JP2000002338A - 磁性流体を利用した密封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁性流体を利用した密封装置の偏心追随性を
向上させて回転軸に発生する振動に対処可能な磁性流体
を利用した密封装置を提供する。 【解決手段】 ハウジング３とは独立して構成された磁
性流体シール部ＭＳ１を保持するスリーブ５（保持部
材）と、スリーブ５を回転軸に支持するためのベアリン
グ１２（軸受手段）と、ハウジング３とスリーブ５とを
相対移動自在に密封接続するベローズ９（接続手段）
と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁性流体を利用し
た密封装置に関し、密封装置の回転軸に対する偏心追随
性や取り付け性を向上し得る技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、外部磁場の磁力により、オイ
ル等の流体中に懸濁して存在する磁性体の粒子が磁気吸
引され、その位置を保持し得る特性を備えた磁性流体を
利用した種々の密封装置がある。

【０００３】図４は、磁性流体を利用した密封装置の基
本的な一構成例を示す断面構成説明図である。この密封
装置１００は非磁性体からなる回転機械のハウジング１
０１と磁性体からなる回転軸１０２との間の環状隙間１
０３に、磁性体からなる１対の環状のポールピース１０
４を軸方向に相対向させて配設し、かつ両ポールピース
１０４間に軸方向に着磁された環状の磁石１０５を、そ
の磁力により磁気吸着挟持させている。

【０００４】従って、磁石１０５、ポールピース１０
４、回転軸１０２との間には、磁気回路１０６が形成さ
れる。

【０００５】回転軸１０２の外周面とポールピース１０
４の内周面の間には微小隙間１０７が形成されており、
微小隙間１０７に磁性流体ＭＬ’が充填されている。

【０００６】磁性流体ＭＬ’は、磁気回路１０６により
微小隙間１０７に保持され、この微小隙間１０７を密封
し、ハウジング１０１と回転軸１０２との間の環状隙間
１０３を軸方向に分割密封している。

【０００７】図５は、図４の密封装置１００の基本的構
成を利用し、圧力差のある高圧側Ｈ’及び低圧側Ｌ’の
２領域間にまたがる回転軸２０１と回転軸２０１の軸受
部２０３との間の環状隙間２０４を密封するための構成
とした密封装置２００の断面構成説明図である。

【０００８】軸受部２０３は、回転軸２０１の保持及び
密封を行う円筒部２０３ａと、円筒部２０３ａの一方の
端部に、内部空間を真空状態（低圧側Ｌ’）とする容器
２０２（真空チャンバ等）の開口端部にボルト等により
取り付けられるフランジ部２０３ｂを備えている。

【０００９】また、軸受部２０３と回転軸２０１とはベ
アリングＢ１，Ｂ２により相対回転運動に対する動的な
保持が行われている。

【００１０】そして密封性に関しては、軸受部２０３の
円筒部２０３ａ内側に備えられた環状の磁石２０４によ
り形成される磁気回路ＭＣ’に介在させた磁性流体Ｍ
Ｌ’により行っている。

【００１１】磁石２０４は軸方向に異極（Ｎ及びＳと図
示される）が配されており、軸方向両側には磁石２０４
の磁極となる磁極部材２０５，２０６が備えられてい
る。そして、回転軸２０１の磁極部材２０５，２０６に
対向する部位に複数本の周方向に連続する凹溝２０７
ａ，２０７ｂ，・・・２０７ｌ及び各凹溝の間の凸条部
２０８ａ，２０８ｂ，・・・２０８ｊを形成し、磁極部
材２０５，２０６内周面と各凹溝の間の凸条部２０８
ａ，２０８ｂ，・・・の頂面との間隙（それぞれの間隙
をステージ部とする）に磁束が集中するように発生させ
て（すなわち凸条部２０８ａ，２０８ｂ，・・・の頂面
で磁束密度が高まるように）、これらの間隙（ステージ
部）に磁性流体ＭＬ’が保持されて磁性流体シール部を
形成するようにしている。

【００１２】形成された磁性流体シール部は、低圧側
Ｌ’と高圧側Ｈ’との間に複数の室２０９ａ，２０９
ｂ，・・・２０９ｊを形成し、各室の圧力が順次磁性流
体シール部の各ステージ部の耐圧範囲内で変化すること
により、密封領域の両側で圧力差がある場合においても
効果的な密封性を発揮し得るようになっている。

【００１３】尚、２１０ａ，２１０ｂはベアリングＢ
１，Ｂ２を固定する止め輪、２１１ａ，２１１ｂは円筒
部２０３ａ内周面側と磁極部材２０５，２０６の外周面
側との密封性を維持するＯリングである。

