JP7007476B2 - 連続遠心機 - Google Patents

Description

本発明は、試料を連続的に流して液体試料中の粒子をロータ内で遠心分離する連続遠心機に関し、特にロータ内へ送られた試料中に混入するエア（空気）を除去できるようにすることにある。

遠心分離機は、通常の重力場では沈降しないもしくは沈降しにくい粒子を分離するもので、例えばウイルスや菌体などが分離対象に含まれる。ウイルスや菌体は、薬品やワクチンなどの製造にとっては欠かせない原料であり、これらの製造過程において原料を分離精製する設備として連続遠心機が広く使用される。連続遠心機は、高速回転するロータおよびその上下に接続される貫通穴を有した２本の回転軸等とロータに試料を供給するための試料供給部を有する。

試料供給部は、試料を供給するための送液ポンプや流量計および圧力計をシリコンチューブなどで接続したシステムが提案されている。連続遠心機が回転中は、ロータ内は完全に液体で満たされている必要がある。液体が完全に満たされていない状態で運転を行なうとロータはアンバランス状態となって過大な振動が発生する恐れがあり、好ましくない。最悪な場合は、連続遠心機は異常振動となり運転停止させなければならない。また、試料ラインに空気が留まっていると、試料注入時の試料ラインの圧力が高くなり、所定の流量で試料を注入できなくなってしまう虞がある。また、ロータの高速回転時には、コアボディと下側ロータカバーとの間において径方向に流れて遠心分離用の空間に試料を送るための流路が形成されるが、遠心中は外周ほど液圧が高くなるため、試料内の微細な気泡が最外部まで送り込めずに流路が詰まってしまい、試料が流れにくくなり、試料送液のための圧力が高くなってしまう。連続遠心機において安定した遠心分離性能を得るためには、試料送液のための圧力は低いほうが良いため、試料ラインに留まっている空気がロータ内に入り込まないように取り除くことが重要となる。例えば特許文献１では試料ラインに空気が混入したか否かを容易に検出できるようにし、ロータ室に注入する前に試料ラインの空気を排出するようにした連続遠心機が提案されている。

特開２０１３－２２４７３号公報

連続遠心機に用いられる試料ラインの配管は、シリコンチューブのように透明又は半透明なチューブを使用する場合、試料ラインに空気があるかどうかは目視で確認することができるので、シリコンチューブを摘んで試料ラインの圧力を一旦高くしてから解放したりするなどの操作者によるマニュアル操作によって空気を試料ラインから排出することができる。しかしながら、マニュアル操作による空気の排出をしても空気が十分排出できるとは限らないうえに、試料内に気泡として混入する空気まで排出させることが難しい。その対策として特許文献１では、試料がロータ内に入る前にエアセンサによって気泡を検出して、三叉路を介して外部に排出する。しかしながら、エアセンサの検出限界以下の微小な気泡や試料液中に溶けた気泡は検出することができないので除去できない。さらに、試料に含まれる気泡は、試料に溶け込んでいて遠心力を受けると現れるものもあり、ロータに供給する前に完全に分難すること難しい。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、ロータに流入した試料中に混入している気体を捕えるためのエアトラップ機構を設けて、遠心分離を行う分離空間内に空気等の気体が入らないようにした連続遠心機を提供することにある。本発明の他の目的は、既存の連続遠心機のロータコア部を交換するだけで、容易にエアトラップ機能を実現できるようにした連続遠心機を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、高速回転時のロータボディの変形によりロータコアが受ける負荷の影響を低減させて、ロータの寿命を延ばすようにした連続遠心機を提供することになる。

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、試料を分離するためであって内部を複数の空間に仕切るコアを有するロータと、ロータが収納されるロータ室と、ロータを回転させる駆動部と、ロータの回転中にロータに試料を連続的に供給および排出させるための試料ラインを備えた連続遠心機において、試料ラインから供給された試料がロータ内の試料分離空間に到達する前に、遠心力によって試料から気泡を捕集するエアトラップを設けた。エアトラップは、ロータの内部に設けられるものであって、ロータと一緒に回転することによって遠心力により試料から気泡を分離し、気泡が分離された後の試料を試料分離空間に送出する。このエアトラップは、コアの試料分離空間の内周部分に配置される。

本発明の他の特徴によれば、コアは、試料供給側の端部に凹部が形成されたコアボディと、凹部と嵌合するものであって凹部内にサブの遠心分離空間を形成するためのコア端面パーツを有する。また、コア端面パーツはコアに対して回転軸方向に可動式であって、凹部内にスプリングを配置することによってコアとコア端面パーツが離れる方向に付勢される。さらに、コア端面パーツの反コア側は、ロータの試料供給側のロータカバーの内壁面に対応した円環状に形成される。コア端面パーツの円環状の部分には、遠心分離空間の外周側から試料を軸方向の反コア側に取り出す複数の軸方向流路と、コア端面パーツの反コア側の面上に形成された溝であって軸方向流路から径方向に放射状に延びる径方向流路が形成される。

本発明のさらに他の特徴によれば、径方向流路は、コア端面パーツの反コア側の面上に形成された溝とロータカバーの内周面によって形成される。ロータは円筒形のロータボディと、ロータボディの上下開口を塞ぐように取りつけられる上側ロータカバーと下側ロータカバーを含んで構成され、コア端面パーツには、回転軸心に沿って延びて下側ロータカバーの試料流入路と連通される試料通路が形成され、試料通路の出口開口は遠心分離空間のうち径方向中周部分に開口する。コアは、スプリングの付勢力によって上側ロータカバーの内壁面に押し当てられる。

本発明によれば、ロータ内に供給される試料内の気泡をロータ内に設けた専用のエアトラップ機構にて分離するので、ロータ内の遠心分離空間に到達する気泡（空気）を確実に取り除くことができ、コアボディの外周部に注入される流量を所定の流量に保つことができる。また、エアトラップ機構を、改良されたコアボディとコア端面パーツにて実現したので、従来のコア（ロータコア）を交換するだけで、容易に本発明を実施できる。さらに、コアボディの遠心分離空間に到達する気泡（空気）を確実に取り除くことができるので、遠心分離空間に到達する試料を供給する際の送液圧力を低く保ち、安定した分離性能を得ることができる。また、コアがロータの変形による負荷を受けなくなることで、ロータ及びロータコアの双方の長寿命化を達成できる。

