JP5861988B2 - 遠心分離機 - Google Patents

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    • B04B9/10Control of the drive; Speed regulating

Description

本発明は、様々な電源事情に対して構成を変更せずに対応でき、小形化・低騒音化を達成すると共に高精度な温度制御を実現した遠心分離機に関する。
遠心分離機、とりわけ高速冷却遠心機と呼ばれる種類に属する遠心分離機は、高速回転するロータを低温(例えば4℃)に冷却保持し、短時間にロータ加速・減速する能力が必要な実験室用或いは製造工程のルーチン作業に広く使用される。このような遠心分離機は、チューブ・ボトルに入れた分離・沈殿させる試料をロータに保持させて、チャンバ内のクラウンにセットされたロータを所定の回転数まで加速した後に整定させ、しかる後に減速停止して遠心分離した試料を得る装置である。
従来の高速冷却遠心機では、試料の遠心分離時間がさほど長くないことが多く、ロータの加速・減速時間を短縮して分離・沈殿物の収集能率を向上させることが重要であり、加減速時間が短いことが特に要求される。また、遠心分離運転中に分離・沈殿させる試料は、生化学的活性の低下・温度による劣化を防ぐために、遠心分離運転中はロータに保持された試料を低温(例えば4℃)に高精度に保持する能力が求められる。さらに、設置スペースが小さく小形であることが重要であり、研究・実験室などの静かな周囲環境で使用されるため運転音が静かであることも重要である。
一方、遠心分離機の仕向け先(配送先)は全世界に及ぶため、各国での電源事情が様々であり、従来から一つの設計仕様で電源の電圧・周波数・給電容量に対応できるような構成とされている。出願人により現在販売されている製品の一般的な構成としては、ロータの加速・減速するためのモータはインバータによる可変速制御が行われ、試料を低温に保持する冷凍ユニットのコンプレッサモータとラジエータ通風ファンは共に単相誘導モータによるON・OFF制御が行われる。
コンプレッサを、インバータ制御による可変速コンプレッサとする技術は特許文献1により提案されている。特許文献1では、ロータを回転駆動するモータの力行・電源回生運転に際し、電源から給電或いは電源に戻す電流を高力率でかつ高調波電流を低減させた電流波形とするものである。また、特許文献2に示す技術は、供給される電源周波数が60Hzの地域で、冷却ファンの回転数を50Hz時の回転数と同等になるように低減し、電源周波数が変わることにより冷却ファンから発する騒音レベルが変動しないようにするものである。また、特許文献3に示す技術は、冷凍ユニットのコンプレッサモータON・OFF制御を行う遠心分離機において、高圧側配管と低圧側配管側をつなぐパイパス配管と開閉器を設け、コンプレッサを停止した際に開閉器を開き、高圧側配管と低圧側配管圧力差を短時間でなくし、コンプレッサの再起動に必要な圧力条件を作るようにした遠心分離機が開示されている。
特開平7−246351号公報 特開平6−170282号公報 特開平5−228400号公報
従来、仕向け先毎の電源電圧への対応については、できる限り一つの設計仕様で対応させるため、通常電源電圧への整合が困難である遠心用モータ制御、コンプレッサ用モータ制御、ラジエータファン等のために遠心分離機の電源入力部に単巻トランスを設け、この単巻トランスのタップを切替えて遠心分離機の機内動作電圧に合わせていた。しかしながら接続電源の電流容量が様々であるため、給電容量が小さい場合には給電容量を超えないようにロータ加速時の遠心用モータの電流を、電流容量の最も小さい電源仕様に合わせてロータの加速を鈍くするか、或いは、ロータの加速に電源容量を振り向けるためにロータの加速が終了するまでの間、冷凍機のコンプレッサ用モータの動作を停めてロータが回転に伴う風損で温められてしまうのを容認するようにしていた。しかしながらこのような制御方法を採用すると、遠心分離機本来の機能を低下させていることになってしまう。
従来の電源周波数への対応に関しては、電源周波数が変化するとモータの回転数が変わり冷却能力に違いが生じるコンプレッサ用モータ及びラジエータ通風ファンを用いている。この際、コンプレッサ用モータでは回転数の低下により冷媒循環量が低下する50Hz電源でも冷凍能力が十分確保できるように、能力が大きいものを組み込んでいる。また、同様にラジエータ通風ファンでは回転数の低下によりラジエータの放熱量が低下する50Hz電源でも放熱が十分確保できるように大形のファンを装備している。しかしながらこれらを60Hz電源で使用する際には、これらのモータやファンの回転数が上昇することにより発生する動作音が大きくなる。これらの音を下げるために防音・遮音などの装備を組み込んで製品化している製品もある。これはロータ駆動用のモータの冷却ファン、制御装置冷却ファンでも事情は同様である。
従来のロータの温度制御においては、コンプレッサ用モータの回転数は電源周波数に依存する単一の回転数とし、コンプレッサ用モータのON及びOFFの制御を行っている。この制御では回転中のロータの大きな温度脈動や、ロータの風損損失が低い領域での温度制御精度の低下がある。この対策として、インバータ制御による可変速コンプレッサを利用したものがあるが、連続可変速運転だけでなく間欠ON・OFF運転が必要な制御の場合は、ロータの風損損失が低い連続可変速運転と間欠ON・OFF運転の境界領域でのロータの温度制御性が悪くなり、依然として高精度な温度制御が実現できていなかった。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的はロータの温度を測定する温度センサの検出温度をフィードバックして、ロータ目標制御温度と温度センサの検出温度との差からコンプレッサ用モータを高精度に制御することができる遠心分離機を提供することにある。
本発明の他の目的は、コンプレッサ用モータのオンオフ制御に伴う回転中のロータの大きな温度脈動を防止することができる遠心分離機を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ロータの風損損失が低い領域においても高精度な温度制御精度が得られ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通りである。
本発明の一つの特徴によれば、モータにより駆動され試料を保持するロータと、モータを駆動する電力を供給する遠心用インバータと、ロータを収容するチャンバと、チャンバの温度を検出する温度センサと、チャンバを冷却しコンプレッサを有する冷凍機と、コンプレッサに電力を供給するコンプレッサ用インバータと、コンプレッサに組み込まれコンプレッサ用インバータからの給電により可変速制御されるコンプレッサ用モータと、設定された遠心分離運転条件に基づき遠心用インバータとコンプレッサ用インバータを制御する制御装置を有する遠心分離機において、制御装置はコンプレッサ用モータの回転数が所定回転数より大きい場合には、設定温度と温度センサの検出温度に基づいてコンプレッサ用モータをフィードバック制御し、コンプレッサ用モータの回転数が所定回転数より低くなった場合にはコンプレッサの冷却機能をオン又はオフする間欠制御を行うように構成した。所定回転数と比較するコンプレッサ用モータの回転数は、設定温度と温度センサの検出温度との差から制御装置が演算したコンプレッサ用モータを回転させるべき回転数であって、演算方法として例えばPID演算を用いる。温度センサは、チャンバ下部の金属部に接触するように設けると好ましい。
本発明の他の特徴によれば、設定温度を入力可能な入力部を有し、制御装置は入力された設定温度からロータを設定温度にするための目標制御温度を設定し、目標制御温度と温度センサの検出温度に基づいてコンプレッサ用モータをフィードバック制御する。また制御装置は、間欠制御において、温度センサの検出温度が目標制御温度より高い場合であって、コンプレッサ用モータの回転数が設定された最小連続回転数よりも大きい時に、コンプレッサの冷却機能をオンにする。さらに制御装置は、間欠制御において、所定時間連続で温度センサの検出温度が目標制御温度よりも高い場合は間欠制御を終了し、フィードバック制御に移行するようにした。温度センサは、チャンバ下部の金属部に接触するように配設すると良い。
本発明の他の特徴によれば、制御装置は、コンプレッサ用モータの回転数が所定回転数より低い状態が所定時間以上続いたか否か及びコンプレッサ用モータの回転数が設定された最小連続回転数に到達したか否かを監視し、所定回転数より低い状態が所定時間以上続いたか又は回転数が最小連続回転数に到達したと判断した場合に、コンプレッサの冷却機能をオン又はオフする間欠制御を行う。また制御装置は、間欠制御において、コンプレッサ用モータをオンオフ制御する。この間欠制御では、コンプレッサ用モータをオフする際には、少なくとも最小オフ時間に渡ってオフを維持する。
本発明の他の特徴によれば、エバポレータと、コンプレッサが圧縮した冷媒をエバポレータに供給する送り通路と、エバポレータからコンプレッサへの戻り通路と、送り通路から戻り通路を短絡することによりエバポレータをバイパスさせるバイパス通路と、バイパス通路中に設けられたバルブとを有し、制御装置は、間欠制御において、バルブをオンオフ制御する。また制御装置は、バルブをオフ制御する際に、コンプレッサ用モータを最小連続回転数で回転するよう制御する。さらに、制御装置は間欠制御において、バルブをオンオフ制御すると共に、コンプレッサ用モータを連続運転又は断続運転するよう制御する。さらに、制御装置は、コンプレッサ用モータを断続運転する制御において、バルブのオン時間を断続運転の間隔よりも短く制御する。
本発明の他の特徴によれば、ロータの温度制御開始時に温度センサの検出温度をフィードバック情報とし、目標制御温度と温度センサの検出温度との差から演算回転数が最小連続回転数より高い場合は、ロータの設定回転数とロータの設定可能最大回転数との比率から求まる係数を最大連続回転数に掛け算した回転数をコンプレッサ用モータの設定回転数にする。ロータの温度制御開始時に、温度センサの検出温度をフィードバック情報とし目標制御温度と温度センサの検出温度との差から演算回転数が最小連続回転数より高い場合は、あらかじめ登録されているロータの風損係数と運転中のロータの回転速度からロータの発熱量を算出した値を係数として最大連続回転数に掛け算した回転数をコンプレッサ用モータの設定回転数にする。
本発明の他の特徴によれば、バイパス通路の一部に絞り部を設けた。尚、バルブは流量を可変に調整できる可変バルブとして、流量を調整することにより絞り部として機能させるように構成しても良い
請求項1の発明によれば、遠心分離機において、制御装置は、コンプレッサ用モータの回転数が所定回転数より大きい場合には、設定温度と温度センサの検出温度に基づいてコンプレッサ用モータをフィードバック制御し、コンプレッサ用モータの回転数が所定回転数より低くなった場合には、コンプレッサの冷却機能をオン又はオフする間欠制御を行うので、ロータの風損損失が低い領域でも温度制御精度が高い遠心分離機を実現できる。
請求項2の発明によれば、コンプレッサ用モータの回転数は制御装置による演算で求めるので、検出温度に応じて精度良くコンプレッサ用モータの回転数を求めることができる。
請求項3の発明によれば、演算はPID演算であるので比例・積分・微分項からなる温度フィードバック制御を用いて精度良く回転室の温度制御を行うことができる。
請求項4の発明によれば、制御装置は目標制御温度と温度センサの検出温度に基づいてコンプレッサ用モータをフィードバック制御するので、目標制御温度に達するように精度良く回転室の温度制御を行うことができる。
請求項5の発明によれば、間欠制御において、温度センサの検出温度が目標制御温度より高い場合であって、コンプレッサ用モータの回転数が設定された最小連続回転数よりも大きい時に、冷凍機の冷却機能をオンにするので、ロータの冷却不足が生ずる恐れが無い遠心分離機を実現できる。
請求項6の発明によれば、間欠制御中に検出温度が目標制御温度よりも高い場合は、フィードバック制御に移行するので、冷却不足状態が生ずることなく効果的に回転室を冷却することができる。
請求項7の発明によれば、温度センサはチャンバ下部の金属部に接触するように配設したので、エバポレータの温度変化に対してレスポンス良く応答することができ、精度の高い冷却特性を有する遠心分離機を実現できる。
請求項8の発明によれば、所定回転数より低い状態が所定時間以上続いたか又は回転数が最小連続回転数に到達したと判断した場合に、冷凍機をオン又はオフする間欠制御に移行させるので、コンプレッサ用モータをオフした際の目標制御温度への温度再上昇を所定時間以上確保できるように十分に冷却することができる。
