(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部と第２の端部とを有し、また、回転軸線を有する細長いシャフトと、
回転源に対する取付手段を有し、前記シャフトの第２の端部を取り巻き、第１の長さに関して前記シャフトに沿って伸びるハウジングであって第１の隙間が前記ハウジングと前記シャフトとの間に設けられている、ハウジングと、
ロータに対する接続手段を有し、前記シャフトの第１の端部を取り巻き、また、前記シャフトを取り巻く壁部を有し、前記シャフトの第２の長さに関して伸びかつ前記ハウジングの第１の長さの第１の部分と重なるスピンドルハブであって第２の隙間が前記スピンドルハブの壁部と前記ハウジングの第１の部分との間に設けられているスピンドルハブと、
前記スピンドルハブの壁部の内側と前記ハウジングの第１の部分との間に該ハウジングの第１の部分を取り巻いて配置されたスリーブであって、該スリーブと前記ハウジング及び前記スピンドルハブの一方との間に第３の隙間を形成するために前記スピンドルハブ及び前記ハウジングの一方に取り付けられ、また、臨界速度に達して前記シャフトが変位するときの運動を制限するように前記ハウジング及び前記スピンドルハブの一方に接するスリーブとを含む、ロータシャフト組立体。
【請求項２】
前記ハウジングは高分子材料で形成されている、請求項１に記載のロータシャフト組立体。
【請求項３】
前記スリーブはブッシュの形態を有する、請求項１に記載のロータシャフト組立体。
【請求項４】
前記スリーブは複数の玉軸受の形態を有する、請求項１に記載のロータシャフト組立体。
【請求項５】
（i）相対する上端部および下端部を有するロータ本体であって前記上端部が前記ロータ本体の内部チャンバに連なる開口を有し、前記ロータ本体がさらに前記内部チャンバの開放端と前記ロータ本体の下端部との間に伸びる同軸の孔を有する、ロータ本体と、（ii）前記ロータ本体の上端部の開口を覆うための蓋組立体と、（iii）前記ロータ本体を回転させるためのトルクを与えるための回転源と、（iv）前記ロータ本体を前記回転源に連結するためのロータのシャフト組立体とを備えるタイプの遠心分離機組立体において、前記ロータシャフト組立体が、
第１の端部と、第２の端部と、回転軸線とを有する細長いシャフトと、
前記回転源に対する取付手段を有し、前記シャフトの第２の端部を取り巻き、第１の長さに関して前記シャフトに沿って伸びるハウジングであって第１の隙間が前記ハウジングと前記シャフトとの間に設けられている、ハウジングと、
前記ロータ本体の同軸孔内に受け入れられ、前記シャフトの第１の端部を取り巻き、前記シャフトを取り巻く壁部を有し、前記シャフトの第２の長さに関して伸びかつ前記ハウジングの第１の長さの第１の部分と重なるスピンドルハブであって第２の隙間が前記スピンドルハブの壁部と前記ハウジングの第１の部分との間に設けられている、スピンドルハブと、
前記スピンドルハブの壁部の内側と前記ハウジングの第１の部分との間に該ハウジングの第１の部分を取り巻いて配置されたスリーブであって、該スリーブと前記ハウジング及び前記スピンドルハブの一方との間に第３の隙間を形成するために前記スピンドルハブ及び前記ハウジングの一方に取り付けられ、また、臨界速度に達して前記シャフトが変位するときの運動を制限するように前記ハウジング及び前記スピンドルハブの一方に接するスリーブとを含む、ロータシャフト組立体。
【請求項６】
前記スリーブはブッシュの形態を有する、請求項５に記載のロータシャフト組立体。
【請求項７】
前記スリーブは複数の玉軸受の形態を有する、請求項５に記載のロータシャフト組立体。
【請求項８】
前記ハウジングは高分子材料で形成されている、請求項５に記載のロータシャフト組立体。
【請求項９】
前記第３の隙間は、前記スピンドルハブが超臨界速度において前記ハウジングに接触することを許さないだけではなく、前記シャフトの放射状変位を臨界速度において最小になる寸法を有する、請求項１に記載のロータシャフト組立体。
【請求項１０】
前記第３の隙間は０．０３インチである、請求項９に記載のロータシャフト組立体。
【請求項１１】
前記ハウジングは前記シャフトの移動中静止した状態である、請求項１に記載のロータシャフト組立体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、遠心分離機システムに関し、特に遠心分離機システムに用いられるロータシャフト組立体に関する。
【０００２】
発明の背景
