JPS61160672A

JPS61160672A - 磁性流体シ−ル装置およびシ−ル方法

Info

Publication number: JPS61160672A
Application number: JP60258798A
Authority: JP
Inventors: クルデイブ・ラジ
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1984-11-20
Filing date: 1985-11-20
Publication date: 1986-07-21
Also published as: EP0182656A3; EP0182656A2

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】これまで、磁性流体の回転遮断シールは、主に、コンピ
ュータ・ディスク・ドライブ・スピンドルに用いられて
、軸受潤滑剤、蒸気および空中の汚染物質が磁気ディス
ク領域に達するのを排除していた。典型的には、このシ
ールは、約３〜５インチの水柱の差圧容量を持つことが
必要とされている。２つの磁極片シールが、圧力および
、抗力トルクならびに寿命などのような適用の他の性能
の目的を達成するために用いられている。このシールは
、シャフトが所定位置にあるときに、頂部磁極片の空気
間隙に磁性流体を加えることによって、あるいは磁石領
域に磁性流体を加え、それからシャフトを挿入、すなわ
ち、自動作動化シールによって、作動化され得る。

第１の方法では、シールの半分だけが使用される。第２
の方法では、両方の磁極片が作動化され、このシールは
充分に使用される。

第１の方法は、間隙の磁性流体貯蔵量の正確なコントロ
ールを可能にするが、しかるに、第２の方法では、２つ
の磁極片間の磁性流体の分布は、一般的にコントロール
されない。

現存の磁性流体遮断シールは、多くの不利な点を有して
いる。これらの制限は、磁性流体がどのようにシールに
充填されるかには独立しているが、しかし、単一の磁極
の充填の例を用いることによって、最も良く記載され得
る。磁性流体が、体系的に磁極片に加えられるので、シ
ールの耐圧は、増加する。最大のシール耐圧を与える磁
性流体の量は、空気間隙量の約１．５倍である。磁性流
体の量をさらに増加しても、耐圧には利点がない。しか
し、この磁性流体の量が、シールに用いられると、磁性
流体は、分離する傾向があるということが見い出された
。ある条件下での、この分離は、シャフト回転時に・磁
性流体を用法キる・この磁性流体量を用いるときの第２
の問題点は、シール静的耐圧が時間と共に減少するとい
うことであり、したがって、シールは、通学の圧力を扱
うようにされてはいるが、梱包時、出荷時および他の環
境で、シール破損（バースティング）になりがちである
。

バースティングの間に追い出された磁性流体の小敵は、
システムの汚染になり、かつ動的条１件下で起こるから
しれない噴出になる。さて、磁性流体量が、間隙量の１
．５倍を越えて、増加されると、そこでは、シールの耐
圧に寄与しないが、時間と共に耐圧の変化が、一層ドラ
マチックでなくなる。磁性流体量が、間隙量の約２．５
倍以上であるとき、シールの耐圧は、時間と独立し、そ
して一層多くの流体量を有している場合には、耐圧は、
実際、時間と共に増加する。かくして、一層多くの磁性
流体量を用いることによって、時間と共に耐圧が減少す
るという問題を解決することができるが、一層多くの磁
性流体量は、一層多くの分離になる。一方、流体量を減
少することによって、分離の問題を解決することができ
る。予備実験は、間隙量の０．８倍に′相当する磁性流
体量に対し磁性流体の分離がないということを示したが
、この磁性流体量は、一層低いシール耐圧（最大値の０
．２倍）になる。さ、らに、時間と共に耐圧の減少は、
この一層少ない磁性流体貯蔵量では、一層ドラマチック
になり、そして、シール寿命は、また、減じられる。

先行技術では、テーパ状の、ナイフ状の磁極片端部は、
磁束を集中するために用いられており、特に、高いシー
ルの耐圧が望まれている多段シールに、である。例えば
、米国特許第３６２０５８４号は、多段の圧力タイプシ
ールにナイフ状磁極片縁部を用いて、磁束を集中してい
る。米国特許第３８４８８７９号は、明らかにテーパの
磁極片を有する液体−液体シールを持つ圧力空気キャビ
ティを必要としており、磁束を集中し、かつ磁性流体の
飛散に対し保護を与えている。ソ連特許第Ｂ８５７０　
　Ｄ１０９号も、また、高い耐圧を意図している多段磁
性流体シールに関し、かつ２重の磁石およびテーパの、
あるいは三角形状の磁極片を用いて、磁束を集中してい
る。ソ連特許第　０５２６４　　Ｄ／２８号は、磁石の
一端部がテーパにされた、２つの半径方向に極性化され
た磁石を用いている。

要するに、現在の磁性流体遮断シールは、例えば、耐圧
、時間と共に耐圧の変化、磁性流体の分離および寿命の
４つのパラメータ全てに関し、最適化され得ない。

この問題を解決する磁性流体シールを設計することおよ
び４つのパラメータ全ての最適化を同時に可能にするこ
とが望ましい。

本発明は、改良された磁性流体シール装置およびシール
の方法に関する。特に、本発明は、磁性流体回転遮断シ
ール装置およびコントロールされた勾配の磁束フィール
ドを用いている方法に関する。