本発明の実施例に係る連続遠心機１の全体を示す斜視図である。 図１の遠心分離部１０の詳細構造を示す断面図と、試料循環部の配管図である。 図２のロータ１００の拡大断面図である。 ロータ１００におけるエアトラップ機構１５０の配置構造と試料の流れを示すための模式図である。 図３のロータコア１３０を示す図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は上面の斜視図であり、（Ｃ）は底面の斜視図である。 図３のコア端面パーツ１６０を示す図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は底面側からみた斜視図であり、（Ｃ）は縦断面図である。 図３のコアボディ１３１とコア端面パーツ１６０の組み合わせ状態を示す図であり、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は底面側から見た斜視図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の軸線を含む断面における断面斜視図である。 エアトラップ機構１５０における試料の流れを示す図である（その１）。 エアトラップ機構１５０における試料の流れを示す図である（その２）。 従来例のロータ１００Ａの縦断面図である。 従来例のロータ１００Ａの上側部分における試料の流れを示す部分断面図である。 従来例のロータ１００Ａの上側部分における超高速回転時の圧力方向を示す部分断面図である。 従来例のロータ１００Ａの下側部分における試料の流れを示す部分断面図である。

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、本実施例に係る連続遠心機（連続遠心分離機）１の全体を示す斜視図である。図１に示されるように連続遠心機１は、ワクチン製造工程などに使用されるいわゆる“連続超遠心分離機”であり、遠心分離部１０と制御装置部５０の２つの主要部分から構成される。遠心分離部１０と制御装置部５０との間は配線・配管群４０で接続される。連続遠心機１は、駆動部３０に吊り下げたロータ１００を、リフト１６およびアーム１７の操作によってチャンバ１１に出し入れ可能な構造である。遠心分離部１０には、ロータ室となる円筒状のチャンバ１１と、チャンバ１１を支持するベース１２と、チャンバ１１の内部に出し入れ自由に収容されて高速回転するロータ１００と、チャンバ１１の上部に配置されてロータ１００を吊り下げた状態でこれを回転駆動する駆動部３０と、チャンバ１１の下側に取り付けられる下側軸受部２０と、駆動部３０を上下および前後方向に移動させるためのリフト１６およびアーム１７と、ロータ１００に試料又は滅菌液を連続的に供給・排出する送液ポンプ７３（図２参照）を有して構成される。チャンバ１１の内部には、駆動部３０に吊り下げられたロータ１００が収容される。回転体であるロータ１００の外側面は、胴体部である円筒状のロータボディ１０１と、その両端をねじ込み式で閉止する上側ロータカバー１１０および下側ロータカバー１２０を含んで構成される。上側ロータカバー１１０の上側には、試料の通路であって回転軸ともなるロアシャフト１０５が設けられ、下側ロータカバー１２０の下側には、試料の通路であって回転軸ともなるロアシャフト１０５が設けられる。

ロータ１００は高速で回転駆動されるため、遠心分離中は、運転時の大気との風損や摩擦熱による発熱を抑える目的でチャンバ１１の内部は減圧された状態に保たれる。チャンバ１１内を減圧状態にするために、チャンバ１１内の空気を排出する図示せぬ排出口がチャンバ１１の胴部に形成され、図示しない真空ポンプが接続される。チャンバ１１は複数のボルト１３でベース１２に固定され、ベース１２は複数のボルト１４により床面に固定される。

制御装置部５０には、チャンバ１１の内部を冷却するための図示せぬ冷却装置と、図示せぬ真空ポンプと、ロータ１００を所定の場所に移動させるための図示せぬリフト駆動装置と、ロータ１００を駆動制御する図示せぬ遠心機コントローラ（制御部）等が収容される。制御装置部５０の上部には、操作・入力する箇所である操作パネル６０が配置される。制御部は、図示しないマイクロコンピュータ、記憶装置を含んだ電子回路で構成され、ロータ１００を駆動制御だけでなく連続遠心機全体の制御を行なう。

図２は図１の遠心分離部１０の詳細構造を示す断面図である。チャンバ１１は、その内部に駆動部３０に吊り下げられた状態のロータ１００が収容され、ロータ１００の周囲を覆うように円筒型のエバポレータ（蒸発配管）１８が設置され、エバポレータ１８の外側には円筒型の防御壁の機能を果たすプロテクタ１９が設置される。エバポレータ１８は、冷媒ガスを循環させる銅配管で構成されており、ロータ１００の収容空間を冷却可能である。

ロータ１００の内部には、注入された試料を高重力場に導入するためのロータコア１３０が設置される。ロータコア１３０は、コアボディ１３１と、コアボディ１３１の胴部に設けられた羽根状の隔壁１３２（図５で後述する１３２ａ～１３２ｆ）によってロータ１００の内部を複数の遠心分離空間に分割する。駆動部３０は、リフト１６（図１参照）の先端部に取り付けられるもので、アッパーシャフト３２を回転可能に軸支する。アッパーシャフト３２の内部であって軸心位置には、鉛直方向に延びる試料通過孔が形成され、上側の試料の通路の一部を形成することになる。アッパーシャフト３２の下端部は漏斗状に広がり、試料通過孔と上側ロータカバー１１０に形成された試料通過孔に連通するように、上側ロータカバー１１０がアッパーシャフト３２にナット１１９によって固定される。このようにロータ１００は、駆動部３０から吊り下げられる形となり、駆動部３０に含まれるモータの駆動によってアッパーシャフト３２が高速回転されることにより、アッパーシャフト３２に連結されたロータ１００も高速回転する。ロータコア１３０の下側には、回転軸部であるロアシャフト１０５が取り付けられる。ロアシャフト１０５の軸中心には、下側の試料の通路の一部を形成する試料通過孔が貫通しており、試料通過孔は下側ロータカバー１２０に形成された試料通過孔に連通することにより下側パイプ７２と接続される。

