JP5829333B2 - コンプレッサ冷却を備える遠心分離機 - Google Patents

Description

本発明は遠心分離機に関し、特に、請求項１の前提部に記載の実験用遠心分離機および、請求項１２の前提部に記載の遠心分離機を冷却するための方法に関する。

遠心分離中、空気摩擦および電力損失により、遠心分離ロータの回転中に遠心分離ボウルに熱が生じる。遠心分離ボウルは、遠心分離すべき材料が逃げ出すことを防ぐためにカバーで閉じられているため、この熱入力は容易に放散することができず、遠心分離すべき材料の温度が上昇してしまう。

しかし、この温度上昇は、遠心分離されるサンプルの破壊および／または使用不可につながるおそれがあるため好ましくない。通常、サンプルは、それぞれの用途に依存して、たとえば４℃、２２℃または３７℃の温度などの規定の温度に保たれなければならない。したがって、遠心分離すべき材料の温度の上昇を防ぐために、過去に既に予防措置が取られてきた。一方で、これは、直接冷却または、熱交換器の原理による間接冷却によって達成され得る。間接冷却（付帯的冷却）の場合、冷却剤と、冷却すべき物および／または冷却すべき物の覆いとの間に直接的な接触がない。このような遠心分離機は米国特許第７４０７４７３号および英国特許公開第１０１８２８５号に記載されている。

直接冷却の場合、周囲空気は、一種のラジアルファンとして作用するロータによって、遠心分離ボウルを通って遠心分離ロータで直接送られる。この目的で、遠心分離カバーおよび／または遠心分離ボウルは、軸の近くの入口開口と、回転軸に対して遠くに位置する出口開口とを備える。このような直接冷却はその価値が認められているが、遠心分離ボウルは、材料を逃がしてしまう出口開口を備えなければならない。直接冷却の欠点は、周囲空気を冷却剤として用いることであり、サンプル物は最大で周囲空気の温度までしか冷却できない。

間接冷却の場合、ロータは遠心分離カバーの下で遠心分離ボウル中に密閉されており、冷却ダクト等は設けられていない。したがって、空気は遠心分離ボウル内部のみで循環する。冷却は、容器の外側を通って流される冷却剤により達成される。この冷却剤は、たとえば、エッペンドルフＡＧの遠心分離機５４２４で実現されるように、容器の外側を通って流される周囲空気であってもよい。代替的には、冷却装置は、装置側ベースプレート上に配置されるパイプおよび熱交換器を備えるコンプレッサ冷却装置からなり、熱を放散させるために、専用の冷却剤が、容器に対して、たとえば、容器の側壁および底部を螺旋状に進むパイプを介して容器を通って流される。後者の間接冷却の変形体は、サンプル物を周囲空気の温度未満の温度に冷却することもできる。間接冷却の利点は、このプロセスでは、直接冷却と比較して、調整すべき温度がより良く制御できることである。

先行技術の遠心分離機では、通常金属製の遠心分離ベースプレートは、ハウジング内部からの熱の一部の受動的な放散のための役割を果たすに過ぎない。

しかし、たとえば、独国特許公開第２３４３０７０号に開示されるように、いわゆる超遠心分離機において真空中で動作するロータの場合にも、ベースプレートを介するこの受動冷却の原理が適用される。

本発明の目的は、遠心分離機の能動的な間接冷却をさらに改善させることである。特に、遠心分離容量は変わらないまま、遠心分離機をよりコンパクトな設計とすることができ、または、設置寸法は変わらないまま、遠心分離容量を増やすことができるように、必要な設置スペースが減少されるべきである。さらに、特に、部品数を減らし、費用および組立時間を節約することが意図される。

本発明に従うと、この目的は請求項１の遠心分離機および請求項１２の冷却プロセスにより達成される。有利な実施形態は従属項で述べられる。

本発明者らは、今日の遠心分離機において、その熱を放散するための冷却剤用の熱交換器としてベースプレートを用いると、コンプレッサ冷却装置の冷却媒体用の個別のコンデンサおよび／または気体冷却器が省略できることを見出した。気体冷却器の場合には、熱放散はコンデンサを介しては行なわれないが、遷移臨界プロセス（transcritical process）では、顕熱が熱気体から放散される。一方で、コンデンサでは、相転移は、熱気体の加熱、液体化および液体冷却剤の過冷却の３つの工程で行なわれる。コンデンサおよび気体冷却器は同じ基本的な部品設計を有しており、それぞれの用途に従って構成すればよいのみである。したがって、以下、コンデンサという用語は気体冷却器も含む。

