JPH11262683A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は遠心分離機など回転機械の自動バラ
ンサに関するものであり、回転体にアンバランスがある
状態で運転しても、共振回転時にロータの振動が過度に
大きくならず、高速回転時の振動を小さくすることを課
題とする。 【解決手段】 上記課題は、鉛直の回転軸を中心とする
円筒を有し、円筒内に複数のボールを内蔵して、ボール
の移動によってバランスを自動調節するボールバランサ
の、円筒の半径（Ｒ１）とボールの半径（Ｒ２）の比率
（Ｒ１／Ｒ２）と、円筒の円筒中心から回転中心までの
距離（ｅ）と、円筒内の凹みの半幅（ａ）との関係を、
１＋ｅ／ａ＞（Ｒ１／Ｒ２）とすることにより達成され
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】上記目的を達成するため
に、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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【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／Ｒ
２）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２
８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Ｐ
２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Ｊ
ＩＳ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Ｐ
３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＝０．１３×１
０~³ｍ、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／Ｒ
２）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１１
０ｍｍ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。

【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、２
０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 (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉛直の回転軸を中心とする円筒を有し、
   該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節するボールバランサにおいて、
   前記円筒の半径（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。
2. 【請求項２】 前記円筒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。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 前記ボールの数を、前記円筒の下部のほ
   ぼ内周全体を充填する数としたことを特徴とする請求項
   １〜３いずれか記載のボールバランサ。
5. 【請求項５】 前記円筒の下部の内周を下部内径から上
   部内径にかけて徐々に直径が大きくなる傾斜面とし、共
   振回転数をこえた回転数での前記ボールに発生する遠心
   力により該傾斜面を前記ボールが上昇するよう、該傾斜
   面の角度と前記円筒の内径を設定したことを特徴とする
   請求項１〜４のいずれか記載のボールバランサ。
6. 【請求項６】 前記傾斜面を樽状に構成したことを特徴
   とする請求項５記載のボールバランサ。
7. 【請求項７】 前記傾斜面を円弧に構成したことを特徴
   とする請求項５記載のボールバランサ。
8. 【請求項８】 前記円筒の上部の内周を直径が同一な直
   線状面としたことを特徴とする請求項５〜７のいずれか
   記載のボールバランサ。
9. 【請求項９】 駆動モータと、該駆動モータと連結する
   回転軸と、該回転軸に固定され試料を内蔵する容器が装
   着されたロータを有する遠心分離機に、請求項１〜８の
   いずれか記載のボールバランサを装着したことを特徴と
   するボールバランサを装着した遠心分離機。