JP3451748B2 - 遠心分離機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、遠心分離機のように回
転体の温度を一定に保つ機器の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、例えば米国特許4776825 に記載のように、回転
体から放射される赤外線によって該回転体の温度を測定
し熱交換器で該回転体の温度を制御する方法や、実開平
１−１６７３５０号公報、特開平２−３５９５１号公
報、実開平２−１２１１４５号公報などに記載のよう
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、塗装状態、回転数や回転室の真空度
等で作った補正温度を加える制御方法が行われていた。
この補正温度は、以下の過程で決定される。遠心分離機
を任意のボウル温度で運転を行った時、回転体の形状、
表面積、塗装状態、回転数ゆ回転室の真空度等の諸条件
で、回転体の温度は異なる。諸条件をパラメータとして
実験を行い、回転体温度とユーザの設定値との差を補正
温度として、テーブルもしくは式を作った。この補正温
度は、諸条件で変わりユーザの回転体温度設定値に加え
ることで温度制御を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記したような赤外線
を測定する温度制御装置は、回転体から微量の輻射エネ
ルギーを測定するため感熱部と該感熱部周囲との断熱が
必要であり、測定が難しく、また該回転体以外の熱エネ
ルギー、例えばドアやボウルからの輻射を受けてしまう
などの問題があり、それらの対策のため高価なものとな
っていた。

【０００４】また、該回転室や該熱交換器の温度を測定
することで代行する方法では、サーミスタ、抵抗温度
計、熱電対が使用できるので安価に製造できる反面、輻
射など該回転体から直接熱エネルギーを受けているわけ
ではないので、該回転体の温度測定が間接的となり、温
度制御精度に問題が生じていた。このため、これら温度
センサでの測定結果に該回転体の形状、表面積、塗装状
態、回転数による補正項を加味し精度を向上させてい
た。しかし、この種の遠心分離機がますます高速化する
にしたがい、該回転体の駆動部で発生する電気的損失や
機械的（軸受）損失が増し、駆動軸を伝わって該回転体
に流れる熱量が多くなり、温度制御精度は低下した。特
に該回転体が高速回転の遠心分離機では回転室内を減圧
するので、該回転体と熱交換器とのエネルギー交換にお
ける空気を媒体とした伝導の割合が少なくなる。よって
該回転体へ伝わる駆動部からの伝熱、ボウルやドアから
の輻射等の熱量の中で、駆動部の発熱の割合が増し、該
熱交換器の温度測定だけでは制御精度の向上が望めなか
った。また、該回転体の回転数で該駆動部の発熱量を補
正する方法もあるが、該駆動部の機差によるバラツキな
どによって発熱量が異なり温度制御精度を低下させる心
配があった。

【０００５】本発明の目的は、超高速回転遠心分離機の
回転体の温度測定を高精度で安価に実現する方法を提供
することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】高速回転の遠心分離機で
は、駆動部の発熱による伝導の影響が大きいことが判明
した。特に回転室内を減圧したとき、その影響は大きく
なり該回転体の温度は、該駆動部の発熱の伝導と、ボウ
ルからの輻射と、ドアからの輻射とによって決定され
た。即ち、該回転体の温度制御精度向上のためには、該
駆動部の発熱による伝導分を該回転体の回転数で補正す
る方法では不十分であった。本発明では、該駆動部に温
度センサを取り付けて該駆動部温度を検出し、該ボウル
もしくは熱交換器に温度センサを取り付けて該ボウル温
度を検出し、該ドアに温度センサを取り付けて該ドア温
度を検出する方法を採用した。ここで、該回転体温度
が、該駆動部温度と、該ボウル温度と、該ドア温度から
成り立つ式を計算で導きだした。そして、この式から該
駆動部温度と、該ドア温度とをパラメータとして、該回
転体を任意の温度に制御するために必要な該ボウル温度
を計算した。この計算された温度に、該熱交換器によっ
て該ボウル温度を維持することで、前記目的は達成され
た。

【０００７】

【作用】本発明は、駆動部用温度センサで回転体に伝導
する駆動部温度を検出し、ボウル用温度センサで該回転
体に伝わるボウル温度を検出し、ドア用温度センサで該
回転体に伝わるドア温度を検出する。そして、これら３
点の温度をもとに該回転体温度の関係式を導きだす。次
にこの式を用いて該駆動部温度と、該ドア温度と、ユー
ザが設定する該回転体温度とをパラメータにして、該ボ
ウル温度を計算する。この計算された温度に該ボウル温
度を設定し該熱交換器によって維持する。

