(57)【特許請求の範囲】
【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、前記円筒の最上部及び最下部以外に最大直径位置を有し、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列の千鳥配列になることが可能な高さとし、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、バランスを自動調節することを特徴とするボールバランサ。
【請求項２】
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記載のボールバランサ。
【請求項３】
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、共振回転数を越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又は２記載のボールバランサ。
【請求項４】
前記傾斜面を樽状に構成したことを特徴とする請求項３記載のボールバランサ。
【請求項５】
前記傾斜面を円弧に構成したことを特徴とする請求項３記載のボールバランサ。
【請求項６】
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３〜５記載のボールバランサ。
【請求項７】
前記円筒の下部の内周に設けた傾斜面と前記円筒の上部の内周に設けた直線状面との間に、段部を設けたことを特徴とする請求項６記載のボールバランサ。
【請求項８】
前記段部を高さ方向に凹凸のある形状としたことを特徴とする請求項７記載のボールバランサ。
【請求項９】
前記ボールを大小２種類のボールとし、該大小２種類のボールを交互に配列したことを特徴とする請求項３〜８記載のボールバランサ。
【請求項１０】
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、前記円筒を同一の直径とし、前記ボールを大小２種類のボールとし、該大小２種類のボールを交互に配列し、共振回転数を越えた回転数での前記大小のボールに発生する遠心力により、大きいボールが上昇するよう、該大小のボールの大きさと前記円筒の内径を設定したことを特徴とするボールバランサ。
【請求項１１】
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１０記載のボールバランサ。
【請求項１２】
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とを有する遠心分離機に、請求項１〜１１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。
【請求項１３】
前記ボールバランサを前記回転軸に装着したことを特徴とする請求項１２記載のボールバランサを装着した遠心分離機。
【請求項１４】
前記ボールバランサを前記ロータに装着したことを特徴とする請求項１２記載のボールバランサを装着した遠心分離機。
【請求項１５】
前記ロータのロータカバに前記ボールバランサを装着したことを特徴とする請求項１４記載のボールバランサを装着した遠心分離機。
【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、例えば特許公開昭５６−１３０２４９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り、図２１と図２２に従来のボールバランサの例を示す。環状ケース４０内には、全周の３０％から６０％がボール２１に占められるよう適当数のボール２１が充填されており、高速回転時にボール２１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、加速や減速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、ロータ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方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の方向に振れるため、ボールが試料のアンバランス質量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。
【０００７】
また、試料の許容アンバランス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。即ち、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できず、自動バランスのアンバランス質量の補正量を大きくできないという問題があった。
【０００８】
即ち、図２１及び図２２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バランスを自動調整する効果が発揮できるものの、共振回転数以下の回転数及び共振回転数においては、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、共振回転数以下の回転数及び共振回転数においてロータの振動が過度に大きくならずに円滑な運転ができ、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、前記円筒の最上部及び最下部以外に最大直径位置を有し、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２列の千鳥配列に並ぶ事ができ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速時には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、ボールが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、ボールの急激な変化がなく、ボールの衝突音が小さいという特徴をも有する。
【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できる。
【００１５】
