KR101042771B1 - 밸런서가 구비된 자동평형 원심분리기의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼이나 액체, 혹은 볼과 액체가 함께 포함된 밸런서가 구비되어 보다 안정적으로 로터가 회전할 수 있는 밸런서를 구비한 원심분리기의 제어방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 모터와 상기 모터로부터 돌출된 모터 회전축, 로터와 본체부와 상기 본체부와 결합하는 커버부에 의해 형성된 밸런싱 공간에 보상물질이 포함된 밸런서를 포함한 원심분리기에 대하여 시료에 탑재된 불평형에 대한 밸런싱을 보다 정확하고 안정적으로 수행되도록 제어함을 특징으로 한다.

원심분리, 밸런서, 회전체, 자동평형, 제어방법

Description

밸런서가 구비된 자동평형 원심분리기의 제어방법{Control of Automatic Balancing Centrifuge using Balancer}

본 발명은 밸런서가 구비된 원심분리기의 제어방법에 관한 것으로서 특히, 시료가 담긴 로터의 무게 불평형을 볼이나 액체, 혹은 볼과 액체를 포함한 밸런서를 이용하여 원심분리 할 때의 시료의 무게 불평형을 정확하고 안정적으로 보상할 수 있도록 로터의 회전을 제어함으로써, 불평형에 의한 진동을 감소시킴으로써 보다 안정적으로 로터가 회전하며 원심분리기의 수명을 향상시킬 수 있는 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 부유물이 있는 현탁액 또는 유체에 녹은 물질을 중력 대신 원심력을 이용하면 쉽게 침전현상을 가속시킬 수 있는데, 이런 과정을 원심분리라 한다.

이러한 원심분리에 사용하는 원심분리기는 현탁액에 함유된 물질 중 밀도가 높은 입자는 원심력에 의해 가장자리로 퍼지려고 하고, 밀도가 작은 입자는 중심으로 모이려고 하는 원리를 이용한 장치로서 일반적인 구성은 도 1에 도시한 바와 같다.

도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 일반적인 원심분리기는 케이스에 내측에 형성 된 지지판에 방진고무 또는 댐퍼와 같은 완충부재를 설치하고, 상기 완충부재의 상부에 브라켓 또는 지지판을 설치한다. 상기 브라켓 또는 지지판에는 모터를 설치하고, 상기 모터로부터 돌출된 회전축에 로터를 설치함이 일반적인 구성이다.

이러한 원심분리기는 그 사용 용도에 따라서 로터의 종류를 달리하는데, 로터가 모터의 회전축에 대해 수직으로 회전하는 수평형 로터, 로터 내부에 일정한 각도로 회전할 수 있는 공간이 마련되어 있는 고정각 로터가 있다.

원심분리기는 모터가 고속 회전하며, 수평형 로터 또는 고정각 로터 내부에 담긴 병이나 시험관 내의 시료에 강한 원심력을 부여하여 시료 내에 포함된 물질들이 밀도 차에 따른 원심력의 차이에 의해 분리되게 한다. 시료 내의 물질의 분리를 위해서는 시료에 강한 원심력을 부여하여야 하며, 원심력을 부여하기 위해서는 로터가 고속으로 회전하여야 함이 일반적이며, 로터의 고속 회전시 특히 진동이 발생하지 않아야 한다.

하지만 원심분리기의 고속 회전 과정에서 모터의 회전축의 휨 운동, 로터의 무게 불평형에 의한 훨링모션(whirling motion), 기타 외부 인자에 의한 영향이 복합적으로 작용하여 진동이 발생하게 되며, 이러한 진동의 원인 중 대부분은 로터의 무게 불평형에 의한 훨링모션(whiriling motion)이 차지한다.

따라서, 밸런서가 없는 원심분리기에서는 작업자가 로터에 담긴 시료의 개수나 각 시료의 무게 차이 등에 의해 발생하는 로터의 무게 불평형을 제거하기 위해 미리 원심분리 작업 전에 시료의 무게를 별도로 측정하여, 상대 시료 간의 무게 차이를 제거한 후 로터를 회전시켜 원심분리를 하여만 하는 작업상의 불편이 있었다.

