JP3520304B2 - ウィンデイジに基づく遠心機ロータの確認および冷却制御機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は一般的には生化学、医学および他の科学技術
部門で用いられる遠心機に関し、特に、ロータの識別お
よびロータ温度の制御に関する。

背景技術 遠心機は、本質的に、試料溶液中に懸濁する粒子を分
離するための装置である。試料溶液を収容可能である遠
心機のロータは、包囲されたチャンバの内部において高
回転速度で駆動される。典型的には、チャンバは大気圧
下の空気を含むが、しかし、遠心機の機構を大気圧より
低い圧力下で作動させることも稀ではない。圧力の減少
はウィンデイジ動力の消費（windage power consumptio
n）を軽減する。極端な場合、超遠心機がロータの摩擦
熱を減らすために高真空下で作動される。典型的には、
高速の実験室用遠心機が高圧側の１気圧および低圧側の
0.5気圧の範囲で作動されるが、特別な使用において
は、ヘリウム、窒素およびアルゴンような気体が空気と
置き換えられ、前記範囲の高圧側は１気圧を越える。

遠心機ロータは駆動モータからの熱伝導によって、駆
動軸を通して、わずかに加熱される。しかし、超遠心機
の使用以外の場合、本質的に、前記チャンバ内の空気ま
たは他の気体からの熱伝導によって高速ロータの加熱が
生じ、前記気体は、前記ロータにより前記気体に加えら
れた仕事によって加熱される。この仕事は、気体を加速
し、吸い上げ動作すなわちポンピング動作を誘導する形
態をとり、次いで前記気体の急速な再循環および熱の蓄
積へと導く。前記ロータを所望の温度に維持するために
前記チャンバから熱を抜き出すように設計された冷却機
構を有する遠心機を提供することが知られている。

高速実験室用遠心機の設計において遭遇する問題点の
一つは、遠心機は多数の相互交換可能のロータをもって
作動可能であるという要求である。このような事情のた
め、用途の広い高速実験室用遠心機のための20種類ほど
の異なった相互交換可能のロータがある。ロータのモデ
ルはある寸法の範囲内で形成されまた多数の変形を有す
る。各ロータモデルは定格の最大安全回転速度を有し、
それは、一般に、最大に許容可能の遠心誘導応力により
定まる。定格最大安全速度は大きい範囲にわたる。この
速度要求に適応させるため、遠心機の駆動機構には広範
囲の調整性が与えられている。しかし、多くのロータは
該ロータが最大回転速度で回転されるときに消費される
ウィンデイジ動力において非常に異なる。それは、前記
チャンバ内の空気の加熱作用を帳消しにするのに必要な
冷却エネルギが特定のロータおよびロータ作動時の速度
に依存することによる。冷却機構を含む先行技術の機構
において、包囲されたチャンバの温度は典型的にはモニ
ターされる。例えば、前記チャンバの底部の少し上方を
流れる空気の温度がモニターされる。ほぼ満足できる制
御は、速度範囲にわたる個々のロータの最適冷却の設定
の実験的決定により得られてきた。したがって、所望の
ロータのために設計された設定を選択することが必要で
あり、加えて、冷却設定に対するロータの正確な較正に
よって定まるいくつかのロータのための特定のオフセッ
ト（offset）を提供することが必要である。

冷却制御を定めかつ設定することが困難である理由
は、回転体の空気力学に結び付けられた物理法則に由来
する。ウィンデイジ動力を説明する方程式は、前記回転
体が比較的密着する滑らかなチャンバ内にあるとき、回
転速度の３乗に比例しまた前記回転体の直径の５乗に比
例する動力損失を明らかにする。チャンバの壁が回転体
からさらに相対移動されるとき、風損は、簡単な前記方
程式により予言されたそれから相当増大する。したがっ
て、適切な温度制御と、偶発的な超過速度の設定による
ロータの故障に対する安全性とのため、ロータは正確に
確認または識別されなければならない。

ロータを正確に識別し、これに応じて速度および冷却
の設定を調整することは習慣的にオペレータに依存して
きた。最近では、ロータの識別における安全性の重複に
対する関心と要求とが高まってきており、また、長い
間、超過速度防護の少なくとも１つの水準をもっていた
超遠心機の場合においてさえも、付加的な水準が導入さ
れてきた。どのロータもその定格最大安全速度より高い
速度で回転されない程度にまで識別することは十分であ
るから、多くの場合、第２および第３の識別の必要性は
絶対のものではない。いくつかの全く異なるロータは同
一の許容速度をもっており、唯一必要なことは、第２お
よび第３の識別が高い定格最大安全速度を有する全ロー
タからこれらのロータを区別することである。

本発明の譲受人に譲渡されたギーベラの米国特許第4,
827,197号の明細書に記載された装置に重複識別システ
ムが示されている。ギーベラは、ロータの識別は該ロー
タの慣性モーメントを計算することにより行なうことが
できることを教示する。ロータは一定のトルクのもとで
加速される。第１の速度から第２の速度までの加速の時
間が測定され、慣性モーメントが速度の変化および時間
の変化の計算を用いて計算される。ギーベラは、慣性モ
ーメントを得た後、計算された慣性モーメントを種々の
ロータモデルの一つの既知の慣性モーメントと組み合わ
せることにより識別できることを教示する。

