JP2014124575A

JP2014124575A - 遠心機

Info

Publication number: JP2014124575A
Application number: JP2012282543A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takahashi; 廣之高橋
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】真空ポンプを止めることなく消費電力を低減することにより、真空度を悪化させずにロータの加速に使用できる電力を増強し、加速時間を短縮する。
【解決手段】
ロータを収容するロータ室を減圧装置で減圧して運転する遠心分離機において、減圧装置は複数の真空ポンプから構成され、そのうちの一つは可変速駆動されるモータにより排気能力が可変の可変速真空ポンプとしての油回転真空ポンプであり、ロータが所定の回転速度より高速であってロータ室の圧力が所定の減圧された圧力（高真空Ｖ_Ｈ）に未達であればロータの加速を中断し、ロータ室の圧力が高真空Ｖ_Ｈに到達すればロータの加速を再開し、ロータ室の圧力が高真空Ｖ_Ｈに到達してから所定時間後に油回転真空ポンプの排気能力を低下せしめる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータを収容したロータ室の真空度制御を伴う遠心機に関するものである。

遠心機、とくに遠心力を利用して試料の分離や精製等を行うための遠心分離機は、チューブやボトルに収容された試料をロータに収納し、該ロータを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ものである。

ところで、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回転（ｒｐｍ）程度の比較的低速のものから１５万回転（ｒｐｍ）程度の高速のものまで幅広く、遠心分離機としては種々のロータ回転速度を有する製品群が一般に提供されている。

中でもロータの回転速度が概ね３０,０００ｒｐｍを超える遠心分離機にあっては、ロータ室内の空気とロータとの摩擦熱によるロータと試料の温度上昇を抑制するため、ロータ室を真空にするための真空ポンプを備えている。ここで、真空ポンプは、粗引きポンプとしての油回転真空ポンプと、より高真空を得る補助ポンプとしての油拡散真空ポンプとで構成されることが一般的である。

真空ポンプを備えた周知の遠心分離機においては、ロータ室の真空度を検出する真空センサと、該真空センサによって検出されるロータ室の真空度に基づいてモータと油拡散真空ポンプ及び油回転真空ポンプを駆動制御する制御手段を備えている。

上記制御手段による制御においては、ロータ室の真空度が所定値に達しない場合はロータの回転速度を制限したり、遠心終了時刻が予め分かっている場合には、その数分前から油拡散真空ポンプを停止して油の消費量を低減する等の措置が採られてきた。

その他、下記特許文献１には、加熱による真空ホース等の劣化やヒータの加熱による温度上昇を防止するために、油拡散真空ポンプの温度を温度センサで測定し、ヒータへの通電をフィードバック制御する技術が開示されている。

また、下記特許文献２には遠心動作中の消費電力を低減することを目的として、真空ポンプをオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）する技術が開示されている。

特開２００１−１０４８２６号公報特開２００８−２３４７７号公報

ところで遠心機の駆動装置は、ロータを速やかに（例えば１〜５分程度で）高速回転に達せしめることができる。一方、高速回転によるロータの温度上昇を抑制するにはロータ室は或る程度（概ね１Ｐａ）より高真空にする必要があるが、真空ポンプが動作開始後に高真空に達する所要時間は、上記したロータの加速時間より遅く、例えば５〜２０分程度である。

ロータの温度上昇は、試料の変質や分離結果の再現性低下など好ましくない結果を招くので、ロータ室が高真空に未達の場合はロータの加速を中断し、低速（たとえば４,０００ｒｐｍ）で高真空になるまで待機することにより温度上昇を抑制するようにしている。そしてロータ室が高真空に達すれば、ロータの加速を再開する。

短時間にロータ室を所定の真空度（例えば１ｐａ以下）まで減圧させるために、排気能力の大きい真空ポンプを使用していたが、所定の真空度に達したら排気能力の小さい真空ポンプであっても、所定の真空度を維持することができる。よって、遠心機の運転中に常に排気能力の大きい真空ポンプを使用する必要はなく、真空ポンプのモータは必要以上に電力を消費していた。