前記ボールの直径が同じ寸法の場合、樽状の円筒内面を上昇する過程のわずかな上昇高さの誤差により上下に交互に移動して千鳥配列になるが、ボールの直径を大小２種類とすると、ボールが底を離れる時に既に高さの差があるため、直径の大きなボールが上側となって上下に交互に移動して千鳥配列になりやすく、ボールが底から離れた直後から試料のアンバランス質量の反対側に移動しやすく、安定したバランス補正をする事ができる。
【００１６】
また、前記樽状の円筒において、下部円筒の縦断面の円弧に対し、上部円筒の縦断面を曲率半径の大きな円弧または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できる。すなわち、ボールの集まる最終の位置は、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るので、高速回転時のボールを上部円筒の曲率半径の大きな円弧または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。
【００１７】
また、前記円筒の内面が、回転軸と平行な直線状の円筒で、前記ボールの直径が異なる大小２種のボールの構成においても課題は達成される。試料にアンバランス質量が有って、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、回転中心が円筒中心からアンバランス質量側に移動するので、ボールが試料のアンバランス質量の反対側に移動する力により水平に押し付けられ、直径の大きなボールが上側で直径の小さなボールが下側となって千鳥配列に移動し、ボールが試料のアンバランス質量の反対側に集まるので、試料のアンバランスを補正することができる。ボールが水平に移動する力は、アンバランス量と遠心力に比例し、遠心力は回転数の２乗に比例するので、低速回転時のボールは円筒面の下部全周に配列し、ボールによるアンバランスが発生せず、高速回転時にボールが水平に移動する力が大きくなり、ボールが移動しアンバランスを補正することができる。
【００１８】
また、前記円筒において、上部円筒が回転軸と平行な直線状の円筒で下部円筒が下面が狭い直線状の傾斜面とし、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した構造とし、前記ボールの直径が異なる大小２種のボールの構成においても課題は達成される。加速時にロータの共振点を越え、ボールが底から離脱する回転数を越えると、ボールは急速に傾斜面を上昇するので各ボールの高さのばらつきが大きく、ボールは水平に移動する力により、試料のアンバランス位置と反対側に集まることができる。また、内部に入れた潤滑剤の粘性抵抗等によって移動速度が遅く、傾斜面と直線状円筒の境界線にボールが並んだ場合でも、大小のボールの直径差と水平に移動する力により、ボールは上下に千鳥配列に並び、試料のアンバランス位置と反対側に集まることができる。
【００１９】
また、前記上部円筒が回転軸と平行な直線状の円筒で、下部円筒の下面が狭い傾斜面とし、ボールの直径が同じ場合、前記傾斜面と上部円筒面の境界線を高さ方向に凹凸を付けることにより、大小のボールの直径差と同じ効果をすることができる。
【００２０】
また、前記上部円筒が回転軸と平行な直線状の円筒で、下部円筒の下面が狭い傾斜面とし、ボールの直径が同じ場合、前記傾斜面に対し上部円筒面の径を大きくし、境界に半径方向の段を付けることにより、段を超えた時の惰性で各ボールの高さが大きくばらつき、ボールが水平に移動する力により、試料のアンバランス位置と反対側に集まることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下実施例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。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９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。即ち、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。
【００２２】
遠心分離機のような回転機械はモータ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。
【００２３】
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、内側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２２の下部に連接した底２４と、円筒２２の上端に円筒２２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２８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２２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。
【００２４】
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２１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。
【００２５】
なお、振動の振幅は円筒の内径に比較して小さいので、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。
【００２６】
すなわち、式(１)で求めた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。
【００２７】
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の説明図である。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Ｐ２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２２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。
【００２８】
図４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。
【００２９】
