JP5928738B2 - 磁性流体を用いたシール装置 - Google Patents
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Description
この従来技術2は、ころがり軸受130の外輪131の両側に固定された一対のシール体133、133を備え、各シール体133が外輪131に固定された永久磁石134と該永久磁石134に固定されヨーク135とからなり、該ヨーク135と内輪132とのシール隙間に磁性流体を存在しており、一対のシール体133、133の間に入れられたグリース等の潤滑剤が磁性流体により密封されるようになっている。
また、従来技術1では、分離したオイルがベアリング110から大気側に流れ出しドライ状態となることから、トルクが大きくなり、最悪の場合ベアリングが壊れることもある。さらに、軸受にグリースを足す場合には、装置を分解する必要があり煩雑な作業を強いられることになる。
一方、軸受を真空側に配置した両持ちタイプの磁性流体シール装置などにあっては、片持ちタイプと同様に第1の問題があり、さらに気泡や水分が真空中に放出され真空チャンバー内の真空の質を低下させたり、圧力変動が起こり問題視されている(以下「第2の問題」という。)。
また、上記従来技術4のように、潤滑剤としてグリースの代わりに磁性流体を用い、磁石を用いた磁気回路により磁性流体を固定するものではボールベアリングの接触部分で発生する微小な摩耗粉等のパーティクルが少なくなると期待されていたが、実際に試験してみると、図8および9に示すように、潤滑剤としてグリースを用いた場合に比べてパーティクル発生量がかなり多い。
ただし、この試験では、潤滑剤がグリースの場合、軸受に公知のシールドを設けてパーティクルを発生し難くしている一方、潤滑剤が磁性流体の場合、図12と同じく軸受にシールドを設けず、さらに磁力の弱い磁石を用いた。
前記ハウジング内の軸方向の中央部に設けられた磁性流体シールと、前記磁性流体シールの両側に設けられたころがり軸受とを備え、
前記両側のころがり軸受の内、真空側に配置されたころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填されるとともに外輪の真空側に磁石が装着され、
前記磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴としている。
この特徴によれば、回転軸の両側にころがり軸受を設けて回転軸の偏芯を防止したものにおいて、ミストおよびパーティクルの発生を防止し、真空側の真空の質の低下及び圧力変動の防止、または、磁性流体シール装置の劣化の防止、あるいは、グリース使用による高温時の垂れおよび高トルク化の問題の解消を図ることができる。また、中央に磁性流体シールが設けられているため、ころがり軸受の磁性流体シール側では磁性流体シールによりパーティクルがトラップされることから、ころがり軸受の磁性流体シール側にマグネットトラップを設ける必要がない。
前記ハウジング内の軸方向の中央部に設けられた磁性流体シールと、前記磁性流体シールの両側に設けられたころがり軸受とを備え、
前記両側のころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填され、
前記両側のころがり軸受において、真空側に配置されたころがり軸受の外輪の真空側に磁石が装着されるとともに大気側に配置されたころがり軸受の外輪の大気側に磁石が装着され、
前記それぞれの磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴としている。
この特徴によれば、第1の特徴に加えて、大気中へのパーティクルの流出を防止することができるとともに、大気側のころがり軸受の長寿命化も図ることができる。
前記回転軸を前記ハウジング内において両持ち支持するように離間して配置された2つのころがり軸受を備え、
前記2つのころがり軸受の内、真空側に配置されたころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填されるとともに外輪の真空側に磁石が装着され、
前記磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴としている。
この特徴によれば、回転軸の両側にころがり軸受を設けて回転軸の偏芯を防止したものにおいて、ころがり軸受の中央に磁性流体シールを設けない場合でも、ミストおよびパーティクルの発生を防止し、真空側の真空の質の低下及び圧力変動の防止、または、磁性流体シール装置の劣化の防止、あるいは、グリース使用による高温時の垂れおよび高トルク化の問題の解消を図ることができる。