【００１４】そして、このような構成を備えた密封装置
２００の磁性流体シール部は、容器２０２の内部すなわ
ち低圧側Ｌ’が減圧され（真空状態）て使用される場
合、低圧側Ｌ’の圧力と室２０９ａの圧力差が、凸条部
２０８ａと磁極部材２０５の間隙のステージ部に保持さ
れている磁性流体ＭＬ’の耐圧限界を越えると、バース
トと呼ばれる圧力均衡化現象が一時的に発生して低圧側
Ｌ’と室２０９ａが導通し、その圧力差が解消されると
いう現象が発生する。

【００１５】この圧力均衡化現象は、低圧側Ｌ’の圧力
が下がるにつれて、より高圧側Ｈ’のステージ部でも断
続的に発生し、低圧側Ｌ’の圧力（負圧）が序々に高圧
側Ｈ’の室へ伝播され、各室の圧力を順次に磁性流体シ
ール部の各ステージ部の耐圧限界内で変化させる分圧化
を行なうことにより、圧力差（高圧側Ｈ’が一般雰囲気
の場合には大気圧）を保持している。

【００１６】尚、低圧側Ｌ’が高圧側、高圧側Ｈ’が低
圧側となる使用条件においても、上記と同様の分圧化が
発生し、圧力差を保持することができる。

【００１７】そして、容器２０２の内部側では、継ぎ手
を介して従動側シャフトに回転軸２０１が接続され、回
転駆動力を容器２０２内部へと導入可能としている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】密封装置１００におけ
る構成では、磁性流体ＭＬ’を安定して保持し、密封装
置の耐圧特性を確保する上で、密封装置１００の微小隙
間１０７の隙間間隔を一定に保持する必要がある。

【００１９】従って、この密封装置をハウジング１０１
と回転軸１０２の同心度のずれ、すなわち回転軸１０２
の偏心や振れが大きな回転機械に適用する場合には、回
転軸１０２とポールピース１０４が接触したり、回転軸
１０２の外周表面上に周方向に沿って生じる微小隙間１
０７の隙間間隔の変動（設定値よりも広い部分と狭い部
分とが生じる）によってシール性が不安定になると共
に、実際のシール耐圧が設計値よりも小さくなるという
問題があった。

【００２０】このような場合の改善策としては、微小隙
間１０７の隙間間隔を回転軸１０２の振れ幅等よりも十
分に大きく設定し、かかるシール耐圧の設計値を要求値
よりも十分に大きくする方法が一般的に採用可能であ
る。

【００２１】しかし、この方法では、回転軸１０２とポ
ールピース１０４の接触以外の問題を避けることはでき
ず、更には隙間間隔を大きく設定することによって磁性
流体シール装置の一段当たりの耐圧が低下してしまうと
いう問題もあった。

【００２２】図５の密封装置２００では、図４の問題で
ある微小隙間１０７の隙間間隔を一定とするということ
に関しては、ベアリングＢ１，Ｂ２により軸受部２０３
と回転軸２０１とが相対回転運動に対する動的な保持が
行われ、ある程度の効果は期待できる。

【００２３】しかしながら、従動側シャフトから継ぎ手
を介して回転軸２０１に伝達される振動が大きい場合に
は、この振動によって密封装置１００と同様の問題が発
生することが考えられる。

【００２４】本発明は上記従来技術の問題を解決するた
めになされたもので、その目的とするところは、磁性流
体を利用した密封装置の偏心追随性を向上させて回転軸
の振れ及び回転軸に発生する振動に対処することを可能
とする磁性流体を利用した密封装置を提供することにあ
る。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明にあっては、ハウジングの内周部と、該内周部
に挿通される回転軸に対して配置され、前記回転軸に対
して径方向に離れた対向面を有する環状磁極部と、磁力
発生手段により発生された磁束により前記環状磁極部と
前記回転軸との間の環状隙間に保持される磁性流体とか
らなる密封部を有する磁性流体を利用した密封装置にお
いて、前記ハウジングとは独立して構成され、前記密封
部を保持する保持部材と、前記保持部材を前記回転軸に
支持するための軸受手段と、前記ハウジングの内周部と
前記保持部材とを相対移動自在に密封接続する接続手段
とを備えたことを特徴とする。

【００２６】これによって、ハウジングとは独立して構
成された保持部材によって磁性流体を利用した密封装置
の密封部が支持されるので、回転軸の偏心や振動に対し
て該密封装置を追随させることができ、磁性流体が保持
される環状隙間は変化しないため、磁性流体によるシー
ルを安定して行なうことができる。また、環状隙間の隙
間間隔を狭く設定することが可能となり、この場合には
磁性流体シール部の耐圧をより向上させることが可能と
なる。

