(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速回転体を可回転に支持する回転室内に、回転体を囲むごとく鉛直方向に延びたユゴニオ弾性限界応力が９ＧＰａ以上有するセラミックスとその外側に密着した金属とで多重構造にしたことを特徴とする高速回転体防御装置。
【請求項２】
回転体を囲むごとく鉛直方向に延びたセラミックスを複数個のブロックに分け、外側の金属円筒に密着するように構成したことを特徴とする請求項１記載の高速回転体防御装置。
【請求項３】
複数個のセラミックス製ブロックの内側に押さえ板を配置したことを特徴とする請求項２記載の高速回転体防御装置。
【請求項４】
高速回転体を可回転に支持する回転室内に、回転体を囲むごとく鉛直方向に延びたセラミックスとその外側に密着した金属との多重構造の高速回転体防御装置において、前記セラミックスの鉛直方向長さを回転体が破壊したときにその破片が衝突する部分だけの長さとし、かつ外筒に前記内筒の上方への移動を阻止するように段差を設けたことを特徴とする高速回転体防御装置。
【請求項５】
回転体を可回転に支持する回転室内に、回転体を囲むごとく鉛直方向に延びたユゴニオ弾性限界応力が９ＧＰａからなるセラミックスとその外側に密着した金属とで多重構造にしたことを特徴とする回転体防御装置を有する遠心機。
【請求項６】
前記セラミックスの鉛直方向長さを回転体が破壊したときにその破片が衝突する部分だけの長さとしたことを特徴とする請求項５記載の回転体防御装置を有する遠心機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体を高速回転させて使用する、例えば医学、化学、薬学、材料工学等の分野で用いられている遠心分離機或いは高速回転試験機等において、回転体が破壊したときに生ずる装置全体の破壊、衝撃、高速移動を防止すると共に、防御装置を軽量化すること及び遠心機全体の軽量化、低コスト化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回転体防御装置は、鉄鋼等の金属製の厚くて重い円筒状で、破壊した回転体の高速の飛翔破片を塑性変形を許容して金属の大きなモーメンタムで受けてその外側の装置の破損を防いでいた。この種の回転体防御装置は、例えば特公昭５３−９８６５号公報や実公昭５３−３４９９号公報に示されている。これらの従来例を図６及び図７に示す。図において、回転体１は、回転軸２を介して電動機等からなる駆動部３により高速回転される。医学の研究分野で用いられている超遠心分離機の回転体１は比強度が高いアルミ合金やチタン合金など比較的硬い材料で構成されているのが普通であり、最高回転数が１０万から１５万回転／分，遠心加速度が８０万〜９０万Ｇに達し、この時の周速は７００ｍ／ｓ程度に達するものがある。回転体１を可回転に支持する回転室４は、上板５、側円筒６、底板７から成る。これらの構成部材は、回転体の温度上昇を防止するために真空を保つ構造とされる場合もある。ドア８は、上板５の回転体挿入口を開閉する部品であって、Ｏリング９によって上板５との密封がなされる。防御円筒１０は、回転体１を取り囲み鉛直方向に延びており、鋼等の硬質金属で構成されたり或いは鉛等の軟質金属から成る内筒１１および鋼等の硬質金属から成る外筒１２より構成されている。前記の医学の研究分野で用いられている超遠心分離機の場合、防御円筒１０は鋼製で厚さは約５０ｍｍのものが用いられており、その質量は約１２０ｋｇ程度である。このような構成において、回転体１が破壊すると、その破片が遠心力により前記防御円筒１０に高速で衝突する。前記の破片が当たるか突き刺さるかの変形を生じさせる。この変形するエネルギ分だけ破片のエネルギが吸収されるというものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
高速回転装置で回転体が破壊したとき、破片が高速で飛翔するが、防御壁との衝突による衝撃応力が弾性限界以上であれば、防御壁に突き刺さったり、反射するにしても塑性変形を伴うので防御筒に衝突方向に一方向に大きな力を受けることになる。この時の衝突による応力と粒子の速度を決める方法を図４に示す。現在使用されている鋼ではユゴニオ弾性限界（ＨＥＬ応力）２４の応力は高々１ＧＰａ、粒子速度は４０ｍ／ｓであるので、衝突速度で８０ｍ／ｓ以上のほとんどの高速回転体の場合、図４に示すごとく、衝突による衝撃応力は鋼のユゴニオ弾性限界を越え、上記のように衝突方向に大きな力が加わり、装置の高速移動、振動が激しく、安全性に問題があった。また、高速衝突による塑性域の変形は大きいので、大きなモーメンタムによって装置全体の破壊を防ぐことと使用者の安全を確保すべく防御壁は厚くしたり、遠心機や試験機を重くしなければならなかった。
