JP6056383B2

JP6056383B2 - 遠心機

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Publication number: JP6056383B2
Application number: JP2012241245A
Authority: JP
Inventors: 結葵程塚
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: JP2014091060A; US9393577B2; DE102013111892B4; CN103785547A; CN103785547B; DE102013111892A1; US20140121094A1

Description

本発明は、液体あるいは固体と液体との混合物を試料とし、これを遠心力により沈殿分離、精製、濃縮等の種々の遠心処理を行うための遠心機に関する。

医学、薬学および遺伝子工学等の分野においては、液体あるいは固体と液体との混合物を試料としてこれを沈殿分離等の処理を行うために遠心分離機つまり遠心機が使用されている。遠心機は、例えば培養液や血液等の試料が収容されたチューブやボトル等の容器が装填されるロータを有している。ロータは収納容器のロータ室内に突出して設けられた回転軸に着脱自在に装着される。ロータは電動モータ等の駆動装置により回転駆動される。収納容器内の試料を遠心処理する際には、試料がロータに保持された状態のもとでロータを高速回転させる。

ロータの最高回転速度が１０，０００から３０，０００ｒｐｍ程度に設定される遠心機は、ロータ室を大気圧の状態で試料の処理を行うことが多い。このようにロータ室に空気が存在した状態でロータを回転させると、ロータの回転中に発生する空気とロータの摩擦熱が大きくなり、ロータの発熱により試料の温度が上昇する恐れがある。そのため、遠心機には冷却装置が実装されることが多い。冷却装置としては、特許文献１に記載されるように、収納容器に巻き付けられる冷却配管に冷媒を循環させるようにした冷凍機等が用いられている。

冷却装置が実装された遠心機においては、遠心処理されるサンプルつまり試料に応じて遠心機の運転条件が遠心機の入力操作パネルにより使用者により入力設定される。運転条件としては、ロータの回転速度つまり回転数、遠心機の運転時間つまり処理時間、ロータの設定温度つまり冷却温度、ロータの起動時の加速勾配、ロータの減速停止時の減速勾配等がある。

遠心機を用いて試料を遠心処理するには、試料が装填されたロータを回転軸に装着してロータをロータ室にセットする。ロータがセットされた後に、作業者が遠心機に設けられたドアを閉じて操作パネルのスタートスイッチを押すとロータは起動されて回転が開始される。ロータが加速され、設定された回転速度に到達すると、その定常回転速度でロータが定速運転される。ロータが定速運転を続けて、設定された運転時間が経過すると、ロータの回転が減速され、ロータが停止する。その後、使用者はドアを開けてロータを取り出し、遠心処理された試料をロータから取り出す。

冷却装置として用いられる冷凍機は、冷媒を送出するための圧縮機のモータを駆動することにより、冷却配管に冷媒が循環供給されてロータ室が冷却される。遠心機に用いられる圧縮機は、通常、商用電源周波数つまり５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで定速運転される。圧縮機は、一般的に以下のように回転制御される。まず、ロータが設定温度に冷却されるまで駆動され、ロータが設定温度に達したら停止され、ロータが空気との摩擦などによる発熱で温度上昇し始めたら再び駆動される。

特開平１−２１８６５１号公報

１台の遠心機には多種のロータが装着されるようになっており、遠心処理する試料や分離条件に応じて多種のロータから最適なロータが選択される。選択されたロータに応じて遠心機の運転条件が相違する。設定されるロータの回転速度つまり回転数は、高速から低速まで様々であり、その全ての条件においてロータを設定温度に冷却することが遠心機に求められる。ロータは、上述のように、ロータの回転に伴う空気との摩擦熱により自ら発熱するので、ロータの温度とロータ室の内部に設置された温度センサにより検出されるロータ室温度との間に差が生じ、一般的にはロータの温度の方がロータ室の温度よりも高温となる。そのため、ロータを設定温度に保持するには、ロータの温度とロータ室の温度との間に生じた温度差を補正した目標制御温度を設定し、この目標制御温度となるようにロータ室の温度を制御するようにしている。

ロータの発熱量つまり風損は、ロータの回転速度が高くなるにつれて大きくなる。特に、ロータの最高回転速度の風損に対して、設定回転速度が最高回転速度の４８％以上よりも高い回転速度で遠心機を運転したときのロータの発熱量の増加は顕著である。ロータの発熱量が大きいほどロータ自体の温度が高くなるため、ロータの温度とロータ室の温度との温度差が大きくなり、補正量も大きくなる。そのため、高い回転速度でロータを運転するときほど、ロータ室の目標制御温度はロータの設定温度よりも低い温度に大きく下げられて設定される。

