JPH0761455B2

JPH0761455B2 - 遠心分離機ロ−タ

Info

Publication number: JPH0761455B2
Application number: JP13002287A
Authority: JP
Inventors: ピラムーンアリレザ; ケイリーロバート
Original assignee: ベツクマンインスツルメンツインコ−ポレ−テツド
Priority date: 1987-05-28
Filing date: 1987-05-28
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPS63296856A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、超高速遠心分離機ロータに関し、特に、低密
度および高強度の材料からなる合成材ロータに関する。

（従来技術）超遠心分離機ロータは、ロータ本体に最終的に摩耗およ
び分解をもたらす応力を生じる600,000gまたはそれ以上
の力を受ける。あらゆる遠心分離機ロータは、ロータを
構成する材料の破損および疲労がそれ以上の遠心分離機
の使用を許さなくする迄の限られた寿命を持つ。

遠心分離中に生じる高回転速度および遠心分離力により
ロータに発生する応力は、ロータ破壊の１つの原因であ
る。金属疲労が、繰り返えされる多数回の応力サイクル
に従って従来のロータに生じる。ロータが繰り返し、作
業速度に達し、運転されおよび減速されるとき、金属の
伸縮サイクルはその微小組織を変化させる。その小さな
変化は、多数回のサイクルの繰返し後、微視的な亀裂を
生じさせる。使用が増すにしたがって、疲労亀裂は大き
くなり最終的にロータの損傷をもたらす。また、従来の
金属ロータ本体の応力は、ロータに伸びを生じさせ、寸
法を変化させる。金属ロータ本体がその弾性限界に達し
たとき、ロータはその原形にもどることなく、その後、
ロータの損傷を引き起す。

従来のチタンおよびアルミニウムの合金からなるロータ
は、重量の割には相当に高強度を有する。アルミニウム
製ロータは、チタン製のものより軽量であり、超遠心分
離速度で作動されるとき、より小さい物理的応力および
より低い運動エネルギーを受ける。しかし、チタンロー
タはアルミニウムロータよりすぐれた耐腐食性がある。
超遠心分離の性能および速度が増加するとき、遠心分離
機の安全な運転限界が、従来の密度でしかも大きい重量
の金属ロータにある。

課せられた設計制限を克服する１つの試みが、バラムに
対する米国特許第3,997,106号に示されており、遠心分
離ロータは積層された異なる材料の２つの層からなる。
ワイヤーが、耐薬品性のプラスチックの中央フィラーを
取り囲む金属カバーの周囲に巻かれる。バラムへの特許
第3,997,106号は、積層板製造方法の使用により最適の
強度を達成する、大きな耐薬品性および低比重のロータ
を企図している。ギナベンへの米国特許第2,974,684号
は、遠心分離クリーナに使用するためにプラスチック材
料からなるライナーを補強する織られたワイヤー布のメ
ッシュに向けられている。

グリーン（第1,827,648号）、ジイーツェル（第3,993,2
43号）およびリンドゲン（第4,160,521号）への各米国
特許は、全て、樹脂と繊維状の補強材とからなるロータ
本体に向けられている。特に、グリーンへの米国特許第
1,827,648号は、ロータバケットが7,500から10,000RPM
の回転速度（現在の基準によれば比較的遅い遠心分離速
度）で安定するように、バケットの重心を通る水平軸線
の周りの慣性モーメントより大きい垂直軸線の周りの慣
性モーメントを生じさせるために巻かれた繊維に向けら
れている。

米国特許第4,468,269号は、ロータの金属本体の筒状の
壁を取り囲んで、フィラメント巻き付け体からなる複数
の入れ子式リングを含む超遠心分離ロータを開示してい
る。前記入れ子式リングは、金属ロータ本体を補強し、
ロータに強度と剛性とを与える。これらのリングは層間
に薄いエポキシ被覆を施すことによって共に入れ子にさ
れる。ロイへの米国特許第3,913,828号は、米国特許第
4,468,269号で開示されたものと実質的に均等な構造を
開示している。

