JP2003103199A

JP2003103199A - 高速回転試験装置

Info

Publication number: JP2003103199A
Application number: JP2001301480A
Authority: JP
Inventors: Masanori Sueyoshi; 正典末吉; Akira Tezuka; 明手塚; Yasushi Shibazaki; 康司柴▲崎▼; Shinsho Ko; 新▲勝▼ 黄; Toyotaka Osakabe; 豊隆長壁; Masao Ono; 正雄小野; Shigeru Mashita; 茂真下
Original assignee: MARUWA DENKI KK; Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: MARUWA DENKI KK; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-08
Also published as: US6820503B2; US20030062304A1

Abstract

(57)【要約】【課題】試料を格納したロータのさらなる高速回転
化、及び、高速回転の長時間化を図ると共に、高速回転
時におけるロータの温度制御を図ること。【解決手段】所定の試料を格納する試料用穴部を有す
るロータ１と、このロータ１に連結されるスピンドル２
と、スピンドル２に所定のトルクを印加するトルク印加
手段３と、ロータ１を密閉する枠体４とを備えると共
に、枠体４に、減圧手段５と、スピンドル２を保持する
保持手段６とを備え、保持手段６は、スピンドル２を支
持するブッシング７１と、当該ブッシング７１を挿通し
て支持するブッシング支持部材７２とを有し、少なくと
も一つのブッシング支持部材７２の内径を、ブッシング
７１の外径よりも大きく形成することにより、ブッシン
グ支持部材７２がブッシング７１を回転自在に支持す
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、高速回転試験装置
にかかり、特に、ロータを高速回転して、その遠心力に
より当該ロータに格納される試料を高重力加速度場にて
処理することに好適な高速回転装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、二元素以上からなる凝縮系物
質の外力による原子や分子の沈降拡散を、高濃度にて実
現すべく非常に大きな重力加速度場を発生することがで
きる装置の開発が進められている。そして、図９に示す
ような高速回転試験装置が知られており、これは、ロー
タを高速回転させることによってその遠心力で高重力加
速度場を発生するものである。この装置について詳述す
る。

【０００３】図９に示すように、この装置は、燃焼器
（図示せず）と、エアタービンモータ１０１と、試料容
器を収容するロータ１０２とを備えている。そして、燃
焼器からの燃焼ガスを矢印Ａで示すようにエアタービン
モータ１０１に導入し、その回転トルクを回転軸１０３
に印加している。この回転軸１０３はオイルフロート軸
受け１０４及び固定式ブッシング１０５にて軸支されて
いる。そして、回転軸１０３の先端部には上記ロータ１
０２が係合されている。

【０００４】続いて、ロータ１０２の形状について図１
０を参照して説明する。図１０（ａ）は、ロータ１０２
を正面から見た部分断面図を示し、図１０（ｂ）は、そ
の下方図である。ロータ１０２は、円錐の先端部を切除
した形状、すなわち、略円錐台形状である。そして、そ
の両端面である円の中心を上記回転軸１０３が貫通する
よう、ロータ１０２には軸穴１０２ａが形成されてい
る。この軸穴１０２ａに回転軸１０３が挿通して、当該
回転軸１０３の先端部にナット１０６を係合することに
より、ロータ１０２は、ナット１０６と固定式ブッシン
グ１０５とに挟まれて回転軸１０３先端部に固定され
る。また、ロータ１０２の一端面、すなわち、回転軸１
０３の先端部側の面には、他端面（エアタービンモータ
側）に向かって稜線に沿った所定の深さを有する試料用
穴部１０７ａ，ｂが形成されている。この穴部１０７
ａ，ｂに試料である凝縮系物質Ｍを格納してロータ１０
２を高速回転することにより、その遠心力による大きな
重力加速度下にて、試料を処理することができる。

【０００５】具体的には、この高速回転試験装置では、
ロータの遠心力により、２０万重力加速度（以下、ｇ）
以上の加速度場を、６０℃を越える温度下にて発生させ
ることができる。ここで、一般的には、回転軸周りの角
速度をω、物体から回転軸におろした垂線の長さをｒと
すると、加速度場αは、α＝ｒω^２で表される。試料容
器内径半径ｒの大小によって必要な回転速度が相違する
が、例えば、試料容器内径半径ｒが２０ｍｍの場合に、
８１万ｇを発生させるには、最高回転速度２０万ｒｐｍ
以上の高速回転を実現する必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例における高速回転試験装置では、以下のような不都
合があった。

【０００７】まず、上述したロータには、その回転中心
部に軸穴が空いているため、高速回転時に高重力加速度
場による応力に軸穴が耐えられず、ロータの変形等を伴
う場合も生じうる。従って、ロータの回転速度を所定の
速度に制限しなければならないという問題が生じてい
た。

【０００８】また、ロータ周囲の雰囲気は大気中であ
り、空気による摩擦抵抗が生じていた。従って、かかる
抵抗力により、回転速度が抑制されるという問題も生じ
ていた。そして、ロータ周囲の雰囲気を減圧して空気に
よる摩擦抵抗を抑制した場合には、ロータにかかる抵抗
力が減少して回転速度の上昇を図ることができるが、空
気による熱伝達を利用できず、ロータの加熱・冷却の効
率が低下するという不都合が生じる。従って、試料の温
度制御が困難であり、試料の試験内容が制限されるとい
う問題が生じていた。

【０００９】さらに、回転軸を固定式ブッシングにて軸
支することにより、回転軸とブッシングと相対速度が増
し、かかる間に生じる摩擦により焼き付けを起こすとい
う不都合も生じ、ロータの高速回転を長時間維持するこ
とが困難であるという問題も生じていた。