【０００８】

【実施例】図１は、遠心分離機の回転体温度制御装置の
一実施例である。分離されるべき試料は回転体１内に挿
入され、該回転体を回転室となるチャンバ18内にセット
後、該チャンバ内を真空引きし該回転体を高速回転させ
て生じる遠心力で該試料を分離する。この際、該回転体
の出し入れはチャンバ室ドア３の開閉時に行われる。

【０００９】該回転体を高速回転させる駆動部は、モー
タ８と、該回転体を支持する垂直な軸であって該モータ
から伸びているフレキシブル・シャフト９と、該モータ
を支持するハウジング７と、該モータを入れるためのシ
ャフト・ケース５と、該フレキシブル・シャフトの軸受
であるボール・ベアリング６と、真空シールをしている
ベローズ 20 とから構成されている。

【００１０】該チャンバ内にはボウル２がプレート 19
上に設置されている。更に、該プレートと該ボウルの間
には熱交換器であるサーモ・モジュール４が設けられて
いる。該サーモ・モジュールはサーモ・モジュール駆動
回路 13 からの信号によって該ボウルの冷却・加熱を行
う。該チャンバ内は真空に保たれるため、該回転体は該
ボウルからの輻射で冷却・加熱される。このとき、該回
転体温度 TR は、該フレキシブル・シャフトから伝わっ
てくる該モータの発熱 TS と、輻射で伝わる該ボウル温
度 TB と、該ボウルと熱的に絶縁されている該ドア温度
TD とによって（１）式のように表式化できる。

【００１１】 A×(TS-TR)=B×(TR⁴-TB⁴)+C×(TR⁴-TD⁴)・・・（１） （１）式では各温度を絶対温度で示している。A、B、C
は駆動部や該ボウル、該ドアの材質、大きさ、取り付け
位置などで決まる値である。

【００１２】次に、各絶対温度を摂氏温度（ t ）に変
換し、四次式を展開、近似計算を行うことで回転体温度
tR を求める一次式は（２）式のようになる。

【００１３】 tR = (a × tS) + (b × tB) + (c × tD) ・・・（２） （但し、a + b + c ≒ 1 ） （２）式において、a、b、c は（１）式を絶対温度から
摂氏温度に変換するとき A、B、C に対応する係数であ
って、a は tSの、b は tBの、c は tDのそれぞれ補正
を行う。

【００１４】該回転体の温度 tR に伝わる各温度の中
で、ユーザ、実験者が任意の温度に変更できるのは該ボ
ウル温度 tB のみである。よって、実験条件に適応する
温度に該回転体温度 tR を制御するためには、該ボウル
温度 tB を（２）式から得られる値に設定すると良い。
即ち、設定すべき該ボウル温度 tBを求めるには（２）
式から（３）式になおせばよい。

【００１５】 tB =(1/b) × tR - (a/b) × tS - (c/b) × tD ・・・（３） 該遠心分離機の運転時に、ユーザは操作パネル 17 から
該回転体の回転数、運転時間、制御すべき温度 tR を入
力する。

【００１６】運転開始後、ドア温度 tD をドア用温度セ
ンサ 12 で検出し、駆動部温度として該シャフト・ケー
スの温度 tS をシャフト・ケース用温度センサ 11 で検
出する。ボール・ベアリングやモータの発熱が、フレキ
シブルシャフトから回転体へ伝わってくることが判って
いる。ボール・ベアリングの発熱量は、室温に対しての
上昇値である。またシャフトケースの室温に対しての上
昇値は、ボール・ベアリングの発熱量と比例関係にある
ことが判っている。これは、シャフト・ケースが熱伝導
の良いアルミニウムを素材にしており、ボール・ベアリ
ングと熱的に接触していることによる。よって、シャフ
ト・ケースに温度センサを取り付けることで、ボール・
ベアリングの発熱量を間接的に導くことができる。この
結果、各温度センサは、それぞれの温度に見合った電圧
をアナログ信号として出力している。各温度センサから
のアナログ信号は、A/Dコンバータ 14 でディジタル信
号に変換され、CPU 15 に入力される。ROM 16 には
（３）式がプログラムされている。検出したシャフト・
ケース温度 tS 、ドア温度 tD とユーザの設定温度 tR
を利用し、維持すべきボウル温度 tB は（３）式から計
算される。このようにして、該ボウル温度をボウル用温
度センサ 10 で測定し、冷却・加熱を行う該サーモ・モ
ジュールを使い、計算で得られた tB になるように動作
させる。

