JP7367229B2 - 遠心機及びそれに用いられるロータ - Google Patents

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Description

本発明は、遠心力を利用して赤血球等の生体細胞の洗浄を自動で行う遠心機に関し、特に、洗浄効果が大きく、洗浄の信頼性向上に好適な遠心機およびそれに用いられるロータに関する。
従来より、輸血検査時の抗グロブリン試験、交差適合試験、不規則抗体スクリーニング等において、赤血球を生理食塩水等の洗浄液で洗浄し、懸濁液中の余分な抗体等を除去するために用いられる細胞洗浄遠心機(血球洗浄遠心機)が販売されている。このような細胞洗浄遠心機として例えば特許文献1の技術が知られている。特許文献1に示すような周知の細胞洗浄遠心機は、駆動軸を有するモータと、該モータの駆動軸に連結され、モータで回転されるロータと、ロータ上に円形列に回動自在に装着され、かつロータの回転による遠心力によって円形列の外側水平方向に回動する複数の試験管ホルダと、ロータに装着され、ロータと同時に回転し、複数の試験管ホルダにそれぞれ保持された複数の試験管内に洗浄液を供給する洗浄液分配素子(ディストリビューター)と、磁気コイルへの通電に基づいて発生する磁気吸引力によって前記試験管ホルダを垂直または垂直に近い角度に吸着する磁気素子(保持手段)とを備えている。
細胞洗浄遠心機では、洗浄液(生理食塩水)注入工程、遠心工程、上澄液排出工程、および揺動工程を含む洗浄プロセスが、順次、自動的に実行される。その内、上澄液排出工程において磁気装置により試験管ホルダを吸着させて、試験管をほぼ鉛直方向に保持したままロータを回転させ、遠心力によって試験管内の上澄み液を排出させる。特許文献1における洗浄液の分配素子は、内面が円錐形状容器の底面外周から放射状に設置されたノズル(洗浄液導入口)を有し、ロータと共に回転する洗浄液分配素子に供給された洗浄液を遠心力でノズルから注出し、多数の試験管内に同時に洗浄液を供給するようにしていた。
図10(A)は、従来の遠心機の細胞洗浄用のロータ130の構造を示す縦断面図である。ロータ130は、細胞洗浄遠心機においては、外周側に試験管ホルダ36が取り付けられたロータ本体31と、ロータ本体31の上部に取り付けられる洗浄液分配素子150によって構成される。ロータ130が回転すると、ロータ本体31の上面に取り付けられた洗浄液分配素子150も回転し、回転中の洗浄液分配素子150の洗浄液導入口154から内部空間155内に洗浄液が供給される。洗浄液分配素子150は、上側分配素子151に洗浄液の導入口154が形成され、洗浄液導入口154の下部が円錐状の内壁151aを有する。一方、上側分配素子151に対向するように固定される下側分配素子161は、円錐面162が山状に形成される。内壁151aの傾斜は、円錐面162よりも大きく形成されることによって、上側分配素子151と下側分配素子161の間は、洗浄液導入口154から導入された洗浄液が通る内部空間155となる。内部空間155は傘状に広がり、外縁付近から径方向外側に向けて放射状に洗浄液の通路となる溝部167が形成される。
図10(B)は図10(A)の下側分配素子161の形状を示す斜視図である。下側分配素子161には山状に形成された円錐面162と、円錐面162の外縁から径方向外側に接続される略円環状の洗浄液受部163と、洗浄液受部163の周囲に配置される下側円環部164が形成される。下側円環部164の上面は上側分配素子151と接触する平面状の接触面164aが形成される。円錐面162の上側は液体が径方向外側に移動する空間となり、円錐面162の径方向外側には円環状の洗浄液受部163が接続され、洗浄液受部163から尖塔状に絞り込まれるような溝部167に接続される。下側分配素子161の径方向の外縁付近には、径方向外側に向けて突出する突出部166が、周方向に等間隔に、複数(例えば24カ所)形成される。突出部166の周方向中央には溝部167が配置され、溝部167の外側先端が、洗浄液の試験管80への注入口167bになる。複数の接触面164aには雌ネジの形成されたネジ穴168がそれぞれ設けられる。下側分配素子161の下側円環部164よりも下側には円筒部169が形成される。
特開2009-2777号公報
図10に記載された従来のロータ130においては、回転中の洗浄液分配素子150の内部空間155に供給された洗浄液は、遠心力を受けながら重力により円錐面162の斜面を下り、円錐面162の底面付近に形成された円環状の洗浄液受部163を通り、洗浄液受部163の外周の流入口167aから放射状に設置された洗浄液通路となる溝部167を通ってノズル部分から各試験管80の内部へ注出される。上記の洗浄液分配素子150を使用している細胞洗浄遠心機では、洗浄液を意図的に試験管からあふれさせる動作を行うため、各試験管への分配量のばらつきによる問題は発生していないが、洗浄液分配素子による分配精度は高い方が望ましい。特に、細胞洗浄工程の最後に試験管内の液量を調整する必要があり、方法として、試験管を垂直に近い角度で保持した状態でロータを回転させ、遠心力により余分な上澄み液を排出させる。この排出手順においては、モータによる複雑な制御が必要であるが、モータの回転制御だけで現状以上に試験管内の残量の精度を向上させることが困難である。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、洗浄液分配素子を用いた洗浄液の分配精度を向上させ、試験管に洗浄液を均等に分配できるようにした遠心機及びそれに用いられるロータを提供することにある。
本発明の他の目的は、従来の遠心機用のモータの回転制御やロータ本体側の構成を変えないで、洗浄液分配素子の形状を変更するだけで洗浄液の分配精度を向上させた遠心機及びそれに用いられるロータ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。
