JPS60192116A - 磁性流体ベアリングおよびシ−ル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 単一、二重あるいは多段の磁性流体シールが、シャフト
まわりに１個以上の磁性流体Ｏ−リングを形成するため
に有益的に用いられて、シャフト要素のまわりにシーリ
ングを与える。磁性流体シールは、中位の速度回転を有
するシャフトと共に用いられ、汚染があってはならない
領域にベアリング潤滑剤が到達するのを妨げるためにベ
アリングｌＩＸ！Ｉａ剤のシーリングに有益である。そ
のような磁性流体シールは、典型的にζよ磁性流体の膜
島なり約３及至５Ｐｓｉのガス圧力差に耐える乙とがで
きるが、そのような磁性流体シールは一般的に液体圧力
に耐えることが不可能である。例えば、動的な作動中に
、磁気流体圧力および低圧のときでもである。つまり、
シャフトが回転しているときである。例えば、ベアリン
グ潤滑剤の貯蔵部がベアリング流体の流体補給用に取り
つけられている場合、あるいはシャフトの動的な作動中
に所望のベアリング温度を維持するために、ベアリング
から冷却器を通る循還と結びつけられる貯蔵部が所望さ
れる場合には、そのような液体圧力状態が現れる。

動的な作動状態下で、流体膜ならびに磁性流体ベアリン
グの潤滑膜を与える機能を形成する磁性流体は、これは
磁性潤滑剤を含む、作動状態下の’ｔｆＡ度上昇および
ベアリング内に流体膜として用いられている磁性流体の
剪断力によって発生する熱による磁性流体の膨張によっ
てならびにベアリングの成分部分の膨張差によって外側
、縦方向へ移動する。

二液の流体力学的ベアリングシステムは、例えば米国特
許３，４３９，９６１号に記載されており、ここでは荷
重下あるいは動的状態下でベアリング流体の何らかの漏
れを減少するために、ベアリング流体をベアリングキャ
ビティの軸方向中心に向かって追イヤルヨウニ収集溝（
ｓｃＡｖｒ：ＮｃＥＲＧＲＯＯｖＥ）　カ用いられてい
る。この特許は、またペアソング潤滑剤として磁性流体
を与えており、ここでは、ベアリング潤滑剤は磁化され
、かつ磁場によってばかりではなく、ベアリングキャビ
ティの各端部での非湿潤テフロン（デュポンの商標）材
料の使用によって所定位置に保持されている。さらに、
米国特許３，８９１．２８２号は一つの組立体を開示し
ており、ここでは、潤滑剤を潤滑ベアリング組立体のベ
アリング間隙に追い立てるらせん溝を用いており、そし
てここでは、ベアリング組立体のシャフトは、磁気シー
ルによってシールされている。

ベアリングキャビティに用いられろ磁性潤滑剤を保持す
る有効な手段を与え、特に動的な作動状態のもとて有効
である、簡単な構成および構造をもつラジアル、スラス
トあるいはラジアルおよびスラストの組合せのいずれか
の複合磁性流体シールの流体膜ベアリング装置を提供す
ることが望ましい。

本発明は、磁性流体シールベアリング装置および流体膜
ベアリング組立体内に磁性流体を保持する方法に関する
。特に、本発明は、複合の磁性流体シールベアリング組
立体に関し、ここで、磁性潤滑剤が、磁気磁性流体シー
ルによって流体膜ベアリングのラジアルあるいはスラス
トキャビティ内に維持され、これは動的な状態下で磁性
潤滑剤の散逸を防止する。

本発明は、複合のコンパクトで単純な磁性流体シールベ
アリング組立体あるいは装置を具備し、ここで、ベアリ
ングキャビティあるいは流体膜ベアリングキャピテイも
しくはギャップのいずれかの端部で磁性流体シールを形
成するために磁場の使用が用いられて、動的な作動下で
、薄い流１体膜ベアリングキャピテイから磁性流体の散
逸あるいは縦方向の動きを防止している。このシールは
、ベアリングキャビティのどちらかの側で、ガスあるい
は空気のベアリング磁性流体への同伴（ＥＮＴＲＡ　Ｉ
ＮＭＥＮＴ）を防止している。動的な作動状態下では、
磁性流体すなわち磁性潤滑剤の薄い膜が、薄い磁性流体
ベアリング膜に発生する圧力のためにシャフトに沿って
縦方向に外側へ移動する。すなわち、ベアリング面と回
転シャフト面の相対連動から生じる剪断力によって発生
する熱によるためである。というのは、磁性流体は、磁
性流体として作用すると共に潤滑特性をも有しているか
らである。

本発明では、ベアリングキャビティ内に磁性流体を捕え
るためおよびベアリングキャビティから磁性流体の縦方
向の外側移動を禁するために、ベアリングキャビティの
各端で１つ以上の磁性流体磁気シールを配置することに
よって、流体膜ベアリングキャピテイ内に磁性流体が保
持される。１つ以上の磁性流体０−リングシールが、ベ
アリングキャビティの各端に配設され、乙の０−リング
シールは遮断すなわち圧力シールを形成し、シャフトま
わりの集中した磁束基によって所定位置ζこ保たれる。

本発明のコンパクトで一体的な磁性流体シールベアリン
グ装置は、米国特許３，４３９，９６１号のように先行
技術に伴う困難を回避しており、ここでは、全ベアリン
グキャビティ内の磁性流体は磁力を受けやすい。一般的
に、集中した磁場内の磁性流体は、粘性が増加し、ひど
くその特性を変える傾向がある。これは、流体膜ベアリ
ングの流体としての磁性流体の適切な作動に影響を与え
るかもしれず、少なくとも剪断力の増加、および用いら
れている磁性流体の膨張の増加に対してである。キャビ
ティの各端部に１つ以上の磁性流体シーリングの０−リ
ングを用いることによって、かつ流体膜ベアリングキャ
ビティ全体にわたって磁場がないときに、磁性流体は、
粘性あるいはベアリング磁性流体の特性に影響を与えろ
ことなく、所定位置に保持される。

