JP3752919B2

JP3752919B2 - Centrifuge rotor temperature control device

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Publication number: JP3752919B2
Application number: JP28352599A
Authority: JP
Inventors: 伸二渡部; 雅裕稲庭; 徳康松藤; 哲州沼田; 利幸鈴木
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1999-10-04
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2019-10-04
Also published as: JP2001104828A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心分離機に載置されるロータの温度を制御する遠心分離機のロータ温度制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
遠心分離機において、ほぼ真空空間となるボウル内でモータと駆動シャフトで結合されモータにより回転駆動されるロータの温度はボウルからの輻射伝熱による熱量とモータから駆動シャフトを通して伝わる熱伝導による熱量に支配される。
【０００３】
従来の遠心分離機のロータ温度制御装置は、ボウルの加熱及び冷却は電力を熱量に変換できる例えば電流の方向と大きさにより変換熱量の正負と量を変更できるペルチェ素子により行い、ロータの温度を所定の温度に保つためロータの測定温度とロータの目標制御温度との偏差をフィードバック量とし、これを比例、積分演算しその和をペルチェ素子に流す電流の方向及び大きさを制御量とするＰＩ制御或いはＰＩＤ制御を行っていた。また、ボウルの加熱、冷却はロータの温度が目標制御温度のある所定範囲内に入っていない場合はペルチェ素子に最大定格電流を流すことにより行い、入っている場合は上記のＰＩ制御等により実行し、ＰＩ制御に於ける積分項の初期値はロータの目標制御温度と気温により決定していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
遠心分離機に用いられるロータは外形寸法、形状、質量、材質、比熱、表面の輻射率等が多種に及び上述の輻射伝熱系に於ける熱時定数がロータの種類により大きく異なり、遠心機のロータ温度制御装置は制御の安定性がロータ固有の熱時定数とＰＩ制御のフィードバック乗数に支配さる。つまり従来のかかる遠心分離機においては、ロータの熱時定数が大きくなるほど不安定となり、例えばＰＩ制御の乗数を熱時定数の小さなロータで安定動作が行えるように設定すると熱時定数が大となる質量又は比熱大のロータではボウルの温度が発散・振動しロータの温度の安定化が図れず、また、熱時定数が大きなロータで安定化が図れるようＰＩ制御の積分項の乗数を小さく設定すると、ロータの温度が目標制御温度に収束する時間応答性の悪化を招く問題があった。
【０００５】
また、従来の遠心分離機では、ロータの温度を測定する手段として例えば放射温度計すなわちサーモパイル等の非接触測温素子及び該素子から出力される微少な電圧信号を増幅する増幅器を用いているため測温素子及び増幅器の校正が必要であり、半固定抵抗器等により調整を行う手段を用いることが常用されているが、放射温度計の故障時の交換に備えてこれらの半固定抵抗器は遠心分離機本体とは別の放射温度計アセンブリ内に設けられている。
【０００６】
従って、実際のロータの温度制御の結果再調整が必要な場合には、遠心分離機本体を一旦分解し放射温度計アセンブリ内の半固定抵抗器の設定を変更した後再組み立てが必要であり、これらの校正作業は非能率であるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題を解消し、遠心分離機のロータの種類によらずロータの温度を目標制御温度に合わせる温度制御を短時間で且つ安定して行うことを可能にした遠心分離機のロータ温度制御装置を提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、上記校正作業時に遠心機本体を分解・再組み立てすることなく放射温度計アセンブリ内に校正値等を格納可能な、校正作業が簡便な遠心分離機のロータ温度制御装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、駆動シャフトによりモータに連結される遠心機用ロータの表面を囲むボウルと、ボウルを加熱又は冷却する手段と、ボウルを加熱又は冷却する手段の吸熱又は放熱源となるフィンプレートと、フィンプレート上に設置され天板ドアにより密閉されボウルをほぼ真空密封する真空チャンバと、ロータの温度を測定する手段と、ボウルの温度を測定する手段と、ロータの温度制御のためロータの目標温度とロータの測定温度の偏差をフィードバック量としてボウルを加熱又は冷却する手段の熱量を調節しボウルの温度を制御する制御手段を設け、制御手段は遠心機の雰囲気温度を測定する手段を備え、ロータの温度が目標制御温度の所定の範囲内に入った時に、ボウルの制御温度は前記ロータの目標制御温度と遠心回転数と気温より定める熱平衡時の前記ボウルの制御温度とし、制御手段のロータの温度の目標制御温度の偏差を基に前記ボウルの目標制御温度を生成する制御周期はロータの加熱又は冷却の時定数よりも短くし且つボウルの加熱又は冷却の時定数よりも長くすることにより達成される。
【００１０】
更に上記目的は、ロータの温度を測定する手段の校正値及び実際のロータの温度制御結果に基づく補正値等から成る温度補正データを制御手段により格納する記憶装置をロータの温度を測定するアセンブリ内に設け、制御手段がロータの温度制御時に記憶装置から温度校正データを読み出し、ロータを温度制御することにより達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的実施例を以下図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明の具体的実施例となる遠心分離機のロータ温度制御装置のブロック図を示したものである。図１において、１は温度制御の対象であって試料を遠心分離するロータであり、２はロータ１の表面を囲みロータ１と輻射伝熱による熱交換を行う例えば熱伝導率の大きい銅、アルミ等を材質とするボウルであり、３はボウル２に接しボウル２を熱伝導により加熱又は冷却する手段となる例えば電流の方向と大きさにより電力の変換熱量の正負と量を変更できるペルチェ素子であり、４はペルチェ素子３のボウル２接触面の対面に接しペルチェ素子３の吸熱、放熱源となるフィンプレートであり、５はフィンプレート４上に設置され天板ドア６により密閉され前記ボウルを真空密封する真空チャンバである。７はロータ１を回転駆動するモータであり、８はモータ７のトルクをロータ１に伝達する駆動シャフトであり、９はモータ７内で固定され駆動シャフト８を支持するボールベアリングである。１０はロータ１の温度を測定する手段となる例えば非接触でロータ１の表面温度を測定するサーモパイルであり、１１はボウル２の温度を測定する手段となる例えばボウル２に接触し自身の温度により抵抗値が変化するサーミスタ或いは温度測定ＩＣ等であり、１２はサーモパイル１０に一対一で対応する放射温度計アセンブリであり、１３はロータ１の温度制御のためロータ１の目標温度とロータ１の測定温度の偏差をフィードバック量としてボウル２を加熱又は冷却する手段の熱量を調節しボウル２の温度を制御する制御手段である。
【００１２】
次に、本実施例における遠心分離機のロータ温度制御装置の動作について図２から図８を参照して説明する。なお、図２から図８においては、図１と同一の機能の部分には同一の番号を符してある。
【００１３】
図２は図１におけるロータの温度制御のためロータの目標温度とロータの測定温度の偏差をフィードバック量としてボウルを加熱又は冷却する手段の熱量を調節しボウルの温度を制御する制御手段１３の詳細な実施例を示すブロック回路図である。図２において、１５は温度測定対象となるロータ１の温度と自身の温度との温度差による輻射熱量を電圧に変換するサーモパイル部であり、１６は相対温度を測定するサーモパイル１０自身の基準温度を把握できるようにサーモパイル１０に内蔵されたサーミスタである。
【００１４】
２０は制御手段１３及び放射温度計アセンブリ１２の制御用電圧源+Vccであり、２１は同グランドである。２２は放射温度計アセンブリ１２に設けられ+Vccを抵抗器１８、１９で分圧した電圧を基準としサーミスタ１６と抵抗器１７により+Vcc を分圧した電圧との差動増幅を行いサーモパイル１０自身の温度を電圧信号として制御手段１３に出力する差動増幅器であり、２３は放射温度計アセンブリ１２に設けられサーモパイル部１５の出力電圧を差動増幅しロータ１との温度差分を電圧信号として制御手段１３に出力する差動増幅器である。２４は基準電圧２５と差動増幅器２２が出力するサーモパイル１０自身の温度電圧信号との差動増幅を行う差動増幅器であり、２６は差動増幅器２３が出力するサーモパイル１０とロータ１との温度差分電圧信号を基準電圧２７に対し増幅す差動増幅器であり、３１は+Vcc を抵抗器２９、３０で分圧した電圧を基準としボウル温度測定用サーミスタ１１と抵抗器２８により+Vcc を分圧した電圧との差動増幅を行いボウル温度を電圧信号として出力する差動増幅器である。
【００１５】
３２は遠心機の雰囲気温度を測定する手段となる温度により出力電圧が変化する温度測定ＩＣ等であり、３３は基準電圧３４と温度ＩＣ３２の出力電圧との差動増幅を行い雰囲気温度を電圧信号として出力する差動増幅器である。４５はブリッジを構成するＦＥＴ又はＩＧＢＴ等のスイッチング素子と各々のスイッチング素子に逆方向並列に接続された環流ダイオードにより構成されるペルチェ素子ドライバであり、定電圧源４４からペルチェ素子３に流れる電流の電流量とその方向を制御する。
【００１６】
１４は上記のサーモパイル自身の温度電圧信号、ロータ１の温度差分電圧信号、ボウル温度電圧信号、雰囲気温度電圧信号を入力としペルチェ素子ドライバ４５の制御信号を出力するＣＰＵである。４３はＣＰＵ１４の処理プログラムを記憶しておくＲＯＭであり、４２はロータ１の設定温度等の遠心分離機への入力をユーザが行えるように設けてあるキーボードであり、その出力はＣＰＵ１４のＰＡポートに入力される。
【００１７】
３５は差動増幅器２４が出力するサーモパイル自身の温度電圧信号をデジタル値に変換するＣＰＵ１４内蔵のＡ／Ｄ変換器であり、同様に３６、３７、３８はそれぞれ差動増幅器２６が出力するロータ１の温度差分電圧信号、差動増幅器３１が出力するボウル温度電圧信号、差動増幅器３３が出力する雰囲気温度電圧信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器であり、３９はペルチェ素子３に流す電流量を制御するパルス幅制御ＰＷＭ信号を出力するＣＰＵ１４内蔵のタイマユニットである。
【００１８】
ＣＰＵ１４はＡ／Ｄ変換器３５、３６、３７によるサーモパイル自身の温度電圧信号のデジタル値、ロータ１の温度差分電圧信号のデジタル値、ボウル温度電圧信号のデジタル値によりロータ１の温度、ボウル２の温度を計測し、また、Ａ／Ｄ変換器３８により遠心機雰囲気温度を把握して、タイマユニット３９からペルチェ素子ドライバ４５を介しペルチェ素子３に流す電流量を制御するＰＷＭ信号をＯＲゲート４０、４１の一方の入力端に出力し、Ｐ０、Ｐ１ポートからペルチェ素子ドライバ４５を介しペルチェ素子３に流す電流の方向を決定する論理信号をＯＲゲート４０、４１の他方の入力端に出力してペルチェ素子３の電流を制御する。
【００１９】
４６は放射温度計アセンブリ１２内に設けられロータの温度を測定する手段１０の校正値及び実際のロータ１の温度制御の基づく補正値から成る温度情報を制御手段１３により格納する記憶装置となる不揮発性メモリでありＣＰＵ１４は内蔵のシリアルＩ／ＯＳＩＯにより温度情報の読み書きを行う。ボウル２を加熱、冷却するためのペルチェ素子ドライバ４５の各々のスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｘ、Ｙの動作を図３を用いて説明すると、ボウル２を加熱する際はＰ１ポートはＨＩ倫理を出力しペルチェ素子ドライバ４５のスイッチング素子Ｖ、Ｘ相はオフとなり、Ｐ０ポートはＬＯＷ論理を出力しタイマユニット３９のＰＷＭ信号とのＯＲによりＵ、Ｙ相がＰＷＭ動作を行う。ボウル２を冷却する際は同様にＰ０ポートはＨＩ、Ｐ１ポートはＬＯＷ論理を出力しペルチェ素子ドライバ４５のＵ、Ｙ相はオフ、Ｖ、Ｘ相がＰＷＭ動作を行う。
【００２０】
本実施例におけるＣＰＵ１４が計測するロータ１の温度は、サーモパイル１０自身の温度差電圧変換特性のばらつき、差動増幅器２２、２３のゲインのばらつき、及びロータ１の回転数とロータ１自体の温度に影響され変化するため、各々の要因の補正を行うことにより求めている。ＣＰＵ１４が計測するロータ１の温度をTr、サーモパイル自体の温度信号のデジタル値、ロータ１の温度差分信号のデジタル値、ボウル温度信号のデジタル値により求まるロータ１の温度をTh0、ロータ１の制御目標温度による補正温度をTh1、ロータ１の回転数に対する補正温度をTh2、サーモパイル１０及び差動増幅器２２、２３の特性ばらつきを打ち消すためのサーモパイル１０の校正温度をTh3、実際のロータ１の温度制御に基づく補正温度をTh4とすると、Trはそれぞれの和として以下の（１）式で与えられる。
【００２１】
Tr＝ Th0＋Th1＋Th2＋Th3＋Th4 （１）
（１）式において、Th0はサーモパイル自身の温度電圧信号のデジタル値によるサーモパイル自体の温度Txと、ロータ１の温度差分電圧信号のデジタル値によるロータ１の温度差分電圧値Vsと、ボウル温度電圧信号のデジタル値によるボウル温度Tcと、実験的に求まる定数α、βにより次式（２）で与えられる。
【００２２】
【数１】