従来の構造のいずれもが、局部応力に適応しまたロータ
本体の疲労に抵抗するように特別に設計された材料の使
用によって超遠心分離速度の間最大強度を与えるもので
はない。従来の金属本体、すなわち補強されたロータの
金属本体は、遠心分離中に金属応力および疲労破壊を受
ける。

必要であるのは実質的な強度のロータ本体であり、さら
に、軽量で、増加する高負荷および高速に耐えることの
できることである。

ロータ本体は応力および腐食に耐え、局部応力に対抗す
るように特別に設計されねばならない。

（発明の構成）ここに説明するのは、異方性の材料からなる複数の層で
造られた遠心分離ロータ本体である。（この明細書で使
用されるとき、用語「異方性の」は、体積弾性係数、強
度および剛性のような特性を特定の方向に有する材料を
意味する。）各層は、前記層が受ける特定応力に適応す
るようにロータの形状、設計速度での負荷または寸法に
基づいて微調整された、異なったモジュラス強度すなわ
ち引張強度を有する。

それぞれの格別な層において、材料の選択された部分
は、前記ロータの試験管を受け入れるキャビティを補強
し、これに生じる過大な応力に適合させるために、前記
層の主要本体とは異なる方向に向けられる。

好ましい実施例において、異方性の材料層は合成材に巻
かれた繊維状フィラメントで造られ、この場合繊維はグ
ラファイトで、樹脂はエポキシである。前記層のそれぞ
れは、合成材のディスクを形成し、各ディスクはロータ
の中心軸線から半径方向へ伸び、エポキシ接着剤により
他のディスクに固定されている。

（実施例）第１図および第２図を参照するに、全体に合成材のロー
タ10（第２図）が示されている。ロータ10は符号26およ
び28（第２図）で示されるような複数の層状のディスク
から構成されている。

好ましい実施例のロータの構成のために選択された合成
材は、エポキシ樹脂または熱可塑性または熱硬化性のマ
トリックス中に巻かれたグラファイト繊維フィラメント
を含む（しかし、これに限定されない）。繊維量は60％
以上である。この構成は、約0.065lb/in³の密度を有
し、アルミニウム（0.11lb/in³）およびチタン（0.16lb
/in³）を含む従来のロータ設計と比較すると有利であ
る。これに代わる繊維フィラメントは、ガラス、ほう素
およびグラファイトを含む。デュポン社製の有機繊維で
ある繊維状材料ケブラー（商品名）は、また、グラファ
イトに代えて有用である。

超遠心分離によって引き起こされる高応力のため、材料
選択は、グラファイト合成フィラメント巻付け材ような
「異方性の」材料を必要とすることによって影響を受け
る。

好ましい実施例において、垂直管のロータ10は本発明の
設計の原理を表わしている。

第１図に示されているロータ10の平面図を参照するに、
ロータ10のフィラメント設計の変化する密度は、円形の
境界線24および18で分けられている。円18の周囲からロ
ータシャフトキャビティ14までの内部域は、円24の外側
の境界を越えた部分と同様の密度をもつように巻かれて
いる。円形の境界線18と24との間の区域12は、第２図の
区域30に示されているように、より高密度で巻かれたフ
ィラメントにより特徴づけられている。ロータ10の中心
部が、駆動軸32（第２図）のロータ下から駆動軸キャビ
ティ14への挿入に適合する際、ロータ10の上面は、加工
されたキャビティ20中へ金属試験管挿入部16の挿入に適
合する。次いで、試験管22がロータ10の本体の中にきち
んと嵌合するように試験管挿入部16中に挿入される。

垂直試験管のロータ10において、第１図および第２図に
示されているように、応力は上部層、特に最大応力がフ
ープ応力として示される第２図の区域30において最大で
ある。１つの試験管キャップ（アルミニウム、合成材ま
たはゴム製）が、各試験管ごとに、ロータの頂部に載せ
られる。これらのキャップをロータ本体にねじ込むこと
が、キャップ挿入点において前記ロータ本体に付加的な
応力を引き起こす。