ロッセリ等の米国特許第5,235,864号明細書も、ま
た、重複ロータ識別システムを教示する。しかし、慣性
モーメントの計算の代わりに、ロッセリ等は「ウィンデ
イジ」を測定することを教示し、これは、流体摩擦作用
の結果であるロータ運動に対する抵抗であると前記特許
明細書に定義されている。「ウィンデイジ」は、第１の
相対的に高い速度から第２の高い速度にロータを加速す
るのに必要な時間を測定するか、または、予め選択され
た時間内に生じる速度の変化を測定することにより決定
される。この段階（ステップ）の間に生じた速度信号ま
たは時間信号は、次に、該信号を基準の「ウィンデイ
ジ」値を示す基準信号と比較することにより、あるい
は、複数の「ウィンデイジ」値の参照用テーブルを定め
ることにより、ロータ識別信号を発生させるために使用
される。一実施例では、前記ロータが複数のロータの高
ウィンデイジ状況にあるかまたは低ウィンデイジ状況に
あるかについて予備的な決定がなされることを教示す
る。しかし、この決定がどのような状態で基準とされる
かについては不明確なままである。いずれの実施例にお
いても、ウィンデイジの決定は比較的高い速度でロータ
を加速することにより行なわれ、ロッセリ等は、この速
度において、ウィンデイジがロータの加速への抵抗にお
いて慣性に対して優勢になることを教示する。

ロッセリ等に記載の方法に付随する困難の一つは、前
記ロータを識別するために用いられる前記発生された速
度信号または時間信号がロータ抵抗のウィンデイジ成分
および慣性成分の双方に敏感に反応することである。す
なわち、前記加速は、ロータの加速に対する抵抗成分を
分離しない。ロッセリ等は、前記加速は、前記ウィンデ
イジ成分が前記慣性成分に対して優勢である速度で生じ
ることを教示する。しかし、慣性成分はどのような加速
の間でも存在する。ロッセリ等の方法の他の関係は、
「ウィンデイジ」が流体摩擦作用から生じる運動に対す
る抵抗として単に規定されていることである。ここに定
義されているように、「ウィンデイジ」は、本質的に、
ロータが種々の高回転速度で回転されるときに遠心機の
包囲されたチャンバ内の気体の雰囲気のポンプ作用にお
いて消費される動力または電力である。これらの高速度
では、粘性摩擦抵抗が気体のポンプ作用を生じさせる、
気体の塊に対するロータの機械的結合を提供する役割を
果たす。しかし、粘性摩擦抵抗と、前記気体の雰囲気の
ポンプ作用において消費される動力とを区別することは
重要である。

本発明の目的は、遠心機内で作動可能のロータ群の中
の任意のロータが該ロータの最大安全作動速度を越えて
駆動されないことを保証する方法および機構を提供する
ことにある。本発明の他の目的は、識別されたロータに
固有のロータ作動情報を冷却制御機構に提供することで
ある。

発明の概要 前記本発明の目的は、第１に遠心機ロータを確認する
ためにまた第２に冷却機構を制御するために用いられる
ウィンデイジの測定において慣性抵抗を分離する方法お
よび機構により達成される。一実施例では、可能性のあ
るロータモデル群の第１の分類が、ゼロまたは最小のウ
ィンデイジ成分が存在する条件のもとで慣性を測定する
ことにより行なわれ、第２の分類が、ロータの慣性から
独立したウィンデイジを測定することにより行なわれ
る。前記した２段階の分類過程に基づき、遠心機の操作
が制御され、超過速度を回避しおよび／または温度を調
整する。

本発明において「ウィンデイジ」とは、前記定義と同
様、「本質的に、遠心機ロータが種々の高回転速度で回
転されるときに遠心機の包囲されたチャンバ内の気体の
雰囲気のポンプ作用において消費される動力または電
力」を意味する。

分類の第１の段階（ステップ）において、慣性モーメ
ントの計算は、識別または確認されるロータの第１の測
定される加速を含む。加速の時間または回転速度の増分
が固定され、他方、他のファクターが測定される。回転
速度の変化が被測定変数であるように、典型型には、固
定されるのは時間である。好ましくは、測定される加速
が一定である間に駆動モータによりトルクが与えられ、
これにより、前記慣性モーメントの計算を簡単にする。
しかし、これは決定的でない。慣性モーメントは、トル
クと前記速度変化を得るために必要な時間との積を回転
速度の変化で割ることにより計算することができるた
め、前記慣性モーメントの指示または表示は得ることが
できる。もし、前記ステップが前記ロータ内に収容され
た不特定量の試料溶液を加速することを含む場合には、
前記モータ自体の慣性モーメントの計算は決定的なもの
とはならない。それでも、小さい一組のロータモデルは
前記表示に基づいて識別可能であり、これにより、前記
ロータが識別され得る前記モデルのいくつかを不適格と
みなす。

