Zentrifuge 1 auf der Basis des erfassten Signals. Die Steuerungseinheit 18 ist auch mit einer Alarmeinheit 19 verbunden, die dem Benutzer Anormalitäten in der Zentrifuge 1 durch Schall, Lichter oder dergleichen mitteilt. Wie in den 1, 2 und 3 dargestellt, ist der Ring 14 mit dem mittleren Bereich des Rahmens 6 Kunststoff verschweißt. Ein Ring 15 aus Kunststoff befindet sich bei einem inneren Umfangsbereich 14a des Rings 14. Ein Bereich 2a der Antriebseinheit 2 ist gegenüber dem Ring 15 positioniert, wobei eine vorbestimmte Lücke a dazwischen gebildet ist.
Nun wird ein von der Zentrifuge 1 von dem oben beschriebenen Aufbau ausgeführter Steuerungsvorgang für eine Situation beschrieben, in welcher eine Unausgewogenheit in dem Schwingeimerrotor 8 auftritt. Im allgemeinen sind Zentrifugen, deren hauptsächliche Funktion es ist, eine stabile Rotation bei hohen Geschwindigkeiten zu erreichen, mit schlanken sich drehenden Wellen ausgestaltet. Die schlanken sich drehenden Wellen senken die Eigenfrequenz zum Biegen der sich drehenden Welle und bewegen den Resonanzpunkt Nc daher zu einer geringen Geschwindigkeit. Ein selbstausrichtender Effekt wird verwendet, um stabile Rotationen bei höheren Geschwindigkeiten zu erreichen, die den Resonanzpunkt überschreiten. Im allgemeinen fällt der Resonanzpunkt zum Biegen der sich drehenden Welle zwischen einige einhundert upm bis eintausend und einige hundert upm.
Im Gegensatz dazu sind Zentrifugen, deren Hauptiunktion es ist, große Mengen von Proben bei geringen Geschwindigkeiten abzuschalten, aufgebaut aus einer dicken sich drehenden Welle mit einer Eigenfrequenz zum Biegen der sich drehenden Welle bei einer Geschwindigkeit, die höher ist als der Drehgeschwindigkeitsbereich der beabsichtigten Verwendung, um so die Betätigbarkeit und Lebensdauer der sich drehenden Welle zu verbessern. Da die Steifigkeit der sich drehenden Welle in diesem Fall aber groß ist, wird eine durch die sich drehenden Welle erzeugte Kraft der Unausgewogenheit direkt auf die Antriebseinheit über das Lager übertragen und weiter auf den Rahmen der Zentrifuge, was in dem Rahmen starke Schwingungen erzeugt.
Um dieses Problem zu verhindern, ist diese Art von Zentrifuge mit einem Dämpfer und dergleichen mit isolierenden Eigenschaften zum Lagern der Antriebseinheit an dem Rahmen versehen. Der Dämpfer isoliert Schwingungen in der Antriebseinheit, so dass die Schwingungen nicht auf den Rahmen übertragen werden. So ist es nicht möglich, das Auftreten einer Resonanz in einem Federmassesystem zu vermeiden, das aus der Masse der Antriebseinheit und der Feder im Dämpfer besteht. Während der Dämpfer eine gewisse Dämpfung ausführt, können nicht alle Resonanzeffekte vollständig eliminiert werden. Demzufolge wird, wie in dem System mit der oben beschriebenen schlanken sich drehenden Welle, eine durch das Dämpfermassesystem erzeugte Resonanz im allgemeinen bei einigen einhundert upm bis eintausend und einigen hundert upm erzeugt. So erfasst der Beschleunigungsmesser eine Unausgewogenheit in der Nähe des Resonanzpunkts. In anderen Worten hat die Zentrifuge einen Resonanzpunkt zwischen einigen einhundert und eintausend und einigen hundert upm, unabhängig vom Durchmesser der sich drehenden Welle.