遠心機の使用者は、加速が終わって整定（定速運転）で回転速度が安定するまで遠心機の傍らにいて見届けることが一般的であるため、加速時間は短いほど使用者が拘束される時間が短縮できて好ましい。加速は駆動装置への供給電力が多いほど迅速にできるが、遠心機が接続される給電設備には例えば１００Ｖ、１５Ａといったように電力に上限があり、一方で遠心機側は機内の様々な構成要素（たとえば制御回路や冷却回路）に供給した残りの電力を用いてロータを加速するため、加速時間の短縮には自ずと制約が生じる。

加速時間の更なる短縮のための電力を得るには、たとえば特許文献２のように油回転真空ポンプを一時的にオフ（ＯＦＦ）することが考えられるが、実際には高真空に達してからの数分間は回転室の内壁表面などに吸着した分子の離脱（脱気）により真空度が悪化しやすいため、油回転真空ポンプのオフ時間を加速の所要時間維持することができない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、ロータの加速に用いる電力をより多く確保し、迅速な加速能力を持つ遠心機を提供することである。

本発明の第１の態様は遠心機である。この遠心機は、試料を保持するロータと、該ロータを収容するロータ室と、該ロータ室内で前記ロータを回転駆動する駆動源であるモータと、前記ロータ室内を減圧するための減圧装置と、前記ロータ室の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサによって検出された信号によって前記減圧装置を制御する制御装置とを有する遠心機であって、
前記減圧装置は１つまたは複数の真空ポンプから構成され、そのうちの一つは可変速駆動されるモータを有する真空ポンプであり、
前記制御装置は、前記ロータ室の圧力が所定の減圧された圧力に到達した後、前記真空ポンプのモータの回転速度を低下するように制御することを特徴とする。

本発明の第２の態様も遠心機である。この遠心機は、試料を保持するロータと、該ロータを収容するロータ室と、該ロータ室内で前記ロータを回転駆動する駆動源であるモータと、前記ロータ室内を排気して減圧するための減圧装置と、前記ロータ室の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサによって検出されたロータ室の圧力に基づいて前記モータと前記減圧装置とを駆動制御する制御装置とを有する構成であって、
前記減圧装置は１つまたは複数の真空ポンプから構成され、そのうちの一つは可変速駆動されるモータにより排気能力が可変の可変速真空ポンプであり、
前記制御装置は、前記ロータが所定の回転速度より高速であって前記ロータ室の圧力が所定の減圧された圧力に未達であれば前記ロータの加速を中断し、前記ロータ室の圧力が前記所定の減圧された圧力に到達すれば前記ロータの加速を行い、前記ロータ室の圧力が前記所定の減圧された圧力に到達してから所定時間後に前記可変速真空ポンプの排気能力を低下せしめる動作をすることを特徴とする。

本発明の第３の態様も遠心機である。この遠心機は、試料を保持するロータと、該ロータを収容するロータ室と、該ロータ室内で前記ロータを回転駆動する駆動源であるモータと、前記ロータ室内を排気して減圧するための減圧装置と、前記ロータ室の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサによって検出されたロータ室の圧力に基づいて前記モータと前記減圧装置とを駆動制御する制御装置とを有する構成であって、
前記減圧装置は１つまたは複数の真空ポンプから構成され、そのうちの一つは可変速駆動されるモータにより排気能力が可変の可変速真空ポンプであり、
前記制御装置は、前記ロータが所定の回転速度より高速であって前記ロータ室の圧力が第一の減圧された圧力に未達であれば前記ロータの加速を中断し、前記ロータ室の圧力が前記第一の減圧された圧力に到達すれば前記ロータの加速を行い、前記ロータ室の圧力が更に低下して第二の減圧された圧力に達した後に前記可変速真空ポンプの排気能力を低下せしめる動作をすることを特徴とする。