本発明の特徴によれば、本願発明の遠心機は、駆動軸を有するモータと、モータの駆動軸に連結され、モータで回転されるロータ本体と、ロータ本体の外周側に円形列に装着され、遠心力によって円形列の外側水平方向に回動可能に支持された複数の試験管ホルダと、ロータ本体に装着され、回転中心から外周に向く径方向に洗浄液を吐出することにより複数の試験管ホルダにそれぞれ保持された複数の試験管内に洗浄液を供給する洗浄液分配素子と、モータを制御する制御装置と、を備える。洗浄液分配素子は、上側分配素子と下側分配素子を合わせるようにして構成され、上側分配素子には、中央部に洗浄液導入口を有する洗浄液導入部と、洗浄液導入部の周囲に連続する上側円環部が形成され、下側分配素子には、上側分配素子の位置する側から離れる方向に窪む凹状部と、凹状部の径方向外側であって上側円環部と対向する位置に配置された下側円環部が形成される。上側円環部の下面、又は、下側円環部の上面の一方には、放射状の複数の溝部が形成され、溝部が対向する円環部と接合されることによって洗浄液が洗浄液分配素子から放出される流路が形成される。下側分配素子の凹状部の外周部分には、回転中心軸から径方向外側に行くにつれて上昇するような傾斜部が形成され、ロータの回転時に供給される洗浄液は、遠心力により凹状部の傾斜部を登る(上昇する)ようにして流路に流入する。
本発明の他の特徴によれば、凹状部は傾斜部とその内側に形成される軸心部により構成され、傾斜部は凹状部のうち径方向の半分以上を占め、軸心部は傾斜部とは異なる傾斜を有する平面、曲面、または緩やかな面にて形成される。また、洗浄液導入部は、上側円環部の内周縁部に接続される首部と、首部の上縁部から径方向内側、又は/及び、外側に突出する円環部を含んで形成され、円環部によって洗浄液導入口が形成される。さらに、洗浄液導入口は、上側分配素子と下側分配素子との分割面より上方に位置づけられ、軸心部は、上側分配素子と下側分配素子との分割面より下方に位置づけられる。ここで、洗浄液導入口の外周部にフランジ部を形成するようにして、そのフランジ部の直径を80mm以下で構成すると良い。
本発明のさらに他の特徴によれば、上側分配素子及び下側分配素子の接合によって形成される流路は、円周方向に等間隔に配置され、周方向に見て溝部以外の部分では、上側分配素子及の下面と下側分配素子の下面が密着することで洗浄液の通過を阻止する。上側分配素子と下側分配素子の密着する面にはそれぞれネジ部が設けられ、上側分配素子及び下側分配素子がネジによって固定される。また、流路となる溝部の幅(周方向の長さ)は、下側分配素子の内周縁側が広く、径方向外側に行くにつれて流路の幅が狭くなることにより流路の断面が絞り込まれるように形成される。この傾斜部の斜面形状は、その鉛直断面形状が直線状であり、水平面に対して10度~45度、特に好ましくは、25度~35度の傾斜を有するように形成される。また、傾斜部の鉛直断面形状が上向き凸状又は下向き凸状の円弧状になるように構成しても良い。洗浄液分配素子は、ロータの本体部分にネジによって着脱可能に固定され、フランジ部の外径は片手で容易に掴めるように、円環部の内径は60mm以上80mm以下にすると良い。
本発明の上述した構成により、洗浄液分配素子の内部空間に供給された洗浄液は、凹状部によって画定される空間(下部空間)へと注入され、凹状部の内部で洗浄液が遠心力により斜面を均等に上昇して分配用の溝部の入口に到達して溝部を通って試験管へ注出されるため、多数の試験管へ、同時に同量の洗浄液を精度良く供給することができる。また、洗浄液を送るポンプの種類によっては脈流が発生して流量がわずかにばらつく可能性があるが、本発明の構造を採用することにより、洗浄液の供給が連続的か断続的かによらず、均等に試験管へ分配できる。
本発明に係る遠心機1の全体構成を示す縦断面図である。 図1のロータ30の縦断面図である。 図2の洗浄液分配素子50の分解斜視図である。 図1のロータ本体31の部分縦断面図であって、(A)は試験管ホルダ36のスイングが制限されている状態であり、(B)は試験管ホルダ36のスイングが許容され、矢印37の方向にスイングしている状態である。 試験管80を装着した状態の試験管ホルダ36の、(A)部分上面図と、(B)部分側面図である(静止状態)。 洗浄サイクルにおけるロータ30の回転速度制御の一例を示すタイムチャートである。 洗浄サイクルにおけるプロセスと試験管80の状態を示す図である。 図1の洗浄液分配素子50の詳細形状を示す縦断面図である。 (A)は洗浄液分配素子50における洗浄液の流れを示す断面図であり、(B)、(C)は第1及び第2の変形例に係る洗浄液分配素子の断面図である。 (A)は従来の遠心機の細胞洗浄用のロータ130を示す縦断面図であり、(B)は下側分配素子161の斜視図である。
本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。尚、本明細書中の“平行”、“垂直”等の記載は、機械加工公差や、組立公差等を含んでいる状態も含んでいる。
図1は本発明に係る遠心機1の全体構成を示す縦断面図である。細胞洗浄用の遠心機(細胞洗浄遠心機)1は、上面から見た断面形状が四角形を有する筐体(フレーム)2と、筐体2の上部を開閉するドア6と、この筐体2内に配置されたチャンバ3を有し、チャンバ3の内部(ロータ室4)でロータ30を回転させる。筐体2は複数の脚部5を有し、床等に設置される。ドア6は後方側に設けた蝶番6aを中心にして、前方側が上下方向に揺動可能な開閉式である。筐体2のベース部2aにはモータ8が配置され、モータ8の駆動軸9がチャンバ3の底部の貫通孔を貫通するようにしてロータ室4の内部空間まで延在する。モータ8は振動を低減されるためのゴム製ダンパ14を介して支柱(金属製)13に取り付けられ、支柱13は筐体2のベース部2aに固定される。ロータ30は駆動軸9の上端に装着される。モータ8は、例えばブラシレスDCモータであり、その回転は図示しないインバータ回路によって駆動され、モータ8の回転数(回転速度)は制御装置10によって制御される。筐体2の前側側面には、操作表示パネル12(タッチ式の液晶ディスプレイ等)が設けられる。操作表示パネル12は、ユーザからの情報の入力手段であり、また、制御装置10からの情報の表示手段である。
