JP3754706B2 - 遠心機用の固形物削取りアセンブリ - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は無孔ボウル遠心機用のスクレーパ・アセンブリに関し、さらに詳細には、粘着性固形物をスクレーパから除去するスクレーパ・アセンブリに関する。
発明の背景
不均一な様々な混合物を様々な比重を有するそのそれぞれの構成要素に分離するようになされた遠心分離機（centrifugal separator）および遠心機（centrifuge）には、多くの様々なタイプがある。無孔ボウル遠心分離機は、生体材料などの危険材料、および／または外部の汚染が望ましくない処置を受ける材料の様々な構成要素の分離に特に適している。関心のある特定の材料を純粋なまま保つこと、およびその材料が外部環境を汚染しないことを保証するために、こうした無孔ボウル分離機の全ての内部分離構造は外部環境から密封され、全ての分離サイクルは、分離機内の分離構造に外部からアクセスすることなく、通常は自動的に実行される。
通常の分離サイクルの供給モード中に、液体懸濁液などの対象とするストック材料サンプル（供給材料または液体供給とも呼ばれる）を、適当な導管を通して分離機の回転可能な分離ボウル中に注入する。20000G（重力）を生じるのに十分な速度でボウルが回転するにつれて、サンプルの懸濁粒子は液体の中心から分離し、ボウルの壁面に向かって「固形物ケーク」を形成する。ボウルが回転する間も液体懸濁液は継続的にボウル中に注入され、浄化された液体（すなわち固形物構成要素のない液体）は継続的に排出される。液体懸濁液のボウル中の流れは、十分な固形物がボウルの内壁上で収集されるまで続き、排出および吐出モードの間に除去しなければならない。吐出モードの実行を保証するのに十分な量の固形物が壁面上で収集されるまでに、数百ガロンの液体懸濁液をボウル中を通過させることも珍しくない。
次いで液体は、分離サイクルの排出モード中にボウルから除去される。分離する初期サンプルによって、ボウル壁面に押しつけられて生じる固形物は、ピーナッツ・バターのコンシステンシーに類似した、非常に粘着性のコンシステンシーを有することがある。分離機のタイプにより、ボウルの回転中に求心ポンプまたはスキミング・チューブを使用して、ボウルを停止して重力によって液体を排出し、あるいはその他任意の適当な方法によって、液体はボウルから除去される。
分離サイクルの最後のモードは通常は、ボウルが低速度で回転する吐出モードである。通常は既にボウル内にあるスクレーパは、スクレーパ・ブレードが圧縮された固形物中に進む削取り位置に移動する。従来技術のスクレーパ・ブレードは、しばしば平面配列で互いに重なるように支持シャフトに取り付けられる。削取り動作によって固形物はボウルの壁面表面から離され、これにより固形物はボウルを通って出口まで落下することができる。従来技術の削取りシステムは、一般に固形物が粉末状であるか、そうでなければ堅くて乾燥している場合によく作動するが、固形物が湿っていて粘着性であり、しばしばピーナッツ・バターのコンシステンシーを有する場合には有効に作動しない。このような粘着性固形物はスクレーパ・ブレードに付着し、さらにボウルの壁面から分離して直ちに削取りアセンブリの一部分、しばしば支持シャフトの下側に位置するブレードに再付着する傾向がある。従来技術の分離機のスクレーパ・ブレードに粘着性固形物が再付着した後で、固形物を回収することは困難である。
ストック混合物の固形物構成要素は、通常は後続の実験および／または分析で望まれる構成要素になるので、分離サイクルの完了後に、このような任意の固形物構成要素が普通ならアクセス不可能な分離機の内部分離構造中に残ることは重大なロスである。このサイクルの後続の洗浄および滅菌段階で、未収集の固形物を直ちに汚染するか、そうでなければ破壊し、それらを役に立たないようにすることになる。さらに、分離した全ての固形物を分離機の内部分離構造から収集することは望ましいというだけでなく、除去されていない残余固形物は、分離機の洗浄システムに過度な負担をかけることになる。洗浄サイクル完了後に残った任意の固形物は、その後に追加されるストック材料を直ちに汚染することになり、分離固形物のさらに大きなロスと、このような不純固形物が後に実験で使用されると、場合によっては不正確なデータにつながる。
したがって、本発明の目的は、従来技術の欠点を克服する遠心分離機を提供することである。
本発明の別の目的は、粘着性材料がブレードに付着または接着する傾向を克服する分離機用のブレード・アセンブリを提供することである。
