JP2000504993A - 遠心機ローターを安定化するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の方法および装置は、回転体が臨界速度を通過する時その幾何学軸のまわりを回転している回転体に発生する振動を、回転体の慣性モーメントを維持する一方その回転軸をその質量中心へシフトすることを許容することによって調和する。ディスクが回転体の駆動シャフト上のべアリングヘ取付けられ、そしてその周縁位置において滑りべアリングによって支持される。

Description

【発明の詳細な説明】 遠心機ローターを安定化するための装置および方法本発明の分野 本発明は、回転体を調和するための方法および装置、そして詳しくはローター の臨界および旋回速度を通るローター加速および減速の間遠心機ローターに誘発 される振動を減らすための方法および装置に関する。先行技術の説明 遠心機は、材料のサンプルを密度によってその成分へ分離するために遠心力へ 服させるための装置である。遠心機の慣用使用は、患者から得た血液を遠心力に より赤血球および血漿成分へ分離する臨床分析検査所においてである。ローター は、遠心力への露出の間分離すべきサンプルを支持するバケットもしくは空胴を 外側に備えることができる。 ローターは、モーターまたは他の運動エネルギー源、駆動シャフト、およびロ ーターがその上に受入れられる駆動シャフト上端に配置されたローター取付装置 を含んでいる遠心システムの一部である。高速度で回転する他の機械的装置もし くは物体と同様に、ローターは一定の自然振動周波数を持っており、これはロー ターが一定の臨界速度で回転している時に顕著になる。ローターは平常その重力 の幾何学的中心のまわりを回転する。臨界速度（ローターの共鳴振動数）におい ては、ローターはその回転軸をローターの幾何学的中心からローター質量中心へ 側方へシフトしようとする。これがロー ターの振動を発生させる。さらにもしローターが不適切な負荷その他のために均 衡していなければ、振動は大きく増大される。正常使用の間、ローターは停止位 置からその運転速度へ加速される時、そして遠心が終了した後その運転速度から 停止位置へ減速される時、一般にその臨界速度を通過する。システムの回転エネ ルギーはもっと高い作業速度におけるエネルギーに比較して低いけれども、典型 的には製作上の公差によって導入されるローターの少しのインバランスがロータ ーの最大振動振幅を発生するのは、回転のもっと低いいわゆる”臨界速度”にお いてである。それ故典型的には、遠心機ローターマウントもしくはジャイロ設計 には、ローターの回転がその臨界速度へ近づきそして通過する時にシステムによ って発生する力を調和させる何らかの形のコンプライアンス機構が設けられる。 オペレーターが遠心機ローターを負荷する時、重要な目的は、駆動シャフトの まわりに重量バランスした態様的なサンプル分布を達成することであり、そして 通常この目的へ到達するための指示が提供される。しかしながら合理的バランス はしばしば不可能である。例えば、ある緊急状況は部分的に満たされたローター をもって遠心機を運転し、または極端な場合、ローター内に収容したたった一つ のチューブをもって遠心機を運転することを必要とし得る。このように遠心機の 設計において第２の重要な配慮は、さもなければ遠心機を損傷することができる 非対称サンプル負荷から発生するローター振動を減らすことである。もし減らし もまたは十分に減衰しなければ、本来のローターインバランスおよび／またはサ ンプル負荷パターンから発生する全体のインバランスは遠心機の早期故障をもた らし得る。 臨界速度を通過するローターの加速および減速に関連する諸問題は良く知られ ており、そしてそのような振動を減らすためおよび／または振動減衰を助けるた めの種々の機構が開発されている。 米国特許No.４，８４６，７７３（Ｇｉｅｂｅｌｅｒ ｅｔ ａｌ．）は、駆 動シャフトが截頭円錐形表面を有する、遠心機のための振動ダンパーを開示する 。駆動シャフトの振動はその回転軸を横断し、そして截頭円錐形表面によって駆 動軸上に同心的に取りつけたプランジャーの線形運動へ変換される。このプラン ジャーはソレノイドの内側に取付けられ、そしてソレノイドによって減衰された その線形運動を有する。 米国特許No.４，２３６，４２６（Ｍｅｉｎｋｅ ｅｔ ａｌ．）