JP5854218B2 - 遠心分離機 - Google Patents

Description

本発明は、試料を遠心分離する遠心分離機に関し、特に、試料を保持するロータを冷却する機能とロータ室を減圧する機能を有する遠心分離機に関する。

遠心分離機では、一般に、チューブやボトルに収容された試料をロータに収納し、ドアにより密閉されたロータ室（回転室）内でモータ等の駆動装置によってロータを高速回転させることによって、ロータと共に回転する試料の分離や精製等を行う。

ロータの回転速度は用途によって異なり、最高回転速度が数千ｒｐｍ程度の比較的低速のものから１５０，０００ｒｐｍの高速のものまで幅広い回転速度をもつ製品群が一般に提供されている。なかでもロータの回転速度が概ね４０，０００ｒｐｍを超える遠心分離機（以下「超遠心分離機」とも表記）にあっては、ロータ室内の空気とロータとの摩擦熱によるロータとロータ内の試料の温度上昇を抑制するために、ロータ室を減圧する真空ポンプを備えている。このように、超遠心分離機では、ロータ室を減圧して運転することから、空気による摩擦はわずかとなる。

下記特許文献１は、ロータの温度が希望の温度に到達するまでは低速で回転し、希望温度に到達後に設定回転速度まで加速させることにより、ロータの冷却時間の短縮を図る技術を開示する。

特開平９−０２４３０２号公報

減圧環境下では、対流による熱交換よりも輻射による熱交換が支配的になるため、非減圧環境下（例えば大気圧環境下）と比較してロータおよびロータ内の試料の冷却に時間がかかる。このことから、低温で取り扱わないといけない試料を使用する場合には、予めロータと試料を冷蔵庫などで冷却するか、長時間かけて遠心分離機内で冷却している。このように、ロータ室内の減圧による摩擦熱低減と、ロータ室内のロータおよびロータ内の試料の冷却時間の短縮化とが、トレードオフの関係となっている。特許文献１のようにロータの温度が希望の温度に到達するまで低速で回転しても、輻射による熱交換が支配的な減圧環境下では冷却時間をほとんど短縮できず、ロータ温度が希望の温度に達するには長時間を要している。

一方、ロータ室内が大気圧の状態で冷却すると空気の対流によりロータおよびロータ内の試料の冷えは早くなるものの、ロータ室内が結露ないし氷結し、減圧に長時間を要する。すなわち、結露水や氷があると、真空ポンプを作動させてロータ室内を減圧する際に、結露水や氷を気化させなければならず、ロータ室内の真空度が高真空に達するまでに余計に時間がかかり、ロータを高速回転させるまでに長時間を要するという問題があった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、減圧と同時に冷却を開始する場合と比較してロータおよびロータ内の試料の冷却時間の短縮化を図りつつ、減圧時間の長時間化を抑制することの可能な遠心分離機を提供することにある。

本発明のある態様は、遠心分離機である。この遠心分離機は、
分離すべき試料を保持するロータと、
前記ロータを収容するロータ室と、
前記ロータを冷却する冷却手段と、
前記ロータを回転駆動する駆動手段と、
前記ロータ室内を減圧する減圧手段と、
前記ロータ室または前記ロータの温度を検出する温度センサと、
前記冷却手段、前記駆動手段、前記減圧手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記冷却手段による冷却開始後に、前記ロータ室内に結露ないし氷結が発生する前に前記減圧手段を作動させ、前記冷却手段による冷却と並行して前記ロータ室内を減圧する。

前記制御手段は、前記冷却手段による冷却開始から所定時間経過後、または前記温度センサにより検出した温度が所定の値に到達した後に前記減圧手段を作動させてもよい。

前記制御手段は、操作部での選択によって、前記冷却手段による冷却と前記減圧手段による減圧とを同時に開始する通常モードを実行可能であってもよい。

前記冷却手段による冷却開始後から前記減圧手段の作動開始までの時間を任意に設定可能であってもよい。

前記駆動手段は、前記冷却手段による冷却開始後から前記減圧手段の作動開始までの間に、前記減圧手段の作動開始後の設定回転速度より低速の回転速度で前記ロータを回転駆動してもよい。