Daher erfasst die Zentrifuge 1 gemäß dem ersten Beispiel normalerweise auftretende Unausgewogenheiten auf der Basis von von dem Beschleunigungsmesser 4 ausgegebenen Signalen, wenn sich die sich drehenden Welle zwischen einhundert upm und eintausend und einhundert upm in der Nähe des Resonanzpunkts dreht, und hält den Rotor an, wenn eine Unausgewogenheit erfasst wird. Genauer gesagt, sei angenommen, dass der Schwingeimerrotor 8 mit Schienen 13 versehen ist, die sieben Probenröhrchen 12 aufnehmen können (beispielsweise Röhrchen mit 50 ml einer Kulturlösung). Der Benutzer spritzt eine Probe (beispielsweise Blut oder eine Kulturlösung von E. Coli und dergleichen) in die Probenröhrchen 12 ein und setzt die Probenröhrchen 12 in Öffnungen in den Schienen 13 ein. Dabei kann man nicht erwarten, dass der Benutzer die Probenröhrchen so in die Schienen 13 einsetzen kann, dass eine präzise Balance oder Ausgewogenheit zwischen den gegenüberliegenden Eimern 9 erreicht wird. Daher überwacht der Beschleunigungsmesser 4 Schwingungen in der Antriebseinheit 2. Es wird bestimmt, dass die Zentrifuge 1 sich unausgewogen bewegt, wenn Signale von dem Beschleunigungsmesser 4 einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, zu welchem Zeitpunkt die Steuerungseinheit 18 die Alarmeinheit 19 dazu ansteuert, einen Alarm zu erleuchten, und die Zentrifuge 1 hält den Schwingeimerrotor dann an, um eine Fehlfunktion zu verhindern.
6 ist ein Graph, der Beziehungen zwischen der Drehgeschwindigkeit und dem Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 zeigt. Wenn sich die Zentrifuge 1 in einem ausgeglichenen Zustand befindet und ohne Probleme arbeitet, sieht der Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 wie eine Kurve C1 (die durchgezogene Linie) aus. Dieser Ausgabewert liegt unterhalb eines Schwellenwerts zum Erfassen von Unausgewogenheiten (die Schwelle ist durch eine Kurve T dargestellt), die zuvor für Experimente und dergleichen bestimmt worden ist. Wenn die Zentrifuge 1 aber um mehr als den zugelassenen Betrag unausgewogen ist, dann steigen die durch die Unausgewogenheit verursachten Schwingungen. So erscheint der Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 wie eine konvexe Kurve C2 (die gepunktete Linie). Eine Unausgewogenheit wird erfasst, wenn der Ausgabewert einen Schwellenwert bei einem Punkt P1 in der Nähe des Resonanzpunkts (Nc) der Resonanz überschreitet, die durch die Masse der Antriebseinheit 2 und die Feder in dem Dämpfer 5 verursacht wird. Falls der Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 den Schwellenwert in der Nähe des Resonanzpunkts Nc nicht überschreitet und der Rotor kontinuierlich beschleunigt wird, wird eine Unausgewogenheit auch erfasst werden, wenn der Ausgabewert den Schwellenwert bei einer höheren Geschwindigkeit (bei einem Punkt Ph) überschreitet. Der Schwellenwert zum Erfassen einer Unausgewogenheit ist so gewählt, dass keine nachteiligen Effekte auf die Einrichtung verursacht werden, während der Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 die Schwelle nicht überschreitet.
Die oben erfolgte Beschreibung betrifft das Verhalten der Zentrifuge 1 für Unausgewogenheiten, die aufgrund von mangelnder Übereinstimmung in der Menge der Proben in den Probenröhrchen 12 und der Anzahl der Probenröhrchen 12 in gegenüberliegenden Eimern 9 verursacht werden. In diesem Fall können die meisten Unausgewogenheit in der Nähe des Resonanzpunkts erfasst werden, selbst wenn die Unausgewogenheit groß ist, so dass die Einrichtung fast keine Beschädigung erfährt. Wenn die Zentrifuge 1, die ursprünglich vier Eimer hat, ohne das Anbringen eines Eimers betätigt wird (oder ohne das Anbringen von zwei Eimern, die nicht einander gegenüberliegen), wie in den 4 und 5 dargestellt, ist der Betrag der Unausgewogenheit beträchtlich groß. Als Ergebnis schwingt die Antriebseinheit 2 beträchtlich, selbst bei sehr geringen Geschwindigkeiten von einigen zehn upm bis eintausend einigen hundert upm. In anderen Worten kann, wenn eine sehr übermäßige Unausgewogenheit vorliegt, ein übermäßiges Taumeln (eine Schwingung oder Oszillation während der Drehung) bei extrem geringen Geschwindigkeiten auftreten, die schwierig zu erfassen ist, selbst wenn der Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 mit einem Verstärker oder dergleichen verstärkt wird.