図５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２１を水平に移動させる力Ｆｈ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８の振動が小さくなる。
【００３０】
一例として、最大直径位置２３の直径が１１０ｍｍ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、直径が２２ｍｍのボール２１を入れて毎分３０００回転で高速回転した場合を実験した結果、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。
【００３１】
図６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８の振幅変化を記録したものである。曲線Ａはロータ８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８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、高速回転時はロータ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。
【００３２】
曲線Ｂはロータ８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２１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。
【００３３】
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２１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。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、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。
【００３４】
図７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８に入れた試料に図６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８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６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２１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。
【００３５】
図８は本発明の他の実施例で、前記樽状の円筒２２を有するバランサボディと大小２種類のボール２１ａ，ｂで構成されている。低速回転時に各ボール２１ａ，ｂは底２４上に並ぶので、ボール２１ａ，ｂの中心位置は小径のボール２１ｂが下側に大径のボール２１ａが上側になる。アンバランス状態で運転すると、ボール２１ａ，ｂに作用する水平に移動する力Ｆｈにより、ボール２１ａ，ｂ間には反力Ｆｐが作用し、上側の大径のボール２１ａを上に押し上げる分力Ｆｕが発生し、下側の小径のボール２１ｂを下に押し下げる分力Ｆｄが発生する。共振回転数ｎ１より高速回転時にボール２１ａ，ｂが底２４を離脱すると、分力Ｆｕと分力Ｆｄにより必然的に小径のボール２１ｂが下側に大径のボール２１ａが上側に千鳥配列に並ぶので、ボール２１ａ，ｂが底２４を離脱直後から安定してアンバランス振動を小さくすることができる。
【００３６】
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の縦断面を曲率半径の大きな円弧または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２３を滑らかに結ぶ円弧状とし、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。
【００３７】
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、曲率半径の大きな円弧または回転軸と平行な直線の面上にあり、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２の実施例に比べ小さくすることができる。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ほとんど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。
【００３８】
図１１から図１３は本発明の他の実施例で、図１１は低速回転時の状態である。円筒３２の断面形状は回転軸と平行な直線（円筒の下部の内周から上部の内周にかけて同一の直径）で、大小２種類のボール２１ａ、２１ｂを交互に並べ円筒３２下部全周に充填する。底２４は大径のボール２１ａが入る幅で、前記円筒３２の高さは大径のボール２１ａと小径のボール２１ｂの直径を加えた値より小さくし、ボール２１ａ，ｂが千鳥配列に並ぶことはできるが、大径のボール２１ａと小径のボール２１ｂが入れ替わることを防止した構造とする。遠心力Ｆｒと重力Ｆｇの合力Ｆｔの方向は円筒３２面に対し斜め下方向なので、アンバランスが無い場合は高速回転時であってもボール２１ａ，ｂは円筒３２下部全周に存在する。円筒３２が回転軸と平行な直線である本実施例は、内面が樽状の円筒の実施例に比べ、円筒３２の高さを低くすることができ、結果的に小型のボールバランサになる特徴がある。
【００３９】
図１２は、ロータ８に入れた試料にアンバランス質量がありロータ８の共振回転数ｎ１を超えて運転した状態を、円筒中心Ｐ１からアンバランス質量１５の反対側の円筒３２面を見た展開図である。各ボール２１ａ，ｂに作用する水平に移動する力Ｆｈにより各ボール２１ａ，ｂが密着し、ボール２１ａ，ｂ間には反力Ｆｐが作用し、上側の大径のボール２１ａを上に押し上げる分力Ｆｕが発生する。前記分力Ｆｕは回転による遠心力Ｆｒと、アンバランスによる円筒中心Ｐ１と回転中心Ｐ２のずれ量と、大径のボール２１ａと小径のボール２１ｂの直径差により大きくなるので、定めたアンバランス量において、大径のボール２１ａを底２４から離脱する回転数を、回転機械のロータ８が振れる共振回転数より高速となるよう、円筒３２の内径と大小のボール２１ａ，ｂの直径差の大きさを設定する。
【００４０】