合成材構成の使用による重大な利点は、弾性率がロータ
10の内部およびその周りのいくつかの位置のそれぞれに
生じた特定の応力に適合すべく調整されるように、符号
26および28で示されるような各層が独特に微調整される
ディスクを形成することである。

ディスク26および28のようなディスクのそれぞれは、中
央のコアの周りのフィラメント巻付け体である。繊維フ
ィラメントは、１つの束につき1,000本、3,000本、6,00
0本および12,000本の繊維の、少なくとも４つの種類サ
イズを利用できる。好ましい実施例は１つの束につき12
000本のフィラメント繊維束を利用している。フィラメ
ント束は、１つの束につき２から10ポンドの張力範囲を
与えるように巻かれており、この張力次第で複数のディ
スクが構成される。合成材ディスクの平均密度は0.065l
b/in³である。これらのディスクは、ディスク28のよう
に、ロータの作業中に大きな応力を受けるため、小さい
応力を受けるディスク40のようなディスクより大きな張
力で造られる。

各ディスクは、機械加工キャビティ20のようなキャビテ
ィを形成するために、個々に機械加工される。成形、養
生および機械加工がされると、前記ディスクは、軸キャ
ビティ14の長手方向中央軸線に沿って積み重ねられ、層
状のディスク42、40、26および28の間にはさまれた符号
41、34、36および38に示されるエポキシ樹脂の層状の付
与により相互に固定される。エポキシ樹脂41、34、36お
よび38がディスク層の間に付与された後、全体の組立体
は次ぎに炉内で養生され、これにより合成材ロータ10が
造られる。

各ディスクは、組立られたロータが遠心分離の間に受け
るであろう局部応力に格別に対応するように独特に巻か
れる。例えば、ディスク26は、該ディスクの半径に沿っ
て異なる局部応力に適合するように形成され、製造され
る。各ディスクは、異なった等級または引張強度の繊維
フィラメント材から製造されてもよい。また、繊維巻付
け角は、水平面に対し平行な巻付けから変更してもよ
い。コアキャビティ14の周りに、円形の境界18の外方
へ、繊維はロータ10の水平面に対して０゜で巻かれてい
る。フィラメントが境界18と24との間の区域内で巻かれ
るとき、機械加工キャビティ20の近傍の前記フィラメン
トの巻付けは、キャビティ20を取り囲むように付加的な
支持を与えるために、前記水平面に対してほぼ±45゜の
角度で交差するように慎重に巻かれる。境界18と24との
間の区域12（第１図）内のフィラメント繊維の交差する
ステッチは、前記ロータの材料強度が符号20で示される
ような機械加工キャビティの存在により減少されないこ
とを確実にするために、キャビティ20に付加的な支持を
与える。最適な強度は、繊維が交差するほぼ±45゜の角
度で巻かれるとき得られる。しかし、角度範囲の使用
は、もし±45゜の最適値からそれぞれの方向に10゜（水
平面から±35゜から±55゜まで）変えられるならば、水
平巻きを越える高い強度を達成する。

さらに、ディスク28およびその上のディスクは、垂直管
のロータ10の頂部での最大フープ応力域に適合させるた
めに、層28およびそれより下の層を造るべく使用される
材料より、堅く、高い引張強度のフィラメント材で造ら
れる。したがって、ディスク26および28が受ける異なる
応力に対して異なる引張強度で応じるために、ディスク
26および28の基準寸法を微調整し、変更するべく、ディ
スク26が28と異なるように、巻き方向がキャビティ20の
周りの高応力に適合するために異なるだけでなく、ディ
スクに巻かれたフィラメントの繊維からなる材料も異な
る。別々のディスクを備えることにより、高価な、強い
ディスクは、必要な箇所でのみ使用される。複数のディ
スクは、ロータが大きな局部応力の発生する箇所でのみ
それに抵抗するために特別に設計されることを可能にす
る。

