JP3791176B2

JP3791176B2 - ボールバランサ及びボールバランサを装着した遠心分離機

Info

Publication number: JP3791176B2
Application number: JP07059698A
Authority: JP
Inventors: 新喜大津; 政典吉岡
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2018-03-19
Also published as: JPH11262683A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鉛直の回転軸を有する回転機械の自動バランサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から自動バランサには、例えば特開昭５６−１３０２４９号公報に記載されているように、環状ケース内に液体を移動可能に封入した液体バランサや、環状ケース内に鋼球を移動自在に収納したボールバランサがある。図１１と図１２に従来のボールバランサの例を示す。ボール２１の数は環状ケース４０内の全周の３０％から６０％充填されており、高速回転時にボールがアンバランス質量１５の反対側に移動してアンバランス量を補正し、回転軸の振動を抑制する効果がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
回転機械の一例である遠心分離機は、試料を入れたロータを高速回転して試料に高遠心加速度を与え、高密度の試料を半径方向外側の層に、低密度の試料を半径方向内側の層に分離させる機械である。また、回転の加速時や減速時に急速に速度を変化させると試料が攪拌され、密度の差に従って分離した液状の試料が混合されてしまうため、速度をゆっくり変化させ、試料の混合を防止している。遠心分離機は高速で回転するため、ロータが振れる共振回転数を超えて運転しており、前記共振回転数を加速時や減速時にゆっくり通過させると、共振時の振動が大きくなるため、ロータを駆動する駆動部と筐体間には、共振時の振動を少なくするためのダンパが設けられている。しかし、アンバランスが過大な状態で運転すると、ダンパだけでは振動が吸収しきれず、ロータの共振時に大きな振動や騒音を発生したりする。また、ある程度のアンバランスがあり、共振回転数を超えた高速回転数で長時間運転すると、ロータが偏心して回転するので、回転軸の曲げ荷重や回転軸用軸受の荷重が大きくなり、回転軸や軸受の早期破損を引き起こす結果となる。よって、従来からロータの対面の試料の質量バランス調整を行い、少ないアンバランス状態で運転を行うよう注意している。このバランス調整は試料の量を調整したり補正錘を追加変更等を行う等していたため、分離前のこの種の作業に時間を要していた。
【０００４】
一般に、共振回転数（ロータを含む回転系の固有振動数とロータの回転数が一致する回転数）においては、上記したように振動が大きくなることが知られているが、加えて、共振回転数以下の回転数においては、回転系の重心位置がロータ中心より回転中心から遠い位置に位置し、共振回転数以上の回転数においては、位相が１８０°ずれるため、回転系の重心位置がロータ中心より回転中心側に位置することが知られている。
【０００５】
従って、遠心分離機に上記の従来のボールバランサを用いて運転すると、ロータが振動する共振回転数に達する以前（共振回転数以下の回転数）では、試料のアンバランスと同じ方向に振れてゆっくり加速しているため、試料のアンバランス質量の方向にボールが移動することになり、結果として、このボールがアンバランスを更に大きくするよう働いてしまう。それ故、結果的には、このボールバランサが無い場合よりボールバランサが有る場合のほうが共振時の振動が大きくなり、外箱に接触したり騒音が大きくなったりするという欠点を有している。
【０００６】
