JPH1194095A

JPH1194095A - 磁性流体を利用した密封装置

Info

Publication number: JPH1194095A
Application number: JP9276440A
Authority: JP
Inventors: Takumi Kimura; 巧木村
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】磁性流体が保持されるステージ部へ伝達され
る熱の影響を削減し、磁性流体を安定して保持すること
により密封性能を向上可能とする磁性流体を利用した密
封装置を提供する。【解決手段】軸孔部３と回転軸２の間の環状隙間４
に、磁束が通過するステージ部ＳＴを配置し、このステ
ージ部ＳＴの構成を回転軸２に固定される固定環部９
ａ，９ｂと、この固定環部９ａ，９ｂから軸方向に延出
される環状対向面部９ｃと、回転軸２と環状対向面部９
ｃの間に形成される環状の断熱空間１４からなるものと
し、さらに、断熱空間１４と真空チャンバＶＣ内部とを
連通する連通孔１５を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、密封装置の温度変化による密封性へ
与える影響を低減可能とする技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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
流体の位置を保持し得る磁性流体の特性を利用した種々
の密封装置がある。

【０００３】図４（ａ）は、このような磁性流体を利用
した一従来例としての密封装置１００の断面構成を説明
する図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＤ１０１部
の磁場の強さを説明する図、図５は、図４（ａ）のＤ１
０１部の拡大図である。図４及び図５により密封装置１
００を説明する。

【０００４】この密封装置１００は、圧力差のある高圧
側Ｈ（この従来例においては大気側）及び低圧側Ｌ（こ
の従来例においては真空チャンバの容器内）の２領域間
にまたがる回転軸１０１及び回転軸１０１の軸受部１０
３の間に備えられている。

【０００５】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１
０２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。

【０００６】また、軸受部１０３の円筒部１０３ａ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。

【０００７】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。

【０００８】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（以降の説明にお
いては、磁極部材１０５を代表させて行う）が備えられ
ている。

【０００９】そして、磁極部材１０５に対向する部位に
複数本の周方向に連続する凹溝１０７ａ，１０７ｂ，・
・・を形成したスリーブ１０７が、ベアリングＢ１，Ｂ
２に挟まれるように回転軸１０１の表面に一体的に嵌合
固定されている。なお、回転軸１０１とスリーブ１０７
は一体部品とすることも可能である。

【００１０】従って、磁極部材１０５の内周面１０５ａ
と各凹溝の間の凸条部１０８ａ，１０８ｂ，・・・の頂
面との各間隙領域（ステージ部ＳＴ（複数）と呼ぶ）に
は、磁束が集中して通過するような構成となっており、
各ステージ部ＳＴに磁性流体ＭＬが保持され磁性流体シ
ール部ＭＳを形成するようにしている。

【００１１】そして、このように形成された磁性流体シ
ール部ＭＳは、低圧側Ｌと高圧側Ｈとの間に複数の室１
０９ａ，１０９ｂ，・・・を形成し、各室の圧力が各ス
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。例えば、全ステージ部で
の耐圧の総和が１００ＫＰａ（１．０kgf ／ｃｍ² ）以
上になれば、真空シールとして利用することができる。

【００１２】尚、１１０ａ，１１０ｂはベアリングＢ
１，Ｂ２の間での磁石１０４及び磁極部材１０５，１０
６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の内
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、１１４，１１５はスリーブ１０７
の内周面側と回転軸１０１の外周面との密封性及びガタ
ツキやホールド性を維持するためのＯリングである。

【００１３】図４（ｂ）は、密封装置１００のＤ１０１
部の磁場の強さを説明する図である。この図は、図５に
示す磁極部材１０５と回転軸１０１の間のステージ部Ｓ
Ｔの軸方向の磁束の分布を磁場の強さとして模式的に表
わしたものである。

【００１４】すなわち、磁石１０４により形成される磁
気回路ＭＣの磁束は、磁性体である凸条部１０８ａ（複
数の凸条部全てが該当するが、代表して記載する）に磁
束が集中するので、磁束密度の大きい領域と小さい領域
とに分かれて存在する。従って、凸条部１０８ａの頂面
の磁場の強さ１２０ａはその両側の凹溝１０７ａ，１０
７ｂにおける磁場の強さ１２１ａ，１２１ｂよりも強
く、その差分Δｆが存在することになる。