ベースプレートは今まで、受動冷却、すなわち遠心分離機の電子システムからの熱の放散のために用いられてきたが、ここでは、コンプレッサ冷却装置の一部を構成することにより、遠心分離機の能動冷却に用いられる。１２０℃以下の温度を有し得るコンプレッサから流れ出る冷却媒体は、周囲温度に依存して、（およそ２０℃の周囲温度において）およそ３５℃の温度まで冷却される。コンプレッサ冷却装置の通常用いられるコンデンサが省略されるため、ロータの横／前／後ろの追加的な設置スペースが利用可能になる。なぜなら、このようなコンデンサは今まではそこに配置されていたためである。電子制御システムは、一般的なルールでは、凝縮水が蓄積するおそれがあるため冷却装置のロータ、パイプまたは他の部品の下に配置するべきではないが、ここでは、電子制御システムを収容するためにこのような追加的な設置スペースを用いることができる。

したがって、遠心分離ロータ、遠心分離モータ、コンプレッサ冷却装置、およびベースプレートを含む機械枠を備える遠心分離機、特に、実験用遠心分離機においては、本発明に従うと、ベースプレートがコンプレッサ冷却装置の熱交換器として作用することにより、コンプレッサ冷却装置の冷却媒体用のコンデンサの少なくとも一部として作用するように、ベースプレートがコンプレッサ冷却装置と熱を伝導するように連結されている。

この構成により、個別のコンデンサを省略することができ、このようなコンデンサの設置スペースが不要となるため、既存の構成と比較して、本発明に従う遠心分離機の設置寸法に関して利点が得られる。代替的には、設置寸法は変わらないまま、遠心分離容量を増加することができる。さらに、費用および組立の労力が減らされる。

適切な構成では、冷却剤用の伝達手段がベースプレートに、および／またはベースプレート中に配置される。伝達手段は、好ましくはパイプとして構成される。この場合、コンデンサとしてのベースプレートは特に簡易な設計である。さらに、パイプとしての構成により最適な気密性が確保でき、さらに、特に抵抗なしに、パイプ中の最適な流れを確保できる。なぜなら、さもなければ、圧力降下および、それによる冷却効果の低下が生じるためである。

これに関連して、伝達手段は、好ましくはベースプレート内に成形されるか、または、ベースプレートは２部構成の設計であり、伝達手段は２部間の分割面に配置され、特に、少なくとも一部に組込まれる。たとえば、伝達手段はベースプレート内に成形することができ、特に、アルミニウム製のベースプレート内に成形される銅製パイプが用いられる。代替的には、サンドイッチ構造を用いることができ、それにおいては、漏れを防ぐために比較的高精度の嵌め合いが確保されなければならない。代替的には、漏れを防ぐために、内蔵パイプがサンドイッチ構造において用いられてもよい。ここでもまた、パイプとベースプレートのサンドイッチ部品との間の最適な熱伝達を確保するために、高精度の嵌め合いが必要とされるが、さもなければ、空気混入などにより熱伝達が妨害されてしまうためである。これを防ぐために、たとえば、熱伝達ペーストなどの熱伝達を改善する手段が、パイプとベースプレートのサンドイッチ部品との間に配置されることが好ましい。

ベースプレートは、２つの大きな主表面の少なくとも１つの表面上に、少なくとも１つの表面増加要素、特に、１つまたは複数の冷却リブを備えることが特に有利である。この場合、ベースプレートは、その表面が冷却目的で有利に増加されるので、冷却剤の熱を特によく放散することができ、さらに、ベースプレートを能動的に冷却するために、騒音を低下させる目的で、遅い／小さな空気流を用いることができる。さらに、これらの冷却リブは、能動冷却に用いられる空気流を流すために適切に用いられてもよい。これらの要素は個別の設置スペースを必要としない。なぜなら、ベースプレートと容器との間に軸受支持部があるため、十分なスペースが利用可能であり、ベースプレートの下にもこのような設置スペースが利用可能であるためである。

さらに、ベースプレートは、誘導手段と流体連結していない少なくとも１つのスルーホールを備えることが好ましい。したがって、受動的または能動的に生成された空気流を容易に流すことができる。なぜなら、このような空気流はここではベースプレートも通過することができるためである。特に好ましい実施形態では、このようなスルーホールは、ベースプレートの熱伝導を意図的に遮断および／または停止するために用いられ、コンデンサ中で冷出力から熱入力を分離し、その効率を上げる。

