JP3324337B2 - 高速遠心分離機 - Google Patents
高速遠心分離機Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、遠心分離機のように回
転体を高速に回転し、且つ回転体に挿入した試料の温度
を目的の温度に制御する温度制御装置に関するものであ
る。
転体を高速に回転し、且つ回転体に挿入した試料の温度
を目的の温度に制御する温度制御装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の遠心分離機の回転体温度
制御は、例えば実開平１−１６７３５０号公報、特開平
２−３５９５１号公報及び実開平２−１２１１４５号公
報に記載されているように、回転室や熱交換器の温度を
測定し、測定結果に回転体の形状、表面積等で作った補
正係数を加える制御方法が行なわれていた。
制御は、例えば実開平１−１６７３５０号公報、特開平
２−３５９５１号公報及び実開平２−１２１１４５号公
報に記載されているように、回転室や熱交換器の温度を
測定し、測定結果に回転体の形状、表面積等で作った補
正係数を加える制御方法が行なわれていた。
【０００３】また回転体を駆動する駆動装置において、
回転体に回転力を伝達する駆動軸は回転体に挿入する試
料のインバランスや遠心分離機の製造における幾何学的
誤差に起因する撓みがあって運転しても、モータ軸を支
持している軸受の荷重負荷を許容するように細く長い弾
性軸としていた。例えば実表昭５９−５００００６号に
記載されているように小さい直径０．０７８インチの駆
動軸が用いられ、ロータアンバランスや遠心分離機の製
造方法における幾何学的制限に起因する撓みを許容する
構造が示されている。
回転体に回転力を伝達する駆動軸は回転体に挿入する試
料のインバランスや遠心分離機の製造における幾何学的
誤差に起因する撓みがあって運転しても、モータ軸を支
持している軸受の荷重負荷を許容するように細く長い弾
性軸としていた。例えば実表昭５９−５００００６号に
記載されているように小さい直径０．０７８インチの駆
動軸が用いられ、ロータアンバランスや遠心分離機の製
造方法における幾何学的制限に起因する撓みを許容する
構造が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】遠心分離機で試料を分
離する場合、試料の温度を試料の目的に応じて一定の温
度範囲、例えば０℃〜４０℃に制御している。特に生物
の細胞内物質であるタンパク質や酵素等を分離する場
合、生物の活性を抑え、且つ生存している状態で遠心分
離するため、試料を入れる回転体の温度を４℃〜７℃に
維持して遠心分離作業を行なっている。従って冷却能力
としては、余裕を考慮し運転中の最低温度を０℃に制御
できることが必要であった。従来の遠心分離機では、運
転中の回転体の温度に関する測定を行ない、回転体を収
納するボウルの冷却温度を制御し、回転体の最低温度を
０℃に制御可能としていた。
離する場合、試料の温度を試料の目的に応じて一定の温
度範囲、例えば０℃〜４０℃に制御している。特に生物
の細胞内物質であるタンパク質や酵素等を分離する場
合、生物の活性を抑え、且つ生存している状態で遠心分
離するため、試料を入れる回転体の温度を４℃〜７℃に
維持して遠心分離作業を行なっている。従って冷却能力
としては、余裕を考慮し運転中の最低温度を０℃に制御
できることが必要であった。従来の遠心分離機では、運
転中の回転体の温度に関する測定を行ない、回転体を収
納するボウルの冷却温度を制御し、回転体の最低温度を
０℃に制御可能としていた。
【０００５】また、遠心分離機による分離能力は試料に
加わる遠心加速度の大きさに比例するため、従来から遠
心加速度を大きくすることが行われてきた。遠心加速度
は回転体の半径に比例し運転回転数の２乗に比例するの
で、特に運転回転数の高速化に努力し、最高回転数１２
万回転／分の超遠心機が実用化されている。しかし、更
に高速になり最高回転数１５万回転／分の超遠心機のよ
うに運転回転数が高速になると、分離試料を入れる回転
体の温度が高くなり、生物を分離する時の温度条件に入
らない問題が発生した。
加わる遠心加速度の大きさに比例するため、従来から遠
心加速度を大きくすることが行われてきた。遠心加速度
は回転体の半径に比例し運転回転数の２乗に比例するの
で、特に運転回転数の高速化に努力し、最高回転数１２
万回転／分の超遠心機が実用化されている。しかし、更
に高速になり最高回転数１５万回転／分の超遠心機のよ
