JPH09502660A - ウィンデイジに基づく遠心機ロータの確認および冷却制御機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 遠心機のロータを識別する方法および機構は、モデル選択の２つの段階を用いる方法を採用する。最初に、ロータの慣性モーメントが第１の測定加速に関して計算される。慣性モーメントの表示は多数のロータモデルを不適格とみなし、小さい一組のモデルを選択するために利用される。第２の段階で、ロータのウィンデイジ動力が、ウィンデイジを慣性抵抗から分離する方法で計算される。一実施例では、高い一定速度で作動するロータについて駆動トルクが測定される。選択的に、第２の測定加速の間に得られたデータを用いてウィンデイジが計算される。計算の正確さは、第２の加速に対する抵抗の一形態として慣性モーメントを考慮に入れることにより高められる。ウィンデイジ動力の表示に基づいて、小さい一組の中の少なくとも１つのロータが不適格であると見なされる。ロータが識別されると、遠心の過程を最大安全速度に維持することができる。さらに、ウィンデイジ動力の変化に伴う物理的温度校正を提供するように、冷却オフセット回路が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】 ウィンデイジに基づく遠心機ロータの確認および冷却制御機構技術分野 本発明は一般的には生化学、医学および他の科学技術部門で用いられる遠心機 に関し、特に、ロータの識別およびロータ温度の制御に関する。背景技術 遠心機は、本質的に、試料溶液中に懸濁する粒子を分離するための装置である 。試料溶液を収容可能である遠心機のロータは、包囲されたチャンバの内部にお いて高回転速度で駆動される。典型的には、チャンバは大気圧下の空気を含むが 、しかし、遠心機の機構を大気圧より低い圧力下で作動させることも稀ではない 。圧力の減少はウィンデイジ動力の消費(windage power consumption)を軽減す る。極端な場合、超遠心機がロータの摩擦熱を減らすために高真空下で作動され る。典型的には、高速の実験室用遠心機が高圧側の１気圧および低圧側の 0.5気 圧の範囲で作動されるが、特別な使用においては、ヘリウム、窒素およびアルゴ ンような気体が空気と置き換えられ、前記範囲の高圧側は１気圧を越える。 遠心機ロータは駆動モータからの熱伝導によって、駆動軸を通して、わずかに 加熱される。しかし、超遠心機の使用以外の場合、本質的に、前記チャンバ内の 空気または他の気体からの熱伝導によって高速ロータの加熱が生じ、前記気体は 、前記ロータにより前記気体に加えられた仕事によって加熱される。この仕事は 、気体を加速し、吸い上げ動作すなわちポンピング動作を誘導する形態をとり、 次いで前記気体の急速な再循環および熱の蓄積へと導く。前記ロータを所望の温 度に維持するために前記チャンバから熱を抜き出すように設計された冷却機構を 有する遠心機を提供することが知られている。 高速実験室用遠心機の設計において遭遇する問題点の一つは、遠心機は多数の 相互交換可能のロータをもって作動可能であるという要求である。このような事 情のため、用途の広い高速実験室用遠心機のための２０種類ほどの異なった相互 交換可能のロータがある。ロータのモデルはある寸法の範囲内で形成されまた多 数の変形を有する。各ロータモデルは定格の最大安全回転速度を有し、それは、 一般に、最大に許容可能の遠心誘導応力により定まる。定格最大安全速度は大き い範囲にわたる。この速度要求に適応させるため、遠心機の駆動機構には広範囲 の調整性が与えられている。しかし、多くのロータは該ロータが最大回転速度で 回転されるときに消費されるウィンデイジ動力において非常に異なる。それは、 前記チャンバ内の空気の加熱作用を帳消しにするのに必要な冷却エネルギが特定 のロータおよびロータ作動時の速度に依存することによる。冷却機構を含む先行 技術の機構において、包囲されたチャンバの温度は典型的にはモニターされる。 例えば、前記チャンバの底部の少し上方を流れる空気の温度がモニターされる。 ほぼ満足できる制御は、速度範囲にわたる個々のロータの最適冷却の設定の実験 的決定により得られてきた。したがって、所望のロータのために設計された設定 を選択することが必要であり、加えて、冷却設定に対するロータの正確な較正に よって定まるいくつかのロータのための特定のオフセット(offset)を提供するこ とが必要である。 冷却制御を定めかつ設定することが困難である理由は、回転体の空気力学に結 び付けられた物理法則に由来する。ウィンデイジ動力を説明する方程式は、前記 回転体が比較的密着する滑らかなチャンバ内にあるとき、回転速度の３乗に比例 しまた前記回転体の直径の５乗に比例する動力損失を明らかにする。チャンバの 壁が回転体からさらに相対移動されるとき、風損は、簡単な前記方程式により予 言されたそれから相当増大する。したがって、適切な温度制御と、偶発的な超過 速度の設定によるロータの故障に対する安全性とのため、ロータは正確に確認ま たは識別されなければならない。 ロータを正確に識別し、これに応じて速度および冷却の設定を調整することは 習慣的にオペレータに依存してきた。