(57)【要約】【課題】  簡単な構造で、効率よく冷却できるガス軸受およびＮＭＲ用高速スピナーを提供することを課題とする。【解決手段】  試料を封入可能で、タービンが設けられたロータ部５５と、ロータ部５５を囲むステータ６１とを有し、タービンにドライブガスが吹き付けられると共に、ロータ部５５とステータ６１との隙間にガスが供給されることにより、ロータ部５５が回転する。ロータ部５５の回転方向と同じ方向成分を有するガスＧ２をロータ部５５の表面に吹き付ける。また、ロータ部５５に吹き付けるガスＧ２は、タービン５７に吹き付けられる前のドライブガスの一部とする。【選択図】          図１
2005283335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータの周面を囲むステータを有し、前記ロータと前記ステータとの隙間にガスを供給することにより、前記ロータを回転可能に支持するガス軸受において、
前記ロータの回転方向と同じ方向成分を有するガスを前記ロータの表面に吹き付けることを特徴とするガス軸受構造。
【請求項２】
前記ロータには、ドライブガスが吹き付けられることにより前記ロータに回転力を与えるタービンが設けられ、
前記ロータの表面に吹き付けられる前記ロータの回転方向と同じ方向成分を有するガスは、前記タービンに吹き付けられる前の前記ドライブガスの一部であることを特徴とする請求項１記載のガス軸受構造。
【請求項３】
試料を封入可能で、タービンが設けられたロータ部と、該ロータ部を囲むステータ部とを有し、前記タービンにドライブガスが吹き付けられると共に、前記ロータ部と前記ステータ部との隙間にガスが供給されることにより、前記ロータ部が回転するＮＭＲ測定用高速スピナーにおいて、
前記ロータ部の回転方向と同じ方向成分を有するガスを前記ロータ部の表面に吹き付けることを特徴とするＮＭＲ用高速スピナー。
【請求項４】
前記ロータ部の表面に吹き付けられる前記ロータ部の回転方向と同じ方向成分を有するガスは、前記タービンに吹き付けられる前の前記ドライブガスの一部であることを特徴とする請求項３記載のＮＭＲ用高速スピナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータの周面を囲むステータを有し、前記ロータと前記ステータとの隙間にガスを供給することにより、前記ロータを回転可能に支持するガス軸受、および試料を封入可能で、タービンが設けられたロータ部と、該ロータを囲むステータ部とを有し、前記タービンにドライブガスが吹き付けられると共に、前記ロータ部と前記ステータ部との隙間にガスが供給されることにより、前記ロータ部が回転するＮＭＲ測定用高速スピナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速で回転するロータ（シャフト）を回転可能に支持するガス軸受は、例えば、固体高分解用ＮＭＲ測定装置の検出部での被測定試料を高速回転するＮＭＲ用高速スピナーや、ガスマイクロタービン等に用いられている。
【０００３】
一例として、ＮＭＲ用高速スピナーを図５を用いて説明する。図５（ａ）は、ＮＭＲ用高速スピナーのロータの軸方向の断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の切断線Ａ−Ａでの断面図である。
【０００４】
図において、ハウジング１には、貫通穴３が形成されている。この貫通穴３に、両端面が開放面で、その内部にＮＭＲ測定のための被測定試料を入れることが可能な円筒状のロータ部５が配置される。ロータ部５の一方の端面にはタービン７が設けられ、他方の端面はキャップ９が設けられている。従って、ＮＭＲ測定のための被測定試料は、ロータ部５内に封入可能となっている。
【０００５】
一方、ハウジング１の貫通穴３の内周面には、ロータ部５の外周面に対してわずかな隙間を介して対抗するリング状のステータ１１、ステータ１３が設けられている。ステータ１１、ステータ１３には、直径数百ミクロン程度の穴１１ａ、穴１３ａが形成され、これらの穴１１ａ、穴１３ａを介して高圧のガスＧ１が供給されることにより、ロータ部５、タービン７、キャップ９からなる回転体を回転可能に支持するガス軸受が形成されている。更に、ハウジング１の貫通穴３の内周面のタービン７に対向する部分には、リング状のタービンノズル１５が設けられる。このタービンノズル１５には、複数のノズル１５ａが形成され、これらノズル１５ａからタービン７に向かってドライブガス（高圧のジェットガス）Ｇ２が吹き付けられるようになっている。
