JPH10507125A - 中央固定子を有する遠心分離機の構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 中央に配置される固定子(Ｓ)が周側のリング状遠心分離機回転子(Ｒ)を直接駆動する遠心分離機の構造が開示される。好適な実施態様において開示される遠心分離機駆動装置は、定置で中央にあり且つ通常は円筒形の固定子(Ｓ)を含む。この固定子は、回転し且つ駆動する磁場を発生する定置の電気巻線(40Ａ〜40Ｄ)を有する。リング状遠心分離機回転子(Ｒ)は、少なくとも１つのベアリング(Ｇ1およびＧ2)によって固定子(S)に対して支持され、また、リングの内側に規定され回転子(Ｒ)が固定子(Ｓ)に適合してその周りを回転するのを可能にする大きな中央開口部(Ａ)を含む。回転子(Ｒ)が固定子(Ｓ)に隣接する位置では、回転する磁場に連動する材料で回転子(Ｒ)が構成される。遠心分離にかけられるサンプル(28)を収める遠心分離機回転子(Ｒ)は、固定子(Ｓ)の電気巻線(40Ａ〜40Ｄ)によって生じる回転し且つ駆動する磁場に回転子(Ｒ)が連動することて固定子(Ｓ)によって直接駆動される。

Description

【発明の詳細な説明】 中央固定子を有する遠心分離機の構造 本発明は遠心分離機の構造に関する。具体的には、定置の中央固定子によって 遠心分離機のリング状回転子を直接駆動する遠心分離機が開示される。この遠心 分離機の回転子は、通常、いわゆるコンポジット材料から製造される。 発明の背景 従来技術の遠心分離機の構造を簡単に示すことができる。図１を参照して、こ のような構造は以下から成る。 1.外側固定子14と中央にあり且つ駆動される内側回転子16とを含む駆動 モータＭが用いられる。この回転子が、モータから出ている外側シャフトを駆動 する。 2.回転子支持シャフトＨは支持ベアリング20を有する。この支持ベアリ ングは、駆動モータＭの出力シャフト18からの回転力を伝達して、従来技術の遠 心分離機回転子Ｒ_oをおす継手22において支持し且つ回転させる。 3.通常、駆動モータＭの出力シャフト18と回転子支持シャフトＨとの間 には、ベルトおよびプーリー駆動装置または適切なギア装置から成るトランスミ ッションＴが設けられる。 4.従来技術の遠心分離機回転子Ｒ_oは、回転子支持シャフトＨのおす継 手22と適合するめす継手24において支持される。従来技術の遠心分離機回転子Ｒ_o は円筒形である。あらゆる遠心分離機においてそうであるように、遠心分離に かけるサンプルは回転子内に収められる。そこには、遠心分離に供されるサンプ ル28を保持するためにサンプル用試験管26が設けられている。また、バッチ式遠 心分離を行うように、あるいは、遠心分離中に遠心分離にかけられる材料を回転 子に対して連続的に循環するように、回転子を改変することが可能である。 従来技術における主要な困難点は、駆動モータＭ、回転子支持シャフトＨおよ び従来技術の遠心分離機回転子Ｒ_oの組み合わせによって、回転子が高速回転す る際に生じる振動である。振動の種類についての説明は有益である。遠心分離機 回転子の回転速度の範囲は、低速遠心分離機の場合6,000rpmまで、高速遠心分離 機の場合30,000rpmまで、そして超高速遠心分離機の場合120,000rpmまでをも含 む。 さらに図１を参照すれば、回転子支持シャフトＨが、支持ベアリング20によっ て、従来技術の遠心分離機回転子Ｒ_Oに縦方向の支持を提供していることが分か る。特に、回転子に不均衡が存在すると仮定すると、そのような場合、回転子の 重心と回転子の回転軸とは一致しない。このような回転子が回転すると、支持ベ アリング20によって、回転子の回転軸に直交する平面において回転子支持シャフ トＨが曲がってしまう。これにより、横断方向のシャフトの振動30が生じる。回 転子支持シャフトＨおよび支持ベアリング20に応力がかかり、それが十分に累積 されると、遠心分離機の故障を引き起こすおそれがある。 従来技術の遠心分離機回転子Ｒ_oが垂直平面において不均衡を有する場合に、 回転子支持シャフトＨに応力の急激な反転が起こり得ることは周知である。簡単 に言えば、従来技術の遠心分離機回転子Ｒ_oに、垂直平面における不均衡がある 場合、支持シャフトがシャフト応力反転振動32を伴って回転する度に、回転子が 回転子支持シャフトＨを曲げる。このシャフト応力反転振動32は、おす継手22お よびめす継手24を介して回転子支持シャフトＨに直接伝達される。 高速回転しているシャフト上での応力の反転は比較的短い動作寿命で蓄積し、 シャフトの金属構造に早期疲労欠陥を引き起こす。