【００１０】

【発明の目的】本発明は、上記従来例の有する不都合を
改善し、特に、試料を格納したロータのさらなる高速回
転化、及び、高速回転の長時間化を図ると共に、高速回
転時におけるロータの温度制御を図ることができる高速
回転試験装置を提供すること、をその目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、所
定の試料を格納する試料用穴部を有するロータと、この
ロータの回転中心に一端部が連結されるスピンドルと、
このスピンドルの他端部に連結して当該スピンドルに所
定のトルクを印加するトルク印加手段と、ロータを密閉
して収容する枠体とを備えると共に、枠体に、当該枠体
内の気圧を減圧する減圧手段と、スピンドルを挿通して
当該スピンドルを保持する保持手段とを備えている。そ
して、保持手段は、スピンドルを支持する少なくとも一
つのブッシングと、当該ブッシングを挿通して支持する
ブッシング支持部材とを有し、少なくとも一つのブッシ
ング支持部材の内径を、当該ブッシング支持部材に挿通
されるブッシングの外径よりも大きく形成することによ
り、ブッシング支持部材がブッシングを回転自在に支持
する、という構成を採っている（請求項１）。

【００１２】このような構成にすることにより、トルク
印加手段からスピンドルに印可されたトルクがロータへ
と伝達し、当該ロータは減圧下の雰囲気にて高速回転す
る。このとき、スピンドルは保持手段内のブッシングに
て軸支されているため、スピンドルとブッシングとの摩
擦により、スピンドルの回転方向と同一の方向にブッシ
ングも回転されるよう回転力が付勢される。そして、ブ
ッシングはブッシング支持部材に所定の隙間を有して軸
支されているため、当該ブッシングはブッシング支持部
材に対して回転しうる。従って、ブッシングがブッシン
グ支持部材に固定されている場合に対して、スピンドル
とブッシングとの相対的な回転速度が抑制されるため、
かかる部材間の摩擦が抑制され、焼き付けの発生を抑制
することができる。その結果、ロータのさらなる高速回
転を図ることができると共に、高速回転を長時間維持す
ることが可能となる。

【００１３】そして、所定のブッシング支持部材に回転
自在に支持されているブッシングを、保持手段のトルク
付加手段側にのみ備えてもよい（請求項２）。すなわ
ち、スピンドルのロータ側に備えられているブッシング
を、ブッシング支持部材にて固定して支持してもよい。
これにより、ロータ付近にてスピンドルを安定して軸支
するため、当該スピンドルの揺動を抑制することがで
き、ロータの安定した高速回転を図ることができると共
に、トルク付加手段側では、スピンドルとブッシングと
間の摩擦を抑制する。従って、上述同様に、ロータの長
時間の高速回転を図ることができる。

【００１４】また、ロータの回転中心に、当該ロータか
らトルク印加手段側に突出したスピンドルと連結するス
ピンドル連結部を形成すると望ましい（請求項３）。そ
して、このスピンドル連結部の突出端に、スピンドルを
挿入して連結する軸穴を形成すると共に、この軸穴の深
さを、スピンドル連結部を貫通しない深さとすると、な
お望ましい（請求項４）。

【００１５】これにより、スピンドルを連結するスピン
ドル連結部がロータの回転中心から突出して形成され
る。すなわち、スピンドル連結部がロータと一体的に形
成される。そして、スピンドル連結部の突出端から所定
の深さに形成された軸穴にスピンドルが挿入して連結さ
れるため、ロータの回転中心にスピンドル連結部及びロ
ータ本体を貫通する軸穴を形成する必要がなくなる。従
って、ロータに軸穴である貫通孔がある場合には当該貫
通孔が高速回転による遠心力の応力に耐えられずにロー
タ形状が変形するなどの不都合が生じうるが、このよう
な不都合の発生を抑制することができる。すなわち、高
速回転時のロータの形状など、当該ロータの状態の安定
化を図ることができ、さらなる高速回転化を図ることが
できる。

【００１６】さらに、従来はトルク印加手段として燃焼
ガスにて駆動するエアタービンを使用していたが、当該
トルク印加手段として、圧縮空気を供給することにより
回転駆動するエアタービンや（請求項５）、電動駆動モ
ータを用いると望ましい（請求項６）。これにより、燃
焼ガスを発生する燃焼器を用いることがないため、従来
のように燃焼器からの熱がロータに格納された試料にま
で伝熱することを抑制できる。従って、高速回転時のロ
ータ、すなわち、試料の温度の上昇を抑制でき、当該試
料の温度制御を図ることができる。

【００１７】そして、このとき、枠体の内部であってロ
ータの近傍に、所定の面積を有する輻射部材を設けると
共に、この輻射部材の温度を制御する輻射温度制御手段
を設けると望ましく（請求項７）、輻射部材を、ロータ
の回転周囲を覆うよう円環状に形成すると、なお望まし
い（請求項８）。これにより、温度制御手段にて輻射部
材を加熱・冷却することにより、当該輻射部材からの輻
射線にてロータに輻射熱が生じ、当該ロータを加熱ある
いは冷却することができる。このとき、輻射部材を円環
状にしてロータを覆うことにより、効率よく加熱・冷却
できる。従って、ロータ周囲の雰囲気が減圧下であって
も、ロータの温度を制御することができ、試料の処理温
度を設定することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】〈第１の実施形態〉以下、本発明
の第１の実施形態を、図１乃至図７を参照して説明す
る。図１は、本発明の構成を示す断面概略図である。図
２は、ロータの形状を説明する図である。図３は、保持
手段の構成を示す断面図である。図４乃至図７は、本装
置を用いて高速回転試験を行った実験結果を示す図であ
る。

