JP3188153B2 - 遠心分離機用エネルギーモニター - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠心分離機内に取
り付けられているロータを加速させるために該遠心分離
機に印加されたエネルギーをモニターする遠心分離機用
エネルギーモニターに関するものである。

【０００２】なお、本明細書の記述は本件出願の優先権
の基礎たる米国特許出願第０８／２８３，０２０号（１
９９４年７月２９日出願）の明細書の記載に基づくもの
であって、当該米国特許出願の番号を参照することによ
って当該米国特許出願の明細書の記載内容が本明細書の
一部分を構成するものとする。

【０００３】

【従来の技術】遠心分離機は、液体試料を遠心力場（ce
ntrifugal force field ）に置くことのできる装置であ
る。試料は遠心ロータとして知られている部材の内部に
設置される。該ロータは駆動エネルギー源に接続されて
いる回転駆動軸の頂部に取り付けられている。

【０００４】遠心分離機には、実行しようとする分離プ
ロトコルに対応する多数の異なった遠心ロータのいずれ
か一つを取り付けることができる。しかし、どのような
ロータを用いようとも、大切なことは、該ロータに、該
遠心分離機のエネルギー抑制システムの容量を越えるエ
ネルギーレベルを与えないようにすることである。

【０００５】前記エネルギー抑制システムは、ロータが
破損した場合に生じたすべての破片を該遠心分離機の内
部に共同して閉じ込めるという該遠心分離機の構造上の
特徴をすべて含んでいる。これらの構造上の特徴は、例
えば、一つ（もしくはそれ以上の、同心の）防護リン
グ、装置チャンバードアおよび連結されたドアラッチ含
んでいる。しかし、該エネルギー抑制システムは、所定
のエネルギー抑制しきい値を持つように、構成されてい
る。

【０００６】システムにインプットされる合計エネルギ
ーは、運転に消費したエネルギーと蓄積エネルギーとの
合計量に等しい。遠心分離機において、消費したエネル
ギーは供給エネルギーの消費部分であり、機械的駆動シ
ステムによる、すなわち流体の摩擦による固有な損失を
克服するに必要なエネルギーである。供給エネルギーの
該部分は熱として消費される。供給エネルギーの残部
は、ロータの動きに蓄えられる。破損したロータの蓄積
エネルギーが装置の前記エネルギー抑制しきい値を越え
る場合は、ロータの破片を抑制システムによって閉じ込
めることができず、かわりに装置から飛び出してしま
う。装置から飛び出したすべての破片は、怪我および／
または損傷の大変危険な脅威となる。したがって、該蓄
積エネルギーは、ロータが破損した場合も考慮したもの
でなければならない。

【０００７】ロータの運転の蓄積エネルギー、すなわ
ち、運動エネルギーは、直接ロータの角速度に比例して
おり、以下の関係式に示される。

【０００８】

【数１】 運動エネルギー ＝ １／２（Ｉω² ） （１） ここで、Ｉはロータの慣性モーメントであり、ωはロー
タの角速度である。

【０００９】ここでは、ロータのエネルギーを制限する
最も直接的な方法は、ロータが得ることのできるロータ
の速度（即ち、ロータの角速度）、すなわちロータの速
さを制限することである。

【００１０】ロータの速度を制限する一つの方法は、ロ
ータの制限する風損（windage ）によって実現される。
風損による制限は、受動的な速度制限技術である。風損
による制限は、ロータを故意に次のように設計すること
により実現される。すなわち、ロータ駆動システムにお
いて摩擦損失を克服するに必要で、ロータを所定の安全
速度で駆動するに必要なエネルギー以上の過剰なエネル
ギーが、風損、すなわち空気摩擦として消費されるよう
に、設計することにより実現される。

【００１１】ロータの速度を制限する他の方法は、使用
する各ロータが許容された回転速度で回転するように、
積極的に、すなわち能動的に制限する速度オーバー制御
システムを、該遠心分離機内に設けることである。能動
的速度オーバー制御システムが効果的にロータ速度を制
限するためには、該遠心分離機内に取り付けるロータの
同定を正確にすることが必要である。

【００１２】ロータの同定情報は、遠心分離運転を開始
する前に、操作者に同定情報を制御システムに入力する
ように要求することにより、操作者から直接に得ること
ができる。しかし、操作者の間違える可能性を防ぐため
に、自動ロータ同定配列が用いられる。これらロータ同
定配列は、自動的に該遠心分離機の駆動軸上に取り付け
られたロータを同定し、この同定に基づいて、ロータを
所定の許容速度に到達させ得るだけのエネルギーを印加
する。

【００１３】様々の形式の自動ロータ同定配列が知られ
ている。ある形式では、一群のロータの各ロータは光反
射率が異なるバンド（bands ）あるいはセクタ（sector
s ）を有するある速度デカル（decal ）を実行する。該
デカル上のパターンは、ロータの同定を実現するコード
を含んでいる。このコードは所定の低い各速度でセンサ
ーに結合することにより読まれる。米国特許第４，２０
５，２６１号（フランクリン）には、該形式のロータ同
定配列が説明されている。他の形式では、一群のロータ
の各ロータは所定の磁石パターンを実行する。これらの
磁石は、好適な検出器、典型的にはホール効果素子（Ha
ll Effect device）により感知され、そのロータのコー
ドを読む。米国特許第４，６０１，６９６号（カン；Ka
mm）には、該形式のロータ同定配列が説明されている。