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、ロータ加速中の電力配分の適正化と整定中の電力低減を図ることで、ロータの加速において特に電力を要する高速域を加速する際に可変速真空ポンプの電力を削減できるので、限られた電源容量からより多くの電力を加速のために利用することができ、加速時間の短縮を図った遠心機が実現される。

本発明に係る実施の形態であって、遠心分離機の全体構成を示す概略構成図である。本発明の実施の形態に係る遠心分離機のロータ及び油回転真空ポンプの回転速度、ロータ室の真空度、ロータ駆動用のモータ及び油回転真空ポンプの使用電力を示すタイムチャートである。本発明の他の実施の形態に係る遠心分離機のロータ及び油回転真空ポンプの回転速度、ロータ室の真空度、ロータ駆動用のモータ及び油回転真空ポンプの使用電力を示すタイムチャートである。従来技術に係る遠心分離機のロータ及び油回転真空ポンプの回転速度、ロータ室の真空度、ロータ駆動用のモータ及び油回転真空ポンプの使用電力を示すタイムチャートである。

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は本発明に係る実施の形態であって、遠心機の一例としての遠心分離機１００の構成図であり、図示のように、遠心分離機１００は、分離すべき試料を保持するロータ１と、ロータ１を収容するロータ室２と、ロータ室２内でロータ１を回転駆動する駆動源であるモータ５と、ロータ室２内を排気して真空にするための油拡散真空ポンプ３及び油回転真空ポンプ４と、ロータ室２の圧力（真空度）を検出する真空センサ６と、真空センサ６によって検出されたロータ室２の真空度に基づいてモータ５と油拡散真空ポンプ３及び油回転真空ポンプ４を駆動制御する制御装置７によって構成されている。

ここで、油拡散真空ポンプ３は、大気圧から真空引きできないため、初めに油回転真空ポンプ４で真空引きし、その後、当該油拡散真空ポンプ３が動作すると、該油拡散真空ポンプ３と油回転真空ポンプ４でロータ室２を減圧するものである。尚、油拡散真空ポンプ３は、オイルを貯留するボイラと、該ボイラを加熱するヒータと、ボイラで気化したオイル分子を一定方向に噴射させるジェットと、気化したオイル分子を冷却して液化するための冷却部とで構成されている。

本実施の形態では、油回転真空ポンプ４が、可変速駆動されるモータにより排気能力が可変の可変速真空ポンプとなっている。油回転真空ポンプ４のモータの可変速駆動は制御装置７に含まれるインタバータによって行うことができる。または、油回転真空ポンプ４に不図示インバータ回路（装置）を設けて、遠心機１００の制御装置７からの信号によって、真空ポンプ４のインバータ回路により真空ポンプ４のモータの回転速度を制御するようにしても良い。

次に従来技術を図４を用いて説明する。従来技術の場合も全体構成は図１と同様であるが、油回転真空ポンプ４は、そのモータを可変速駆動するものではなく、制御装置７によるオン／オフ制御のみ可能なものである。図４において、時刻ｔ_４０で遠心分離機１００を駆動すると、油回転真空ポンプ４の回転速度４０４を最高回転速度Ｎ_ＶＭＡＸで運転し、油回転真空ポンプの使用電力４１４はＰ_ＶＭＡＸとなって真空引きを開始する。これにより、ロータ室２の圧力４０６はＶ_ＡＴＭから所定減圧値である高真空Ｖ_Ｈに向けて減圧されていく。時刻ｔ_４０ではまたロータ１の加速を開始し、ロータ１を駆動するモータ５の使用電力４１１が発生して徐々に増加する。