請求項9の発明によれば、間欠制御において、コンプレッサ用モータをオンオフ制御するので、回転室の冷却が弱くても良い状態であっても精度良い遠心分離機を実現できる。
請求項10の発明によれば、コンプレッサ用モータをオフする際には、少なくとも最小オフ時間に渡ってオフ状態を維持するので、コンプレッサのオイル潤滑も十分行われ、サクション管と吐出管の間で圧力差が所定値以下でONとなりコンプレッサの長寿命化が期待できる。
請求項11の発明によれば、送り通路から戻り通路を短絡することによりエバポレータをバイパスさせるバイパス通路と、バイパス通路中に電気的に開閉制御が可能なバルブを設けたので、コンプレッサを停止させるだけなくバルブを断続的にオン又はオフしながら冷却能力を調整することができる。
請求項12の発明によれば、バルブをオフ制御する際に、コンプレッサ用モータを最小連続回転数で回転するよう制御するので、コンプレッサを止めることなく冷却状態を維持することができる。
請求項13の発明によれば、間欠制御において、バルブをオンオフ制御すると共に、冷凍機のコンプレッサ用モータを連続運転又は断続運転するので、コンプレッサ用モータを停止させた際の再起動禁止時間の制約を減少又は無くすことができる。
請求項14の発明によれば、コンプレッサ用モータを断続運転する制御において、バルブのオン時間を断続運転の間隔よりも短く制御するので、コンプレッサの再起動禁止時間の制約を減少又は無くすことができる。
請求項15の発明によれば、演算回転数が最小連続回転数より高い場合は、ロータの設定回転数とロータの設定可能最大回転数との比率から求まる係数を最大連続回転数に掛け算した回転数をコンプレッサ用モータの設定回転数にするので、過大な回転数でPID制御が始まることによる一時過渡的なロータ温度の低下を防止できる。
請求項16の発明によれば、演算回転数が最小連続回転数より高い場合は、あらかじめ登録されているロータの風損係数と運転中のロータの回転速度からロータの発熱量を算出した値を係数として最大連続回転数に掛け算した回転数をコンプレッサ用モータの設定回転数にするので、過大な回転数でPID制御が始まることによる一時過渡的なロータ温度の低下を防止できる。
請求項17の発明によれば、キャピラリの入口側と戻り通路とを結ぶバイパス通路に絞り部を設けたので、バイパス通路の小さい断面積部分を通過した冷媒が戻り通路内で気化することが可能となり、コンプレッサに戻る際には冷媒を気化状態とすることができ、コンプレッサの寿命の低下を防止できる
請求項18の発明によれば、絞り部はバイパス通路に設けられ、流路を開閉又は絞るようにしたバルブ手段であるので、バルブ手段の開閉を制御することによりエバポレータへの冷媒の送出を効果的に調整することができる
本発明の上記及び他の目的ならびに新規な特徴は、以下の明細書の記載及び図面から明らかになるであろう。
本発明の実施例に係る遠心分離機の全体構成の概略を示す断面図である。 本発明の実施例に係る遠心分離機のブロック図である。 本発明の実施例に係る遠心分離機の交流電源電流の分配パラメータを設定する手段の表示・操作画面を示した図である。 本発明の実施例に係る遠心分離機の制御装置に記憶される交流電源電流の分配パラメータ例を示した表である。 本発明の実施例に係る遠心分離機でR22A4形ロータを加速・整定・減速停止時のロータとコンプレッサ用モータの回転数及び電流の関係を実測例で示した図である。 本発明の実施例に係る遠心分離機でR10A3形ロータを加速・整定・減速停止時のロータとコンプレッサ用モータの回転数及び電流の関係を実測例で示した図である。 本発明の第2の実施例に係る遠心分離機において、ロータの種類と電力分配の関係を説明するための図である。 本発明の第3の実施例に係る遠心分離機のブロック図であり、三相交流電源に接続する場合を示す。 本発明の第4の実施例に係る遠心分離機でR22A4形ロータを22000min−1で回転させ、試料の温度を4℃に冷却維持する制御に温度センサ40aを用いた場合の実測例を示した図である。 本発明の第4の実施例に係る遠心分離機でR22A4形ロータを22000min−1で回転させ、試料の温度を4℃に冷却維持する制御に温度センサ40bを用いた場合の実測例を示した図である。 本発明の第4の実施例に係る遠心分離機でR22A4形ロータを10000min−1で回転させ、試料の温度を4℃に冷却維持する制御を実測例で示した図である。 本発明の第4の実施例に係る遠心分離機でR10A3形ロータを7800min−1で回転させ、試料の温度を4℃に冷却維持する制御を実測例で示した図である。 本発明の第4の実施例に係る遠心分離機でR22A4形ロータを10000min−1で回転させ、試料の温度を4℃に冷却維持する途上で、回転数を12000min−1に変更させた制御を実測例で示した図である。 ロータ31の最大回転数に対する設定回転数との比率とコンプレッサ用モータ13の制御開始時の初期回転数の関係を示す図である。 遠心分離機でR22A4形ロータの各回転数における温度センサ40aの目標制御温度と風損の関係を示す図である。 遠心分離機でR10A3形ロータの各回転数における温度センサ40aの目標制御温度と風損の関係を示す図である。 PID制御に移行する直前2分間の温度センサ40aの測温値が減少する温度時間変化率(℃/秒)とI(積分項)の初期値との関係を示す図である。 遠心分離機に使用するロータ31の種類と凝縮機ファン18の回転数との関係の組み合わせ例を示した表である。 本発明の第5の実施例に係る遠心分離機の整定時のコンプレッサ用モータ13の制御と回転室内温度との関係の一例を示す図である。 本発明の第5の実施例に係る遠心分離機の整定時のPID制御とON・OFF制御時の目標制御温度の設定の手順を示すフローチャートである。 本発明の第5の実施例の変形例に係るコンプレッサ用モータ13の制御例を示すための図である。 本発明の第6の実施例によるコンプレッサ用モータ13のフィードバック制御からON・OFF制御への移行例を示す図である。 本発明の第6の実施例の変形例によるコンプレッサ用モータ13のフィードバック制御からON・OFF制御への移行例を示す図である。 本発明の第6の実施例の変形例2によるコンプレッサ用モータ13のフィードバック制御からON・OFF制御への移行例を示す図である。 本発明の第6の実施例の変形例3によるコンプレッサ用モータ13のフィードバック制御からON・OFF制御への移行例を示す図である。 本発明の第6の実施例に係る遠心分離機301のブロック図である。 本発明の第6の実施例に係る遠心分離機301のバルブ360を用いた温度制御例を示す図である。 本発明の第6の実施例の変形例に係る遠心分離機301のバルブ360を用いた温度制御例を示す図である。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。
図1は本発明の実施例に係る遠心分離機1の全体構成の概略を示す断面図である。遠心分離機1は、本体内部に回転室48を備え、回転室の下方には駆動源である遠心用モータ9が設けられる。遠心用モータ9は、インバータによる可変速制御が可能な高周波誘導モータ或いはブラシレスマグネット同期モータが用いられる。遠心用モータ9の下部には、出力軸(モータ軸)の回転数を検出するための回転センサ24が設けられ、側方には遠心用モータ9を冷却するためのDCファン25が設けられる。遠心用モータ9から上方へチャンバ32の内部にまで延びる出力軸(モータ軸)の先端部にはロータ31が着脱可能に装着される。チャンバ32は、上部に円形の開口部を有する略円筒形の容器である。チャンバ32の上側の開口部は、断熱材を内包したドア43が設けられ、ロータ31の回転室を開閉可能に構成する。遠心分離機1の運転時には、図示していないロック機構でドア43が開かないようにロックされる。
チャンバ32の外周には、配管されたエバポレータ(蒸発器)33が巻装され、その周囲は発泡剤などの適切な断熱材34で断熱される。冷媒を循環供給するために冷媒を圧縮するコンプレッサ35はコンプレッサ用モータ13を有し、吐出管36から圧縮した冷媒を凝縮機(コンデンサ)37に供給し、冷媒は凝縮機37において凝縮機ファン18からの風で放熱・冷却され液化し、キャピラリ38を通してチャンバ32の外周に巻きつけられたエバポレータ33の下部に送られる。ロータ31の回転時の風損により回転室48内で発生する熱は、エバポレータ33内で冷媒が蒸発する際の気化熱により奪われ、気化された冷媒はエバポレータ33の上部から排出されサクション管42を介してコンプレッサ35に戻る。ロータ31を収容するチャンバ32の底部の金属部に接する部分には温度センサ40aが設けられ、ロータ31の温度を間接的に検出する。さらに遠心用モータ9の出力軸を貫通させる貫通穴を塞ぐためのゴム製のシールラバー41には、その内部に温度センサ40b(破線で図示)が埋め込まれ、ロータ31の温度を間接的に検出するのに用いられる。ここで、本実施例では温度センサ40aと温度センサ40bの2つが設けられるが、必ずしも2つ必要な訳ではなくいずれか一方でも良い。また、他の場所に温度センサを設けても良いが、ロータ31の温度に間接的な検出にあたりその精度が変わってくるので注意が必要である。
遠心分離機1の内部には後述する制御装置を収容するための制御ボックス29が設けられる。制御装置は、図示しないマイクロコンピュータ、タイマー、記憶装置等を含んで構成され、遠心用モータ9の回転制御、回転室48の温度制御のための冷却機の運転制御を含め、遠心分離機1の全体の制御を行う。よって制御ボックス29の内部には各種の電気機器や電子回路が含まれ、動作時に各機器や回路が発熱する。そのため冷却用としてDCファン26が設けられ、制御装置の通電時にはDCファン26によって冷却風が電気機器や電子回路に送られる。制御装置20には温度センサ40aの検出温度がフィードバックされ、ロータ31内の試料が設定された目標温度になるようにコンプレッサ35内のコンプレッサ用モータ13の回転数が制御される。以上のように、遠心分離機1においては、DCファン25、DCファン26、遠心用モータ9、コンプレッサ用モータ13、凝縮機ファン18の5つの電気駆動のモータが含まれるが、本発明に於いては、遠心用モータ9、コンプレッサ用モータ13、凝縮機ファン18の3つの電気駆動のモータが特に発明に関与する。
遠心分離機1の上部には入力部である操作パネル21が設置される。操作パネル21は、例えばタッチ式の液晶表示パネルとすると好ましい。操作パネル21によって、試料を保持するロータ31の運転回転数(回転速度)設定、運転時間設定、冷却温度設定などの遠心運転条件の入力が行われ、各種情報の表示が行われる。
図2は、本発明の実施例に係る遠心分離機のブロック図である。これらは点線で示すように制御ボックス29の内部に収容される。図2の構成において、単相の交流電源22に接続された給電ライン2には、双方向コンバータ4、単方向コンバータ5、整流器15、及び、直流電源6が主に接続される。双方向コンバータ4は、電流波形を絶縁しながら計測可能な遠心用モータ電流センサ19を介して電力の順変換時には昇圧コンバータとして動作して交流電源22の電力を直流電力に変換する。電力の逆変換時には降圧コンバータとして動作して直流電力を交流電力に変換し交流電源22に電力を回生するものであって高力率である。双方向コンバータ4の直流電力供給端は平滑コンデンサ7を介して遠心用インバータ8に接続される。遠心用インバータ8の逆変換端子は高周波誘導モータ或いはブラシレスマグネット同期モータ等から成るロータ31を回転駆動する遠心用モータ9に接続される。この双方向コンバータ4の構成と動作は出願人が特開平7−246351号公報で詳細を開示したものと同様であり、交流側は交流電源22に接続され、直流側は平滑コンデンサ7に接続され、双方向コンバータ4を構成する複数の整流素子に逆方向並列にバイポーラトランジスタ、IGBT、FET等のスイッチング素子を接続して構成される。尚、双方向コンバータ4はそのような構成だけでなく、その他の公知の構成による双方向コンバータを用いても良い。
直流電力供給端に直流電力を供給し遠心用モータ9を加速するときは、双方向コンバータ4の昇圧機能により電源電圧のピーク値より高い一定の直流電圧に昇圧しながら通過電流は電源電圧波形の正弦波形と等しく位相が同期した電流波形とし受電力率を改善する。遠心用モータ9を回生減速するときは双方向コンバータ4の降圧機能により交流電源22の電源電圧にほぼ等しく電圧波形に倣わせながら直流電力供給端の電圧を降圧し通過電流は電源電圧波形のサイン波形と等しく流れる方向が逆の電流波形とし逆潮流力率の改善をし、交流電源22に電力を戻す。双方向コンバータ4と遠心用インバータ8の間には、充電電圧を絶縁しながら測定する電圧センサ44が平滑コンデンサ7と並列に設けられる。電圧センサ44の出力は、入力コントロールライン23を介して制御装置20に伝達され、制御装置によってモニタされるとともに制御動作に活用される。