遠心機には、ロータを減速させる方法として、最大能力で減速させる場合と、モータによるブレーキをかけずにロータに生ずる風損の抵抗やモータ内部の機械損のみで減速させるフリーラン（自然減速）減速制御と、減速勾配を設定して長い時間をかけて緩やかに減速を行う緩減速制御とがある。後者の２つの減速停止制御モードは、試料容器底部に沈殿したペレット（比重の重い固形物）が上澄みの液体中に舞い上がりが生じ易い試料を分離する場合に適用される。遠心処理を終了させる際に、フリーラン減速制御や緩減速制御等の減速停止制御モードが行われると、回転速度が高いときやロータの質量が大きいときほど減速に時間がかかる。設定回転速度が最高回転速度の４８％以上の回転速度から、時間をかけて減速した場合には、上述のように、目標制御温度は設定温度よりも低い温度に設定されているので、ロータは設定温度よりも冷えたロータ室の中で長時間収容された状態となる。この状態のままでロータの回転速度が低下すると、ロータの発熱量は徐々に小さくなる。しかし、加熱装置が搭載されていない遠心機においては、ロータ室の温度を上げることができないので、ロータに装填された試料が設定温度を大幅に下回ることになり、試料の過冷却が発生する。過冷却が発生すると、試料の遠心処理品質が低下することになる。

本発明の目的は、遠心処理の終了時にロータを長時間かけて緩やかに減速させても試料の処理品質の低下を防止することにある。

本発明の遠心機は、試料が装填されるロータを収容するロータ室と、前記ロータを回転駆動するモータと、前記ロータ室の温度を冷却する冷却手段と、前記ロータ室の温度を検出する温度センサと、前記ロータの運転条件を入力する入力手段と、前記ロータを前記入力手段によって入力された設定回転速度、および設定時間で回転する定常運転モードと、該定常運転モードの終了後に前記ロータを減速させて停止させる減速停止モードとで前記モータを制御する制御手段と、を有する遠心機において、前記制御手段は、前記設定回転速度で前記ロータを回転させた際の風損値が前記ロータの風損許容限界値以上の場合は、前記ロータを減速開始する前に、前記ロータ室の目標制御温度を第１の目標制御温度から該第１の目標制御温度よりも高い第２の目標制御温度に前記冷却手段を制御することを特徴とする。

本発明の遠心機は、前記設定回転速度が前記ロータの最高回転速度の４０％以上となったときに前記第１の目標制御温度から前記第２の目標制御温度に変更することを特徴とする。本発明の遠心機は、前記冷却手段は、冷媒が循環する冷却配管と該冷却配管から流出した冷媒を圧縮する圧縮機とを有し、当該圧縮機の回転速度を変化させることにより前記ロータ室の温度を制御することを特徴とする。本発明の遠心機は、前記冷却手段は、冷媒が循環する冷却配管と該冷却配管の流出口から流出した冷媒を圧縮機を介して前記冷却配管の流入口に戻す循環配管とを有し、前記循環配管に前記圧縮機を迂回するバイパス配管を設け、バイパス配管の流量を調整することにより前記ロータ室の温度を制御することを特徴とする。本発明の遠心機は、前記モータの回転軸は該回転軸に装着される前記ロータの種類を識別するロータ識別子を有することを特徴とする。本発明の遠心機は、前記ロータの前記風損許容限界値に基づいて、前記第１の目標制御温度から前記第２の目標制御温度に切り換える停止準備時間と、前記第２の目標制御温度とを算出することを特徴とする。

本発明の遠心機は、試料が装填されるロータを収容するロータ室と、前記ロータを回転駆動するモータと、前記ロータ室の温度を冷却する冷却手段と、前記ロータ室の温度を検出する温度センサと、前記ロータの運転条件を入力する入力手段と、前記ロータを前記入力手段によって入力された設定回転速度、および設定時間で回転する定常運転モードと、該定常運転モードの終了後に前記ロータを減速させて停止させる減速停止モードとで前記モータを制御する制御手段と、を有する遠心機において、前記制御手段は、前記設定回転速度で前記ロータを回転させた際の風損値が前記ロータの風損許容限界値以上の場合は、前記ロータ室の冷却温度を、同一の回転速度におけるロータの運転初期と運転終期とで相違した温度に設定することを特徴とする。

本発明の遠心機は、試料が充填されるロータを収容するロータ室と、前記ロータを回転駆動するモータと、前記ロータを判別するためのロータ判別手段と、前記ロータ室の温度を冷却する冷却手段と、前記ロータ室の温度を検出する温度センサと、前記ロータの運転条件を入力する入力手段と、前記ロータを前記入力手段によって入力された設定回転速度、および設定時間で回転する定常運転モードと、該定常運転モードの終了後に前記ロータを減衰させて停止させる減速停止モードとで前記モータを制御する制御手段と、を有する遠心機において、前記制御手段は、前記ロータ判別手段によって判別されたロータの風損許容限界値に応じて、前記ロータを減速開始する前に、前記ロータ室の目標制御温度を第１の目標制御温度から該第１の目標制御温度よりも高い第２の目標制御温度に前記冷却手段を制御することを特徴とする。本発明の遠心機は、前記入力手段によって入力された設定回転速度が前記ロータの最高回転速度の４０％以上であると判断したときに、前記目標制御温度の変更を行うことを特徴とする。本発明の遠心機は、前記制御手段は、前記ロータ判別手段が風損の小さいロータであると判断し、かつ減速制御がフリーラン減速または緩減速制御のときは、前記目標制御温度の変更を行うことを特徴とする。