【００１４】その他の自動ロータ同定配列は、ロータを
同定するために、ロータ構造の特殊なパラメータを感知
する。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，０３
７，３７１号（ロマノウスカス；Romanauskas ）に開示
されている配列では、駆動軸に取り付けられているロー
タの形状が超音波信号で送られ、ロータの同定をあらわ
す信号を発生させる。米国特許第４，８２７，１９７号
（ギーベラー；Giebeler）では、駆動軸に取り付けられ
ているロータの慣性が検出され、該慣性に基づいてロー
タの同定信号を得る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】前述の各形式の自動ロ
ータ同定配列では、二次的な、ロータをベースにした特
性を用いることに焦点を合わせているので、ロータ速度
制御機構に基本的な速度制御決定法を越えたより一層の
複雑性を加えてしまう。したがって、簡易化するために
は、遠心分離機の運転に関連した、入手可能な基本的
な、容易に確定可能な情報を用いて、ロータに印加され
るエネルギーを制限し、それによってロータの蓄積エネ
ルギーが遠心分離機のエネルギー抑制システムのエネル
ギーしきい値に迫る値に到達するのを防止する装置制御
システムを提供することが有益であると信ぜられる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、遠心分離機に
動作関連しており、ロータを加速し、印加された加速エ
ネルギーの大きさが所定の基準エネルギー値を越えた場
合には、該印加された加速エネルギーの連続供給を中断
するために用いられる、印加加速エネルギーの大きさを
モニターするエネルギーモニター配列に関するものであ
る。好適例では、ロータに印加された正味の加速エネル
ギーがモニターされ、前記基準エネルギーと比較され
る。また、本発明は、遠心分離運転の前に、操作者が指
示した設定速度でのロータのエネルギーを表示する予見
方法に適用することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態によれ
ば、ロータを操作可能に回転させる遠心分離機用エネル
ギーモニターであって、前記ロータを加速するために印
加されたエネルギーを表す信号を発生させる手段と、前
記印加加速エネルギーを表す信号と所定の基準エネルギ
ー値とを比較する手段と、を有することを特徴とする遠
心分離機用エネルギーモニターが、提供される。

【００１８】本発明の第２の実施の形態によれば、前記
第１の実施の形態において、前記遠心分離機は駆動源を
有し、前記印加加速エネルギー信号発生手段が、前記ロ
ータを加速させるために前記駆動源に印加する電力を表
す信号を発生させる手段と、前記印加電力がロータを加
速している期間を測定する手段と、前記印加電力を表す
信号と前記期間とに応答して前記印加加速エネルギーを
表す信号を発生する手段と、を有することを特徴とする
遠心分離機用エネルギーモニターが、提供される。

【００１９】本発明の第３の実施の形態によれば、前記
第２の実施の形態において、前記遠心分離機の前記駆動
源が電圧印加時に印加電流に応答する電気モータであ
り、前記印加電力信号発生手段が、前記印加電流と前記
印加電圧に応答して前記電気モータに印加した電力を表
す信号を発生する手段を有することを特徴とする遠心分
離機用エネルギーモニターが提供される。

【００２０】本発明の第４の実施の形態によれば、前記
第２の実施の形態において、前記遠心分離機は上部に前
記ロータが取り付け可能な回転軸を有し、前記印加電力
信号発生手段が、前記駆動源により前記軸に印加された
トルクを表す信号を発生するための手段と、前記軸の角
速度を表す信号を発生させるためのタコメータと、を有
することを特徴とする遠心分離機用エネルギーモニター
が提供される。

【００２１】本発明の第５の実施の形態によれば、前記
第４の実施の形態において、前記遠心分離機の駆動源が
前記印加電流に応答して所定のモータ定数を表す電気モ
ータであり、前記印加トルク信号発生手段が、前記印加
トルク信号を発生させるために前記印加モータ電流を表
す信号と前記所定のモータ定数とに応答する手段を有す
ることを特徴とする遠心分離機用エネルギーモニター
が、提供される。

【００２２】本発明の第６の実施の形態によれば、前記
第４の実施の形態において、前記遠心分離機の前記駆動
源が前記ロータが取り付けられる軸を有し、前記軸に印
加されたトルクを測定するために、前記印加トルク信号
発生手段が操作可能に前記軸に接続されていることを特
徴とする遠心分離機用エネルギーモニターが、提供され
る。

【００２３】本発明の第７の実施の形態によれば、前記
第４の実施の形態において、前記遠心分離機の前記駆動
源が所定の慣性を有するロータを用いて誘導された角速
度特性に対する所定のトルクを表示し、前記印加トルク
信号発生手段が、前記軸の角速度を表す信号を発生する
ためのタコメータと、角速度特性に対する前記所定のト
ルクにしたがって前記印加トルク信号を発生するために
前記回転速度信号に応答する手段と、を有することを特
徴とする遠心分離機用エネルギーモニターが、提供され
る。

【００２４】本発明の第８の実施の形態によれば、前記
第１の実施の形態において、前記遠心分離機が操作者決
定設定速度を導入するための入力手段を有し、前記印加
エネルギー発生手段が、前記印加エネルギーの増分を表
す信号を発生して、前記ロータを所定の第１の角速度と
第２の角速度との間に定義されたある角速度増分加速す
るための手段と、前記第１および第２の角速度の合計と
前記第１および第２の角速度の差との積によって除算さ
れた前記操作者決定設定速度の平方により定義される所
定の見積因子によって前記エネルギー増分を表す信号を
見積もるための手段と、を有することを特徴とする遠心
分離機用のエネルギーモニターが、提供される。

【００２５】本発明の第９の実施の形態によれば、ロー
タを操作可能な遠心分離機用エネルギーモニターであっ
て、その制御システムが、ロータを連続的に高い格速度
に加速するために印加された正味のエネルギーを表す信
号を発生するための手段と、前記正味の印加エネルギー
を表す信号を所定の基準エネルギー値に対して比較する
ための手段と、を有することを特徴とする遠心分離機用
エネルギーモニターが、提供される。