給電ライン2は直流電源6にも接続され、直流電源6の直流定電圧出力端からは、DCファン25、DCファン26のON・OFFを制御するコントロールスイッチ10、14を介してそれぞれ遠心用モータ9を冷却するDCファン25及び制御ボックス29を冷却するDCファン26が接続される。また、直流電源6の直流定電圧出力端は制御装置20に接続される。この直流電源6としてはスイッチング方式の安定化電源を用いることができ、交流電源22の広範囲な電源電圧に対応可能である。このように本実施例では各ファンをACファンではなくてDCファンを用いることにより、電源電圧・周波数にかかわらず一定な回転数が得られるようにすることができ、一定の冷却能力が確実に得られるように構成される。
単方向コンバータ5は、電流波形を絶縁しながら計測可能なコンプレッサ用モータ電流センサ28を介して交流電源22に接続され、交流電源22の電力を高力率で直流電力に変換する。単方向コンバータ5の直流電力供給端は、平滑コンデンサ11を設けてコンプレッサ用インバータ12に接続される。コンプレッサ用インバータ12の逆変換端子は、高周波誘導モータ或いはDCブラシレスマグネット同期モータ等から成るコンプレッサ用モータ13に接続される。単方向コンバータ5は、直流電力供給端から平滑コンデンサ11に直流電力を供給し昇圧機能により交流電源22のピーク値より数10V高い直流電圧に昇圧しながら通過電流は電源電圧波形のサイン波形と等しく位相が同期した電流波形とし受電力率を改善する。平滑コンデンサ11の充電電圧はコンプレッサ用インバータ12へ供給され、コンプレッサ用インバータ12で交流電圧値変換されてコンプレッサ用モータ13を駆動する。コンプレッサ用モータ13の回転数は交流電圧の周波数に依存し、その最大許容回転数は120Hz弱、即ち7200min−1弱である。コンプレッサ用モータ13は常に冷媒を圧縮する反力を受けており、電源供給を遮断すると直ちに減速停止するので回生電力を生じさせることはできない。従って、遠心用モータ9の回路のような双方向コンバータのような双方向変換機能は必要とされない。単方向コンバータ5とコンプレッサ用インバータ12の間には、平滑コンデンサ11の充電電圧を絶縁しながら測定する電圧センサ45が設けられる。電圧センサ45の出力は、出力コントロールライン27を介して制御装置20に伝達され、制御装置によってモニタされるとともに制御動作に活用される。
交流電源22は給電ライン3を介して整流器15にも給電され、整流器15の直流出力端から平滑コンデンサ16を介して凝縮機ファン用インバータ17に接続される。凝縮機ファン用インバータ17の出力端には高周波誘導モータ或いはブラシレスマグネット同期モータ等から成る凝縮機ファン18が接続される。前述した遠心用モータ9及びコンプレッサ用モータ13の所要電力は最大で通常2〜4kW程度であるが、直流電源6及び凝縮機ファン18の所要電力は合計100W程度であり、昇圧動作による力率改善機能は必要ない。また、電源高調波の抑制が必要ならば、電源入力部にリアクトル等を介在させれば良い。なお、電源高調波の更なる低減が必要なら力率改善機能を付加しても良い。
制御装置20の出力コントロールライン27からは、双方向コンバータ4が昇圧コンバータ動作か又は降圧コンバータ動作の動作選択、コントロールスイッチ10、14のON・OFF制御によるDCファン25、26の回転・停止の選択信号が出力される。遠心用インバータ8、コンプレッサ用インバータ12、凝縮機ファン用インバータ17に遠心用モータ9、コンプレッサ用モータ13と凝縮機ファン18のそれぞれには、電源電圧の変化を吸収し且つこれらのモータの回転状態に応じた適切な印加電圧となるよう例えばPWM方式の電圧フィードバック制御するための信号が出力される。遠心用インバータ8には出力電圧・出力周波数制御による遠心用モータ9のON・OFFを含む回転数の可変速制御信号が出力され、コンプレッサ用モータ13、凝縮機ファン18へも上記と同様な制御のためにそれぞれコンプレッサ用インバータ12、凝縮機ファン用インバータ17にもON・OFFを含む回転数の可変速制御がなされる。これらのモータの制御方法は制御装置20によって実行され、公知のVVVF制御あるいはセンサ付またはセンサレスベクトル制御技術と同様のものであり、モータの回転数に応じて適切な電圧とスベリまたは同期周波数を与え駆動する。
凝縮機ファン用インバータ17の整流器15には高価な昇圧機能を用いずに交流電源22の様々な電圧に対応するため、凝縮機ファン18の動作電圧を交流電源22の最小電圧とし、交流電源22の他の高い電圧に対応するためにPWM方式の電圧フィードバック制御する安価な構成とする。凝縮機ファン用インバータ17には電流波形を絶縁しながら計測可能な電流センサ47と電圧センサ46が設けられ、入力コントロールライン23を介して制御装置20に信号が入力されており、制御装置20から凝縮機ファン用インバータ17の電流及び平滑コンデンサ16の電圧がモニタできる。
制御装置20の入力コントロールライン23からは、交流電源22のライン電圧を検出し交流電源22の電圧の変化を吸収して制御装置20が遠心用インバータ8、コンプレッサ用インバータ12、凝縮機ファン18のそれぞれを電圧フィードバック制御するための電圧センサ30の電圧モニタ入力、双方向コンバータ4の入力部に設けられ双方向コンバータ4に流れる電流を検出する遠心用モータ電流センサ19の電流モニタ入力、単方向コンバータ5の入力部に設けられ単方向コンバータ5に流れる電流を検出するコンプレッサ用モータ電流センサ28の電流モニタ入力、遠心用モータ9の回転数を検出する回転センサ24の信号が入力される。電圧センサ30は、交流電源22の電圧を測定する
制御装置20には、試料を遠心分離するロータ31の種類、運転回転数設定、運転時間設定、冷却温度設定などの遠心運転条件を入力し設定値を記憶するための操作パネル21が設けられる。制御装置は設定値に従って、接続する交流電源22に対する電源電流の分配パラメータを操作パネル21に出力する。また、制御装置20には設定された電源電圧と許容電流定格をパラメータとして記憶することができる。この操作パネル21の表示内容を図3を参照して説明する。
本発明が適用される高速冷却遠心機は、200V系を入力電圧としており、交流電源22の定格電源電圧は、例えば単相交流では仕向け国によって200V,208V,220V,230V又は240Vがある。また、三相交流の場合は400Vである。ただし、この三相交流の場合はパワーグランドPEと各ライン間の電圧を使用するので実際には230Vが各相間の電圧となる。電圧変動幅は、通常その電圧下限は−15%、その電圧上限は+10%であり、170V〜264Vの電源電圧範囲に対応する必要がある。一方の交流電源22の定格給電容量は、例えば単相交流では30A、24A、23A、22A、21A、三相交流では30A、15Aである。電源周波数は50Hzと60Hzが存在し、電源周波数の違いに依る特性への影響はないが、その他の制御で分別して活用することがあり電源周波数も一応選択する。これらの電源パラメータを操作パネル21の操作画面から入力設定し記憶する。
図3は、電源パラメータを定格電圧200V、周波数50Hz、定格電流30A、単相交流に設定した際の操作パネル21の表示例を示したものである。定格電圧は仕向先の電源に合わせてInput voltage欄130、周波数はFrequency欄131、電源相数はPhase欄132、定格電流はMax. Current欄133のそれぞれの設定項目ごとに用意されている数字の所にチェックマーク134を入れ、OKボタン135を選択するとこれらの設定値が制御装置20に含まれる記憶手段に記憶される。この設定作業は例えば遠心分離機の製造者が工場出荷時に行うが、製品出荷後に中継ハブでの仕向け先の変更、或いは現地にて設置作業者が工場出荷時の設定と異なる電源に接続する場合にも行う。この設定された定格電流に基づいて、制御装置20は遠心用モータ9への電力供給とコンプレッサ用モータ13への電力供給の分配比を決定する。
この例では、総入力電力が200V×30Aで6000Wであるから、分配パラメータはコンプレッサ用モータ13用に2400Wの消費電力の固定値を6000Wから差し引き、残りの電力でロータ31を加速する制御を行うから遠心用モータ9の消費電力は3600Wとなり、遠心用モータ9の加速時は、遠心用モータ電流センサ19の通過電流が18A、コンプレッサ用モータ13の回転数が58Hz(58Hzは60倍して3480min−1に相当)になるように制御装置20が出力コントロールライン27を介して遠心用インバータ8及びコンプレッサ用インバータ12を制御する。ロータ31の加速整定後は、遠心用モータ9の消費電力が少なくなるため、コンプレッサ用モータ13の回転数は65Hzに引き上げてロータ31の冷却能力を強めて運転制御する。
ここで、コンプレッサ用モータ13に分配された2400Wはコンプレッサ用モータ13を58Hzで運転するときの最大の消費電力であり、この回転数58Hzは、コンプレッサ用モータ13が加速期間中にロータ31を余分に過熱しない回転数である。なお、コンプレッサ用モータ13の消費電力はエバポレータ33の吸熱量が大きいほど大きくなる。
図4は、本実施例に係る遠心分離機1の交流電源電流の分配パラメータの例を示すもので、これらはあらかじめ制御装置20の記憶手段に、例えばテーブル形式で格納される。ここでは、各定格電源電圧・定格給電容量、許容入力電力の組み合わせと、それに対応する分配パラメータが含まれ、これは図3の画面操作の結果に対する分配パラメータのファクタと決定例でもある。図3で設定された条件は、定格電圧単相200V時、定格電流30Aの場合の例であり、この例以外に同じ騒音・冷却条件下で遠心分離機を稼働させることができる条件の各パラメータが記憶される。
例えば、交流電源22の定格電圧が240V定格電流21Aの場合は、許容入力電力が5040Wとなる。この際、遠心用モータ9の入力電力は2640Wに設定され、制御装置20は遠心用モータ電流センサ19の出力が11.00Aになるように遠心用インバータ8にスベリ指令を出力する。これらの項番1から6は使用ロータ31のファミリが異なりロータが冷え難いため凝縮機ファン18の回転数は54Hzとしている。
項番5に示すように定格電圧三相400V(上述の通り実際には230Vが各相間の電圧)、定格電流が15A/相(各1相当り)の場合の例は、計算上の許容入力電力は6900Wになるが遠心用モータ9の入力電力は遠心用モータ電流センサ19の電源定格電流の15Aに抑えられ3450Wとされる。項番6に示すように定格電流が30A/相(各1相当り)の場合の例は、計算上の許容入力電力は13800Wになるが遠心用モータ9の入力電力は加速時の駆動トルクの制限などにより3900Wが最大であるとし遠心用モータ電流センサ19の電源定格電流は16.95Aに抑えられる。このように、各定格電源電圧・定格給電容量、許容入力電力の組み合わせによって予め遠心用モータ9とコンプレッサ用モータ13の回転数が設定されており、しかもロータ31の加速時と整定後に分けて設定される。
もちろん、本発明になる遠心分離機は、騒音・冷却条件は上記に限る必要はなく、従い分配パラメータも上記にとらわれずに様々に設定可能で、設定値に従い様々な交流電源22の電源事情で遠心分離機の最大能力とマッチさせて運転可能である。
なお、ロータ31が識別できると後述の風損、慣性モーメント、最大回転速度が自動的に決まるため本実施例の実現に特に好都合である。このロータ31の識別は、特開平11−156245号公報に開示されているようなロータ識別装置による自動取得でも良いし、操作パネル21からユーザが手動設定することよっても良い。
図5は、上記で決定された分配パラメータに従って制御装置20が、出願人が販売する高速冷却遠心機で使用している最高回転数22000min−1、慣性モーメント0.0141kg・mの比較的高速回転で低慣性モーメントのR22A4形ロータを加速し、22000min−1で整定したのち減速させた動作の実測例を示したものである。
ロータ31、遠心用モータ9の回転数100(左縦軸:回転数25000min−1目盛)、コンプレッサ用モータ13の回転数101(右縦軸:回転数(Hz)目盛)、遠心用モータ電流センサ19の出力102(右縦軸:電流(A)目盛)、コンプレッサ用モータ電流センサ28の出力103(右縦軸:電流(A)目盛)にて示す。104は、遠心用モータ電流センサ19とコンプレッサ用モータ電流センサ28の出力の合算電流値(右縦軸:電流(A)目盛)である。この場合、凝縮機ファン18、DCファン25とDCファン26の消費電力は合計100W程度であるので、合算電流値104は、遠心分離機全体の消費電流にほぼ等しい。