最近では、ロータの識別における安全性の 重複に対する関心と要求とが高まってきており、また、長い間、超過速度防護の 少なくとも１つの水準をもっていた超遠心機の場合においてさえも、付加的な水 準が導入されてきた。どのロータもその定格最大安全速度より高い速度で回転さ れない程度にまで識別することは十分であるから、多くの場合、第２および第３ の識別の必要性は絶対のものではない。いくつかの全く異なるロータは同一の許 容速度をもっており、唯一必要なことは、第２および第３の識別が高い定格最大 安全速度を有する全ロータからこれらのロータを区別することである。 本発明の譲受人に譲渡されたギーベラの米国特許第 4,827,197号の明細書に記 載された装置に重複識別システムが示されている。ギーベラは、ロータの識別は 該ロータの慣性モーメントを計算することにより行なうことができることを教示 する。ロータは一定のトルクのもとで加速される。第１の速度から第２の速度ま での加速の時間が測定され、慣性モーメントが速度の変化および時間の変化の計 算を用いて計算される。ギーベラは、慣性モーメントを得た後、計算された慣性 モーメントを種々のロータモデルの一つの既知の慣性モーメントと組み合わせる ことにより識別できることを教示する。 ロッセリ等の米国特許第 5,235,864号明細書も、また、重複ロータ識別システ ムを教示する。しかし、慣性モーメントの計算の代わりに、ロッセリ等は「ウィ ンデイジ」を測定することを教示し、これは、流体摩擦作用の結果であるロータ 運動に対する抵抗であると前記特許明細書に定義されている。「ウィンデイジ」 は、第１の相対的に高い速度から第２の高い速度にロータを加速するのに必要な 時間を測定するか、または、予め選択された時間内に生じる速度の変化を測定す ることにより決定される。この段階（ステップ）の間に生じた速度信号または時 間信号は、次に、該信号を基準の「ウィンデイジ」値を示す基準信号と比較する ことにより、あるいは、複数の「ウィンデイジ」値の参照用テーブルを定めるこ とにより、ロータ識別信号を発生させるために使用される。一実施例では、前記 ロータが複数のロータの高ウィンデイジ状況にあるかまたは低ウィンデイジ状況 にあるかについて予備的な決定がなされることを教示する。しかし、この決定が どのような状態で基準とされるかについては不明確なままである。いずれの実施 例においても、ウィンデイジの決定は比較的高い速度でロータを加速することに より行なわれ、ロッセリ等は、この速度において、ウィンデイジがロータの加速 への抵抗において慣性に対して優勢になることを教示する。 ロッセリ等に記載の方法に付随する困難の一つは、前記ロータを識別するため に用いられる前記発生された速度信号または時間信号がロータ抵抗のウィンデイ ジ成分および慣性成分の双方に敏感に反応することである。すなわち、前記加速 は、ロータの加速に対する抵抗成分を分離しない。ロッセリ等は、前記加速は、 前記ウィンデイジ成分が前記慣性成分に対して優勢である速度で生じることを教 示する。しかし、慣性成分はどのような加速の間でも存在する。ロッセリ等の方 法の他の関係は、「ウィンデイジ」が流体摩擦作用から生じる運動に対する抵抗 として単に規定されていることである。ここに規定されているように、「ウィン デイジ」は、本質的に、ロータが種々の高回転速度で回転されるときに遠心機の 包囲されたチャンバ内の気体の雰囲気のポンプ作用において消費される動力また は電力である。これらの高速度では、粘性摩擦抵抗が気体のポンプ作用を生じさ せる、気体の塊に対するロータの機械的結合を提供する役割を果たす。しかし、 粘性摩擦抵抗と、前記気体の雰囲気のポンプ作用において消費される動力とを区 別することは重要である。 本発明の目的は、遠心機内で作動可能のロータ群の中の任意のロータが該ロー タの最大安全作動速度を越えて駆動されないことを保証する方法および機構を提 供することにある。本発明の他の目的は、識別されたロータに固有のロータ作動 情報を冷却制御機構に提供することである。発明の概要 前記本発明の目的は、第１に遠心機ロータを確認するためにまた第２に冷却機 構を制御するために用いられるウィンデイジの測定において慣性抵抗を分離する 方法および機構により達成される。一実施例では、可能性のあるロータモデル群 の第１の分類が、ゼロまたは最小のウィンデイジ成分が存在する条件のもとで慣 性を測定することにより行なわれ、第２の分類が、ロータの慣性から独立したウ ィンデイジを測定することにより行なわれる。前記した２段階の分類過程に基づ き、遠心機の操作が制御され、超過速度を回避しおよび／または温度を調整する 。 分類の第１の段階（ステップ）において、慣性モーメントの計算は、識別また は確認されるロータの第１の測定される加速を含む。加速の時間または回転速度 の増分が固定され、他方、他のファクターが測定される。回転速度の変化が被測 定変数であるように、典型的には、固定されるのは時間である。好ましくは、測 定される加速が一定である間に駆動モータによりトルクが与えられ、これにより 、前記慣性モーメントの計算を簡単にする。しかし、これは決定的でない。