(57)【要約】      本発明によるローターは、円軌道案内部の領域において作動する際の形状変化（膨張変位）がほんのわずかでかつ均等である中実輪の長所に関する。この長所によりスポーク−リムローターはわずかな重量に基づいて簡単な支承が可能になる。さらに曲げ荷重よりも大きな引張り応力を呈する傾向があるのでローターはローター材料に関して幅広く選べる。この場合ローターは少なくとも一対のハブに設けられたセグメントを含んで、少なくとも一つの閉鎖された切欠き部を備えている。有利な形態は少なくとも三つの均等に分割されて設けられたローターセグメントを備えたローターである。そのローターセグメントは、ローターセグメントを取囲む材料領域がほぼ平行に設けられた三つのスポークの形状で配置されているように各々二つの切り欠き部を備えている。本発明によるローターは、後方散乱分光計用のチョッパー円盤としてのグラファイト結晶を収容するのに適している。
2007518081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速回転での使用に適したローターにおいて、
ハブ（１）に設けられた少なくとも一つのローターセグメント（７）を備え、このローターセグメントがローターを使用する際に生じる応力を軽減するための少なくとも一つの閉鎖された切欠き部（６）を備えていることを特徴とするローター。
【請求項２】
切欠き部を取囲む材料が三つのスポーク（５）の形状で配置されているように、セグメントが少なくとも二つの閉鎖された切欠き部を備えていることを特徴とする請求項１記載のローター。
【請求項３】
閉鎖された切欠き部が連続した円周線を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のローター。
【請求項４】
ローターセグメント（７）が鏡対称部分を備え、この鏡対称部分の鏡軸線がハブ（１）を通って延びていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のローター。
【請求項５】
ローターセグメント（７）のスポーク（５）がほぼ平行に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のローター。
【請求項６】
ローターセグメント（７）が各々その外側縁部において円セグメント状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のローター。
【請求項７】
少なくとも三つのローターセグメント（７）を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のローター。
【請求項８】
ローターセグメント（７）がハブ（７）の周囲で均等に分配されて設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のローター。
【請求項９】
ローターセグメント（７）が各々同一であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のローター。
【請求項１０】
ローターセグメント（７）が応力を最適にする半径方向の肉厚断面により形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載のローター。
【請求項１１】
５００ｍｍよりも大きい、特に１０００ｍｍよりも大きい作用半径を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載のローター。
【請求項１２】
金属、セラミック、ガラスあるいは複合材料から成るローターセグメント（７）を備えていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
３００ｍ／ｓよりも高い速度に、特に４００ｍ／ｓよりも高い速度に適していることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載のローター。
【請求項１４】
少なくとも一つのアクチュエータを収容するための請求項１〜１３のいずれか一つに記載の用途。
【請求項１５】
チョッパー円盤として、後方散乱分光計のための少なくとも一つのグラファイト結晶を収容するための請求項１４記載の用途。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ローター、特に光学式、磁気式および／または機械式センサーを収容するためのローターに関する。さらに本発明は、後方散乱分光計におけるチョッパーホイールとしてのこのようなローターの用途に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械の回転子は一般にはローターと呼ばれる。原動機及び工作機械の場合だと、特に場合によってはエネルギーを変換するために重要な構成部品を担持する、軸と連結している部材であることがわかる。この構成品は例えば流体機械の場合回転ブレードであり、電気機械の場合はコイルである。ロック装置あるいは後方散乱分光計の場合例えばローターは、様々なアクチュエータを収容することができるチョッパーとして使用される。アクチュエータとは、この発明の範囲内において例えば光学式、磁気式あるいは機械式のセンサー、フィルター、リフレクタあるいは減速する媒体の流れであると解釈できる。