【００１５】また、磁性流体ＭＬが凸条部１０８ａに保
持される保持力の強さは、この磁場の強さの差分Δｆに
より定められると共に、保持力の強さがそれぞれのステ
ージ部ＳＴの耐圧能力に比例することになる。

【００１６】このような密封装置１００を、例えば１０
^-7Ｐａ程度の真空度を必要とする機器（例えばスパッタ
リングを行なう真空チャンバ等）の真空シールとして機
能させる場合には、低圧側Ｌと高圧側Ｈの圧力がそれぞ
れ約０及び約１．０kgf ／ｃｍ² となる。尚、真空度を
必要とする機器としては例えば１０^-1Ｐａ程度のより低
い真空度を必要とする機器においても、低圧側Ｌの圧力
は約０kgf ／ｃｍ² とみなされることとなり、同様に適
用することが可能である。

【００１７】従って、この使用形態においては、それぞ
れの磁極部材１０５，１０６における各凸条部１０８ａ
・・・の耐圧能力の総和が１．０kgf ／ｃｍ² 以上とな
るように設計されている。

【００１８】例えば、各ステージ部ＳＴの耐圧能力が
０．１kgf ／ｃｍ² の場合には、少なくとも１０個のス
テージ部と、これらのステージ部ＳＴにより独立的に分
割される９個の室が必要であり、さらに安全係数を考慮
した場合にはステージ部ＳＴと室とを複数個追加して備
える構成となっている。

【００１９】そして、この従来技術においては片側の磁
極部材（磁極部材１０５または１０６のいずれか一方）
だけでも真空シールとしての耐圧能力を発揮可能な構成
としている。

【００２０】密封装置１００の作動開始の際には、低圧
側Ｌの圧力を真空ポンプ等で序々に低下させることが行
われており、まず低圧側Ｌと室１０９ａとの間で圧力差
が発生し始め、その圧力差が凸条部１０８ａに対応する
ステージ部ＳＴに存在する磁性流体ＭＬの耐圧能力以上
の差圧となるとブレーク（圧力均衡化現象）が発生し、
隣接する室１０９ｂへと低圧側Ｌの圧力が序々に高圧側
Ｈの室へと伝播されていく。

【００２１】従って、低圧側Ｌが完全に真空となった状
態では磁極部材１０５の各室（１０９ａ・・・）の圧力
が段階的に変化して、容器１０２内と外部（大気側）の
約１．０kgf ／ｃｍ² の圧力差を維持しつつ低圧側Ｌを
密封することが可能となっている。

【００２２】尚、高圧側Ｈの磁極部材１０６は、磁極部
材１０５の密封性能が低下した場合に、高圧側Ｈの大気
が直接容器１０２へと進入し、低圧側Ｌの真空度が低下
してしまうことを防止可能としている。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】このような密封装置１
００では、密封流体ＭＬが存在するステージ部ＳＴを形
成する構成として、軸１０１の外周に嵌合された中実剛
体のスリーブ１０７、もしくはスリーブ１０７部が一体
となった軸１０１により構成していた。

【００２４】従って、ステージ部ＳＴは回転軸１０１の
温度が直接的に伝熱されることになり、磁性流体シール
部ＭＳのクリアランスＧの隙間寸法が熱膨張で変動する
ことにより（図５参照）、磁性流体シール部ＭＳ及びス
テージ部ＳＴにおいて磁束密度の変化や磁性流体ＭＬの
保持容積の変化等を発生させたり、あるいは磁性流体Ｍ
Ｌの温度が上昇し易くなり劣化が促進する等、密封性や
耐久性の低下をまねく一つの要因となっている。

【００２５】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、回転軸
から磁性流体シール部及びステージ部へ伝達される熱の
影響を削減して磁性流体を安定して保持することにより
密封性能を向上可能とする磁性流体を利用した密封装置
を提供することにある。

【００２６】

【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、軸孔と該軸孔に挿通される軸との
間の環状隙間に、磁束が通過する環状対向面を有するス
テージ部を配置し、このステージ部の環状対向面の間に
磁性流体を保持することにより、前記環状隙間を密封す
る磁性流体を利用した密封装置において、前記ステージ
部は、前記軸孔部あるいは軸のいずれかの部材に固定さ
れる固定環部と、該固定環部から軸方向に延出される前
記環状対向面の一方と、前記固定環部が固定される部材
と前記一方の環状対向面との間に形成される環状の断熱
空間と、を備えることを特徴とする。