ロータコア１３０はロータ１００の内部に、出し入れ可能なようにして取りつけられる。遠心分離を行なう際は、ロアシャフト１０５から注入される試料が、下側の試料通過孔を通過してロータ１００の内部に下から上方向に導入される。ロータ１００内に導入された試料は、ロータコア１３０によって高遠心力場へ移動されて沈殿と上清とに分離され、上清（廃液）は、アッパーシャフト３２から上方に排出される。

本実施例では、試料タンク７１から回収タンク８６までであってロータ１００の内部を除く一連のライン（流路）を“試料ライン”と定義する。遠心分離される試料は、試料を貯える試料タンク７１から送液ポンプ７３に向けて矢印７５ａの方向に流れ、送液ポンプ７３を通過して矢印７５ｂ、７５ｃのように下側パイプ７２を通って下側軸受部２０に流入する。下側軸受部２０からはロータ１００の内部に流入し、ロータ１００の高速回転によって分離された上清（廃液）がアッパーシャフト３２を通って駆動部３０に流入し、駆動部３０から上側パイプ８２を通って矢印８５ａ～８５ｃのように流れて回収タンク８６に到達する。ここでは図示していないが、下側パイプ７２と上側パイプ８２の流路中に図示しない方向切り替えバルブを設けて、試料や流路中に含まれる空気を排出したり、その他の液体を注入又は排出したりするように構成しても良い。

下側パイプ７２の途中にはセンサ７４が挿入される。センサ７４は、試料ラインに供給される液体の圧力及び液体の流量を測定する。制御装置５１はセンサ７４の出力を用いて圧力データを取得することにより送液ポンプ７３の駆動を制御し、ロータ１００が遠心分離運転をしている際には、送液ポンプ７３を駆動しながら連続的にロータ１００に試料を送り続ける。

ロータ１００の内部には、エアトラップ機構１５０が設けられる。エアトラップ機構１５０は、ロータ１００内に送出される試料（液体）中に含まれる気泡を捕集するための分離機構であって、ロータコア１３０の下側部分に配置される。エアトラップ機構１５０によって分離され、気体が取り除かれた試料は、ロータコア１３０内の遠心分離空間（図３で後述する分離空間１３７）に送られる。エアトラップ機構１５０に捕集される気体は、主に空気であるが、試料中にその他の気体の気泡が含まれている場合は、その気泡も収集することができる。エアトラップ機構１５０に捕集された気体が一杯になると、試料の流路にエアが流れて詰まるため、試料ラインの圧力が上昇する。圧力の上昇は、センサ７４を用いて監視することで、制御装置５１はエアトラップ機構１５０に捕集された気体が一杯（満タン）になったことを感知できる。エアトラップ機構１５０の満タン状態を感知した制御装置５１は、送液ポンプ７３に停止信号を送ることができる。

図２には記載していないが、下側パイプ７２に方向切り替えバルブを設けて、試料ラインに滅菌液を流すことができるようにしても良いし、試料タンク７１から供給される試料であって気泡が多い部分を方向切り替えバルブから外部に排出するように構成しても良い。また、下側パイプ７２に流路上に液体が存在するかどうかを検出するエア検出センサ（図示せず）を設けても良い。エア検出センサとしては、光を流路の一方の側壁側から光をかざして、それを対岸の側壁に設けた光センサにより受光し、その光の強弱により流路に液体が存在するかを判断するセンサを用いることができる。このセンサによって流路の特定位置が液体で満たされているか、あるいは空気が混入しているか（又は空気で満たされているか）を検出できる。図示していないが上側パイプ８２にも光センサを用いて液体で満たされているか否かを検出しても良い。これらのエア検出センサの出力は制御装置５１に入力される。

送液ポンプ７３によって送出された試料がロータ１００内に満たされて、上側パイプ８２から試料が排出される状態が制御装置５１によって確認されると、制御装置５１は駆動部３０の図示しないモータを制御して、ロータ１００を高速回転まで加速する。ロータ１００が回転するとエアトラップ機構１５０もロータ１００と共に回転する。この結果、エアトラップ機構１５０内に形成されたサブの遠心分離空間（図３で後述するサブ分離空間１５１）内に満たされた試料が回転するため、サブ分離空間１５１内の試料中に存在する気泡が中心方向に移動する。そして気泡以外の試料が外周付近に位置するので、サブ分離空間１５１の外側部分から液体をメインの遠心分離空間に送出することによって試料の連続的な遠心分離を行う。

図３は図２のロータ１００の拡大図である。本実施例のロータ１００が従来から用いられるロータと異なるのは、コアボディ１３１の形状と、コアボディ１３１の下側にエアトラップ機構１５０が設けられる点である。ロータ１００のうち、円筒形であって上側と下側に開口を有するロータボディ１０１と、ロータボディ１０１の上側開口を閉鎖するものであって回転中心に試料通過孔を有する上側ロータカバー１１０と、ロータボディ１０１の下側開口を閉鎖するものであって回転中心に試料通過孔を有する下側ロータカバー１２０の形状は、従来から用いられるロータ１００Ａ（図１０にて後述）と共通の部品である。上側ロータカバー１１０には回転軸線に沿って延びる試料通路１１１と、試料通路１１１の途中から斜めに分岐するように形成される試料分岐通路１１２が形成される。試料通路１１１はアッパーシャフト３２に形成された試料連通孔と連通する。アッパーシャフト３２はナット１１９によって上側ロータカバー１１０に固定される。下側ロータカバー１２０には回転軸線に沿って延びる試料通路１２１と、試料通路１２１の途中から斜めに分岐するように形成される試料分岐通路１２２が形成される。試料通路１２１はロアシャフト１０５に形成された試料連通孔と連通する。ロアシャフト１０５はナット１２９によって下側ロータカバー１２０に固定される。

駆動部３０の図示しないモータが回転すると、アッパーシャフト３２が矢印３３の方向に回転し、それに同期するようにロータ１００全体も回転する。ロアシャフト１０５は下側軸受部２０（図１参照）によって回転可能なように軸支されるので、ロータ１００と共に回転する。

