JP4941877B2 - 遠心分離機用ロータ及び遠心分離機 - Google Patents

Description

本発明は、医学、薬学、遺伝子工学等の分野において各種試料の分離処理に使用されている遠心分離機とこれに備えられるロータに関するものであって、特にロータの軽量化と空気抵抗（風損）の低減及びそれに伴う高性能化に関するものである。

冷却遠心機と呼ばれる遠心分離機は、遠心分離される液体試料が注入された試験管を保持したロータを冷却しながら大気圧下又は低真空下で高速回転させることによって液体試料を遠心分離するものであって、最高回転数が５，０００〜３０，０００ｒｐｍ程度まで様々なロータが用途に応じて準備されている。

ところで、液体試料としては、血液成分や培養液或はＤＮＡやＲＮＡを含む液体等があり、これらの液体試料を用いた様々な実験が盛んに行われるようになり、製造、検査、実験等の工程で必要となる遠心分離工程の効率向上、或は低コスト化が求められている。

遠心分離工程は、ロータの回転数を上昇させることによって液体試料に与える遠心加速度を大きくして分離速度を上げ、目的物の回収率を向上させるとともに、一度に処理することができる試料量を増やすことによって効率の向上を図ることができる。又、低コスト化は、ロータが安価であることはもとより、遠心分離機本体も安価であることが必要であり、そのためには、基本的に構成部材が少ないことが肝要である。

本発明の対象は、高速冷却遠心機とこれに使用されるロータであるが、ロータとしは特に大容量アングルロータを対象とする。

冷却遠心機に使用される最も一般的なロータは、アングルロータと呼ばれ、試験管の容量が２ｍｌ／本程度〜１，０００ｍｌ／本程度、保持する本数は４本／ロータ〜２０本／ロータ程度まで各種のものがあり、一般的には軽量で高強度なアルミニウム合金で構成されている。これらのロータの中で、例えば３００ｍｌ×６本、５００ｍｌ×６本或は１，０００ｍｌ×６本等の大容量アングルロータは、ロータボディの最大直径が概ねφ３００ｍｍを超える大型となり、アルミニウム合金の中実体に試験管挿入穴や駆動軸穴を機械加工によって穿孔して製造されるため、重量が１５ｇを超え、最も重いものは２５ｋｇ程度に達するものまである。このアングルロータの従来例を図５に示す。

図５は従来のアングルロータの破断側面図であり、図示のロータ１０１には、複数の試料挿入凹部１０２（図５には１つのみ図示）が円周に沿って等角度ピッチで形成されており、各試料挿入凹部１０２には、液体試料１０６が注入された試料容器１０５が挿入保持されている。そして、ロータ１０１の上面開口部にはロータカバー１０３が被せられており、このロータカバー１０３がハンドル１０４によってロータボディ１０８に固定されることによってロータ１０１内が密閉されている。又、ロータボディ１０８の中心軸下部には駆動軸穴１０７が形成されており、この駆動軸穴１０７には遠心分離機の不図示の駆動軸が挿入嵌合され、ロータ１０１は、駆動軸によって所定速度で回転駆動される。

ところで、ロータの材質には、通常はアルミニウム合金やチタン合金等の軽量で高強度な材料が使用されるが、試料容器の大型化に伴ってサンプルホルダやロータも大型化せざるを得ず、これらに軽量な材料を用いても２０ｋｇ前後と重い場合が多く、持ち運びが容易でない等、ユーザーに大きな負担を強いる結果となっていた。このため、ロータに軽量化が望まれていた。