慣性を利用する分類に引き続き、関心のあるロータ
は、前記ロータを収容する遠心機のチャンバ内の気体、
典型的には空気に対するポンプ作用に必要な動力の信頼
できる測定を可能にする速度まで加速される。一実施例
では、この空気のポンピング動力すなわち「ウィンデイ
ジ」が、遠心機の電気駆動機構からのフィードバックに
より得られた情報を用いて測定される。好ましくは、前
記駆動モータは切換リラクタンスモータ（switched rel
uctance motor）である。この切換リラクタンス駆動
は、トルク入力に関する所望の情報を提供する。前記モ
ータの慣性抵抗がゼロであるため、高い一定速度におい
て、既知のモータ損失について調整された前記トルク入
力は実質的にウィンデイジ動力に等しい。

他の実施例では、ウィンデイジの計算は第２の測定さ
れる加速に基づく。再度、時間または回転速度の増分が
予め選択され、これと共に前記他のファクターが測定さ
れる。典型的に、固定されるのは前記時間である。次
に、ウィンデイジ動力が計算され、これはトルク入力
（τ）と、慣性モーメント（Ｉ）と時間の変化（△ｔ）
で除された回転速度の変化（△ω）との積、との差であ
る。すなわち、ウィンデイジ＝τ−Ｉ（△ω／△ｔ）で
ある。換言すると、ウィンデイジ・トルクは、モータの
入力トルクと慣性トルクとの差に等しい。

次に、ウィンデイジ動力の計算が用いられ、前記測定
されたウィンデイジ動力の特徴である特性を有する一組
のモータモデルを選択する。理想的には、このステップ
は１つのモータモデル以外を全て不適格とみなす。他
方、もし、２以上のロータモデルの可能性が残るとき
は、ある高い一定の回転速度またはある高い測定される
加速において、ウィンデイジの計算を繰り返す。速度の
増大は、問題のロータが識別され得る可能性のある複数
のモデルの内の最低の定格最大速度よりまだ低いであろ
う。たいていの場合、ウィンデイジの計算は、一つのロ
ータモデルを除く全てが不適格と見なされるまで、益々
高い速度において、繰り返すことができる。

前記ロータが識別または確認されると、前記ロータの
既知の定格最大安全速度で遠心分離操作を行なうことが
できる。加えて、ウィンデイジの計算は、他の回転パラ
メータ（run parameters）に影響を及ぼすように利用す
ることができる。特に、ウィンデイジの変化に基づく冷
却機構の操作に対して調整がなされる。ウィンデイジ状
態における遠心機の操作に関して、ロータの加熱は本質
的にウィンデイジ動力による。遠心機のチャンバ内の空
気にポンプ作用を及ぼす前記ロータにより行なわれる仕
事は前記空気を加熱することであり、このことが次に前
記ロータを加熱する。超遠心機の作動とは異なり、直接
の摩擦熱は重要ではない。風損の変化に応じて連続的に
または周期的に冷却を調整することができる。これは、
駆動機構が高い、一定の速度で操作されるときに入力ト
ルクを再度モニターすることにより行なうことができ
る。

本発明の利点は、信頼性のあるロータ識別および冷却
制御機構が提供されることである。遠心機の操作におい
て、回転速度の設定増分を達成するために必要な駆動力
は前記ロータの速度の３乗に正比例して変化する。した
がって、冷却機構の較正速度とは実質的に異なる速度で
較正することができる温度差の設定は困難である。さら
に、ウィンデイジ動力はロータの直径の増大とともに指
数関数的に増大し、このため、普遍的なオフセット調整
を確立することはさらに複雑である。本発明を利用すれ
ば、前記ロータを識別または確認することができ、ま
た、冷却は力学的に調整し、所望の作動温度または操作
温度を維持することができる。

本発明を実施するための最良の態様 図１を参照すると、遠心機10は、駆動軸14を回転させ
るための駆動モータ12を含む。好ましくは、前記駆動モ
ータは切換リラクタンス・モータ（switched reluctanc
e motor）である。このようなモータの利点は、前記モ
ータにより発生されるトルクの読取りが何時にても可能
であることである。

ロータ16は、試料要素の遠心分離のための少なくとも
２つの試料容器18および20を保持するためのコンパート
メントを有するように示されている。容器18および20
は、ロータ蓋22を取り外すことにより前記ロータ内に配
置される。ボルト24が前記ロータ蓋の穴を経て伸び、ロ
ータ蓋22をロータ16に固定しかつ前記ロータをハブ26に
固定している。

ハブ26は、様々なロータモデルのいずれにも接続する
ことができるように適合されている。例えば、Beckman
Instruments,Inc.により販売されている遠心機に使用可
能である18個のロータモデルのグラフが図２に示されて
いる。図１のロータ16は、図２の前記18個のロータの任
意の一つである。

ハブ26は、円筒状の、下に向けて垂れ下がるスカート
28を有する。前記ハブは、前記円筒状のスカートが前記
駆動軸と共軸関係にあるように止めねじ29により駆動軸
14の上端部に固定されている。モータ12の回転駆動は、
駆動軸14とハブ26とによりロータ16に伝達される。前記
駆動軸の上端部30は、従来の技術を用いて前記ハブに固
定されている。前記ロータは、ハブ26を受け入れるよう
に形状付けられた内面を有する。