Bei dem herkömmlichen Steuerungsvorgang sind Anstiege in dem Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser geringfügig, wenn die Drehgeschwindigkeit in dem sehr niedrigen Geschwindigkeitsbereich liegt, selbst wenn der Ausgabewert verstärkt wird. Demzufolge steigt, wie durch eine Kurve C3 (die Strichpunktlinie) in 6 angezeigt, die Drehgeschwindigkeit weiter an, während der Rotor übermäßig unausgeglichen ist, und zwar bis die Drehgeschwindigkeit eine Geschwindigkeit beim Punkt P2' erreicht, wo der Ausgabewert einen Schwellenwert überschreitet, so dass die Unausgewogenheit erfasst werden kann. Zu diesem Zeitpunkt ist die sich drehende Welle bereits verbogen und hat die innere Oberfläche des Drehraums in der Zentrifuge kontaktiert, und hat so die Einrichtung beschädigt. In anderen Worten kann der herkömmliche Steuerungsvorgang übermäßige Unausgewogenheiten bei sehr geringen Geschwindigkeiten aufgrund von Betätigungsfehlern oder dergleichen nicht erfassen, bevor der Betrag der Unausgewogenheit einen Schwellenwert beim Punkt P2' erreicht, und kann den Rotor eventuell nicht anhalten, bevor eine Beschädigung auftritt. Mit der oben beschriebenen herkömmlichen Steuerung wird die Einrichtung daher eventuell beschädigt, bevor eine Unausgewogenheit erfasst wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird der folgende Steuerungsvorgang ausgeführt für solche Fälle, wenn übermäßige Unausgewogenheiten auftreten.
Wie in 3 dargestellt, taumelt, wenn eine übermäßige Unausgewogenheit auftritt, der Rotor übermäßig (schwingt während der Drehung), so dass der Ring 15 den Bereich 2a der Antriebseinheit 2 bei niedrigen Geschwindigkeiten berührt. Wie durch eine Kurve C4 (die Zweipunkt-Strichlinie) in 6 angezeigt, steigt der Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 dramatisch an aufgrund der durch diesen Kontakt verursachten Einwirkung. Mit diesem plötzlichen Anstieg erreicht der Ausgabewert die Schwelle T zur Erfassung einer Unausgewogenheit bei einem Punkt P2 bei einer noch sehr geringen Geschwindigkeit, und die Unausgewogenheit in dem Schwingeimerrotor 8 wird erfasst. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Erfassung steuert die Steuerungseinheit 18 die Alarmeinheit 19 dazu am, einen Alarm oder dergleichen auszugeben, um den Benutzer darüber zu informieren, dass eine Anormalität aufgetreten ist, unterbricht die Stromzufuhr für die Antriebseinheit 2 und stoppt zwangsweise die Drehungen des Schwingeimerrotors 8 unter Verwendung eines nicht dargestellten Anhaltesystems.
Nun wird der oben beschriebene Steuerungsvorgang im Detail mit Bezug auf das in 7 dargestellte Flussdiagramm beschrieben. Im Schritt SO1 („Schritt“ wird im folgenden einfach als „S“ bezeichnet), wird die Drehgeschwindigkeit der Antriebseinheit 2 gemessen oder erfasst. Die Steuerungseinheit 18 führt die Messung konstant bei vorbestimmten Abständen aus, während die Zentrifuge 1 arbeitet. Im S02 liest die Steuerungseinheit 18 eine Schwelle für die Erfassung von Unausgewogenheiten entsprechend der erfassten Drehgeschwindigkeit aus dem Spule in der Steuerungseinheit 18, welcher Schwellenwerte speichert. Im S03 erfasst die Steuerungseinheit 18 den Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Drehgeschwindigkeit der Antriebseinheit 2 gemessen wurde.
Im Schritt S04 vergleicht die Steuerungseinheit 18 den Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 mit dem Schwellenwert, der im S02 gelesen wurde. Wenn die Beschleunigung geringer ist als der Schwellenwert (S04: NEIN), dann bestimmt die Steuerungseinheit 18, dass eine Unausgewogenheit nicht aufgetreten ist, und das Verfahren kehrt zum Schritt S01 zurück, um die oben beschriebenen Steuerungsschritte zu wiederholen.