本発明の別の目的は、従来技術のスクレーパ分離機が除去するよりも大量の固形物を有効に除去するスクレーパ・アセンブリを含む遠心分離機を提供することである。
本発明の別の目的は、ボウルの壁面から固形物を除去する間の削取り抗力を最小限に抑え、分離機の吐出口に向かう削り取られた固形物材料の量を最大限にする、遠心分離機で使用するスクレーパ・アセンブリを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、本発明によるスクレーパから残余固形物を有効に洗浄する洗浄アセンブリを含む、遠心分離機で使用するスクレーパ・アセンブリを提供することである。
発明の概要
収集した供給材料の固形物構成要素を遠心分離機のボウルの内壁表面から除去するスクレーパ・アセンブリは、垂直方向の縦軸に沿ってボウル内に位置決めされた支持シャフトを含む。支持シャフトは収容位置と動作位置の間で旋回可能である。縦に間隔をあけた少なくとも2つのスクレーパ・ブレードが、この縦軸に沿って支持シャフトに取り付けられ、支持シャフトが動作位置にあるときに固形物構成要素に接触するようになっている。上側のスクレーパ・ブレードは縦軸に沿って下側のスクレーパ・ブレードに対して角度がずれており、上側のスクレーパ・ブレードが除去した、任意の収集した固形物構成要素が、下側のスクレーパ・ブレードに触れずに自由に落下することができるようになっている。
【図面の簡単な説明】
本発明を完全に理解するために、添付の図面に関連して以下の説明を参照されたい。
第1図は、本発明による、スクレーパ・アセンブリを有する遠心分離機の断面図である。
第2図は、本発明による、スクレーパが休止位置にあるスクレーパ・アセンブリを示す、第1図の直線2−2に沿って切りとった分離機の断面図である。
第3図は、本発明による、スクレーパが動作位置にあるスクレーパ・アセンブリを示す、第2図と同様の分離機の断面図である。
第4図は、固形物に作用してこれを分離機の壁面およびバッフル間から削り取るスクレーパを示す、第3図の直線4−4に沿って切りとった分離機の断面図である。
第5図は、本発明による、千鳥形スクレーパ配列および支持シャフトを示す、スクレーパ・アセンブリの上面図である。
第6図は、本発明によるスクレーパの側面図である。
第7図は、第6図のスクレーパの端面図である。
第8図は、第6図の直線8−8に沿って切りとったスクレーパの断面図である。
第9図は、第6図の直線9−9に沿って切りとったスクレーパの断面図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
第1図を参照すると、ハウジング12と、入口14と、出口16と、開いた下側端部20を有する円筒形ボウル18とを有する、遠心分離機10の断面図が示されている。ボウル18は、ハウジング12のチャンバ19内に位置決めされ、垂直方向の中心軸22について回転可能である。ボウル18は、駆動シャフト26およびモータ（図示せず）に接続された上側端部24を含む。当業者なら判るように、ボウル18が高速で回転してボウル内に位置する対象材料を分離する際に、このボウル18を十分に支持しながらボウル内の隔離環境を維持するために、ボウル18および駆動シャフト26は、必要に応じて適当な全ての軸受およびシールを含むことができる。
ボウル18は、内壁表面28をさらに含む。第1図および第4図に示すように、壁面28には5つのバッフル30が取り付けられる。このようなバッフル30を使用することは周知であり従来通りである。バッフル30により分離性能は改善されるが、本発明の直接の実行に必須のものではない。
旋回シャフト52、接続リンク54、スクレーパ支持シャフト34、および複数のスクレーパ36（図面には5つのスクレーパを示す）を含むスクレーパ・アセンブリ32が、ボウル18内に位置する。各スクレーパ36は取付け端部38、接続アーム40、および切刃42を含む。スクレーパ・アセンブリ32の旋回シャフト52は、ブッシュ（または適当な軸受）44を介してハウジング12に旋回可能に取り付けられ、旋回軸56について旋回する。支持シャフト34は接続リンク54によって旋回シャフト52に接続され、旋回シャフト52の角変位が、支持シャフト34の接続リンク54の長さに等しい弧の半径を有する弧状変位につながるようになっている（すなわち接続リンクは、旋回軸56となる中心点と、生じた旋回運動が規定する円周上の点との間の半径を規定する）。支持シャフト34は開いた下側端部20を通ってボウル18中に延び、ボウル18内で、第2図に示す休止位置と第3図に示す動作位置との間で旋回する。