JP4941919B2 - 遠心分離機 - Google Patents

Description

【０００１】
関連出願とのクロスリファレンス
本出願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の規定に従い２０００年８月４日付け出願の米国仮特許出願番号６０／２２３，４０９、及び２００１年６月２９日付け出願の米国実用新案出願番号０９／８９６，５５１に基づく優先権を主張するものである。
合衆国後援研究開発に関する記述
該当しない。
発明の背景
本発明は遠心分離機に関し、より詳細には分離された分離液から固形物を自動排出する遠心分離機に関する。
【０００２】
異成分から成る混合物を「それら混合物の比重成分」ごとに分離する多数の形式による遠心力利用分離機が知られている。供給物質あるいは供給液体とも称される異成分混合物は分離機の回転ボウル中へ注入される。前記ボウルは高速で回転し混合物中の粒子を分離液から分離する。その結果、濃縮された固形物がボウル表面へぴったりと押し付けられ、前記固形物ケークから内側向きに放射状に分離液が形成される。
【０００３】
前記ボウルは２，０００ｇの重力を発生するに十分な速度で回転するので固形物は分離液から分離される。前記供給液体は、供給孔を通して、そこで供給液体が回転ボウルの角速度まで瞬時に加速される回転ボウルへと導かれるまでは比較的緩慢な速度で移動する。しかしながら、供給液体をこのような高速でボウルへと導けば、分離前に供給液体の固形成分の相当量をしばしば破壊するせん断力が発生してしまう。
【０００４】
前記固形物はボウルの壁に沿って蓄積する一方、分離液は排出される。必要量の固形物が蓄積されたことが一旦確認されれば分離機は排出モードへと設定される。かかる排出モードの設定時に、回転ボウルの長手方向に延びる掻き取り器刃が分離機壁に向かう削り落とし位置に設置され、前記ボウルが低速の削り落とし速度で回転される。その後固形物はボウルの側面から削り落とされ固形物回収取出口へと向かって落とされる。しかしながら、かかる削り落とし方式では湿ったあるいは例えばピーナッツバターの粘稠度のような粘性固形物を効率的に除去することはできない。このような場合、粘性固形物は分離機壁や掻き取り器刃上に固着して残るか、あるいは分離機壁から落ちて前記回収取出口まで達する前に再び掻き取り器刃へ付着してしまう。その結果、固形物の回収率が低減し残存した固形物によって分離機が汚れて支障をきたすこととなる。
【０００５】
発明の要約
本発明は、固形物を自動的に排出し固形物回収量を最大化しかつ最小限のユーザーの介在で分離した固形物を乾燥できる遠心分離機を提供するものである。この遠心分離機によれば分離工程を完全な密閉状態にできるので、「同一場所での純化」（Ｃ．Ｉ．Ｐ．）及び「同一場所での殺菌」（Ｓ．Ｉ．Ｐ．）操作が可能となる。従って、本発明の遠心分離機はバイオテクノロジー、医薬、化学、食品及び飲料分野及び対象物の産業処理における液体／固体分離及び液体／液体分離を広範囲にわたって可能とするものである。
【０００６】
前記遠心分離機には中空の軸心棒によって支持された回転可能な分離機ボウルが備えられている。前記軸心棒はさらに掻き取り器と前記分離機ボウル内を軸上に移動する掻き取り器組立体を支持しかつそれらの位置を定めている。前記掻き取り器組立体には分離機ボウルのほぼ内面へ延びる表面積の小さい複数の掻き取り器刃が備えられている。供給液体は、供給液体が前記分離機ボウルのほぼ内面にある掻き取り器刃の末端直前へ出るように前記軸心棒を介して前記掻き取り器組立体へと通ずる液体供給路によって前記分離機ボウルへと供給される。これにより、前記供給液体が分離機ボウルの角速度によって瞬時に過加速されることを防止している。その結果、供給液体は大きく減じられたせん断力を受けることになるので、供給液体が損傷を受ける可能性は従来技術に比べて減じられる。
【０００７】
