JP5170695B2 - 遠心分離機 - Google Patents

Description

本発明は、ロータを高速回転させて試料を遠心分離するための遠心分離機に関し、特に、回転室を高真空に保つための真空ポンプ装置を具備する遠心分離機に関する。

遠心分離機は、チューブなどに収容された試料をロータに保持し、該ロータの風損による温度上昇を防止するために大気から密閉した回転室（ロータ室）に設置し、電動モータ等を含む駆動装置で高速回転させることによって、ロータに保持した上記試料を遠心分離するものである。

ロータの回転速度（回転数）が毎分４０，０００回転（４０，０００ｒｐｍ）を越える超遠心分離機は、下記特許文献１に開示されているように、ロータの回転による回転室内の空気とロータの摩擦熱に基づくロータおよび試料の温度上昇を抑制するために、回転室内を高真空まで減圧する真空ポンプ装置、ならびに回転室内の真空度を検出するセンサおよびセンサ検出回路を具備する真空度検出手段とを備えている。ここで、真空ポンプ装置は、大気圧から中真空まで減圧させる油回転真空ポンプおよび中真空から高真空まで減圧できる油拡散真空ポンプを採用し、回転室に油拡散真空ポンプの吸入口を、また、油拡散真空ポンプの排気口に油回転真空ポンプの吸入口を直列接続することによって構成することができる。

通常、回転室内で設定高速回転するロータには、回転室内の空気との摩擦熱に起因して、ロータおよびロータに搭載された試料が温度上昇するという問題を生ずる。この温度上昇を抑制するために、ロータを高回転させる前に、真空ポンプ装置によって回転室内の真空度を大気圧から減圧させながら、回転室内の空気との摩擦熱が発生しないような予め設定された低回転数（例えば、５，０００ｒｐｍ）で、所定の設定真空度（例えば、１３３パスカル）に達するまでの時間（例えば、数分間）、ロータを一定の上記低回転数で真空待機動作をさせる。この真空待機動作中に回転室内の真空度が設定真空度以上になると、ロータを上記低回転数より高回転数の入力設定回転数へ上昇するまでロータを回転させる動作を行う。

このような、真空ポンプ装置を備える遠心分離機では、下記特許文献１に開示されるように、温度センサにより油拡散真空ポンプのボイラの拡散油を沸騰させるヒータ温度を調整して油拡散真空ポンプの動作を制御することが行われている。また、下記特許文献２に開示されるように、回転室の真空度を真空センサで検出することにより油拡散真空ポンプの動作を制御することが行われている。

特開２００１−１０４８２６号公報 特開２００８−２３４７７号公報

真空ポンプ装置を備える遠心分離機において、ロータを回転動作させるとき、上述したように、ロータを低回転数で真空待機動作させながら回転室内が設定真空度以上の高真空に達すると、ロータは、入力操作部で入力された設定回転数に回転上昇するように制御装置によって制御される。しかし、本願発明者等は、ロータの回転動作を終了して回転室の排気動作を行い、その後、長時間（例えば、４時間程度）運転しないで放置した後、運転を再開した場合、ロータの高回転数の加速動作途中において、回転室内の真空度が急激に低下（悪化）して設定真空度以下になるという問題点があることを見出した。

つまり、遠心分離機を、例えば４時間程度の長時間の放置時間を経過して繰返し運転する場合、低回転数による真空待機運転で所定の設定真空度に減圧させても、繰返し運転間の放置時間を長時間（例えば、４時間以上）にすると、ロータを低回転数から高回転数の入力設定回転数に回転上昇させる際、回転室内の真空度が悪化して設定真空度以下となる場合があることを見出した。この現象を、図５に示す従来の遠心分離機の特性図を参照して説明する。