Wenn jedoch der Ausgabewert größer ist oder gleich wie der Schwellenwert (S04: JA), dann bestimmt die Steuerungseinheit 18, dass eine Unausgewogenheit aufgetreten ist, und im S05 zeigt die Steuerungseinheit 18 dann ein Warnsignal an. Im S06 hält die Steuerungseinheit 18 die Drehung der Antriebseinheit 2 an, um eine Beschädigung oder dergleichen der Zentrifuge 1 aufgrund des unausgewogenen Betriebs zu verhindern.
Während ein Beschleunigungsmesser als Erfassungseinheit in dem ersten Beispiel verwendet wird, ist die Erfassungseinheit nicht auf einen Beschleunigungsmesser beschränkt, sondern kann auch eine andere Art von Sensor sein. Beispielsweise kann ein Seismoskop als Kontakt(Einwirkungs-)Erfassungssensor zum Erfassen eines Kontakts zwischen der Antriebseinheit 2 und dem Rahmen 6 verwendet werden. Mit diesem Aufbau gibt das Seismoskop ein Signal (ON Zustand) aus, wenn es eine durch den Kontakt verursachte Einwirkung erfasst, und gibt kein Signal aus (OFF Zustand), wenn keine Einwirkung erfasst wird. Mit dieser ON-OFF-Steuerung kann die Steuerungseinheit 18 die Antriebseinheit 2 beim Erfassen eines ON-Zustands anhalten und einen Warnalarm ausgeben.
Anschließend wird eine Zentrifuge gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Aufbau der Zentrifuge 101 gemäß der ersten Ausführungsform ist im Grunde der gleiche wie der der Zentrifuge 1 des ersten Beispiels. Wie in 8 dargestellt, ist diese Zentrifuge 1 jedoch auch mit einem Seismoskop 21 in der Nähe des Dämpfers 5 als Kontakterfassungssensor versehen.
Das Seismoskop 21 erfasst keine Schwingungen in der Antriebseinheit 2, die normalerweise erzeugt werden, wenn ein normalerweise auftretender (nicht übermäßiger) Unausgewogenheits-Zustand auftritt. Das Seismoskop 21 ist jedoch dazu eingestellt, Einwirkungen zu erfassen, die erzeugt werden, wenn die Antriebseinheit 2 den Ring 15 berührt, wenn ein übermäßig unausgewogener Zustand vorliegt.
Das von der Zentrifuge 101 ausgeführte Steuerungsverfahren mit dem Seismoskop 21 wird nun beschrieben. Das für normalerweise auftretende Unausgewogenheiten verwendete Steuerungsverfahren wird jedoch nicht beschrieben, da dieses Verfahren identisch mit dem in dem Beispiel beschriebenen ist.
Wenn übermäßige Unausgewogenheiten auftreten, wie in dem Beispiel beschrieben, erfasst der Beschleunigungsmesser 4 Einwirkungen, die verursacht werden, wenn der Bereich 2a der Antriebseinheit 2 den Ring 15 berührt, und zwar aufgrund von Vibrationen, die aufgrund der übermäßigen Unausgewogenheit auftreten. Wenn der Beschleunigungsmesser 4 die Einwirkung in diesem Fall erfolgreich erfasst, dann kann die Antriebseinheit 2 anschließend abgeschaltet werden, wie in dem ersten Beispiel beschrieben. In diesem Fall wird ein Steuerungsschritt mit dem Seismoskop 21 (S15 in 9) nicht ausgeführt. Das Seismoskop 21 erfasst jedoch Einwirkungen in dem Fall, in den der Beschleunigungsmesser 4 die Einwirkungen nicht erfassen kann.
Wenn eine Einwirkung von dem Beschleunigungsmesser 4 nicht erfasst wird, aber von dem Seismoskop 21, steuert die Steuerungseinheit 18 die Alarmeinheit 19 dazu an, ein Summergeräusch auszugeben, um den Benutzer darauf hinzuweisen, dass eine Anomalität aufgetreten ist, schaltet den Strom der Antriebseinheit 2 ab und hält die Drehung des Schwingeimerrotors 8 mit einem Anhaltesystem (nicht dargestellt) zwangsweise an.
