JP4348144B2 - 遠心分離機 - Google Patents

Description

本発明は各種の試料を成分毎に分離することに利用する遠心分離機に関し、特に運転中にロータが浮き上がって危険な状態に至ることを未然に防止することができる遠心分離機を提供しようとするものである。

遠心分離機は、遠心分離する試料を装着した各種のロータを高速で回転させるための装置であり、用塗によってロータを頻繁に取り替えて実験目的に合ったロータを使用するという使われ方をする。
遠心分離機の制御方法としては、ロータの種類が変わればそのロータに許容された最高回転数や加速特性、減速特性などの駆動条件に合った制御を行わなければならない。
例えば、高周波インダクションモータをインバータで制御する場合には、負荷であるロータの慣性モーメントの大きさに応じて加速特性、減速特性を設定しないと、過電流が流れインバータやモータの故障につながる不具合がある。またロータに過大なアンバランスがあった場合には、危険防止の為に運転を停止する必要がある。

このように遠心分離機を起動させるためには各種の設定が必要なため、その取り扱いが繁雑になる欠点があった。特に多くの試料を次々に分析を行わなければならない場合には面倒な作業を強いられ、分析作業に時間がかかる不都合があった。
このため、本出願人は特許文献１及び特許文献２でこれらの設定作業を自動化した遠心機を提案した。この先に提案した遠心機は各ロータの仕様を予めＲＯＭ或いはＲＡＭ等の記憶手段に記憶させておくと共に、各ロータには各ロータの仕様を表わす複数の磁石を装着し、この磁石を読み取ることにより、その読み取った磁石に従って記憶手段をアクセスし、各ロータの仕様を表わすデータを読み出し、この読み出したデータを起動制御器に設定することにより遠心分離機の起動時の各種設定を自動的に行わせる構成としたものである。

尚、特許文献１では固定部に３６０°にわたって磁気センサを配置し、ロータを回転駆動軸に装着しただけで磁石列を読み取ることができるように構成している。また、特許文献２では、固定部に２個の磁気センサを装着しロータが少なくとも１回転する間にロータに設けた磁石の配列個数を読み取る構造を提案している。
特許第２５１４５５４号明細書 特開２００１−２４６２９２号公報

上述した先行技術によれば、ロータを遠心分離機に装着するだけでロータの仕様が判別され、起動に必要な各種の設定が自動的に行なわれ直ちに運転が開始されるから、短時間に分析作業を完了することができる利点が得られる。
然し乍らロータに載せるサンプルの量、バランスにより回転中に異常振動が発生することや、ロータ付近の気流の影響により、ロータが回転軸より浮き上がり、ロータが回転軸から外れて飛び、試料を損失したり遠心分離機を破損したり場合によっては人身事故に発展するなど重大事故にもつながる場合がある。

従来はロータの浮き上がりを直接検出する方法はなく、ロータが回転軸から抜け始めると、ロータがアンバランスになるのでモータに異常な振動が発生する。その振動をセンサにより検出し、事故を防いでいた。しかし、高速に回転している場合にはモータの振動を検出してもすでにロータが抜けかかっているので必ずしも事故を確実に防げるとは言い難い。
この発明の目的はロータの浮き上がりを直接検出し、ロータがアンバランスな状態に至る前の状態で危険を検知することができ遠心分離機を提案しようとするものである。

この発明の請求項１では回転駆動軸に対して各種仕様が異なるロータが着脱自在に装着され、ロータの仕様に合わせて回転駆動軸の回転駆動特性が制御され、ロータには回転駆動軸を軸芯とする円周に沿って各ロータの仕様を表わす磁石を具備し、この磁石の取付面と対向する固定部に磁石の配列パターンを読み取るための磁気センサを装備した遠心分離機において、運転初期に検出した磁石の配列パターンを記憶する記憶手段と、運転中に検出した磁石の配列パターンと記憶手段に記憶した磁石の配列パターンとを比較する比較手段と、この比較手段が磁石の配列パターンの一致を検出する間上記回転駆動軸の駆動を維持し、磁石の配列パターンの不一致を検出すると上記回転駆動軸の駆動を停止させる停止制御手段とを具備している遠心分離機を提案する。