本発明の磁性流体シール装置は、環状の永久磁石および
磁極片の端部を有する少なくとも１つの磁極片を備え、
これは、シールされるべき表面すなわち回転シャフトの
ようなシールされるべき表面、と半径方向間隙を形成し
て、コントロールされた、特に、半径方向間隙内の減じ
られた磁場勾配を与えるためのテーバ部あるいは段部す
なわち端部構造の形状を備えている。半径方向間隙内の
磁性流体表面が、大きな磁場勾配を経験しない半径方向
間隙の磁束フィールド勾配を変えることは、効果的な磁
性流体の　“スーパ”シールを与えるということが見い
出された。

磁極片の限定された段部あるいはテーパ部を作ることに
よって、空気間隙あるいは半径方向間隙内の磁束分布は
、磁性流体表面が、大きな磁場勾配を経験しないという
ような方法で、変えられるということが見い出された。

さらに、磁性流体表面は、標準のシールにおけるよりも
一層高い磁場内に位置される。かくして、磁性流体の分
離があったとしても、低い飽和磁化の流体は、境界部で
、漏洩あるいは浸出を許さない磁場によって強く、保持
それる。磁性流体は、一層小さい２つの間隙内に引き込
まれる傾向があり、ここでは、磁場が、最も強く、これ
は、漏洩になる傾向がある磁性流体の膨出の形成を防止
する。ある実施例では、各磁極片は、不等幅の２つの隣
接する重なりの磁極片および２つの良く限定された半径
方向間隙で構成され、複合タイプのシールを示している
ように、見え、これは、最小の粒子集中勾配を可能にし
、したがって、標準の先行技術のシール技術に存在する
何らかの欠点から、のがれて作動する。

本発明の磁性流体シール装置は、以下の要件の全てを同
時に満足するということが見い出され、これは、磁性流
体の粒子サイズに関する制限のため、現在では、現存の
技術に合致できない。すなわち、時間と共に静的な△Ｐ
に変化がないこと、回転シャフトの任意の方向に磁性流
体の分離がないこと、動的条件下で磁性流体の噴出がな
いこと、および充分なシール寿命である。

磁性流体シール装置および方法の１つの主な応用は、コ
ンピュータ・ディスク・ドライブ・スピンドル市場にお
いて、である。

磁性流体シール装置は、以下の点で、現在の磁性流体シ
ールにまさって、重要な利点を有している。すなわち、
このシールは最大耐圧を達成すること、耐圧が時間と共
に変化しないこと、シャフトの任意の方向に対して磁性
流体の分離がないこと、シャフトが回転された場合に磁
性流体の飛散がないこと、充分な磁性流体量がシールに
用いられて、寿命の要件に合うこと、このシールが単一
あるいは２重の磁極の充填モードに使用され得るいは技
術の・要件に一致する半径方向間隙を有する標準のもの
であり得るので、頂部の磁極片の形状だけが重要である
。また、このシールは、シャフトの軸受を介して完成さ
れる磁気回路を有する単一の磁極形状で組み立てられ得
る。

磁性流体の単一領域の磁気粒子は、ログ（ｌｏｇ）の通
常分布に従う。平均の磁気粒子径は、８０乃至１００人
の範囲である。

しかし、その大きさの分布は、約３０乃至２５０人の範
囲である。

遮断シールに存在するような外部磁場では、粒子は、そ
れらの体積すなわち最も高い磁場の方向の（径）３に比
例する力を受ける。

ここで、Ｆｍ＝粒子によって受ける磁力Ｍ＝粒子の飽和
磁化＝６０００ガウス △Ｈ＝Ｈｔ　　Ｉｌ＋、　　場の差 ■　＝粒子の体積Ｄ　＝粒子の径かくして、粒子は、磁極片の中央部に向かって、あるい
は最大磁場の磁束点に向かって流れる。この運動は、粒
子の粘性抗力によって対抗される。

Ｆｓ＝３πＤηＵここで　η＝媒質の粘性Ｕ＝粒子の端末速度平衡では、Ｆｍ＝Ｆｓこれは、以下によって与えられる分離の時間占鱈になる
。

ここで、Ｌ＝磁性流体の柱の長さ、上記の式は、磁性流体が分離するのにかかる時間は以下
のとおりであるということを示している。

すなわち、Ｌあるいは流体量に比例すること。粘性に比
例すること、すなわち一層高い粘性は分離するのに一層
長い時間がかかる。Ｄ２に反比例すること、すなわち、
一層小さい粒子サイズでもって合成された磁性流体は、
分離するのに長い時間がかかる。そして、磁場勾配に反
比例すること、すなわち、強い磁場勾配では、磁性流体
は、一層短い時間で分離する。

粒子拡散の式を考慮すると、以下のように、粒子サイズ
と磁性流体の安定性に対する磁場勾配との間の関係にな
る。

磁場勾配　磁性流体の安定性に必要な平均粒子径（Ｏｅ
／ｃｍ）　　　　　　　　　　　　　　　（人）ＩＸＩ
Ｏ’　　　　　　　　　　１２０２ｘｌＯ”　　　　　
　　　　　ｔｏ。