は、ばね、 ダンパー、おもりおよび／または減衰器が連結され、そしてローターに対して連 結されない、遠心機ローターのための減衰システムに関する。これはローターの 回転速度がその臨界速度へ近づく時ローターのたわみ性を変える。これら減衰装 置の効果はローターの臨界速度を変えることにある。これら装置は臨界速度をロ ーターが通過するのを容易にするように活性化されそして非活性化される。 米国特許No.４，０９８，４５７（Ｇｒｏｐｐｅｒ ｅｔ ａｌ．）は、静止 ステーターへ取付けた浮きステーターパッドと、該パッドとステーターの間の摩 擦を増加する手段とに関する。ローターの過剰な振動はステーターパッドとの摩 擦接触によって伝達される。Ｇｒｏｐｐｅｒ ｅｔ ａｌ．は振動減衰における ステーターパッド効率を増すためにステーターパッドとステーターの間の摩擦接 触 を増すための手段を提供する。 米国特許No.３，３２２，３３８（Ｓｔａｌｌｍａｎ ｅｔ ａｌ．）は、モ ーターの回転軸と同軸に回転部材を支持するフレームによって支持された可動ベ アリングアセンブリを有する遠心機を開示する。回転部材はモーターを解放しそ してローターを規定された回転軸に保持するためローターを係合するように前進 および後退位置の間を可動である。回転部材はあらかじめ定めた限界内で横に動 くことが許容され、それにより臨界トランスミッション速度における側方ロータ ー運動を減衰する。 米国特許No.２，９６１，２７７（Ｓｔｅｒｎｌｉｃｈｔ）は、固定ベアリン グ上のシャフト両端の中間に截頭円錐形ジャーナル部分をシャフトが持っている ベアリングシステムを開示する。截頭円錐形ジャーナルとの係合および脱係合へ 可動なように一つのベアリングが調節自在な支持体上に取付けられる。可動ベア リングは、シャフトが臨界角速度へ達する前にジャーナルと係合され、そして角 速度が臨界値よりも大きくなった後にシャフトから脱係合される。 米国特許No.２，９５１，７３１（Ｒｕｓｈｉｎｇ）は、２組の同心の離れた 円筒形スリーブを含んでいる減衰手段を持つ遠心機を開示する。このスリーブは シャフト振動を追従し、そしてシャフトに関して固定された他のスリーブとオー バーラップするように配置される。粘稠な液体がシャフト振動を減衰するために オーバーラップするスリーブ間に保持される。 米国特許No.３，４３０，８５２（Ｌｅｎｋｅｙ ｅｔ ａｌ．）は、臨界速 度において安定性を提供するためローターと摩擦接触する遠心機ローター安定化 装置を開示する。 これら先行技術アプローチは、一般にローターの運動を制限するために機械的 接触および関連する力に依存している。これは一般に振動をローターから他の機 械的部品へシフトすることによって達成される。この機械的接触は通常浪費的な エネルギー損失を提供する摩擦接触を含んでいる。 米国特許No.３，９０２，６５９（Ｂｒｉｎｋａｎ ｅｔ ａｌ．）は、第１ の軸方向に分極した磁気リングでつくった上方ベアリングと、そしてフェライト 材料を含んでいる第２のリングを有するローター安定化装置を開示する。リング の一方はローターへ固着され、そして他方のリングはローターに関して静止して 保持される。リングは、ローターの発振により誘導リング中に渦電流を発生させ 、それが振動エネルギーを吸収する。Ｂｒｉｎｋｍａｎ ｅｔ ａｌ．は、臨界 速度において発生する振動を緩和するため摩擦の使用に関連した先行技術問題の いくつかを克服するように見られる。不幸にも磁気カップリング使用の彼等の解 決方法は大きい臨界速度振動を良く調和しない。 それ故、好ましくはローターの機械的減衰なしでまたは最小機械的減衰をもっ て、臨界速度を通過する物体の回転加速を許容する方法を提供することが望まれ る。また、高度に非対称な負荷ローターから発生するローター振動を減らす方法 を提供することが有益であると信じられる。本発明の概要 本発明は、回転システム内で、特に高度に非対称に負荷されたローターの場合 に発生する振動を調和させるため、機械的装置の運動および／または高摩擦相互 作用を要するものを含む、既知の減衰シ ステムの複雑な動力学に関連する困難の多くを克服する。 本発明は、遠心機器に使用されるローターの振動を調和および／または制限す るための方法および装置に関する。