JP4789056B2

JP4789056B2 - 遠心機

Info

Publication number: JP4789056B2
Application number: JP2004187622A
Authority: JP
Inventors: 貴弘藤巻; 伸二渡部; 和彦村山; 雅裕稲庭; 光隆坂本
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: JP2006007093A

Description

本発明は、ロータのインバランス発生状態及びロータ回転系の自励振動発生状態を検出し、これらの発生状態が過大になったときロータの回転を止める機能を備えた遠心機に関するものである。

遠心機は、ロータの回転重心をクラウンに載置し、このクラウンに接続されたドライブシャフトを回転駆動する駆動部によりロータを回転し、ロータ内のチューブ穴に収納された試料を遠心分離する。ロータ内の対抗するチューブ穴に収納された試料に容量、質量等の違いがあるといわゆる不釣合い成分を持ちながらロータが回転することになるため、遠心機の回転部に大きな振動を伴って回るインバランス運転状態が発生する。そのため遠心機に於いてはドライブシャフトとして可撓性のあるフレキシブルシャフトを用い、回転するロータの回転重心位置の偏芯をフレキシブルシャフトの撓みで吸収し、容易に高速に回転できるようにしている。

一方、ロータが不釣合い成分を持ちながら回転するために発生するフレキシブルシャフトの回転中の撓み具合すなわち回転中心からの偏芯の度合いを変位センサとなるインバランスセンサで検出し、このインバランスセンサの信号出力が所定の値を超えフレキシブルシャフトの撓みが過大になった場合は、駆動部の回転速度を制御する制御装置が回転を停止する安全装置が設けられている。（例えば特許文献１）
また、上記のフレキシブルシャフトに撓みを発生する要因としてはロータの不釣り合いによる原因のほかに、例えばロータとクラウンの間のガタに起因する内部減衰等により、駆動部を支持する遠心機フレームに設けられたダンパの減衰作用では吸収できない場合等に生じる自励振動による原因がある。この自励振動が発生すると、駆動部が振れ回わるため、フレキシブルシャフトにはいわゆる回転曲げ応力が加わることになり、疲労破壊或いは軸受荷重の増加に伴う軸受の損傷が起きる場合がある。通常、遠心機を設計する際は、この自励振動が発生しないように上記ダンパの減衰率やフレームの強度等を設計している。

従って上記したインバランスセンサの出力値には、ロータの不釣り合いによるフレキシブルシャフトの撓みと、自励振動による撓みの双方の合成値が出力されるが、上記の安全装置の動作点は主にロータの不釣り合いによるフレキシブルシャフトの撓みを検出する目的で設定される。

特開２００１−１０８５５９号公報

上記した自励振動が発生しないように遠心機の設計段階からテストが繰り返し行われるが、発生する原因を特定することは大変困難である。また、遠心機の仕様を超えて長期間使用することによって発生したり、新規開発のロータを旧遠心機で使用する場合など、遠心機の開発段階で予想できないことが原因によって自励振動が発生する場合がある。

上記した安全装置を備えた従来の遠心機では、ロータの不釣り合いによるフレキシブルシャフトの撓みを検出することを目的で安全装置が動作するしきい値が設定されるが、ロータの不釣合いによるフレキシブルシャフトの撓みは、見かけ上ロータの回転周波数で回転しているように見えるが、回転座標系から見ると、一方向のみの撓みとなっている。一方、自励振動による撓みは、ロータの回転周期とは別の周期で駆動部が振れ回わるため、フレキシブルシャフトにはいわゆる回転曲げ応力が加わることになることから、自励振動によって生じる撓みの方がフレキシブルシャフトや、軸受けにダメージを与えることになる。

発明者らの遠心機では、フレキシブルシャフトの径寸法にもよるが、インバランス運転によるフレキシブルシャフトの回転中の撓みで回転を止めるべき限界値は０．５ｍｍから０．６ｍｍ程度であり、一方、自励振動が発生した場合、フレキシブルシャフトの回転中の撓みで回転を止めるべき限界値は０．３mmから０．４mm程度と推定された。