前記分離機ボウルは直径が比較的小さく長さの長い管状のボウルであることが好ましい。かかる管状の分離機ボウルを用いることによって遠心分離機の高速操作を行って分離機ボウルの内面において３０，０００ｇ程度の分離力を発生させることができる。これにより、供給液体を分離機ボウル内において低圧力レベルで安全かつ効果的に分離することが可能となる。
【０００８】
高速操作の結果、遠心分離機は残液からより効率的に固形物を分離できるため、蓄積した固形物の乾燥特性も向上する。例え掻き取り器刃の表面積が比較的小さくとも、分離機ボウル壁からの固形物の削り落としはより簡単かつ効率的に行うことが可能である。蓄積された固形物のすべてを削り落として排出するために、掻き取り器組立体は、分離機ボウルをゆっくり回転させながらゆっくりと持ち上げられ、次いで下げられる。乾燥された蓄積固形物と削り落とし面積の小さい掻き取り器刃を組み合わせることにより、排出固形物量は大幅に増加する。従って、本発明に係る遠心分離機は無菌的に操作でき、よってＣ．Ｉ．Ｐ．あるいはＳ．Ｉ．Ｐ．操作が可能とされるものである。
【０００９】
発明の詳細な説明
本発明の一実施態様に係る遠心分離機１００を図１に示す。本遠心分離機１００には円筒状の分離機ボウル１１０、好ましくは従来型の直径Ｄが比較的小さく長さＬが長く、Ｌ／Ｄ比がほぼ５／１であるような管状ボウルが備えられている。例えば、５００ｍｍまでのボウル直径と１００リットル／分までの流量をもつ分離機ボウルを用いることにより、分離機ボウル１１０の内面において十分な回転速度を起こして２０，０００ｇ〜３０，０００ｇの分離力を発生させることができる。管状型ボウルは類似プール面積及び重力に関してコスト面と性能面で「バスケット」型遠心機ボウル等の他の既知の円筒状ボウルに比べて有利である。例えば、管状ボウルの半径はずっと小さいので周辺速度が小さくなり風損、摩擦、熱発生が少ない。さらに、管状ボウルは長さが長いため軸に沿った液体波が減衰されるのでより優れた液体安定性を与える。
【００１０】
前記掻き取り器組立体１２０は分離機ボウル内部で中空の掻き取り器軸心棒１３０と連結して作動する。前記掻き取り器軸心棒１３０は分離機ボウル１１０から供給パイプ１４０へと延びている。掻き取り器軸シール１３２は、前記軸心棒が分離機ボウル１１０から延びている部位に定置され、液体及び固形物が分離機ボウル１１０から漏出するのを防止している。供給液体を分離機ボウル１１０中へ注入できるようにするため、供給パイプ１４０と掻き取り器軸心棒１３０が回転式ユニオン１４２によって連結されている。
【００１１】
前記掻き取り器軸心棒１３０の主ベアリング集合体１３４には駆動ベルト１５２によって変速駆動モーター１５０が連結されている。前記駆動モーター１５０は掻き取り器軸クラッチ１３６と連結して制御可能に作動して供給液体を分離させる分離機ボウル１１０を所望の速度で回転させる。さらに掻き取り器作動用ピストン１２６は掻き取り器軸心棒１３０と連結して掻き取り器軸クラッチ１３６とともに作動して分離機ボウル１１０内部の掻き取り器組立体を上下させる。排出モードにおいては、掻き取り器軸クラッチ１３６は噛合って掻き取り器軸心棒１３０を静止状態に支持し、掻き取り器刃が接触を保って分離機ボウル１１０の壁から固形物を削り落とすように低速の削り落とし速度で分離機ボウル１１０をゆっくりと回転させる。他の作動モードにおいては、掻き取り器組立体１２０が分離機ボウル１１０と同速度かつ同方向へ回転するように（つまり掻き取り器組立体１２０は分離機ボウル１１０に対しては静止状態となるように）、掻き取り器軸クラッチ１３６の噛み合わせが外される。
【００１２】
図２に上記掻き取り器組立体１２０についてのより詳細な図を示す。図２には前記掻き取り器組立体１２０へ取り付けられた３つの軸に沿った掻き取り器刃が示されている。前記掻き取り器組立体１２０には、安定かつ高速回転を維持しつつ削られることが求められる分離機ボウル１１０の表面積に対応して多様な数の掻き取り器刃を備えて設計してもよい。
【００１３】