遠心分離機の制御装置をスタートさせると、時間ｔ１において、ロータは回転開始すると同時に、補助真空ポンプと油拡散真空ポンプが動作を開始して回転室内を減圧し始める。ロータの回転数Ｎは、回転室内の真空度Ｐが第１の設定真空度Ｐ１（例えば、１３３パスカル）に達するまで、真空待機（減圧待機）のための低回転数Ｎ１（例えば、５，０００ｒｐｍ）を維持する。時間ｔ２において、回転室内の真空度Ｐが第１の設定真空度Ｐ１以上に減圧すると、ロータの回転数Ｎを、低回転数Ｎ１から高回転数の入力設定回転数Ｎ３まで加速動作を行う。

しかし、時間ｔ５において、回転室内の真空度Ｐが第１の設定真空度Ｐ１以下に悪化すると、ロータ回転の風損による温度上昇を防止するため、ロータ回転数Ｎを、真空度Ｐが前記設定真空度Ｐ１以下になった時点ｔ５の回転数Ｎ３に維持し、上記設定真空度Ｐ１以下の期間ｔ５〜ｔ７（例えば、数十秒間）、この動作を継続する。

この期間ｔ５〜ｔ７において、ロータの回転室内の真空度は次第に戻り始め、時間ｔ７で第１の設定真空度Ｐ１以上になる。時間ｔ７で第１の設定真空度Ｐ１以上になると、ロータの加速動作を再開し、時間ｔ８において制御装置は、入力操作部から入力した入力設定回転数Ｎ４までロータを加速させ、以後、一定回転数Ｎ４で所定期間、運転を継続し、制御装置にスットプ信号が入力されると減速動作を開始し、ロータは時間ｔｅで回転を停止する。

このように、従来の遠心分離機によれば、回転室内の真空度を所定の真空度に維持するために、ロータの回転駆動期間（ｔ１〜ｔｅ）が長くなるという問題点があった。

さらに、回転室内の真空度が悪化することによってロータの風損が大きくなり、ロータおよび搭載する試料が温度上昇してしまうという問題もある。

本発明者等が実験検討した結果、上述したようにロータ加速動作途中で回転室内の真空度が悪化する原因は、次の理由によるものと考えられる。すなわち、モータ巻線表面等に付着している空気分子が、モータの温度上昇（高回転数でロータを回転したときの巻線の損失による発熱）による脱気現象（ベーキング）に基づいて、ロータ室内に空気分子として発生し、真空度を悪化させる。また、モータ内にある油（ベアリングの潤滑油）内に含まれる空気分子がモータ回転による拡散によってロータ室内に現れ、ロータ室の真空度を悪化させると考えられる。

この真空度が悪化する現象は、実験的に確認すると、ロータが高速に回転しているときに発生する。実験した遠心分離機では、ロータの回転数が約１００，０００ｒｐｍより高い回転数において回転室内の真空度が悪化し始める現象が発生した。しかし、遠心分離機に搭載される真空ポンプ装置の減圧する能力と、回転室内の体積と、電動モータ内の空間体積との組合せによって、真空度が悪化するロータの高回転数が異なってくる。

結果的に、ロータの高回転数の加速動作途中において、回転室内の真空度が悪化することによってロータの風損が大きくなり、ロータおよび搭載する試料が温度上昇してしまう問題がある。また、遠心分離機を操作するユーザは、ロータの加速動作を中断してその回転数を数十秒間、継続するので、ユーザが体感するトータル加速時間の延長はさらに長く感じ、かつ作業効率を悪化する要因となる。

さらに、従来の遠心分離機として、ロータ回転の加速動作途中において回転室内の真空度が悪化した場合、予め設定された一定の低回転数（例えば、５，０００ｒｐｍ）に戻る制御方式が周知であるが、ロータの回転制御の途中で、何度も加速動作途中から一定低回転数の真空待機状態に戻すことは、遠心分離を行うためのトータルの加速時間をさらに長くするという問題がある。

したがって、本発明の目的は、上記したような従来技術の問題点をなくし、ロータの加速動作途中における回転室の真空度の悪化を防止し、ロータを高回転数の入力設定回転数へ加速運転させることを中断させないように制御する遠心分離機を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次のとおりである。