本発明によれば、ロータを定常回転速度で回転させる定常運転モードの残り時間が所定の停止準備時間内となったときには、ロータ室の目標制御温度を定常運転モードにおける第１の目標制御温度からそれよりも高い第２の目標制御温度に設定される。これにより、減速停止モードにおけるロータ室の温度をロータの設定温度に近い温度に制御することができ、ロータに装填されている試料の過冷却を防止することができる。したがって、遠心処理の終了時にロータを長時間かけて緩やかに減速させても試料の処理品質の低下を防止することができる。

遠心機の一例を示す概略図である。変形例である遠心機を示す概略図である。遠心機に設けられた操作表示部を示す正面図である。ロータの回転速度と風損の関係を示す風損特性線図である。ロータの回転速度に対するロータの設定温度とロータ室の目標制御温度との温度差の変化を示す温度差特性線図である。従来の遠心機におけるロータ室の温度制御動作とロータの運転モードの変化を示す比較例としての運転モード特性線図であり、（Ａ）は遠心処理の開始から終了までにおけるロータの回転速度と圧縮機の回転速度の時間変化を示し、（Ｂ）は遠心機の処理開始から処理終了までにおける温度制御動作によるロータ室の温度とロータの温度の変化を示す。一実施の形態である遠心機における温度制御動作とロータの運転モードの変化との一例を示す運転モード特性線図であり、（Ａ）は遠心処理の開始から終了までにおけるロータの回転速度と圧縮機の回転速度の時間変化を示す。（Ｂ）は遠心機の処理開始から処理終了までにおける温度制御動作によるロータ室の温度とロータの温度の変化を示す。一実施の形態である遠心機による制御アルゴリズムを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示される遠心分離機つまり遠心機１０は、箱形の板金などにより形成されたほぼ直方体形状の筐体１１を有している。この筐体１１の内部には、金属製の薄板により形成されたボウルつまり収納容器１２が設けられており、収納容器１２の内部はロータ室１３となっている。このロータ室１３内には回転体つまりロータ１４が配置されるようになっている。収納容器１２の底部にはロータ室１３の内外を連通する貫通孔が設けられ、筐体１１の内部に設けられた駆動部としての電動モータ１５の回転軸１６が貫通孔を貫通している。ロータ１４は回転軸１６に着脱自在に装着されて電動モータ１５により回転駆動される。電動モータ１５は、例えば、最大２２，０００ｒｐｍまでの任意の回転速度で制御され、ロータ１４は回転軸１６と同一の速度で回転駆動される。なお、ロータ室１３に配管を通じて図示しない真空ポンプを接続するようにした形態においては、ロータ１４を運転させるときにロータ室１３を減圧することができる。

ロータ１４は遠心処理される試料に応じて多数用意されており、用意されたいずれのロータ１４も回転軸１６に装着されるようになっている。図示するロータ１４がアングルロータとすると、ロータ１４には試料が収容されたチューブ等の容器が装填される装填部が円周方向に間隔を隔てて複数個形成されている。ロータ１４には図示しないロータカバーが開閉自在に装着されている。回転軸１６の先端部にはロータ１４の装着孔と嵌合する装着部が設けられ、ロータ１４の底部にはロータ識別子１４ａが設けられている。なお、ロータ識別子１４ａの対向する位置の収納容器１２には、ロータ判別手段となるロータ識別子検出センサ３０が配置されている。収納容器１２の上端部は開口部となっており、筐体１１には開口部を開閉するドア１７が装着されている。ドア１７を開放した状態のもとで、ロータ室１３の内部に、遠心処理される試料が装填されたロータ１４を着脱つまり装着と脱着とを行うことができる。

筐体１１には、ロータ室１３を所望の低温に保持するための冷却手段として冷却装置２０が設けられている。冷却装置２０は、収納容器１２に巻き付けられた冷却配管２１と、この冷却配管２１の流入口と流出口との間に接続された循環配管２２とを有し、冷却装置２０は冷却配管２１と循環配管２２の内部に冷媒が循環する冷凍機により形成されている。冷却配管２１から吐出したガス状の冷媒を圧縮する圧縮機２３と、圧縮された冷媒を冷却して液化する凝縮器（熱交換器）つまりコンデンサ（図示省略）が、図２に記載と同様に設けられており、冷却配管２１と循環配管２２とにより冷媒が循環する冷凍サイクルが構成される。圧縮機２３には図示しない電動モータが圧縮機モータとして組み込まれており、この圧縮機２３は、インバータによって回転速度を変化させることができる。圧縮機２３の回転速度を変化させると、冷却配管２１に循環供給される冷媒量が調整され、ロータ室１３の温度が制御される。

