JP3716654B2

JP3716654B2 - 磁性流体を利用した密封装置

Info

Publication number: JP3716654B2
Application number: JP02329199A
Authority: JP
Inventors: 博安斉
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2019-01-29
Also published as: JP2000220751A

Description

【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、磁性流体シール部の耐圧特性を向上させて密封性能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、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１０１と回転軸１０１の軸受部１０３との間の環状隙間に備えられている。
【０００４】
軸受部１０３は、回転軸１０１の保持及び密封を行う円筒部１０３ａと、円筒部１０３ａ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１０２の開口端部１０２ａにボルトにより取り付けられるフランジ部１０３ｂを備えている。
【０００５】
また、軸受部１０３と回転軸１０１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。
【０００６】
そして密封性に関しては、軸受部１０３の円筒部１０３ａ内側に備えられた環状の磁石１０４により形成される磁気回路ＭＣ'に介在させた磁性流体ＭＬ'により行っている。
【０００７】
磁石１０４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１０４の磁極となる磁極部材１０５，１０６が備えられている。そして、回転軸１０１の磁極部材１０５，１０６に対向する部位に複数本の周方向に連続する凹溝１０７ａ，１０７ｂ，・・・１０７ｌを形成し、磁極部材１０５，１０６内周面と各凹溝の間の凸条部１０８ａ，１０８ｂ，・・・１０８ｊ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１０８ａ，１０８ｂ，・・・１０８ｊ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。
【０００８】
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１０９ａ，１０９ｂ，・・・１０９ｈ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。
【０００９】
尚、１１０ａ，１１０ｂはベアリングＢ１，Ｂ２の間での磁石１０４及び磁極部材１０５，１０６の軸方向の位置を定めるスペーサリング、１１１は円筒部１０３ａの内側に備えられた各構成部材を封止固定する固定環部材、１１２，１１３は円筒部１０３ａ内周面側と磁極部材１０５，１０６の外周面側との密封性を維持するＯリングである。
【００１０】
そして、このような構成を備えた密封装置１００の磁性流体シール部は、容器１０２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、以下のような挙動を伴う作動状態となっている。
【００１１】
これを図５により説明すると、低圧側Ｌ'と高圧側Ｈ'との間に圧力差が発生していない作動前の状態は図５（ａ）の状態であり、この状態では低圧側Ｌ'，室１０９ａ，１０９ｂ・・・，高圧側Ｈ'は同じ大気圧状態である。
【００１２】
次に、例えば低圧側Ｌ'の圧力を真空ポンプ等により低下させると、高圧側Ｈ'の圧力は大気圧状態で一定であるが、低圧側Ｌ'の圧力が序々に低下し始める（図５（ｂ）の状態）。
【００１３】
そして、低圧側Ｌ'の圧力と室１０９ａの圧力差が、凸条部１０８ａと磁極部材１０５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１０９ａが導通し、その圧力差が解消される（図５（ｃ）の状態）。
【００１４】
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（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。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、装置稼動中の擾乱によって磁性流体シール部の圧力均衡が崩れ、突発的にバースト現象が発生すると、高圧側Ｈ'から低圧側Ｌ'に向けて大気や大気中のコンタミ（微小な塵ゴミ）が進入してしまうことがあり、高い真空度やコンタミを嫌う場合に問題となることがあった。