４ＸｌＯ”　　　　　　　　　　　８０ＩＸＩＯ’　　
　　　　　　　　　６０ＩＸＩＯ’　　　　　　　　　
　　２５かくして、８０人の粒子サイズを有する磁性流
体は、４　ｘ　１０４　Ｏｅ／ｃｍの磁場勾配で安定で
ある。

一層高い値の磁場勾配では、磁性流体は分離する。

現在の平均の遮断シールは、空気間隙で約５０００ガウ
スの磁束密度、０．００８インチ（０，０２０ｃｍ）の
空気間隙および０．０４０の磁極片幅を持って構成され
ている。空気間隙内の磁束密度は、磁極片の中心部から
磁場勾配の変化になる空気側および磁石側の縁部まで変
化する。半径方向間隙の中心部に近い磁気粒子は、最小
の磁力を受け、かつ間隙の外側縁部の粒子は、最大の力
を受け、これによって、磁性流体量は、分離現象におけ
る重要なパラメータであるということを証明している。

現在の磁性流体遮断シールに存在する最大の磁場勾配は
、約１０５０ｅ／ｃｍである。

現在の磁性流体は、１００人の平均粒子サイズで合成さ
れている。これらの粒子は、約２ＸＩＯ”Ｏｅ／ｃｍま
での磁場勾配で安定している。これは、磁性流体が遮断
シールで分離しているということを意味している。現在
の磁性流体遮断シールにおいて、磁性流体が安定である
ためには、平均粒子サイズは２５Å以下でなければなら
ない。他の可能性は、２　Ｘ　Ｉ　Ｏ２０ｅ／ｃｍより
も小さい磁場勾配を有する遮断シールを構成することで
ある。

しかし、そのような遮断シールは、非常に乏しい耐圧を
有し、磁性流体は、遠心効果のもとでは保持されない。

コンピュータ・ディスク・シャフト用の、この磁性流体
遮断シール構造は、磁場勾配を最小にし、かつ磁性流体
量をコントロールし、かつ４つの重要なパラメータ、例
えば、耐圧、時間と共に耐圧の変化、磁性流体の分離お
よび寿命、の中で最良のバランスを達成する。遮断シー
ルに関する何らかの磁場の問題は、多分、機械的な公差
およびシールの設置の誤りが、これらのパラメータのア
ンバランスになるという事実から生じる。

今日、現在の磁性流体合成方法で、平均粒子サイズに関
し達成され得る最も低いものは、約８０人である。磁性
流体シールは、約１０　’Ｏｅ／　ｃｍに対し、一層低
い磁場勾配で構成され得るが、しかし、これらのパラメ
ータの結合は、まだ、磁性流体の分離になる。２５人の
粒子サイズは、磁性流体の分離を生じないが、しかし、
それは、現在、得ることができないものであり、そのよ
うな小さな粒子サイズが当然に磁性であるかどうか疑問
である。

種々の磁極片形状がコントロールするために、すなわち
空気間隙あるいは半径方向間隙の磁場勾配を減じるため
に用いられ得る。このスーパシール装置の磁極片は、一
端部を有し、これは、空気間隙あるいはテーパ化された
半径方向間隙（あるいは対向するシャフトの表面）を形
成し、もしくは、対象あるいは非対象の段部で形成され
、磁場勾配を典型的には１０４Ｏｅ／ｃｍ以下、例えば
、約１０”Ｏｅ／ｃｍあるいはそれ以下に減じ、ここで
は、磁性流体は、約８０乃至１２０オングストロームの
平均粒子サイズを有している。本発明のスーパシールは
、典型的には、軸方向に極性化された環状の永久磁石、
例えば、約１．４ＸｌＯ＠ガウス−エルステッド（Ｇ　
−Ｏｅ）の磁気ガウスを有する３Ｍ社製のプラスティフ
オーム、および１つあるいは２つの環状磁極片を備え、
ここでは、２つの、すｈわち２重段の遮断シール装置が
、磁場勾配を減じるために変形された頂部の磁極片形状
だけに用いられている。一般的に、このシール装置は、
約３０乃至６０ミルの＠極片幅、２乃至１２ミルの半径
方向間隙、例えば、４−１０ミル、およびコンピュータ
・ディスク・ドライブ、繊維用スピンドルなどのような
回転シャフトと共に遮断シールとしてシールの使用に適
する、段部たり約１７２乃至２ｐｓｉの耐圧を有してい
る。

本発明のシール装置の中央および側部段部の磁極片なら
びにテーバの、すなわち台形状の端部磁極片は、これは
有限数の段部を構成している、シャフト要素の面と半径
方向のシール間隙１を与えて、少なくとも１つあるいは
２つの隣接する半径方向の空気間隙で、シール量の磁性
流体を保持している。シール半径方向間隙は、典型的に
は、約２カ）ら８ミルまで変化し、一方、半径方向の空
気間隙は、典型的には、１つ、２つの勾配段部において
、約４から１６ミルまでの範囲であり、例えば、８乃至
１４ミル、そして、一般的には、約１０４ガウス／ｃｍ
以下、すなわち、１０”−１０４ガウス／ｃｍの、シー
ルの半径方向間隙におけるシール磁性流体の自由面を横
切る、磁束場勾配を減じるためにシールの半径方向間隙
の約２から３倍までの範囲である。かくして、磁極片端
部の機械的構造は、一般的には、段部状の構造であり、
典型的には、１つあるいは２つもしくはテーパ端部ある
いは丸い端部であり、一連の有限の段部はシールおよび
空気間隙を与えるようにされている。シールの半径方向
間隙内に保持される磁性流体の量は、一般的に、シール
の間隙量の約１．５倍以上である。しかし、低い一つの
自由な面対面の勾配のために、磁性流体は、浸出するこ
となく、かつ充分な磁性流体量をもって保持され、その
結果、時間と共に静圧の変化は起こらない。