この発明の請求項２では回転駆動軸に対して各種仕様が異なるロータが着脱自在に装着され、ロータの仕様に合わせて回転駆動軸の回転駆動特性が制御され、ロータには回転駆動軸を軸芯とする円周に沿って各ロータの仕様を表わす磁石を具備し、この磁石の取付面と対向する固定部に磁石の個数を読み取るための磁気センサを装備した遠心分離機において、運転初期に検出した磁石の個数を記憶する記憶手段と、運転中に検出した磁石の個数と記憶手段に記憶した磁石の個数とを比較する比較手段と、この比較手段が磁石の個数の一致を検出する間上記回転駆動軸の駆動を維持し、磁石の個数の不一致を検出すると上記回転駆動軸の駆動を停止させる停止制御手段とを具備している遠心分離機を提案する。
この発明の請求項３では回転駆動軸に対して各種仕様が異なるロータが着脱自在に装着され、ロータの仕様に合わせて回転駆動軸の回転駆動特性が制御され、ロータには回転駆動軸を軸芯とする円周に沿って各ロータの仕様を表わす磁石を具備し、この磁石の取付面と対向する固定部に磁石相互間の角度を読み取るための磁気センサを装備した遠心分離機において、運転初期に検出した磁石相互間の角度を記憶する記憶手段と、運転中に検出した磁石相互間の角度と記憶手段に記憶した磁石相互間の角度とを比較する比較手段と、この比較手段が磁石相互間の角度の一致を検出する間上記回転駆動軸の駆動を維持し、磁石相互間の角度の不一致を検出すると上記回転駆動軸の駆動を停止させる停止制御手段とを具備している遠心分離機を提案する。

この発明による遠心分離機によればロータに装着した磁石の配列パターン、または磁石の個数、または磁石相互間の角度を運転中も常時読み取り、磁石の配列パターン、または磁石の個数、または磁石相互間の角度が運転初期の状態から変化したことを検出してロータの浮き上がりを検出する。この検出方法を採ることによりロータの浮き上がりを初期の段階から検出することができる。この結果、安全性の高い遠心分離機を提供することができる。

従来より遠心分離機に装着されているロータ判別センサを流用してロータに装着した磁石の配列パターン、または磁石の個数、または磁石相互間の角度を読み、運転開始時又は運転開始の初期の段階で正常な磁石の配列パターン、または磁石の個数、または磁石相互間の角度を記憶する。ロータの回転が高められていく過程及びロータの回転が予定した回転域に達した時点でも常時、磁石の配列パターン、または磁石の個数、または磁石相互間の角度を読み取り、この読み取った磁石の配列パターン、または磁石の個数、または磁石相互間の角度と初期の段階で記憶した磁石の配列パターン、または磁石の個数、または磁石相互間の角度とを比較し、不一致が発生した時点でロータの浮き上がりと判定し、ロータを停止させる制御を施す。

図１乃至図４を用いてこの発明の実施例１を説明する。図１にロータと、このロータに装着した磁石と、磁石の配列を読み取る磁気センサの配置を示す。図１に示す１はロータ室、２はモータ、３は固定部、４は回転駆動軸、５はロータ、７は磁気センサをそれぞれ示す。
ロータ５は回転駆動軸４に対して着脱自在に支持され、モータ２の駆動によりロータ室１の内部で高速回転する。ロータ５の底部に磁石が装着される。図２に示すように例えば１８０°の角度範囲を３０°ずつに区切り、３０°角度間隔にこの例では７個所の磁石の装着可能位置ｕ１〜ｕ７を設定する。磁石の装着可能位置ｕ１〜ｕ７の何れかに任意の組合せの配列で磁石を装着する。図２Ａに示す例では磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４をそれぞれ装着可能位置ｕ１，ｕ３，ｕ５，ｕ７に装着した場合を示す。装着可能位置を７個所としてから、磁石の配列のパターンは１２８通りの組合せが可能である。

図２Ｂに磁気センサ７の配置の例を示す。図２Ｂに示す例では１２個のＡ群のセンサＡ１〜Ａ１２と、１２個のＢ群の磁気センサＢ１〜Ｂ１２を交互に１５°角間隔で３６０°の範囲にわたって配置した場合を示す。このＡ群の磁気センサＡ１〜Ａ１２とＢ群の磁気センサＢ１〜Ｂ１２の検出信号を使って磁石の配列パターンを読み取る。このように磁気センサを配置することによりロータ２が静止状態でも、回転状態でも何れでも磁石の配列パターンを読み取ることができる。磁石の配列パターンの読み取りに関しては特許文献１を参照。

