(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心分離機チャンバ、該遠心分離機チャンバの内部に位置する回転体、及び該遠心分離機チャンバの上方に位置する蓋部を備える遠心分離機において、前記回転体の２分割破壊が生じたときに回転体破片の動きを前記蓋部から遠ざける構造であって、
前記回転体破片の重心位置を、前記回転体の最外端縁部と前記遠心分離機チャンバの側壁との間の衝突面よりも低い位置としたことを特徴とする遠心分離機の構造。
【請求項２】
前記遠心分離機チャンバの下部に外向きの凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心分離機の構造。
【請求項３】
前記凹部の形状が、前記回転体の外側表面の形状にほぼ合致していることを特徴とする請求項２に記載の遠心分離機の構造。
【請求項４】
前記遠心分離機チャンバの外側周囲に配設された保護環を備え、当該保護環に下向きに拡大する傾斜をつけたことを特徴とする請求項３に記載の遠心分離機の構造。
【請求項５】
前記遠心分離機チャンバが、上部に補強部材を配設した補強エリアを形成し、下部に補強部材を配設しない低強度エリアを形成していることを特徴とする請求項１に記載の遠心分離機の構造。
【請求項６】
前記回転体の最外端縁部と前記遠心分離機チャンバの側壁との間の衝突面が、前記低強度エリアに位置することを特徴とする請求項５に記載の遠心分離機の構造。
【請求項７】
前記補強部材が、前記回転体破片の重心よりも上に配設された単一ないし複数の環状部材であることを特徴とする請求項５又は６に記載の遠心分離機の構造。
【請求項８】
前記遠心分離機チャンバの外側周囲に配設された保護環を備え、当該保護環が補強部材を備えて、上部に補強エリアを、下部に低強度エリアを備えていることを特徴とする請求項１に記載の遠心分離機の構造。
【請求項９】
前記補強部材が、前記回転体破片の重心よりも上に配設された単一ないし複数の環状部材であることを特徴とする請求項８に記載の遠心分離機の構造。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は遠心分離機、特に遠心分離機の回転体に破壊が生じたときに、回転体の破片の動きを制御して、遠心分離機の蓋部ないし扉部との接触を回避するような遠心分離機の構造に関する。
背景技術
遠心分離機の回転体は、液状サンプルを遠心力の場に曝すために遠心分離機の中で使用される比較的大きな部材である。回転体には複数の空洞部が配設され、当該空洞部に液状サンプル容器を担持する。回転体の中心には、軸方向に装着のための凹部があり、これにより回転体を動力源から伸長するシャフトに装着することができる。
使用の際、回転体は（i）回転体材質の疲労破壊、（ii）回転体が予定定格速度を超えて回転した場合に遠心力方向に加わる応力（過速度疲労）、若しくは（iii）サンプルのふきこぼれによる腐食の累積効果を原因とする破壊のいずれか、によって損壊する可能性がある。損壊の結果多数の回転体破片が生成され、これらの破片の各々が回転体の運動エネルギーの一部を伝播する。遠心分離機には前記回転体破片を当該機械内に封じ込めて人及び／又は財物に危害が及ぶことを回避するための封じ込め系が配備される。
当該破片の大きさは通常回転体破壊の原因によって異なる。例えば、腐食作用によって回転体の破壊が生じた場合には、腐食の影響を受ける部域が回転体辺縁部近傍のサンプル収容空洞部であるため破片は比較的小さい。回転体破壊の原因が疲労ないし過速度の場合にはこれよりも重篤度が高くなることがある。
回転体破壊の重篤度が最も高いのはいわゆる「２分割」であり、この場合回転体は比較的大きな２つの破片に分裂する。２分割破壊の原因個所は、回転体装着凹部の近傍にあるのが普通である。このような破壊において、封じ込め系は破片を機械内部に封じ込め、破片の衝撃によりその機械が室内を動くように設計されている。
過速度による回転体破壊の可能性を最小限に抑制する種々の形式の機械的配置が知られている。ある種の過速度防護配列には、過速度条件によって回転体が今にもその動力エネルギー源から機械的に引き離されようとする時に破壊するような脆性部材などがある。米国特許第３，９９０，６３３号（スタール）、米国特許第４，５６８，３２５号（チェン他）、米国特許第４，７５３，６３０号（ロマナウスカス）及び米国特許第４，７５３，６３１号（ロマナウスカス）はこの種の過速度防護配列を代表するもので、後二者は本発明と共に付与された特許である。