従って、ロータの不釣合いによってフレキシブルシャフトまたは軸受けが損傷することを防止することを目的とする従来の遠心機の安全装置では、遠心機の開発時に予想できなかったことが原因で自励振動が発生した場合において、ロータの不釣合い成分に基づくフレキシブルシャフトの撓みの限界値を閾値として制御装置が駆動部の回転を停止させたのでは、フレキシブルシャフトの疲労破壊或いは駆動部の軸受の損傷を防げないという欠点があった。

また、予め自励振動の発生に対して安全装置が動作する閾値を設定した場合、許容される不釣合いに対する閾値よりも低い値となるため、ロータに受容する試料に許容するインバランス量に達していないにもかかわらず、制御装置が駆動部の回転を停止してしまうため、ロータの回転前に行う試料のバランス取りの作業の負荷を増大させるが欠点があった。

上記の問題点を解決するためには、フレキシブルシャフトの撓みがロータの不釣合いによるものかまたは自励振動によるものかを判別して、それぞれの閾値でロータの回転を停止させる必要がある。

上記の目的を達成するために本発明は、遠心分離する試料を収容するロータと、該ロータが載置されるドライブシャフトと、該ドライブシャフトを回転駆動する駆動部と、前記駆動部の回転数を制御する制御装置と、前記ドライブシャフトの振れを検出する変位センサとを備えた遠心機において、前記変位センサの信号出力から前記ロータのインバランスに基づく信号成分を抽出する第１の信号変換器と、前記変位センサの信号出力から前記遠心機の自励振動に基づく信号成分を抽出する第２の信号変換器を備え、前記制御装置は前記第１の信号変換器の信号出力が予め決められた第１の閾値を超えた場合、或は前記第２の信号変換器の信号出力が予め決められた第２の閾値を超えた場合に前記駆動部の回転を停止することに一つの特徴を有する。

本発明によれば、ドライブシャフトの回転中の変位を検出する変位センサの信号出力から第１の信号変換器により脈動成分を整流平滑したものをインバランス信号出力とし、同様にして変位センサの信号出力から第２の信号変換器により回転中のロータの回転周波数より低い周波数の信号成分のみを通過させるローパスフィルタ処理したものを自励振動信号出力とし、インバランス信号出力と自励振動信号出力をそれぞれ別個の閾値で監視するようにしたので、ロータのインバランス発生状態及びロータ回転系の自励振動発生状態を確実に検出し、これらの発生状態が過大になったときロータの回転を止める機能を備えることができ、フレキシブルシャフトの疲労破壊或いは駆動部の軸受損傷を確実に防止することができる効果がある。

更には、インバランスと自励振動に対して制御装置が駆動部の回転を停止する閾値を個別に設定できることから、自励振動が発生しない限り、ロータに受容する試料に許容できるインバランス量を不必要に小さくしなくてすむことから、オペレータがロータの回転前に行う試料のバランス取り作業の負荷を軽減できる。

本発明になる遠心機の一実施形態を図１、図２、図３、図４、図５を用いて説明する。なお、これらの図に於いて同一の機能部分には同一の番号が付してある。

本発明を実施するのに好適な遠心機は、図1に示す様に、遠心機１は、ロータ２の回転中心をクラウン３に載置し、このクラウン３に接続されたドライブシャフトとなるフレキシブルシャフト４を回転駆動する駆動部５によりロータ２をチャンバ２９の内側で回転し、ロータ２内のチューブ穴に収納された試料を遠心分離する。

駆動部５はダンパ９を介して遠心機フレームにマウントされており、駆動部５にはドライブシャフト４の変位（振れ）を検出しインバランス検出及び自励振動を検出する変位検出センサとなるセンサ6が、フレキシブルシャフト４の表面とギャップ長Ｌとなるように取り付けられている。

７は遠心機の制御装置を示し、駆動部５内の動力源であるモータ１２をインバータ１３で速度制御し、その速度制御指令はマイクロコンピュータ１４から出力される。モータ１２の下端にはロータ２の回転速度検出センサ１５が取り付けられ、この信号出力はシュミットトリガ１６を介してマイクロコンピュータ１４のインターバルタイマ入力端子Ｔ１に入力されマイクロコンピュータ１４がロータ２の回転速度を計測する。