図２は変形例である遠心機を示す概略図であり、図２においては図１に示された部材と共通する部材には同一の符号が付されている。

冷却配管２１の流出口から流出した冷媒を圧縮機を介して冷却配管の流入口に戻すための循環配管２２には、上述したように、圧縮された冷媒を冷却して液化する熱交換器つまりコンデンサ２４が設けられている。コンデンサ２４と収納容器１２の周りに巻かれている冷却配管２１との間には、冷却配管２１を迂回するバイパス配管２５が設けられており、このバイパス配管２５には流量調整弁２６が設けられている。この流量調整弁２６によりバイパス配管２５を流れる冷媒の流量を調整することにより、ロータ室１３の温度が制御される。このタイプの遠心機１０においては、圧縮機２３の回転速度を調整することなく、流量調整弁２６によりロータ室の温度を制御することができ、また、圧縮機２３のモータをインバータ化してモータ速度を可変として、インバータモータの最低回転速度運転している場合であっても、流量調整弁２６を制御することでよりきめ細かい温度制御が可能となる。

また、インバータモータでない場合は、モータをＯＮ−ＯＦＦ制御するか、またはモータはＯＮのままで、流量調整弁を制御することで、冷却配管２１に流れる冷媒の量を制御するようにしても良い。

図１および図２に示される遠心機１０の筐体１１内には制御部２７が回転軸制御手段および冷却制御手段として設けられており、ロータ１４を回転駆動する駆動部としての電動モータ１５の回転速度と、圧縮機２３の回転速度は制御部２７により制御される。この制御部２７には、収納容器１２に設けられロータ室１３の温度を検出するための温度センサ２８からの検出信号が送られ、この温度センサ２８からの検出信号に基づいてロータ室１３の温度が目標制御温度となるようにロータ室１３の温度がフィードバック制御される。筐体１１の上部には操作表示部２９が設けられており、この操作表示部２９は使用者が操作してロータの運転条件等の情報を入力するための入力手段としての機能と、必要な情報を表示す表示手段としての機能を有している。

制御部２７は、制御信号を演算する図示しないマイクロコンピュータと、制御プログラムやデータが格納される揮発性および不揮発性のメモリとを有している。制御部２７には上述した温度センサ２８、および図示しないドア開閉検出センサ等の出力信号が入力される。制御部２７は、さらに、ロータ１４を駆動する電動モータ１５と圧縮機２３の回転制御とを行うとともに、操作表示部２９への情報の表示と、操作表示部２９を操作して入力された遠心機の運転条件等の入力データを取得する機能を有しており、制御部２７は遠心機全体の制御を行う。

操作表示部２９を使用者が操作して入力する遠心機の運転条件の情報としては、ロータの回転速度、遠心機の運転時間、ロータの冷却温度、ロータの加減速勾配等がある。操作表示部２９としては、例えば、タッチパネル式の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置が用いられているが、他の形態の任意の表示装置や入力装置を用いても良い。

入力された遠心機の運転条件の情報は制御部２７に送られる。制御部２７は、メモリに予め格納された運転条件や回転軸１６に装着されたロータ情報に基づいて、電動モータ１５の回転制御、圧縮機２３によるロータ室１３の温度制御、および操作表示部２９への各種情報の表示を行う。このような遠心機の全体制御は、メモリに格納されたプログラムをマイクロコンピュータで実行することによりソフトウエア的に行われる。ただし、遠心機の制御はこのような制御に限られることはない。

図３は操作表示部２９の表示画面の一例を示す正面図であり、遠心処理中における表示画面の一例を示す。図示するように、使用者により設定されたロータの回転速度を表示する設定回転速度表示部３１ａと、遠心処理時におけるロータの実際の回転速度を表示する回転速度表示部３１ｂとが操作表示部２９に設けられている。操作表示部２９には、設定された遠心機の運転時間を表示する設定運転時間表示部３２ａと、遠心処理時における残りの運転時間を表示する残り運転時間表示部３２ｂとが設けられている。操作表示部２９には、設定されたロータ温度の設定値を表示する設定温度表示部３３ａと、温度センサ２８により検出されたロータ室１３の検出温度から推定したロータ１４の温度を表示する温度表示部３３ｂとが設けられている。操作表示部２９には、さらに、回転軸１６に装着されたロータ識別子により検出されたロータ１４の種類を表示するロータ表示部３４と、使用者により入力された減速モードを表示する減速モード表示部３５とが設けられている。この減速モード表示部３５には、図３においては、ロータ１４が７０００ｒｐｍからフリーラン減速制御を行うように、使用者により設定されたことが示されている。

図４はロータ１４の回転速度Ｎrと風損Ｑの関係を示す風損特性線図である。図５はロータ１４の回転速度Ｎrに対するロータの設定温度とロータ室の目標制御温度との温度差ΔＬの変化を示す温度差特性線図である。