高速回転している遠心分離機 のシャフトの故障はどんな故障であっても、通常、高速回転子が分解するような 大きな事故であることを念頭におけば、このような振動は慎重に回避されるべき である。 これらの振動成分の他にも、駆動モータＭと従来技術の遠心分離機回転子Ｒ_o との間のねじれ方向の振動を挙げることができる。具体的には、駆動モータＭが 、単独もしくはトランスミッションＴを介して、従来技術の遠心分離機回転子Ｒ_o に不規則な回転力を生じる場合がある。例えば、駆動モータＭは、小さなねじ れ方向の加速および減速を含む不規則な回転力を生じ得る。この不規則な回転力 によって、遠心分離機の高速回転にねじれ方向の振動が加わり得る。典型的に、 駆動 モータＭの中央駆動内側回転子16は、従来技術の遠心分離機回転子Ｒ_oに対して ねじれ方向に振動する。このねじれ方向の振動は、従来技術の遠心分離機回転子 Ｒ_oと駆動モータＭの中央駆動内側回転子16との間で、おす継手22およびめす継 手24を介して、回転子支持シャフトＨ、トランスミッションＴ、そして出力シャ フト18に伝達される。ここでもまたシステムに、この場合はねじれ方向の、振動 による応力がかかる。 上記の振動モードを説明するのは比較的簡単であるが、現実問題として、これ らを排除することは非常に困難である。特に、これらの振動モードは、通常、単 一の周波数には限られず、多くの周波数を含んでいる。さらに、このような振動 周波数が、ある「臨界」周波数において「共鳴」することは周知である。例えば 、重い回転子を軽い回転子に替えるなどして回転子を交換することによって、遠 心分離機駆動装置の振動の臨界周波数が変わる可能性がある。ある回転子とでは それ程振動しない遠心分離機が、別の回転子とは過度に振動する場合がある。振 動に対する配慮は、結果的に、交換用回転子のデザインに不都合な影響を及ぼす 場合がある。 これらの振動モードおよびそれにより生じる力の直接的な結果、遠心分離機製 造業者が、このような振動を抑制するために技術者部門の全体を持つことが一般 的になっている。 これらの振動モードの多くを自然に抑制する新しい遠心分離機デザインを以下 に示す。このような遠心分離機には、現実問題として、偶然にもリング状コンポ ジット繊維強化型の遠心分離機回転子の使用が必要となる。 繊維強化型遠心分離機回転子の構造は周知である。このような回転子は、遠心 分離の際にかかる大きな応力の力に対する抗力を有すると共に、軽量である。こ れらの力は、概して、回転子の回転軸平面に直交する方向である。Ｐiramoonら の1988年4月19日発行米国特許第4,738,656号「コンポジット材料回転子(ＣＯＭ ＰＯＳＩＴＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＲＯＴＯＲ)」、Ｐiramoonらの1988年11月1日 発行米国特許第4,781,669号「コンポジット材料遠心分離機回転子(ＣＯＭＰＯＳ ＩＴＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＣＥＮＴＲＩＦＵＧＥ ＲＯＴＯＲ)」、Ｐiramoonら の1988年12月13日発行米国特許第4,790,808号「コンポジット材料遠心分離機回 転子(ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＣＥＮＴＲＩＦ ＵＧＥ ＲＯＴＯＲ)」、Ｐiramoonらの1991年10月15日発行米国特許第5,057,071 号「ハイブリッド遠心分離機回転子(ＨＹＢＲＩＤ ＣＥＮＴＲＩＦＵＧＥ ＲＯ ＴＯＲ)」、Ｐiramoonらの1983年5月4日発行米国特許第5,206,988号「バランス リングを有するハイブリッド超高速遠心分離機回転子および製造方法(ＨＹＢＲ ＩＤ ＵＬＴＲＡ-ＣＥＮＴＲＩＦＵＧＥ ＲＯＴＯＲ ＷＩＴＨ ＢＡＬＡＮＣＩ ＮＧ ＲＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ)」などを参 照されたい。これらの具体的な回転子は全て、サンプルを収める試験管が回転子 の回転軸と平行に配される、いわゆる垂直試験管回転子に関する。本発明の回転 子の可能な構造を理解するために、これら上記の特許は、本明細書において参考 として援用される。 特許協力条約に基づいて1993年12月23日に公開されたＭalekmadaniらの国際出 願「角度固定型コンポジット遠心分離機回転子(ＦＩＸＥＤ-ＡＮＧＬＥ ＣＯＭ ＰＯＳＩＴＥ ＣＥＮＴＲＩＦＵＧＥ ＲＯＴＯＲ)」には角度固定型回転子が記 載され、本出願人はその掲載されていない発明者である。この開示では、円錐形 の外側部分に斜めの巻線を有する角度固定型回転子が提供された。