前記掻き取り器組立体１２０には、供給液体が分離機ボウル１１０表面において排出されるように、掻き取り器軸心棒１３０から掻き取り器組立体１２０を介して掻き取り器刃１２２上の第一及び第二外側供給孔１２６及び１２８へ供給液体を導く液体供給路１２４が設けられている。前記掻き取り器組立体１２０の回転によって生ずるコリオリ力によって前記供給液体は分離機ボウル１１０表面にある第一外側供給孔１２６へ向かって加速される。もし前記供給液体が固形物の蓄積あるいは他の原因によって前記第一外側供給孔１２６に存在できない場合は、該供給液体は分離機ボウル１１０表面に向かうかなりの加速を伴って第二外側供給孔１２８に存在してもよい。前記供給液体を掻き取り器組立体１２０から分離機ボウル１１０表面に向けて噴出させることによって、該供給液体はよりゆっくりと加速され、前記分離機ボウルが回転している角速度によって瞬時に加速されることから防止される。これにより、前記供給液体が受けるせん断力が大幅に減少するので供給液体が損傷を受ける可能性が少なくなる。
【００１４】
図２に示した実施態様においては、供給路の形成時に掻き取り器組立体１２０表面上に形成された穿孔がほぼ充満されていることに注目すべきである。他の構成方法においてはこれら表面へ穿孔を開けたり穿孔を満たしたりする必要はない。
【００１５】
供給液体の供給モードについて図３を参照しながら前記遠心分離機１００の操作に従って説明する。供給モードにおいては、供給液体は供給パイプ１４０を通して導かれる。掻き取り器軸心棒１３０が開放されて分離機ボウル１１０とともに回転するように掻き取り器軸クラッチ１３６の噛み合いが外される。供給液体は供給パイプ１４０から掻き取り器軸シール１３２を介して掻き取り器軸心棒１３０へと矢印で示した方向へ流れる。供給液体は前記掻き取り器組立体１２０の供給路１２４を通って継続して流れ、分離機ボウル１１０の外面から該分離機ボウル中へ入る。遠心力によって前記供給液体は分離機ボウル１１０のプール面まで上方へと流れる。溢れた供給液体は分離機ボウル１１０の頂部で堰１８２を越えて分離液として外に出て、次いで分離液受け容器１８０中へと流れ込む。供給液体が分離機ボウル１１０を通って流れるにつれて、該供給液体に対して働く強い遠心力によって固形物粒子が運ばれ清浄化される。前記固形物は分離機ボウル１１０内壁上へ定着され、遠心力によって圧縮された固形物として回収される。
【００１６】
前記掻き取り器軸クラッチ１３６が噛合っていないために、分離機ボウル１１０及び掻き取り器組立体１２０は、例えば矢印で示した時計回り方向のように、高速で同方向へ一緒に回転する。従って、掻き取り器軸心棒１３０中を通る液体フィードは前記供給路１２４を通って掻き取り器組立体１２０の角速度まで徐々に加速される。前記分離機ボウル１１０が回転するにつれて固形物１８４が分離機ボウル１１０の表面に沿って集まり、回転している液体プール（液溜まり）１８６が固形物１８４の内側を形成する。
【００１７】
次に、通常分離液の濁度から分離機ボウル１１０が固形物で十分に満たされていることが確認されたら前記遠心分離機１００を図４に示すようにボウル排出モードに設定して配置する。供給液体を閉じると、ボウル駆動機構は分離機ボウルを電動で完全に停止するまで制動する。分離機ボウル１１０中に残った液体は残液カップ１６０中へ排出される一方、固形物は分離機ボウル１１０表面上に残留する。前記残液カップ１６０には、残液カップ１６０の底部に位置して残液を供給液体貯蔵部（図示なし）へ運び戻す残液排出口１６２へと残液を導く成形底面が設けられていることが好ましい。前記ボウル排出モードにはさらに高速で分離機ボウル１１０を一時的に回転させて蓄積された固形物から液体をさらに排出させる工程が含まれていてもよい。この任意的回転工程の実施後、固形物は乾燥状態となり後続の削り落とし工程の効率が高められる。
【００１８】
分離機ボウル１１０から残液が完全に排出された時、遠心分離機１００は図５に示す削り落としモードへと移行する。前記残液カップ１６０は、固形物排出ポート１７０が前記分離機ボウル１１０の真下に位置して残液と混合しなくとも落下した固形物を回収できるように分離機ボウル１１０底部から回転しながら離れる。