【００２６】本発明の第１０の実施の形態によれば、前
記第９の実施の形態において、前記遠心分離機が駆動源
を有し、前記正味印加エネルギー信号発生手段が、前記
駆動源に印加されて前記モータを連続的に高い角速度で
加速する正味の電力を表す信号を発生する手段と、前記
印加電力が前記ロータを連続的に高い角速度で加速する
期間を測定する手段と、正味の印加電力を表す前記信号
と前記正味の印加エネルギーを表す信号を発生する期間
とに応答する手段と、を有することを特徴とする遠心分
離機用エネルギーモニターが、提供される。

【００２７】本発明の第１１の実施の形態によれば、前
記第１０の実施の形態において、前記遠心分離機の駆動
源が印加電圧における印加電流に応答する電気モータで
あり、前記正味の印加電力信号発生手段が、前記印加電
流と前記印加電圧とに応答して前記電気モータに印加さ
れる電力を表す信号を発生する手段を有することを特徴
とする遠心分離機用エネルギーモニターが、提供され
る。

【００２８】本発明の第１２の実施の形態によれば、前
記第１０の実施の形態において、前記遠心分離機が前記
ロータを取り付けることのできる回転軸を有し、前記正
味印加電力信号発生手段が、前記軸に印加された前記ト
ルクを表す信号を発生する手段と、前記軸の角速度を表
す信号を発生するタコメータと、を有することを特徴と
する遠心分離機用エネルギーモニターが、提供される。

【００２９】本発明の第１３の実施の形態によれば、前
記第１２の実施の形態において、前記遠心分離機の駆動
源が前記印加電流に応答して所定のモータ定数を表す電
気モータであり、前記正味の印加トルク信号発生手段
が、前記印加モータ電流を表す信号と前記所定のモータ
定数とに応答して前記正味の印加トルク信号を発生する
手段を有することを特徴とする遠心分離機用エネルギー
モニターが、提供される。

【００３０】本発明の第１４の実施の形態によれば、前
記第１２の実施の形態において、前記遠心分離機の駆動
源が前記ロータを取り付ける軸を有し、前記正味の印加
トルク信号発生手段が前記軸に操作可能に接続されて前
記軸に印加される前記トルクを測定するメータを有する
ことを特徴とする遠心分離機用エネルギーモニターが、
提供される。

【００３１】本発明の第１５の実施の形態によれば、前
記第１２の実施の形態において、前記遠心分離機の駆動
源が所定の慣性を有するロータを使用して誘導された角
速度特性に対して所定のトルクを表し、前記正味のトル
ク信号発生手段が、前記軸の角速度を表す信号を発生す
るタコメータと、前記角速度信号に応答して角速度特性
に対する前記所定のトルクにしたがって前記印加トルク
信号を発生する手段と、を有することを特徴とする遠心
分離機用エネルギーモニターが、提供される。

【００３２】本発明の第１６の実施の形態によれば、前
記第９の実施の形態において、前記遠心分離機が操作者
決定設定速度を導入するための入力手段を有し、前記正
味印加エネルギー信号発生手段が、前記ロータを所定の
第１と第２の角速度との間に定義された速度増分に加速
するために印加された前記エネルギーの増分を表す信号
を発生する手段と、前記第１および第２の角速度の合計
と前記第１および第２の角速度の差との積によって除算
された前記操作者決定設定速度の平方により定義される
所定の見積因子によって前記エネルギー増分を表す信号
を見積もるための手段と、を有することを特徴とする遠
心分離機用のエネルギーモニターが、提供される。

【００３３】

【実施例】次の詳細な記述を通じて、全ての図面におい
て、類似する参照番号は類似する要素を言及するものと
する。

【００３４】図１は、本発明に従う印加エネルギーモニ
ター配列を用いることができ、符号１０によって概略示
された遠心分離機の代表的な模式図である。この印加エ
ネルギーモニター配列は符号５０によって概略示されて
いる。

【００３５】遠心分離器は符号１２で概略示された骨格
を含む。骨格１２はボウル１４を支持する。ボウル１４
の内部は、回転子またはロータ１８が収容され得るほぼ
囲まれたチャンバ１６を規定する。このチャンバ１６へ
のアクセスはドア２０を介して可能である。ボウル１４
は、ボウル１４、ロータ１８およびその内容物を冷却す
るのが望ましい場合には適当なエバポレータコイル（図
示略）を備えることができる。ボウル１４は、バキュー
ムライン２４を介してボウル１４に接続される適当なバ
キュームポンプ２２によって真空引きされ得る。

【００３６】一つまたはそれ以上のエネルギー抑制部
材、または防護リング２６は骨格１２によって運ばれ
る。各防護リング２６はボウル１４に関し同心円状に配
されている。防護リング２６はドア２０（およびその関
連した取り付けラッチ）と共に、遠心分離器のエネルギ
ー抑制システムを構成する。防護リング２６は、ロータ
１８の壊滅的な破壊を起こし、かつ、その破片がチャン
バ１６へ逃げるようなロータ１８の運動エネルギーを吸
収するのに寄与するように配置されている。防護リング
２６は、その自由な回転を可能にしロータの破片のエネ
ルギーのいかなる回転成分をも吸収するように、骨格１
２内に移動可能に取り付けられ得る。