ライン100で示すようにR22A4形ロータ31を加速開始後に約45秒でロータ31が22000min−1の整定回転数に到達するまでは、回転数101で示すようにコンプレッサ用モータ13の回転数をロータ31冷却の熱平衡状態となる回転数58Hzに制御される。この回転数58Hzでは合算電流値104で示すように加速中のロータ31を不用意に温めることない上、ロータ31の加速のために一時的に増加する遠心分離機全体の消費電流をほぼ30A弱で一定に保つことが可能となる。R22A4形ロータを加速開始後ロータ31が22000min−1の整定回転数に到達するまでは、ライン102で示すように遠心用モータ電流センサ19の通過電流が約18A、遠心用モータ9の入力電力で約3600Wになるように制御装置20が遠心用モータ電流センサ19の出力をフィードバック信号とし遠心用インバータ8にスベリ指令を出力している。一方、ライン103で示すようにコンプレッサ用モータ13の入力電力として最大約12A、約2400Wの消費電力と合わせて、制御装置20は交流電源22からの入力電力として200V時電流約30Aの約6000Wの設定電源容量定格以内で動作し、遠心分離機が最大の能力を発揮している。
このとき、単方向コンバータ5の通過電流が一定の電流になるようにコンプレッサ用モータ13の回転数を細かく制御する定電流制御方法も実施可能であるが、この方法では回転数の応答が悪く通過電流の安定化が困難であり、むしろコンプレッサ用モータ13の回転数をあらかじめ定めた回転数に保つ方が結果としての定電流特性は勝り異音発生も無い結果が得られている。
R22A4形ロータが22000min−1の整定回転数に到達した後は、コンプレッサ用モータ13の回転数を、例えば65Hzに引き上げてロータ31を強力に冷却する。このコンプレッサ用モータ13の回転数65Hzは、コンプレッサ35から発生する騒音が遠心分離機の規定騒音値限度、例えば58dB以下になるような回転数であり、遠心分離機1から発する騒音を適切に抑えている。
R22A4形ロータが22000min−1の整定状態からこの場合は約36秒で減速停止する際はライン102で示すようにロータ31減速時の遠心用モータ電流センサ19の出力はマイナスになり、ライン104で示すようにロータ31の減速回生制動時に発生する電気エネルギーは双方向コンバータ4の逆潮流機能により交流電源22あるいは、コンプレッサ用モータ13が動作中のときは単方向コンバータ5からコンプレッサ用インバータ12を介してコンプレッサ用モータ13に吸収される。従って、本実施例の遠心分離機1では、いわゆる減速回生放電抵抗器を搭載する必要が全く無いので、遠心分離機1の小形化が可能になり省スペースが実現できる。さらに、ロータの運転とロータの冷却は全く独立してそれぞれを最適に制御でき、さらに、受電力率が高いので、高速回転するロータ31を強力に冷却しかつ短時間に加速・減速する性能が得られ、電源高調波を低減できる。ライン102で示すようにロータ31の停止間際に一時電流が増えているのは、滑らかな減速により遠心分離したサンプルの舞い上がりなどの乱れを防ぐために直流制動動作するためである。
通常遠心分離機は慣性モーメント、最高回転数の異なる様々なロータとの組合せがありこれにも対応する必要がある。図6は、本発明になる遠心分離機により図5と同じ制御方法により、出願人が販売する高速冷却遠心機で使用している最高回転数10000min−1、慣性モーメント0.277kg・mの比較的低速回転で高慣性モーメントなR10A3形ロータを約100秒で加速し、10000min−1で整定したのち約90秒で減速停止したときの、図5と同様の特性を表示したものである。ライン110(左縦軸:回転数25000min−1目盛)は遠心用モータ9の回転数、ライン111(右縦軸:回転数(Hz)目盛)はコンプレッサ用モータ13の回転数、ライン112(右縦軸:電流(A)目盛)は遠心用モータ電流センサ19の出力、ライン113(右縦軸:電流(A)目盛)はコンプレッサ用モータ電流センサ28の出力である。ライン114(右縦軸:電流(A)目盛)は遠心用モータ電流センサ19とコンプレッサ用モータ電流センサ28の出力の合算電流値を示したものである。
制御装置20は交流電源22からの入力電力として200V時電流約30Aの約6000Wの電源容量定格以内で動作し、ロータ31の慣性モーメント値にかかわらず本実施例の遠心分離機は最大の能力を発揮していることが理解できるであろう。次に、凝縮機ファン18の回転数の制御に関する選択・設定について説明する。
凝縮機ファン18の回転数の制御選択範囲はこの例の場合0Hzから60Hzであり、消費電力は最大で75W程度であるから遠心分離機全体の電力の消費にはさほど影響ないが、回転数を増やすと騒音には大きな影響を及ぼすため、ロータ31の冷却能力が確保できるかぎり回転数を低く抑える必要がある。
図15はR20A4形ロータの目標制御温度と風損の大きさを示すグラフである。図16はR10A3形ロータの目標制御温度と風損の大きさを示すグラフである。図15で、170〜172は、R10A3形ロータを各設定温度に冷やす際の目標制御温度であり、ライン173はロータ31の回転数と風損の大きさの関係を示すものである。ここで目標制御温度が4℃の時のロータ31の違いによる目標制御温度の違いは、図15のライン170、173と図16のライン175、178を比較してわかるように、R22A4形小容量高速回転ロータは表面積が小さく風損発熱源が集中しており、風損が小さいにもかかわらず冷却には大きな冷力が必要であり、一方、R10A3形大容量低速回転ロータは表面積が大きく風損発熱源が広いため風損が大きいにもかかわらず冷却には小さな冷力で済む。
さらに一般的に、大容量のロータは風損低減のため外面をカバーで覆う部材が必要なものが多く、回転中のこのカバー変形により風切り音が発生するため騒音が大きい傾向がある。これらの要因を考慮して、回転中のロータ31の所要冷力と発生騒音の関係から図18に示すように、遠心分離に使用するロータ31の種類に対応して凝縮機ファン18の回転数の上限値を自動的に選択して設定する。なお、図18において、R15Aは出願人が販売する高速冷却遠心機で使用している最高回転数15000min−1、慣性モーメント0.1247kg・mの比較的中速回転で中慣性モーメントのロータである。
もちろん、冷却能力、騒音への影響が大きい凝縮機ファン18の設定回転数は上述の分配パラメータの決定ファクタに加えてよいし、コンプレッサ用モータ13の回転数や遠心用モータ9の回転数に応じて所要冷力との関係で凝縮機ファン18の回転数を適宜変更するように構成しても良い。
以上、本実施例によれば遠心分離機1を電源電圧に依存しない構成としたので、単巻きトランスが不要となり仕向け先の電圧に合ったタップに切換える必要がなく、製品の小形化でき生産性が向上する。また、電源周波数に依存しない構成とするとともに、主な騒音源となるコンプレッサ用モータと凝縮機ファンを可変速制御として適切な回転数で運転するようにしたので防音・遮音性に優れた遠心分離機を実現できる。仕向け先の給電容量に合わせてロータ加速時の電流を調整するように設定・記憶し、この内容に基づいて機器がほぼ最大給電可能電流値付近で動作するよう制御するので、常にその電源事情で最大の性能が発揮できる。
次に図7を用いて、装着されるロータ31の種類に応じて遠心用モータ9への電力供給とコンプレッサ用モータ13への電力供給の分配比を変更する制御について説明する。図7に示すような、ロータ31の種類と分配パラメータをテーブル形式にて記憶装置にあらかじめ格納し、制御装置20は装着されたロータ31を識別し、記憶装置から読み出した分配パラメータに従って遠心用インバータ8とコンプレッサ用インバータ12への電力供給を制御する。
制御装置20は交流電源22からの入力電力として200V時電流約30Aの約6000Wの電源容量定格以内で動作する場合の例であり、項番1のR22A4形小容量高速回転ロータは加速時間は短いが冷却するのに大きな冷力が必要であるから、加速時遠心用モータ9の電力を3350W程度に絞る。一方、コンプレッサ用モータ13の回転数を64Hzと高速にして冷却能力を十分に確保する。
項番3のR10A3形大容量低速回転ロータは、加速時間は長いが冷却するのに大きな冷力は必要ないので、加速時には遠心用モータ9の電力への分配を高めて3900W程度に増やして加速時間を短縮する。一方、コンプレッサ用モータ13の回転数を50Hzと低速にして冷却能力は縮小している。項番2はR15A形中容量中速回転ロータであるため、コンプレッサ用モータ13の回転数と加速時遠心用モータ9の電力を項番1と3の中間に定めている。なお、交流電源52の定格電圧、定格電流が異なる他の電源事情の場合には、上記の思想に基づき予め分配パラメータを決めて、記憶装置に格納しておくと良い。
このように、仕向け先の給電容量と装着されるロータ31の種類に応じて、コンプレッサ用モータ13の回転数と加速時の遠心用モータ9の電力をロータ31の加速時間・冷却特性に合わせて適切に分配されるように分配パラメータを設定・記憶してあり、この内容に基づいて遠心用モータ9への電力供給とその他のモータへの電力供給の分配比を決定し制御するので、常にその電源事情で最良の性能が発揮できる。
次に図8を用いて本発明の第3の実施例を説明する。図8の遠心分離機のブロック図において図1で示した第一の実施例と異なるところは、電源として三相交流電源を用いることであり、給電ライン2と給電ライン3が交流電源52の異なる相に接続されることにある。その他の同じ参照符号を付している部分は、図1で示した第一の実施例のブロック図と同一である。
遠心分離機がロータ31を所定の最高回転数で整定制御中に、例えば4℃の温度に冷却維持する場合がより大きな消費電力となり、大気中でロータ31を回転させる遠心分離機の場合、通常遠心用モータ9で消費される電力はほぼコンプレッサ用モータ13で消費される電力に等しく1kWから2kW程度になる。なお、これらの電力にこれらの駆動力に変換する効率を掛け算した値がロータ31で発生する風損に等しい。一方、直流電源6の消費電力と凝縮機ファン18の消費電力は共におおよそ50Wから100W程度であるから、給電ライン2と給電ライン3の消費電力はほぼ等しく、これらの給電ラインを交流電源52の三相交流の異なる相に接続すると消費電力が偏ること無く良いバランスが取れる。図1のように給電ライン2と給電ライン3をまとめて交流電源22に接続するのを図8のように分離して接続し直す、或いはその逆への接続の変更は極めて容易であるので、汎用性のある接続の仕方である。
第三の実施例に係る遠心分離機では、大容量の遠心用モータ9のコンバータとなる双方向コンバータ4は交流電源22の力率を改善して264V電源電圧のピーク電圧に約10Vを加算した直流電圧になるように昇圧制御される。平滑コンデンサ7に充電される直流出力電圧は約385Vに一定電圧に制御されるので、遠心用モータ9のインバータ回路は交流電源22の供給電圧の変動に対して安定した回転制御ができる。同様にしてコンプレッサ用モータ13も大容量であり、コンプレッサ用モータ13に電力を供給する単方向コンバータ5も同様に、170V〜264Vの電源電圧変動や50Hz、60Hzの電源周波数の変化にも対応しているので、コンプレッサ用モータ13も安定に制御される。
チャンバ32を冷却する能力は、コンプレッサ35のコンプレッサ用モータ13の回転数に依存するのはもちろんであるが、この他に凝縮機37を冷却する凝縮機ファン18の風量によっても大きく左右される。特に、使用する電源周波数環境50Hzと60Hzとで、遠心分離機の騒音と最大冷却能力が異なるという問題があり、例えばACファンタイプの凝縮機ファン18は、電源周波数50Hzの場合は1時間あたりの風量は1800リューベで騒音約50.6dBであり、電源周波数60Hzの場合は風量2040リューベで騒音54.3dBであり、電源周波数60Hzの方が風量は10数%増えるが騒音も3から4dB程度大きくなる。
遠心用モータ9や制御ボックス29を冷却するACファンも同様で、電源周波数50Hzよりも60Hzの方が風量、騒音が大きい。従ってチャンバ32を冷却する能力は、凝縮機ファン18の回転数が高い60Hzの方が50Hzに比べて大きいため、50Hzの場合、遠心分離機の回転室48の最大冷却能力は小さく騒音も小さく、電源60Hzの場合、遠心分離機の回転室48の最大冷却能力は大きいが騒音も大きい。直流電源6の直流電圧は例えば24Vであり電源電圧が170V〜264Vに変動してもDC24Vを供給するので、DCファン25、DCファン26は一定の回転数を保ち風量・風圧は変化しないから電源電圧・周波数に依存せずまた騒音が変わることなく遠心用モータ9や制御ボックス29を冷却することができる。