本発明は、遠心ローターにおいて振動を調和 するための装置であって、該装置は、 垂直軸を有し、該軸のまわりの回転のため遠心機ローター取付のための駆動シ ャフトと、 前記シャフトの回転のための駆動手段と、 前記シャフト上に取付けたベアリング手段と、 前記ベアリング手段上に取付けられ、前記シャフトのまわりを回転できるディ スクと、 前記ディスクの垂直運動を制限し、それによりローターがその質量中心のまわ りを回転することを許容する制限手段を備える。本発明の望ましい特徴は、前記 ディスクの放射方向変位を感知する手段と、そしてあらかじめ定めた値を超える 放射方向変位に応答して前記ディスクの回転を拘束し、それにより遠心機ロータ ーの振動を減衰する手段を含んでいる。 このように、本発明は、幾何学的軸のまわりを回転している慣性モーメントお よび質量中心を有する回転体がその臨界速度を通過する時発生する振動を調和す る方法を含むことが見られ、該方法は、回転体の慣性モーメントを維持するステ ップおよび回転体がその回転軸をその質量中心へシフトすることを許容するステ ップを含む。 ローターの駆動シャフトに取付けた自由回転ディスクのためのすべり支持体を 設けることにより、ローターはその回転軸を質量中心へシフトすることが許容さ れる。本発明はこのように、ローターへ 放射方向質量を増すが、先行技術が行っているように慣性モーメントを増加しな い。これはローターが臨界速度においてさえも振動しようとする傾向を減らし、 そして先行技術の多くが行っているように、臨界速度においてさえも振動を減ら すためローター速度を遅くしない。例えばバランスしていないローターについて のように、振動が発生する範囲内で、ローターはディスクによりそのような振動 を減衰するようにすべりベアリングによって周縁でグリップされる。弾性体材料 は使用しないから、ばね定数による発振は促進されない。本発明の装置は簡単で 、複雑な回転型ダンパーの使用を必要としない。図面の簡単な説明 明細書とあわせていくつかの図面は本発明のより良い理解を提供するであろう 。図面において、類似の参照数字は類似の部品に使用されている。 図１は、遠心機ローターの振動を減らすための方法および装置を使用する遠心 機の斜視図である。 図２は、図１に示した遠心機のためのジャイロの分解図である。 図３は、図２のジャイロの縦断面である。 図４は、図１の遠心機調和装置と共に使用される振動センサーのブロック図で ある。好ましい具体例の説明 図１には、本発明に従って構築した回転体振動調和装置が見られる。図示した 装置は遠心機ローターのためジャイロである。ジャイロは、ローターを駆動し、 そして位置決めもしくは取付けるための 上方駆動シャフト１１（図３）を含んでいる。ノブ１２がそのようなローターを ジャイロ上に固定するために設けられる。本発明の振動調和装置は、スクリュー １８によりハウジングへ固着されたキャップ１６を有するハウジング１０を含ん でいる。図１の下部には、上方駆動シャフト１１を回転するための適当なモータ ー（図示せず）へ取付けることができる駆動プーリー１７が見られる。 今や図２および３を参照すると、本発明の装置の詳細が一層明瞭に見られる。 図３の上部において、上方シャフト１１へ取付けられそしてノブ１２によって固 定された慣用タイプでよいローター１３が見られる。ジャイロは二つのシャフト 、記載した上方シャフト１１および下方駆動シャフト２０からなり、これらシャ フトは、二つのシャフトの間の相対的横方向運動（シャフトの回転軸に対して直 角な）を許容する可撓性カップリング２２によって一体に連結されている。この 可撓性カップリング２２はこのタイプの任意の適当なカップリングでよく、一つ の適当なカップリングはＳｅｒｖｏｍｅｔｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより 製造されるカップリングである。可撓性カップリング２２は上端および下端キャ ップマウントそれぞれ２４，２６を有する。各自はそれぞれの駆動シャフト２０ および１１を収容するための端部ポートを有する。下端キャップマウント２６は 、ローター（シャフト）のホーム位置を感知するための旗として使用し得る探査 ピン２８をその中に有する。この位置は旗２２の位置を観察しそして既知の態様 でローターの位置を制御するために使用し得る適当なトランスジューサー３０に よって感知される。 