エアトラップ機構１５０は、ロータコア１３０の下側部分に配置される。そのため、従来のロータコアの軸方向下側の端部に、軸方向上側に凹状に２段に窪む窪み部１４２とスプリング保持穴１４３を形成し、スプリング保持穴１４３の下側開口をコア端面パーツ１６０によって閉鎖することによって、試料中に含まれる気泡を分離及び収集を目的とする遠心分離空間、即ち、サブ分離空間１５１を設けた。ロータ１００の高速回転によってサブ分離空間１５１内にも遠心力が加わり、試料中に含まれる気泡が径方向内側に移動し、気泡が取り除かれた試料が径方向外側に移動する。コア端面パーツ１６０には、試料通路１２１と連通する軸方向孔１７１と連通するものであって、サブ分離空間１５１への入口通路となる径方向孔１７２が形成される。コア端面パーツ１６０にはさらに、サブ分離空間１５１からの出口通路となる軸方向孔１７３が形成される。軸方向孔１７３は回転軸線と平行に配置されるもので、軸方向孔１７３の一方側がサブ分離空間１５１の径方向外側近くに開口し、他方側がコア端面パーツ１６０の下面であって、下側ロータカバー１２０の上面側に開口する。軸方向孔１７３の下側開口は、コア端面パーツ１６０の下面において径方向に延びるように形成される径方向溝１７４の内周側端部に開口するようにして、軸方向孔１７３から径方向溝１７４が試料の通路を形成する。軸方向孔１７３は複数（ここでは６本）形成され、径方向外側に向けて放射状に延びるように配置される（詳細は図６にて後述）。径方向溝１７４の外周側の開口は、メインの遠心分離用の分離空間１３７に開口する。コア端面パーツ１６０の上側の円柱部は、スプリング保持穴１４３内に位置し、スプリング１５５によってロータコア１３０とコア端面パーツ１６０が双方に離反するように付勢される。

図４は、ロータ１００におけるエアトラップ機構１５０の配置構造と試料の流れを示すための模式図である。本実施例では、ロータ１００の内部に設置されるロータコア１３０に、ロータコア１３０から独立したコア端面パーツ１６０を設け、ロータコア１３０の内部にコア端面パーツ１６０を押すためのスプリング１５５を設けることで、ロータコア１３０及びコア端面パーツ１６０を下側ロータカバー１２０及び上側ロータカバー１１０に押し付ける構造とした。コア端面パーツ１６０は、従来のコアボディの下側端部付近を円盤状に切り出した部材であり、その切り出した円盤状の部材と下側コアボディとの間をスプリング１５５によって回転軸方向に離反するように付勢して、コア端面パーツ１６０を矢印７９の向きに下側ロータカバー１２０に押しつける。この反動によりロータコア１３０は矢印７８のように上側ロータカバー１１０に押しつけられる。さらに、コアボディ１３１とコア端面パーツ１６０の間に形成される空間（図３のサブ分離空間１５１）を、試料に含まれる気泡を取り除くための遠心分離空間とした。下側ロータカバー１２０を介して矢印７５ａのように流入する試料は、サブ分離空間１５１内に流入して、遠心力により気泡と液体に分離される。コア端面パーツ１６０もロータ１００内に配置される部品であるため、ロータ１００の回転によってサブ分離空間１５１にも遠心力が作用するからである。

遠心分離を行う際には、まずは、ロータ１００を回転させる前に、密度の異なる液体（密度液）を順次入れる。例えば密度の低い液体を入れたあとに、密度の高い液体を入れ、分離空間１３７を密度の異なる液体の液層で満たす。その後、ロータ１００を所定の回転速度まで回転させた後、分離したい試料の入った試料タンク７１（図２参照）から、送液ポンプ７３を駆動させて送液を開始する。矢印７５ａのようにロータ１００内に試料が注入されると、試料は最初にエアトラップ機構１５０内に供給されることにより、サブ分離空間１５１においては試料に含まれる気泡が試料（液体）との比重の差から内周側に移動すると共に、試料に混在する気泡が内周側に移動する。サブ分離空間１５１の出口は、径方向中間位置よりも外周側部分であって径方向外側に近い側に設けられるので、矢印７５ｂのように流れてコア端面パーツ１６０の下面を径方向外側に流れて、分離空間１３７内に流入する。

以上のように、ロータ１００の分離空間１３７に試料が流入する前に試料内の気泡を自動的に捕まえることができるエアトラップ機構１５０を設けたので、試料液中の気泡を分離空間１３７へ入れないように構成できた。また、スプリング１５５を用いてロータコア１３０とロータカバー（１１０、１２０）の間の流路を完全な状態で一定に保ち、かつ液中の気泡を流路へ入れないようにしたので、流路が気泡で詰まることなく低圧でスムーズに送液できる連続遠心機１を実現できた。さらに、ロータコア１３０の全長寸法およびスプリング１５５の寸法を適切な値に設定することで、高速回転時にロータボディ１０１とロータカバー（１１０、１２０）が変形して、ロータコア１３０がロータカバー（１１０、１２０）から負荷を受けてしまう現象を避けることができた。

図５はコアボディ１３１を示す図であって、（Ａ）は斜視図である。コアボディ１３１は合成樹脂製であって中実にて形成される円柱状のコアボディ１３１の外周側に、周方向に突出する６枚の羽根状の隔壁１３２ａ～１３２ｆを形成したものである。隔壁１３２ａ～１３２ｆは、軸方向に連続する形状であって、コアボディ１３１と一体成形され、隔壁１３２ａ～１３２ｆの外周側端部がロータボディ１０１の内周面に当接することによって、分離空間１３７（図３参照）を周方向に均等な６つの空間に区画する。コアボディ１３１の下端面側には、エアトラップ機構１５０を設けるために軸方向に円柱状に窪む２つの凹部（窪み部１４２、スプリング保持穴１４３）が形成される。窪み部１４２の外周側には、円環状のコア下端面１４１が形成される。コア下端面１４１の円周上の２箇所にはコア端面パーツ１６０に設けられる位置決め用のピン１６８ａ、１６８ｂが嵌合するためのピン穴１４５ａ、１４５ｂが形成される。