以上説明したように、第三の実施例では電源電圧・周波数フリーな構成とし、接続される電源電圧と許容電流定格を設定記憶した結果により分配パラメータを決定し遠心分離機を動作させるようにしたので、接続される交流電源の電圧が様々に異なっていても単巻トランスを用意する必要が無く、電源周波数50Hzと60Hzの違いによる能力・騒音の違いをなくし最適となる最大冷却能力と騒音特性を備える遠心分離機を実現できた。さらに、単相交流への接続だけではなく、遠心用モータ9の双方向コンバータ4とコンプレッサ用モータ13の単方向コンバータ5で受電する相を異ならせる、いわゆるマルチフェイズ電源への接続が容易に変更可能な構成としたので、各相あたりの使用電流が低減でき、交流電源の電源インピーダンスが高い場合にも運転が可能となる。
次に、遠心分離機1のロータ31の温度制御において、ロータ31の風損損失の大小にかかわらず速かに目標の設定温度にロータ31の温度を近づけ、その後高精度な温度制御を得るための動作について説明する。
従来の温度制御方式はチャンバ32の温度を温度センサ40bで検出してコンプレッサ用モータ13を間欠制御(ON・OFF制御)するため、ロータ31内の試料の温度を所望の目標温度に制御するのにオーバーシュート・アンダーシュートを繰返してチャンバ32のロータ31側の表面温度を脈動させるように構成している。この際の温度制御時に発生する誤差を補うため、予め実験等により求めておいたロータ31回転時の温度センサ40bの目標温度(目標制御温度)とロータ31内の試料温度の差である温度補正値を用いて高精度化を実現している。しかしながら、従来のコンプレッサ35のON・OFF制御では、ON・OFF切替え時に発生する騒音、及び交流電源22の瞬時電圧低下などを伴う他、チャンバ32室内の温度を脈動させながらロータ31を温度制御していたので、温度変動に幅が発生するため温度制御のさらなる高精度化が長年の課題であった。ロータ31の温度検出手段として、放射温度計等をロータ31の回転室48内に設け、直接ロータ31の底面部の温度を測定し、これを目標制御温度としてロータ31を所望の温度制御・維持そる方法もあるが、本発明の実施例では、チャンバ32の温度をサーミスタ等の温度センサ40a、40bで間接的に測定する方法にて、以下説明する。
温度補正値はロータ31の運転回転数、試料の維持温度の他に、ロータの種類・形状毎に風損による発生量とチャンバ32とロータ31間の熱交換量が異なるため、予めロータ種類・運転回転数・試料の維持温度毎に温度補正値を定め操作パネル21又は制御装置20に記憶しておき、ロータ31の種類の他に運転・温度制御条件にあった温度補正値を用いて温度制御の精度向上を図っている。
昨今、エアコンや冷蔵庫などの民生機器では、冷凍機のコンプレッサ用モータ13をコンプレッサ用インバータ12によって可変速運転する技術が普及しており、遠心分離機への適用も検討され始めているが、遠心分離機は、試料維持温度が−20℃から40℃と広範囲であることや、ロータの回転数やロータの種類によって風損による損失が数100W程度から2kWの範囲で大きく変化するため、インバータ方式の冷凍機を適用するにあたり民生機器とは全く異なる温度制御技術が必要となる。ここで図15、図16を用いてロータの種類、回転数と風損の関係を説明する。図15は日立工機株式会社製のR20A4形ロータの各回転数における温度センサ40aの目標制御温度と風損の関係を示す図である。横軸はロータ31の回転数(min−1)である。ここでロータ31の風損173(単位W)は、右側縦軸に対応するもので、ロータ31の風損は回転数にほぼ比例して増加し、近似式とするとロータの回転数のほぼ2.8乗に比例する。
インバータ方式の冷凍機を採用して従来の温度センサ40bの検出温度と設定された目標温度との差から、比例・積分・微分項からなるいわゆる温度フィードバックPID制御方式を採用しても、前述のように運転条件によってロータの発熱量が大きく異なる。ロータ31の回転数と目標制御温度との関係は、170〜172の通りであり、170はロータ31を20℃に冷やす時の目標制御温度曲線であり、171は10℃に冷やす時の目標制御温度曲線、172は4℃に冷やす時の目標制御温度である。170〜172により理解できるようにロータ31の回転数が上昇すると風損が上昇するので、目標制御温度を低めに設定する必要がある。このように、比例・積分・微分項の配分となるPID制御パラメータは温度制御条件によって最適値が大きく異なり、PID制御パラメータの適正値を一様に定めるのは困難である。従って、コンプレッサ用モータ13の回転数を単にPID制御するだけでは制御温度のハンチングが生じ易いので制御温度の更なる精度向上が望めないため、ロータ温度の好ましくない上下の温度差を抑え、温度制御精度を向上させる必要がある。
そこで第四の実施例では、制御装置20はチャンバ32の底部に設けた温度センサ40aの検出温度をフィードバックし、ロータ31内の試料が設定された目標温度になるようにコンプレッサ35内のコンプレッサ用モータ13の回転数を制御する。ここで、凝縮機37の放熱のために風を送る凝縮機ファン18の回転数は、前述のように50Hzで制御されている。
図16は出願人が販売するロータであるR10A3形ロータの各回転数における温度センサ40aの目標制御温度と風損の関係を示す図である。R10A3形ロータは、図15で例示したR20A4形ロータよりも大型であってロータ径が大きい。従って、回転数の上昇に伴うロータ31の風損178(単位W)の上昇度合いは、図15の風損173よりも大きくなる。しかしながら、R10A3形ロータの表面積が大きいため、チャンバ32の冷却によって、R20A4形ロータよりも冷却効果が高くなる。従って、ロータ31の回転数と目標制御温度との関係は、175〜177の通りであり、175はロータ31を20℃に冷やす時の目標制御温度曲線であり、176は10℃に冷やす時の目標制御温度曲線であり、177は4℃に冷やす時の目標制御温度である。目標制御温度170〜172により理解できるようにロータ31の回転数が上昇すると風損が上昇するので、目標制御温度を低くする
図9は本実施例の遠心分離機1において、ロータ31として前出のR22A4形ロータを回転数22000min−1、試料の温度を4℃に温度制御したときの、コンプレッサ用モータ13の回転数(単位Hz)150と、温度センサ40aによる測定された温度151と、ロータ31の底面温度152(単位℃)を示したものである。横軸はロータ31を回転させてからの経過時間である。
このロータの場合、ロータ31を回転数22000min−1において4℃に冷やすための目標制御温度は、図15のライン172からわかるように−12.7℃となる。この際のコンプレッサ用モータ13の制御回転数は、図9の0〜500秒付近の範囲に示すように、ロータ31の加速段階では58Hzとし、ロータ31が22000min−1で整定した以降は65Hzとする。このように制御することによって、時間の経過に伴い温度センサ40aの検出温度が低下し、経過時間650秒付近で目標制御温度より0.5℃高い−12.2℃に達すると、温度センサ40aの検出温度と目標制御温度からフードバック制御によりコンプレッサ用モータ13の回転数を制御する。図17のPID制御開始時のI(積分項)の初期値は、例えばPID制御に移行する直前2分間の温度センサ40aの測温値が減少する温度時間変化率(℃/秒)で決めることができる。
図17を用いてフィードバック制御の一例として、PID制御を用いた場合について説明する。PID制御開始時のI(積分項)の初期値は、例えばPID制御に移行する直前2分間の温度センサ40aの測温値が減少する温度時間変化率(℃/秒)で決めることができる。例えば図17では、温度センサ40aの測温値が減少する温度時間変化率が2分間で約1.2℃であるから、PID制御のI項の初期値として50Hzが代入される。ここでPID制御のPとIとDの和をコンプレッサ周波数にするが、PとDは演算の都度、新たな値を決めるのに対し、Iは時間軸に沿って積算するので、初期値として入れておくとその後の制御のオフセットのような効果がでる。この制御操作により、PID移行時にコンプレッサ用モータ13の回転数を高く維持し、温度センサ40aが速やかに、滑らかに制御目標温度に近づく。この理由は、測温値が減少する温度時間変化率が大きい程ロータ31の冷却が速いので、PID制御移行時のIを小さく設定し、逆の場合は大きく設定し、いずれの場合も、コンプレッサ用モータ13の回転数制御に変曲点を設けて、温度センサ40aが速やかに制御目標温度に近づくようにしている。
以上のように制御することにより、コンプレッサ用モータ13のPID演算により算出される演算回転数は、当初若干の回転数のオーバーシュート・アンダーシュートを伴うものの、最終的には約48Hzの回転数に落ち着き、これ以降コンプレッサ用モータ13の回転数制御は安定する。この間、ロータ31の試料の温度にほぼ一致するロータ31の底面温度152の時間経過は、制御開始時に26℃であったものが滑らかに下降し、正確に4℃にて維持される。
図10は、従来の遠心分離機でR22A4形ロータを22000min−1で回転させ、試料の温度を4℃に冷却したときの、コンプレッサ用モータ13の回転数(単位Hz)153、ロータ31の底面温度(単位℃)155、温度センサ40bの測定温度値154の時間経過を示したものである。図9の本実施例と異なり、従来の遠心分離機では温度センサ40aの替わりにシールラバー41内に設けられた温度センサ40bを用いて温度制御を行っている。その場合は温度制御目標が異なるため、温度センサ40bの冷却目標温度を図9の−12.7℃から−7℃に変更したこと以外は図9で示した実測例と異なるところはない。
図10から明らかなように、従来のコンプレッサ用モータ13の制御回転数は、時間が経過してもオーバーシュート・アンダーシュートを繰り返し回転数が収束安定しないためコンプレッサ35から発生する騒音が変動し、ロータ31の底面温度は脈動が継続するため温度制御精度が低下する。この原因は、温度センサ40bがシールラバー41に覆われているためコンプレッサ用モータ13の回転数の変化によるエバポレータ33の温度変化に対する遅れ、時定数などのレスポンスが悪いためである。したがって、本実施例による温度制御を行うには、図10のように温度センサ40bを用いて行うのではなく、図9のように温度センサ40aを用いて行うと良い。この理由は温度センサ40aがチャンバ32の金属部に接触し設けられているためのエバポレータ33の温度変化に対してレスポンス良く応答するからである。
図11は、遠心分離機1でロータ31として前出のR22A4形ロータを回転数10000min−1で回転させ、ロータ31内の試料の温度を4℃に温度制御したときの、コンプレッサ用モータ13の回転数(単位Hz)156、温度センサ40aの測定温度(単位℃)157、ロータ31の試料の温度にほぼ一致するロータ31の底面温度(単位℃)158の時間経過を示したものである。この条件では、ロータ31の風損は、図9の場合の11%程度で100W未満となり、温度制御動作の進行に伴い測定温度157に対応した回転数156が最小連続回転数、例えば本実施例の場合15Hzを下回ったら、コンプレッサ用モータ13の回転数制御はPID連続回転数制御から20HzのON及びOFFの制御となる。通常、コンプレッサ用モータ13においては、定格や安定性の関係から連続回転できる最大回転数(最大連続回転数)と最小回転数(最小連続回転数)が設定されている。ここで、間欠制御の際の連続回転数を20Hzとして、コンプレッサ用モータ13の最小連続回転数よりも高く設定する。コンプレッサ用モータ13をON・OFF制御する際のそれぞれの回転数、すなわち発停回転数は、本発明ではON時20Hz、OFF時0(ゼロ)Hzである。
連続回転できる最小回転数を15Hzとし、ON・OFF制御時のON時回転数20Hzよりも低く設定しているため、最小連続制御時の吸熱量とON・OFF間欠制御時の吸熱量間の吸熱量守備範囲がオーバーラップしており、低速の連続回転数制御とON・OFF間欠制御間で制御状態の行き来があっても温度制御性特性が良好になる。このコンプレッサ用モータ13のON及びOFFの繰り返し制御に伴い、温度センサ40aの測定温度157は小幅に脈動するが、ロータ31の底面温度158は変動がなく高精度で安定した温度制御となっていることが理解できるであろう。
温度センサ40aの目標制御温度は約−1℃であり、コンプレッサ用モータ13の回転数は温度制御開始当初100〜300秒付近は65Hzにあり、PID制御により温度センサ40aの温度が−0.5℃になると15Hzまで連続制御で回転数が低下する。しかし、コンプレッサ用モータ13が15Hzの最小連続回転数であっても連続運転すると温度センサ40aの測定温度157がさらに低下するため、目標制御温度が約−1℃より2度低下した−3℃でコンプレッサ用モータ13をOFFにし、コンプレッサ用モータ13のON・OFF制御に移行する。そして温度センサ40aの測定温度157が上昇に転じ目標制御温度より1度高い0℃になると、コンプレッサ用モータ13を再びONにする。このON・OFF制御は、目標制御温度に対して+1度のオーバーに対してOFF状態からON動作へ、一方、−1度のアンダーに対してON動作からOFF状態に切換え制御し、OFF状態からON動作への移行時には最低60秒のOFF状態の状態確保(最小オフ時間)、逆のON動作からOFF状態への移行時には最小30秒ON状態の状態確保(最小オン時間)を伴う。これは、コンプレッサ35のオイル潤滑上の理由からで、サクション管42と吐出管36の間で圧力差が所定値以下でON、圧力差が所定値以上でOFFする必要があるからである。