しかし、共振回転数を過ぎて高速回転（共振回転数以上の回転数）になると、ロータは試料のアンバランスとは反対方向に振れるため、ボールが試料のアンバランスの反対方向に移動することになり、結果として、このボールがアンバランス質量が小さくなるようバランスを自動調整し、ロータの振動は急激に少なくなり、ボールバランサの効果を発揮することができる。しかし、高速回転時のロータの振動を更に小さくしようとすると、製作における誤差により、ボール表面やボールが転動する面に僅かな凹凸があり、前記凹凸によりボールの動きが悪くなり、ボールによるバランスの自動調整後の残留アンバランスが小さくならない欠点を有している。なお、残留アンバランス量とは、静止時の初期アンバランス量から自動バランスのアンバランス質量の補正量を差し引いた量を示す。
【０００７】
また、試料の許容アンバランス量（静止時の初期アンバランス量のことで、強度や振動の設計上、高速回転時の残留アンバランス量が許容限度となる量）を大きくするため、ボールの全質量や環状ケースの直径を大きくすると、試料のアンバランス量が少ないときでもボールバランサにより共振時の振動が大きくなる。すなわち、従来のボールバランサはボールバランサにより共振時の振動が大きくなるので、ボールの全質量や環状ケースの直径を大きく出来ず、自動バランスのアンバランス質量の補正量を大きく出来ないという欠点を有している。
【０００８】
即ち、図１１や図１２に示すような従来のボールバランサは、共振回転数以上の回転数では、ボール２１表面やボールが転動する環状ケース４０の面に僅かな凹凸３５により、バランスの自動調整後の残留アンバランスが小さくならないという欠点があり、共振回転数や共振回転数以下の回転数においては、逆に振動を大きくする方向にボールバランサが働くという欠点を有するものであった。
【０００９】
本発明は、遠心分離機のように回転数をゆっくり変化させる回転機械にアンバランス質量が存在する状態で運転しても、ロータの共振時にロータの振動が過度に大きくならず円滑に運転でき、高速回転時にアンバランス質量の補正量を大きくし、さらにボール表面やボール転動面に僅かな凹凸があっても、バランス自動調整後の残留アンバランスを小さくし、ロータの振動を小さくできる自動バランサを得ることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
鉛直の回転軸を中心とする円筒を有し、前記円筒内に複数のボールを内蔵し、該ボールの移動によってバランスを自動調整するボールバランサにおいて、前記円筒の内面の略中央部に最大直径位置を有し、前記最大直径位置の半径（Ｒ１）とボールの半径（Ｒ２）の比率（Ｒ１／Ｒ２）と、前記円筒の円筒中心から回転中心までの距離（ｅ）と、前記円筒内の凹みの半幅（ａ）との関係を、１＋ｅ／ａ＞（Ｒ１／Ｒ２）としたことで達成される。
【００１１】
さらに前記最大直径位置の半径と前記ボールの半径の比率（Ｒ１／Ｒ２）を１１．４以下としたことで達成される。
さらに前記円筒の高さを、前記複数のボールが高さ方向に少なくとも２列の千鳥配列に並ぶことが可能な高さとし、ロータの共振回転数を越えてから前記ボールが少なくとも２列の千鳥配列になることにより達成される。
【００１２】
さらに前記円筒の内面を前記最大直径位置を有する樽型形状としたことで達成される。
また前記円筒の内面を前記最大直径位置より上部は、回転軸と平行な直線としたことで達成される。
【００１３】
駆動モータと、該駆動モータと連結する回転軸と、該回転軸に装着され、且つ、試料を内蔵する容器が装着されるロータを有した遠心分離機において、鉛直の回転軸を中心とする円筒を有し、前記円筒内に複数のボールを内蔵し、前記円筒の内面の略中央部に最大直径位置を有し、前記最大直径位置の半径（Ｒ１）とボールの半径（Ｒ２）の比率（Ｒ１／Ｒ２）と、前記円筒の円筒中心から回転中心までの距離（ｅ）と、前記円筒内の凹みの半幅（ａ）との関係を、１＋ｅ／ａ＞（Ｒ１／Ｒ２）としたボールバランサを装着した遠心分離機によって達成される。
【００１４】
さらに前記最大直径位置の半径と前記ボールの半径の比率（Ｒ１／Ｒ２）を１１．４以下としたボールバランサを装着した遠心分離機によって達成される。
さらに前記円筒の高さを、前記複数のボールが高さ方向に少なくとも２列の千鳥配列に並ぶことが可能な高さとし、ロータの共振回転数を越えてから前記ボールが少なくとも２列の千鳥配列になるボールバランサを装着した遠心分離機によって達成される。
【００１５】