図４に示されるように、ロータ１４の回転に伴う空気との摩擦熱によるロータ１４の発熱量つまりロータ１４の風損Ｑは、ロータ１４の回転速度Ｎrが高くなるにつれて大きくなる。特に、設定回転速度が最高回転速度の４８％（ロータの最高回転速度の風損Ｑに対して風損値が約１／８）以上の風損許容限界値よりも高い回転速度で遠心機を運転したときのロータの発熱量の増加は顕著である。図４に示されるように、風損Ｑが大きくなると、ロータ自体の温度が高くなって、ロータ１４の温度とロータ室１３の温度との温度差ΔＬが大きくなるので、図５に示されるように、ロータ１４を高い回転速度で運転するときほど、ロータ室１３の目標制御温度をロータ１４の設定温度よりも大きく下げるように補正される。

図６（Ａ），（Ｂ）は従来の遠心機におけるロータ室１３の温度制御動作とロータ１４の運転モードの変化を示す比較例としての運転モード特性線図である。図６（Ａ）は遠心処理の開始から終了までにおけるロータ１４の回転速度Ｎrと圧縮機２３の回転速度Ｎcの時間変化を示す。図６（Ｂ）は遠心機１０の処理開始から処理終了までにおける温度制御動作によるロータ室１３の温度Ｔaと、ロータ１４の温度Ｔrの変化を示す。

図６に示されるように、従来では、遠心機の運転時間ｔsが経過して定常運転モードが終了後、運転モードが定常運転モードから減速停止モードに切り換えられ、ロータ１４の回転速度Ｎrが減速し始めると、ロータ室１３の温度を余分に冷却しないようにするために圧縮機２３の回転を停止させている。このため、ロータ１４が減速停止モードに切り換えられてから停止する時刻ｔgとなるまでに、ロータ１４自身の発熱によりロータ室１３の温度Ｔaが目標制御温度Ｔtgよりも徐々に上昇する。しかし、ロータ１４は回転速度の減少に伴い風損つまり発熱量が小さくなるため、ロータ室１３の温度Ｔaは非制御温度Ｔ11までしか上昇せず、設定温度Ｔsetには到達しない。一方、ロータ１４は減速直前まで設定温度Ｔsetを保持しているが、減速停止モードに切り換えられると、風損が低下している状態のもとで緩やかな減速が行われるので、設定温度Ｔsetよりも低い温度のロータ室１３の中に長時間保持されることになる。このため、ロータ１４はロータ室１３の低い温度の影響を受けて設定温度Ｔsetよりも低い温度Ｔ10まで冷却されて過冷却となる。

図７は一実施の形態である遠心機における温度制御動作とロータ１４の運転モードの変化との一例を示す運転モード特性線図である。図７（Ａ）は遠心処理の開始から終了までにおけるロータ１４の回転速度Ｎrと圧縮機２３の回転速度Ｎcの時間変化を示す。図７（Ｂ）は遠心機１０の処理開始から処理終了までにおける温度制御動作によるロータ室１３の温度Ｔaと、ロータ１４の温度Ｔrの変化を示す。

遠心処理を行う際には、上述のように、使用者により予め操作表示部２９のパネルを操作してロータ１４の回転速度Ｎr、ロータ１４の設定温度Ｔset、遠心機の運転時間ｔs、およびロータ１４の種類等の遠心機の運転条件が入力され、それぞれの入力設定値は操作表示部２９に表示される。操作表示部２９のスタートスイッチが操作されると、ロータ１４は電動モータ１５により回転駆動されて、ロータ１４は入力された定常運転モードの回転速度Ｎrで回転駆動される。入力された遠心機の運転時間ｔsが経過して定常運転モードとが終了すると、その終了後に、減速停止モードに切り換えられてロータ１４は徐々に減速停止される。減速停止モードが設定される前の所定時間（ｔs−t0）は停止準備モードとなっており、この停止準備モードにおけるロータの回転速度は定常運転モード時と同一の回転速度Ｎrに設定される。

一方、ロータ１４が始動されると、冷却装置２０の圧縮機２３が図７（Ａ）に示される回転速度Ｎcで駆動されてロータ室１３が冷却される。定常運転モードにおいては、ロータ室１３の温度は定常運転モードにおける定常目標温度である第１の目標制御温度Ｔtg1になるように圧縮機２３が駆動される。このように、同一の回転速度Ｎrによる同一の運転状態における運転初期と運転終期とで相違した目標制御温度が設定されて、冷却装置２０によるロータ室１３の温度が制御される。目標制御温度Ｔtg1は、入力されたロータの設定温度Ｔsetに基づいて制御部２７により算出される。目標制御温度Ｔtg1は、ロータ１４の種類や回転速度Ｎr等によって設定される。つまり図５に示されるように、風損Ｑが大きくなると、ロータ１４自体の温度が高くなって、ロータ１４の温度とロータ室１３の温度との温度差ΔＬが大きくなるので、ロータ１４を高い回転速度で運転するときほど、ロータ室１３の目標制御温度Ｔtg1はロータ１４の設定温度Ｔsetよりも大きく下げるように自動的に設定される。