慣性 モーメントは、トルクと前記速度変化を得るために必要な時間との積を回転速 度の変化で割ることにより計算することができるため、前記慣性モーメントの指 示または表示は得ることができる。もし、前記ステップが前記ロータ内に収容さ れた不特定量の試料溶液を加速することを含む場合には、前記モータ自体の慣性 モーメントの計算は決定的なものとはならない。それでも、小さい一組のロータ モデルは前記表示に基づいて識別可能であり、これにより、前記ロータが識別さ れ得る前記モデルのいくつかを不適格とみなす。 慣性を利用する分類に引き続き、関心のあるロータは、前記ロータを収容する 遠心機のチャンバ内の気体、典型的には空気に対するポンプ作用に必要な動力の 信頼できる測定を可能にする速度まで加速される。一実施例では、この空気のポ ンピング動力すなわち「ウィンデイジ」が、遠心機の電気駆動機構からのフィー ドバックにより得られた情報を用いて測定される。好ましくは、前記駆動モータ は切換リラクタンスモータ(switched reluctance motor)である。この切換リラ クタンス駆動は、トルク入力に関する所望の情報を提供する。前記モータの慣性 抵抗がゼロであるため、高い一定速度において、既知のモータ損失について調整 された前記トルク入力は実質的にウィンデイジ動力に等しい。 他の実施例では、ウィンデイジの計算は第２の測定される加速に基づく。再度 、時間または回転速度の増分が予め選択され、これと共に前記他のファクターが 測定される。典型的に、固定されるのは前記時間である。次に、ウィンデイジ動 力が計算され、これはトルク入力（τ）と、慣性モーメント（Ｉ）と時間の変化 （△ｔ）で除された回転速度の変化（△ω）との積、との差である。すなわち、 ウィンデイジ＝τ−Ｉ（△ω／△ｔ）である。換言すると、ウィンデイジ・トル クは、モータの入力トルクと慣性トルクとの差に等しい。 次に、ウィンデイジ動力の計算が用いられ、前記測定されたウィンデイジ動力 の特徴である特性を有する一組のモータモデルを選択する。理想的には、このス テップは１つのモータモデル以外を全て不適格とみなす。他方、もし、２以上の ロータモデルの可能性が残るときは、ある高い一定の回転速度またはある高い測 定される加速において、ウィンデイジの計算を繰り返す。速度の増大は、問題の ロータが識別され得る可能性のある複数のモデルの内の最低の定格最大速度より まだ低いであろう。たいていの場合、ウィンデイジの計算は、一つのロータモデ ルを除く全てが不適格と見なされるまで、益々高い速度において、繰り返すこと ができる。 前記ロータが識別または確認されると、前記ロータの既知の定格最大安全速度 で遠心分離操作を行なうことができる。加えて、ウィンデイジの計算は、他の回 転パラメータ(run parameters)に影響を及ぼすように利用することができる。特 に、ウィンデイジの変化に基づく冷却機構の操作に対して調整がなされる。ウィ ンデイジ状態における遠心機の操作に関して、ロータの加熱は本質的にウィンデ イジ動力による。遠心機のチャンバ内の空気にポンプ作用を及ぼす前記ロータに より行なわれる仕事は前記空気を加熱することであり、このことが次に前記ロー タを加熱する。超遠心機の作動とは異なり、直接の摩擦熱は重要ではない。風損 の変化に応じて連続的にまたは周期的に冷却を調整することができる。これは、 駆動機構が高い、一定の速度で操作されるときに入力トルクを再度モニターする ことにより行なうことができる。 本発明の利点は、信頼性のあるロータ識別および冷却制御機構が提供されるこ とである。遠心機の操作において、回転速度の設定増分を達成するために必要な 駆動力は前記ロータの速度の３乗に正比例して変化する。したがって、冷却機構 の較正速度とは実質的に異なる速度で較正することができる温度差の設定は困難 である。さらに、ウィンデイジ動力はロータの直径の増大とともに指数関数的に 増大し、このため、普遍的なオフセット調整を確立することはさらに複雑である 。本発明を利用すれば、前記ロータを識別または確認することができ、また、冷 却は力学的に調整し、所望の作動温度または操作温度を維持することができる。図面の簡単な説明 図１は本発明に従って制御される遠心機の側断面図である。 図２は図１の遠心機に接続される利用可能のロータのチャートである。 図３は本発明に従って図１の遠心機とともに使用されるロータ識別機構の第１ の実施例の概略図である。 図４は本発明に従って図１の遠心機とともに使用されるロータ識別機構の第２ の実施例の概略図である。 図５は図４の識別方法のフローチャートである。本発明を実施するための最良の態様 図１を参照すると、遠心機１０は、駆動軸１４を回転させるための駆動モータ １２を含む。好ましくは、前記駆動モータは切換リラクタンス・モータ(switche d veluctance motor)である。このようなモータの利点は、前記モータにより発 生されるトルクの読取りが何時にても可能であることである。 ロータ１６は、試料要素の遠心分離のための少なくとも２つの試料容器１８お よび２０を保持するためのコンパートメントを有するように示されている。容器 １８および２０は、ロータ蓋２２を取り外すことにより前記ロータ内に配置され る。