上記要求に応える製品として、本出願人が平成８年〜平成１４年まで販売した大容量カーボンファイバー製アングルロータがある。この製品は、特許文献１に記載されたような構成を有し、ロータの主素材にカーボンファイバーとエポキシ樹脂の複合材料を使用することによって軽量化を図り、更にロータ外周部をアルミニウム合金製のシェル部材で覆い、回転時の空気抵抗（風損）の低減を図る工夫がなされたもので、３００ｍｌ×６本、５００ｍｌ×４本、１，０００ｍｌ×４本及び１，０００ｍｌ×６本の４種類が販売されていた。これらのロータは、重量が８〜１２ｋｇであり、アルミニウム合金の密度が約２．８ｇ／ｃｍ３
に対して、カーボンファイバー複合材のそれは１．６ｇ／ｃｍ３ と小さいために約４０〜６０％の軽量化が図られていた。

しかしながら、カーボンファイバー製ロータは、高価なカーボンファイバーを使用し、成形や加工にアルミニウム合金製のものよりも多くの手間が掛かるため、製造原価が高く、従って、販売価格もアルミニウム合金製のものに対して１．５〜２．５倍と高く、ユーザーにとって大きな経済的負担となっていた。

そこで、コスト的に有利なアルミニウム合金を多用してロータの軽量化るための提案もなされている（特許文献２参照）。

ここで、この種のロータの一例を図６及び図７に基づいて説明する。

図６は従来のアングルロータの破断側面図、図７（ａ），（ｂ）は図６のＢ部拡大詳細図である。

図６に示すロータ２０１は、アルミニウム合金製のロータボディ２１２に複数の貫通孔２１４（図６には１つのみ図示）が周方向に等角度ピッチで形成されており、各貫通孔２１４には、内部に不図示の試料容器を保持するためのサンプルホルダ２１３が挿入されている。そして、ロータボディ２１２の軸中心下部には駆動軸穴２２０が形成されており、この駆動軸穴２２０には遠心分離機の不図示の駆動軸が挿入嵌合される。

そして、ロータ２０１は、遠心分離中の空気との摩擦による発熱と空気抵抗による回転抵抗を低く抑えるために、そのロータボディ２１２の下半部には椀状のシェル２１５が被着され、上半部には着脱可能な鍋蓋状のロータカバー２１６が被着されており、ロータカバー２１６は、これの中心部を貫通してロータボディ２１２の上部中心に螺着されたハンドル２１７によってロータボディ２１２の上半部に固定されている。
特許第２９０２１１６号公報 特表平７−５００２８４号公報

ところが、図６に示した従来のロータ２０１は、軽量化という面では優れているが、ロータボディ２１２の外表面を覆うための上下に分割されたロータカバー２１６とシェル２１５は、図７（ａ）に示すように、上下に単に突き当てて接合されていたため、製造誤差等によっては接合部に上下方向の隙間ΔＳが発生していた。このため、ロータ２０１を高速で回転駆動すると、薄肉大径のロータカバー２１６とシェル２１５が遠心力によって変形して図７（ｂ）に示すように外側に膨らみ、両者の接合部に上下方向の大きな隙間ΔＳ’が発生し、この隙間ΔＳ’のために風損が大きくなってロータ２０１の性能が低下したり、騒音が発生するという問題があった。

従って、本発明の第１の目的は、軽量化とコストダウンを図りつつ、風損と騒音を低く抑えて性能向上を図ることができる遠心分離機用ロータとこれを備えた遠心分離機を提供することにある。

又、図６に示した従来のロータ２０１においては、ロータカバー２１６の外周面が下方に向かって一様に広がる平坦面を成していたため、該ロータカバー２１６の剛性が低くてロータカバー２１６が変形し易いという問題の他、ロータカバー２１６の空気との接触面積が大きいために発熱量と風損も大きくなるという問題もあった。

