JP2005127383A

JP2005127383A - 磁性流体シールユニット

Info

Publication number: JP2005127383A
Application number: JP2003361614A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Yamashita; 和雄山下
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】簡易な構造で信頼性が高く、且つ、磁性流体シール部の温度上昇を抑えて、高温となる密封容器の密封に使用することができる磁性流体シールユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】ハウジング１１は、一端が前記密封容器３０に設けられた貫通孔３１に開放し、内部が真空状態に保持されたスリット１５が設けられている。従って、密封容器３０内と同様に内部が真空状態のスリット１５が熱源である密封容器３０と磁性流体シール部１３との間に介在するので、スリット１５が真空断熱層となり磁性流体シール部１３の温度上昇を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性流体を利用した磁性流体シールユニットに関するものである。

内部が真空状態に保たれた密封容器内に大気側から延びた回転軸を駆動する場合、回転軸周りのシール部として磁性流体を利用したシール部（密封装置）が、従来から知られている。このような磁性流体を利用したシール部は、界面活性剤等の流体中に磁性体の粒子を懸濁して存在させ、永久磁石や電磁石等の外部磁場の磁力により、その粒子が磁気吸引されることで粒子の位置を保持し得る磁性流体の特性を利用したものである。

このような従来の磁性流体を利用したシール部を備えた磁性流体シールユニット１００の断面構成を図７に示す。

従来の磁性流体シールユニット１００は、真空状態に保持された密封容器３００内に、外部から通じる駆動軸１４０と、駆動軸１４０が貫通する該密封容器３００に設けられた貫通孔３０１の周りに、フランジ部１１１により取り付けられるハウジング１１０と、ハウジング１１０により駆動軸１４０を回転自在に軸支するベアリング１２０と、ハウジング１１０と駆動軸１４０との間に形成される環状隙間に配置されるとともに、該環状隙間を磁性流体によってシールする磁性流体シール部１３０と、を備えている。

磁性流体シール部１３０は、駆動軸１４０と同軸に配置されるとともに、軸方向に異極（Ｎ極及びＳ極）が配される環状の磁石１３１と、磁石１３１の軸方向両側に配置され磁石１３１の磁極となる磁極部材１３２及び１３３と、を備えている。

図８は、磁性流体シール部１３０の主要部分を説明する断面図である。

図８に示すように、駆動軸１４０の磁極部材１３２及び１３３との対向面には、周方向に連続する凹溝が、軸方向に複数本形成されている。そして、磁極部材１３２及び１３３と、駆動軸１４０に形成された凹溝間の凸部との間隙に磁束を集中させることにより、当該間隙に磁性流体を保持させることにより、磁性流体シールが形成される（例えば、特許文献１参照。）。

このような磁性流体シールユニット１００は、高温の密封容器の密封に使用される場合がある。例えば、半導体の製造工程で使用される真空加工装置の真空シールを目的として前記磁性流体シールユニット１００が使用される場合、半導体の製造条件によっては、密封容器の温度を上昇させて高温状態で半導体を製造する場合がある。

このような高温の密封容器の密封に磁性流体シールユニット１００が使用された場合、密封容器３００の外壁の熱が、ハウジング１１０を介して磁性流体シール部１３０に伝達され、磁性流体シール部１３０が高温状態となる。

ところが、磁性流体シール部１３０を含む磁性流体シールユニット１００の耐熱性には限界があり、また、磁性流体シール部１３０を効率良く使用するためには、磁性流体シール部１３０の温度上昇を極力抑える必要がある。

このため、磁性流体シール部の外周を囲むハウジングに冷却媒体の案内通路を設けて磁性流体シール部を冷却するように構成した磁性流体シールユニットが提案されている（例
えば、特許文献２参照。）。

特開平１０−２２０５９５号公報実開昭６１−１３７１６８号公報

しかしながら、冷却媒体の案内通路を設けて磁性流体シール部を冷却するように構成した従来の磁性流体シールユニットでは、冷却媒体の案内通路に冷却媒体を流すための配管等を設けなければならず構造が複雑となる。また、水漏れ等冷却構造の信頼性に問題がある。

