CN107076309A - 高速旋转用磁性流体密封结构 - Google Patents

Abstract

一种高速旋转用磁性流体密封结构(1)，用于密封能够相互旋转的轴构件(2)与配置于该轴构件(2)的周围的壳体构件(3)之间的间隙(S)，该高速旋转用磁性流体密封结构(1)具有：磁力产生单元(4)，固定于壳体构件(3)并产生磁力；磁极构件(5)，配置于该磁力产生单元(4)的轴向上的两侧；磁性流体(7)，借助磁力产生单元(4)的磁力被磁性地保持在磁极构件(5)与轴构件(2)之间，并密封它们之间的间隙(S)；轴构件(2)的多个不同种类的材料层在径向上层叠为同心状，轴构件(2)的用于保持磁性流体(7)的最外径层(23)为磁性材料。

Description

高速旋转用磁性流体密封结构

技术领域

本发明涉及能够应用于以高速旋转的构件的高速旋转用磁性流体密封结构。

本申请基于2014年10月24日向日本申请的日本特愿2014-217240号要求优先权，在此援引该内容。

背景技术

以往，例如在能够将旋转能量转换为电能或者将电能转换为旋转能量的飞轮储能系统等那样的具有传递转矩的旋转轴的装置中，进行所谓的真空分离，即利用磁性流体密封装置将大气与真空空间分离。这样一来，通过在以高速旋转的转轴上装配磁性流体密封装置，能够将大气与真空空间分离。

另一方面，上述那样的旋转轴以高速进行旋转。因此，伴随旋转轴的高速旋转而在磁性流体密封装置内产生摩擦热，由此，需要将该摩擦热进行散热。以这种将伴随旋转轴的高速旋转而在磁性流体密封装置产生的摩擦热进行散热为目的，提出了在装置的框体上设置散热片来将摩擦热散热到大气中的结构(例如，参照专利文献1、2)。

另外，为了将上述那样的磁性流体密封装置产生的摩擦热进行散热，提出了在旋转轴上设置冷却机构、绝热机构(例如，参照专利文献3、4)。

另外，为了将高速旋转时旋转轴所产生的摩擦热进行散热，提出了将转轴形成为中空状并在其一部分设置叶片的结构(例如，参照专利文献5)。另外，还提出了通过在旋转轴的一部分设置由热传导性良好的铝构成的芯体并使旋转轴的两端部间承担热分路的一部分来进行散热的技术(例如，参照专利文献6)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-179613号公报

专利文献2：日本实开昭63-195162号公报

专利文献3：日本实开昭61-137168号公报

专利文献4：日本特开昭61-160670号公报

专利文献5：日本特开昭61-160671号公报

专利文献6：日本专利第4132149号公报

发明内容

发明要解决的问题

其中，上述那样的伴随高速旋转而在磁性流体密封装置内产生的摩擦热还向旋转轴导热。这样的旋转轴通常由具有磁性的不锈钢，例如常温下的热传导率为12W/m·K左右的不锈钢材料单独构成。因此，摩擦热导热时的旋转轴的温度上升变得非常大，将达到100℃以上，因此，旋转轴显著发生热膨胀，该情况通过本发明的发明者等的研究已被查明。通常，在磁性流体密封装置中，夹杂磁性流体的间隙为数十μm，但在因旋转轴的热膨胀所引起的径向上的尺寸变化超过上述数值的情况下，有可能无法维持原本的真空分离功能。因此，需要有效地将导热至旋转轴的摩擦热进行散热来抑制旋转轴自身的温度上升。

然而，专利文献1、2记载的散热片为设置于装置的框体上的结构，因此，难以将导热至旋转轴主体的摩擦热进行散热。

另一方面，在专利文献3、4中，虽然在旋转轴上设置有冷却机构或绝热机构，但由于旋转轴整体是由不锈钢构成的结构，因此，虽然强度特性优异，但热传导性低，从而难以有效地将导热至轴主体的摩擦热进行散热。

