JPH07232103A - 高速回転装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は気体中で高速回転する高速回転装置
に関するものであり、その目的とするところは、回転す
るロータと静止部であるチャンバー間の隙間が少ない回
転装置で、高速回転時に発生する回転周期より長い振動
成分を低減し、安全で静かな高速回転装置を得ることで
ある。 【構成】 チャンバーの内面５ａに楔形した凸部があ
り、回転するロータの外周４ａと静止部であるチャンバ
ー内面５ａ間の隙間６が、回転方向において変化する構
造である。ロータ４の回転により空気を巻き込み、高圧
の圧力分布がロータ外周４ａとチャンバー内面５ａの隙
間６が狭くなる凸部に発生する。ロータ４が偏心すると
狭い方の圧力がより高く、広い方の圧力がやや低くなる
ので、ロータ４をチャンバーの中心５ｂに戻す作用が発
生し、またロータ中心が回転方向に移動しても圧力分布
の高い部分がチャンバーの内面５ａを移動しないため、
ロータを旋回振動させる作用がほとんどない。これより
ロータが微小に振れても回転周期より長い振動が成長せ
ず安定した回転となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空気等の気体中で高速回
転する高速回転装置に係り、高速回転領域での振動安定
性に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高速回転装置には、液状のサンプルを遠
心加速度により分離する遠心機があり、例えば特開平３
−１２７６４５号に記載されているように遠心機の駆動
部を弾性体で支持し、回転時にサンプルのインバランス
によって発生する振動を、弾性体の振動減衰作用で筐体
に伝達するのを小さくしていた。またロータとロータ収
納部との隙間を大きくし、高速回転時も安定して回転し
ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】高速回転装置として、
図２に示す遠心機を例に課題を説明する。先ず主要構成
について記す。筐体１と複数個の弾性体３を介して連結
した駆動部２、前記駆動部２から上方に回転軸を延ば
し、前記回転軸にサンプルを収納するロータ４を装着す
る。ロータ４の外周にロータ４を収納するチャンバー５
があり、前記チャンバー５は筐体１に固定され、ロータ
４が振動しても接触しないための隙間６を有する構造で
ある。図２の遠心機は、従来の遠心機より大量サンプル
を分離し処理時間を短縮するため、ロータに大容量のサ
ンプルが収納できるようにロータの寸法を大きくし、ま
た遠心機の筐体をできるだけ小形化し据付け寸法を小さ
くするため、ロータとチャンバーの隙間６を狭くしロー
タを収納するチャンバーの寸法を小さくしたものであ
る。また回転時のロータの振動が筐体に伝達するのを少
なくするため、筐体と駆動部を連結する弾性体として、
金属バネの外周にゴム管を被せて用いているが、弾性体
として軟質のゴムを用いることもある。

【０００４】試験した遠心機の大きさはロータの半径が
２８０ｍｍ、ロータとチャンバーの隙間が２０ｍｍであ
る。停止から回転数を毎分５０００回転まで運転すると
約毎分３５００回転以上で回転周期以外の振動成分が発
生した。毎分５０００回転運転時のロータの振動波形を
図３に示す。図３においてＴＲの周期は回転周期の振動
成分で、ロータに入れたサンプルのインバランスに依る
もので、サンプルのインバランスを小さくすると振動も
小さくなる。一方ＴＳの周期は回転周期より長い周期の
振動で回転数が高くなるほど大きな振動となり、サンプ
ルのインバランスを小さくしてもＴＲの周期の振動は低
下しない。このＴＲの周期の振動は振幅が大きいため筐
体を振動させ、騒音を発生させたり、遠心機操作者に不
安感を起させる。また更に回転数を上げ、振動が更に大
きくなるとロータ４がチャンバー５に接触し遠心機を破
損することになる。

【０００５】上記の高速回転装置はロータ４の半径Ｒと
ロータ４とチャンバー５の隙間Ｃの比（Ｃ／Ｒ）が０．
０７１で発生したが、Ｃ／Ｒの比が０．１以下でこの現
象が起こりやすい。また上記の高速回転装置では、ロー
タ４の周速が約１００ｍ／ｓｅｃ以上の高速領域でこの
現象が発生した。

【０００６】上記の回転周期より長周期ＴＳの振動状態
を図４により説明する。停止時にロータの中心４ｂとチ
ャンバーの中心５ｂはほとんど一致しているが、回転時
はサンプルのインバランスによる振動や、筐体に操作者
が触れたり床の振動等の外力により、ロータ４とチャン
バーの中心５ｂはずれを生じる。図４はロータの中心４
ｂとチャンバーの中心５ｂがわずかに偏心して回転方向
７に回転している状態で、ロータ４の回転により空気を
巻き込み、ロータ４とチャンバー５間の圧力分布は８の
ようになり、ロータ４は空気の圧力分布による合力Ｆの
力と駆動部支持弾性体３による反力Ｐを受けロータの中
心４ｂが移動する。ロータの中心４ｂが移動すると圧力
分布の高い部分もチャンバーの内面５ａを移動するた
め、ロータ中心４ｂは９の軌跡を描き旋回振動する。ロ
ータ４が高速回転するほどＦの力は大きく、またロータ
４の半径Ｒとロータ４とチャンバー５の隙間Ｃの比（Ｃ
／Ｒ）が小さいほどＦの力は大きくなり、回転周期より
長い振動成分が発生しやすくなる。