図３に遠心分離機の電気系の構成を示す。制御器としてマイクロコンピュータ２０を用いた場合を示す。マイクロコンピュータ２０は周知のように、中央演算処理装置（ＣＰＵ）２１と、読出専用メモリ（ＲＯＭ）２２と、書き替え可能なメモリ（ＲＡＭ）２３と、入力ポート２４、出力ポート２５とを具備して構成される。
入力ポート２４には磁気センサ７、回転検出器８、スタートスイッチ９、回転条件設定器１０等が接続され、各種の検出信号及び操作系の設定信号等が入力される。出力ポート２５には運転条件表示器１１と、モータ１２、冷凍機１３、各種装置１４が接続され、運転条件の表示、モータ１２のスタート／ストップ、冷凍機１３のスタート／ストップ等が制御される。

特許文献１で提案された遠心分離機では読出専用メモリ（以下ＲＯＭと称す）２２に予め駆動可能なロータの種別を表わす磁石の配列パターンの表を用意し、回転駆動軸４にロータ５を装着すると、磁気センサ７がその装着されたロータの磁石の配列パターンを読み取り、その磁石の配列パターンが磁石の配列パターンの表に存在するか否かを照合し、存在した場合は、その表に用意して各ロータ５の運転条件を読み出し、その運転条件に従ってモータ１２、冷凍機１３、各種装置１４を制御し、ロータ５を駆動する構成としたものである。

この発明では、先に提案した磁石の配列パターンの読み取り機能を利用してロータ５の浮き上がりを検出しようとするものである。このためにこの発明では書き替え可能なメモリ（以下ＲＡＭと称す）２３に記憶手段２３Ａと、比較手段２３Ｂと、停止制御手段２３Ｃとを設ける。
記憶手段２３Ａにはロータ５を回転駆動軸４に装着した時点で読み取った磁石の配列パターンを記憶する。比較手段２３Ｂは運転中に読み取った磁石の配列パターンと記憶手段２３Ａに記憶した磁石の配列パターンとを一定の時間毎（例えば３０ｍｓ毎）に比較する。停止制御手段２３Ｃは比較手段２３Ｂが磁石の配列パターンの一致を検出している間はモータ２の駆動を維持し、磁石の配列パターンの不一致を検出すると、モータ１２の駆動を停止させる制御を施す。

ここで記憶手段２３Ａに記憶した磁石の配列パターンと運転中に読み取った磁石の配列パターンとが不一致になる現象としては、ロータ５が所定の装着装置より浮き上がった状況が考えられる。つまり、ロータ５が所定の装着位置より浮き上がることにより、磁石と磁気センサ７との間の間隔が大きくなって磁気センサ７が磁石の通過を検知できなくなったと判定することができる。
従って、記憶手段２３Ａに記憶した磁石の配列パターンと運転中に読み取った磁石の配列パターンとが不一致の状態になった時点でロータ５が浮き上がったと判定し、モータ１２の駆動を停止させることにより、ロータ５の浮き上がりによって発生する可能性の高い事故を未然に防止することができる。

図４は上記の動作を実行するプログラムの概要を説明するためのフローチャートを示す。電源オンと同時にステップＳＰ１で磁気センサによりロータ５に付した磁石の配列パターンを読み取る。
ステップＳＰ２で磁石の配列パターンを決定。
ステップＳＰ３で磁石の配列パターンの表に該当するロータが有るか否かを判定。該当するロータが無い場合はステップＳＰ４に分岐し、エラー表示と共に運転不可を表示する。
該当するロータが存在した場合はステップＳＰ５に進み、このステップＳＰ５でステップＳＰ１で読み取った磁石の配列パターンを記憶手段２３Ａに記憶する。
ステップＳＰ６ではスタートスイッチ９の入力信号待ちの状態となる。
スタートスイッチ９がスタート信号を発信すると、運転が開始される（ステップＳＰ７）。
運転中も磁気センサ７は磁石の配列パターンを読み取る（ステップＳＰ８）。

ステップＳＰ９では記憶手段２３Ａに記憶した磁石の配列パターンと、運転中に読み取った磁石の配列パターンとを比較する。磁石の配列パターンが一致している間はステップＳＰ１１に進み、このステップＳＰ１１でスタート／ストップスイッチ９からストップ指令が出されていないかを判別し、ストップ指令が出されていなければステップＳＰ８に戻り、ステップＳＰ８とＳＰ９とＳＰ１１を繰返す。
ステップＳＰ９で磁石の配列パターンに不一致が検出された場合はステップＳＰ１０に分岐し、エラー表示と共にモータ１２の停止制御を実行する。