斜めの巻線の 目的は、角度固定型回転子内のサンプル用試験管によって生じる垂直方向の分裂 力に対する抗力を有するコンポジット回転子を提供することである。この構成を もつ回転子は、本特許出願の出願日の１年以上前から販売されている。結果的に 上記公開公報に記載された回転子は、本特許出願に対する先行技術である。本発 明の回転子の可能な構造を理解するために、この開示内容は、本明細書において 参考として援用される。 従来技術以外の開示 上にその要旨を述べた構造の場合、コンポジット材料から遠心分離機回転子を 製造するのに２つの段階がある。第１の段階は、主要構造部であるビレット(bil let)状またはディスク状コンポジットの積層工程を含む。積層は、帯状または繊 維状コンポジットの別々の層を切断して積み重ねることによって行われる。別々 の層のそれぞれは、帯状または繊維状の層の平面内にある細長い繊維を含む。 回転子の製造においては、連続的な積層を別々に切断し、その後、それらを積 み重ねる。典型的には、ある積層内の繊維は第１の角度方向に重ねられ、隣接す る積層内の繊維は、第２の別の角度に重ねられる。単一の回転子は多くのこのよ うな積層で構成され、それぞれの繊維が異なる角度になるように積み重ねられる 。その後、塊全体を樹脂で硬化して、遠心分離力に対する「準等方性(quasi-iso tropic)」抗力と本出願人が呼ぶ抗力を形成する。この抗力は、従来の金属製回 転子によって得られるものと比べて非常に優れている。 これまでは、ほとんどの場合、このような積層および切断は手動で行われてき た。本出願人がこの積み上げ手順を自動化することを提案することに留意された い。同出願人による1994年5月26日出願シリアル番号第08/249,502号「コンポジ ット繊維テープ用自動積重機(ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ ＬＡＹ-ＵＰ ＭＡＣＨＩＮＥ ＦＯＲ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＦＩＢＥＲ ＴＡＰＥ)」(現在、米国特許第 ， ， 号、 発行)を参照されたい。この開示内容は、本明細書にお いて参考として援用される。 その後、第２の段階として、典型的には回転子に繊維を巻き付ける。例えば、 同出願人よる1994年5月26日出願同時係属中米国特許出願シリアル番号第08/249, 592号(現在、米国特許第 ， ， 号、 発行)「角度を付けた表面 にフィラメント巻線を有する角度固定型コンポジット遠心分離機回転子製造物( ＦＩＸＥＤ ＡＮＧＬＥ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＣＥＮＴＲＩＦＵＧＥ ＲＯＴＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＷＩＴＨ ＦＩＬＡＭＥＮＴ ＷＩＮＤＩＮＧＳ ＯＮ ＡＮＧＬＥＤ ＳＵＲＦＡＣＥＳ)」を参照されたい。この出願が開示するように 、繊維の巻き付けの方向は、周方向あるいは垂直方向のいずれかである。どちら の場合においても、回転子が遠心分離力に対して抵抗するように強化される。こ の開示内容は、本明細書において参考として援用される。 発明の要旨 開示される遠心分離機の構造においては、中央に配置された固定子が周側リン グ状遠心分離機回転子を直接駆動する。好適な実施態様において開示される遠心 分離機駆動装置は、定置で中央にあり且つ通常は円筒形の固定子を含む。この固 定子は、回転子を通して電気的に磁場を整流する定置の電気巻線を有し、これに より、垂直方向の軸を中心に回転子を回転させる。リング状遠心分離機回転子は 、少なくとも１つのベアリングによって固定子に対して支持され且つリングの内 側で規定される大きな中央開口部を有する。この開口部によって、回転子が固定 子に適合し且つその周りを回転することが可能になる。回転子が固定子に隣接 する位置では、回転する磁場に連動する材料で回転子が構成されている。4つの 巻線による2相整流の場合、固定子の極には、互いに反対の極性を有する１対の 隣接する極として電圧が与えられ、これにより、極の対それぞれの間に磁気回路 ができる。通常、回転子にこのような大きな中央開口部がある場合、遠心分離の 際に生じる半径方向の遠心力に抵抗し且つ巻き付けられたコンポジット材料繊維 によってフープ応力に対する抗力を有するコンポジット材料を回転子に用いるこ とが必要となる。 従来技術と比較して、数多くの遠心分離機部材が排除されている。具体的には 、別付けの駆動モータとその中央駆動内側回転子および出力シャフトが排除され る。