さらに、前記円筒の内面を前記最大直径位置を有する樽型形状としたボールバランサを装着した遠心分離機によって達成される。
また、前記円筒の前記最大直径位置より上部は、回転軸と平行な直線としたボールバランサを装着した遠心分離機によって達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明となる実施例を図面を参照して本発明を説明する。図１は回転機械の例である遠心分離機に本発明のボールバランサの一実施例を取り付けた図である。遠心分離機の外箱１の内部のベース２と駆動モータ３を固着したブラケット４間にスプリング５を取り付け、駆動モータ及びロータ等の回転部を支持する。前記スプリング５の外周にゴム管６を圧入し、スプリング５とゴム管６によりばね作用と減衰作用を与える。前記ブラケット４に対し軸受で回転自在に支持された回転軸７の上部にロータ８を装着し、また回転軸７の下端はモータ軸と連結し、駆動モータ３の回転力をロータ８に伝達する。前記ロータ８には試料を入れるためのバケット９をピン１０により回動自在に取り付け、ロータ上部に前記回転軸７から延長した雄ねじ１１にバランサボディ２０を固定し、バランサボディ２０内にボール２１を収納する。前記バランサボディ２０の円筒の半径Ｒ１と前記ボール２１の半径Ｒ２の比率（Ｒ１／Ｒ２）を１１．４以下となるようなバランサボディ２０とボール２１の寸法比として、高速回転時にボール表面やボール転動面の凹凸を乗り越えてボールを移動可能とする。バランサボディ２０、ロータ８及びバケット９は、外箱に固定されたチャンバ１２とドア１３で囲まれた空間で回転し、ロータ停止時にドア１３を開け、分離する試料をバケットから出し入れする。図１は高速回転時の状態で、遠心力によりバケット９が水平に広がり、試料のアンバランス質量１５の反対側にボール２１が移動し、アンバランスを補正する。すなわち、アンバランス質量１５によって移動した重心を、回転軸７上にボール２１の作用により戻す。
【００１７】
遠心分離機のような回転機械ではモータ３やロータ８の質量と慣性モーメント、及びスプリング５とゴム管６によるばね定数と減衰係数により決まる、ロータ８が振動する共振回転数があり、高速回転機械は前記共振回転数を越えて運転するので、共振回転数時の振動を押さえるため、減衰係数を適正化している。
【００１８】
図２にボールバランサの詳細と低速回転時のボールの状態を示す。前記バランサボディ２０は、回転軸７と同心で、内面が下部内径から上部内径にかけて徐々に直径を大きくした樽状の円筒２２と、円筒の下部に連接した底２４と、円筒２２の上端に円筒より直径の小さい止め部２５を設ける。また、バランサボディ２０には中央に回転軸７と中心を一致して固定する雌ねじ２８を設け、止め部２５の上部に空気穴２９を有するバランサカバ２６を止めねじ２７で固定する。前記樽状の円筒２２の最大直径の位置２３より上側の止め部２５と、最大直径の位置２３より下側の底２４間の距離はボールが千鳥配列で並ぶことを可能とする高さとし、円筒の高さ（即ち、底２４から止め部２５までの高さ）はボール直径の約１．４倍〜２倍以上とする。また、底２４はボールが１個入る幅とし、ボール２１は概ね同一直径の球状体で円筒２２下部の内周全体に充填する数を入れる。ボールの材質は鋼球や高密度の合成樹脂、高密度のゴム等で、バランサボディ２０内部にグリースや潤滑油を適量入れ摩耗や錆を防止する。
【００１９】
低速回転時のボール２１に働く荷重を図２を用いて示すと、重力Ｆｇと遠心力Ｆｒであり、その合力Ｆｔによりボール２１は円筒と底の両面に押しつけられ、円筒２２下部全周囲にボール２１が存在するのでボール２１によるアンバランスは発生しない。低速回転時には、合力Ｆｔと水平との角度Ｓ２が円筒２２下部のボール接触部の傾斜角Ｓ１より大きく、ボールは円筒２２下部で底２４に接しているが、回転数が高速になると遠心力Ｆｒが大きくなり、角度Ｓ２が前記円筒２２下部の傾斜角Ｓ１より小さくなると、ボールは底２４を離脱する。角度Ｓ２の関係式は
tan（Ｓ２）＝ｇ／（ｒ×ω²） … 式（１）
ω＝２×π×ｎ … 式（２）
なお、ｇは重力加速度（９．８ｍ／ｓ²）、ｒは回転中心とボール中心の距離（ｍ）、ωは回転角速度（ｒａｄ／ｓ）、πは円周率、ｎは回転数（１／ｓ）である。
