JPS6320580B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は遠心力場を用いて連続的に流体中の微
粒子を分離分析する装置等に用いる回転ジヨイン
トに関する。

（従来技術） 流体中の微粒子が遠心力場におかれると、その
粒子の質量に応じた力を受ける。この力が粒子の
自己拡散力より充分大きい時、粒子は沈降し、液
相から分離し、固相を形成する。粒子が小さいと
（大体１以下）完全な沈降はせず、遠心力と自己
拡散力のつり合うところで相を形成する。又、流
体は狭い空隙を流れる時、壁面に接している部分
は流速が遅れ、空隙の中心に向つて放物線流速分
布をとる。この空隙に垂直に遠心力場を加える
と、流体中の粒子は遠心力と自己拡散力のつり合
う位置での固有の流速で空隙中を移動することに
なる。このことを利用して、流体中の微粒子を分
離分析する装置では、流体を回転軸を通して外部
より出し入れする必要があるので、シール圧、摩
擦、発熱等種々の問題が発生する。微量高分解能
セデイメンテーシヨン（Sedimentation）FFF
（Field Flow Fractionation）では経路容積を極
力小さく抑える必要があり、特に重要な問題とな
る。セデイメンテーシヨンFFFの回転ジヨイン
トでは、少なくとも5000〜15000rpm程度の回転
速度を必要としており、サブミクロンよりはるか
に小さい粒子の分析を行う場合には更に高速の回
転を行わせることが望ましい。高速回転を行わせ
ると、前述したようにシール圧、摩擦及び発熱等
の問題が発生する。

このような問題を解決すべく、第１図或いは第
２図に示すようなシールにＯリングを用いた回転
ジヨイントや、第３図に示すような面シールを用
いた回転ジヨイントが用いられる。第１図におい
て、１がＯリングである。２はフロー入力部、３
は試料注入部、４はチヤネル５はベアリング、６
は回転軸、７はスペーサである。Ｏリング１によ
つて上段部と下段部の接合面が接合され、回転軸
６を回転させると試料注入部３から注入された試
料は遠心力場のもとで分離され、上段部上部から
検出器へ導かれる。

第２図において、１１はＯリング、１２はフロ
ー入力部、１３は試料注入部、１４はチヤネル、
１５〜１７はベアリング、１８はＯリング、１９
はドライブベルトである。Ｏリング１１によつて
上段部と下段部の接合面が接合され、ドライブベ
ルト１９で系を回転させると試料注入部１３から
注入された試料は遠心力場のもとで分離されて上
段部上部から検出器へ導かれる。

第３図において、２１は固定シール、２２は回
転シール、２３は固定シールアセンブリ、２４は
シールキヤツプ、２５はシールキヤツプ２４と固
定シールアセンブリ２３との間に取り付けられた
圧着バネ、２６はトルクチユーブ、２７は該トル
クチユーブ２６と回転軸を接続する接続デイス
ク、２８はオイルベアリング、２９は面シール部
を取り囲むシールボデイ、３０は試料注入部であ
る。接続デイスク２７を介して外部からの回転力
によりトルクチユーブ２６を回転させると、試料
注入部３０から注入された試料は遠心力場のもと
で分離されて、上段部上部から検出器へ導かれ
る。

第１図、第２図に示すようなシールとしてＯリ
ングを用いた回転ジヨイントの場合、シール圧を
高くとることができない。又、シール材の摩耗も
比較的早く、回転速度もせいぜい数1000rpm程度
である。第３図に示す面シールを用いた回転ジヨ
イントの場合、面と面で圧着されるので、圧着面
積が広くとれ、第１図、第２図に示すＯリング方
式の回転ジヨイントよりもシール圧を高くとるこ
とができ、回転速度も高くとることができる。し
かしながら、図より明らかなように構成が極めて
複雑となり、高価なものとなる。

（発明の目的） 本発明は、このような点に鑑みてなされたもの
であつて、その目的は、シール圧が高くとれ且つ
回転速度も高くとれる構成の簡単な回転ジヨイン
トを実現することにある。

（発明の構成） このような目的を達成する本発明は、一方のジ
ヨイント端部に設けられた第１の高透磁率部材
と、該第１の高透磁率部材に一方の面が接合する
シール部材と、他方のジヨイント端部に設けられ
該シール部材の他方の面に接合し前記第１の高透
磁率部材に対して回転する第２の高透磁率部材
と、該第２の高透磁率部材を含む磁気回路内に配
設され、両高透磁率部材を前記シール部材を介し
て磁気吸引力でもつて圧接させる磁石とを有し、
前記第１及び第２の高透磁率部材及びシール部材
には液体通路が形成されたことを特徴とするもの
である。