本発明の一つの特徴は、回転室と、該回転室内に設置され、試料を保持して遠心分離するためのロータと、該ロータを回転させるためのモータと、前記回転室内を排気するための真空ポンプ装置と、該真空ポンプ装置の動作による前記回転室内の真空度に応じて前記モータの動作を制御するための制御装置と、を具備する遠心分離機において、制御装置は、前回の遠心分離の終了時点から今回の遠心分離の開始時点までの放置時間ＬＨが所定時間Ｈ１以上で、且つ、遠心分離のための入力設定回転数ＩＮが予め定めた所定回転数Ｎｘ以上の場合は、上記入力設定回転数ＩＮ及び所定回転数Ｎｘよりも低い真空待期回転数Ｎ１で運転し、回転室内の真空度が第２の真空度Ｐ２に達してから入力設定回転数まで加速し、前記放置時間ＬＨが所定時間Ｈ１よりも小さいか、或いは入力設定回転数が予め定めた所定回転数Ｎｘよりも低い場合は、第２の真空度Ｐ２よりも真空度が低い第１の真空度Ｐ１に達した時点から入力回転数ＩＮまで加速するように制御することにある。

本発明の上記特徴によれば、ロータの回転動作を終了した後、回転室の排気動作を行い、再度、運転する場合（繰返し運転する場合）において、前回のロータ回転動作と今回のロータ回転動作との放置期間が所定期間以上の場合、回転室内の真空度が第１の設定真空度より減圧させた第２の設定真空度まで減圧するように、ロータを低回転数で運転待機し、前記第２の設定真空度以上に達してからロータを高回転数の入力設定回転数まで運転させるので、ロータの入力設定回転数への加速動作途中で、回転室内の真空度が悪化しても、第１の設定真空度以下に低下させることなく、ロータの加速動作を継続して高回転数の入力設定回転数まで運転を継続することが可能となる。

また、ロータの上記入力設定回転数が所定回転数以下の場合は、回転室内の真空度を第１の設定真空度まで運転待機してからロータを入力設定回転数まで運転することが可能となる。したがって、運転設定条件に応じて最適運転条件とすることができるので、ロータの回転動作開始から上記入力設定回転数までの回転上昇時間を短縮することができる。

本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴は、以下の本明細書の記述および添付図面からさらに明らかにされる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための各図面において、同一の機能を有する部材または要素については同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

［遠心分離機の全体構成について］
図１は、本発明の実施形態に係る遠心分離機の構成図を示す。特に、ロータの回転数を４０，０００ｒｐｍ以上の回転数に制御できる超遠心分離機に向けられている。
遠心分離機５０は、ロータ１を密閉する回転室３ａを形成する仕切り部材３と、回転室３ａに設置され、試料を保持して遠心分離するためのロータ１と、ロータ１を高速に回転駆動する電動モータ２と、油拡散真空ポンプ（ＤＰポンプ）５および補助真空ポンプ４から構成された真空ポンプと、制御装置９と、高真空度まで減圧される回転室３の真空度を検出することが可能な真空センサ８とを具備する。

電動モータ２は、例えば３相ブラシレスモータから成り、図示されないスター結線された固定子界磁巻線（Ｕ、ＶおよびＷ巻線）を含んでいる。ロータ１は、ブラシレスモータ２の回転軸に着脱自在に接続されて回転力が与えられる。電動モータ２の固定子界磁巻線（図示なし）は、後述する制御装置９に形成されたインバータ回路（図示なし）等により回転数が制御される。

油拡散真空ポンプ５は、オイル（拡散油）５ｂを貯留するためのボイラ５ａと、ボイラ５ａを加熱するヒータ５ｃと、ボイラ５ａで気化した拡散油分子を下方向にジェット気流として噴射させるためのジェット部（図示なし）を内部に備えた円筒部５ｄと、気化した拡散油分子を冷やして液化するための放熱フィン（または冷却パイプ）５ｅとから構成されている。油拡散真空ポンプ５の吸気口５ｆは、配管６を介して回転室３ａに接続され、吸気口５ｆから吸入された、ジェット部の周囲（円筒部５ｄの内周部）にある気体分子（空気）は、油分子に飛ばされて下の方に圧縮され、排気口５ｇから排気される。