【０００３】
後方散乱分光計の場合、エネルギー分解が原理的でかつ良好であると、中性子強度が不足するのが欠点である。中性子強度を高めるために、中性子光線はきわめて迅速に運動する結晶において反射することができる。結晶の速度が十分高いと、例えば３００ｍ／ｓであると、位相空間変換が生じ、この位相空間変換において極端に遅い中性子は加速され、極端に速い中性子は減速される。このようにして中性子強度を明らかに高めることができる。
【０００４】
ミュンへンにあるＦＲＭ−ＩＩ用の後方散乱分光計（ＲＳＳＭ）の場合、ＰＳＴチョッパーとしてのローターが使用され、このローターが中実の円形チョッパー円盤である。外側の周囲縁部は六つの同じ大きさの領域に分割されている。第二領域は各々結晶を備えている（図１参照）。この場合結晶を備えているチョッパー円盤の領域（結晶収容部）は、結晶の無い領域よりも大きな彎曲部分を示す。従って結晶の無い領域はこのチョッパー円盤においては中性子光線を通過させるための窓の機能を受け持っている。
【０００５】
通常の後方散乱分光計の場合、中規模の中性子エネルギーと前もって決められた装置の構造からチョッパー円盤用の最大直径は約１３０ｃｍになる。約３００ｍ／ｓの結晶速度に対して、チョッパーホイールは約４８００回転／分の回転数でもって回転する。
【０００６】
遠心力が大きいので、結果として応力はきわめて高くなり、それに相応して材料負荷も高くなる。それに適したローター（チョッパー）の構造はきわめて複雑になる。というのもこの構造は相応する高い機械的負荷容量、ならびに自重ができるだけわずかな場合の周囲においてわずかなとりわけ同形状の変形を有してなければならないからである。
【０００７】
中実円盤に対する代替え案として、チョッパーとしてのスポークホイール（リム−スポークローター）も可能である。スポークホイールは中実円盤に対して明らかに重量が少ないことが長所である。スポークは半径方向の応力を吸収するのが長所であるが、リムは円周応力を吸収することができる。しかしながら不可避の最大曲げ応力は、使用される材料の耐疲労性を下回ってほんの取るに足らないものである。
【０００８】
円軌道上に案内されるアクチュエータおよび／またはそ以外の静止状態の部材を用いて、中性子以外に、例えば砂、粉末あるいはガスのような実質的な微粒子も誘導しかつこのような微粒子に干渉することができる。
【０００９】
さらに一般的に後方散乱分光計の内部においてチョッパーホイールに出される要求は、高回転数用に定められているローターに転用することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、回転数が高い場合でも、円軌道案内の変形がほんのわずかでかつ特にできるだけ均等である、特にアクチュエータを収容するための軽量ローターを提供することにある。さらに本発明の課題は、チョッパー円盤として後方散乱分光計内で使用することができ、かつローターに取付けられるアクチュエータ、特にグラファイト結晶の機能を正しく発揮できるようなローターを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の課題は、主たる請求項による特徴を全て備えたローター、ならびに従属請求項によるローターの用途により解決される。ローターの有利な形態と特にチョッパー円盤としてのローターの用途は、各々後に関連付けられる請求項の中にある。
【００１２】
本発明の対象
本発明によるローターは真空あるいは希薄なガス内における高速回転での使用のために考案されたものである。
【００１３】
ローターの特殊な幾何学形状により、応力が明らかに軽減され、かつ通常は従来のローターと比べて、ローターの周辺の領域における変形が均等になるのが長所である。
【００１４】
一方において、ローターのセグメント化とローターのセグメント内の切欠き部により所望の重量軽減が達せられ、他方において、切欠き部の特殊な配設および形態により使用時の変形を最適化することができる。特にこの効果は材料の許容限度内において遠心力の発達が大きい場合、すなわち周速度が大きい場合に得られる。
【００１５】
本発明によるローターは特にアクチュエータの機能を収容することができ、かつ以下作用円と呼ばれる円軌道内で案内することができる。例えばローターはチョッパーホイールとして後方散乱分光計内で使用される。有効半径が大きい円軌道案内部の場合、きわめて高い周速度が生じることがあり、周速度が高いと、遠心力により高い応力が規則的に生じる。