一つの実施例では限定された対称のテーバ磁極片が、各
側の外側に伸張する限定されたテーパを有して、＠極片
の中心部に磁束を集中するために用いられる。他の実施
例では、単一のあるいは多段の磁極片が用いられ得、こ
れは、実際的であり、かつ高価でない磁極片形状である
。というのは、そのような磁極片は、２つ以上の異なる
磁極片要素を一緒に固定することによって、容易に構成
され得るからである。

例えば、単一段の複合磁極片は、厚い磁極片および薄い
磁極片を型で打ち出すことにより、あるいは機械加工す
ることにより形成され得、それで磁極片は、かしめ操作
あるいは接着剤によって一緒に固定され、その際、底部
磁極片は一層厚い磁極片である。

用いられている磁性流体は、典型的には、ジエステルあ
るいはハイドロカーボンもしくは他の非揮発性の液体ベ
ースの磁性流体であり、これは、一般的に、約２００乃
至４００ガウスの磁化および約５０乃至４００　ｃｐｓ
の粘性を有している。

本発明は、ある図示的な実施例に関連してだけ図示のた
めに以下に記載されるが、しかし、種々の変形、変更お
よび改良が当業者によってなされ得るが、これら全ては
本発明の精神と範囲になるものであるということが理解
されよう。

第１図は、従来技術の標準の磁性流体遮断シール装置１
０の概略の図示的な断面図であり、これは、等しい幅で
、一般的には、約４０ミルの２つの磁極片１４と１６お
よび３Ｍ社製のプラスティフオーム磁石のような環状の
軸方向に極性化された永久磁石１２を備えており、その
際、永久磁石および磁極片は、ヒートシンクとして役立
つアルミ″ニウムのような非磁性ハウジング１８によっ
て取り囲まれている。このシール装置１０は、示すれて
いるように、２重段部の磁性流体遮断シールを透磁性回
転シャフト２０の面と共に与え、その際、磁極片１４と
１６の各端部は、約８ミルの半径方向間隙を有して、そ
の中に、ジエステルあるいはハイドロカーボンタイプの
磁性流体２２を含有してシールを行なっている。

第２図は、磁極片１４と１６の端部の下にある磁性流体
貯蔵量の関数として、第１図の磁性流体遮断シールの静
的耐圧のグラフ図である。図示の如く、最大耐圧は、磁
性流体量が、磁極片の端部の下にある空気間隙量の約１
１７２倍であるときに、得られる。

第３図は、磁性流体の自由面で、磁性流体内の一般的に
約１００オングストロームの磁性粒子が、磁界の最も強
い間隙の中心部に向かって移動するということを示して
いる第１図の標準の遮断シールから浸出の問題を示して
いる概略図である。自由面における磁性流体の減じられ
た磁性粒子の濃度は、これらの外面領域において、一層
低い磁化の磁性流体になり、これは、磁性の環状永久磁
石からの弱い縁の磁界によっては、もはや保持され得ず
、それ故、磁性流体の損失すなわち図示の如く磁性流体
の浸出になる。

第４図は、図示の如く、種々の磁性流体貯蔵量に対する
時間の関数として第１図のシールの静的なシール耐圧の
変化のグラフ図である。図示のように、ここで、磁性流
体貯蔵量が、１．５×半径方向間隙量であり、そのよう
なわずかな磁性流体貯蔵量に対し、時間と共に静的なシ
ール耐圧が、大きく減少するが、しかし、耐圧は、２４
時間たつと０．２×始めの値に減少する。図示のように
、磁性流体ｉ蔵置が、２．５×間隙量に増加すると、時
間と共に静的な耐圧に重要な変化はなく、かっ３Ｘ間隙
量では、耐圧は増加する。しかし、２．５および一層多
くの磁性流体貯蔵量では、第１図の標準の遮断シールは
、この磁性流体量を保持することができず、１．５の最
大量でさえ、重要な浸出がある。

第５図は、１つの磁極片の下にある空気間隙における第
１図のシールの磁束密度の変化のグラフ図であり、その
際、最大磁束密度は磁極片の中心部にあり、かつ磁束密
度は、空気側で０になり、かつ磁極片幅に沿う距離を有
する磁石側である有限の値になる。

第６図は、第１図のシールの空気間隙における磁場勾配
のグラフ図であり、その際、最大磁場は、図示の如く、
磁極片縁部に存在し、そして磁極片幅の中心部で最大で
ある。第１図のシールでは、空気間隙の最大磁束は、典
型的には３０００から１２．０００ガウスの範囲であり
、その際、磁場勾配は、１０４ガウス／ｃｍから１０”
ガウス／ｃｍの範囲である。