Nun wird das Steuerungsverfahren genauer mit Bezug auf das in 9 gezeigte Flussdiagramm beschrieben. Im S11 wird die Drehgeschwindigkeit der Antriebseinheit 2 gemessen oder erfasst. Die Steuerungseinheit 18 führt die Messung konstant in vorbestimmten Abständen aus, während die Zentrifuge 101 arbeitet. Im S12 liest die Steuerungseinheit 18 eine Schwelle zum Erfassen der Unausgewogenheit entsprechend der erfassten Drehgeschwindigkeit von dem Speicher in der Steuerungseinheit 18, welcher Schwellenwerte speichert. Im S13 erfasst die Steuerungseinheit 18 den Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Drehgeschwindigkeit der Antriebseinheit 2 gemessen wurde.
Im S14 vergleicht die Steuerungseinheit 18 den Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 mit dem Schwellenwert, der im S12 gelesen worden ist. Wenn die Beschleunigung größer ist oder gleich wie der Schwellenwert (S14: JA), dann bestimmt die Steuerungseinheit 18, dass eine Unausgewogenheit aufgetreten ist, und im S16 zeigt die Steuerungseinheit 18 einen Warnalarm an. Im S17 hält die Steuerungseinheit 18 die Drehung der Antriebseinheit 2 an, um zu verhindern, dass die Zentrifuge 101 aufgrund des unausgewogenen Betriebs beschädigt wird oder dergleichen. Wenn jedoch der Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4 geringer ist als der Schwellenwert (S14: NEIN), dann schreitet das Verfahren zum S15 fort.
Im S15 bestimmt die Steuerungseinheit 18, ob das Seismoskop 21 ein Signal ausgegeben hat. Wenn keine Ausgabe von dem Seismoskop 21 vorliegt (S15: NEIN), dann bestimmt die Steuerungseinheit 18, dass eine Unausgewogenheit nicht aufgetreten ist, und das Verfahren kehrt zum S11 zurück, um die oben beschriebenen Steuerungsschritte zu wiederholen. Wenn jedoch eine Ausgabe von dem Seismoskop 21 vorliegt (S15: JA), dann bestimmt die Steuerungseinheit 18, dass eine Unausgewogenheit aufgetreten ist, und im S16 gibt die Steuerungseinheit 18 einen Warnalarm aus. Im S17 hält die Steuerungseinheit 18 die Drehung der Antriebseinheit 2 an, um zu verhindern, dass die Zentrifuge 101 aufgrund des unausgewogenen Betriebs beschädigt wird oder dergleichen.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist, wie in 2 dargestellt, eine Lücke a zwischen der Antriebseinheit 2 und dem Ring 15 ausgebildet, wenn keine übermäßige Unausgewogenheit vorliegt, so dass die Antriebseinheit 2 und der Ring 15 sich nicht berühren. Wenn die Antriebseinheit 2 den Ring 15 aber berührt, wird eine Einwirkung auf den Beschleunigungsmesser 4 aufgebracht, die größer ist als die normalen Schwingungen der Antriebseinheit 2. Da der Ring 15 jedoch aus Kunststoff gemacht ist, kann der Ring 15 einen Teil des Stoßes absorbieren. Demzufolge beschädigt die auf den Körper der Zentrifuge 1 oder 101 übertragene Einwirkung die Zentrifuge selbst nicht und irritiert den Benutzer auch nicht.
Während das Beispiel genau mit Bezug auf die bestimmte Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es Fachleuten offensichtlich, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können.
Beispielsweise ist in den oben beschriebenen Ausführungsformen der Ring 15 beim inneren Umfangsbereich 14a des Rings 14 vorgesehen. Wenn die Kraft der durch einen solchen Kontakt verursachten Einwirkung nicht groß ist, kann der Ring 15 jedoch auch weggelassen werden. In diesem Fall können die gleichen Effekte, die oben beschrieben sind, mit dem Ring 14 erzielt werden. Alternativ kann der Ring 15 um den Außenumfang (den Bereich 2a) der Antriebseinheit 2 herum vorgesehen sein.
Außerdem ist, wie in 3 dargestellt, in den oben beschriebenen Beispielen die Zentrifuge 1 oder 101 so aufgebaut, dass der Bereich 2a der Antriebseinhent 2 den Ring 15 kontaktiert. Vorsprünge können jedoch an entweder der Antriebseinheit 2 oder dem Rahmen 6 vorgesehen sein. Alternativ kann ein Teil der Antriebseinheit 2 oder des Rahmens 6 so ausgebildet sein, dass er nach außen hervorsteht, so dass eine durch den Kontakt solche Vorsprünge verursachte Einwirkung erfasst werden kann. Außerdem können die Vorsprünge aus elastischen Materialien, wie beispielsweise Gummistücken, Federn oder dergleichen gemacht sein.