ベースプレートの受動冷却は、とりわけ、表面増加要素により適切に空気流を流すことによって確実に可能ではあるが、遠心分離機内部の熱蓄積を防ぐために、少なくとも１つの換気手段によるベースプレートの能動冷却を設けることが特に有利である。たとえばファンである換気手段は、ベースプレートと作動可能に接続され、好ましくは、側方および／または底部からハウジングに入る空気流を遠心分離機のハウジング中に生成するように適合される。耐火性を増加させるために、ハウジング中の換気口用に通気可能なカバーが設けられてもよい。

さらに、この換気手段は、モータおよび電子駆動ユニットにより生成される熱、遠心分離ボウル中で空気抵抗により生じる熱、遠心分離すべきサンプルにより導入される熱、および／または遠心分離プロセス中に生じる熱、ならびに、たとえばカバーを通って外から遠心分離機内に入る熱の放散に関して、特に効率的である。したがって、この換気手段は、コンプレッサ冷却に対して実質的な援助を提供する。

遠心分離機の熱部品との接触を防ぐために、ベースプレートは、ベースプレートとハウジングとの間の熱伝達が遮断されるかまたは少なくとも緩和されるように、遠心分離機のハウジングに配置されてもよい。この目的で、ベースプレートと遠心分離機のハウジングとの間に断熱接続が配置される。

コンプレッサ冷却装置が設けられている遠心分離機、特に、実験用遠心分離機を冷却するための本発明に従う方法について独立的な保護が求められる。その方法は、遠心分離機のベースプレートがコンプレッサ冷却装置のコンデンサの少なくとも一部として用いられることを特徴とする。

ベースプレートに平行するおよび／またはベースプレートを通って上昇する空気流を生成する換気手段が設けられることが特に有利である。したがって、ベースプレートが特に効率的にコンデンサとして作用するように、ベースプレートの特に効率的な能動冷却が実現される。

本発明に従う方法では、本発明に従う遠心分離機を用いることが特に有利である。
以下、好ましい例示的な実施形態および図面の説明を参照して、本発明の特徴およびさらなる利点が明らかにされる。

ハウジング部品を図示していない、コンデンサを備える先行技術の遠心分離機の上面図を示す図である。 図１の遠心分離機の全体斜視図を示す図である。 ハウジング部品を図示していない、本発明に従う遠心分離機の上面図を示す図である。 図３の本発明に従う遠心分離機のさまざまな全体斜視図を示す図である。 図３の本発明に従う遠心分離機のさまざまな全体斜視図を示す図である。 第１の好ましい実施形態における、図３の本発明に従う遠心分離機用のベースプレートの上面斜視図を示す図である。 第１の好ましい実施形態における、図３の本発明に従う遠心分離機用のベースプレートの底面斜視図を示す図である。 第１の好ましい実施形態における、図３の本発明に従う遠心分離機用のベースプレートの上面図を示す図である。 第１の好ましい実施形態における、図３の本発明に従う遠心分離機用のベースプレートの断面図を示す図である。 サンドイッチ状ベースプレートの上部を有する第２の好ましい実施形態において、図３の本発明に従う遠心分離機用のベースプレートの上面斜視図を示す図である。 サンドイッチ状ベースプレートの上部を有する第２の好ましい実施形態において、図３の本発明に従う遠心分離機用のベースプレートの底面斜視図を示す図である。 サンドイッチ状ベースプレートの下部を有する第２の好ましい実施形態における、図３の本発明に従う遠心分離機用のベースプレートの底面斜視図を示す図である。 サンドイッチ状ベースプレートの下部を有する第２の好ましい実施形態において、図３の本発明に従う遠心分離機用のベースプレートの上面斜視図を示す図である。 第２の好ましい実施形態における、図３の本発明に従う遠心分離機用のベースプレートの断面図を示す図である。

図１は、電子システム２に加えて、遠心分離ボウル３および下に配置されるモータ（図示せず）、遠心分離ロータ４、コンプレッサ５およびベースプレート６、コンデンサ７を備える先行技術の実験用遠心分離機１の破断上面図を模式的に示す図である。