第７図は、本発明の磁性流体遮断シール４０の概略断面
図であり、これは、両側に、頂部の磁極片４２および底
部の磁極片４４を有し、かつ軸方向に極性化された環状
の永久磁石４６と磁束関係にあり、その際、磁極片およ
び磁石は、非磁性のハウジング４８によって取り囲まれ
、これは、ヒートシンクとして役立って、コンピュータ
・ディスク・ドライブの回転シャフトのような回転シャ
フト５０のための遮断シールを与える。各磁極片４２お
よび４４は、シャフト５０の表面と近接して非接触関係
に伸張する一端部を有しており、その際、磁極片は、図
示の如く、シャフトに向かって伸張する中央段部５４を
有して、約１２ミルの半径方向間隙である段部５４の両
側に、磁極片５２の端部に対し約６ミルの半径方向間隙
を形成する。第１図におけると同様に、軸方向に極性化
された永久磁石４６は、約１２０ミルの幅を有し、一方
、磁極片は、それぞれ、約６０ミルである。

第８図は、本発明の磁性流体遮断シール６０の他の実施
例の概略図断面図であり、これは、非磁性ハウジングで
ヒートシンク４８、軸方向に極性化された環状の永久磁
石４６、透磁性回転シャフト５０を取り囲む磁極片６８
と７０を示している。

磁極片６８と７０は、対称的なテーパの端部すなわち側
部６２を有する台形状の端部、回転シャフト５０の表面
と約６ミルの半径方向間隙を形成する平面図６４を有し
、一方、テーパの側部６２は、６ミルの半径方向間隙か
ら伸張し、外側縁部で、１２ミルの半径方向間隙を形成
し、その際、磁性流体は、磁性的に、図示の如く、６ミ
ルの半径方向間隙に保持される。テーパの磁極片構造は
、磁場が、小さな６ミルの間隙から大きな１２ミルの半
径方向間隙まで、ゆっくりと変化するということを示し
ており、かくして、磁極片の幅を横切る小さな磁場勾配
になり、その際、磁極片の縁部における実質的な磁束密
度は、間隙内に磁性流体を保持する。

第９図は、環状の永久磁石４６および磁極片８２と８４
を有する非磁性ハウジング４８内の、本発明による磁性
流体遮断シールの他の実施例の概略断面図であり、磁極
片は、側部の段部の磁極片構造を有している。各磁極片
の段部８８は、伸張して回転シャフト５０の表面で、約
６ミルの半径方向間隙を形成し、その際、磁極片８６の
他端部は、約１２ミルの半径方向間隙を形成し、かつ磁
性流体は、６ミルの半径方向間隙内に保持されて、磁性
流体遮断シールを形成する。

磁極片８２と８４が図示され、かつ点線によって切断さ
れている。そのような磁極片は、複合の磁極片であり得
、つまり、−緒に固定された２つの磁極片で形成され得
るか、ある゛いは単一の磁極片であり得る。

第７図、第８図および第９図に示されているように、本
発明による磁性流体スーパシール装置では、両方の磁極
片は、特別の中央段部、側部段部あるいはテーパの磁極
片構造として示されており、つまり、２重段のシールが
示されている。しかし、単一、中央段部、側部段部、あ
るいはテーパの磁極片が、環状の永久磁石と共に用いら
れて、単一段の磁性流体遮断シールを形成するというこ
とは、例えば、１９８３年１０月４日に発行された米国
特許第４４０７５０８号に示されているように、本発明
の範囲内であるということが理解されよう。

さらに、２重段の遮断シールが所望されるところでは、
唯一つの磁極片が、特に低い磁場勾配構造を持って、必
要であり、その際、他方の磁極片は、例えば、第１図の
標準の遮断シールに示されているように、標準の磁極片
である。というのは、低い磁場勾配の磁極片構造が、頂
部あるいは保護されない環境にすぐ隣接するところで、
ただ単に、単独で用いられ得るからである。図示されて
いる実施例は、遮断シールに対して示されており、ここ
では、シールの耐圧は、高くされており、つまり、一般
的に、５インチ以上の水柱であり、典型的には、軸方向
に極性化された環状の永久磁石との組合せにおいて、１
／２から２ｐｓｉまでの範囲である。中央段部、側部段
部あるいはテーパの、もしくは他の磁極片の組合せおよ
び構造は、磁極片の端部を横切る磁場勾配を最小にする
ようにされており、したがって、磁性流体の分離、磁性
流体の飛散あるいは浸出を最小にして、時間に伴う耐圧
の何らかの変化を最小にする。

第１０図から第１３図は、インチの水柱における、時間
に伴う耐圧の変化のグラフ図であり、その際、第１図お
よび第７図から第９図までに示されている磁性流体遮断
シールに対して実際にテストされる空気間隙内に種々の
磁性流体貯蔵量を有している。第１０図に示されている
ように、耐圧が、時間と共に変化しないのは、空気間隙
内の磁性流体貯蔵量が、少なくとも１４０マイクロリッ
トルに達したときであり、一方、一層少ない磁性流体貯
蔵量では、時間と共に耐圧の減少があり、１００マイク
ロリットル以下の量では、非常に大きな減少がある。

