JPH039346B2 - - Google Patents
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- JPH039346B2 JPH039346B2 JP58010447A JP1044783A JPH039346B2 JP H039346 B2 JPH039346 B2 JP H039346B2 JP 58010447 A JP58010447 A JP 58010447A JP 1044783 A JP1044783 A JP 1044783A JP H039346 B2 JPH039346 B2 JP H039346B2
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- pressure
- magnetic
- seal
- ferrofluid
- sealing device
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J15/00—Sealings
- F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
- F16J15/40—Sealings between relatively-moving surfaces by means of fluid
- F16J15/43—Sealings between relatively-moving surfaces by means of fluid kept in sealing position by magnetic force
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S277/00—Seal for a joint or juncture
- Y10S277/928—Seal including pressure relief or vent feature
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
- Sealing Of Bearings (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、高圧雰囲気と低圧雰囲気との間をシ
ールする磁性流体シール装置に関し、特に、高真
空システムにおける非噴出性の多段−1段の磁性
流体シール装置に関する。
ールする磁性流体シール装置に関し、特に、高真
空システムにおける非噴出性の多段−1段の磁性
流体シール装置に関する。
高圧雰囲気と低圧雰囲気との間、もしくは、異
種流体雰囲気間にある回転軸の周囲に磁性流体シ
ールを設けるために、例えば、高圧雰囲気として
の大気圧から低圧雰囲気としての真空室に伸長す
る回転軸の周囲にシールを設けるために、1971年
11月16日に発行された米国特許第3620584号に記
載されるシール等の回転軸用多段磁性流体シール
がしばしば用いられる。磁性流体による磁気シー
ルの基本的な構成部分は、永久磁石、2個の透磁
性磁極片、透磁性軸要素、代表的にはシールされ
るべき2つの雰囲気間に伸長する回転軸要素、及
びこれらの磁極片の端部で磁性流体O−リングを
形成すべく収容される磁性流体である。多段磁性
流体シールにおいては、回転軸表面と磁極片の一
方の端部との間にある半径方向の間〓に、シール
としての複数の分離した磁性流体の段を形成する
ように、軸又は磁極片は複数の歯又は隆起部を含
む。磁極片、軸及び永久磁石は多段磁性流体シー
ルの各段の下にある半径方向の間〓中に集中した
磁束を与える。理想的な状態においては、磁束線
のすべてが個々の段の下に絞られ、個々の段の間
にある段間の空間には少しも広がらない。典型的
には、段下方の磁界の強さは、通常8×105〜3
×104エルステツド/cm、中でも8×105エルステ
ツド/cm又はそれ未満である。使用される磁性流
体は各段の下に磁気的に導かれ、空気で満された
介在領域又は段間空間を伴つて、一連の液封O−
リングが形成される。シール段のそれぞれは、典
型的には約0.2気圧の圧力差に耐えることができ
る。個々の段は累加によつて力を増すように組と
なつて作動して、特殊な多段磁性流体シールに対
して総体的な耐圧能力を与える。
種流体雰囲気間にある回転軸の周囲に磁性流体シ
ールを設けるために、例えば、高圧雰囲気として
の大気圧から低圧雰囲気としての真空室に伸長す
る回転軸の周囲にシールを設けるために、1971年
11月16日に発行された米国特許第3620584号に記
載されるシール等の回転軸用多段磁性流体シール
がしばしば用いられる。磁性流体による磁気シー
ルの基本的な構成部分は、永久磁石、2個の透磁
性磁極片、透磁性軸要素、代表的にはシールされ
るべき2つの雰囲気間に伸長する回転軸要素、及
びこれらの磁極片の端部で磁性流体O−リングを
形成すべく収容される磁性流体である。多段磁性
流体シールにおいては、回転軸表面と磁極片の一
方の端部との間にある半径方向の間〓に、シール
としての複数の分離した磁性流体の段を形成する
ように、軸又は磁極片は複数の歯又は隆起部を含
む。磁極片、軸及び永久磁石は多段磁性流体シー
ルの各段の下にある半径方向の間〓中に集中した
磁束を与える。理想的な状態においては、磁束線
のすべてが個々の段の下に絞られ、個々の段の間
にある段間の空間には少しも広がらない。典型的
には、段下方の磁界の強さは、通常8×105〜3
×104エルステツド/cm、中でも8×105エルステ
ツド/cm又はそれ未満である。使用される磁性流
体は各段の下に磁気的に導かれ、空気で満された
介在領域又は段間空間を伴つて、一連の液封O−
リングが形成される。シール段のそれぞれは、典