前記冷却手段による冷却開始後から前記減圧手段の作動開始までの間の前記回転速度が可変であってもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、減圧手段の作動開始に先だって冷却手段による冷却を開始し、その後に前記減圧手段を作動させ、前記冷却手段による冷却と並行してロータ室内を減圧するため、減圧と同時に冷却を開始する場合と比較してロータおよびロータ内の試料の冷却時間の短縮化を図りつつ、減圧時間の長時間化を抑制することができる。これにより、より早くロータ内の試料を希望の温度に冷却して分離することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る遠心分離機の全体の構造を示す断面図。 図１に示した遠心分離機の機能ブロック図。 図１に示した遠心分離機の大気予冷運転モードと通常運転モードによるロータの冷却状態と回転速度を示すタイムチャート。 図１に示した遠心分離機の大気予冷運転モードの運転手順を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態に係る遠心分離機１の全体構造を示す断面図である。図２は、図１に示した遠心分離機１の機能ブロック図である。図３は、図１に示した遠心分離機１の大気予冷運転モードと通常運転モードによるロータの冷却状態と回転速度を示すタイムチャートである。図４は、図１に示した遠心分離機１の大気予冷運転モードの運転手順を示すフローチャートである。

まず、遠心分離機１の全体構成について図１を参照して説明する。遠心分離機１は、上面から見た断面形状が略四角形である筐体（フレーム）２を備え、筐体２の内部には、チューブ等の試料容器（図示せず）を保持するためのチタン合金またはアルミニウム合金等から成るロータ３と、ロータ３に回転駆動力を与えるための駆動手段としてのモータ４と、底部材５（プレート）および円環状の仕切り部材６によって区画された、ロータ３を収納するロータ室（回転室）７とを具備し、また、筐体２内に形成されたロータ室７の上部開口部（開閉部）には、開閉手段としてのスライド式のドア８が筐体２に対し開閉自在に取り付けられている。

ロータ３の回転中には後述する制御装置９（例えばマイクロコンピュータ）によって、ドア８はロータ室７を気密に保持して開放しないように制御される。ロータ室７内は、ロータ３の運転中に動作する減圧手段としての真空ポンプ１１によって約１Ｐａ以下に減圧される。この減圧によって、回転するロータ３とロータ室７内に残留する空気との摩擦による発熱を低減させることができる。

ロータ室７には、例えばアルミニウム材料から成るボウル１０がロータ３を包囲するように設置されている。ボウル１０の底部１０ａと底部材５との間には温度制御用のペルチェ素子１２（冷却手段の例示）が挟持されている。ロータ室７の温度は、底部材５に固定された温度センサ１３によって検出され、制御装置９によって測定される。制御装置９によって制御されるペルチェ素子１２（図２参照）の冷熱は、熱伝導率の高い材質によって形成されたボウル１０を経て、ただちにロータ室７全体に伝達され、ロータ室７の温度を均一に、例えば４℃に制御する。結果的に、ロータ３の回転時の風損による温度上昇を減圧により抑制し、輻射によってロータ３の熱を奪い、高速回転にもかかわらずロータ３内の温度を一定温度に制御している。

図２の機能ブロック図に示されるように、ペルチェ素子１２および温度センサ１３は制御装置９に電気的に接続され、制御装置９は、温度センサ１３からの検出値と、制御装置９に予め設定した温度設定値とを比較し、その演算結果に基づいてペルチェ素子１２を冷却するように、ペルチェ素子１２に、オン／オフ制御された駆動電圧を供給し、または停止する。モータ４は、例えば誘導モータから構成される。このモータ４の駆動電源は、商用交流電源（例えば、１００Ｖまたは２００Ｖ、５０／６０Ｈｚ）を、インバータを介して変換した３相交流電源によって駆動され、ロータ３に高速回転を与えることができる。モータ４によって回転駆動されるロータ３の回転速度はロータ３の底部に近接して設けられた回転センサ１４によって検出される。回転センサ１４の検出値は制御装置９に入力され、制御装置９はその検出値と制御装置９に予め設定された回転速度設定値とを比較し、演算しながらモータ４の回転速度を制御する。磁気ヘッド１５は、ロータ３の種類等を認識するために、ロータ３側の情報を読み取って制御装置９に入力する。

制御装置９は、図２に示すように、演算部９ａおよびメモリ部９ｂを具備するマイクロコンピュータを含み、さらに、モータ４の駆動回路、真空ポンプ１１の駆動回路、ペルチェ素子１２の駆動回路を具備する駆動部９ｃを具備する。さらに、制御装置９は、ロータ３の回転速度や遠心分離を行う時間や温度等の運転条件を示すデータを制御装置９に入力するための操作パネル、および入力された情報の表示や運転中の情報をモニタするための表示部９ｄを具備している。制御装置９のメモリ部９ｂには、モータ４の制御プログラム、真空ポンプ１１の制御プログラム、およびペルチェ素子１２の制御プログラム等のデータを格納するＲＯＭ等のメモリを具備する。

