JPH0134659B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 発明の分野 本発明は、超遠心分離機ロータに関し、かつ特
に複合材料により構成された超遠心分離機ロータ
に関する。

従来技術の説明 遠心荷重を担持する能力を高めるために、回転
構造体は、アルミニウムおよびチタンのような均
質な材料の使用から複合材料の使用へと発展して
きた。このような複合材料の使用は、フライホイ
ールによるエネルギ貯蔵構造体の分野において特
に顕著である。複合材料を使用した回転エネルギ
貯蔵構造体の例は、米国特許第4481840号、同第
4408500号、同第4370899号、同第4266442号およ
び同第4207778号の各明細書に開示されている。

超高速遠心分離機ロータを製造する場合には、
複合構造体の使用に付随した利点を利用すること
が有利であると考えられる。

〔発明の要約〕

本発明は、複合材料で形成された比較的厚い中
央デイスク部材により構成された超遠心分離機ロ
ータに関する。中央デイスク部材の周囲に隣接し
た環状の列には、複数個の試料収納キヤビテイが
形成されている。中央デイスク部材よりも高い剛
性を有するフープ巻き炭素繊維強化プラスチツク
材料等の繊維強化複合材料により形成された圧縮
リムがデイスク部材の周囲を囲繞している。デイ
スク部材の周囲およびリムの内径部分の両方は、
合致した僅かに多角形の形状に形成されている。
リムおよびデイスクは、試料収納キヤビテイの領
域のみにおいてそれらの間に介在させた接着剤を
用いて組み立てられる。リムは、所定速度で回転
するときに、剛性に差異があるために、撓んでデ
イスクの各々の試料収納キヤビテイの領域に作用
する内方に向いた半径方向の力を発生する傾向を
生ずる。駆動用取付装置がデイスクの下側部に好
適な態様で接着剤により結合されそれによりロー
タを駆動エネルギ供給源により駆動される関係に
配置することができる。

本発明は、添付図面に関する以下の詳細な説明
からさらに十分に理解することができよう。

以下の詳細な説明全体にわたつて、同様な符号
はすべての図における同様な要素を示す。

添付図面について述べると、全体を符号１０で
示した本発明による遠心分離機ロータを示してあ
る。ロータ１０は、回転中心軸線VCLのまわり
に毎分20000回転を超える速度で回転可能である。

ロータ１０は、ほぼ均一な高さの中央デイスク
１２を備えている。デイスク１２の周囲の形状
は、多角形であり、真中になつていない。デイス
ク１２には、試料容器収納キヤビテイ１４の列が
任意の所定の配列で配置されている。キヤビテイ
１４は、デイスク１２の周囲に隣接した全体とし
て環状の列をなして配置されることが好ましい。
試料容器収納キヤビテイ１４は、デイスク１２の
周囲に対して所定の精密な寸法１６以内に配置さ
れている。試料容器収納キヤビテイ１４は、ロー
タ１０の垂直中心軸線VCLに平行な軸線１４Ａ
を有するように配置されるものとして示してある
けれども、軸線１４Ａを軸線VCLに関して傾斜
させることができ、これは本発明の範囲内の事項
である。

第１図および第３図に示す本発明の一実施例に
おいては、デイスク１２の周囲を形成する多角形
の頂点の付近でデイスク１２内に、キヤビテイ１
４が形成されている。第４図および第５図に示す
本発明の別の実施例においては、キヤビテイ１４
は多角形の頂点の間のほぼ中間のデイスク１２内
に配置されている。

デイスク１２は、第２図では、例示する目的の
ために一体の構造として示してあるけれども、事
実、一方向予備含浸複合繊維樹脂材料の複数個の
層１８の積層体として形成されている。各々の層
１８の繊維は、第１図および第４図の破断部分か
ら理解されるように、符号１８Ａで示した繊維の
各々の軸線が垂直方向に隣接した層１８Ｂの繊維
から所定角度偏位して形成されている。デイスク
１２は、層を対称に積層し、その後該積層体を硬
化することにより形成される。「対称」という用
語は、中央層の上方の層の繊維の軸線の向きが中
央層の下方の層の繊維の軸線の向きと鏡像をなし
ているという概念を意味するものである。

ボス、すなわち、デイスク１２は、高い強度を
有するフイラメント巻繊維強化複合リム２０によ
り囲繞されている。リム２０は、実際には、複数
個のリング（２個のこのようなリング２０Ａ，２
０Ｂを図示した）の嵌め合わせた列から形成する
ことができる。リング２０Ａ，２０Ｂ等は、一緒
に締りばめされている。リム２０の厚さは、解り
易いように図では誇張して示してある。リム２０
は、その内周において、デイスク１２の多角形と
合致した多角形の形状を有している。リム２０
は、後述するように、キヤビテイ１４内に配置さ
れた個々の流体試料容器、例えば、容器２２がデ
イスク１２の端縁から抜け出るのを阻止する半径
方向に内向きの力を発生する助けをする。リム２
０は一体の部材として巻くかまたは任意のその他
の便利な製造方法により構成することができ、こ
のことは、本発明の範囲内にあることを理解すべ
きである。