【００１９】（全体構成）図１に示すように、第１の実
施形態における高速回転試験装置は、所定の試料を格納
する試料用穴部を有するロータ１と、このロータ１の回
転中心に一端部が連結されるスピンドル２と、このスピ
ンドル２の他端部に連結して当該スピンドル２に所定の
トルクを印加するトルク印加手段３と、ロータ１を密閉
して収容する枠体４とを備えている。そして、枠体４
に、当該枠体４内の気圧を減圧する減圧手段５と、スピ
ンドル２を挿通して当該スピンドル２を保持する保持手
段６とを備えている。この図のように、スピンドル２に
吊り下げられて連結されたロータ１に、トルク印加手段
３からのトルクがスピンドル２を介して伝達され、当該
ロータ１の高速回転を図ることができる。以下、これを
詳述する。

【００２０】（ロータ）図２を参照して、ロータ１を説
明する。図２（ａ）は、ロータ１を正面から見た部分断
面図である。図２（ｂ）は、ロータ１を図２（ａ）にお
いて下方から見た図である。

【００２１】ロータ１は、後述するように、トルク印加
手段３からのトルクがスピンドル２を介して伝達される
ことにより回転される回転体である。このロータ１は、
略円錐台形のロータ本体部１Ａと、この本体部１Ａの回
転中心に位置して回転軸方向に突出するスピンドル連結
部１Ｂとにより構成される。ここで、ロータ１は、ロー
タ本体部１Ａとスピンドル連結部１Ｂとを結合したもの
ではなく、一体的に形成されたものである。従って、ロ
ータ１は、鍛造によるバルク材を削り加工することによ
り製造されると望ましい。但し、製造方法に限定され
ず、鋳物などによって製造されてもよい。このように一
体的に形成することにより、高速回転による遠心力に耐
えうるようロータ自体の強度の向上を図ることができ
る。ここでは、説明の便宜上、ロータ１をロータ本体部
１Ａと、スピンドル連結部１Ｂとに分けて説明する。

【００２２】ロータ本体部１Ａは、上述したように略円
錐台であり、換言すると、円錐を底面から所定の高さに
て当該底面と平行な面にてカットし、先端部側を切除し
た形状である。そして、切除側を本装置の下部方向に向
けて配設されている。すなわち、元の円錐形状における
底面が上部側に位置し、切除側が下部側に位置する。そ
して、下部側の面はもちろん円形状であるが、その円周
から中心に向かって一様にくぼんだ形状になっている
（図２（ａ）の断面部分参照）。但し、その中心部は、
軸方向に突出している。従って、下部側の面には、円環
状の凹部が形成されている。

【００２３】この凹部には、円錐台の稜線に沿って装置
の上部方向に延びる試料用穴部１Ａａ，１Ａｂが形成さ
れている。この試料用穴部１Ａａ，１Ａｂは、所定の深
さを有していて、左右対称に２つ形成されている（図２
（ｂ）参照）。但し、その個数は２つに限定されるもの
ではない。

【００２４】この試料用穴部１Ａａ，１Ａｂは、回転試
験を行う凝縮系物質である試料Ｍを格納する穴部であ
る。この穴部１Ａａ，１Ａｂには、試料Ｍを詰めて所定
の栓Ｃ１をねじ込んだ試料容器（カプセル）Ｖを挿入
し、さらに別の栓Ｃ２で穴部１Ａａ，１Ａｂを塞ぐ。ま
た、この穴部１Ａａ，１Ａｂは、回転軸に対して約３０
°の傾斜を有するよう形成したが、これに限定されるも
のではない（図２（ａ）参照）。

【００２５】また、上述したように、ロータ１には大き
な重力加速度が生じることと、本装置では、試料に遠心
力を与えるだけでなく拡散や相変化反応などを起こさせ
ることが目的であって加熱を行う必要があることから、
当該ロータ１は高強度であって、かつ、耐熱性に優れた
材料にて形成されることが望ましい。従って、本実施形
態では、チタン合金（Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ）にて形成さ
れたロータ１を用いる。但し、ロータ１の材料はこれに
限定されるものではない。高温用として、鉄−ニッケル
合金（Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８）や、セラミックス製のも
のを用いてもよい。また、後述するように、ロータ１を
冷却する場合には、他の材料にて形成されたロータ１を
用いてもよい。

【００２６】そして、スピンドル連結部１Ｂは、ロータ
本体部１Ａの上部側に備えられる略円柱状の部材であ
る。この円柱部材は、当該円柱の中心軸とロータ本体部
１Ａの回転軸とが一直線上に位置するようになってい
る。このスピンドル連結部１Ｂの上端部、すなわち、ロ
ータ本体部１Ａから突出した突出端には、スピンドル２
を挿入して連結する軸穴１Ｂａがロータ１の回転軸上に
形成されている。この軸穴１Ｂａは、下部方向に向かっ
て形成されていて、スピンドル連結部１Ｂを貫通しない
所定の深さとなっている。従って、当然のことながら、
ロータ本体部１Ａにも軸穴１Ｂａは達していない。

【００２７】また、この軸穴１Ｂａに対して垂直に、ス
ピンドル連結部１Ｂ外部から貫通するねじ穴１Ｂｂが形
成されている。そして、軸穴１Ｂａにスピンドル２を挿
入して、ねじ穴１Ｂｂからねじを締めることにより、ス
ピンドル２をスピンドル連結部１Ｂａに連結することが
でき、トルク印加手段３からのトルクをロータ１に伝達
することができる。

【００２８】ここで、従来例では、ロータ１の中心に貫
通孔を形成して、この貫通孔にスピンドル２を挿通し
て、ナットなどにより当該スピンドル２の先端部にロー
タ１を連結していた。しかし、かかる場合には、貫通孔
が高速回転による遠心力の応力に耐えられないこともあ
り、ロータ自体の形状が変形するという不都合が生じて
いた。本実施例では、このような不都合の改善を図るこ
とができ、強固なロータを提供でき、さらなる高速回
転、あるいは、高速回転の長時間化を図ることができ
る。