以上の構成を有する遠心分離機１において、本実施の形態に従う大気予冷運転モードについて図３のタイムチャートを参照して説明する。

時刻ｔ０で運転が開始されると同時にペルチェ素子１２も動作を開始する。この際、制御装置９は温度センサ１３によりロータ３の温度を常時測定し、使用者によって制御装置９に予め設定された設定温度と比較し、ロータ３の温度が設定温度になるよう、制御装置９によってペルチェ素子１２に電圧（所定の周期でＯＮ／ＯＦＦするパルス電圧）を印加することにより制御する。ロータ３の温度が設定温度より高い場合、ボウル１０はペルチェ素子１２の吸熱により冷却され、ロータ３はボウル１０から大気を熱媒体として冷却される。これにより、ロータ温度はロータ温度遷移データ２０に示すように、運転開始時の温度ｃｔ０から徐々に下降し始める。この時モータ４の回転速度は、回転速度遷移データ３０に示すように停止状態０ｒｐｍであり、ロータ室７を減圧する真空ポンプ１１はオフ（大気状態）である。

時間Ｔａは、ロータ室７を大気状態で冷却した際にボウル１０の表面に結露水がわずかに付着する程度の時間であり、冷却開始から時間Ｔａが経過した時刻ｔ１に到達した時、真空ポンプ１１をオンしロータ室７内を減圧し始め、回転速度は回転速度遷移データ３０に示すように使用者が希望する回転速度ｎｒｐｍまでモータ４を加速し時刻ｔ２に到達後整定する。なお真空ポンプ１１をオンするタイミングを、ロータ室７内を大気状態で冷却した際に、所定の温度差が生じるまでの経過時間として設定してもよい。なお、時間Ｔａは、例えば１０分〜数十分であり、使用者が制御装置９に予め任意に設定可能である。

一方、ロータ温度遷移データ２１および回転速度遷移データ３１は従来の運転によるものであり、運転開始と同時に真空ポンプ１１をオンしロータ室７内を減圧し、かつ使用者が希望する回転速度ｎｒｐｍまでモータ４を加速する。前記した大気予冷運転モードと同様にペルチェ素子によりボウル１０が冷却されるが、熱媒体となる空気が希薄なためロータ３はボウル１０への輻射が支配的な状態で冷却されるので、大気予冷運転モードと比べてロータ３の冷却には時間を要する。

上記のように、ロータ室７内を大気状態で冷却した際に結露が始まるまでの時間を所定の時間として設定し、冷却開始後からその時間が経過するまでは大気状態でロータ室７内を予冷し、所定の時間が経過後は、ロータ室７内を減圧して設定された回転速度まで回転することにより、使用者によって制御装置９に予め設定された設定温度ｃｔ１により早く到達する。

次に本実施の形態に従う大気予冷運転モードの運転手順について図４のフローチャートに基づき説明する。

使用者がSTART SW（図示せず）を押し下げることにより運転を開始する。ステップ４０において、本実施の形態の大気予冷運転モードか、大気予冷運転を行わない従来モード（通常運転モード）かを判断する。大気予冷運転モードと従来モードの切替え設定は制御装置９の表示部９ｄのメニュー画面で使用者が選択し、結果はメモリ部９ｂに予め記憶してあるものとする。従来モードの場合は、ステップ４５に移行し従来の制御を行う。大気予冷運転モードの場合、ステップ４１において、温度センサ１３から求めたロータ３の温度が設定温度（使用者によって制御装置９に予め設定された設定温度ｃｔ１）以下の場合は、ロータ室７を加熱するためステップ４５に移行し従来の制御を行う。温度センサ１３から求めたロータ３の温度が設定温度（使用者によって制御装置９に予め設定された設定温度ｃｔ１）よりも高い場合、大気予冷運転を開始する。まずステップ４２において、真空ポンプ１１をオフのまま維持し大気状態を保つ。次にステップ４３において、ペルチェ素子１２に電圧を印加し、ボウル１０の温度を下げてロータ３の冷却を行う。ステップ４４において、大気予冷運転モードを開始後所定の時間が経過するのを待つ。所定の時間が経過した後、ステップ４５において、真空ポンプ１１をオンしロータ室内を減圧する。ステップ４６において、ペルチェ素子１２に電圧を印加し、温度センサ１３から求めたロータ温度と設定温度（使用者によって制御装置９に予め設定された設定温度ｃｔ１）の状態から、ロータ室７の過熱／冷却を行う。ステップ４７において、モータ４を回転開始してロータ３を回転駆動する。ステップ４８においてロータ室７内が所定の真空度に到達するのを待ち、所定の真空度に到達していない場合はステップ４９にて低速回転で待機する。ロータ室７内が所定の真空度に到達している場合はステップ５０において、使用者によって制御装置９に予め設定された回転速度まで加速する。ステップ５１において、使用者が制御装置９に予め設定した運転時間が経過した場合に、運転を終了し減速し停止する。なお、ステップ４４において、所定の時間が経過するのを待つ処理を、室温、ロータ温度、使用者によって制御装置９に予め設定された設定温度などにより所定の演算を用いて可変としてもよい。また、ステップ４３においてペルチェ素子に電圧を印加するとともにモータ４の回転を開始し、大気状態で冷却している間、真空ポンプ１１の作動開始後の設定回転速度ｎｒｐｍより低速（ロータ３を風損が影響しない程度の低速）でロータ３を回転させるようにしてもよい。そうすることで対流による熱交換が増し、より早くロータ３を冷却することが可能となる。さらに、大気状態で冷却している間のロータ３の回転速度を可変としてもよい。