【００１６】
本発明によるローターはハブに設けられた少なくとも一つのローターセグメントを備えている。本発明の範囲内でのローターセグメントとして、中実円盤の一部が認識されており、この中実円盤の一部はハブとの連結部から作用円まで達しているが、連続したリムは全く備えていない。多数のローターセグメントを備えたローターの場合、ローターセグメントは外側に向かって開口した切欠き部により分割されている。ローターセグメントはハブの領域内で重なり合って連結している。
【００１７】
ローターセグメントはそれ自体、少なくとも一つの閉鎖された切欠き部を備え、この
閉鎖された切欠き部は、切欠き部を取囲む材料がスポークの形状で配置されているように設けられている。
【００１８】
スポークは、通常棒状のホイール部分と解釈され、この棒状のホイール部分はハブとリムを連結する。しかしながらこの発明の範囲内において、スポークという概念は半径方向での棒状の構造だけに限定されている。この発明の主旨におけるスポークを一般的に、ハブからローターセグメントの外側の周囲境界部（作用円）までの材料が連続した領域と解釈することができる。切欠き部の幾何学構造は円に基づいており、かつ連続的に延びている周囲線を備えている。切欠き部の一般的構造は特に長円あるいは楕円である。切欠き部の円形部弧度が大きくかつ平滑であることにより縁部応力は最小になり、この縁部応力はスポーク内の応力と同等になる。
【００１９】
ローターの有利な実施形態はローターセグメントの内側において二つの閉鎖した切り欠き部を備えている。さらにローターセグメントは特にＩＩＩ形状の構造を示している。この発明の趣旨における閉鎖した切り欠き部の下では、ただローターの重量軽減にだけ役立つ孔が一切一緒には含まれていないことははっきりしている。スポーク−リムローターと異なり、一つあるいはそれより多くのローターセグメントを有する本発明によるローターは連続したリムを全く備えていない。
【００２０】
ただ一つのローターセグメントを有するローターを作動させる際、ローターはバランスウェートを用いて相応するように釣り合いを保たねばならない。従って少なくとも二つ、三つ、あるいはそれより多くのローターセグメントを有するローターの配設は有利であり、このローターセグメントはハブの周囲で均等にあるいはまた不均等に分配されていてもよい。
【００２１】
特に有利な実施形態はローターセグメントがハブの周囲で均等に分配された状態で設けられているローターである。この場合配設の際アンバランス状態を一切規則的に生じさせないことが重要である。この場合個々のローターセグメントは異なっている形状も、同一の形状もどちらを有してもよい。特に各々鏡対称な形状は個々のローターセグメントにとって有利であることがわかった。
【００２２】
特殊な実施形態は左右逆のＩＩＩ形状の構造を有するローターセグメントを備えたローターである。この場合ＩＩＩ形状のローターセグメントの三つのスポークはほぼ平行に設けられている。この構造により、主として引張り応力と減少した曲げ応力だけが生じることは有利である。この場合曲げ応力は最後に述べるように特に危険である。
【００２３】
ローター用の材料として、金属類及びその合金に加えて、セラミック、ガラスあるいは例えば繊維複合材料のようなその他の今日では一般的な素材も使用することができる。従ってこのことは回転数が高い場合にさらに生じる曲げ応力が、本発明によるローターにあっては、参考資料から公知の相当するローターの場合に比べて明らかに減少するわけであるから特に可能である。
【００２４】
同じ応力の円盤のモデルに基づいて、本発明によるローターは有利な肉厚断面を備えており、この肉厚断面により、選ばれた幾何学構造に依存して、さらに応力はそれ以上に減少し、従ってローター使用時の変形は均等になる。例えばローターは半径方向に先細になっている断面を備えていてもよい。さらに切欠き部縁部とローターセグメント縁部が、同じ応力の円盤の理想に近づけるために、肉厚の面でさらに応力最適化されるのは有利である。
【００２５】
本発明によるセグメント化されたローター長所を、以下にもう一度だけまとめておく。
・  中実円盤の形状の相当する大きさのローターに比べて明らかに軽い。それにより軸受コストがわずかに削減できる。
・  回転速度が高い場合、リム−スポークローターに比べて円軌道案内部の領域において一様な変形を有する。
・  規則的な応力ピーク部を下げる円形部弧度を大きくすることができる。
・  通常リム−スポークローターの場合に生じるような、リムの一部が曲がった際の曲げ応力は、セグメント化されたローターの場合には無くなる。