かくして、本発明は、そのもっとも簡単な形で二段の磁
性流体０−リングシールを用いており、かつベアリング
キャビティの各端部で磁性流体０−リングシールに、直
接隣接し接触するベアリングキャビティを与えるために
、２つの磁極片内にベアリング要素をとり囲んでいる。

本発明の複合の磁性流体シールベアリング装置は、ラジ
アルあるいはラジアル−スラストシールベアリング組立
体内に配置されろ可動の透磁性シャフト要素、典型的に
は回転シャフト要素および相対する極の一端および他端
を有すると共にシャフト要素をとり囲む環状の永久磁石
を備えている。

この装置は、第１及び第２の磁極片を備え、各磁極片の
一端は環状の永久磁石の一端及び他端とそれぞれ磁束関
係、典型的には隣接する関係にある。

各磁極片の他端は、シャフト要素の表面と近接して非接
触関係に伸張して、各磁極片の他端の下に１つ以上の半
径方向の間隙を形成する。もつとも簡単な形では、ベア
リングキャビティの各端部で一つの半径方向の間隙を有
するこの半径方向の間隙は単一のあるいは二重の段の磁
性流体であるが、他の実施例では、特に高圧のシールが
所望されるところでは、磁極片の１つあるいは他のもし
くは両方の端部は、溝が切られているかあるいはナイフ
状の縁を有している。あるいは磁極片の下のシャフトが
溝を切られているかナイフ状の縁を有して、それぞれの
間隙間の相互段の空気キャピテイを有する磁極片の各端
部の下に複数の半径方向の間隙を形成する。

透磁性シャフト要素の表面まわりに伸張する１つ以上の
磁性流体０−リングシールを形成するために、半径方向
の間隙内に磁性流体が用いられている。典型的には円筒
形要素の非磁性ベアリング要素が第３および第２の磁極
片間に配置され、かつシャフト要素の表面に近接して非
接触関係に伸張している。典型的には、例えば０．１及
至１ミルのような、磁極片の端部の半径方向の間隙より
も一層近接した関係であり、磁極片は、典型的には約２
及至８ミルの半径方向の間隙の範囲である。

ベアリング要素の内表面は、一般的に薄い、管状の流体
膜ベアリングキャピテイすなわち透磁性シャフト要素の
表面まわりに間隙を形成する。磁性流体は、ベアリング
キャビティ内に配置され、この磁性流体は、同じもので
あるかあるいはそれぞれの磁極片の下の半径方向の間隙
に用いられているものと異なる磁性流体であり得る。し
かし、この磁性流体は、典型的に（まラジアルベアリン
グキャビティを通って連続的に伸張すると共にその中に
何らかの空気あるいはガスの空間なく、ベアリングキャ
ビティの各端部のシールの半径方向間隙へ伸張している
。その結果、空気あるいはガスがシャフトの回転運動中
、磁性流体にとらえられない。記載されている複合の磁
性流体シールベアリング組立体は、コンパクトで簡単な
構造であり、低コストで膜ベアリングキャビティからの
磁性流体の外側への膨張あるいは縦方向の運動を防止す
るのに有効的である。このことは、ベアリングキャピテ
イにそのように用いられている磁性流体の膜ベアリング
特性に影響を与えることなくである。

本発明の目的のために、用いられている磁性流体は、任
意の磁性流体であり得るが、通常、非常に低い揮発性の
磁性流体を具備し、これは、また、流体膜ベアリングな
らびに／もしくは潤滑剤タイプの特性を有している。一
般的に、用Ｌ１られて０る磁性流体のタイプは、半径方
向の間隙および流体膜ベアリングキャビティの下と同じ
磁性流体であり、一般的にその中に分散されているコロ
イダル状の磁気粒子を有する非常に低し）揮発性の合成
ハイドロカーボンあるいはエステルのキャリア流体を備
えており、一般的に、例えば、高揮発性物質の存在を避
けるために、非常に狭い沸点分配を有する合成のハイド
ロカーボンを備えている。磁性流体の粘性は、所望され
る流体膜ベアリング特性により変化し得るが、典型的に
は２５度Ｃで約５００Ｐ及至５０００Ｐの範囲であり、
０−リングシールとして使用するなめには、一般的に約
１００及至５００ガウスの範囲である磁気飽和を有して
いる。

本発明の磁性流体シールベアリング装置の他の実施例で
は、可変勾配を与えるように、例えば、磁極片の縁を面
取りしたり、輪郭づけたりあるいはテーパをつけたりす
ることによって、各磁極片の外側縁に向かって伸張する
可変の磁気勾配を与えるために、各磁極片の他端の外部
外側縁の幾何字形状を変えることが望まれるということ
がわかった。外側縁の変更は、磁性流体の損失なり、０
−リングシールからの磁性流体の縦方向外側の膨張用の
付加的空間を与える。磁極片の外側縁の変更は、各磁極
片の端部の下の磁気勾配の軸方向変化を与え、その結果
、磁性流体が、軸方向に膨張するにつれて、磁性流体を
保持するために磁極片の下に創出される付加的な容積が
ある。かくして、この磁性流体シールベアリング装置は
、ベアリングキャビティ内に非常に低いあるいは無磁束
、および磁極片の内側部分の下に一般的ζζ均一な磁束
、そして選択的には、磁極片の外側縁部分の下に可変の
減少磁束を与えろ。