図１３はロータ８に入れた試料にアンバランス質量を付けて高速回転した時の状態で、大径のボール２１ａが上側に小径のボール２１が下側に千鳥配列に並んでアンバランス質量の反対側に集まっている。大径のボール２１ａを押し上げ千鳥配列にする分力Ｆｕは回転数の２乗に比例するが、千鳥配列で上下にずれたボール２１ａ，ｂを水平一列の位置に戻す力は重力であって回転数に関係なく一定であるので、高速回転時に多くのボール２１ａ，ｂがアンバランス質量の反対側に移動する。これより、アンバランス補正量が大きくなり、高速回転時のロータ８の振動が小さくなる。
【００４１】
図１４から図１６は本発明の他の実施例で、図１４は低速回転時の状態である。前記バランサボディ２０は、上部に設けた断面形状が回転軸と平行な直線の円筒３２と、下部に設けた断面形状が下面が狭くかつ直線状の傾斜面３５と、底２４と、止め部２５を有する。上部円筒３２の高さは大径ボール２１ａの直径の１.５倍程度でボール２１ａ，ｂが千鳥配列で並ぶことを可能とする高さ以上し、前記傾斜面３５の高さは大径ボール２１ａの半径より高くする。また、底２４は大径のボール２１ａが１個入る幅とし、ボール２１ａ，ｂは大径のボール２１ａと小径のボール２１ｂで構成され、大小のボールボール２１ａ，ｂを交互に配列し傾斜面の内周全体に充填する。
【００４２】
図１５は、高速回転時、ボール２１ａ，ｂが傾斜面を上昇した直後の図である。円筒３２及び傾斜面３５の中心Ｐ１からアンバランス質量ｍの反対側の円筒３２及び傾斜面３５を見た展開図で、回転数がロータ８の共振回転数を過ぎているので、ボール２１ａ，ｂは円筒３２と傾斜面３５の境界をアンバランス質量ｍの反対側に移動し、水平に移動する力Ｆｈにより各ボール２１ａ，ｂが密着している。ボール２１ａ，ｂの直径が２種類で、各ボール２１ａ，ｂが傾斜面の上端を基準に並ぶので、小径のボール２１ｂが下側に大径のボール２１ａが上側になり、大径のボール２１ａは上向きの分力Ｆｕにより押し出されて上に移動し千鳥配列になる。
【００４３】
図１６は移動後のボール２１ａ，ｂの状態を示すものであり、アンバランス質量の反対側に小径のボール２１ｂと大径のボール２１ａが千鳥配列に並んでいる。千鳥配列で上下にずれたボール２１ａ，ｂを水平一列の位置に戻す力は重力であって回転数に関係なく一定であるので、高速回転時に多くのボール２１ａ，ｂがアンバランス質量の反対側に移動する。これより、アンバランス補正量が大きくなり、結果として高速回転時のロータ８の振動を小さくすることができる。
【００４４】
図１７は他の実施例で、ボール２１の直径は略同じあるが、前記バランサボディ２０には、回転軸７と同心で内径が一定の円筒３２と、下面が狭くかつ断面が直線状の傾斜面３５と、円筒３２と傾斜面３５の境界線が高さ方向に凹凸部３６を設けた構造である。なお、凹凸部３６の各凹部及び凸部の横方向の長さはボール２１の直径とは一致しない長さとしている。ボール２１が底２４から離脱する回転数ｎ２より高速になり、ボール２１は重力と遠心力により円筒３２と傾斜面３５の境界に並ぶ。アンバランス質量ｍの反対側に移動する力により、ボール２１間には反力Ｆｐが作用し、凹部に位置するボール２１は重力により下がるので凸部のボール２１が押し上げる分力Ｆｕが発生し、ボール２１が千鳥配列になり、ボール２１は上下に動きながらアンバランスとつりあう位置まで移動する。
【００４５】
図１８は他の実施例で、前記バランサボディ２０は、回転軸７と同心で内径が一定の円筒３２と、下面が狭くかつ断面が直線状の傾斜面３５で、円筒３２と傾斜面３５の境界に段部３７を設けた構造である。回転数ｎ２より高速になり、ボール２１が底２４を離脱して傾斜面３５を上昇し、段部３７を通過時に、段を転がる惰性で円筒３２を駆け登り各ボール２１の高さがばらつく。同時に、アンバランス質量の反対側に移動する力により、ボール２１がアンバランスの反対方向に集まり、各ボール２１の高さが異なるので千鳥配列になり易く、ボール２１はアンバランス質量とつりあう位置まで移動しバランスが釣り合う。
【００４６】
図１９は本発明のボールバランサを装着した遠心分離機の他の実施例で、図１の実施例と異なる点を説明する。ベース２とブラケット４間はゴム等の粘弾性体４０で連結し、ばね作用と減衰作用を与える。回転軸４１は剛性が高く、前記回転軸４１にボール２１を入れたバランサボディ４２（ボールバランサ）とバランサカバ４６を固着する。分離する試料を入れた容器４５は、取り付け角を固定したアングルロータ４３に装着し、前記アングルロータ４３を前記回転軸４１にナット４４で一体に固定する。これにより、ボールバランサ４２は常時回転軸４１に装着されており、他ロータの使用時でも常時高速回転時の振動を小さくすることができる。
【００４７】
図２０は本発明のボールバランサを装着した遠心分離機の他の実施例で、図１及び図１９の実施例と異なる点を説明する。回転軸４７は細径で剛性が低く、前記回転軸４７の上端にロータ４９を装着するクラウン４８を固着する。ロータ４９には試料を入れた容器４５を挿入する穴が複数設けられており、ロータ４９の上部にボール２１入れたボールバランサ部を一体に有するロータカバ５０を止めねじ５１で取り付ける。ボールバランサ部にはカバ５２があり、ボール２１の飛散とごみの進入を防止する。前記クラウン４８にロータ４９の中心に付けたロータ取り付け穴を合わせ、ロータ４９を装着する。本実施例のように回転軸の剛性が低い場合、高速回転時のロータ４９の振動は、クラウン４８より上部のロータ４９と試料と容器４５及びロータカバ５０からなる回転部全体のアンバランス量によって起こるので、ボールバランサはロータカバ５０またはロータ４９に取り付ける。また、容器の取り付け角を下を広げて固定したアングルロータの場合、試料の多少によってアンバランスが発生するのは容器の上部であり、ボールバランサはアンバランス発生部の近傍であるロータ上部か図２０のようにロータカバ下部に取り付ける。この構造により、剛性が低い回転軸に取り付けたロータの高速回転時の振動を小さく押さえることができる。
【００４８】
また、ロータの種類は何れでも、アンバランス発生部の近傍に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できるので、試料の質量バランス調整を省くことができる。よって、分離前作業の時間が短縮される。
【００４９】
【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、アンバランス質量の反対側の円筒に千鳥配列に集まり、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できる。