型的には約0.2気圧の圧力差に耐えることができ
る。個々の段は累加によつて力を増すように組と
なつて作動して、特殊な多段磁性流体シールに対
して総体的な耐圧能力を与える。
多段磁性流体シールが、真空用、即ち低圧とし
ての真空雰囲気と、高圧としての大気圧又は大気
圧より高い雰囲気との間に用いられる場合には、
多段磁性流体シールは通常、高い雰囲気と低い雰
囲気間の圧力差よりも大きな圧力差に耐えるよう
に構成される、代表的には、高い圧力が大気圧で
あり、低い圧力が真空である場合には、多段磁性
流体シールが作動する際に安全上の余裕を与える
ために、約2気圧より大きい圧力差に耐えるよう
に構成される。はじめに所望の真空レベルまで真
空系をポンプで吸引した後は、段間領域からポン
プで吸引した真空系に空気を放出しないように、
多段磁性流体シールが作動すべきである。然しな
がら、高真空系、代表的には10-6トールの真空系
又は10-6トール未満の真空系に用いられる先行技
術による従来の多段磁性流体シールは、静的状態
又は動的状態のいずれにおいても、各段の磁性流
体シールを介して空気の噴出を可能にし且つ真空
系への空気噴出の導入を可能にし得る。空気の噴
出は、多段磁性流体シールの構成、磁性流体の装
入量及び作動条件に応じて、各種の周期で生起す
る。更に、多段磁性流体シールを始動させる場合
又は静止状態の後に初めて多段磁性流体シールを
使用する際に、空気の噴出が真空系に導入され
る。近代的な高真空処理システムに多段磁性流体
シールを使用する場合、高真空システムへの空気
噴出の発生は制限される。
ての真空雰囲気と、高圧としての大気圧又は大気
圧より高い雰囲気との間に用いられる場合には、
多段磁性流体シールは通常、高い雰囲気と低い雰
囲気間の圧力差よりも大きな圧力差に耐えるよう
に構成される、代表的には、高い圧力が大気圧で
あり、低い圧力が真空である場合には、多段磁性
流体シールが作動する際に安全上の余裕を与える
ために、約2気圧より大きい圧力差に耐えるよう
に構成される。はじめに所望の真空レベルまで真
空系をポンプで吸引した後は、段間領域からポン
プで吸引した真空系に空気を放出しないように、
多段磁性流体シールが作動すべきである。然しな
がら、高真空系、代表的には10-6トールの真空系
又は10-6トール未満の真空系に用いられる先行技
術による従来の多段磁性流体シールは、静的状態
又は動的状態のいずれにおいても、各段の磁性流
体シールを介して空気の噴出を可能にし且つ真空
系への空気噴出の導入を可能にし得る。空気の噴
出は、多段磁性流体シールの構成、磁性流体の装
入量及び作動条件に応じて、各種の周期で生起す
る。更に、多段磁性流体シールを始動させる場合
又は静止状態の後に初めて多段磁性流体シールを
使用する際に、空気の噴出が真空系に導入され
る。近代的な高真空処理システムに多段磁性流体
シールを使用する場合、高真空システムへの空気
噴出の発生は制限される。
従つて、高圧と低圧とを分離すべくシステムに
用いられる非噴出性の多段磁性流体シール、代表
的には真空室と外側の大気との間に有効な非噴出
性シールを設けるための非噴出性の多段磁性流体
シールを備えるのが望ましい。
用いられる非噴出性の多段磁性流体シール、代表
的には真空室と外側の大気との間に有効な非噴出
性シールを設けるための非噴出性の多段磁性流体
シールを備えるのが望ましい。
なお、空気噴出に関しては、数個の要因が寄与
すると考えられる。一つの要因は、磁性流体シー
ル装置中に用いられるシール構成部品の累積許容
誤差から生ずる半径方向の間〓の偏心に関連す
る。空気噴出に影響し得る別の要因は、そのよう
な磁性流体シール中に普通に存在する強い磁界勾
配から生ずる磁性流体中に懸濁した磁化粒子の凝
離を包含する。もう一つの要因は、単一磁極片の
下にある多段磁性流体シール中で、磁性流体が一
つの段から別の段へと不均一に分布することを包
含するであろう。この不均一な分布は、多段磁性
流体シールを組み立てる際に用いられる技術又は
磁性流体からの空気の脱着によつて生じ得る。も
う一つの要因は、回転軸又は用いられる磁極片に
関する欠陥又は損傷を含み得る。典型的にはこれ
らの欠陥は、顕微鏡検査によつて見ることができ
るに過ぎない。このようにして、これらの要因の
すべては単独に又は他の未知の要因と組み合わさ
つて多段磁性流体シール影響を与え得る、従つ
て、多段磁性流体シール中のそれぞれの段の耐圧
能力は、段ごとに、また磁性流体シールごとに同
一ではなく、又実際上時間と共に変化し得る。
すると考えられる。一つの要因は、磁性流体シー
ル装置中に用いられるシール構成部品の累積許容
誤差から生ずる半径方向の間〓の偏心に関連す
る。空気噴出に影響し得る別の要因は、そのよう
な磁性流体シール中に普通に存在する強い磁界勾
配から生ずる磁性流体中に懸濁した磁化粒子の凝
離を包含する。もう一つの要因は、単一磁極片の
下にある多段磁性流体シール中で、磁性流体が一
つの段から別の段へと不均一に分布することを包
含するであろう。この不均一な分布は、多段磁性
流体シールを組み立てる際に用いられる技術又は
磁性流体からの空気の脱着によつて生じ得る。も
う一つの要因は、回転軸又は用いられる磁極片に
関する欠陥又は損傷を含み得る。典型的にはこれ
らの欠陥は、顕微鏡検査によつて見ることができ
るに過ぎない。このようにして、これらの要因の
すべては単独に又は他の未知の要因と組み合わさ
つて多段磁性流体シール影響を与え得る、従つ
て、多段磁性流体シール中のそれぞれの段の耐圧
能力は、段ごとに、また磁性流体シールごとに同
一ではなく、又実際上時間と共に変化し得る。
従来の磁性流体シール装置には、以上の様な問
題点がある。
題点がある。
本発明の目的は、静的状態、動的状態の場合に