ボルト２４が前記ロータ蓋の穴を経て伸び、ロータ蓋２２をロータ１６に固 定しかつ前記ロータをハブ２６に固定している。 ハブ２６は、様々なロータモデルのいずれにも接続することができるように適 合されている。例えば、Beckman Instruments，Inc．により販売されている遠心 機に使用可能である１８個のロータモデルのグラフが図２に示されている。図１ のロータ１６は、図２の前記１８個のロータの任意の一つである。 ハブ２６は、円筒状の、下に向けて垂れ下がるスカート２８を有する。前記ハ ブは、前記円筒状のスカートが前記駆動軸と共軸関係にあるように止めねじ２９ により駆動軸１４の上端部に固定されている。モータ１２の回転駆動は、駆動軸 １４とハブ１６とによりロータ１６に伝達される。前記駆動軸の上端部３０は、 従来の技術を用いて前記ハブに固定されている。前記ロータは、ハブ２６を受け 入れるように形状付けられた内面を有する。 ロータ１６、ハブ２６および駆動軸１４の上端部３０は、カバー３４を有する ハウジング３２により規定されたチャンバの内部に収容されている。図示されて いないが、典型的な真空シールが前記ハウジングの残部に対する前記カバーの境 界面に配置されている。ハウジング３２の複数の側壁と、底壁とは、前記ハウジ ングにより規定された被包囲の前記チャンバの内部の温度を制御するために外面 に配置された冷却コイル３３を有する金属製の骨組である。 温度の制御に加えて、ハウジング３２の前記包囲されたチャンバ内の雰囲気が 真空ポンプ３６の作動により制御される。前記真空ポンプは、導管３８および２ つの管継手４０および４２によりスリーブ４４に接続されている。スリーブ４４ は、駆動軸１４と共軸的に伸び、ハウジング３２の底壁４８の開口を貫通する大 径の下部を有する。真空シール５０が前記スリーブの周りの空気の漏れを防ぐ。 前記スリーブの上端において、減径部５２が、ハブ２６の下方に垂れ下がるスカ ート２８内に伸びている。このため、第１の環状の隙間５４が駆動軸１４とスリ ーブ４４の内面との間に形成されており、また、第２の環状の隙間５６が前記ハ ブの下方に垂れ下がるスカート２８とスリーブ４４の外径部との間に形成されて いる。 前記遠心機のチャンバからの排気が上方に向けて第２の環状の隙間５６に入り 、次いで、下方に向けて第１の環状の隙間５４に入り、その後、導管を通して真 空ポンプ３６に送られる。図１に示すように、モータ１２もまた排気される。 図２に戻ると、各ロータモデルＡ−Ｒに関連する複数の横棒が慣性を示す。各 横棒は、前記ロータが複数成分に遠心分離される試料溶液の制約を受けないとき の値である最小の慣性値を有する。最大の慣性値は、前記ロータが、製造者によ り設定された最大の安全値まで試料溶液を収容するときの慣性を表す。 作動の際、図１のロータ１６は、図２に示す前記最小値と前記最大値との間の 範囲内のいずれかの慣性を有する。したがって、ギーベラの米国特許第 4,827,1 97号明細書に記載されているように、慣性の計算は必要とされる確認または識別 を与えない。例えば、もし、慣性の計算が約1.07のユニット値を与える場合、線 ５８で示すように、図２の６つのロータの任意の一つが指定される。同様に、ウ ィンデイジが慣性に対して優位にある回転速度における運動に対する抵抗を測定 することを教示するロッセリ等の米国特許第 5,235,864号明細書の技術も十分で ない。ウィンデイジの効果が速度の増大と共に指数関数的に増大すると、慣性は 、加速が第１の高速度からある高速度まであるときでさえも、加速に対する全抵 抗を決定するのに重大な役割を演ずる。 図３の機構は、特定のモデルの一つであるロータを確認または識別するための 改良された手段である。ロータ１６は、駆動軸１４により駆動機構１２に接続さ れているように示されている。慣性モーメントの決定は前記駆動軸と前記モータ とによる慣性の寄与を明らかにする。前記駆動軸および前記モータのそれぞれの 寄与に対する補償は、これらの値が固定されるため、容易に達成される。前記寄 与は回転するロータ１６の慣性モーメントに比べて重要でないため、選択的に、 前記駆動軸および前記モータの寄与は無視することができる。 前記したように、前記駆動機構は好ましくは切換リラクタンス・モータ１２を 使用する。切換リラクタンス駆動機構は、駆動制御エレクトロニクスからの連続 基準でリアルタイムに利用することができる正確なトルク・データを提供する。 線６２は、前記駆動モータのトルクを示す出力を与えるように示されている。さ らに、切換リラクタンス駆動機構は、前記モータの適切な操作のために求められ る連続作動のアーマチャー位置インジケータを有する。前記アーマチャー位置イ ンジケータからのパルスの周波数はロータ１６の回転速度を決定するために用い られる。RPM 線６４は慣性計算回路６８への入力を示し、前記回路が前記ロータ の速度を決定することを可能にする。また、クロック６６が回路６８に入力を与 える。 第１の段階（ステップ）で慣性を計算する。第１の選択された回転速度から第 ２の選択された回転速度（△ω）までの加速に必要な時間（△ｔ）を測定するか 、または、加速の固定時間（△ｔ）内の速度変化（△ω）を測定する。