ロータ１の回転速度４０１が真空待機回転速度Ｎ_ＷＴに達した時刻ｔ_４１の時点でロータ１の加速を一旦中断し、定速運転を行う。次に時刻ｔ_４２において真空センサ６で検出するロータ室２の真空度４０６が所定の高真空Ｖ_Ｈに達すると、再びロータ１の加速を行う。ここで所定の高真空とは、ロータ１が高速回転した際にロータ室内の残留空気との摩擦でロータ１の発熱が問題にならない程度の真空度である。

モータ５の使用電力４１１と油回転真空ポンプ４の使用電力４１４の和を合計電力４２０で示す。遠心分離機１００は、電源回路の容量や、設置された場所の電源供給能力などの制約により合計電力の上限値Ｐ_ＬＭＴがあるが、時刻ｔ_４２以降、ロータ１の加速に伴ってモータ５の使用電力４１１が増加するので合計電力４２０も増加し、時刻ｔ_４３で合計電力４２０が上限値Ｐ_ＬＭＴに達する。合計電力４２０が上限値Ｐ_ＬＭＴを超えてしまうと、電源設備のブレーカが遮断したり、電源回路の部品が故障するなどの不都合が生じるため、制御装置７はモータ５の使用電力４１１を制限する。その後時刻ｔ_４４でロータ１の回転速度が使用者が設定したＮ_ＳＥＴに至るとモータ５は定速運転に移行する。

上記した従来技術では、時刻ｔ_４３から時刻ｔ_４４にかけてロータ１の加速勾配が緩やかに、即ち加速時間が長くなり、ロータ１の加速が完了するまで見届ける使用者にとっては待ち時間が長くなるという不都合が生じていた。

次に、本発明の実施の形態を図２のタイムチャートに基づいて説明する。この場合、制御装置７は、ロータ１が所定の回転速度より高速であってロータ室２の圧力が所定の減圧された圧力（高真空Ｖ_Ｈ）に未達であればロータ１の加速を中断し、ロータ室２の圧力が前記所定の減圧された圧力（高真空Ｖ_Ｈ）に到達すればロータ１の加速を行い、ロータ室２の圧力が前記所定の減圧された圧力（高真空Ｖ_Ｈ）に到達してから所定時間後に可変速真空ポンプとしての油回転真空ポンプ４の排気能力を低下せしめる動作（つまり、ポンプ４のモータ（インバータ回路によって回転速度を可変に駆動されるモータ）の回転数を低下させて消費電力を低減する動作）をする。尚、本実施の形態では、遠心分離機１００を運転している間は油拡散真空ポンプ３を駆動（ＯＮ）しているものとする。

図２において、時刻ｔ_２０で遠心分離機１００を駆動すると、油回転真空ポンプ４の回転速度２０４を最高回転速度Ｎ_ＶＭＡＸで運転し、油回転真空ポンプ４の使用電力２１４はＰ_ＶＭＡＸとなって真空引きを開始する。これにより、ロータ室２の圧力はＶ_ＡＴＭから所定減圧値である高真空Ｖ_Ｈに向けて減圧されていく。時刻ｔ_２０ではまたロータ１の加速を開始し、ロータ１を駆動するモータ５の使用電力２１１が発生して徐々に増加する。

ロータ１の回転速度２０１が真空待機回転速度Ｎ_ＷＴに達した時刻ｔ_２１の時点でロータ１の加速を一旦中断し、定速運転を行う。次に時刻ｔ_２２において真空センサ６で検出するロータ室２の真空度２０６が所定の高真空Ｖ_Ｈに達すると、再びロータ１の加速を行う。ここで所定の高真空とは、ロータ１が高速回転した際にロータ室内の残留空気との摩擦でロータ１の発熱が問題にならない程度の真空度である。