図５を用いてこの発明の実施例２を説明する。この実施例２では特許文献２で提案した遠心分離機にこの発明を適用した場合を示す。特許文献２では磁石の数を計数し、磁石の数を利用し、ロータ５の種別を判定する方法を採る。
磁石Ｍの数の計数方法を簡単に説明する。磁石Ｍを１８０°の角度範囲に配置した場合には固定部３（図１参照）には磁石Ｍを配列した円周と対向して磁気センサ７Ａと７Ｂを磁石Ｍを配置した角度範囲の両端に配置する。つまり、図５Ａに示すように磁気センサ７Ａと７Ｂを１８０°の位置に配置する。

図５Ａに示した状態で磁気センサ７Ａと７Ｂは同時に磁石Ｍ１とＭ７の存在を検知する。この検知状態を計数の開始信号として利用することにより、その状態からロータ５が時計廻り方向に半回転する間に磁気センサ７Ｂは磁石Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６の通過を検出する。磁気センサ７Ｂの検出信号を計数することにより５個の磁石Ｍ２〜Ｍ６の存在を検出することができる。磁石Ｍ６が磁気センサ７Ｂを通過し、磁石Ｍ７が磁気センサ７Ｂと対向する位置に到来すると、このときは磁石Ｍ１は磁気センサ７Ａと対向している。従って、磁石Ｍ１とＭ７が同時に磁気センサ７Ａと７Ｂに対向している状態となる。この状態で磁石Ｍの計数終了と、計数の開始とを指令させ、２回目の計数を開始させる。１回目の計数値と２回目の計数値が一致した段階で磁石Ｍの数を正しく計数したと判定し、磁石Ｍの数値に従ってロータ５の品種の決定をすることができる。図５Ｂは磁石を６個とした場合を示す、この場合は磁気センサ７Ａと７Ｂが同時に磁石を検出した時点から磁石の個数を計数すれば正しい個数を計数することができる。

このように、磁石の取付角度範囲の両端に磁気センサ７Ａと７Ｂを配置する構成とし、更に磁石の取付角度範囲を１８０°に採った場合はロータ５が１回転する間に磁気センサ７Ａと７Ｂが同時に磁石の存在を検出する機会は必ず２回与えられる。また、磁石の取付角度範囲を１８０°より小さい角度に配置し、磁気センサ７Ａと７Ｂをその取付角度範囲の両端に配置した場合は磁気センサ７Ａと７Ｂは少なくともロータ５が１回転する間に必ず１回は磁石の存在を同時に検出する機会が与えられる。
従って、他に回転軸４が１回転したことを検出する手段を設けなくても、磁気センサ７Ａと７Ｂが同時に磁石の存在を検出した信号を利用することにより、ロータ４の回転速度が不明であってもロータ５に取り付けられている磁石の数を正確に計数することができることになる。

この発明の実施例２ではこの磁石の個数検出機能を利用して運転初期（ロータ５の回転速度が比較的遅い状態）で検出した磁石の個数と運転中に検出した磁石の個数を比較し、数に不一致が検出された場合はロータ５が浮き上がったと判定し、モータ１２の駆動を停止させるように構成する。
従って、この実施例では図３に示した電気系において、記憶手段２３Ａに運転開始直後に検出した磁石の数を正しい磁石の個数として記憶し、この記憶した磁石の個数と運転中に検出した磁石の個数とを比較手段２３Ｂで比較し、数値が一致している間は運転を続けるが、不一致が発生した場合はロータ５が浮き上がったと判定し、停止制御手段２３Ｃによりモータ１２の駆動を停止させる。このようにしても、ロータ５の浮き上がりによる事故を未然に防ぐことができる。

図６にこの発明の実施例３で用いるセンサの部分を説明する。この実施例３では１個の磁気センサ７と、回転駆動軸４の回転が所定の角度、例えば６°進む毎にパルスを発生し、回転駆動軸４の回転角位置を検出する回転検出器８（図１及び図３参照）を利用して磁石の取付位置の角度の最大値を計測し、取付位置の角度の最大値が変化したことを検出してロータ５の浮き上がりを検出する構成とした場合を示す。

このためにこの実施例ではロータ５に複数個の磁石、図６では３個の磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を等間隔に装着した場合を示す。３個の磁石Ｍ１〜Ｍ３の取付角θ１，θ２，θ３を例えばθ１＝θ２＝θ３＝１２０°とし、この角度１２０°をそのロータに割当た品種の角度に設定する。固定部３には１個の磁気センサ７を装着し、この１個の磁気センサ７で磁石Ｍ１〜Ｍ３の通過を検出する。磁石Ｍ１〜Ｍ３が磁気センサ７の位置を通過する毎に回転検出器８が出力する角度パルスの計数動作の開始と停止を繰返し、磁石Ｍ１とＭ２及びＭ２とＭ３、Ｍ３とＭ１の相互の取付位置の角度θ１，θ２，θ３を計測する。運転に先だってロータ５の品種を特定するための仮運転を行ない磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の各相互の取付角度θ１，θ２，θ３を計測し、ロータ５の品種を特定する。ロータ５の品種が図３に示したマイクロコンピュータ２０に登録されてあれば引き続いて運転開始となる。このとき、初期の角度を記憶手段２３Ａに記憶する。