ロータ16、ハブ26および駆動軸14の上端部30は、カバ
ー34を有するハウジング32により規定されたチャンバの
内部に収容されている。図示されていないが、典型的な
真空シールが前記ハウジングの残部に対する前記カバー
の境界面に配置されている。ハウジング32の複数の側壁
と、底壁とは、前記ハウジングにより規定された被包囲
の前記チャンバの内部の温度を制御するために外面に配
置された冷却コイル33を有する金属製の骨組である。

温度の制御に加えて、ハウジング32の前記包囲された
チャンバ内の雰囲気が真空ポンプ36の作動により制御さ
れる。前記真空ポンプは、導管38および２つの管継手40
および42によりスリーブ44に接続されている。スリーブ
44は、駆動軸14と共軸的に伸び、ハウジング32の底壁48
の開口を貫通する大径の下部を有する。真空シール50が
前記スリーブの周りの空気の漏れを防ぐ。前記スリーブ
の上端において、減径部52が、ハブ26の下方に垂れ下が
るスカート28内に伸びている。このため、第１の環状の
隙間54が駆動軸14とスリーブ44の内面との間に形成され
ており、また、第２の環状の隙間56が前記ハブの下方に
垂れ下がるスカート28とスリーブ44の外径部との間に形
成されている。

前記遠心機のチャンバからの排気が上方に向けて第２
の環状の隙間56に入り、次いで、下方に向けて第１の環
状の隙間54に入り、その後、導管を通して真空ポンプ36
に送られる。図１に示すように、モータ12もまた排気さ
れる。

図２に戻ると、各ロータモデルＡ−Ｒに関連する複数
の横棒が慣性を示す。各横棒は、前記ロータが複数成分
に遠心分離される試料溶液の制約を受けないときの値で
ある最小の慣性値を有する。最大の慣性値は、前記ロー
タが、製造者により設定された最大の安全値まで試料溶
液を収容するときの慣性を表す。

作動の際、図１のロータ16は、図２に示す前記最小値
と前期最大値との間の範囲内のいずれかの慣性を有す
る。したがって、ギーベラの米国特許第4,827,197号明
細書に記載されているように、慣性の計算は必要とされ
る確認または識別を与えない。例えば、もし、慣性の計
算が約1.07のユニット値を与える場合、線58で示すよう
に、図２の６つのロータの任意の一つが指定される。同
様に、ウィンデイジが慣性に対して優位にある回転速度
における運動に対する抵抗を測定することを教示するロ
ッセリ等の米国特許第5,235,864号明細書の技術も十分
でない。ウィンデイジの効果が速度の増大と共に指数関
数的に増大すると、慣性は、加速が第１の高速度からあ
る高速度まであるときでさえも、加速に対する全抵抗を
決定するのに重大な役割を演ずる。

図３の機構は、特定のモデルの一つであるロータを確
認または識別するための改良された手段である。ロータ
16は、駆動軸14により駆動機構12に接続されているよう
に示されている。慣性モーメントの決定は前記駆動軸と
前記モータとによる慣性の寄与を明らかにする。前記駆
動軸および前記モータのそれぞれの寄与に対する補償
は、これらの値が固定されるため、容易に達成される。
前記寄与は回転するロータ16の慣性モーメントに比べて
重要でないため、選択的に、前記駆動軸および前記モー
タの寄与は無視することができる。

前記したように、前記駆動機構は好ましくは切換リラ
クタンス・モータ12を使用する。切換リラクタンス駆動
機構は、駆動制御エレクトロニクスからの連続基準でリ
アルタイムに利用することができる正確なトルク・デー
タを提供する。線62は、前記駆動モータのトルクを示す
出力を与えるように示されている。さらに、切換リラク
タンス駆動機構は、前記モータの適切な操作のために求
められる連続作動のアーマチャー位置インジケータを有
する。前記アーマチャー位置インジケータからのパルス
の周波数はロータ16の回転速度を決定するために用いら
れる。RPM線64は慣性計算回路68への入力を示し、前記
回路が前記ロータの速度を決定することを可能にする。
また、クロック66が回路68に入力を与える。

第１の段階（ステップ）で慣性を計算する。第１の選
択された回転速度から第２の選択された回転速度（△
ω）までの加速に必要な時間（△ｔ）を測定するか、ま
たは、加速の固定時間（△ｔ）内の速度変化（△ω）を
測定する。次に、△ωを△ｔで割ることにより角加速度
を決定することができる。次いで、線62からのトルクデ
ータが慣性の計算回路68で用いられる。ロータ16を駆動
する際の慣性モーメントは、RPM線64からのデータとク
ロック入力とを利用して決定された加速度の値で割られ
たトルクに等しい。

慣性モーメントの計算の結果、図２のロータの選択を
行なうことができる。例えば、もし、前記ロータの慣性
が線58で表された値であると決定された場合、ロータ16
は、線58が交差する６つのロータの内の一つでなければ
ならない。したがって、図２に示す他の12個のロータモ
デルは、ロータ16が分類され得る可能性のあるロータモ
デルとしては不適格であると見なされる。