第１図のシールを有する第１０図に示されているように
、１４０マイクロリットルの磁性流体貯蔵量を有する、
水柱７０インチの耐圧は、シール寿命時間耐圧を与え、
これは、少なくとも、３０時間以上の間、本質的に変化
しない。

第１１図は、グラフ図で、ここでは、頂部の磁極だけに
加えられる磁性流体を有する第７図の頂部磁極要素４２
の耐圧は、空気間隙内の磁性流体量の変化量に関する時
間で決められる。図示の如く、５０マイクロリットルの
磁性流体だけが、時間に伴う比較的一定な耐圧を与える
。このシールの耐圧は、標準のシールの７０インチの水
柱と比較して、３３インチの水柱であるが、遮断シール
では、耐圧、の量は、通常、重要な構造上のパラメータ
ではない。

第１２図は、磁性流体量の変化量に関する時間に伴う耐
圧のグラフ図を表わしており、その際、磁性流体は、頂
部の磁極片だけに加えられ、それは、第８図の６２であ
る。この第１２図は、第８図のスーパシールのテーパの
シール構造に関し、４５インチの水柱の一定な耐圧を与
えるのに５０マイクロリットルの磁性流体だけが必要と
されるということを示している。

第１３図は、時間に伴う、すなわち第９図のスーパシー
ルの項部磁極片だけに加えられる種々の磁性流体の量に
伴う耐圧のグラフ図であり、すなわち、それは第１３図
のデータによって示される攪合の磁極片あるいは側部段
部の磁極片である。

比較的一定な耐圧は、空気間隙内の４０マイクロリット
ルだけで得られ、その際、約２フインチの耐圧を有し、
一方、空気間隙内の一層高い、５０および６０マイクロ
リットルの磁性流体貯蔵量では、耐圧は、実際、時間と
共に増加する。

かくして、このスーパシールの磁極片構ｉｔ　ｆ）　変
形を用いることによって、磁場あるいは勾配が、テーパ
の磁極片構造、側部段部の磁極片構造、あるいは中央段
部の磁極片構造もしくは他の同様な磁極片構造を有する
空気間隙あるいは半径方向間隙を横切って、減じられて
、磁場勾配を典型的には、１０４ガウス／ｃｍ以下に減
じる。効果的な遮断タイプのシールが提供され、ここで
は、耐圧が、時間と共に大きく変化せず、かつ、使用さ
れる磁性流体が少なく、かっこのことは、磁性流体の浸
出の問題および第１図に示される先行技術の遮断シール
に伴う他の問題を防いでいる。

本発明の磁性流体スーパ遮断シールおよび磁場勾配を減
じることによってそのようなシールを与える方法は、遮
断シールとして、特に有用であり、ここで、このシール
の耐圧は、重要な構造上の因子ではなく、かつ漂阜の遮
断シール、よりも、わずかに低い耐圧が許容され、特に
、繊維スピンドル、コンピュータ・ディスク・ドライブ
・スピンドル、および他の回転シャフトの適用において
であり、ここでは、例えば、５インチ乃至約５０インチ
の水柱の比較的適度な耐圧における時間に対する安定な
耐圧が用いられ得る。かくして、安定な耐圧を得るため
に、標準のシールに求められる１　　１／２倍以上の磁
性流体の使用に伴う問題は、浸出の問題と共に避けられ
、かつ改良された磁性流体スーパ遮断シールおよび方法
が与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、先行技術の磁性流体遮断シールの断面図。第２図は、磁性流体貯蔵量を有する第１図のシールの静
的耐圧のグラフ図。第３図は、磁性流体が浸出している第１図のシールの概
略図。第４図は、変化する磁性流体シール貯蔵量に対する時間
に伴う第１図のシールの静的シール耐圧における変化の
グラフ図。第・５図は、磁極片端部に沿う距離に伴う第１図のシー
ルの磁束密度の変化のグラフ図。第６図は、磁極片幅に沿う距離に伴う第１図のシールの
空気間隙内の磁場勾配のグラフ図。第７図は、段部磁極片構造を有する、本発明の磁性流体
スーパシール装置。第８図は、テーパの磁極片構造を有する本発明の磁性流
体スーパシールの他の実施例。第９図は側部段部磁極片構造を有する、本発明。の磁性流体スーパシールの他の実施例。第１Ｏ図は、磁性流体貯蔵量の変化量に関する時間に伴
う第１図のシールの静的な耐圧における変化のグラフ図
。第１１図、第１２図および第１３図は、変化する磁性流
体貯蔵量に対する時間に伴う、それぞれ第７図、第８図
および第９図に示されている、本発明の磁性流体スーパ
シールの静的な耐圧における変化のグラフ図である。ｔｏ、４０．６０・・・磁性流体遮断シール１２．４６
・・・永久磁石１４．１６，４２．４４，５２．６ｇ、７０，８２，８
４．８６・・・磁極片１８．４８・・・ハウジング２０．５０・・・回転シャフト２２・・・磁性流体５４・・・中央段部６２・・・側部６４・・・平面部８８・・・段部