図５（Ｂ）は、コアボディ１３１の上面の斜視図である。この上面の形状は、従来のロータにおけるコアボディの形状と同じである。コアボディ１３１の上側端面、即ち上側ロータカバー１１０の内壁と接する面には、中央に円筒状の嵌合孔１３４が形成される。また、上側端面の外縁から嵌合孔１３４まで径方向に延びる６つのコア端面溝１３５ａ～１３５ｆが形成される。コア端面溝１３５ａ～１３５ｆは、上側ロータカバー１１０の内壁と接することによって分離空間１３７の内周側の比重の軽い上澄み液を排出するための試料通路を形成する。ここでは、コアボディ１３１の外周側に等間隔で配置された６枚の隔壁１３２ａ～１３２ｆの中間付近に位置する。図５（Ｃ）は、コアボディ１３１の底面の斜視図である。従来のコアボディの底面部の形状は、図５（Ｂ）に示す形状と基本的に同じ形状とされる。しかしながら本実施例ではエアトラップ機構１５０を設けるための空間を確保するために、窪み部１４２とスプリング保持穴１４３が形成される。

ここで比較のために従来のロータ１００Ａにおけるコアボディ２３１を用いた遠心運転時のさらなる解決課題を図１０～図１３を用いて説明する。従来のロータ１００Ａの構成は、ロータコア２３０の形状が図３で示した実施例のロータコア１３０と異なるだけであって、その他の構成部品、特にロータボディ１０１、上側ロータカバー１１０、下側ロータカバー１２０は同じである。逆の言い方をすると、従来のロータ１００Ａのロータコア２３０を、本発明の実施例に係るロータコア１３０に取り替えることで、本発明によるエアトラップ機能付きのロータ１００となる。上側ロータカバー１１０とロータボディ１０１はねじ込み式であって、上側ロータカバー１１０の円筒面の下端には雄ねじ１１４が形成され、ロータボディ１０１の上端開口には雌ねじ１０２が形成される。同様にして、下側ロータカバー１２０とロータボディ１０１はねじ込み式であって、下側ロータカバー１２０の円筒面の上端には雄ねじ１２４が形成され、ロータボディ１０１の下端開口には雌ねじ１０３が形成される。ロータ１００Ａは、駆動部３０に含まれるモータによって矢印で示す回転方向３３に回転する。この際のロータ１００Ａはチャンバ１１の内部に位置し、図示しない真空ポンプによって減圧され、かつ、冷却された状態にて高速にて回転駆動される。

上側ロータカバー１１０の下端側、即ちコアボディ２３１に接する側の軸心部分には、下向き凸状に突起する円柱状の嵌合軸１１３が形成される。上側ロータカバー１１０には中央の回転軸心に沿って試料通路１１１が形成される。試料通路１１１には途中から斜め径方向に分岐する試料分岐通路１１２が形成される。同様にして下側ロータカバー１２０の上端側、即ちコアボディ２３１に接する側の軸心部分には、上向き凸状に突起する円筒状の嵌合軸１２３が形成される。下側ロータカバー１２０には、中央の回転軸心に沿って試料通路１２１が形成される。試料通路１２１には途中から斜め径方向に分岐する試料分岐通路１２２が形成される。ロータ１００Ａの内部への連続的な試料の注入方向は、ここでは矢印７５ｄのように下側から行い、矢印８５ａのようにロータ１００の上側からアッパーシャフト３２の試料貫通穴を介して分離された上澄み液（上清）が図示しない排出ラインに排出される。尚、連続遠心機１への試料の注入の仕方、とくに注入方向はロータ１００Ａの下側から入れて上側から出すだけでなく、逆方向にして上側から注入して下側から沈殿液を排出するようにしても良い。従来のロータ１００Ａにおいては、各部品の寸法差によって試料供給路が完全に形成されない場合や、送液される試料中に微小の気泡が含まれる場合に、試料の送液効率が低下する虞があるため、それらの対策のため十分な加工精度にて製造すると共に、ロータ１００Ａ内に供給される前に試料中の気泡を取り除くようにしている。

図１１はロータ１００Ａの上側部分における試料の流れを示す部分断面図である。ロータ１００Ａの組立時（非回転時）において、上側ロータカバー１１０を取り外した開口状態のロータボディ１０１内に、コアボディ２３１を挿入して、上側ロータカバー１１０を取りつけると、機械加工の公差（および部品の固体差）のためコアボディ２３１の上面と上側ロータカバー１１０の内面の間に隙間１１５ができる。この隙間１１５は、組み立てのために完全には０にすることはできない。上側ロータカバー１１０付近の分離された試料の流れは、矢印１８０～１８２、８５ａの通りとなる。つまり、ロータ１００Ａ内の分離空間２３７において比重の低い上澄み液部分が矢印１８０のように上方向に移動して、コアボディ２３１の上端面に形成されたコア端面溝１３５を矢印１８１によって内周側に移動し、試料分岐通路１１２を矢印１８２のように流れて試料分岐通路１１２に合流し、矢印８５ａの方向流れてロータ１００Ａの外部に排出される。この時、図２のように直立状態（アッパーシャフト３２が上側にある状態）では、コアボディ２３１は自重で下に落ちるため上側の隙間１１５が大きくなって、コアボディ２３１の上面と上側ロータカバー１１０の隙間１１５によって完全な流路（コア端面溝１３５）が形成されず、回転停止時などに試料を送る場合は隙間１１５の存在は試料送液の抵抗となり、試料送液ために高い圧力が必要になってしまう。

図１２は、ロータ１００Ａの上側部分における超高速回転時の圧力方向を示す部分断面図である。ロータ１００が高速回転すると、外周側に位置するロータボディ１０１の遠心力が大きくなるとロータボディ１０１が矢印２８１のように径方向外側に膨らむようにして変形する。この変形位置はロータボディ１０１の上下中央付近が大きくなり、極端な例示をすると樽形に膨らむことになる（実際の膨らみはほんのわずかである）。ロータボディ１０１の矢印２８１のような変形をすると、上側ロータカバー１１０も同様にして矢印２８２で示すように外側に変形する。上側ロータカバー１１０は開口を下向きとしたお椀型の形状のため、内面は矢印２８３のようにロータ１００Ａの上下中心に向けて内側に変形する。すると、上側ロータカバー１１０がコアボディ２３１と接触して矢印２８４のように押しつけることになる。この回転軸方向の押しつけ力は、ロータ１００Ａの回転速度が上昇するほど強くなり、コアボディ２３１は軸方向の大きな負荷を受ける。この程度の負荷ではコアボディ２３１が破損する虞はないが、製品寿命の観点からみるとコアボディ２３１に大きな負荷が加わったり解放されたりするのは好ましくない。