【００１６】
特に、装置稼動開始時に行なわれる分圧化が、各ステージ部の耐圧限界で発生するバーストにより行なわれた場合には、低圧側Ｌ'に隣接する数段の室は耐圧限界ぎりぎりの状態で使用されることになり、装置稼動中において装置に加わった振動や軸の偏心／ズレ等によって、バーストが容易に誘発されてしまうということも考えられる。
【００１７】
この対策としては、低圧側Ｌ'の一段のみ（図４では室１０９ａ）を別の真空ポンプにより減圧し、それよりも高圧側Ｈ'でバーストが発生した場合の、大気の流入を低圧側Ｌ'の一段で阻止するという方法も考えられるが、専用の真空ポンプを必要とすることや、実質的にこの一段の密封流体ＭＬ'の状態に密封性能が依存してしまうことになり、また密封流体ＭＬ'は低圧側Ｌ'より劣化が起こり易いことから、密封流体の交換や補充等の定期点検の頻度を高め、かつ確実に行なう必要があった。
【００１８】
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複数段の各段の耐圧をその限界以下となる状態へとすることによりバーストの発生を抑制して密封性能を向上可能とすること、また、密封流体の劣化や不均一な減少を抑えることにより、耐久性を高め装置の長期間の稼動を可能とすることにある。
【００１９】
【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、相対回転移動可能に同心配置された第１及び第２の環状磁極部と、前記第１の環状磁極部の内周面と第２の環状磁極部の外周面との間の環状隙間において、磁力発生手段により発生された磁束が通過する軸方向に複数段備えられたステージ部と、前記ステージ部において磁束により保持され、前記環状隙間を軸方向に複数段に分割して密封する磁性流体と、を有する磁性流体を利用した密封装置において、前記第１及び第２の環状磁極部は、圧力差のある２領域間の間に配置され、前記ステージ部は、前記第１の環状磁極部の内周面に軸方向に離間して備えられた複数の環状突起部と前記第２の環状磁極部の外周面との間に形成され、前記第２の環状磁極部の外周面に形成され、前記第１の環状磁極部の内周面の相対回転移動により前記環状隙間において軸方向の低圧側から高圧側に向かう流体搬送力を発生させるスパイラルグルーブと、高圧側の前記環状突起部の内周側端面と低圧側の前記環状突起部の内周側端面とを連絡し、高圧側のステージ部から低圧側のステージ部に磁性流体を供給可能な経路と、を備えることを特徴とする磁性流体を利用した密封装置。
【００２０】
磁性流体を利用した密封装置の密封原理はステージ部に保持された磁性流体がステージ部両端に圧力差が無い場合には左右対称に保持されているが、圧力差が発生すると低圧側に片寄って保持され、この磁性流体が元の左右対称の位置に戻ろうとする磁気力と圧力差とが釣り合うことによって密封力が得られる。従って、高圧側の気液界面の一部がステージ部中心線の最大磁場部分に来た時がこのステージ部の耐圧限界となる。この時外力によって磁性流体を高圧側へ片寄らせれば耐圧限界以下とすることができる。この外力の発生機構としてスパイラルグルーブが用いられている。
【００２２】
ステージ部は、第１の環状磁極部の内周面に軸方向に離間して備えられた複数の環状突起部と第２の磁極部の外周面との間に形成され、スパイラルグルーブは、第２の磁極部の外周面に形成されており、軸方向に複数段備えられたステージ部に対し、連続的に軸方向の流体搬送力を発生させることができる。尚、スパイラルグルーブは突起側に形成されてもよい。
【００２３】
また、前記スパイラルグルーブが、低圧側から高圧側に向かう流体搬送力を発生させることにより、各ステージ部における限界耐圧に対して余裕を持たせることが可能となる。
【００２５】
そして、スパイラルグルーブにより高圧側への磁性流体の移動が発生した場合においても、低圧側の磁性流体の減少を補うことが可能となり、耐久性を高めることができる。
【００２６】
また、高圧側の環状突起部の内周側端面と低圧側の環状突起部の内周側端面とを連絡する経路にバルブを備えることにより装置作動時の低圧側への不必要な磁性流体の移動を抑え、また磁性流体の流量を適切に制御可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（参考例）