【００２３】
図４はＣＰＵ１４が計測するロータ１の温度における制御目標温度に対する補正温度Th1の様子を示した図であり、図５は同様に遠心機の遠心回転数に対する補正温度Th2の様子を示した図である。本実施例において、Th1 とTh2はいずれも経験的に決定される値であり、Th1は最低制御目標温度Ts0でTh10であり、Ts0からある制御目標温度Ts1までは制御目標温度に比例し減少し、Ts1以上で０（Ｋ）となる。Th2は０回転からある回転数N1までは０（Ｋ）であり、N1以上からは回転数に比例し増加する。なお、サーモパイル１０の校正温度Th3はロータ１の実温度に対するＣＰＵ１４が計測するロータ１の温度の温度誤差を打ち消す値であり、上記（１）式のTh1、Th2、Th4が０（Ｋ）となるロータ１が停止しており且つ目標制御温度をTs1に設定した状態でロータ１の実温度からＣＰＵ１４が計測するロータ１の温度を引いた値として求まる。また、Th4は実際にロータ１を回転させ且つ温度制御を行い、ロータ１の計測温度Trとロータ１の実温度との差を補う値である。
【００２４】
本実施例では、例えば遠心分離機の工場出荷時にロータ１の実温度とＣＰＵ１４が計測するロータ１の温度との誤差によりTh3を求めて、キーボード４２よりＣＰＵ１４にTh3の値を入力し、ＣＰＵ１４はＳＩＯのデータ転送によりTh3の値を不揮発性メモリ４６に記憶し、ロータ１の温度制御を行う際に不揮発性メモリ４６よりこれを読み出し活用する。この後、実際にロータ１を回転させ且つ温度制御を行った結果、ロータ１の計測温度とロータ１の実温度に差がある場合は同様に上記のTh4を不揮発性メモリ４６に記憶しロータ１の温度制御時にこれを読み出し（１）式に適用する。従って、上述したロータ１の温度測定に関する校正を行うことにより、半固定抵抗器等による増幅器のゲイン調整及び調整のための遠心分離機の分解・再組み立て作業が不要となり、校正工数を削減することが可能となる。
【００２５】
また、本実施例においてサーモパイル部１５及びサーミスタ１６の出力電圧は微少であるため差動増幅器２２、２３の増幅率は充分大きくする必要があり、差動増幅器２２、２３はノイズ成分の増幅を防止するためサーモパイル１０に近接するように放射温度計アセンブリ１２内に設けてある。従って、制御手段１３内で差動増幅器２２、２３の出力電圧を増幅する差動増幅器２４、２６の増幅率は小さくできるので、サーモパイル１０自身の温度差電圧変換特性のばらつき、差動増幅器２２、２３のゲインのばらつき等のサーモパイル１０及び放射温度アセンブリ１２内での誤差に起因する上記の温度補正値Th3、Th4は制御手段１３に無関係なものであるため、例えば、サーモパイル１０と不揮発性メモリ４６を放射温度計アセンブリ１２内に設け、あらかじめ各々の放射温度計アセンブリ１２に対応するTh3、Th4等の温度情報を不揮発性メモリ４６に記憶しておくことにより、放射温度計アセンブリ１２の故障等による交換に於いて再度校正を行う必要がなくなる。
【００２６】
次に、ロータ１の温度を目標制御温度にまで冷却し目標制御温度で一定となるように制御する際のロータ１の温度とボウル２の温度の時間の経過による変化を図６、図７を用いて説明する。本実施例において、ロータ１の温度制御は、ロータ１の温度TrをフィードバックしTrとロータ１の目標制御温度Tsとの偏差を基にボウル２の目標制御温度Tcsを決定するTrのフィードバックＰＩ制御と、ボウル２の温度Tcを上記のTcsに倣わせるTcのフィードバックＰＩＤ制御から成るいわゆるロータ１の温度Trとボウル２の温度Tcの２重フィードバック制御を行っている。図６はボウル２の目標制御温度Tcsを決定するロータ１の温度TrのフィードバックＰＩ制御でのTcsの初期値Tc3が熱平衡状態時のボウル２の温度Tc2と大きく異なる時の一例を示し、図７は同様にTc3がTc2に近い時の一例を示したものであり、いずれも実線はロータ１の温度Trを、一点破線はボウル２の温度Tcを、破線はボウル２の目標制御温度Tcsを表す。Tr0は時刻t0でのロータ１の温度Trであり、Tsはロータ１の目標制御温度であり、Tc0は時刻t0でのボウル２の温度Tcであり、Tc1はボウル２の最低制御温度である。t1からt5はロータ１の温度Trと目標制御温度Tsとの偏差を基にボウル２の目標制御温度Tcsを生成する制御タイミングを示し、各々の間隔は制御周期を表している。
【００２７】
図６，７において、時刻t0でロータ１の温度Trが目標制御温度Tsに対して充分高くロータ１を急冷却するためボウル２の目標制御温度TcsをTc1で一定とした上でボウル２の温度Tcを目標温度に倣わせるTcのフィードバックＰＩＤ制御を行い、TrがほぼTsとなる時刻t1からは、TcのフィードバックＰＩＤ制御に加えTrをフィードバックしTrとTsの偏差を基にボウル２の目標制御温度Tcsを決定するTrのフィードバックＰＩ制御が開始される。図６のようにTcsを決定するＰＩ制御でのTcsの初期値Tc3を熱平衡状態時のボウル２の温度Tc2と大きく異なる値とすると、時刻t2以降のTcsはTc2に収束するまで長い時間を要するため、ボウル２の温度TcがTc2となりロータ１の温度Trがロータ１の目標制御温度Tsで収束・安定するまで非常に長い時間を要する。一方、図７のようにあらかじめ熱平衡状態時のボウル２の温度Tc2を予測しTcsの初期値Tc3をTc2に近い値とすることでTcは素早くTc2に収束できるので、TrのTsに対する制御応答性を向上することができる。
【００２８】
また、上記のロータ１の温度の目標制御温度の偏差を基にボウル２の目標制御温度を生成する制御周期はロータの加熱又は冷却の時定数よりも短くし且つボウル２の加熱又は冷却の時定数よりも長い周期としており、例えば図７の時刻t1からt2の時間を例にするとTcsを一定に保持する時間がボウル２の熱時定数よりも充分長いためTcはTc3に収束できる。
本実施例におけるロータ１の温度は、ボールベアリング９から駆動シャフト８を通して伝わる熱伝導による熱量とロータ１の表面とボウル２の表面との間で起きる輻射による熱量に支配され、それぞれの熱量は熱平衡時で数ワットほどである。また、ロータ１の温度が変化する過渡状態でのロータ１の表面とボウル２の表面との間で起きる輻射による熱量は１０ワット程度である。なお、天板ドア６とロータ１間での輻射による熱量はロータ１とボウル２間での輻射による熱量の１００分の１程度であり、無視できるものである。
【００２９】
一般に、ロータ１の表面とボウル２の表面間の輻射熱量はそれぞれの表面温度の４乗の差分に比例し、ボールベアリング９から駆動シャフト８を通してロータ１に流れ込む熱伝導による熱量はボールベアリング９の温度とロータ１の温度の差に比例しており、両者の比例定数を求めることにより、任意のボールベアリング９の温度とロータ１の温度で熱平衡状態となる時のボウル２の温度を求めることができる。本実施例では上記の比例定数を経験的に求め、あらかじめロータ１の目標制御温度Ts及びボールベアリング９の温度Tbがそれぞれ異なる条件で熱平衡時のボウル２の温度Tcを求めておき、ＣＰＵ１４が容易に計算できるように要因Tb、Tsに対するTcの重回帰を行うことにより推定温度Tc2＾を線形近似された以下の式で与えている。
【００３０】
Tc2＾＝A Ts＋B Tb＋C （３）
（３）式に於いてAはTsの係数、BはTbの係数、Cは要因に無関係な項を表している。
また、ロータ１の遠心回転数が高くなるほどボールベアリング９の機械損が増加するためTbはロータ１の遠心回転数に比例する温度であり、ロータ１の遠心回転数と遠心機雰囲気温度より予想できる温度である。
【００３１】
従って、ＣＰＵ１４はロータ１の遠心回転数とロータ１の目標制御温度が制御実行前に分かっており且つ遠心機雰囲気温度を把握することでロータ１の温度制御に於ける熱平衡時のボウル２の温度を予め予測することができる。
【００３２】
図８は本実施例におけるＣＰＵ１４がロータ１とボウル２の温度及び遠心機雰囲気温度を把握し、ペルチェ素子ドライバ４５を介しペルチェ素子３の電流を制御することでボウル２の温度を変化させロータ１の温度を制御する処理のフローチャート図を示したものであり、ＲＯＭ４３にあらかじめ定められた処理手順が記憶されてある。判断１０１は上記の（１）式により計測したロータ１の温度Trが目標制御温度Tsに対し所定の値Ｘだけ高い温度以下であれば判断１０３へ、超えていれば処理１０２に進む判断を実行し、処理１０２はロータ１を急冷却してTrを素早くTsに近づけるためにボウル２の制御温度の目標をボウル２の最低制御温度として処理１０６に進む。判断１０３はTrがTsに対しＸだけ低い温度以上であればTrがTs±Ｘ以内となり処理１０５へ進み、未満であれば処理１０４に進み、処理１０４はTrを急加熱して素早くTsに近づけるためにボウル２の制御温度の目標をボウル２の最高制御温度として処理１０６に進む。処理１０６はボウル２の温度を目標制御温度で一定に保つためのTcのフィードバックＰＩＤ制御の制御周期タイマを設定する処理であり、判断１０７に進みボウル２の温度Tcが目標制御温度以上であればボウル２を冷却する必要があるので処理１０８に進み、Tcが目標制御温度未満であればボウル２を加熱するため処理１０９に進む。処理１０８はペルチェ素子３がボウル２を冷却するように図３に従いＰ０ポートはＨＩ論理をＰ１ポートはＬＯＷ論理を出力する処理を実行し処理１１０に進み、処理１０９はペルチェ素子３がボウル２を加熱するようにＰ０ポートはＬＯＷ論理をＰ１ポートはＨＩ論理を出力する処理を行い、処理１１０に進みペルチェ素子３の変換熱量を決定するペルチェ素子ドライバ４５のＰＷＭ制御信号のデューティーをTcの偏差のＰＩＤ演算により求める処理を実行し、処理１１１に進みＩＴＵ３９よりＰＷＭ制御信号を出力してペルチェ素子３の熱量を制御する。判断１１２はTcのフィードバックＰＩＤ制御の制御周期タイマがタイムアップするまで処理１１１での制御熱量を維持するための判断であり、タイムアップしない場合は判断１１２を繰り返し、タイムアップすれば判断１０１に進み上記処理を繰り返す。処理１０５はTsに対するTrの偏差を基にボウル２の目標制御温度Tcsを決定するTrのフィードバックＰＩ制御に於けるTcsの初期値となる熱平衡状態時のボウル２の推定温度Tc2＾を上記の（３）式により算出する処理であり、Tc2＾はTrのフィードバックＰＩ演算積分項の初期値となる。処理１１４はTrのフィードバックＰＩ制御の制御周期タイマを設定する処理であり、処理１１５に進みTcsをTrの偏差のＰＩＤ演算により求める処理を実行し、処理１１６に進みTcのフィードバックＰＩＤ制御の制御周期タイマを設定し、判断１１７に進みボウル２の温度Tcが目標制御温度以上であれば処理１１８に進み、Tcが目標制御温度未満であれば処理１１９に進む。処理１１８はペルチェ素子３がボウル２を冷却するようにＰ０ポートはＨＩ論理をＰ１ポートはＬＯＷ論理を出力し処理１２０に進み、処理１１９はペルチェ素子３がボウル２を加熱するようにＰ０ポートはＬＯＷ論理をＰ１ポートはＨＩ論理を出力する処理を行い、処理１２０に進みペルチェ素子ドライバ４５のＰＷＭ制御信号のデューティーをTcの偏差のＰＩＤ演算により求める処理を実行し、処理１２１に進みＩＴＵ３９よりＰＷＭ制御信号を出力する処理を行う。判断１２２はTcのフィードバックＰＩＤ制御の制御周期タイマがタイムアップするまで判断１１２を繰り返し、タイムアップすれば判断１２３に進みTrのフィードバックＰＩ制御の制御周期タイマがタイムアップするまで処理１１６以降を繰り返し、タイムアップすれば処理１１４以降を繰り返す。
【００３３】
従って、ボウル２の目標制御温度を決定するロータ１の温度のフィードバックＰＩ制御に於いて、ボウル２の目標制御温度の初期値を熱平衡状態時のボウル２の推定温度とすることにより、ロータ１の発熱量となるロータ１の表面とボウル２の表面間の輻射熱量とボールベアリング９から駆動シャフト８を通してロータ１に流れ込む熱伝導による熱量の差分をほぼゼロとすることができるため、ロータ１の温度を目標制御温度に素早く安定させる温度制御応答性を向上することができる。
【００３４】
なお、本実施例において、ボウル２の熱時定数は１０分程度であり、ロータ１の熱時定数はロータの種類により異なり２時間から１０時間程度である。ボウル２の温度のフィードバックＰＩＤ制御の制御周期タイマは数秒程度としており、ロータ１の温度のフィードバックＰＩ制御の制御周期タイマはボウル２の熱時定数より長く且つロータ１の熱時定数より短い３０分程度としているため、ロータの熱時定数に影響されてボウル温度が異常に変化することを抑制することができる。
また、従来の遠心機は、ペルチェ素子３を例えば６個のペルチェ素子全てを直列に接続する構成としていたが、例えばある素子が異常を来たし抵抗値が他の素子に対して大きくなると抵抗値の大きな素子の電位差が大きくなり、素子の抵抗値は時間の経過と共に益々大きくなり、その素子に更に電圧が集中し、この結果、最終的には素子が焼損してしまう問題があった。このため、本実施例に於いては、ペルチェ素子３は２個の素子を直列接続したものを３列に並列接続した構成とし特定の素子への電圧集中等による素子破壊を防止している。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、駆動シャフトによりモータに連結される遠心機用ロータの表面を囲むボウルと、ボウルを加熱又は冷却する手段と、ボウルを加熱又は冷却する手段の吸熱又は放熱源となるフィンプレートと、フィンプレート上に設置され天板ドアにより密閉されボウルを真空密封する真空チャンバと、ロータの温度を測定する手段と、ボウルの温度を測定する手段と、ロータの温度制御のためロータの目標温度とロータの測定温度の偏差をフィードバック量としてボウルを加熱又は冷却する手段の熱量を調節しボウルの温度を制御する制御手段を設け、制御手段は遠心機の雰囲気温度を測定する手段を備え、ロータの温度が目標制御温度の所定の範囲内に入った時に、ボウルの制御温度はロータの目標制御温度と遠心回転数と気温より定める熱平衡時のボウルの制御温度とし、制御手段のロータの温度の目標制御温度の偏差を基にボウルの目標制御温度を生成する制御周期はロータの加熱又は冷却の時定数よりも短くし且つボウルの加熱又は冷却の時定数よりも長くするようにしたので、制御開始時のロータ温度の過渡的な変化を小さくでき且つロータの熱時定数に影響されてボウル温度が変化することを抑制することができるため、遠心機のロータの種類によらずロータの温度を目標制御温度に合わせる温度制御を短時間で且つ安定して行うことをができる。
【００３６】
また、ロータの温度を測定する手段の校正値及び実際の前記ロータの温度制御結果に基づく補正値等から成る温度補正データを制御手段により格納する記憶装置をロータの温度を測定する放射温度計アセンブリ内に設け、制御手段がロータの温度制御時に記憶装置から温度校正データを読み出し、ロータを温度制御するようにしたので、校正作業時に遠心機本体を分解・再組み立てすることなく放射温度計アセンブリ内に校正値等を格納可能となり、また放射温度計アセンブリの故障等による交換において再校正が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる遠心分離機のロータ温度制御装置の具体的実施例を示したブロック図である。
【図２】図１の詳細な実施例を示すブロック回路図である。
【図３】ボウルを加熱・冷却する際のペルチェ素子ドライバの制御状態を示す図である。
【図４】ＣＰＵが計測するロータの温度に於ける制御目標温度に対する補正温度の様子を示した図である。
【図５】ＣＰＵが計測するロータの温度における遠心分離機の遠心回転数に対する補正温度の様子を示した図である。
【図６】ロータの温度制御におけるのロータの温度とボウルの温度の時間の経過による変化の様子の一例を示した図である。
【図７】ロータの温度制御におけるのロータの温度とボウルの温度の時間の経過による変化の様子の一例を示した図である。
【図８】ＣＰＵのロータの温度制御処理のフローチャートを示した図である。
【符号の説明】
１はロータ、２はボウル、３はボウルを加熱又は冷却する手段、４はフィンプレート、５は真空チャンバ、６は天板ドア、７はモータ、８は駆動シャフト、９はボールベアリング、１０はボウルの温度を測定する手段，１１はボウルの温度を測定する手段、１２は放射温度計アセンブリ、１３はロータの温度制御のためロータの目標温度とロータの測定温度の偏差をフィードバック量としてボウルを加熱又は冷却する手段の熱量を調節しボウルの温度を制御する制御手段、３２は遠心機の雰囲気温度を測定する手段、４６はロータの温度を測定する手段の校正値及び実際の前記ロータの温度制御結果に基づく補正値等から成る温度補正データを制御手段により格納する記憶装置である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotor temperature control device for a centrifuge that controls the temperature of a rotor mounted on the centrifuge.