本発明の磁性流体シールベアリング装置の他の実施例で
は、磁性流体の貯蔵部が、ベアリング要素の一側あろい
Ｃよ典型的にＣよ両側に配置されると共に磁極片要素に
隣接し、その結果、磁性流体貯蔵部内の過剰な磁性流体
が保存の磁性潤滑剤として作用すると共に、磁性潤滑剤
を冷却するのを手助けするためおよび本装置の成分部分
の熱の差によるひずみによって引き起こされるかもしれ
なし１ベアリングクリアランスの変化を制限するために
、流体膜ベアリングキャピテイにある磁性流体と混ざり
合う。かくして、好ましい一つの実施例では、磁性流体
貯蔵部の空間が、過剰の磁性流体を含むように、ベアリ
ング要素のどちらかの側に作り出される。この磁性流体
貯蔵部は、ベアリング組立体内の磁性流体に空気のよう
な、ガスの同伴を排除するために、磁性流体で完全に満
たされている。

一般に、磁性流体貯蔵部の空間は、シャフトまわゆに伸
張し、かつ一般的にベアリング要素の各端部に隣接する
とともにベアリング要素と磁極片によって創出される磁
性流体０−リングシールとの間に伸張する限定された高
さの環状のディスク状空間を備えている。

本発明の他の実施例は、磁極片の端部で非磁性ベアリン
グタイプの材料の薄い層すなわち被覆を配置することを
備えている。非磁性ベアリング材料の厚みは、磁極片の
端部を通る磁束に実質的に影響するのに不十分である。

つまり、この磁極片は、なお、磁性流体Ｑ　９ングを所
定位置に保持するように作用する。しかし、例えば、厚
さが０．１及至１ミルかあるいはそれ以上のベアリング
材料は、ベアリング要素よりもオ〕ずかに大きいベアリ
ング厚さかあるいは同じベアリング厚さ内で伸張してい
る。この実施例は、磁極片の端部とベアリング要素との
間に差があり、乙のベアリング要素がシャフトに最接近
しているところでは特に有益である。磁極片に触れるよ
うに、シャフトあるいはベアリング移動の可能性がある
ところでは、磁極片の端部に薄いベアリング材料を与え
ることおよび流体膜ベアリングキャビティの流体膜の間
隙よりもわずかに大きい距離あるいは同じに磁極片を伸
張することが望ましい。

本発明の他の実施例では、磁性流体シールベアリング装
置内に用いられている磁性流体貯蔵部が単独で、用いら
れ得、あるいは外部磁性流体貯蔵部によって補充され得
る。ここでは、磁性流体が、そのとき供給溝からベアリ
ングキャビティに供給されろと共にシャフトの動的な作
動中に、ベアリングキャビティから引き戻される。この
装置は、特に大きなベアリング装置に適用可能であり、
ここで、そのようなベアリング潤滑剤のダ部循環は、知
られており、どちらかのベアリングキャビティに新たな
ベアリング膜を与えるために、そして、ベアリングキャ
ビティから引き戻される磁性潤滑剤の外部冷却によって
、および作動中にベアリングキャピテイに冷たい潤滑剤
を供給することによって、磁性潤滑剤の温度を制御する
ために用いられている。かくして、外部熱交換タイプの
磁性流体貯蔵部の使用は、単独であるいは複合の磁性流
体シールベアリング組立体の磁性流体貯蔵部と関連して
、ベアリングキャビティの各端の磁性流体０−リングに
関連する磁性流体の加熱に−よる磁性流体の過剰の膨張
を防止するために用いられ得る。

本発明の磁性流体シールベアリング装置は、また、ベア
リング組立体の各端部の磁性流体Ｑ　＋Ｊングシールか
ら離れた磁性流体を内側へおよびベアリングキャビティ
へ向かって内側へ押しやるように、ベアリング面あるい
はベアリング面に隣接するレヤフ１−の隣接面もしくは
両方の面に溝の使用を備えている。かくして、乙のこと
は、シャフトの回転中に、流体を内側へしだいに押しや
るために、スクリューのような方法でベアリングキャビ
ティ内の磁性流体を保持するのに役立つ。そのような実
施例では、シャフトの周囲のまわりに少なくとも　１８
０°伸張する少なくとも２つの溝が一般的に存在するか
、あるいは離間され、重なり合って傾斜された複数の溝
が存在し得る。この溝は、結合される必要がなく、ベア
リング装置のシャフト軸に対しある角度をもって一般的
に周囲に伸張している。典型的には、内側へポンプ圧力
を与えるために、約１０°かそこいらまでの２，３度で
ある。もし、溝が０°あるいは９０″で配置されろなら
ば、もちろん、ポンプ作用がない。一般に、溝の深さは
浅く、かつ幅が大きい。典型的には、例えば、深さが】
００及至１０００マイクロインチかあるいは１ミルより
少なく、幅が２から１０ミルである。

例えば、溝は、ベアリング要素の表面に配置され得、例
えば、１０個の溝があって、谷溝は、シャフトまわりに
円周循環部を形成するために３６°より幾分多く伸張し
、乙の溝は離間されて１°及至１０°傾斜されており、
その結果、磁性流体はベアリングキャビティの中心に向
かって押しやられる。