以下に本発明の参考例を図に基づいて説明する。図１は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。
【００２８】
この密封装置１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２の回転動導入部等に備えられるものであり、圧力差のある低圧側Ｌ及び高圧側Ｈの２領域間にまたがる回転軸２及び回転軸２が挿通される、ハウジング部材としての軸受部３の間の環状隙間４に備えられている。
【００２９】
この軸受部３は、図４に示された軸受部１０３と同様の構成を備えるものであり、回転軸２の保持及び密封を行う円筒部３ａと、円筒部３ａの一方の端部に、内部空間を真空状態（低圧側Ｌ）とする不図示の容器の開口端部に取り付けられるフランジ部３ｂを備え、また、軸受部３と回転軸２との相対回転運動に対する動的な保持は不図示のベアリング等により行なうことが可能である。
【００３０】
そして環状隙間４の密封に関しては、軸受部３の円筒部３ａ内側に備えられた磁力発生手段としての環状の磁石６により形成される磁気回路ＭＣに介在させた磁性流体ＭＬにより行っている。
【００３１】
磁気回路ＭＣは軸方向に磁束が複数段に分割されており、磁束の集中した部分をステージ部ＳＴとし、このステージ部ＳＴに磁性流体ＭＬが介在している。各ステージ部ＳＴの間には、密閉領域となっている室Ｒ１，Ｒ２・・・Ｒ５が形成されている。
【００３２】
磁石６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６に当接して磁極となる第１の磁極部としての磁極部材７Ａ，７Ｂが備えられている。
【００３３】
磁極部材７Ａ，７Ｂの内周面には、軸方向に離間して環状突起部７Ａａ，７Ａｂ，７Ｂａ，７Ｂａ，７Ｂｂ，７Ｂｃが備えられている。
【００３４】
磁極部材７Ａ，７Ｂに対向する回転軸２の表面２ａは、第２の磁極部として機能している。さらに、回転軸２の表面２ａには、回転軸２が矢印Ａ１方向に回転した時に、低圧側Ｌから高圧側Ｈに向かう流体搬送力を発生させるスパイラルグルーブ２ｂ（複数本の溝の集合体）が形成されている。
【００３５】
尚、スパイラルグルーブは、公知の設計手法によって最適化される。
【００３６】
このような構成の密封装置１を効果的に作動させるためには、低圧側Ｌの減圧（真空引き）を行なう際に、回転軸２を停止、または回転軸２の実際の使用における時の回転速度より遅い回転速度で回転させながら減圧し、各室Ｒ１，Ｒ２・・・の分圧化（圧力均衡化現象）を行なう。
【００３７】
その後、実際の使用時においては、スパイラルグルーブ２ｂの流体搬送力（この参考例では低圧側Ｌから高圧側Ｈに向かう力）により、軸方向に複数段備えられたステージ部ＳＴに介在された磁性流体が高圧側に片寄り、各段の耐圧は上昇する。
【００３８】
従って、各ステージ部ＳＴにおける限界耐圧に対して余裕を持たせることが可能となり、擾乱による突発的なバーストの発生を防止することが可能となる。
【００３９】
尚、磁性流体ＭＬは、蒸発や流動により低圧側Ｌのステージ部ＳＴから減少して機能不全となることが多いが、低圧側Ｌの１段または複数段のステージ部ＳＴが破壊されても、残りの段（ステージ部ＳＴ）で低圧側Ｌと高圧側Ｈとの圧力差（低圧側Ｌが真空で高圧側Ｈが大気圧の場合約１気圧）を維持する限り使用することも可能であり、安全性（密封性能の維持）や耐久性をより向上させることができる。
【００４０】
また、図２は、回転軸２Ａ側に環状突起２Ａａ，２Ａｂ・・・２Ａｆを設け、磁極部材１７Ａ，１７Ｂの内周面に、スパイラルグルーブ１７Ａａ，１７Ｂａを形成した密封装置１Ａの構成を示している。
【００４１】
このような構成においても、図１と同様の作用・効果を達成することが可能である。図１の密封装置１の構成と同様の構成には同一の符号を付し、ここでの重複する説明は省略する。
【００４２】
（実施の形態）
図３は、本発明の実施の形態の密封装置１１の要部を説明する断面構成説明図である。この図において、参考例の密封装置１の構成と同様の構成には同一の符号が付されている。
【００４３】
この実施の形態の構成的な特徴は、回転軸２の表面２ａに設けられたスパイラルグルーブ２ｂにより、僅かではあるが、磁性流体ＭＬの高圧側Ｈへの移動が発生した場合のことを考慮し、高圧側Ｈのステージ部ＳＴ（Ｈ）を形成する環状突起部７Ｂｃの内周側端面から、低圧側Ｌのステージ部ＳＴ（Ｌ）を形成する環状突起部７Ａａの内周側端面まで連絡すると共にその途中にバルブ１２ａを設けた経路１２を備えることにある。
