JPH09239293A - 遠心分離機のロータ装着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、自励振動の発生を抑えることので
きる許容インバランス量の大きい安全な遠心分離機を提
供することである。 【解決手段】 クラウン１４８の円筒部をロータ１６０
の取付け穴１６２と微小な隙間を有する稜線部１５２と
ロータ取付け穴１６２と大きな隙間を有する平坦部１５
３から成る多角形部１５５とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠心分離機のよう
にロータなどの回転体を高速で回転する装置における、
ロータを遠心分離機に装着するための装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】遠心分離機は、密度の異なる混合物の試
料に遠心力を与え、重い物質と軽い物質に分離する装置
である。試料を複数の試料挿入穴を有するロータに挿入
し、ロータを遠心分離機のロータ装着装置に取り付け
る。前記ロータ装着装置は、ロータの中心軸線上に円筒
状の穴及び同じ軸線上でロータの円筒状の穴に接続し下
方に広がるテーパ部を有するロータの取付け穴と、駆動
装置に固着された円筒状の軸と円筒状の軸と接続し下方
に広がるテーパ部を有するクラウンから成る。取付け穴
とクラウンの円筒状軸の間には微小な隙間があり、ロー
タの取付け取外しを簡単に行うことを可能とし、ロータ
取付け穴下方に広がるテーパ部とクラウンの円筒軸下方
に広がるテーパ部でロータを垂直方向に支持する。前記
クラウンからロータへの回転力の伝達はクラウンから上
方に突き出たピンとロータから下方に突き出たピンを係
合して行い、高速回転時のクラウンとロータは、クラウ
ンの一部を切欠き、前記切欠き部に収納され、クラウン
と微動可能に係止された駒が回転時の遠心力によって飛
び出し、その遠心力によりロータとクラウンを押し付け
て固定される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】遠心分離機で試料を分
離する場合、分離能力は遠心加速度に比例し、遠心加速
度は回転数の２乗に比例するので、分離能力を高めるた
め、近年遠心分離機の回転数は１５万回転／分と高速化
し、遠心加速度も最大で９００,０００×ｇと大きくな
ってきている。また従来、分離する試料をロータに入れ
る時に相対する試料挿入穴に入る試料の質量を揃えてバ
ランスを厳密に取っていたため、分離の準備に時間を要
していた。よって、試料ごとの質量が異なっていたり試
料ごとの量が少しばらついていても分離が可能とする
と、バランスを調整するための準備時間が短縮になるの
で、試料のインバランスの許容量を増加することが望ま
れている。ロータを駆動する駆動装置において、前記ク
ラウンと固着し、回転力を伝達する駆動軸は、ロータに
挿入する試料のインバランスや遠心分離機の製造におけ
る幾何学的誤差に起因する撓みがあって運転しても、モ
ータ軸を支持している軸受の荷重負荷を軽減するよう
に、細い弾性軸を使用している。また、前記モータ軸の
軸受とハウジング間には軸受の荷重を低減する軸受ダン
パを設けている。更にモータを収納するモータハウジン
グは筐体に対し３個以上のゴムダンパで取り付けてい
る。前記の細い弾性軸や軸受ダンパやゴムダンパによ
り、ロータの振動に対する剛性は低く、分離する試料を
入れたロータの質量によって決まる共振回転数は約３０
０回転／分から約１５００回転／分の範囲に存在する。
即ち遠心分離に使用している回転数は、共振回転数より
かなり高い回転数領域である。

【０００４】上記の遠心分離機を高速で回転すると、ロ
ータに挿入する試料のインバランスが少ないときは正常
に運転するが、試料のインバランスを大きくすると、ロ
ータの振動はインバランスによる回転成分以外に、低い
周波数の振動が発生する。前記低い周波数の振動は前記
共振回転数よりも２倍以上の高速回転時に発生し、回転
する構造体側の減衰量が支持する側の減衰量より大きい
場合に発生する自励振動と呼ばれるものである。この自
励振動成分は回転振動成分以上に大きくなることがあ
り、回転数が高いので弾性軸に対し曲げの繰り返し数が
多く、また高い応力の回転曲げ応力を発生させ、短時間
で駆動装置を破損させる問題がある。