うに運転回転数が高速になると、分離試料を入れる回転
体の温度が高くなり、生物を分離する時の温度条件に入
らない問題が発生した。
【０００６】高速回転時の回転体の温度が高くなる理由
として次の３項目がある。
として次の３項目がある。
【０００７】高速の遠心分離機は、風の抵抗と摩擦熱を
少なくするため回転体とモータ部を真空状態にしている
ので、機械的損失は軸受の損失が主原因である。軸受の
損失は回転数に比例して大きくなり、駆動モ−タの回転
数が高速になるほど軸受部の発熱が大きくなる。この軸
受部で発生した高温の熱が回転体とモータ軸を連結する
弾性軸を伝導して、回転体が加熱されることになる。即
ち、高速になると軸受部が高温になることが第１の理由
である。
少なくするため回転体とモータ部を真空状態にしている
ので、機械的損失は軸受の損失が主原因である。軸受の
損失は回転数に比例して大きくなり、駆動モ−タの回転
数が高速になるほど軸受部の発熱が大きくなる。この軸
受部で発生した高温の熱が回転体とモータ軸を連結する
弾性軸を伝導して、回転体が加熱されることになる。即
ち、高速になると軸受部が高温になることが第１の理由
である。
【０００８】回転体の製造における僅かな寸法誤差によ
るインバランスや回転体に入れる試料のインバランス、
及びモータ軸と弾性軸の中心が製造上の誤差によりに僅
かに芯ずれを起こしていることにより、高速回転時の回
転体の中心はモータ軸の幾何学上の中心と偏心して回転
する。従来の高速遠心分離機の弾性軸は細く長くして撓
みやすくし、この撓みによりモータ軸の軸受にかかる荷
重を少なくしていた。しかし細く長い弾性軸を用いた遠
心分離機の運転回転数を更に高速にすると、弾性軸の質
量に働く遠心力が弾性軸の曲げ剛性より大きくなり、弾
性軸の中央が振れ回る共振状態に近づくため、弾性軸の
振れ回りが大きくなり、回転軸の軸受に過大な荷重が係
り軸受破損になる。従って、高速遠心分離機では、高速
回転の仕様になるほど弾性軸の曲げ剛性をより大きくし
たり、弾性軸の質量を軽くするため、弾性軸の寸法を太
くまたは短くする必要がある。弾性軸の寸法が太くまた
は短くなると、軸受で発生した熱が回転体に伝達しやす
くなり、回転体が高温になることが第２の理由である。
るインバランスや回転体に入れる試料のインバランス、
及びモータ軸と弾性軸の中心が製造上の誤差によりに僅
かに芯ずれを起こしていることにより、高速回転時の回
転体の中心はモータ軸の幾何学上の中心と偏心して回転
する。従来の高速遠心分離機の弾性軸は細く長くして撓
みやすくし、この撓みによりモータ軸の軸受にかかる荷
重を少なくしていた。しかし細く長い弾性軸を用いた遠
心分離機の運転回転数を更に高速にすると、弾性軸の質
量に働く遠心力が弾性軸の曲げ剛性より大きくなり、弾
性軸の中央が振れ回る共振状態に近づくため、弾性軸の
振れ回りが大きくなり、回転軸の軸受に過大な荷重が係
り軸受破損になる。従って、高速遠心分離機では、高速
回転の仕様になるほど弾性軸の曲げ剛性をより大きくし
たり、弾性軸の質量を軽くするため、弾性軸の寸法を太
くまたは短くする必要がある。弾性軸の寸法が太くまた
は短くなると、軸受で発生した熱が回転体に伝達しやす
くなり、回転体が高温になることが第２の理由である。
【０００９】超遠心機の回転体は真空中で運転されるた
め、回転体と熱交換器とのエネルギー交換は空気を媒体
とした熱伝達の割合がほとんど無く、冷却は回転体を収
納するボウルとの輻射で行なわれる。この輻射熱量は回
転体の面積に影響され、回転体の面積が小さいほど輻射
熱量が小さくなる。該回転体の材料は質量が軽く高強度
のチタン合金等で作られているが、従来より高速で回転
する回転体は耐遠心強度を保つため低速用の回転体に比
べ寸法を小形にしなければならない。すなわち、さらに
高速用の回転体はいっそう小形になり、回転体の表面積
が小さいので輻射熱量が少ないことが第３の理由であ
る。
め、回転体と熱交換器とのエネルギー交換は空気を媒体
とした熱伝達の割合がほとんど無く、冷却は回転体を収
納するボウルとの輻射で行なわれる。この輻射熱量は回
転体の面積に影響され、回転体の面積が小さいほど輻射
熱量が小さくなる。該回転体の材料は質量が軽く高強度
のチタン合金等で作られているが、従来より高速で回転
する回転体は耐遠心強度を保つため低速用の回転体に比
べ寸法を小形にしなければならない。すなわち、さらに
高速用の回転体はいっそう小形になり、回転体の表面積
が小さいので輻射熱量が少ないことが第３の理由であ
る。
【００１０】本発明の目的は、１５万回転／分の超遠心