ボウル18内での位置に関わらず、支持シャフト34は中心軸22と平行なままである。必要に応じて、以下に述べるようにアクチュエータ46によって旋回シャフト52を旋回軸56について角変位または旋回させ、ボウル18内に位置する支持シャフト34を、休止位置と動作位置の間を弧状経路に沿って移動させることができるようになっている。第3図に示すように、削取り処置中に、動作位置にある支持シャフト34が削り取った固形物より「上流側」にあり、それにより落下する固形物に触れずに済むように、支持シャフト34がたどる弧状経路は壁面28に接近し、スクレーパ36（以下に述べる）の後ろに位置することが好ましい。
本発明によれば、第1図、第4図、および第5図に示すように、各スクレーパ36は支持シャフト34に、各スクレーパ36が所定角度35（第5図参照）だけ角変位するように漸次的ならせん（らせん階段の階段に類似した）をたどる千鳥形配列で取り付けられる。溶接などの従来の任意の取付け方法を使用して、各スクレーパ36の各取付け端部38を所望のらせん配列で支持シャフト34に接続することができる。スクレーパ36は、各スクレーパ36のそれぞれの接続アーム40が、支持シャフト34から半径方向外側に（支持シャフト34に対して垂直に）延び、所望のらせん配列を確立するように角変位されるように支持シャフト34に取り付けられる。各スクレーパ36の切刃42は、それぞれの接続アーム40の半径方向に最も外側の端部に取り付けられ、好ましくは垂直方向下向きに向けられ、中央軸22と並行になる。各切刃42の長さおよび形状は、スクレーパが壁面28に最も接近した動作位置にある時に隣接する領域内の、ボウル18の壁面28の特定の輪郭に従うようになされる。
全ての切刃42は、支持シャフト34が動作位置にあるときにボウル18の形状に有効に従うように、一まとめにして寸法決めおよび成形される。ボウル18内でバッフル30を使用する場合には、各切刃42が隣接する2つのバッフル30の間に嵌合し、隣接する2つのバッフル30の間のボウル18の壁面28に動作可能に到達するように、各切刃42の長さは隣接する2つのバッフル30間の間隔とほぼ等しくなることが好ましい。スクレーパ36が少なくとも各バッフル30の上側表面31を含む壁面28の最大表面積に到達し、それによりボウル18から吐き出される有効な純粋固形物の量も最大限になることは重要である。
第2図および第3図を参照すると、スクレーパ36の好ましい千鳥形配列（支持シャフト34について角変位した）を表す、本発明によるボウル18の断面上面図が示されている。千鳥形スクレーパ36の目的は、削り取られた固形物がその下に位置するどの接続アーム40にも触れずに落下し、それにより開いた下側端部20を通ってボウル18中を自由落下して分離機10から排出されるように、各接続アームをずらすことである。
支持シャフト34は、第2図では休止位置で示され、ボウル18が自由に回転してその中に含むストック材料を分離することができるように、どのバッフル30またはボウル18の壁面28からも離れた位置にある。しかし、削取り処置中には、アクチュエータ46が作動して、第2図に矢印48で示す方向に支持シャフト34を休止位置から動作位置に移動させる。アクチュエータ46が動作位置に向く支持シャフト34に所定の大きさのトルクを伝えると、各千鳥形スクレーパ36の各切刃42が、ゆっくりと安定してボウル18内を中央軸22から壁面28に向かって径方向外側に移動し、最終的に圧縮された固形物50の径方向に最も内側の表面に接触してこれを削り取る。各スクレーパ36は、支持シャフト34が動作位置の範囲内の所定の移動限度に達するまで、各切刃42が到達する範囲内にある圧縮された固形物50を引き続き削り取ることになる。この限度は、各スクレーパ36の切刃42を壁面28の直前に残すが、壁面28に物理的には接触させないことが好ましい。
第4図に示すように、固形物材料がボウル18の壁面28から削り取られるにつれて、固形物50は隣接するバッフル30から下側の開いた端部20を通って落下する。第5図に示すように各スクレーパ36が互いに千鳥形配列になることにより、どの接続アーム40または切刃42の間でも、解放されて落下する固形物50との接触は防止される。切刃42および支持シャフト34の互いの相対位置および中央軸22に対する相対位置により、削り取った固形物とスクレーパ・アセンブリ32の一部分との間の接触はさらに防止される。第2図および第5図に示すように、各接続アーム40の長さは、一まとめにして、全てのスクレーパ36の切刃42がボウル18の曲線に類似した曲線をたどるようになっている。