さらに、回転子支持シャフト、トランスミッション機構、おす回転子継手お よびめす回転子継手が不要となる。これら複数の部材の代わりに、単一の中央定 置固定子、磁気駆動されて回転するリング状中央遠心分離機回転子および中央定 置固定子と外側直接駆動遠心分離機回転子との間の少なくとも１つのベアリング が設けられる。 簡略化された遠心分離機の構造の直接的な結果として、振動に関する全ての問 題が非常に単純化される。回転子の上部および下部において固定子に直接搭載さ れた中央ベアリングが、横断方向のシャフト振動成分を有する振動に抵抗するか 、あるいは、固定子による可撓性ベアリング構成によってその振動を吸収する。 回転子支持シャフトが排除されたため、モータ回転子と遠心分離機回転子との間 のシャフト振動およびねじれ方向の振動は存在しない。 これらの振動に対する配慮が排除されたことにより、コストおよび回転子部材 の振動相互作用の両方に関して、遠心分離機の構造が大幅に簡略化される。さら に、従来の遠心分離機部材を排除したことに関係して、回転子の互換性に関して 振動に対する配慮をする必要がなくなる。結果、大幅に簡略化された遠心分離機 の構造が得られる。 図面の簡単な説明 図1は、従来技術による従来の遠心分離機の主要部材を示す概略図である。 図2は、図1の従来技術による遠心分離機回転子の概略断面図であり、半径方 向の引張成分およびフープ応力引張成分を含む引張成分による分解に対する回転 子の抗力を示している。 図3は、本発明による遠心分離機の回転子および固定子の平面図であり、遠心 分離機の構造の主要部材を示している。 図4は、図3の遠心分離機の回転軸における側面図であり、真空にされ且つ冷却 された環境下での遠心分離を可能にするために設けられ、その中で遠心分離機回 転子が回転するコンテナあるいはカン(can)をも示している。 図5は、本発明に従って構成された図4に類似の遠心分離機の破断斜視図であり 、固定子駆動装置と、発生し得る回転子を分解する力を吸収するために必要とさ れる安全構造を提供するために周囲に設けられるハニカム状の防壁とをさらに有 する、本発明による完全な遠心分離機を示している。 図6Ａおよび図6Ｂは、組み立てられたときに本発明のリング状回転子を形成す る、本発明によるコンポジットリングセグメントの製造を示す斜視図である。 図6Ｃおよび図6Ｄは、組み立てられた図6Ａまたは図6Ｂのコンポジットリング セグメントを示す斜視図であり、図6Ｃは周囲の巻線を施す前の回転子を示し、 図6Ｄはその回転子を破断斜視図で示したものである。 図7は、本発明による遠心分離機の平面図であり、リング状回転子の大きな中 央開口部の内側に備え付けられた永久磁石を有する回転子と対をなす固定子を示 している。 図8は、典型的な4巻線2相固定子を示す図である。 図9は、ベアリングを固定するために用いられた、図8の固定子を示す。 図10は、大きな中央固定子が回転子の一部を固定子の内側に有し、遠心分離に かけるサンプルを含む回転子の作動部を固定子の外側に有する、最適ではない本 発明の代替例を示す図である。 好適な実施態様の説明 図3〜図5を参照して、本発明の遠心分離機を大まかに開示する。中央定置固定 子Ｓが示される。好適な実施態様においては、中央定置固定子Ｓは円筒形で、遠 心分離機のベースＢに搭載される。 ここでは、中央定置固定子Ｓは４つの電気巻線40Ａ〜40Ｄを含む。図5に示さ れるように、これらの巻線のそれぞれは、Ｍorgan Ｈill、ＣaliforniaのＳemif usionが製造するような可変リラクタンスモータコントローラ／ドライバに接続 される。巻線は従来技術であり、唯一の差異は中央定置固定子Ｓが回転子Ｒの周 側にはなく、回転子Ｒの中央側にあることである。 回転子Ｒは簡単に理解できる。回転子は大きな中央開口部Ａを含んている。中 央定置固定子Ｓ同様、大きな中央開口部Ａは円筒形であり、中央定置固定子Ｓの 寸法を若干上回る。回転子Ｒが中央定置固定子Ｓの周りに配置されると、中央定 置固定子Ｓと回転子Ｒとの間で、大きな中央開口部Ａの内側にクリアランスが規 定される。ここに図示されるように、中央開口部Ａは、固定子Ｓを伴って通気を 行う溝39を有する。 可変リラクタンスモータの原理に従って中央定置固定子Ｓが回転力を生じるこ とが理解される。理解されるように、高い磁気透過性を有する回転子Ｒは、固定 子に対する磁場の角位置に同期して回転する。 典型的に、回転子Ｒは、定置固定子Ｓ上で回転するように、少なくとも１つの ベアリングＧ₁またはＧ₂によって支持される。ここに示される実施態様において は、第１の上部ベアリングＧ₁および第２の下部ベアリングＧ₂が用いられる(図8 および図9参照)。