【００２７】この構成により、環状対向面は固定環部を
介して保持されると共に、断熱空間により環状対向面と
軸孔部あるいは軸のいずれかの部材との直接的な接触が
おこなわれず、環状対向面への伝熱量を低減することが
可能となる。

【００２８】前記軸孔は低圧力状態となる密封容器に設
けられ、この密封容器内部と前記断熱空間とを連通する
連通孔を備えることを特徴とする。

【００２９】これにより、断熱空間内の圧力を低下（最
適には真空状態）することで、断熱空間自体の断熱効果
を高めることができ、環状対向面への伝熱量をさらに低
減することが可能となる。

【００３０】また、前記断熱空間と外部とを連通する連
通孔を備えることも好適である。

【００３１】これにより、断熱空間内の気体の温度変化
に伴う圧力変化により、環状対向面が膨張・収縮等変形
することを防止可能とする。

【００３２】さらに、温度差のある前記固定環部と一方
の環状対向面の熱膨張による径方向の寸法変化の差分を
解消する弾性変形部を、前記一方の環状対向面と固定環
部の接続部に備えることも好適である。

【００３３】これにより、安定した寸法の得られる環状
対向面に対し、固定される部材の熱が直接的に伝熱され
る固定環部は径方向の寸法変化が大きくなるが、弾性変
形部により両者の寸法変化の差分を解消させることが可
能となる。

【００３４】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）以下に本発明を図示の第１の実施の形
態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。

【００３５】この密封装置１は、密封容器として内部を
真空状態にする真空チャンバＶＣの外部から内部に回転
動力を伝達する回転軸２の回転駆動力導入部ＶＣ１に備
えられている。

【００３６】真空チャンバＶＣ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その内部圧力は低
下して低圧側Ｌ（真空状態）となり、真空チャンバＶＣ
の外部の高圧側Ｈ（大気圧状態）との間に圧力差が発生
する。

【００３７】従って、この実施の形態の密封装置１は、
その圧力差のある２領域間を隔て、低圧側Ｌの真空度を
保持しつつ、回転軸２により真空チャンバＶＣ内部に回
転動力を導入するために、回転軸２と回転軸２が挿通さ
れる軸孔としての軸孔部３との間の環状隙間４に備えら
れている。

【００３８】軸孔部３は、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、真空チャ
ンバＶＣの回転駆動力導入部ＶＣ１に取り付けられるフ
ランジ部３ｂを備えている。

【００３９】密封装置１において、軸孔部３と回転軸２
とはベアリング５ａ，５ｂ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。そして密封性に関しては、
軸孔部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。

【００４０】磁石６は軸方向に異極が配されており、軸
方向両側には磁石６に当接して磁極となる環状の磁極部
材７ａ，７ｂが備えられている。

【００４１】そして、磁極部材７ａ，７ｂに対向する部
位に複数本の周方向に連続する凹溝（図５の１０７ａ，
１０７ｂ・・・に相当）を形成したスリーブ９が、ベア
リング５ａ，５ｂに挟まれるように回転軸２の周壁面２
ａに一体的に嵌合固定されている。

【００４２】従って、磁極部材７ａの内周面と各凹溝の
間の凸条部（図５の凸条部１０８ａ，１０８ｂ，・・・
に相当）の頂面が接近した環状対向面となり、その各間
隙領域（ステージ部ＳＴ（複数）と呼ぶ）には、磁束が
集中して通過するような構成となっており、各ステージ
部ＳＴに磁性流体ＭＬを保持して磁性流体シール部ＭＳ
を形成するようにしている。

【００４３】そして、このように形成された磁性流体シ
ール部ＭＳは、低圧側Ｌと高圧側Ｈとの間に複数の室
（図５の室１０９ａ，１０９ｂ，・・・に相当）を形成
し、各室の圧力が各ステージ部ＳＴ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。例えば、全ステージ部での耐圧の総和が１００ＫＰ
ａ（１．０kgf ／ｃｍ² ）以上になれば、真空シールと
して利用することができる。

【００４４】尚、１０ａ，１０ｂはベアリング５ａ，５
ｂの間で磁石６及び磁極部材７ａ，７ｂの軸方向の位置
を定めるスペーサリング、１１は円筒部３ａの内側に収
容された各構成部材を封止固定する固定環部材、１２，
１３は円筒部３ａの内周面側と磁極部材７ａ，７ｂの外
周面側との密封性を維持するＯリングである。