コンプレッサ５とコンデンサ７との間に、コンデンサ７用のファン８が配置される。図２は、ハウジング９およびカバー９ａを伴った、この従来の遠心分離機１の斜視図である。

図３は、好ましい実施形態における本発明に従う遠心分離機１０の破断上面図を模式的に示す。図４ａ、図４ｂは、本発明に従う遠心分離機１０のさまざまな斜視図を示す。

遠心分離機１０は、ベースプレート１１および遠心分離ロータ１３を含む容器１２を備え、容器下のベースプレート１１には、遠心分離モータがその軸受支持部を介して配置されている（軸受支持部および遠心分離モータは、当業者に既知の一体式部品を構成し、別々に図示していない）ことが図示される。遠心分離機１０は、ベースプレート１１を通過する冷却剤ライン１５を含むコンプレッサ冷却装置１４を備える。さらに、遠心分離機１０は、電子制御システム１６と、ベースプレート１１の換気スロット１８およびハウジング１９に配置される換気スロット２０を介してハウジング１９内に空気を引込み、換気スロット２１を介してハウジング１９から空気を排気する２つのファン１７とを備える。

図５から図８および図９から図１３は、ベースプレート１１ａ、１１ｂの２つの異なる好ましい実施形態を詳細に示す。

図５から図８に示す第１の実施形態では、上記のベースプレート１１ａを製造するために、パイプ２２が成形プロセスでベースプレート本体２３内に成形された、２部構成のベースプレート１１ａが設けられている。したがって、物質対物質の接続を介した理想的な熱伝達が達成される。一方で、漏れなどのおそれがないため、この構成は特に信頼性が高い。パイプ２２は好ましくは銅製であり、ベースプレート本体２３は好ましくはアルミニウムから成形される。

さらに、固定軸受支持部および遠心分離モータ（ともに図示せず）を収容するための開口２５および固定点２６が図示される。さらに、コンプレッサ冷却装置１４を固定するための固定点２７およびパイプ２２をコンプレッサ冷却装置１４に接続するための接続点２８、２９が設けられる。上側３０および下側３１の両方に、互いに平行に配置され、空気流方向を画定する冷却リブ３２、３３が設けられる。

図９から図１３に示す第２の好ましい実施形態では、多部構成のベースプレート１１ｂが設けられ、ベースプレート１１ｂは上部４０および下部４１からなる。ともに成形プロセスにより製造され、パイプ用の金型４２、４３を備える。上記の部品４０、４１を成形する代わりに、これらの部をミリングなどにより製造してもよい。２つのベースプレート部４０、４１をボルト締め、接着もしくは溶接または別の方法で接続することにより、物質対物質の接続を備える一体的に形成されたベースプレート１１ｂが生産される。漏れなどのおそれを防ぐために、この操作は非常に正確な方法で行なわれなければならない。代替的には、個別のパイプをプレート間に置いてもよい。この場合、たとえば、熱伝達ペーストなどの熱伝達を改善する媒体が、ベースプレートの部品と配置されたパイプとの間に設けられることが好ましい。この場合も、パイプとベースプレートのプレート部との間で良好な熱伝達を確保するために、金型およびパイプの非常に正確な構成が必要とされる。

ベースプレート１１ｂにおいても、軸受支持部および遠心分離モータ（図示せず）を収容および固定するための開口２５および固定点２６が設けられ、ベースプレート１１ｂの上側４４および下側４５の両方に、リブ４６、４７が互いに平行に配置される。コンプレッサ冷却装置１４への接続のために、コネクタ４８、４９が設けられる。特に、図１３は、上部４０が下部４１に挿入され、パイプ５０が分割面Ｔに位置することが示される。

ベースプレート１１、１１ａ、１１ｂに配置される換気スロット１８は、空気通路用の開口としてのみならず、ベースプレート１１、１１ａ、１１ｂでの熱領域および冷領域を互いから分離するための開口としての役割も果たす。熱領域は内側領域であり、冷領域はベースプレート１１、１１ａ、１１ｂの縁に沿って延在する。接続点２９はしたがって、熱領域を供給し、接続点２８は冷領域からの抽出の役割を果たす。

遠心分離機１０の動作状態においては、ベースプレート１１、１１ａ、１１ｂは両側の熱交換器表面としての役割を果たすことにより、コンプレッサ冷却装置１４の冷却剤誘導手段２２、５０を通過する冷却剤用のコンデンサ５１、５１ａ、５１ｂとして作用する。ベースプレート１１、１１ａ、１１ｂは冷却剤の熱を受取り、リブ３２、３３、４６、４７により増加されたその表面３０、３１、４４、４５を介して熱を放散する。ファン１７に関連して、これらのリブ３２、３３、４６、４７は、熱を外側に放散し、遠心分離機１０全体を冷却する空気流を生成する。ベースプレート１１、１１ａ、１１ｂは、ハウジング１９との直接的な熱接触が存在しないように遠心分離機１０中に配置される。さらに、開口１８、２０、２１は、防火要件が満たされるように金網（図示せず）などにより覆われている。

