JPS6052864B2 - 繊維強化回転子及びその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は遠心分離機及び発電機の部品、羽根車、はずみ
車等のような高速回転する繊維強化物体に係る。

本物体を本文及び特許請求の範囲に記載するに当り簡略
して回転子と称する。本発明は又回転子の製造法及び本
製造法を実施するに際し使用される製造装置に係る。近
来の回転子例えば遠心分離機用回転子の回転速度及び直
径についての要求は回転速度によつて″発生する応力に
対する鉱材の耐力の限界に近づいている。

材料内の応力はその密度及び回転速度の２乗に正比例す
るので、材料の強さは材料の厚さを増加させることによ
り改良されないし、又同様にそれにより周速度を増加さ
せることによつても；改良されない。増加する応力に対
処する一方法は鋼材より低い密度を有する材料を利用す
ることである。

その理由は前記したように材料内の応力はその密度に比
例するからである。高い引張強さと低い密度とを兼ね備
えた材料として繊維強化プラスチック、所謂繊維積層材
がある。炭素繊維の性質は特に有利であることが証明さ
れている。しかし、実際問題として回転子全体を繊維積
層材でもつて製造することは不可能てある。事実として
、繊維積層材は通常鉱製の内側回転子の周囲に設けられ
た外側部材又はスリーブ、好ましくは予じめ応力を与え
られた状態におけるスリーブ、の形状で応用されている
。回転子上に前記のような繊維積層材を応用する方法の
いくつかは既知である。

その方法の一つは゜“収縮ばめ゛であつて、スリーブの
形状をした外側の繊維積層部材を内側の金属回転子部材
上に取付ける際に内側の金属部材を低温に維持する方法
である。金属部材の温度が室温に上昇すると両部材間に
表面圧力が発生する。しかし、温度を低温に下げること
が制限される故に、この方法では高い表面圧力を得るこ
とができない。他の方法では、両部材が精密に非常に小
さい寸法差を有するように製造され、従つて両部材が一
体に圧入された直後に比較的低い表面圧力が得られるも
のがある。更に他の方法においては、繊維は金属回転子
部，材の上に直接ある引張応力を与えながら巻き付けら
れる。

しかしこの方法は巻き付け作業中に繊維の切断を防ぐた
めに予じめ高い応力を与えることができない。更に他の
既知の方法は外観と内側との両部材を一体に圧入して、
次に内面の金属部材！が塑性変形を起すような回転速度
で回転子を回転させることである。それによりある表面
圧力が両部材間に得られる。しかし、この方法はある種
の金属材料に対しては不適当であり、又比較的制限され
た表面圧力を発生さすものである。前記した壬既知の方
法の殆んどは実際に利用するためには比較的不便である
。その理由はこれらは特に現場において外側の積層部材
を容易に交換することができないからである。複数個の
繊維積層リングによつて周囲を囲まれ４た比較的薄肉の
内側の金属スリーブの形状をした遠心分離機を設計する
ことが兼ねてから計画されている。

このことに関連して前記積層リングが金属スリーブ上に
収縮ばめの方法によるか又は円錐形表面を使用するかに
よつて固定されるということが表明されている。しかし
積層リングは内側の比較的薄肉の弱い金属スリーブに予
じめ応力を与えようとするものではない。金属スリーブ
の本来の目的は繊維積層材を侵食する遠心分離されたガ
スを防御するものである。円錐形の金属回転子の外面上
に直接繊維積層リングを固定するために円錐形面を応用
するという既知の技術は特に次に示す２つの欠点を有す
る。

ノその第１は、圧入作業中に内側の金属部材と接触する
結果とし積層材の円錐形内面に亀裂が発生する。この危
険は圧入作業に関連する本来の実際問題と共に前記の技
術が高い表面圧力を得るために応用することができない
ことを意味する。第２として、円錐形の積層部材とこれ
に対応する円錐度を有する内側の金属部材とを利用する
ことは回転子に沿つて異つた変形を発生させることにな
る。何故ならば、かような構成によつたのでは異なつた
密度の異種の材料が回転子に沿つてそれぞれ一定厚さに
なつていないからである。本発明の主目的は前記した不
利な又危険な点を解消するような円錐形の２面を活用す
る繊維強化回転子及びそれの製造法を提供するものであ
る。

本発明により円錐形の２面の活用に関連する不利な点は
避けられ、更に前記技術の利点を完全に利用して非常に
簡単で再現可能な方法で在来のものより実質的により高
い予じめ与える応力を得ることができるようにした。即
ちこのことは少くとも１個の外側の繊維強化リング又は
スリーブが内面円錐形状の中間スリーブの外面に取付け
られ、前記中間スリーブの円錐度は内側の回転子部材の
円錐度に対応するようにした本発明により達成された。