次に、△ ωを△ｔで割ることにより角加速度を決定することができる。次いで、線６２か らのトルクデータが慣性の計算回路６８で用いられる。ロータ１６を駆動する際 の慣性モーメントは、RPM 線６４からのデータとクロック入力とを利用して決定 された加速度の値で割られたトルクに等しい。 慣性モーメントの計算の結果、図２のロータの選択を行なうことができる。例 えば、もし、前記ロータの慣性が線５８で表された値であると決定された場合、 ロータ１６は、線５８が交差する６つのロータの内の一つでなければならない。 したがって、図２に示す他の１２個のロータモデルは、ロータ１６が分類され得 る可能性のあるロータモデルとしては不適格であると見なされる。 第２の分類（区別）段階でロータ１６のウィンデイジの測定値を用いる。滑ら かな囲いのなかで回転する遠心機ロータのための最も適切なウィンデイジ動力方 程式は、ウィンデイジが回転速度の３乗、前記ロータの直径の５乗およびディレ クトリ(directly)よりわずかに短い長さに従って変化するそれである。空気が前 記ロータの背後に回り込むときの速度の損失がほとんどないため、密閉した嵌め 込みの対称的な囲いがウィンデイジを減少させることは周知でありまた当然のこ とである。小型のロータはチャンバ壁からより離れるため、同じ遠心機内のより 大きいロータより「外気(open air)」状態により厳密に近づく。 回路６８における慣性の計算は、ウィンデイジが無視できまた実際に不存在で ある比較的低速度下で行なわれる。前記第１の選択された速度であって該速度か らロータ１６が加速される第１の選択速度は０ rpmである。しかし、ウィンデイ ジ動力の測定は、比較的高速度下で行なわれる。図２の１８個のロータモデルの それぞれが定格最大安全速度を有する。慣性の計算によって与えられる分類過程 に引き続き、不適格と見なされていない複数のロータモデルの最も低い定格最大 安全速度までロータ１６を加速する。再び、図２に示された線５８により示され た測定例を用いて、ロータＤ−Ｉの小さい一群の６つの最大安全速度の最小値ま で、前記ロータを加速することができる。 ロータ１６を一定の高速度に維持すると、駆動機構１２により発生されるトル クが、モータ損失のための小調整後、ロータのウィンデイジ動力と等しくなる。 図３に示すように、ロータの識別回路７２はトルク線６２からの入力を有する。 一旦、前記ロータの速度が固定されると、前記ロータの識別回路は、その一定速 度における期待ウィンデイジ値を有する参照用テーブル７４をアドレス指定する ために線６２からのデータを利用することができる。このようにして、ロータ１ ６が分類され得る可能性のある複数のロータモデルがさらに制限される。理想的 には、図２の６つのロータモデルＤ−Ｉの内の一つが正確に指摘される。 もし、２以上のロータモデルが可能性として残っている場合、ロータ１６のよ り高い回転速度においてウィンデイジに基づく前記分類を繰り返すことができる 。しかし、このウィンデイジ依存の分類段階の繰り返しでは、小さい一組のモデ ル中の可能なロータモデルの定格最大安全速度の内の最も低い速度が超過しない ようになお求められる。従って、この分類の繰り返しは、最初のウィンデイジ依 存の分類が、先に最も低い定格最大安全速度を有するロータモデルであったロー タモデルを不適格とみなした場合にのみ、可能である。 期待ウィンデイジ値のデータの保存に加えて、参照用テーブル７４のメモリー は期待慣性値を保存する。従って、慣性計算回路６８はロータ識別回路７２への 入力情報を有する。さらに、テーブル７４は、熱の発生をウィンデイジの変化と 結び付けるためのメモリーを含む。１８個のロータモデルのそれぞれは特有のウ ィンデイジ−熱の特性を有する。同様に、前記１８個のロータモデルは複数群、 例えば、揺動バケットロータ(swinging bucket rotor)、固定角ロータ(fixed an gle rotor)、常流ロータ(continuous flow rotor)および特別のロータに分類さ れる。参照用テーブル７４のメモリーは、冷却調整回路９４にデータを供給する ために回路７２により利用される。例えば、トルク線６２をモニターすることに より、ウィンデイジにより生じた熱が冷却機構に対する調整を必要とするように 十分に変化する時間を検出することができる。個々の遠心機の回転のための望ま しい温度は、分析下の試料を含む多数のファクターに依存する。典型的には、望 ましい温度は遠心機の回転が開始される前に選択され、オペレータにより入力さ れる。したがって、ロータ識別回路７２は最初に使用中のロータを識別するため に使用され、次に、識別されたロータに関連するテーブル７４に保存されたデー タを用いることにより回路９４における冷却機構を制御するために使用される。 この制御は力学的なものであり、したがって、前記冷却機構は、例えば回転速度 の変化または真空レベルの変化による各ウィンデイジの大きい変化の影響を受け る。 より単純化した形態では、回路９４の冷却調整は温度補償値の設定である。遠 心機の、サーミスタのような温度モニター装置は、たいてい、ロータが回転され る閉鎖チャンバの底部に配置される。前記チャンバの底部の温度は、一般に、ロ ータの温度より低い。