[0002]
[Prior art]
In a centrifuge, the temperature of a rotor that is coupled by a motor and a drive shaft in a bowl that is almost a vacuum space and is driven to rotate by the motor depends on the amount of heat due to radiant heat transfer from the bowl and the amount of heat that is transferred from the motor through the drive shaft. Ruled.
[0003]
In a conventional centrifuge rotor temperature control device, the heating and cooling of the bowl is performed by a Peltier element that can change the amount of converted heat and the amount of heat according to the direction and magnitude of the current. In order to maintain a predetermined temperature, the deviation between the measured temperature of the rotor and the target control temperature of the rotor is used as a feedback amount, and this is proportional and integrated, and the sum and the direction and magnitude of the current flowing through the Peltier element are used as the control amount. Control or PID control was performed. The heating and cooling of the bowl is performed by passing the maximum rated current through the Peltier element when the rotor temperature is not within the predetermined range of the target control temperature. The initial value of the integral term in PI control is determined by the target control temperature and the air temperature of the rotor.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The rotor used in the centrifuge has various external dimensions, shape, mass, material, specific heat, surface emissivity, etc., and the thermal time constant in the above-mentioned radiation heat transfer system varies greatly depending on the type of rotor. In the rotor temperature control apparatus, the control stability is governed by the thermal time constant inherent to the rotor and the feedback multiplier of the PI control. In other words, the conventional centrifugal separator becomes unstable as the rotor thermal time constant increases. For example, if the PI control multiplier is set so that stable operation is possible with a rotor having a small thermal time constant, the thermal time constant increases. If the rotor of the mass or specific heat is large, the bowl temperature will diverge and vibrate and the rotor temperature cannot be stabilized, and if the PI control integral term multiplier is set small so that the rotor can be stabilized with a large thermal time constant. There is a problem in that the time response when the rotor temperature converges to the target control temperature is deteriorated.
[0005]
Further, in the conventional centrifugal separator, as a means for measuring the temperature of the rotor, for example, a non-contact temperature measuring element such as a radiation thermometer, that is, a thermopile, and an amplifier that amplifies a minute voltage signal output from the element are used. It is necessary to calibrate the temperature measuring element and the amplifier, and it is common to use means for adjusting with a semi-fixed resistor, etc., but these semi-fixed resistors are used in preparation for replacement in case of failure of the radiation thermometer. It is provided in a radiation thermometer assembly separate from the centrifuge body.
[0006]
Therefore, if re-adjustment is necessary as a result of the actual temperature control of the rotor, it is necessary to reassemble after disassembling the centrifuge body once and changing the setting of the semi-fixed resistor in the radiation thermometer assembly, These calibration tasks have been problematic in that they are inefficient.
[0007]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to make it possible to stably perform temperature control for adjusting the rotor temperature to the target control temperature in a short time regardless of the type of rotor of the centrifuge. It is providing the rotor temperature control apparatus of this.
[0008]
Another object of the present invention is to provide a centrifuge rotor temperature that can store calibration values and the like in a radiation thermometer assembly without disassembling and reassembling the centrifuge body at the time of the calibration operation. It is to provide a control device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The above objects include a bowl surrounding the surface of a centrifuge rotor connected to a motor by a drive shaft, a means for heating or cooling the bowl, a fin plate serving as a heat absorption or heat radiation source for the means for heating or cooling the bowl, A vacuum chamber installed on the fin plate and hermetically sealed by a top door and vacuum-sealing the bowl, means for measuring the temperature of the rotor, means for measuring the temperature of the bowl, and the target temperature of the rotor for controlling the temperature of the rotor And a control means for controlling the temperature of the bowl by adjusting the amount of heat of the means for heating or cooling the bowl using the deviation of the measured temperature of the rotor as a feedback amount, and the control means comprises means for measuring the ambient temperature of the centrifuge, When the temperature of the bowl falls within a predetermined range of the target control temperature, the control temperature of the bowl is determined by the target control temperature of the rotor, the centrifugal speed, and the air temperature. The control cycle for generating the target control temperature of the bowl based on the deviation of the target control temperature of the rotor temperature of the control means is shorter than the time constant of heating or cooling of the rotor. And longer than the time constant for heating or cooling the bowl.
[0010]
Further, the above object is to provide a storage device for storing temperature correction data including a calibration value of the means for measuring the rotor temperature and a correction value based on the actual temperature control result of the rotor by the control means in the assembly for measuring the rotor temperature. And the control means reads the temperature calibration data from the storage device during the temperature control of the rotor, and achieves temperature control of the rotor.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Specific embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a rotor temperature control device for a centrifuge according to a specific embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a rotor that is a target of temperature control and centrifuges a sample. Reference numeral 2 denotes a rotor that surrounds the surface of the rotor 1 and performs heat exchange with the rotor 1 by radiant heat transfer. Etc., and 3 is a Peltier element that can contact the bowl 2 and can change the positive / negative and amount of power conversion heat amount depending on the direction and magnitude of the current, for example, a means for heating or cooling the bowl 2 by heat conduction. Yes, 4 is a fin plate that is in contact with the contact surface of the bowl 2 of the Peltier element 3 and serves as a heat absorption and heat radiation source for the Peltier element 3, and 5 is installed on the fin plate 4 and sealed by a top door 6 A vacuum chamber for vacuum-sealing. 7 is a motor that rotationally drives the