溝は、ベアリング要素の各端部に隣接するとともに磁性
流体０−リングシールに隣接して配置される。ベアリン
グキャビティ内の磁性流体をくみ上げる溝の使用は、磁
性流体をくみ上げる乙とによって、出口すなわちダムの
前の孔を使用する圧力ダムベアリング構造の段を与える
乙とによってのように、外部流体循還と共に用いられ得
ろ。さらに、所望するならば、多重ダムすなわち多段の
設計が、ポンプ作用を与える矢３よず模様の設計と同様
に、用いられ得る。典型的には、磁性流体は、ベアリン
グの周囲溝に結合されｔこ戻り路を経由してベアリング
に送られる。ベアリング供給溝は、周囲溝に結合され、
この周囲溝は、各端部の磁性流体シールの下の環状膜に
対し、低圧の包囲した磁性流体供給を維持するのに役立
つ。このベアリング設計は、円筒、多重の溝、多重の耳
たぶ形状、圧力ダム、多重の段、多重の囲われた段、矢
はず模様、多孔形状あるいはそのようなものを含んだ種
々のタイプであり得る。かくして、磁性流体シール部の
下の磁性流体膜は、また、このベアリング部に対して内
側へくみ上げかつ磁性流体シールのシール作用を補助す
るために軸方向部の部分にわたってらせん状の溝を含み
得る。ベアリングキャビティの磁性流体の循環が、ベア
リングの下の高圧領域のＦｌｙ＋離を許容し、かつベア
リングキャビティの各端部の磁性流体０−リングシール
の下での高圧を避ける。かくして、ベアリングの各端部
から磁性流体の過剰な膨張を防止する。本発明の磁性流
体シールベアリング装置は、磁性流体Ｏ−リングシール
装置の範囲内に流体膜ベアリング組立体の任意のタイプ
ならびに幾何形状の使用を許容する。しかし、図示の目
的だけで、円筒形の流体膜ぺ／リング組立体が図示され
ている。

図示の目的だけで、本発明の磁性流体シールベアリング
装置が以下に特別な実施例に関連して記載されろ。しか
し、図示の実施例に対して種々の変形、付加、変更およ
び改良が当事者ζこよってなされ得るが、これら全ては
本発明の精神と範囲内になるものであるということが理
解されるであろう。

第１図は、本発明の磁性流体シールベアリング装置１０
の頂部半分の断面図を示しており、これは、環状の永久
磁石１２および磁極片１４と１６を備え、この磁極片は
、シャフト要素２０に向かって伸張して、その各端部で
約２及至３ミルの半径方向の間隙を形成すると共に各磁
極片間で伸張している。環状の永久磁石１２の下の空間
を占めているのは、青銅のベアリング材料のような、非
磁性ベアリングタイプの材料であり、ここで、その内面
はシャフト２０の面と近接して、流体膜ベアリングの関
係に伸張して、流体膜ベアリングキャビティを形成する
。

この面は、シャフト２０の軸から２，３度の片寄りで配
置された周囲の浅いタイプの溝３０を備えている。流体
膜ベアリングキャビティは、典型的には、シャフトの面
から約０．１及至０．８ミルである。全磁性流体シール
ベアリング装置１０にわたって伸張するベアリング面を
与えるために、ａ１極片の端部ば、磁極片の端部をベア
リング要素１８の面とほぼ隣接させるように配置された
ベアリング材２８の薄い被覆を備えている。磁性流体は
、これはまた磁性潤滑剤２６として作用するが、ベアリ
ングキャビティ内および各磁極片の半径方向の間隙の下
に配置されて、磁性流体２６の連続的な流れを形成し、
ここで、装置１０の各端部で、シャフトの面を横切る点
線によって図示されているように、磁性流体Ｏ−リング
２２および２４を形成し、その際、Ｈ１極片１４と１６
の半径方向の間隙の下の磁性流体が、磁束によって、所
定位置に保持されている。磁束面は、永久磁石１２、磁
性片１４と１６、磁極片１４と１６の各端部の下の磁性
流体２６および透磁性シャフト２ｏを通過する。

作動においては、０−リングシール２２と２４を形成す
る磁極片１４と１６からの磁束は、ベアリング要素１８
の長さを横切る流体膜の磁性潤滑剤すなわち磁性流体と
して、０−リングシール２２と２４の間に磁性流体を保
持する。ベアリング要素面の浅い溝３０は、これば、ベ
アリング装置への入口および出口としての溝を介して外
部の冷却磁性流体の貯蔵部に結合されていても、結合さ
れていなくとも良いが、０−リング２２と２４の内側に
、ベアリング１８の中心へ向かって内側へ、磁性流体を
押しやるために、シャフト２０の接近かられずかに心寄
りし、かつ磁極片に隣接して配置されている。この実施
例では、磁極片の端部は、青銅の非磁性ベアリング材で
覆われており、これは、ベアリング要素１８の画に沿う
磁極片の端部に伸張して、ベアリング面を伸張している
。この装置では、シャフトのベアリング装置の何らかの
傾斜は何らかの刻み目をつける損傷をひき起こさない。

また、非磁性材料の薄さが、実質的に磁束に影響を与え
ない。この磁束は、磁性流体の０−リングシール２２お
よび２４を所定位置に保持し、動的状態下で、磁性流体
の外側へ、縦方向の軸方向膨張を防止し、さらに、ベア
リング要素１８の下の磁性流体中の空気あるいはガスの
エントラップメントを防止する。