分離機において、運転中の回転体の試料の最低温度を０
℃に制御可能とすることである。
分離機において、運転中の回転体の試料の最低温度を０
℃に制御可能とすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的は、軸受部で発
生した熱が弾性軸を介して回転体に伝達する量を少なく
することにより達成される。実際の手段の１つとして弾
性軸の熱伝導率の少ない材料を用いることがある。従来
の弾性軸は撓んだ状態の強度を重視しており、材料とし
てはピアノ線や弁ばね用オイルテンパー線等のピアノ線
材を用いており熱伝導率は約４５〜５３Ｗ／（ｍ・Ｋ）
である。解決手段の一つは、弾性軸の材料として高強度
で低熱伝導率の材料であるステンレス系の材料を用い
る。例えばＮｉを８〜１０％、Ｃｒを１７〜１９％を含
むステンレス鋼線は熱伝導率が１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）とピ
アノ線の約１／３の熱伝導率となり、伝導熱量を約１／
３に低減でき、モータ軸と回転体を断熱することができ
る。また、Ｎｉを８０〜９０％、Ｃｒを１０〜１５％を
含むニッケルクロム鋼線の熱伝導率も１７Ｗ／（ｍ・
Ｋ）とピアノ線の約１／３の熱伝導率となり断熱効果が
ある。
生した熱が弾性軸を介して回転体に伝達する量を少なく
することにより達成される。実際の手段の１つとして弾
性軸の熱伝導率の少ない材料を用いることがある。従来
の弾性軸は撓んだ状態の強度を重視しており、材料とし
てはピアノ線や弁ばね用オイルテンパー線等のピアノ線
材を用いており熱伝導率は約４５〜５３Ｗ／（ｍ・Ｋ）
である。解決手段の一つは、弾性軸の材料として高強度
で低熱伝導率の材料であるステンレス系の材料を用い
る。例えばＮｉを８〜１０％、Ｃｒを１７〜１９％を含
むステンレス鋼線は熱伝導率が１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）とピ
アノ線の約１／３の熱伝導率となり、伝導熱量を約１／
３に低減でき、モータ軸と回転体を断熱することができ
る。また、Ｎｉを８０〜９０％、Ｃｒを１０〜１５％を
含むニッケルクロム鋼線の熱伝導率も１７Ｗ／（ｍ・
Ｋ）とピアノ線の約１／３の熱伝導率となり断熱効果が
ある。
【００１２】また実際の手段の他の例として弾性軸と固
着し回転体を装着するクラウンに窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）
等の熱伝導率が約０．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度のセラミッ
ク材をもちいることにより、弾性軸と回転体間の熱伝導
を少なくすることである。
着し回転体を装着するクラウンに窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）
等の熱伝導率が約０．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度のセラミッ
ク材をもちいることにより、弾性軸と回転体間の熱伝導
を少なくすることである。
【００１３】
【作用】上記のように構成された分離用遠心機は、高速
回転においても軸受で発生した熱が弾性軸を介して回転
体に伝達する熱量を少なくできるので、ボウルからの輻
射により回転体の冷却が十分に行なわれ、回転体に入れ
た試料の最低温度を０℃に制御するよう作用する。
回転においても軸受で発生した熱が弾性軸を介して回転
体に伝達する熱量を少なくできるので、ボウルからの輻
射により回転体の冷却が十分に行なわれ、回転体に入れ
た試料の最低温度を０℃に制御するよう作用する。
【００１４】
【実施例】以下、本発明になる実施例を図面を参照して
説明する。図１において、分離する試料を回転体１内に
挿入し、回転体を回転室となるチャンバ１７内にセット
後チャンバ内を真空引きし、回転体を高速回転させ、回
転によって生じる遠心力により試料を分離する。回転体
の出し入れは、チャンバ室のドア３を開閉して行なう。
回転体を高速回転させる駆動装置は、２つの高速軸受
６、７により鉛直に支持された中空のモータ軸１１、前
記モータ軸１１に固定した高周波モータの回転子９、モ
ータ軸の上端に一端を固着した弾性軸１２、弾性軸１２
の他端を固着し回転体を装着するためのクラウン２３、
内側に高周波モータの固定子１０を固定し外側に冷却用
フィン１８を設けたモータハウジング８、モータハウジ
ング８の下部に設けたオイル溜り２０、モータ軸の下部