另外，在专利文献5中，使用了中空状且设置有叶片的旋转轴，在专利文献6中，使用了设置有由热传导性良好的铝构成的芯体的旋转轴，但总之难以将导热至旋转轴的摩擦热充分地散热。

本发明鉴于上述课题而提出，其目的在于，提供能够抑制伴随旋转轴的温度上升的热膨胀并能够维持优异的真空分离功能的高速旋转用磁性流体密封结构。

解决问题的手段

本发明的发明者等为了解决上述问题，进行了深入研究，结果发现，为了解决旋转轴发生热膨胀的问题，根本上应减少作为首要因素的高速旋转时的摩擦热，但由于其来自磁性流体的构成材料，因此技术上的难度极高。于是，本发明的发明者等着眼于抑制作为次要因素的旋转轴的温度上升的方案，即改善热清除特性(散热性)。

本发明的发明者等发现，首先对于例如直径100mm的转轴的情况，将为确保磁性流体密封的功能所需的厚度限制在距外周面的深度10mm左右的范围。其结果发现，对于中心部的直径80mm的部分，能够由传递规定的扭矩所需的高强度材料和能够满足热清除对策的功能的材料构成。并且发现，通过采用在内层侧设置由热传导性比以往的SUS630那样的代表性的不锈钢材料显著优异的材料，例如常温下的热传导率最大为200W/m·K左右的铝材料、最大为400W/m·K左右的铜材料构成的层的结构，旋转轴的散热性显著提高，从而想出了本发明。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第一技术方案，该高速旋转用磁性流体密封结构用于密封能够相互旋转的轴构件与配置于轴构件的周围的壳体构件之间的间隙，其中，

该高速旋转用磁性流体密封结构具有：

磁力产生单元，固定于壳体构件并产生磁力，

磁极构件，配置于磁力产生单元的轴向上的两侧，

磁性流体，借助磁力产生单元的磁力被磁性地保持在磁极构件与轴构件之间，并密封它们之间的间隙；

轴构件的多个不同种类的材料层在径向上层叠为同心状，

轴构件的用于保持磁性流体的最外径层为磁性材料。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第一技术方案，既能够使轴构件满足作为旋转轴的功能，又能够在内层侧配置热传导率高的不同种类的材料层。因此，导热至轴构件的摩擦热传递到热传导率高的不同种类的材料层向外部散热。由此，轴构件的散热性提高，因此，在例如以每秒数十米的圆周速度使旋转轴高速旋转的情况下，也能够抑制轴构件的温度上升及随之的热膨胀，从而能够实现稳定的真空分离。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第二技术方案，在第一技术方案中，轴构件为具有2种不同种类的材料层的双层结构，最内径层为热传导率高于所述最外径层的热传导率的良好的热传导材料。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第二技术方案，能够显著地获得将导热至轴构件的摩擦热向外部散热来抑制温度上升的效果。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第三技术方案，在第二技术方案中，轴构件的最内径层为奥氏体系或马氏体系的不锈钢或者钛合金材料。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第三技术方案，不仅该最内径层的强度特性、耐腐蚀性提高，而且轴构件整体的强度特性、耐腐蚀性也提高。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第四技术方案，在第一～第三中的任一技术方案中，轴构件的最外径层为奥氏体铁素体系、马氏体系、析出硬化系的不锈钢或者铁系材料的磁性材料。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第四技术方案，具有作为磁性体的良好的特性以及作为最外径层的良好的强度特性。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第五技术方案，在第一～第四中的任一技术方案中，轴构件还是在最内径层与最外径层之间设置有中间层的三层结构，中间层为热传导率高于最外径层的热传导率的良好的热传导材料，并且最内径层为强度高于中间层的强度的高强度材料。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第五技术方案，提高轴构件的散热性来抑制温度上升的效果更加显著。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第六技术方案，在第五技术方案中，轴构件的中间层将常温下的热传导率为100W/m·K以上的铝或铜作为主要成分。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第六技术方案，提高轴构件的散热性来抑制温度上升的效果更加显著。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第七技术方案，在第一～第六中的任一技术方案中，轴构件的最内径层或中间层中的至少一部分为在轴构件的轴向上露出于外部的散热部。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第七技术方案，进一步提高轴构件的散热性来抑制温度上升的效果显著。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第八技术方案，在第七技术方案中，散热部为具有凹凸形状的散热用叶片。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第八技术方案，进一步提高轴构件的散热性来抑制温度上升的效果显著。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第九技术方案，在第七技术方案中，散热部为由喷砂处理产生的梨皮形状。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第九技术方案，进一步提高轴构件的散热性来抑制温度上升的效果显著。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第十技术方案，在第一～第九中的任一技术方案中，在壳体构件上具有冷却用液体注入口，在磁极构件的外径侧具有圆环状槽，从液体注入口供给的冷却用液体流通到圆环状槽。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第十技术方案，能够有效地冷却磁力产生单元和磁极构件。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第十一技术方案，在第一～第十中的任一技术方案中，在轴构件的最内径层设置有使冷却用液体循环的液体循环回路。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第十一技术方案，能够有效地对轴构件进行散热、冷却。