【０００７】この振動は、回転軸が垂直に配置された縦
型の回転装置で、駆動部と筐体を弾性体で連結する位置
とロータの位置が離れている場合に大きくなりやすく、
すなわちオーバーハング支持の回転装置に発生しやす
い。

【０００８】本発明は、回転部であるロータと、静止部
であるチャンバー間の隙間が少ない回転装置において、
高速回転時に発生する回転周期より長い振動成分を低減
し、安全で静かな高速回転装置を得ることを目的として
いる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の高速回転装置においては、静止部であるチ
ャンバーの内面に上下にロータの幅と同じ程度の長さの
凸部を周方向に数個所設けたものである。凸部の断面形
状は円弧形、三角形、矩形、楔形等で効果があるが、ロ
ータの回転方向にロータとチャンバー間の隙間が小さく
なる楔形が、高速回転時の回転周期より長い振動成分の
低減に更に効果的である。

【００１０】また、チャンバーの内面の周方向の形状が
３つの円弧の連結した形状であったり、４つの円弧が連
結した形状、及び多角形のチャンバーも効果がある。円
弧や多角形の辺の数は２から８の範囲においてが高速回
転時の振動安定性の効果があり、特に２から４辺が効果
がある。

【００１１】更に停止時からロータの中心をチャンバー
の中心と偏心させ、ロータとチャンバー間の隙間を場所
により変化させることも効果がある。

【００１２】

【作用】上記のように構成された回転装置を高速で回転
した時の作用について図により説明する。

【００１３】図１０はチャンバーの内面に楔形の凸部を
周方向に３個所設けた場合の高速回転時のロータとチャ
ンバー間の圧力分布を示したものである。高い圧力はロ
ータ４とチャンバー５の隙間６が狭くなる所に発生する
ので、凸部の周囲だけが高い圧力となる。またロータ４
が偏心すると狭い方の圧力がより高く広い方の圧力がや
や低くなるので、ロータ４をチャンバーの中心５ｂに戻
す作用が発生する。またロータ中心が従来例のように回
転方向に移動しても、本発明の回転装置は圧力分布の高
い部分がチャンバーの内面５ａを移動しないため、ロー
タを旋回振動させる作用がほとんどない。これよりロー
タが微小に振れても回転周期より長い振動が成長せず安
定した回転となる。楔形が特に優れているのは、高速回
転時に各凸部に発生する圧力分布の合力がチャンバーの
中心５ｂに向くように、楔の長さや角度を設定でき、ロ
ータが微小に振れてもロータ４をチャンバーの中心５ｂ
に正確に戻す作用が発生し、ロータを旋回振動させる作
用がほとんどないことである。

【００１４】図１１はチャンバーの内面の周方向の形状
が３つの円弧の連結した形状とした場合の高速回転時の
ロータとチャンバー間の圧力分布を示したものである。
高い圧力はロータ４とチャンバー５の隙間６が狭くなる
３ヵ所に発生し、図１０と同様にロータ４が偏心すると
ロータ４をチャンバーの中心５ｂに戻す作用が発生し、
ロータを旋回振動させる作用がほとんどない。これより
ロータが微小に振れても回転周期より長い振動が成長せ
ず安定した回転となる。

【００１５】図１２は停止時のロータの中心４ｂ０をチ
ャンバーの中心５ｂと偏心させた場合の高速回転時のロ
ータとチャンバー間の圧力分布を示したものである。高
速回転時、ロータ４の中心は空気の圧力分布８による合
力Ｆと駆動部支持弾性体３による反力Ｐが釣り合った位
置４ｂに移動し安定している。ロータ中心４ｂは停止時
の偏心量εが大きいので駆動部支持弾性体３による反力
Ｐの作用で、高速回転時もチャンバーの中心５ｂより停
止時のロータの中心４ｂ０側に有り、高圧の圧力分布の
発生位置が実質上移動しないため、圧力分布の高い部分
がチャンバーの内面５ａを移動せずロータを旋回振動さ
せる作用がほとんどない。これよりロータが微小に振れ
ても回転周期より長い振動が成長せず安定した回転とな
る。。

【００１６】上記の図１０、図１１、図１２の本発明の
例はロータが微小に振れても高速回転時の圧力分布の高
い部分は１または３か所と定まり、ロータが微小に振れ
るた時に圧力分布の高い部分がチャンバーの内面５ａを
移動せず、ロータを旋回振動させる作用がほとんどな
い。