만약 상대 시료 간의 무게의 불평형이 발생하는 경우에는 원심분리 과정에서 진동이 발생, 시료 내의 물질들이 분리가 되지 않거나, 분리가 되더라도, 진동에 의해 다시 혼합되는 문제가 발생하게 된다. 또한, 상기 진동에 의해 원심분리 과정에서 소음이 발생한다.

원심분리기에는 시료 간의 무게 불평형에 기인한 힘과 모멘트가 작용하게 되어, 과진동을 유발함으로써 원심분리기 자체의 고장 원인이 되는 문제점이 있었다. 이러한 원심분리 과정에서 발생하는 소음과 진동의 문제를 해결하기 위해서, 댐퍼 또는 고무와 같은 완충부재를 설치하였으나, 소음과 진동을 충분히 흡수하지 못한다는 단점이 있었다. 따라서, 시료 사이의 무게 불평형에 기인한 소음과 진동의 문제를 해결하기 위해 볼을 포함하는 밸런서를 구비한 원심분리기가 제안된 바 있다.

도 3a, 3b에 도시한 볼 밸런서는 원형 고리형상으로 밸런싱 공간(150)이 형성된 케이스(130)의 내부에 보상물질을 설치하여 구성된 것으로, 밸런서의 중앙에는 모터의 회전축이 고정되는 축공부(105)가 형성되어 있다.

이와 같이 구성된 볼 밸런서는 케이스(130)의 내부에 형성된 밸런싱 공간(150)의 일부를 채울 수 있도록 볼(160)이 구비되어 있으며, 모터(미도시)의 회전속도가 공진 속도 이상일 경우에 볼들이 무게 불평형량이 존재하는 반대방향으로 이동하여 로터(미도시)가 균형을 이루게 하여 회전이 안정적으로 이루어질 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 시스템의 진동특성이나 볼의 초기위치, 밸런서 내부의 마찰 등 여러 가지 요인에 의하여 밸런싱이 정확히 이루어 지지 않을 경우가 종종 발생하며, 이러한 경우에 로터가 고속으로 회전하게 되면 강한 진동과 소음을 유발하게 되고 안전사고로 이어질 수 있다는 단점이 있었다.

본 발명은 밸런서가 구비된 원심분리기에 대하여, 불평형의 보상이 정확히 이루어지지 않았거나, 로터의 고속 회전 시에 시스템의 파손, 외력의 작용 등에 의해 보상물질의 불규칙적으로 움직임으로써 발생할 수 있는 과진동 등의 문제점을 해결하기 위한 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 시료를 외부에서 사용자가 무게를 정확히 맞추어 탑재하지 않더라도 자동으로 밸런싱을 맞추어주는 볼이나 액체, 혹은 볼과 액체가 들어있는 밸런서의 제어를 원활히 하는데 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 밸런서가 구비된 원심분리 장치는,

목표 회전속도로 가속하는 기본적인 제어방식에 추가적으로 밸런싱이 이루어지는 공진속도 이상으로 가속하는 단계, 진동가속도를 측정하는 단계, 가속가능 여부를 판단하는 단계, 공진이하의 속도로 감속하는 단계가 추가된 제어방식으로 구성됨을 특징으로 한다.

(1) 로터의 고속회전 이전에 밸런싱 정확도를 판단하여 가속 여부를 결정하므로, 불평형과 고속회전으로 인한 소음 및 장비의 파손을 사전 예방할 수 있다.

(2) 로터 가속 여부 판단 시에 목표 회전속도와 허용가능 불평형의 양을 비교판단하므로, 밸런싱의 실패 확률을 낮추고 원심분리 시간을 절약할 수 있다.