【０００５】本発明の目的は、試料のインバランスが従
来より大きい状態において、自励振動の発生を抑え、安
全で分離準備の容易な遠心分離機のロータ装着装置を提
供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】一般に高速回転装置の自
励振動を対策するには、回転する構造体側の減衰量を小
さくし、支持する構造体側の減衰量を大きくすることが
必要である。

【０００７】前記回転する構造体側の減衰は、主に、モ
ータ軸とモータコアの圧入部、弾性軸両側のモータ軸と
クラウンとの圧入部、そしてクラウンとロータの取付け
穴の接触部の転動によって発生する。支持する側の減衰
は主にモータハウジングを支持するゴムダンパと、軸受
を支持する軸受ダンパである。

【０００８】モータハウジングを支持するゴムダンパを
軟らかくすると自励振動が小さくなるが、弾性軸のばね
定数が小さくハウジングの質量が大きいため、ハウジン
グの振動量が小さく、よってゴムダンパの変形量が小さ
いので自励振動低減効果が制限される。また軸受を支持
する軸受ダンパの変形量を大きくし減衰を大きくしよう
とすると、モータの回転子と固定子の隙間が小さいの
で、回転子と固定子が接触しモータ破損となるので、軸
受ダンパも変形量が制限され自励振動低減効果が制限さ
れる。よって、支持する側の減衰量はあまり大きくでき
ない。

【０００９】回転する構造体側で減衰が大きいのは、ク
ラウンとロータの取付け穴の接触部である。円筒状のク
ラウンと円筒状の取付け穴には、取付け取外しを容易と
するため微小な隙間が有り、回転変動等によりクラウン
と取付け穴間の隙間を転動し摩擦力が発生する。試料の
インバランスが大きい場合、クラウンとロータの接触力
が大きくなり、隙間を転動する時の摩擦力が大きくなり
大きな減衰力となる。回転変動等により転動が起こる
と、振動が成長し大きな自励振動が起こる。

【００１０】転動が停止しないことが自励振動の原因で
あることに着目し、クラウンの外形形状を複数の稜線を
有する多角形状とし、クラウンの稜線の２本とロータ取
付け穴を接触させ、回転方向の転動を抑制し自励振動を
抑えた。

【００１１】また上記目的は、円筒軸状のクラウンとロ
ータの取付け穴の内部を多角形としクラウンと接触する
複数の稜線でも同じ効果が得られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、実施例図面を参照して本発
明を説明する。図１に本発明に係る遠心分離機用駆動装
置とロータ装着装置の横断面図を示す。図２に図１のク
ラウンの斜視図を示す。図３に図２のクラウンにロータ
を取付け、分離する試料にインバランスが有る場合の回
転状態の横断面図、図４に図３のＡ−Ａ断面図、図５に
図３のＢ−Ｂ断面図を示す。

【００１３】図１において、円筒状のチャンバ１３４の
上下を上カバ１３２とプレート１４１で挟み、上カバ１
３２にドア１３３を開閉自在に設置し、各接続部をＯリ
ングで真空シールし、ロータ１６０を回転する回転室１
３６とする。分離する試料をロータ１６０に設けた試料
挿入穴１６１内に挿入し、ロータを回転室１３０内にセ
ットし、セット後に回転室内を真空引きし、ロータ１６
０を高速回転させ、回転によって生じる遠心力により試
料を分離する。

【００１４】ロータを駆動するモータはプレート１４１
の下部に、３個のゴムダンパ１４２を用いて取り付け
る。モータは回転子１０１及び固定子１０２を有する高
周波モータを含む。回転子１０１のモータ軸１０３は軸
受１０４と軸受１０５により垂直に支持され、これらの
軸受は高速回転用として使用するのに適したサイズ及び
形式の球軸受を用いることが望ましい。軸受の外周に複
数の穴あき板ばねを丸めた軸受ダンパ１０８、１０９を
挿入し、前記板ばねに潤滑油を注入し、潤滑油の粘性に
より高速回転時の軸受の振動を減衰する。回転時の回転
室及びモータ内部は真空引きし高速回転時の空気との摩
擦損失を無くしている。モータ軸１０３の上端には可撓
性のある弾性軸１４７を固着し、前記弾性軸の上端にロ
ータ１６０を装着するクラウン１４８を固着する。前記
モータ軸と弾性軸とクラウンは垂直の軸線上にあり、製
作時の撓みを少なくする。