（実施例） 以下、図面を参照し本発明の実施例を詳細に説
明する。

第４図は、本発明の一実施例を示す機械的構成
図である。図において、４１はシールボデイ、４
２はヨーク部材、４３，４４は高透磁率材料でで
きた部材である。シールボデイ４１も、高透磁率
材料でできているものとする。高透磁率材料とし
ては、例えば純鉄が用いられる。特に、部材４４
は下段部Ｂに取り付けられており、上段部Ａと接
合する部分であるので、その端面はハードクロム
メツキされている。４５，４６はレアーアースマ
グネツトを用いた永久磁石である。レアーアース
マグネツトとしては、例えばサマリウムコバルト
が用いられる。永久磁石４５は、部材４２と４３
の間に配されている。４７，４８は非磁性材料で
できた部材である。非磁性材料としては、例えば
SUS316或いはSUS304が用いられる。

４９は、上段部Ａに部材４７と接して設けられ
たシール部材である。該シール部材４９として
は、摩擦係数が少なく、且つはく離性がなく形状
変形の少ないものを用いる必要がある。このよう
な特性を満足させるシール部材としては、例えば
グラフアイト及びテフロン入りポリイミドやグラ
フアイトカーボン入りテフロン等が用いられる。
５０はシール面の摩擦熱を除却するための冷却用
パイプであり、該冷却用パイプ５０に水又はアル
コール等の冷却液を流すことによつて摩擦熱が除
却されるようになつている。パイプ５１から試料
が注入され、パイプ５２から遠心分離された試料
が送将出され、検出器に導かれる。５３はフロー
入力用のフレクシブルチユーブ、５４はその端面
がシールボデイ１と接する高透磁率材料でできた
ヨーク部材である。

シールボデイ４１、ヨーク部材４２、部材４
３、永久磁石４５、部材４７、シール部材４９及
び冷却用パイプ５０とで構成される上段部Ａと、
部材４４，４８，５４及び永久磁石４６とで構成
される下段部Ｂとにおいて、部材４４の端面とシ
ール部材４９の回転接合端面とが永久磁石４５，
４６の吸引力により圧着され、上段部Ａと下段部
Ｂの接合面が接合する。シール部材４９の回転接
合端面には、図中上部に示したように、その中心
に穴５５があけられており、その同心円上に浅い
溝が設けられている。そしてこの溝の一点と中心
穴５５に非磁性材料（例えばSUS）でできたパ
イプ５６が連結されている。同様に下段部の部材
４４にも、対応する位置に同様のパイプ５７が嵌
め込まれている。このように構成された装置の動
作を説明すれば、以下の通りである。

上段部Ａと下段部Ｂとが圧着するときは、永久
磁石４５と４６による起磁力が、高透磁率部材４
３，４４で磁束がしぼられそれぞれの端面に強い
異極の磁化が発生する結果、強い吸引力が発生す
る。そして、上段部Ａと下段部Ｂの接合面とは強
いシール圧で圧着される。更に、上段部Ａのヨー
ク部材４２、シールボデイ４１と下段部Ｂのヨー
ク部材５４により磁気閉回路を形成するが、シー
ルボデイ４１とヨーク部材５４の接合部分には僅
かながらエアギヤツプが設けられている。そし
て、この接合面はテーパ状になつていることから
磁場勾配（グラデイエントーGradient）が発生
し、下段部Ｂを上段部Ａが引込むように作用す
る。この力はシール面に加わり、シール圧を更に
強固なものにする。

上述した磁石の吸引力により得られるシール面
圧は、高透磁率部材（以下磁極と称す）面を通過
する磁束密度Ｂと磁極面積Ｓの積に比例し、シー
ル部材と回転する磁極との接触部の面積（シール
面積）S′及び磁極間隙ｄに逆比例し、比例定数を
Ｋとした時、次式で表わされる。

Ｐ＝Ｋ・Ｂ・Ｓ／（ｄ・S′） ここで、比例定数Ｋは磁極の材質及び磁極の面
積や形状並びに漏洩磁束等によつて異なる。そこ
で、サマリウムコバルト磁石として信越化学工業
株式会社製Ｒ＝25Aのタイプ（内部磁束密度は
9910ガウス、直径は20mm、高さは１cm）を使用
し、シール面の直径を20mm及び磁極間隙ｄを0.5
mmとした場合、シール面圧Ｐとして遠心力場を用
いた連続粒子分離装置において必要とされる約３
〜４Kg／cm²程度が得られることを実験により確認
した。