【００１７】次に、該チャンバ内を真空に保つ遠心分離
機での温度制御方法の具体的実施例を示す。該遠心分離
機の中で使われているサーモ・モジュールは、メルコア
社製（型式：CP1.4-127-10L、DC15V、最大吸熱量：33W
）である。該サーモ・モジュール４は、アルミニウム
を素材とした該ボウル２と、該プレート19との間に介在
している。更に該ボウルは該プレートにネジ止めされて
いて、該サーモ・モジュールは、該プレートに対する該
ボウルの締め付け圧力で固定されている。

【００１８】一方、各温度センサは、ＫＯＡ社製のサー
ミスタ（型式：5504S、温度範囲：-10〜40℃）を用いて
いる。それらのサーミスタは、該ドア12、該ボウル10、
該シャフト・ケース11にコニシ社製の接着剤（型名：ク
イック５）を使って固定されている。

【００１９】tB、 tD を一定に維持し、回転数を変え、
tS と tR の関係を求めた実験より、該遠心分離機にお
ける（２）式の係数値 aは、該チャンバ内が真空に保た
れ、該駆動部の発熱の割合が大きくなるので a = 0.117
となった。次に、一定回転数で tS、 tD を一定にし、
tR と tB の関係から、係数値 b を求めた。その結
果、b = 0.823 となった。更に、 tS、 tB を一定にし
て c を求めると、c = 0.060 が得られた。ここで、a
+ b + c = 1 であった。

【００２０】一方、これらの値から（３）式の係数値
は、(1/b) = 1.22 、 (a/b) = 0.15 、(c/b) = 0.07 であ
る。これらの準備のもと以下の条件で確認実験を行っ
た。

【００２１】回転数 100,000 min~¹で、ロータ設定温度
は tR = ４℃である。このとき、該ドア温度 tD = ３０
℃であった。そして、該シャフト・ケース温度 tS = ４
６℃をしめした。この条件で、該回転体温度 tR を４℃
に制御するには、（３）式に、tR = ４℃、 tS = ４６
℃、 tD = ３０℃ を代入し、tB = −4.1℃を得た。そ
こで、該ボウル温度を -4.1℃に設定して、該サーモ・
モジュールの運転を行ったとき、該回転体温度が 3.7℃
となった。

【００２２】この結果、設定値との差は 0.3℃であり、
本発明の目的である±１．０℃の温度制御を実現するこ
とができた。

【００２３】一方、該チャンバ内を大気圧で運転する遠
心分離機でも（２）及び（３）式の関係が成立する。そ
の場合（３）式の係数値は、該ボウルから該回転体への
伝熱が輻射だけでなく空気による伝導も存在するので、
真空のときより b の項が大きくなって、係数 (1/b)、
(a/b)、(c/b) は、真空時と比べて小さくなる。

【００２４】図２は本発明の第２の実施例である。該フ
レキシブル・シャフトを伝わって該回転体に及ぼす熱
は、該フレキシブル・シャフトと該ボール・ベアリング
の間で発生する。該ボール・ベアリング付近にボール・
ベアリング用温度センサ 21 を取り付けて、駆動部温度
として該ボール・ベアリングの温度を測定し、該シャフ
ト・ケース温度 tS に代わるパラメータとすることがで
きる。このとき、（３）式の係数の値は (1/b)= 1.22
、 (a/b) = 0.04 、(c/b) = 0.18となる。該係数値
を用いることで、第一の実施例と同様の結果を得ること
ができた。

【００２５】図３は本発明の第３の実施例である。該シ
ャフト・ケースと該ハウジングは接触しているため、該
ハウジングの温度は、該シャフト・ケース温度 tS に近
い値となる。よって、駆動部温度として、ハウジング用
温度センサ 22 を用いて該ハウジングの温度を測定す
る。そして、シャフト・ケース温度 tS に代わるパラメ
ータとして（３）式の計算を行っても、第一の実施例と
同様の結果が得られた。

【００２６】この際（３）式の係数値は、該シャフト・
ケース温度で求めた値と等しくなった。

【００２７】図４は本発明の第４の実施例である。該ド
アは該回転体の出し入れの度に開閉するので、該ドアに
該ドア用温度センサを取り付けると、信号線の引き出し
が強度上難しくなる。そのため、該ドアと接触している
該チャンバの温度が、該ドア温度とほぼ等しいことに着
目した。よって、チャンバ用温度センサ 23 を取り付
け、該チャンバの温度を測定する。そして、該チャンバ
の温度を該ドア温度 tDに代わるパラメータとして
（３）式の計算を行っても、第一の実施例と同様の結果
が得られた。