内側の回転子部材の材料と関連して中間スリーブの材料
を適当に選択することにより、外側に繊維強化スリーブ
を有する中間スリーブが強大なりでもつて内側部材上に
圧入されることが可能となり、しかもこれにより内側の
回転子部材と中間スリーブとの間又は前記中間スリーブ
と外側スリーブとの間のいづれにおいても問題を発生さ
せないで予じめ応力が与えられた高い表面圧力を得るこ
とができる。更に又、内側の回転子部材の材料と実質的
に同じ密度を有する材料でもつて中間スリーブを製造す
ることにより、回転子に沿つて異つた変形が発生するよ
うな前記の問題は解消される。

本発明について添附図面を参照して更に詳細に説明する
。

第１図において内側の回転子部材に予じめ応力を与える
ための結合スリーブは実質的に円筒形である外面と円錐
形の内面とを有する薄肉中間スリーブ１を包含する。

内面の円錐度は回転子部材の円錐度に対応する。予じめ
応力を与えるための結合スリーブは回転子部材に取付け
られるもので中間スリーブ１の材料は前記回転子部材に
使用される材料と実質的に均等な密度を有することが好
ましい。スリーブ１の円筒形外面上に実質的に均一厚さ
を有する繊維積層スリーブ部材２が取付けられる。積層
部材２は予じめ応力を与えないでスリーブ１に固定され
る故に、スリーブ上に直接巻付けるような既知の方法に
よりスリーブ１に取付けることができる。

繊維積層部材はプラスチック及び炭素繊維を包含するこ
とが望ましい。但し高い引張強さを有する他の繊維積層
品を使用してもよい。第２図に本発明により製造された
繊維強化回転子が示されている。この回転子は例えばス
テンレス鋼のような金属製の内部回転子部材３を包含し
その外面はある円維度、例えば１：２０の円錐度を有す
る。第１図に示された予じめ応力を与えるための結合ス
リーブが内部部材３に取付けられる。この場合中間スリ
ーブｌは内部部材３に対応する円錐度を有するものであ
る。中間スリーブの材料は結合スリーブが内部の回転子
部材上で圧力を受けても問題が発生しないように回転子
の金属部材との関連において選択される。かくして回転
子に予じめ応力を与えるための非常に高い表面圧力が本
発明による簡単な圧入操作につて得られる。この圧力は
前記した先行技術によつて得られる圧力を実質的に超え
るものである。殆んどの場合結合スリーブは選択された
円錐度に応じて僅かに数ミリメートルに相当する距離を
圧入される。内部回転子部材に予じめ応力を与えること
により、内部部材に作用する表面圧力は負の接線分応力
を生ずる。

即ち内部回転子部材の直径が前記表面圧力のために僅か
減少する。同時に繊維積層外部部材は正の接線分応力に
より予じめ応力が与えられる。これら部材の寸法及び実
際の表面圧力は回転子の作用速度において内部部材及び
外部繊維積層部材の両者の受ける有効応力が許容水準、
即ちこれら材料の限界応力水準より十分に低いもの、で
あるように選択される。本発明によつて強化された回転
子は金属材料のみから製造された回転子ど比較して変形
又は破損の危険が増加しないでより高速回転で作業する
ことができる。本発明に従つて中間スリーブを用いるこ
とは、前述したように予じめ応力を与えない場合であつ
ても、大なる利点を有する。

特に中間スリーブが内部回転子部材と均等な材料或いは
実質的に均等な密度を有する材料から作られているなら
ば、改善された変形条件がもたらされ、更に他の実際上
の利点も得られる。何故ならば、異なつた密度の異種の
材料が回転子に沿つてそれぞれ一定の厚さになるという
ことを具現できるからである。換言すれば、回転子に沿
つてどこでも同じような変形条件になるようにするため
には、回転子に沿つて違つた密度を有する材料の厚さが
、それぞれどこでも同じであることが必要であるが、前
述したような先行技術の構成によつたのでは、そのよう
にはならなかつた（円錐形の積層部材とこれに対応する
円錐度を有する内側の金属部材とを結合させたものであ
るから、回転子に沿つて積層部材の厚さは一定ではなく
、また金属部材の厚さも一定ではなかつた）。然しなが
ら本発明において、中間スリーブ１を内部回転子部材３
と均等な又は実質的に密度の等しい材料て作つたとする
と、両者を結合したものの厚さは、回転子に沿つてどこ
でも一定であることになり、また繊維強化リング又はス
リーブ２は回転子に沿つてどこでも厚さが一定であるか
ら、結局、回転子に沿つて異種の材料それぞれの厚さは
一定であつて、かくて、回転子に沿つてどこでも同じよ
うな変形条件になつているというわけである。第３図に
本発明が先行技術による遠心分離機の回転子に応用され
た状態が示されている。

第３図の遠心分離機用回転子は米国特許第３９８６６６
３号に記載された種類のものである。回転子は下側部分
４と上側部分５とを包含し、これは止め輪６によＬつて
一体に保持されている。回転子は軸７により支持され駆
動される。８は固定の流入管を示し、この管を経て分離
される媒体混合物が分離室９に供給される。