総じてこの形式によるいまひとつの過速度防護配列には過速度条件により回転体が今にもその動力エネルギー源から電気的に引き離されようとする時に破壊するような脆性部材などがある。米国特許第３，１０１，３２２号（スタルマン）はこの形式の配列を代表するものである。
いまひとつの既知の過速度防護配列では回転体の速度が予定値に達した時に破断する回転体に脆性構成要素を使用している。このようにして生成した破片により回転体は、回転体を担持するチャンバ内でウィンデイジが増大するため、若しくは周辺の構造物との機械的摩擦のために損壊し、これによって回転体の速度が落ちる。この種の過速度防護配列を代表するものに米国特許第４，６９３，７０２号（カーソン他）、米国特許第４，１３２，１３０号（シュナイダー）、米国特許第４，５０９，８９６号（リンスカー）並びに米国特許第４，５０７，０４７号（クーンズ）がある。
材質の疲労によって回転体が破壊する可能性を最小限に抑制する配列はほかにも知られている。このような回転体防護配列の一形式では、回転体をシャフトに装着する部分の近傍に生じる応力を制限している。米国特許第４，８２２，３３０号（ペンハシ）はこの種の装置を代表するものと考えられている。独国特許第３，８０６，２８４号（ヒルシュ）は回転体内応力を低減するため下部表面を除去した遠心分離回転体を開示している。
回転体破壊の影響を制御するいまひとつの選択肢は、はずみ車として破断というバルナラビリティの予定領域を表示する回転装置を設計することである。当該バルナラビリティ領域は、はずみ車の材質における脆性の比較的高い若しくは応力を増大させる部域を境界とする。したがい、過速度が生じた場合にはバルナラビリティ領域で破壊が生じる尤度が最も高く、これによって破片の質量を予測することができる。米国特許第３，６６２，６１９号（シーリガー）及び米国特許第４，１１１，０６７号（ホッドソン）はこの種の装置の典型と考えられている。
回転体の破壊を抑制するいまひとつの選択肢は、米国特許第５，２７９，５３８号（カーソン）に開示されており、ここでは遠心分離回転体は、その下部表面を除去した部分が所定数のボスの境界となり、それぞれ内部にサンプルを収納する空洞部があることを特徴としている。
米国特許第５，５６２，５５４号（カーソン）は装着のための凹部を備えた中心ハブ、当該ハブの周囲に同心円状に配置し、内部に複数の空洞部をもつ１個のリング、並びにハブとリングを連結する比較的薄いウエブを有する遠心分離機回転体を開示している。当該ウエブは回転体が所定動作速度で作動する時に回転体の他の部分における応力よりも大きな応力を示す局所化部域の境界になっているので、動作時問全体にわたり回転体の破壊がウエブ内でしか発生しない確率が高まる。
遠心分離機の回転体が高速や遠心力のために損壊する場合がある。第１図に例示しているような固定角遠心分離機回転体の２分割破壊において、回転体破片は遷移速度と回転速度をもつことになる。
第１図の遠心分離機５０において、回転体破片は、遠心分離機チャンバ１４と保護環４に接触した後に垂直方向に移動し、万がーにも高速運動する回転体破片によって分与される力を吸収できなかった場合には、有害物となり得る蓋部１８と接触するようになる。第１図に示すような典型的な遠心分離機５０には、遠心分離機チャンバ１４を完全に囲繞する外被部５１がある。遠心分離機チャンバ１４と外被部５１の間に配設されているのが保護環４である。
外被部５１には回転要素が遠心分離機５０の内部でその内容物を遠心分離するために挿入される開口部５３が配備されている。開口部５３は遠心分離が進行中適当な扉ないし蓋部１８で覆われる。遠心分離機チャンバ１４は、第１図に示す配列のような適当な支持配置により外被部５１内に装着され、当該配置において外被部５１は遠心分離機チャンバ１４の最上部外周部に沿って配備されたフランジ６２を収納する内側に懸架する肩部５２を有している。無論、ほかに適当な装置配置を用いてもよい。
遠心分離機チャンバ１４は、通常環形床面２０と接続するほぼ円筒形の側壁部１２からなっている。実際には、側壁部１２と床面２０は、打ち抜き加工によって互いに一体化している。遠心分離機チャンバ１４の床面２０の中心、軸方向には渦巻き状の口唇部６０を境界とする開口部４３がある。口唇部６０は上方に伸長して遠心分離機チャンバ１４を境界とする空間部に入り込んでいる。遠心分離機５０が冷凍遠心分離機である場合には、側壁部１２の外側表面には、衝撃吸収遮蔽部ないし保護環４及び／又は蒸発器巻線（図示せず）を配設することができる。