(3) 최대보상가능 불평형을 초과한 경우 저속구간에서 미리 경고하고 가동을 중지하므로, 불필요한 밸런싱 시도 횟수를 줄임으로써 원심분리 시간을 절약할 수 있다.

(4) 로터의 고속 회전시에 나타날 수 있는 과진동을 신속하게 파악하여 로터를 정지하므로, 과진동에 의하여 발생가능한 소음 및 장비 파손을 방지할 수 있다.

(5) 로터의 종류를 저속회전 구간에서 미리 판단하여 입력된 로터종류 설정과 비교하여 설정의 오류를 확인하므로, 잘못된 설정에 의하여 발생하는 제어오류를 사전에 방지함으로써 원심분리 시간절약 및 안전사고를 예방한다.

(6) 진동이 강하고 위상이 불평형과 반대방향이 되는 공진구간에서 로터를 감속 혹은 일정시간 정지시키므로, 밸런싱 효과가 우수하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 밸런서를 구비한 원심분리기는 모터(50),상기 모터로부터 돌출된 모터의 회전축(40), 로터(200, 200a)와 밸런서(100)로 구성된다.

이하에서는 도 2a와 2b, 2c와 2d를 참조하여 자세히 설명한다.

본 발명의 원심분리기는 외부 케이스(10)의 내부에 지지판(15)이 있으며, 상기 지지판(15)에 설치된 모터(50)로부터 돌출된 모터의 회전축(40)에 로터(200, 200a) 를 설치하여 구성된다.

상기 모터(50)는 댐퍼 또는 고무와 같은 완충부재(30)에 의해 지지되는 것이 바람직하다. 상기 완충부재(30)가 상기 모터(50)의 고속 회전에 의해 원심분리기에 발생하는 소음과 진동의 일부를 흡수하는 역할을 수행한다.

상기 모터(50)로부터 돌출된 모터의 회전축(40)은 다수의 챔버부(60)가 형성된 고정각 로터(200)와 결합한다. 상기 고정각 로터(200)에 형성된 챔버부(60)는 도 2a와 2b에 도시한 바와 같이, 상기 챔버부의 하단(미도시)이 상기 모터의 회전축(40)의 중심에 대하여 바깥 방향으로 경사지게 벌어지도록 형성되어 있다.

또한, 다른 실시예로 상기 원심분리기는 도 2c와 2d에 도시한 바와 같이, 수평형 로터(200a)를 설치하여 구성되며, 상기 수평형 로터(200a)는 상기 모터의 회전축(40)에 대하여 수직으로 회전한다. 상기 수평형 로터(200a)는 고리(미도시)에 의해 시료가 담길 버켓(미도시)을 걸도록 구성된다.

위와 같이 구성된 원심분리기에 있어, 상기 모터의 회전축(40)이나 로터(200, 200a)의 일부에 후술할 밸런서(100)가 설치된다.

이하에서는 도 3a와 3b를 참조하여 상기 밸런서(100)에 대해서 자세히 설명한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 밸런서(100)는 커버부(120)와 본체부(130)의 결합으로 이루어지며, 상기 커버부(120)와 상기 본체부(130)와의 결합은 서로 대응되는 위치에 형성된 홈과 돌기(미도시) 또는 스크류(미도시) 등의 방법에 의해 가능하다. 이와 같은 두 부재 사이의 결합방식은 널리 알려져 있으므로, 그 자세한 설명은 생략한다.

상기 밸런서(100)의 중심에는 상기 모터의 회전축(40)이나 상기 로터(200, 200a)의 일부와 결합할 수 있도록 관통공(105)이 형성된 결합부(110)가 있다.

상기 밸런서(100)의 내부에는 환형의 밸런싱 공간(150)이 있으며, 원심분리과정에서 시료 사이의 무게 불평형량의 밸런싱을 위해 보상물질이 포함되어 저장된다. 상기 보상물질은 고체나 액체, 혹은 고체와 액체의 혼합물 등 여러 가지 구성을 생각할 수 있으며, 이에 대한 제한을 두지 않는다. 상기 밸런싱 공간(150)에 저장되는 보상물질의 양은 원심분리작업 조건에 따라, 적정 수준으로 가감할 수 있다.