【００４５】ところで、この実施の形態のステージ部Ｓ
Ｔを構成するスリーブ９は、次のような特徴的な構成を
備えている。スリーブ９は概略円筒状を呈しており、軸
方向両端部に回転軸２の周壁面２ａに嵌合固定する固定
環部９ａ，９ｂと、これら固定環部９ａ，９ｂに挟持さ
れ、かつ軸方向に延出する環状対向面部９ｃを有してい
る。

【００４６】環状対向面部９ｃの内周径寸法は、回転軸
２の外周径寸法よりも大きく設定されており、従って、
回転軸２の周壁面２ａと環状対向面部９ｃの間には環状
の断熱空間１４が形成されている。

【００４７】尚、環状対向面部９ｃは、弾性変形部とし
てのくびれ部９ｄ，９ｅを介して固定環部９ａ，９ｂに
接続し、また、低圧側Ｌのくびれ部９ｄには断熱空間１
４と真空チャンバＶＣの内部の低圧側Ｌを連通する連通
孔１５が備えられている。

【００４８】１６，１７はスリーブ９の固定環部９ａ，
９ｂの内周面側と回転軸２の周壁面２ａとの密封性及び
ガタツキやホールド性を維持するためのＯリングであ
る。

【００４９】このような構成の密封装置１を真空チャン
バＶＣの回転駆動力導入部ＶＣ１に備えた場合には、磁
性流体シール部ＭＳにより真空チャンバＶＣ内部の圧力
（真空状態）を維持しながら、その内部に回転軸２の回
転駆動力を導入することができる。

【００５０】ステージ部ＳＴを構成するスリーブ９の環
状対向面部９ｃは、断熱空間１４により回転軸２の周壁
面２ａとは直接接触しておらず、中実のスリーブと比較
して環状対向面部９ｃへの伝熱量は低減する。

【００５１】従って、回転軸２側から環状対向面部９ｃ
に熱が伝わることによる磁性流体シール部ＭＳの隙間寸
法の変動や磁性流体ＭＬの昇温に伴う劣化等を抑えるこ
とが可能となり、密封性や耐久性を安定させることがで
きる。

【００５２】また、断熱空間１４は真空チャンバＶＣ内
部と連通孔１５により接続されているので、真空チャン
バＶＣ内部の圧力が低下すると共に断熱空間１４の圧力
も低下して真空状態となるので、断熱空間１４自体の断
熱効果を高めることができ、環状対向面９ｃへの伝熱量
をさらに低減させた状態で密封性や耐久性を安定させる
ことができる。

【００５３】このように、スリーブ９の環状対向面部９
ｃへの伝熱量を少なくして温度上昇を抑えることが可能
となるが、一方、スリーブ９の環状固定部９ａ，９ｂに
対しては依然として回転軸２からの直接的な伝熱があ
り、環状対向面部９ｃと環状固定部９ａ，９ｂとの間
で、温度差による径方向の寸法変化の差分（回転軸２に
より加熱された場合には環状対向面部９ｃが大きくな
る）が発生する。

【００５４】従って、環状対向面部９ｃは環状固定部９
ａ，９ｂから拡径方向に付勢されながら支持されること
になるが、くびれ部９ｄ，９ｅを環状対向面部９ｃより
も弾性変形のし易い薄肉の脆弱部となるように設定する
ことにより、環状固定部９ａ，９ｂから環状対向面部９
ｃに加わる拡径方向の付勢力を吸収し、環状対向面部９
ｃの変形を抑えることができる。

【００５５】尚、くびれ部９ｄ，９ｅには弾性変形によ
る集中応力が加わることになるが、くびれ部の厚みや軸
方向長さを適宜に設定することにより、環状対向面部９
ｃの安定した保持と付勢力の吸収を両立させることが可
能である。

【００５６】（実施の形態２）図２は、第２の実施の形
態の密封装置２１の断面構成を示す図である。この実施
の形態の構成で第１の実施の形態の構成と同様の構成に
は同じ符号が付されている。

【００５７】この密封装置２１では、軸孔部３と回転軸
２の動的な保持はステージ部ＳＴを構成するスリーブ２
２を介してベアリング５ａ，５ｂにより行なわれてい
る。

【００５８】スリーブ２２の軸方向両端部には第１の実
施の形態と同様に環状固定部２２ａ，２２ｂが備えら
れ、この環状固定部２２ａ，２２ｂの外周表面にベアリ
ング５ａ，５ｂが嵌合している。