遠心分離機チャンバ１４の中心軸に沿って上方に伸びて、遠心分離機チャンバ１４の内側を境界とする部域ないし空間に突出しているのは、シャフト４１である。シャフト４１は回転子４５を伴う適当な軸受によって支持されている。回転子４５は、外被部５１に装着した接合部５４から支持されている。口唇部６０に収納されるゴム化長靴部６１によって口唇部６０と回転子４５の間の空間が閉じられる。
回転力は、はずみ車と帯部４０により電動機４２として示している動力源に接続されたシャフト４１（及びこれに装着した回転要素）に分与される。回転体の回転方向は回転軸１５を中心とする矢印「Ｗ」で示してある。シャフト４１の上端部には回転要素の中心ハブないし回転体４６Ｆを収納するようにし、これに呼応して軸方向に縦穴のあるスパッド４４が配備されている。当該回転体は、スパッド４４に配置かつ固定される時には、遠心分離機チャンバ１４内部で回転運動ができるように当該スパッド４４に装着される。
回転体が損壊して破片化する際、破片はほぼ放射状の面で並進速度を帯び、また回転軸とほぼ平行に回転速度を帯びるようになる。破片がチャンバないし保護環の壁部と衝突する時、破片は衝突個所を中心として回転軸にほぼ平行な方向に回転し続けるが、これは破片の重心が最初に回転体が遠心分離機チャンバないし保護環の壁部と衝突する個所と同じ面にないため衝撃モーメントによって生じるものである。
本発明者らが発見したところによれば、回転体破片の重心が衝突面の上方にある場合には、破片は遠心分離扉に向かう。これは破片の回転速度と破片の重心を中心として生じるモーメントによるものである。そのため、破片は遠心分離扉に向かい通常は螺旋状に上昇する。
また、本発明者らは次の事実を発見している。すなわち、当該扉に係わる問題点を最小限にとどめるひとつの方法は、通常は回転体の最外辺縁部ないし最大径上にくる衝突点に対する回転体破片重心位置を制御することであろう。回転体破片の重心が衝突面よりも下にくる場合には、破片は遠心分離機チャンバの床面に向かって移動する。破片が下方に移動すると遠心分離装置は、遠心分離扉ないし蓋部に向かって力を伝えるという好ましくない状態ではなく、上記のような衝撃を吸収する床面ないしテーブル最上部に向かって下向きの力を伝えることになる。
扉に係わる問題点を最小限にとどめるいまひとつの方法は、衝撃の際のモーメントの影響に対抗できるように遠心分離機チャンバないし保護環の形状ないし強度を構成し、これによって破片が遠心分離機蓋部に向かわないようにすることであろう。また、更に本発明は下記の説明によって明らかになるであろうような別の利点をも多数備えている。
発明の開示
本発明は、遠心分離機チャンバ、該遠心分離機チャンバの内部に位置する回転体、及び該遠心分離機チャンバの上方に位置する蓋部を備える遠心分離機において、前記回転体の２分割破壊が生じたときに回転体破片の動きを前記蓋部から遠ざける構造であって、前記回転体破片の重心位置を、前記回転体の最外端縁部と前記遠心分離機チャンバの側壁との間の衝突面よりも低い位置としたことを特徴とする。これにより、回転体破片の回転速度並びにモーメントによって破片が遠心分離機チャンバに沿って遠心分離機蓋部から遠ざかるようになる。回転体はその最外端縁部が衝突面ないしその近傍に配置されるような形状とする。
また、本発明は、回転体、遠心分離機チャンバ及び遠心分離機蓋部から成る遠心分離機であって、当該遠心分離機チャンバの下部に、外向きの凹部が形成されている構造とする。そして、回転体破片のモーメントによって回転体破片を遠心分離機チャンバに沿って遠心分離機蓋部から引き離すようにする。特に、この凹部は回転体の外側表面の形状にほぼ合致することが望ましい。
凹部が回転体の外側表面の形状に完全には合致しない場合、回転体破片の重心が衝突点の上方にきて、破片を遠心分離機蓋部に向かって移動させるようなモーメントが生じるような状況になる。しかしながら、当該破片は衝突点を中心に回転するから、凹部内における破片による次の衝撃により当初のモーメントとは逆の方向にモーメントが生じることになる。したがい、この第二のモーメントは破片を遠心分離機蓋部から引き離す結果になる。