接続アーム40と接続リンク54の間の角度によって規定される各スクレーパ36の特定の「迎え角」は、あらかじめ決定され、好ましくは固定される。しかし、出願人は、スクレーパの切刃36が壁面28からの距離とは無関係に常に壁面28の曲線をたどるように、支持シャフト34が休止位置と動作位置の間を移動するにつれて変化する、様々な迎え角を提供することを企図している。固定方式が好ましいのは、単純で洗浄が容易であるためである。第4図を参照すると、全てのスクレーパ36が壁面28およびバッフル30から固形物50を除去している、削取り処置が示されている。スクレーパ36の千鳥形配列により、除去された固形物50は、その他のどのスクレーパ36または支持シャフト34にも再付着することなく、ボウル18中を自由に落下する。最も上のスクレーパおよび最も下のスクレーパ36は、ボウル18の形状にさらによく従い、洗浄処置の前にボウル18の最大限の表面積に到達することを保証するように、そのそれぞれの接続アーム40と一体化して、またはカッタ拡張部58として形成された切れ刃を含むことができる。
第6図から第9図を参照すると、本発明によるスクレーパ36の細部が示されている。好ましいスクレーパ36は、第8図に示すように、多少面取りした三角形の断面を有し、好ましくは水平基準線と45°の角度をなす切れ刃60と水平基準線と約3°の角度をなす上側表面62とを有する接続アーム40を含む。接続アーム40は、切れ刃60に直接つながり（上流側）、削り取った固形物をボウル18の開いた下側端部20に向けて下向きに偏向させる偏向表面64を含む。接続アーム40上にある切れ刃60は、接続アーム40に偶然接触した落下中の固形物が接続アーム40に接着することを防止する。
接続アーム40と同様に、各スクレーパ36の切刃42もまた、第9図に示すように、水平方向（第9図の基準線69）から測定した45°の角度の偏向表面68と、垂直方向（第9図の基準線72）から測定した3°の角度の反対表面70とによって画定される切れ刃66を含む、多少面取りした三角形の断面を有することが好ましい。各切刃42の切れ刃66は、第3図に示すように、効率的に固形物材料50中に切り進み、これを壁面28から引き離し、次いで除去した固形物をボウル18の中心軸22に向かって内側に偏向させ、それにより自由な固形物を、下側のどのスクレーパ36または支持シャフト34にも触れさせないようにするようになっている。
本発明の別の実施形態では、流体導管74が、旋回シャフト52、接続リンク54、および支持シャフト34の内部に位置する。支持シャフト34は、各スクレーパ36の下にこれと同一平面図面上に位置するノズル76をさらに含む。遠隔の流体源（図示せず）にある水などの洗浄流体は、指定の流体圧力で流体導管74およびノズル76中を流され、各スクレーパ36の接続アーム40および切刃42に、流体の流れまたは噴射を直接提供する。流体が直接加えられることにより、普通なら従来の洗浄処置の間に、スクレーパ36の表面上に残る残余固形物はボウル18から自由に落下する。
供給モード中の動作中には、サンプル量の対象ストック材料が入口14を介してボウル18中に導入される。これと同時にボウル18は、進入する対象材料をボウル18内で重力の影響に対抗して維持するのに十分な指定の回転速度で回転している。ボウルの下側端部は分離処置の間を通じて開いているが、ボウルの下にある、固形物を収集する収集容器は固形物ゲートを使用して閉じられる。所定量の対象材料が導入されると、ボウル18の速度は、20000Gの力（毎分の分解能）を生み出すのに十分な分離速度まで増加する。ボウルが回転するにつれて、対象材料は一般に、壁面28上で密に固まる固形物と、絶えず回転してボウルの底部から出て中央タンクに向けられる浄化された液体とに分離される。これらの固形物のコンシステンシーは、ボウル18の動作速度、分離する内部の対象材料、および固形物上に残る液体の量によって決まる。ほとんどの生体その他の適用分野では、固形物がピーナッツ・バターと同様の粘着性のコンシステンシーを有することも珍しくない。
分離後の排出モード中に、ボウル18の回転はゆっくりと速度が低下して停止する（圧縮した固形物の擾乱を回避するため）。停止した後は、残余液体はボウルから自由に排出され、一部は閉じたソリッド・ゲートによって残余タンク中に向けられる。