時刻ｔ_２２から所定時間経過した時刻ｔ_２３では油回転真空ポンプ４の回転速度２０４をＮ_ＶＬＯＷに減じ、油回転真空ポンプ４の使用電力２１４もＰ_ＶＬＯＷに低下する。以降、ロータ１の回転速度２０１は上昇を続け、ロータ１の加速とともにモータ５の使用電力も増加する。時刻ｔ_２４でロータ１の回転速度が使用者が設定したＮ_ＳＥＴに至るとモータ５は定速運転に移行し、使用電力２１１も定速運転に必要な電力Ｐ_ＣＬＯＷに低下する。

モータ５の使用電力２１１と油回転真空ポンプ４の使用電力２１４の和を合計電力２２０で示す。遠心分離機１００は、電源回路の容量や、設置された場所の電源供給能力などの制約により合計電力の上限値Ｐ_ＬＭＴがあるが、図２においては合計電力２２０は上限値Ｐ_ＬＭＴに達することがないので、モータ５の使用電力を制約することなく速やかなロータ１の加速を実現することができる。

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。

（１）可変速真空ポンプとしての油回転真空ポンプ４を止めることなく消費電力を低減することにより、真空度を悪化させずにロータ１の加速に使用できる電力を増強可能である。このため、ロータ１の加速において特に電力を要する高速域を加速する際に油回転真空ポンプ４の電力を削減できるので、限られた電源容量からより多くの電力を加速のために利用することができ、加速時間の短縮を図ることができる。

（２）時刻ｔ_２３から時刻ｔ_２４にかけてロータ１の加速勾配は一定の最大値に維持でき、即ち加速時間が短縮され、ロータ１の加速が完了するまで見届ける使用者にとっては待ち時間を短くできる。
（３）さらに真空ポンプの回転速度を制御（回転速度低下）することにより、使用電力を下げることができ、遠心機の省電力化が図れる。

次に、本発明の他の実施の形態を図３のタイムチャートに基づいて説明する。この場合、制御装置７は、ロータ１が所定の回転速度より高速であってロータ室２の圧力が第一の減圧された圧力（高真空Ｖ_Ｈ）に未達であればロータ１の加速を中断し、ロータ室２の圧力が前記第一の減圧された圧力（高真空Ｖ_Ｈ）に到達すればロータ１の加速を行い、ロータ室２の圧力が第二の減圧された圧力（Ｖ_Ｈよりもさらに低圧の高真空Ｖ_Ｈ２）に達した後に可変速真空ポンプとしての油回転真空ポンプ４の排気能力を低下せしめる動作をする。尚、本実施の形態では、遠心分離機１００を運転している間は油拡散真空ポンプ３を駆動（ＯＮ）しているものとする。

図３において、時刻ｔ_３０で遠心分離機１００を駆動してから、時刻ｔ_３２で真空度３０６が所定の高真空Ｖ_Ｈに達するまでの動作は図２の時刻ｔ_２０から時刻ｔ_２２までと同じである。

時刻ｔ_３２でロータ１の加速を開始した後、ロータ室２の圧力がさらに低下して真空度３０６が第２の所定の高真空Ｖ_Ｈ２に達した時刻ｔ_３３では油回転真空ポンプ４の回転速度３０４をＮ_ＶＬＯＷに減じ、油回転真空ポンプ４の使用電力３１４もＰ_ＶＬＯＷに低下する。以降、ロータ１の回転速度３０１は上昇を続け、ロータ１の加速とともにモータ５の使用電力も増加する。時刻ｔ_３４でロータ１の回転速度が使用者が設定したＮ_ＳＥＴに至るとモータ５は定速運転に移行し、使用電力３１１も定速運転に必要な電力Ｐ_ＣＬＯＷに低下する。

モータ５の使用電力３１１と油回転真空ポンプ４の使用電力３１４の和を合計電力３２０で示す。遠心分離機１００は、電源回路の容量や、設置された場所の電源供給能力などの制約により合計電力の上限値Ｐ_ＬＭＴがあるが、図３においても合計電力３２０は上限値Ｐ_ＬＭＴに達することがないので、モータ５の使用電力を制約することなく速やかなロータ１の加速を実現することができる。