本発明は、上記した従来技術の課題を解決し、簡易な構造で信頼性が高く、且つ、磁性流体シール部の温度上昇を抑えて、高温となる密封容器の密封に使用することができる磁性流体シールユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の磁性流体シールユニットにあっては、内部が真空状態に保持された密封容器と、前記密封容器に設けられた貫通孔を該密封容器の外部から内部に貫通する駆動軸と、の間を密封する磁性流体シールユニットであって、前記駆動軸が貫通するハウジングと、前記ハウジングと前記駆動軸との間に配置される環状の磁力発生手段、前記磁力発生手段に対して前記駆動軸の軸方向両側に配置され、前記磁力発生手段の磁極となる環状の磁極部材、及び前記磁力発生手段により発生された磁束により前記磁極部材と前記駆動軸との間に形成される環状隙間に保持される磁性流体、を有する磁性流体シール部と、を備え、前記ハウジングに一端が前記密封容器に設けられた前記貫通孔に開放して内部が真空状態に保持され、他端が前記密封容器の外部側に延びるスリットを設けたことを特徴とする。

尚、前記スリットは、駆動軸と同軸的に磁性流体シール部の外周に設けられたもの、駆動軸の軸方向に対して所定の角度（直交を含む）で密封容器と磁性流体シール部との間に延在するように設けられたものを含む。また、駆動軸と同軸的に環状に設けられたもの、所定のピッチで形成される有底の長孔を設けたものを含む。

以上説明したように、本発明の磁性流体シールユニットによれば、水冷構造等複雑な冷却手段も設けることなく簡易な構造で信頼性が高く、且つ、磁性流体シール部の温度上昇を抑えて、高温となる密封容器の密封に使用することができる磁性流体シールユニットを提供することができる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施の形態に係る磁性流体シールユニット１０の断面構成説明図である。

ここで、磁石１３ａは本発明の磁力発生手段、磁極部材１３ｂ、１３ｃは本発明の磁極部材、密封側は本発明の真空側、外部側は本発明の大気側のそれぞれ一具体例に対応している。

磁性流体シールユニット１０は、内部が真空状態に保持された例えば、真空チャンバ等の密封容器３０と、密封容器３０に設けられた貫通孔３１を密封容器３０の外部から内部に貫通し、回転駆動力を伝達する駆動軸１４と、の間を密封するものであり、貫通孔３１が設けられた密封容器３０の外面に取り付けられる。

密封容器３０の運転時には、真空ポンプ等により内部の真空引きを行うので、密封容器３０の内部（密封側）が真空状態となり、大気圧側（外部側）との間に圧力差が生じる。従って、本実施の形態の磁性流体シールユニット１０は、密封容器３０内外で圧力差のある２領域を隔て、密封容器３０の内部の真空状態を維持しつつ駆動軸１４により密封容器３０の内部に回転動力が伝達される。

磁性流体シールユニット１０は、ハウジング１１と、ハウジング１１内に固定され、駆動軸１４を回転自在に軸支するベアリング１２と、ハウジング１１と駆動軸１４との間に形成される環状隙間に配置されるとともに、該環状隙間を磁性流体によってシールする磁性流体シール部１３と、を備えている。

ハウジング１１は、駆動軸１４の保持及び密封を行う円筒部１１ｃと、円筒部１１ｃの一方の端部に形成され、密封容器３０の外壁面にボルト止め等により取り付けられるフランジ部１１ａと、を備えている。また、フランジ部１１ａの密封容器３０との接触面には、Ｏリング１１ｂが挟着されている。

磁性流体シール部１３は、ベアリング１２よりも密封容器３０側であって、ハウジング１１と駆動軸１４との間に駆動軸１４と同軸に配置されるとともに、軸方向に異極（Ｎ極及びＳ極）となるように配された環状の磁石１３ａと、磁石１３ａの軸方向両側に配置され、磁石１３ａの磁極となる環状の磁極部材１３ｂ及び１３ｃと、磁石１３ａによって駆動軸１４と磁極部材１３ｂ及び１３ｃとの間に構成される磁力線に沿って保持される磁性流体と、を備えている。