ロータ30は細胞洗浄を行うための専用の遠心機用ロータであり、上面から見て周方向に等間隔で並べて配置された複数(ここでは24個)の試験管ホルダ36を有する。試験管ホルダ36は、内周側側面をロータ30の円形保持部34によって軸支されることによって、遠心方向(径方向)にスイング(回動)自在に保持される。試験管ホルダ36は磁性体部材より構成され、試験管80(図2を参照)が上から下方向に挿入される。図示しない各試験管80の内部には、予め赤血球等の生体細胞が入った試料(液体)が入れられ、遠心分離運転の開始前に、試料を入れた試験管80がユーザの手によって試験管ホルダ36のそれぞれにセットされる。
ロータ30は、試験管ホルダ36の長手方向中心軸を垂直または垂直に近い小さい揺動角度に保持するための保持手段43を備える。保持手段43はロータ30と一体で回転するもので、磁力によって金属製の試験管ホルダ36を吸着することによって試験管80がスイングできないような状態を維持する。保持手段43は、電磁石による磁気素子を用いることにより、試験管ホルダ36の吸着状態(固定状態又はスイング不能状態)と、解放状態(スイング可能状態)を制御装置10の制御により電気的に切り替えることができる。試験管ホルダ36が吸着状態の時は、いわゆる負のスイング角を有するアングルロータとして機能し、試験管ホルダ36が解放状態の時は、正のスイング角を有するアングルロータとして機能する。解放状態時の試験管のスイング角θは約40°である。
細胞洗浄用のロータ30は、駆動軸9に対して着脱可能である。従って、駆動軸9には、回転中に洗浄液を供給できない通常のアングルロータや、スイングロータを装着することも可能である。細胞洗浄用のロータ30は、複数の試験管80を保持するロータ本体31の上部に洗浄液分配素子50が取り付けられたもので、ドア6内に設けられた洗浄液供給管18を用いてロータ30の回転時(スイング時)に試験管80内に洗浄液等の液体を供給する。洗浄液分配素子50はロータ本体31に複数のネジにより固定され、円形列の試験管ホルダ36を搭載するロータ本体31と一体で回転する。
洗浄液分配素子50に洗浄液を供給する洗浄液供給管18の外側の端部には、図示しないポンプが接続される。制御装置10によってポンプ99の動作をオンにすることにより、図示しない外部の洗浄液タンクから洗浄液17が吸い出され、洗浄液供給管18を通して遠心機1の上部に位置するノズル19から洗浄液が排出される。図6、7にて後述する“洗浄液注入工程”において、ノズル19から洗浄液分配素子50に排出される洗浄液は、ロータ本体31と一体で高速回転する洗浄液分配素子50の中央部の洗浄液導入口54から洗浄液分配素子50の内部空間に導入される。
ロータ本体31の下部には、ボウル状の底面部41が形成される。底面部41は試験管ホルダ36のスイング角を制限するためのストッパの役割を果たす部材である。試験管ホルダ36は、ロータ本体31の円周の放射水平方向に回動し、試験管ホルダ36の下部(図2で後述する保持底部36c)が底面部41の壁面に当たるまで傾き、その当たった状態にて試験管80内の血球などの試料を遠心分離する。
ロータ30を回転させた状態で洗浄液を注入し、また、試験管80の内部から余剰の洗浄液が排出されるため、チャンバ3の底面部にはこぼれた洗浄液がたまる場合がある。そのため、チャンバ3の底面の一部にドレンパイプ7が接続され、そのドレンパイプ7の先端には筐体2の外側に至る排出口7aが配置される。ユーザは排出口7aの先にホース等を用いて余剰の洗浄液(廃液)を回収又は廃棄する。なお、大部分の排出された洗浄液は、洗浄液回収カバー90の空間を経て排出部90aから下方に落下してドレンパイプ7に流れ込み、排出口7aを介して図示しない排水パイプ等に排出される。
図2はロータ30の縦断面図である。図2では試験管ホルダ36にそれぞれ試験管80が装着され、所定の回転数以上で回転している状態(試験管80がスイングしている状態)を示している。ここではロータ30に含まれる保持手段43(図1参照)の図示は省略している。ロータ本体31は、駆動軸9に装着される主軸部32bと主軸部32bの上端部に形成され円板状に形成されたフランジ部32aと、主軸部32bの下端部に形成された取付部32cを含んで構成される。ロータ本体31は金属製でも合成樹脂製でも良く、フランジ部32aと円形保持部34を一体成型にて製造しても良い。フランジ部32aは、円形保持部34と洗浄液分配素子50をネジ止めするための固定部位である。
洗浄液分配素子50は、上側分配素子51と下側分配素子61の2つの部材から構成され、上側分配素子51と下側分配素子61を接合することによって、内部空間(55、66)と、流路となる複数の溝部67が形成される。上側分配素子51の上部には、回転軸線A1上に配置されるノズル19(図1参照)から排出される洗浄液を受け入れるための洗浄液導入口54が形成される。下側円環部62の上面には放射状の複数の溝部67が形成され、下側円環部62が平板状の底面を有する上側円環部52と接合されることによって、溝部67による洗浄液の流路が形成される。溝部67の径方向外周端部は、吐出口67bとして開口する。