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构的第十二技术方案，在第一～第十一中的任一技术方案中，轴构件的表面的至少一部分为能够传递旋转的齿轮形状或花键形状。

根据高速旋转用磁性流体密封结构的第十二技术方案，能够将高速旋转用磁性流体密封结构容易地应用于各种用途。

此外，本发明中说明的最外径层是指，在轴构件中配置于径向上最外侧的层，另外，最内径层是指，配置于径向上最内侧的层。

另外，在本发明中，将由轴构件、壳体构件、磁力产生单元、磁极构件、磁性流体等构成的部分总称为高速旋转用磁性流体密封结构。

发明效果

根据本发明的高速旋转用磁性流体密封结构，既能够使轴构件满足作为转轴的功能，又能够在内层侧配置热传导率优异的不同种类的材料层，因此，导热至轴构件的摩擦热容易向外部散热，从而轴构件的散热性提高。由此，即使在例如以每秒数十米的圆周速度使旋转轴高速旋转的情况下，也能够抑制旋转轴的温度升高及随之的热膨胀，因此，能够进行稳定的真空分离。

附图说明

图1是示意性地说明作为本发明的一个实施方式的高速旋转用磁性流体密封结构的图，是表示可相互旋转地组装的轴构件与壳体构件的组装状态的整体概略图。

图2是示意性地说明作为本发明的一个实施方式的高速旋转用磁性流体密封结构的图，是表示轴构件的层结构的一个例子的剖视图。

图3是示意性地说明作为本发明的一个实施方式的高速旋转用磁性流体密封结构的图，是用于说明导热至轴构件的摩擦热的传导路径的示意剖视图。

图4是示意性地说明作为本发明的一个实施方式的高速旋转用磁性流体密封结构的图，是表示轴构件的层结构的其他例子的示意剖视图。

图5是表示将作为本发明的一个实施方式的高速旋转用磁性流体密封结构的高速旋转时的温度上升特性与以往结构的特性进行比较的图表。

具体实施方式

下面，列举出作为本发明的实施方式的高速旋转用磁性流体密封结构(下面，有时仅简称为磁性流体密封结构)的一个例子，一边参照图1～图5一边详细说明其结构和作用。图1是表示本实施方式的磁性流体密封结构的整体概略图，图2是表示轴构件的层结构的一例的剖视图。另外，图3是用于说明向轴构件导热的摩擦热的传导路径的示意剖视图，图4是表示轴构件的层结构的其他例子的示意剖视图。另外，图5是表示将本实施方式的高速旋转用磁性流体密封结构的高速旋转时的温度升高特性与以往结构的特性进行比较的图表。

[高速旋转用磁性流体密封结构]

如图1所示，本实施方式的磁性流体密封结构1是用于密封轴构件2与配置于该轴构件2的周围的壳体构件3之间的间隙的结构，该轴构件2和该壳体构件3能够相互旋转地进行组装。该磁性流体密封结构1大致构成为具有：磁力产生单元4，固定于壳体构件3并产生磁力；磁极构件5，配置于该磁力产生单元4的轴向上的两侧；磁性流体7，利用磁力产生单元4的磁力被磁性地保持在磁极构件5与轴构件2之间，并密封它们之间的间隙S。