【００３７】駆動源３０は骨格１２内に取り付けられて
いる。駆動源３０は駆動軸３４に機械的に接続されてい
る。駆動軸３４はチャンバ１６の内部に突出している。
駆動軸３４の上端には、所定された番のロータエレメン
トのいずれかの一つを支持するために形成された取り付
け用のスパッド３６が取り付けられている。駆動源３０
の駆動軸３４、取り付け用のスパッド３６およびそれに
関連したベアリング等は、ロータ１８の取り付けが可能
な一つの回転システムを構成する。

【００３８】駆動源３０は、ブラシレス直流電動モー
タ、インジェクションモータまたはオイルタービンのよ
うな種々の公知の形状のいずれかの一つの形状を満たす
ものであってもよい。しかしながら、与えられた駆動源
３０は回転速度（すなわち、角速度）に対する所定のト
ルク特性を示す。駆動源３０の最大トルク／速度特性
は、所定された慣性を有するロータ１８を用いて、種々
の角速度でのトルク出力をマッピングすることによって
経験的に導き出され得る。駆動源３０は、その特性を導
き出すときに、最大出力レベルでその最適な効率で駆動
されるべきである。一度マッピングされた最大トルク／
速度特性は慣性モーメントに拘わらず、いかなるロータ
でも同じである。

【００３９】好ましいケースでは、駆動源３０は、米国
カリフォルニア州キャノガのサーボマグネティックス社
によって製造、販売されているモータのようなブラシレ
ス直流電動モータを利用し、米国ミシガン州アンアーバ
ーのオートモーションマシンプロダクツ社によって製造
されているような適当なモータドライブコントローラの
コントロール下で操作される。

【００４０】ブラシレス直流電動モータは所定されたモ
ータ定数Ｋを示す。モータ定数Ｋは印加した単位電流で
のモータのトルク出力の測定値である。モータ定数Ｋ
は、駆動軸が所定の角速度で回転している間、モータに
印加されている平均電圧を測定することによって電気的
に測定可能である。

【００４１】電力は、遠心分離器の外部に配された電力
源３８から駆動源３０に与えられる。電界効果トランジ
スタ（ＭＯＳＦＥＴ）のアレイまたは液圧弁から形成さ
れたスイッチ回路４０は電力源３８と駆動源３０との間
に接続されている。スイッチ回路４０は電力源３８から
駆動源３０に与えられる電力量をコントロールするのに
寄与する。駆動源３０が電動モータを用いる場合には、
電力源３８からの電力は直接（スイッチ回路４０を介し
て）駆動源３０を駆動する。駆動源３０がオイルタービ
ンの形態をとる場合には、電力源３８はオイルポンプに
（スイッチ回路４０を介して）接続され、これにより間
接的に駆動源３０を駆動する。

【００４２】参照符号４２によって概略示されたタコメ
ータは、駆動軸３４およびこの軸に取り付けられたロー
タ１８を含む回転システムの回転速度（すなわち、角速
度）をモニターするために配されている。タコメータの
配置の都合のよい形態は、いかなる場合でも、本発明に
おいて予期し得る範囲内で利用され、残され得る。回転
システムおよびその上に取り付けられたロータ１８の実
際の角速度を表す電気信号は出力ライン４４上のタコメ
ータ４２から送られる。

【００４３】回転システムおよびその上に取り付けられ
たロータ１８の角速度を表す出力ライン４４上の出力信
号は参照符号４６によって概略示されたロータ速度コン
トローラによってモニターされている。速度制御装置４
６は、プログラムに従って操作するマイクロプロセッサ
系コントロールシステムによるようないかなる都合のよ
い形態であっても用いられ得る。同一のマイクロプロセ
ッサ系コントロールシステムは、当該技術分野におけ
る、いわゆる当業者に明らかであるように、機器全体の
コントロール機能を供給するのに用いられ得る。

【００４４】速度制御装置４６は出力ライン４４上の速
度信号に応答し、スイッチ回路４０をコントロールして
駆動源３０に印加される電流を制限する。ロータ速度が
所定の速度しきい値を超えるならば、速度制御装置４６
からスイッチ回路４０へのライン４８上の信号はライン
４８を開けて駆動源３０への電力の印加を遮断する。

【００４５】運転中において、駆動源３０は電力源３８
から与えられた電力を駆動トルクに変換する。駆動源３
０によって生じた駆動トルクは回転システム（およびそ
のシステム上のロータ１８）を回転させ、より高い角速
度へ段々加速する。

【００４６】本発明の原則を理解するために、仮説の基
礎遠心の運転中における、駆動源３０に与えられた電力
Ｐ、ロータ１８の角速度ω、およびロータ１８の回転を
加速するために駆動源３０によって与えられた全エネル
ギーＥが図２、図３および図４にプロットされている。
上述の各変量は時間ｔに関してプロットされている。

【００４７】種々の曲線の正確な形状が駆動源およびそ
の駆動の特性に依存するので、図２〜図４に示された曲
線は一般化および単純化した性質の表現として解釈さ
れ、数学的な正確さで変量間の関係を損ねるものとして
解釈されるべきではない。例えば、図２が時間＝０から
の電力一定が明らかに不可能な状態を示すものと理解さ
れる。図３における曲線の直線形状は、また、仮定され
た電力および図２および図４のエネルギー条件と互いに
一致する。