従って、本発明の第２の目的は、ロータカバーの剛性を高めてその変形を小さく抑えるとともに、発熱量と風損を小さく抑えて性能向上を図ることができる遠心分離機用ロータとこれを備えた遠心分離機を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１記載の発明は、試料容器が着脱可能に挿入されるサンプルホルダを有するロータボディと、該ロータボディの下半部の周囲を覆うように設けられた椀状のシェルと、前記ロータボディの上半部の周囲を覆うように着脱可能に設けられた鍋蓋状のロータカバーとを有する遠心分離機用ロータにおいて、前記ロータカバーの下端部は、下方にいくに従って内周面が外側に開くテーパ面を有し、前記シェルの上端部は、上方にいくに従って外周面が縮径するテーパ面を有し、上記２つのテーパ面を上下方向にオーバーラップするように、前記シェルと前記ロータカバーの接合部を形成したことに一つの特徴を有する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ロータカバーの外周面に段部を形成し、該段部を境としてこれより上の部分を下の部分よりも小径としたことを特徴とする。

請求項３記載発明は、試料容器が着脱可能に挿入されるサンプルホルダを有するロータボディと、該ロータボディの下半部の周囲を覆うように設けられた椀状のシェルと、前記ロータボディの上半部の周囲を覆うように着脱可能に設けられた鍋蓋状のロータカバーとを有するロータと、該ロータをロータ室内で回転駆動する駆動手段と、を備え、前記ロータに保持された試料用容器内の試料を遠心分離する遠心分離機において、前記ロータカバーの下端部は、下方にいくに従って内周面が外側に開くテーパ面を有し、前記シェルの上端部は、上方にいくに従って外周面が縮径するテーパ面を有し、上記２つのテーパ面を上下方向にオーバーラップするように、前記シェルと前記ロータカバーの接合部を形成したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記ロータカバーの外周面に段部を形成し、該段部を境としてこれより上の部分を下の部分よりも小径としたことを特徴とする。

請求項１及び３記載の発明によれば、ロータのシェルとロータカバーとの接合部において、両者の端縁同士を上下方向にオーバーラップさせたため、遠心分離中にシェルとロータカバーが遠心力を受けて変形して外側に膨んでも、両者の端縁部同士は接合部において依然として上下方向にオーバーラップし、接合部に上下方向の隙間が発生せず、隙間による風損や騒音が低く抑えられてロータの性能低下が防がれる。

請求項２及び４記載の発明によれば、ロータのロータカバーの外周面に段部を形成したため、該ロータカバーの形状変化による剛性向上に加えて、段部の加工による加工硬化によって強度向上を図ることができ、これによってロータカバーの変形が小さく抑えられる。又、ロータカバーの外周面の段部よりも上の部分を下の部分よりも小径としたため、この上の部分の空気との接触面積が小さく抑えられ、空気との摩擦に伴う発熱と風損が小さく抑えられてロータの性能向上が図られる。

尚、請求項１〜４記載の発明によれば、ロータは、ロータボディがシェルとロータカバーによって覆われるため、該ロータボディの形状に制限を受けず、減肉部を設けて無駄肉を可能な限り除去することによって軽量化とこれに伴うコストダウンを図ることができる。又、ロータを構成するロータボディやシェル、ロータカバー等の材質として、安価で加工性に富むアルミニウム合金を使用することができるため、ロータ、延ては遠心分離機のコストダウンを図ることができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

先ず、本発明に係る遠心分離機の基本構成を図１に基づいて説明する。

図１は本発明に係る遠心分離機の縦断面図であり、図示の遠心分離機１は、冷却遠心機と呼ばれるものであって、矩形箱形の筐体２２を備えている。そして、この筐体２２の内部は水平な仕切板２３によって上下２段の空間に仕切られており、上段の空間には、上面が開口するチャンバ２が収容され、その周囲には冷却パイプ６が巻装されるとともに、断熱部２４が配置されている。又、筐体２２の前記チャンバ２の横には、操作・表示部を含む制御装置４が配置されている。尚、前記冷却パイプ６は、不図示の冷凍装置に接続されている。

又、上記チャンバ２の上面には、開閉可能なドア５が設けられ、チャンバ２内には該チャンバ２とドア５によって密閉されるロータ室２５が形成されており、このロータ室２５内には本発明に係るロータ１１が回転可能に収容されている。