Claims

【特許請求の範囲】１）磁性流体遮断シール装置であって、このシール装置
は、ａ）シールされるべき回転シャフト要素を取り囲むよう
にされた環状の永久磁石と、ｂ）一端部および他端部を有する第１の磁極片要素で、
一端は前記永久磁石と磁束関係にあり、端端は、シール
されるべきシャフト要素の表面と近接して、非接触関係
に伸張するようにされる、第１の磁極片要素と、ｃ）前記他端部は、段部状端部手段を有して、これは、
磁束によってシール間隙内の磁性流体のシール量を保持
するために端部手段とシャフト要素の表面との間に第１
の半径方向のシール間隙および端部手段の他端部とシャ
フト要素の表面との間に第２の半径方向空気間隙を与え
、この第２の半径方向空気間隙は、第１の半径方向のシ
ール間隙の少なくとも一側にあり、端部手段は、約１０
＾４ガウス／ｃｍ以下のシール間隙内に保持される磁性
流体の自由表面を横切る磁束勾配を与えて、時間と共に
変化しない静的な圧力を有する磁性流体シールを与えて
なるシール装置。２）前記第１の半径方向シール間隙の範囲は、約２乃至
８ミルであり、前記第２の半径方向の空気間隙は、約４
から１６ミルまでの範囲である、特許請求の範囲第１項
に記載のシール装置。３）前記第２の半径方向の空気間隙は、前記第１の半径
方向のシール間隙の約２乃至３倍の範囲である、特許請
求の範囲第１項に記載のシール装置。４）前記第１の半径方向のシール間隙内の磁性流体の自
由面を横切る磁束勾配は、約１０＾３ガウス／ｃｍより
も少ない、特許請求の範囲第１項に記載のシール装置。５）前記第１項の半径方向のシール間隙内に保持される
磁性流体の量は、約４０乃至６０マイクロリットルの範
囲である、特許請求の範囲第１項に記載のシール装置。６）前記シール装置の静的な耐圧は、第１の磁極片に対
し約１／２乃至２ｐｓｉの範囲である、特許請求の範囲
第１項に記載のシール装置。７）第２の磁極片要素を備え、この磁極片は、一端部お
よび他端部を有し、この一端部は環状の永久磁石の相対
する端部と磁束関係にあり、かつ他端部は、シールされ
るべき回転シャフト要素の表面と近接して、非接触関係
に伸張し、それと半径方向間隙を形成し、これによって
、磁性流体は、第２の磁極片要素の下の半径方向間隙内
に保持されて、回転シャフト要素の表面とでシールを与
える、特許請求の範囲第１項に記載のシール装置。８）回転シャフト要素を備えると共に第１の半径方向の
シール間隙内に保持される磁性流体のシール量を備えて
、回転シャフト要素の表面まわりの表面を横切るシール
を行う、特許請求の範囲第１項に記載のシール装置。９）シールされるべき回転シャフト要素を備え、かつ第
１および第２の磁極片の下の半径方向間隙およびシール
間隙にさらされる磁性流体のシール量を備える、特許請
求の範囲第７項に記載のシール装置。１０）前記第１の磁極片要素は、他端部で、一般に中央
に伸張する段部要素を備えて、第１の半径方向のシール
間隙を形成し、ここでは、第２および第３の半径方向の
空気間隙が、半径方向のシール間隙の両側に形成される
、特許請求の範囲第１項に記載のシール装置。１１）前記段部要素は、一般的に矩形の段部要素を備え
、その際、段部要素の端部は、一般的にシャフト要素の
表面の軸に平行であり、ここでは、段部要素の両側の磁
極片の他端部は、一般的に磁極片の表面の軸と平行であ
り、かつ第２および第３の半径方向の空気間隙は、第１
の半径方向のシール間隙の２乃至３倍である、特許請求
の範囲第１０項に記載のシール装置。１２）前記第１の磁極片手段の他端部が、台形状形状の
テーパの磁極片を備えて、半径方向のシール間隙および
限定されたテーパの半径方向の空気間隙を、半径方向の
シール間隙の両側に画成する、特許請求の範囲第１項に
記載のシール装置。１３）前記第１の磁極片要素は、この第１の磁極片要素
の他端部で、側部段部要素を備え、この側部段部要素は
、側部段部要素の一側に隣接する半径方向の空気間隙を
有する、第１の半径方向のシール間隙を与える。特許請
求の範囲第１項に記載のシール装置。１４）前記側部段部要素は、一般的に回転シャフト要素
の軸と平行な他端部を有し、かつ第１の磁極片の他端部
段部部分も、また、一般的に回転シャフト要素の面と平
行であり、かつ側部段部要素の半径方向のシール間隙の
２乃至３倍の半径方向の空気間隙を有する、特許請求の
範囲第１３項に記載のシール装置。１５）前記側部段部要素を含む前記第１の磁極片が、側
部段部要素を画成する磁極片およびそれに固定されて側
部段部磁極片の側部段部部分を形成する他の磁極片要素
を備える、特許請求の範囲第１４項に記載のシール装置
。１６）前記磁極片要素の厚さが、約２０乃至４０ミルの