【００１７】

【実施例】以下実施例図面を参照して本発明を説明す
る。図１はロータとチャンバーの上面図で、チャンバー
の内面５ａの３ヵ所に凸部１０があり、凸部１０はロー
タ４の回転方向に隙間６が狭くなるような楔形をしてい
る。前記凸部１０の上下方向の長さは、ロータとチャン
バーの隙間が狭い部分あれば良い。本構造の高速回転装
置の毎分５０００回転運転時のロータの振動波形を図５
に示す。図３の従来の高速回転装置の振動波形と比較
し、回転周期より長い振動成分がほとんど消えており、
安定した回転となっている。また図示していないが凸部
１０の断面形状は円弧形、三角形、矩形でも効果があ
る。

【００１８】図６に示される実施例は、ロータ４とチャ
ンバー５の上面図でチャンバーの内面５ａが３つの円弧
を連結した形の構造のものである。また図７に示される
実施例は、ロータ４とチャンバー５の上面図でチャンバ
ーの内面５ａが４つの円弧を連結した形の構造のもの
で、ロータ４とチャンバー５の隙間がロータの回転方向
において変化している。

【００１９】図８に示される実施例は、ロータ４とチャ
ンバー５の上面図でチャンバーの内面５ａが多角形で、
上記と同様の効果がある。

【００２０】図９に示される実施例はロータの中心４ｂ
とチャンバーの中心５ｂが偏心量ｅだけずれて取付けた
構造で、偏心量ｅが大きい方が回転周期より長い振動を
発生する回転数が高くなり、高速まで安定して運転でき
る。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ロ
ータが微小に振れたときの回転により発生した空気の圧
力分布はチャンバー周方向の凹凸による隙間変化により
断続になり、回転周期より長い振動が成長せず安定した
回転となる。

【００２２】また、回転軸が垂直で、ロータをオーバー
ハング支持している高速回転装置で、ロータの外周とチ
ャンバーの隙間を小さくしロータの半径Ｒとロータとチ
ャンバーの隙間Ｃの比（Ｃ／Ｒ）が０．１以下、及びロ
ータの周速が約１００ｍ／ｓｅｃ以上の高速領域におい
て、この効果が特に表れる。

【００２３】本発明によりロータの外径が大きくても筐
体の大きさをあまり大きくすることなく、安全で静かな
高速回転装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の高速回転装置の一実施例を示す上面
図である。

【図２】 従来の高速回転装置の例を示す縦断面図であ
る。

【図３】 従来の高速回転装置のロータの振動波形の例
である。

【図４】 従来の高速回転装置の上面図によるロータの
振動状態説明図である。

【図５】 本発明の高速回転装置のロータの振動波形の
例である。

【図６】 本発明の高速回転装置の一実施例を示す上面
図である。

【図７】 本発明の高速回転装置の一実施例を示す上面
図である。

【図８】 本発明の高速回転装置の一実施例を示す上面
図である。

【図９】 本発明の高速回転装置の一実施例を示す上面
図である。

【図１０】 本発明になるチャンバーの内面に楔形の凸
部を設けた状態での高速回転時におけるロータとチャン
バー間の圧力分布を示す圧力分布図である。

【図１１】 本発明になるチャンバーの内面の周方向の
形状が３つの円弧の連結した形状である場合における高
速回転時のロータとチャンバー間の圧力分布を示す圧力
分布図である。

【図１２】 本発明になる停止時のロータの中心をチャ
ンバーの中心と偏心させた場合における高速回転時のロ
ータとチャンバー間の圧力分布を示す圧力分布図であ
る。

【符号の説明】

本発明において４ａはロータの外周、５ａはチャンバー
内面、６はロータの外周とチャンバー内面の隙間、１０
は凸部、４ｂはロータの中心、５ａはチャンバーの中心
である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筐体と弾性体で連結した駆動部と、該駆
   動部の回転軸と連結して高速回転するロータと、該ロー
   タの外周に配置し前記筐体に固定したチャンバーを有し
   気体中で回転する高速回転装置において、前記チャンバ
   ーの内面の周方向に１ヶ所以上の凸部を有することを特
   徴とする高速回転装置。
2. 【請求項２】 前記チャンバーにおいて、内面の周方向
   形状が２つ以上の円弧が連結した形状であることを特徴
   とする請求項１記載の高速回転装置。
3. 【請求項３】 前記チャンバーにおいて、内面の周方向
   形状が多角形であることを特徴とする請求項１記載の高
   速回転装置。
4. 【請求項４】 前記チャンバーにおいて、前記チャンバ
   ーの中心と前記ロータの中心が偏心していることを特徴
   とする請求項１記載の高速回転装置
5. 【請求項５】 前記ロータの半径Ｒと前記ロータと前記
   チャンバーの隙間の比が０．１以下であることを特徴と
   する請求項１乃至請求項４記載の高速回転装置。
6. 【請求項６】 回転時に前記ロータの外周の速度が１０
   ０ｍ／ｓｅｃ以上の高速回転することを特徴とした請求
   項１乃至請求項４記載の高速回転装置。
7. 【請求項７】 前記回転軸が垂直に配置された縦型の回
   転装置で、前記駆動部と前記筐体を前記弾性体で連結す
   る位置と前記ロータの位置が離れ前記ロータをオーバー
   ハング支持していることを特徴とする請求項１乃至請求
   項４記載の高速回転装置。