【００４４】
経路１２は、ステージ部ＳＴ（Ｌ）の磁性流体ＭＬが減少した時、経路１２のバルブ１２ａを開き、低圧側を徐々に減圧し、ステージ部ＳＴ（Ｈ）からステージ部ＳＴ（Ｌ）へゆっくり磁性流体が移動する程度の圧力差によって、磁性流体ＭＬを矢印Ａ２方向に流し、高圧側Ｈへ移動した磁性流体ＭＬを低圧側Ｌへと供給することが可能である。尚、低圧側を減圧し、シールとして使用する際には、経路１２のバルブ１２ａは必要であれば閉じておく。
【００４５】
これにより、スパイラルグルーブに２ｂより高圧側Ｈへの磁性流体ＭＬの移動が発生した場合においても、低圧側Ｌの磁性流体ＭＬの減少を補うことが可能となり、耐久性を高めることができる。
【００４６】
尚、経路１２における磁性流体ＭＬの循環を補うために、ポンプ手段を経路１２の途中に設けることや、環状突起部７Ａａを通過する磁束を環状突起部７Ｂｃのそれよりも大きく設定し、磁性流体ＭＬの粘性（毛細管現象）を利用することも可能である。
【００４７】
また経路１２が備えた磁性流体ＭＬに対する流体抵抗等により、バルブ１２ａを不要とする構成を採用することも可能である。
【００４８】
また、経路１２の低圧側のステージ部の開口部は突起の内周端面でなくても、磁気力で磁性流体が突起先端に移動する範囲なら可能である。さらに、高圧側の開口部の突起幅は他の突起より大きくしても良い。
【００４９】
さらに、磁性流体ＭＬの減少を補うために、高圧側Ｈのステージ部ＳＴ（Ｈ）に磁性流体ＭＬの補給手段を備えることも可能であり、容易に磁性流体ＭＬを補給することが可能となり、より長時間、安定した密封性能を維持することができる。この場合に、磁性粉末の減少が少なく、オイル等の媒体の減少が多い場合には、磁性流体ＭＬ中の比率が低下した成分（例えばオイル等の媒体）のみを補給することも可能である。
【００５０】
【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、磁性流体を利用した密封装置の複数段の各段の耐圧をその限界以下となる状態へとすることができ、バーストの発生を抑制して密封性能を向上可能とする。
【００５１】
また、密封流体の劣化や不均一な減少を抑えることができ、耐久性を高め装置の長期間の稼動が可能となる。
【００５２】
高圧側における磁性流体を保持する滞留部から低圧側のステージ部へ磁性流体を供給可能とすることにより、スパイラルグルーブにより高圧側への磁性流体の移動が発生した場合においても、低圧側の磁性流体の減少を補うことが可能となり、耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は参考例に係る密封装置の断面構成説明図。
【図２】図２は参考例に係る密封装置の断面構成説明図。
【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は耐圧特性を越える圧力が加わった時の圧力均衡化現象を説明する図。
【符号の説明】
１密封装置
２回転軸
２ａ表面（第２の磁極部）
２ｂスパイラルグルーブ
３軸受部
３ａ円筒部
３ｂフランジ部
４環状隙間
６磁石（磁力発生手段）
７Ａ，７Ｂ磁極部材（第１の磁極部）
Ｌ低圧側
Ｈ高圧側
ＭＣ磁気回路
ＭＬ磁性流体
ＳＴステージ部
Ｒ１，Ｒ２室

Claims

相対回転移動可能に同心配置された第１及び第２の環状磁極部と、
前記第１の環状磁極部の内周面と第２の環状磁極部の外周面との間の環状隙間において、磁力発生手段により発生された磁束が通過する軸方向に複数段備えられたステージ部と、
前記ステージ部において磁束により保持され、前記環状隙間を軸方向に複数段に分割して密封する磁性流体と、
を有する磁性流体を利用した密封装置において、
前記第１及び第２の環状磁極部は、圧力差のある２領域間の間に配置され、
前記ステージ部は、前記第１の環状磁極部の内周面に軸方向に離間して備えられた複数の環状突起部と前記第２の環状磁極部の外周面との間に形成され、
前記第２の環状磁極部の外周面に形成され、前記第１の環状磁極部の内周面の相対回転移動により前記環状隙間において軸方向の低圧側から高圧側に向かう流体搬送力を発生させるスパイラルグルーブと、
高圧側の前記環状突起部の内周側端面と低圧側の前記環状突起部の内周側端面とを連絡し、高圧側のステージ部から低圧側のステージ部に磁性流体を供給可能な経路と、を備えることを特徴とする磁性流体を利用した密封装置。
前記経路の途中にバルブを設けた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。