JP5555797B2 - 各シール段での流体量の精密制御を伴う磁性流体シール - Google Patents

Description

本発明は、磁性流体シールシステム、並びに同シールシステムを製造する方法に関する。

磁性流体シールの稼動時、該磁性流体シールの回転の開始および停止に伴い、磁性流体シールから低圧真空内にガスのマイクロバーストが発生することが、長年観察されている。

「バーピング」としても知られる、このマイクロバースト作用は、個々の段のガス圧保持能力を超えた圧力の磁性流体シールの各シール輪の中で捕捉されたガスから発生する。また、前記磁性流体のシールの回転の開始および停止に伴い、磁性流体シールの動的特性が僅かに変化し、捕捉されたガスの一部が磁性流体シールの低圧側および真空容積内に退避し、全体的な圧力の思わぬ上昇を招く。

また、磁性流体シールの用途の幾つかにおいて、外気側からの組立てによりシールを構成することが受け入れ可能である。別の用途では、上記シールの組立ては、真空側から行う必要があるという制約がある。後者の場合、シールアセンブリの中で最終的な流体供給を統括する上で実質的により大きな困難を伴う傾向がある。

先行技術の欠点を克服する中、磁性流体シールを製造する方法は、（１）回転可能なシャフトまたは磁極リングの中に形成される複数の溝のうちの、少なくとも一つの中に強磁性流体を適用するステップと、（２）前記複数の溝のうちの、前記少なくとも一つの中に配置される前記強磁性流体を冷凍するステップと、（３）前記強磁性流体が解凍する前に、前記強磁性流体シールのハウジングの開口部の中に前記シャフトまたは前記磁極リングを配置するステップと、を含む。前記磁性流体シールのハウジングの開口部は、外気側開口部、真空側開口部の何れでもあってもよいため、該磁性流体シールの組立てについても真空側、外気側の何れでも行えると理解される。

強磁性流体を冷凍することにより、磁性流体シールの組立て時に正確な量の強磁性流体を所定位置に保持することができる。以下の各段落で説明されるように、この技術を使ってマイクロバースト作用を最小化または解消することができることが発見されている。また、複数の段を有する磁性流体シールは、前記複数の溝によって配置される強磁性流体の量が、磁場の所定の強度および形状の関数として変化する場合に、より高い機能を実現することが発見されている。これにより、以下の段落に記載される方法を使用して、前記複数の溝によって配置される強磁性流体の量を正確に変化させて、より高い機能を実現することができる。

本発明の特徴によれば、マイクロバースト作用を最小化または解消することができる磁性流体シールの製造方法、及び磁性流体シールを提供できる。

図１は、本発明の原理を取り入れた磁性流体シールの実施態様の一部の図を示す。 図２は、図１の磁性流体シールの実施態様の一部の拡大図を示す。 図３は、本発明の原理を取り入れた磁性流体シールの第２の実施様態の一部の切欠図を示す。

図１および図２を参照して、磁性流体シール１０の第１の実施態様を示す。ここでは、真空側１４と、外気側１６との間にシャフト１２が延びている。一片の強磁性ステンレス鋼、例えば、１７−４ＰＨ合金または４００シリーズ・ステンレス鋼合金は、外径上にＯリング・シール溝２０ａおよび２０ｂを形成し、内径上に磁極先端部２２を形成した状態で磁極リング１８になるまで加工される。磁極リング１８の内径にある磁極先端部２２は、磁極リング１８の内径において、一連の小さいＶ字型の溝２４として加工される。

磁極リング１８は、最初に、綿密に統括された径の滑らかな口径をもって作成される。その後、大型のスロット２６ａおよび２６ｂが、磁極リング１８の内径になるまで加工される。更にその後、隣接したＶ字型の溝の各対の間で、元の内径の小さい部分をそのままの残した深さになるまで、一連のＶ字型の溝２４が加工される。図２は、元の内径の口径から結果的に磁極先端部２２が残された状態での構成における、二つのスロット２６ａおよび２６ｂと、複数のＶ字型の溝と、を示す。これら磁極先端部２２と、シャフト１２との間の隙間内では、非常に強力な磁場が発生し、（図２のドット３０に代表される）磁性流体が、磁力によって保持される。

スロット２６ａおよび２６ｂは、それぞれ、磁石３２ａおよび３２ｂを受け入れるのに十分な寸法である。このスロットの幅は、磁石の厚さよりも幾分大きくなっている（例えば、２．００ミリメートルの磁石の厚さに対しては、２．０５ミリメートルのスロットの幅となる）。これにより、磁石３２ａおよび３２ｂを簡単に挿入することができ、同磁石をスロットの中で半径方向および長手方向に移行させることができる。より多くの磁石が挿入されるにつれて、互いに反発する力が働いて、各磁石３２ａおよび３２ｂを互いに等距離に隣接させて位置決めさせることにより、磁石層全体にわたって均等な空間を自動的に付与する。磁石３２ａおよび３２ｂは、これ以上の磁石を前記スロットが受け入れられなくなるまで、各スロット２６ａおよび２６ｂに追加される。