大型の遠心分離システムは、典型的には、分離される試料を収容する試料容器を保持するための取り外し可能のロータを用いている。前記ロータは、ロータ用の蓋で覆われ、次に、遠心分離の間に前記ロータが回転される装置内チャンバに配置される。
【０００３】
典型的な遠心分離機組立体が図６に示されている。遠心分離機組立体１０は、ロータシャフト組立体１４を介して駆動モータ１６に接続されたロータ組立体１２からなる。図７を参照すると、ロータ組立体１２は、遠心分離される試料を保持する試料容器（図示せず）を受け入れる複数のチャンバ１１２と、内方上部チャンバ１１４とからなるロータチャンバを有するロータ本体１１０を含む。缶状チャンバ１１２と内方上部チャンバ１１４との間の分離線が、破線１１３で示されている。内方チャンバ１１４は、遠心分離容器の挿入後に前記ロータチャンバ内に残る容量である。ロータ本体１１０の上端部は、エッジ１５０により規定された環状の開口である。ロータ本体１１０の頂部の前記開口は、蓋組立体１５により覆われる。ロータ本体１１０は、該ロータ本体の回転軸線を貫いて形成され内方チャンバ１１４の開放端から前記ロータ本体の底部の開放端１２５に伸びる同軸孔１２０を有する。同軸孔１２０は、前記同軸孔の内部空間に突出する１以上のロックピン１３０を有する。
【０００４】
遠心分離を実行するためのロータ組立体の組立は、図示しないが、前記ロータを装置内チャンバに配置することを含む。前記装置内チャンバは、ロータシャフト組立体１４の一部をなし、ロータ本体１１０の同軸孔１２０に受け入れられるスピンドルハブ２０を含む。スピンドルハブ２０の挿入端には、ロックピン１３０と係合する穴があけられており、これにより、前記ロータ本体に関する所定の位置に前記スピンドルハブを閉じ込める。スピンドルハブ２０は伝動シャフト２２に連結され、該シャフトの底部が駆動モータ、または前記ロータに回転トルクを与える他のタイプの回転源に連結されている。ハウジング２６が前記シャフトの大部分を取り巻きかつロータシャフト組立体１４の外箱を形成している。
【０００５】
遠心分離システムには、該システムにおける回転速度が臨界速度に達すると、遠心分離機のロータが平衡を失い始め、振動するという共通の問題がある。通常、ロータはその幾何学上の重心の周りに回転する。ロータの速度が増大すると、「回転シャフトの横方向振動の固有振動数に関する共振のために該シャフトが大きい横方向振幅をもって動的に不安定になる角速度」（マグローヒル  科学技術辞典  １９９４年  第５版）と定義される臨界速度に達する。臨界速度において、回転と共にロータは放射状変位をし、最大変位は臨界速度で生じる。この速度が前記臨界速度を超えて増大するように継続すると、放射状変位は、残存の放射状変位のみがロータの不均衡と関連付けられるに至るまで、減少する。加えて、前記遠心分離機のオペレータは前記チャンバ内に試料を装填しなければならないため、このことが、前記放射状変位および振動の影響を拡大させることがある前記回転システムに対する不均衡をさらに生じさせ得る。通常の使用においては、前記ロータは、一般的に、停止状態から通常の運転速度まで加速するとき、および、遠心分離が行われた後、前記停止状態に戻るように減速するとき、その臨界速度を通過する。
【０００６】
遠心分離機システムで用いられるロータ組立体のためのシャフトを設計するとき、設計目標は、通常、矛盾する。１つの目標は、超臨界速度における軸受加重を最小にするため、非常に可撓性のあるシャフトを有することにある。第２の目標は、臨界速度におけるロータの変位を最小にするため、固いシャフトを有することである。従来の設計において、シャフトの剛性は、通常、これら２つの対抗する目標間の妥協として選択される。従来においては、一般的に、シャフトがどのようなロータ速度でも同じ剛性を有するような線形的特徴を備えるように設計されている。
【０００７】
図８を参照すると、従来のロータシャフト組立体は、一般的に、線形的な剛特性を有する。図８に示すように、ｘ軸上に表された放射状変位の量が増大するとき、ｙ軸上に表された、変位に抵抗する力または剛さが比例して増大し、結果として、直線からなるグラフ７１となっている。
【０００８】
ギーベラーに対する米国特許第５，６８３，３４１号明細書においては、多少の不均衡力があってもロータを垂直な一線上に維持することができる高い剛性を有する従来のシャフトの設計についての議論がなされている。次に、この設計は、シャフトの剛性に依存するよりも、ロータを真っ直ぐに維持するために該ロータの重心の上方で支持されるロータに依存するギーベラーの設計と対比されている。ハウェルに対する米国特許第５，８２７，１６８号明細書では、遠心分離機の駆動シャフトに回転可能に取り付けられたディスクの垂直方向移動を抑制するために滑りおよび減衰軸受を用いて遠心分離機の前記振動を最小にすることを企図する。