本实施方式的磁性流体密封结构1将轴构件2与壳体构件3之间真空分离(密封)，所述轴构件2横跨大气侧A(设备外侧)与真空侧V(设备内侧)这两个区域之间。

壳体构件3例如由非磁性金属材料构成，在图1所示的例子中，该壳体构件3具有保持并密封轴构件2的圆筒部31、在该圆筒部31的真空侧V保持磁性流体密封结构的凸缘部32。另外，在壳体构件3的圆筒部31与轴构件2之间设置有环状轴承33，从外周面23a侧将轴构件2支撑为能够自由旋转。另外，图示例的轴承33在轴构件2的轴向上分开设置在两个部位，在它们之间设置有支撑构件34。而且，轴承33中位于凸缘部32相反侧的轴承33借助安装在圆筒部31的设备外侧且非凸缘侧端部的固定构件35来定位。

凸缘部32形成为在半径方向扩展的凸缘状，底部32A作为朝向省略图示的设备侧的安装面，并且形成有设备安装用的多个螺孔32B，以便在凸缘部32的外周侧贯通凸缘部32。另外，在底部32A形成有环状凹部32a，在该凹部32a内容纳有用于实现与设备侧的密封的环状密封构件(packing member)6。另外，在凸缘部32上的比圆筒部31更靠内周侧的部位设置有阶梯32C，借助该阶梯32C来支撑作为本实施方式的磁性流体密封结构1的主要部分的磁力产生单元4和磁极构件5。即，所述磁力产生单元4和磁极构件5在由圆筒部31和凸缘部32形成的环状空间一边被阶梯32C支撑一边被容纳。

如上所述，磁力产生单元4构成为，其固定于壳体构件3并产生磁力，虽省略详细的图示，但在俯视时形成为圆环状，在轴向上配置为异极(N极、S极)。

磁极构件5在磁力产生单元4的轴向上的两侧配置有一对，该磁极构件5为由磁性材料构成的圆环状构件，用于支撑磁力产生单元4。

磁性流体7是例如将小粒径的磁性超微粒子使用表面活性剂分散在溶剂或油中而成的。通过上述构成，磁性流体7是具有通过沿磁力线移动而被磁场捕获的特性的流体。如图1所示，在轴构件2旋转时，磁性流体7在磁极构件5与轴构件2的后述的最外径层23的密封部24之间被磁性地保持，对两者的间隙S进行密封。

其中，在磁性流体密封结构1中，在使轴构件2高速旋转时，在经由磁性流体7配置的磁极构件5与轴构件2之间产生摩擦热，该摩擦热还被导热至轴构件2。本实施方式的磁性流体密封结构1与如上述那样的导热至轴构件2的摩擦热有关，通过优化轴构件2的层结构、材质等，提高轴构件2的散热性而抑制温度上升，从而抑制因热膨胀所导致的轴构件2的径向上的尺寸变化来确保密封性，因此，能够实现稳定的真空分离。

接着，适当地参照图1～图3对本实施方式的磁性流体密封结构1所具备的轴构件2详细地说明。

如上所述，轴构件2是与壳体构件3之间能够相互旋转地组装的轴状构件(轴)。另外，在轴构件2的最外径层23的外周面23a的一部分，上述密封部24以具有多个微细凸部的凹凸形状形成为环状。

并且，如图2的剖视图所示，本实施方式的轴构件2是由多个不同种类的材料层沿径向层叠为同心状而成的，轴构件2的用于保持磁性流体7的最外径层23由磁性材料构成。另外，图2所示的轴构件2为在最内径层21与最外径层23之间设置有中间层22的三层结构。另外，轴构件2由不同种类不同形状的金属构件构成，作为芯材的最内径层21经由中间层22与大致管状的作为外部材料的最外径层23嵌合。