rotor

1, 8 is a drive shaft that transmits the torque of the motor 7 to the

rotor

1, and 9 is a ball bearing that is fixed within the motor 7 and supports the drive shaft 8. 10 is a thermopile for measuring the surface temperature of the rotor 1 in a non-contact manner, for example, which is a means for measuring the temperature of the rotor 1, and 11 is a means for measuring the temperature of the bowl 2, for example, in contact with the bowl 2 and depending on its own temperature. A resistance thermistor or a temperature measurement IC or the like, 12 is a radiation thermometer assembly corresponding to the thermopile 10 on a one-to-one basis, and 13 is a measurement of the target temperature of the rotor 1 and the rotor 1 for controlling the temperature of the rotor 1. Control means for controlling the temperature of the bowl 2 by adjusting the amount of heat of the means for heating or cooling the bowl 2 using the temperature deviation as a feedback amount.
[0012]
Next, the operation of the centrifuge rotor temperature control apparatus in this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 8, the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
[0013]
FIG. 2 shows details of the control means 13 for controlling the temperature of the bowl by adjusting the amount of heat of the means for heating or cooling the bowl by using the deviation between the target temperature of the rotor and the measured temperature of the rotor as a feedback amount for controlling the temperature of the rotor in FIG. It is a block circuit diagram which shows an Example. In FIG. 2, 15 is a thermopile part that converts the amount of radiant heat due to the temperature difference between the temperature of the rotor 1 to be measured and its own temperature into voltage, and 16 is the reference temperature of the thermopile 10 itself that measures the relative temperature. It is a thermistor built in the thermopile 10 so that it can be grasped.
[0014]
20 is a control voltage source + Vcc for the control means 13 and the

radiation thermometer assembly

12, and 21 is the ground. 22 is provided in the radiation thermometer assembly 12, and the thermopile 10 itself performs differential amplification with the voltage obtained by dividing + Vcc by the thermistor 16 and the resistor 17 based on the voltage obtained by dividing + Vcc by the resistors 18 and 19. Is a differential amplifier that outputs a temperature signal of the thermopile unit 15 to the control means 13 as a voltage signal. A differential amplifier 23 is provided in the radiation thermometer assembly 12 to differentially amplify the output voltage of the thermopile unit 15 and control the temperature difference from the rotor 1 as a voltage signal. This is a differential amplifier that outputs to the means 13. A differential amplifier 24 differentially amplifies the reference voltage 25 and the temperature voltage signal of the thermopile 10 itself output from the

differential amplifier

22, and 26 denotes a temperature between the thermopile 10 output from the differential amplifier 23 and the rotor 1. This is a differential amplifier that amplifies the differential voltage signal with respect to the

reference voltage

27, and 31 is a voltage obtained by dividing + Vcc by

resistors

29 and 30, and + Vcc is divided by the bowl temperature measuring thermistor 11 and resistor 28. This is a differential amplifier that performs differential amplification with the compressed voltage and outputs the bowl temperature as a voltage signal.
[0015]
Reference numeral 32 denotes a temperature measurement IC or the like in which the output voltage changes depending on the temperature serving as a means for measuring the ambient temperature of the centrifuge. Reference numeral 33 denotes a differential signal between the reference voltage 34 and the output voltage of the temperature IC 32 to obtain the ambient temperature as a voltage signal. Is output as a differential amplifier. Reference numeral 45 denotes a Peltier device driver composed of switching elements such as FETs or IGBTs constituting a bridge and freewheeling diodes connected in parallel in the reverse direction to the respective switching elements, and a current flowing from the constant voltage source 44 to the Peltier element 3 Control the amount of current and its direction.
[0016]
Reference numeral 14 denotes a CPU which inputs the temperature voltage signal of the thermopile itself, the temperature difference voltage signal of the rotor 1, the bowl temperature voltage signal, and the ambient temperature voltage signal and outputs a control signal of the Peltier element driver 45. 43 is a ROM for storing the processing program of the