これらそれぞれのベアリングによって、回転子Ｒの中央定置固 定子Ｓに対する実質的に摩擦のない回転が可能となる。回転子Ｒに対して、下部 ベアリングＧ₂が垂直方向および半径方向の両方向の支持を提供し、上部ベアリ ングＧ₁が半径方向の支持を提供することが理解される。 上部ベアリングＧ₁および下部ベアリングＧ₂が組み合わせれることによって、 回転子不均衡に対して大きな抗力を有するデザインが開示されることが理解され る。特に、中央定置固定子Ｓはその円筒直径が大きいために、上部ベアリングＧ₁ および下部ベアリングＧ₂を取り付けるのに非常に安定した部材である。 この後者の特徴は図1に示される状況とは非常に対称的である。具体的には、 回転子支持シャフトＨ上の必要不可欠な縦方向の支持のために、従来技術の遠心 分離機回転子Ｒ_oのいかなる不均衡も許容不可能な振動を引き起こす。このよう な不均衡には、遠心分離機を利用する顧客がサンプル用試験管26に入ったサン プル28を偏心して搭載することも含まれ得る。つまり、中央定置固定子Ｓが上部 ベアリングＧ₁および下部ベアリングＧ₂に本質的に剛性の支持を形成することを 可能にすれば、回転子Ｒは偏心した回転子の力に対して大きな抗力を有する。 中央定置固定子Ｓの回転する磁場に追従する回転子Ｒの連動は、数多くある従 来の方法のいずれによっても起こり得る。固定子と回転子との間に磁気的な結合 を生じる適切ないかなる型の標準的なモータデザインを用いることも可能である ことを読み手は理解する。例えば、本出願人が好ましいとするのは、可変リラク タンスモータデザインである。あるいは、他の型のモータも使用可能である。 本出願人は、例として、回転子Ｒの大きな中央開口部Ａの内側に永久磁石Ｍ₁ 〜Ｍ₆を有する回転子を図7に示す。この場合、図6の非磁性積層60_a〜60_eが使用 できる。本発明の実施のためには、固定子が生じる磁場による外部回転子の回転 を可能にするものであればいずれのモータスキームも十分であることを述べれば 十分である。 例えば、本出願人は回転する磁場について言及した。この回転する磁場が「切 換え」磁場も含んでいることが意図されている。さらに、モータ用の回転子が、 回転子の巻線に電流を伝えるブラシを含むことは公知である。本出願人は特に示 さないが、このようなデザインは本発明に利用可能である。 それを除けば、回転子Ｒは従来的なものであり、いわゆるコンポジット材料で 構成される。図6Ａ〜図6Ｄにおいては、遠心分離にかけるサンプル28を有する傾 斜した回転子サンプル開口部27内に傾斜したサンプル用試験管26を有する、いわ ゆる角度固定型回転子として、回転子Ｒが示されている。回転子Ｒの構造を簡単 に再考することは有益であると考えられる。 図6Ａを参照すると、回転子リング部100が繊維積層部60a〜60eで構成されるこ とが示されている。異なる隣接繊維積層の繊維の方向はそれぞれ異なっているこ とについては後に述べられる。あるいは、図6Bに示されるように、回転子リング 部100aは、編み込みコンポジット繊維を有する積層63a〜63cで構成される。隣接 する積層の繊維は、ここでも、それぞれ異なる方向に配向される。 図6Ｃおよび図6Ｄを参照すると、回転子リング部100のアセンブリが示されて いる。具体的には、積層内にあるサンプル用試験管開口部44用の開口部並びに それぞれの積層の外径を変化させることによって、周方向成分巻線Ｗ_Pおよび垂 直方向成分巻線Ｗ_Vの取り付けまでの回転子Ｒの構成は実質的に完了できる。 回転子Ｒの大きな中央開口部Ａに関して、このような回転子は、従来技術の金 属回転子構造を用いては実際に構成できないことが理解される。この実際上の制 限についての説明は行われる。 図2を参照すると、従来技術の遠心分離機回転子Ｒ_oの図1の2-2線に沿った断面 が示されている。この図には、回転子Ｒの大きな中央開口部Ａが含まれていない 。 従来の遠心分離機回転子が遠心分離に供されるとき、回転子の回転軸に対する 力が回転子にかかり、その力には文字通り回転子を引き裂く傾向があることは周 知である。極簡単に言えば、遠心分離機回転子の各部分が回転子の回転軸に対し て半径方向に離れようとする。例えば、回転子の部分45は回転子の部分46から離 れようとする。 従来技術においては、従来の回転子は、２つのメカニズムを有するこのような 分裂に抵抗していた。これらのメカニズムの１つ目は、回転子の回転軸について 半径方向に分配された抗力の半径方向引張成分50である。つまり、実質的に連続 的な回転子の金属材料が、回転子の回転軸を通る張力に作用することによって回 転子が遠心分離力に対して維持される。 