前記回転軸を前記ハウジング内において両持ち支持するように離間して配置された2つのころがり軸受を備え、
前記2つのころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填され、
前記2つのころがり軸受において、真空側に配置されたころがり軸受の外輪の真空側に磁石が装着されるとともに大気側に配置されたころがり軸受の外輪の大気側に磁石が装着され、
前記それぞれの磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴としている。
この特徴によれば、第3の特徴に加えて、大気中へのパーティクルの流出を防止することができるとともに、大気側のころがり軸受の長寿命化も図ることができる。
この特徴によれば、少なくとも真空側に配置されたころがり軸受の内部からの磁性流体の漏れ、または、軸受の外部から内部への異物の侵入を防止することができる。
この特徴によれば、磁気回路の形成が十分、且つ容易にできる。
この特徴によれば、第6の特徴に加えて、回転軸の材料が磁性材料に限定されないという利点がある。
この特徴によれば、ヨークの製造が容易にできる。
この特徴によれば、パーティクル等を効率よくトラップすることができる。
この特徴によれば、パーティクル等を極めて効率よくトラップすることができる。
この特徴によれば、ヨークを寸法精度良く製造すれば磁石の寸法精度を要求するまでもなく、簡単な構造でころがり軸受を寸法精度良く設置することができ、また、既存のころがり軸受にも容易に適用することができる。
図1は、本発明の実施形態1に係る磁性流体を用いたシール装置を示す縦断面図である。
図1において、左側が真空側、右側が大気側である。
ハウジング2内の中央部に磁性流体シール3を配置するとともに該磁性流体シール3の両側にころがり軸受20、20を配置し、該真空側のころがり軸受20の外輪21又は内輪22と磁性流体シール3との間、及び、大気側のころがり軸受20の外輪21と磁性流体シール3との間には非磁性材料からなるスペーサ4が介在されている。また、ころがり軸受20、20の内、少なくとも真空側に配置されたころがり軸受20の真空側には、金属板をプレス加工した密封用キャップであるところのシールド34が設けられ、少なくとも真空側に配置されたころがり軸受20の内部からの磁性流体の漏れ、または、ころがり軸受20の外部から内部への異物の侵入を防止している。図1においては、シールド34は、真空側に配置されたころがり軸受20の真空側に設けられているが、これに加えて、大気側に配置されたころがり軸受20の大気側に設けてもよい。このシールド34は、ころがり軸受20の外輪の側面に取り付けられ、内輪とは非接触で、狭いすきまをもって配置されている。
なお、シールド34は、大気側のころがり軸受20の潤滑剤をグリースにした場合には設けた方がよいが、真空側及び大気側の両方のころがり軸受20に磁性流体を使用した場合は、シールド34を設ける必要はない。
一方、回転軸1には、リテイニングリング8が大気側のころがり軸受20の位置に対応してに設けられ、該ころがり軸受20の内輪22を位置決めしている。
また、両側にころがり軸受20、20の内、真空側のころがり軸受20の潤滑部には磁性流体が充填され、大気側のころがり軸受20の潤滑部には磁性流体またはグリースなどの通常の潤滑剤が充填される。図1においては、両側のころがり軸受20、20の潤滑部に磁性流体26が充填された場合が示されている。大気側のころがり軸受20においても磁性流体26を用いた方が長寿命である。
また、図1の場合、マグネットトラップを、それぞれのころがり軸受20の片側にしか設けていないのはマグネットトラップを設けていない側には磁性流体シール3が設けられ、磁性流体を保持しているポールピース10と回転軸1の複数の凸部11との間でパーティクルがトラップされるからである。ただし、ころがり軸受20に用いる磁性流体26と磁性流体シールの磁性流体が異なり、相互に混入を防止する必要がある場合には、それぞれのころがり軸受20の両側にマグネットトラップを設けるのが望ましい。
磁気回路の形成のため、本実施の形態においては回転軸1は磁性体から形成され、ころがり軸受20の外輪21、内輪22およびボール23も一般的に使用されている金属製であり、磁性体である。