【０００６】
また、１９はロータ部５、タービン７、キャップ９からなる回転体のスラスト方向の位置を保持するスラストステータである。
次に、上記構成の作動を説明する。タービンノズル１５のノズル１５ａから噴出したドライブガスＧ２は、タービン７の翼に吹き付けられ、ロータ部５、タービン７、キャップ９からなる回転体は高速で回転する。一方、ステータ１１、ステータ１３の穴１１ａ、１３ａから供給された高圧ガスＧ１により、ロータ部５、タービン７、キャップ９からなる回転体は回転可能に支持される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１４１８００号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図５に示すような構成において、ロータ部５が高速で回転した場合、ロータ部５の軸方向の中間部は、ハウジング１の貫通穴３の内周面と、ステータ１１と、ステータ１３とで略密閉された空間Ｂにあり、空気との摩擦によってロータ部５の中間部が発熱する問題点がある。例えば、ＮＭＲ測定では、被測定試料の温度は測定条件の一つであり、意図しない発熱は好ましくない。
【０００８】
ロータ部５の空気との摩擦による温度上昇を抑える提案がいくつか発表されている。一般的な方法は、回転による温度上昇分を見込んでおき、予め冷却した気体を密閉された空間Ｂに送り込むことである。しかし、回転速度に応じて冷却温度を一定に保つことができないし、回転速度が速くなると温度差が大きくなり温度制御の困難さが急激に増大する問題点がある。更に、気体を冷却するための冷凍機や冷媒が必要となる問題点もある。
【０００９】
また、タービン７を駆動した排気を密閉された空間Ｂに送り込む提案もなされている。しかし、排気を集めて密閉された空間Ｂまで導くための配管が必要となる。限られたスペースの中で、独立した配管を配置するのは、設計上の困難さを招き、回転速度や電気性能といったＮＭＲ検出器の性能に影響を及ぼす問題点がある。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その課題は、簡単な構造で、効率よく冷却できるガス軸受およびＮＭＲ用高速スピナーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、ロータの周面を囲むステータを有し、前記ロータと前記ステータとの隙間にガスを供給することにより、前記ロータを回転可能に支持するガス軸受において、前記ロータの回転方向と同じ方向成分を有するガスを前記ロータの表面に吹き付けることを特徴とするガス軸受構造である。
【００１２】
ロータの表面に吹き付けられたロータの回転方向と同じ方向成分を有するガスは、コアンダ効果（流れの中に物体を置いたときにその物体に沿って流れようとする流体の性質）により、ロータの表面に沿って、ロータの回転方向と同じ方向でロータを略一周するように流れる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、前記ロータには、ドライブガスが吹き付けられることにより前記ロータに回転力を与えるタービンが設けられ、前記ロータの表面に吹き付けられる前記ロータの回転方向と同じ方向成分を有するガスは、前記タービンに吹き付けられる前の前記ドライブガスの一部であることを特徴とする請求項１記載のガス軸受構造である。
【００１４】
タービンに吹き付けられる前のドライブガスの一部はロータの表面に吹き付けられ、残りがタービンに吹き付けられる。
請求項３に係る発明は、試料を封入可能で、タービンが設けられたロータ部と、該ロータ部を囲むステータ部とを有し、前記タービンにドライブガスが吹き付けられると共に、前記ロータ部と前記ステータ部との隙間にガスが供給されることにより、前記ロータ部が回転するＮＭＲ測定用高速スピナーにおいて、前記ロータ部の回転方向と同じ方向成分を有するガスを前記ロータ部の表面に吹き付けることを特徴とするＮＭＲ用高速スピナーである。
【００１５】
ロータ部の表面に吹き付けられたロータの回転方向と同じ方向成分を有するガスは、コアンダ効果によりロータ部の表面に沿って、ロータ部の回転方向と同じ方向でロータ部を略一周するように流れる。
【００１６】
請求項４に係る発明は、前記ロータ部の表面に吹き付けられる前記ロータ部の回転方向と同じ方向成分を有するガスは、前記タービンに吹き付けられる前の前記ドライブガスの一部であることを特徴とする請求項３記載のＮＭＲ用高速スピナーである。