【０００４】
本発明の目的は、上記した問題を解決し、軽量かつ安全性が高い高速回転体防御装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、防御筒をセラミックスと金属との多重構造にすることにより達成される。
【０００６】
更に、図５に本発明の高速回転体防御装置を説明する飛翔破片の経路の概略図を示す。防御筒をセラミックスと金属の２重円筒構造にすることにより、セラミックスの高いユゴニオ弾性限界を利用して衝突による装置の衝撃、移動を著しく低下させ、また防御壁の厚さと重さを軽減するように動作する。よく焼結されたアルミナ、窒化硅素などのセラミックスはユゴニオ弾性限界は１０ＧＰａ以上、ユゴニオ弾性限界の粒子速度が２００ｍ／ｓ以上であるので、回転体の材料にもよるが壁に対して直角方向の衝突速度が４００ｍ／ｓ以上（壁に対して直角方向の衝突速度は回転体の半径×角速度×ｃｏｓθ以下である）では衝突による応力は、図４に示すごとくユゴニオ弾性限界以下となり、衝突による衝撃は弾性域に納まり、破片は突き刺さらず弾性的に反射する。しかも、飛翔破片３１の衝突は回転方向のベクトルを持っているので、衝突角θはＳｉｎ￣１＝ｒ１／ｒ２で表され、ｒ１／ｒ２を０．７０７以上にすればθを４５度以上にすることができるので、衝撃応力を小さくできるばかりでなく、飛翔破片は図５のように防御壁で反射衝突を何回も繰り返し、ゆっくり止まることになる。この場合、衝突による衝撃力はセラミックスで受け、衝撃後の準静的な応力を支えるためとセラミックスの準静的な脆性破壊を防ぐために、その外側に密着した金属製の筒で囲む。従って、破片の衝突による衝撃は分散され、装置の衝撃、移動は最小限に抑えられるので、安全性が格段に高まる。また、この場合、セラミックスは塑性変形せず、破片を跳ね返すので、セラミックスと金属の厚みは金属のみの場合に比べて格段に薄くでき、更に、ほとんどのセラミックスの密度が鋼に比べて半分以下で小さいのでその部分の質量を半分以下に低減することができる。
【０００７】
参考データとして、図８に金属と金属及びセラミックスとのインピーダンスマッチング法（衝突速度４００ｍ／ｓ）を示す。なお、インピーダンスマッチング法に関する衝突面の反射を利用して衝撃状態を決定する説明は、日刊工業新聞社発行の「衝撃工学（１９８８年１０月発行，第８章（超高速衝撃））」に開示されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明になる実施例の高速回転体防御装置の縦断面図である。図において、回転体１は、回転軸２を介して電動機等からなる駆動部３により高速回転される。回転体１を可回転に支持する回転室４は、上板５、側円筒６、底板７から成る。これらの構成部材は、回転体の温度上昇を防止するために真空を保つ構造とされている。ドア８は、上板５の回転体挿入口を開閉する部品であって、Ｏリング９によって上板５との密封がなされるている。防御円筒１０は、回転体１を取り囲み鉛直方向に延びておりセラミックス内筒１１および鋼等の硬質金属から成る外筒１２より構成されている。このような構成において、回転体１が破壊すると、その破片が遠心力により前記防御円筒１０の内筒１１に高速で衝突する。内筒１１は前記の如くセラミックスで形成されているから、前記の破片が当たると破片は跳ね返り徐々にエネルギを失ってやがて停止する。具体的には、前記した医学の研究分野で用いられている超遠心分離機の場合は、セラミックスの薄い内筒１１の厚さは３〜５ｍｍ程度，防御円筒１０は厚さ２０ｍｍ以下の鋼製円筒で十分と推定する。この場合の防御円筒全体の質量は約６０ｋｇ程度で、前記した従来の防御円筒の質量約１２０ｋｇに対し半分以下に軽量化される。衝突による衝撃力はセラミックスの薄い内筒１１で受け、衝撃後の準静的な応力を支えるためとセラミックスの準静的な脆性破壊を防ぐために、その外側に密着した外筒１２で囲んでいる。前記の通り，セラミックスは塑性変形せず、破片を跳ね返すので、破片の衝突による衝撃は分散され、装置の衝撃、移動は最小限に抑えられる。また、防御円筒の回りの構成部材はに与える負荷も小さくなり、これらの構造も簡素化、軽量化できる効果を合わせ持つことになる。