そのため、本発明においては、炭化水素油ベース磁性流体及びふっ素油ベース磁性流体に限らず、潤滑性を有する磁性流体を、単に磁性流体と呼ぶこととする。
また、磁石24としては、例えば、金属又は磁石粉を充填した有機材料等からなる永久磁石が用いられるが、これに限らず、永久磁石であればよい。
図2は、本発明の実施形態2に係る磁性流体を用いたシール装置を示す縦断面図である。
図2において、左側が真空側、右側が大気側である。
磁性流体を用いたシール装置は、ハウジング2内の中央部に非磁性材料からなるスペーサ13を配置するとともに該スペーサ13の両側にころがり軸受20、20を配置している。また、ころがり軸受20、20の内、少なくとも真空側に配置されたころがり軸受20の真空側にはシールド34が設けられ、少なくとも真空側に配置されたころがり軸受20の内部からの磁性流体の漏れ、または、ころがり軸受20の外部から内部への異物の侵入を防止している。図2においては、シールド34は、真空側に配置されたころがり軸受20の真空側に設けられているが、両側のころがり軸受の両側に設けてもよい。このシールド34は、ころがり軸受20の外輪の側面に取り付けられ、内輪とは非接触で、狭いすきまをもって配置されている。
なお、シールド34は、大気側のころがり軸受20の潤滑剤をグリースにした場合には設けた方がよいが、真空側及び大気側の両方のころがり軸受20に磁性流体を使用した場合は、シールド34を設ける必要はない。
一方、回転軸1には、大気側のころがり軸受に対応する位置にリテイニングリング8が設けられ、該のころがり軸受20の内輪22が位置決めされている。
また、両側にころがり軸受20、20の内、真空側のころがり軸受20の潤滑部には磁性流体が充填され、大気側のころがり軸受20の潤滑部には磁性流体またはグリースなどの通常の潤滑剤が充填される。図2においては、両側のころがり軸受20、20の潤滑部に磁性流体26が充填された場合が示されている。大気側のころがり軸受20においても磁性流体26を用いた方が長寿命である。
なお、磁気回路を説明する都合上、図3ないし図7においてシールド34は省略されている。
なお、ころがり軸受のボール23より大気側に設けられる磁石24及びヨーク25からなるマグネットトラップの磁気回路は、図3(b)の右側の矢印で示すように形成される。
図4は、本発明の実施形態1及び2に係る磁性流体を用いたシール装置におけるヨークの変形例を示す縦断面図である。
図4において、リング状のヨーク25は、断面形状がL字状をなし、磁石24に接する部分はL字のうちの垂直部分25−1であり、回転軸1の表面に対向する部分はL字のうちの水平部分25−2であり、該水平部分25−2は内輪22に向かって延びている。
図4(a)のものは、ヨーク25の水平部分25−2の回転軸1の表面に対向する面に鋸刃状の凹凸部27が形成されている。
また、図4(b)のものは、ヨーク25の水平部分25−2の回転軸1の表面に対向する面に角ネジ状の凹凸部28が形成されている。
このように、回転軸1の表面に対向する部分はL字の水平部分25−2の回転軸1の表面に対向する面に鋸刃状の凹凸部27または角ネジ状の凹凸部28が形成されることにより、効率的にパーティクルをトラップすることができる。
図5は、本発明の実施形態1及び2に係る磁性流体を用いたシール装置におけるヨークの他の変形例を示す縦断面図である。
図5において、リング状のヨーク29は、その断面形状はI字状をなしている。本例においては、断面形状がシンプルであるため、ヨーク29の製造が容易である。
図6は、本発明の実施形態1及び2に係る磁性流体を用いたシール装置におけるヨークのさらに他の変形例を示すものであって、(a)は縦断面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
図6において、リング状のヨーク30は、図5の場合と同じくその断面形状はI字状をなしている。ヨーク30の磁石33に面する側に膨出部31を設け、該膨出部31のころがり軸受の外輪側に開口する筒状又は矩形状の凹部32を円周方向に複数設け、該凹部32にそれぞれ円筒状の磁石33を嵌入させている。
ヨーク30により磁石33を保持する構造とすることにより、ヨーク30を寸法精度良く製造すれば磁石33の寸法精度を要求するまでもなく、簡単な構造でころがり軸受20を寸法精度良く設置することができ、また、既存のころがり軸受にも容易に適用することができる。
なお、図6では、リング状のヨーク30はその断面形状がI字状をなしているが、これに限らず、他の実施形態に示した形状でもよい。