補助真空ポンプ４は、配管（真空ホース）７を介して上記油拡散真空ポンプ５の排気口５ｇに接続された吸入口４ａと、大気中に排気するための排気口４ｂとを有する。この補助真空ポンプ４の本体は、図示されていないが、周知の油回転真空ポンプ（ロータリーポンプ）によって構成され、油を貯留する油容器の中で偏心した回転軸を有するロータを回転させ、上下動(往復動)する固定翼と協働して吸入口４ａ側の空気を排気口４ｂより排気する。補助真空ポンプ（油回転真空ポンプ）４は０．１パスカル程度の中真空領域の減圧能力限界を持つのに対して、油拡散真空ポンプ５は０．１〜０．０００００１パスカルの高真空領域の到達排気能力を持つので、補助真空ポンプ４は、油拡散真空ポンプ５の排気動作が可能となる臨界背圧以下（約１３〜２０パスカル以下）に回転室３ａを低真空に減圧させる目的で付加される。

制御装置９は、ロータ１（電動モータ２）の回転駆動制御と、補助真空ポンプ４および油拡散真空ポンプ５の駆動と、真空センサ８の検出等を制御する。この制御装置９は、演算、制御プログラムを実行する中央処理装置ＣＰＵ（９ａ）、ＣＰＵ（９ａ）の制御プログラムや処理データ等を格納するリードオンリメモリＲＯＭまたは読み書き可能なＲＯＭ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ）（９ｂ）、ＣＰＵ（９ａ）の作業領域や処理データの一時記憶領域等として利用されるランダムアクセスメモリＲＡＭ（９ｃ）等を含むマイクロコンピュータにより構成される。なお、遠心分離機５０の入力電源オフ時において、ＲＡＭ（９ｃ）は、電池（図示なし）によって駆動され、必要なデータを保持する。本発明によれば、前回終了したロータ1の回転動作の終了時間がこれらＲＯＭまたはＲＡＭの記憶手段に記憶され、今回のロータ回転動作の開始時間との間の経過期間（放置時間ＬＨ）がＣＰＵによって判別される。

［遠心分離機の動作について］
次に、本発明の動作ついて、図２の制御フローチャートを参照して説明する。図２は、図１に示した遠心分離機の実施例の制御フローチャートである。
制御装置９にスタート信号が入力されると、制御装置９は、ステップＳ１において、モータ２を動作させてロータ１の回転駆動を開始する。

次に、ステップＳ２において、補助真空ポンプ４および油拡散真空ポンプ５から構成される真空ポンプの運転を開始する。引続いて、ステップＳ３においてロータ１を、予め設定した低回転の設定回転数（真空待機回転数）Ｎ１で運転する。

次に、ステップＳ４において、前回の遠心分離機５０の運転時にロータ１の回転動作を終了してから、今回の遠心分離機５０の運転時において回転室３ａの排気動作を行い、ロータ１を再度運転するまでの期間（放置時間）（ＬＨ）が、所定の時間Ｈ１（例えば、Ｈ１＝４時間）より長いか否かを判断する。もし放置時間ＬＨが所定時間に満たない場合（Ｎｏの場合）、後述するステップＳ７に進む。

ステップＳ４において放置時間ＬＨが所定時間Ｈ１以上と判断された場合（Ｙｅｓの場合）、ステップＳ５に進み、制御装置９に入力された入力設定回転数ＩＮ（例えば、１００，０００ｒｐｍ）が、所定の回転数Ｎｘ（例えば、３０，０００ｒｐｍ）より高いか否かを判断する。