温度差は使用するロータによって変わる。したがって、複 数のロータは、遠心機が前記ロータの温度をより正確に決定することを可能にす る複数の温度補償値を割り当てられる。図３では、前記モータが回路７２で識別 され、その後、識別されたロータのための温度補償値がテーブル７４から得られ 、冷却調整回路９４をセットするために使用される。 図３の回路は冷却制御を提供し、また、前記ロータが定格最大安全速度を越え て加速されないようにすべくロータ１６を識別するために用いられる。線７５は 、回路７２がロータ１６を識別するために使用されるとき、駆動機構１２に入 力を与える。 図４および図５はロータ１６の識別のための第２の実施例に関連する。この例 では、モータ１２は切換リラクタンス・モータではなく、したがって、トルクの データは前記駆動機から直接に得られない。他のタイプのモータは図３で求めら れたトルクデータを提供するように適合されているが、図４は、計算が前記駆動 機構とは独立に行なわれる機構を示す。 図３に示す要素と機能的に同じである図４の要素に同じ参照番号が付されてい る。ロータ１６の角速度は回転速度計７７を用いて決定することができる。回転 速度計７７および同等の装置は遠心機において従来使用されている。また、図４ に、前記ロータの測定される加速の間に使用されるクロック６６が示されている 。前記回転速度計および前記クロックの双方は、慣性を計算するための回路６８ とウィンデイジ動力を計算するための回路７９とに接続された出力部を有する。 回路６８および７９と、ロータ識別回路７２とは、単一の中央処理装置(CPU)の 内部に収容されている。参照用テーブル７４は ROMメモリーからなる。前記参照 用テーブルは最小の慣性、最大の慣性、期待ウィンデイジ動力および図２の１８ 個のロータのそれぞれの定格最大安全速度に関するデータを含む。 図４および図５の実施例では、慣性計算回路６８がロータ１６の第１の測定さ れる加速の入力△ωおよび△ｔを受け入れる。この入力は図５に入力７６として 示されている。一定のトルクを得るため、慣性モーメントの表示を符号７８で示 すところにおいて計算することができる。臨界でなければ、慣性モーメントの表 示は、好ましくは、各回転について同じ値の一定トルクで得られ、したがって、 この値は、モータ１２からのトルクの読み取りを必要とすることなしに慣性計算 回路６８で使用することができる。ロータ１６内の試料の量が未知であるため、 計算された慣性モーメントは前記ロータの慣性モーメントの唯一の表示である。 前記した例では、線５８が横切る前記６つのロータモデルのいずれについても、 表示1.07を予想することができる。ロータ識別回路７２は参照用テーブル７４を アドレス指定し、他の１２個のロータモデルを不適格とみなしおよび／または６ つの可能性のあるロータを選択する。ロータ１６が識別することができる可能性 のあるロータモデルを減らす段階は、図５に符号８０で示されている。したがっ て、可能性のある小さい一組のロータが確立される。 残りの可能性あるロータモデルの最小の定格最大安全速度に基づいて、ロータ １６の第２の測定される加速が生じる。再び、△ωまたは△tが固定され、固定 されるファクターを好ましくは△ｔとして他のファクターが測定される。前記第 ２の測定される加速は前記残りの可能性のあるロータモデルの最大安全速度の内 の最低のものを越えてはならず、好ましくはこの速度に達するものである。これ は、ウィンデイジの差が速度の増大に伴って拡大されるからである。加速の間に トルクが変化するときは、変化の測定量はまた図５に示す符号８４のところに入 力されなければならない。しかし、前記トルクは好ましくは前記第２の測定され る加速の間固定され、したがって、△トルクはウィンデイジの計算に入れられる 必要はない。 加速中のロータに作用するウィンデイジ動力を決定する際に重要なのは慣性モ ーメントである。慣性モーメントおよびウィンデイジ動力は、加速に抵抗するよ うに協力する。加速に抵抗する他のファクターは因数に分解することができるが 、慣性モーメントは慣性の計算の入力が受け入れられない限りできない。すなわ ち、モータ１２の軸受組立体の摩擦のようなファクターは既知でありかつ固定さ れているが、本発明のロータの識別方法では、慣性の計算は除かれかつウィンデ イジの計算のために回路７９に入力されなければならない。 ウィンデイジ動力は回路７２により、また、次の方程式に従って計算すること ができる。 ウィンデイジ動力＝トルク入力−Ｉ（△ω／△ｔ） Ｉ（△ω／△ｔ）が意味するところは、慣性抵抗である。図４では、ウィンデ イジの計算が好ましくはいつも同じである前記固定値をもってなされるため、ト ルクのための回路７９への入力はない。もし、トルクの値が、異なるウィンデイ ジの計算に関して異なっている場合、回路７９へのトルクの入力が必要である。 ウィンデイジの計算は図５に段階（ステップ）８６として示されている。 前記ロータの直径は、同じ群のロータを回転させることにより明らかにされた ウィンデイジ動力に関して、有力なファクターである。したがって、ロータ識別 回路７２は、図２の線５８が横切るロータモデルの小さい一組の６つのロータの いくつかを不適格とみなすことができる。