JP4281570B2 - 遠心分離機 - Google Patents

Description

本発明は、遠心分離機の安全性確保のための構造に関するものである。

遠心分離機では、分離する試料を入れた回転体であるロータが高速回転するため、万が一ロータが破壊したときには大きな破壊エネルギーとなる。実験室用の遠心分離機に関する安全性要求は、国際規格であるＩＥＣ６１０１０−２−０２０に規定されている様に、最大想定事故時の破壊エネルギーを遠心分離機本体内に封じ込める安全性を確保できる構造であることを要求している。具体的には、ロータの破片の封じ込めと、遠心分離機本体の移動に関する制限である。

従来、この破壊エネルギーを封じ込める手段として、小型・冷却遠心分離機と呼ばれるタイプの遠心分離機においては、回転室と数ミリの防護壁が断熱効果を有する発泡材によって一体に形成された部材を、帯状の鋼板によって遠心分離機のフレームに固定し、ロータが破壊した場合には回転室と一体に構成された防護壁を帯状の鋼板の中で回転させる、または帯状の鋼板を小ネジで固定し、ロータが破壊した場合には小ネジが剪断され、回転室と一体に構成された防護壁を回転させることによって、ロータの破壊エネルギーを吸収するとともに、遠心分離機本体に回転力を極力伝えないようにしている（例えば特許文献１）。

さらに数十ミリある防護壁５０を回転室部２０と共に一体化されている場合（図３）や、回転室部２０とは別に防護壁５０を配置する場合（図４）とがある。

また３０，０００ｒｐｍ以上の高速回転をするタイプの遠心分離機においては、回転室の外周に数十ミリの円筒状の合金鋼からできた防護壁がスチールボール上に設けられており、ロータが破壊した場合は、防護壁が変形するとともにスチールボール上を回転することにより、ロータの破壊エネルギーおよび偶力を遠心分離機本体に極力伝えないようにしている（例えば特許文献１）。さらに、薄い円筒状の鋼材で製作された防護壁の内側に鉛等の材料で製作された円筒状の厚い防護壁を一体に設けることによって、ロータの破壊エネルギーを吸収していた（例えば特許文献２）。

特開２００１−１０４８２７号公報

特開昭５０−５６９８８号公報

近年は分離処理する試料の分離時間短縮等が要求され、遠心分離機のロータの高速化が進むとともに、一回の運転で大量の試料が処理できるようロータの大容量化が進み、その結果ロータ破壊時の破壊エネルギーが大きくなってきている。封じ込める破壊エネルギーが大きくなれば、それに従って防護壁を厚くしたり、遠心分離機本体の対策が必要であり、特許文献１の図１に記載されているような構造では、新たに追加された大きな破壊エネルギーを持つロータの破壊エネルギーを封じ込めることができないので、ロータを運転することができないという問題がある。

また、図３に示す従来の遠心分離機のように防護壁５０が回転室部２０と一体に製造されている構造のものにおいて、防護壁５０を厚くしてしまうと重量が重くなり、製造や運搬が大変になり、さらに遠心分離機本体に組み込む場合に非常に扱いにくいといった問題がある。

また、図４に示す従来の遠心分離機では防護壁５０を回転室部２０と一体に設けない場合では上記問題はなくなるが、断熱材８を発泡により成型する場合にはその外周の形状を形成するための型が必要になる。さらに断熱材８の発泡後は型から取出す作業が必要になり非常に作業性が悪く、さらに断熱材８が剥き出しの状態なので運搬中や組立時のちょっとした衝撃により断熱材８を傷めやすく、遠心分離機の冷却能力が低下してしまう問題がある。

また、上記特許文献１の図４に記載されている遠心分離機はロータと大気との摩擦（風損）を低減する為、チャンバーと呼ばれる減圧容器内に回転室や防護壁を配置している。チャンバー内は減圧する為、数十ミリの厚さを有した鋼材で製作され、フレームに固定されている。しかしチャンバー外周面には、減圧後のチャンバー内に大気を流入させるためのバルブや、回転室内のセンサの配線をチャンバー外に引出すためのハーメチックシール等の部品が配置されている。このため、ロータ破壊時のエネルギーがチャンバーに伝達されてしまうと、バルブやハーメチックシール等の部品が飛散してしまったり、遠心分離機本体に回転力を伝達してしまうため、ロータの破壊エネルギーは防護壁で封じ込める必要があり、非常に厚い防護壁が必要となり、組立性が悪いと言う問題があった。