【００１７】
タービンに吹き付けられる前のドライブガスの一部はロータ部の表面に吹き付けられ、残りがタービンに吹き付けられる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１、請求項２に係る発明によれば、ロータの表面に吹き付けられたロータの回転方向と同じ方向成分を有するガスは、コアンダ効果によりロータの表面に沿って、ロータの回転方向と同じ方向でロータを略一周するように流れるので、ロータとロータ表面近傍のガスとの相対速度が小さくなる。このため、ロータとロータ表面近傍との抵抗が小さくなり、ロータの発熱量が小さくなり、更に、ロータの表面近傍のガスが常に入れ替わるので、冷却効率がよい。また、ロータを駆動するエネルギーも少なくてよい。
【００１９】
請求項２に係る発明によれば、前記ロータの表面に吹き付けられる前記ロータの回転方向と同じ方向成分を有するガスは、前記タービンに吹き付けられる前の前記ドライブガスの一部であることにより、簡単な構造で得ることができる。
【００２０】
請求項３、請求項４に係る発明によれば、ロータ部の表面に吹き付けられたロータ部の回転方向と同じ方向成分を有するガスは、コアンダ効果によりロータ部の表面に沿って、ロータ部の回転方向と同じ方向でロータ部を略一周するように流れるので、ロータ部とロータ部表面近傍のガスとの相対速度が小さくなる。このため、ロータ部とロータ部表面近傍との抵抗が小さくなり、ロータ部の発熱量が小さくなり、更に、ロータ部の表面近傍のガスが常に入れ替わるので、冷却効率がよい。また、ロータ部を駆動するエネルギーも少なくてよい。
【００２１】
請求項４に係る発明によれば、前記ロータ部の表面に吹き付けられる前記ロータ部の回転方向と同じ方向成分を有するガスは、前記タービンに吹き付けられる前の前記ドライブガスの一部であることにより、簡単な構造で得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１を用いて本発明の形態例を説明する。図１（ａ）は、ＮＭＲ用高速スピナーのロータの軸方向の断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の切断線Ｃ−Ｃでの断面図である。
図において、ハウジング５１には、貫通穴５３が形成されている。この貫通穴５３に、両端面が開放面で、その内部にＮＭＲ測定のための被測定試料を入れることが可能な円筒状のロータ部５５が配置される。ロータ部５５の一方の端面にはタービン５７が設けられ、他方の端面はキャップ５９が設けられている。従って、ＮＭＲ測定のための被測定試料は、ロータ部５５内に封入可能となっている。
【００２３】
一方、ハウジング５１の貫通穴５３の内周面には、ロータ部５５の外周面に対してわずかな隙間を介して対抗するリング状のステータ６１、ステータ６３が設けられている。ステータ６１、ステータ６３には、直径数百ミクロン程度の穴６１ａ、穴６３ａが形成され、これらの穴６１ａ、穴６３ａを介して高圧のガスＧ１が供給されることにより、ロータ部５５、タービン５７、キャップ５９からなる回転体を回転可能に支持するガス軸受が形成されている。更に、ハウジング５１の貫通穴５３の内周面のタービン５７に対向する部分には、リング状のタービンノズル６５が設けられる。このタービンノズル６５には、複数のノズル６５ａが形成され、これらノズル６５ａからタービン５７に向かってドライブガス（高圧のガス）Ｇ２が吹き付けられるようになっている。
【００２４】
更に、本形態例では、ハウジング５１には、ステータ１１と、ステータ１３とで略密閉された空間にドライブガスＧ２の一部を案内するノズル（穴）５１ａが形成されている。更に、図１（ｂ）に示すように、ノズル５１ａの方向は、ノズル５１ａを通ったドライブガスＧ２が、ロータ部５５の回転方向（図１（ｂ）で矢印ｄ方向）と同じ方向成分を有するような方向となっている。
【００２５】
次に、上記構成の作動を説明する。タービンノズル６５のノズル６５ａから噴出したドライブガスＧ２は、タービン５７の翼に吹き付けられ、ロータ部５５、タービン５７、キャップ５９からなる回転体は高速で回転する。一方、ステータ６１、ステータ６３の穴６１ａ、６３ａから供給された高圧ガスＧ１により、ロータ部５５、タービン５７、キャップ５９からなる回転体は回転可能に支持される。
【００２６】