一方、シール部材としてポリイミドにテフロ
ン、グラフアイトカーボンを加えたものを使用し
た場合、摩擦係数は、Ｐ・Ｖ（圧力×速度）＝10
Kg／cm²・ｍ／secにおいて0.12程度である。

今ジヨイントが3000rpmで回転し、シール部材
の直径が８mmであり、10Kg／cm²のシール圧が印加
されるとした場合、周縁部の速度は1.257m／sec
となり、摩擦力は1.257（ｍ／sec）×10（Kg／cm²）×
0.12で約1.5Kgｆとなる。即ち10Kg／cm²のシール
圧をかけて3000rpmで回転させると固定子側に約
1.5Kgｆの回転力が加わることがわかる。この程
度の回転力は柔構造のスプリング結合やマグネテ
イツクカツプリング、或いはポリマー製のフレキ
シブルジヨイント等の常套手段で十分受け止める
ことができる。前述した実測値では、シール圧は
３〜４Kg／cm²と上記検討におけるシール圧10Kg／
cm²よりも小さいので、固定子側が受ける摩擦によ
る回転力も1.5Kgｆよりも更に小さくなり、これ
を受け止める構造も簡略化できる。

以上のように、本発明の構造によれば、遠心力
場を用いた連続粒子分離装置において必要とされ
るシール圧が十分に取れるので液漏れを防止で
き、しかも、そのシール圧のもとで固定子側が受
ける回転力は十分小さいので容易に受け止めるこ
とができ、十分な実現性を有していることは明ら
かである。

尚、シール面の摩耗によつて発生する熱を除却
するため、シール部材４９の固定及び部材４４の
軸受けを兼ねる部材４７には冷却用パイプ５０が
取り付けられており、水又はアルコール等の冷却
液を流すことによつて、摩擦熱を除却することが
でるようになつている。又、第４図に示した構成
は本発明の実施例の一つにすぎず、この他にも
種々の変形が可能である。例えば、上段部Ａのみ
にサマリウムコバルト磁石を置き、下段部Ｂは高
透磁率部材のみで構成することができる。更に、
永久磁石４５の代わりに励磁コイルを磁性体に巻
回した電磁石とすることもできる。又、サマリウ
ムコバルトに穴をあけ加工することにより、
SUS製パイプ５１，５２をまつすぐに貫通させ、
流路抵抗を低減することもできる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、
上段部と下段部を磁石の吸引力を利用してシール
圧を得ることによりシール圧が高くとれ、且つ回
転速度も高くとれる構成の簡単な回転ジヨイント
を実現することができる。構成が簡単になるので
ローコストのものが実現できる。本発明によれ
ば、回転体の振動、芯ぶれ等により液もれや回転
シール面の摩擦の増大はない。摩擦熱の発生は液
のシール面のみであり、この熱は冷却パイプによ
り最小限に抑えられるので発熱も少ない。更に経
路容量も最小にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は従来装置を示す図、第４図
は本発明の一実施例を示す機械的構成図である。 １，１１，１８……Ｏリング、２，１２……フ
ロー入力部、３，１３，３０……試料注入部、
４，１４……チヤネル、５，１５〜１７……ベア
リング、６……回転軸、７……スペーサ、１９…
…ドライブベルト、２１……固定シール、２２…
…回転シール、２３……固定シールアセンブリ、
２４……シールキヤツプ、２５……圧着バネ、２
６……トルクチユーブ、２７……接続デイスク、
２８……オイルベアリング、２９，４１……シー
ルボデイ、４２，５４……ヨーク部材、４３，４
４，４７，４８……部材、４５，４６……永久磁
石、４９……シール部材、５０……冷却用パイ
プ、５１，５２……パイプ、５３……フレクシブ
ルチユーブ、５５……中心穴、５６，５７……パ
イプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一方のジヨイント端部に設けられた第１の高
   透磁率部材と、該第１の高透磁率部材に一方の面
   が接合するシール部材と、他方のジヨイント端部
   に設けられ該シール部材の他方の面に接合し前記
   第１の高透磁率部材に対して回転する第２の高透
   磁率部材と、該第２の高透磁率部材を含む磁気回
   路内に配設され、両高透磁率部材を前記シール部
   材を介して磁気吸引力でもつて圧接させる磁石と
   を有し、前記第１及び第２の高透磁率部材及びシ
   ール部材には液体通路が形成された回転ジヨイン
   ト。