図１３は、従来例のロータ１００Ａの下側部分における試料の流れを示す部分断面図である。下側部分おいても上側ロータと同じような試料の流れであって、矢印７５ｄの方向に試料通路１２１から流入した試料は、試料分岐通路１２２を通って矢印１７６のように流れ、径方向通路２４５を通って矢印１７７の方向に流れてから、分離空間２３７に到達する。分離空間２３７では試料が矢印１７８の方向に連続的流れながら遠心分離運転が行われる。ロータ１００Ａの下側部分においても、高速回転時には図１２と同じように、下側ロータカバー１２０からロータコア２３０を軸方向に圧縮する方向の力（図１２の矢印２８３、２８４と逆向きの力）が働くことになる。

再び本実施例の説明に戻る。図６はコア端面パーツ１６０を示す図であり（Ａ）は斜視図である。コア端面パーツ１６０は、軸方向に６つの部位で形成され、回転軸線方向にみて下側から、円盤部１６２と、円盤部１６２の上側に形成された大径円柱部１６３と、大径円柱部１６３の上方に位置する細径部１６４と、細径部の上側に配置される中径円柱部１６６である。細径部１６４と中径円柱部１６６の間は徐々に径が変化するテーパー部１６５となっている。また、中径円柱部１６６の上方にはスプリング１５５（図３参照）を保持するための嵌合軸１６７が形成される。これら１６２～１６７の各部位は合成樹脂の一体成形によって製造される。細径部１６４及びテーパー部１６５の外周側と、ロータコア１３０の窪み部１４２（図５参照）との間の空間が、気泡をトラップするためのエアトラップ空間、即ちサブ分離空間１５１（図３参照）となる。

円盤部１６２は、下側ロータカバー１２０の内壁と接する面を形成するもので、外径が隔壁１３２ａ～１３２ｆ（図５参照）を除くコアボディ１３１（図５参照）と同じ径とされる。また、コアボディ１３１と円盤部１６２の相対回転を防いで相対位置がずれないように、円盤部１６２には回り止め用のピン１６８ａ、１６８ｂが設けられる。ピン１６８ａ、１６８ｂは円盤部１６２と一体成形で製造されても良いし、別体部品としても良い。ここでは別体式の金属製のピンとしている。大径円柱部１６３は、コアボディ１３１の窪み部１４２の内径に相当する外径を有する。大径円柱部１６３の外周には、密閉のためのＯリングを設けるための周方向に連続する周方向溝１６３ｂが形成される。大径円柱部１６３の径方向外側近くには、縦方向に貫通するように延びる軸方向孔１７３ａ～１７３ｆが設けられ、それらの上側開口が大径円柱部１６３の上面１６３ａにて開口する。

図６（Ｂ）はコア端面パーツ１６０の円盤部１６２の底面側の斜視図である。軸方向孔１７３ａ～１７３ｆは、軸方向孔１７３ａ～１７３ｆの下側の端部であって、径方向外周部に延びる径方向溝１７４ａ～１７４ｆの内周側端部に接続される。径方向溝１７４ａ～１７４ｆは、円盤部１６２の底面１６２ｂの外縁まで延びる溝である。中央に形成された嵌合孔１５７の外周側には、図示しないＯリングを収容するための円環溝１６２ｃが形成される。

図６（Ｃ）は、（Ｂ）のＡ－Ａ部の断面図（回転軸を含む縦断面図）である。細径部１６４の上側に形成された中径円柱部１６６はスプリング保持穴１４３（図３参照）内に位置する部分であって、その上面にてスプリング１５５（図３参照）を保持する。圧縮コイル式のスプリング１５５を保持するために、スプリング１５５の内径と一致する嵌合軸１６７が中径円柱部１６６の軸方向上側に形成される。大径円柱部１６３から細径部１６４、テーパー部１６５を通って中径円柱部１６６に至るまで、回転軸心に沿って軸方向孔１７１が形成される。軸方向孔１７１の下端は、嵌合孔１５７との境界面で開口し、軸方向孔１７１の上端は、放射状に延びる径方向孔１７２と連通する。軸方向孔１７１の下端より下側には、下側ロータカバー１２０の嵌合軸１２３を嵌合させるための嵌合孔１５７が形成される。嵌合孔１５７の外周側には図示しないＯリングを設けるための円環溝１６２ｃが形成される。嵌合孔１５７は円柱状であるが、下側端部には下側に行くにつれて少し拡径するテーパー部１５７ａが形成される。テーパー部１５７ａは、下側ロータカバー１２０の嵌合軸１２３を挿入し易くするために設けられるものである。

図７はコアボディ１３１とコア端面パーツ１６０の組み合わせ状態を示す図であって、（Ａ）は縦断面図である。コアボディ１３１の下側部分であって窪み部１４２の開口は、コア端面パーツ１６０によって閉鎖されることによりサブ分離空間１５１が画定される。コア端面パーツ１６０に形成される径方向孔１７２はサブ分離空間１５１に開口するような位置関係となる。またコア端面パーツ１６０に形成された軸方向孔１７３はサブ分離空間１５１に開口する。コア端面パーツ１６０の円盤部１６２の上面１６２ａは、コアボディ１３１のコア下端面１４１に当接する。コアボディ１３１のコア下端面１４１の間には試料が流れないため、コア端面パーツ１６０の大径円柱部１６３の外周側には周方向溝１６３ｂが形成され、そこにＯリング（図示せず）が介在されて、サブ分離空間１５１から試料がコア下端面１４１に流れ込まないように密閉される。コア端面パーツ１６０はスプリング１５５によって下方向に付勢され、コアボディ１３１に対して回転軸方向に移動可能なように構成される。サブ分離空間１５１の上面側であってスプリング１５５が収容される空間との間には、周方向溝１６６ａが形成され、そこにＯリング（図示せず）が介在されて、サブ分離空間１５１から試料がスプリング１５５の収容空間内に流れ込まないように密閉される。