【００２８】図５は本発明の第５の実施例である。該ド
アは該ボウルとは熱的に絶縁されていて、該チャンバの
外気にさらされているので、該ドアの温度 tD はチャン
バ外気温度に近い値となる。よって外気温用温度センサ
24 を用いて該チャンバ外気温度を測定する。そして、
外気温を該ドアの温度 tD に代わるパラメータとして
（３）式の計算を行っても、第一の実施例と同様の結果
が得られた。更に、該チャンバ内の真空度が変化するこ
とで、該回転体と空気との摩擦で発生する熱量が変わっ
て、制御精度が異なってくる。よって、本発明の変形例
として、真空度をパラメータ化して係数を変化させて制
御する方式があげられる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、回転体の温度測定を高
精度に行うことができる安価な遠心分離機を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明になる遠心分離機の温度制御装置の一
実施例を示す構造図である。

【図２】 本発明になる遠心分離機の温度制御装置の第
二の実施例を示す構造図である。

【図３】 本発明になる遠心分離機の温度制御装置の第
三の実施例を示す構造図である。

【図４】 本発明になる遠心分離機の温度制御装置の第
四の実施例を示す構造図である。

【図５】 本発明になる遠心分離機の温度制御装置の第
五の実施例を示す構造図である。

【符号の説明】

１は回転体、２はボウル、３はチャンバ室ドア、４はサ
ーモ・モジュール、５はシャフト・ケース、６はボール
・ベアリング、７はハウジング、８はモータ、９はフレ
キシブル・シャフト、１０はボウル用温度センサ、１１
はシャフト・ケース用温度センサ、１２はドア用温度セ
ンサ、１３はサーモ・モジュール駆動回路、１４はＡ／
Ｄコンバータ、１５はＣＰＵ、１６はＲＯＭ、１７はパ
ネル、１８はチャンバ、１９はプレート、２０はベロー
ズ、２１はボール・ベアリング用温度センサ、２２はハ
ウジング用温度センサ、２３はチャンバ用温度センサ、
２４は外気温用温度センサである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 二井内 佳能 茨城県勝田市武田1060番地 日立工機株 式会社内 (72)発明者 楠元 昭二 茨城県勝田市武田1060番地 日立工機株 式会社内 (56)参考文献 特開 平６−182259（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−277168（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−35951（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−185465（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−167350（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−121145（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭64−1752（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭43−29116（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭39−8675（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B04B 13/00 B04B 15/02

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動部であるモータと、該モータによっ
   て回転される回転体と、該回転体を収納するための回転
   室と、該回転室と前記回転体との間に介在するボウル
   と、前記回転体の出し入れの度に開閉するドアと、前記
   ボウルに取り付けられ且つ前記回転体を冷却・加熱する
   ための熱交換器とを備えた遠心分離機において、前記モ
   ータの温度と、前記ボウルの温度と、前記ドアの温度又
   はその近似温度を測定し、測定した温度をパラメータと
   して前記回転体の温度を制御する制御手段を設けたこと
   を特徴とする遠心分離機。
2. 【請求項２】 前記ドアの温度の近似温度として、外気
   の温度を測定することを特徴とする請求項１記載の遠心
   分離機。
3. 【請求項３】 前記ドアの温度の近似温度として、前記
   回転室の温度を測定することを特徴とする請求項１記載
   の遠心分離機。
4. 【請求項４】 前記ボウルの温度として、前記熱交換器
   の温度を測定することを特徴とする請求項１乃至請求項
   ３記載の遠心分離機。
5. 【請求項５】 前記駆動部の温度として、前記駆動部の
   シャフトケースの温度を測定することを特徴とする請求
   項１乃至請求項４記載の遠心分離機。
6. 【請求項６】 前記駆動部の温度として、前記駆動部の
   ハウジングの温度を測定することを特徴とする請求項１
   乃至請求項４記載の遠心分離機。
7. 【請求項７】 前記駆動部の温度として、前記駆動部の
   軸受の温度を測定し、測定した温度をパラメータとして
   前記回転体の温度を制御する制御手段を設けたことを特
   徴とする請求項１乃至請求項４記載の遠心分離機。