第２の分類（区別）段階でロータ16のウィンデイジの
測定値を用いる。滑らかな囲いのなかで回転する遠心機
ロータのための最も適切なウィンデイジ動力方程式は、
ウィンデイジが回転速度の３乗、前記ロータの直径の５
乗およびディレクトリ（directly）よりわずかに短い長
さに従って変化するそれである。空気が前記ロータの背
後に回り込むときの速度の損失がほとんどないため、密
閉した嵌め込みの対称的な囲いがウィンデイジを減少さ
せることは周知でありまた当然のことである。小型のロ
ータはチャンバ壁からより離れるため、同じ遠心機内の
より大きいロータより「外気（open air）」状態により
厳密に近づく。

回路68における慣性の計算は、ウィンデイジが無視で
きまた実際に不存在である比較的低速度下で行なわれ
る。前記第１の選択された速度であって該速度からロー
タ16が加速される第１の選択速度は0rpmである。しか
し、ウィンデイジ動力の測定は、比較的高速度下で行な
われる。図２の18個のロータモデルのそれぞれが定格最
大安全速度を有する。慣性の計算によって与えられる分
類過程に引き続き、不適格と見なされていない複数のロ
ータモデルの最も低い定格最大安全速度までロータ16を
加速する。再び、図２に示された線58により示された測
定例を用いて、ロータＤ−Ｉの小さい一群の６つの最大
安全速度の最小値まで、前記ロータを加速することがで
きる。

ロータ16を一定の高速度に維持すると、駆動機構12に
より発生されるトルクが、モータ損失のための小調整
後、ロータのウィンデイジ動力と等しくなる。図３に示
すように、ロータの識別回路72はトルク線62からの入力
を有する。一旦、前記ロータの速度が固定されると、前
記ロータの識別回路は、その一定速度における期待ウィ
ンデイジ値を有する参照用テーブル74をアドレス指定す
るために線62からのデータを利用することができる。こ
のようにして、ロータ16が分類され得る可能性のある複
数のロータモデルがさらに制限される。理想的には、図
２の６つのロータモデルＤ−Ｉの内の一つが正確に指摘
される。

もし、２以上のロータモデルが可能性として残ってい
る場合、ロータ16のより高い回転速度においてウィンデ
イジに基づく前記分類を繰り返すことができる。しか
し、このウィンデイジ依存の分類段階の繰り返しでは、
小さい一組のモデル中の可能なロータモデルの定格最大
安全速度の内の最も低い速度が超過しないようになお求
められる。従って、この分類の繰り返しは、最初のウィ
ンデイジ依存の分類が、先に最も低い定格最大安全速度
を有するロータモデルであったロータモデルを不適格と
みなした場合にのみ、可能である。

期待ウィンデイジ値のデータの保存に加えて、参照用
テーブル74のメモリーは期待慣性値を保存する。従っ
て、慣性計算回路68はロータ識別回路72への入力情報を
有する。さらに、テーブル74は、熱の発生をウィンデイ
ジの変化と結び付けるためのメモリーを含む。18個のロ
ータモデルのそれぞれは特有のウィンデイジ−熱の特性
を有する。同様に、前記18個のロータモデルは複数群、
例えば、揺動バケットロータ（swinging bucket roto
r）、固定角ロータ（fixed angle rotor）、常流ロータ
（continuous flow rotor）および特別のロータに分類
される。参照用テーブル74のメモリーは、冷却調整回路
94にデータを供給するために回路72により利用される。
例えば、トルク線62をモニターすることにより、ウィン
デイジにより生じた熱が冷却機構に対する調整を必要と
するように十分に変化する時間を検出することができ
る。個々の遠心機の回転のための望ましい温度は、分析
下の試料を含む多数のファクターに依存する。典型的に
は、望ましい温度は遠心機の回転が開始される前に選択
され、オペレータにより入力される。したがって、ロー
タ識別回路72は最初に使用中のロータを識別するために
使用され、次に、識別されたロータに関連するテーブル
74に保存されたデータを用いることにより回路94におけ
る冷却機構を制御するために使用される。この制御は力
学的なものであり、したがって、前記冷却機構は、例え
ば回転速度の変化または真空レベルの変化による各ウィ
ンデイジの大きい変化の影響を受ける。

より単純化した形態では、回路94の冷却調整は温度補
償値の設定である。遠心機の、サーミスタのような温度
モニター装置は、たいてい、ロータが回転される閉鎖チ
ャンバの底部に配置される。前記チャンバの底部の温度
は、一般に、ロータの温度より低い。温度差は使用する
ロータによって変わる。したがって、複数のロータは、
遠心機が前記ロータの温度をより正確に決定することを
可能にする複数の温度補償値を割り当てられる。図３で
は、前記モータが回路72で識別され、その後、識別され
たロータのための温度補償値がテーブル74から得られ、
冷却調整回路94をセットするために使用される。

図３の回路は冷却制御を提供し、また、前記ロータが
定格最大安全速度を越えて加速されないようにすべくロ
ータ16を識別するために用いられる。線75は、回路72が
ロータ16を識別するために使用されるとき、駆動機構12
に入力を与える。

図４および図５はロータ16の識別のための第２の実施
例に関連する。この例では、モータ12は切換リラクタン
ス・モータではなく、したがって、トルクのデータは前
記駆動機から直接に得られない。他のタイプのモータは
図３で求められたトルクデータを提供するように適合さ
れているが、図４は、計算が前記駆動機構とは独立に行
なわれる機構を示す。