【００１９】
掻き取り器軸心棒１３０を掻き取り器軸クラッチ１３６と噛合せて該掻き取り器軸心棒１３０が回転しないようにする。分離機ボウル１１０は供給モードと反対方向（図５の矢印で示した時計逆回り方向）にゆっくりと回転する。次いで、掻き取り器用作動器１２６が掻き取り器軸心棒１３０を引き上げ、掻き取り器組立体１２０を矢印で示した分離機ボウル１１０頂部方向へと引き上げる。固形物ケークを、削られた固形物が排出口１７０から受け容器（図示なし）まで自由に落下するように、分離機ボウルの壁からその中心方向へと削り落とす。前掻き取り器組立体１２０が分離機ボウル１１０の頂部付近の逆戻り点へ達した後、掻き取り器軸心棒１３０及び掻き取り器組立体１２０が分離機ボウル１００底面へ向かって下降するように、掻き取り器用作動器１２６は方向を反転する。この削り落とし処理は分離機ボウル１１０の底面付近の停止点へ達するまで継続される。分離機ボウル１１０からの固形物の削り落しはいずれの方向（時計回り及び逆時計回り方向）へも行うことができる。
【００２０】
本発明の他の実施態様として、別態様の液体供給路を備える遠心分離機２００を図６Ａ及び６Ｂに示す。分離機ボウル１１０底部に位置する液体供給円すい体２００を用いて液を分離機ボウル１１０中へ送る。前記液体供給円すい体２００を該液体供給円すい体２００上のプラスチック製ピン２４０と分離機ボウル１１０上の金属製翼２０２によって回転させる。かかる分離機ボウル１１０を用いて液体供給円すい体２００を回転させる方法により、分離機ボウル１００へ緩やかな振動を与えることができ、該分離機ボウル１１０は液体で満たされつつその回転中心を維持し液体供給円すい体２００による制約を受けることはない。液体供給円すい体２００が上部の連結位置にあるとき、供給液体は供給口２３０を通して供給モードにある分離機ボウル１１０へと注入される。ベアリング、軸シール及び作動器ピストンを備える位置決め機構２２０を用いて液体供給円すい体２００を図６Ａに示した供給モードと図６Ｂに示した液体排出モード間を上下させる。前記排出モードにおいて、液体供給円すい体２００を前記位置決め機構２２０によって下げることにより残液を分離機ボウル１１０から残液ポート２４０を通して流し落とすことができる。次に、液体供給円すい体２００を分離機ボウル１１０の真下から旋回させることによって削り落とされた固形物を固形物排出ポート１７０中へ落ちるように構成することができる。
【００２１】
図１−５あるいは図６Ａ及び６Ｂに示した液体供給装置は、液体供給路中へ適当な液体洗浄剤を導入して行う遠心機及び付属部品のクリーニング目的にも利用することができる。
【００２２】
好ましい実施態様においては、分離、排出及び削り落としのすべての操作は、密閉環境中で行われるので種々の圧力及び温度条件下で実施することが可能である。従って汚染も最小限に抑えることが可能である。
【００２３】
充填、排出及び削り落とし操作の自動化を目的として適当な人間及び／またはコンピュータ・インターフェースを伴った多様な制御機構を装備することも好ましいことである。種々の作動器を装備することにより、手動操作を行う別態様とすることも可能である。
【００２４】
当業者にとって本明細書において開示された発明概念から逸脱することなく上記技術の他の変形や変更を行い得ることは明らかである。従って、本発明範囲は添付の特許請求の範囲に記載の範囲及び趣旨からのみ限定され判断されなければならない。
【図面の簡単な説明】
本発明は図面とともに以下に記載した詳細な説明を参照することによってより完全に理解されるものである。
【図１】本発明の一実施態様に係る遠心分離機を説明する図である。
【図２】本発明の一実施態様に係る掻き取り器組立体の透視図である。
【図３】本発明の一実施態様に係る供給モード設定にある遠心分離機の操作を説明する図である。
【図４】本発明の一実施態様に係る排出モード設定にある遠心分離機の操作を説明する図である。