磁極部材１３ｂ及び１３ｃの外周には、それぞれ凹溝が形成され、該凹溝内に、Ｏリング１３ｄが装着されている。このＯリング１３ｄによりハウジング１１の内周面と磁極部材１３ｂ及び１３ｃの外周面との間が密封状態に保たれる。

駆動軸１４の磁極部材１３ｂ及び１３ｃとの対向面には、周方向に連続する図示しない凹溝が軸方向に複数本形成されている。そして、磁極部材１３ｂ及び１３ｃと、駆動軸１４に形成された凹溝間の凸部との間隙に磁束を集中させることにより、当該間隙に磁性流体を保持させて磁性流体シールが形成される。尚、前記凹溝は、適宜、磁極部材１３ｂ及び１３ｃ側に設けることも可能である。

ハウジング１１には、一端が真空側、即ち、前記密封容器３０に設けられた貫通孔３１に開放し、他端が駆動軸１４の軸方向に、大気側、即ち、密封容器３０の外部側に向かうスリット１５が設けられている。

従って、密封容器３０内と同様の真空状態とされたスリット１５が、熱源である密封容器３０と、磁性流体シール部１３との間に介在するので、スリット１５が真空断熱層となり磁性流体シール部１３の温度上昇を抑えることができる。ここで、真空断熱は、他の断熱材等による断熱と異なり厚みに影響を受けないので、スリット径はハウジング１１の肉厚等により適宜設定することが可能である。

スリット１５の軸方向の長さＬ１は、ハウジング１１の肉厚や磁性流体シールユニット
１０の構造及び使用条件等により適宜設定されるものであるが、スリット１５の貫通孔３１に開放する一端に対する他端が少なくとも磁性流体シール部１３に達することが、密封容器３０から磁性流体シール部１３に伝達される熱を断熱して磁性流体シール部１３の温度上昇を抑制する上では望ましい。更に、スリット１５は、他端が磁性流体シール部１３よりも駆動軸１４の軸方向に密封容器３０の外部側に達することが、スリット１５の先端を回り込んで磁性流体シール部１３に伝達される熱を低減させる上では望ましい。

従って、本実施の形態に係る磁性流体シールユニット１０では、スリット１５が磁性流体シールユニット１０の密封容器３０への取り付け面からスリット１５の他端までの長さをＬ１、同方向に磁性流体シール部１３の長さをＬ２とした時に、Ｌ１＞Ｌ２となるように形成されている。このようにスリット１５を形成することにより、磁性流体シール部１３の温度上昇を特に抑えることが可能となる。

また、スリット１５は、磁性流体シール部１３の全周を囲むように、環状とされるのが磁性流体シール部１３の断熱性の上では、特に好ましいが、磁性流体シール部１３の外周に、所定間隔毎に有底の長孔が形成されるものでも良い。

更に、図示はしないが、スリットが駆動軸１４と直交する方向に、フランジ部１１ａ内に延在するように形成されたものや、駆動軸１４から所定の角度をもってフランジ部１１ａ内に形成されたものでも良い。この場合でも、スリットが熱源である密封容器３０と磁性流体シール部１３との間に介在するので磁性流体シール部１３の温度上昇を効果的に抑えることができる。

また、スリット１５の形成方法は、特に限定されるものではないが、ハウジング１１のフランジ部１１ａ側から切削加工等により環状溝を形成することにより、スリット１５を形成することができる。また、図２に示すように、ハウジング１１を内筒と外筒との２重構造として、該内外筒間にスリットを設けるようにすることもできる。この場合、内外筒間の接合は溶接等により接合することが望ましい。このように内筒及び外筒の分割構造とすれば、スリット１５を容易に形成することができる。

尚、本実施の形態では密封容器３０に対して回転する駆動軸１４であって、その回転駆動力を密封容器３０内に伝達する回転軸１４の例を説明したが、往復動方向（図中左右方向）に駆動力を伝達する往復動軸の場合にも適用可能である。この場合には、適宜軸受として軸方向リニアスライドガイドを用いることが好適である。