本発明の別な実施態様の遠心分離機は、回転体、遠心分離機チャンバ、遠心分離機チャンバと遠心分離機蓋部の外側を中心に配備された保護環で構成することができる。保護環は遠心分離回転体破壊の結果である回転体破片のモーメントの原因となる遠心分離機チャンバの下部から離れるように傾斜をつけ、これによって回転体破片が遠心分離機チャンバと保護環に沿って遠心分離機蓋部から遠ざかるようにしている。更に、回転体のモーメントにより回転体破片が蓋部に移動する場合、破片が衝突点を中心に回転するにつれて次に来る衝撃によって当初のモーメントとは逆の方向にモーメントが発生する。したがって、この第二のモーメントによって破片が遠心分離機の蓋部から引き離されることになる。
本発明による更に別な実施態様の遠心分離機は、回転体、遠心分離機チャンバ及び遠心分離機蓋部から成り、遠心分離機チャンバの上部にはチャンバを中心として配置された補強部材を備えている。そして、回転体破壊の結果である回転体破片のモーメントによって回転体破片が遠心分離機チャンバに沿って遠心分離機蓋部から離れるように配設されている。当該補強部材は金属板若しくは衝突面を中心に配備された単一ないし複数の金属環である。
本発明のいまひとつ別な実施態様の遠心分離機は、回転体、遠心分離機チャンバ、当該遠心分離機チャンバの外側を中心に配備された保護環並びに遠心分離機蓋部から成り、当該保護環の上部にはこれを中心として補強部材が配設されている。そして、回転体破壊の結果である回転体破片のモーメントによって回転体破片が遠心分離機チャンバに沿って遠心分離機蓋部から離れる。
最後に、本発明は所定の動作速度で回転軸を中心に回転できる回転体を備え、当該回転体は下部表面を有し、当該下部表面にはスカート状の裾部が配設されて回転体の最外端縁部を形成し、スカート状裾部の回転体の端縁部に配設された環状部材にはスカート状裾部の外周とほとんど同じような円周部が備わり、回転体破壊によって回転体破片のモーメントが生じて回転体破片を遠心分離機チャンバに沿って遠心分離機蓋部に向かって移動させる傾向を極力抑制する。当該環形部材は回転体と一体化するか若しくは当該回転体に当着している。
本発明の他の目的、利点並びに特徴は添付の図面と照らし合わせて以下の明細記述を参照することによって理解されよう。添付図面において同一部品には同一番号が振ってある。
【図面の簡単な説明】
第１図は先行技術による固定角回転子を有する遠心分離機の部分断面略図である。
第２図は遠心分離機チャンバの側壁に隣接する回転体破片の部分断面略図で、その重心を衝突面よりも上にもってくることにより、回転体破片が扉に向かって跳飛するようにしている。
第３図は遠心分離機チャンバの側壁に隣接する回転体破片の部分断面略図で、その重心を衝突面よりも下にもってくることにより、本発明にしたがって回転体破片が扉から離れて下方に跳飛するようにしている。
第４図は遠心分離機チャンバの側壁に隣接する回転体破片の部分断面略図で、当該側壁が本発明の別な実施態様にしたがい回転体破片の上向き移動を極力少なくするよう回転体形状に合わせた形状になっている。
第５図は遠心分離機チャンバの側壁に隣接する回転体破片の部分断面略図で、保護環が本発明の更に別な実施態様にしたがい切頭錐の形状にしてある。
第６図は遠心分離機チャンバの側壁に隣接する回転体破片の部分断面略図で、遠心分離機チャンバの側壁が本発明の更に別な実施態様にしたがって補強されている。
第７図は遠心分離機チャンバの側壁に隣接する回転体破片の部分断面略図で、保護環が本発明の別な実施態様にしたがって補強されている。
第８図は遠心分離機チャンバの側壁に隣接する回転体破片の部分断面略図で、一対の環状部材が本発明の別な実施態様にしたがい回転体破片の重心ないしその上方にある遠心分離機チャンバ側壁又は保護環を中心として配設されている。
第９図は第８図に示す環状部の代わりに使用できる多条並目螺旋ねじの略斜視図である。
第１０図は遠心分離機チャンバの側壁に隣接する回転体破片の部分断面略図で、本発明の別な実施態様にしたがい、環状部を回転体の最上部に付加することによって回転体破片が遠心分離扉ないし蓋部に向かって移動しようとする傾向を極力抑制する。
発明を実施するための最良の形態
本発明は回転体破壊が発生した後回転体破片２の動きを制御する遠心分離機の構造に関する。固定角遠心分離機の２分割破壊において、回転子破片２は遷移速度及び回転速度を有する。回転体の２つの回転体破片２が蒸発装置ないし保護環４の側壁に衝突する時、回転体の破片２は第２図に示すように衝突点６を中心として回転する。矢印「Ｍ」で示す回転体破片２の回転は、最初に遠心分離機チャンバ１４の側壁１２と衝突する回転体破片２の最外端縁部１０と同一の面にない破片２の重心８に起因する。