おいても低圧雰囲気への空気の導入無しに高圧雰
囲気と低圧雰囲気との間をシールし得る磁性流体
シール装置を提供することにある。
おいても低圧雰囲気への空気の導入無しに高圧雰
囲気と低圧雰囲気との間をシールし得る磁性流体
シール装置を提供することにある。
本発明によれば、前記目的は、円筒状の回転軸
と、軸と同軸的に収容しており、一端が高圧雰囲
気に面しており他端が低圧雰囲気に面している環
状のハウジングと、外周面がハウジングの一端に
おいてハウジングの内面に固定されており、内周
面が軸と協働して軸の半径方向に関する第1の間
〓を複数規定する環状の第1の磁極片と、外周面
がハウジングの他端においてハウジングの内面に
固定されており、内周面が軸と協働して軸の半径
方向に関する単一の第2の間〓を規定すると共
に、第1の磁極片と協働して空間を規定する環状
の第2の磁極片と、第1の磁極片と第2の磁極片
との間に設けられており、第1の磁極片と第2の
磁極片と軸とによつて磁気回路を形成すべく磁束
を発生する永久磁石と、前述の磁束により第1の
間〓の夫々に保持されており、第1の間〓の夫々
を封止する第1の磁性流体の複数と、前述の磁束
により第2の間〓に保持されており、第2の間〓
を封止する第2の磁性流体と、ハウジング連結さ
れており、空間の気圧を低圧雰囲気の気圧とほぼ
等しくするように空間から空気を除去する除去手
段とを備えている磁性流体シール装置によつて達
成される。
と、軸と同軸的に収容しており、一端が高圧雰囲
気に面しており他端が低圧雰囲気に面している環
状のハウジングと、外周面がハウジングの一端に
おいてハウジングの内面に固定されており、内周
面が軸と協働して軸の半径方向に関する第1の間
〓を複数規定する環状の第1の磁極片と、外周面
がハウジングの他端においてハウジングの内面に
固定されており、内周面が軸と協働して軸の半径
方向に関する単一の第2の間〓を規定すると共
に、第1の磁極片と協働して空間を規定する環状
の第2の磁極片と、第1の磁極片と第2の磁極片
との間に設けられており、第1の磁極片と第2の
磁極片と軸とによつて磁気回路を形成すべく磁束
を発生する永久磁石と、前述の磁束により第1の
間〓の夫々に保持されており、第1の間〓の夫々
を封止する第1の磁性流体の複数と、前述の磁束
により第2の間〓に保持されており、第2の間〓
を封止する第2の磁性流体と、ハウジング連結さ
れており、空間の気圧を低圧雰囲気の気圧とほぼ
等しくするように空間から空気を除去する除去手
段とを備えている磁性流体シール装置によつて達
成される。
本発明の装置によれば、第1の磁性流体の複数
が、永久磁石の磁束により高圧雰囲気側の第1の
間〓の夫々に保持されていると共に第1の間〓の
夫々を封止しており、第2の磁性流体が、永久磁
石の磁束により低圧雰囲気側の第2の間〓に保持
されていると共に第2の間〓を封止しており、除
去手段が、第1の磁極片と第2の磁極片とが協働
して規定する空間の気圧を低圧雰囲気の気圧とほ
ぼ等しくするように空間から空気を除去するが故
に、当該空間の気圧と低圧雰囲気の気圧とが等し
いので第2の磁性流体が空気の噴出のない安定し
た非噴出状態に維持され得、第1の磁性流体の複
数と第2の磁性流体との協働により、静的状態及
び動的状態のいずれの場合においても低圧雰囲気
への空気の導入無しに高圧雰囲気と低圧雰囲気と
の間をシールし得、その結果、低圧システムの汚
染を防止し得、しかも、接触型シールを使用せず
磁性流体シールのみで構成しているため動力損失
を小さくし得る。
が、永久磁石の磁束により高圧雰囲気側の第1の
間〓の夫々に保持されていると共に第1の間〓の
夫々を封止しており、第2の磁性流体が、永久磁
石の磁束により低圧雰囲気側の第2の間〓に保持
されていると共に第2の間〓を封止しており、除
去手段が、第1の磁極片と第2の磁極片とが協働
して規定する空間の気圧を低圧雰囲気の気圧とほ
ぼ等しくするように空間から空気を除去するが故
に、当該空間の気圧と低圧雰囲気の気圧とが等し
いので第2の磁性流体が空気の噴出のない安定し
た非噴出状態に維持され得、第1の磁性流体の複
数と第2の磁性流体との協働により、静的状態及
び動的状態のいずれの場合においても低圧雰囲気
への空気の導入無しに高圧雰囲気と低圧雰囲気と
の間をシールし得、その結果、低圧システムの汚
染を防止し得、しかも、接触型シールを使用せず
磁性流体シールのみで構成しているため動力損失
を小さくし得る。
以下、本発明の理解を助けるために第1図〜第
5図を参照しながら単一段シールの耐圧能力に従
う磁性流体による液封の挙動を説明する。第1図
は、シール段4の両側の圧力が等しいか、又はほ
ぼ等しい場合に、磁性流体シールの単一段磁極片
の下にある磁性流体5が示す流動形状を表す。6
は軸である。
5図を参照しながら単一段シールの耐圧能力に従
う磁性流体による液封の挙動を説明する。第1図
は、シール段4の両側の圧力が等しいか、又はほ
ぼ等しい場合に、磁性流体シールの単一段磁極片
の下にある磁性流体5が示す流動形状を表す。6
は軸である。
第2図は、単一段磁性流体シールの耐圧能力を
シール段4にある磁性流体装入量の関数としてグ
ラフ的に示した説明図である。第2図は、単一段
に磁性流体5が存在しない場合には、この段には
耐圧能力が生じないことを示す。第2図から、単
一段の耐圧能力が半径方向の間〓の下にある磁性
流体量と共に増加し、その後、間〓下方の磁性流
体量と全く無関係になることが判る。単一段シー
ルの最大耐圧能力を達成するためには、必要な磁
性流体量は、単一段下方の半径方向の間〓中の中
空の間〓要領の約1.5倍であることが判つた。図
示されるように、最適容量以下で磁性流体量が変
化すると、単一段磁性流体シールの耐圧能力に変
化を生ずる。
シール段4にある磁性流体装入量の関数としてグ