図５に例示する様に、センサ６のコルピッツ発信回路１７の発信出力例えば抵抗器１９と電界効果トランジスタ１８の接続端の信号出力は、ギャップ長Lの変化に対応してその発信振幅が変化し、ギャップ長Lが小さいと発信振幅は小さく、一方ギャップ長Ｌが大きくなると発信振幅は大きくなり、発信周波数は本発明の場合約２ＭＨｚである。

インバランスを伴ない回転するロータ２の回転重心位置の偏芯をフレキシブルシャフト４の撓みで吸収するためフレキシブルシャフト４は撓んだ状態で回転するから、ロータ２の１回転を１周期とする周波数でギャップ長Lが変化する。本発明の遠心機ではロータ２の整定回転数は３００ｒｐｍから２４，０００ｒｐｍの回転数範囲にあるので、この周波数は５Hzから４００Hzとなる。ロータ２の回転に伴うギャップLの変化の度合いを以下に説明する信号処理手段を経てマイクロコンピュータ１４に直流のレベル信号として出力されるようにしている。

すなわち、センサ６の信号処理装置３１の詳細を示す図２に於いて、コルピッツ発信回路１７の中の電界効果トランジスタ１８から、抵抗器１９、２０コンデンサ２１から成るローパスフィルタを介して信号が取り出され、この段階で信号波形はコルピッツ発信回路１７の発信信号の包絡線信号となりギャップ長Lの変化に対応した信号となる。この後インピーダンス変換アンプ２２から直流カットフィルタ２３、全波整流器２４、ローパスフィルタ２５を通過することによりギャップ長Lの変化に対応した信号は直流のレベル電圧信号となりマイクロコンピュータ１４のA/D変換ポートAに入力され、マイクロコンピュータのプログラム処理により予め定められた閾値を超えた場合過大なインバランスに伴いロータ２が回転していると判断し、マイクロコンピュータ１４はインバータ１３にモータ１２の回転の停止を指令しロータ２の回転が停止する。この場合、直流カットフィルタ２３、全波整流器２４、ローパスフィルタ２５で第１の変換器１０を構成する。

次に、ロータ２、駆動部５、ダンパ９から構成される回転系に自励振動が発生すると、駆動部５がダンパ９を支点にして振れ回り、フレキシブルシャフト４とインバランス検出センサ６のギャップ長Lもこの触れ回る周期で変化する。この周期はロータ2の回転周期と比べるとかなり低く、発明者らの遠心機では２０Hz程度である。

自励振動に伴うギャップＬの変化の度合いを以下に説明する信号処理手段を経てマイクロコンピュータ１４が検出可能でかつ上記ロータ２のインバランスに伴う信号出力とは異なる信号として出力されるようにしている。

すなわち、コルピッツ発信回路１７の出力部の電界効果トランジスタ１８から、抵抗器１９、２０コンデンサ２１から成るローパスフィルタを介して信号が取り出され、この段階でコルピッツ発信回路１７の発信信号の包絡線信号となりギャップ長Lの変化に対応した信号となる点はインバランス検出信号処理と共通であり、このあとインバランス検出信号処理と同様にインピーダンス変換アンプ２２を介したあと、カットオフ周波数が２０Hz程度のローパスフィルタ２６を通しインバランスに伴う周波数領域の信号を遮断し、このあとインピーダンス変換アンプ２７、ノイズ吸収のためのカットオフ周波数の高いフィルタ２８を通過させたあとマイクロコンピュータ１４のA/D変換ポートＢに入力される。

この場合、ローパスフィルタ２６、インピーダンス変換アンプ２７、フィルタ２８で第２の信号変換器１１を構成する。なお、本発明の遠心機では自励振動が発生する回転数は約３，０００ｒｐｍ以上であるからので、ロータ2のインバランスに伴う周波数は３，０００ｒｐｍで５０Hz以上となり、カットオフ周波数が２０Hz程度のローパスフィルタ２６を通すことにより、インバランスに伴う周波数領域の信号を遮断可能である。

マイクロコンピュータ１４のA/D変換ポートＢに入力される信号は、直流電圧にギャップ長Ｌの変化に対応した脈動信号が重畳した信号波形となりこの脈動の振幅をマイクロコンピュータのプログラム処理により計測しこの脈動の振幅が予め定められた振幅閾値を超えた場合過大な自励振動が発生しロータ２が回転していると判断し、マイクロコンピュータ１４はインバータ１３にモータ１２の回転の停止を指令しロータ２の回転が停止する。