第２図は、本発明の磁性流体シールベアリング装置５０
の半分の断面図であり、ここで、この装置は磁性潤滑剤
貯蔵部を備えている。この装［５０は、シャフト７０を
取り囲む軸方向に極性化された、環状の永久磁石５４を
含む非磁性ハウジング５２を備えており、この透磁性シ
ャフト７０は、相対する透磁性磁極片５８と５６を有し
、磁極片５８と５６の端部は、一般的にシャフトの面と
平行であり、かつシャフトの面と近接して非接触関係に
伸張して、それと半径方向の間隙７４および７６を形成
する。例えば、２ミルである。ハウジング内および磁極
片５６と５８との間に配置されているのは、一般的に円
筒状で、非磁性の、例えば青銅のベアリング要素６０で
あり、これは、シャフト７０の面に隣接する流体膜ベア
リングキャビティ７２を形成するように離間された面を
有している。ベアリング６０のどちらかの側で、磁極片
５６と５８によって、磁性流体貯蔵部８２と８４が形成
され、ここでは、過剰の磁性流体８６が用いられ、この
磁性流体は、磁極片５６と５８の端部で磁性流体のＯ−
リングを形成するように作用し、点線８８と９０によっ
て図示される０−リングは、シャフト７０の面を横切っ
て伸張している。図示のように、ベアリング６０は、磁
極片５６と５８の端部に伸張するよりも、シャフト７０
の面と一層近接した関係に伸張している。さらに、磁極
片５６と５８の外縁は、磁極片の端部の下に付加的な容
積および磁極片の各端部で可変の磁束勾配を与えるため
に、面７８および８０を与えるように面取りされている
。

作動において、磁束は永久磁石５４、磁極片５６と５８
および磁極片の端部、平担な端部７４と７６および面取
りされた端部７８と８０の両方を通過して、装置５０の
各端部で０−リングシール８８および９０として磁性流
体８６を保持する。磁性流体８６は、膨らませた状態で
示されているが、なお、可変の磁束によって磁極片５６
と５８の外縁７８と８０内に保持されている。面取りさ
れている縁７８と８０は、剪断力およびシール５０の成
分の膨張による磁性流体の加熱によって、異なる材料の
異なる熱膨張によって、磁性流体が膨張するとき、磁性
流体を失うことなく、磁性流体の外側への膨張を許容す
る。

作動において、シャツ８フ００回転により、狭い流体膜
キャビティ７２内の磁性流体８６は循環して、その各端
部でキャビティ８４と８２へ移動する。このとき、新し
い磁性潤滑剤をキャビティからベアリングキャピテイ７
２へ与える。かくして、磁性流体の温度の上昇を減じる
手助けとなる。磁性流体の特性を変え、ベアリングキャ
ピテイ７２のベアリング特性に影響する磁性流体のエン
トラップメントの空気源を与えないように、磁性流体は
完全に装置５０とキャビティ８４および８２の両方を占
有する。

図示のように、磁性流体は、隣接する磁性流体貯蔵部８
４と８２を使用することによって、そして磁性流体シー
ルベアリング装置５０内の面取りされた縁７８と８０に
よって保持される。その際、貯蔵部８４と８２の過剰の
磁性流体は、保存の磁性潤滑剤として作用する。乙の過
剰の磁性流体は、膜ベアリングキャビティ７２内のベア
リングの高圧部分の磁性流体と混ざり合い、これは、磁
性流体を冷却するのに役立ち、ベアリングクリアランス
の変化を制限するのに役立つ。もちろん、磁性流体の貯
蔵部から磁性流体を取り除き、磁性流体を外部的に冷却
しそして磁性流体を貯蔵部へ再循環し、および／または
磁性潤滑剤を内部へ押しやるために、ベアリングキャビ
ティ内のベアリング表面上に収集溝を備えるように、選
択的に、ベアリング６０は溝および入口と出口を含み得
る。

第３図は、磁性流体シールのラジアルスラストベアリン
グ組立体１００の断面図を示し、この組立体は回転のた
めに、それに固定されている鋼製の透磁性回転シャフト
１０２を備えて、青銅の外側ハウジング１０４内に配置
されており、焼入れ鋼のカラー１０６を有している。カ
ラー１０６の外側ラジアル面およびハウジング１０４の
内側ラジアル面は、例えば０．１及至１ミル離間されて
、相対するラジアルベアリング面１２８を形成する。ラ
ジアルスラストベアリングのカラー１０６の各端部では
、下部および上部のカラー１０８および１１０が配置さ
れ、これは、スラストベアリングを形成する。下部カラ
ー１０８の上部表面および上部カラー１１０の下部表ｍ
ｌは、カラー１０６のそれぞれの下部および上端部から
離間されてスラストベアリング面１２４および１２６を
形成する。ラジアルベアリング１０６は、磁性潤滑材１
１４の貯蔵用のラジアル貯蔵キャピテイ１１２によって
特徴づけられる。

ラジアル−スラストベアリング組立体の下部および上端
部では、図示のように、単一段、単一磁極片の磁性流体
シールがあり、そのようなシールは１９８２年１２月１
６日に出願された米国特許出願番号４５０．３３９号に
記載されている。この磁性流体シールはそれぞれ環状の
永久磁石１１６および１１８と例えば、透磁性の鋼製磁
極片１２０および１２２を具備している。各磁極片の一
端部は回転シャフト１０２の外表面へ向かって近接して
非接触関係に伸張し、例えば１−３ミルの上部および下
部の半径方向の間隙を形成する。乙の間隙の磁性潤滑剤
１１４はそれぞれ上部および下部のシールを形成し、こ
れらはそのような上部および下部のシール間に磁性流体
を含んでいる。上部および下部の磁極片１２０および１
２２の外側は、第２図のように、４５度で示される傾斜
角度で面取りされており、作動中に、磁性潤滑剤１１４
のいくらか外側方向へのラジアル移動を許容し、かつ磁
極片の下に放射密度の磁束基を形成する。