【００２７】前記回転軸は、ハウジングに取り付けられ
た軸受手段によって支持されていることも好適である。

【００２８】これによって、ハウジングに対する回転軸
の動的保持が行なわれ、回転軸の偏心や振動を抑えるこ
とができる。また、密封装置取り付けの際の芯だし等の
作業性を確保することができる。

【００２９】前記接続手段は、ベローズであることも好
適である。

【００３０】ベローズによって、ハウジングと保持部材
との接続を相対移動自在に行なうことができる。従っ
て、スラスト方向及びラジアル方向の相対移動、ハウジ
ングと保持部材との軸の相対角度の変更等を自在に設定
することが可能となり、また、回転軸に追随する保持部
材をハウジングに固定することはない。

【００３１】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下に本発明の
第１の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発
明を適用した磁性流体を利用した密封装置１の要部断面
構成説明図である。

【００３２】この密封装置１は、例えば、コンタミを嫌
うクリーン環境下で使用されるロボットや回転機械から
ダストやミストが外に放出するのを防止するために、軸
受部等に備えられるものである。

【００３３】そして、遮断される必要のある領域（領域
Ｌ，領域Ｈ）にまたがる回転軸２とハウジング３の内周
部としてのハウジング内周部３ａの間の環状隙間４に備
えられる。

【００３４】密封装置１は、密封部となる磁性流体シー
ル部ＭＳ１に、保持部材としての円筒状のスリーブ５の
内側に磁性体からなる環状磁極部としての１対の環状の
ポールピース６ａ，６ｂを軸方向に相対向させ、かつ両
ポールピース６ａ，６ｂの間に軸方向に着磁された磁力
発生手段としての環状の磁石７を、その磁力により磁気
吸着挟持させて配置している。

【００３５】従って、磁石７、ポールピース６ａ，６
ｂ、回転軸２との間には、磁気回路ＭＣ１が形成され
る。

【００３６】回転軸２の外周面２ａとポールピース６
ａ，６ｂの内周面は径方向に離れた対向面となってお
り、その間には微小な環状隙間８が形成されており、環
状隙間８に磁性流体ＭＬが充填されている。

【００３７】磁性流体ＭＬは、磁気回路ＭＣ１の磁束に
より環状隙間８に保持され、この環状隙間８を密封して
いる。

【００３８】スリーブ５の領域Ｌの端部５ａには、ハウ
ジング内周部３ａとスリーブ５とを相対移動自在に密封
接続する接続手段としての金属製のベローズ９が接続さ
れている。

【００３９】ベローズ９の領域Ｌの端部９ａは、ハウジ
ング内周部３ａに密封嵌合する固定リング１０と接続し
ている。１１はハウジング内周部３ａと固定リング１０
との間をシールするＯリングである。

【００４０】また、スリーブ５の領域Ｈの端部５ｂ側に
はスリーブ５を回転軸２に支持するための軸受手段とし
てのベアリング１２が配置されている。

【００４１】尚、この実施の形態における回転軸２の支
持は、不図示の軸受け手段により行なうものとする。

【００４２】このような構成の密封装置１は、回転軸２
とポールピース６ａ，６ｂとの位置決めを行なうスリー
ブ５はベアリング１２を介して回転軸２に支持され、回
転軸２の自重等による過大なラジアル荷重を受けること
なく回転軸２の偏心や振動に追随可能であり、その結
果、回転軸２の外周面２ａとポールピース６ａ，６ｂの
内周面の間の環状隙間８の隙間間隔は一定に保たれる。

【００４３】スリーブ５とハウジング３は、ベローズ９
によりフレキシブルに密封接続されているので、スリー
ブ５とハウジング内周部３ａとの間においても領域Ｌと
領域Ｈは遮断されている。

【００４４】従って、回転軸２の偏心や振動が大きな場
合においても密封装置１のシール性能を安定して維持す
ることができる。

【００４５】また、環状隙間８の隙間間隔を従来のもの
より狭く設定することも可能となり、この場合には、密
封装置１の磁性流体シール部ＭＳ１の耐圧をより向上さ
せることが可能となる。

【００４６】この実施の形態では、ベローズ９は金属製
のものを用いていることから、耐環境性も兼ね備えてい
るので、様々な用途に使用することができる。

【００４７】尚、本発明は、この実施の形態に限定して
解釈されるべきではなく、その趣旨を損ねない範囲で適
宜変更・改良が可能であり、例えば磁性流体シール部Ｍ
Ｓ１の構成を多段構造にしたり、ベアリング１２の個数
等を変更することも可能である。また、ベローズ９も金
属製に限定されるものではなく、ゴム状弾性体によるも
のを採用することも可能である。