・  リム−スポークローター内の曲げ応力は、セグメント化されたローター内での新たな配設により明らかに減少する。従ってセラミックあるいはガラスのような他のローター材料も長所として使用可能になる故意に引張り負荷がかけられた形状も得られる。
【００２６】
本発明のローターを用いることにより、特に従来技術に対する負荷容量の許容限度の
面で、以下の改善点が得られる。
・  境界条件が同じ場合、高い回転数で使用可能である。
・  境界条件が同じ場合、故障に対する安全性要因は明らかに高い。
・  固有振動数が高くなり、それにより全般的に軸受負荷が良好に制御可能であり、特に磁気軸受が良好に制御可能である。
従って今ままで可能だったのに比べて明らかに高い安全性要因を備え、および／または故障に対する安全性を落とさずに明らかに高い回転数が達せられる、高速回転で使用するためのローターを提供することが今や可能である。それと同時に場合によってはこれまで安全性の理由から簡単には考慮の対象にはならなかった材料を使用することも可能である。
【００２７】
特に有利な本発明によるローターの用途は後方散乱分光計で使用することである。ここでは１．５ｍまでの直径を備えたチョッパー円盤が必要であり、この円盤は例えば必要とされる３００ｍ／ｓ以上の周速度に達するために、半径に応じて４０００回転／分以上の回転数、特に５０００回転／分以上の回転数に耐えねばならない。しかしながら将来のために４ｍまでの円盤直径と６００ｍ／ｓまでの周速度もすでに念頭に置かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に本発明を実施例に基づき図と関連して詳しく説明する。
【実施例】
【００２９】
図１にはミュンへンにあるＦＲＭ−ＩＩ反応器用の後方散乱分光計（ＲＳＳＭ）のチョッパー装置が示してある。チョッパー中実円盤がはっきりと識別できる。中実円盤の外側縁部において対応するシールド部分を備えたグラファイト結晶が分割的に設けられている。
【００３０】
図２は従来技術から公知のようなローターを概略的に示す。図２ａにおいて、中実材料でできたローターは中実円盤３として示してある。ローターは通常ハブ１に設けられている。図２ｂにおいては、連続したリム４を備えた代表的なリム−スポークホイールが示してあり、このリム−スポークホイールも同様にローターである。中実材料の代わりに、半径方向対称に設けられた多数の個別の閉鎖された切欠き部６が設けられている。切欠き部の間には各々スポークが設けられている。図２ｃに示した実施形態は同様にローターであるとわかる。このローターには閉鎖されたリムが全く無い。外側に向かって開口した切欠き部８は、ローター材料を個別のセグメント７に分割しているが、この個別のセグメントはこの場合半径ｒの中実円盤によって一つにまとめられる。
【００３１】
それに対して図３には、本発明の様々な実施形態が示してある。図示したローターセグメント７は各々中実材料でできており、かつ各々少なくとも二つの切り欠き部６を備えている。切り欠き部６はローターセグメント７の残された材料が三つのスポーク５の構造を備えているように設けられている。スポークがあるので、ハブ１からローターセグメント（作用円）２の外側縁部までの相互接続した領域が認識できる。図３ａから３ｃに示したローターセグメント７は各々鏡対称部分を備え、その際鏡軸線は常にハブを通って延びている。
【００３２】
図３ａはただ一つのローターセグメントを備えた本発明によるローターの実施例を示す。ローターはローターセグメントの重量を補うために、この場合ハブの反対側に設けられたバランスウェートを備えている。
【００３３】
図３ｂには二つのローターセグメントを備えたローターが示してある。しかしながらこのローターはハブの周囲に対称に設けることができない、すなわち対称に設けてはならない。図３ｂに示した実施例において、個別のローターセグメントは均等であり、これはハブの周囲に１８０°だけずれた状態で設けられていることを意味する。同一のローターセグメントなのでバランスウェートは全く必要ではない。
【００３４】
同じことが図３ｃのローターにも当てはまる。三つの同じローターセグメントが各々ハブの周囲に１２０°だけずれた状態で設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ミュンへンにあるＦＲＭ−ＩＩ反応器用の後方散乱分光計のチョッパー装置を示す図である。
【図２ａ】公知のローター、特に中実円盤としてのローターを示す図である。
【図２ｂ】公知のローター、特にリム−スポークホイールとしてのローターを示す図である。
【図２ｃ】公知のローター、特にリムの無いセグメントに分割されたローターを示す図である。
【図３ａ】対称なローターセグメントを備えた本発明のローターの実施形態を示す図である。
【図３ｂ】ハブ周囲に設けられた対称な二つの同形状のローターセグメントを備えた本発明のローターの実施形態を示す図である。