最内径层21由大致轴状的雄构件构成，在图示的例子中，由轴构件2的凸缘部21A、从该凸缘部21A延伸出的轴部21B、从该轴部21B的设备外侧且散热部侧的端部21b凸出而形成的圆柱状的凸出部21C构成。

凸缘部21A是将最内径层21和最外径层23隔着中间层22而一体化后，从轴构件2的设备内侧且真空槽侧端部露出于表面的部位，在将最内径层21的轴部21B插入最外径层23的嵌合孔23A内时，还作为最外径层23的设备内侧且真空槽侧端部抵接的挡块发挥作用。

轴部21B是形成为从凸缘部21A延伸的轴状部位，虽省略详细的图示，但形成为大致圆棒状。轴部21B是在后述最外径层23的嵌合孔23A中隔着中间层22被一体化的部位。

如上所述，凸出部21C是从轴部21B的与凸缘部21A相反一侧的大气侧的端部21b侧凸出而形成的柱状部位。该凸出部21C能够构成为：例如后述那样的形成为能够传递旋转的省略图示的齿轮形状或花键形状的结构。

作为最内径层21的材质没有特别限定，可一边考虑磁性流体密封结构1的用途，一边选择强度特性、耐腐蚀性优异的金属材料。然而，优选由强度高于后述中间层22的高强度材料构成，例如，可采用奥氏体系或马氏体系的不锈钢或者钛合金材料等。另外，在最内径层21使用不锈钢的情况下，例如，可以使用SUS403等高强度不锈钢材料，在该情况下，能够得到最内径层21以及轴构件2整体的强度特性、耐腐蚀性提高的效果。另外，在选择热传导性优异的金属材料作为最内径层21的情况下，例如，也可以使用铝、铜材料。

如图2所示，中间层22是配置于最内径层21与最外径层23之间的不同种类的金属层，虽省略详细的图示，但该中间层22是介于大致圆形截面的最内径层21与最外径层23之间的大致筒状的层。另外，图示例的中间层22中，配置于最内径层21的凸缘部21A侧的相反一侧的大气侧的端部的外周面在轴构件2的轴向上露出规定的长度，该露出部位为散热部22C。

在图示的例子中，露出中间层22的散热部22C形成为具有凹凸形状的散热用叶片，在摩擦热等导热至轴构件2的情况下，该散热部22C具有将该热散热至大气的功能。另外，散热部22C的最大直径在作为磁性流体密封结构1的结构方面，如图示的例子那样，优选为与作为轴构件2的最大直径，即后面详细叙述的最外径层23的最大直径为相同的程度。另一方面，从进一步提高散热效果的观点出发，优选地，确保散热部22C的轴向的长度尺寸尽可能长。

作为中间层22的材质没有特别限定，优选热传导率高于后述最外径层23的良好的热传导材料，例如可以举出常温下的热传导率为100W/m·K以上的铝、铜、铬铜等良好的热传导材料。通过将这样的良好的热传导材料用于中间层22，即使在轴构件2的表面产生的摩擦热导热至内部的情况下，通过将该热从散热部22C散热到大气中，能够有效地抑制轴构件2的温度上升。

最外径层23由大致管状的雌构件构成，如上所述，在嵌合孔23A的内部，最内径层21隔着中间层22一体化。另外，在组装最外径层23、最内径层21及中间层22时，最内径层21的凸缘部21A与最外径层23的设备内侧且真空槽侧的端部23b相抵接。在图示例的最外径层23的外周面23a的轴向上的大致中心附近，形成有用于进行轴承33的定位的环状凸起部23c。

作为最外径层23的材质，只要是磁性材料即可，没有特别地限定，能够一边考虑了磁性流体密封结构1的用途，一边选择作为外装材料的强度特性等的材料。作为用于最外径层23的磁性材料，可以使用奥氏体铁素体系、马氏体系、析出硬化系不锈钢或者铁系材料的磁性材料，例如，可以列举出SUS630等。