に固着し端部がオイル溜り２０まで伸びた中空で先細り
のインレット１９、回転時の遠心力によりオイルがイン
レット１９からモータ軸の内壁を上昇する内部通路、２
つの軸受６、７の近くのモータ軸の内外径を連通するオ
イル吹き出し穴、吹き出したオイルがオイル溜り２０に
戻るためのモータハウジングに設けられた外部通路、軸
受６を支持しモータハウジングと固定された上ハウジン
グ５、ハウジング内部とチャンバに空気が入らないよう
にする真空シール２１、上ハウジング５とプレート１５
を接続する防振ゴム２２により構成される。オイル溜り
のオイルをオイルインレットで吸い上げ、前記内部通路
から外部通路を循環する間に２つの軸受の潤滑と冷却お
よび回転子の冷却を行ない、その熱はハウジングのフィ
ン１８より放出される。チャンバ内には回転体を囲むよ
うにボウル２が設置され、ボウル２とプレート１５の間
にサーモモジュールから成る熱交換器４が設けられてい
る。熱交換器４は駆動回路からの電力によりボウルの冷
却・加熱を行なう。該熱交換器からの熱はプレート１５
を伝導し、フィン１６から大気に放出される。該チャン
バ内は真空に保たれるため、回転体はボウルからの輻射
で冷却・加熱される。
説明する。図１において、分離する試料を回転体１内に
挿入し、回転体を回転室となるチャンバ１７内にセット
後チャンバ内を真空引きし、回転体を高速回転させ、回
転によって生じる遠心力により試料を分離する。回転体
の出し入れは、チャンバ室のドア３を開閉して行なう。
回転体を高速回転させる駆動装置は、２つの高速軸受
６、７により鉛直に支持された中空のモータ軸１１、前
記モータ軸１１に固定した高周波モータの回転子９、モ
ータ軸の上端に一端を固着した弾性軸１２、弾性軸１２
の他端を固着し回転体を装着するためのクラウン２３、
内側に高周波モータの固定子１０を固定し外側に冷却用
フィン１８を設けたモータハウジング８、モータハウジ
ング８の下部に設けたオイル溜り２０、モータ軸の下部
に固着し端部がオイル溜り２０まで伸びた中空で先細り
のインレット１９、回転時の遠心力によりオイルがイン
レット１９からモータ軸の内壁を上昇する内部通路、２
つの軸受６、７の近くのモータ軸の内外径を連通するオ
イル吹き出し穴、吹き出したオイルがオイル溜り２０に
戻るためのモータハウジングに設けられた外部通路、軸
受６を支持しモータハウジングと固定された上ハウジン
グ５、ハウジング内部とチャンバに空気が入らないよう
にする真空シール２１、上ハウジング５とプレート１５
を接続する防振ゴム２２により構成される。オイル溜り
のオイルをオイルインレットで吸い上げ、前記内部通路
から外部通路を循環する間に２つの軸受の潤滑と冷却お
よび回転子の冷却を行ない、その熱はハウジングのフィ
ン１８より放出される。チャンバ内には回転体を囲むよ
うにボウル２が設置され、ボウル２とプレート１５の間
にサーモモジュールから成る熱交換器４が設けられてい
る。熱交換器４は駆動回路からの電力によりボウルの冷
却・加熱を行なう。該熱交換器からの熱はプレート１５
を伝導し、フィン１６から大気に放出される。該チャン
バ内は真空に保たれるため、回転体はボウルからの輻射
で冷却・加熱される。
【００１５】図２に回転体の冷却・加熱の状況を示す。
該回転体１とボウル２の輻射熱をＱ1、回転体１とドア
３の輻射熱をＱ2、回転体１とモータ軸１１の伝導熱を
Ｑ3とすると、次の関係式で表せることがわかってい
る。
該回転体１とボウル２の輻射熱をＱ1、回転体１とドア
３の輻射熱をＱ2、回転体１とモータ軸１１の伝導熱を
Ｑ3とすると、次の関係式で表せることがわかってい
る。
【００１６】
【数１】
【００１７】ここで、σはステファン・ボルツマン定数
で５．６６９×１０~8ｗ／（ｍ2・Ｋ4）、Ｔｒは回転体
の絶対温度、Ｔｂはボウルの絶対温度、Ｔｄはドアの絶
対温度、Ｔｓはモータ軸上端の絶対温度、Ａｒは回転体
の表面積、Ａｂはボウルの表面積、Ａｄはドアの表面
積、εｒは回転体の輻射率、εｂはボウルの輻射率、ε
ｄはドアの輻射率、Ｃｂはボウルと回転体間の形態係
数、Ｃｄはドアと回転体間の形態係数、λは弾性軸の熱
伝導率、Ａｓは弾性軸断面積、Ｌは弾性軸の長さであ
る。運転時間が経過し、温度が安定した状態では回転体
の入熱と出熱は平衡状態となるので、Ｑ1とＱ2とＱ3の
総和はゼロとなる。
で５．６６９×１０~8ｗ／（ｍ2・Ｋ4）、Ｔｒは回転体
の絶対温度、Ｔｂはボウルの絶対温度、Ｔｄはドアの絶
対温度、Ｔｓはモータ軸上端の絶対温度、Ａｒは回転体
の表面積、Ａｂはボウルの表面積、Ａｄはドアの表面
