JP2011095261A - 多孔質セラミック軸受を有するｎｍｒ用ｍａｓのロータアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータを破壊する可能性がある不平衡を防止すること。
【解決手段】ＮＭＲ用のマジック角回転アセンブリにおける各ＮＭＲロータ軸受は、多孔質セラミック材料から構成され、インレットチャネルまたはノズルを有さない。その代わりに、加圧されたガスが、前記軸受のセラミック材料内の孔を通じて、前記軸受の周辺部における環状溝から中心開口まで圧入される。前記孔は、小さく且つ非常に数が多いので、前記ガスの圧力は、前記中心開口の周辺部の周りで実質的に平衡化される。さらに、動作中に汚染物質が１つまたは２つ以上の孔をふさぐ場合、前記孔は、非常に数が多いので、前記加圧されたガスを前記中心開口内に引き続き保持することができる。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、多孔質セラミック軸受を有するＮＭＲ用ＭＡＳのロータアセンブリに関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）は、印加された外部磁場の存在下、原子核の量子力学的な磁気特性を伴う物理的現象である。ＮＭＲ現象は、ＮＭＲスペクトロメーターにより観測することができ、分子物理学、結晶物質、および非結晶物質を研究するために使用することができる。特に、核スピン現象を用いて、様々なスピンおよびスピン相互作用を表すラインのパターンから成るスペクトラムを生成することができる。

固体材料内で、核スピンは、非常に広範な特徴のないラインを作る多数の相互作用に遭遇する。しかし、斯かる相互作用は時間に依存し、外部磁場の方向に対して、いわゆるマジック角（５４．７４度）の傾きで、サンプルを（最大８０ｋＨｚの高回転速度で）物理的に回転させることにより平均化することができる。斯かる平均化によって、広範なラインが通常は、より狭くなり、スペクトラムのより良い識別および分析のための分解能が増加する。

マジック角回転（magic angle spinning；ＭＡＳ）核磁気共鳴の実験を行うため、サンプルは一般的に、ロータに詰め込まれ、ついで、そのロータは、図１に示されるようなステータアセンブリ１００に挿入される。円筒ロータ１０２は、回転軸１０４に関して軸対称であり、一般的には、ジルコニア、窒化ケイ素、またはポリメタクリル酸メチル若しくはポリアセタールなどの高分子化合物から、製造される。ロータ１００は、Ｋｅｌ−Ｆ、べスペル、ジルコニア、または窒化ホウ素等から、用途に応じて製造された、二重のまたは単一のエンドキャップ１０６で封止される。ロータ１０２は、長手方向に離隔した複数個の軸受１１４および１１６により放射状に保持され、一端に配置された「ベルヌーイ」軸受により長手方向に保持される。この種の軸受においては、平坦なロータ端部１０８は、平坦なステータ表面１１０と係合する。ガス供給孔１１２は、平坦なステータの表面１１０を通してステータ表面１１０とロータ表面１０８との間の環状空間においてガスフローを発生させ、そのフローによって、ベルヌーイ効果を生じさせて、軸受の軸方向の位置を安定させる。ロータは、圧縮ガスタービンシステムにより回転させる。このシステムにおいて、オリフィス１１８経由で導入された圧縮されたガスは、エンドキャップ１０６の一部であるかまたはエンドキャップ１０６に取りつけられたタービンブレード１２０のところで膨張してこれに衝突する。

高回転速度は、回転前および回転中に、ロータが半径方向且つ軸方向に平衡していることを要し、摩擦を減少させ、そして磨耗を防ぐために、静止面と回転面との間での機械的接触なしに、回転しなければならない。油または液体を、ロータ１０２と放射状軸受１１４および１１６との間の、空間１２２および１２４内で使用することはできない。その理由は、その液体により回転を妨げるのに充分な摩擦力が生成されるからである。従って、回転前および回転中に、ロータ１０２の外壁をガスの層によって覆い続けるために、通常は加圧されたガスが、これらの空間に導入される。