상기 밸런서의 보상물질은 도 4에 도시된 바와 같이 로터 회전속도가 공진속도보다 작을 경우 불평형질량과 같은 방향에 위치하여 전체 불평형을 가중시켜서 더욱 강한 진동을 유발하며, 로터 회전속도가 공진속도를 넘어가면서 보상물질은 불평형과 반대방향으로 이동하여 평형을 맞추고 진동을 감소시키게 된다. 일반적으로 밸런서 내부에 포함된 보상물질의 불평형에 대한 초기위치는 보상물질의 이동이 거의 이루어지지 않는 영역이 존재하기 때문에 밸런싱이 이상적으로 이루어지지 않는 경우가 발생한다. 따라서, 밸런싱이 정확히 이루어지지 않을 경우에는 도 5에 도시한 바와 같이 로터 감속 후, 밸런싱을 재수행함으로써 정확한 밸런싱이 이루어지도록 한다. 상기 과정에서 사용되는 밸런싱 정확도 판단은 로터의 저속회전 시에 수행되어 가속여부를 판단할 때 전체 원심분리 시간을 절약할 수 있어 효율적이다.

밸런싱 정확도 판단기준은 설정 회전속도에 따라 허용가능한 진동가속도 혹은 불평형량을 기준으로 정하는 것이 효율적이다. 즉, 설정 회전속도에 따라 허용가능한 최대 진동값의 차이가 존재하며 허용 진동가속도를 너무 낮게 설정할 경우 정확한 밸런싱이 이루어지기까지 밸런싱 시도횟수가 증가하고, 반대로 허용 진동가속도를 높게 설정할 경우 시스템에 과도한 진동이 발생하게 되어 제품 수명이 단축되거나 안전사고로 이어질 수 있다.

상기 밸런싱 정확도 판단 과정을 거친 후에 로터가 설정회전속도로 가속하거나 설정회전속도에 도달하여 정속을 유지할 경우에도 밸런서 내부 보상물질의 불규칙한 이동 혹은 시스템의 파손, 외력의 작용 등 여러 가지 요인에 의하여 밸런싱이 흐트러져서 진동이 커지는 경우가 발생한다.

따라서 각 로터 회전속도에 상응하는 진동 허용한도를 설정하여 해당 회전속도에 대하여 허용진동가속도가 측정된 진동가속도에 비해 클 경우에는 로터의 회전을 멈춤으로써 장비의 파손 및 안전사고를 방지하도록 한다.

도 6에는 임의의 설정 회전속도(350)에 대하여 진동 허용한도(300)과 여러 형태의 진동특성 곡선(310,320,330)에 대한 예를 도시하고 있다. 실선으로 나타낸 설정 회전속도(350)는 설정속도를 다르게 설정할 경우 새로 설정한 속도에 적합한 진동허 용한도를 적용하여 사용하는 것이 바람직하다. 점선으로 나타낸 특성곡선(310)은 저속에서 설정속도까지 가속 중에 진동 허용한도를 초과하지 않으므로 설정속도까지 가속이 가능한 경우를 나타낸다. 1점 쇄선으로 나타낸 특성곡선(320)은 저속에서부터 진동허용한도에 비해 진동수준이 높으므로 가속을 중단하고 감속 후 다시 밸런싱을 수행하는 것이 안전하다. 2점 쇄선으로 나타낸 특성곡선(330)은 진동 허용 한도곡선과 교차하는 지점(340)에서 설정속도까지 허용진동한도보다 높게 나타난다. 즉, 이와 같은 특성을 보일 경우(330)에는 두 곡선의 교차점이 나타나는 시점에 감속하여 다시 밸런싱을 수행하여야 하며, 혹은 교차점이 나타난 이후에 얼마간의 시간 간격을 두어 진동특성을 조금 더 관찰 후 감속하는 등의 유사한 제어방식을 사용하는 방법도 적용 가능하다.