駆動用取付装置３０（この場合には、チタンで
製造されている）は、デイスク１２の下側に好適
に連結されている。取付装置３０には、駆動用ス
パツドを受け入れるようになつた凹部３２が形成
されている。駆動用スパツドにより、ロータを駆
動エネルギ供給源Ｍに連結することができる。

任意の好適な複合材料を使用することができる
が、デイスク１２を形成する材料として、デユポ
ン社により「ケブラー」（KEVLAR）という商
標名で市販されているアラミド繊維を使用するこ
とが好ましい。同様に、リムの強化繊維は、任意
の複合材料により形成することができるが、炭素
エポキシ繊維材料またはアラミドエポキシ繊維材
料のいずれかを使用することが好ましい。

予め定められた物理的性質を互いに有するよう
に組合わされており、その物理的性質の組合せに
よつて、デイスク１２およびリム２０の各々が、
加えられた種々の応力のために半径方向外方に撓
む大きさを決定することができる。これらの物理
的性質は、場合により、デイスクまたはリムの
「剛性」と集合的に称することができる。当業者
は、ボスおよびリムの剛性に寄与する種々の特
性、例えば、弾性率、密度、横断面積および半径
ならびにこれらの部材に力を作用する因子、例え
ば、遠心力、回転体の荷重および予荷重を容易に
理解することができよう。デイスク１２およびリ
ム２０の剛性は、リム２０のいかなる半径方向の
撓みもデイスク１２の撓みよりも小さくかつせい
ぜいデイスク１２の撓みに等しくなるように選択
される。

デイスク１２はリム２０の剛性と異なる剛性を
有しているので、任意の回転速度で回転するこれ
らの要素の間の界面結合線に沿つて圧縮応力が生
ずる。これは、結合線が使用中に破壊しないので
望ましい。このリムおよびデイスクの圧縮応力
は、リム２０とデイスク１２の外周面の両方を僅
かに多角形に形成することにより高められる。次
いでリム２０およびデイスク１２は、試料収納キ
ヤビテイの領域のみに配置された接着剤結合線に
より組み立てられる。

本発明によるロータ１０の作動は、第３図およ
び第５図を参照すると理解できよう。第３図にお
いては、キヤビテイ１４はデイスク１２の多角形
の頂点に配置されている。ロータ１０が所定速度
で回転するときに、デイスク１２およびリム２０
は、矢印１２Ｇ，２０Ｇでそれぞれ示すように、
半径方向に外方に撓む。剛性に差異があるため
に、デイスク１２の撓みは、阻止されなければ、
リム２０の撓みよりも早く発生する。遠心力とデ
イスク１２およびリム２０の異なる剛性との組合
わせ作用により、リム２０およびデイスク１２が
撓んで真円の形状（第３図にダツシユ線で示し
た）になる。その結果、付加的な半径方向に内向
きの力２６が各々のキヤビテイ１４の領域でデイ
スク１２に作用する。

ところで、所定の直径を有するロータにおい
て、試料収納キヤビテイの位置をロータ（すなわ
ち中央デイスク）の外周により近くするほど試料
容器により大きな遠心力を作用させることができ
ることは従来からも知られている。

しかしながら、試料収納キヤビテイの位置がデ
イスクの外周に近いほどデイスク外周と試料収納
キヤビテイの半径方向外側寄りの部分との間に在
在するデイスク材料が薄くなり、そのような薄い
デイスク材料部分に遠心回転時に試料容器によつ
て大きな外向きの力が働くと、その薄いデイスク
部分に破損が生じて試料容器がデイスクから外に
飛び出す危険性が大きくなる。

かかるデイスクの破損はそれを囲むリムによつ
て防止されるが、試料収納キヤビテイの位置、デ
イスクおよびリムの素材等によつては未だ十分で
はない。

本発明では、上記第３図により具体的に説明し
たように、キヤビテイ１４の配置された領域にデ
イスクに増大した内向きの圧縮力２６が作用する
結果、遠心回転時に試料容器により生じているキ
ヤビテイ１４の半径方向外側寄りのデイスク部分
における該外向きの力が、該内向きの圧縮力２６
によつて強制緩衝されその部分でのデイスクの破
損が防止される。

その結果、本発明では通常の場合よりもキヤビ
テイをロータの外周に接近して配置することがで
き、したがつて、所定のサイズのロータに対し
て、相対遠心力（RCF）の増大を達成すること
ができる。換言すると、このことは所定のRCF
を達成するのに小さい直径のロータで済むことを
も意味する。