遠心機の運転時間ｔsが経過して定常運転モードの残り時間が所定の停止準備時間Ｂ（ｔs−t0）内となると、ロータ室１３の温度は第１の目標制御温度Ｔtg1よりも高い温度の第２の目標制御温度Ｔtg2に切り換えられる。停止準備時間Ｂ内におけるロータ１４の回転速度Ｎrは定常運転モードにおける回転速度と同じであり、同一の運転条件のもとで冷却装置２０の冷却温度が第１の目標制御温度と第２の目標制御温度との２段階に設定される。第２の目標制御温度Ｔtg2を算出するための第１の目標制御温度Ｔtg1に加えられる変化量は、ロータ１４の種類およびロータの回転速度Ｎr等に基づいて制御部２７により算出される。また、第２の目標制御温度Ｔtg2に切り換えられる停止準備時間Ｂは、ロータ１４の回転速度Ｎr、ロータ１４の設定温度Ｔset、およびロータ１４の種類等に基づいて制御部２７により演算され、可変となっている。ただし、停止準備時間Ｂを一定値としても良い。

目標制御温度変更時刻ｔ0において、ロータ１４が減速停止モードに設定される前に、ロータ室１３の目標制御温度を第２の目標制御温度Ｔtg2に切り換えると、停止準備時間内と減速停止モードにおいては、ロータ室温度Ｔaは実線で示されるように上昇し、ロータ温度Ｔrは実線で示されるように低下してロータ停止時にはロータ１４は温度Ｔ20にまで低下することになる。

図７において破線は図６に示した従来の遠心機におけるロータ室１３とロータ１４の温度変化を示す。図７に示すように、ロータ１４の定常運転モードの残り時間が停止準備時間Ｂ内となったときに、ロータ室１３の目標制御温度を目標制御温度Ｔtg2に高めると、ロータ１４の温度Ｔrは、図７に示されるように、従来の制御方式よりも温度降下は低減される。その結果、ロータ１４の過冷却の発生が抑制される。過冷却防止制御のための目標制御温度の変化量（Ｔtg2−Ｔtg1）は、ロータ１４の種類や回転速度などに基づいて可変としても良く、一定値としても良い。

上述のように、ロータ１４の風損Ｑは、ロータ１４の回転速度が高くなるにつれて大きくなり、特に、ロータの最高回転速度の風損に対して風損１／８（設定回転数が最高回転速度の４８％）付近よりも高い回転速度で遠心機を運転したときのロータの風損Ｑは顕著である。そこで、この風損１／８を風損許容限界値として、風損がこの許容限界値を超えるようなロータ回転速度で駆動されるときに、図７に示される過冷却防止制御の運転モードが実行される。また、ロータ回転速度Ｎrが所定の限界回転速度以上で駆動されるときに、図７に示される過冷却防止制御の運転モードを実行するようにする。

次に、一実施の形態である遠心機の温度制御処理について、図８のフローチャートにより説明する。まず、ステップＳ３０でロータ１４が回転中であるか否かを判定し、ロータ１４が停止されているときには停止中の温度制御が行われる（ステップＳ４０）。他方、ステップＳ３０でＹＥＳと判定されてロータ１４が回転中である場合には、運転時間が設定されているか否かを判定し（ステップＳ３１）、運転時間が設定されている場合には、減速停止モードが設定されているか否か、つまりフリーラン減速制御または減速勾配可変機能による緩減速制御（ＤＳ減速）が設定されているか否かが判定される（ステップＳ３２）。減速停止モード（フリーラン減速制御または緩減速制御）が設定されている場合には、現在のロータ１４の運転状態が減速状態であるか否かをステップＳ３３で判定し、現在設定されているロータ１４の回転速度が風損１／８以上であるか否か、つまり風損許容限界値を超えているか否かをステップＳ３４で判定する。

ロータ１４の設定回転速度が最高回転速度の４８％を超えている場合には、ロータ判別手段によって判別したロータ１４の種類と、操作表示部２９を操作して入力された設定回転速度に基づいて、減速開始前の所定時間つまり停止準備時間Ｂが算出されて決定される（ステップＳ３５）。さらに、ステップＳ３６においては、目標制御温度の変化量ΔＴが決定処理され、上述したロータ室１３の第１の目標制御温度Ｔtg1に変化量ΔＴが加算されて第２の目標制御温度Ｔtg2が演算される。次に、減速停止モードに切り換えるまでの運転時間の残り時間がステップＳ３５で決定された所定時間つまり停止準備時間Ｂよりも少ないか否かが判定され（ステップＳ３７）、残り時間が所定時間よりも少なくなった場合には、ステップＳ３６において決定された第２の目標制御温度Ｔtg2に変更し（ステップＳ３８）、ステップＳ３９において変更された目標制御温度Ｔtg2に基づいてロータ室１３の温度が制御される。