【００４８】議論の目的のため、与えられたプロトコル
はロータ１８が所定の速度ω₁ で回転することを求める
ものと仮定されている。図２は電力源３８から駆動源３
０に与えられた電力が全体で一定であることを示す。図
３から明らかなように、０＜ｔ≦ｔ₁ の期間中、駆動源
３０は与えられた電力Ｐを、休みから所定の運転角速度
ω₁ までロータの回転を加速する駆動トルクＴに変換す
る。通常の運転シーケンス下で、速度制御装置４６の適
切な運転を仮定すると、図３の実線によって示されてい
るように、ロータ１８の角速度は上がり（すなわち、加
速され）、所望の速度値ω₁ のレベルになる。実際は、
ロータ１８の速度／時間の特性は、事実、速度ω₁ を僅
かに行き過ぎ、参照符号Ｂで示されているように、“曲
げ”または“膝”を形成する。

【００４９】時間ｔ₁ において、所望の角速度ω₁ が到
達されるやいなや、速度制御装置４６は、駆動源３０に
与えられた電力Ｐを維持電力レベルＰ_m に制限すること
によってロータの回転速度を所望の角速度ω₁ に維持す
る。維持電力レベルＰ_m は、実際は、ロータの回転加速
中に与えられた電力レベルの小フラクション（通常、１
０％のオーダーで）であるにもかかわらず、維持電力レ
ベルＰ_m は、駆動システムにおける損失を解消し、か
つ、その角速度のロータを所望の角速度ω₁ に保持する
ことを要求されているトルクＴを生じさせるに十分であ
る。

【００５０】図４は、エネルギーの釣合い（perspectiv
e ）から、期間０＜ｔ≦ｔ₁ 中における上述の仮説の基
礎的な遠心運転を示すものである。期間０＜ｔ≦ｔ₁
中、与えられたエネルギーは速度ω₁ に向けてロータの
回転を加速する。加速エネルギーの大きさは、定義によ
り、与えられた電力の時間の積分であり、時間インター
バル０＜ｔ≦ｔ₁ における図２の電力／時間曲線の下側
領域として想像され得る。ロータ１８の回転を所望の角
速度ω₁ になるように加速するために電力源３８から駆
動源３０に与えられたエネルギーＥ１は時間インターバ
ル０＜ｔ≦ｔ₁ における図２に示された電力曲線の下側
の領域に等しい。ロータ１８の回転を加速するのに用い
られるエネルギー（加速エネルギー）はロータによって
保存され、等式（１）によって与えられた関係式に従っ
て測定されたロータ回転の運動エネルギーとして証明さ
れている。

【００５１】時間インターバルｔ₁ ＜ｔ≦ｔ₂ 中、駆動
源３０に与えられた維持電力レベルＰ_m がロータ１８の
ロータ速度を上げるのに寄与せず、このため与えられた
加速エネルギーの全運転に向けて貢献しない。維持エネ
ルギー、すなわち時間インターバルｔ₁ ＜ｔ≦ｔ₂ 中の
維持電力レベルの時間積分は種々の系の損失（例えば、
もしあれば気擦による損失、摩擦または駆動の損失）に
よって散らされている。

【００５２】しかし、検討のために、後の時間ｔ₂ で制
御部４６故障する場合について考える。そのことは、動
力源３０に与えられた電力Ｐがもはや保全力の値Ｐ_m に
限定されるものではない。そのかわり、動力源３０は印
加電力をトルクに変換し続ける。また、そのようにして
発生したトルクによって目的とする動作角速度ω₁ の範
囲を越えてローター１８が加速される。このことは、図
２ないし図４に示す曲ラインの点ライン部分によって示
される。風損限定（すなわち、未排気）動作状況におい
て、発生したトルクが流体摩擦効果を克服するのに不十
分であることから速度オーダーの状態を一般に抑制する
ことが認識される。上記ローターは、所定の風損速度の
値を越えて加速されることはできない。風損角速度は、
ローターの所定の速度超過角速度の値ω₀ を越える。し
かし、もしローラーが排気環境下で操作されているとし
たら（またはローター風損が速度超過角速度の値ω₀ を
下回るようにローター速度を抑えるのが不十分だとした
ら）、連続して電力を供給し続けることによって、ロー
ターを速度超過角速度の値ω₀ に向けて加速する。これ
によって、恐ろしいローター破損が生ずる。

【００５３】エネルギーの観点から制御部４６が破損す
ることの分岐を図３に示す。印加加速エネルギーの合計
が増加すると、ローターの角速度も増加し、それに比例
してローターの動作によって貯えられるエネルギーが増
加する。ローターの貯蔵エネルギーは、装置１０のエネ
ルギー抑制システムによって抵抗することが可能な抑制
エネルギー閾値（図３の符号Ｅ_c ）を越えるエネルギー
レベルを達成することが可能かもしれない。

【００５４】しかし、動力源３０に与えられたエネルギ
ーは、抑制エネルギーの閾値Ｅ_c よりも低い所定のエネ
ルギーレベルＥ_reference （基準エネルギー）で遮られ
た場合、装置の抑制エネルギー閾値を要求する保存エネ
ルギーレベルをいつも達成するローターの可能性が排除
される。そのような認識は、本発明の加えたエネルギー
モニター配列５０を支持する。

【００５５】一般に、加えたエネルギーのモニター配列
５０は、参照符号５４によって示される手段を一般的に
含む。この手段は、作動可能な状態で装置１０と結合し
ており、またローラーを加速するために用いられる与え
られたエネルギーの大きさを表す種々のパラメーターを
示す信号に応答するこの印加加速エネルギー信号は、ラ
イン５６に沿ってエネルギーＥ_reference を表す所定の
参照符号まで伝達される。与えられた加速エネルギーの
大きさがレファレンスエネルギーの値を越えた場合、ラ
イン６０上の制御信号が発生する。制御信号はスイッチ
４０に与えられる。このスイッチ４０は、抑制閾値以上
の保存エネルギーをローターが達成するのを防ぐために
装置へエネルギーが与えられるのを遮るためにある。