【００４８】（実施の形態２）図２は本発明を適用した
第２の実施の形態における磁性流体を利用した密封装置
２１の要部断面構成説明図である。

【００４９】この密封装置２１は、例えば、内部を真空
状態にする真空チャンバの外から内部に回転動力を伝達
するための回転軸２Ａの回転駆動力導入部やその他の回
転機械の軸受け部等に備えられるものである。

【００５０】密封装置２１における磁性流体シール部Ｍ
Ｓ２は、多段構成となっている。また、この密封装置２
１の特徴的な構成としては、磁性流体シール部ＭＳ２を
保持するためのスリーブ２２が真空チャンバに固定され
るフランジ部２３とベローズ２４を介してフレキシブル
に密封接続されている点にある。

【００５１】その他の磁性流体シール部ＭＳ２の構成
は、図５により説明した密封装置２００の磁性流体シー
ル部の構成と同じであるのでここでは簡略的に説明す
る。

【００５２】２５ａ，２５ｂは磁石２６の磁極部材であ
り、磁気回路ＭＣ２を形成している。また、スリーブ２
２と回転軸２Ａとはベアリング２７ａ，２７ｂにより相
対回転運動に対する動的な保持が行われている。

【００５３】回転軸２２の磁極部材２５ａ，２５ｂに対
向する部位に複数本の周方向に連続する凹溝及び各凹溝
の間の凸条部を形成し、磁極部材２５ａ，２５ｂ内周面
と各凹溝の間の凸条部の頂面との間隙（それぞれの間隙
をステージ部とする）に磁束が集中するように発生させ
て（すなわち凸条部の頂面で磁束密度が高まるよう
に）、これらの間隙（ステージ部）に磁性流体ＭＬが保
持されて磁性流体シール部ＭＳ２を形成している（この
構成は、図５の密封装置の磁性流体シール部と同じであ
る）。

【００５４】形成された磁性流体シール部ＭＳ２は、領
域Ｌと領域Ｈとの間に複数の室を形成し、各室の圧力が
順次磁性流体シール部ＭＳ２の各ステージ部の耐圧範囲
内で変化することにより、密封領域の両側で圧力差があ
る場合においても効果的な密封性を発揮し得るようにな
っている。

【００５５】尚、２８ａ，２８ｂはベアリング２７ａ，
２７ｂを固定する止め輪、２９ａ，２９ｂはスリーブ２
２内周面側と磁極部材２５ａ，２５ｂの外周面側との密
封性を維持するＯリングである。

【００５６】そして、このような構成を備えた密封装置
２１の磁性流体シール部ＭＳ２は、真空チャンバの内部
すなわち領域Ｌが減圧され（真空状態）て使用される場
合、領域Ｌの圧力と領域Ｌに隣接する室の圧力差が、凸
条部と磁極部材の間隙のステージ部に保持されている磁
性流体ＭＬの耐圧限界を越えると、バーストと呼ばれる
圧力均衡化現象が一時的に発生して領域Ｌと室が導通
し、その圧力差が解消されるという現象が発生する。

【００５７】この圧力均衡化現象は、領域Ｌの圧力が下
がるにつれて、より領域Ｈのステージ部でも断続的に発
生し、領域Ｌの圧力（負圧）が序々に領域Ｈの室へ伝播
され、各室の圧力を順次に磁性流体シール部の各ステー
ジ部の耐圧限界内で変化させる分圧化を行なうことによ
り、圧力差（領域Ｈが一般雰囲気の場合には大気圧）を
保持している。

【００５８】このような構成の密封装置２１は、回転軸
２Ａと磁極部材２５ａ，２５ｂとの位置決めを行なうス
リーブ２２はベアリング２７ａ，２７ｂを介して回転軸
２２に支持され、回転軸２Ａの自重等による過大なラジ
アル荷重を受けることなく回転軸２Ａの偏心や振動に追
随可能であり、その結果、回転軸２Ａの外周面の凸条部
と磁極部材２５ａ，２５ｂの内周面の間のステージ部の
隙間間隔は一定に保たれる。

【００５９】磁性流体シール部ＭＳ２の領域Ｌでは、ス
リーブ２２とフランジ部２３は、ベローズ２４によりフ
レキシブルに密封接続されているので、真空チャンバの
真空度の低下を発生させることはない。