【０００９】
図２は本発明における他の実施態様の高速回転体防御装置の一部を示す上面断面図である。図において、１１ａはセラミックス製板状ブロックであり、外側の外筒１２に密着するように配置されており、更にその内側には押さえ板１３が設けられセラミックス製板状ブロック１１ａを固定する役目をなしている。このような構成においても、回転体の破片の防御は前記したように動作する。このような構成は、製作上有利であり、セラミックスの成形製作や防御装置の組立の面で大きな効果を有することになる。なお、セラミックス製板状ブロック１１ａの外筒１２への固定は接着剤等を用いても良い結果が得られると判断される。
【００１０】
図３は本発明になる他の実施態様の高速回転体防御装置の縦断面図である。図において、１１はセラミックス内筒であり、その鉛直方向長さを短くして回転体が破壊したときにその破片が衝突する部分だけの長さとし、かつ外筒１２に前記内筒の上方への移動を阻止するように段差１４を設けてある。このような構成においても、回転体の破片の防御は前記したよに動作する。このような構成は、セラミックスの製作コストを安価にすることができる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、高速回転体を可回転に支持する回転室内に、回転体を囲むごとく鉛直方向に延びたセラミックスとその外側に密着した金属とで多重構造にした回転体防御装置を設けたので、回転体の破片は防御壁で反射衝突を何回も繰り返し、ゆっくり止まることになり、塑性変形したり突き刺さったりして止まる金属に比較して、安全性が格段に高まる。また、この場合、セラミックスは塑性変形せず、破片を跳ね返すので、セラミックスと金属の厚みは金属のみの場合に比べて格段に薄くでき、また、ほとんどのセラミックスの密度が鋼に比べて半分以下で小さいので防御円筒全体の質量を半分程度に低減することができる。更に防御円筒の回りの構成部材についても構造の簡素化、軽量化が可能であるため低コスト化も図ることができる。
【００１２】
また、セラミックスの内筒を複数個の板状ブロックに分け、外側の金属円筒に密着するように構成したことによって、セラミックスが割れにくくなり、セラミックス製ブロックを容易に製作することができ、かつ組立性も向上する。更にセラミックス製ブロックの内側に押さえ板を配置することによって、更に組立性が向上することができる。
【００１３】
また、セラミックス製内筒の鉛直方向長さを短くして回転体が破壊したときにその破片が衝突する部分だけの長さとし、かつ外筒に前記内筒の上方への移動を阻止するように段差を設けることは、防御装置のコストを下げることができ、安価な防御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる高速回転体防御装置を示す縦断面図である。
【図２】本発明になる他の高速回転体防御装置を示す上面断面図である。
【図３】本発明になる他の高速回転体防御装置を示す縦断面図である。
【図４】本発明における衝突による衝撃波の応力と粒子速度を決めるための応力一粒子速度を示すユゴニオ図である。
【図５】本発明になる飛翔破片の経路を示す図である。
【図６】従来における高速回転体防御装置を示す縦断面図である。
【図７】従来における高速回転体防御装置を示す縦断面図である。
【図８】金属と金属及びセラミックスとのインピーダンスマッチング法を示すグラフである。
【符号の説明】
１は回転体、２は回転軸、３は駆動部、４は回転室、５は上板、６は側円筒、７は底板、８はドア、９はＯリング、１０は防護円筒、１１はセラミックス製内筒、１１ａはセラミックス製板状ブロック、１２は金属製外筒、１３は押さえ板、１４は段差、２１はセラミックスのユゴニオ、２２はセラミックスのユゴニオ弾性限界、２３は金属のユゴニオ、２４は金属のユゴニオ弾性限界、２５は飛翔体のユゴニオ、２６は飛翔体のユゴニオ弾性限界、２７は衝突速度、２８は予想される破片の飛翔経路、２９は回転体の半径ｒ１、３０はセラミックスの防御筒の半径ｒ２、３１は衝突角度θである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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