【００５６】図４について説明したように、印加加速エ
ネルギーは、印加加速電力の時間積分である。

【００５７】したがって、図１のブロック図に示す加速
エネルギーモニタリング配列の実施態様では、ローター
１８を加速させるために動力源３０に電力を与える電力
を表す出力ライン６４上に信号を発生させるための手段
６２と、印加電力の印加によってローターが加速される
時間を測定するためのクロック６６と、印加加速エネル
ギー信号をライン５６上に発生させるためにライン６４
上の印加電力信号とクロック６６との両方に応答する手
段とを含む。

【００５８】印加加速電力信号発生手段は、それ自体種
々の方法で実現されよう。

【００５９】機械的に、電力はトルクと速度との結果と
して表されよう。この関係は、動力源３０が与えられた
いかなる形態とも一致するライン６４上に、印加加速電
力を発生させるための方法を示唆する。動力源３０によ
って回転系（軸）に与えられたトルクＴを表す信号は、
ライン７２を越えて、印加電力信号発生装置６２に入力
される。回転系（軸）の角速度を表すテクノメーター４
２からのライン４４上の出力信号もまた、手段６２に与
えられる。そのような入力を用いることで、手段６２は
ライン６４上に印加電力信号を発生する。

【００６０】ライン７２上の印加トルク信号は、種々の
方法で取得される。例えば、トルクは軸３４と連動する
適当なトルクメーター７４を用いて直接測定できる。こ
のメーター７４は、図１に図示されている。メーターと
して使用するのに好適なものは、ニューハンプシャー州
アムハーストにあるバイブラックコーポレーション（Vi
brac Corporation, Amherst, New Hampshire）によって
製造および販売されるトルク測定変換装置（例えばTQ-1
00, TQ-320, およびTM72-18 モデル）である。

【００６１】あるいは、手段５４は印加トルク信号発生
手段７８をさらに含む。この印加トルク信号発生手段７
８は、例えば、動力源３０によって表される所定の角速
度／トルク特性を保存するルックアップ表のかたちをと
る。軸４４の角速度を表すライン４４上の信号の応答に
おいて、角速度／トルク特性がライン７２に出力され
る。このような実施は、最大加速が求められ、かつ最大
トルクが用いられた際にもっとも最良に行われる。ほか
の加速状態（すなわち、最大ではない状態）に関して
は、本発明の他の実施例で用いられる。

【００６２】電気モーターのトルク出力は、モーター定
数Ｋによって印加電流に対して機能的に関係している。
したがって、印加トルク信号発生手段７８は、動力源３
０が、好ましくは、電気モーターを用いて与えられた場
合の関係を利用する。最後に、印加モーター電流を表す
ライン８２上の信号とモーターの所定の定数Ｋを印加モ
ーター電流を表すライン８４上の信号は、ライン７２上
に印加トルク信号を製造するためにトルク信号発生手段
７８に与えられる。

【００６３】電気的に、電力は電流と電圧とからなる。
したがって、もし動力源３０が適当なプログラムにもと
づいて動作するマイクロプロセッサーをベースとしたコ
ンピュータ制御部を用いて実行される。プログラム制御
下、マイクロプロセッサおよび／または制御部内の種々
のレジスターは、手段５４, ６２, ６８, ７８、手段５
８の比較機能の種々の信号を発生させる機能を実行する
ために設計される。セパレートリードオンリーメモリは
手段７８のルックアップ表具現化のために用いられる。
制御部の内部時計はクロック６６を形成するタイミング
信号のために用いられる。

【００６４】本発明の一実施態様を具現化するボーラン
ドＣ⁺⁺言語で記述された適当なプログラムを以下に示
す。このプログラムはトルク、速度（一覧表では「現在
速度」）、および時間によって形成されるローターエネ
ルギーの変化を計算するのに用いられる。、このプログ
ラムは最終コマンド電流値（last commanded current v
alue）を、トルクを計算するためにマイクロプロセッサ
をベースとした制御からの出力として用いる。この速度
はＲＰＭの単位で表され、また時間は０．０４４０秒サ
イクル時間で、そしてトルクはフィート・ポンドの単位
で表される。計算されたエネルギーとエネルギーレファ
レンス（「過剰（toomuch ）」）との比較結果が真実で
あるならば、電力源へのエネルギーは接続を絶ち、ロー
ターの速度をゼロにする。一覧表の中の用語「DS TO SP
EED 」は機械の状態を示すもので、装置が速度制御入力
に反応する。また、用語「State <5」は特別なサブルー
チンを表す。

【００６５】

【外１】

【００６６】本発明の印加エネルギーモニタリング配列
のより一層洗練された態様の根本をなす原理は、再度図
２ないし図４を参照することによって理解されよう。

【００６７】前記ロータ１８がその所定の運転角速度ω
₁ （すなわち、前記時間ｔ₁ に続く速度維持期間内のあ
る時刻）に達した後、ロータの速度は、能動的に低下し
始めることができる。この現象は、図３中に、時間間隔
ｔ₁ ＜ｔ_a ＜ｔ₂ 内の曲線の鎖線部分によって、示し
た。時刻ｔ_a において、ロータ１８の角速度は、値ω₁
らより小さい値ω₂ に減少しているのが示されている。
この現象は、図２の加速電力／時間曲線の単斜線部分に
よって示されているように、負の電力供給のように観測
される。

【００６８】さらに、また、減速に続くある時刻で、例
えば、時刻ｔ_a において、実行する特殊な遠心分離プロ
トコルは、ロータ速度が運転角速度ω₁ より大きな速度
ω₃向かって増加するように要求する。この現象は、期
間ｔ_a ＜ｔ＜ｔ₃ （ここで、ｔ₂ ＜ｔ₃ ）に示されてい
る。