図示のように、磁性潤滑材１１４は、スラストおよびラ
ジアルベアリング面間を伸張し、かつ磁極片磁石と上部
および下部のカラー１０８および１１０間のラジアルキ
ャビティへ伸張して、ラジアルおよびスラストベアリン
グ表面の両方に磁性流体１１４の連続層を形成する。図
示されているベアリング組立体１００は長さが短く、そ
れ故、単一の磁極片シールがその下部レベルに用いられ
得る。というのは、磁極片下部シールの静圧量は高くな
く、例えば、水柱２−４インチである。しかし、所望す
るならば、多段の磁性流体シールが、静圧水頭が過剰に
なる磁性流体を得るために、圧力あり、あるいは圧力な
しで、下部磁性流体シールとして使用され得る。図示の
ように、下部および上部のカラー１０８および１１０は
、磁性潤滑剤の通路を許容するようにシャフト１０２の
外表面からかなりの距離、離間されているが、ラジアル
スラストペア「ゴング面を形成しない。もちろん形成す
るかもしれない。シャフト１０２の周囲まわりに伸張す
る単一段磁性流体シールは、半径方向の間隙および磁束
によってその中に保持される磁性潤滑剤から伸張してい
る点線によって図示されている。

作動において、磁性潤滑剤は、上部および下部の磁性流
体シール間にｆｉｌｌ　＠　Ｌ、ている。一方、キャビ
ティ１１２の磁性潤滑剤は、その中の磁性潤滑剤をスラ
ストおよびラジアルベアリング膜表面の磁性潤滑剤と混
ざり合って、磁性流体を冷却するのを助け、一方、磁極
片１２０および１２２の各端部で面取りされた縁は、磁
性流体シールベアリング組立体内に磁性潤滑材を保持す
るのを助ける。第３図の装置は、ラジアルおよびスラス
トベアリング装置を組み合わせた磁性流体シールを図示
している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による磁性流体シールのラジアルベア
リング装置の一部分の図示的な断面図、第２図は、本発
明による磁性流体シールのラジアルベアリング装置の他
の実施例の図示的な断面図、 第３図は、本発明による磁性流体シールのラジアル−ス
ラストベアリング装置の図示的な断面図である。 １Ｇ、５０，１００．、、、、、、装置１２、’５４，
１１６，１１８．．’、環状の永久磁石１４．１６．５
６，５８，１２０，１２２．、、磁極片１８．６０．、
、、、、、、、、、ベアリング要素２０．７０，１０２
．、、、、、、シャフト２２．２４，８８，９０．、、
、、Ｏ−リングシール２６．８６，１１４．、、、、、
、磁性流体２８、、、、、、、、、、、、、、ベアリン
グ材料３０、、、、、’、、、、、、、、＋溝５２．０
．、、、、、、、、、、、非磁性ハウジング７２、、、
、、、、、、、、、、、流体膜キャビティ７４．７６・
・・・・・・・・・・半径方向の間隙７８．８０．、、
、、、、、、、、面 ８２．８４−、、、、、、、、、貯蔵部１０４、、、、
、、、、、、、、、ハウジング１０６．１０８，１１０
．、、、、カラー１１２、、、、、、、、、、、、、キ
ャビティ１２４．１２６．＋、、、、、、、スラストベ
アリング面１２８、、、、、、、、、、、、、ラジアル
ベアリング面特許出願人： フエロフルイディクス株式会社 代理人： 日本フェロ−フルイディクス株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）透磁性シャフト要素に使用する磁性流体シールベア
   リング装置であって、 ａ）ベアリング組立体がシャフト要素を取り囲み、薄膜
   のラジアルあるいはスラストベアリングキャビティを与
   えるベアリング要素を含むベアリング装置と、 ｂ）前期シャフト要素を取り囲むようにされた環状の永
   久磁石ならびに前記永久磁石と磁束関係にある少なくと
   も１つの磁極片を備え、この磁極片の一端は半径方向の
   間隙を形成するように、シャフト要素の面と近接して非
   接触関係に伸張されるようにされている第１の磁性流体
   シール装置と、Ｃ）磁性潤滑剤として作用する前記ベア
   リングキャピテイの磁性流体ならびに、シャフト要素の
   面のまわりに磁性流体０リングシールを形成するように
   されている半径方向の間隙の磁性流体と、ｄ）前記ベア
   リング装置のラジアルあるいはスラストベアリングキャ
   ビティから、作動中低こ、磁性流体の散逸を防止するラ
   ジアルあるいはスラストベアリングキャビティの少なく
   とも一端およびシャフト要素まわりに配置される磁性流
   体シールとを備える磁性流体シールベアリング装置。 ２）前記ベアリングキャビティが、前記シャツ）・要素
   まわりのラジアルベアリングキャビティであり、前記第
   １および第２の磁性流体シール装置が前記ベアリングキ
   ャビティの一端部および他端部に配置されている特許請
   求の範囲第１項に記載の装置。 ３）シャフト要素を備える特許請求の範囲第１項に記載
   の装置。 ４）前記第１と第２の磁性流体シール装置との間にベア
   リング要素を備え、このベアリング要素は、前記シャフ
   ト要素の面とベアリングキャビティを形成する内部ラジ
   アル面を有している特許請求の範囲第２項に記載の装置
   。 ５）　ａ）シャフト要素と、 ｂ）前記シャフト要素に固定され、外部ラジアル面と一
   端部および他端部を有するカラーと、Ｃ）内部ラジアル
   面を有するハウジングで、このハウジングとシャフトの
   それぞれ外部および内部の面は、この間で薄いラジアル
   ベアリングキ゛ヤビティを形成するハウジングと、 ｄ）上部および下部のスラストベアリングキャピテイを