ラフ的に示した説明図である。第2図は、単一段
に磁性流体5が存在しない場合には、この段には
耐圧能力が生じないことを示す。第2図から、単
一段の耐圧能力が半径方向の間〓の下にある磁性
流体量と共に増加し、その後、間〓下方の磁性流
体量と全く無関係になることが判る。単一段シー
ルの最大耐圧能力を達成するためには、必要な磁
性流体量は、単一段下方の半径方向の間〓中の中
空の間〓要領の約1.5倍であることが判つた。図
示されるように、最適容量以下で磁性流体量が変
化すると、単一段磁性流体シールの耐圧能力に変
化を生ずる。
第3図は、単一段磁性流体シールの説明図であ
つて、磁性流体シールの一方の側に高圧雰囲気、
他方の側に低圧雰囲気が存在する場合の磁性流体
シールの最大耐圧能力点を表わす。第3図に示さ
れるような単一段は釣り合いが取られており、隣
接する段における磁性流体の得喪から生ずる磁性
流体形状の任意の変化は段の耐圧能力を変化させ
るであろう。図示されるように、釣り合いのとれ
た段にある磁性流体5は、磁極片の端部に配置さ
れた高圧側に磁性流体5の輪郭線を有し、一方磁
性流体5の別の輪郭線は低圧雰囲気に向つて外側
へ湾曲する。第3図に示されるような特殊な形状
は、単に説明のためのものである。更に、第3図
に特別に示されるような単一段磁性流体シールの
耐圧能力は、全く別種の物理的機構にもとづいて
時間と共に変化し得ることが判明した。有機エス
テル、炭化水素、シリコン油又は他の流体等の液
状の不揮発性キヤリヤ中にコロイド状に懸濁され
たミクロン以下の大きさの磁気を帯びた粒子は強
い磁界勾配に支配され、又そのようなミクロン以
下の大きさの磁気を帯びた粒子は、最も大きな磁
界強度の方向に集合する傾向があることが判つ
た。この現象は、複数の磁極のうち単一段の縁部
近傍における磁性流体5の磁化を有効に増大さ
せ、又単一段の境界から離れた磁性流体の磁化を
減少させるに到る。
つて、磁性流体シールの一方の側に高圧雰囲気、
他方の側に低圧雰囲気が存在する場合の磁性流体
シールの最大耐圧能力点を表わす。第3図に示さ
れるような単一段は釣り合いが取られており、隣
接する段における磁性流体の得喪から生ずる磁性
流体形状の任意の変化は段の耐圧能力を変化させ
るであろう。図示されるように、釣り合いのとれ
た段にある磁性流体5は、磁極片の端部に配置さ
れた高圧側に磁性流体5の輪郭線を有し、一方磁
性流体5の別の輪郭線は低圧雰囲気に向つて外側
へ湾曲する。第3図に示されるような特殊な形状
は、単に説明のためのものである。更に、第3図
に特別に示されるような単一段磁性流体シールの
耐圧能力は、全く別種の物理的機構にもとづいて
時間と共に変化し得ることが判明した。有機エス
テル、炭化水素、シリコン油又は他の流体等の液
状の不揮発性キヤリヤ中にコロイド状に懸濁され
たミクロン以下の大きさの磁気を帯びた粒子は強
い磁界勾配に支配され、又そのようなミクロン以
下の大きさの磁気を帯びた粒子は、最も大きな磁
界強度の方向に集合する傾向があることが判つ
た。この現象は、複数の磁極のうち単一段の縁部
近傍における磁性流体5の磁化を有効に増大さ
せ、又単一段の境界から離れた磁性流体の磁化を
減少させるに到る。
単一段磁性流体シールに対するこの現象の有効
な効果、即ち安定した効果は、第4図に特別にグ
ラフで示したように、耐圧能力段階の中の1つの
段階については有効な耐圧能力を示すことにある
ことが判明した。第4図において、曲線1は、第
2図に図示したような最適値未満の磁性流体装入
量に相当し、一方、曲線3は、第2図に示したよ
うな最適値を超える磁性流体装入量に相当する。
第4図中の曲線2は、曲線1と曲線2という両極
端の間にある磁性流体装入量を代表している。第
4図によつて説明したように、単一段下方の磁性
流体装入量はほぼ適切な量で存在することが可能
である。単一段の耐圧能力は時間によつて殆ど影
響を受けない。
な効果、即ち安定した効果は、第4図に特別にグ
ラフで示したように、耐圧能力段階の中の1つの
段階については有効な耐圧能力を示すことにある
ことが判明した。第4図において、曲線1は、第
2図に図示したような最適値未満の磁性流体装入
量に相当し、一方、曲線3は、第2図に示したよ
うな最適値を超える磁性流体装入量に相当する。
第4図中の曲線2は、曲線1と曲線2という両極
端の間にある磁性流体装入量を代表している。第
4図によつて説明したように、単一段下方の磁性
流体装入量はほぼ適切な量で存在することが可能
である。単一段の耐圧能力は時間によつて殆ど影
響を受けない。
磁性流体シール機構が、大気/真空システムに
用いられる場合、空気の噴出、即ちシールの破裂
は、大気から真空雰囲気中に少量の空気を導入さ
せることに帰着する。この空気の導入は、真空シ
ステムについて残留ガスを分折することによつて
立証されるのがしばしばである。このようにし
て、真空システムにおいては、10-6トールの圧力
又はそれ未満の圧力に構成されたシステムは、磁
性流体シールの破壊による空気の噴出のために、
一時的に圧力を増加させ得る。空気噴出は、雰囲
気の真空側に近い磁性流体シールの段間領域のい
ずれかから起り得、代表的には、高圧側から低圧
側に向う空気の移動と調和して、真空側又は低圧
側に向つて段階的に作用する。そのようなシステ
ムにおいては、低真空系は最低圧の場所であつ
て、真空側から高圧側に向つて出発する段間領域
は、各段において比較的高い圧力変化を連続的に
示す。真空側の最初の数段は臨界的に釣り合いが
とれているのが代表的であり、又耐圧能力は各種
の要因によつて影響されうることが判明した。そ
のような環境においては、それぞれの段は弁のよ
うに作用する、即ち段は、持ち上るか、又は動い
て段間空間内の過剰圧力を減少させ、その後に迅