他方、筐体２２内の前記仕切板２３によって仕切られた下段の空間には、仕切板２３に取り付けられた駆動装置３が収容されており、この駆動装置３に内蔵された不図示のモータから垂直上方へと延びる駆動軸２６は、前記チャンバ２の底部を貫通して前記ロータ室２５内に臨み、その上端部には本発明に係るロータ１１が着脱可能に装着されている。

次に、本発明に係る前記ロータ１１の構成の詳細を図２〜図４に基づいて説明する。

図２は本発明に係るロータのロータカバーを取り外した状態の平面図、図３は同ロータの破断側面図、図４は図３のＡ部拡大詳細図であり、（ａ）は停止中の状態、（ｂ）は運転中の状態をそれぞれ示す。

本発明に係るロータ１１のロータボディ１２には、４つの円筒状貫通孔１４が周方向に等角度ピッチ（９０°ピッチ）で形成されており、図２に示すように、該ロータボディ１２の周方向に隣接する貫通孔１４の間の外周部には、軽量化と応力低減を図るための減肉部２１が形成されている。ここで、図３に示すように、各貫通孔１４は、下方に向かって広がるよう垂直に対して所定角度だけ傾斜して形成されており、これらの貫通孔１４内には、上面が開口する有底筒状のサンプルホルダ１３それぞれ挿入されている。

そして、上記サンプルホルダ１３の内部には、図１に示すように、内部に試料１９を収容して成る試料容器１８が着脱可能に挿入保持されており、ロータ１１のロータボディ１２の回転軸下部には駆動軸穴２０が形成されており、この駆動軸穴２０には前記駆動軸２６（図１参照）が挿入嵌合される。

ところで、ロータ１１は、遠心分離中の空気との摩擦による発熱と空気抵抗による風損を低く抑えるために、そのロータボディ１２の下半部の周囲には、椀状に成形された薄肉大径のシェル１５が複数のネジ２８（図３には１本のみ図示）によって被着され、同ロータボディ１２の上半部の周囲には、鍋蓋状に成形された着脱可能な薄肉大径のロータカバー１６が被着されている。そして、ロータカバー１６は、これの中心を貫通してロータボディ１２の上部中心に螺着されたハンドル１７によってロータボディ１２の上半部に取り付けられている。

尚、ロータ１１のロータボディ１２やサンプルホルダ１３、シェル１５及びロータカバー１６の材質には、軽量で加工製に富み且つ比較的安価なアルミニウム合金が使用されている。特に、ロータボディ１２やサンプルホルダ１６にはアルミニウム合金の厚板や丸棒材料を使用するのが原価的に有利であり、加工性も良いために容易に所望形状を得ることができる。

ロータボディ１２の隣接する貫通孔１４間の減肉部２１は、貫通孔１４に対してできるだけ均一に肉が付くように減肉するのが軽量化の効果を高める上で重要である。このような減肉加工においては、現在の数値制御式加工機械を用い、加工制御用プログラムを作成することによって自動加工が可能であるため、加工費の上昇を低く抑えることができる。又、シェル１５とロータカバー１６は、アルミニウム合金の薄板をプレス成形や絞り加工することによって所望の形状に容易に成形されるため、それらの製作費を低く抑えることができるとともに、加工することによる加工硬化でによって強度アップを期待することができる。

ここで、本発明の要旨について説明する。

前記構成を有するロータ１１においては、図３に示すように、前記ロータカバー１６の外周面の中間高さ位置には段部１６Ａが全周に亘って形成されており、該ロータカバー１６の前記段部１６Ａを境としてこれより上の部分は絞られて下の部分よりも小径に成形され、２段構造なっている。尚、前述のように、ロータカバー１６をロータボディ１２の上半部に被せ、これをハンドル１７によってロータボディ１２に固定した状態では、図３に示すように、ロータカバー１６の外周に形成された段部１６Ａがロータボディ１２の外周部上面に当接して該ロータカバー１６の位置決めがなされる。