〔実験結果〕
本発明者は、図３に示すような磁性流体シールユニットを試作し、スリット１５の有無及び、磁性流体シール部１３の軸方向の長さＬ２に対するスリット１５の長さＬ１を変化させた場合における、密封装置の温度分布及び磁性流体シール部１３の最大温度が、どのように変化をするのかを確認する実験を行った。

上記実験には、ステンレスを切削加工して以下の形状を有する磁性流体シールユニットを使用した。即ち、フランジ部の外径がφ１２０ｍｍであり、ハウジング１１の軸方向の長さがφ９０ｍｍである。またハウジング１１の外径はφ８０ｍｍであり、ハウジング１１の磁性流体シール部１３が収納される部分の内径はφ３０ｍｍである。また、スリット１５の外径、及び内径はそれぞれφ６０ｍｍ、及びφ５６ｍｍである。また、磁性流体シール部１３の軸方向の長さＬ２は４０ｍｍである。

このような磁性流体シールユニットのフランジ部１１ａに熱源となるヒータを貼り付けた。

更に、フランジ部１１ａのヒータ側を密封して、内部が１０^−５Ｐａの減圧状態となるように調整した。

実験は、前記ヒータによりフランジ部１１ａを２００℃に加熱して、磁性流体シールユニットの温度分布及び磁性流体シール部１３の最大温度を測定した。

図４は、スリットを設けていない磁性流体シールユニットの上記実験結果を示す図である。図４から明らかなように、スリットを設けていない磁性流体シールユニットでは、熱源からの熱が直接的に磁性流体シール部１３に伝わり、磁性流体シール部１３の最大温度は１８３℃になることがわかる。

一方、スリット１５の長さＬ１を４８ｍｍとして、Ｌ１／Ｌ２＝１.２としたものでは、図５から明らかなようにスリット１５が真空断熱層となることにより、熱源からの熱が遮断されることがわかる。その結果、磁性流体シール部１３の最大温度は１２０℃となり、磁性流体シール部１３の温度上昇を抑えることができることがわかる。

図６は、スリットを設けない場合及び、スリットの長さＬ１を３８ｍｍ、４４ｍｍ、及び４８ｍｍとした時の磁性流体シール部１３の最大温度の変化を示すグラフである。

図６のグラフから明らかなように、スリットの長さＬ１を磁性流体シール部の長さＬ２よりも長くすることにより、より効果的に磁性流体シール部１３の温度上昇を抑えることができることがわかる。

図１は、本実施の形態に係る磁性流体シールユニットの断面構成説明図である。図２は、本実施の形態に係る磁性流体シールユニットの断面構成説明図である。図３は、磁性流体シールユニットの断面構成説明図である。図４は、磁性流体シールユニットの温度分布を示す図である。図５は、磁性流体シールユニットの温度分布を示す図である。図６は、スリットの有無及び長さと、磁性流体シール部の最大温度の関係を示すグラフである。図７は、従来の磁性流体シールユニットの断面構成説明図である。図８は、磁性流体シール部の主要部分を説明する断面図である。

符号の説明

１０ …磁性流体シールユニット
１１ …ハウジング
１３ …磁性流体シール部
１３ａ …磁石（磁力発生手段）
１３ｂ、１３ｃ …磁極部材
１４ …駆動軸
１５ …スリット
３０ …密封容器
３１ …貫通孔

Claims

内部が真空状態に保持された密封容器と、前記密封容器に設けられた貫通孔を該密封容器の外部から内部に貫通する駆動軸と、の間を密封する磁性流体シールユニットであって、
前記駆動軸が貫通するハウジングと、
前記ハウジングと前記駆動軸との間に配置される環状の磁力発生手段、前記磁力発生手段に対して前記駆動軸の軸方向両側に配置され、前記磁力発生手段の磁極となる環状の磁極部材、及び前記磁力発生手段により発生された磁束により前記磁極部材と前記駆動軸との間に形成される環状隙間に保持される磁性流体、を有する磁性流体シール部と、を備え、
前記ハウジングに一端が前記密封容器に設けられた前記貫通孔に開放して内部が真空状態に保持され、他端が前記密封容器の外部側に延びるスリットを設けたことを特徴とする磁性流体シールユニット。