また、上記特許文献２に記載されている遠心分離機は、薄い円筒状の鋼材で製作された防護壁の内側に鉛等の材料で製作された円筒状の厚い防護壁が設けられている。このような構成では、ロータ破壊時のエネルギーの大部分を内側の防護壁で吸収する必要があり、鉛で製作されている円筒状の防護壁を非常に厚くする必要がある。よって遠心分離機の組立性が悪いと言う問題があった。

また、安価に製造するために防護壁を市販のパイプ材（例えばＪＩＳに記載されている一般構造用炭素鋼管）を構成する場合もあるが、市販のパイプ材では外径の大きさや厚み等の寸法は規格化されており、必要な寸法のものが必ずしもあるわけではない。さらに、パイプ材の流通状況によっては規格化されたものが必ず入手できるとは限らない。そのため、裕度をみてパイプ材の厚みや外径は必要寸法より大きめのものを採用することになるので、防護壁が一体に設けられている回転室部の重量さらには遠心分離機本体の重量を重くしていた。

本発明の目的は、上記問題点をなくし、設計上の制約を減らして、製造しやすい安価な構造の遠心分離機を提供することである。

上記目的は、フレームと、フレーム内に配置されたモータと、モータによって回転されるロータと、ロータを収納する回転室と、回転室を冷却するための冷却装置とを備えた遠心分離機において、前記回転室と、前記冷却装置の一部となる蒸発器と、断熱材と、第一の防護壁とを一体に構成した回転室部の外周に、第二の防護壁を備えた遠心分離機によって達成される。

さらに、前記第二の防護壁の厚みを、前記第一の防護壁よりも厚くしたことによって達成される。

本発明によれば、第二の防護壁に市販のパイプ材を採用するにあたり、ロータが破壊した時の破壊エネルギーを封じ込めるのに必要な厚みの寸法が得られなかった場合は、回転室部に配置されている第一の防護壁の厚みを調整することにより、回転室部の重量増加を必要最小限に押えるとともに、必要最小限の防護壁を構成することができ、結果として、製造しやすい安価な構造の遠心分離機とすることができる。

本発明となる遠心分離機１の実施例を図１に示す。フレーム２内には上下を２分割するように仕切板１５が設けられており、フレーム２と仕切板１５により上室１６と、下室１７が形成されている。仕切板１５には略円形の開口部１５ａが形成されており、この開口部１５ａと第一の防護壁（プロテクタ）となる円筒形ケーシング９を有する回転室部２０底部に設けられている略円形の開口部２０ａとが同心になるよう回転室部２０が仕切板１５上に配置されている。回転室部２０は仕切板１５にリング２１に設けられている図示されていない貫通穴を通るネジで、固定されている。さらにその外周には、第二の防護壁（プロテクタ）１０が配置されている。第二の防護壁１０は仕切板１５に設けられている複数のＬ型ストッパー（図示せず）によって横への移動は抑制されているが、回転はすることができるよう保持されている。

回転室部２０は、リング２１と、回転室３を形成するボウル７と、第一の防護壁となる円筒形ケーシング９が、ボウル７と円筒形ケーシング９との空間に発泡材８を充填することにより、これらの部品が一体になるよう構成されている。よってボウル７と発泡材８と円筒形ケーシング９が1つの防護部を形成している。なお、ボウル７の外周部には回転室３を冷却するための冷媒を循環させるためのパイプ（銅製）を巻いた蒸発器６が半田等の接着剤で固定配置されている。開口部１５ａと２０ａにはロータ１２を回転駆動するための手段となるモータ５が、複数の防振ゴム２２およびモータベースを介して仕切板１５にネジによって固定されている。

回転室３の上部には、ドア４が開閉可能にもうけられている。モータ５の先端部にはクラウン部２３が設けられており、ロータ１２がクラウン部２３に着脱可能に接続支持されている。ロータ１２は複数の種類があり、例えば図１に記載されているロータ１２はアンクルロータと呼ばれるタイプのロータが図示されている。この他にはスイングロータ、バーチカルロータと呼ばれるタイプのロータがあり、さらにロータ１２に搭載するサンプルの容量によってもロータ１２の大きさが変わる。

下室１７にはロータ室３を冷却するための冷媒を圧縮および循環するための冷凍機１１と、冷凍機１１で圧縮された冷媒を冷やすためのラジエータ２５とファン２６等が配置されている。