【００２９】（スピンドル）スピンドル２は、上述した
ように、一端部がロータ１のスピンドル連結部１Ｂに連
結されていて、他端部はトルク印加手段３に連結されて
いる。また、その中央部は、後述する保持手段６にて軸
支されている。このようにして、ロータ１にトルクを伝
達すると共に、当該ロータ１の高速回転の安定化を図っ
ている。

【００３０】（トルク印加手段）トルク印加手段３は、
圧縮空気を供給することにより回転駆動するエアタービ
ン３Ａと、圧縮空気を供給するコンプレッサ３Ｂと、エ
アタービン３Ａに導入された空気を排出するマフラ３Ｃ
とにより構成される。エアタービン３Ａは、図１に示す
ように、コンプレッサ３Ｂによる圧縮空気をタービン３
Ａの右方向（矢印Ｌ１）から導入して、その空気の風圧
にて回転される回転羽根（図示せず）を内部に有してい
る。そして、この回転羽根の回転中心は、当該エアター
ビン３Ａの駆動軸（図示せず）そのものである。すなわ
ち、回転羽根は駆動軸の所定箇所に備えられている。そ
して、駆動軸は上記スピンドル２の他端部に連結してい
て、駆動力をスピンドル２に伝達する。

【００３１】上記回転羽根は、図示しないが二段構造に
なっていて、それぞれの羽根は反対向きに備えられてい
る。そして、各回転羽根に圧縮空気を供給できるよう、
各回転羽根間には仕切りが設けられている。従って、圧
縮空気を一方の回転羽根に供給することによりロータ１
を高速回転することができるが、このときに他方の羽根
に圧縮空気を供給すると当該他方の羽根は反対方向に回
転するため、ロータ１の回転速度を減速することができ
る。従って、このように２つの回転羽根を設けると共
に、圧縮空気の導入を切り換えることにより、ロータ１
の回転速度を精度良く制御することができる。ここで、
上記のように、コンプレッサ３Ｂからの圧縮空気をいず
れかの回転羽根に導入されるよう切り換える切換制御手
段が、エアタービン３Ａには備えられている（図示せ
ず）。

【００３２】また、マフラ３Ｃは、エアタービン３Ａか
ら排出される空気による騒音を吸収して、当該空気を排
出する。なお、上記エアタービン３Ａ、コンプレッサ３
Ｂ、マフラ３Ｃの他の機能は、一般的に用いられるもの
と同様であるため、その詳細は省略する。

【００３３】ここで、従来例では、トルク印加手段３と
して燃焼ガスにて駆動するエアタービンを使用してい
た。すなわち、ジェットエンジン型燃焼器からの燃焼ガ
スを用いて駆動するターボチャージャーを用いること
で、短時間にて高回転を得ることができた。しかしなが
ら、かかる場合には試験を行う上で最も重要な要素であ
る回転数の制御が困難であると共に、燃焼ガスからの熱
がロータ１に伝熱してしまうこともあり、種々の問題が
生じていた。一方、本発明では、圧縮空気によるエアタ
ービンを用いることで、駆動源の回転数制御が容易であ
り、駆動時の発熱も抑制できる。従って、ロータ１の回
転数及び温度等を容易に設定することができるため、種
々の条件にて試験を行うことでき、ユーザの利便性の向
上を図ることができる。このため、トルク印加手段３
は、駆動する際に発熱を抑制することができるものであ
ればよく、例えば、電動駆動モータを用いてもよい。か
かる場合にも、駆動源の回転数を精度よく制御すること
ができ、ロータ１の回転数の制御も容易となる。

【００３４】（枠体）枠体４は、ロータ１を所定の雰囲
気中に収容する所定の厚さを有する枠体である。この枠
体４は、略直方体形状であり、その内部空間も同様であ
る。具体的には、各壁を形成する板状部材にて構成され
ていて、その結合部は図示しないシールが施されてい
る。なお、後述するように、枠体４による内部空間は密
閉空間になっている。

【００３５】枠体４の上部には、後述するスピンドル２
を軸支する保持手段６を配置するよう、保持手段用穴部
４Ａが形成されている。そして、この穴部４Ａに保持手
段６がはめ込まれ、当該穴部４Ａの外周はシールされ
る。これにより、保持手段６にて軸支されるスピンドル
の先端部が枠体４内部に挿入され、かかる先端部にロー
タ１が連結されることで、当該ロータ１を枠体４内に収
容することができる。

【００３６】また、枠体４の側面には、排気口４Ｂが形
成されている。かかる排気口４Ｂは、通常は塞がれてい
る。但し、その先に真空ポンプなどの減圧手段５を備え
ることも可能である。かかる場合に、当該ポンプにて枠
体４の内部空間の空気を外部に排出することにより（図
１の矢印Ｌ２を参照）、当該枠体４内を真空状態又はこ
れに準ずる状態にすることができる。例えば、大気圧を
約１０^５Ｐａとすると、減圧により１０^２Ｐａ以下にす
ることができる。これにより、ロータ１周囲の雰囲気が
減圧状態となり、ロータ１と空気とによる摩擦抵抗の減
少を図ることができる。従って、ロータ１の高速回転時
の摩擦による損失を抑制することができるため、トルク
印加手段３にかかる負担を抑制することができ、さらな
る高速回転化を図ることができる。また、このことか
ら、ロータ１の回転速度の維持に必要なトルクの抑制を
図ることができ、長時間の高速回転の維持を図ることが
できる。