速に再度密閉される。空気噴出の際の任意の磁性
流体単一段の運動は、典型的には定常状態からの
逸脱を意味する。
用いられる場合、空気の噴出、即ちシールの破裂
は、大気から真空雰囲気中に少量の空気を導入さ
せることに帰着する。この空気の導入は、真空シ
ステムについて残留ガスを分折することによつて
立証されるのがしばしばである。このようにし
て、真空システムにおいては、10-6トールの圧力
又はそれ未満の圧力に構成されたシステムは、磁
性流体シールの破壊による空気の噴出のために、
一時的に圧力を増加させ得る。空気噴出は、雰囲
気の真空側に近い磁性流体シールの段間領域のい
ずれかから起り得、代表的には、高圧側から低圧
側に向う空気の移動と調和して、真空側又は低圧
側に向つて段階的に作用する。そのようなシステ
ムにおいては、低真空系は最低圧の場所であつ
て、真空側から高圧側に向つて出発する段間領域
は、各段において比較的高い圧力変化を連続的に
示す。真空側の最初の数段は臨界的に釣り合いが
とれているのが代表的であり、又耐圧能力は各種
の要因によつて影響されうることが判明した。そ
のような環境においては、それぞれの段は弁のよ
うに作用する、即ち段は、持ち上るか、又は動い
て段間空間内の過剰圧力を減少させ、その後に迅
速に再度密閉される。空気噴出の際の任意の磁性
流体単一段の運動は、典型的には定常状態からの
逸脱を意味する。
第5a図は、臨界的に釣り合つた段(臨界的平
衡段階)における、即ち空気の噴出直前であるけ
れども定常状態として示される単一段磁性流体シ
ールを略図的に示したものである。第5b図は、
空気の噴出が起つた後の単一段磁性流体シール
(噴出時における変化)を略図的に示したもので
ある。この場合、ガス、即ち空気は磁性流体が持
ち上つている間に高圧側から磁性流体層境界と軸
表面の間を通つて低圧雰囲気又は真空雰囲気へと
移動する。第5b図に示したような噴出後の単一
段が、第5a図に示したような元の定常状態に戻
るまでに多少の時間がかかり得ることが判明し
た。勿論、この場合、シールの要因に応じて別の
空気噴出が起り得る、又この空気の噴出現象は周
期的に繰返され得て、磁性流体シールの有効性を
減少させるに到る。
衡段階)における、即ち空気の噴出直前であるけ
れども定常状態として示される単一段磁性流体シ
ールを略図的に示したものである。第5b図は、
空気の噴出が起つた後の単一段磁性流体シール
(噴出時における変化)を略図的に示したもので
ある。この場合、ガス、即ち空気は磁性流体が持
ち上つている間に高圧側から磁性流体層境界と軸
表面の間を通つて低圧雰囲気又は真空雰囲気へと
移動する。第5b図に示したような噴出後の単一
段が、第5a図に示したような元の定常状態に戻
るまでに多少の時間がかかり得ることが判明し
た。勿論、この場合、シールの要因に応じて別の
空気噴出が起り得る、又この空気の噴出現象は周
期的に繰返され得て、磁性流体シールの有効性を
減少させるに到る。
空気の噴出を起す真空側の第1段に隣接する空
間である第1の段間領域中の空気が、ポンプで排
出されるか、真空ポンプ又は別の真空手段を用い
て、所望の低圧に維持される場合には、真空シス
テム側又は低圧側に入り込む空気噴出が妨げられ
ることが判明した。第1の真空段の次の磁性流体
段が、多段磁極片の下に存在するにもかかわら
ず、周期的な空気の噴出を受け続け得ること注目
すべきである。然しながら、本発明のシール装置
の場合、そのような空気噴出は低圧システムに影
響を及ぼさない。磁極片の両側に複数の段、特に
近接した段を有する既存の先行技術による磁性流
体シールの構成は、空気噴出を防止するというこ
の考えを容易には達成させ得ない。
間である第1の段間領域中の空気が、ポンプで排
出されるか、真空ポンプ又は別の真空手段を用い
て、所望の低圧に維持される場合には、真空シス
テム側又は低圧側に入り込む空気噴出が妨げられ
ることが判明した。第1の真空段の次の磁性流体
段が、多段磁極片の下に存在するにもかかわら
ず、周期的な空気の噴出を受け続け得ること注目
すべきである。然しながら、本発明のシール装置
の場合、そのような空気噴出は低圧システムに影
響を及ぼさない。磁極片の両側に複数の段、特に
近接した段を有する既存の先行技術による磁性流
体シールの構成は、空気噴出を防止するというこ
の考えを容易には達成させ得ない。
第6図には、本発明の磁性流体シール装置の一
実施例が示される。第6図に示されるように、一
方の磁極片の下にある単一段シールが真空側に存
在し、一方、他方の磁極片の下にある別の多数の
段すべてが、大気側又は高圧側に存在し、且つ磁
性流体シールの特殊な設計耐圧能力、典型的には
1気圧より大きい耐圧能力、更に詳しくは約2気
圧の耐圧能力が得られる。第6図には、第1の磁
性流体段と、別の磁極片の下にある残りの多数の
段との間にある段間領域の空間が示される。この
空間は環状の永久磁石の下の空間のことである。
この第1の段間空間、真空ポンプ又は真空手段及
び第1の段間空間の中に伸長する通路を用いるこ
とによつて、特殊な低圧、例えば大気/真空シス
テムにおいては10-1〜10-3トール等の10-4トール
未満の圧力に維持される。典型的には、第1の段
間空間はシールハウジング上の出入口を介してポ
ンプで排気される。磁性流体シール装置は、真空
側の磁極片と大気側の磁極片の多数の段との間に
形成された狭いスリツト、管路又は通路と、磁極
片の間を分離する永久磁石とによつて構成され
る。永久磁石の上方の空間には、第1の段間空間
からポンプによつて空気を排出するための導通路
を備え得る。第6図において一方の磁極片の下に
ある多数の段に示されるように、磁性流体O−リ
ングを適切に配置して、真空雰囲気を密閉し、且
つ所望の圧力を与える。