第５図に示す本発明の具体例においては、ロー
タが所定速度で回転しているときにキヤビテイ１
４が多角形の頂点の中間に配置されており、多角
形の頂点の付近のデイスク１２の比較的頑丈な部
分は、リム２０に作用する増大した力１２G′を
発生する。この力１２G′に応答して、多角形の
頂点の間のほぼ中間のリム２０内に、半径方向に
内向きの力２６′が生じてキヤビテイ１４が配置
されたデイスク１２の部分を再び圧縮する。

第５図に示した具体例の場合においても、上記
したようにキヤビテイ１４が配置された多角形の
頂点の中間部分に内向きの力２６′が生ずる結果、
その内向きの力２６′によつてキヤビテイ１４の
半径方向外側寄りのデイスク部分に及ぼされてい
る該外向きの力が強制緩衝されて、その部分での
デイスクの破損が防止され、上記第３図において
説明したと同様の作用効果が奏される。

当業者は、本発明の数旨に基づいて、種々の変
更、変型を実施することができる。しかしなが
ら、これらの変更、変型は、特許請求の範囲に記
載の本発明の範囲内にあるものと解釈すべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は各々の層の繊維の配向を例示するため
にデイスク部材の所定部分を破断した本発明によ
り構成された超遠心分離機ロータの一実施例の平
面図、第２図は第１図および第４図に示す超遠心
分離機ロータの代表的な側面図、第３図は第１図
のロータが所定速度で回転しているときにバンド
によりデイスク部材に作用する力の高度に様式化
した図、そして第４図および第５図は本発明によ
るロータの別の具体例を例示した第１図および第
３図と同様な図である。 １０……ロータ、１２……デイスク、１４……
試料容器収納キヤビテイ、VCL……垂直中心軸
線、１４Ａ……軸線、１８Ａ，１８Ｂ……層、２
０……リム、２０Ａ，２０Ｂ……リング、２２…
…試料容器、２６，２６′……内向きの力、３０
……駆動用取付装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 繊維強化複合材料からなる予め定められた剛
   性を有する中央デイスクを備え、該中央デイスク
   は試料収納キヤビテイの列を有しており、さら
   に、中央デイスクの周囲を囲んで配置された繊維
   強化複合材料からなる補強リムを備え、該リムも
   また予め定められた剛性を有しており、中央デイ
   スクおよびリムの物理的特性の差異によりリムが
   キヤビテイのある付近のデイスク部分に半径方向
   に内向きの圧縮力を発生させるべく、中央デイス
   クの周囲およびリムの内径の両方の各々は多角形
   の形状を有し、且つリムおよび中央デイスクは、
   中央デイスクの試料収納キヤビテイが配置された
   領域に隣接する部分においてのみ接着剤により結
   合されていることを特徴とする遠心分離機ロー
   タ。 ２ 前記デイスクが各々の垂直方向に隣接した積
   層体の各々の繊維の軸線を次に隣接した積層体の
   各々の繊維の軸線から所定角度偏位させた複数個
   の等方性の繊維積層体からなる積層構体を備えた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   ロータ。 ３ 前記試料収納キヤビテイが多角形デイスクの
   頂点の付近に配置されたことを特徴とする特許請
   求の範囲第２項に記載のロータ。 ４ 前記試料収納キヤビテイが多角形のデイスク
   の頂点の付近に配置されたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載のロータ。 ５ 前記試料収納キヤビテイが多角形のデイスク
   の頂点の間に配置されたことを特徴とする特許請
   求の範囲第２項に記載のロータ。 ６ 前記試料収納キヤビテイが多角形のデイスク
   の頂点の間に配置されたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載のロータ。 ７ さらに、前記デイスクの下側に取り付けられ
   た駆動用取付装置を備えたことを特徴とする特許
   請求の範囲第２項に記載のロータ。 ８ さらに、前記デイスクの下側に取り付けられ
   た駆動用取付装置を備えたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載のロータ。 ９ さらに、前記デイスクの下側面に取り付けら
   れた駆動用取付装置を備えたことを特徴とする特
   許請求の範囲第３項に記載のロータ。 １０ さらに、前記デイスクの下側面に取り付け
   られた駆動用取付装置を備えたことを特徴とする
   特許請求の範囲第４項に記載のロータ。 １１ さらに、前記デイスクの下側面に取り付け
   られた駆動用取付装置を備えたことを特徴とする
   特許請求の範囲第５項に記載のロータ。 １２ さらに、前記デイスクの下側に取り付けら
   れた駆動用取付装置を備えたことを特徴とする特
   許請求の範囲第６項に記載のロータ。