【００２０】
なお、振動の振幅は円筒の内径に比較して小さく回転中心と円筒中心の距離が小さいので、ｒは円筒中心とボール中心の距離として計算しても誤差が少ない。
【００２１】
すなわち、式（１）で求めた角度Ｓ２が傾斜角Ｓ１と等しくなる回転数を超えるとボール２１が底２４から離脱し上に移動するので、円筒２２下部の内径とボール接触部の傾斜角Ｓ１を設定することにより、ボール２１が上に移動開始する回転数を決めることができ、ボール２１によるアンバランスの発生しない回転数範囲が決まる。ボール２１が上に移動開始する回転数をロータ８が振動する共振回転数より高く設定することにより、ロータ８の共振時にボールバランサの影響が発生しない構造とすることができる。
【００２２】
図３は、高速回転時、ボール２１が底２４から離脱し、円筒２２下部を上昇した直後の状態説明図である。回転数がロータ８の共振回転数を過ぎているので、回転中心が回転部の重心近傍になるので、回転中心Ｐ２はアンバランス質量により円筒中心Ｐ１とずれを発生し、円筒中心Ｐ１からアンバランス質量１５側に移動する。各ボール２１に発生する遠心力Ｆｒは回転中心Ｐ２を中心に発生するので、遠心力Ｆｒは円筒２２を垂直に押す垂直分力Ｆｖと円筒２２の壁面を水平に動かす水平分力Ｆｈに分けられる。各ボール２１に作用する水平に動かす力Ｆｈにより、ボール２１は円筒をアンバランス質量１５の反対側に移動し、各ボール２１が密着する。
【００２３】
図４は、図３の詳細説明図で、ボール２２の１個に発生する荷重を示したものである。共振回転数の数倍以上の高速回転時の回転中心Ｐ２と円筒中心Ｐ１の距離ｅはアンバランス量に比例した大きさで略偏重心量である。ＪＩＳ規格（ＪＩＳ−Ｂ−０９０５）につりあいよさの等級が示されているが、一例として、回転速度３０００ｒｐｍで、つりあいよさの等級６級の偏重心量は（０．０５〜０．１３）×１０~³ｍと小さな値である。しかし、図１の遠心分離機のように、ロータ８や駆動モータ３の回転部をばねやダンパで支持する構造では、ＪＩＳ規格のつりあいよさの等級で示される偏重心量の２倍程度の大きさまで許容できるようになっている。ボール２１によるバランス修正を行うには、前記ＪＩＳ規格に示される偏重心量でボール２１が移動する必要がある。図4はボール２１が円筒２２の小さな凹み（全幅２ａ）３５上を転がっている状態である。前記ボール２１が凹み３５を越えて移動するには、遠心力Ｆｒと垂直分力Ｆｖのなす角度Ｋ２が、ボール２１の中心Ｐ３と凹み３５の半幅のなす角度Ｋ３より大きくなければならない。角度Ｋ２が角度Ｋ３より小さければ、ボール２１は凹み３５上に停止し、ボールバランスの機能を果たさない。ここで角度Ｋ２と角度Ｋ３の関係式を求めると、
Ｋ２＝｛ｅ／（Ｒ１−Ｒ２）｝×sin（Ｋ１）式（３）
Ｋ３＝ａ／Ｒ２式（４）
なお、ｅは回転中心Ｐ２と円筒中心Ｐ１の距離（ｍ）、Ｒ１は円筒の半径（ｍ）、Ｒ２はボールの半径（ｍ）、Ｋ１は回転中心Ｐ２と円筒中心Ｐ１とボール中心Ｐ３のなす角度（ｒａｄ）、ａは凹み３５の半幅（ｍ）である。
【００２４】
即ち、式（３）より、円筒中心Ｐ１と回転中心Ｐ２を結ぶ軸線上である角度Ｋ１＝０と角度Ｋ１＝π付近は、sin（Ｋ１）＝０なので角度Ｋ２がほぼ０となり、水平分力Ｆｈは発生しない。円筒中心Ｐ１と回転中心Ｐ２を結ぶ軸線と直角な位置である角度Ｋ１＝０．５×π付近は、略sin（Ｋ１）＝１となるので水平分力Ｆｈが発生し、連続して接触している隣のボール２１に前記角度Ｋ１＝０．５×π付近で発生した水平分力Ｆｈが伝達し、角度Ｋ１＝π付近のボール２１を水平に押し付ける力が発生する。
【００２５】
式（３）と式（４）より、sin（Ｋ１）＝１として、ボール２１が凹み３５を乗り越えるための、円筒２２の半径Ｒ１とボール２１の半径Ｒ２の関係式を求めると、
１＋ｅ／ａ＞（Ｒ１／Ｒ２）式（５）