残余液体がボウルから排出された後で、吐出モード中に固形物を除去することができる。ボウル18が低速で回転し、ソリッド・ゲートが開き、落下する固形物を固形物収集容器（図示せず）に入れることができる。アクチュエータ46が作動して旋回シャフト52を回転させ、接続リンク54、シャフト支持34、および取り付けられた全てのスクレーパ36を、規定の弧に沿ってボウル18内で第2図に示す休止位置から第3図に示す動作位置まで移動させる。アクチュエータ46は所定量のトルクを旋回シャフト52に与え続け、このトルクが、スクレーパ36を安定して壁面28上の圧縮された固形物50に重ねて接触させる。固形物がスクレーパ36に対して移動するにつれて、各スクレーパ36の切れ刃66および偏向表面68により、所定量の固形物50が壁面28およびバッフル30から中央軸22に向けて送られる。支持シャフト34は切削点の「上流側」に位置して中央軸22から離れており、また第1図、第2図、第3図、および第5図に示すように各スクレーパ36は上から下に徐々に向かって「上流側」になるように千鳥形になっているので、固形物50は中央軸22に沿う円筒形ボウル18を通って自由に落下し、開いた下側端部20を通過し、任意のスクレーパ36の任意の一部分および／または支持シャフト34との接触を避けることになる。
ボウル18が削取り速度で回転するにつれて、支持シャフト34および一まとめにした全てのスクレーパ36は、切れ刃60が、物理的に接触せずにできる限りボウル18の壁面28に接近した位置にある所定の停止点に到達するまで、弧状経路（第2図に矢印で示す）に沿って移動する。次いで、休止位置と動作位置の間の支持シャフト34の移動を繰り返し、周囲表面から残余固形物を最大限に除去することができる。本発明の別の実施形態では、高振動数（毎分2000から50000サイクル）、理想的にはスクレーパ・アセンブリ32の共振振動数で、弧状経路に沿って支持シャフト34を前後に駆動する（すなわち往復運動させる）ことができる。その結果生じるスクレーパ・アセンブリ32全体の振動は、より多くの重要な固形物を確実にスクレーパ36およびシャフト支持34から落下させることになる。
分離機10から固形物50が有効に除去された後で、上述のように洗浄システムが作動し、洗浄流体が流体導管744中に流されてノズル76から出、全ての残余固形物を分離機10から有効に洗浄する。
当業者ならその他の実施形態を思いつくであろうが、それらは以下の請求の範囲の範囲内である。

Claims (2)

1. 供給材料の固形物構成要素を高速で分離するための遠心分離機システムであって、前記の分離した固形物構成要素を収集するようになされた内壁表面を有し、垂直方向の縦軸について回転可能な、前記供給材料を受けるようになされたボウルと、縦軸を有する支持シャフトであって、前記固形物構成要素が前記ボウルを通って収集領域の中に縦方向に自由に落下することができるように、前記供給材料の前記の収集した固形物構成要素に接触してこれを前記内壁表面から除去するようになされた、縦に間隔をあけた少なくとも２つのスクレーパ・ブレードを支持する支持シャフトとを含み、前記支持シャフトが、前記スクレーパ・ブレードが前記内壁から離れて位置決めされる収容位置と、前記スクレーパ・ブレードが前記壁面上に位置する前記の収集した固形物構成要素と接触する動作位置との間で移動可能であり、前記スクレーパ・ブレードが互いに角度がずれており、少なくとも２つの前記ブレードの上側のブレードが除去した任意の前記固形物構成要素が、前記の２つのブレードの前記の下側と接触することなく、前記縦軸に沿って自由に落下することができる遠心分離機システム。
2. 収集した供給材料の固形物構成要素を遠心分離機のボウルの内壁表面から除去するスクレーパ・アセンブリであって、縦軸を有する支持シャフトで、その支持シャフトは前記ボウル内に垂直方向の縦軸に沿って位置決めされてあり、収容位置と動作位置の間で旋回可能な支持シャフトと、前記縦軸に沿って前記支持シャフトに取り付けられ、前記支持シャフトが前記動作位置にあるときには前記固形物構成要素と接触し、上側スクレーパ・ブレードと下側スクレーパ・ブレードを含み縦に間隔をあけた少なくとも２つのスクレーパ・ブレードと、前記上側スクレーパ・ブレードが除去した任意の収集した固形物構成要素が前記下側スクレーパ・ブレードに触れずに自由に落下することができるように、上側スクレーパ・ブレードが前記下側スクレーパ・ブレードに対して前記縦軸に沿って角度がずれている、縦に間隔をあけた少なくとも２つのスクレーパ・ブレードとを含むスクレーパ・アセンブリ。

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