通常、磁石３２ａおよび３２ｂは、背の低い円柱形であるが、四分円、六分円、八分円の何れであってもよい。以下に述べる固有のシャント効果から発生する損失を克服するには、高いエネルギー積（２０ないし３５ＭＧＯ）を有するＳｍＣｏまたはＮｄＢＦｅなどの希土類磁石が好適である。磁石３２ａおよび３２ｂは、（シャフト軸と平行な）該磁石の厚さを通じて分極される。各磁石スロット２６ａおよび２６ｂの中では、極性は同じである。極性はスロットによって変化するため、磁石層は交互に対向している。使用可能な磁石層の数は任意であるが、（弱磁場の打ち消しのため）偶数であることが好適である。通常用いられるのは二層であるが、全ての真空用途について一層でも十分である。圧力差がより大きくなる場合の用途については、使用可能な層数も、より増加する。磁極片１８の外表面は、外気側から真空側にかけて連続しているので注意されたい。磁極片１２の連続的な外表面により、各磁石周辺の磁石シャントが付与される。これにより、各シールギャップを包含する磁石回路に利用可能な磁石エネルギーの一部が放出される。

本明細書全体を通じて参照によって組み込まれた特許参照文献、ヘルゲランドに付与された米国特許第５，８２６，８８５号に記載される通り、磁性流体２２は、各先端部２２の内部に設けられ、磁極片１８は、（開口部３５ａおよび３５ｂを有する）ハウジング３４に取り付けられ、該ハウジング３４は、フランジ（不図示）に取り付けられている。また、このフランジは、この二つの外気側の間に配置される適切な固定具に取り付けられてもよく、その場合シャフト１２は、該二つの外気側の間で延びた状態となる。開口部３５ａは、外気側１６に直ぐ隣接する一方、開口部３５ｂは、真空側１４に直ぐ隣接するものと理解される。

図３を参照して、磁性流体シール４０の別の実施様態を示す。磁性流体シール４０は、ハウジング４２と、磁極リング４４と、シャフト４６と、を有する。磁極リング４４は、内径４８と、外径５０と、を有する。シャフト４６は回転可能で、外径５２を有する。シャフト４６は、外気側と、真空側５４と間で磁極リング４４の内径４８に沿って延びるように構成される。該真空側は、通常、外気側５４と対向する。

磁極リング４４の外径５０は、スロット５６ａおよび５６ｂを含むような寸法および形状とされる。磁石５７ａおよび５７ｂは、それぞれスロット５６ａおよび５６ｂの中に配置される。しかし、図１に示すように、これらスロットは、磁極リング４４の内径４８の上に形成してもよいと理解される。

磁石５７ａおよび５７ｂは、所定の寸法および形状を有する磁場を放出する。後に説明されるように、この磁場は、シャフト１６と、磁極リング１４との間にシールを形成するように強磁性流体を所定位置に保持する機能を有する。

シャフト４６は、少なくとも一つのシール段を含む。図１に見られるように、シール段は、シール段の第１セット６２の一部であってもよい。この第１セット６２は、五つのシール段を含む。第２セット６４は、十のシール段を含む。本実施態様は、シャフト４６の外径５２の上に形成されるシール段の第１セット６２および第２セット６４を示すが、これらシール段の第１セット６２および第２セット６４は、図１および図２に示すように、磁極リング４４の内径４８の上に形成してもよいと理解される。

シール段は、一般的に、磁極先端部６８を画定するＶ字型の溝６６を含む。強磁性流体は、各シール段の中に配置される。磁石５７ａおよび５７ｂから磁場に、この流体が曝される場合、最も強力な磁場が発生するのが、磁極先端部６８と、磁極リング４４との間の隙間中であり、磁場によって強磁性流体が保持されるのも、この隙間中である。

また、発明者は、各シール段の中に配置される強磁性流体の量が磁場の所定の強度および形状の関数として変化する場合、複数のシール段を有する磁性流体シールが、より高い機能を実現することを発見した。各シール段の中で強磁性流体を変化させることが困難であることは、取りも直さず、磁性流体シール４０が作成される場合、各シール段の溝６６の中に強磁性流体を配置および保持することが困難であることと同等である。図１〜図３に図示される堆積物の何れかに同等に適用可能な、以下に記載する方法を使えば、溝によって配置される強磁性流体の量を正確に変化させて、より高い機能を実現することができる。