【００３７】そして、かかる枠体は、高速回転試験に際
して破断して飛び散った場合のロータ１の破片を外部に
漏らさず回収する機能を有する。従って、枠体４の壁面
は、破片の衝突に耐えうる強度設計が施されている。

【００３８】（保持部材）保持手段６は、スピンドル２
を挿通して、その中央部にて軸支する軸受けの役割を果
たす機構である。この保持手段６は、上述したように、
枠体４の上壁に嵌合されて備えられている。以下、保持
手段６を、図３を参照して説明する。図３は、保持手段
６の構成を示す断面図である。

【００３９】この図に示すように、保持手段６は、スピ
ンドル２がその中心を貫通する円筒状であって、当該円
筒形状を形成するケーシング６１を備えている。このケ
ーシング６１は内部に所定の空間部を有していて、この
空間部は種々の部品が格納される格納室６１ａとして形
成されている。そして、当該格納室６１ａにはスピンド
ル２を軸支する所定の部品が収容されていると共に、潤
滑油にて常に満たされた状態になっている。従って、ケ
ーシング６１の内部、具体的には、格納室６１ａを形成
する壁には、当該格納室６１ａに隣接した状態で外部か
ら潤滑油の供給が可能な潤滑油室６１ｂが設けられてお
り、かかる潤滑油室６１ｂから格納室６１ａに潤滑油を
供給する二つの供給口６１ｃ，６１ｄが設けられてい
る。また、ケーシング６１には格納室６１ａ内から外部
に潤滑油を排出可能な排出口６１ｅが設けられている。
従って、本装置の使用時には、格納室６１ａ内を常に潤
滑油が満たすように循環することが可能となっている。

【００４０】また、格納室６１ａには、スピンドル２を
上部にて軸支するブッシング７１と、当該ブッシング７
１を挿通して支持するブッシング支持部材７２とが備え
られている。また、スピンドル２の下部には、当該スピ
ンドル２を軸支するすべり軸受け７３と、格納室６１ａ
内に満たされた潤滑油をケーシング６１の下部に漏らさ
ないようシールするオイルシール７４とが備えられてい
る。そして、上記ブッシング支持部材７２やすべり軸受
け７３及びオイルシール７４などを保持するハウジング
７５も備えられている。

【００４１】ハウジング７５は上部に位置する上部筒状
体７５ａと、下部に位置する下部筒状体７５ｂとにより
構成されている。そして、これらの筒状体７５ａ，７５
ｂの間には、当該筒状態７５ａ，７５ｂを離間するよう
上下方向に沿って押圧する押圧ばね７６が介挿されてい
る。

【００４２】上部筒状体７５ａは、上部に天板を備えた
筒状を呈し、その天板の中央にブッシング支持部材７２
が嵌合される貫通孔が設けられている。このとき、貫通
孔の内径は、ブッシング支持部材７２を固定して支持す
ることができるよう、当該ブッシング支持部材７２の外
径とほぼ同一の径である。そして、この上部筒状体７５
ａの上部には、ワッシャ７６が載置されている。なお、
後述するように、ブッシング支持部材７２には、ブッシ
ング７１が遊挿される。

【００４３】下部筒状体７５ｂは、底部に底板を備えた
筒状を呈し、その底板の中央にスピンドル２が遊挿され
る貫通孔が設けられている。また、底板より上部には、
上記貫通孔よりも径の大きいオイルシール７４を嵌合す
る凹部が、同様にさらに上部には、すべり軸受け７３を
嵌合する凹部が形成されている。そして、オイルシール
７４やすべり軸受け７３は、下部筒状体７５ｂにて固定
されて嵌合される。この下部筒状体７５ｂは、その底板
を格納室６１ａの下部内壁面にほぼ当接させた状態で格
納室４５内に配設されている。

【００４４】また、下部筒状体７５ｂの周壁には、その
内部に潤滑油を供給する貫通穴６１ｆが設けられてい
る。この貫通穴６１ｆは上述した格納室６１ａ内に潤滑
油を供給する供給口６１ｃに対応する位置に設けられて
いる。このとき、図３に示す矢印Ｌ３の方向に、潤滑油
が供給される。

【００４５】そして、押圧ばね７６を介して上部筒状体
７５ａはその天板を格納室６１ａの上部内壁面方向に押
圧され、その一方で、下部筒状体７５ｂはその底板を格
納室６１ａの下部内壁面方向に押圧される。このとき、
下部筒状体７５ｂの底板と格納室６１ａの下部内壁面と
の間にはＯリング７７が介挿されており、ハウジング７
５の周囲と格納室６１ａの内壁面との間に介在する潤滑
油の下部側への漏れが防止される。また、下部筒状体７
５ｂの下部には、上述したように、スピンドル２の周囲
を取り囲むようにして設けられたオイルシール７４が格
納されているため、ハウジング７５内の潤滑油がスピン
ドル２を伝って下方に漏れることが防止されている。

【００４６】ここで、上述したブッシング７１及びブッ
シング支持部材７２について詳述する。このブッシング
７１の内径は、スピンドル２の軸径とほぼ同一の径であ
る。但し、完全に一致しているわけではなく、スピンド
ル２をブッシング７１に挿通した際には、微少な隙間が
生じる。そして、この隙間には潤滑油が侵入するように
なっている。そして、潤滑油は下方から上方に流れ（矢
印Ｌ４を参照）、ケーシング６１上部に形成された排出
口６１ｅから排出される（矢印Ｌ５を参照）。また、ブ
ッシング７１はその上端部付近のみの外径が大きく形成
されている。但し、その外径は上部筒状体７５ａの中心
部に形成された貫通孔よりも小さい径である。