【００６０】従って、回転軸２Ａの偏心や振動が大きな
場合においても密封装置２１のシール性能を安定して維
持することができる。

【００６１】また、ステージ部の隙間間隔を従来のもの
より狭く設定することも可能となり、この場合には、密
封装置２１の磁性流体シール部ＭＳ２の耐圧をより向上
させることが可能となる。

【００６２】（実施の形態３）図３は本発明を適用した
第３の実施の形態における磁性流体を利用した密封装置
３１の要部断面構成説明図である。密封装置３１の構成
において、磁性流体シール部ＭＳ３の構成は、第２の実
施の形態の密封装置２１の磁性流体シール部ＭＳ２の構
成とほぼ同じであり、同一の構成には同じ符号が付され
ている。

【００６３】この実施の形態では、回転軸２Ｂの偏心や
振動を抑えるために、真空チャンバに固定されるフラン
ジ部２３から延出されたハウジング３２にベアリング３
３を嵌合固定し、回転軸２Ｂの軸受手段として機能させ
た構成である。

【００６４】これによって、回転軸２Ｂの偏心や振動が
大きな場合においても密封装置３１のシール性能を安定
して維持することができると共に、真空チャンバに固定
されるフランジ部２３に対する回転軸２Ｂの動的保持が
行なわれ、回転軸２Ｂの偏心や振動を抑えることができ
る。また、密封装置３１取り付けの際の芯だし等の作業
性を確保することができる。

【００６５】

【発明の効果】上記のように説明された本発明の磁性流
体を利用した密封装置によると、ハウジングとは独立し
て構成された保持部材によって磁性流体を利用した密封
装置の密封部が支持されるので、回転軸の偏心や振動に
対して該密封装置を追随させることができ、磁性流体が
保持される環状隙間は変化しないため、磁性流体による
シールを安定して行なうことができる。

【００６６】また、環状隙間の隙間間隔を狭く設定する
ことが可能となり、この場合には密封部の耐圧をより向
上させることが可能となる。

【００６７】回転軸をハウジングに取り付けられた軸受
手段によって支持することで、ハウジングに対する回転
軸の動的保持が行なわれ、回転軸の偏心や振動を抑える
ことができる。また、密封装置取り付けの際の芯だし等
の作業性を確保することができる。

【００６８】接続手段はベローズであることで、ハウジ
ングと保持部材との接続を相対移動自在に行なうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明を適用した密封装置の第１の実施
の形態の断面構成説明図。

【図２】図２は本発明を適用した密封装置の第２の実施
の形態の断面構成説明図。

【図３】図３は本発明を適用した密封装置の第３の実施
の形態の断面構成説明図。

【図４】図４は従来の密封装置の断面構成説明図。

【図５】図５は従来の密封装置の断面構成説明図。

【符号の説明】

１，２１，３１，４１ 密封装置 ２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 回転軸 ２ａ 外周面 ３ ハウジング ３ａ 内周部 ４ 環状隙間 ５，２２ スリーブ（保持手段） ５ａ，５ｂ 端部 ６ａ，６ｂ ポールピース（磁極部材） ７，２６ 磁石（磁力発生手段） ８ 環状隙間 ９，２４ ベローズ（接続手段） ９ａ 端部 １０ 固定リング １１，２９ａ，２９ｂ Ｏリング １２，２７ａ，２７ｂ，３３ ベアリング ２３ フランジ部 ２５ａ，２５ｂ 磁極部材 ２８ａ，２８ｂ 止め輪 ３２ ハウジング Ｌ 領域 Ｈ 領域 ＭＣ１ 磁気回路 ＭＬ 磁性流体 ＭＳ１，ＭＳ２，ＭＳ３ 磁性流体シール部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングの内周部と、該内周部に挿通
   される回転軸に対して配置され、前記回転軸に対して径
   方向に離れた対向面を有する環状磁極部と、磁力発生手
   段により発生された磁束により前記環状磁極部と前記回
   転軸との間の環状隙間に保持される磁性流体とからなる
   密封部を有する磁性流体を利用した密封装置において、 前記ハウジングとは独立して構成され、前記密封部を保
   持する保持部材と、前記保持部材を前記回転軸に支持す
   るための軸受手段と、前記ハウジングの内周部と前記保
   持部材とを相対移動自在に密封接続する接続手段とを備
   えたことを特徴とする磁性流体を利用した密封装置。
2. 【請求項２】 前記回転軸は、ハウジングに取り付けら
   れた軸受手段によって支持されていることを特徴とする
   請求項１に記載の磁性流体を利用した密封装置。
3. 【請求項３】 前記接続手段は、ベローズであることを
   特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の磁
   性流体を利用した密封装置。