実施例が示される。第6図に示されるように、一
方の磁極片の下にある単一段シールが真空側に存
在し、一方、他方の磁極片の下にある別の多数の
段すべてが、大気側又は高圧側に存在し、且つ磁
性流体シールの特殊な設計耐圧能力、典型的には
1気圧より大きい耐圧能力、更に詳しくは約2気
圧の耐圧能力が得られる。第6図には、第1の磁
性流体段と、別の磁極片の下にある残りの多数の
段との間にある段間領域の空間が示される。この
空間は環状の永久磁石の下の空間のことである。
この第1の段間空間、真空ポンプ又は真空手段及
び第1の段間空間の中に伸長する通路を用いるこ
とによつて、特殊な低圧、例えば大気/真空シス
テムにおいては10-1〜10-3トール等の10-4トール
未満の圧力に維持される。典型的には、第1の段
間空間はシールハウジング上の出入口を介してポ
ンプで排気される。磁性流体シール装置は、真空
側の磁極片と大気側の磁極片の多数の段との間に
形成された狭いスリツト、管路又は通路と、磁極
片の間を分離する永久磁石とによつて構成され
る。永久磁石の上方の空間には、第1の段間空間
からポンプによつて空気を排出するための導通路
を備え得る。第6図において一方の磁極片の下に
ある多数の段に示されるように、磁性流体O−リ
ングを適切に配置して、真空雰囲気を密閉し、且
つ所望の圧力を与える。
本発明の磁性流体シール装置を含む非噴出シス
テムが、単に第6図と関連させて説明するために
記載される。その場合、システム10は、ハウジ
ング12内に多段/1段シール装置を包含して示
され、ハウジング12は回転軸14を囲繞し、ハ
ウジング12とシールが、低圧雰囲気、即ち真空
室から高圧雰囲気、即ち大気を分離する。本実施
例は、一対の軸受16及び18を含み、且つ環状
の第1の磁極片としての透磁性磁極片24及び第
2の磁極片としての透磁性磁極片22と共に環状
の永久磁石20を含む。磁性流体シールは、磁極
片22の一方の端部の下にある第2の磁性流体と
しての単一段磁性流体シール26である。磁極片
24は、軸14上に形成された複数の隆起部28
によつて、複数の第1の磁性流体としての多段磁
性流体シール30を形成する。勿論、任意ではあ
るが、平滑な表面を有する軸14と共に、隆起部
28を磁極片24の端部に形成し得る。軸14を
囲繞するように示される磁極片22及び24と永
久磁石20は、単一段シール26と、多段シール
30と共に、最初の段間空間32を形成する。軸
14の周囲の環状空間である段間空間32は、除
去手段としての真空ポンプ40に対する管路と共
に、永久磁石20と出入口36の中に伸長する突
き通し孔又は通路34を包含する。この管路は、
段間空間32内を所望の圧力に維持すべく真空ポ
ンプ40を作動させるための圧力監視手段すなわ
ち圧力監視器50を含み得る。真空室に接触する
ハウジング12を密閉するためにO−リング42
が用いられ、一方、O−リング44と46は、磁
極片22及び24とハウジング12との間を密閉
する。
テムが、単に第6図と関連させて説明するために
記載される。その場合、システム10は、ハウジ
ング12内に多段/1段シール装置を包含して示
され、ハウジング12は回転軸14を囲繞し、ハ
ウジング12とシールが、低圧雰囲気、即ち真空
室から高圧雰囲気、即ち大気を分離する。本実施
例は、一対の軸受16及び18を含み、且つ環状
の第1の磁極片としての透磁性磁極片24及び第
2の磁極片としての透磁性磁極片22と共に環状
の永久磁石20を含む。磁性流体シールは、磁極
片22の一方の端部の下にある第2の磁性流体と
しての単一段磁性流体シール26である。磁極片
24は、軸14上に形成された複数の隆起部28
によつて、複数の第1の磁性流体としての多段磁
性流体シール30を形成する。勿論、任意ではあ
るが、平滑な表面を有する軸14と共に、隆起部
28を磁極片24の端部に形成し得る。軸14を
囲繞するように示される磁極片22及び24と永
久磁石20は、単一段シール26と、多段シール
30と共に、最初の段間空間32を形成する。軸
14の周囲の環状空間である段間空間32は、除
去手段としての真空ポンプ40に対する管路と共
に、永久磁石20と出入口36の中に伸長する突
き通し孔又は通路34を包含する。この管路は、
段間空間32内を所望の圧力に維持すべく真空ポ
ンプ40を作動させるための圧力監視手段すなわ
ち圧力監視器50を含み得る。真空室に接触する
ハウジング12を密閉するためにO−リング42
が用いられ、一方、O−リング44と46は、磁
極片22及び24とハウジング12との間を密閉
する。
第6図は、本実施例の片半分の断面図であつ
て、軸14の下側のもう一方の半分に関する断面
図(図示せず)は、通路34、出入口36又は真
空ポンプ40を除いて同じ図になる。
て、軸14の下側のもう一方の半分に関する断面
図(図示せず)は、通路34、出入口36又は真
空ポンプ40を除いて同じ図になる。
本実施例において、真空、例えば1×10-6トー
ル又は1×10-6トール未満の真空は、真空雰囲気
を意味し、一方大気は高圧雰囲気を意味する。多
段シール30は約2気圧の耐圧能力を与えるよう
に構成される。本実施例においては、真空ポンプ
40は、任意ではあるが、真空室を所望の圧力に
維持するために同一の真空ポンプ40又は別の真
空ポンプを使用し得、真空ポンプ40が、通路3
4及び出入口36を介して段間空間32から空気
を周期的又は連続的に排気することにより、段間
空間32を大気圧と真空圧、典型的には例えば
10-1〜10-3トールの圧力、との中間の圧力に維持
する。所望とあれば、段間空間32を真空室と同
一の圧力に保持できる。説明したように、単一段
シール26が非噴出シールを与え、一方、多段シ
ール30が高圧雰囲気と低圧雰囲気との間に必要