下方駆動シャフト２０は、軸受ハウジング３８内に適当なワッシ ャーおよび保持リング３４によって配置されたボールベアリング３２によって固 定される。ボールベアリング３２は適当なスペーサーベアリング３６によって分 離されている。軸受ハウジング３８は適当なねじによりハウジング１０の下端へ 固定される。 上方駆動シャフト１１は切り株の形であり、その下端は上端キャップマウント ２４中に固定され、そしてディスク４０が一体に形成されたハブの形の軸受ハウ ジング４６に収容されたディスクベアリング４２内に配置される。ディスク４０ は好ましくはステンレス鋼で形成され、そして上端が一般にカップ形でそしてキ ャップ１６によりカバーされたハウジング１０内に配置される。ハウジング１０ は、上方駆動シャフト１１の放射方向運動をクッションするバンパーとして作用 するプラスチックボス５０が位置するカウンターボアを有する。ディスクベアリ ング４２は適当なワッシャーおよび保持リング５２によりハウジング４６の両端 において固定される。 本発明によれば、好ましくは下方支持滑りベアリング６０の形の複数の拘束手 段がディスク４０の水平面における回転を支持するためにディスク４０の下に配 置される。これら下方支持ベアリング６０は、ハウジング１０のキャップ形部分 の下方部分中に形成されたくぼみ６２中に、好ましくは等周間隔位置（６つが示 されている）に配置される。対応して、３個の等周間隔上方滑りベアリング６４ は、対応する下方支持ベアリング６０の軸方向上部に配置された、キャップ１６ に形成された等間隔くぼみ内に配置される。上方拘束ベアリング６４は、下方支 持ベアリング６０の３個の上だけに配置され、残りの等周間隔支持ベアリング６ ０の真上に配置された、ソレノイド作動滑りベアリング６８の形の減衰手段のた めの室を許容 する。 ソレノイド作動ベアリング６８は、３個のソレノイド７０によって作動され、 該ソレノイドはキャップ１６に反対向きに嵌合し、そして減衰ベアリング６８へ 取付けたソレノイドシャフトを作動化するように作動する。減衰ベアリング６８ は、低滑り摩擦を有するグラファイドを有するＶｅｓｐｅｌのような適当な材料 で作られる。対応して、上方拘束ベアリング６４は、やはり低い滑り摩擦を有す るＥｒｔａｌｙｔｅポリエステルのような適当な材料で作ることができる。実際 に、滑りベアリングは、名指しすればしかし少数であるが、テフロン、ナイロン 、デルリンのような低い滑り摩擦を与える任意の適当な材料でつくることができ る。上方ベアリング６４および６８は、それらはディスクの上側と接触しないか または軽く接触するように配置される。 ソレノイドの制御は、図４に示すような機構によって提供される。この図にお いて、ディスクはその周辺近くに配置され、そしてディスク４０の半径限界と重 なる発光ダイオート（ＬＥＤ）を持つことが示されている。ＬＥＤは適当な検出 器１０２に向かって下向きになっている。このように、ディスクの側方運動は検 出器１０２へ達する光の量を変動させ、ディスクの振動の大小の程度を知らせる であろう。検出器１０２の出力は適当な慣用のコントローラー１０４へ連結され 、検出器１０２によって感知されたディスク４０の振動の振幅に応じて、ソレノ イド７０を小程度または大程度制御もしくは作動化する。記載したソレノイドは 、減衰ベアリング６８をディスク４０の頂面に対して指向させる。 作動において、ローターが臨界速度を通過して加速または減速す る時、ローターの回転によって発生するバランスしない力は、それ自体で振動と して明示される。Ｓｅｒｏ Ｍｅｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｅｄａｒ Ｇｒｏｖ ｅ，Ｎ．Ｊ．により提供されるような可撓性カップリング２２は、下方シャフト ２０に対する上方シャフト１１の側方向運動を許容する。振動はまたそれ自体デ ィスク４０の放射方向運動に明示される。本発明によれば、ディスク４０は、上 方シャフト１１の回転軸に対して直角に動くのは自由である。下方支持ベアリン グ６０および上方拘束ベアリング６４によって提供される支持のため、駆動シャ フトおよびローターマウントを含む全体のアセンブリは、側方、すなわち駆動シ ャフト１１の回転軸に対して直角にシフトすることが許容され、このためそのよ うな振動に調和する。 