試験管ホルダ36は、ガラス又は合成樹脂製の試験管80を停止時及び遠心分離運転時に落ちないように保持する部材である。各々の試験管ホルダ36は、回動軸35によってスイング可能な状態で円形保持部34の外周縁に保持される。試験管ホルダ36が図2の状態にスイングすると、試験管80の開口部80aの位置が移動し、吐出口67bが試験管80の開口部80a上に近接することになる。図2の状態にて洗浄液導入口54から内部空間(55、66)に洗浄液が供給され、遠心力によって洗浄液が内部空間66と溝部67を径方向に移動し、吐出口67bから洗浄液が試験管80の内部に注入される。洗浄液供給のタイミングを、ロータ30の回転速度が所定の回転数以上であって、図2に示すように試験管ホルダ36がスイングをして試験管80の開口部80aが吐出口67bに接近した時に設定すれば、供給される洗浄液は、試験管80の外に漏れることなく開口部80aから試験管80の内部に供給される。尚、試験管ホルダ36に形成されるストッパ36dは、ロータ30を遠心機1から取り外した時に、必要以上に回転軸A1方向に傾かないようにするために設けられている。
図3は洗浄液分配素子50の分解斜視図である。洗浄液分配素子50は、上側分配素子51と下側分配素子61の2つの部品からなり、多数形成されたネジ穴56とネジ溝68に、図示しないネジをそれぞれ螺合させることで上側分配素子51と下側分配素子61が固定される。上側分配素子51は、合成樹脂の射出成形によって一体に製造されるもので、洗浄液導入部53と、洗浄液導入部53よりも径方向外側に形成される上側円環部52により形成される。洗浄液導入部53は、首部53bと、首部53bの上端に接続されたフランジ部53aにより形成される。フランジ部53aは、首部53bの上端から径方向外側及び内側に延在する環状の部材であり、フランジ部53aの内側が洗浄液導入口54となる。洗浄液分配素子50の洗浄液導入口54の直径は、本実施例では比較的大きめに形成され、フランジ部53aの直径(=外径)は70mm程度とし、ユーザがロータ30全体を把持する際にフランジ部53aの外縁を把持できるようにした。また、ユーザは片手の指3~4本をフランジ部53aの内側に入れて、フランジ部53aを把持できる。つまり、フランジ部53bは外側だけでなく内側も把持する部分の一部として利用できる。このように洗浄液導入口54を、ユーザによる把持部位として活用する場合は、フランジ部53aの直径(外径)を片手で容易につかめる範囲である60mm~80mm程度の直径で作成するのが望ましい。
上側分配素子51の上側円環部52には、周方向に等間隔で24個のネジ穴56が形成される。ネジ穴56には、十字穴付きで頭部座面側を切り取った皿頭を有するサラネジが取り付けられるように開口付近が円錐状に形成され、円錐状部分の下部に雌ねじ部が形成される。図示しないサラネジのネジ部は、下側分配素子61側に形成された24個のネジ溝68に螺合する。サラネジを用いることでネジ穴56の頭部が上側円環部52とほぼ同一面になるように構成できる。図3では上側円環部52の下面形状が見えないが、下面はネジ穴56部分を除いて平坦な水平面で形成され、下側円環部62の平坦面(接触面)62aと密接する。
下側分配素子61は合成樹脂の射出成形によって一体に製造されるもので、回転軸線A1から径方向の半分以上が下方向に窪む凹状部63として形成される。また、凹状部63の回転軸線A1には山状に形成された軸心部65が形成される。軸心部65はロータ本体31の半球状に突出する上端部に対応するように形成された部位である。下側分配素子61はロータ本体31に下側から上側に向けて挿入される図示しないネジにより固定される。凹状部63によって下側分配素子61の内部空間66(符号は図2参照)が形成される。凹状部63には回転軸線から離れるに従って上昇するような斜面(傾斜部64)が形成され、斜面の外周縁付近より径方向外側に下側円環部62が形成される。下側円環部62には、径方向内側から外側に向けて延在する溝部67が複数形成され、隣接する溝部67との間に平坦面62aが設けられ、平坦面62aのほぼ中央には複数のネジ穴68が形成される。
ロータ30の回転時の遠心力によって凹状部63の傾斜面を径方向外側に移動した洗浄液は、下側円環部62との境界付近に到達し、溝部67の何れかの内部に流入する。溝部67の周方向に見た幅は、下側分配素子の内周縁側が広く、径方向外側に行くにつれて流路の断面が絞り込まれるような先細り状に形成され、内周側が流入口67aとなり、外周側端部が吐出口67bとなる。溝部67の深さ(上下方向の幅)は一定としているが、溝部67の深さは任意で有り、内周縁側の溝部67を深くして、径方向外側に行くにつれて溝部67を浅くして、流路の断面がさらに絞り込まれるように形成しても良い。ここでは、周方向に等間隔で配置される24個の溝部67に等しい量の洗浄液が流入しやすいように、入口側が周方向に所定の幅を有し、径方向外側に行くにつれて周方向幅が狭まる形状とし、吐出口67bでは試験管80の開口部80a内に正確に洗浄液を注入すべく周方向幅が小さくなるように形成される。
下側円環部62のうち、溝部67とネジ溝68が形成されている部分以外の領域は、平坦面62aとなり上側円環部52の下面と良好に密着する。このように、上側分配素子51と下側分配素子61は共に合成樹脂の一体成形によって製造され、洗浄液が排出される流路は、下側分配素子61に形成された溝部67と、溝部67の上面を覆うことによって溝空間を形成するので、製造が容易な上に所望の流路形状を実現できる。尚、図3に示す洗浄液分配素子50は、下側分配素子61側に溝部67を形成し、それを上側分配素子51の下側面(平面)にて閉鎖するように構成したが、これらの関係を逆にして、上側分配素子51側に溝部を形成し、それを下側分配素子61の上側面(平面)にて閉鎖するように構成しても良い。また、上側分配素子51と下側分配素子61の双方に溝部を形成するようにして上側の溝と下側の溝を合わせるようにして流路を形成するようにしても良い。さらに、上側分配素子51と下側分配素子61を別体式としないで一体成形によって製造することや、上側分配素子51と下側分配素子61を2分割でなくて多分割形式として実現しても良い。更に、溝部(洗浄液通路)67は、径方向外側に一定の幅(断面積略一定)になるように形成しても良い。