図３に示す要素と機能的に同じである図４の要素に同
じ参照番号が付されている。ロータ16の角速度は回転速
度計77を用いて決定することができる。回転速度計77お
よび同等の装置は遠心機において従来使用されている。
また、図４に、前記ロータの測定される加速の間に使用
されるクロック66が示されている。前記回転速度計およ
び前記クロックの双方は、慣性を計算するための回路68
とウィンデイジ動力を計算するための回路79とに接続さ
れた出力部を有する。回路68および79と、ロータ識別回
路72とは、単一の中央処理装置（CPU）の内部に収容さ
れている。参照用テーブル74はROMメモリーからなる。
前記参照用テーブルは最小の慣性、最大の慣性、期待ウ
ィンデイジ動力および図２の18個のロータのそれぞれの
定格最大安全速度に関するデータを含む。

図４および図５の実施例では、慣性計算回路68がロー
タ16の第１の測定される加速の入力△ωおよび△ｔを受
け入れる。この入力は図５に入力76として示されてい
る。一定のトルクを得るため、慣性モーメントの表示を
符号78で示すところにおいて計算することができる。臨
界でなければ、慣性モーメントの表示は、好ましくは、
各回転について同じ値の一定トルクで得られ、したがっ
て、この値は、モータ12からのトルクの読み取りを必要
とすることなしに慣性計算回路68で使用することができ
る。ロータ16内の試料の量が未知であるため、計算され
た慣性モーメントは前記ロータの慣性モーメントの唯一
の表示である。前記した例では、線58が横切る前記６つ
のロータモデルのいずれについても、表示1.07を予想す
ることができる。ロータ識別回路72は参照用テーブル74
をアドレス指定し、他の12個のロータモデルを不適格と
みなしおよび／または６つの可能性のあるロータを選択
する。ロータ16が識別することができる可能性のあるロ
ータモデルを減らす段階は、図５に符号80で示されてい
る。したがって、可能性のある小さい一組のロータが確
立される。

残りの可能性あるロータモデルの最小の定格最大安全
速度に基づいて、ロータ16の第２の測定される加速が生
じる。再び、△ωまたは△ｔが固定され、固定されるフ
ァクターを好ましくは△ｔとして他のファクターが測定
される。前記第２の測定される加速は前記残りの可能性
のあるロータモデルの最大安全速度の内の最低のものを
越えてはならず、好ましくはこの速度に達するものであ
る。これは、ウィンデイジの差が速度の増大に伴って拡
大されるからである。加速の間にトルクが変化するとき
は、変化の測定量はまた図５に示す符号84のところに入
力されなければならない。しかし、前記トルクは好まし
くは前記第２の測定される加速の間固定され、したがっ
て、△トルクはウィンデイジの計算に入れられる必要は
ない。

加速中のロータに作用するウィンデイジ動力を決定す
る際に重要なのは慣性モーメントである。慣性モーメン
トおよびウィンデイジ動力は、加速に抵抗するように協
力する。加速に抵抗する他のファクターは因数に分解す
ることができるが、慣性モーメントは慣性の計算の入力
が受け入れられない限りできない。すなわち、モータ12
の軸受組立体の摩擦のようなファクターは既知でありか
つ固定されているが、本発明のロータの識別方法では、
慣性の計算は除かれかつウィンデイジの計算のために回
路79に入力されなければならない。

ウィンデイジ動力は回路72により、また、次の方程式
に従って計算することができる。

ウィンデイジ動力＝トルク入力−Ｉ（△ω／△ｔ） Ｉ（△ω／△ｔ）が意味するところは、慣性抵抗であ
る。図４では、ウィンデイジの計算が好ましくはいつも
同じである前記固定値をもってなされるため、トルクの
ための回路79への入力はない。もし、トルクの値が、異
なるウィンデイジの計算に関して異なっている場合、回
路79へのトルクの入力が必要である。ウィンデイジの計
算は図５に段階（ステップ）86として示されている。

前記ロータの直径は、同じ群のロータを回転させるこ
とにより明らかにされたウィンデイジ動力に関して、有
力なファクターである。したがって、ロータ識別回路72
は、図２の線58が横切るロータモデルの小さい一組の６
つのロータのいくつかを不適格とみなすことができる。
図５に示す段階88において不適格とみなすことは、少な
くとも１つのロータモデルの確実な選択であり、これに
より、他のロータモデルを不適格とみなす。次に、残り
の可能性あるロータモデルの数について、決定がステッ
プ90においてなされる。ステップ80および88によりもた
らされた除去過程においてただ１つのモデルが残る場
合、前記ロータの識別は、符号92のところで回転パラメ
ータ（run parameters）を規定または調節するために用
いられる。例えば、識別されたロータモデルの定格最大
安全速度にロータ16を加速するため、駆動モータ12に流
れる電流が図４の要素81での調整により増大される。さ
らに、図３に関して説明したと同様、遠心機の冷却を調
整または調節するために冷却調整回路94が活用される。
ウィンデイジの変化に従って冷却の偏り（offset）が生
じ得る。基本的な形態では、回転速度計77から冷却調整
回路94への入力がウィンデイジ動力に対する変化を決定
するために用いられる。