積、εｒは回転体の輻射率、εｂはボウルの輻射率、ε
ｄはドアの輻射率、Ｃｂはボウルと回転体間の形態係
数、Ｃｄはドアと回転体間の形態係数、λは弾性軸の熱
伝導率、Ａｓは弾性軸断面積、Ｌは弾性軸の長さであ
る。運転時間が経過し、温度が安定した状態では回転体
の入熱と出熱は平衡状態となるので、Ｑ1とＱ2とＱ3の
総和はゼロとなる。
【００１８】高速遠心分離機の例として、数値を（１）
式から（３）式に当てはめ、モータ軸から回転体への許
容伝熱量を求めてみる。モータ軸上端の温度Ｔｓは、モ
ータ回転子の損失．や上部軸受の損失により発熱するの
で、モータ軸上端の温度は上軸受の温度とほぼ等しくな
り、回転数上昇におおむね比例して大きくなり、その高
速遠心分離機の例を図３に示す。図３の軸受は軸径７m
m、軸受外径１９mmの高速タイプの玉軸受である。また
図３に回転体の最高使用回転数と回転体の表面積Ａｒの
値を点で示し、各点を結んだものを示した。図から明ら
かなように、高速回転用回転体は最高使用回転数が高速
になると回転体自身に働く遠心荷重が大きくなるので、
強度を保つため回転体は小形になり表面積も少なくな
る。ボウルの制御可能な最低温度は、サーモモジュール
からなる熱交換器の放熱フィンを室温の空気で冷却する
ので、室温が冷却の基準となり、室温がやや高温状態の
３０℃（＝３０３Ｋ）では、ボウルの温度Ｔｂを−１０
℃（＝２６３Ｋ）程度まで安定して温度制御することが
できる。またドアの絶対温度Ｔｄは室温と等しい温度３
０℃（＝３０３Ｋ）となる。ボウルの表面積Ａｂは０．
０８８ｍ2、ドアの表面積Ａｄは０．０２６ｍ2、回転体
の輻射率εｒは０．８９、ボウルの輻射率εｂは０．８
７、ドアの輻射率εｄは０．０７、ボウルと回転体間の
形態係数Ｃｂは０．８、ドアと回転体間の形態係数Ｃｄ
は０．２である。よって回転体の温度Ｔｒを０℃（＝２
７３Ｋ）とした時、（１）式、（２）式より輻射熱を計
算すると回転体１とボウル２の輻射熱Ｑ1は−０．４０
４Ｗ、回転体１とドア３の輻射熱Ｑ2は０．０５４Ｗと
なり、Ｑ1とＱ2とＱ3の総和はゼロなのでＱ3は０．３５
Ｗとなる。すなわち、モータ軸から回転体に伝熱する熱
量を０．３５Ｗ以下にすれば回転体の温度Ｔｒを０℃
（＝２７３Ｋ）以下に冷却することができることが判
る。
式から（３）式に当てはめ、モータ軸から回転体への許
容伝熱量を求めてみる。モータ軸上端の温度Ｔｓは、モ
ータ回転子の損失．や上部軸受の損失により発熱するの
で、モータ軸上端の温度は上軸受の温度とほぼ等しくな
り、回転数上昇におおむね比例して大きくなり、その高
速遠心分離機の例を図３に示す。図３の軸受は軸径７m
m、軸受外径１９mmの高速タイプの玉軸受である。また
図３に回転体の最高使用回転数と回転体の表面積Ａｒの
値を点で示し、各点を結んだものを示した。図から明ら
かなように、高速回転用回転体は最高使用回転数が高速
になると回転体自身に働く遠心荷重が大きくなるので、
強度を保つため回転体は小形になり表面積も少なくな
る。ボウルの制御可能な最低温度は、サーモモジュール
からなる熱交換器の放熱フィンを室温の空気で冷却する
ので、室温が冷却の基準となり、室温がやや高温状態の
３０℃（＝３０３Ｋ）では、ボウルの温度Ｔｂを−１０
℃（＝２６３Ｋ）程度まで安定して温度制御することが
できる。またドアの絶対温度Ｔｄは室温と等しい温度３
０℃（＝３０３Ｋ）となる。ボウルの表面積Ａｂは０．
０８８ｍ2、ドアの表面積Ａｄは０．０２６ｍ2、回転体
の輻射率εｒは０．８９、ボウルの輻射率εｂは０．８
７、ドアの輻射率εｄは０．０７、ボウルと回転体間の
形態係数Ｃｂは０．８、ドアと回転体間の形態係数Ｃｄ
は０．２である。よって回転体の温度Ｔｒを０℃（＝２
７３Ｋ）とした時、（１）式、（２）式より輻射熱を計
算すると回転体１とボウル２の輻射熱Ｑ1は−０．４０
４Ｗ、回転体１とドア３の輻射熱Ｑ2は０．０５４Ｗと
なり、Ｑ1とＱ2とＱ3の総和はゼロなのでＱ3は０．３５
Ｗとなる。すなわち、モータ軸から回転体に伝熱する熱
量を０．３５Ｗ以下にすれば回転体の温度Ｔｒを０℃
（＝２７３Ｋ）以下に冷却することができることが判
る。
【００１９】また、最高回転数１５万回転／分の高速遠
心分離機の弾性軸の例として直径が３ｍｍすなわち弾性
軸の断面積Ａｓは７．０７×１０~6ｍ2、弾性軸の長さ
Ｌは０．０４５ｍの場合に、（３）式よりモータ軸から
回転体に伝熱する熱量が０．３５Ｗ以下となる弾性軸の
熱伝導率λは２４．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）より小さくするこ