遠心分離機１の運転条件は図示されていない入力部から回転速度、運転時間、設定温度等の条件が入力される。図示されていない制御部は入力された運転条件と、図示されていない記憶部に予め記憶されているロータ１２の仕様データ（例えば、許容最高回転数や温度補正係数等）を読み出し比較して、選択されたロータ１２が入力された条件で運転可能か判断している。

遠心分離機１は使用することができるロータ１２の内で、回転エネルギーが最も大きくなる条件のロータが破壊した時のエネルギーを吸収し、さらに遠心分離機本体外への破片の飛出し、遠心分離機本体の移動量を抑制しなくてはならない。

そこで、ロータ破壊時のエネルギーを封じ込めるのに重要な役目を果たす防護壁（プロテクタ）の必要な厚みを計算によって求めている。例えば、本発明の遠心分離機に使用されるロータの破壊時のエネルギーを吸収するのに必要な防護壁の厚みは１９ｍｍ以上が必要である。しかし、回転室部２０の外径よりも大きな内径を有する市販のパイプ材（例えば一般構造用炭素鋼管）のサイズの中に厚みｔ２が１６ｍｍ以上有するものが無い場合は、第一の防護壁となる円筒形ケーシング９の厚みｔ１を３ｍｍ以上にすることで、ロータの破壊時のエネルギーを吸収するのに必要な防護壁を構成することができる。

なお、円筒形ケーシング９の厚みｔ１は３ｍｍから１０ｍｍ程度にするのがよい。３ｍｍ以下では、発泡材８を充填する時の圧力に耐えられない問題があるのと、厚みを１０ｍｍ以上にしてしまうと回転室部２０が重くなり、運搬や、組立性が悪くなると言った問題が生じるからである。

破壊エネルギーが最大となる条件としては、ロータ１２が遠心分離機１の最大の運転能力で回転している状態でロータが半分に割れたときとされている（ＩＥＣ６１０１０−２−０２０）。破壊した半分のロータ破片は各々回転室３内側に衝突し、ボウル７・蒸発器６・発泡材８・円筒ケーシング９を変形させながら回転室部２０に回転力を伝達し、リング２１部に設けられたネジを切断するか、またはロータ１２が衝突する部分でボウル７・蒸発器６・発泡材８・が２分割され、分割された上部と外側の円筒形ケーシング９に回転力が伝達される。
変形した円筒形ケーシング９は最外周の防護壁１０に衝突する。円筒ケーシング９と防護壁１０には隙間を設けてあり、第一の防護壁の円筒形ケーシング９が第二の防護壁１０に衝突前には、破壊したロータの一部のエネルギーは円筒形ケーシング９等によって消費される。第二の防護壁１０は円周方向には固定されておらず、衝突と同時に回転室部２０の回転が第二の防護壁１０に伝達される。この際、第一の防護壁の円筒形ケーシング９と第二の防護壁１０との円周方向の摩擦（円筒形ケーシング９の外周面と第二の防護壁１０の内周面の摺動摩擦）と、防護壁１０の変形、回転により破壊エネルギーが消費され、遠心分離機本体の外側への影響を最小限に減らしている。

本発明となる遠心分離機の一実施形態を示す断面図。 図１の部分拡大図 従来の遠心分離機の一例を示す断面図。 従来の遠心分離機の一例を示す断面図。

符号の説明

１は遠心分離機、２はフレーム、３は回転室、４はドア、５は駆動モータ、６は蒸発器、７はボウル、８は発泡材、９は円筒形ケーシング、１０は防護壁、１１は冷凍機、１２はロータである。

Claims (1)

1. フレームと、該フレーム内に配置されたモータと、該モータによって回転されるロータと、該ロータを収納する回転室と、該回転室を冷却するための冷却装置とを備えた遠心分離機であって、
   前記回転室を形成するボウル、ボウルの外周に固定されて冷媒が循環される蒸発器、蒸発器の周りに充填された断熱材、断熱材の外周に設けられた第一の防護壁を構成する円筒形ケーシングとを一体に構成した回転室部と、該回転室部の外周に隙間を介して設けられ、市販の規格化されたパイプ材により構成された第二の防護壁とを備え、第一防護壁の厚さを第二防護壁の厚さより薄くすると共に第一防護壁の厚さを変えて、第一防護壁と第二防護壁の厚さの和が所定厚さとなるようにしたことを特徴とする遠心分離機。

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