図７（Ｂ）はロータコア１３０を底面側から見た斜視図である。このように下面側で見た形状は、図１０で示した従来のロータコア２３０と同等の形状である。従って、図１０で示す従来のロータ１００Ａのロータコア２３０を本実施例に係るロータコア１３０に置き換えることができる。図７（Ｃ）は（Ｂ）の回転軸を含む断面における断面斜視図である。この図から理解できるように、エアトラップ機構１５０は従来のロータ１００Ａでは中実に形成される部分に収容されるものであり、ロータコア１３０とロータボディ１０１との間に形成される分離空間１３７（図３参照）の容積には影響しない。更に、本実施例のロータコア１３０ではコア端面パーツ１６０がスプリング１５５によって軸方向にみてコアボディ１３１から離れる方向に付勢されるので、コア端面パーツ１６０と下側ロータカバー１２０の間、及び、ロータコア１３０と上側ロータカバー１１０の間を適切な圧力にて密接させることができる。尚、取り付け時に円盤部１６２の上面１６２ａとコア下端面１４１の間にわずかな隙間を有するような位置関係とすれば図１２の矢印２８３のように遠心荷重による軸方向の力を受けた際であっても、上面１６２ａとコア下端面１４１の隙間とスプリング１５５の作用によって軸方向に受ける力の影響を吸収することができるので、停止時から高速回転時に至るまで試料通路を適切に維持できる。

図８はエアトラップ機構１５０における試料の流れを示す図である（その１）。送液ポンプ７３（図２参照）によりロアシャフト１０５（図３参照）の試料貫通穴から矢印７５ｄのようにロータ１００内部に注入された試料は、下側ロータカバー１２０に設けられた試料通路１２１から矢印７６ａのように回転軸線方向上側に流れて、軸方向孔１７１に試料が流入する。軸方向孔１７１に流入した試料は矢印７６ｂのように径方向孔１７２を流れてサブ分離空間１５１内に流れ込む。サブ分離空間１５１内では遠心力によって気泡と試料が分離される。このように試料に含まれる気泡は、ロータコア１３０の一端側のコア端面パーツ１６０によって形成されたエアトラップ機構１５０で自動的に捕まえられ、径方向溝１７４と下側ロータカバー１２０によって形成される流路へ気泡を入れないことで径方向溝１７４が詰まることなく低圧でスムーズに送液される。液中に溶け込んでおり常圧では現れない気泡もエアトラップ機構１５０で遠心荷重を受けることで試料内から分離され、液圧の高い外周部（分離空間１３７）へ送液される前にトラップされる。

気泡が取り除かれた試料は、矢印７６ｄのように軸方向孔１７３を通って径方向溝１７４に到達し、矢印７６ｅのように径方向外周側に流れて分離空間１３７に到達する。ここではスプリング１５５により、コアボディ１３１に対してコア端面パーツ１６０が下側ロータカバー１２０に押し付けられている状態にすることで、部品の個体差の影響を受けずに径方向溝１７４と下側ロータカバー１２０の間に形成される流路を完全な状態で一定に保つことが出来、圧力でスムーズに送液できる。分離空間１３７では、比重の大きい成分が外周側に溜まり、比重の軽い成分（上澄）が、連続的に分離空間１３７内に流入する試料によって矢印７６ｆのように上側に押し出される。尚、ロータコア１３０及びコア端面パーツ１６０の全長寸法及びスプリング１５５の移動寸法を適切な値に設定することで、スプリング１５５の張りによってロータコア１３０およびコア端面パーツ１６０が常に下側ロータカバー１２０、上側ロータカバー１１０と良好に接触することになり、高速回転時に発生するロータ１００の変形による荷重もスプリング１５５によって良好に受け止めることが可能となる。

図９は、図８の状態から遠心分離が進んで、サブ分離空間１５１内に気体１５２が収集された状態を示している。この図からわかるように、サブ分離空間１５１内に流入した試料は、比重の違いによって気体１５２（主に空気）と液体１５３（試料）に分離され、比重の大きい液体１５３が外周側に移動し、比重の小さい気体１５２が内周側に移動する。サブ分離空間１５１の出口となる軸方向孔１７３はサブ分離空間１５１の最外周近くに形成されるため、液体１５３で満たされる部分に開口する。従って、矢印７５ｄのように試料が連続的に給送されると、サブ分離空間１５１内の気体が取り除かれた液体１５３が、流入する試料の圧力によって軸方向孔１７３から矢印７６ｄのように排出され、径方向溝１７４を矢印７６ｅのように流れて外周側の分離空間１３７に排出される。分離空間１３７では試料は矢印７６ｆのように上側に流れながら遠心分離される。このようにコア端面パーツ１６０の下面に形成された径方向溝１７４と、下側ロータカバー１２０との問に形成される流路を通過した試料が分離空間１３７へ供給された後、遠心力によって遠心分離される。この分離空間１３７に供給される試料は、気泡等の気体成分が取り除かれた後であるので、試料中に含まれる気泡の影響によって遠心分離効率が低下する虞を排除することができる。