【００５９】従って、密封装置２１としてはスリーブ２
２を筒状の軸として予め備えた構成となり、装置稼働の
際にスリーブ２２の内周に別体構成の回転軸２を嵌め込
み、固定リング２２によりコレット部２２ｄを締め付け
ることで回転軸２の固定を行なえるような構成としてい
る。

【００６０】尚、断熱空間１４及び連通孔１５の構成は
第１の実施の形態と同様であり、真空チャンバＶＣ内部
の圧力が低下すると共に断熱空間１４の圧力も低下して
真空状態となるので、断熱空間１４自体の断熱効果を高
めることができ、環状対向面部２２ｃへの伝熱量を低減
させて密封装置２１の密封性や耐久性を安定させること
ができる。

【００６１】（実施の形態３）図３は、第３の実施の形
態の密封装置３１の断面構成を示す図である。この実施
の形態の構成で第２の実施の形態の構成と同様の構成に
は同じ符号が付されている。

【００６２】この密封装置３１では、断熱空間１４と外
部とを連通する連通孔３２を高圧側Ｈと通じる位置に設
けている。従って、断熱空間１４の温度変化に伴い内部
圧力が変化して環状対向面部２２ｃが膨張・収縮するこ
とを防止して密封装置３１の密封性を安定させる。

【００６３】

【発明の効果】上記実施の形態により説明された本発明
の磁性流体を利用した密封装置によると、ステージ部を
構成する環状対向面への伝熱量を低減することができ、
環状対向面の熱による変形や磁性流体の温度上昇による
劣化を抑え、密封性や耐久性を向上させることができ
る。

【００６４】低圧力状態となる密封容器内部と断熱空間
とを連通する連通孔を備えることにより、断熱空間内の
圧力を低下させて環状対向面への伝熱量をさらに低減す
ることが可能となり、密封性が向上する。

【００６５】断熱空間と外部とを連通する連通孔を備え
ることにより、断熱空間内の気体の圧力変化による環状
対向面の変形が防止され密封性が向上する。

【００６６】弾性変形部を環状対向面と固定環部の接続
部に備えることにより、固定環部と環状対向面との寸法
変化の差分を解消させて、環状対向面の安定した保持が
なされ、密封性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１の実施の形態の密封装置の
断面構成説明図。

【図２】図２は本発明の第２の実施の形態の密封装置の
断面構成説明図。

【図３】図３は本発明の第３の実施の形態の密封装置の
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と磁場
の強さを説明する図。

【図５】図５は図４のＤ１０１部の拡大図。

【符号の説明】

１密封装置２回転軸２ａ周壁面３軸孔部３ａ円筒部３ｂフランジ部４環状隙間５ａ，５ｂベアリング６磁石（磁力発生手段）７ａ，７ｂ磁極部材９スリーブ９ａ，９ｂ固定環部９ｃ環状対向面部９ｄ，９ｅくびれ部１０ａ，１０ｂスペーサリング１１固定環部材１２，１３，１６，１７Ｏリング１４断熱空間１５連通孔Ｈ高圧側Ｌ低圧側ＭＣ磁気回路ＭＬ磁性流体ＭＳ磁性流体シール部ＳＴステージ部ＶＣ真空チャンバ（密封容器）ＶＣ１回転駆動力導入部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸孔と該軸孔に挿通される軸との間の環
状隙間に、磁束が通過する環状対向面を有するステージ
部を配置し、このステージ部の環状対向面の間に磁性流
体を保持することにより、前記環状隙間を密封する磁性
流体を利用した密封装置において、前記ステージ部は、前記軸孔部あるいは軸のいずれかの部材に固定される固
定環部と、該固定環部から軸方向に延出される前記環状対向面の一
方と、前記固定環部が固定される部材と前記一方の環状対向面
との間に形成される環状の断熱空間と、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。
【請求項２】前記軸孔は低圧力状態となる密封容器に
設けられ、この密封容器内部と前記断熱空間とを連通する連通孔を
備える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。
【請求項３】前記断熱空間と外部とを連通する連通孔
を備える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。
【請求項４】温度差のある前記固定環部と一方の環状
対向面の熱膨張による径方向の寸法変化の差分を解消す
る弾性変形部を、前記一方の環状対向面と固定環部の接
続部に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれ
か一項に記載の磁性流体を利用した密封装置。