図５におけるステップ90での決定が、ステップ80およ
び88において不適格とみなした後に２以上の可能性ある
モデルが残るという解答が生じる場合、前記ロータは再
び加速され、第３の測定される加速が開始される。この
第３の測定される加速は、前記第２の測定される加速が
最大安全速度の最低の一部のみからなっていたとき、ま
たは、前記第２の測定される加速のデータが、最も低い
最大安全速度を予めもっていたロータモデルを不適格と
みなしたときは選択事項である。次に、ウィンデイジを
計算するステップおよび残りのモデルの少なくとも一つ
を不適格とみなすステップを繰り返す。

ウィンデイジ動力は、前記第２の測定される加速の間
の計算と同様のやり方で前記第３の測定される加速につ
いて、符号86で示すところにおいて計算される。ウィン
デイジの正確な表示を得るため、再び、慣性モーメント
を考慮に入れなければならない。したがって、前記第３
の測定される加速は、問題のロータが識別され得るロー
タモデルの数をさらに制限するために用いられる計算を
可能にする。この方法は、理想的には、ステップ90でた
だ一つの可能性が残るまで繰り返すことである。

選択的に、２つのロータモデルは、前記した方法を用
いて区別することが困難でありあるいは区別することが
できない場合、解答を与えるべくウィンデイジ−発生に
関して十分に異なるロータ・リッドを有するように構成
することができる。図１に関して、ロータ・リッド22の
直径における５％の増大がウィンデイジをほぼ25％増大
させるものと考えられる。

慣性モーメントの計算は、選択的に、遠心機10のから
空気が抜かれたチャンバ内で行なうことができる。他
方、ウィンデイジ動力の計算は、完全に空気が抜かれた
チャンバ内のロータ16の加速に関して行なうことはでき
ない。前記チャンバ内の雰囲気は、回転するロータのウ
ィンデイジ動力の進展に直接に影響を及ぼす。したがっ
て、ウィンデイジの計算は好ましくは前記チャンバ内の
絶対圧に関する偏りを含む。

試料容器18および20内の試料の遠心分離の間、遠心機
10の完全に真空にされていないチャンバでの温度制御は
困難である。駆動機構12の仕事の多くは、前記ロータが
回転されるときの空気の塊を循環させるために使われ
る。特別なロータについては、必要とされるウィンデイ
ジ動力は前記回転速度の３乗に正比例して変化する。多
くの遠心機の機構は較正速度（calibration speed）の
ための温度設定を含む。前記較正速度から掛け離れた回
転速度での温度の偏りの較正を与えることは、どう見て
も、困難である。ウィンデイジ動力は前記ロータの直径
の増大とともに指数関数的に増大するため、全ての速度
において全てのロータモデルに適用可能である温度の偏
り（temperature offset）を与えることはより困難とな
る。ロータの定格最大安全速度における各ロータの実験
的測定に基づいて手動で設定されたオフセット値を与え
ることが知られている。

図３、図４および図５に示す機構および方法は、より
能率的な温度の偏り調整の構成を提供する。識別回路72
においてロータが識別された後、前記ROM内の参照用テ
ーブル74を用いて、符号94で示すところで冷却調整を行
なうことができる。前記参照用テーブルに含まれる情報
は、前記冷却機構を制御するために前記ウィンデイジに
関する実時間情報と組み合わされる。

温度の自動調整は、温度の偏りの手動設定に置き換え
るために用いることができる。さらに、ウィンデイジ動
力は高さの変化によって影響を受けるため、高度な操作
ための自動的な補償としてこの技術を用いることができ
る。図３〜図５の単純化において、温度制御は慣性モー
メントを計算することなしに行なうことができる。例え
ば、いくつかの適用において、図３に示す実施例で一定
速度下でのモータのトルクのモニターにより与えられる
ウィンデイジの表示は、まず前記ロータを識別するため
に、次いでウィンデイジの大きい変化を伴う冷却を調整
するために用いることができる。

［図面の簡単な説明］ 図１は本発明に従って制御される遠心機の側断面図で
ある。

図２は図１の遠心機に接続される利用可能のロータの
チャートである。

図３は本発明に従って図１の遠心機とともに使用され
るロータ識別機構の第１の実施例の概略図である。

図４は本発明に従って図１の遠心機とともに使用され
るロータ識別機構の第２の実施例の概略図である。

図５は図４の識別方法のフローチャートである。

フロントページの続き (56)参考文献 米国特許5235864（ＵＳ，Ａ) 米国特許4827197（ＵＳ，Ａ) 英国特許出願公開2150717（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B04B 13/00 B04B 15/02