【０００９】
本発明の目的は、シャフトが臨界速度におけるロータ変位を補償するのに必要とされる剛性を維持することができるが、軸受荷重を最小にするために超臨界速度において可撓的であり得るように、改善された剛的特性を有するロータシャフト組立体を提供することにある。
【００１０】
発明の概要
前記目的は、非線形剛性を有するロータシャフト組立体により達成される。このシャフト組立体は、ロータが臨界速度に達するときに剛性を与え、また、超臨界速度において前記シャフトが可撓的であることを可能にする。
【００１１】
本発明の第１の実施例では、ロータシャフト組立体は、ハウジングとスピンドルハブとの間の隙間を少なくするために前記スピンドルハブの内側または前記ハウジングの外側のいずれかに配置された軸受スリーブを備える。これは、前記シャフトが前記隙間において可撓的であることを可能とするが、しかし、前記ロータおよびスピンドルハブが臨界速度において放射方向移動を行うとき、前記ハウジングが前記シャフトの放射状変位を制限する。
【００１２】
本発明の第２の実施例では、支持管が、該支持管と前記シャフトとの間に存する小さい隙間をもって前記シャフトの下部を取り巻いている。前記ロータのシャフトの放射状変位が前記隙間を越えるとき、前記支持管が、さらなる放射状変位に対するより高い抵抗を与える。
【００１３】
本発明のロータシャフト組立体は、軸受荷重を最小にするために超臨界速度において前記シャフトが可撓的であることを可能とし、また、前記シャフトの放射方向移動量を制限することにより臨界速度において剛的なシャフトを提供する。このように、前記所望の設計目標の双方が達成される。
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態
図１、図２およびＡを参照すると、本発明に係るロータシャフト組立体３２の第１の実施例は、シャフトすなわち伝動シャフト３４の上部を取り巻くスピンドルハブ３０と、シャフトの下部（図示せず）を取り巻くハウジング３６とを含む。スピンドルハブ３０およびシャフト３４は鋼で形成され、あるいは、他の種類の金属で形成される。ハウジング３６は、好ましくは、ナイロンまたは高分子材料で形成されるが、鋼のような金属で形成してもよい。ハウジング３６はモータの頂部を覆い、前記シャフトの底部から伝動シャフト３４へ向けて上方へ伸びている。ハウジング３６は前記モータ上に据え付けられ、また、前記シャフト自体に直接には接続されていない。むしろ、前記シャフトを取り巻くハウジング３６は、シャフト３４が回転するときにハウジング３６が回転しないようにハウジング３６とシャフト３４との間に存する隙間をもって、前記シャフトを取り巻いている。スピンドルハブ３０は、伝動シャフト３４に直接に接続されており、したがって、スピンドルハブ３０は前記伝動シャフトと共に回転する。スピンドルハブ３０は全体に筒形を呈し、また、伝動シャフト３４とハウジング３６の外側の一部とを覆うように下方に向けて伸びる壁４１を有する。
【００１５】
スピンドルハブ３０の壁４１の内面上には、ブッシュまたはスリーブ３８のような形態の軸受材料がある。図２Ａに示すように、クリアランスまたは隙間３９がスリーブ３８とスピンドルハブ３０の壁４１との間にあるように、スリーブ３８がハウジング３６の外側に接続されている。代わりに、隙間３９がスリーブ３８とハウジング３６との間にあるように、スリーブ３８をスピンドルハブ３０の内側に接続してもよい。いずれの場合においても、隙間３９は、スピンドルハブ３０がシャフト３４に関して静的であるハウジング３６に接することなしにシャフト３４の回転に関連して回転することを可能とする。隙間３９の寸法は、臨界速度における放射状変位量を最小にするために小さいものでなければならないが、しかし、望ましくない軸受荷重と過大なスリーブの摩耗とを招来する、超臨界速度でスピンドルハブ３０がハウジング３６と接触し得る機会がないように十分に大きいことが必要である。隙間３９の代表的な寸法は、約０．７６５ｍｍ（約０．０３０インチ）である。スリーブ３８の代わりとして、複数の鋼製の玉軸受を使用し、前記スリーブと同様の機能を得ることができる。前記玉軸受は、ハブ３０の壁４１の内側またはハウジング３６の壁の外側に押し付けられる。前記シャフト組立体に使用される全ての金属部品は機械加工され、次いでこれらの部品は組み立てられる。