もし固定角ロータ本体のような、垂直管ロータとは異な
った設計が企図されるなら、固定角ロータの最大応力の
位置は垂直管ロータの最大応力の位置とは異なるので、
ディスクにかかる前記最大応力は、ロータ本体の下方向
の約2/3に位置する。

好ましい実施例は、全ロータを規定する１つの連続的な
巻付けよりはむしろ、ロータ本体を構成する別個のディ
スクの使用を見越すことが理解される。そのような単体
構造は本発明の範囲内にあり、繊維は境界24と18との間
の区域内における第２図に示される大きな応力に適応す
るために再配向すなわち新しい方向に向けられる。しか
し、好ましい実施例は、ディスクに巻かれた繊維が経験
的に導き出される幅を越えるとき発生する軸方向の残留
応力に打ち勝つためには単体ロータでは明らかに不可能
であるため本体に巻かれた単体繊維よりむしろ複数のつ
ながれたディスクを意図する。また、単体フィラメント
巻付けの合成材ロータは、ロータ本体の種々の部分のた
めに複数の繊維状フィラメントを選択することはできな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る合成材ロータの平面図である。第２図は本発明に係る合成材ロータの縦断面図である。 10……ロータ、 26、28、40、42……ディスク、 34、36、38、41……エポキシ樹脂、 22……試験管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−153164（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−219958（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異方性材料の複数の層を備える本体を含
み、各層は該層が受ける個々の応力に適合するように予
め定められているモジュラスを有する、遠心分離機ロー
タ。
【請求項２】前記層のそれぞれは繊維フィラメント巻付
けの合成材が半径方向に伸びるディスクであり、前記デ
ィスクのそれぞれは層と層とを樹脂によって相互に固定
されている、特許請求の範囲第（１）項に記載の遠心分
離機ロータ。
【請求項３】複数の試験管の挿入および支持に適合する
ために選択された異方性の層におけるフィラメントの方
向の変更を含む、特許請求の範囲第（２）項に記載の遠
心分離機ロータ。
【請求項４】前記繊維フィラメントはグラファイトであ
り、前記樹脂はエポキシである、特許請求の範囲第
（２）項または第（３）項に記載の遠心分離機ロータ。
【請求項５】前記樹脂は熱可塑性である、特許請求の範
囲第（２）項または第（３）項に記載の遠心分離機ロー
タ。
【請求項６】前記樹脂は熱硬化性である、特許請求の範
囲第（２）項または第（３）項に記載の遠心分離機ロー
タ。
【請求項７】前記繊維フィラメントは、ガラス、ほう素
またはグラファイトからなるグループから選択された材
料からなる、特許請求の範囲第（２）項または第（３）
項に記載の遠心分離機ロータ。
【請求項８】前記フィラメントは、前記ロータの水平面
に対して35゜から55゜までの範囲の角度で再配向されて
いる、特許請求の範囲第（３）項に記載の遠心分離機ロ
ータ。
【請求項９】前記ロータの選択された異方性の層の前記
フィラメントは、前記ロータの水平面に対してほぼ45゜
の角度で再配向されている、特許請求の範囲第（３）項
に記載の遠心分離機ロータ。
【請求項１０】異方性の材料の少なくとも１つの層を備
える本体を含み、前記層は樹脂材料により接着されたフ
ィラメント巻付け繊維からなるディスクであり、該ディ
スクはディスクの材料を構成する前記の繊維を備え、該
繊維は最も大きな応力が予測される選択された位置にお
いてディスク材に付加的な強度を与えるように前記繊維
の連続的な巻き付けが相互に交差するように再配向され
ている、遠心分離機ロータ。
【請求項１１】前記フィラメントが巻き付けられた繊維
は、水平面に対して35゜から55゜までの範囲の再配向角
度で相互に交差する、特許請求の範囲第（10）項に記載
の遠心分離機ロータ。
【請求項１２】前記フィラメントが巻かれた繊維は、ほ
ぼ45゜の再配向角度で相互に交差する、特許請求の範囲
第（10）項に記載の遠心分離機ロータ。