加圧されたガスが、軸受内の内部オリフィスによりロータ１０２と軸受１１４および１１６との間の空間内に導入される。これらのオリフィスは、図２Ａおよび図２Ｂに、より詳細に示される。図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、放射状軸受１１４の正面図および図２Ａの断面線ＡＡに沿って得た対応する断面図を示す。軸受１１４は、環状溝２０２を有し、その外側周辺部２０４に加圧されたガスを導入する。そのガスは、複数のインレットチャネル、例えば、チャネル２０８および２１０に入る。図２Ａにおいて、８個のチャネルが、ロータが挿入される中心開口２０６の周りに対称に配置されて示される。各インレットチャネルは、その内側の端部において、中心開口２０６に加圧されたガスを噴射するノズルを有する。例えば、インレットチャネル２０８および２１０は、それぞれ、ノズル２１２およびノズル２１４を有する。８個のノズルは、軸受とロータとの間で平衡のとれた圧力により均一なガス層を提供する。他の設計として、より多いまたはより少ないノズルを有することができる。

セラミック材料から製造された図２Ａおよび図２Ｂに示される種類のオリフィス軸受が、従来は、ＮＭＲ用ＭＡＳのステータアセンブリに対して使用される。セラミック材料は、広い温度範囲にわたって、満足のいく動作に一般的に適した、固有の硬度と、安定性とを有する。しかしながら、硬セラミック物質に関して要求される高精度な機械加工のために、軸受は、製造するのが難しく高価になる。加えて、動作中に、汚染物質が１個または２個以上のノズルを塞ぐ可能性がある。斯かる状況は、圧力変動を生じさせ、圧力バランスを狂わせる。結果として、ロータは、振動し始め、摩擦が増加するにつれて最終的には破壊される。

ロータを破壊する可能性がある不平衡を防止する。

本発明の原理に従って、ＮＭＲ用のマジック角回転アセンブリにおける各ＮＭＲロータ軸受は、多孔質セラミック材料から構成され、インレットチャネルまたはノズルを有さない。その代わりに、加圧されたガスは、軸受のセラミック材料内の孔を通じて、軸受の周辺部における環状溝から中心開口に圧入される。斯かる孔は、小さく且つ非常に数が多いので、ガスの圧力は、中心開口の周辺部の周りで有効に平衡化される。さらに、動作中に汚染物質が１つまたは２つ以上の孔をふさぐ場合、孔は、数が非常に多いので、加圧されたガスを中心開口内で引き続き保持することができ、それにより、ロータを破壊するおそれのある不平衡を防止することができる。

従来の、ＮＭＲ用のマジック角回転ステータアセンブリの断面図である。 離散したガスチャネルを用いて、加圧されたガスを軸受の外側周辺部における環状リングからＮＭＲロータが配置された中心開口まで移送する、従来の、ＮＭＲ用ＭＡＳのロータ軸受の正面図である。 図２Ａの断面線Ａ−Ａに沿って得た図２Ａの軸受の断面図である。 多孔質セラミック材料内の孔を使用して、加圧されたガスを軸受の外側周辺部における環状リングからＮＭＲロータが配置された中心開口まで移送する、本発明の原理に従って構成されたＮＭＲ用ＭＡＳのロータ軸受の正面図である。 図３Ａの断面線Ｂ−Ｂに沿って得た図３Ａの軸受の断面図である。

図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の原理に従って構成された、ＮＭＲのロータ軸受を示す。この軸受は、多孔質セラミック材料から製造される。例えば、本発明での使用に適した材料は、酸化アルミニウムであるが、ガラスフリット等の任意の比較的硬い材料も使用することができる。この材料は４−２５ミクロン範囲の、非常に多くの、ランダムな間隔を空けた孔を有することが望ましく、これらの孔が、従来技術のＮＭＲロータ軸受内で使用される機械加工されたインレットチャネルおよびノズルの代わりをする。