更に、ハウジング５１のノズル５１ａを通ったドライブガスＧ２の一部は、コアンダ効果により、ロータ部５５の表面に沿って、ロータ部５５の回転方向と同じ方向でロータ部５５を略一周するように流れる。
【００２７】
このような構成によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ロータ部５５の表面に吹き付けられたロータ部５５の回転方向と同じ方向成分を有するドライブガスＧ２は、コアンダ効果によりロータ部５５の表面に沿って、ロータ部５５の回転方向と同じ方向でロータ部５５を略一周するように流れるので、ロータ部５５とロータ部５５表面近傍のドライブガスＧ２との相対速度が小さくなる。このため、ロータ部５５とロータ部５５表面近傍との抵抗が小さくなり、ロータ部５５の発熱量が小さくなる。また、ロータ部５５を駆動するエネルギーも少なくてよい。更に、ロータ部５５の表面近傍のガスが常に入れ替わる。従って、冷却効率がよい。
（２）ロータ部５５の表面に吹き付けられるロータ部５５の回転方向と同じ方向成分を有するガスは、タービン５７に吹き付けられる前のドライブガスＧ２の一部であることにより、簡単な構造で得ることができる。
【００２８】
尚、本発明は、上記形態例に限定するものではない。上記形態例では、ＮＭＲ用高速スピナーで説明を行ったが、ガスマイクロタービン等に用いられるガス軸受にも適用できる。
【実施例】
【００２９】
本願発明者は、本発明の効果を確認するために、以下のような実験を行った。
最初に、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、ノズルの方向が異なる３つのハウジング５１、ハウジング５１’、ハウジング５１”を用いた。図３（ａ）は、形態例と同じで、ノズルを通ったドライブガスＧ２が、ロータ部５５の回転方向（図３で矢印ｄ方向）と同じ方向成分を有するような方向（順方向）のノズル５１ａを有するハウジング５１である。図３（ｂ）は、ノズルがないハウジング５１’である。図３（ｃ）は、ノズルを通ったドライブガスＧ２が、ロータ部５５の回転方向（図３で矢印ｄ方向）と反対方向成分を有するような方向（逆方向）のノズル５１ａ”を有するハウジング５１”である。
【００３０】
そして、このような異なるハウジング５１、ハウジング５１’、ハウジング５１”を用い、ロータ部５５を回転させたときのロータ部５５の回転速度とロータ表面の温度を関係を調べ、その結果を図２に示す。尚、温度測定は、放射温度計を用いた。
【００３１】
ノズル無では、回転速度が５０００Ｈｚから１４０００Ｈｚの間に温度が約１５度上昇する。本形態例の順方向のノズル５１ａでは、約４度しか上昇しない。一方、逆方向のノズル５１ａ”では、温度上昇がノズル無の場合より大きいことがわかる。
【００３２】
次に、異なるハウジング５１、ハウジング５１’、ハウジング５１”を用い、ロータ部５５の回転速度とドライブガスＧ２の圧力との関係を調べ、その結果を図４に示す。本形態例の順方向のノズル５１ａの場合は、ノズル無の場合と比較して、同じ回転速度を得るために必要なドライブガスＧ２の圧力が小さい。また、逆方向のノズル５１ａ”では、同じ回転速度を得るために大きなドライブ圧力を必要とすることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】形態例を説明する図で、（ａ）図はＮＭＲ用高速スピナーのロータの軸方向の断面図、（ｂ）図は（ａ）図の切断線Ｃ−Ｃでの断面図である。
【図２】実施例の実験（回転速度とロータの温度との関係）の結果を示す図である。
【図３】実施例の実験で用いた３種類のハウジングを説明する図である。
【図４】実施例の実験（回転速度とドライブガス圧力との関係）の結果を示す図である。
【図５】従来例を説明する図で、（ａ）図はＮＭＲ用高速スピナーのロータの軸方向の断面図、（ｂ）図は（ａ）図の切断線Ａ−Ａでの断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
５１  ハウジング
５５  ロータ部
５７  タービン
６１、６３  ステータ
Ｇ２  ドライブガス
【図１】
2005283335.tif 000003
【図２】
2005283335.tif 000004
【図３】
2005283335.tif 000005
【図４】
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【図５】
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