図５に示す段階８８において不適格と みなすことは、少なくとも１つのロータモデルの確実な選択であり、これにより 、他のロータモデルを不適格とみなす。次に、残りの可能性あるロータモデルの 数について、決定がステップ９０においてなされる。ステップ８０および８８に よりもたらされた除去過程においてただ１つのモデルが残る場合、前記ロータの 識別は、符号９２のところで回転パラメータ(run parameters)を規定または調節 するために用いられる。例えば、識別されたロータモデルの定格最大安全速度に ロータ１６を加速するため、駆動モータ１２に流れる電流が図４の要素８１での 調整により増大される。さらに、図３に関して説明したと同様、遠心機の冷却を 調整または調節するために冷却調整回路９４が活用される。ウィンデイジの変化 に従って冷却の偏り(offset)が生じ得る。基本的な形態では、回転速度計７７か ら冷却調整回路９４への入力がウィンデイジ動力に対する変化を決定するために 用いられる。 図５におけるステップ９０での決定が、ステップ８０および８８において不適 格とみなした後に２以上の可能性あるモデルが残るという解答が生じる場合、前 記ロータは再び加速され、第３の測定される加速が開始される。この第３の測定 される加速は、前記第２の測定される加速が最大安全速度の最低の一部のみから なっていたとき、または、前記第２の測定される加速のデータが、最も低い最大 安全速度を予めもっていたロータモデルを不適格とみなしたときは選択事項であ る。次に、ウィンデイジを計算するステップおよび残りのモデルの少なくとも一 つを不適格とみなすステップを繰り返す。 ウィンデイジ動力は、前記第２の測定される加速の間の計算と同様のやり方で 前記第３の測定される加速について、符号８６で示すところにおいて計算される 。ウィンデイジの正確な表示を得るため、再び、慣性モーメントを考慮に入れな ければならない。したがって、前記第３の測定される加速は、問題のロータが識 別され得るロータモデルの数をさらに制限するために用いられる計算を可能にす る。この方法は、理想的には、ステップ９０でただ一つの可能性が残るまで繰り 返すことである。 選択的に、２つのロータモデルは、前記した方法を用いて区別することが困難 でありあるいは区別することができない場合、解答を与えるべくウィンデイジ− 発生に関して十分に異なるロータ・リッドを有するように構成することができる 。図１に関して、ロータ・リッド２２の直径における５％の増大がウィンデイジ をほぼ２５％増大させるものと考えられる。 慣性モーメントの計算は、選択的に、遠心機１０のから空気が抜かれたチャン バ内で行なうことができる。他方、ウィンデイジ動力の計算は、完全に空気が抜 かれたチャンバ内のロータ１６の加速に関して行なうことはできない。前記チャ ンバ内の雰囲気は、回転するロータのウィンデイジ動力の進展に直接に影響を及 ぼす。したがって、ウィンデイジの計算は好ましくは前記チャンバ内の絶対圧に 関する偏りを含む。 試料容器１８および２０内の試料の遠心分離の間、遠心機１０の完全に真空に されていないチャンバでの温度制御は困難である。駆動機構１２の仕事の多くは 、前記ロータが回転されるときの空気の塊を循環させるために使われる。特別な ロータについては、必要とされるウィンデイジ動力は前記回転速度の３乗に正比 例して変化する。多くの遠心機の機構は較正速度(calibration speed)のための 温度設定を含む。前記較正速度から掛け離れた回転速度での温度の偏りの較正を 与えることは、どう見ても、困難である。ウィンデイジ動力は前記ロータの直径 の増大とともに指数関数的に増大するため、全ての速度において全てのロータモ デルに適用可能である温度の偏り(temperature offset)を与えることはより困難 となる。ロータの定格最大安全速度における各ロータの実験的測定に基づいて手 動で設定されたオフセット値を与えることが知られている。 図３、図４および図５に示す機構および方法は、より能率的な温度の偏り調整 の構成を提供する。識別回路７２においてロータが識別された後、前記ROM 内の 参照用テーブル７４を用いて、符号９４で示すところで冷却調整を行なうことが できる。前記参照用テーブルに含まれる情報は、前記冷却機構を制御するために 前記ウィンデイジに関する実時間情報と組み合わされる。 温度の自動調整は、温度の偏りの手動設定に置き換えるために用いることがで きる。さらに、ウィンデイジ動力は高さの変化によって影響を受けるため、高度 な操作ための自動的な補償としてこの技術を用いることができる。図３〜図５の 単純化において、温度制御は慣性モーメントを計算することなしに行なうことが できる。