ここで、回転中心Ｐ２と円筒中心Ｐ１の距離ｅをＪＩＳ規格６級に示される偏重心量とするとｅ＝０．１３×１０~³ｍ、凹み３５の半幅は加工精度によって変化するが実機の凹凸を測定するとａ＝０．０２５×１０~³ｍ程度であり、式（５）に代入すると、６．２＞（Ｒ１／Ｒ２）が得られる。また、遠心分離機のように、ロータ８や駆動モータ３の回転部をばねやダンパで支持する構造では偏重心量の２倍の大きさまで許容できるので、ｅ＝０．２６×１０~³ｍとして、１１．４＞（Ｒ１／Ｒ２）が得られる。即ち、円筒の半径Ｒ１はボールの半径Ｒ２の６．２倍以下とすることにより、凹みの半幅ａが０．０２５×１０~³ｍ程度でもＪＩＳ規格６級に示される偏重心量にバランス修正することが可能である。なお、図１に示す遠心分離機のように、駆動モータ３及びロータ８等の回転体をばねとダンパで支持する構造では、ベース２と振動発生部を振動絶縁しているので、ＪＩＳで示されているアンバランス量より大きなアンバランスまで許容できるので、円筒２２の半径Ｒ１とボール２１の半径Ｒ２の比率（Ｒ１／Ｒ２）を１１．４以下とすることができる。
【００２６】
図５は、図３の円筒２２の中心Ｐ１からアンバランス質量１５の反対側の円筒２２を見た展開図で、合力Ｆｔと水平との角度Ｓ２と円筒２２の傾斜角が釣り合う位置３０までボール２１全体が上昇し、各ボール２１に作用する水平に移動する力Ｆｈにより各ボール２１が密着し、更に円筒２２を上昇する過程において各ボール２１の転がり摩擦の差により数個のボール２１が他のボール２１に対し上または下方向にずれた状態である。ボール２１に作用する水平に移動する力Ｆｈにより、ボール２１間には反力Ｆｐが作用し、数個のボール２１が上下にずれていると、反力Ｆｐにより上にずれたボール２１を更に上に押し上げる分力Ｆｕが発生し、下にずれたボール２１を更に下に押し下げる分力Ｆｄが発生する。分力Ｆｕと分力Ｆｄによりボール２１は千鳥配列に並び、水平に移動する力Ｆｈによりボール２１はアンバランス質量１５の反対側に移動する。
【００２７】
図６は高速回転時のボール２１の状態で、アンバランス質量１５の反対側にボール２１が千鳥配列に並んでいる。ボール２１がアンバランス質量１５の反対側に移動することは、円筒２２の中心Ｐ１と回転中心Ｐ２の距離によって発生するボールを水平に移動させる力Ｆｈと、ボール２１がボール２１表面や円筒２２内面の凹凸を乗り越える力と、円筒２２の樽型の曲率半径によって発生する上下にずれたボール２１を円筒２２の傾斜角が釣り合う位置３０に水平一列に戻す力が釣り合うまで自動的に行われる。従って、円筒２２の曲率半径を大きくすることにより、上下にずれたボール２１を円筒２２の傾斜角が釣り合う位置３０に水平一列に戻す力が小さくなり、多くのボール２１がアンバランス質量１５の反対側に移動するので、円筒２２の中心Ｐ１と回転中心Ｐ２の距離が小さくなり、高速回転時のロータの振動が小さくなる。
【００２８】
一例として最大直径位置２３の直径が１１０ｍｍで円筒２２の樽型の曲率半径を２００ｍｍとしたバランサボディ内に、直径２２ｍｍのボール２１を入れ、円筒２２とボール２１の半径比（Ｒ１／Ｒ２）を５として、毎分３０００回転で高速回転試験をした結果、ボールバランサ無しに比べてこのようなバランサを付けた場合、高速回転時の振動は約５分の１以下になった。
【００２９】
前記円筒２２の半径Ｒ１とボール２１の半径Ｒ２の比率（Ｒ１／Ｒ２）を１１．４以下と小さくすると、ボールの表面や円筒２２の内面の凹凸を乗り越えやすく、アンバランス時のボール２１の動きが良くなり、図１１と図１２の従来のボールバランサの高速回転時のボールの移動にも有効に働き、高速回転時の残留アンバランス量を小さくすることができる。
【００３０】
図７は遠心分離機をゆっくり加速した時の回転数の上昇とロータの振幅変化を記録したものである。曲線Ａはロータに入れた試料にアンバランス質量を付加し、本発明によるボールバランサを装着しない従来の遠心分離機を運転した時の曲線で、ロータ８と駆動モータ３の質量やスプリング５やゴム管６のばね定数等によって決まるロータの共振回転数ｎ１で最も振幅が大きいが、共振回転数を超えても振幅の大きい状態が続いている。この場合、低速回転時は、ロータ８の振幅による騒音及び、回転軸や軸受の荷重は小さいが、高速回転時のロータ８の振幅が大きな状態は回転軸や軸受に大きな荷重が発生し、騒音も大きく、回転軸や軸受の早期損傷や破損を招くことになる。
【００３１】