又、図４（ａ）に詳細に示すように、シェル１５とロータカバー１６との接合部は、両者の端縁同士が上下方向にオーバーラップするよう構成されている。より具体的には、ロータカバー１６の下端縁内周部には下方に向かって開くテーパ面１６ａが形成され、シェル１５の上端縁には上方に向かって縮径するテーパ面１５ａが形成されており、シェル１５の上方に向かって尖った上端縁がロータカバー１６の下端縁とロータボディ１２との間に形成される隙間に挿入されることによって、前述のように、シェル１５とロータカバー１６との接合部において、両者の端縁同士が両者の板厚の範囲内で上下方向にオーバーラップしている。尚、このとき、シェル１５の上端縁とロータカバー１６の下端縁との間には微小な径方向隙間が形成されている。本来はシェル１５とロータカバー１６の接合部には径方向隙間が存在しない方が風損や騒音の点で有利であるが、加工精度の点で余裕を持たせるため、実際にはシェル１５とロータカバー１６の接合部に僅かな径方向隙間が形成されるよう設計される。更に、シェル１５とロータカバー１６の接合部には径方向隙間が存在しなくても良く、径方向隙間を無くせば風損や騒音の点で一層有利となる。

而して、図１に示す遠心分離機１において、ドア５を開け、ロータ１１のロータボディ１２に形成された貫通孔１４に挿入されたサンプルホルダ１３内に試料容器１８を収容し、ロータカバー１６をロータボディ１２にセットした後、ドア５を閉めてロータ室２５を密閉した状態で、駆動装置３を駆動すれば、該駆動装置３に内蔵されたモータによって駆動軸２６が駆動され、その回転はロータ１１に伝達されて該ロータ１１がロータ室２５内で回転駆動される。尚、このとき、ロータ室２５内は、チャンバ２の外周に巻装された冷却パイプ６を流れる冷媒の蒸発によって所定温度に冷却されている。

上述のように、ロータ１１がロータ室２５内で回転駆動されると、これと共に回転する試料容器１８内の試料１９が遠心分離処理される。

ところで、ロータ１１が高速で回転する遠心分離中においては、薄肉大径のシェル１５とロータカバー１６が遠心力を受けて変形して図４（ｂ）に示すように外側に膨むが、本発明に係るロータ１１においては、前述のようにシェル１５とロータカバー１６は接合部において両者の端縁同士が上下方向にオーバーラップしているため、両者の端縁部同士は接合部において依然として上下方向にオーバーラップしている。このため、シェル１５とロータカバー１６との接合部に上下方向の隙間が発生せず、隙間からロータ１１内部の空間に入る空気を殆ど無くすことができ、この結果、風損や騒音が低く抑えられてロータ１１の性能低下が防がれる。更に、シェル１５とロータカバー１６の接合部に径方向隙間が全く無ければ、ロータ１１内部の空間に空気が全く入り込まなくなるため、風損や騒音が更に低く抑えられる。

又、本発明に係るロータ１１においては、ロータカバー１６の外周面に段部１６Ａを形成したため、該ロータカバー１６の形状変化による剛性アップに加えて、段部１６Ａの加工による加工硬化によって強度向上を図ることができ、これによってロータカバー１６の変形が小さく抑えられる。

更に、ロータカバー１６の外周面の段部１６Ａよりも上の部分を絞って下の部分よりも小径とした（つまり２段構造とした）ため、この上の部分の空気との接触面積が小さく抑えられ、空気との摩擦に伴う発熱と風損が小さく抑えられてロータ１１の性能向上が図られる。

尚、本実施の形態においても、図６に示した従来のロータ２０１と同様に、ロータ１１は、ロータボディ１２がシェル１５とロータカバー１６によって覆われるため、該ロータボディ１２の形状に制限を受けず、ロータボディ１２に減肉部２１を設けて無駄肉を可能な限り除去することによって軽量化とこれに伴うコストダウンを図ることができる。