範囲であり、かつ前記環状の永久磁石の厚さが、約８０
乃至１５０ミルの範囲である、特許請求の範囲第１項に
記載のシール装置。１７）磁性流体遮断シール装置であって、このシール装
置は、時間に伴う耐圧に変化がなく、かつこのシール装
置は、ａ）シールされるべき回転シャフト要素を取り囲むよう
にされた環状の軸方向に極性化された永久磁石と、ｂ）第１および第２の磁極片要素で、それぞれは、一端
部および他端部を有し、第１および第２の磁極片要素の
一端部は、それぞれ環状永久磁石と磁束関係にあり、各
磁極片要素の他端部は、シールされるべき回転シャフト
要素の表面と近接して、非接触関係に伸張するようにさ
れている、第１および第２の磁極片要素と、ｃ）前記第２の磁極片の他端部は、シャフト要素の表面
と半径方向間隙を形成し、かつ前記第１の磁極片の他端
部は、第１の磁極手段の他端部で段部あるいはテーパの
構造を与える、すなわち画成する段階状の端部手段を有
して、シャフト要素の表面と第１の半径方向のシール間
隙を形成し、半径方向のシール間隙内に磁性流体のシー
ル量を保持すると共に少なくとも１つの隣接する半径方
向の空気間隙を形成し、この空気間隙は、前記半径方向
のシール間隙の約２乃至３倍の範囲であり、ｄ）２重段
部の回転シャフトシールを形成するために、前記第２の
磁極片の下の半径方向間隙内および前記第１の磁極片の
端部手段の下の半径方向のシール間隙内に配置される磁
性流体で、この第１の磁極片の端部手段は、約１０＾４
ガウス／ｃｍ以下の半径方向のシール間隙内に保持され
る磁性流体の自由面を横切る磁束勾配を与える、磁性流
体とを備えるシール装置。１８）前記第１あるいは第２の磁極片の少なくとも１つ
が、他端部で、回転シャフト要素の表面に向かって伸張
する矩形の中央段部の中央段部構造を備えて、第１の半
径方向のシール間隙を形成する、特許請求の範囲第１７
項に記載のシール装置。１９）前記第１あるいは第２の磁極片は、側部段部を、
他端部手段に備え、この側部段部要素は、シャフトの表
面に向かって伸張し、かつ第１の半径方向のシール間隙
を形成する、特許請求の範囲第１７項に記載のシール装
置。２０）台形状のテーパの他端部を備える第１および第２
の磁極片に他端部手段を備えて、半径方向のシール間隙
の両側に、変化するテーパの半径方向の空気間隙と共に
第１の半径方向のシール間隙を与える、特許請求の範囲
第１７項に記載のシール装置。２１）前記シール装置を通る回転シャフト要素を備え、
前記第１および第２の磁極片の下の半径方向間隙内の磁
性流体が、回転シャフト要素の表面まわりに２重段部の
遮断シールを形成する、特許請求の範囲第１７項に記載
のシール装置。２２）回転シャフトの表面まわりに磁性流体遮断シール
を与える方法であって、この磁性流体シールは、時間に
伴う耐圧の変化がなく、かつこの方法は、半径方向のシ
ール間隙および一層大きな隣接する半径方向の空気間隙
を、磁極片の一端部に、シールされるべき回転シャフト
の表面と共に形成することと、半径方向のシール間隙内
に、０リング磁性流体シールを形成する磁性流体のシー
ル量の決められた量を保持することと、約１０＾４ガウ
ス／ｃｍ以下の半径方向のシール間隙内の磁性流体の自
由表面を横切る磁束勾配を維持することとを備える、回
転シャフトの表面まわりに磁性流体遮断シールを与える
方法。２３）前記半径方向の空気間隙は、前記半径方向のシー
ル間隙の長さの２乃至３倍の範囲である、特許請求の範
囲第２２項に記載の方法。２４）前記半径方向のシール間隙は、約２乃至８ミルの
範囲であり、隣接する半径方向の空気間隙は、約４乃至
１６ミルの範囲である、特許請求の範囲第２２項に記載
の方法。２５）前記半径方向のシール間隙の磁性流体量は、約４
０乃至６０マイクロリットルの範囲である、特許請求の
範囲第２２項に記載の方法。２６）前記半径方向のシール間隙内の磁場は、約３００
０乃至１２，０００ガウスの範囲である、特許請求の範
囲第２２項に記載の方法。２７）前記半径方向のシール間隙および隣接する半径方
向の空気間隙が、その中に矩形の段部構造を備える磁極
片の一端部を用いて、形成されている、特許請求の範囲
第２２項に記載の方法。２８）前記磁極片の端部における矩形の段部構造が、中
央の段部構造を備える、特許請求の範囲第２７項に記載
の方法。２９）前記矩形の段部構造が、側部段部構造を備える、
特許請求の範囲第２７項に記載の方法。３０）前記矩形の段部構造が、台形状のテーパ構造を備
える、特許請求の範囲第２７項に記載の方法。３１）回転シャフト要素を備え、かつ、ここで、この回
転シャフト要素が、コンピュータ・ディスク・ドライブ
の回転シャフトを備えている、特許請求の範囲第１項に
記載のシール装置。