とが必要である。すなわち、熱伝導率λが４５〜５３Ｗ
／（ｍ・Ｋ）のピアノ線では、回転体の温度Ｔｒを０℃
（＝２７３Ｋ）に冷却できないが、熱伝導率λが１６Ｗ
／（ｍ・Ｋ）のステンレス鋼線や熱伝導率λが１７Ｗ／
（ｍ・Ｋ）のニッケルクロム鋼線は回転体の温度Ｔｒを
０℃（＝２７３Ｋ）以下に冷却できる。
心分離機の弾性軸の例として直径が３ｍｍすなわち弾性
軸の断面積Ａｓは７．０７×１０~6ｍ2、弾性軸の長さ
Ｌは０．０４５ｍの場合に、（３）式よりモータ軸から
回転体に伝熱する熱量が０．３５Ｗ以下となる弾性軸の
熱伝導率λは２４．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）より小さくするこ
とが必要である。すなわち、熱伝導率λが４５〜５３Ｗ
／（ｍ・Ｋ）のピアノ線では、回転体の温度Ｔｒを０℃
（＝２７３Ｋ）に冷却できないが、熱伝導率λが１６Ｗ
／（ｍ・Ｋ）のステンレス鋼線や熱伝導率λが１７Ｗ／
（ｍ・Ｋ）のニッケルクロム鋼線は回転体の温度Ｔｒを
０℃（＝２７３Ｋ）以下に冷却できる。
【００２０】図４は、熱伝導率λが１７Ｗ／（ｍ・Ｋ）
と４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の２種類の弾性軸を用い、室温が
３０℃、ボウルの温度Ｔｂを−１０℃に冷却し、最高回
転数１５万回転／分の回転体を一定の回転数で運転した
時の運転回転数と回転体の到達温度をグラフ化したもの
である。図４より、熱伝導率λがニッケルクロム鋼線の
ように１７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であると、１５万回転／分で
運転しても回転体の到達温度は約−２．５℃とすること
ができる。そこで回転体の温度に関する項目を計測し、
熱交換器の入力電力を制御して回転体の温度を０℃まで
の目的の温度に制御することができる。しかし図４の熱
伝導率λがピアノ線のように４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の場
合、１５万回転／分で運転すると回転体の到達温度は約
＋５．２℃となり、回転体の温度を０℃まで冷却するこ
とができない。
と４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の２種類の弾性軸を用い、室温が
３０℃、ボウルの温度Ｔｂを−１０℃に冷却し、最高回
転数１５万回転／分の回転体を一定の回転数で運転した
時の運転回転数と回転体の到達温度をグラフ化したもの
である。図４より、熱伝導率λがニッケルクロム鋼線の
ように１７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であると、１５万回転／分で
運転しても回転体の到達温度は約−２．５℃とすること
ができる。そこで回転体の温度に関する項目を計測し、
熱交換器の入力電力を制御して回転体の温度を０℃まで
の目的の温度に制御することができる。しかし図４の熱
伝導率λがピアノ線のように４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の場
合、１５万回転／分で運転すると回転体の到達温度は約
＋５．２℃となり、回転体の温度を０℃まで冷却するこ
とができない。
【００２１】図５に示される実施例は、本発明の他の実
施例である。回転体１を装着するクラウン２３に設けた
テーパ穴部２８、クラウンのテーパ穴部２８と係合する
テーパ軸部２９を有する断熱材２６、断熱材２６の内部
形状は弾性軸１２の上端のテーパ軸部と係合するテーパ
穴部３０で構成され、クラウン２３と断熱材２６と弾性
軸１２の各テーパを圧入し、クラウンと弾性軸を断熱材
を介して固定する構造である。断熱材は圧縮強度に強
く、熱伝導率が低い材質を用いる。例えば、セラミック
材は圧縮強度に強く、熱伝導率が低い材質を有し、その
一例として窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）は熱伝導率が約０．７
Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低く、ピアノ線の６４分の１の熱伝導
率である。このように、セラミック材などの断熱材を用
いることにより、モータ軸と回転体間の熱抵抗は、従来
の弾性軸による熱抵抗とクラウン部の断熱材による熱抵
抗が加わり大きな熱抵抗になり、モータ軸と回転体間の