又、ロータ１１を構成するロータボディ１２やシェル１５、ロータカバー１５等の材質として、比較的安価で加工性に富むアルミニウム合金を使用することができるため、ロータ１１、延ては遠心分離機１のコストダウンを図ることができる。

本実施の形態では、ロータ１１として１，００ｍｌ×４本のアングルロータに適用して試作したところ、最高使用可能回転数は従来の中実アルミニウム合金製ロータ（５００ｍｌ×６本）と同等の遠心加速度を得ることができる９，０００ｒｐｍに達し、重量の軽量化効果として、従来のロータの重量が２４ｋｇであるのに対して約１３ｇまで軽量化することができ、４５％の重量低減効果を得ることができた。

又、本発明に係るロータ１１の製造原価に関しては、カーボンファイバーを使用した同等の性能を有する従来のロータに対して製造原価を５０％程度に抑えることができた。

本発明に係る遠心分離機の縦断面図である。 本発明に係る遠心分離機用ロータのロータカバーを取り外した状態の平面図である。 本発明に係る遠心分離機用ロータの破断側面図である。 図３のＡ部拡大詳細図であり、（ａ）は停止中の状態、（ｂ）は運転中の状態を示す。 従来例１に係る遠心分離機用ロータの破断側面図である。 従来例２に係る遠心分離機用ロータの破断側面図である。 図６のＢ部拡大詳細図であり、（ａ）は停止中の状態、（ｂ）は運転中の状態を示す。

符号の説明

１ 遠心分離機
２ チャンバ
３ 駆動装置（駆動手段）
４ 制御装置
５ ドア
６ 冷却パイプ
１１ ロータ
１２ ロータボディ
１３ サンプルホルダ
１４ 貫通孔
１５ シェル
１６ ロータカバー
１６Ａ ロータカバー段部
１７ ハンドル
１８ 試料容器
１９ 試料
２０ 駆動軸穴
２１ 減肉部
２２ 筐体
２３ 仕切板
２４ 断熱部
２５ ロータ室
２６ 駆動軸
２８ ネジ

Claims (4)

1. 試料容器が着脱可能に挿入されるサンプルホルダを有するロータボディと、
   該ロータボディの下半部の周囲を覆うように設けられた椀状のシェルと、
   前記ロータボディの上半部の周囲を覆うように着脱可能に設けられた鍋蓋状のロータカバーとを有する遠心分離機用ロータにおいて、
   前記ロータカバーの下端部は、下方にいくに従って内周面が外側に開くテーパ面を有し、
   前記シェルの上端部は、上方にいくに従って外周面が縮径するテーパ面を有し、
   上記２つのテーパ面を上下方向にオーバーラップするように、前記シェルと前記ロータカバーの接合部を形成したことを特徴とする遠心分離機用ロータ。
2. 前記ロータカバーの外周面に段部を形成し、該段部を境としてこれより上の部分を下の部分よりも小径としたことを特徴とする請求項１記載の遠心分離機用ロータ。
3. 試料容器が着脱可能に挿入されるサンプルホルダを有するロータボディと、
   該ロータボディの下半部の周囲を覆うように設けられた椀状のシェルと、
   前記ロータボディの上半部の周囲を覆うように着脱可能に設けられた鍋蓋状のロータカバーとを有するロータと、
   該ロータをロータ室内で回転駆動する駆動手段と、
   を備え、前記ロータに保持された試料用容器内の試料を遠心分離する遠心分離機において、
   前記ロータカバーの下端部は、下方にいくに従って内周面が外側に開くテーパ面を有し、
   前記シェルの上端部は、上方にいくに従って外周面が縮径するテーパ面を有し、
   上記２つのテーパ面を上下方向にオーバーラップするように、前記シェルと前記ロータカバーの接合部を形成したことを特徴とする遠心分離機。
4. 前記ロータカバーの外周面に段部を形成し、該段部を境としてこれより上の部分を下の部分よりも小径としたことを特徴とする請求項３記載の遠心分離機。

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