   形成する前記カラーの一端部および他端部の第１および
   第２のスラストベアリング要素と、ｅ）前記スラストベ
   アリング要素の一端部および他端部における第１および
   第２の磁性流体の単一段シール装置と、 ｆ）前記ラジアルおよびスラストのベアリングキャビテ
   ィを通って連続的に伸張すると共に前記シャフト要素の
   各端部で磁性流体０−リングシールを形成する各磁極片
   の下の半径方向の間隙へ伸張して、動作中に本装置に磁
   性流体を保持する磁性流体と、を備える特許請求の範囲
   第１項に記載の装し ６）磁性流体貯蔵部を備え、前記ラジアルあるいはスラ
   ストベアリングのキャビティに用いるための磁性流体を
   その中に保持する特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ７）ａ）シャフト要素をとり囲むようにされた環状の永
   久磁石と、 ｂ）第１および第２の磁極片で、各磁極片の一端部は、
   それぞれ前記永久磁石の一端部および他端部と磁束関係
   にあり、磁極片の他端部は軸方向に離間されかつ各磁極
   片の下に１つ以上の半径方向の間隙を形成するように、
   前記シャフト要素の面と近接して非接触関係に伸張する
   第１および第２の磁極片と、 Ｃ）第１と第２の磁極片との間に配置され、かつ各磁極
   片の半径方向の間隙間に伸張するベアリングキャビティ
   を限定するために、シャフト要素の面と近接して非接触
   の流体膜ベアリング関係に伸張する回を有する非磁性の
   ベアリング要素と、ｄ）各磁極片の下の半径方向の間隙
   およびベアリングキャピテイを充填する磁性流体で、ベ
   アリングキャビティのこの磁性流体はシャフト′要素ま
   わりに磁性流体ベアリング膜を形成し、各磁極片の下の
   半径方向の間隙における磁性流体はベアリングキャビテ
   ィの各端部で少なくとも１つの磁性流体０−リングシー
   ルを形成する、磁性流体とを備え、これによって、ベア
   リングキャビティの各端部での磁性流体Ｏ−リングシー
   ルは、磁性流体シールベアリング装置から、膨張による
   磁性流体の軸方向移動を禁じ、かつ磁性流体シールベア
   リング装置の磁性流体のガス同伴を妨げる、透磁性シャ
   フト要素に使用する磁性流体シールベアリング装置。 ８）前記半径方向の間隙が約２から８ξルの半径方向の
   間隙を備え、ここで、非磁性ベアリング要素の面とシャ
   フトの面との間の間隙が約０．１及至１ミルの範囲であ
   る特許請求の範囲第７項に記載の装置。 ９）前記磁極片の他端部を横切る勾配の磁場束を与える
   ために、外側へ伸張したテーパ状タイプの面を与えろよ
   うに、前記第１および第２の磁極片が１つあるいは他の
   磁極片の他端部の外側でテーパ状の幾何学的形状を有し
   、これによって、磁性流体シールベアリング装置から縦
   方向に膨張する磁性流体の保持を許容する特許請求の範
   囲第７項に記載の装置。 １０）前記装置が、前記ベアリング要素の一側あるいは
   他側に配置されている１つ以上の磁性流体キャピテイを
   具え、この磁性流体キャビティが磁性流体で満たされ、
   かつ磁性流体０−リングとベアリングキャビティの一端
   部との間に配置されており、これによって、磁性流体キ
   ャビティの過剰の磁性流体が、シャフトの動的作動中に
   ベアリングキャビティの磁性流体と混ざり合う保存の磁
   性流体として作用する特許請求の範囲第７項に記載の装
   置。 １１）前記ベアリング要素のどちらかの側に環状の磁性
   流体貯蔵部を備え、これは、前記磁極片の各端部におけ
   る半径方向の間隙に一般的に隣接する各磁性流体キャビ
   ティに隣接し、この磁性流体キャビティは、磁性流体で
   満たされる環状の磁性流体貯蔵部を形成し、これによっ
   て過剰の磁性流体は保存の磁性流体として作用し、かっ
   この過剰の磁性流体はベアリングキャビティの膜部分の
   磁性流体と混ざり合う特許請求の範囲第１０項に記載の
   装置。 １２）前記ベアリング要素が前記ベアリング要素の面に
   浅い収集溝を備え、この溝は、ベアリング要素の中心に
   向かって内側へ磁性流体を押しやるようにシャフト要素
   の軸から角度的に心寄りしている特許請求の範囲第７項
   に記載の装置。 １３）前記収集溝が、前記ベアリングの各端部に向かっ
   て配置され、この溝は前記シャフトを周囲上でとり囲む
   特許請求の範囲第１２項に記載の装置。 １４）前記磁極片の他端部が、その他端部で非磁性ベア
   リング材料の薄い層を備え、乙の薄い層は磁極片の他端
   部で実質的に磁束に影響を与えるのに不十分である特許
   請求の範囲第７項に記載の装置。 １５）前記ベアリング要素が、前記シャフトの面と一般
   的に管状の薄い膜のベアリングキャビティを形成する円
   筒形要素である特許請求の範囲第７項に記載の装置。 １６）透磁性シャフトを備え、このシャフトは、特許請
   求の範囲第７項に記載の磁性流体シールベアリング装置
   内に配置されている磁性流体シールベアリングシステム
   。 １７）　ａ）回転自在の透磁性シャフト要素と、ｂ）シ
   ャフト要素をとり囲むと共に一端部及び他端部を有する
   環状の永久磁石と、 Ｃ）第１および第２の透磁性磁極片で、各磁極片の一端
   部は、それぞれ前記永久磁石の一端部および他端部と磁