以上のように本実施例によれば、ロータ１００内の遠心分離空間１３７に到達する前の試料に含まれる気泡を、ロータ１００の回転による遠心力によって分離して取り除くようにしたので、ロータ１００に連続的に試料を供給する際の送液圧力を低く保つことができる。この結果、本実施例による連続遠心機１はロータ１００への試料の連続供給を安定して行うことができ、良好な遠心分離性能を得ることができる。また、ロータコア１３０とコア端面パーツ１６０がスプリング１５５によって軸方向に可動式としたので、遠心荷重によってわずかに変形するロータボディ１０１とロータカバー（１１０、１２０）から受ける圧縮負荷の影響を吸収することができるので、ロータボディ１０１側と、ロータコア１３０側の双方の寿命を延ばすことが期待できる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施例の連続遠心機１では、分離する試料を下側パイプ７２からロータ１００へ入れる下側試料供給の例で説明したが、それだけに限られずに、試料を上側パイプ８２からロータ１００内に入れて、下側パイプ７２から廃液又は分離試料を回収タンク８６に回収する上側試料供給であっても同様に適用できる。その場合は、エアトラップ機構１５０をロータコア１３０の上部に設ければ良い。更に、コアの材質はチタン合金等の金属製でも良く、その場合、エアトラップ機構１５０付近以外は中空にして、コアの軽量化と体積当たりの比重をできる限り水の比重と同等（例えば１～１．２ｇ／ｍｍ^３）にしておくと良い。

１…連続遠心機、１０…遠心分離部、１１…チャンバ、１２…ベース、１３，１４…ボルト、１６…リフト、１７…アーム、１８…エバポレータ、１９…プロテクタ、２０…下側軸受部、３０…駆動部、３２…アッパーシャフト、３３…回転方向、４０…配線・配管群、５０…制御装置部、５１…制御装置、６０…操作パネル、７１…試料タンク、７２…下側パイプ、７３…送液ポンプ、７４…センサ、７５ａ～７５ｃ…試料の流れ、７６ａ～７６ｆ…試料の流れ、７８，７９…（スプリング１５５による）付勢力、８２…上側パイプ、８５ａ～８５ｃ…廃液の流れ、８６…回収タンク、１００，１００Ａ…ロータ、１０１…ロータボディ、１０２，１０３…雌ねじ、１０５…ロアシャフト、１１０…上側ロータカバー、１１１…試料通路、１１２…試料分岐通路、１１３…嵌合軸、１１４…雄ねじ、１１５…隙間、１１９…ナット、１２０…下側ロータカバー、１２１…試料通路、１２２…試料分岐通路、１２３…嵌合軸、１２４…雄ねじ、１２９…ナット、１３０…ロータコア、１３１…コアボディ、１３２，１３２ａ～１３２ｆ…隔壁、１３４…嵌合孔、１３５，１３５ａ～１３５ｆ…コア端面溝、１３７…（メイン）分離空間、１４１…コア下端面、１４２…窪み部、１４３…スプリング保持穴、１４５ａ，１４５ｂ…ピン穴、１５０…エアトラップ機構、１５１…サブ分離空間、１５２…気体、１５３…液体、１５５…スプリング、１５７…嵌合孔、１５７ａ…テーパー部、１６０…コア端面パーツ、１６２…円盤部、１６２ａ…上面、１６２ｃ…円環溝、１６３…大径円柱部、１６３ａ…上面、１６２ｂ…底面、１６２ｃ…円環溝、１６４…細径部、１６５…テーパー部、１６６…中径円柱部、１６６ａ…周方向溝、１６７…嵌合軸、１６８ａ，１６８ｂ…ピン、１７１…軸方向孔、１７２…径方向孔、１７３…軸方向孔、１７３ａ～１７３ｆ…軸方向孔、１７４…径方向溝、１７４ａ～１７４ｆ…径方向溝、１７６～１７８…試料の流れ、１８０～１８２…試料の流れ、２３０…ロータコア、２３１…コアボディ、２３４…嵌合孔、２３７…分離空間、２４５…径方向通路、２５４…嵌合孔

Claims (9)

1. 試料を分離するためであって内部を複数の空間に仕切るコアを有するロータと、該ロータが収納されるロータ室と、前記ロータを回転させる駆動部と、前記ロータの回転中に前記ロータに試料を連続的に供給および排出させるための試料ラインを備えた連続遠心機において、
   前記試料ラインから供給された試料が前記ロータ内の試料分離空間に到達する前に、遠心力によって前記試料から気泡を捕集するエアトラップを設けたことを特徴とする連続遠心機。
2. 前記エアトラップは、前記ロータの内部に設けられるものであって、前記ロータと一緒に回転することによって遠心力により前記試料から前記気泡を分離し、前記気泡が捕集された後の前記試料を前記試料分離空間に送出することを特徴とする請求項１に記載の連続遠心機。
3. 前記エアトラップは、前記コアの前記試料分離空間の内周部分に配置されることを特徴とする請求項２に記載の連続遠心機。
4. 前記コアは、試料供給側の端部に凹部が形成されたコアボディと、前記凹部と嵌合するものであって前記凹部内にサブの遠心分離空間を形成するためのコア端面パーツと、を含んで構成されることを特徴とする請求項３に記載の連続遠心機。
5. 前記コア端面パーツは前記コアに対して回転軸方向に可動式であって、前記凹部内にスプリングを配置することによって前記コアと前記コア端面パーツが離れる方向に付勢し、
   前記コア端面パーツの反コア側は、前記ロータの試料供給側のロータカバーの内壁面に対応した円環状に形成されることを特徴とする請求項４に記載の連続遠心機。
6. 前記コア端面パーツの前記円環状の部分には、前記遠心分離空間の外周側から前記試料を軸方向の反コア側に取り出す複数の軸方向流路と、前記コア端面パーツの反コア側の面上に形成された溝であって前記軸方向流路から径方向に放射状に延びる径方向流路が形成されることを特徴とする請求項５に記載の連続遠心機。
7. 前記径方向流路は、前記コア端面パーツの反コア側の面上に形成された溝と前記ロータカバーの内周面によって形成されることを特徴とする請求項６に記載の連続遠心機。
8. 前記ロータは円筒形のロータボディと、前記ロータボディの上下開口を塞ぐように取りつけられる上側ロータカバーと下側ロータカバーを含んで構成され、
   前記コア端面パーツには、回転軸心に沿って延びて前記下側ロータカバーの試料流入路と連通される試料通路が形成され、前記試料通路は前記遠心分離空間のうち径方向中周部分に開口することを特徴とする請求項７に記載の連続遠心機。
9. 前記スプリングの付勢力によって、前記コアが前記上側ロータカバーの内壁面に押し当てられることを特徴とする請求項８に記載の連続遠心機。

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