図4はロータ30の部分縦断面図であって、(A)は試験管ホルダ36のスイングが保持手段43によって制限されている状態であり、(B)は試験管ホルダ36のスイングが許容されている状態である。ここでは図1と違って試験管80を試験管ホルダ36に装着した状態を図示している。図4(A)、(B)共にロータ30の回転時の状態を示しているが、図4(A)の状態は、試験管ホルダ36に加わる遠心力よりも保持手段43が発生する吸着力(磁力)が強いため、試験管ホルダ36がほぼ垂直状態を維持している。一方、図4(B)の状態は保持手段43による吸着力(磁力)がないため、遠心力によって試験管ホルダ36が矢印(スイング方向)37の方向にスイングしている。
試験管ホルダ36は磁性体材料、例えばSUS430材による磁石に吸着されるステンレス合金によって製造され、その長手方向の途中には、保持挿入部36a、36bが形成され、長手方向下側端部が試験管80の底部を支持する保持底部36cが形成される。保持挿入部36a、36bは、金属板の一部をリング状に曲げて形成された部分であり、保持底部36cはプレス加工で切り抜かれた金属板の一部を径方向外側に曲げることによって試験管80の底部を保持する部分である。各々の試験管ホルダ36は、回動軸35によってスイング可能な状態で円形保持部34の外周縁に保持される。遠心力による外力が試験管ホルダ36に加わっていないときに、試験管ホルダ36が(A)のように保持手段43に吸着する方向に位置で停止するようになっている。
保持手段43は、電力によって磁気を発生させる磁気素子(電磁石)を含んで構成される。保持手段43は、円盤状の上部磁性体部材44と下部磁性体部材45を備え、さらに、これら上部磁性体部材44と下部磁性体部材45とによって挟み込まれるように設置された絶縁導線のリング状コイル(磁気コイル)46によって構成される。保持手段43はロータ30に固定されるため、ロータ30と共に回転することになる。また、ロータ30を駆動軸9から取り外すと、保持手段43も一緒に取り外すことになる。保持手段43の磁気コイル46への配線は、図示されていないスリップリングによってチャンバ3の底面側から行われ、ロータ30の停止中だけでなく回転中においても磁気コイル46への電流の供給が可能である。この配線構造は公知であるので、ここでの説明は省略する。磁気コイル46への電流の供給のオン又はオフは、マイコンを有する制御装置10によって制御される。磁気コイル46に電流を通電すると上部磁性体部材44と下部磁性体部材45を通る強い磁力を発生させることができる。試験管ホルダ36は磁性体で構成されるので、上部磁性体部材44と下部磁性体部材45と共に磁気回路を形成する。
上部磁性体部材44の吸着部44a(試験管ホルダ36と接する部分)の外径は、下部磁性体部材45の吸着部45a(試験管ホルダ36と接する部分)の外径に比べてわずかに大きい。これによって、上部磁性体部材44および下部磁性体部材45の吸着部44a、45aは、試験管80が鉛直線(ロータ回転軸線A1と平行)に対して、底部側が内側にやや傾いた状態、換言すれば上部開口が径方向外側にわずかに傾いた状態(揺動角θ=-6°程度)にて試験管ホルダ36を保持することができる。下部磁性体部材45の底面には、ラビリンス部45bが形成され、軸受15とロータ室4の間の空気や水の流通を制限する。
図4(B)は、ロータ30が高速回転数にて回転中の状態であり、この状態では遠心力によって試験管80を保持する試験管ホルダ36が、回動軸35を中心に矢印37の方向(径方向)にスイングする。スイング角θの最大値は、試験管ホルダ36の保持底部36cがカップ状の底面部41の外周部に当接することによって制限される。つまり、底面部41の外縁壁が試験管ホルダ36のスイング状態のストッパとして機能する。このスイングが行われるのは、リング状コイル46には通電されていない時である。図2(B)のように試験管ホルダ36が大きくスイングすると、試験管ホルダ36の保持底部36cが強度補強用のストッパ42(例えは、ステンレス等の金属製)に当接する。ここでは揺動角θが40°程度であり、この状態にて遠心分離運転が行われる。
このようなスイング可能なロータ30を用いて洗浄液注入工程を実施すると、試験管ホルダ36は、ロータ30の回転による遠心力で円形列の外側水平方向に回動する。図4(B)のような回動状態では、試験管80の開口部80aが回転軸線A1側に向くため、洗浄液分配素子50の吐出口67b(図2参照)から洗浄液が試験管80内に注入可能である。洗浄液注入工程後の上澄液排出工程では、図4(A)に示すように試験管ホルダ36を保持手段43によってほぼ垂直状態に固定させてロータ30を回転させることで、余剰の上澄液17aを試験管80から外部に排出させることができる。
図5は試験管80を装着した状態の試験管ホルダ36の、(A)部分上面図と、(B)部分側面図であり、ロータ30の静止時、又は、試験管ホルダ36のスイングが阻止された状態での回転中を示す。図5(A)に示すように、試験管ホルダ36は回転方向に等間隔で複数本並べて配置される。試験管ホルダ36にはそれぞれガラス又は合成樹脂製の試験管80が装着される。試験管ホルダ36のスイングが阻止された状態、即ち、保持手段43によって試験管ホルダ36が吸着されている状態では、試験管80の開口部80aがロータ30の回転軸線A1側と鉛直面よりわずかに外側に傾いた状態とされる。試験管80の開口部80aよりも内周側には、洗浄液分配素子50が設けられ(図では下側分配素子61だけを図示している)、洗浄液の通路たる溝部67から複数の吐出口67bに至る通路が形成される。吐出口67bはそれぞれの試験管80に対応して配置される。吐出口67bと試験管80の開口部80aは、径方向に吐出口67bとは距離をおいて配置されるが、これはロータ30回転時に吐出口67bから排出される洗浄液が、遠心力によって試験管80の開口部80aに注入されるような位置関係としたためである。