   束関係であり、前記各磁極片の他端部は軸方向に離間さ
   れ、かつ前記磁極片の他端部の下に１つ以上の半径方向
   の間隙を形成するように、前記シャフト要素の面と近接
   して非接触関係に伸張する第１および第２の透磁性磁極
   片と、ｄ）前記第１と第２の磁極片との間に配置される
   非磁性のベアリング要素で、このベアリング要素の内面
   が、各磁極片の下の半径方向の間隙に伸張する流体膜ベ
   アリングキャビティを限定するように、シャフト要素の
   面と近接して非接触の膜ベアリング関係に伸張する、非
   磁性のベアリング要素と、 ｅ）前記磁極片と前記ベアリング要素の各端部との間に
   配置される一般的に環状の磁性流体貯蔵部を前記ベアリ
   ング要素の各端部で、限定するように、ベアリング要素
   の一端部あるいは他端部から各端部で離間される磁極片
   と、 ｆ）可変の磁束勾配を有する各磁極片の他端部で半径方
   向の間隙を限定するように、各磁極片の他端部で外側へ
   面取りされた外面を有する第１および第２の磁極片と、 ｇ）前記ベアリングキャビティ、前記磁性流体貯蔵部な
   らびに前記半径方向の間隙を充填する磁性流体で、この
   磁性流体は、シャフトに沿う縦方向に磁性流体の外側膨
   張を防止するために、各半径方向の間隙でシャフト要素
   の面まわりに磁性流体０−リングシールを形成する一方
   、ベアリング要素の各側の磁性流体貯蔵部の磁性流体が
   、保存の磁性流体として作用し、かつ磁性流体を冷却す
   るのを手助けするために、シャフトの作動中、ベアリン
   グキャビティ内にある磁性流体と混ざり合い、各磁極片
   の面取りされた端部は、０−リングシールの外側へ膨張
   することから磁性流体を保持するのを手助けする、磁性
   流体と、 を備えろ磁性流体シールベアリング装置およびシステム
   。 １８）　ａ）回転自在な透磁性シャフト要素と、ｂ）シ
   ャフト要素をとり囲むと共にラジアルベアリング面を形
   成する内部ラジアル面を有するハウジングと、 Ｃ）シャフトに固定されると共にラジアルベアリングキ
   ャビティを形成するハウジングの内部面から離間されて
   いる外部ラジアル面を有するカラー要素で、このカラー
   要素は、一般的に−シャフトの軸に垂直な面を有する一
   端部あるいは他端部を有するカラー要素と、 ｄ）下部ならびに上部の面をそれぞれ有し、カラー要素
   の一端部および他端部におけろ第１および第２のスラス
   トベアリング要素で、これらの面は、カラー要素ベアリ
   ング面の一端部および他端部での面で形成され、下部お
   よび上部のスラストベアリングキャビティはシャフト要
   素をとり囲む、第１および第２のスラストベアリング要
   素と、ｅ）第１および第２の磁性流体シール装置で、こ
   れらの各々はシャフト要素まわりの環状の永久磁石およ
   びシャフト要素の面と半径方向の間隙を形成する少なく
   とも１つの磁極片とを具備し、乙の第１および第２の磁
   性流体シール装置は第１および第２のベアリング要素に
   隣接する、第１および第２の磁性流体シール装置と、 ｆ）磁性潤滑剤として作用するためにラジアルおよびス
   ラストベアリングキャビティを満たすと共に、シャフト
   要素の面のまわりに少なくとも１つの下部および上部の
   Ｏ−リング磁性流体シールを形成する磁性流体シール装
   置の各半径方向の間隙に連続的に伸張して、動作中に、
   スラストおよびラジアルベアリングキャビティから磁性
   流体の縦方向外側の移動を防止する磁性流体と、を備え
   る磁性流体ソールのラジアル−スラストベアリング装置
   。 １９）　ａ）回転自在なシャフト要素まわりにベアリン
   グキャビティの磁性流体の薄い膜を形成することと、ｂ
   ）ベアリングキャビティから磁性流体の軸方向移動を防
   止するために磁性流体０−リングシールによってシャフ
   ト要素まわりのベアリングキャビティ内に磁性流体を保
   持することと、この磁性流体Ｏ−リングシールは磁束に
   よって所定位置に維持され、ベアリングキャビティ内の
   磁性流体は、実質的に磁束がないことを含む、回転自在
   なシャフト要素の磁性流体シールベアリング膜を与える
   方法。 ２０）前記ベアリングキャビティの中心に向かって内側
   へ磁性流体を押しやるために、ベアリングキャビティ内
   あるいはこのベアリングキャビティに隣接するシャフト
   上に収集溝を用いることを備える特許請求の範囲第１９
   項に記載の方法。 ２１）前記シャフトの回転中に、ベアリングキャピテイ
   の磁性流体と混ざり合うと共に保存用として作用する過
   剰の磁性流体を与えるために、１つあるいは他のもしく
   は両方の磁性流体０−リングシールに隣接する磁性流体
   を用いることを備える特許請求の範囲第１９項に記載の
   方法。 ２２）可変の磁束密度を有する磁性流体ｏ−リングシー
   ルを形成することを備える特許請求の範囲第１９項に記
   載の方法。 ２３）第１および第２の磁極片を用いることによって、
   ベアリングキャピテイの各端部で磁性流体Ｏ−リングシ
   ールを形成することと、磁極片の各端部の下に可変の磁
   束場を与えると共に磁性流体の膨張に対して磁極片の下
   に付加的な容積を与えるために磁性流体Ｑ　ｌングシー
   ルを形成する磁極片の外側縁を面取りすることとを備え
   る特許請求の範囲第２２項に記載の方法。