図12は、遠心分離機1でロータ31として前出のR10A3形ロータを回転数7800min−1で回転させ、ロータ31内の試料の温度を4℃に温度制御したときの、コンプレッサ用モータ13の回転数(単位Hz)159、温度センサ40aの測定温度(単位℃)160、ロータ31の試料の温度にほぼ一致するロータ31の底面温度(単位℃)161の時間経過を示したものである。温度センサ40aの制御温度目標は、おおよそ−2℃である。この条件では、ロータ31の風損は630W程度となり、コンプレッサ用モータ13の回転数159で示すように温度制御動作の進行に伴いコンプレッサ用モータ13の回転数159は連続制御回転数の下限値となる15Hz強の連続回転数制御となる。この回転数は、図9の場合のON・OFF制御時のON時回転数20Hzよりも低いため、低速の連続回転数制御と20Hz、ON・OFF制御との間の吸熱量範囲がオーバーラップしている、低速の連続回転数制御とON・OFF制御と狭間の領域の制御性が良好になる。
図13は、遠心分離機1でR22A4形ロータを10000min−1で回転させ、試料の温度を4℃に冷却維持する途上で、回転数を12000min−1に設定変更した場合の温度制御を実測例で示した図である。図11とは逆に、コンプレッサ用モータ13の回転数(単位Hz)162で示すように温度制御動作の進行に伴いコンプレッサ用モータ13の回転数(単位Hz)163の制御は20HzのON・停止OFF制御からPID連続回転数制御となる。温度センサ40aの目標制御温度は当初約−1℃であり、回転数の設定変更後は約−2℃である。図11と同様にコンプレッサ用モータ13の回転数162は温度制御開始当初の0〜200秒程度までは65Hzにあり、PID制御による連続回転数制御により15Hzまで連続制御で回転数が低下した後にON・OFF制御に移行する。
この後約2000秒付近で、ロータ31の回転数が10000min−1から12000min−1に設定回転数変更タイミング174で増速されると、ロータ31の風損が若干増加する。よって、コンプレッサ用モータ13の回転数が25HzでON状態にあるとき180秒以上温度センサ40aの検出温度が新しい目標制御温度−2℃を0.5℃上回る状態が継続してしまうので、制御装置20はコンプレッサ用モータ13を連続回転のPID制御に移行する。この後の制御の状況は図12での説明と同様である。
連続回転のPID制御に移行後の初期コンプレッサ用モータ13の回転数162は、約1900〜2300秒付近に示すように30Hzとし、過大な回転数からのPID制御開始により一時過渡的にロータ31の温度が低下してしまうのを防止している。この関係をまとめて示すと図14のようになり、目標制御温度と温度センサ40aの検出温度が数度程度の所定値範囲内に接近している場合、PID制御開始時の初期コンプレッサ用モータ13の回転数は、ロータ31の設定可能最大回転数に対する設定回転数との比率から求まる係数を、コンプレッサ用モータ13の所定最大連続回転数に掛け算した回転数として設定され再変更される。最大回転数に対する設定回転数との比率(%)が65%以下の場合は、コンプレッサ用モータ13の回転数(Hz)は全て30Hzに設定される。例えば最大回転数22,000rpmのロータ31の設定回転数が12000rpmの場合は、最大回転数の54.5%になるので、図14から65%以下の30HzがPID制御開始時の初期コンプレッサ用モータ13の回転数に再設定される。
なお、PID制御開始時の初期コンプレッサ用モータ13の回転数はロータ31の風損に依存するので、あらかじめ登録されているロータ群の風損係数と運転中のロータ31の回転速度からロータの発熱量を算出した値を係数として、コンプレッサ用モータ13の最大連続回転数に掛け算した回転数に再設定することでも良い。
次に本発明の第5の実施例に係る遠心分離機の整定時のコンプレッサ用モータ13の制御方法を図19〜21を用いて説明する。これらの制御は、可変速コンプレッサを用いた複数の温度制御手段(初期動作、PID制御、ON・OFF制御)を有する遠心分離機において、温度制御に用いる基準温度を温度制御手段に応じて複数設けたものである。図19はコンプレッサ用モータ13の制御と回転室48内温度との関係の一例を示す図であって、回転室48内が十分冷却されてON・OFF制御にて冷却が行われている状態から、PID制御に移行される際の状態を示している。この際、制御装置20は冷凍機によってロータ31を設定温度にすべく回転室48内を目標制御温度203となるように冷却する。
可変速コンプレッサは、最低30秒連続ON及び最低60秒連続OFFというコンプレッサ用モータ13の動作時間の制約が設けられている。これは、コンプレッサ35のオイル潤滑上の理由からで、サクション管42と吐出管36の間で圧力差が所定値以下となるまでONにできないことと、圧力差が所定値以上でOFFにする必要があるからである。そのため、従来のON・OFF制御では回転室48内の温度が目標制御温度より高くなっても、制約されている時間を経過しないとコンプレッサ用モータ13を再起動させることができず、矢印201a、201b、201cで示すように設定温度203aよりも高い回転室48内の温度になってしまう懸念があった。反対に、PID制御に切り替えた後の可変速コンプレッサの制御では、コンプレッサ用モータ13を連続ONして目標制御温度付近に近付けるように制御するため、動作時間の制約の影響を受けずに、ON・OFF制御よりも回転室48内の温度が一様であった。
発明者らの検討によると、これら2つの温度制御モード(ON・OFF制御、PID制御)において回転室48内を制御するための目標制御温度を同じとしてしまうと、温度制御後のサンプル温度に誤差が生じるということがわかった。また、目標制御温度203が同じであっても室温等の条件によって温度制御モードが切り換わってしまうことがあり、回転室48内の温度を制御するために目標制御温度を一律では定めるべきではないということがわかった。そこで、第5の実施例においては、ロータ31の回転が整定して、回転室48内の温度が十分冷えた状態における可変速コンプレッサの温度制御において、温度制御モード毎の温度制御に用いる目標制御温度(基準制御温度)を温度制御モードに応じて補正するか、あるいは複数設けるように構成した。
制御装置20は、温度センサ40aによる検出温度に基づきコンプレッサ用モータ13を適切な回転速度で維持するよう駆動させるPID制御と、温度センサによる検出温度に基づきコンプレッサ用モータ13を所定の回転速度で断続運転するON・OFF制御の2つの運転モードを有する。この際、回転室48内の温度を制御するための目標制御温度203は、ロータ31がロータ31の種類ごとに定めた所定の値より高い回転速度の時は温度制御モード1(PID制御)にて目標制御温度を決定・登録し(設定温度203b)、ロータ31がロータの種類ごとに定めた所定の値より低い回転速度の時は温度制御モード2(ON・OFF制御)にて目標制御温度を決定・登録し(設定温度203a)、コンプレッサ用モータ13を運転させるようにした。
このような制御は、回転室48内の温度を制御するための目標制御温度または制御閾値がPID制御またはON・OFF制御のどちらで決定されたのかを一緒に制御装置20内の図示しないマイコンに登録する。登録された温度は、以下のようにして調整される。
(1)PID制御で目標制御温度が決定されマイコンに登録されたが、ロータ運転中にON・OFF制御となった場合は、目標制御温度より1℃低い温度を制御閾値とする(設定温度203bに対する設定温度203a)。
(2)ON・OFF制御で制御閾値が決定されマイコンに登録されたが、ロータ運転中にPID制御となった場合は、制御閾値より1℃高い温度を目標制御温度とする(設定温度203bに対する設定温度203a)。
このように制御することによってPID制御とON・OFF制御で制御閾値が所定温度(ここでは1℃)だけ違うことになり、回転室48内温度を目標制御温度により近い、精度の高い温度管理を行うことができる。尚、設定温度203aと203bの温度差は1℃だけでなく、ロータ31の種類や目標制御温度203に応じて適宜設定すれば良い。
図20は本発明の第5の実施例に係る遠心分離機の整定時のPID制御とON・OFF制御時の目標制御温度の設定の手順を示すフローチャートである。作業者が回転室48にロータ31をセットしてドア43を閉め、操作パネル21にて遠心分離の設定回転数、遠心分離時間、設定温度等を入力して遠心分離運転を開始させると、制御装置20は装着されたロータ31の型式を識別し、記憶装置から読み出した分配パラメータに従って目標制御温度と、整定時において可変速コンプレッサをPID制御するかON・OFF制御するかの情報に従い、コンプレッサ用モータ13の運転をする。この運転中において図19によるフローチャートの手順が実行され、制御装置20は、稼働中の冷凍機がPID制御中かON・OFF制御中のいずれであるかを判断する(ステップ210)。PID制御の場合は、設定されている目標制御温度を使ってPID制御を行い(ステップ211)、ステップ210に戻る。ここでON・OFF制御の場合は、上述の記憶手段から読み出された目標制御温度を−1℃だけ補正した補正値を目標制御としてON・OFF制御を行い(ステップ212)、ステップ210に戻る。このように本実施例では、ON・OFF制御の際に回転室48の温度が高めになってしまうことを目標制御温度を−1℃だけ補正して制御したので、精度の高い温度管理を行うことができる。
第5の実施例の変形例として、ON・OFF制御の際の精度を更に高めるようにすることも可能である。これは、可変速コンプレッサON・OFFによる回転室48内の温度制御において、回転室48内の温度を測定して目標制御温度との偏差を時間積分し、コンプレッサのON・OFFに伴う毎回の温度ハンチングの都度、正の偏差の積分値と負の偏差の積分値が同等または所定の比率になるタイミングでコンプレッサ用モータ13をONまたはOFFすることにより実現できる。図21は目標制御温度220に対してコンプレッサを222のようにON・OFF制御することにより積算面積によるコンプレッサ用モータ13の制御を行うものである。
図21は本発明の第5の実施例の変形例に係るコンプレッサ用モータ13の制御例を示すための図である。ここでは、可変速コンプレッサON・OFFによる回転室48内の温度制御において、回転室48内温度を測定して目標制御温度220との偏差を時間積分し、コンプレッサON・OFFに伴う毎回の温度ハンチングの都度、正の偏差の積分値と負の偏差の積分値が同等または所定の比率になるタイミングでコンプレッサをONまたはOFFする。具体的には、ON・OFF制御で回転室48内の温度を制御する場合は、以下のようにして温度制御を行う。
回転室48内の温度と制御閾値との偏差を積分し、図21に示すように正の偏差の積分値をPとする。さらに、コンプレッサOFF時の正の偏差の積分値をp、コンプレッサON時の正の偏差の積分値をpとする。同様に、負の偏差の積分値をNとし、コンプレッサON時の負の偏差の積分値をn、コンプレッサOFF時の負の偏差の積分値をnとする。
そして正の偏差の積分値Pと負の偏差の積分値Nが同等となるよう可変速コンプレッサを以下のように制御する。
(1)コンプレッサがONしている時においては、A×P ≦n となった時にコンプレッサをOFFにする(Aは所定の係数)。
(2)コンプレッサがOFFしている時においては、A’×N <p となった時にコンプレッサをONにする(A’は所定の係数)。
(3)上記(1)と(2)の制御を繰り返すことにより、ハンチングする回転室48内温度の平均値を目標制御温度220に近づけることができるので、ロータ温度の制御精度を向上できる。
本実施例によれば、室温等の条件の変化で温度制御モードが切り換わっても回転室48内の温度を制御するための温度を自動調整することができる。これにより、従来の制御で生じていた温度制御モードによるサンプル温度の誤差が軽減できる。また、目標制御温度と回転室48内温度との偏差から算出した積分値より可変速コンプレッサの動作を制御することで、機械的制約の影響を軽減した高精度の温度制御が可能となり、サンプル温度を『設定温度±2℃』以内に保持することが期待できる。