これらの振動は駆動シャフトに対して少しも拘束力を適用することなく調和さ れ、それ故アセンブリの回転中心はその質量中心に沿って回転するようにシフト することが許容される。換言すれば、本発明の装置は放射方向質量を増すが、慣 性モーメントは増さない。これはローラーベアリング４２の低摩擦の故ディスク ４０は自由に回転しているが、ディスクはすべりベアリング６０の摩擦の故ロー ターの速度で回転しないからである。拘束ベアリング６８は単にディスクを支持 し、ディスクへ少しももしくは少ししか摩擦を課さない。このため慣性モーメン ト（角トルクと発生した角加速度との比）には変化が全くもしくは少ししかない 。さらに、弾性体材料を使用しないので、振動を永続させるもしくは振動を活性 化しようとするばね定数に関連する諸問題がない。本発明は真に質量センターリ ングを許容するものとして評価することができる。 検出器１０２によって過剰の振動が検出された時は、ソレノイド７０が作動化 され、ソレノイド作動べアリング６８をディスク４０の上面に当て、それにより ディスクに対して滑り摩擦を適用することによってそれ以上の運動を減衰し、そ してディスクが垂直もしくは放射方向に動く能力を制限する。このように、ディ スク４０の使用は第１にジャイロおよびローターの振動を調和し、そして次にも しそのような振動が過剰であれば、ソレノイドベアリング６８をディスク４０の 側面に係合するように作動化することによってそのような振動をさらに調和する ことを見ることができる。ディスクが回転してもしなくてもすべての時点で、そ れはべアリングを取付けてあるので、ローターを駆動するため適用されるトルク を妨害も減少もしない。ディスクは、垂直運動に抵抗することにより、その回転 平面を外れてディスクを再位置決めしようとする発振を制限する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．遠心機ローターの振動を調和するための装置であって、 垂直軸を有し、遠心機ローターを前記軸のまわりで回転のため取付けるため の駆動シャフトと、 前記駆動シャフトを回転するための可撓性駆動手段と、 前記シャフト上に取付けられたベアリング手段と、 前記ベアリング手段上に取付けられ、そのため前記シャフトのまわりを回転 できるディスクと、 前記ディスクの垂直運動を制限し、それによりローターがその質量中心のま わりを回転することを許容する制限手段 を備えている装置。 ２．前記ディスクは上下側面を有し、そして前記制限手段は、駆動シャフトトル クもしくは放射方向ローター運動に認知できる程影響することなく、前記ディス クのどちらかの側面軸方向運動をも拘束するのに適した滑りベアリングである請 求項１の装置。 ３．前記ディスクは上下側面を有し、前記制限手段はディスクの上側面に対し滑 りベアリングを適用する駆動手段を含んでいる請求項２の装置。 ４．制限手段は前記ディスクの外側部分へ向かって配置されている請求項１の装 置。 ５．前記ディスクの放射方向変位を感知する手段と、あらかじめ定めた値を超え る放射方向変位に応答して前記駆動手段を作動し、それにより遠心機の振動を減 衰する手段を含んでいる請求項３の装置。 ６．前記ディスクは、前記ディスクの下側面と係合するのに適した前記制限手段 上に滑り休息している請求項２の装置。 ７．前記ディスクは、前記ディスクの下側面と係合するのに適した前記制限手段 上に滑り休息している請求項５の装置。 ８．前記制限手段は低い滑り摩擦を有する材料でつくられている請求項７の装置 。 ９．前記ディスクは下側面を有し、そして前記制限手段は前記ディスクのその下 側面方向への運動を拘束するのに適した滑りベアリングである請求項１の装置。 10．慣性モーメントおよび質量中心を有する回転体が、幾何学的軸のまわりをそ の臨界速度を通過する時発生する振動で調和する方法であって、 前記回転体の慣性モーメントを維持するステップと、前記回転体がその回転 軸をその質量中心へシフトすることを許容するステップを含んでいる方法。 11．前記回転体の幾何学的軸のまわりを自由に回転するディスクを設けるステッ プと、 前記ディスクの前記幾何学的軸に沿った運動を拘束するステップをさらに含 んでいる請求項１０の方法。 12．前記ディスクの振動があらかじめ定めたレベルを超えた時その前記幾何学的 軸に沿った運動を防止するため前記ディスクを係合するステップをさらに含んで いる請求項１１の方法。