CPU

14, 42 is a keyboard provided so that the user can input the set temperature of the rotor 1 to the centrifuge, and its output is the PA port of the CPU 14. Is input.
[0017]
Reference numeral 35 denotes an A / D converter built in the CPU 14 for converting the thermopile temperature voltage signal output from the differential amplifier 24 into a digital value. Similarly,

reference numerals

36, 37, and 38 denote the rotor 1 output from the differential amplifier 26, respectively. Are an A / D converter that converts the temperature difference voltage signal, the bowl temperature voltage signal output from the differential amplifier 31, and the ambient temperature voltage signal output from the differential amplifier 33 into digital values, and 39 is supplied to the Peltier element 3. This is a timer unit with a built-in CPU 14 that outputs a pulse width control PWM signal for controlling the amount of current.
[0018]
The CPU 14 determines the temperature of the rotor 1 and the temperature of the bowl 2 based on the digital value of the temperature voltage signal of the thermopile itself by the A /

D converters

35, 36, and 37, the digital value of the temperature difference voltage signal of the rotor 1, and the digital value of the bowl temperature voltage signal. The temperature of the centrifuge is measured by the A / D converter 38, and the PWM signal for controlling the amount of current flowing from the timer unit 39 to the Peltier element 3 via the Peltier element driver 45 is supplied to the OR gate 40, A logic signal that determines the direction of current flowing from the P0 and P1 ports to the Peltier element 3 via the Peltier element driver 45 is output to the other input terminal of the OR gates 40 and 41. The current of the element 3 is controlled.
[0019]
46 is a non-volatile storage device that is provided in the radiation thermometer assembly 12 and stores temperature information including calibration values of the means 10 for measuring the rotor temperature and correction values based on the actual temperature control of the rotor 1 by the control means 13. The CPU 14 reads and writes temperature information using a built-in serial I / O SIO. The operation of each switching element U, V, X, Y of the Peltier element driver 45 for heating and cooling the bowl 2 will be described with reference to FIG. 3. When the bowl 2 is heated, the P1 port outputs HI ethics. Then, the switching elements V and X phase of the Peltier element driver 45 are turned off, the P0 port outputs LOW logic, and the U and Y phases perform PWM operation by OR with the PWM signal of the timer unit 39. Similarly, when cooling the bowl 2, the P0 port outputs HI, the P1 port outputs LOW logic, the U and Y phases of the Peltier device driver 45 are off, and the V and X phases perform PWM operation.
[0020]
The temperature of the rotor 1 measured by the CPU 14 in the present embodiment includes variations in the temperature difference voltage conversion characteristics of the thermopile 10 itself, variations in the gains of the differential amplifiers 22 and 23, and the number of rotations of the rotor 1 and the temperature of the rotor 1 itself. Since it is influenced and changed, it is obtained by correcting each factor. The temperature of the rotor 1 measured by the CPU 14 is Tr, the digital value of the temperature signal of the thermopile itself, the digital value of the temperature difference signal of the rotor 1, and the temperature of the rotor 1 obtained from the digital value of the bowl temperature signal are Th0, and the control target of the rotor 1 The correction temperature based on the temperature is Th1, the correction temperature for the rotational speed of the rotor 1 is Th2, the calibration temperature of the thermopile 10 for canceling the characteristic variations of the thermopile 10 and the differential amplifiers 22 and 23 is Th3, and the actual temperature control of the rotor 1 is performed. Assuming that the correction temperature based on Th4 is Th4, Tr is given by the following equation (1) as the sum of each.
[0021]
Tr = Th0 + Th1 + Th2 + Th3 + Th4 (1)
In equation (1), Th0 is the temperature Tx of the thermopile itself based on the digital value of the thermopile's own temperature voltage signal, the temperature differential voltage value Vs of the rotor 1 based on the digital value of the temperature differential voltage signal of the rotor 1, and the bowl temperature voltage signal. Is given by the following equation (2) from the digital value of the bowl temperature Tc and constants α and β obtained experimentally.
[0022]
[Expression 1]

[0023]
FIG. 4 is a view showing the state of the correction temperature Th1 with respect to the control target temperature at the temperature of the rotor 1 measured by the CPU 14, and FIG. 5 is a view showing the state of the correction temperature Th2 with respect to the centrifugal rotation speed of the centrifuge. is there. In this embodiment, Th1 and Th2 are both empirically determined values, Th1 is Th10 at the lowest control target temperature Ts0, and decreases from Ts0 to a certain control target temperature Ts1 in proportion to the control target temperature. , Ts1 or more becomes 0 (K). Th2 is 0 (K) from 0 rotation to a certain rotation speed N1, and increases from N1 or more in proportion to the rotation speed. The calibration temperature Th3 of the thermopile 10 is a value that cancels the temperature error of the temperature of the rotor 1 measured by the CPU 14 with respect to the actual temperature of the rotor 1, and Th1, Th2, and Th4 in the above equation (1) are 0 (K). It is obtained as a value obtained by subtracting the temperature of the rotor 1 measured by the CPU 14 from the actual temperature of the rotor 1 in a state where the rotor 1 is stopped and the target control temperature is set to Ts1. Th4 is a value that actually rotates the rotor 1 and performs temperature control to compensate for the difference between the measured temperature Tr of the rotor 1 and the actual temperature of the rotor 1.
[0024]
In this embodiment, for example, Th3 is obtained from the error between the actual temperature of the rotor 1 and the temperature of the rotor 1 measured by the CPU 14 when the centrifuge is shipped from the factory, and the value of Th3 is input to the CPU 14 from the keyboard 42. The value of Th3 is stored in the non-volatile memory 46 by SIO data transfer, and this is read from the non-volatile memory 46 when the temperature of the rotor 1 is controlled. Thereafter, when the rotor 1 is actually rotated and the temperature is controlled, if there is a difference between the measured temperature of the rotor 1 and the actual temperature of the rotor 1, the above Th4 is similarly stored in the nonvolatile memory 46 and the rotor 1 is stored. This is read out during temperature control and applied to equation (1). Therefore, by performing the calibration related to the temperature measurement of the rotor 1 described above, it is not necessary to disassemble / reassemble the centrifuge for gain adjustment and adjustment of the amplifier by a semi-fixed resistor or the like, thereby reducing the calibration man-hours. Is possible.
[0025]
In this embodiment, since the output voltages of the thermopile unit 15 and the thermistor 16 are very small, it is necessary to increase the amplification factors of the differential amplifiers 22 and 23 sufficiently. The differential amplifiers 22 and 23 prevent amplification of noise components. Therefore, it is provided in the radiation thermometer assembly 12 so as to be close to the thermopile 10. Accordingly, since the amplification factors of the