図5(B)は1つの試験管80と試験管ホルダ36の側面図である。試験管ホルダ36は、保持する試験管80が遠心運転時に外れないように、その底部を保持底部36cによって固定し、試験管80の軸方向のほぼ中央よりもやや上側にリング状の保持挿入部36aが形成され、リング状の保持挿入部36aと保持底部36cの間にはリング状の保持挿入部36bが形成される。保持挿入部36a、36bと保持底部36cは、磁性体金属の一体品で形成される。ここで中心軸B1は、側面視においてロータ30の回転軸線A1に沿う垂直線方向と一致するように保持される。
次に図6及び図7を用いて洗浄サイクルの実行手順を説明する。図6は洗浄サイクルにおけるロータ30の回転速度制御の一例を示すタイムチャートである。図7は洗浄サイクルにおける各プロセスと試験管80の状態を示す図である。最初に時刻0~時刻tでモータ8を起動してロータ30を遠心分離回転速度Rにまで加速させる。この際の試験管ホルダ36のスイングは可能の状態、即ち、保持手段43(図4参照)による試験管ホルダ36の吸着が行われていない状態である。ロータ30の加速途中に矢印38の時点で試験管ホルダ36のスイング量が最大になったら、洗浄液をノズル19から下方向に落下させて、洗浄液導入口54から洗浄液分配素子50の内部への注入を開始する。洗浄液分配素子50の内部に入った洗浄液は、溝部67を通って吐出口67bを経て、スイングした状態の試験管80の上側の開口部80aから、それぞれの試験管80の内部に供給される。この洗浄液を供給する加速区間((1)の区間)は、図7で示す(1)洗浄液注入工程(WASH)であり、所定の量の洗浄液が供給されるまで行われる。具体的には、(1)洗浄液注入工程(WASH)ではロータ30の回転速度が1200rpmに達した時点で、一定量の洗浄液(例えば生理食塩水)がポンプ99(図1参照)により洗浄液分配素子(ディストリビュータ)50に送り込まれ、洗浄液の供給は、時刻t以降のロータ30が整定(定速運転)するまで行われる(整定前に送液が完了することもある)。生理食塩水は洗浄液分配素子50から遠心力で勢いよく各試験管80内に注入される。このとき試験管80内の血球は生理食塩水で十分に懸濁される。
加速区間の途中で洗浄液の注入が終わって、時刻tにおいてロータ30の回転速度が遠心分離運転の設定回転速度R(例えば3000rpm)に到達したら、設定された時間(遠心分離運転時間=t-t)の運転を行う。ここで、試験管80の内部に注入された余剰の洗浄液は、図7の(2)遠心分離工程の欄に示すように液面が鉛直方向に向くことにより試験管80の上側開口から外に漏れ落ちる。また、洗浄液内において試料が底部に移動する。図6の(2)遠心分離工程において時刻tに到達したら、モータ8を減速してロータ30の回転を停止させる。
図6の時刻tにおいてロータ30の回転が停止したら、(3)上澄液排出工程を行う。この排出工程では保持手段43(図2参照)のリング状コイル46に通電することによって試験管ホルダ36を吸着させる。この時の試験管80の状態は、図7の(3)上澄液排出工程(DECANT)に示すように揺動角がわずかにマイナスとなるように、開口部80aが外側にわずかに向くように傾け、この状態で、ロータ30を整定速度Rまで加速させ、一定時間だけ整定させて、ロータ30を減速させる。このように試験管80の揺動角をわずかにマイナス状態としてロータ30を回転させることで、上澄液は遠心力により試験管80の壁面を上昇し、外部へ排出されるため、大部分の上澄液が試験管80の外部に排出されることになる。
時刻tにおいてロータ30が停止したら、次に(4)揺動工程を実行する。(4)揺動工程は短時間に試験管ホルダを複数回揺動させることによって残存する洗浄液と試料を攪拌する工程(AGITATE)である。ここではロータ30の回転速度をRまで加速して、短い時間整定させてからすぐに減速し、この加速-整定-停止の小刻みに回転、停止を繰り返す運転を複数回(ここでは5回)実行する。以上、(1)から(4)までの洗浄サイクルを複数回、例えば3~4回程度繰り返し、最後の洗浄サイクルの揺動工程(4)の後に、(5)の追加の遠心工程(“遠心分離2”)を実行して終了する。(5)の工程では、数秒程度ロータ30を回転させる。
以上のように、本実施例では下側分配素子61に注入した洗浄液を貯めるための凹状部63を形成し、凹状部63のうち特に外周部の溝部67に接続される部分を内側から外側に行くにつれて上昇する斜面にて形成したので、遠心力により洗浄液が斜面を登るようにして凹状部63の外周側に供給され、試験管ホルダ36に保持された試験管80と同数(24本)の各流路(溝部67)に分岐され、洗浄液分配素子50の吐出口67bから勢い良く各試験管80内に注入される。この際、凹状部63内の洗浄液の外周側への移動は遠心力によるものであるため、複数の溝部67にほぼ均等に洗浄液が分配されることになるので、各試験管80への洗浄液の供給量のばらつきを小さくすることができる。
図8は本実施例の洗浄液分配素子50の詳細形状を示す縦断面図である。上側分配素子51は内周側に位置する洗浄液導入部53と、外周側に位置する上側円環部52によって形成される。上側円環部52の下面(溝部67と対向する部分)は平坦に形成される。洗浄液導入部53は円筒状に上方に隆起する部分であり、隆起する首部53bとその上方に形成されるフランジ部53aにより形成され、その内側に内部空間55が形成される。内部空間55は、ポンプからの流量が想定よりも多い場合や、吐出口67bからの排出量が想定よりも少ない場合に溢れさせないための空間である。