【００１６】
操作に際し、遠心分離機が作動され、前記ロータの速度が増大し始めると、伝動シャフト３４はこれが回転するときのその最初の位置に整列した状態を維持される。前記ロータの速度が臨界速度まで増大すると、前記ロータ、スピンドルハブおよびシャフトは、前記シャフトの回転軸線が外側へ移動し始めるような放射状変位をし始める。これが起こるとき、前記放射状変位はハウジング３６に接するスリーブ３８により、またはスリーブ３８がハウジング３６に取り付けられる場合におけるスピンドルハブ３０の壁４１に接するスリーブ３８により、制限される。前記ロータの速度が臨界速度を超えて増大すると、スリーブ３８がもはやハウジング３６と接触しないように前記スピンドルハブおよびシャフトの放射状変位が小さくなる。このように、前記シャフトは、前記シャフトが可撓的でありかつわずかな放射状変位があるときの速度で前記隙間内で移動することができ、しかも、前記シャフトが大きい放射状変位を受けているときの速度において前記シャフトの可動性が制限されるような剛性があるという、非線形剛性を有する。
【００１７】
本発明の第２の実施例が図３および図４に示されている。第２の実施例のロータシャフト組立体５２では、ねじりダンパー５０が電機子軸５９の伝動シャフト６１に取り付けられ、また、支持管５７が軸５９の底部を取り巻いている。前記伝動シャフトの大部分は、支持管５７によって取り囲まれていない。支持管５７は鋼材料で形成され、電機子軸５９の頂部に据え付けられている。支持管５７は、支持管５７と伝動シャフト６１との間に隙間５５が存するように、電機子軸５９の頂部と伝動シャフト６１の下部とを取り巻いている。低ロータ速度では、電機子軸５９、伝動シャフト６１、捩りダンパー５０および支持管５７が前記ロータと共に回転する。前記ロータ速度が臨界速度に達すると、前記シャフトが放射状変位をし、伝動シャフト６１が支持管５７に接触するように外方へ移動し始める。支持管５７は、伝動シャフト６１のさらなる放射状変位に対するより高い抵抗を付与する。前記ロータ速度が前記臨界速度を超えて増大すると、前記放射状変位が低減し、伝動シャフト６１は支持管５７に関してその元の位置に戻る。
【００１８】
図５を参照すると、本発明に関する剛性対放射状変位のグラフ８１が線形でないことが見て取れよう。グラフ８１の線分８２は、放射状変位がないか、または前記シャフトの放射状変位が前記第１の実施例における前記スピンドルハブ／スリーブとハウジングとの間の隙間の寸法または前記第２の実施例における伝動シャフトと支持管との間の隙間の寸法を超えないような極めて小さい放射状変位がある場合を示す。グラフ８１の線分８０は、前記隙間の寸法が前記放射状変位を越える場合を示す。点８４は、前記隙間の寸法が放射状変位と同じ、すなわち接触が生じる場合における点を示す。線分８０の勾配は線分８２の勾配よりも急であり、大きい線形変位があるときに前記シャフトの剛性が高い抵抗を有することを示す。したがって、前記シャフトの全体の剛性は、グラフ８１により示されているように、線形ではなく、前記シャフトの変位が前記隙間を越えるときにより大きい抵抗を与えるように前記剛性が変化する。
【００１９】
本発明のロータシャフト組立体の設計は、高ロータ速度における軸受荷重を除去するために可撓性の支持シャフトを与え、また、前記臨界速度における放射状変位の間に硬い支持シャフトを与えるという相矛盾する設計目標間での妥協の必要を除去する。本発明は、有益な両結果の達成を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例に係るロータシャフト組立体の斜視図である。
【図２】  図１に示すロータシャフト組立体の断面図である。Ａは、円２Ａで示された、装置の部分拡大図である。
【図３】  本発明の第２の実施例に係るロータシャフト組立体の斜視図である。
【図４】  図３に示すロータシャフト組立体の断面図である。
【図５】  本発明のロータシャフト組立体に関する、ロータの剛性力対放射状変位の大きさのグラフである。
【図６】  従来公知の遠心分離機組立体の斜視図である。
【図７】  図６に示す遠心分離機組立体の断面図である。
【図８】  従来のロータシャフト組立体のロータの剛性力対放射状変位のグラフである。
【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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