상기 회전속도에 따른 허용진동은 시스템의 진동특성에 따라 달라지며, 이러한 진동특성은 사용하는 로터의 종류에 따라 다르다. 일반적으로 사용하는 원심분리기는 시스템에 장착한 로터의 종류를 사용자가 입력하는 방식을 사용하고 있으며 입력된 로터종류에 따라 입력된 설정 회전속도 및 각 회전속도에 대한 최대 허용 진동 가속도를 과진동 판단 기준으로 사용한다. 상기 입력된 로터가 실제 설치된 로터의 종류와 상이할 경우에는 잘못된 허용 진동가속도 정보를 시스템이 인지하게 되는 문제가 발생하게 된다. 따라서 실제 장착된 로터의 종류를 판단할 필요가 있으며, 로터의 종류에 따라 각기 다른 공진속도를 가지고 있음을 이용하여 로터 가속 시에 진동가속도를 측정하여 공진속도를 비교함으로써 설치된 로터의 종류를 판단할 수 있다. 만일 입력된 로터 정보와 실제 사용하는 로터 정보가 서로 상이할 경우 이를 사용자에게 알리고 회전을 멈춤으로써 로터 종류를 확인하고 이를 바로잡아 원심분리기의 안정적인 사용이 가능하도록 한다.

상기 밸런서를 구비한 원심분리기는 최대 보상가능 불평형이 정해져 있으며 시료의 불평형이 보상가능질량을 초과하여 탑재할 경우 밸런싱이 이루어지지 않는다. 따라서 불평형이 보상한도보다 작을 경우에 비해 불평형이 보상한도를 초과할 경우에 진동가속도가 커지며 이를 미리 감지할 수 있다면 불필요한 밸런싱 시도횟수를 줄여 원심분리에 걸리는 시간을 단축할 수 있다. 상기 목적을 달성하기 위해 허용보상한도와 같은 크기의 불평형을 탑재한 경우의 진동 수준에 비해 진동 수준이 높을 경우에는 허용보상질량 초과를 알리고 원심분리 작업을 중지하도록 할 수 있다.

상기 밸런서를 구비한 원심분리기 로터의 가속을 제어함으로써 정확한 밸런싱이 이루어지도록 할 수 있다. 도 4에 나타난 바와 같이 밸런싱은 로터의 회전속도가 공진구간을 지날 때 발생하는 진동과 위상변화에 의하여 보상물질이 불평형의 반대방향으로 이동함으로써 이루어진다. 따라서 로터 회전속도가 공진구간을 빠르게 지나칠 경우에는 보상물질이 불평형의 반대방향으로 충분히 이동할 수 없다. 이러한 경우 공진구간에서 로터 회전가속도를 작게 하거나 일정시간 정속을 유지함으로써 보상물질이 불평형의 반대방향으로 정확하게 이동하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

도 1a는 종래의 원심분리기(고정각 로터형)의 실시예이며, 도 1b는 종래의 원심분리기(수평형 로터형)의 실시예이다.

도 2a와 2b,2c와 2d는 밸런서를 구비한 원심분리기의 실시예를 도시한 단면도이다.

도 3a는 종래 밸런서의 실시예를 도시한 단면도, 도 3b는 사시도이다.

도 4는 공진속도에 대한 보상물질의 이론적인 위치를 도시한 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 밸런서를 구비한 원심분리기의 제어방법에 대한 순서도이다.

도 6은 회전속도에 대한 진동 허용범위 및 여러 가지 진동 특성곡선에 대한 일예를 도시한 그래프이다.

Claims (8)

1. 청구항 1.