ロータ３を事前に冷却する手段として冷蔵庫の替わり本実施の形態による遠心分離機１を用いる場合は、ステップ４７におけるモータ４の回転を開始せず停止させたまま冷却させれば、モータ４の発熱が無い分ロータ３の冷却が一層早くなり効果的である。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。運転開始後、まずは真空ポンプ１１を作動させずにペルチェ素子１２による冷却を実行し、その後、ロータ３の温度が設定温度ｃｔ１にまで下がる前に（例えばロータ室７内の結露が無い又は少ないうちに）真空ポンプ１１を作動して減圧を開始してペルチェ素子１２による冷却と真空ポンプ１１による減圧とを並行して実施するため、減圧と同時に冷却を開始する場合と比較してロータ３およびロータ３内の試料の冷却時間の短縮化を図りつつ、設定温度ｃｔ１にまでの冷却を完了してから減圧を開始する場合と比較して減圧時間の長時間化を抑制することができる。これにより、より早くロータ３内の試料を希望の温度に冷却して分離することが可能となる。冷却時間を短縮できると冷蔵庫での冷却に代えることも可能となり、使用者からの潜在ニーズは大きい。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。

１ 遠心分離機
２ 筐体（フレーム）
３ ロータ
４ モータ
５ 底部材（プレート）
６ 円環状の仕切り部材
７ ロータ室
８ ドア
９ 制御装置
９ａ 演算部
９ｂ メモリ部
９ｃ 駆動部
９ｄ 表示部
１０ ボウル
１１ 真空ポンプ
１２ ペルチェ素子
１３ 温度センサ
１４ 回転センサ
１５ 磁気ヘッド

Claims (6)

1. 分離すべき試料を保持するロータと、
   前記ロータを収容するロータ室と、
   前記ロータを冷却する冷却手段と、
   前記ロータを回転駆動する駆動手段と、
   前記ロータ室内を減圧する減圧手段と、
   前記ロータ室または前記ロータの温度を検出する温度センサと、
   前記冷却手段、前記駆動手段、前記減圧手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記冷却手段による冷却開始後に、前記ロータ室内に結露ないし氷結が発生する前に前記減圧手段を作動させ、前記冷却手段による冷却と並行して前記ロータ室内を減圧する、遠心分離機。
2. 前記制御手段は、前記冷却手段による冷却開始から所定時間経過後、または前記温度センサにより検出した温度が所定の値に到達した後に前記減圧手段を作動させる、請求項１に記載の遠心分離機。
3. 前記制御手段は、操作部での選択によって、前記冷却手段による冷却と前記減圧手段による減圧とを同時に開始する通常モードを実行可能である、請求項１または２に記載の遠心分離機。
4. 前記冷却手段による冷却開始後から前記減圧手段の作動開始までの時間を任意に設定可能である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の遠心分離機。
5. 前記駆動手段は、前記冷却手段による冷却開始後から前記減圧手段の作動開始までの間に、前記減圧手段の作動開始後の設定回転速度より低速の回転速度で前記ロータを回転駆動する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の遠心分離機。
6. 前記冷却手段による冷却開始後から前記減圧手段の作動開始までの間の前記回転速度が可変である請求項５に記載の遠心分離機。

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