【００６９】注意すべき点は、加速電力およびエネルギ
ーがｔ_a ＜ｔ＜ｔ₂ の期間においてロータ１８に印加さ
れていても、この期間、ロータの速度はまだ速度ω₁ 未
満である。時刻ｔ₂ 後でのみ、ロータの速度は、時刻ｔ
₁ で到達する初期運転速度ω₁ を越える。

【００７０】図４は、エネルギー上の観点から、図３の
期間ｔ₁ ＜ｔ_a ＜ｔ₃ において表される、状態を示して
いる。時刻ｔ₁ から時刻ｔ_a の期間のロータ速度の減少
により、ロータに蓄積される回転エネルギーが低下され
る。この低下の大きさは、記号−Δで示される。時刻ｔ
_a において、ロータ１８は時刻ｔ₁ でのロータの蓄積エ
ネルギーＥ₁ 未満の蓄積エネルギー値Ｅ₂ を持つ。図４
のエネルギー曲線につけられている記号＋Δで示される
加速エネルギーの増加（期間ｔ_a ＜ｔ＜ｔ₂ の加速電力
曲線の交差斜線部分によって示されるロータの加速電力
の印加で生成された増加）は、期間ｔ₁ ＜ｔ＜ｔ_a に生
じた蓄積エネルギーの減少を補償することにのみ使用さ
れる。加速電力の持続的な印加によってロータに印加さ
れる加速エネルギーに正味の増加が現れるのは、時刻ｔ
₂ 後のみである。

【００７１】そのため、前記印加エネルギーモニター配
列５０が制限なしにロータの加速エネルギーをモニター
するように構成されている場合には、図２ないし図４に
関連して議論した期間ｔ₁ ＜ｔ＜ｔ₃ における状況は、
間違ったエネルギー値になる。かかることが生じないよ
うにするために、前記印加加速エネルギー信号発生手段
５４を加速するために印加した正味のエネルギーのみを
モニターように構成するのは、本発明の企図に含まれ
る。この方法において、エネルギーの減少を補い、以前
保有のエネルギーレベルに復帰させるためにのみ使用さ
れる図４の記号＋Δで示されるのような、エネルギー増
加は、前記印加加速エネルギー信号によって表される。

【００７２】正味の印加加速エネルギーのみを考慮する
ために、本発明の印加エネルギーモニター配列５０を変
更可能とする一つの好適な方法は、ロータによって到達
した以前の最も高い速度の運転記録を維持することであ
る。最も高い蓄積エネルギー値が生じるのは、以前に到
達した最も高い速度レベルにおいてであるので、続いて
前記ロータ速度の運転記録を維持し、継続的により高い
速度レベルが得られることにより制御システムが正味の
印加加速エネルギー蓄積するのを許容する時にのみ、印
加加速エネルギーを蓄積する、ことが好適である。図１
のブロックダイアグラムの説明に関連して前述した他の
すべての形式で実現されるように、前記エネルギーモニ
ター配列５０は、正味の印加加速エネルギーをモニター
する方法で、使用可能である。

【００７３】図５は、本発明をマイクロコンピュータを
用いて実現するために好適なプログラムの流れ図を示
す。

【００７４】本発明の印加エネルギーモニター配列５０
は、その特性からして遠心分離機の制御システムとして
用いることができ、他の遠心分離機速度制御装置のバッ
クアップとしてフェイルセイフの役目を果たすことがで
きる。後者の役割は、IEC 標準1010-2-2のような政府標
準が“単一故障（single fault）”条件下の抑制試験を
要求する場合に、特に有効である。この条件は、すべて
の単一構成要素の故障が発生した場合に、安全性を損な
わないことを要求するものである。したがって、独立し
た他の制御経路がある場合には、当該構成要素の故障に
関連する危険な結末を防がなければならない。

【００７５】図６は、変更された印加加速エネルギー信
号発生手段５４′を有する印加エネルギーモニター配列
のブロックダイアグラムである。ライン５６上を手段５
４′から出力される印加加速エネルギー信号は、予測的
方法により導かれる。

【００７６】本発明のかかる観点にしたがって、変更さ
れた印加加速エネルギー信号発生手段５４′は、ロータ
を所定の角速度増分Δωで加速するために印加された増
分エネルギーＥ_i （図４）で表される、ライン９２上の
信号を発生させるための手段９０を包含している。前記
所定の角速度増分Δω（図３）は、所定の第１の角速度
ω_a と第２の角速度ω_b との間に設定される。図１のブ
ロックダイアグラムに示された印加加速エネルギー信号
発生手段５４の前述の実行配列は、（必要ならば、前記
印加トルク信号発生器７８と共同して）ライン９２上の
増分印加加速エネルギー信号に適用可能である。この目
的に対し、すべての好適かつ必要な入力信号ライン（す
なわち、ライン４４，７２，８２および／または８６）
が前記変更印加加速エネルギー信号発生手段５４′に接
続される。

【００７７】ライン９２上の増分印加加速エネルギー信
号は、見積手段（scaling means ）９４に供給される。
前記見積手段９２は所定の見積因子Ｆによって前記増分
印加加速エネルギー信号を見積もる。前記見積因子Ｆは
以下の関係式にしたがって定義される。

【００７８】

【数２】 Ｆ＝（ω_set ）² ／（ω_b ²−ω_a ²） （２） または、同値のものとして、

【００７９】

【数３】 Ｆ＝（ω_set ）² ／［（ω_b −ω_a ）（ω_b ＋ω_a ）］ （2A） ここで、ω_a は第１の所定の角速度であり、ω_b は第２
の所定の角速度であり、ω_set は操作者が決定したロー
タ設定角速度である。