図7は、本発明の実施形態3に係る磁性流体を用いたシール装置を示す縦断面図である。
実施形態3に係るころがり軸受20は、基本構造は実施の形態1と同じであり、図7において、図3と同じ符号は図3の場合と同じ部材を指している。以下、実施の形態1と相違する部分について主に説明する。
このため、回転軸1の材料が磁性材料に限定されないという利点がある。
本実施形態3におけるシール装置のトラップは、ヨーク25の水平部分25−2および内輪22との間で行われる。
なお、この測定試験は、磁気回路により磁性流体を固定した場合におけるマグネットトラップのトラップ効果を確認するため、あえて、磁場を弱く設定し、パーティクルの発生し易い状態を作り出して行ったものである。また、磁性流体を用いた軸受ではシールドを設けていないが、グリースを用いた軸受ではシールドを設けグリースのパーティクルを発生しにくい状況にした。
直径25mmのベアリングを50rpm〜300rpmの範囲で回転させて測定した結果、1時間当たり、0.1μm以上のパーティクルの発生数は、回転数が大きくなるにつれ多くなるが、いずれの回転数においても、磁性流体でマグネットトラップなしの場合の方がグリースを用いた場合に比べパーティクルの発生数は多い。
なお、この測定試験も、磁気回路により磁性流体を固定した場合におけるマグネットトラップのトラップ効果を確認するため、あえて、磁場を弱く設定し、パーティクルの発生し易い状態を作り出して行ったものである。また、磁性流体を用いた軸受ではシールドを設けていないが、グリースを用いた軸受ではシールドを設けグリースのパーティクルを発生しにくい状況にした。
また、図9(a)及び(b)は同じ測定結果を示すものであるが、図9(b)は、磁性流体でマグネットトラップありの場合及びグリースを用いた場合のパーティクルの発生数を見やすくするため、片対数のグラフにしている。
図9(a)をみると、磁性流体でマグネットトラップなしの場合、1時間当たりのパーティクルの発生数は、経過時間に関係なく、断然多い。また、通常のころがり軸受において潤滑剤としてグリースを用いた場合、磁性流体でマグネットトラップなしの場合にくらべて、1時間当たりのパーティクルの発生数は約1/8程度と少ないが、12時間経過の前後において発生数が突然多くなっており、その他の少ない時間帯においても1時間当たり約1000個程度発生していることがわかる。
この測定結果から、本発明のリング状のヨーク(マグネットトラップ)を装着したころがり軸受においては、ヨークによるパーティクルのトラップが確実に行われていることがわかる。
2 ハウジング
3 磁性流体シール
4 スペーサ
5 段部
6 押えリング
7 ボルト
8 リテイニングリング
9 マグネット
10 ポールピース
11 凸部
12 Oリング
13 スペーサ
20 ころがり軸受
21 外輪
22 内輪
23 ボール
24 磁石
25 ヨーク
26 磁性流体
27 鋸刃状の凹凸部
28 角ネジ状の凹凸部
29 ヨーク
30 ヨーク
31 膨出部
32 凹部
33 磁石
34 シールド
Claims (11)
- ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、
前記ハウジング内の軸方向の中央部に設けられた磁性流体シールと、前記磁性流体シールの両側に設けられたころがり軸受とを備え、
前記両側のころがり軸受の内、真空側に配置されたころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填されるとともに外輪の真空側に磁石が装着され、
前記磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着され、
前記ヨークと前記真空側に配置されたころがり軸受との間隙に、ミスト及び前記ころがり軸受のボールの転動により発生するパーティクルの前記真空室への流出を防止するマグネットトラップである磁気空間が形成されることを特徴とする磁性流体を用いたシール装置。 - ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、
前記ハウジング内の軸方向の中央部に設けられた磁性流体シールと、前記磁性流体シールの両側に設けられたころがり軸受とを備え、
前記両側のころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填され、
前記両側のころがり軸受において、真空側に配置されたころがり軸受の外輪の真空側に磁石が装着されるとともに大気側に配置されたころがり軸受の外輪の大気側に磁石が装着され、