次に図22〜図25を用いて本発明の第6の実施例における、フィードバック制御(又はPID制御)からON・OFF制御への切替制御の具体的な仕方を説明する。図22は第6の実施例によるコンプレッサ用モータ13のフィードバック制御からON・OFF制御への移行例を示す図である。図22(1)は制御の目標温度に対する温度センサ40aの測定温度231の状態を示す図である。図22(2)はその時のコンプレッサ用モータ13の回転数232であって、制御装置20は回転数232が、所定の周波数、即ち最小連続回転数(下限値)より大きい切替基準回転数、ここでは20Hz)を下回る時間が時間t11において所定時間Tに達したらフィードバック制御からON・OFF制御に移行してコンプレッサ用モータ13の断続運転をする。ここでTは冷凍機の起動禁止時間であって、本来では測定温度231が目標制御温度をこえた時間t12において点線233のようにコンプレッサ用モータ13を再起動するのが理想的であるが、冷凍機の起動禁止時間Tが経過していないため、経過するまで待機して時間t13においてコンプレッサ用モータ13を再起動させる。再起動をさせた時のコンプレッサの回転数は切替基準回転数たる20Hzである。その後、コンプレッサの再起動により時間t14において測定温度231が再び目標制御温度を下回ったらコンプレッサを停止させる。以降同様の制御を繰り返し、切替基準回転数より高くなって且つ起動禁止時間Tが経過したらコンプレッサ用モータ13を再起動させる。このように制御することによって、フィードバック制御からON・OFF制御に移行する時にあまり温度変化することなく移行することができる。
図23は第6の実施例の変形例によるコンプレッサ用モータ13のフィードバック制御からON・OFF制御への移行例を示す図である。図23(1)は制御の目標温度に対する温度センサ40aの測定温度241の状態を示す図である。図23(2)はその時のコンプレッサ用モータ13の回転数242であって、制御装置20は回転数242が、最小連続回転数(下限値、15Hz)に達したまま所定時間T経過したら、時間t21においてフィードバック制御からON・OFF制御に移行してコンプレッサ用モータ13の断続運転をする。ここでTは冷凍機の起動禁止時間であって、本来では測定温度241が目標制御温度をこえた時間t22においてコンプレッサ用モータ13を再起動するのが理想的であるが、冷凍機の起動禁止時間Tが経過していないため、経過するまでまって時間t23においてコンプレッサ用モータ13を再起動させる。再起動をさせた時のコンプレッサの回転数は最小連続回転数の15Hzではなく切替基準回転数たる20Hzである。その後、コンプレッサの再起動により時間t24において測定温度241が再び目標制御温度を下回ったらコンプレッサを停止させる。以降同様の制御を繰り返し、切替基準回転数より高くなって且つ起動禁止時間Tが経過したらコンプレッサ用モータ13を再起動させる。このように制御することによって、フィードバック制御からON・OFF制御に移行する時にあまり温度変化することなく移行することができる。
図24は第6の実施例の第2変形例によるコンプレッサ用モータ13のフィードバック制御からON・OFF制御への移行例を示す図である。図24(1)は制御の目標制御温度に対する温度センサ40aの測定温度251の状態を示す図である。図24(2)はその時のコンプレッサ用モータ13の回転数252であって、制御装置20は回転数252が、所定の周波数、即ち最小連続回転数(下限値)より大きい切替基準回転数、ここでは20Hz)を下回り、測定温度が目標制御温度−1℃以下になったら、時間t31においてフィードバック制御からON・OFF制御に移行してコンプレッサ用モータ13を停止させる。ここでTは冷凍機の起動禁止時間であって、本来では測定温度251が再び目標制御温度に到達した時間t32においてコンプレッサ用モータ13を再起動するのが理想的であるが、冷凍機の起動禁止時間Tが経過していないため、経過するまで待って時間t33においてコンプレッサ用モータ13を再起動させる。再起動をさせた時のコンプレッサの回転数は切替基準回転数たる20Hzである。その後、コンプレッサの再起動により時間t34において測定温度251が再び目標制御温度を下回ったらコンプレッサを停止させる。以降同様の制御を繰り返し、切替基準回転数より高くなって且つ起動禁止時間Tが経過したらコンプレッサ用モータ13を再起動させる。このように制御することによって、フィードバック制御からON・OFF制御に移行する時にあまり温度変化することなく移行することができる。
図25は第6の実施例の第3変形例によるコンプレッサ用モータ13のフィードバック制御からON・OFF制御への移行例を示す図である。図25(1)は制御の目標温度に対する温度センサ40aの測定温度261の状態を示す図である。図25(2)はその時のコンプレッサ用モータ13の回転数262であって、制御装置20は回転数262が、最小連続回転数(下限値)たる15Hzに達したら、最小連続回転数にコンプレッサ用モータ13の運転を継続させ、測定温度が目標制御温度−1℃以下になったら、時間t41においてフィードバック制御からON・OFF制御に移行してコンプレッサ用モータ13を停止させる。ここでTは冷凍機の起動禁止時間であって、本来では測定温度261が再び目標制御温度に到達した時間t42においてコンプレッサ用モータ13を再起動するのが理想的であるが、冷凍機の起動禁止時間Tが経過していないため、経過するまで待って時間t43においてコンプレッサ用モータ13を再起動させる。再起動をさせた時のコンプレッサの回転数は切替基準回転数たる20Hzである。その後、コンプレッサの再起動により時間t44において測定温度261が再び目標制御温度を下回ったらコンプレッサを停止させる。以降同様の制御を繰り返し、切替基準回転数より高くなって且つ起動禁止時間Tが経過したらコンプレッサ用モータ13を再起動させる。このように制御することによって、フィードバック制御からON・OFF制御に移行する時にあまり温度変化することなく移行することができる。
図26は 本発明の第7の実施例に係る遠心分離機301の全体構成の概略を示す断面図である。ここで図1で説明した遠心分離機1と同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。
チャンバ32の外周には、配管されたエバポレータ(蒸発器)33が巻装される。冷媒を循環供給するために冷媒を圧縮するコンプレッサ35はコンプレッサ用モータ13を有し、吐出管36から圧縮した冷媒を凝縮機(コンデンサ)37に供給し、冷媒は凝縮機37で放熱・冷却されて液化し、送り通路337、キャピラリ338を通してエバポレータ33の下部に送られる。エバポレータ33では冷媒が気化する際に回転室48の熱を吸熱することで回転室48を冷却し、気化した冷媒はエバポレータ33の上部から排出され戻り通路(サクション管)342a、342bを介してコンプレッサ35に戻る。ここで本実施例では凝縮機37から送り通路337を通ってキャピラリ338に至る通路の途中に、分岐手段337cを設け、送り通路337から戻り通路342との間を短絡するバイパス通路361(361a、361b)を設けた。バイパス通路361中に、制御ボックス29中に配置される制御装置20によって電気的に制御可能なバルブ360を設けることにより、バイパス通路361は、冷媒の流れる方向からみてバルブ360の上流側通路361aと下流側通路361bに分けられる。下流側通路361bは、戻り通路342に設けられた分岐手段342cに接続される。ここで、分岐手段337c、342cはT型分岐管やその他の三分岐管等を用いることができる。このようにバイパス通路361(361a、361b)を設けることにより液化された冷媒がキャピラリ338とエバポレータ33を通過することをバイパスさせることが可能となる。バルブ360は、“開”又は“閉”の2段階に制御できる開閉式の電磁バルブで構成するが、バルブの開口面積を0から最大まで段階的に又は連続的に可変できるように構成した流量調整式の可変電磁バルブで構成しても良い。バルブ360は、冷凍機の通常運転時においては閉鎖されているが、回転室48が十分冷えて冷凍機のフィードバック制御(PID制御)からON・OFF制御に移行された際に、制御装置20によって適宜開放又は閉鎖される。
チャンバ32の底部の金属部に接する部分には温度センサ40aが設けられ、ロータ31の温度を間接的に検出する。制御装置20は温度センサ40aの出力を用いて、バルブ360の閉鎖と開放を制御する。ここでバルブ360を開放すると冷媒がほとんどエバポレータ33には行かないので、回転室48は冷えないことになる。このバイパス通路361を利用して、コンプレッサ用モータ13のON・OFF制御をする際にコンプレッサ用モータ13を停止させないで、又は停止させた上でバルブ360のON(開放)とOFF(閉鎖)制御を行い、回転室48が目標制御温度で精度良く冷却されるようにした。
冷媒を液体の状態のままでコンプレッサ35に供給してしまうと、コンプレッサ35の寿命の低下、もしくは破損してしまう可能性があるので、コンプレッサ35の運転上の条件として、コンプレッサ35に供給される冷媒は気化(気体)の状態で供給する方が好ましい。そこで、本実施例においては、バイパス通路361の内部に絞り部を設けて、冷媒の気化を促進させる構成とした。絞り部の形状は任意であって、通路の一部に流路を絞って断面面積を小さくした部分を形成しても良いし、バルブ360又はその他の絞りによって開口断面積を絞るように形成しても良いし、通路を形成する配管そのものの内径を小さくすることによって絞りとしても良い。本実施例ではバイパス通路361の内、バルブ360から戻り通路342までの下流側通路361bの断面積(内径)をキャピラリ338の断面積(内径)より大きくし、戻り通路(B)342bの断面積より小さくした。具体的には、下流側通路361bの内径の直径は1.8mmで長さは300mmである。一方、キャピラリ338の内径の直径は1.5mmで長さは3mに設定されている。バイパス通路361の上流側通路361aの内径は、冷媒がスムーズに流れるように吐出管36などと同じ程度の内径(9.5mm)とした。
本実施例において制御装置20のコントロールによりバルブ360が開かれると、凝縮機37を出て送り通路337に流れる冷媒の大部分は、分岐手段337cにおいて流路抵抗の少ないバイパス通路361のほうに流れるようになり、下流側通路361bを通過した冷媒は、上流側通路361aよりも内径が小さく(断面積が小さく)構成された下流側通路361b内を通過し、分岐手段342cにて戻り通路342に合流したのちに気化し、戻り通路(B)342bを通ってコンプレッサ35に戻る。これにより、従来では、高圧側の吐出管36内の圧力と戻り通路(B)342bの圧力とが均衡する時間が、従来は約2分程度かかっていたのが約20秒程度に短縮することができ、かつ気化した冷媒をコンプレッサ50に供給することができ、コンプレッサの寿命を低下させることなく、短時間で高圧側の吐出管36内の圧力と戻り通路342の圧力とが均衡することができるので、コンプレッサの再起動時までの時間を短縮することができる。
尚、バルブ360を挿入する位置は図26で示した位置だけでなく、分岐手段337c又は分岐手段342cに三方弁等の電磁式の切替弁を設けるようにしても良い。また、バイパス通路361に設ける場合のバルブ360の形式は、電磁式のものだけに限られずに、制御装置20によって開閉の制御できるならばその他のバルブや開閉手段であっても良い。例えば、本実施例では、バイパス通路の内径を小さくすることにより通路の最小断面積を調整するようにしたが、他の方法としてバイパス通路361の上流側通路361aと下流側通路361bを同じ内径にし、バルブ360として流量を調節できるようにものに置き換えて、バルブ360の開度を制御装置20によって制御することで冷媒の流量を調整し、液化された冷媒を気化してコンプレッサ35に戻すようにしても良い。
また、本実施例では分岐手段337cをキャピラリ338の上流側近傍に設けたが、分岐手段337cを設ける位置はここだけに限られずに、凝縮機37を用いない場合はコンプレッサ35からキャピラリ338までの間のいずれかの位置に設けるようにすれば良い。さらに、バルブ360に代えて又は加えて、キャピラリ338側通路又は戻り通路(A)342a中に電磁的に開閉制御可能なバルブを設けるようにしても良い。さらに、コンプレッサ用のモータはインバータモータでなくても良い。