differential amplifiers

24 and 26 that amplify the output voltages of the differential amplifiers 22 and 23 in the control means 13 can be reduced, the variation in the temperature difference voltage conversion characteristics of the thermopile 10 itself, the differential amplifiers 22, Since the above temperature correction values Th3 and Th4 caused by errors in the thermopile 10 and the radiation temperature assembly 12 such as gain variation of 23 are irrelevant to the control means 13, for example, the thermopile 10 and the nonvolatile memory 46 Is provided in the radiation thermometer assembly 12 and temperature information such as Th3, Th4, etc. corresponding to each radiation thermometer assembly 12 is stored in the nonvolatile memory 46 in advance, thereby causing a failure of the radiation thermometer assembly 12 or the like. There is no need to recalibrate in exchange.
[0026]
Next, FIGS. 6 and 7 show changes in the temperature of the rotor 1 and the temperature of the bowl 2 over time when the temperature of the rotor 1 is cooled to the target control temperature and controlled to be constant at the target control temperature. It explains using. In this embodiment, the temperature control of the rotor 1 is performed by feedback of the temperature Tr of the rotor 1 and Tr feedback PI control for determining the target control temperature Tcs of the bowl 2 based on the deviation between Tr and the target control temperature Ts of the rotor 1. In addition, double feedback control of the temperature Tr of the rotor 1 and the temperature Tc of the bowl 2 is performed, which includes Tc feedback PID control that causes the temperature Tc of the bowl 2 to follow the above Tcs. FIG. 6 shows an example when the initial value Tc3 of Tcs in the feedback PI control of the temperature Tr of the rotor 1 for determining the target control temperature Tcs of the bowl 2 is significantly different from the temperature Tc2 of the bowl 2 in the thermal equilibrium state. Similarly, Tc3 is an example when Tc2 is close to Tc2. In each case, the solid line represents the temperature Tr of the rotor 1, the dashed line represents the temperature Tc of the bowl 2, and the broken line represents the target control temperature Tcs of the bowl 2. . Tr0 is the temperature Tr of the rotor 1 at time t0, Ts is the target control temperature of the rotor 1, Tc0 is the temperature Tc of the bowl 2 at time t0, and Tc1 is the lowest control temperature of the bowl 2. t1 to t5 indicate control timings for generating the target control temperature Tcs of the bowl 2 based on the deviation between the temperature Tr of the rotor 1 and the target control temperature Ts, and each interval represents a control cycle.
[0027]
6 and 7, at time t0, the temperature Tr of the rotor 1 is sufficiently higher than the target control temperature Ts to rapidly cool the rotor 1, and the target control temperature Tcs of the bowl 2 is made constant at Tc1 and the temperature of the bowl 2 is set. Tc feedback PID control is performed to make Tc follow the target temperature. From time t1 when Tr becomes approximately Ts, in addition to Tc feedback PID control, Tr is fed back and the target of bowl 2 is determined based on the deviation between Tr and Ts. Tr feedback PI control for determining the control temperature Tcs is started. As shown in FIG. 6, if the initial value Tc3 of Tcs in the PI control for determining Tcs is set to a value greatly different from the temperature Tc2 of the bowl 2 in the thermal equilibrium state, Tcs after time t2 takes a long time to converge to Tc2. Therefore, it takes a very long time until the temperature Tc of the bowl 2 becomes Tc2 and the temperature Tr of the rotor 1 converges and stabilizes at the target control temperature Ts of the rotor 1. On the other hand, Tc can be quickly converged to Tc2 by predicting the temperature Tc2 of the bowl 2 in the thermal equilibrium state in advance and setting the initial value Tc3 of Tcs close to Tc2 as shown in FIG. Can be improved.
[0028]
Further, the control cycle for generating the target control temperature of the bowl 2 based on the deviation of the target control temperature of the temperature of the rotor 1 is shorter than the time constant of heating or cooling of the rotor, and when the bowl 2 is heated or cooled. For example, taking the time from time t1 to time t2 in FIG. 7 as an example, the time for keeping Tcs constant is sufficiently longer than the thermal time constant of the bowl 2, so that Tc can converge to Tc3.
The temperature of the rotor 1 in this embodiment is governed by the amount of heat due to heat conduction transmitted from the ball bearing 9 through the drive shaft 8 and the amount of heat due to radiation generated between the surface of the rotor 1 and the surface of the bowl 2. A few watts at a time. Further, the amount of heat generated by radiation between the surface of the rotor 1 and the surface of the bowl 2 in a transient state in which the temperature of the rotor 1 changes is about 10 watts. The amount of heat generated by radiation between the top door 6 and the rotor 1 is about 1/100 of the amount of heat generated by radiation between the rotor 1 and the bowl 2 and can be ignored.
[0029]
In general, the amount of radiant heat between the surface of the rotor 1 and the surface of the bowl 2 is proportional to the difference of the fourth power of the surface temperature, and the amount of heat due to heat conduction flowing from the ball bearing 9 to the rotor 1 through the drive shaft 8 is It is proportional to the difference between the temperature of the rotor 1 and the temperature of the rotor 1, and the temperature of the bowl 2 when the temperature of the arbitrary ball bearing 9 and the temperature of the rotor 1 is in a thermal equilibrium state can be obtained by obtaining the proportional constant of both. it can. In this embodiment, the proportional constant is obtained empirically, and the temperature Tc of the bowl 2 at the time of thermal equilibrium is obtained in advance under the condition that the target control temperature Ts of the rotor 1 and the temperature Tb of the ball bearing 9 are different from each other. By performing multiple regression of Tc on factors Tb and Ts, the estimated temperature Tc2 ^ is given by the following equation that is linearly approximated.
[0030]
Tc2 ^ = A Ts + B Tb + C (3)
In the equation (3), A represents a coefficient of Ts, B represents a coefficient of Tb, and C represents a term unrelated to the factor.
Further, since the mechanical loss of the ball bearing 9 increases as the centrifugal rotation speed of the rotor 1 increases, Tb is a temperature proportional to the centrifugal rotation speed of the rotor 1 and can be predicted from the centrifugal rotation speed of the rotor 1 and the ambient temperature of the centrifuge. Temperature.
[0031]
Therefore, the CPU 14 knows the centrifugal rotation speed of the rotor 1 and the target control temperature of the rotor 1 before executing the control, and grasps the atmosphere temperature of the centrifuge so that the temperature of the bowl 2 at the time of thermal equilibrium in the temperature control of the rotor 1. Can be predicted in advance.
[0032]
In FIG. 8, the CPU 14 in this embodiment grasps the temperature of the rotor 1 and the bowl 2 and the ambient temperature of the centrifuge, and controls the current of the Peltier element 3 via the Peltier element driver 45 to change the temperature of the bowl 2. The flowchart of the process which controls the temperature of this is shown, and the predetermined process procedure is memorize | stored in ROM43. In the determination 101, if the temperature Tr of the rotor 1 measured by the above equation (1) is equal to or lower than the target control temperature Ts by a predetermined value X, the determination 101 is executed. Then, the process 102 proceeds to the process 106 with the target of the control temperature of the bowl 2 set as the minimum control temperature of the bowl 2 in order to rapidly cool the rotor 1 and quickly bring Tr close to Ts. In judgment 103, if Tr is a temperature lower than X by X with respect to Ts, Tr is within Ts ± X and the process proceeds to process 105. If less, the process proceeds to process 104, and process 104 rapidly heats Tr to quickly approach Ts. Therefore, the control temperature target of the bowl 2 is set as the maximum control temperature of the bowl 2 and the process proceeds to the process 106. The process 106 is a process for setting a control cycle timer for Tc feedback PID control for keeping the temperature of the bowl 2 constant at the target control temperature. The process proceeds to decision 107, and if the temperature Tc of the bowl 2 is equal to or higher than the target control temperature. Since it is necessary to cool the bowl 2, the process proceeds to process 108, and if Tc is less than the target control temperature, the process proceeds to process 109 in order to heat the bowl 2. The process 108 proceeds to process 110 in accordance with FIG. 3 so that the P0 port outputs HI logic and the P1 port outputs LOW logic so that the Peltier element 3 cools the bowl 2, and the process 109 proceeds to process 110. The P0 port performs the process of outputting the LOW logic and the P1 port outputs the HI logic so that the heating