一方、運転時間が設定されていないとステップＳ３１で判定された場合、フリーランまたは減速勾配可変機能による減速でない場合つまり減速停止モードが設定されていないとステップＳ３２で判定された場合、およびロータ１４が減速中でないとステップＳ３３で判定された場合には、ステップＳ３９の回転中の温度制御が実行される。同様に、設定されている回転速度が風損１／８の風損許容限界値未満と判定された場合、および設定された運転時間の残り時間がステップＳ３５で決定された所定時間以上の場合には、ステップＳ３９の回転中の温度制御が実行される。

上述のように、ロータ１４の過冷却防止制御は、ロータ１４の種類と設定したロータ１４の回転速度から得られる風損が風損許容限界値以上となったときにのみ行う。設定回転速度が風損許容限界値未満の場合つまり図４および図５において黒丸よりも左側の回転速度の場合には、ロータ１４の発熱量が小さいので、図５に示されるようにロータ室１３の目標制御温度はロータ１４の設定温度とほぼ同じ温度、つまり設定温度±１℃以内に設定される。これにより、ロータ室１３の温度はロータ１４が減速される前から設定温度に近い温度を保つように温度制御される。風損許容限界値未満の低い設定回転速度は回転中も減速中もロータ１４自体の発熱量が小さく、ロータ室１３の温度が設定温度と大きく離れることはないからである。そのため、設定回転速度が風損許容限界値未満の場合には過冷却防止制御の必要がない。なお、設定回転速度が最高回転速度の４８％以上よりの場合に目標制御温度を変更しているが、この値は厳密なものではなく目安であり、実験や計算に基づいて異なる値を用いるようにしても良く、風損の比率に代えて回転速度の比率で過冷却防止制御を行うか否かを決定するようにしても良い。

上述した実施形態においては、一例として、ロータの最高回転速度に対して、運転時に設定される設定回転速度が４８％以上になった場合を例として説明したが、望ましくは、ロータの最高回転速度に対して設定回転速度が８０％以上になったときに過冷却防止制御を実施することが良く、さらには、ロータの最高回転速度に対して設定回転速度が５０％以上になった時に実施することが良く、さらには、ロータの最高回転速度に対して設定回転速度が４０％以上となった時に実施することが良い。さらには、ロータの種類に関係なく、入力手段によって入力された設定回転速度が所定値以上の値が入力された時に実施することが良い。

また、ロータ判別手段によって判別されたロータの種類によってのみによって、設定運転時間になる前に第１の目標制御温度から第２の目標制御温度へ変更を行うように制御するようにしても良い。特に、判別されたロータの風損が小さいロータの場合である。また、入力手段によって入力された、設定温度が所定値以下（例えば１０℃以下）の場合には、設定運転時間になる前に第１の目標制御温度から第２の目標制御温度へ変更を行うように制御するようにしても良い。

ロータ１４の最高回転速度に対して設定回転速度が所定値以上（例えば４０％以上）の場合には、図４に示されるように、風損Ｑによる発熱量が大きいため、図５に示されるように定常運転モードにおける目標制御温度は設定温度とは離れた温度を目標制御温度Ｔrg1として設定する。例えば、設定温度よりも−５〜−１５℃低い温度を目標制御温度Ｔrg1として設定する。そのため、ロータ室１３は設定温度Ｔsetから大きく離れた低い温度で温度制御され、ロータ室温度Ｔaは設定温度Ｔsetよりも極端に低い温度となる。この状態から、ロータ１４がフリーラン減速、または緩減速制御により長時間かけて停止するように制御されると、ロータの回転速度が低下することにより発熱量が低下するためにロータ室１３の温度を上げることができないままロータ１４が長時間かけて停止することになり、ロータ１４は過冷却を引き起こす。以上のことから、最高回転速度に対して設定回転速度が所定値以上を超えた高い回転速度でロータ１４が回転駆動される場合に、過冷却防止制御を行うようにしている。

以上のように、図示する実施の形態においては、ロータ１４が高速回転している状態からフリーランや減速勾配可変機能により長時間かけて緩やかな緩減速制御を行う場合には、減速を開始する時よりも停止準備時間Ｂだけ早く、ロータ室１３の目標制御温度を高く設定することにより、ロータ室１３の温度をロータ１４の設定温度に近い温度に制御することができるので、ロータ１４に装填されている試料の過冷却を防止することができる。これにより、試料の処理品質の低下を防止することができる。

本発明は前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で種々変更可能である。例えば、実施の形態は、冷却装置２０の冷房能力に応じて、減速停止モードである運転終期と定常運転モード時の運転初期とで設定温度を相違させるように、２つの目標制御温度に設定するようにしている。これに対し、定常運転モードから減速停止モードに切りかわったときに、さらに目標制御温度Ｔtg2よりも高い温度を目標制御温度に設定するようにすると、３段階の目標制御温度を具備する遠心機となる。