図27は本発明の第7の実施例に係る遠心分離機301のバルブ360を用いた温度制御例を示す図である。(1)〜(3)の各グラフは時間軸(横軸)を合わせて図示している。図27(1)は回転室48の目標制御温度と温度センサ40aによる測定温度371の状態を示すグラフであり、(2)はコンプレッサの回転数372を示すグラフであり、(3)はバルブ360のON又はOFFの制御状態を示すグラフである。バルブ360がONとはバルブが開かれてバイパス通路361が導通される状態を示し、OFFとはバルブが閉じられてバイパス通路361が閉鎖される状態を示す。制御装置20は回転室48の測定温度371に従ってフィードバック制御によりコンプレッサの回転数372を低下させるが、矢印372aにおいて最小連続回転数(下限値)たる15Hzに達したら、最小連続回転数にコンプレッサ用モータ13の運転を継続させ、最小連続回転数(下限値、15Hz)に達したまま所定時間T経過したら、時間t51においてフィードバック制御からバルブ360のON・OFF制御に移行する。この際、第5の実施例と異なりコンプレッサ用モータ13は最小連続回転数(下限値、15Hz)又は、最小連続回転数より少し高い回転数(例えば20Hz程度)にて断続運転を続ける。その後、バルブ360のONにより時間t52において測定温度371が再び目標制御温度にまで上昇したらバルブ360のOFFにしてコンプレッサ35からの冷媒をエバポレータ33に送出する。以降同様の制御を繰り返し、目標制御温度より低くなったらバルブ360をONにし(時間t53、t55、t57)、目標制御温度より高くなったらバルブ360をOFFにする(時間t54、t56、t58)。この際の、バルブ360のON・OFF間隔に関しては時間的な制約はほとんどない。このように制御することによって、コンプレッサ用モータ13を停止させることなく、目標温度制御をバルブ360の開閉だけで実現することができる。
図28は本発明の第7の実施例の変形例に係る遠心分離機301のバルブ360を用いた温度制御例を示す図である。(1)〜(3)の各グラフは時間軸(横軸)を合わせて図示している。図28(1)は回転室48の目標制御温度と温度センサ40aによる測定温度381の状態を示すグラフであり、(2)はコンプレッサの回転数382を示すグラフであり、(3)はバルブ360のON又はOFFの制御状態を示すグラフである。本実施例では図27のようにコンプレッサ35の稼働状態のままバルブ360のON・OFF制御をするのではなく、コンプレッサ35のON・OFF制御とバルブ360のON・OFF制御を併用することにある。制御装置20は回転室48の測定温度381に従ってフィードバック制御によりコンプレッサの回転数382を低下させるが、矢印382aにおいて最小連続回転数(下限値)たる15Hzに達したら、最小連続回転数にコンプレッサ用モータ13の運転を継続させ、最小連続回転数(下限値、15Hz)に達したまま所定時間T経過したら、時間t61においてフィードバック制御からコンプレッサのON・OFF制御に移行する。この際、バルブ360を時間t61から短い時間TだけONすることにより凝縮機37からキャピラリ338に至る送り通路とサクション管(戻り通路)342との配管内の圧力差がなくなる(均圧する)ようにした。次に、時間t62において測定温度381が再び目標制御温度にまで上昇したらコンプレッサを再起動(ON)する。次に、時間t63において測定温度381が再び目標制御温度にまで低下したらコンプレッサを停止(OFF)させと同時にバルブ360を時間t63から短い時間TだけONする。以降同様の制御を繰り返し、目標制御温度より高くなったらコンプレッサをONにし(時間t64、t66、t68)、目標制御温度より低くなったらコンプレッサをOFFにする(時間t65、t67)。尚、バルブ360開放させる所定時間Tは、送り通路と戻り通路との配管内の圧力差がなくなる時間とすれば良く、例えば約30秒で良い。このように配管内の圧力差がなくすることにより、コンプレッサの再起動禁止時間の制約を減少させる、又は、無くすことができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の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。
1 遠心分離機 2 給電ライン 3 給電ライン
4 双方向コンバータ 5 単方向コンバータ 6 直流電源
7 平滑コンデンサ 8 遠心用インバータ 9 遠心用モータ
10 コントロールスイッチ 11 平滑コンデンサ
12 コンプレッサ用インバータ 13 コンプレッサ用モータ
14 コントロールスイッチ 15 整流器 16 平滑コンデンサ
17 凝縮機ファン用インバータ 18 凝縮機ファン
19 遠心用モータ電流センサ 20 制御装置 21 操作パネル
22 交流電源 23 入力コントロールライン 24 回転センサ
25 DCファン 26 DCファン 27 出力コントロールライン
28 コンプレッサ用モータ電流センサ 29 制御ボックス
30 電圧センサ 31 ロータ 32 チャンバ
33 エバポレータ 34 断熱材 35 コンプレッサ
36 吐出管 37 凝縮機 38 キャピラリ 39 給電ライン
40a 温度センサ 40b 温度センサ 41 シールラバー
42 サクション管 43 ドア 44、45、46 電圧センサ
47 インバータ17用電流センサ 48 回転室 52 交流電源
100 遠心用モータ9の回転数
101 コンプレッサ用モータ13の回転数
102 遠心用モータ電流センサ19の出力
103 コンプレッサ用モータ電流センサ28の出力
104 遠心用モータ電流センサ19とコンプレッサ用モータ電流センサ28の出力の合算電流値
110 遠心用モータ9の回転数
111 コンプレッサ用モータ13の回転数
112 遠心用モータ電流センサ19の出力
113 コンプレッサ用モータ電流センサ28の出力
114 遠心用モータ電流センサ19とコンプレッサ用モータ電流センサ28の出力の合算電流値
120 コンプレッサ35の入力電力 121 コンプレッサ35の冷却能力
130 Input voltage欄 131 Frequency欄
132 Phase欄 133 Max. Current欄
134 チェックマーク 135 OKボタン
150、153、156、160、162 コンプレッサ用モータ13の回転数
151、157、160 温度センサ40aの温度
152、155、158、161、163、164 ロータ31の底面温度
154 温度センサ40bの温度 170、171、172 目標制御温度
173、178 風損 174 設定回転数変更タイミング
175、176、177 目標制御温度 203、220 目標制御温度
203a、203b 設定温度 231 測定温度
232、242、252、262 コンプレッサ用モータ13の回転数
241、251、261 測定温度
301 遠心分離機 337 送り通路
337c 分岐手段 338 キャピラリ
342 戻り通路 342a 戻り通路(A)
342b 戻り通路(B) 342c 分岐手段
360 バルブ 361 バイパス通路
361a (バイパス通路の)上流側通路
361b (バイパス通路の)下流側通路
371 測定温度 372 回転数
381 測定温度 382 回転数

Claims (18)

  1. モータにより駆動され試料を保持するロータと、
    前記モータを駆動する電力を供給する遠心用インバータと、
    前記ロータを収容するチャンバと、
    前記チャンバの温度を検出する温度センサと、
    前記チャンバを冷却しコンプレッサを有する冷凍機と、
    前記コンプレッサに電力を供給するコンプレッサ用インバータと、
    前記コンプレッサに組み込まれ前記コンプレッサ用インバータからの給電により可変速制御されるコンプレッサ用モータと、
    設定された遠心分離運転条件に基づき、前記遠心用インバータと前記コンプレッサ用インバータを制御する制御装置を有する遠心分離機において、
    前記制御装置は、
    前記コンプレッサ用モータの回転数が所定回転数より大きい場合には、設定温度と前記温度センサの検出温度に基づいて前記コンプレッサ用モータをフィードバック制御し、前記コンプレッサ用モータの回転数が所定回転数より低くなった場合には、前記コンプレッサの冷却機能をオン又はオフする間欠制御を行うことを特徴とする遠心分離機。
  2. 前記所定回転数と比較する前記コンプレッサ用モータの回転数は、前記設定温度と前記温度センサの検出温度との差から前記制御装置が演算した前記コンプレッサ用モータを回転させるべき回転数であることを特徴とする請求項1に記載の遠心分離機。
  3. 前記演算は、PID演算であることを特徴とする請求項2に記載の遠心分離機。
  4. 設定温度を入力可能な入力部を有し、
    前記制御装置は、入力された設定温度から前記ロータを設定温度にするための目標制御温度を設定し、前記目標制御温度と前記温度センサの検出温度に基づいて前記コンプレッサ用モータをフィードバック制御することを特徴とする請求項1に記載の遠心分離機。
  5. 前記制御装置は、前記間欠制御において、前記温度センサの検出温度が前記目標制御温度より高い場合であって、前記コンプレッサ用モータの回転数が設定された最小連続回転数よりも大きい時に、前記コンプレッサの冷却機能をオンにすることを特徴とする請求項に記載の遠心分離機。
  6. 前記制御装置は、前記間欠制御において、所定時間連続で前記温度センサの検出温度が前記目標制御温度よりも高い場合は、前記間欠制御を終了し、前記フィードバック制御に移行することを特徴とする請求項4又は5に記載の遠心分離機。
  7. 前記温度センサは、前記チャンバ下部の金属部に接触するように配設したことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の遠心分離機。
  8. 前記制御装置は、前記コンプレッサ用モータの回転数が所定回転数より低い状態が所定時間以上続いたか否か及び前記コンプレッサ用モータの回転数が設定された最小連続回転数に到達したか否かを監視し、前記所定回転数より低い状態が所定時間以上続いたか又は前記回転数が前記最小連続回転数に到達したと判断した場合に、前記コンプレッサの冷却機能をオン又はオフする間欠制御を行うことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の遠心分離機。
  9. 前記制御装置は、前記間欠制御において、前記コンプレッサ用モータをオンオフ制御することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の遠心分離機。
  10. 前記間欠制御では、
    前記コンプレッサ用モータをオフする際には、少なくとも最小オフ時間に渡ってオフを維持することを特徴とする請求項9に記載の遠心分離機。
  11. エバポレータと、
    前記コンプレッサが圧縮した冷媒を前記エバポレータに供給する送り通路と、
    前記エバポレータから前記コンプレッサへの戻り通路と、
    前記送り通路から前記戻り通路を短絡することにより、前記エバポレータをバイパスさせるバイパス通路と、
    前記バイパス通路中に設けられたバルブとを有し、
    前記制御装置は、前記間欠制御において、前記バルブをオンオフ制御することを特徴とする請求項から8のいずれか一項に記載の遠心分離機。
  12. 前記制御装置は、前記バルブをオフ制御する際に、前記コンプレッサ用モータを最小連続回転数で回転するよう制御することを特徴とする請求項11に記載の遠心分離機。
  13. 前記制御装置は、前記間欠制御において、前記バルブをオンオフ制御すると共に、前記コンプレッサ用モータを連続運転又は断続運転するよう制御することを特徴とする請求項12に記載の遠心分離機。
  14. 前記制御装置は、前記コンプレッサ用モータを断続運転する制御において、前記バルブのオン時間を前記断続運転の間隔よりも短く制御することを特徴とする請求項13に記載の遠心分離機。
  15. 前記ロータの温度制御開始時に、前記温度センサの検出温度をフィードバック情報とし、前記目標制御温度と前記温度センサの検出温度との差から演算で求めた回転数が前記最小連続回転数より高い場合は、
    前記ロータの設定回転数と前記ロータの設定可能最大回転数との比率から求まる係数を最大連続回転数に掛け算した回転数を前記コンプレッサ用モータの設定回転数にすることを特徴とする請求項5に記載の遠心分離機。
  16. 前記ロータの温度制御開始時に、前記温度センサの検出温度をフィードバック情報とし前記目標制御温度と前記温度センサの検出温度との差から演算で求めた回転数が前記最小連続回転数より高い場合は、
    あらかじめ登録されているロータの風損係数と運転中のロータの回転速度からロータの発熱量を算出した値を係数として最大連続回転数に掛け算した回転数を前記コンプレッサ用モータの設定回転数にすることを特徴とする請求項5に記載の遠心分離機。
  17. 記バイパス通路の一部に絞り部を設けたことを特徴とする請求項11に記載の遠心分離機。
  18. 前記バルブは流量を可変に調整できる可変バルブであって、流量を調整することにより絞り部として機能させることを特徴とする請求項11に記載の遠心分離機。
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