これらのメカニズムの２つ目は、回転子の回転軸について同心に分配された抗 力のフープ応力引張成分52である。特に、金属製回転子の等方性構造は、あらゆ る方向の引張力に対して均一な抗力を有するので、回転子は、部分的に、同心フ ープで構成されたかのように作用する。回転子が回転する際には、回転子の構造 内の張力に抵抗するフープ応力を生じる、回転軸に対する金属の引張力によって 、回転子を離れさせようとする力に抵抗する。 実際には、分解に抵抗する回転子の傾向は、半径方向の引張成分およびフープ 応力引張成分の両方の組み合わせである。これらの成分のいずれかを回転子から 排除して回転子が製造された場合、遠心分離力によって、非常に低速度で回転子 が壊れる。例えば、回転子の回転軸に向かって周辺から内向きに延びる半径方向 スロット54(図2に破線で図示)を有する回転子は、良くないデザインの選択であ る。これらの半径方向スロットは、回転子のフープ応力引張成分52と干渉する。 このような回転子は、このような半径方向スロットを持たない回転子と比較して 非常に低速度で分解するものと予測できる。 本発明の回転子の構造においては、回転子Ｒ内に大きな中央開口部Ａが必要で ある。この大きな単一の中央開口部は、中央定置固定子を収容する必要がある。 この大きな単一の中央開口部の存在によって、回転子の分解に対する抗力の半径 方向引張成分が実質的に低減される。 都合の良いことに、コンポジット繊維構造の張力における向上した抗力によっ て、半径方向引張成分について回転子が失うものに対してはコンポジット繊維回 転子構造が抵抗する。特に、このようなコンポジット材料はチタンに比べて強度 が４倍で重量が３分の１であるため、回転子の回転軸を横切る半径方向張力の力 が実質的に無くなっても、実際にコンポジット材料を用いた回転子の構成が可能 である。 この開示内容のために、このような回転子Ｒは、回転子Ｒの回転軸に直交して 配される繊維を有する積層60を含む。好ましくは、コンポジット繊維の巻線が含 まれる。例えば、図5を参照すれば、回転子Ｒの段付き表面上に配された垂直方 向成分巻線Ｗ_Vおよび周方向成分巻線Ｗ_Pが体出願人によって図示されている。 同出願人による1994年5月26日出願同時係属中米国特許出願シリアル番号第08/ 249,592号(現在、米国特許第 ， ， 号、 発行)「角度を付けた 表面にフィラメント巻線を有する角度固定型コンポジット遠心分離機回転子の製 造(ＦＩＸＥＤ ＡＮＧＬＥ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＣＥＮＴＲＩＦＵＧＥ ＲＯＴ ＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＷＩＴＨ ＦＩＬＡＭＥＮＴ ＷＩＮＤＩＮＧＳ ＯＮ ＡＮＧＬＥＤ ＳＵＲＦＡＣＥＳ)」において、本出願人はこのような巻線 の機能を記載している。特に、示される回転子Ｒは下方リング101、中間リング1 02および上方リング103から製造される。これらのリングのそれぞれは、コンポ ジット繊維を有する別々の積層から製造される。異なる層の繊維は異なる角度を 有しており、これにより、これらの層の繊維の異方性から、回転子の回転軸に直 交する「準等方性」強度が与えられる。このように、リングは、回転子の回転軸 に直交する方向に回転子を分裂しようとする力に対して大きな抗力を有する。 これらのリング101〜103のそれぞれによって、下方リング段104、中間リング 段105および上方リング段106が、それぞれの外側端部に規定される。好ましくは 、これらの段は回転子の回転軸に直交する。図5の周方向成分巻線Ｗ_Pはこれらの 段のそれぞれの周りに巻き付けられる。このような周方向成分巻線Ｗ_Pは樹脂浸 漬繊維を成し、典型的には連続して巻き付けられ、段が回転子の回転軸に直交す る面でそれぞれの段に固定される(keys to)。典型的に、このような繊維は硬化 時に収縮する量が少ない。この収縮時に、繊維によってリング101〜103のそれぞ れにフープ張力がかかる。このフープ張力は変化して、回転子Ｒにかかる半径方 向の圧縮力となる。大きな中央開口部Ａに関連して、周方向成分巻線Ｗ_Pによっ て供給される半径方向の圧縮性張力は、大きな中央開口部Ａのために回転子Ｒの 回転軸を横切って伝達され得ない半径方向引張成分の理想的な代替物である。 さらに、いわゆる角度固定型回転子の場合、垂直方向成分巻線Ｗ_Vが必要とさ れる場合がある。本出願人は、垂直方向に応力をあたえる成分がサンプル用試験 管26によって回転子Ｒにかかり得ることを述べた。回転子Ｒの場合、この力は、 回転子Ｒを形成している個々の積層60の間にかかる。