下側分配素子61は内周側に位置する凹状部63と、外周側に位置する下側円環部62によって形成される。凹状部63は山形に形成された軸心部65と、軸心部65と下側円環部62との間に形成される傾斜部64により形成される。傾斜部64は、鉛直断面で見た場合に、水平面に対して傾斜角θで形成される円錐面である。凹状部63は、上側分配素子51と下側分配素子61の分割面よりも下側に、所定の大きさの内部空間66を形成するので洗浄液導入口54から内部に注入された洗浄液を凹状部63の底に貯めることが可能となる。傾斜部64の外周縁には、溝部67の流入口67aが接続される。溝部67は下側円環部62の内周縁から外周縁まで延在し、吐出口67bにて洗浄液が排出される。軸心部65は、傾斜部64とは異なる傾斜を有する平面又は曲面にて形成され、軸心部65の下方には取付部69が形成される。取付部69はロータ本体31のフランジ部32aに固定するための部位であり、取付部69にはネジボス(図示省略)が形成され、図示しない複数のネジによってロータ本体31に洗浄液分配素子50を固定する。
図9(A)は、洗浄液分配素子50への洗浄液17の注入の様子を示す図である。ここではロータ30を1200rpm(定速回転)で回転させている状態であり、矢印のように洗浄液17がノズル19から排出されることによって、凹状部63に落下する。ここでは、矢印20aのように回転軸線A1よりわずかにずれた軸心部65に洗浄液17を落下させている。この矢印20aで示す落下位置の決定は厳密でなくてよいので、軸心部65内、又は傾斜部64の内周縁付近を選択すれば良い。凹状部63に落ちた洗浄液17は、凹状部63内の最も低い底部分に溜まってから、矢印20bで示す付近にて遠心力で斜面を登る。洗浄液の供給を開始直後では、遠心力によって傾斜部64を登る洗浄液よりノズル19から供給される洗浄液の量が多いため、一時的に面の下側(いわゆる底部64b)に溜まることになる。
矢印20bのように傾斜部64の斜面を登った洗浄液は、斜面の外縁の矢印20c付近、即ち溝部67の入口付近(流入口67a付近)にて滞留を起こす。遠心力により斜面を均一に登るため、滞留した洗浄液に加わる遠心力も均一になる。また、滞留している洗浄液の量も24か所すべてにおいて均一になるので、この結果、矢印20d付近から溝部67に流入して、吐出口67bから排出される洗浄液17の量が、複数の吐出口67bにおいて均一になる。このように、遠心力をうまく用いて洗浄液分配素子50から放出される洗浄液17に加わる液圧を一定に保つようにしたので、吐出口67bから放出される洗浄液の量を複数の試験管に均等に分配でき、ばらつきが少ないように構成できた。
本実施例の傾斜部64の傾斜角θは、回転軸線A1に対して25°としている。斜面64aの角度を大きくしてしまうと、洗浄液を吐出口67bから試験管80に供給するためにはロータ30を高速で回転させる必要がある上に、洗浄液分配素子50のサイズが上下方向に大きくなってしまうという欠点がある。逆に傾斜の角度を小さくすると、洗浄液分配素子50のサイズが上下方向に小さくてコンパクトに製造できるというメリットがあるが、洗浄液が外周側に移動する際の遠心力の作用が弱くなり、複数の各流路(溝部67)に分岐される洗浄液の量にばらつきが生ずる虞がある。そこで、ロータ30全体の強度アップや、遠心工程に到達するまでの時間が長くなることを防ぎ、1サイクルの時間が長くなってしまうことを防止するために、斜面64aの角度を15°~45°の範囲に設定すると良く、特に好ましくは25~35°の範囲が良い。
図9(A)にて例示したように、ノズル19(図1参照)から供給された洗浄液17は、ノズル19(図1参照)から出る勢いと重力による運動エネルギーによって軸心部65の斜面を下って、傾斜部64の最も低い底付近(矢印64b付近)に溜まった後、遠心力によって斜面を登り溝部67の流入口67aに到達する。このように、洗浄液が遠心力によって斜面を登る原理を利用するには、斜面64aの回転軸線A1を通る縦断面形状は必ずしも直線状でなくても良い。例えば図9(B)のように断面形状が下向きの円弧状の斜面64Aで形成しても良いし、上向きの円弧状の斜面64Bで形成しても良い。また、注入される洗浄液に対して凹状部63の容積が比較的大きい場合は、凹状部63の外周縁近くにだけ傾斜を設けて、内周側部分は水平又はほぼ水平な底面としても良い。下側分配素子の形状は図9(A)~(C)のいずれの形状、又は、これらとは異なる形状であっても、遠心力によって洗浄液が斜面を上昇し、上昇した後に溝部67に均一な圧力で均一な量が流入するように構成できれば、本発明の効果は得られることになる。本発明では、遠心力を用いて洗浄液17を試験管80に供給するので、洗浄液分配素子50内に遠心力式のポンプを備えているのと同等の効果を得ることができる。
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、洗浄液分配素子50は合成樹脂製としたが、洗浄液分配素子50の材質は任意で有り、金属製や他の材料にて製造しても良い。更に、溝67は合成樹脂の射出成形により形成されるのではなく、機械加工による切削によって形成されても良い。さらに、洗浄液分配素子50とロータ本体31は、ワンタッチで着脱可能に構成しても良い。さらに、溝67は、上下の分配素子両方に設けるようにしても良い。