is performed. The process proceeds to process 110, and the duty of the PWM control signal of the Peltier element driver 45 that determines the amount of conversion heat of the Peltier element 3 is set to the deviation of Tc. The process obtained by the PID calculation is executed, the process proceeds to process 111, and a PWM control signal is output from the ITU 39 to control the heat quantity of the Peltier element 3. Judgment 112 is a judgment for maintaining the control heat amount in the process 111 until the control period timer of the feedback PID control of Tc is up. When the time is not up, the judgment 112 is repeated. Repeat the above process. The process 105 determines the target control temperature Tcs of the bowl 2 based on the deviation of Tr with respect to Ts. The estimated temperature Tc2 ^ of the bowl 2 in the thermal equilibrium state as the initial value of Tcs in the Tr feedback PI control is calculated as described above ( 3) This is a process calculated by the equation, and Tc2 ^ is the initial value of the Tr feedback PI calculation integral term. The process 114 is a process for setting a control cycle timer for Tr feedback PI control. The process proceeds to process 115, a process for obtaining Tcs by the PID calculation of the Tr deviation is performed, and the process proceeds to process 116, where the control period of Tc feedback PID control. A timer is set, and the process proceeds to decision 117, and if the temperature Tc of the bowl 2 is equal to or higher than the target control temperature, the process proceeds to process 118, and if Tc is less than the target control temperature, the process proceeds to process 119. Process 118 outputs P1 port HI logic and P1 port outputs LOW logic so that Peltier element 3 cools bowl 2 and proceeds to process 120, and process 119 sets P0 port so that Peltier element 3 heats bowl 2. The P1 port performs a process of outputting the HI logic to the LOW logic, and the process proceeds to process 120 to execute the process of obtaining the duty of the PWM control signal of the Peltier element driver 45 by the PID calculation of the deviation of Tc. Processing to output a control signal is performed. The determination 122 repeats the determination 112 until the control cycle timer of the Tc feedback PID control times out. If the time is up, the process proceeds to the determination 123, and repeats the processing 116 and subsequent steps until the control cycle timer of the Tr feedback PI control expires. If the time is up, the process 114 and subsequent steps are repeated.
[0033]
Therefore, in the feedback PI control of the temperature of the rotor 1 that determines the target control temperature of the bowl 2, the initial value of the target control temperature of the bowl 2 is set to the estimated temperature of the bowl 2 in the thermal equilibrium state, thereby The difference between the amount of radiant heat between the surface of the rotor 1 and the surface of the bowl 2 and the amount of heat due to heat conduction flowing from the ball bearing 9 to the rotor 1 through the drive shaft 8 can be made almost zero. It is possible to improve the temperature control responsiveness that quickly stabilizes the temperature at the target control temperature.
[0034]
In this embodiment, the thermal time constant of the bowl 2 is about 10 minutes, and the thermal time constant of the rotor 1 is about 2 to 10 hours depending on the type of the rotor. The control cycle timer of the temperature feedback PID control of the bowl 2 is about several seconds, and the control cycle timer of the temperature feedback PI control of the rotor 1 is longer than the thermal time constant of the bowl 2 and shorter than the thermal time constant of the rotor 30 for 30 minutes. Therefore, the bowl temperature can be prevented from changing abnormally due to the thermal time constant of the rotor.
Further, in the conventional centrifuge, for example, all six Peltier elements 3 are connected in series. For example, when one element becomes abnormal and the resistance value becomes larger than the other elements, the resistance value is increased. There is a problem that the potential difference of a large element increases, the resistance value of the element increases with time, and the voltage further concentrates on the element. As a result, the element eventually burns out. For this reason, in this embodiment, the Peltier element 3 has a structure in which two elements are connected in series and connected in parallel in three rows to prevent element destruction due to voltage concentration on a specific element.
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, a bowl surrounding the surface of a centrifuge rotor connected to a motor by a drive shaft, a means for heating or cooling the bowl, and a fin plate serving as a heat absorption or heat radiation source for the means for heating or cooling the bowl A vacuum chamber installed on the fin plate and sealed by a top door and vacuum-sealing the bowl, a means for measuring the temperature of the rotor, a means for measuring the temperature of the bowl, and a target of the rotor for controlling the temperature of the rotor A control means for controlling the temperature of the bowl by adjusting the amount of heat of the means for heating or cooling the bowl using the deviation between the temperature and the measured temperature of the rotor as a feedback amount is provided, and the control means comprises means for measuring the ambient temperature of the centrifuge, When the rotor temperature falls within the predetermined range of the target control temperature, the bowl control temperature is determined from the target control temperature of the rotor, the number of centrifugal revolutions, and the temperature. The control cycle for generating the target control temperature of the bowl based on the deviation of the target control temperature of the rotor temperature of the control means is set to be the control temperature of the bowl at the time of thermal equilibrium, and is shorter than the time constant of heating or cooling of the rotor and Since the time constant is longer than the heating or cooling time constant, the transient change of the rotor temperature at the start of control can be reduced, and the change of the bowl temperature due to the thermal time constant of the rotor can be suppressed. Therefore, temperature control that matches the rotor temperature to the target control temperature can be performed stably in a short time regardless of the type of rotor of the centrifuge.
[0036]
A radiation thermometer assembly for measuring the temperature of the rotor includes a storage device for storing temperature correction data comprising calibration values of the means for measuring the rotor temperature and correction values based on the actual temperature control result of the rotor. Because the control means reads the temperature calibration data from the storage device during the temperature control of the rotor and controls the rotor temperature, the radiation thermometer assembly does not have to be disassembled and reassembled during calibration work. Calibration values and the like can be stored, and re-calibration is not required in replacement due to a failure of the radiation thermometer assembly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a specific example of a rotor temperature control device for a centrifuge according to the present invention.
FIG. 2 is a block circuit diagram showing a detailed embodiment of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram illustrating a control state of a Peltier element driver when heating and cooling a bowl.
FIG. 4 is a view showing a state of a correction temperature with respect to a control target temperature at a rotor temperature measured by a CPU.
FIG. 5 is a diagram showing a state of correction temperature with respect to the centrifugal rotation speed of the centrifuge at the rotor temperature measured by the CPU.
FIG. 6 is a diagram showing an example of changes in rotor temperature and bowl temperature over time in rotor temperature control.
FIG. 7 is a diagram showing an example of changes in rotor temperature and bowl temperature over time in rotor temperature control.
FIG. 8 is a flowchart of a temperature control process for a rotor of a CPU.
[Explanation of symbols]
1 is a rotor, 2 is a bowl, 3 is a means for heating or cooling the bowl, 4 is a fin plate, 5 is a vacuum chamber, 6 is a top plate door, 7 is a motor, 8 is a drive shaft, 9 is a ball bearing, 10 is Means for measuring the temperature of the bowl, 11 means for measuring the temperature of the bowl, 12 is a radiation thermometer assembly, 13 is a feedback control of the deviation between the target temperature of the rotor and the measured temperature of the rotor for controlling the rotor temperature. Control means for adjusting the amount of heat of the means for heating or cooling and controlling the temperature of the bowl, 32 for means for measuring the ambient temperature of the centrifuge, 46 for the calibration value of means for measuring the temperature of the rotor, and the actual temperature of the rotor This is a storage device for storing temperature correction data including correction values based on the control result by the control means.