この方法は、（１）シャフト４６（または図１の磁極リング１８）の中に形成される複数の溝６６のうちの少なくとも一つの中に強磁性流体を適用するステップと、（２）前記複数の溝６６の中に配置される前記強磁性流体を冷凍するステップと、（３）前記強磁性流体が解凍される前に、前記磁性流体シール４０のハウジング４２の開口部６７の中にシャフト４６（または図１の磁極リング１８）を配置するステップと、を含む。一般的に、強磁性流体は、シリンジ状のデバイス経由で適用される。また、前記磁性流体シールのハウジング４２の開口部は、外気側５４、真空側の何れであってもよいため、磁性流体シールの組立てについても、外気側５４、真空側の何れでも行えると理解される。

上記方法は、前記複数の溝の中に、異なった量の強磁性流体を適用するか、上記溝のうちの幾つかの中に強磁性流体を適用する一方、他の溝の中には強磁性流流体を適用しないようにするステップを、更に含んでもよい。一般的に、磁性流体シールの外気側に、より近接して配置される溝は、充填される強磁性流体の量も多くなり、該磁性流体シール１０の真空側に、より接近して（または隣接して）配置される溝に対向させているが、強磁性流体の含有量は、少なくても皆無であってもよい（実質的にシール段として「乾燥」状態でもよい）。また、溝に適用される強磁性流体の量は、高機能を実現するように、磁石５７ａおよび５７ｂによって生成される磁場の所定の強度および形状の関数として変化してもよい。前記磁場の所定の強度および形状に基づく、この変化は、実験および実証的証拠によって決定してもよい。

前述の「背景技術」の項でも言及したが、これら各種磁性流体シールの稼動時、該磁性流体シールの回転の開始および停止に伴い、磁性流体シールから低圧真空内にガスのマイクロバーストが発生することが、長年観察されている。また、真空側に隣接した個々のシール段の中で捕捉されたガスの圧力を低減することにより、このマイクロバースト作用を最小化または解消することが示されている。また、真空側に最も近い一つ以上の乾燥段を創設し、これら乾燥段に直ぐ隣接する一つ以上の段に、強磁性流体を統括して充填することを検討することにより、該強磁性流体の一部が、該一つ以上の乾燥段に移行することも観察されている。この移行処理時、処理中の段の中に捕捉されるガスは、該シールの真空側内部に益々拡がり、処理ポンプによって排出される。これにより、非常に低い圧力のガスが、新しいシール段の中に残され、この新しく形成されたシール段の後ろにおいて該圧力を低減させることにより、マイクロバースト作用を防ぐ条件を満たしている。この方法は、非常に低い圧力にポンプダウンされ、上記マイクロバーストから発生する望ましくないガスを除去するアクティブポンピングが殆ど、または全く無い状態で封止される系統には非常に重要である。

本発明は、特に、同発明の好適な実施様態を参照して図示および記載されているが、本発明の意図および範囲から逸脱しない限り、本明細書において、その様態および細部にわたって様々な変更が行えると当業者に理解される。また当業者は、本明細書に具体的に記載される発明の具体的な実施様態に対する多くの等価物を、定型の実験を行うだけで認識または確認可能である。

Claims (4)

1. 磁性流体シールであって、
   所定の内径を有する磁極リングと、
   所定の外径を有する回転可能なシャフトであって、前記磁極リングの前記内径に沿って外気側と真空側との間に延びる回転可能なシャフトと、
   前記磁極リングに結合される複数の磁石であって、所定の強度及び形状を有する磁場を放出する複数の磁石と、
   前記磁極リングの内径又は前記シャフトの外径の上に形成される複数の溝の第１段と、
   前記磁極リングの内径又は前記シャフトの外径の上に形成される複数の溝の第２段と
   を備え、
   前記第１段の複数の溝のうちの少なくとも一つの溝は、強磁性流体を含み、
   前記第２段の複数の溝のうちの少なくとも一つの溝は、強磁性流体を含み、
   前記第１段の複数の溝は、前記磁性流体シールの外気側と前記磁性流体シールの真空側との間に延び、
   前記第２段の複数の溝は、前記磁性流体シールの外気側と前記磁性流体シールの真空側との間に延び、
   前記第２段の複数の溝は前記第１段の複数の溝と分離され、
   前記第１段及び第２段の複数の溝のうちの少なくとも一つの溝の中に含まれる前記強磁性流体が、前記磁石によって放出される前記磁場の所定の強度及び形状の関数として変化し、
   前記外気側に近接して配置される前記第１段の複数の溝が、前記真空側に配置される前記第１段の複数の溝よりも多くの強磁性流体を含む、磁性流体シール。
2. 前記複数の溝のうちの少なくとも一つの溝は、強磁性流体を含まない、請求項１に記載の磁性流体シール。
3. 前記複数の溝は、前記磁極リングの内径の上に形成される、請求項１に記載の磁性流体シール。
4. 前記複数の溝は、前記シャフトの外径の上に形成される、請求項１に記載の磁性流体シール。

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