とされる耐圧能力を提供する。
ル又は1×10-6トール未満の真空は、真空雰囲気
を意味し、一方大気は高圧雰囲気を意味する。多
段シール30は約2気圧の耐圧能力を与えるよう
に構成される。本実施例においては、真空ポンプ
40は、任意ではあるが、真空室を所望の圧力に
維持するために同一の真空ポンプ40又は別の真
空ポンプを使用し得、真空ポンプ40が、通路3
4及び出入口36を介して段間空間32から空気
を周期的又は連続的に排気することにより、段間
空間32を大気圧と真空圧、典型的には例えば
10-1〜10-3トールの圧力、との中間の圧力に維持
する。所望とあれば、段間空間32を真空室と同
一の圧力に保持できる。説明したように、単一段
シール26が非噴出シールを与え、一方、多段シ
ール30が高圧雰囲気と低圧雰囲気との間に必要
とされる耐圧能力を提供する。
本実施例の磁性流体シール装置に用いられる半
径方向の間〓の大きさと磁性流体の種類は変更し
得る。然しながら、本実施例の磁性流体シール装
置においては、真空側、即ち単一段シール26上
では大きな半径方向の間〓、大気側、即ち多段シ
ール30上では比較的小さな半径方向の間〓を用
いるのが望ましいことが多い。典型的には、その
ようなシステムに用いられる通常の磁性流体シー
ルは、2〜3ミルの半径方向の間〓と、450ガウ
スまでの磁性流体−飽和−磁化値と500cps(27℃
における)の粘度を有する磁性流体とを用いて構
成される。前述の如く、偏心及び磁界の変動等の
噴出に寄与する要因を最小にするため、即ち、シ
ールの下方に比較的多量の磁性流体を設けるため
に、必要以上に大きな半径方向の間〓を有する単
一段間〓を備えるのが望ましい。特に第2図に示
したように最大耐圧能力は、第1図に示したよう
な磁性流体の概略の形状に基づいて計算した中空
間〓容積の約1.5倍の磁性流体量において得られ
る。
径方向の間〓の大きさと磁性流体の種類は変更し
得る。然しながら、本実施例の磁性流体シール装
置においては、真空側、即ち単一段シール26上
では大きな半径方向の間〓、大気側、即ち多段シ
ール30上では比較的小さな半径方向の間〓を用
いるのが望ましいことが多い。典型的には、その
ようなシステムに用いられる通常の磁性流体シー
ルは、2〜3ミルの半径方向の間〓と、450ガウ
スまでの磁性流体−飽和−磁化値と500cps(27℃
における)の粘度を有する磁性流体とを用いて構
成される。前述の如く、偏心及び磁界の変動等の
噴出に寄与する要因を最小にするため、即ち、シ
ールの下方に比較的多量の磁性流体を設けるため
に、必要以上に大きな半径方向の間〓を有する単
一段間〓を備えるのが望ましい。特に第2図に示
したように最大耐圧能力は、第1図に示したよう
な磁性流体の概略の形状に基づいて計算した中空
間〓容積の約1.5倍の磁性流体量において得られ
る。
このようにして、例えば、好ましい実施例の一
つとして単一段シール26は真空側に約4〜12ミ
ルの範囲に亘る間〓を有し得、一方、多段シール
30は大気圧側に約2〜6ミルの範囲に亘る間〓
を有し得る。非噴出性シール長い寿命を与えるた
めには勿論、偏心と磁界の変動の影響を最小にす
るためには、大きな間〓が望ましい。
つとして単一段シール26は真空側に約4〜12ミ
ルの範囲に亘る間〓を有し得、一方、多段シール
30は大気圧側に約2〜6ミルの範囲に亘る間〓
を有し得る。非噴出性シール長い寿命を与えるた
めには勿論、偏心と磁界の変動の影響を最小にす
るためには、大きな間〓が望ましい。
本実施例の磁性流体シール装置には各種の磁性
流体を使用し得る。一般に、単一段シール26及
び多段シール30の双方に、同一の磁性流体組成
物が用いられる。典型的な磁性流体は、200〜
1000ガウス、例えば500〜1000ガウスの範囲に磁
化され、且つ50cps〜900cps、例えば27℃で50〜
300cpsの粘度を有する磁性流体を包含する。磁性
流体中のキヤリヤ液体は、通常シリコーン油、炭
化水素、エステル又は他の液体キヤリヤ等の不揮
発性液体キヤリヤから成る。低磁界勾配の存在下
で十分な耐圧能力を達成し、且つ磁性流体中での
粒子集積拡散から生ずる時間依存性の磁性流体変
化を最小にするために、非噴出性シール中に1000
ガウスに近い飽和磁化値を有する磁性流体を用い
るのが望ましい。1000ガウスの磁性流体等の高ガ
ウス磁性流体の特徴は、粒子積集への変化を本質
的に殆ど許容しない粒子密度にある。単一段シー
ル26は、通常マイクロデイスペンサを用いて正
確な量の磁性流体を適用することによつて形成さ
れる。この磁性流体は、噴出に対する段の安定性
を更にに確実にするために単一段の真空側に加え
られる。2ミル位半径方向の間〓を変化させなが
ら、磁性流体粘度と磁性流体の磁化率とを種々組
み合せてテストする。真空側の圧力が10-6トール
又は10-6トール未満の範囲にある場合に、有望に
も殆ど噴出を示さないか又は噴出を示さないなら
ば、満足すべきものである。
流体を使用し得る。一般に、単一段シール26及
び多段シール30の双方に、同一の磁性流体組成
物が用いられる。典型的な磁性流体は、200〜
1000ガウス、例えば500〜1000ガウスの範囲に磁
化され、且つ50cps〜900cps、例えば27℃で50〜
300cpsの粘度を有する磁性流体を包含する。磁性
流体中のキヤリヤ液体は、通常シリコーン油、炭
化水素、エステル又は他の液体キヤリヤ等の不揮
発性液体キヤリヤから成る。低磁界勾配の存在下
で十分な耐圧能力を達成し、且つ磁性流体中での
粒子集積拡散から生ずる時間依存性の磁性流体変
化を最小にするために、非噴出性シール中に1000
ガウスに近い飽和磁化値を有する磁性流体を用い
るのが望ましい。1000ガウスの磁性流体等の高ガ
ウス磁性流体の特徴は、粒子積集への変化を本質