1…(細胞洗浄)遠心機、2…筐体(フレーム)、2a…(筐体の)ベース部、3…チャンバ、4…ロータ室、5…脚部、6…ドア、6a…蝶番、7…ドレンパイプ、7a…排出口、8…モータ、9…駆動軸、10…制御装置、12…操作表示パネル、13…支柱、14…ゴム製ダンパ、15…軸受、17…洗浄液、17a…上澄液、18…洗浄液供給管、19…ノズル、30…ロータ、31…ロータ本体、32a…フランジ部、32b…主軸部、32c…取付部、34…円形保持部、35…回動軸、36…試験管ホルダ、36a,36b…保持挿入部、36c…保持底部、36d…ストッパ、37…スイング方向、41…底面部、42…ストッパ、43…保持手段、44…上部磁性体部材、44a…吸着部、45…下部磁性体部材、45a…吸着部、45b…ラビリンス部、46…リング状コイル(磁気コイル)、50,50A,50B…洗浄液分配素子、51…上側分配素子、52…上側円環部、53…洗浄液導入部、53a…フランジ部、53b…首部、54…洗浄液導入口、55…内部空間、56…ネジ穴、61,61A,61B…下側分配素子、62…下側円環部、62a…平坦面、63…凹状部、64,64A,64B…傾斜部(斜面)、64a…斜面、64b…底部、65…軸心部、66…内部空間、67…溝部(洗浄液通路)、67a…流入口、67b…吐出口、68…ネジ溝、69…取付部、80…試験管、80a…開口部、90…洗浄液回収カバー、90a…排出部、99…ポンプ、130…ロータ、150…洗浄液分配素子、151…上側分配素子、151a…内壁、154…洗浄液導入口、155…内部空間、161…下側分配素子、162…円錐面、163…洗浄液受部、164…下側円環部、164a…接触面、166…突出部、167…溝部、167a…流入口、167b…注入口、168…ネジ穴、169…円筒部、A1…(ロータの)回転軸線、B1…(試験管の)中心軸

Claims (14)

  1. 駆動軸を有するモータと、
    該モータの駆動軸に連結され、前記モータで回転されるロータ本体と、
    該ロータ本体の外周側に円形列に装着され、遠心力によって前記円形列の外側水平方向に回動可能に支持された複数の試験管ホルダと、
    前記ロータ本体に装着され、回転中心から外周に向く径方向に洗浄液を吐出することにより前記複数の試験管ホルダにそれぞれ保持された複数の試験管内に前記洗浄液を供給する洗浄液分配素子と、
    前記モータを制御する制御装置と、を備える遠心機において、
    前記洗浄液分配素子は、上側分配素子と下側分配素子から成り、
    前記上側分配素子は、中央部に洗浄液導入口を有する洗浄液導入部と、該洗浄液導入部の周囲に連続する上側円環部が形成され、
    前記下側分配素子は、前記上側分配素子の位置する側から離れる方向に窪む凹状部と、前記凹状部の径方向外側であって前記上側円環部と対向する位置に配置された下側円環部を有し、
    前記上側円環部の下面、又は、下側円環部の上面の一方に放射状の複数の溝部が形成され、前記溝部が前記対向する円環部と接合されることによって前記洗浄液が前記洗浄液分配素子から放出される流路が形成され、
    前記凹状部の外縁には、前記洗浄液が、遠心力により前記流路に供給されるよう回転中心軸から径方向外側に行くにつれて上昇するような傾斜部が形成されていることを特徴とする遠心機。
  2. 前記凹状部は、前記傾斜部とその内側に形成される軸心部により構成され、
    前記傾斜部は前記凹状部のうち径方向の半分以上を占め、
    前記軸心部は、前記傾斜部とは異なる傾斜を有する平面又は曲面にて形成されることを特徴とする請求項1に記載の遠心機。
  3. 前記洗浄液導入部は、前記上側円環部の内周縁部に接続される首部と、前記首部の上縁部から径方向内側、又は/及び、外側に突出する円環部によって形成され、
    前記円環部によって前記洗浄液導入口が形成されることを特徴とする請求項2に記載の遠心機。
  4. 前記洗浄液導入口は、前記上側分配素子と前記下側分配素子との分割面より上方に位置づけられ、
    前記軸心部は、前記上側分配素子と前記下側分配素子との分割面より下方に位置づけられることを特徴とする請求項3に記載の遠心機。
  5. 前記洗浄液導入口の外周部には、フランジ部が設けられていて、前記フランジ部の直径は80mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の遠心機。
  6. 前記上側分配素子及び前記下側分配素子の接合によって形成される前記流路は、円周方向に等間隔に配置され、周方向に見て前記溝部以外の部分では、前記上側分配素子及の下面と前記下側分配素子の下面が密着し、
    該密着する面にそれぞれネジ部を設けることによって、前記上側分配素子及び前記下側分配素子が固定されることを特徴とする請求項1に記載の遠心機。
  7. 前記流路の周方向に見た幅は、前記下側分配素子の内周縁側が広く、径方向外側に行くにつれて前記流路の断面が絞り込まれることを特徴とする請求項6に記載の遠心機。
  8. 前記傾斜部は鉛直断面形状が直線状であり、水平面に対して10度~45度の傾斜を有することを特徴とする請求項1~7のいずれか一項に記載の遠心機。
  9. 前記傾斜部は鉛直断面形状が直線状であり、水平面に対して25度~35度の傾斜を有することを特徴とする請求項1~7のいずれか一項に記載の遠心機。
  10. 前記傾斜部は鉛直断面形状が円弧状であることを特徴とする請求項1~7のいずれか一項に記載の遠心機。
  11. 前記洗浄液分配素子は、前記ロータ本体にネジによって固定されることを特徴とする請求項10に記載の遠心機。
  12. 前記円環部の内径は60mm以上80mm以下であることを特徴とする請求項3に記載の遠心機。
  13. 請求項1~12のいずれか一項に記載の前記ロータ本体と、前記ロータ本体に円形列に装着される複数の前記試験管ホルダと、前記ロータ本体に装着される前記洗浄液分配素子を有し、
    前記ロータ本体は、遠心機の駆動軸に装着される装着部を有し、前記駆動軸に対して着脱可能に構成されることを特徴とする遠心機用ロータ。
  14. 前記試験管ホルダの回動を阻止することにより前記試験管を垂直又は垂直に近い角度に保持する保持手段を有することを特徴とする請求項13に記載の遠心機用ロータ。
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