垂直方向成分巻線Ｗ_Vをリ ング101〜103のそれぞれの上部に配置することによっても、全ての積層60がこの ような剥離力に対して強化できる。 ここに用いられる大きな中央開口部Ａを有する可能な回転子構造のより詳細な 記載を見いだすことができる。本出願人は先にこのような回転子の本質的なデザ インを開示している。Ｐiramoonらの1988年4月19日発行米国特許第4,738,656号 「コンポジット材料回転子(ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＲＯＴＯＲ) 」、Ｐiramoonらの1988年11月1日発行米国特許第4,781,669号「コンポジット材 料遠心分離機回転子(ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＣＥＮＴＲＩＦＵ ＧＥ ＲＯＴＯＲ)」、Ｐiramoonらの1988年12月13日発行米国特許第4,790,808号 「コンポジット材料遠心分離機回転子(ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＣＥＮＴＲＩＦＵＧＥ ＲＯＴＯＲ)」、Ｐiramoonらの1991年10月15日発行米国 特許第5,057,071号「ハイブリッド遠心分離機回転子(ＨＹＢＲＩＤ ＣＥＮＴＲ ＩＦＵＧＥ ＲＯＴＯＲ)」、Ｐiramoonらの1983年5月4日発行米国特許第5,206,9 88号「バランスリングを有するハイブリッド超高速遠心分離機回転子および製造 方法(ＨＹＢＲＩＤ ＵＬＴＲＡ-ＣＥＮＴＲＩＦＵＧＥ ＲＯＴＯＲ ＷＩＴＨ Ｂ ＡＬＡＮＣＩＮＧ ＲＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ)」などを参照されたい。さらに別 の例として、同出願人による1994年5月26日出願同時係属中米国特許出願シリア ル番号第08/249,592号(現在、米国特許第 ， ， 号、 発行)「 角度を付けた表面にフィラメント巻線を有する角度固定型コンポジット遠心分離 機回転子製造物(ＦＩＸＥＤ ＡＮＧＬＥ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＣＥＮＴＲＩＦＵ ＧＥ ＲＯＴＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＷＩＴＨ ＦＩＬＡＭＥＮＴ ＷＩＮ ＤＩＮＧＳ ＯＮ ＡＮＧＬＥＤ ＳＵＲＦＡＣＥＳ)」を参照されたい。この出願 が開示するように、繊維を有する巻線は、周方向の配向あるいは垂直方向の配向 のいずれであっても良い。どちらの場合においても、回転子は強化されて、遠心 分離力に対する抗力を持つ。 従って、大きな単一の中央固定子を収容する回転子を有する遠心分離機が、コ ンポジット材料によって、実際に可能になることを初めて認識することが本発明 の一部を成すことが理解される。このようなコンポジット材料の質量はチタンの 1/3であり、張力において約４倍の強度を有することから、大きな中央開口部Ａ またはＡ₁を有する遠心分離機回転子ＲまたはＲ₁が可能となる。さらに、低減さ れた質量の直接的な結果として、このような回転子Ｒの故障はそれ程重大な出来 事とはならない。例えば、図5に示されるハニカム状の防壁110に含まれ易いダス トの発生によって、コンポジット繊維回転子が故障する。 本発明に使用される積層内の繊維は、グラスファイバー繊維、カーボン繊維、 パラフェニレンジアミンテレフタロイルクロリド(ＰＰＤＴ)繊維であって良い。 ケ 門的には、パラフェニレンジアミンテレフタロイルクロリドと呼ばれる。 コンポジット材料は、磁気透過性、電導性、または抵抗性のものであり得るこ とが理解される。図3〜図5の実施態様において本出願人は、中央定置固定子Ｓに よって生じる磁性繊維で回転子Ｒを駆動することが可能なように、積層60が磁気 透過性繊維であることを好ましいとする。好ましくはニッケルの導電性コーティ ングを含む積層60は、Ｄublin、ＣaliforniaのHexel Corporationで製造され、 また、商標Ｔhorstrand^TMで販売されている。 磁気透過性繊維の積層に関して、積層60が、いわゆる「渦電流」およびその 結果生じる回転子の加熱に対して非常に抵抗性が高いことが理解される。特に、 切換え磁場によって生じるこのような渦電流は、回転子の回転軸に平行な主要成 分を有する。磁気透過性繊維は回転子の回転軸に直交しており、かつ注入され硬 化した樹脂によって互いに絶縁されているので、回転子は、回転軸に平行な渦電 流およびその結果生じる熱に対して非常に高い抗力を有する。 