本発明に従うベースプレート１１、１１ａ、１１ｂは、互いに平行に並ぶリブ３２、３３、４６、４７を備えるが、角度のある配列、すなわち、互いに対して１８０°ずれている配列も原則として可能である。たとえば、２つ以上のリブの群を設けてもよく、１つの群のリブは互いに平行に延在するが、グループ間では角度が画定されてもよい。さらに、すべてのリブが互いに対して角度をなしてもよい。したがって、特に有利な空気流が調整され得る。

上記の説明から、本発明に従う遠心分離機１０は、遠心分離容量は変えないまま、遠心分離機１０をよりコンパクトな設計とすることができ、または、設置寸法は変えないまま、遠心分離容量を増加できるように、その必要な設置スペースが減少されるという点において、改善された冷却を提供することが明らかになる。さらに、部品数が減らされるため、費用および組立時間が節約できる。

Claims (16)

1. ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）と、
   前記ベースプレートの上に配置された、駆動される遠心分離ロータ（１３）と、
   前記ベースプレートの上に配置されたコンプレッサ冷却装置（１４）と、
   前記遠心分離ロータおよび前記コンプレッサ装置を覆うように前記ベースプレートの上に配置された、ハウジング（１９）とを備え、
   前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）が前記コンプレッサ冷却装置（１４）の熱交換器を構成することにより、前記コンプレッサ冷却装置（１４）の冷却媒体用のコンデンサ（５１）の少なくとも一部として作用するように、前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）は、前記コンプレッサ冷却装置（１４）と熱を伝導するように連結されていることを特徴とする、遠心分離機。
2. 前記遠心分離機は、実験用遠心分離機（１０）であることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離機（１０）。
3. 前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）に、および／または前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）中に、パイプ（２２，５０）として構成される冷却剤用の伝達手段が設けられたことを特徴とする、請求項１または２に記載の遠心分離機（１０）。
4. 前記伝達手段（２２，５０）が前記ベースプレート（１１ａ）内に成形されるか、または、前記ベースプレート（１１ｂ）が少なくとも２部構成（４０，４１）であり、かつ前記伝達手段（５０）が前記２部（４０，４１）間の分割面（Ｔ）に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の遠心分離機。
5. 前記伝達手段（５０）は、前記ベースプレート（１１ｂ）の少なくとも一部（４０，４１）に組込まれることを特徴とする、請求項４に記載の遠心分離機。
6. 前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）は、２つの大きな主表面（３０，３１，４４，４５）の少なくとも１つの表面に、少なくとも１つの表面増加要素（３２，３３，４６，４７）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の遠心分離機（１０）。
7. 前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）は、１つまたは複数の冷却リブ（３２，３３，４６，４７）を備えることを特徴とする、請求項６に記載の遠心分離機。
8. 前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）は、前記伝達手段（２２，５０）と流体連結していない少なくとも１つのスルーホール（１８）を備えることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の遠心分離機（１０）。
9. 少なくとも１つの換気手段（１７）が、前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）の上に配置されたことを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の遠心分離機（１０）。
10. 前記ハウジング（１９）中の換気口（２０，２１）の通気可能なカバーが設けられることを特徴とする、請求項９に記載の遠心分離機。
11. 前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）は、前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）と前記ハウジング（１９）との間の熱伝達が遮断されるかまたは少なくとも緩和されるように、前記遠心分離機（１０）の前記ハウジング（１９）に配置されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の遠心分離機。
12. コンプレッサ冷却装置（１４）を備える遠心分離機を冷却するための方法であって、
    前記遠心分離機（１０）のベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）は、前記コンプレッサ冷却装置（１４）のコンデンサの少なくとも一部として用いられ、前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）は、前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）が前記コンプレッサ冷却装置（１４）の熱交換機を構成するように、前記コンプレッサ冷却装置（１４）と熱を伝導するように連結されていることを特徴とする、方法。
13. 遠心分離機として、実験用遠心分離機（１０）が用いられることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）に平行するおよび／または前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）を通って上昇する空気流を生成する、少なくとも１つの換気手段（１７）が設けられることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 請求項１から１１のいずれかに記載の遠心分離機（１０）が用いられることを特徴とする、請求項１２から１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記少なくとも１つの換気手段（１７）が、前記遠心分離機（１０）の側方および／または底部から前記ハウジング（１９）に入る空気流を前記遠心分離機（１０）の前記ハウジング（１９）中に生成するように、前記ベースプレート（１１，１１ａ，１１ｂ）に取付けられることを特徴とする、請求項９に記載の遠心分離機（１０）。

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