図３の実施の形態によれば、第二の所定の高真空Ｖ_Ｈ２に達して油回転真空ポンプ４の排気能力を低下させて、一時的にロータ室の真空度が低下したとしても、第一の所定の高真空Ｖ_Ｈまで真空度が低下（悪化）することを防止できるので、ロータ１の加速において特に電力を要する高速域を加速する際に油回転真空ポンプ４の電力を削減できるので、限られた電源容量からより多くの電力を加速のために利用することができ、加速時間の短縮を図った遠心分離機が実現される。

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。以下、変形例について触れる。

本発明の各実施の形態では、ロータ室を減圧する手段として油拡散真空ポンプ３及び油回転真空ポンプ４の組み合わせを用いたが、油拡散真空ポンプ３を省略した構成であっても本発明は適用可能である。また、可変速駆動されるモータにより排気能力が可変の可変速真空ポンプの例として、油回転真空ポンプ４を示したが、これに限らず、スクロール真空ポンプ、スクリュー真空ポンプ等も使用可能であり、さらにはリニアモータを使用する真空ポンプであってもよい。

１ロータ
２ロータ室
３油拡散真空ポンプ
４油回転真空ポンプ
５モータ
６真空センサ
７制御装置
１００遠心分離機

Claims

試料を保持するロータと、該ロータを収容するロータ室と、該ロータ室内で前記ロータを回転駆動する駆動源であるモータと、前記ロータ室内を減圧するための減圧装置と、前記ロータ室の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサによって検出された信号によって前記減圧装置を制御する制御装置とを有する遠心機であって、
前記減圧装置は１つまたは複数の真空ポンプから構成され、そのうちの一つは可変速駆動されるモータを有する真空ポンプであり、
前記制御装置は、前記ロータ室の圧力が所定の減圧された圧力に到達した後、前記真空ポンプのモータの回転速度を低下するように制御することを特徴とする遠心機。
試料を保持するロータと、該ロータを収容するロータ室と、該ロータ室内で前記ロータを回転駆動する駆動源であるモータと、前記ロータ室内を排気して減圧するための減圧装置と、前記ロータ室の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサによって検出されたロータ室の圧力に基づいて前記モータと前記減圧装置とを駆動制御する制御装置とを有する遠心機であって、
前記減圧装置は１つまたは複数の真空ポンプから構成され、そのうちの一つは可変速駆動されるモータにより排気能力が可変の可変速真空ポンプであり、
前記制御装置は、前記ロータが所定の回転速度より高速であって前記ロータ室の圧力が所定の減圧された圧力に未達であれば前記ロータの加速を中断し、前記ロータ室の圧力が前記所定の減圧された圧力に到達すれば前記ロータの加速を行い、前記ロータ室の圧力が前記所定の減圧された圧力に到達してから所定時間後に前記可変速真空ポンプの排気能力を低下せしめる動作をすることを特徴とする遠心機。
試料を保持するロータと、該ロータを収容するロータ室と、該ロータ室内で前記ロータを回転駆動する駆動源であるモータと、前記ロータ室内を排気して減圧するための減圧装置と、前記ロータ室の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサによって検出されたロータ室の圧力に基づいて前記モータと前記減圧装置とを駆動制御する制御装置とを有する遠心機であって、
前記減圧装置は１つまたは複数の真空ポンプから構成され、そのうちの一つは可変速駆動されるモータにより排気能力が可変の可変速真空ポンプであり、
前記制御装置は、前記ロータが所定の回転速度より高速であって前記ロータ室の圧力が第一の減圧された圧力に未達であれば前記ロータの加速を中断し、前記ロータ室の圧力が前記第一の減圧された圧力に到達すれば前記ロータの加速を行い、前記ロータ室の圧力がさらに低下して第二の減圧された圧力に達した後に前記可変速真空ポンプの排気能力を低下せしめる動作をすることを特徴とする遠心機。