示された遠心分離機の残りの部材は従来技術である。具体的には、ベースＢは コンテナカンＣの一部である。従来、このコンテナカンＣは、冷却システムＦに 連絡する一体コイル通路70によって冷却される。中央定置固定子Ｓは、固定子一 体コイル通路71を用いてさらに冷却できることに留意されたい。このような構成 により、冷却状態下での遠心分離のために熱が容易に除去される。 さらに、従来の方法で偏流を低減するために、コンテナカンＣを上部75におい て真空ポンプＶに連絡させても良い。コンテナカンＣに関して、(図1の駆動モー タＭのような)いかなるモータからも(図1の回転子支持シャフトＨのような)支持 シャフトをコンテナカンＣに貫通させる必要がないことが理解される。結果的に 、(図1の支持ベアリング20のような)ベアリングに真空封止を施す細かい作業を 行う必要がない。 大きな中央開口部Ａの直径と、回転子Ｒ全体の直径との比を示すことは有益で ある。本出願人によれば、大きな中央開口部Ａの直径が回転子Ｒの最大直径の20 ％を越えるのが好ましい。好ましくは、この直径比は33％以上である。これに合 わせて中央定置固定子Ｓの寸法が決まる。 本出願人はこれまでに、本発明についての代替デザインが可能であることを述 べた。最適ではない代替例のために図10を参照する。 図10を参照すれば、回転子Ｒ₂は、中央回転子部115および周側回転子部116を 有している。この回転子は固定子Ｓ₂の上部の上側で連続的な構造を形成する。 従って、回転子Ｒ₂は、中央回転子部115によって、周側回転子部116によって、 もしくはその両方によって回転する磁場へ接続される。回転子は上部ベアリング Ｇ₃および下部ベアリングＧ₄を含む。 樹脂によってつなぎ止められた全コンポジット繊維回転子が本出願人によって 示された。これが好ましい構造であることが読み手には理解される。用途によっ ては、回転子が一部金属／一部コンポジット繊維のハイブリッドデザインであっ ても良い。あるいは、全金属回転子を使用しても良い。 本出願人らが、最小の高さを有する遠心分離機を初めて開示することが理解さ れる。さらに、この遠心分離機は従来技術の多くの部材を排除する。これらの部 材を排除することにより、従来技術の振動に関する問題が大幅に緩和される。製 造コストには有利な影響を及ぼす。モータ回転子／遠心分離機回転子とは対照的 に、単一の回転子を有する簡単な遠心分離機が示される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．回転する磁場を生じる中央定置固定子と、 該中央定置固定子の周囲に配設されるリング状部を有し、該固定子による該回 転する磁場に連動する材料を含む、回転子であって、 該回転子は、該中央定置固定子の周囲に配設される該リング状部において、遠 心分離にかけるサンプルを受けるための少なくとも１つの開口部を規定し、 該固定子に対して回転するように該回転子を搭載するための少なくとも１つの ベアリングと、 を備えた遠心分離機。 ２．遠心分離にかけるサンプルを少なくとも１つ収める回転子と、 該回転子を支持し且つ回転させるための少なくとも１つのベアリングと、 該回転子を該ベアリング上で回転させて該サンプルを遠心分離にかけるために 、回転する磁場を発生する固定子手段とを備えた遠心分離機において、 該固定子に適合して、遠心分離にかける該少なくとも１つのサンプルをリング 状部内で該固定子の周りを回転させるための、該リング状部を該回転子が有する ことと、 該回転子に付随する磁場を連動させて、該固定子の該回転する磁場に接続する ための手段と、 によって改良された遠心分離機。 ３．回転する磁場を生じる単一の中央固定子と、 遠心分離にかけるサンプルを少なくとも１つ収める回転子と、 該回転する磁場に伴って回転させるために、該回転子に永久磁石を組み込む手 段と、 該回転子を支持し且つ回転させるための少なくとも１つのベアリングとを備え た遠心分離機において、該回転子が、該固定子の周方向に外側で該固定子の周り を回転するための大きな単一の中央開口部を規定するリング状部を該回転子が有 すること、 によって改良された、遠心分離機。 ４．回転する磁場を生じる中央定置固定子と、 垂直方向の軸を規定し、該固定子に対向し且つ該固定子を取り巻く位置に、垂 直方向に延びる内側円周面を有する回転子であって、 該回転子は、該中央定置固定子の周側に搭載され、遠心分離にかけるサンプル を受けるための少なくとも１つの開口部を規定する該回転子と、 該固定子に対して回転するように該回転子を搭載するための少なくとも１つの ベアリングと、 を備えた遠心分離機。