例えば、いくつかの適用において、図３に示す実施例で一定速度下での モータのトルクのモニターにより与えられるウィンデイジの表示は、まず前記ロ ータを識別するために、次いでウィンデイジの大きい変化を伴う冷却を調整する ために用いることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数のモデルのうちの特定の１つとしてロータを識別する方法であって、 回転速度の第１の測定される増分に達するまで前記ロータを加速すること を含む、前記ロータの慣性モーメントの表示を生じさせること、 前記慣性モーメントの表示に応答して、前記ロータが識別され得る可能性 のあるモデルを前記複数のモデルの小さい一組に制限すること、 前記ロータの慣性モーメントの表示を考慮に入れる間に、前記第１の測定 される増大と関連する速度より大きい加速された回転速度で回転中の前記ロータ のウィンデイジの表示を計算すること、 前記ウィンデイジの表示に応答して、前記慣性モーメントの表示および前 記ウィンデイジの表示が特徴的である少なくとも１つのモデルを選択することを 含む、ロータの識別方法。 ２ さらに、前記選択の段階が２つ以上のモデルを提供し、さらに、前記ロー タを加速し、第２のウィンデイジの表示を決定することを含み、前記方法が、さ らに、前記第２のウィンデイジの表示に基づいて２つ以上のモデルのうちの１つ のモデルを選択することを含む、請求項１に記載の方法。 ３ 前記ウィンデイジの表示を計算することが、回転速度の第２の測定される 増分に達するまで前記ロータを加速することを含む、請求項１に記載の方法。 ４ 前記ウィンデイジの表示を計算することが、前記ロータを固定速度に維持 し、前記ロータを回転させるための駆動機構のトルク入力を表す信号を発生させ ることを含む、請求項１に記載の方法。 ５ さらに、前記複数のモデルのうちの特定のモデルの選択に基づいて冷却機 構を操作することを含む、請求項１に記載の方法。 ６ 複数のロータモデルの任意の１つを回転可能に支持するための駆動手段と 、 前記駆動手段に支持されたロータの慣性を測定するための第１の手段と、 前記第１の手段に応答する、前記支持されたロータが前記複数のロータモ デルの既知の慣性値に基づいて識別され得る可能性のあるロータモデルを減らす ための第１の決定手段と、 前記駆動手段および前記第１の手段に応答する、前記支持されたロータの ウィンデイジを測定するための第２の手段と、 前記第２の手段に応答する、前記支持されたロータが前記複数のロータモ デルの既知のウィンデイジ値に基づいて識別され得る可能性のあるロータモデル を減らすための第２の決定手段とを含む、遠心機機構。 ７ さらに、前記既知のウィンデイジ値および慣性値を保存しかつまた前記複 数のロータモデルのそれぞれの定格最大安全速度を保存するためのメモリー手段 を含み、該メモリー手段が前記第１および第２の決定手段と電気的につながって いる、請求項６に記載の機構。 ８ さらに、前記第２の決定手段に応答する、前記支持されたロータの回転速 度を該支持されたロータが識別され得る前記ロータモデルの定格最大安全速度に 制限するための手段を含む、請求項７に記載の機構。 ９ さらに、前記支持されたロータを取り囲むためのチャンバのハウジングと 係合する、熱エネルギ移動の冷却機構を含み、さらに、前記支持されたロータの 回転速度の変化に応答して前記冷却機構を物理的に制御するための手段を含む、 請求項６に記載の機構。 １０ さらに、前記支持されたロータの回転速度をモニターするための手段を含 み、前記物理的に制御するための手段が前記モニターするための手段に応答する 、請求項９に記載の機構。 １１ 遠心機の冷却制御機構を操作するための方法であって、 チャンバ内の遠心機ロータを回転させること、 前記遠心機ロータが回転する間に、前記回転に関連するウィンデイジを示 す信号を発生させること、 前記ウィンデイジを示す信号に基づいて、前記遠心機ロータを特定のロー タモデルの一つであると識別すること、 前記特定のロータモデルに関する既知の冷却データに基づいて前記チャン バを冷却することを含む、遠心機の冷却制御機構の操作方法。 １２ 前記ウィンデイジを示す信号を発生させることが、前記チャンバ内を循環 する気体の仕事に帰せられる損失を、前記遠心機ロータの慣性に帰せられる損失 から分離することを含む、請求項１１に記載の方法。 １３ 前記信号を発生させることが、前記遠心機ロータを回転させるために求め られるトルクの入力をモニターすることを含む、請求項１１に記載の方法。 １４ トルクの入力をモニターすることが、前記遠心機ロータを一定の高回転速 度に維持することを含み、また、前記ウィンデイジを示す信号を発生させること が、前記高回転速度を維持するために求められる駆動トルクの測定である、請求 項１３に記載の方法。 １５ 前記信号を発生させることが、さらに、前記遠心機ロータの計時された加 速を実行し、また、前記計時された加速を達成するために求められるトルクに基 づいてウィンデイジを決定することを含む、請求項１３に記載の方法。 １６ 前記信号を発生させることが、さらに、前記遠心機ロータの慣性モーメン トを決定することを含み、前記慣性モーメントを決定することが、前記計時され た加速に先立つ時間内に前記遠心機ロータを加速することを含む、請求項１５に 記載の方法。 １７ さらに、前記遠心機ロータを回転させるために利用された回転速度および トルクの一方を示す信号を発生させることを含む、前記遠心機ロータの回転の変 化をモニターしまた前記回転の変化に基づいて前記チャンバの前記冷却を調整す ることを含む、請求項１１に記載の方法。