第２図に示すのは回転体破片２の重心８が衝突面１６の上方「ｄ」の距離にある望ましくない状況である。もし、第２図に示すように回転体破片２の重心８が衝突面より上にきているなら、回転体破片２のモーメントによって破片が反時計回り方向に動くので遠心分離機蓋部ないし扉部１８に向かって移動することになる。すなわち、回転体破片２の回転速度によって破片は遠心分離機の蓋部１８に向かって螺旋状に上昇することになる。
本発明者らは以下のことを発見した。すなわち、遠心分離機蓋部１８に係わる問題を極力少なくする手段は第３図に示すように回転体破片２の位置を制御してその重心８が衝突面１６ないしその下にくるようにすることである。重心８が衝突面１６ないしその下にきている場合には、回転体破片２のモーメント「Ｍ’」によって破片は少なくとも中立点に立つか、若しくは遠心分離機チャンバ１４の床面２０に向かって下降することになる。
回転子の破壊ないし破裂後回転体の動きを制御する第二の方法は、遠心分離機チャンバ１４の形状を２分割破壊中回転体破片２の動きを最小限に抑制するような形状にすることである。第４図に示すのは遠心分離機チャンバ１４を床面２０近傍の回転体形状に合わせた形状にすることができれば、回転体破片２の上昇を最小限に抑制できるということである。
この問題解決策のひとつの変形は、保護環４を切頭錐状の形状にしてその下部に遠心分離機チャンバ１４の側壁１２から遠ざかるような傾斜をつけることであろう。これにより第５図に示すように回転体破片２は保護環４が衝撃を受けた際遠心分離機チャンバ１４の床面２０に引き寄せられることになろう。
破裂後回転体破片２の動きを制御する第三の方法は、第６図〜第８図に示すように遠心分離機チャンバ１４又は保護環４の強度を変えることである。第６図によれば、遠心分離機チャンバ１４の強度を衝撃個所（すなわち、衝突点）において低くした場合には、回転体破片２はこの低強度エリア２４を容易に変形することができよう。あるひとつの衝撃点において、回転体破片２の上部２６は遠心分離機チャンバ１４の補強エリア２８と接触する。第６図において遠心分離機チャンバ１４は補強金属板３０を経て補強されている。回転体破片２が補強エリア２８と衝突すると、当初のモーメントとは逆の方向にモーメントが生じる。この第二のモーメントによって破片２は遠心分離機蓋部１８から離れ去ることになる。
この方法は第７図が示しているように遠心分離機チャンバ１４ではなく保護環４に適用することもできよう。保護環４は遠心分離機チャンバ１４にある衝突点の上方に配置された補強金属板３２で補強する。
遠心分離機チャンバないし保護環の強度を変える更に別な方法は、第８図が示しているように回転体破片２の重心８又はその近傍においてチャンバ１４ないし保護環４のまわりに単一ないし複数の環状部材３４を付加することであろう。これらの環状部材３４は遠心分離機チャンバ１４の中心軸１５に垂直にしてもよく、あるいは傾斜をつけて当初のモーメントとは逆の方向にモーメントを発生させることによって回転体破片２が遠心分離機チャンバ１４の床面２０に引き寄せられるようにしてもよい。
また、環状部材３４を第９図に示すように並目多条螺旋ねじ３５の形状にして回転体破片２を下方に引き寄せるようなねじ山として働くようにしてもよかろう。ねじの方向は回転体破片２の回転方向次第になろう。遠心分離機が冷凍遠心分離機の場合には、遠心分離機チャンバを形成する蒸発装置（図示せず）周囲に巻線を形成してこの目的に当ててもよい。
回転体破片２の動きを制御する第四の方法は、第１０図に示すように回転体破片２の最上部に環状部材３６を付加することである。環状部材３６の外側端縁部は回転体から形成してもよいし、回転体に付加するものでもよい。環状部材３６は回転体破片２の最外端縁部１０とほぼ同時に遠心分離機チャンバの側壁１２に衝突することになろう。この作用により回転体破片２が遠心分離扉ないし蓋部に向かって上昇する傾向が最小限に抑制される。
これまで我々は、我々の発明にしたがって幾つかの実施態様について図解し説明してきたが、本発明は多数の変形を許容するものであることは当業に熟練した者にとって自明であることが明瞭に理解されなくてはならない。したがって、我々は、ここで図解し解説した詳細に限定されることを望まず、添付請求項の範囲内であらゆる変更及び修正を示すというのが我々の意図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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