【図３ｃ】ハブ周囲に設けられた対称な三つの同形状のローターセグメントを備えた本発明のローターの実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    ハブ
２    仮想円周
３    中実円盤
４    リム
５    スポーク
６    閉鎖された切欠き部
７    ローターセグメント
８    外側に向かって開口した切欠き部
【図１】
2007518081.tif 000003
【図２ａ】
2007518081.tif 000004
【図２ｂ】
2007518081.tif 000005
【図２ｃ】
2007518081.tif 000006
【図３ａ】
2007518081.tif 000007
【図３ｂ】
2007518081.tif 000008
【図３ｃ】
2007518081.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月27日(2005.10.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速回転での使用に適しており、かつ遠心力（作用半径及び回転数）と材料負荷の許容限度に関して最適化されたローターにおいて、
少なくとも一つのローターセグメント（７）を備え、このローターセグメントが中実円盤の部材であり、かつハブ（１）と連結することにより作用円（２）まで達しており、この場合ローターが連続したリムを一切備えておらず、ローターセグメント（７）がローターを使用する際に生じる応力を軽減するための少なくとも一つの閉鎖した切欠き部（６）を備え、
この場合切欠き部（６）の幾何学構造が円に基づいており、かつ連続的に延びている円周線を有していることを特徴とするローター。
【請求項２】
切欠き部を取囲む材料が三つのスポーク（５）の形状で配置されているように、セグメントが少なくとも二つの閉鎖された切欠き部を備えていることを特徴とする請求項１記載のローター。
【請求項３】
ローターセグメント（７）が鏡対称部分を備え、この鏡対称部分の鏡軸線がハブ（１）を通って延びていることを特徴とする請求項１または２に記載のローター。
【請求項４】
ローターセグメント（７）のスポーク（５）がほぼ平行に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のローター。
【請求項５】
ローターセグメント（７）が各々その外側縁部において円セグメント状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のローター。
【請求項６】
少なくとも三つのローターセグメント（７）を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のローター。
【請求項７】
ローターセグメント（７）がハブ（７）の周囲で均等に分配されて設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のローター。
【請求項８】
ローターセグメント（７）が各々同一であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のローター。
【請求項９】
ローターセグメント（７）が応力を最適にする半径方向の肉厚断面により形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のローター。
【請求項１０】
５００ｍｍよりも大きい、特に１０００ｍｍよりも大きい作用半径を備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載のローター。
【請求項１１】
金属、セラミック、ガラスあるいは複合材料から成るローターセグメント（７）を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１２】
３００ｍ／ｓよりも高い速度に、特に４００ｍ／ｓよりも高い速度に適していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載のローター。
【請求項１３】
少なくとも一つのアクチュエータを収容するための請求項１〜１２のいずれか一つに記載の用途。
【請求項１４】
チョッパー円盤として、後方散乱分光計のための少なくとも一つのグラファイト結晶を収容するための請求項１３記載の用途。
【国際調査報告】
2007518081.tif 000010
2007518081.tif 000011
2007518081.tif 000012
2007518081.tif 000013
2007518081.tif 000014
2007518081.tif 000015
2007518081.tif 000016
2007518081.tif 000017