Claims (17)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のモデルのうちの特定の１つとしてロ
   ータを識別する方法であって、 回転速度の第１の測定される増分に達するまで前記ロー
   タを加速することを含む、前記ロータの慣性モーメント
   の表示を生じさせること、 前記慣性モーメントの表示に応答して、前記ロータが識
   別され得る可能性のあるモデルを前記複数のモデルの小
   さい一組に制限すること、 前記ロータの慣性モーメントの表示を考慮に入れる間
   に、前記第１の測定される増分に関連する速度より大き
   い加速された回転速度で回転中の前記ロータのウィンデ
   イジの表示を計算すること、 前記ウィンデイジの表示に応答して、前記慣性モーメン
   トの表示および前記ウィンデイジの表示が特徴的である
   少なくとも１つのモデルを選択することを含む、ロータ
   の識別方法。
2. 【請求項２】さらに、前記選択の段階が２つ以上のモデ
   ルを提供し、さらに、前記ロータを加速し、第２のウィ
   ンデイジの表示を決定することを含み、前記方法が、さ
   らに、前記第２のウィンデイジの表示に基づいて２つ以
   上のモデルのうちの１つのモデルを選択することを含
   む、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】前記ウィンデイジの表示を計算すること
   が、回転速度の第２の測定される増分に達するまで前記
   ロータを加速することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】前記ウィンデイジの表示を計算すること
   が、前記ロータを固定速度に維持し、前記ロータを回転
   させるための駆動機構のトルク入力を表す信号を発生さ
   せることを含む、請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】さらに、前記複数のモデルのうちの特定の
   モデルの選択に基づいて冷却機構を操作することを含
   む、請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】複数のロータモデルの任意の１つを回転可
   能に支持するための駆動手段と、 前記駆動手段に支持されたロータの慣性を測定するため
   の第１の手段と、 前記第１の手段に応答する、前記支持されたロータが前
   記複数のロータモデルの既知の慣性モーメント値に基づ
   いて識別され得る可能性のあるロータモデルを減らすた
   めの第１の決定手段と、 前記駆動手段および前記第１の手段に応答する、前記支
   持されたロータのウィンデイジを測定するための第２の
   手段と、 前記第２の手段に応答する、前記支持されたロータが前
   記複数のロータモデルの既知のウィンデイジ値に基づい
   て識別され得る可能性のあるロータモデルを減らすため
   の第２の決定手段とを含む、遠心機機構。
7. 【請求項７】さらに、前記既知のウィンデイジ値および
   慣性モーメント値を保存しかつまた前記複数のロータモ
   デルのそれぞれの定格最大安全速度を保存するためのメ
   モリー手段を含み、該メモリー手段が前記第１および第
   ２の決定手段と電気的につながっている、請求項６に記
   載の機構。
8. 【請求項８】さらに、前記第２の決定手段に応答する、
   前記支持されたロータの回転速度を該支持されたロータ
   が識別され得る前記ロータモデルの定格最大安全速度に
   制限するための手段を含む、請求項７に記載の機構。
9. 【請求項９】さらに、前記支持されたロータを取り囲む
   ためのチャンバのハウジングと係合する、熱エネルギ移
   動の冷却機構を含み、さらに、前記支持されたロータの
   回転速度の変化に応答して前記冷却機構を物理的に制御
   するための手段を含む、請求項６に記載の機構。
10. 【請求項１０】さらに、前記支持されたロータの回転速
    度をモニターするための手段を含み、前記物理的に制御
    するための手段が前記モニターするための手段に応答す
    る、請求項９に記載の機構。
11. 【請求項１１】遠心機の冷却制御機構を操作するための
    方法であって、 チャンバ内の遠心機ロータを回転させること、 前記遠心機ロータが回転する間に、前記回転に関連する
    ウィンデイジを示す信号を発生させること、 前記ウィンデイジを示す信号に基づいて、前記遠心機ロ
    ータを特定のロータモデルの一つであると識別するこ
    と、 前記特定のロータモデルに関する既知の冷却データに基
    づいて前記チャンバを冷却することを含む、遠心機の冷
    却制御機構の操作方法。
12. 【請求項１２】前記ウィンデイジを示す信号を発生させ
    ることが、前記チャンバ内を循環する気体の仕事に帰せ
    られる損失を、前記遠心機ロータの慣性に帰せられる損
    失から分離することを含む、請求項11に記載の方法。
13. 【請求項１３】前記信号を発生させることが、前記遠心
    機ロータを回転させるために求められるトルクの入力を
    モニターすることを含む、請求項11に記載の方法。
14. 【請求項１４】トルクの入力をモニターすることが、前
    記遠心機ロータを一定の高回転速度に維持することを含
    み、また、前記ウィンデイジを示す信号を発生させるこ
    とが、前記高回転速度を維持するために求められる駆動
    トルクの測定である、請求項13に記載の方法。
15. 【請求項１５】前記信号を発生させることが、さらに、
    前記遠心機ロータの計時された加速を実行し、また、前
    記計時された加速を達成するために求められるトルクに
    基づいてウィンデイジを決定することを含む、請求項13
    に記載の方法。
16. 【請求項１６】前記信号を発生させることが、さらに、
    前記遠心機ロータの慣性モーメントを決定することを含
    み、前記慣性モーメントを決定することが、前記計時さ
    れた加速に先立つ時間内に前記遠心機ロータを加速する
    ことを含む、請求項15に記載の方法。
17. 【請求項１７】さらに、前記遠心機ロータを回転させる
    ために利用された回転速度およびトルクの一方を示す信
    号を発生させることを含む、前記遠心機ロータの回転の
    変化をモニターしまた前記回転の変化に基づいて前記チ
    ャンバの前記冷却を調整することを含む、請求項11に記
    載の方法。