根据本实施方式的磁性流体密封结构1，轴构件2构成为，多层不同种类的材料层沿径向层叠为同心状，用于保持磁性流体的最外径层23由磁性材料构成。具体而言，为从内层侧依次由最内径层21、中间层22以及最外径层23组合而成的结构。并且，最内径层21使用热传导率高于最外径层23的良好的热传导材料且强度高于中间层22的材料，而且，中间层22使用热传导率高于最外径层23的良好的热传导材料。磁性流体密封结构1通过上述结构，即使在最外径层23附近产生摩擦热且该摩擦热向轴构件2的内层侧导热的情况下，该热传递到热传导性良好的中间层22，从露出于外部的散热部22C向大气有效地散热。

更具体而言，首先，在图1所示的磁性流体密封结构1中，在经由磁性流体7配置的磁极构件5与轴构件2的密封部24之间，产生伴随轴构件2的高速旋转的摩擦热。如图3的示意剖视图所示，该摩擦热从轴构件2的最外径层23的密封部24(外周面23a)导入而传递到内层侧，然后到达中间层22。导热至中间层22的摩擦热传递到由良好的热传导材料构成的中间层22后，被引导至散热部22C(参照图中的箭头C)。然后，该热从散热部22C散热到大气中，从而能够抑制轴构件2的温度上升，进而能够抑制轴构件2整体的热膨胀。这样一来，通过抑制轴构件2的热膨胀，尤其是径向上的尺寸变化，还能够抑制经由磁性流体配置的磁极构件5与轴构件2的最外径层23的密封部24之间的间隙S的尺寸变化，因此，能够维持高速旋转时的优异的密封性。因此，即使在将磁性流体密封结构1应用于例如以每秒数十米的圆周速度使旋转轴高速旋转的飞轮装置等的情况下，也能够抑制旋转轴的温度上升及随之的热膨胀，从而能够以稳定的密封性进行真空分离。

关于本实施方式的高速旋转用磁性流体密封结构1的高速旋转时的温度上升特性，本发明的发明人等将边改变转速边进行的实验的结果与以往的结构特性以及磁性流体密封的可连续运转的温度上限一起显示于图5的图表。

如图5所示可知，在以往结构(改善前)的情况下，随着转速变高而密封部的温度急剧上升，在4600(rpm)时达到约150℃，相对于此，在本实施方式的结构(改善后)中，在4600(rpm)时的密封部的温度为约100℃左右时，温度上升得到抑制。这是因为，通过使轴构件成为上述结构，在最外径层附近产生的摩擦热传递到热传导性良好的中间层，从而从露出于外部的散热部有效地散热。

作为上述结构的轴构件2的尺寸和形状没有特别限定，可以一边考虑磁性流体密封结构1的用途一边适当地进行决定。例如，在假定将图1所示的磁性流体密封结构1应用到飞轮装置等高速旋转轴的情况下，能够将作为轴构件2的总外径大致设为40mm以上。

此外，也可以在轴构件2的最内径层21与最外径层23之间或者在最内径层21、中间层22与最外径层23的各层之间，即各层的接合面配置省略图示的夹设层。

另外，作为用于本实施方式的磁性流体密封结构1中的最内径层、中间层以及最外径层的金属材料的组合也没有特别限定。例如，在图3所示的示意剖视图中，也可以将作为最内径层21的为高强度材料的SUS403或钛合金、作为中间层22的铝、铝合金、铜(电解铜)、铬铜等铜合金中的任一种材料、以及作为最外径层23的为磁性材料的SUS630适当地组合使用。其中，铝的热传导率为200W/m·K左右，相对于此，铜的热传导率高达380～400W/m·K，另外，机械强度特性也优异，因此，优选为用于中间层22、最内径层21的材料。

另外，在图1和图2所示的例子中，轴构件2的散热部22C形成为具有凹凸形状的散热用叶片，但并不限定于此，例如，也可以以将散热部构成为由喷砂处理产生的梨皮状，在该情况下，也能够得到上述同样的散热效果。