曲線Ｂはロータに入れた試料に曲線Ａと同程度のアンバランス質量を付加し、図１１に示す従来のバランサを取り付けて運転した時の曲線で、共振回転数ｎ１で振幅が大きくなり共振点を乗り越えられない。曲線Ｃは試料のバランス調整を行ってアンバランスを少なくし、図１１の従来のバランサを取り付けて運転した時の曲線で、共振回転数ｎ１でボールが移動してアンバランスを付けた場合より振幅が大きくなっているが、共振回転数を超えると振幅が急激に小さくなっている。しかし、ボール２１や環状ケース４０の凹凸が少し大きいと、高速回転時の振動が曲線Ｃ´のように大きくなり、ボールバランサが働いた後の振動を小さくできないことがある。すなわち、従来のバランサは共振回転数以上の高速回転数領域ではロータの振幅を小さくする効果があるが、その振動低減効果はボール２１や環状ケース４０内面の凹凸により悪くなることが有る。また、共振回転数ではロータの振幅を大きくする悪影響がある。
【００３２】
図８は本発明のボールバランサを装着した遠心分離機において、ロータに入れた試料に図７の曲線Ａと同程度のアンバランス質量を付けて運転した時の回転数の上昇とロータの振幅変化を記録したものである。回転開始からボール２１が底２４を離脱する回転数ｎ２の範囲の振幅は、図７の曲線Ａのバランサのない遠心分離機を運転した場合と略同じである。回転数ｎ２より高速回転になると、ボール２１が樽状の円筒２２内面に上昇し更にアンバランス位置の反対側に移動して、バランスが良くなり振幅が減少する。更に高速回転すると、重力に対する遠心力の比率が大きくなり、ボールが釣り合う位置に移動する力が大きくなり、ロータ８の振幅がさらに小さくなる。
【００３３】
図９と図１０は本発明の他の実施例で、図９は低速回転時、図１０は高速回転時の状態図である。前記樽状の円筒２２において、円筒２２下部の縦断面の円弧に対し、上部円筒３１の縦断面を回転軸と平行な直線とした構造で、上部円筒３１の高さはボール直径の約１．４倍以上で、ボール２１が２列以上の千鳥配列に並ぶことを可能とする高さを有している。ボール２１が底２４から離脱する回転数をロータ８の共振回転数ｎ１より高くなるように円筒２２下部の内径と傾斜角Ｓ１を設定し、ロータ８の共振時にボールバランサの影響が発生しない構造とする。円筒２２下部は、傾斜角Ｓ１と円筒内面の最大直径位置３１を滑らかに結ぶ円弧とし、ボールバランサを小型とするため円弧の曲率半径を小さくする。
【００３４】
図１０に高速回転時の状態を示し、本実施例の特徴を説明する。高速回転時、ボール２１は上部円筒３１に上昇し、回転軸と平行な直線の面上にあり、図２の実施例で発生した樽型の曲率半径によって発生する上下にずれたボール２１を円筒面の傾斜角が釣り合う位置に水平一列に戻す力を、図１０の実施例では重力だけにして小さくすることが出来る。すなわち、高速回転時、千鳥配列で上下にずれたボール２１を水平一列の位置に戻す力が重力だけとなるので、ボール２１に作用する水平に移動し千鳥配列にする力Ｆｈに比べ、千鳥配列を水平一列に戻す力が相対的に小さくなり、ボール２１がアンバランス質量の反対側に移動しやすくなる。これより、残留アンバランス量が小さくなり、高速回転時のロータ８の振動が図２の実施例より小さくなる。
【００３５】
遠心分離機には、図１の例のように試料をいれるバケット９が回転数によって角度変動するロータや、試料を入れる穴の角度が固定のロータ等があるが、ロータの種類は何れでも、アンバランス発生部の近傍に、本発明のボールバランサを設ければ、試料にアンバランスがあっても高速回転時の振動は少なくすることが出来るので、試料の質量バランス調整を省くことが出来る。よって、分離前作業の時間が短縮される。
本発明のボールバランサを回転機械のアンバランスが発生するロータの近傍に取り付ける。前記ボールバランサは、鉛直の回転軸を中心とする円筒と、前記円筒の下部に連接する底と、下部円筒の内周全体に充填したボールで構成され、前記円筒の半径Ｒ１と前記ボールの半径Ｒ２の比率（Ｒ１／Ｒ２）を１１．４以下となるような円筒とボールの寸法比として、高速回転時にボール表面やボール転動面の凹凸を乗り越えてボールを移動可能とする。また、前記円筒の軸方向の高さはボール直径の約１．４倍〜２倍以上で、高速回転時にボールが複数列（２列以上）の千鳥配列に並ぶ事が出来る円筒高さを有する。前記円筒は、底と連接する下部内径から上部内径にかけて徐々に直径を大きくした樽状の円筒で、前記底と連接した下部円筒は下面が狭い傾斜面となり、ボールに発生する遠心力により、ロータの共振回転数より高速回転時にボールが前記底から離脱するよう、前記傾斜面の内径と傾斜角を設定する。