ステップＳ５において入力設定回転数ＩＮが所定回転数Ｎｘ（例えば、３０，０００ｒｐｍ）に満たない場合（Ｎｏの場合）、後述するステップＳ７に進む。

ステップＳ５において入力設定回転数ＩＮが所定回転数Ｎｘ（例えば、３０，０００ｒｐｍ）以上であると判断した場合（Ｙｅｓの場合）、ステップＳ６に進み、回転室３ａ内の真空度が第２の設定値Ｐ２（例えば、６６パスカル）になるまで真空待機の回転数Ｎ１を継続する。

ステップＳ６において回転室３ａ内の真空度が第２の設定値Ｐ２（例えば、６６パスカル）に達したものと判断されると、ステップＳ８へ進み、制御装置９に入力されたロータ１の設定回転数ＩＮまで加速動作を行ない、その後、設定回転数ＩＮで所定時間、ロータ１に搭載された試料の遠心分離を行う。

ステップＳ７では、回転室３ａ内の真空度が第１の設定値Ｐ１（例えば、１３３パスカル）になるまで、上記真空待機回転数Ｎ１を継続する。さらに、ステップＳ８において回転室３ａ内の真空度が第２の設定値Ｐ２に達すると、制御装置９に入力された設定回転数ＩＮまで加速動作を行う。

（遠心分離機の動作例について）
次に、上記制御フローチャートに従って遠心分離機５０を動作させた場合の特性例を図３および図４を参照して説明する。

図３は、制御装置９によって入力される入力設定回転数Ｎ４が所定の回転数Ｎｘより高い場合における回転室３ａ内の真空度と、ロータ１の回転数とを測定した特性図を示す。この場合、前回のロータ回転を終了して回転室の排気動作を行い、その後、長時間運転しない状態で運転を再開したときの特性を示す。つまり、繰返し運転間の放置時間ＬＨを４時間以上放置した場合の特性例である。

図３に示されるように、制御装置９にスタート信号が入力されると、時間ｔ１でロータ２は回転開始すると同時に補助真空ポンプ４と油拡散真空ポンプ５が動作開始して回転室内を減圧し始める。ロータ１は回転室３ａ内の真空度が、第２の設定真空度Ｐ２に達するまでＮ１真空待機回転数Ｎ１（例えば、５，０００ｒｐｍ）を維持する。回転室３ａ内の真空度が時間ｔ４で第２の設定真空度Ｐ２より高真空になると、ロータ１は、時間ｔ４〜時間ｔ６の期間、真空待機回転数Ｎ１から入力設定回転数Ｎ４まで加速動作を行い、設定回転数Ｎ４の一定回転数を続ける。ここで、実験結果では、ロータ１の設定回転数が１００，０００ｒｐｍ程度より回転室３ａ内の真空度が悪化し始めるが、回転室３ａ内の真空度が第１の設定真空度Ｐ１まで悪化（低下）することはない。回転室内の真空度が悪化する原因は、上述したとおりである。設定回転数Ｎ４で遠心分離を実施した後、制御装置９にスットプ信号が入力されると、ロータは減速動作を開始し、時間ｔｅでロータ１の回転を停止する。

図４は、制御装置９によって入力される入力設定回転数Ｎ２（ただし、Ｎ２＜Ｎｘ＜Ｎ４とする）が所定回転数Ｎｘより低い場合における図３と同様な特性図を示す。この特性図も、上記図４の特性図と同様に、繰返し運転間の放置時間ＬＨを４時間以上放置した場合について測定したものである。

図４に示されるように、制御装置９にスタート信号が入力されると、時間ｔ１でロータ１は回転開始すると同時に補助真空ポンプ４と油拡散真空ポンプ５が動作開始して回転室３ａ内を減圧し始める。入力設定回転数Ｎ２（例えば、１５，０００ｒｐｍ）が上記所定回転数Ｎｘ（例えば、３０，０００ｒｐｍ）より小さい場合で、ロータ１は、回転室３ａ内の真空度が第１の設定真空度Ｐ１に達するまで真空待機回転数Ｎ１を維持する。ロータ１の入力設定回転数Ｎ２が低い場合は、回転室３ａ内の真空度が悪化（低下）することがないので、時間ｔ２における第１の設定真空度Ｐ１で加速動作を開始することで、ロータが回転開始してから設定回転数Ｎ２までの時間（期間ｔ２〜ｔ３）を短縮することができる。