分離作用中に混合物の軽い成分はディスク集合体１０（
Ｄｉｓｅｓｅｔ）内のディスクの間を半径方向の内向き
に流れて流出管１１を通過する。混合物の分離された重
い成分は分離室９内に残留し、それの半径方向の外側部
分に層１２となつて次第に増加する。回転子の下側部分
４はその円周を取巻いて数多くの開口１３を有し、この
開口は通常は遠心分離機の回転子の内部で軸方向に可動
な弁体１４によつて閉止されている。

重い成分の量がある程度回転子内で分離されると、弁体
１４を軸方向に下降させて流出開口１３が開放され回転
子内の重い成分が開口１３を経て排出される。第３図の
遠心分離機回転子の作用は前記の米国特許第３９８６６
６３号により詳細に開示されている。第３図の回転子は
第１図のような結合スリーブ２個によつて補強されてい
る。

それぞれのスリーブは薄肉の内側円錐形スリーブ１とそ
れを取囲む繊維強化外側スリーブ２とを包含する。前記
の２個の結合スリーブは回転子の下側部分４の僅かに円
錐形にされた部位の周囲に同軸に配設されている。薄肉
の内側スリーブ１は公称降状点を有する材料から製造さ
れることが望ましい。外側スリーブ２は硬化性樹脂、例
えばエポキシ樹脂、と炭素繊維との積層材の形態に製造
されることが望まきい。他の繊維、例えばガラス繊維も
使用されてよい。更にプラスチック材料はアルミニウム
のような他の軽量材料と置換してもよい。実験が１：２
０の円錐度のものを使用して実施された。

しかし、所望の円錐度を得るために回転子から削り取ら
れる材料の量を減らすためにより少い円錐度、例えば１
：１００，のものを選択してもよい。予じめ応力を与え
るスリーブ結合体と回転子との間の表面圧力が運転状態
でない回転子の場合に１ｋｇ／Ｃｄの程度のもので良好
な結果を得ている。本発明による繊維強化法を使用する
ことにより、回転子の最大回転速度を在来のものに比し
て２０及至２５％容易に増加させることができ、従つて
遠心分離効果を４０及至４５％の程度増加させるという
結果が示された。

この結果は各種の分離作業おいて加速及び／又は能率の
向上をもたらし、更に遠心分離技術において新しい応用
の可能性を与えるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は中間スリーブによつて支持されている外側の繊
維強化スリーブの断面略図であり、第２図は本発明によ
る方法により製造された繊維強化スリーブの手段により
補強された回転子の断面略図であり、第３図は遠心分離
機に本発明が応用された状態の説明図である。 図面中の番号とそれに対応する名称は次の通りである。
１・・・・・・薄肉中間スリーブ、２・・・・・・繊維
積層スリーブ部材、３・・・・・・内側回転子部材、４
・・・・・・下側部分、５・・・・・・上側部分、６・
・・・・・止め輪、７・・・・・・駆動軸、８・・・・
・・固定の流入管、９・・・・・・分離室、１０・・・
・・ディスク集合体、１１・・・・・・流出管、１２・
・・・・・重い成分の層、１３・・・・・・開口、１４
・・・・・・弁体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１個の外側の繊維強化リング又はスリー
   ブを内側の回転子部材の周囲に同軸上に配設するような
   繊維強化回転子の製造法において；前記回転子部材の外
   面を円錐形に設計し、前記繊維強化スリーブを内面が円
   錐形にされた中間スリーブの外面上に配設し、前記中間
   スリーブの円錐度を前記回転子部材の円錐度と対応させ
   、更に外側の繊維強化スリーブと結合された中間スリー
   ブを内側の回転子部材上に圧入して、異種の部材間に所
   望の表面圧力を発生させるような繊維強化回転子の製造
   法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の製造法において、前記
   中間スリーブが内側の回転子部材の材質と実質的に同じ
   密度を有する材料で作られていることを特徴とする繊維
   強化回転子の製造法。 ３ 内側の回転子部材３の周囲に同軸上に配設された少
   なくとも１個の外側の繊維強化リング又はスリーブ２を
   包含する繊維強化回転子において；前記回転子部材３が
   円錐形の外面を有し、前記繊維強化スリーブ２が内面を
   円錐形にされた中間スリーブ１の外面上に設けられ、前
   記中間スリーブ１の円錐度は前記回転子部材の円錐度に
   対応し、更に外側の繊維強化スリーブ２と結合された中
   間スリーブ１が内側の回転子部材３上に取付けられるこ
   とを特徴とする繊維強化回転子。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の繊維強化回転子におい
   て、前記外側の繊維強化スリーブ２と結合された中間ス
   リーブ１が内側の回転子部材３上に圧入されて、従つて
   異種の部材間に予め応力を与えられた高い表面圧力が存
   在するようにされることを特徴とする繊維強化回転子。 ５ 特許請求の範囲第３項又は第４項に記載の繊維強化
   回転子において、前記中間スリーブが内側の回転子部材
   の材料と実質的に同じ密度を有する材料で作られている
   ことを特徴とする繊維強化回転子。