【００４７】そして、ブッシング支持部材７２は、上記
ブッシング７１の上端部部分を当該支持部材７２の上端
部に引っかかるように支持し、その他の外径部分を軸支
する。このとき、ブッシング支持部材７２は、ブッシン
グ７１を軸支する部分の内径が、ブッシング７１の外径
よりも大きく形成されている。すなわち、ブッシング支
持部材７２は、ブッシング７１を回転自在に支持する。
そして、当然のことながらブッシング支持部材７２とブ
ッシング７１との間に潤滑油が挿入するようになってい
て、これらの相対的な回転が円滑となる。なお、ブッシ
ング支持部材７２の下端部は、その外径が大きく形成さ
れている（図３参照）。

【００４８】これにより、まず、スピンドル２が回転す
ることにより、当該スピンドル２とブッシング７１との
間には潤滑油が挿入されるものの、その量は微量である
ため摩擦が生じうる。これにより、スピンドル２の回転
方向と同一方向にブッシング７１が回転されるようトル
クが生じる。このとき、ブッシング７１とこれを軸支す
るブッシング支持部材７２とは所定の間隙を有していて
潤滑油にて満たされているため、ブッシング７１もスピ
ンドル２と同一方向に回転される。なお、このときのブ
ッシング７１とブッシング支持部材７２との摩擦は低減
されている。従って、スピンドル２の回転と同一方向に
ブッシング７１も回転することにより、当該スピンドル
２とブッシング７１との相対回転速度が低速に抑制され
るため、摩擦による焼き付けを抑制することができる。

【００４９】さらには、ブッシング７１とブッシング支
持部材７２とが所定の間隙を有していることにより、当
該間隙に挿入している潤滑油にて、スピンドル２の揺動
を減衰することができ、当該スピンドル２の回転の安定
化を図ることができる。

【００５０】これに対し、スピンドル２を下部にて軸支
しているすべり軸受け７３は、当該スピンドル２の外径
とほぼ同一の内径を有する軸受けである。従って、スピ
ンドル２を下部にて確実に軸支しているため、当該スピ
ンドル２の揺動すなわちロータ１の揺動を抑制すること
ができる。このように、ロータ１付近の軸受けを、上記
のようなすべり軸受けを用いることにより、ロータ１の
高速回転の安定化を図ることができる。

【００５１】ここで、本実施形態では、保持手段６の上
部側にのみ、上述のようなブッシング７１及びブッシン
グ支持部材７２を設ける場合を例示したが、必ずしもこ
れに限定されない。かかるブッシング７１及びブッシン
グ支持部材７２を、複数箇所に設けてもよい。すなわ
ち、ロータ１付近の軸受けを上記ブッシング７１等にて
形成してもよい。

【００５２】（輻射部材）また、枠体４の内部であって
ロータ１の近傍には、所定の面積を有する輻射部材８が
設けられている。具体的には、この輻射部材８は、所定
の厚みを有する板状の部材を、ロータ１の回転周囲を覆
うよう円環形状に形成したものである（図１参照）。そ
して、この輻射部材８は、図示しないが、枠体４の上部
から吊り下げられて配設されている。

【００５３】また、この枠体４には、上記輻射部材８の
温度を制御する輻射温度制御手段９が設けられている。
この輻射温度制御手段９は、本実施形態では輻射部材８
を加熱するものであり、シーズヒータにて形成されてい
る。具体的には、輻射部材８の外周には、複数のコイル
９１が当接して備えられていて、これらコイル９１は、
所定の電流を流す電源である加熱手段９２に接続されて
いる。また、輻射温度制御手段９は、図示しない温度セ
ンサや電源の電力供給量を制御するコンピュータをも備
えていて、ロータ１の温度を測定しつつ輻射部材８の温
度を調節することにより、当該ロータ１が所定の温度に
なるよう制御している。

【００５４】また、輻射部材８は、ロータ１を加熱する
際には、カーボン製であると望ましい。さらに、輻射部
材８を加熱するには、ジュール加熱の他、高周波加熱を
用いてもよい。

【００５５】このようにすることにより、輻射温度制御
手段９にて輻射部材８を加熱することにより、当該輻射
部材８からの輻射線にてロータ１に輻射熱が生じ、当該
ロータ１を加熱することができる。そして、ロータ周囲
の雰囲気が減圧下であって空気の対流等によりロータ１
に熱量を供給することが困難な場合であっても、上記の
ように輻射熱を用いることで、ロータ１を加熱してその
温度を制御することができ、所望の処理温度にて試料を
処理することができる。

【００５６】（動作）次に、本実施形態における装置の
動作を説明する。まず、ロータ１を回転させる前に、真
空ポンプ（減圧手段）５にて枠体４内の気圧を１０^２Ｐ
ａ以下に減圧する。そして、コンプレッサ３Ｂを稼働
し、圧縮空気をエアタービン３Ａに導入する（図１の矢
印Ｌ１を参照）。これにより、エアタービン３Ａが回転
駆動し、これによるトルクがスピンドル２を介してロー
タ１に伝達する。なお、エアタービン３Ａに回転力を付
勢した圧縮空気は、マフラ３Ｃを介して外部に排出され
る。

【００５７】そして、スピンドル２が回転すると、スピ
ンドル２を軸支するブッシング７１に当該スピンドル２
のトルクが摩擦により付勢される。このとき、スピンド
ル２とブッシング７１との間には、潤滑油による薄膜が
形成されるが、かかる場合であっても摩擦が生じるた
め、スピンドル２の回転する方向にブッシング７１にも
回転力が付勢される。そして、ブッシング７１とこれを
軸支するブッシング支持部材７２との間には、所定の隙
間が形成されていて潤滑油にて満たされているため、ブ
ッシング７１はスピンドル２と同一の回転方向に回転す
る。これにより、スピンドル２とブッシング７１との相
対的な回転速度は減少するため、かかる部材間における
摩擦は減少し、焼き付けの抑制を図ることができる。