以上の実施形態より明らかなように、本発明によれば、ロータ１の回転動作を終了した後、回転室の排気動作を行い、再度、運転する場合（繰返し運転する場合）において、前回のロータ回転動作と今回のロータ回転動作との放置期間ＬＨが所定期間Ｈ１以上の場合、回転室内の真空度が第１の設定真空度Ｐ１より減圧した第２の設定真空度Ｐ２以上になるように、ロータ１を低回転数Ｎ１で運転待機し、前記第２の設定真空度Ｐ２（Ｐ２＞Ｐ１と定義する）に達してからロータ１を高回転数の入力設定回転数Ｎ４まで運転させるので、ロータの入力設定回転数Ｎ４への加速動作途中で、回転室３ａ内の真空度が悪化しても、第１の設定真空度Ｐ１以下に悪化させることなく、ロータ１の加速動作を継続して高回転数の入力設定回転数Ｎ４まで運転を継続することが可能となる。

また、ロータ１の入力設定回転数Ｎ２が所定回転数Ｎｘ以下の場合は、回転室３ａ内の真空度を第１の設定真空度Ｐ１まで運転待機してからロータを入力設定回転数Ｎ２まで運転することが可能となる。したがって、運転設定条件に応じて最適運転条件とすることができるので、ロータ１の回転動作開始から入力設定回転数（Ｎ４またはＮ２）までの回転上昇時間を短縮化することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明の実施形態に係る遠心分離機の構成図。 図１に示した遠心分離機の動作制御フローチャート。 図１に示した遠心分離機の真空度と回転数の一測定例を示した特性図。 図１に示した遠心分離機の真空度と回転数の他の測定例を示した特性図。 従来の遠心分離機の真空度と回転数の測定例を示した特性図。

１：ロータ ２：電動モータ ３：回転室仕切り部材 ３ａ：回転室
４：補助真空ポンプ（油回転真空ポンプ） ４ａ：吸入口 ４ｂ：排気口
５：油拡散真空ポンプ ５ａ：ボイラ ５ｂ：拡散油 ５ｃ：ＤＰヒータ
５ｄ：ジェット部を内包する円筒部 ５ｅ：放熱フィン ５ｆ：吸気口
５ｇ：排気口 ６：配管 ７：配管（真空ホース） ８：真空センサ
９：制御装置 ９ａ：ＣＰＵ ９ｂ：ＲＯＭ ９ｃ：ＲＡＭ
５０：遠心分離機 Ｎ１：真空待機設定回転数 Ｐ１：第１の設定真空度
Ｐ２：第２の設定真空度

Claims (1)

1. 回転室と、該回転室内に設置され、試料を保持して遠心分離するためのロータと、該ロータを回転させるためのモータと、前記回転室内を排気するための真空ポンプ装置と、該真空ポンプ装置の動作による前記回転室内の真空度に応じて前記モータの動作を制御するための制御装置と、を具備する遠心分離機において、
   制御装置は、前回の遠心分離の終了時点から今回の遠心分離の開始時点までの放置時間ＬＨが所定時間Ｈ１以上で、且つ、遠心分離のための入力設定回転数ＩＮが予め定めた所定回転数Ｎｘ以上の場合は、上記入力設定回転数ＩＮ及び所定回転数Ｎｘよりも低い真空待期回転数Ｎ１で運転し、回転室内の真空度が第２の真空度Ｐ２に達してから入力設定回転数まで加速し、前記放置時間ＬＨが所定時間Ｈ１よりも小さいか、或いは入力設定回転数が予め定めた所定回転数Ｎｘよりも低い場合は、第２の真空度Ｐ２よりも真空度が低い第１の真空度Ｐ１に達した時点から入力回転数ＩＮまで加速するように制御することを特徴とする遠心分離機。

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