【００５０】
また、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、結果として小型のバランサとすることができる。
【００５１】
また、内面が樽状の円筒を有するボールバランサにおいてボールの直径が同じ寸法の場合、円筒を上昇する過程のわずかな上昇高さの誤差により上下に交互に移動して千鳥配列になるが、ボールの直径を大小２種類とすると、ボールが底を離脱する時に既に高さの差があるため、直径の大きなボールが上側となって上下に交互に移動して千鳥配列になりやすく、ボールが底から離脱した直後から試料のアンバランス質量の反対側に移動して集まり、安定してバランス補正することができる。
【００５２】
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曲率半径の大きな円弧または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曲率半径の大きな円弧または直線の面上にあり、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。
【００５３】
また、円筒の断面形状が回転軸と平行な直線で、ボールの直径が大小２種類で構成されているボールバランサは、円筒の高さが低く小型のバランサとすることができる。また高速回転時、遠心力による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重力だけで小さくなり、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小さくなる。
【００５４】
また、上部円筒の内径が一定の直線状で、下部円筒の下面が狭くかつ断面が直線状の傾斜面で、大小2種のボールを有するボールバランサ、および、上部円筒と傾斜面の境界線が高さ方向に凹凸部を設け、略同一直径のボールを有するバールバランサ、および、上部円筒と傾斜面の境界に段部を設けたボールバランサは、設定した回転数ｎ２より高速になるとボールが確実に傾斜面を上昇しアンバランスを補正する。またアンバランス補正量は高速回転時ほど大きくなり、高速回転時の振動が小さくなる。また、傾斜部の高さをボールの半径よりわずかに大きくし、上部円筒の高さも大径ボール直径の１.５倍程度であり、小形のボールバランサとすることができる。
【００５５】
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できるので、試料の質量バランス調整を省くことができる。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の動きを示す展開図。
【図５】  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６】  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７】  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８】  本発明のボールバランサの他の実施例を示す展開図。
【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のボールバランサの高速回転時の状態を示す縦断面図。
【図１１】  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１２】  図１１のボールバランサのボールの動きを示す展開図。
【図１３】  図１１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１４】  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１５】  図１４のボールバランサのボールの動きを示す展開図。
【図１６】  図１４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１７】  本発明のボールバランサの他の実施例を示す展開図。
【図１８】  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１９】  本発明のボールバランサを取り付けた遠心分離機の他の実施例の縦断面図。
【図２０】  本発明のボールバランサを取り付けた遠心分離機の他の実施例の縦断面図。
【図２１】  従来のボールバランサの例を示す横断面図。
【図２２】  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、２０はバランサボディ、２１、２１ａ、２１ｂはボール、２２は樽状の円筒、２４は底、３１は曲率半径の大きな円弧または回転軸と平行な直線の円筒、３２は断面が回転軸と平行な直線の円筒、３５は傾斜面、３６は凹凸部、３７は段部である。
【図１】
0003713884.tif 000002
【図２】
0003713884.tif 000003
【図３】
0003713884.tif 000004
【図４】
0003713884.tif 000005
【図５】
0003713884.tif 000006
【図６】
0003713884.tif 000007
【図７】
0003713884.tif 000008
【図８】
0003713884.tif 000009
【図９】
0003713884.tif 000010
【図１０】
0003713884.tif 000011
【図１１】
0003713884.tif 000012
【図１２】
0003713884.tif 000013
【図１３】
0003713884.tif 000014
【図１４】
0003713884.tif 000015
【図１５】
0003713884.tif 000016
【図１６】
0003713884.tif 000017
【図１７】
0003713884.tif 000018
【図１８】
0003713884.tif 000019
【図１９】
0003713884.tif 000020
【図２０】
0003713884.tif 000021
【図２１】
0003713884.tif 000022
【図２２】
0003713884.tif 000023