【００５８】このスピンドル２のトルクは、その端部に
連結されたロータ１に伝達され、当該ロータ１は回転す
る。そして、ロータ１周囲の雰囲気は減圧されているた
め、空気抵抗が少なく回転時の損失が抑制され、当該ロ
ータ１の高速回転を図ることができる。

【００５９】また、ロータ１が回転中あるいは回転前か
ら、輻射部材８は輻射温度制御手段９にて加熱されてい
る。加熱された輻射部材８からは輻射線がロータ１に発
せられ、当該ロータ１に輻射熱が発生する。そして、加
熱されたロータ１内では、その熱が内部に格納された試
料にまで伝熱し、当該試料を所定の温度に設定しつつ、
所定の重力場にて処理することができる。

【００６０】（実験）次に、本実施形態における装置を
用いて行った高速回転実験について、図４乃至図７を参
照して説明する。このとき、ロータ１は直径７０ｍｍの
ものを用いている。

【００６１】図４は、ロータ１周囲の雰囲気が常温・減
圧下であって、ロータ１にチタン合金製（Ｔｉ−６Ａ１
−４Ｖ）のものを用いて、回転試験を行ったときの結果
を示す図である。横軸は時間（分）、縦軸は回転数（ｒ
ｐｍ）である。この図より、８分経過後にはロータ１の
回転数が１９万ｒｐｍに達し、高速回転を図ることがで
きた。このとき、試料である凝縮系物質Ｍにかかる重力
加速度は、その最大径において１１１万１３６ｇであっ
た。従って、本装置では、ロータ１の高速回転を図るこ
とができ、１００万ｇを越える高重力加速度場にて試料
を処理することができる。

【００６２】図５は、上記同様の条件にて、ロータ１を
１７万ｒｐｍで２４時間連続回転したときの結果を示す
図である。横軸は時間（時間）、縦軸は回転数（ｒｐ
ｍ）である。この図より、２４時間ほぼ１７万ｒｐｍを
保つことができ、長時間に渡って高速回転を保持した場
合であっても、回転数を安定して維持することができ
る。また、このときの試料の最大径における重力加速度
場は、８８万８７２４ｇであった。従って、本装置は、
高重力場の発生を長時間維持することができるため、耐
久性にも優れていることがわかる。

【００６３】図６は、ロータ１に鉄−ニッケル合金製
（Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８）のものを用いて、ロータ１周
囲の雰囲気が２００℃、減圧下にて、当該ロータ１の加
熱試験を行った結果を示す図である。横軸は時間（時
間）、縦軸は温度（℃）である。このとき、ロータ１は
静止させた状態であり、当該ロータ１には熱電対が取り
付けてある。これにより、ロータ１の温度を測定した。
この図より、ロータ１の温度は９時間経過したときには
２００℃に達しているため、輻射熱にてロータ１を加熱
することが可能であることがわかる。従って、ロータ１
を減圧下にて回転する場合であっても、当該ロータ１の
温度を制御することができる。

【００６４】図７は、ロータ１周囲の雰囲気が１５０℃
・減圧下であって、ロータ１にチタン合金製（Ｔｉ−６
Ａ１−４Ｖ）のものを用いて、回転試験を行ったときの
結果を示す図である。この試験では、ロータ１を１５万
５０００ｒｐｍにて回転し、当該回転数を１００時間保
持した。そして、かかる場合における回転数（一点鎖
線）と、ロータ１の温度（実線）とを測定した。横軸は
時間（秒）、縦軸は回転数（ｒｐｍ）と温度（℃）であ
る。また、温度制御は、ＰＩＤ制御にて行った。この図
より、所定の回転速度を維持しつつ、ロータ１の温度を
も同時に制御することが可能であることがわかる。そし
て、かかる制御を高精度にて可能であることもわかる。
なお、このときの試料の最大径における重力加速度場
は、７３万８８０９ｇであった。

【００６５】以上のように、第１の実施形態における高
速回転試験装置は、試料を格納したロータ１を高速回転
することができ、具体的には、周速６００ｍ／ｓ以上に
て回転することができる。これにより、１００万ｇ以上
の重力加速度場を発生させることができ、かかる高重力
場にて試料を処理することができる。そして、高速回転
を長時間維持することも可能であり、試料を高重力場に
て長時間処理することもできる。さらには、高速回転時
にロータ１を輻射熱にて加熱することができるため、試
料の温度を設定して高重力場にて処理することができ
る。具体的には、４００℃以上の加熱も可能である。

【００６６】〈第２の実施形態〉次に、本発明の第２の
実施形態について、図８を参照して説明する。本実施形
態では、その構成は第１の実施形態のものとほぼ同一で
ある。但し、第１の実施形態では輻射部材８を加熱する
ものであった輻射温度制御手段９を、本実施形態では、
輻射部材１８０を冷却する手段１９０としている点で異
なる。具体的には、輻射温度制御手段１９０は、輻射部
材１８０に取り付けられた伝熱部材１９１と、この伝熱
部材１９１を冷却する冷却手段１９２とにより構成され
ている。このとき、輻射部材８の材質は銅であると望ま
しく、冷却手段１９２は、ヘリウム冷却にて伝熱部材１
９１を冷却する装置であると望ましい。但し、これらに
限定されるものではない。

【００６７】これにより、冷却手段１９２にて冷却され
た伝熱部材１９１により、輻射部材１８０が冷却され
る。そして、この輻射部材１８０による輻射冷却によ
り、ロータ１を冷却することができ、当該ロータ１の温
度を下げることができる。従って、ロータ１内の試料を
冷却しつつ、高重力場にて処理を行うことができる。実
験では、−２０℃以下に冷却することが可能であった。