１０…遠心機、１１…筐体、１２…収納容器、１３…ロータ室、１４…ロータ、１５…電動モータ、１６…回転軸、１７…ドア、２０…冷却装置、２１…冷却配管、２２…循環配管、２３…圧縮機、２４…ラジエータ、２５…バイパス配管、２６…流量調整弁、２７…制御部、２８…温度センサ、２９…操作表示部、３１ａ…設定回転速度表示部、３１ｂ…回転速度表示部、３２ａ…設定運転時間表示部、３２ｂ…残り運転時間表示部、３３ａ…設定温度表示部、３３ｂ…温度表示部、３４…ロータ表示部、３５…減速モード表示部、Ｎc…圧縮機の回転速度、Ｎr…ロータの回転速度、Ｔa…ロータ室温度、Ｔr…ロータ温度、Ｔrg1…第１の目標制御温度、Ｔtg2…第２の目標制御温度、Ｔset…設定温度。

Claims

試料が装填されるロータを収容するロータ室と、
前記ロータを回転駆動するモータと、
前記ロータ室の温度を冷却する冷却手段と、
前記ロータ室の温度を検出する温度センサと、
前記ロータの運転条件を入力する入力手段と、
前記ロータを前記入力手段によって入力された設定回転速度、および設定時間で回転する定常運転モードと、該定常運転モードの終了後に前記ロータを減速させて停止させる減速停止モードとで前記モータを制御する制御手段と、を有する遠心機において、
前記制御手段は、前記設定回転速度で前記ロータを回転させた際の風損値が前記ロータの風損許容限界値以上の場合は、前記ロータを減速開始する前に、前記ロータ室の目標制御温度を第１の目標制御温度から該第１の目標制御温度よりも高い第２の目標制御温度に前記冷却手段を制御することを特徴とする遠心機。
前記設定回転速度が前記ロータの最高回転速度の４０％以上となったときに前記第１の目標制御温度から前記第２の目標制御温度に変更することを特徴とする請求項１記載の遠心機。
前記冷却手段は、冷媒が循環する冷却配管と該冷却配管から流出した冷媒を圧縮する圧縮機とを有し、当該圧縮機の回転速度を変化させることにより前記ロータ室の温度を制御することを特徴とする請求項１または２記載の遠心機。
前記冷却手段は、冷媒が循環する冷却配管と該冷却配管の流出口から流出した冷媒を圧縮機を介して前記冷却配管の流入口に戻す循環配管とを有し、前記循環配管に前記圧縮機を迂回するバイパス配管を設け、バイパス配管の流量を調整することにより前記ロータ室の温度を制御することを特徴とする請求項１または２記載の遠心機。
前記モータの回転軸は該回転軸に装着される前記ロータの種類を識別するロータ識別子を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心機。
前記ロータの前記風損許容限界値に基づいて、前記第１の目標制御温度から前記第２の目標制御温度に切り換える停止準備時間と、前記第２の目標制御温度とを算出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の遠心機。
試料が装填されるロータを収容するロータ室と、
前記ロータを回転駆動するモータと、
前記ロータ室の温度を冷却する冷却手段と、
前記ロータ室の温度を検出する温度センサと、
前記ロータの運転条件を入力する入力手段と、
前記ロータを前記入力手段によって入力された設定回転速度、および設定時間で回転する定常運転モードと、該定常運転モードの終了後に前記ロータを減速させて停止させる減速停止モードとで前記モータを制御する制御手段と、を有する遠心機において、
前記制御手段は、前記設定回転速度で前記ロータを回転させた際の風損値が前記ロータの風損許容限界値以上の場合は、前記ロータ室の冷却温度を、同一の回転速度におけるロータの運転初期と運転終期とで相違した温度に設定することを特徴とする遠心機。
試料が充填されるロータを収容するロータ室と、
前記ロータを回転駆動するモータと、
前記ロータを判別するためのロータ判別手段と、
前記ロータ室の温度を冷却する冷却手段と、
前記ロータ室の温度を検出する温度センサと、
前記ロータの運転条件を入力する入力手段と、
前記ロータを前記入力手段によって入力された設定回転速度、および設定時間で回転する定常運転モードと、該定常運転モードの終了後に前記ロータを減衰させて停止させる減速停止モードとで前記モータを制御する制御手段と、を有する遠心機において、
前記制御手段は、前記ロータ判別手段によって判別されたロータの風損許容限界値に応じて、前記ロータを減速開始する前に、前記ロータ室の目標制御温度を第１の目標制御温度から該第１の目標制御温度よりも高い第２の目標制御温度に前記冷却手段を制御することを特徴とする遠心機。
前記入力手段によって入力された設定回転速度が前記ロータの最高回転速度の４０％以上であると判断したときに、前記目標制御温度の変更を行うことを特徴とする請求項８記載の遠心機。
前記制御手段は、前記ロータ判別手段が風損の小さいロータであると判断し、かつ減速制御がフリーラン減速または緩減速制御のときは、前記目標制御温度の変更を行うことを特徴とする請求項８または９記載の遠心機。