Claims

A bowl surrounding a surface of a centrifuge rotor connected to a motor by a drive shaft; means for heating or cooling the bowl; a fin plate serving as a heat absorption or heat radiation source for the means for heating or cooling the bowl; A vacuum chamber installed on a plate and hermetically sealed by a top door and vacuum-sealing the bowl; the bowl is in contact with only the means for heating or cooling the bowl in the vacuum chamber and exchanges heat with the rotor; For controlling the temperature of the rotor, a means for measuring the temperature of the rotor and a means for measuring the temperature of the bowl are provided, and a deviation between the target temperature of the rotor and the measured temperature of the rotor is calculated for temperature control of the rotor. Control means for controlling the temperature of the bowl by adjusting the amount of heat of the means for heating or cooling the bowl as a feedback amount is provided. DOO rotor temperature control system for a centrifuge which was characterized by.

When the deviation between the measured temperature of the rotor and the target control temperature of the rotor falls within a predetermined range, the control means temporarily sets the control temperature of the bowl to the control temperature of the bowl during thermal equilibrium. The centrifuge rotor temperature control device according to claim 1.

The control means comprises means for measuring the ambient temperature of the centrifuge, and the control temperature of the bowl at the time of thermal equilibrium is determined from the target control temperature of the rotor, the rotational speed of the rotor, and the ambient temperature. The rotor temperature control device of the centrifuge according to 2.

The control cycle for controlling the temperature of the bowl by using a deviation between the target temperature of the rotor and the measured temperature of the rotor as a feedback amount is shorter than the time constant of heating or cooling of the rotor and the time constant of heating or cooling of the bowl The rotor temperature control device for a centrifuge according to claim 1, wherein the rotor temperature control device is longer.

A bowl surrounding the surface of a centrifuge rotor connected to a motor by a drive shaft, means for heating or cooling the bowl, a fin plate serving as a heat absorption or heat radiation source for the means for heating or cooling the bowl, and the fin A vacuum chamber installed on a plate and hermetically sealed by a top door and vacuum-sealing the bowl; the bowl is in contact with only the means for heating or cooling the bowl in the vacuum chamber and exchanges heat with the rotor; For controlling the temperature of the rotor, means for measuring the temperature of the rotor, means for measuring the temperature of the bowl, and feedback of a deviation between the target temperature of the rotor and the measured temperature of the rotor for temperature control of the rotor Control means for controlling the temperature of the bowl by adjusting the amount of heat of the means for heating or cooling the bowl as an amount And a storage device for storing temperature information including a calibration value of the means for measuring the temperature of the rotor and a correction value based on the actual temperature control of the rotor by the control means, the storage device having a temperature of the rotor. The rotor temperature of the centrifuge is provided in an assembly corresponding one-to-one to the means for measuring the temperature, and the control means reads temperature information from the storage device during temperature control of the rotor and controls the temperature of the rotor Control device.