この傾斜角の作用により、ロータの共振回転数より低い回転数の時に、ボールは下部円筒の内周全体に充填されているため、ロータに挿入された試料のアンバランス量に関わらず、ボールによるアンバランスは発生しない。
また、回転数が遠心分離機のロータが振れる共振回転数より高速になると、ボールが底から離れ傾斜面を上昇し、各ボールの高さがわずかに変化する。更に、ロータの共振回転数より高速で回転しているので、回転中心が円筒中心からアンバランス質量側に移動し、ボールにはアンバランス質量の反対側に水平に移動する力が発生する。前記水平に移動する力と各ボールの高さのばらつきにより、ボールはボール表面やボール転動面の凹凸を乗り越えて上下に交互に移動して千鳥配列になり、アンバランス質量の反対側に集まる。ボールの集まる数は、ボール表面やボール転動面の凹凸を乗り越えてボールを水平に移動させる力と、円筒内面の樽型の曲率半径によって発生する上下にずれたボールを水平一列に戻す力が釣り合うまで自動的に行われ、回転軸に対する試料のアンバランス質量のモーメントが各ボールのモーメントの合力により補正され、円筒中心と回転中心が近くなり、振動が小さくなる。
すなわち、ロータの共振回転数以下の低速回転時はボールが下部円筒の全周に充填されているため、ボールによるアンバランスは発生せず、共振回転数以上の高速回転時は、円筒を上昇したボールがボールや円筒面の凹凸を乗り越えて、アンバランス質量の反対側に千鳥配列になって集まり、試料のアンバランスを補正する。前記樽状の円筒内のボールは底から離脱後、回転数の増加につれてボールが徐々に上昇するので、ボールの急激な移動がなく、ボールの衝突音が小さい特徴をも有する。
また、減速時にロータの共振回転数に近づくと、ボールは底に近づき、共振回転数時には底が全ボールで充填される。これより、加減速時とも、アンバランスが存在しても共振回転数時に振動が過大にならず、また高速回転時には自動バランスが働き、振動が小さい回転機械とすることが出来る。
また、前記樽状の円筒において、下部円筒の縦断面は円弧とし、上部円筒の縦断面を回転軸と平行な直線とした構造とすると、次の現象により高速回転時のアンバランス補正能力を高めることが出来る。すなわち、ボールの集まる最終の位置は、ボールをボール表面やボール転動面の凹凸を乗り越えて水平に移動させる力と、円筒内面の上下にずれたボールを水平一列に戻す力が釣り合うまで自動的に行われるので、高速回転時のボールを上部円筒の直線の面上に上昇させ、水平一列の位置に戻す力を重力だけに小さくし、ボールがアンバランス質量の反対側に移動しやすくする。これより、高速回転時のアンバランス補正量が大きくなり、高速回転時のロータの振動が小さくなる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ロータに入れた試料にアンバランスがあって、回転数をゆっくり変化させても、ロータが振れる共振回転数でボールが円筒下部全周にあるので、ボールバランサによるアンバランスは発生せず、ロータの振動は過度に大きくならない。また、高速回転時のボールは、ボール表面や円筒内面の凹凸を乗り越えことが容易で、アンバランス質量の反対側の円筒に千鳥配列に集まり易く、ロータの振動を小さく押さえることができ、回転軸や軸受の荷重が小さくなる。よって、試料の質量バランス調整を省くことができるので分離前作業の時間が短縮され騒音が低く長寿命の遠心分離機とすることが出来る。
【００３７】
従来のボールバランサは、ボール一列の環状ケース内のボールでバランス補正するが、本発明のボールバランサは、円筒の高さが高く、千鳥配列の２列以上にに並んでバランス補正するので、最大補正バランス量が従来のボールバランサの２倍以上とバランス補正範囲が広くなり、小型のバランサとすることが出来る。
【００３８】