熱伝導を少なくなり、回転体の温度を０℃まで冷却する
ことができる。
施例である。回転体１を装着するクラウン２３に設けた
テーパ穴部２８、クラウンのテーパ穴部２８と係合する
テーパ軸部２９を有する断熱材２６、断熱材２６の内部
形状は弾性軸１２の上端のテーパ軸部と係合するテーパ
穴部３０で構成され、クラウン２３と断熱材２６と弾性
軸１２の各テーパを圧入し、クラウンと弾性軸を断熱材
を介して固定する構造である。断熱材は圧縮強度に強
く、熱伝導率が低い材質を用いる。例えば、セラミック
材は圧縮強度に強く、熱伝導率が低い材質を有し、その
一例として窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）は熱伝導率が約０．７
Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低く、ピアノ線の６４分の１の熱伝導
率である。このように、セラミック材などの断熱材を用
いることにより、モータ軸と回転体間の熱抵抗は、従来
の弾性軸による熱抵抗とクラウン部の断熱材による熱抵
抗が加わり大きな熱抵抗になり、モータ軸と回転体間の
熱伝導を少なくなり、回転体の温度を０℃まで冷却する
ことができる。
【００２２】また、クラウンを小形にすると、遠心荷重
が少なくなるのでクラウンに発生する応力が小さくな
り、クラウン全体をセラミック材で作ることができ、モ
ータ軸から回転体への伝熱量をさらに低下させることが
できる。
が少なくなるのでクラウンに発生する応力が小さくな
り、クラウン全体をセラミック材で作ることができ、モ
ータ軸から回転体への伝熱量をさらに低下させることが
できる。
【００２３】更に、熱伝導を少なくするには、弾性軸を
低熱伝導率の材料とし、またクラウンと弾性軸間に断熱
材を介在して固定することにより、モータ軸から回転体
への伝熱量をさらに低下させることができる。
低熱伝導率の材料とし、またクラウンと弾性軸間に断熱
材を介在して固定することにより、モータ軸から回転体
への伝熱量をさらに低下させることができる。
【００２４】上記の方法により、モータ軸から回転体へ
の伝熱量Ｑ3が少ないと、熱交換器への入力電力を少な
くしても、回転体の冷却が十分に行なわれ、回転体の冷
却を少ない電力で効率的に行なうことができる。
の伝熱量Ｑ3が少ないと、熱交換器への入力電力を少な
くしても、回転体の冷却が十分に行なわれ、回転体の冷
却を少ない電力で効率的に行なうことができる。
【００２５】
【発明の効果】本発明によれば、最高回転数が１５万回
転／分ほどの高速になり、回転時の耐遠心強度を保つた
め回転体が小形になった高速遠心分離機において、モー
タ軸からの伝熱量を少なくすることができるので、回転
体の温度を目標とする温度に冷却することができる。ま
たモータ軸と回転体間の伝熱量が少ないと、従来の構造
に比べ、目標の温度に冷却する場合の熱交換器への入力
電力を少なくしても、回転体の冷却が十分に行えるた
め、回転体の冷却を少ない電力で効率的に行なうことが
できる。
転／分ほどの高速になり、回転時の耐遠心強度を保つた
め回転体が小形になった高速遠心分離機において、モー
タ軸からの伝熱量を少なくすることができるので、回転
体の温度を目標とする温度に冷却することができる。ま
たモータ軸と回転体間の伝熱量が少ないと、従来の構造
に比べ、目標の温度に冷却する場合の熱交換器への入力
電力を少なくしても、回転体の冷却が十分に行えるた
め、回転体の冷却を少ない電力で効率的に行なうことが
できる。
【図１】 本発明になる高速遠心機の一実施例を示す横
断面図である。
断面図である。
【図２】 回転体における冷却及び加熱の状態を示す状
態図である。
態図である。
【図３】 回転体の使用可能な最高回転数と回転体の表
面積の関係及び遠心機モータ軸の回転数と軸受温度とを
示すグラフである。
面積の関係及び遠心機モータ軸の回転数と軸受温度とを
示すグラフである。
【図４】 最高回転数１５万回転／分の回転体を運転し
た場合における運転回転数と回転体の到達温度を示すグ
ラフである。
た場合における運転回転数と回転体の到達温度を示すグ
ラフである。
【図５】 本発明になる他の実施例を示すクラウン部の
横断面図である。
横断面図である。
１は回転体、２はボウル、３はドア、４は熱交換器、６
は軸受、７は軸受、１１はモータ軸、１２は弾性軸、１
７はチャンバ、２３はクラウン、２６は断熱材である。
は軸受、７は軸受、１１はモータ軸、１２は弾性軸、１