前記それぞれの磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着され、
前記ヨークと前記両側のころがり軸受との間隙に、ミスト及び前記ころがり軸受のボールの転動により発生するパーティクルの前記真空室または大気側への流出を防止するマグネットトラップである磁気空間が形成されることを特徴とする磁性流体を用いたシール装置。 - ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、
前記回転軸を前記ハウジング内において両持ち支持するように離間して配置された2つのころがり軸受を備え、
前記2つのころがり軸受の内、真空側に配置されたころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填されるとともに外輪の真空側に磁石が装着され、
前記磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着され、
前記ヨークと前記真空側に配置されたころがり軸受との間隙に、ミスト及び前記ころがり軸受のボールの転動により発生するパーティクルの前記真空室への流出を防止するマグネットトラップである磁気空間が形成されることを特徴とする磁性流体を用いたシール装置。 - ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、
前記回転軸を前記ハウジング内において両持ち支持するように離間して配置された2つのころがり軸受を備え、
前記2つのころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填され、
前記2つのころがり軸受において、真空側に配置されたころがり軸受の外輪の真空側に磁石が装着されるとともに大気側に配置されたころがり軸受の外輪の大気側に磁石が装着され、
前記それぞれの磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着され、
前記ヨークと前記2つのころがり軸受との間隙に、ミスト及び前記ころがり軸受のボールの転動により発生するパーティクルの前記真空室または大気側への流出を防止するマグネットトラップである磁気空間が形成されることを特徴とする磁性流体を用いたシール装置。 - 前記ころがり軸受の内、少なくとも前記真空側に配置されたころがり軸受の真空側にはシールドを設けることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の磁性流体を用いたシール装置。
- 前記回転軸を磁性材料から形成し、磁性流体を潤滑部に保持するところの磁気回路を、磁石、ヨーク、回転軸、ころがり軸受の内輪、ボール、及び、外輪の間で形成することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の磁性流体を用いたシール装置。
- 前記回転軸を磁性材料又は非磁性材料から形成し、磁性流体を潤滑部に保持するところの磁気回路を、磁石、ヨーク、ころがり軸受の内輪、ボール、及び、外輪の間で形成することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の磁性流体を用いたシール装置。
- 前記ヨークの断面形状がI字状であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の磁性流体を用いたシール装置。
- 前記ヨークの断面形状がL字状であって、該L字状の垂直部分が磁石に接し、水平部分は前記回転軸の表面に対向するように配設されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の磁性流体を用いたシール装置。
- 前記L字状のヨークの水平部分の前記回転軸の表面に対向する面に凹凸部が形成されることを特徴とする請求項9記載の磁性流体を用いたシール装置。
- 前記リング状のヨークの前記磁石に面する側に膨出部を設け、該膨出部の前記ころがり軸受の外輪側に開口する筒状又は矩形状の凹部を円周方向に複数設け、該凹部に前記磁石を嵌入させることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項記載の磁性流体を用いたシール装置。
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