運転開始後、ロータ５の回転速度が高められていく過程及び目的とする回転速度に達した時点でも磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の相互の取付角度θ１，θ２，θ３の計測を継続し、その最大角度を求め、その最大角度を求める毎に比較手段２３Ｂで初期の計測値と比較する。
比較の結果、計測した最大角度と記憶してある角度の値が一致している間は運転を継続する。不一致が発生した場合はロータ５の浮き上がりと判定し、モータ１２の駆動を停止させる。
このように、この発明によれば各種の方法を利用してロータ５の浮き上がりを検出することができる。

本発明による遠心分離機によれば、取扱が容易なことと、大きな事故の発生を防ぐ機能を備えているから、誰にでも簡単に然も安全に利用することができる。この結果、病院等で広く利用することができる。

遠心分離機の基本的な構造を説明するための側面図。 実施例１を説明するための図。 実施例１を説明するためのブロック図。 実施例１の動作を説明するためのフローチャート。 実施例２を説明するための図。 実施例３を説明するための平面図。

符号の説明

１ ロータ室
２ モータ
３ 固定部
４ 回転駆動軸
５ ロータ
Ｍ１〜Ｍ７ 磁石
７ 磁気センサ
８ 回転検出器
２０ マイクロコンピュータ
２１ ＣＰＵ
２２ ＲＯＭ
２３ ＲＡＭ
２３Ａ 記憶手段
２３Ｂ 比較手段
２３Ｃ 停止制御手段
２４ 入力ポート
２５ 出力ポート

Claims (3)

1. 回転駆動軸に対して各種仕様が異なるロータが着脱自在に装着され、ロータの仕様に合わせて上記回転駆動軸の回転駆動特性が制御され、上記ロータには上記回転駆動軸を軸芯とする円周に沿って各ロータの仕様を表わす磁石を具備し、この磁石の取付面と対向する固定部に磁石の配列パターンを読み取るための磁気センサを装備した遠心分離機において、
   運転初期に検出した磁石の配列パターンを記憶する記憶手段と、
   運転中に検出した磁石の配列パターンと上記記憶手段に記憶した磁石の配列パターンとを比較する比較手段と、
   この比較手段が磁石の配列パターンの一致を検出する間上記回転駆動軸の駆動を維持し、磁石の配列パターンの不一致を検出すると上記回転駆動軸の駆動を停止させる停止制御手段と、
   を具備していることを特徴とする遠心分離機。
2. 回転駆動軸に対して各種仕様が異なるロータが着脱自在に装着され、ロータの仕様に合わせて上記回転駆動軸の回転駆動特性が制御され、上記ロータには上記回転駆動軸を軸芯とする円周に沿って各ロータの仕様を表わす磁石を具備し、この磁石の取付面と対向する固定部に磁石の個数を読み取るための磁気センサを装備した遠心分離機において、
   運転初期に検出した磁石の個数を記憶する記憶手段と、
   運転中に検出した磁石の個数と上記記憶手段に記憶した磁石の個数とを比較する比較手段と、
   この比較手段が磁石の個数の一致を検出する間上記回転駆動軸の駆動を維持し、磁石の個数の不一致を検出すると上記回転駆動軸の駆動を停止させる停止制御手段と、
   を具備していることを特徴とする遠心分離機。
3. 回転駆動軸に対して各種仕様が異なるロータが着脱自在に装着され、ロータの仕様に合わせて上記回転駆動軸の回転駆動特性が制御され、上記ロータには上記回転駆動軸を軸芯とする円周に沿って各ロータの仕様を表わす磁石を具備し、この磁石の取付面と対向する固定部に磁石相互間の角度を読み取るための磁気センサを装備した遠心分離機において、
   運転初期に検出した磁石相互間の角度を記憶する記憶手段と、
   運転中に検出した磁石相互間の角度と上記記憶手段に記憶した磁石相互間の角度とを比較する比較手段と、
   この比較手段が磁石相互間の角度の一致を検出する間上記回転駆動軸の駆動を維持し、磁石相互間の角度の不一致を検出すると上記回転駆動軸の駆動を停止させる停止制御手段と、
   を具備していることを特徴とする遠心分離機。

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