【図５】本発明の一実施態様に係る掻き取りモード設定にある遠心分離機の操作を説明する図である。
【図６Ａ及び６Ｂ】本発明の他の実施態様に係る液体供給円すい体を用いた遠心分離機を説明する図である。

Claims (10)

1. 供給液体を受け取るための縦長形状で、それ自身の軸周りに回転可能な分離機ボウル、
   前記軸に沿って配置された縦長で、部分的に前記分離機ボウルの中に伸び、選択的な回転及び前記分離機ボウルに対して軸方向の移動ために配置され、該分離機ボウルへ向かう液体供給路を与える軸心棒、
   前記分離機ボウルに連結され、高速の分離速度および低速の削り落し速度で該分離機ボウルを選択的に回転させるための変速モーター、
   前記分離機ボウルの外部で前記軸心棒の近傍に配置され、該軸心棒から噛み合わせが外れているときに前記分離機ボウルと共に該軸心棒の前記分離速度での回転を可能にすると共に、該軸心棒が噛み合っているときに前記削り落し速度で前記分離機ボウルが回転するのに対して該軸心棒が回転するのを防ぐためのクラッチ機構、
   多様な方向及び多様な速度で前記分離機ボウルを選択的に回転させるボウル駆動機構、
   前記分離機ボウル内に配置され、前記軸心棒の末端に結合され、前記分離機ボウルのほぼ内面まで伸びる複数の掻き取り器刃を含み、該掻き取り器刃は、前記分離機ボウルの軸方向に実質的に該分離機ボウルの長さより短い削り取り幅を有してなる掻き取り器組立体、及び
   前記クラッチ機構及び軸心棒と連通していると共に、前記分離機ボウルの内部表面に蓄積した固形物を除去するために、前記削り落し速度で前記変速モーターによって前記分離機ボウルが回転している間、該分離機ボウルの軸に沿って前記クラッチ、軸心棒及び掻き取り器組立体を選択的に動かすための掻き取り器用作動器、
   とを備えてなることを特徴とする遠心分離機。
2. 前記変速モーターが、前記分離機ボウルの回転を止める電動ブレーキをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の遠心分離機。
3. 前記掻き取り器組立体に３個の掻き取り器刃が備えられていることを特徴とする請求項１記載の遠心分離機。
4. 前記分離機ボウルが管状のボウルであることを特徴とする請求項１記載の遠心分離機。
5. 前記管状ボウルの長さと直径の比が、少なくとも５／１になるように直径が長さよりも小さく構成されていることを特徴とする請求項４記載の遠心分離機。
6. 前記複数の掻き取り器刃の各々の削り落し面が、前記分離機ボウルの長さより小さく構成されていることを特徴とする請求項１記載の遠心分離機。
7. 前記複数の掻き取り器刃の各々には第一及び第二開口部が設けられ、該第一開口部の各々が前記分離機ボウルの内面に隣接する複数の掻き取り器刃の各々の末端に設けられ、該第二開口部の各々が前記分離機ボウルの前記内面近くに供給液体用出口を与える前記掻き取り器刃の各々の中間部分に設けられていることを特徴とする請求項１記載の遠心分離機。
8. 前記分離機ボウルの排出口の真下あるいは前記排出口から離して可動に配置された残液容器をさらに備え、該残液容器が前記排出口の真下に配置されたときに、前記分離機ボウルから流れ出た供給液体が回収されるようになっていることを特徴とする請求項１記載の遠心分離機。
9. 前記排出口の真下に配置された固形物受け容器をさらに備え、前記残液容器を前記排出口と前記固形物受け容器との中間に前記排出口から離れるように配置して、固形物が前記固形物受け容器によって受け取られるようにしたことを特徴とする請求項６記載の遠心分離機。
10. 前記供給液体を前記分離機ボウルの頂部から前記液体供給路へと向ける液体供給路へ繋がった液体供給パイプをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の遠心分離機。

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