的に殆ど許容しない粒子密度にある。単一段シー
ル26は、通常マイクロデイスペンサを用いて正
確な量の磁性流体を適用することによつて形成さ
れる。この磁性流体は、噴出に対する段の安定性
を更にに確実にするために単一段の真空側に加え
られる。2ミル位半径方向の間〓を変化させなが
ら、磁性流体粘度と磁性流体の磁化率とを種々組
み合せてテストする。真空側の圧力が10-6トール
又は10-6トール未満の範囲にある場合に、有望に
も殆ど噴出を示さないか又は噴出を示さないなら
ば、満足すべきものである。
第1図は、単一段シールにおける磁性流体シー
ルの形状に関する略説明図、第2図は、単一段磁
性流体シールの耐圧能力を磁性流体装入量の関数
として示すグラフ、第3図は、シール段を横断す
る圧力差を伴う単一段磁性流体シールの略説明
図、第4図は単一段磁性流体シールに関する耐圧
能力対時間のグラフによる説明図、第5a図は定
常状態にある単一段磁性流体シールの略説明図、
第5b図は空気噴出時の単一段磁性流体シールの
略説明図、及び第6図は、本発明の磁性流体シー
ル装置の一実施例の部分断面図である。 14……回転軸、20……環状永久磁石、2
2,24……透磁性磁極片、26……単一段磁性
流体シール、28……隆起部、30……多段磁性
流体シール、32……段間空間、34……通路、
40……真空ポンプ。
ルの形状に関する略説明図、第2図は、単一段磁
性流体シールの耐圧能力を磁性流体装入量の関数
として示すグラフ、第3図は、シール段を横断す
る圧力差を伴う単一段磁性流体シールの略説明
図、第4図は単一段磁性流体シールに関する耐圧
能力対時間のグラフによる説明図、第5a図は定
常状態にある単一段磁性流体シールの略説明図、
第5b図は空気噴出時の単一段磁性流体シールの
略説明図、及び第6図は、本発明の磁性流体シー
ル装置の一実施例の部分断面図である。 14……回転軸、20……環状永久磁石、2
2,24……透磁性磁極片、26……単一段磁性
流体シール、28……隆起部、30……多段磁性
流体シール、32……段間空間、34……通路、
40……真空ポンプ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 高圧雰囲気と低圧雰囲気との間をシールする
磁性流体シール装置であつて、円筒状の回転軸
と、前記軸を同軸的に収容しており、一端が高圧
雰囲気に面しており他端が低圧雰囲気に面してい
る環状のハウジングと、外周面が前記ハウジング
の一端において前記ハウジングの内面に固定され
ており、内周面が前記軸と協働して前記軸の半径
方向に関する第1の間〓を複数規定する環状の第
1の磁極片と、外周面が前記ハウジングの他端に
おいて前記ハウジングの内面に固定されており、
内周面が前記軸と協働して前記軸の半径方向に関
する単一の第2の間〓を規定すると共に、前記第
1の磁極片と協働して空間を規定する環状の第2
の磁極片と、前記第1の磁極片と前記第2の磁極
片との間に設けられており、前記第1の磁極片と
前記第2の磁極片と前記軸とによつて磁気回路を
形成すべく磁束を発生する永久磁石と、前記磁束
により前記第1の間〓の夫々に保持されており、
前記第1の間〓の夫々を封止する第1の磁性流体
の複数と、前記磁束により前記第2の間〓に保持
されており、前記第2の間〓を封止する第2の磁
性流体と、前記ハウジングに連結されており、前
記空間の気圧を前記低圧雰囲気の気圧とほぼ等し
くするように前記空間から空気を除去する除去手
段とを備えている磁性流体シール装置。 2 前記半径方向に関する前記第2の間〓の幅が
前記半径方向に関する前記第1の間〓の各幅より
も大きい特許請求の範囲第1項に記載のシール装
置。 3 前記第2の磁性流体の容積が前記第2の間〓
の容積の約1.5倍である特許請求の範囲第1項又
は第2項に記載のシール装置。 4 前記第1の磁性流体及び前記第2の磁性流体
の夫々が不揮発性液体キヤリアを含んでおり、約
200〜1000ガウスの磁化率及び27℃で約50cps〜
900cpsの粘度を有している特許請求の範囲第1項
から第3項のいずれか一項に記載のシール装置。 5 前記除去手段が、前記空間の気圧を検知する
と共に前記空間を所定の気圧に維持するように除
去手段を作動させる制御手段を含む特許請求の範
囲第1項から第4項のいずれか一項に記載のシー
ル装置。 6 前記除去手段が真空ポンプからなる特許請求
の範囲第1項から第5項のいずれか一項に記載の
シール装置。 7 前記真空ポンプが、前記空気を連続的又は周
期的に排出する特許請求の範囲第6項に記載のシ
ール装置。 8 前記高圧雰囲気が大気圧であり、前記低圧雰
囲気が約10-6トール以下の真空である特許請求の
範囲第1項から第7項のいずれか一項に記載のシ
ール装置。 9 前記真空ポンプが、前記空間の気圧を約10-1
〜10-3トールに維持する特許請求の範囲第8項に
記載のシール装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US06/455,065 US4407518A (en) | 1983-01-05 | 1983-01-05 | Nonbursting multiple-stage ferrofluid seal and system |
US455065 | 1989-12-22 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS59126169A JPS59126169A (ja) | 1984-07-20 |
JPH039346B2 true JPH039346B2 (ja) | 1991-02-08 |
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