７はチャンバ、２３はクラウン、２６は断熱材である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 幸弘 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立 工機株式会社内 審査官 中村 泰三 (56)参考文献 特開 平６−121939（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−31402（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−144760（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−116553（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−39142（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−20945（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B04B 15/02
Claims (4)
- 【請求項１】 分離する試料を挿入する回転体と、該回
転体を装着するクラウンと、２つの軸受で鉛直方向に支
持された駆動モータのモータ軸と、該クラウンの下端と
該モータ軸の上端に固着され該モータ軸の回転力を該回
転体に伝達する弾性軸と、該回転体を囲むように設置さ
れたボウルと、該ボウルに取付けられた熱交換器と、該
熱交換器の出力を調節して該回転体の温度を制御する高
速遠心分離機において、前記モータ軸と前記回転体との
間に断熱部を設けたことを特徴とする高速遠心分離機。 - 【請求項２】 前記弾性軸の熱伝導率が２４Ｗ／（ｍ・
Ｋ）以下となるニッケルとクロムを含む鋼線からなり、
素材の低熱伝導性により前記弾性軸を前記モータ軸と前
記回転体との間の断熱部としたことを特徴とする請求項
１記載の高速遠心分離機。 - 【請求項３】 前記回転体を装着する前記クラウンと前
記弾性軸の固着部において、前記クラウンに断熱部を介
在させたことを特徴とする請求項１記載の高速遠心分離
機。 - 【請求項４】 前記クラウンの断熱部材としてセラミッ
クスを用いたことを特徴とする請求項３記載の高速遠心
分離機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15193195A JP3324337B2 (ja) | 1995-06-19 | 1995-06-19 | 高速遠心分離機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15193195A JP3324337B2 (ja) | 1995-06-19 | 1995-06-19 | 高速遠心分離機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09985A JPH09985A (ja) | 1997-01-07 |
| JP3324337B2 true JP3324337B2 (ja) | 2002-09-17 |
Family
ID=15529336
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15193195A Expired - Fee Related JP3324337B2 (ja) | 1995-06-19 | 1995-06-19 | 高速遠心分離機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3324337B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100470068B1 (ko) | 2001-04-02 | 2005-02-05 | 주식회사 한랩 | 자동 평형형 원심 분리 장치 |
| JP6776093B2 (ja) * | 2016-10-31 | 2020-10-28 | エッペンドルフ・ハイマック・テクノロジーズ株式会社 | 遠心機 |
-
1995
- 1995-06-19 JP JP15193195A patent/JP3324337B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09985A (ja) | 1997-01-07 |
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