また、内面が樽状の円筒において、下部円筒の縦断面の円弧に比べ、上部円筒の縦断面が回転軸と平行な直線としたボールバランサは、高速回転時、ボールは上部円筒の直線の面上にあり、ボールに作用する水平に移動し千鳥配列にする力に比べ、千鳥配列を水平一列に戻す力が相対的に小さくなり、ボールがアンバランス質量の反対側に移動しやすくなり、アンバランス補正量が大きくなり、高速回転時のロータの振動が更に小さくなる。
【００３９】
また、ロータの種類は何れでも、アンバランスの発生する部分の近傍に本発明のボールバランサを設ければ、試料にアンバランスがあっても高速回転時の振動は少なくすることが出来るので、試料の質量バランス調整を省くことが出来る。よって、分離前作業の時間が短縮される効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボールバランサの一実施例を遠心分離機に取り付けた状態の縦断面図。
【図２】図１のボールバランサの低速回転時の状態を示す縦断面図。
【図３】図１のボールバランサのボールの動きを示す平面図。
【図４】図１のボールバランサのボールに働く荷重を示す平面図。
【図５】図１のボールバランサのボールの動きを示す展開図。
【図６】図１のボールバランサの高速回転時の状態を示す縦断面図。
【図７】ボールバランサが無い遠心分離機及び、従来のボールバランサを用いた遠心分離機を回転した時のロータの振幅を示す図。
【図８】本発明のボールバランサを用いた遠心分離機を回転した時のロータの振幅を示す図。
【図９】本発明のボールバランサの他の実施例の低速回転時の状態を示す縦断面図。
【図１０】図９の実施例の高速回転時の状態を示す縦断面図。
【図１１】従来のボールバランサの例を示す横断面図。
【図１２】従来のボールバランサの例を示す縦断面図。
【符号の説明】
７は回転軸、８はロータ、１５はアンバランス質量、２０はバランサボディ、２１はボール、２２は樽状の円筒、２４は底、３１は回転軸と平行な直線の円筒、３５は凹凸部である。

Claims

鉛直の回転軸を中心とする円筒を有し、前記円筒内に複数のボールを内蔵し、該ボールの移動によってバランスを自動調整するボールバランサにおいて、
前記円筒の内面の略中央部に最大直径位置を有し、前記最大直径位置の半径（Ｒ１）とボールの半径（Ｒ２）の比率（Ｒ１／Ｒ２）と、前記円筒の円筒中心から回転中心までの距離（ｅ）と、前記円筒内の凹みの半幅（ａ）との関係を、１＋ｅ／ａ＞（Ｒ１／Ｒ２）としたことを特徴とするボールバランサ。
前記最大直径位置の半径と前記ボールの半径の比率（Ｒ１／Ｒ２）を１１．４以下としたことを特徴とする請求項１記載のボールバランサ。
前記円筒の高さを、前記複数のボールが高さ方向に少なくとも２列の千鳥配列に並ぶことが可能な高さとし、ロータの共振回転数を越えてから前記ボールが少なくとも２列の千鳥配列になることにより、バランスを自動調整することを特徴とする請求項１又は２記載のボールバランサ。
前記円筒の内面を前記最大直径位置を有する樽型形状としたことを特徴とする請求項1記載のボールバランサ。
前記円筒の内面を前記最大直径位置より上部は、回転軸と平行な直線としたことを特徴とする請求項１記載のボールバランサ。
駆動モータと、該駆動モータと連結する回転軸と、該回転軸に装着され、且つ、試料を内蔵する容器が装着されるロータを有した遠心分離機において、
鉛直の回転軸を中心とする円筒を有し、前記円筒内に複数のボールを内蔵し、前記円筒の内面の略中央部に最大直径位置を有し、前記最大直径位置の半径（Ｒ１）とボールの半径（Ｒ２）の比率（Ｒ１／Ｒ２）と、前記円筒の円筒中心から回転中心までの距離（ｅ）と、前記円筒内の凹みの半幅（ａ）との関係を、１＋ｅ／ａ＞（Ｒ１／Ｒ２）としたボールバランサを装着した遠心分離機。
前記最大直径位置の半径と前記ボールの半径の比率（Ｒ１／Ｒ２）を１１．４以下としたことを特徴とする請求項６記載の遠心分離機。
前記円筒の高さを、前記複数のボールが高さ方向に少なくとも２列の千鳥配列に並ぶことが可能な高さとし、ロータの共振回転数を越えてから前記ボールが少なくとも２列の千鳥配列になることにより、バランスを自動調整することを特徴とする請求項６記載の遠心分離機。
前記円筒の内面を前記最大直径位置を有する樽型形状としたことを特徴とする請求項６記載の遠心分離機。
前記円筒の前記最大直径位置より上部は、回転軸と平行な直線としたことを特徴とする請求項５記載の遠心分離機。