【００１５】モータ軸１０３には潤滑油が潤滑油溜め１
０６から上方に流れることの出来る内部通路と、モータ
軸下端に連結した中空で先細のインレット１０７を備
え、インレットの下端を潤滑油溜めに浸ける。回転時イ
ンレットに入った潤滑油は遠心力により前記内部通路に
押し付けられて上昇し、軸受１０４、１０５の近傍の穴
から飛び出し、軸受の潤滑及び軸受ダンパの減衰、及び
モータ軸１０３を上昇時に回転子の冷却を行う。

【００１６】ロータ１６０の冷却はサーモモジュール１
３１によりボール１３５を冷却し、ロータを輻射熱で冷
却する。モータハウジング１１１の冷却はハウジング外
周のフィンにファンの風を当てて行う。

【００１７】図２において、クラウン１４８はロータの
質量を支持するテーパ部１４９、クラウンの一部を切欠
き、前記切欠き部に収納されクラウンと微動可能に係止
された駒１５０、ロータの取付け穴と微小な隙間を有す
る円筒部１５１、取付け穴と微小な隙間を有する稜線部
１５２と取付け穴と大きな隙間を有する平坦部１５３が
交互に配置された多角形部１５５、ロータカバ１７０に
固定されたピン１６３と係合し回転力を伝達するピン１
５４で構成される。高速回転時にクラウン１４８と駒１
５０の遠心力によりクラウンが取付け穴１６２に押し付
けられ、試料のインバランスが少ないときの自励振動を
抑える働きをする。クラウン１４８の頭部には上方にピ
ン１５４が飛び出し、ロータカバ１７０に固定されたピ
ンと係合し回転力を伝達する。

【００１８】図３はクラウンにロータを取付け、分離す
る試料にインバランスが有る場合の高速回転状態の断面
図で、チューブ１７１に入れた少量の試料１７３と多量
の試料１７２により、試料を含むロータの重心が偏心す
るので、回転の中心はＹ軸になり、弾性軸１４７はＹ軸
から偏心し、曲がったままで回転している。

【００１９】図４より、クラウンの上部は多角形部１５
５であり、２か所の稜線部とロータ取付け穴がＤ点で接
触している。なおこの状態は、駒の遠心力よりインバラ
ンスによる弾性軸の曲げ力が大きい状態であり、更に高
速になると駒の遠心力が大きくなり、２か所の稜線部の
接触はＥ点に変わる。

【００２０】図５より、クラウンの下部の接触はＦ点の
１点である。即ち、クラウンとロータは上側のＤ点２箇
所と下側のＦ点１箇所で計３点で接触し、安定してい
る。

【００２１】図６、図７は従来のロータ装着装置の例
で、上下とも円筒状のクラウンと円筒状の取付け穴の接
触状態を示す。上下ともＧ点の１点ずつが接触してお
り、２点接触で不安定であり回転変動により転動しやす
く、自励振動に成長しやすい。

【００２２】図８は、従来のロータ装着装置で、大きな
インバランスの試料を挿入したロータを回転した時の弾
性軸１４７の振動を、図１の変位センサ１４３で測定し
た波形の例である。Ｔ１が回転周期でＴ２が自励振動の
周期で、大きな自励振動が発生している。

【００２３】図９は本発明のクラウンに、大きなインバ
ランスの試料を挿入したロータを回転した時の弾性軸１
４７の振動を変位センサ１４３で測定した波形の例であ
る。自励振動成分がほとんどない。

【００２４】図１０は本発明の他の実施例で、クラウン
の上下に４個の稜線部１５２を有する多角形部を設け、
上下の稜線部１５２を交互に配置した構造である。上下
の稜線部１５２をともロータ取付け穴と微小な隙間を有
する。図１１にクラウン上部の接触状態を、図１２にク
ラウン下部の接触状態を示す。上下の稜線部１５２を交
互に配置することにより、インバランスの円周上の位置
により、上部の接触が稜線部の１点に変化しても、下部
の接触は２点となり、３点接触が保たれる。