【００６８】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成され機能す
るので、これによると、スピンドルを軸支するブッシン
グをブッシング支持部材にて固定せずに軸支したため、
当該ブッシングはスピンドルの回転方向と同一の方向に
回転可能となり、スピンドルとブッシングとの間におけ
る摩擦が低減され、焼き付けを抑制できるので、ロータ
のさらなる高速回転を図ることができると共に、高速回
転を長時間維持することが可能となる、という従来にな
い優れた効果を有する。

【００６９】また、ロータ周囲に輻射部材を配設した場
合には、輻射によりロータを加熱・冷却することがで
き、かかる場合には真空状態であってもロータの温度制
御を行うことができるため、ロータ周囲の雰囲気を減圧
することにより回転時の空気抵抗を抑制して高速回転化
を図り、高重力場において試料を処理しつつ、当該試料
の処理温度の制御を図ることができ、種々の処理条件を
設定することができる。

【００７０】さらに、ロータの駆動源として圧縮空気に
て駆動するトルク印加手段を用いた場合には、駆動源か
らの発熱が抑制されると共にその熱によりロータが加熱
されることを抑制することができるため、より容易にロ
ータすなわち試料の温度制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における構成の概略を
示す断面図である。

【図２】図１に開示したロータを示す図である。図２
（ａ）は、ロータを正面から見た部分断面図であり、図
２（ｂ）は、図２（ａ）におけるロータを下方から見た
図である。

【図３】図１に開示した保持手段の構成を示す断面図で
ある。

【図４】第１の実施形態における装置を用いて、高速回
転試験を行ったときの結果を示す図である。

【図５】第１の実施形態における装置を用いて、連続回
転試験を行ったときの結果を示す図である。

【図６】第１の実施形態における装置を用いて、ロータ
の加熱実験を行ったときの結果を示す図である。

【図７】第１の実施形態における装置を用いて、回転数
及び温度制御試験を行ったときの結果を示す図である。

【図８】本発明の第２の実施形態における構成の一部を
示す概略図である。

【図９】従来例における高速回転試験装置の構成を示す
断面図である。

【図１０】従来例におけるロータの形状を示す図であ
る。図１０（ａ）は、ロータを正面から見た部分断面図
であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）を下方から見た
図である。

【符号の説明】

１ロータ２スピンドル３トルク印加手段４枠体５減圧手段６保持手段８輻射部材９輻射温度制御手段７１ブッシング７２ブッシング支持部材７３すべり軸受け１Ａロータ本体部１Ｂスピンドル連結部１Ｂａ軸穴Ｍ凝縮系物質（試料）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者末吉正典千葉県柏市正連寺253 丸和電機株式会社内 (72)発明者手塚明千葉県柏市正連寺253 丸和電機株式会社内 (72)発明者柴▲崎▼ 康司千葉県柏市正連寺253 丸和電機株式会社内 (72)発明者黄新▲勝▼ 茨城県那珂郡東海村白方白根２−４日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者長壁豊隆茨城県那珂郡東海村白方白根２−４日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者小野正雄熊本県熊本市九品寺３丁目15−12 パレット九品寺401号 (72)発明者真下茂熊本県熊本市高平３丁目21−45 Ｆターム(参考） 2G058 BA06 BB02 BB11 BB12 4D057 AA03 AB01 AB03 AC01 AC05 AD01 AE11 AF03 BA03 BA05 BA21 BA33 BA38 CA07 CB04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の試料を格納する試料用穴部を有す
るロータと、このロータの回転中心に一端部が連結され
るスピンドルと、このスピンドルの他端部に連結して当
該スピンドルに所定のトルクを印加するトルク印加手段
と、前記ロータを密閉して収容する枠体とを備えると共
に、前記枠体に、当該枠体内の気圧を減圧する減圧手段と、
前記スピンドルを挿通して当該スピンドルを保持する保
持手段とを備え、前記保持手段は、前記スピンドルを支持する少なくとも
一つのブッシングと、当該ブッシングを挿通して支持す
るブッシング支持部材とを有し、前記少なくとも一つのブッシング支持部材の内径を、当
該ブッシング支持部材に挿通される前記ブッシングの外
径よりも大きく形成することにより、前記ブッシング支
持部材が前記ブッシングを回転自在に支持することを特
徴とする高速回転試験装置。
【請求項２】前記所定のブッシング支持部材に回転自
在に支持されている前記ブッシングを、前記保持手段の
前記トルク付加手段側にのみ備えたことを特徴とする請
求項１記載の高速回転試験装置。
【請求項３】前記ロータの回転中心に、当該ロータか
ら前記トルク印加手段側に突出した前記スピンドルと連
結するスピンドル連結部を形成したことを特徴とする請
求項１又は２記載の高速回転試験装置。
【請求項４】前記スピンドル連結部の突出端に、前記
スピンドルを挿入して連結する軸穴を形成すると共に、
この軸穴の深さを、前記スピンドル連結部を貫通しない
深さとしたことを特徴とする請求項３記載の高速回転装
置。
【請求項５】前記トルク印加手段は、圧縮空気を供給
することにより回転駆動するエアタービンであることを
特徴とする請求項１，２，３又は４記載の高速回転試験
装置。
【請求項６】前記トルク印加手段は、電動駆動モータ
であることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の
高速回転試験装置。
【請求項７】前記枠体の内部であって前記ロータの近
傍に、所定の面積を有する輻射部材を設けると共に、こ
の輻射部材の温度を制御する輻射温度制御手段を設けた
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載
の高速回転試験装置。
【請求項８】前記輻射部材を、前記ロータの回転周囲
を覆うよう円環状に形成したことを特徴とする請求項７
記載の高速回転試験装置。