另外，在本实施方式中，虽省略图示，但也可以在轴构件2的最内径层21设置用于使冷却用液体循环的液体循环回路。通过在最内径层21设置液体循环回路，在因散热部22C等产生的散热效果的同时，能够有效地冷却轴构件2。

另外，在本实施方式中，也可以在轴构件2的表面的至少一部分，具体而言为最外径层23的外周面23a、最内径层21的凸出部21C的一部分，形成能够传递旋转的省略图示的齿轮形状或花键形状。这样一来，通过在轴构件2上设置能够传递旋转的齿轮形状或花键形状，能够将本实施方式的磁性流体密封结构1容易地应用到例如飞轮装置等各种用途。

作为制造上述那样的轴构件2的方法没有特别限定，可以使用以往公知的嵌合方法将最内径层21、中间层22以及最外径层23各层依次嵌合来进行制造。

其中，图2中所示的轴构件2由从内层侧依次为最内径层21、中间层22以及最外径层23的三层结构构成，但在本实施方式中不限定于这样的三层结构。例如，如图4的剖视图所示例子的轴构件20那样，也可以为由两种不同种类的材料层构成的双层结构，最内径层25也可以是热传导率高于最外径层26的良好的热传导材料。即，图4所示的轴构件20与图2所示的轴构件2在未设置中间层方面大为不同。

就图4所示的轴构件20而言，最内径层25由大致轴状的雄构件构成，在图示例子中，该轴构件20具有凸缘状的散热部25a和轴部25b。

散热部25a省略了详细的图示，但形成为凸缘状，其是将最内径层25和最外径层26嵌合之后外周面在轴构件20的轴向上露出规定长度的部位。另外，在将最内径层25的轴部25b插入最外径层26的嵌合孔26A内时，散热部25a还作为用于最外径层26的大气侧端部抵接的挡块的发挥作用。另外，图4的示意图中省略了详细的图示，但与图1和图2中所示的轴构件2同样，散热部25a也可以构成为，多个凹部形成为叶片状。在将散热部25a形成为叶片状的情况下，在因该轴构件20高速旋转而产生摩擦热时，通过发挥高散热效率而能够抑制温度上升。

因此，通过图2和图4，本实施方式中，最内径层21、25或中间层22中的至少一部分为在轴构件2、20的轴向上向外部露出规定长度的散热部22c、25a。

轴部25b是形成为从凸缘状的散热部25a延伸的轴状部位，虽省略详细的图示，但形成为大致圆棒状。轴部25b为嵌入最外径层26的嵌合孔26A的部位。

作为最内径层25的材质，也可以使用与轴构件2的最内径层21相同的材料，例如，也可以使用铝材料、铜合金(铬铜)等良好的热传导材料。

另外，作为最外径层26的材质，也可以使用与轴构件2所具有的最外径层23相同的材料，例如，也可以使用不锈钢材料(SUS630)等磁性材料。

本实施方式中，即使在采用图4所示那样的双层结构的轴构件20来代替图1和图2所示的轴构件2的情况下，也能够充分地提高轴构件的散热性，因此，能够抑制轴构件20的温度升高及随之的热膨胀。由此，能够抑制最外径层26与磁极构件的间隙的尺寸变化，从而能够维持优异的密封性，因此，利用磁性流体密封结构1能够进行稳定的真空分离。

此外，在本实施方式的磁性流体密封结构1中，除了上述轴构件的层结构、材质的组合带来的优化以外，还可以在壳体构件3具有冷却结构。具体而言，虽然省略图示，但在壳体构件3中，也可以具有冷却用液体注入口，并且也可以在磁极构件5的外径侧具有圆环状槽，从上述液体注入口供给的冷却用液体也可以流通到磁极构件5的圆环状槽。

这样一来，通过设置能够从壳体构件3的液体注入口向磁极构件5的圆环状槽供给冷却用液体的结构，能够有效地冷却磁力产生单元4和磁极构件5，从而能够有效地抑制因使轴构件2高速旋转时产生的摩擦热所引起的各构件的温度上升。

[作用效果]