In der ersten Ausführungsform wird ein Zustand der Unausgewogenheit überprüft unter Verwendung des Ausgabewerts von dem Seismoskop 21 nach einem ersten erfassten Ausgabewert von dem Beschleunigungsmesser 4. Ein Zustand der Unausgewogenheit kann jedoch auch zuerst auf der Grundlage des Seismoskops 21 überprüft werden und anschließend auf der Basis des Ausgabewerts von dem Beschleunigungsmesser 4 bestimmt werden. Das heißt, es ist wichtig, dass ein Zustand der Unausgewogenheit durch die wechselseitigen Arbeitsweisen des Beschleunigungsmessers 4 und des Seismoskops 21 erfasst werden kann. Die Steuerung mit dem Seismoskop 21 wird außerdem auf der Grundlage der Frage ausgeführt, ob die Ausgabe ON oder OFF ist. Diese Steuerung kann jedoch auch mit einem analogen Sensor ausgeführt werden, desser Ausgabewert sich gemäß der Größe der Einwirkung verändert, genauso wie mit dem Beschleunigungsmesser.

Claims

Zentrifuge mit: einem Rahmen (6) mit einem ersten Bereich (14a, 15), einem von dem Rahmen (6) gelagerten Dämpfer (5), einer von dem Dämpfer (5) gelagerten Antriebseinheit (2), die eine Drehkraft erzeugt und einen zweiten Bereich (2a) hat, einem sich drehenden Element (8), das mit der Antriebseinheit (2) verbunden ist und durch die Drehkraft gedreht wird, wobei der erste und der zweite Bereich so positioniert sind, dass der zweite Bereich (2a) den ersten Bereich (14a, 15) berührt, wenn die Schwingung der Antriebseinheit (2) eine vorbestimmte Amplitude überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass: zumindest der erste Bereich und der zweite Bereich ein elastisches Element aufweist, wobei die Zentrifuge ferner aufweist: einen Ring (15), der gegenüber der Antriebseinheit (2) vorgesehen ist, mit einer vorbestimmten Lücke dazwischen ausgebildet, wobei eine Unausgewogenheit im sich drehenden Element (8) dazu führt, dass die Antriebseinheit (2) den Ring (15) berührt, ferner mit einer Erfassungseinheit (4, 21), die einen Beschleunigungsmesser aufweist und zum Erfassen von einer Beschleunigung der Bewegung der Antriebseinheit (2) mit dem Beschleunigungsmesser und einer Einwirkung, die erzeugt wird, wenn der zweite Bereich (2a) den ersten Bereich (14a, 15) berührt, ausgestaltet ist und bei dieser Erfassung ein erstes Ausgabesignal erzeugt, das die Beschleunigung der Antriebseinheit (2) anzeigt, und ein zweites Ausgabesignal erzeugt, das eine Berührung des ersten (14a, 15) und zweiten Bereichs (2a) anzeigt, und einer Steuerungseinheit (18), die die Antriebseinheit (2) auf der Basis der Ausgabesignale ansteuert, bei der die Steuerungseinheit (18) die Antriebseinheit (2) anhält, wenn das erste der beiden Ausgabesignale einen festgelegten Schwellenwert überschreitet oder das zweite Ausgabesignal eine Berührung anzeigt.
Zentrifuge nach Anspruch 1, die ferner eine Alarmeinheit (19) aufweist, die einen Alarm ausgibt, wenn das erste Ausgabesignal von der Erfassungseinheit (4, 21) einen vorbestimmten Wert überschreitet oder das zweite Ausgabesignal eine Berührung anzeigt.
Zentrifuge nach Anspruch 1, bei welcher die Erfassungseinheit (4, 21) einen Kontakterfassungssensor aufweist.
Zentrifuge nach Anspruch 1, bei welcher die Erfassungseinheit (4, 21) sowohl einen Beschleunigungsmesser als auch einen Kontakterfassungssensor aufweist.
Zentrifuge nach Anspruch 3, bei welcher der Kontakterfassungssensor ein Schwingungsmesser ist.
Zentrifuge nach Anspruch 1, wobei sich der Schwellenwert mit der Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Elements (8) ab einer gewissen Drehgeschwindigkeit linear verändert.