ガスが軸受の側面から漏れるのを防ぐために、各軸受表面は、符号３０８および３１０で示すように、ガス不透過性材料でコーティングされる。このコーティングは、エポキシ樹脂コーティングまたはポリウレタンコーティングのような、任意の適当なガス不透過性材料とすることができる。

本発明のロータ軸受が、図１に示した従来のステータアセンブリ１００における先行技術のロータ軸受１１４および１１６の代わりに用いられる場合、環状チャネル３０２に加えられた加圧されたガスは、中心開口３０６に拡散され、そして所要のガス軸受を形成するためのガス層を提供する。多孔拡散によって、軸受の剛性および負荷能力が増加し、それにより、軸方向の安定性が高められる。さらに、多孔セラミック軸受は、広い温度範囲にわたって安定する。斯かる材料は、オリフィスを開けるための余計な加工を必要としないので、従来技術より費用が嵩まず、メンテナンスを要しない。

本発明は、多数の実施態様を参照して示され、かつ詳述されたが、添付の特許請求の範囲に定義されたように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、構造および細部において種々の変更を加えることができることは、当業者によって認識されるであろう。

１００ ステータアセンブリ
１０２ 円筒ロータ
１０４ 回転軸
１０６ エンドキャップ
１０８ ロータ端部
１１０ ステータ表面
１１２ ガス供給孔
１１４、１１６ 軸受
１１８ オリフィス
１２０ タービンブレード
１２２、１２４ 空間
２０２ 環状溝
２０４ 外側周辺部
２０６ 中心開口
２０８、２１０ チャネル
２１２、２１４ ノズル
３０２ 環状チャネル
３０６ 中心開口
３０８、３１０ ガス不透過性物質

Claims (8)

1. 縦軸を有するロータと、
   前記縦軸に沿って離隔配置された１対の円板形状の放射状の軸受を有し、各軸受は、ロータが嵌合する中心開口と、その外側周辺部の環状チャネルとを有し、および多孔質セラミック材料から構成され、それにより、前記環状チャネルに加えられる加圧されたガスは、前記セラミック材料内の孔を通じて前記中心開口まで拡散し、および前記ロータと前記軸受との間にガス軸受を形成する、ステータアセンブリと
   を備えたことを特徴とする核磁気共鳴のマジック角回転アセンブリ。
2. 前記セラミック材料は、酸化アルミニウムおよびガラスフリットから成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
3. 各軸受は、前記縦軸に対して直行して整列した１対の表面を有し、および前記表面上のガス不透過性コーティングをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記ガス不透過性コーティングは、エポキシ樹脂およびポリウレタンから成る群から選択されることを特徴とする請求項３に記載のアセンブリ。
5. 縦軸を有するロータと、
   前記縦軸に沿って隔離配置された１対の円板形状の放射状の軸受を有し、各軸受は、ロータが嵌合する中心開口と、その外側周辺部の環状チャネルとを有するステータアセンブリと
   を有する核磁気共鳴のマジック角回転アセンブリにおいて、
   各軸受を、多孔質セラミック材料から構成して、前記環状チャネルに加えられる加圧されたガスが、前記セラミック材料内の孔を通じて前記中心開口まで拡散し、および前記ロータと前記軸受との間にガス軸受を形成するようにしたことを特徴とする核磁気共鳴のマジック角回転アセンブリ。
6. 前記セラミック材料は、酸化アルミニウムおよびガラスフリットから成る群から選択されることを特徴とする請求項５に記載の核磁気共鳴のマジック角回転アセンブリ。
7. 各軸受は、前記縦軸に対して直行して整列した１対の表面を有し、および前記表面上のガス不透過性コーティングをさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の核磁気共鳴のマジック角回転アセンブリ。
8. 前記ガス不透過性コーティングは、エポキシ樹脂およびポリウレタンから成る群から選択されることを特徴とする請求項７に記載の核磁気共鳴のマジック角回転アセンブリ。