   모터와,

   상기 모터로부터 돌출된 모터 회전축,

   상기 모터의 회전축에 연결된 로터;

   밸런서로 이루어지되,

   상기 밸런서는 내부에 환형 형상의 공간을 갖는 본체와 상기 본체와 결합하는 커버에 의해 형성된 밸런싱 공간을 가지며,

   상기 밸런싱 공간에는 보상질량으로 작용하는 물질을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 밸런서를 구비한 원심분리기에 대하여,

   로터를 임의로 설정한 회전속도로 가속하는 단계, 진동 크기를 측정하는 단계, 상기 단계에서 측정된 진동 크기 분석을 통하여 보상물질이 불평형과 반대방향으로 정확게 이동하였는지 판단하여 가속가능 여부를 판단하는 단계, 상기 판단 단계에서 가속 불가능하다고 판단될 경우에 대 하여 공진속도보다 낮은 속도로 감속하거나 완전히 정지시킨 후 앞서 기술한 가속, 측정, 분석, 판단 단계를 반복하여 가속 가능하 다고 판단될 경우에 최종 설정 속도로 가속하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 제어방법
2. 삭제
3. 청구항 1에 대하여,

   설정속도로 가속가능 여부를 판단하는 단계에 대하여,

   원심분리기의 파손, 수명단축의 문제를 야기하지 않는 수준의 진동가속도 혹은 불평형량을 설정속도에 따라 개별적으로 판단하여 측정된 진동가속도 혹은 불평형량과 비교하여 가속가능여부 판단 기준으로 사용하는 것을 특징으로 하는 제어방법
4. 청구항 1에 대하여,

   설정속도로 가속가능 여부를 판단하는 단계에 대하여,

   측정된 불평형량이 질량 보상허용한도를 초과하는 경우에 대하여 원심분리기 가동을 중단하고 시료 불평형량의 보상허용한도 초과에 대하여 경고하도록 하는 것을 특징으로 하는 제어방법
5. 청구항 1에 대하여,

   로터가 가속하거나 설정 속도에 도달하여 정속을 유지할 때에 대하여,

   원심분리기의 파손, 수명단축의 문제를 발생할 수 있는 수준의 진동 세기 혹은 불평형량을 설정속도에 따라 개별적으로 판단하여 원심분리기 가동중단 여부의 판단 기준으로 사용하는 것을 특징으로 하는 제어방법
6. 모터와,

   상기 모터로부터 돌출된 모터 회전축,

   상기 모터의 회전축에 연결된 로터;

   밸런서로 이루어지되,

   상기 밸런서는 내부에 환형 형상의 공간을 갖는 본체와 상기 본체와 결합하는 커버에 의해 형성된 밸런싱 공간을 가지며,

   상기 밸런싱 공간에는 보상질량으로 작용하는 물질을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 밸런서를 구비한 원심분리기에 대하여,

   로터의 회전속도가 공진속도를 지나면서 공진주파수를 감지하여 로터의 부하를 판별하며 입력된 로터 부하와 상이할 경우 로터의 회전을 정지시키고 제어 시스템에 회전축에 설치된 로터의 부하가 자동으로 입력되고 다시 로터를 가속하여 원심분리를 수행할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 제어방법
7. 삭제
8. 모터와,

   상기 모터로부터 돌출된 모터 회전축,

   상기 모터의 회전축에 연결된 로터;

   밸런서로 이루어지되,

   상기 밸런서는 내부에 환형 형상의 공간을 갖는 본체와 상기 본체와 결합하는 커버에 의해 형성된 밸런싱 공간을 가지며,

   상기 밸런싱 공간에는 보상질량으로 작용하는 물질을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 밸런서를 구비한 원심분리기에 대하여,

   로터를 공진속도 이상으로 가속 할 때 불평형의 반대위치로 이동하는 보상 물질의 정확한 이동을 돕기 위해 공진속도 전후로 위상과 진동의 크기가 급격하게 변하는 속도 영역에서 로터의 회전 가속도를 낮추거나 혹은 일정시간 정속을 유지한 후 설정속도로 가속하는 것을 특징으로 하는 제어방법

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