根据本实施方式的高速旋转用磁性流体密封结构1，一边使轴构件2满足旋转轴的功能，一边在内层侧配置热传导率优异的不同种类的材料层，因此，导热至轴构件2的摩擦热变得易于向外部散热，从而轴构件2的散热性提高。由此，例如，即使在以每秒数十米的圆周速度使旋转轴高速旋转的情况下，也能够抑制轴构件2的温度上升及随之的热膨胀，因此，能够进行稳定的真空分离。

此外，以上说明的实施方式中的各结构以及它们的组合等为一个例子，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行结构的添加、省略、置换以及其他的变更。另外，本发明并不受上述实施方式的限制，而是只由权利要求书来进行限定。

产业上的可利用性

本发明的高速旋转用磁性流体密封结构例如通过应用于飞轮储能系统等中使用的旋转轴的密封结构，能够抑制伴随旋转轴的温度上升的热膨胀，从而能够维持优异的真空分离功能。

附图标记的说明：

1 高速旋转用磁性流体密封结构(磁性流体密封结构)

2 轴构件

3 壳体构件

4 磁力产生单元

5 磁极构件

6 密封构件

7 磁性流体

20 轴构件

21 最内径层

21A 凸缘部

21B 轴部

21b 端部

21C 凸出部

22 中间层

22C 散热部

23 最外径层

23A 嵌合孔

23a 外周面

23b 端部

23c 环状凸起部

24 密封部

25 最内径层

25a 散热部

25b 轴部

26 最外径层

26A 嵌合孔

31 圆筒部

32 凸缘部

32A 底部

32B 螺孔

32C 阶梯

32a 凹部

33 轴承

34 支撑构件

35 固定构件

S 间隙

A 大气侧(设备外侧)

V 真空侧(设备内侧)

Claims (12)

1.一种高速旋转用磁性流体密封结构，用于密封能够相互旋转的轴构件与配置于所述轴构件的周围的壳体构件之间的间隙，其特征在于，

具有：

磁力产生单元，固定于所述壳体构件并产生磁力，

磁极构件，配置于所述磁力产生单元的轴向上的两侧，以及

磁性流体，借助所述磁力产生单元的磁力被磁性地保持在所述磁极构件与所述轴构件之间，并密封它们之间的间隙；

所述轴构件的多个不同种类的材料层在径向上层叠为同心状，

所述轴构件的用于保持所述磁性流体的最外径层为磁性材料。

2.根据权利要求1所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

所述轴构件为具有2种不同种类的材料层的双层结构，最内径层为热传导率高于所述最外径层的热传导率的良好的热传导材料。

3.根据权利要求2所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

所述轴构件的所述最内径层为奥氏体系或马氏体系的不锈钢或者钛合金材料。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

所述轴构件的所述最外径层为奥氏体铁素体系、马氏体系、析出硬化系的不锈钢或者铁系材料的磁性材料。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

所述轴构件还是在所述最内径层与所述最外径层之间设置有中间层的三层结构，所述中间层为热传导率高于所述最外径层的热传导率的良好的热传导材料，并且所述最内径层为强度高于所述中间层的强度的高强度材料。

6.根据权利要求5所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

所述轴构件的所述中间层将常温下的热传导率为100W/m·K以上的铝或铜作为主要成分。

7.根据权利要求2～6中任一项所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

所述轴构件的所述最内径层或所述中间层中的至少一部分为在所述轴构件的轴向上露出于外部的散热部。

8.根据权利要求7所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

所述散热部为具有凹凸形状的散热用叶片。

9.根据权利要求7所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

所述散热部为由喷砂处理产生的梨皮形状。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

在所述壳体构件上具有冷却用液体注入口，在所述磁极构件的外径侧具有圆环状槽，从所述液体注入口供给的冷却用液体流通到所述圆环状槽。

11.根据权利要求2～10中任一项所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

在所述轴构件的最内径层设置有使冷却用液体循环的液体循环回路。

12.根据权利要求1～11中任一项所述的高速旋转用磁性流体密封结构，其特征在于，

所述轴构件的表面的至少一部分为能够传递旋转的齿轮形状或花键形状。