図３はロータ２がインバランス状態にあり自励振動がほとんどない場合のインピーダンス変換アンプ２２の信号出力端C、マイクロコンピュータ１４のA/D変換ポートＡ及びＢの信号状態を例示したものであり、信号Ｃの周波数がロータ２の回転周期となり信号Ｃの振幅に対応した直流電圧信号Ａとなる。この場合信号Ｃの周期は約３ｍｓｅｃであり周波数は３３３Ｈｚでロータ２は約２０，０００ｒｐｍでインバランスを伴い回転している。信号Ｃの周波数はローパスフィルタ２６のカットオフ周波数より高いためマイクロコンピュータ１４のA／D変換ポートBの信号に大きな脈動はない。従ってロータ２のインバランス状態を確実に検知可能である。

次に、図4はロータ２は大きなインバランス状態になく、ロータ２、駆動部５、ダンパ９から構成される回転系に大きな自励振動が発生している場合のインピーダンス変換アンプ２２の信号出力端Ｃ、マイクロコンピュータ１４のA／D変換ポートＡ及びＢの信号状態を例示したものであり、信号Ｃはロータ２の回転周期信号と回転系の自励振動の振れ回り周期の信号が重畳したものとなる。この場合マイクロコンピュータ１４のA／D変換ポートＡの信号は大きな自励振動が発生しているにもかかわらずさほどの大きさにはならない。一方マイクロコンピュータ１４のＡ／Ｄ変換ポートＢには大きな脈動が現れ、この信号の脈動を元に自励振動発生状態を確実に検知可能である。

なお、マイクロコンピュータ１４のＡ／Ｄ変換ポートＢに脈動信号ではなく自励振動による脈動幅に対応した直流のレベル電圧信号を入力するため、インバランス検出信号処理と同様にローパスフィルタ２６の後の信号処理として直流カットフィルタ、全波整流器、ローパスフィルタを通過させ、直流のレベル電圧信号としマイクロコンピュータ１４のA／D変換ポートＢに入力し、マイクロコンピュータのプログラム処理により計測しこの脈動の振幅を直流レベルの電圧信号に変換した後の値が予め定められたレベル閾値を超えた場合過大な自励振動が発生しロータ２が回転していると判断し、マイクロコンピュータ１４はインバータ１３にモータ１２の回転の停止を指令しロータ２の回転が停止するようにしても良いことは勿論である。

また、インバランス発生に基づくマイクロコンピュータ１４のA／D変換ポートＡの信号から自励振動発生に基づくマイクロコンピュータ１４のA／D変換ポートＢの信号振幅をマイクロコンピュータ１４のソフトウエア処理により引き算し、インバランス発生に基づく信号を正確に抽出し、この信号からインバランスの発生状態を判定するようにしても良い。

は本発明になる遠心機の実施例を示す図である。はセンサ６の信号処理装置３１の詳細を示す図である。は各部の信号状態を例示した図である。は各部の信号状態を例示した図である。はセンサ６のコルピッツ発信回路１７の発信出力とギャップ長Ｌの関係を例示した図である。

符号の説明

２はロータ、３はクラウン、４はドライブシャフト、５は駆動部、６は変位センサ、７は制御装置、８は遠心機フレーム、９はダンパ、１０は第１の信号変換器、１１は第２の信号変換器である。

Claims

遠心分離する試料を収容するロータと、
該ロータが載置されるドライブシャフトと、
該ドライブシャフトを回転駆動する駆動部と、
前記駆動部の回転数を制御する制御装置と、
前記ドライブシャフトの振れを検出する変位センサと、を備えた遠心機において、
前記変位センサの信号出力から前記ロータのインバランスに基づく信号成分を抽出する第１の信号変換器と、
前記変位センサの信号出力から前記遠心機の自励振動に基づく信号成分を抽出する第２の信号変換器を備え、
前記制御装置は前記第１の信号変換器の信号出力が予め決められた第１の閾値を超えた場合、或は前記第２の信号変換器の信号出力が予め決められた第２の閾値を超えた場合に前記駆動部の回転を停止することを特徴とする遠心機。