【００２５】図１１と図１２に示すように、インバラン
スが大きいとき、ロータの取付け穴の軸心とクラウンの
軸心は相対的に傾き、ロータの取付け穴とクラウンの接
触部はクラウンの上下で反対側にあるので、稜線部１５
２の数が偶数の場合上端側と下端側の稜線部の位置を交
互にし、多角形部の稜線部の数が奇数の場合上端側と下
端側の稜線部の位置を合わせると３点接触となる。

【００２６】図示していないが、ロータ取付け穴の内径
を多数の内側に稜線部を有する多角形とし、円筒部のク
ラウンの組み合わせでも、３点接触の状態は得られ、自
励振動を抑制できる。

【００２７】更に大きなインバランス時には、弾性軸の
回転成分の振動が更に大きくなるので、弾性軸の変位セ
ンサの出力レベルを自動判別し、基準値以上の時遠心機
の運転を自動停止することにより、安全な装置とするこ
とができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、ロータに挿入する試料
のインバランスを大きくしても、自励振動を抑制できる
ため、許容できるインバランス量は従来のロータ装着装
置に比べて約２倍とすることができる。これより従来に
おいて、はかりを用いてバランス調整を行っていたのに
対し、目視で試料の量を合わせるだけで良くなるので、
バランス調整時間を大幅に短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明になる遠心分離機用駆動装置とロータ
装着装置の横断面図。

【図２】 図２は図１のクラウンの斜視図。

【図３】 図２のクラウンにロータを取付け、分離する
試料にインバランスがある場合の回転状態を示す横断面
図。

【図４】 図３のＡ−Ａ断面図。

【図５】 図３のＢ−Ｂ断面図。

【図６】 従来のクラウンとロータの組み合わせによる
クラウンの上部断面図。

【図７】 従来のクラウンとロータの組み合わせによる
クラウンの下部断面図。

【図８】 従来のロータ装着装置時の弾性軸の振動波形
図。

【図９】 本発明のロータ装着装置時の弾性軸の振動波
形図。

【図１０】 本発明になる他の実施例を示すクラウンの
斜視図。

【図１１】 図１０に示すクラウンとロータの組み合わ
せによるクラウンの上部断面図。

【図１２】 図１０に示すクラウンとロータの組み合わ
せによるクラウンの下部断面図。

【符号の説明】

１０３はモータ軸、１４７は弾性軸、１４８はクラウ
ン、１４９はテーパ部、１５０は駒、１５１は円筒部、
１５２は稜線部、１５３は平坦部、１５４はピン、１５
５は多角形部、１６０はロータ、１６１は試料挿入穴、
１６２は取付け穴、１６３はピンである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大河原 正 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心軸線上に円筒状の取付け穴を有する
   ロータと、垂直な駆動軸に固着され、円筒状の軸と該ロ
   ータを垂直方向に支持する支持部を有するクラウンとか
   ら成る遠心分離機のロータ装着装置において、前記クラ
   ウンの形状を前記ロータの取付け穴と微小な隙間を有す
   る稜線部と前記ロータの取付け穴と大きな隙間を有する
   平坦部から成る多角形軸としたことを特徴とする遠心分
   離機のロータ装着装置。
2. 【請求項２】 前記ロータの取付け穴の形状を前記クラ
   ウンの円筒部と微小な隙間を有する稜線部と前記クラウ
   ンの円筒部と大きな隙間を有する谷部から成る多角形穴
   としたことを特徴とする請求項１記載の遠心分離機のロ
   ータ装着装置。
3. 【請求項３】 前記クラウンまたは前記ロータの取付け
   穴の上端側と下端側に多角形部を設け、該多角形部の稜
   線部の数が偶数の場合、上端側と下端側の稜線部の位置
   を交互にし、多角形部の稜線部の数が奇数の場合、上端
   側と下端側の稜線部の位置を合わせることを特徴とする
   請求項１乃至請求項２記載の遠心分離機のロータ装着装
   置。
4. 【請求項４】 前記ロータの取付け穴と、垂直な弾性軸
   に固着された前記クラウンから成る遠心分離機のロータ
   装着装置において、前記ロータの取付け穴の軸心と前記
   クラウンの軸心が相対的に傾いた時、前記ロータ取付け
   穴と前記クラウンとが３点で接触することを特徴とする
   請求項１乃至請求項３記載の遠心分離機のロータ装着装
   置。