【００８０】前記操作者が決定したロータ設定角速度ω
_set の表示信号は、操作者入力手段９８からライン９６
上を供給される。前記ω_set により表された前記所定の
操作者設定角速度を入力するための手段９８としては、
すべての好適な入力装置の形態を採用することができ
る。

【００８１】前記見積手段９４の出力により、ライン５
６′上の予測印加加速エネルギー信号を決定し、該信号
は比較器５８（図１）内で比較される。ライン５６′上
の前記予測印加加速エネルギー信号が基準値を越える
と、駆動源への電力は中断される。

【００８２】前記予測は、望ましくは、遠心分離運転中
において前記角速度増分が有意の推定が得られる時に、
実行されるべきである。例えば、運転の開始時にロータ
チャンバが空にされる場合には、前記予測は、2,000 Ｒ
ＰＭと20,000ＲＰＭ（それぞれ、ω_a とω_b とに対応）
の角速度で、あるいは前記運転の設定速度が20,000ＲＰ
Ｍ以下である場合、（ライン９６上の）所定の操作者選
択設定速度で実行されるべきである。

【００８３】また、運転の開始時の角速度が選択された
（例えば、ω_a ＝０）場合、実際は、一つの角速度値
（角速度値ω_b ）のみを使用する必要がある、ことが明
らかである。この予測は、ロータチャンバが空でなく、
機械がより安定している状況においては、さらに有益で
ある。

【００８４】当業者であれば、本発明の記載から多くの
変形が想到することが可能であり、これらの変形は、添
付の請求の範囲に定義されているような本発明の範囲内
にあるものである。

【００８５】

【発明の効果】本発明によれば、簡易な構造で適正に遠
心分離機の動作を制御するとともに、ロータの破損が生
じてもロータの破片が装置外に飛散する危険を防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる印加エネルギーモニター配列を
具備した遠心分離機を示す構成図であり、この印加エネ
ルギーモニター配列はブロックダイヤグラム形式で図示
してある。

【図２】本発明による印加エネルギーモニター配列の基
礎となる原理を説明するもので、遠心分離機の多様な運
転パラメータを表示する図である。

【図３】本発明による印加エネルギーモニター配列の基
礎となる原理を説明するもので、遠心分離機の多様な運
転パラメータを表示する図である。

【図４】本発明による印加エネルギーモニター配列の基
礎となる原理を説明するもので、遠心分離機の多様な運
転パラメータを表示する図である。

【図５】本発明のエネルギーモニター配列を変更する流
れ図である。

【図６】本発明のエネルギーモニター配列の他の変更を
示すブロックダイアグラムを示した図である。

【符号の説明】

１０ 遠心分離機 １２ 骨格 １４ ボウル １６ チャンバ １８ ロータ ２０ ドア ２２ バキュームポンプ ２４ バキュームライン ２６ 防護リング ３０ 駆動源 ３４ 駆動軸 ３６ スパッド ３８ 電力源 ４０ スイッチ回路 ４２ タコメータ ４４ 出力ライン ４６ 速度制御装置 ４８ ライン ５０ 印加エネルギーモニター配列 ５４ 印加加速エネルギー信号発生手段 ５４′ 印加加速エネルギー信号発生手段 ５６ ライン ５６′ ライン ５８ 手段 ６０ ライン ６２ 手段 ６４ 出力ライン ６６ クロック ６８ 手段 ７２ ライン ７４ トルクメータ ７８ トルク信号発生手段 ８２ ライン ８４ ライン ８６ ライン ９０ 手段 ９２ ライン ９４ 見積手段 ９６ ライン ９８ 手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウイリアム アンドリュー ロマナウス カス アメリカ合衆国 06488 コネチカット 州 ノース サウスベリー メイン ス トリート 185 (56)参考文献 特表 平１−503371（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B04B 13/00 B04B 9/10 B04B 15/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の抑制エネルギー閾値Ｅc を有する
   エネルギー抑制システムを内蔵してロータを操作可能に
   回転させる遠心分離機に用いられる印加エネルギーモニ
   ターであって、前記抑制エネルギー閾値がロータが故障
   して破片を生じる場合に前記遠心分離機の抑制システム
   によって抵抗可能なエネルギーを表している、印加エネ
   ルギーモニターにおいて、 前記ロータを加速するために印加されたエネルギーを表
   す信号を発生させる手段と、 前記印加加速エネルギーを表す信号を、前記遠心分離機
   の抑制エネルギー閾値Ｅc 以下の所定の基準エネルギー
   値Ｅref と比較する手段と、 を有することを特徴とする遠心分離機用印加エネルギー
   モニター。
2. 【請求項２】 所定の抑制エネルギー閾値Ｅc を有する
   エネルギー抑制システムを内蔵してロータを操作可能な
   遠心分離機に用いられる印加エネルギーモニターであっ
   て、前記抑制エネルギー閾値がロータが故障して破片を
   生じる場合に前記遠心分離機の抑制システムによって抵
   抗可能なエネルギーを表している、印加エネルギーモニ
   ターにおいて、 ロータを連続的に高い角速度に加速するために印加され
   た正味のエネルギーを表す信号を発生するための手段
   と、 前記正味の印加エネルギーを表す信号を、前記遠心分離
   機の抑制エネルギー閾値Ｅc 以下の所定の基準エネルギ
   ー値Ｅref と比較するための手段と、を有することを特
   徴とする遠心分離機用印加エネルギーモニター。